JP2008241217A - 熱交換器の製造方法及びこの製造方法によって製造した熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】水配管に設けられたらせん状の溝の溝幅のばらつきを小さくし、巻きつけられる冷媒配管の外径に対してらせん状の溝の溝幅を最適に設定して、コンパクトな熱交換器の製造方法等を提供する。
【解決手段】直管１ａにらせん状の筋７を形成し、直管１ａにねじり圧縮に伴う塑性変形を加えてらせん状の筋７をらせん状の溝２に変形した水配管１を形成し、らせん状の溝２に沿って冷媒配管３を巻きつけ、冷媒配管３が巻き付けられた水配管１を全長が短縮する方向にねじり、らせん状の溝幅を任意の幅に狭めて熱交換器を製造する。
【選択図】図８

Description

本発明は、水と冷媒との間の熱交換を促すための例えばヒートポンプ式給湯用の熱交換器の製造方法、及びこの製造方法によって製造した熱交換器に関するものである。

従来の水配管と冷媒配管からなる熱交換器に、熱交換性能を確保するために水配管に冷媒配管を嵌合するための溝を設け、その溝に冷媒配管を嵌合し、水配管と冷媒配管とを密着させて熱交換させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の水配管と冷媒配管とからなる熱交換器に、水配管と冷媒配管との伝熱面積を大きくするために、水配管の外周にらせん状の溝を備えた水配管を用い、水配管のらせん状の溝に沿って冷媒配管を巻き付け、さらに伝熱性能を向上させるために水配管と冷媒配管との隙間にハンダ等の伝熱材料を充填したものがある（例えば、特許文献２参照）。

このような水配管の外周にらせん状の溝を形成するには、まず、薄肉直管の一方の端部付近にらせん状の溝の起点となるくぼみを加工する。

次に、直管の管内に芯金を挿入し、直管の両端をそれぞれ三爪チャック等を用いて把持する。

この状態から、両端の三爪チャックにより直管にねじり圧縮に伴う塑性変形を加えることでらせん状の起点となるくぼみから連続的にらせん状の溝が成形される。らせん状の溝の形成を完了したのち、直管内に挿入されていた芯金を引き抜くと、外周にらせん状の溝を備えた水配管が得られる。

このような加工方法により加工を行った場合、ローラ等のジグによる転造形成と比較して、らせん状の溝の山谷の差が大きならせん状の溝の形成においても、加工速度が速いという利点がある。

特開２００１−２８０８６２号公報（第３頁、図１） 特開２００６−９０６９７号公報（第４頁、図２）

特許文献１記載の熱交換器では、水配管と冷媒配管との伝熱面積が不十分で、伝熱性能が充分ではなかった。

特許文献２記載の熱交換器では、直管の偏肉精度（同一の直管における厚さの最大値と最小値の差）が肉厚の５％以上になると、直管の捻り剛性のバラツキの影響により、らせん状の溝のピッチならびらせん状の溝の溝幅のばらつきが大きくなる。このため、らせん状の溝幅のばらつきを考慮して、溝幅が狭い場合においても冷媒配管がらせん状の溝の谷底に沿うことができるように、らせん状の溝に巻きつけられる冷媒配管の外径に対してらせん状の溝の溝幅を広く設定し、水配管と冷媒配管との伝熱面積を確保する必要がある。

しかし、このように冷媒配管の外径に対してらせん状の溝の溝幅が広めに設定されていると、熱交換器の全長が必要以上に長くなり、熱交換器が組み込まれるヒートポンプユニットが大きくなるという問題がある。また、水配管に設けたらせん状の溝と巻付けられた冷媒配管との隙間が広いため、水配管と冷媒配管との伝熱性能を向上させるために、水配管と冷媒配管との隙間にハンダ等の伝熱材料を充填する場合、充填されるハンダ等の伝熱材料の使用量が必要以上に多くなり、熱交換器が高価になる問題もある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、水配管に設けられたらせん状の溝の溝幅のばらつきを小さくし、巻きつけられる冷媒配管の外径に対してらせん状の溝の溝幅を最適に設定して、コンパクトな熱交換器の製造方法、及びこの製造方法によって製造した熱交換器を得ることを第１の目的とする。

