JP2001324291A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合面のクリアランスのばらつきによるろう
付け面積の減少を防止する。 【解決手段】 図４（ｂ）に示すように両チューブ２２
１，２２２間の接合面に接合しない溝空間Ｇを設けて、
接合面を複数に区切った。これにより、２本の偏平なチ
ューブ２２１，２２２を長手方向全域に渡って接合する
にしても、接合面が上記の接合しない溝空間Ｇで複数に
区切られるため、接合面のクリアランスのばらつきも各
区切られた接合面毎となって小さくなる。その結果、融
けたろう材がクリアランスの小さな部分に寄ってクリア
ランスの大きな部分がろう付けされないボイドとなった
としても各区切られた接合面内の小さな部分で収まるた
め、全体が略均一なろう付け状態となり、ろう付面積が
確保される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異種材料にて形成
された２種類のチューブをろう付け接合することによ
り、各チューブ内を流通する流体間で熱交換を行なう熱
交換器およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平５−１９６３７７号公報では、内
部に複数の流体通路を持つ２本の偏平チューブを、その
長手方向全域に渡ってろう付けまたは半田付け等の手段
で熱的に接合することで、一方の偏平チューブの複数の
流体通路内を流れる流体（例えば冷媒）から、他方の偏
平チューブの複数の流体通路内を流れる流体（例えば
水）へ熱を移動させる熱交換器が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし２本の偏平なチ
ューブを、上記公報に記載のごとく長手方向全域に渡っ
て接合すると、接合面のクリアランスにばらつきが生
じ、毛細管現象により融けたろう材がクリアランスの小
さな部分に片寄ってしまう。そのため、クリアランスの
大きな部分がろう付けされない部分として大きなボイド
となってしまい、一方のチューブから他方のチューブへ
の熱伝導率が低下し、熱交換能力が低下してしまう。

【０００４】また、その熱交換能力を上げるため、一方
の偏平チューブ内には内部仕切り部を複数箇所互い違い
に設けて、流体（例えば水）の流通通路を内部で複数回
蛇行させているが、その仕切り部も接合面のクリアラン
スにばらつきが生じるとクリアランスの大きな部分がろ
う付けされない部分となって内部リークが発生する。結
果、流体が流通通路を短絡して流れてしまい充分に熱交
換されないうちに通過してしまうことより、熱交換能力
が低下してしまう。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成さ
れたものであり、接合面のクリアランスのばらつきによ
るろう付け面積の減少を防止し、熱交換能力の低下を効
果的に抑えるようにした熱交換器およびその製造方法を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、第１流体が流通する第１
チューブ（２２１）と、第２流体が流通するとともに、
第１チューブ（２２１）と異なる材質にて形成された第
２チューブ（２２２）とを有し、両チューブ（２２１、
２２２）は、両者の長手方向を一致させた状態でろう付
けにて接合されており、両チューブ（２２１、２２２）
を接合する接合面の一部に、両チューブ（２２１、２２
２）を接合しない溝空間（Ｇ）を設けて、接合面を複数
に区切ったことを特徴とする。

【０００７】これにより、２本の偏平なチューブを長手
方向全域に渡って接合するにしても、接合面が上記の接
合しない溝空間（Ｇ）で複数に区切られるため、接合面
のクリアランスのばらつきも各区切られた接合面毎とな
って小さくなる。その結果、融けたろう材がクリアラン
スの小さな部分に寄ってクリアランスの大きな部分がろ
う付けされないボイドとなったとしても各区切られた接
合面内の小さな部分で収まるため、全体が略均一なろう
付け状態となり、ろう付面積が確保される。

【０００８】請求項２記載の発明では、第１チューブ
（２２１）は、２枚の板材（２２１ｂ、２２１ｃ）を貼
り合わせて第１流体の流通通路を形成しており、その貼
り合わせ部分（Ｐ）を用いて接合しない溝空間（Ｇ）を
形成したことを特徴とする。

