JP5725914B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の製造方法に関するものである。

室内空調用として用いられる空気調和機は、その本体の内部の熱交換器に、フィンアンドチューブ式熱交換器が用いられている。

かかるフィンアンドチューブ式熱交換器は、複数枚の平板状の熱交換フィンが所定の間隔をおいて積層され、これらフィンを貫通する冷媒配管（伝熱管）とから構成され、冷凍サイクルの凝縮器や蒸発器として使用されている。

例えば、空気調和機における熱交換器の全体を占める割合は大きく、近年、空気調和機の高性能化、コンパクト化が進むなかで、熱交換器の小型化は非常に重要となっている。
空気調和機に用いられるフィンアンドチューブ式熱交換器に、複数枚の平板状の熱交換用フィンが積層され、これらのフィンを貫通して円管からなる冷媒配管が設けられ、例えば冷凍サイクルの凝縮器として使用されているものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、フィンアンドチューブ式熱交換器の冷媒配管として扁平状の熱交換パイプを用いたものがある（例えば、特許文献２、３参照）。

前記扁平形熱交換パイプ（伝熱管）は、扁平形状であるので、通風抵抗を増大させることなく冷媒量を多くすることができる。それにより、従来の熱交換器よりも小型に構成した場合においても十分な熱交換器の性能を得ることができる。

特開平１０−２３８９８１号公報（図１、図４、図５） 特開平９−３２４９９５号公報（図１、図４、図６、図１１） 特開平１０−７８２９６号公報（図１〜３）

ところで、上述した熱交換器は、以下のような方法で製作することができる。上記扁平形状を有する管は、その管形状より一般的に円管熱交換器の製造に用いられているような拡管が困難である。そのため、伝熱管とフィンの密着性を確保する必要があることから、図９に示すような回動挿入治具３０等を用いて、フィン１０Ｂを１枚ずつ伝熱管２０の上部より回動して、フィンピッチを保ちながら伝熱管２０に挿入する。このため、例えば特許文献２に示されるように、フィン１０Ｂには、伝熱管２０に挿入するための略Ｕ字状の切欠き部と、切欠き部より起立したフィンカラー部がプレス加工によりあらかじめ形成されている。なお、図９については後で詳しく説明する。

そして、フィンと伝熱管を接合するにあたって、ロウ付けにより接合した場合は、ロウ材や接合部等の管理・運用面から生産コストが増大してしまい、安価な熱交換器を製造することが困難となる。

そこで、生産コストを低減するために、フィンと伝熱管との接合を接着によって行うことが考えられる。しかし、接着剤は熱伝導率が低いため、フィンと伝熱管との密着性を確保しておくことが重要になる。

また、製造される機種によっては室内機形状が小さいものがあるため、そのような室内機に対しては、熱交換器の両端のフィンを内側に倒すことで対処している。そのため、伝熱管とフィンとが結合された熱交換器は、そのフィン両端部を、後工程で例えば図１０に示すようなフィン端倒し治具３５を用いて、挿入方向へ倒すことで製作している。なお、図１０についても後で詳しく説明する。

しかし、この方法では、フィンを倒す際に熱交換器を傷つけたり、変形させたりする可能性がある。そのため、熱交換器に傷や変形を生じさせないように配慮しながら、フィン両端部を倒す必要がある。したがって、その工程には必然的に所定の時間を要することとなり、タクトタイム、製造コストの増加を招くこととなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、熱交換器に傷や変形を生じさせることなく、かつ工程を増やすことなしに、フィン両端部が倒れた生産性の高い熱交換器を得ること、及びそのような熱交換器を安価に製造することにある。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、並列に配設され、内部を熱交換媒体が流通する複数の扁平状の伝熱管と、前記伝熱管に直交する方向に所定の間隔をおいて積層状態に挿入され、切欠き状の挿入部を有する複数の平板状のフィンと、を備えた熱交換器の製造方法において、前記挿入部にフィンカラー部を立ち上げない状態で形成したカラー未成形フィンを形成する工程と、前記カラー未成形フィンのカラー未成形挿入部を、前記伝熱管に治具を用いて押し込むことにより、フィンカラー部を前記カラー未成形フィンに対して垂直に立ち上げて前記伝熱管に密着させる工程と、前記密着させたフィンカラー部を前記伝熱管に接着接合する工程と、を有するものである。

本発明の熱交換器は、フィンカラー部を伝熱管に密着させた上で接着接合するものであるので、接着剤による伝熱性を損なうことなく、容易かつ簡単にフィンの接合を行うことができる。

