JP2014035180A - 熱交換器のためのチューブ、熱交換器のチューブアッセンブリ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】平坦なチューブ部分と移行部分との間の交差部における曲げに対する抵抗を提供する。
【解決手段】熱交換器のためのチューブアッセンブリ1に使用するチューブ2は、チューブ端部7,8から離れて配置された平坦な部分を含む。平坦な部分は、チューブ2が一方向において比較的薄いように、幅が狭い側面によって接合された、幅が広い平面で平行なチューブ側面を含む。円筒状部分4,5は、チューブ端部7,8から延び、そして、移行領域6は、円筒状部分4,5及び平坦な部分と接触する。移行領域6の形状は、平坦なチューブ部分と移行部分との間の交差部における曲げに対して抵抗する。
【選択図】図1
【解決手段】熱交換器のためのチューブアッセンブリ1に使用するチューブ2は、チューブ端部7,8から離れて配置された平坦な部分を含む。平坦な部分は、チューブ2が一方向において比較的薄いように、幅が狭い側面によって接合された、幅が広い平面で平行なチューブ側面を含む。円筒状部分4,5は、チューブ端部7,8から延び、そして、移行領域6は、円筒状部分4,5及び平坦な部分と接触する。移行領域6の形状は、平坦なチューブ部分と移行部分との間の交差部における曲げに対して抵抗する。
【選択図】図1
Description
本発明は、概ね、チューブ、熱交換器用フィン及びチューブアッセンブリ、及び、その製造方法に関する。
第1流体を搬送するためのチューブを有する、分離された個々に交換可能なチューブアッセンブリと、第1流体へ又は第1流体から熱を伝達する第2流体のための第2伝熱表面領域とを組み込む大規模な熱交換器がよく知られている。一例として、エンジンの冷却水からの廃熱を空気に伝達する耐久性の高い装置のラジエーターとして機能するこのタイプの熱交換器が、Murrayの米国特許第3391732号及びNeudeckの米国特許第4236577号に開示されている。これらの熱交換器に使用されるチューブアッセンブリは、熱交換のための中央のフィンが付いた区分及びシールグロメットの中に挿入するためのフィンが付いていない円柱状端部区分を有する。
上述の種の熱交換器のチューブアッセンブリは、通常、銅で構成され、フィンが付いた領域における拡張された空気側面がチューブに半田付けされている。銅は、高熱伝導性、容易な製造可能性及び良好な強度と耐久性の利点を提供する。しかしながら、安定して増加する銅の価格は、代替の低コストの材料の需要につながる。
アルミニウムは、他の熱交換器(例えば、自動車及び商業用ラジエーター)の構成の好適な材料として銅に取って代えられているが、この種の耐久性の高い熱交換器において成功的に銅に取って代えられていない。アルミニウムは、銅よりも実質的に低い強度を有し、耐久性の懸念につながる。これは、個々のチューブアッセンブリが取り外されてフィールドに挿入される必要があるアプリケーションでは、損傷がそのような処理中に発生する可能性があるので、特に問題である。さらに、アルミニウム部品の接着は、銅の半田付けよりも実質的に高い温度を必要とし、製造の難しさにつながる。従って、まだ改善の余地がある。
本発明の実施形態によれば、熱交換器のためのチューブアッセンブリは、離間配置された、幅が広いチューブ側面が対向する幅が狭いチューブ側面によって接合されている平坦な部分を有するチューブを含む。チューブアッセンブリは、更に、各々が側面によって接続された波の山部及び谷部と、二つの概ね平らな側面シートとを有する、二つのフィン構造を含む。一方のフィン構造の波の谷は、幅が広いチューブ側面の一方に接続され、そのフィン構造の波の山部は、一方の側面シートの面に接合される。他方のフィン構造の波の谷は、幅が広いチューブ側面の他方に接続され、そのフィン構造の波の山部は、他方の側面シートの面に接合される。
いくつかの実施形態では、チューブは、チューブの縦方向の両端部にある円筒状部分を含み、平坦な部分が円筒状部分の間に配置される。いくつかの実施形態では、チューブ、フィン構造及び側面シートは、ろう付け接合によって接合され、いくつかの実施形態では、それらは一つ以上のアルミニウム合金で形成される。いくつかの実施形態によれば、幅が広いチューブ側面の厚さは、側面シートの厚さの少なくとも二倍である。
本発明の他の実施形態によれば、熱交換器のためのチューブアッセンブリは、チューブアッセンブリの少なくとも一部分にわたって縦方向に延びる流体流管を含む。流体流管は、長手寸法及び短手寸法を含み、双方とも縦方向に垂直であり、短手寸法は、長手寸法よりも実質的に小さい。連続したチューブ壁は、流体流管を囲む。二つの概ね平坦な側面シートが、短手寸法方向において連続したチューブ壁から同じ距離で離間配置されており、薄いウェブによってチューブ壁に接続される。
いくつかのこのような実施形態では、連続したチューブ壁は、長手寸法の方向において軸に対するチューブ壁の慣性の重心モーメントを画定する。いくつかの実施形態では、その軸を基準としたチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブ壁の慣性の重心モーメントの少なくとも5倍であり、いくつかの実施形態では少なくとも10倍である。
