JP5495575B2 - 熱交換器の製造方法、熱交換器用伝熱管、熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、フィン・アンド・チューブ構造の熱交換器の製造方法、熱交換器用伝熱管、熱交換器に関する。

空気調和機等を構成する熱交換器において、フィン・アンド・チューブ構造のものが多用されている。これは、一定間隔で配列された薄板状のフィンに対し、一本以上の伝熱管を貫通させたものである。伝熱管の内部に冷媒が循環することで、フィンおよび伝熱管を介し、冷媒と熱交換器の周囲雰囲気との間で熱エネルギ交換が行われる。

従来、このような熱交換器を製作するには、まず、所定枚数のフィンを一定間隔で配列した状態で、各フィンに予め形成された貫通孔に、貫通孔の内径よりも小さな外径を有した伝熱管を挿入する。次いで、伝熱管の内部に、拡径ロッドを挿入する。拡径ロッドには、一端側が伝熱管の内径よりも小さな外径で、他端側に向けて外径が漸次拡大する拡径コマが設けられている。この拡径ロッドを伝熱管の軸線方向に移動させると、拡径コマにより伝熱管が拡径され、これによって伝熱管の外周部がフィンの貫通孔に押し付けられて接合される。

ここで、これまでは、フィンにはアルミニウム系材料が、伝熱管には銅が用いられていた。しかしながら、銅は、アルミニウム系材料に比較すると高価であるとともに比重も重いため、熱交換器の高コスト化、重量化に繋がる。また、熱交換器を廃棄する際には、フィンと伝熱管とが異種材料であるために、材料の分別廃棄が困難となる。

そこで、伝熱管をフィンと同材料であるアルミニウム系材料で形成することが、近年行われつつある（例えば、特許文献１参照。）。熱交換器全体をアルミニウム化することで、低コスト化、軽量化、リサイクル性の向上を図ることが可能となる。

特開２００１−２８９５８５号公報

しかしながら、伝熱管をアルミニウム系材料（以下、単にアルミニウムと称する）で形成した場合、特許文献１においても解決すべき課題として記載されているように、アルミニウムは、銅と比較して柔らかいため、以下に示すような問題が生じる。
銅で形成していた伝熱管と同形状の伝熱管をアルミニウムにより形成した場合、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、拡径ロッドによる拡径時に、伝熱管１の内周部に設けられた放熱リブ２の頭部または全部が押しつぶされてしまうという問題があった。なお、図５（ａ）は拡径前、図５（ｂ）は拡径後の放熱リブ２を示している。
このような伝熱管１は、例えば直径が１０ｍｍ程度であれば、内周面には周方向に４０〜７０本の放熱リブ２が設けられている。このため伝熱管1の周方向における放熱リブ２の間隔が非常に小さく、拡径時に放熱リブ２が押しつぶされてしまうと、互いに隣接する放熱リブ２の間がさらに小さくなってしまうこととなる。すると、互いに隣接する放熱リブ２の間に冷媒が入り込まず、実質的な伝熱面積が減少してしまい、伝熱管１、すなわち熱交換器の性能が低下してしまうことになる。

また、拡径時に拡径コマが伝熱管１の内周面と接触すると、拡径コマと伝熱管１との間で焼き付きが生じ、放熱リブ２の一部が擦り取られて伝熱管１内部に凝着したり、剥がれたアルミ片Ｓが伝熱管１内に残留することもある。

さらに、拡径時に拡径コマと伝熱管との間に生じる摩擦力が、伝熱管を銅で形成した場合に比較すると大きい。拡径時には、拡径ロッドを伝熱管の軸方向に移動させながら拡径コマによって伝熱管を拡径するため、拡径コマから伝熱管に対しては、伝熱管を拡径する方向（径方向）と、伝熱管の軸方向（拡径ロッドの移動方向）とに力が作用する。この、伝熱管の軸方向に作用する力と、拡径時の変形とにより、拡径の前後で伝熱管は縮む。すると、拡径された伝熱管と一体化した複数のフィンの配列ピッチが乱れたり、隣り合うフィンどうしがくっついてしまうこともある。

