JP2017106661A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のチューブとタンクとの接合をろう付けによって行いながらも、各チューブ内の流路にろう材が侵入することを抑制可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器であるコンデンサ１０は、流体の流路１１５を内部に有する複数のチューブ１１と、内部に空間ＳＰが形成され、複数のチューブの端部１１８が空間ＳＰと連通するように挿入されて接合され、空間ＳＰから複数のチューブへの流体の分配、及び／又は複数のチューブ１１から排出された流体の空間ＳＰへの集合、を行う第２ヘッダタンク１４と、を備える。第２ヘッダタンク１４は、プレートヘッダ２０と、プレートヘッダ２０の空間ＳＰ側の表面に設けられるろう材層４０と、を有する。ろう材層４０は、他の部位と比べて厚みが小さい薄肉部４１を、複数のチューブ１１の挿入箇所の近傍に有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、互いに異なる流体の間で熱交換を行わせる熱交換器に関する。

互いに異なる流体の間で熱交換を行わせる熱交換器が広く普及している。例えば、車両のエンジンルームに設けられるラジエータは、エンジンから排出された高温の冷却水と空気との間で熱交換を行わせることによって、冷却水の冷却を行う。また、車両用空調装置の冷凍サイクルに用いられるコンデンサやエバポレータは、冷媒と空気との間で熱交換を行わせることによって、冷媒の温度を低下させたり、車室内に供給する空気の温度を調整したりする。

このような熱交換器の一形態として、内部に流路を有する複数のチューブや、その端部に設けられるタンク等の部材によって構成されたものが知られている。詳細には、当該熱交換器は、複数のチューブの端部がタンクに挿入されており、タンク内の空間から各チューブに流体を分配したり、各チューブから排出された流体をタンク内の空間に集合させたりするように構成されている。タンク内から各チューブに分配された流体は、各チューブ内の流路を流れる間に、各チューブの外部を流れる流体と各チューブの管壁を介して熱交換を行う。

複数のチューブ及びタンク等の部材を備える熱交換器の製造方法としては、各部材をろう付けによって接合するものが一般的となっている。この方法では、まず、基材の表面をろう材層によって被覆したクラッド材を加工して、各部材を形成する。次に、複数のチューブの端部をタンクに挿入するなどして熱交換器の外形を構成し、加熱炉に入れて加熱する。加熱炉においてろう材が高温になって溶融し、その後凝固することによって、ろう付けによる接合が行われる。このようなろう付けにより、各部材の接合部位が多数に亘る熱交換器であっても、容易に製造することが可能となる。

特開２０１２−５２７８３号公報

各部材の接合を確実に行うためには、十分な量のろう材層を基材の表面に設ける必要がある。しかしながら、ろう材が加熱されて溶融すると、当該ろう材がろう材層内を移動し、各チューブ内の流路に侵入してしまうおそれがある。侵入したろう材によって当該流路が閉塞されてしまうと、流体の流通が妨げられ、熱交換器の性能の低下を招くという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のチューブとタンクとの接合をろう付けによって行いながらも、各チューブ内の流路にろう材が侵入することを抑制可能な熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、互いに異なる流体の間で熱交換を行わせる熱交換器であって、流体が流れる流路を内部に有する複数のチューブと、内部に空間が形成され、前記複数のチューブの端部が前記空間と連通するように挿入されて接合され、前記空間から前記複数のチューブへの流体の分配、及び／又は前記複数のチューブから排出された流体の前記空間への集合、を行うタンクと、を備える。前記タンクは、基材と、該基材の前記空間側の表面に設けられるろう材層と、を有する。前記ろう材層は、他の部位と比べて厚みが小さい薄肉部を、前記複数のチューブの挿入箇所の近傍に有する。

上記構成によれば、ろう材層は、複数のチューブの挿入箇所の近傍に薄肉部を有している。薄肉部は、ろう材層の他の部位と比べて厚みが小さく、その断面積が小さい部位である。すなわち、薄肉部は、ろう材層の他の部位と比べてろう材が通過し難い部位となる。

したがって、上記構成によれば、複数のチューブの挿入箇所へのろう材の移動を、薄肉部によって抑制することができる。この結果、複数のチューブとタンクとの接合をろう付けによって行いながらも、各チューブ内の流路にろう材が侵入することを抑制することが可能となる。

本発明によれば、複数のチューブとタンクとの接合をろう付けによって行いながらも、各チューブ内の流路にろう材が侵入することを抑制可能な熱交換器を提供することができる。