いくつかの実施形態では、第1の円筒状チューブ部分は、流体流管の第1端部にある連続したチューブ壁に接合され、第2の円筒状チューブ部分は、流体流管の第2端部にある連続したチューブ壁に接合される。いくつかのこのような実施形態では、連続したチューブ壁によって画定された外周は、円筒状チューブ部分の少なくとも一方の外周よりも大きい。
本発明の別の実施形態によれば、熱交換器チューブアッセンブリを製造する方法は、チューブ、第1及び第2の波形フィン構造、及び第1及び第2の概ね平坦な側面シートを提供することを含む。第1の波形フィン構造は、第1の側面シートと、チューブの第1の広くて平らな側面との間に配置され、第2の波形フィン構造は、第2側面シートと、チューブの第2の広くて平らな側面との間に配置される。圧縮力が、フィン構造の山部及び谷部を側面シート及び広くて平らな側面と接触して配置するために側面シートの対向面に適用される。ろう付接合部が、第1のフィン構造と第1の側面シートとの間、第1のフィン構造と第1の広くて平らな側面との間、第2のフィン構造と第2の側面シートとの間、及び、第2のフィン構造と第2の広くて平らな側面との間に形成される。
いくつかのそのような実施形態では、チューブ、フィン構造、及び側面シートは、ろう付け接合を形成するために真空環境下で温度が上昇される。他の環境では、それらは、制御された不活性ガス環境で温度が上昇される。いくつかの実施形態では、チューブ、フィン構造、及び側面シートを提供することは、ろう付け溶加材で被覆された材料を提供することを含む。
いくつかの実施形態では、圧縮力は、第1の側面シートに隣接する第1の分離シートを通じて及び第2の側面シートに隣接する第2の分離シートを通じて伝達される。いくつかのそのような実施形態では、分離シートは、チューブ、フィン構造、及び側面シートの熱膨張係数と概ね一致される熱膨張係数を有する。いくつかの実施形態では、第1の分離シートは、第1の側面シートに隣接するいくつかの分離シートの一つである。
本発明の別の実施形態によれば、熱交換器チューブアッセンブリを製造する方法は、いくつかのチューブ、いくつかの波形フィン構造及びいくつかの概ね平坦な側面シートを提供することを含む。チューブの各々は、一対の波形フィン構造の間に配置され、波形フィン構造の各々は、一方のチューブと一方の側面シートとの間に配置される。チューブ、波形フィン構造及び側面シートは、スタックに配置される。分離シートは、隣接する一対の側面シートの間に配置されると共に、スタックの最も外側の両端にある側面シートに隣接して配置される。圧縮負荷が、積層方向にスタックに適用される。ろう付け接合が波形フィン構造とチューブとの間及び波形フィン構造と側面シートとの間の接触点に形成され、ろう付けされたチューブアッセンブリが分離シートから取り除かれる。
いくつかのそのような実施形態では、チューブ、フィン構造及び側面シートは、ろう付け接合を形成するために真空環境下で温度が上昇される。他の環境では、それらは、制御された不活性ガス環境で温度が上昇される。いくつかの実施形態では、チューブ、フィン構造及び側面シートを提供することは、ろう付け溶加材で被覆された材料を提供することを含む。
本発明の別の実施形態によれば、熱交換器のためのチューブは、第1のチューブ端部から延びる第1の円筒状部分と、第1のチューブ端部の反対の位置にある第2のチューブ端部から延びる第2の円筒状部分と、第1のチューブ端部と第2のチューブ端部との間に配置された平坦なチューブ部分であって、二つの比較的短い側面によって接合された、二つの平行に離間配置された、幅が広い平面を備える平坦なチューブ部分とを含む。移行領域が各々の円筒状部分と平坦なチューブ部分との間に配置される。移行領域とチューブの各々の幅が広い平面との交差部は、曲線から成る通路を画定する。
いくつかのそのような実施形態では、二つの比較的短い側面は、輪郭が弧状である。いくつかの実施形態では、曲線から成る通路の各々は、チューブの中心面に位置する頂部を含み、いくつかの実施形態では、弧状通路部分は頂部に配置される。
いくつかの実施形態では、円筒状部分の一方に隣接する移行領域は、その円筒状部分の直径に少なくとも等しい長さにわたって延びる。いくつかの実施形態では、チューブの平坦なチューブ部分の外周は、円筒状部分の少なくとも一方の外周よりも大きく、いくつかの実施形態では、少なくとも25%大きい。
いくつかの実施形態では、平坦なチューブ部分は、二つの比較的短い側面の最も外側にある点間のチューブの長手寸法を画定し、曲線から成る通路の各々は、チューブの長手寸法よりも長い。いくつかの実施形態では、チューブは、アルミニウム合金からなる。
本発明の他の実施形態によれば、円形のチューブの第1部分の円形のチューブの直径を小さくすると共に、第2部分の二つの離間配置された、幅が広い平面を画定するために第1部分に隣接する第2部分を平らにすることによって、円形のチューブから熱交換器のためのチューブが形成される。いくつかの実施形態では、第1部分は、チューブの一端部で終端する。いくつかの実施形態では、第2部分は、第1部分の直径を小さくした後に平らにされる。
いくつかの実施形態では、第1部分の直径は、かしめ工程によって減少される。いくつかの実施形態では、第2部分は、スタンプ金型でその部分に衝撃を与えることによって平らにされる。いくつかの実施形態では、チューブは、アルミニウム合金からなる。
いくつかの実施形態では、マンドレルが第2部分を平らにする前にチューブの中に挿入され、そして、第2部分を平らにした後にチューブから取り除かれる。
