JP2005131662A - 直交流型熱交換器の製造方法および凸部付き金属製板部材のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形時における管状部に近いフィンの部分の肉厚減少を抑制し、熱交換効率の向上が図れるプレス成形方法を提供する。
【解決手段】フィン部材４の素材となる金属板に、各管状部３間のフィン２の中央部分に位置させて、金属板の変形抵抗を低減する弱化孔６を形成し、フィン部材４のプレス成形時に、フィン２の中央部分の材料伸びを生じさせ易くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用のラジエータや、エアコンの凝縮器、蒸発器等に使用される直交流型熱交換器の製造方法および凸部付き金属製板部材のプレス成形方法に関する。

直交流型熱交換器は、熱媒体となる流体(例えば、内燃機関の冷却水)が流通される複数の金属管と、金属管の長さ方向に間隔を存して並設された、金属管の長さ方向に対し垂直な複数の金属製のフィンとを備え、フィンと平行な方向に空気等の気体を流すことにより、この気体と金属管に流通させる流体との間でフィンを介して熱交換させるものである。

従来、この種の直交流型熱交換器は、金属管がフィンに穿設した孔部に貫通された構成になっており、フィンをロー付けで金属管に接合している(例えば、特許文献１参照)。そのため、金属管とフィンとの間の熱伝達が両者のロー付け箇所で低下し、熱交換効率を向上させる上で障害になっている。

そこで、本願出願人は、先に、特願２００３−３０９０８４号により、フィンと、フィンに対し垂直方向に張り出す複数の管状部とを有するフィン部材をプレス成形し、このフィン部材の複数枚を、各フィン部材の各管状部が隣接するフィン部材の各管状部と相互に連結されて各金属管が構成されるように積層して成る直交流型熱交換器を提案した。このものでは、金属管とフィンとの間に介在物がなく、両者間の熱伝達が良好になって、熱交換効率が向上する。
特開平１１−３３７２８２号公報

ところで、上記先願のフィン部材のプレス成形に際しては、図４(ｂ)に示すように、管状部３に近いフィン２の部分に大きな成形荷重が作用し、加工硬化を生じて変形抵抗が上昇するものの、管状部３に近いフィン２の部分はフィンの中央部分よりも変形量が大きくなって、肉厚が薄くなってしまう。ここで、フィン２での熱交換特性を考慮すると、熱流束は熱源となる管状部３に近い部分のほうが大きくなるため、この部分を厚くすることが望まれる。然し、上記の如く管状部３に近い部分の肉厚が薄くなるため、この部分での熱流束が制限されて、フィン２の中央部分まで熱が十分に伝達されなくなり、熱交換効率の一層の向上を図る上で問題になる。

本発明は、以上の点に鑑み、管状部に近いフィンの部分の肉厚減少を抑制して、熱交換効率を向上し得るようにした直交流型熱交換器の製造方法を提供することを第１の課題としている。また、本発明は、平板部と、平板部に対し垂直方向に張り出す凸部とを有する凸部付き金属製板部材を、凸部近傍の平板部の部分の肉厚減少を抑制した状態でプレス成形できるようにした方法を提供することを第２の課題としている。

本発明は、流体が流通される複数の金属管と、金属管の長さ方向に間隔を存して並設された、金属管の長さ方向に対し垂直な複数の金属製のフィンとを備える直交流型熱交換器の製造方法であって、フィンと、フィンに対し垂直方向に張り出す複数の管状部とを有するフィン部材をプレス成形し、このフィン部材の複数枚を、各フィン部材の各管状部が隣接するフィン部材の各管状部と相互に連結されて各金属管が構成されるように積層して、直交流型熱交換器を製造するものにおいて、上記第１の課題を解決するために、フィン部材の素材となる金属板に、各管状部となる部分間のフィンになる部分の中央部分に位置させて、金属板の変形抵抗を低減する弱化処理を施し、フィン部材のプレス成形時に、前記中央部分の材料伸びを生じさせ易くすることを特徴とする。

上記構成によれば、プレス成形時のフィンの中央部分の材料伸びにより、管状部に近いフィンの部分の変形量が低減され、その結果、管状部に近いフィンの部分の肉厚減少が抑制される。従って、管状部に近いフィンの部分における熱流束の制限が緩和され、フィンの中央部分にまで十分に熱が伝達されるようになり、熱交換効率が向上する。

また、本発明は、上記フィン部材のプレス成形をより一般化し、平板部と、平板部に対し垂直方向に張り出す凸部とを有する凸部付き金属製板部材のプレス成形方法において、金属製板部材の素材となる金属板に、凸部になる部分の周辺部分に位置させて、金属板の変形抵抗を低減する弱化処理を施し、金属製板部材のプレス成形時に、前記周辺部分の材料伸びを生じさせ易くすることを特徴とする。

