JP2014066409A - 熱交換器、および、熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、熱交換される流体が流れる流路が閉塞することが抑制される熱交換器を提供することである。
【解決手段】熱交換器１０は、第１流体が流れる水管２０と、第２流体が流れる冷媒管４０とが交互に積層され、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器である。水管２０は、一対の水流路面２２と、複数の水流路面突起２３と、突合せディンプル２４とを有する。水流路面２２は、冷媒管４０に接合される面である。水流路面突起２３は、水流路面２２に形成され、冷媒管４０に向かって突出する。突合せディンプル２４は、水流路面２２に形成され、一対の水流路面２２を部分的に連結する。突合せディンプル２４は、水流路面突起２３の近傍に配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱交換器、および、熱交換器の製造方法に関する。

従来、ヒートポンプ給湯器等において、水と冷媒との間で熱交換をさせるための水熱交換器が用いられている。水熱交換器は、特許文献１（特開２０１２−１７９００号公報）に開示されるように、扁平な断面形状を有する水管と冷媒管とが交互に積層された構成を有している。このような水熱交換器は、水管と冷媒管とを交互に積層して組立体を組立て、積層方向に沿って組立体をクランプし、互いに面接触している水管と冷媒管とを半田付けやロウ付け等の方法を用いて接合することで製造される。

しかし、このような水熱交換器の製造方法では、組立体をクランプする工程において、扁平な断面形状を有する水管または冷媒管に対して、その扁平面に垂直な方向の力が加えられる。そのため、組立体をクランプするための力によって、水管の扁平面同士、および、冷媒管の扁平面同士が接触すると、水管および冷媒管の内部の流路が閉塞してしまう。これにより、熱交換が適切に行われない水熱交換器が製造されるおそれがある。

本発明の目的は、熱交換される流体が流れる流路が閉塞することが抑制される熱交換器を提供することである。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、第１流体が流れる第１流体流路と、第２流体が流れる第２流体流路とが交互に積層され、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器である。第１流体流路は、一対の第１流路面と、複数の第１流路面外側突起と、第１流路面内側突起とを有する。第１流路面は、第２流体流路に接合される面である。第１流路面外側突起は、第１流路面に形成され、第２流体流路に向かって突出する。第１流路面内側突起は、第１流路面に形成され、一対の第１流路面を部分的に連結する。第１流路面内側突起は、第１流路面外側突起の近傍に配置されている。

第１観点に係る熱交換器では、第１流体流路と第２流体流路とは、互いに面接触して密着しておらず、第１流体流路と第２流体流路との間には、第１流路面外側突起によって微小な隙間が形成されている。そのため、第１流体流路と第２流体流路との間に、半田等が入り込みやすい。また、この熱交換器では、第１流体流路を構成する一対の第１流路面は、第１流体流路の内部において、第１流路面内側突起によって互いに連結されている。第１流体流路に加えられる第１流路面に垂直な力は、第１流体流路の一対の第１流路面を互いに接近させようとする。第１流路面内側突起は、一対の第１流路面を、第１流路面に垂直な方向に連結するので、一対の第１流路面を互いに接近させる力に対抗する効果を有する。そのため、第１流路面に垂直な力が第１流体流路に加えられても、一対の第１流路面が互いに接触して第１流体流路が閉塞することが抑制される。また、この熱交換器では、第１流路面内側突起は、第１流路面外側突起の近傍に配置されている。第１流路面外側突起は、第１流体流路と第２流体流路との積層体を積層方向にクランプする際に、第２流体流路から力を受ける。これにより、一対の第１流路面は、第１流路面外側突起の近傍において、特に、第１流路面に垂直な力を受けて変形しやすい。そのため、第１流路面外側突起の近傍に、第１流路面内側突起を配置することで、一対の第１流路面が互いに接触して第１流体流路が閉塞することが、より効果的に抑制される。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１流体が流れる第１流体流路と、第２流体が流れる第２流体流路とが交互に積層され、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器である。第１流体流路は、一対の第１流路面と、複数の第１流路面外側突起と、第１流路面内側突起とを有する。第１流路面は、第２流体流路に接合される面である。第１流路面外側突起は、第１流路面に形成され、第２流体流路に向かって突出する。第１流路面内側突起は、第１流路面に形成され、一対の第１流路面を部分的に連結する。第１流路面外側突起は、第１流路面内において第１流路面の長手方向に直交する方向である幅方向の両端部に配置される。第１流路面内側突起は、第１流路面の幅方向の両端部に配置される一対の第１流路面外側突起を結ぶ線分の近傍に配置されている。

第２観点に係る熱交換器では、一対の第１流路面外側突起は、第１流路面の幅方向の両端部に配置され、かつ、第１流路面内側突起は、その一対の第１流路面外側突起の近傍に配置されている。第１流路面外側突起は、第１流体流路と第２流体流路との積層体を積層方向にクランプする際に、第２流体流路から力を受ける。これにより、一対の第１流路面は、第１流路面外側突起の近傍において、特に、第１流路面に垂直な力を受けて変形しやすい。そのため、第１流路面外側突起の近傍に、第１流路面内側突起を配置することで、一対の第１流路面が互いに接触して第１流体流路が閉塞することが、より効果的に抑制される。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第２観点に係る熱交換器であって、第１流路面外側突起は、第１流路面の幅方向の両端部において、第１流路面の長手方向に沿って等間隔に配置されている。

