JP6432753B2

JP6432753B2 - 熱交換器および熱交換器の製造方法

Info

Publication number: JP6432753B2
Application number: JP2013199401A
Authority: JP
Inventors: 佑廣崎; 美弘佐々木
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: JP2015064159A

Description

本発明は熱交換器に係り、特に、空気調和機などに用いられるクロスフィンチューブ型熱交換器に関するものである。

従来のクロスフィンチューブ型熱交換器は、プレート状のフィンを所定の間隔を設けて重ねた積層フィンの面部に形成された貫通孔を貫通する複数のヘアピン管と、ヘアピン管同士を接続するＵ字管とからなり、前記ヘアピン管と前記Ｕ字管との接続箇所はろう材によって溶接されている。

ヘアピン管とＵ字管との接続箇所は、図１４に示すように、積層フィン１１０を貫通して開口部が上側に向いているヘアピン管１２０の管端部を拡管し大径部１２１を形成し、さらにヘアピン管端部を拡管して拡管部１２２を形成している。この大径部１２１に大径部１２１の内径よりわずかに小さい外径を有するＵ字管１４０を挿入する。このとき、ヘアピン管の拡管部１２２にろう材１５０を配置し、炉に入れることで大径部１２１の内周面とＵ字管１４０の外周面とがろう材１５０によって接合される（例えば公知文献として特許文献１を参照）。

特開２００２−２６３８７９号公報

ところが、このようにヘアピン管１２０とＵ字管１３０とを接合する際に、溶接作業者によるろう材１５０の使用量や加熱温度等の微妙な操作加減が影響して、図１４のようにろう材１５０が接合面間の隙間を通してヘアピン管１２０の内面側にはみ出してしまう場合がある。

ヘアピン管１２０内部に進入してしまったろう材１５０は管内の流路抵抗となってしまい、圧力損失が増大し、熱交換効率が低下してしまう。また、最悪の場合、ろう材１５０によってヘアピン管１２０の管内を詰まってしまう場合がある。

本願発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ろう材１５０が接続部を越えてヘアピン管１２０内部まで流れ込むことができないようにすることによって、圧力損失の増大による熱交換効率の低下およびヘアピン管１２０内のろう材詰まりを防止する熱交換器および熱交換器の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の熱交換器は、積層された複数のフィンと、該フィンの積層方向両端に設けられた一対の管板と、前記フィンおよび前記管板に設けられた貫通孔に挿通された複数のヘアピン管と、異なる該ヘアピン管同士を接続する接続管とを有するクロスフィン型の熱交換器において、前記接続管は、ヘアピン管と接続される接続管端部と、該接続管端部と連続する曲管部とからなり、前記接続管端部は、内周面が前記ヘアピン管の管端部の外周面と重なるように嵌合され、前記ヘアピン管の外径より大きい小径部と、前記接続管の外径より大きい大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続し前記小径部側から前記大径部側にかけて徐々に径が大きくなるテーパ状の接続部とを有する補助部材を備え、前記補助部材は、前記小径部が前記管板に当接し、かつ、前記ヘアピン管の外周面および前記接続管の外周面を連続して覆っており、前記補助部材の内周面に、前記接続管の外周面と前記ヘアピン管の外周面とがそれぞれろう材によって接合されることを特徴としている。

また、前記補助部材は、前記ヘアピン管の外径より大きい小径部と、前記接続管の外径より大きい大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続し前記小径部側から前記大径部側にかけて徐々に径が大きくなるテーパ状の接続部と、を備えることを特徴としている。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、複数のヘアピン管を所定の間隔をあけて配置し、積層された複数のフィンを、前記ヘアピン管が該フィンに設けられた複数の貫通孔に挿通されるように組み付ける工程と、前記複数のヘアピン管を拡管し、前記ヘアピン管と前記フィンとを接合する工程と、前記ヘアピン管の外径より内径が大きい小径部と、一端が前記小径部に接続され、他端側に向かって徐々に内径が大きくなる接続部と、一端が前記接続部に接続された大径部と、一端が前記大径部に接続され、他端側に向かって徐々に内径が大きくなる拡管部とからなる補助部材を前記小径部から前記ヘアピン管に挿通させ前記小径部が前記管板に当接するように配置する工程と、前記ヘアピン管と前記大径部との間の径方向の隙間に、異なる前記ヘアピン管同士の管内流路を接続する接続管の管端部を挿し込む工程と、前記拡管部にリング状のろう材を配置し、前記ヘアピン管の端部が上方に向いた状態で前記接続管と前記ヘアピン管を前記補助部材にろう付けする工程と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、ヘアピン管と接続管とを、前記ヘアピン管および前記接続管の外周面に接した補助部材を介してろう材により接続することによって、前記ろう材が接続部を越えて前記ヘアピン管内部まで流れ込むことがなくなり、圧力損失の増大による熱交換効率の低下および前記ヘアピン管内の前記ろう材詰まりを防止する。

