(57)【要約】【課題】製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法を提供する。【解決手段】積層型熱交換器１７は、冷媒用金属管１３と、流体用金属管１１と、冷媒用ヘッダー部３３ｂと、流体用ヘッダー部３３ａとを備えている。冷媒用金属管１３は、その内部を冷媒が流通可能である。流体用金属管１１は、前記冷媒との間で熱交換する流体が内部を流通可能であり、冷媒用金属管１３に対して積層配置され、冷媒用金属管１３との間に介在するはんだ層１５又は樹脂製接着層により冷媒用金属管１３に接合されている。冷媒用ヘッダー部３３ｂは、冷媒用金属管１３の端部がろう付け又は融接により接合されている。流体用ヘッダー部３３ａは、流体用金属管１１の端部が接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が内部を流通可能な冷媒用金属管（１３）と、
前記冷媒との間で熱交換する流体が内部を流通可能であり、前記冷媒用金属管（１３）に対して積層配置され、前記冷媒用金属管（１３）との間に介在するはんだ層（１５）又は樹脂製接着層により前記冷媒用金属管（１３）に接合された流体用金属管（１１）と、
前記冷媒用金属管（１３）の端部がろう付け又は融接により接合された冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）と、
前記流体用金属管（１１）の端部が接合された流体用ヘッダー部（３３ａ）と、を備えている積層型熱交換器。
【請求項２】
冷媒が内部を流通可能な冷媒用金属管（１３）と、前記冷媒用金属管（１３）に対して積層配置され、前記冷媒と熱交換する流体が内部を流通可能な流体用金属管（１１）とを備えた積層型熱交換器を製造するための方法であって、
前記冷媒用金属管（１３）の端部に冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）をろう付け又は融接により接合する冷媒用ヘッダー接合工程と、
前記流体用金属管（１１）の端部に流体用ヘッダー部（３３ａ）を接合する流体用ヘッダー接合工程と、
前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）とを、これらの間にはんだ層（１５）又は樹脂製接着層を介在させた状態で積層して仮組体（２３）を成形する成形工程と、
少なくとも前記冷媒用ヘッダー接合工程の後に、前記仮組体（２３）を加熱して前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）を前記はんだ層（１５）又は樹脂製接着層により接合する金属管接合工程と、を備えている積層型熱交換器の製造方法。
【請求項３】
前記金属管接合工程において、前記仮組体（２３）に対して超音波の振動を付与する、請求項２に記載の積層型熱交換器の製造方法。
【請求項４】
前記金属管接合工程において、前記はんだ層（１５）が半溶融状態となるように補助加熱された前記仮組体（２３）に対して、前記超音波の振動を付与する、請求項３に記載の積層型熱交換器の製造方法。
【請求項５】
前記金属管接合工程において、超音波はんだこてを用いて前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するとともに前記はんだ層（１５）の温度を融点以上にする、請求項３又は４に記載の積層型熱交換器の製造方法。
【請求項６】
前記冷媒用ヘッダー接合工程において、前記冷媒用金属管（１３）の端部と冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）との間にろう材を配置した状態で高周波加熱して前記冷媒用金属管（１３）の端部に冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）を接合する、請求項２〜５のいずれかに記載の積層型熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプ給湯機、空気調和機などにおいて水又は空気と冷媒との間で熱交換させるための熱交換器が知られている。この熱交換器においては、種々の金属部品がろう付けなどによって互いに接合されている。
【０００３】
しかし、ろう付けを用いた製造方法では、高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉内で金属部品同士を接合する必要があるので、製造設備にかかる費用、ランニングコストなどが増大するという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、金属部品同士を熱硬化樹脂系接着剤を用いて接合する捩り管形熱交換器の製造方法が開示されている。この製造方法では、ろう付けのような製造設備が不要になるので、コストダウンが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８４００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、樹脂製接着剤による接合は、剛性、接着強度などの点で必ずしも十分とは言えないので、例えば熱交換器において高い圧力がかかる部位を接合して液密な状態を維持する必要がある用途には必ずしも適していない。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の積層型熱交換器は、冷媒用金属管（１３）と、流体用金属管（１１）と、冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）と、流体用ヘッダー部（３３ａ）とを備えている。前記冷媒用金属管（１３）は、その内部を冷媒が流通可能である。前記流体用金属管（１１）は、前記冷媒との間で熱交換する流体が内部を流通可能であり、前記冷媒用金属管（１３）に対して積層配置され、前記冷媒用金属管（１３）との間に介在するはんだ層（１５）又は樹脂製接着層により前記冷媒用金属管（１３）に接合されている。前記冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）は、前記冷媒用金属管（１３）の端部がろう付け又は融接により接合されている。前記流体用ヘッダー部（３３ａ）は、前記流体用金属管（１１）の端部が接合されている。
【０００９】
この構成では、前記冷媒用金属管（１３）の端部と前記冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）との接合部分（冷媒用ヘッダー接合部）をろう付け又は融接により接合する一方で、積層配置された前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）との接合部分、すなわち金属管の外表面同士の接合部分をはんだ材又は樹脂製接着剤により接合している。
【００１０】
ここで、ろう付けとは４５０℃以上の融点を持つろうを用いて行う接合方法をいい、はんだ付けとは４５０℃未満の低い融点を持つはんだを用いて行う接合方法をいう。また、融接には、ティグ溶接、ミグ溶接などのアーク溶接、スポット溶接、シーム溶接などの抵抗溶接などを含む。
【００１１】
前記冷媒用ヘッダー接合部は、高圧の冷媒が流通する冷媒用金属管（１３）と高圧の冷媒が流通する冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）の冷媒流通経路同士を液密な状態（冷媒が外部に漏れない状態）で連通させる必要があるので、高い接合強度が要求される。そこで、本構成では、前記冷媒用ヘッダー接合部を接合強度に優れたろう付け又は融接により接合することにより前記冷媒用ヘッダー接合部の接合信頼性を確保することができる。これにより、前記冷媒用ヘッダー接合部が液密な状態に維持される。このように冷媒用ヘッダー接合部という比較的狭い範囲のろう付け（局所的なろう付け）においては、高温雰囲気に調整可能な加熱炉は不要であり、例えば後述するような高周波加熱装置、赤外線ヒータ、レーザ照射装置、エアヒータなどの小型の加熱装置を用いることができる。また、冷媒用ヘッダー接合部を融接により接合する場合にも加熱炉は不要である。
【００１２】
一方で、前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）の外表面同士の接合部分には冷媒が流通しないので、これらの接合強度は、冷媒用ヘッダー接合部ほどの高いレベルを必要としない。そこで、本構成では、互いに面接触した状態で広い範囲にわたって接合される前記外表面同士の接合部分をはんだ材又は樹脂製接着剤を用いて接合している。はんだ材及び樹脂製接着剤のいずれを用いる場合であっても、ろう材と比べて低温雰囲気下で接合が可能であるので、ろう付けで必要とされるような高温雰囲気に調整可能な加熱炉は不要である。
