JP4412955B2 - プレート熱交換器のためのフィン、フィンの製造方法、及びフィンを有するプレート熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、ろう付けプレートを有する熱交換器のためのフィン、そのフィンの製造方法、及び、そのフィンを有する熱交換器に関する。

従来、平行な長方形状の分離したプレート或いは金属シート（板或いは薄板）の積み重ねにより、熱交換器が構成されているが、それらは全て同一形状であり、それらの間に間接的な熱交換関係のための流体用の複数の通路（流路）が定義される。

波形（コルゲーション）フィン或いはスペーサー波形（コルゲーション）が各通路においてアレンジされている。それらは、特にろう付け時の、プレートの間の熱フィン、スペーサーとして使用され、圧力流体が使用される際のプレートの変形を避けるものであり、同時に、流体の流れのためのガイドとして使用される。

これらの熱交換器は概してアルミニウム或いはアルミニウム合金から作成され、単一の炉ろう付けオペレーションにより組み立てられる。

一般に、スペーサー波形は薄い金属シートから得られ、その金属シートは典型的に、０．１５ｍｍから０．６ｍｍまでの厚さを有し、それは加圧、或いは他の適切な曲げツールにより曲げられる。

使用される曲げ方法は、大きな寸法のフィンの大量生産をハイスピードで行うことを可能にするが、薄い金属シートのみを処理可能である。従って、波形のピッチに対する金属の厚さの比率に大きく依存する作成される波形の機械的抵抗は、かなり限定される。そのため、熱交換器の熱、流体、機械的性能は、スペーサー波形の形成方法により直接的に限定される。

０．３５ｍｍの厚さのストリップ（細長片）の従来の曲げ方法に従ったアルミ合金３００３から作成されたろう付けプレートを有する熱交換器は、従来、８０バールから１００バールまでのオーダー（範囲）の使用制限でオペレーションを行ってきた。

本発明は、流体圧力下の熱交換器の使用制限を取り払うために、機械抵抗が増加するプレート熱交換器のためのフィンの作成を提案する。

本発明に従ったフィンは、熱押出しオペレーション或いは材料除去機械オペレーションの一方により、厚いシート金属から作成され、幾何学的ピッチに対するシート金属の最小厚さの比率が０．２を超えるような幾何学的ピッチに従って一般方向に再現される（繰り返される）パターンを有する。

厚いシート金属はおおよそ１ｍｍを超える厚さで規定され、特に、１ｍｍから２ｍｍまでの厚さである。

このように作成されたフィンは平面度そして／或いは規則正しさの優れた特性を有し、これは、特に積み重ねられるろう付けプレートの使用のために適している。

本発明の第１の形態によると、フィンにおいて、波形の主要一般方向が規定され、フィンは該主要一般方向に略垂直な方向へ互いに続く波形を有し、波形は、波形ピークと波形トロフに接続する波形フランクを含み、波形ピークと波形トロフにより、熱交換器の分離したプレートとのろう付けによる接続領域が各々規定される。

フィンを形成するシート金属の厚さは一様でも良いし、異なっても良い。少なくとも幾つかの接続領域は、２つの対応する波形フランクの相互に離間した面によって定義される幅より大きな横方向の幅を有する断面形状を有する。このような「異なった厚さ」を有するフィンにより、機械的強度が向上したろう付けアセンブリが提供される。

フィンは、波形ピーク或いは波形トロフが波形フランクと接合する領域に、ビード部を有してもよい。

ビード部は、有利に（好ましくは）、約０．２ｍｍから約０．５ｍｍまでの間の外側半径を有する。

本発明の第２の形態によると、パターンは略Ｈ形状の断面を有する。

好ましくは、断面Ｈ形状のパターンの自由端によって定義されるピークとトロフが、熱交換器の分離したプレートへのろう付けによる接続領域を各々定義し、これらの領域が、Ｈ形状のパターンに配される分岐部の他の領域の厚さより大きな厚さを有する。

これにより、第１の形態の変形（異なった厚さ）の場合のように、プレートへのフィンの結合の機械強度は増加する。

また、本発明は、このようなフィンの製造方法にも関する。

本発明にかかわる第１の方法は、フィンの一般形状を与える熱押出しオペレーション工程を有し、オプションとして、この工程は機械オペレーションに続いても良い。

本発明にかかわる第２の方法は、フィンの一般形状を与える、材料を除去することによる金属シートの機械加工オペレーション工程を有する。

最後に、本発明は、少なくとも第１の通路において、２つの連続した（相次ぐ）プレートとろう付けにより接続される上述のフィンを有するプレート熱交換器に関する。

本発明の熱交換器の他の特徴は、熱交換器は、少なくとも第２の通路において、薄いシート金属から作成され、２つの連続した（相次ぐ）プレートとろう付けにより接続されるフィンを更に有することである。

