JP4211038B2 - 特に熱交換器用の金属から成る中空室異形材 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、特に熱交換器用の金属から成る中空室異形材であって、円管又は同軸管の形状を持つか又は２つの互いに平行な広い面及び２つの狭い面を持つ押出し成形された基本異形材から成り、基本異形材の内部空間に、基本異形材の縦方向に少なくとも１つの通路が延びているものに関する。

熱交換器用中空室異形材のこの構成はドイツ連邦共和国実用新案第９４０６５５９号から公知である。そこには、押出し成形機において通路を形成するウエブの変形が簡単に示されている。ウエブの成形部は後で形成されるのではなく、押出し成形機において行われる。このため波状に成形すべきウエブのために、波状に成形すべきではない他のウエブのためより多い押出し成形材料が供給される。成形材料のこの多い供給は、材料を圧縮し、従って成形すべきウエブの恣意的な変形を生じる。それにより簡単に表面の増大が行われ、それにより熱伝達が改善される。しかしウエブの恣意的な変形により、２つの変形されたウエブにより区画される通路が、異形材の縦方向に狭くされるか又は広くされる。流れ断面のこのような変化は、圧力損失を生じ、従って熱交換能力を低下させる。

更にドイツ連邦共和国特許出願公開第１００４９９８７号明細書から、等間隔に環状の波を持つ冷却管が公知であり、これらの波は半径方向外方へ延び、最初は滑らかな円筒状管の軸線方向圧縮により形成される。波の間には滑らかな円筒状管部分がある。このような管は、その大きい外表面のため、滑らかな管より大きい熱伝達を示す。しかし自由流れ断面は、環状波が設けられている管の個所で大きくなっているので、管を通って流れる媒体の圧力損失従って熱交換損失が生じる。更にこの管は、後で行われる軸線方向圧縮により管が影響を受けるという欠点を持っている。

押出し成形されるアルミニウム管又は多室中空異形材の代わりに、アルミニウム板から圧延成形された異形材が使用される。これらの異形材は、しばしば高周波溶接又は適当な変形及びそれに続くろう付けにより閉じられる。乱流片の使用により、熱伝達特性を改善することができる。この方法の欠点は、乱流片を製造しかつ組立てるための高い費用である。更にろう付け又は溶接される管継ぎ目は、機械的負荷又は腐食性負荷のかかる場合、頻繁な故障の原因となる。押出し成形されるアルミニウム異形材の使用により、問題は一部しか解決できない。管継ぎ目は著しく安定であるが、押出し成形方向にのみ変形される管壁及び管ウエブによる熱伝達への適合は限られている。特に例えば過給空気冷却器における空気又はＣＯ_２又は空調熱交換器におけるガス状冷却媒体のようなガス状媒体では、熱は最適には伝達されない。

本発明の課題は、従来の押出し成形された異形材に対して改善された熱伝達特性を持ちかつ簡単に製造可能な特に熱交換器に中空室異形材を利用可能にすることである。

本発明によればこの課題は、請求項１又は５にあげた特徴を持つ金属製中空室異形材及び請求項８による方法によって解決される。

特に熱交換器用の金属製の本発明による中空室異形材は、なるべく耐食性で硬ろう付け可能な例えば１ｘｘｘ，３ｘｘｘ又は６ｘｘｘ合金のようなアルミニウム合金から成る基本異形材から構成されている。押出し成形された基本異形材は、円管形状又は同軸管形状又は２つの互いに平行な広い面及びこれらの広い面を結合する２つの狭い面を持つ扁平管形状を持っている。基本異形材の内部空間は縦方向の少なくとも１つの通路により形成されている。基本異形材の縦方向に対して直角に、対向する面が変形され、左向きの成形部と右向きの成形部は交代している。これらの成形部は、基本異形材の幅が全縦範囲にわたって変化しないように、互いに合わされている。

本発明によれば、このような成形部は、基本異形材の狭い面にも、広い面から広い面へ延びて複数の通路を形成するウエブにも設けられる。いずれにせよ狭い面及びウエブの成形部は同様に形成されている。これは、すべての変形が同時に同じように行われることによって、達せられる。例えば基本異形材の縦範囲における波状変形が行われ、その際縦範囲に対して交差して左向きの成形部と右向きの成形部とが交代していると、各ウエブの波状推移の波の山と、両方の狭い面の波の山が、それぞれ隣接するウエブ又は狭い面の波状成形部の対応する波の谷へはまる。

