JP6762719B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、クロスフィンチューブ型の熱交換器の製造方法に関する。

近年では、熱交換器の材料費低減のために、アルミニウム製の伝熱管及び接続管が用いられ始めている。そこで、フィン等の薄肉材の座屈変形防止やろう付け温度の低温化を図るためのＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系の低融点ろう材が、例えば特許文献１で提案されている。

特開２００１−６２５８７号公報

ここで、発明者らは、上述のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系の低融点ろう材が、伝熱管、接続管、及びフィンを含んで構成されたクロスフィンチューブ型の熱交換器の部分ろう付けにも有効な手段になり得ると考えた。そこで、発明者らは、従来の銅製からアルミニウム製に変更した熱交換器への低融点ろう材の適用検討を進めた。しかしながら、以下の低融点ろう材特有の問題があることを発見した。

まず、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系の低融点ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材と比較して比重が１．５倍〜１．６倍と重いので、部分ろう付け時に重力の影響を受けて低融点ろう材が重力方向の下側へ流れやすいという特徴がある。そのため、溶融した低融点ろう材がろう材充填部に流れ込む際に、シリコンを含む成分がアルミニウムの母材に侵入して母材の一部をろう材化させてしまう。すなわち、低融点ろう材が母材の一部を浸食して母材の著しい減肉が起こり易くなってしまう。

本発明は上記点に鑑み、アルミニウム製のクロスフィンチューブ型の熱交換器において製造の歩留まりを向上させることができる製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、アルミニウム製の接続管（４０）と、アルミニウム製のフィン（２０）が接合されていると共に先端部（１３）の内径が接続管の外径よりも大きいアルミニウム製の伝熱管（１０）と、を用意し、接続管が重力方向の上側に位置すると共に伝熱管が重力方向の下側に位置するように接続管を伝熱管の先端部に差し込んで嵌合部（４２）を構成し、当該嵌合部を部分ろう付けする接合工程を含んでいる。

そして、接合工程では、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材（６０）を用いて部分ろう付けを行い、さらに、接続管として伝熱管よりも厚肉のものを用いると共に、ろう材が溶融して接続管の一部を浸食してろう材化するために嵌合部にろう材が流れる際に接続管に減肉が発生するろう付け方法であって、接合工程では、ろう材として、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材と比較して比重が大きいものを用いる。接合工程では、部分ろう付けの前に、少なくともろう材の一部が伝熱管の先端部の端面（１６）の上方に位置するように、接続管の外壁面にろう材を供給する。

これによると、部分ろう付け時にアルミニウム製の接続管がろう材に浸食されて減肉が起きても、厚肉の接続管が減肉するだけであるので、接続管の厚みを一定以上に維持することができる。したがって、熱交換器の製造の歩留まりを向上させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 図１に示された伝熱管の断面図である。 伝熱管と接続管との嵌合部付近の一部断面図である。 図３のＡ部拡大断面図である。 熱交換器の製造工程のうちの拡管工程を説明するための図である。 熱交換器の製造工程のうちの接合工程を説明するための図である。 比較例の一つを示した嵌合部付近の一部断面図である。 図７とは異なる比較例を示した嵌合部付近の一部断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る熱交換器は、例えば冷凍サイクルの冷媒と空気との間で熱交換を行うクロスフィンチューブ型の熱交換器に適用される。

図１に示されるように、クロスフィンチューブ型の熱交換器１は、伝熱管１０、フィン２０、サイドプレート３０、３１、接続管４０、及びヘッダ５０、５１を備えている。これら伝熱管１０、フィン２０、サイドプレート３０、３１、接続管４０、及びヘッダ５０、５１は、アルミニウム製である。アルミニウム製とは、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成されていることを意味する。

伝熱管１０は、内部を冷媒が流通する管部品である。伝熱管１０は、ヘアピン状すなわち略Ｕ字状に曲折されて構成されている。伝熱管１０は、長手部分が並列に配置されるように熱交換器１に複数設けられている。各伝熱管１０のＵ字部分はそれぞれ長手部分の一方向に配置されている。そして、各伝熱管１０はフィン２０に接合されている。

