| 【発明の名称】 |
熱交換器の製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】丸子 洋一
【氏名】戸田 隆一
【氏名】伊藤 久智
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| 【要約】 |
【課題】熱交換器を、効率良く経済的に作製することのできる製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】フィン１は帯状金属板を折り畳むように加工した後、成形したフィン１を固定チャック５、可動チャック６で保持し、フィン１の波形の間隔を等間隔に再調整する。次に、フィン１の下面側に支持体２５を当接させ、位置決め棒１０をフィン１の凹部に挿入し、波形間隔を整えた後、フィン１の両側面を固定支持体２１と可動支持体２２で保持し、その上面側に熱交換板２を重ね、その上面に超音波ホーン９を圧接させフィン１との全ての接触部を超音波溶接する。次いで、フィン１を反転し、前工程と同様に超音波溶接する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 波形フィンの上下面に板体を溶接してなる熱交換器において、前記波形フィンは帯状金属板を折り畳むように加工した後、形成した波形の間隔を等間隔に再調整する第一工程と、次に波形フィンの両側面を加圧保持し、下面側に支持体を当接させた後、その上面側に前記板体を重ね、板体の上面に超音波ホーンを圧接して板体と波形フィンの接触部を超音波溶接する第二工程と、次いで、波形フィンを反転し、もう一方の面に前記板体を重ねた後、板体の上面に超音波ホーンを圧接して接触部を超音波溶接する第三工程からなる熱交換器の製造方法。
【請求項２】 波形フィンに溶接する板体の一方を熱交換板、他方を電極板とし、第二工程で熱交換板と波形フィンとの接触部全体を超音波溶接した後、第三工程で電極板と波形フィンとの接触部を所定間隔を設け部分的に超音波溶接することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項３】 波形フィンと熱交換板、及び電極板との超音波溶接に使用する超音波ホーンの先端面に、溶接する板体の長手方向と並行に複数条の方形状突起の加工を施したものを用いることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項４】 超音波ホーンを溶接する板体の長手方向と直角方向に振動させ、波形フィンに熱交換板と電極板を超音波溶接することを特徴とする請求項２、または請求項３に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項５】 超音波ホーンを熱交換板、または電極板の接触面に３０〜４５ｋｇｆ／ｃｍ2の加圧力で圧接して超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法。
【請求項６】 所定長さの波形フィンを、第一工程で先ず長手方向に引張り、次に圧縮を行い波形フィンの波形を予め等間隔に再調整した後、第二工程でその一方の面に熱交換板を超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７】 第一工程において波形フィンの波形の間隔を等間隔に再調整した後、波形フィン下面の凹部に位置決め棒を挿入し波形の間隔を固定し、第二工程で波形フィンの両側面を加圧保持した後、位置決め棒を除き、次に下面側に支持体を当接させ、熱交換板を波形フィンの上面に重ね、接触部を超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８】 第一工程で波形フィン下面の凹部に位置決め棒を挿入する際に、波形フィン移動方向の先端側から順次位置決め棒を波形の下部より挿入し、波形フィンの波形を規制正しい等間隔に固定した後、第二工程で波形フィンの両側面を加圧保持し位置決め棒を除き、次に熱交換板を波形フィンの上面に重ね、接触部を超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９】 位置決め棒の先端部に支持体より広く、かつ波形フィンの幅より狭い溝を設け、その厚さは波形フィンの波形の半周期の厚さで、しかも先端部を円弧状に加工したものを用いることを特徴とする請求項７、または請求項８に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１０】 位置決め棒を支持体に設けたガイド溝に沿って上下させ波形フィン下面の凹部に挿入する構成としたことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１１】 