JP2001523577A - 熱交換器の組立方法 - Google Patents
熱交換器の組立方法Info
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Abstract
Description
改良方法に関するものである。さらに詳細には、本発明は、管およびフィンを機
械的に結合させ、この場合に、管通路内に貫入することなく縦方向圧縮により管
が変形され、これにより管を半径方向外方に拡大させて、管に装着されたフィン
および任意の他の部品と係合させるための改良方法に関するものである。
スミッションおよび油圧液を冷却するためのラジエータ、空調システムに使用さ
れるコンデンサおよびエバポレータ、およびヒータの形で広く使用されている。
それらの最も単純な形において、熱交換器は1つまたは複数の通路を含み、この
通路内を流体が流れ、その間に通路の周囲の環境と熱を交換する。環境と流体と
の間の熱伝達のために利用可能な表面積の広さをできるだけ最大にするために、
熱交換器の設計は、典型的には、フィンと熱的に連絡する多数の管を含む、管お
よびフィン・タイプである。フィンは、流体から環境へ、またはその逆方向へ熱
を伝達するための熱交換器の能力を向上させる。従来技術において種々の熱交換
器設計が既知である。設計の変更態様は、流体通路が構成され且つフィンのタイ
プが使用される方法を含む。例えば、通路は、曲がりくねって熱交換器を横断す
る1本以上の蛇行管で構成されてもよく、または一対のヘッダに、またはヘッダ
間に結合され、典型的にはろう付された、平行に分離された多数の管からなって
いてもよい。フィンは、その中に管が挿入される穴を有するパネルの形に、また
は管の隣接対の間に位置決めされるセンター部分の形に形成されてもよい。
を結合することにより製造される。機械的拡大技術は、熱交換器の部品の機械的
結合のみに依存して熱交換器の一体性を確保する。機械的拡大技術の利点は、良
好な機械的強度および加熱作業を必要とする結合作業の回避を含む。機械的に結
合された管およびフィンの熱的性能は、管とフィンとの間の適切な接触に依存し
ている。したがって、機械的拡大技術における改良は、しばしば、管とフィンと
の結合部の均一性および一体性が改良される方法に向けられてきた。通常の機械
的拡大方法は、一般に、外部作業および内部作業に分類することができる。内部
拡大技術は、典型的には、マンドレルまたはブレットのような拡管工具を管内に
圧入したり、または管に油圧による内圧を与えることを必要とする。これらの方
法は、管の壁部を外方に押し拡げてフィンと係合させる。これに対して、外部拡
大技術は、一般に、管に衝撃またはプレス力を与えてフィンと係合させる工具を
用いて管を変形させることを必要とする。内部拡大方法は、結合力の向上および
熱伝達抵抗の低下を特徴とするが、管内に工具を挿入したりまたは流体を供給し
たりすることは、概して管内に汚染物質を導く可能性があり、これにより形成後
のクリーニング作業を必要とするという観点から好ましくない。さらに、従来技
術による管の壁部を変形させる方法は、肉厚を極めて薄くさせ、したがって強度
を低下させる可能性を高くする。最後に、内部拡大方法は蛇行管を用いて形成さ
れた熱交換器に使用するには適切ではない。これに対して、外部拡大方法は、一
般に、管の外周全体に、均一な管とフィンとの接触を与えることができない。
法が利用可能であれば有利であることが明らかである。このような方法は、内部
拡大方法に匹敵する結合強度を形成することが好ましいが、汚染および肉厚低下
の可能性を含む内部拡大方法の欠点を回避するために、完全に外部拡大技術に依
存している。好ましい技術は、蛇行管形状を含む熱交換器設計に使用するのにも
極めて適している。
テムに使用されるコンデンサまたはエバポレータ、パワー・ステアリング液、自
動および手動トランスミッション液のためのオイル・クーラー、空気および油圧
システムの液のためのアフタ・クーラー、またはヒータとして使用するのに適し
た熱交換器ユニットを組み立てるための方法が提供される。本方法は、新規な拡
大技術を含み、この拡大技術は、管通路内への物理的挿入を必要とすることなく
、熱交換器の管とフィンとの間の増大された機械的結合強度および金属管接触を
