JP3804151B2 - 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、熱交換器において、流体通路を金属板の積層により形成する積層型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に積層型熱交換器（冷媒蒸発器）として特願平８−１８２３０７号を出願した。
このものは、冷媒の冷媒通路への流れ込みの偏りに起因する吹出温度の偏りを抑えるために、冷媒の流れ方を特徴にしたものである。
【０００３】
そして、このものにおける冷媒通路は、一対の窪んだプレートを最中状に合わせるようにしてロー付け接合することで形成されている。一対のプレートの中央部には、センターリブと言われる仕切り部が形成されており、一対のプレートが接合されると、仕切り部も接合されて、冷媒通路を送風方向の上流部と下流部の２つに仕切るようになっている。
【０００４】
つまり、先に出願したものでは、上記仕切り部によって上記冷媒通路での冷媒の流れ方は、以下のようになる。これを上記プレートの積層方向、および冷媒蒸発器１００を通過する空気の送風方向に基づき図１３を用いて簡単に説明する。
図１３に示すように、先ず、冷媒は冷媒蒸発器１００の送風方向の下流部から流入して、この下流部において紙面上下方向にて蛇行するように流れるとともに、積層方向で図中右側から左側に向かって流れる。そして、積層方向の図中左側でＵターンした後、送風方向の上流部において紙面上下方向に蛇行するとともに、積層方向で図中左側から右側に向かって流れる。
【０００５】
大まかに言うと冷媒通路が、冷媒が熱交換器を通過する空気の送風方向における下流部にて積層方向に流れた後にＵターンし、その後上記送風方向の上流部で積層方向に流れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の検討によれば、上述のような冷媒蒸発器１００では、上記仕切り部によって送風方向の上流部と下流部とで冷媒通路が２つに仕切られているので、仕切り部間の接合不良が発生すると冷媒蒸発器１００の性能上、致命的な欠陥となることが分かった。
【０００７】
つまり、上述したように冷媒通路が非常に複雑に形成されているので、冷媒蒸発器１００全体の冷媒流路抵抗が非常に大きい。そして、例えば冷媒蒸発器１００の最も冷媒上流側（例えば図中Ａ）で仕切り部が接合不良を起こすと、図１３中左側に冷媒が流れずに図１３中矢印Ｂに示すように冷媒が内部洩れしてショートサーキットしてしまい、冷媒蒸発器１００での冷房能力が低下するという問題が判明した。
【０００８】
この理由を以下に説明すると、通常の冷媒蒸発器では、完成後に液体中に浸し、この状態で内部にガス等を封入して、このガスが冷媒蒸発器１００外部に洩れだしていないかを検査することで、接合不良を検査することが一般的である。しかしながら、上述したような冷媒蒸発器１００では、冷媒主通路（矢印Ｘで示す流路）の接合不良であるか、上記内部洩れであるかは区別できないので、上記内部洩れの有無を確認することができない。
【０００９】
そこで、本発明は上記点に鑑みて、仕切り部の接合不良による内部洩れを容易に検査できる積層型熱交換器を提供することを目的とする。
【００１０】
【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に以下の技術的手段を採用する。請求項１ないし請求項３記載の発明では、チューブ（２）の流路（２ａ、２ｂ）が、仕切り部（４９）によって熱交換部（３）を通過する被熱交媒体の流れ方向にて２つに仕切られるように構成された積層型熱交換器（１）において、
仕切り部（４９）が切断されて、仕切り部（４９）が接合された接合部（４９ａ）を熱交換部（３）の外空間に露出させたことを特徴としている。
【００１１】
これにより、仮に、接合部に接合不良が発生していたとしても、積層型熱交換器形成後に、例えば積層型熱交換器を液体内に漬けた状態で、内部にガス等を封入して圧力をかければ、仕切り部（４９）が切断されて接合部が熱交換部の外部に露出しているので、この接合部からガスが洩れだす。この結果、容易に仕切り部の接合不良を検査でき、積層型熱交換器の著しい性能劣化を未然に防止できる。
