JP2017026178A - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体の漏れを抑制することのできる熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器は、積層配置される複数のチューブ２０と、複数のチューブ２０のそれぞれの端部が接続されるヘッダタンク６とを有する。チューブ２０の外面には、凹部２０２ａが形成されている。ヘッダタンク６には、チューブ２０が挿入される挿入孔６２０が形成されている。挿入孔６２０の内面には、チューブ２０の凹部２０２ａに挿入される凸部６２３ａが形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、積層配置される複数のチューブと、複数のチューブのそれぞれの端部が接続されるヘッダタンクとを有する熱交換器及び熱交換器の製造方法に関する。

この種の熱交換器としては、特許文献１に記載の熱交換器がある。特許文献１に記載の熱交換器では、ヘッダタンクに複数の穴部が形成されている。複数の穴部には複数のチューブのそれぞれの端部が挿入されている。チューブの端部は、ろう付けによりヘッダタンクの穴部の内面に一体接合されている。また、ヘッダタンクの穴部におけるチューブに対向する平板部には、ろう付け性を向上させるための突起部が形成されている。

特開２００９−２６４６６４号公報

ところで、特許文献１に記載のチューブは、薄板を扁平筒状に折り曲げ加工して形成されている。薄板の両端部は、かしめられることで接合されている。このようなチューブでは、薄板の両端部を接合した部分の外面に凹部が残る。この凹部が加工精度等により規定値よりも大きくなると、凹部にろう材を充填することができない場合がある。この場合、凹部に隙間が形成されるため、当該隙間を通じて熱交換器の内部と外部とが連通される。そのため、熱交換器の内部を流れる熱媒体が凹部の隙間を通じて外部に漏れ出し、熱交換器としての機能を果たせなくなるおそれがある。

なお、このような課題は、薄板を扁平筒状に折り曲げ加工することにより形成されたチューブに限らず、外面に凹部が形成されたチューブを備える熱交換器に共通する課題である。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱媒体の漏れを抑制することのできる熱交換器、及び熱交換器の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する熱交換器（１）は、積層配置される複数のチューブ（２０）と、複数のチューブのそれぞれの端部が接続されるヘッダタンク（５，６）とを有する。チューブの外面には、凹部（２０２ａ，２１１，２１２）が形成されている。ヘッダタンク（６）には、チューブが挿入される挿入孔（６２０）が形成されている。挿入孔の内面には、チューブの凹部に挿入される凸部（６２３ａ，６２３ｂ）が形成されている。

また、熱交換器の製造方法は、挿入穴にチューブを挿入しつつ、凹部に凸部を挿入する工程と、ヘッダタンクとチューブとをろう付けする工程と、を備える。

この構成及び製造方法によれば、チューブの凹部に凸部が挿入されることにより、凹部の隙間を小さくすることができる。これにより、チューブとヘッダタンクとがろう付けされる際、ろう材が凹部に流れ易くなるため、凹部の隙間にろう材が充填される。よって、凹部の隙間を閉塞し易くなるため、熱媒体の漏れを抑制することができる。

なお、上記手段、及び特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明によれば、熱媒体の漏れを抑制することができる。

熱交換器の一実施形態についてその正面構造を示す正面図である。 実施形態の熱交換器のチューブの断面構造を示す断面図である。 実施形態の熱交換器についてヘッダタンクとチューブとの接続部分の破断断面構造を示す斜視図である。 実施形態の熱交換器についてヘッダタンクとチューブとの接続部分の断面構造を示す断面図である。 実施形態の熱交換器についてヘッダタンクとチューブとの接続部分の拡大断面構造を示す断面図である。 実施形態の熱交換器についてチューブ挿入前のヘッダタンクの断面構造を示す断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 実施形態の熱交換器についてチューブが挿入された際のヘッダタンクの断面構造を示す断面図である。 熱交換器の他の実施形態についてそのヘッダタンクの断面構造を示す断面図である。 熱交換器の他の実施形態についてヘッダタンクとチューブとの接続部分の断面構造を示す断面図である。 熱交換器の他の実施形態についてそのチューブの断面構造を示す断面図である。 他の実施形態の熱交換器についてチューブ挿入前のヘッダタンクの断面構造を示す断面図である。 他の実施形態の熱交換器についてチューブが挿入された状態でのヘッダタンクの断面構造を示す断面図である。

