JP7197899B2

JP7197899B2 - 熱交換器およびその製造方法

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Publication number: JP7197899B2
Application number: JP2018240205A
Authority: JP
Inventors: 亮平坂本; 敦士加藤; 庸人和氣
Original assignee: Waki Factory Inc
Current assignee: Waki Factory Inc
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2022-12-28
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: JP2020101329A

Description

本発明は、熱交換器およびその製造方法に関し、詳しくは、扁平に形成された熱交換用チューブを複数積層することにより構成される熱交換器およびその製造方法に関する。

従来、この種の熱交換器としては、チューブ部材を、長手方向の中央に短手方向に直列に並ぶように２つの流出入口用貫通孔を有するように、且つ、この２つの流出入口用貫通孔を連通するＵ字形状で鏡像対称の２つの連通流路を有するように形成して熱交換用チューブを構成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器では、長手方向に対して垂直方向に被熱交換媒体を給排したときに、矩形の熱交換用チューブの長手方向の両端部に２つの流出入口用貫通孔が形成されていると共にこの２つの流出入口用貫通孔を連通する連通流路が形成されているものに比して、流出入口用貫通孔の１つ分だけ被熱交換媒体の流路幅を広くすることができ、熱交換に有効な流路幅を広くすることができる。

特開２０１７－０７２３３１号公報

上述の熱交換器は、熱回収に用いられることがあり、使用環境によっては熱交換用チューブに結露水が生じる場合がある。結露水は、隣接する熱交換用チューブとの間に生じ、滞ると熱交換器の通風面積を小さくし、熱交換効率を低下させる。このため、結露水の排出性を良好にする必要がある。

本発明の熱交換器は、結露水の排出性を良好にすることを主目的とする。また、本発明の熱交換器の製造方法は、結露水の排出性のよい熱交換器を比較的簡易に精度良く製造する方法を提案することを主目的とする。

本発明の熱交換器およびその製造方法は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の熱交換器は、
金属材料を用いて向かい合わせに接合することにより熱交換媒体の２つの流出入口と該２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを構成するよう形成されたチューブ部材を隣接する熱交換用チューブの前記２つの流出入口が整合するように複数積層して構成され、前記熱交換用チューブ内に流れる前記熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体とで熱交換する熱交換器であって、
前記チューブ部材は、外周縁の少なくとも一部に切り掛け部が複数形成されている、
ことを特徴とする。

この本発明の熱交換器では、チューブ部材の外周縁の少なくとも一部に切り掛け部が複数形成されている。結露水は切り掛け部に誘導されて排出されるから、結露水の排出性を良好なものとすることができる。この結果、結露水の排出性が不良なものに比して熱交換効率を向上させることができる。また、切り掛け部を形成することにより、切り掛け部が形成されていないものに比して、被熱交換媒体の流入断面積を徐々に小さくすることができる。この結果、被熱交換媒体の通流抵抗を小さくすることができ、熱交換効率を向上させることができる。なお、切り掛け部は、Ｖ字形状、Ｕ字形状、ノコギリ波形状のいずれかが好ましい。

こうした本発明の熱交換器において、前記チューブ部材は、矩形形状をしており、向かい合う長手方向の２つの縁部のうちの一方にのみ全体に前記切り掛け部が連続して形成されており、前記熱交換用チューブは、向かい合わせに接合する２つのチューブ部材のうちの一方の前記切り掛け部が形成された長手方向の縁部と他方の前記切り掛け部が形成されていない長手方向の縁部とが整合するように組み付けられているものとしてもよい。こうすれば、熱交換用チューブの伝熱面積を小さくすることなく、結露水の排出性を良好なものにすることができる。この場合でも被熱交換媒体の流入断面積を徐々に小さくすることができるから、熱交換効率を向上させることができる。

また、本発明の熱交換器において、前記チューブ部材は、矩形形状をしており、向かい合う長手方向の２つの縁部の双方の全体に前記切り掛け部が連続して形成されており、前記熱交換用チューブは、向かい合わせに接合する２つのチューブ部材の前記切り掛け部が整合するように組み付けられているものとしてもよい。こうすれば、結露水の排出性を更に良好なものとすることができる。

