トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F28 熱交換一般




【発明の名称】 高剛性ゴスパー・フィンを有する熱交換器の製造方法
【発明者】 【氏名】ダリル リー ヤング
【要約】 【課題】ほぼ平坦で長楕円断面を有するチューブからなる熱交換器コアに対し、フィンのスタックを通じたチューブを束ねることを容易にし、そしてチューブのフィンに対する冶金的な接合に先立ってチューブをフィンに対して機械的に固定する。

【解決手段】チューブ30が通過する襟付き穴を有するフィン60のスタックを持つ熱交換器コア56の製造方法に関する。上に位置するフィンは、下に位置するフィンの穴の周囲の襟部90により、支持される。チューブの前端部66はコルゲート加工され、チューブの前端部を介して、フィンの配列穴の各組を通して、各チューブで束ねられる。その後チューブは、コルゲート加工された前端部が通過するフィンの襟付き穴に対向して、コルゲート加工された前端部の断面を拡張させることにより、スタック中のフィンのうちの少なくとも一部に機械的に固定される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 公称楕円チューブが束ねられるのに配列される少なくとも一組の穴を持つフィンのスタックを有する熱交換器コアの製造方法において、上記配列された各組の穴に対して、公称幅と公称厚さの楕円断面を持ち、そして、該楕円断面の公称幅と公称厚さよりも僅かに小さい全幅と全厚とを有する横断面を持つコルゲート加工された長手方向前端部を持つチューブをそれぞれ備える工程、及び、上記長手方向前端部を、上記スタックの最初のフィンにある対応する上記組の第１の穴の中へ、そして上記スタックの中の次のフィンにある対応する上記組の続く穴を通して、挿入することにより、上記対応する組の穴を用いて、各チューブを束ねる工程、を有する、方法。
【請求項２】 上記束ね工程の後に、各チューブのコルゲート加工された長手方向前端部を拡張させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】 上記拡張工程は、各チューブが上記スタックを用いて束ねられた後で、上記スタックの少なくとも１枚のフィンの穴に対して各チューブの上記コルゲート加工された前端部を拡張させ、それにより各チューブを上記スタックの少なくとも１枚のフィンに対して固定する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】 上記穴のフィンを、上記チューブに対して冶金的に接合する工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】 請求項１の方法により製造された、熱交換器コア。
【発明の詳細な説明】【０００１】本特許出願に開示された内容の一部は、名称が“METHOD OF MANUFACTURING A FLAT CORRUGATED TUBE”である1999年8月25日出願の米国特許出願09/382,755号の内容と同一である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は概略的には熱交換器の構造に関し、具体的には1996年3月26日に発行された米国特許5,501,270号に開示された形式の熱交換器の改良に関する。
【０００３】
【従来の技術】米国特許5,501,270号には、平行チューブにより束ねられた金属フィンのスタックを有する、熱交換器の構造が開示されている。連続的なフィンがスタック全体に亘り、ほぼ一様に離間して配置されている。フィンは同一のパターンの襟付き穴を有し、それによりチューブがスタックを束ねている。チューブは楕円横断面を持つ。平面視した場合、フィン開口部はチューブの楕円断面より僅かに大きい楕円形状を持つ。フィンとチューブは、チューブが通る各穴の周りで互いにロウ付けされる。
【０００４】熱交換器が使用状態にあるときは、第１の熱交換流体が平行チューブ内を流れ、第２熱交換流体がスタックの前面からスタックの後面までスタックを通って流れる。第２熱交換流体は、チューブに対してほぼ垂直な方向から前面に流入する。
【０００５】スタックの内側では、各フィンの大部分の領域は、第２流体が流入してくる方向とは垂直をなさないそれぞれの面内に位置する。全体として、スタック前面に第２流体が流入する方向と垂直をなさない面内に、その様なフィンの内側部分が配置されている。
