JPWO2006073135A1 - 熱交換チューブ、熱交換器、及び冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

媒体を流通する流路２０１を備え、当該熱交換チューブに伝わる熱にて媒体の熱交換をする熱交換チューブにおいて、当該熱交換チューブは、帯状の素材を成形し、ろう付けしてなるものであり、素材には、流路を区画するビード２０２を設け、当該熱交換チューブの内部には、ビードの頂部をろう付けするプレート体２１０を設けた構成の熱交換チューブである。当該熱交換チューブは、素材を互いに対向してなる偏平部を有し、ビードは、偏平部にそれぞれ設け、プレート体は、偏平部の間に設けた。更に、この熱交換チューブを熱交換器に備え、また、この熱交換器を冷凍サイクルに備えた。

Description

本発明は、媒体を流通する流路を備え、当該熱交換チューブに伝わる熱にて媒体の熱交換をする熱交換チューブ、この熱交換チューブを備えた熱交換器、及びこの熱交換器を備えた冷凍サイクルに関する。

冷凍サイクルに用いられる放熱器やエバポレータ等の熱交換器としては、偏平型の熱交換チューブとコルゲート型のアウターフィンとを交互に積層してコアをなすとともに、チューブの端部をタンクに接続してなるものが知られている。媒体たる冷媒は、タンクに設けられた入口部から熱交換器の内部に取り入れられて、コアに伝わる熱にて熱交換されつつ熱交換チューブを流通し、タンクに設けられた出口部から外部に排出される。また、このような熱交換器は、熱交換チューブ、フィン、タンク等の構成部材を一体に組み立てるとともに、その組み立て体を炉中ろう付けして製造されている。
後記特許文献１乃至５には、熱交換器を構成する熱交換チューブが開示されている。熱交換チューブとしては、帯状の素材を所定の形状に成形し、これをろう付けしてなるものが知られている。素材の成形は、ロールフォーミングにて行われる。熱交換チューブのろう付けは、前述した組み立て体の炉中ろう付けと同時になされる。
この種の熱交換チューブは、素材の要所にビードを設け、ビードにて流路を区画する構成となっている。ビードの頂部は、流路の内部にろう付けされる。ビードにて流路を区画することによれば、熱交換チューブの耐圧強度、及び媒体の熱交換効率を向上することが可能である。
また、熱交換チューブとしては、この他にも、押出し成形チューブが知られている。熱交換チューブをロールフォーミングする場合は、押出し成形する場合と比較すると、その外面にＡｌ−Ｚｎ合金層を設けることができるという利点がある。Ａｌ−Ｚｎ合金層によれば、熱交換チューブの耐食性が向上されるので、結果的に、熱交換チューブの肉厚をより薄くすることができる。
特許文献１ 実開昭６３−１６５０８号公報
特許文献２ 特開平５−１７７２８６号公報
特許文献３ 特開平１１−２４８３８３号公報
特許文献４ 特開２００１−１７４１６７号公報
特許文献５ 国際公開第００／５２４０９号パンフレット
さて近年、熱交換チューブは、熱交換器の性能をより向上するべく小型化且つ精密化される傾向にあり、その性能及び製造性を向上するにあたっては、ろう付けの信頼性の向上、及びろう付け強度の確保等がますます重要な課題となっている。特に、放熱器の内部の圧力が媒体（つまり冷媒）の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルにおいて、放熱器に用いられる熱交換チューブは、非常に高い耐圧性能が要求されるものであり、その熱交換チューブをロールフォーミングにて製造するための構成が現在検討されている。本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、現状の製造技術を踏まえつつ、より合理的に構成された熱交換チューブを得ることである。

本願第１請求項に記載した発明は、媒体を流通する流路を備え、当該熱交換チューブに伝わる熱にて前記媒体の熱交換をする熱交換チューブにおいて、当該熱交換チューブは、帯状の素材を成形し、ろう付けしてなるものであり、
前記素材には、前記流路を区画するビードを設け、当該熱交換チューブの内部には、前記ビードの頂部をろう付けするプレート体を設けた構成の熱交換チューブである。
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、当該熱交換チューブは、前記素材を互いに対向してなる偏平部を有し、前記ビードは、前記偏平部にそれぞれ設け、前記プレート体は、前記偏平部の間に設けた構成の熱交換チューブである。
本願第３請求項に記載した発明は、請求項１又は２において、高圧側の圧力が前記媒体の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器に用いる構成の熱交換チューブである。
本願第４請求項に記載した発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の熱交換チューブを備えた構成の熱交換器である。
本願第５請求項に記載した発明は、請求項４記載の熱交換器を備えた構成の冷凍サイクルである。

