プレートフィンの散熱器の軽量化に関する研究

市場競争が激化する中、プレートフィンラジエーターの利益率は低下しています。従来型のラジエーターの中には、重量に基づいて価格が設定されているものもあります。収益性を高めるため、企業はコスト削減の手段としてあらゆる手段を講じて製品の軽量化を図っています。ラジエーターの核となるのは、図 1 に示すコア構造であり、総重量の最大 80% を占めます。したがって、コアの軽量化は軽量化の設計プロセスの重要な部分になります。では、どうすればコアを軽量化できるのでしょうか？

図 1: ラジエーターの構造図

熱交換器の心臓部となるコアは、フィン、クラッドシート、シールバーで構成されています。図2に示すように、クラッドシート上にフィンを配置し、別のクラッドシートで覆い、側面をシールバーでシールすることで基本ユニットが形成されます。プレートフィン熱交換器のコアは、このような基本ユニットを多数組み合わせて組み立てられます。このコア構造をベースに軽量化を図るためには、構成部品であるシールバー、セパレータプレート、フィンの軽量化設計が必要となります。

図 2: コア構造の基本単位

プレートフィン熱交換器の各流路の両側にはシールバーが配置されています。さまざまな構造形式があり、一般的な幅は 6 ～ 10 mm の範囲です。幅が小さいほど重量は軽くなりますが、溶接の成功率にも影響する可能性があります。現在、適切な溶接面積を維持しながら重量を軽減するために、中空シールバーが一般的に使用されています。

クラッド シートは、2 つのフィン層の間に位置する平らな金属プレートであり、両面クラッド シートとも呼ばれます。これらは、片面または両面がろう合金でコーティングされたベース合金 (通常はアルミニウム - マンガン合金) で構成されています。ろう付けプロセス中に、このフィラー合金が溶けて、フィンと平板が結合されて一体化されます。フィラー合金は通常、5 ～ 12% のシリコンを含むアルミニウム - シリコン合金で、融点は通常ベース材料の融点より約 40 ℃ 低くなります。現在、クラッドシートの厚さは0.8mmから0.5mmへと薄くなってきています。さらなる削減は、耐圧要件と現在のプロセス能力によって制限されます。航空宇宙や低高度経済などの要求の厳しい用途では、クラッド シートの厚さは 0.45 mm、さらには 0.4 mm まで薄くなりましたが、これによりろう付けプロセスに非常に高い要求が課せられます。

フィンはプレートフィン熱交換器の最も基本的な要素であり、主に熱伝達を担当します。これらは通常、スタンピングまたはロール成形法のいずれかを使用して製造されます。製造では、高さが低く、ピッチが大きいフィンは一般にロール成形 (ロール成形機を使用) によって製造されますが、高さが高く、ピッチが小さいフィンは通常、スタンピング (波形成形機を使用) によって製造されます。スタンピングはロールフォーミングの高効率に比べて生産効率が低くなります。一般的に使用されるアルミニウム箔の厚さは、0.15 mm、0.17 mm、0.2 mm です。

現在、ラジエーターのほとんどは完全なアルミニウム構造を実現しています。フィンに使用されるアルミ箔はどんどん薄くなっており、現在は0.17mmが主流で、時には0.15mmに達することもあります。より小さなコアアセンブリでは、フォイルの厚さは 0.12 mm にまで下がることもあります。フィンフォイルの厚みが薄くなると、変形に対する抵抗力が弱まります。真空ろう付けでは、材料の融点に非常に近い温度が必要となるため、材料が軟化して変形しやすくなります。高温ろう付けプロセス中にコアの崩壊や変形が発生してスクラップが発生する可能性があり、これがフィンの軟化の大きな原因となります。現在の真空ろう付け機能に基づくと、業界標準の厚さは 0.17 mm ですが、より小さいコアでは 0.15 mm が実現可能です。フィンの厚さをさらに 0.12 mm まで薄めるための実験的取り組みが進行中ですが、これは現在、重量が重要な航空宇宙用途にのみ適用されており、まだ広く産業で採用されていません。

軽量設計を可能にするためには、高度な製造プロセスが不可欠です。

真空ろう付け技術:これは、アルミニウム プレートフィン ラジエーターを製造するための重要なプロセスです。これにより、真空環境下でフラックスを使用せずにフィンとセパレータプレート間の冶金的接合が可能になり、強力でクリーンで漏れのない一体構造が得られます。

ノークロック連続ろう付け:コスト削減の手段として、真空ろう付けからノークロック連続ろう付けへの移行が検討されています。

さまざまなフィンのタイプ (平板、鋸歯状、波形など) を選択すると、熱放散、流速、圧力損失のバランスをとることができます。たとえば、鋸歯状のフィンは、熱境界層を破壊することで熱伝達を高めます。業界をリードする一部の超薄型オールアルミニウムラジエーターは、独自のフラットチューブ乱流促進構造と高密度フィン構成を採用して、熱交換性能を向上させています。

さらなる軽量化を目指した技術開発が続けられています。例えば、一部の特許では、強度を維持しながら部品の重量を軽減するために、短いシールバーにV字型の溝と突起を設計し、それによってラジエーターの軽量化を促進することを提案しています。