JP2010214404A - 熱交換器の製造方法及びその熱交換器を用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の製造方法において、伝熱管が細径化した場合でも、伝熱管を拡管させてもマンドレルの変形が発生せず、伝熱管と放熱フィンとの密着性を改善した熱交換器の製造方法を提供する。
【解決手段】拡管に使用する治具は、円すい台形状からなり頭部にマンドレル４３が接合された第１の治具４１と、円筒部と円筒部の下端に設けられた外方側に開放可能な複数の管当接部材とを有する第２の治具４２である。拡管工程として、予め伝熱管３の一端側の管口から第１の治具４１と第２の治具４２とを分離した状態で挿入し、伝熱管３の他端側の管終部で一旦マンドレル４３を引き上げる。すると、第１の治具４１が第２の治具４２の中に挿入され、第２の治具４２の管当接部材が外方側に開放された状態となる。この状態でさらにマンドレル４３を引き上げることで伝熱管３を徐々に拡径させていき、伝熱管３を放熱フィン２に一体に固定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば冷蔵庫用熱交換器、空気調和機用熱交換器等の熱交換器の製造方法に関し、特に複数重合された放熱フィンに挿通された伝熱管を備えた熱交換器の製造方法に関する。

従来、熱交換器の製造方法として例えば「所定間隔を有して複数重合された放熱フィンに一定の長さを有した直管を挿通し、その後該直管の一端側を、少なくとも一対の挟持体で挟持して保持し、その後該一端側と反する他端側の管口部から拡管用マンドレルを所定寸法で圧入して所定長の拡管部を形成し、その後該拡管部の周面部を管口部側から進出する拡縮自在な複数の掴持体によって夫々の掴持体間に所定量の隙間が形成されるべく掴持し、その後前記拡管用マンドレルを前記一端側へと前進させて直管を拡管し熱交換器を製造する…」が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１９２７６６号公報（第８頁、図１−２）

特許文献１の熱交換器の製造方法においては、伝熱管が細径化した場合、マンドレルを伝熱管の他端側へと前進させて伝熱管を拡径させると挿入力が増加してマンドレルが変形し、伝熱管を放熱フィンに接合させることが出来ないという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、伝熱管を拡径させてもマンドレルの変形が発生せず、伝熱管を放熱フィンに接合させることにより伝熱管と放熱フィンとの密着性を改善した熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、円すい台形状からなり頭部にマンドレルが接合された第１の治具と、円筒部と、円筒部の下端に設けられた外方側に開放可能な複数の管当接部材とを有する第２の治具とを備え、伝熱管の一端側の管口から、第１の治具と第２の治具を分離した状態で挿入する工程と、伝熱管の他端側の管終部で、一旦マンドレルを引き上げて第１の治具を第２の治具の中に挿入させ、第２の治具の管当接部材が外方側に開放された状態でさらにマンドレルを引き上げることで伝熱管を拡径させていき、伝熱管を放熱フィンに一体に固定する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る空気調和機は、作動流体に冷媒を用い、蒸発器又は凝縮器の両者又はいずれか一方に上記の熱交換器を用いたものである。

本発明によれば、伝熱性能が優れた細径化した伝熱管を用いた場合でもマンドレルが変形せず、伝熱管と放熱フィンとの密着性が悪化することなく伝熱管を放熱フィンに接合することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の正面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。 本発明の実施の形態１に係る第１の治具（図４（a）参照）と、第２の治具の管当接部材（図４（b）参照）の正面図である。 第１の治具と第２の治具とが係合した状態の正面図及び斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る第２の治具の管当接部材の正面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の正面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。 本発明の実施の形態３に係る第２の治具の管当接部材の正面図である。 本発明の実施の形態３に係る第２の治具の管当接部材の正面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の正面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。 本発明の実施の形態４に係る第２の治具の管当接部材の正面図である。 本発明の実施の形態４に係る第２の治具の管当接部材の正面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の断面図である。図１(a)において、２はフィン及びエンドプレートを示す。上記フィン２は、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金等の金属板からなる（他の実施の形態においても同様である）。フィン２の垂直方向には伝熱管３が設けられており、伝熱管３は図の左右方向（以下、長手方向という。）の中央部で、所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工されたものである。

