JP2006507467A - 波形フィン熱交換器並びにこのような波形フィン熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】熱交換器は、複数の第１のピークと交互の複数の第１の溝部を備えている第１の側面と、複数の第２のピークと交互の複数の第２の溝部を備えている第２の側面とを有している波形金属シートを具備している。各溝部は、１対の壁によって形成されており、各壁は、第１の側面を第２の側面から分離するように第１のピークから第２のピークまで延びている。溝部とピークとは、平行に延び、長手方向を規定している。各第１のピークには、少なくとも１つの凹部が形成されている。夫々のピークの凹部は、長手方向に対して横方向に延びている少なくとも１つの管受けチャネルを形成するように互いに整列されている。各凹部は、第１の側面に形成されて、各々が隣接している第１の溝部を超えて横方向に延びている接触面を有している。管部は、接触面とほぼ適合して接触するように、各管受けチャネル内に受けられる。

Description

本発明は、管部に密着している波形金属シートを有しているタイプの熱交換器と、このような熱交換器を製造する方法並びに装置とに関する。

波形シートは、複数の第１のピーク（peak）と交互の複数の第１の溝部を備えている第１の側面と、複数の第２のピークと交互の複数の第２の溝部を備えている第２の側面とを有している。各溝部は、１対の壁によって形成され、各壁は、第１の側面を第２の側面から分離し、第１のピークから第２のピークまで延びている。溝部とピークとは、平行に延び、長手方向を規定している。

冷却用管部と密着している波形金属シートを採用している熱交換器が公知である。冷却用管部は、典型的には、米国特許Ｎｏ．５、５６４、４９７と、６、０３５、９２７とに開示されているように、長手方向に対して横方向に、波形シートのピークにはんだ付けされている。また、米国特許Ｎｏ．４、７７８、００４に開示されているように、管部を受けるようにピークに横方向のチャネルを形成するために波形をつける前に、シート中に細長いアパーチャを開くことと、管部のために壁を貫通する通路を与えるようにシートにホールを開くこととが公知である。管部は、典型的には、冷却される物体から熱交換用流体を運ぶが、また、管部が、ヒート・パイプとして公知の位相変化装置（phase change device）であるか、熱交換用流体の使用なしで単に熱を伝導する固形の金属であることも可能である。いずれの場合にも、指針原則は、管部と、管部からの熱を放散させる波形金属シートとの間の密着の確立である。

先行技術は、管部と波形シートとの間の接触領域が非常に制限されているという欠点を有している。例えば、米国特許６、０３５、９２７の管部は、波形シートのピークとポイント接触のみを有している。５、５６４、４９７の管部は、ピークとの熱接触が基本的に線接触となるように、平らに形成されている。これらの両構造は、熱伝導通路を拡大させるのに、はんだに大きく頼っている。波形部にチャネルかホールを有している熱交換器は、接触領域を改良しているが、接触領域は、いまだ通常どおりにはんだによって更に拡大されており、シートは、チャネルもしくはホールが管部を受けるために適当に整列されるように、波形をつける間、適当に整列されなくてはならない。これは、製造コストを増加させる。

本発明の目的は、波形シートに管部を収容するチャネルかホールを与えるためにシートにアパーチャを設ける必要がなく、また、特別な形状の管部を提供する必要もなく、波形シートと管部との間で幅広い領域にわたって熱伝導接触を確立させることである。