第３観点に係る熱交換器では、第１流体流路と第２流体流路との間の隙間は、流路方向に沿って実質的に均一になっている。従って、第１流体流路と第２流体流路とを接合する場合、第１流体流路と第２流体流路との間に、半田等がより入り込みやすい。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第１乃至第３観点のいずれか１つに係る熱交換器であって、第１流路面内側突起は、第１流路面内において第１流路面の長手方向に直交する方向の中央部に配置されている。

第４観点に係る熱交換器では、第１流路面内側突起は、第１流路面の幅方向の中央部に配置されている。そのため、第１流体流路と第２流体流路との積層体を積層方向にクランプする工程において、第１流路面の幅方向において、第１流体流路に均一に力が加えられる。従って、この熱交換器では、一対の第１流路面が互いに接触して第１流体流路が閉塞することが、より効果的に抑制される。

本発明の第５観点に係る熱交換器は、第１乃至第４観点のいずれか１つに係る熱交換器であって、第２流体流路は、扁平多穴管である。

第５観点に係る熱交換器では、第２流体流路は、扁平多穴管であるので、高い耐圧性を有している。従って、この熱交換器は、高圧流体と低圧流体との熱交換に適している。

本発明の第６観点に係る熱交換器の製造方法は、第１流体が流れる第１流体流路と、第２流体が流れる第２流体流路とが交互に積層され、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器の製造方法である。この熱交換器の製造方法は、組立工程と、クランプ工程と、接合工程とを備える。組立工程では、第１流体流路と第２流体流路とを交互に積層して、組立体が組立てられる。クランプ工程では、第１流体流路および第２流体流路の積層方向に沿って、組立体がクランプされる。接合工程では、組立体がクランプされた状態で、第１流体流路と第２流体流路とが接合される。第１流体流路は、一対の第１流路面と、複数の第１流路面外側突起と、第１流路面内側突起とを有する。第１流路面は、第２流体流路に接合される面である。第１流路面外側突起は、第１流路面に形成され、第２流体流路に向かって突出する。第１流路面内側突起は、第１流路面に形成され、一対の第１流路面を部分的に連結する。第１流路面内側突起は、第１流路面外側突起の近傍に配置されている。

本発明の第７観点に係る熱交換器の製造方法は、第１流体が流れる第１流体流路と、第２流体が流れる第２流体流路とが交互に積層され、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器の製造方法である。この熱交換器の製造方法は、組立工程と、クランプ工程と、接合工程とを備える。組立工程では、第１流体流路と第２流体流路とを交互に積層して、組立体が組立てられる。クランプ工程では、第１流体流路および第２流体流路の積層方向に沿って、組立体がクランプされる。接合工程では、組立体がクランプされた状態で、第１流体流路と第２流体流路とが接合される。第１流体流路は、一対の第１流路面と、複数の第１流路面外側突起と、第１流路面内側突起とを有する。第１流路面は、第２流体流路に接合される面である。第１流路面外側突起は、第１流路面に形成され、第２流体流路に向かって突出する。第１流路面内側突起は、第１流路面に形成され、一対の第１流路面を部分的に連結する。第１流路面外側突起は、第１流路面内において第１流路面の長手方向に直交する方向である幅方向の両端部に配置される。第１流路面内側突起は、第１流路面の幅方向の両端部に配置される一対の第１流路面外側突起を結ぶ線分の近傍に配置されている。

第１観点に係る熱交換器、および、第６観点に係る熱交換器の製造方法では、熱交換される流体が流れる流路が閉塞することが抑制される。

第２観点および第４観点に係る熱交換器、および、第７観点に係る熱交換器の製造方法では、熱交換される流体が流れる流路が閉塞することが、より効果的に抑制される。

第３観点に係る熱交換器では、熱交換される流体が流れる流路間に、半田等がより入り込みやすい。

第５観点に係る熱交換器では、高圧流体と低圧流体との熱交換が適切に行われる。

実施形態に係る熱交換器を備えるヒートポンプ式給湯装置の概略図である。 冷凍装置の内部構造の模式図である。 熱交換器の概略図である。 熱交換器の部分的な斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線における熱交換器の断面図である。 金属プレートの平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における金属プレートの断面図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における金属プレートの断面図である。 図６のＩＸ−ＩＸ線における金属プレートの断面図である。 一対の金属プレートから構成される水管の断面図である。 一対の金属プレートから構成される水管の断面図である。 熱交換器の平面図である。 第１接合工程における水管の断面図である。 第２接合工程における水管の接合体の断面図である。 水管の接合体と冷媒管の接合体との組立工程を示す図である。 熱交換器組立体の部分的な斜視図である。 熱交換器組立体の部分的な断面図である。 超音波半田付け法による最終接合工程の概略図である。 熱交換器の右側水管出入口部の周辺の構造を示す断面図である。 変形例Ａに係る金属プレートの平面図である。 変形例Ｂに係る金属プレートの平面図である。

本発明に係る熱交換器、および、熱交換器の製造方法の実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態は、以下に説明する実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明に係る熱交換器は、Ｒ４１０ＡおよびＲ４０７Ｃ等のフロン系冷媒、および、二酸化炭素等の自然冷媒を使用する。以下、二酸化炭素を使用する熱交換器について説明する。

