JP2006132904A - フィンの製造方法およびフィンおよびこれを用いた熱交換器 - Google Patents

フィンの製造方法およびフィンおよびこれを用いた熱交換器 Download PDF

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Abstract

【課題】 対向する平板部間に配置するのに好適な波状のフィンの提供を図る。
【解決手段】 断面波形状のフィン60であって、波形の頂部62、62、・・・のうちフィン端部(切断部)61の頂部62Aは、平板部41aに接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部63を備える。そのため、フィン60の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)でフィン端部(切断部)61に発生するバリ64は、小湾曲部63の凹みにより波の振幅範囲Hからはみ出す量が小さくなる。これにより、フィン60を対向する平板部41a、41a間に狭持した状態では、バリ64と平板部41aとの干渉量が小さくなりまたは無くなり、結果、フィン60と平板部41aとの接合状態が良好となる。
【選択図】 図5

Description

本発明は、フィンに関し、例えば熱交換器などに用いられるフィンに関する。
従来より熱交換器や機械要素の放熱部などに、熱交換効率を向上させるための断面波形状のフィンが利用されている(例えば特許文献1、2)。この種の波状のフィンは、異なる熱交換媒体(例えば冷媒と空気)との流通路を区画する平板部間に挟まれる。フィンの製造は、対向する成形歯車によって平板状の金属板を断面波形状に加工したのち、所定長さに切断して製造される。
特開2001−38439号公報 特開2003−181544号公報
フィンの製造工程のうち切断工程において生じるバリが、波形の振幅範囲を超えてはみ出してしまうと、フィンと平板部との接触不良が発生するおそれがある。
特に、チューブ内に狭持されるインナーフィンの場合は、バリが大きくはみ出していると、チューブを構成する2枚の金属板の接合面間に隙間が生じて、漏洩穴ができる可能性がある。
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、対向する平板部間に配置するのに好適な波状のフィンの提供を目的とする。
請求項1の発明は、波形状のフィンであって、波形の頂部のうち切断部がある頂部は、前記平板部に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部を備えていることを特徴とする。
請求項2の発明は、熱交換媒体の流路を区画するべく多段に設けられた平板部と、前記平板部の間に狭持される波形状のフィンと、を備えた熱交換器であって、前記フィンは、波形の頂部うち切断部がある頂部に、前記平板部に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部を備えていることを特徴とする。
請求項3の発明は、複数多段に設けられる扁平のチューブと、前記チューブの開口端と連通し前記チューブ内を流通する冷媒を合流・分配するヘッダタンクと、前記チューブ内部に、前記チューブの対向する平板部の間に狭持される波形のインナーフィンと、を備えた熱交換器であって、前記インナーフィンは、波形の頂部のうち切断部がある頂部に、前記平板部に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部を備えていることを特徴とする。
請求項4の発明は、複数多段に設けられる扁平のチューブと、前記チューブの開口端と連通す前記チューブ内を流通する冷媒を合流・分配するヘッダタンクと、隣接するチューブ同士の間に狭持される波形のアウターフィンと、を備えた熱交換器であって、前記アウターフィンは、波形の頂部のうち切断部がある頂部に、前記チューブに接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部を備えていることを特徴とする。