波形フィンの材質を熱交換板、または電極板と異なる材質で構成したことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は温風発生機などに用いる熱交換器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱交換器は、帯状金属板を加工した波形フィン１（以降、フィンと称する）の一方の面に電極板４、他方の面に熱交換板２を超音波溶接する方法で製造するが、溶接する熱交換板２、または電極板４とフィン１との接触部の下部位置に、フィン１の側面から櫛歯状の位置決めと、支持体を兼ねた板を挿入し（図示せず）、フィン１の波形を等間隔に調整、固定すると共に、接触部を下方から支持した状態で熱交換板２、または電極板４の上面から超音波ホーン（以降ホーンと称する）を圧接させ溶接する方法が一般的に行われている。
【０００３】前記方法で作成された熱交換器の使用方法を、正特性サーミスタ素子２７を用いた温風ヒータ用の熱交換器を例に説明する。
【０００４】図１０に示すように正特性サーミスタ素子２７の両面に熱交換板２側が接するように貼り合せ、電極板４より電圧を印加することにより正特性サーミスタ素子２７が発熱する。発熱した熱は熱交換板２を介してフィン１に伝熱される。この時、熱交換器の側面から送風すると、熱交換器の反対側に温風が発生する仕組みになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の製造方法では、フィン１の側面から櫛歯状の位置決め兼、支持体を挿入し、溶接箇所を下から支えながら超音波溶接を行うため、フィン１の側面から溶接箇所の下部位置に正確に位置決め板を挿入する作業が必要になるが、この作業は作業性が悪く、また溶接箇所が多くなるに従って、この作業が繁雑になり多くの工数を要していた。
【０００６】本発明は、上記問題点を解決し作業性の良い熱交換器の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するために本発明は、第一工程で帯状金属板を加工したフィンの波形間隔を等間隔に再調整した後、第二工程でフィンの両側面を加圧保持し、フィンの上面に板体を重ね、下面側にフィンより狭い幅の支持体を当接した後、板体の上面からホーンを圧接させて板体とフィンの接触部を超音波溶接を行い、第三工程でフィンを反転し、板体をフィンのもう一方の面に重ね上部からホーンを圧接させ板体とフィンの接触部の超音波溶接を行う方法を用いることにより所期の目的を達成することができるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明は、フィンの上下面に板体を溶接してなる熱交換器において、前記フィンは帯状金属板を折り畳むように加工した後、形成した波形の間隔を等間隔に再調整する第一工程と、次にフィンの両側面を加圧保持し、下面側に支持体を当接させた後、その上面側に前記板体を重ね、板体の上面にホーンを圧接して板体とフィンの接触部を超音波溶接する第二工程と、次いで、フィンを反転し、もう一方の面に前記板体を重ねた後、板体の上面にホーンを圧接して接触部を超音波溶接する第三工程からなる熱交換器の製造方法である。フィンと板体を溶接する前に、第一工程でフィンの波形の間隔を予め等間隔に再調整した後、第二工程でフィンの波形の間隔を等間隔に保った状態で両側面を加圧保持し、フィンの下面側に支持体を当接した後、次に板体をフィン上面に重ね、板体の上部からホーンを圧接させ超音波溶接するため、従来の方法のようにフィンの側面から、櫛歯状の位置決め兼支持板を順次挿入する作業が省略され、波形が等間隔のフィンと板体とを容易に溶接することが可能となり、作業が簡略化される。
【０００９】本発明の請求項２に記載の発明は、フィンに溶接する板体の一方を熱交換板、他方を電極板とし、第二工程で熱交換板とフィンとの接触部全体を超音波溶接した後、第三工程で電極板とフィンとの接触部を所定間隔を設け部分的に超音波溶接することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法である。熱交換板とフィンの溶接箇所を、電極板とフィンの溶接箇所より多くするのは、熱交換器の熱交換板側を発熱面に取付けた際、熱交換板を介してフィンに発熱体の熱を効率よく伝え、熱抵抗を低減する目的からである。一方電極板は発熱体に電力を供給するためのものであり、熱交換板よりも少ない点でフィンに溶接しても電力の供給に支障を与えない。また少ない点に溶接することで、フィンと電極板との溶接工数を低減することができ熱交換器製造の作業性を高めることができるという利点を有するものである。
