JP6056620B2 - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器およびその製造方法に関するものである。

一般的な水冷媒熱交換器は、水流路を内部に形成する水側チューブおよび冷媒流路を内部に形成する冷媒側チューブの構成材料として、水道水環境下において耐食性実績のある銅合金を採用している。しかし、銅合金は高価であるとともに、微細化加工が困難なため、例えば、微細多穴チューブを形成できず、水冷媒熱交換器の小型高性能化が困難である。

これに対して、特許文献１に開示されている水冷媒熱交換器は、水側チューブを銅合金で構成し、冷媒側チューブをアルミニウム合金で構成している。これによると、冷媒側チューブを銅合金よりも安価なアルミニウム合金で構成しているので、低コスト化が可能となる。さらに、アルミニウム合金は微細化加工が可能なため、押出加工による微細多穴チューブの製造が可能となり、冷媒チューブを微細多穴チューブで構成することで、水冷媒熱交換器の小型高性能化が可能となる。

特開２００２−１０７０６９号公報

しかし、特許文献１に記載されている水冷媒熱交換器では、水側チューブと冷媒側チューブとを機械的に接触させているだけであるため、両者の間に隙間が存在する等の理由により、接触部での熱抵抗が大きく、熱交換性能が悪くなるという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、水側チューブを銅または銅合金で構成し、冷媒側チューブをアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成した熱交換器およびその製造方法において、水と冷媒との間での熱交換性能を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水側チューブ（２０）は、銅または銅合金製であり、冷媒側チューブ（３０）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であり、水側チューブ（２０）と冷媒側チューブ（３０）とは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材（５０）にてろう付けされており、水側チューブ（２０）は、長手方向垂直断面が円形状または扁平形状であって、２つまたは３つの水側チューブ（２０）が並列に配置された状態、かつ、冷媒側チューブ（３０）と各水側チューブ（２０）とが互いに接触した状態で、冷媒側チューブ（３０）および水側チューブ（２０）が仮想軸（１００）の周囲を旋回するように螺旋状に巻かれていることを特徴とする。

これによれば、水側チューブ（２０）と冷媒側チューブ（３０）とを、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材（５０）にてろう付けすることで、ろう付けをアルミニウム合金（純アルミニウムを含む）と銅合金（純銅を含む）との共晶温度未満で行うことができる。このため、アルミニウム合金と銅合金の共晶融解を起こさせることなく、チューブ（２０、３０）の変形や強度低下を抑制したろう付けが可能となる。

また、水側チューブ（２０）と冷媒側チューブ（３０）とが互いに接触した状態で、水側チューブ（２０）および冷媒側チューブ（３０）が仮想軸（１００）の周囲を旋回するように螺旋状に巻くことで、螺旋状に巻かれた水側チューブ（２０）および冷媒側チューブ（３０）を、仮想軸（１００）の軸方向一端側と他端側とから治具により圧縮するという簡易な方法で、水側チューブ（２０）および冷媒側チューブ（３０）間のクリアランスの大きさを制御することができる。このため、水側チューブ（２０）と冷媒側チューブ（３０）とを安定してろう付けすることができる。これにより、水側チューブ（２０）と冷媒側チューブ（３０）との熱伝達率が向上するため、水と冷媒との間での熱交換性能を向上させることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１、２に記載の熱交換器において、ろう材（５０）は、粉末状にて供給される粉末ろう材であることを特徴とする。

これによれば、ろう材（５０）を粉末にて供給することで、水側チューブ（２０）および冷媒側チューブ（３０）間のクリアランスに粉末状のろう材（５０）を容易に保持することができるので、水側チューブ（２０）と冷媒側チューブ（３０）とをより安定してろう付けすることができる。このため、水と冷媒との間での熱交換性能をより向上させることが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯器の全体構成図を示す。 第１実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図３のＡ部拡大図である。 水側チューブの扁平率およびｒ／Ｄを変化させた際に、水側チューブに扁平加工および螺旋加工が成立するか否かを示すグラフである。 水側チューブの本数と製造コストとの関係を示す特性図である。 第２実施形態における水側チューブを示す拡大斜視図である。 第３実施形態における螺旋加工前の冷媒側チューブを示す断面図である。 他の実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す部分断面図である。 他の実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す部分断面図である。 他の実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器をヒートポンプ式給湯器の水冷媒熱交換器に適用したものである。