本発明の熱交換器の製造方法は、
第１金属による中心材に前記第１金属より融点の低い第２金属が両面に接合され厚みが０．３ｍｍ以下としたクラッド板材を用いて、外形が矩形形状で、長手方向の２つの縁部の一方にのみ全体に切り掛け部が連続するように複数形成されており、２つの流出入口の一方から２つの流出入口の他方に至る連通流路を有するチューブ部材を形成するチューブ部材形成工程と、
前記連通流路および前記流出入口が整合するように、且つ、向かい合わせに組み付ける２つのチューブ部材のうちの一方の前記切り掛け部が形成された長手方向の縁部と他方の前記切り掛け部が形成されていない長手方向の縁部とが整合するように、２つのチューブ部材を向かい合わせて構成される扁平な熱交換用チューブが複数積層された状態となるように前記チューブ部材を複数積層して積層体を組み付ける組み付け工程と、
前記第１金属の融点より低く前記第２金属の融点より高い温度に調整された炉を用いて前記積層体をロウ付けするロウ付け工程と、
を有することを特徴とする。

この本発明の熱交換器の製造方法では、向かい合わせて接合することによって熱交換用チューブを形成するチューブ部材であって、外形が矩形形状で、長手方向の２つの縁部の一方にのみ全体に切り掛け部が連続するように複数形成されており、２つの流出入口の一方から２つの流出入口の他方に至る連通流路を有するチューブ部材をクラッド板材を用いて形成する。続いて、連通流路および流出入口が整合するように、且つ、向かい合わせに組み付ける２つのチューブ部材のうちの一方の切り掛け部が形成された長手方向の縁部と他方の切り掛け部が形成されていない長手方向の縁部とが整合するように、２つのチューブ部材を向かい合わせて構成される扁平な熱交換用チューブが複数積層された状態となるようにチューブ部材を複数積層して積層体を組み付ける。そして、これをロウ材の融点より高く板材の融点より低い温度の炉に入れて当接部を接合（ロウ付け）して本発明の熱交換器を完成する。このため、結露水の排出性がよく熱交換効率の高い熱交換器をより簡易に製造することができる。なお、切り掛け部は、Ｖ字形状、Ｕ字形状、ノコギリ波形状のいずれかが好ましい。

実施例の熱交換器２０の構成の概略を示す構成図である。図１におけるＡ－Ａ断面を模式的に示す断面図である。熱交換用チューブ３０の構成の概略を示す構成図である。チューブ部材４０の構成の概略を示す構成図である。図１および図３におけるＢ－Ｂ断面を示す断面図である。図１および図３におけるＣ－Ｃ断面を示す断面図である。変形例のチューブ部材１４０の構成の概略を示す構成図である。変形例のチューブ部材２４０の構成の概略を示す構成図である。変形例のチューブ部材３４０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例の熱交換器２０の構成の概略を示す構成図である。図２は、図１におけるＡ－Ａ断面を模式的に示す断面図である。実施例の熱交換器２０は、空調装置や冷凍装置などの冷凍サイクルや発熱を伴って作動する機器の冷却装置などに用いられ、図１に示すように、２つのチューブ部材４０により構成される熱交換用チューブ３０を複数積層して構成される積層体２２と、積層体２２の配列方向（図中上下方向）の両側に配置されるプレート２３と、熱交換用チューブの長手方向（図中左右方向）の両側に配置されるプレート２４と、積層体２２およびプレート２３に形成される熱交換媒体の流入用流路２５および流出用流路２６に取り付けられる供給管２７および排出管２８と、を備える。この熱交換器２０は、流入用流路２５から熱交換用チューブ３０に形成された後述する２つの連通流路３４，３５に供給されるハイドロフルオロカーボンや水などの熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブ３０の間の隙間に流れる空気などの被熱交換媒体との熱交換により、熱交換媒体を加熱または冷却する又は被熱交換媒体を冷却または加熱する。図２中、供給管２７および排出管２８の上に記載された白抜き矢印は、熱交換媒体の供給や排出の方向を示しており、熱交換器２０の左右に記載された白抜き矢印は、被熱交換媒体の流れる方向を示している。

図３は、熱交換用チューブ３０の構成の概略を示す構成図である。図４は、熱交換用チューブ３０を構成するチューブ部材４０の構成の概略を示す構成図である。図５は、図１および図３におけるＢ－Ｂ断面を示す断面図である。図６は、図１および図３におけるＣ－Ｃ断面を示す断面図である。図５中の白抜き矢印は、被熱交換媒体の流れる方向を示している。

熱交換用チューブ３０は、図３に示すように、２つのチューブ部材４０を向かい合わせて接合することにより構成されている。チューブ部材４０は、図３および図４に示すように、アルミニウムの板材の両面にアルミシリコン合金などのロウ材を配置して一体に圧延することによって板材とロウ材とを接合した厚さが０．２ｍｍのいわゆるクラッド板材に対して、プレス加工や穴開け加工などを施して形成されている。

