JP6530235B2 - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば車両用空気調和装置の蒸発器、放熱器またはヒータ等として用いられる熱交換器及びその製造方法に関するものである。
従来、この種の熱交換器としては、円筒状に形成された熱媒体流通用のヘッダーと、互いにヘッダーの軸方向に間隔をおいて配置され、それぞれの端部をヘッダーに接続された熱媒体流通用の複数の扁平状チューブと、各チューブの間に設けられた伝熱フィンとを備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この熱交換器を製造する場合は、ヘッダーの側面に設けられた複数の接続孔に各チューブの端部をそれぞれヘッダーの内側まで挿入し、各チューブの間に伝熱フィンを配置して高温の炉中にてろう付けすることにより、ヘッダー、各チューブ及びフィンを接合するようにしている。
しかしながら、前記熱交換器をろう付けにより接合する際、溶融したろう材がヘッダーの外部から接続孔とチューブの外周面との間を通じてヘッダー内に流入すると、ろう材がチューブの外周面からチューブの端面まで流れ込み、チューブの端面に開口する熱媒体流通孔がろう材によって閉塞されるという問題点があった。
特に、熱媒体として二酸化炭素冷媒を使用する熱交換器では、フロン冷媒の約10倍の耐圧性を得るために、熱媒体流通孔を小さくして壁厚を大きくしたチューブが用いられることから、熱媒体流通孔の開口部がろう材によって詰まりやすかった。また、耐圧性確保のためにチューブと接合孔の縁部との間に十分なろう付けフィレットを形成する必要があることから、ろう材の使用量が多くなり、過剰なろう材によってもチューブの外周面にろう材流れを生じさせやすくなっていた。
更に、チューブは押出成形によって成形されるため、チューブの表面に押出成形によるダイスライン(成形時にダイスと材料との摩擦によって生ずる押出方向(チューブの長手方向)に付く条線)が形成される。このため、ダイスラインによってチューブの長手方向へのろう材の流れが促進され、チューブの端面にろう材が誘導されやすくなっていた。特に、押出成形後のチューブには、防食のために亜鉛の溶射による表面処理が施されるが、表面処理のコーティングによってダイスラインが視認しずらくなり、ダイスラインによるろう材流れの促進が生じていることに気付かない場合もあった。
そこで、従来では、フラックスの使用量を低減してろう材の流動性を低下させたり、ろう材の使用量削減、ヘッダーとチューブとの隙間管理、ヘッダーへのチューブ挿入長さを大きくするなど、チューブの端面へのろう材流れを抑制するようにしているが、このような対策によってもろう材の流れを完全に抑制することは困難であり、熱媒体流通孔のろう材詰まりを効果的に防止することはできなかった。
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、チューブの外周面におけるろう材流れが生じた場合でも、熱媒体流通孔のろう材詰まりを効果的に防止することのできる熱交換器及びその製造方法を提供することにある。
本発明は前記目的を達成するために、筒状に形成された熱媒体流通用のヘッダーと、互いにヘッダーの軸方向に間隔をおいて配置され、長手方向両端に複数の熱媒体流通孔が開口する熱媒体流通用の複数の扁平状チューブとを備え、ヘッダーの側面に設けられた複数の接続孔に各チューブの端部をそれぞれヘッダーの内側まで挿入し、ヘッダーと各チューブとをろう付けにより接合するようにした熱交換器において、前記各チューブの端部側の外周面にチューブの幅方向に延びる溝を設け、前記溝をヘッダーの内面における接続孔の縁部よりもチューブの先端側に位置するように形成している。
