JP6125024B2 - 熱交換器、その熱交換器を用いた空気調和装置、及びその熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、扁平管を採用したフィンアンドチューブ式の熱交換器、その熱交換器を用いた空気調和装置、及びその熱交換器の製造方法に関するものである。

従来、自動車の空調用熱交換器においては、軽量化が非常に重要なことなどから、アルミ製扁平多穴管を伝熱管に用いた熱交換器が採用されている。その多くはコルゲートと呼ばれる方式で、扁平管と扁平管の間に連続して波打ったアルミ薄板材のフィンを設置して構成されている。また一部には、複数の扁平管にまたがるようにフィンを挿入したフィンアンドチューブとよばれる方式の構造も存在する。

一方、家庭用やビル用の空調機に用いられる熱交換器は、銅円管を伝熱管とし、複数の伝熱管にまたがるようにフィンを多数設けるフィンアンドチューブ構造が主流であったが、近年は自動車用空調機と同様に、アルミ製扁平管を伝熱管に用いたフィンアンドチューブ方式の熱交換器が採用されることもある（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１２−１５４４９７号公報

しかし、従来のアルミ製扁平管を用いた熱交換器でフィンに扁平管を挿入するための開口部が存在する構造のものにおいて、扁平管を挿入する方向からフィンに対して力が加わったとき、フィンのうち扁平管の端部から突出した部分が他の部分に比べて変形しやすく、製造時や組み付け時などにフィンが曲がったり、つぶれたりしてしまうという問題があった。

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、フィンの扁平管を挿入する開口部が存在する側から力が加わっても、フィンが変形しないフィンアンドチューブ式の熱交換器、その熱交換器を用いた空気調和装置、及びその熱交換器の製造方法を得ることを目的とするものである。

本発明に係る熱交換器は、複数の伝熱管と、対向する２辺を有し２辺のうちの一辺側に複数の伝熱管を挿入して固定する複数の開口部を有する複数のフィンと、を備え、複数の伝熱管と複数のフィンとが互いに交差して形成される熱交換器であって、複数の開口部における、フィンの一辺側から開口部の最深部までの長さは、互いに同一の長さとなっており、複数の伝熱管のうち少なくとも２本は、他の伝熱管よりも、複数のフィンの一辺側から複数のフィンの外側に突出するとともに、フィンの一辺側に対向する開口部の最深部と空間部分を有して開口部内に固定されているものである。

本発明に係る熱交換器によれば、フィンの開口部が設けられた一辺側から力が加わっても、フィンの開口部から突出した扁平管の端部が力を受け止めることで、フィンの変形を防止することができる。

実施の形態１における熱交換器を示す斜視図である。 実施の形態１における熱交換器を示す断面図である。 実施の形態１における熱交換器のフィンを示す平面図である。 実施の形態１における熱交換器の製造方法を示す図である。 実施の形態１における熱交換器の製造方法で扁平管を扁平管位置決め部材上に整列させた図である。 実施の形態２における熱交換器を示す断面図である。 実施の形態２における熱交換器の製造方法でフィンを扁平管差込治具上に整列させた図である。 実施の形態２における熱交換器の製造方法で扁平管を扁平管差込治具上に整列させた図である。 実施の形態３における熱交換器を示す断面図である。 実施の形態４における熱交換器のフィンを示す平面図である。 実施の形態４におけるフィン材料であるフープ材の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器を示す斜視図である。
図２は、本発明の実施の形態１における熱交換器を示す断面図である。
図３は、本発明の実施の形態１における熱交換器のフィンを示す平面図である。
本実施の形態1に係る熱交換器１は、図１に示すように複数の扁平管４が平行に配置され、その扁平管４の管軸と垂直な方向に複数のフィン２が取り付けられているフィンアンドチューブ式の熱交換器である。扁平管４は、内部に冷媒等の流体が流されるが、断面を扁平形状とすることで、通風抵抗を増大させることなく冷媒等の流体の量を多くすることができ、それにより、小型化した場合であっても十分な熱交換器としての性能を得ることができる。

扁平管４は、例えば複数の冷媒流路を内部に備えた多孔扁平管である。扁平管４の断面は両端部の円弧形状部４ａ、４ｃと、その円弧形状部４ａ、４ｃをつなぐ一対の長辺部４ｂとで形成されている。すなわち、長辺部４ｂ方向の長軸と、円弧形状部４ａ、４ｃにより形成される短軸とを有する扁平形状となっている。扁平管４の材質は、伝熱性がよく腐食の少ない金属製であることが望ましく、例えばアルミニウム製や銅製などが考えられる。