以下、熱交換器の一実施形態について説明する。図１に示される本実施形態の熱交換器１は、車両用空調装置の冷凍サイクルにおいて圧縮機から吐出される高温高圧の熱媒体を空気との熱交換により放熱させて凝縮させる、いわゆるコンデンサ（凝縮器）として機能するものである。

図１に示されるように、熱交換器１は、コア部２と、一対のサイドプレート３，４と、一対のヘッダタンク５，６とを備えている。

コア部２は熱媒体と空気との間で熱交換を行う部分である。コア部２は略矩形状に形成されており、矢印Ａで示される方向に複数のチューブ２０が積層配置された構造を有している。以下、矢印Ａで示される方向を「チューブ積層方向」と称する。チューブ２０は、チューブ積層方向Ａに直交する矢印Ｂで示される方向に長手方向を有する細長い管からなる。以下、矢印Ｂで示される方向を「チューブ長手方向」と称する。チューブ２０の内部には熱媒体が流れている。

図中に拡大して示されるように、コア部２は、チューブ積層方向Ａに隣接するチューブ２０，２０間に配置されるアウターフィン２１を有している。アウターフィン２１は、薄く長い金属板をつづら折りに加工した形状を有する、いわゆるコルゲートフィンからなる。アウターフィン２１の折り曲がり部分は、チューブ積層方向Ａに隣接するチューブ２０，２０に対してろう付けにより固定されている。熱交換器１は、チューブ積層方向Ａが鉛直方向となるように配置される。

一対のサイドプレート３，４は、チューブ積層方向Ａにおけるコア部２の両端部にそれぞれ取り付けられている。サイドプレート３，４はコア部２の機械的な強度を補強している。

一対のヘッダタンク５，６は、チューブ長手方向Ｂにおけるコア部２の両端部にそれぞれ取り付けられている。ヘッダタンク５，６は筒状の部材からなる。一方のヘッダタンク５には、複数のチューブ２０のそれぞれの一端部が接続されている。他方のヘッダタンク６には、複数のチューブ２０のそれぞれの他端部が接続されている。ヘッダタンク５，６の内部空間はチューブ２０の内部流路に連通されている。

一方のヘッダタンク５の内部には仕切板５２が設けられている。仕切板５２は、ヘッダタンク５の内部空間を第１内部空間５３ａと第２内部空間５３ｂとに区画している。ヘッダタンク５には流入部５０及び流出部５１が設けられている。流入部５０は、図示しない圧縮機から吐出される熱媒体をヘッダタンク５の第１内部空間５３ａに導く部分である。流出部５１は、ヘッダタンク５の第２内部空間５３ｂ内の熱媒体を吐出する部分である。

他方のヘッダタンク６には受液器６０が設けられている。受液器６０は、コア部２を通過した熱媒体を気液分離させる部分である。ヘッダタンク６の内部には仕切板６１が設けられている。仕切板６１は、一方のヘッダタンク５の仕切板５２に対応する位置に配置されている。仕切板６１はヘッダタンク６の内部空間を第１内部空間６２ａと第２内部空間６２ｂとに区画している。第１内部空間６２ａ及び第２内部空間６２ｂは受液器６０を介して連通されている。