【００１２】
さらに、請求項１記載の発明では、接合部（４９ａ）は、仕切り部（４９）が切断されることで、熱交換部（３）の外空間に露出されており、さらに接合部（４９ａ）が切断された２つの切断面（４９ｃ）は、ほぼ同一平面上にあることを特徴としている。
ところで、請求項１でいうように接合部を熱交換部の外部に露出する手段として、接合部を貫通するようにして穴を設けることが考えられる。しかしながら、このようにすると以下の問題が発生する。
【００１３】
つまり、上記穴は、仕切り部の接合面積を確保しながら形成しなければならないので、穴を形成するためには仕切り部の幅を余分に大きくとる必要がある。これによってプレートの幅が大きくなり、ひいては積層型熱交換器自体の体格が大きくなってしまう。
そこで、請求項１によれば、接合部の切断面がほぼ同一平面上となるように形成されているので、上記穴を形成する場合に比べて仕切り部の幅を小さくでき、ひいては積層型熱交換器の体格を小さくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
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１２は本発明積層型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（以下、蒸発器）に適用した場合を示している。
【００１５】
図１、図２は蒸発器１の全体構成を示しており、蒸発器１は図１、２の上下方向を上下にして、図示しない自動車用空調装置のクーリングユニットケース内に設置される。蒸発器１の左右方向の一端側（右端側）には配管ジョイント８が配設され、この配管ジョイント８の入口パイプ８ａには、図示しない温度作動式膨張弁（減圧手段）の出口側配管が連結され、この膨張弁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。
【００１６】
この蒸発器１は、多数のチューブ２を並列配置し、このチューブ２内の冷媒通路を流れる冷媒（熱交換媒体）とチューブ２の外部を流れる空調用送風空気（被熱交換媒体）とを熱交換させる熱交換部３を備えている。図中、矢印Ａは蒸発器１を通過する送風空気の流れ方向を示す。
上記チューブ２は、図３に示す金属薄板（金属プレート）４の積層構造により形成されている。なお、図３は、図１、２に対応する金属薄板４の形状を模式的に表したものであり、以下この積層構造の概略を説明する。
【００１７】
熱交換部３では、金属薄板４として、例えば、アルミニュウム心材（Ａ３０００番系の材料）の両面にろう材（Ａ４０００番系の材料）をクラッドした両面クラッド材（板厚：０．４〜０．６ｍｍ程度）を用い、この両面クラッド材を図３に示す所定形状に成形して、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。
【００１８】
従って、各チューブ２は、金属薄板４を２枚１組として最中状に組み合わせた状態で接合することにより形成されており、そして、各チューブ２の内部には上記冷媒が流れる風上側の冷媒通路２ａと風下側の冷媒通路２ｂが、金属薄板長手方向に沿って平行に形成される。
また、図３に示す金属薄板４はチューブ２の大部分を構成する基本の薄板であり、その上下両端部には、上記冷媒通路２ａ相互の間、冷媒通路２ｂ相互の間をそれぞれ連通させる連通穴４１、４２を持った入口タンク部４３、４４、および連通穴４５、４６を持った出口タンク部４７、４８が２個づつ並んで形成されている。これらのタンク部４３、４４、４７、４８はそれぞれ金属薄板４の外方側へ突出する楕円筒状の突出部にて形成されている。
【００１９】
図３中４９は風上側の冷媒通路２ａと風下側の冷媒通路２ｂとを仕切る仕切り部をなすセンターリブであり、本例では冷媒通路２ａと冷媒通路２ｂとを同一幅寸法となるように仕切っている。なお、このセンターリブ４９の幅（図３中幅ｂ）は、本実施形態では４ｍｍとなっている。また、センターリブ４９には、図３には図示されていないが、後述のスリット部３００が形成される。