また、水配管に冷媒配管を巻きつけてから水配管のらせん状の溝の溝幅を狭くし、水配管のらせん状の溝と巻き付けられた冷媒配管との隙間が、ハンダ等の伝熱材料を充填することに対して最適になるように、水配管のらせん状の溝の溝幅を狭くすることで、水配管と冷媒配管との隙間に充填されるハンダ等の伝熱材料を減らし、安価な熱交換器の製造方法、及びこの製造方法によって製造した熱交換器を得ることを第２の目的とする。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、直管にらせん状の筋を形成し、該直管にねじり圧縮に伴う塑性変形を加えて前記らせん状の筋をらせん状の溝に変形した水配管を形成し、前記らせん状の溝に沿って冷媒配管を巻きつけて熱交換器を製造する。

また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、らせん状の溝を有する水配管に該溝に沿って冷媒配管を巻き付け、該冷媒配管が巻き付けられた水配管を全長が短縮する方向にねじり、前記らせん状の溝幅を任意の幅に狭めて熱交換器を製造する。

本発明に係る熱交換器は、上記の製造方法により製造したものである。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、らせん状の溝を形成する前の直管に軽微ならせん状の筋を設け、らせん状の溝を形成するために直管にねじり等の外力を加えると、らせん状の筋に応力集中が生じ、らせん状の筋の部位がらせん状の溝の谷になるようにしたので、水配管のらせん状の溝幅のばらつきが小さくなり、水配管のらせん状の溝幅を冷媒配管の外径に対して少ない隙間を有する程度の溝幅にすることができ、熱交換器の伝熱面積を変えることなく全長を短くすることができる。また、水配管と冷媒配管との隙間も狭くなるため、隙間に充填させるハンダ等の伝熱材料の使用量も減少させることができ、材料費が安価になる。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、らせん状の溝を備えた水配管にらせん状の溝に沿うように冷媒配管を巻きつけた後に、水配管と冷媒配管の両端それぞれを保持し、冷媒配管が巻き付けられた水配管をねじりながら全長を短縮させることで、水配管のらせん状の溝の幅を狭くし、溝幅を狭くする程度はねじり回数により決まるようにしたので、その隙間に充填される伝熱材料が少ない使用量でも均一に充填でき、伝熱性能を損なうことなく材料費が安価になる。また、全長も短縮するため、コンパクトな熱交換器を得ることができる。

また、本発明に係る熱交換器は、上記いずれかの製造方法によって製造したので、上記とほぼ同様の効果を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す斜視図、図２は図１のイ部を拡大した断面図、図３は図１のイ部を拡大した他の形態の断面図、図４、図５はそれぞれ図１の熱交換器の水配管の製造方法を示す説明図、図６は図４に続く熱交換器の水配管の製造方法を示す説明図である。
図１において、水配管１の外周には、連続的ならせん状の溝２が例えば３条設けられ、この溝２の谷に沿って冷媒配管３が巻きつけられている。図２に示すように、らせん状の溝２の溝幅ｗは、巻きつけられる冷媒配管３の外径ｄに対して広めに形成されており、らせん状の溝２の谷底と冷媒配管３が接するようにして巻きつけられている。そして、水配管１と冷媒配管３の隙間には、伝熱を促進するための例えばハンダのようなの伝熱材料４が充填されている。

らせん状の溝２において、その谷の形状は冷媒配管３の外径に合わせた円弧状にすることも可能であるが、そのような形状を有するらせん状の溝２を形成するには、金型等の形状を転写させながら塑性加工を行わなければならず、加工時間や加工コストがかかり生産性が悪くなるので、本実施の形態１ではそのような形状を採用せず、らせん状の溝２の谷の形状を、谷部に直線部分を有するほぼ台形状にしたものである。なお、例えば図３に示すように、らせん状の溝２の谷の形状を、冷媒配管３の半径より大きな半径を有するほぼ円弧状とすることも可能である。

上記のように構成した熱交換器において、水配管１に設けられた流路Ａに水を流し、冷媒配管３に設けられた流路Ｂに冷媒を流して、水と冷媒との間で熱交換を行う。

上記のように構成した熱交換器の製造方法を、図４〜図６を用いて説明する。図４は、らせん状の溝２を形成する前の直管１ａの形態を示したもので、直管１ａには、銅合金やステンレスなどの材料を用いており、その材料の肉厚は０．３ｍｍ〜１ｍｍが一般的であるが、これらの材料、肉厚に限定するものではない。直管１ａの一方の端部付近には、らせん状の溝２を形成する際の起点となるくぼみ６と、くぼみ６につながるようにして形成された軽微な凹状のらせん状の筋７（以下、らせん状の筋７という）を設ける。この起点となるくぼみ６と、らせん状の筋７は、これらから形成されるらせん状の溝２の条数に等しい数だけ、直管１ａの端部付近に等位相ピッチで設ける。

