JP6931533B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱媒体が流通する伝熱管内を有する熱交換器の製造方法に関する。

空気調和機などの冷凍サイクル装置を構成する熱交換器として、マイクロチャンネル型熱交換器が知られている。
マイクロチャンネル型熱交換器は、所定の間隔で積層される複数の伝熱フィンと、伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、伝熱フィン間を通過する空気と、伝熱管内を流通する冷媒との間で、熱の授受を行うものである。
熱交換器の高性能化の手法として、伝熱管に扁平多孔管を用いることがある。上記熱交換器を構成する伝熱フィンと伝熱管とは、ろう付によって接合されることが多いが、ろう付時には、接合箇所が高温に晒されるため、材質によっては、ろう付による接合ができないものがある。
このような場合に対して、特許文献１では、伝熱管を拡管することで伝熱フィンと接合させる手法を提案している。
この手法では、伝熱フィンを高温に晒さずに済むため、伝熱フィンに、親水性に優れたプレコートフィン等を採用することができる。

特許第４１０９４４４号

ところで、特許文献１では、伝熱管を拡管する際に、管内に圧力を掛けて管壁を外側に拡げる方法が提案されている。また、伝熱管として広く採用されている、断面が長円形状を備え、内部が複数の流路に分割された扁平多孔管は、押し出し成形（工程）を経て製造されている。このような製法で製造された扁平多孔管は、管壁と隔壁とが強固に金属結合しているため、内圧を掛けても拡管が抑制されてしまう。
そのため、形状によっては、管の耐圧近傍まで圧力を掛けなければならない場合もある。
また、拡管が不十分な場合には、接合不良が生じて、伝熱管と伝熱フィンとの間の接触熱抵抗が増大し、熱交換器の性能が低下してしまう。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、拡管によって伝熱管を伝熱フィンに当接する際の密着性を向上することができる熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る熱交換器の製造方法は、扁平管形状を有する管壁と、該管壁内を長手方向に沿った複数の流路を断面矩形形状に仕切る隔壁と、を具備し、所定の間隔を空けて略平行に配置される複数の伝熱管と、板状部材からなり、所定の間隔を空けて積層される複数の伝熱フィンと、を備える熱交換器の製造方法であって、平板状の板材を折り曲げて前記管壁を形成する管壁折曲げ工程と、平板状の板材を折り曲げて前記隔壁と接合部とを形成する隔壁折曲げ工程と、前記伝熱フィンを貫通した前記伝熱管を拡管しつつ、該隔壁と該接合部の境界部分に設定された折り目からなるヒンジ部を回転中心にして、該隔壁が該接合部に対して斜めに傾いた縮管形態から、曲げ伸ばしさせて該隔壁を該接合部に対して直交するように起立した拡管形態に変形させ、該伝熱管を該伝熱フィンに当接させる拡管工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、拡管によって伝熱管と伝熱フィンとを接合する際の密着性を向上することができる熱交換器の製造方法を提供することができる。

第１実施形態の熱交換器が採用される冷凍サイクル装置における冷凍サイクル系統図である。 第１実施形態の熱交換器を示す斜視図である。 第１実施形態の熱交換器を示す分解斜視図である。 第１実施形態の熱交換器を構成する熱交換部を示す要部拡大断面図である。 第１実施形態の熱交換器を構成する伝熱管を示す断面図である。 第１実施形態の伝熱管が拡管工程の前後で変形する様子を示す模式図で、（ａ）が伝熱管成形後の縮管形態、（ｂ）が拡管後の拡管形態を示している。 熱交換器の別形態を示す斜視図である。 第１実施形態の伝熱管が拡管工程の前後で変形する別態様を示す模式図で、（ａ）が伝熱管成形後の拡管形態、（ｂ）縮管工程後の縮管形態、（ｃ）が拡管後の拡管形態を示している。 第２実施形態の伝熱管が拡管工程の前後で変形する様子を示す模式図で、（ａ）が伝熱管成形後の縮管形態、（ｂ）が拡管後の拡管形態を示している。 第２実施形態の別態様の伝熱管が拡管工程の前後で変形する様子を示す模式図で、（ａ）が伝熱管成形後の縮管形態、（ｂ）が拡管後の拡管形態を示している。

