JP2009036428A - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率の悪化を防止できる熱交換器の製造方法を実現する。
【解決手段】複数の嵌挿部２１が形成され、積層された複数のプレート状のフィン２と、この複数のフィン２と直交するように嵌挿部２１に挿入され、熱媒体が流通する複数のチューブ１とを備えるコア部３と、チューブ１の端部が挿通されるチューブ孔８ｃ、９ｃが複数形成されたコアプレート８ｂ、９ｂとを有する熱交換器の製造方法において、フィン２の嵌挿部２１にチューブ１を挿入した後、チューブ１を拡管する第１の工程と、嵌挿部２１の内周面とチューブ１の外周面との間の微小空隙４に、液状の接着剤５をチューブ１の径方向から充填する第２の工程とを有する。これにより、熱交換効率の悪化を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フィンアンドチューブ方式の熱交換器の製造方法に関するものであり、例えば、車両に搭載されるラジエータに適用して好適である。

従来、この種の熱交換器として、例えば、特許文献１もしくは特許文献２に示されるものが知られている。すなわち、特許文献１における熱交換器において、チューブの外周面とフィンの嵌挿部との間の微小空隙には接着剤が充填され、この接着剤を介してチューブとフィンが互いに接合されている。

この熱交換器では、以下の製造順序により、チューブの外周面とフィンの嵌挿部との間に接着剤を充填している。まずチューブの一端にフィンの一枚を嵌挿すると同時に、このフィンが固定されるべき所定の位置と、チューブの端末との間の任意の位置の外表面に、未硬化の接着剤を厚肉に塗布している。

次に、上記フィンを所定の位置まで滑動させて固着する。この作業を所定の枚数の固着を完了するまで繰り返してフィン群を形成した後に、接着剤を硬化させている。このような構成により、チューブを拡管しなくて、チューブにフィン群を固定させている。

また、特許文献２における熱交換器は、チューブとフィンとを固定した後に、チューブの外周面とフィンの嵌挿部との間の微小空隙に向けて、液体塗料を塗布するように構成している。これにより、チューブとフィンとの接触熱抵抗を低減させて熱交換効率の向上を図っている。
特開昭６０−１６２１９３号公報 特開平１０−１８５４７５号公報

しかしながら、特許文献１のような構成によれば、フィンを所定の位置まで滑動する際において、チューブに塗布された硬化前の接着剤を剥がすことになるため、微小空隙内に確実に接着剤が充填されることがない。しかも、チューブに塗布された接着剤を剥がさないようにフィンを滑動するには、微小空隙を大きくすることが必要である。従って、このような構成では、熱交換効率が低下するという問題がある。

また、特許文献２のような構成であれば、熱交換器を組立てる最終工程において、チューブとフィンとの間に液体塗料を塗布することができる。この場合には、塗装方法として、吹き付け、浸漬、または刷け塗りなどが考えられる、しかし、チューブの外周面とフィンの嵌挿部との間の微小空隙に、均等かつ安定的に液体塗料を浸透させるのは困難である。しかも、塗料がフィンに形成されたルーバー表面、更にルーバーの開口部を塞ぐことから熱交換効率の向上が期待できない問題もある。

そこで、本発明の目的は、熱交換効率の悪化を防止できる熱交換器の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、複数の嵌挿部（２１）が形成され、積層された複数のプレート状のフィン（２）と、この複数のフィン（２）と直交するように嵌挿部（２１）に挿入され、熱媒体が流通する複数のチューブ（１）とを備えるコア部（３）と、チューブ（１）の端部が挿通されるチューブ孔（８ｃ、９ｃ）が複数形成されたコアプレート（８ｂ、９ｂ）とを有する熱交換器の製造方法において、
フィン（２）の嵌挿部（２１）にチューブ（１）を挿入した後、チューブ（１）を拡管する第１の工程と、嵌挿部（２１）の内周面とチューブ（１）の外周面との間の空隙（４）に、液状の接着剤（５）をチューブ（１）の径方向から充填する第２の工程とを有することを特徴としている。

