JP2010243078A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱交換器の耐圧性能を向上することができるとともに熱交換器の製造コストを低減することができる熱交換器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】積層フィン(2)に挿通される伝熱管(4)同士がベンド管(6)で接続される熱交換器(1)であって、伝熱管は、積層フィンに挿通された後に積層フィンに対して密着される密着部(10)と、伝熱管の端部(4a)に形成され、ベンド管が挿入されてろう付け接合される接合部(12)とを備え、接合部の外周面(12a)は密着部の外周面(10a)と略面一をなす。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器及びその製造方法に係り、詳しくは、ヒートポンプ給湯機に用いられて好適な熱交換器及びその製造方法に関する。
この種の熱交換器は、積層フィンに挿通される伝熱管同士がベンド管で接続されるものが知られており、伝熱管は、積層フィンに挿通された後に積層フィンに対して密着される密着部と、伝熱管の端部に形成され、ベンド管が挿入されてろう付け接合される接合部とを備えている。
上記接合部は、伝熱管の端部を比較的大きな拡管率で拡管して伝熱管に拡管部を形成した後に、この拡管部にベンド管を挿入してろう付け接合することにより形成されるものが知られている（例えば特許文献１参照）。
また、上記拡管部を形成するための拡管装置も開示されている（例えば特許文献２参照）。
特開２００１−５６１６５号公報 特開２００８−１００２５１号公報
しかしながら、上記各従来技術では、伝熱管の端部の拡管に伴う端部の薄肉化によって伝熱管の耐圧強度が低下するため、伝熱管への冷媒の流通によって伝熱管が破裂するおそれがあり、特に熱交換器の冷媒として超臨界状態となる二酸化炭素などの自然系冷媒を使用する場合には、伝熱管に高圧が作用するため、熱交換器の耐圧性能を確保できないとの問題がある。
また、上記各従来技術では、熱交換器の製造工程において、伝熱管に上記密着部を形成するための密着工程と、伝熱管に上記接合部を形成するための接合工程との間に、上記特許文献２に開示されるような拡管装置を使用して上記拡管部を形成するための拡管工程を要するため、熱交換器の製造コストが増大するとの問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、熱交換器の耐圧性能を向上することができるとともに熱交換器の製造コストを低減することができる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。
上記の目的を達成するべく、請求項１の熱交換器は、積層フィンに挿通される伝熱管同士がベンド管で接続される熱交換器であって、伝熱管は、積層フィンに挿通された後に積層フィンに対して密着される密着部と、伝熱管の端部に形成され、ベンド管が挿入されてろう付け接合される接合部とを備え、接合部の外周面は密着部の外周面と略面一をなすことを特徴としている。
また、請求項２の発明では、請求項１において、伝熱管には二酸化炭素冷媒が流通されることを特徴としている。
更に、請求項３の熱交換器の製造方法は、積層フィンに挿通される伝熱管同士をベンド管で接続する熱交換器の製造方法であって、伝熱管を積層フィンに挿通した後に積層フィンに対して密着させて伝熱管に密着部を形成する密着工程と、密着工程の後に、伝熱管の端部にベンド管を挿入してろう付け接合し、端部に密着部の外周面と略面一の外周面を有する接合部を形成する接合工程とからなることを特徴としている。
