(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の各工程からなる熱交換器ユニットの組立方法：
（ａ）多数のフィンと、直線状の管部分を有する少なくとも１本の管とを形成し、該フィンの各々に該管部分を受け入れるための少なくとも１つの穴を設ける工程、
（ｂ）各フィンの穴が同軸に配置されるように前記フィンを配列してフィン・パックを形成し、これにより該フィン・パックを貫通する集合通路を形成する工程、
（ｃ）前記管部分の両端部がフィン・パックの外側に残るように、前記管部分を前記集合通路内に挿入する工程、
（ｄ）前記管部分の両端部を固定する工程、
（ｅ）前記管部分の両端部に縦方向の圧縮力を与えて、前記管部分を半径方向に拡大させてフィンと接触させ、これにより管部分と穴との間に締まりばねを形成して、該フィンを該管部分に機械的に固定させる工程。
【請求項２】
一対の直線状の管部分をベンド部により結合した管を形成し、各フィンに一対の穴を設け、前記管部分の各々が前記フィンの各々の一対の穴のうちの対応する穴に受け入れられる請求項１の方法。
【請求項３】
直線状の管部分を有する複数の管を形成し、各フィンに複数の穴を設け、前記複数の管の管部分の各々が前記フィンの各々の複数の穴のうちの対応する穴に受け入れられる請求項１の方法。
【請求項４】
ブラケットを前記管部分に組み立て、前記管の両端部に縦方向の圧縮力を与えたときに前記ブラケットを前記管部分に固定し、これによりブラケットおよびフィンを同時に管に固定する工程をさらに含む請求項１の方法。
【請求項５】
圧縮力を与える工程において、前記管部分の外周に均一な変形を発生させる請求項１の方法。
【請求項６】
圧縮力を与える工程において、フィン間の管部分の領域内に限定して、フィンと係合するのに必要とされるよりも大きく管部分を膨出させるように、前記管部分のみを変形させる請求項１の方法。
【請求項７】
圧縮力を与える工程において、前記管部分の肉厚を増加させる請求項１の方法。
【請求項８】
圧縮力を与える工程において、前記管部分の両端部の少なくとも一方のフィン・パックに隣接する部分に半径方向膨出部を形成する請求項１の方法。
【請求項９】
外周に開口を設けたマニホルドを形成する工程と、
前記管部分の両端部の一方を前記マニホルドの外周開口内に挿入して、これにより前記管部分の半径方向膨出部をマニホルドに当接させる工程と、
前記管をマニホルドにはんだ付けして、これにより前記半径方向膨出部をマニホルドに当接した状態を保持させる工程、
をさらに含む請求項８の方法。
【請求項１０】
圧縮力を与える工程において、前記管部分の両端部の少なくとも一方のフィン・パックに隣接する部分に、環状溝により縦方向に間隔を開けて配置される一対の半径方向膨出部を形成する請求項１の方法において、
内部通路および外周開口を有するマニホルドを形成する工程と、
前記管部分の両端部の一方をマニホルドの外周開口内に挿入して、これにより、前記一対の半径方向膨出部のうち、第１の半径方向膨出部をマニホルドの内部通路内に、第２の半径方向膨出部をマニホルドの外側にそれぞれ配置させる工程と、
前記管をマニホルドにはんだ付けして、これにより第１の半径方向膨出部をマニホルドの内部通路内に配置した状態を保持させる工程、
をさらに含む方法。
【請求項１１】
次の各工程からなる熱交換器ユニットの組立方法：
（ａ）多数のフィンと、複数の直線状の管部分を有する少なくとも１本の管とを形成し、該フィンの各々に該管部分を受け入れるための少なくとも１つの穴を設ける工程、
（ｂ）各フィンの穴が同軸に配置されるように前記フィンを配列してフィン・パックを形成し、これにより該フィン・パックを貫通する集合通路を形成する工程、
（ｃ）前記管部分の両端部がフィン・パックの外側に残るように、前記管部分をフィン・パックの集合通路内に挿入する工程、
（ｄ）前記管部分の各々の第１の端部を第１の固定具組立体で掴み、前記管部分の各々の第２の端部を第２の固定具組立体で掴む工程、
（ｅ）前記第１および第２の固定具組立体の少なくとも１つに縦方向の圧縮力を与えて、前記管部分を各々半径方向に拡大させてフィンと接触させ、これにより、管部分と穴との間に締まりばねを形成して、該フィンを該管部分に機械的に固定させ、かつ、第１および第２の端部のフィン・パックに隣接する部分の各々に半径方向膨出部を形成する工程。
【請求項１２】
少なくとも一対の直線状の管部分を１８０°のベンド部により結合させる請求項１１の方法。
【請求項１３】
直線状の管部分を複数の独立した管により形成する請求項１１の方法において、