【００１３】
よって、本構成によれば、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器（１７）を提供することができる。
【００１４】
本発明の積層型熱交換器の製造方法は、冷媒が内部を流通可能な冷媒用金属管（１３）と、前記冷媒用金属管（１３）に対して積層配置され、前記冷媒と熱交換する流体が内部を流通可能な流体用金属管（１１）とを備えた積層型熱交換器を製造するためのものである。この製造方法は、冷媒用ヘッダー接合工程と、流体用ヘッダー接合工程と、成形工程と、金属管接合工程とを備えている。前記冷媒用ヘッダー接合工程は、前記冷媒用金属管（１３）の端部に冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）をろう付け又は融接により接合する。前記流体用ヘッダー接合工程は、前記流体用金属管（１１）の端部に流体用ヘッダー部（３３ａ）を接合する。前記成形工程は、前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）とを、これらの間にはんだ層（１５）又は樹脂製接着層を介在させた状態で積層して仮組体（２３）を成形する。前記金属管接合工程は、少なくとも前記冷媒用ヘッダー接合工程の後に、前記仮組体（２３）を加熱して前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）を前記はんだ層（１５）又は樹脂製接着層により接合する。
【００１５】
この方法では、冷媒用ヘッダー接合工程の後に前記金属管接合工程を行う。仮に、前記金属管接合工程の後に冷媒用ヘッダー接合工程を行うと、金属管接合工程において金属管同士を接合したはんだ層（１５）又は樹脂製接着層が、冷媒用ヘッダー接合工程におけるろう付け時又は融接時の高温雰囲気にさらされて軟化、溶融、分解などの不具合が生じるおそれがあるが、本方法によればこのような不具合が生じるのを防止できる。また、前述したように、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器（１７）を提供することができる。
【００１６】
また、前記金属管接合工程においては、前記仮組体（２３）に対して超音波の振動を付与するのが好ましい。
【００１７】
この方法では、前記金属管接合工程において、前記仮組体（２３）に対して超音波の振動を付与するので、金属管の外表面の酸化膜を効果的に除去することができる。これにより、金属管同士の接合信頼性がさらに向上する。
【００１８】
また、前記金属管接合工程においては、前記はんだ層（１５）が半溶融状態となるように補助加熱された前記仮組体（２３）に対して、前記超音波の振動を付与するのが好ましい。
【００１９】
この方法では、前記はんだ層（１５）が半溶融状態となる温度（固相線温度と液相線温度との間の温度）になるように前記仮組体（２３）が補助加熱され、この状態で仮組体（２３）に超音波の振動が付与されるので、超音波振動による酸化物除去効果をより高めることができる。その理由は次の通りであると推測される。すなわち、はんだ層（１５）が固相である場合（はんだ層（１５）の温度が固相線温度以下である場合）には、金属管とはんだ層（１５）との間には空気層が形成されやすい。このような空気層が存在すると、例えば流体用金属管（１１）に付与された超音波の振動は、空気層において遮断され、又は減衰される場合があるので、冷媒用金属管（１３）に伝わりにくくなる。一方で、はんだ層（１５）が半溶融状態である場合には、前記空気層が減少するので、超音波の振動が流体用金属管（１１）からはんだ層（１５）を介して冷媒用金属管（１３）に効率的に伝達される。しかも、はんだ層（１５）が半溶融状態である場合には、溶融状態である場合と比べてはんだ層（１５）自体の形状安定性も維持されるので、金属管とはんだ層（１５）との相対的な位置関係にずれが生じにくくなる。
【００２０】
また、前記金属管接合工程においては、超音波はんだこてを用いて前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するとともに前記はんだ層（１５）の温度を融点以上にするのが好ましい。
【００２１】
この方法では、前記金属管接合工程において、超音波はんだこて（２１）を用いて前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するとともに前記はんだ層（１５）の温度を融点以上にする。これにより、超音波振動付与と金属管同士の加熱接合とを、一つの器具（超音波はんだこて（２１））により行うことができる。これにより、装置の構造を簡略化することができる。
【００２２】
前記冷媒用ヘッダー接合工程における具体的なろう材の加熱方法としては、例えば高周波加熱を用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる積層型熱交換器を示す斜視図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図２】図１の積層型熱交換器の正面図である。
【図３】（ａ）は、図１の積層型熱交換器における冷媒用ヘッダー部を示す断面図であり、（ｂ）は、流体用ヘッダー部を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる積層型熱交換器の製造方法に用いるはんだ付け装置の構成を示す概略図である。
【図５】（ａ）は、前記製造方法において、仮組体を成形する成形工程を示す断面図であり、（ｂ）は、成形工程により得られる仮組体を示す断面図である。
【図６】前記製造方法における補助加熱工程及び接合工程を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型熱交換器及びその製造方法ついて図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
＜積層型熱交換器＞
図１（ａ），（ｂ）、図２及び図３に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１７は、水などの流体と冷媒との間で熱交換するための熱交換部３１と、この熱交換部３１の両端に設けられたヘッダー部３３，３３とを備えている。この積層型熱交換器１７は、例えばヒートポンプ給湯機の熱交換器として使用できる。この場合、図略の給湯機における冷媒回路を循環する冷媒と水との間で熱交換されることにより水の温度が調節される。
【００２７】
積層型熱交換器１７は、流体用金属管１１と、この流体用金属管１１の厚み方向の一方側の位置に積層された冷媒用金属管１３と、流体用金属管１１の厚み方向の他方側の位置に積層された冷媒用金属管１４とを含む。
【００２８】
流体用金属管１１は、図５（ａ）に示すように、厚みよりも幅の方が大きい扁平な形状を有している。この流体用金属管１１の内部には、長手方向に延びる流体流路１１ａが形成されている。また、流体用金属管１１は、図１（ａ），（ｂ）、図２及び図３に示すように、長尺状の形状を有している。
【００２９】
冷媒用金属管１３，１４は、厚みよりも幅の方が大きい扁平な形状をそれぞれ有している。また、冷媒用金属管１３，１４は、長尺状の形状をそれぞれ有している。冷媒用金属管１３は、内部に長手方向に延びる冷媒流路１３ａが複数形成された多穴管である。複数の冷媒流路１３ａは互いに独立しており、幅方向に一列に並んで配列されている。同様に、冷媒用金属管１４は、内部に長手方向に延びる冷媒流路１４ａが複数形成された多穴管である。複数の冷媒流路１４ａは互いに独立しており、幅方向に一列に並んで配列されている。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、流体用金属管１１は、厚み方向の一方側に外表面１１ｂを有し、他方側に外表面１１ｃを有している。冷媒用金属管１３は、流体用金属管１１の一方側の外表面１１ｂに対向する外表面１３ｂを有している。この外表面１３ｂは、はんだ層１５ａにより流体用金属管１１の外表面１１ｂに接合されている。冷媒用金属管１４は、流体用金属管１１の他方側の外表面１１ｃに対向する外表面１４ｂを有している。この外表面１４ｂは、はんだ層１５ｂにより流体用金属管１１の外表面１１ｃに接合されている。
【００３１】
なお、外表面１３ｂ，１４ｂは、はんだ層１５ａ，１５ｂによる接合に代えて、外表面１１ｂ，１１ｃに対してエポキシ樹脂系接着剤などの樹脂製接着剤により接合されてもよい。この場合、接着剤の温度を、その硬化温度（例えば１５０℃程度）以上に所定時間維持することにより、金属管同士を接合できる。
【００３２】