図１に示すように、ヒートポンプ式給湯器は、給湯水を貯留する貯湯タンク１０、貯湯タンク１０内の給湯水を循環する水循環通路１１、および、給湯水を加熱するためのヒートポンプサイクル装置１２を備えている。

貯湯タンク１０は、高温の給湯水を長時間保温することができる温水タンクである。貯湯タンク１０に貯留された給湯水は、貯湯タンク１０の上部に設けられた出湯口１０ａから出湯され、台所や風呂等に給湯される。貯湯タンク１０内の下部に設けられた給水口１０ｂから水道水が補給されるようになっている。

水循環通路１１には、給湯水を循環させる電動水ポンプ１３が配置されており、給湯水は、貯湯タンク１０下部の給湯水出口１０ｃ→電動水ポンプ１３→水冷媒熱交換器１５→貯湯タンク１０上部の給湯水入口１０ｄの順に流れる。

ヒートポンプサイクル装置１２は、電動圧縮機１４、水冷媒熱交換器１５、膨張弁１６、蒸発器１７等を順次配管接続したものであり、周知の冷凍サイクルを構成している。

水冷媒熱交換器１５は、給湯水が流れる水流路１５ａと、電動圧縮機１４吐出後の高温高圧の冷媒が流れる冷媒流路１５ｂとを有し、給湯水と電動圧縮機１４吐出後の高温冷媒との間で熱交換させて、給湯水を加熱する加熱用熱交換器である。

次に、本実施形態の水冷媒熱交換器１５の具体的構造について説明する。図２および図３に示すように、水冷媒熱交換器１５は、水流路１５ａが内部に形成された水側チューブ２０と、冷媒流路１５ｂが内部に形成された冷媒側チューブ３０とを備えている。

水冷媒熱交換器１５は、２本または３本（本例では２本）の水側チューブ２０が並列に配置された状態、かつ冷媒側チューブ３０と各水側チューブ２０とがそれぞれ互いに接触した状態で、冷媒側チューブ３０および水側チューブ２０が仮想軸１００の周囲を旋回するように螺旋状に巻かれた形状になっている。

水側チューブ２０は、水道水環境下での耐食性が高い銅または銅合金製であり、冷媒側チューブ３０はアルミニウムまたはアルミニウム合金製である。

具体的には、図３に示すように、水側チューブ２０は、長手方向垂直が扁平形状であり、１つの水流路１５ａが内部に形成されている扁平チューブである。一方、冷媒側チューブ３０は、長手方向垂直断面が扁平形状であるとともに、内部に複数の冷媒流路１５ｂが並列に形成された多穴チューブである。この冷媒側チューブ３０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金材料の押出加工または引抜加工によって形成される。

水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とは、ろう付けによって金属的に接合されている。すなわち、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とが接触した状態で、接合部４０によって両者が接合している。ろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材を採用している。本実施形態では、図４に示すように、ろう材５０は、粉末状にて供給される粉末ろう材である。

水側チューブ２０の両端部には、複数の水流路１５ａへ給湯水を分配させ、または、複数の水流路１５ａから流出した給湯水を集合させる水側ヘッダ（図示せず）が設けられている。同様に、冷媒側チューブ３０の両端部には、複数の冷媒流路１５ｂへ冷媒を分配させ、または、複数の冷媒流路１５ｂから流出した冷媒を集合させる冷媒側ヘッダ（図示せず）が設けられている。

ところで、本実施形態の水側チューブ２０は、長手方向垂直断面が円形状である丸管に扁平加工を施すことにより、長手方向垂直断面が扁平形状になるように形成されている。

ここで、水側チューブ２０が構成する螺旋半径をｒ、水側チューブ２０に扁平加工を施す前の丸管の外径をＤとする。そして、水側チューブ２０の扁平率およびｒ／Ｄを変化させた際に、水側チューブ２０に扁平加工および螺旋加工が成立するか否かを図５に示す。

