JP3700293B2

JP3700293B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3700293B2
Application number: JP31394496A
Authority: JP
Inventors: 亀小林; 正和兵藤; 章夫上田; 秀之太田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2016-11-25
Also published as: JPH10160375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば過給機によって高温となった過給気を冷却風または冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の高出力化の要求が高まるにつれて、過給機を搭載する自動車が増加とともに、高温の過給気を冷却する熱交換器（以下、インタークーラと呼ぶ。）を搭載する自動車が増加傾向にある。このような状況の中で、過給機の性能向上と共に、インタークーラの高性能化、つまり高放熱量化および低圧力損失化の要求も高くなっている。
【０００３】
そして、インタークーラの高性能化の手段として、過給気が流れるチューブ内に配設したインナーフィンによる伝熱面積の増加等の手段により達成されることが知られている。
ところが、インナーフィンの形状によっては、チューブ内の圧力損失の増加を招いてしまい、エンジンの燃焼室へ供給される吸入空気量が減少し、かえって、エンジン性能を低下させてしまうという問題が発生してしまう。
【０００４】
そこで、この問題を解決する手段として、例えば特開平３−４５８９１号公報および特開平３−８４３９６号公報では、矩形波形状に屈曲した折曲山部の折曲谷部の一部から折曲山部の頂点の一部まで切り込んだスリットをインナーフィンに形成したものが示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発明者等は、上記公報に記載のインナーフィンの量産化を図るべく、薄板状のフィン材料にスリットを穴開けした後に、折曲山部に対するスリットの位置合わせ行うことなく、高速プレス成形機を用いてフィン材料を矩形波形状に屈曲させることを試みたが、スリットの位置が折曲山部に対して大きくずれてしまうというスリットの位置ズレ不良（スリット位置ばらつき）が発生した。そして、このスリット位置ズレ不良は、インタークーラの熱交換能力のばらつきを誘発してしまう。
【０００６】
なお、発明者等の詳細な試験調査によれば、スリットの位置ズレは、熱伝達率に関しては殆ど影響がないが、インナーフィンを通過する際の過給気の通風抵抗を最大１６％増加させることが確認されている。
そこで、スリットが形成されたフィン材料を、歯車状のローラを有するローラ成形機を用いて連続的に矩形波形状に屈曲させるとともに、フィン材料の長手方向に並んで形成されているスリットの１つをパイロット用穴とし、ローラの外周に設けたパイロット用ピンをパイロット用穴に嵌め合わせることによって、スリットと折曲山部との位置合わせを行うという手段を試みた。
【０００７】
しかし、フィン材料の板厚が薄い（０．０８ｍｍ）ため、パイロット用穴の縁部分がパイロット用ピンにより引っ張られてパイロット用穴の周囲に亀裂が入ってしまい、折曲山部に対してスリットの位置を合わせることができなかった。
因みに、これらのスリット位置ズレ不良に対して、折曲山部を１つ形成する毎にスリットの位置を合わせるといった手段が考えられるが、この手段では、量産性が著しく低下するため、インナーフィンの製造原価が上昇してしまい、延いてはインタークーラの製造原価上昇を招いてしまう。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、折曲山部に対するスリットの位置合わせを行うことなくインナーフィンを製造することにより、インナーフィンの量産性を向上させるとともに、スリット位置ズレ不良に伴う熱交換能力のばらつきを抑制することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に記載の発明では、複数個の折曲山部（２２ａ）が形成されたコルゲート状のインナーフィン（２２）に、インナーフィン（２２）の厚み方向に貫通する複数個のスリット（２２ｂ）を、インナーフィン（２２）の展開方向に形成し、