らせん状の筋７は、図５に示すように、直管１ａにローラ８を押し付けながら、サーボモータ等を用いて直管１ａに回転と長手方向の移動と相対的な動作を付与し、直管１ａを加工して形成する。なお、らせん状の筋７のへこみの程度は、０．５ｍｍ以下にすることで加工に伴う反力が軽減でき、複数の条数のらせん状の筋７を同時に加工することが可能になる。また、らせん状の筋７の幅ｗ１は、冷媒配管３の外径の５０〜１００％に相当する幅にすることで、これにより形成されるらせん状の溝２の溝幅ｗを、冷媒配管３に対してわずかに広い溝幅に形成することが容易になる。

例えば、外径が約１６ｍｍ、肉厚が約０．７ｍｍの直管１ａに形成されるらせん状の溝２が、３条で、ピッチ約８ｍｍ、巻きつけられる冷媒配管３の外径が約４ｍｍである場合、直管１ａに加工されるらせん状の筋７は、３条の筋とし、その筋幅ｗ１を約３ｍｍ、ピッチｐ１を約２１ｍｍ、へこみの程度を約０．３ｍｍにすることが適当である。また、らせん状の筋７のピッチｐ１と、形成されるらせん状の溝２のピッチｐには相関関係があり、任意のピッチのらせん状の溝２を得ることができる。

このようにして得られたらせん状の筋７を備えた直管１ａを用いて、らせん状の溝２を備えた水配管１に形成する方法を説明する。図６に示すように、直管１ａの管内に芯金９を挿入し、直管１ａの両端を三爪チャック１１ａ、１１ｂを用いて把持する。

この状態から、直管１ａの両端を把持している三爪チャック１１ａ、１１ｂによりねじり圧縮を加えると、その力により直管１ａに備えられたらせん状の筋７に応力集中が生じ、それに伴って直管１ａに塑性変形が加えられ、らせん状の筋７がらせん状の溝２の谷になりながら、連続的にらせん状の溝２が形成される。

所定の長さのらせん状の溝２が形成されたところで、直管１ａ内に挿入されていた芯金９を引き抜くと、外周にらせん状の溝２を備えた水配管１が得られる。

このような構成の水配管１にらせん状の溝２に沿って冷媒配管３を巻きつけ、図１に示す熱交換器を形成する。この際、水配管１と冷媒配管３の隙間には、図２に示すように、伝熱を促進するための伝熱材料４を充填する。

実施の形態１に示すように、らせん状の溝２を有する水配管１にらせん状の溝２に沿って冷媒配管３を巻きつけてなる熱交換器では、直管１ａに設けられたらせん状の筋７に応力集中が生じ、その部位がらせん状の溝２の谷に形成されながら、らせん状の溝２が形成されるようにしたので、形成されるらせん状の溝２の溝幅ｗのバラツキが減少し、その分、らせん状の溝幅ｗを狭くしても、巻き付ける冷媒配管３をらせん状の溝２の底に接するように巻き付けるだけの溝幅ｗを確保できるため、伝熱面積を減らすことなく、より全長の短いコンパクトな熱交換器を得ることができる。また、水配管１と冷媒配管３との隙間が狭くなるので、熱交換を促進するハンダ等の伝熱材料４の使用量を少なくすることができ、同等の伝熱性能でより安価な熱交換器を得ることができる。さらに、偏肉精度が粗い安価な直管１ａを用いても、らせん状の溝２の溝幅ｗのバラツキを小さくすることができるので、より安価な熱交換器を得ることができる。また、らせん状の溝２のピッチｐは、直管１ａに設けられていたらせん状の筋７のピッチｐ１と相関があり、冷媒管３の外径に合わせた溝幅ｗのらせん状の溝２を得ることができるので、熱交換器の設計の自由度を広げることができる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係る水配管のらせん状の溝に沿って冷媒配管を巻きつける状態を示す斜視図、図８は図７のロ部の断面図、図９は熱交換器の製造方法を示す説明図である。
実施の形態１では、水配管１のらせん状の溝２の溝幅ｗのばらつきを小さくして、その後、水配管１のらせん状の溝２に冷媒配管３を巻きつける場合について説明したが、本実施の形態２では、水配管１のらせん状の溝２に冷媒配管３を巻きつけた後、さらに、水配管１と冷媒配管３との隙間を狭くするようにしたものである。なお、本実施の形態２では、水配管１と冷媒配管３の隙間への伝熱材料４の充填は、水配管１と冷媒配管３の隙間を狭くする工程の後に行う。

