JPS6341790A - ピンフイン熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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）初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、−船釣にはガスー液体全
作カ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なわれ
ており、その主眼へ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つｔｏ 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／Ｘ　）　　　　
　−−−−−−−−−（１）念だし、Ｋ　：　熱交換器
の熱通過係数（Ｋｃａｌ／ｍ’・ん・℃）λＧ：　ガス
側の伝熱面積（が　） 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、熱変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孟、大きさに依存する値で
あシ、結果的にはＫの値が高い程同じさ交換能力全土す
にはＡＧが小さくてすみ、容ｔ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。

Ｋ−Ａ□−−□　　・・・・・・・・・（２）九だし、
　αＧ：ガス側（空気）表面の熱伝４オ係数φＧ：ガス
側プレートフィンの効率 Ｒｗ　：　ａ　ｗ／λＷ δＷ：熱交換器水側チューブの肉厚（１λＷ：熱交換器
水側チューブの熱伝導率（ＫＣａＶＬ・ん・℃）人Ｗ：
水側（液体閲１）チューブの伝熱面、ｆＪ（ｙ）αＷ：
水側（液体側〕の熱伝達係数（Ｋｃａｌ／ｍ’　・ｈ・
”Ｃ）１２１式のＲｗ／Ａｙ　　Ｑ値はチューブ自身を
鏑とかアルミニウムのような熱伝導率の高い材料で嘴成
し九場合、他の項に比較してケタ違いに小さいので、上
記＋２１式は一般に次式のようになる。

に−Ａ。−□　・・・・・・・・・（３）上式よシ に０人。　　α。、φＧ　”　Ａ　ｏ　　　ａ　ｙ　−
ＡＶ　　　　　　＋４１の関係を満足するように設計さ
れ、結局。

Ｋ”ＡＧ”Ｏ，ｇαＧ＋１φＧ＠Ａ。

Ｋ”　０．８ａｏ−φａ（ｄａ−０，９）Ｋ−０，７２
αＧ 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（９図は最近の自製単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要因
は、ガス側通路のプレート伝熱面形状のルーバ゛ａの長
さｔによって支配される。つまシ境界層の発達をルーバ
ａの長さｔで規定してしまい、分断することにょシ高い
伝熱性能を得ている。第２ｏ図はルーバ゛ａの長さｔ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ｔ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万１機
械加工でメタルフィンプレート面を短い長さｔで所望の
形状で切り起こしていくには限界があシ、またルーバ′
ａの切）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ｔはＯＪｗが現在の限界
で性能が律そくされている。

発明が解決しよりとする問題点 上記し九より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全周い電熱交換
器ではその性能向上には限界があつｔｏ 問題点を解決するｔめの手段及び作用 本発明は上記のことにかんがみなされたもので、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
ができるようにし電熱交換器及びその輿遣方法ｔ−ｎ供
しようとするものである。

すなわち、その構成は、所定の間隔をあけて複数イ固設
けられた伝熱チューブの相互の対向面間に、熱伝導性の
良い材料にて構成し九多数のピンからをるピンフィンを
、その端部を伝熱チューブに喘触させて介装し、またこ
のピンフィンの各ピンの配列を、流体の流れ方向の間隔
をピン径ｄの少なくとも４倍以上とし、また流体の流れ
方向と直角方向の間隔？ピン径ｄの少なくとも３倍以上
とした単位配列を、流体の流れ方向及び流体の流れ方向
と直角方向に順次ピン径ｄ以上位相をずらせて複数配列
し九構成とをっており、流体（ガス〕細通路幅全体にわ
九って流体の流線が各ピンフィン■上を通過し、またピ
ンフィンの後流からカルマン渦が発生する。

また上記構成のピンフィン熱交換器の製造方法は以下に
よる。

すなわち、ピンフィンを直径ｄが０．８　ｙ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、材飽自身フレキシブルな可慄性を有するｔｔｍ状
の物質になるので、との可撓性を有する依維状の材料か
らなるピンを所望の間隔をとって多数本ならべて引き抜
き、それを一平面内でワックスあるいは熱可融性の樹脂
等からなる熱可輪性シート上に乗せてホントプレスして
ピンフィンシート作る。その後上記工程で作つｔ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、各
段のシートは熱融着によシ仮り付けしておく。

