JP3631214B2 - 熱交換器伝熱管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、慨して熱交換器に関し、詳細には、熱交換器伝熱管を製作する新規構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
ラジエータ、コンデンサ、ヒーターコア等の交差流式自動車用熱交換器は、ここ数十年、基本コアの縁部に２つのサイドタンク又はヘッダタンクが付いている同じ基本設計を使ってきた。基本コアは、複数の平行な流管を、間に波形のエアフィンをろう付けして積み重ねて構成し、管の端部をヘッダタンクに等間隔で設けられた穴に漏れないようにろう付けしている。ヘッダタンクは、流動媒体を管に供給し、或いは管から受け入れ、一方、空気は、管及びエアフィンに対して直角に、即ち「直交」流方向に吹き抜ける。流管の最適寸法は、ここ数十年来周知されている基本的な流量及び熱伝達の公式によって求めることができるので、設計者が行わなければならない最大の選定は、管を製作する最良且つ最も経済的な方法だけである。この選定は、部分的には、コアの組立と製造の方法によって決まってしまう。
【０００３】
伝熱管の２つの標準的な製造法の中の１つは、ワンピースの押し出し成形管を使うものであり、一般的にはアルミニウムの、高温金属のビレットを、全長に沿って管を一定断面にするダイを通して押し出すものである。どんな部品でも、一体に作ったものの方が、部品点数の多いものよりも、一般的には経済的であると思われるが、他のことも考えてみなければならない。押し出し成形管は、ろう材で表面コートするのは難しいということが分かっている。従って、コアの全部品を一緒にろう付けする必要のあるろう材の表面コーティングは、通常、押し出し成形されたワンピース型管の外側に接触する波形のフィン材にも適用しなければならない。このようなろう材は摩滅性であり、フィン成形機に有害であり、フィン材は、ろう材コーティングを巧くやるために必要であるよりも、厚く、重くしなければならない。一方、組立型の多部品構成の管は、ろう材を容易にコートできる板材に先ずコートしてから形成するので、フィンにコートする必要はない。
【０００４】
相当高い内圧に曝される管の場合、管の内側に内部補強部材を設け、張力で壁を保持するのは常套手段である。そのような部材は、管の内部を複数の小さな経路に分割することにもなり、その結果、熱伝達が著しく改善されることになる。押し出し成形管は、単純な一体型分割補強リブを使うが、これは実際には、真っ直ぐな中断のない壁としてしか作れない。組立型の高圧管では、内部部材を、絶対にというわけではないが、別の部品として作ることができるので、可能な設計の幅が広がる。加えて、管の外側のシェル、即ち壁は様々な方法で作ることができ、これについては以下に要約する。
【０００５】
内圧に抗するための内部補強を必要としない組立型管の最も簡単な設計は、片側に可動ヒンジがあり反対側に合せ目のある折り畳み型のシェルである。米国特許第４，４７０，４５２号にはその一例が述べてある。日本国特許第５７−６６３８９号に述べてあるように、管が折り畳まれる前に波形のウェブを内側に容易に追加することができるし、又この特許は、押し出し成形管と組立型管の等価性についても述べている。組立型と押し出し成形型の設計の長所を組み合わせようとする設計では、概ねＺ型に折り畳まれた単一の金属材料片を使い、Ｚの中央部分を波形にして内部ウェブとし、Ｚの上部と底部を中央の波形の上に相対する方向から折り畳み一体型の管の両外壁を形成している。米国特許第２，７５７，６２８号にその一例が述べてある。ワンピースの場合、中央の波形部分と、上部及び底部壁とが同一材料同一厚さでなければならない限りにおいて、設計は制限され、一体型の内部ウェブは必要以上に厚く重くならざるを得ない。加えて、内部ウェブは、不可避的に、外部の一体壁と同じろう材でコートされることになる。Ｚ設計のある変形例では、２つの外壁部を管の幅に亘って半分だけ折り曲げ、単一の中央壁と当て、管の中に数個ではなく唯２個の分割された区画を形成している。米国特許第４，６３３，０５６号にはその一例が示されており、この特許には、外壁の、単一の中央壁にろう付けされている端部は、尖っていても、曲げられて曲面状の脚部を形成していてもよいが、後者は、余分な曲げ工程が必要にはなるが、明らかに面対面のろう付け接触面が広くなる旨示されている。
