JP3651091B2 - 積層型熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチューブを金属薄板の積層構造により形成するとともに、チューブ内に伝熱促進用のインナーフィンを配設する積層型熱交換器において、インナーフィン組付の位置決め構造に関するもので、冷凍サイクルの冷媒を蒸発させる蒸発器として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のインナーフィンを用いた積層型熱交換器としては、特開平６−７４６０８号公報、特開平６−７４６７７号公報、特開平６−１２３５８０号公報に記載されたものが知られている。
これらの公報記載の従来構造では、波形状のインナーフィンをチューブ内に配設するに際して、インナーフィン端部に相当するチューブ側の部位に、円形状に突出した突起を一体にプレス成形して、この突起によりインナーフィンのチューブ長手方向に対する位置決めを行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来構造では、チューブ内の流路空間が偏平状であり、その高さが低いため、チューブ側の円形状突起の大きさも必然的に小さなものとなってしまい、その結果、円形状突起が波形状のインナーフィンの山谷の凹所内に入り込み、インナーフィンの位置決めができない場合が生じる。また、円形状突起が波形状のインナーフィンの山谷の凹所内に入り込むことにより、インナーフィンの流体（冷媒等）流路が塞がれてしまい、チューブの圧力損失が増大する場合がある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、チューブを金属薄板の積層構造により形成する積層型熱交換器において、チューブ内における伝熱促進用のインナーフィンの位置決めを確実に行うとともに、インナーフィン通路の圧力損失の増大を最小限に抑制することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
すなわち、請求項１〜５記載の発明では、チューブ（２）を金属薄板（４）の積層構造により形成する積層型熱交換器において、
チューブ（２）内に、その内部を流れる流体の伝熱促進用のインナーフィン（１２）を配設するとともに、前記金属薄板（４）の少なくとも一端部に、チューブ（２）の流体通路（２ａ、２ｂ）への流体出入口部を構成するタンク部（４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）を一体成形し、
このタンク部（４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）と、前記チューブ（２）の流体通路（２ｂ）との接続部位に、インナーフィン（１２）の端面（１２ａ）に沿って前記チューブ（２）の幅方向に延びる段差（１４）を形成し、この段差（１４）にて前記インナーフィン（１２）の長手方向の位置決めを行うことを特徴としている。
【０００６】
このように構成することより、インナーフィン（１２）が波形状等に成形されていても、その波形状等の頂部又は底部が必ず段差（１４）に当接するので、この段差（１４）にてインナーフィン（１２）の長手方向の位置決めを確実に行うことができる。
また、インナーフィン（１２）の頂部、底部と段差（１４）との当接により位置決めを行う構成であるから、従来構造のごとく、インナーフィン（１２）の波形状の山谷部の凹所内に円形状の突起が入り込むといった不具合が発生せず、従って、内部流体の圧力損失を増大することなく、インナーフィン（１２）の長手方向の位置決めを行うことができる。
【０００７】
また、上記段差（１４）が補強リブの役割を果して、チューブ（２）の耐圧強度を向上できる。さらに、上記段差（１４）部分において、チューブ（２）内に流入する流体の流れに乱れを発生させて、流体とチューブ（２）との間の伝熱促進を図ることができ、伝熱性能を向上させることができる。
特に、請求項３記載の発明では、段差（１４）の高さ（ｈ）をインナーフィン（１２）の板厚の１〜３倍の高さとすることにより、上記作用をより一層効果的に発揮できるとともに、段差（１４）のプレス成形に伴う金属薄板（４）の部分的な薄肉化により耐食性低下が生じることも抑制できる。
【０００８】