請求項１の本発明の熱交換器によれば、伝熱管におけるベンド管の接合部の外周面は、伝熱管の密着部の外周面と略面一をなすことにより、接合部は伝熱管の端部が拡管されずに形成され、拡管に伴う伝熱管の端部の薄肉化によって伝熱管の耐圧強度が低下して冷媒圧により伝熱管が破裂するのを防止することができるため、熱交換器の耐圧性能を向上することができる。
また、請求項２の発明によれば、伝熱管には二酸化炭素冷媒が流通されることにより、伝熱管に超臨界状態となる二酸化炭素冷媒の高圧が作用するため、伝熱管の端部の薄肉化によって伝熱管の耐圧強度が低下して伝熱管が破裂するのをより一層効果的に防止することができる。
更に、請求項３の本発明の熱交換器の製造方法によれば、伝熱管を積層フィンに挿通した後に積層フィンに対して密着させて伝熱管に密着部を形成する密着工程と、密着工程の後に、伝熱管の端部にベンド管を挿入してろう付け接合し、端部に密着部の外周面と略面一の外周面を有する接合部を形成する接合工程とからなる。これにより、伝熱管の端部を拡管する拡管工程が不要となり、熱交換器の製造工程における工程数を削減することができるため、熱交換器の製造コストを低減することができる。
本発明の一実施形態に係る熱交換器の要部を概略的に示した図である。 (a)熱交換器の製造工程のうちの伝熱管の挿通工程を示した図、(b)図２(a)の要部を拡大して示した図である。 (a)熱交換器の製造工程のうちの伝熱管の挿通工程が完了した状態を示した図、(b)図３(a)の要部を拡大して示した図である。 (a)熱交換器の製造工程のうちの伝熱管の密着工程を示した図、(b)図２(a)の要部を拡大し、伝熱管の密着が行われている状態を示した図である。 (a)熱交換器の製造工程のうちの伝熱管に対するベンド管の接合工程を示した図、(b)図２(a)の要部を拡大し、伝熱管に対するベンド管の接合を行おうとしている状態を示した図、(c)図２(b)の状態から伝熱管に対するベンド管の接合が行なわれた状態を示した図である。 冷媒の成分比率及び循環流量に対する圧力損失を二酸化炭素冷媒とフロン系冷媒とで比較した特性図(出典：C.Y.Park,P.S.Hrnjak/International Journal of Refrigeration 30 (2007) 166-178)である。
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明のフィンチューブ式の熱交換器の要部を概略的に示している。
当該熱交換器１は、例えば、ヒートポンプ給湯機において二酸化炭素冷媒が循環するヒートポンプ回路に介挿され、積層フィン２と、複数の伝熱管４と、複数のベンド管６とから構成されている。
積層フィン２は、プレート状の複数のフィン２ａを所定の間隔にて積層して構成され、伝熱管４が挿通される複数の挿通管８を有し、フィン２ａは挿通管８の外周面８ａに立設されている。
伝熱管４は、銅管等を略Ｕ字状に屈曲して形成されるいわゆるヘアピンチューブと称されるものあって、約５ｍｍの外径ＤＯＵＴ１と約０．３２ｍｍの肉厚ｔ１を有し、図１中の矢印方向に冷媒が流通される。
一方、ベンド管６は、異なる伝熱管４の隣り合う端部４ａ同士を接続するいわゆるＵベンドと称されるものであって、伝熱管４よりも若干小さい約４．６ｍｍ〜約４．７ｍｍの外径ＤＯＵＴ２と約０．３２ｍｍの肉厚ｔ２を有している。
そして、伝熱管４には、積層フィン２、すなわち挿通管８に挿通された後に挿通管８の内周面８ｂに対して密着される箇所である密着部１０と、更に伝熱管４の端部４ａにベンド管６が挿入されて接合される箇所である接合部１２とが形成され、接合部１２は端部４ａの開口端面をベント管６にろう付けして形成されたろう付け部１４によりベンド管６に接合される。
以下、図２(a),(b)〜図５(a),(b),(c)の熱交換器１の製造工程図を参照し、熱交換器１の製造工程について説明する。なお、熱交換器１は図の分かり易さのために積層フィン２を構成するフィン２ａの一部を省略して図示する。
