JP4334266B2

JP4334266B2 - 熱交換器のヘッダ構造

Info

Publication number: JP4334266B2
Application number: JP2003117386A
Authority: JP
Inventors: 清二益子
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP2004324937A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器のヘッダ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクルやヒートポンプサイクルに用いられる熱交換器は、対向した１対のヘッダ間に平行配置する複数のチューブを連通して熱交換媒体を流通し、各チューブ間に放熱用のフィンを介在した構成となっている。
【０００３】
冷凍サイクルやヒートポンプサイクルの冷媒として超臨界流体である炭酸ガスを用いた場合、内部圧力が高圧化されるためヘッダの耐圧強度を確保する必要がある。そこで、このような熱交換器のヘッダは、断面形状が略円形状となる筒状部分を複数並設した多列穴構造とし、各筒状部分を連通する小さな連通路を設けて、各筒状部分に掛かる圧力が均等化されるとともに、高圧により応力集中を避けるようになっている。また、多列穴の空間を結ぶ連通路（連通孔）を設け各多列穴空間の圧力を均等になるようにしている。その構成部品として押出し材やプレス加工品を組み合わせて用いるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３５１７８３号公報（第６，７頁、第９，１７図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヘッダに押出し材を用いた場合や押出し材およびプレス加工品の両者を用いた場合、押し出し材の材料単価が高く、また、連通口の加工等に切削加工等の機械加工を行うことになり多くの加工時間が必要となる。
【０００６】
また、押し出し材ではロー付けに置きロー等を施すことになり、ロー付けに工数がかかり製造原価の上昇につながると言う問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、外側部材（プレート）に形成するチューブ挿入穴や内側部材（ヘッダタンク）の筒状部分を連通する連通孔等の加工を容易にするとともに、製造コストの低い熱交換器のヘッダ構造の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、境界壁を介して複数の筒状部分を有するとともに、各々の筒状部分を連通する複数の連通孔と、連通孔と対向する位置に設けたチューブ挿入孔を有する対向した１対のヘッダと、ヘッダ間に端部を前記チューブ挿入孔に挿入し平行配置する複数のチューブと、前記複数のチューブ間に配置される放熱用のフィンを介在した熱交換器に用いられて、前記ヘッダを前記チューブ挿入孔の設けられる外側部材と、境界壁と連通孔が設けられる内側部材との接合により構成した熱交換器のヘッダ構造において、前記内側部材を、境界壁相当部位に打ち抜き加工により連通孔用の孔を設けたロー材をクラッドした板材によって前記筒状部分の一部を成す複数の円弧部分を並設するとともに複数の円弧部分の両側に嵌合側面を形成し、前記外側部材を、ロー材をクラッドした板材によって外側部材の両側部から折曲する両側折曲面を形成し、この外側部材の両側折曲面間に内側部材の嵌合側面を嵌合し接合するとともに境界壁の先端面を接合し、前記連通孔の外側部材側にはチューブの側面が境界壁とロー付けされる幅狭溝が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器のヘッダ構造であって、内側部材の嵌合側面の両内側先端は、内側部材の各円弧部分の間に形成される境界壁の先端面より短くするとともに両内側先端間の内側寸法は、外側部材のチューブ挿入孔の長手方向寸法より小さくしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１〜２のいずれかに記載の熱交換器のヘッダ構造であって、