JP2001066089A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヘッダパイプを形成する素材の肉厚を大きく
変えることなく、要求される耐圧性を確保した熱交換器
を提供することを目的とする。 【解決手段】複数のチューブ及びフィンを交互に積層
し、各チューブの端部をヘッダパイプに挿入して接続し
た熱交換器において、前記ヘッダパイプは、一枚のヘッ
ダパイプ素材を折り曲げて形成するものであって、 ヘ
ッダパイプは、長手方向に複数のチューブ挿入孔を設
け、前記チューブ挿入孔と対向する位置に、ヘッダパイ
プ素材の端部同士を重ね合わせて接合した接合部を設け
た熱交換器である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

【０００２】本発明は、車両等に備えられた冷凍サイク
ルに用いられる熱交換器に関する。

【従来の技術】従来において、車両等の冷凍サイクルに
用いられる熱交換器は、一対のヘッダパイプと、前記ヘ
ッダパイプに設けた複数のチューブ挿入孔に端部を挿入
して接続した複数の扁平状のチューブと、前記チューブ
間に装着したフィンとを備えた熱交換器が用いられてい
る。

【０００３】冷凍サイクル間を通流する冷媒は、一方の
ヘッダパイプから熱交換器内に流入し、ヘッダパイプを
通じて各チューブに分配され、チューブ表面及びフィン
に媒体の熱を伝達し、外気との熱交換を行って、他方の
ヘッダパイプから流通し、冷凍サイクルを循環してい
る。

【０００４】この種の熱交換器に用いられるヘッダパイ
プは、アルミ合金素材等からなる板状のヘッダパイプ素
材を折り曲げて、端部を当接し、内部を中空とした断面
円形状に形成されている。

【０００５】ヘッダパイプ素材は、チューブの端部をヘ
ッダパイプの内部中空部に挿入する複数のチューブ挿入
孔を備え、ヘッダパイプ素材の両端面を突き当て、ヘッ
ダパイプ素材に被服されたろう材等によって固着してヘ
ッダパイプを形成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年において、地球温
暖化等の問題に鑑み、フロン使用の廃止が求められてい
る。現状の社会情勢を考慮すると、地球温暖化につなが
る冷媒の使用を停止し、それに代わるより良い冷媒を冷
凍サイクルに用いる必要がある。 例えば、熱交換媒体
として、超臨界冷媒であるＣＯ_２等の気体媒体を用いる
ことが考えられる。

【０００７】超臨界冷媒は、熱交換過程にともなって体
積（密度）変化を生じる気液混合状態の媒体と比較し
て、三倍以上の耐圧性が要求される。

【０００８】従って、ＣＯ_２等の超臨界冷媒を用いる場
合は、要求される耐圧性を確保するために、ヘッダパイ
プやチューブを構成する素材の肉厚を厚くすることが考
えられる。

【０００９】しかし、ヘッダパイプを形成する素材のコ
ア材の厚さを肉厚とすると、コア材の厚さに対応したク
ラッド材を被覆して素材を形成する必要を生じるため、
素材表面にクラッドされたろう材量が増大する。

【００１０】ろう材量を増大すると余分なろう材がチュ
ーブ端部から侵入し、媒体が通流する冷媒流路を塞いで
しまうという不都合を生じる。

【００１１】また、ろう材の溶融量が増大すると、チュ
ーブとヘッダパイプのクリアランスに変動が生じ、広差
が少ない熱交換器の組み付け性が悪化するという問題を
生じる。

【００１２】更に、ろう材量が増大すると、ヘッダパイ
プの熱容量が増大し、ろう材を溶融するために炉の温度
を上げざるをえず、熱交換器を構成する他の部位に支障
をきたす等の問題も生じる。

【００１３】そこで、本発明は、前記問題点に鑑みて、
ヘッダパイプを形成する素材の肉厚を大きく変えること
なく、要求される耐圧性を確保した熱交換器を提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項に記載し
た発明は、複数のチューブ及びフィンを交互に積層し、
各チューブの端部をヘッダパイプに挿入して、接続した
熱交換器において、前記ヘッダパイプは、一枚のヘッダ
パイプ素材を折り曲げて形成するものであって、 ヘッ
ダパイプは、長手方向に複数のチューブ挿入孔を設け、
前記チューブ挿入孔と対向する位置に、ヘッダパイプ素
材の端部同士を重ね合わせて接合した接合部を設けた熱
交換器である。