ヘッダー部３３は、流体用金属管１１の両端にそれぞれ接合された流体用ヘッダー部３３ａと、冷媒用金属管１３の両端にそれぞれ接合された冷媒用ヘッダー部３３ｂとを含む。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、冷媒用ヘッダー部３３ｂは、ヘッダー本体４１と、冷媒用金属管１３の端部及び冷媒用金属管１４の端部とが接合された構造を有している。ヘッダー本体４１は、直方体状の外形を有し、内部に冷媒が流通可能な冷媒流路４１ａが形成されている。この冷媒流路４１ａは、円状の断面形状を有している。
【００３４】
ヘッダー本体４１の側壁には、冷媒用金属管１３の端部が挿入される挿入口４１ｂと、冷媒用金属管１４の端部が挿入される挿入口４１ｃとが設けられている。冷媒用金属管１３の端部は、挿入口４１ｂの内面と冷媒用金属管１３の外面との間に配置された適量のろう材４３によりヘッダー本体４１に接合されている。同様に、冷媒用金属管１４の端部は、挿入口４１ｃの内面と冷媒用金属管１４の外面との間に配置された適量のろう材４３によりヘッダー本体４１に接合されている。冷媒用金属管１３の冷媒流路１３ａ及び冷媒用金属管１４の冷媒流路１４ａは、ヘッダー本体４１の冷媒流路４１ａとそれぞれ連通している。なお、冷媒用金属管１３，１４の端部は、ろう材４３による接合に代えて、ヘッダー本体４１に対して融接により接合されてもよい。
【００３５】
流体用ヘッダー部３３ａは、ヘッダー本体４５と流体用金属管１１の端部とが接合された構造を有している。ヘッダー本体４５は、内部に流体が流通可能な流体流路４５ａが形成された円筒形状を有している。ヘッダー本体４５は、この上下に位置する冷媒用金属管１３及び冷媒用金属管１４の間に配置されている。
【００３６】
ヘッダー本体４５の側壁には、流体用金属管１１の端部が挿入される挿入口４５ｂが設けられている。流体用金属管１１の端部は、挿入口４５ｂの内面と流体用金属管１１の外面との間に配置された適量のろう材４７によりヘッダー本体４５に接合されている。流体用金属管１１の流体流路１１ａは、ヘッダー本体４５の流体流路４５ａと連通している。なお、流体用金属管１１の端部と流体用ヘッダー部３３ａとの接合部分（流体用ヘッダー接合部）は、冷媒用金属管１３及び冷媒用ヘッダー部３３ｂのように高圧の冷媒が流通するのではなく、比較的低圧の水が流通するので、冷媒用ヘッダー接合部のように高い接合強度は要求されない。したがって、流体用金属管１１の端部は、ろう材４７による接合に代えて、ヘッダー本体４５に対してはんだ付け、融接、樹脂製接着剤による接合などの他の接合方法により接合されてもよい。
【００３７】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、各冷媒用ヘッダー部３３ｂは、冷媒流路４１ａ内の冷媒が出入り可能な配管４１ｄを有し、各流体用ヘッダー部３３ａは、流体流路４５ａ内の流体が出入り可能な配管４５ｃを有している。
【００３８】
流体用金属管１１の外表面１１ｂ，１１ｃと冷媒用金属管１３，１４の外表面１３ｂ，１４ｂとのはんだ付けには、例えば図４に示すはんだ付け装置３５を用いることができる。このはんだ付け装置３５は、本加熱手段２１ａ及び振動手段２１ｂとしての超音波はんだこて２１と、補助加熱手段としてのヒーター１９と、制御手段としての制御部２５とを備えている。
【００３９】
はんだ付け装置３５のヒーター１９は、被加熱物（後述の仮組体２３）が載置される載置面１９ａを有している。載置面１９ａは、仮組体２３の下面のほぼ全体が面接触可能な大きさを有している。ヒーター１９は、仮組体２３を補助的に加熱する役割を担う。
【００４０】
超音波はんだこて２１は、仮組体２３を加熱して後述するはんだ層１５を融点以上に加熱する本加熱手段２１ａとしての機能と、仮組体２３に付与する超音波（聴感覚を生じないほど周波数（振動数）が高い音波）の振動を発生させる振動手段２１ｂとしての機能とを備えている。
【００４１】
この超音波はんだこて２１は、超音波の振動を発生する図略の振動子と、仮組体２３を加熱する図略のヒーターとを内蔵している。振動子により発生する超音波の振動、及びヒーターにより生じる熱は、超音波はんだこて２１の先端部２２にそれぞれ伝わる。本実施形態における超音波はんだこて２１の先端部２２は、仮組体２３の表面に面接触する接触面を有し、厚みよりも幅の方が大きな扁平な形状（マイナスドライバーの先端のような形状）を有している。
【００４２】
制御部２５は、ヒーター１９及び超音波はんだこて２１を制御する。この制御部２５は、中央演算処理装置、種々のデータを記憶するメモリーなどを含む。具体的には、制御部２５は、ヒーター１９の載置面１９ａの温度、超音波はんだこて２１の先端部２２の温度、超音波の振動の周波数などを制御する。
【００４３】
また、制御部２５は、超音波はんだこて２１及び／又はヒーター１９を上下方向に移動させる位置制御が可能である。制御部２５は、仮組体２３を加熱し仮組体２３に超音波振動を付与する際には、超音波はんだこて２１の先端部２２が仮組体２３の表面に接触した状態となるように制御する。一方、制御部２５は、仮組体２３のはんだ付け装置３５への着脱時には、仮組体２３を載置面１９ａと先端部２２との間に挿入可能となるように、超音波はんだこて２１の先端部２２の位置を制御する。
【００４４】
また、ヘッダー本体４１と、冷媒用金属管１３の端部及び冷媒用金属管１４の端部とのろう付けには、例えば図３に示す小型の加熱装置８１を用いることができる。この加熱装置８１としては、例えば高周波加熱装置、赤外線ヒータ、レーザ照射装置、エアヒータなどの加熱手段が挙げられる。
【００４５】
また、ヘッダー本体４５と流体用金属管１１の端部の接合には、例えば図３に示す小型の加熱装置８３を用いることができる。この加熱装置８３としては、上記と同様に、例えば高周波加熱装置、赤外線ヒータ、レーザ照射、エアヒータなどの加熱手段が挙げられる。
【００４６】
流体用金属管１１、及び冷媒用金属管１３，１４の材料としては、熱伝導性、耐食性、剛性、加工性などを備えた金属などが用いられ、具体的にはアルミニウム、銅、ステンレス鋼などが例示できる。はんだ層１５の材料としては、金属管の材料に適したものを適宜選択すればよい。
【００４７】
積層型熱交換器１７は、図１に示すような直線状の形態のままでも使用できるが、例えば図略の渦巻き状などに曲げ加工して用いてもよい。
【００４８】
＜製造方法＞
次に、積層型熱交換器１７の製造方法について説明する。
【００４９】
まず、流体用金属管１１、及び冷媒用金属管１３，１４を作製する。これらの金属管１１，１３，１４は、例えば図５（ａ）に示すような各金属管の断面形状を有する押出出口を備えた金型をそれぞれ用いて、金属材料を押し出し成形することにより得られる。また、流体用ヘッダー部３３ａ、及び冷媒用ヘッダー部３３ｂを公知の成形方法を用いて作製する。
【００５０】
次に、冷媒用金属管１３の端部及び冷媒用金属管１４の端部に冷媒用ヘッダー部３３ｂをろう付けにより接合する（冷媒用ヘッダー接合工程）。
【００５１】
具体的には、冷媒用金属管１３，１４の各端部の外周面に帯状のろう材４３を巻き付けた状態で、冷媒用金属管１３，１４の各端部をヘッダー本体４１の挿入口４１ｂ，４１ｃにそれぞれ挿入して図３（ａ）のように配置する。ついで、加熱装置８１を用いてろう材４３及びその周辺を加熱してろう材４３の温度をその融点以上に上昇させることにより冷媒用金属管１３，１４の各端部を冷媒用ヘッダー部３３ｂにろう付けする。
【００５２】
加熱装置８１として例えば高周波加熱装置を用いる場合には、冷媒用金属管１３，１４の端部及び／又はヘッダー本体４１の周囲に誘導コイルを巻いて高周波電流を流すことによりろう材４３及びその周辺を加熱することができる。
【００５３】
加熱装置８１として例えばレーザ照射装置を用いることもできる。レーザ照射装置のレーザとしては、例えばランプ励起ＹＡＧレーザ、ダイオード励起ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザなどを用いることができる。ＹＡＧレーザの出力は、例えば２０Ｗ〜１．５ｋＷ程度の範囲に調節可能であり、ＣＯ２レーザの出力は、例えば２５０Ｗ程度に調節可能であり、これらは、金属管及びはんだ材の材質、厚みなどに応じて適宜設定すればよい。
【００５４】
また、ろう付けに代えて、融接により接合する場合には、ティグ溶接、ミグ溶接などのアーク溶接、スポット溶接、シーム溶接などの抵抗溶接などを用いることができる。
【００５５】
次に、流体用金属管１１の端部に流体用ヘッダー部３３ａをろう付けなどにより接合する（流体用ヘッダー接合工程）。ろう付けにより接合する場合には、冷媒用ヘッダー接合工程の場合と同様にすればよい。また、はんだ材、樹脂製接着剤などを用いて接合する場合にも上記と同様にしてはんだ材又は樹脂製接着剤を配置し加熱装置８１により加熱して接合する。
