JP7485993B1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】断面形状がΩ形状のヘッダを備える熱交換器においてヘッダの中の特定の部分への応力集中を緩和する。【解決手段】熱交換器のヘッダ１０の第１部材２０は、第１方向ｄｒ１に延びる第１開口Ｏ１を有する。第１部材２０の第１方向ｄｒ１に対して垂直な断面形状がΩ形状である。第２部材３０は、第３方向ｄｒ３における第１開口Ｏ１の幅Ｗ１よりも大きな幅Ｗ２を持つ複数の第２開口Ｏ２を有する。【選択図】図６

Description

熱交換器に関する。

従来、内部に流れる冷媒と空気との熱交換を行う熱交換器において、特許文献１（国際公開第２０１６／１５２１２７号）に記載されている断面形状がΩ形状に押出加工されたアルミニウム製の部材が用いられる場合がある。特許文献１に記載されている断面Ω形状のアルミニウム製の長尺部材は、ヘッダタンクの構成部材として用いられる。

特許文献１の熱交換器では、例えば二酸化炭素などの高圧の冷媒と空気との熱交換が行われる。この場合、熱交換器を構成する断面Ω形状の長尺部材にも冷媒から高い圧力が加わる。断面Ω形状の長尺部材に加わる高圧によって、熱交換器の一部に集中する応力に対して十分な安全性を付与しようとすると、熱交換器が高価なものとなる。熱交換器において、このような応力の集中が緩和できれば、熱交換器のコストアップを避けつつ熱交換器に十分な安全性を付与することができる。

断面形状がΩ形状の長尺部材を構成部材として含むヘッダを備える熱交換器においては、ヘッダの中の特定の部分への応力集中を緩和して、熱交換器の耐圧強度を向上させるという課題がある。

第１観点の熱交換器は、ヘッダと、複数の多穴伝熱管とを備えている。ヘッダは、第１方向に延び、内部に冷媒が流れる。複数の多穴伝熱管は、ヘッダに対して第１方向と交差する第２方向に差し込まれていて、ヘッダの内部と連通する複数の穴を有し、ヘッダに差し込まれている箇所において第１方向の高さよりも第１方向と交差する第３方向の幅が大きい。ヘッダは、第１方向に延びる第１開口を有し、第１方向に対して垂直な断面形状がΩ形状の第１部材と、第３方向における第１開口の幅よりも大きな幅を持つ複数の第２開口を有する第２部材と、第３方向における複数の第２開口の幅よりも大きな幅を持ち且つ複数の多穴伝熱管と連通する複数の第３開口を有し、複数の多穴伝熱管が当接する第３部材とを含む。第１部材、第２部材及び第３部材は、第１部材、第２部材及び第３部材の順に配置され、第３方向における各第３開口の幅の範囲内で各第２開口が各第３開口に重なり且つ第３方向における各第２開口の幅の範囲内で第１開口が各第２開口に重なるように接合されている。

第１観点の熱交換器では、第２部材によって多穴伝熱管とヘッダとの接合部の応力集中を緩和し、熱交換器の耐圧強度を向上させることができる。

第２観点の熱交換器は、第１観点の熱交換器であって、第１部材が、断面形状がΩ形状になるように押し出された押出加工部材である。

第２観点の熱交換器では、断面形状がΩ形状の複雑な形状を有する第１部材に押出加工された押出加工部材をそのまま用いることができ、熱交換器の製造コストを低く抑えることができる。

第３観点の熱交換器は、第１観点または第２観点の熱交換器であって、第１部材は、第１開口の第２方向の長さよりも厚い肉厚持つ平板状の平板部を有する。

第３観点の熱交換器では、第１部材の平板部の肉厚が第１開口の第２方向の長さよりも厚いので、平板部の肉厚が第１開口の第２方向の長さと同じ場合に比べて、冷媒から圧力を受ける受圧面積を小さくすることができる。平板部の肉厚を第１開口の第２方向の長さよりも厚くした熱交換器は、耐圧強度を確保し易くなる。

第４観点の熱交換器は、第１観点から第３観点のいずれかの熱交換器であって、ヘッダの第１部材及び複数の多穴伝熱管は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。

第５観点の熱交換器は、第１観点から第４観点のいずれかの熱交換器であって、ヘッダの内部に流す冷媒が、二酸化炭素冷媒である。

第６観点の熱交換器は、第１観点から第５観点のいずれかの熱交換器であって、第４部材と、第５部材とを備える。第４部材は、複数の多穴伝熱管が通り抜ける複数の第４開口を有し、第３部材に接合されている。第５部材は、複数の多穴伝熱管が嵌って貫通する複数の第５開口を有し、第１部材、第２部材及び第３部材の側面並びに第４部材に接合されている。

