JP2014035181A - 熱交換器のためのチューブ、熱交換器のチューブアッセンブリ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブアッセンブリの構成は、耐久性の高い装置のラジエーターへのチューブアッセンブリの挿入及びラジエーターからの取り外しに耐えるために、堅い構造を提供する。
【解決手段】熱交換器１に使用するためのチューブアッセンブリは、対向する幅が広いチューブ２側面を有する平坦部分を含む。フィン１０構造は、平坦部分の幅が広いチューブ２側面に結合され、側面シート１１がフィン１０構造の対向する端部に結合される。チューブ２の平坦部分は、グロメットの中に挿入されるようになった円筒状端部４，５の間に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概ね、チューブ、熱交換器用フィン及びチューブアッセンブリ、及び、その製造方法に関する。

第１流体を搬送するためのチューブを有する、分離された個々に交換可能なチューブアッセンブリと、第１流体へ又は第１流体から熱を伝達する第２流体のための第２伝熱表面領域とを組み込む大規模な熱交換器がよく知られている。一例として、エンジンの冷却水からの廃熱を空気に伝達する耐久性の高い装置のラジエーターとして機能するこのタイプの熱交換器が、Ｍｕｒｒａｙの米国特許第３３９１７３２号及びＮｅｕｄｅｃｋの米国特許第４２３６５７７号に開示されている。これらの熱交換器に使用されるチューブアッセンブリは、熱交換のための中央のフィンが付いた区分及びシールグロメットの中に挿入するためのフィンが付いていない円柱状端部区分を有する。

上述の種の熱交換器のチューブアッセンブリは、通常、銅で構成され、フィンが付いた領域における拡張された空気側面がチューブに半田付けされている。銅は、高熱伝導性、容易な製造可能性及び良好な強度と耐久性の利点を提供する。しかしながら、安定して増加する銅の価格は、代替の低コストの材料の需要につながる。

アルミニウムは、他の熱交換器（例えば、自動車及び商業用ラジエーター）の構成の好適な材料として銅に取って代えられているが、この種の耐久性の高い熱交換器において成功的に銅に取って代えられていない。アルミニウムは、銅よりも実質的に低い強度を有し、耐久性の懸念につながる。これは、個々のチューブアッセンブリが取り外されてフィールドに挿入される必要があるアプリケーションでは、損傷がそのような処理中に発生する可能性があるので、特に問題である。さらに、アルミニウム部品の接着は、銅の半田付けよりも実質的に高い温度を必要とし、製造の難しさにつながる。従って、まだ改善の余地がある。

本発明の実施形態によれば、熱交換器のためのチューブアッセンブリは、離間配置された、幅が広いチューブ側面が対向する幅が狭いチューブ側面によって接合されている平坦な部分を有するチューブを含む。チューブアッセンブリは、更に、各々が側面によって接続された波の山部及び谷部と、二つの概ね平らな側面シートとを有する、二つのフィン構造を含む。一方のフィン構造の波の谷は、幅が広いチューブ側面の一方に接続され、そのフィン構造の波の山部は、一方の側面シートの面に接合される。他方のフィン構造の波の谷は、幅が広いチューブ側面の他方に接続され、そのフィン構造の波の山部は、他方の側面シートの面に接合される。

いくつかの実施形態では、チューブは、チューブの縦方向の両端部にある円筒状部分を含み、平坦な部分が円筒状部分の間に配置される。いくつかの実施形態では、チューブ、フィン構造及び側面シートは、ろう付け接合によって接合され、いくつかの実施形態では、それらは一つ以上のアルミニウム合金で形成される。いくつかの実施形態によれば、幅が広いチューブ側面の厚さは、側面シートの厚さの少なくとも二倍である。

本発明の他の実施形態によれば、熱交換器のためのチューブアッセンブリは、チューブアッセンブリの少なくとも一部分にわたって縦方向に延びる流体流管を含む。流体流管は、長手寸法及び短手寸法を含み、双方とも縦方向に垂直であり、短手寸法は、長手寸法よりも実質的に小さい。連続したチューブ壁は、流体流管を囲む。二つの概ね平坦な側面シートが、短手寸法方向において連続したチューブ壁から同じ距離で離間配置されており、薄いウェブによってチューブ壁に接続される。

いくつかのこのような実施形態では、連続したチューブ壁は、長手寸法の方向において軸に対するチューブ壁の慣性の重心モーメントを画定する。いくつかの実施形態では、その軸を基準としたチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブ壁の慣性の重心モーメントの少なくとも５倍であり、いくつかの実施形態では少なくとも１０倍である。

いくつかの実施形態では、第１の円筒状チューブ部分は、流体流管の第１端部にある連続したチューブ壁に接合され、第２の円筒状チューブ部分は、流体流管の第２端部にある連続したチューブ壁に接合される。いくつかのこのような実施形態では、連続したチューブ壁によって画定された外周は、円筒状チューブ部分の少なくとも一方の外周よりも大きい。