本発明に係わって、この目的は、各第１のピークに少なくとも１つの凹部を形成し、夫々のピークの凹部が、ピークと溝部との長手方向に対して横方向に延びている少なくとも１つの管受けチャネルを形成するように互いに整列されていることによって、果たされる。チャネルは、典型的には、まっすぐ（直線状）であるが、湾曲されているか、そうでなければ、冷却される部品の位置によって決定され得るように、波形シートの所望の領域の熱交換を最大にするように形成された管を収容するようにつながれている（routed）。各凹部は、第１の側面に形成されて各々が隣接している第１の溝部を超えて横方向に延びている接触面を有している。接触面は、ここに受けられる管部に近接して適合するような外形にされている。接触面の外形は、標準的な円形の管が使用されているときには円形であるが、他の形状の管を収容するように形成されてもよい。例えば、楕円形の断面を有している管が、ピークの高く立つ（stand proud of the peaks）管部の一部による気流への抵抗を最小にするように使用され得る。かくして、管部は、はんだ付けがなされる前でさえも、先行技術と比べて非常に大きい熱接触領域を有している管受けチャネル内に受けられ得る。かくして、はんだもしくはエポキシ樹脂接着の採用が、最小限にされ得て、製造コストを減じる。接触面は、また、リフロープロセスのためのはんだの容易な溶着（deposition）を与える。

本発明は、また、本発明に係わる熱交換器を製造する方法に関する。この方法は、第１の基部と、この基部に取着された複数の平行な第１のリブとを有している第１の取付具（fixture）であって、各第１のリブは、基部から離れたエッジと、このエッジから下向きに延びている少なくとも１つのノッチとを有し、このノッチは、第１のリブの横方向に延びている少なくとも１つの形成チャネルを形成するように互いに整列されている、第１の取付具を用いている。本方法に係わって、上述されたタイプの波形シートが、第１のリブが第２の溝部内に受けられるように、第１の取付具上に配置される。続いて、マンドレルが、少なくとも１つの管受けチャネルを形成するように互いに整列された凹部を形成するように、第１のピークをノッチ中へと下向きに変形させるのに使用される。マンドレルとノッチとは、円筒形の接触面が、円筒形の管部を受けるように形成されるように、好ましくは円形の外形を有している。波形シートが、また、ローリングボール（rolling ball）やボールエンドミル（ball end mill）などの他の装置並びに方法によっても変形され得ることに、注意したい。ボールエンドミルは、ピークを横切るように拭われ得る（ＸＹ動作）か、もしくは、往復され（Ｚ動作）、ピークに凹部を形成するように穿孔機（punch）として使用され得る。この点で、球状の形状にされた金床（anvil）の垂直方向の動きによって凹部を形成することが、可能である。

管受けチャネルが形成されている間、波形金属シートを安定させるために、第２の取付具が使用される。第２の取付具は、第２の基部と、この第２の基部に取着された複数の第２のリブとを有している。第２のリブと第２の基部とは、第２の取付具を通って延びている少なくとも１つのウインドウを形成するように、遮断されている。波形シートが第１の取付具上に据え付けられた後に、かつ、凹部を形成するように第１のピークをノッチ中に下向きに形成する前に、第２の取付具が、第１の取付具上に配置される。第２のリブが、第１の溝部内に受けられ、ウインドウが、形成チャネルと整列される。続いて、第１のピークが、第２の取付具のウインドウによって受けられた少なくとも１つのマンドレルを用いて管受けチャネルを形成するように、下向きに変形され得る。第２の取付具は、波形部を、第１のリブのノッチの真横の領域を除いて、変形に対して安定させ、これによって、波形シートのピークが、形成される接触面が各々が隣接している第１の溝部を超えて横方向に延びるように、ウインドウ中へと下向きかつ横方向に形成される。

本発明の他の目的と特徴とが、添付図面と関連して検討されている、以下に詳述される説明から明らかになるだろう。しかしながら、図面は、本発明の範囲を規定するのではなく、単に説明のために設計されており、添付請求項のみが参照されるべきであることが、理解されるだろう。また、図面は、必ずしも同じスケールで描かれていなくてよく、そうでないと示されているのでない限り、これらは、本明細書に説明されている構造及び処置を概念的に説明することのみを意図されていることが、理解されるべきである。

