JP2006275353A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 チューブの外面に付与したろう材による犠牲腐食層への影響を抑えた熱交換器と、その製造方法を提供する。
【解決手段】チューブ30は複数の凹凸が形成された第1芯材部分35と、複数の凹凸が形成され第1芯材部分とともに内部通路33を形成する第2芯材部分45とから成る。両芯材部分は内面凸部41と内面凸部51との間に介在された内面ろう材層43及び53でろう付されている。両芯材部分の外面には犠牲腐食層55、61がクラッドされ、外面凸部37、47の犠牲腐食層55a、61aの上には外面ろう材層57、63が塗布されている。外面凸部及び外面凸部にはそれぞれ外面ろう材層でフィン65がろう付けされている。
【選択図】 図4
【解決手段】チューブ30は複数の凹凸が形成された第1芯材部分35と、複数の凹凸が形成され第1芯材部分とともに内部通路33を形成する第2芯材部分45とから成る。両芯材部分は内面凸部41と内面凸部51との間に介在された内面ろう材層43及び53でろう付されている。両芯材部分の外面には犠牲腐食層55、61がクラッドされ、外面凸部37、47の犠牲腐食層55a、61aの上には外面ろう材層57、63が塗布されている。外面凸部及び外面凸部にはそれぞれ外面ろう材層でフィン65がろう付けされている。
【選択図】 図4
Description
本発明は、車両などの空調装置で使用する凝縮器や蒸発器等の熱交換器、及びその製造方法に関する。
凝縮器(コンデンサ)や蒸発器(エバポレータ)等の熱交換器は一般に、所定間隔で並設されたチューブと、隣接するチューブ間に介在されたフィンとから成る。チューブは複数の冷媒流通路を区画し、冷媒が冷媒流通路を流れる際周辺の空気等との間で熱交換される。強度、重量及び加工性などを考慮して、チューブ及びフィンの材質としてアルミニウムを使用する場合が多い。
アルミニウム製のチューブは押出成形で製造することもできる(特許文献1参照)が、強度を重視してアルミニウム合金の成分を選択したときは、押出し性が劣ることがある。そこで、複数の凸条が所定間隔で形成された二枚の板材(芯材)を接合してチューブを形成する場合がある(特許文献2参照)。特許文献2の熱交換器は、アルミニウム製の第1芯材の凸条間の接合部の内面と第2芯材の凸条間の接合部の内面とをろう付けしている。
チューブを構成する第1芯材及び第2芯材の接合部の内面は外気にさらされないので腐食のおそれが小さいが、外気にさらされる外面は腐食し易い。芯材の腐食を防止するために、芯材の外面に犠牲腐食層を形成することもある(特許文献3参照)。犠牲腐食層は腐食しやい材質から成り、自らが腐食して芯材(母材)を腐食から保護する。
特開2001−153571号公報
特開2003−240378号公報
特開2000−205785号公報
ところが、上記従来例には以下のような問題点があった。第1に、ろう材層をクラッドする場合は、製造上の理由からクラッド率(全板厚に対するクラッドする板厚の割合)に制限があり、また粉末ろう材を塗布する場合はろう付け時に粉末ろう材が犠牲腐食層を溶かしてろう材層を形成する。そのため、薄肉化したチューブにおいて犠牲腐食層の厚さを確保することが困難になる。第2に、ろう材層が犠牲腐食層に比べて電位的に貴であり犠牲腐食層の腐食を促進するため、耐腐食性が劣る。
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は改良された熱交換器と、その製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、チューブの外面に付与したろう材による犠牲腐食層への影響を抑えた熱交換器と、その製造方法を提供することである。
本発明は更に、外面に耐食性の確保及びフィンなどのろう付けのために犠牲腐食層及び外面ろう材層を形成する際、フィンなどのろう付け強度が維持され、しかもろう材層による耐腐食性の低下を抑えた熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
請求項1に記載の熱交換器は、熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブと、チューブの外面にろう付けされた被接合部材とを備える熱交換器であって、その特徴は前記チューブは複数の凹凸が形成された第1芯材部分と、複数の凹凸が形成され前記第1芯材部分とともに前記内部通路を形成する第2芯材部分とを有する。前記第1芯材部分と前記第2芯材部分とは、前記第1芯材部分の内面凸部と前記第2芯材部分の内面凸部との間に介在された内面ろう材層でろう付されている。前記第1芯材部分の外面に犠牲腐食層がクラッドされ、外面凸部の前記犠牲腐食層上に外面ろう材層がクラッド塗布され、前記第2芯材部分の外面に犠牲腐食層がクラッドされ、外面凸部の前記犠牲腐食層上に外面ろう材層が塗布されている。前記第1芯材部分の前記外面凸部及び前記第2芯材部分の前記外面凸部にそれぞれ前記外面ろう材層で前記被接合部材ががろう付けされている。
請求項2に記載の熱交換器は、前記内面ろう材層は、前記第1芯材部分の内面凸部の内面及び/又は前記第2芯材部分の内面凸部の内面に塗布されていることを特徴とする。請求項3に記載の熱交換器は、前記内面ろう材層は、前記第1芯材部分の内面全体及び/又は前記第2芯材部分の内面全体にそれぞれクラッドされていることを特徴とする。請求項4に記載の熱交換器は、前記内面ろう材層及び前記外面ろう材層はそれぞれろう材粉末及びフラックスを含むことを特徴とする。
