JP2018141615A

JP2018141615A - 熱交換部材

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Publication number: JP2018141615A
Application number: JP2017037452A
Authority: JP
Inventors: 光太郎渡邊; Kotaro Watanabe; 喜多　晃一; Koichi Kita; 晃一喜多; 俊彦幸; Toshihiko Saiwai
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-09-13
Also published as: WO2018159605A1; TW201834760A

Abstract

【課題】フィン部を通過する熱媒とフィン部との接触面積が大きく、かつ、フィン部を通過する熱媒の圧力損失が小さく、熱交換特性に優れた熱交換部材を提供する。
【解決手段】内部に熱交換流体が流通されるとともに並列するように配置された管体部１１と、隣接する管体部１１の間に配設されたフィン部１２と、を備えた熱交換部材１０であって、フィン部１２は、並列するように配置された管体部１１の間に、金属線材をコイル状に巻いたコイル体２０が充填されることによって構成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内部に熱交換流体が流通される管体部と、この備えた熱交換部材に関するものである。

従来、ラジエータ等の熱交換部材として、例えば特許文献１に示すように、偏平チューブを蛇行するように折り曲げることによって、偏平チューブが並列するように配設されており、これら隣接する偏平チューブの間にコルゲートフィンを配設することによってフィン部が形成されたものが提案されている。

上述の熱交換部材においては、偏平チューブの内部にクーラント（熱交換流体）を流通させるとともに、コルゲートフィンからなるフィン部に空気等の熱媒を通過させることによって、熱交換流体と熱媒の間で熱交換を行う構成とされている。

特開２０１２−０９６２６４号公報

ところで、特許文献１に記載された熱交換部材においては、隣接する偏平チューブの間にフィン部として板状のコルゲートフィンを配設しているが、フィン部の比表面積が小さいため、フィン部を通過する熱媒との接触面積が不十分であり、熱媒と熱交換流体の間で熱交換を効率良く行うことができなかった。
ここで、比表面積を大きくするために、コルゲートフィンのピッチを狭くした場合には、フィン部を通過する熱媒の圧力損失が大きくなる、すなわち、熱媒をフィン部に送り込む負荷が大きくなり機器全体としてのエネルギー効率は悪くなるおそれがあった。

本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、フィン部を通過する熱媒とフィン部との接触面積が大きく、かつ、フィン部を通過する熱媒の圧力損失が小さく、熱交換特性に優れた熱交換部材を提供することを目的としている。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の熱交換部材は、内部に熱交換流体が流通されるとともに並列するように配置された管体部と、隣接する前記管体部の間に配設されたフィン部と、を備えた熱交換部材であって、前記フィン部は、並列するように配置された前記管体部の間に、金属線材をコイル状に巻いたコイル体が充填されることによって構成されていることを特徴としている。

この構成の熱交換部材によれば、並列するように配置された管体部の間に、金属線材をコイル状に巻いたコイル体が充填されることによって、フィン部が構成されているので、フィン部の比表面積が大きくなり、フィン部と熱媒との接触面積が確保されることになる。また、金属線材をコイル状に巻いたコイル体を用いているので、開孔径が十分大きく、一般的なコルゲートフィンと比較してもフィン部を通過する熱媒の流動が大きく妨げられることがなく、フィン部を通過する熱媒の圧力損失を抑えることができる。よって、熱交換特性に優れた熱交換部材を提供することが可能となる。

ここで、本発明の熱交換部材においては、前記フィン部は、板状のフィン体と前記コイル体とを備えていることが好ましい。
この場合、隣接する前記管体部の間に板状のフィン体が配設されるとともにコイル体が充填されているので、コイル体が板状のフィン体と管体部とに接触することになり、管体部とフィン部との間の伝熱が促進される。よって、さらに熱交換特性を向上させることが可能となる。