図１を参照すると、波形金属シート１０が、典型的には４〜２０ミルの厚さであり、例えば、公知の方法に係わって形成された波形部を有している１０ミルの厚さのアルミニウムである。これは、自動車用ラジエータ内の放熱のために使用されるタイプの標準的な波形シートであり得る。このシート１０は、複数の第１のピーク１４によって分離された複数の第１の溝部１３を備えている第１の側面１２と、複数の第２のピーク１８によって分離された複数の第２の溝部１７を備えている第２の側面１６と、第１の溝部１３を第２の溝部１７から分けている平行な壁２０とを有している。各第１のピーク１４には、凹部２２が形成されており、この凹部は、ピークと溝部とによって規定された長手方向に対して横方向に延びたチャネル２６を形成するように、他の第１のピークの各凹部と整列されている。各凹部２２は、後述されるように、この形成プロセスの結果できた棚部２４として各々が隣接している第１の溝部１３を超えて延びている接触面２３によって規定された弓形の外形を有している。接触面２３は、典型的には、チャネル２６内に収容される管部と同じサイズの１つか複数の円筒形マンドレルによって形成される。接触面２３は、完全に管部に適合して、波形シートの熱交換を向上させる。管部は、波形シートにはんだ付けされるか、そうでなければ、波形シートに付着されて、クーラントを運び、これから熱が放散される。本明細書で使用されている用語“管部（tube section）”は、ヒート・パイプか、液体なしで熱を伝導する硬いボディかを含んでいることに注意したい。

図２は、本発明に係わる熱交換器の第１の実施形態を示している。この実施形態では、管部２８は、クーラントヘッダー２９に接続されており、クーラントが、これら管部を通って平行に流れる。

図３は、本発明の熱交換器の第２の実施形態を示している。この実施形態では、管部２８は、連続するようにＵ字部３１によって接続されて、連続的な蛇行性管を形成している。

図４は、第１の取付具４０と、第２の取付具５０と、対応しているシート１０内でチャネル２６を形成するために使用されるマンドレル６０とを、有している。第１の取付具４０は、複数の第１のリブ４４が平行に取着された基部４２を有している。これらリブは、別個に製造されて、基部に溶接され得るが、２つの取付具は、好ましくは、一体ユニットとして、好ましくはＥＤＭ（放電ミリング、electric discharge milling）方法によって機械加工され得る。各第１のリブ４４は、基部から離れたエッジ４５を有しており、このエッジには、ノッチ４６が形成されており、各ノッチ４６は、他の第１のリブのノッチと整列されて、形成チャネル４８を形成している。これらノッチ４６は、波形シートに形成された凹部２２の外形と適合するような弓形の外形を有している。上エッジ４５とノッチ４６との間の角部は、凹部が形成される際のシート１０への損傷を防ぐように丸くされている。これらノッチ４６は、説明のために、異なる各チャネルについては異なるサイズで示されている。これらは、より典型的には、全て同じサイズと外形とを有している。

第２の取付具５０は、平行な複数の第２のリブ５４が溶接もしくは取着された基部５２を有している。第２の基部５２と第２のリブ５４との両方が、互いを遮断して、形成マンドレル６０が受けられ得る複数のウインドウ５６を形成している。これらウインドウは、対応しているチャネル４８とマンドレル６０とのサイズに応じた大きさにされている。かくして、第２の基部５２は、側壁５８に取着された部分では、橋絡関係にある。各側壁は、ウインドウ５６と整列されたノッチ５９を有している。

管受けチャネル２６を波形シート１０（図１）に形成するために、シート１０が、第１のリブ４４が第２の溝部１７内に受けられ、第２のピーク１８が各々が隣接している第１のリブの間で基部４２上に静止するように、第１の取付具４０上に配置される。エッジ４５は、形成ストレスが金属シートの裂けを生じやすい弾性的であるより、むしろ圧縮性になるように、好ましくは、第１のピーク１４に近接してはいるが、これと接触はしていない。