本発明で伝熱管の拡径に使用する治具は、円すい台形状からなり頭部にマンドレル４３が接合された第１の治具４１と、円筒部５１と円筒部５１の下端に設けられた外方側に開放可能な複数の管当接部材５２とを有する第２の治具４２とである。

次に、伝熱管の拡径の工程について説明する。
まず、伝熱管３の一端側の管口から、第１の治具４１と第２の治具４２とを分離した状態で挿入する。拡管を始める際は、伝熱管３の他端側の管終部で一旦マンドレル４３を引き上げて、第１の治具４１を第２の治具４２の中に挿入させ、第２の治具４２の管当接部材５２が外方側に開放された状態をつくる。この状態でさらにマンドレル４３を引き上げることで伝熱管３を徐々に拡径させていき、伝熱管３を放熱フィン２に一体に固定することができる。図１(d)は伝熱管３の拡径が終了し、伝熱管３が前記フィン２に一体に固定された状態を示したものである。

伝熱管の拡径後、第１の治具４１及び第２の治具４２を抜き取る方法について説明する。伝熱管３の最終部の拡径後には、第１の治具４１のマンドレル４３を引っ張る力を解除することで、第２の治具４２の管当接部材５２自体が内方側に戻る力を有し、第１の治具４１と第２の治具４２とが分離される。また、第２の治具４２の外表面に適当な径の円筒をかぶせることで第２の治具４２の管当接部材５２を内方側にたたみ、確実に第１の治具４１と第２の治具４２とを分離することができる。そして、第１の治具４１及び第２の治具４２を分離させた状態で、伝熱管の管口から抜き取る。

次に、伝熱管３の配置、材質及び内面形状について説明する。
図２において、伝熱管３の直管の段方向の間隔は、直管の外径の２倍となっている。また、伝熱管３の直管を拡径した後の外径をＤとする。ここで伝熱管３は、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属材料からなる（他の実施の形態においても同様である）。次に図３に示すように、伝熱管３は内面に溝無又は溝（突条３１）が形成されており、管軸方向と突条３１が延びる方向とがある角度を成している。図３(b)は突条３１の形状が全て同じ場合を、図３(c)は突条３１の形状を周期的に変えて配置した場合を示している。

このような伝熱管３の拡径後の外径Ｄは８．４ｍｍ以下にすることが好ましい。その理由として、従来の圧入拡管方式では、外径が８．４ｍｍ以下の場合で拡管用マンドレル４３の挿入力が増加し、拡管用マンドレル４３の座屈が発生してしまう。また、外径が８．４ｍｍを超えると、従来の圧入拡管方式で対応が可能となる。

続いて、上記のような伝熱管３を拡径する治具の一例について説明する。
拡管に用いる治具は、第１の治具４１（図４(a)参照）と第２の治具４２とから構成される。第２の治具は、図５に示すように円筒部５１と管当接部材５２とを備えている。

伝熱管３の管終部で一旦マンドレル４３を引き上げることで、第１の治具４１の外面凹部４４と管当接部材５２の内面凸部４５とが係合する。すると、第２の治具４２の管当接部材５２が外方側に開放された状態となるので、この状態でマンドレル４３を徐々に引き上げると伝熱管３が拡径され、伝熱管３は前記フィン２に一体に固定される。図５は拡管後の第１の治具４１と管当接部材５２との係合状態を示す。

予め、外面凹部４４及び内面凸部４５を設けておき、それらを係合させることの利点は、第２の治具４２の管当接部材５２が管径方向に均等に拡張されるという点である。すると、伝熱管３の拡径を均等にムラ無く行うことができる。また、第１の治具４１の内面凹部４４は２個以上から８個以下にすることが好ましい。