【０００６】襟付き開口部に加え、フィンの内側部分は、第２流体がスタックを通過するときにその第２流体が通り抜けるようになされたルーバー状スロットの列を有する。新規なコアの構成として上記引用特許に開示されているものは、熱交換と流体圧低下の両方に関して効率的であるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】全体的な観点において本発明は、熱交換器コア製造における改良に関し、特に、フィンのスタックを用いてチューブを束ねることを容易にし、チューブのフィンに対する冶金的結合に先立ちチューブをフィンに機械的に固定するために、全体的に平坦な楕円断面を持つチューブを有する、コアに関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上位概念の請求項に記載の発明は、チューブを束ねるのに配列される穴の組を持つフィンのスタックを有する熱交換器コアを製造する方法に関し、該方法が、上記チューブの長さ範囲の少なくともある部分においてコルゲート加工し、上記フィン中に配列された対応する組の穴を用いて上記各チューブを束ねる工程、及び、上記チューブの上記コルゲート加工された部分の断面を拡張する工程、を有する。
【０００９】別の上位概念の請求項に記載の発明は、楕円断面のチューブを束ねるのに配列される楕円の穴の組を持つフィンのスタックを有する熱交換器コアに関し、上記チューブの上記楕円断面が、公称厚さの方向に離して配列され、公称幅の方向において湾曲端部により接合される、実質的に平坦で、実質的に平行な辺を持つ、公称幅及び公称厚さを有し、上記方法が、上記チューブの上記実質的に平坦で実質的に平行な辺を、上記チューブの長さ範囲の少なくともある部分においてコルゲート加工し、上記フィン内の各組の配列された穴を用いて各チューブを束ねる工程及び、上記コルゲート加工された辺を含む上記チューブの断面を拡張する工程、を有する。
【００１０】更に別の上位概念の請求項に記載の発明は、公称楕円チューブを束ねるのに配列される少なくとも一組の穴を持つフィンのスタックを有する熱交換器コアの製造方法に関し、該方法が、上記配列された各組の穴に対して、公称幅と公称厚みの楕円断面を持ち、そして、該楕円断面の公称幅と公称厚みよりも僅かに小さい全幅と全厚とを有する横断面を持つコルゲート加工された長手方向前端部を持つ各チューブを備える工程、及び、上記長手方向前端部を、上記スタックの最初のフィンにある対応する上記組の第１の穴の中へ、そして上記スタックの中の次のフィンにある対応する上記組の続く穴を通して、挿入することにより、上記対応する組の穴を用いて、各チューブを束ねる工程、を有する【００１１】更に別の上位概念の請求項に記載の発明は、公称楕円チューブを束ねるのに配列された少なくとも一組の穴を持つフィンのスタックを有する熱交換器コアを製造する方法に関し、該方法が、公称厚さの方向に離間して配置され、公称幅の方向の湾曲端により接合される、実質的に平坦で、実質的に平行な辺を持つ、公称幅と公称厚さの楕円断面を有し、そして、上記楕円断面の公称幅及び厚さよりも僅かに小さい全幅及び厚さの横断面を有し、上記公称幅及び厚さの上記実質的に平坦で、実質的に平行な辺から上記チューブの長さ方向に連続するコルゲート加工された辺を有する長手方向前端部を有するチューブを備える工程、及び、上記長手方向前端部を、上記スタックの最初のフィンにある対応する上記組の第１の穴の中へ、そして上記スタックの中の次のフィンにある対応する上記組の続く穴を通して、挿入することにより、上記対応する組の穴を用いて、各チューブを束ねる工程、を有する。
【００１２】本発明はまた、これらの方法により製造される熱交換器コアにも関する。
【００１３】他の全体的及び具体的な観点は、以下の説明と特許請求の範囲において、明確になるであろう。