本発明の第１実施形態の熱交換器全体を示す概略斜視図である。本発明の第１実施形態の熱交換器を構成する部品を示す概略斜視図である。本発明の第１実施形態の熱交換器におけるフィン組との接合後のヘアピン管と補助部材を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態の熱交換器における補助部材を嵌合した後のヘアピン管とＵ字管を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態の熱交換器におけるＵ字管挿入後のヘアピン管と補助部材を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態の熱交換器における溶接後のヘアピン管とＵ字管との接続部を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態の熱交換器におけるＵ字管の他の形態を示す概略断面図である。本発明の第２実施形態の熱交換器における溶接後のヘアピン管とＵ字管との接続部を示す概略構成図である。本発明の第３実施形態の熱交換器における管板を示す概略斜視図である。本発明の第３実施形態の熱交換器におけるヘアピン管と補助付管板の接合部を示す概略断面図である。本発明の第３実施形態の熱交換器におけるヘアピン管と補助付管板の溶接工程後を示す概略断面図である。本発明の第３実施形態の熱交換器におけるヘアピン管とＵ字管の接続部を示す概略断面図である。本発明の第３実施形態の熱交換器におけるヘアピン管とＵ字管の溶接工程後を示す概略断面図である。従来の熱交換器のヘアピン管とＵ字管との接続部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は本実施形態に係る熱交換器１であって、後述するヘアピン管２０およびＵ字管４０によって形成される管内流路を流通する冷媒などの流体と、積層フィン１１間を通過する空気などの流体との間で熱交換を行うクロスフィンチューブ型熱交換器の概略斜視図であり、図２は熱交換器１の分解斜視図である。

図２に示すように、本実施形態の熱交換器１は、フィン１１ａを積層した積層フィン１１と一対の管板１２とからなるフィン組１０と、複数のヘアピン管２０と、複数のＵ字管４０と、複数の補助部材３０と、後述するリングろう材５０とから構成されている。

フィン１１ａは、表面にスリットなどが形成されたプレート状のアルミフィンであって、ヘアピン管２０内を流通する冷媒などの流体の熱を伝熱する。複数のフィン１１ａを所定の間隔を設けて上下方向に重ねて積層フィン１１を形成している。

管板１２は、積層フィン１１の積層方向両側に設けられ、フィン１１ａより剛性が高い一対の金属板である。管板１２には、熱交換器１をエアコン等の製品本体に取付ける時にネジ固定するための図示しない固定部が設けられている。

また、上述したように積層フィン１１および積層フィン１１の積層方向両側に設けられた一対の管板１２によってフィン組１０を構成している。

フィン組１０を構成する積層フィン１１および管板１２には後述するヘアピン管２０の端部２１を貫通させるために設けられた貫通孔１３が設けられている。貫通孔１３の孔径は、ヘアピン管２０の外径よりわずかに大きく形成されている。

ヘアピン管２０は内部に溝形状など有する金属管であって、図に示すようにＵ字状に曲げられている。熱交換器１の使用時には、内部を冷媒などの流体が流通し、ヘアピン管２０は流体の熱をフィン１１ａに伝える。ヘアピン管２０は、積層フィン１１および管板１２の貫通孔１３に端部２１を貫通させた後、拡管を行い、フィン組１０と圧接させる。これによって、フィン組１０とヘアピン管２０とは接合される。