【００２０】
また、熱交換部３において、図１、２に示すように隣接するチューブ２の外面側相互の間隙にコルゲートフィン（フィン手段）７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７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。
熱交換部３の金属薄板積層方向の一端部（図１の左端部、図２では右端部）に位置する金属薄板からなるサイドプレート９およびこれに接合されるエンドプレート１０、さらに金属薄板積層方向の他端部（図１の右端部、図２では左端部）に位置する金属薄板からなるサイドプレート１１およびこれに接合されるエンドプレート１２も、本例では、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９、１０、１１、１２は強度確保のため、上記金属薄板４より厚肉、例えば１．０〜１．６ｍｍ程度の板厚にしてある。
【００２１】
エンドプレート１０、１２は、図４、５に示すように、外方側へ突出する複数の張出部１０ａ、１２ａを有している。この張出部１０ａ、１２ａは、図５の例では断面矩形状に成形されており、エンドプレート１０、１２の長手方向に沿って並列に成形されている。そして、この張出部１０ａ、１２ａとサイドプレート９、１１の平坦面との間に形成される空間により、冷媒通路（流体通路）１３、１５が形成される。
【００２２】
一方、複数の張出部１０ａ、１２ａの間には帯状に延びる接合部１０ｂ、１２ｂが形成され、この接合部１０ｂ、１２ｂは、サイドプレート９、１１の平坦面に当接し、サイドプレート９、１１に接合される。
図２左端部のサイドプレート１１の上下の端部には、それぞれタンク部１１ａ、タンク部１１ｂが形成されており、この両タンク部１１ａ、１１ｂはサイドプレート１１の幅方向に沿って延びる細長の１つの椀状部から形成されており、かつ、タンク部１１ａには連通穴１１ｃが、また、タンク部１１ｂには連通穴１１ｄがそれぞれ開口形成されている。
【００２３】
張出部１２ａにより構成される冷媒通路１３の下端部はサイドプレート１１の下端部のタンク部１１ｂの連通穴１１ｄを介して、図３の金属薄板４の下端部の入口タンク４４の連通穴４２と連通する。また、冷媒通路１３の上端部はサイドプレート１１の上端部のタンク部１１ａの連通穴１１ｃを介して、図３の金属薄板４の上端部の出口タンク４７の連通穴４５と連通する。
【００２４】
図１左端部のサイドプレート９は上記図２左端部のサイドプレート１１と略同一形状であるので、詳細な説明は省略する。また、図１左端部のエンドプレート１０は、図１に示すように、配管ジョイント８の下方側に上記張出部１０ａが形成され、また、配管ジョイント８の上方側に別の張出部１０ｃが形成されている。この別の張出部１０ｃは上記張出部１０ａとは異なり、１つの椀状部から形成されている。
【００２５】
張出部１０ｃと張出部１０ａとの間は、冷媒通路的には分断されている。そして、張出部１０ｃの内側と図１左端部のサイドプレート９との間に形成される空間により冷媒通路１４（図６参照）を形成している。
この冷媒通路１４は、サイドプレート９の出口タンク９ａの連通穴（図示せず）を介して金属薄板４の上側出口タンク４７の連通穴４５と連通するとともに、配管ジョイント８の冷媒出口パイプ８ｂに連通する。下側の張出部１０ａにより構成される冷媒通路１５の上端部は、配管ジョイント８の冷媒入口パイプ８ａに連通し、冷媒通路１５の下端部は、サイドプレート９の入口タンク９ｂの連通穴（図示せず）を介して金属薄板４の下側入口タンク４４の連通穴４２に連通する。
【００２６】
ここで、サイドプレート９の出口タンク９ａおよび入口タンク９ｂの形状は図１に明瞭に図示してないが、サイドプレート１１の上下のタンク部１１ａ、１１ｂと同様の形状である。