示す、管とフィンとの結合を形成する。したがって、本発明の方法は、内部拡大
技術の欠点を回避し、従来の外部拡大技術に対する著しい改善を提供する。
てるための多数のフィンを形成することを含む。数対の管部分がベンド(180
°曲管)またはエルボ(90°曲管)により結合されて蛇行管形状を形成しても
よい。フィンの各々は、フィンが、それと組み立てられる各管を受け入れるため
の1つ以上の穴を含むように形成されている。次に、フィンは、フィン・パック
即ちほぼ平行なフィンの配列を形成するように配置され、この場合に、フィンの
穴は芯出しされてフィン・パックを貫通する集合通路を形成する。次に、管部分
が集合通路内に挿入され、この場合に、ベンドまたはエルボ(存在する場合)は
フィン・パックの外側に残されている。最後に、管部分に対し縦方向に力を与え
ることにより、管部分は拡大されてそれぞれのフィンと接触し、且つそれぞれの
フィンと機械的に固定される。さらに詳細には、管部分の端部に固定具が装着さ
れ、縦方向力は固定具を介して与えられ、これにより管部分を半径方向外方に膨
出させて管部分とフィンとの間に締まりばめを形成する。管部分の半径方向膨出
により、管に結合すべき任意のブラケットまたはその他の部品を同時に固定して
もよい。
がわかり、したがって各管部分とそのフィンとの間に均一な締まりばめが形成さ
れ、これによりそれらの間の熱伝達を向上させることがわかった。必要な縦方向
力は、管部分のみが変形されるように容易に制御できることが有利であり、この
場合に、フィンおよび部品を係合させるために必要な膨出を超える、管部分のい
かなる膨出部も、フィンの間の管部分の領域内に限定され、このことは、得られ
た管およびフィン組立体の構造的一体性をさらに向上させる。圧縮力が使用され
るので、管部分内に肉厚減少は発生しない。これに対し、肉厚増加が発生するこ
とがある。
、複雑でない作業で実行させることを可能にする。ある用途に対しては、管をフ
ィン・パック内に挿入するのに使用される固定具を、管を拡大するために縦方向
圧縮力を与える固定具として使用することもまた可能である。本発明の方法は、
適切な結合強度および一体性を達成するために使用される、内部拡大技術および
ろう付作業のような従来技術による組立方法に比較して著しく簡単にされている
。さらに、本発明の方法は、連続蛇行管にフィンを固定するために使用可能であ
り、この場合に、管部分およびベンドまたはエルボが、フィン・パック内を貫通
する一体形成流体通路の部分であり、しかも各管部分が個々にフィン・パック内
のフィンの各々に固定され、これにより熱交換器に高い機械的一体性を与えるこ
とができる。単一連続蛇行管の使用は、平行に配置された多数の管部分に機械的
または冶金的に結合されなければならない多数のベンドまたはエルボおよび継手
を必要とする従来技術により組み立てられた蛇行管に比較して、組立を簡単にし
ている。本発明の他の利点は、内部拡大工具を使用する従来の方法に対して、上
記の結合技術により、管内の乱流発生部および内面形状部(例えば螺旋溝付管)
が損傷されないことである。最後に、本発明は、ろう付熱交換器に対して必要な
工程および機器を使用することなく、優れた管とフィンとの結合を達成させる。
図1ないし4に示され、この方法により組立可能な熱交換器10、12および1
4の例が図5ないし7にそれぞれ示されている。図示のように、熱交換器10は
コンデンサまたはエバポレータとして形成され、熱交換器12は自動車のオイル
・クーラーとして形成され、および熱交換器14はオフロード即ち移動式熱交換
器として形成されている。図5および6の熱交換器は概してそれぞれ蛇行管16
および18を特徴とし、蛇行管16および18の各々は、ほぼ平行な多数のフィ
ン24からなるそれぞれフィン・パック20および22内に配置されている。管
16および18は、相互に対をなし且つベンド28により結合されて示されてい
るほぼ平行な多数の管部分26を形成し、この場合に、管部分26の端部に装着
(例えばろう付またははんだ付け)されたエルボの使用もまた本発明の範囲内で
ある。図7の熱交換器14は一対のマニホルド32の間に平行に接続された管3
0を特徴としている。図5および6の熱交換器10および12と同様に、図7に
