WO2016158489A1 - 管体の接続構造および熱交換器 - Google Patents

Abstract

　第一管体（１）と第二管体（２）とを接続する管体の接続構造において、第一管体（１）は、側壁（１１）の一部が外側に突出して開口部（１３）を形成する突出壁（１２）を有し、第二管体（２）は、端部が突出壁（１２）の開口部（１３）に挿入される挿入管部（２１）と、挿入管部（２１）に連通するとともに突出壁（１２）から外部側の外側管部（２２）とを有し、外側管部（２２）の管径（Ｃ）は挿入管部（２１）の管径（Ｂ）より小さく形成されている。

Description

管体の接続構造および熱交換器

　この発明は、二つの管体のロウ付による接続を精度よく行うことができる管体の接続構造および熱交換器に関するものである。

　自動車用、家庭用、または業務用のエアコンなどに使用される熱交換器は、フィンと、冷媒の通過するチューブと、チューブへの冷媒の受け渡しを行うヘッダとを備えている。ヘッダは、主に金属材にて形成されている。そして、ヘッダの側面には、チューブおよびチューブと接合される枝管（以下、管継手と称す）を挿入および接合する部分（以下、ヘッダ側接合部と称す）が、バーリング加工等によって形成されている。このヘッダ側接合部にて、チューブと管継手とを接合することで熱交換器が構成される。

　この接合方法として、ロウ付が選択される場合が多い。この際、ヘッダ側接合部をバーリング加工によって外側に成形した場合、加工穴形状によってはクリアランスが一定にならず、ロウ付が安定しないという問題点がある。また、ロウ付を行っている際に、フラックスおよびロウ材がこぼれて、ロウ付性悪化および不必要な周辺部材の接合をまねくという問題点がある。

　これらのことを解決するために、従来の熱交換器は、ヘッダ接合部を内側に形成すると共に、ヘッダ接合部の先端部を楔型または挿入管外径よりも小さく形成する。そして、ろう溜まりの形成および、クリアランスの安定化により、ロウ付性を向上している。

　例えば、特許文献１には、積層型熱交換器のヘッダタンクと扁平型チューブの接合部とにおいて、バーリング加工により先端部に楔形状ができるような条件で、ヘッダ側接合部を成形することにより、ロウ付時に溶融するフラックスおよびロウ材のガイド部、ろう溜まり部を形成し、ロウ付性を向上させている。

　また、例えば、特許文献２には、バーリング加工によりヘッダ側内部にヘッダ側接合部を成形すると共に、バーリング先端部を挿入するチューブの外径よりも小さく加工して、チューブとヘッダ側接合部を密着させ、クリアランスのばらつきを抑え、ロウ付性を向上させている。

特開平０７－３０５９９２号公報 特開２００９－１４２７０号公報

　従来の管体の接続構造は、チューブの全てをヘッダと直接接続する自動車用熱交換器などに使用されているが、家庭用および業務用ヒートポンプ式のエアコンはより熱交換器の効率をより高める必要がある。よって、ヘッダ側接合部内の圧損を小さくするため、ヘッダ側接合部を外側に成形する必要性がある。このため、従来の管体の接続構造では、ヘッダ側接合部を内側に形成している先端形状によるロウ付性を向上する対策が難しいという問題点があった。

　この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あり、精度よくロウ付を行うことができる管体の接続構造および熱交換器を提供することを目的とする。

　この発明の管体の接続構造は、
第一管体と第二管体とを接続する管体の接続構造において、
前記第一管体は、側壁の一部が外側に突出して開口部を形成する突出壁を有し、
前記第二管体は、端部が前記突出壁の前記開口部に挿入される挿入管部と、前記挿入管部に連通するとともに前記突出壁から外部側の外側管部とを有し、
前記外側管部の管径は前記挿入管部の管径より小さく形成されている。

　また、この発明の熱交換器は、
冷媒が内部を通過するチューブと、
複数のフィンを積層し、各前記フィンに前記チューブが貫通するコア部と、
前記コア部の外部に形成されるヘッダと、
前記チューブと前記ヘッダと接続する接続管とを有する熱交換器において、
前記ヘッダと前記接続管との管体の接続構造は、上記記載の管体の接続構造の前記第一管体を前記ヘッダとし、前記第二管体を前記接続管として形成されている。

　この発明の管体の接続構造および熱交換器によれば、二つの管体のロウ付による接続を精度よく行うことができる。

この発明の実施の形態１における管体の接続構造の構成を示す断面図である。 図１に示した管体の接続構造の詳細を示す拡大断面図である。 図１に示した管体の接続構造のロウ付状態を示す断面図である。 図２に示した管体の接続構造のロウ付状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。 図１に示した管体の接続構造を用いた熱交換器の構成を示す斜視図である。 図９に示した熱交換器を用いた冷媒回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態２における管体の接続構造の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。

