JP6207989B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、中空扁平形状の熱交換チューブ（扁平チューブともいう）を備え、熱交換チューブ内を流通する第１流体と熱交換チューブ外を流通する第２流体との間で熱交換を行わせる熱交換器に関するもので、特に、熱交換チューブ、及び、その内部に挿入配置されるインナーフィンの構造に関する。

従来の熱交換器として、特許文献１に示されるものがある。これは、互いに平行に配置される一対のヘッダタンクと、これら一対のヘッダタンクを並列に連通する扁平中空形状の熱交換チューブと、を含んで構成され、熱交換チューブ内を流れる冷媒と熱交換チューブ外（熱交換チューブ間の空隙）を流れる空気との間で熱交換を行う。ここで、熱交換チューブ間の空隙には波板形状のアウターフィンが配置される。

また、熱交換チューブ内には波板形状のインナーフィンが挿入配置される。インナーフィンは、熱交換チューブの内部を仕切って複数の通路を形成することで、熱交換面積を大きくしている。

特開２００６−１３２９０４号公報

ところで、波板形状のインナーフィンは、中空扁平形状の熱交換チューブ内に挿入され、炉中ろう付けにより、波板の両面の凸条部が熱交換チューブの内面に接合される。
所望の熱交換性能を確保するためには、熱交換チューブとインナーフィンとが確実に接合されることが重要であり、このためには、接合前の熱交換チューブとインナーフィンとの接触状態（ろう付けされる部位の隙間）を厳しく管理する必要がある。
しかしながら、熱交換チューブへのインナーフィンの挿入後に、熱交換チューブの内部を覗くことはできないので、接触状態の検査には限界があった。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、熱交換チューブの内部を覗くことなく、外観からインナーフィンとの接触状態を検査できるようにすることを課題とする。

本発明に係る熱交換器は、中空扁平状の熱交換チューブを備え、熱交換チューブ内を流通する第１流体と熱交換チューブ外を流通する第２流体との間で熱交換を行わせるもので、前記熱交換チューブ内に波板形状のインナーフィンを備える。
ここにおいて、前記インナーフィンは、前記熱交換チューブの内面と接合される凸条部に小突起を有する。そして、前記熱交換チューブの外面に、前記インナーフィンと前記熱交換チューブとの圧接により、前記小突起に起因する突起痕が形成される。

本発明に係る熱交換器では、インナーフィンの凸条部に小突起を有するため、熱交換チューブ内にインナーフィンを挿入し、熱交換チューブの両面から押圧すると、小突起は潰れるものの、熱交換チューブがわずかに変形し、その外面に小突起に起因する突起痕が残る。逆に熱交換チューブの浮きなどにより、正しく接触していない場合は、突起痕が形成されない。従って、熱交換チューブに正しく突起痕が形成されているか否かを検査することにより、接触状態を検査でき、突起痕が形成されていないものを不良品として排除できる。

また、インナーフィンの凸条部に形成される小突起は、熱交換チューブとろう付けにより接合される際に、確実に接触することから、熱交換チューブとインナーフィンとの間のろう流れの起点となり、ここから凸条部に沿って、ろう流れを誘発できる。従って、確実な接合を行うことができるという副次的効果を奏する。

本発明の一実施形態として示す熱交換器の概略斜視図 同上の熱交換器の正面図 同上の熱交換器の側面図（図２のＡ−Ａ矢視図） 図２のＢ−Ｂ断面図 同上の熱交換器の平面図（図２のＣ−Ｃ矢視図） 図２のＤ−Ｄ断面図 図２のＥ−Ｅ断面図 同上の熱交換器のパス構成を示す概略斜視図 扁平チューブの全体図 扁平チューブ（及びインナーフィン）の断面図（図９のＸ−Ｘ断面図） 扁平チューブの他の箇所での断面図（図９のＹ−Ｙ断面図） 扁平チューブの更に他の箇所での断面図（図９のＺ−Ｚ断面図） インナーフィンの平面図 インナーフィンの小突起と扁平チューブ外面に形成される突起痕とを示す一部破断斜視図 扁平チューブの押圧処理の様子を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態として示す熱交換器の概略斜視図、図２は正面図、図３は側面図（図２のＡ−Ａ矢視図）、図４は図２のＢ−Ｂ断面図、図５は平面図（図２のＣ−Ｃ矢視図）、図６は図２のＤ−Ｄ断面図、図７は図２のＥ−Ｅ断面図である。

