JP4664918B2 - 扁平多穴管および熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に用いられる扁平多穴管の構造に関するものである。

冷凍装置やラジエータなどに用いられる熱交換器として、一定の間隔をあけて並行に配置されたプレートフィンと、これらのフィンを貫通するように配置された複数の管（チューブ）とを有するプレートフィン型熱交換器が知られている。このプレートフィン型熱交換器を製造する際の１つの方法は、管がフィンを貫通するように組み立てた後に、管を拡管または拡張することにより、管とフィンとを接合させるものである。これらの管を拡張するために、管の内部に剛体棒または拡管子を挿入し、管を内側から押し広げる。管を拡張することにより管とフィンとが接触する。

熱交換器において、内部に複数の隔壁を有し、それらにより管内が複数の平行した流路に分割された扁平多穴管を用いることが知られている。

特開昭６２−１９６９１号公報には、楕円形か矩形かの横断面を有する導管が開示されている。この導管は、各対の継手の間の導管の表面の膨張により冷却用のひれに対して押圧しているものである。導管が膨張すると、継手は、初期の山形の形状が平らになり、導管の壁がその原位置へ収縮するのを防止する。

本発明の一つの形態は、扁平な外管と、その外管の内部を複数の流路に分割する複数の隔壁とを有する扁平多穴管である。それぞれの隔壁は、厚さｔｉで、一辺の長さａの２つの辺からなる山形に屈曲した断面形状を備え、外管の内面における隔壁の面間が距離Ｌｉになるように配置されており、外管の厚みｔｏは、以下の式に示す条件（１）を満たす。

扁平多穴管の流路に拡管子を挿入して拡張する方法がある。その他に、扁平多穴管（チューブ）に流体を注入し、内圧を高めることにより隔壁を伸ばすことが検討されている。このチューブの内圧を高める方法（以下では、加圧拡管と称する場合もある。）であっても、拡管子による拡張であっても、それにより隔壁と隔壁との間の外管（以降では外壁）が膨張し、管外面が波形あるいは凹凸に変形することは好ましくない。管外面とフィンとの接触面積が減少し、伝熱性能が低下する。しかしながら、隔壁が所望のサイズまで伸びる以前に拡張を停止すると所望の性能が得られない。

山形（日本語の平仮名の「く」の字状）に屈曲された隔壁が伸びる現象を考えたとき、当初は、隔壁の両端から作用する引張力により、山形を構成する２辺の間の角度が開く（大きくなる）ように変形する。そして、２辺のなす角度がある程度の大きさに達すると、角度が大きくなる変形（隔壁の傾きが変わる変形）は殆どなくなり、隔壁の傾きは変わらなくなる（伸びきった状態）。そして、隔壁の両端から作用する引張力により、隔壁の厚みが減肉する変形（引張変形と称する）になる。隔壁の傾きを変えるための応力と、隔壁を引張変形させて、減肉を引き起こす応力は異なり、隔壁の傾きを変える応力の方が小さい。

上記の条件（１）を満たす厚みを備えた外管を有する扁平多穴管は、隔壁の傾きを変える程度の圧力範囲では、外管の隔壁の間の部分である外壁は変形しない。したがって、上記条件（１）を満足する扁平多穴管は、隔壁が伸びきるまでは外壁の変形を防止できる。そのため、この扁平多穴管は、隔壁の傾きが変形する範囲の内圧により、管外面が波形あるいは凹凸に変形することを防止した状態で拡管できる。

隔壁の傾きの変形量は、扁平多穴管の公差や加圧力のバラツキの影響を受けて変動する。このため、隔壁の傾きが変形する範囲における最大の圧力（内圧）、あるいはそれ以上の圧力により拡管することが好ましい。そのような圧力で拡管することにより、隔壁の傾きをほぼ伸びきった状態まで拡管できる。したがって、拡管するときに、細かな圧力制御を行わずに、扁平多穴管を所望の状態まで拡張できる。逆に、外管の厚みｔｏが条件（１）の範囲を外れて、外管の厚みｔｏが小さくなると、隔壁が伸びきる前に外管の変形が開始される可能性がある。したがって、拡管するときの圧力制御が難しい。