図７に示すように、水配管１のらせん状の溝２に沿って冷媒配管３を巻きつける。冷媒配管３を、水配管１のらせん状の溝２の条数である３列に同時に巻きつけるようにし、かつ、巻きつけた冷媒配管３をらせん状の溝２の溝底に接するようにするために、らせん状の溝２の溝幅ｗは、図８に示すように、冷媒配管３の外径ｄに対して、らせん状の溝２の溝幅ｗのばらつきを考慮し、溝幅ｗが最も狭い場合でも、冷媒配管３がらせん状の溝２の底に接するような広めの溝幅ｗにしてある。そのため、水配管１のらせん状の溝２と冷媒配管３との隙間が広めになっている。

次に、水配管１のらせん状の溝２と冷媒配管３との隙間を狭くする方法を説明する。図９に示すように、水配管１のらせん状の溝２に冷媒配管３をまきつけた後、その両端それぞれで水配管１と冷媒配管３とを共に保持ジグ１２a、１２ｂによって保持する。保持ジグ１２ａ、１２ｂは、水配管を保持する三爪チャック１３と、水配管１に巻きつけられた冷媒配管３の巻き始め部を水配管１と共に保持するクランプ１４と、三爪チャック１３とクランプ１４が固定されサーボモータ等により回転する回転板１５ａ、１５ｂとによって構成されており、回転板１５ａあるいは１５ｂが回転すると、三爪チャック１３に保持された水配管１とクランプ１４に保持された冷媒配管３が、同時に水配管１の長手方向の軸線を中心に回転するようになっている。また、保持ジグ１２ａ、１２ｂは、水配管１の長手方向にサーボモータ等で移動できるテーブル１６ａ、１６ｂに備えられており、回転しながら長手方向に移動できるようになっている。

冷媒配管３を水配管１に巻きつけた後、その両端において、保持ジグ１２ａ、１２ｂに備えた三爪チャック１３とクランプ１４により、水配管１と冷媒配管３を保持し、一方の保持ジグ１２ａの回転板１５ａを回転しないように固定し、他方の保持ジグ１２ｂを、水配管１のらせん状の溝２のらせんがねじりを増す方向に、保持ジグ１２ｂに備えたモータにより回転板１５ｂを回転させながら、水配管１の全長が短縮する方向にテーブル１６ａにより保持ジグ１２ａを移動させる。こうすると、保持ジグ１２ａ、１２ｂに保持された水配管１と冷媒配管３にねじりが生じ、ねじりに伴って水配管１が短縮されてらせん状の溝２の溝幅ｗが狭くなり、らせん状の溝２と冷媒配管３との隙間が狭くなるように変形する。このときのらせん状の溝２の溝幅ｗが狭くなる量は、保持ジグ１２ｂの回転によるねじり量により決めることができる。
ここでは、一方の保持ジグ１２ａの回転を固定し、他方の保持ジグ１２ｂを回転させて、水配管１のらせん状の溝２のねじりが増す方向にねじり、保持ジグ１２ａの全長を短縮する方向に移動させる場合を述べたが、両端の保持ジグ１２ａ、１２ｂをそれぞれ水配管１のらせん状の溝２のねじりが増す方向に回転させて、全長が短縮する方向に移動させるようにしてもよい。

このような構成により得られた熱交換器においては、例えば、水配管１のらせん状の溝２のピッチｐが約８ｍｍの場合、全長１ｍあたり、ねじりが増す方向の１回転あたり全長が約２ｍｍ〜４ｍｍ短縮し、それに伴い水配管１のらせん状の溝２の溝幅ｗも狭くなるので、水配管１のらせん状の溝２と冷媒配管３との隙間をねじりが増す方向の回転数により任意の隙間にすることが可能である。