【００５６】
次に、図５（ａ）に示すように冷媒用金属管１３、はんだ層１５ａ、流体用金属管１１、はんだ層１５ｂ、及び冷媒用金属管１４を、この順に厚み方向に積層して仮組体２３を成形する（成形工程：図５（ｂ））。流体用金属管１１及び冷媒用金属管１３，１４は、それぞれの長手方向を同じ向きに揃えて積層配置される。
【００５７】
はんだ層１５ａ，１５ｂとしては、例えば、予めシート状（箔状）に成形されたものを用いることができる。また、例えばクリーム状のはんだ材を用いて、これを流体用金属管１１の外表面１１ｂ，１１ｃ及び／又は冷媒用金属管１３，１４の外表面１３ｂ，１４ｂに塗布してはんだ層１５ａ，１５ｂを形成してもよい。また、流体用金属管１１の外表面１１ｂ，１１ｃに溶射によってはんだ材を吹き付けて、外表面１１ｂ，１１ｃにはんだ層１５ａ，１５ｂを形成してもよい。
【００５８】
次に、仮組体２３を加熱して冷媒用金属管１３と流体用金属管１１をはんだ層１５により接合する（金属管接合工程）。具体的には、まず、図６に示すように、はんだ付け装置３５のヒーター１９の載置面１９ａに仮組体２３を載置する。このとき、仮組体２３における冷媒用金属管１４の下面のほぼ全体が載置面１９ａと面接触している。
【００５９】
ついで、制御部２５は、ヒーター１９により仮組体２３を補助加熱するように制御する。制御部２５は、図略の温度センサにより計測される仮組体２３の温度に基づいてヒーター１９を制御する。この工程では、はんだ層１５（１５ａ，１５ｂ）が半溶融状態となるように仮組体２３が加熱される。はんだ層１５が半溶融状態となる温度とは、はんだ層１５を構成するはんだ材の固相線温度と液相線温度との間の温度のことをいう。具体例を挙げると、例えば、はんだ材の融点が２４５℃であり、はんだ材の固相線温度と液相線温度との間に２００℃が含まれる場合に、ヒーター１９を例えば２００℃程度に温度調節して仮組体２３を補助加熱してはんだ層１５を半溶融状態とすることができる。
【００６０】
ついで、制御部２５は、はんだ層１５が半溶融状態になったことを温度センサにより検知した後、超音波はんだこて２１により仮組体２３に超音波の振動を付与するとともに、はんだ層１５の温度が融点以上になるように仮組体２３を本加熱する。この本加熱によりはんだ層１５が溶融して流体用金属管１１及び冷媒用金属管１３，１４が接合される。具体例を挙げると、はんだ材の融点が例えば２４５℃である場合には、超音波はんだこて２１の先端部２２は、例えば３５０℃〜４００℃程度の温度に調節される。これにより、仮組体２３のほぼ全体が約２６０℃程度に加熱される。なお、この加熱手段としては、超音波はんだこて２１とともに、又は超音波はんだこて２１に代えて、例えば高周波加熱装置、レーザ照射装置、赤外線ヒータ、エアヒータ、トーチなどを用いてもよい。
【００６１】
この金属管接合工程において、制御部２５は、超音波はんだこて２１の先端部２２が仮組体２３の上面（冷媒用金属管１３の上面）に接触しながら、仮組体２３の幅方向及び長手方向に移動して仮組体２３のほぼ全体に満遍なく超音波振動が付与され、かつ、加熱されるように、超音波はんだこて２１を制御する。なお、仮組体２３の本加熱は、振動付与と同時ではなく、仮組体２３への振動付与が終了した後に行ってもよい。また、超音波はんだこて２１の先端部２２は、扁平形状に限定されず、例えば円柱状、角柱状などの他の形状であってもよい。
【００６２】
ヒーター１９の載置面１９ａの温度、超音波はんだこて２１の先端部２２の温度、超音波の振動の周波数、振幅、振動付与時間、加熱時間などの接合時の条件は、制御部２５により制御される。これらの条件は、各金属管の材質や厚み、はんだ層１５の材質などに応じて適宜設定される。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態によれば、冷媒用金属管１３の端部と冷媒用ヘッダー部３３ｂとの接合部分（冷媒用ヘッダー接合部）をろう付け又は融接により接合する一方で、積層配置された冷媒用金属管１３と流体用金属管１１との接合部分、すなわち金属管の外表面同士の接合部分をはんだ材又は樹脂製接着剤により接合している。これにより、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器１７を提供することができる。
【００６４】
また、本実施形態の製造方法では、冷媒用ヘッダー接合工程の後に前記金属管接合工程を行う。仮に、前記金属管接合工程の後に冷媒用ヘッダー接合工程を行うと、金属管接合工程において金属管同士を接合したはんだ層１５又は樹脂製接着層が、冷媒用ヘッダー接合工程におけるろう付け時又は融接時の高温雰囲気にさらされて軟化、溶融、分解などの不具合が生じるおそれがあるが、本方法によればこのような不具合が生じるのを防止できる。また、前述したように、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器１７を提供することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、前記金属管接合工程において、仮組体２３に対して超音波の振動を付与するので、金属管の外表面の酸化膜を効果的に除去することができる。これにより、金属管同士の接合信頼性がさらに向上する。
【００６６】
また、本実施形態では、前記金属管接合工程において、はんだ層１５が半溶融状態となるように補助加熱された仮組体２３に対して、前記超音波の振動を付与するので、超音波振動による酸化物除去効果をより高めることができる。
【００６７】
また、本実施形態では、前記金属管接合工程において、超音波はんだこてを用いて仮組体２３に対して前記超音波の振動を付与するとともにはんだ層１５の温度を融点以上にする。これにより、超音波振動付与と金属管同士の加熱接合とを、一つの器具（超音波はんだこて２１）により行うことができる。これにより、装置の構造を簡略化することができる。
【００６８】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、超音波はんだこてにより振動処理及び加熱処理を施す場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、はんだ付け装置３５は、互いに別体で設けられた振動手段と加熱手段とを備えていてもよい。
【００６９】
また、前記実施形態では、はんだ付け装置３５が補助加熱手段１９、本加熱手段２１ａ、及び振動手段２１ｂを制御する制御部２５を備えている場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、はんだ付け装置３５において、補助加熱手段１９、本加熱手段２１ａ、及び振動手段２１ｂを作業者が手動で制御（操作）してもよい。
【００７０】
また、前記実施形態では、水と冷媒との間で熱交換する場合を例に挙げて説明したが、本発明の積層型熱交換器は冷媒と他の流体（例えば空気などの気体）との熱交換に用いてもよく、冷媒同士の熱交換に用いてもよい。
【００７１】
また、前記実施形態では、冷媒用金属管１３、流体用金属管１１、及び冷媒用金属管１４がこの順に積層された３つの金属管を有する形態、並びに冷媒用金属管１３及び流体用金属管１１がこの順に積層された２つの金属管を有する形態を例に挙げて説明したが、４つ以上の金属管が積層された形態であってもよい。
【００７２】
また、前記実施形態では、各金属管が厚みよりも幅の方が大きい扁平形状である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。各金属管は、例えば厚みと幅が同程度の大きさであってもよく、幅よりも厚みの方が大きい形状であってもよい。
【００７３】
また、仮組体２３の補助加熱手段としては、前記したヒーター１９の他、例えばレーザ、高周波加熱などの他の加熱手段を用いることもできる。
【符号の説明】
【００７４】
１１  流体用金属管
１３  冷媒用金属管
１４  冷媒用金属管
１５  はんだ層
１７  積層型熱交換器
１９  ヒーター
２１  超音波はんだこて
２１ａ  本加熱手段
２１ｂ  振動手段
２３  仮組体
２５  制御部
２９  ローラー
３１  熱交換部
３３  ヘッダー部
３３ａ  流体用ヘッダー部
３３ｂ  冷媒用ヘッダー部
３５  はんだ付け装置
【図１】
2011075186.tif 000003
【図２】
2011075186.tif 000004
【図３】
2011075186.tif 000005
【図４】
2011075186.tif 000006
【図５】
2011075186.tif 000007
【図６】
