JP2005055081A - 熱交換器及び熱交換器を備えた自動販売機 - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性冷媒を使用する自動販売機用熱交換器において、物品の収納庫である半密閉空間内部へ可燃性冷媒が漏れて引火しないように安全性を高める。
【解決手段】蛇行状に略１８０度づつ曲げられた伝熱管１７と、互いに間隔をとりながら重ねられ伝熱管１７を挿入されて固定される平板状フィン１８とから構成され、蛇行状の伝熱管１７には接合部を有しない熱交換器を用いることにより、可燃性冷媒漏れリスクを極小化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルに組み込まれて冷却、放熱作用を行う熱交換器、及び熱交換器を備えた自動販売機に関するものである。

近年、地球のオゾン層を保護する観点から、自動販売機における冷却装置の冷凍サイクルに使用されていた冷媒ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）−１２あるいはＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）−２２といった塩素原子を含んだ冷媒の使用が規制され、塩素原子を含まず、オゾン層を破壊しないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒への転換が進行している。

従来、主にＨＣＦＣ−２２冷媒を用いていた自動販売機においては、その代替冷媒としてＨＦＣ冷媒の混合冷媒であるＲ４０７Ｃが採用されている。

一方、これらＲ４０７ＣなどのＨＦＣ冷媒は、オゾン層破壊はないものの、地球温暖化係数が高いため、地球温暖化に対しては不十分な冷媒となり、そのため地球温暖化係数の低い冷媒として、ＨＦＣ冷媒に代わってＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒が注目されている。

以下、図面を参照しながら、上記従来の冷温貯蔵庫を説明する。

図１０は、従来の冷温貯蔵庫の斜視図である。図１１は従来の熱交換器の正面図、図１２は従来の熱交換器の左側面図、図１３は従来の熱交換器の右側面図である。

図１０において、自動販売機１の物品を収納する収納室２の下部に、一般的にフィンアンドチューブ型の熱交換器３を有し、冷媒が封入された冷凍サイクルよりなる冷却装置と、加温装置４を備え、熱交換器３と加温装置４の間に強制通風用の送風機５を配置している。

また、収納室２の背面にはダクト６が配置され、ダクト６を介して収納室２と熱交換器３と加温装置４が連通するよう構成されている。そして、放熱側の熱交換器３’は外部空気と連通するように配置されている。

冷却時は冷凍サイクルの冷媒を熱交換器３で蒸発させて周辺空気を冷却し、加温時は加温装置４のヒーターに通電して周辺空気を加熱し、それぞれ冷却、加熱された空気を送風機５によって強制的に熱交換させながら収納室２内に循環させて室内に収納された物品を冷却または加温し、ダクト６を通じて熱交換器３または加温装置４に帰還させるものである。冷却時に熱交換器３内部で蒸発・吸熱した冷媒は、外部空気と連通した放熱側の熱交換器３’内部で凝縮し、自動販売機１の外部に放熱することにより、冷凍サイクルを構成している（例えば、特許文献１，２参照）。

図１１から図１３に示す従来のフィンアンドチューブ型熱交換器３は、外部を空気が流動し、伝熱管７内部で冷媒が蒸発または凝縮することにより、空気と熱授受を行い、冷凍サイクルを構成している。熱交換器３は、伝熱管７をフィン８に挿入し、拡管固定してある。伝熱管７は、リタンベンド９によりロー付け接合部１２で互いに接合され、冷媒回路を構成している。冷媒入口リードパイプ１０、冷媒出口リードパイプ１１についてもそれぞれ伝熱管７にロー付け接合部１３、１４で接合されて、冷媒回路を構成する。
特開昭５７−５２９８８号公報 実開昭６２−７５５７８号公報

しかしながら、上述のような近年の環境下において、このような冷凍サイクルの冷媒にＨＣ系冷媒などの可燃性冷媒を使用する場合には可燃性冷媒の漏れに注意を払わなければならず、特に自動販売機では、物品の収納庫である半密閉空間内部へ可燃性冷媒が漏れて引火しないように安全性を高める必要がある。

