JP2005221117A - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 不活性ガスやフラックス等を用いることなく、またはクラッド材を採用することなく、低コストで、且つエネルギー消費を低減して熱交換器を製造することができる熱交換器の製造方法を提供する。
【解決手段】 ヘッダ２４として、熱交換器用チューブ２２を挿入するための孔４０の挿入出口側端部４０ｂの内径が、熱交換器用チューブ２２の先端接合部の外径よりも小径となるように形成されたヘッダ２４を用い、孔４０内に熱交換器用チューブ２２を挿入し、ヘッダ２４と、ヘッダ２４の孔４０内に挿入された熱交換器用チューブ２２とを高周波誘導加熱装置によって加熱し、次いで、熱交換器用チューブ２２を孔４０に対して相対的に挿入方向に移動させてヘッダ２４の孔４０の内壁面と熱交換器用チューブ２２の外壁面とに生じている酸化皮膜を除去し、露出したヘッダ２４の孔４０の内壁と熱交換器用チューブ２２の外壁との間で接合する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、媒体を流通させる熱交換器用チューブと、複数本の熱交換器用チューブの端部を接続するヘッダとを具備する熱交換器用を製造する、熱交換器の製造方法に関する。

家庭用や自動車用のクーラー等の熱交換器は、アルミニウム等の薄板で形成されている熱交換器用フィンを複数枚積層し、この各フィンそれぞれに形成されている透孔内に、金属製の熱交換器用チューブが挿入されて構成されている。熱交換器用チューブ内には媒体が流通し、フィンを介して熱交換が行なわれる。

熱交換器用チューブ（以下、単にチューブと称する場合がある）の端部同士を接続する構造として、複数のチューブをまとめて１本の流路に接続するためのヘッダを用いることが従来より実施されている。
ここで、ヘッダとチューブとの取り付けは、ろう付けによって行なわれることが一般的である（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

なお、一般的に、ろう付けを行なう場合には高周波誘導加熱装置によってろう材を溶解させて行なうことも、従来から知られていることである（特許文献３参照）。
特開２００３−５３５２２号公報 特開２００３−２００２６０号公報 特開平８−９０２１８号公報

熱交換器を製造する際に、チューブのヘッダへの取り付けをろう付けによって行なう場合、接合時に金属表面に形成された酸化皮膜を除去するために、不活性ガス（アルゴン等）雰囲気下でろう付けを行なったり、あるいは接合箇所にフラックスを塗布したり、クラッド材を採用する必要があった。
このため、従来の熱交換器の製造工程においては、不活性ガスやフラックス等が必要であったり、またクラッド材を採用する必要があったことから、その分製造コストがかさんでいるという課題があった。
また、従来のようにフラックスを塗布する場合には高温下で行なう必要があったり、クラッド材を必要とすることから、ろう付けの前工程においても過大なエネルギー（電気やガス）を消費せざるをえず、省エネルギーの観点からも問題があった。

そこで、本発明の目的は、不活性ガスやフラックス等を用いることなく、またはクラッド材を採用することなく、低コストで、且つエネルギー消費を低減して熱交換器を製造することができる熱交換器の製造方法を提供することにある。

本発明にかかる熱交換器の製造方法によれば、内部に媒体を流通させて用いる複数本の熱交換器用チューブが、ヘッダに取り付けられて成る熱交換器を製造する製造方法において、前記ヘッダとして、熱交換器用チューブを挿入するための孔の挿入出口側端部の内径が、熱交換器用チューブの先端接合部の外径よりも小径となるように形成されたヘッダを用い、該孔内に熱交換器用チューブを挿入し、ヘッダと、該ヘッダの孔内に挿入された熱交換器用チューブとを高周波誘導加熱装置によって加熱し、次いで、熱交換器用チューブを孔に対して相対的に挿入方向に移動させてヘッダの孔の内壁面と熱交換器用チューブの外壁面とに生じている酸化皮膜を除去し、露出したヘッダの孔の内壁と熱交換器用チューブの外壁との間で接合することを特徴としている。
この方法によれば、まず熱交換器用チューブの先端接合部と、ヘッダの孔の挿入出口側端部との間のクリアランスがマイナスであるので、孔内に熱交換器用チューブを挿入（圧入）していくと熱交換器用チューブが強固に保持される。そして、高周波誘導加熱装置による加熱で、孔が熱膨張して熱交換器用チューブとの嵌合が緩くなったところで、熱交換器用チューブを孔に対して相対的に移動させることにより、それぞれの表面に生じていた酸化皮膜が摩擦により除去される。そして互いの接触圧力および熱によって、熱交換器用チューブがヘッダに強固に接合される。このように、機械的に酸化皮膜を除去できるので、不活性ガス、フラックスあるいはクラッド材等を使用しなくとも酸化皮膜の確実な除去が行なえる。