第７観点の熱交換器は、第１観点から第６観点のいずれかの熱交換器であって、第３方向における第１開口の幅の２倍よりも、第３方向における各第２開口の幅が大きい。

第７観点の熱交換器では、第１開口の幅の２倍よりも各第２開口の幅が大きいので、第１部材と第２部材を例えばロウ付けしたときに第１開口がロウで狭まり難い。

第８観点の熱交換器は、第１観点から第７観点のいずれかの熱交換器であって、第３方向における各第２開口の幅の２倍よりも、第３方向における各第３開口の幅が大きい。

第８観点の熱交換器では、各第２開口の幅の２倍よりも各第３開口の幅が大きいので、第２開口を有する第２部材による応力集中の緩和効果を十分に引き出すことができる。

実施形態に係る熱交換器の構成の一例を第３方向から見た模式図である。 図１の熱交換器を第１方向から見た模式図である。 図１の熱交換器の熱交換部を斜めから見た模式図である。 図１のＩ－Ｉ線に沿って切断した熱交換器の一部を示す部分拡大断面図である。 図１の熱交換器のヘッダを分解してその一部を示す分解斜視図である。 図５のヘッダを第１方向に垂直な面で切断した断面図である。 図６のヘッダに多穴伝熱管が勘合された状態を示す断面図である。 図７のヘッダと多穴伝熱管を第３方向の中央部で切断してその一部分を示す部分拡大平面図である。 図８に示されているヘッダと多穴伝熱管の接合部分の周辺を示す斜視図である。 図９に示されたヘッダと多穴伝熱管の接合部分の周辺における応力集中を説明するための模式図である。 第２部材を省いたヘッダを分解して部分的に示す分解斜視図である。 図１１のヘッダを第１方向に垂直な面で切断した断面図である。 図１２に示されているヘッダと多穴伝熱管の接合部分の周辺を示す斜視図である。 図１３に示されたヘッダと多穴伝熱管の接合部分の周辺における応力集中を説明するための模式図である。

以下、一実施形態に係る熱交換について説明する図面に示されている第１方向ｄｒ１は、ヘッダ１０の延びている方向であり、第２方向ｄｒ２は、第１方向ｄｒ１に交差する方向である。ここでは、第１方向ｄｒ１と第２方向ｄｒ２が直交する場合について説明する。多穴伝熱管６０は、ヘッダ１０に対して第２方向ｄｒ２に差し込まれている。第３方向ｄｒ３は、第１方向ｄｒ１及び第２方向ｄｒ２の両方と交差する方向である。ここでは、第３方向ｄｒ３が第１方向ｄｒ１及び第２方向ｄｒ２と直交する場合について説明する。第３方向ｄｒ３は、ヘッダ１０に多穴伝熱管６０が差し込まれている箇所における多穴伝熱管６０の幅方向である。ヘッダ１０に多穴伝熱管６０が差し込まれている箇所において、冷媒の熱交換の対象である流体が熱交換器１を通過する方向である。熱交換の対象の流体は、例えば、空気である。例えば、第１方向ｄｒ１が鉛直方向である場合には、第２方向ｄｒ２及び第３方向ｄｒ３は水平方向である。また、以下の説明において、いずれかの「方向に沿って延びる」またはいずれかの「方向に沿って並んでいる」という場合には、延びている物体の延びる方向または並んでいる方向がそのいずれかの方向に一致する場合だけでなく、物体の延びる方向または並んでいる方向とその方向のなす角のうちの小さい方の角が４５度以内である場合も含む。例えば、直線状に延びている多穴伝熱管６０が第２方向ｄｒ２に対して４５度傾いて延びている場合でも、多穴伝熱管６０が第２方向ｄｒ２に沿って延びている場合に該当する。また、多穴伝熱管６０が湾曲している場合も、その接線の第２方向ｄｒ２に対する傾きが４５度以内であれば、多穴伝熱管６０が第２方向ｄｒ２に沿って延びている場合に該当する。

（１）全体構成
図１には、第３方向ｄｒ３から見た熱交換器１が示されている。図２には、第１方向ｄｒ１から見た熱交換器１が示されている。熱交換器１は、例えば、冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器である。熱交換器１を備える冷凍サイクル装置は、例えば空気調和に用いられる。例えば、熱交換器１は、冷媒を超臨界状態とする冷凍サイクルを行う冷凍サイクル装置に適用される。熱交換器１は、冷凍サイクル装置において、冷媒を蒸発させる蒸発器、または冷媒を放熱させる放熱器として用いることができる。ここでの放熱器には、冷媒を凝縮させる凝縮器が含まれる。熱交換器１で熱交換される冷媒は、例えば、熱交換器１の中で４．５ＭＰａ以上の高圧になる高圧冷媒である。高圧冷媒としては、例えば、二酸化炭素がある。

熱交換器１は、複数のヘッダ１０と、複数の多穴伝熱管６０と、複数のフィン７０とを備えている。複数のヘッダ１０を区別するときには、一方を第１ヘッダ１１といい、他方を第２ヘッダ１２という。ヘッダ１０は、第１方向ｄｒ１に沿って延びる長い中空部分である本体内部空間Ｓ１を有している。この本体内部空間Ｓ１を冷媒が流れる。ここで、本体内部空間Ｓ１は、第１方向ｄｒ１に対して直交する平面で切断した断面の形状が円形と小さな方形とを組み合わせた形になっている。本体内部空間Ｓ１の断面形状は、必ずしも円形と小さな方形とを組み合わせた形でなくてもよく、例えば、楕円形と台形を組み合わせた形でもよい。しかし、冷媒からヘッダ１０に加わる応力の集中を避けるには、円形との組み合わせにすることが好ましい。

第１ヘッダ１１は、冷媒を複数の多穴伝熱管６０に分配させ、第２ヘッダ１２は、複数の多穴伝熱管６０から流出する冷媒を合流させる。他の機器から熱交換器１に送られる冷媒は、第１ヘッダ１１に流入する。第２ヘッダ１２で合流した冷媒は、熱交換器１から他の機器へ送られる。そのために、第１ヘッダ１１には、熱交換器１に送られてきた冷媒が通る入口配管（図示せず）が接続され、第２ヘッダ１２には熱交換器１から送り出される冷媒が通る出口配管（図示せず）が接続される。