【００１５】ヘッダパイプは、チューブ挿入孔に対向す
る位置に、ヘッダパイプ素材の端部同士を重ね合わせた
接合部を形成し、チューブから噴出した媒体が当たるヘ
ッダパイプの対向位置を二重構造として、ヘッダパイプ
の強度を向上し、ヘッダパイプにかかる耐圧性を向上し
ている。

【００１６】本願第２請求項に記載した発明は、複数の
チューブ及びフィンを交互に積層し、各チューブの端部
をヘッダパイプに挿入して、接続した熱交換器におい
て、前記ヘッダパイプは、ヘッダパイプ内の空間を貫通
する柱部材を設け、前記柱部材をヘッダパイプと接合し
た熱交換器である。

【００１７】このように、ヘッダパイプ内の空間に貫通
した柱部材を設け、この柱部材をヘッダパイプと接合す
ると、この柱部材によって、ヘッダパイプは内面から補
強されるため、耐圧性が向上する。

【００１８】本願第３請求項に記載した発明は、複数の
チューブ及びフィンを交互に積層し、各チューブの端部
をヘッダパイプに挿入して接続した熱交換器において、
前記ヘッダパイプは、複数のチューブ挿入孔を備え、前
記チューブ挿入孔と対向する部位に形成したヘッダパイ
プの端面当接部を外周面から覆う当接部材を設けた熱交
換器である。

【００１９】本願第４請求項に記載した発明は、前記請
求項３記載の発明において、前記ヘッダパイプに設けた
当接部材は、ヘッダパイプの端部開口部を閉塞するキャ
ップによって保持された熱交換器である。

【００２０】前記当接部材は、ヘッダパイプの外側に当
接して接合するのみならず、ヘッダパイプの上下開口を
閉塞するキャップによって確実に保持されるため、ヘッ
ダパイプの補強が確実になされる。

【００２１】本願第５請求項に記載した発明は、前記請
求項３又は４いずれか記載の発明において、前記当接部
材は、ヘッダパイプの外側方向に突出するビードを備え
ている熱交換器である。

【００２２】前記当接部材は、ヘッダパイプの外側方向
に突出するビードによって、当接部材の剛性を向上し、
ヘッダパイプの補強効果を向上するとともに、耐圧性の
弱いヘッダパイプの端面当接部にビードの凹部が対向す
るように、当接部材を設置してろう付けを行うと、前記
ビードの凹部にフィレットが形成されヘッダパイプの補
強の向上が可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、熱交換器１の概略構成を
示す側面図である。 図１に示すように、本例の熱交換
器１は、チューブ２とフィン３を交互に積層し、これら
の積層したチューブ２の各両端をそれぞれ一対のヘッダ
パイプ４，５のチューブ挿入孔に挿入し、熱交換器１を
形成している。

【００２４】冷凍サイクルを循環する媒体は、他の機器
から、ヘッダパイプ４の媒体流入路６から流入し、ヘッ
ダパイプ４を通流して各チューブ２に分配され、チュー
ブ２の内部に形成された媒体流路を通流して、他方のヘ
ッダパイプ５の媒体流出路７から他の機器へ流出する。
または、ヘッダパイプ４，５のどちらか一方のヘッダパ
イプの長手方向中央部に仕切り板が設けられ、熱交換器
の上下で媒体の通流方向を変えて媒体を通流する場合も
ある。

【００２５】冷凍サイクルを循環する冷媒として、例え
ば、ＣＯ_２等の耐圧性要求の高い媒体を用いると、熱交
換器１を構成する各部材には、通常の三倍以上の耐圧性
が要求される。

【００２６】従来において、ヘッダパイプは、例えば、
所定の厚みの板状体であるヘッダパイプ素材に必要とす
るチューブ挿入孔や仕切り板挿入孔を形成し、治具や金
型を用いて断面円形状となるように丸め、ヘッダパイプ
素材の板厚の端部同士を突き当ててろう付け接合し、円
筒状に形成していた。

