JP2011174640A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】タンクとのろう付け性を向上できるチューブを提供する。
【解決手段】チューブ本体２１の内部を冷媒が流れ、かつ当該内部に冷媒との伝熱面積を増大させるインナーフィン２７が配置される複数本のチューブ２０と、チューブ２０の長手方向の両端部が接続され、各々のチューブ２０の冷媒流路と連通する一対のタンク３０と、チューブ２０の外表面に接合されて外気との伝熱面積を増大させるアウターフィン４０とを備える熱交換器に関するものである。チューブ２０は接続部２９を有しており、この接続部２９のろう付けに供される第１ろう材が、チューブ２０とタンク３０のろう付けに供される第２ろう材よりも、融点が低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用の空調装置に好適に用いられる熱交換器に関する。

熱交換器用チューブ（以下、単にチューブという）は、通常、アルミニウム合金を押出しすることにより製造されているが、押出しでは製造工程上、チューブの仕様の設定に制約がある。また、押出しはコストが高い。そこで、中空状のチューブ本体と、チューブ本体内部に設けられるフィンとを組合せたチューブが提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献３）。

特許文献３に開示されたチューブ１１０を図９に示す。チューブ１１０は、流体が流れるとともに、長手方向（紙面の奥行き方向）と直交する断面が扁平状に形成されたチューブ本体１２０と、チューブ本体１２０内に配置され、流体との伝熱面積を増大させるインナーフィン１２５とを備え、チューブ本体１２０は、短径方向において所定の隙間を有して互いに対向する２つの平板部１２１、１２２と、長径方向の一端側において平板部１２１、１２２と一体に繋がって屈曲する屈曲部１２３と、長径方向の他端側において平板部１２１、１２２をかしめ及びろう付けにより接合される接合部１２４とを有している。チューブ１１０はさらに、インナーフィン１２５の一端部１２５ａが屈曲部１２３の内壁に接触した状態で、他端部１２５ｂが接合部１２４に固定されている。

特許文献３のチューブ１１０は、以上の構成を備えているので、インナーフィン１２５のチューブ本体１２０からの飛び出し、及びインナーフィン１２５の潰れを確実に防止し、チューブ１１０の不良率を低減することができること、また、インナーフィン１２５の素材である板材とチューブ本体１２０の素材である板材とを予め接合する必要がないので、接合工数を低減することができること、が特許文献３に述べられている。

特公昭６２−４５４７７号公報 特開平１０−３０６９９１号公報 特開２００３−３３６９８９号公報

チューブ１１０は、別途作製されるタンク、アウターフィンとろう付けされることにより、熱交換器を構成する。
本発明者等は、接合部を有するチューブを用い熱交換器の作製を試みた。ところが、タンクとチューブの接合部のろう材が不足する不良が発生することがあった。ろう付け不良が発生すると、タンクを流れる冷媒がタンクとチューブの接続部に生じた隙間から漏れるおそれがある。
そこで本発明は、接合部を有するチューブをタンクに確実にろう付けできる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明者等はろう付け不良が発生する原因を調べたところ、タンクとチューブの接合に消費されるべきろう材の一部が、ろう付けの際にチューブの接合部に流入していることを確認した。つまり、接合部はチューブ本体の両縁（以下、接合片）が重ね合わされているが、かしめを行っても接合片の境界には微小な隙間が残ることがあり、ろう付け時に溶融したろう材が毛細管現象によりこの隙間を長手方向に向けて流入するのである。
ここで、一対の接合片同士は、チューブの気密性、接合強度を確保するために、ろう付けされる。つまり、ろう付けの加熱に供される接合片の境界にもろう材が配設される。加熱前において、固体状のろう材が一対の接合片の間を隙間なく充填されていることが理想的ではある。しかし、上述したように、現実には微細な隙間が存在する。もっとも、ろう付け時に当該隙間は溶けたろう材により満たされるので、タンクとチューブの接合部からの当該隙間へのろう材の流入の余地はないはずである。

しかし、本発明者が確認したところ、ろう付けされている熱交換器には温度分布にバラツキが生じ、特にチューブについては、タンクとの接続部から長手方向に離れるにつれて温度が低くなり、タンクとタンクの中間位置の温度が最も低くなる。したがって、タンクとチューブの接続部ではろう材が溶けているにもかかわらず、当該接続部から離れた位置ではろう材が溶けないために隙間が残ったままとなっており、チューブとタンクの接続部で溶けたろう材がこの隙間に流入するのである。