この場合も、上記フィン部材のプレス成形と同様に、凸部の周辺部分の材料伸びにより、凸部近傍部分の変形量が低減されて、凸部近傍部分の肉厚減少が抑制される。

尚、上記した弱化処理としては、金属板に孔または溝を形成する処理がコスト的に有利である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図６を参照して説明する。図１は直交流型熱交換器の斜視図、図２は図１の熱交換器の要部の縦断面図、図３はフィン部材の素材となる金属板の平面図、図４フィン部材をプレス成形したときの塑性流動範囲と板厚分布を模式的に示した図、図５は金属板に形成する弱化孔の各種配列パターンを示す図、図６は凸部付き金属製板部材とその素材となる金属板とを示す図である。

図１の直交流型熱交換器は内燃機関用のラジエータとして使用されるもので、内燃機関の冷却水を流通させる、横方向に並設した上下方向に長手の複数本(図示例では６本)の金属管１と、これら金属管１の長さ方向(上下方向)に間隔を存して並設した、金属管１の長さ方向に対し垂直な複数の金属製のフィン２とを備えている。

この熱交換器は、図２に示す如く、フィン２と、フィン２に対し垂直方向、即ち、下方に張り出すようにフィン２と一体的に形成された複数の管状部３とを有するフィン部材４を構成要素とし、このフィン部材４の複数枚を上下方向に積層して構成されている。

管状部３は、断面形状が横方向を短軸方向とする楕円形であり、先端側(下方)に向かって縮経している。そのため、フィン部材４を積層する際に、各フィン部材４の各管状部３が下側のフィン部材４の各管状部３に嵌合する。管状部３同士の嵌合箇所には、予めシリコーン樹脂製のガスケット剤、シリコーン樹脂製のシール剤といった液状の接合剤５が塗布されており、管状部３が接合剤５により相互にシール性を確保した状態で連結され、金属管１が構成される。尚、管状部３をロー付けで相互に連結してもよい。また、管状部３の断面形状は、楕円形に限らず、円形であっても、四角形等の多角形であってもよい。また、管状部３を全長に亘って等径のストレート形状に形成してもよく、この場合は、各フィン部材４の各管状部３の先端(下端)を下側のフィン部材４の各管状部３の基端に突き当てた状態で、管状部３同士を連結する。

フィン部材４の製造に際しては、アルミニウム合金等の金属板４´(図３参照)を何回かに分けてプレス成形して、管状部３になる部分をフィン２となる平板部に対し垂直方向に徐々に張り出させて凸部を形成し、最終的に凸部の頂部を打ち抜いて管状部３を形成する。金属板４´には、図３に示す如く、各管状部３間のフィン２の中央部分(正確には各管状部３になる部分の間のフィン２になる部分の中央部分)に位置させて、金属板４´の変形抵抗を低減させるために、スリット状の弱化孔６が複数形成されている。

これによれば、プレス成形時に、フィン２の中央部分の材料伸びを生じ易くなり、管状部３に近いフィン２の部分の変形量が低減されて、この部分の肉厚減少が抑制される。これを詳述するに、フィン２の中央部分に弱化孔６を形成しない場合は、図４(ｂ)に示す如く、フィン２における塑性流動範囲が管状部３に近い部分に限られて、この部分の肉厚が薄くなるのに対し、フィン２の中央部分に弱化孔６を形成した場合は、図４(ａ)に示す如く、塑性流動範囲がフィン２の中央部分側に広がり、管状部３に近い部分の肉厚減少が抑制される。そのため、管状部３に近いフィン２の部分における熱流束の制限が緩和され、フィン２の中央部分にまで十分に熱が伝達されるようになり、熱交換効率が向上する。また、弱化孔６を形成することで、フィン２間に流れる空気の乱流促進効果も得られ、熱交換効率の向上に寄与する。

尚、図３に示すものでは、金属板４´の長さ方向に長手のスリット状の弱化孔６を金属板４´の幅方向に複数(５個)並設し、弱化孔６の長さを外側のものほど長くしている。但し、弱化孔６の配列パターンはこれに限るものではなく、例えば、図５(ａ)〜(ｅ)に示すように種々のパターンが考えられ、金属板４´の材質、板厚、加工硬化度等を考慮して最適な配列パターンで弱化孔６を形成すべきである。特に、管状部３から遠ざかるにつれて弱化孔６の密度、大きさが増加するように配列パターンを設定すると効果的である。また、図５(ｅ)に示すものでは、弱化孔６を丸孔にしているが、この場合、孔径を大きくしすぎると、フィン２の表面積の低下で熱交換効率が低下するため、孔径は適切に設定する必要がある。また、各管状部３間のフィン２の中央部分に弱化孔６に代えて溝を形成してもよく、要は、フィン２の中央部分の変形抵抗を低減する弱化処理が施されていればよい。

また、上記フィン部材４に限らず、図６(ａ)に示すように、平板部１１と、平板部１１に対し垂直方向に張り出す凸部１２とを有する凸部付き金属製板部材１０をプレス成形する場合も、図６(ｂ)に示すように、金属製板部材の素材となる金属板１０´に、凸部１２になる部分から若干離れた周辺部分に位置させて、金属板１０´の変形抵抗を低減する弱化処理、例えば弱化孔１３を形成する処理を施しておくことにより、平板部１１の凸部１２の近傍部分の肉厚減少を抑制することができる。尚、図６(ａ)の凸部１２はボス状であるが、凸部が管状(ラウンドバーリング)である場合も同様である。