本発明の別の実施形態によれば、熱交換器チューブアッセンブリを製造する方法は、チューブ、第１及び第２の波形フィン構造、及び第１及び第２の概ね平坦な側面シートを提供することを含む。第１の波形フィン構造は、第１の側面シートと、チューブの第１の広くて平らな側面との間に配置され、第２の波形フィン構造は、第２側面シートと、チューブの第２の広くて平らな側面との間に配置される。圧縮力が、フィン構造の山部及び谷部を側面シート及び広くて平らな側面と接触して配置するために側面シートの対向面に適用される。ろう付接合部が、第１のフィン構造と第１の側面シートとの間、第１のフィン構造と第１の広くて平らな側面との間、第２のフィン構造と第２の側面シートとの間、及び、第２のフィン構造と第２の広くて平らな側面との間に形成される。

いくつかのそのような実施形態では、チューブ、フィン構造、及び側面シートは、ろう付け接合を形成するために真空環境下で温度が上昇される。他の環境では、それらは、制御された不活性ガス環境で温度が上昇される。いくつかの実施形態では、チューブ、フィン構造、及び側面シートを提供することは、ろう付け溶加材で被覆された材料を提供することを含む。

いくつかの実施形態では、圧縮力は、第１の側面シートに隣接する第１の分離シートを通じて及び第２の側面シートに隣接する第２の分離シートを通じて伝達される。いくつかのそのような実施形態では、分離シートは、チューブ、フィン構造、及び側面シートの熱膨張係数と概ね一致される熱膨張係数を有する。いくつかの実施形態では、第１の分離シートは、第１の側面シートに隣接するいくつかの分離シートの一つである。

本発明の別の実施形態によれば、熱交換器チューブアッセンブリを製造する方法は、いくつかのチューブ、いくつかの波形フィン構造及びいくつかの概ね平坦な側面シートを提供することを含む。チューブの各々は、一対の波形フィン構造の間に配置され、波形フィン構造の各々は、一方のチューブと一方の側面シートとの間に配置される。チューブ、波形フィン構造及び側面シートは、スタックに配置される。分離シートは、隣接する一対の側面シートの間に配置されると共に、スタックの最も外側の両端にある側面シートに隣接して配置される。圧縮負荷が、積層方向にスタックに適用される。ろう付け接合が波形フィン構造とチューブとの間及び波形フィン構造と側面シートとの間の接触点に形成され、ろう付けされたチューブアッセンブリが分離シートから取り除かれる。

いくつかのそのような実施形態では、チューブ、フィン構造及び側面シートは、ろう付け接合を形成するために真空環境下で温度が上昇される。他の環境では、それらは、制御された不活性ガス環境で温度が上昇される。いくつかの実施形態では、チューブ、フィン構造及び側面シートを提供することは、ろう付け溶加材で被覆された材料を提供することを含む。

本発明の別の実施形態によれば、熱交換器のためのチューブは、第１のチューブ端部から延びる第１の円筒状部分と、第１のチューブ端部の反対の位置にある第２のチューブ端部から延びる第２の円筒状部分と、第１のチューブ端部と第２のチューブ端部との間に配置された平坦なチューブ部分であって、二つの比較的短い側面によって接合された、二つの平行に離間配置された、幅が広い平面を備える平坦なチューブ部分とを含む。移行領域が各々の円筒状部分と平坦なチューブ部分との間に配置される。移行領域とチューブの各々の幅が広い平面との交差部は、曲線から成る通路を画定する。

いくつかのそのような実施形態では、二つの比較的短い側面は、輪郭が弧状である。いくつかの実施形態では、曲線から成る通路の各々は、チューブの中心面に位置する頂部を含み、いくつかの実施形態では、弧状通路部分は頂部に配置される。

いくつかの実施形態では、円筒状部分の一方に隣接する移行領域は、その円筒状部分の直径に少なくとも等しい長さにわたって延びる。いくつかの実施形態では、チューブの平坦なチューブ部分の外周は、円筒状部分の少なくとも一方の外周よりも大きく、いくつかの実施形態では、少なくとも２５％大きい。

いくつかの実施形態では、平坦なチューブ部分は、二つの比較的短い側面の最も外側にある点間のチューブの長手寸法を画定し、曲線から成る通路の各々は、チューブの長手寸法よりも長い。いくつかの実施形態では、チューブは、アルミニウム合金からなる。

本発明の他の実施形態によれば、円形のチューブの第１部分の円形のチューブの直径を小さくすると共に、第２部分の二つの離間配置された、幅が広い平面を画定するために第１部分に隣接する第２部分を平らにすることによって、円形のチューブから熱交換器のためのチューブが形成される。いくつかの実施形態では、第１部分は、チューブの一端部で終端する。いくつかの実施形態では、第２部分は、第１部分の直径を小さくした後に平らにされる。

いくつかの実施形態では、第１部分の直径は、かしめ工程によって減少される。いくつかの実施形態では、第２部分は、スタンプ金型でその部分に衝撃を与えることによって平らにされる。いくつかの実施形態では、チューブは、アルミニウム合金からなる。

いくつかの実施形態では、マンドレルが第２部分を平らにする前にチューブの中に挿入され、そして、第２部分を平らにした後にチューブから取り除かれる。
いくつかの実施形態では、円形のチューブの第３部分の直径は、減少され、第３部分は、第２部分に隣接している。いくつかのそのような実施形態では、第３部分は、チューブの第２部分に終端する。いくつかの実施形態では、第２部分は、第３部分の直径を小さくした後に平らにされる。