（１）ヒートポンプ式給湯装置の構成
図１は、実施形態に係る熱交換器を備えるヒートポンプ式給湯装置１の概略図である。ヒートポンプ式給湯装置１は、温水熱源装置である冷凍装置２と、貯湯ユニット３とを備える。

冷凍装置２は、冷媒である二酸化炭素を圧縮する圧縮機４と、二酸化炭素と水との間で熱交換を行うための熱交換器１０と、二酸化炭素の減圧手段としての膨張弁５と、外気と二酸化炭素との間で熱交換を行うための空気熱交換器６とを備える。圧縮機４と熱交換器１０と膨張弁５と空気熱交換器６とが接続されて、二酸化炭素が循環する冷媒回路が構成される。

貯湯ユニット３は、貯湯タンク８と、水循環ポンプ９とを備える。熱交換器１０と貯湯タンク８と水循環ポンプ９とが接続されて、水が循環する水循環回路が構成される。

図２は、冷凍装置２の内部構造の模式図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画は機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画は送風機室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機４および膨張弁５が配置されている。送風機室２ｂには、モータ（図示せず）によって駆動されるファン７が配置されている。送風機室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて熱交換器１０が配置されている。熱交換器１０は、冷媒回路を循環する二酸化炭素と、水循環回路を循環する水との間で熱交換を行う。空気熱交換器６は、送風機室２ｂの左側および背面側に配置されている。

（２）熱交換器の構成
図３は、熱交換器１０の概略図である。図４は、熱交換器１０の部分的な斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線における熱交換器１０の断面図である。図４および図５では、水管２０の外表面に形成される伝熱促進ディンプル９６、水流路面突起２３および突合せディンプル２４が省略されている。熱交換器１０は、主として、複数の水管２０と、複数の冷媒管４０と、水管出入口部３０と、冷媒出入口分配管５０とを備える。水管２０は、熱交換される水が内部を流れる扁平管である。冷媒管４０は、熱交換される二酸化炭素が内部を流れる扁平多穴管である。

熱交換器１０は、水管２０および冷媒管４０が交互に積層された構成を有している。図３〜５には、５つの水管２０と４つの冷媒管４０とが交互に積層された構成が示されている。水管２０の数および冷媒管４０の数は、熱交換器１０に要求される性能等に応じて適宜に決定される。図３〜５では、最下段および最上段に水管２０が配置されているが、最下段および最上段に冷媒管４０が配置されてもよい。

水管２０は、低圧の水が流れる水流路２１を内部に有している。水管２０には高い耐食性が要求されるため、水管２０は、ステンレス鋼および銅合金等で形成される。ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６等が用いられる。水管２０をアルミニウムおよびアルミニウム合金で形成する場合、アルマイト加工および樹脂コーティング等の防食処理を内表面に施すことが好ましい。

冷媒管４０は、超臨界状態になっている高圧の二酸化炭素が流れる冷媒流路４１を内部に有している。冷媒管４０には高い耐圧性が要求されるため、冷媒管４０は、多数の細い冷媒流路４１が設けられている構造を有している。冷媒管４０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅合金およびステンレス鋼等で形成される。多数の細い冷媒流路４１を有する冷媒管４０の形成には、アルミニウムおよびアルミニウム合金の引き抜き加工および押し出し加工が好適であり、これにより、冷媒管４０を安価に製造することができる。

本実施形態では、水管２０は、ステンレス鋼製であり、冷媒管４０は、アルミニウム合金製である。水管２０および冷媒管４０は、後述するように、超音波半田付け法によって接合されている。水管２０と冷媒管４０との接合部において、水管２０の外表面と冷媒管４０の外表面とは、互いに対向している。以降、冷媒管４０の外表面と対向する水管２０の外表面を水流路面２２と呼び、水流路面２２と対向する冷媒管４０の外表面を冷媒流路面４２と呼ぶ。

水管出入口部３０は、図３に示されるように、水管２０および冷媒管４０が水平に配置された状態において、水管２０の右端部に配置される右側水管出入口部３１と、水管２０の左端部に配置される左側水管出入口部３２とからなる。右側水管出入口部３１の端部には、図４に示されるように、水循環回路と接続される出入口ポート３４が取り付けられている。左側水管出入口部３２の端部にも、右側水管出入口部３１と同様に、出入口ポート３４が取り付けられている。なお、説明を分かりやすくするために、図３に示される状態で熱交換器１０を使用する場合について説明しているが、熱交換器１０は、必ずしも図３の状態で使用されなければならないものではない。例えば、右側水管出入口部３１を上側に配置し、かつ、左側水管出入口部３２を下側に配置した状態で、熱交換器１０を使用してもよい。

熱交換器１０の内部を通過する水は、最初に、左側水管出入口部３２に入り、５つの水管２０のそれぞれに分かれる。次に、分流した水は、各水管２０の内部を左から右に向かって流れ、右側水管出入口部３１に出て合流する。水管２０の内部を流れる水は、冷媒管４０の内部を流れる二酸化炭素から与えられる熱で加熱される。

冷媒出入口分配管５０は、図３に示されるように、水管２０および冷媒管４０が水平に配置された状態において、冷媒管４０の右端部と接続される右側冷媒出入口分配管５１と、冷媒管４０の左端部と接続される左側冷媒出入口分配管５２とからなる。右側冷媒出入口分配管５１および左側冷媒出入口分配管５２は、冷媒回路に接続されている。