また、本発明の熱交換部材においては、前記フィン部の空隙率が４０％以上９０％以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記フィン部の空隙率が４０％以上とされているので、フィン部を通過する熱媒の圧力損失の過大を確実に防ぐことができる。
一方、前記フィン部の空隙率が９０％以下とされているので、フィン部を通過する熱媒との接触面積が確保され、優れた熱交換特性が得られる。

また、本発明の熱交換部材においては、前記フィン部の比表面積が３００ｍ^２／ｍ^３以上２５０００ｍ^２／ｍ^３以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記フィン部の比表面積が３００ｍ^２／ｍ^３以上とされているので、フィン部を通過する熱媒との接触面積が確保され、優れた熱交換特性が得られる。
一方、前記フィン部の比表面積が２５０００ｍ^２／ｍ^３以下とされているので、フィン部を通過する熱媒の圧力損失の過大を確実に防ぐことができる。

本発明によれば、フィン部を通過する熱媒とフィン部との接触面積が大きく、かつ、フィン部を通過する熱媒の圧力損失が小さく、熱交換特性に優れた熱交換部材を提供することができる。

本発明の一実施形態である熱交換部材の説明図である。図１に示す熱交換部材のフィン部の拡大説明図である。図１及び図２に示す熱交換部材で用いられるコイル体の説明図である。（ａ）が側面図、（ｂ）が正面図である。図１及び図２に示す熱交換部材の製造方法のフロー図である。本発明の他の実施形態である熱交換部材の拡大説明図である。本発明の他の実施形態である熱交換部材の拡大説明図である。本発明の他の実施形態である熱交換部材の拡大説明図である。本発明の他の実施形態である熱交換部材の拡大説明図である。本発明の他の実施形態である熱交換部材の拡大説明図である。本発明の他の実施形態である熱交換部材の説明図である。

以下に、本発明の実施形態である熱交換部材について、添付した図面を参照して説明する。

本実施形態である熱交換部材１０は、図１に示すように、内部に熱交換流体が流通されるとともに、並列するように配置された管体部１１と、隣接する管体部１１の間に配設されたフィン部１２と、を備えている。

管体部１１は、熱伝導性が良好な金属、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。本実施形態では、例えばアルミニウムで構成されている。
また、本実施形態では、図１に示すように、複数の管体部１１が並列するように配置され、その端部がそれぞれヘッダー１５，１５に接続された構造とされている。
なお、本実施形態においては、管体部１１の厚さが０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内とされ、管体部１１の幅が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内とされている。

フィン部１２は、図２に示すように、隣接する管体部１１，１１の間に、金属線材をコイル状に巻いたコイル体２０が充填されることによって構成されている。
本実施形態では、図２に示すように、コイル体２０は、コイル体２０の長さ方向が管体部１１の幅方向に沿うように、すなわち、コイル体２０の端面がフィン部１２を通過する熱媒の通過方向に対面するように充填されている。

コイル体２０は、図３に示すように、金属線材がコイル状に巻かれた構造とされている。このコイル体２０は、熱伝導性が良好な金属、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。本実施形態では、コイル体２０は、管体部１１と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。

コイル体２０を構成する金属線材の直径ｒは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
ここで、直径ｒとは、各線材の断面積Ａを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義されるものである。
ｒ＝（Ａ／π）^１／２×２

また、コイル体２０において巻かれた金属線材の巻きピッチＰは、金属線材の直径ｒに対してｒ以上１０×ｒ以下の範囲内に設定されている。
さらに、コイル体２０の巻き径Ｒは３×ｒ以上１０００×ｒ以下の範囲内に設定されている。
また、コイル体２０の長さＬは、管体部１１の幅と同一とされている。

ここで、上述のように構成されたフィン部１２においては、フィン部１２の空隙率が４０％以上９０％以下の範囲内とされている。
また、フィン部１２の比表面積が３００ｍ^２／ｍ^３以上２５０００ｍ^２／ｍ^３以下の範囲内とされている。