なお、配管ジョイント８は例えば、Ａ６０００番系のアルミニュウムベア材にて冷媒入口パイプ８ａと冷媒出口パイプ８ｂを一体成形してあり、この両パイプ８ａ、８ｂの通路端部をエンドプレート１０の穴部（図示せず）内に嵌入してろう付けしている。この配管ジョイント８の冷媒入口パイプ８ａには、前述した通り図示しない膨張弁の出口側冷媒配管が連結され、一方、冷媒出口パイプ８ｂには、蒸発器１で蒸発したガス冷媒を圧縮機（図示せず）へ吸入させる圧縮機吸入配管が連結される。
【００２７】
図６は蒸発器１内における冷媒通路の構成を示す概要図であり、図２の図示状態に対応して作成してある。金属薄板４の下側入口タンク４４の途中および上側出口タンク４７の途中に、それぞれ仕切り部５１、５２を設けている。一方の仕切り部５１は、金属薄板として、図３に示す下側入口タンク４４の連通穴４２を閉塞したものを用いることにより形成できる。また、他方の仕切り部５２は、金属薄板として、図３に示す上側出口タンク４７の連通穴４５を閉塞したものを用いることにより形成できる。
【００２８】
上記仕切り部５１、５２の配置により、金属薄板４の下側入口タンク４４を第１入口タンク部ａと第２入口タンク部ｂとに仕切るとともに、金属薄板４の上側出口タンク４７を第１出口タンク部ｃと第２出口タンク部ｄとに仕切ることができる。
これにより、本実施形態では、冷媒の流れ方は 大まかに言うと冷媒通路が、冷媒が熱交換器を通過する空気の送風方向における下流部にて積層方向に流れた後にＵターンし、その後上記送風方向の上流部で積層方向に流れる。
【００２９】
つまり、先ず、冷媒は、蒸発器１の送風方向の下流部から流入して、この下流部において紙面上下方向にて蛇行するように流れるとともに、積層方向で図中右側から左側に向かって流れる。
そして、積層方向の図中左側でＵターンした後、送風方向の上流部において紙面上下方向に蛇行するとともに、積層方向で図中左側から右側に向かって流れる。
【００３０】
さらに具体的にいうと、冷媒は、冷媒入口パイプ８ａ→冷媒通路１５→下側入口タンク４４の第１入口タンク部ａ→チューブ２の冷媒通路２ｂ→上側入口タンク４３→チューブ２の冷媒通路２ｂ→下側入口タンク４４の第２入口タンク部ｂ→冷媒通路１３→上側出口タンク４７の第１出口タンク部ｃ→チューブ２の冷媒通路２ａ→下側出口タンク４８→チューブ２の冷媒通路２ａ→上側出口タンク４７の第２出口タンク部ｄ→冷媒通路１４→冷媒出口パイプ８ｂの経路で流れる。
【００３１】
このように、冷媒経路を構成することにより、矢印Ａ方向に流れる空気の蒸発器吹出空気温度を熱交換部３の全域にわって均一化できる。
また、上記した蒸発器構成によれば、金属薄板４の積層方向の両端部に位置するコルゲートフィン７の更に外側にも、サイドプレート９、１１とエンドプレート１０、１２から構成される冷媒通路１３、１４、１５を構成しているから、この積層方向両端部のコルゲートフィン７の熱は、図７に示すように、チューブ２内の冷媒および冷媒通路１３、１４、１５内の冷媒の両方に吸熱されため、両端部のコルゲートフィン７における伝熱性能を向上できる。
【００３２】
本実施形態の冷媒蒸発器の製造方法を簡単に説明すると、最初に、金属薄板４、コルゲートフィン７、サイドプレート９、１１、およびエンドプレート１０、１２を積層し、さらに、配管ジョイント８をエンドプレート１０に組付けて、図１、２に示す所定の熱交換器構造となるように仮組する。
次に、金属薄板４の積層方向に延びるワイヤー６０、６１によりエンドプレート１０、１２の外側から熱交換器構造の組付体を締めつけて、この組付体の組付姿勢を保持する。
【００３３】
次に、この組付姿勢を保持した状態で、ろう付け炉内に組付体を搬入し、このろう付け炉内にて、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、組付体各部の接合箇所を一体ろう付けする。これにより、蒸発器１全体の組付を完了する。
ところで、上述したように蒸発器１がろう付けされると、最中合わせ状となる２枚の金属薄板４のセンターリブ４９同志がろう付けされる。これにより、上述したように図６に示すように冷媒が、送風方向Ａの下流部において金属薄板４の積層方向の一端部に向かって紙面上下方向に蛇行しながら流れたのち、この積層方向の他端部にてＵターンするように流れる。その後、冷媒は、上記積層方向の一端部に向かって紙面上方に蛇行しながら流れて、８ｂから蒸発器１外部に導出される。