【００２７】ＣＯ_２等の高い耐圧性を要求する媒体を冷
凍サイクルに用いる場合、ヘッダパイプ４，５にかかる
圧力は、各チューブ２から噴出した媒体の当たる位置と
なるチューブ挿入孔に対向する位置に最も大きな負荷が
かかる。

【００２８】従来は、ヘッダパイプ素材の端部突き当て
部のクリアランスの管理が容易である等の理由から、チ
ューブ挿入孔に対向する位置にヘッダパイプ素材を断面
円形状に形成するヘッダパイプ素材の端部突き当て部の
位置を設定することが多かった。

【００２９】しかし、このようにヘッダパイプ素材の端
部突当部をチューブ挿入孔の対向位置に設定すると、最
も圧力負荷の高い部位に、他の部位よりも比較的耐圧性
の弱くなるろう付け接合部分を設定してしまう構造とな
り、要求される耐圧性を確保することが困難となる。

【００３０】従って、本例においては、図２に示すよう
に、板状のヘッダパイプ素材の端部を重ね合わせて、二
重構造とした。

【００３１】すなわち、図２に示すように、本例のヘッ
ダパイプ４又はヘッダパイプ５は、チューブ２を挿入す
るチューブ挿入孔の形成部位と対向する位置に、ヘッダ
パイプ素材の端部４ａ及び４ｂを重ね合わせて二重構造
とした接合部４Ａを形成している。

【００３２】このように、チューブ２から噴出する媒体
が当たり、最も耐圧性が必要となる部位は、二重構造と
なっているため、要求される耐圧性を確保したヘッダパ
イプを形成することができ、熱交換器の耐圧性が向上す
る。

【００３３】なお、本例においては、ヘッダパイプ素材
は、断面矩形状に形成した例を示したが、断面矩形状に
限らず、断面円形状に形成し、端部を重ね合わせて二重
構造としたヘッダパイプを形成することも考えられる。
図２に示すように、ヘッダパイプを断面矩形状に形成す
ると、内側となるヘッダパイプ素材の端部と当接するヘ
ッダパイプ外側面となるヘッダパイプ素材の端部の板厚
が、断面矩形状の一辺を構成するため、ヘッダパイプ素
材の端部同士の重なり合いにより、板厚がヘッダパイプ
の外面に突出して段部を形成することなく、ヘッダパイ
プを形成できる。

【００３４】このため、ヘッダパイプ４の端部開口を閉
塞するキャップの形状が単純な形状（本例の場合は、矩
形）となるため、キャップの製造が容易となる利点があ
る。

【００３５】次に、本発明の第二の具体例を説明する。

【００３６】図３は、本発明の第二の具体例であるヘッ
ダパイプ１０と、ヘッダパイプの内空間を貫通する柱部
材１３と、ヘッダパイプの端部開口を閉塞するキャップ
１４の概略構成を示す図である。

【００３７】図３に示すように、本例のヘッダパイプ１
０は、ヘッダパイプ１０に形成されたチューブ挿入孔１
１と対向する位置に、後述する柱部材１３を挿通する挿
入孔１２を設けている。柱部材１３は、ヘッダパイプ１
０の内空間を貫通し、ヘッダパイプ１０に接合される。

【００３８】例えば、図４、図５及び図６に示すよう
に、挿入孔１２からヘッダパイプ１０の内空間に貫通し
た柱部材１３は、はんだ付け等によって、ヘッダパイプ
１０に接合される。図４は、柱部材１３をヘッダパイプ
１０の内面に接合した図を示し、図５は、柱部材１３を
ヘッダパイプ１０の外面に突出させ、柱部材１３をヘッ
ダパイプ１０の外面で接合した図を示す。また、図６
は、柱部材１３をヘッダパイプ１０の外面に突出させ、
ヘッダパイプ１０の外面に突出した柱部材１３の両端部
をヘッダパイプ１０の外面に沿ってカシメ、さらに、カ
シメた端部をはんだ等によって接合した図を示す。な
お、図４、図５又は図６に示すＺは、はんだ等の接合材
を示す。

