JP5146245B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を空気等の被熱交換流体と熱交換させる熱交換器に関するものである。特に、ＣＯ２冷媒等の内圧の高い冷媒を用いた熱交換器、例えばＣＯ２カーエアコン用エバポレータ、ガスクーラ、ＣＯ２ヒートポンプ式給湯機の室外機ユニットに搭載するエバポレータ等に用いられるものである。

従来、ＣＯ２冷媒等の内圧の高い冷媒を用いた熱交換器のタンク部の構造としては、図４のように、ろう材をクラッドした外プレート３１、中プレート３２、内プレート３３の３部品で構成している。この中で、内プレート３３は剛性を高めるために両端に曲げ部３３ｄを有する。そして、内プレート３３両端の曲げ部３３ｄの曲げ高さＨが中間プレートの板厚ｔ３２以上となり、図５のように、内プレート３３の壁部３３ｃの上方端が、外プレート３１の端部と干渉部３３ｈで干渉（当接）していた。

内プレート３３の両端を曲げるのは、内プレート３３の強度を確保するためである。そして、曲げ高さＨは、プレス加工を容易にするためにある程度必要である。この結果、特に意図的にプレス加工しない限り、上述のように、干渉部３３ｈで干渉（当接）が発生していた。

また、壁部３３ｃからは間欠的に、かしめ加工のための爪状のかしめ部３３ｆが突出している。そして、このかしめ部３３ｆを外プレート３１の上に巻きがしめて、外プレート３１、中プレート３２、内プレート３３を仮固定し、炉内に入れて加熱して、最終的には、これら３部品をろう付けにより接合している。

このような、間欠的に突出する爪状のかしめ部３３ｆを用いてかしめる熱交換器のタンク部の構造としては例えば特許文献１や特許文献２が知られている。
特開２００７−２９８１９７号公報 特開２００６−１７４４２号公報

上記のような干渉は、何ら問題を生じるものではないとされてきたが、次のような問題が発生した。即ち、経年使用の後に、冷媒が漏れるという問題があったのである。この原因について調査したところ、上記の干渉部３３ｈで疲労破壊が進行していることに着目した。更に、この疲労破壊について研究したところ、上記干渉部３３ｈが、ろう付け時のろう付け起点となり、中プレート３２の側面にボイド（空気層）が発生することがあることが判明した。

即ち、図５においては、内プレート３３の上面の基部３３ａと外プレート３１の下面の接合面３１ｃにろう材が被覆されているが、ろう付け時の高温化で当接部分のろう材同士が溶融して表面張力や毛管力で引き合い、溶融したろう材の移動が生じる。この結果、上記中プレート３２の側面３２ａに、流出したろう材が空気層を閉じ込めて固まる現象が発生する。

この空気層つまりボイドは、完全に外部から密閉されている場合は、それほど大きな問題ではないが、多くの場合、微小な隙間を介して外部と連通している。このようなボイド内に凝縮水が浸入して凍結すると、凍結による水分の膨張と融解による収縮で繰り返し応力が発生し、ろう付け部が疲労破壊し、冷媒漏れが発生することに着目した。

また、干渉部３３ｈが、ろう付け起点となると、ろう付け時に不必要なろう材の引き合いや移動が生じ、ろう材の過不足が発生し、ろう付け必要部位のろう材が不足することで、ろう付け不良を惹起する問題がある。つまり、あらかじめ接合してほしいところに充分な量のろう材を被覆しているが、ろう材の移動や流出が生じると、不必要な部位にろう材が堆積し、必要な部位のろう材が不足することがあった。

本発明は、このような従来の問題の原因追求の成果として成されたものであり、その目的は、高耐圧のタンク部のろう付け性能の向上、及び冷媒漏れに繋がる凍結割れの防止を可能にした熱交換器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、一対のタンク部（３０、４０）の間に、熱交換部（７）を形成する複数の冷媒が流れるチューブ（５）が並設され、チューブ（５）間を流れる被熱交換流体との熱交換を行う熱交換器であって、タンク部（３０、４０）はチューブ（５）が接続される内プレート（３３）と外プレート（３１）と、該外プレート（３１）と内プレート（３３）の間に挟持された中プレート（３２）を有し、内プレート（３３）と外プレート（３１）と、中プレート（３２）はろう付けによって互いに接合されており、外プレート（３１）は冷媒の通路となる溝部が被熱交換流体の流れ方向と交わる方向に長く形成されており、中プレート（３２）は被熱交換流体の流れ方向と交わる方向に多数の貫通孔が設けられており、該貫通孔はチューブ（５）内と連通しており、内プレート（３３）にはチューブ（５）が挿入され、該内プレート（３３）の被熱交換流体の流れ方向の端部に曲げ部（３３ｄ）が形成され、該曲げ部（３３ｄ）の先端に中プレート（３２）の板厚（ｔ３２）より小さい曲げ高さ（Ｈ）の壁部（３３ｃ）が設けられていることを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、曲げ部（３３ｄ）の先端に中プレート（３２）の板厚より小さい曲げ高さの壁部（３３ｃ）が設けられているから、壁部（３３ｃ）の先端が外プレート（３１）と干渉することが無くなり、壁部（３３ｃ）と中プレート（３２）の間にろう付け後のボイドが形成されなくなるから、ボイド内に水分が浸入し凍結することによる疲労破壊が防止でき、冷媒漏れが解消される。