実施の形態２．
図６は、本実施の形態２における、伝熱管３を拡径する際に用いる治具の他の例を示す説明図である。
第２の治具４２の管当接部材５２の外面に突起部４６を設けることで、伝熱管３の内面に溝を付け、管内の伝熱面積を拡大することができる。これにより伝熱管３の管内性能が増加する。

実施の形態３．
図７は、本実施の形態３の伝熱管３の他の例を示す説明図である。
図７は、本実施の形態３に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の伝熱管３における管軸方向に垂直な断面を示す断面図である。本実施形態のフィン２は銅若しくは銅合金又はアルミ若しくはアルミ合金等の金属材料からなり、フィン内面が曲面の凹凸を連続させている形状である。

図８は、各伝熱管３における管軸方向に垂直な断面を示す断面図である。
図８(a)は内径ｄの各冷媒流路３２ａ〜３２ｄの内壁面に所定の間隔で、管軸方向に平行して断面がほぼ四角形状の複数の突条３１を延設したものである。図８(b)は冷媒流路３２ａ〜３２ｄのうち、空気の流入方向の下流側の冷媒流路３２ｃ、３２ｄの内周壁に、図８(a)の場合と同様に所定の間隔で管軸方向に平行な複数の突条３１を延設したものである。図８(c)は下流側の冷媒流路３２ｃ、３２ｄの内径ｄ₁を、上流側の冷媒流路３２ａ、３２ｂの内径ｄよりも小さく、ｄ₁＜ｄに形成するとともに、上流側の冷媒流路３２ａ、３２ｂの内周壁と、下流側の冷媒流路３２ｃ、３２ｄの内周壁に、図８(a)の場合と同様に、所定の間隔で管軸方向に平行な複数の突条３１、３１ａをそれぞれ延設したものである。図８(d)は下流側の冷媒流路３２ｃ、３２ｄの内径ｄ₁を、上流側の冷媒流路３２ａ、３２ｂの内径ｄよりも小さく、ｄ₁＜ｄに形成するとともに、下流側の冷媒流路３２ｃ、３２ｄの内周壁に、所定の間隔で管軸方向に平行な複数の突条３１ａを延設したものである。

本実施の形態３の伝熱管３は、銅若しくは銅合金又はアルミ若しくはアルミ合金等の金属材料からなる。また伝熱管３は、管外面が曲面の凹凸を連続させている形状であり、前記外面形状は左右対称であって、前記管外面における管軸方向に平行な管が連結されている。これにより、伝熱管３を細径化する際に伝熱管３の加工コストが低減され、フィン２に伝熱管３を挿入する作業も軽減される。

本実施の形態３の伝熱管３の内面には、管軸方向に平行な複数の突条３１が一定の間隔で形成されており、管軸方向と突条３１が延びる方向とがある角度をなす。本実施の形態３の伝熱管３における上記の角度は０°であることが好ましい。角度を０°にすることにより、伝熱管３の管内圧力の損失が増えず、伝熱性能をより向上させることができる。

また本実施の形態３における、伝熱管３における突条３１及び３１ａの高さは、０．１ｍｍまたは０．３ｍｍであることが好ましい。突条３１及び３１ａの高さを０．１ｍｍまたは０．３ｍｍにすることにより、管内圧力の損失が増えず、伝熱性能をより向上させることができる。

図９及び図１０は、本実施の形態３における第２の治具の管当接部材５２の例を示す説明図である。伝熱管３の管終部で一旦マンドレル４３を引き上げることで、第１の治具４１の外面凹部４４と管当接部材５２の内面凸部４５とが係合する。すると、第２の治具４２の管当接部材５２が外方側に開放された状態となるので、この状態でマンドレル４３を徐々に引き上げると伝熱管３が拡径され、伝熱管３は前記フィン２に一体に固定される。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器の正面図である。図１１において、フィン２は銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金等の金属板からなる。フィン２は空気の流入方向と平行に、かつ図の垂直方向（奥行方向）に所定の間隔で並設され、その上下方向にはフィン２と直交して、後述の伝熱管３が設けられている。