【００１４】本発明の好ましい実施形態と、本発明の実施のために現在意図されるものの最良の態様を例示するために、簡単に後述される図面が、ここに組込まれている。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１乃至３は、上記引用特許に開示されたもののような熱交換器のコア構造体の製造で用いられてきた、チューブ30の端部を図示したものである。そのようなコア構造は、フィンのスタックに配列された穴により束ねられ、そしてスタック中の個々のフィンと接合された、多くのチューブを含む。チューブ材からある長さのチューブを切出す作業が、チューブ端部において公称断面を歪ませる状態を起こす場合がある。公称断面は、幅Ｗと厚さＴを持つ長楕円形状を有する。ほぼ平行な長辺32は、本質的に半円形に湾曲した、はるかに短い短辺34により、両端で接続されている。歪みが誇張された図である図３により示され、その図から、チューブ断面の長寸方向のチューブ端部に向けて短辺34が外方に膨出してベルマウス形状をもたらしていることが理解されよう。また切断後に小さなバリ36が見られる場合もある。
【００１６】チューブ端部のこの歪みにより、フィンのスタック内の穴によりチューブを束ねる際に、問題が生じる場合がある。開口部が小さすぎる場合には、束ねる際にチューブが自由にスタックを通過できない場合がある。それどころか、スタックを完全に通過する前に、フィン穴の縁に、チューブが引っかかったり、ぶつかったり、あるいは動かせなくなったりすることがあり得る。他方で、スタックの穴をその様な問題を回避するのに充分な程大きくすると、チューブの公称断面と、チューブを束ねるのに用いられるフィン穴とのクリアランスが大きくなるため、フィンとの熱伝導可能な関係を持ってチューブを配置することが困難になってしまう。
【００１７】図５乃至１０は、上述の問題の両方を回避するための、図１乃至３に示されるようなチューブ端部の一連の処理工程を示す。図４は、上述のものの様なチューブ30の初期形状を示す。上述した変形は、図４では図の縮尺により明確ではないが、存在する。束ね工程におけるベルマウス及びバリ36による影響を取除くため、チューブ30の端部はプレス機などの適切な装置内の対向する金属ダイ40と42の間で断面の厚さ方向に絞り加工される。しかしながら絞り加工されるのは断面の中間部分のみであり、断面の短い方の湾曲端部はそのままとされる。チューブを絞り加工するダイ40, 42の対向面は、チューブ端部の幅方向中間部に作用してコルゲート加工する波状部44, 46を有する。その波状部が、図示のように、正弦波のような形状を持つことが考慮されても良い。チューブは、対向する辺32が互いに押圧する程度まで絞り加工される。ダイが解放されるならば、図６に示されるように、コルゲート加工された辺32が、それら自体を分離させることになるであろう程度のスプリングバックを示すことになろう。しかしながら、解放することなく、図７及び８に示すようにダイは辺32を互いに対して保持し続け、その一方でチューブ断面の幅方向端部34を矯正する作業が更に実行される。
【００１８】その作業は、閉じたダイ40, 42の側部から突出したチューブ断面の各幅方向端部に対し、各ダイ48, 50を押圧する工程を有する。各ダイ48, 50は、チューブの各幅方向突出部に係合するキャビティ52, 54をそれぞれ有し、それらは閉じたダイ40, 42からチューブ幅Ｗの方向に各部分が突出する度合を減少させるための形状を有し、そしてバリ36が生じた場合におけるコイニングのためのものである。ダイ40, 42は、波状部におけるあらゆるバリをコイニング加工することが出来る。さらに、キャビティの形状及びＷ方向に突出部が短縮される度合は、ダイ48, 50が解放され引き続いてダイ40, 42が解放されたときに、チューブ端部の断面が公称幅Ｗと公称厚さＴを超えない様な全幅と全厚を有する様に、選択される。最終的な形状が、図９及び１０に示されるように、公称幅よりも小さい幅と、公称厚さより小さい厚さを持つことが、特に望まれる。言い換えれば、全てのダイが解放された後に、実質的なスプリングバック無しに、チューブ端部が、所望寸法の仕上げ幅と仕上げ厚さに調整された、ということである。以上、チューブの終端部のみの処理について述べたが、チューブは上述の態様でその全長に及ぶまで処理されても良いことが、理解されるはずである。