以下、本発明に係る熱交換器の製造方法の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜空気調和機の構成＞
本願発明の熱交換器が採用される空気調和機Ｓ等の冷凍サイクルを図１に示す。
空気調和機Ｓは、室外機１と室内機２とを備えている。
室外機１は、アキュムレータ５、圧縮機６、四方弁７、室外熱交換器８、室外膨張弁９、室外送風機１０を備えている。
室内機２は、室内熱交換器１２、室内送風機１３、および室内膨張弁１４を備えている。
室外機１の各機器と、室内機２の各機器とは、冷媒配管３によって接続され、冷凍サイクルが形成されている。冷媒配管３には、熱媒体としての冷媒が封入されており、冷媒が、冷媒配管３を通じて、室外機１と室内機２との間で循環する。

次に、室外機１を構成する各機器について説明する。
アキュムレータ５は、過渡時の液戻りを貯留するために設けられており、圧縮機６に供給されるガス冷媒に混在する液冷媒を分離して、冷媒を適度な乾き度に調整する。
圧縮機６は、吸入した気体の冷媒（ガス冷媒）を圧縮して、吐出する。
四方弁７は、圧縮機６への冷媒の流れの向きは変えずに、室外機１と室内機２との間の冷媒の流れの向きを変える。そして、四方弁７は、冷媒の流れの向きを変えることで、冷房運転と暖房運転の切換えを行う。
室外熱交換器８は、本願発明の熱交換器からなり、冷媒と屋外の外気との間で熱交換を行う。
室外膨張弁９は、液体の冷媒（液冷媒）を断熱膨張させ、気化させる絞り弁である。
室外送風機１０は、室外熱交換器８に対して、外気を供給する。

次に、室内機２を構成する各機器について説明する。
室内熱交換器１２は、冷媒と室内の空気との間で熱交換を行う。
室内送風機１３は、室内熱交換器１２に対して、室内空気を供給する。
室内膨張弁１４は、液体の冷媒（液冷媒）を断熱膨張させ、気化させる絞り弁である。また、室内膨張弁１４は、その絞り量を変化させることにより室内熱交換器１２を流れる冷媒の流量を変化させることが可能である。

＜空気調和機の働き＞
次に、室内に冷風が供給される冷房運転を行う際の空気調和機Ｓの働きについて説明する。
図１における実線の矢印が、冷房運転時における冷媒の流れを示し、四方弁７は、実線で示すように切り替わる。
圧縮機６で圧縮され、高温高圧となったガス冷媒は、四方弁７を経由して、室外熱交換器８に流入する。
室外熱交換器８に流入したガス冷媒は、室外熱交換器８内を通過する間に、室外送風機１０によって供給される外気に放熱して凝縮し、低温高圧の液冷媒となる。

ガス冷媒から凝縮した液冷媒は、室外膨張弁９を経由して、室内機２へ送られる。なお、このとき、室外膨張弁９は、膨張弁としては機能しないため、冷媒は断熱膨張せずに、液冷媒のまま通過する。
室内機２に流入した液冷媒は、室内膨張弁１４で断熱膨張しつつ、室内熱交換器１２に流入する。
液冷媒は、断熱膨張する際に、室内送風機１３によって供給される室内空気から蒸発潜熱を奪って気化し、低温低圧のガス冷媒となる。
そして、蒸発潜熱を奪われた室内空気は、相対的に冷却されたことになり、冷風が室内に送風される。

液冷媒から気化したガス冷媒は、室外機１に送られる。
室外機１に戻ったガス冷媒は、四方弁７を通過して、アキュムレータ５に流入する。
アキュムレータ５に流入したガス冷媒は、混在する液冷媒がアキュムレータ５で分離され、所定のかわき度に調整されて、圧縮機６へ供給され、再度圧縮される。
以上のように、冷凍サイクルを実線の矢印の方向へ冷媒が循環することで、室内に冷風を供給する冷房運転が実現する。

次に、室内に温風が供給される暖房運転を行う際の空気調和機Ｓの働きについて説明する。
図１における点線の矢印が、暖房運転時における冷媒の流れを示し、四方弁７は、点線で示すように切り替わる。
圧縮機６で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁７を経由して、室内機２に流入する。
室内熱交換器１２に流入したガス冷媒は、室内熱交換器１２内を通過する間に、室内送風機１３によって供給される室内空気に放熱して凝縮し、低温高圧の液冷媒となる。
そして、受熱した室内空気は、相対的に加熱されたことになり、温風が室内に送風される。

ガス冷媒から凝縮した液冷媒は、室内膨張弁１４を通過して、室外機１へ送られる。なお、このとき、室内膨張弁１４は、膨張弁としては機能しないため、冷媒は断熱膨張せずに、液冷媒のまま通過する。
室外機１に流入した液冷媒は、室外膨張弁９で断熱膨張しつつ、室外熱交換器８に流入する。
液冷媒は、断熱膨張する際に、室外送風機１０によって供給される外気から蒸発潜熱を奪って気化し、低温低圧のガス冷媒となる。

