JP3823603B2

JP3823603B2 - アルミニウム熱交換器およびその製造方法

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Publication number: JP3823603B2
Application number: JP12909499A
Authority: JP
Inventors: 吉治梶川; 悟志松浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2019-05-10
Also published as: JP2000320992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろう付けにより組み立てられるアルミニウム熱交換器およびその製造方法に関するもので、車両用空調装置の凝縮器に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の凝縮器（熱交換器）のサイドプレート２０近傍の構成を示すもので、多数の冷媒通路穴１４ａを有する多穴偏平チューブ１４を積層配置し、このチューブ１４の積層方向両端に、断面コ字状にプレス成形されたサイドプレート２０（一方のみ図示）を配置し、チューブ１４相互の間、およびチューブ１４とサイドプレート２０との間に、ろう材をクラッドしたアルミニウムクラッド材にて形成したフィン１５を配置する構成になっている。
【０００３】
そして、チューブ１４、サイドプレート２０、フィン１５等を所定構造に組み付けた後に、組付体をろう材の融点まで加熱して、組付体全体を一体ろう付けしている。この場合、ろう付け接合部のフィレットの大きさは、フィン１５のろう材のクラッド率から決まり、従って各部のフィレットは同じ大きさになっている。
【０００４】
一方、サイドプレート２０にはブラケットの一部をなすプレート２１ａがボルト２３により組み付けられており、凝縮器はブラケットを介して車両に取り付けられる。従って、サイドプレート２０は強度確保のために板厚の厚い板が用いられ、それ故、サイドプレート２０の曲げ部の外側半径Ｒｓも大きくなり、チューブ１４の端部の半径Ｒｔと比較すると、必然的にＲｓ＞Ｒｔとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにＲｓ＞Ｒｔの場合、サイドプレート２０とフィン１５との接合部の空気流れ方向ｃの長さが、チューブ１４とフィン１５との接合部長さよりも短くなってしまい、それに伴いサイドプレート２０とフィン１５との接合部面積も小さくなる。
【０００６】
従って、熱交換器に外力が作用した場合、サイドプレート２０とフィン１５との接合部の応力が、チューブ１４とフィン１５との接合部の応力よりも高くなり、サイドプレート２０と接合されているフィン１５が最初に破損しやすいという問題があった。
本発明は上記点に鑑み、サイドプレートと接合されるフィンの破損を防止し、熱交換器の耐久性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１および２に記載の発明では、フィン（１５）をチューブ（１４）およびサイドプレート（１９、２０）にろう付け接合したアルミニウム熱交換器において、
サイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）との接合部の第１フィレット（２４）を、チューブ（１４）とフィン（１５）との接合部の第２フィレット（２５）よりも大きくしたことを特徴としている。
【０００８】
これによると、サイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）との接合部面積を増加させてその部位の強度を増加させることができるため、サイドプレート（１９、２０）と接合されるフィン（１５）の破損を防止して、熱交換器の耐久性を向上させることができる。
また、フィレットを大きくした場合、ろう材の使用量や通風抵抗の増加を招いてしまうが、サイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）との接合部のフィレット（２４）のみを大きくすることにより、高価なろう材の使用量や通風抵抗の増加を最小に抑えることができる。
【０００９】
また、請求項３〜５に記載の発明では、サイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）との接合部に保持されるろう材の量を、チューブ（１４）とフィン（１５）との接合部に保持されるろう材の量よりも多くした状態で、チューブ（１４）およびサイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）とをろう付け接合することを特徴としている。
