JP5517728B2 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換管と、前記熱交換管が貫通する貫通穴を有した複数の板状フィンと、を備えた熱交換器、及び、前記熱交換器の製造方法に関する。

従来、板状フィンに、熱交換管が貫通する貫通穴を形成すると共に、貫通穴の周囲に立ち上がる筒状部を設け、係る板状フィンを熱交換管に対して複数積層した後、熱交換管の径を拡げることで板状フィンの筒状部と熱交換管とを密着させ、更に、前記筒状部の外側に犠牲腐食層を設けることで、熱交換管と接続する筒状部の内側層の腐食を抑止するようにした熱交換器が知られている（特許文献１参照）。

また、熱交換管の耐食性を向上させる技術としては、アルミニウム合金製の熱交換管の外表面に、ケイ素Ｓｉ粉と亜鉛Ｚｎ含有フラックスとが含まれるフラックス層を形成させ、この熱交換管で波形のフィン（コルゲートフィン）を挟み込んで組み立て、この組み立て体を加熱することで、フィンを熱交換管に対してろう付けし、このろう付けのときに、ろう液にフラックス中の亜鉛Ｚｎが拡散して熱交換管の表面に広がり、熱交換管の表面に広がった亜鉛Ｚｎの犠牲腐食効果によって、熱交換管の耐食性を向上させることが知られている（特許文献２参照）。

特開２００９−２５０５１０号公報 特開２００９−２４９７２８号公報

ところで、特許文献１のように、貫通穴の周囲に立ち上がる筒状部を備えた板状フィンを積層させ、熱交換管の径を拡げることで板状フィンの筒状部と熱交換管とを密着させる場合、例えば隣り合う筒状部間の隙間などから侵入した凝縮水が熱交換管の表面に付着することがあり、たとえ熱交換管と熱交換管に密着する筒状部の内側層との腐食電位の差（自然電位の差）を大きく設定していても、熱交換管の腐食を十分に防止することができず、また、熱交換管と板状フィンとの密着性が低下してしまう可能性があった。
また、特許文献２のように、熱交換管の表面を犠牲腐食層で覆えば、外側の犠牲腐食層が犠牲的に腐食して内側の熱交換管の腐食を抑制できるものの、フィンが犠牲腐食層を介して熱交換管に接合されるため、犠牲腐食層が腐食すると、フィンが脱落したり、フィンと熱交換管との密着性が低下したりするという問題があった。

そこで、本発明は、熱交換管の防食を図りつつ、フィンと熱交換管との密着性を維持できる熱交換器、及び、前記熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱交換器は、熱交換管と、熱交換管が貫通する貫通穴を有した板状フィンと、を備えた熱交換器であって、板状フィンが、芯材層と芯材層の一端面を構成するろう材層と芯材層の他端面を構成する犠牲腐食層とを含む複層構造を有すると共に、貫通穴の周囲に立ち上がりかつろう材層を内周面とし犠牲腐食層を外周面とする筒状部を備え、前記板状フィンは、前記筒状部が相互に当接する状態で複数積層されて前記筒状部の内周面を構成するろう材層によるろう付けによって前記熱交換管に接合され、隣り合う前記筒状部の内周面を構成するろう材層が熔融により相互に一体化し前記熱交換管の外周を覆うようにした。
このような構成では、板状フィンの筒状部は、その内周面がろう材層で構成され、このろう材層によって板状フィンを熱交換管に対してろう付けするから、ろう材層で熱交換管の外表面が覆われ、また、熱交換管の外表面を覆うろう材層は、芯材層及び犠牲腐食層で覆われ、外側の犠牲腐食層が犠牲的に腐食することになる。

また、板状フィンを構成する芯材層，ろう材層，犠牲腐食層のうちで、犠牲腐食層を形成する金属の腐食電位が最も低く、芯材層を形成する金属の腐食電位が最も高くなるようにするとよい。
このような構成では、犠牲腐食層を形成する金属の腐食電位（自然電位）が最も低いため、犠牲腐食層が最も腐食し易いのに対し、芯材層を形成する金属の腐食電位（自然電位）が最も高いため、芯材層が最も腐食し難く、犠牲腐食層次いでろう材層が犠牲的に腐食して、芯材層の腐食を抑制する。