管異形材特に縦方向に複数の通路を持つ同軸管では、このような変形部が狭い面及び通路を形成するウエブに設けられる。いずれにせよここでも、外側及びウエブの成形部は同様に形成されている。

変形される面及びウエブの波状推移の振幅が全中空室異形材において同じ大きさであるようにすることができ、同様にこれを変形部の波長についても行うことができる。しかし同じように良好な熱伝達において高度の対流を得るため、不変な波長及び同じ大きさの振幅を持つ変形部の波状推移が存在することは必要でない。しかし変形部のこのような波状推移の波長及び振幅が変化すると、２つの隣接する壁が互いに近づかないようにするため、このことが隣接するウエブ及び面に対して同じように当てはまるようにせねばならない。通路の流れ断面は変形部によっては変らない。しかし変形部は、異形材を通るガス又は液体に対して、公知の使用可能な乱流と対比可能な乱流を示さない。このような波付き異形材は、ガス流及び液体流の熱交換能力を高めるために使用することができるが、液体流における効果は一般に少ない。有利な使用は、このような中空室異形材を冷却器特にＣＯ_２ガス冷却器又は自動車用過給空気冷却器として使用することである。

本発明による中空室異形材は、平行に延びるウエブ及び変形されない狭い面を持つ公知の押出し成形された異形材に対して、一層高い能力を持っている。なぜならば、同じ熱伝達において、ガス又は液体の流れに交差するウエブ及び狭い面の変形部により生じる乱流により一層良好な対応が付加的に行われるからである。

このような中空室異形材は簡単に製造することができる。第１の方法段階においては、押出し成形により連続中空異形材例えば連続円管異形材、連続同軸管異形材又は２つの互いに平行な広い面及び湾曲するか又は平らな狭い面を持つ連続扁平異形材が、基本異形材の内部空間内に延びる少なくとも１つの通路を持って、製造される。押出し成形ダイの変形区域から出る高温の連続中空異形材が、振動運動する変形工具により規定されて振動せしめられかつ変形される。変形された連続中空異形材は、それから中空室異形材の所望の長さに裁断し、必要に応じて管端部に刻印部を設けることができる。この刻印部は、集合管への簡単な押込み及び熱交換器となるように申し分のないろう付けに役立つ。

好ましいように、変形区域から出る高温の連続中空異形材は、連続中空異形材の出て行く方向に対して直角に振動運動する変形工具の作用を受ける。その際扁平異形材の狭い面又は円管異形材の外面及び場合によってはウエブも同時に変形される。

特別な実施形態では、狭い面及びウエブが、基本異形材の縦方向に波状変形を受ける。このような波状推移の波長は、連続中空異形材に対して好ましいように不変である。これは、変形工具の振動周波数を連続中空異形材の押出し速度に合わせることによって行われる。多室中空異形材の製造の際、１５〜２０ｍ／ｍｉｎなるべく６０〜１５０ｍ／ｍｉｎの押出し成形速度が使用される。連続中空異形材の波状変形部の波長は、１〜１００ｍｍの程度である。

連続扁平管異形材の変形即ち偏向は、なるべく管幅の方向に行われるので、その平行な推移の広い面は維持され、変形されない。その利点は、次に熱交換器に加工する際、簡単な組立て特に冷却薄板と集合管との結合を行えることである。

しかし２つの振動面を互いに別々に制御し、それにより周期的波付け部を形成することも可能であり、これは特に円管異形材又は同軸管異形材において有利である。

変形工具の振動運動は、連続中空異形材の出て行く方向に交差する偏向力を生じる。この偏向は機械的押圧力及びせん断力によって行うことができる。連続中空異形材の電磁的偏向も同様に可能である。変形工具による連続中空異形材の偏向のための特にやさしい作用は、流動媒体により行われる。この場合空気、窒素や水も使用することができる。