本実施形態の熱交換器１０は、蒸発器であり、空気（空調用空気）の通流方向（図１中ＡＩＲの矢印方向）において、前後に並べて配置された２つの熱交換ユニット１００、２００を有している。ここで、２つの熱交換ユニット１００、２００のうち、通流方向の上流側に位置する熱交換ユニット１００は、冷媒出口パイプ１１０を有する冷媒出口側の熱交換ユニットであり、通流方向の下流側に位置する熱交換ユニット２００は、冷媒入口パイプ２１０を有する冷媒入口側の熱交換ユニットである。

熱交換ユニット１００は、互いに平行に配置される上下一対の円筒状のヘッダタンク１０１、１０２と、これらのヘッダタンク１０１、１０２を並列に連通する複数の扁平チューブ１０３と、扁平チューブ１０３間に配置されるアウターフィン１０４とから構成され、これらはろう付けにより接合される。

扁平チューブ１０３は、アルミ材（アルミニウムあるいはアルミニウム合金）により中空扁平形状に形成され、中空部は冷媒流路をなす。
アウターフィン１０４は、波板形状で、隣合う扁平チューブ１０３、１０３の扁平面間に挿入配置され、空気の通流方向に空気流路を形成する。

上側のヘッダタンク１０１は、その下側の円筒面に、複数の扁平チューブ１０３の上端部が連通している。尚、ヘッダタンク１０１には、前記扁平チューブ１０３を嵌合するため、スリットが予め形成されている。そして、上側のヘッダタンク１０１の左右の両端部は閉塞されている。

下側のヘッダタンク１０２は、その上側の円筒面に、複数の扁平チューブ１０３の下端部が連通している。尚、ヘッダタンク１０２にも、前記扁平チューブ１０３を嵌合するため、スリットが予め形成されている。そして、下側のヘッダタンク１０２の左右の両端部のうち、一方（図で右方）は閉塞されるが、他方（図で左方）には冷媒出口パイプ１１０が接続されている。そして、下側のヘッダタンク１０２の長手方向中間部には、タンク内空間を第１及び第２のタンク内空間１０２ａ、１０２ｂに仕切る仕切壁１０５が設けられる。尚、仕切壁１０５は、円板状に形成され、ヘッダタンク１０２に予め形成したスリットを介して挿入し、接合する。

下側のヘッダタンク１０２において、仕切壁１０５により仕切られる一端側のタンク空間（第１のタンク空間）１０２ａは、冷媒の流出側のタンク空間となり、他端側のタンク空間（第２のタンク空間）１０２ｂは、接続部材３００を介して他の熱交換ユニット２００と連通するタンク空間となる。

熱交換ユニット２００は、熱交換ユニット１００と同様、互いに平行に配置される上下一対の円筒状のヘッダタンク２０１、２０２と、これらのヘッダタンク２０１、２０２を並列に連通する複数の扁平チューブ２０３と、扁平チューブ２０３間に配置されるアウターフィン２０４とから構成され、これらはろう付けにより接合される。

扁平チューブ２０３は、扁平チューブ１０３と同様、アルミ材により中空扁平形状に形成され、中空部は冷媒流路をなす。
アウターフィン２０４は、アウターフィン１０４と同様、波板形状で、隣合う扁平チューブ２０３、２０３の扁平面間に挿入配置され、空気の通流方向に空気流路を形成する。

上側のヘッダタンク２０１は、その下側の円筒面に、複数の扁平チューブ２０３の上端部が連通している。尚、ヘッダタンク２０１には、前記扁平チューブ２０３を嵌合するため、スリットが予め形成されている。そして、上側のヘッダタンク２０１の左右の両端部は閉塞されている。

