JP2013043191A - 伝熱ケースの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィンにかかる負荷が軽減される伝熱ケースの製造技術を提供する。
【解決手段】ケース本体３１の上方内面３７と下方内面３５に沿うようにしてケース本体３１内へろう材を供給する工程と、上方のろう材３３と下方のろう材３３との間にフィン３２を挿入する工程と、ろう材３３をケース本体３１の端部３１ａで切断する工程と、フィン３２が挿入されたケース本体３１をろう付け炉５８へ入れろう付け処理を行う工程とからなる。
【効果】ケース本体３１内部の高さに対して、２枚のろう材３３，３３の厚さとフィン３２の高さとの合計を略同一に設定することで、フィン３２を伝熱ケース３０に密着させることができる。フィン３２を伝熱ケース３０に密着させるために、伝熱ケース３０を塑性変形させる必要がない。伝熱ケース３０を塑性変形させないため、フィン３２にかかる負荷を軽減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に用いられる伝熱ケースの製造方法に関する。

内燃機関で発生した排気ガスの熱エネルギを利用するために、熱交換器が用いられる。熱交換器の内部には、伝熱ケースが取り付けられており、この伝熱ケース内に排気ガスを流すと共に、伝熱ケースの外周に水を流す。排気ガスの熱が伝熱ケースを介して水に伝わり、水が温められる。さらに、伝熱ケース内にフィンを収納することで、伝熱面積が増加し、伝熱効率を高めることができる。フィンが収納される伝熱ケースの製造方法が種々提案されている（例えば、特許文献１（図１〜図３）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０（ａ）に示すように、伝熱ケース１００は、横長略矩形断面のケース本体１０１と、このケース本体１０１に収納されるフィン１０２とからなる。ケース本体１０１の内周の両端に略Ｕ字状の溝部１０３，１０３が形成されている。
伝熱ケース１００を製造するには、まず、矢印（１）で示すようにフィン１０２をケース本体１０１に挿入する。

図１０（ｂ）に示すように、ケース本体１０１の内周部の高さｈ１に対して、フィン１０２の高さｈ２が小さく設定されている。フィン１０２の高さｈ２が小さいことで、フィン１０２の上面とケース本体１０１の内周面との間に隙間ができる。

図１０（ｃ）に示すように、フィン１０２を収納した状態で、ケース本体１０１を上下方向に加圧する。加圧し塑性変形させることで、ケース本体１０１の内周面がフィン１０２に密着する。

しかし、ケース本体１０１とフィン１０２とを密着させるために、ケース本体１０１を塑性変形させる際に、フィン１０２にも不可避的に外力が加わる。フィン１０２に外力が加わることで、フィン１０２も塑性変形することがある。フィン１０２が塑性変形することで、フィン内の排気ガスの流路が狭まる。フィン１０２内の排気ガスの流路は非常に狭いため、排気ガスの流れが悪化する。排気ガスの流れが悪化すると、伝熱効率が低下する。
フィンにかかる負荷を軽減することのできる伝熱ケースの製造技術が望まれる。

特開平７−２６５９８５号公報

本発明は、フィンにかかる負荷を軽減し、且つケース本体とフィンとを均一に密着させることができる伝熱ケースの製造技術の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、横長略矩形断面のケース本体内にフィンを収納してなる伝熱ケースの製造方法において、ケース本体と、フィンと、シート状のろう材とを準備する工程と、ケース本体の上方内面と下方内面に沿うようにしてケース本体内へろう材を供給する工程と、上方のろう材と下方のろう材との間にフィンを挿入する工程と、ろう材をケース本体の端部で切断する工程と、フィンが挿入されたケース本体をろう付け炉へ入れろう付け処理を行う工程とからなる。

請求項１に係る発明では、ケース本体内に供給された上下のろう材の間にフィンを挿入し、ろう付けをする。ケース本体内部の高さに対して、２枚のろう材の厚さとフィンの高さとの合計を略同一に設定し又は僅かに高く設定することで、フィンを伝熱ケースに密着させることができる。フィンを伝熱ケースに密着させるために、伝熱ケースを塑性変形させる必要がない。伝熱ケースを塑性変形させないため、フィンにかかる負荷を軽減することができる。

