JP4913371B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機器、エアコン等の空調機器の熱交換器の製造方法に関するものであり、特に拡管によるフィンの倒れを防止しつつ、熱交換特性に優れる熱交換器の製造方法に関するものである。

エアコン等に用いられる熱交換器用伝熱管は、その管内伝熱性能が従来の平滑管に比べて飛躍的に向上することから、内面に微細ならせん溝を多数形成した内面溝付管が多く使用されている。その製造方法としては、特開平４−１５８１９３号公報のように、金属条の片面に形態の異なる異種の複数の溝を形成し、溝が内側になるように前記金属条を管状に丸めて溶接する方法がある。また、特開昭５５−１０３２１５のように引き抜かれている平滑管内に溝付プラグを保持し、その管外周を転造工具により押圧して、溝を管内に転写させるように加工する、いわゆる転造加工方法がある。このうち、転造加工方法の方が一般的に用いられている。

近年、熱交換器の性能向上のため伝熱性能に優れた伝熱管が使用されるようになってきた。高性能な伝熱管の内面フィンはよりシャープな形状となり、かつ、ねじれ角も大きくなっている。内面フィンとねじれ角を規定した内面溝付管が提案されている（例えば、特許文献１）。

このように製造された伝熱管を使用してクロスフィン形の熱交換器を製造する際には、伝熱管を挿通するために孔をあらかじめ形成した例えばアルミニウム合金製の多数のフィンを、伝熱管の長さ方向に沿って所定のピッチで重なるように並べ、伝熱管を前記各フィンの孔内に挿通し、前記伝熱管内に拡管プラグを押込み、伝熱管を拡管することによってフィンの孔と密着させる。

溶接伝熱管を用いてクロスフィン形熱交換器を製造する例が提案されている（たとえば、特許文献２）。

特開２００１−２４１８７７号公報 特開平１１−６６９５号公報

しかしながら、転造加工により製造された伝熱管の拡管において、内面フィンがシャープな形状で、かつ、ねじれ角が大きい伝熱管に従来の拡管プラグを用いると内面フィンが倒れてしまい、また伝熱管外面の凹凸が大きくなってしまう。これにより所定の外径になるまで管を拡管できず、伝熱管とプレートフィンとの間の密着性が低下してしまい、熱交換器の性能が劣化するという問題があった。

そこで本発明では、内面フィンがシャープな形状で、かつ、ねじれ角が大きい伝熱管に拡管プラグを挿入しても内面フィンが倒れず、かつ、伝熱管の管外面が滑らかな伝熱性能に優れる熱交換器の提供を目的とする。

請求項１記載発明は、放熱フィンに伝熱管（１）を通し、前記伝熱管（１）の内部に拡管プラグ（２）を押し込むことにより前記伝熱管（１）を拡管して前記放熱フィンと前記伝熱管（１）を熱的に接続させる熱交換器の製造方法であって、ねじれ角（β）に垂直な断面における内面フィン（１１）の根元部分の幅をフィン幅（Ｗ）とするとともに、内面フィン（１１）の両側斜面の交差角度を頂角とし、外径が３〜１０ｍｍ、底肉厚（Ｔ）が０．２〜０．３ｍｍ、内面フィン（１１）の頂角が１０〜３０度、前記内面フィン（１１）のフィン高さ（Ｈ）が０．１〜０．４ｍｍ、前記フィン高さ（Ｈ）と前記内面フィン（１１）のフィン幅（Ｗ）とが１．４≦Ｈ／Ｗ≦３．０、かつ、内面フィン（１１）のねじれ角（β）が２５度≦β≦６０度である伝熱管（１）を、前記拡管プラグ（２）の前端部（２１）から最大径部（２２）の間を、曲率半径（Ｒ１）が８ｍｍ≦Ｒ１≦１８．６ｍｍであり、中心軸を含む断面において、前端部（２１）から最大径部（２２）にかけて、最大径部（２２）の前端同士を結ぶ線近傍、あるいはその延長線近傍を中心とする一定の曲率半径（Ｒ１）の円弧状となる外周面で構成するとともに、前記拡管プラグ（２）の最大径部（２２）から後端部（２３）の間を、中心軸を含む断面において、最大径部（２２）から後端部（２３）にかけて、前記曲率半径（Ｒ１）と異なる一定の曲率半径（Ｒ２）の円弧状、あるいは直線状となる外周面で構成する拡管プラグ（２）で拡管し、拡管後の伝熱管（１）の外表面の表面粗さが０．４８μｍ以上０．９２μｍ以下、且つ前記内面フィン（１１）の倒れ角度が２０度より小さい熱交換器の製造方法である。