請求項5に記載の熱交換器は、前記第1芯材部分の複数の凹凸及び前記第2芯材部分の複数の凹凸はそれぞれ複数本の凸条及び複数の凹溝で形成され、前記凸条同士が対向し前記内部通路を形成していることを特徴とする。請求項6に記載の熱交換器は、前記第1芯材部分の複数の凹凸及び前記第2芯材部分の複数の凹凸はそれぞれ複数個の突起及び複数個のくぼみで形成され、前記第1芯材部分の突起の一部と前記第2芯材部分の突起の一部とが前記内部通路を形成するように連通していることを特徴とする。
請求項7に記載の熱交換器は、前記第1芯材部分と前記第2芯材部分とは別体で形成され、重ねられていることを特徴とする。請求項8に記載の熱交換器は、前記第1芯材部分及び前記第2芯材部分は一枚の芯材を折り曲げて成り、一体であることを特徴とする。請求項9に記載の熱交換器は、前記被接合部材はコルゲート形状のフィンであることを特徴とする。請求項10に記載の熱交換器は、前記第1芯材部分及び前記第2芯材部分の板厚は0.1から0.2mmで、前記被接合部材の板厚は0.03から0.07mmであることを特徴とする。
請求項11に記載の熱交換器の製造方法は、熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブと、チューブの外面にろう付けされた被接合部材とを有する熱交換器の製造方法であって、外面に犠牲腐食層がクラッドされた第1芯材部分、及び外面に犠牲腐食層がクラッドされた第2芯材部分にそれぞれ多数の凹凸を形成する凹凸形成工程と、前記第1芯材部分の外面凸部の犠牲腐食層及び前記第2芯材部分の外面凸部の犠牲腐食層の上にそれぞれ外面ろう材層を塗布する塗布工程と、前記第1芯材部分と前記第2芯材部分とを、前記第1芯材部分の内面凸部と前記第2芯材部分の内面凸部との間に介在された内面ろう材層でろう付けし、前記第1芯材部分の外面凸部及び前記第2芯材部分の外面凸部にそれぞれ前記外面ろう材層で前記被接合部材をろう付するろう付工程と、を備えることを特徴とする。
請求項12に記載の熱交換器の製造方法は、前記内面ろう材層は、前記凹凸形成工程の前に前記第1芯材部分の内面及び前記第2芯材部分の内面にそれぞれクラッドされることを特徴とする。請求項13に記載の熱交換器の製造方法は、前記内面ろう材層は、前記塗布工程で前記第1芯材部分の内面凸部の内面及び前記第2芯材部分の内面凸部の内面にそれぞれ塗布されることを特徴とする。請求項14に記載の熱交換器の製造方法は、前記塗布工程において、前記外面ろう材層は回転するローラで塗布することを特徴とする。請求項15に記載の熱交換器の製造方法は、前記被接合部材としてのフィンにろう材層を設けないことを特徴とする。
請求項16に記載の熱交換器は、内部通路に熱交換媒体が流通されるチューブと、前記チューブの外側にろう付けにより接合された被接合部材とを備える熱交換器であって、前記チューブの壁は、複数の凹凸が形成された金属板により形成されており、前記チューブは、前記金属板の対向する内側凸部の頂部間をろう付けにより接合するとともに、前記金属板の縁部間をろう付けにより接合して、前記内部通路を形成している。前記金属板は、芯材と、前記チューブの外側に位置するように前記芯材にクラッド形成された犠牲腐食層と、前記金属板の前記内側凸部の頂部に設けられた内側ろう材と、前記金属板の外側凸部の頂部にのみ塗布された外側ろう材とを備え、前記チューブと前記被接合部材とが前記外側ろう材によってろう付けされていることを特徴とする。
請求項17に記載の熱交換器は、前記被接合部材は、板材をコルゲート成形したフィンであることを特徴とする。請求項18に記載の熱交換器は、前記チューブは、2枚の前記金属板を重ねて、2枚の前記金属板の2対の縁部間をろう付けにより接合して構成されていることを特徴とする。請求項19に記載の熱交換器は、前記チューブは、1枚の前記金属板を折り曲げて、前記金属板の両側の縁部間をろう付けにより接合して構成されていることを特徴とする。請求項20に記載の熱交換器は、前記内側ろう材は、前記金属板の前記内側凸部の頂部を含む内側面の全体を覆うように前記芯材にクラッド形成された内側ろう材層であることを特徴とする。請求項21に記載の熱交換器は、前記内側ろう材は、前記金属板の前記内側凸部の頂部のみに塗布された内側ろう材層であることを特徴とする。
請求項1に記載の第1発明の熱交換器によれば、 第1芯材部分の内面凸部と第2芯材部分の内面凸部とが内面ろう材層でろう付けされ、第1芯材部分及び第2芯材部分の外面凸部にそれぞれ犠牲腐食層を介して外面ろう材層で被接合部材がろう付けされている。第1芯材部分及び第2芯材部分は外面全体に犠牲腐食層がクラッドされているので、耐腐食性に優れている。また、外面ろう材層は外面凸部の外面(頂面)にしか塗布しないので、外面ろう材層による犠牲腐食層の厚さ減少及び腐食促進を最低限に抑制できる。
請求項2の熱交換器によれば、内面ろう材層を第1芯材部分及び第2芯材部分の内面凸部の内面(頂面)のみに塗布しているので、内面ろう材層の使用量が節約できる。請求項3の熱交換器によれば、予めクラッド材の内面全体に内面ろう材層をクラッドできるので、内面ろう材層の形成が容易になる。請求項4の熱交換器によれば、内面ろう材層及び外面ろう材層がろう材粉末の他にフラックスを含むので、第1芯材部分及び第2芯材部分の酸化膜を除去することができ、ろう付けしやすくなる。
請求項5の熱交換器によれば、第1芯材部分の外面凸条と第2芯材部分の外面凸条とで直線状の内部通路が区画でき、内部通路の区画が容易である。請求項6の熱交換器によれば、第1芯材部分の外面突起と第2芯材部分の外面突起とでラビリンス状の内部通路が区画でき、熱交換効率が良い。請求項7の熱交換器によれば、第1芯材部分と第2芯材部分とが別体であるので凹凸の形成が容易である。請求項8の熱交換器によれば、第1芯材部分と第2芯材部分とが一体であるので、部品点数を減らすことができる。請求項9の熱交換器によれば、隣接するチューブに配置されたフィンが効果的な熱交換を可能にする。