通常、ろう付けはタンク、チューブ等の構成部品を熱交換器の形態に組み付けた後に、加熱炉内に組み付け体を配置してから加熱して行われる。ろう付け時の温度分布のバラツキを抑えるには、昇温速度を遅くすればよい。しかし、この解決手法は、熱交換器の生産効率を低下させる。

本発明者らは、ろう付け時の加熱炉内に温度分布にバラツキが存在することを利用して、ろう付けの際にチューブの隙間にろう材が流入するのを防ぐ手法を提案するものである。つまり、従来は熱交換器に用いられるろう材はろう付けする部位に関わらず単一種であったのに対して、本発明は昇温過程において温度が上がりにくいチューブの接合部のろう付けには融点の低いろう材を用いることを提案する。

本発明は、チューブ、一対のタンク及びアウターフィンを備える熱交換器に適用される。
チューブは、チューブ本体の内部を冷媒が流れ、かつ当該内部に冷媒との伝熱面積を増大させるインナーフィンが配置され、複数本のこのチューブが熱交換器に組み付けられる。
一対のタンクは、チューブの長手方向の両端部が第２ろう材によりろう付けして接続され、各々のチューブの冷媒流路と連通している。
アウターフィンは、チューブの外表面に接合されて外気との伝熱面積を増大させるものである。
さらに、長径方向と短径方向とを有する扁平状のチューブ本体は、短径方向に所定の隙間をおいて互いに対向して配置される第１側壁及び第２側壁と、長径方向の一方端において、第１側壁及び第２側壁を一体的に繋ぐ屈曲部と、長径方向の他方端において、第１側壁に連なる第１接合片と、第２側壁に連なる第２接合片とが第１ろう材によりろう付けされている。
そして本発明の熱交換器は、第１ろう材は第２ろう材よりも融点の低い材料で構成されていることを特徴としている。
本発明の熱交換器は、チューブの第１接合片と第２接合片の接合に用いられる第１ろう材の融点が、タンクとチューブのろう付けに用いられる第２ろう材よりも低い。そして、熱交換器をろう付けする際に、タンクとチューブの接続部よりも離れた位置におけるチューブの加熱温度が低くても、第１ろう材が溶けるので、第１接合片と第２接合片の境界の隙間を埋める。したがって、タンクとチューブの接合に用いられる第２ろう材は、第１接合片と第２接合片の境界への流入が阻止され、タンクとチューブの接続に適切に消費される。

本発明の熱交換器において、第１ろう材は、チューブ本体の内周側に設けられる第１ろう材層より供給し、第２ろう材は、タンクの外周側に設けられる第２ろう材層より供給できる。
また本発明の熱交換器において、チューブの第１接合片と第２接合片をともに円弧状とすれば、チューブの長径方向の両端部を円弧状にできる。したがって、タンクに設ける接続孔を、高い寸法精度で形成できる楕円状にできるので、ろう付けによるチューブとタンクの接続をより確実に行うことができる。

本発明によれば、チューブの第１接合片と第２接合片の接合に用いられる第１ろう材の融点が、タンクとチューブのろう付けに用いられる第２ろう材よりも低い。したがって、熱交換器をろう付けする際に、タンクとチューブの接続部よりも離れた位置におけるチューブの加熱温度が低くても、第２ろう材が溶ける以前に第１ろう材が溶けるので、第１接合片と第２接合片の境界の隙間を埋める。そのために、タンクとチューブの接合に用いられる第２ろう材は、第１接合片と第２接合片の境界への流入が阻止され、タンクとチューブの接続に適切に消費される。

本実施の形態に係る蒸発器（熱交換器）の正面図である。 本実施の形態に係る蒸発器の平面図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面（長手方向に直交する断面）を示す。 チューブとタンクの接続部の拡大写真である。 本実施の形態に係るチューブの製造手順を示す図である。 図２のＢ−Ｂ矢視断面を示す。 （ａ）はろう付け時の不具合を説明する図、（ｂ）はろう付け時の温度分布を模式的に示す図である。 本発明が適用できる他の形態のチューブを示す断面図である。 特許文献３に開示されたチューブを示す断面図である。