しかし、上述のような熱交換器３において、従来用いられているフィンアンドチューブ熱交換器は、冷媒回路を構成するため、伝熱管７をリタンベンド９を介して互いにロー付け接合しており、１つの熱交換器の接合箇所は２０カ所以上にのぼる。ロー付け箇所がいわゆる皮１枚でつながっていて、熱交換器の漏れ検査工程では発見されず、市場において、ロー付け不良が原因で冷媒漏れの発生するリスクは２０ｐｐｍ程度あると言われており、可燃性冷媒の安全性から考えて、ロー付け箇所が極小化されていないフィンアンドチューブ熱交換器は、安全性に問題があった。このロー付け不良に関する安全性リスクについては、冷却側の熱交換器および放熱側の熱交換器の双方に該当する。

また、現在ほとんどの自動販売機では、冷却側の熱交換器の蒸発温度を−１５〜−２０℃程度の氷点下にして運転している。これは、ある一定の確率でロー付け接合部の凍結破壊が誘発されることを意味する。ロー付け接合部の凍結破壊については、ブローホールが原因であるとされているが、ブローホールを皆無にする接合方法は現在開発されていない。

すなわち、数ｐｐｍ程度のオーダーと予想されるが、市場においてロー付け接合部が凍結破壊することによる可燃性冷媒漏れが懸念され、安全性に問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、冷却側および放熱側の熱交換器を備えた冷凍サイクルの冷媒として可燃性冷媒を使用しても冷却を安全に行える自動販売機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、可燃性冷媒を用いた冷凍サイクルを具備する自動販売機において、内部を前記可燃性冷媒が流動し、蛇行状に曲げられた伝熱管と、互いに間隔をとりながら重ねられ前記伝熱管を挿入されて固定される平板状フィンとから構成され、蛇行状の前記伝熱管には接合部を有しないものである。

これによって、伝熱管のロー付け箇所がいわゆる皮１枚でつながっていて、熱交換器の漏れ検査工程で発見できず、市場において、ロー付け不良が原因で可燃冷媒漏れの発生するといったリスクを回避することができる。また、冷却側の熱交換器については、凍結破壊のリスクが接合箇所の数に比例するため、現在対応策を見出すことのできない凍結破壊による可燃性冷媒漏れを激減させることができる。

請求項１に記載の発明は、接合部を極小化することにより、ロー付け不良による市場での可燃性冷媒漏れを激減させることができる。また、冷却側の熱交換器については、凍結破壊のリスクが接合箇所に比例するため、現在対応策を見出すことのできない凍結破壊による可燃性冷媒漏れを激減させることができる。

請求項２に記載の発明は、銅管よりも軽量なアルミ管を伝熱管として用いて、熱交換器の軽量化、低コスト化を図ることができると同時に、併せて自動販売機内の配管に用いられている銅配管との接合が容易となる。

請求項３に記載の発明は、フラットフィンと同等のほこり目詰まり性の良さを持ちながら、空気側性能を向上させることができ、高性能化ひいては、省エネルギー化を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、従来サーペンタイン式熱交換器に用いられている平滑管と比較して高性能化を図ることができる。このとき、空気抵抗の増大をともなうこともなく、風量、静音性は平滑管のそれと変わりない。冷媒側の管内抵抗は増大するものの、とくに放熱側は可燃性冷媒の物性から管内抵抗の影響は小さく、高性能化の効果を顕著に得ることができる。

請求項５に記載の発明は、ロー付け不良による市場での可燃性冷媒漏れを激減させることができる。また、冷却側の熱交換器については、凍結破壊のリスクが接合箇所に比例するため、現在対応策を見出すことのできない凍結破壊による可燃性冷媒漏れを激減させることができる。上記２点により、自動販売機の火災といった最悪の事態を未然に防ぐことが可能となる。そして、熱交換器の高性能化により、機器として省エネルギーを図ることができる。