図２に示されるように、伝熱管１０の内面には、複数の溝１１が螺旋状に形成されている。すなわち、伝熱管１０は内面溝付管である。溝１１は、伝熱管１０の管軸と傾斜する方向に延びている。伝熱管１０の内面には、螺旋状の溝１１間の突起として螺旋状に延びるフィン１２が形成されている。伝熱管１０の内面に溝１１及びフィン１２が形成されていることにより、伝熱管１０の内面と冷媒との接触面積が増えるので、伝熱管１０の伝熱性能が向上する。

フィン２０は、空気と伝熱管１０との伝熱面積を増大させて空気と冷媒との熱交換を促進する伝熱促進部材である。フィン２０は、プレート状に形成されたプレートフィンである。フィン２０は熱交換器１に複数設けられている。サイドプレート３０、３１は、複数のフィン２０の最上層と最下層とに設けられた板部品である。

接続管４０は、複数の伝熱管１０の先端部１３同士を接続する管部品である。接続管４０は、Ｕ字状に形成されている。接続管４０は、伝熱管１０よりも厚肉のものである。例えば、接続管４０として、肉厚が伝熱管１０の底肉厚の１．５倍以上の平滑管が用いられる。なお、底肉厚は、伝熱管１０の溝１１の底面から外壁面までの厚みである。ヘッダ５０、５１は、伝熱管１０に対して冷媒の分配または集合を行う部品である。

次に、伝熱管１０と接続管４０との接続構造について説明する。図３に示されるように、伝熱管１０の先端部１３は、口拡部１４及びフレア加工部１５を有している。口拡部１４は、内径が接続管４０の外径よりも大きくされた部分である。フレア加工部１５は、口拡部１４の先端部分が円錐状に広げられた部分である。

そして、接続管４０の先端部４１が伝熱管１０の先端部１３に差し込まれることで嵌合部４２が構成されている。図４に示されるように、嵌合部４２における伝熱管１０の長手方向の長さ、すなわち伝熱管１０の径方向に伝熱管１０と接続管４０とがオーバーラップしている部分の長さは１ｍｍ以上になっている。

また、嵌合部４２において口拡部１４の内面と接続管４０の外面との管の隙間は管径差で０．０５ｍｍ以上である。当該隙間にろう材６０が充填されている。ろう材６０は、伝熱管１０の長手方向において、伝熱管１０の先端部１３の端面１６よりも接続管４０の先端部４１側の位置から、接続管４０の先端部４１の端面４３の一部を覆う位置まで充填されている。なお、図３ではろう材６０を省略している。

ろう材６０は、嵌合部４２おいて伝熱管１０と接続管４０とを固定する固定材である。ろう材６０は、弗化セシウム系の非腐食性フラックスを塗布したＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉの３元素系共晶組成近傍のものや、その成分にＺｎを添加したものが用いられる。すなわち、ろう材６０は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のものである。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系のろう材６０は、固相線温度５１０℃、液相線温度５４０℃程度に成分調整されている。これにより、ろう材６０は、従来のＡｌ−Ｓｉ系の固相線温度５７７℃に対して大幅に低温化されている。すなわち、本実施形態に係るろう材６０は低融点ろう材である。この温度域でろう付けするためにフラックスは４２０℃の低温から活性を有する。

ここで、接続管４０は凹部４４を有している。凹部４４は、ろう付け時にろう材６０によって接続管４０の一部が浸食されて形成された部分である。一方、ろう付けによって接続管４０に凹部４４が形成されない場合もある。しかしながら、接続管４０に凹部４４が形成される場合も形成されない場合も、ろう材６０のＳｉ成分が接続管４０に侵入する。このため、凹部４４に対応する部分には必ずＳｉ成分が残されている。以上が、熱交換器１の全体構成である。

次に、熱交換器１の製造方法について説明する。まず、引き抜き加工によりアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる管を形成する。また、管の内面に転造加工を施すことにより内面に溝１１が設けられた伝熱管１０を形成する。

続いて、複数のフィン２０及びサイドプレート３０、３１を用意し、各フィン２０及びサイドプレート３０、３１に伝熱管１０が挿通される図示しない貫通孔を形成する。そして、複数のフィン２０を等間隔に配置した後、貫通孔に伝熱管１０を挿通する。