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、これを伝熱チューブ
の間にはさみ、両側部から加圧しなからノ＼ンダの液相
線温度以上でｍ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＠囲の温度で、かつピンフィンブロッ
クの可融性シート・の溶融温度以上の温度で所定の時間
茄熱してピンフィンブロックの可融性シートをとかし出
して各伝熱チューブ間にピンフィンだけ？配設させる。

実　　施　　例 本発明の実施例を第１図から第１８肉に基づいて説明す
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念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？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
して介装しである。

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
し次場合、ピン間の流れ場自身１通常用いられる通風領
域（熱交換器前面風速４　ｍ／ｓ以下の領域）では層流
域であり、温度境界層人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百上の熱伝達係数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自自身−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Ｏ０
ε藺にし九ときに、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、ｔｆｃ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九構成とした。

上記のよう表記列のピンフィン４全各伝熱チユーブ３間
に介装したピンフィン熱交換器の性能全、従来の自動車
用ラジェ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囚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因、第６図において実線が従来の自動車ラジェータ
、点線がピンフィンタイプの熱交換器の場合であシ、こ
の図でわかるように、伝熱コアの前面風速がｕ、　−４
ｍ／ｓ以上の領域では空気側の圧力損失が大きく、性能
面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ｔｏそのときのレイ
ノルズ数ＲｅはＲｅ−ｕｌｘｄ−１７５である。

一般に、自動車用とか９襲用とかで使用される前面風速
の領域は４ｍ／３以下でちゃ、結果的にはピンの直径ｄ
がｏ、ｇ　ａｍ以下のサイズで第２因に示すようなピン
配列で熱交ａ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ｌ径ｄｉ○、Ｆ３
ｗｓとしたときに、Ｒ体の流れ方向にならべるピン相互
の間隔′ｔ″４ｄ以上、ま九流れ方向と直角方向の間隔
を３ｄ以上に配列し九単位配列を、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図に伝熱コア前蘭風速ｕ１−４ｍ／ｓの場合のビン
フィンのピン径ｄｉ変化させ元場合の空気側、ピンフィ
ン仰の熱伝達係数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。

ま次第ｇ図に示すようにピンの配列を相似にし、ま九伝
熱コアの幅Ｗを一定にすると、ビンフィンｆ列あｔシの
伝熱面積ばＡＧ、−πｘｖ／３．となシ、ビン径に依存
しない。また伝熱コアの長さはＬ−（ｎ−１）　ｘＳｔ
　ｄ　、　（ｎは流れ方向に対するピン列数〕となυ−
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　ｘ　Ｌｘ　ｌ（ の関係にあシ、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
■は小さくなり、また第８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 ｑ吻ＫＡＧ　（αＧ　ＡＧ の関係、及び ＡＧ−Ｋ　Ｘ　Ｗ／　８１　　Ｘ　ｎ の関係によりαＧの上昇分だけルが少なくなり。

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
容墳■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糧熱伝導性艮導体の素
材がフレキシブルになシ、繊維機械で編みやすくなるな
どの利点がでてくる。

上記溝底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。

直径ｄがＯ，ｇ　ＮＪｌ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、それを一平面内で熱可融性を有するワックスδ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１ねて所望の
段数１なつ九シートブロック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、各段は超音波側熱等にて仮付けしておく。

その後第１１囚に示すように上記シートブロック１２全
熱交換層の伝熱チューブ３の間に介在させるｔめの寸法
に切断してピンフィンブロック１３を作る。ついでこの
ピンフィンブロック１３の両端、すなわちビンフィンの
端面が露出する面にハンダ１４を塗布し、これをそれぞ
れ伝熱チューブ３の間にはさみ、両側からＷ圧しながら
ハンダ１４の液相線以上に１熱炉内でＷ熱し、その後ｍ
熱炉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図に示すように々る。すなわち、ワックスＳの
融点は上記ハンダ１４の液相線温度よシ低いが、ハンダ
１４が接着するに足るだけ溶融する時間は短時間である
こと罠よりワックス８全体は融けず、ピン４ａの端部近
傍だけがとけ落ちる。

その後、ノ・ンダ１４の固相線以下の温度で、かつワッ
クス８の融点以上の温度でｍ熱炉内で加熱し、ワックス
８をブロックからとかし出して第１４図に示す熱交換器
を作る。

上記工１において、ピンフィンブロックト伝熱チューブ
３′ｆｔ：ノ・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九めに、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ｋ”ｌＯ圧接触するよう
にするようにしてもよい。