請求項5の発明は、フィンの製造方法であって、平板状の金属板を、断面波形状に形成し、波形の頂部のうち少なくとも1つの頂部に振幅方向内側に向けて凹む小湾曲部を形成し、波形の頂部のうち小湾曲部を備える頂部で切断する、ことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項5に記載のフィンの製造方法であって、対向する一対の成型歯車によって、平板状の金属板を全体として波形状に形成しつつ波形の頂部のうち少なくとも1つの頂部に振幅方向内側に向けて凹む小湾曲部を形成する、ことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、フィンの製造工程(波状金属板を切断工程)で発生するバリの波の振幅範囲からはみ出す量は、小湾曲部の凹み分、減少する。そのため、フィンを対向する平板部間に狭持した状態では、バリと平板部と干渉量が減少しまたは無くなり、フィンと平板部との接合状態が良好となる。
請求項2の発明によれば、フィンの製造工程(波状金属板を切断工程)で発生するバリは、小湾曲部の凹み分、波の振幅範囲からはみ出す量が減少する。そのため、バリと平板部と干渉量が減少しまたは無くなり、フィンと平板部との接合状態が良好となる。
請求項3の発明によれば、インナーフィンの製造工程(波状金属板を切断工程)で発生するバリは、小湾曲部の凹み分、波の振幅範囲からはみ出す量が減少する。そのため、バリとチューブの平板部と干渉量が減少しまたは無くなり、インナーフィンとチューブとの接合状態が良好となる。
請求項4の発明によれば、アウターフィンの製造工程(波状金属板を切断工程)で発生するバリは、小湾曲部の凹み分、波の振幅範囲からはみ出す量が減少する。そのため、バリとチューブと干渉量が減少しまたは無くなり、アウターフィンとチューブとの接合状態が良好となる。
請求項5の発明によれば、フィンの製造工程(波状金属板を切断工程)で発生するバリは、小湾曲部の凹み分、波の振幅範囲からはみ出す量が減少する。そのため、製造されたフィンを、対向する平板部に狭持する際には、バリと平板部と干渉量が減少しまたは無くなり、フィンと平板部との接合状態が良好となる。
請求項6の発明は、2つの工程を1つの工程にまとめることができる。つまり、平板状の金属板を断面波形状の金属板にする工程と、この波状金属板に小湾曲部を形成する工程と、をまとめることができる。これにより、製造コストを削減できる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
「第1実施形態」
図1〜図7は本発明の第1実施形態を説明する図である。
蒸発器
まず、この実施形態の蒸発器(熱交換器)について説明する。蒸発器1は、自動車用空調装置の冷凍サイクルに介装される蒸発器であって、インストルメントパネルの内側に配置される空調ケース内に設置されている。蒸発器は、内部を流れる冷媒と外側を通過する空気との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発気化させて空気を冷却する。
図1および図2に示すように、蒸発器1は、冷媒の入口側の熱交換部10と、冷媒の出口側の熱交換部20と、を風上側と風下側に配置した2層型の蒸発器である。
入口側熱交換部10は、上部タンク11と、下部タンク12と、これら両タンク11、12間に連通接続される複数の熱交換通路31と、を備えている。一方、出口側熱交換部20は、同じく上部タンク21と、下部タンク22と、これら両タンク21、22間に連通接続される複数の熱交換通路31と、を備えている。この熱交換部10および20のタンク11、12、21、22には仕切部(図示せぬ)が設けられている。これにより、各熱交換部10、20は複数のパスに区画されて、各熱交換部10、20内を冷媒が蛇行して流れるようになっている。
入口側熱交換部10の冷媒入口7から冷媒を導入すると、冷媒は、入口側熱交換部10内を流れた後、連通部9を通じて出口側熱交換部20に流れこむ。出口側熱交換部20に流れ込んだ冷媒は、出口側熱交換部20を流通した後、冷媒出口8から蒸発器1外へ排出される。このように蒸発器1内を冷媒が流通している際に、チューブ30内を流通する冷媒と、チューブ30、30同士の間を流通する空気と、の間で熱交換が行われる。
次に、この第1実施形態の蒸発器1の製造方法を説明する。チューブ30をアウターフィン33を介在させつつ複数多段に積層し、チューブ積層方向最外側(水平方向最外側)に強度補強用のサイドプレート35、37および配管コネクタ36等を付けて所定の蒸発器の形状に組み立てて、治具で固定する。この状態で加熱して、各部材の表面のろう材を溶かして各部材を一体にろう付けすることで、求める蒸発器を得る(図1、図2参照)。なお、図1、2中符号34は最外端用の金属板を示す。
チューブ