請求項１に記載の発明は、可燃性冷媒を用いた冷凍サイクルを具備する自動販売機において、内部を前記可燃性冷媒が流動し、蛇行状に曲げられた伝熱管と、互いに間隔をとりながら重ねられ前記伝熱管を挿入されて固定される平板状フィンとから構成され、蛇行状の前記伝熱管には接合部を有しないものであり、接合部を極小化することにより、ロー付け不良による市場での可燃性冷媒漏れを激減させることができる。また、冷却側の熱交換器については、凍結破壊のリスクが接合箇所に比例するため、現在対応策を見出すことのできない凍結破壊による可燃性冷媒漏れを激減させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の熱交換器で、前記伝熱管にアルミ管を用いて、前記伝熱管入口または出口に銅管を接続したことより、軽量で安価なアルミ材を伝熱管として用いると同時に、自動販売機の内部配管に用いられている銅管との接合を容易に行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明の熱交換器で、前記平板状フィンの表面形状が、コルゲート形状としたことより、フラットフィンと同等のほこり目詰まり性の良さを持ちながら、空気側性能を向上させることができ、高性能化ひいては、省エネルギー化を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の熱交換器で、前記伝熱管内面に溝付形状を施したことより、従来サーペンタイン式熱交換器に用いられている平滑管と比較して高性能化を図ることができ、機器を省エネルギー化することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器を具備した自動販売機であり、ロー付け不良による市場での可燃性冷媒漏れを激減させることができる。また、冷却側の熱交換器については、凍結破壊のリスクが接合箇所に比例するため、現在対応策を見出すことのできない凍結破壊による可燃性冷媒漏れを激減させることができる。そして、熱交換器の高性能化により、機器として省エネルギーを図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による熱交換器を備えた自動販売機の斜視図である。図２は同実施の形態の熱交換器の正面図、図３は同実施の形態の左側面図、図４は同実施の形態の右側面図、図５は同実施の形態の熱交換器のフィンの平面図である。

図１において、自動販売機１１の物品を収納する収納室１２の下部に、熱交換器１３を有し、可燃性冷媒が封入された冷凍サイクルよりなる冷却装置と、加温装置１４を備え、熱交換器１３と加温装置１４の間に強制通風用の送風機１５を配置している。また、収納室１２の背面にはダクト１６が配置され、ダクト１６を介して収納室１２と熱交換器１３と加温装置１４が連通するよう構成されている。そして、放熱側の熱交換器１３’は外部空気と連通するように配置されている。

冷却時は冷凍サイクルの可燃性冷媒を熱交換器１３で蒸発させて周辺空気を冷却し、加温時は加温装置１４のヒーターに通電して周辺空気を加熱し、それぞれ冷却、加熱された空気を送風機１５によって強制的に熱交換させながら収納室１２内に循環させて室内に収納された物品を冷却または加温し、ダクト１６を通じて熱交換器１３または加温装置１４に帰還させるものである。冷却時に熱交換器１３内部で蒸発・吸熱した可燃性冷媒は、外部空気と連通した放熱側の熱交換器１３’内部で凝縮し、自動販売機１１の外部に放熱することにより、冷凍サイクルを構成する。

図２から図４に示す熱交換器１３は、外部を空気が流動し、伝熱管１７内部で可燃性冷媒が蒸発または凝縮することにより、空気と熱授受を行い、冷凍サイクルを構成している。

熱交換器１３は、伝熱管１７を蛇行状に略１８０度づつ曲げたのち、平板状フィン１８に挿入され、液圧等で拡管固定されて構成されている。この拡管工程は、場合によっては省略され、伝熱管１７の平板状フィン１８への挿入だけで形状を保持する場合もある。図５に示す平板状フィン１８は伝熱管１７の直管部が挿入される丸穴と、組立時に曲管部が挿通するための丸穴をつなぐ長穴が設けられ、フィン１８の間隔を保持するためのフィンカラーが丸穴部分の周囲に立てられている。冷媒入口リードパイプ１９、冷媒出口リードパイプ２０についてはそれぞれロー付け接合部２１，２２で伝熱管１７に接合されて、冷媒回路を構成している。