外周に開口を設けた一対のマニホルドを形成する工程、
前記管部分の第１および第２の端部を各マニホルドの外周開口内に挿入し、これにより前記管部分の各半径方向膨出部を各マニホルドに当接させる工程と、
前記管をマニホルドにはんだ付けして、これにより前記半径方向膨出部の各々を各マニホルドに当接した状態を保持させる工程、
をさらに有する方法。
【請求項１４】
圧縮力を与える工程において、前記管部分の両端部の少なくとも一方のフィン・パックに隣接する部分に、環状溝により縦方向に間隔を開けて配置される一対の半径方向膨出部を形成する請求項１１の方法において、
内部通路および外周開口を有する一対のマニホルドを形成する工程と、
前記管部分の第１および第２の端部を各マニホルドの外周開口内に挿入して、これにより、該両端部それぞれの前記一対の半径方向膨出部のうち、第１の半径方向膨出部を各マニホルドの内部通路内に、第２の半径方向膨出部を各マニホルドの外側にそれぞれ配置させる工程と、
前記管をマニホルドにはんだ付けして、これにより第１の半径方向膨出部をマニホルドの内部通路内に配置した状態を保持させる工程、
をさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、熱交換器を組み立てるために管をフィンの配列に結合させるための改良方法に関するものである。さらに詳細には、本発明は、管およびフィンを機械的に結合させ、この場合に、管通路内に貫入することなく縦方向圧縮により管が変形され、これにより管を半径方向外方に拡大させて、管に装着されたフィンおよび任意の他の部品と係合させるための改良方法に関するものである。
【０００２】
従来技術の説明
熱交換器は、種々の産業において、モータ、エンジン、ステアリング、トランスミッションおよび油圧液を冷却するためのラジエータ、空調システムに使用されるコンデンサおよびエバポレータ、およびヒータの形で広く使用されている。それらの最も単純な形において、熱交換器は１つまたは複数の通路を含み、この通路内を流体が流れ、その間に通路の周囲の環境と熱を交換する。環境と流体との間の熱伝達のために利用可能な表面積の広さをできるだけ最大にするために、熱交換器の設計は、典型的には、フィンと熱的に連絡する多数の管を含む、管およびフィン・タイプである。フィンは、流体から環境へ、またはその逆方向へ熱を伝達するための熱交換器の能力を向上させる。従来技術において種々の熱交換器設計が既知である。設計の変更態様は、流体通路が構成され且つフィンのタイプが使用される方法を含む。例えば、通路は、曲がりくねって熱交換器を横断する１本以上の蛇行管で構成されてもよく、または一対のヘッダに、またはヘッダ間に結合され、典型的にはろう付された、平行に分離された多数の管からなっていてもよい。フィンは、その中に管が挿入される穴を有するパネルの形に、または管の隣接対の間に位置決めされるセンター部分の形に形成されてもよい。
【０００３】
通常、熱交換器は、ろう付作業または機械的拡大技術を用いて管およびフィンを結合することにより製造される。機械的拡大技術は、熱交換器の部品の機械的結合のみに依存して熱交換器の一体性を確保する。機械的拡大技術の利点は、良好な機械的強度および加熱作業を必要とする結合作業の回避を含む。機械的に結合された管およびフィンの熱的性能は、管とフィンとの間の適切な接触に依存している。したがって、機械的拡大技術における改良は、しばしば、管とフィンとの結合部の均一性および一体性が改良される方法に向けられてきた。通常の機械的拡大方法は、一般に、外部作業および内部作業に分類することができる。内部拡大技術は、典型的には、マンドレルまたはブレットのような拡管工具を管内に圧入したり、または管に油圧による内圧を与えることを必要とする。これらの方法は、管の壁部を外方に押し拡げてフィンと係合させる。これに対して、外部拡大技術は、一般に、管に衝撃またはプレス力を与えてフィンと係合させる工具を用いて管を変形させることを必要とする。内部拡大方法は、結合力の向上および熱伝達抵抗の低下を特徴とするが、管内に工具を挿入したりまたは流体を供給したりすることは、概して管内に汚染物質を導く可能性があり、これにより形成後のクリーニング作業を必要とするという観点から好ましくない。さらに、従来技術による管の壁部を変形させる方法は、肉厚を極めて薄くさせ、したがって強度を低下させる可能性を高くする。最後に、内部拡大方法は蛇行管を用いて形成された熱交換器に使用するには適切ではない。これに対して、外部拡大方法は、一般に、管の外周全体に、均一な管とフィンとの接触を与えることができない。
【０００４】
