JP2008121934A - Plate fin tube heat exchanger and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば自動車用パワステアリング配管に好適なプレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a plate fin tube heat exchanger suitable for, for example, a power steering pipe for automobiles and a method for manufacturing the same.
従来、図4に示すように、プレートフィンチューブ熱交換器101は、チューブ102を挿通する管穴104の周りにフィンカラー105を成形した平面状のプレートフィン103を多数積層し、管穴104にチューブ102を挿通した後、チューブ102内径よりやや外径の大きいプラグ(図示せず)をフィンカラー105側から押し込んでチューブ102を拡管することでチューブ102とプレートフィン103とを固着させて製造されていた。
Conventionally, as shown in FIG. 4, the plate fin
しかしながら、上記拡管固着の際、後記実施の形態中で詳述するように、フィンに反対方向の2種類の曲げモーメントが生じ、その大小関係が拡管進行の程度により変化するため、フィンが傾く方向が一定せず、隣接するフィン同士が密着するアベック現象やフィンピッチの乱れが生じやすく、外観不良や熱交換性能の低下を来たすといった問題があった。 However, at the time of fixing the pipe expansion, as will be described in detail later in the embodiment, two kinds of bending moments in the opposite directions are generated in the fin, and the magnitude relationship changes depending on the extent of the pipe expansion. However, there is a problem that the Abek phenomenon in which adjacent fins are in close contact with each other and the fin pitch are disturbed easily, resulting in poor appearance and reduced heat exchange performance.
そこで、従来より、上記課題を解決すべく、種々の対策が提案されている。 Therefore, conventionally, various measures have been proposed to solve the above problems.
例えば、特許文献1には、管穴周りのフィンカラーの先端部にフランジ部を形成するとともに、フィンの平坦面に、フランジ部面積よりも広い突出部を形成したプレートフィンが開示されている。これにより、突出部の断面二次モーメントを大きくして変形抵抗を高め、アベック現象等を防止できるとしている。 For example, Patent Document 1 discloses a plate fin in which a flange portion is formed at a tip end portion of a fin collar around a tube hole, and a protruding portion wider than the flange portion area is formed on a flat surface of the fin. As a result, the sectional moment of the protrusion is increased to increase the deformation resistance, thereby preventing the Abeck phenomenon and the like.
また、特許文献2には、プレートフィンを、無塗油での摩擦係数が0.15以上のフィン材により構成し、プレートフィンのフィンカラー部にフィンカラーが形成されていない側から圧縮力を付加し、その状態でチューブを拡管するプレートフィンチューブ熱交換器の製造方法が開示されている。これにより、フィンのカラー根元角度を鋭角化変形させることで、フィンピッチの乱れを防止できるとしている。
Further, in
また、特許文献3には、複数の管穴を有する短冊状のプレートフィンにその長手方向と交わる方向に伸びる折り曲げ成形部を隣接する管穴間に位置するように形成したプレートフィンを用いたプレートフィンチューブ熱交換器が開示されている。拡管時に折り曲げ成形部が折り曲げられるように変形することでプレートフィンは全て同じ方向に変形し、アベック現象の発生を防止できるとしている。
Further, in
しかしながら、上記特許文献1〜3に記載の発明では、いずれも基本的には平面状のプレートフィンを用いることから、拡管時にフィンが傾く方向が一定せず、完全にはピッチの乱れを防止することが困難と想定され、実用化に至っていない。 However, in the inventions described in Patent Documents 1 to 3, basically, since flat plate fins are used, the direction in which the fins incline is not constant at the time of tube expansion, and the pitch disturbance is completely prevented. This is assumed to be difficult and has not yet been put into practical use.