実施の形態１．
　以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における管体の接続構造の構成を示す断面図である。
図２は図１に示した管体の接続構造の詳細を示す拡大断面図である。
図３は図１に示した管体の接続構造のロウ付状態を示す断面図である。
図４は図２に示した管体の接続構造のロウ付状態を示す断面図である。
図６から図８はこの発明の実施の形態１における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。
図９は図１に示した管体の接続構造を用いた熱交換器の構成を示す斜視図である。
図１０は図９に示した熱交換器を用いた冷媒回路を示す回路図である。

　図において、管体の接続構造は、第一管体１と、第二管体２とを接続するためのものである。第一管体１には、側壁１１の所定の箇所に、側壁１１の一部が外側に突出している突出壁１２が形成されている。側壁１１の厚さは、厚さＤである。突出壁１２は、第一管体１の側壁１１をバーリング加工またはバルジ加工によって切断して形成される。そして、この突出壁１２により、その内側に開口部１３が形成される。突出壁１２の長さは、長さＦである。この開口部１３は、第一管体１の内側から外側に連通する箇所となる。

　そして、第二管体２は、端部が突出壁１２の開口部１３内に挿入される挿入管部２１と、挿入管部２１に連通するとともに突出壁１２から外部側の外側管部２２とを有している。そして、外側管部２２の管径Ｃは挿入管部２１の管径Ｂより小さく（Ｂ＞Ｃ）形成されている（挿入管部２１の管径Ｂが外側管部２２の管径Ｃより拡径されているとも言える。）。

　そして、外側管部２２の挿入管部２１側の外形は、傾斜面２２Ａにて形成されている。外側管部２２の管径Ｃが挿入管部２１の管径Ｂより小さく形成されていることにより、傾斜面２２Ａの傾斜角度θは、０°＜θ＜９０°にて形成されている。また、挿入管部２１の管径Ｂと、開口部１３の開口径Ａとは、挿入管部２１が開口部１３に挿入可能なように、ほぼ同一に形成されている（Ａ≒Ｂ）。

　挿入管部２１の長さは、長さＥである。挿入管部２１は、突出壁１２の外端１２Ａより内側に挿入されている。そして、挿入管部２１の長さＥは、突出壁１２の長さＦより短く、挿入管部２１の最上端は突出壁１２の外端１２Ａより低い位置になっている。よって、突出壁１２の外端１２Ａ側であって、突出壁１２と外側管部２２との間には空間部３０が形成される。

　尚、本実施の形態１においては、第二管体２の最下端２ＡＡと、第一管体１の内壁の内壁端１Ａとの位置が、理想的な位置関係である、同一平面位置上に配設されている例を示している。しかしながら、これに限られることはなく、第二管体２の最下端２ＡＡと、第一管体１の内壁の内壁端１Ａとの位置が、同一平面位置から若干のズレが生じることが考えられる。また、このことは以下の実施の形態においても同様であり、その説明は適宜省略する。

　そして、管体の接続構造は、第一管体１および第二管体２が図１および図２に示すように構成される。このように構成すれば、ロウ付を行う場合、ロウ付時のフラックスおよびロウ材を傾斜面２２Ａに設置すれば、溶融したフラックスおよびロウ材は傾斜面２２Ａがガイドとなって、傾斜面２２Ａに沿って流れる。よって、ロウ付したい部分である、第二管体２の挿入管部２１と、第一管体１の突出壁１２との間に、フラックスおよびロウ材が流れ込みやすくなる。

　そして、ロウ付を行うと、ロウ付部４が図３および図４に示すように形成される。図に示すように、フラックスおよびロウ材は、第二管体２の外側管部２２と、第一管体１の突出壁１２との空間部３０に流れ込みロウ付部４が形成される。よって、第一管体１の突出壁１２から外部へ、フラックスおよびロウ材がこぼれることが防止される。

　また、フラックスおよびロウ材は、ロウ付時に、第一管体１と第二管体２との両方から熱を受け、溶融しやすくなると共に、フラックスおよびロウ材の存在によって構成部品同士の接触部分が増えるため、加熱中の構成部品間の温度差が減少し、安定的なロウ付による管体の接続構造を形成することが可能となる。