また、本発明は前記目的を達成するために、筒状に形成された熱媒体流通用のヘッダーと、互いにヘッダーの軸方向に間隔をおいて配置され、長手方向両端に複数の熱媒体流通孔が開口する熱媒体流通用の複数の扁平状チューブとを備え、ヘッダーの側面に設けられた複数の接続孔に各チューブの端部をそれぞれヘッダーの内側まで挿入し、ヘッダーと各チューブとをろう付けにより接合する熱交換器の製造方法において、前記各チューブの端部側の外周面にチューブの幅方向に延びる溝を設けるとともに、前記溝がヘッダーの内面における接続孔の縁部よりもチューブの先端側に位置するように各チューブの端部をヘッダーの接続孔に挿入し、ヘッダーと各チューブとをろう付けにより接合するようにしている。
これにより、各チューブの端部側の外周面にチューブの幅方向に延びる溝が設けられることから、接続孔からヘッダー内にろう材が流入し、チューブの外周面にろう材流れが生じた場合でも、溝によってチューブの先端側へのろう材の流れが阻止または抑制される。この場合、溝がヘッダーの内面における接続孔の縁部よりもチューブの先端側に位置することから、ヘッダーの内面側に形成されるフィレットに溝が埋没することがない。
本発明によれば、チューブの外周面にろう材流れが生じた場合でも、チューブの外周面に設けた溝によってチューブの先端側へのろう材の流れを阻止または抑制することができるので、ろう材がチューブの端面まで流れ込んで熱媒体流通孔を閉塞させることがなく、熱媒体流通孔のろう材詰まりを効果的に防止することができる。この場合、ヘッダーの内面側に形成されるフィレットに溝が埋没することがないので、溝の機能を確実に維持することができる。
図1乃至図23は本発明の第1の実施形態を示すもので、例えば車両用空気調和装置の蒸発器、放熱器またはヒータとして用いられ、熱媒体としての二酸化炭素冷媒を流通する熱交換器を示すものである。
この熱交換器は、熱交換器本体の幅方向両側に3本ずつ配置された熱媒体流通用のヘッダー10と、互いに各ヘッダー10の軸方向に間隔をおいて配置された複数の熱媒体流通用のチューブ20と、各チューブ20の間に配置された伝熱用のフィン30とから構成され、各チューブ20は長手方向の両端部をそれぞれ各ヘッダー10の側面に接続されている。
各ヘッダー10は、アルミニウム等の金属を上下方向に延びる円筒状に形成した部材からなり、その側面(周壁面)には、各チューブ20の端部がそれぞれ接続される複数の接続孔11が互いに上下方向に等間隔で設けられている。接続孔11はヘッダー10の周方向に延びる長孔状に形成され、ヘッダー10の周壁部を貫通するように形成されている。各ヘッダー10は、熱交換器本体の前後方向に3本ずつ近接して配列され、その上端及び下端は蓋部材12によってそれぞれ閉塞されている。蓋部材12は熱交換器本体の前後方向に配列される3本のヘッダー10の上端または下端開口部をそれぞれ閉塞する3つの蓋部12aを有し、各蓋部12aは互いに一体に形成されている。
各チューブ20は、アルミニウム等の金属の押出成形品からなり、上下方向の寸法が幅方向の寸法に対して小さい扁平状に形成されている。また、チューブ20の幅方向両端は半円形の曲面状に形成されている。チューブ20には、複数の熱媒体流通孔21が互いに幅方向に等間隔で設けられ、各熱媒体流通孔21は上下方向に長い断面長円形状に形成されている。熱媒体流通孔21は、その中心を通る幅Wの最小値が1.6mm未満(例えば、0.5mm)に形成され、その中心を通る高さHは、例えば0.7mmに形成されている。一般に、車両用空気調和装置にフロン冷媒(R−134a)を使用する場合は、熱媒体流通孔の中心を通る幅が1.6mmのチューブが主に用いられるが、二酸化炭素冷媒を使用する本実施形態では、チューブ20の壁厚を大きくして耐圧性を確保するために、熱媒体流通孔21の中心を通る幅の最小値を1.6mm未満としている。また、チューブ20の端部側はヘッダー10の接続孔11に挿入される挿入部22を形成しており、挿入部22は他の部分(チューブ20の長手方向中央側)よりも幅が狭くなっている。これにより、挿入部22と他の部分との間には、チューブ挿入時に接続孔11の縁部に係止する段差部23が形成されている。また、挿入部22は、段差部23からチューブ20の先端側に向かって徐々に幅が狭くなるように延びるテーパ部22aと、テーパ部22aからチューブ20の先端まで同一幅で延びるストレート部22bとからなり、テーパ部22aの基端側(段差部23側)は接続孔11と同等の幅寸法に形成されている。更に、挿入部22の厚さ方向両面(図中上面及び下面)には、チューブ20の幅方向に延びる溝24がそれぞれ設けられ、各溝24はストレート部22bに配置されている。溝24は断面略半円形状に形成され、ストレート部22bの幅方向一端側から他端側に亘って直線状に形成されている。