【００３９】このように、ヘッダパイプ１０の内空間を
貫通する柱部材１３を設けると、柱部材１３によって、
ヘッダパイプ１０は、内面から補強され、ヘッダパイプ
１０の内空間を通流する媒体によって、負荷される圧力
に耐え得る高い耐圧性を備えた熱交換器が構成される。

【００４０】図７及び図８は、第三の具体例であるヘッ
ダパイプ１４と、ヘッダパイプ１４の内空間を貫通する
柱部材１７の具体例を示す図である。

【００４１】図７に示すように、本例のヘッダパイプ１
４は、チューブ挿入孔１５を設け、また、ヘッダパイプ
１４は、柱部材１７が挿通可能となるようにヘッダパイ
プ素材の端部の間隔を開けた溝部１６を設けている。

【００４２】柱部材１７は、ヘッダパイプ１４の内空間
に貫通する柱部１７ａと、ヘッダパイプ１４の外周面の
一部を覆う当接部１７ｂとから構成されている。

【００４３】柱部１７ａは、ヘッダパイプ１４のチュー
ブ挿入孔１５と合致する位置に、チューブ端部を保持す
るチューブ用溝部１７ｃを備えている。従って、図８に
示すように、ヘッダパイプ１４のチューブ挿入孔１５か
ら挿入されたチューブ２は、チューブ挿入孔１５及び柱
部材１７の柱部１７ａに設けたチューブ用溝部１７ｃに
よって保持される。

【００４４】柱部材１７は、ヘッダパイプ１４の溝部１
６から、柱部１７ａを挿入して、ヘッダパイプ１４の内
空間に柱部１７ａを貫通するとともに、ヘッダパイプ１
４の外周面を柱部材１７の当接部１７ｂが覆い、ヘッダ
パイプ１４を外周面から補強する。

【００４５】チューブから流出する媒体は、柱部材１７
の柱部１７ａによってヘッダパイプ１４の内空間で二分
され、ヘッダパイプ１４にかかる圧力負荷が軽減され
る。

【００４６】また、柱部材１７の当接部１７ｂがヘッダ
パイプ１４にろう付け接合され、ヘッダパイプ１４を外
周面から補強し、チューブから噴出した媒体が当たるチ
ューブ挿入孔１５の対向位置の耐圧強度が向上する。

【００４７】従って、耐圧性要求の高い媒体を熱交換器
に通流した場合であっても、熱交換器の耐圧性を確保し
得る。

【００４８】次に、熱交換器に用いられるヘッダパイプ
の第四の具体例について説明する。

【００４９】図９は、チューブ挿入孔１９を形成したヘ
ッダパイプ１８、ヘッダパイプ１８の外周面の一部と当
接する当接部材２０及びヘッダパイプ１８の上下開口を
閉塞するキャップ２１の概略構成を示す図である。ま
た、図１０は、ヘッダパイプ１８に当接部材２０及びチ
ューブ２を接合した状態の概略構成を示す断面図であ
る。

【００５０】図９に示すように、本例のヘッダパイプ１
８は、板状のヘッダパイプ素材の端部を突き当てて、断
面円形状となるように形成している。そして、ヘッダパ
イプ１８の端部接合部１８ａを覆うように、ヘッダパイ
プ１８の外周面の一部を覆う当接部材２０が設けられ、
ヘッダパイプ１８と当接部材２０を一体として、キャッ
プ２１を被せ、ヘッダパイプ１８と当接部材２０を一体
的に接合している。

【００５１】このように、ヘッダパイプ１８と当接部材
２０をキャップ２１で一体的に接合すると、当接部材２
０は、ヘッダパイプ１８の外周面とのろう付け接合だけ
でなく、長手方向の上下からキャップ２１によって保持
される。

【００５２】従って、チューブ２から噴出する媒体の圧
力負荷が大きくなるチューブ挿入孔１９と対向する部位
は、当接部材２０によって、ヘッダパイプ１８の外面か
らヘッダパイプ１８を補強し、ヘッダパイプ１８の耐圧
強度が向上し、要求される高い耐圧性を確保している。

