JP2009024956A - 熱交換器のヘッダタンクおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工設備の複雑化を回避しつつ、ヘッダタンクを構成する２つの部材相互を仮止め固定する部位が、冷媒用のコネクタを取り付ける際の障害となることを防止する。
【解決手段】ヘッダタンク３はタンク本体１７とプレート１９とを互いに重ね合わせることで、内部に冷媒流路２１が形成され、タンク本体１７上に冷媒の供給口または冷媒の排出口となるコネクタ１３を装着する。プレート１９は、幅方向両側縁がタンク本体１７側に向けて屈曲するフランジ部１９ｂを備え、このフランジ部１９ｂをタンク本体１７のフランジ部１７ｃを覆うように外側に配置する。この状態でフランジ部１７ｂとフランジ部１９ｃとの接合部をレーザスポット溶接して仮止め固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１の部材と第２の部材とを対向配置して接合することで、これら各部材相互間に冷媒流路を形成する熱交換器のヘッダタンクおよびその製造方法に関する。

熱交換器の構造として、冷媒が流通することで他の例えば外気と熱交換を行う熱交換器コアの両端に、ヘッダタンクを備えたものがある。熱交換器コアは、冷媒が流通するチューブと冷却フィンとを備え、冷媒が、一方のヘッダタンクに流入した後前記した熱交換器コアを流通して熱交換を行った後、他方のヘッダタンクに流出する。

ここで、例えば下記特許文献１に記載のものは、ヘッダタンクを構成する部材として上プレートと下プレートとを互いに重ね合わせ、これら各プレート相互間に冷媒流路を形成している。

この際、下プレートの両側縁に設けたかしめ爪を上プレートの両側縁を抱え込むようにしてかしめ固定して仮止めし、その後、ヘッダタンクに熱交換器コアなど他の部品を組み付けた状態で、ろう付けを行って熱交換器が完成する。

一方、下記特許文献２には、ヘッダタンクを構成する２つの部材の周縁部における互いに対向する面の一方にあらかじめ凹部を形成し、この凹部に嵌り込む凸部をコイニングなどの塑性加工によって形成する方法が開示されている。
特開２００６−７１１８８号公報 特開２００５−１２７６７６号公報

ところで、特許文献１に記載のかしめ爪は、ヘッダタンクの長手方向に沿ってほぼ等間隔に複数設けることで、かしめによる仮止め固定を充分なものとしているが、上記したヘッダタンクには、熱交換器に対する冷媒の流入口および流出口を構成するコネクタを取り付ける必要があり、このコネクタ取付部位にはかしめ爪を設定できず、したがって、仮止め固定による各部材相互の接合状態が不充分となる虞がある。

また、かしめ作業を行う際に使用するかしめ機についても、コネクタ取付部位を避けるような構造とする必要があり、例えば熱交換器を車両に搭載する場合のように、車両へのレイアウト上で車種毎にコネクタ取付部位が異なる場合には、それに対応するかしめ機が必要となり、加工設備のコスト上昇を招く。

また、特許文献２に記載されたような凸部を加工してかしめ作業を行う場合には、板厚が１ｍｍ〜１．２ｍｍと比較的薄い部材に対して有効であって、冷媒として二酸化炭素を使用する熱交換器においては、耐圧強度が要求されることから、例えば２ｍｍ〜２．５ｍｍと厚い部材が必要となり、このような厚い部材に上記した凸部を形成するには困難を要する。

さらに、上記したような厚い部材に対して凸部を形成する際には、加圧側と反対の裏側、すなわちタンク内に加圧時の反力を受ける芯金を設置する必要があり、加工後の芯金はタンク内部に張り付いていることから、取り外す際には大きな引き抜き力が必要となり、加工設備がさらに複雑となり、加工コストの上昇を招く。

そこで、本発明は、加工設備の複雑化を回避しつつ、ヘッダタンクを構成する２つの部材相互を仮止め固定する部位が、冷媒用のコネクタを取り付ける際の障害となることを防止することを目的としている。