【００１９】図１１乃至１８は、図４乃至１０の態様で処理されたチューブを利用して、熱交換器コアを製造する際の一連の工程を示す。最終的な処理がなされた熱交換器コア56と、その一部の詳細が、図１９乃至２２に示されている。図１１は、ヘッダー・プレート62, 64に挟まれた個々の熱交換器フィン60のスタック58を示す。フィン60は同一のものであり、それぞれが、チューブ30により束ねられる様に適合された個々の襟付き穴を有する、係合穴パターンを持つ。フィン60がスタック58を形成する様に配列されると、上又は下に位置するフィンの各穴は、下又は上に位置するフィンの対応する穴と適合していると考えられる。スタック中の一連のフィンの間の一様な間隔は、連続するフィンの各穴を取囲む襟とフィンが接合することにより維持される。
【００２０】チューブ30の前端部66は、図４乃至１０による処理が施され、スタック58に束ねられる際に通り抜けるフィンの穴との間に隙間を持つ。隙間を持つ穴は、ヘッダー・プレート62, 64にも存在する。図１１は、スタック58によりチューブ30を束ねる前の、部品の相対位置を示す。束ね工程が開始されると、チューブ30はまず前端部66から、ヘッダー・プレート62を通してスタック58内に挿入される。図１２は、束ね工程が部分的に完了した状態を示す。図１３は、束ね工程が完了した状態を示し、チューブ30のヘッダー・プレート62, 64の穴の通過を含めて、スタックを完全に貫通している。
【００２１】次に、チューブ30の、図４乃至１０により処理が施された端部とは反対側の端部において、内部にマンドレル68が差し込まれる。そしてマンドレルはチューブ内を前進する。図１４はマンドレル挿入前の部品の相対位置を示し、図１５はマンドレル68が挿入され途中まで前進した中間段階における相対位置を示し、そして図１６はマンドレル68が前進を完了した後の相対位置を示す。マンドレル68の末端部70は、チューブに挿入されたその領域以外の部分より広げられた断面を持つ。その拡張末端部は、チューブにおけるコルゲート加工されていない公称楕円断面の部分を自在に通過する様な、横断面形状を有する。しかしながら、図４乃至１０の処理によりコルゲート加工された部分のいずれにおいても、マンドレルの拡張末端部がチューブ30を通過する際に、その拡張末端部がチューブ30の内壁面に対し波状部を拡張する様に、係合する。チューブの波状部がフィンの襟付き穴を通過する場所ではいずれも、マンドレル68の末端部70によりチューブが拡張されて開口部の襟部に押し付けられ、それによりチューブとフィンとの確実な機械的接合が行われる。そのような接合は、引き続いて行われるロウ付け作業において互いにロウ付けされ得るまで、フィンとチューブを組立関係に維持するのに充分なものである。拡張後のコルゲート加工断面において、各チューブはコルゲート加工されていない断面とほぼ同じ大きさの流路面積を有する。図１７及び１８は、マンドレル68のチューブ30からの引き抜きを示す。
【００２２】いずれかのチューブ30が図４乃至１０の過程により生成された波状部を含み、それら波状部が襟付き穴を通過する場合には必ず、チューブの波状部が図１９及び２０により描かれた態様で襟付き穴に向けて拡張する。チューブの下端部のみがコルゲート加工され、そしてそれらがスタックの最低部のフィンのみの穴に対して拡張されたとしても、その結果としての接合は、チューブが貫通する襟付き穴においてチューブとフィンとがともにロウ付けされるまでのコア構造体の取扱い中に、コア構造体がほぼ直立状態に維持される限り、全てのフィンと束ねられるチューブを適切な組立関係に維持するのに充分なものである。コア構造体が直立状態であれば、スタックの上方にあるフィンはそれぞれ、下側にあるフィン上に、それら２つのフィンのうち１つの穴を取囲む襟部を介して、その襟部の高さにより得られる離間距離を保ちながら、支持され続ける。
【００２３】チューブが、スタック中の最上部のフィンを通過する部分についてもコルゲート加工されている場合は、それらの波状部も最上部のフィンにおける穴に対して拡張されることになり、そして最上部フィンと最低部フィンとの間にある中間フィンは、チューブが固定された最上部フィンと最低部フィンとの間のチューブに波状部が存在するかしないかに拘らず、スタック中に保持されることになる。勿論、その様な波状部が存在する場合、チューブはその中間フィンに対しても固定されることになる。
【００２４】ヘッダー・プレート62, 64は、フィンが固定されるのと同様にチューブに固定されるのが好ましい一方、本発明の原理は、上述の態様でチューブがフィンに固定された後で、両ヘッダー・プレートのうち一方が何らかの適切な態様にてコア構造に組付けられ得ることを意図していることが、理解されるはずである。