この発明によれば、液状の接着剤（５）を用いているため、接着剤（５）の毛細管現象による浸透により、チューブ（１）の上方から、嵌挿部（２１）の内周面とチューブ（１）の外周面との間の空隙（４）に接着剤（５）を充填するため、コア部（３）全体を接着剤（５）に浸漬させることなく、チューブ（１）の外周面とフィン（２）の嵌挿部（２１）との間に、均等かつ安定的に接着剤（５）を浸透させることができ、チューブ（１）からフィン（２）への熱伝達の阻害を抑制できる。これにより、熱交換効率の悪化を防止できる熱交換器を製造することができる。

請求項２に記載の発明では、チューブ（１）は、断面が偏平形状を有しており、第２の工程において、接着剤（５）をチューブ（１）の断面長手方向から充填することを特徴としている。この発明によれば、接着剤（５）を空隙（４）に効率よく充填させることができる。

請求項３に記載の発明では、第２の工程において、チューブ（１）の断面長手方向が上下方向となるように配置された状態で接着剤（５）を充填することを特徴としている。この発明によれば、チューブ（１）の断面長手方向が上下方向となるように配置された状態で、接着剤（５）が充填されるので、接着剤（５）の自重作用により接着剤をさらに効率よく空隙（４）に充填させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、一実施形態における熱交換器を図１乃至図４に基づいて説明する。ここでは、本発明の熱交換器を、液冷式内燃機関の冷却水を冷却するラジエータに適用したものである。図１は、ラジエータの全体構成を示すとともに、ラジエータの外方から接着剤を充填する状態を示す斜視図である。図２は、本発明の要部を示す説明図である。図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図４は、図２に示すＩＶ−ＩＶ断面図である。

本実施形態のラジエータ１０は、廉価タイプの熱交換器であり、各部材は、拡管、口拡、かしめ、接着などの加工により、一体的に組み付けられている。つまり、炉中ろう付けを省略することにより、製造における設備投資などのコストダウンを図っている。

ラジエータ１０は、図１に示すように、コア部３と、その両端に配設された一対のタンク８、９などを備えている。本実施形態のコア部３は、チューブ１とフィン２とからなるフィンアンドチューブ方式の熱交換器である。コア部３は、内部を熱媒体である冷却水が流通する複数のチューブ１と、そのチューブ１に対して直交状に配設された複数のフィン２とから構成されている。

チューブ１およびフィン２は、ともにアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなっている。チューブ１は、略楕円状もしくは略長円状の偏平状に形成されている。つまり、チューブ１は、例えば、円形のパイプを押し潰して偏平状に形成されている。

フィン２は、薄板のプレート材である。フィン２には、チューブ１を嵌挿するバーリング状の嵌挿部２１および切り起こしからなるルーバー２２が形成されている（図３参照）。嵌挿部２１は、バーリング状に形成されることにより、チューブ１の外周面との伝熱面積を確保できる。ここで、嵌挿部２１のバーリング高さは、所定のフィンピッチとなる高さに形成されている。

そして、コア部３は、フィン２の嵌挿部２１にチューブ１を挿入させた後、チューブ１を拡管加工することにより、フィン２の嵌挿部２１とチューブ１の外周面とを固定している。これにより、複数のチューブ１と複数のフィン２とが直交状に組み合わされて空気側の通路が形成される。

そして、チューブ１の長手方向の両端部には、チューブ１の長手方向と直交する方向（図１の上下方向）に延びる一対のタンク（上タンク８と下タンク９）が設けられている。両タンク８、９は、タンクケース８ａ、９ａとコアプレート８ｂ、９ｂとから構成されている。

コアプレート８ｂ、９ｂには、コア部３のチューブ１の端部に対応する位置に、複数のチューブ孔８ｃ、９ｃが穿設されている。このチューブ孔８ｃ、９ｃに各チューブ１の端部を挿入して、チューブ１の端部を口拡加工することにより、チューブ１の端部とチューブ孔８ｃ、９ｃとが固定される。その後、コア部３にコアプレート８ｂ、９ｂを固定した後に、タンクケース８ａ、９ａが、コアプレート８ｂ、９ｂを覆うようにかしめにより固定される。

タンクケース８ａ、９ａは、耐熱性の樹脂材を用いて一体成形により形成されている。タンクケース８ａ、９ａは、一端面が開口されており、その開口を塞ぐようにコアプレート８ｂ、９ｂが形成されている。具体的には、タンクケース８ａ、９ａの開口端とコアプレート８ｂ、９ｂの外周縁との間に、図示しないＯリングをはめ込んで、コアプレート８ｂ、９ｂの外周爪（図示せず）をかしめることにより、タンク８、９が形成されている。