図１に示されている熱交換器１では、２本のヘッダ１０（第１ヘッダ１１と第２ヘッダ１２）に１０本以上の多穴伝熱管６０の一端と他端がそれぞれ差し込まれている。ここでは、ヘッダ１０に対して多穴伝熱管６０が直交するように多穴伝熱管６０がヘッダ１０に差し込まれている。しかし、多穴伝熱管６０は、必ずしもヘッダ１０に直交するように差し込まれなくてもよく、多穴伝熱管６０とヘッダ１０のなす角は任意に設定できる。２本のヘッダ１０の間に各多穴伝熱管６０が差し渡されている。言い換えると、２本のヘッダ１０と多数の多穴伝熱管６０が棚のように組まれている。ここでは、各多穴伝熱管６０は、隣接する他の多穴伝熱管６０と平行になるように配置されている。しかし、互いに隣接する多穴伝熱管６０同士が、必ずしも平行に配置されていなくてもよく、隣接する多穴伝熱管６０同士の位置関係は任意に設定できる。ここでは、１０本以上の多穴伝熱管６０が等間隔に並べて配置されている。しかし、複数の多穴伝熱管６０は、必ずしも等間隔に配置されなくてもよく、例えば不規則な間隔で並べて配置されてもよい。

図３には、複数の多穴伝熱管６０と複数のフィン７０からなる熱交換部１００が示されている。熱交換部１００については、後ほど詳しく説明する。図４には、図１のＩ－Ｉ線に沿ったヘッダ１０の断面が示されている。図３及び図４に示されているように、１本の多穴伝熱管６０は、冷媒の流路である複数の穴６５を有している。各多穴伝熱管６０は、長さＬＡの幅と、長さＬＢの厚さを有する。各多穴伝熱管６０は、例えば押出加工によって製造される。多穴伝熱管６０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。ここでは、第３方向ｄｒ３が、多穴伝熱管６０の幅方向に一致している。ここでは、複数の穴６５が、第２方向ｄｒ２に沿って延び、第３方向ｄｒ３に並んでいる。ここでは、複数の穴６５は、互いに平行に等間隔に配置されている。ヘッダ１０の本体内部空間Ｓ１と多穴伝熱管６０の複数の穴６５は連通している。第１ヘッダ１１の本体内部空間Ｓ１から複数の多穴伝熱管６０の複数の穴６５に冷媒が流出する。複数の多穴伝熱管６０の複数の穴６５からは第２ヘッダ１２の本体内部空間Ｓ１に冷媒が流入する。多穴伝熱管６０の複数の穴６５を流れる冷媒は、多穴伝熱管６０の表面を通過する空気と熱交換を行う。

フィン７０は、多穴伝熱管６０の穴６５の中を流れる冷媒と、熱交換器１を通過する空気との熱交換を促進させる部材である。複数のフィン７０は、熱交換器１を通過する空気に対する熱交換器１の伝熱面積を増大させる。各フィン７０は、薄板状の部材をプレス加工などによって変形させて形成される。フィン７０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。各フィン７０は、第１方向ｄｒ１に沿って延びている。ここでは、複数のフィン７０が、第２方向ｄｒ２に沿って等間隔に並べて配置されている。しかし、複数のフィン７０は、必ずしも等間隔に配置されなくてもよく、例えば不規則な間隔で並べて配置されてもよい。各フィン７０は、複数の多穴伝熱管６０と熱的に接続されている。各多穴伝熱管６０は、複数のフィン７０と熱的に接続されている。複数の多穴伝熱管６０が各フィン７０の複数の切欠き７５に挿入されることによって、複数の多穴伝熱管６０と各フィン７０とは、直接またはロウ材を介して接触し、熱的に接続される。熱交換器１は、例えば、炉中ロウ付けによって製造される。

熱交換器１の第１ヘッダ１１と第２ヘッダ１２の間にある複数の多穴伝熱管６０と複数のフィン７０は、熱交換部１００として機能する。熱交換器１で行われる熱交換は、主として、熱交換部１００で行われる。図３に示されている熱交換部１００の形状は、第１方向ｄｒ１と第２方向ｄｒ２に広がる構成となっている。言い換えると、図３の熱交換部１００は、第１方向ｄｒ１から見て、Ｉ字形の形状を呈する。しかし、熱交換部１００の形状は、図３に示されている形状に限られるものではない。熱交換部１００の形状は、例えば、第１方向ｄｒ１から見て第２方向ｄｒ２に沿って延びた後、湾曲して第３方向ｄｒ３に沿って延びる形状であってもよい。例えば、熱交換部１００の形状は、第１方向ｄｒ１から見て、Ｌ字形、Ｕ字形、または多角形状を呈するものでもよい。熱交換部１００の形状は、熱交換部１００を通過する空気の流れが一方向に限られるものでもよく、あるいは熱交換部１００を通過する空気の流れが多数の方向を向くような形状であってもよい。

（２）ヘッダ１０の詳細構成
図５には、構成部材に分解して、斜めから見た状態のヘッダ１０が示されている。図６には、ヘッダ１０の長手方向（第１方向ｄｒ１）に対して垂直な断面の形状が示されている。以下のヘッダ１０の説明では、第１ヘッダ１１及び第２ヘッダ１２を区別する必要がある場合だけ、第１ヘッダ１１と第２ヘッダ１２の用語を用いて説明する。

（２－１）ヘッダ１０の構成部材
ヘッダ１０は、本体部材である第１部材２０と、補強部材である第２部材３０と、当て板部材である第３部材４０と、挿入代調整部材である第４部材４５と、支持部材である第５部材５０とを含んでいる。図５では図示が省略されているが、ヘッダ１０は、ヘッダ１０の第１方向ｄｒ１の両端に配置されている閉鎖板も含む。閉鎖板は、第５部材５０の取付穴５９に取り付けられる。第５部材５０の取付穴５９に取り付けられた閉鎖板は、本体内部空間Ｓ１の両端を塞ぐ。ヘッダ１０においては、第１部材２０と第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５と第５部材５０とが接合されている。ヘッダ１０における接合は、例えば、ロウ付けによる部材同士の固定である。例えば、第５部材５０をクラッド材とし、第５部材５０から第１部材２０と第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５に、ロウ材を供給することでロウ付けによる部材同士の固定を行うことができる。第５部材５０以外の例えば、第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５の全てまたはそれらのうちの幾つかにクラッド材を用いてもよい。また、ロウ材は、例えば、第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５と第５部材５０以外から供給するように構成してもよい。さらに、ここでは、第５部材５０の爪部５７で物理的に保持して第１部材２０と第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５が固定されている。爪部５７による固定を省くこともできるが、高圧冷媒の使用に耐えるには、爪部５７による固定も行う方が好ましい。ただし、物理的な固定方法は、爪部５７による保持には限られるものではない。