インナーフィン（２２）の展開方向と平行な複数個のスリット（２２ｂ）間のピッチ寸法（Ｐ）を、折曲山部（２２ａ）の展開長さ（Ｌ）の自然数倍と異なる所定の寸法にすることを特徴とする。
【００１０】
これにより、仮に、一のスリット（２２ｂ）と折曲山部（２２ａ）との間で位置ズレが発生したとしても、後述するように、その位置ズレが発生した折曲山部（２２ａ）を除く、全ての折曲山部（２２ａ）に位置ズレの影響が連鎖することを防止することができる。
したがって、折曲山部（２２ａ）に対するスリット（２２ｂ）の位置合わせを行うことなくインナーフィンを製造することができるとともに、スリット位置ズレ不良に伴う熱交換能力のばらつきを抑制することができる。
【００１２】
なお、請求項２に記載の発明のごとく、ピッチ寸法（Ｐ）を、折曲山部（２２ａ）の展開長さ（Ｌ）の自然数倍と異なる寸法であって、展開長さ（Ｌ）の０．５倍より大きく、かつ、展開長さ（Ｌ）よりの４倍より小さい所定の寸法としてもよい。
請求項３に記載の発明では、薄板状のフィン材料に複数個のスリット（２２ｂ）を同時に形成するプレス工程と、一対の歯車状のローラ間に前記プレス工程終了後の薄板を挿入することにより、折曲山部（２２ａ）を連続的に形成するローラ成形工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器をインタークーラに適用したもので、図１はインタークーラ１の斜視図を示している。２は、コンプレッサ（図示せず）によって加圧させた空気（以下、過給気と呼ぶ。）が流通するアルミニウム合金製の偏平チューブ（以下、チューブと略す。）であり、このチューブ２は、図２に示すように、所定形状にプレス成形されたプレート（板）２１をろう付けすることにより形成されている。そして、各チューブ２間には、図１、２に示すように、チューブ２の長手方向と略直交する方向から流れてくる空気（第２流体）と過給気（第１流体）との熱交換を促進するコルゲート状（波形状）に成形されたアルミニウム製のアウターフィン３が配設されており、このアウターフィン３は、チューブ２を構成するプレート２１とともに一体ろう付けされている。
【００１５】
一方、各チューブ２内には、図２に示すように、過給気の熱交換を促進するインナーフィン２２が配設されており、このインナーフィン２２は、図３に示すように、複数個の矩形折曲山部（以下、折曲山部と略す。）２２ａを有するように矩形コルゲート状に形成されている。
そして、インナーフィン２２には、インナーフィン２２の厚み方向に貫通する複数個のスリット（切欠き）２２ｂが、インナーフィン２２の展開方向に並んで形成されており、このスリット２２ｂのうちインナーフィン２２の展開方向と平行なスリット長さＤは（図４参照）、折曲山部２２ａの展開長さＬの半分の自然数倍を除く所定の長さ（Ｄ＝（Ｌ／２）×ｋ、但しｋ≠１，２，３・・・・）に設定されている。なお、折曲山部２２ａの展開長さＬとは、図３の（ｂ）に示すように、折曲山部２２ａの谷部２２ｃの中央から隣の谷部２２ｃの中央までの展開寸法をいう。
【００１６】
因みに、図１中、４は過給気が流入する流入口であり、５はインタークーラ１によって冷却された過給気が流出する流出口である。また、６は流入口４から流入した過給気を各チューブ２に分配する分配タンク部であり、７は各チューブ２を流通してきた過給気を集合させる集合タンク部である。
次に、本実施形態に係るインタークーラ１のインナーフィン２２の製造方法について述べる。
【００１７】
図５は、インナーフィン２２を製造するフィン製造装置１００の模式図であり、このフィン製造装置１００は、プレス工程をなすプレス成形装置部１１０と、ローラ成形工程をなすローラ成形装置部１２０と、縮め工程をなす送り装置部１３０および摩擦ブレーキ部１４０とから構成されている。
そして、プレス成形装置部１１０は、薄板状のフィン材料５０の長手方向（送り方向）と垂直な方向に移動可能な可動型１１１と、プレス成形装置部１１０に固定された固定型１１２とからなり、スリット長さＤが所定の長さ（Ｄ＝（Ｌ／２）×ｋ、但しｋ≠１，２，・・・）となるように、同時に複数個のスリット２２ｂを形成するものである。