【００２５】チューブの全長までコルゲート加工がなされても良いことを上述したものの、マンドレルが入るチューブ端部はコルゲート加工されないのが好ましい。マンドレルが挿入される各チューブの端部に波状部の無い短い部分を残すことにより、固定過程の結果に望ましくない作用を与え得る干渉の恐れが回避され、マンドレルのチューブ内への挿入が容易になると、考えられる。
【００２６】図２１は、ヘッダー・プレート62, 64を含む、仕上げられた熱交換器コア56を示す。仕上げられた熱交換器において、タンク（不図示）がコア構造体の頂部と下部に組付けられ、チューブ30は一端にて一方のタンク内部に開口し、他端にて他方のタンク内部に開口する。
【００２７】コア56を有する熱交換器の代表的な使用状態においては、液体の流体が一方のタンクから他方のタンクにチューブ30を通して流れ、一方気体が図１８，２２及び２３において矢印80で示される態様でスタック58中を流れる。図２２と２３は、上記引用特許のものと類似したゴスパー（gosper）・フィンの代表的な実施形態を示す。各フィンは、同一間隔のルーバー付きスロット84の列82を有する。内側列82は隣接するチューブ30の間にあり、一方で２つの外側列は２つの外側チューブ30の外側にある。フィン58の、上流側と下流側の縁部86と88は、熱交換器のコアに流入する気流と実質的に平行である。各フィンの縁部86と88との間の広めの中間領域は、入射流に対して傾けられており、各フィンのその領域には、ルーバー付スロット84が配置されている。図２２中の矢印に示される様に、気体がルーバー付スロットを通って流れることが出来、それでコアを通って進む際に、多数のフィンの表面を横断して進む。図２２は、フィンに襟付き穴を形成し、チューブがそこを通過するとともに、スタックのフィンの間の離間距離を設定する襟部90を示す。
【００２８】図２４及び２５は、図４乃至１０の過程により処理されたチューブ30を用いて熱交換器を製造する際の利点を図示したものである。チューブの前端部が小さめの断面を持つ一方、チューブの長さ方向で直近の部分がより大きな断面を持つので、スタックによるチューブを束ねる工程は、図２５に描かれたように、銃身穿孔（gun drilling）に類似している。チューブ30は、スタックの配列された穴を通過する際に、直線上に維持されて、例えば図１乃至３における様なチューブが直線上に維持されず引っ掛かりを生じ易い図２４で示される様な雪かき（snow plow）効果を経験することがない。
【００２９】フィン及びチューブの両方についてアルミニウムが使用されるのが一般的であり、本発明の実施においても好ましい材料である。上述の説明では、例えば図４に示すように、チューブと穴とが特定の楕円形状を有するものとしたが、楕円形状とはほぼ長楕円形の平らにされた形状を意味するものであることが、理解されるべきである。本発明の実施において使用されるのに適したチューブの具体的な例は、約2.08 mmの幅Ｗと、約25.97 mmの長さと、約0.33 mmの公称壁厚を持つ、図４におけるものの様な楕円断面を持つ3003又は3005アルミニウムである。
【００３０】以上、好ましい実施形態について例示そして説明したが、請求項の範囲内の各種の形態で本発明が実施され得ることが、理解されるべきである。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、ほぼ平坦で長楕円断面を有するチューブからなる熱交換器コアに対し、フィンのスタックを通じたチューブを束ねるのを容易にし、そしてチューブのフィンに対する冶金的な接合に先立ってチューブをフィンに対して機械的に固定できる。
【出願人】 【識別番号】５９０００２９８７
【氏名又は名称】フォード・モーター・カンパニー
【出願日】 平成１２年８月２５日（２０００．８．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００７７９３１
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 弘 （外７名）
【公開番号】 特開２００１−９１１８１（Ｐ２００１−９１１８１Ａ）
【公開日】 平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【出願番号】 特願２０００−２５５６７２（Ｐ２０００−２５５６７２）