Ｕ字管４０は、金属管であって、Ｕ字状に形成されている曲管部４２と管端である端部４１とからなる。フィン組１０に固定された隣り合うヘアピン管２０の端部２１同士を接続して、ヘアピン管２０の管内流路を接続する接続管である。Ｕ字管４０の端部４１は拡管されており、内径がヘアピン管２０の拡管後の外径よりわずかに大きい。なお、本実施形態ではＵ字管端部４１は拡管されたものを用いているが、図７に示すように、曲管部４２の内径がヘアピン管２０の拡管後の外径よりわずかに大きいものを使用すれば、拡管する必要がなく、加工数が低減できる。また、本実施例ではフィン組１０に固定された隣り合うヘアピン管２０の端部２１同士を接続するＵ字管４０としているが、異なるヘアピン管２０の端部２１同士を接続するものであれば隣接していない端部２１同士を接続する接続管であってもよい。より詳細には、図２におけるヘアピン管２０ａとヘアピン管２０ｃあるいはヘアピン管２０ｄとを接続する接続管等であってもよい。

補助部材３０は、円筒形状の金属部品であって、図３に示すように、小径部３１、接続部３３、大径部３２、拡管部３４とが順に連なって形成されており、ヘアピン管２０とＵ字管４０とを接続する。

小径部３１は補助部材３０の一部であり、内径がヘアピン管２０の拡管後の外径よりわずかに大きく形成されている。

大径部３２は補助部材３０の一部であり、内径がＵ字管端部４１の外径よりわずかに大きく形成されている。

接続部３３は補助部材３０の一部であり、小径部３１と大径部３２との間に位置し、大径部３２側から小径部３１側にかけて内径が徐々に小さくなるテーパ状の面を有している。

拡管部３４は補助部材３０の一部であり、内径が大径部よりも大きく形成され、大径部３２から端部に向かって内径が大きくなるテーパ状となっている。拡管部３４は、溶接時、後述するリングろう材５０の設置場所となる。

リングろう材５０は、図４に示すように、リング状に形成されたろう材であって、母材となるヘアピン管２０やＵ字管４０、補助部材３０より融点の低い合金が用いられる。

次に、ヘアピン管２０とＵ字管４０との接続箇所について図６を用いて詳細に説明する。

図６に示すように、フィン組１０を貫通しているヘアピン管２０の端部２１は、Ｕ字管４０の端部４１に挿し込まれている。また、ヘアピン管２０の外周面と補助部材３０の小径部３１の内周面との間にはわずかな空間があり、拡管部３４に設置されていたリングろう材５０が溶解して当該空間に流れ込み、接合部５１Ｂを形成している。また、Ｕ字管４０の端部４１の外周面と補助部材３０の大径部３２の内周面との間にはわずかな空間があり、拡管部３４に設置されていたリングろう材５０が溶解して当該空間に流れ込み、接合部５１Ａを形成している。上記の構成によって、ヘアピン管２０とＵ字管４０との嵌合部は補助部材３０によって覆われており、さらに、補助部材３０は、小径部３１とヘアピン管２０とが、また、大径部３２とＵ字管４０とがそれぞれろう材によって溶接されているため、ヘアピン管２０の管内流路とＵ字管４０の管内流路とが気密性が確保された状態で接続される。

次に、本実施形態の熱交換器１の製造工程について図２ないし６を用いて詳細に説明する。

図２に示すように、本発明のクロスフィンチューブ型熱交換器は、先ず、ヘアピン管２０を、端部２１が上向きになるように、かつ、フィン組１０に設けられた複数の貫通孔１３の配置間隔に対応する間隔で複数配置する。配置されたヘアピン管２０の端部２１にフィン組１０の貫通孔１３を上方から貫通させる。貫通後、各ヘアピン管２０を拡管することで、各ヘアピン管２０とフィン組１０とが接合される。

次に、図３に示すように、小径部３１が下側、大径部３２が上側となるように補助部材３０をヘアピン管２０の端部２１の外側に嵌める。この時、ヘアピン管２０の外径は補助部材３０の小径部３１の内径よりわずかに小さい。また、補助部材３０の大径部３２とヘアピン管２０の端部２１との間に径方向にＵ字管端部４１を挿入することが可能な隙間が生じる。