液冷媒から気化し、室外熱交換器８から流出したガス冷媒は、四方弁７を通過して、アキュムレータ５に流入する。
アキュムレータ５に流入したガス冷媒は、混在する液冷媒がアキュムレータ５で分離され、所定のかわき度に調整されて、圧縮機６へ供給され、再度圧縮される。
以上のように、冷凍サイクルを点線の矢印の方向へ冷媒が循環することで、室内に温風を供給する暖房運転が実現する。

次に、前述の室外熱交換器８について説明する。
図２、図３に示すように、本実施形態の室外熱交換器８は、マイクロチャンネル型の熱交換器からなり、熱交換部２０とヘッダ集合管３０とを備えている。
熱交換部２０は、空気と冷媒との間で熱の授受を行う部位で、複数の伝熱フィン２１と、複数の伝熱管２３とで構成されている。
伝熱フィン２１は、長方形形状の板状部材で構成されている。また、伝熱フィン２１は、板状部材の長手方向が上下方向に沿いつつ、板面が対向した状態で、水平方向に所定の間隔を空けつつ、積層配置されている。そして、積層された伝熱フィン２１の間の隙間を、屋外の空気が通過する。

伝熱管２３は、図３、図４に示すように、断面が略長円状の扁平管形状を備えている。また、伝熱管２３は、長円形状の平坦部が上下方向に面しつつ、水平方向に沿った状態で、上下方向に所定の間隔を空けつつ、配置されている。そして、伝熱管２３は、積層された各伝熱フィン２１に開口する管孔２２を貫通しつつ、外周面が各管孔２２に当接されている。
なお、伝熱管２３の詳細な構成については、後述する。
また、各伝熱管２３の両端部には、ヘッダ集合管３０が連通されている。

ヘッダ集合管３０は、図２、図３に示すように、各伝熱管２３をその両端部で束ねつつ、連通している。また、各ヘッダ集合管３０には、ガス冷媒の出入口となるガス管３１と、液冷媒の出入口となる液管３２が接続されている。
また、室外熱交換器８を構成する伝熱フィン２１、伝熱管２３、およびヘッダ集合管３０は、同一素材のアルミニウム合金で構成されている。

次に、伝熱管２３の構成について説明する。
伝熱管２３は、図４や図５に示すように、断面が略長円状の扁平管形状を備えた管壁２５と、管壁２５内に、を長手方向に沿った複数の流路２４に分割する隔壁２６とを備えた管状部材で構成されている。また、伝熱管２３は、１枚の平板状の板材ＳＨ２３に対する折曲げ加工と、ろう付加工を施すことで形成される。
伝熱管２３を構成する板材ＳＨ２３上には、後に管壁２５になる管壁片ＳＨ２５と、後に隔壁２６となる隔壁片ＳＨ２６とが隣接して配置されている。また、伝熱管２３を構成する板材ＳＨ２３には、伝熱管２３に成形した際に、管壁２５の内周面となる板面に、ロウ材が接合されたクラッド板が採用されている。そして、クラッド材を採用することで、板材ＳＨ２３を伝熱管２３の形に成形した後、板材ＳＨ２３全体を加熱すると、クラッド材の重なった部分が、ろう付される。

板材ＳＨ２３における管壁片ＳＨ２５は、折曲げ加工によって、断面略長円形の扁平管形状を備えた管壁２５に変形する。
板材ＳＨ２３における隔壁片ＳＨ２６は、折曲げ加工によって、連続する矩形波形状に変形する。そして、図５における、矩形波形状の垂直方向に沿った縦壁部分が、隔壁２６に設定され、水平方向に沿った横壁部分が、接合部２７に設定され、接合部２７と隔壁２６とが、交互に連続して形成される。
接合部２７は、管壁２５の内面に、ろう付によって接合される。つまり、隔壁２６は、非金属結合による手法によって、接合部２７を介して、管壁２５に支持される。
また、隔壁２６と接合部２７との境界部分となる折り目部分（角部分）が、ヒンジ部２８に設定され、ヒンジ部２８を回転中心にして、接合部２７と隔壁２６が、拡管の前後で曲げ伸ばしされる。
つまり、伝熱管２３は、管壁２５、隔壁２６、接合部２７、およびヒンジ部２８を備えている。