示す熱交換器14の管30はほぼ平行なフィン36からなるフィン・パック34
内に配置されている。管16、18および30は各々円形断面を有するように示
されているが、他の断面形状が使用可能であることが考えられる。管16、18
および30およびフィン24および36は銅およびアルミニウム合金のような任
意の適切な材料から形成可能であるが、必ずしもこれに限定されない。管16、
18および30は押出成形されてもよく、この場合に、蛇行管16および18は
、適切な曲げ技術を用いて、希望の蛇行管形状をなすように、連続的に形成され
る。フィン24および26は、スタンプ加工または任意の適切な技術により形成
してもよい。
部拡大方法を説明するが、当業者には、本発明の教示が、外観が著しく異なる熱
交換器ユニットに対しても適用可能であることがわかるであろう。例えば、図5
および6には単一の蛇行管のみが示されているが、種々のパターン(食い違いま
たはインライン)の多重蛇行管がこれらの熱交換器10および12の構造内で使
用されてもよい。さらに、熱交換器10、12および14は単列の管からなるよ
うに示されているが、任意の数の管列および管コラムが使用されてもよい。
立て且つ機械的に結合するときに使用される方法および固定具を示す。しかしな
がら、図1ないし4に示す固定具および方法は、図5の蛇行管およびフィン組立
体、および図7の熱交換器14により要求される平行管およびフィン組立体にも
、また適用可能であり、この場合に、図7の熱交換器14に対しては固定具に多
少の修正が必要とされる。各々の場合において、管の直線部分(図5および6の
管部分26および図7の管30)は、それぞれのフィン24および36内に形成
された穴内に受け入れられる。穴の輪郭は、管即ち円形管部分26の断面に対応
し、管30は直径が僅かに大きい円形形状穴内に挿入される。本発明により、穴
はその中に受け入れられる管より約5%以内で大きい直径を有することが好まし
いが、異なる隙間が使用されることもまた予想される。ある実施態様においては
、約0.373ないし約0.375インチ(約9.47ないし約9.53mm)
の直径を有する管が、約0.375ないし約0.377インチ(約9.53ない
し約9.58mm)の直径を有する穴内に組み立てられ、このとき隙間は約0.
000ないし約0.004インチ(約0.1mm以下)である。
管18およびフィン24が示されている。フィン・パック22から伸長する管1
8の両側端部と係合する前の、一対の掴み固定具38および40が示されている
。各固定具38および40は、キャビティー(空洞)42および44を有する2
つの半部分から構成され、半部分が相互に締め付けられたときに、管18の隣接
端部がキャビティー42および44内に係合する。固定具38内のキャビティー
42は、管18のベンド28を受け入れるためのベンド46を含む。図1ないし
4に示す実施態様において、掴み作用を与えるように、各キャビティー42およ
び44の直径が管18およびベンド28の直径より僅かに小さいことが好ましい
。典型的には図7に示すタイプの熱交換器の場合のように、フィン・パックの外
側で管の僅かな部分のみがアクセス可能な場合、キャビティー42および44は
、管を掴む代わりに、管端部に対する当接面を与えるように修正されることが好
ましい。したがって、本発明と共に使用するのに適した固定具は、希望の縦方向
力が与えられる間、管を安定させるために、管を掴み、管と当接し、またはこれ
らを組み合わせるように形成されていてもよい。
付けられる固定具38および40を示し、図3および4は、固定具38および4
0に縦方向力を与え、これにより固定具38および40の間で管部分26に縦方
向圧縮を形成させたのちの、同じ装置を示す。この結果、管部分26の長さに沿
って管部分26の半径方向拡大が形成され、これにより、管部分26が拡大して
フィン24の各々と係合し且つ機械的に結合する。縦方向圧縮はまた、固定具3
8および40とフィン・パック22との間の管18内に半径方向膨出部48およ
び50を形成させる。フィン24は、それらの穴内で発生する拡大の量を制限し
、この場合に、管部分26がさらに変形されて、隣接する一対のフィン24の各
々の間で管部分26の半径方向膨出を形成する。同様に、図4に、拡大操作によ