次に、請求項２に記載の発明は、壁部（３３ｃ）の先端と外プレート（３１）の間にろう付け後のろう材の橋絡を阻止する第１間隙（ｃ１）が形成されていることを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、第１間隙（ｃ１）によってろう材に包まれたボイドの形成を阻止できる。

次に、請求項３に記載の発明は、壁部（３３ｃ）の先端と外プレート（３１）の間に、該外プレート（３１）と中プレート（３２）と、内プレート（３３）を仮固定するかしめ部（３３ｆ）が部分的に形成されていることを特徴としている。

この請求項３に記載の発明によれば、かしめ部（３３ｆ）が部分的に形成されていることにより、仮固定を簡単に行うことが出来る。

次に、請求項４に記載の発明は、かしめ部（３３ｆ）の幅（Ｗ）は、かしめ部（３３ｆ）相互間のピッチ（Ｐ）より短いことを特徴としている。

この請求項４に記載の発明によれば、かしめ部（３３ｆ）の幅（Ｗ）は、かしめ部（３３ｆ）相互間のピッチ（Ｐ）より短いから、かしめ部（３３ｆ）を適当な間隔、寸法で形成でき、容易にかしめられる。

次に、請求項５に記載の発明は、内プレート（３３）の被熱交換流体の流れ方向の端部にろう付けにより中プレート（３２）と密着する内プレート（３３）側の基部（３３ａ）の平坦部と、ろう付けにより中プレート（３２）と密着する外プレート（３１）側の接合面（３１ｃ）が設けられており、該外プレート（３１）側の接合面（３１ｃ）の先端と前記壁部（３３ｃ）の先端の間に第１間隙（ｃ１）が形成され、中プレート（３２）の側面（３２ａ）と壁部（３３ｃ）の間に第２間隙（ｃ２）が設けられていることを特徴としている。

この請求項５に記載の発明によれば、第１間隙（ｃ１）により、ボイドの発生を阻止でき、第２間隙（ｃ２）によって、曲げ部（３３ｄ）と中プレート（３２）の側面（３２ａ）との干渉が避けられる。

なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における熱交換器の構造について、図１から図３を用いて説明する。図１は、第１実施形態における熱交換器の斜視図である。図２は、第１実施形態における熱交換器の部分拡大分解斜視図である。図３は、第１実施形態における熱交換器の部分拡大断面図であり、図２の矢印III−IIIから見た断面を示している。

図１に全体を示す熱交換器１００は、熱交換部７、上側の上タンク部（ヘッダタンク）３０、下側の下タンク部４０、側面両側に位置し図では片側しか見えていないサイドプレート５０、及び接続ブロック６０を備えている。そして、これらは、アルミニウム、或いはアルミニウム合金で構成されている。また、熱交換器１００は、各部分がろう付けにより一体に接合されている。

上記の熱交換部７は、内部を冷媒が流れる流通路を有する断面扁平形状の複数のチューブ５を備えている。この複数のチューブ５は、互いに対向するように並設されている。更に、複数のチューブ５は、図１から明らかなように、熱交換器１００によって熱交換される被熱交換流体と成る空気の流れ方向Ａ（以下、空気の流れ方向Ａという）に対して２列に設けられている。つまり、図２のように、チューブ５は、空気の流れ方向Ａの風下側に設けられた複数の風下側チューブ５ａと、空気の流れ方向Ａの風上側に設けられた複数の風上側チューブ５ｂとから構成されている。

なお、各チューブ５内を流れる冷媒の流れから考察すれば、風下側チューブ５ａは、風上側チューブ５ｂより、冷媒流れの上流側に設けられ、風上側チューブ５ｂは下流側に設けられている。