【００１８】
また、ローラ成形装置部１２０は、一対の歯車状ローラ１２１、１２２を有し、プレス工程後のスリット２２ｂが形成されたフィン材料５０を折り曲げて矩形コルゲート状に成形するものであり、送り装置部１３０は、一対の歯車状ローラ１３１、１３２からなるものである。
なお、このローラ成形装置部１２０では、パイロット用ピン等の手段により、折曲山部２２ａに対するスリット２２ｂの位置を合わせるための特別な手段を講じておらず、送り装置部１３０の送り速度に連動して、順次、折曲山部２２ａを形成している。
【００１９】
また、摩擦ブレーキ部１４０は、金属製のブレーキ部材１４１をばね手段１４２等によって折曲山部２２ａの頂点側に押圧することにより、ローラ成形工程後、送り装置部１３０から送り出されてきたフィン材料５０に対して制動力を作用させて、各折曲山部２２ａ間の距離が所定値となるようにフィン材料５０を縮めるものである。
【００２０】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
ところで、仮に、スリット長さＤが折曲山部２２ａの展開長さＬの半分の自然数倍と等しい場合には、ローラ成形工程にて最初に形成される折曲山部２２ａに対するスリット２２ｂの位置が所定の位置からズレた場合には、その最初に発生した位置ズレは、その後に形成される全ての折曲山部２２ａに対して影響を与える。
【００２１】
これに対して、本実施形態では、前述のごとく、スリット長さＤは、折曲山部２２ａの展開長さＬの半分の自然数倍を除く所定の長さ（Ｄ＝（Ｌ／２）×ｋ、、但しｋ≠１，２，３・・・・）となるようにスリット２２ｂが形成されているので、最初に発生した位置ズレが、その後に形成される全ての折曲山部２２ａに対して連鎖的に影響を与えるといったことを防止することができる。
【００２２】
換言すれば、最初に形成される折曲山部２２ａに対して位置ズレが生じたとしても、所定の周期（所定個の折曲山部２２ａ）毎に、スリット２２ｂが折曲山部２２ａに対して所定の位置となる位置ズレのない状態が発生させることができる。
したがって、個々の折曲山部２２ａとスリット２２ｂとの関係で観察すれば、個々に異なる位置ズレが発生しているが、位置ズレのない状態（位置ズレ量が等しい状態）を周期的に発生させることができる（以下、この周期を位置ズレ周期と呼ぶ。）。つまり、インナーフィン２２の平均位置ズレ量のばらつきを小さくすることができので、インタークーラ１の熱交換能力のばらつきを効果的に抑制することができる。
【００２３】
ところで、前述の説明から明らかなように、スリット長さＤによって位置ズレ周期が変動するため、インタークーラ１の熱交換能力のばらつきを小さくするためには、適切なスリット長さＤを選定する必要がある。
そこで、発明者等は種々のスリット長さＤについて試験検討を行ったところ、スリット長さＤは、折曲山部２２ｂの展開長さＬの半分と異なる長さであって、展開長さＬの０．２５倍より大きく、かつ、展開長さＬよりの２倍より小さくするこが妥当であるとの結論を得た。
【００２４】
（第２実施形態）
上述の実施形態では、スリット長さＤに着目して熱交換能力のばらつきを試みたが、本実施形態は、インナーフィン２２の展開方向と平行なスリット２２ｂ間のピッチ寸法Ｐ（図４参照）に着目して成されたものである。
すなわち、仮に、ピッチ寸法Ｐが展開長さＬの自然数倍と等しい場合には、第１実施形態の欄で述べたように、ローラ成形工程にて最初に位置ズレが発生した場合、その最初に発生した位置ズレは、その後に形成される全ての折曲山部２２ａに対して連鎖的に影響を与えてしまう。
【００２５】
しかし、ピッチ寸法Ｐを展開長さＬの自然数倍と異なる所定寸法とすれば、第１実施形態と同様に、最初に発生した位置ズレが、その後に形成される全ての折曲山部２２ａに対して影響を与えるといったことを防止することができる。
したがって、ピッチ寸法Ｐを展開長さＬの自然数倍と異なる所定寸法とすることにより、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００２６】