＜伝熱管形成手順、および拡管手順＞
次に、板材ＳＨ２３から伝熱管２３を形成する手順について説明する。
まず、伝熱管２３の元になる１枚の板材ＳＨ２３に折曲げ加工を施して、管壁片ＳＨ２５を管壁２５の長円形状に成形し（管壁折曲げ工程）、隔壁片ＳＨ２６を隔壁２６と接合部２７とが連続する矩形波形状に成形する（隔壁折曲げ工程）。
そして、隔壁片ＳＨ２６である矩形波形状部分を、管壁片ＳＨ２５である長円形状部分の内部に納めて、伝熱管２３の形状に成形する。
なお、本実施形態の形成手順では、板材ＳＨ２３を伝熱管２３の形状に成形する際に、図６（ａ）に示すように、伝熱管２３が、隔壁２６とともに、斜めに傾いた形状（縮管形態）に成形する。
次に、伝熱管２３の形状に成形された板材ＳＨ２３を加熱して、ろう付し、縮管形態の伝熱管２３が完成する。

次に、伝熱管２３を拡管する手順について説明する。
縮管形態の伝熱管２３を伝熱フィン２１の管孔２２に貫通し、熱交換部２０を組み立てる。
次に、伝熱管２３内に、作動油等の圧力を伝える媒体（加圧媒体）を充填する。
次に、加圧媒体を昇圧し、伝熱管２３を図６（ａ）における上下方向（扁平管形状における短手方向）に寸法を拡げて拡管して（拡管工程）、管内の容積を増やし（図６（ｂ）参照）、ヒンジ部２８を回転中心にして、斜めに倒れた隔壁２６を垂直方向の起こす（拡管形態）。
そして、伝熱管２３は、拡管に伴い、伝熱フィン２１の管孔２２に密着する。
なお、図６（ａ）、（ｂ）について、作図の都合上、管壁２５の内面と接合部２７との間に隙間が空いているが、ろう付によって接合しているものとみなす。

次に、本実施形態の構成による作用効果を説明する。
本実施形態のように、管壁２５と隔壁２６を板材ＳＨ２３の曲げ加工によって形成することで、押出し成形による扁平管よりも、拡管時の変形量を大きくすることができる。
これによって、拡管後における、伝熱管２３と伝熱フィン２１との密着性を向上させることができる。
また、伝熱管２３の製造に、板材ＳＨ２３を折曲げることで成形する手法を採用することで、押出し成形による成形に適さない銅、および銅合金等の素材を隔壁２６を備えた扁平管形状の伝熱管２３に採用することができる。
さらに、折曲げ加工によって管壁２５を形成することで、拡管しやすい形状に成形することができる。

また、本実施形態のように、同じ板材ＳＨ２３上に、管壁２５、隔壁２６、および接合部２７を配置することで、管壁２５の形成と、隔壁２６の形成を、一連の工程で行うことができる。
これによって、生産性が向上し、製造コストを削減することができる。

また、本実施形態のように、ヒンジ部２８が、折曲げ加工による折り目部分からなることで、押出し成形によって管路内に隔壁を形成する場合よりも、容易に曲げ伸ばしすることができる。
これによって、押出し成形によって、隔壁が斜めに倒れたように形成された場合よりも、小さな圧力で、隔壁を起こせ、拡管することができる。

なお、本実施形態では、空気調和機Ｓの室外熱交換器８に本願発明の熱交換器を採用した場合について説明したが、室外熱交換器８に限定されるものではない。マイクロチャンネル型の熱交換器等、伝熱管２３を拡管して、伝熱フィン２１に密着させる構成の熱交換器であれば、採用が可能である。したがって、室内熱交換器１２にも採用が可能である。

また、本実施形態の室外熱交換器８は、図２に示すように、伝熱管２３の両端部をヘッダ集合管３０が束ねつつ、連通する構成となっているが、このような構成に限定されるものではない。
たとえば、図７に示すように、伝熱管２３の端部をＵ字管３３で連通し、冷媒が伝熱フィン２１を何度も往復するように、構成された熱交換器８ａに採用することも可能であり、同様の作用効果が得られる。

＜伝熱管形成手順の別態様＞
なお、伝熱管２３を形成する手順は、前述の手順に限定されるものではない。
そこで次に、板材ＳＨ２３から伝熱管２３を形成する別の手順について、図８を参照して説明する。
前述の伝熱管形成手順では、伝熱管２３を形成する際に、縮管形態に形成しているが、本態様の手順では、伝熱管２３を形成する際に、隔壁２６が起きた状態である、拡管形態に形成する（図８（ａ）参照）。
そして、伝熱管２３を拡管形態にした後に、潰し加工を施し（縮管工程）、管壁２５とともに、隔壁２６が斜めに傾いた縮管形態に成形する（図８（ｂ）参照）。
次に、前述と同様に拡管工程を行う（図８（ｃ）参照）。
なお、伝熱管２３を拡管する手順については、前述の手順と同様である。