熱交換器１では、流入部５０から流入した熱媒体がヘッダタンク５の第１内部空間５３ａを介してコア部２の凝縮部２２に流入する。凝縮部２２は、コア部２の鉛直方向上方側に配置されている部分である。凝縮部２２では、チューブ２０の内部を流れる気相の熱媒体と、チューブ２０の外部を流れる空気との間で熱交換が行われることで、気相の熱媒体が凝縮される。空気流れ方向は、矢印Ｃで示される方向、すなわちチューブ積層方向Ａ及びチューブ長手方向Ｂの両方に直交する方向である。凝縮部２２を通過した熱媒体は、ヘッダタンク６の第１内部空間６２ａを介して受液器６０に流入し、気相の熱媒体と液相の熱媒体とに分離される。分離された液相の熱媒体は鉛直方向下方へと流れ、ヘッダタンク６の第２内部空間６２ｂを介してコア部２の過冷却部２３に流入する。過冷却部２３は、コア部２の鉛直方向下方側に配置されている部分である。過冷却部２３では、チューブ２０の内部を流れる液相の熱媒体と、チューブ２０の外部を流れる空気との間で熱交換が行われることで、液相の熱媒体を更に冷却する部分である。過冷却部２３を通過した熱媒体は、ヘッダタンク５の第２内部空間５３ｂ及び流出部５１を介して外部に流出される。

次に、チューブ２０の構造について詳しく説明する。
図２に示されるように、チューブ２０の長手方向Ｂに直交する断面形状は扁平筒状に形成されている。詳しくは、チューブ２０は、積層方向Ａの長さよりも、積層方向Ａ及び長手方向Ｂの両方に直交する矢印Ｃで示される方向の長さの方が長い形状を有している。以下、矢印Ｃで示される方向を「チューブ長径方向」と称する。チューブ２０は、チューブ本体部２０１と、接合部２０２とを有している。

チューブ本体部２０１は、チューブ２０において筒状に形成されている部分である。チューブ本体部２０１の内部には熱媒体が流れている。チューブ本体部２０１の内部にはインナーフィン２０３が収容されている。インナーフィン２０３はコルゲートフィンである。インナーフィン２０３は、ろう付けによりチューブ２０の内面に接合されている。インナーフィン２０３は、熱媒体の伝熱効果を高める機能を有している。

接合部２０２は、チューブ本体部２０１の長径方向Ｃの一端部に設けられている。接合部２０２は、チューブ２０を構成する薄板の両端部をかしめて接合した部分である。接合部２０２の外面には、薄板の一端部が位置する部分に沿って凹部２０２ａが形成されている。凹部２０２ａは、チューブ長手方向Ｂに沿って形成されている。

次に、ヘッダタンク５，６及びチューブ２０の接続部分の構造について詳しく説明する。なお、ヘッダタンク５及びチューブ２０の接続部分の構造と、ヘッダタンク６及びチューブ２０の接続部分の構造とは同一であるため、後者の構造について代表して説明する。

図３に示されるように、ヘッダタンク６は、コアプレート６２と、タンク本体６３とを有している。ヘッダタンク６の長手方向に直交するコアプレート６２の断面形状はＵ字状に形成されている。ヘッダタンク６の長手方向に直交するタンク本体６３の断面形状は円弧状に形成されている。コアプレート６２のＵ字の両端部はタンク本体６３の円弧の両端部にそれぞれ組み付けられている。コアプレート６２及びタンク本体６３により囲まれる空間により、ヘッダタンク６の内部流路が構成されている。

コアプレート６２には、ヘッダタンク６の内部から外部に貫通する複数の挿入孔６２０が形成されている。なお、図３では、複数の挿入孔６２０のうちの一つのみが図示されている。挿入孔６２０にはチューブ２０の端部が挿入されている。チューブ２０の端部は、ろう付けにより挿入孔６２０の内面に固定されている。チューブ２０の端部の開口部分は、ヘッダタンク６の内部流路に開口している。これにより、ヘッダタンク６の内部流路とチューブ２０の内部流路とが連通されている。

図４に示されるように、挿入孔６２０は、チューブ２０の外形に合わせて扁平状に形成されている。挿入孔６２０は、チューブ２０の外径よりも大きい形状に形成されている。挿入孔６２０は、第１孔部６２１と、第２孔部６２２とを有している。