熱交換器１０の内部を通過する二酸化炭素は、最初に、右側冷媒出入口分配管５１に入り、４つの冷媒管４０のそれぞれに分かれる。次に、分流した二酸化炭素は、各冷媒管４０の内部を右から左に向かって流れ、左側冷媒出入口分配管５２に出て合流する。冷媒管４０の内部を流れる二酸化炭素は、水管２０の内部を流れる水に熱を奪われて冷却される。

（３）水管の構成
図６は、熱交換器１０の水管２０および水管出入口部３０を構成する金属プレート８０の平面図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における金属プレート８０の断面図である。図８は、図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における金属プレート８０の断面図である。図９は、図６のＩＸ−ＩＸ線における金属プレート８０の断面図である。

水管２０および水管出入口部３０は、一対のステンレス鋼製の金属プレート８０から構成される。金属プレート８０は、図６に示されるように、平面視において、左右に長い略長方形の形状を有している。以降、図６において、金属プレート８０（または水管２０）の左右方向を「長手方向」と呼び、金属プレート８０（または水管２０）の上下方向を「幅方向」と呼ぶ。金属プレート８０の長手方向の両端部には、２つの膨出部８１，８２が形成されている。金属プレート８０の右端部に形成される膨出部は、右側膨出部８１であり、金属プレート８０の左端部に形成される膨出部は、左側膨出部８２である。右側膨出部８１には、円形状の右側開口部９１が形成され、左側膨出部８２には、円形状の左側開口部９２が形成される。右側開口部９１および左側開口部９２の形状は、水管２０の水漏れを抑制するために同じ形状を有していればよく、円形状に限られない。右側開口部９１および左側開口部９２の位置および大きさは、水流路２１を流れる水の量、および、水流路２１の形状に応じて適宜に決定される。

金属プレート８０は、外周８３に沿って形成される所定幅の周縁部８４を有している。金属プレート８０は、周縁部８４の内側の領域を占め、図６において周縁部８４より窪んでいる部分である凹面部９４を有している。右側開口部９１および左側開口部９２は、凹面部９４に形成される開口凹部９５に配置されている。開口凹部９５は、凹面部９４より窪んでいる部分である。水管２０の水流路面２２は、図６に示される凹面部９４の底面の反対側の面に相当する。

金属プレート８０は、図６に示されるように、凹面部９４の底面に形成される突起である複数の伝熱促進ディンプル９６を有している。伝熱促進ディンプル９６は、水管２０の水流路面２２に形成される窪みである。なお、図７は、右側膨出部８１および伝熱促進ディンプル９６を通過する幅方向の切断線における、金属プレート８０の断面図である。

金属プレート８０は、図６に示されるように、凹面部９４の底面の反対側の面（水管２０の水流路面２２に相当する面）に形成される突起である複数の水流路面突起２３を有している。水流路面突起２３は、０．１ｍｍの高さを有する。熱交換器１０において、水流路面突起２３の先端部は、冷媒管４０の冷媒流路面４２に接触している。全ての水流路面突起２３は、金属プレート８０の幅方向における、水流路面２２の端部に配置されている。水流路面突起２３は、金属プレート８０の長手方向に沿って、等間隔に配置されている。図６に示されるように、水流路面２２の上辺の近傍には、５個の水流路面突起２３が長手方向に沿って等間隔に配置され、水流路面２２の下辺の近傍には、５個の水流路面突起２３が長手方向に沿って等間隔に配置されている。なお、図８は、水流路面突起２３を通過する幅方向の切断線における、金属プレート８０の断面図である。

金属プレート８０は、図６に示されるように、第１ディンプル列９６ａおよび第２ディンプル列９６ｂを有している。第１ディンプル列９６ａは、幅方向に沿って等間隔に配置されている５個の伝熱促進ディンプル９６からなる。第２ディンプル列９６ｂは、幅方向に沿って等間隔に配置されている４個の伝熱促進ディンプル９６からなる。第１ディンプル列９６ａおよび第２ディンプル列９６ｂは、長手方向に沿って交互に配置されている。第１ディンプル列９６ａの伝熱促進ディンプル９６の幅方向の位置は、第２ディンプル列９６ｂの伝熱促進ディンプル９６の幅方向の位置と異なっている。具体的には、幅方向において、第２ディンプル列９６ｂの伝熱促進ディンプル９６は、第１ディンプル列９６ａの隣接している２個の伝熱促進ディンプル９６の間に位置している。なお、第２ディンプル列９６ｂの伝熱促進ディンプル９６の数が、第１ディンプル列９６ｂの伝熱促進ディンプル９６の数より小さいのであれば、第１ディンプル列９６ａおよび第２ディンプル列９６ｂの伝熱促進ディンプル９６の数は、金属プレート８０の幅方向の長さ等に応じて適宜に決定されてもよい。