図１２に示すように、伝熱管３は、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金等の金属材料からなり、アルミ又はアルミ合金等の金属材料の外表面は亜鉛溶射・拡散処理されている。また伝熱管３は、空気の流入方向に沿って細長く、上下の面が平坦で、断面はほぼ小判状に形成されている。そして長手方向の両側には、断面が円形の第１、第２の冷媒流路３２ａ、３２ｂが管軸方向に平行に設けられている。また、ほぼ半円状の第１、第２の冷媒流路３２ａ、３２ｂの内壁面には、所定の間隔で管軸方向に断面がほぼ四角形状の複数の突条３１が設けられている。

図１２に示すように、本実施の形態４の伝熱管３においては、拡径後の突条３１の高さｈ（突出長）が高い程、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、拡径後の突条３１の高さｈが０．３ｍｍを超えると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、結果として、熱交換率が低下する。一方、拡径後の突条３１の高さｈが０．1ｍｍ未満の場合、熱伝達率が向上しない。よって、本実施の形態４の伝熱管３においては、拡径後の突条３１の高さｈ（突出長）は、０．1〜０．３ｍｍ程度とすることが望ましい。なお、突条３１の断面形状は四角形状に限定するものではなく、三角形状、台形状または半円形状等、適宜の断面形状とすることができる。

図１３及び図１４は、本実施の形態３における第２の治具の管当接部材５２の別の例を示す説明図である。伝熱管３の管終部で一旦マンドレル４３を引き上げることで、第１の治具４１の外面凹部４４と管当接部材５２の内面凸部４５とが係合する。すると、第２の治具４２の管当接部材５２が外方側に開放された状態となるので、この状態でマンドレル４３を徐々に引き上げると伝熱管３が拡径され、伝熱管３は前記フィン２に一体に固定される。

実施の形態５．
実施の形態１においては、伝熱管３の拡径によってフィン２と伝熱管３とを接合させた場合を示したが、本実施の形態５ではさらに、熱交換器１における伝熱管３の拡管率を規定したものである。

本実施の形態５では、伝熱管３を機械拡管方式により拡管する際の拡管率を、熱交換器１の伝熱管３で１０５．５％〜１０７．５％とする。これにより、熱交換器１における伝熱管３とフィン２の密着性を改善して、高効率の熱交換器１を得る。しかしながら、熱交換器１における伝熱管３の拡管率が１０７．５％以上になると、山頂部での潰れとフィンカラー割れが発生し、伝熱管３とフィン２の密着性が悪化する。一方、熱交換器１における伝熱管３の拡管率が１０５．５％未満の場合は、伝熱管３とフィン２の密着性が悪く、高い熱交換率が得られない。
よって、本実施の形態５のヘアピン管を拡管する際の拡管率を、熱交換器１の伝熱管３で１０５．５％〜１０７．５％と規定する。
こうして拡管率を規定すると、製品にばらつきが発生しない。

なお、実施の形態１及び５においては、伝熱管３の拡管のみによってフィン２とヘアピン管（伝熱管３）とを接合するようにしているが、接合後に、さらにロウ付けによって完全接着するようにしてもよく、これにより信頼性をさらに高めることができる。

上記のように構成した熱交換器１は、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を順次配管によって接続し、冷媒を作動流体として用いた冷凍サイクルにおいて、上記の蒸発器または凝縮器として設けられる。その際の冷媒として例えば、ＨＣ単一冷媒若しくはＨＣ冷媒を含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、テトラフルオロプロペン（例えば２，３，３，３−テトラフルオロプロペン）または二酸化炭素等のいずれかを使用する。

本実施の形態５によれば、伝熱性能が優れた細径化した伝熱管３を用いてもマンドレル４３が変形せず、伝熱管３と放熱フィン２との密着性が悪化することなく、伝熱管３を放熱フィン２に接合させることができるので、空気調和機にも利用可能な熱交換効率を向上させた高能率の熱交換器１を得ることができる。