【０００６】
ｎ個の別個のチャンバに分割された、中空組立型の管の単純な補強バージョンは、別体の（ｎ−１）個の金属材料片を使って、その別体の金属片を曲げ、短い９０度内壁に、縁部を管の内表面に突き当て、表面に沿って互いに溶接して作れることは、かなり初期の頃より分かっていた。このようにすると、溶接された内壁は、スペーサーとして働き、全体として管の補強部材となる。英国特許第１，１４９，９２３号にはその一例が示されている。この基本設計の最も単純なバージョンは、２つ（ｎ）のチャンバを有するもので、唯１つ（ｎ−１）の金属材料片を、中央部に唯２つの隣接する９０度内壁を有するように、自身の中央に向かって概ねＢ字形状に曲げ戻すものである。この単純な設計は特別に小型の流路を提供するわけではないが、単一チャンバの中空管よりも強い。この場合、通常、ろう材でコートされた金属材を用いるので、日本国公告特許出願第６３２４２４３２Ａ号に示されているように、表面材が溶融する際に自然に互いにろう付けされるため、当接する９０度縁部を溶接する段階を別個に設ける必要はない。ここに示されている設計では、縁の鋭い内壁が使われているが、鋭い縁ではなく内側に曲げた脚部とすることもよく知られている。先に述べた米国特許第４，６３３，０５６号に教示されているように、縁部は曲面状の脚でもよいし、米国特許第６，００４，４６１号に示されているような直角に平坦化された脚でもよい。鋭い縁部と比べると、一体型の外に曲げた脚部では、中央の補強壁と、相対する管の内表面との間の相互接触面積が広くなる。
【０００７】
米国特許第２，７５７，６２８号の単純折り畳み管の一体波形に似た、一体型の波形を基本的Ｂ字型管設計に組み込むことも知られている。米国特許第５，４４１，１０６号にはその一例が示されており、先に述べた内向きに曲げられた曲面状の脚が、実際には、伸張して内部ウェブの２つの半分を形成している。そのような設計は、米国特許第２，７５７，６２８号に示された一体型の波形設計と同じ基本的欠点を有しており、内部ウェブと外壁の、厚さと材料が同じでなければならず、又、不可避的にろう材でコートされていなければならない。知られている限り、全ての組立型の管の中の内部波形ウェブの共通の特徴は、波形が規則的、又は対称なことである。その結果、全ての流路のサイズが一様（但し、外側の対は別で、しばしば不可避的に断面が小さくなる）となり、その全幅に亘って管の耐内圧強度が一様になる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記Ｂ字型管設計の中央補強構造を有し、更に、特別設計された別体の内部波形ウェブで流路を分割した、新規管構造を提供する。
【０００９】
開示している好適な実施形態では、管の外側シェルは、２つの９０度壁が中央部で当接する、概ね「Ｂ」字型に成形されている。当接する９０度壁の縁部は、尖っておらず、上向きに曲げられているのが望ましい。しかし、他の組立型管とは異なり、９０度壁の縁部は、管の内面と直接接触してはいない。そうではなく、波形の内部ウェブは、管が折り畳まれる際にその中に配設され、９０度壁の下面と、相対する管の内面との間に固定される。波形ウェブは、規則的で対称ではなく、幅広で平坦な中央溝部が設けられており、波形形状を変形させることなく両側に固定できるようになっている。外側の管の内面及び外面は、共にろう材でコートされ、内部ウェブにはその必要がないようになっているのが望ましい。
【００１０】