本発明は、第１の部材と第２の部材とを対向配置して接合することで、これら各部材相互間に冷媒流路を形成する熱交換器のヘッダタンクであって、前記第１の部材の両側縁に、前記第２の部材の両側縁を重ね合わせ、この重ね合わせた前記第１の部材の両側縁の外周部と前記第２の部材の両側縁の内周部とが、レーザスポット溶接により仮止め固定されていることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、ヘッダタンクを構成する２つの部材相互の仮止め固定をレーザスポット溶接により行うので、仮止め固定部位が冷媒用のコネクタを取り付ける際に障害となることはなく、コネクタ取付位置に制限されることなく仮止め固定部を所望の位置に設定でき、仮止め固定による接合力を充分確保できるとともに、コネクタの取付位置も自由に設定することができる。また、仮止め固定をレーザスポット溶接により行っているので、ヘッダタンクを構成する２つの部材として、比較的厚い板厚が必要となる、耐圧強度が要求される冷媒を使用する熱交換器であっても容易に対応できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる、図２に示す熱交換器１に使用するヘッダタンク３の一部を示す斜視図である。熱交換器１は、大別すると、熱交換器コア５と、２つのヘッダタンク３および７とから構成されている。熱交換器コア５は、冷媒が流通する複数本のチューブ９と、互いに隣接するチューブ９の間に配置されたフィン１１とで構成されている。この熱交換器コア５の長手方向（図２中で上下方向）の一端には上記したヘッダタンク３が配置され、各チューブ９の一端と連通されている。また、熱交換器コア５の他端には上記したヘッダタンク７が配置され、各チューブ９の他端と連通されている。なお、図２には示していないが、チューブ９の内部には冷媒が流通する複数のチューブ孔が形成されている。

ヘッダタンク３，７は、長手方向に沿って互いに等しい間隔となるように並列に配置されている。また、ヘッダタンク３および７の一方の端部付近には、熱交換器１に冷媒を供給するための冷媒供給部材および、熱交換器１から冷媒を排出させるための冷媒排出部材となる冷媒用のコネクタ１３および１５が装着されている。図１ではヘッダタンク３のコネクタ１３の装着部位近傍を示している。

ここで一方のヘッダタンク３にコネクタ１３を通して供給された冷媒は、ヘッダタンク３から所定のチューブ９に分配されて他方のヘッダタンク７に流入する。そして、冷媒はヘッダタンク７から、さらに所定のチューブ９を流通してヘッダタンク３に流入し、この流れを順次繰り返し、最後に他方のヘッダタンク７のコネクタ１５から外部に排出される。この間、熱交換器コア５の各チューブ９およびフィン１１の間を冷却風などの熱交換媒体が流通することにより、各チューブ９を流通する冷媒との間で熱交換が行われる。なお、冷媒の流通経路には種々の組み合わせがあり、上記説明による流通経路はその一例である。

次に、本実施形態におけるヘッダタンク３，７の構造について説明するが、これら各ヘッダタンク３，７は同一の構造であるので、ここではヘッダタンク３を例にとって説明する。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

ヘッダタンク３は、第１の部材としてのタンク本体１７と、前記したチューブ９が接続されるプレート１９とを重ね合わせて接合したものである。タンク本体１７は、図１（ｂ）に示すように半円弧状の２つの流路形成部１７ａが、ヘッダタンク３の長手方向に延長して互いに並列状態で設けられている。また、２つの流路形成部１７ａ相互間には、プレート１９の内面に接触するエンボス部１７ｂが、ヘッダタンク３の長手方向に沿って等間隔に設けられている。

一方、プレート１９は、タンク本体１７のエンボス部１７ｂに接触し、流路形成部１７ａとの間で２つの冷媒流路２１を形成する平面部１９ａと、平面部１９ａの幅方向（図１（ｂ）中で左右方向）両側の縁部からタンク本体１７側に向けて屈曲するフランジ部１９ｂを備えている。