上記の理由から、熱交換器の管およびフィンを機械的に結合するために改良方法が利用可能であれば有利であることが明らかである。このような方法は、内部拡大方法に匹敵する結合強度を形成することが好ましいが、汚染および肉厚低下の可能性を含む内部拡大方法の欠点を回避するために、完全に外部拡大技術に依存している。好ましい技術は、蛇行管形状を含む熱交換器設計に使用するのにも極めて適している。
【０００５】
発明の要約
本発明により、モータまたはエンジンを冷却するためのラジエータ、空調システムに使用されるコンデンサまたはエバポレータ、パワー・ステアリング液、自動および手動トランスミッション液のためのオイル・クーラー、空気および油圧システムの液のためのアフタ・クーラー、またはヒータとして使用するのに適した熱交換器ユニットを組み立てるための方法が提供される。本方法は、新規な拡大技術を含み、この拡大技術は、管通路内への物理的挿入を必要とすることなく、熱交換器の管とフィンとの間の増大された機械的結合強度および金属管接触を示す、管とフィンとの結合を形成する。したがって、本発明の方法は、内部拡大技術の欠点を回避し、従来の外部拡大技術に対する著しい改善を提供する。
【０００６】
本発明の方法は、一般的に、ほぼ直線状の管部分（複数の管部分を有する場合にはこれらはほぼ平行に配置される）を有する１本以上の管と組み立てるための多数のフィンを形成することを含む。数対の管部分がベンド部（１８０°曲管）またはエルボ部（９０°曲管）により結合されて蛇行管形状を形成してもよい。フィンの各々は、フィンが、それと組み立てられる各管を受け入れるための１つ以上の穴を含むように形成されている。次に、フィンは、フィン・パック即ちほぼ平行なフィンの配列を形成するように配置され、この場合に、フィンの穴は同軸に芯出しされてフィン・パックを貫通する集合通路を形成する。次に、管部分が集合通路内に挿入され、この場合に、ベンド部またはエルボ部（存在する場合）などの管の両端部（管部分の両端部を含む）はフィン・パックの外側に残されている。最後に、管部分に対し縦方向に力を与えることにより、管部分は拡大されてそれぞれのフィンと接触し、且つそれぞれのフィンと機械的に固定される。さらに詳細には、管部分の端部に固定具が装着され、縦方向力は固定具を介して与えられ、これにより管部分を半径方向外方に膨出させて管部分とフィンとの間に締まりばめを形成する。管部分の半径方向膨出により、管に結合すべき任意のブラケットまたはその他の部品を同時に固定してもよい。
【０００７】
管に固定具が適切に装着された場合、変形が各管部分の外周に均一に生じ、したがって各管部分とそのフィンとの間に均一な締まりばめが形成され、これによりそれらの間の熱伝達を向上させることがわかった。必要な縦方向の力は、管部分のみが変形されるように容易に制御できることが有利であり、この場合に、フィン間の管部分の領域内に限定して、フィンおよび部品を係合させるために必要な膨出よりも大きく管部分を膨出させるように、管部分のみを変形させ、これにより、得られた管およびフィン組立体の構造的一体性をさらに向上させる。圧縮力が使用されるので、管部分内に肉厚減少は発生しない。これに対し、肉厚増加が発生することがある。
【０００８】
上記の組立方法は、フィン・パック内への管部分の挿入および管部分の拡大を、複雑でない作業で実行させることを可能にする。ある用途に対しては、管をフィン・パック内に挿入するのに使用される固定具を、管を拡大するために縦方向圧縮力を与える固定具として使用することもまた可能である。本発明の方法は、適切な結合強度および一体性を達成するために使用される、内部拡大技術およびろう付作業のような従来技術による組立方法に比較して著しく簡単にされている。さらに、本発明の方法は、連続蛇行管にフィンを固定するために使用可能であり、この場合に、管部分およびベンド部またはエルボ部が、フィン・パック内を貫通する一体形成流体通路の部分であり、しかも各管部分が個々にフィン・パック内のフィンの各々に固定され、これにより熱交換器に高い機械的一体性を与えることができる。単一連続蛇行管の使用は、平行に配置された多数の管部分に機械的または冶金的に結合されなければならない多数のベンドまたはエルボおよび継手を必要とする従来技術により組み立てられた蛇行管に比較して、組立を簡単にしている。本発明の他の利点は、内部拡大工具を使用する従来の方法に対して、上記の結合技術により、管内の乱流発生部および内面形状部（例えば螺旋溝付管）が損傷されないことである。最後に、本発明は、ろう付熱交換器に対して必要な工程および機器を使用することなく、優れた管とフィンとの結合を達成させる。
