JPH1123182A

JPH1123182A - 熱交換器

Info

Publication number: JPH1123182A
Application number: JP18262397A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Otomi; 和昭大冨; Minoru Ono; 実小野; Hironobu Taira; 広信平; Yoshinobu Sato; 吉伸佐藤; Tatsuo Nishida; 竜夫西田
Original assignee: NAKAMURA JICO KK; NAKAMURA JIKOU KK
Current assignee: NAKAMURA JICO KK; NAKAMURA JIKOU KK
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】熱交換器において、伝熱性能を高くして小型
化を可能とし、かつ生産性を高くしてコスト低減を図
る。【解決手段】軸方向に対して平行または傾斜した多数
の凹凸を有する薄肉金属からなる筒状部材を扁平に変形
させた伝熱管31を複数個重ねて構成する。伝熱管31は、
互いに対向する平らな部分の内側では凸部33同士が接触
し、外側は金属薄板を波形に折り曲げたコルゲートフィ
ン35が接合されている。また、その両端に、凹凸のな
い、断面が長方形に拡開された端部34を有し、複数個重
ね合わせた伝熱管の各端部において、互いに隣接する端
部同士がそれぞれろう付け36により接合されており、各
伝熱管への液媒体の分配および集合を行う液室37，41を
備えている。伝熱管31の内側と管外フィン側とが隔室さ
れ、伝熱管の内側に液媒体を、管外フィン側に気媒体を
それぞれ流す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体と液体の熱交
換器に係り、特に、空気圧縮機、車両用オイルクーラ
ー、空調用蒸発器、凝縮器、あるいは産業用機械の空冷
用ラジエーター等に用いて好適な熱交換器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】遠心圧縮機の空気冷却器に使用される熱
交換器の従来例について説明する。一般に、工場等に設
置される圧縮機は、外部空気を吸い込んで断熱圧縮を行
うと、空気は高圧になるに従って、圧縮の過程で空気温
度が上昇する。この圧縮空気を冷却して、工場での作業
用等に供させる。

【０００３】この種の遠心圧縮機は、図７に示したよう
に構成されている。１，２は第１段および第２段の遠心
圧縮機で、電動機３により増速機４を介して駆動され
る。矢印Ａのように取り入れられた空気(以下、空気の
流れを白抜き矢印で表す)は、吸込フィルタ５を通り、
空気取入口６から吸入され、第１段遠心圧縮機１、第２
段遠心圧縮機２で圧縮される。圧縮作用により温度上昇
した空気は、インタークーラー７およびアフタークーラ
ー８に入り、このインタークーラー７およびアフターク
ーラー８に矢印Ｂのように導入された冷却水(以下、冷
却水の流れを黒塗り矢印で表す)で冷却され、空気吐出
口10から取り出される。

【０００４】圧縮空気との熱交換により暖まった冷却水
は、図示しないクーリングタワー等で放熱される。これ
らの運転補機として、給油装置11や電子制御盤12が備え
られている。

【０００５】図８は、図７の要部を示したものであり、
図９はインタークーラー７における圧縮空気の流れを示
したものである。空気取入口６から吸入された空気は第
１段遠心圧縮機１に導かれ、電動機３により駆動される
高圧羽根車９の高速回転で空気を吸い込みながら圧縮
し、インタークーラー７に吐き出される。インタークー
ラー７内では、図９に示したように、上部より流入した
高温度の圧縮空気が、入口と出口を中央で仕切った熱交
換器上面プレート15に当り、側面よりプレートフィン16
間を矢印のように通過し、チューブ内を流れる冷却水と
熱交換される。冷却された圧縮空気は第２段遠心圧縮機
２に流入し、電動機３により駆動される高圧羽根車９の
高速回転で増圧し、アフタークーラー８に吐き出され
る。アフタークーラー８では、インタークーラー７と同
様に、プレートフィン型クーラーを通過して冷却され、
インレットベーンコントロールで使用量に応じた最適な
運転が行われる。