以下に、上述の構成とされた本実施形態である熱交換部材１０の製造方法について、図４のフロー図を参照して説明する。

（管体部形成工程Ｓ０１）
まず、上述したアルミニウム合金製の管体部１１を並列に配列して、その端部をそれぞれヘッダー１５、１５に接続する。

（コイル体充填工程Ｓ０２）
次いで、並列するように配置された管体部１１の間に、コイル体２０を充填する。本実施形態では、管体部１１の幅と同等の長さを有するコイル体２０を、コイル体２０の長さ方向が管体部１１の幅方向に沿うように、隣接する管体部１１の間に充填する。

（接合工程Ｓ０３）
次いで、並列するように配置された管体部１１の間に充填したコイル体２０と管体部１１とを接合する。本実施形態では、焼結によってコイル体２０と管体部１１とを接合している。
なお、本実施形態では、管体部１１、及び、コイル体２０が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることから、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気において焼結を実施することが好ましい。
ここで、接合工程Ｓ０３の条件に特に限定はないが、焼結温度を５００℃以上６５０℃以下の範囲内、焼結温度での保持時間を５ｍｉｎ以上３００ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合工程Ｓ０３における雰囲気は、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを用いてもよい。さらに、１００Ｐａ以下の真空雰囲気としてもよい。

以上のような工程により、本実施形態である熱交換部材１０が製造される。
この熱交換部材１０においては、管体部１１の内部に熱交換流体が流通されるとともに、フィン部１２に対して空気等の熱媒が送られ、フィン部１２を通過する熱媒と管体部１１を流れる熱交換流体との間で熱交換が行われる。

以上のような構成とされた本実施形態である熱交換部材１０によれば、内部に熱交換流体が流通される管体部１１が並列するように配置され、隣接する管体部１１の間に、金属線材をコイル状に巻いたコイル体２０が充填されることによってフィン部１２が形成されているので、熱媒が通過するフィン部１２の比表面積が大きくなり、フィン部１２と熱媒との間で高い接触面積が確保されることになる。

また、コイル体２０は、図３に示すように、側面側及び端面側から見て空隙が多く形成されているので、フィン部１２を通過する熱媒の流動が大きく妨げられず、熱媒の圧力損失を抑えることができる。
特に、本実施形態では、コイル体２０の長さ方向が管体部１１の幅方向に沿うように、すなわち、コイル体２０の端面がフィン部１２を通過する熱媒の通過方向に対面するように充填されているので、コイル体２０がフィン部１２を通過する熱媒の流動方向に対して大きく開口するように配置されることになり、熱媒の圧力損失を抑えることができる。

以上のように、本実施形態である熱交換部材１０においては、フィン部１２において熱媒との接触面積が確保され、かつ、熱媒の圧力損失が低く抑えられているので、フィン部１２を通過する熱媒と管体部１１の内部を流通する熱交換流体との間で、効率良く熱交換を行うことができる。

また、本実施形態である熱交換部材１０においては、フィン部１２の空隙率が４０％以上とされているので、フィン部１２を通過する熱媒の圧力損失の過大を確実に防ぐことができる。一方、フィン部１２の空隙率が９０％以下とされているので、フィン部１２を通過する熱媒との接触面積が確保され、優れた熱交換特性が得られる。
なお、フィン部１２を通過する熱媒の圧力損失をさらに小さくするためには、フィン部１２の空隙率の上限を９０％以下とすることが好ましい。一方、フィン部１２を通過する熱媒との接触面積をさらに確保するためには、フィン部１２の空隙率の下限を４０％以上とすることが好ましい。
特に優れた熱交換特性及び圧力損失特性を確保するためには、フィン部１２の空隙率は５０％以上８８％以下であることが好ましい。