【００１０】本発明の請求項３に記載の発明は、フィンと熱交換板、及び電極板との超音波溶接に使用するホーンの先端面に、溶接する板体の長手方向と並行に複数条の方形状突起の加工を施したものを用いることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器の製造方法である。ホーンを被溶接物の面に強く圧接した状態で振動させ、超音波振動エネルギーを被溶接物同士の接触部に効率よく伝達し、その振動エネルギーによる溶接を行うため一般的には被溶接物との接触面を鋭角の山形状に加工を施している。しかし、ホーン先端を被溶接物の面に強く圧接させ振動を行うため先端部の摩耗が激しく、ホーン先端部の形状が変ると溶接強度にバラツキが発生する。このため比較的短い周期でホーンを交換する必要がある。本発明はホーンの材質に耐摩耗性に優れた高硬度の材質を用い、また振動エネルギーを効率良く溶接箇所に集中させるため、ホーン先端部に複数条の方形状突起を設けることにより、先端部が摩耗してもその形状が一定に保たれるようにし、振動エネルギーの伝達効率を低下させず、しかも溶接強度が経時的に低下するのを防ぎ、ホーンの交換頻度を延長させるという効果が得られるものである。
【００１１】本発明の請求項４に記載の発明は、ホーンを溶接する板体の長手方向と直角方向に振動させ、フィンに熱交換板と電極板を超音波溶接することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換器の製造方法である。ホーンの振動をフィンの長手方向と並行方向に行うと、フィンの波形を一定等間隔に調整したものが、ホーンを圧接させることにより乱れると共に、波形が振動方向に倒壊する現象が発生する。これを防止するため、ホーンをフィンの長手方向と直角方向に振動させることにより、フィンの波形の間隔を一定に保った状態で、効率良く溶接を行うことができるという効果が得られるものである。
【００１２】本発明の請求項５に記載の発明は、ホーンを熱交換板、または電極板の接触部に３０〜４５ｋｇｆ／ｃｍ2の加圧力で圧接して超音波溶接することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法である。これによりホーン先端部の摩耗を少なくし、フィンの座屈を防ぎ効率的に溶接を行うことができる。
【００１３】本発明の請求項６に記載の発明は、所定長さのフィンを、第一工程で先ず長手方向に引張り、次に圧縮を行いフィンの波形を予め等間隔に再調整した後、第二工程でその一方の面に熱交換板を超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法である。フィンの波形を等間隔に再調整するための手段を規定したものであり、引張、圧縮動作前にフィン単位長さ当り波形の山数を測定し、山数に合った引張、圧縮量を自動的に規制した後、フィンを一旦圧縮し、形成した波形同士を接触させた後、再び引伸ばす。この動作を行うことにより、波形間隔の粗密が吸収され規定の等間隔の波形を有するフィンが得られるという作用を有するものである。
【００１４】本発明の請求項７に記載の発明は、第一工程においてフィンの波形の間隔を等間隔に再調整した後、フィン下面の凹部に位置決め棒を挿入し波形の間隔を固定し、第二工程でフィンの両側面を加圧保持した後、位置決め棒を除き、次に下面側に支持体を当接させ、熱交換板をフィンの上面に重ね、接触部を超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法である。熱交換器の熱放散効率を高めるためにフィンの波形を等間隔に保つ必要から、第一工程でフィン下面側の各凹部に位置決め棒をそれぞれ挿入しフィンの波形を等間隔に固定保持した後、第二工程でフィンの両側面を固定し、次に位置決め棒を除去することにより、フィンの波形を等間隔に固定保持することができる。次いでフィンの上面に熱交換板を重ねた後、ホーンを熱交換板の上部に圧接させ超音波溶接する。これにより得られた熱交換器は等間隔の波形を保持することができる。また位置決め棒をフィンの凹部に挿入する作業は、下記に述べるごとく支持体のガイド溝に沿って、一定間隔で挿入させるため作業性を低下させる事なく優れた品質の熱交換器を提供できるという利点を有するものである。
【００１５】本発明の請求項８に記載の発明は、第一工程でフィン下面の凹部に位置決め棒を挿入する際に、フィン移動方向の先端側から順次位置決め棒を波形の下部より挿入し、フィンの波形を規則正しい等間隔に固定した後、第二工程でフィンの両側面を加圧保持し位置決め棒を除き、次に熱交換板をフィンの上面に重ね、接触部を超音波溶接することを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法である。これによりフィンの波形の間隔をより無理なく、確実に固定保持し等間隔の波形を有するフィンを得ることができる。