2011075186.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月11日(2011.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒回路を循環する冷媒が内部を流通可能な長尺状の冷媒用金属管（１３）と、
前記冷媒との間で熱交換する流体が内部を流通可能であり、前記冷媒用金属管（１３）に対して長手方向を同じ向きに揃えて積層配置され、前記冷媒用金属管（１３）との間に介在する融点４５０℃未満のはんだからなるはんだ層（１５）により前記冷媒用金属管（１３）に接合された長尺状の流体用金属管（１１）と、
前記冷媒用金属管（１３）の端部が挿入された挿入口（４１ｂ）と、前記冷媒用金属管（１３）の冷媒流路（１３ａ）に連通する冷媒流路（４１ａ）とを有し、前記冷媒用金属管（１３）の端部がろう付け又は融接により接合された冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）と、
前記流体用金属管（１１）の端部が挿入された挿入口（４５ｂ）と、前記流体用金属管（１１）の流体流路（１１ａ）に連通する流体流路（４５ａ）とを有し、前記流体用金属管（１１）の端部が接合された流体用ヘッダー部（３３ａ）と、を備えている積層型熱交換器。
【請求項２】
冷媒回路を循環する冷媒が内部を流通可能な長尺状の冷媒用金属管（１３）と、前記冷媒用金属管（１３）に対して長手方向を同じ向きに揃えて積層配置され、前記冷媒と熱交換する流体が内部を流通可能な長尺状の流体用金属管（１１）とを備えた積層型熱交換器を製造するための方法であって、
前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）とを積層する前に、前記冷媒用金属管（１３）の端部に冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）をろう付け又は融接により接合する冷媒用ヘッダー接合工程と、
前記流体用金属管（１１）の端部に流体用ヘッダー部（３３ａ）を接合する流体用ヘッダー接合工程と、
前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）とを、これらの間に融点４５０℃未満のはんだからなるはんだ層（１５）を介在させた状態で積層して仮組体（２３）を成形する成形工程と、
少なくとも前記冷媒用ヘッダー接合工程の後に、前記仮組体（２３）を加熱して前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）を前記はんだ層（１５）により接合する金属管接合工程と、を備えている積層型熱交換器の製造方法。
【請求項３】
前記金属管接合工程において、前記仮組体（２３）に対して超音波の振動を付与する、請求項２に記載の積層型熱交換器の製造方法。
【請求項４】
前記金属管接合工程において、前記はんだ層（１５）を補助加熱し、前記はんだ層（１５）が半溶融状態となったことを温度センサにより検知した後、前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与する、請求項３に記載の積層型熱交換器の製造方法。
【請求項５】
前記金属管接合工程において、超音波はんだこてを用いて前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するとともに前記はんだ層（１５）の温度を融点以上にする、請求項３又は４に記載の積層型熱交換器の製造方法。
【請求項６】
前記冷媒用ヘッダー接合工程において、前記冷媒用金属管（１３）の端部と冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）との間にろう材を配置した状態で高周波加熱して前記冷媒用金属管（１３）の端部に冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）を接合する、請求項２〜５のいずれかに記載の積層型熱交換器の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプ給湯機、空気調和機などにおいて水又は空気と冷媒との間で熱交換させるための熱交換器が知られている。この熱交換器においては、種々の金属部品がろう付けなどによって互いに接合されている。
【０００３】
しかし、ろう付けを用いた製造方法では、高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉内で金属部品同士を接合する必要があるので、製造設備にかかる費用、ランニングコストなどが増大するという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、金属部品同士を熱硬化樹脂系接着剤を用いて接合する捩り管形熱交換器の製造方法が開示されている。この製造方法では、ろう付けのような製造設備が不要になるので、コストダウンが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８４００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、樹脂製接着剤による接合は、剛性、接着強度などの点で必ずしも十分とは言えないので、例えば熱交換器において高い圧力がかかる部位を接合して液密な状態を維持する必要がある用途には必ずしも適していない。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の積層型熱交換器は、長尺状の冷媒用金属管（１３）と、長尺状の流体用金属管（１１）と、冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）と、流体用ヘッダー部（３３ａ）とを備えている。前記冷媒用金属管（１３）は、その内部を冷媒回路を循環する冷媒が流通可能である。前記流体用金属管（１１）は、前記冷媒との間で熱交換する流体が内部を流通可能であり、前記冷媒用金属管（１３）に対して長手方向を同じ向きに揃えて積層配置され、前記冷媒用金属管（１３）との間に介在する融点４５０℃未満のはんだからなるはんだ層（１５）により前記冷媒用金属管（１３）に接合されている。前記冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）は、前記冷媒用金属管（１３）の端部が挿入された挿入口（４１ｂ）と、前記冷媒用金属管（１３）の冷媒流路（１３ａ）に連通する冷媒流路（４１ａ）とを有している。前記冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）は、前記冷媒用金属管（１３）の端部がろう付け又は融接により接合されている。前記流体用ヘッダー部（３３ａ）は、前記流体用金属管（１１）の端部が挿入された挿入口（４５ｂ）と、前記流体用金属管（１１）の流体流路（１１ａ）に連通する流体流路（４５ａ）とを有している。前記流体用ヘッダー部（３３ａ）は、前記流体用金属管（１１）の端部が接合されている。
【０００９】
この構成では、前記冷媒用金属管（１３）の端部と前記冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）との接合部分（冷媒用ヘッダー接合部）をろう付け又は融接により接合する一方で、積層配置された前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）との接合部分、すなわち金属管の外表面同士の接合部分をはんだ材により接合している。
【００１０】
ここで、ろう付けとは４５０℃以上の融点を持つろうを用いて行う接合方法をいい、はんだ付けとは４５０℃未満の低い融点を持つはんだを用いて行う接合方法をいう。また、融接には、ティグ溶接、ミグ溶接などのアーク溶接、スポット溶接、シーム溶接などの抵抗溶接などを含む。
【００１１】
前記冷媒用ヘッダー接合部は、高圧の冷媒が流通する冷媒用金属管（１３）と高圧の冷媒が流通する冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）の冷媒流通経路同士を液密な状態（冷媒が外部に漏れない状態）で連通させる必要があるので、高い接合強度が要求される。そこで、本構成では、前記冷媒用ヘッダー接合部を接合強度に優れたろう付け又は融接により接合することにより前記冷媒用ヘッダー接合部の接合信頼性を確保することができる。これにより、前記冷媒用ヘッダー接合部が液密な状態に維持される。このように冷媒用ヘッダー接合部という比較的狭い範囲のろう付け（局所的なろう付け）においては、高温雰囲気に調整可能な加熱炉は不要であり、例えば後述するような高周波加熱装置、赤外線ヒータ、レーザ照射装置、エアヒータなどの小型の加熱装置を用いることができる。また、冷媒用ヘッダー接合部を融接により接合する場合にも加熱炉は不要である。