本発明の他の一つの形態は、上記の条件（１）を満足する複数の扁平多穴管と、それら複数の扁平多穴管が貫通した状態で取り付けられた複数のフィンとを有する熱交換器である。上述したように、条件（１）を満たす扁平多穴管であれば、流体を用いた加圧拡管であっても、拡管子による拡管であっても、外壁の変形を抑制しながら、隔壁を伸ばすことができる。このため、拡管後において、複数の扁平多穴管と、それらが貫通した状態で取り付けられるプレートフィンとの接触効率を上げられる。したがって、熱交換器における熱交換効率を向上できる。特に、流体を用いた加圧拡管であれば、拡管子を挿入しなくて良く、扁平多穴管の微細な流路の全てをほぼ均等に拡張するのに適している。

本発明の他の一つの形態は、上記条件（１）に加えて、外管の厚みｔｏが、さらに以下の条件（２）を満たす扁平多穴管である。

複数の隔壁を備えた扁平多穴管の外管の厚みを、隔壁を備えていない扁平管に対して要求される外管の厚みまで大きくすることは、製品の小型化および軽量化などの点から経済的ではない。扁平多穴管を用いるメリットの一つは、内部に隔壁を設置したことにより扁平管の強度が確保できるので、外壁または外管を薄肉化できることである。

本発明の他の一つの形態は、上記条件（１）に加えて、外管の厚みｔｏが、さらに以下の条件（３）を満たす扁平多穴管である。

拡管するときの圧力以上の圧力が、扁平多穴管に常用圧力となることはない。そのような圧力が常時加わると、扁平多穴管がさらに変形する可能性があり、そのような設計は行われない。したがって、拡管するときの圧力は、常用における耐圧条件の上限あるいはそれ以上になる。さらに、拡管するときの圧力は、それにより隔壁が伸びきった状態になる程度であり、減肉を伴う引張変形を開始するような圧力には設定しない。このため、減肉を伴う引張変形を開始する圧力では外壁も変形するように外管の厚みを設定することが経済的であり、外管は薄い方が熱伝達率も向上する。

さらに、条件（３）を満たす扁平多穴管であると、加圧拡管するときに、隔壁が引張変形するような過大な内圧が加えられると、外壁も膨張して管外面が変形する可能性がある。したがって、管外面の状態が、拡管したときの圧力状態をチェックする一つの要素となりえる。

図１は、熱交換器の概略を示す。 図１に示す熱交換器の扁平多穴管とフィンとが接合された状態を示す。 図３（ａ）は拡管前の扁平多穴管の状態を長軸方向の断面で示し、図３（ｂ）はその短軸方向の断面で示す。 図４（ａ）は拡管後の扁平多穴管の状態を長軸方向の断面で示し、図４（ｂ）はその扁平多穴管の端部を短軸方向の断面で示し、図４（ｃ）はその扁平多穴管の他の部分を短軸方向の断面で示す。 図５（ａ）は隔壁が角度変形する様子を示し、図５（ｂ）は隔壁が引張変形する様子を示す。 図６は、扁平多穴管の断面を拡大して示す。 図７は、内圧を高めていったときの扁平多穴管の内径の変化を示す。 図８は、公差などにより扁平多穴管の拡管量にバラツキが発生する様子を示す。 図９は、扁平多穴管の外管の厚みの上限および下限の一例を示す。

図１に、扁平多穴管を用いた熱交換器の概略を示してある。また、図２に、扁平多穴管が拡管された状態を斜視図により拡大して示してある。熱交換器１は、プレートフィン型熱交換器であり、一定の間隔で並行に配置された複数のプレート状のフィン２と、これらのフィン２に対して貫通した状態で接合され、並列になった複数本の扁平多穴管３とを有している。これらの扁平多穴管３は、扁平な外管２１の内部が、複数の隔壁１５により複数の平行な流路１４に分割されたチューブである。扁平多穴管３の両側の端部４は、熱交換器１の左右に位置するヘッダ６および７の側壁９に形成された接合穴１９に接続されている。ヘッダ６の供給口１１から導入された熱媒体（内部流体）は、扁平多穴管３の流路１４を通ってヘッダ７の出力口１２へ導かれる。熱交換器１に、空気などの外部流体を通すと、扁平多穴管３およびフィン２に外部流体Ｂが接触し、熱媒体と外部流体との間で熱交換され、熱媒体および／または外部流体が冷却または加熱される。