【００５３】なお、図１１に示す第五の具体例のよう
に、ヘッダパイプ１９の端部接合部１９ａを、チューブ
２が挿入されるチューブ挿入孔の真向かいとなる位置に
設定する必要はなく、熱交換器に通風する外気等の影響
も考慮して、ヘッダパイプ１８の端部接合部１８ａ及び
当接部材２０を、チューブ挿入孔の中心位置を示す仮想
線Ｘ及びヘッダパイプの中心点Ｙから角度θの位置にヘ
ッダパイプ１８の端部接合部１８ａを設置が可能であ
る。

【００５４】また、図１２に示す当接部材２２は、ヘッ
ダパイプ１８の外周方向に向けて、突出するビード２２
ａを備えている。また、当接部材２２のビード２２ａ
は、ヘッダパイプ１８の端部接合部１８ａに、ビード２
２ａの凹部２２ｂが位置するように、ヘッダパイプ１９
と当接部材２２を接合する。

【００５５】このように、当接部材２２にビード２２ａ
を形成することにより，当接部材２２の剛性が向上し、
ヘッダパイプ１８を補強する効果が向上し、ヘッダパイ
プの耐圧性が向上する。また、ヘッダパイプ１８の端部
接合部１８ａがビード２２ａの凹部２２ｂによって覆わ
れていると、凹部２２ｂ部分と、ヘッダパイプ１８の外
表面にフィレットＦが形成され、フィレットＦによっ
て、ヘッダパイプ１８の端部接合部１８ａが補強され
る。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、複数の
チューブ及びフィンを交互に積層し、各チューブの端部
をヘッダパイプに挿入して、接続した熱交換器におい
て、前記ヘッダパイプは、一枚のヘッダパイプ素材を折
り曲げて形成するものであって、ヘッダパイプは、長手
方向に複数のチューブ挿入孔を設け、前記チューブ挿入
孔と対向する位置に、ヘッダパイプ素材の端部同士を重
ね合わせて接合した接合部を設けた熱交換器である。

【００５７】ヘッダパイプは、チューブ挿入孔に対向す
る位置に、ヘッダパイプ素材の端部同士を重ね合わせた
接合部を形成し、チューブから噴出した媒体によって、
圧力負荷の係る部位を二重構造として、ヘッダパイプの
耐圧性を向上している。また、ヘッダパイプ内の空間に
貫通する柱部材を設け、前記柱部材の両端部をヘッダパ
イプと接合し、ヘッダパイプの内面からヘッダパイプを
補強することで、ヘッダパイプを耐圧性を向上してい
る。更に、ヘッダパイプの外周面の一部に当接部材を設
け、この当接部材によって、ヘッダパイプの外周から補
強してヘッダパイプの耐圧性を向上している。特に，他
の部位よりも耐圧性が弱くなるヘッダパイプの端面当接
部を当接部材によって、補強するため、ヘッダパイプに
要求される高い耐圧性が確保できる。

【００５８】また、当接部材にビードを設けると当接部
材の剛性が強化され、ヘッダパイプの耐圧性に対する補
強効果が向上する。更に、ビードの凹部をヘッダパイプ
の端面当接部に対向する位置に設置すると、ヘッダパイ
プの表面とそれを覆う当接部材のビードの凹部にフィレ
ットが形成され、このフィレットによっても、ヘッダパ
イプの耐圧性に対する補強効果が向上する。

【００５９】このように、ヘッダパイプに耐圧性を向上
するためにヘッダパイプ素材の端部を重ね合わせて接合
した接合部や、柱部材、当接部材を設けることによっ
て、ヘッダパイプを補強する構造として、ヘッダパイプ
素材の肉厚を厚くすることなく、耐圧性を向上した熱交
換器を提供できる。

【００６０】ヘッダパイプ素材の肉厚を厚くせずにヘッ
ダパイプの耐圧性を向上すると、ヘッダパイプ素材の肉
厚に伴って増量するろう材により、チューブの冷媒流路
が塞がれる等の不都合を回避し、熱交換器の重量軽減が
可能となる。