加えて、前記したように、伝熱管を拡径することによって伝熱管が縮むことになるが、その縮み量は、拡径時における拡径コマと伝熱管との間に生じる摩擦力が大きいほど大きくなる。つまり、伝熱管を銅で形成する場合に比較し、伝熱管をアルミニウムで形成した場合の方が伝熱管の縮み量が大きくなる。すると、既定の長さの伝熱管を形成するのに必要な材料（拡径前の伝熱管の長さ）が増えることになり、これは熱交換器の重量アップ、高コスト化に繋がり、伝熱管をアルミニウム化することのメリットが損なわれるという問題もある。

ここで、前記の特許文献１に記載の技術においては、伝熱管の内周面に多数形成した放熱リブうちの複数本の高さを大きくすることで、拡径時には、拡径コマが高さの大きい複数本の放熱リブのみを集中的に変形させることで、他の高さの小さい放熱リブの変形を防ぎ、上記課題の一部を解決している。
しかしながら、この場合も、拡径コマに一部の高さの大きい放熱リブのみが押しつけられるため、拡径コマにおいて、前記の高さの大きい放熱リブに対応した部分のみが摩耗する可能性もある。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、熱交換器の性能低下を防ぐとともに、フィンのピッチが乱れるのを防ぎ、熱交換器の軽量化、低コスト化を図ることのできる熱交換器の製造方法、熱交換器用伝熱管、熱交換器を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明者らが鋭意検討を行った結果、上記したような放熱リブのつぶれや剥離は、放熱リブの先端部に拡径コマが点接触するため、放熱リブの先端部の拡径コマとの接触部分に荷重が集中するためではないか、と推定するに至った。
そこでなされた本発明は、互いに間隔を隔てて配列された複数枚の薄板状のフィンに、内部に冷媒が流通される伝熱管が貫通・接合された熱交換器の製造方法であって、予め、伝熱管の内周面に複数本配置された放熱リブの先端部を、伝熱管の中心から放熱リブの先端部までの半径とほぼ等しい曲率半径を有した円弧状面により形成しておくことを特徴とする。そして、フィンに形成された貫通孔に、貫通孔よりも小さな外径を有した伝熱管を挿通させる工程と、貫通孔に挿通された伝熱管の内部に拡径部材を通すことで、伝熱管を拡径させて貫通孔に接合させる工程と、を備える。
放熱リブの先端部を、伝熱管の中心から放熱リブの先端部までの半径とほぼ等しい曲率半径を有した円弧状面により形成しておくことで、伝熱管の内部に拡径部材を通したときに、拡径部材が放熱リブの先端部の円弧状面に均一に当たるようになる。

また、伝熱管の放熱リブの少なくとも先端部には、摩擦係数を伝熱管の母材よりも低減させる低摩擦表面処理を施すのが好ましい。この低摩擦表面処理は、伝熱管を拡径させるときに伝熱管が長さ方向に縮むのを抑えるためである。
また、伝熱管の放熱リブの少なくとも側部には、硬度を伝熱管の母材よりも向上させる硬度向上処理を施すのが好ましい。
このような低摩擦表面処理、硬度向上処理として、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素被膜）コーティング処理を用いれば、低摩擦化、硬度向上の双方の効果を得られるため、低摩擦表面処理、硬度向上処理を一度に済ますことができる。

本発明は、互いに間隔を隔てて配列された複数枚の薄板状のフィンに、内部に冷媒が流通される伝熱管が貫通・接合された熱交換器の製造方法とすることもできる。この方法は、予め、伝熱管の内周面に複数本配置された放熱リブの少なくとも先端部に、摩擦係数を伝熱管の母材よりも低減させる低摩擦表面処理を施しておく。そして、フィンに形成された貫通孔に、貫通孔よりも小さな外径を有した伝熱管を挿通させる工程と、貫通孔に挿通された伝熱管の内部に拡径部材を通すことで、伝熱管を拡径させて貫通孔に接合させる工程と、を備える。