ろう付け工程では、ウェブ溝の一方の側は９０度壁の縁部とろう付けされ、ウェブ溝の他方の側は、管の相対する内面にろう付けされ、ウェブは管の中にしっかりと固定され位置付けられることになる。結果的に、当接する９０度壁は、管の両側と直接繋がっていなくても、管を補強する効果を作り出している。外側の管の壁の厚さに関わりなく、ウェブは所望の厚さで形成することができ、先にも述べたように、ろう材でコートしてもよいが、コートする必要はない。管の内側の、小さな分割された流路は、中央ウェブ溝部の両側に配置された規則的な波形と、中央ウェブ溝部内に配置された当接する９０度壁の両方によって作り出される。ウェブ材と管材を切り離すことで、両者は個々に最適の材料を選定することができるようになり、しかも最終的には、強度と機能の面でワンピースの押し出し成形管と同等な結果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及びそれ以外の特徴は、以下の説明と添付図面より明らかとなるであろう。
【００１２】
先ず、図１は、本発明による管の好適な実施形態の端面図であり、管全体を参照番号１０で示す。管１０は、ろう付け組立型管で、基本的構成要素は２つだけであり、その１つは、先に触れた英国特許第１，１４９，９２３号に述べられているいわゆる「Ｂ字管」形状の２つの内部チャンバを有するように形成された外側シェルである。内部チャンバの数をｎとすれば、ｎ＝２の場合、外側シェルを形成するのに必要な材料片の数はｎ−１、即ち１となるが、これについては以下に詳しく説明する。具体的には、外側シェルは単品ではあるが、単一の全幅の下部壁１２が、一対の、必ずしもそうでなくてもよいが好ましくは同じ幅の一対の上部壁１４から間隔を空けて設けられているものと概念化することができる。上部壁１４は、一対の同じ高さの当接する９０度壁１６と一体となっており、この当接する９０度壁１６は、それぞれ、端部が曲げられていて外曲げ脚部１８を形成している。当接する９０度壁１６は、管１０の外側シェルの全長に亘って中央合せ目を形成し、管１０に対し中央補強材を形成している。管１０内に２つの分割されたチャンバを同時に配置しているので、熱伝達に関してある種の利点が生まれるわけで、明らかに、囲んでいる容積当たりの周辺伝導表面積の割合が大きくなり、しかもその効果は、内部容積の再分割を行えば更に増すことになる。当接する９０度壁１６の第１の利点は、上記英国特許にあるように、必然的に管１０の側端にではなく中央上面に少なくとも１つの合せ目が形成されるので、単純に外側シェルの剛性が上がり、強度が増すということである。管１０の端部は、ヘッダ付の交差流熱交換器の場合、最終的にはヘッダの穴にろう付けされるが、穴の幅に沿う穴と管の端部のろう付けインタフェースの形状の制御の方が、穴の端部の場合よりも容易である。
【００１３】
次に、図１及び５に示すように、管１０のもう１つの基本的構成要素は、波形内部ウェブであり、その好適な実施形態を全体として参照番号２０で示す。ウェブ２０の基材は管１０の外側シェルと同じ材料であるか、又は相当な電位差が生じるのを防ぐことのできる同様の材料であるのが望ましい。しかしながら、ウェブ２０は、管１０の外部シェルと一体ではないので、同じ材料である必要はない。従って、ウェブ２０は、図示のように薄いのが望ましく、外面は（ろう材でコートしていてもよく、これについては後に詳しく述べるが）ろう材でコートされている必要はない。具体的には、ウェブ２０は、幅がＷ１で連続した波形２２に形成されており、この波形は、必要というわけではないが、概ね正弦波で形状が一定で、頂部は丸みを帯び側部は傾斜している。波形の頂部はもっと尖っていてもよいし、望むのであれば、垂直な側部に対し完全に直角になっていてもよい。最も重要なのは、ウェブ２０は、従来のように、全幅に亘って規則的で対象な波形になってはいないということである。そうではなく、以下に述べる目的で、底が平坦で上部が開いている、幅Ｃの幅広中間溝部２４が設けられている。溝部２４は、ウェブ２０の中央にあり、両側に同数の規則的な波形２２が設けられているのが望ましいが、これも、絶対に中央に位置していなければならないというわけではない。
【００１４】