つまり、コアプレート８ｂ、９ｂの一端面側では、チューブ孔８ｃ、９ｃに複数のチューブ１の端部を挿入、固定する。他端側では、タンクケース８ａ、９ａにより、その他端側を覆うように固定している。これにより、チューブ１の内部と、タンク８、９の内部とが互いに連通される。

次に、以上の構成によるラジエータ１０の製造方法について説明する。まず、治具に所定の本数のチューブ１を配設する。そして、複数のチューブ１にフィン２の嵌挿部２１に挿入させて所定の枚数のフィン２を上下方向に重ねる。これにより、チューブ１の長手方向に対して直交するように複数のフィン２が積層される。

そして、チューブ１を拡管する第１の工程を行うことにより、チューブ１の外周面とフィン２の嵌挿部２１とが固定される。これにより、コア部３が形成される。次に、コア部３において、チューブ１の端部をコアプレート８ｂ、９ｂのチューブ孔８ｃ、９ｃに挿入して、コアプレート８ｂ、９ｂの他端側から、チューブ１の端部を口拡加工することにより、チューブ孔８ｃ、９ｃにチューブ１が固定される。これにより、コア部３にコアプレート８ｂ、９ｂが組み付けられる。

そして、コアプレート８ｂ、９ｂにタンクケース８ａ、９ａをかしめ加工により組み付ける。これにより、コア部３の両端に一対のタンク８、９が形成される。このように、拡管、口拡およびかしめの加工により、ラジエータ１０が形成される。従って、予め各部材の表面に設けられたろう材により、一体的にろう付けされる炉中ろう付け装置を用いなくてもラジエータ１０を形成できる。

以上のように、チューブ孔８ｃ、９ｃに対するチューブ１の固定は、チューブ１の端部を口拡加工で行っている。しかしながら、口拡加工によりチューブ１をチューブ孔８ｃ、９ｃに固定させても、口拡加工後の反力により、チューブ孔８ｃ、９ｃの内周面とチューブ１の端部外周面との嵌合部に微小空隙４が発生することは避けられない。つまり、コアプレート８ｂ、９ｂとチューブ１との気密を保つことができない問題がある。

また、同じように、フィン２の嵌挿部２１に対するチューブ１の固定は、チューブ１全体を拡管加工で行っている。しかしながら、拡管加工によりチューブ１を嵌挿部２１に固定させても、拡管加工後の反力により、フィン２の嵌挿部２１の内周面とチューブ１の外周面との嵌合部に微小空隙４が発生する。

この微小空隙４には、図３に示すように、空気層が形成されている。嵌挿部２１とチューブ１との間に、空気層が形成されると、チューブ１とフィン２との熱交換効率が低下するという問題がある。

そこで、本実施形態では、口拡加工を行った後に、チューブ孔８ｃ、９ｃとチューブ１との嵌合部に形成される微小空隙４に、嵌合部におけるチューブ１の外周面に沿って、液状の接着剤５を充填することにより、チューブ孔８ｃ、９ｃとチューブ１との気密を保つように構成している。つまり、嵌合部における一方の部材（チューブ１）に接着剤５を充填することにより、チューブ孔８ｃ、９ｃに対しチューブ１を気密的に固定している。

また、拡管加工を行うコア部３においても、拡管加工を行った後に、嵌挿部２１とチューブ１との嵌合部に形成される微小空隙４に、嵌合部におけるチューブ１の外周面に沿って、液状の接着剤５を充填する第２の工程を行うことにより、チューブ１とフィン２との熱交換効率を向上するように構成している。

ここで、液状の接着剤５は、充填した後に、微小空隙４内に浸透させて空気層を追い出すために、耐熱性を有する低粘度硬化液剤を採用している。また、熱交換効率を向上させるために、その低粘度硬化液剤にアルミニウムもしくはアルミニウム合金などの金属粉末を混入した液状の接着剤５を採用している。従って、チューブ孔８ｃ、９ｃとチューブ１との嵌合部には、上記金属粉末を取り除いた接着剤５を用いれば良い。