図１は、本発明の実施形態にかかる熱交換器のチューブアッセンブリの斜視図である。 図２は、図１の熱交換器のチューブアッセンブリの正面図である。 図３は、線ＩＩＩ−ＩＩＩによって囲まれた図２の部分の詳細図である。 図４は、図１の熱交換器のチューブアッセンブリの平面図である。 図５は、図１の熱交換器のチューブアッセンブリの分解斜視図である。 図６は、本発明の実施形態に従って作られた熱交換器のチューブアッセンブリのスタックの正面図である。 図７は、図６のスタックの特定の構成要素の平面図である。 図８は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の斜視図である。 図９は、従来の熱交換器のためのチューブの部分斜視図である。 図１０は、図８の線Ｘ−Ｘに沿った部分断面図である。 図１１は、図８の線ＸＩ−ＸＩに沿った断面図である。 図１２は、図８の部分的に形成されたチューブの部分斜視図である。 図１３Ａは、図８のチューブを製造するための成形工程の概略図である。 図１３Ｂは、図８のチューブを製造するための成形工程の概略図である。

本発明の実施形態が詳細に説明される前に、本発明は、以下の説明に記載されたあるいは以下の図面に図示された構成の詳細及び構成要素の配置に対するその用途に限定されないことを理解されるべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実行でき又は実施できる。また、本明細書中で使用される用語及び専門用語は、説明の目的のためであり、限定的なものとみなすべきではないことを理解されるべきである。“含む”、“備える”又は“有する”及び本明細書中のそれらの変形の使用は、その後に記載された項目及びその等価物ならびに追加の項目を包含することを意味する。指定されない限り又はそうでなければ限定されない限り、用語“取り付けられた”、“接続された”、“支持された”及び“結合された”及びその変形は、広く使用され、直接的及び間接的な取り付け、接続、支持及び結合の双方を包含する。さらに、“接続された”及び“結合された”は、物理的または機械的な接続又は結合に限定されない。

本発明の実施形態による熱交換器のチューブアッセンブリ１が図１乃至図５に示される。そのようなチューブアッセンブリ１は、掘削機、鉱業トラック、発電機セットなどの大型の耐久性の高い装置における、熱交換器、例えば、ラジエーターの多くの個々のチューブの一つとして使用される。しかしながら、チューブアッセンブリ１は、様々なタイプ及び大きさの熱交換器に使用されることができることを理解されるべきである。

チューブアッセンブリ１は、第１端部７から第２端部８まで延びるチューブ２を含む。チューブ２は、流体流管を画定し、それによって、流体(例として、エンジン冷却水)がチューブアッセンブリ１を通って運送されることができる。一例として、チューブアッセンブリ１は、エンジン冷却水の流れが、端部７、８の一方から端部７、８の他方までチューブ２を通って流れるときに、エンジン冷却水の流れからの廃熱を除去するためにエンジン冷却水ラジエーターに使用されることができる。

チューブ２は、端部７、８間に配置された平坦部分３を含む。（図１１に関して最良に示される）平坦部分３は、第１及び第２の平行な幅が広い平面１２を含む。幅が広い平面１２は、互いに離間されて配置され、二つの対向する離間配置された幅が狭いチューブ側面１５によって接合される。幅が狭いチューブ側面１５は、例示的実施形態では外郭が弧状に形成されているように示されているが、他の実施形態では、幅が狭いチューブ側面１５は、直線状にすることができ、あるいは、他の輪郭形状にすることができる。二つの幅が広い平面１２及び二つの幅が狭いチューブ側面１５は、互いに、チューブ２を通る流体の流れを許容するために開放空間が連続したチューブ壁２５に内部を画定した流体流管の連続的なチューブ壁２５を画定する。例示的実施形態には示されていないが、チューブ２を通過する流体と、チューブ壁２５との間の熱伝達率を向上させるために、流管内に表面拡張又は流れ管形成の特徴を提供することがいくつかのケースで好ましい。

図１１を続けて参照すると、チューブ２の平坦部分３は、二つの幅が広い平面１２の外側に面する表面の間の距離として画定されたチューブの短手寸法ｄ１と、二つの幅が狭いチューブ側面１５の最も外側の点の間の距離として画定されたチューブの長手寸法ｄ２とを有する。いくつかの非常に好ましい実施形態では、長手寸法ｄ２は、短手寸法ｄ１よりも数倍大きい。一例として、例示的実施形態の長手寸法は、短手寸法よりも９倍大きい。