また、請求項５記載の発明のごとく、金属薄板（４）相互間および金属薄板（４）とインナーフィン（１２）との間をろう付けにて一体に接合する積層型熱交換器では、段差（１４）の高さ（ｈ）をあまり高くすると、ろう付け時に溶融ろう材がインナーフィン（１２）の端面（１２ａ）部に集まって、インナーフィン（１２）の通路を閉塞することが発生するが、段差（１４）の高さ（ｈ）をインナーフィン（１２）の板厚の３倍以下とすることにより、このろう材によるインナーフィン（１２）通路の閉塞も抑制できる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１〜図９は本発明熱交換器を自動車用空調装置の冷凍サイクルにおける冷媒蒸発器に適用した一実施形態を示しており、蒸発器１には、図示しない温度作動式膨張弁（減圧手段）で減圧され膨張した低温低圧の気液２相冷媒が流入するようになっている。
【００１１】
この蒸発器１は、多数のチューブ（冷媒通路）２を並列に形成し、このチューブ２内を流れる冷媒（内部流体）とチューブ２の外部を流れる空調用送風空気（外部流体）とを熱交換させる熱交換部３を備えている。図３〜６の矢印Ａはこの送風空気の流れ方向を示す。
この熱交換部３は図６に示す金属薄板４の積層構造により形成されており、この積層構造の概略を以下説明すると、熱交換部３では、金属薄板４を所定形状（冷媒通路部となる部分が凹状に凹んだ形状）に成形して、これを２枚１組として多数組積層した上で、ろう付けにより接合することにより多数のチューブ２を並列に形成するものである。ここで、金属薄板４の材料としては、熱伝導率、耐食性、ろう付け性等に優れ、軽量であるアルミニュウムを用いており、具体的にはアルミニュウム心材（例えばＡ３００３のアルミニュウム合金材）の両面にろう材（例えばＡ４１０４のアルミニュウムろう材）をクラッドした両面クラッド材を用いている。ろう材のクラッド率は例えば板厚の１５％程度であり、また金属薄板４の板厚は０．４〜０．６ｍｍ程度である。
【００１２】
この多数のチューブ２内には、本例では、図５、６に示すように、金属薄板４の中央の突出壁４ａにより仕切られた第１、第２の２つの通路２ａ、２ｂがチューブ長手方向に対して並列に形成してある。そして、隣接するチューブ２相互の通路２ａ、２ｂをチューブ２の両端部（図１、５、６の上下端部）でそれぞれ互いに連通させるため、金属薄板４の両端部にはタンク部４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅが一体形成されている。従って、タンク部４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅはチューブ２の冷媒通路２ａ、２ｂへの冷媒出入口部を構成することになる。
【００１３】
これらのタンク部４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅはそれぞれ独立にチューブ２の外方側へ突出する円筒状突出部にて形成され、その突出部の頂部にそれぞれ連通穴４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉが開口している。
また、熱交換部３において、隣接するチューブ２の外面側相互の間隙にコルゲートフィン（フィン手段）５を接合して空気側の伝熱面積の増大を図っている。このコルゲートフィン５はＡ３００３のような、ろう材をクラッドしてないアルミニュウムベア材にて波形状に成形されている。
【００１４】
熱交換部３の金属薄板積層方向の一端部に位置する金属薄板４０およびこれに接合されるエンドプレート４１、さらに金属薄板積層方向の他端部に位置する金属薄板４２およびこれに接合されるエンドプレート４３（図１〜図４参照）も、上記金属薄板４と同様に両面クラッド材から成形されている。但し、これらの板材４０〜４３の板厚は強度確保のため、上記金属薄板４より厚肉、例えば１ｍｍ程度にしてある。
【００１５】
そして、一端部のエンドプレート４１には、図２（ｂ）に示すように、金属薄板積層方向の外方側へ突出する上側および下側の張出部４１ａ、４１ｂが形成してある。この上側および下側の張出部４１ａ、４１ｂは、それぞれ補強のため上下方向に延びる複数の凹凸形状にて構成されている。この張出部４１ａ、４１ｂと、熱交換部３の金属薄板積層方向の一端部に位置する金属薄板４０との間に形成される空間により、冷媒入口通路６および冷媒出口通路７（図５参照）を形成している。