【０００６】インタークーラー７およびアフタークーラ
ー８内に組み込まれた熱交換器は、図10にその一部をイ
メージで示したように構成されている。即ち、図11に示
したように熱伝達率を高めるためにスリット16aを形成
した銅製プレートフィン16に銅製チューブ17を挿入し、
拡管してプレートフィン16のカール部16bに密着させる
ようにしたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図７に示し
たようにコンパクトにまとめられたパッケージ型の遠心
圧縮機でも、インタークーラー７およびアフタークーラ
ー８を構成する熱交換器部分の容積は圧縮機の略半分を
占める程大きい。プレートフィン16の性能のままで、小
型化を図るには、プレートフィンのピッチを狭くして、
通風断面を小さくするか、あるいは単に通風断面を小さ
くする必要がある。しかし、何れも空気の通風抵抗が著
しく増加し、圧縮機の電動機入力を増加させるためエネ
ルギー効率が低くなり、コスト高となる。

【０００８】したがって、圧縮空気の通風抵抗を増加さ
せないで、伝熱性能の向上ができれば、熱交換器の小型
化が可能となり、インタークーラー、アフタークーラー
が小型になり、圧縮機ユニットも小型になって、設置ス
ペースの削減とともに、コスト低減も可能になる。

【０００９】プレートフィンの伝熱性能を高めるには、
図10に示すスリット16aの幅を狭くすると、熱伝達率は
二次曲線的に向上する。またこのスリット部分のルーバ
を山形に加工して熱伝達率を向上することも行われてい
る。現在実用化されているスーパースリットフィンで
は、多量生産の行われているエアコン等で、アルミフィ
ン材で、板厚は0.11mmが限度で、スリット幅も1.1mm程
度である。

【００１０】この高性能のスーパースリットフィンに銅
材フィンを適用すると、産業機器の使用量では金型が非
常に高価になるため、コストアップになり、実用化され
ていない。また、エアコン等に使用されている金型を使
用して銅材のフィンを加工することも可能であるが、銅
材とアルミ材では、熱伝導度が異なり、銅材はアルミ材
の半分程度に薄くできるが、同一の金型で板厚を替えて
成形することはできないため、アルミと同様の板厚を使
用するとコスト高となる。しかも、少量の加工に銅材を
プレス加工すると、シャーリング部の刃先に構成刃先が
できるため、型研磨が切り替えの都度発生して、ロスが
多く、実用化されない理由である。このため、多少の圧
縮空気の抵抗が増加しても、プレートフィンのフィンピ
ッチを1.1〜1.2mm程度に狭めて使用されている。

【００１１】通風抵抗の低減には、熱伝導度の良い銅材
を使用しているので、板厚を現状の約半分の0.038mm程
度まで薄くすることが考えられるが、銅の薄板の金型加
工技術では、現状のプレートフィンのバーリング絞り時
の割れや、スリットフィンの構成刃先の形成対策等クリ
ヤーすべき課題もあり、高価な金型となり量産化された
例はない。

【００１２】冷却水側の伝熱性能の向上も重要である。
チューブ内面にフィン加工や螺旋加工することも考えら
れるが、冷却水が工業用水で、汚れやノロの付着が予想
できるため、一般に清掃のし易いベヤー管が使用されて
いる。ベヤー管での熱伝達率の向上は流速を速くすると
向上するが、流速を速くすると、一定流速以上で管内腐
食が発生する。また、冷却水の圧力損失も増加し、冷却
水用循環ポンプのモータ容量を増加させる。このため、
熱交換器容量の異なる熱交換器の最適な設計を必要とす
る圧縮機のシリーズ化等では、圧縮空気流速を最適値に
設定した空気断面が決まる。このとき冷却水流速の設定
には、チューブ径も容易に変更できれば、最適設計が可
能となる。しかし、チューブ径の変更は、プレートフィ
ンのバーリング径の変更を伴うため、金型を必要とし、
コスト高の一因をなしている。

【００１３】図12は、他の従来例であり、ラジエーター
タイプの熱交換器を示したものである。多数の扁平チュ
ーブ21を平行に並べて配置し、チューブ間にコルゲート
フィン22を挾んで半田付けやろう付けにより接合したも
のである。この種の熱交換器は、扁平チューブ21の断面
が小さく、冷却水の圧力損失が大きいため、扁平チュー
ブの長さが短いか、あるいは冷却水の流速が遅い自然循
環タイプに適している。前記圧縮機のように、チューブ
内の清掃を必要とするものや比較的チューブの長い熱交
換器には不向きである。

