JP4932439B2 - プレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車用パワステアリング配管に好適なプレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法に関する。

従来、図４に示すように、プレートフィンチューブ熱交換器１０１は、チューブ１０２を挿通する管穴１０４の周りにフィンカラー１０５を成形した平面状のプレートフィン１０３を多数積層し、管穴１０４にチューブ１０２を挿通した後、チューブ１０２内径よりやや外径の大きいプラグ（図示せず）をフィンカラー１０５側から押し込んでチューブ１０２を拡管することでチューブ１０２とプレートフィン１０３とを固着させて製造されていた。

しかしながら、上記拡管固着の際、後記実施の形態中で詳述するように、フィンに反対方向の２種類の曲げモーメントが生じ、その大小関係が拡管進行の程度により変化するため、フィンが傾く方向が一定せず、隣接するフィン同士が密着するアベック現象やフィンピッチの乱れが生じやすく、外観不良や熱交換性能の低下を来たすといった問題があった。

そこで、従来より、上記課題を解決すべく、種々の対策が提案されている。

例えば、特許文献１には、管穴周りのフィンカラーの先端部にフランジ部を形成するとともに、フィンの平坦面に、フランジ部面積よりも広い突出部を形成したプレートフィンが開示されている。これにより、突出部の断面二次モーメントを大きくして変形抵抗を高め、アベック現象等を防止できるとしている。

また、特許文献２には、プレートフィンを、無塗油での摩擦係数が０．１５以上のフィン材により構成し、プレートフィンのフィンカラー部にフィンカラーが形成されていない側から圧縮力を付加し、その状態でチューブを拡管するプレートフィンチューブ熱交換器の製造方法が開示されている。これにより、フィンのカラー根元角度を鋭角化変形させることで、フィンピッチの乱れを防止できるとしている。

また、特許文献３には、複数の管穴を有する短冊状のプレートフィンにその長手方向と交わる方向に伸びる折り曲げ成形部を隣接する管穴間に位置するように形成したプレートフィンを用いたプレートフィンチューブ熱交換器が開示されている。拡管時に折り曲げ成形部が折り曲げられるように変形することでプレートフィンは全て同じ方向に変形し、アベック現象の発生を防止できるとしている。

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載の発明では、いずれも基本的には平面状のプレートフィンを用いることから、拡管時にフィンが傾く方向が一定せず、完全にはピッチの乱れを防止することが困難と想定され、実用化に至っていない。

さらに、特許文献３に記載の発明は、プレートフィンに複数の管穴を有する場合（例えば、チューブがＵ字状の場合）には適用できるものの、単一の管穴を有する場合（チューブが直線状の場合）には適用できない問題もある。
特開平９−１１９７９２号公報、［特許請求の範囲］ 特開平１０−２７７６７９号公報、［特許請求の範囲］ 特開平１０−１６６０８８号公報、［特許請求の範囲］

そこで、本発明は、チューブの拡管によって生じるフィンピッチの乱れやアベック現象を確実に防止することにより、外観不良や熱交換性能の低下を来たすことのないプレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のプレートフィンチューブ熱交換器の第１の特徴は、多数積層された、後記チューブを挿通する管穴の周りにフィンカラーを成形してなるプレートフィンと、前記管穴に挿通され、前記各プレートフィンに固着するように拡管されたチューブとを備えたプレートフィンチューブ熱交換器であって、全てのプレートフィンは、前記管穴から前記フィンカラーの形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状の斜面がチューブに垂直な面に対して８〜３０°傾斜していることである。

本発明のプレートフィンチューブ熱交換器の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載のプレートフィンチューブ熱交換器において、前記全てのプレートフィンに、隣接するプレートフィンとの間隔を確保するためのリブが設けられており、前記リブは、前記管穴の中心軸まわりに円周方向に複数個設けられており、互いに隣接するリブ同士が成す前記中心軸まわりの角度と、当該角度と前記中心軸の円周方向に隣接する角度とが異なっていることである。