波形シート１０が第１の取付具４０上に据え付けられた後、第２の取付具５０が、第２のリブ５４が第１の溝部１３中に延び、側壁５８が第１の基部４２上で静止し、ウインドウ５６が形成チャネル４８と整列されるように、第１の取付具４０の上に据え付けられる。かくして、波形シートの各壁２０が、第１のリブ４４と第２のリブ５４との間に捕らえられ、かくして、横方向の動きに対して安定される。続いて、マンドレル６０が、下向きに、ウインドウ５６中へと動かされ、溝部１３に隣接してこれを超えて延びる凹部２２と棚部２４とを形成するように、波形シート１０の第１のピーク１４に対して押される。この凹部と棚部とは、接触面２３を規定し、この接触面は、チャネル２６を形成するように互いに整列され、管部２８を受けるような外形にされている。１つのマンドレルが繰り返し使用されてもよいし、複数のマンドレルが形成治具（jig）に取着されていてもよいことに注意したい。マンドレルは、典型的には、第２の治具の側壁５８のノッチ５９を超えて延びている。これらノッチは、マンドレルの下方向への動きを制限するために使用され得る。第２の取付具５０の使用が好ましいが、本発明の方法の原則は、第１の取付具４０と、金床か他の垂直方向に動き得るマンドレル手段とだけによっても果たされ得る。しかしながら、第２の取付具は、ピークの変形を明確な領域までに制限する横方向の安定性を与える。これは、また、凹部が、ボールミルか他のワイピング機構（wiping mechanism）などにより、所定の横方向への動きによって形成される時に、重要である。

かくして、本発明の所定の好ましい実施形態に適用され得るような、本発明の基本的な新規の特徴を示し、説明し、そして指摘してきたが、示された装置の形態や詳細部と、その動作との様々の省略や置き換えが、本発明の精神から逸脱することなく当分野の当業者によってなされ得ることが、理解されるだろう。例えば、これらの部材と、並びに／もしくは、同じ結果を果たすためにほぼ同じ方法でほぼ同じ機能を果たす方法の工程との全ての組み合わせが、本発明の範囲内であることが、明確に示されている。また、構造と、並びに／もしくは、部材と、並びに／もしくは、本発明の所定の開示された形態もしくは実施形態に関連して示された、並びに／もしくは、説明された方法の工程とが、一般的なデザインの選択の問題として、所定の他の開示されたか説明されたか提案された形態か実施形態かに組み込まれ得ることが、理解されるに違いない。つまり、本明細書に添付された請求項の範囲によって示されているようにだけ制限されることが意図されている。

管受けチャネルが形成された波形金属シートの斜視図である。 ヘッダーに接続された複数の管部を有している熱交換器の平面図である。 蛇行性管を形成するように連続して接続された複数の管部を有している熱交換器の平面図である。 波形金属シートにチャネルを形成するために使用される取付具の分解斜視図である。

Claims (15)