本発明に係る伝熱ケースが用いられる熱交換器の断面図である。 図１の２−２線断面図である。 本発明に係る伝熱ケースの斜視図及び要部断面図である。 上部フィンの頂部Ｄ，Ｅと下部フィンの頂部Ａ，Ｂ，Ｃの相関関係を示す図である。 上部フィン及び下部フィンを重ね合わせる工程からケース本体、フィン、ろう材を準備する工程までを説明する図である。 ケース本体を押さえる工程からフィンを挿入する工程までを説明する図である。 図６（ｂ）の７部拡大図である。 ろう材を切断する工程からろう付け処理を行う工程までを説明する図である。 図４の変更例を説明する図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、排熱回収装置に用いられる熱交換器１０は、断面視矩形を呈すると共に両端部が開口しているコアケース１１と、このコアケース１１に複数収納されると共に内部に排気ガスが流される伝熱ケース３０と、これらの伝熱ケース３０の両端を支持する一対のエンドプレート１３，１４とからなる。

排気ガスは、伝熱ケース３０内を図面左側から右側に向かって流れ、コアケース１１の図面左側の開口は、排気ガスを導入する排気ガス導入口１６とされている。排気ガス導入口１６の逆側の開口は、排気ガスが排出される排気ガス排出口１７とされている。排気ガス導入口１６に、他の部材と接続するための上流側接続部材１８が接合されている。排気ガス排出口１７にも同様に、下流側接続部材１９が接合されている。

また、コアケース１１の下部に、水を導入するための水導入口２１が形成され、コアケースの上部に、水を導入するための水排出口２２が形成されている。水導入口２１には、水導入管２３が接続され、水排出口２２には、水排出管２４が接続されている。

伝熱ケース３０は、上流側及び下流側のエンドプレート１３，１４に支持されるケース本体３１と、このケース本体３１に収納され伝熱効率を高めるフィン３２と、このフィン３２とケース本体３１との間に配置されケース本体３１にフィン３２を接合するろう材３３，３３とからなる。ろう材３３，３３は、フィン３２の上部と下部とにそれぞれ配置されている。
フィン３２の詳細をさらに次図で説明する。

図２に示すように、フィン３２は、ケース本体３１の下方内面３５に沿って配置される下部フィン３６と、この下部フィン３６の上部に配置されケース本体３１の上方内面３７に沿って配置される上部フィン３８とからなる。

下部フィン３６は、伝熱ケース３０に接合される底部３６ａと、この底部３６ａの一端から起立させた起立部３６ｂと、この起立部３６ｂの先端から延ばした頂部３６ｃと、この頂部３６ｃの先端から下げた下がり部３６ｄとが連続する鋸歯形状断面を呈している。
上部フィン３８も同様である。即ち、底部３８ａ、起立部３８ｂ、頂部３８ｃ、下がり部３８ｄが連続する鋸歯形状断面を呈する。

熱交換器１０は、伝熱ケース３０の内部に排気ガスが流されると共に、伝熱ケース３０の外部に水が流される。排気ガスの熱は、フィン３２からろう材３３に伝わり、ろう材３３からケース本体３１に伝わる。ケース本体３１の外周を流れる水は、ケース本体３１に接触することで温められる。即ち、伝熱ケース３０内を流れる媒体と、伝熱ケース３０の外周を流れる媒体とで熱交換が行われる。
伝熱ケース３０の詳細をさらに次図で説明する。

図３（ａ）に示すように、伝熱ケース３０のケース本体３１は、略直方体形状を呈する。また、上部フィン３８及び下部フィン３６は、それぞれが異なる方向を向けられている。

伝熱ケース３０の入口４１では、図３（ａ）のｂ部矢視図である図３（ｂ）に示すように、下部フィン３６の頂部３６ｃと上部フィン３８の頂部３８ｃとが交互に並べられている。
ここで、下部フィン３６の頂部３６ｃを左からＡ、Ｂ、Ｃとし、上部フィン３８の頂部３８ｃを左からＤ、Ｅとする。

このとき、ＡとＢとの間にＤが配置され、ＢとＣとの間にＥが配置されている。
伝熱ケース３０上流端では、上部フィン３８の頂部３８ｃと下部フィン３６の頂部３６ｃとが交互に並べられている。頂部３６ｃ，３８ｃを接触させないことで、上部フィン３８と下部フィン３６との伝熱面積を最大とすることができる。