各伝熱フィン30は、アルミニウム等の金属板を波形状に形成した部材からなり、それぞれ各チューブ20の間に配置されるとともに、最上位及び最下位に配置されるチューブ20の外側にも配置されている。
前記熱交換器は、互いに間隔をおいて配置された一対のヘッダー10にチューブ20の両端部をそれぞれ接続するとともに、各チューブ20の間に伝熱フィン30を配置したものが熱交換器の前後方向に3組配列される。この場合、最上位及び最下位のチューブ20の外側に配置される伝熱フィン30は、チューブ20に沿って延びる端板31によってそれぞれ覆われる。各端板31は長手方向両端側をチューブ20側に屈曲するとともに、3列の伝熱フィン30を全て覆う幅に形成されている。更に、熱交換器の幅方向一端側に配置される各ヘッダー10のうち、最前列及び最後列のヘッダー10の下端には熱媒体流入パイプ13及び熱媒体流出パイプ14がそれぞれ外部に向かって延びるように設けられている。
ヘッダー10にチューブ20の端部を接続する場合は、チューブ20の挿入部22をヘッダー10の接続孔11に挿入するとともに、チューブ20の段差部23を接続孔11の縁部に係止することにより、チューブ20がヘッダー10に対して挿入方向に位置決めされる。その際、挿入部22の先端側のストレート部2bがテーパ部22aによって接続孔11よりも幅寸法が小さくなっているので、挿入部22を接続孔11に容易に挿入することができる。チューブ20が接続孔11に段差部23で位置決めされるまで挿入されると、チューブ20の溝24はヘッダー10の内面における接続孔11の開口縁よりもチューブ20の先端側に位置する。即ち、溝24は、図8に示すように、ヘッダー10の内周面に沿って湾曲した接続孔11の両端をそれぞれ通る直線(図中一点鎖線)の位置Pよりもチューブ20の先端側に配置される。
前記熱交換器は、仮組みされた状態で高温の炉中でろう付けすることにより各部材が接合される。ヘッダー10とチューブ20との接合では、溶融したろう材がヘッダー10の外側から接続孔11とチューブ20との間に流入し、図9に示すように、ヘッダー10の外面側と内面側においては、接続孔11の周縁とチューブ20の外周面との間にろう材によるフィレットFがそれぞれ形成される。その際、図10に示すように、ヘッダー10内に流入したろう材Rがチューブ20の外周面からチューブ20の先端に向かって流れると、チューブ20の溝24によってろう材Rの流れが阻止または抑制されることから、ろう材Rがチューブ20の端面まで流れ込んで熱媒体流通孔21を詰まらせることがない。また、溝24はヘッダー10の内面における接続孔11の縁部よりもチューブ20の先端側に位置していることから、ヘッダー10の内面側のフィレットFに溝24が埋没することがない。
次に、前記チューブ20の製造方法について、図11乃至図23を参照して説明する。まず、チューブとなる部分がチューブの長手方向に複数連続して一体となった扁平状のチューブ状部材20′を押出成形によって成形した後、図11及び図12に示すようにチューブ状部材20′に一対の金型40を幅方向両側から押し付ける。この場合、各金型40には、図17乃至図19に示すようにチューブ20の挿入部22、テーパ部22a、ストレート部22b及び段差部23を一対ずつ成形するための凹部40aが設けられている。次に、図13に示すようにチューブ状部材20′から各金型40を分離すると、チューブ状部材20′にテーパ部22a及びストレート部22bを有する挿入部22と段差部24が形成される。