JP2020143863A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器において、ろう付け時に生じるチューブ及びアウタフィンの接合不良を防止すること。【解決手段】熱交換器１００は、チューブ５及びアウタフィン３が並ぶ積層方向に延在してチューブ５の両端部５ａが結合されるヘッダプレート６を備える。ヘッダプレート６には、チューブ５の端部５ａが挿入される複数の孔１１が積層方向に所定のピッチＰ１〜Ｐｎを持って並ぶ。ヘッダプレート６の積層方向中央側に並ぶ孔１１のピッチＰ３は、ヘッダプレート６の積層方向端部側に並ぶ孔１１のピッチＰ２に比べて小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、複数のチューブ及びアウタフィンが交互に並んで積層される熱交換器に関する。

特許文献１に開示された熱交換器では、チューブ及びアウタフィンの積層方向外側に補強部材としてインサートが設けられる。熱交換器の製造時には、インサートによってチューブ及びアウタフィンが積層方向に圧縮された状態でろう付けが行われる。

特開２００５−６９５６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された熱交換器にあっては、積層されるチューブ及びアウタフィンの段数が多くなる場合に、ろう付け時に積層方向において中央部に位置するチューブ及びアウタフィンの圧縮力が不足し、チューブ及びアウタフィンの接合不良が生じる虞がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換器において、ろう付け時に生じるチューブ及びアウタフィンの接合不良を防止することを目的とする。

本発明のある態様によれば、熱交換器であって、内部に流体が流れる筒状の複数のチューブと、前記チューブの外面にろう付けによって接合され、前記チューブと交互に並んで積層されるアウタフィンと、前記チューブ及び前記アウタフィンが並ぶ積層方向に延在して前記チューブの両端部が結合されるヘッダプレートと、を備え、前記ヘッダプレートには前記チューブの端部が挿入される複数の孔が積層方向に並び、前記ヘッダプレートの積層方向中央側に並ぶ前記孔のピッチは、前記ヘッダプレートの積層方向端部側に並ぶ前記孔のピッチに比べて小さいことを特徴とする熱交換器が提供される。

上記態様によれば、ろう付けを行う前の工程では、チューブ及びアウタフィンを積層して組み立てた状態において、ヘッダプレートの積層方向中央側に並ぶチューブのピッチがヘッダプレートの積層方向端部側に並ぶチューブのピッチに比べて小さくなる。このため、ろう付けを行う工程では、チューブ及びアウタフィンが積層方向に圧縮された状態において、ろう材が溶融してチューブ及びアウタフィンの積層方向の寸法が減少しても、チューブ及びアウタフィンの圧縮量が確保される。こうして製造される熱交換器では、チューブ及びアウタフィンの積層段数が多いものであっても、ろう付け時に生じるチューブ及びアウタフィンの接合不良を防止できる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器を示す正面図である。 図２は、コアを示す断面図である。 図３は、ヘッダプレートを示す断面図である。 図４(Ａ)、図４(Ｂ)は、コアを形成する工程を示す図である。 図５は、ろう付け時にチューブ及びアウタフィンに生じる圧縮量を示すグラフである。

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。

図１は、本実施形態に係る熱交換器１００を示す正面図である。なお、説明の簡略化のため、熱交換器１００は一部を省略して図示している。

熱交換器１００は、車両用空調装置(図示省略)の冷凍サイクルに用いられる室外熱交換器(コンデンサ)である。

図１に示すように、熱交換器１００は、コア２と、コア２に冷媒を導く２つのタンク３０と、を備える。コア２では、タンク３０によって導かれる冷媒(流体)が流通し、冷媒と外気(流体)との間で熱交換が行われる。

コア２では、複数のチューブ５及びアウタフィン３が交互に並ぶように積層される。チューブ５は、冷媒を流通させる流路部材である。アウタフィン３は、チューブ５の熱を外気に伝える伝熱部材である。なお、便宜上、図１に図示したコア２は、積層されるチューブ５及びアウタフィン３の段数を実際より少なくしている。

コア２では、アウタフィン３より外側に２つのサイドプレート７が設けられる。サイドプレート７は、チューブ５及びアウタフィン３が並ぶ積層方向についてコア２の両端部の剛性を高める補強部材である。

さらに、コア２では、各チューブ５及び各サイドプレート７の長手方向両端部に２つのヘッダプレート６が結合される。ヘッダプレート６は、チューブ５及びアウタフィン３を両持ち支持し、かつタンク３０を構成する部材である。