図２に示すように、各チューブ５ａ、５ｂの長手方向の両端部（図２では上端部しか見えない）には、挿入部５ｃが形成されている。この挿入部５ｃの断面形状は、チューブ５（５ａ、５ｂ）の断面形状と同じか、または縮小した断面扁平形状となっている。

そして、上記の挿入部５ｃは、上タンク部３０内へ挿入されている。また、チューブ５の図示しない他端側（図１下側）の挿入部も、同様に下タンク部４０内に挿入されている。

空気の流れ方向Ａと直行する複数のチューブ５（５ａ、５ｂ）の並設方向（以下、図１に示すようにチューブの並設方向Ｂという）の両端には、各々サイドプレート５０が設けられている（図１では右側のサイドプレートしか見えない）。このサイドプレート５０は、チューブ５の長手方向に沿って設けられ、板部材で構成されている。そして、チューブ並設方向Ｂに隣り合うチューブ５間の全てには、フィン６が設けられている。

上記のサイドプレート５０は、サイドプレート５０に隣接するフィン６を保護する役割を有する。さらに、サイドプレート５０は、熱交換部７の強度を高めている。

上タンク部３０は、図２のように、外プレート３１、中プレート３２、及び内プレート３３を備えている。図１の下タンク部４０も上タンク部３０と略同様の構成とされている。そして、上タンク部３０のチューブの並設方向Ｂの一端側には、図１のように接続ブロック６０が設けられている。

この接続ブロック６０には、熱交換部７に冷媒を供給する冷媒流入路６１と、熱交換部７から冷媒を吐出する冷媒流出路６２とが形成されている。そして、冷媒流入路６１は、断面円形状であり、冷媒を膨張させる図示しない膨張弁に接続されている。

また、冷媒流出路６２の断面も円形状であり、この冷媒流出路６２は、冷媒流入路６１の径より大きな径で形成されている。そして、冷媒流出路６２は、冷媒を気液分離する図示しないアキュムレータに接続されている。

次に、熱交換器１００の作用について説明する。熱交換器１００は、冷凍サイクル中に接続され、蒸発器として用いられる。まず、図示しない膨張弁により低温低圧となった気液二相状態の冷媒が、図１の冷媒流入路６１内に流れ込む。この冷媒流入路６１を流れる冷媒は、上タンク部３０を介して図２の複数の風下側チューブ５ａの内部に流れ込む。その後、冷媒は、下タンク部４０を介して複数の風上側チューブ５ｂの内部に流れ込む。

そして、冷媒は、再び上タンク部３０に至り、図１の冷媒流出路６２から吐出される。ここで、風下側チューブ５ａ、及びの風上側チューブ５ｂの内部を流れる冷媒は、熱交換器７を通過する空気と熱交換している。

次に、本発明の要部である上タンク部３０、及び下タンク部４０の具体的な構造について、図２、及び図３に基づいて詳細に説明する。尚、上タンク部３０と下タンク部４０とは略同じ構成である為、上タンク部３０のみ説明する。なお、図３は図２の各部品を組み付け後、矢印III−III方向から見た断面図である。

図２において、上タンク部３０を構成する外プレート３１、中プレート３２、内プレート３３のうち、外プレート３１は、チューブ並設方向Ｂに長い部材である。この外プレ１ート３１は、長方形状の板部材からプレス加工によって成形される。

また、外プレート３１の内側の接合面３１ｃには、図示しないろう材層が形成されている。かつ、外プレート３１には、チューブ並設方向Ｂに長い第１溝部３１ａ、及び第２溝部３１ｂが形成されている。これらの第１溝部３１ａ及び第２溝部３１ｂは、平行に設けられている。また、第１溝部３１ａは、第２溝部３１ｂよりも風下側に設けられている。

また、これらの溝部３１ａ、３１ｂは、断面半円形状（トンネル形状）の流路を形成している。また、各溝部３１ａ、３１ｂの両端は開口しており、この両端の開口には、各溝部３１ａ、３１ｂ内から冷媒が流出しないように図１のように栓９０が設けられている。

図２の中プレート３２は、外プレート３１と内プレート３３との間に設けられている。この中プレート３２は、複数のチューブ５の並設方向Ｂに長い長方形状の部材であり、長方形状のアルミニウムの板部材からプレス加工によって形成されている。

また、中プレート３２には、複数の貫通孔３６が形成されている。複数の貫通孔３６は、チューブ並設方向Ｂに沿って並んでおり２列構成となっている。そして、貫通孔３６は、断面扁平形状であり、チューブ５の挿入部５ｃの断面形状より大きい。そして、貫通孔３６には、チューブ５の挿入部５ｃが貫通孔３６の途中まで挿入される。