図３（ａ）は、扁平多穴管３が拡管される前の状態を示している。熱交換器１を製造する際は、フィン２に予め設けられたバーリング穴１８に扁平多穴管３を挿入し、フィン２と扁平多穴管３とを仮組する。

図３（ｂ）に扁平多穴管３の断面を拡大して示す。扁平多穴管３の外管２１は、上下に対面する外壁２１ｗを備えている。扁平多穴管３は、外管２１の上壁または天壁を構成する外壁２１ｗと、下壁または底壁を構成する外壁２１ｗとがほぼ平行となるように成形された扁平なチューブである。この扁平多穴管３は、その内部に、上下の外壁２１ｗを接続し、それぞれの断面形状が山形に、扁平多穴管３の断面の長軸方向Ｘに屈曲した複数の隔壁１５を備えている。これらの隔壁１５により、扁平多穴管３の内部が分割され、複数の平行流路１４が形成されている。

フィン２を貫通するように仮組された扁平多穴管３の端部４は、ヘッダ６および７に設けられた接合穴１９に挿入される。これらの端部４は、ろう付け、あるいは他の適当な方法によりヘッダ６および７に接合される。各々の扁平多穴管３の平行流路１４は、ヘッダ６および７を介して連通し、熱媒体が流れる管内回路が形成される。

図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、加圧拡管後の扁平多穴管３の状態を断面により示す。また、図５（ａ）および図５（ｂ）は、扁平多穴管３の隔壁１５が伸ばされる様子を示す。ヘッダ６および７を介して圧縮流体を扁平多穴管３に供給できる。圧縮流体により、平行流路１４の内圧を高めることができ、扁平多穴管３を拡管（加圧拡管）できる。拡管することにより、図４（ａ）に示すように、扁平多穴管３と各々のフィン２とが密着する。熱交換器１では、ヘッダ６および７と扁平多穴管３の端部４とを前もって接合している。このため、図４（ｂ）に示すように、端部４においては屈曲した隔壁１５は伸ばされない。フィン２を貫通する部分を含む他の部分においては、図４（ｃ）に示すように、屈曲した隔壁１５が伸ばされる。

熱交換器１に使用されている扁平多穴管３の隔壁１５は、厚さｔｉを備え、山形を成す２辺の内の一辺は長さａを備えている。外管２１の外壁２１ｗの内面における隔壁１５の間（面間）は距離Ｌｉである。また、外管２１の厚みｔｏは以下の式（１）の条件を満たす。

一辺の長さａの２つ辺２７が角度２θで山形に屈曲した断面形状の隔壁１５を備えた扁平多穴管３を拡管することを検討する。図５（ａ）に示したように、内圧を高めると、外管２１の壁２１ｗに働く力により、山形に屈曲した隔壁１５は上下方向に引っ張られ、一方の辺２７の傾き角度θが９０度に近づくように変形する。この変形を、隔壁の傾きが変わる変形、あるいは角度変形と称する。この角度変形は、隔壁１５が外管２１の壁２１ｗに接続した部分の角（根元）２６と、山形を形成する２つの辺２７が交差した頂点２５とが、ほぼ隔壁１５の厚みｔｉだけオフセットした状態で伸びきった状態となり、終了すると想定される。その状態を図６に示してある。

この後の変形は、図５（ｂ）に示したように、隔壁１５の肉厚が減少する引張りによる変形（引張変形）になると想定される。したがって、加えられる内圧により、隔壁１５の変形のメカニズムが変わる。このため、角度変形が終了してから、引張変形が開始されるまでの範囲の圧力を加えることにより、隔壁１５をほぼ伸びきった状態まで、安定して変形させることができると考えられる。