下側のヘッダタンク２０２は、その上側の円筒面に、複数の扁平チューブ２０３の下端部が連通している。尚、ヘッダタンク２０２にも、前記扁平チューブ２０３を嵌合するため、スリットが予め形成されている。そして、下側のヘッダタンク２０２の左右の両端部のうち、一方（図で右方）は閉塞されるが、他方（図で左方）には冷媒入口パイプ２１０が接続されている。そして、下側のヘッダタンク２０２の長手方向中間部には、タンク内空間を第１及び第２のタンク内空間２０２ａ、２０２ｂに仕切る仕切壁２０５が設けられる。尚、仕切り壁２０５は、円板状に形成され、ヘッダタンク２０２に予め形成したスリットを介して挿入し、接合する。

下側のヘッダタンク２０２において、仕切壁２０５により仕切られる一端側のタンク空間（第１のタンク空間）２０２ａは、冷媒の流入側のタンク空間となり、他端側のタンク空間（第２のタンク空間）２０２ｂは、接続部材３００を介して他の熱交換ユニット１００と連通するタンク空間となる。

尚、熱交換ユニット１００のアウターフィン１０４と、熱交換ユニット２００のアウターフィン２０４とは、熱交換ユニット１００、２００を連結するように一体構造となっている。
また、熱交換ユニット１００、２００の上側のヘッダタンク１０１、２０１の両端部は、前後一体のキャップ１０６、１０７により閉止されている。熱交換ユニット１００、２００の下側のヘッダタンク１０２、２０２の一方（右側）の端部は、前後一体のキャップ１０８により閉止されている。熱交換ユニット１００、２００の下側のヘッダタンク１０２、２０２の他方（左側）の端部は、前後一体のキャップ１０９を介して、パイプ１１０、２１０が接続されている。
また、熱交換ユニット１００、２００の両側部は補強板１１１、１１２により補強されている（図２参照）。

ここにおいて、熱交換ユニット１００の下側のヘッダタンク１０２の第２のタンク内空間１０２ｂと、熱交換ユニット２００の下側のヘッダタンク２０２の第２のタンク内空間２０２ｂとは、接続部材３００により接続される。
接続部材３００は、ヘッダタンク１０２の円筒面とヘッダタンク２０２の円筒面との間に挿入配置されて一体にろう付けされるもので、第２のタンク内空間１０２ｂと２０２ｂを連通する連通孔を有している。

以上のように構成された熱交換器１０での冷媒の流れは図８の矢印に示すようになる。
冷媒は、後側の熱交換ユニット２００の冷媒入口パイプ２１０から下側のヘッダタンク２０２内の仕切板２０５により仕切られた第１のタンク内空間２０２ａに流入し、第１のタンク内空間２０２ａに連通している扁平チューブ２０３の一群（第１パスＰ１）を上向きに流れ、上側のヘッダタンク２０１内に流入する。
上側のヘッダタンク２０１内に流入した冷媒は、扁平チューブ２０３の他群（第２パスＰ２）を下向きに流れ、下側のヘッダタンク２０２内の仕切板２０５により仕切られた第２のタンク内空間２０２ｂに流入する。

冷媒は、その後、後側の熱交換ユニット２００の下側のヘッダタンク２０２の第２のタンク空間２０２ｂから、接続部材３００を介して、前側の熱交換ユニット１００の下側のヘッダタンク１０２の仕切壁１０５により仕切られた第２のタンク内空間１０２ｂに流入する。
前側の熱交換ユニット１００の下側のヘッダタンク１０２の第２のタンク内空間１０２ｂに流入した冷媒は、第２のタンク内空間１０２ｂに連通している扁平チューブ１０３の一群（第３パスＰ３）を上向きに流れ、上側のヘッダタンク１０１内に流入する。
上側のヘッダタンク１０１内に流入した冷媒は、扁平チューブ１０３の他群（第４パスＰ４）を下向きに流れ、下側のヘッダタンク１０２内の仕切板１０５により仕切られた第１のタンク内空間１０２ａに流入し、冷媒出口パイプ１１０より流出する。