チューブ部材４０には、図４に示すように、長手方向（図中左右方向）の中央に短手方向に直列に並ぶように２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂが形成されており、この２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂを連通するようにＷ字状の２つの連通流路形成部４４，４５が形成されている。また、２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂの周囲にはフランジ部４２ａ，４２ｂが形成されている。２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂとフランジ部４２ａ，４２ｂは、２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂの中間点を通る直線（図３における水平方向の線）で鏡像対称となるように形成されており、連通流路形成部４４，４５は、２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂの中央を通る直線（図３における上下方向の線）で鏡像対称となるように形成されている。

また、チューブ部材４０の長手方向の２つの辺を形成する縁部４６ａ，４６ｂのうちの一方の縁部４６ａ（図３中上側の縁部）は直線上に形成されており、他方の縁部４６ｂ（図３中下側の縁部）は、略全体にＶ字形状の切り掛け部４７が連続して切り取られた形状に形成されている。

熱交換用チューブ３０は、図３に示すように、２つのチューブ部材４０は向かい合わせになるように、且つ、一方のチューブ部材４０の縁部４６ａが他方のチューブ部材４０の縁部４６ｂに整合するよう向かい合わせて構成する。２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂとフランジ部４２ａ，４２ｂは鏡像対称となるように形成されており、連通流路形成部４４，４５も鏡像対称となるように形成されているから、一方のチューブ部材４０の２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂおよび２つのフランジ部４２ａ，４２ｂと他方のチューブ部材４０の２つの流出入口用貫通孔４１ｂ，４１ａおよび２つのフランジ部４２ａ，４２ｂとが整合し、流入用流路２５および流出用流路２６を形成する。また、一方のチューブ部材４０の連通流路形成部４４，４５と他方のチューブ部材４０の連通流路形成部４５，４４とが整合し、連通流路３４，３５を形成する。

熱交換用チューブ３０では、結露水が生じたときには、結露水は、被熱交換媒体の流出端部近傍まで運ばれ、流出端部近傍では縁部４６ｂの端部まで連続する切り掛け部４７に導かれる。連続する切り掛け部４７は端部になるほどその面積が小さくなるから、結露水の表面張力による付着力が小さくなり、被熱交換媒体の流れにより端部或いは端部近傍で外部に排出される。一方、比較例として長手方向の２つの辺が直線により形成されたもの（切り掛け部４７を連続して切り取らないもの）を考えると、連続する切り掛け部４７が形成されていないため、連続する切り掛け部４７による効果を得ることができない。即ち、実施例の熱交換用チューブ３０では、被熱交換媒体の流出端部近傍に連続する切り掛け部４７が形成されていることにより、連続する切り掛け部４７が形成されていない比較例に比して、結露水の良好な排出性を得ることができる。

また、熱交換用チューブ３０では、図５に示すように、被熱交換媒体の通流断面積は、被熱交換媒体の流入端部では、切り掛け部４７が切り取られているからクラッド板材１枚分の厚み（０．２ｍｍ）だけ小さくなり、そこから切りかけ部４７の切り掛け幅が小さくなる分だけ徐々に小さくなる。そして、クラッド板材２枚分の厚み（０．４ｍｍ）だけ小さくなり、さらにクラッド板材２枚分の厚み（０．４ｍｍ）に連通流路３４，３５の厚みを加えた分だけ小さくなる。一方、比較例を考えると、被熱交換媒体の通流断面積は、被熱交換媒体の流入端部では、クラッド板材２枚分の厚み（０．４ｍｍ）だけ小さくなり、そこからクラッド板材２枚分の厚み（０．４ｍｍ）に連通流路３４，３５の厚みを加えた分だけ小さくなる。したがって、実施例の熱交換用チューブ３０では、比較例に比して、被熱交換媒体の流入側における通流断面積が徐々に小さくなる。これにより、通流抵抗を小さくすることができる。

実施例では、２つのチューブ部材４０を向かい合わせるように、且つ、一方のチューブ部材４０の縁部４６ａが他方のチューブ部材４０の縁部４６ｂに整合するように複数積層することにより複数の熱交換用チューブ３０を積層してなる積層体２２とし、これにプレート２３，２４および供給管２７，排出管２８を組み付け、これをロウ材の融点より高く板材の融点より低い温度（例えば６１０℃や６２０℃など）で加熱することによって当接部を接合（ロウ付け）して熱交換器２０を完成する。即ち、熱交換用チューブ３０を構成するチューブ部材４０の向かい合わせの接触部を接合すると共に隣接する熱交換用チューブ３０のフランジ部４２ａ，４２ｂの接触部を接合し、同時にプレート２３，２４や供給管２７，排出管２８を接合するのである。