このように、構成された熱交換器１３は、図１１から図１３に示す従来の熱交換器３のようにリタンベンド９で伝熱管７を互いにロー付け接合することなく、冷媒回路を構成することができる。熱交換器３で、リタンベンド９を用いたロー付け接合部１２は１４カ所にのぼり、図２から図４に示す熱交換器１３では、これを皆無とすることができる。このため、数十ｐｐｍオーダーで市場に漏出すると言われるリタンベンド９のロー付け不良を、ゼロ化することができる。これにより、可燃性冷媒を用いた冷凍サイクルの安全性は飛躍的に高まることとなる。このロー付け不良に関する安全性リスクについては、冷却側の熱交換器１３および放熱側の熱交換器１３’の双方に該当する。

また、現在ほとんどの自動販売機では、冷却側の熱交換器１３の蒸発温度を−１５〜−２０℃程度の氷点下にして運転している。これは、従来の熱交換器３を用いた場合には、数ｐｐｍオーダーであるが、市場において凍結破壊が誘発されるリスクがあることを意味する。凍結破壊は、従来の熱交換器３では、ロー付け接合部１２にブローホールが形成されることが原因とされているが、ブローホールを皆無にする接合方法は現在のところ開発されていない。すなわち、可燃性冷媒用として従来の熱交換器３を用いた場合に、凍結破壊のリスクを回避することは現段階では不可能といえる。ブローホールを皆無にするためには、ロー付け接合部１２そのものを無くした熱交換器１３の仕様が可燃性冷媒の安全性を確保するための十分条件となる。

なお、熱交換器１３に用いた平板状フィン１８は、図５ではコルゲート形状で示しているが、これをフラットフィンとしたり、スリット等の切り込み加工を施しても良い。また、伝熱管１７に内面加工をほどこして溝付管とすると、熱交換性能を向上させると当時に、本実施の形態と同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２の熱交換器の正面図、図７は同実施の形態の左側面図である。

実施の形態２の熱交換器は、実施の形態１と同様に、図１に示す可燃性冷媒を冷凍サイクルに用いた自動販売機に具備されることを前提としている。

図６から図７に示す熱交換器２３は、外部を空気が流動し、伝熱管２４内部で可燃性冷媒が蒸発または凝縮することにより、空気と熱授受を行い、冷凍サイクルを構成している。

熱交換器２３の製作方法を以下に示す。まず、丸穴を有する平板状フィン２５を、金属製の串などを用いたマガジン（図示せず）の間に平行に並べ、伝熱管２４を平板状フィン２５の丸穴に挿入し、マンドレル等を伝熱管２４の中に通して拡管して、伝熱管２４とフィン２５とを密着固定する。そして、伝熱管２４のフィン２５を有しない部分を略１８０度の角度で折りたたんで曲げて、熱交換器２３の外形を形成する。伝熱管２４にアルミ管を用いる場合は、自動販売機内の銅配管と接合するため、出入り口に銅とアルミの接合管２６を伝熱管２４と接合する必要がある。アルミ材を用いた伝熱管２４と、銅とアルミの接合管２６との接合部２７はアルミ同士の接合となるためアーク溶接で接合することが多い。銅とアルミの接合管２６の異種金属接合部は、水分が介在すると電食作用によるアルミの腐食が懸念されるため、水分の侵入を防ぐべく、熱収縮チューブ２８により保護する。

冷媒入口リードパイプ２９、冷媒出口リードパイプ３０についてはそれぞれロー付け接合部３１，３２で銅とアルミの接合管２６に接合されて、冷媒回路を構成している。場合によっては、熱収縮チューブ２８で、接合部３１，３２を覆っても良い。また、銅とアルミの接合管２６の銅管部分そのものを先端加工し、接合部３１，３２を省略して出入り口管を形成しても良い。また、冷媒入口リードパイプ２９および冷媒出口リードパイプ３０を共晶接合等で直接伝熱管２４に接合することも可能である。

