JP5999628B2 - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に自動販売機やショーケースなどの冷凍サイクルに適用される熱交換器及びその製造方法に関する。

近年、冷凍サイクルの冷媒として地球温暖化係数の低い二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を採用することが提案されている。このＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクルでは、ＨＦＣ触媒等を用いた従来の冷凍サイクルに比べて運転圧力が高くなる。このため、冷凍サイクルに適用される熱交換器においても、従来に比べて高い耐圧性能が求められている。

冷凍サイクルに適用される従来の熱交換器として、冷媒通路を接合部のない一本の連続した冷媒チューブ（シームレスチューブ）で構成した熱交換器が知られている。この種の熱交換器は、直管部及び曲管部が交互に連続する蛇行状の冷媒チューブと、それぞれが複数の長孔を有すると共に互いに間隔をあけて配置された複数のプレートフィンと、を有する。そして、冷媒チューブを複数のプレートフィンの長孔に挿通し、その後、冷媒チューブを液圧等によって拡管（拡径）させることによって、冷媒チューブと複数のプレートフィンとが固定されている。
ここで、冷媒チューブの曲管部及び熱交換器における冷媒の出入口となる冷媒チューブの両端部は、複数のプレートフィンの外側に露出（突出）している。

特開平１１-３３３５３９号公報

ところで、上記液圧等による拡管時において、複数のプレートフィンの内側に位置する冷媒チューブの直管部は多くの部分がプレートフィンの長孔に挿通しており、当該長孔（の内周部）によって拡管（拡径）が規制されることになる。また、複数のプレートフィンの外側に露出する冷媒チューブの曲管部及び両端部のうちの曲管部については曲げ加工による加工硬化によってその強度が増している。このため、拡管を規制する部材がなく、曲管部に比べて加工硬化の少ない冷媒チューブの両端部は、上記液圧等による拡管時に、他の部分よりも大きめ（過剰）に拡管されてしまう傾向がある。拡管後のサイズが大きくなるとそれだけ強度も低下するおそれがあるため、例えばＣＯ_２冷媒の冷凍サイクルに適用する熱交換器においては、特に冷媒チューブの両端部の強度に十分な配慮が必要となる。
これに対し、冷媒チューブ自体の肉厚を増加させることも考えられるが、そうすると熱交換器の大幅なコストアップや重量の増加を招くことになるため好ましくない。

なお、熱交換器における冷媒チューブの両端部は、冷凍サイクルの冷媒通路を構成する他の（外部の）冷媒チューブとの接続部分であり、当該部分の強度や耐圧性能等に十分配慮することは、ＣＯ_２冷媒の冷凍サイクルに適用されるか否かにかかわらず、共通して必要なことである。

本発明は、このような実情に着目してなされたものであり、冷媒チューブを拡管させる工程を経て製造される熱交換器において、拡管処理に伴う冷媒チューブの両端部の強度低下を抑制し、及び／又は、冷媒チューブの両端部の強度を高めることにより、熱交換機の耐圧性能等を向上させることを目的とする。

本発明の一側面による熱交換器は、それぞれが複数のチューブ挿通孔を有すると共に、互いに間隔をあけて配置された複数のプレートフィンと、直管部及び曲管部が交互に連続する蛇行状の冷媒チューブであって、前記複数のプレートフィンの前記複数のチューブ挿通孔に挿通されると共に、拡管された状態で前記複数のプレートフィンに固定された前記冷媒チューブと、を含む熱交換器であって、前記冷媒チューブの一端側の入口リード部の外周面及び他端側の出口リード部の外周面のそれぞれに密着固定された円筒部材を備える。

本発明の他の側面による熱交換器の製造方法は、直管部及び曲管部が交互に連続する蛇行状の冷媒チューブと、それぞれが複数のチューブ挿通孔を有すると共に、互いに間隔をあけて配置された複数のプレートフィンと、を含む熱交換器の製造方法であって、前記冷媒チューブを前記複数のプレートフィンの前記複数のチューブ挿通孔に挿通させて前記複数のプレートフィンに取り付けること、前記冷媒チューブの一端側の入口リード部の外周面及び他端側の出口リード部の外周面のそれぞれに円筒部材を装着すること、前記冷媒チューブ内に高圧の液体を注入し、液圧によって当該冷媒チューブを拡管させることにより、当該冷媒チューブと前記複数のプレートフィンとを固定すると共に、前記円筒部材を前記入口側リード部の外周面及び前記出口側リード部の外周面のそれぞれに固定すること、を含む。