チューブアッセンブリ１は、さらに、平坦部分３に沿って配置された二つの複雑なフィン構造１０を含む。フィン構造１０は、山部１８及び谷部１７によって交互に接続された多数の側面１６を含み、フィン構造１０の各々は、（図３に最も見られる）ほぼ正弦曲線を描く形状である。フィン構造１０は、図３に示された簡単なタイプにすることができ、あるいは、熱伝達、構造強度、耐久性又は前述の組み合わせを高めるために付加的な特徴を含むことができる。例として、いくつかの実施形態では、フィン構造１０は、ルーバー、隆起部、スリット、ランス、又は側面１６の伝熱及び／又は構造上の剛性を改善するために知られた他の特徴を含むことができる。他の実施形態では、端へりが、幅が狭いチューブ側面１５に隣接するフィン構造１０の端部の一方又は双方に提供されることができる。そのような端ヘリは、石又は他の破片の衝突によって生じる可能性がある損傷への耐性を提供する上で特に有益である。

また、薄い側面シート１１が、チューブアッセンブリ１に含まれる。これらの側面シート１１は、チューブ２の対向する幅が広い平面１２に平行であり、フィン構造１０によって両側でそこから等間隔に配置される。従って、フィン構造１１の側面１６、山部１８及び谷部１７は、複数の薄いウェブを提供し、連続したチューブ壁２５から側面シート１１の間に間隔を置く。側面シート１１は、概ね平坦であるが、例えば、増加した剛性を提供するため及び／又はアッセンブリを助けるために曲がった縁部などの特徴を含むことができる。

側面１６間の空間は、チューブ２を通過する流体と熱伝関係におかれる流体のための流路を提供し、熱は、二つの流体の間で交換される。一例として、周囲の空気が、チューブ２を通過するエンジンジャケット冷却水を冷却するために流路に導かれる。しかしながら、様々な他の流体がチューブアッセンブリ１を使用して熱伝関係におかれることができることを理解されるべきである。側面１６間の各々の流路は、谷部１７及び山部１８の一方によって及びチューブ２の幅が広い平面１２及び概ね平坦な側面シート１１の一方によってさらに画定される。このように流路を完全に結合することによって、それらの流路を通る流体は、途中で流路を出ることを防止され、従って、熱を伝達する能力を向上される。

チューブ２、フィン構造１０及び側面シート１１は、熱伝達関係におかれる流体間の良好な熱接触及び良好な構造的全体性の双方を提供するために単一の構造を形成するように互いに接合されているのが好ましい。様々な材料がチューブアッセンブリ１を構成するのに使用されることができるが、非常に好ましい実施形態では、チューブ２、フィン構造１０及び側面シート１１は、アルミニウム、銅などの熱伝導率の高い金属から形成される。構成要素は、ろう付け、はんだ付け、接着等を含む様々なプロセスによって、チューブアッセンブリ１を形成するために互いに接合されることができる。

流体間の良好な熱伝達を促進するために、平坦部分３の完全に長手寸法ｄ２上に延在することが、フィン構造１０及び側面シート１１に有利である。いくつかのケースでは、岩や他の破片の衝突による損傷からの流体流管を保護するために幅が狭いチューブ側面１５の外縁をわずかに超えてフィン構造１０及び側面シート１１を延在することが好ましい。

平らで非常に薄い側面シート１１の包含は、特に、チューブの長手寸法ｄ２の重心軸を中心にして曲げることに関して、チューブアッセンブリ１を非常に強化することがわかっている。フィン構造１０は、それらの複雑な特性のためにこの方向において非常に小さな剛性を提供するため、側面シート１１が存在しない場合には、連続したチューブ壁２５は、その重心軸周りに曲げることに対する抵抗だけを提供する。平坦部分３の比較的小さい短手寸法ｄ１のために、連続したチューブ壁２５だけによってその重心軸を中心にして曲げることに対する抵抗は、かなり小さく、短手寸法ｄ１よりも実質的に大きい距離によってその重心軸から離れた側面シート１１の空間は、実施的に有益を提供する。

チューブの長手寸法ｄ２の重心軸を中心としたチューブアッセンブリ１の曲げ剛性による側面シート１１の衝撃は、チューブアッセンブリ１のその軸を中心とした慣性の重心モーメントをチューブ２だけのものと比較することによって定量化されることができる。（フィン構造１０は、チューブ２の平らな側面１２から側面シート１１のオフセットを維持することによって以外、慣性の重心モーメントに対する貢献を提供しないことが推測される。）０．８ｍｍのチューブ壁の厚さ、０．２５ｍｍの側面シートの厚さ、６．５５ｍｍのフィン構造の高さ、３．７ｍｍの短手寸法及び２３．２７ｍｍの長手寸法を有する例示的実施形態に対し、チューブアッセンブリとチューブだけに対するチューブの長手寸法軸周りの慣性の重心モーメントは、それぞれ、９２５ｍｍ^４及び７６ｍｍ^４であると算出される。換言すれば、チューブの長手寸法軸周りのチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブだけのもののおよそ１２倍である。好適実施形態では、チューブの長手寸法軸周りのチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブだけのものの少なくとも５倍であり、非常に好適な実施形態では、少なくとも１０倍である。これは、チューブ２が例えばアルミニウムの合金などの弾力性の比較的低い弾性率を示す材料で構成されるときに特に好適である。