金属プレート８０は、図６に示されるように、凹面部９４の底面に形成される突起である２つの突合せディンプル２４を有している。突合せディンプル２４は、水管２０の水流路面２２に形成される窪みである。図９に示されるように、突合せディンプル２４の突起の高さＨは、凹面部９４の底面から、周縁部８４の端面までの高さに等しく、突合せディンプル２４の突起の先端面は、周縁部８４の端面に平行である。すなわち、突合せディンプル２４の突起の先端面は、周縁部８４の端面を延長した面に含まれる。また、突合せディンプル２４は、金属プレート８０の幅方向の中央部に形成される。突合せディンプル２４は、金属プレート８０の幅方向に沿って水流路面２２の両端部に位置している一対の水流路面突起２３を結ぶ線分の近傍に位置している。図６において、２つの突合せディンプル２４は、金属プレート８０の長手方向に沿って存在する５対の水流路面突起２３のうち、両端から２つめの２対の水流路面突起２３の近傍に位置している。なお、図９は、突合せディンプル２４を通過する幅方向の切断線における、金属プレート８０の断面図である。水流路面突起２３は、図６に示されるように、第２ディンプル列９６ｂの幅方向の両端の伝熱促進ディンプル９６の近傍に配置されている。

図１０は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線における、一対の金属プレート８０から構成される水管２０の断面図である。図１０は、右側膨出部８１および伝熱促進ディンプル９６を通過する幅方向の切断線における、水管２０の断面図である。一対の金属プレート８０は、それらの周縁部８４が互いに重なるように、重ね合わされる。重ね合わされた一対の金属プレート８０は、半田付けおよびロウ付け等によって周縁部８４同士が互いに接合される。これにより、一対の金属プレート８０は、周縁部８４においてシールされて、水管２０が形成される。一対の金属プレート８０の凹面部９４は、水流路２１を構成する。水流路２１は、水管２０の一対の右側開口部９１および一対の左側開口部９２と連通している。

図１１は、図５のＩＸ−ＩＸ線における、一対の金属プレート８０から構成される水管２０の断面図である。図１１は、突合せディンプル２４を通過する幅方向の切断線における、水管２０の断面図である。水管２０を構成する一対の金属プレート８０は、上面視において、同じ位置にある２つのディンプル２４をそれぞれ有している。一対の金属プレート８０の突合せディンプル２４は、水流路２１において、その突起の先端面が互いに密着している。

（４）水管と冷媒管との積層構造
（４−１）熱交換器の平面構造
図１２は、熱交換器１０の平面図である。熱交換器１０を上面視した場合、水管２０および冷媒管４０は、互いに重なっている。水管２０の右側水管出入口部３１および左側水管出入口部３２は、冷媒管４０の側方に位置している。冷媒管４０の右側冷媒出入口分配管５１および左側冷媒出入口分配管５２は、冷媒管４０の両端部において、冷媒管４０に接続されている。

（４−２）熱交換器の製造工程
図１３Ａ〜１３Ｆは、熱交換器１０の製造工程の概略を示す。熱交換器１０の製造工程は、主に、プレス加工工程、第１接合工程、第２接合工程、組立工程および最終接合工程とからなる。

プレス加工工程では、ステンレス鋼製の平板をプレス加工することで、図６に示される金属プレート８０が成形される。プレス加工工程では、一度のプレス加工によって、ステンレス鋼製の平板が外周８３に沿って打ち抜かれる。プレス加工工程では、同時に、右側開口部９１、左側開口部９２、凹面部９４、開口凹部９５、伝熱促進ディンプル９６および水流路面突起２３が形成される。

第１接合工程では、一対の金属プレート８０が重ね合わされ、周縁部８４同士が接合されて、水管２０が形成される。図１３Ａは、第１接合部１０１において、周縁部８４同士が接合された水管２０の断面図である。第１接合部１０１では、半田付けおよびロウ付け等による接合が行われる。

第２接合工程では、複数の水管２０が積層され、水管２０同士が接合されて、水管２０の接合体が形成される。また、第２接合工程では、最上段の水管２０と出入口ポート３４とが接合される。図１３Ｂは、第２接合部１０２において、水管２０同士、および、最上段の水管２０と出入口ポート３４とが接合された接合体の断面図である。第２接合部１０２では、半田付けおよびロウ付け等による接合が行われる。

組立工程では、水管２０の接合体と、冷媒管４０の接合体とが組立てられて、熱交換器１０の組立体である熱交換器組立体１０ａが形成される。冷媒管４０の接合体は、半田付けおよびロウ付け等によって、冷媒管４０と冷媒出入口分配管５０とが接合されて形成される。図１３Ｃの右側に示される水管２０の接合体と、図１３Ｃの左側に示される冷媒管４０の接合体とが組み合わされて、熱交換器組立体１０ａが形成される。

図１３Ｄは、熱交換器組立体１０ａの部分的な斜視図である。図１３Ｅは、水管２０と冷媒管４０とが積層している構造を表す、熱交換器組立体１０ａの断面図の一部である。水管２０の水流路面２２と、冷媒管４０の冷媒流路面４２との間には、水流路面２２の水流路面突起２３によって形成される隙間である流路間隙間７０が存在する。水管２０および冷媒管４０の積層方向における、流路間隙間７０の大きさは、水流路面突起２３の高さと等しく、０．１ｍｍである。また、図１３Ｅに示されるように、水管２０の水流路２１では、一対の突合せディンプル２４が、その先端面を密着させた状態で、互いに連結されている。