　またここでは、第二管体２の挿入管部２１の管径Ｂと、第一管体１の開口部１３の開口径Ａとを同径にて形成しているので、ロウ付時の第二管体２の挿入管部２１と、第一管体１の突出壁１２との初期接触により両者の温度差が小さくなると共に、両者の間に生じる隙間が小さくなって毛細管現象によるロウ材浸透が生じやすくなるため、良好なロウ付による管体の接続構造を形成することが可能となる。

　また、第一管体１の開口部１３に挿入されるのは第二管体２の片側の端部の挿入管部２１であるので、第二管体２のロウ付部４を個々に温度制御することができ、ロウ付品質を制御しやすい。また、第二管体２の片側の端部のみに挿入管部２１を形成すれば良いので加工が簡略となる。なお、管体の接続形態によっては第二管体２の両側の端部に本実施の形態の挿入管部２１を形成してもよい。

　また、上記においては、傾斜面２２Ａは角部を有する面にて形成する例を示したが、これに限られることはない。例えば図５に示すように、曲率半径Ｒ１（Ｒ１＞０）を有するＲ面取り面にてなる傾斜面２２Ｂにて形成する例も考えられる。このように形成すれば、溶融したフラックスおよびロウ材が傾斜面２２Ｂに沿っての流れが緩やかになり、こぼれの防止をより一層高めることができる。

　また、上記においては、傾斜面２２Ａ、２２Ｂを形成する例を示したが、これに限られることはない。例えば図６に示すように、挿入管部２１と外側管部２２とを段差面２２Ｃにて連通して形成する例も考えられる。このように形成すれば、溶融したフラックスおよびロウ材が段差面２２Ｃにて一端とどめることができ、こぼれの防止となる。

　また、上記においては、挿入管部２１は、突出壁１２の外端１２Ａより内側に挿入されている例を示したが、これに限られることはない。例えば図７に示すように、挿入管部２１の一部が突出壁１２の外端１２Ａより内側に挿入され、挿入管部２１の一部が、突出壁１２の外端１２Ａと同一または若干外側となるように挿入されている例も考えられる。このように形成すれば、空間部３０が形成されないものの、溶融したフラックスおよびロウ材が傾斜面２２Ａに沿って突出壁１２の外端１２Ａに流れるため、他の箇所への流出を防止することができる。

　また、上記においては、挿入管部２１の管径Ｂと、突出壁１２の開口部１３の開口径Ａとを同一の大きさにて形成する例を示したが、これに限られることはない。例えば図８に示すように、挿入管部２１の管径Ｂ１を、突出壁１２の開口部１３の開口径Ａより小さく形成し、挿入管部２１を突出壁１２の開口部１３に挿入しやすく形成する例も考えられる。このように形成すれば、挿入管部２１と、突出壁１２の開口部１３との間に、空隙部４０が形成されるものの、この空隙部４０に溶融したフラックスおよびロウ材が傾斜面２２Ａに沿って容易に挿入され、かつ、他の箇所へ流出を防止することができる。

　尚、上記においては、第一管体１と第二管体２とをいずれも円管状にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、扁平形状など円管以外の管形状にて形成することが可能である。

　そして、このような管体の接続構造が用いられる箇所として、図９に示すような熱交換器１００がある。そして、このような熱交換器１００は、図１０に示すような、主として気液二相流体を冷媒とする空気調和装置の冷媒回路中に設けられるものである。図１０に示すように、熱交換器１００は、圧縮機２００またはキャピラリーチューブなどの膨張弁機構３００と接続し、蒸発器もしくは凝縮器として使用されるものである。

　そして、図９に示すように熱交換器１００は、チューブ１０１と、コア部１０２と、ヘッダ１０と、接続管２０とにて構成される。チューブ１０１は、内部に冷媒が通過するものである。コア部１０２は、複数のフィン１０５を積層して形成されている。そして、これらフィン１０５にチューブ１０１が貫通している。また、このチューブ１０１は、複数本形成されている。ヘッダ１０は、コア部１０２の外部に形成されている。接続管２０は、チューブ１０１とヘッダ１０と接続するものである。ヘッダ１０は、その内部においてチューブ１０１から冷媒が導入される。冷媒は、フィン１０５の外部にて、ヘッダ１０を介して、異なるチューブ１０１間を循環する。

　尚、本実施の形態１においては、熱交換器１００において、接続管２０とチューブ１０１とを、異なる構成物にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、チューブ１０１の一端が接続管２０として機能することも可能であり、同様の効果を奏することができる。このことは以下の実施の形態においても同様であり、その内容は適宜省略する。但し、接続管２０とチューブ１０１とを異なる構成物にて形成すれば、接続管２０の形状の自由度が向上する。