例示的実施形態のチューブ２は、さらに、第１端７に隣接した第１筒部４と、第２端８に隣接した第２筒部５とを含み、平坦部分３がその第１筒部と第２筒部との間に配置される。これらの筒部４、５は、熱交換機（図示せず）の対向するヘッダーに配置された収容グロメットへのチューブアッセンブリ１の確実で漏れのない挿入を可能にする。効果的な熱伝達のために使用可能なチューブの量を最大にするために、筒状端部の長さは、最小限に抑えられるのが好ましく、平坦部分３の長さは、チューブ２の全長の９０％又はそれ以上にするのが好ましい。円周ビード９は、熱交換器に垂直に配置されたときに、チューブアッセンブリ１の下方への移動を制限するために例示的実施形態の筒部５に提供される。

添付の図面に示された実施形態は、チューブの両端にある筒状端部を含むが、いくつかの例では、チューブアッセンブリ１は、筒状端部４、５の一方又は双方を欠くことができることを理解されるべきである。そのような筒状端部が含まれない場合、対応する収容グロメットは、平坦部分３の連続したチューブ壁２５の外郭に対応する収容開口を備えることができる。

本発明の特定の好適実施形態では、熱交換器チューブアッセンブリ１は、アルミニウムチューブ２と、第１及び第２のアルミニウムの波形フィン構造１０と、第１及び第２のアルミニウムの側面シート１１と、の間にろう付け接合部を形成することによって作られる。第１の波形フィン構造１０は、第１側面シート１１と、チューブ２の第１の広くて平らな側面１２との間に配置され、一方、第２の波形フィン構造１０は、第２側面シート１１と、チューブ２の第２の広くて平らな側面１２との間に配置される。アッセンブリは、ろう付け接合部がその接触点に形成されることができるように、フィン構造１０の山部１８及び谷部１７を隣接する部分と接触して配置するために圧縮される。

チューブ２、フィン構造１０及び側面シート１１の溶融温度よりも低い溶融温度を有するろう付け溶加材が、ろう付け接合を形成するために使用される。そのような溶加材は、通常、溶融温度を下げるために付加された少量の他の要素（例えば、ケイ素、銅、マグネシウム、亜鉛など）を有するアルミニウムである。ろう付け溶加材は、有利には、ろう付けされる一つ以上の構成要素上のコーティングとして提供されることができる。いくつかの実施形態では、波形フィン構造１０を形成するために使用されるシート材料の両面は、ろう付け溶加材が塗布され、それによって、ろう付け接合部が望まれる接触ポイントの全てに必要なろう付け溶加材を提供しながら、接合部が必要ない又は望ましくない場所にろう付け溶加材を有することを避ける。

多くの方法が、ろう付け溶加材を溶融してろう付け接合部を形成するためにチューブ２、フィン構造１０及び側面シート１１の温度を上昇させるために使用されることができるが、二つの特に好適な方法は、真空ろう付け及び制御された雰囲気のろう付けである。真空ろう付けでは、組み立てられた部品は、密閉された炉内に配置され、真空環境を形成するために実質的に全ての空気が取り除かれる。このプロセスでは、合金中に存在するマグネシウムは、部品が加熱されると解放され、構成要素の外表面上に存在する酸化物層を分解する役割を果たし、溶融ろう付け溶加材を露出されたアルミニウムに結合するのを可能にする。酸化物層は、真空環境中の酸素が存在しないことにより、冶金結合で改質及び干渉することを防止される。

制御された雰囲気のろう付けでは、融剤が加熱前に構成要素に適用される。部品の過熱は、融剤が反応して部品の合わせ面上に存在する酸化物層を置換する後に酸化物層の再形成を防止するために、不活性ガス環境で生じる。酸化物層が置換された状態で、溶融したろう付け溶加材は、ろう付け接合部を形成するために露呈されたアルミニウムに結合する。

生産製造環境でのスループットを増加させるために、一度にいくつかのチューブアッセンブリ１をろう付けすることが特に好ましい。図６は、四つのチューブアッセンブリ１が同時に作られた本発明の実施形態による方法を示す。同じ方法が、一度に四つ以上又は四つ未満のチューブアッセンブリ１を作るのに使用されることが理解されるべきである。

図６の実施形態では、チューブ２、波形フィン構造１０及び概ね平らな側面シート１１が提供される。チューブ２の各々は、一組の波形フィン構造１０の間に配置され、波形フィン構造１０の各々は、チューブ２の一方と概ね平らな側面シート１１の一方との間に配置される。分離シート１９が、隣接する一対の概ね平らな側面シート１１の間に配置される。チューブ２、波形フィン構造１０及び概ね平らな側面シート１１は、スタック２６の中に配置される。付加的な分離シート１９は、スタック２６の最も外側の両端にある概ね平らな側面シート１１に隣接して配置され、そして、複雑なフィン構造の山部１８及び谷部１７を隣接する側面シート１１及びチューブ２の平坦側面１２と接触して配置するために圧縮負荷が積層方向にスタック２６に適用される。