更に、本発明の熱交換器の他の特徴は、第１の通路を循環する、１００バールより大きく、特に、２００バールより大きく、好ましくは、２５０バールのオーダーの圧力下の少なくとも１つの流体で、オペレーションが行われることである。

本発明の実施例を図１−３を参照し説明する。

図１には、従来の銃眼模様の一般的な形状の波形フィン１の一部が示されている。フィン１は方向Ｄ１、Ｄ２を定義し、方向Ｄ１は波形の主要一般方向であり、方向Ｄ２は波形が互いに続く、方向Ｄ１と直交する方向である。

説明を簡便にするために、図１に示されているように、方向Ｄ１、Ｄ２は水平（同一面）であるとする。

方向Ｄ１は、使用されている熱交換器における、流体Ｆの循環（流動）主要方向に対応する。

波形フィン１は、方向Ｄ２に直交する垂直平面に各々含まれる多数の長方形状の波形（コルゲーション）フランク（側面）３を有する。波形フランク３は、それらの上縁に沿って長方形状でありフラットな（平らな）水平波形ピーク（頂部）５によって交互に接続されており、それらの下縁に沿って同様な長方形状でありフラットな水平波形トロフ（谷部）７によって交互に接続されている。

波形ピーク５と波形トロフ７は、熱交換器のフラットな分離したプレート或いは金属シート（板）８（一点鎖線で示されている）へのろう付けによる接続のための領域を定義する。

フィン１は、フィンの高さＨと略等しい厚さの厚い金属シートから得られてもよい。ここで、高さＨは、方向Ｄ１、Ｄ２と直角な方向における波形ピーク５と波形トロフ７の外面間の距離により定義される。最終的なフィンの形状を得るために、厚い金属シートは機械によって加工される、例えば、削られる。

或いは、ビレット（片）状の金属材料から加熱押出しオペレーションを行うことによりフィン１を得ることも可能である。

このように定義されたフィン１は、波形ピーク５と波形トロフ７と２つの波形フランク３により形成されるパターンの方向Ｄ２における長さを表す幾何学的周期或いはピッチＰによって特に特長付けられる。

フィン１は金属の厚さｅ、ｅ’によっても特長付けられる。厚さｅ、ｅ’はフィン全体にわたって均一でもよいし、フィンの領域により異なってもよい。

特に、本発明によるフィンの製造のために使用される厚い金属シートの押出し或いは機械加工の方法により、波形フランク３における金属の厚さに対応する第１の厚さｅ、そして、熱交換器の分離したプレートにろう付けされるフィンの部分、換言すれば、波形ピーク５と波形トロフ７の厚さに対応する第２の異なる厚さｅ’を選択することも可能である。

本発明によるフィンの製造方法においては、従来の薄いシート状の金属を折り曲げるために使用された技術と比較して、幾何学的ピッチＰに対する最小厚さｅ或いはｅ’の比率を増加することが可能になり、更に、比率を０．２から０．８の間に設定可能である。つまり、アルミニウム３００３合金に対する２５０バールのオーダーの圧力下でオペレーション可能な熱交換器を製造することが可能となる。一方、曲げられた薄いシート状金属から作成されたフィンにおいて、その同じ合金に対して圧力は、通常８０バールから１００バールまでのオーダーに達する。

図２は上述した実施例の変形例を示す。この変形例によると、フィン１１は、一方としての波形ピーク５或いは波形トロフ７と、他方としての波形フランク３との間の接続部分にビード（玉縁）１２を有する。つまり、波形ピーク５と波形トロフ７により形成される接続領域は、断面視において、２つの対応する波形フランク３によって定義される幅ｌよりも大きい幅Ｌを有する。この幅Ｌは、交換器の分離したプレートの接触部分の幅に略対応する。幅ｌは、２つの連続した波形フランクと２つの波形フランクの厚さｅの和によって定義される通路（チャンネル）の幅に対応する。

ビード１２の円弧（の径）は、それらの領域の優れたろう付け品質を保証し、結果として最適な機械的強度を保証するような方法で選択されてもよい。

特に、ビード１２の円弧の外側径Ｒが約０．２ｍｍから０．５ｍｍまでの間の場合は、完全に満足できるものである。

この実施例において、波形ピーク５と波形トロフ７の厚さｅ’は波形フランク３の厚さｅより大きい。

図３を参照し、断面視で略一般的なＨ形状を有するパターンに基づき定義されるフィン２１の説明を行う。そのパターンは一般の横方向Ｄ２に、パターンの長さに対応する幾何学的ピッチＰで多数再形成されている（繰り返されている）。