また、切欠き状の挿入部にフィンカラー部を立ち上げずに形成したカラー未成形フィンを伝熱管に挿入すると同時に、熱交換器幅方向の端部に当たるフィンの両端部をフィン挿入方向へ倒すことができる。よって、フィン挿入完了後に行っていた熱交換器両端のフィンを倒す工程を省くことができる。

さらに、フィン製作時にフィンカラー部を立ち上げる工程を省くことができるため、フィンの金型のカラー立上げ工程を省くことができ、パンチなどの設備費削減や、工程削減による生産性向上が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器が搭載された空気調和機の断面図である。 実施の形態１に係る熱交換器の一部分を示す斜視図である。 図２の熱交換器の正面図である。 熱交換器の端部（図３のＤ部）の断面を示す拡大図である。 カラー成形した従来のフィン形状を示す平面図である。 図５のＸ−Ｘ線断面図である。 カラー成形しないフィン形状を示す平面図である。 図７のＹ−Ｙ線断面図である。 伝熱管へのフィン挿入方法を示す説明図である。 伝熱管へフィン挿入後に、フィン両端部を倒す従来方法を示す説明図である。 伝熱管へのフィン挿入過程を示す説明図である。 伝熱管へのフィン挿入過程における一方のフィン端部の詳細図である。 実施の形態２におけるフィンの伝熱管への挿入過程を示す説明図である。 図１３の一方のフィン端部の詳細図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器を搭載した空気調和機１の断面図である。
図１に示すように、空気調和機１は、本体２と、本体２の内部に空気調和手段として設置された、熱交換器３および送風機４とを備えており、本体２の上部に設けられた吸込口５から室内空気をフィルター６を介して吸い込み、吸い込まれた空気が熱交換器３を通過する過程で、この熱交換器３の伝熱管内を流通する熱交換媒体と熱交換され、冷風または温風となって本体２下部の吹出口７より室内へ吹き出すことで、冷房または暖房等を行うようになっている。

このような空気調和機１に搭載されるフィンアンドチューブ式の熱交換器３を図２〜図４に示す。図２はその熱交換器の一部分を示す斜視図で、図２では図３に示すヘアピン部は省略してある。図３は図２の熱交換器の正面図である。また、図４は熱交換器の端部（図３のＤ部）の断面を示す拡大図である。

この熱交換器３は、並列に配設され、内部を水や冷媒等の流体である熱交換媒体が流通する複数の扁平状の伝熱管２０と、伝熱管２０に直交する方向に所定の間隔をおいて積層状態に挿入され、略Ｕ字状に切り欠かれた挿入部（切欠き部）１１を有する複数の平板状のフィン１０とを備えている。また、各フィン１０には、隣接する挿入部１１間の面に同じ向きに向けてそれぞれスリット１２がプレスによる切り起こしにより形成されている。このような平板状のフィン１０が略Ｕ字状の挿入部１１を介して、並列に配設された扁平状の伝熱管２０に対し積層されて挿入される。そして、フィン挿入の際、後述するようにフィン１０と伝熱管２０とがフィンカラー部１３を介して密着するように接合される。図３、図４において、Ｃはフィン１０と伝熱管２０の接合部を示している。

伝熱管２０は、断面形状が両端の半円と半円を直線でつなぐ扁平状の長円形状をなす中空管であり、内部は上記熱交換媒体が流通する１つ又は区画された複数の流路を有するものである。この扁平状の伝熱管２０は、その平坦面が気流方向（図２に矢印ａで示す方向）に平行になるようにフィン１０の挿入部１１に挿入される。
また、伝熱管２０の端部には、例えば図３に示すように、ヘアピン部２１が接続されている。なお、図３の他端側も同様のヘアピン部で接続されており、熱交換媒体が蛇行するように伝熱管２０内を流通するようになっている。

また、図３及び図４に示すように、隣接する伝熱管２０の中心軸間の距離Ａと当該伝熱管２０の幅（厚さ）Ｂとの比率をＢ：Ａを１：３．５６乃至３．７５となすと共に、各フィン１０のフィンピッチＥを１．１５ｍｍとしたものである。これらの値は、シミュレーションにより、熱伝達率と空力圧損の影響を考慮する中で、熱交換器の性能において最適であると判断した値である。

図４は熱交換器３の端部（図３のＤ部）の断面を示す拡大図である。以下においては、熱交換器３の幅方向（伝熱管配列方向）の端部３ａ、３ｂに当たるフィン１０の端部を符号１０ａ、１０ｂで示すものとする。図４においては、一方（図３の下側）のフィン端部１０ｂを示している。また、図４に示すように、フィン１０の同一面側には、それぞれの挿入部（切欠き部）１１の縁部の全周に渡って伝熱管２０とフィン１０とを密着させて接合するためのフィンカラー部１３がフィン挿入の際に垂直に立ち上がるように形成される。なお、このフィンカラー部１３の高さＦは、その伝熱管と接する面積を最大にするため、フィン１０間のフィンピッチＥと同じにしている。