【００１６】本発明の請求項９に記載の発明は、位置決め棒の先端部に支持体より広く、かつフィンの幅より狭い溝を設け、その厚さはフィンの波形の半周期の厚さで、しかも先端部を円弧状に加工したものを用いることを特徴とする請求項７、または請求項８に記載の熱交換器の製造方法である。位置決め棒の先端部を二股にし、その二つの突起の間隔をフィンの幅より狭くし、フィン下面側の一つの凹部内に二点を挿入することで、波形をフィン長手方向に対し直角に、しかも等間隔に固定保持することができる。また位置決め棒の厚さを波形の半周期の厚さで、しかも先端部を円弧状に加工しているため、無理なく確実に凹部に位置決め棒を挿入することが可能となり、等間隔の波形を有するフィンを得ることができる。
【００１７】本発明の請求項１０に記載の発明は、位置決め棒を支持体に設けたガイド溝に沿って上下させフィン下面の凹部に挿入する構成としたことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一つに記載の熱交換器の製造方法である。位置決め棒を支持体に設けたガイド溝に沿って上下させることによって、フィンの波形を無理なく等間隔に固定保持する位置決め棒の動作を規定したものである。
【００１８】本発明の請求項１１に記載の発明は、フィンの材質を熱交換板、または電極板と異なる材質で構成したことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の熱交換器の製造方法である。熱交換器の材料は一般的に熱伝導性の優れたアルミニウムが用いられる。そのフィンは熱放散を均一にするため、特に波形を精度良く等間隔ピッチで加工する必要がある。そのため加工性に優れたマンガン等の含有量の多い高コストのアルミニウム合金を用いる必要がある。熱交換板、または電極板は加工性より熱伝導性、導電性が要求され、低コストの純アルミニウムを用いることが望ましい。これにより熱交換器の材料コストを低減することができる。
【００１９】（実施の形態）以下、本発明の−実施の形態について、図１〜図１０を参照し説明する。
【００２０】最初に、マンガン等の含有量の多いアルミニウム合金製の帯状金属板を、連続的に折り畳むようにして波形に加工し、図３に示すようなフィン１を作製する。
【００２１】次に、作製したフィン１の波形を等間隔に再調整する方法として、図４（Ａ）に示すように、連続したフィン１の両側面を固定チャック５で保持すると共に、固定チャック５の基部でシャフトを介して連結した駆動体８に取付けられた可動チャック６で一定長さのフィン１を保持する。尚、可動チャック６で保持するフィン１は予め駆動体８に取付けたセンサー７で山数を計数しておく。
【００２２】次いで、センサー７で計数した波形の山数に応じた圧縮、引張りの寸法を駆動体８に伝え、図４（Ｂ）に示すように、先ずフィン１を圧縮し形成したフィンを塑性変形させ波形の間隔の粗密を均等化する。続いて図４（Ｃ）に示すように規定寸法に引伸ばした後、固定チャック５を開放し可動チャック６で進行方向にフィン１を送り出す。尚、圧縮は加工した波形の弾性限界内で波形同士が隙間なく接触するように、また引張はフィン１がスプリングバックし規定の長さに収まるように調整する必要がある。このようにして、連続したフィン１に対し、同じ動作を順次繰返し規定長さのフィン１内には規定数の波が等間隔に形成されるよう再調整する。
【００２３】続いて、図５（Ａ）に示す位置決め棒１０をフィン１の下方から、フィン１の進行方向の先端部から順次フィン１の凹部に挿入し波形を整える。図５（Ｂ）に位置決め棒１０がフィン１の凹部に挿入された状態を示した。位置決め棒１０は図６（Ａ）に示すように、中央部に長円形の穴１８を設け、下部をスプリング１９で受けた形状をしており、長円形の穴１８に図５のごとくシャフト１１を貫通させ、シャフト１１はレバー１２を介して変形カム１３に接している。この状態でモータ１４の回転をベルト１５で変形カム１３に伝えると、変形カム１３が回転し変形カム１３に接したレバー１６は支点１６ａを軸としシャフト１１に接した先端部が上昇する。これに連れてシャフト１１が支点１７を軸とし上昇して、位置決め棒１０が順次押上フィン１の凹部に挿入され、波形間隔を整えることができる。尚、位置決め棒１０の長円形の穴１８はフィン１の進行方向から順番に短くし、シャフト１１が最上点に達した時、各位置決め棒１０の先端の上死点が同じ高さでフィン１の凹部に挿入されると共に、各位置決め棒１０の下部に接続したスプリング１９がフィン１に一定の力を加えるようにしている。また、位置決め棒１０の先端部の二本の突起２０は、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示す支持体２５のガイド溝に沿って上昇しフィン１の凹部に挿入され、フィン１の波形を長手方向に対し正確に直角に保つと共に、位置決め棒１０の厚さはフィン１の波形の半周期分の厚さで、しかも先端部を円弧状に加工しているため、挿入される位置決め棒１０がフィン１を傷つける事なく容易に波形の凹部に侵入し波形の間隔を等間隔に整えることができるようになっている。