前記連通孔のチューブ厚さ方向の寸法はチューブの厚さ寸法より大きいことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器のヘッダ構造であって、前記内側部材の各円弧部分の間に形成される境界壁の先端面は平面があり平面の寸法は、内側部材の板厚の２倍或いはそれ以上の厚さがあることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る本発明によれば、熱交換器のヘッダを、内側部材を、境界壁相当部位に打ち抜き加工により連通孔用の孔を設けたロー材をクラッドした板材によって筒状部分の一部を成す複数の円弧部分を並設するとともに複数の円弧部分の両側に嵌合側面を形成し、外側部材を、ロー材をクラッドした板材によって外側部材の両側部から折曲する両側折曲面を設けて形成し、この外側部材の両側折曲面間に内側部材の嵌合側面を嵌合し接合するとともに境界壁の先端面を接合したので、ヘッダを全てプレス工程で成形できるため、部品加工が容易となるとともに、ロー材をクラッドした材料を採用でき、ロー付け工程が簡素化され製造コストの低い熱交換器のヘッダを得ることが出来る。
また、連通孔の外側壁側にはチューブの側面が境界壁とロー付けされる幅狭溝が設けられているので境界壁や連通孔も外側部材にロー付けされたと同じになるとともに、チューブの流路にロー材を進入させることなくヘッダの耐久性を向上できる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、内側部材の嵌合側面の両内側先端は、内側部材の各円弧部分の間に形成される境界壁の先端面より短くするとともに両内側先端間の内側寸法は、外側部材のチューブ挿入孔の長手方向寸法より小さくしたのでチューブのストッパとして利用できるため、コア間寸法の規定が容易に出来る。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、連通孔のチューブ厚さ方向の寸法はチューブの厚さ寸法より大きいので、チューブ先端がヘッダの境界壁に接触しないので、チューブの流路ににロー材が詰まることがない。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば内側部材の各円弧部分の間に形成される境界壁の先端面の寸法は、内側部材の板厚の２倍或いはそれ以上の厚さがあるのでロー付け強度を十分確保することができ、所要の強度を確保することが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１９】
図１〜図５は本発明にかかる熱交換器のヘッダ構造の一実施形態を示し、図１はヘッダの端部斜視図、図２は図１中Ａ−Ａ線に沿った拡大断面図、図３はヘッダの外側部材の内方斜視図、図４はヘッダの製造工程を（ａ）〜（ｄ）によって順を追って示す説明図、図５はヘッダの外側部材を形成するプレス金型の動作を（ａ），（ｂ）によって順を追って示す断面図である。
【００２０】
この実施形態のヘッダ構造を適用する熱交換器は、図１に示すように対向した１対のヘッダ１間に、平行配置した複数のチューブ２を連通して熱交換媒体を流通し、各チューブ２間に放熱用の図外のフィンを介在した構成となっており、ヘッダ１とはタンクのことであり、一方のヘッダ１に導入した熱交換媒体を、チューブ２に通過させた後に図外の他方のヘッダに送給するようになっている。
【００２１】
また、この実施形態では前記熱交換器を、炭酸ガスを冷媒とした冷凍サイクルやヒートポンプサイクルに用いた場合で、熱交換器内の内部圧力が著しく高圧化されるため、図１に示すようにヘッダ１は耐圧強度を確保するため、複数（本実施形態では２つ）の筒状部分３を並設した構造となっている。
【００２２】
上記ヘッダ１は、図１，図２に示すように２分割して、前記チューブ２を接続する外側部材１０と、この外側部材１０の内側に嵌合される内側部材２０との接合により構成してある。
【００２３】
また、上記チューブ２は、図１に示すようにヘッダ１の幅方向が長手方向となる内部に複数の流路を有する扁平な中空体として形成されている。
【００２４】