【００３４】
従って、本実施形態ではこのように冷媒の流れ方が非常に複雑で、冷媒流路２ａ、２ｂの流路長さが非常に長いため、冷媒の流路抵抗が非常に大きい。これにより、上記「発明が解決しようとする課題」にて述べたようにセンターリブ４９のろう付け不良（接合不良）が発生すると、蒸発器１の性能上、致命的な欠陥となる。
【００３５】
つまり、上述したように冷媒の流路通路が非常に複雑に形成されているので、例えば蒸発器１の最も冷媒取入側である図６中右側で、上記接合不良を起こすと、図６中矢印Ｂに示すように冷媒が内部洩れしてショートサーキットしてしまい、蒸発器１での冷房能力が低下する。
そこで、本実施形態では、この内部洩れを容易に検査するために、上述したように蒸発器１を組付ける前に、図１０に示すようにセンターリブ４９に上述のスリット部３００をシァーリング加工によって形成しておく。なお、このスリット部３００は、図１０に示すように金属薄板４の長手方向の両端部を除いて形成される。
【００３６】
以下、これについて図７〜１０にて説明する。図１０は、一対の金属薄板４を分離した状態における単体図である。
本実施形態では、先ず、図７に示すように２枚の金属薄板４を組み合わせた状態で、シァーリング加工機２００（一部のみ図示）の下型２０１に設置する。なお、この際、この下型２０１によって、上記２枚の金属薄板４が所定の位置に位置決めされるとともに、金属薄板４が保持される。
【００３７】
そして、その後、図７に示すように上型２０２を図中上方から下方に向かって作動させることにより、上型２０２に設けられた山状の金属刃２０２ａと、下型２０１に設けられた山状の金属刃２０１ａとがかみ合う（実際にはかみ合わない）ようにして、２つのセンターリブ４９の接合部４９ａが中央部で切断される。
具体的には、金属刃２０１ａの斜面部２０１ｂによって、図７中右側の接合部４９ａが図８の矢印Ｅで示すように上方に変形されるとともに、金属刃２０２ｂの斜面部２０２ｂによって、図７中左側の接合部４９ａが図８の矢印Ｆで示すように上方に変形される。これにて、接合部４９ａが切断されて２つの接合部分４９ｂ（図８、図９）が形成される。 また、この際、図８に示すように上型２０２および下型２０１にて図中左側の接合部分４９ｂは、上述したように金属薄板４を仮組するときに良好に接するような形状になる。従って、接合部分は、上記ろう付けによって良好に接合される。
【００３８】
このように、シァーリング加工によりスリット部３００は、センターリブ４９の板厚方向へ貫通するように形成されて、図８、９に示すように接合部４９ａが切断されることで、２つの切断面４９ｃができ、この２つの切断面４９ｃは金属薄板４の外部に露出することになる。
また、金属刃２０１ａ、２０２ｂによって形成された２つの切断面４９ｃは、図９中Ｇで示すように同一平面上に形成される。
【００３９】
従って、仮に、この接合部４９ａに接合不良が発生していたとしても、蒸発器１全体のロウー付け後に、蒸発器１を液体内に漬けた状態で、内部に窒素ガス等を封入して圧力をかけることで、金属薄板４の外部に露出した切断面４９ｃから窒素ガスが洩れだす。この結果、容易にセンターリブ４９の接合不良を検査でき、蒸発器１の著しい性能劣化を未然に防止できる。
【００４０】
また、さらに本実施形態では、以下のような効果がある。このように接合部４９ａの切断面４９ｃを金属薄板４の外部に露出する手段として、例えば、図７中２つの接合部４９ａを板厚方向に貫通するようにして、穴を設けることをが考えられる。しかしながら、このようにすると以下の問題が発生する。
つまり、上記穴を形成するには、センターリブ４９の接合面積をある程度以上確保するためにセンターリブ４９の幅（図３中ｂで示す幅）を大きくとる必要がある。しかしながら、これによって金属薄板４の幅（送風方向の幅）が大きくなることで、蒸発器１自体の体格が大きくなってしまう。
【００４１】
そこで、本実施形態では、上述したようにシァーリング加工によって、切断面４９ｃが図８中Ｇで示すようにほぼ同一平面上となるように形成されているので、センターリブ４９の幅を小さくでき、蒸発器１の体格を小さくすることができる。