一方、本願発明に係る熱交換器の製造方法は、熱交換管と、熱交換管が貫通する貫通穴を有した板状フィンと、を備えた熱交換器を製造する方法であって、板状フィンとして、芯材層と芯材層の一端面を構成するろう材層と芯材層の他端面を構成する犠牲腐食層とを含む複層構造を有すると共に、貫通穴の周囲に立ち上がりかつろう材層を内周面とし犠牲腐食層を外周面とする筒状部を備えた複数の板状フィンを準備する工程と、複数の板状フィンを熱交換管に差し込み、前記筒状部が相互に当接する状態で複数積層して前記筒状部で前記熱交換管を覆う工程と、筒状部の内周面を構成するろう材層を溶融させて隣り合う前記筒状部のろう材層を相互に一体化させ、前記筒状部の内周面を構成するろう材層で前記熱交換管の外周を覆うようにして前記複数の板状フィンを前記熱交換管に対してろう付けする工程と、を含む。
このような構成では、板状フィンの貫通穴に熱交換管を差し込んで積層すると、貫通穴の周囲に立ち上がる筒状部が熱交換管の外周を覆うことになり、かつ、筒状部の内周面はろう材層で構成されるので、板状フィンを熱交換管に対して積層させた後、筒状部のろう材層を溶融させると、複数の板状フィンが熱交換管に対してろう付けされ、また、筒状部のろう材層が溶融することで、熱交換管の外表面がろう材層で覆われ、更に、熱交換管の外表面を覆うろう材層の外側は、芯材層及び犠牲腐食層で覆われ、外側の犠牲腐食層が犠牲的に腐食することになる。

ここで、板状フィンを準備する工程が、筒状部をバーリング加工によって形成する工程を含むことができる。

本発明に係る熱交換器によれば、熱交換管の外周が、板状フィンを熱交換管にろう付けするためのろう材層で覆われ、更に、熱交換管を覆うろう材層が、板状フィンを構成する芯材層及び犠牲腐食層で覆われ、外側の犠牲腐食層が犠牲的に腐食することになるので、熱交換管の耐食性が向上し、熱交換管の薄肉化を図ることができ、かつ、ろう材層の腐食を抑制でき、板状フィンと熱交換管との密着性を維持できる。
また、筒状部の当接部分の隙間がろう材層の溶融によって埋められるから、前記当接部分から凝縮水が浸入することを抑止でき、熱交換管に対する板状フィンの密着性が低下することを抑制できる。

また、本発明に係る熱交換器の製造方法によれば、板状フィンの筒状部の内周面がろう材層で構成されるので、筒状部に熱交換管を貫通させることで、板状フィンを熱交換管に対してろう付けするためのろう付け層を設けることができ、このろう付け層を溶融させることで、板状フィンを熱交換管に対して容易に接合できる。そして、ろう付け層を溶融させることで、熱交換管の外周がろう材層で覆われ、これによって熱交換管の腐食が抑制される。更に、熱交換管を覆うろう材層が、板状フィンを構成する芯材層及び犠牲腐食層で覆われ、外側の犠牲腐食層が犠牲的に腐食することになり、また、筒状部の当接部分の隙間がろう材層の溶融によって埋められて当接部分から凝縮水が浸入することを抑止できるので、凝縮水の浸入による腐食によって板状フィンと熱交換管との密着性が低下することを抑制できる。

本発明の実施形態における熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施形態における熱交換管と板状フィンとの組み付け状態を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施形態における板状フィンを示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 本発明の実施形態における熱交換管と板状フィンとの組み付け状態を示す断面図である。 本発明の実施形態における熱交換器の製造工程を示す図である。 本発明の実施形態におけるろう付け前の板状フィンの積層状態を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるろう付け後の板状フィンの積層状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器１の全体を示す正面図であり、この熱交換器１は、例えば車両用のヒートポンプ式エアコン装置などに用いることができる。
熱交換器１は、対向配置した一対のヘッダタンク（ヘッダパイプ）２，３と、ヘッダタンク２とヘッダタンク３との間を連結するように、相互に平行に間隔を空けて配置した複数の熱交換管４と、複数の熱交換管４を横断するように、相互に平行に間隔を空けて配置した複数の板状フィン５と、前記複数の板状フィン５の上端及び下端に設けたサイドプレート６，７とを備えている。

熱交換管４は、ＪＩＳＡ１０５０などの純アルミニウムＡｌや、純アルミニウムＡｌに少量の銅Ｃｕを添加した材料や、ＪＩＳＡ３００３などのアルミニウムＡｌ−マンガンＭｎ系合金などを用い、例えば押し出し成形によって形成される。熱交換管４の断面形状は、図２に示すように、熱交換管４の延設方向（Ｘ軸方向）に直交しかつ板状フィン５の延設方向（Ｙ軸方向）に直交する方向（Ｚ軸方向）に長い扁平に形成され、その内部空間に熱交換媒体を流通させる。
ここで、熱交換管４の内部空間にインナフィンを挿入してもよく、また、熱交換管４の内部空間を相互に独立した媒体通路に仕切ることもできる。