この後、図21に示すように、チューブ状部材20′に、チューブ状部材20′を破断させるための切り込み状の破断可能部25を形成するとともに、破断可能部25を間にして一対の溝24を形成する。この場合、図14に示すように、破断可能部25を形成するための第1のローラ41の軸方向両側に、溝24を形成するための第2のローラ42を同軸状に配置するとともに、これらを一対ずつチューブ状部材20′の厚さ寸法よりも小さい間隔をおいて上下方向に対向して配置する。続いて、チューブ状部材20′を各ローラ41,42で挟み込むようにして、図15に示すようにチューブ状部材20′の幅方向一端側から他端側まで各ローラ41,42を移動させながらチューブ状部材20′に圧接する。これにより、チューブ状部材20′の厚さ方向両面に破断可能部25と一対の溝24が同時に形成される。この場合、図20に示すように、第1のローラ41には先の尖った周縁を有するものが用いられ、第2のローラ42には周縁が断面半円形の周縁を有するものが用いられる。この後、図16に示すように、チューブ状部材20′に長手方向への引張力を付与することにより、図23に示すようにチューブ状部材20′を破断可能部25から破断する。この場合、例えばチューブ状部材20′の長手方向二箇所を破断可能部25が間に位置するように図示しないクランプで挟持し、クランプにチューブ状部材20′の長手方向反対側への力を加えることにより、チューブ状部材20′に長手方向への引張力を付与する。そして、前記工程を繰り返すことにより、チューブ状部材20′から複数のチューブ20を形成する。
このように、本実施形態によれば、各チューブ20の端部側の外周面にチューブ20の幅方向に延びる溝24を設けたので、接続孔11からヘッダー10内にろう材が流入し、チューブ20の外周面にろう材流れが生じた場合でも、溝24によってチューブ20の先端側へのろう材の流れを阻止または抑制することができる。これにより、ろう材がチューブ20の端面まで流れ込んで熱媒体流通孔21を閉塞させることがなく、熱媒体流通孔21のろう材詰まりを効果的に防止することができる。この場合、溝24をヘッダー10の内面における接続孔11の縁部よりもチューブ20の先端側に位置させるようにしたので、ヘッダー10の内面側に形成されるフィレットFに溝24が埋没することがなく、溝24の機能を確実に維持することができる。尚、チューブ20の耐圧性はヘッダー10の外部に配置される部分に要求されるが、チューブ20の溝24はヘッダー10の内部に配置されるので、溝24を設けた部分の強度低下はチューブ20の耐圧性に影響を与えることはない。
また、押出成形されるチューブ20は、チューブ20の表面に押出成形によるダイスラインが形成されるが、ダイスラインによってチューブ20の長手方向へのろう材の流れが促進された場合でも、溝24によってチューブ20の先端側へのろう材の流れを阻止または抑制することができるので、押出成形によるチューブ20を用いる場合に極めて有利である。
更に、熱媒体として二酸化炭素冷媒を使用する場合は、チューブ20の壁厚を大きくして耐圧性を確保するために、熱媒体流通孔21の中心を通る幅の最小値が1.6mm未満のチューブ20が用いられるが、前述のようにチューブ20の先端側へのろう材の流れを阻止または抑制することができるので、熱媒体流通孔21が小さくろう材詰まりを生じやすい二酸化炭素冷媒用の熱交換器には極めて有利である。
また、チューブ20となる部分がチューブの長手方向に複数連続して一体となった扁平状のチューブ状部材20′からチューブ20を形成する際、例えば切断刃を用いてチューブ状部材20′を切断する場合では、切断による切粉で熱媒体流通孔21に目詰まりを生じたり、或いは切断刃によるチューブ20の厚さ方向への圧力により熱媒体流通孔21が圧潰することがあるが、本実施形態では、チューブ状部材20′の厚さ方向両面に幅方向に延びる破断可能部25を形成し、チューブ状部材20′に長手方向への引張力を付与してチューブ状部材20′を破断可能部25から破断させることによりチューブ20を形成するようにしているので、切断のような切粉やチューブ20の厚さ方向への圧力が発生することがなく、チューブ状部材20′からチューブ20を形成する際における熱媒体流通孔21の閉塞防止に極めて効果的である。