フィン２は、図３に示すように平面形状が略矩形でその一辺側３ａには、扁平管４を挿入して取り付ける開口部６が一列に並んで櫛歯状に複数配置されている。
開口部６は、フィン２の一辺側３ａから対向する他辺側３ｂに向けて長軸を有する細長い切れ込みの形状をしている。フィン２を形成するためのフィン材料としては、一般的に厚さ「０．１」〜「０．７」［ｍｍ］程度のフープ状にリールに巻かれたアルミ薄板、若しくはシート状に形成されたフィン材料が用いられる。フィン２は、フープ状、若しくはシート状のフィン材料から、順送プレス装置を用いて所定形状に成形した多数のフィン２を順次切り離すことにより、１枚毎に形成される。なお、フィン２は、順送プレス装置以外の装置により、１枚毎に形成されていてもよい。

開口部６の幅の寸法は、扁平管４の断面における短軸側の長さと略同一の長さとなっており、開口部６に扁平管４を挿入した際に隙間なく嵌合するような長さになっている。
また、開口部６の奥行き方向の最深部６ａには扁平管４の端部の円弧形状部４ａと略同一形状の円弧部が形成されており、扁平管４が開口部６の最深部６ａまで挿入されたときに互いに当接するようになっている。そして、複数の開口部６の奥行き方向の寸法（フィン２の一辺側３ａから最深部６ａまでの長さ）は互いに同一長さとなっている。

ここで、実施の形態１に係る熱交換器では、図２に示すようにフィン２の開口部６の最深部６ａに扁平管４の一端部の円弧形状部４ａが当接した状態で、扁平管４の他端部側の円弧形状部４ｃがフィン２の開口部６における一辺側３ａから突出した状態となっている。すなわち、開口部６の奥行き寸法は、扁平管４の断面における長軸側の長さより短く設定されている。
そして、複数の扁平管４の円弧形状部４ｃの先端を結んだ扁平管端部接線８は直線状で、かつフィン２の一辺側３ａと平行となっている。

なお、上記においてフィン２を１枚のみを抽出して扁平管４との位置関係の説明を行ったが、図１に示すとおりフィン２は複数枚が扁平管４に取り付けられているため、全てのフィン２と扁平管４との位置関係は図２の形状と同等になっている。また、扁平管４の全ての本数がフィン２の開口部６における一辺側３ａから突出した状態となる例を示したが、一部の扁平管（例えば２本以上）がフィン２の一辺側３ａから突出した状態となっていてもよい。

次に、本実施の形態１に係る熱交換器の製造方法について説明する。
図４ａは、実施の形態１における熱交換器の製造方法を示す図である。
また、図４ｂは、実施の形態１における熱交換器の製造方法で扁平管を扁平管位置決め部材１０上に整列させた図である。

図４ａに示すように、フィン２と扁平管４とを組み付ける製造方法としては、あらかじめ複数の扁平管４を扁平管位置決め部材１０上に固定しておき、一定速度で軸方向に移動させる。また、フィン２を一枚一枚フィン挿入装置９のフィン保持部１２に持たせて移動させ、扁平管位置決め部材１０上に配置した扁平管４に挿入し固定する方法が一般的である（例えば特開２０１２−３０２８４号公報を参照）。

夫々のフィン保持部１２は、ドラム２０の円周上に複数配置されており、ドラム２０の回転に伴って円運動を行なう。そして、１枚のフィン２を受け取って保持し、保持していたフィン２を扁平管４の外周面に装着する。
フィン保持部１２によるフィン２の保持は、例えば、空気の吸入を利用してフィン２を吸着する、いわゆる真空吸着により行なわれる。フィン挿入装置９は、カムフォロア（図示しない）に連結されている。
扁平管４とフィン２との固定は伝熱性を考慮し、ろう付けや半田付け、溶接や接着剤などにより行うことができる。

本実施の形態１に係る熱交換器の製造方法として、図４ｂに示すように、フィン当て部材１１が突出する扁平管位置決め部材１０をフィン挿入装置９に使用してフィン２と扁平管４を組み付ける。