先ず、図２(a),(b)に示されるように、複数の伝熱管４をその端部４ａ側から対応する各挿通管８に挿通し、図３(a)に示される状態にされる（挿通工程）。この状態では、図３(b)に示されるように、伝熱管４の外周面４ｂと挿通管８の内周面８ｂとは間隙Ｇを有して離間している。
次に、図４(a),(b)に示されるように、ドリル状の複数の拡管治具１６を各端部４ａ側から各伝熱管４内に螺進することによって拡管される（第１拡管）。
詳しくは、図４(b)に示されるように、伝熱管４の外周面４ｂが挿通管８の内周面８ｂに押圧、密着され、伝熱管４は端部４ａから伝熱管４の挿通管８に対向する部位に亘って間隙Ｇが無くなる程度まで略均等に拡管され、伝熱管４に密着部１０が形成される。密着部１０の形成によって伝熱管４は挿通管８、ひいては積層フィン２に密着固定される（密着工程）。
なお、上記第１拡管は１０６％程度の比較的小さな拡管率で拡管され、この第１拡管に伴う伝熱管４の肉厚ｔ１の減少は伝熱管４の耐圧強度に影響しない程度の微少なものである。また、第１拡管では、伝熱管４の内径ＤＩＮ１は、ベンド管６の外径ＤＯＵＴ２と略等しくなるように拡管され、すなわち、ベンド管６は密着工程後の伝熱管４の端部４ａにすきまばめとしまりばめとの中間の中間ばめ程度のはめあいで挿入可能な外径ＤＯＵＴ２に予め形成されている（図１参照）。
次に、図５(a)に示されるように、各ベンド管６を異なる伝熱管４の隣り合う端部４ａを繋げるようにして順次ろう付け接合する（接合工程）。
ここで、図５(b),(c)に示されるように、伝熱管４は上記密着工程において端部４ａから伝熱管４の挿通管８に対向する部位に亘って間隙Ｇが無くなる程度まで略均等に拡管されるため、接合工程における伝熱管４の接合部１２と密着部１０とは略同一の内径寸法を有しており、換言すると、伝熱管４における接合部１２の外周面１２ａと密着部１０の外周面１０ａとは略面一をなしている。しかも、ベンド管６は端部４ａに中間ばめ程度のはめあいで挿入可能な外径ＤＯＵＴ２に予め形成されているため、端部４ａを更に拡管することなく、ベンド管６は伝熱管４ａにそのまま挿入される。
また、ベンド管６の端部６ａにはリング状のろう部材１８が予め装着され、ろう部材１８はベンド管６の伝熱管４への挿入しろｄを規定する位置に設けられる。すなわち、ろう部材１８の装着位置によって挿入しろｄが管理され、ろう部材１８を端部４ａの開口端面に当接させた状態で溶かすことによってろう付け部１４、ひいては接合部１２が形成され、ベンド管６は伝熱管４に気密に固定される。
こうして、上述したような挿通工程、密着工程、接合工程を経ることにより、熱交換器１には蛇腹状に連続した冷媒の連通路が形成され、熱交換器１の製造工程が終了する。
以上のように、本実施形態では、接合部１２の外周面１２ａが密着部１０の外周面１０ａと略面一をなし、伝熱管４の端部４ａを拡管しなくても良いため、拡管に伴う端部４ａの薄肉化によって、伝熱管４の耐圧強度が低下し、冷媒圧により伝熱管４が破裂するのを防止することができ、熱交換器１の耐圧性能を向上することができる。
詳しくは、従来は、一般に密着工程の後に、上述した第１拡管にて使用されるような拡管治具を伝熱管４の端部４ａのみに螺進することによって、端部４ａを拡管する第２拡管が行われる。
ここで、接合工程では、第２拡管により拡管された端部４ａに伝熱管４と略同外径を有するベンド管６を挿入してろう付けするため、第２拡管の拡管率は上記第１拡管の拡管率よりも大きくなり、これより第２拡管に伴う伝熱管４の端部４ａの肉厚ｔ１の極めて減少し、端部４ａの薄肉化によって伝熱管４の耐圧強度が著しく低下する。なお、従来は、エアコンの冷媒回路に使用される冷媒管をヒートポンプ回路に転用することが多く、伝熱管４の外径ＤＯＵＴ１及びベンド管６の外径ＤＯＵＴ２は何れも約７ｍｍである。