このような手順を経ることによって、ろう付後の伝熱管２３に対して、ヒンジ部２８で曲げ伸ばしすることができる。
これによって、ヒンジ部２８での曲げ伸ばしが容易になり、拡管工程後の伝熱管２３と伝熱フィン２１との密着性をさらに向上することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本願発明の第２実施形態について、図９（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。なお、前述の第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態と前述の第１実施形態とで、大きく異なる構成は、伝熱管を形成する板材の構成である。
前述の第１実施形態では、伝熱管２３が、１枚の板材ＳＨ２３で構成され、１枚の板材ＳＨ２３上に、後に管壁２５となる部分である管壁片ＳＨ２５と、後に隔壁２６となる部分である隔壁片ＳＨ２６とが隣接して配置されている。
これに対して、本実施形態の伝熱管２３Ａでは、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、管壁２５Ａを構成する管壁片ＳＨ２５Ａと、隔壁２６Ａ、接合部２７Ａ、およびヒンジ部２８Ａを構成する隔壁片ＳＨ２６Ａとが、別の板材で構成されている。
また、管壁２５Ａを長円形状に形成する際に、管壁片ＳＨ２５Ａの両端が、カシメとろう付によって接合されている。
なお、伝熱管２３を組立てる手順については、前述の第１実施形態と同様に、前述の２通りの手順で行うことが可能である。

本実施形態のように、管壁片ＳＨ２５Ａが、隔壁片ＳＨ２６Ａと別部材になることで、管壁２５Ａの形状に対する制約を緩和することができる。
これによって、伝熱管２３として、より適した形状に管壁２５Ａを形成することができる。
たとえば、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、管壁２５Ａを長円形状に形成する際に、管壁片ＳＨ２５Ａの両端をカシメとろう付によって接合することによって、ろう付のみの場合よりも拡管工程でより高い圧力で拡管をおこなうことができる。
これによって、伝熱管２３と伝熱フィン２１との密着性をさらに高めることができる。

＜第２実施形態の別態様＞
次に、本願発明の第２実施形態の別態様について、図１０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。なお、前述の第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態と前述の第２実施形態とで、大きく異なる構成は、伝熱管２３Ｂの管壁２５Ｂを形成する板材である管壁片ＳＨ２５Ｂの構成である。
前述の第２実施形態では、管壁２５Ａが平板状の板材で形成されている。これに対して、本実施形態では、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、伝熱管２３の長手方向に沿って延在する複数の突条２９Ｂが、管壁２５Ｂの内面に立設されている。
このような突条２９Ｂを設けることで、管壁２５Ｂの内面の表面積が増大し、伝熱管２３内を流通する冷媒等の熱媒体との熱の授受をより効果的に行うことができる。
これによって、熱交換器の性能をさらに向上させることができる。
なお、隔壁２６Ｂ、接合部２７Ｂ、およびヒンジ部２８Ｂを構成する隔壁片ＳＨ２６Ｂは、前述の隔壁片ＳＨ２６Ａと同様の構成を備えている。

８ 熱交換器
２１ 伝熱フィン
２３ 伝熱管
２４ 流路
２５ 管壁
２６ 隔壁
２７ 接合部
２８ ヒンジ部

Claims (2)

1. 扁平管形状を有する管壁と、該管壁内を長手方向に沿った複数の流路を断面矩形形状に仕切る隔壁と、を具備し、所定の間隔を空けて略平行に配置される複数の伝熱管と、
   板状部材からなり、所定の間隔を空けて積層される複数の伝熱フィンと、
   を備える熱交換器の製造方法であって、
   平板状の板材を折り曲げて前記管壁を形成する管壁折曲げ工程と、
   平板状の板材を折り曲げて前記隔壁と接合部とを形成する隔壁折曲げ工程と、
   前記伝熱フィンを貫通した前記伝熱管を拡管しつつ、該隔壁と該接合部の境界部分に設定された折り目からなるヒンジ部を回転中心にして、該隔壁が該接合部に対して斜めに傾いた縮管形態から、曲げ伸ばしさせて該隔壁を該接合部に対して直交するように起立した拡管形態に変形させ、該伝熱管を該伝熱フィンに当接させる拡管工程と、
   を含む
   ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記拡管工程の前に、
   前記拡管形態に形成された前記伝熱管を、
   拡管前の形態に成形する縮管工程を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。

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