最終接合工程において、水管２０の接合体と、冷媒管４０の接合体とが一体的に接合されて、熱交換器１０が形成される。図１３Ｆは、超音波半田付け法による最終接合工程の概略図である。超音波半田付け法では、最初に、熱交換器組立体１０ａを、熔融した半田が貯留されている浸漬槽１１０に浸漬する。浸漬槽１１０には、超音波振動子１１１によって加振される振動板１１２が浸漬されている。振動板１１２の加振によって、熱交換器組立体１０ａの水管２０と冷媒管４０との接合部に存在する流路間隙間７０に、熔融した半田が入り込む。これにより、水管２０の水流路面２２と、冷媒管４０の冷媒流路面４２とが接合される。なお、超音波半田付け法に用いられる半田は、アルミニウム−亜鉛系の半田、および、アルミニウム−スズ系の半田等である。

（４−３）水管出入口部の構造
水管２０の右側水管出入口部３１と左側水管出入口部３２との接合部分の構造について説明する。図１４は、右側水管出入口部３１の周辺の構造を示す断面図である。左側水管出入口部３２の周辺の構造は、右側水管出入口部３１と同じであるため、説明を省略する。図１４において、３つの水管２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、積層方向に隣接している。

水管２０ａと水管２０ｂとの間に冷媒管４０ａが挟み込まれている状態で、水管２０ａの右側開口部９１と、水管２０ｂの右側開口部９１とは、第２接合部１０２において接合されている。水管２０ｂと水管２０ｃとの間に冷媒管４０ｂが挟み込まれている状態で、水管２０ｂの右側開口部９１と、水管２０ｃの右側開口部９１とは、第２接合部１０２において接合されている。

（５）特徴
（５−１）
本実施形態の熱交換器１０では、図１１に示されるように、水管２０ｃを構成する一対の金属プレート８０は、水管２０ｃの内部において、一対の突合せディンプル２４によって互いに連結されている。熱交換器１０の製造工程において、水管２０の接合体と冷媒管４０の接合体とが組立てられた熱交換器組立体１０ａは、水管２０および冷媒管４０の積層方向の力、すなわち、水管２０の水流路面２２に垂直な力が加えられて、クランプされる。熱交換器組立体１０ａをクランプする力は、水管２０を構成する一対の金属プレート８０の水流路面２２を互いに接近させようとする。突合せディンプル２４は、一対の金属プレート８０を、水流路面２２に垂直な方向に沿って連結している。すなわち、突合せディンプル２４は、一対の水流路面２２を互いに接近させようとする力に対抗する支柱としての機能を有している。従って、水流路面２２に垂直な力が水管２０に加えられても、突合せディンプル２４によって、一対の金属プレート８０の凹面部９４の底面（水管２０の水流路面２２の反対側の面）が互いに接触して水流路２１が閉塞することが抑制される。

また、この熱交換器１０では、突合せディンプル２４は、水流路面突起２３の近傍に配置されている。具体的には、水流路面２２の幅方向の両端部に一対の水流路面突起２３が配置され、突合せディンプル２４は、その一対の水流路面突起２３を結ぶ線分の近傍に配置されている。熱交換器組立体１０ａをクランプする工程において、水管２０の水流路面突起２３は、冷媒管４０の冷媒流路面４２から力を受けるため、水管２０を構成する一対の金属プレート８０は、水流路面突起２３の近傍において、特に、水流路面２２に垂直な力によって変形しやすい。そのため、水流路面突起２３の近傍に突合せディンプル２４を配置することで、一対の金属プレート８０の凹面部９４の底面（水管２０の水流路面２２の反対側の面）が互いに接触して水流路２１が閉塞することが、より効果的に抑制される。

（５−２）
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０の水流路面２２と、冷媒管４０の冷媒流路面４２との間には、水流路面２２の水流路面突起２３によって形成される隙間である流路間隙間７０が存在する。すなわち、図１３Ｄおよび図１３Ｅに示される熱交換器組立体１０ａにおいて、水流路面２２と冷媒流路面４２とは、面接触により密着していない。そのため、熱交換器組立体１０ａを熔融した半田に浸漬して、超音波半田付け法によって水流路面２２と冷媒流路面４２とを接合する場合、流路間隙間７０に熔融した半田が入り込みやすい。従って、この熱交換器１０の製造工程では、水流路面２２と冷媒流路面４２との間に熔融した半田が行き渡りやすいので、水流路面２２と冷媒流路面４２とをより効果的に接合することができる。これにより、水管２０と冷媒管４０との間における熱伝達の効率が向上するので、熱交換器１０の性能が向上する。また、超音波半田付け法によって、水流路面２２と冷媒流路面４２との接合を迅速に行うことができるので、熱交換器の製造に必要な時間を短縮することができる。

（５−３）
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０の水流路面突起２３は、水管２０の長手方向に沿って、等間隔に配置されている。これにより、水管２０と冷媒管４０との間の流路間隙間７０は、水管２０の長手方向に沿って実質的に均一になっている。従って、超音波半田付け法によって水管２０と冷媒管４０とを接合する場合、水流路面２２と冷媒流路面４２との間の流路間隙間７０に熔融した半田がより入り込みやすく、また、流路間隙間７０に熔融した半田が均一に行き渡りやすい。