スタック２６に均一な圧縮負荷を提供するために、高剛性を有するバー２１（例えば、構造鋼チャンネル）がスタック２６の最も外側の両端に使用されることができる。圧縮荷重は、いくつかの場所のスタック２６を囲む金属バンド２２の使用によってスタックに適用された後に維持されることができる。バンド２２は、バー２１を介して締結されてスタック２６が圧縮され、バンド２２の張力が圧縮負荷を維持する。そのように組み合わされた後、スタック２６は、個々のチューブアッセンブリ１を形成するためにろう付け炉内に配置される。スタック２６は、ろう付け溶加材を溶融するのに適当な温度まで炉内で加熱され、その後、スタック２６は、溶融されたろう付け溶加材を再凝固するために冷却され、それによって、接触ポイントにろう付け接合部を形成する。冷却後、個々に単一の構造にろう付けされた個々のチューブアッセンブリ１は、分離シート１９から取り除かれることができる。分離シート１９は、そのような望ましくない接合がろう付け溶加材が存在しなくてもろう付け温度で生じるときに、分離シート１９と側面シート１１との間のあらゆる冶金的接合を防止するためにコーティングが提供されることができる。

スタック２６がろう付け温度まで加熱されると、スタック２６の金属材料の熱膨張が生じる。アルミニウムのろう付けでは、構成要素は、通常、５５０℃乃至６５０℃のろう付け温度まで加熱される。この温度領域は、はんだの銅要素に使用されるものよりも実質的に高く、その結果として、構成要素が銅である場合よりもアルミニウムである場合には接合プロセス中にチューブアッセンブリ１の構成要素によって経験された熱膨張である。

本発明者は、ろう付け温度まで加熱すると共に周囲温度まで戻して冷却することによってフィン構造１０が変形しないことを各自にするためにろう付けプロセス中に注意をしなければならないことがわかった。単一のろう付けコアの中に互いに接合された多数のチューブの列及びフィン構造を含む、従来のろう付けアルミニウムラジエーターの製造とは異なり、フィン構造１０の側面１６は、チューブアッセンブリ１の構成要素と分離シート１９間の熱膨張差によって導入されたせん断力により歪みが生じやすい。本発明のいくつかの実施形態では、この問題は、分離シート１９の熱膨張係数をチューブ２、フィン構造１０及び側面シート１１の熱膨張係数と概ね一致させることにより解消される。これは、同様のアルミニウム合金から、又は同様の熱膨張率を示す他の材料から分離シート１９を形成することによって達成されることができる。

代替的に、又は、加えて、多数の個々の分離シート１９が図７に示されたように各隣接するチューブアッセンブリ１間に使用されることができる。間隙２０は、隣接する個々の分離シート１９間に提供される。チューブ２、フィン構造１０及び側面シート１１が構成される材料よりも実質的に異なる熱膨張係数を有する材料で分離シート１９が構成される場合において、間隙２０は、スタック２６の加熱及び冷却中に増加又は減少させることができ、それによって、熱膨張係数の不適当な組み合わせから生じるかもしれないフィン構造１０の歪みを実質的に軽減する。間隙２０は、歪みを誘発した熱膨張の蓄積を避けるための遮断として機能し、あらゆるそのような歪みは、個々の分離シート１９の各々の下にある不連続の接触領域に限定される。図７に示された組立て方法は、ステンレス鋼などのより高い耐熱材料が個々の分離シート１９に使用されると共に、チューブアッセンブリ１の構成要素がアルミニウムから作られる場合に特に有益である。

チューブ２は、ここで、図８乃至図１３を特に参照してより詳細に説明される。前述のように、図８に示されたチューブ２の実施形態は、第１筒状チューブ部分４と第２筒状チューブ部分５との間に配置された平坦チューブ部分３を含む。第１筒状チューブ部分４は、チューブ２の第１端部７から延び、一方、第２筒状チューブ部分５は、チューブ２の第２端部８から延びる。移行領域６は、平坦チューブ部分３と、第１筒状チューブ部分４及び第２筒状チューブ部分５の各々との間に配置される。移行領域６は、チューブ２を通過する流体に対して滑らかで連続的な流路を提供すると共に、チューブ材料の機械的な応力集中の場所を回避する。

図１０の部分断面図に詳細に示されるように、移行領域６は、チューブ２の端部７に近位側の位置２７から端部７の遠位側の位置１４までのびる長さＬにわたって延びる。長さＬは、好ましくは、第１筒状チューブ部分４の直径と少なくとも等しいが、いくつかの代替的実施形態では、対応する端部の直径よりも大きさを小さくすることができる。図８に見られるように、幅が広い平面１２は、両端部にある位置１４を超えて延び、幅が広い平面１２の少なくとも一部分は、移行領域６の前端及び後端を画定する位置２７と位置１４との間でチューブ２に沿って配置される。

好適実施形態では、移行領域６と平坦チューブ部分３の幅が広い平面１２の交差部は、曲線を成す通路１３を画定する。これらの曲線を成す通路１３は、チューブの長手寸法の軸を中心とした曲げモーメントに対するチューブ２の平坦チューブ部分３の有益な剛性を提供する。比較のために、従来のチューブ２が図９に示され、そして、移行領域１０６によって筒状部分１０４に接合された平らな部分１０３を含む。移行領域１０６と平らな部分１０３との交差部は、平らな部分１０３の幅が広い平面１１２上に直線状通路１１３を画定する。直線状通路１１３は、チューブの長手寸法において延び、長手寸法軸を中心とした曲がりが非常に簡単である。これは、熱交換器からチューブ１０２を含むチューブアッセンブリの取り付け中及び／又は取り外し中に、そのような取り付け及び／又は取り外しが頻繁にチューブに対してこのタイプの曲げモーメントを適用するので、特に有害である。この問題は、焼き入れされたアルミニウムなどの非常に低い強度の材料でチューブが形成された場合に特に悪化させる。

