JP2018179339A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】より確実にチューブとフィンとを接合させることの可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、所定の隙間を有して積層配置される複数のチューブと、隣り合うチューブの間の隙間に配置される複数のフィン２２とを備える。フィン２２は、接合部２２０と、切り欠き部２２３とを有する。接合部２２０は、チューブの外面に対向して配置され、チューブの外面にろう付けにより接合される。切り欠き部２２３は、接合部２２０からチューブの外面に向かって突出している。切り欠き部２２３におけるチューブの外面に対向している部分Ｐは、ろう付けによりチューブの外面に接合される。
【選択図】図２

Description

本開示は、熱交換器に関する。

従来、特許文献１に記載の熱交換器がある。特許文献１に記載の熱交換器は、コア部と、補強片とを備えている。コア部は、所定の隙間を有して積層配置される複数のチューブと、隣り合うチューブ間に配置される複数のフィンとを有している。チューブ及びフィンは、ろう付けにより互いに接合されている。補強片は、チューブの積層方向におけるコア部の両端部にそれぞれ設けられている。特許文献１に記載の熱交換器では、その製造の際に、コア部及び補強片を仮組みした後、寸法のばらつきを抑制するために、熱交換器に対して補強片の外側からワイヤを巻き付けるとともに、このワイヤを結束することによりコア部を外側から押さえ付けて圧縮している。そして、ワイヤにより圧縮力を付与した状態のまま、熱交換器を炉内に投入することにより、チューブとフィンとをろう付けにより接合させている。

特公平６−５４１９９号公報

ところで、特許文献１に記載されるような熱交換器では、チューブとフィンとを接合させるためには、それらの寸法を厳しく管理して、チューブとフィンとの間の隙間を小さくするか、ワイヤの圧縮力をより大きくしてチューブとフィンとを接触させる方法が考えられる。しかしながら、このような方法を採用すると、寸法管理のために生産性が低下したり、圧縮力によりチューブやフィンに意図しない変形が発生したりし易くなる。仮にチューブやフィンの意図しない変形によりそれらの間に隙間が形成されると、その部分でチューブとフィンとがろう付けされ難くなるため、結果としてチューブとフィンとに未接合部分が形成されるおそれがある。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より確実にチューブとフィンとを接合させることの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熱交換器（１０）は、所定の隙間を有して積層配置される複数のチューブ（２１）と、隣り合うチューブの間の隙間に配置される複数のフィン（２２）と、を備える。フィンは、接合部（２２０）と、突出部（２２３，２２３ａ，２２３ｂ，２２４ａ，２２４ｂ，２２５）と、を有する。接合部は、チューブの外面に対向して配置され、チューブの外面にろう付けにより接合される。突出部は、接合部からチューブの外面に向かって突出している。突出部におけるチューブの外面に対向している部分（Ｐ，Ｐ１，Ｐ２）は、ろう付けによりチューブの外面（２１０）に接合される。

この構成によれば、チューブとフィンとをろう付けさせる際に、チューブとフィンの接合部との間に隙間が形成されていたとしても、フィンの突出部がチューブの外面に接触する。これにより、フィンの突出部とチューブの外面との接触部分がろう付け基点となって、チューブとフィンの接合部とがろう付けされるため、より確実にチューブとフィンとを接合させることが可能となる。

なお、上記手段、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。

本開示によれば、より確実にチューブとフィンとを接合させることの可能な熱交換器を提供できる。

図１は、第１実施形態の熱交換器の概略構成を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態のフィンの斜視構造を示す斜視図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図４は、第１実施形態の熱交換器の製造プロセスの一部を示す正面図である。 図５は、第１実施形態の熱交換器の製造時におけるチューブとフィンとの位置関係を示す断面図である。 図６は、第１実施形態の熱交換器の製造時におけるチューブとフィンとの位置関係を示す断面図である。 図７は、第１実施形態の熱交換器の製造時におけるチューブとフィンとの位置関係を示す断面図である。 図８は、第１実施形態の熱交換器の製造時におけるチューブとフィンとの位置関係を示す断面図である。 図９は、第１実施形態の変形例の熱交換器におけるフィンの斜視構造を示す斜視図である。 図１０は、第１実施形態の変形例の熱交換器におけるフィンの斜視構造を示す斜視図である。 図１１は、第１実施形態の変形例の熱交換器におけるフィンの斜視構造を示す斜視図である。 図１２は、第２実施形態の熱交換器におけるフィンの斜視構造を示す斜視図である。 図１３は、他の実施形態の熱交換器におけるチューブとフィンとの位置関係を示す断面図である。 図１４は、他の実施形態の熱交換器におけるチューブとフィンとの位置関係を示す断面図である。 図１５は、他の実施形態の熱交換器におけるフィンの接合部の拡大構造を示す斜視図である。 図１６は、他の実施形態の熱交換器におけるフィンの接合部の拡大構造を示す斜視図である。 図１７は、他の実施形態の熱交換器におけるフィンの接合部の拡大構造を示す斜視図である。 図１８は、他の実施形態の熱交換器におけるフィンの接合部の拡大構造を示す斜視図である。 図１９は、他の実施形態の熱交換器におけるフィンの接合部の拡大構造を示す斜視図である。