本発明にとって重要なことは、高温の連続中空異形材が変形されることである。これは、変形工具を押出し成形ダイのすぐ近くに設けることによって行うことができる。連続中空異形材が押出し成形ダイを出て、変形工具の作用を受けた後、連続中空異形材の著しい冷却は行われない。歪みの少ない変形を可能にするため、変形工具内における連続中空異形材の温度は、２５０℃以上なるべく４００℃以上であるようにする。さて押出し成形機から出る高温の連続中空異形材が振動する変形工具によりつかまれて偏向されると、偏向力が戻るまで押出し成形ダイへ作用し、そこで材料の流れに影響を及ぼす。このような変形工具は例えば押出し成形機の凹所にある相手横梁に設けられる。

しかし押出し成形ダイから出る連続中空異形材が押出し成形機から案内して出されるようにすることも考えられる。この場合押出し成形機と変形装置との間に、連続中空異形材を案内する適当な装置を設けるのが有利である。この場合にも歪みのない変形を可能にするため、連続中空異形材の高い出口温度が利用される。しかし変形工具内の連続中空異形材が２５０℃以上の所望の変形温度を持つようにせねばならない。

本発明による方法の別の実施形態では、押出し成形ダイ自体が振動運動する変形工具として作用するように考慮される。押出し成形ダイを押出し成形機内に位置ぎめする押出し成形ダイ又は装置及び工具の部品は、押出し成形過程中振動運動を行う。

本発明による方法により、波状変形部を持つ中空室異形材が構成されるが、従来技術とは異なり、所定のように製造可能な波状推移であり、即ち波付けの再現可能な振幅又は波長である。それにより異形材の全縦範囲にわたって常に不変な自由流れ断面及び不変な壁厚を持つ中空室異形材が製造される。異形材に大きい圧力損失が生じることなく、熱交換面の増大が行われる。同時に波付けにより層流が乱される。この乱流は異形材の熱交換能力を有利に高める。

本発明のそれ以上の特徴、利点及び有利な構成は、添付図面による本発明の以下の説明から明らかになる。

図１には、本発明による金属製中空室異形材が示されている。これは、なるべく押出し成形される軽金属製基本異形材１０から成っている。この基本異形材１０は、基本異形材１０の縦方向に向く少なくとも１つの通路１１なるべく複数の通路１１を持っている。これらの通路１１は壁１２又はウエブ１３により区画されている。基本異形材１０は、更に壁１２の内側に設けられて通路１１の方へ向きかつウエブ１３に対して平行に延びるがここには図示してないウエブ突起を持つことができる。図１及び２からわかるように、基本異形材１０は２つの互いに平行な広い面１６，１７を持ち、これらの広い面は異形材の平らな上側及び下側を形成している。これは、異形材を熱交換器異形材として使用する場合有利である。それは、簡単な組立て、及び基本異形材１０の上側及び下側に設けられる冷却薄板との結合を可能にする。

本発明による中空室異形材は、円管又は同軸管の形状を示し、また異形材の縦方向に向く１つ又は複数の通路を持つことができる。

異形材の熱交換能力を高めるために設けられる波付け部は、ここでは狭い面１８，１９及びウエブ１３のみに限られている。狭い面１８，１９は基本異形材の縦方向に対して直角に変形され、左へ向く成形部２１と右へ向く成形部２２が、両方の狭い面１８及び１９においてもウエブ１３においても互いに交代している。特に図３からわかるように、基本異形材１０は、波付け部にもかかわらず縦範囲のどこでも同じ高さの幅Ｂを持っている。その理由は、両方の狭い面１８，１９が同じように成形され、即ち同じ波状経過を持っているからである。ウエブ１３も同様に同じ波状推稜を持っている。基本異形材１０の任意のいかなる個所でも、隣接するウエブ１３の間隔Ａは同じ大きさである。狭い面１８と最初のウエブ１３′との間隔Ｃ、及び狭い面１９と最後のウエブ１３″との間隔Ｄも一定である。これは、図１による基本異形材１０の任意のいかなる断面も、図２と同じ断面を持ち、即ち基本異形材１０が縦方向に常に同じ自由流れ断面を持っていることを意味している。その結果本発明による基本異形材１０では、波付け部にもかかわらず、大きい圧力損失は生じない。なぜならば、流れに影響を及ぼす抵抗は存在しないからである。