【０００９】
本発明のその他の目的および利点が以下の詳細説明から明らかである。
【００１０】
以下に本発明を、一例として添付図面により説明する。
【００１１】
好ましい実施態様の詳細説明
熱交換器の管およびフィンを組み立て且つ機械的に結合するための改良方法が図１ないし４に示され、この方法により組立可能な熱交換器１０、１２および１４の例が図５ないし７にそれぞれ示されている。図示のように、熱交換器１０はコンデンサまたはエバポレータとして形成され、熱交換器１２は自動車のオイル・クーラーとして形成され、および熱交換器１４はオフロード即ち移動式熱交換器として形成されている。図５および６の熱交換器は概してそれぞれ蛇行管１６および１８を特徴とし、蛇行管１６および１８の各々は、ほぼ平行な多数のフィン２４からなるそれぞれフィン・パック２０および２２内に配置されている。管１６および１８は、相互に対をなし且つベンド２８により結合されて示されているほぼ平行な多数の管部分２６を形成し、この場合に、管部分２６の端部に装着（例えばろう付またははんだ付け）されたエルボの使用もまた本発明の範囲内である。図７の熱交換器１４は一対のマニホルド３２の間に平行に接続された管３０を特徴としている。図５および６の熱交換器１０および１２と同様に、図７に示す熱交換器１４の管３０はほぼ平行なフィン３６からなるフィン・パック３４内に配置されている。管１６、１８および３０は各々円形断面を有するように示されているが、他の断面形状が使用可能であることが考えられる。管１６、１８および３０およびフィン２４および３６は銅およびアルミニウム合金のような任意の適切な材料から形成可能であるが、必ずしもこれに限定されない。管１６、１８および３０は押出成形されてもよく、この場合に、蛇行管１６および１８は、適切な曲げ技術を用いて、希望の蛇行管形状をなすように、連続的に形成される。フィン２４および２６は、スタンプ加工または任意の適切な技術により形成してもよい。
【００１２】
図５、６および７に示す熱交換器１０、１２および１４を用いて、本発明の外部拡大方法を説明するが、当業者には、本発明の教示が、外観が著しく異なる熱交換器ユニットに対しても適用可能であることがわかるであろう。例えば、図５および６には単一の蛇行管のみが示されているが、種々のパターン（食い違いまたはインライン）の多重蛇行管がこれらの熱交換器１０および１２の構造内で使用されてもよい。さらに、熱交換器１０、１２および１４は単列の管からなるように示されているが、任意の数の管列および管コラムが使用されてもよい。
【００１３】
図１ないしし４は、図６の熱交換器１２の蛇行管１８およびフィン２４を組み立て且つ機械的に結合するときに使用される方法および固定具を示す。しかしながら、図１ないし４に示す固定具および方法は、図５の蛇行管およびフィン組立体、および図７の熱交換器１４により要求される平行管およびフィン組立体にも、また適用可能であり、この場合に、図７の熱交換器１４に対しては固定具に多少の修正が必要とされる。各々の場合において、管の直線部分（図５および６の管部分２６および図７の管３０）は、それぞれのフィン２４および３６内に形成された穴内に受け入れられる。穴の輪郭は、管即ち円形管部分２６の断面に対応し、管３０は直径が僅かに大きい円形形状穴内に挿入される。本発明により、穴はその中に受け入れられる管より約５％以内で大きい直径を有することが好ましいが、異なる隙間が使用されることもまた予想される。ある実施態様においては、約０．３７３ないし約０．３７５インチ（約９．４７ないし約９．５３ｍｍ）の直径を有する管が、約０．３７５ないし約０．３７７インチ（約９．５３ないし約９．５８ｍｍ）の直径を有する穴内に組み立てられ、このとき隙間は約０．０００ないし約０．００４インチ（約０．１ｍｍ以下）である。
【００１４】
ここで図１を参照すると、管部分２６がフィン２４の穴内に挿入されたのちの管１８およびフィン２４が示されている。フィン・パック２２から伸長する管１８の両側端部と係合する前の、一対の掴み固定具３８および４０が示されている。各固定具３８および４０は、キャビティー（空洞）４２および４４を有する２つの半部分から構成され、半部分が相互に締め付けられたときに、管１８の隣接端部がキャビティー４２および４４内に係合する。固定具３８内のキャビティー４２は、管１８のベンド２８を受け入れるためのベンド４６を含む。図１ないし４に示す実施態様において、掴み作用を与えるように、各キャビティー４２および４４の直径が管１８およびベンド２８の直径より僅かに小さいことが好ましい。典型的には図７に示すタイプの熱交換器の場合のように、フィン・パックの外側で管の僅かな部分のみがアクセス可能な場合、キャビティー４２および４４は、管を掴む代わりに、管端部に対する当接面を与えるように修正されることが好ましい。したがって、本発明と共に使用するのに適した固定具は、希望の縦方向力が与えられる間、管を安定させるために、管を掴み、管と当接し、またはこれらを組み合わせるように形成されていてもよい。