以下、熱交換器の実施形態について図面を参照しながら説明する。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。
＜第１実施形態＞
はじめに、第１実施形態の熱交換器について説明する。図１に示されるように、本実施形態の熱交換器１０は、コア部２０と、一対のタンク３０，３１と、一対のサイドプレート４０，４１とを備えている。

コア部２０は、複数のチューブ２１と、複数のフィン２２とにより構成されている。複数のチューブ２１は、矢印Ｘで示される方向に所定の隙間を有して積層配置されている。チューブ２１は、矢印Ｚで示される方向に長手方向を有する扁平状の管からなる。矢印Ｚで示される方向は、矢印Ｘで示される方向に直交する方向である。以下では、矢印Ｘで示される方向を「チューブ積層方向Ｘ」とも称し、矢印Ｚで示される方向を「チューブ長手方向Ｚ」とも称する。

チューブ２１の内部には、熱媒体の流れる流路が長手方向Ｚに延びるように形成されている。隣り合うチューブ２１，２１の間には、矢印Ｙで示される方向に空気が流れる。矢印Ｙで示される方向は、チューブ積層方向Ｘ及びチューブ長手方向Ｚの両方に直交する方向である。以下では、矢印Ｙで示される方向を「空気流れ方向Ｙ」とも称する。

フィン２２は、隣り合うチューブ２１，２１の間の隙間に配置されている。フィン２２は、薄く長い金属板をつづら折りに加工することにより形成される、いわゆるコルゲートフィンである。フィン２２は、隣り合うチューブ２１，２１のそれぞれの側面にろう付けにより接合されている。フィン２２は、隣り合うチューブ２１，２１の間の隙間を流れる空気との接触面積を増やすことにより、チューブ２１の内部を流れる熱媒体と空気との間の熱交換を促進させる機能を有している。

一対のタンク３０，３１は、コア部２０のチューブ長手方向Ｚの両端部にそれぞれ設けられている。一対のタンク３０，３１は、チューブ積層方向Ｘに延びるように形成されており、各チューブ２１の長手方向Ｚの両端部にそれぞれ連結されている。各タンク３０，３１の内部流路は、各チューブ２１の内部流路に連通されている。一方のタンク３０には、流入口３２が設けられている。流入口３２は、図中に矢印で示されるように一方のタンク３０の内部流路内に熱媒体を供給する部分である。他方のタンク３１には、流出口３３が設けられている。流出口３３は、図中に矢印で示されるように他方のタンク３１の内部流路内から熱媒体を排出する部分である。

一対のサイドプレート４０，４１は、コア部２０のチューブ積層方向Ｘの両端部にそれぞれ配置されている。一対のサイドプレート４０，４１は、チューブ長手方向Ｚに延びるように形成されており、一対のタンク３０，３１にそれぞれ連結されている。一対のサイドプレート４０，４１は、コア部２０を補強する機能を有している。

熱交換器１０では、一方のタンク３０の流入口３２から供給される熱媒体が当該タンク３０の内部流路を介して各チューブ２１の内部へと流れる。各チューブ２１の内部を流れる熱媒体は、隣り合うチューブ２１，２１の間の隙間を流れる空気と熱交換を行う。チューブ２１を通過することで熱交換を終えた熱媒体は、他方のタンク３１の内部流路を介して流出口３３から排出される。

次に、本実施形態のフィン２２の構造について詳しく説明する。
図２に示されるように、フィン２２は、チューブ長手方向Ｚに接合部２２０と平板部２２１とを交互に有している。フィン２２は、接合部２２０で折り曲げられることにより、全体としてつづら折り状に加工された形状を有している。フィン２２の幅方向は、空気流れ方向Ｙに平行である。また、フィン２２の長手方向は、チューブ長手方向Ｚに平行である。以下では、矢印Ｙで示される方向を「フィン幅方向Ｙ」とも称し、矢印Ｚで示される方向を「フィン長手方向Ｚ」とも称する。