いくつかの実施形態では、円形のチューブの第3部分の直径は、減少され、第3部分は、第2部分に隣接している。いくつかのそのような実施形態では、第3部分は、チューブの第2部分に終端する。いくつかの実施形態では、第2部分は、第3部分の直径を小さくした後に平らにされる。
いくつかの実施形態では、円形のチューブの第3部分の直径は、減少され、第3部分は、第2部分に隣接している。いくつかのそのような実施形態では、第3部分は、チューブの第2部分に終端する。いくつかの実施形態では、第2部分は、第3部分の直径を小さくした後に平らにされる。
本発明の実施形態が詳細に説明される前に、本発明は、以下の説明に記載されたあるいは以下の図面に図示された構成の詳細及び構成要素の配置に対するその用途に限定されないことを理解されるべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実行でき又は実施できる。また、本明細書中で使用される用語及び専門用語は、説明の目的のためであり、限定的なものとみなすべきではないことを理解されるべきである。“含む”、“備える”又は“有する”及び本明細書中のそれらの変形の使用は、その後に記載された項目及びその等価物ならびに追加の項目を包含することを意味する。指定されない限り又はそうでなければ限定されない限り、用語“取り付けられた”、“接続された”、“支持された”及び“結合された”及びその変形は、広く使用され、直接的及び間接的な取り付け、接続、支持及び結合の双方を包含する。さらに、“接続された”及び“結合された”は、物理的または機械的な接続又は結合に限定されない。
本発明の実施形態による熱交換器のチューブアッセンブリ1が図1乃至図5に示される。そのようなチューブアッセンブリ1は、掘削機、鉱業トラック、発電機セットなどの大型の耐久性の高い装置における、熱交換器、例えば、ラジエーターの多くの個々のチューブの一つとして使用される。しかしながら、チューブアッセンブリ1は、様々なタイプ及び大きさの熱交換器に使用されることができることを理解されるべきである。
チューブアッセンブリ1は、第1端部7から第2端部8まで延びるチューブ2を含む。チューブ2は、流体流管を画定し、それによって、流体(例として、エンジン冷却水)がチューブアッセンブリ1を通って運送されることができる。一例として、チューブアッセンブリ1は、エンジン冷却水の流れが、端部7、8の一方から端部7、8の他方までチューブ2を通って流れるときに、エンジン冷却水の流れからの廃熱を除去するためにエンジン冷却水ラジエーターに使用されることができる。
チューブ2は、端部7、8間に配置された平坦部分3を含む。(図11に関して最良に示される)平坦部分3は、第1及び第2の平行な幅が広い平面12を含む。幅が広い平面12は、互いに離間されて配置され、二つの対向する離間配置された幅が狭いチューブ側面15によって接合される。幅が狭いチューブ側面15は、例示的実施形態では外郭が弧状に形成されているように示されているが、他の実施形態では、幅が狭いチューブ側面15は、直線状にすることができ、あるいは、他の輪郭形状にすることができる。二つの幅が広い平面12及び二つの幅が狭いチューブ側面15は、互いに、チューブ2を通る流体の流れを許容するために開放空間が連続したチューブ壁25に内部を画定した流体流管の連続的なチューブ壁25を画定する。例示的実施形態には示されていないが、チューブ2を通過する流体と、チューブ壁25との間の熱伝達率を向上させるために、流管内に表面拡張又は流れ管形成の特徴を提供することがいくつかのケースで好ましい。
図11を続けて参照すると、チューブ2の平坦部分3は、二つの幅が広い平面12の外側に面する表面の間の距離として画定されたチューブの短手寸法d1と、二つの幅が狭いチューブ側面15の最も外側の点の間の距離として画定されたチューブの長手寸法d2とを有する。いくつかの非常に好ましい実施形態では、長手寸法d2は、短手寸法d1よりも数倍大きい。一例として、例示的実施形態の長手寸法は、短手寸法よりも9倍大きい。
チューブアッセンブリ1は、さらに、平坦部分3に沿って配置された二つの複雑なフィン構造10を含む。フィン構造10は、山部18及び谷部17によって交互に接続された多数の側面16を含み、フィン構造10の各々は、(図3に最も見られる)ほぼ正弦曲線を描く形状である。フィン構造10は、図3に示された簡単なタイプにすることができ、あるいは、熱伝達、構造強度、耐久性又は前述の組み合わせを高めるために付加的な特徴を含むことができる。例として、いくつかの実施形態では、フィン構造10は、ルーバー、***部、スリット、ランス、又は側面16の伝熱及び/又は構造上の剛性を改善するために知られた他の特徴を含むことができる。他の実施形態では、端へりが、幅が狭いチューブ側面15に隣接するフィン構造10の端部の一方又は双方に提供されることができる。そのような端ヘリは、石又は他の破片の衝突によって生じる可能性がある損傷への耐性を提供する上で特に有益である。
また、薄い側面シート11が、チューブアッセンブリ1に含まれる。これらの側面シート11は、チューブ2の対向する幅が広い平面12に平行であり、フィン構造10によって両側でそこから等間隔に配置される。従って、フィン構造11の側面16、山部18及び谷部17は、複数の薄いウェブを提供し、連続したチューブ壁25から側面シート11の間に間隔を置く。側面シート11は、概ね平坦であるが、例えば、増加した剛性を提供するため及び/又はアッセンブリを助けるために曲がった縁部などの特徴を含むことができる。