以下本発明の熱交換器用チューブを車両用空調装置の蒸発器（熱交換器）１０に適用した例に基づいて説明する。
蒸発器１０は、図１、図２に示すように、冷媒が内部を流れる複数本のチューブ２０と、チューブ２０の長手方向の両端部が接続されて各チューブ２０の冷媒流路と連通する一対のタンク３０と、チューブ２０の外表面に接合されて外気との伝熱面積を増大させるアウターフィン４０とを備えている。チューブ２０、タンク３０及びアウターフィン４０は、ろう付けにより一体化され蒸発器１０を構成する。蒸発器１０は、その前面（図１に描かれている面）が車両の進行方向を向いて配置されるものとする。

＜チューブ２０＞
チューブ２０は、図３に示すように、チューブ本体２１とインナーフィン２７とから構成される。チューブ本体２１、インナーフィン２７はともにアルミニウム合金（例えば、３００３合金）から構成される。なお、チューブ本体２１の裏（内側）面には、例えばＡｌ−Ｓｉ合金からなるろう材層ＢＬ１が形成されている。ろう材層ＢＬ１を構成するＡｌ−Ｓｉ合金の融点をＴ１℃とする。ろう材層ＢＬ１は、チューブ本体２１とインナーフィン２７のろう付けに供される。また、ろう材層ＢＬ１は、第１接合片２５と第２接合片２６のろう付けにも供される。このろう材層ＢＬ１は、チューブ本体２１を構成するＡｌ合金板とろう材層ＢＬ１を構成する例えばＡｌ−Ｓｉ合金板とをクラッド圧延することにより形成することができる。

チューブ本体２１は、短径方向において互いに対向する第１側壁２２と第２側壁２３を備えている。第１側壁２２、第２側壁２３は、インナーフィン２７が内挿できるだけの間隔をおいて平行に配置される。
第１側壁２２と第２側壁２３とは、長径方向の一端側において、円弧状の屈曲部２４を介して一体に繋がっている。
長径方向の他端側に、第１側壁２２は第１接合片２５を備え、第２側壁２３は第２接合片２６を備えている。ともに円弧状の第１接合片２５と第２接合片２６とは、第１接合片２５が内側、第２接合片２６が外側になるように長径方向に重ねられ、略同心円上に配置される。

チューブ本体２１内には、冷媒との伝熱面積を増大させるアルミニウム合金製のインナーフィン２７が、第１側壁２２、第２側壁２３との間に配置されている。
インナーフィン２７は、断面が波型形状をなしている。屈曲部２４に対応するインナーフィン２７の端部は、この例では屈曲部２４まで達していないが、屈曲部２４の内壁に接するようにしてもよい。

＜タンク３０＞
タンク３０は、図１、図２に示すように、両端に開口を有する筒状のタンク本体３１と、タンク本体３１の開口端に配置されるキャップ３５とを備えている。タンク本体３１の内部は、仕切り壁３３により２つの流路３２ａ、３２ｂに区切られている。タンク本体３１には、表裏を貫通する保持孔３４ａ、３４ｂがチューブ２０に対応する数だけ空けられている。チューブ２０の両端末を保持孔３４ａ、３４ｂに挿入することで、タンク３０はチューブ２０を保持する。

タンク３０もアルミニウム合金から構成されており、タンク本体３１の外周面にはろう材層ＢＬ２が形成されている。図４に示すように、ろう材層ＢＬ２は、チューブ２０とタンク３０の接続部にろう貯まりＢＰを形成して両者をろう付けする。ろう材層ＢＬ２も、チューブ２０のろう材層ＢＬ１と同様に、タンク本体３１を構成するＡｌ合金板とろう材層ＢＬ２を構成する例えばＡｌ−Ｓｉ合金板とをクラッド圧延することにより形成することができる。ろう材層ＢＬ２を構成するＡｌ−Ｓｉ合金の融点をＴ２（℃）とする。ただし、Ｔ２は、ろう材層ＢＬ１を構成するＡｌ−Ｓｉ合金の融点Ｔ１よりも高い（Ｔ１＜Ｔ２）。

＜アウターフィン４０＞
アウターフィン４０は、ロール状に巻かれたアルミニウム製のベアシート材を基材とし、これをコルゲート状に成形加工し、所定長さに切断することによって形成される。アウターフィン４０は表裏両面にろう材層ＢＬ３（図示省略）を備えている。