かかる流れ構造では、空気の通流方向に対し、後側の熱交換ユニット２００が冷媒の流れ方向で上流側、前側の熱交換ユニット１００が冷媒の流れ方向で下流側となり、冷媒の流れ方向と空気の通流方向とが対向する、いわゆるカウンターフローとなる。これにより、空気の通流方向での空気と冷媒との温度差を均一化でき、熱交換効率を向上させることができる。

次に本実施形態での扁平チューブ１０３、２０３の詳細構造について図９〜図１４を参照して説明する。図９は扁平チューブの全体図、図１０は扁平チューブ（及びインナーフィン）の断面図（図９のＸ−Ｘ断面図）、図１１は扁平チューブの他の箇所での断面図（図９のＹ−Ｙ断面図）、図１２は扁平チューブの更に他の箇所での断面図（図９のＺ−Ｚ断面図）、図１３はインナーフィンの平面図、図１４はインナーフィンの小突起と扁平チューブ外面に形成される突起痕とを示す一部破断斜視図である。尚、図１０〜図１２は図１３のインナーフィンのＸ−Ｘ、Ｙ−Ｙ、Ｚ−Ｚ部の断面と一致する。
扁平チューブ１０３と２０３は同一構造であるので、扁平チューブ１０３について代表して説明する。

扁平チューブ１０３は、板材を中間部でＵ字状に折り返し（折り返し部４００）、板材の端縁部同士を接合することで、中空扁平形状に形成される。板材としては、アルミを母材として、一方の面（内面側となる面）にろう材を積層したクラッド材が用いられる。板厚は０．２ｍｍ程度である。
また、扁平チューブ１０３の接合側（折り返し部４００の反対側）には、端縁部同士が互いに接近してろう付けされる接合部４０１と、該接合部４０１より外側で互いに離間する拡開部４０２とが形成される。拡開部４０２は「ハ」字状に拡開する。
拡開部４０２を設けることにより、この拡開部４０２を介して、接合部４０１の合わせ面の状態を見ることができ、ろう付け状態のチェックが容易となる。

扁平チューブ１０３内には波板形状のインナーフィン５００が挿入配置される。
インナーフィン５００は、板厚０．１ｍｍ程度のアルミの板材を波板形状に成形したものである、従って、インナーフィン５００は、両面にそれぞれ複数の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂを有し、凸条部５０１Ａ、５０１Ｂにて扁平チューブ１０３の内面に接合される。

波板形状のインナーフィン５００の両面の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂには、その延在方向に所定の間隔で、当該凸条部５０１Ａ、５０１Ｂの左右の凹溝５０２Ａ、５０２Ｂを連通させるくぼみ部（押し潰し部）５０３Ａ、５０３Ｂが形成される。くぼみ部５０３Ａ、５０３Ｂは、複数の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに跨がって、インナーフィン５００を横断する方向に連続的に形成される。

インナーフィン５００の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂにより、これを仕切壁として、扁平チューブ１０３の延在方向に複数の冷媒通路を形成した熱交換器では、空気の通流方向の上流側に位置する冷媒通路を流れる冷媒と、下流側に位置する冷媒通路を流れる冷媒とで、空気との熱交換量に差異が生じるため、熱交換器全体としての熱交換効率が悪化する場合がある。
このため、空気の通流方向で上流側の冷媒通路と下流側の冷媒通路とを連通させて、冷媒を混合することにより、各冷媒通路を流れる冷媒の熱交換量を均一化することが可能となる。
また、上記の連通により、乱流を生じさせることができ、これによって熱交換を促進することができる。