第１孔部６２１は、チューブ本体部２０１が挿入される部分である。第１孔部６２１における第２孔部６２２側の部分の内面には、内側に突出する突出部６２４が形成されている。挿入孔６２０の内面とチューブ２０とをろう付けする際、突出部６２４がろう付けの起点となることにより挿入孔６２０とチューブ２０との間の隙間にろう材が充填され易くなるため、ろう付け性が向上する。

第２孔部６２２は、チューブ２０の接合部２０２が挿入される部分である。図５に示されるように、第２孔部６２２におけるチューブ２０の凹部２０２ａに対向する部分の内面には、凸部６２３ａが形成されている。凸部６２３ａはチューブ２０の凹部２０２ａに挿入されている。また、第２孔部６２２における凸部６２３ａに対向する内面にも、凸部６２３ｂが形成されている。すなわち、一対の凸部６２３ａ，６２３ｂは、チューブ２０の接合部２０２を挟み込むことが可能な方向に対向配置されている。

次に、本実施形態の熱交換器１の作用及び効果について説明する。
チューブ２０とヘッダタンク６とがろう付けされる際、チューブ２０の外面とヘッダタンク６の挿入孔６２０の内面との間の隙間はろう材で埋められる。しかしながら、加工精度等の影響により凹部２０２ａが大きくなると、凹部２０２ａにろう材が充填されない可能性がある。この場合、凹部２０２ａを通じてヘッダタンク６の内部と外部とが連通されるため、ヘッダタンク６の内部を流れる熱媒体が外部に漏れるおそれがある。

この点、本実施形態の熱交換器１では、凸部６２３ａがチューブ２０の凹部２０２ａに挿入されているため、加工精度等の影響により凹部２０２ａが大きくなった場合でも、凹部２０２ａの隙間を小さくすることができる。これにより、チューブ２０とヘッダタンク６とがろう付けされる際、チューブ２０及びヘッダタンク６のそれぞれの表面のろう材が凹部２０２ａに流れ易くなるため、凹部２０２ａの隙間にろう材が充填される。よって、凹部２０２ａの隙間を閉塞し易くなるため、熱媒体の漏れを抑制することができる。

また、一対の凸部６２３ａ，６２３ｂがチューブ２０を挟み込んでいるため、より確実に一方の凸部６２３ａを凹部２０２ａに挿入することができる。これにより、凹部２０２ａの隙間をより閉塞し易くなるため、熱媒体の漏れを効果的に抑制することができる。

なお、ヘッダタンク６とチューブ２０との接続部分の構造は、ヘッダタンク５とチューブ２０との接続部分でも同様に採用されている。したがって、上記の作用及び効果は、ヘッダタンク５とチューブ２０との接続部分でも同様に得ることができる。

次に、熱交換器１の製造方法のうち、特にヘッダタンク６とチューブ２０との接続方法について説明する。

図６は、チューブ挿入前のヘッダタンク６の挿入孔６２０周辺の断面構造を示したものである。図６に示されるように、コアプレート６２の第２孔部６２２における第１孔部６２１側の端部には、挿入孔６２０を横切るように配置された橋渡し部６２３が形成されている。図７に示されるように、橋渡し部６２３の中央部には優先破断部６２３ｃが形成されている。優先破断部６２３ｃは、矢印Ｄで示される方向に突出するように形成されている。矢印Ｄで示される方向は、挿入孔６２０にチューブ２０が挿入される方向である。以下、矢印Ｄで示される方向を「チューブ挿入方向」と称する。チューブ挿入方向Ｄは、チューブ長手方向Ｂに平行な方向である。優先破断部６２３ｃは、矢印Ｄで示される方向の外力が橋渡し部６２３に付与された際に、橋渡し部６２３の他の部分よりも破断され易い部位となっている。