高周波誘導加熱装置による加熱は、熱交換器用チューブおよびヘッダのそれぞれの融点よりも低い温度で行なうことを特徴としてもよい。
これによれば、ヘッダや熱交換器用チューブが合金である場合において、合金組成を維持することができる。また融点まで昇温させることなく接合できるので工程の時間短縮を図ることができ、さらに省エネルギーにも寄与する。

なお、前記ヘッダは、少なくとも孔が形成されている箇所は平板状の部材であるヘッダプレートを有しており、熱交換器用チューブはヘッダプレートに取り付けられることを特徴としてもよい。
これによれば、通常円筒状等に形成されたヘッダに直接熱交換器用チューブを取り付けることなく、まずヘッダプレートに取り付けることとなるので、孔の形成や孔内への熱交換器用チューブの挿入が容易に行なわれる。

本発明の熱交換器の製造方法によれば、不活性ガス、フラックスまたはクラッド材を用いずに、熱交換器用チューブとヘッダとの間の取り付けが可能である。したがって、このような熱交換器を低コストで提供することができる。また高周波誘導加熱装置により接合部のみを加熱することで、余計なエネルギー（電気やガス）を消費せず、消費エネルギーの節約にも寄与することができる。

熱交換器のヘッダにはヘッダプレートが設けられ、ヘッダプレートにテーパ状の孔を穿設しておく。
この孔に熱交換器用チューブを挿入する。テーパ状の孔の挿入出口側端部の内径は熱交換器用チューブの先端接合部よりも小径なので、熱交換器用チューブは孔に圧入されていくことになる。この状態から熱交換器用チューブとヘッダを高周波誘導加熱装置で加熱する。
加熱は熱交換器用チューブとヘッダのそれぞれの融点よりも低い温度までとする。高周波誘導加熱装置により加熱されると、孔が熱膨張して熱交換器用チューブとの嵌合が緩くなるので、熱交換器用チューブを約１ｍｍほど挿入方向に押し込む。すると、孔の内壁面と熱交換器用チューブの外壁面とが互いにこすれあって、それぞれの表面に存在する酸化皮膜が除去され、そのまま接合される。

以下、熱交換器の製造方法の実施例について説明する。
まず、図１に熱交換器の全体構造を示し、熱交換器の構成について説明する。
図１に示すように、本実施例における熱交換器１９は、内部を媒体が流通する熱交換器用チューブ（以下、単にチューブと称する）２２に、金属製の薄板である熱交換器用フィン（以下、単にフィンと称する）２０が複数枚取り付けられてフィン２０が積層された積層体２１と、チューブ２２の両端部が接続されたヘッダ２４とを具備している。

フィン２０には、チューブ２２を挿入するために、周縁に所定高さのカラー２３が形成されたカラー付き透孔２５が形成されている。このカラー付き透孔２５にチューブ２２が挿入された後、チューブ２２が拡管される。拡管されたチューブ２２は、カラー付き透孔２５の内壁面に密着してフィン２０と一体化される。
また、本明細書中に図示されるチューブ２２は、外形の断面がオーバル状または扁平状に形成されているものであるが、特に断面形状はこのような形状に限定されるものではない。

次に、図２および図３に基づいてヘッダの構造について説明する。
ヘッダ２４は、複数本のチューブ２２を一体に接続し、媒体を各チューブ２２に一度に流通させるような構造となっている。
ヘッダ２４は、媒体が通過するように複数本のチューブ２２の配置方向に沿って延びる流路３０が形成されたヘッダ本体３２と、複数本のチューブ２２の各端部２２ａを取り付けたヘッダプレート３４とを具備している。なお、ヘッダプレート３４は、後述するように金属製の板状の部材である。

ヘッダ本体３２は、金属製の筒状の部材である。ヘッダ本体３２の一方側の面には、ヘッダプレート３４が取り付けられる取り付け面３２ａが形成されている。
取り付け面３２ａのチューブ２２の端部２２ａが存する部位には、該端部２２ａが収納されると共に、流路３０とチューブ２２とを連通させるための連通空間３７が形成されている。連通空間３７は、流路３０が取り付け面３２ａ側に開口するようにして形成されている。

ヘッダプレート３４の構造について、図４〜図６に基づいて説明する。
ヘッダプレート３４は、チューブ２２をヘッダ２４に取り付けるための部材であり、チューブ２２を挿入するための孔４０が形成されている。ヘッダプレート３４は、チューブ２２の配列方向に延出する長尺の部材であり、孔４０が形成されている取付面４２と、取付面４２からヘッダ本体３２方向に延びるように折り曲げられて形成された突出部４４とから構成される。突出部４４がヘッダ本体３２に当接し、ヘッダ本体３２に取り付けられる。

