JP4011694B2 - 瘤付きプレートフィン型熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレートフィン型熱交換器に関し、特に、プレートフィン型熱交換器に用いられる瘤付きプレートフィンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プレートフィン型熱交換器は周知である。一般に、プレートフィン型熱交換器は、平行に間隔を置いて積重された多数のプレートフィン（以下、単に「プレート」又は「フィン」とも称する）から成るコアを備えている。それらのプレートは、その平面に対してほぼ垂直に熱交換管（以下、単に「管」とも称する）を貫通させるための互いに整合した穴を有している。それらの管は、相互に接続され、熱交換器を通して第１流体を搬送する。第２流体、通常は空気は、積重されたプレートの間を流れる。これらの２つの流体間にフィン及び管壁を通しての熱伝達により熱交換が行われる。
【０００３】
従来、この種の熱交換器における熱伝達の増進は、周りを流れる流体に露呈されるプレートフィンの表面積を最大限にすることと、流体の乱流を増大させることによって達成されてきた。プレートフィンの表面積及び流体の乱流を増大は、図１にみられるように、プレートフィン１０に凹凸又は起伏を設けることによって達成されてきた。図２は、プレートフィンに形成された従来技術による波形１１を示す。しかしながら、表面積を増大させるためのこのような態様は、プレートフィンの性能を低下させるおそれのある多くの欠点を有する。それらの欠点としては、波形１１の存在により一平面においてプレートフィン１０が弱化すること、コアの製造中損傷を受け易いこと、コアの製造にばらつきを生じる可能性が高くなること（反復して均一なコアを製造することができないこと）等がある。これらの欠点は、いずれも、製造コストを増大させたり、熱交換効率を低下させることにつながる。
【０００４】
熱交換器の性能に影響するもう１つの要素は、管とフィンとの結合部である。管とフィンとの結合部が緊密であれば、熱交換器の性能が増進される。従って、良好なはんだ付け又はろう付け継手のような良好な管−フィン結合が極めて望ましい。
【０００５】
プレートフィン型熱交換器においては、多くの場合、管１２は、プレートに穿設された整列した管挿通穴を通して押し込まれる。管が所定位置に挿通されたならば、各管にいわゆる「ブレット」（弾丸）即ち拡張用マンドレルを打ち込むことによって管を機械的に拡張させる（押し広げる）。その結果として、管の側壁がそれを囲繞するフィンに密着するように非弾性的に押しつけられ、優れた管−フィン結合部が形成される。従って、管−フィン界面間に優れた熱伝達が得られる。
【０００６】
しかしながら、管の拡張操作が実用的でない場合や、不可能な場合さえある。例えば、何百本もの管を有する従来の多重列熱交換器の場合、管の本数が多いので各管を１本づつ拡張するのは実際的ではない。又、管の表面がディンプル付き表面とされている場合や、管の内部に乱流惹起部材や補強ウエブが設けられている場合は、ブレットを管内に打ち込むことはできない。なぜなら、ブレットを打ち込むと、管表面にディンプルがあればそれらを平らに伸ばしてしまうことになり、乱流惹起部材があればそれらを破壊して乱流効果を無にすることになり、ウエブがあればそれらを破断してウエブによる耐内圧強度を失うことになるからである。従って、良好なはんだ付け又はろう付け管−フィン結合を確保するのに必要な管とフィンの密着を実現するために、従来から他のいろいろな解決策が試みられてきた。
【０００７】
例えば、従来のプレートフィンの管挿通穴は、その周縁の一部又は全周がカラー１４によって囲繞されている。しかしながら、図３に示されるように、従来のカラー１４には、その成形中、フィン１０の本体部分に連接している部位にしわ１５が生じる。これらのしわ１５は、カラー１４が管１２と全周に亙って完全接触するのを妨げるので、接触が失われている部位でははんだ又はろう付け金属が存在しないことになるから、それだけ熱交換器のコアの性能を低下させることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の理由から、サイズ、重量及び製造コストを一定とした場合の熱交換器の性能の現行の水準は、完全には満足なものではない。