このようなフィン挿入装置９を用いた場合、挿入動作の際にフィン２の開口部６が存在する一辺側３ａが、フィン当て部材１１に当接することで、扁平管４の端部の円弧形状部４ｃは開口部６から突出した状態で固定されることとなる。
すなわち、フィン当て部材１１の上端部を扁平管位置決め部材１０に当接する扁平管４の下端（円弧形状部４ｃの先端）よりも上方になるように配置することで、扁平管４の端部はフィン２の開口部６が存在する一辺側３ａより外側に位置することになる。この状態でフィン２と扁平管４とをろう付けする。

すると、実施の形態１に係る熱交換器は、フィン２の開口部６が設けられた一辺側３ａ側から力が加わっても、フィン２の開口部６から突出した扁平管４の端部が力を受け止めることで、フィン２の変形を防止することができる。また、変形が少ない熱交換器１を用いて空気調和装置を構成することで、変形したフィン２により熱交換器部分の空気抵抗が増加したり、熱交換効率が低下することがないため、冷暖房性能に優れた空気調和装置を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、フィン２の開口部６から一律に扁平管４を突出させ、複数の扁平管４の円弧形状部４ｃの先端を結んだ扁平管端部接線８は直線状で、かつフィン２の一辺側３ａと平行となっていたが、実施の形態２に係る熱交換器１は、フィン２の一辺側３ａにおける両端部の扁平管４のみを開口部６から突出させた形状としている。

図５は、実施の形態２における熱交換器を示す断面図である。
実施の形態２に係る熱交換器１は、一辺側３ａ側を内側とする反りを持つフィン２の形状を想定している。
このとき、扁平管４のうち、両端部の扁平管４の接線１４がフィン２の一辺側３ａの両端を結ぶ弦１５よりも熱交換器に対して外側に位置するように、両端部の扁平管４がフィン２の一辺側３ａよりも外側に突出した構成となっている。

実施の形態２に係る熱交換器は、フィン２に反りが発生する場合を想定したものである。図１に記載のフィンアンドチューブ式熱交換器を製造するときは、まずフィン２と扁平管４を組み付けた後に、それらをろう付接合することが一般的である。フィン２と扁平管４の組み付け作業やろう付などの製造方法によっては、フィン２に反りが発生する場合がある。
この反りがフィン２の一辺側３ａ側を内側とする形状となっても、実施の形態１と同様にフィン２の一辺側３ａを外力から保護するための熱交換器の構成となっている。

このような熱交換器の製造方法について説明する。図６ａは、実施の形態２における熱交換器の製造方法でフィン２を扁平管差込治具１６上に整列させた図である。図６ｂは、実施の形態２における熱交換器の製造方法で扁平管４を扁平管差込治具１６上に整列させた図である。

まず、図６ａに示すようにフィン２を平板形状の扁平管差込治具１６上に整列させる。その後、図６ｂに示すようにフィン２の開口部６に扁平管４を差し込んでいく。このとき、扁平管差込治具１６の両端部には突起１７があり、両端の扁平管４はその他の扁平管４に比べてフィン２の開口部６への差込量が浅くなり、開口部６の最深部６ａとの間に間隙となる空間部分を有する形状で固定される。この状態でフィン２と扁平管４とをろう付けする。なお、熱交換器に反りが発生するのはフィン２と扁平管４の組み付け後であるため、組み付け作業中には反りが発生していない。

このような熱交換器にあっては、熱交換器１のフィン２が一辺側３ａ側に反ってしまったとしても両端の扁平管４がフィン２の一辺側３ａから突出することで一辺側３ａ側からの外力を受け止め、フィン２の変形を防止することができる。また、変形が少ない熱交換器１を用いて空気調和装置を構成することで、変形したフィン２により熱交換器部分の空気抵抗が増加したり、熱交換効率が低下することがないため、冷暖房性能に優れた空気調和装置を得ることができる。

なお、フィン２の両端２本の扁平管４のみがフィン２の一辺側３ａから突出する例を示したが、さらに他の扁平管４が一辺側３ａから外側に突出しても同様の効果が得られる。 また、扁平管４の突出量によっては、必ずしも両端部の扁平管４でなくその内側にある扁平管４が突出する構成としてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１では、フィン２の開口部６から一律に扁平管４を突出させ、複数の扁平管４の円弧形状部４ｃの先端を結んだ扁平管端部接線８は直線状で、かつフィン２の一辺側３ａと平行となっていたが、実施の形態３に係る熱交換器１は、フィン２の一辺側３ａにおける両端部と中央部の扁平管４を３本、開口部６から突出させた形状としている。