【００１０】
これによると、サイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）との接合部のフィレット（２４）を大きくすることができ、従って、請求項１と同様の効果を得ることができる。
請求項４に記載の発明では、フィン（１５）をベア材にて形成するとともに、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）にろう材を保持させ、その後、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）とを所定構造に組み付けて、ろう付け接合を行うことを特徴としている。
【００１１】
これによると、例えば接合部位に応じてろう材の量を変えるために、フィン（１５）を両面クラッド材とし、そのうちサイドプレート（１９、２０）と接合されるフィンのろう材の量（クラッド率）を多くする方法も可能であるが、この場合２種類のフィンが必要になるのに対し、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）にろう材を保持させる方法によれば、チューブ（１４）相互の間に配置されるフィン（１５）と、サイドプレート（１９、２０）側に配置されるフィン（１５）は、いずれもベア材で形成して同じものを使用することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、チューブ（１４）は押し出し多穴チューブであり、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）とをベア材にて形成し、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）にろう材を塗布した後、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）とフィン（１５）とを所定構造に組み付けて、ろう付け接合を行うことを特徴としている。
【００１３】
これによると、チューブ（１４）とサイドプレート（１９、２０）にろう材を塗布するため、クラッド材の使用が困難な押し出し多穴チューブ（１４）の場合でも容易に実施可能である。また、チューブ（１４）相互の間に配置されるフィン（１５）と、サイドプレート（１９、２０）側に配置されるフィン（１５）は、いずれもベア材で形成して同じものを使用することができる。
【００１４】
なお、本明細書におけるろう材の量とは、ろう材を塗布或いはクラッドした部位の面積と、その部位に塗布或いはクラッドしたろう材の重量とから求めた、単位面積当たりの重量をいう。
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ものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は本発明を車両用空調装置の凝縮器（熱交換器）に適用した例を示すもので、凝縮器１０は車両用空調装置の冷凍サイクルにおいて圧縮機（図示せず）から吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒を冷却して凝縮させるものである。
【００１６】
凝縮器１０は、所定間隔を開けて配置された第１、第２の一対のヘッダタンク１１、１２を有し、この第１、第２ヘッダタンク１１、１２はアルミニウム製で、上下方向に略円筒状に延びる形状になっている。この第１、第２ヘッダタンク１１、１２の間に熱交換用のコア部１３を配置している。
本例の凝縮器１０は、一般にマルチフロータイプと称されているものであって、コア部１３は第１、第２ヘッダタンク１１、１２の間で、水平方向に冷媒を流す偏平状のチューブ１４を上下方向に多数並列配置し、この多数のチューブ１４の間にフィン１５を介在して接合している。ここで、チューブ１４は、図３に示す従来のチューブと同様に、多数の冷媒通路穴１４ａをアルミニウムの押し出し加工で成形した押し出し多穴偏平チューブである。また、フィン１５は波状に折り曲げ加工された、アルミニウム製のコルゲートフィンである。
【００１７】
チューブ１４の一端部は第１ヘッダタンク１１内に連通し、他端部は第２ヘッダタンク１２内に連通している。そして、第１ヘッダタンク１１の上方側に冷媒の入口側配管ジョイント（冷媒入口部）１６を配置し接合している。また、第２ヘッダタンク１２の下方側に冷媒の出口側配管ジョイント（冷媒出口部）１７を配置し接合している。