この後、伝熱管１０を拡管する拡管工程を行う。図５に示されるように、伝熱管１０の内径より径が大きい拡管子１００を伝熱管１０内に挿通し、拡管子１００により伝熱管１０を機械的に拡管する。伝熱管１０を拡管することで、複数のフィン２０及びサイドプレート３０、３１と伝熱管１０とを密着させて接合する。また、同様の工法で伝熱管１０の先端部１３に口拡部１４及びフレア加工部１５を形成する。なお、図５では伝熱管１０の内面の溝１１を省略している。

次に、伝熱管１０に接続管４０を接合する接合工程を行う。このため、拡管工程で取得した伝熱管１０と接続管４０とを用意する。接続管４０として、伝熱管１０よりも厚肉のものを用いる。また、接続管４０が重力方向の上側に位置すると共に伝熱管１０が重力方向の下側に位置するように接続管４０を伝熱管１０の先端部１３に差し込んで嵌合部４２を構成する。

そして、嵌合部４２の部分ろう付けの前に、図６に示されるように、少なくともろう材６０の一部が伝熱管１０の先端部１３の端面１６の上方に位置するように、接続管４０の外壁面４５にろう材６０を供給する。例えば、ろう材６０を接続管４０の周方向に連続的に一周配置するか、または周方向に断続的に部分配置する。上述のように、ろう材６０としてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のものを用いる。

このようにろう材６０を接続管４０に供給することで、溶けたろう材６０が嵌合部４２の隙間に引き込まれるようにすることができる。また、ろう材６０にボイドが含まれた状態で嵌合部４２に引き込まれることを抑制することができる。なお、ろう材６０の全体を先端部１３の端面１６の上方に位置させることでこのような効果をさらに高めることができる。

続いて、嵌合部４２を部分ろう付けする。このため、まず、接続管４０を伝熱管１０よりも優先的に加熱する。具体的には、接続管４０のうちろう材６０を配した部位を５５０℃程度に局所加熱してろう材６０を溶融させる。また、伝熱管１０の温度を接続管４０の温度よりも低く加熱する。例えば、嵌合部４２の下部すなわち伝熱管１０の口拡部１４の下部の温度をろう材６０の固相線温度以下（例えば４１０℃）に調整する。

このように嵌合部４２を加熱することで、溶融したろう材６０が厚肉の接続管４０側から薄肉の伝熱管１０側のフレア加工部１５を介して嵌合部４２の隙間に流れ込む。上述のように、伝熱管１０の内面には複数の溝１１が形成されているので、毛細管現象によってろう材６０が当該隙間に引き込まれる。

ここで、接続管４０に塗布されたろう材６０が溶融温度に到達すると、ろう材６０は伝熱管１０の口拡部１４と接続管４０の先端部４１との隙間に流れ込むが、ろう材６０の比重が高いので、接続管４０には少なからず母材の浸食が発生して減肉が起こる。しかしながら、厚肉の接続管４０が減肉するだけであるので、接続管４０の厚みを一定以上に維持することができる。もちろん、接続管４０の耐圧強度上の問題も起きない。

また、伝熱管１０の口拡部１４の下部の温度がろう材６０の固相線温度以下に調整されているので、ろう材６０は口拡部１４の下部で凝固しやすくなっている。したがって、伝熱管１０として内面溝付管を用いたとしても、ろう材６０が嵌合部４２よりもさらに重力方向の下側に流れていくことはない。また、ろう材６０が嵌合部４２よりも重力方向の下側に流れにくくなるので、嵌合部４２がろう付け不良になる恐れがない。そして、伝熱管１０は接続管４０よりも温度が低いので、伝熱管１０はろう材６０に浸食されることがほぼない。

さらに、ヘッダ５０、５１を伝熱管１０にろう付け接合する。その他、仕上げ工程等を行う。こうして、熱交換器１が完成する。

ここで、部分ろう付けの比較例を説明する。図７に示す比較例では、接続管１１０の温度が伝熱管１２０よりも高いが、接続管１１０の厚みが伝熱管１２０とほぼ同じである。この構成では、接続管１１０側にろう材６０の浸食による顕著な減肉が発生した。この場合、耐圧上必要な接続管１１０の肉厚を確保できなくなる。また、伝熱管１２０の長手方向における嵌合部１３０のろう付け長さも上記の構成よりも短くなった。