内プレート３３は、チューブの並設方向Ｂに長い部材であり、長方形状の板部材からプレス加工によって形成されている。そして、内プレート３３における中プレート３２側の主面である基部３３ａの接合面には、図示しないろう材層が形成されている。そして、内プレート３３は、上記基部３３ａと、剛性を高めるための曲げ部３３ｄと、両端の壁部３３ｃを有している。

内プレート３３の基部３３ａの接合面は、中プレート３２の被接合面３２ｃ（図２裏側）と全面にわたって面接触している。また、基部３３ａの空気の流れ方向Ａにおける短辺（基部３３ａの幅）は、中プレート３２の空気の流れ方向Ａにおける短辺（中プレート３２の幅）より若干長くしている。

基部３３ａには、複数の貫通孔部３３ｂが形成されている。この複数の貫通孔部３３ｂは、基部３３ａの空気の流れ方向Ａに直交する方向に２列に並んで設けられている。また、貫通孔部３３ｂは、断面扁平形状であり、複数のチューブ５の挿入部５ｃの断面形状と同一である。そして、貫通孔部３３ｂには、チューブ５の挿入部５ｃが貫通して挿入されている。

基部３３ａの空気の流れ方向Ａの上下流両側には、壁部３３ｃが曲げ部３３ｄを介し一体的に設けられている。つまり曲げ部３３ｄは、基部３３ａと壁部３３ｃとの間の部分である。そして、内プレート３３の基部３３ａを内側にして壁部３３ｃが基部３３ａに対して曲げられていることによって曲げ部３３ｄが形成されている。

壁部３３ｃは、基部３３ａと同様にチューブの並設方向Ｂに長い部材である。壁部３３ｃの寸法のうち、チューブの並設方向Ｂにおける寸法は、基部３３ａのチューブの並設方向Ｂにおける長辺と同じ寸法である。壁部３３ｃに所定のピッチ（スパン）Ｐで設けられたかしめ部３３ｆの先端側は、図３に示すように、中プレート３２を内側にして折り曲げられ、外プレート３１の外側にかしめられる。

このように、折り曲げられた壁部３３ｃの先端は、部分的にかしめ部３３ｆとされ、このかしめ部３３ｆが外プレート３１の表面に押しつけられ、かしめられる。

また、この壁部３３ｃは、中プレート３２の側面３２ａを覆っている。また、かしめと同時に、中プレート３２を基部３３ａ側へ押圧することにより、外プレート３１、中プレート３２、及び内プレート３３を密着させている。

ただし、図２に示すかしめ部３３ｆは、かしめ工程前の状態を示している。このかしめ部３３ｆの幅Ｗは、かしめ部３３ｆ相互間のピッチ（スパン）Ｐより小さくされている。

また、壁部３３ｃの曲げ高さＨを中プレート３２の板厚ｔ３２より小さくすることで、図３に示すように第１間隙ｃ１が形成されている。そして、この第１間隙ｃ１がろう付け後のろう材の橋絡を阻止しボイドの発生を抑制する。

実際の一例では、図２の内プレート３３の板厚ｔ３３は１．５ｍｍ、中プレート３２の板厚ｔ３２は３ｍｍ、幅Ｗは５ｍｍ、ピッチＰは４０ｍｍ、壁部３３ｃの曲げ高さＨは、２ｍｍ（ちなみに図５の従来の壁部３３ｃの高さＨは４ｍｍ）とし、図３の第１間隙ｃ１は１ｍｍとされている。なお第１間隙ｃ１は、０．３ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上が望ましい。

また、内プレート３３と中プレート３２の接触面同士の空気の流れ方向Ａにおける長さは、中プレート３２の空気の流れ方向Ａにおける短辺より内プレート３３の空気の流れ方向Ａにおける短辺のほうがやや大きく、図３のように第１間隙ｃ１以下の大きさを持つ第２間隙ｃ２が形成されている。

そして内プレート３３の空気の流れ方向Ａの端部にろう付けにより中プレート３２と密着する内プレート側の基部３３ａの平坦部と、ろう付けにより中プレート３２と密着する外プレート３１側の接合面３１ｃが設けられている。そして、外プレート３１の接合面３１ｃの先端と上記壁部３３ｃ先端との間に上記第１間隙ｃ１が形成され、中プレート３２の側面３２ａと壁部３３ｃの間に第２間隙ｃ２が形成される。そして、第１間隙ｃ１により、ボイドの発生を阻止できる。また、曲げ部３３ｄ内側の曲面（Ｒ部）が有っても中プレート３２と内プレート３３が密接するように上記第２間隙ｃ２が形成される。