また、プレート１９には、エンボス部１７ｂに対してヘッダタンク３の長手方向でずれた位置に、前記図２に示したチューブ９が挿入されるチューブ挿入孔１９ｃが形成されており、該チューブ挿入孔１９ｃにチューブ９の端部が挿入されることで、ヘッダタンク３内の冷媒流路２１とチューブ９内の図示しないチューブ孔とが互いに連通する。

上記したプレート１９のフランジ部１９ｂは、タンク本体１７の流路形成部１７ａの幅方向（図１（ｂ）中で左右方向）両側縁にてプレート１９側に向けて突出するフランジ部１７ｃの外側に位置し、これら各フランジ部１７ｃ，１９ｂが互いに接合され、溶接部２３にてレーザスポット溶接により仮止め固定される。

すなわち、第１の部材であるタンク本体１７の両側縁のフランジ部１７ｃに、第２の部材であるプレート１９の両側縁のフランジ部１９ｂを重ね合わせ、この重ね合わせたフランジ部１７ｃの外周部とフランジ部１９ｂの内周部とが、レーザスポット溶接により仮止め固定されていることになる。

このようなレーザスポット溶接による溶接部２３は、ヘッダタンク３の幅方向両側においてヘッダタンク３の長手方向に沿ってほぼ等間隔に設定している。

上記のようにして互いに一体化したタンク本体１７とプレート１９とにより、ヘッダタンク３のユニットが完成する。さらに、このユニットの長手方向両端に、図２に示すような遮蔽部材２５を取り付けることで冷媒流路２１の端部を遮蔽し、これによりヘッダタンク３が完成する。このヘッダタンク３の内部には、長手方向に沿って互いに並行となる２つの冷媒流路２１が形成される。また、チューブ挿入孔１９ｃが開口しているそれぞれの箇所には、２つの冷媒流路２１間を連通する連通流路２７が形成されている。

そして、図２に示すように、同一構成のヘッダタンク３とヘッダタンク７との間に熱交換器コア５を配置し、熱交換器コア５の各チューブ９をヘッダタンク３，７のそれぞれのチューブ挿入孔１９ｃに挿入することにより熱交換器１が仮組みされる。

なお、冷媒供給部材および冷媒排出部材となるコネクタ１３および１５は、タンク本体１７とプレート１９とをレーザスポット溶接により仮止め固定する際に、同工程でレーザスポット溶接によりタンク本体１７に仮止め固定する。

上記のようにして仮組みされた熱交換器１は、その後各部材を一体のまま炉中で加熱してろう付け溶接することにより完成する。

上記した構造のヘッダタンク３，７によれば、タンク本体１７とプレート１９とを仮止め固定する際にレーザスポット溶接を行っているので、図１（ａ）に示すように、コネクタ１３（１５）を取り付ける際に、溶接部２３が邪魔になることがなく、溶接部２３を長手方向等間隔に適宜設定できるので、仮止め固定によるタンク本体１７とプレート１９との互いの接合力を充分なものとすることができる。また、コネクタ１３（１５）の取付位置についても、溶接部２３が障害とならないので自由に設定することができ、例えば本熱交換器１を車両に搭載する場合のように、コネクタ設定位置が車両への熱交換器１のレイアウトによって異なる場合であっても、容易に対応することができる。

また、仮止め固定をレーザスポット溶接により行っているので、ヘッダタンク３（７）を構成する２つの部材であるタンク本体１７およびプレート１９は、比較的厚い板厚が必要となる、耐圧強度が要求される二酸化炭素などを冷媒として使用する熱交換器であっても容易に対応できる。