第５部材５０をクラッド材とする場合には、第１部材２０と第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５とは、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるとしても互いに接合できる。第５部材５０をクラッド材とする場合、第５部材５０には、例えば、ロウ材を除いた部分がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる部材を用いることができる。このように、ヘッダ１０にアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いる場合には、冷媒の圧力を１１０ＭＰａよりも小さく設定することが好ましい。第１部材２０は、押出加工により加工されたものである。押出加工において、第１部材２０は、断面形状がΩ形状の状態で押し出されて成形される。このような押出加工により成形された第１部材２０は、押出加工部材である。第２部材３０と第３部材４０と第４部材４５と第５部材５０は、例えば、それぞれ、金属板をプレス加工することにより形成される。ここでのプレス加工は、プレス機により、金属板を打ち抜いて穴を形成したり、金属板を折り曲げたりする加工である。

（２―１－１）第１部材２０（本体部材）
図６には、第２方向ｄｒ２及び第３方向ｄｒ３に広がる平面で切断した第１部材２０の断面形状が示されている。また、図７には、多穴伝熱管６０が組み込まれた第１部材２０を、第２方向ｄｒ２及び第３方向ｄｒ３に広がる平面で切断した状態が示されている。第１部材２０は、第１方向ｄｒ１に延びているから、第１部材２０の長手方向が第１方向ｄｒ１に一致している。図６及び図７に示されているように、第１部材２０の本体内部空間Ｓ１は、図断面円形の部分である円柱空間Ｓ１１と、図断面方形の部分である第１開口Ｏ１とを含んでいる。円柱空間Ｓ１１と第１開口Ｏ１は繋がっていて、円柱空間Ｓ１１と第１開口Ｏ１は共に第１方向ｄｒ１に延びている。第１部材２０は、円柱空間Ｓ１１の周りの円筒状部２１と円筒状部２１から第３方向ｄｒ３に突出している２つの平板部２２とを備えている。言い換えると、平板部２２は、第１方向ｄｒ１と第３方向ｄｒ３に広がっている。第１方向ｄｒ１に対して垂直な平面で切断した円筒状部２１と２つの平板部２２の断面の呈する形状が、Ω形状である。

第１開口Ｏ１は、第３方向ｄｒ３において幅Ｗ１を有している。第１開口Ｏ１の幅Ｗ１は、例えば、０．８ｍｍ≦Ｗ１≦２．０ｍｍの範囲内で設定される。第１開口Ｏ１は、第２方向ｄｒ２において長さＬ１を有している。第１開口Ｏ１は、多穴伝熱管６０の穴６５に連通している開口である。平板部２２は、第２方向ｄｒ２において肉厚Ｔ１を有している。平板部２２の肉厚Ｔ１は、例えば２ｍｍ≦Ｔ１≦４．５ｍｍの範囲内で設定される。第１開口Ｏ１の受圧面積を減らすために、第１開口Ｏ１の長さＬ１が平板部２２の肉厚Ｔ１よりも小さくなるように設定される。

（２―１－２）第２部材３０（補強部材）
補強部材である第２部材３０は、第１方向ｄｒ１に沿って複数並んでいる第２開口Ｏ２を有する平板である。補強部材である第２部材３０は、ヘッダ１０と多穴伝熱管６０との接合箇所の周辺に生じる応力の集中を緩和する機能を有する。第２部材３０と第１部材２０の平板部２２は、第２部材３０と平板部２２の第１方向ｄｒ１及び第３方向ｄｒ３に広がる面同士が互いにロウ付けされている。第２部材３０の肉厚Ｔ２は、例えば２ｍｍ≦Ｔ２≦４．５ｍｍの範囲内で設定される。第２部材３０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属平板をプレス加工によって加工することによって製造される。肉厚Ｔ２が前述のような範囲であれば、第２部材３０は、プレス加工によって容易に加工することができる。プレス加工により金属平板から第２開口Ｏ２の部分を打ち抜くことによって第２部材３０が形成できる。

第２開口Ｏ２は、第３方向ｄｒ３において幅Ｗ２を有している。第２開口Ｏ２は、２つの半円形を直線で繋いだ形状である長円形である。プレス加工によって第２開口Ｏ２を形成するには、第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、肉厚Ｔ２の１．５倍以上であることが好ましい。第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、例えば肉厚Ｔ２が２ｍｍ≦Ｔ２≦４．５ｍｍであれば、３ｍｍ≦Ｗ２≦６．７５ｍｍの範囲内で設定される。高い耐圧強度を得るには、第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、狭い方が好ましく、１０ｍｍ以下であることが好ましい。第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、ロウ付けで第１開口Ｏ１がロウ材によって閉塞しないようにするために、第２開口Ｏ２の端部からロウ材がはみ出す長さ（例えば０．８ｍｍ以上２ｍｍ以下）を第１開口Ｏ１の幅Ｗ１に加えた長さ以上に設定することが好ましい。例えば、第１開口Ｏ１の幅Ｗ１が１．６ｍｍであれば、耐圧強度とロウ材のはみ出しを考慮すると、第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、３．２ｍｍ≦Ｗ２≦５．６ｍｍの範囲内で設定されるのが好ましい。