次に図3を参照しつつ、チューブについて説明する。
使用されるチューブ30は、図3に示すように、一対の金属板40(40A、40B)を最中合わせにして形成される。一対の金属板40(40A、40B)は、周縁の接合部40b同士および中央の仕切部40a同士が接合される。チューブ30内部には、中央部の仕切部30aを隔てて冷媒を流す2本の熱交換通路31、31が形成されている。また、各熱交換通路31の両端部からは積層方向外方に向けて筒状に突出するタンク部32、32が形成されている。
これに対応して、チューブ30を形成する各金属板40は、前記2本の通路31および前記4つのタンク部32を形成すべく、2本の熱交換通路用凹部41と4つのタンク部42とを備えている。なお、この実施形態では、金属板40Aと金属板40Bは同一形状であって金属板40Aを裏返したものが金属板40Bとなるが、金属板40Aと金属板40Bとが異なる形状であってもよい。
インナーフィン
図3および図4に示すように、チューブ30内には、一対の金属板40に挟まれた状態で断面波形状のインナーフィン60、60が配置されている。なお、インナーフィン60は、ろう付けにより一対の金属板40と一体に接合される。このインナーフィン60、60は、チューブの剛性を高める役割を果たし、また、チューブ30の内部表面積を拡大して熱交換効率を高める役割を果たす。
このインナーフィン60は、一方の金属板40Aの熱交換通路用凹部41の平板部41aと、他方の金属板40Bの熱交換通路用凹部41の平板部41aと、の間に挟み込まれている。つまり、インナーフィン60の頂部62(山または谷)が平板部41aに接触している。インナーフィン60の振幅Hと、対応する平板部41a、41a間の距離と、は一致しており、図4に示すようにインナーフィン60の波の振幅Hと、金属板40の熱交換通路用凹部41の深さDと、の関係は、H=2×Dである。
ここで、インナーフィン60を製造する際に切断工程で生じるバリが、インナーフィン60の振幅範囲Hから大きくはみ出していると、インナーフィン60と平板部41aの接合状態が不安定になる可能性がある。そのため、この実施形態のインナーフィン60では以下のような工夫が為されている。
次に、図5を参照しつつインナーフィン60の構造を説明する。
インナーフィン60は、波の頂部62(山または谷)に幅方向両端61、61(つまり製造工程における切断部)が設定されており、この幅方向両端(切断部)61、61の頂部62Aは、振幅方向Z内側に向けて凹む小湾曲部63を備えている。これにより、フィン60の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)で発生したバリ64は、小湾曲部63の凹み量dに対応して、波の振幅範囲Hからはみ出す量が減少している。なお、インナーフィン60において、バリ64の振幅範囲H外へのはみ出し量は0.4mm以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.1mm以下があることが好ましい。この実施形態ではバリ64は完全に振幅範囲H内におさまっている。
インナーフィンの製造方法
次に、インナーフィン60の製造方法を図6〜図7を参照しつつ説明する。
まず、図6aに示すように、平板状金属板60Aを、一対の対向する成型歯車51、51に供給し、波状の金属板60Bに加工する。一対の成型歯車51、51は連動して回転しその歯部51a同士が歯合するようになっている。歯車51、51は、小湾曲部63を加工するために他の歯部とは異なる形状の歯部(図示せず)を備えている。加工された波状金属板60Bは、図6bに示すように一定のピッチPで頂部62(山および谷)を備えている。多数の頂部62のうち切断予定部(61)となる頂部62Aには、振幅方向Z内側に向けて凹む小湾曲部63が形成されている。
次に、図7a、図7bに示すように波状金属板60Bを切断工具53a、53bにて所定の幅Wに切断し、求めるフィン60を得る。この切断加工において波状金属板60Bの小湾曲部63で切断する。
アウターフィン
この実施形態では、チューブ30の平板部41a、41a間に狭持されているアウターフィン33も、サイズが異なるものの上述のインナーフィン60と同様の構造および製造方法で得られるため、その構造および製造方法および作用効果の説明は省略する。
効果
次に、この第1実施形態の効果をまとめる。