本発明の熱交換器の製造方法によれば、拡管プラグ２の前端部２１から最大径部２２の間の曲率半径Ｒ１が緩やかであるため、外径が３〜１０ｍｍ、底肉厚（Ｔ）が０．２〜０．３ｍｍ、内面フィン（１１）の頂角が１０〜３０度、前記内面フィン（１１）のフィン高さ（Ｈ）が０．１〜０．４ｍｍ、前記フィン高さ（Ｈ）と前記内面フィン（１１）のフィン幅（Ｗ）とが１．４≦Ｈ／Ｗ≦３．０、かつ、内面フィン（１１）のねじれ角（β）が２５度≦β≦６０度であって、かつ、内面フィン１１の形状がシャープな伝熱管１であっても、内面フィン倒れが生じず所定の外径まで拡管することが可能となる。さらに、前記拡管プラグ（２）の前端部（２１）から最大径部（２２）の間を、曲率半径（Ｒ１）が８ｍｍ≦Ｒ１≦１８．６ｍｍであり、中心軸を含む断面において、前端部（２１）から最大径部（２２）にかけて、最大径部（２２）の前端同士を結ぶ線近傍、あるいはその延長線近傍を中心とする一定の曲率半径（Ｒ１）の円弧状となる外周面で構成するとともに、前記拡管プラグ（２）の最大径部（２２）から後端部（２３）の間を、中心軸を含む断面において、最大径部（２２）から後端部（２３）にかけて、前記曲率半径（Ｒ１）と異なる一定の曲率半径（Ｒ２）の円弧状、あるいは直線状となる外周面で構成する拡管プラグ（２）で拡管するため、拡管後の伝熱管１の外表面１２の表面粗さを０．４８μｍ以上０．９２μｍ以下の滑らかさで形成するとともに、前記内面フィン（１１）の倒れ角度を２０度より小さくすることが可能である。その結果、放熱フィンと伝熱管１との密着性が向上して伝熱性能に優れる熱交換器を提供できる。依って、産業上顕著な効果を奏する。

以下、前記各発明について詳細に説明する。本発明の熱交換器の製造方法は、放熱フィンに伝熱管１を通し、前記伝熱管１の内部に拡管プラグ２を押し込むことにより前記伝熱管１を拡管して前記放熱フィンと前記伝熱管１を熱的に接続させる熱交換器の製造方法であって、前記伝熱管１の内面フィン１１のフィン高さＨとフィン幅ＷとがＨ／Ｗ≧１．４、かつ、内面フィン１１のねじれ角βが２５度以上である伝熱管１を、前記拡管プラグ２の前端部２１から最大径部２２の間の曲率半径Ｒ１が８ｍｍ以上である拡管プラグ２で拡管することを特徴とする熱交換器の製造方法を要旨とするものである。

本発明に係る熱交換器には、管内面に多数の溝が形成されてなる伝熱管１が用いられる。前記伝熱管１は、特開２００１−２４１８７７号公報に記載のように、溝付プラグを素管内へ回転自在に挿入し、素管をその長さ方向の一方向へ引き抜きながら、溝付プラグの挿入位置で素管の外周を自転しつつ公転するボールにより素管を溝付プラグの周面に押し付ける転造加工を用いて製造される。
本発明に用いられる伝熱管１の内面フィンの形状の一実施形態であって、ねじれ角βに垂直な断面における模式図を図５に示す。

銅又は銅合金その他の熱伝導性のよい金属を材質とする伝熱管１は、平行な多数の微細な内面溝１０が螺旋状に形成されている。各内面溝１０は、フィン高さＨとフィン幅Ｗとの比であるＨ／Ｗが１．４以上となるように形成されている。１．４未満であると伝熱管の熱交換性能が高くなく、また、本発明の拡管プラグ２を用いなくても従来の方法で製造可能である。Ｈ／Ｗは３．０以下であることが好ましい。なおフィン幅Ｗとは、ねじれ角βに垂直な断面における内面フィン１１の根元部分のフィン幅のことをいう。

伝熱管１の外径は３〜１０ｍｍが好ましい。また、底肉厚Ｔ＝０．２〜０．３ｍｍ、内面フィン高さＨ＝０．１〜０．４ｍｍ、より好ましくはＨ＝０．２〜０．３ｍｍ、内面フィン１１の頂角は１０〜３０度であるのが好ましい。

本発明に用いられる伝熱管１の管内面の展開図の一実施形態を図４に示す。各内面フィン１１はねじれ角βが２５度以上となるように形成されている。ねじれ角βは大きいほど熱交換性能が向上するが、製造しにくくなる。好ましくは３０〜６０度である。前記伝熱管１は熱伝導性に優れる反面、拡管によるフィン倒れが発生しやすい。なお、ねじれ角βとは伝熱管１の管軸方向Ｌに対する内面フィン１１の角度のことをいう。