コア２を構成する各部材は、アルミニウムなどの金属によって形成される。コア２は、各部材が互いにろう付けによって接合されて一体化したものである。

タンク３０は、ヘッダプレート６に組み付けられるタンク本体３１を備える。ヘッダプレート６とタンク本体３１との間には、各チューブ５に冷媒を導く流路が形成される。タンク本体３１には、冷媒を導く配管（図示省略）が接続される。

図２は、コア２の一部を示す断面図である。以下、チューブ５及びアウタフィン３が並ぶ軸方向を「積層方向」と呼んで説明する。

ヘッダプレート６は、チューブ５及びアウタフィン３が並ぶ積層方向に延在する。ヘッダプレート６は、積層方向に延在する平板状のパネル部１４と、パネル部１４の周縁部に窪む溝部１６と、溝部１６の周りに延在するカシメ部１７と、を有する。溝部１６には、タンク本体３１の開口端部(図示省略)が収まる。タンク本体３１の開口端部は、カシメ部１７を折り曲げることにより溝部１６に固定される。

パネル部１４には、複数の孔１１が積層方向に並んで開口する。各孔１１には、チューブ５の端部５ａ及びサイドプレート７の端部７ａがそれぞれ挿入される。

パネル部１４は、タンク３０の内部に面する内面１４ａと、タンク３０の外部に面する外面１４ｂと、を有する。

ヘッダプレート６は、パネル部１４の内面１４ａから環状に突出し、孔１１の周囲に形成されるバーリング部１５を有する。バーリング部１５の内周面１５ａは、パネル部１４の外面１４ｂから曲率半径Ｒの曲面状に湾曲する。

中空のチューブ５は、積層方向について扁平な筒状に形成される。チューブ５の端部５ａは、タンク３０の内部に開口する。チューブ５の外面５ｂは、タンク１０の外部に面する。

チューブ５の内部には、インナフィン４(伝熱部材)が設けられる。インナフィン４は、金属板を波板状に成形したものである。なお、インナフィン４は、波板状に限らず、他の形状であってもよい。

なお、コア２は、上記した構成に限らず、チューブ５の内部にインナフィンが設けられない構成であってもよい。

アウタフィン３は、金属板を波板状に成形したものである。なお、アウタフィン３は、波板状に限らず、他の形状であってもよい。

後述するように、アウタフィン３は、隣り合うチューブ５の間に挟まれて圧縮された状態でロウ付けされる。これにより、アウタフィン３の山状の山部３ａがチューブ５の外面５ｂに接合される。

図３は、ヘッダプレート６を示す断面図である。図３において、中心線Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、…、Ｏｎは、各孔１１の中心を通る中心線である。中心線Ｏｎは、積層方向についてヘッダプレート６(コア２)の中央部に位置する孔１１の中心を通る中心線である。積層方向に並ぶ各孔１１は、中心線Ｏｎについて対称に配置される。

図３において、ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、…、Ｐｎは、積層方向について隣り合う孔１１の中心間の距離(間隔)である。Ｐｎは、積層方向についてヘッダプレート６の中央部に位置して隣り合う孔１１の中心間の距離である。

ヘッダプレート６は、積層方向において中央側に並ぶ孔１１のピッチＰ３、Ｐ４、…、Ｐｎが、積層方向端部側(図３において上側及び下側)に並ぶ孔１１のピッチＰ１、Ｐ２に比べて小さくなるように形成される。ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、…、Ｐｎの関係は、次式で表される。
Ｐ１＝Ｐ２＞Ｐ３＝Ｐ４＝Ｐｎ

ヘッダプレート６は、積層方向において端部側に並ぶ孔１１のピッチＰ２と中央側に並ぶ孔１１のピッチＰ３との距離差Ｑは、バーリング部１５の曲率半径Ｒより小さくなるように形成される。ピッチＰ２、Ｐ３、距離差Ｑ、曲率半径Ｒの関係は、次式で表される。
Ｐ２−Ｐ３＝Ｑ＜Ｒ

距離差Ｑは、積層されるチューブ５及びアウタフィン３の段数、チューブ５及びアウタフィン３の剛性などに応じて任意に設定される。これにより、後述するように、ろう付け時にチューブ５及びアウタフィン３の圧縮量が確保されるようにする。