【００１５】
図２は、適切な格納ボックスおよびクランプ・ガイド５８内で管１８上に締め付けられる固定具３８および４０を示し、図３および４は、固定具３８および４０に縦方向力を与え、これにより固定具３８および４０の間で管部分２６に縦方向圧縮を形成させたのちの、同じ装置を示す。この結果、管部分２６の長さに沿って管部分２６の半径方向拡大が形成され、これにより、管部分２６が拡大してフィン２４の各々と係合し且つ機械的に結合する。縦方向圧縮はまた、固定具３８および４０とフィン・パック２２との間の管１８内に半径方向膨出部４８および５０を形成させる。フィン２４は、それらの穴内で発生する拡大の量を制限し、この場合に、管部分２６がさらに変形されて、隣接する一対のフィン２４の各々の間で管部分２６の半径方向膨出を形成する。同様に、図４に、拡大操作によるブラケット５２の管１８への固定が示されている。ブラケット５２はフィン・パック２２の外側で管１８に固定されているように示されているが、本発明の方法は、ブラケット５２およびその他の部品を、フィン・パック２２内の管部分２６に固定することも可能にする。
【００１６】
管１８およびフィン２４の機械的に確実な結合を得るための管１８の縦方向圧縮の量は、一部、管１８およびフィン２４の使用材料および寸法に依存する。実際に、約６．５インチ（約１６．５ｃｍ）の長さおよび約０．３７５インチ（約９．５ｍｍ）の直径を有するアルミニウム管は、上記の範囲の穴寸法を有するフィン３６と、約０．３７５インチ（約９．５ｍｍ）の管に縦方向圧縮力を与えることにより確実に組み立てることができる。
【００１７】
図８に、図７の熱交換器１４の平行な管およびフィン組立体をマニホルド３２と組み立て、それに続いて本発明の方法により管３０およびフィン３６を機械的に結合するための適切な技術が示されている。管３０の一方の端部が、膨出部５０がマニホルド３２の外部と当接するまでマニホルド３２の穴内に挿入されているところが示されている。次に、管３０はマニホルドにはんだ付けされ、はんだ付け継手５４を形成し、はんだ付け継手５４の漏れ抵抗は、管３０内に膨出部５０が存在することにより向上される。図９は代替態様を示し、この代替態様においては、管３０の端部に一対の膨出部５０が形成され、これにより、穴を形成するマニホルド３２の壁を受け入れる環状溝５６を形成する。同様に、はんだ付けが使用され、これによりはんだ付け継手５４を完成させる。
【００１８】
好ましい実施態様に関して本発明を説明してきたが、他の形状が使用可能であることは当業者には明らかである。例えば、上記以外の種々の材料が使用されてもよく、固定具、管およびフィンが上記とは異なる形状を有していても、本発明の利点を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により管端部を固定する前の、熱交換器ユニットのための管およびフィン組立体および前記組立体の管端部のための固定具の側面図を示す。
【図２】管端部を固定したのちの、図１の管およびフィン組立体の平面図を示す。
【図３】本発明により固定具に縦方向力を与えて管内に半径方向膨出部を形成し、これにより管およびフィンを機械的に結合させたのちの、図１の管およびフィン組立体の平面図を示す。
【図４】本発明により固定具に縦方向力を与えて管内に半径方向膨出部を形成し、これにより管およびフィンを機械的に結合させたのちの、図１の管およびフィン組立体の側面図を示す。
【図５】図１ないし４に示す方法により組み立てられた、コンデンサ／エバポレータの斜視図を示す。
【図６】図１ないし４に示す方法により組み立てられた、自動車オイル・クーラーの斜視図を示す。
【図７】図１ないし４に示す方法により組み立てられた、マニホルド形の油圧オイル・クーラーの斜視図を示す。
【図８】図７の熱交換器に対して本発明の方法を用いて製造可能な他の管およびヘッダ継手を示す。
【図９】図７の熱交換器に対して本発明の方法を用いて製造可能な他の管およびヘッダ継手を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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