るブラケット52の管18への固定が示されている。ブラケット52はフィン・
パック22の外側で管18に固定されているように示されているが、本発明の方
法は、ブラケット52およびその他の部品を、フィン・パック22内の管部分2
6に固定することも可能にする。
縮の量は、一部、管18およびフィン24の使用材料および寸法に依存する。実
際に、約6.5インチ(約16.5cm)の長さおよび約0.375インチ(約
9.5mm)の直径を有するアルミニウム管は、上記の範囲の穴寸法を有するフ
ィン36と、約0.375インチ(約9.5mm)の管に縦方向圧縮力を与える
ことにより確実に組み立てることができる。
と組み立て、それに続いて本発明の方法により管30およびフィン36を機械的
に結合するための適切な技術が示されている。管30の一方の端部が、膨出部5
0がマニホルド32の外部と当接するまでマニホルド32の穴内に挿入されてい
るところが示されている。次に、管30はマニホルドにはんだ付けされ、はんだ
付け継手54を形成し、はんだ付け継手54の漏れ抵抗は、管30内に膨出部5
0が存在することにより向上される。図9は代替態様を示し、この代替態様にお
いては、管30の端部に一対の膨出部50が形成され、これにより、穴を形成す
るマニホルド32の壁を受け入れる環状溝56を形成する。同様に、はんだ付け
が使用され、これによりはんだ付け継手54を完成させる。
ることは当業者には明らかである。例えば、上記以外の種々の材料が使用されて
もよく、固定具、管およびフィンが上記とは異なる形状を有していても、本発明
の利点を達成することができる。
管およびフィン組立体および前記組立体の管端部のための固定具の側面図を示す
。
を示す。
形成し、これにより管およびフィンを機械的に結合させたのちの、図1の管およ
びフィン組立体の平面図を示す。
形成し、これにより管およびフィンを機械的に結合させたのちの、図1の管およ
びフィン組立体の側面図を示す。
バポレータの斜視図を示す。
クーラーの斜視図を示す。
油圧オイル・クーラーの斜視図を示す。
およびヘッダ継手を示す。
およびヘッダ継手を示す。
Claims (20)
- 【請求項1】 次の各工程からなる熱交換器ユニットの組立方法 (a)多数のフィンと、および縦方向管部分を有する少なくとも1本の管とを形
成し、フィンの各々が管部分を受け入れるための少なくとも1つの穴を含むよう
に形成される、 (b)フィンの穴が同軸に芯出しされるようにフィンを配列してフィン・パック
を形成し、これによりフィン・パックを貫通する集合通路を形成する、 (c)管の両側端部部分がフィン・パックの外側に残るように管部分を集合通路
内に挿入する, (d)管の端部部分を固定する、および次に (e)管の端部部分に縦方向圧縮力を与えて管部分を半径方向に拡大することに
より管部分をフィンと接触させ、これにより、フィンを管部分に機械的に固定さ
せるように管部分と穴との間の締まりばめを形成する。 - 【請求項2】 管がベンドにより結合された一対の縦方向管部分を有し、お
よびフィンの各々が一対の穴を有し、管部分の各々がフィンの各々の一対の穴の
うちの対応する穴の内に受け入れられる請求項1の方法。 - 【請求項3】 複数の管が形成され、管の各々が縦方向管部分を有し、およ
びフィンの各々が一対の穴を有し、管部分の各々がフィンの各々の一対の穴のう
ちの対応する穴の内に受け入れられる請求項1の方法。 - 【請求項4】 ブラケットを管部分に組み立て、次に管の端部部分に縦方向
圧縮力が与えられたときにブラケットを管部分に固定し、これによりブラケット
およびフィンが同時に管に固定される工程をさらに含む請求項1の方法。 - 【請求項5】 圧縮力を与える工程が管部分の周囲に管部分の均一な変形を
発生させる請求項1の方法。 - 【請求項6】 圧縮力を与える工程が管部分のみを変形させ、このときに、
フィンと係合するのに必要より大きい管部分の膨出がフィンの間の管部分の領域
内に限定されている請求項1の方法。 - 【請求項7】 圧縮力を与える工程が管部分の肉厚を増加させる請求項1の
方法。 - 【請求項8】 圧縮力を与える工程がフィン・パックに隣接する端部部分の