【０００９】これは、第１チューブには第１流体の流通
通路を複数回蛇行させるため、チューブの途中に内部仕
切りとなる複数の貼り合わせ部分を設けている。これら
の貼り合わせ部分は第２チューブとの熱交換部分とはな
らないため、この部分を用いて上記の接合しない溝空間
（Ｇ）を形成することにより、実質の熱交換面積を減ら
すことなく接合面の区切り溝を形成することができる。

【００１０】請求項３記載の発明では、貼り合わせ部分
（Ｐ）内に、両板材（２２１ｂ、２２１ｃ）の全体の貼
り合わせ平面に対して角度（θ）を持って両板材（２２
１ｂ、２２１ｃ）が接触する壁面部分（Ｈ）を形成した
ことを特徴とする。

【００１１】これは、上記内部仕切りとなる貼り合わせ
部分のクリアランスにばらつきが生じると、クリアラン
スの大きな部分がろう付けされない部分となって内部リ
ークが発生する問題に対するものであり、貼り合わせ部
分を単純な平面での突き合せではなく、全体の貼り合わ
せ平面に対して立った壁面で摺り合う部分を作ること
で、両板材に隙が生じても貼り合わせ部分では大きなク
リアランスとならない。

【００１２】これにより、貼り合わせ部分は略均一なろ
う付け状態となってろう付面積が確保され、内部リーク
が発生することを防止できる。

【００１３】請求項４記載の発明では、第１流体が流通
する第１チューブ（２２１）と、第２流体が流通すると
ともに、第１チューブ（２２１）と異なる材質にて形成
された第２チューブ（２２２）とを有し、両チューブ
（２２１、２２２）は、両者の長手方向を一致させた状
態でろう付けにて接合された熱交換器の製造方法であっ
て、第１チューブ（２２１）は、２枚の板材（２２１
ｂ、２２１ｃ）を貼り合わせる際にその貼り合わせ部分
（Ｐ）を加圧して、その貼り合わせ部分（Ｐ）に凹凸形
状が形成されるまで塑性変形させた状態でろう付けさ
れ、その後前記両チューブ（２２１、２２２）がろう付
けされることを特徴とする。

【００１４】これは、第１チューブを仮組みした後プレ
ス等で貼り合わせ部分を加圧して、前述の立った壁面を
作るために凹凸形状を形成するものである。これによ
り、接合面のクリアランスのばらつきも抑え込まれるう
え、両板材を一緒に変形させることで密着状態が保た
れ、たとえろう付け時に隙が開いたとしても前述の立っ
た壁面部分によって大きなクリアランスとはならない。

【００１５】これにより、貼り合わせ部分は略均一なろ
う付け状態となってろう付面積が確保され、内部リーク
が発生することを防止できる。

【００１６】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、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。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を、図面
に基づき説明する。

【００１８】（第１実施形態）本実施形態は、本発明に
係る熱交換器を家庭用給湯器に適用したものであって、
図１は給湯器１００の外観図であり、図２は給湯器１０
０の模式図である。図２中、２００（２点鎖線で囲まれ
たもの）は、給湯水を加熱し高温（本実施形態では約８
５℃）の温水を生成する超臨界ヒートポンプサイクル
（以下、ヒートポンプと略す）である。

【００１９】なお、超臨界ヒートポンプサイクルとは、
高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポ
ンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素、エチレン、エ
タン、酸化窒素等を冷媒とするヒートポンプサイクルで
ある。

【００２０】また、３００はヒートポンプ２００にて加
熱された温水を保温貯蔵する複数個の保温タンクであ
り、各保温タンク３００は、温水（給湯水）流れに対し
て並列となるように配設されている。

【００２１】図２中、２１０は冷媒（本実施形態では二
酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機２
１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）およ
び圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体と
なった電動圧縮機である。

【００２２】２２０は本実施形態に係る熱交換器を適用
したもので、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水と
を熱交換する水熱交換器（放熱器）である。この水熱交
換器２２０は、図３に示すように、給湯水（水）が流通
する第１チューブ２２１と冷媒が流通する複数本の第２
チューブ２２２を接触させて冷媒流れと給湯水流れとが
対向するように構成された対向流型の熱交換器である。