次に、図２から５には、管１０の外側シェルを製作するための最初の段階を示している。単一の平坦な金属材料片Ｓの、少なくとも、最終的には管１０の外側表面を形成することになる片面には、ろう材がコートされており、反対側の面にも、外側表面ほど必要ではないが、同様にコートされているのが望ましい。大抵の場合、材料Ｓは、逐次、個別の型で曲げ加工されるのではなく、連続したコイル材から引き出され、一連の順送ローラーを通り、連続的に順次、後に続く図示の形状へと成形されて行く。最終シェル形状の順次成形の最初の段階は曲面状脚部１８の曲げ加工であり、図３に示すように、各脚部の全幅はＦである。次に、図４に示すように、９０度壁１６が、それぞれ全高Ｈとなるように成形され、この全高が、最終的な管１０の内側高さを決めることになる。次に、２つの上部壁１４が、下部壁１２を中心に残して、部分的に曲げられる。先に述べたように、各上部壁１４は下部壁１２の外側全幅Ｗ２の半分であるのが望ましいが、ここで「上部」及び「下部」という用語は勿論便宜的なものに過ぎない。上部壁１４同士を互いに曲げる際、ウェブ２０が入らなくなるほど近づく前に、適当な装置でウェブ２０を両者の間に供給する。
【００１５】
次に、図６から８は、ウェブ２０が供給された後、上部壁１４が順次更に曲げられ、最終的には、ウェブ２０が下部壁１２の内表面上に落ち着く様子を示している。ウェブ幅Ｗ１は、下部壁１２の幅Ｗ２に匹敵する寸法で、材料Ｓの厚さの約２倍分小さく、ウェブ２０が管１０の内部で容易に位置決めできるようになっている。最終的には、上部壁１４は互いに接するまで曲げられ、脚部１８の下面は、２つの一番内側の波形２２の頂部を通り越し、ウェブ溝部２４の上面と係合するまで下げられ、その下面が下部壁１２の内表面にしっかりと固定される。９０度壁１６の高さＨは、ウェブ２０の材料の厚さを加えて、ウェブ波形２２の頂面と底面が、上部壁１４及び下部壁１２両方の内面と、潰れることなく密着するように設定されている。外曲げ脚部１８の全幅の合計は、ウェブ溝部２４の幅Ｃより僅かに小さく、溝部２４の中に、拘束することなく、しかしなおウェブ２０を管１０内で側端部遊びを制限して正確に位置決めしながら、近接嵌合するようになっている。
【００１６】
最終的には、図１から８に示すように、完全に入れ子になって当接状態になっている、曲げ加工された金属材Ｓと、別体の、固定された内部ウェブ２０との複合体が、一緒に従来型のろう付け炉内でろう付けされ、管１０が完成する。これが、管１０を備えた全体コアの一部としての最良の作り方である。普通行われているように、当接している構成要素の表面の境界面及びその近傍からの溶融したろう材は、毛管現象によって密に当接している境界部の中に導かれ、後に固まって強固な接合状態を作り出す。これら接触面のろう材コーティングには幾つかの可能な組み合わせがある。管の材料Ｓの両面をコートして、ウェブ２０には全くコートしなくてもよい。或いは、管の材料Ｓは外側表面のみをコートし、ウェブ２０の両面にコートしてもよい。コア全体がろう付け処理される場合、エアセンター上の被覆材は、ボルト締結された両壁１６には必要であったものを提供するので、裸の管の材料Ｓを使用することができる。或いは、全表面を共にコートしてもよい。このような組み合わせはどれであれ、多様な境界面に溶融状態のろう材を供給することになる。例えば、脚部１８の下面は、平坦な溝部２４の上面にろう付けされ、溝部２４の下面は管の下部壁１２の内面とろう付けされ、最終的には、上部壁１４が下部壁１２に固定されることになる。当接する９０度壁１６は、単独で管１０をある程度補強し、中間の接着された波形が、ウェブ２０の材料の厚さにもよるが、この補強に付け加えられる。米国特許第５，４４１，１０６号に示されている設計では、この厚さを変えることはできず、外側シェルと内部ウェブの厚さは、不可避的に同じである。外側シェルを内部ウェブから切り離すことの利点の１つは、例えば、強度を追加する必要のない低圧管では非常に薄いウェブ２０を使えることである。この他にも、例えば２２のような波形を成型する機械上で摩耗しやすい摩滅性のろう材を、ウェブ２０にコートしなくてもよいという利点がある。ウェブ２０は、厚さとそれに基づく耐内圧能力に関わりなく、管１０の内側を複数の流路に再分割し、その結果、流路面積に対する伝導表面積（潤辺）の割合が上がり効率が改善される。当接する９０度壁の、ウェブ溝部２４内の位置は、それ自身、２つの再分割された流路を形成する働きがある。