上記各実施例において、ノーンダ１４は固相線温度１８
１〜１８５℃、液相臓温度１８３〜１８７℃のものが用
いられる。またワックス８は融点が１４５℃のポリエチ
レンを用いｔ、ま念ピンフィン４のピンには熱伝導性λ
はλ−３３２Ｋｃａｌ／ｍＡ　℃の銅を用い九〇 第１５図から第１３図は本発明に係る製造方法の他の実
施例２示す。

上記第１の実施例と同じ工程にて作られ、かつ両端面に
ハンダ１４を塗ったピンフィンブロック１３を、第１５
南に示すように薄い鋼板１５．１５にてはさみ、ついで
第１５囚に示すように、銅板１５．１５を加熱しなから
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’！にノ・ンダ接合する。このとき
の接合状態は第１７因に示すようになる。

その後ワックス８の融点以上、ノ１ンダ１４の固相線温
度以下の温度に卯熱してピンフィンブロック１３からワ
ックスｇを堆シ除き、第１８囚に示すように、両端を薄
い銅板１５．１５ではさまれ九三次元ファックス１６を
作る。ついでこの三次元ファックス１６の銅板１５．１
５の表面に・・ンダを塗り、これを夫々伝熱チューブ３
の間にはさんで画引１１から加圧しながら上記／Ｓンダ
の液相線温度まで加熱して接着する。なおこの銅板１５
と伝熱チューブ３とを接着するノ１ンダけ、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よシ、その液相線温度が低いものが用いられる。

発明の効果 本発明に係るピンフィン熱交換器によれば。

流体（ガス）　（Ｉ１１通路幅全体にわたって流体の流
綜が各ピンフィン面上を通過することになシ、ｔｅ最上
流側のピンフィンから次のピンフィンまでピン径ｄの４
ｄ以上の距離２取ることにより、上記最上流側のピンフ
ィンの後流からカルマン渦が発生し、伝熱性能自身がピ
ンフィンのピン径ｄで支配されることになシ、高い伝熱
性能が得られる。

また本発明によれば、上記作用効果を有するピンフィン
熱交換器を、ピンフィンのピンが臼がる等の乱れが生じ
ることなく各伝熱チューブ間に整然とかつ強固に固着す
ることができる。

４９面の簡単な説明 ｍ１図から第１８図は本発明の実施例を示すもので、第
１図は全体斜視因、第２囚、第３図。

第４図はピンフィンのピン配列全示す説明図、第５１は
従来例と本発明例との性能比較線図、第６因はピンフィ
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
示す線囚、第７図はピン径に対する懲伝達係数を示す線
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函は本発明の製造方法の第１の実施例を示す工程
説明南、第１５６から第１８因は本発明の製造方法の第
２の実施例を示す工程説明図。

ｔｇ１９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・功車用ラジェータを示す斜視ス、第
２０因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である。

３け伝熱チューブ、４はピンフィン、４ａＦｉビン、ｇ
はワックス、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、］４はノ＼ンダ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の間隔をあけて複数個設けられた伝熱チユー
   ブ３の相互の対向面間に、熱伝導性の良い材料にて構成
   した多数のピン４ａからなるピンフインを、その端部を
   伝熱チユーブ３に接触させて介装し、またこのピンフイ
   ン４の各ピン４ａの配列を、流体の流れ方向の間隔をピ
   ン径ｄの少なくとも４倍以上とし、また流体の流れ方向
   と直角方向の間隔をピン径ｄの少なくとも３倍以上とし
   た単位配列を、流体の流れ方向及び流体の流れ方向と直
   角方向に順次ピン径ｄ以上位相をずらせて複数配列した
   構成としたことを特徴とするピンフイン熱交換器。
2. （２）可撓性を有する繊維状の材料からなるピン４ａを
   所望の間隔をとつて多数本並べて引き抜き、それを一平
   面内で熱可融性シート上に乗せてホツトプレスしてピン
   フインシート１１を作り、このピンフインシート１１を
   複数段重ね合わせてシートブロツク１２を作り、さらに
   このシートブロツク１２のピン４ａの長さ方向寸法を伝
   熱チユーブ３の間隔内に入る寸法に切断してピンフイン
   ブロツク１３を作り、このピンフインブロツク１３のピ
   ン４ａの長手方向両端面をハンダにて伝熱チユーブ３の
   端面に接着し、その後全体を加熱してピンフインブロツ
   ク１３の可融性シートをとかし出すようにしたことを特
   徴とするピンフイン熱交換器の製造方法。