請求項11に記載の第2発明の熱交換器の製造方法によれば、第1芯材部分及び第2芯材部分の外面に凹凸を形成する前に犠牲腐食層をクラッドするので、外面全体の耐腐食性が向上する。また、外面ろう材層は外面凸部にしか塗布しないので、隣接する外面凸部間の凹部(内面凸部の背後部分)の犠牲腐食層は溶けず、広い範囲で犠牲腐食層の厚さが確保できる。
請求項12の製造方法によれば、凹凸形成工程以前にすでに第1芯材部分及び第2芯材部分の内面に内面ろう材層がクラッドされているので、内面凸部への内面ろう材層の形成が容易である。請求項13の製造方法によれば、内面ろう材層を塗布工程で第1芯材部分及び第2芯材部分の内面凸部のみに塗布するので、内面ろう材層の使用量が節約できる。請求項14の製造方法によれば、外面ろう材層が回転するローラにより外面凸部の犠牲腐食層の上に均一に塗布できる。請求項15の製造方法によれば、板厚がうすいフィンにろう材層をクラッドしないので、フィンの粒界腐食の発生が防止できる。
請求項16に記載の第3発明の熱交換器によれば、外側ろう材層による犠牲腐食層への影響を抑えることができる。請求項17に記載の熱交換器によれば、フィンとのろう付けのために外側ろう材が使用される場合にも、フィンとの接合を確実にしながら、ろう材による犠牲腐食層への影響を抑えることができる。請求項18に記載の熱交換器によれば、2枚の金属板を重ねてそれらの間に内部通路を構成することができる。請求項19に記載の熱交換器によれば、1枚の金属板からチューブを構成することができる。請求項20に記載の熱交換器によれば、内側ろう材層を確実に設けることができる。請求項21に記載の熱交換器によれば、内側ろう材層のろう材量を抑えることができる。
本発明の実施形態では、板状の第1芯材部分及び第2芯材部分の外面に犠牲腐食層をクラッドした後に、複数の凹凸を形成し、その後両方の芯材部分の外面凸部に外面ろう材層を塗布する製造方法及び構造を採用する。
熱交換器は、熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブと、チューブの外面にろう付けされた被接合部材とを備える熱交換器である。チューブは複数の凹凸が形成された第1芯材部分と、複数の凹凸が形成され第1芯材部分とともに内部通路を形成する第2芯材部分とを有する。第1芯材部分と第2芯材部分とは、第1芯材部分の内面凸部と第2芯材部分の内面凸部との間に介在された内面ろう材層でろう付されている。第1芯材部分の外面に犠牲腐食層がクラッドされ、外面凸部の犠牲腐食層上に外面ろう材層がクラッド塗布され、第2芯材部分の外面に犠牲腐食層がクラッドされ、外面凸部の犠牲腐食層上に外面ろう材層が塗布されている。第1芯材部分の外面凸部及び第2芯材部分の外面凸部にそれぞれ外面ろう材層で被接合部材ががろう付けされている。
以下、熱交換器の構成要素の種々の態様を説明する。熱交換器としては、例えば車両の空調装置に使用される凝縮器(コンデンサ)や蒸発器(エバポレータ)がある。コンデンサは圧縮機から送り込まれる高温高圧のガス冷媒を送風機で供給される外気とを熱交換し、冷媒を冷却して凝縮液化させる熱交換器である。エバポレータはコンデンサで液化され、膨張弁で低温低圧状態になった冷媒を蒸発させることにより、周辺を流れる空気から熱を奪い冷気にする熱交換器である。但し、車両用に限定されず家庭用の空調装置にも適用できる。熱交換器は熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブと、チューブの外面にろう付けされた被接合部材とを有することができる。
チューブは複数の凹凸が形成された第1芯材部分と、複数の凹凸が形成され第1芯材部分とともに内部通路を形成する第2芯材部分とを備えることができる。第1芯材部分は軽量のアルミニウム又はその合金から成り、板厚は0.1から0.3mmの範囲で選定できる。複数の凹凸の凸として、例えば第1芯材部分に外面側に突出した複数の外面凸条を、凹として内面側に突出した複数の内面凸条(外面側から見ると凹溝)を、外面凸条と交互に形成できる。
また、凸として第1芯材部分に外面側に突出する複数の外面突起を、凹として内面側に突出する複数の内面突起(外面から見るとくぼみ)を、外面突起とずれた位置に形成できる。第1芯材部分の外面(外面凸部及びそれ以外の部分)に次述する犠牲腐食層がクラッドされ、外面凸部の犠牲腐食層の上に次述する外面ろう材層が塗布されている。
第2芯材部分は基本的に第1芯材と同じ材料から成り、同じ板厚を持ち、ろう付け面に対して第1芯材部分と対象な構成を持つことができる。第2芯材の外面全体(外面凸部及びそれ以外の部分)に犠牲腐食層がクラッドされ、外面凸部の犠牲腐食層の上に外面ろう材層が塗布される。
第1芯材部分の外面凸条は第2芯材部分の外面凸条と対向し、直線状の内部通路を区画することができる。第1芯材部分の外面突起と第2芯材部分の外面突起とが平面視で一部重なり重なり部で連通するようにすれば、屈曲したラビリンス状の内部通路が区画される。第1芯材部分と第2芯材部分とは別体であり互いに重ねられても良いし、一枚の芯材を折り曲げて成り一体であっても良い。何れの場合でも、第1芯材部分の内面凸部と第2芯材部分の内面凸部とが次述する内面ろう材層でろう付けされている。
犠牲腐食層は第1芯材部分及び第2芯材部分の外面の腐食を防止するもので、第1芯材部分及び第2芯材よりも電位的に卑で、両方の芯材部分に対して犠牲腐食作用を示すアルミニウム合金等から成る。外面ろう材層は第1芯材部分の外面凸部及び第2芯材部分の外面凸部に犠牲腐食層を介して被接合部をろう付けするもので、それぞれ外面凸部にクラッドされている。
内面ろう材層は、第1芯材部分の内面凸部と第2芯材部分の内面凸部とをろう付けするもので、少なくとも一方の内面凸部の内面(頂面)に塗布されている。なお、内面ろう材層を第1芯材部分及び第2芯材部分の内面全体(内面凸部及びそれ以外の部分)にそれぞれクラッドしても良い。