実施形態に係るコンデンサを示す斜視図である。 チューブ及びフィンを示す断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図３の突出部近傍を示す拡大図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１乃至図３を参照しながら、実施形態に係るコンデンサ１０の概要について説明する。コンデンサ１０は、不図示の車両に搭載される冷凍サイクルの一部を構成する、マルチフロータイプと称される熱交換器である。当該冷凍サイクルは、冷媒を循環させるとともに、不図示の車両用空調装置が車室内に吹き出す空気の温度を調整する。また、当該冷凍サイクルは、コンデンサ１０の他にも、圧縮機、膨張弁、エバポレータ等を有している。

図１に示されるように、コンデンサ１０は、複数のチューブ１１と、複数のアウターフィン１２と、第１ヘッダタンク１３と、第２ヘッダタンク１４と、を有している。図１では、アウターフィン１２の一部のみが図示されている。

尚、理解を容易にするため、図１に示されるように、各チューブ１１が延びる方向をＸ方向とし、後述するように空気がコンデンサ１０を通過する方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする直交座標を用いて説明する。当該直交座標は、図２以降においても対応するものを用いる。

図２は、Ｘ軸に垂直な面におけるチューブ１１及びアウターフィン１２の断面図である。図２に示されるように、チューブ１１は、薄い金属板を屈曲部１１２において折り返すように屈曲させることで形成された部材である。チューブ１１は、断面が扁平な管形状を呈している。チューブ１１は、屈曲部１１２と反対側に位置する端部１１３，１１４が互いに接合されることによって、Ｘ方向に延びる閉空間を形成している。当該閉空間は、冷媒を流す流路１１５である。

チューブ１１の端部１１３，１１４は、その間にインナーフィン１１６を挟むようにして接合されている。インナーフィン１１６は、薄い金属板をＺ方向に折り返すように屈曲させることによって、山部と谷部が交互に連続的に形成された所謂コルゲートフィンである。インナーフィン１１６がチューブ１１の内部に配置されることによって、流路１１５は複数の領域に分割されている。

アウターフィン１２は、薄い金属板をＺ方向に折り返すように屈曲させることによって、山部と谷部が交互に連続的に形成された所謂コルゲートフィンである。

複数のチューブ１１及びアウターフィン１２は、Ｚ方向に交互に積層するように設けられている。隣接するチューブ１１，１１の間に配置されているアウターフィン１２は、当該チューブ１１，１１の側面にろう付けによって接合されている。

第１ヘッダタンク１３及び第２ヘッダタンク１４は、いずれも、不図示の隔室をその内部に複数有する容器である。第１ヘッダタンク１３は外部から冷媒を受け入れる流入口１３１を有し、第２ヘッダタンク１４は外部に冷媒を排出する排出口１４１を有している。第１ヘッダタンク１３及び第２ヘッダタンク１４は、所定間隔を開けて互いに対向するように配置されている。

図３に示されるように、第２ヘッダタンク１４は、その外殻を成すプレートヘッダ２０及びタンクヘッダ３０を有している。プレートヘッダ２０及びタンクヘッダ３０は、いずれも薄い金属板を加工することによって形成されている。湾曲形成されたタンクヘッダ３０の端部には、外方に向けて拡大する２つのフランジ部３１が形成されている。このフランジ部３１に、湾曲形成されたプレートヘッダ２０の端部２３が接合されることによって、プレートヘッダ２０とタンクヘッダ３０との間に空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、不図示の隔壁によって、前述したように複数の隔室に分割されている。当該複数の隔室は、Ｚ方向に直線状に並ぶように形成されている。

プレートヘッダ２０及びタンクヘッダ３０の形成に用いられる金属板は、基材の表面をろう材によって被覆した所謂クラッド材である。これにより、図３に示されるように、基材であるプレートヘッダ２０及びタンクヘッダ３０の空間ＳＰ側の表面には、ろう材層４０が設けられている。ろう材としては、例えばアルミニウム合金やシリコンを含むものを用いることができる。尚、理解を容易にするため、図３ではろう材層４０を実際よりも大きく図示している。

プレートヘッダ２０には、孔２１が複数形成されている。複数の孔２１は、互いに間隔を空けて、Ｚ方向に直線状に並ぶように形成されている。各孔２１は、チューブ１１と同様に扁平形状を呈している。

プレートヘッダ２０の各孔２１には、複数のチューブ１１のＸ方向側の端部１１８が挿入され、ろう付けによって接合されている。これにより、複数のチューブ１１内の流路１１５（図３では不図示）が、第２ヘッダタンク１４内の隔室（換言すれば、空間ＳＰ）と連通するように構成されている。すなわち、各チューブ１１内の流路１１５から矢印ＬＦ４で示されるように排出された冷媒が、第２ヘッダタンク１４内の隔室で集合したり、他の隔室から流路１１５に分配されたりするように構成されている。