後工程でらせん状の溝２と冷媒配管３の間に伝熱材料４である例えばハンダを充填する場合は、ハンダが水配管１のらせん状の溝２の谷底の冷媒配管３と接する位置まで確実に浸透し、伝熱面積が確保できるように、らせん状の溝２の溝幅ｗの短縮を冷媒配管３の外径に対して０．３ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の隙間をもった溝幅ｗになるような溝幅に構成することができ、より少ないハンダの使用量で伝熱面積を確保した熱交換器を得ることができる。また、らせん状の溝２の溝幅ｗを狭くすることにより水配管１の全長も短くなるので、よりコンパクトな熱交換器を得ることができる。さらに、冷媒配管３を水配管１のらせん状の溝２にまき付けてから、らせん状の溝２の溝幅ｗを狭くするようにしたので、らせん状の溝２の溝幅ｗのバラツキが多少大きくても、冷媒管３と水配管１のらせん状の溝２の溝幅ｗを狭くすることができ、水配管１に使用する直管の偏肉精度が粗い安価な直管においても、伝熱面積を確保した、ハンダの使用量をより少なくした安価な熱交換器を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態１、２を合わせたもので、実施の形態１に示すように、直管１ａを用いてらせん状の溝２を有する水配管１を形成し、この際、水配管１のらせん状の溝２の溝幅ｗのばらつきを小さくしておき、かかる水配管１の溝２に冷媒配管３をまき付けてから、実施の形態２に示すように、水配管１のらせん状の溝２の溝幅ｗを狭くするようにしたものである。
実施の形態３によれば、実施の形態１、２のそれぞれの効果を備えており、伝熱性能を確保した、ハンダ等の使用量がより少ない熱交換器を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の斜視図である。 図１のイ部を拡大した断面図である。 図１のイ部を拡大した他の形態の断面図である。 実施の形態１に係る熱交換器の水配管の製造方法を示す説明図である。 実施の形態１に係る熱交換器の水配管の製造方法を示す説明図である。 図４に続く熱交換器の水配管の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る水配管のらせん状の溝に沿って冷媒配管を巻きつける状態を示す斜視図である。 図７のロ部を拡大した断面図である。 実施の形態２に係る熱交換器の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１ 水配管、１ａ 直管、２ らせん状の溝、３ 冷媒配管、４ 伝熱材料（ハンダ）、６ らせん状の溝の起点となるくぼみ、７ らせん状の筋、８ ローラ、９ 芯金、１１ａ、１１ｂ 三爪チャック、１２ａ、１２ｂ 保持ジグ、１３ 三爪チャック、１４ クランプ、１５ａ、１５ｂ 回転板。

Claims (8)

1. 直管にらせん状の筋を形成し、該直管にねじり圧縮に伴う塑性変形を加えて前記らせん状の筋をらせん状の溝に変形した水配管を形成し、
   前記らせん状の溝に沿って冷媒配管を巻きつけることを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. らせん状の溝を有する水配管に該溝に沿って冷媒配管を巻き付け、
   該冷媒配管が巻き付けられた水配管を全長が短縮する方向にねじり、前記らせん状の溝幅を任意の幅に狭めることを特徴とする熱交換器の製造方法。
3. 直管にらせん状の筋を形成し、該直管にねじり圧縮に伴う塑性変形を加えて前記らせん状の筋をらせん状の溝に変形した水配管を形成し、
   前記らせん状の溝に沿って冷媒配管を巻きつけ、
   該冷媒配管が巻き付けられた水配管を全長が短縮する方向にねじり、前記らせん状の溝幅を任意の幅に狭めることを特徴とする熱交換器の製造方法。
4. 前記直管に前記らせん状の筋と該らせん状の筋の起点となるくぼみを形成し、前記直管内に芯金を挿入し、前記直管にねじり圧縮に伴う塑性変形を加え、前記らせん状の筋をらせん状の溝に変形した水配管を形成することを特徴とする請求項１または３記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記直管に形成したらせん状の筋が、軽微でほぼ凹状をなすことを特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記直管に形成されたらせん状の筋の深さが、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１、３、４、５のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
7. 前記直管に形成されたらせん状の筋の幅が、前記冷媒配管の外径の５０〜１００％であることを特徴とする請求項１、３、４、５、６のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器の製造方法によって製造されたことを特徴とする熱交換器。

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