なお、仮止め溶接工法として従来はＴＩＧ溶接が一般的に用いられているが、本構造のようにタンク内部のろう付けを行う場合には。内部のろう付け部位にあらかじめフラックスを塗布しておかなければならない。フラックスはろう付け温度前に昇華・活性化し、タンク本体１７およびプレート１９を構成するアルミ表面の酸化皮膜を破壊しろう付けが可能となる。よってタンクの仮止めにあってはあらかじめ塗布したフラックスを昇華温度まで高めない配慮が必要となり、最小限のエネルギを集中的の照射できるレーザスポット溶接が仮止め固定での最適な溶接工法となる。

したがって、レーザスポット溶接を仮止め工法に適用することで、あらかじめろう付け部に塗布しておくフラックスへの熱影響を最小限に抑えることができ、フラックス切れによるろう付け不良を回避できる。

図３は、上記ようにしてレーザスポット溶接を行う際に使用するレーザスポット溶接装置の全体構成図である。ここでのタンク本体１７およびプレート１９はプレス成形によって製造するが、その際プレート１９を受ける図示しないプレス下型と型形状が同等の保持具としての下型２９にプレート１９をセットする。

プレート１９は、プレス成形後には両側部の曲げ成形がなされているフランジ部１９ｂがスプリングバック作用によって外側に広がろうとするので、この広がりを抑えるために、上記した下型２９を使用する。

そして、下型２９にセットしたプレート１９にタンク本体１７を組み込むが、この際下型２９によってプレート１９のスプリングバックを抑えているので、プレート１９のフランジ部１９ｂの内面とタンク本体１７のフランジ部１７ｃの外面とは互いに密着して、これら相互間の隙間発生を防止でき、後述するレーザスポット溶接による仮止め固定を確実に行うことができる。

さらに、タンク本体１７の上から、スプリング３１によって押し付けられる上型３３と下型２９との間で、タンク本体１７およびプレート１９を挟持固定して互いに密着させ、これら相互の位置決めを行うとともに、位置ずれをも防止し、この状態で、レーザスポット溶接を実施する。

下型２９の左右両側にはＸ−Ｙテーブル３５を配置している。すなわち、このＸ−Ｙテーブル３５は、図３中で左右方向（Ｘ方向）および紙面に直交する方向（Ｙ方向）に移動可能である。このＸ−Ｙテーブル３５上に取付台３７を介して取付アームとなるトーチホルダ３９の基端部を取り付け、トーチホルダ３９の先端に、レーザ光４１を溶接部２３に向けて照射するレーザトーチ４３を取り付ける。

レーザ発振器４５は、従来公知の時分割ミラー４７で４つに分割したレーザ光によって前記したレーザトーチ４３を４個作動させることが可能であり、したがって図３中の左右両側に図示してあるレーザトーチ４３は、図３中で紙面に直交するＹ方向にそれぞれ２つずつ、溶接ピッチに相当する所定間隔をおいて配置されている。これら４個のレーザトーチ４３とレーザ発振器４５とは光ファイバ４９で接続されている。

このようなレーザスポット溶接装置によりレーザスポット溶接を行う際には、前述したように下型２９と上型３３とで、互いに重ね合わせた状態のタンク本体１７とプレート１９とを位置決め固定した状態で、Ｘ−Ｙテーブル３５を図３の位置となるようＸ方向に移動させて下型２９に接近させる。

この状態で、４個のレーザトーチ４３からそれぞれレーザ光４１を照射して４箇所の溶接部２３についてレーザスポット溶接を同時に実施する。このとき図３中で左側の２個のレーザトーチ４３によりヘッダタンク３の長手方向に沿って所定間隔（溶接ピッチ）をおいて２箇所の溶接部２３が、同右側の２個のレーザトーチ４３によりヘッダタンク３の長手方向に沿って所定間隔（溶接ピッチ）をおいて２箇所の溶接部２３が、それぞれ形成され、これにより１回目のレーザスポット溶接作業が終了する。