　そして、このように構成された、ヘッダ１０と接続管２０との管体の接続構造を、先に示した第一管体１をヘッダ１０とし、第二管体２を接続管２０として形成するものである。また、ここでは、ヘッダ１０を１つ備える例を示したが、これに限られることはなく、複数のヘッダ１０を形成することも可能である。

　次に、第一管体１と第二管体２との材質について説明する。これら、第一管体１と第二管体２とを同種金属材にて形成する。例えば、熱伝導性の高いアルミニウム合金、銅、または銅合金を使用する。そして、雰囲気炉中にてロウ付、もしくは、大気中でバーナまたはヒータなどの加熱によるロウ付によってこれらの接合を行う。特に、アルミニウム合金を使用する場合には、アルミニウム－シリコン系のロウ材を使用し、非腐食性フラックスを使用する。

　このように第一管体１と第二管体２とを同種金属材にて構成することにより、異種金属のロウ付を行った際にロウ付部に生じる金属間化合物層を抑制することができる。さらに、異種金属間での電気的腐食の影響を考慮する必要がなくなる。また、熱伝導性が高いアルミニウム合金、銅、銅合金のいずれかを使用することで、内部を通過する冷媒がヘッダ１０を通過する際にも熱交換を行うことでき、熱交換器全体の熱交換性能を向上させることができる。さらに、これらの金属は、雰囲気炉中でも大気中でもロウ付を行うことが可能であるため、接合方法の選択肢が広がり安定的なロウ付の条件を見出しやすくなる。尚、第一管体１と第二管体２とを同種金属材にて構成する例を示したが、これに限られることはなく、第一管体１と第二管体２とを異種金属材にて構成することも可能であり、上記に示したように同種金属材にて構成する場合の効果を奏することはできないものの、ロウ付可能であれば低コストとなる材質など自由に材質を選択することが可能である。

　上記のように構成された実施の形態１の管体の接続構造および熱交換器によれば、第二管体の外側管部の管径が挿入管部の管径より小さく形成され段差部分を有しているので、その箇所にて溶融したフラックスおよびロウ材がとどまり、他の外部に流れ出すことを防止できる。よって、安定的なロウ付条件を見出すことが可能となる。そして、第一管体の突出壁を内側ではなく、外側に突出するように形成しているため、第一管体の内側に形成する場合に比べて、第一管体内に流れる例えば冷媒の圧力損失を低減できる。

　また、外側管部の挿入管部側の外形は、傾斜面にて形成されているので、ロウ付時にこの傾斜面にフラックスおよびロウ材を設置すれば、傾斜面に沿って流れ、管体の接続箇所以外の他の部分へのフラックスおよびロウ材の流出が起こりにくくなり、安定的なロウ付条件を見出すことが可能となる。

　また、傾斜面を、Ｒ面取り面にて形成すると、溶融したフラックスおよびロウ材は傾斜面を緩やかに流れ、他の部分への流出が起こりにくくなる。

　また、挿入管部は、突出壁の外端より内側に挿入されているため、外側管部と、突出壁との間に空間部が形成され、溶融したフラックスおよびロウ材が空間部に流れ込み、他の部分への流出が起こりにくくなる。

　また、第一管体と第二管体とを同一金属材にて形成することにより、異種金属間のロウ付時に生じる金属間化合物層を抑制および異種金属間での電気的腐食の可能性を抑制することができる。また、高い熱伝導性を有する金属材にて形成することで、冷媒が第二管体を通過する際だけでなく、第一管体を通過する際にも外気との熱のやり取り（熱交換）を行うことができ、例えば、熱交換器の全体の熱交換性能を向上させることができる。

実施の形態２．
　図１１はこの発明の実施の形態２における管体の接続構造の構成を示す断面図である。図１２および図１３はこの発明の実施の形態２における管体の接続構造の他の構成を示す断面図である。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態２においては、第一管体１の突出壁１２の外周側の側壁１１に、突出壁１２の全周に渡って凹部が形成されているものである。

　この凹部の形状は、例えば、図１１に示すように、台形形状にてなる凹部３１、また、図１２に示すように、三角形状にてなる凹部３２、また、図１３に示すように、底部が曲率半径Ｒを有する曲面３３Ａにてなる凹部３３にてそれぞれ形成することが考えられる。この場合、各凹部３１、３２、３３の深さＨ、Ｍ、Ｐ＋Ｒは、第一管体１の側壁１１の厚みＤの５０％未満にて形成する。これは、各凹部３１、３２、３３の形成されている、第一管体１の側壁１１の箇所の強度を確保するためである。なお、凹部３３の深さは、凹部３３の傾斜部の深さＰと曲面３３Ａの曲率半径Ｒを加えたものである。