上記熱交換器及び上記熱交換器の製造方法によれば、冷媒チューブの入口リード部及び出口リード部のそれぞれと円筒部材とが一体化して入口リード部及び出口リード部の強度を高めることができ、及び／又は、冷媒チューブの拡管処理に伴う入口リード部及び出口リード部の過剰な拡管が防止されて当該入口リード部及び出口リード部の強度低下を抑制できる。これにより、従来に比べて熱交換器の耐圧性能が大幅に向上する。

本発明の実施形態による熱交換器の斜視図である。 熱交換器の冷媒チューブを示す図である。 熱交換器のプレートフィンを示す図である。 熱交換器の端板を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態による熱交換器の斜視図である。この熱交換器１は、例えば自動販売機やショーケースなどの冷凍サイクルに適用される。熱交換器１が適用される冷凍サイクルは、特に制限されないが、ここでは二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を用いた冷凍サイクルに適用されるものとする。

熱交換器１は、図１に示すように、冷媒が流通する冷媒チューブ２と、互いに間隔をあけて配置された複数のプレートフィン３と、複数のプレートフィン３の配列方向の両側に配置された端板４Ａ、４Ｂと、を含む。

図２は、冷媒チューブ２を示している。
図２に示すように、冷媒チューブ２は、一本の管材を曲げ加工することによって、直管部２１及び曲管部２２が交互に連続すると共に縦横に複数ずつの列をなす蛇行状に形成されている。冷媒チューブ２の一端は、冷媒が流入する入口リード部２３を構成し、冷媒チューブ２の他端は、冷媒が流出する出口リード部２４を構成する。冷媒チューブ２は、一般に熱伝導率の高い材料、例えば銅材やアルミ材から形成されている。

図３は、プレートフィン３を示している。
図３に示すように、各プレートフィン３には、冷媒チューブ２が挿通される複数の長孔（チューブ挿通孔）３１が形成されている。なお、長孔３１の形状は図３に示された形状に限るものではなく、例えば二つの円孔部を当該円孔部よりも幅狭又は幅広の連繋部でつないだ形状としてもよい。プレートフィン３は、比較的軽量で熱伝導率の高い材料、たとえばアルミ材から形成されている。
冷媒チューブ２内を流通する冷媒（ＣＯ_２冷媒）は、冷媒チューブ２及び複数のプレートフィン３を介して空気と熱交換を行うことができる。

図４は、端板４Ａ，４Ｂを示している。
図４に示すように、端板４Ａ，４Ｂには、冷媒チューブ２の曲管部２ａが挿通されて当該曲管部２２を外側に露出させる複数の長孔４１が形成されている。また、一方の端板４Ａは、冷媒チューブ２の一端側の入口リード部２３及び他端側の出口リード部２４がそれぞれ挿通されてこれらを外側に露出させる二つの円孔４２ａ，４２ｂが形成されている（図１参照）。円孔４２ａ，４２ｂから外側に露出する冷媒チューブ２の入口リード部２３及び出口リード部２４には、それぞれ冷凍サイクルの冷媒通路を構成する外部の冷媒チューブ（図示省略）が接続され、これにより、冷媒（ＣＯ_２冷媒）が冷媒チューブ２内を流通する。端板４Ａ、４Ｂは、強度確保のため、冷媒チューブ２やプレートフィン３よりも強度の高い材料、例えば鋼材から形成されている。

図１に戻って、冷媒チューブ２の入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４に外周面には、それぞれ円筒部材５が固定されている。詳細は後述するが、円筒部材５は、冷媒チューブ２の拡管（拡径）処理の前に入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面に装着され、上記拡管処理による入口リード部２３及び出口リード部２４の拡管（拡径）を制限する。