【００１８】
これにより、入口側配管ジョイント１６からの冷媒は、第１ヘッダタンク１１を通ってコア部１３のチューブ１４に流入した後、第２ヘッダタンク１２を通って出口側配管ジョイント１７へ流れるようになっている。
熱交換用コア部１３の上下両側には、断面コ字形状に成形されたサイドプレート１９、２０が配置され、このサイドプレート１９、２０は最も外側のコルゲートフィン１５および第１、第２ヘッダタンク１１、１２に接合されるものであって、凝縮器１０の車体側への取付部材の役割を果たす。
【００１９】
各サイドプレート１９、２０の両側には、凝縮器１０を車両のボデー３０に取り付けるためのブラケット２１が配置され、このブラケット２１は、断面コ字形状に成形された金属製の第１プレート２１ａに金属製の第２プレート２１ｂが溶接にて一体化されて構成されている。また、ブラケット２１は、第２プレート２１ｂにゴム製の防振部材２２が組み付けられ、ボルト２３により各サイドプレート１９、２０に組み付けられている。
【００２０】
ところで、上記凝縮器１０において、チューブ１４を構成する押し出し多穴チューブの具体的材質はＡ１０５０のアルミニウムベア材であり、サイドプレート１９、２０はＡ３００３のアルミニウムベア材であり、フィン１５の具体的材質はＡ３００３のアルミニウムベア材である。
なお、第１、第２ヘッダタンク１１、１２は、アルミニウムの芯材にろう材をクラッドしたクラッド材からなる。また、入口側配管ジョイント１６および出口側配管ジョイント１７はアルミニウムベア材からなる。
【００２１】
次に、凝縮器１０の製造方法を説明する。
まず、各構成部品を、それぞれ所定の形状に加工する。次に、第１、第２ヘッダタンク１１、１２に非腐食性フラックスを塗布し、その後フラックスを乾燥させる。
一方、チューブ１４およびサイドプレート１９、２０の脱脂を行った後、サイドプレート１９、２０におけるフィン１５との接合面、およびチューブ１４にろう材を塗布する。ここで、サイドプレート１９、２０のろう材塗布量を、チューブ１４のろう材塗布量よりも多くしている。なお、ろう材塗布量は、ろう材塗布面積とろう材塗布重量とから求めた、単位面積当たりの重量をいう。
【００２２】
また、ろう材は、ＳｉとＫＡｌＦ₄とＫ₃ＡｌＦ₆との混合物（粉末状）であり、このろう材はフラックスとしての特性も有するものである。そして、溶剤（例えばイソプロピルアルコール）に、上記ろう材およびバインダー（例えばアクリル樹脂の粉末）を混合して混合溶液を作り、この混合溶液に部品を浸漬することによりろう材の塗布を行う。
【００２３】
次いで、第１、第２ヘッダタンク１１、１２、チューブ１４、フィン１５、サイドプレート１９、２０等の構成部品を積層し、さらに配管ジョイント１６、１７を組付けて、図１に示す所定の熱交換器構造に仮組付けする。そして、積層方向両側から適宜の治具にて締めつけ力を加えて、熱交換器構造の組付け状態を保持する。
【００２４】
次に、この組付け状態を保持したまま、ろう付け炉内に組付け体を搬入し、窒素ガスまたは不活性ガスが充填されたろう付け炉内にて組付け体をろう材の融点まで加熱して、組付け体各部の接合箇所を一体ろう付けする。これにより、凝縮器１０本体の組付けを完了する。
以上のようにして製造された凝縮器１０は、サイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部のフィレットが、チューブ１４とフィン１５との接合部のフィレットよりも大きくなり、従って、サイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部面積が増加してその部位の強度が増加するため、サイドプレート１９、２０と接合されるフィン１５の破損を防止して、凝縮器１０の耐久性を向上させることができる。
【００２５】
次に、このフィレットの大きさと強度との関係について、実験例に基づいて説明する。
（実験例）
表１は、チューブ１４のろう材塗布量Ｖｔを一定（１０ｇ／ｍ²）とし、サイドプレート１９、２０におけるフィン１５との接合面側へのろう材塗布量Ｖｓをパラメータとして行った実験結果を示す。
【００２６】
この実験で使用したろう材は、Ｓｉ（約３３％）とＫＡｌＦ₄（約６０％）とＫ₃ＡｌＦ₆（約７％）との混合物であり、バインダーとともに溶剤に混合して用いた。
また、図２はこの実験で使用したテストピースの概略形状を示すもので、１つのチューブ１４とサイドプレート１９、２０間にフィン１５を配置している。フィン１５の主要寸法は、フィン板厚Ｔｆ＝０．０７ｍｍ、フィンピッチＰｆ＝３．２ｍｍ、フィン高さＨｆ＝７．８ｍｍである。
