JPH07112624B2 - ピンフィン熱交換器の製造方法 - Google Patents

ピンフィン熱交換器の製造方法

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JPH07112624B2
JPH07112624B2 JP62092919A JP9291987A JPH07112624B2 JP H07112624 B2 JPH07112624 B2 JP H07112624B2 JP 62092919 A JP62092919 A JP 62092919A JP 9291987 A JP9291987 A JP 9291987A JP H07112624 B2 JPH07112624 B2 JP H07112624B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空調用、産業用、自動車用として用いられる
熱交換器に関するものである。
従来の技術 熱交換器の開発の歴史は古く、一般的にはガス−液体を
作動媒体とする場合はプレートフィンタイプとチューブ
フィンタイプとがある。このうちプレートフィンタイプ
の熱交換器におけるフィン形状の開発が盛んに行われて
おり、その主眼点はフィンプレート上に発達する温度境
界層をいかに小さくおさえて高い伝熱性能を得、しかも
効率の良い伝熱面形状を提供していくかにあった。
一般に熱交換器の熱交換能力Qは次式で示される。
Q=K・AG・ΔTm(Kcal/h) ……(1) ただし、K:熱交換器の熱通過係数(Kcal/m2・h・℃) AG:ガス側の伝熱面積(m2) ΔTm:ガス側−液体側の対数温度差(℃) この式において、一般にΔTmは使用条件で決定される値
であり、熱交換器そのものの性能にあまり関係ない。
AGについては熱交換器の容量、大きさに依存する値であ
り、結果的にはKの値が高い程同じ熱交換能力を出すに
はAGが小さくてすみ、容量がコンパクトになり、従って
材料費が節約されると共に軽量化を図ることができる。
上記(1)式におけるKとαGとの関係は次式で示され
る。
ただし、 αG:ガス側(空気)表面の熱伝達係数 φG:ガス側プレートフィンの効率 RW :δW/λW δW:熱交換器水側チューブの肉厚(m) λW:熱交換器水側チューブの熱伝導率(Kcal/m・h・
C) AW :水側(液体側)チューブの伝熱面積(m2) αW:水側(液体側)の熱伝達係数(Kcal/m2・h・C) (2)式のRW/AWの値はチューブ自身を銅とかアルミニ
ウムのような熱伝導率の高い材料で構成した場合、他の
項に比較してケタ違いに小さいので、上記(2)式は一
般に次式のようになる。
上式より また、一般の設計では、 の関係を満足するように設計され、結局、 K・AG=0.8αG・φG・AG K0.8αG・φG(φG0.9) K0.72αG の関係に近い状態になり、結果的にはαGの大小で伝熱
状態が一般的に支配される。
第19図は最近の自動車に用いられる熱交換器であり、こ
のような熱交換器の伝熱性能を律そくする一番の原因
は、ガス側通路のプレート伝熱面形状のルーバaの長さ
lによって支配される。つまり境界層の発達をルーバa
の長さlで規定してしまい、分断することにより高い伝
熱性能を得ている。第20図はルーバaの長さlに対して
ガス側表面の熱伝達係数αGの関係を示す。
この図において、ルーバaの長さlが、短い程αGは高
い値を示し、伝熱性能は良い。しかしながら、その反
面、機械加工でメタルフィンプレート面を短い長さlで
所望の形状で切り起こしていくには限界があり、またル
ーバaの切り起こしで流れをうまくコントロールするに
は限界があり、結局ルーバaの長さlは0.8mmが現在の
限界で性能が律そくされている。
発明が解決しようとする問題点 上記したように従来の技術の延長線上の同じ方法、すな