(1)この第1実施形態のフィン60、33は、対向する平板部41a、41aの間に狭持される断面波形状のフィン60、33であって、波形の頂部62のうちの切断部61がある頂部62Aに前記平板部41a、41aに接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部63を備えている。
そのため、フィン60、33の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)で発生するバリ64は、小湾曲部63の凹み量dに対応して、波の振幅範囲Hからはみ出す量が減少する。そのため、フィン60、33を対向する平板部41a、41a間に狭持した際には、フィン端部61のバリ64と平板部41aと干渉量が減少し、フィン60、33と平板部41aとの接合状態が良好になる。
特にこの第1実施形態のようにバリ64が波の振幅範囲H内に完全におさまる構造であると、組立状態でバリ64が平板部41aに一切干渉せず、フィン60、33と平板部41aとの接合状態が最も良好となる。
(2)この第1実施形態の熱交換器1は、熱交換媒体(空気または冷媒またはその他の熱交換媒体)の流路を区画するべく多段に設けられた平板部41a、41a、・・・と、この平板部41a、41aの間に狭持される断面波形状のフィン60、33と、を備えた熱交換器であって、フィン60、33は、波形の頂部62うち切断部61がある頂部62Aに前記平板部41aに接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部63を備えている。
そのため、フィン60、33の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)で発生するバリ64は、湾曲部63の凹み量dに対応して、波の振幅範囲Hからはみ出す量が減少する。そのため、フィン端部61のバリ64と平板部41aと干渉量が減少し、フィン60、33と平板部41aとの接合状態が良好になる。
特にこの第1実施形態のようにバリ64が波の振幅範囲H内に完全におさまる構造であると、組立状態でバリ64が平板部41aに一切干渉せず、フィン60、33と平板部41aとの接合状態が最も良好となる。
(3)この第1実施形態の熱交換器1は、複数多段に設けられる扁平のチューブ30、30、・・・と、前記チューブ30の開口端と連通し前記チューブ30内を流通する冷媒を合流・分配するヘッダタンク11、12、21、22と、前記チューブ30内部で前記チューブ30の対向する平板部41a、41aの間に狭持される断面波形のインナーフィン60と、を備えた熱交換器1であって、インナーフィン60は、波形の頂部62のうち切断部61がある頂部62Aに前記平板部41aへ接触する側とは反対側へ向けて凹む小湾曲部63を備えている。
そのため、インナーフィン60の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)で発生するフィン端部61のバリ64は、湾曲部63の凹み量dに対応して、波の振幅範囲Hからはみ出す量が減少する。そのため、フィン端部61のバリ64と平板部41aと干渉量が減少し、インナーフィン60と平板部41aとの接合状態が良好になる。
特にこの第1実施形態のようにバリ64が波の振幅範囲H内に完全におさまる構造であると、組立状態でバリ64が平板部41aに一切干渉せず、フィン60、33と平板部41aとの接合状態が最も良好となる。
なお、インナーフィン60のバリ64が波の振幅範囲Hからはみ出す場合は、はみ出し量が0.1mm以下であることが好ましい。このような場合に、インナーフィン60とチューブ30との接合状態が特に良好になるとともにチューブ30を構成する金属板40、40同士の接合状態が特に良好になるからである。
(4)この第1実施形態の熱交換器1では、アウターフィン33も上述のインナーフィン60と同様の構造が適用されている。つまり、この第1実施形態の熱交換器1は、複数多段に設けられる扁平のチューブ30、30、・・・と、前記チューブ30の開口端と連通す前記チューブ30内を流通する冷媒を合流・分配するヘッダタンク11、12、21、22と、隣接するチューブ30、30同士の間に狭持される断面波形状のアウターフィン33と、を備えた熱交換器1であって、アウターフィン33は、波形の頂部62のうち切断部61がある頂部62Aに、チューブ30に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部63を備えている。