【００６１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例に係り、熱交換器の側面図であ
る。

【図２】本発明の具体例に係り、ヘッダパイプ、チュー
ブの断面の概略構成を示す図である。

【図３】本発明の第二の具体例に係り、ヘッダパイプ、
柱部材、キャップの概略構成を示す図である。

【図４】本発明の第二の具体例に係り、ヘッダパイプ及
び柱部材の組み付け構造を示す断面図である。

【図５】本発明の第二の具体例に係り、ヘッダパイプ及
び柱部材の他の組み付け構造を示す断面図である。

【図６】本発明の第二の具体例に係り、ヘッダパイプ及
び柱部材の他の組み付け構造を示す断面図である。

【図７】本発明の第三の具体例に係り、ヘッダパイプ及
び柱部材の概略構成を示す図である。

【図８】本発明の第三の具体例に係り、ヘッダパイプに
柱部材を組み付けた構造を示す断面図である。

【図９】本発明の第四の具体例に係り、ヘッダパイプ、
当接部材及びキャップの概略構成を示す図である。

【図１０】本発明の第四の具体例に係り、ヘッダパイプ
に当接部材及びチューブを組み付けた断面の概略構成を
示す図である。

【図１１】本発明の第五の具体例に係り、ヘッダパイプ
に当接部材及びチューブを組み付けた断面の概略構成を
示す図である。

【図１２】本発明の具体例に係り、ヘッダパイプに当接
部材及びチューブを組み付けた断面の概略構成を示す図
である。

【符号の説明】

１ 熱交換器 ２ チューブ ３ フィン ４ ヘッダパイプ ４Ａ 接合部 ４ａ ヘッダパイプ素材の端部 ４ｂ ヘッダパイプ素材の端部 ５ ヘッダパイプ １０ ヘッダパイプ １１ チューブ挿入孔 １２ 挿入孔 １３ 柱部材 １４ ヘッダパイプ １５ チューブ挿入孔 １６ 溝部 １７ 柱部材 １７ａ 柱部 １７ｂ 当接部 １７ｃ チューブ用溝部 １８ ヘッダパイプ １８ａ 端面接合部 １９ チューブ挿入孔 ２０ 当接部材 ２１ キャップ ２２ 当接部材 ２２ａ ビード ２２ｂ 凹部 Ｆ フィレット Ｚ はんだ Ｘ チューブの仮想中心線 Ｙ ヘッダパイプの中心点 θ 角度

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のチューブ及びフィンを交互に積層
   し、各チューブの端部をヘッダパイプに挿入して、接続
   した熱交換器において、 前記ヘッダパイプは、一枚のヘッダパイプ素材を折り曲
   げて形成するものであって、 ヘッダパイプは、長手方向に複数のチューブ挿入孔を設
   け、前記チューブ挿入孔と対向する位置に、ヘッダパイ
   プ素材の端部同士を重ね合わせて接合した接合部を設け
   たことを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 複数のチューブ及びフィンを交互に積層
   し、各チューブの端部をヘッダパイプに挿入して、接続
   した熱交換器において、前記ヘッダパイプは、ヘッダパ
   イプ内の空間を貫通する柱部材を設け、前記柱部材をヘ
   ッダパイプと接合したことを特徴とする熱交換器。
3. 【請求項３】 複数のチューブ及びフィンを交互に積層
   し、各チューブの端部をヘッダパイプに挿入して接続し
   た熱交換器において、 前記ヘッダパイプは、複数のチューブ挿入孔を備え、前
   記チューブ挿入孔と対向する部位に形成したヘッダパイ
   プの端面当接部を外周面から覆う当接部材を設けたこと
   を特徴とする熱交換器。
4. 【請求項４】 前記ヘッダパイプに設けた当接部材は、
   ヘッダパイプの端部開口部を閉塞するキャップによって
   保持されていることを特徴とする前記請求項３記載の熱
   交換器。
5. 【請求項５】 前記当接部材は、ヘッダパイプの外側方
   向に突出するビードを備えていることを特徴とする前記
   請求項３又は４いずれか記載の熱交換器。