ここで、この実施形態では図３に示すように、上記内側部材２０は、両面にロー材をクラッドした板材としてのブランク材Ｂ（図４参照）によって前記筒状部分３の一部を成す複数の半円状の円弧部分２１を境界壁２２を介して並設して形成し、ロー付け時に境界壁２２はブランク材Ｂの重なった部分はロー付けされる。
【００２５】
境界壁２２には連通孔２３が外側部材１０のチューブ挿入穴１３の対応する位置に設けられ、その寸法ｈ４は（図３参照）チューブ１２の厚さ（チューブの短寸法方向）より大きくなっている。
【００２６】
開放側端部２０aの両内側先端２０ｃと外側部材１０の平坦面１１とはｈ１の隙間が空くように形成されている。
【００２７】
また、内側部材２０の嵌合側面２０ｂ間の内寸ｈ２は、チューブ２の幅方向寸法ｈ3より小さい寸法になっている。
【００２８】
外側部材１０は、両面にロー材をクラッドした板材としてのブランク材によって内側部材２０の開放側端部２０ａの全幅に亘る平坦面１１と、この平坦面１１の両側部から内側部材２０の嵌合側面２０ｂに沿って折曲する両側折曲面１２と、を設けて断面Ｕ字状に形成し、そして、外側部材１０の平坦面１１にチューブ挿入穴１３を加工している。
【００２９】
外側部材１０と内側部材２０は外側部材１０の両側折曲面１２間に内側部材２０の開放側端部２０ａを嵌合して嵌合側面２０ｂをロー付けにより接合してある。また、境界壁２２の先端面２２ａは外側部材１０の平坦面１１にロー付けにより接合している。
【００３０】
上記チューブ挿入穴１３は、外側部材１０の平坦面１１の幅方向（図２中左右方向）が長手方向となるように形成され、そして、このチューブ挿入穴１３は外側部材１０の長さ方向（図１中上下方向）に所定間隔を設けて複数形成してあり、図２中２点鎖線に示すように、各チューブ挿入穴１３にそれぞれ上記扁平なチューブ２が挿入されロー付けされるようになっている。
【００３１】
このようにチューブ２をチューブ挿入穴１３に挿入する際、図２に示すように、内側部材２０の開放側端部２０ａの両内側先端２０ｃに、チューブ２の先端２ａを当接して位置決めしてある。
【００３２】
外側部材１０は、ブランク材Ｂによって平坦面１１と両側折曲面１２とを設けて断面Ｕ字状に形成したが、平坦面１１に対する両側折曲面１２を、前記ブランク材Ｂの材質に応じた極限曲げ加工を施し、図２に示すように、平坦面１１から両側折曲面１２に至る内側角部Ｃの曲率半径ｒが最小となるように形成してあり、チューブ挿入穴１３を前記平坦面１１の略全幅に亘って形成してある。
【００３３】
内側部材２０は、２つの円弧部分２１を並設した際に、それら円弧部分２１間に境界壁２２が形成され、この境界壁２２には、連通孔２３が形成され、連通孔２３は、円弧部分２１を形成する以前のブランク材Ｂに予め穴加工しておくようになっている。
【００３４】
図４（ａ）〜（ｄ）は内側部材２０の製造工程を示し、前記ブランク材Ｂをプレス成形して前記円弧部分２１および境界壁２２を形成するようになっている。
【００３５】
まず、図４（ａ）に示すように、ブランク材Ｂの境界壁２２の形成部分となる中央部に連通孔２３となる穴３０をＨ４がチューブ厚さ（短寸方向の寸法）より大きい寸法になるように打ち抜き加工（穴加工工程）しておき、次に図４（ｂ）に示すように、その穴３０の形成した中央部に凹設部３１を形成（予備成形工程）する。
【００３６】
次いで、図４（ｃ）に示すように、第１予備成形工程で形成した凹設部３１の先端３１ａ（図４（ｂ）参照）に境界壁２２の先端面２２ａを形成しつつ、その立上り部分２２ｂを肉寄せ加工して境界壁２２を形成（境界壁成形工程）した後、図４（ｄ）に示すように境界壁２２の両側に円弧部分２１を形成（円弧部分成形工程）する。
【００３７】
上記境界壁２２の成形工程は図５に示す金型４０を用いて行うようになっており、図５(ａ)は、予備成形されたブランク材Ｂ（図４のｂ）をカムパンチ４１，４１間にセットしスプリング４３の付勢力でパッド４２を介して押さえた加工開始直前の状態を示している。
【００３８】
カムパンチ４１の近接移動によって凹設部３１の先端３１ａが固定ポンチ４５に突き上げられて平坦化される。
【００３９】
そして、最終的に図５（ｂ）に示すように、ブランク材Ｂがパッド４２の下面形状部４２ａに接触した時点で、凹設部３１は先端面２２ａを有する境界壁２２として肉寄せ加工されブランク材Ｂの板厚の２倍の厚さとなっている。尚、パッド４２はガイドピン４６に沿って昇降する。