本発明は、これらの問題を克服することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によれば、上記課題を解決するために、複数の管とプレートフィンを有するプレートフィン型熱交換器において、各プレートフィンに、複数の円弧状変形部を互いに離隔した少くとも２列として形成し、各円弧状変形部の列に沿って複数の管挿通穴を列をなして形成し、円弧状変形部の列と列の間、従って、管挿通穴の列と列の間に断面台形の補剛ビード（突起）を形成する。
【００１０】
本発明の目的は、同じサイズの従来の熱交換器に代えて用いることができ、従来の熱交換器より優れた熱交換性能を有する熱交換器を提供することである。
本発明の他の目的は、従来の同等サイズ及び同等性能の熱交換器より軽量である熱交換器を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、プレートフィンの管挿通穴を囲繞するカラーのしわが従来のプレートフィンのそれより少ないプレートフィン型熱交換器を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、従来のプレートフィンで構成された熱交換器コアに代わる新しいコア構造として製造業者に多様な選択を与えることである。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、フィンの剛性を失うことなく表面積を増大させたプレートフィンで構成されたプレートフィン型熱交換器を提供することである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下に説明する特定の熱交換器に限定されるものではなく、以下に挙げる寸法は、単に、発明の説明と実施の目的のために述べるものである。
【００１５】
図４を参照すると、本発明の一実施形態による熱交換器１６が示されている。熱交換器１６は、多数の積重された瘤付きプレートフィン２０と、それらのフィンを貫通して延設された複数の管１８から成るコアを備えている。それらの管１８は、ヘッダーとタンク（図示せず）によって互いに連通され、供給原から第１流体を受取る入口と、管１８から熱交換器外の使用部署へ送給する出口を有する流体経路を形成する。
【００１６】
一実施例においては、管１８（断面楕円形の扁平管）は、０．６２５ｉｎ（１５．６２５ｍｍ）の長辺寸法（楕円の長軸に対応する寸法）と、０．０７６ｉｎ（１．９３０４ｍｍ）の短辺寸法（楕円の短軸に対応する寸法）を有し、平滑管（平滑面の管）であってもよく、高さ０．０１４ｉｎ（０．３５５６ｍｍ）のディンプルを有するディンプル付き管（乱流を惹起する面を有する管）であってもよい。上記以外の寸法も、必要に応じて用いることができることは当業者には明らかであろう。管１８は、互いに平行であり、複数の積重されたプレートフィン２０をそれらに対してほぼ垂直に貫通して延長している。管１８は、通常は、その側壁にディンプル（図示せず）を有するタイプのものである。ディンプルは、管の中心に向かって突出しており、管内を流れる第１流体に乱流を惹起する。もちろん、乱流の増進は、周知のように熱伝達を向上させるが、平滑管、即ち、ディンプルのない管を使用してもよく、本発明の一実施形態として使用することが企図されている。
【００１７】
プレートフィン２０は、厚さ約０．００３ｉｎ（０．０７６２ｍｍ）の銅板で作られた瘤付きプレートフィンであり、複数の円弧状変形部（瘤）２２がフィン表面全体に亙って等間隔の列２４（図５でみて左右方向に延長している）として形成されている（図５参照）。円弧状変形部２２は、ローリング加工及び、又は型押し（スタンピング）加工によって形成された瘤であり、０．３１２５ｉｎ（７．９３７５ｍｍ）の曲率半径を有し、フィン２０の平面からの高さは０．０７６ｉｎ（１．９３０４ｍｍ）である（図６参照）。
【００１８】
プレートフィン２０の管挿通穴２８は、各円弧状変形部２２の列２４内に０．３８５３ｉｎ（９．７８６６２ｍｍ）の等間隔をおいて穿設され、対応する管１８を締り嵌めさせるために管１８と同様の寸法とされる。図５に示される例では、各管挿通穴２８は、０．６３００±０．００２０ｉｎ（１６．００２±０．０５０８ｍｍ）の長辺寸法を有し、０．０８０±０．００２０ｉｎ（２．０３２±０．０５０８ｍｍ）の短辺寸法を有する。プレートフィンと管との結合は、締り嵌めであり、プレートフィン２０の各管挿通穴２８の周りのカラー３０は、管１８と実質的に面一をなす。即ち、各管挿通穴２８に挿通された管１８とカラー３０とは周接触させることが望ましい。