第２開口Ｏ２の第１方向ｄｒ１の長さＬ２は、例えば、多穴伝熱管６０の第１方向ｄｒ１の長さＬＢよりも長く、長さＬＢの２倍よりも短い（ＬＢ≦Ｌ２≦｛ＬＢ×２｝）。

（２―１－３）第３部材４０（当て板部材）
当て板部材である第３部材４０は、第１方向ｄｒ１に沿って複数並んでいる第３開口Ｏ３を有する平板である。第３開口Ｏ３は長円形である。当て板部材である第３部材４０は、ヘッダ１０に勘合される多穴伝熱管６０の先端に当接して、全ての穴６５と第１開口ＯＰ１とを連通させるための部材である。第２部材３０と第３部材４０は、第２部材３０と第３部材４０の第１方向ｄｒ１及び第３方向ｄｒ３に広がる面同士が互いにロウ付けされている。第３部材４０の肉厚Ｔ３は、例えば２ｍｍ≦Ｔ３≦４．５ｍｍの範囲内で設定される。第３部材４０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属平板をプレス加工によって加工することによって製造される。肉厚Ｔ３が前述のような範囲であれば、第３部材４０は、プレス加工によって容易に加工することができる。プレス加工により金属平板から第３開口Ｏ３の部分を打ち抜くことによって第３部材４０が形成できる。

第３開口Ｏ３は、第３方向ｄｒ３において幅Ｗ３を有している。プレス加工によって第３開口Ｏ３を形成するには、第３開口Ｏ３の幅Ｗ３は、肉厚Ｔ３の１．５倍以上であることが好ましい。第３開口Ｏ３の幅Ｗ３は、多穴伝熱管６０の長さＬＡよりも短く設定される。ただし、多穴伝熱管６０の穴６５が全て第３開口Ｏ３と連通するように、最も外側にある穴６５までを含む幅Ｗ６（図７参照）よりも第３開口Ｏ３の端が外側に位置するように幅Ｗ３が設定されている。高い耐圧強度を得るには、第３開口Ｏ３の幅Ｗ３は、狭い方が好ましい。第３開口Ｏ３の幅Ｗ３は、ロウ付けで第２開口Ｏ２がロウ材によって狭まらないようにするために、第３開口Ｏ３の端部からロウ材がはみ出す長さ（例えば０．８ｍｍ以上２ｍｍ以下）を第２開口Ｏ２の幅Ｗ２に加えた長さ以上に設定することが好ましい。また、多穴伝熱管６０の穴６５から第３開口Ｏ３の端までの距離がロウ材がはみ出す長さよりも長いことが好ましい。

第３開口Ｏ３の第１方向ｄｒ１の長さＬ３は、例えば、多穴伝熱管６０の第１方向ｄｒ１の長さＬＢよりも長く、長さＬＢの３倍よりも短い（ＬＢ≦Ｌ２≦｛ＬＢ×３｝）。

（２―１－４）第４部材４５（挿入代調整部材）
挿入代調整部材である第４部材４５は、第１方向ｄｒ１に沿って複数並んでいる第４開口Ｏ４を有する平板である。第４開口Ｏ４は長円形である。挿入代調整部材である第４部材４５は、支持部材である第５部材５０からヘッダ１０の先端までの長さ（挿入代）を決めるための部材である。第３部材４０と第４部材４５は、第３部材４０と第４部材４５の第１方向ｄｒ１及び第３方向ｄｒ３に広がる面同士が互いにロウ付けされている。また、第４開口Ｏ４の内面には、多穴伝熱管６０がロウ付けされている。第４部材４５の肉厚Ｔ４は、例えば２ｍｍ≦Ｔ４≦４．５ｍｍの範囲内で設定される。第４部材４５０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属平板をプレス加工によって加工することによって製造される。肉厚Ｔ４が前述のような範囲であれば、第４部材４５は、プレス加工によって容易に加工することができる。プレス加工により金属平板から第４開口Ｏ４の部分を打ち抜くことによって第４部材４５が形成できる。

第４開口Ｏ４は、第３方向ｄｒ３において幅Ｗ４を有している。プレス加工によって第４開口Ｏ４を形成するには、第４開口Ｏ４の幅Ｗ４は、肉厚Ｔ４の１．５倍以上であることが好ましい。第４開口Ｏ４の幅Ｗ４は、多穴伝熱管６０の長さＬＡよりも長く設定される。多穴伝熱管６０の側面６０ｓと第４開口Ｏ４の内面とがロウ付けされるように、第４開口Ｏ４の幅Ｗ４が多穴伝熱管６０の長さＬＡに近い方が好ましい。

第４開口Ｏ４の第１方向ｄｒ１の長さＬ４は、例えば、多穴伝熱管６０の第１方向ｄｒ１の長さＬＢよりも長く、長さＬＢの３倍よりも短い（ＬＢ≦Ｌ２≦｛ＬＢ×３｝）。

（２―１－５）第５部材５０（支持部材）
支持部材である第５部材５０は、第１方向ｄｒ１に沿って複数並んでいる第５開口Ｏ５を有する。第５開口Ｏ５は長円形である。第５部材５０は、平板の第３方向ｄｒ３の両端を第２方向ｄｒ２に折り曲げた形状を有する。そのため、第１方向ｄｒ１に直交する平面で切断した断面が、Ｃ字形になっている。第５部材５０は、Ｃ字形の形状によって、第１部材２０の平板部２２と第２部材３０と第３部材４０に接することができている。この第５部材５０は、複数の第５開口Ｏ５が形成されている伝熱管支持部５１と、第１部材２０の平板部２２と第２部材３０と第３部材４０に接している第１側部５２及び第２側部５３とを有する（図７参照）。伝熱管支持部５１と第１側部５２と第２側部５３は、平板状である。