しかし、本実施形態では、第２拡管を行うことなく伝熱管４に接合部１２を形成することができるため、端部４ａの薄肉化を防止して伝熱管４の耐圧強度を高めることができる。
また、伝熱管４の外径ＤＯＵＴ１及びベンド管６の外径ＤＯＵＴ２が何れも約５ｍｍとなるため、熱交換器１の軽量化を図ることができるとの利点もある。
更に、熱交換器１の製造工程は、主として、密着工程と、密着工程の後に外周面１０ａと略面一の外周面１２ａを有する接合部１２を形成するための接合工程とからなる。これにより、端部４ａを拡管する第２拡管工程（拡管工程）が不要となり、熱交換器１の製造工程における工程数を削減することができるため、熱交換器１の製造コストを低減することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、熱交換器１は、二酸化炭素冷媒が循環するヒートポンプ回路に介挿され、伝熱管４には二酸化炭素冷媒が流通されるとしているが、冷媒はこれに限定されない。但し、二酸化炭素冷媒を使用することにより、伝熱管４に超臨界状態となる二酸化炭素冷媒の高圧が作用するため、伝熱管４の端部４ａの薄肉化によって伝熱管４の耐圧強度が低下して伝熱管４が破裂するのをより一層効果的に防止することができる。
ここで、一般に、冷媒の圧力損失は冷媒の状態（ガス／液の比率）と冷媒の循環流量に大きく依存しており、冷媒の循環流量が多くなるほど冷媒の圧力損失が大きくなることが知られている。
また、二酸化炭素冷媒は、フロン系冷媒に比して粘性抵抗が低いため、フロン系冷媒に比して圧力損失も小さいと考えられている。
図６(出典：C.Y.Park,P.S.Hrnjak/International Journal of Refrigeration 30 (2007) 166-178)の冷媒の成分比率及び循環流量に対する圧力損失の特性図に示されるように、二酸化炭素冷媒はフロン系冷媒に比して、実際に１／５（２０％）以上圧力損失が小さいことがわかる。このことから、ベンド管６の外径ＤＯＵＴ２を約７ｍｍから約５ｍｍに小さくしても、冷媒に二酸化炭素冷媒を使用する場合には、熱交換器１を流通する冷媒の圧力損失の影響は少ないと考えられるため、本発明では、冷媒の圧力損失増大を危惧することなく、伝熱管４の破裂を効果的に防止することができる。
１ 熱交換器
２ 積層フィン
４ 伝熱管
４ａ 端部
６ ベンド管
１０ 密着部
１０ａ 外周面
１２ 接合部
１２ａ 外周面

Claims (3)

  1. 積層フィンに挿通される伝熱管同士がベンド管で接続される熱交換器であって、
    前記伝熱管は、前記積層フィンに挿通された後に前記積層フィンに対して密着される密着部と、前記伝熱管の端部に形成され、前記ベンド管が挿入されてろう付け接合される接合部とを備え、
    前記接合部の外周面は前記密着部の外周面と略面一をなすことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記伝熱管には二酸化炭素冷媒が流通されることを特徴とする請求項１の熱交換器。
  3. 積層フィンに挿通される伝熱管同士をベンド管で接続する熱交換器の製造方法であって、
    前記伝熱管を前記積層フィンに挿通した後に前記積層フィンに対して密着させて前記伝熱管に密着部を形成する密着工程と、
    前記密着工程の後に、前記伝熱管の端部に前記ベンド管を挿入してろう付け接合し、前記端部に前記密着部の外周面と略面一の外周面を有する接合部を形成する接合工程と
    からなることを特徴とする熱交換器の製造方法。
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