【００１９】
管挿通穴２８は、型押し加工によって形成される。即ち、型押しダイをプレートフィン２０に沿って転動させることによって図６に示されるように管挿通穴２８とそれを囲繞するカラー３０が形成される。この型押し加工中、プレートフィン２０の一部分がプレートフィン２０の平面から折り曲げられ、カラー３０を形成する。このようにして形成されたカラー３０は、実質的にしわがなく、穴２８の全側辺（全周）を囲繞する。詳述すれば、カラー３０は、穴２８の長辺に沿っては、図６及び８に示されるように、円弧状変形部２２の円弧輪郭に追従するが、カラー３０の短辺部分３１は、図９に示されるように、プレートフィン２０の平面からそれに実質的に垂直に下方へほぼ三角形の形に突出している。
【００２０】
プレートフィン２０の円弧状変形部の列２４と２４の間、従って、管挿通穴２８の列と列の間に一連の断面台形のピラミッド状の補剛ビード（突起）４２，４４が形成されている。詳述すれば、短い補剛ビード４２と長い補剛ビード４４とが、交互に互いに横向きに（ほぼ直角に向きを変えて）円弧状変形部の列２４と２４の間に、従って、管挿通穴２８の列と列の間に列４０をなして配置され、プレートフィン２０の平面より０．０１６±０．００２０ｉｎ（０．４０６４±０．０５０８ｍｍ）上に突出している。短補剛ビード４２は、０．０８８０×０．２４７３ｉｎ（２．２３５２×６．２８１４２ｍｍ）の長方形の底部と０．１９９３×０．０４００ｉｎ（５．０６２２２×１．０１６ｍｍ）の長方形の頂部を有する。長補剛ビード４４は、０．３３８９×０．０７８０ｉｎ（８．６０８５×１０９８１２ｍｍ）の長方形の底部と０．２９０９×０．０３００ｉｎ（７．３８８６×０．７６２ｍｍ）の長方形の頂部を有する。短補剛ビード４２と長補剛ビード４４は、図７に示されるように、円弧状変形部の列２４と２４の間に列４０として配置されている。各長補剛ビード４４は、楕円形の管挿通穴２８の長軸線に平行に長手に延長しており、各短補剛ビード４２は、管挿通穴２８の短軸線に平行に、従って長補剛ビード４４に対して垂直にそれらの間に（長補剛ビード４４と交互に）配置されている。
【００２１】
管１８は、下記の態様でプレートフィン２０の管挿通穴２８を通して挿通される。まず、数枚のプレートフィン２０をフィン治具に装填し、コアの組立て中保持する。それらのフィン２０は、それぞれのフィンの対応する管挿通穴２８が整合するように整列される。次に、管１８を瘤付きプレートフィン２０の凸側から整合した管挿通穴２８を通して押し込む。管挿通穴２８と管１８とは上述したように寸法決めされているので、管−フィン結合部に締り嵌めが得られる。カラー３０は、上述したように型押しによって円弧状変形部２２内に管挿通穴２８の周りに形成されたことにより、実質的にしわがない。従って、カラー３０は、管１８の外周面に全周に亙って連続的に（切れ目なしに）衝接する。この結合態様により、熱交換器コアの安定性を高め、そのような構造を有するコアの熱交換性能を改善することができる。
【００２２】
本発明による熱交換器コアの熱交換性能の改善は、コンピュータによる熱伝達モデルと実際のテスト結果によって検証された。図１０〜１２のグラフは、従来技術のプレートフィン１０（図１）を有する熱交換器のコア性能と、上述した本発明のプレートフィン２０（図５）を有する熱交換器のコア性能とを比較したものである。詳述すれば、各グラフは、従来技術の７管列プレートフィン（グラフでは７ＲＯＷ Ｐｌａｔｅ Ｆｉｎで表されている）で構成された熱交換器の熱交換性能（曲線Ａ）と、本発明の４管列瘤付きプレートフィン２０を有する熱交換器及び５管列瘤付きプレートフィン２０を有する熱交換器の熱交換性能とを比較したものである。（ここで、「管列」とは、図５でみて左右方向に延長した列をいい、管列の数は、変形部２２の列２４の数に一致している。）。本発明の瘤付きプレートフィン２０を用いた熱交換器には、平滑管（ＰＴ）を備えたものと、ディンプル付き管（ＤＴ）を備えたものとをテストした。テストされた本発明の熱交換器は、下記のように各グラフに示されている。
曲線 熱交換器の構成
Ｂ ４管列、平滑管（グラフでは４ＲＯＷ−ＰＴで表されている）