支持部材である第５部材５０は、第５開口Ｏ５に勘合される多穴伝熱管６０を、第５開口Ｏ５の内面によって支持する部材である。第５開口Ｏ５の内面の全面が、多穴伝熱管６０の外周面にロウ付けされている。このようにロウ付けされることによって、第５部材５０と多穴伝熱管６０の境界から冷媒が漏洩するのを防止している。第４部材４５と第５部材５０の伝熱管支持部５１は、第４部材４５と伝熱管支持部５１の第１方向ｄｒ１及び第３方向ｄｒ３に広がる面同士が互いにロウ付けされている。第１側部５２は、第１部材２０の平板部２２の一方の側面２２ｓ、第２部材３０の一方の側面３０ｓ、第３部材４０の一方の側面４０ｓ及び第４部材４５の一方の側面４５ｓにロウ付けされている。同様に、第２側部５３は、第１部材２０の平板部２２の他方の側面２２ｓ、第２部材３０の他方の側面３０ｓ、第３部材４０の他方の側面４０ｓ及び第４部材４５の他方の側面４５ｓにロウ付けされている。

第５部材５０の肉厚Ｔ５は、例えば２ｍｍ≦Ｔ５≦４．５ｍｍの範囲内で設定される。第５部材５０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属平板をプレス加工によって加工することによって製造される。肉厚Ｔ５が前述のような範囲であれば、第５部材５０は、プレス加工によって容易に加工することができる。プレス加工により金属平板から第５開口Ｏ５の部分及び取付穴５９の部分を打ち抜き、その後に第１側部５２と第２側部５３に相当する部分をプレス加工により折り曲げることによって第５部材５０が形成できる。

第５開口Ｏ５は、第３方向ｄｒ３において幅Ｗ５を有している。プレス加工によって第５開口Ｏ５を形成するには、第５開口Ｏ５の幅Ｗ５は、肉厚Ｔ５の１．５倍以上であることが好ましい。第５開口Ｏ５の幅Ｗ５は、多穴伝熱管６０の長さＬＡに一致するように設定される。ただし、多穴伝熱管６０の組み立ての際に、第５開口Ｏ５に多穴伝熱管６０がスムーズに入るように、第５開口Ｏ５の形状よりも多穴伝熱管６０の外形が僅かに小さくなるように設定されている。従って、第５開口Ｏ５の第１方向ｄｒ１の長さＬ５は、多穴伝熱管６０の第１方向ｄｒ１の長さＬＢに一致する。

（２―１－６）開口同士の幅の比
第１部材２０の第１開口Ｏ１の幅Ｗ１がロウ付けで閉塞しないようにするには、第２部材３０の第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、幅Ｗ１にロウ材がはみ出す長さＬαの２倍（Ｌα×２）を加えた値以上とすることが好ましい。例えば、第１開口Ｏ１の幅Ｗ１が１．６ｍｍであり且つロウ材がはみ出す長さＬαが０．８ｍｍ～２ｍｍである場合には、第２開口Ｏ２の幅Ｗ２は、３．２ｍｍ～５．６ｍｍ以上に設置されるのが好ましい。ロウ付けの観点からは、幅Ｗ２が３．２ｍｍであれば２／１≦Ｗ２／Ｗ１となるように、幅Ｗ２が５．６ｍｍであれば３．５／１≦Ｗ２／Ｗ１となるように、Ｗ１とＷ２の比が設定されるのが好ましいことになる。第１開口Ｏ１の幅Ｗ１の２倍よりも各第２開口Ｏ２の幅Ｗ２が大きいと、第１部材２０と第２部材３０をロウ付けしたときに第１開口Ｏ１がロウで狭まり難くなる。また、製造時に第１部材２０と第２部材３０がずれてロウ付けされても、第２部材３０によって第１開口Ｏ１が狭まるのを防ぐことができる。

補強部材である第２部材３０は、通常、板厚（肉厚）２ｍｍ～４．５ｍｍのアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が使用される。このような第２部材３０をプレス加工するには、幅Ｗ２を金属板の板厚の１．５倍以上にするのが好ましい。そのため、通常、幅Ｗ２は、板厚が２ｍｍであれば３ｍｍ以上に、板厚が４．５ｍｍであれば６．７５ｍｍ以上に設定するのが好ましい。金属板の板厚と幅Ｗ２の関係の観点からは、例えば、第１開口Ｏ１の幅Ｗ１が１．６ｍｍであれば、板厚が２ｍｍであれば、１．８８／１≦Ｗ２／Ｗ１となるように、板厚が４．５ｍｍであれば４．２／１≦Ｗ２／Ｗ１となるように、Ｗ１とＷ２の比が設定されるのが好ましいことになる。

耐圧強度の観点からは、第２開口Ｏ２の幅Ｗ２が、１０ｍｍ以下であることが好ましい。このことから、例えば、第１開口Ｏ１の幅Ｗ１が１．６ｍｍであれば、Ｗ２／Ｗ１≦６．２５／１となるように、Ｗ１とＷ２の比が設定されるのが好ましいことになる。

以上のような考察を通常用いられる第１開口Ｏ１の幅Ｗ１について行うと、幅Ｗ１は、２／１≦Ｗ２／Ｗ１≦６／１という条件を満たすことが好ましく、さらに２．５／１≦Ｗ２／Ｗ１≦４／１という条件を満たすことが好ましいことになる。

第３方向における各第２開口Ｏ２の幅Ｗ２の２倍よりも、第３方向における各第３開口Ｏ３の幅Ｗ３が大きい。逆に言えば、各第３開口Ｏ３の幅Ｗ３の２分の１よりも、各第２開口Ｏ２の幅Ｗ２が小さい（Ｗ２／Ｗ３≦１／２）。Ｗ２／Ｗ３≦１／２の条件を満たすように設定することで、各第３開口Ｏ３の幅Ｗ３の２分の１よりも各第２開口Ｏ２の幅Ｗ２を大きくした場合に比べて、第２部材３０による補強の効果が低下するのを抑制することができる。例えば、第３開口Ｏ３の幅Ｗ３を第２開口Ｏ２の幅Ｗ２と同じにすると、第２開口Ｏ２を有する第２部材３０を設けたことによる応力集中の緩和効果を得られなくなる。