板状フィン５は、図２〜図４に示すように、熱交換管４の長手方向の幅Ｗ１よりも大きな幅Ｗ２を有する短冊状に形成し、かつ、長さは、全ての熱交換管４を横断する長さに設定してある。
また、板状フィン５には、熱交換管４が貫通する貫通穴５ａが、幅方向の中央に、熱交換管４の配置に合わせて複数形成してある。尚、貫通穴５ａは、後述するろう付けが行える範囲内の遊びを有して熱交換管４を嵌挿できる大きさに設定してある。

更に、板状フィン５は、貫通穴５ａの周囲に立ち上がる筒状部５ｂを一体的に備えている。これにより、熱交換管４を貫通穴５ａに貫通させて複数の板状フィン５を積層させたときに、筒状部５ｂ先端の環状端面５４が、隣接する板状フィン５の貫通穴５ａの開口端周縁に突き当たることで、筒状部５ｂの立ち上がり高さＨ１の間隔で、熱交換管４に対して板状フィン５が積層する。

また、板状フィン５は、図４に示すように、３層構造を有している。板状フィン５の３層構造は、板状フィン５を熱交換管４に対してろう付けするときにろうとして機能するろう材層５１，板状フィン５の本体部分を構成する芯材層５２、及び、犠牲的に腐食して他の層の腐食を抑制する犠牲防食効果を有する犠牲腐食層５３からなり、ろう材層５１が板状フィン５の一端面を構成し、犠牲腐食層５３が板状フィン５の他端面を構成し、ろう材層５１及び犠牲腐食層５３で芯材層５２を挟んで板状フィン５を形成している。

ろう材層５１は、例えばＪＩＳ４３４３，ＪＩＳ４０３２，ＪＩＳ４０４３，ＪＩＳ４０４５などのアルミニウムＡｌ−ケイ素Ｓｉ系合金で形成され、芯材層５２は、例えばＪＩＳ３００３，ＪＩＳ３２０３などのアルミニウムＡｌ−マンガンＭｎ系合金で形成され、犠牲腐食層５３は、例えばＪＩＳ７０７２などのアルミニウムＡｌ−亜鉛Ｚｎ−マグネシウムＭｇ系合金で形成される。

ろう材層５１，芯材層５２及び犠牲腐食層５３を形成する金属材料の選定においては、腐食電位（自然電位）が、「犠牲腐食層５３を形成する金属の腐食電位」＜「ろう材層５１を形成する金属の腐食電位」＜「芯材層５２を形成する金属の腐食電位」となり、犠牲腐食層５３が最も腐食し易く、芯材層５２が最も腐食し難くなるようにしてある。
また、ろう材層５１を構成する金属は、芯材層５２、犠牲腐食層５３及び熱交換管４の金属よりも融点が低い金属を用いている。

尚、ろう材層５１，芯材層５２及び犠牲腐食層５３を形成する金属材料は、腐食電位の高低（腐食し易さの順番）が上記の順となり、また、ろう付けが可能な金属材料であればよく、例示したアルミニウム合金に限定するものではない。
また、芯材層５２が、金属材料が異なる（腐食電位が異なる）複数層で構成されていても良く、従って、板状フィン５を３層構造に限定するものではなく、４層以上の複層構造のものであってもよい。芯材層５２を複数層で構成する場合も、各層を構成する金属の腐食電位が、犠牲腐食層５３及びろう材層５１を構成する金属の腐食電位よりも高くなるようにするとよい。

板状フィン５の筒状部５ｂは、貫通穴５ａの下穴をパンチングなどで形成した後に、バーリング加工（立ち上がり加工）を施すことによって、板状フィン５に対して一体的に形成する。ここで、筒状部５ｂを形成するバーリング加工においては、筒状部５ｂの内周面が、ろう材層５１で構成され、筒状部５ｂの外周面が犠牲腐食層５３で構成されるように、加工方向を設定する。そして、板状フィン５を、筒状部５ｂの内周面を構成するろう材層５１の溶融によるろう付けによって、筒状部５ｂを貫通する熱交換管４に対して接合する。
尚、筒状部５ｂの開口先端部に、筒状部５ｂよりも外径の大きなフランジ部を一体に形成してもよい。