【００１２】
一方で、前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）の外表面同士の接合部分には冷媒が流通しないので、これらの接合強度は、冷媒用ヘッダー接合部ほどの高いレベルを必要としない。そこで、本構成では、互いに面接触した状態で広い範囲にわたって接合される前記外表面同士の接合部分をはんだ材を用いて接合している。はんだ材を用いる場合、ろう材と比べて低温雰囲気下で接合が可能であるので、ろう付けで必要とされるような高温雰囲気に調整可能な加熱炉は不要である。
【００１３】
よって、本構成によれば、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器（１７）を提供することができる。
【００１４】
本発明の積層型熱交換器の製造方法は、冷媒回路を循環する冷媒が内部を流通可能な冷媒用金属管（１３）と、前記冷媒用金属管（１３）に対して長手方向を同じ向きに揃えて積層配置され、前記冷媒と熱交換する流体が内部を流通可能な流体用金属管（１１）とを備えた積層型熱交換器を製造するためのものである。この製造方法は、冷媒用ヘッダー接合工程と、流体用ヘッダー接合工程と、成形工程と、金属管接合工程とを備えている。前記冷媒用ヘッダー接合工程は、前記冷媒用金属管（１３）の端部に冷媒用ヘッダー部（３３ｂ）をろう付け又は融接により接合する。前記流体用ヘッダー接合工程は、前記流体用金属管（１１）の端部に流体用ヘッダー部（３３ａ）を接合する。前記成形工程は、前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）とを、これらの間に融点４５０℃未満のはんだからなるはんだ層（１５）を介在させた状態で積層して仮組体（２３）を成形する。前記金属管接合工程は、少なくとも前記冷媒用ヘッダー接合工程の後に、前記仮組体（２３）を加熱して前記冷媒用金属管（１３）と前記流体用金属管（１１）を前記はんだ層（１５）により接合する。
【００１５】
この方法では、冷媒用ヘッダー接合工程の後に前記金属管接合工程を行う。仮に、前記金属管接合工程の後に冷媒用ヘッダー接合工程を行うと、金属管接合工程において金属管同士を接合したはんだ層（１５）が、冷媒用ヘッダー接合工程におけるろう付け時又は融接時の高温雰囲気にさらされて軟化、溶融、分解などの不具合が生じるおそれがあるが、本方法によればこのような不具合が生じるのを防止できる。また、前述したように、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器（１７）を提供することができる。
【００１６】
また、前記金属管接合工程においては、前記仮組体（２３）に対して超音波の振動を付与するのが好ましい。
【００１７】
この方法では、前記金属管接合工程において、前記仮組体（２３）に対して超音波の振動を付与するので、金属管の外表面の酸化膜を効果的に除去することができる。これにより、金属管同士の接合信頼性がさらに向上する。
【００１８】
また、前記金属管接合工程においては、前記はんだ層（１５）を補助加熱し、前記はんだ層（１５）が半溶融状態となったことを温度センサにより検知した後、前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するのが好ましい。
【００１９】
この方法では、前記はんだ層（１５）が半溶融状態となる温度（固相線温度と液相線温度との間の温度）になるように前記仮組体（２３）が補助加熱され、この状態で仮組体（２３）に超音波の振動が付与されるので、超音波振動による酸化物除去効果をより高めることができる。その理由は次の通りであると推測される。すなわち、はんだ層（１５）が固相である場合（はんだ層（１５）の温度が固相線温度以下である場合）には、金属管とはんだ層（１５）との間には空気層が形成されやすい。このような空気層が存在すると、例えば流体用金属管（１１）に付与された超音波の振動は、空気層において遮断され、又は減衰される場合があるので、冷媒用金属管（１３）に伝わりにくくなる。一方で、はんだ層（１５）が半溶融状態である場合には、前記空気層が減少するので、超音波の振動が流体用金属管（１１）からはんだ層（１５）を介して冷媒用金属管（１３）に効率的に伝達される。しかも、はんだ層（１５）が半溶融状態である場合には、溶融状態である場合と比べてはんだ層（１５）自体の形状安定性も維持されるので、金属管とはんだ層（１５）との相対的な位置関係にずれが生じにくくなる。
【００２０】
また、前記金属管接合工程においては、超音波はんだこてを用いて前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するとともに前記はんだ層（１５）の温度を融点以上にするのが好ましい。
【００２１】
この方法では、前記金属管接合工程において、超音波はんだこて（２１）を用いて前記仮組体（２３）に対して前記超音波の振動を付与するとともに前記はんだ層（１５）の温度を融点以上にする。これにより、超音波振動付与と金属管同士の加熱接合とを、一つの器具（超音波はんだこて（２１））により行うことができる。これにより、装置の構造を簡略化することができる。
【００２２】
前記冷媒用ヘッダー接合工程における具体的なろう材の加熱方法としては、例えば高周波加熱を用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器、及び積層型熱交換器の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる積層型熱交換器を示す斜視図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図２】図１の積層型熱交換器の正面図である。
【図３】（ａ）は、図１の積層型熱交換器における冷媒用ヘッダー部を示す断面図であり、（ｂ）は、流体用ヘッダー部を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる積層型熱交換器の製造方法に用いるはんだ付け装置の構成を示す概略図である。
【図５】（ａ）は、前記製造方法において、仮組体を成形する成形工程を示す断面図であり、（ｂ）は、成形工程により得られる仮組体を示す断面図である。
【図６】前記製造方法における補助加熱工程及び接合工程を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型熱交換器及びその製造方法ついて図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
＜積層型熱交換器＞
図１（ａ），（ｂ）、図２及び図３に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１７は、水などの流体と冷媒との間で熱交換するための熱交換部３１と、この熱交換部３１の両端に設けられたヘッダー部３３，３３とを備えている。この積層型熱交換器１７は、例えばヒートポンプ給湯機の熱交換器として使用できる。この場合、図略の給湯機における冷媒回路を循環する冷媒と水との間で熱交換されることにより水の温度が調節される。
【００２７】
積層型熱交換器１７は、流体用金属管１１と、この流体用金属管１１の厚み方向の一方側の位置に積層された冷媒用金属管１３と、流体用金属管１１の厚み方向の他方側の位置に積層された冷媒用金属管１４とを含む。
【００２８】
流体用金属管１１は、図５（ａ）に示すように、厚みよりも幅の方が大きい扁平な形状を有している。この流体用金属管１１の内部には、長手方向に延びる流体流路１１ａが形成されている。また、流体用金属管１１は、図１（ａ），（ｂ）、図２及び図３に示すように、長尺状の形状を有している。
【００２９】
冷媒用金属管１３，１４は、厚みよりも幅の方が大きい扁平な形状をそれぞれ有している。また、冷媒用金属管１３，１４は、長尺状の形状をそれぞれ有している。冷媒用金属管１３は、内部に長手方向に延びる冷媒流路１３ａが複数形成された多穴管である。複数の冷媒流路１３ａは互いに独立しており、幅方向に一列に並んで配列されている。同様に、冷媒用金属管１４は、内部に長手方向に延びる冷媒流路１４ａが複数形成された多穴管である。複数の冷媒流路１４ａは互いに独立しており、幅方向に一列に並んで配列されている。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、流体用金属管１１は、厚み方向の一方側に外表面１１ｂを有し、他方側に外表面１１ｃを有している。冷媒用金属管１３は、流体用金属管１１の一方側の外表面１１ｂに対向する外表面１３ｂを有している。この外表面１３ｂは、はんだ層１５ａにより流体用金属管１１の外表面１１ｂに接合されている。冷媒用金属管１４は、流体用金属管１１の他方側の外表面１１ｃに対向する外表面１４ｂを有している。この外表面１４ｂは、はんだ層１５ｂにより流体用金属管１１の外表面１１ｃに接合されている。