ところで、ピッチ寸法Ｐも第１実施形態におけるスリット長さＤと同様に、位置ズレ周期を決定する重要な寸法であるので、適切なピッチ寸法Ｐを選定する必要がある。そこで、発明者等は、更に試験検討を重ねたところ、ピッチ寸法Ｐは、展開長さＬの自然数倍と異なる寸法であって、展開長さＬの０．５倍より大きく、かつ、展開長さＬよりの４倍より小さい所定の寸法とすることが妥当との結論を得た。以下にこの結論について述べる。
【００２７】
仮に、位置ズレ周期がＮ山（折曲山部２２ａの個数）とした場合であって、位置ズレが発生していないとすれば、以下の数式が成り立つ。
【００２８】
【数１】
（Ｎ−ｎ）×Ｐ＝Ｎ×Ｌ（折曲山部２２ａを基準とした場合）
【００２９】
【数２】
Ｎ×Ｐ＝（Ｎ−ｎ）×Ｌ（スリット２２ｂを基準とした場合）
ここで、ｎは、ピッチ寸法Ｐが複数個の折曲山部２２ａに渡って形成され得ることを意味しており、ｎ＝１、２、３……（自然数）である。
そして、数式１をピッチ寸法Ｐについて変形すれば、
【００３０】
【数３】
Ｐ＝｛Ｎ／（Ｎ−ｎ）｝×Ｌ
さらに、変形すれば、
【００３１】
【数４】
Ｐ＝〔Ｎ／｛（Ｎ／ｎ）−１｝〕×Ｌ×ｎ
さらに、変形すれば、
【００３２】
【数５】
Ｐ≧｛Ｎ／（Ｎ−１）｝×Ｌ×ｊ但し、ｊは整数（負の数を除く）
となる。
また、数式２についても同様に考えれば、
【００３３】
【数６】
Ｐ＝｛（Ｎ−ｎ）／Ｎ｝×Ｌ
さらに、変形すれば、
【００３４】
【数７】
Ｐ＝〔｛（Ｎ／ｎ）−１｝／Ｎ〕×Ｌ×ｎ
さらに、変形すれば、
【００３５】
【数８】
Ｐ≦｛（Ｎ−１）／Ｎ｝×Ｌ×ｊ但し、ｊは整数（負の数を除く）
となる。
次に、発明者等は、数式５、８に基づいて、最適な位置ズレ周期Ｎとｊとを選定すべく種々の試験検討を行ったところ、位置ズレ周期Ｎとして５０、ｊとして０、１、２、３、４が妥当であるとの結論を得た。
【００３６】
ところで、ｊ＝０では、数式５におけるピッチ寸法Ｐの下限側の値が０となってしまう。そこで、発明者等は更に試験検討したところ、下限側の値については、展開寸法Ｌの０．５倍が妥当であるとの結論を得た。
したがって、ピッチ寸法Ｐは、展開長さＬの自然数倍と異なる寸法であって、展開長さＬの０．５倍より大きく、かつ、展開長さＬよりの４倍より小さい所定の寸法が望ましい。なお、上限側の値については整数値に丸めた値である。
【００３７】
ところで、上述の実施形態では、スリット２２ｂの形状は矩形状であったが、楕円状もしくは長円状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】インタークーラの斜視図である。
【図２】偏平チューブの断面図である。
【図３】（ａ）はインナーフィンの斜視図であり、（ｂ）はインナーフィンの側面図である。
【図４】インナーフィン（フィン材料）の展開図である。
【図５】フィン製造装置の模式図である。
【符号の説明】
２…偏平チューブ、２２…インナーフィン、２２ａ…折曲山部、
２２ｂ…スリット。

Claims

内部に第１流体が流通するチューブ（２）と、
前記チューブ（２）内に配設され、複数個の折曲山部（２２ａ）が形成されたコルゲート状のインナーフィン（２２）とを有し、
前記第１流体と、前記チューブ（２）の外部を流通する第２流体との間で熱交換を行う熱交換器（１）であって、
前記インナーフィン（２２）には、前記インナーフィン（２２）の厚み方向に貫通する複数個のスリット（２２ｂ）が、前記インナーフィン（２２）の展開方向に形成されており、
前記インナーフィン（２２）の展開方向と平行な前記複数個のスリット（２２ｂ）間のピッチ寸法（Ｐ）は、前記折曲山部（２２ａ）の展開長さ（Ｌ）の自然数倍と異なる所定の寸法であることを特徴とする熱交換器。
前記ピッチ寸法（Ｐ）は、前記折曲山部（２２ａ）の展開長さ（Ｌ）の自然数倍と異なる寸法であって、前記展開長さ（Ｌ）の０．５倍より大きく、かつ、前記展開長さ（Ｌ）よりの４倍より小さい所定の寸法であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
請求項１または２に記載の熱交換器のインナーフィン製造方法であって、
薄板状のフィン材料に前記複数個のスリット（２２ｂ）を同時に形成するプレス工程と、
一対の歯車状のローラ間に前記プレス工程終了後の前記薄板を挿入することにより、前記折曲山部（２２ａ）を連続的に形成するローラ成形工程とを有することを特徴とする熱交換器のインナーフィン製造方法。