コアプレート６２にチューブ２０を接続する際には、コアプレート６２の挿入孔６２０に対して矢印Ｄで示される方向にチューブ２０を挿入する工程が行われる。この際、図８に示されるように、チューブ２０の接合部２０２から優先破断部６２３ｃに矢印Ｄで示される方向の外力が付与されることにより、優先破断部６２３ｃが破断する。優先破断部６２３ｃの破断により一対の凸部６２３ａ，６２３ｂが形成される。一対の凸部６２３ａ，６２３ｂは、チューブ２０の挿入に伴いチューブ２０の外形に倣って変形する。その際、凸部６２３ａがチューブ２０の凹部２０２ａの形状に倣いながら変形することにより、凹部２０２ａの隙間に凸部６２３ａが挿入される。

このようにしてコアプレート６２とチューブ２０とが組み付けられた後、熱交換器１が炉に入れられて加熱されることにより、コアプレート６２及びチューブ２０のそれぞれの表面のろう材層を融解させる工程が行われる。すなわち、コアプレート６２とチューブ２０とをろう付けにより一体的に固定する工程が行われる。その際、コアプレート６２の突出部６２４が起点となって、コアプレート６２の挿入孔６２０とチューブ２０との間の隙間にろう材が流れることにより、挿入孔６２０の内面にチューブ２０が固定される。また、チューブ２０の凹部２０２ａと挿入孔６２０の凸部６２３ａとの間の隙間にろう材が流れることにより、凹部２０２ａと凸部６２３ａとの間の隙間が閉塞される。

次に、本実施形態の熱交換器１の製造方法の作用及び効果について説明する。
コアプレート６２の挿入孔６２０にチューブ２０を挿入する際、凸部６２３ａがチューブ２０の凹部２０２ａの形状に倣いながら変形することにより、より的確に凹部２０２ａを埋めることができる。よって、より効果的に凹部２０２ａからの熱媒体の漏れを抑制することができる。

また、コアプレート６２の挿入孔６２０にチューブ２０を挿入する際、チューブ本体部２０１よりも剛性の高い接合部２０２が橋渡し部６２３に接触するため、チューブ２０の変形を抑制することができる。

さらに、チューブ２０の挿入の際に橋渡し部６２３の優先破断部６２３ｃが優先的に破断するため、橋渡し部６２３の破断時の動きをコントロールすることができる。これにより、橋渡し部６２３の破断に起因する異物の発生を抑制することができる。

なお、ヘッダタンク６とチューブ２０との接続方法は、ヘッダタンク５とチューブ２０との接続方法でも同様に採用されている。したがって、以上の作用及び効果は、ヘッダタンク５とチューブ２０との接続の際にも同様に得ることができる。

また、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・図９に示されるように、チューブ２０が挿入される前のコアプレート６２の挿入孔６２０には、橋渡し部６２３に代えて、一対の凸部６２３ａ，６２３ｂが予め形成されていてもよい。換言すれば、橋渡し部６２３は、コアプレート６２の挿入孔６２０にチューブ２０が挿入される前に、予め破断されていてもよい。なお、一対の凸部６２３ａ，６２３ｂのうち、少なくとも一方の凸部６２３ａだけ挿入孔６２０に形成されていれば、チューブ２０の凹部２０２ａを埋めることが可能である。よって、挿入孔６２０には凸部６２３ａのみを形成し、凸部６２３ｂを排除してもよい。

・チューブ２０の形状は適宜変更可能である。また、チューブ２０の形状に合わせてコアプレート６２の挿入孔６２０の形状を適宜変更してもよい。例えば、チューブ２０及びコアプレート６２の挿入孔６２０は、図１０に示されるような形状を採用することもできる。図１０に示されるように、チューブ２０は、その中央部に薄板の接合部２０２を有している。接合部２０２は、チューブ２０の外面から内側に折り曲げられるように配置されている。挿入孔６２０は、チューブ２０の外形に応じた形状を有している。この場合、チューブ２０の中央部の外面に凹部２０２ａが位置するため、一対の凸部６２３ａ，６２３ｂが挿入孔６２０の中央部に配置されている。