次に、図４(Ａ)、図４(Ｂ)を参照しながらコア２を形成する工程を説明する。

まず、組立治具（図示省略）を用いてチューブ５、アウタフィン３、及びサイドプレート７を積層して、積層体８を形成する。

続いて、図４(Ａ)に示すように、複数のワイヤ４０(治具)を用いて積層体８を拘束する。これにより、積層体８では、各サイドプレート７がワイヤ４０によって図４(Ａ)に矢印ａで示すように積層方向に押圧され、チューブ５及びアウタフィン３が積層方向に圧縮される。この状態において、積層体８のチューブ５は、積層方向について略一定のピッチ(中心間距離)を持って並ぶ。

続いて、各ヘッダプレート６を図４(Ａ)に矢印ｂで示すように移動して、各ヘッダプレート６の孔１１にサイドプレート７の両端部７ａ及びチューブ５の両端部５ａをそれぞれ挿入させる。

このときに、孔１１のピッチＰ３、Ｐ４、…、ＰｎがピッチＰ１、Ｐ２に比べて小さいため、サイドプレート７の端部７ａ及びこれに並ぶチューブ５の端部５ａは、孔１１の中心線Ｏ１、Ｏ２に対して所定距離Ｑだけオフセットされる。このオフセット量Ｑは、バーリング部１５の曲率半径Ｒより小さくなっているため、サイドプレート７の端部７ａ及びこれと並ぶチューブ５の端部５ａは、バーリング部１５の曲面状の内周面１５ａに摺接することで、孔１１に円滑に挿入される。このときに、チューブ５及びアウタフィン３は、弾性変形して所定位置に組み付けられる。

こうして、ヘッダプレート６が積層体８に組み付けられることにより、図４(Ｂ)に示すように組立体９が形成される。

続いて、組立体９を加熱炉(図示省略)に搬入し、加熱炉中において組立体９の各部材をろう付けによって接合する。組立体９では、ヘッダプレート６の積層方向中央側のピッチＰ３、Ｐ４、…、Ｐｎが積層方向の外側のピッチＰ１、Ｐ２に比べて小さく形成されているため、積層方向に並ぶチューブ５のピッチ(中心間距離)は積層方向の端部側より中央部側で小さくなっている。

チューブ５及びヘッダプレート６などは、金属材の表面がろう材によって被覆されたクラッド材が用いられる。ろう付け時に、組立体９は、ろう材が溶融して凝固することで、各部材が接合される。このときに、チューブ５は、表面のろう材が溶融して積層方向の寸法が減少するため、両サイドプレート７の間でチューブ５及びアウタフィン３が積層方向に圧縮される圧縮量が減少する。これに対処して、組立体９では、積層方向に並ぶチューブ５のピッチ(中心間距離)は積層方向の端部側より中央部側で小さくなっている。このため、ろう付け時にチューブ５の積層方向の寸法が減少が若干減少しても、チューブ５及びアウタフィン３の圧縮量が確保される。さらに、チューブ５の内部では、インナフィン４の圧縮量が確保される。こうして、組立体９では、各部材が接触圧力を受けて接合されることにより、高温下で各部材の変形や歪みが抑えられ、各部材の接合不良が防止される。

以上のようにして組立体９の各部材が接合されることにより、コア２が形成される。形成されたコア２のヘッダプレート６にタンク本体３１が組み付けられることにより、熱交換器１００が製造される。

製造された熱交換器１００は、車両に搭載される。熱交換器１００の作動時に、コア２では、チューブ５の内部を流通する冷媒と、チューブ５の外部を流れる外気と、の間で熱交換が行われる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態によれば、ヘッダプレート６の積層方向端部側に並ぶ孔１１のピッチ(中心間距離)Ｐ２に比べてヘッダプレート６の積層方向中央側に並ぶ孔１１のピッチＰ３が小さい熱交換器１００が提供される。

このように構成することで、ろう付け時(接合時)には、ろう材が溶融してチューブ５などの積層方向の寸法が若干減少しても、チューブ５及びアウタフィン３が積層方向に圧縮された状態が維持される。これにより、高温下のコア２では、チューブ５及びアウタフィン３に生じる歪みが抑えられ、チューブ５及びアウタフィン３が密着した状態で接合される。

図５のグラフには、比較例のコア２と本実施形態のコア２において、ろう付け時にろう材が溶融した状態で、積層方向の端部側から中央側にかけて１〜２５の順に並ぶ各チューブ５及びアウタフィン３に生じる圧縮量を示している。

比較例のコア２は、全ての孔１１のピッチが均等に設定されたものである。比較例のコア２にあっては、図５のグラフに示すように、積層方向の端部側から中央側にかけて圧縮量が急激に低下し、中央部において圧縮量が零になる。このため、積層方向の中央部では、チューブ５及びアウタフィン３の接合不良が生じる虞がある。