外面ろう材層も内面ろう材層もろう材粉末のみから成っても良いが、ろう材粉末の他にフラックスを含むことが望ましい。ろう材粉末としてはSi粉末、Al−Si粉末合金、Al−Si−Cu粉末合金、Al−Si−Zn粉末合金、Al−Si−Cu−Zn粉末合金等が挙げられる。フラックスとしてはフッ化物系フラックスが適しており、KAlF4、K3AlF4、K3AlF6、AlF3,K2AlF5,KZnF3等が挙げられる。
第1芯材部分及び第2芯材部分の外面凸部に、それぞれ外面ろう材層で被接合部材がろう付けされている。被接合部材の代表側はコルゲート形状のフィンであるが、チューブでも良い。フィンの場合、芯材のみから成りろう材層をクラッドされていないことが望ましい。フィンの板厚は、チューブを形成する第1芯材芯材及び第2芯材芯材の板厚よりも薄く、具体的には0.03から0.07mmの範囲で選定できる。
熱交換器の製造方法は、熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブと、チューブの外面にろう付けされた被接合部材とを有する熱交換器の製造方法であって、外面に犠牲腐食層がクラッドされた第1芯材部分、及び外面に犠牲腐食層がクラッドされた第2芯材部分にそれぞれ多数の凹凸を形成する凹凸形成工程と、第1芯材部分の外面凸部の犠牲腐食層及び第2芯材部分の外面凸部の犠牲腐食層の上にそれぞれ外面ろう材層を塗布する塗布工程と、第1芯材部分と第2芯材部分とを、第1芯材部分の内面凸部と第2芯材部分の内面凸部との間に介在された内面ろう材層でろう付けし、第1芯材部分の外面凸部及び第2芯材部分の外面凸部にそれぞれ外面ろう材層で被接合部材をろう付するろう付工程と、を備える。
以下、熱交換器の製造方法の各工程の種々の態様を説明する。凹凸形成工程では外面に犠牲腐食層がクラッドされた第1芯材部分、及び外面に犠牲腐食層がクラッドされた第2芯材部分に、プレス加工などによりそれぞれ複数の凹凸を形成する。なお、この凹凸形成工程以前に内面ろう材層を第1芯材部分の内面及び第2芯材部分の内面にそれぞれクラッドしても良く、この場合は凹凸を形成したとき、内面全体に内面ろう材層が形成されることになる。なお、内面ろう材層は次述する塗布工程で塗布しても良い。
塗布工程では、第1芯材部分の外面凸部上の犠牲腐食層、及び第2芯材部分の外面凸部上の犠牲腐食層の上にそれぞれ外面ろう材層を塗布する。なお、外面ろう材層の塗布と併行して、その前又はその後に、内面ろう材層を第1芯材部分の内面凸部の内面(頂面)及び第2芯材部分の内面凸部の内面(頂面)にそれぞれ塗布しても良い。また、塗布工程でも他の工程でも、被接合部材がフィンの場合、フィンにはろう材層をクラッドしないことが望ましい。
ろう付け工程では、第1芯材部分と第2芯材部分とを、第1芯材部分の内面凸部と第2芯材部分の内面凸部との間に介在された内面クラッド層でろう付けする。また、外面ろう材層で第1芯材部分の外面凸部及び第2芯材部分の外面凸部にそれぞれ被接合部材をろう付する。第1芯材部分と第2芯材部分とのろう付けと、第1芯材部分及び第2芯材部分への被接合部材のろう付けとは、何れを先に行っても良いし、併行して行っても良い。
<実施形態>
以下、本発明の最良の形態につき添付図面を参照しつつ説明する。
以下、本発明の最良の形態につき添付図面を参照しつつ説明する。
(イ)構成
図1に空調装置を構成する冷凍サイクルを示し、図2に空調装置で使用される凝縮器 を示す。冷凍サイクルは圧縮機10、凝縮器20、膨張弁12及び蒸発器16から成る。凝縮器20はコア部21と、その両端の一対のヘッダタンク部23及び25とを含む。コア部21は複数のチューブ30を含み、冷媒をUターンさせる構造となっており、一方ヘッドタンク23に冷媒の入口部24a及び出口部24bが形成されている。他方ヘッダタンク25には受液器(レシーバ)27が一体化されている。
図1に空調装置を構成する冷凍サイクルを示し、図2に空調装置で使用される凝縮器 を示す。冷凍サイクルは圧縮機10、凝縮器20、膨張弁12及び蒸発器16から成る。凝縮器20はコア部21と、その両端の一対のヘッダタンク部23及び25とを含む。コア部21は複数のチューブ30を含み、冷媒をUターンさせる構造となっており、一方ヘッドタンク23に冷媒の入口部24a及び出口部24bが形成されている。他方ヘッダタンク25には受液器(レシーバ)27が一体化されている。
詳述すると、コア部21は2つのヘッダタンク23及び25間を連通する複数のチューブ30と、それらの間に介装された複数のコルゲート状のフィン65とを備える。ヘッダタンク23及び25は両端を閉塞された筒状であって、内部がセパレータ板によっていくつかの部屋に仕切られている。コア部21に面する壁に複数のスリットが形成され、チューブ30の端部が挿入されろう付けされている。複数のチューブ30への冷媒分配部と、複数のチューブ30からの冷媒集合部とを提供する。レシーバ27は凝縮器30が形成する流路の途中に設けられ、余剰冷媒を貯留するとともに、気液分離機能を有する。
図3及び図4にチューブ30及びフィン65の詳細を示す。但し、図3は模式図であり、理解の容易化のために一部の部材、部品は図示を省略している。チューブ30は第1芯材35と第2芯材45とをろう付けして成る。第1芯材35は所定の幅w及び長さlを持ち、長さ方向に延びる複数の外面凸条37と内面凸条41とが幅方向で交互に形成されている。外面凸条37は外面側(図3及び図4で上方側)に突出し内面側で開口し、外壁部38と一対の側壁部39とを含み、断面コ字形状を持つ。内面凸条41は一対の側壁部39と内壁部42とで形成される。
第2芯材45はろう付け面に関して第1芯材35とほぼ対象な形状を持ち、長さ方向に延びる複数の外面凸条47と複数の内面凸条51とが幅方向で交互に形成されている。外面凸条47は外面側(図3及び図4で下方側)に突出し内面側で開口し、外壁部48と一対の側壁部49とを含み、断面コ字形状を持つ。内面凸条51は一対の側壁部49と内壁部52とで形成される。