【００１４】扁平チューブの代わりに、図13に示したよ
うに、プレスによりディンプル加工23を施して耐圧力を
持たせた断面コの字形部材24を突き合わせ、溶接または
ろう付けにより接合して冷却水路を形成するものも知ら
れている。しかし、この構成のものは、接合部の漏れの
信頼性を高めるために、入念な漏れ試験を必要とし、特
に、チューブ内のディンプル同士を接合しない扁平チュ
ーブの場合、チューブ内に高圧をかけて水中空圧を行う
には、数万トンの耐圧治具を必要とする不便さがある。
また、真空にしてヘリウムチャンバに入れ、漏れの有無
を調べる方法もよく行われるが、この方法は漏れ箇所の
発見が容易でない欠点がある。さらに漏れ検査を通過
し、コルゲートフィンを半田付けした後に、万一接合部
の漏れが発見された場合、半田付け温度以上で加熱補修
することが必要となり、補修のために再加熱すると、半
田成分であるＰb，Ｓn等の低融点金属と脆い合金を作る
危険性があり、特に、熱交換器内側の接合部に漏れが発
生した場合は補修が不可能である。一般に長期に使用す
る信頼性の要求の高い産業機器には、補修のできない構
造設計は行われない。

【００１５】冷却水の出入口は、従来、図12に示したよ
うに、多数の扁平チューブ21を半田や硬ろう付けするに
適した、隙間(約0.05〜0.1mm)に組み立てなければなら
ず、管板20も高価になる。この接合部の耐食性や母材強
度が要求される場合、硬ろうとなり、自動化、省力化が
困難で、手作業となる。このため、漏れ試験の箇所も多
く、信頼性においても、作業コストにおいても、競争力
を失っている。

【００１６】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るもので、伝熱性能が高く、かつ生産性の高い、薄板の
コルゲートフィンを使用した熱交換器を提供することを
目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の熱交換器は、軸方向に対して平行または傾
斜した多数の連続又は断続する凹凸、あるいは凹凸条を
有する薄肉金属からなる筒状部材を扁平に変形させ、互
いに対向する平らな部分の内側は凸部同士が接触し、外
側は金属薄板を波形に折り曲げたコルゲートフィンが接
合された伝熱管を１個または複数個重ねて構成されてお
り、前記伝熱管の内側と管外フィン側とが隔室され、前
記伝熱管の内側に液媒体を、管外フィン側に気媒体をそ
れぞれ流すようにしたものである。

【００１８】上記構成によれば、筒状部材を扁平に変形
させた伝熱管を使用しているため、図13の従来例のよう
な管側部の接合部がなく、かつ、管内部には多数の連続
又は断続する凹凸部等を有するため冷却水に渦乱流を起
こさせ、管外部にはコルゲートフィンが設けられている
ので伝熱性能が著しく向上して小型化を図ることができ
るとともに、生産性が非常に高い。

【００１９】また、伝熱管は、その両端部が長方形に拡
開され、伝熱管を重ね合わせるだけで組み立てられ、独
立した管板(例図12の管板20)を必要とせず、隣接する端
部同士が溶接またはろう付けにより接合されているの
で、両端部に設ける液室の構造は高い信頼性と、かつ良
好な組立性を提供するものである。

【００２０】さらに、伝熱管内部の凸部同士が溶接また
はろう付けにより接合することにより、機械的強度が増
す。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。 (実施の形態１)図１は本発明の実施の形態１における熱
交換器30を示したものである。図１において、31は伝熱
管で、図２に示したように、軸方向に対して平行な多数
の断続する凹部32(通常ディンプルという)を有する薄肉
金属からなる筒状部材を扁平に変形させたものである。
互いに対向する平らな部分31aの内側は凸部33同士が接
触している(図１参照)。この凸部33同士は、半田等によ
り互いに接合されているのが好ましい。また伝熱管31の
両端には、凹凸のない、断面が長方形に拡開された端部
34を有している。