図７は、チューブの内側の高さ（短軸方向Ｙの内径または内寸）Ｈｉと内圧（加圧圧力）との関係を実測した結果を示している。この図７に示した実線Ａ１は、隔壁１５の板厚ｔｉを０．１９ｍｍとしたときの測定値であり、一点鎖線Ａ２は、隔壁１５の屈曲した角度θの測定値から正接（ｔａｎ）を計算した値である。実線Ａ１から分かるように、隔壁１５の厚みｔｉが０．１９ｍｍであると、内圧がほぼ２ＭＰａを超えたあたりから、チューブ高さＨｉが急激に増大し、隔壁１５が角度変形している。内圧が７．２ＭＰａの近傍で、隔壁１５の変形量が少なくなりはじめ、内圧が７．５ＭＰａ程度で、隔壁１５の変形はほとんどなくなる。７．５ＭＰａ程度の圧力を加えることにより、隔壁１５が伸びきった状態になり、それ以上の圧力を加えても隔壁１５の変形は進まず、隔壁１５の角度変形が終了していると考えられる。

図７に、一点鎖線Ａ２で示した計算値と、実線Ａ１で示した測定値とを比較すると、図内に示してあるように、「ｔａｎθ＝Ｈｉ／（２ｔｉ）」のポイントで、チューブの角度変形は略終了している。これより、上述したように、隔壁１５の頂点２５が、根元部分２６から隔壁１５の厚さｔｉだけずれた位置になったときに、隔壁１５は伸びきった状態となって角度変形が終了していることが推測される。測定値Ａ１から判断すると、角度変形が終了するのは、内圧が７〜８ＭＰａ程度の場合である。したがって、拡管するときの圧力を７〜８ＭＰａ程度あるいはそれより上に設定できれば、隔壁１５を伸びきった状態にすることができる。

図８に示すように、隔壁１５の厚みｔｉなどには公差がある。その公差により、内圧Ｐに対する変形量（チューブの高さ）Ｈｉの関係は変化する。拡管する際の高さＨｉの目標値を、図中のＨ２のような、角度変形が終了していない位置に設定すると、高さＨｉが目標値Ｈ２になるように個々のチューブにより内圧Ｐを制御しなくてはならない。そのような拡管作業は、経済的ではなく、また、拡管後の寸法精度が低下するので、扁平多穴管を採用した熱交換器の歩留まりも低下する。これに対し、拡管する際の高さＨｉの目標値を図中のＨ３のような、角度変形が終了した位置に設定すると、拡管する際の内圧を図中のＰ３のような、角度変形が終了する圧力の値、あるいはそれ以上の値にセットすることができる。このため、個々のチューブの公差に係らず、同じ圧力で拡管することにより、同じ高さＨｉまで拡管できる。したがって、拡管後のチューブ３の寸法精度が安定するので、扁平多穴管３を採用した熱交換器１の歩留まりおよび品質が向上する。

このように、扁平多穴管３においては、隔壁１５が伸びきった状態、すなわち、図８に示す目標値Ｈ３になるまで拡管することにより、安定した拡管が可能となる。そのような拡管を行なうために必要な圧力は、図８に示した圧力Ｐ３であり、その圧力Ｐ３では、殆ど管外面には変形が見られないように外管２１の外壁部分２１ｗの厚みｔｏを決定する。

隔壁１５が角度変形するために必要な力（内圧）は、図６に示した隔壁１５が伸びきる状態のときに加えられる力から算出できる。その内圧が加えられたときに、少なくとも外管２１の外壁２１ｗが有意に変形しないことが１つの条件となる。図６において、隔壁１５の一辺２７の長さをａ、その傾き（倒れ角）をθ、外管２１の外壁部分２１ｗの内面における隔壁１５の面間距離（隔壁１５の対峙する面と面との間の距離）をＬｉ、扁平多穴管（チューブ）３の高さ（外管２１の短軸方向Ｘの内径または内寸）をＨｉとすると、内圧Ｐが作用したときの外壁部分２１ｗに発生する応力σｏは以下のようになる。まず、外壁２１ｗは、隔壁間距離Ｌｉに圧力Ｐの等分布荷重を受ける両端固定ばりと見なすことができるので、最大曲げモーメントＭｍａｘおよび断面係数Ｚは、それぞれ式（４）および（５）となる。したがって、外壁２１ｗに加わる最大応力σｏは式（６）となる。