次に、図４に示すように、リングろう材５０をＵ字管４０の外側に嵌めておき、上述した補助部材３０の大径部３２とヘアピン管２０の端部２１との隙間にＵ字管４０の端部４１を挿入する。この時、Ｕ字管４０の端部４１の内径はヘアピン管２０の外径よりわずかに大きく、Ｕ字管４０の外径は補助部材３０の大径部３２の内径よりわずかに小さい。挿入後、予めＵ字管４０の外側に嵌めておいたリングろう材５０を補助部材３０の拡管部３４に設置すると、図５に示すような状態になる。

図５に示すような状態で炉に入れることで、図６に示すように、リングろう材５０が融解し、自重によってＵ字管端部４１と大径部３２との間に流れ込む。さらに、リングろう材５０はヘアピン管２０と小径部３１との間にも流れ込む。その結果、Ｕ字管端部４１と大径部３２と、また、ヘアピン管２０と小径部３１とがそれぞれ溶接されて接合部５１Ａ，Ｂとなり、接合部５１Ａ，Ｂではろう材によって気密性が確保された状態で接続される。なお、本実施例では、リングろう材５０を予めＵ字管４０の外側に嵌めてから、Ｕ字管端部４１を補助部材３０の大径部３２とヘアピン管２０の端部２１との隙間に挿入させて、その後、Ｕ字管４０の外側に嵌めておいたリングろう材５０を補助部材３０の拡管部３４に設置しているが、リングろう材５０を拡管部３４に設置してからＵ字管端部４１を補助部材３０の大径部３２とヘアピン管２０の端部２１との隙間に挿入させてもよい。

上記の構成によると、ヘアピン管２０とＵ字管４０とが嵌合する箇所が、補助部材３０により覆われており、さらに、補助部材３０は、小径部３１がヘアピン管２０と、また、大径部３２がＵ字管４０とそれぞれ接合されている。したがって、ヘアピン管２０とＵ字管４０とは気密性が確保された状態で接続される。

以上説明したように、Ｕ字管４０の端部４１の内周面がヘアピン管２０の端部２１の外周面と嵌めあうように接続されており、ヘアピン管２０の外周面およびＵ字管４０の外周面を連続して覆う補助部材３０によって、Ｕ字管４０の外周面とヘアピン管２０の外周面とに接合される構成となっているので、ろう材がヘアピン管２０内部まで流れ込むことがなくなり、圧力損失の増大による熱交換効率の低下およびヘアピン管２０の管内流路のろう材詰まりを防止できる。

なお、本実施形態においてヘアピン管２０と接続する接続管をＵ字管４０としたが、ヘアピン管２０の管内流路を接続する部品であればこの限りでなく、例えば、三方ベント管などでも本発明と同様の効果を発揮できる。

次に、本発明を用いた第２実施形態に係る熱交換器１であって、熱交換器１の製造工程時における溶接の適否判定を行うための構成について、図８を用いて説明する。なお、補助部材３０の小径部３１と、管板１２を加工した点を除き、その他の構成は第１の実施形態と同一であるため、追加した構成以外の詳細な説明は省略する。

従来、本発明のようにリングろう材を用いた置きろうでの溶接において、気密性が十分に確立されるように溶接が行われたかどうかの判定は接続部の目視によって行われていた。より詳細には、図１４におけるＡの部分の隙間が、全周にわたってろう材で満たされているかどうかで判断していた。

実施例１において、Ｕ字管４０と補助部材３０の大径部３２との間の接合部５１Ａについては、従来通り目視による判定が行えた。しかし、ヘアピン管２０と補助部材３０の小径部３１との間の接合部５１Ｂについては、補助部材３０によって覆われているため、従来の様に目視による判定を行うことができず、信頼性に問題がある。