1. 複数の第１のピークと交互の複数の第１の溝部を備えている第１の側面と、複数の第２のピークと交互の複数の第２の溝部を備えている第２の側面とを有している波形金属シートであって、前記溝部の各々は、１対の壁によって形成され、各壁は、第１の側面を第２の側面から分離し、第１のピークから第２のピークまで延び、また、前記溝部と前記ピークとは、平行に延びて、長手方向を規定し、また、前記第１のピークの各々には、少なくとも１つの凹部が形成され、また、夫々のピークの凹部は、前記長手方向に対して横方向に延びている少なくとも１つの管受けチャネルを形成するように互いに整列され、そして、各凹部は、前記第１の側面に形成されて、各々が隣接している第１の溝部を超えて横方向に延びている接触面を有している、波形金属シートと、
   前記管受けチャネル内に受けられた管部とを具備している、熱交換器。
2. 前記第１のピークの各々には、複数の前記凹部が形成され、かくして、複数の前記管受けチャネルを形成しており、また、熱交換器は、夫々の前記複数の管受けチャネル内に受けられた複数の前記管部を具備している、請求項１の熱交換器。
3. 前記複数の管部の各々は、１対の対向端部を有し、また、熱交換器は、１対のクーラントヘッダーを更に具備し、前記対向端部は、夫々のクーラントヘッダーに接続されている、請求項２の熱交換器。
4. 前記管部の各々は、１対の対向端部を有し、この対向端部の各々は、隣接している管部に接続されて、複数の管部を有している蛇行性の管を形成している、請求項２の熱交換器。
5. 前記凹部の各々は、弓形の外形を有するように形成されている、請求項１の熱交換器。
6. 前記凹部の各々は、円形の外形を有し、クーラント用の前記管は、前記円形の外形と同心の円形の断面を有している、請求項５の熱交換器。
7. 前記管受けチャネルは、実質的に直線状のチャネルである、請求項１の熱交換器。
8. 前記直線状のチャネルは、前記長手方向に対して直交するように延びている、請求項７の熱交換器。
9. 前記管部の各々は、前記凹部の接触面に近接して適合している、請求項１の熱交換器。
10. 熱交換器を製造する方法であって、
    複数の第１のピークと交互の複数の第１の溝部を備えている第１の側面と、複数の第２のピークと交互の複数の第２の溝部を備えている第２の側面とを有し、前記溝部の各々は、１対の壁によって形成され、この壁の各々は、第１の側面を第２の側面から分離し、第１のピークから第２のピークまで延び、そして、前記溝部とピークとは、平行に延び、長手方向を規定している、波形金属シートを提供することと、
    第１の基部とこの基部に取着された複数の平行な第１のリブとを有している第１の取付具であって、前記第１のリブの各々は、前記基部から離れたエッジと、このエッジから下方に延びている少なくとも１つのノッチとを有し、ノッチは、互いに整列されて、前記第１のリブの横方向に延びている少なくとも１つの形成チャネルを形成している、第１の取付具を提供することと、
    前記波形金属シートを、前記第１のリブが第２の溝部内に受けられるように、第１の取付具上に配置させることと、
    前記長手方向に対して横方向に延びている少なくとも１つの管受けチャネルを形成するように互いに整列されている凹部を形成するように、前記第１のピークを前記ノッチ中へと下向きに形成することと、
    所定の管部を、前記管受けチャネルの各々の内に取着することとを具備しており、
    前記各凹部は、第１の側面に形成され、隣接している第１の溝部を超えて横方向に延びている接触面を有している、方法。
11. 前記第１のリブのエッジは、第２の溝部に受けられる、請求項１０の方法。
12. 前記ノッチは、弓形の外形を有し、前記第１のピークは、このノッチの外形とほぼ同じ外形を有している少なくとも１つのマンドレルによって、下向きに形成されている、請求項１０の方法。
13. 第２の基部と、この基部に取着された平行な複数の第２のリブとを備え、この複数の第２のリブと第２の基部とは、少なくとも１つのウインドウを形成するように遮断されている、第２の取付具を提供することと、
    前記波形金属シートを第１の取付具上に配置させた後に、かつ、凹部を形成するように第１のピークを前記ノッチ中へと下向きに形成する前に、前記第２のリブが第１の溝部内に受けられ、前記少なくとも１つのウインドウが少なくとも１つの形成チャネルと整列されるように、前記第２の取付具を第１の取付具上に配置させることとを具備し、かくして、
    前記第１のピークは、第２の取付具の前記少なくとも１つのウインドウによって受けられた少なくとも１つのマンドレルを用いて、前記凹部を形成するように、下向き及び横方向に形成され得る、請求項１０の方法。
14. 前記第２の取付具は、第２のリブと平行になるように前記第２の基部に取着された１対の側壁を更に有し、これらの側壁の各々は、これら側壁を超えて延びている少なくとも１つのマンドレルが、少なくとも１つの管受けチャネルを形成するために第１のピークを下向きに形成するように使用され得るように、前記少なくとも１つのウインドウと整列されている少なくとも１つのノッチを有している、請求項１３の方法。
15. 前記ピークは、マンドレルを用いて下向きに形成されている、請求項１０の方法。

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