【００３１】
ヘッダー部３３は、流体用金属管１１の両端にそれぞれ接合された流体用ヘッダー部３３ａと、冷媒用金属管１３の両端にそれぞれ接合された冷媒用ヘッダー部３３ｂとを含む。
【００３２】
図３（ａ）に示すように、冷媒用ヘッダー部３３ｂは、ヘッダー本体４１と、冷媒用金属管１３の端部及び冷媒用金属管１４の端部とが接合された構造を有している。ヘッダー本体４１は、直方体状の外形を有し、内部に冷媒が流通可能な冷媒流路４１ａが形成されている。この冷媒流路４１ａは、円状の断面形状を有している。
【００３３】
ヘッダー本体４１の側壁には、冷媒用金属管１３の端部が挿入される挿入口４１ｂと、冷媒用金属管１４の端部が挿入される挿入口４１ｃとが設けられている。冷媒用金属管１３の端部は、挿入口４１ｂの内面と冷媒用金属管１３の外面との間に配置された適量のろう材４３によりヘッダー本体４１に接合されている。同様に、冷媒用金属管１４の端部は、挿入口４１ｃの内面と冷媒用金属管１４の外面との間に配置された適量のろう材４３によりヘッダー本体４１に接合されている。冷媒用金属管１３の冷媒流路１３ａ及び冷媒用金属管１４の冷媒流路１４ａは、ヘッダー本体４１の冷媒流路４１ａとそれぞれ連通している。なお、冷媒用金属管１３，１４の端部は、ろう材４３による接合に代えて、ヘッダー本体４１に対して融接により接合されてもよい。
【００３４】
流体用ヘッダー部３３ａは、ヘッダー本体４５と流体用金属管１１の端部とが接合された構造を有している。ヘッダー本体４５は、内部に流体が流通可能な流体流路４５ａが形成された円筒形状を有している。ヘッダー本体４５は、この上下に位置する冷媒用金属管１３及び冷媒用金属管１４の間に配置されている。
【００３５】
ヘッダー本体４５の側壁には、流体用金属管１１の端部が挿入される挿入口４５ｂが設けられている。流体用金属管１１の端部は、挿入口４５ｂの内面と流体用金属管１１の外面との間に配置された適量のろう材４７によりヘッダー本体４５に接合されている。流体用金属管１１の流体流路１１ａは、ヘッダー本体４５の流体流路４５ａと連通している。なお、流体用金属管１１の端部と流体用ヘッダー部３３ａとの接合部分（流体用ヘッダー接合部）は、冷媒用金属管１３及び冷媒用ヘッダー部３３ｂのように高圧の冷媒が流通するのではなく、比較的低圧の水が流通するので、冷媒用ヘッダー接合部のように高い接合強度は要求されない。したがって、流体用金属管１１の端部は、ろう材４７による接合に代えて、ヘッダー本体４５に対してはんだ付け、融接、樹脂製接着剤による接合などの他の接合方法により接合されてもよい。
【００３６】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、各冷媒用ヘッダー部３３ｂは、冷媒流路４１ａ内の冷媒が出入り可能な配管４１ｄを有し、各流体用ヘッダー部３３ａは、流体流路４５ａ内の流体が出入り可能な配管４５ｃを有している。
【００３７】
流体用金属管１１の外表面１１ｂ，１１ｃと冷媒用金属管１３，１４の外表面１３ｂ，１４ｂとのはんだ付けには、例えば図４に示すはんだ付け装置３５を用いることができる。このはんだ付け装置３５は、本加熱手段２１ａ及び振動手段２１ｂとしての超音波はんだこて２１と、補助加熱手段としてのヒーター１９と、制御手段としての制御部２５とを備えている。
【００３８】
はんだ付け装置３５のヒーター１９は、被加熱物（後述の仮組体２３）が載置される載置面１９ａを有している。載置面１９ａは、仮組体２３の下面のほぼ全体が面接触可能な大きさを有している。ヒーター１９は、仮組体２３を補助的に加熱する役割を担う。
【００３９】
超音波はんだこて２１は、仮組体２３を加熱して後述するはんだ層１５を融点以上に加熱する本加熱手段２１ａとしての機能と、仮組体２３に付与する超音波（聴感覚を生じないほど周波数（振動数）が高い音波）の振動を発生させる振動手段２１ｂとしての機能とを備えている。
【００４０】
この超音波はんだこて２１は、超音波の振動を発生する図略の振動子と、仮組体２３を加熱する図略のヒーターとを内蔵している。振動子により発生する超音波の振動、及びヒーターにより生じる熱は、超音波はんだこて２１の先端部２２にそれぞれ伝わる。本実施形態における超音波はんだこて２１の先端部２２は、仮組体２３の表面に面接触する接触面を有し、厚みよりも幅の方が大きな扁平な形状（マイナスドライバーの先端のような形状）を有している。
【００４１】
制御部２５は、ヒーター１９及び超音波はんだこて２１を制御する。この制御部２５は、中央演算処理装置、種々のデータを記憶するメモリーなどを含む。具体的には、制御部２５は、ヒーター１９の載置面１９ａの温度、超音波はんだこて２１の先端部２２の温度、超音波の振動の周波数などを制御する。
【００４２】
また、制御部２５は、超音波はんだこて２１及び／又はヒーター１９を上下方向に移動させる位置制御が可能である。制御部２５は、仮組体２３を加熱し仮組体２３に超音波振動を付与する際には、超音波はんだこて２１の先端部２２が仮組体２３の表面に接触した状態となるように制御する。一方、制御部２５は、仮組体２３のはんだ付け装置３５への着脱時には、仮組体２３を載置面１９ａと先端部２２との間に挿入可能となるように、超音波はんだこて２１の先端部２２の位置を制御する。
【００４３】
また、ヘッダー本体４１と、冷媒用金属管１３の端部及び冷媒用金属管１４の端部とのろう付けには、例えば図３に示す小型の加熱装置８１を用いることができる。この加熱装置８１としては、例えば高周波加熱装置、赤外線ヒータ、レーザ照射装置、エアヒータなどの加熱手段が挙げられる。
【００４４】
また、ヘッダー本体４５と流体用金属管１１の端部の接合には、例えば図３に示す小型の加熱装置８３を用いることができる。この加熱装置８３としては、上記と同様に、例えば高周波加熱装置、赤外線ヒータ、レーザ照射、エアヒータなどの加熱手段が挙げられる。
【００４５】
流体用金属管１１、及び冷媒用金属管１３，１４の材料としては、熱伝導性、耐食性、剛性、加工性などを備えた金属などが用いられ、具体的にはアルミニウム、銅、ステンレス鋼などが例示できる。はんだ層１５の材料としては、金属管の材料に適したものを適宜選択すればよい。
【００４６】
積層型熱交換器１７は、図１に示すような直線状の形態のままでも使用できるが、例えば図略の渦巻き状などに曲げ加工して用いてもよい。
【００４７】
＜製造方法＞
次に、積層型熱交換器１７の製造方法について説明する。
【００４８】
まず、流体用金属管１１、及び冷媒用金属管１３，１４を作製する。これらの金属管１１，１３，１４は、例えば図５（ａ）に示すような各金属管の断面形状を有する押出出口を備えた金型をそれぞれ用いて、金属材料を押し出し成形することにより得られる。また、流体用ヘッダー部３３ａ、及び冷媒用ヘッダー部３３ｂを公知の成形方法を用いて作製する。
【００４９】
次に、冷媒用金属管１３の端部及び冷媒用金属管１４の端部に冷媒用ヘッダー部３３ｂをろう付けにより接合する（冷媒用ヘッダー接合工程）。
【００５０】
具体的には、冷媒用金属管１３，１４の各端部の外周面に帯状のろう材４３を巻き付けた状態で、冷媒用金属管１３，１４の各端部をヘッダー本体４１の挿入口４１ｂ，４１ｃにそれぞれ挿入して図３（ａ）のように配置する。ついで、加熱装置８１を用いてろう材４３及びその周辺を加熱してろう材４３の温度をその融点以上に上昇させることにより冷媒用金属管１３，１４の各端部を冷媒用ヘッダー部３３ｂにろう付けする。
【００５１】
加熱装置８１として例えば高周波加熱装置を用いる場合には、冷媒用金属管１３，１４の端部及び／又はヘッダー本体４１の周囲に誘導コイルを巻いて高周波電流を流すことによりろう材４３及びその周辺を加熱することができる。
【００５２】
加熱装置８１として例えばレーザ照射装置を用いることもできる。レーザ照射装置のレーザとしては、例えばランプ励起ＹＡＧレーザ、ダイオード励起ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザなどを用いることができる。ＹＡＧレーザの出力は、例えば２０Ｗ〜１．５ｋＷ程度の範囲に調節可能であり、ＣＯ２レーザの出力は、例えば２５０Ｗ程度に調節可能であり、これらは、金属管及びはんだ材の材質、厚みなどに応じて適宜設定すればよい。
【００５３】
また、ろう付けに代えて、融接により接合する場合には、ティグ溶接、ミグ溶接などのアーク溶接、スポット溶接、シーム溶接などの抵抗溶接などを用いることができる。