このように、一実施形態では、壁部３３ｃの曲げ高さＨを中プレート３２の板厚ｔ３２より小さくしている。このようにすることで、壁部３３ｃ先端と外プレート３１が干渉（当接）しなくなる。

これにより、外プレート３１と壁部３３ｃの干渉によるろう付け起点がなくなるため、中プレート３２側面にボイド（空気層）が発生せず、凝縮水浸入による凍結割れの問題が解消できる。

また、ろう付け起点になることによる不必要なろう材の引き合いに伴うろう材の移動がなくなり、ろう付け不良箇所を発生する問題が解決できる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の実施形態では、かしめ部３３ｆによって仮固定したが、ろう付け時に外プレート３１と内プレート３３を挟持するクランプ部材等の治具によって仮固定しても良い。また、外側から巻きがしめる必要は無く、リベット等で仮固定しても良い。また、タンク部（ヘッドタンク）を上下に図示したが、タンク部を左右に設けても良い。

一実施形態における熱交換器の外形を示す斜視図である。 上記一実施形態における上タンク部の分解斜視図である。 上記一実施形態における図２の矢視III−III方向から見た断面図である。 従来例における上タンク部の分解斜視図である。 上記従来例における図４の矢視V−V方向から見た断面図である。

符号の説明

ｃ１…第１間隙
ｃ２…第２間隙
ｔ３２…中プレートの板厚
Ｈ…曲げ高さ
５…チューブ
５ａ…風下側チューブ
５ｂ…風上側チューブ
３０…上タンク部
３１…外プレート
３１ａ…第１溝部
３１ｂ…第２溝部
３２…中プレート
３３…内プレート
３３ａ…基部
３３ｂ…貫通孔部
３３ｃ…壁部
３３ｄ…曲げ部
３３ｆ…かしめ部
３６…貫通孔
４０…下タンク部
６０…接続ブロック
１００…熱交換器

Claims (5)

1. 一対のタンク部（３０、４０）の間に、熱交換部（７）を形成する複数の冷媒が流れるチューブ（５）が並設され、前記チューブ（５）間を流れる被熱交換流体との熱交換を行う熱交換器であって、
   前記タンク部（３０、４０）は前記チューブ（５）が接続される内プレート（３３）と外プレート（３１）と、該外プレート（３１）と前記内プレート（３３）の間に挟持された中プレート（３２）を有し、
   前記内プレート（３３）と前記外プレート（３１）と、前記中プレート（３２）はろう付けによって互いに接合されており、
   前記外プレート（３１）は前記冷媒の通路となる溝部が前記被熱交換流体の流れ方向と交わる方向に長く形成されており、
   前記中プレート（３２）は前記被熱交換流体の流れ方向と交わる方向に多数の貫通孔が設けられており、該貫通孔は前記チューブ（５）内と連通しており、
   前記内プレート（３３）には前記チューブ（５）が挿入され、該内プレート（３３）の前記被熱交換流体の流れ方向の端部に曲げ部（３３ｄ）が形成され、該曲げ部（３３ｄ）の先端に前記中プレート（３２）の板厚（ｔ３２）より小さい曲げ高さ（Ｈ）の壁部（３３ｃ）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記壁部（３３ｃ）の先端と前記外プレート（３１）の間に前記ろう付け後のろう材の橋絡を阻止する第１間隙（ｃ１）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記壁部（３３ｃ）の先端と前記外プレート（３１）の間に、該外プレート（３１）と前記中プレート（３２）と、前記内プレート（３３）を仮固定するかしめ部（３３ｆ）が部分的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記かしめ部（３３ｆ）の幅（Ｗ）は、前記かしめ部（３３ｆ）相互間のピッチ（Ｐ）より短いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記内プレート（３３）の前記被熱交換流体の流れ方向の端部に前記ろう付けにより前記中プレート（３２）と密着する前記内プレート（３３）側の基部（３３ａ）の平坦部と、前記ろう付けにより前記中プレート（３２）と密着する前記外プレート（３１）側の接合面（３１ｃ）が設けられており、該外プレート（３１）側の前記接合面（３１ｃ）の先端と前記壁部（３３ｃ）の先端の間に前記第１間隙（ｃ１）が形成され、前記中プレート（３２）の側面（３２ａ）と前記壁部（３３ｃ）の間に第２間隙（ｃ２）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

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