隔壁１５は根元２６に生じる力により上下に引っ張られる。根元２６は内圧Ｐにより、力（荷重）Ｗ（Ｗ＝加圧力Ｐ×受圧面長さＬｉ）を受ける。隔壁１５は、根元２６および２つの辺２７が接続した中央頂点部分２５に曲げモーメントが発生して変形すると考えられる。このとき、隔壁１５は、中央２５に集中荷重Ｗ´を受ける、実長２ａ、高さｔｉの両端固定ばりとしてモデル化できる。隔壁１５に加わる集中荷重Ｗ´は、力Ｗが一定であればｔａｎθが最大のときに、最小となるので、集中荷重Ｗ´が最小値のときに角度変形が行われる条件で計算を進める。ｔａｎθが最大となる場合は、隔壁１５の角度変形が終了した伸びきった状態であり、傾きθは式（７）で表すことができる。したがって、集中荷重Ｗ´は式（８）のように求まる。

隔壁１５が角度変形するときの最大曲げモーメントは式（９）のようになる。式（１０）の断面係数Ｚを用いることにより、隔壁１５に生じる最大応力σｉは式（１１）のようになる。なお、扁平多穴管の断面形状に基づきモデル化するために、１次元で応力を求めている。

上述した条件で拡管するためには、隔壁１５が角度変形する圧力範囲では外壁２１ｗが変形しなければ良い。したがって、拡管用の最小の圧力Ｐminが扁平多穴管３に加えられたときに、外壁２１ｗおよび隔壁１５を構成する材料、例えばアルミニウムあるいは銅などを含む金属材料の限界応力σlimと、隔壁１５が角度変形するときの最大応力σｉと、外壁２１ｗに加わる最大応力σｏとの間に式（１２）が成立すれば良い。

式（１２）により、上記条件（１）を導くことができる。なお、隔壁１５の一辺２７の長さａは以下の式（１３）のように表される。

扁平多穴管の１つのメリットは、内部に設置された隔壁により扁平管の強度を確保できるので、外壁２１ｗ、すなわち外管２１を薄くできることである。ここで、扁平多穴管の最小単位である２つの流路１４を備えた二穴管を考える。内圧Ｐが加わると外壁２１ｗに発生する最大応力σｏは、上述したように式（６）となる。二穴管と同じ管内断面積を備えた扁平管、すなわち、隔壁間が距離２Ｌｉ、チューブ内寸（高さ）Ｈｉの扁平管の場合、二穴管と同等の強度を得るためには、外壁２１ｗの厚さｔｏを２倍にする必要がある。このため、外壁２１ｗの厚さが、式（１）で求められた最小値の２倍を超えると、扁平多穴管の、この１つのメリットが失われる。したがって、外壁２１ｗの厚みｔｏは、条件（２）を満足することが望ましい。

一方、図８において、さらに圧力Ｐを高くすると、隔壁１５が引張変形し、隔壁１５が減肉されながら伸ばされ続ける。この場合、隔壁１５が破断するタイミングを判断することは容易ではない。このため、引張変形が始まるような圧力Ｐを用いて拡管することは望ましくない。また、拡管するときの圧力は、扁平多穴管の耐圧の上限またはそれ以上であり、引張変形が始まるような圧力Ｐに対して、外管２１の外壁２１ｗが変形せずに耐えられる必要はない。さらに、経済的および熱交換効率の観点から、外管２１の厚みｔｏは薄いことが好ましい。したがって、外管２１の厚みｔｏは、隔壁１５が引張変形するような圧力では変形する値で良い。さらに、隔壁１５が引張変形するような圧力Ｐが加わったときに外壁２１ｗが変形すれば、過剰な圧力が加わったことが、扁平多穴管３の外観から明瞭にわかるので、扁平多穴管３およびそれを用いた熱交換器１の品質を確認するための判断要素の１つとして利用できる。