さらに、特許文献3に記載の発明は、プレートフィンに複数の管穴を有する場合(例えば、チューブがU字状の場合)には適用できるものの、単一の管穴を有する場合(チューブが直線状の場合)には適用できない問題もある。
そこで、本発明は、チューブの拡管によって生じるフィンピッチの乱れやアベック現象を確実に防止することにより、外観不良や熱交換性能の低下を来たすことのないプレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a plate fin tube heat exchanger and a method for manufacturing the same, which do not cause poor appearance or decrease in heat exchange performance by reliably preventing fin pitch disturbance and Abeck phenomenon caused by tube expansion. The purpose is to provide.
請求項1に記載の発明は、多数積層された、後記チューブを挿通する管穴の周りにフィンカラーを成形してなるプレートフィンと、前記管穴に挿通され、前記各プレートフィンに固着するように拡管されたチューブとを備えたプレートフィンチューブ熱交換器であって、全てのプレートフィンは、前記管穴から前記フィンカラーの形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状の斜面がチューブに垂直な面に対して8〜30°傾斜していることを特徴とするプレートフィンチューブ熱交換器である。 According to the first aspect of the present invention, a plate fin formed by forming a fin collar around a tube hole through which a tube, which will be described later, is inserted, and a plate fin inserted through the tube hole and fixed to the plate fins. A plate fin tube heat exchanger having a tube expanded in a tube shape, and all the plate fins are formed in an umbrella shape extending from the tube hole toward the fin collar forming side. The plate fin tube heat exchanger is characterized in that the inclined surface of the plate is inclined by 8 to 30 ° with respect to a plane perpendicular to the tube.
請求項2に記載の発明は、前記全てのプレートフィンに、隣接するプレートフィンとの間隔を確保するためのリブが設けられている請求項1に記載のプレートフィンチューブ熱交換器である。 A second aspect of the present invention is the plate fin tube heat exchanger according to the first aspect, wherein a rib is provided on each of the plate fins so as to ensure an interval between adjacent plate fins.
請求項3に記載の発明は、チューブを挿通する管穴の周りにフィンカラーを成形してなり、前記管穴から前記フィンカラーの形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状の斜面がチューブに垂直な面に対して8〜30°傾斜しているプレートフィンを多数積層する工程と、前記管穴に前記チューブを挿通する工程と、このチューブ内に前記フィンカラーの形成側から前記チューブの内径よりやや大きな外径を有するプラグを押し込むことにより前記チューブを内部から拡管して前記プレートフィンと前記チューブとを固着させる工程とを備えたことを特徴とするプレートフィンチューブ熱交換器の製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, a fin collar is formed around a tube hole through which the tube is inserted, and is formed into an umbrella shape that extends from the tube hole toward the fin collar forming side. A step of laminating a large number of plate fins whose inclined surfaces are inclined by 8 to 30 ° with respect to a plane perpendicular to the tube, a step of inserting the tube into the tube hole, and formation of the fin collar in the tube And a step of expanding the tube from the inside by pushing a plug having an outer diameter slightly larger than the inner diameter of the tube from the side, and fixing the plate fin and the tube. It is a manufacturing method of an exchanger.
本発明によれば、プレートフィンを予めプラグ押し込み方向に対し所定角度分(8〜30°)後方に傾く傘状に形成したことにより、拡管固着時にフィンのカラー根元角度が必ず鋭角化変形するため、フィンピッチの乱れやアベック現象を確実に防止でき、外観不良や熱交換性能の低下を来たすことのないプレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法を実用化できるようになった。 According to the present invention, since the plate fin is formed in an umbrella shape that is inclined backward by a predetermined angle (8 to 30 °) with respect to the plug push-in direction, the collar root angle of the fin is always sharpened and deformed when the pipe is fixed. The plate fin tube heat exchanger and its manufacturing method can be put into practical use, which can reliably prevent the fin pitch disturbance and the Abeck phenomenon, and does not cause the appearance defect or the heat exchange performance to deteriorate.