本発明は、互いに間隔を隔てて配列された複数枚の薄板状のフィンと、フィンに形成された貫通孔に挿入・接合された伝熱管と、を備え、伝熱管は、その内周面に周方向に間隔を隔てて複数本の放熱リブが形成され、放熱リブの少なくとも先端部に、摩擦係数を伝熱管の母材よりも低減させる低摩擦表面処理が施されていることを特徴とする熱交換器とすることもできる。

上記したような本発明における熱交換器においては、いかなる材料で形成しても良いが、伝熱管が、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料から形成されている場合、また、伝熱管とフィンとが、アルミニウム系材料に限らず、同材質で形成されている場合に用いるのが特に有効である。

本発明によれば、伝熱管の内周面に形成された放熱フィンの先端部を、伝熱管の中心から先端までの半径とほぼ等しい曲率半径を有した円弧状面により形成しておくことで、拡径時に放熱フィンがつぶれるのを防止でき、これによって熱交換器の性能低下を防ぐことができる。
また、放熱フィンの先端部に低摩擦表面処理や高強度表面処理を施すことで、伝熱管が嵌合されるフィンのピッチが乱れるのを防ぐ。さらに、放熱フィンと拡径コマとの摩擦係数を抑えることで、拡径時における伝熱管の縮み量を抑えることができ、熱交換器の軽量化、低コスト化を図ることが可能となる。

本実施の形態における熱交換器の概略構成を示す斜視図である。 伝熱管を拡径する拡径ロッドを示す断面図である。 拡径前の伝熱管の断面図である。 第二の実施の形態における拡径前の伝熱管の断面図である。 従来の伝熱管を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
[第一の実施の形態]
図１は、本実施の形態における伝熱管（熱交換器用伝熱管）２０を用いた熱交換器１０の概略構成を説明するための図である。
図１に示すように、熱交換器１０は、空気調和機、ヒータ等に用いられるもので、一本以上（図１の例では３本）の管状の伝熱管２０と、薄板状のフィン３０とから構成されている。本実施の形態において、伝熱管２０およびフィン３０は、ともにアルミニウム系合金から形成されている。
熱交換器１０においては、伝熱管２０に対し、フィン３０が、伝熱管２０の連続する方向に沿って予め定められた間隔で配列され、それぞれのフィン３０に形成された貫通孔３１に伝熱管２０が挿通されている。

図２に示すように、この伝熱管２０は、当初、貫通孔３１の内径ｄよりも小さな外径を有しており、伝熱管２０を貫通孔３１に挿入した後、拡径ロッド４０により拡径されることで、伝熱管２０の外周面がフィン３０の貫通孔３１の内周に押し付けられて接合される。
拡径ロッド４０は、棒状のロッド本体４１に、一端側４２ａが当初の伝熱管２０の内径ｄよりも小さな外径Ｄ１を有し、他端側４２ｂに向けて内径ｄよりも大きな外径Ｄ２を有した拡径部４２を有した拡径コマ（拡径部材）４３が設けられている。この拡径コマ４３は、図２に示すように、球状、楕円球状等の他、テーパ状等とすることができるが、ここではその形状を何ら限定するものではない。このような拡径ロッド４０は、ロッド本体４１を、油圧シリンダ等の駆動機構でその軸線方向に移動させて、拡径コマ４３を伝熱管２０の内周部に挿入・移動させることで、伝熱管２０を拡径する。このとき、拡径ロッド４０は、駆動機構によって伝熱管２０に押し込む方向に移動させても良いし、伝熱管２０から引き抜く方向に移動させても良い。

図３に示すように、伝熱管２０は、一方向に連続する管状で、その内周面には、伝熱管２０の軸線方向に沿って連続する放熱リブ２１が一体形成されている。放熱リブ２１は、伝熱管２０の周方向において、一定間隔を隔てて複数本が形成されている。この放熱リブ２１は、伝熱管２０の成形時に、一体に成形される。