【００１６】
また、一端部のエンドプレート４１の上下方向の中間部位には、外部冷媒回路との接続用配管ジョイント８を接合してある。この配管ジョイント８はＡ６０００番系のアルミニュウムベア材にて成形されている。
この配管ジョイント８には冷媒入口パイプ８ａと冷媒出口パイプ８ｂが一体成形されており、この両パイプ８ａ、８ｂの通路端部をエンドプレート４１の穴部（図示せず）内に嵌入してろう付けする。これにより、冷媒入口パイプ８ａは冷媒入口通路６と連通し、冷媒出口パイプ８ｂは冷媒出口通路７と連通している。この配管ジョイント８の冷媒入口パイプ８ａには、図示しない膨張弁の出口側冷媒配管が連結され、また、冷媒出口パイプ８ｂには、蒸発器で蒸発したガス冷媒を圧縮機（図示せず）側へ吸入させる圧縮機吸入配管が連結される。
【００１７】
一方、他端部のエンドプレート４３には金属薄板積層方向の外方側へ突出する張出部４３ａが形成してある。この張出部４３ａも、補強のため上下方向に延びる複数の凹凸形状にて構成されている。この張出部４３ａと、熱交換部３の金属薄板積層方向の他端部に位置する金属薄板４２との間に形成される空間により、タンク部４ｄとタンク部４ｅとを連通させる冷媒通路９（図５参照）、および図５の下方から上方へ冷媒を流す冷媒通路１０を形成している。
【００１８】
本例における熱交換部３では、タンク部４ｄの連通路の途中部位にこの連通路を遮断する仕切り板１１（図５参照）を設けている。従って、熱交換部３における冷媒通路は、配管ジョイント８の冷媒入口パイプ８ａ→冷媒入口通路６→図５の範囲Ｂ内のタンク部４ｄに至り、ここからチューブ２の第１通路２ａ内を上昇する。
【００１９】
そして、上部のタンク部４ｂにて冷媒通路は図５の右側から左側へ進み、図５の範囲Ｃ内のタンク部４ｂからチューブ２の第１通路２ａ内を下降し、範囲Ｃ内のタンク部４ｄに至り、他端部のエンドプレート４３と金属薄板４２との間に形成される冷媒通路９によりタンク部４ｅ側に連通する。そして、このタンク部４ｅ側から冷媒通路は、冷媒通路１０およびチューブ２の第２通路２ｂ内を上昇し、タンク部４ｃに至り、さらに、冷媒出口通路７を経て配管ジョイント８の冷媒出口パイプ８ｂに至る。
【００２０】
上記冷媒通路構成において、チューブ２の第１通路２ａ部分には、リブ４ｊが設けてある。このリブ４ｊは金属薄板４に一体に打ち出し成形されたもので、冷媒流れに対して斜めに形成されており、冷媒の流れを乱して冷媒側の熱伝達率を向上させるものである。
ところで、チューブ２の第２通路２ｂ部分には、インナーフィン１２が配設してある。このインナーフィン１２はＡ３００３のアルミニュウムベア材からなり、チューブ２の長手方向に平行な波形状に成形されている。そして、インナーフィン１２の波形状の底部、頂部は、金属薄板４、４の内壁面に当接して一体ろう付けされている。インナーフィン１２の板厚は具体的には０．０８〜０．１ｍｍ程度が適当であり、金属薄板４の板厚（０．４〜０．６ｍｍ）と比較すると、金属薄板４の板厚の１／５〜１／６である。
【００２１】
本実施形態では、このインナーフィン１２の長手方向（チューブ長手方向）に対する位置決めを行うために、以下の構造を採用している。すなわち、図７、８に示すように、タンク部４ｃ、４ｅとチューブ２の第２通路２ｂとの接続部位に、インナーフィン１２の端面１２ａに沿ってチューブ２の幅方向（図６の左右方向）に延びる段差１４を形成している。
【００２２】
より具体的に述べると、チューブ２の第２通路２ｂ側のタンク部４ｃ、４ｅのうち、第２通路２ｂ側から立ち上がる円弧状部１３の立ち上がり端部に、インナーフィン１２の端面１２ａに沿って延びる段差１４を形成している。この段差１４はインナーフィン１２の長手方向の位置決めを行うためのものであり、この段差１４の高さｈはインナーフィン１２の板厚の１〜３倍の高さとすることが好ましく、具体的には０．１〜０．３ｍｍ程度である。
【００２３】
段差１４の高さｈの下限値は、インナーフィン１２の長手方向の位置決めを確実に行うために、インナーフィン１２の板厚と同等以上に設定することが好ましい。また、段差１４の高さｈを高くすれば、それだけインナーフィン１２の位置決め効果は向上するが、その反面、段差１４をプレス成形にて形成する際、段差１４による材料の肉移動が発生して、金属薄板４に部分的に薄肉部分が形成される。そして、この薄肉化の程度が段差１４の高さｈの増加により大きくなると、金属薄板４の耐食性の低下を引き起こすことがある。