平板部２２１には、複数のルーバ部２２２が形成されている。ルーバ部２２２は、平板部２２１に対して傾斜するように鎧窓状に切り起こされた部分である。このルーバ部２２２により、隣り合うチューブ２１，２１の間の隙間を流れる空気とフィン２２とが接触し易くなるため、結果的に熱交換器１０の熱交換性能を向上させることができる。

接合部２２０は、ろう付けによりチューブ２１に接合される部分である。図３に示されるように、接合部２２０は、チューブ２１の外面２１０に対向するとともに、チューブ２１の外面２１０に平行に形成されている。接合部２２０には、チューブ２１の外面２１０に向かって切り起こされた切り欠き部２２３が形成されている。切り欠き部２２３は、チューブ２１の外面２１０に対向する部分Ｐを有している。切り欠き部２２３は、フィン幅方向Ｙにおける一端部が切り起こされるように形成されている。本実施形態では、切り欠き部２２３が突出部に相当する。

次に、本実施形態の熱交換器１０の製造方法について説明する。
熱交換器１０を製造する際には、まず、図４に示されるように、コア部２０、タンク３０，３１、及びサイドプレート４０，４１を仮組みする。なお、図４では、コア部２０を構成するチューブ２１及びフィン２２の図示が割愛されている。この際、図５に示されるように、チューブ２１とフィン２２との間には所定の隙間が形成されている。また、チューブ２１、タンク３０，３１、及びサイドプレート４０，４１のそれぞれの外面には、ろう材が予め配置されている。

その後、図４に示されるように、サイドプレート４０，４１の外側からワイヤＷを巻き付けた後、ワイヤＷを締め付けることにより、チューブ積層方向Ｘの圧縮力をコア部２０に付与する。このワイヤＷの圧縮力により、サイドプレート４０，４１及びコア部２０がチューブ積層方向Ｘに変形して、図６に示されるようにチューブ２１とフィン２２との隙間が小さくなる。この際、フィン２２の切り欠き部２２３がチューブ２１に押されることにより、切り欠き部２２３が接合部２２０に向かって変形する。

ワイヤＷの圧縮力を更に増加させると、図７に示されるように、チューブ２１の外面２１０とフィン２２の接合部２２０とが接触する。このワイヤＷにより仮固定された熱交換器１０を炉に入れて加熱し、各部材のろう材を融解させることにより、ろう付けにより各部材が一体的に固定される。その後、熱交換器１０からワイヤＷを取り外すことにより、熱交換器１０の製造が完了する。

ところで、ワイヤＷの圧縮力を増加させたとしても、図８に示されるようにフィン２２の一部の接合部２２０とチューブ２１の外面２１０との間に隙間が形成される可能性がある。この場合、チューブ２１とフィン２２とを接合させるためには、それらの寸法を厳しく管理してチューブ２１とフィン２２との間の隙間を小さくするか、ワイヤＷの圧縮力をより大きくしてチューブ２１とフィン２２とを接触させる方法が考えられる。しかしながら、このような方法を採用すると、寸法管理のために生産性が低下したり、圧縮力によりチューブ２１やフィン２２に意図しない変形が発生したりし易くなるため、好ましくない。

この点、本実施形態の熱交換器１０では、図８に示されるようにフィン２２の一部の接合部２２０とチューブ２１の外面２１０との間に隙間が形成された場合でも、フィン２２の切り欠き部２２３がチューブ２１の外面２１０に接触する。より詳しくは、切り欠き部２２３におけるチューブ２１の外面２１０に対向している部分Ｐが、チューブ２１の外面２１０に接触する。そのため、炉内で各部材のろう材が融解する際に、切り欠き部２２３とチューブ２１の外面２１０との接触部分がろう付け基点となって、フィン２２がチューブ２１の外面２１０にろう付けにより接合される。これにより、より確実にフィン２２とチューブ２１とを接合させることができる。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（１）〜（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）フィン２２の切り欠き部２２３とチューブ２１の外面２１０との接触部分がろう付け基点となって、チューブ２１とフィン２２の接合部２２０とがろう付けされるため、より確実にチューブ２１とフィン２２とを接合させることが可能となる。また、チューブ２１とフィン２２との間の隙間の寸法的な制限を緩和することも可能である。