図８に示す別の比較例では、伝熱管１２０の温度が接続管１１０よりも高くなっており、接続管１１０の厚みが伝熱管１２０とほぼ同じである。この場合、ろう材６０が嵌合部１３０の隙間に留まらずに、嵌合部１３０の下部に流れてしまった。このため、伝熱管１２０の長手方向におけるろう付け長さが極端に短くなり、耐圧上必要なろう付け長さを確保できない。また、伝熱管１２０にろう材６０の浸食が発生して減肉が起こってしまった。

上記の比較例に対し、本実施形態では、接続管４０が伝熱管１０よりも厚肉であるので、熱交換器１の製造の歩留まりを向上させることができる。また、接続管４０の温度が伝熱管１０よりも高いので、ろう材６０が嵌合部４２に留まりやすくなり、ろう材６０のろう付け長さを確保することができる。

そして、伝熱管１０は拡管子１００によって広げられるが、アルミニウム製の伝熱管１０では拡管荷重が高いほど拡管時に拡管子１００が凝着して拡管できないことがある。しかし、伝熱管１０でろう材６０の浸食が起こりにくいので、伝熱管１０を薄肉に構成することができる。伝熱管１０を薄肉化できるので低い拡管荷重で伝熱管１０を拡管することができ、伝熱管１０の拡管不良が発生することもない。また、伝熱管１０の圧力損失を低減することができる。

さらに、低融点のろう材６０を用いることで、母材とろう材６０との融点差が大きくなる。このため、ろう付け可能な温度域が広がるので、ラインバーナ等の設備を用いた加熱によって多数のろう付け部位で温度バラツキが発生しても、歩留り良く熱交換器１を製造することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された熱交換器１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、接合工程では、接続管４０を伝熱管１０よりも優先的に加熱する必要はない。

また、接続管４０に浸食が発生しても接続管４０の品質を維持できるという観点では、接合工程で伝熱管１０の温度を接続管４０の温度よりも低くする必要はない。具体的には、伝熱管１０の口拡部１４下部すなわち嵌合部４２よりも重力方向の下側の温度は必ずしもろう材６０の固相線温度以下でなくても良い。

接合工程における接続管４０へのろう材６０の供給方法は、リング状のろう材鋳物、樹脂バインダの成形品、ゴムバインダ成形品等を用いても良い。

上記では、伝熱管１０として内面溝付管を用いる例について説明したが、伝熱管１０として平滑管を用いても良い。

１０ 伝熱管
１３ 先端部
２０ フィン
４０ 接続管
４２ 嵌合部
６０ ろう材

Claims (3)

1. アルミニウム製の接続管（４０）と、アルミニウム製のフィン（２０）が接合されていると共に先端部（１３）の内径が前記接続管の外径よりも大きいアルミニウム製の伝熱管（１０）と、を用意し、前記接続管が重力方向の上側に位置すると共に前記伝熱管が前記重力方向の下側に位置するように前記接続管を前記伝熱管の前記先端部に差し込んで嵌合部（４２）を構成し、当該嵌合部を部分ろう付けする接合工程を含んだクロスフィンチューブ型の熱交換器の製造方法であって、
   前記接合工程では、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材（６０）を用いて前記部分ろう付けを行い、さらに、前記接続管として前記伝熱管よりも厚肉のものを用いると共に、前記ろう材が溶融して前記接続管の一部を浸食してろう材化するために前記嵌合部に前記ろう材が流れる際に前記接続管に減肉が発生するろう付け方法であって、前記接合工程では、前記ろう材として、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材と比較して比重が大きいものを用い、
   前記接合工程では、前記部分ろう付けの前に、少なくとも前記ろう材の一部が前記伝熱管の前記先端部の端面（１６）の上方に位置するように、前記接続管の外壁面に前記ろう材を供給する熱交換器の製造方法。
2. 前記接合工程では、前記接続管として前記伝熱管よりも１．５倍以上の厚肉のものを用いる請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記接合工程では、前記接続管を前記伝熱管よりも優先的に加熱し、さらに、前記伝熱管の温度を前記接続管の温度よりも低くする請求項１または２に記載の熱交換器の製造方法。

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