【００２３】なお、２２３は第１チューブ２２１に給湯
水を供給するパイプであり、２２４は第１チューブ２２
１から流出した給湯水を回収するパイプであり、２２５
は複数本の第２チューブ２２２に冷媒を分配供給する第
１ヘッダタンクであり、２２６は複数本の第２チューブ
２２２から流出した冷媒を集合回収する第２ヘッダタン
クである。

【００２４】第１チューブ２２１と第２チューブ２２２
は、図４に示すように、偏平状に形成されている。そし
て、第１チューブ２２１は、銅製で波状のインナーフィ
ン２２１ａを銅製の板材２２１ｂと、銅板の片面にステ
ンレスを被覆（クラッド）した板材２２１ｃにて挟み込
むようにしてインナーフィン２２１ａ及び板材２２１
ｂ、２２１ｃをろう付けしたものである。

【００２５】また、第２チューブ２２２はアルミニウム
製であり、押し出し加工又は引き抜き加工にて形成され
たものである。因みに、両チューブ２２１，２２２は、
長手方向が互いに一致するようにろう付け接合されてい
る。

【００２６】ところで、図２中、２３０は水熱交換器２
２０から流出する冷媒を減圧する電気式膨張弁（減圧
器）であり、２４０は、電気式膨張弁２３０（以下、膨
張弁２３０と略す。）から流出する冷媒を蒸発させて大
気中の熱を冷媒に吸収させるとともに、後述するアキュ
ームレータ２５０（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷
媒を流出する蒸発器である。

【００２７】２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒
を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機２
１０の吸入側に流出するとともに、ヒートポンプ２００
中の余剰冷媒を蓄えるアキュームレータである。

【００２８】２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送
風するとともにその送風量を調節することができる送風
機（送風量調節手段）であり、この送風機２６０、圧縮
機２１０及び膨張弁２３０は、後述する各センサの検出
信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２７０により制
御されている。

【００２９】そして、２７１は水熱交換器２２０から流
出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度
検出手段）であり、２７２は水熱交換器２２０に流入す
る給湯水の温度を検出する第１温水温度センサ（第１温
水温度検出手段）である。

【００３０】２７３は水熱交換器２２０から流出する冷
媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力セン
サ（冷媒圧力検出手段）であり、２７４は水熱交換器２
２０から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度
センサ（第２温水温度検出手段）である。そして、各セ
ンサ２７１〜２７４の検出信号は、ＥＣＵ２７０に入力
されている。

【００３１】ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２
１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路
に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１
０の吐出圧（水熱交換器２２０の内圧）に略等しい。一
方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から
圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の
圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発
器２４０の内圧）に略等しい。

【００３２】また、４００は、水熱交換器２２０に給湯
水を供給する（循環させる）と共に、その給湯水量を調
節する電動ウォータポンプ（以下、ポンプと略す。）で
あり、４１０は水道管（図示せず）から給水される水道
水が水熱交換器２２０に流入することを防止する閉止弁
である。そして、ポンプ４００及び閉止弁４１０もＥＣ
Ｕ２７０により制御されている。

【００３３】次に、本実施形態に係る水熱交換器２２０
の製造方法の概略について述べる。

【００３４】まず、板材２２１ｂ上にインナフィン２２
１ａとパイプ２２３，２２４をセットし、板材２２１ｃ
で挟み込み、板材２２１ｂの縁部に設けた爪を折り曲げ
カシメて、第１チューブ２２１を組み上げる（仮組工
程）。この際、インナフィン２２１ａの両面と、板材２
２１ｂと２２１ｃの貼り合わせ面にはろう材を塗布して
おく。

【００３５】これを２枚の治具で挟んで加重をかけなが
ら炉内で所定時間加熱して、これらをろう付けにて一体
接合する（リン銅ろう付け工程）。

【００３６】次に、ろう付けされた第１チューブ２２１
上に、第２チューブ２２２とヘッダタンク２２５、２２
６等の部品を順次仮組み付けした後、ワイヤー等の仮固
定治具によりこれら部品を仮固定する（仮組工程）。