図１は、本発明の実施例に係り、冷凍サイクルを示す説明図である。
図２は、本発明の実施例に係り、熱交換器を示す正面図である。
図３は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブの断面を示す説明図である。
図４は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブのろう付け個所を示す説明図である。
図５は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブの断面を示す説明図である。
図６は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブの断面を示す説明図である。
図７は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブの断面を示す説明図である。
図８は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブの断面を示す説明図である。
図９は、本発明の実施例に係り、熱交換チューブの断面を示す説明図である。
図１０は、従来例に係り、熱交換チューブのろう付け個所を示す説明図である。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示す冷凍サイクル１は、自動車に搭載される車内空調用のものであり、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器１０と、放熱器１０で冷却された冷媒を減圧して膨張する減圧機３と、減圧機３で減圧された冷媒を蒸発するエバポレータ４と、エバポレータ４から流出する冷媒を気層と液層に分離して気層の冷媒を圧縮機２へ送るアキュムレータ５とを備えている。冷媒としては、ＣＯ_２を採用しており、放熱器１０の内部の圧力は、気温等の使用条件により、冷媒の臨界点を超える。また、放熱器１０と減圧機３との間及びアキュムレータ５と圧縮機２との間には、冷媒の高圧側と低圧側とを熱交換する内部熱交換器６を設けている。内部熱交換器６は、高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とを熱交換することにより、冷凍サイクル１の効率を向上するものである。尚、図１中の矢印は、冷媒の循環方向を示す。
図２乃至図４に示すように、本例の熱交換器たる放熱器１００は、媒体たる冷媒を流通する偏平状のチューブ２００とコルゲート型のフィン３００とを交互に積層してなるコア４００と、各チューブ２００の端部がそれぞれ挿入接続された複数のタンク５００と、タンク５００に設けられた冷媒の入口部６００及び出口部７００とを備えている。また、コア４００の上下側部には、補強部材たるサイドプレート８００を設けている。サイドプレート８００の端部は、各タンク３００にそれぞれ支持されている。コンプレッサ２から送られる冷媒は入口部６００から流入する。出口部７００から流出した冷媒は、膨張弁３へと送られる。コア４００に対しては、図示を省略したファンによって通風がなされ、冷媒は、コア４００に伝わる熱にて熱交換される。
前記放熱器１００は、チューブ２００、フィン３００、タンク５００、入口部６００、出口部７００、及びサイドプレート８００を構成する複数のアルミ合金製の部材を一体に組み立てた後、その組み立て体を炉中にてろう付けして製造する。また、このような炉中ろう付けに際し、各部材の要所には、ろう付けに要するろう材及びフラックスが設けられる。
図３に示すように、本例の熱交換チューブ２００は、媒体を流通する複数の流路２０１を備え、当該熱交換チューブ２００に伝わる熱にて冷媒の熱交換をするものである。この熱交換チューブ２００は、アルミ合金製の帯状の素材を成形し、ろう付けしてなるものである。素材の成形は、ロールフォーミングにて行われている。
素材には、流路２０１を区画するビード２０２を設けている。また、熱交換チューブ２００の内部には、ビード２０２の頂部をろう付けするアルミ合金製のプレート体２１０を設けている。
この熱交換チューブ２００は、偏平型のものであり、素材を互いに対向してなる偏平部２０３を有する。熱交換チューブ２００の幅方向の一方の端部は、素材を屈曲してなる折り曲げ部２０４となっており、他方の端部は、素材の端部を接合してなる接合端部２０５となっている。ビード２０２は、各偏平部２０３にそれぞれ設けられている。本例の場合、素材の板厚は０．２５〜０．４５ｍｍ、プレート体２１０の板厚は０．０５〜０．２０ｍｍ、熱交換チューブの厚さは１．２〜１．８ｍｍとなっている。
プレート体２１０は、偏平部２０３の間に設けられ、ビード２０２及び素材の幅方向の端部とろう付けされている。このような構成によると、ビード２０２の頂部のろう付け強度を確実に向上することが可能となる。その結果、熱交換チューブ２００の耐圧性能が向上される。
すなわち、本例の構成によると、図４（Ａ）に示すように、ろう付けによるフィレットＦを大きく確保することができ、ろう付け幅ａを拡大することができる。仮に、ビード２０２の頂部同士を直接ろう付けすると、図１０（Ａ）に示すように、ろう付け幅ａがビードの幅ｂよりも小さくなる場合がある。しかるに本例では、フィレットＦを大きく確保することにより、ろう付け幅ａがビード２０２の幅ｂよりも大きくなっている。これは、プレート体２１０を設けることにより、ろう付け個所の挟み角が小さくなるためである。冷媒の圧力によって、ビード２０２の幅ｂよりもろう付け幅ａが小さい部位には応力集中が生じるので、これが耐圧性能を著しく低下させる原因となるが、本例によれば、そのような不都合を回避することができる。