図１及び３に示す基本異形材１０は、有利なように、縦方向に波状経過を示す狭い面１８，１９及びウエブ１３の変形部を持ち、これらの波は同じ波長を持っている。狭い面１８，１９及びウエブ１３の成形部２１，２２は、その最大偏向即ちその振幅が一致している。このような構成は、高い熱交換能力を得るために必ずしも必要ではない。自由流れ断面が不変である限り、波状経過は異なる波長又は振幅を持つことができる。しかし前述した構成は一層容易に製造される。

金属から成る本発明の中空室異形材に所定の再現可能な波付け部を設けることが、図４ａ，４ｂ及び図５による方法の２つの別な実施例において説明される。

公知のように、押出し成形機により連続中空異形材２０が製造される。押出し成形機のうち、図４ａ，４ｂ及び５には、ダイ室３４，３５を持つ押出し成形ダイ３３のみが示されている。押出し成形機は従来技術から公知の直接押出し成形機、間接押出し成形機又はコンフォームプレスである。所望の輪郭形状を持つ連続中空異形材２０は、押出し方向３６に押出し成形ダイ３３から押出し成形される。図４ａ及び５による構成では円管が、図４ｂによる構成では複数の通路１１を持つ扁平中空異形材が得られる。従来のように高温の連続中空異形材２０が、冷却台に沿って、引続く加工場所例えば被覆、変形又は裁断場所へ送られる。図４ａ及び４ｂに示す装置では、連続中空異形材２０は、案内体３７の所まで直線状連続異形材推移ＢＩを示す。この直線状連続異形材推移ＢＩに、変形される連続異形材推移ＢＩＩが続く。変形部は、変形工具３０により生じる左向きの成形部２１及び右向きの成形部２２である。この変形工具３０は、連続中空異形材２０に左向きの成形部２１を形成するため移動方向３１に、続いて右向きの成形部２２を形成するため移動方向３２に動く。変形工具３０は、中空室、異形材１０のために所望の波長ｌを得るため、押出し成形速度従って連続異形材押出し速度ｖに合わせた振動周波数ｆの振動を行う。変形工具３０の振動周波数ｆは次式に従って、現われる。
ｆ＝ｖ／ｌ
ｆ＝振動周波数Ｈｚ（ｌ／ｓ）
ｖ＝連続異形材押出し速度ｍ／ｓ
ｌ＝波長ｍ

１ ｍ／ｓ（６０ｍ／ｍｉｎ）の連続異形材押出し速度及び０．００５（５ｍｍ）の所望の波長ｌで、変形工具のｆ＝２００Ｈｚの振動周波数が生じるであろう。中空室異形材特にＭＰ異形材（多ポート異形材）又はＭＭＰ異形材（微小多ポート異形材）の連続異形材押出し速度ｖは、１５〜２００ｍ／ｍｉｎなるべく６０〜１５０ｍ／ｍｉｎである。本発明による波状変形部の波長ｌは、１〜１００ｍｍの程度である。

力の作用により連続中空異形材２０に当たる際変形部を生じる変形工具３６の振動運動は、種々のやり方で、例えば電磁的、偏心輪駆動装置又は液圧装置により室現することができる。

連続中空異形材２０を電磁的に偏向させることも可能である。

歪みの少ない変形を可能にするため、変形工具３０内における連続中空異形材２０の変形温度は、少なくとも２５０℃であるが、なるべく４００℃以上であるようにする。全製造装置の構造のため、連続中空異形材２０の温度が２５０℃より著しく下に低下するほど、直線状連続異形材推移ＢＩが長い場合、押出し成形ダイ３３の出口と変形工具３０との間に、連続中空異形材２０を変形工具３０内の所望の変形温度に保つ加熱装置を設けねばならない。直線状連続異形材推移ＢＩの範囲が非常に小さいと、このような加熱をやめることができる。

図５には、本発明による方法のための装置の別の原理的構造が示されている。ここでは別個の案内体３７がなくされている。変形工具３０は連続中空異形材２０の案内体の機能を引受ける。しかしこの場合移動方向３１，３２における運動により変形工具３０によって生じる偏向力は、戻ってダイ３３の中まで作用し、そこで材料の流れに影響を及ぼす。この場合連続中空異形材２０がダイ３３から出た後直線状連続異形材推移ＢＩは存在しない。連続中空異形材２０は変形区域の中まで材料流れの影響を受けるので、工具から出た直後に成形部２１，２２が形成され、従ってダイ３３と変形工具３０の間に既に存在する。有利なように変形工具３０は、波状成形部の波長ｌの少なくとも２倍に相当する幅ＢＩＩＩを押出し方向３６に持っている。