更に、チューブ状部材20′に破断可能部25と同時に溝24を形成するようにしたので、溝24を形成するための別工程を必要とせず、生産性の向上を図ることができる。
この場合、チューブ状部材20′の厚さ方向両面に、切り込み状の破断可能部25を形成するための第1のローラ41と、溝24を形成するための第2のローラ42とをチューブ状部材20′の幅方向に移動させながら圧接させることにより、チューブ状部材20′に破断可能部25と溝24とを同時に形成するようにしたので、破断可能部25及び溝24を効率よく形成することができ、生産性の向上に極めて有利である。
尚、前記実施形態では、チューブ20の長手方向一箇所に溝24を設けたものを示したが、図24及び図25に示す第2の実施形態のように、複数の溝24をチューブ20の長手方向に間隔をおいて設けるようにすれば、複数の溝24によって熱媒体流通孔21のろう材詰まりをより効果的に防止することができる。この場合、各溝24は、図25に示すように、ヘッダー10の内周面に沿って湾曲した接続孔11の両端をそれぞれ通る直線(図中一点鎖線)の位置Pよりもチューブ20の先端側に配置される。尚、図25では、各溝24の両方を位置Pよりもチューブ20の先端側に配置したものを示したが、少なくとも一つの溝24の全体が位置Pよりもチューブ20の先端側に位置していれば、他の溝24は必ずしも全体が位置Pよりもチューブ20の先端側に位置していなくてもよい。
また、前記実施形態では、互いにチューブ20の幅方向両端において連続していない溝24をチューブ20の厚さ方向両面にそれぞれ設けたものを示したが、図26に示す第3の実施形態のように溝24をチューブ20の周方向に連続するように形成すれば、チューブ20の幅方向両端側においても溝24によって熱媒体流通孔21のろう材詰まりを防止することができる。尚、このようにチューブ20の周方向に連続する溝24をチューブ20の長手方向に間隔をおいて複数設けるようにしてもよい。
前述のようにチューブ20の周方向に連続する溝24を形成する場合は、図27乃至図32に示すように、前記金型40の凹部40a内に凸部40bを設け、金型40をチューブ状部材20′に押し付ける際、凸部40bによってチューブ20の厚さ方向両面の溝24の端部同士を連続させる連続部24aを形成する。この場合、凸部40bは、チューブ状部材20′の二箇所に形成される溝24に対応する位置にそれぞれ設けられ、チューブ状部材20′の幅方向端部に沿った円弧状に形成されている。
これにより、各金型40をチューブ状部材20′に押し付けると、図33に示すようにチューブ状部材20′の幅方向両端側に溝24と同一の断面形状の連続部24aがそれぞれ形成され、図34及び図35に示すように第1及び第2のローラ41,42をチューブ状部材20′の幅方向一端側から他端側まで移動させながらチューブ状部材20′に圧接することにより、チューブ状部材20′の厚さ方向両面にそれぞれ溝24を形成すると、各連続部24aによってチューブ状部材20′の周方向に連続した溝24が形成される。
このように、本実施形態では、チューブ状部材20′にチューブ20の挿入部22及び段差部24を形成するための金型40の凹部40a内に凸部40bを設け、金型40をチューブ状部材20′に押し付ける際に、凸部40bによってチューブ20の厚さ方向両面の溝24の端部同士を連続させる連続部24aを形成することにより、チューブ20の周方向に連続した溝24を形成するようにしたので、連続部24aを形成するための別工程を必要とせず、チューブ20の周方向に連続した溝24を効率よく形成することができる。
10…ヘッダー、11…接続孔、20…チューブ、20′…チューブ状部材、21…熱媒体流通孔、24…溝、24a…連続部、25…破断可能部、41…第1のローラ、42…第2のローラ。
Claims (14)