また、交互に並べられていることで、上部フィン３８と下部フィン３６とで囲われた領域内は、矢印で示すように渦流による熱の撹拌効果が期待できる。熱が撹拌されることで、この領域内の熱が均一化される。

このような伝熱ケース３０の長手方向中央では、図３（ａ）のｃ−ｃ線断面図である図３（ｃ）に示すように、上部フィン３８の頂部３８ｃと下部フィン３６の頂部３６ｃとが重なる。

上部フィン３８と下部フィン３６とは、それぞれが異なる方向に向けて配置されていることで、Ｂの上面にＤが接触し、Ｃの上面にＥが接触する。

上部フィン３８と下部フィン３６とが接触することで、互いに支持しあう。伝熱ケース３０の周りに水を流すことで、伝熱ケース３０の外部から内部に向かって荷重がかかる（白抜き矢印）。この荷重に対して、上部フィン３８と下部フィン３６とが支持しあうことで、耐圧性能が向上し、伝熱ケース３０を保護する。

図３（ａ）のｄ−ｄ線断面図である図３（ｄ）に示すように、伝熱ケース３０の出口（図３（ａ）、符号４２参照。）では、下部フィン３６の頂部３６ｃと上部フィン３８の頂部３８ｃとが交互に並べられている。
より具体的には、ＢとＣとの間にＤが配置され、Ｃの右側にＥが配置されている。

図３（ｂ）から図３（ｄ）までをまとめると以下のようにいうことができる。
伝熱ケース３０の外部から内部に向かってかかる荷重に対して、上部フィン３８と下部フィン３６とが支持しあうことで、伝熱ケース３０を保護する（図３（ｃ）参照）。
一方、上部フィン３８と下部フィン３６とは、一部で接触する。このため、接触していない箇所では、大きな伝熱面積を得ることができる（図３（ｂ）、図３（ｄ）参照）。
以上から、伝熱ケース３０は強度が高く、且つ、伝熱面積を広く取ることができる。
このようなフィン３２の配置の仕方について、透視図を用いて次図でさらに説明する。

図４に示すように、伝熱ケース３０の上面から透視したときに、上部フィンの頂部の中心線である第１中心線４５と下部フィンの頂部の中心線である第２中心線４６とが交差するよう、上部フィンが下部フィンとは異なる方向に向けて配置されている。

加えて、伝熱ケース３０の入口４１及び出口４２において、隣り合う一対の第１中心線４５，４５の中間に第２中心線４６が配置されている。即ち、入口４１ではＡとＢとの間にＤが配置され、出口４２ではＢとＣとの間にＤが配置されている。また、第１中心線４５は長手方向中央の１箇所でのみ第２中心線４６に交わっている。

上部フィンは、第１中心線４５が伝熱ケース３０の長手方向の軸線４７に交差するように配置され、下部フィンは、第２中心線４６が伝熱ケース３０の長手方向の軸線４７に交差するように配置されている。これにより、上部フィンは、下部フィンに対して１ピッチずらされているということができ、下部フィンは、上部フィンに対して１ピッチずらされているということもできる。

なお、第１中心線４５が２本以上の第２中心線４６と交わってもよい。ただし、第１中心線４５が第２中心線４６に交わるのは、伝熱ケース３０の長手方向中央の１点であることが望ましい。

最も荷重のかかりやすい伝熱ケース３０の長手方向中央を、上下のフィンで支持させる（図３（ｃ）参照。）。一方、第１中心線４５が１箇所でのみ第２中心線４６に交わるため、２箇所以上で接触させる場合に比べ、伝熱面積を広くすることができる。
伝熱ケース３０の製造方法について次図以降で詳細に説明する。

図５（ａ）に示すように、伝熱ケースの製造に先立って、フィンの製造を行う。
まず、下部フィン３６と、上部フィン３８とを準備し、下部フィン３６に上部フィン３８を重ね合わせる。このとき、下部フィン３６の頂部３６ｃの中心線（図４、第２中心線４６）に対して、上部フィン３８の頂部３８ｃの中心線（図４、第１中心線４５）が交差するよう、上部フィン３８を下部フィン３６に重ね合わせる。即ち、下部フィン３６と上部フィン３８とを異なる方向に向けて重ね合わせる。