互いに対向する外面凸条37と外面凸条47とは同じ幅を持ち、両者で横断面矩形状の冷媒流通路33を区画している。互いに対向する内面凸条41と内面凸条51とは同じ幅を持ち、ろう材から成る内面ろう材層43及び53によりろう付けされている。内面ろう材層43は外壁部38の内面、側壁部39の内側面及び内壁部42にそれぞれクラッドされている。第1芯材35の板厚に対する内面ろう材層43の層厚の割合であるクラッド率は20%である。第2芯材45についても同様に、外壁部48の内面、側壁部49の内側面及び内壁部52の内面にそれぞれ内面ろう材層53がクラッドされている。内面凸条41の内面と内面凸条51の内面とが内面ろう材層43及び53によりろう付けされている。
第1芯材35の外面凸条37の外壁部38に犠牲腐食層55を介して、ろう材粉末にフラックスを混ぜた外面ろう材層57によりコルゲート状のフィン65がろう付けされている。より詳細には、第1芯材35の外壁部38の外面、側壁部39の外側面、内壁部42の外面に、それぞれ犠牲腐食層45がクラッドされている。外壁部38の外面上の犠牲腐食層55aの上に塗布された外面ろう材層57によりフィン65の頂部67がろう付けされている。外面ろう材層57のクラッド率は15%である。
第2芯材45についても同様に、外壁部48の外面、側壁部49の外側面、内壁部52の外面に、それぞれ犠牲腐食層61がクラッドされている。外壁部48の外面上の犠牲腐食層61aの上に塗布された外面ろう材層63によりフィン65の頂部67がろう付けされている。
図3に示すように、チューブ30の幅方向両側の平坦な両側部31aがろう付けされている。また、図5から分かるように、チューブ30の長手方向の一端部32には外面凸条37及び47は形成されていない。これは、一端部32をヘッダタンク23のスリットに挿入するためである。この事情は、チューブ30の長手方向の他端部についても同様である。
(製造方法)
以下、凝縮器の製造方法を第1芯材35、第2芯材45及びフィン65から成るセットを例にして、図6を参照しつつ説明する。まず図6(a)に示すように、板厚が0.20mmで矩形平板状の第1芯材15の外面35a全体に犠牲腐食材55(図4参照)をクラッドし、内面35b全体に内面ろう材層(粉末ろう材のみから成る)42をクラッドしたクラッド材を準備する。内面35bへの内面ろう材層42のクラッド率は約20%である。この事情は図6には図示しない第2芯材45についても同様である。
以下、凝縮器の製造方法を第1芯材35、第2芯材45及びフィン65から成るセットを例にして、図6を参照しつつ説明する。まず図6(a)に示すように、板厚が0.20mmで矩形平板状の第1芯材15の外面35a全体に犠牲腐食材55(図4参照)をクラッドし、内面35b全体に内面ろう材層(粉末ろう材のみから成る)42をクラッドしたクラッド材を準備する。内面35bへの内面ろう材層42のクラッド率は約20%である。この事情は図6には図示しない第2芯材45についても同様である。
次に、図6(b)に示すように、プレス加工により第1芯材35を外面側に突出させて、複数の外面凸条37を所定間隔で形成する。すると、隣接する外面凸条37間に複数の内面凸条41が形成される。外面凸条37は外面側(図6で上面側)に突出し内面側に開口し、複数の外面凸条37は互いに平行である。また、第1芯材35の幅方向の一側及び他側にそれぞれ傾斜部31bが形成される。
次に、図6(c)に示すように、第1芯材35の外面凸条37の犠牲腐食層55の上に、ロール塗布装置70で外面ろう材層(粉末ろう材及びフラックス)57を塗布する。ロール塗布装置70は互いに接触するピックアップロール71、トランスファロール72及びアプリケーションロール73と、アプリケーションロール53に対向して配置されたバックアップロール75とを含む。このうちピックアップロール71は、貯蔵ケース77に収容された外面ろう材層57を取りあげるもので、トランスファロール72は取り上げられた外面ろう材層57を移送するものである。アプリケーションロール73は、移送された外面ろう材層57をアプリケーションロール73と共同して第1芯材35に適用するものである。ここで、第1芯材35のろう材から成る内面ろう材層43にクラックスを塗布する。
図6(d)に示すように、加圧機(不図示)で第1芯材35の軸方向の一端部及び他端部を厚さ方向(上下方向)に加圧する。その結果、両端の外面凸条37及び内面凸条41はつぶされ、両端の第1芯材35の幅方向中間に平坦部が形成される。第2芯材45についても同様である。続いて、図6(e)に示すように、第1芯材35の外面凸条37の外面に、先に塗布した外面ろう材層57でフィン65をろう付けする。フィン65は板厚が0.05mmで、芯材のみから成り表面にも裏面にもろう材層はクラッドされていない。フィン65のろう付けと併行して、内面ろう材層43及び53で第1芯材35の内面凸部41と第2芯材45の内面凸部51とをろう付けする。
(作用)
図1及び図2において、圧縮機10で圧縮された高温高圧の冷媒が凝縮器20の一方ヘッダタンク23の入口部24aから流入し、コア部21の一側(上方側)の複数のチューブ30aに分流する。その際、チューブ30aと直交する方向に流れる外気と熱交換しつつ流れ、他方ヘッダタンク25に流入して分流する。冷媒は受液器(レシーバ)27で気液分離され、他側(下方側)のチューブ30bには液冷媒のみが流入され、出口部24bから流出する。つまり、他側のチューブ30bは過冷却部を形成している。流出した液冷媒は膨張弁14で減圧膨張され、蒸発器16で蒸発する。