- 筒状に形成された熱媒体流通用のヘッダーと、互いにヘッダーの軸方向に間隔をおいて配置され、長手方向両端に複数の熱媒体流通孔が開口する熱媒体流通用の複数の扁平状チューブとを備え、ヘッダーの側面に設けられた複数の接続孔に各チューブの端部をそれぞれヘッダーの内側まで挿入し、ヘッダーと各チューブとをろう付けにより接合するようにした熱交換器において、
前記各チューブの端部側の外周面にチューブの幅方向に延びる溝を設け、
前記溝をヘッダーの内面における接続孔の縁部よりもチューブの先端側に位置するように形成した
ことを特徴とする熱交換器。 - 前記チューブを押出成形によって成形した
ことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記チューブは、熱媒体流通孔の中心を通る幅の最小値が1.6mm未満である
ことを特徴とする請求項1または2記載の熱交換器。 - 前記溝をチューブの周方向に連続するように形成した
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の熱交換器。 - 前記各チューブに前記溝をチューブの長手方向に間隔をおいて複数ずつ設けた
ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載の熱交換器。 - 筒状に形成された熱媒体流通用のヘッダーと、互いにヘッダーの軸方向に間隔をおいて配置され、長手方向両端に複数の熱媒体流通孔が開口する熱媒体流通用の複数の扁平状チューブとを備え、ヘッダーの側面に設けられた複数の接続孔に各チューブの端部をそれぞれヘッダーの内側まで挿入し、ヘッダーと各チューブとをろう付けにより接合する熱交換器の製造方法において、
前記各チューブの端部側の外周面にチューブの幅方向に延びる溝を設けるとともに、
前記溝がヘッダーの内面における接続孔の縁部よりもチューブの先端側に位置するように各チューブの端部をヘッダーの接続孔に挿入し、ヘッダーと各チューブとをろう付けにより接合する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。 - 前記チューブには押出成形により成形されたチューブが用いられる
ことを特徴とする請求項6記載の熱交換器の製造方法。 - 前記チューブには、熱媒体流通孔の中心を通る幅の最小値が1.6mm未満のチューブが用いられる
ことを特徴とする請求項6または7記載の熱交換器の製造方法。 - 前記溝がチューブの周方向に連続するように形成されたチューブを用いる
ことを特徴とする請求項6、7または8記載の熱交換器の製造方法。 - 前記各チューブに前記溝をチューブの長手方向に間隔をおいて複数ずつ設ける
ことを特徴とする請求項6、7、8または9記載の熱交換器の製造方法。 - 前記チューブとなる部分がチューブの長手方向に複数連続して一体となった扁平状のチューブ状部材の厚さ方向両面に幅方向に延びる破断可能部を形成し、
チューブ状部材に長手方向への引張力を付与してチューブ状部材を破断可能部から破断させることによりチューブを形成する
ことを特徴とする請求項6、7、8、9または10記載の熱交換器の製造方法。 - 前記チューブ状部材に破断可能部と同時に前記溝を形成する
ことを特徴とする請求項11記載の熱交換器の製造方法。 - 前記チューブ状部材の厚さ方向両面に、前記破断可能部を切り込み状に形成するための第1のローラと、前記溝を形成するための第2のローラとをチューブ状部材の幅方向に移動させながら圧接させることにより、チューブ状部材に破断可能部と前記溝とを同時に形成する
ことを特徴とする請求項12記載の熱交換器の製造方法。 - 前記チューブ状部材の幅方向両端側にチューブ状部材の厚さ方向両面の溝の端部同士を連続させる連続部を形成することにより、チューブの周方向に連続した溝を形成する
ことを特徴とする請求項13記載の熱交換器の製造方法。
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