本発明のプレートフィンチューブ熱交換器の製造方法は、チューブを挿通する管穴の周りにフィンカラーを成形してなり、前記管穴から前記フィンカラーの形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状の斜面がチューブに垂直な面に対して８〜３０°傾斜しているプレートフィンを多数積層する工程と、前記管穴に前記チューブを挿通する工程と、このチューブ内に前記フィンカラーの形成側から前記チューブの内径よりやや大きな外径を有するプラグを押し込むことにより前記チューブを内部から拡管して前記プレートフィンと前記チューブとを固着させる工程とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、プレートフィンを予めプラグ押し込み方向に対し所定角度分（８〜３０°）後方に傾く傘状に形成したことにより、拡管固着時にフィンのカラー根元角度が必ず鋭角化変形するため、フィンピッチの乱れやアベック現象を確実に防止でき、外観不良や熱交換性能の低下を来たすことのないプレートフィンチューブ熱交換器およびその製造方法を実用化できるようになった。

以下、図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。

〔実施形態〕
図１に、本発明の実施形態に係るプレートフィンチューブ熱交換器を示す。プレートフィンチューブ熱交換器１は、従来品と同様、多数積層された、後記チューブ２を挿通する管穴４の周りにフィンカラー５を成形してなるプレートフィン３と、管穴４に挿通され、各プレートフィン３に固着するように拡管されたチューブ２とで構成されている。

しかしながら、本発明に係るプレートフィン３は、従来品が平面状であるのに対し、図２に示すように、全て、管穴４からフィンカラー５の形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状斜面６がチューブ２に垂直な面に対して８〜３０°傾斜しているものとする。

そして、このような傘状のプレートフィン３を多数積層し、管穴４にチューブ２を挿通した後、チューブ２内径よりやや外径の大きいプラグ（図示せず）をフィンカラー５側から押し込んでチューブ２を拡管することでチューブ２とプレートフィン３とを固着させ、図１に示すプレートフィンチューブ熱効交換器１が製造される。

ここで、上記拡管固着時において、チューブ２内径よりやや外径の大きいプラグを押し込んだ際に、図３（ａ）に示すように、フィンカラー５には拡管方向に押圧力Ｆｒが作用し、この押圧力Ｆｒとプレートフィン３の板厚中心とが偏心しているのでモーメントＭｒが生じ、このモーメントＭｒによってプレートフィン３は破線で示すようにフィンカラー５側と反対側に曲がる。また、チューブ２内にプラグを押し込むことによってチューブ２はその軸方向に縮み、これに伴ってフィンカラー５同士が圧接され、図３（ｂ）に示すように、フィンカラー５には軸方向荷重Ｆｚが作用する。この軸方向荷重Ｆｚに基づいて発生するモーメントＭｚによってプレートフィン３は破線で示すようにフィンカラー５側と同じ側に曲がる（上記特許文献３の段落[０００７]〜[０００８]参照）。

ここで、拡管の進行（すなわち、プラグの押し込み量の増加）に伴い、押圧力Ｆｒは一定であるためモーメントＭｒは一定であるが、軸方向の縮み量が増加することにより軸方向荷重Ｆｚは増大するためモーメントＭｚは増大する。したがって、拡管の進行（すなｗち、プラグの押し込み量）の程度によってモーメントＭｒとＭｚの大小関係が変化し、プレートフィン３の曲がりの方向がフィンカラー５側と同じ側になったり反対側になったりするようになる。

このため、従来の平面状のプレートフィン１０３（図４参照）を用いた場合は、プレートフィン１０３がフィンカラー１０５側と同じ側に傾いたり、フィンカラー１０５側と反対側に傾いたりして、フィンピッチが乱れたりアベック現象が起こりやすかった。

これに対し、本発明に係る傘状のプレートフィン３を用いた場合は、プレートフィン３が予めフィンカラー５側と同じ側に所定角度分（８〜３０°）曲げてあるので、上記モーメントＭｒとＭｚの大小関係によりプレートフィン３の曲がりの方向が変化したとしても、全てのフィン３はフィンカラー５側と反対側にまでは傾くことはなく、必ずフィンカラー５側と同じ側に傾いた状態に揃う（還元すれば、鋭角化変形する）ので、フィンピッチが乱れたりアベック現象が生じたりすることはない。