以下、図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
〔実施形態〕
図1に、本発明の実施形態に係るプレートフィンチューブ熱交換器を示す。プレートフィンチューブ熱交換器1は、従来品と同様、多数積層された、後記チューブ2を挿通する管穴4の周りにフィンカラー5を成形してなるプレートフィン3と、管穴4に挿通され、各プレートフィン3に固着するように拡管されたチューブ2とで構成されている。
Embodiment
FIG. 1 shows a plate fin tube heat exchanger according to an embodiment of the present invention. The plate fin tube heat exchanger 1 is inserted into the
しかしながら、本発明に係るプレートフィン3は、従来品が平面状であるのに対し、図2に示すように、全て、管穴4からフィンカラー5の形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状斜面6がチューブ3に垂直な面に対して8〜30°傾斜しているものとする。
However, the
そして、このような傘状のプレートフィン3を多数積層し、管穴4にチューブ2を挿通した後、チューブ2内径よりやや外径の大きいプラグ(図示せず)をフィンカラー5側から押し込んでチューブ2を拡管することでチューブ2とプレートフィン3とを固着させ、図1に示すプレートフィンチューブ熱効交換器1が製造される。
A large number of such umbrella-
ここで、上記拡管固着時において、チューブ2内径よりやや外径の大きいプラグを押し込んだ際に、図3(a)に示すように、フィンカラー5には拡管方向に押圧力Frが作用し、この押圧力Frとプレートフィン3の板厚中心とが偏心しているのでモーメントMrが生じ、このモーメントMrによってプレートフィン3は破線で示すようにフィンカラー5側と反対側に曲がる。また、チューブ2内にプラグを押し込むことによってチューブ2はその軸方向に縮み、これに伴ってフィンカラー5同士が圧接され、図3(b)に示すように、フィンカラー5には軸方向荷重Fzが作用する。この軸方向荷重Fzに基づいて発生するモーメントMzによってプレートフィン3は破線で示すようにフィンカラー5側と同じ側に曲がる(上記特許文献3の段落[0007]〜[0008]参照)。
Here, at the time of fixing the tube expansion, when a plug having a slightly larger outer diameter than the inner diameter of the
ここで、拡管の進行(すなわち、プラグの押し込み量の増加)に伴い、押圧力Frは一定であるためモーメントMrは一定であるが、軸方向の縮み量が増加することにより軸方向荷重Fzは増大するためモーメントMzは増大する。したがって、拡管の進行(すなwち、プラグの押し込み量)の程度によってモーメントMrとMzの大小関係が変化し、プレートフィン3の曲がりの方向がフィンカラー5側と同じ側になったり反対側になったりするようになる。
Here, the moment Mr is constant because the pressing force Fr is constant as the pipe expands (that is, the amount of pushing of the plug increases), but the axial load Fz is increased by increasing the amount of contraction in the axial direction. The moment Mz increases to increase. Therefore, the magnitude relationship between the moment Mr and Mz varies depending on the extent of tube expansion (that is, the amount of push-in of the plug), and the bending direction of the
このため、従来の平面状のプレートフィン103(図4参照)を用いた場合は、プレートフィン103がフィンカラー105側と同じ側に傾いたり、フィンカラー105側と反対側に傾いたりして、フィンピッチが乱れたりアベック現象が起こりやすかった。
For this reason, when the conventional planar plate fin 103 (see FIG. 4) is used, the