（５−４）
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０の内表面に伝熱促進ディンプル９６が形成されている。水流路２１を流れる水が伝熱促進ディンプル９６に衝突することで、水流路２１において水の乱流が発生する。これにより、水流路２１における水の平均通過時間が増加するので、水管２０と冷媒管４０との間の熱交換が促進される。従って、この熱交換器１０では、熱交換の効率が向上する。

（５−５）
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０を構成する金属プレート８０は、プレス加工によって製造される。また、一度のプレス加工によって、同時に、右側開口部９１、左側開口部９２、凹面部９４、開口凹部９５、伝熱促進ディンプル９６および水流路面突起２３が形成される。従って、この熱交換器１０の製造工程では、水管２０を安価かつ迅速に製造することができる。

（５−６）
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０と冷媒管４０とが交互に積層されている。水管２０の内部では、低圧の水が流れ、冷媒管４０の内部では、高圧の二酸化炭素が流れる。冷媒管４０は、複数の細い冷媒流路４１を有している扁平多穴管であるので、高い耐圧性を有している。従って、この熱交換器１０は、高圧流体と低圧流体との熱交換に適している。

（５−７）
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０と冷媒管４０とが交互に積層されている。水管２０は、ステンレス鋼製であり、冷媒管４０は、アルミニウム合金製である。そのため、水管２０が腐食して水管２０に穴が開いて水漏れしても、漏れた水が冷媒管４０を腐食して冷媒流路４１に浸入することがない。そのため、この熱交換器１０では、水と二酸化炭素とが混合することが防止される。また、ステンレス鋼は熱伝導性が良いので、この熱交換器１０は、水管２０と冷媒管４０との熱交換の効率を向上させることができる。

（６）変形例
（６−１）変形例Ａ
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０を構成する一対の金属プレート８０のそれぞれは、２つの突合せディンプル２４を有している。しかし、金属プレート８０は、１つの突合せディンプル２４を有していてもよく、３つ以上の突合せディンプル２４を有していてもよい。また、突合せディンプル２４が形成される位置も、水流路面突起２３の近傍であれば、水流路面２２の幅方向の中央部に限られない。

また、本実施形態の熱交換器１０では、金属プレート８０に形成される２つの突合せディンプル２４は、水流路面２２の幅方向の中央部に配置されており、水流路面２２の長手方向に沿って１列に配置されている。しかし、金属プレート８０に形成される突合せディンプル２４は、水流路面２２の長手方向に沿って複数列に配置されてもよい。

図１５は、本変形例の一例である金属プレート１８０の平面図である。この金属プレート１８０では、４つの突合せディンプル１２４が、水流路面２２の長手方向に沿って、２列に形成されている。各列にある２つの突合せディンプル１２４は、本実施形態の金属プレート８０に形成される突合せディンプル２４と、水流路面２２の長手方向おいてほぼ同じ位置に配置されている。この金属プレート１８０により形成される水管２０は、本実施形態の水管２０と比べて、より多くの突合せディンプル１２４を有するので、一対の水流路面２２を互いに接近させようとする力に対抗する効果が、より大きい。従って、この金属プレート１８０により形成される水管２０を備える熱交換器１０では、水管２０の一対の金属プレート１８０が互いに接触して水流路２１が閉塞することが、より効果的に抑制される。

（６−２）変形例Ｂ
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０の水流路面突起２３は、水管２０の長手方向に沿って、等間隔に配置されている。しかし、水管２０の水流路面突起２３は、水管２０の長手方向に沿って、等間隔に配置されていなくてもよい。例えば、図１６に示されるように、金属プレート８０に形成される水流路面突起２３の間隔に関して、水管２０の長手方向の端部における間隔よりも、水管２０の長手方向の中央部における間隔の方が、短くなっていてもよい。熱交換器１０において、水管２０の長手方向の中央部は、水管２０および冷媒管４０の積層方向の力に対して弱い部分である。そのため、熱交換器１０の長期間の使用によって、流路間隙間７０は、水管２０の長手方向の中央部において、特に小さくなりやすい。そのため、水管２０の長手方向の中央部において、水流路面突起２３の間隔を短くして積層方向の力に対する強度を向上させることで、水管２０の長手方向に沿って流路間隙間７０が不均一になることが抑制される。

例えば、熱交換器１０が非常に長い水管２０を備える場合、水管２０の長手方向の中央部において流路間隙間７０が小さくなりやすい。この場合、水管２０の長手方向の両端部よりも、水管２０の長手方向の中央部に、より多くの水流路面突起２３を設けることで、水管２０の長手方向に沿って流路間隙間７０が均一になりやすい。従って、本変形例では、水管２０の水流路面２２と、冷媒管４０の冷媒流路面４２とをより効果的に接合することができる。

（６−３）変形例Ｃ
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０の水流路面２２に形成される水流路面突起２３の高さは、０．１ｍｍである。しかし、水流路面突起２３の高さは、０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲内であってもよい。すなわち、水管２０の水流路面２２と、冷媒管４０の冷媒流路面４２との間の流路間隙間７０の大きさは、０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍであってもよい。流路間隙間７０の大きさは、水管２０および冷媒管４０の材質および寸法等に応じて、適宜に変更することができる。

例えば、熱交換器１０が非常に長い水管２０を備える場合、水管２０の長手方向の中央部において流路間隙間７０が小さくなりやすい。この場合、水流路面突起２３を高くすることで、水管２０の長手方向の中央部においても、所定の流路間隙間７０を確保することができる。従って、本変形例では、水管２０の水流路面２２と、冷媒管４０の冷媒流路面４２とをより効果的に接合することができる。