【００３７】次に、仮組工程で組み立てられたものを炉
内で所定時間加熱して、これらをろう付けにて一体接合
する（アルミノコロックろう付け工程）。なお、本実施
形態では、ろう材としてＡ４３４３を採用しており、ろ
う材は、被覆（クラッド）、塗布又は溶射等の手段によ
りチューブ材の外壁に塗布されている。

【００３８】次に、本実施形態の特徴を述べる。

【００３９】図4の（ａ）は試作当初の水熱交換器２２
０のチューブの断面図、（ｂ）は本発明の第１実施形態
における水熱交換器２２０のチューブの断面図である。

【００４０】本発明では、両チューブ２２１，２２２間
の接合面に接合しない溝空間Ｇを設けて、接合面を複数
に区切っている。これにより、２本の偏平なチューブ２
２１，２２２を長手方向全域に渡って接合するにして
も、接合面が上記の接合しない溝空間Ｇで複数に区切ら
れるため、接合面のクリアランスのばらつきも各区切ら
れた接合面毎となって小さくなる。

【００４１】その結果、融けたろう材がクリアランスの
小さな部分に寄ってクリアランスの大きな部分がろう付
けされないボイドとなったとしても各区切られた接合面
内の小さな部分で収まるため、全体が略均一なろう付け
状態となり、ろう付面積が確保される。

【００４２】また、接合しない溝空間Ｇは第１チューブ
２２１の２枚の板材２２１ｂ、２２１ｃの貼り合わせ部
分Ｐを用いて形成している。これは、第１チューブ２２
１には流体の流通通路を複数回蛇行させるため、チュー
ブの途中に内部仕切りとなる複数の貼り合わせ部分Ｐを
設けている。この貼り合わせ部分Ｐは第２チューブ２２
２との熱交換部分とはならないため、この部分を用いて
上記の接合しない溝空間Ｇを形成することにより、実質
の熱交換面積を減らすことなく接合面の区切り溝を形成
している。

【００４３】（第２実施形態）図５の（ａ）はプレス前
の第１チューブ２２１の断面図、（ｂ）は本発明の第２
実施形態におけるプレス後の第１チューブ２２１の断面
図である。

【００４４】本発明では、第１チューブ２２１の貼り合
わせ部分Ｐ内に、両板材２２１ｂ、２２１ｃの全体の貼
り合わせ平面に対して角度θを持って両板材２２１ｂ、
２２１ｃが接触する壁面部分Ｈを形成している。

【００４５】これは、上記内部仕切りとなる貼り合わせ
部分Ｐのクリアランスにばらつきが生じると、クリアラ
ンスの大きな部分がろう付けされない部分となって内部
リークが発生する問題に対するものであり、貼り合わせ
部分Ｐを単純な平面での突き合せではなく、全体の貼り
合わせ平面に対して立った壁面Ｈで摺り合う部分を作る
ことで、両板材２２１ｂ、２２１ｃに隙が生じても貼り
合わせ部分Ｐでは大きなクリアランスとならない。

【００４６】これにより、貼り合わせ部分Ｐは略均一な
ろう付け状態となってろう付面積が確保され、内部リー
クが発生することを防止できる。

【００４７】またその形状の製造方法は、第１チューブ
２２１を形成する２枚の板材２２１ｂ、２２１ｃを貼り
合わせる際にその貼り合わせ部分Ｐを加圧して、貼り合
わせ部分Ｐである平面状部分に凹凸形状が形成されるま
で塑性変形させた後にろう付けしている。

【００４８】これは、第１チューブ２２１を仮組みした
後プレス等で貼り合わせ部分Ｐを加圧して、前述の立っ
た壁面Ｈを作るために凹凸形状を形成するものである。
これには例えばろう付け治具をプレス型のように用い
て、貼り合わせ部分Ｐを加圧成形した後、そのままチュ
ーブと治具とを密着させたままろう付けするようにして
もよい。

【００４９】これにより、接合面のクリアランスのばら
つきも抑え込まれるうえ、両板材２２１ｂ、２２１ｃを
一緒に変形させることで密着状態が保たれ、たとえろう
付け時に隙が開いたとしても前述の立った壁面部分によ
って大きなクリアランスとはならない。