チューブ２０の製造方法を本発明は特定するものではないが、以下のような手順でロール成形法により製造するのが効率的である。
図５に示すように、ロール成形機（図示せず、以下同じ）により板材Ｐ（ろう材層ＢＬ１を含む）を折り曲げて第１側壁２２、第２側壁２３及び屈曲部２４を備えるチューブ本体素体２１ａを成形する。次に、チューブ本体素体２１ａに、第１接合片２５を先に形成しておく。
一方で、ロール成形機により板材を折り曲げてインナーフィン２７を成形する。

次に、チューブ本体素体２１ａの所定位置にインナーフィン２７を配置する。その後、第２側壁２３の先端を湾曲させて第２接合片２６を形成し、第１接合片２５と第２接合片２６を、第１接合片２５を内側にして重ね合わせるとともにかしめ加工する。
かしめ加工が終了したチューブ２０を長手方向（図５の紙面の奥行き方向）の所定寸法ごとに切断する。

切断により得られたチューブ２０、別途作製されるタンク３０及びアウターフィン４０を図１、図２に示すように組み付けした後に、この組み付け体を加熱炉内に入れ、所定のろう付け温度Ｔ（℃）に加熱する。
図６に示されるように、接合部２９は、第１接合片２５と第２接合片２６の境界が外部に露出している。そしてこの境界に隙間があると、ろう材層ＢＬ２から溶け出したろう材が矢印Ｘで示すようにこの隙間に流入するおそれがある。特に、ろう材層ＢＬ２が溶融した時点で第２接合片２６に設けられたろう材層ＢＬ１が溶融していないと、ろう材層ＢＬ２から溶け出したろう材は、図７（ａ）の白抜き矢印Ｙに示すように、隙間を通ってチューブ２０の中央に向かう。そうすると、チューブ２０とタンク３０に消費されるろう材の量が不足する。

ところで、加熱炉内に置かれた組み付け体は昇温過程で温度分布にバラツキが生じる。実際には、図７（ｂ）に示すように、チューブ２０については、タンク３０との接続部Ｊから離れるにつれて温度が低くなり、一対のタンク３０間の中間位置Ｃの温度が最も低くなる。本実施の形態では、この温度分布にバラツキが生じることを前提にして、チューブ２０のろう材層ＢＬ１を、タンク３０のろう材層ＢＬ２よりも融点の低い（Ｔ１＜Ｔ２）アルミニウム合金で構成している。例えば、チューブ２０とタンク３０の接続部Ｊと、タンク３０間の中間位置Ｃとの温度差がΔｔだとすると、Ｔ１＋Δｔ≦Ｔ２となるようにＴ１とＴ２を設定し、ろう材層ＢＬ１、ＢＬ２を構成するＡｌ−Ｓｉ合金を選択する。そうすることで、ろう材層ＢＬ２がろう材層ＢＬ１よりも先に溶けるのを阻止し、ろう材層ＢＬ２から溶融したろう材が接合部２９の隙間に流入するのを防止できる。

ろう材層ＢＬ１、ＢＬ２を構成するＡｌ−Ｓｉ合金は、ろう付けを行う加熱炉の特性、昇温条件により適宜選択されるものであり、本発明において限定されるものではない。ろう材としては、以下のＡｌ−Ｓｉ合金（いずれもＪＩＳ規格）が知られており、例えば、ろう材層ＢＬ１として融点（液相線温度）の低いＡ４０４７合金を選択し、ろう材層ＢＬ２としてＢＡ４０４７合金よりも融点の高いＡ４１４５合金を選択することができる。また、これら規格化された合金を選択する以外に、Ｚｎ等の合金の融点を下げる元素を添加したＡｌ−Ｓｉ合金を用いることもできる。
Ａ４３４３ Ａｌ−７．５ｗｔ％Ｓｉ 融点；６１５℃
Ａ４０４５ Ａｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ 融点；５９０℃
Ａ４０４７ Ａｌ−１２ｗｔ％Ｓｉ 融点；５８０℃
Ａ４１４５ Ａｌ−１０％Ｓｉ−４％Ｃｕ 融点；５８５℃
Ａ４００４ Ａｌ−１０％Ｓｉ−１．５％Ｃｕ 融点；５９１℃

以上のようにしてろう材層ＢＬ１、ＢＬ２を構成するＡｌ−Ｓｉ合金を選択してろう付け処理をすることにより、チューブ２０（チューブ本体２１）とインナーフィン２７は、チューブ本体２１に設けられるろう材層ＢＬ１から供給されるろう材によりろう付けされ、また、チューブ２０とタンク３０は、タンク３０に設けられるろう材層ＢＬ２から供給されるろう材によりろう付けされる。さらに、チューブ２０とアウターフィン４０は、アウターフィン４０に設けられるろう材層ＢＬ３から供給されるろう材によりろう付けされる。