図５（ｂ）に示すように、異なる方向に向けて重ね合わせた下部フィン３６と上部フィン３８とを接合する。接合は、スポット溶接によって行うことができる。下部フィン３６と上部フィン３８とを接合することで、フィン３２を得る。

次に図５（ｃ）に示すように、横長略矩形断面のケース本体３１と、下部フィン３６に対して上部フィン３８が１ピッチずらして配置されているフィン３２と、シート状のろう材３３，３３をロールしたものとを準備する。

図６（ａ）に示すように、伝熱ケースの組立てを行うための組立て装置５０は、ケース本体３１を押さえる治具５１と、この治具５１に押さえられたケース本体３１の上方及び下方の内面にろう材３３，３３を供給するろう材供給機５２，５２と、これらのろう材供給機５２，５２で供給された２枚のシート状のろう材３３，３３の間に挿入されるフィン３２が載置される載置台５３と、この載置台５３に支持されフィン３２をケース本体３１に押し込むシリンダ５４とからなる。

治具５１は、ケース本体３１が載置され地上に固定される固定部５５と、この固定部５５の上方に昇降可能に配置される昇降部５６とからなる。
固定部５５及び昇降部５６は、切断するためのカッター５７，５７をケース本体３１の端部３１ａに臨むよう備えている。カッター５７は、固定部５５及び昇降部５６に対して、それぞれ昇降可能に設けられると共に、図面表裏方向に移動可能に設けられている。

ケース本体３１を、先端が固定台５５のストッパ５１ａに当たるようにして固定台５５に載置し、ろう材３３，３３を、ろう材供給機５２，５２にセットし、フィン３２を、載置台５３に載置する。
次に、昇降部５６を降下させケース本体３１を押さえる。

図６（ｂ）に示すように、ケース本体３１を押さえたら、次に、ろう材供給機５２，５２を作動させ、ろう材３３，３３を供給する。ろう材供給機５２，５２を作動させることで、ろう材供給機５２，５２を構成する複数のローラ５２ａ，５２ｂが回転する。ローラ５２ａ，５２ｂを回転させることで、ケース本体３１の上方内面３７と下方内面３５に沿うようにして、ろう材３３，３３を配置する。ろう材３３，３３の先端がストッパ５１ａ，５１ａに接触するまでろう材３３，３３を供給する。ろう材３３，３３を供給したら、ろう材供給機５２，５２を停止する。

ろう材供給機５２，５２を停止しさせている間は、ローラ５２ａ，５２ｂが回転しない。即ち、ろう材３３，３３を引張ったとしても、ろう材３３，３３は供給されない。このようなろう材供給機５２，５２について、詳細を次図で説明する。

図７に示すように、ろう材供給機５２は３つのローラ５２ａ，５２ａ，５２ｂからなり、ローラ５２ａ，５２ａとローラ５２ｂとでろう材３３を挟んでいる。ろう材３３を供給する際は、ローラ５２ａ，５２ａを速度ｖａで回転させ、ローラ５２ｂを速度ｖｂで回転させる。このとき、速度ｖｂを速度ｖａよりも早く回転させることで、ろう材３３をケース本体（図６（ａ）、符号３１）に向けて曲げることができる。

即ち、ろう材３３を複数のローラ５２ａ，５２ｂで挟み、これらのローラ５２ａ，５２ｂの回転する速度をローラ毎に異なる値に設定する。異なる値に設定することで、ろう材３３を曲げることができる。ろう材３３を曲げて供給することで、ろう材供給機５２の配置の自由度が高まる。ろう材供給機５２の配置の自由度を高めることで、伝熱ケースの製造に必要なスペースを小さくすることができる。
伝熱ケースの製造方法について、図６に戻り説明する。

図６（ｃ）に示すように、シリンダ５４を作動させ、フィン３２をケース本体３１内に挿入する。即ち、上方のろう材３３と下方のろう材３３との間にフィン３２を挿入する。フィン３２も、先端がストッパ５１ａ，５１ａに接触するまで挿入される。ろう材供給機５２，５２のローラ５２ａ，５２ｂの回転を防止させることで、フィン３２を圧入しても、フィン３２によってろう材３３，３３が押し込まれることを防ぐことができる。