わち、プレートフィンやチューブフィンを用いた熱交換
器ではその性能向上には限界があった。
問題点を解決するための手段及び作用 本発明は上記のことにかんがみてなされたもので、ピン
フィンタイプの構成を用いて現状以上の高性能を得るこ
とができるようにしたピンフィン熱交換器の製造方法を
提供しようとするものである。
すなわち、ピンフィンを直径dが0.8mm以下の銅、アル
ミニウム、カーボンファイバ等高熱伝導性材料で作る
と、材料自身がフレキシブルな可攪性を有する繊維状の
物質になるので、この可攪性を有する繊維状の材料から
なるピンを所望の間隔をとって多数本並べて引き抜き、
それを一平面内で水溶性の樹脂等からなるシート上に乗
せてホットプレスしてピンフィンシートを作る。その後
上記工程で作ったピンフィンシートを所望の段数重ね合
せてシートブロックを作る。このとき各段のピンフィン
シートのピンフィンの配列が所望の配列になるように調
整しておくと同時に、格段のシートは熱融着により仮り
付けしておく。次に上記シートブロックのピンの長さ方
向寸法を所望の、すなわち、熱交換器の伝熱チューブ間
に介在させるための寸法に切断してピンフィンブロック
を作る。その後ピンフィンブロックの両端、すなわち、
ピンフィンの端面が露出する面にハンダを塗布し、これ
をハンダを塗布した伝熱チューブの間にはさみ、両側部
から加圧しながらハンダの液相線温度以上で加熱して各
ピンフィンブロックのピンフィンの端面を伝熱チューブ
にハンダ付けする。
ついでこのハンダが溶けない範囲の温度で、ピンフィン
ブロックの水溶性シートを熱水でとかし出して各伝熱チ
ューブ間にピンフィンだけを配設させる。
実施例 本発明の実施例を第1図から第18図に基づいて説明す
る。尚、理解を高めるために、第1図〜第8図を参照
し、実施例に基づき製造したピンフィン熱交換器例を予
め述べ、その後、第9図〜第14図を参照して第1実施
例、また第15図〜第18図を参照して第2実施例を説明す
る。
図中1、2は1対のマニホールド、3は両マニホールド
1、2に両端を開口接続した伝熱チューブであり、この
伝熱チューブ3は複数個等間隔をあけて設けられてい
る。そして上記各伝熱チューブ3、3……の間にピンフ
ィン4が両端部をそれぞれ伝熱チューブ3の表面に接着
して介装してある。
上記ピンフィン4の各ピンの配列は種々考えられるが、
第4図に示すように、すなわち、ガスの流れ方向に整列
した場合、ピン間の流れ場自身、通常用いられる通風領
域(熱交換器前面風速4m/S以下の領域)では層流域であ
り、温度境界層Aが流れ方向に対して分断されず、従っ
てガス側ピンフィン伝熱表面上の熱伝導係数αGはピン
の直径dのサイズに依存しなくて、熱交換器のガス通路
長さlに依存し、αG自身低い値しか得られない。
そこで、第2図に示すように、ピン4aの直径dを0.8mm
にしたとき、各ピン4aの配列をガスの流れ方向の間隔を
6dとし、またガスの流れ方向と直角方向の間隔を3dとし
た単位配列を、ガスの流れ方向に2dだけ、またガスの流
れ方向と直角方向にdだけ位相をずらせて順次複数配列
した構成とした。
上記のような配列のピンフィン4を伝熱チューブ3間に
介装したピンフィン熱交換器の性能を、従来の自動車用
ラジエータのルーバフィンプレートタイプの熱交換器と
比較する。
第5図はその性能比較図、第6図はピンフィンの場合の
空気側の熱伝達係数αGの値を示す。
第5図、第6図において実線が従来の自動車ラジエー
タ、点線がピンフィンタイプの熱交換器の場合であり、
この図でわかるように伝熱コアの前面風速がU1=4m/s以
上の領域では空気側の圧力損失が大きく性能性では従来
例より劣るがU=4m/s以下では、同等、もしくはそれ以
上の性能が得られた。そのときはレイノルズ数Reは である。
一般に自動車用とか空調用とかで使用されている前面風