こうして構成された熱交換器２０では、ハイドロフルオロカーボンや水などの熱交換媒体は、供給管２７から２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂにより形成される流入用流路２５に供給され、各熱交換用チューブ３０の連通流路４４，４５を流れて２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂにより形成される流出用流路２６に流出し、排出管２８から排出される。一方、空気などの被熱交換媒体は、流出用流路２６側から各熱交換用チューブ３０に供給され、各熱交換用チューブ３０の間の隙間を流れて熱交換媒体と熱交換を行ない、流入用流路２５側から排出される。このように、熱交換媒体と被熱交換媒体とを給排することにより、熱交換媒体の全体としての流れと被熱交換媒体の流れとを対向流とすることができる。

以上説明した熱交換器２０では、熱交換用チューブ３０を構成する一方のチューブ部材４０の縁部４６ｂに連続する切り掛け部４７が連続して形成されているから、流入用流路２５側の被熱交換媒体の排出端部における結露水の排出を良好に行なうことができる。また、被熱交換媒体の通流断面積は、流出用流路２６側の被熱交換媒体の流入側では徐々に小さくなり、流入用流路２５側の被熱交換媒体の排出側では徐々に大きくなる。このため、連続する切り掛け部４７が全く形成されていないチューブ部材を用いて構成したものと比して、通流抵抗を小さくすることができる。一方、一方のチューブ部材４０の縁部４６ａが他方のチューブ部材４０の縁部４６ｂに整合するよう向かい合わせて構成されているから、熱交換用チューブ３０の伝熱面積は、切り掛け部４７が全く形成されていないものと同様である。このため、熱交換効率を向上させることができる。これらの結果、結露水の排水性がよく、熱交換効率の高い熱交換器とすることができる。

実施例の熱交換器２０の製造方法では、向かい合わせることにより扁平な熱交換用チューブ３０を構成するチューブ部材４０をクラッド板材を用いて形成し、熱交換用チューブ３０を複数積層した状態となるようにチューブ部材４０を複数積層して積層体２２を組み付け、これをロウ材の融点より高く板材の融点より低い温度の炉に入れて当接部を接合（ロウ付け）して実施例の熱交換器２０を完成する。このため、結露水の排出性がよく熱交換効率の高い実施例の熱交換器２０をより簡易に製造することができる。

実施例の熱交換器２０では、チューブ部材４０の長手方向の一方の縁部４６ｂに略全体にＶ字形状の切り掛け部４７を連続して形成するものとしたが、切り掛け部４７の形状は、若干丸みを帯びたＶ字形状としてもよい。また、図７に例示する変形例のチューブ部材１４０に示すように、その長手方向の一方の縁部１４６ｂに略全体にＵ字形状の切り掛け部１４７を連続して形成するものとしてもよい。図示しないが、長手方向の一方の縁部の略全体をノコギリ波状に形成するものとしても構わない。

実施例の熱交換器２０では、チューブ部材４０の長手方向の一方の縁部４６ｂだけに略全体にＶ字形状の切り掛け部４７を連続して形成するものとしたが、図８に例示する変形例のチューブ部材２４０に示すように、その長手方向の２つの縁部２４６ａ，２４６ｂの双方に略全体にＶ字形状の切り掛け部２４７を連続して形成するものとしてもよい。この場合、熱交換用チューブの伝熱面積は若干小さくなるが、結露水の排出性は高くなる。このため、伝熱面積の若干の減少に比して結露水の排出性の影響が大きい状況下での熱交換では熱交換効率を良好にすることができる。

実施例の熱交換器２０では、チューブ部材４０の長手方向の中央に短手方向に直列に並ぶように２つの流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂおよび２つのフランジ部４２ａ，４２ｂを形成するものとしたが、図９の変形例のチューブ部材３４０に示すように、その長手方向の両端部に２つの流出入口用貫通孔３４１ａ，３４１ｂおよび２つのフランジ部３４２ａ，３４２ｂを形成するものとしてもよい。この場合でも、長手方向の一方の縁部３４６ａは直線となるように形成し、他方の縁部３４６ｂには略全体にＶ字形状の切り掛け部４７を連続して形成するものとすればよい。