図５において、水側チューブ２０に扁平加工および螺旋加工を施した際に座屈やシワが発生しなかった場合（つまり、扁平加工および螺旋加工が成立した場合）を丸印で示し、水側チューブ２０に扁平加工および螺旋加工を施した際に座屈やシワが発生した場合（つまり、扁平加工および螺旋加工が成立しなかった場合）をバツ印で示している。

なお、扁平率とは、水側チューブ２０の長手方向垂直断面における短径方向の寸法をチューブ高さＨ、長径方向の寸法をチューブ幅Ｗとした場合の、チューブ幅Ｗに対するチューブ高さＨの比率のことを意味しており、扁平率＝Ｈ／Ｗ×１００（パーセント）で表される。また、螺旋半径とは、水側チューブ２０の長手方向垂直断面における中心部から螺旋の仮想軸１００（図２参照）までの長さのことを意味している。

扁平率が大きい程、水側チューブ２０を螺旋状に曲げる（以下、螺旋加工ともいう）ことが容易になる。また、ｒ／Ｄが大きい程、水側チューブ２０を螺旋加工することが容易になる。

図５から明らかなように、水側チューブ２０の扁平率が４０％以上、かつ、ｒ／Ｄ≧２．２の関係を満たす場合には、扁平加工および螺旋加工を施した際に座屈やシワが発生せず、水側チューブ２０を良好に形成できる。

以上説明したように、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とを、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材５０にてろう付けすることで、ろう付けをアルミニウム合金と銅合金との共晶温度未満で行うことができる。このため、アルミニウム合金と銅合金の共晶融解を起こさせることなく、チューブ２０、３０の被接合部分の変形や強度低下を抑制したろう付けが可能となる。

また、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とが互いに接触した状態で、水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０が仮想軸１００の周囲を旋回するように螺旋状に巻くことで、螺旋状に巻かれた水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０を、仮想軸１００の軸方向一端側（図２の紙面上側）と他端側（図２の紙面下側）とから治具により圧縮するという簡易な方法で、水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０間のクリアランスの大きさを制御することができる。このため、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とを安定してろう付けすることが可能となる。

そして、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とが安定してろう付け接合されることにより、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０との熱伝達率が向上するため、水冷媒熱交換器１５の熱交換性能を向上させることができる。また、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０との熱伝達率が向上するので、水冷媒熱交換器１５の小型化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、ろう材５０は、粉末状にて供給される粉末ろう材であるので、水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０間のクリアランスに粉末状のろう材５０を容易に保持することができる。このため、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とをより安定してろう付けすることが可能となる。また、本実施形態で採用しているＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材５０は、硬度の高い３〜４次元系のろう材であるため、粉末での供給に好適である。

また、本実施形態では、冷媒側チューブ３０を、長手方向垂直断面が扁平形状であるとともに、内部に複数の冷媒流路１５ｂが形成された多穴チューブで構成している。ここで、チューブ内に同じ冷媒流量を流す場合では、チューブ内に１つの冷媒流路１５ｂが形成されているときよりも、複数の冷媒流路１５ｂが形成されている方が、冷媒流路１５ｂの流路断面積が小さくなるので、冷媒と水との間での熱交換性能が向上する。また、複数本のチューブを別体で形成するよりも、１つのチューブで形成した方が、チューブ全体のサイズを小さくできる。よって、冷媒側チューブ３０を多穴チューブで構成することで、水冷媒熱交換器１５の小型高性能化が可能となる。

ところで、本実施形態の水冷媒熱交換器１５は、複数本の水側チューブ２０を有している。ここで、水側チューブ２０の水流路１５ａの総流路断面積を一定（例えば４０ｍｍ²）とした場合における、水側チューブ２０の本数と製造コストとの関係を図６に示す。具体的には、図６は、水側チューブ２０を１本とした際の製造コストを１とした場合の、水側チューブ２０の本数に対する製造コストを示す特性図である。

図６から明らかなように、水側チューブ２０の本数を２本または３本とすることで、水側チューブ２０の本数が１本の場合に対して、製造コストを８割以下に抑制することができる。一方、水側チューブ２０の本数を４本以上とすると、１本の水側チューブ２０に形成される水流路１５ａが微細化するので、水側チューブ２０を形成するために特殊加工を施すことが必要となる。このため、製造コストが上昇してしまう。したがって、水側チューブ２０の本数を２本または３本とすることが望ましい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、水側チューブ２０の構成が異なるものである。