換言すれば、円筒部材５は、上記拡管処理によって、その内周面に入口リード部２３の外周面又は出口リード部２４の外周面が密着（又は接合）して入口リード部２３の外周面又は出口リード部２４の外周面に固定されるように形成されている。円筒部材５は、このような特性を有していればよく、材質やサイズ等は特に制限されない。

参考までに例を挙げれば、円筒部材５は、銅材、アルミ材、ＳＵＳ材などから形成することができる。また、冷媒チューブ２が銅管であって外径がφ５ｍｍであれば、円筒部材５の内径をφ５．１〜φ５．３ｍｍ程度とするのが好ましい。なお、円筒部材５の肉厚や長さについては、円筒部材５の材質や入口リード部２３及び出口リード部２４に要求される長さ等に応じて適宜設定すればよい。

また、図１において、冷媒チューブ２の円筒部材５よりも外側に延びている部分は、上記の拡管処理とは別に実施される拡管処理によって僅かに拡管されており、これにより、上記外部の冷媒チューブとの接続を容易にし、また、入口リード部２３又は出口リード２４から円筒部材５が外れてしまうことがより確実に防止される。

次に、熱交換器１の製造方法について説明する。
本実施形態による熱交換器１は、以下のようにして製造される。
まず、複数のプレートフィン３を、例えばスペーサ治具を挟んで互いに間隔をあけて配置し、配置された複数のプレートフィン３に対して、蛇行状の冷媒チューブ２をその曲管部２２からプレートフィン３の長孔３１に挿通させる。具体的には、蛇行状の冷媒チューブ２を全てのプレートフィン３の長孔３１に挿通させ、冷媒チューブ２の曲管部２２が両端のプレートフィン３の長孔３１から外側に露出（突出）させた状態とする。これにより、冷媒チューブ２が複数のプレートフィン３に取り付けられる。

次に、両端のプレートフィン３の外側に端板４Ａ，４Ｂを取り付ける。このとき、端板４Ａ，４Ｂの長孔４１に、両端のプレートフィン３から露出（突出）した冷媒チューブ２の曲管部２２を挿通させると共に、端板４Ａの円孔４２ａ，４２ｂに冷媒チューブ２の入口リード部２３、出口リード部２４をそれぞれ挿通させる。これにより、冷媒チューブ２の曲管部２２は端板４Ａ、４Ｂの外側に露出（突出）し、冷媒チューブ２の入口リード部２３及び出口リード部２４は端板４Ａの外側に露出(突出)する。

次に、端板４Ａの外側に露出（突出）する冷媒チューブ２の入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれに円筒部材５を装着し、その一端面を端板４Ａに当接させる。なお、この段階においては、冷媒チューブ２の入口リード部２３及び出口リード部２４のそれぞれから円筒部材５を比較的容易に取り外すことができる。

次に、冷媒チューブ２内に高圧に加圧された水や油等の液体を注入し、液圧によって冷媒チューブ２を拡管（拡径）させる。これにより、冷媒チューブ２と複数のプレートフィン３とが密着固定される。また、冷媒チューブ２の入口リード部２３及び出口リード部２４は、その外周面が円筒部材５の内周面に当接するまでは支障なく拡管（拡径）するが、その後は円筒部材５によって拡管が制限される。この結果、冷媒チューブ２の入口リード部２３の外周面と円筒部材５の内周面が密着（接合）すると共に、冷媒チューブ２の出口リード部２４の外周面と円筒部材５の内周面とが密着（接合）し、円筒部材５が入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれに密着固定される。

最後に、プレートフィン３の間に挟んだスペーサ治具を取り外し、入口リード部２３及び出口リード部２４の余剰部分を切断し、その後、入口リード部２３の端部及び出口リード部２４の端部を僅かに拡管させて熱交換器１の製造を完了する。

上記実施形態による熱交換器１によれば、冷媒チューブ２の入口リード部２３及び出口リード部２４のそれぞれに円筒部材５が密着固定されるので、入口リード部２３及び出口リード部２４がそれぞれ円筒部材５と一体化されてその強度を高めることができる。これにより、熱交換器１の耐圧性能が向上する。