【００２７】
図２中のフィレット長さＬｓ、Ｌｔは、フィレット２４、２５のフィン１５と接している部分の、チューブ１４長手方向（フィン１５の波折り方向）の長さであり、Ｌｓはサイドプレート１９、２０側の第１フィレット２４の長さを表し、Ｌｔはチューブ１４側の第２フィレット２５の長さを表す。
テストピースで使用したチューブ１４とサイドプレート１９、２０の主要寸法を図３を参照して説明すると、チューブ板厚Ｔｔ＝１．７ｍｍ、チューブ幅Ｗｔ＝１６ｍｍ、Ｒｔ＝０．８５ｍｍ、サイドプレート板厚Ｔｓ＝１．６ｍｍ、サイドプレート幅Ｗｓ＝１６ｍｍ、Ｒｓ＝２．４ｍｍである。
【００２８】
さらに、チューブ１４、フィン１５およびサイドプレート１９、２０の材質は、上記実施形態と同じである。
なお、第２フィレット２５の長さＬｔは、すべてのテストピースにおいて０．５５ｍｍで一定である。また、フィン１５の破断力の評価は、図２において上下方向に引っ張り荷重を与えて行い、通風抵抗の評価は風速４．５ｍ／ｓで行った。
【００２９】
【表１】

まず、サイドプレート１９、２０のろう材塗布量Ｖｓとフィン１５の破断力との関係を表１に基づいて説明すると、塗布量Ｖｓの増加に伴い第１フィレット２４の長さＬｓが増加し、フィン１本当りの破断力も増加している。
【００３０】
そして、チューブ１４のろう材塗布量Ｖｔ＝１０ｇ／ｍ²に対し、Ｖｓ＝１０ｇ／ｍ²の場合は、従来と同様にサイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部（図２のａ部）でフィン１５が破断する。Ｖｓ＝１２．５ｇ／ｍ²の場合は、図２のａ部が破断するとともに、チューブ１４とフィン１５との接合部（図２のｂ部）でも一部フィン１５の破断が起こるようになり、破断力は増加している。
【００３１】
また、Ｖｓ＝１７．５ｇ／ｍ²以上の場合は、破断箇所がチューブ１４とフィン１５との接合部（ｂ部）に移り、サイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部では破断しなくなり、破断力はさらに増加している。これは、第１フィレット２４の長さＬｓの増加によりサイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部面積が増加したことによる。
【００３２】
このように、サイドプレート１９、２０のろう材塗布量Ｖｓをチューブ１４のろう材塗布量Ｖｔよりも多くして、サイドプレート１９、２０側のフィレット長さＬｓをチューブ１４側のフィレット長さＬｔよりも長くすることにより、サイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部面積が増加してその部位の強度が増加するため、サイドプレート１９、２０と接合されるフィン１５の破損を防止して、凝縮器１０の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
一方、Ｖｓの増加に伴って通風抵抗も若干増加することが確認された。これは、Ｖｓの増加に伴うＬｓの増加により、コア部１３の空気流通面積が減少するためである。ここで、サイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部のフィレット２４のみを大きくすることにより、高価なろう材の使用量や通風抵抗の増加を最小に抑えることができる。
【００３４】
また、上記のように接合部位に応じてろう材の量を変えるために、フィン１５を両面クラッド材とし、そのうちサイドプレート１９、２０と接合されるフィンのろう材の量（クラッド率）を多くする方法も可能であるが、この場合２種類のフィンが必要になるのに対し、上記実施形態の方法によれば、チューブ１４相互の間に配置されるフィン１５と、サイドプレート１９、２０側に配置されるフィン１５は、同じものを使用することができる。
【００３５】
（他の実施形態）
本発明は、上記した凝縮器に限らず、車両用の各種熱交換器（例えばラジエータ）に適用可能であり、さらには車両用以外の熱交換器に適用可能である。
また、上記実施形態では、ろう材として、ＳｉとＫＡｌＦ₄とＫ₃ＡｌＦ₆との混合物を用いたが、アルミニウム（例えばＡ４０４５）を主体としたろう材を用いてもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では押し出し多穴チューブ１４を用いたアルミニウム熱交換器を示したが、プレス成形した一対のコアプレートにより１つのチューブを構成する形式のアルミニウム熱交換器にも適用できることはもちろんである。