図７は、実施の形態３における熱交換器を示す断面図である。
実施の形態３に係る熱交換器は、一辺側３ａを外側とする反りを持つフィン２の形状を想定している。
このとき、扁平管４のうち、両端部の扁平管４と中央部の扁平管４との接線１９がフィン２の一辺側３ａが描く曲線よりも外側に位置するように、両端部と中央部の扁平管４がフィン２の一辺側３ａよりも外側に突出した構成となっている。

実施の形態３に係る熱交換器は、実施の形態２と同様にフィン２に反りが発生する場合を想定したものである。ただし、実施の形態２とは逆方向への反りを想定している。
この反りがフィン２の一辺側３ａ側を外側とする形状となっても、実施の形態１と同様にフィン２の一辺側３ａを外力から保護するための熱交換器の構成となっている。

このような熱交換器の製造方法について説明する。実施の形態２と同様にまず、図６ａに示すようにフィン２を平板形状の扁平管差込治具１６上に整列させる。その後、図６ｂに示すようにフィン２の開口部６に扁平管４を差し込んでいく。このとき、扁平管差込治具１６の両端部と中央部に突起１７を設けることで、両端部と中央部の扁平管４はその他の扁平管４に比べてフィン２の開口部６への差込量が浅くなり、開口部６の最深部６ａとの間に間隙となる空間部分を有する形状で固定される。この状態でフィン２と扁平管４とをろう付けする。

このような熱交換器にあっては、熱交換器１のフィン２が一辺側３ａを外側として反ってしまったとしても両端及び中央の扁平管４がフィン２の一辺側３ａから突出することで一辺側３ａ側からの外力を受け止め、フィン２の変形を防止することができる。また、変形が少ない熱交換器１を用いて空気調和装置を構成することで、変形したフィン２により熱交換器部分の空気抵抗が増加したり、熱交換効率が低下することがないため、冷暖房性能に優れた空気調和装置を得ることができる。

なお、フィン２の両端部と中央部の３本の扁平管４のみがフィン２の一辺側３ａから突出する例を示したが、さらに他の扁平管４が一辺側３ａから外側に突出しても同様の効果が得られる。また、扁平管４の突出量によっては、必ずしも両端部と中央部の扁平管４でなくその他の扁平管４が突出する構成としてもよい。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１に係る図３に記載したフィン２の形状に対して、他辺側３ｂに凹部６ｂが設けられている。すなわち、実施の形態１〜３に係る熱交換器１に対してフィン２の形状のみが異なった実施の形態である。
図８は、実施の形態４における熱交換器のフィンを示す平面図である。
図８において、開口部６と凹部６ｂとは、一辺側３ａと他辺側３ｂとにおいて紙面上縦方向で対向する同じ位置に設けられている。また、凹部６ｂの紙面上縦方向の幅と、開口部６の紙面上縦方向の幅とは、同一となるよう形成されている。

次に、実施の形態４に係る熱交換器１を製造するための製造方法について説明する。
熱交換器１のフィン２は、リールに巻き取られたシート状のフィン材料であるフープ材３０を加工して製造される。

図９は、実施の形態４におけるフィン材料であるフープ材の平面図である。
図９において、フープ材３０がプレス装置を通過する際の方向を、フープ材送り方向３１で示す。
実施の形態４では、まずフープ材３０に長穴３２を開け、金型を持ったプレス装置を用いてフィン２の性能を向上させるための種々の突起や切欠きなどを形成する。次に、長穴３２を通る位置であるフィン切り落とし線３３にてフープ材３０を所定の幅に裁断しフィン２とする。

ここで、長穴３２の位置に対して、フィン切り落とし線３３をどの位置とするかは、金型を含むプレス装置を調整することで容易に変更することが可能である。したがって、このようなフープ材３０を用いて成形するフィン２の開口部６および凹部６ｂの深さも容易に変更することができる。

フィン２と扁平管４との組み立て方法は、実施の形態１に示したフィン２を一枚一枚フィン挿入装置９のフィン保持部１２に持たせて移動させ、扁平管位置決め部材１０上に配置した扁平管４に挿入し固定する方法、または、実施の形態２や３に示したように、フィン２をあらかじめ治具等で位置決めして整列させておき、整列させたフィン２の開口部６に扁平管４を差し込んで組み付ける方法のどちらを採用してもよい。そして、最終的にフィン２と扁平管４とは、ろう付等により接合がなされる。