インナーフィン５００には、図１３及び図１４に示すように、扁平チューブ１０３の内面と接合される凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに小突起（突起部）５０４Ａ、５０４Ｂが形成される。
小突起５０４Ａ、５０４Ｂは、各凸条部５０１Ａ、５０１Ｂにおいて、くぼみ部５０３Ａ、５０３Ｂ間に、１つずつ形成される。小突起５０４Ａ、５０４Ｂは、また、円錐状に形成され、突出高さは０．０５ｍｍ程度である。但し、円錐状に限らず、半球状などであってもよい。
尚、小突起付きのインナーフィン５００は、２工程で成形可能である。すなわち、第１プレス工程で波板形状に成形し、第２プレス工程でくぼみ部５０３Ａ、５０３Ｂと小突起５０４Ａ、５０４Ｂとを同時成形する。

扁平チューブ１０３は、インナーフィン５００を挿入後、図１５に示されるように、ロール加工又はプレス加工により、扁平チューブ１０３の両面から押圧処理（押し潰し処理）される。これにより、図１４に示されているように、扁平チューブ１０３の外面に、インナーフィン５００の小突起５０４Ａに起因する突起痕５０５が形成される。尚、裏面側には小突起５０４Ｂに起因する突起痕が形成されるが、裏側の突起痕は図示されていない。

従って、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００とのアッセンブリ後に、扁平チューブ１０３の両面から押圧することにより、小突起５０４Ａ、５０４Ｂは潰れるものの、扁平チューブ１０３がわずかに変形し、その外面に小突起５０４Ａ、５０４Ｂに起因する突起痕５０５が残る。逆に扁平チューブ１０３の浮きなどにより、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００とが正しく接触していない場合は、突起痕５０５が形成されない。従って、扁平チューブ１０３の外面に正しく突起痕５０５が形成されているか否かを目視で検査することにより、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００との接触状態を検査でき、突起痕５０５が形成されていないものを不良品として排除できる。

次にろう付けについて説明する。
熱交換器１０のヘッダタンク１０１、１０２、２０１、２０２、扁平チューブ１０３、２０３、アウターフィン１０４、２０４及び接続部材３００を含む構成部品は、予め接合面側にろう材をコーティングしたり、接合面側にろう材を積層してあるクラッド材により形成したりし、組み立て後、加熱炉内で加熱して、ろう材を溶融させることにより接合する。
尚、ヘッダタンク１０１、１０２、２０１、２０２には、外周面側にろう材が積層されている。扁平チューブ１０３、２０３には、内面側にろう材が積層されている。アウターフィン１０４、２０４には、両面にろう材が積層されている。インナーフィン５００については、ろう材は積層せず、扁平チューブ１０３、２０３側のろう材で接合する。

扁平チューブ１０３（及び２０３）の接合部４０１についてみると、加熱炉内で、扁平チューブ１０３内面側のろう材が溶融して、接合される。
また、扁平チューブ１０３（及び２０３）内のインナーフィン５００についても、このときに扁平チューブ１０３の内面とインナーフィン５００の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂとの間で扁平チューブ１０３側のろう材が溶融して、接合される。

このとき、インナーフィン５００の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに形成される小突起５０４は、扁平チューブ１０３とろう付けにより接合される際に、確実に接触することから、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００との間のろう流れの起点となり、ここから毛細管現象により凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに沿って、ろう流れを誘発でき、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００との隙間にろう材が充填される。従って、確実な接合を行うことができる。

本実施形態によれば、扁平チューブ１０３（及び２０３）内に配置される波板形状のインナーフィン５００は、扁平チューブ１０３の内面と接合される凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに小突起５０４Ａ、５０４Ｂを有し、扁平チューブ１０３の外面に、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００との圧接により、前記小突起５０４Ａ、５０４Ｂに起因する突起痕５０５が形成されるようにしたため、扁平チューブ１０３の内部を覗くことなく、外観からインナーフィン５００との接触状態を検査できるという効果が得られる。従って、扁平チューブ１０３とインナーフィン５００との接触状態の管理が容易となり、両者を確実に接合でき、熱交換性能の向上にもつながる。
また、インナーフィン５００の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに形成される小突起５０４Ａ、５０４Ｂは、ろう付けの際のろう流れの起点となり、ここから凸条部５０１Ａ、５０１Ｂに沿って、ろう流れを誘発できるので、より確実な接合を行うことができるという副次的効果を奏する。