【００５０】これにより、貼り合わせ部分Ｐは略均一な
ろう付け状態となってろう付面積が確保され、内部リー
クが発生することを防止できる。

【００５１】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器に適用した
が、本発明に係る熱交換器はこれに限定されるものでは
なく、水と空気とを熱交換するラジエターや、冷媒と空
気とを熱交換する放熱器やガスクーラ等の、その他の熱
交換器にも適用することができる。

【００５２】また上述の実施形態で、貼り合わせ部分Ｐ
に形成した凹凸形状は略半円形状であったが、本発明は
これに限定されるものではなく、角型形状等のその他の
形状であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における給湯機の外観図で
ある。

【図２】本発明の一実施形態における給湯機の模式図で
ある。

【図３】（ａ）は本発明の一実施形態における水熱交換
器の側面図、（ｂ）は正面図である。

【図４】（ａ）は試作当初の水熱交換器のチューブの断
面図、（ｂ）は本発明の第１実施形態における水熱交換
器のチューブの断面図である。

【図５】（ａ）はプレス前の第１チューブの断面図、
（ｂ）は本発明の第２実施形態におけるプレス後の第１
チューブの断面図である。

【符号の説明】

２２１ 第１チューブ ２２１ｂ プレート（板材） ２２１ｃ プレート（板材） ２２２ 第２チューブ Ｇ 接合しない溝空間 Ｈ 角度θを持って立った壁面部分 Ｐ プレートの貼り合わせ部分 θ 貼り合わせ平面に対する角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河地 典秀 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 沖ノ谷 剛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 山本 憲 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 小早川 智明 東京都千代田区内幸町１−１−３ 東京電 力株式会社内 (72)発明者 草刈 和俊 東京都千代田区内幸町１−１−３ 東京電 力株式会社内 (72)発明者 斉川 路之 神奈川県横須賀市長坂２−６−１ 財団法 人電力中央研究所 横須賀研究所内 Ｆターム(参考） 3L065 CA17 3L103 AA01 AA36 DD10 DD53

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１流体が流通する第１チューブ（２２
   １）と、第２流体が流通するとともに、前記第１チュー
   ブ（２２１）と異なる材質にて形成された第２チューブ
   （２２２）とを有し、前記両チューブ（２２１、２２
   ２）は、両者の長手方向を一致させた状態でろう付けに
   て接合されており、 前記両チューブ（２２１、２２２）を接合する接合面の
   一部に、前記両チューブ（２２１、２２２）を接合しな
   い溝空間（Ｇ）を設けて、前記接合面を複数に区切った
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 前記第１チューブ（２２１）は、２枚の
   板材（２２１ｂ、２２１ｃ）を貼り合わせて第１流体の
   流通通路を形成しており、その貼り合わせ部分（Ｐ）を
   用いて前記接合しない溝空間（Ｇ）を形成したことを特
   徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 前記貼り合わせ部分（Ｐ）内に、前記両
   板材（２２１ｂ、２２１ｃ）の全体の貼り合わせ平面に
   対して角度（θ）を持って前記両板材（２２１ｂ、２２
   １ｃ）が接触する壁面部分（Ｈ）を形成したことを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 【請求項４】 第１流体が流通する第１チューブ（２２
   １）と、第２流体が流通するとともに、前記第１チュー
   ブ（２２１）と異なる材質にて形成された第２チューブ
   （２２２）とを有し、前記両チューブ（２２１、２２
   ２）は、両者の長手方向を一致させた状態でろう付けに
   て接合された熱交換器の製造方法であって、 前記第１チューブ（２２１）は、２枚の板材（２２１
   ｂ、２２１ｃ）を貼り合わせる際にその貼り合わせ部分
   （Ｐ）を加圧して、前記貼り合わせ部分（Ｐ）に凹凸形
   状が形成されるまで塑性変形させた状態でろう付けさ
   れ、その後前記両チューブ（２２１、２２２）がろう付
   けされることを特徴とする熱交換器の製造方法。