【００２４】
そこで、段差１４の高さｈの上限値をインナーフィン１２の板厚の３倍以下として、上記薄肉化による金属薄板４の耐食性の低下を抑制することが好ましい。なお、段差１４の高さｈを高くすると、蒸発器１のろう付け時に、溶融ろう材が毛細管現象によりインナーフィン１２の端面１２ａ部に集まって、インナーフィン１２の通路を閉塞する程度が拡大されるので、この通路閉塞を抑制するためにも、段差１４の高さｈをインナーフィン１２の板厚の３倍以下に設定することが好ましい。
【００２５】
上記した冷媒蒸発器１はろう付けにて組付けられるものであって、蒸発器１は図１〜図４に示す状態に積層して仮組付した後、その仮組付状態を適宜の治具にて保持して、ろう付け炉内に仮組付体を搬入する。次に、このろう付け炉内にて、仮組付体をアルミニュウム両面クラッド材のろう材の融点まで加熱して、蒸発器１各部の接合箇所を一体ろう付けする。
【００２６】
次に、上記構成において冷媒蒸発器１の作用を説明すると、冷媒蒸発器１内部において、冷媒は前述した経路（図５の矢印参照）にて流れ、この経路を流れる間に矢印Ａ方向に送風される空調空気から冷媒は吸熱して蒸発する。これにより、空調空気は冷却、除湿される。
本発明の要部はインナーフィン１２の位置決め構造にあるから、この部分の作用について詳述すると、チューブ２の第２通路２ｂ側のタンク部４ｃ、４ｅのうち、第２通路２ｂ側から立ち上がる円弧状部１３の立ち上がり端部に、インナーフィン１２の端面１２ａに沿って延びる段差１４を形成しているから、インナーフィン１２が波形状であっても、その波形状の頂部、底部が必ず段差１４に当接するので、この段差１４にてインナーフィン１２の長手方向の位置決めを確実に行うことができる。
【００２７】
また、従来構造のごとく、インナーフィン１２の波形状の凹所内に円形状の突起が入り込むといった不具合が発生せず、従って、第２通路２ｂ側の冷媒圧力損失を増大することなく、インナーフィン１２の長手方向を位置決めできる。
また、タンク部４ｃ、４ｅのうち、第２通路２ｂ側から立ち上がる円弧状部１３の立ち上がり端部に段差１４を形成しているので、この段差１４が補強リブの役割を果して、チューブ２の耐圧強度を向上できる。さらに、図９に示すように、上記段差１４部分において、チューブ２内に流入する冷媒の流れに乱れ（矢印Ｅ参照）を発生させて、冷媒とチューブ２との間の伝熱促進を図ることができ、伝熱性能を向上できる。
【００２８】
また、段差１４の高さｈをインナーフィン１２の板厚以上の高さとすることにより、上記位置決め作用をより確実に発揮でき、さらに、段差１４の高さｈをインナーフィン１２の板厚の３倍以下とすることにより、段差１４のプレス成形に伴う金属薄板４の部分的な薄肉化による耐食性低下を抑制できる。また、ろう付け時に、インナーフィン１２の通路がろう材により閉塞することも抑制できる。
（他の実施形態）
なお、本発明の要部はインナーフィン１２の位置決め構造にあるから、熱交換部３におけるチューブ構成等は種々変更してもよいことは勿論であり、例えば、上記実施形態では、チューブ２の第１通路２ａ側には、斜めリブ４ｊを形成し、インナーフィン１２を配設していないが、斜めリブ４ｊを廃止して、その代わりに第１通路２ａ側にもインナーフィン１２を配設してもよい。
【００２９】
また、インナーフィン１２として、波形状のものに限らず、例えば、矩形状の凹凸形状としたり、矩形状の凹凸形状をずらしたオフセットフィン等を使用することもできる。
また、上記実施形態では、金属薄板４の両端部に、それぞれ２個ずつのタンク部４ｂ、４ｃとタンク部４ｄ、４ｅとを設けているが、金属薄板４の両端部に、それぞれ１個ずつのタンク部を設ける構成であってもよい。また、金属薄板４の一端部に冷媒の入口側のタンク部と冷媒の出口側のタンク部とを設けて、金属薄板４の他端部で冷媒流れをＵターンさせる構成であってもよい。この金属薄板４の他端部で冷媒流れをＵターンさせる形式のものでは、このＵターン流路部分にインナーフィン１２の他端側の位置決めを行う段差を金属薄板４に一体成形すればよい。このように、冷媒通路構成は種々変更できる。
【００３０】