側面16間の空間は、チューブ2を通過する流体と熱伝関係におかれる流体のための流路を提供し、熱は、二つの流体の間で交換される。一例として、周囲の空気が、チューブ2を通過するエンジンジャケット冷却水を冷却するために流路に導かれる。しかしながら、様々な他の流体がチューブアッセンブリ1を使用して熱伝関係におかれることができることを理解されるべきである。側面16間の各々の流路は、谷部17及び山部18の一方によって及びチューブ2の幅が広い平面12及び概ね平坦な側面シート11の一方によってさらに画定される。このように流路を完全に結合することによって、それらの流路を通る流体は、途中で流路を出ることを防止され、従って、熱を伝達する能力を向上される。
チューブ2、フィン構造10及び側面シート11は、熱伝達関係におかれる流体間の良好な熱接触及び良好な構造的全体性の双方を提供するために単一の構造を形成するように互いに接合されているのが好ましい。様々な材料がチューブアッセンブリ1を構成するのに使用されることができるが、非常に好ましい実施形態では、チューブ2、フィン構造10及び側面シート11は、アルミニウム、銅などの熱伝導率の高い金属から形成される。構成要素は、ろう付け、はんだ付け、接着等を含む様々なプロセスによって、チューブアッセンブリ1を形成するために互いに接合されることができる。
流体間の良好な熱伝達を促進するために、平坦部分3の完全に長手寸法d2上に延在することが、フィン構造10及び側面シート11に有利である。いくつかのケースでは、岩や他の破片の衝突による損傷からの流体流管を保護するために幅が狭いチューブ側面15の外縁をわずかに超えてフィン構造10及び側面シート11を延在することが好ましい。
平らで非常に薄い側面シート11の包含は、特に、チューブの長手寸法d2の重心軸を中心にして曲げることに関して、チューブアッセンブリ1を非常に強化することがわかっている。フィン構造10は、それらの複雑な特性のためにこの方向において非常に小さな剛性を提供するため、側面シート11が存在しない場合には、連続したチューブ壁25は、その重心軸周りに曲げることに対する抵抗だけを提供する。平坦部分3の比較的小さい短手寸法d1のために、連続したチューブ壁25だけによってその重心軸を中心にして曲げることに対する抵抗は、かなり小さく、短手寸法d1よりも実質的に大きい距離によってその重心軸から離れた側面シート11の空間は、実施的に有益を提供する。
チューブの長手寸法d2の重心軸を中心としたチューブアッセンブリ1の曲げ剛性による側面シート11の衝撃は、チューブアッセンブリ1のその軸を中心とした慣性の重心モーメントをチューブ2だけのものと比較することによって定量化されることができる。(フィン構造10は、チューブ2の平らな側面12から側面シート11のオフセットを維持することによって以外、慣性の重心モーメントに対する貢献を提供しないことが推測される。)0.8mmのチューブ壁の厚さ、0.25mmの側面シートの厚さ、6.55mmのフィン構造の高さ、3.7mmの短手寸法及び23.27mmの長手寸法を有する例示的実施形態に対し、チューブアッセンブリとチューブだけに対するチューブの長手寸法軸周りの慣性の重心モーメントは、それぞれ、925mm4及び76mm4であると算出される。換言すれば、チューブの長手寸法軸周りのチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブだけのもののおよそ12倍である。好適実施形態では、チューブの長手寸法軸周りのチューブアッセンブリの慣性の重心モーメントは、チューブだけのものの少なくとも5倍であり、非常に好適な実施形態では、少なくとも10倍である。これは、チューブ2が例えばアルミニウムの合金などの弾力性の比較的低い弾性率を示す材料で構成されるときに特に好適である。
例示的実施形態のチューブ2は、さらに、第1端7に隣接した第1筒部4と、第2端8に隣接した第2筒部5とを含み、平坦部分3がその第1筒部と第2筒部との間に配置される。これらの筒部4、5は、熱交換機(図示せず)の対向するヘッダーに配置された収容グロメットへのチューブアッセンブリ1の確実で漏れのない挿入を可能にする。効果的な熱伝達のために使用可能なチューブの量を最大にするために、筒状端部の長さは、最小限に抑えられるのが好ましく、平坦部分3の長さは、チューブ2の全長の90%又はそれ以上にするのが好ましい。円周ビード9は、熱交換器に垂直に配置されたときに、チューブアッセンブリ1の下方への移動を制限するために例示的実施形態の筒部5に提供される。
添付の図面に示された実施形態は、チューブの両端にある筒状端部を含むが、いくつかの例では、チューブアッセンブリ1は、筒状端部4、5の一方又は双方を欠くことができることを理解されるべきである。そのような筒状端部が含まれない場合、対応する収容グロメットは、平坦部分3の連続したチューブ壁25の外郭に対応する収容開口を備えることができる。
本発明の特定の好適実施形態では、熱交換器チューブアッセンブリ1は、アルミニウムチューブ2と、第1及び第2のアルミニウムの波形フィン構造10と、第1及び第2のアルミニウムの側面シート11と、の間にろう付け接合部を形成することによって作られる。第1の波形フィン構造10は、第1側面シート11と、チューブ2の第1の広くて平らな側面12との間に配置され、一方、第2の波形フィン構造10は、第2側面シート11と、チューブ2の第2の広くて平らな側面12との間に配置される。アッセンブリは、ろう付け接合部がその接触点に形成されることができるように、フィン構造10の山部18及び谷部17を隣接する部分と接触して配置するために圧縮される。