（６−４）変形例Ｄ
本実施形態の熱交換器１０では、水管２０の水流路面２２に、複数の伝熱促進ディンプル９６が形成されている。しかし、水管２０の水流路面２２に、例えば、シェブロン形状の窪みが形成されてもよく、また、水管２０の長手方向に対して所定の角度を有する直線状の窪みが形成されてもよい。これらの窪みは、伝熱促進ディンプル９６と同様に、水流路２１において水の乱流が発生させる効果を有する。従って、本変形例においても、水管２０と冷媒管４０との間の熱交換が促進され、熱交換器１０の熱交換の効率が向上する。

本発明に係る熱交換器、および、熱交換器の製造方法では、超音波半田付け法による組立て時において、熱交換される流体が流れる流路間に半田が入り込みやすい。

１０ 熱交換器
１０ａ 熱交換器組立体（組立体）
２０ 水管（第１流体流路）
２２ 水流路面（第１流路面）
２３ 水流路面突起（第１流路面外側突起）
２４ 突合せディンプル（第１流路面内側突起）
４０ 冷媒管（第２流体流路）
９６ 伝熱促進ディンプル

特開２０１２−１７９００号公報

Claims (7)

1. 第１流体が流れる第１流体流路（２０）と、第２流体が流れる第２流体流路（４０）とが交互に積層され、前記第１流体と前記第２流体とを熱交換させる熱交換器であって、
   前記第１流体流路は、前記第２流体流路に接合される面である一対の第１流路面（２２）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され前記第２流体流路に向かって突出する複数の第１流路面外側突起（２３）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され一対の前記第１流路面を部分的に連結する第１流路面内側突起（２４）を有し、
   前記第１流路面内側突起は、前記第１流路面外側突起の近傍に配置されている、
   熱交換器（１０）。
2. 第１流体が流れる第１流体流路（２０）と、第２流体が流れる第２流体流路（４０）とが交互に積層され、前記第１流体と前記第２流体とを熱交換させる熱交換器であって、
   前記第１流体流路は、前記第２流体流路に接合される面である一対の第１流路面（２２）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され前記第２流体流路に向かって突出する複数の第１流路面外側突起（２３）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され一対の前記第１流路面を部分的に連結する第１流路面内側突起（２４）を有し、
   前記第１流路面外側突起は、前記第１流路面内において前記第１流路面の長手方向に直交する方向である幅方向の両端部に配置され、
   前記第１流路面内側突起は、前記第１流路面の前記幅方向の両端部に配置される一対の前記第１流路面外側突起を結ぶ線分の近傍に配置されている、
   熱交換器（１０）。
3. 前記第１流路面外側突起は、前記第１流路面の前記幅方向の両端部において、前記第１流路面の長手方向に沿って等間隔に配置されている、
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１流路面内側突起は、前記第１流路面内において前記第１流路面の長手方向に直交する方向の中央部に配置されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記第２流体流路は、扁平多穴管である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 第１流体が流れる第１流体流路（２０）と、第２流体が流れる第２流体流路（４０）とが交互に積層され、前記第１流体と前記第２流体とを熱交換させる熱交換器の製造方法であって、
   前記第１流体流路と前記第２流体流路とを交互に積層して組立体（１０ａ）を組立てる組立工程と、
   前記第１流体流路および前記第２流体流路の積層方向に沿って、前記組立体をクランプするクランプ工程と、
   前記組立体がクランプされた状態で、前記第１流体流路と前記第２流体流路とを接合する接合工程と、
   を備え、
   前記第１流体流路は、前記第２流体流路に接合される面である一対の第１流路面（２２）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され前記第２流体流路に向かって突出する複数の第１流路面外側突起（２３）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され一対の前記第１流路面を部分的に連結する第１流路面内側突起（２４）を有し、
   前記第１流路面内側突起は、前記第１流路面外側突起の近傍に配置されている、
   熱交換器の製造方法。
7. 第１流体が流れる第１流体流路（２０）と、第２流体が流れる第２流体流路（４０）とが交互に積層され、前記第１流体と前記第２流体とを熱交換させる熱交換器の製造方法であって、
   前記第１流体流路と前記第２流体流路とを交互に積層して組立体（１０ａ）を組立てる組立工程と、
   前記第１流体流路および前記第２流体流路の積層方向に沿って、前記組立体をクランプするクランプ工程と、
   前記組立体がクランプされた状態で、前記第１流体流路と前記第２流体流路とを接合する接合工程と、
   を備え、
   前記第１流体流路は、前記第２流体流路に接合される面である一対の第１流路面（２２）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され前記第２流体流路に向かって突出する複数の第１流路面外側突起（２３）を有し、かつ、前記第１流路面に形成され一対の前記第１流路面を部分的に連結する第１流路面内側突起（２４）を有し、
   前記第１流路面外側突起は、前記第１流路面内において前記第１流路面の長手方向に直交する方向である幅方向の両端部に配置され、
   前記第１流路面内側突起は、前記第１流路面の前記幅方向の両端部に配置される一対の前記第１流路面外側突起を結ぶ線分の近傍に配置されている、
   熱交換器の製造方法。

Images