本実施の形態によるチューブ２０は、第１接合片２５、第２接合片２６が円弧状に湾曲した断面形状をなして同心円上に配置されているため、チューブ２０の当該端部は、屈曲部２４と同様に円弧状の外周面をなしている。したがって、チューブ２０を受け入れる保持孔３４ａ、３４ｂは、長径方向の端部を円弧状にできる。この全体として楕円形状の保持孔３４ａ、３４ｂは、高い寸法公差で形成できるので、チューブ２０の外形との嵌め合いも精度が高くなり、チューブ２０とタンク３０をより確実にろう付けすることができる。また、第１接合片２５、第２接合片２６は、円弧状に曲げ加工するだけで成形できるので、成形過程でろう材層ＢＬ１が剥離するおそれはほとんどない。

以上本発明による実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、図８に示す形態のチューブ１３０、さらには図９に示す形態のチューブ１１０にも適用できる。図８に示すチューブ１３０は、インナーフィン２７が、第１接合片２５（第２接合片２６）に対応する端部に、断面が円弧状の接合片２８を備えている。接合片２８は、第１接合片２５と第２接合片２６の間に挟まれた状態で、第１接合片２５と第２接合片２６と共にかしめにより機械的に固定されている。このチューブ１３０は、接合部２９が第１接合片２５、接合片２８及び第２接合片２６が重ね合わされ３層構造となっているために、強度が向上される。したがって、接合部２９を蒸発器１０の前面側に配置することにより、チューブ１３０の破損防止に寄与する。つまり、車両の走行中には、蒸発器１０の前面に飛石が衝突することがあり、衝突の力が大きい場合には、チューブが破れて冷媒漏れを招くこともある。しかし、接合部２９を蒸発器１０の前面側に配置しておけば、チューブ１３０は、当該部分が３層構造であるので、飛石が衝突しても破れる可能性が低い。

本発明は、ろう材層を設ける部材を適宜変更できる。例えば、図８のチューブ１３０を用いる場合、チューブ１３０側ではなくインナーフィン２７の表裏両面にろう材層を設けることもできる。また、チューブ本体２１の表裏両面にろう材層を設け、タンク３０のろう材層ＢＬ２を省くこともできる。この場合、表面に設けたろう材層が、チューブ２０とタンク３０のろう付けに供される。この場合には、チューブ本体２１の表裏両面に形成するろう材層の融点に差異を設けることが前提となる。

１０…蒸発器（熱交換器）
２０…チューブ（熱交換器用チューブ）
２１…チューブ本体、２２…第１側壁、２３…第２側壁、２４…屈曲部、
２５…第１接合片、２６…第２接合片、２７…インナーフィン、２８…接合片、 ２９…接合部
３０…タンク
４０…アウターフィン

Claims (3)

1. チューブ本体の内部を冷媒が流れ、かつ当該内部に前記冷媒との伝熱面積を増大させるインナーフィンが配置される複数本のチューブと、
   前記チューブの長手方向の両端部が接続され、各々の前記チューブの冷媒流路と連通する一対のタンクと、
   前記チューブの外表面に接合されて外気との伝熱面積を増大させるアウターフィンとを備える熱交換器であって、
   長径方向と短径方向とを有する扁平状の前記チューブ本体は、
   前記短径方向に所定の隙間をおいて互いに対向して配置される第１側壁及び第２側壁と、
   前記長径方向の一方端において、前記第１側壁及び前記第２側壁を一体的に繋ぐ屈曲部と、
   前記長径方向の他方端において、前記第１側壁に連なる第１接合片と、前記第２側壁に連なる第２接合片とが第１ろう材によりろう付けされ、
   前記チューブの長手方向の両端部が接続される部位において、前記タンクと前記チューブが第２ろう材によりろう付けされ、
   前記第１ろう材は前記第２ろう材よりも融点の低い材料で構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１ろう材は、前記チューブ本体の内周側に設けられる第１ろう材層より供給され、
   前記第２ろう材は、前記タンクの外周側に設けられる第２ろう材層より供給される、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. ともに円弧状をなす前記第１接合片と前記第２接合片が、前記第１接合片が前記第２接合片の内側に配置されて接合される、
   請求項１又は２に記載の熱交換器。

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