次に、上記構成の熱交換器１の製造方法を、図５に従って概略的に説明する。
まず、最初の工程として、貫通穴５ａ及び筒状部５ｂを備え、ろう材層５１，芯材層５２及び犠牲腐食層５３の３層構造を有する板状フィン５と共に、ヘッダタンク２，３、熱交換管４、サイドプレート６，７などの部品を準備する。
板状フィン５を準備する工程には、貫通穴５ａの下穴をパンチングなどで形成する工程、及び、バーリング加工によって筒状部５ｂを形成する工程が含まれる。

各部品を準備すると、次いで、これらの組み付けを行う。
組み付けにおいては、板状フィン５の貫通穴５ａに熱交換管４を差し込んで、熱交換管４に対して複数の板状フィン５を、筒状部５ｂが一定方向を向くように積層させる。係る組み付けによって、複数の板状フィン５は、図６に示すように、筒状部５ｂの立ち上がり高さＨ１の間隔で相互に平行に積層され、熱交換管４の外周は、複数の筒状部５ｂによって覆われる。

組み付けを完了すると、組み付け体を、ろう付けを行う炉に入れて例えば６００℃程度にまで加熱し、この加熱によってろう材層５１を溶融させ、筒状部５ｂの内周面を構成するろう材層５１によって、板状フィン５を熱交換管４に対してろう付けする。
ろう材層５１を構成する金属として、芯材層５２、犠牲腐食層５３及び熱交換管４の金属よりも融点が低い金属を用いており、炉を用いた加熱では、ろう材層５１が溶融し、芯材層５２、犠牲腐食層５３及び熱交換管４が溶融しない温度に炉内温度を設定する。

上記のろう付け工程の前の板状フィン５と熱交換管４との組み付け体では、図６に示すように、隣接する板状フィン５は相互に筒状部５ｂにおいて当接するものの、相互に接合された状態ではないが、炉を用いて組み付け体を加熱すると、筒状部５ｂの内周面を構成するろう材層５１が溶融し、図７に示すように、隣り合う筒状部５ｂのろう材層５１が互いに一体化し、筒状部５ｂの内周面を構成するろう材層５１が連続して熱交換管４の外周を覆うようになる。
更に、筒状部５ｂ先端の環状端面５４と、隣接する板状フィン５のろう材層５１との当接部分において、組み付け体を加熱したときにろう材層５１が溶融することで、前記当接部分の隙間が埋められる。

上記の熱交換器１によると、複数の板状フィン５のろう材層５１が連続して熱交換管４の外周を覆うから、凝縮水が熱交換管４の外表面に付着して腐食させることを抑止でき、熱交換管４を薄肉化しても熱交換媒体の漏れを防止できる。そして、熱交換管４を薄肉化することで、熱交換性能を高めることができる。
また、板状フィン５を熱交換管４に対してろう付けするろう材層５１の外側に、芯材層５２及び犠牲腐食層５３が積層され、最も外側の犠牲腐食層５３が犠牲的に腐食して、芯材層５２及びろう材層５１の腐食が抑制される。

更に、筒状部５ｂ先端の環状端面５４と、隣接する板状フィン５のろう材層５１との当接部分の隙間が、ろう材層５１の溶融によって埋められるから、前記当接部分から熱交換管４の外周を覆うろう材層５１に向けて凝縮水が浸入することを抑止できる。
従って、板状フィン５を熱交換管４に対してろう付けするろう材層５１が腐食して、熱交換管４に対する板状フィン５の密着性が低下することを防止できる。

また、熱交換管４に対する積層状態で、ろう材層５１及び犠牲腐食層５３が露出する部分では、犠牲腐食層５３が犠牲的に腐食し、次いで、ろう材層５１が犠牲的に腐食するので、芯材層５２の腐食を抑制できる。
従って、上記熱交換器１を、例えば特開平８−０２０２３４号公報に開示されるような車両用のヒートポンプ式エアコン装置に用いた場合、熱交換器１によって吸熱する暖房運転によって生じた凝縮水が熱交換器１に付着しても、熱交換管４及び板状フィン５の芯材層５２の腐食を抑制でき、かつ、熱交換管４と板状フィン５との密着性を維持でき、熱交換性能を長期に亘って維持することができる。

また、上記熱交換器１によると、ろう付け前においても板状フィン５を熱交換管４が保持するから、ろう付け治具が不要であって、ろう付け作業を容易に行える。
更に、波形のフィン（コルゲートフィン）を用いる熱交換器の場合、波形フィンの谷部に凝縮水が溜まり、腐食を進行させてしまうことがあるが、上記のような板状フィン５を用いる熱交換器１であれば凝縮水の排水性がよく、これによっても、腐食の進行を抑えることができる。