少なくとも一方上に半径方向膨出部を形成させる請求項1の方法。 - 【請求項9】 周囲穴をその中に有するマニホルドを形成する工程と、 管の端部部分の一方をマニホルドの周囲穴内に挿入して、これにより半径方向
膨出部をマニホルドに当接させる工程と、および次に 管をマニホルドにはんだ付けして、これにより半径方向膨出部がマニホルドに
当接された状態を保持する工程と、 をさらに含む請求項8の方法。 - 【請求項10】 圧縮力を与える工程がフィン・パックに隣接する端部部分
の少なくとも一方上に一対の半径方向膨出部を形成させ、その場合に、前記一対
の半径方向膨出部が環状溝により縦方向に間隔配置される請求項1の方法におい
て、 内部通路および周囲穴を有するマニホルドを形成する工程と、 管の端部部分の一方をマニホルドの周囲穴内に挿入して、これにより一対の半
径方向膨出部のうちの第1の半径方向膨出部をマニホルドの内部通路内に配置し
、且つ一対の半径方向膨出部のうちの第2の半径方向膨出部をマニホルドの外側
に配置する工程と、および次に 管をマニホルドにはんだ付けして、第1の半径方向膨出部がマニホルドの内部
通路内に配置された状態を保持する工程と、 をさらに含む請求項1の方法。 - 【請求項11】 請求項1に記載の方法により形成された熱交換器。
- 【請求項12】 請求項9に記載の方法により形成された熱交換器。
- 【請求項13】 請求項10に記載の方法により形成された熱交換器。
- 【請求項14】 次の各工程からなる熱交換器ユニットの組立方法 (a)多数のフィンと、および縦方向管部分を有する少なくとも1本の管とを形
成し、フィンの各々が管部分を受け入れるための少なくとも1つの穴を含むよう
に形成される工程、 (b)フィンの穴が同軸に芯出しされるようにフィンを配列してフィン・パック
を形成し、これによりフィン・パックを貫通する集合通路を形成する工程、 (c)管の両側端部部分がフィン・パックの外側に残るように管部分を集合通路
内に挿入する工程、 (d)管部分の各々の第1の端部部分を第1の固定具組立体で掴み、および管部
分の各々の第2の端部部分を第2の固定具組立体で掴む工程と、および (e)管の第1および第2の固定具組立体の少なくとも1つに縦方向圧縮力を与
えて管部分を各々半径方向に拡大することにより管部分をフィンと接触させ、こ
れにより、フィンを管部分に機械的に固定させるように管部分と穴との間の締ま
りばめを形成し、且つフィン・パックに隣接する第1および第2の端部部分の各
々上に半径方向膨出部を形成する工程。 - 【請求項15】 少なくとも一対の縦方向管部分が180°ベンドにより結
合されている請求項14の方法。 - 【請求項16】 縦方向管部分が複数の個々の管により形成される請求項1
4の方法において、 一対のマニホルドを形成し、マニホルドの各々に周囲穴をその中に設ける工程
、 管の第1および第2の端部部分をマニホルドの周囲穴内に挿入し、これにより
半径方向膨出部の各々をマニホルドの1つと当接させる工程と、および 管をマニホルドにはんだ付けし、これにより半径方向膨出部の各々が一方のマ
ニホルドに当接された状態を保持する工程、 をさらに有する方法。 - 【請求項17】 圧縮力を与える工程が、フィン・パックに隣接する第1お
よび第2の端部部分の各々上に一対の半径方向膨出部を形成させ、前記各々一対
の半径方向膨出部が環状溝により縦方向に間隔配置される請求項1の方法におい
て、 内部通路および周囲穴を有するマニホルドを形成する工程と、 管の第1および第2の端部部分をマニホルドの周囲穴内に挿入し、これにより
各々一対の半径方向膨出部の第1の半径方向膨出部が一方のマニホルドの内部通
路内に配置され且つ各々一対の半径方向膨出部の第2の半径方向膨出部が一方の
マニホルドの外側に配置される工程、および 管をマニホルドにはんだ付けし、これにより第1の半径方向膨出部がマニホル
ドの一方の内部通路内に配置された状態を保持する工程、 をさらに含む請求項14の方法。 - 【請求項18】 請求項15に記載の方法により形成された熱交換器。
- 【請求項19】 請求項16に記載の方法により形成された熱交換器。
- 【請求項20】 請求項17に記載の方法により形成された熱交換器。
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