これに対し、本発明に係る傘状のプレートフィン3を用いた場合は、プレートフィン3が予めフィンカラー5側と同じ側に所定角度分(8〜30°)曲げてあるので、上記モーメントMrとMzの大小関係によりプレートフィン3の曲がりの方向が変化したとしても、全てのフィン3はフィンカラー5側と反対側にまでは傾くことはなく、必ずフィンカラー5側と同じ側に傾いた状態に揃う(還元すれば、鋭角化変形する)ので、フィンピッチが乱れたりアベック現象が生じたりすることはない。
On the other hand, when the umbrella-
ここで、プレートフィン3の傾斜角度を8〜30°としたのは、以下の理由による。すなわち、8°未満では、後記実施例に示すように、一部のフィン3がフィンカラー5側と反対側にまで傾くようになり、フィンピッチの乱れやアベック現象が発生するためである。他方、30°を超えると、フィンピッチの乱れやアベック現象は発生しないものの、プレートフィン3同士の隙間(すなわち、空気の流路)が過度に狭くなって熱交換性能が低下してしまうためである。プレートフィン3の傾斜角度の好ましい範囲は8〜15°、さらに好ましい範囲は8〜12°である。
Here, the reason why the inclination angle of the
また、プレートフィン3はその外周が真円になるように形成するのが好ましく、これにより、多数のプレートフィン3を積層する際に、その組み付け方向を気にする必要がなくなり、組立の作業性が著しく改善される効果が得られる。
The
また、図2に示すように、全てのプレートフィン3に、隣接するプレートフィン3との間隔を確保するためのリブ7を設けることが好ましい。リブ7は、例えば同図(b)に示すように断面台形状とし、さらに、その高さをフィンカラー5の高さとほぼ同じとすることで、リブ7とフィンカラー5とが協同して隣接するプレートフィン3同士の間隔をより確実に一定に保つことができる。なお、リブ7はプレートフィン3の円周方向に複数個設けるとよいが、隣接するプレートフィン3間で複数のリブ7同士がぴったり重なり合ってリブとしての用をなさなくなる確率をできるだけ小さくして作業性を向上させるため、例えば図2(a)に示すように、円周方向に6個設ける場合であれば、円周方向の間隔を60°一定にするのではなく、58°、60°、62°のように意図的にずらして設けるのが推奨される。
In addition, as shown in FIG. 2, it is preferable to provide
チューブ内の伝熱媒体をオイルとするカークーラー用のプレートフィンチューブ熱交換器について、プレートフィンの傾斜角度の影響を調査した。 Regarding the plate fin tube heat exchanger for car coolers using the heat transfer medium in the tube as oil, the influence of the inclination angle of the plate fin was investigated.
プレートフィンは、外径30mm、厚さ0.3mmのアルミニウム合金(A1050)製であり、管穴の内径11.6mm、フィンカラーの高さ2mmとし、断面台形(底面6mm、上面2mm、高さ2mm)のリブを円周方向に58°、60°、62°のように意図的にずらして6個設けたものである(図2参照)。そして、傘状斜面の傾斜角度を5〜15°の間で順次変化させたものを作製した。
The plate fin is made of an aluminum alloy (A1050) having an outer diameter of 30 mm and a thickness of 0.3 mm. The inner diameter of the tube hole is 11.6 mm, the height of the fin collar is 2 mm, and a trapezoidal cross section (bottom surface 6 mm,
なお、プレートフィンの作製は、アルミニウム合金(A1050)の平板切り板に、リブ、管穴、フィンカラーを順に形成したのち、管穴を中心として傘状に変形加工し、最後に全体の外径を円形に打ち抜くことにより行った。 The plate fin is manufactured by forming ribs, tube holes, and fin collars in order on a flat plate of an aluminum alloy (A1050), then deforming it into an umbrella shape around the tube holes, and finally the entire outer diameter. This was done by punching out a circle.
チューブは、外径11.4mm、厚さ1mmのアルミニウム合金製(A6063)のものを用いた。 The tube used was an aluminum alloy (A6063) having an outer diameter of 11.4 mm and a thickness of 1 mm.