図１に示されるように、第１ヘッダタンク１３は、複数のチューブ１１の−Ｘ方向側の端部１１７がろう付けによって接合されている。第１ヘッダタンク１３の構成は第２ヘッダタンク１４と同様であり、第１ヘッダタンク１３と複数のチューブ１１との接合も、第２ヘッダタンク１４と複数のチューブ１１との接合と同様であるから、ここではその説明を省略する。第１ヘッダタンク１３は、その内部の隔室から、当該隔室と連通しているチューブ１１内の流路１１５に冷媒を分配したり、流路１１５から排出された冷媒を隔室で集合されたりするように構成されている。

以上のように構成されたコンデンサ１０には、不図示の冷媒供給管が第１ヘッダタンク１３の流入口１３１に接続され、不図示の冷媒排出管が第２ヘッダタンク１４の排出口１４１に接続される。冷媒供給管は、圧縮機から供給される冷媒を流す配管である。また、冷媒排出管は、冷媒を膨張弁に導く配管である。これにより、コンデンサ１０は冷凍サイクルに組み込まれ、冷媒を循環させる流路の一部を構成する。

冷凍サイクルの圧縮機からコンデンサ１０に供給される冷媒は、高温かつ高圧になっている。当該冷媒は、流入口１３１から第１ヘッダタンク１３内の一つの隔室に流入する。当該隔室に流入した冷媒は、当該隔室に連通している複数のチューブ１１に分配される。これにより、図１に矢印ＬＦ１で示されるように、冷媒はチューブ１１内の流路１１５を第１ヘッダタンク１３側から第２ヘッダタンク１４側に向かって流れる。

コンデンサ１０には、車両が走行時に取り込む空気が供給される。当該空気は、図１の矢印ＡＦ１や図２の矢印ＡＦ２で示されるように、コンデンサ１０のチューブ１１，１１の間を通過する。この空気は、チューブ１１の外側面やアウターフィン１２の表面を流れることによって、チューブ１１の管壁やアウターフィン１２の内部を介して冷媒と熱交換を行う。すなわち、アウターフィン１２は、チューブ１１内の流路１１５を流れる冷媒と、チューブ１１の外部を流れる空気とが熱交換を行う面積を増加させ、当該熱交換を促進させる機能を発揮する。

矢印ＬＦ１で示されるように各チューブ１１内を流れ終えた冷媒は、第２ヘッダタンク１４内の一つの隔室に流入する。その後、当該冷媒は、第２ヘッダタンク１４内の他の隔室に流入し、次に、矢印ＬＦ２で示されるように、チューブ１１内を第２ヘッダタンク１４側から第１ヘッダタンク１３側に向かって流れる。

矢印ＬＦ２で示されるように各チューブ１１内を流れ終えた冷媒は、第１ヘッダタンク１３内の一つの隔室に流入する。その後、当該冷媒は、第１ヘッダタンク１３内の他の隔室に流入し、次に、矢印ＬＦ３で示されるように、チューブ１１内を第１ヘッダタンク１３側から第２ヘッダタンク１４側に向かって流れる。

コンデンサ１０に供給された冷媒は、以上のように第１ヘッダタンク１３と第２ヘッダタンク１４との間を往復しながら流れる。冷媒は各チューブ１１内を流れる間に繰り返し冷却され、その温度が低下する。各チューブ１１内を流れ終えた冷媒は、第２ヘッダタンク１４の排出口１４１から外部に排出される。

次に、第２ヘッダタンク１４の構成について、図３及び図４を参照しながら詳細に説明する。図４は、図３に示されるプレートヘッダ２０の２つの突出部２２のうち、−Ｙ方向側の突出部２２近傍を拡大して示している。

図３に示されるように、第２ヘッダタンク１４のプレートヘッダ２０には、空間ＳＰ側に突出する２つの突出部２２が形成されている。突出部２２は、プレートヘッダ２０の端部２３とタンクヘッダ３０のフランジ部３１との接合部位よりも複数のチューブ１１寄りの部位に形成されている。また、突出部２２は、Ｚ方向に延びるように形成されている。また、突出部２２は、複数のチューブ１１を挟んで対向する部位に１つずつ形成されている。