これに対して、本実施形態のコア２にあっては、図５のグラフに示すように、積層方向の端部側から中央側にかけて圧縮量が低下する分は低く抑えられ、積層方向の中央側においても十分な圧縮量が確保される。

こうして、本実施形態のコア２では、チューブ５及びアウタフィン３の積層段数が多い場合においても、積層方向の中央側においてもチューブ５及びアウタフィン３が圧縮されて密着した状態で接合される。こうして製造される熱交換器１００では、チューブ５及びアウタフィン３の接合不良が生じることを防止され、コア２の歩留まりを高められる。

また、本実施形態のコア２では、積層方向の端部側に並ぶ孔１１のピッチＰ２と中央側に並ぶ孔１１のピッチＰ３との距離差Ｑは、バーリング部１５の曲率半径Ｒより小さく形成される。

このように構成することで、積層体８にヘッダプレート６を組み付ける際に、チューブ５の端部５ａがバーリング部１５の曲面状の内周面１５ａに摺接して孔１１に円滑に挿入される。これにより、ヘッダプレート６に対するチューブ５の組み付け不良が生じることを防止できる。

次に、本実施形態に係る熱交換器１００の変形例について説明する。

熱交換器１００の変形例として、コア２では、ヘッダプレート６の積層方向端部側から積層方向中央側にかけて隣り合う孔１１のピッチＰ１〜Ｐｎがヘッダプレート６の積層方向端部側から積層方向中央側にかけて次第に小さく形成される。ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、…、Ｐｎの関係は、次式で表される。
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞…＞Ｐｎ

このように構成することで、コア２のろう付け時には、各チューブ５及びアウタフィン３に生じる圧縮量が均一化される。これにより、熱交換器１００では、チューブ５及びアウタフィン３の積層段数が多い場合においても、各チューブ５及びアウタフィン３が均等な圧力で密着した状態で接合される。

他の熱交換器１００の変形例として、コア２では、ヘッダプレート６の積層方向中央側のみで隣り合う孔１１のピッチＰ３〜Ｐｎがヘッダプレート６の積層方向端部側から積層方向中央側にかけて次第に小さく形成される構成としてもよい。この場合に、ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、…、Ｐｎの関係は、次式で表される。
Ｐ１＝Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞…＞Ｐｎ

このようにコア２において、孔１１のピッチを小さくする領域を任意に設定することにより、アウタフィン３の剛性や各部材の寸法公差に応じて各チューブ５及びアウタフィン３に生じる圧縮量が均一化される。これにより、熱交換器１００では、各チューブ５及びアウタフィン３を密着した状態で接合できる。

本発明は、室外熱交換器(コンデンサ)に限らず、車両に搭載されるラジエータ、オイルクーラ、インタクーラなどの熱交換器にも適用できる。また、車両以外に使用される熱交換器にも適用できる。

３ アウタフィン
５ チューブ
５ａ 端部
５ｂ 外面
６ ヘッダプレート
１１ 孔
１４ パネル部
１５ バーリング部
１５ａ 内周面
１００ 熱交換器

Claims (3)

1. 熱交換器であって、
   内部に流体が流れる筒状の複数のチューブと、
   前記チューブの外面にろう付けによって接合され、前記チューブと交互に並んで積層されるアウタフィンと、
   前記チューブ及び前記アウタフィンが並ぶ積層方向に延在して前記チューブの両端部が結合されるヘッダプレートと、を備え、
   前記ヘッダプレートには前記チューブの端部が挿入される複数の孔が積層方向に並び、
   前記ヘッダプレートの積層方向中央側に並ぶ前記孔のピッチは、前記ヘッダプレートの積層方向端部側に並ぶ前記孔のピッチに比べて小さい、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記ヘッダプレートは、前記孔のピッチが前記ヘッダプレートの積層方向端部側から積層方向中央側にかけて次第に小さくなる部位を有する、
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記ヘッダプレートは、
   積層方向に延在する板状のパネル部と、
   前記パネル部から環状に突出し、前記孔の周囲に形成されるバーリング部と、を有し、
   前記バーリング部は、前記パネル部から曲面状に湾曲する内周面を有し、
   前記ヘッダプレートの積層方向端部側に並ぶ前記孔のピッチと前記ヘッダプレートの積層方向中央側に並ぶ前記孔のピッチとの距離差は、前記内周面の曲率半径より小さい、
   ことを特徴とする熱交換器。

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