次いで、伝熱管１を放熱フィンに形成された孔内に挿入し、伝熱管１に拡管プラグ２を押込み、伝熱管１を拡管することによって、伝熱管１と放熱フィンとを熱的に接続する。
ここで、放熱フィンの孔の径は、伝熱管の外径よりも若干大きくする。

本発明の拡管プラグ２は、伝熱管１へ挿入する方向と垂直な面における断面形状は円形である。以下、本発明における、伝熱管１へ拡管プラグ２を挿入する方向Ｌ１を左に見た側面図によって説明する。図１は本発明の拡管プラグ２の一実施形態であり、拡管プラグ２の側面図である。本発明の拡管プラグ２は支持棒２４によって拡管装置等に固定されている。拡管プラグ２の前端部直径ｄ１は拡管前の伝熱管１の内径Ｄよりも小さい。前端部２１から最大径部２２にかけて径は大きくなっており、この部分が伝熱管１の内面フィン１１に接触し、伝熱管１を拡管する。そして最大径部直径ｄ２よりも後端部直径ｄ３の方が小さい。

本発明では拡管プラグ２を側面から見て、前端部２１から最大径部２２における曲率半径Ｒ１が８ｍｍ以上とすることで、伝熱管１の内面フィン１１の倒れを防止し、外表面１２が平滑になることで、伝熱性能に優れた熱交換器が得られる。前端部２１から最大径部２２における曲率半径Ｒ１は少なくとも一部が８ｍｍ以上であれば良い。８ｍｍ未満であると、伝熱管１の拡管時において内面フィン１１が傾斜して倒れてしまい、あるいは、伝熱管１の外表面１２に凹凸が生じてしまい、伝熱管１を所定の外径まで拡管することができない。８ｍｍ以上であれば問題なく、前記前端部２１から最大径部２２における曲率半径Ｒ１は好ましくは１０ｍｍ以上、より好ましくは１２ｍｍ以上である。

図２、図３は本発明の拡管プラグ２の異なる実施形態であり、拡管プラグ２の側面図である。最大径部２２から後端部２３にかけては、なだらかにあるいは図２のように直線的に径が小さくなってもよい。なお、図１において前端部２１から最大径部２２における曲率半径Ｒ１と、最大径部２２から後端部２３における曲率半径Ｒ２は異なる。

図７、図８、図１０は拡管プラグの側面図による参考図であり、図９は拡管プラグ２の異なる実施形態であり、拡管プラグ２の側面図である。図７、図８のように、前端部２１と最大径部２２の間の少なくとも一部がテーパ部２５であっても良い。図７は前端部２１から中間部２７の間がテーパ部２５を有し、中間部２７から最大径部２２における曲率半径Ｒ４を有する。図８は前端部２１から中間部２７における曲率半径Ｒ３を有し、中間部２７から最大径部２２までの間がテーパ部２５を有する。また、図９、図１０のように、最大径部２２付近の少なくとも一部の直径が実質的に同一である平滑部２６があってもかまわない。図９は前端部２１から最大径部２２における曲率半径を有し、最大径部２２付近の直径が実質的に同一である。
図１０は前端部２１から中間部２７における曲率半径Ｒ３を有し、中間部２７から最大径部２２における曲率半径Ｒ４を有し、最大径部２２付近の直径が実質的に同一である。

なお、上記製造方法では拡管プラグ２を伝熱管１の内部に圧入するようにしているが、拡管プラグ２を固定し、伝熱管１および放熱フィンを一緒に伝熱管１の軸線方向に移動させるようにしても同様の効果が得られる。

本発明において、放熱フィンはアルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。また、伝熱管１は銅又は銅合金からなることが好ましい。

本発明は、各種の形態において実施されうるものであって、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、本発明の範囲に含まれるものである。

以下に、本発明の実施例を、比較例とともに図面を参照して説明する。
内面溝１０を有する伝熱管１を表１に示す条件にて拡管プラグ２を用いて縮み方式で拡管した。伝熱管１は外径７．０ｍｍ、底肉厚Ｔ０．２５ｍｍ、管内フィン数５０、ヘアピン長さ５００ｍｍであり、ねじれ角β、フィン高さＨ及びフィン幅Ｗが異なる伝熱管１を拡管した。目標とする拡管率はすべて５．７％である。拡管後、外表面１２における管軸方向Ｌの表面粗さ、及び伝熱管１の内面フィン１１の倒れ、実際の拡管率を評価した。