また、上記実施形態では、チューブ１４やサイドプレート１９、２０にろう材を塗布することによりろう材を保持させたが、チューブ１４やサイドプレート１９、２０をクラッド材にて形成する方法でろう材を保持させてもよい。
【００３７】
また、フィン１５を両面クラッド材とし、そのうちサイドプレート１９、２０と接合されるフィンのクラッド率を多くしてもよい。さらに、フィン１５を両面クラッド材とし、サイドプレート１９、２０にろう材を塗布またはクラッドしてもよい。それらによれば、サイドプレート１９、２０とフィン１５との接合部のろう材の量が多くなり、サイドプレート１９、２０側のフィレット長さＬｓをチューブ１４側のフィレット長さＬｔよりも長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する熱交換器の正面図である。
【図２】実験に使用したテストピースの要部の正面図である。
【図３】従来熱交換器のサイドプレート近傍の断面図である。
１４…チューブ、１５…フィン、１９、２０…サイドプレート、
２４…第１フィレット、２５…第２フィレット。

Claims

多数本積層配置されるアルミニウム製のチューブ（１４）と、このチューブ（１４）の積層方向両端に配置されるアルミニウム製のサイドプレート（１９、２０）と、前記チューブ（１４）相互の間、および前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）との間に配置されるとともに、波状に連続的に折り曲げ加工されたアルミニウム製のフィン（１５）とを備え、
このフィン（１５）を、前記チューブ（１４）および前記サイドプレート（１９、２０）にろう付け接合したアルミニウム熱交換器において、
前記サイドプレート（１９、２０）と前記フィン（１５）との接合部の第１フィレット（２４）を、前記チューブ（１４）と前記フィン（１５）との接合部の第２フィレット（２５）よりも大きくしたことを特徴とするアルミニウム熱交換器。
前記第１フィレット（２４）における、前記フィン（１５）の波状に連続する方向の長さ（Ｌｓ）を、前記第２フィレット（２５）における、前記フィン（１５）の波状に連続する方向の長さ（Ｌｔ）よりも長くしたことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム熱交換器。
多数本積層配置されるアルミニウム製のチューブ（１４）と、このチューブ（１４）の積層方向両端に配置されるアルミニウム製のサイドプレート（１９、２０）と、前記チューブ（１４）相互の間、および前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）との間に配置されるとともに、波状に連続的に折り曲げ加工されたアルミニウム製のフィン（１５）とを備え、
このフィン（１５）を、前記チューブ（１４）および前記サイドプレート（１９、２０）にろう付け接合したアルミニウム熱交換器の製造方法であって、
前記サイドプレート（１９、２０）と前記フィン（１５）との接合部に保持されるろう材の量を、前記チューブ（１４）と前記フィン（１５）との接合部に保持されるろう材の量よりも多くした状態で、前記チューブ（１４）および前記サイドプレート（１９、２０）と前記フィン（１５）とをろう付け接合することを特徴とするアルミニウム熱交換器の製造方法。
前記フィン（１５）をベア材にて形成するとともに、前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）にろう材を保持させ、その後、前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）と前記フィン（１５）とを所定構造に組み付けて、前記ろう付け接合を行うことを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム熱交換器の製造方法。
前記チューブ（１４）は押し出し多穴チューブであり、前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）と前記フィン（１５）とをベア材にて形成し、前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）にろう材を塗布した後、前記チューブ（１４）と前記サイドプレート（１９、２０）と前記フィン（１５）とを所定構造に組み付けて、前記ろう付け接合を行うことを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム熱交換器の製造方法。