Ｃ ５管列、平滑管（グラフでは５ＲＯＷ−ＰＴで表されている）
Ｄ ４管列、ディンプル付き管（グラフでは４ＲＯＷ−ＰＴで表されている）
Ｅ ５管列、ディンプル付き管（グラフでは５ＲＯＷ−ＰＴで表されている）
各グラフにおいて、コンピュータで得られたデータ点はＯで示され、実際のテスト結果から得られたデータ点はＸで示されている。
【００２３】
熱交換性能は、図１０〜１２のグラフでは、品質管理ｂｔｕ（ＱＣＢＴＵ）で図表化されている。ＱＣＢＴＵの数値は、３つの標準ファン曲線の各々について、熱交換器コアの作動部部位で放出された熱の量を合算することによって得られる。放出された熱の量は、流入時の温度ポテンシャルを１００°Ｆ（５５．５°Ｃ）として算出される。（ここで、「ポテンシャル」とは、冷却剤の平均温度と流入空気の温度との差をいう。）得られたＱＣＢＴＵは、単一の数値であり、温度ポテンシャルを１００°Ｆ（５５．５°Ｃ）としてＢＴＵ／ｍｉｎ／ｆｔ² （表面積）で表される。使用される流体（冷却剤）及び全体の流体流量は、比較される各タイプのコアのいずれについても同じとする。
【００２４】
管列の数及び１インチ（２５．４ｍｍ）当りのフィン枚数がどのような値であっても、本発明の瘤付きプレートフィン２０を有する熱交換器コアの熱交換性能は、従来技術のプレートフィン１０で構成されたコアの熱交換性能を凌ぐことに留意されたい。更に、図１０〜１２にみられるように、どちらのフィンで構成されたコアであれ、１インチ（２５．４ｍｍ）当りのフィン枚数が多いほど、その熱交換性能が高くなるが、本発明の瘤付きプレートフィン２０を有するコアの方が、従来技術のプレートフィン１０を有するコアより、１インチ（２５．４ｍｍ）当りのフィン枚数の増加に伴って増大する熱交換性能の割合が高い。
【００２５】
これらのデータから分かるように、本発明の瘤付きプレートフィン２０を用いたコア構造は、どのようなコア構成においても、従来技術のプレートフィン１０を用いたコア構造よりも高い熱交換性能改善率を達成する。
【００２６】
更に、図１０〜１２は、冷却剤としての水の流量が高いと、ディンプル付き管の使用による性能向上率が小さいことを示している。これに関連して、図１３は、一方の側壁にディンプル５０を有し、対向した他方の側壁にディンプル５２を有する扁平管１２を示す。これらのディンプル５０，５２は、いずれも、管の外面に対して凹であり、管の内部に向かって凸である。更に、管内の熱交換流体（冷却剤）を蛇行流路に沿って通流させて乱流を増大させるために、一方の側壁のディンプル５０とそれと対向した他方の側壁のディンプル５２とが互い違いに配置されている。ただし、５０／５０エチレングリコール（ＥＧ）／水を冷却剤として用した場合、特に低い流量で用いた場合は、ディンプル付き管の使用によって熱交換性能の顕著な向上が達成される。このことは、ラジエータ（熱交換器）のフィンと管のどのような組み合わせに対しても当てはまる。
【００２７】
図１０〜１２のグラフは、製造業者が従来のラジエータコアを本発明の瘤付きプレートフィン２０で構成したコアと交換する場合に、同じ性能又はよりよい性能を得るために採用することができる複数の選択があることを示している。例えば、図１１から分かるように、５０／５０エチレングリコール／水（冷却剤）を１９２ポンド（８７ｋｇ）／分の流量で通す従来技術のインチ当り１１枚のフィン付きコアは、それよりフィン枚数の少ない本発明のインチ当り９枚のフィン付き４管列平滑管コア（Ｂ）又はインチ当り７枚のフィン付き５管列平滑管コア（Ｃ）と交換することができ、その場合でも、従来のコアと同等又はそれ以上の熱交換性能が得られる。ディンプル付きの管を用いれば、インチ当りのフィン枚数も、管列の数も、更に少なくすることができる。その結果得られるコアは、従来のコアより薄型となり、重量も軽くなる。又、コアの製造コスト及び運送コストも削減することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から分かるように、本発明の瘤付きプレートフィンで構成された熱交換器は、従来技術に比べて多くの利点を提供する。第１に、瘤付きプレートフィンの熱交換器は、同一サイズ及び同一重量の従来技術の熱交換器と交換した場合、従来のものより優れた熱交換性能を発揮する。又、本発明の瘤付きプレートフィンの熱交換器は、それと同等の熱交換性能を有する従来の熱交換器より軽量とすることができる。更に、本発明の瘤付きプレートフィン構造は、補剛ビードを利用し、プレートフィン全体に延在する波形を用いないので、従来のプレートフィンより高い安定性及び剛性を発揮する。この特性は、熱交換器の製造中に生じるコアの欠陥や組立ての遅延を減少させる利点をもたらす。又、これらの補剛ビードは、第２流体の乱流を増進する効果も有する。