また、上記実施形態では、タンク部４ｃ、４ｅと、チューブ２の第２通路２ｂとの接続部位に、インナーフィン１２の端面１２ａに沿ってチューブ２の幅方向の全長にわたって段差１４を形成しているが、チューブ２の幅方向の一部に段差１４を形成しない部分を設けてもよく、このように変形しても、段差１４にてインナーフィン１２の長手方向の位置決めを確実に行うことができる。
【００３１】
また、本発明は冷媒蒸発器に限定されることなく、種々な流体の熱交換を行う熱交換器一般に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す蒸発器の正面図である。
【図２】（ａ）は図１の蒸発器の左側面図で、（ｂ）は図１の蒸発器の右側面図である。
【図３】図１の蒸発器の上面図である。
【図４】図１の蒸発器の底面図である。
【図５】図１の蒸発器の冷媒通路構成を示す概略分解斜視図である。
【図６】図１の蒸発器に用いられるチューブを構成する金属薄板の斜視図である。
【図７】図６の金属薄板のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】図１の蒸発器におけるインナーフィン端部の組付状態を示す斜視図である。
【図９】図１の蒸発器におけるインナーフィン端部における冷媒の流れ状態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１…蒸発器、２…チューブ、３…熱交換部、４、４０、４２…金属薄板、
４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ…タンク部、１２…インナーフィン、１３…円弧状部、１４…段差。

Claims (6)

1. チューブ（２）内を流れる内部流体と前記チューブ（２）の外部を流れる外部流体とを熱交換させる熱交換部（３）を有し、
   この熱交換部（３）のチューブ（２）を金属薄板（４）の積層構造により形成し、
   前記チューブ（２）内に、前記内部流体と前記チューブ（２）との間の伝熱を促進するインナーフィン（１２）を配設し、
   前記金属薄板（４）の少なくとも一端部に、前記チューブ（２）の流体通路（２ａ、２ｂ）への流体出入口部を構成するタンク部（４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）を一体成形し、
   このタンク部（４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）と、前記チューブ（２）の流体通路（２ｂ）との接続部位に、インナーフィン（１２）の端面（１２ａ）に沿って前記チューブ（２）の幅方向に延びる段差（１４）を形成し、この段差（１４）にて前記インナーフィン（１２）の長手方向の位置決めを行うことを特徴とする積層型熱交換器。
2. 前記段差（１４）は、前記タンク部（４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）のうち、前記チューブ（２）の流体通路（２ｂ）側から立ち上がる円弧状部（１３）の立ち上がり端部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型熱交換器。
3. 前記段差（１４）の高さ（ｈ）は、前記インナーフィン（１２）の板厚の１〜３倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型熱交換器。
4. 前記インナーフィン（１２）の板厚は前記金属薄板（４）の板厚の１／５以下であることを特徴とする請求項３に記載の積層型熱交換器。
5. 前記金属薄板（４）はろう材をクラッドしたアルミニュウムクラッド材からなり、前記インナーフィン（１２）はろう材をクラッドしてないアルミニュウムベア材からなり、
   前記金属薄板（４）相互間および前記金属薄板（４）と前記インナーフィン（１２）との間がろう付けにて一体に接合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の積層型熱交換器。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の積層型熱交換器において、前記内部流体は冷凍サイクルの冷媒であり、この冷媒と外部流体とを熱交換させて、冷媒を蒸発させるようにしたことを特徴とする冷媒蒸発器。

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