これらの放熱リブ２１は、全て同じ高さｈに形成され、その先端部２１ａは、伝熱管２０の中心Ｃを中心とした同心円に沿った円弧状面２２とされている。言い換えると、伝熱管２０の中心Ｃから放熱リブ２１の先端部２１ａまでの距離をＲとしたときに、先端部２１ａは、曲率半径Ｒの凹面状の円弧状面２２とされている。

このような放熱リブ２１を有した伝熱管２０を拡径ロッド４０で拡径するときには、各放熱リブ２１の先端部２１ａが円弧状面２２であるので、拡径コマ４３が、放熱リブ２１の先端部２１ａに全体に均一に当たることになる。このように、放熱リブ２１の先端部２１ａに拡径コマ４３が面接触することで、放熱リブ２１に作用する荷重分布も均一化され、これによって放熱リブ２１のつぶれや剥離を抑制することができる。また、拡径コマ４３が特定の放熱リブ２１に強く当たるわけでもないため、拡径コマ４３の摩耗を抑えることもできる。
その結果、熱交換器１０の性能低下を防ぐことができる。

[第二の実施の形態]
次に、本発明にかかる第二の実施の形態について説明する。
以下においては、上記第一の実施の形態と異なる点のみを説明し、上記第一の実施の形態と共通する構成についてはその説明を省略する。
図４に示すように、本実施の形態における伝熱管２０は、放熱リブ２１の少なくとも先端部２１ａに、伝熱管２０を構成する母材のアルミニウム系合金よりも摩擦係数が低くなる表面処理が施された低摩擦係数皮膜Ｓ１が形成されている。なお、図４においては、放熱リブ２１の先端部２１ａを凸曲面によって形成しているが、その形状は何ら限定するものではない。もちろん、放熱リブ２１の先端部２１ａは、図３に示したような円弧状面２２とするのが最も好ましい。
また、互いに隣接する放熱リブ２１間に形成された溝２３の側面（放熱リブ２１の側面）２３ａと、溝２３の底部２３ｂとに、伝熱管２０を構成する母材のアルミニウム系合金よりも硬度が高くなる表面処理が施された高強度皮膜Ｓ２が形成されている。

このような低摩擦係数皮膜Ｓ１を形成するために先端部２１ａに対する摩擦係数を低減する表面処理、高強度皮膜Ｓ２を形成するために溝２３に対する硬度を向上する表面処理としては、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素被膜）コーティング処理が適している。ＤＬＣコーティング処理は、処理対象の摩擦係数を低減するとともに、その硬度を向上させるからである。
ＤＬＣコーティング処理は、炭化水素ガスを高真空中のアーク放電プラズマで分解し、プラズマ中のイオン等を被膜形成対象物（本実施の形態の場合は放熱リブ２１および溝２３）に衝突させることによって高硬度でかつ低摩擦係数を有する皮膜を形成するものである。
ここでは、ＤＬＣコーティング処理以外の処理を用いることもできる。このような他の処理方法としては、例えば、ＣｒＮ（窒化クロム）等によるクロムコーティング、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）等によるチタンコーティング等がある。

上述したように、放熱リブ２１の先端部に低摩擦係数皮膜Ｓ１を形成することで、拡径コマ４３と伝熱管２０との間に生じる摩擦力を低減することができる。これによって、拡径時に長さ方向に縮む伝熱管２０によってフィン３０に加わる力も小さくなり、フィン３０の配列ピッチが乱れたり、隣り合うフィン３０どうしがくっついてしまうのを防ぐことができる。
さらに、拡径コマ４３と伝熱管２０との間に生じる摩擦力を低減することで、拡径後の伝熱管２０の縮み量も低減することができる。その結果、規定の長さの伝熱管２０を形成するのに必要な拡径前の伝熱管２０の長さが短くて済み、熱交換器１０の軽量化、使用材料の抑制による低コスト化を図ることができる。加えて、拡径コマ４３と伝熱管２０との間で焼き付きが生じるのを防ぐことができるので、放熱フィン２１の一部が擦り取られて伝熱管２０の内部に凝着したり、剥がれたアルミ片が伝熱管２０内に残留するのを回避できる。
また、互いに隣接する放熱リブ２１の間に形成された溝２３の側面２３ａおよび底部２３ｂに高強度皮膜Ｓ２を形成することで、拡径時に溝２３がつぶれるのを防ぐことができる。その結果、伝熱管２０における伝熱効率が低下するのを防ぎ、熱交換器１０の熱交換効率を設計通りのレベルに維持できる。