ここで、従来のフィン形状と本実施の形態におけるフィン形状について説明する。
図５は従来のフィン形状を示す平面図で、図６は図５のＸ−Ｘ線断面図である。図７は本実施の形態におけるフィン形状を示す平面図で、図８は図７のＹ−Ｙ線断面図である。
従来のフィン１０Ｂは、図５及び図６に示すように、フィンカラー部１３Ｂが予めそれぞれの切欠き状の挿入部１１Ｂの縁部に沿って垂直に起立して形成されている。
一方、本実施の形態では、図７及び図８に示すように、フィンとしてカラー未成形フィン１０Ａを使用するものである。すなわち、上記のようなフィンカラー部を形成することなく、つまり、切欠き状のカラー未成形挿入部１４がカラー未成形フィン１０Ａに形成された状態となっているものである。カラー未成形挿入部１４は、カラー高さＦに相当する分だけ切欠き開口幅Ｇを小さくする形で、挿入部１１となる面と同一面に平らに形成されている。また、このカラー未成形フィン１０Ａは、例えば、材質がアルミニウムで、板厚は約０．１ｍｍとなっている。

次に、フィン１０Ｂを用いた従来の熱交換器３の製造手順について説明する。図９は伝熱管２０へのフィン挿入方法を示す説明図である。
熱交換器３を製造するには、図９に示すように、フィン１０Ｂを回動挿入治具３０のフィン吸着固定部３１に吸着させ、１枚ずつＰ方向に回動させて、フィン１０Ｂの切欠き状の挿入部１１Ｂを伝熱管２０に挿入する。そのあと、伝熱管２０をＱ方向にフィンピッチＥずつ、移動させ、さらに次のフィン１０Ｂを同様の方法で挿入していくことで、フィンピッチＥを確保しながら、熱交換器３を製作することができる。

また、熱交換器３の幅（伝熱管整列方向）を狭めるために、フィン端部１０ａ、１０ｂを倒す必要がある場合は、図１０に示すような方法で実施していた。
上述した方法で、熱交換器３を製作したあと、図１０に示すローラーからなるフィン端倒し治具３５を用いて、当該治具３５をＲ方向に回転させながらＳ方向へ移動させることで、熱交換器３のフィン端部１０ａ、１０ｂをフィンカラー部の向きとは反対のフィン挿入方向へ倒していく。

これに対して、本実施の形態では、図１１及び図１２に示すような方法で熱交換器３を製作するものである。図１１は伝熱管へのフィン挿入過程を示す説明図で、図１２は伝熱管へのフィン挿入過程における一方のフィン端部の詳細図である。

まず、プレス加工により、図７及び図８に示したようなカラー未成形フィン（フィンカラー部を立ち上げない形で成形したフィン）１０Ａを形成する。
次に、このカラー未成形フィン１０Ａを、上記の回動挿入治具３０のフィン吸着固定部３１に吸着させ、１枚ずつＰ方向に回動させて、伝熱管２０に挿入していく。その際、図１１及び図１２に示すように、カラー未成形フィン１０Ａのカラー未成形挿入部１４間の区画部分を回動挿入治具３０で押しながら挿入する。カラー未成形挿入部１４は、切欠き開口幅Ｇが伝熱管２０の厚さＢより小さくなっているので、該挿入部１４を伝熱管２０に押し込むことで、フィン両端部１０ａ、１０ｂ以外の箇所では、該挿入部１４が伝熱管２０に当たり、かつその伝熱管２０に沿いながら、フィンカラー部１３が折れ曲がっていき、最後には垂直に立ち上がって伝熱管２０に密着する。それと同時に、フィン端部１０ａ、１０ｂのカラー未成形挿入部１４は立ち上がることなく、カラー未成形挿入部１４を中心にフィン挿入方向へ回転し倒れていく。

そして、このようにして立ち上げたフィンカラー部１３に、例えばエポキシ系の接着剤を塗布し、その熱交換器３を加熱することで、伝熱管２０とフィンカラー部１３とが密着した状態で接着接合された熱交換器３を製造することができる。