(1)プレートフィンの固着力の測定
まず、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに、チューブにプレートフィンを1枚だけ差し込み、フィンカラーの形成側(すなわち、傘状傾斜面が傾いている側)から上記チューブに先端部の最大径が10.2mmのプラグを押し込んでチューブを拡管してチューブとプレートフィンとを固着させたものを作製した。そして、チューブへのプレートフィンの固着力を測定するために、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに5個ずつのサンプルについて、チューブからプレートフィンをそのフィンカラーの形成側に引き抜くのに要する力を測定し、その平均値をプレートフィンの固着力とした。
(1) Measurement of the fixing force of the plate fin First, for each inclination angle of the umbrella-like slope of the plate fin, only one plate fin is inserted into the tube, and the fin collar forming side (that is, the umbrella-like slope is inclined) The plug having a maximum tip diameter of 10.2 mm was pushed into the tube from the side where the tube and the plate fin were fixed. Then, to measure the fixing force of the plate fin to the tube, for each of the five samples at each inclination angle of the umbrella-like slope of the plate fin, the plate fin is pulled out from the tube to the fin collar forming side. The required force was measured, and the average value was taken as the fixing force of the plate fin.
(2)アベック現象、フィンピッチの乱れの発生の頻度の調査
つぎに、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに、チューブにプレートフィン200枚を傘状斜面の傾斜方向が全て同じ方向となるように差し込んで積層し、上記(1)と同様、フィンカラーの形成側からチューブに先端部の最大径が10.2mmのプラグを押し込んでチューブを拡管してチューブとプレートフィンとを固着させた。そして、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに、5個のサンプルについて、アベック現象やフィンピッチの乱れの発生の有無を目視にて調査した。
(2) Investigation of the frequency of occurrence of Abeck phenomenon and fin pitch disturbance Next, for each inclination angle of the umbrella-like slope of the plate fin, 200 plate fins are placed on the tube, and the inclination directions of the umbrella-like slope are all the same direction. As in (1) above, insert a plug with a maximum diameter of 10.2 mm into the tube from the fin collar formation side to expand the tube and fix the tube and plate fin in the same manner as in (1) above. It was. Then, for each of the inclination angles of the umbrella-shaped slope of the plate fin, the presence or absence of occurrence of the Abeck phenomenon or fin pitch disturbance was visually examined for five samples.
(3)熱交換性能に及ぼす影響の調査
[発明例]
傘状斜面の傾斜角度を15°とした上記円形プレートフィンを、図5(a)に示すように、上記直管チューブと同じ材質および管径の曲管チューブの各直線部に100枚ずつ固着させ、このチューブ内に伝熱促進用のスプリングを挿入し、チューブの端部を低圧ゴムホースと接続できるように縮径加工してプレートフィンチューブ熱交換器を作製した。そして、このプレートフィンチューブ熱交換器のチューブ両端部に低圧ゴムホースを接続しオイルを充填して冷却回路を形成した。
(3) Investigation of effects on heat exchange performance
[Invention Example]
As shown in FIG. 5 (a), 100 circular plate fins with an umbrella-like slope having an inclination angle of 15 ° are fixed to each straight portion of the curved tube having the same material and diameter as the straight tube. The plate fin tube heat exchanger was manufactured by inserting a spring for heat transfer promotion into the tube and reducing the diameter so that the end of the tube could be connected to the low pressure rubber hose. And the low pressure rubber hose was connected to the tube both ends of this plate fin tube heat exchanger, and it filled with oil, and formed the cooling circuit.
[比較例]
25mm×70mmの平面状(リブなし)で、管穴を長手方向に沿って2個有する長方形フィンを、図5(b)に示すように、2mmピッチ(上記発明例と同じピッチ)で100枚ずつ2列に上記発明例と同じ曲管チューブに固着させ、上記発明例と同様、このチューブ内に伝熱促進用のスプリングを挿入し、チューブの端部を低圧ゴムホースと接続できるように縮径加工してプレートフィンチューブ熱交換器を作製した。そして、このプレートフィンチューブ熱交換器のチューブ両端部に低圧ゴムホースを接続しオイルを充填して冷却回路を形成した。
[Comparative example]
As shown in FIG. 5 (b), 100 pieces of rectangular fins having a flat shape of 25 mm × 70 mm (without ribs) and having two tube holes along the longitudinal direction at a pitch of 2 mm (same pitch as the above-described invention example). Each tube is fixed to the same curved pipe tube as in the above invention example, and the heat transfer promotion spring is inserted into this tube, and the end of the tube is reduced in diameter so that it can be connected to the low pressure rubber hose. It processed and produced the plate fin tube heat exchanger. And the low pressure rubber hose was connected to the tube both ends of this plate fin tube heat exchanger, and it filled with oil, and formed the cooling circuit.