【００２９】
以上、本発明を実施形態に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、一般に使用されている従来のプレートフィンの平面図である。
【図２】図２は、図１の線２−２に沿ってみた断面図である。
【図３】図３は、図１の線３−３に沿ってみた断面図である。
【図４】図４は、本発明に従って製造された熱交換器コアの立面図である。
【図５】図５は、本発明に従って製造されたプレートフィンの平面図である。
【図６】図６は、図５の線６−６に沿ってみた断面図である。
【図７】図７は、図５の線７−７に沿ってみた断面図である。
【図８】図８は、図７に示された１つのカラーの拡大図である。
【図９】図９は、図５の線９−９に沿ってみた断面図である。
【図１０】図１０は、管に熱交換媒体として水を通した場合に、１インチ当りのフィン枚数に対応して変化するいろいろなコアの全体的熱交換性能の比較を表すグラフである。
【図１１】図１１は、管に熱交換媒体としてエチレングリコールと水の５０／５０混合物をある一定の流量で通した場合の、図１０と同じ比較を表すグラフである。
【図１２】図１２は、管に熱交換媒体としてエチレングリコールと水の５０／５０混合物を図１１の場合とは異なる流量で通した場合の、図１０及び１１と同じ比較を表すグラフである。
【図１３】図１３は、ディンプル付き扁平管の部分平面図である。
【符号の説明】
１６：熱交換器
１８：管
２０：瘤付きプレートフィン
２２：円弧状変形部
２４：列
２８：管挿通穴
３０：カラー
４０：補剛ビードの列
４２：短い補剛ビード
４４：長い補剛ビード
５０，５２：ディンプル

Claims (7)

1. 複数の管と複数のプレートフィンから成るプレートフィン型熱交換器であって、
   前記プレートフィンには、複数の円弧状変形部が該プレートフィンの長手を横切って少くとも２つの離隔した列をなして形成されており、該円弧状変形部に前記管を受容するように付形された複数のカラー付き管挿通穴が穿設され、複数の互いに横向きに配置された補剛ビードが該プレートフィンの該管挿通穴の列と列の間に形成されていることを特徴とするプレートフィン型熱交換器。
2. 前記各管挿通穴は、カラーによって囲繞されていることを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン型熱交換器。
3. 前記補剛ビードは、前記該プレートフィンの平面より隆起していることを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン型熱交換器。
4. 前記各管は、ディンプル付き管であることを特徴とする請求項２に記載のプレートフィン型熱交換器。
5. 複数の管と複数のプレートフィンから成るプレートフィン型熱交換器であって、
   前記プレートフィンには、複数の円弧状変形部が該プレートフィンの長手を横切って少くとも２つの離隔した列をなして形成されており、前記管を受容するように寸法づけされた複数の楕円形のカラー付き管挿通穴が該円弧状変形部の各列に沿って等間隔に穿設され、複数の断面楕円形の補剛ビードが該プレートフィンの該管挿通穴の列と列の間に列をなして形成されており、該各補剛ビードの列は、該管挿通穴の楕円形の長軸にほぼ平行に延長した長い補剛ビードと該長い補剛ビードに対して垂直に該長い補剛ビードと交互に配置された短い補剛ビードから成ることを特徴とするプレートフィン型熱交換器。
6. 前記短い補剛ビードは、隣接する管列のための前記管挿通穴と管挿通穴との間に配置されており、前記長い補剛ビードは、前記隣接する円弧状変形部の列と列の間に並置されていることを特徴とする請求項５に記載のプレートフィン型熱交換器。
7. 前記各管は、ディンプル付き管であることを特徴とする請求項５に記載のプレートフィン型熱交換器。

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