この後、Ｘ−Ｙテーブル３５が、図３中で紙面に直交するＹ方向に、１回目の溶接部２３に対して２回目の溶接部の位置が所定間隔（溶接ピッチ分）離れた位置となるように移動して、２回目のレーザスポット溶接を１回目と同様にして実施する。以後同じことを繰り返し設計溶接点数まで溶接を行って、すべての溶接点に対してレーザスポット溶接が完了したら、左右のＸ−Ｙテーブル３５が下型２９から離反する方向に移動してレーザトーチ４３も溶接位置から離れ、この状態で仮止めされた状態のタンク本体１７とプレート１９を型内から取り出して仮止め加工が完了となる。

このように、レーザスポット溶接を行う際には、プレス加工したプレート１９のフランジ部１９ｂが外側に広がろうとするスプリングバックを下型２９により抑え、タンク本体１７とプレート１９の各フランジ部１７ｃ，１９ｂ相互の接合部を隙間なく密着した状態とするので、レーザスポット溶接による仮止め固定を確実に行うことができる。

また、１台のレーザ発振器４５で、時分割ミラー４７により複数に分岐したレーザ光４１を生成して複数箇所を同時にレーザスポット溶接を行うようにしたので、廉価な加工設備とすることができ、かしめ機を仮止め加工に使用する場合のような加工設備の複雑化を回避することができ、加工コスト低減に寄与することができる。

なお、タンク本体１７上に仮止め固定するコネクタ１３，１５については、前述したように上記したレーザスポット溶接工程にて行うが、その作業は、例えばタンク本体１７とプレート１９とを仮止め固定した後に行えばよい。

（ａ）は本発明の一実施形態に係わる、図２に示す熱交換器に使用するヘッダタンクの一部を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１のヘッダタンクを使用する熱交換器の斜視図である。 図１のヘッダタンクを仮止め固定する際に使用するレーザスポット溶接装置の全体構成図である。

符号の説明

１ 熱交換器
３，７ ヘッダタンク
１７ タンク本体（第１の部材）
１７ｃ タンク本体のフランジ部（第１の部材の両側縁）
１９ プレート（第２の部材）
１９ｂ プレートのフランジ部（第２の部材の両側縁）
２１ 冷媒流路
２９ 下型（保持具）

Claims (3)

1. 第１の部材（１７）と第２の部材（１９）とを対向配置して接合することで、これら各部材（１７，１９）相互間に冷媒流路（２１）を形成する熱交換器（１）のヘッダタンク（３，７）であって、前記第１の部材（１７）の両側縁（１７ｃ）に、前記第２の部材（１９）の両側縁（１９ｂ）を重ね合わせ、この重ね合わせた前記第１の部材（１７）の両側縁（１７ｃ）の外周部と前記第２の部材（１９）の両側縁（１９ｂ）の内周部とが、レーザスポット溶接により仮止め固定されていることを特徴とする熱交換器のヘッダタンク。
2. 第１の部材（１７）と第２の部材（１９）とを対向配置して接合することで、これら各部材（１７，１９）相互間に冷媒流路（２１）を形成する熱交換器（１）のヘッダタンク（３，７）の製造方法であって、前記第１の部材（１７）の両側縁（１７ｃ）に、前記第２の部材（１９）の両側縁（１９ｂ）を重ね合わせ、この重ね合わせた前記第１の部材（１７）の両側縁（１７ｃ）の外周部と前記第２の部材（１９）の両側縁（１９ｂ）の内周部とを、レーザスポット溶接により仮止め固定することを特徴とする熱交換器のヘッダタンクの製造方法。
3. 前記第２の部材（１９）を、プレス成形により前記両側縁（１９ｂ）が前記第１の部材（１７）の両側縁（１７ｃ）に重なるように屈曲変形させ、屈曲変形後の前記第２の部材（１９）を、前記プレス成形時に使用した型と同形状の保持具（２９）に保持させて前記屈曲変形状態を保持させ、この保持状態で前記レーザスポット溶接により仮止め固定することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器のヘッダタンクの製造方法。

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