図８（ａ）に示すように、フィン３２をケース本体３１に挿入したら、ロッド５４ａを後退させる。ケース本体３１の他端部３１ｂをストッパ５１ａ，５１ａに接触させておくことで、ろう材３３の先端部及びフィン３２の先端部を容易に揃えることができる。即ち、ケース本体３１の他端部３１ｂをストッパ５１ａ，５１ａに接触させておき、ストッパ５１ａ，５１ａに接触する位置までろう材３３，３３及びフィン３２を挿入する。
ロッド５４ａを後退させたら、カッター５７，５７をろう材３３，３３に向かって移動させる。

図８（ｂ）に示すように、カッター５７，５７を、ろう材３３，３３と同じ高さまで移動させる。
図８（ｂ）のｃ−ｃ線断面図である図８（ｃ）に示すように、カッター５７を回転させながら、ろう材３３の幅方向に向かってカッター５７を移動させる。カッター５７が移動することで、ろう材３３をケース本体３１の端部３１ａで切断する。

図８（ｄ）に示すように、フィン３２が挿入されたケース本体３１をろう付け炉５８へ入れ、ろう付け処理を行う。ろう付け処理を行うことで、フィン３２がケース本体３１に密着する。
なお、フィン３２を収納したケース本体３１を、ろう付け前に熱交換器に組み付け、他の部材と一体的にろう付けを行ってもよい。

ケース本体３１内部の高さ（図２、ｈ３）に対して、２枚のろう材３３，３３の厚さとフィン３２の高さとの合計を同一又は僅かに高く設定することで、フィン３２を伝熱ケース３０に密着させることができる。フィン３２を伝熱ケース３０に密着させるために、伝熱ケース３０を塑性変形させる必要がない。伝熱ケース３０を塑性変形させないため、フィン３２にかかる負荷を軽減することができる。なお、フィン３２の挿入時に、フィン３２によってケース本体３１を弾性変形させてもよい。

加えて、ケース本体３１を圧縮しないため、ケース本体３１のスプリングバックも生じない。スプリングバックを防止するためのＵ字溝（図１０参照）を形成する必要がなく、Ｕ字溝を形成するための厚さ分、ケース本体３１をコンパクトにすることができる。
伝熱ケース３０の変更例を次図で説明する。

図９に示されるように、第２中心線６４が軸線６２に平行になるよう下部フィンが配置され、第１中心線６５が軸線６２に交差するよう上部フィンが配置されている。

このようにフィン６６を配置した場合であっても、伝熱面積を広く取りつつ、強度が高い熱交換器ということができる。

また、次のようなこともいえる。最も荷重のかかりやすい伝熱ケース６７の長手方向中央を、上下のフィンで支持させる。一方、第１中心線６５が１箇所でのみ第２中心線６４に交わるため、伝熱面積をより広くすることができる。

なお、これとは上下を逆にしたフィンを用いても差し支えない。即ち、第２中心線６４が軸線６２に交差するよう下部フィンを配置し、第１中心線６５が軸線６２に平行になるよう上部フィンを配置することもできる。

尚、実施例では排熱回収装置に用いられる熱交換器を例に説明したが、本発明に係る伝熱ケースを搭載した熱交換器は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラにも適用することができる。
さらに、熱交換器は、気体−気体間の熱交換を行うものや、液体−液体間の熱交換を行うもの、伝熱ケース内に冷たい媒体を流し、伝熱ケースの外周に熱い媒体を流すものでもよく、実施例に限定されない。

本発明の伝熱ケースを搭載した熱交換器は、車両の排熱回収装置に好適である。

３０，６７…伝熱ケース、３１…ケース本体、３１ａ…端部、３２…フィン、３３…ろう材、３５…下方内面、３７…上方内面。

Claims (1)

1. 横長略矩形断面のケース本体内にフィンを収納してなる伝熱ケースの製造方法において、
   前記ケース本体と、前記フィンと、シート状のろう材とを準備する工程と、
   前記ケース本体の上方内面と下方内面に沿うようにして前記ケース本体内へろう材を供給する工程と、
   上方の前記ろう材と下方の前記ろう材との間に前記フィンを挿入する工程と、
   前記ろう材を前記ケース本体の端部で切断する工程と、
   前記フィンが挿入された前記ケース本体をろう付け炉へ入れろう付け処理を行う工程とからなる伝熱ケースの製造方法。

Images