（変形例）上記実施形態では、接合部４９が２つに切断される際、２つの２つの接合部４９が互いに反対方向に変形するような形成としたが、図１１に示すようにシァーリング加工により、２つの接合部４９が直線上に並ぶように形成しても良い。
【００４２】
また、上記各実施形態では、図１０に示すようにスリット部３００をセンターリブ４９に１つ形成したが、図１２に示すように２つ形成しても良いし、２つ以上としても良い。また、上記各実施形態では、シァーリング加工によってスリット部３００を形成したが、形成方法はこれに限らない。
【００４３】
また、上記各実施形態では、シァーリング加工によって２枚の金属薄板４を組み合わせた後に接合部４９を切断したが、金属薄板４に一枚ずつスリット部３００を形成しても良い。
また、上記各実施形態では、積層型熱交換器として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て説明したが、本発明はこれに限らずどの様なタイプの積層型熱交換器に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態における冷媒蒸発器１の全体斜視図である。
【図２】上記各実施形態における冷媒蒸発器１の全体斜視図である。
【図３】上記各実施形態の金属薄板４の単体図である。
【図４】上記各実施形態におけるサイドプレートの構造を示した図である。図である。
【図５】上記各実施形態におけるサイドプレートの構造を示した図である。
【図６】上記各実施形態における冷媒蒸発器１の冷媒の流れ方を模式的に示した図である。
【図７】上記各実施形態におけるスリット部３００の形成工程を表す図である。
【図８】上記各実施形態におけるスリット部３００の形成工程を表す図である。
【図９】上記各実施形態におけるスリット部３００の構成を示す図である。
【図１０】上記各実施形態におけるスリット部３００が形成された金属薄板４の単体図である。
【図１１】本発明の他の実施形態におけるスリット部３００の形状を表す図である。
【図１２】本発明の他の実施形態におけるスリット部３００の形状を表す図である。
【図１３】先願の冷媒蒸発器の冷媒の流れ方を模式的に示した図である。
【符号の説明】
２ａ、２ｂ…冷媒通路、３…熱交換部、４…金属薄板、４９…センターリブ、４９ａ…接合部。

Claims (3)

1. 一対の金属プレート（４）が組み合わさることで、内部に熱交換媒体が流れる流路（２ａ、２ｂ）をなすチューブ（２）が形成されており、
   少なくとも前記チューブ（２）を積層することで、前記熱交換媒体と被熱交換媒体とを熱交換させる熱交換部（３）が構成されており、
   前記流路（２ａ、２ｂ）は、前記一対の金属プレート（４）のそれぞれに形成された仕切り部（４９）が互いに接合することで、前記仕切り部（４９）によって前記熱交換部（３）を通過する被熱交媒体の流れ方向にて２つに仕切られるように構成された積層型熱交換器（１）において、
   前記仕切り部（４９）が切断されて、前記仕切り部（４９）が接合された接合部（４９ａ）を、前記熱交換部（３）の外空間に露出させるとともに、
   前記接合部（４９ａ）が切断された２つの切断面（４９ｃ）は、ほぼ同一平面上にあることを特徴とする積層型熱交換器。
2. 前記接合部（４９ａ）は、前記仕切り部（４９）がシァーリング加工にて切断されることで、前記熱交換部（３）の外空間に露出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. 前記流路（２ａ、２ｂ）は、前記熱交換媒体が前記チューブ（２）を積層する積層方向の一端側から他端側に向かって流れたのち、この他端側にてＵターンして前記積層方向の一端側に戻るように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の積層型熱交換器。

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