更に、本例の構成によると、図４（Ｂ）に示すように、微妙な寸法誤差の影響からビード２０２に位置ずれが生じた場合であっても、ろう付け幅ａが小さくなることはない。仮に、ビード２０２の頂部同士を直接ろう付けすると、図１０（Ｂ）に示すように、ろう付け幅ａが一層小さくなってしまうが、本例によれば、そのような不都合を回避することができる。つまり、寸法誤差に対するロバスト性（ｒｏｂｕｓｔ：堅牢性）に優れたものとなっている。
尚、このようなろう付けに必要なろう材は、帯状の素材には設けずに、プレート体２１０に設けた。すなわちプレート体２１０は、ろう材をクラッドしてなるブレージングシートである。このような構成によると、ろう材を必要最小限に抑えることが可能である。以下に、その考え方を説明する。
まず、シリコンを含むろう材は、ろう付けには不可欠ではあるものの、ろう付け後には芯材を侵食する要因（つまりエロージョンの要因）となる故に、可能なかぎり少量に抑えることが望ましい。そして、ろう材をクラッドしてなる部材は、芯材とろう材とを所定の割合で重ね合わせ、これを圧延して製造されることから、ろう材のクラッド層の厚さには、その素材の板厚に対して下限が生じる。現在の技術によると、クラッド層の厚さの下限は、素材の板厚に対して約５％となっている。更に、素材の板厚とプレート体２１０の板厚とを比較すると、素材の板厚は、熱交換チューブ２００の構造上、素材の板厚よりも薄く設定することが可能である。故に、ろう材を少量に抑えるには、プレート体２１０にのみろう材をクラッドするとよい訳である。このような構成によると、ろう材の使用量を低減でき、素材におけるシリコン拡散層の深さを浅くすることができるので、素材の板厚をより薄くすることが可能となる。
更に、熱交換チューブ２００の外面となる素材の一方の表面には、熱交換チューブ２００の耐食性を向上する犠牲層として、Ａｌ−Ｚｎ合金層を設けている。また、プレート体２１０は、ろう材及び芯材ともにＺｎを含有しないものとなっている。ここで仮に、プレート体２１０がＺｎを含有していると、熱交換チューブ２００の内側からもＺｎの拡散が生じるので、素材における残存芯材厚さが薄くなり、熱交換チューブ２００の耐食性が劣化することとなるが、本例によれば、プレート体２１０がＺｎを含有しないものであるため、そのような不都合は回避される。
以上説明したように、本例の放熱器チューブ２００は、現状の製造技術を踏まえつつ、より合理的に構成されたものであり、特に、超臨界状態となる冷媒の圧力に応じて、所要の耐圧性能を確保するべく、ろう付けの信頼性を確実に向上してなるものである。尚、本例の熱交換チューブ２００の構成は、エバポレータ４に用いられる熱交換チューブに応用することも可能である。
本例における各部の構成は、請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、上述したものに限定されないことは勿論である。プレート体２１０には、適宜大きさの孔をあけるなどしてもよい。また、本例ではプレート体２１０にろう材を設けたが、耐食性が十分に確保されるのであれば、帯状の素材にろう材をクラッドすることも可能である。
更に、図５に示すように、折り曲げ端部２０４及び接合端部２０５の形状は、任意に設計変更することが可能である。
図６に示すように、接合端部２０５からプレート体２１０を延出し、熱交換チューブ２００の外周に巻き付けるように構成することも可能である。
図７に示すように、プレート体２１０を巻き付けることにより、それぞれビード２０２を設けた一対の素材を組付けるように構成することも可能である。この場合、熱交換チューブ２００の幅方向の端部は、双方ともに接合端部２０５となる。
更に、図８及び図９に示すように、プレート体２１０にはフック部２１１を設けてもよい。フック部２１１を利用して一対の素材を組付けるように構成すれば、熱交換チューブ２００は、より正確且つ堅固に成形することが可能となる。

本発明の熱交換チューブは、超臨界冷凍サイクルの放熱器に用いられる熱交換チューブとして極めて好適に利用することができる。また、この熱交換チューブを備えた放熱器は、超臨界冷凍サイクルに好適である。

Claims (5)

1. 媒体を流通する流路を備え、当該熱交換チューブに伝わる熱にて前記媒体の熱交換をする熱交換チューブにおいて、
   当該熱交換チューブは、帯状の素材を成形し、ろう付けしてなるものであり、
   前記素材には、前記流路を区画するビードを設け、
   当該熱交換チューブの内部には、前記ビードの頂部をろう付けするプレート体を設けたことを特徴とする熱交換チューブ。
2. 当該熱交換チューブは、前記素材を互いに対向してなる偏平部を有し、
   前記ビードは、前記偏平部にそれぞれ設け、
   前記プレート体は、前記偏平部の間に設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換チューブ。
3. 高圧側の圧力が前記媒体の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器に用いることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換チューブ。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の熱交換チューブを備えたことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項４記載の熱交換器を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。

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