（２）切り欠き部２２３は、接合部２２０からチューブ２１の外面２１０に向かって切り起こされるように形成されている。これにより、ワイヤＷの圧縮力によりチューブ２１の外面２１０が切り欠き部２２３に押さえ付けられる際に、切り欠き部２２３が容易に変形する。したがって、ワイヤＷによりコア部２０を圧縮する際に、切り欠き部２２３からチューブ２１に加わる反力が小さくなる。よって、ワイヤＷの圧縮力が大きくなり過ぎることがないため、チューブ２１やフィン２２に意図しない変形が発生し難くなっている。

（３）切り欠き部２２３は、フィン幅方向Ｙにおける一端部が切り起こされるように形成されている。これにより、フィン長手方向Ｚの一端部を切り起こす場合と比較すると、切り欠き部２２３の切り起こし量を大きくすることができる。
（変形例）
次に、第１実施形態の熱交換器１０の変形例について説明する。

図９に示されるように、本変形例のフィン２２の接合部２２０には、２つの切り欠き部２２３ａ，２２３ｂがフィン幅方向Ｙに並ぶように形成されている。一方の切り欠き部２２３ａは、フィン幅方向Ｙにおけるフィン２２の外縁２２６ａに近い側の端部が切り起こされるように形成されている。他方の切り欠き部２２３ｂも、フィン幅方向Ｙにおけるフィン２２の外縁２２６ｂに近い側の端部が切り起こされるように形成されている。

このようにフィン２２の接合部２２０に複数の切り欠き部２２３ａ，２２３ｂが形成されていれば、ワイヤＷによりコア部２０に圧縮力を付与した際に、切り欠き部２２３ａ，２２３ｂのそれぞれの部分Ｐ１，Ｐ２がチューブ２１の外面２１０に接触する。すなわち、ろう付け基点を複数設けることができるため、より確実にチューブ２１とフィン２２とを接合させることが可能となる。

なお、図１０に示されるように、他方の切り欠き部２２３ｂは、フィン幅方向Ｙにおけるフィン２２の中央に近い側の端部が切り起こされるように形成されていてもよい。また、図１１に示されるように、切り欠き部２２３ａ，２２３ｂが共に、フィン幅方向Ｙにおけるフィン２２の中央に近い側の端部が切り起こされるように形成されていてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、熱交換器１０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態の熱交換器１０との相違点を中心に説明する。
図１２に示されるように、本実施形態のフィン２２の接合部２２０には、チューブ２１の外面２１０に向かって凸状に突出する凸部２２４ａ，２２４ｂがフィン幅方向Ｙに並ぶように形成されている。本実施形態では、凸部２２４ａ，２２４ｂが突出部に相当する。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（４）〜（６）に示される作用及び効果を得ることができる。
（４）チューブ２１とフィン２２とをろう付けさせる際に、チューブ２１とフィン２２の接合部２２０との間に隙間が形成されたとしても、フィン２２の凸部２２４ａ，２２４ｂがチューブ２１の外面２１０に接触する。より詳しくは、凸部２２４ａにおけるチューブ２１の外面２１０に対向している部分Ｐ１、及び凸部２２４ｂにおけるチューブ２１の外面２１０に対向している部分Ｐ２がチューブ２１の外面２１０に接触する。そのため、炉内で各部材のろう材が融解する際に、凸部２２４ａ，２２４ｂとチューブ２１の外面２１０との接触部分がろう付け基点となって、フィン２２がチューブ２１の外面２１０にろう付けにより接合される。これにより、より確実にフィン２２とチューブ２１とを接合させることができる。

（５）凸部２２４ａ，２２４ｂは、チューブ２１の外面２１０に向かって凸状に突出するように形成されている。これにより、ワイヤＷの圧縮力によりチューブ２１の外面２１０が凸部２２４ａ，２２４ｂに押さえ付けられる際に、凸部２２４ａ，２２４ｂが容易に変形する。したがって、ワイヤＷによりコア部２０を圧縮する際に、凸部２２４ａ，２２４ｂからチューブ２１に加わる反力が小さい。よって、ワイヤＷの圧縮力が大きくなり過ぎることがないため、チューブ２１やフィン２２に意図しない塑性変形が発生し難くなっている。

（６）チューブ２１の接合部２２０をプレス加工するだけで、接合部２２０に凸部２２４ａ，２２４ｂを形成することができる。よって、凸部２２４ａ，２２４ｂの形成が容易となる。
＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。