以上のように、この実施の形態によれば、カラー未成形フィン１０Ａを回動挿入治具３０で伝熱管２０に挿入する過程で、フィン両端部１０ａ、１０ｂをフィン挿入方向へ倒すと同時に、フィン端部１０ａ、１０ｂ以外の箇所のフィンカラー部１３を垂直に立ち上げるように形成したので、従来のようなフィンカラー部を立ち上げる工程を省くことができるため、熱交換器を安価に製造することができる。
また、同じ回動挿入治具３０を使用してフィン端部１０ａ、１０ｂをフィン挿入方向へ倒すことができるので、熱交換器３の他の部分に傷や変形を生じさせることなく、タクトタイムの減少、製造コストの低減などの効果を得ることができる。
さらに、フィン１０のフィンカラー部１３が伝熱管２０に密着した上で伝熱管２０に接着接合されているので、接着剤による伝熱性が損なわれることはなく、フィン１０と伝熱管２０の接合を容易かつ確実に行うことができる。

実施の形態２．
図１３は実施の形態２におけるフィンの伝熱管への挿入過程を示す説明図で、図１４は図１３の一方のフィン端部の詳細図である。
上記の実施の形態１では、カラー未成形フィン１０Ａを伝熱管２０に挿入する際に、図１１、図１２のようにフィン端部１０ａ、１０ｂをフィン挿入方向に倒しながら挿入していたが、本実施の形態２では、図１３に示すようにフィン端押さえ治具３６を使用することで、所定の位置でフィンカラー部１３を新たに形成し、フィン端部１０ａ、１０ｂを倒さずに挿入するようにしたものである。フィン端押さえ治具３６は、フィン端部１０ａ、１０ｂ側に壁を設けた治具であり、このような治具３６の中にカラー未成形フィン１０Ａのカラー未成形挿入部１４を伝熱管２０に押し込みながら挿入することで、すべてのカラー未成形挿入部１４のフィンカラー部１３が垂直に立ち上がって伝熱管２０に密着する。

その後は、実施の形態１と同様に、接着剤をフィンカラー部１３に塗布した後、フィン端部１０ａ、１０ｂをフィン端押さえ治具３６に固定したまま、熱交換器３を加熱することで、伝熱管２０とフィンカラー部１３とが密着した状態で熱交換器３を製造することができる。

この実施の形態２によれば、実施の形態１による効果に加えて、フィン端押さえ治具３６を用いることで、簡単な段取り操作でフィン端部１０ａ、１０ｂを倒すことなくすべてのフィンカラー部１３を垂直に立ち上げることができるので、所定の幅の熱交換器や機種の変更等に速やかに対応できるという効果がある。

１ 空気調和機、２ 本体、３ 熱交換器、３ａ、３ｂ 熱交換器の端部、４ 送風機、５ 吸込口、６ フィルター、７ 吹出口、１０ フィン、１０ａ、１０ｂ フィン端部、１０Ａ カラー未成形フィン、１１ 挿入部（切欠き部）、１２ スリット、１３ フィンカラー部、１４ カラー未成形挿入部、２０ 伝熱管、２１ ヘアピン部、３０ 回動挿入治具、３１ フィン吸着固定部、３５ フィン端倒し治具、３６ フィン端押さえ治具。

Claims (2)

1. 並列に配設され、内部を熱交換媒体が流通する複数の扁平状の伝熱管と、
   前記伝熱管に直交する方向に所定の間隔をおいて積層状態に挿入され、切欠き状の挿入部を有する複数の平板状のフィンと、
   を備えた熱交換器の製造方法において、
   前記挿入部にフィンカラー部を立ち上げない状態で形成したカラー未成形フィンを形成する工程と、
   前記カラー未成形フィンのカラー未成形挿入部を、前記伝熱管に治具を用いて押し込むことにより、フィンカラー部を前記カラー未成形フィンに対して垂直に立ち上げて前記伝熱管に密着させる工程と、
   前記密着させたフィンカラー部を前記伝熱管に接着接合する工程と、
   を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 伝熱管に直交する方向に所定の間隔をおいて積層状態に挿入され、切欠き状の挿入部を有する複数の平板状のフィンと、
   を備えた熱交換器の製造方法において、
   前記挿入部にフィンカラー部を立ち上げない状態で形成したカラー未成形フィンを形成する工程と、
   前記カラー未成形フィンのカラー未成形挿入部を、前記伝熱管に治具を用いて押し込むことにより、前記熱交換器の幅方向端部に当たるフィン両端部以外の箇所のフィンカラー部を前記カラー未成形フィンに対して垂直に立ち上げて前記伝熱管に密着させるとともに、前記フィン両端部をフィン挿入方向へ倒す工程と、
   前記密着させたフィンカラー部を前記伝熱管に接着接合する工程と、
   を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。

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