図７に示すように、水側チューブ２０における、螺旋状の内方側端部を構成する部位以外の部位、つまり仮想軸１００と対向しない部位には、水流路１５ａに向けて突出する突起部２１が複数形成されている。ここで、水側チューブ２０における、螺旋状の内方側端部を構成する部位以外の部位とは、具体的には、水側チューブ２０における、螺旋状の外方側端部を構成する部位、および、扁平面を構成する部位（冷媒側チューブ３０に対向する部位）のことを意味している。

本実施形態によれば、水側チューブ２０に突起部２１を形成することで、伝熱面積を増大させて、冷媒と水との間での熱交換性能を向上させることができる。

ところで、水側チューブ２０における、螺旋状の内方側端部を構成する部位に突起部２１を形成すると、水側チューブ２０に螺旋加工を施した際に、座屈が発生するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、突起部２１を、水側チューブ２０における、螺旋状の内方側端部を構成する部位には形成せず、螺旋状の内方側端部以外の部位に形成している。これにより、水側チューブ２０に座屈が発生することを抑制しつつ、冷媒と水との間での熱交換性能を向上させることができる。つまり、加工性の向上および熱交換性能の向上の両立を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、水冷媒熱交換器１５の製造方法が異なるものである。

本実施形態における水冷媒熱交換器１５の製造方法は、水側チューブ２０を形成する水側チューブ形成工程と、冷媒側チューブ３０を形成する冷媒側チューブ形成工程と、水側チューブ形成工程および冷媒側チューブ形成工程の後に実施される螺旋加工工程と、螺旋加工工程の後に実施されるろう付け工程を含んでいる。

水側チューブ形成工程では、まず、銅または銅合金材料に押出加工または引抜加工を施すことにより、長手方向垂直断面が円形状である丸管を形成する。続いて、この丸管に扁平加工を施すことにより、長手方向垂直断面が扁平形状の水側チューブ２０が形成される。

冷媒側チューブ形成工程では、アルミニウムまたはアルミニウム合金材料に押出加工または引抜加工を施すことにより、扁平多穴チューブである冷媒側チューブ３０が形成される。この冷媒側チューブ形成工程の詳細は後述する。

螺旋加工工程は、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とを互いに接触させた状態で、水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０を、仮想軸１００の周囲を旋回するように螺旋状に巻く工程である。その後、ろう付け工程では、螺旋状に巻かれた水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０を、ろう材５０によりろう付け接合することにより、水冷媒熱交換器１５が形成される。

ここで、冷媒側チューブ３０の長手方向垂直断面における短径方向の寸法をチューブ高さとする。冷媒側チューブ形成工程では、図８に示すように、冷媒側チューブ３０における、螺旋加工工程後に螺旋状の内方側端部を構成する部位３１のチューブ高さＨ１が、螺旋加工工程後に螺旋状の外方側端部を構成する部位３２のチューブ高さＨ２よりも短くなるように、冷媒側チューブ３０を形成する。

ところで、冷媒側チューブ形成工程において、冷媒側チューブ３０における、螺旋加工工程後に螺旋状の内方側端部を構成する部位３１のチューブ高さＨ１と、螺旋加工工程後に螺旋状の外方側端部を構成する部位３２のチューブ高さＨ２とが等しくなるように、冷媒側チューブ３０を形成した場合、螺旋加工工程において冷媒側チューブ３０に螺旋加工を施すと、冷媒側チューブ３０における螺旋状の内方側端部を構成する部位のチューブ高さが、螺旋状の外方側端部を構成する部位のチューブ高さよりも大きい、偏肉状になるおそれがある。

このように、螺旋加工工程後に冷媒側チューブ３０が偏肉状になると、冷媒側チューブ３０における螺旋状の外方側端部と水側チューブ２０との隙間が大きくなり、当該部分のろう付けが困難になる。