長さ５６．８ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＡ３０００系アルミニウム合金製の金属板４´に、図３に示すように、各管状部３間のフィン２の中央部分に位置させて、金属板４´の長さ方向に長手のスリット状の弱化孔６を金属板４´の幅方向に並べて５個形成し、この金属板４´をプレス成形して、フィン２と、断面楕円形状の６個の管状部３とを有するフィン部材４を形成した。弱化孔６の幅と弱化孔６間の間隔は夫々０．２ｍｍと１．５ｍｍであり、弱化孔６の長さは、金属板４´の幅方向中心の＃１の弱化孔６が３ｍｍ、その外側の＃２の弱化孔６が４ｍｍ、最外側の＃３の弱化孔６が５ｍｍである。また、各管状部３の寸法は、基端部の短径と長径が夫々１．６ｍｍと６ｍｍ、先端部の短径と長径が夫々１．０ｍｍと５．４ｍｍ、フィン２からの張り出し高さが２．３ｍｍであり、管状部３間の間隔は７ｍｍである。

このフィン部材４を、管状部３が下側のフィン部材４の管状部３に嵌合されるようにして５０枚積層し、管状部３同士をシリコーン樹脂系ガスケット剤５を介して連結し、幅５６．８ｍｍ、奥行き８ｍｍ、高さ６０ｍｍのラジエータコアを製作した。また、比較例として、金属板に弱化孔６を形成せずに、上記実施例と同一寸法のフィン部材をプレス成形し、このフィン部材を５０枚積層してラジエータコアを製作した。

そして、実施例のラジエータコアと比較例のラジエータコアに夫々冷却水の出入り口を有する上下のフランジを取り付けて、ラジエータコアに下側のフランジから上側のフランジに向けて８０℃の温水を２００ｍｌ／分で流すと共に、ラジエータコアに前面風速２ｍ／秒の条件で２５℃の空気を流し、上側のフランジから排出される温水の温度を測定して、放熱量を求めた。また、管状部３間のフィン２の中心から３ｍｍ離れた管状部３の近傍のフィン２の部分の厚さも測定した。その結果を下記表１に示す。

表１から、金属板４´に弱化孔６を形成しておくことにより、管状部３の近傍のフィン２の部分の肉厚減少が抑制され、熱交換効率が向上することが分かる。

本発明の方法で製造された直交流型熱交換器の斜視図 図１の熱交換器の要部の縦断面図。 フィン部材の素材となる金属板の平面図 (ａ)図３の金属板を用いてフィン部材をプレス成形したときの塑性流動範囲と板厚分布を模式的に示した図、(ｂ)弱化処理を施していない金属板を用いてフィン部材をプレス成形したときの塑性流動範囲と板厚分布を模式的に示した図。 (ａ)〜(ｅ)金属板に形成する弱化孔の各種配列パターンを示す図。 (ａ)凸部付き金属製板部材の一例の断面図、(ｂ)金属製板部材の素材となる金属板の平面図。

符号の説明

１…金属管、２…フィン、３…管状部、４…フィン部材、４´…金属板、６…弱化孔、１０…金属製板部材、１０´…金属板、１１…平板部、１２…凸部、１３…弱化孔。

Claims (3)

1. 流体が流通される複数の金属管と、金属管の長さ方向に間隔を存して並設された、金属管の長さ方向に対し垂直な複数の金属製のフィンとを備える直交流型熱交換器の製造方法であって、
   フィンと、フィンに対し垂直方向に張り出す複数の管状部とを有するフィン部材をプレス成形し、このフィン部材の複数枚を、各フィン部材の各管状部が隣接するフィン部材の各管状部と相互に連結されて各金属管が構成されるように積層して、直交流型熱交換器を製造するものにおいて、
   フィン部材の素材となる金属板に、各管状部になる部分の間のフィンなる部分の中央部分に位置させて、金属板の変形抵抗を低減する弱化処理を施し、フィン部材のプレス成形時に、前記中央部分の材料伸びを生じさせ易くすることを特徴とする直交流型熱交換器の製造方法。
2. 平板部と、平板部に対し垂直方向に張り出す凸部とを有する凸部付き金属製板部材のプレス成形方法において、
   金属製板部材の素材となる金属板に、凸部になる部分の周辺部分に位置させて、金属板の変形抵抗を低減する弱化処理を施し、金属製板部材のプレス成形時に、前記周辺部分の材料伸びを生じさせ易くすることを特徴とする凸部付き金属製板部材のプレス成形方法。
3. 前記弱化処理は、前記金属板に孔または溝を形成する処理であることを特徴とする請求項１記載の直交流型熱交換器の製造方法または請求項２記載の凸部付き金属製板部材のプレス成形方法。

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