・図１１に示されるように、チューブ２０は、内部に複数の流路２１０を有する押出成形チューブであってもよい。このチューブ２０の短径方向の両側面には凹部２１１，２１２がそれぞれ形成されている。一対の凹部２１１，２１２は、隣り合う流路２１０，２１０の間にそれぞれ配置されている。図１２に示されるように、チューブ挿入前のコアプレート６２の挿入孔６２０には、チューブ２０の凹部２１１，２１２に対応する位置に橋渡し部６２３がそれぞれ形成されている。これにより、コアプレート６２の挿入孔６２０にチューブ２０を挿入する際、複数の橋渡し部６２３が破断することにより、図１３に示されるように一対の凸部６２３ａ，６２３ｂが形成され、それらがチューブ２０の一対の凹部２１１，２１２にそれぞれ挿入される。これにより、凹部２１１，２１２の隙間を小さくすることができるため、凹部２１１，２１２にろう材が充填され易くなり、熱媒体の漏れを抑制することができる。このようにチューブ２０が複雑な形状を有する場合でも、その形状に合わせてコアプレート６２の挿入孔６２０に橋渡し部６２３を配置すれば、ろう付け性を確保することができるため、熱媒体の漏れを効果的に抑制することができる。

・チューブ２０及びヘッダタンク５，６の成形方法は適宜変更可能である。
・実施形態の熱交換器１の構成は、ラジエータ等、コンデンサ以外の熱交換器にも適用可能である。

・本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１：熱交換器
５，６：ヘッダタンク
２０：チューブ
２０２：接合部
２０２ａ，２１１，２１２：凹部
６２０：挿入孔
６２３：橋渡し部
６２３ａ，６２３ｂ：凸部
６２３ｃ：優先破断部

Claims (7)

1. 積層配置される複数のチューブ（２０）と、前記複数のチューブのそれぞれの端部が接続されるヘッダタンク（５，６）とを有する熱交換器（１）であって、
   前記チューブの外面には、凹部（２０２ａ，２１１，２１２）が形成され、
   前記ヘッダタンクには、前記チューブが挿入される挿入孔（６２０）が形成され、
   前記挿入孔の内面には、前記チューブの前記凹部に挿入される凸部（６２３ａ，６２３ｂ）が形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記チューブは、扁平筒状に折り曲げ加工された薄板からなるとともに、前記薄板の両端部がかしめられて接合された接合部（２０２）を有し、
   前記凹部は、前記接合部の外面に形成されていることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器において、
   前記挿入孔の内面には、前記凸部が複数形成されていることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項３に記載の熱交換器において、
   前記複数の凸部は、前記チューブを挟み込むことが可能な方向に対向配置されていることを特徴とする熱交換器。
5. 積層配置される複数のチューブ（２０）と、前記複数のチューブのそれぞれの端部が接続されるヘッダタンク（５，６）とを有する熱交換器（１）の製造方法であって、
   前記チューブの外面には凹部（２０２ａ，２１１，２１２）が形成され、
   前記ヘッダタンクには、前記チューブが挿入される挿入孔（６２０）が形成され、
   前記挿入孔の内面には、凸部（６２３ａ，６２３ｂ）が形成され、
   前記挿入孔に前記チューブを挿入しつつ、前記凹部に前記凸部を挿入する工程と、
   前記ヘッダタンクと前記チューブとをろう付けする工程と、を備えることを特徴とする熱交換器の製造方法。
6. 請求項５に記載の熱交換器の製造方法において、
   前記挿入孔には、当該挿入孔を横切るように配置された橋渡し部（６２３）が形成され、
   前記挿入孔に前記チューブを挿入する際、前記チューブにより前記橋渡し部が破断され、破断した前記橋渡し部により前記凸部が形成されることを特徴とする熱交換器の製造方法。
7. 請求項６に記載の熱交換器の製造方法において、
   前記橋渡し部には、当該橋渡し部の他の部分よりも破断し易い優先破断部（６２３ｃ）が形成されていることを特徴とする熱交換器の製造方法。

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