この突出部２２は、基材の表面をろう材によって被覆したクラッド材を曲げ加工することによって形成されている。このような突出部２２を形成するように曲げ加工を施すと、プレートヘッダ２０の表面のろう材層４０に、当該表面に沿う方向の引張の力が作用する。その結果、突出部２２の表面のろう材層４０が変形し、図４に示されるように、その厚みｔ２（例えば、０．０６ｍｍ程度）が、その周囲のろう材層４０の厚みｔ１（例えば、０．０８ｍｍ程度）よりも小さくなる。すなわち、突出部２２の表面に、他の部位と比べて厚みが小さい薄肉部４１が形成される。

コンデンサ１０の製造工程では、まず、クラッド材に曲げ加工を施すことによって突出部２２を形成したプレートヘッダ２０と、タンクヘッダ３０とを用意する。このとき、薄肉部４１が、突出部２２の根元２４，２５に形成されるろう材層４０のフィレット４２，４３と重合しない程度まで、突出部２２を突出させる必要がある。

詳述すると、まず、プレートヘッダ２０は根元２４，２５において大きく屈曲しているため、ろう材層４０のろう材が根元２４，２５に集積し易い。このため、根元２４，２５の表面には、他の部位と比べて厚みが大きいろう材のフィレット４２，４３が形成される。仮に、突出部２２の突出が小さく、薄肉部４１がこのフィレット４２，４３と重合してしまうと、ろう材が溶融した際に、フィレット４２，４３から薄肉部４１に多量のろう材が移動してしまう。この結果、突出部２２におけるろう材層４０の厚みを小さいものに維持できなくなるおそれがある。このため、薄肉部４１をフィレット４２，４３と重合させないように、突出部２２を十分に突出させることが好ましい。

コンデンサ１０の製造工程について説明を続ける。次に、このように形成したプレートヘッダ２０と、タンクヘッダ３０とを重ね合せることで、第２ヘッダタンク１４の外形を構成する。詳細には、プレートヘッダ２０の端部２３を、タンクヘッダ３０の２つのフランジ部３１の間に嵌入させる。

さらに、第２ヘッダタンク１４のプレートヘッダ２０の複数の孔２１のそれぞれに、複数のチューブ１１の端部１１８を挿入する。当該複数のチューブ１１は、予め複数のアウターフィン１２と交互に積層されている。同様に、第１ヘッダタンク１３にも、チューブ１１の端部１１７を挿入する。これにより、コンデンサ１０の外形が構成される。

次に、このようにして外形が構成したコンデンサ１０を加熱炉に入れる。加熱炉において、ろう材の温度が融点を超えるまで、コンデンサ１０を加熱する。

温度が融点を超えてろう材が溶融することによって、ろう材層４０内におけるろう材の移動が生じる。その後、コンデンサ１０を加熱炉から取り出したり、加熱炉の温度を低下させたりすることによってろう材の温度が低下すると、当該ろう材が凝固する。プレートヘッダ２０とタンクヘッダ３０との接合部位や、プレートヘッダ２０と複数のチューブ１１との接合部位にあるろう材が凝固することによって、各部材のろう付けが行われる。

前述したように、薄肉部４１は、ろう材層４０の他の部位と比べて厚みが小さく、その断面積も小さい。すなわち、薄肉部４１は、ろう材層４０の他の部位と比べてろう材が通過し難い部位となる。

したがって、このコンデンサ１０の構成によれば、複数のチューブ１１の挿入箇所の近傍に向かうろう材の移動を、薄肉部４１によって抑制することができる。この結果、複数のチューブ１１と第２ヘッダタンク１４との接合をろう付けによって行いながらも、各チューブ１１内の流路１１５にろう材が侵入することを抑制することが可能となる。

また、基材であるプレートヘッダ２０は、空間ＳＰ側に突出するように形成された突出部２２を有する。薄肉部４１は、突出部２２の表面に設けられる。この構成によれば、基材の表面をろう材によって被覆した所謂クラッド材を加工し、その一部を突出させることによって、薄肉部４１を形成することができる。すなわち、突出部２２を形成することによってろう材層４０に引張の力を作用させ、突出部２２において局所的に厚みと断面積が小さくなるように、ろう材層４０を変形させることができる。

さらに、突出部２２を形成することによって、ろう材が薄肉部４１を通過して複数のチューブ１１の挿入箇所に至るまでの経路長が大きくなる。これにより、複数のチューブ１１の挿入箇所へのろう材の移動を、薄肉部によってさらに抑制することができる。