（３）特徴
（３－１）
上記実施形態の熱交換器１は、第３方向ｄｒ３における第１開口Ｏ１の幅Ｗ１よりも大きな幅Ｗ２を持つ複数の第２開口Ｏ２を有する第２部材３０を備えている。この第２部材３０によって多穴伝熱管６０とヘッダ１０との接合部の応力集中が緩和でき、熱交換器１の耐圧強度を向上させることができる。

熱交換器１における耐圧強度の向上について、図８から図１４を用いて説明する。図８には、上記実施形態の多穴伝熱管６０の第３方向ｄｒ３の中央及び、ヘッダ１０の円柱空間Ｓ１１の中心軸を通る平面で切断した多穴伝熱管６０の一部とヘッダ１０の一部が示されている。図９には、図８に示されているヘッダ１０の一部のうちの１本の多穴伝熱管６０の周辺が示されている。図１０には、高圧の冷媒をヘッダ１０と多穴伝熱管６０に流した場合のシミュレーション結果において、特に高い応力が生じている応力集中箇所Ａｒ１がハッチングによって示されている。

図１１から図１４に示されているヘッダ２１０は、補強部材である第２部材３０を実施形態のヘッダ１０から取り除いた構成を有している。図１１には、ヘッダ２１０を分解して斜めから見た状態が示されている。図１１に示されている第１部材２０、第３部材４０、第４部材４５及び第５部材５０は、上記実施形態で説明した同一符号を付した部材と同じ部材である。図１１に示されているように、ヘッダ２１０においては、第１部材２０の第１方向ｄｒ１と第３方向ｄｒ３に広がる面にロウ付けされているのは、第３部材４０である。図１２には、多穴伝熱管６０の第３方向ｄｒ３の中央及び、比較対象のヘッダ２１０の円柱空間Ｓ１１の中心軸を通る平面で切断した多穴伝熱管６０の一部とヘッダ２１０の一部が示されている。図１３には、図１２に示されているヘッダ２１０の一部のうちの１本の多穴伝熱管６０の周辺が示されている。図１４には、高圧の冷媒をヘッダ２１０と多穴伝熱管６０に流した場合のシミュレーション結果において、特に高い応力が生じている応力集中箇所Ａｒ２がハッチングによって示されている。図１０と図１４に示されているシミュレーション結果は、ヘッダ１０，２１０の形状以外の条件を同じにしてシミュレーションを行った結果である。

図１０と図１４とを比較して分かるように、高圧の冷媒を流すことによって、ヘッダ１０，２１０の第１開口Ｏ１の周囲に、特に高い応力が生じている応力集中箇所Ａｒ１，Ａｒ２が発生している。ヘッダ２１０においては、多穴伝熱管６０とヘッダ２１０の接合箇所の周辺にも、特に高い応力が生じている応力集中箇所Ａｒ２が発生している。しかし、ヘッダ１０においては、多穴伝熱管６０とヘッダ１０の接合箇所の周辺に、特に高い応力が生じている応力集中箇所Ａｒ１は発生していない。図１０と図１４に示されたシミュレーション結果は、多穴伝熱管６０とヘッダ１０の接合箇所の周辺の応力を緩和するという、補強部材である第２部材３０の機能を示している。

（３－２）
上記実施形態の第１部材２０が、断面形状がΩ形状になるように押し出された押出加工部材である場合には、複雑な形状を有する第１部材２０に、押出加工された押出加工部材をそのまま用いることができる。複雑な形状を有する第１部材２０に押出加工部材を用いることで、熱交換器１の製造の手間を省き、製造コストを低く抑えることができる。

（３－３）
図６に示されているように、第１部材２０は、第１開口ＯＰ１の第２方向ｄｒ２の長さＬ１よりも厚い肉厚Ｔ１持つ平板状の平板部２２を有している。第１部材２０の平板部の肉厚Ｔ１が第１開口Ｏ１の第２方向ｄｒ２の長さＬ１よりも厚いので、平板部２２の肉厚Ｔ１が第１開口Ｏ１の第２方向ｄｒ２の長さＬ１と同じ場合に比べて、冷媒から圧力を受ける受圧面積を小さくすることができる。このように、平板部２２の肉厚Ｔ１を第１開口Ｏ１の第２方向ｄｒ２の長さＬ１よりも厚くした熱交換器１は、耐圧強度を確保し易くなっている。

（３－４）
第１部材２０の第１開口Ｏ１の幅Ｗ１の２倍よりも、第２部材３０の各第２開口Ｏ２の幅Ｗ２が大きいと、第１部材２０と第２部材３０をロウ付けしたときに第１開口Ｏ１がロウで狭まり難くなる。

（３－５）
各第３開口Ｏ３の幅Ｗ３の２分の１よりも各第２開口Ｏ２の幅Ｗ２を小さくすることで、幅Ｗ３の２分の１よりも幅Ｗ２を大きくした場合に比べて、第２部材３０による補強の効果が低下するのを抑制することができる。

（４）変形例
（４－１）変形例Ａ
上記実施形態では、熱交換器１が、図２に示されているように、熱交換の対象の空気が通過するのは１枚の熱交換部１００だけである。しかし、熱交換の対象の空気が通過する熱交換部１００は１枚だけには限られない。例えば、図２に示されている構成を第３方向ｄｒ３に２つ重ねて１つの熱交換器１を構成することもできる。

（４－２）変形例Ｂ
上記実施形態では、第１部材２０が押出加工部材である場合について説明した。しかし、第１部材２０は、必ずしも押出加工によって成形される必要はなく、他の方法によって成形されたものであってもよい。