【００４０】
本実施態様では外側部材１０と内側部材２０の両面にロー材をクラッドしたブランク材Ｂで成形したが、外側部材１０はタンクの外側となる面にロー材をクラッドし、内側部材２０はブランク材Ｂの両側にロー材をクラッドしブランク材Ｂから成形すること、或いは、内側部材２０の両面にロー材をクラッドし、内側部材のタンク外側となる面にロー材をクラッドしたブランク材Ｂから形成することも出来る。
【００４１】
以上の構成により本実施形態の熱交換器のヘッダ構造にあっては、熱交換器のヘッダ１を、ブランク材Ｂによって複数の円弧部分２１を設けて形成した内側部材２０の嵌合側面２０ｂを、ブランク材Ｂによって断面Ｕ字状に形成した外側部材１０の両側折曲面１２間に嵌合して接合することにより形成し、平坦面１１にチューブ挿入穴１３を加工したので、ヘッダ１を構成する外側部材１０、内側部材２０をプレス加工により安価に提供できるとともにチューブ挿入穴１３が外側部材１０の平坦面１１に形成できることによりその穴加工が容易になって加工ポンチの折損防止や寿命延長を達成できる。
【００４２】
また、チューブ挿入穴１３を外側部材１０の平坦面１１に形成してあるが、この平坦面１１の両側部の両側折曲面１２間に内側部材２０の嵌合側面２０ｂが嵌合されるため、平坦面１１は内側部材２０の開放側端部２０ａの略全幅、つまり嵌合側面２０ｂ間に亘って平坦に形成されることになり、この平坦面１１に形成したチューブ挿入穴１３の長手方向の寸法を大きく取ることができる。
【００４３】
また、本実施形態では上記作用・効果に加えて、内側部材２０の開放側端部２０ａの両内側先端２０ｃに、外側部材１０のチューブ挿入穴１３に挿入したチューブ２の先端２ａを当接してヘッダ間の寸法の位置決めとしたので、チューブ２の端部全体をチューブ挿入穴１３に単に挿入できるようになり、チューブ２自体に位置決めの形状を不要とし、チューブ２の構造を簡素化して位置決めすることができる。
【００４４】
更に、前記内側部材２０の各円弧部分２１の間に形成される境界壁２２の先端部に、チューブ２の先端２ａ部分との干渉を避ける連通孔２３を備え、連通孔２３を、円弧部分２１を形成する以前のブランク材Ｂに穴３０加工したので、内側部材２０に円弧部分２１および境界壁２２をプレス成形した後に連通孔２３を形成するという困難な加工が免除されるため、この内側部材２０を容易に形成することができる。
【００４５】
また、連通孔２３をチューブの厚さ寸法より大きくしたので、ロー付け時に２枚の板より構成される境界壁２２の間からロー材が流れでてチューブの流路に詰まることを防止できる。
【００４６】
本実施形態ではヘッダ１の筒状部分３を２つ設けたヘッダ１に例を取って説明したが、これに限ることはなくその筒状部分３を３つ以上設けたもの、例えば、図６に示すように４つの筒状部分３を設けたヘッダ１ａにあっても本発明を適用することができる。なお、同図では上記実施形態と同一構成部分に同一符号を付して示してある。
【００４７】
図７(ａ)（ｂ）は連通孔２３の別の実施例を示している。図７(ｂ)は図７(ａ)に示す内側部材２０を外側部材１０と嵌合し、チューブを挿入したときのＧ-Ｇ断面である。
【００４８】
図７(ｂ)に示すように、連通孔２３下部の幅狭溝２３ａのチューブ厚さ方向寸法ｈ５をチューブ挿入穴と略同一寸法とし、高さｈ６を内側部材２０の両内側先端２０ｃ外側部材１０の平坦面１１との隙間寸法ｈ１より低く形成している。
【００４９】
そのため、幅狭溝２３ａに嵌合されたチュ-ブ２の先端は連通孔２３に位置するため、チューブ先端からチューブの流路にロー材が進入することなく、チューブ先端部分と幅狭溝２３ａとがロー付けできるため、内側部材２０の境界壁２２部分の長さ方向の全てが内側部材とロー付けされたと同じことになり、ヘッダの耐圧強度を上げることが出来る。
【００５０】
この場合、図８（ａ）に示すように、ブランク材Ｃの境界壁２２の形成部分となる中央部に連通孔２３となる穴５０を加工しておき、この穴５０を形成した中央部に凹設部を形成する。また、穴５０には、図８（ｂ）に拡大して示すように、その両側に、幅狭部２３ａとなる穴５１が連続して設けられている。この穴５１の幅は、穴５０より長く形成されている。