したがって、本実施形態の熱交換器１は、図８（Ａ）に示すように、補助部材３０の小径部３１に所定の切欠き部３１ａを設けている。本構成によれば、融解したろう材がヘアピン管２０と補助部材３０の小径部３１との間に適切に接合部を形成できていれば切欠き部３１ａから目視によってろう材を確認できるため、気密性が十分に確立されるように溶接が行われたかどうかの判定を行うことができ、信頼性を確保できる。

なお、切欠き部３１ａの形状については、ろう材の回り具合を確認できる形状であればこの限りでなく、図８（Ｂ）の切欠き部３１ｂの様な形状や、図８（Ｃ）の覗き孔３１ｃの様な形状であってもよい。

また、図８（Ｄ）に示すように、管板１２の貫通孔近傍に突起部１２ａを設けて、補助部材３０の小径部３１を管板１２の平面に当接させずに一定の隙間を形成することで、切欠き部３１ａ等と同様の効果を発揮できる。

次に、本発明を用いた第３実施形態に係る熱交換器１であって、熱交換器１の製造時の部品点数及び工数を削減するための構成について、図９を用いて説明する。なお、管板１２および補助部材３０を変更した点と、製造工程を除き、その他の構成は第１の実施形態と同一であるため、追加した構成以外の詳細な説明は省略する。

実施例１の熱交換器１は、ヘアピン管２０とＵ字管４０とを接続する際に、補助部材３０を用いている。これは、図１４に示すような従来の熱交換器に比べ、部品点数が多くなり、それに伴い工数が増加してしまうという懸念があった。

したがって、本実施形態の熱交換器１は、実施例１の管板１２の片方に複数の補助部材３０を一体化させて一部品とした、補助付管板６０を備えている。図９に示すように、補助付管板６０は補助部材としての機能を持つ接続補助部６１と、管板としての機能を持つ板部６２とからなる。これによって、複数の補助部材３０を一つ一つ取付けていた実施例１と比べて、部品点数および工数を格段に削減することができる。

次に、本実施形態におけるヘアピン管２０とＵ字管４０の接続箇所について詳細に説明する。図１０は、複数配置されたヘアピン管２０の端部２１に片側に補助付管板６０を備えたフィン組１０の貫通孔１３を上方から貫通させ、各ヘアピン管２０を拡管して各ヘアピン管２０とフィン組１０とが接合された状態を示している。

この時、補助付管板６０の接続補助部６１の小径部６１１は、ヘアピン管２０の拡管によってヘアピン管２０と圧接しているが、気密性を確保するためには溶接する必要がある。しかし、小径部６１１の内周面とヘアピン管２０の外周面との間に適切にろうが回ったかどうかを確認する手段がないため、本実施形態のように、補助付管板６０によってヘアピン管２０とＵ字管４０の接続箇所を覆う様な構成とする場合は、溶接を２工程に分けることが好ましい。以下、本実施形態における熱交換器１の製造工程について詳細に説明する。

図１０は、上述したように、複数配置されたヘアピン管２０の端部２１に片側に補助付管板６０を備えたフィン組１０の貫通孔１３を上方から貫通させ、各ヘアピン管２０を拡管して各ヘアピン管２０とフィン組１０とが接合された状態であって、さらに、補助付管板６０の接続補助部６１の大径部６１２（実施例１の補助部材３０の大径部３２に相当する）とヘアピン管２０の端部２１との隙間に小径リングろう材５２が配置されている。この状態で炉に入れる(第１溶接工程)と、図１１に示すように、小径リングろう材５２が融解して補助付管板６０とヘアピン管２０とが溶接されて接合部５３となり、接合部はろう材によって気密性が確保された状態で接続される。

ここで、接合部５３の溶接による気密性が十分に確立されているかどうかの判定は、上方から目視で確認できる。詳細には、接合部５３が全周にわたってろう材で満たされているかどうかで判断する。

次に、図１２に示すように、補助付管板６０の接続補助部６１の大径部６１２とヘアピン管２０の端部２１との隙間にＵ字管４０の端部４１を挿入する。この時、Ｕ字管４０の端部４１の内径はヘアピン管２０の外径よりわずかに大きく、Ｕ字管４０の外径は接続補助部６１の大径部６１２の内径よりわずかに小さい。挿入後、予めＵ字管４０の外側に嵌めておいたリングろう材５０を接続補助部６１の拡管部６１４に設置した状態で、炉に入れる（第２溶接工程）。