なお、上記実施の形態では、熱交換器１０の構成について説明したが、伝熱管２０の放熱リブ２１に関わる部分以外の構成については、上記各実施形態で説明した構成に限るものではなく、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…熱交換器、２０…伝熱管（熱交換器用伝熱管）、２１…放熱リブ、２１ａ…先端部、２２…円弧状面、２３…溝、２３ａ…側面、２３ｂ…底部、３０…フィン、３１…貫通孔、４０…拡径ロッド、４２…拡径部、４３…拡径コマ（拡径部材）、Ｓ１…低摩擦係数皮膜、Ｓ２…高強度皮膜

Claims (10)

1. 互いに間隔を隔てて配列された複数枚の薄板状のフィンに、内部に冷媒が流通される伝熱管が貫通・接合された熱交換器の製造方法であって、
   予め、前記伝熱管の内周面に複数本配置された放熱リブの先端部を、前記伝熱管の中心から前記放熱リブの前記先端部までの半径とほぼ等しい曲率半径を有した円弧状面により形成しておき、
   前記フィンに形成された貫通孔に、前記貫通孔よりも小さな外径を有した前記伝熱管を挿通させる工程と、
   前記貫通孔に挿通された前記伝熱管の内部に拡径部材を通すことで、前記伝熱管を拡径させて前記貫通孔に接合させる工程と、を備えることを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記伝熱管の前記放熱リブの少なくとも前記先端部には、摩擦係数を前記伝熱管の母材よりも低減させる低摩擦表面処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記低摩擦表面処理は、前記伝熱管を拡径させるときに前記伝熱管が長さ方向に縮むのを抑えるためであることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記伝熱管の前記放熱リブの少なくとも側部には、硬度を前記伝熱管の母材よりも向上させる硬度向上処理が施されていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器の製造方法。
5. 互いに間隔を隔てて配列された複数枚の薄板状のフィンに、内部に冷媒が流通される伝熱管が貫通・接合された熱交換器の製造方法であって、
   予め、前記伝熱管の内周面に複数本配置された放熱リブの少なくとも先端部に、摩擦係数を前記伝熱管の母材よりも低減させる低摩擦表面処理を施しておき、
   前記フィンに形成された貫通孔に、前記貫通孔よりも小さな外径を有した前記伝熱管を挿通させる工程と、
   前記貫通孔に挿通された前記伝熱管の内部に拡径部材を通すことで、前記伝熱管を拡径させて前記貫通孔に接合させる工程と、を備えることを特徴とする熱交換器の製造方法。
6. 前記伝熱管がアルミニウム系材料から形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
7. 前記伝熱管と前記フィンとが、同材質で形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
8. 互いに間隔を隔てて配列された複数枚の薄板状のフィンと、
   前記フィンに形成された貫通孔に挿入・接合された伝熱管と、を備え、
   前記伝熱管は、その内周面に周方向に間隔を隔てて複数本の放熱リブが形成され、
   前記放熱リブの少なくとも先端部に、摩擦係数を前記伝熱管の母材よりも低減させる低摩擦表面処理が施されていることを特徴とする熱交換器。
9. 前記伝熱管がアルミニウム系材料から形成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記伝熱管と前記フィンとが、同材質で形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の熱交換器。

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