【００５１】
更に、本発明の熱交換器のヘッダ構造は前記各実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すヘッダの端部斜視図である。
【図２】図１中Ａ−Ａ線に沿った拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すヘッダの外側部材の内方斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるヘッダの製造工程を（ａ）〜（ｄ）によって順を追って示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるヘッダの外側部材を形成するプレス装置の動作を（ａ），（ｂ）によって順を追って示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示すヘッダの断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の他の実施形態を示すヘッダの外側部材の内方斜視図である。(ｂ)はヘッダとして組み合わせたときの一部を拡大した断面図
【図８】本発明の他の実施形態にかかるブランク材を示し、（ａ）は全体を示す平面図、（ｂ）は一部を拡大した拡大図である。
【符号の説明】
１，１ａヘッダ
２チューブ
２ａチューブの先端
３筒状部分
１０外側部材
１１平坦面
１２両側折曲面
１３チューブ挿入穴
２０内側部材
２０ａ開放側端部
２０ｂ嵌合側面
２０ｃ両内側先端
２１円弧部分
２２境界壁
２３連通孔
３０穴
Ｂブランク材（板材）
Ｃ内側角部

Claims

境界壁（２２）を介して複数の筒状部分（３）を有するとともに、各々の筒状部分（３）を連通する複数の連通孔（２３）と、連通孔（２３）と対向する位置に設けたチューブ挿入孔（１３）を有する対向した１対のヘッダ（１，１ａ）と、ヘッダ（１,１ａ）間に端部を前記チューブ挿入孔（１３）に挿入し平行配置する複数のチューブ（２）と、前記複数のチューブ（２）間に配置される放熱用のフィンを介在した熱交換器に用いられて、前記ヘッダ（１）を前記チューブ挿入孔（１３）の設けられる外側部材（１０）と、境界壁（２２）と連通孔（２３）が設けられる内側部材（２０）との接合により構成した熱交換器のヘッダ構造において、
前記内側部材（２０）を、境界壁（２２）相当部位に打ち抜き加工により連通孔（２３）用の孔を設けたロー材をクラッドした板材（Ｂ）によって前記筒状部分（３）の一部を成す複数の円弧部分（２１）を並設するとともに複数の円弧部分（２１）の両側に嵌合側面（２０ｂ）を形成し、前記外側部材（１０）を、ロー材をクラッドした板材（Ｂ）によって外側部材（１０）の両側部から折曲する両側折曲面（１２）を形成し、
この外側部材（１０）の両側折曲面（１２）間に内側部材（２０）の嵌合側面（２０ｂ）を嵌合し接合するとともに境界壁（２２）の先端面（２２a）を接合し、前記連通孔（２３）の外側部材（１０）側にはチューブ（２）の側面が境界壁２２とロー付けされる幅狭溝(２３ａ)が設けられていることを特徴とする熱交換器のヘッダ構造。
内側部材（２０）の嵌合側面（２０ｂ）の両内側先端（２０ｃ）は、内側部材（２０）の各円弧部分（２１）の間に形成される境界壁（２２）の先端面(２２a)より短くするとともに両内側先端(２０c、２０c)間の内側寸法は、外側部材（１０）のチューブ挿入孔（１３）の長手方向寸法より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器のヘッダ構造。
前記連通孔（２３）のチューブ（２）厚さ方向の寸法はチューブ（２）の厚さ寸法より大きいことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の熱交換器のヘッダ構造。
前記内側部材（２０）の各円弧部分（２１）の間に形成される境界壁（２２）の先端面(２２a)には平面があり、平面の寸法は、内側部材（２０）の板厚の２倍或いはそれ以上の厚さがあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器のヘッダ構造。