本発明者は、曲線を成す通路１３が前述のタイプの曲げモーメントに抵抗するために実質的な補強効果を提供し、チューブ２又はチューブ２を含むチューブアッセンブリ１の取り付け、取り外し及び他の取り扱い中にチューブ２への座屈や他の損傷を防止することがわかった。利点は、あらゆる非直線状通路から得られるが、一連の接続された円弧状通路部分によって画定される通路１３が特に有益である。

例示的実施形態では、曲線を成す通路１３は、各々、チューブのほぼ中心面に配置された頂部を含み、その頂部は、（平坦チューブ部分３と第１筒状チューブ部分４との間の移行領域の場合では）端部７又は（平坦チューブ部分３と第２筒状チューブ部分５との間の移行領域の場合では）端部８から最も離れている通路１３に沿った点１４に配置される。通路１３は、好ましくは、頂部にある円弧状通路部分を含み、応力集中が頂部で避けられる。

いくつかの好適実施形態では、二つの筒状部分４、５の少なくとも一つの外周（すなわち、円周）は、平坦チューブ部分３の連続したチューブ壁２５の外周よりも小さい。これは、有利的に、端部７、８の一方又は両方での相応的に大きな直径を必要としないで、平坦チューブ部分３の単位長さ当たりの比較的大きな伝熱面積を可能とする。両端部での小さい直径は、例えば、隣接するチューブアッセンブリのより近い間隔を可能とすると共に両端部での小さいシール表面を必要とするので、好適である。いくつかの好適実施形態では、平坦チューブ部分３の外周は、二つの筒状チューブ部分の少なくとも一つの外周を少なくとも２５％まで超える。

その長さ全体にわたって平らな外郭を有する流体搬送チューブを含む熱交換器が、当該技術分野でよく知られており、ラジエーターなどとして１０年間使用されている。このタイプの平らなチューブは、通常、二つの方法のいずれかで構成される。それらは、材料のビレットから平らな形状に押し出しされる及び／又は引き出されて別個の長さに切断される、あるいは、それらは、巻回されたシートの形態を丸い形のシーム溶接のロール扁平に形成することにより、巻回されたシートから平らなチューブ形状にチューブミルで形成されて、別個のチューブの長さに切断される。

平らな部分１０３及び筒状端部分１０４を有する従来のチューブ１０２（図９）などのチューブの場合、平らなチューブの両端部は、筒状端部分１０４及び移行部分１０６を形成するために円筒形状に形成される。この工程は、チューブが、銅などの高い可鍛性の材料から構成されて、チューブ２の最大の端部が形成されることだけを必要とするときに迅速かつ容易に行うことができる。しかしながら、この方法は、前述したように、移行領域６を達成することができない。

移行領域６は、平坦部分３の連続したチューブ壁２５の所望の外周に等しい外周を有する円形の形態にチューブ２を最初に形成することにより形成されることができる。次に、特に図１２を参照して、円形のチューブ２の両端部は、円筒状端部４及び５、並びに、円筒状端部４及び５と、本来の円形形状を保持する中央部３’との間の先細りになった移行領域６’を形成するために直径が減少される。この直径の減少は、例えば、チューブ端部のかしめによって達成されることができる。いくつか好適実施形態では、端部は、平坦部分３と円筒状端部４及び５との間の所望の外周率を達成するために少なくとも２０％まで直径を小さくされる。

図１３Ａ及び１３Ｂに示されるように、チューブ２の平坦部分３の輪郭は、第１の成形金型半体２２と第２の成形金型半体２３との間でチューブ２の中央部３’を形成することによって画定されることができる。チューブ２は、半体が開いた状態にあるとき、すなわち、二つの半体が図１３Ａに示されるように互いに分離されているときに、金型半体２２、２３の間に挿入される。チューブ２がそのように配置されると、金型は、図１３Ｂの閉じた位置になるように閉じ、それによって、チューブ２の平坦部分３を短手寸法ｄ１及び長手寸法ｄ２に形成する。任意的に、マンドレル２４が、形成工程中に広くて平らな側面１２の座屈や他の望ましくない変形を防止するために形成工程前にチューブ２内に配置されることができる。マンドレル２４は、使用されると、形成工程が完了した後にチューブ２から取り外されることができる。移行領域６の形状は、移行領域６の所望の形状が形成工程中にチューブ２に形成されるように、金型半体２２、２３の接触面の形状の相補的で消極的な表現を含むことによって製造されることができる。

本発明の特定の特徴及び構成要素に対する様々な代替物が、本発明の特定の実施形態を参照して説明される。上述した各実施形態と相互的に相容れないあるいは矛盾している特徴、構成要素及び工程方法を除いて、ある特定の実施形態を参照して説明された代替的な特徴、構成要素及び工程方法が他の実施形態に適用できることを留意すべきである。