〔熱交換性能評価実験の方法および条件〕
上記発明例および比較例の各冷却回路にオイルを4、6、8L/minの各流量で循環させつつ、各プレートフィンチューブ熱交換器に対し、図5において紙面に垂直な方向にファンにて風速を変化させて常温のエアーを吹き付け、そのときの冷却性能(W)を測定した。なお、風速はプレートフィンチューブ熱交換器の近傍に設置した風速計により測定し、冷却性能(W)はプレートフィンチューブ熱交換器の入側および出側のオイル温度を測定し、その温度差より放熱量を算出することによって求めた。
[Method and conditions of heat exchange performance evaluation experiment]
While circulating oil at each flow rate of 4, 6, and 8 L / min in each cooling circuit of the above invention example and comparative example, for each plate fin tube heat exchanger, with a fan in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. The air velocity was changed and normal temperature air was blown, and the cooling performance (W) at that time was measured. The wind speed is measured by an anemometer installed in the vicinity of the plate fin tube heat exchanger, and the cooling performance (W) is measured by measuring the oil temperature on the inlet side and the outlet side of the plate fin tube heat exchanger. It calculated | required by calculating the thermal radiation amount.
(実験結果)
上記(1)および(2)の実験結果を下記表1に示す。
The experimental results of the above (1) and (2) are shown in Table 1 below.
上記表1に示すように、プレートフィンの固着力は、プレートフィンの傾斜角度が13°以上になると、プレートフィンがチューブを締め付ける方向の分力が減少することにより急激に低下する傾向を示すものの、本実験の範囲内(15°以下)では本プレートフィンチューブ熱交換器に要求される固着力(120N以上)は十分に確保されている。 As shown in Table 1 above, the fixing force of the plate fin tends to decrease rapidly when the inclination angle of the plate fin is 13 ° or more, because the component force in the direction in which the plate fin tightens the tube decreases. In the range of this experiment (15 ° or less), the fixing force (120 N or more) required for the plate fin tube heat exchanger is sufficiently secured.
また、プレートフィンの傾斜角度が8°未満では、アベック現象やフィンピッチの乱れが発生する頻度が高いのに対し、プレートフィンの傾斜角度が8°以上になると、アベック現象およびフィンピッチの乱れはまったく発生しなくなることがわかる。 Also, when the plate fin inclination angle is less than 8 °, the Abeck phenomenon and the fin pitch disturbance occur frequently. On the other hand, when the plate fin inclination angle exceeds 8 °, the Abeck phenomenon and the fin pitch disturbance occur. It turns out that it does not occur at all.
上記(3)の熱交換性能評価実験の結果を図6に示す。発明例は比較例よりプレートフィンの総面積は小さいにも関わらず、同図に示すように、冷却性能(W)はほぼ同等であり、熱交換性能が十分に確保できることがわかった。 The results of the heat exchange performance evaluation experiment (3) are shown in FIG. Although the invention example had a smaller total plate fin area than the comparative example, as shown in the figure, the cooling performance (W) was almost the same, and it was found that the heat exchange performance could be sufficiently secured.
1:プレートフィンチューブ熱交換器
2:チューブ
3:プレートフィン
4:管穴
5:フィンカラー
6:傘状斜面
7:リブ
1: Plate fin tube heat exchanger 2: Tube 3: Plate fin 4: Tube hole 5: Fin collar 6: Umbrella slope 7: Rib
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