速の領域き4m/s以下であり、結果的には、ピンの直径d
が0.8mm以下のサイズで第2図に示すようなピン配列で
熱交換器を構成すれば既存の熱交換器以上の高性能を得
られ、またコンパクトにすることができる。
上記ピンフィン4のピン4aの配列は第3図に示すように
してもよい。すなわち、ピン4aの直径dを0.8mmとした
ときに、流体の流れ方向にならべるピン相互の間隔を4d
以上、また流れ方向と直角方向の間隔を3d以上に配列し
た単位配列を、流体の流れ方向と直角方向にdの間隔を
あけると共に、流れ方向にd以上位相をずらせて配列す
る。
このようなピンの配列によれば、最初のピンの後流から
カルマン渦が発生してピンごとに温度境界層が分断さ
れ、伝熱性能自身がピン直径で支配されるようになり、
高い伝熱性能が得られる。
第7図に伝熱コア前面風速u1=4m/sの場合のピンフィン
のピン径dを変化させた場合の空気側、ピンフィン側の
熱伝導係数αGの変化を示す。
ピン径dが小さくなるにつれてαGが上昇する。
また第8図に示すようにピンの配列を相似にし、また伝
熱コアの幅Wを一定にすると、ピンフィン1列あたりの
伝熱面積はAG1π×W/S1となり、ピン径に依存しな
い。また伝熱コアの長さはL(n−1)×S2d、(n
は流れ方向に対するピン列数)となり、ピン径dに依存
す。
従って同じ伝熱面積を確保する場合伝熱コアの容積Vは V=W×L×H の関係にあり、伝熱コアの長さLに比例し、結局ピンフ
ィンのピン径dに比例する。
以上のことから、ピン径dが小さくなる程伝熱コア容積
Vは小さくなり、また第7図に示すようにピン径dが小
さい程αGの値が上昇する。
従って一般の熱交換能力 の関係、及び AG=x×W/S1×n の関係によりαGの上昇分だけnが小さくなり、その相
乗効果でピン径dが小さくなればなる程伝熱コア容積V
は小さくなり、非常にコンパクトな熱交換器となる。
またピン径dが小さくなればなる程熱伝導性良導体の素
材がフレキシブルになり、繊維機械等で編みやすくなる
などの利点がでてくる。
上記構成のピンフィン熱交換器の製造方法を第9図から
第18図に基づいて説明する。第1実施例を第9図〜第14
図に示す。
直径dが0.8mmのピン4aを第9図に示すように一平面内
に所望の間隔をおいて多数本ならべて引きぬき、それを
一平面内で水溶性を有する水溶性樹脂8の上に乗せホッ
トプレスローラ9、10にてホットプレスしてピンフィン
プレート11を作る。その後、第10図に示すように、上記
ピンフィンプレート11を重ねて所望の段数重なったシー
トブロック12を作る。このとき、各段のピン4aの配列が
所望の配列になるように調整しておくと共に、各段は超
音波加熱等にて仮付けしておく。その後第11図に示すよ
うに上記シートブロック12を熱交換器の伝熱チューブ3
の間に介在させるための寸法にて切断してピンフィンブ
ロック13を作る。ついで第12図に示すようにこのピンフ
ィブロック13の両端、すなわちピンフィンの端面が露出
する面にハンダ14を塗布し、これをそれぞれハンダを塗
布した伝熱チューブ3の間にはさみ、両側から加圧しな
がらハンダ14の液相線以上に加熱炉内で加熱し、その後
加熱炉内から取出して冷却し接着する。このときの接合
状態は第13図に示すようになる。
その後、熱水の中で水溶性樹脂8をブロックからとかし
出して第14図、21図に示す熱交換器を作る。
上記工程において、ピンフィンブロックと伝熱チューブ
3をハンダ付けする前に、ピンフィン4と伝熱チューブ
3との接合度を良くするために、伝熱チューブ3内に水
圧をかけてこれをふくらませ、ピンフィン4の端面と伝
熱チューブ3の表面とを加圧接触するようにしてもよ
い。
上記各実施例において、ハンダ14は固相線温度130℃、
液相線温度145℃のものが用いられる。また樹脂8は融
点が165℃の水溶性樹脂ポリビニルアルコール(ポバー