チューブ2、フィン構造10及び側面シート11の溶融温度よりも低い溶融温度を有するろう付け溶加材が、ろう付け接合を形成するために使用される。そのような溶加材は、通常、溶融温度を下げるために付加された少量の他の要素(例えば、ケイ素、銅、マグネシウム、亜鉛など)を有するアルミニウムである。ろう付け溶加材は、有利には、ろう付けされる一つ以上の構成要素上のコーティングとして提供されることができる。いくつかの実施形態では、波形フィン構造10を形成するために使用されるシート材料の両面は、ろう付け溶加材が塗布され、それによって、ろう付け接合部が望まれる接触ポイントの全てに必要なろう付け溶加材を提供しながら、接合部が必要ない又は望ましくない場所にろう付け溶加材を有することを避ける。
多くの方法が、ろう付け溶加材を溶融してろう付け接合部を形成するためにチューブ2、フィン構造10及び側面シート11の温度を上昇させるために使用されることができるが、二つの特に好適な方法は、真空ろう付け及び制御された雰囲気のろう付けである。真空ろう付けでは、組み立てられた部品は、密閉された炉内に配置され、真空環境を形成するために実質的に全ての空気が取り除かれる。このプロセスでは、合金中に存在するマグネシウムは、部品が加熱されると解放され、構成要素の外表面上に存在する酸化物層を分解する役割を果たし、溶融ろう付け溶加材を露出されたアルミニウムに結合するのを可能にする。酸化物層は、真空環境中の酸素が存在しないことにより、冶金結合で改質及び干渉することを防止される。
制御された雰囲気のろう付けでは、融剤が加熱前に構成要素に適用される。部品の過熱は、融剤が反応して部品の合わせ面上に存在する酸化物層を置換する後に酸化物層の再形成を防止するために、不活性ガス環境で生じる。酸化物層が置換された状態で、溶融したろう付け溶加材は、ろう付け接合部を形成するために露呈されたアルミニウムに結合する。
生産製造環境でのスループットを増加させるために、一度にいくつかのチューブアッセンブリ1をろう付けすることが特に好ましい。図6は、四つのチューブアッセンブリ1が同時に作られた本発明の実施形態による方法を示す。同じ方法が、一度に四つ以上又は四つ未満のチューブアッセンブリ1を作るのに使用されることが理解されるべきである。
図6の実施形態では、チューブ2、波形フィン構造10及び概ね平らな側面シート11が提供される。チューブ2の各々は、一組の波形フィン構造10の間に配置され、波形フィン構造10の各々は、チューブ2の一方と概ね平らな側面シート11の一方との間に配置される。分離シート19が、隣接する一対の概ね平らな側面シート11の間に配置される。チューブ2、波形フィン構造10及び概ね平らな側面シート11は、スタック26の中に配置される。付加的な分離シート19は、スタック26の最も外側の両端にある概ね平らな側面シート11に隣接して配置され、そして、複雑なフィン構造の山部18及び谷部17を隣接する側面シート11及びチューブ2の平坦側面12と接触して配置するために圧縮負荷が積層方向にスタック26に適用される。
スタック26に均一な圧縮負荷を提供するために、高剛性を有するバー21(例えば、構造鋼チャンネル)がスタック26の最も外側の両端に使用されることができる。圧縮荷重は、いくつかの場所のスタック26を囲む金属バンド22の使用によってスタックに適用された後に維持されることができる。バンド22は、バー21を介して締結されてスタック26が圧縮され、バンド22の張力が圧縮負荷を維持する。そのように組み合わされた後、スタック26は、個々のチューブアッセンブリ1を形成するためにろう付け炉内に配置される。スタック26は、ろう付け溶加材を溶融するのに適当な温度まで炉内で加熱され、その後、スタック26は、溶融されたろう付け溶加材を再凝固するために冷却され、それによって、接触ポイントにろう付け接合部を形成する。冷却後、個々に単一の構造にろう付けされた個々のチューブアッセンブリ1は、分離シート19から取り除かれることができる。分離シート19は、そのような望ましくない接合がろう付け溶加材が存在しなくてもろう付け温度で生じるときに、分離シート19と側面シート11との間のあらゆる冶金的接合を防止するためにコーティングが提供されることができる。
スタック26がろう付け温度まで加熱されると、スタック26の金属材料の熱膨張が生じる。アルミニウムのろう付けでは、構成要素は、通常、550℃乃至650℃のろう付け温度まで加熱される。この温度領域は、はんだの銅要素に使用されるものよりも実質的に高く、その結果として、構成要素が銅である場合よりもアルミニウムである場合には接合プロセス中にチューブアッセンブリ1の構成要素によって経験された熱膨張である。
本発明者は、ろう付け温度まで加熱すると共に周囲温度まで戻して冷却することによってフィン構造10が変形しないことを各自にするためにろう付けプロセス中に注意をしなければならないことがわかった。単一のろう付けコアの中に互いに接合された多数のチューブの列及びフィン構造を含む、従来のろう付けアルミニウムラジエーターの製造とは異なり、フィン構造10の側面16は、チューブアッセンブリ1の構成要素と分離シート19間の熱膨張差によって導入されたせん断力により歪みが生じやすい。本発明のいくつかの実施形態では、この問題は、分離シート19の熱膨張係数をチューブ2、フィン構造10及び側面シート11の熱膨張係数と概ね一致させることにより解消される。これは、同様のアルミニウム合金から、又は同様の熱膨張率を示す他の材料から分離シート19を形成することによって達成されることができる。