また、第２の治具４２の管当接部材５２に外面突起４６を設けることで、冷媒との接触面積が増大し、かつ突条３１及び３１ａの高さｈを０．１〜０．３ｍｍ程度としたので、流路内圧力が増大することなく、伝熱性能をより向上することができる。

１ 熱交換器、２ 放熱フィン、３ 伝熱管、３１，３１a 突条、３２ａ，３２ｂ, ３２ｃ，３２ｄ 第１、第２、第３、第４の冷媒流路、４１ 第１の治具、４２ 第２の治具、４３ マンドレル、４４ 第１の治具の外面凹部、４５ 第２の治具の管当接部材の内面凸部、４６ 第２の治具の管当接部材の外面突起、５１ 第２の治具の円筒部、５２ 第２の治具の管当接部材。

Claims (13)

1. 円すい台形状からなり頭部にマンドレルが接合された第１の治具と、
   円筒部と、円筒部の下端に設けられた外方側に開放可能な複数の管当接部材とを有する第２の治具とを備え、
   伝熱管の一端側の管口から、第１の治具と第２の治具を分離した状態で挿入する工程と、
   伝熱管の他端側の管終部で、一旦マンドレルを引き上げて第１の治具を第２の治具の中に挿入させ、第２の治具の管当接部材が外方側に開放された状態でさらにマンドレルを引き上げることで伝熱管を拡径させていき、伝熱管を放熱フィンに一体に固定する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. 前記第１の治具の側面には均等な間隔で複数の凹部が設けられ、
   前記第２の治具の管当接部材内面には前記凹部と係合可能な複数の凸部が設けられ、
   前記第１の治具の凹部と前記第２の治具の凸部が係合することで、第２の治具の管当接部材が管径方向に均等に拡張されること
   を特徴とする熱交換器の製造方法。
3. 前記伝熱管は、長手方向の中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工され、これらのヘアピン管を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置した複数枚のフィンに挿通すること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記伝熱管は、相互に平行に配置した複数枚のフィンに対し、直管を外径の２倍の間隔をおいて挿通させること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記第２の治具の管当接部材の外面に突起部を設けることで、伝熱管の内面山部に溝を付けて、管内の伝熱面積を拡大すること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記伝熱管は外周面が左右対称の凹凸状に形成され、長手方向に所定の間隔で軸方向に複数の円筒状の冷媒流路が設けられ、長手方向の中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工されたものであり、これらのヘアピン管を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置した複数枚のフィンに挿通すること、また前記伝熱管は、その内面には、管軸方向に平行な複数の突条が一定の間隔で形成されており、管軸方向と突条が延びる方向とである角度を成していること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
7. 前記伝熱管は管外面が平坦で、管外面における管軸方向に平行な冷媒流路の穴数が２個であり、風上流側と風下流側には半円弧の第１、第２の冷媒流路が形成され、長手方向の中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工され、これらのヘアピン管を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置した複数枚のフィンに挿通すること、また前記伝熱管は、その内面には、管軸方向に平行な複数の突条が一定の間隔で形成されており、管軸方向と突条が延びる方向とである角度を成していること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
8. 拡管により接合された前記伝熱管と前記フィンが、ロウ付けによって接着されていること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
9. 機械拡管方式による前記伝熱管の拡管率が、１０５．５％〜１０７．５％であること
   を特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
10. 前記伝熱管を、銅又は銅合金並びにアルミ又はアルミ合金等の金属材料により形成し、アルミ又はアルミ合金等の金属材料の外表面は亜鉛溶射・拡散処理されていること
    を特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
11. 圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を順次配管によって接続し、冷媒を作動流体として用いた冷凍サイクルにおいて、前記熱交換器を前記蒸発器または凝縮器として用いたこと
    を特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
12. 前記冷媒として、ＨＣ単一冷媒若しくはＨＣ冷媒を含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、テトラフルオロプロペン（例えば２，３，３，３−テトラフルオロプロペン）または二酸化炭素のいずれかを用いること
    を特徴とする請求項１１記載の熱交換器の製造方法。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の熱交換器を用いたこと
    を特徴とする空気調和機。

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