表面粗さはＪＩＳＢ０６０１のＲａを異なる５箇所測定し、平均値を用いた。内面フィン１１の倒れ判定は、拡管前の伝熱管１と拡管後の伝熱管１について、管軸方向Ｌに垂直に切断、樹脂埋め、研磨して断面を光学顕微鏡で内面フィン１１及び拡管によって変形した内面フィン１３を観察し、図６のようにフィン倒れ角度θを求めた。この場合、θ≧２０度となると内面フィン１１が倒れていると判断した。これはθ≧２０度となると伝熱管１を所定の外径まで拡管できず、外表面１２と放熱フィンとの密着性が低下して熱交換特性が劣るためである。実際の拡管率は次式で算出した。すなわち、拡管率（％）＝（（拡管後の外径−拡管前の外径）／拡管前の外径×１００）である。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、本発明例はフィン倒れ角度θ及び外表面１２における表面粗さがいずれも小さく、目標となる拡管率が得られている。
これに対し比較例１から８は、拡管プラグの曲率半径が小さいので、フィン倒れ角度θ及び外表面１２における表面粗さがいずれも大きく、目標となる拡管率は得られなかった。

本発明の熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグ２の一例を示す側面図である。 本発明の熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグ２の一例を示す側面図である。 熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグの一例を示す側面図による参考図である。 本発明の熱交換器の製造方法に用いられる伝熱管１における内面溝１０と内面フィン１１の一例を示す展開図である。 本発明に用いられる伝熱管１の内面フィン１１の形状の一例を示す断面模式図である。 実施例における伝熱管１のフィン倒れ角度θの測定方法を示す模式図である。 熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグの一例を示す側面図による参考図である。 熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグの一例を示す側面図による参考図である。 本発明の熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグ２の一例を示す側面図である。 熱交換器の製造方法に用いられる拡管プラグの一例を示す側面図による参考図である。

１ 伝熱管
２ 拡管プラグ
１０ 内面溝
１１ 内面フィン
１２ 外表面
１３ 拡管によって変形した内面フィン
２１ 前端部
２２ 最大径部
２３ 後端部
２４ 支持棒
２５ テーパ部
２６ 平滑部
２７ 中間部
Ｄ 内径
ｄ１ 前端部直径
ｄ２ 最大径部直径
ｄ３ 後端部直径
Ｌ１ 拡管プラグ２の挿入方向
Ｌ２ 管軸方向
Ｔ 底肉厚
Ｈ フィン高さ
Ｗ フィン幅
Ｒ１ 前端部２１から最大径部２２における曲率半径
Ｒ２ 最大径部２２から後端部２３における曲率半径
Ｒ３ 前端部２１から中間部２７における曲率半径
Ｒ４ 中間部２７から最大径部２２における曲率半径
β ねじれ角
θ フィン倒れ角度

Claims (1)

1. 放熱フィンに伝熱管（１）を通し、前記伝熱管（１）の内部に拡管プラグ（２）を押し込むことにより前記伝熱管（１）を拡管して前記放熱フィンと前記伝熱管（１）を熱的に接続させる熱交換器の製造方法であって、
   ねじれ角（β）に垂直な断面における内面フィン（１１）の根元部分の幅をフィン幅（Ｗ）とするとともに、内面フィン（１１）の両側斜面の交差角度を頂角とし、
   外径が３〜１０ｍｍ、底肉厚（Ｔ）が０．２〜０．３ｍｍ、内面フィン（１１）の頂角が１０〜３０度、前記内面フィン（１１）のフィン高さ（Ｈ）が０．１〜０．４ｍｍ、前記フィン高さ（Ｈ）と前記内面フィン（１１）のフィン幅（Ｗ）とが１．４≦Ｈ／Ｗ≦３．０、かつ、内面フィン（１１）のねじれ角（β）が２５度≦β≦６０度である伝熱管（１）を、
   前記拡管プラグ（２）の前端部（２１）から最大径部（２２）の間を、曲率半径（Ｒ１）が８ｍｍ≦Ｒ１≦１８．６ｍｍであり、中心軸を含む断面において、前端部（２１）から最大径部（２２）にかけて、最大径部（２２）の前端同士を結ぶ線近傍、あるいはその延長線近傍を中心とする一定の曲率半径（Ｒ１）の円弧状となる外周面で構成するとともに、
   前記拡管プラグ（２）の最大径部（２２）から後端部（２３）の間を、
   中心軸を含む断面において、最大径部（２２）から後端部（２３）にかけて、前記曲率半径（Ｒ１）と異なる一定の曲率半径（Ｒ２）の円弧状、あるいは直線状となる外周面で構成する拡管プラグ（２）で拡管し、
   拡管後の伝熱管（１）の外表面の表面粗さが０．４８μｍ以上０．９２μｍ以下、且つ前記内面フィン（１１）の倒れ角度が２０度より小さい
   熱交換器の製造方法。

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