また、本実施形態によれば、インナーフィン５００の凸条部５０１Ａ、５０１Ｂには、その延在方向に所定の間隔で、当該凸条部の左右の凹溝部５０２Ａ、５０２Ｂを連通させるくぼみ部（押し潰し部）５０３Ａ、５０３Ｂが形成されるため、熱交換効率を向上させることができる。そして、小突起５０４Ａ、５０４Ｂは、凸条部５０１Ａ、５０１Ｂ上で、くぼみ部５０３Ａ、５０３Ｂ間に１つずつ形成されるので、小突起５０４Ａ、５０４Ｂをバランス良く配置することができる。
また、インナーフィン５００をくぼみ部５０３Ａ、５０４Ｂのような複雑な形状とすると、接合部が分散されるため、接合不良を生じやすくなるが、小突起５０４Ａ、５０４Ｂを設けてることで、接合不良の発生を抑制することができる。
但し、インナーフィン５００の波板形状は図示の実施形態に限定されるものではなく、くぼみ部５０３Ａ、５０３Ｂを有しないものであってもよい。また、くぼみ部５０３Ａ、５０３Ｂに代えて、連通孔を有するものであってもよい。また、波板形状は空気通路が直線状に形成されるものに限らず、蛇行したりするものであってもよい。

また、本実施形態によれば、前記小突起５０４Ａ、５０４Ｂは、円錐状に形成されるため、自らは犠牲変形により消滅するも、扁平チューブ１０３の外面に適度な突起痕５０５を残すことができる。

また、本実施形態によれば、扁平チューブ１０３内にインナーフィン５００を挿入し、扁平チューブ１０３をその両面からロール加工やプレス加工により押圧処理し、小突起５０４Ａ、５０４Ｂを犠牲変形させた後、扁平チューブ１０３の外面に突起痕５０５が形成されているか否かを検査し、検査後にろう付けを含む熱交換器の組み立てを行うようにすることで、熱交換器の完成度を上げることができる。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１０ 熱交換器
１００ 熱交換ユニット
１０１ 上側のヘッダタンク
１０２ 下側のヘッダタンク
１０２ａ、１０２ｂ 第１及び第２タンク内空間
１０２ｃ 孔
１０３ 扁平チューブ（熱交換チューブ）
１０４ アウターフィン
１０５ 仕切壁
１０６〜１０９ キャップ
１１０ 冷媒出口パイプ
１１１、１１２ 補強板
２００ 熱交換ユニット
２０１ 上側のヘッダタンク
２０２ 下側のヘッダタンク
２０２ａ、２０２ｂ 第１及び第２タンク内空間
２０２ｃ 孔
２０３ 扁平チューブ
２０４ アウターフィン
２０５ 仕切壁
２１０ 冷媒入口パイプ
３００ 接続部材
４００ 折り返し部
４０１ 接合部
４０２ 拡開部
５００ インナーフィン
５０１Ａ、５０１Ｂ 凸条部
５０２Ａ、５０２Ｂ 凹溝部
５０３Ａ、５０３Ｂ くぼみ部
５０４Ａ、５０４Ｂ 小突起
５０５ 突起痕

Claims (3)

1. 中空扁平状の熱交換チューブを備え、熱交換チューブ内を流通する第１流体と熱交換チューブ外を流通する第２流体との間で熱交換を行わせる、熱交換器であって、
   前記熱交換チューブ内に波板形状のインナーフィンを備え、
   前記インナーフィンは、前記熱交換チューブの内面と接合される凸条部に小突起を有し、
   前記熱交換チューブの外面に、前記インナーフィンと前記熱交換チューブとの圧接により、前記小突起に起因する突起痕が形成されることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記インナーフィンの凸条部には、その延在方向に所定の間隔で、当該凸条部の左右の凹溝部を連通させるくぼみ部が形成され、
   前記小突起は、くぼみ部間に１つずつ形成されることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 前記小突起は、円錐状に形成されることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の熱交換器。