図1及び図2において、圧縮機10で圧縮された高温高圧の冷媒が凝縮器20の一方ヘッダタンク23の入口部24aから流入し、コア部21の一側(上方側)の複数のチューブ30aに分流する。その際、チューブ30aと直交する方向に流れる外気と熱交換しつつ流れ、他方ヘッダタンク25に流入して分流する。冷媒は受液器(レシーバ)27で気液分離され、他側(下方側)のチューブ30bには液冷媒のみが流入され、出口部24bから流出する。つまり、他側のチューブ30bは過冷却部を形成している。流出した液冷媒は膨張弁14で減圧膨張され、蒸発器16で蒸発する。
(腐食試験)
次に、腐食試験(乾湿繰返し腐食試験)について説明する。腐食試験は上記実施形態の凝縮器20の他、比較例1、比較例2及び比較例3の凝縮器について行った。比較例1は第1芯材35の内面凸条41の内面に内面ろう材層43がクラッドされ、外面凸条37の外面に外面ろう材層57のみがクラッドされている。第2芯材45についても同様である。フィン65にはろう材層はクラッドされていない。
次に、腐食試験(乾湿繰返し腐食試験)について説明する。腐食試験は上記実施形態の凝縮器20の他、比較例1、比較例2及び比較例3の凝縮器について行った。比較例1は第1芯材35の内面凸条41の内面に内面ろう材層43がクラッドされ、外面凸条37の外面に外面ろう材層57のみがクラッドされている。第2芯材45についても同様である。フィン65にはろう材層はクラッドされていない。
比較例2は第3芯材35の内面凸条41の内面に内面ろう材層43がクラッドされ、外面凸条37の外面に犠牲腐食層55のみがクラッドされている。第2芯材45についても同様である。ろう付けのためにフィン65は芯材にろう材層がクラッドされている。また、比較例3は第1芯材35の内面凸条41の内面に内面ろう材層43がクラッドされ、外面凸条37の外面に犠牲腐食層55及び外面ろう材層57がクラッドされている。第2芯材45についても同様である。フィン65にはろう材層はクラッドされていない。
上記実施形態及び比較例1から3のチューブ30の芯材35及び45と、クラッド層43、53、57及び63と、フィン65の芯材及びろう材層(比較例のみ)との成分を表1に示す。
腐食試験の試験条件は以下の通りである。腐食液の噴霧を2時間噴射し、6時間湿潤させ、4時間乾燥させるサイクルを繰り返した。その際、温度は50℃とした。初めの5サイクルは腐食水、Clイオンが6000ppm、SO4イオンが200ppm、Cuイオンが10ppmとした。その後のサイクルは腐食水、Clイオンが6000ppm、SO4イオンが200ppmとした。
試験結果を示す図7において横軸は試験時間で、縦軸はチューブ内の最大腐食深さである。実施形態では、曲線aから分かるように、時間が経過してもチューブ30の腐食はそれほど進行していない。これに対して、曲線bから分かるように、比較例1(第1芯材35の外面に外面ろう材層47のみをクラッドしている)では腐食の進行が非常に早い。また、曲線cから分かるように、比較例3(第1芯材35の外面に犠牲腐食層55及び外面ろう材層57をクラッドしている)では、腐食の進行が比較例1よりは遅いが実施形態よりも早く、十分とは言えない。
これは二つの理由によると考えられる。一つ目の理由は、犠牲腐食層55の厚さが十分でないためである。即ち、比較例3のように第1芯材35の内面に内面ろう材層43をクラッドし、外面に犠牲腐食層55及びクラッド層57をクラッドする場合、製造上の理由により、クラッド材の板厚は所定値以下に抑える必要がある。クラッド材の厚さが厚すぎると、押付け力が十分に伝わらず、十分にクラッドされないおそれがある。しかも、第1芯材35の厚さが薄くなるほど要求される所定厚さが小さくなる。第1芯材35に凹凸を形成する前に外面に犠牲腐食層55及び外面ろう材層57をクラッドすると、このようなことが発生する。
二つ目の理由は、外面ろう材層57の電位が犠牲腐食層55よりも貴であるために、犠牲腐食層55a腐食が促進されたためと考えられる。
実施形態での腐食の進行は、曲線dで示す比較例2(第1芯材35の外面に犠牲腐食材55のみをクラッドしている)とほぼ同じレベルである。比較例2では、第1芯材35における腐食の問題は発生しないが、ろう材層がクラッドされたフィン65に、Siの拡散により粒界腐食が発生し易くなる。ここで、「粒界腐食」とは,Siの濃度が高くなる結晶粒が電位的に貴となり、その周辺部分が選択的に腐食されることである。粒界腐食の発生は写真でも確認されている。これは、フィン65の板厚が薄く、ろう材層(クラッド率10%)がクラッドされているために発生すると考えられる。
(効果)
実施形態の凝縮器によれば、以下の効果が得られる。第1に、チューブ30は第1芯材35と第2芯材45とをろう付けして成るので、押出加工上の制約を受けない。アルミニウム合金から成るので重量が軽く、また各成分を強度が大きくなるように選択できる。第2に、第1芯材35及び第2芯材45の外面は、フィン65をろう付けする部分以外は全て犠牲腐食層55及び61で覆われているので、耐食性に優れている。特に、隣接する外面凸条37及び47間の凹溝(内面凸部41及び51の背後部分)は内壁面に犠牲腐食層55b及び61bがクラッドされているので、防食される。また、フィン65は外面凸条37及び47に塗布した外面ろう材層57及び63でろう付けされ、フィン65にはろう材層はクラッドしないので、粒界腐食が発生しにくい。
実施形態の凝縮器によれば、以下の効果が得られる。第1に、チューブ30は第1芯材35と第2芯材45とをろう付けして成るので、押出加工上の制約を受けない。アルミニウム合金から成るので重量が軽く、また各成分を強度が大きくなるように選択できる。第2に、第1芯材35及び第2芯材45の外面は、フィン65をろう付けする部分以外は全て犠牲腐食層55及び61で覆われているので、耐食性に優れている。特に、隣接する外面凸条37及び47間の凹溝(内面凸部41及び51の背後部分)は内壁面に犠牲腐食層55b及び61bがクラッドされているので、防食される。また、フィン65は外面凸条37及び47に塗布した外面ろう材層57及び63でろう付けされ、フィン65にはろう材層はクラッドしないので、粒界腐食が発生しにくい。