また、上記のように、熱交換管４及び板状フィン５の各層を形成する金属を、アルミニウム系の金属（アルミニウムＡｌ又はアルミニウム合金）に統一すれば、ろう付けのための加熱時にそれぞれが同程度に熱膨張することで、応力集中が発生することを抑制できる。
また、熱交換管４の耐食性を向上させるため、押し出し成形した熱交換管４の外表面に、Ｚｎ皮膜を溶射などによって形成する必要がなく、熱交換器１のコストダウンを図ることができる。

尚、上記実施形態では、板状フィン５の一端面をろう材層５１で構成し、他端面を犠牲腐食層５３で構成したが、芯材層５２を構成する金属として、犠牲腐食層５３を備えなくても十分な耐食性を備える程度に腐食電位（自然電位）が高い金属（例えば、Ａｌ−Ｍｎ系合金よりも腐食電位が高い金属）を用いて、板状フィン５をろう材層５１と芯材層５２との２層構造とすることが可能である。この場合、板状フィン５の一端面がろう材層５１で構成され、他端面が芯材層５２で構成されることになり、筒状部５ｂの内周面をろう材層５１で構成することで、上記実施形態と略同様な作用・効果が得られる。

また、上記実施形態では、熱交換管４の断面形状を扁平としたが、断面形状が略丸形の熱交換管４を用いる熱交換器１であってもよく、その場合、貫通穴５ａを丸穴とし、筒状部５ｂを円筒形状とすればよく、熱交換管４の断面形状を扁平に限定するものではない。
また、板状フィン５の周縁にプラスチックやセラミックなどの非腐食性材料をコーティングしても良く、また、板状フィン５の周縁において、犠牲腐食層５３とろう材層５１とがオーバーラップする部分を設けてもよい。
また、板状フィン５は、全面が平板状である必要はなく、例えば、凝縮水を排水させる上下方向（Ｙ軸方向）に延びる溝を構成する屈曲部を設けてもよい。

１…熱交換器、２，３…ヘッダタンク、４…熱交換管、５…板状フィン、５ａ…貫通穴、５ｂ…筒状部、５１…ろう材層、５２…芯材層、５３…犠牲腐食層

Claims (4)

1. 熱交換管と、前記熱交換管が貫通する貫通穴を有した板状フィンと、を備えた熱交換器であって、
   前記板状フィンが、芯材層と前記芯材層の一端面を構成するろう材層と前記芯材層の他端面を構成する犠牲腐食層とを含む複層構造を有すると共に、前記貫通穴の周囲に立ち上がりかつ前記ろう材層を内周面とし前記犠牲腐食層を外周面とする筒状部を備え、
   前記板状フィンは、前記筒状部が相互に当接する状態で複数積層されて前記筒状部の内周面を構成するろう材層によるろう付けによって前記熱交換管に接合され、隣り合う前記筒状部の内周面を構成するろう材層が熔融により相互に一体化し前記熱交換管の外周を覆う、熱交換器。
2. 前記板状フィンを構成する前記芯材層，前記ろう材層，前記犠牲腐食層のうちで、前記犠牲腐食層を形成する金属の腐食電位が最も低く、前記芯材層を形成する金属の腐食電位が最も高い、請求項１記載の熱交換器。
3. 熱交換管と、前記熱交換管が貫通する貫通穴を有した板状フィンと、を備えた熱交換器を製造する方法であって、
   前記板状フィンとして、芯材層と前記芯材層の一端面を構成するろう材層と前記芯材層の他端面を構成する犠牲腐食層とを含む複層構造を有すると共に、前記貫通穴の周囲に立ち上がりかつ前記ろう材層を内周面とし前記犠牲腐食層を外周面とする筒状部を備えた複数の板状フィンを準備する工程と、
   前記複数の板状フィンを前記熱交換管に差し込み、前記筒状部が相互に当接する状態で複数積層して前記筒状部で前記熱交換管を覆う工程と、
   前記筒状部の内周面を構成するろう材層を溶融させて隣り合う前記筒状部のろう材層を相互に一体化させ、前記筒状部の内周面を構成するろう材層で前記熱交換管の外周を覆うようにして前記複数の板状フィンを前記熱交換管に対してろう付けする工程と、
   を含む、熱交換器の製造方法。
4. 前記板状フィンを準備する工程が、
   前記筒状部をバーリング加工によって形成する工程を含む、請求項３記載の熱交換器の製造方法。