本実施例における孔４０は、平面視オーバル状に形成されている。チューブ２２の断面がオーバル状であるためである。したがって、孔４０の形状は、チューブ２２の断面形状に合わせて様々な形状を採用することができる。
また、孔４０は、挿入入口側端部４０ａから挿入出口側端部４０ｂに向かって徐々にその内径が小径となるようにテーパ状に形成されている。
さらに、孔４０の内径と、孔４０内に挿入されるチューブ２２の外径とを比較すると、孔４０の挿入出口側端部４０ｂの内径は、チューブ２２の先端接合部よりも小径に形成されている。
なお、本実施例では、孔４０の挿入入口側端部４０ａの内径と、挿入出口側端部４０ｂの内径とを比較すると、挿入出口側端部４０ｂの内径は挿入入口側端部４０ａの内径よりも約０．１ｍｍ小径となるように形成されている。

本実施例においては、孔４０の周縁にはチューブ２２の挿入方向に立ち上げられた立ち上がり部４６が形成されている。このような立ち上がり部４６が形成されていることによって、チューブ２２とヘッダプレート３４との間の接触面積が増加するので、チューブ２２のヘッダプレート３４への取り付けが、より強固に行なわれる。

なお、孔４０内にチューブ２２を挿入したところを、図７に示している。
これによると、チューブ２２の本来の外径ｘ１は、孔４０の挿入出口側端部４０ｂの内径ｘ２よりも大きいので、孔４０を貫通するようにして挿入されたチューブ２２の外径は、圧縮されてｘ２となる。

次に、上述したような熱交換器の製造方法について、図８のフローにより説明する。
まず、チューブ２２を、積層したフィン２０のカラー付き透孔２５内に挿入する（ステップＳ１００）。挿入後、チューブ２２とフィン２０とを一体化させるために、チューブ２２を拡管する（ステップＳ１０２）。
拡管はどのような方法で行なってもよいが、チューブ２２内に高圧の液体を流通させて液圧で拡管する方法や、拡管ビュレット（図示せず）をチューブ２２内に挿入する方法が考えられる。

チューブ２２の拡管が終了したら、積層された複数のフィン２０に一体化したチューブ２２をヘッダプレート３４に取り付ける工程Ｓ１に移行する。なお、この工程Ｓ１においては、図９〜図１２の概略図も参考にして説明する。
まず、チューブ２２をヘッダプレート３４の孔４０内に挿入する（ステップＳ１０４）。上述したように、挿入するチューブ２２の外径は孔４０の挿入出口側端部よりも大径であるので、このステップでチューブ２２は孔４０の内壁面に挟み込まれて固定される。
そして、図９のように、ヘッダプレート３４を組付けた積層体２１（フィン２０とチューブ２２が一体化されたもの）は、ホルダ５０にセットされる。

チューブ２２を孔４０内に挿入して組付けた後、ヘッダプレート３４およびチューブ２２を高周波誘導加熱装置を用いて加熱する（ステップＳ１０６）。
高周波溶着は、具体的には、高周波電流を印加したコイル５４によってコイル５４内部に磁界を生じさせ、この磁界による誘電電流をチューブ２２およびヘッダプレート３４に発生させることでこれらを高温化させることで行なわれる。高周波誘導加熱装置の具体的なメカニズムについては従来より良く知られたものであるのでここでは詳述しない。
具体的には、図１０に示すように、ホルダ５０を下降させ、高周波電流が印加されたコイル５４に、ヘッダプレート３４とチューブ２２とを接近させて行なう。

なお、高周波誘導加熱装置による加熱は、チューブ２２およびヘッダプレート３４の融点よりも低温とする。これにより、例えばチューブ２２とヘッダプレート３４が共にアルミニウムの母材に亜鉛を混合させたアルミ合金を採用する場合であっても、母材であるアルミニウムから亜鉛が遊離してしまうことを防止し、合金の組成を維持できる。
また、加熱時間も融点近傍まで上げる場合と比較して短くて済むので、工程の時間短縮にも寄与し、また消費エネルギーの節減もできる。

高周波誘導加熱装置によってヘッダプレート３４とチューブ２２とを加熱していくと、孔４０が熱膨張して、チューブ２２を保持していた力が弱くなる。すると、テーパ状に形成した孔４０により強固に保持されていたチューブ２２が孔４０に対して移動可能となる。そこで、加熱温度が、融点未満でかつ孔４０が熱膨張してチューブ２２との嵌合が緩くなる程度の所定の温度にまで達した時点で加熱を終了する。加熱終了時には、図１１に示すようにホルダ５０を上昇させることで、ヘッダプレート３４とチューブ２２とをコイル５４から離間させ、その後ホルダ５０をベース部５６の上方へ移動させる。