ここで、プレートフィン３の傾斜角度を８〜３０°としたのは、以下の理由による。すなわち、８°未満では、後記実施例に示すように、一部のフィン３がフィンカラー５側と反対側にまで傾くようになり、フィンピッチの乱れやアベック現象が発生するためである。他方、３０°を超えると、フィンピッチの乱れやアベック現象は発生しないものの、プレートフィン３同士の隙間（すなわち、空気の流路）が過度に狭くなって熱交換性能が低下してしまうためである。プレートフィン３の傾斜角度の好ましい範囲は８〜１５°、さらに好ましい範囲は８〜１２°である。

また、プレートフィン３はその外周が真円になるように形成するのが好ましく、これにより、多数のプレートフィン３を積層する際に、その組み付け方向を気にする必要がなくなり、組立の作業性が著しく改善される効果が得られる。

また、図２に示すように、全てのプレートフィン３に、隣接するプレートフィン３との間隔を確保するためのリブ７を設けることが好ましい。リブ７は、例えば同図（ｂ）に示すように断面台形状とし、さらに、その高さをフィンカラー５の高さとほぼ同じとすることで、リブ７とフィンカラー５とが協同して隣接するプレートフィン３同士の間隔をより確実に一定に保つことができる。なお、リブ７はプレートフィン３の円周方向に複数個設けるとよいが、隣接するプレートフィン３間で複数のリブ７同士がぴったり重なり合ってリブとしての用をなさなくなる確率をできるだけ小さくして作業性を向上させるため、例えば図２（ａ）に示すように、円周方向に６個設ける場合であれば、円周方向の間隔を６０°一定にするのではなく、５８°、６０°、６２°のように意図的にずらして設けるのが推奨される。

チューブ内の伝熱媒体をオイルとするカークーラー用のプレートフィンチューブ熱交換器について、プレートフィンの傾斜角度の影響を調査した。

プレートフィンは、外径３０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのアルミニウム合金（Ａ１０５０）製であり、管穴の内径１１．６ｍｍ、フィンカラーの高さ２ｍｍとし、断面台形（底面６ｍｍ、上面２ｍｍ、高さ２ｍｍ）のリブを円周方向に５８°、６０°、６２°のように意図的にずらして６個設けたものである（図２参照）。そして、傘状斜面の傾斜角度を５〜１５°の間で順次変化させたものを作製した。

なお、プレートフィンの作製は、アルミニウム合金（Ａ１０５０）の平板切り板に、リブ、管穴、フィンカラーを順に形成したのち、管穴を中心として傘状に変形加工し、最後に全体の外径を円形に打ち抜くことにより行った。

チューブは、外径１１．４ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金製（Ａ６０６３）のものを用いた。

（１）プレートフィンの固着力の測定
まず、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに、チューブにプレートフィンを１枚だけ差し込み、フィンカラーの形成側（すなわち、傘状傾斜面が傾いている側）から上記チューブに先端部の最大径が１０．２ｍｍのプラグを押し込んでチューブを拡管してチューブとプレートフィンとを固着させたものを作製した。そして、チューブへのプレートフィンの固着力を測定するために、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに５個ずつのサンプルについて、チューブからプレートフィンをそのフィンカラーの形成側に引き抜くのに要する力を測定し、その平均値をプレートフィンの固着力とした。

（２）アベック現象、フィンピッチの乱れの発生の頻度の調査
つぎに、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに、チューブにプレートフィン２００枚を傘状斜面の傾斜方向が全て同じ方向となるように差し込んで積層し、上記（１）と同様、フィンカラーの形成側からチューブに先端部の最大径が１０.２ｍｍのプラグを押し込んでチューブを拡管してチューブとプレートフィンとを固着させた。そして、プレートフィンの傘状斜面の各傾斜角度ごとに、５個のサンプルについて、アベック現象やフィンピッチの乱れの発生の有無を目視にて調査した。

（３）熱交換性能に及ぼす影響の調査
[発明例]
傘状斜面の傾斜角度を１５°とした上記円形プレートフィンを、図５（ａ）に示すように、上記直管チューブと同じ材質および管径の曲管チューブの各直線部に１００枚ずつ固着させ、このチューブ内に伝熱促進用のスプリングを挿入し、チューブの端部を低圧ゴムホースと接続できるように縮径加工してプレートフィンチューブ熱交換器を作製した。そして、このプレートフィンチューブ熱交換器のチューブ両端部に低圧ゴムホースを接続しオイルを充填して冷却回路を形成した。