代替的に、又は、加えて、多数の個々の分離シート19が図7に示されたように各隣接するチューブアッセンブリ1間に使用されることができる。間隙20は、隣接する個々の分離シート19間に提供される。チューブ2、フィン構造10及び側面シート11が構成される材料よりも実質的に異なる熱膨張係数を有する材料で分離シート19が構成される場合において、間隙20は、スタック26の加熱及び冷却中に増加又は減少させることができ、それによって、熱膨張係数の不適当な組み合わせから生じるかもしれないフィン構造10の歪みを実質的に軽減する。間隙20は、歪みを誘発した熱膨張の蓄積を避けるための遮断として機能し、あらゆるそのような歪みは、個々の分離シート19の各々の下にある不連続の接触領域に限定される。図7に示された組立て方法は、ステンレス鋼などのより高い耐熱材料が個々の分離シート19に使用されると共に、チューブアッセンブリ1の構成要素がアルミニウムから作られる場合に特に有益である。
チューブ2は、ここで、図8乃至図13を特に参照してより詳細に説明される。前述のように、図8に示されたチューブ2の実施形態は、第1筒状チューブ部分4と第2筒状チューブ部分5との間に配置された平坦チューブ部分3を含む。第1筒状チューブ部分4は、チューブ2の第1端部7から延び、一方、第2筒状チューブ部分5は、チューブ2の第2端部8から延びる。移行領域6は、平坦チューブ部分3と、第1筒状チューブ部分4及び第2筒状チューブ部分5の各々との間に配置される。移行領域6は、チューブ2を通過する流体に対して滑らかで連続的な流路を提供すると共に、チューブ材料の機械的な応力集中の場所を回避する。
図10の部分断面図に詳細に示されるように、移行領域6は、チューブ2の端部7に近位側の位置27から端部7の遠位側の位置14までのびる長さLにわたって延びる。長さLは、好ましくは、第1筒状チューブ部分4の直径と少なくとも等しいが、いくつかの代替的実施形態では、対応する端部の直径よりも大きさを小さくすることができる。図8に見られるように、幅が広い平面12は、両端部にある位置14を超えて延び、幅が広い平面12の少なくとも一部分は、移行領域6の前端及び後端を画定する位置27と位置14との間でチューブ2に沿って配置される。
好適実施形態では、移行領域6と平坦チューブ部分3の幅が広い平面12の交差部は、曲線を成す通路13を画定する。これらの曲線を成す通路13は、チューブの長手寸法の軸を中心とした曲げモーメントに対するチューブ2の平坦チューブ部分3の有益な剛性を提供する。比較のために、従来のチューブ2が図9に示され、そして、移行領域106によって筒状部分104に接合された平らな部分103を含む。移行領域106と平らな部分103との交差部は、平らな部分103の幅が広い平面112上に直線状通路113を画定する。直線状通路113は、チューブの長手寸法において延び、長手寸法軸を中心とした曲がりが非常に簡単である。これは、熱交換器からチューブ102を含むチューブアッセンブリの取り付け中及び/又は取り外し中に、そのような取り付け及び/又は取り外しが頻繁にチューブに対してこのタイプの曲げモーメントを適用するので、特に有害である。この問題は、焼き入れされたアルミニウムなどの非常に低い強度の材料でチューブが形成された場合に特に悪化させる。
本発明者は、曲線を成す通路13が前述のタイプの曲げモーメントに抵抗するために実質的な補強効果を提供し、チューブ2又はチューブ2を含むチューブアッセンブリ1の取り付け、取り外し及び他の取り扱い中にチューブ2への座屈や他の損傷を防止することがわかった。利点は、あらゆる非直線状通路から得られるが、一連の接続された円弧状通路部分によって画定される通路13が特に有益である。
例示的実施形態では、曲線を成す通路13は、各々、チューブのほぼ中心面に配置された頂部を含み、その頂部は、(平坦チューブ部分3と第1筒状チューブ部分4との間の移行領域の場合では)端部7又は(平坦チューブ部分3と第2筒状チューブ部分5との間の移行領域の場合では)端部8から最も離れている通路13に沿った点14に配置される。通路13は、好ましくは、頂部にある円弧状通路部分を含み、応力集中が頂部で避けられる。
いくつかの好適実施形態では、二つの筒状部分4、5の少なくとも一つの外周(すなわち、円周)は、平坦チューブ部分3の連続したチューブ壁25の外周よりも小さい。これは、有利的に、端部7、8の一方又は両方での相応的に大きな直径を必要としないで、平坦チューブ部分3の単位長さ当たりの比較的大きな伝熱面積を可能とする。両端部での小さい直径は、例えば、隣接するチューブアッセンブリのより近い間隔を可能とすると共に両端部での小さいシール表面を必要とするので、好適である。いくつかの好適実施形態では、平坦チューブ部分3の外周は、二つの筒状チューブ部分の少なくとも一つの外周を少なくとも25%まで超える。
その長さ全体にわたって平らな外郭を有する流体搬送チューブを含む熱交換器が、当該技術分野でよく知られており、ラジエーターなどとして10年間使用されている。このタイプの平らなチューブは、通常、二つの方法のいずれかで構成される。それらは、材料のビレットから平らな形状に押し出しされる及び/又は引き出されて別個の長さに切断される、あるいは、それらは、巻回されたシートの形態を丸い形のシーム溶接のロール扁平に形成することにより、巻回されたシートから平らなチューブ形状にチューブミルで形成されて、別個のチューブの長さに切断される。