フィン２の変形を防止する効果を顕著にするために、扁平管４の突出寸法を大きく取ることが有効であるが、扁平管４の開口部６への差込深さが極端に浅くなると扁平管４とフィン２との伝熱性能が低下する。
実施の形態４に係る熱交換器１の製造方法では、長穴３２の位置に対するフィン切り落とし線３３の位置を調整することで扁平管４の突出寸法を簡便に微調整することが可能となる。
よって、これらフィン２の変形を防止する効果と伝熱性能との相反する作用効果に対して最も有効な位置に扁平管４を配置することが可能になる。

１ 熱交換器、２ フィン、３ａ 一辺側、３ｂ 他辺側、４ 扁平管、４ａ 円弧形状部、４ｂ 長辺部、４ｃ 円弧形状部、６ 開口部、６ａ 最深部、６ｂ 凹部、８ 扁平管端部接線、９ フィン挿入装置、１０ 扁平管位置決め部材、１１ フィン当て部材、１２ フィン保持部、１４ 接線、１５ 弦、１６ 扁平管差込治具、１７ 突起、１９ 接線、２０ ドラム、３０ フープ材、３１ フープ材送り方向、３２ 長穴、３３ フィン切り落とし線。

Claims (9)

1. 複数の伝熱管と、対向する２辺を有し前記２辺のうちの一辺側に前記複数の伝熱管を挿入して固定する複数の開口部を有する複数のフィンと、を備え、
   前記複数の伝熱管と前記複数のフィンとが互いに交差して形成される熱交換器であって、
   複数の前記開口部における、前記フィンの前記一辺側から前記開口部の最深部までの長さは、互いに同一の長さとなっており、
   前記複数の伝熱管のうち少なくとも２本は、他の前記伝熱管よりも、前記複数のフィンの前記一辺側から前記複数のフィンの外側に突出するとともに、前記フィンの前記一辺側に対向する前記開口部の前記最深部と空間部分を有して前記開口部内に固定されている熱交換器。
2. 前記複数の伝熱管の全てが前記複数のフィンの外側に突出した状態で前記開口部に固定されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 複数の伝熱管と、対向する２辺を有し前記２辺のうちの一辺側に前記複数の伝熱管を挿入して固定する複数の開口部を有する複数のフィンと、を備え、
   前記複数の伝熱管と前記複数のフィンとが互いに交差して形成される熱交換器であって、
   前記複数の伝熱管のうち両端部の２本の前記伝熱管だけが前記複数のフィンの前記一辺側から前記複数のフィンの外側に突出し、前記フィンの前記一辺側に対向する前記開口部の最深部と空間部分を有する状態で前記開口部内に固定されている熱交換器。
4. 複数の伝熱管と、対向する２辺を有し前記２辺のうちの一辺側に前記複数の伝熱管を挿入して固定する複数の開口部を有する複数のフィンと、を備え、
   前記複数の伝熱管と前記複数のフィンとが互いに交差して形成される熱交換器であって、
   前記複数の伝熱管のうち両端部及び中央の３本の前記伝熱管だけが前記複数のフィンの前記一辺側から前記複数のフィンの外側に突出し、前記フィンの前記一辺側に対向する前記開口部の最深部と空間部分を有する状態で前記開口部に固定されている熱交換器。
5. 前記伝熱管は、扁平管である請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記フィンの前記２辺のうちの他辺側には、前記開口部に対向する位置に凹部が形成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器を有する空気調和装置。
8. 複数の伝熱管と、対向する２辺を有し前記２辺のうちの一辺側に前記複数の伝熱管を挿入して固定する複数の開口部を有する複数のフィンと、を備え、
   前記複数の伝熱管と前記複数のフィンとが互いに交差して形成される熱交換器の製造方法であって、
   前記複数のフィンを扁平管差込治具上に平行に並べるステップと、
   前記複数のフィンの開口部に前記複数の伝熱管を嵌合するステップと、
   前記複数の伝熱管のうちの一部の伝熱管を前記扁平管差込治具の突起部に載置し、前記一部以外の伝熱管と高低差をつけるステップと、
   前記複数の伝熱管と前記複数のフィンとをろう付けするステップと、
   を有する熱交換器の製造方法。
9. 前記複数のフィンを製造する際に、シート状のフープ材に長穴を開けるステップと、
   前記長穴を通る位置にて前記フープ材を裁断するステップと、
   を有する請求項８に記載の熱交換器の製造方法。

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