【００５４】
次に、流体用金属管１１の端部に流体用ヘッダー部３３ａをろう付けなどにより接合する（流体用ヘッダー接合工程）。ろう付けにより接合する場合には、冷媒用ヘッダー接合工程の場合と同様にすればよい。また、はんだ材、樹脂製接着剤などを用いて接合する場合にも上記と同様にしてはんだ材又は樹脂製接着剤を配置し加熱装置８１により加熱して接合する。
【００５５】
次に、図５（ａ）に示すように冷媒用金属管１３、はんだ層１５ａ、流体用金属管１１、はんだ層１５ｂ、及び冷媒用金属管１４を、この順に厚み方向に積層して仮組体２３を成形する（成形工程：図５（ｂ））。流体用金属管１１及び冷媒用金属管１３，１４は、それぞれの長手方向を同じ向きに揃えて積層配置される。
【００５６】
はんだ層１５ａ，１５ｂとしては、例えば、予めシート状（箔状）に成形されたものを用いることができる。また、例えばクリーム状のはんだ材を用いて、これを流体用金属管１１の外表面１１ｂ，１１ｃ及び／又は冷媒用金属管１３，１４の外表面１３ｂ，１４ｂに塗布してはんだ層１５ａ，１５ｂを形成してもよい。また、流体用金属管１１の外表面１１ｂ，１１ｃに溶射によってはんだ材を吹き付けて、外表面１１ｂ，１１ｃにはんだ層１５ａ，１５ｂを形成してもよい。
【００５７】
次に、仮組体２３を加熱して冷媒用金属管１３と流体用金属管１１をはんだ層１５により接合する（金属管接合工程）。具体的には、まず、図６に示すように、はんだ付け装置３５のヒーター１９の載置面１９ａに仮組体２３を載置する。このとき、仮組体２３における冷媒用金属管１４の下面のほぼ全体が載置面１９ａと面接触している。
【００５８】
ついで、制御部２５は、ヒーター１９により仮組体２３を補助加熱するように制御する。制御部２５は、図略の温度センサにより計測される仮組体２３の温度に基づいてヒーター１９を制御する。この工程では、はんだ層１５（１５ａ，１５ｂ）が半溶融状態となるように仮組体２３が加熱される。はんだ層１５が半溶融状態となる温度とは、はんだ層１５を構成するはんだ材の固相線温度と液相線温度との間の温度のことをいう。具体例を挙げると、例えば、はんだ材の融点が２４５℃であり、はんだ材の固相線温度と液相線温度との間に２００℃が含まれる場合に、ヒーター１９を例えば２００℃程度に温度調節して仮組体２３を補助加熱してはんだ層１５を半溶融状態とすることができる。
【００５９】
ついで、制御部２５は、はんだ層１５が半溶融状態になったことを温度センサにより検知した後、超音波はんだこて２１により仮組体２３に超音波の振動を付与するとともに、はんだ層１５の温度が融点以上になるように仮組体２３を本加熱する。この本加熱によりはんだ層１５が溶融して流体用金属管１１及び冷媒用金属管１３，１４が接合される。具体例を挙げると、はんだ材の融点が例えば２４５℃である場合には、超音波はんだこて２１の先端部２２は、例えば３５０℃〜４００℃程度の温度に調節される。これにより、仮組体２３のほぼ全体が約２６０℃程度に加熱される。なお、この加熱手段としては、超音波はんだこて２１とともに、又は超音波はんだこて２１に代えて、例えば高周波加熱装置、レーザ照射装置、赤外線ヒータ、エアヒータ、トーチなどを用いてもよい。
【００６０】
この金属管接合工程において、制御部２５は、超音波はんだこて２１の先端部２２が仮組体２３の上面（冷媒用金属管１３の上面）に接触しながら、仮組体２３の幅方向及び長手方向に移動して仮組体２３のほぼ全体に満遍なく超音波振動が付与され、かつ、加熱されるように、超音波はんだこて２１を制御する。なお、仮組体２３の本加熱は、振動付与と同時ではなく、仮組体２３への振動付与が終了した後に行ってもよい。また、超音波はんだこて２１の先端部２２は、扁平形状に限定されず、例えば円柱状、角柱状などの他の形状であってもよい。
【００６１】
ヒーター１９の載置面１９ａの温度、超音波はんだこて２１の先端部２２の温度、超音波の振動の周波数、振幅、振動付与時間、加熱時間などの接合時の条件は、制御部２５により制御される。これらの条件は、各金属管の材質や厚み、はんだ層１５の材質などに応じて適宜設定される。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態によれば、冷媒用金属管１３の端部と冷媒用ヘッダー部３３ｂとの接合部分（冷媒用ヘッダー接合部）をろう付け又は融接により接合する一方で、積層配置された冷媒用金属管１３と流体用金属管１１との接合部分、すなわち金属管の外表面同士の接合部分をはんだ材により接合している。これにより、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器１７を提供することができる。
【００６３】
また、本実施形態の製造方法では、冷媒用ヘッダー接合工程の後に前記金属管接合工程を行う。仮に、前記金属管接合工程の後に冷媒用ヘッダー接合工程を行うと、金属管接合工程において金属管同士を接合したはんだ層１５が、冷媒用ヘッダー接合工程におけるろう付け時又は融接時の高温雰囲気にさらされて軟化、溶融、分解などの不具合が生じるおそれがあるが、本方法によればこのような不具合が生じるのを防止できる。また、前述したように、製造時に高温雰囲気に調整可能な大型の加熱炉が不要で、しかも高い圧力がかかる部位を接合しても液密な状態を維持可能な積層型熱交換器１７を提供することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、前記金属管接合工程において、仮組体２３に対して超音波の振動を付与するので、金属管の外表面の酸化膜を効果的に除去することができる。これにより、金属管同士の接合信頼性がさらに向上する。
【００６５】
また、本実施形態では、前記金属管接合工程において、はんだ層１５が半溶融状態となるように補助加熱された仮組体２３に対して、前記超音波の振動を付与するので、超音波振動による酸化物除去効果をより高めることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、前記金属管接合工程において、超音波はんだこてを用いて仮組体２３に対して前記超音波の振動を付与するとともにはんだ層１５の温度を融点以上にする。これにより、超音波振動付与と金属管同士の加熱接合とを、一つの器具（超音波はんだこて２１）により行うことができる。これにより、装置の構造を簡略化することができる。
【００６７】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、超音波はんだこてにより振動処理及び加熱処理を施す場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、はんだ付け装置３５は、互いに別体で設けられた振動手段と加熱手段とを備えていてもよい。
【００６８】
また、前記実施形態では、はんだ付け装置３５が補助加熱手段１９、本加熱手段２１ａ、及び振動手段２１ｂを制御する制御部２５を備えている場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、はんだ付け装置３５において、補助加熱手段１９、本加熱手段２１ａ、及び振動手段２１ｂを作業者が手動で制御（操作）してもよい。
【００６９】
また、前記実施形態では、水と冷媒との間で熱交換する場合を例に挙げて説明したが、本発明の積層型熱交換器は冷媒と他の流体（例えば空気などの気体）との熱交換に用いてもよく、冷媒同士の熱交換に用いてもよい。
【００７０】
また、前記実施形態では、冷媒用金属管１３、流体用金属管１１、及び冷媒用金属管１４がこの順に積層された３つの金属管を有する形態、並びに冷媒用金属管１３及び流体用金属管１１がこの順に積層された２つの金属管を有する形態を例に挙げて説明したが、４つ以上の金属管が積層された形態であってもよい。
【００７１】
また、前記実施形態では、各金属管が厚みよりも幅の方が大きい扁平形状である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。各金属管は、例えば厚みと幅が同程度の大きさであってもよく、幅よりも厚みの方が大きい形状であってもよい。
【００７２】
また、仮組体２３の補助加熱手段としては、前記したヒーター１９の他、例えばレーザ、高周波加熱などの他の加熱手段を用いることもできる。
【符号の説明】
【００７３】
１１  流体用金属管
１３  冷媒用金属管
１４  冷媒用金属管
１５  はんだ層
１７  積層型熱交換器
１９  ヒーター
２１  超音波はんだこて
２１ａ  本加熱手段
２１ｂ  振動手段
２３  仮組体
２５  制御部
２９  ローラー
３１  熱交換部
３３  ヘッダー部
３３ａ  流体用ヘッダー部
３３ｂ  冷媒用ヘッダー部
３５  はんだ付け装置