次に、液状の接着剤５の微小空隙４への充填方法について、図１、図２および図４に基づいて説明する。図１および図２中に示す符号２０は、定量の接着剤５を微小空隙４に向けて充填するためのディスペンサノズルである。このディスペンサノズル２０は、接着剤充填設備の末端に設けられた接着剤５の充填ノズルである。このディスペンサノズル２０は、チューブ１の長手方向（図中に示すＸ方向）に沿って移動するとともに、隣のチューブ１列方向（図中に示すＹ方向）に移動するように、例えば、ＸＹロボットに取り付けられている。

図１及び図２に示すように、接着剤５の充填作業が行われる第２の工程では、ラジエータ１０は、水平方向（タンク８、９が水平方向）となる姿勢に維持される。そして、ディスペンサノズル２０のノズルの先端が、図１に示すように、チューブ列の１列目のフィン２の端部上方に配置されるとともに、配置された位置から図中に示すＸ方向に向けて、隣のフィン２の端部に移動できるようになっている。

そして、例えば、チューブ列の１列目の端末（図１中右端）まで移動した後は、図中に示すＹ方向に移動してチューブ列の２列目のフィン２の端部に移動できるようになっている。ここで、ディスペンサノズル２０のノズルの先端が配置されるフィン２の端部上方とは、水平方向に配置されたラジエータ１０におけるチューブ１の長手方向の一端側の上方のことである。

つまり、チューブ１とフィン２との間に形成される微小空隙４の上方に、ディスペンサノズル２０のノズルの先端が配置されることになる。従って、そのノズルの先端が配置された位置において、ディスペンサノズル２０のノズルの先端から定量の接着剤５を滴下させて、チューブ１とフィン２との嵌合部に形成される微小空隙４に充填するようになっている。

これにより、ノズルの先端から滴下された液状の接着剤５は、その自重作用により、チューブ１の端部に落下するとともに、図２に示すように、チューブ１の長手方向に均一、かつ連続的に充填される。そして、チューブ１の端部に充填された接着剤５は、図４に示すように、毛細管現象により微小空隙４内に浸透していく。

そして、充填後暫く経過した後に、液状の接着剤４が硬化することにより、微小空隙４内に接着層５が形成される。このように、拡管加工部位から離れた位置から、微小空隙４に向けて液状の接着剤５の充填ができる。

このように、ディスペンサノズル２０をチューブ１の長手方向（図中に示すＸ方向）に沿って微小空隙４内の上方を移動させ、その微小空隙４内の上方から定量の接着剤５を充填することにより、複数の微小空隙４内に接着剤５を充填することができる。その結果、フィン２のフィン効率（チューブ１とフィン２との間の熱伝導効率）が向上するため熱交換効率の向上が図れる。従って、コア部３を大幅に小さくすることができるとともに、熱交換器の小型化が図れる。

一方、チューブ孔８ｃ、９ｃとチューブ１との微小空隙４への接着剤５の充填方法は、同じように、行うことができる。このときは、ディスペンサノズル２０のノズルの先端を、チューブ１の端部上方に配置する。つまり、ディスペンサノズル２０のノズルの先端を、コアプレート８ｂ、９ｂ側に近づける。

また、液状の接着剤５を、金属粉の含まれていない耐熱性を有する低粘度硬化液剤を用いる。そして、微小空隙４内の上方から定量の接着剤５を充填することにより、微小空隙４内に接着剤５を充填することができる。その結果、チューブ孔８ｃ、９ｃとチューブ１との間の微小空隙４内に接着層５が形成される。これにより、コアプレート８ｂ、９ｂとチューブ１との気密が図れる。

以上の構成によれば、ラジエータ１０の各部材を組み付けるに当たって、拡管、口拡およびかしめ加工を行う既存の製造設備に、上記のような接着剤充填設備を設ければ良い。また、接着剤充填設備は、例えば、上述したＸＹロボットによるディスペンサ２０等を用いれば、充填作業の自動化が可能である。

従って、既存の製造設備を変えることなく、最少の設備投資で費用の増大を抑えることができる。さらに、上記のような構成によるディスペンサ２０を用いれば、フィン２のルーバー２２に液状の接着剤５が流れ込むことがなく、必要部位に接着剤５を充填できる。さらに、新たな接着剤充填設備を設けなくても、接着剤５を代えることにより、同一の接着剤充填設備を使用することができる。これにより、設備投資を最小限に抑えることができる。