また、上記実施形態においては、冷媒チューブ２を拡管させる前に、円筒部材５を入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれに装着し、冷媒チューブ２の拡管によって入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれが円筒部材５の内周面に密着（接合）することにより円筒部材５が入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれに固定される。これにより、入口リード部２３及び出口リード部２４の過剰な拡管による強度低下を抑制しつつ、入口リード部２３及び出口リード部２４の円筒部材５との一体化を実現することができ、熱交換器１の耐圧性能がさらに向上する。

さらに、冷媒チューブ２を拡管させる前に、円筒部材５を入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれに装着するだけで済むので、従来の熱交換器の構造をほとんど変更することなく、熱交換機の耐圧性能の向上を図ることができるという利点もある。

なお、上記実施形態では、複数のプレートフィン３の両端に端板４Ａ、４Ｂを取り付けているが、冷媒チューブ２及び複数のプレートフィン３のみで熱交換器１の強度が確保される場合には、端板４Ａ、４Ｂを省略することもできる。

また、上記実施形態では、熱交換器１の製造方法において、冷媒チューブ２を拡管させる前に入口リード部２３の外周面及び出口リード部２４の外周面のそれぞれに円筒部材５を装着しているが、これに代えて、冷媒チューブ２の拡管の前に、例えば入口リード部２３及び出口リード部２４のそれぞれに当該入口リード部２３又は当該出口リード部２４の拡管を規制（又は制限）する規制治具を装着してもよい。この場合には、上記規制部材を装着した後に上記液圧による冷媒チューブ２の拡管を実施し、熱交換器１の製造方法の最終段階にて、入口リード部２３及び出口リード部２４のそれぞれに装着した上記規制治具を取り外すようにすればよい。

１…熱交換器、２…冷媒チューブ、３…プレートフィン、４Ａ，４Ｂ…端板、５…円筒部材、２１…直管部、２２…曲管部、２３…入口リード部、２４…出口リード部、３１…長孔（チューブ挿通孔）、４１…長孔、４２ａ，４２ｂ…円孔

Claims (5)

1. それぞれが複数のチューブ挿通孔を有すると共に、互いに間隔をあけて配置された複数のプレートフィンと、
   直管部及び曲管部が交互に連続する蛇行状の冷媒チューブであって、前記複数のプレートフィンの前記複数のチューブ挿通孔に挿通されると共に、拡管された状態で前記複数のプレートフィンに固定された前記冷媒チューブと、
   を含む熱交換器であって、
   前記冷媒チューブの一端側の入口リード部の外周面及び他端側の出口リード部の外周面のそれぞれに密着固定された円筒部材を備える、熱交換器。
2. 前記円筒部材は、拡管される前の前記冷媒チューブの前記入口リード部の外周面及び前記出口リード部の外周面のそれぞれに装着され、かつ、前記冷媒チューブの拡径を制限するように形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷媒チューブが二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を流通させるものである、請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 直管部及び曲管部が交互に連続する蛇行状の冷媒チューブと、
   それぞれが複数のチューブ挿通孔を有すると共に、互いに間隔をあけて配置された複数のプレートフィンと、を含む熱交換器の製造方法であって、
   前記冷媒チューブを前記複数のプレートフィンの前記複数のチューブ挿通孔に挿通させて前記複数のプレートフィンに取り付けること、
   前記冷媒チューブの一端側の入口リード部の外周面及び他端側の出口リード部の外周面のそれぞれに円筒部材を装着すること、
   前記冷媒チューブ内に高圧の液体を注入し、液圧によって当該冷媒チューブを拡管させることにより、当該冷媒チューブと前記複数のプレートフィンとを固定すると共に、前記円筒部材を前記入口側リード部の外周面及び前記出口側リード部の外周面のそれぞれに固定すること、
   を含む、熱交換器の製造方法。
5. 前記冷媒チューブが二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を流通させるものである、請求項４に記載の熱交換器の製造方法。