これに対し、本実施形態では、冷媒側チューブ形成工程で、冷媒側チューブ３０における、螺旋加工工程後に螺旋状の内方側端部を構成する部位３１のチューブ高さＨ１が、螺旋加工工程後に螺旋状の外方側端部を構成する部位３２のチューブ高さＨ２よりも短くなるように、冷媒側チューブ３０を形成している。これによれば、螺旋加工工程において冷媒側チューブ３０に螺旋加工を施した際に、冷媒側チューブ３０における螺旋状の内方側端部を構成する部位のチューブ高さと、螺旋状の外方側端部を構成する部位のチューブ高さとの差が小さくなる。このため、水側チューブ２０と冷媒側チューブ３０とのろう付け性を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、長手方向垂直断面が扁平形状の水側チューブ２０を２本設けた例について説明したが、水側チューブ２０の形状や本数はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、長手方向垂直断面が扁平形状の水側チューブ２０を３本設けてもよい。また、図１０、図１１に示すように、長手方向垂直断面が円形状の水側チューブを２本または３本設けてもよい。

（２）上述の各実施形態のように、水側チューブ２０および冷媒側チューブ３０は、流路を形成していれば、どのような形状にも変更可能である。

（３）上述の各実施形態では、ヒートポンプ式給湯器に用いられる水冷媒熱交換器に本発明を適用したが、他の用途に用いられる水冷媒熱交換器においても、本発明を適用できる。

１５ａ 水流路
１５ｂ 冷媒流路
２０ 水側チューブ
３０ 冷媒側チューブ
５０ ろう材

Claims (6)

1. 水が流れる水流路（１５ａ）が内部に形成された水側チューブ（２０）と、冷媒が流れる冷媒流路（１５ｂ）が内部に形成された冷媒側チューブ（３０）とを備え、前記水と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記水側チューブ（２０）は、銅または銅合金製であり、
   前記冷媒側チューブ（３０）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であり、
   前記水側チューブ（２０）と前記冷媒側チューブ（３０）とは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材（５０）にてろう付けされており、
   前記水側チューブ（２０）における、前記螺旋状の内方側端部を構成する部位以外の部位には、前記水流路（１５ａ）に向けて突出する突起部（２１）が形成されており、
   前記水側チューブ（２０）は、長手方向垂直断面が円形状または扁平形状であって、
   ２つまたは３つの前記水側チューブ（２０）が並列に配置された状態、かつ、前記冷媒側チューブ（３０）と各前記水側チューブ（２０）とが互いに接触した状態で、前記冷媒側チューブ（３０）および前記水側チューブ（２０）が仮想軸（１００）の周囲を旋回するように螺旋状に巻かれていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記水側チューブ（２０）は、長手方向垂直断面が円形状である丸管に扁平加工を施すことにより、長手方向垂直断面が扁平形状になるように形成されており、
   前記水側チューブ（２０）が構成する螺旋半径をｒ、前記丸管の外径をＤとしたとき、
   前記水側チューブ（２０）は、扁平率が４０％以上、かつ、ｒ／Ｄ≧２．２の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ろう材（５０）は、粉末状にて供給される粉末ろう材であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記冷媒側チューブ（３０）は、長手方向垂直断面が扁平形状であるとともに、内部に複数の前記冷媒流路（１５ｂ）が形成された多穴チューブであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 前記突起部（２１）は、前記水側チューブ（２０）における、前記冷媒側チューブ（３０）と接合される部位に対応する部位に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器の製造方法であって、
   前記冷媒側チューブ（３０）を、長手方向垂直断面が扁平形状となるように形成する冷媒側チューブ形成工程と、
   前記冷媒側チューブ形成工程の後に、前記水側チューブ（２０）と前記冷媒側チューブ（３０）とを互いに接触させた状態で、前記水側チューブ（２０）および前記冷媒側チューブ（３０）を、前記仮想軸（１００）の周囲を旋回するように螺旋状に巻く螺旋加工工程とを含んでおり、
   前記冷媒側チューブ（３０）の長手方向垂直断面における短径方向の寸法をチューブ高さとしたときに、
   前記冷媒側チューブ形成工程では、前記冷媒側チューブ（３０）における、前記螺旋加工工程後に前記螺旋状の内方側端部を構成する部位（３１）の前記チューブ高さ（Ｈ１）が、前記螺旋加工工程後に前記螺旋状の外方側端部を構成する部位（３２）の前記チューブ高さ（Ｈ２）よりも短くなるように、前記冷媒側チューブ（３０）を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法。

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