（４－３）変形例Ｃ
上記実施形態では、熱交換器１が炉中でロウ付けされることで製造される場合について説明した。しかし、熱交換器１を構成する各部材は、炉中ロウ付け以外の方法によって接合されてもよい。例えば、溶接によって熱交換器１を構成する部材同士が接合されてもよい。

（４－４）変形例Ｄ
上記実施形態において、ヘッダ１０の各構成部材がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成される場合について説明した。しかし、ヘッダ１０の各構成部材のいずれかまたは全てがアルミニウム又はアルミニウム合金以外の金属で構成されてもよい。

（４－５）変形例Ｅ
上記実施形態では、熱交換器１が冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器である場合について説明した。しかし、熱交換器１は、必ずしも空気熱交換器には限定されない。熱交換器１は、冷媒と他の熱媒体とを熱交換させるように構成されてもよい。

（４－６）変形例Ｆ
上記実施形態では、フィン７０が複数の切欠き７５を有し、各切欠き７５に多穴伝熱管６０が挿入されている場合について説明した。しかし、フィン７０については他の形態のフィンを用いてもよい。例えば、フィン７０は、第１方向ｄｒ１に沿って並ぶ複数の貫通穴を有し、貫通穴に多穴伝熱管６０が挿入されるものであってもよい。また、フィン７０の無いタイプの熱交換器にも、ヘッダ１０を適用することができる。

（４－７）変形例Ｇ
上記実施形態では、熱交換器１を流れる高圧の冷媒がＣＯ_２冷媒（二酸化炭素冷媒）である場合について説明した。しかし、熱交換器１を流れる冷媒は、必ずしもＣＯ_２冷媒に限定されず、他の冷媒であってもよい。

（４－８）変形例Ｈ
上記実施形態では、挿入代調整部材である第４部材４５を１枚設ける場合について説明した。しかし、第４部材４５は、１枚には限られず、複数であってもよい。

（４－９）変形例Ｉ
上記実施形態では、第２開口Ｏ２、第３開口Ｏ３、第４開口Ｏ４及び第５開口Ｏ５が長円形である場合について説明した。しかし、第２開口Ｏ２、第３開口Ｏ３、第４開口Ｏ４及び第５開口Ｏ５の形状は、長円形には限られない。第２開口Ｏ２、第３開口Ｏ３、第４開口Ｏ４及び第５開口Ｏ５の形状は、例えば、楕円形、長方形、台形であってもよい。

以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１ 熱交換器
１０ ヘッダ
２０ 第１部材
２１ 円筒状部
２２ 平板部
３０ 第２部材
４０ 第３部材
４５ 第４部材
５０ 第５部材
６０ 多穴伝熱管
６５ 穴
Ｏ１ 第１開口
Ｏ２ 第２開口
Ｏ３ 第３開口
Ｏ４ 第４開口
Ｏ５ 第５開口

国際公開第２０１６／１５２１２７号

Claims (8)

1. 第１方向に延び、内部に冷媒が流れるヘッダ（１０）と、
   前記ヘッダに対して前記第１方向と交差する第２方向に差し込まれていて、前記ヘッダの前記内部と連通する複数の穴（６５）を有し、前記ヘッダに差し込まれている箇所において前記第１方向の高さよりも前記第１方向と交差する第３方向の幅が大きい扁平な複数の多穴伝熱管（６０）と
   を備え、
   前記ヘッダは、
   前記第１方向に延びる第１開口（Ｏ１）を有し、前記第１方向に対して垂直な断面形状がΩ形状の第１部材（２０）と、
   前記第３方向における前記第１開口の幅よりも大きな幅を持つ複数の第２開口（Ｏ２）を有する第２部材（３０）と、
   前記第３方向における前記複数の第２開口の幅よりも大きな幅を持ち且つ前記複数の多穴伝熱管と連通する複数の第３開口（Ｏ３）を有し、前記複数の多穴伝熱管が当接する第３部材（４０）と
   を含み、
   前記第１部材、前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材、前記第２部材及び前記第３部材の順に配置され、前記第３方向における前記各第３開口の幅の範囲内で前記各第２開口が前記各第３開口に重なり且つ前記第３方向における前記各第２開口の幅の範囲内で前記第１開口が前記各第２開口に重なるように接合されている、熱交換器（１）。
2. 前記第１部材が、断面形状がΩ形状になるように押し出された押出加工部材である、
   請求項１に記載の熱交換器（１）。
3. 前記第１部材は、前記第１開口の前記第２方向の長さよりも厚い肉厚持つ平板状の平板部（２２）を有する、
   請求項１または請求項２に記載の熱交換器（１）。
4. 前記ヘッダの前記第１部材及び前記複数の多穴伝熱管は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、
   請求項１または２に記載の熱交換器（１）。
5. 前記ヘッダの前記内部に流す冷媒が、二酸化炭素冷媒である、
   請求項１または２に記載の熱交換器（１）。
6. 前記複数の多穴伝熱管が通り抜ける複数の第４開口（Ｏ４）を有し、前記第３部材に接合されている第４部材（４５）と、
   前記複数の多穴伝熱管が嵌って貫通する複数の第５開口（Ｏ５）を有し、前記第１部材、前記第２部材及び前記第３部材の側面並びに前記第４部材に接合されている第５部材（５０）と
   を備える、
   請求項１または２に記載の熱交換器（１）。
7. 前記第３方向における前記第１開口の幅の２倍よりも、前記第３方向における前記各第２開口の幅が大きい、
   請求項１または２に記載の熱交換器（１）。
8. 前記第３方向における前記各第２開口の幅の２倍よりも、前記第３方向における前記各第３開口の幅が大きい、
   請求項１または２に記載の熱交換器（１）。

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