振動連続異形材案内体であるこのような変形工具３０はなるべく押出し成形機自体に設けられ、特にこのような変形工具３０は、押出し成形機の相手横梁の凹所に設けて案内することができる。

本発明による中空室異形材の斜視図を示す。 図１による中空室異形材の断面図を示す。 図１の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う中空室異形材の断面図を示す。 円管異形材のための本発明による方法実施例の原理図を示す。 扁平管異形材のための図４ａによる本発明による方法実施例の原理図を示す。 本発明による別の方法実施例の原理図を示す。

符号の説明

１０ 基本異形材
１１ 通路
１２ 壁
１３，１３′，１３″ ウエブ
１４ １０の開いた端部
１５ １０の開いた端部
１６ 広い面
１７ 広い面
１８ 狭い面
１９ 狭い面
２０ 連続中空異形材
２１ 左向きの成形部
２２ 右向きの成形部
２３ 内部空間
３０ 変形工具／振動発生機
３１ 移動方向
３２ 移動方向
３３ 押出し成形ダイ
３４ ダイ室
３５ ダイ室
３６ ２０の押出し方向
３７ 案内体
Ａ 隣接するウエブの間隔
Ｂ １０の幅
ＢＩ 直線状連続異形材推移
ＢＩＩ 変形された連続異形材推移
ＢＩＩＩ ３０の幅
Ｃ 狭い面１８とウエブ１３′との間隔
Ｄ 狭い面１９とウエブ１３″との間隔

Claims (22)