そのため、アウターフィン33の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)で発生するフィン端部のバリは、湾曲部63の凹み量dに対応して、波の振幅範囲Hからはみ出す量が減少する。そのため、アウターフィン端部61のバリ64と平板部41aと干渉量が減少し、アウターフィン33と平板部41aとの接合状態が良好になる。
(5)この第1実施形態のフィン60、33の製造方法は、平板状の金属板60Aを断面波形状の金属板60Bに形成し、波形の頂部62のうち少なくとも1つの頂部62Aに振幅方向Z内側に向けて凹む小湾曲部63を形成し、波形の頂部62のうち小湾曲部63を備える頂部62Aで切断するものである。
そのため、フィン60、33の製造工程(波状金属板60Bを切断工程)で発生するバリ64は、湾曲部63の凹み量dに対応して、波の振幅範囲Hからはみ出す量が減少する。そのため、製造されたフィン60、33を対向する平板部41a間に狭持すると、フィン端部61のバリ64と平板部41aと干渉量が減少し、フィン60、33と平板部41aとの接合状態が良好になる。
(6)しかも、この第1実施形態のフィン60、33の製造方法は、対向する一対の成型歯車51、51によって、平板状の金属板60Aを断面波形状に形成しつつ小湾曲部63を形成するものである。
そのため、2つの工程を1つの工程にまとめることができる。つまり、平板状金属板60Aを断面波形状の金属板にする工程(A)と、この波状金属板60Bに小湾曲部63を形成する工程(B)と、をまとめることができる。これにより製造コストを低減できる。なお本発明では、工程(A)、工程(B)を別々に行ってもよい。
以下、本発明のその他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態では第1実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
「第2実施形態」
図12は第2実施形態のフィンを示す。第1実施形態のフィン60および33は切断予定の頂部62Aに小湾曲部63が形成されているが、この第2実施形態のフィン70は全ての頂部62の小湾曲部63が形成されている。そのため、この第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、この第2実施形態によれば、全ての頂部62に小湾曲部63が形成されているため、どの頂部62で切断してもよい。そのためフィンの幅Wを容易に変更できる利点もある。なお、第2実施形態のフィンの製造方法は第1実施形態と類似するため、説明を省略する。
「切断方法の変形例」
なお、波状金属板の切断方法は、上述の実施形態に限定されるものではなく以下のような他の切断方法やその他の切断方法を採用してもよい。
図8は切断方法の第1の変形例を示す。図8に示す切断方法は、波状金属板60Bを上下から挟みこむクランプ81a、81bと可動型82a、82bとが交互に配置され、可動型82aの端部の刃部83で波状金属板60Bを切断する方法である。
この切断方法によれば、波状金属板60Bの全体を固定した状態で切断を行うため、切断位置のズレが生じ難く、切断精度、寸法精度が向上する利点がある。
図9は切断方法の第2の変形例を示す。図9に示す切断方法は、波状金属板60Bをクランプ85a、85bで挟み込みながら、クランプの一方85aから刃部が突設された刃部86によって、波状金属板60Bを切断する方法である。なお、他方のクランプ85bには刃部86を収容可能な穴部87が設けられている。
この切断方法によれば、波状金属板60Bの全体を固定した状態で切断を行うため、切断位置のズレが生じ難く、切断精度、寸法精度が向上する利点がある。
図10は切断方法の第3の変形例を示す。図10に示す切断方法は、対向するローラ88、89の刃部88a、89aで波状金属板60Bを切断するバリレス工法である。
図11は切断方法の第4の変形例を示す。図11に示す切断方法は、対向するローラ91、92のうち一方のローラ91の刃部91aで、波状金属板を切断するバリレス工法である。
なおこの実施形態のフィンは、蒸発器以外のその他の熱交換器に利用できるほか、機械要素の放熱部などその他の分野にも利用できる。