　また、各凹部３１、３２、３３の体積Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、以下の（式１）、（式２）、（式３）にてそれぞれ求めることができる。尚、各凹部３１、３２、３３の値（長さ）、および体積を求めるために必要となる値（長さ）などは各図に示すように設定する。すなわち、Ｂは挿入管部２１の管径、Ｃは外側管部２２の管径、Ｄは側壁１１の厚さ、Ｅは挿入管部２１の長さ、Ｆは突出壁１２の長さ、Ｈは凹部３１の深さ、Ｊは凹部３１の最大幅、Ｋは凹部３１の最小幅、Ｍは凹部３２の深さ、Ｎは凹部３２の最大幅、Ｐは凹部３３の傾斜部の深さ、Ｑは凹部３３の最大幅、Ｒは曲面３３Ａの曲率半径を表す。

Ｖ１＝０．５Ｈπ×（Ｋ＋Ｊ）×（Ｂ＋２Ｓ＋Ｊ）　　　・・・（式１）
Ｖ２＝０．５ＮＭπ×（Ｂ＋２Ｓ＋Ｎ）　　　　　　　　・・・（式２）
Ｖ３＝０．５π×（πＲ∧２＋ＱＰ＋２ＲＰ）×（Ｂ＋Ｑ＋２Ｓ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（式３）

　ここで、ロウ付に使用するロウ材の体積Ｖ、ロウ材で充填したい部分の体積Ｖ０とすると、各凹部３１、３２、３３の体積Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は以下の（式４）が成り立つことが条件となる。
Ｖ１またはＶ２またはＶ３≧Ｖ－Ｖ０　　・・・（式４）

　この（式４）が成り立つように、各凹部３１、３２、３３の各部分の長さを上記（式１）、（式２）、（式３）に基づいてそれぞれ決定する。

　尚、凹部以外の構成は、上記実施の形態１にて示した他の構成を用いることも可能であり、さらに、ロウ付の方法、各管体の材質、管体の接続構造を用いた熱交換器などは、上記実施の形態１と同様であるため、その説明は適宜省略する。

　上記のように構成された実施の形態２の管体の接続構造および熱交換器は、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんこと、フラックスおよびロウ材が、外部に溢れ出しても凹部に流れ込み、不必要な他の外部への流れ出しを一層防止できる。

　さらに、凹部の底部を曲面にて形成することにより、凹部の底部における応力集中を緩和することが可能となる。

　尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (11)

1. 第一管体と第二管体とを接続する管体の接続構造において、
   前記第一管体は、側壁の一部が外側に突出して開口部を形成する突出壁を有し、
   前記第二管体は、端部が前記突出壁の前記開口部に挿入される挿入管部と、前記挿入管部に連通するとともに前記突出壁から外部側の外側管部とを有し、
   前記外側管部の管径は前記挿入管部の管径より小さく形成されている管体の接続構造。
2. 前記外側管部の前記挿入管部側の外形は、傾斜面にて形成されている請求項１に記載の管体の接続構造。
3. 前記外側管部の前記傾斜面は、Ｒ面取り面にて形成されている請求項２に記載の管体の接続構造。
4. 前記挿入管部は、前記突出壁の外端より内側に挿入されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の管体の接続構造。
5. 前記第一管体の前記突出壁の外周側の前記側壁には、前記突出壁の全周に渡って凹部が形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の管体の接続構造。
6. 前記第一管体の凹部の深さは、前記第一管体の前記側壁の厚みの５０％未満にて形成されている請求項５に記載の管体の接続構造。
7. 前記第一管体の前記凹部は、底部が曲面にて形成されている請求項６に記載の管体の接続構造。
8. 前記第一管体および前記第二管体は、アルミニウム合金、銅、または、銅合金のいずれかにて形成されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の管体の接続構造。
9. 前記第一管体と前記第二管体とは、前記突出壁の箇所においてロウ付部にて接合されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の管体の接続構造。
10. 前記第二管体は、片側の端部のみが前記突出壁の前記開口部に挿入される前記挿入管部と、前記挿入管部に連通するとともに前記突出壁から外部側の前記外側管部とを有している請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の管体の接続構造。
11. 冷媒が内部を通過するチューブと、
    複数のフィンを積層し、各前記フィンに前記チューブが貫通するコア部と、
    前記コア部の外部に形成されるヘッダと、
    前記チューブと前記ヘッダと接続する接続管とを有する熱交換器において、
    前記ヘッダと前記接続管との管体の接続構造は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の管体の接続構造の前記第一管体を前記ヘッダとし、前記第二管体を前記接続管として形成されている熱交換器。

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