また、第２ヘッダタンクは、複数のチューブ１１の端部１１８が挿入されるプレートヘッダ２０と、プレートヘッダ２０に接合されてプレートヘッダ２０との間に空間ＳＰを形成するタンクヘッダ３０と、を有する。突出部２２は、プレートヘッダ２０のうち、プレートヘッダ２０とタンクヘッダ３０との接合部位よりも複数のチューブ１１寄りの部位に形成される。これにより、プレートヘッダ２０とタンクヘッダ３０との接合を行うために、その接合部位にろう材を配置しながらも、当該接合部位から複数のチューブ１１の挿入箇所の近傍に向かうろう材の移動を、突出部２２の表面の薄肉部４１によって抑制することができる。

また、複数のチューブ１１は、流路１１５を流体が流れる方向と交差する方向に積層される。突出部２２は、複数のチューブ１１の積層方向に延びるように形成される。これにより、複数のチューブ１１の挿入箇所の近傍に向かうろう材の移動を、突出部２２の表面の薄肉部４１によってより広範囲で抑制することができる。この結果、各チューブ１１内の流路１１５にろう材が侵入することを更に確実に抑制することが可能となる。

また、突出部２２は、薄肉部４１が、突出部２２の根元２４，２５に形成されるろう材層４０のフィレット４２，４３と重合しないように突出形成される。これにより、薄肉部４１の厚みを確実に小さいものに維持することができる。

また、突出部２２は、複数のチューブ１１を挟んで対向する部位に形成される。これにより、複数のチューブ１１を薄肉部４１によって挟まれた状態とし、複数のチューブ１１の挿入箇所の近傍に向かうろう材の移動をさらに抑制することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、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。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、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。

例えば、上記実施形態では、本発明に係る熱交換器の一例としてコンデンサについて説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、エンジンから排出された冷却水の冷却を行うラジエータや、冷凍サイクルにおいて空気の冷却を行うエバポレータに本発明を適用した場合でも、上述した効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、突出部２２を、チューブ１１を挟んで両側に１つずつ形成しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、チューブ１１を挟んだ両側に複数の突出部を形成してもよい。この場合、チューブ１１側へのろう材の移動をさらに抑制し、各チューブ１１の流路にろう材が侵入することを確実に抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、クラッド材を曲げ加工して突出部２２を形成することによって、その表面に薄肉部４１を形成しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、ろう材層の一部に、他の部位と比べて厚みが小さい薄肉部を形成する方法としては、クラッド材のしごき加工や、引張加工、切削、くさびの打ち込み等、種々の方法を採用することができる。

１０：コンデンサ（熱交換器）
１１：チューブ
１４：第２ヘッダタンク（タンク）
２０：プレートヘッダ
２２：突出部
２４，２５：根元
３０：タンクヘッダ
４０：ろう材層
４１：薄肉部
４２，４３：フィレット
１１５：流路
ＳＰ：空間

Claims (6)

1. 互いに異なる流体の間で熱交換を行わせる熱交換器（１０）であって、
   流体の流路（１１５）を内部に有する複数のチューブ（１１）と、
   内部に空間（ＳＰ）が形成され、前記複数のチューブの端部（１１８）が前記空間と連通するように挿入されて接合され、前記空間から前記複数のチューブへの流体の分配、及び／又は前記複数のチューブから排出された流体の前記空間への集合、を行うタンク（１４）と、を備え、
   前記タンクは、基材（２０）と、該基材の前記空間側の表面に設けられるろう材層（４０）と、を有し、
   前記ろう材層は、他の部位と比べて厚みが小さい薄肉部（４１）を、前記複数のチューブの挿入箇所の近傍に有する、熱交換器。
2. 前記基材は、前記空間側に突出するように形成された突出部（２２）を有し、
   前記薄肉部は、前記突出部の表面に設けられる、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記タンクは、前記複数のチューブの端部が挿入されるプレートヘッダ（２０）と、前記プレートヘッダに接合されて前記プレートヘッダとの間に前記空間を形成するタンクヘッダ（３０）と、を有し、
   前記突出部は、前記プレートヘッダのうち、前記プレートヘッダと前記タンクヘッダとの接合部位よりも前記複数のチューブ寄りの部位に形成される、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記複数のチューブは、前記流路を流体が流れる方向と交差する方向に積層され、
   前記突出部は、前記複数のチューブの積層方向に延びるように形成される、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記突出部は、前記薄肉部が、前記突出部の根元（２４，２５）に形成される前記ろう材層のフィレット（４２，４３）と重合しないように突出形成される、請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記突出部は、前記複数のチューブを挟んで対向する部位に形成される、請求項３に記載の熱交換器。

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