また、液状の接着剤５を用いているため、接着剤５の毛細管現象による浸透により、チューブ１の上方から、嵌挿部２１の内周面とチューブ１の外周面との間の微小空隙４に接着剤５を充填するため、コア部３全体を接着剤５に浸漬させることなく、チューブ１の外周面とフィン２の嵌挿部２１との間に、均等かつ安定的に接着剤５を浸透させることができ、チューブ１からフィン２への熱伝達の阻害を抑制できる。これにより、熱交換効率の悪化を防止できる熱交換器を製造することができる。

さらに、チューブ１は、略楕円状もしくは長円状の偏平状に形成されており、接着剤５を、チューブ１の長手方向の一端側の上方から下方に向けて充填している。このように、液状の接着剤５を用いているため、接着剤５の自重作用による落下及び微小空隙４における毛細管現象による浸透により、チューブ１の上方から、微小空隙４に接着剤５を充填することができる。

また、低粘度硬化液剤に熱伝導性が良好な金属粉を混入することにより、液状の接着剤５は、流動性を有するため、微小空隙４の末端まで接着剤５を浸透することができる。さらに、炉中ろう付けと同等の熱交換効率が得られる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、ラジエータ１０を形成した後に、液状の接着剤５を充填するように説明したが、コア部３にコアプレート８ｂ、９ｂを形成した後に、液状の接着剤５を充填するように構成しても良い。これによれば、接着剤５の充填作業が容易にできるため、生産性が良好である。

また、以上の実施形態では、タンクケース８ａ、９ａを耐熱性の樹脂材で形成したが、チューブ１と同じアルミニウムあるいはアルミニウム合金であっても良い。また、ラジエータ１０の各部材の材料をアルミニウムあるいはアルミニウム合金の他に、銅あるいは銅合金であっても良い。なお、チューブ１およびフィン２が、銅あるいは銅合金のときには、接着剤５には、銅もしくは銅合金の粉末を混入する方が良い。

また、以上の実施形態では、チューブ１の形状を、偏平状に形成したが、丸形状であっても良い。さらに、以上の実施形態では、熱交換器としてラジエータ１０を例に説明したが、その他の熱交換器として、チューブ内に冷却水が流通するヒータ、チューブ内に冷媒が流通するコンデンサ、エバポレータ、または燃料電池の冷却水を冷却する熱交換器に本発明を適用させても良い。さらに、車両用の熱交換器の他に家庭用の熱交換器であっても良い。

本発明の一実施形態におけるラジエータの全体構成を示すとともに、ラジエータの外方から接着剤を充填する状態を示す斜視図である。 本発明の要部を示す部分拡大斜視図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図２に示すＩＶ−ＩＶ断面図である。

符号の説明

１…チューブ
２…フィン
３…コア部
４…微小空隙（空隙）
５…接着剤、接着層
８ｂ、９ｂ…コアプレート
８ｃ、９ｃ…チューブ孔
２１…嵌挿部

Claims (3)

1. 複数の嵌挿部（２１）が形成され、積層された複数のプレート状のフィン（２）と、前記複数のフィン（２）と直交するように前記嵌挿部（２１）に挿入され、熱媒体が流通する複数のチューブ（１）とを備えるコア部（３）と、
   前記チューブ（１）の端部が挿通されるチューブ孔（８ｃ、９ｃ）が複数形成されたコアプレート（８ｂ、９ｂ）とを有する熱交換器の製造方法において、
   前記フィン（２）の前記嵌挿部（２１）に前記チューブ（１）を挿入した後、前記チューブ（１）を拡管する第１の工程と、
   前記嵌挿部（２１）の内周面と前記チューブ（１）の外周面との間の空隙（４）に、液状の接着剤（５）を前記チューブ（１）の径方向から充填する第２の工程とを有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記チューブ（１）は、断面が偏平形状を有しており、
   前記第２の工程において、前記接着剤（５）を前記チューブ（１）の断面長手方向から充填することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記第２の工程において、前記チューブ（１）の断面長手方向が上下方向となるように配置された状態で前記接着剤（５）を充填することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器の製造方法。

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