図１２に示すような状態で炉に入れることで、リングろう材５０が融解し、自重によってＵ字管４０と大径部６１２との間に流れ込む。その結果、図１３に示すように、Ｕ字管４０と大径部６１２とが溶接されて接合部５４となり、接合部５４ではろう材によって気密性が確保された状態で接続される。

上記の構成によると、ヘアピン管２０とＵ字管４０とが嵌合する箇所が、補助付管板６０の接続補助部６１により覆われており、さらに、接続補助部６１は、小径部６１１がヘアピン管２０と、また、大径部６１２がＵ字管４０とそれぞれ接合されている。したがって、ヘアピン管２０とＵ字管４０とは気密性が確保された状態で接続される。

なお、第１溶接工程で融解した小径リングろう材５２が、第２溶接工程時に流れ落ちてしまい、接合部５３による補助付管板６０とヘアピン管２０との接続状態が保たれなくなる場合がある。したがって、リングろう材５０の融点を小径リングろう材５２の融点より低いものを用いる構成としてもよい。こうすることで、第２溶接工程での炉の温度を第１溶接工程での炉の温度より低く設定し、第２溶接工程時に小径リングろう材５２が形成する接合部５３を融解させることなくリングろう材５０を融解し接合部５４を形成させることができる。

１熱交換器
１０フィン組
１１積層フィン
１２管板
１２ａ突起部
１３貫通孔
２０ヘアピン管
２１端部
３０補助部材
４０Ｕ字管
４１Ｕ字管端部
５０リングろう材
５１Ａ，Ｂ接合部

Claims

積層された複数のフィンと、該フィンの積層方向両端に設けられた一対の管板と、前記フィンおよび前記管板に設けられた貫通孔に挿通された複数のヘアピン管と、異なる該ヘアピン管同士を接続する接続管とを有するクロスフィン型の熱交換器において、
前記接続管は、ヘアピン管と接続される接続管端部と、該接続管端部と連続する曲管部とからなり、
前記接続管端部は、内周面が前記ヘアピン管の管端部の外周面と重なるように嵌合され、
内径が前記ヘアピン管の外径より大きいとともに前記接続管の外径よりも小さく、断面が前記ヘアピン管に沿って形成される直管状の小径部と、前記接続管の外径より大きい大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続し前記小径部側から前記大径部側にかけて徐々に径が大きくなるテーパ状の接続部とを有する補助部材を備え、
前記補助部材は、前記小径部が前記管板に当接し、かつ、前記ヘアピン管の外周面および前記接続管の外周面を連続して覆っており、
前記補助部材の内周面に、前記接続管の外周面と前記ヘアピン管の外周面とがそれぞれろう材によって接合されることを特徴とした熱交換器。
複数のヘアピン管を所定の間隔をあけて配置し、積層された複数のフィンと、該フィンの積層方向両端に設けられた一対の管板を、前記ヘアピン管が該フィン及び該管板に設けられた複数の貫通孔に挿通されるように組み付ける工程と、
前記複数のヘアピン管を拡管し、前記ヘアピン管と前記フィンとを接合する工程と、
内径が前記ヘアピン管の外径より内径が大きいとともに前記接続管の外径よりも小さく、断面が前記ヘアピン管に沿って形成される直管状の小径部と、一端が前記小径部に接続され、他端側に向かって徐々に内径が大きくなる接続部と、一端が前記接続部に接続された大径部と、一端が前記大径部に接続され、他端側に向かって徐々に内径が大きくなる拡管部とからなる補助部材を前記小径部から前記ヘアピン管に挿通させ前記小径部が前記管板に当接するように配置する工程と、
前記ヘアピン管と前記大径部との間の径方向の隙間に、異なる前記ヘアピン管を接続する接続管の管端部を挿し込む工程と、
前記拡管部にリング状のろう材を配置し、前記ヘアピン管の端部が上方に向いた状態で前記接続管と前記ヘアピン管を前記補助部材にろう付けする工程と、を備えることを特徴とした熱交換器の製造方法。