・第１実施形態及び第２実施形態の熱交換器１０の構成は、空気流れ方向Ｙに複数のチューブが並べて配置されている熱交換器にも適用可能である。例えば図１３に示されるように空気流れ方向Ｙに並べて２つのチューブ２１ａ，２１ｂが配置されている熱交換器では、図中に示されるようなフィン２２を用いることが可能である。このフィン２２の接合部２２０には、一方のチューブ２１ａの外面２１０ａに向かって突出する切り欠き部２２３ａと、他方のチューブ２１ｂの外面２１０ｂに向かって突出する切り欠き部２２３ｂとが形成されている。

・第１実施形態及び第２実施形態の熱交換器１０の構成は、内柱を有するチューブにより構成される熱交換器にも適用可能である。例えば図１４に示されるような内柱２１１を有するチューブ２１により構成される熱交換器では、図中に示されるようなフィン２２を用いることが可能である。チューブ２１の内部空間は、内柱２１１を挟んで第１内部空間Ｓ１と第２内部空間Ｓ２とに区画されている。フィン２２には、チューブ２１の外面２１０における第１内部空間Ｓ１に対応する部分に向かって突出する切り欠き部２２３ａと、チューブ２１の外面における第２内部空間Ｓ２に対応する部分に向かって突出する切り欠き部２２３ｂとが形成されている。

・フィン２２の接合部２２０に形成されている突出部の形状は、切り欠き部２２３，２２３ａ，２２３ｂや凸部２２４ａ，２２４ｂのような形状に限らず、適宜変更可能である。例えば図１５に示されるように、フィン２２の接合部２２０には、フィン長手方向Ｚの一端部がチューブ２１の外面２１０に向かって切り起こされるような切り欠き部２２５が形成されていてもよい。また、図１６に示されるように、フィン２２の接合部２２０には、フィン幅方向Ｙの中央部がチューブ２１の外面２１０に向かって切り起こされるような切り欠き部２２５が形成されていてもよい。さらに、図１７に示されるように、フィン２２の接合部２２０には、フィン長手方向Ｚの中央部がチューブ２１の外面２１０に向かって切り起こされるような切り欠き部２２５が形成されていてもよい。また、図１８に示されるように、フィン２２の接合部２２０には、フィン幅方向Ｙの中央部がチューブ２１の外面２１０に向かって湾曲するような切り欠き部２２５が形成されていてもよい。さらに、図１９に示されるように、フィン２２の接合部２２０には、フィン長手方向Ｚの中央部がチューブ２１の外面２１０に向かって湾曲するような切り欠き部２２５が形成されていてもよい。

・フィン２２の接合部２２０に形成されている切り欠き部等の数は、適宜変更可能である。すなわち、フィン２２の接合部２２０には、切り欠き部等が単数又は複数形成されていればよい。

・上記実施形態の熱交換器１０ではチューブ２１にろう材が配置されていたが、フィン２２にろう材が配置されていてもよいし、チューブ２１及びフィン２２の両方にろう材が配置されていてもよい。

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、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。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：部分
１０：熱交換器
２１：チューブ
２２：フィン
２１０：外面
２２０：接合部
２２３，２２３ａ，２２３ｂ，２２５：切り欠き部（突出部）
２２４ａ，２２４ｂ：凸部（突出部）

Claims (7)

1. 所定の隙間を有して積層配置される複数のチューブ（２１）と、
   隣り合うチューブの間の隙間に配置される複数のフィン（２２）と、を備え、
   前記フィンは、
   前記チューブの外面に対向して配置され、前記チューブの外面にろう付けにより接合される接合部（２２０）と、
   前記接合部から前記チューブの外面に向かって突出する突出部（２２３，２２３ａ，２２３ｂ，２２４ａ，２２４ｂ，２２５）と、を有し、
   前記突出部における前記チューブの外面に対向している部分（Ｐ，Ｐ１，Ｐ２）は、
   ろう付けにより前記チューブの外面（２１０）に接合されている
   熱交換器。
2. 前記接合部には、
   前記突出部が複数形成されている
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記突出部は、
   前記接合部から前記チューブの外面に向かって切り起こされた切り欠き部（２２３，２２３ａ，２２３ｂ，２２５）からなる
   請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記切り欠き部は、
   前記フィンの幅方向における一端部が切り起こされるように形成されている
   請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記切り欠き部は、
   前記フィンの幅方向における前記フィンの外縁に近い側の端部が切り起こされるように形成されている
   請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記切り欠き部は、
   前記フィンの幅方向における前記フィンの中央に近い側の端部が切り起こされるように形成されている
   請求項４に記載の熱交換器。
7. 前記突出部は、
   前記接合部から凸状に突出した凸部（２２４ａ，２２４ｂ）からなる
   請求項１又は２に記載の熱交換器。

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