上述されると共に図に示された実施形態は、一例としてのみ提示されており、本発明の概念及び原則の限定を意図されない。然るがゆえに、構成要素及びそれらの構成の様々な変更が本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることが当業者によって理解されるであろう。

Claims (16)

1. 熱交換器のためのチューブアッセンブリであって、
   対向する離間配置された幅が狭いチューブ側面によって接合された、離間配置された第１及び第２の幅が広いチューブ側面からなる平坦部分を有するチューブと、
   側面によって接続された第１の複数の波の山部と及び谷部を有する第１のフィン構造と、
   側面によって接続された第２の複数の波の山部と及び谷部を有する第２のフィン構造と、
   第１及び第２の概ね平らな側面シートと、を備え、
   第１のフィン構造の波の谷部は、第１の幅が広いチューブ側面に接合され、
   第１のフィン構造の波の山部は、第１の概ね平らな側面シートの面に接合され、
   第２のフィン構造の波の谷部は、第２の幅が広いチューブ側面に接合され、
   第２のフィン構造の波の山部は、第２の概ね平らな側面シートの面に接合される、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
2. 請求項１記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   チューブは、更に、
   チューブの第１の縦方向の端部に配置された第１の円筒状部分と、
   チューブの第２の縦方向の端部に配置された第２の円筒状部分と、を含み、
   平坦部分は、第１の円筒状部分と第２の円筒状部分との間に配置される、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
3. 請求項１記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   チューブ、第１のフィン構造、第２のフィン構造、及び、第１及び第２の概ね平らな側面シートは、ろう付け接合によって接合される、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
4. 請求項１記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   チューブ、第１のフィン構造、第２のフィン構造、及び、第１及び第２の概ね平らな側面シートは、一つ以上のアルミニウム合金で形成される、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
5. 請求項１記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   離間配置された第１及び第２の幅が広いチューブ側面は、第１の材料の厚さを有し、
   第１及び第２の概ね平らな側面シートは、第２の材料の厚さを有し、
   第１の材料の厚さは、第２の材料の厚さの少なくとも二倍である、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
6. 請求項１記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   第１及び第２のフィン構造及び第１及び第２の概ね平らな側面シートは、対向する離間配置された幅が狭いチューブ側面の一方から、対向する離間配置された幅が狭いチューブ側面の他方まで延びる、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
7. 熱交換器のためのチューブアッセンブリであって、
   チューブアッセンブリの少なくとも一部分にわたって縦方向に延びると共に、縦方向に垂直な第１の方向の長手寸法及び縦方向に垂直な第２の方向の長手寸法よりも実質的に小さい短手寸法を有する流体流管と、
   流体流管の周囲の周りに延びる連続したチューブ壁と、
   第２方向において連続したチューブ壁から同じ距離で離間配置されると共に、その連続したチューブ壁の対向側面上にある、第１及び第２の概ね平らな側面シートと、
   第１及び第２の概ね平らな側面シートを連続したチューブ壁に接続するための複数の薄いウェブと、を備える、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
8. 請求項７記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   連続したチューブ壁は、第１方向に延びる軸線に対するチューブ壁の慣性の重心モーメントを画定し、その軸線に対するチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブ壁の慣性の重心モーメントの少なくとも５倍である、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
9. 請求項８記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
   第１方向に延びる軸線に対するチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブ壁の慣性の重心モーメントの少なくとも１０倍である、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
10. 請求項８記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    第１方向に延びる軸線に対するチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブ壁の慣性の重心モーメントの約１２倍である、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
11. 請求項７記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    流体流管の第１端部にある連続したチューブ壁に接合された第１の円筒状部分と、
    流体流管の第２端部にある連続したチューブ壁に接合された第２の円筒状部分と、を更に備え、
    第１の円筒状部分及び第２の円筒状部分は、流体流管のための入口及び出口をそれぞれ画定する、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
12. 請求項１１記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    連続したチューブ壁は、第１のチューブの外周を画定し、
    第１の円筒状部分は、第２のチューブの外周を画定し、
    第２の円筒状部分は、第３のチューブの外周を画定し、
    第１のチューブの外周は、第２のチューブの外周及び第３のチューブの外周の少なくとも一つよりも大きい、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
13. 請求項７記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    連続したチューブ壁、第１及び第２の概ね平らな側面シート及び複数の薄いウェブは、ろう付け接合によって接合される、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
14. 請求項７記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    連続したチューブ壁、第１及び第２の概ね平らな側面シート及び複数の薄いウェブは、一つ以上のアルミニウム合金からなる、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
15. 請求項７記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    複数の薄いウェブ及び第１及び第２の概ね平らな側面シートは、流体流管の長手寸法にわたって延びる、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。
16. 請求項７記載の熱交換器のためのチューブアッセンブリにおいて、
    連続したチューブ壁は、第１の材料の厚さを有し、
    第１及び第２の概ね平らな側面シートは、第２の材料の厚さを有し、
    第１の材料の厚さは、第２の材料の厚さの少なくとも二倍である、熱交換器のためのチューブアッセンブリ。

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