【００１７】
ここに開示した好適な実施形態には、様々な変更を加えることができる。曲面状の脚部１８の幅Ｆは、完全に変えて、脚部１８の幅を合わせて２つの波形２２の幅とほぼ同じとし、溝部２４を、各波形２２で作り出される流路のサイズとほぼ等しい２つの流路に再分割し、管１０の全幅に亘る構造的対称の手段を作り出すこともできる。脚部１８の曲率の程度は、より大きく又はより小さくすることができるが、平坦な縁部、或いは鋭い縁部は、溝部２４の上面とは同様にはろう付けされず、上部壁１４が下向きに折り畳まれる際、拘束することなくウェブの波形２２に隣接して通過させ折り畳むのは難いかもしれない。開示した例では、当接する９０度壁は中央にあり、従って上部壁１２は同じ幅であるが、所望すれば、どちらか一方にずらせてもよく、先に述べた脚部１８と波形２２の相対的な幅が維持される場合は、管１０の内部の構造的対称性に及ぼす影響は厳密ではないので、特にそうである。従って、本発明を制限する意図はなく、実施形態を開示したに過ぎない旨理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により作られた管の好適な実施形態の端部の概略図である。
【図２】管を作る材料の加工前の端面図である。
【図３】管を作る材料の第１曲げ工程後の端面図である。
【図４】管を作る材料の第２曲げ工程後の端面図である。
【図５】管を作る材料の第３曲げ工程後の端面図である。
【図６】管を作る材料の第４曲げ工程後の端面図であり、同時にウェブも示している。
【図７】管を作る材料の第５曲げ工程後の端面図であり、同時にウェブもその定位置に示している。
【図８】管を作る材料の第６曲げ工程後の端面図であり、同時にウェブもその定位置に固定された状態で示している。
【符号の説明】
１０ 熱交換器の伝熱管
１２ 下部壁
１４ 上部壁
１６ 一対の当接する壁
１８ 外に曲げられた脚部
２０ 内部ウェブ
２２ 波形
２４ 溝部

Claims (4)

1. 下部壁（１２）と、該下部壁（１２）から間隔をおいて配置された、これと一体の一対の上部壁（１４）と、該上部壁（１４）と一体でこれと直角な、互いにろう付けされた一対の当接する壁（１６）を備えている熱交換器の伝熱管（１０）において、
   前記当接する壁（１６）の各々は、該壁（１６）と一体で、曲面状の下面と所定の幅（Ｆ）を有する、外に曲げられた脚部（１８）を有しており、
   別体の内部ウェブ（２０）は、前記管の下部壁（１２）の内面と前記管の上部壁（１４）の内面との間にろう付けされる一連の波形（２２）と、実質的に前記外に曲げられた脚部（１８）の幅（Ｆ）の２倍に等しい幅（Ｃ）を有する平坦な中央溝部（２４）とを有し、前記溝部（２４）は、前記外に曲げられた脚部（１８）の曲面状の下面と前記下部壁（１２）の内面との間に固定され、且つ、ろう付けされており、それにより、前記上部壁（１４）を前記下部壁（１２）に前記当接する壁（１６）によって間接的に連結すると同時に、前記溝部（２４）を前記管（１０）内の一対の流路に分割していることを特徴とする、熱交換器伝熱管（１０）。
2. 前記当接する壁（１６）は、前記管（１０）内で中央に配置され、前記溝部（２４）は、前記ウェブ（２０）内で中央に配置されていることを更なる特徴とする、請求項１に記載の熱交換器伝熱管（１０）。
3. 前記管の下部壁（１２）及び上部壁（１４）は、内面及び外面共に、ろう材でコートされ、前記ウェブ（２０）は、ろう材でコートされていないことを更なる特徴とする、請求項１に記載の熱交換器伝熱管（１０）。
4. 前記管の下部壁（１２）及び上部壁（１４）は、外面だけがろう材でコートされ、前記ウェブ（２０）は、上面及び下面共に、ろう材でコートされていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器伝熱管（１０）。

Images