【００２２】なお、このような伝熱管については、本発
明者らが先に提案した、特願平９−64723号「熱交換器
の伝熱管、伝熱管の製造方法及び伝熱管の製造装置」に
詳細に記載されている。

【００２３】伝熱管31は、その外側に、金属薄板を波形
に折り曲げたコルゲートフィン35が接合されている。そ
して、複数個重ね合わされた伝熱管の各端部において、
互いに隣接する端部同士がそれぞれ溶接またはろう付け
36により接合されている。図３に示したように、接合さ
れた熱交換ユニット30a，30bは、２列に配置され、それ
らの一方の端部は、前側液室37のケース38とともに、シ
ェル管板39にパッキン40を介して固定されており、他方
の端部も同様に、後側液室41のケース42とともに、シェ
ル管板43にパッキン44を介して固定されている。前側液
室37は、各熱交換ユニット30a，30bに対応して２つに仕
切られ、一方を冷却水の導入部として導入管45が、他方
を排出部として排出管46がそれぞれケース38に設けられ
ている(図４参照)。また、後側液室41は、一方の熱交換
ユニット30aから流れてきた冷却水を他方の熱交換ユニ
ット30bに流し込む中継の室を構成している。47は上側
圧縮空気仕切板、48は下側圧縮空気仕切板である。

【００２４】図４は、図１のように構成した熱交換器
を、遠心圧縮機のインタークーラー７およびアフターク
ーラー８に組み込んだ状態を示したものである。伝熱管
の内部には、導入管45から導入した冷却水を通し、排出
管46から排出する。一方、圧縮されて高温になった圧縮
空気は伝熱管の外部のコルゲートフィン間を通り、伝熱
管内を流れる冷却水と熱交換される。

【００２５】コルゲートフィン35は、板厚0.038mm程度
の銅や真鍮のシートコイルを、２枚の歯車の間を噛み合
わせながら通過させると歯型の噛み合い高さ(歯丈)の連
続したコルゲートが容易に形成される。この歯先面にス
リット加工分の凹凸歯を形成して、スリットも同じに加
工する方法が古くから実用化されている。このため、自
動車用ラジエーターとして多量に生産され、生産性の良
い安価なコルゲートフィンがある。この特徴は、薄いシ
ート材に適し、フィンの高さはあまり高くできない。

【００２６】コルゲートフィンは、アルミのプレートフ
ィンに比較して、板厚は約半分以下の0.038mmと薄く、
空気の流通抵抗を大幅に低減できる。そこで、スリット
幅も1.00mmと狭くして、スリット面を増やし、前縁効果
で、対流熱伝達率の促進を図り、通風抵抗を高めないで
風速を高め、高性能のスーパースリットのコルゲートフ
ィンを採用することで、小型化が実現できる。

【００２７】このように構成された本実施の形態１によ
れば、伝熱管31が薄肉金属の筒状部材を扁平に変形させ
たものであるから、軸に平行な管側部に接合部がなく、
したがって、この部分での液漏れ等のおそれは全くな
い。また、伝熱管31の内側には多数の凸部33同士が接
触、あるいは接合されているので、中を流れる冷却水は
渦乱流が生じ、かつ、伝熱管31外部にはコルゲートフィ
ンが設けられているので、伝熱性能が著しく向上する。

【００２８】また、伝熱管31の両端部34は長方形に拡開
され、隣接する端部同士が溶接等で接合されているの
で、ユニット化された熱交換部と前側液室37および後側
液室41の組立性が良くなり、圧力損失の小さい、かつ信
頼性の高い構成となっている。

【００２９】以上のことから、熱交換器30の小型化が可
能になり、従って、遠心圧縮機における熱交換器部分の
占める容積を減じ、圧縮機の接地スペースを大幅に削減
することが可能になる。

【００３０】(実施の形態２)図５は、本発明の実施の形
態２における熱交換器を示したもので、ここでは、伝熱
管31を１列に重ね、前側液室が仕切板51で上下に仕切ら
れた下側の室に冷却水の導入管45を、上側の室に排出管
46をそれぞれ設けた小型の熱交換器である。