実施例の熱交換器２０では、チューブ部材４０の長手方向の一方の縁部４６ｂだけに略全体にＶ字形状の切り掛け部４７を連続して形成するものとしたが、全体ではなく一部分にまたは部分的にＶ字形状の切り掛け部４７を連続してまたは不連続に形成するものとしてもよい。

実施例の熱交換器２０では、流出入口用貫通孔４１ａ，４１ｂの周囲にフランジ部４２ａ，４２ｂを形成するものとしたが、フランジ部４２ａ，４２ｂに代えてバーリング加工によりバーリング加工部を形成するものとしてもよい。この場合、チューブ部材の２つのバーリング加工部のうちの一方のバーリング加工部が他方のバーリング加工部に嵌合するよう一方のバーリング加工部の径を他方のバーリング加工部の径より若干小さく或いは若干大きく形成するのが好ましい。こうしたバーリング加工部を有するチューブ部材を、隣接する熱交換用チューブ３０とが交互に重なるように積層すれば、向かい合うチューブ部材のバーリング加工部が嵌まり合うようにすることができる。

実施例の熱交換器２０では、アルミニウムの板材の両面にアルミシリコン合金などのロウ材を接合した厚さが０．２ｍｍのクラッド板材を用いてチューブ部材４０を形成するものとしたが、０．２ｍｍより薄いアルミニウムとアルミニウム合金によるクラッド板材や０．２ｍｍより厚いアルミニウムとアルミニウム合金によるクラッド板材を用いてチューブ部材４０を形成するものとしてもよい。また、ステンレスの板材の両面に銅やニッケルなどのロウ材を接合したクラッド板材やステンレスに板材の両面にメッキを施した板材を用いてチューブ部材を形成するものとしてもよい。さらに、銅の板材の両面にロウ材を接合したりメッキした板材を用いてチューブ部材を形成するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、熱交換器の製造産業などに利用可能である。

２０熱交換器、２２積層体、２３，２４プレート、２５流入用流路、２６流出用流路、２７供給管、２８排出管、３０熱交換用チューブ、３４，３５連通流路、４０，１４０，２４０，３４０チューブ部材、４１ａ，４１ｂ，３４１ａ，３４１ｂ流出入口用貫通孔、４２ａ，４２ｂ，３４２ａ，３４２ｂフランジ部、４４，４５連通流路形成部、４６ａ，４６ｂ，１４６ａ，１４６ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，３４６ａ，３４６ｂ縁部、４７，１４７，２４７，３４７切り掛け部。

Claims

金属材料を用いて向かい合わせに接合することにより熱交換媒体の２つの流出入口と該２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを構成するよう形成されたチューブ部材を隣接する熱交換用チューブの前記２つの流出入口が整合するように複数積層して構成され、前記熱交換用チューブ内に流れる前記熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体とで熱交換する熱交換器であって、
前記チューブ部材は、外周縁の少なくとも一部に切り掛け部が複数形成されており、
前記チューブ部材は、矩形形状をしており、向かい合う長手方向の２つの縁部のうちの一方にのみ全体に前記切り掛け部が連続して形成されており、
前記熱交換用チューブは、向かい合わせに接合する２つのチューブ部材のうちの一方の前記切り掛け部が形成された長手方向の縁部と他方の前記切り掛け部が形成されていない長手方向の縁部とが整合するように組み付けられている、
ことを特徴とする熱交換器。
請求項１記載の熱交換器であって、
前記切り掛け部は、Ｖ字形状、Ｕ字形状、ノコギリ波形状のいずれかである、
熱交換器。
熱交換器の製造方法であって、
第１金属による中心材に前記第１金属より融点の低い第２金属が両面に接合され厚みが０．３ｍｍ以下としたクラッド板材を用いて、外形が矩形形状で、長手方向の２つの縁部の一方にのみ全体に切り掛け部が連続するように複数形成されており、２つの流出入口の一方から２つの流出入口の他方に至る連通流路を有するチューブ部材を形成するチューブ部材形成工程と、
前記連通流路および前記流出入口が整合するように、且つ、向かい合わせに組み付ける２つのチューブ部材のうちの一方の前記切り掛け部が形成された長手方向の縁部と他方の前記切り掛け部が形成されていない長手方向の縁部とが整合するように、２つのチューブ部材を向かい合わせて構成される扁平な熱交換用チューブが複数積層された状態となるように前記チューブ部材を複数積層して積層体を組み付ける組み付け工程と、
前記第１金属の融点より低く前記第２金属の融点より高い温度に調整された炉を用いて前記積層体をロウ付けするロウ付け工程と、
を有する熱交換器の製造方法。