また、本実施形態である熱交換部材１０においては、フィン部１２の比表面積が３００ｍ^２／ｍ^３以上とされているので、フィン部１２を通過する熱媒との接触面積が確保され、優れた熱交換特性が得られる。一方、フィン部の１２比表面積が２５０００ｍ^２／ｍ^３以下とされているので、フィン部１２を通過する熱媒の圧力損失の過大を確実に防ぐことができる。
なお、フィン部１２を通過する熱媒との接触面積をさらに確保するためには、フィン部１２の比表面積の上限を２５０００ｍ^２／ｍ^３以上とすることが好ましい。一方、フィン部１２を通過する熱媒の圧力損失をさらに小さくするためには、フィン部１２の比表面積の下限を３００ｍ^２／ｍ^３以下とすることが好ましい。
特に優れた熱交換特性及び圧力損失特性を確保するためには、フィン部１２の比表面積は５００ｍ^２／ｍ^３以上２００００ｍ^２／ｍ^３以下であることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、管体部、コイル体をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、その他の金属、例えば銅又は銅合金で構成されたものであってもよいし、管体部とコイル体とが異なる金属で構成されていてもよい。

また、並列するように配置された管体部１１の間に充填したコイル体２０の配置は、図２に示すものに限定されることはなく、例えば、図５に示すように、コイル体２０の長さ方向が管体部１１の延在方向に沿うように、コイル体２０を充填してもよい。
さらに、図６に示すように、コイル体２０の長さを管体部１１の間隔と同一とし、コイル体２０の端面が管体部１１側を向くように、コイル体２０を充填してもよい。
なお、図５及び図６に示す熱交換部材１０においては、コイル体２０の側面がフィン部１２を通過する熱媒の通過方向に対して対向することになるため、コイル体２０の巻きピッチＰを調整することによって、熱媒の圧力損失を小さく抑えることが好ましい。
また、図７に示すように、並列するように配置された管体部１１の間にコイル体２０を無配向（ランダム）に充填したものであってもよい。

さらに、図８に示すように、並列するように配置された管体部１１の間に板状のフィン体１３としてコルゲートフィンを配置し、このフィン体１３の間にコイル体２０を無配向（ランダム）に充填したものであってもよい。
また、図９に示すように、並列するように配置された管体部１１の間に、複数の板状のフィン体１３を配設し、このフィン体１３で区切られた空間にコイル体２０を整列させて充填してもよい。
図８及び図９に示すように、並列するように配置された管体部１１の間に板状のフィン体１３を配置した場合には、コイル体２０が板状のフィン体１３と管体部１１とに接触することになり、管体部１１とフィン部１２との間で良好に伝熱されることになる。よって、さらに熱交換特性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、管体部１１とコイル体２０とを焼結によって結合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ろう材等を用いて接合してもよい。
さらに、本実施形態では、複数の管体部１１を並列して配列したもので説明したが、これに限定されることはなく、図１０に示すように、管体部１１を蛇行するように折り曲げ加工して、管体部１１が並列して配列したものであってもよい。
また、本実施形態では、概略円筒状をなすコイル体を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、断面が多角形状をなすコイル体であってもよいし、巻き径Ｒが長さ方向で変化するように構成されたコイル体であってもよい。
加えて用いられるコイル体の形状はすべて同一である必要もなく、本特許で規定される様々な形態において所定の条件を満たす限りにおいて、複数の形状のものを使用してもよい。

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。

アルミニウム（純度９９質量％以上）からなる偏平管（幅３０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）を準備し、この偏平管を蛇行するように折り曲げて、並列するように配置された管体部を成形した。なお、管体部の中心間隔は１５ｍｍとした。
そして、並列するように配置された管体部の間に、表１に示すコイル体を充填した。ここで、コイル体は、アルミニウム（純度９９質量％以上）で構成されたものとした。
また、本発明例４１−４７においては、並列するように配置された管体部の間に、アルミニウム（純度９９質量％以上）で構成されたコルゲートフィン（厚さ０.５ｍｍ、フィン形状三角波形状、フィン間隔１５ｍｍ）を配置し、このコルゲートフィンの間にコイル体を充填した。
そして、以下に示すように、フィン溝内にコイル体を充填した状態で、不活性ガス雰囲気（Ａｒガス雰囲気）で６５０℃×６０ｍｉｎの条件で焼結を行った。
なお、比較例においては、並列するように配置された管体部の間にコイル体を充填せず、上述のコルゲートフィンのみを配置した。