平らな部分103及び筒状端部分104を有する従来のチューブ102(図9)などのチューブの場合、平らなチューブの両端部は、筒状端部分104及び移行部分106を形成するために円筒形状に形成される。この工程は、チューブが、銅などの高い可鍛性の材料から構成されて、チューブ2の最大の端部が形成されることだけを必要とするときに迅速かつ容易に行うことができる。しかしながら、この方法は、前述したように、移行領域6を達成することができない。
移行領域6は、平坦部分3の連続したチューブ壁25の所望の外周に等しい外周を有する円形の形態にチューブ2を最初に形成することにより形成されることができる。次に、特に図12を参照して、円形のチューブ2の両端部は、円筒状端部4及び5、並びに、円筒状端部4及び5と、本来の円形形状を保持する中央部3’との間の先細りになった移行領域6’を形成するために直径が減少される。この直径の減少は、例えば、チューブ端部のかしめによって達成されることができる。いくつか好適実施形態では、端部は、平坦部分3と円筒状端部4及び5との間の所望の外周率を達成するために少なくとも20%まで直径を小さくされる。
図13A及び13Bに示されるように、チューブ2の平坦部分3の輪郭は、第1の成形金型半体22と第2の成形金型半体23との間でチューブ2の中央部3’を形成することによって画定されることができる。チューブ2は、半体が開いた状態にあるとき、すなわち、二つの半体が図13Aに示されるように互いに分離されているときに、金型半体22、23の間に挿入される。チューブ2がそのように配置されると、金型は、図13Bの閉じた位置になるように閉じ、それによって、チューブ2の平坦部分3を短手寸法d1及び長手寸法d2に形成する。任意的に、マンドレル24が、形成工程中に広くて平らな側面12の座屈や他の望ましくない変形を防止するために形成工程前にチューブ2内に配置されることができる。マンドレル24は、使用されると、形成工程が完了した後にチューブ2から取り外されることができる。移行領域6の形状は、移行領域6の所望の形状が形成工程中にチューブ2に形成されるように、金型半体22、23の接触面の形状の相補的で消極的な表現を含むことによって製造されることができる。
本発明の特定の特徴及び構成要素に対する様々な代替物が、本発明の特定の実施形態を参照して説明される。上述した各実施形態と相互的に相容れないあるいは矛盾している特徴、構成要素及び工程方法を除いて、ある特定の実施形態を参照して説明された代替的な特徴、構成要素及び工程方法が他の実施形態に適用できることを留意すべきである。
上述されると共に図に示された実施形態は、一例としてのみ提示されており、本発明の概念及び原則の限定を意図されない。然るがゆえに、構成要素及びそれらの構成の様々な変更が本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることが当業者によって理解されるであろう。
Claims (20)
- 熱交換器のためのチューブであって、
第1のチューブ端部から延びる第1の円筒状部分と、
第1のチューブ端部の反対の位置にある第2のチューブ端部から延びる第2の円筒状部分と、
第1のチューブ端部と第2のチューブ端部との間に配置された平坦なチューブ部分であって、二つの比較的短い側面によって接合された、二つの平行に離間配置された、幅が広い平面を備える平坦なチューブ部分と、
第1の円筒状部分と、第1の円筒状部分に対して近位側にある平坦なチューブ部分の第1の端部との間に配置された第1の移行領域と、
第2の円筒状部分と、第2の円筒状部分に対して近位側にある平坦なチューブ部分の第2の端部との間に配置された第2の移行領域と、を備え、
第1の移行領域及び第2の移行領域の各々と、幅が広い平面の各々との交差部は、曲線から成る通路を画定する、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
二つの比較的短い側面は、輪郭が弧状である、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
曲線から成る通路の各々は、チューブの中心面に位置する頂部を含む、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項3記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
曲線から成る通路の各々は、頂部において弧状の通路部分を含む、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
第1の円筒状部分は、チューブの直径を画定し、第1の移行領域は、チューブの直径に少なくとも等しい長さにわたってチューブの軸方向に延びる、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項5記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
チューブの直径は、第1のチューブの直径であり、第2の円筒状部分は、第2のチューブの直径を画定し、第2の移行領域は、第2のチューブの直径に少なくとも等しい長さにわたってチューブの軸方向に延びる、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