加熱終了後、チューブ２２を孔４０の挿入方向にさらに押し込む（ステップＳ１０８）。このように、チューブ２２を孔４０内でさらに挿入方向に移動させることによって、チューブ２２の外壁面と孔４０の内壁面表面に形成されていた酸化被膜を機械的に除去することとなる。本実施例における移動距離としては１ｍｍ程度を想定している。
図１２に示すように、具体的なチューブ２２の押し込みは、ホルダ５０を下降させてヘッダプレート３４をベース部５６に当接させ、ここからさらにホルダ５０を下降させることでチューブ２２を孔４０内に挿入する。このとき、ベース部５６には、ヘッダプレート３４が当接する当接面５６ａよりも下方に凹んだ凹部５８が形成されており、この凹部５８内にヘッダプレート３４から突出しているチューブ２２の先端接合部が収納される。

チューブ２２を押し込んだことによる酸化被膜の除去後、ヘッダプレート３４の孔４０の内壁面とチューブ２２の外壁面は、互いの接触圧力と熱によって接合される。ヘッダプレート３４の孔４０の内壁面とチューブ２２の外壁面が接合することによって、チューブ２２のヘッダプレート３４への取り付けが終了する。

最後にヘッダプレート３４を、ヘッダ本体３２に取り付ける（ステップＳ１１０）。ヘッダプレート３４のヘッダ本体３２への取り付けは、通常の溶接等によって行なうことができる。
以上で、熱交換器の製造が終了する。

また、上述した実施例においては、チューブと孔の酸化被膜を削り取る工程において、チューブを孔にさらに押し込む場合について説明した。
しかし、この工程は、チューブの外壁面と孔の内壁面との間での摩擦力によって、酸化被膜を除去できればよいのであり、チューブを動かさずにチューブに対してヘッダプレートを移動させるようにしてもよい。

以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

本発明にかかる熱交換器の側面図である。 ヘッダの構造を説明するための側面からの断面図である。 ヘッダの構造を説明するための、図２のＡ−Ａ断面図である。 ヘッダプレートの平面図である。 ヘッダプレートの構造を説明するための、図４のＢ−Ｂ断面図である。 ヘッダプレートの構造を説明するための、図４のＣ−Ｃ断面図である。 図６の断面図にヘッダプレートの孔にチューブを挿入したところを示す説明図である。 熱交換器の製造方法の実施例を説明するためのフローである。 ヘッダプレートを組付けた熱交換器がホルダにセットされたところを示す説明図である。 ホルダを高周波誘導加熱装置のコイルに接近させて、ヘッダプレートとチューブを加熱させているところを示す説明図である。 加熱終了後、ホルダをコイルから離すと共に、コイルを移動させたところを示す説明図である。 ホルダをベース部に接近させて、チューブをヘッダプレート内に押し込んでいるところを示す説明図である。 図１２の側面図である。

符号の説明

１９ 熱交換器
２０ 熱交換器用フィン（フィン）
２１ 積層体
２２ 熱交換器用チューブ（チューブ）
２２ａ 端部
２３ カラー
２４ ヘッダ
２５ 透孔
３０ 流路
３２ ヘッダ本体
３２ａ 取り付け面
３４ ヘッダプレート
３７ 連通空間
４０ 孔
４０ｂ 挿入出口側端部
４０ａ 挿入入口側端部
４２ 取付面
４４ 突出部
４６ 立ち上がり部
５０ ホルダ
５４ コイル
５６ ベース部
５６ａ 当接面
５８ 凹部
ｘ１ 外径
ｘ２ 内径

Claims (3)

1. 内部に媒体を流通させて用いる複数本の熱交換器用チューブが、ヘッダに取り付けられて成る熱交換器を製造する製造方法において、
   前記ヘッダとして、熱交換器用チューブを挿入するための孔の挿入出口側端部の内径が、熱交換器用チューブの先端接合部の外径よりも小径となるように形成されたヘッダを用い、
   該孔内に熱交換器用チューブを挿入し、
   ヘッダと、該ヘッダの孔内に挿入された熱交換器用チューブとを高周波誘導加熱装置によって加熱し、
   次いで、熱交換器用チューブを孔に対して相対的に挿入方向に移動させてヘッダの孔の内壁面と熱交換器用チューブの外壁面とに生じている酸化皮膜を除去し、露出したヘッダの孔の内壁と熱交換器用チューブの外壁との間で接合することを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 高周波誘導加熱装置による加熱は、熱交換器用チューブおよびヘッダのそれぞれの融点よりも低い温度で行なうことを特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記ヘッダは、少なくとも孔が形成されている箇所が平板状の部材であるヘッダプレートを有しており、
   熱交換器用チューブはヘッダプレートに取り付けられることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換器の製造方法。
   
   

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