本発明例１−７においては、図１に示すように、コイル体の長さ方向が管体部の幅方向に沿うように、コイル体を充填した。
本発明例１１−１７においては、図５に示すように、コイル体の長さ方向が管体部の延在方向に沿うように、コイル体を充填した。
本発明例２１−２７においては、図６に示すように、コイル体の端面が管体部側を向くように、コイル体を充填した。

本発明例３１−３９においては、図７に示すように、無配向（ランダム）にコイル体を充填した。
本発明例４１−４７においては、図８に示すように、コルゲートフィンを配置し、このコルゲートフィンの間にコイル体を無配向（ランダム）に充填した。

上述のようにして得られた熱交換部材について、空隙率、比表面積、圧力損失、熱交換特性について、下のように評価した。評価結果を表１に示す。

（空隙率）
空隙率εは以下の式で求める。
ε＝｛１−（Ｖｐ＋Ｖｃ）／Ｖ×１００（％）
ここで、Ｖｐはコルゲートフィン体積、Ｖｃは全コイルの体積（＝コイル全質量 / 金属密度）、Ｖは金属部分、空間部分を含めたフィン全体の体積である。

（比表面積）
ＢＥＴ法比表面積測定装置（株式会社島津製作所製トライスターＩＩ３０２０シリーズ）により、試験ガスとしてクリプトンを用いて、フィン部の比表面積を測定した。

（圧力損失）
一方向に向けて熱媒（空気）が流れる冷却性能測定装置に、上述の熱交換部材を嵌め込み、フィン部に対して３０℃の空気を１００Ｌ／ｍｉｎ（一定）で流し、空気の入側と出側の差圧を測定した。

（熱交換特性）
一方向に向けて熱媒（空気）が流れる冷却性能測定装置を用いて、熱交換部材の管体部に熱交換流体として８０℃のエチレングリコールを１Ｌ／ｍｉｎで流通させた。フィン部に３０℃の熱媒（空気）を１００Ｌ／ｍｉｎ（一定）で流し、熱交換流体の温度変化を測定した。なお、この温度変化が大きい熱交換特性に優れた熱交換部材となる。

隣接する管体部の間にコイル体を充填しなかった比較例においては、温度変化が６．１℃と小さく、熱交換特性が不十分であった。熱媒とフィン部との接触面積が小さかったためと推測される。

これに対して、並列するように配置された管体部の間にコイル体を充填してフィン部を形成した本発明例においては、比表面積が大きく、かつ、熱媒の圧力損失が小さくなっており、熱交換特性に優れていた。
特に、フィン部の空隙率が４０％以上９０％以下の範囲内、あるいは、フィン部の比表面積が３００ｍ^２／ｍ^３以上２５０００ｍ^２／ｍ^３以下の範囲内とされた本発明例２−６，１２−１６，２２−２６，３２−３６，３８，４２−４６においては、熱交換特性がさらに優れていた。

以上のことから、本発明によれば、フィン部を通過する熱媒とフィン部との接触面積が大きく、かつ、フィン部を通過する熱媒の圧力損失が小さく、熱交換特性に優れた熱交換部材を提供可能であることが確認された。

１０熱交換部材
１１管体部
１２フィン部
１３フィン体
２０コイル体

Claims

内部に熱交換流体が流通されるとともに並列するように配置された管体部と、隣接する前記管体部の間に配設されたフィン部と、を備えた熱交換部材であって、
前記フィン部は、並列するように配置された前記管体部の間に、金属線材をコイル状に巻いたコイル体が充填されることによって構成されていることを特徴とする熱交換部材。
前記フィン部は、板状のフィン体と前記コイル体とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換部材。
前記フィン部の空隙率が４０％以上９０％以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換部材。
前記フィン部の比表面積が３００ｍ^２／ｍ^３以上２５０００ｍ^２／ｍ^３以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換部材。