ル)を用いた。またピンフィン4のピンには熱伝導性λ
はλ=332Kcal/mh℃の銅を用いた。
第2実施例を第15図〜第18図に示す。
上記第1の実施例と前記第9図〜第12図の工程で作られ
た、両端面にハンダ14を塗ったピンフィンブロック13
を、第15図に示すようにハンダを塗布した薄い銅板15、
15にてはさみ、ついで第16図に示すように銅板15、15を
加熱しながら治具で圧力をかけ、ピンフィンブロック13
の両端面に上記銅板15、15ハンダ接合する。
その後、熱水にて、ピンフィンブロック13から水溶性樹
脂8を取り除き、第18図に示すように、両端を薄い銅板
15、15ではさまれた三次元ファックス16を作る。ついで
この三次元ファックス16の銅板15、15の表面にハンダを
塗り、これを夫々伝熱チューブ3の間にはさんで両側か
ら加圧しながら上記ハンダの液相線温度まで加熱して接
着する。このときの接合状態は第17図に示すようにな
る。なおこの銅板15と伝熱チューブ3とを接着するハン
ダは、ピンフィンブロック13と銅板15とを接着する際に
用いるハンダ14より、その液相線温度が低いものが用い
られる。
発明の効果 即ち、本発明のピンフィン熱交換器の製造方法によれ
ば、ピンを、曲がり等の乱れを生じることなく、伝熱チ
ューブ間に整然と、かつ強固に固着できる。このため、
従来作成限界とされた0.8mm以下の細い径のピンを備え
たピンフィン熱交換器でも製造できる。ところで、ピン
フィン熱交換器はピン径が細い程、熱交換能力が大き
く、かつコンパクト化できる。即ち、本発明によれば、
熱交換能力が大きく、かつコンパクトなピンフィン熱交
換器を製造できる。
【図面の簡単な説明】
第1図から第18図は本発明の実施例を示すもので、第1
図は全体斜視図、第2図、第3図、第4図はピンフィン
のピン配列を示す説明図、第5図は従来例と本発明例と
の性能比較線図、第6図はピンフィンの場合の前面風速
に対する熱伝達係数及び圧力損失を示す線図、第7図は
ピン径に対する熱伝達係数を示す線図、第8図はピンフ
ィンの他のピン配列図、第9図から第14図は本発明の製
造方法の第1の実施例を示す工程説明図、第15図から第
18図は本発明の製造方法の第2の実施例を示す工程説明
図、第19図は従来一般に用いられているルーバフィンプ
レートタイプの自動車用ラジエータを示す斜視図、第20
図は従来例におけるルーバ長さに対するガス側表面の熱
伝達係数の関係を示す線図、第21図は本発明にかかる製
造方法で製造したピンフィン熱交換器の正面図である。 3は伝熱チューブ、4はピンフィン、4aはピン、8は水
溶性樹脂、11はピンフィンシート、12はシートブロッ
ク、13はピンフィンブロック、14はハンダ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】伝熱チューブ間に、流れに直交して配列し
    た複数ピンフィンを装着したピンフィン熱交換器の製造
    方法において、 (a) 線材からなるピン4aを所定の間隔で少なくとも
    2本以上並べて引き抜き、 (b) それを水溶性シート8上に乗せてホットプレス
    9、10してピンフィンシート11を作り、 (c) このピンフィンシート11を複数段重ね合わせて
    シートブロック12を作り、 (d) このシートブロック12を、ピン4aの長さ方向寸
    法が伝熱チューブ3の間隔内に入る寸法で切断してピン
    フィンブロック13を作り、 (e) このピンフィンブロック13のピン4aの長手方向
    両端面をハンダ14にて伝熱チューブ3の端面に接着し、 (f) その後、熱水でピンフィンブロック13から水溶
    性シート8を溶かし出すことを特徴とするピンフィン熱
    交換器の製造方法。
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