1. 金属から成る中空室異形材であって、２つの互いに平行な広い面（１６，１７）及び２つの狭い面（１８，１９）を持つ押出し成形された基本異形材（１０）から成り、基本異形材（１０）の内部空間（２３）に、基本異形材（１０）の縦方向に少なくとも１つの通路（１１）が延びているものにおいて、狭い面（１８，１９）が、基本異形材（１０）の縦方向に対して直角に変形され、縦範囲に対して横に左方へ向く成形部（２１）と縦範囲に対して右方へ向く成形部（２２）とが、基本異形材（１０）の幅（Ｂ）が基本異形材（１０）の全縦範囲にわたって同じであるように、両方の狭い面（１８，１９）で基本異形材（１０）の縦方向に互いに交代していることを特徴とする、中空室異形材。
2. 基本異形材（１０）の内部空間（２３）内で広い面（１６）から広い面（１７）へ延びて複数の通路（１１）を形成するウエブ（１３）が設けられ、これらのウエブ（１３）が基本異形材（１０）の縦方向に対して直角に向く成形部（２１，２２）を持ち、２つの隣接するウエブ（１３）の間隔、狭い面（１８）と最初のウエブ（１３′）との間隔、狭い面（１９）と最後のウエブ（１３″）との間隔が、基本異形材（１０）の縦範囲にわたって同じであることを特徴とする、請求項１に記載の中空室異形材。
3. 狭い面（１８，１９）及びウエブ（１３）の成形部（２１，２２）が、基本異形材（１０）の縦範囲において波状の推移を示し、従って基本異形材（１０）が縦方向に常に同じ自由流れ断面を持っていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の中空室異形材。
4. 狭い面（１８，１９）及びウエブ（１３）の波状推移が、基本異形材（１０）の全縦範囲にわたって、同じ波長を持っていることを特徴とする、請求項３に記載の中空室異形材。
5. 金属から成る中空室異形材であって、円管形状又は同軸管形状の押出し成形された基本異形材（１０）から成り、基本異形材（１０）の内部空間（２３）内に、少なくとも１つの通路（１１）が基本異形材（１０）の縦方向に延びているものにおいて、基本異形材（１０）の対向する面が、基本異形材（１０）の縦方向に対して直角に変形され、縦範囲に対して直角に左方へ向く成形部（２１）と、縦範囲に対して直角に右方へ向く成形部（２２）とが、対向するこれらの面で互いに交代し、基本異形材（１０）の幅（Ｂ）が基本異形材（１０）の全縦範囲にわたって同じであることを特徴とする、中空室異形材。
6. 基本異形材（１０）がアルミニウム又はアルミニウム合金から作られていることを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の中空室異形材。
7. 気体流又は液体流用の冷却器として使用されることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載の中空室異形材。
8. 金属から成る中空室異形材の製造方法であって、
   押出し成形により、円管形状又は同軸管形状の連続中空異形材（２０）、又は２つの互いに平行な広い面（１６，１７）及び湾曲するか又は平らな狭い面（１８，１９）及び基本異形材（１０）の内部空間（２３）内に延びる少なくとも１つの通路（１１）を持つ連続中空異形材（２０）が製造され、
   この連続中空異形材（２０）が変形され、
   続いて基本異形材（１０）の所望の長さに連続中空異形材の裁断が行われるものにおいて、
   押出し成形ダイ（３３）の変形区域から出る高温の連続中空異形材（２０）が、連続中空異形材（２０）の出て行く方向（３６）に対して直角に振動運動する変形工具（３０）により振動せしめられかつ／又は変形される
   ことを特徴とする、方法。
9. 連続中空異形材がアルミニウム又はアルミニウム合金から押出し成形されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 変形区域から出る高温の連続中空異形材（２０）において、連続中空異形材（２０）の出て行く方向（３６）に対して直角に振動運動する変形工具（３０）により、狭い面（１８，１９）及び存在するウエブ（１３）の同じ強さの成形（２１，２２）が同時に行われることを特徴とする、請求項８又は９に記載の方法。
11. 狭い面（１８，１９）及びウエブ（１３）が、基本異形材（１０）の縦方向に同じような波状変形を受けることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 変形区域から出る高温の連続中空異形材（２０）において、少なくとも２つの振動面で運動する変形工具（３０）により、異形材壁（１２）の波付けが行われることを特徴とする、請求項８又は９に記載の方法。
13. 波状変形の所望の波長（ｌ）を得るため、変形工具（３０）の振動周波数（ｆ）が押出し成形速度（ｖ）に合わされることを特徴とする、請求項８〜１１の１つに記載の方法。
14. 連続中空異形材（２０）が１５〜２００ｍ／ｍｉｎの押出し成形速度で製造されることを特徴とする、請求項８〜１３の１つに記載の方法。
15. 連続中空異形材（２０）の波状変形部の波長が１〜１００ｍｍの程度であることを特徴とする、請求項８〜１４の１つに記載の方法。
16. 変形工具（３０）が、押出し成形ダイ（３３）から出る高温の連続中空異形材（２０）を直接つかみ、従って変形工具の振動運動の際現われる偏向力が戻るまで押出し成形ダイ（３３）に作用することを特徴とする、請求項８〜１５の１つに記載の方法。
17. 変形工具（３０）が押出し成形機の相手横梁にある凹所に設けられていることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 押出し成形機から出る連続中空異形材（２０）が、押出し成形ダイ（３３）から離れて設けられる案内体（３７）によってつかまれ、変形工具（３０）へ供給され、その際連続中空異形材（２０）の温度が、押出し成形ダイ（３３）の出口温度から始まって少なくとも２５０℃以上の変形工具（３０）内の変形温度まで低下されることを特徴とする、請求項８〜１５の１つに記載の方法。
19. 押出し成形機から出る連続中空異形材（２０）が、押出し成形ダイ（３３）から離れて設けられる案内体（３７）によりつかまれ、変形工具（３０）へ供給される前に、少なくとも２５０℃以上の変形温度まで加熱されることを特徴とする、請求項８〜１５の１つに記載の方法。
20. 変形工具（３０）の振動運動が電磁的に行われることを特徴とする、請求項８〜１９の１つに記載の方法。
21. 連続中空異形材（２０）の変形を行う変形工具（３０）が、連続中空異形材に流動媒体を周期的に当てることを特徴とする、請求項８〜１９の１つに記載の方法。
22. 押出し成形ダイ（３３）自体が振動運動する変形工具（３０）として作用することを特徴とする、請求項８に記載の方法。

Images