第1の円筒状部分は、第1のチューブの外周を画定し、平坦なチューブ部分は、第1のチューブの外周よりも大きい第2のチューブの外周を画定する、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項7記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
第2のチューブの外周は、25パーセント以上まで第1のチューブの外周を超える、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
平坦なチューブ部分は、比較的短い側面の一方上の第1の最も外側にある点と、比較的短い側面の他方上の第2の最も外側にある点との間のチューブの長手寸法を画定し、曲線から成る通路の各々は、チューブの長手寸法よりも長い、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
第1の円筒状部分及び第2の円筒状部分の少なくとも一つは、円周ビードを含む、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項1記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
チューブは、アルミニウム合金からなる、熱交換器のためのチューブ。 - 熱交換器のためのチューブであって、
チューブ端部と、
チューブ端部から離れて配置された平坦なチューブ部分であって、二つの比較的短い側面によって接合された、二つの平行に離間配置された、幅が広い平面を備える平坦なチューブ部分と、
チューブ端部からチューブ端部に対して近位側の第1の位置まで延びる円筒状部分と、
円筒状部分及び平坦なチューブ部分を接続すると共に、第1の位置からチューブ端部に対して遠位側の第2の位置までチューブの軸方向に延びる移行領域と、を備え、
平坦なチューブ部分の少なくとも一部分は、第1の位置と第2の位置との間にある、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項12記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
移行領域は、第2の位置にある頂部まで先細りになる、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項12記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
移行領域と幅が広い平面の一方との交差部は、曲線から成る通路を画定する、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項12記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
円筒状部分は、チューブの直径を画定し、第1の位置と第2の位置との間のチューブの軸方向の距離は、チューブの直径に少なくとも等しい、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項12記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
円筒状部分は、第1のチューブの外周を画定し、平坦なチューブ部分は、第1のチューブの外周よりも大きい第2のチューブの外周を画定する、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項16記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
第2のチューブの外周は、25パーセント以上まで第1のチューブの外周を超える、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項12記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
チューブ端部は、第1のチューブ端部であり、円筒状部分は、第1の円筒状部分であり、移行領域は、第1の移行領域であり、
チューブは、更に、
第1のチューブ端部の反対の位置に配置された第2のチューブ端部と、
第2のチューブ端部から第2のチューブ端部に対して近位側にある第3の位置まで延びる第2の円筒状部分と、
第2の円筒状部分及び平坦なチューブ部分を接続すると共に、第3の位置から第2のチューブ端部に対して遠位側の第4の位置までチューブの軸方向に延びる第2の移行領域と、を備え、
平坦なチューブ部分の少なくとも一部分は、第3の位置と第4の位置との間にある、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項12記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
第1の移行領域及び第2の移行領域の各々と、幅が広い平面の各々との交差部は、曲線から成る通路を画定する、熱交換器のためのチューブ。 - 請求項19記載の熱交換器のためのチューブにおいて、
曲線から成る通路の各々は、チューブの中心面に位置する頂部を含む、熱交換器のためのチューブ。
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