隔壁１５が引張変形されるときに、隔壁１５に働く引張応力σｓは式（１４）のようになる。

隔壁１５が引張変形する前に外壁２１ｗは変形して良いと考えられる。したがって、拡管用の最大の圧力Ｐmaxが扁平多穴管３に加えられたときに、扁平多穴管３の材料の限界応力σlimと、隔壁１５が引張変形するときの応力σｓと、外壁２１ｗに加わる最大応力σｏとの間に式（１５）が成立して良い。

この式（１５）から条件（３）を導くことができ、外壁２１ｗの厚みｔｏは、この条件を満足することがさらに望ましい。

図９は、拡管するときの内寸Ｈｉの目標値が１．５ｍｍである、扁平多穴管３の外壁２１ｗの厚さｔｏを、隔壁間距離Ｌｉおよび隔壁板厚ｔｉに対して示してある。図９に示した面Ｃｕは、条件（３）による厚みｔｏの上限を示し、面Ｃｌは、条件（１）による厚みｔｏの下限を示している。この範囲の厚みｔｏの外管２１を備えた扁平多穴管３であれば、図８に示した、拡管するのに適当な圧力Ｐ３を設定することができ、歩留まり良く拡管することができる。さらに、拡管したときに外壁２１ｗの変形を防止でき、安定した外形形状の扁平多穴管３によりフィン２との間で十分な接触面積を備えた、熱交換効率の高い熱交換器１を歩留まり良く製造することができる。隔壁１５が引張変形を起こさずに、角度変形の範囲で、内寸Ｈｉを所望の目標値に達するまで拡管するのに適した圧力Ｐ３の具体的な値は、扁平多穴管３を構成する材料の限界応力σlimに基づき設定できる。式（１２）および式（１５）を参照すれば、以下の範囲で拡管用の圧力Ｐ３を設定することが好ましいことが分かる。

なお、上記では、プレート状のフィン２を持つ熱交換器１を製造する過程を説明したが、フィンの形状はプレート状に限定されずに、波形をしているコルゲートフィンであっても良い。コルゲートフィンを用いた熱交換器においては、扁平多穴管の内、ヘッダに取り付けられた部分を拡げるだけで良く、フィンと接続する部分は拡げる必要は基本的にはない。しかしながら、フィンを接合した後に、扁平多穴管を拡管して接触面積を増加することは可能である。扁平多穴管の管内が複数の隔壁により微細な流路に区切られている場合は、それぞれの流路の断面積は小さいので、拡管子を挿入して拡張する方法よりも、扁平多穴管に流体を注入し、内圧を高めることにより隔壁を伸ばす方法が適している。上述した条件（１）を満たす扁平多穴管を採用することにより、内圧を高める方法（加圧拡管と称する場合もある）であっても、拡管子による拡張であっても、隔壁が所望のサイズまで伸びる以前に、流体または拡管子による内圧により、外管の外壁が変形して、外壁の外側が波打ったような状態に変形することを防止できる。すなわち、加圧拡管などにより、内圧により扁平多穴管を拡張するときに、管外壁の変形を抑えながら、隔壁を伸ばすことができ、扁平多穴管が所望のサイズになるまで、管の外形を制御できる。意図しない形状に管外壁が変形するのを防止することにより、管外面とフィンとの間で十分な接触面積を確保でき、伝熱性能を向上できる。したがって、熱交換効率が高く、信頼性の高い熱交換器を提供できる。

Claims (4)

1. 扁平な外管と、
   その外管の内部を複数の流路に分割する複数の隔壁とを有し、
   それぞれの隔壁は、厚さｔｉで、一辺の長さａの２つの辺からなる山形に屈曲した断面形状を備え、前記外管の内面における隔壁の面間が距離Ｌｉとなるように配置されており、前記外管の厚みｔｏは、以下の条件を満たす、扁平多穴管。
   

   
2. 前記外管の厚みｔｏは以下の条件を、さらに満たす、請求項１の扁平多穴管。
   

   
3. 前記外管の厚みｔｏは以下の条件を、さらに満たす、請求項１の扁平多穴管。
   

   
4. 複数の請求項１に記載の扁平多穴管と、
   前記複数の扁平多穴管が貫通した状態で取り付けられた複数のフィンとを有する熱交換器。

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