【００２４】次いで、図７に示すようにフィン１の両側面を、固定支持体２１と可動支持体２２で約２００〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2の加圧力で固定した後、位置決め棒１０を降下させる。フィン１の保持は、フィン１の一方の側面に固定支持体２１を、反対側に可動支持体２２を配し、可動支持体２２のフィン１との反対側にはテーパーを持った加圧体２３が設けられており、この加圧体２３は駆動体２４を移動することにより、可動支持体２２がフィン１側に押し出されフィン１を両側面から強固に保持するようになっている。この状態でフィン１の下面を支持体２５で支持する。
【００２５】続いて、フィン１の上面に純アルミニウム製の熱交換板２を重ね、熱交換板２の上面に、図８に示すようにホーン９を約３０〜４５ｋｇｆ／ｃｍ2の力で圧接し、周波数１５ｋＨｚの振動を０．１５〜０．２秒間、フィン１の幅方向に加えフィン１と熱交換板２との接触部を超音波溶接を行う。この時フィン１を長さ方向に数分割しフィン１と熱交換板２との接触部全てを確実に溶接できるように、フィン１の進行方向先端部から順次超音波溶接を行う。尚、ホーン９の先端部は図９に示すように長さ２４ｍｍ、幅１４．４ｍｍの面に、幅０．４ｍｍ、ピッチ１．０ｍｍの複数条の方形状突起２６を設けたものを用いた。ホーン９の先端部に方形状突起２６を施したのは、ホーン９の先端部を熱交換板２の表面部に喰い込ませ、フィン１と熱交換板２との接触部に効果的に振動エネルギーを伝達し、フィン１材料と熱交換板２材料を相互の拡散作用により融合させるためであり、先端部を平坦にするとホーン９に振動を加えた際に、ホーン９と熱交換板２との接触面で滑りが生じ、フィン１と熱交換板２との接触部に効率的に振動エネルギーを伝達させることができず、完全に溶接することができない。しかしながらホーン９の先端部を熱交換板２面に強く喰い込ませるためには、ホーン９の先端部に山形の突起を設けることが、より超音波溶接に効果があるがホーン９の先端部の摩耗が早くなり、山形突起の形状が変化し、長期間の使用で超音波溶接の接着強度にバラツキを生じるため好ましくない。本発明のホーン９の先端部に方形状突起２６を設けた場合は、先端部が摩耗しても先端部の形状が変化しないため、長期間の継続使用においても溶接強度のバラツキを生じない有効な手段となる。また、ホーン９をフィン１の幅方向に振動させるのは、等間隔に固定保持したフィン１の波形の間隔をホーン９の圧接、及び振動で乱さないようにすると共に、フィン１の座屈を防止するためである。
【００２６】次に、フィン１と熱交換板２を進行長手方向に数分割し超音波溶接を行った後、フィン１を反転し固定支持体２１、可動支持体２２で再び固定支持を行い、フィン１の下面を支持体２５で支持した後、フィン１の上部に純アルミニウムの電極板４を重ね、熱交換板２と同様にフィン９を圧接し超音波溶接を行う。尚、電極板４の溶接は熱交換板２の溶接点より少ない箇所の溶接を行った。これは、図１０に示すように熱交換器として用いる場合、発熱体に熱交換板２側を貼付け、電極板４は発熱体に電力を供給する目的のため少ない箇所の溶接で十分に電力供給体として使用することができるためである。なお、図２の３は溶接痕である。
【００２７】
【発明の効果】以上本発明によれば、フィンの波形が等間隔な熱交換器を作業性良く作製できる製造方法を提供することが可能となり、工業的に利用価値の高いものとなる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年２月８日（１９９９．２．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２２５４３０（Ｐ２０００−２２５４３０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年８月１５日（２０００．８．１５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２９５７３ |
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