図1は第1実施形態の蒸発器の正面図。 図2は同蒸発器の上面図。 図3aは同蒸発器のチューブの分解斜視図、図3bはチューブの斜視図。 図4aは同蒸発器のチューブの分解状態を示す断面図、図4bは同蒸発器のチューブの断面図。 図5は図4bの拡大断面図。 図6はフィンの製造工程を示すものであって、図6aは成型歯車による加工工程を示す図、図6bは図6aの工程でできた波状金属板を示す図。 図7a、図7bはフィンの製造工程を示すものであって、図6bの波状金属板を切断する切断工程を示す図。 図8は切断工程の第1変形例を示す概略図。 図9は切断工程の第2変形例を示す概略図。 図10は切断工程の第3変形例を示す概略図。 図11は切断工程の第4変形例を示す概略図。 図12はフィンの第2実施形態を示す図。
符号の説明
1…蒸発器(熱交換器)
30…チューブ
33…アウターフィン(フィン)
40(40A、40B)…金属板
41a…平板部
51…成型歯車
60…インナーフィン(フィン)
60A…平板状金属板
60B…波状金属板
61…フィン端部(切断部)
62…頂部
62A…切断部がある頂部
63…小湾曲部
64…バリ
70…フィン
H…振幅範囲
Z…振幅方向
d…凹み量

Claims (6)

  1. 断面波形状のフィン(33または60または70)であって、
    波形の頂部(62、62、・・・)のうち切断部(61)がある頂部(62A)は、前記平板部(41a)に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部(63)を備えていることを特徴とするフィン(33または60または70)。
  2. 熱交換媒体の流路を区画するべく多段に設けられた平板部(41a、41a、・・・)と、前記平板部(41a、41a)の間に狭持される波形状のフィン(33または60または70)と、を備えた熱交換器(1)であって、
    前記フィン(33または60または70)は、波形の頂部(62、62、・・・)うち切断部(61)がある頂部(62A)に、前記平板部(41a)に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部(63)を備えていることを特徴とする熱交換器(1)。
  3. 複数多段に設けられる扁平のチューブ(30、30、・・・)と、
    前記チューブ(30)の開口端と連通し前記チューブ内を流通する冷媒を合流・分配するヘッダタンク(11、12、21、22)と、
    前記チューブ(30)内部で前記チューブ(30)の対向する平板部(41a、41a)の間に狭持される波形のインナーフィン(60)と、
    を備えた熱交換器(1)であって、
    前記インナーフィン(60)は、波形の頂部(62、62、・・・)のうち切断部(61)がある頂部(62A)に、前記平板部(41A)に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部(63)を備えていることを特徴とする熱交換器(1)。
  4. 複数多段に設けられる扁平のチューブ(30、30、・・・)と、
    前記チューブ(30)の開口端と連通し前記チューブ内を流通する冷媒を合流・分配するヘッダタンク(11、12、21、22)と、
    隣接するチューブ(30、30)同士の間に狭持される波形のアウターフィン(33)と、
    を備えた熱交換器(1)であって、
    前記アウターフィン(33)は、波形の頂部(62、62、・・・)のうち切断部(61)がある頂部(62A)に、前記チューブ(30)に接触する側とは反対側に向けて凹む小湾曲部(63)を備えていることを特徴とする熱交換器(1)。
  5. フィン(33または60または70)の製造方法であって、
    平板状の金属板(60A)を、全体として波形状(60B)に形成し、
    波形の頂部(62、62、・・・)のうち少なくとも1つの頂部(62A)に振幅方向(Z)内側に向けて凹む小湾曲部(63)を形成し、
    断面波形状の頂部(62、62、・・・)のうち小湾曲部(63)を備える頂部(62A)で切断する
    ことを特徴とするフィン(33または60または70)の製造方法。
  6. 請求項5に記載のフィン(33または60または70)の製造方法であって、
    対向する一対の成型歯車(51、51)によって、平板状の金属板(60A)を全体として波形状に形成しつつ波形の頂部(62、62、・・・)のうち少なくとも1つの頂部(62A)に振幅方向(Z)内側に向けて凹む小湾曲部(63)を形成することを特徴とするフィン(33または60または70)の製造方法。
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