フィン２１は、下方、上方に各々延びる複数の垂直分岐（ブランチ）部２３、２５によって定義される。図示されている実施例では、垂直分岐部２３、２５は共通のセンター垂直面を有するが、その面はＤ２方向にオフセットしてもよい。幾何学的ピッチＰは、２つの連続した垂直分岐部２３、２５のセンター面の間隙に対応する。

分岐部２３、２５は、フィン２１の高さ方向の中間領域において、水平一般方向を有するウェブ（板状部）２７によって接続されている。つまり、垂直分岐部２３、２５は、熱交換器の分離した金属シートの各々にろう付けにより接続されるための部分に対応する自由端２９を定義する。

垂直分岐部２３、２５の全体高さに対するセンター面に示されている水平ウェブ２７は、他のいかなる位置に配されてもよい。特に、それらはセンター平面から、センターの上方或いは下方に位置してもよい。或いは／更に、それらは、垂直方向に１つの分岐部２３、２５から次の分岐部へオフセットしてもよい。

図２に示されている変形例のように、図３の実施例において、金属厚さｅ、 ｅ’はフィンの領域に応じて異なる。この場合、自由端領域２９は、フィンの他の領域の厚さｅよりも大きな金属厚さｅ’を有する。これは、フィンと分離したプレートによって構成されるアセンブリの機械的強度を向上させるためである。

上述の説明は、ろう付けプレートを有する熱交換器のためのフィンを定義し、フィンの製造方法を定義した。これにより、これらのフィンを使用した熱交換器の性能は向上する。

特に、このように製造されたプレート熱交換器は、著しく１００バールより高く、特に２００バールより高く、２５０バールのオーダーの圧力までの流体圧力でオペレーション可能となる。

特に有利なこととして、フィンの一方（一部）が本発明に従ったものであり、他方（他の部分）が例えば従来の曲げ方法で薄いシート金属から作成された熱交換器を作成することも可能である。従って、この熱交換器では、著しく異なる圧力の流体でオペレーション可能となる。つまり、厚いシート金属から作成されたフィンは高圧力下の流体に対応し、薄いシート金属から作成されたフィンは低圧力下の流体に対応する。

本発明の第１の実施の形態に係る波形フィンの一部の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波形フィンの一部の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波形フィンの一部の斜視図である。

符号の説明

１ 波形フィン
３ 波形フランク
５ 波形ピーク
７ 波形トロフ
１１ 波形フィン
２１ 波形フィン

Claims (7)

1. 幾何学的ピッチ（Ｐ）に対するシート金属の最小厚さ（ｅ）の比率が０．２を超え且つ０．８未満であるように、１ｍｍを超える厚さの厚いシート金属から作成され、幾何学的ピッチ（Ｐ）に従って一般方向（Ｄ２）に再現されるパターンを有し、幾何学的ピッチ（Ｐ）は前記再現されるパターンの一般方向（Ｄ２）における長さである、ろう付けプレートを有する熱交換器のためのフィンであって、
   熱押出しオペレーション或いは材料除去機械オペレーションの一方により作成され、
   波形の主要一般方向（Ｄ１）が定義され、該主要一般方向（Ｄ１）に垂直な一般方向（Ｄ２）へ互いに続く波形を有し、該波形は、波形ピーク（５）と波形トロフ（７）に接続する波形フランク（３）を含み、波形ピーク（５）と波形トロフ（７）は、熱交換器の分離したプレート（８）の各々へのろう付けによる接続領域を各々定義し、
   断面視で一般方向（Ｄ２）の、波形ピーク（５）の接続領域の幅（Ｌ）と波形トロフ（７）の接続領域の幅（Ｌ）は、２つの対応する波形フランク（３）の幅（ｌ）より大きく、
   波形ピーク（５）或いは波形トロフ（７）が波形フランク（３）と接合する領域に、円弧部を有するビード部（１２）を有する、ことを特徴とするフィン。
2. ビード部（１２）の円弧部は、０．２ｍｍから約０．５ｍｍまでの間の外側半径（Ｒ）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のフィン。
3. フィンの一般形状を提供する熱押出しオペレーション工程を有する、請求項１或いは２に記載のフィンの製造方法。
4. フィンの一般形状を提供する、材料を除去することによる金属シートの機械加工オペレーション工程を有する、請求項１或いは２に記載のフィンの製造方法。
5. 少なくとも第１の通路において、２つの連続したプレート（８）とろう付けにより接続される、請求項１或いは２に記載のフィン（１１）を有することを特徴とする、熱交換器。
6. 少なくとも第２の通路において、薄いシート金属から作成され、２つの連続したプレート（８）とろう付けにより接続されるフィンを更に有することを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１の通路を循環する、１００バールより大きく、特に、２００バールより大きく、好ましくは、２５０バールのオーダーの圧力下の少なくとも１つの流体で、オペレーションが行われる、請求項５或いは６に記載の熱交換器。

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