[比較例]
２５ｍｍ×７０ｍｍの平面状（リブなし）で、管穴を長手方向に沿って２個有する長方形フィンを、図５（ｂ）に示すように、２ｍｍピッチ（上記発明例と同じピッチ）で１００枚ずつ２列に上記発明例と同じ曲管チューブに固着させ、上記発明例と同様、このチューブ内に伝熱促進用のスプリングを挿入し、チューブの端部を低圧ゴムホースと接続できるように縮径加工してプレートフィンチューブ熱交換器を作製した。そして、このプレートフィンチューブ熱交換器のチューブ両端部に低圧ゴムホースを接続しオイルを充填して冷却回路を形成した。

〔熱交換性能評価実験の方法および条件〕
上記発明例および比較例の各冷却回路にオイルを４、６、８Ｌ／ｍｉｎの各流量で循環させつつ、各プレートフィンチューブ熱交換器に対し、図５において紙面に垂直な方向にファンにて風速を変化させて常温のエアーを吹き付け、そのときの冷却性能（Ｗ）を測定した。なお、風速はプレートフィンチューブ熱交換器の近傍に設置した風速計により測定し、冷却性能（Ｗ）はプレートフィンチューブ熱交換器の入側および出側のオイル温度を測定し、その温度差より放熱量を算出することによって求めた。

（実験結果）
上記（１）および（２）の実験結果を下記表１に示す。

上記表１に示すように、プレートフィンの固着力は、プレートフィンの傾斜角度が１３°以上になると、プレートフィンがチューブを締め付ける方向の分力が減少することにより急激に低下する傾向を示すものの、本実験の範囲内（１５°以下）では本プレートフィンチューブ熱交換器に要求される固着力（１２０Ｎ以上）は十分に確保されている。

また、プレートフィンの傾斜角度が８°未満では、アベック現象やフィンピッチの乱れが発生する頻度が高いのに対し、プレートフィンの傾斜角度が８°以上になると、アベック現象およびフィンピッチの乱れはまったく発生しなくなることがわかる。

上記（３）の熱交換性能評価実験の結果を図６に示す。発明例は比較例よりプレートフィンの総面積は小さいにも関わらず、同図に示すように、冷却性能（Ｗ）はほぼ同等であり、熱交換性能が十分に確保できることがわかった。

本発明の実施形態に係るプレートフィンチューブ熱交換器を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプレートフィンを示す（ａ）正面図、（ｂ）（ａ）におけるＸＸ線断面図である。 拡管時におけるプレートフィンの変形挙動を説明する断面図であり、（ａ）は押圧力によるもの、（ｂ）は軸方向荷重によるものである。 従来のプレートフィンチューブ熱交換器を示す縦断面図である。 熱交換性能評価実験に用いたプレートフィンチューブ熱交換器の構成を示す正面図であり、（ａ）は発明例、（ｂ）は比較例を示す。 プレートフィンチューブ熱交換器における、風速と冷却性能の関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１：プレートフィンチューブ熱交換器
２：チューブ
３：プレートフィン
４：管穴
５：フィンカラー
６：傘状斜面
７：リブ

Claims (1)

1. 多数積層された、後記チューブを挿通する管穴の周りにフィンカラーを成形してなるプレートフィンと、前記管穴に挿通され、前記各プレートフィンに固着するように拡管されたチューブとを備えたプレートフィンチューブ熱交換器であって、
   全てのプレートフィンは、前記管穴から前記フィンカラーの形成側に向かって広がる傘状に形成されてなり、この傘状の斜面がチューブに垂直な面に対して８〜３０°傾斜し、
   前記全てのプレートフィンに、隣接するプレートフィンとの間隔を確保するためのリブが設けられており、
   前記リブは、前記管穴の中心軸まわりに円周方向に複数個設けられており、
   互いに隣接するリブ同士が成す前記中心軸まわりの角度と、当該角度と前記中心軸の円周方向に隣接する角度とが異なっていることを特徴とするプレートフィンチューブ熱交換器。

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