実施形態の凝縮器の製造方法によれば、第1に、図6(a)(b)に示す凹凸形成工程
を経た後図6(c)に示す塗布工程を行うことで、フィンとの接合部となるチューブの外面凸部にのみ外面ろう材層57及び63を塗布することができるため、広範囲の塗布されていない隣接する外面凸状37及び47間の凹溝では外面ろう材層57及び63による犠牲腐食層55b及び61bの厚さの減少がなく、耐食性が向上する。また、図6(c)に示す塗布工程で十分な層厚の外面ろう材層57及び63を塗布できるので、フィン65の第1芯材35及び第2芯材35へのろう付け力が不足する心配もない。
を経た後図6(c)に示す塗布工程を行うことで、フィンとの接合部となるチューブの外面凸部にのみ外面ろう材層57及び63を塗布することができるため、広範囲の塗布されていない隣接する外面凸状37及び47間の凹溝では外面ろう材層57及び63による犠牲腐食層55b及び61bの厚さの減少がなく、耐食性が向上する。また、図6(c)に示す塗布工程で十分な層厚の外面ろう材層57及び63を塗布できるので、フィン65の第1芯材35及び第2芯材35へのろう付け力が不足する心配もない。
第2に、凹凸を形成するクラッド材に予め内面ろう材層43等をクラッドしているので、第1芯材35の内面凸部41の内面及び第2芯材45の内面凸部51の内面への内面ろう材層43及び53の形成が容易である。第3に、外面ろう材層57及び63はロール塗布装置70で効率よく塗布され、しかも均一に塗布できる。
<変形例>
(1)第1変形例
図8に上記実施形態の変形例を示す。この変形例は実施形態と比べて、内面ろう材層80及び82の構成(成分)、及び第1芯材35及び第2芯材45への内面ろう材層80及び82の形成の仕方が異なり、その他の点は基本的に実施形態と同じである。以下、異なる点を中心に説明する。
(1)第1変形例
図8に上記実施形態の変形例を示す。この変形例は実施形態と比べて、内面ろう材層80及び82の構成(成分)、及び第1芯材35及び第2芯材45への内面ろう材層80及び82の形成の仕方が異なり、その他の点は基本的に実施形態と同じである。以下、異なる点を中心に説明する。
図8から分かるように、第1芯材35の内面凸条41の内面のみに内面ろう材層80が塗布されている。この内面ろう材層80はろう材粉末にフラックスが混入されたもので、上記図6(c)の塗布工程で塗布された。従って、図6(a)に示すクラッド材には内面ろう材層80はクラッドされていない。第2芯材45の内面凸条51にも同様に、ろう材粉末にフラックスが混入された内層ろう材層82が塗布されている。この変形例によれば、クラッド材が内面ろう材を含まないのでその板厚をうすくでき、また内面ろう材層80及び82の使用量を節約できる。
(2)第2変形例
図9及び図10に示す第2変形例では、第1芯材35に、長さ方向に所定長さを持つ複数の外面突起90が所定間隔で形成されている。外面突起90は第1芯材35を外面側に突出させて形成され、その結果幅方向及び長さ方向で隣接する突起90間には複数の内面突起(外面から見るとくぼみ)92が形成されている。第2芯材45にも同様に、複数の外面突起94及び内面突起96が形成されている。
図9及び図10に示す第2変形例では、第1芯材35に、長さ方向に所定長さを持つ複数の外面突起90が所定間隔で形成されている。外面突起90は第1芯材35を外面側に突出させて形成され、その結果幅方向及び長さ方向で隣接する突起90間には複数の内面突起(外面から見るとくぼみ)92が形成されている。第2芯材45にも同様に、複数の外面突起94及び内面突起96が形成されている。
外面突起94は幅方向では上記外面突起90と同じ位置にあるが、長さ方向では外面突起90からずれた位置にある。平面視(図10(a)参照)で、第1芯材35の突起90と第2芯材45の突起94とは長さ方向の端部同士が少し重なり、重なり部分は連通部98で上下方向に連通している。第1芯材35の内面突起92及び第2芯材45の内面突起96にはろう材粉末にフラックスを混入した内面ろう材層80及び82(図8参照)が塗布されている。なお、第1芯材35の内面全体及び第2芯材45の内面全体に内面ろう材層43及び53(図4参照)を塗布しても良い。
この変形例によれば、端部同士が連通された第1芯材35の外面突起90、第2芯材45の外面突起94、第1芯材35の外面突起90、・・が屈曲した内部通路を区画する。その結果、内部通路の表面積が広くなり、冷媒と外気との熱交換の効率が高まる。
20:凝縮器 30:チューブ 35:第1芯材 45:第2芯材 37、47:外面凸条
41、51:内面凸条 43、53:内面ろう材層
55、61:犠牲腐食層 57、63:外面ろう材層
65:フィン
41、51:内面凸条 43、53:内面ろう材層
55、61:犠牲腐食層 57、63:外面ろう材層
65:フィン
Claims (21)
- 熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブ(30)と、チューブの外面にろう付けされた被接合部材(65)とを備える熱交換器であって、
前記チューブは複数の凹凸(37,41)が形成された第1芯材部分(35)と、複数の凹凸(47,51)が形成され前記第1芯材部分とともに前記内部通路(33)を形成する第2芯材部分(45)とを有し、
前記第1芯材部分と前記第2芯材部分とは、前記第1芯材部分の内面凸部(41)と前記第2芯材部分の内面凸部(51)との間に介在された内面ろう材層(43,53)でろう付され、
前記第1芯材部分の外面に犠牲腐食層(55)がクラッドされ、外面凸部(37)の前記犠牲腐食層(55a)上に外面ろう材層(57)がクラッド塗布され、前記第2芯材部分の外面に犠牲腐食層(61)がクラッドされ、外面凸部(47)の前記犠牲腐食層(61a)上に外面ろう材層(63)が塗布され、