【００３１】このように構成された熱交換器は、構造が
極めて簡素化され、小型化および低コスト化を達成する
ことができる。

【００３２】(実施の形態３)図６は、本発明の実施の形
態３における熱交換器を示したものである。ここでは、
伝熱管55に、その軸方向に対して傾斜した多数の断続す
る凹部56を設けており、内部に流す冷却水に渦乱流を起
こさせて冷却効率をさらに上げるようにしたものであ
る。この種のものは、冷却水に不凍液や防錆インヒビタ
ー等を添加した冷媒を用いる、いわゆるラジエータタイ
プのもので、伝熱管の内部は清掃をしない形式のもので
ある。図12に示す従来例と比較して、本実施の形態３の
ものは、構造が極めてシンプルになり、しかも高性能化
されて小型化を可能にしている。

【００３３】通常、伝熱管内部の汚れを清掃する形式の
ものでは、軸に平行にディンプルを配置し、圧縮空気の
外圧をこのディンプルが受ける構造とする。また、冷却
水側がブライン等で、ほとんど清掃しない場合は、連続
または断続のヘリンボーンパターンの凹凸あるいは凹凸
条を採用し、低流速でも渦乱流を発生させることによ
り、冷却効率を高めて、小型、高性能化を図ることがで
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多数の凹凸、あるいは凹凸条を有する薄肉金属からなる
筒状部材を扁平に変形させ、内部では互いに対向する凸
部同士を接触、あるいは接合し、外部にコルゲートフィ
ンを設けた伝熱管を使用することにより、熱交換器を小
型化、高性能化することができるとともに、製造コスト
を著しく低減することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の断面
図である。

【図２】本発明の実施の形態１における伝熱管の斜視図
である。

【図３】本発明の実施の形態１における熱交換器の組立
状態を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施の形態１における熱交換器をイン
タークーラー、アフタークーラーに組み込んだ状態を示
す斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態２における熱交換器の断面
図である。

【図６】本発明の実施の形態３における熱交換器の斜視
図である。

【図７】従来の遠心圧縮機の構成図である。

【図８】従来の遠心圧縮機の要部の構成を示す図であ
る。

【図９】従来の遠心圧縮機のインタークーラーにおける
圧縮空気の流れを示す図である。

【図１０】従来の熱交換器の一部を示す斜視図である。

【図１１】熱交換器のプレートフィンを示す図である。

【図１２】他の熱交換器の従来例を示す図である。

【図１３】他の熱交換器の従来例を示す図である。

【符号の説明】

30…熱交換器、 31，55…伝熱管、 32，56…凹部、
33…凸部、 35…コルゲートフィン、 36…ろう付け、
37…前側液室、 38，42…ケース、 39，43…シェル
管板、 41…後側液室、 45…導入管、 46…排出管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤吉伸東京都中央区築地３丁目10番10号株式会社中村自工内 (72)発明者西田竜夫東京都中央区築地３丁目10番10号株式会社中村自工内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向に対して平行または傾斜した多数
の連続又は断続する凹凸、あるいは凹凸条を有する薄肉
金属からなる筒状部材を扁平に変形させ、互いに対向す
る平らな部分の内側は凸部同士が接触し、外側は金属薄
板を波形に折り曲げたコルゲートフィンが接合された伝
熱管を１個または複数個重ねて構成されており、前記伝
熱管の内側と管外フィン側とが隔室され、前記伝熱管の
内側に液媒体を、管外フィン側に気媒体をそれぞれ流す
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】伝熱管は、その両端に、凹凸のない、断
面が長方形に拡開された端部を有し、複数個重ね合わせ
た伝熱管の各端部において、互いに隣接する端部同士が
それぞれ溶接またはろう付けにより接合されているとと
もに、各伝熱管への液媒体の分配および集合を行う液室
を備えていることを特徴とする請求項１記載の熱交換
器。
【請求項３】伝熱管の互いに対向する平らな部分の内
側の凸部同士が溶接またはろう付けにより接合されてい
ることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。