前記第1芯材部分の前記外面凸部及び前記第2芯材部分の前記外面凸部にそれぞれ前記外面ろう材層で前記被接合部材が(65)がろう付けされていることを特徴とする熱交換器。 - 前記内面ろう材層は、前記第1芯材部分の内面凸部の内面及び/又は前記第2芯材部分の内面凸部の内面に塗布されていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 前記内面ろう材層は、前記第1芯材部分の内面全体及び/又は前記第2芯材部分の内面全体にそれぞれクラッドされていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 前記内面ろう材層及び前記外面ろう材層はそれぞれろう材粉末及びフラックスを含むことを特徴とする請求項2に記載の熱交換器。
- 前記第1芯材部分の複数の凹凸及び前記第2芯材部分の複数の凹凸はそれぞれ複数本の凸条及び複数の凹溝で形成され、前記凸条同士が対向し前記内部通路を形成していることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の熱交換器。
- 前記第1芯材部分の複数の凹凸及び前記第2芯材部分の複数の凹凸はそれぞれ複数個の突起及び複数個のくぼみで形成され、前記第1芯材部分の突起の一部と前記第2芯材部分の突起の一部とが前記内部通路を形成するように連通していることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の熱交換器。
- 前記第1芯材部分と前記第2芯材部分とは別体で形成され、重ねられていることを特徴とする請求項1から請求項6の何れかに記載の熱交換器。
- 前記第1芯材部分及び前記第2芯材部分は一枚の芯材を折り曲げて成り、一体であることを特徴とする請求項1から請求項6の何れかに記載の熱交換器。
- 前記被接合部材はコルゲート形状のフィンであることを特徴とする請求項1から請求項8の何れかに記載の熱交換器。
- 前記第1芯材部分及び前記第2芯材部分の板厚は0.1から0.2mmで、前記被接合部材の板厚は0.03から0.07mmであることを特徴とする請求項1から請求項9の何れかに記載の熱交換器。
- 熱交換媒体が流通する内部通路を有する複数のチューブ(30)と、チューブの外面にろう付けされた被接合部材(65)とを有する熱交換器の製造方法であって、
外面に犠牲腐食層(55)がクラッドされた第1芯材部分(35)、及び外面に犠牲腐食層(61)がクラッドされた第2芯材部分(45)にそれぞれ多数の凹凸(37,41、47,51)を形成する凹凸形成工程と、
前記第1芯材部分の外面凸部(37)の犠牲腐食層(55a)及び前記第2芯材部分の外面凸部(47)の犠牲腐食層(61a)の上にそれぞれ外面ろう材層(57,63)を塗布する塗布工程と、
前記第1芯材部分と前記第2芯材部分とを、前記第1芯材部分の内面凸部(41)と前記第2芯材部分の内面凸部(51)との間に介在された内面ろう材層(43,53)でろう付けし、前記第1芯材部分の外面凸部(41)及び前記第2芯材部分の外面凸部(51)にそれぞれ前記外面ろう材層で前記被接合部材(65)をろう付するろう付工程と、
を備えることを特徴とする熱交換器の製造方法。 - 前記内面ろう材層は、前記凹凸形成工程の前に前記第1芯材部分の内面及び前記第2芯材部分の内面にそれぞれクラッドされることを特徴とする請求項11に記載の熱交換器の製造方法。
- 前記内面ろう材層は、前記塗布工程で前記第1芯材部分の内面凸部の内面及び前記第2芯材部分の内面凸部の内面にそれぞれ塗布されることを特徴とする請求項11に記載の熱交換器の製造方法。
- 前記塗布工程において、前記外面ろう材層は回転するローラで塗布することを特徴とする請求項11から請求項13の何れかに記載の熱交換器の製造方法。
- 前記被接合部材としてのフィンにろう材層を設けないことを特徴とする請求項11から請求項14の何れかに記載の熱交換器の製造方法。
- 内部通路に熱交換媒体が流通されるチューブと、前記チューブの外側にろう付けにより接合された被接合部材とを備える熱交換器であって、
前記チューブの壁は、複数の凹凸が形成された金属板により形成されており、
前記チューブは、前記金属板の対向する内側凸部の頂部間をろう付けにより接合するとともに、前記金属板の縁部間をろう付けにより接合して、前記内部通路を形成しており、
前記金属板は、
芯材と、
前記チューブの外側に位置するように前記芯材にクラッド形成された犠牲腐食層と、
前記金属板の前記内側凸部の頂部に設けられた内側ろう材と、
前記金属板の外側凸部の頂部にのみ塗布された外側ろう材とを備え、
前記チューブと前記被接合部材とが前記外側ろう材によってろう付けされていることを特徴とする熱交換器。 - 前記被接合部材は、板材をコルゲート成形したフィンであることを特徴とする請求項16に記載の熱交換器。
- 前記チューブは、2枚の前記金属板を重ねて、2枚の前記金属板の2対の縁部間をろう付けにより接合して構成されていることを特徴とする請求項16または請求項17に記載の熱交換器。
- 前記チューブは、1枚の前記金属板を折り曲げて、前記金属板の両側の縁部間をろう付けにより接合して構成されていることを特徴とする請求項16または請求項17に記載の熱交換器。
- 前記内側ろう材は、前記金属板の前記内側凸部の頂部を含む内側面の全体を覆うように前記芯材にクラッド形成された内側ろう材層であることを特徴とする請求項16から19の何れかに記載の熱交換器。
- 前記内側ろう材は、前記金属板の前記内側凸部の頂部にのみ塗布された内側ろう材層であることを特徴とする請求項16から請求項19の何れかに記載の熱交換器。
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