このように、構成された熱交換器２３は、実施の形態１と同様に、図１１から図１３に示す従来の熱交換器３のようにリタンベンド９で伝熱管７を互いにロー付け接合することなく、冷媒回路を構成することができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、熱交換器２３は、平板状フィンを用いているが、これをコルゲート形状としたり、スリット等の切り込み加工を施して高性能化を図っても良い。また、伝熱管２４に内面加工をほどこして溝付管とすると、熱交換性能を向上させると同時に本実施の形態と同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３の熱交換器の正面図、図９は同実施の形態の左側面図である。

実施の形態３の熱交換器は、実施の形態１と同様に、図１に示す可燃性冷媒を冷凍サイクルに用いた自動販売機に具備されることを前提としている。

図８から図９に示す熱交換器３３は、外部を空気が流動し、伝熱管３４内部で可燃性冷媒が蒸発または凝縮することにより、空気と熱授受を行い、冷凍サイクルを構成している。熱交換器３３の製作方法を以下に示す。まず、長穴を有する平板状フィン３５を、金属製の串など用いたマガジン（図示せず）の間に平行に並べる。伝熱管３４は、蛇行状に略１８０度づつ曲げたのち、並行に並べられた平板状フィン３５を前後から挟み込む形で挿入され、その後、液圧等で拡管固定されて構成されている。この拡管工程は、場合によっては省略され、伝熱管３４の平板状フィン３５へのはめ込みだけで形状を保持する場合もある。伝熱管３４にアルミ管を用いる場合は、自動販売機内の銅配管と接合するため、出入り口に銅とアルミの接合管３６を伝熱管３４と接合する必要がある。アルミ材を用いた伝熱管３４と、銅とアルミの接合管３６との接合部３７はアルミ同士の接合であるため、アーク溶接で接合することが多い。銅とアルミの接合管３６の異種金属接合部は、水分が介在すると電食作用によるアルミの腐食が懸念されるため、水分の侵入を防ぐべく、熱収縮チューブ３８により保護されている。冷媒入口リードパイプ３９、冷媒出口リードパイプ４０についてはそれぞれロー付け接合部４１，４２で銅とアルミの接合管３６に接合されて、冷媒回路を構成している。場合によっては、熱収縮チューブ３８で、接合部４１，４２を覆っても良い。また、銅とアルミの接合管３６の銅管部分そのものを先端加工し、接合部４１，４２を省略して出入り口管を形成しても良い。また、冷媒入口リードパイプ３９および冷媒出口リードパイプ４０を共晶接合等で直接伝熱管３４に接合することも可能である。

このように、構成された熱交換器３３は、実施の形態１と同様に、従来の熱交換器３のようにリタンベンド９で伝熱管７を互いにロー付け接合することなく、冷媒回路を構成することができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、熱交換器３３は、平板状フィンを用いているが、これをコルゲート形状としたり、スリット等の切り込み加工を施して高性能化を図っても良い。また、伝熱管３４に内面加工をほどこして溝付管とすると、熱交換性能を向上させると同時に本実施の形態と同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、接合部を極小化し、ロー付け不良による可燃性冷媒漏れを激減でき安全性の向上が可能となるので、冷却側及び放熱側の熱交換器を備えた冷凍サイクルを有する自動販売機等の冷却機器の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器を備えた自動販売機の斜視図 同実施の形態の熱交換器の正面図 同実施の形態の熱交換器の左側面図 同実施の形態の熱交換器の右側面図 同実施の形態の熱交換器のフィンの平面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の正面図 同実施の形態の熱交換器の左側面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の正面図 同実施の形態の熱交換器の左側面図 従来の冷温貯蔵庫の斜視図 従来の熱交換器の正面図 従来の熱交換器の左側面図 従来の熱交換器の右側面図

符号の説明

１１ 自動販売機
１３、２３、３３ 熱交換器（冷却側）
１３’ 熱交換器（放熱側）
１７、２４、３４ 伝熱管
１８、２５、３５ 平板状フィン

Claims (5)

1. 可燃性冷媒を用いた冷凍サイクルを具備する自動販売機において、内部を前記可燃性冷媒が流動し、蛇行状に曲げられた伝熱管と、互いに間隔をとりながら重ねられ前記伝熱管を挿入されて固定される平板状フィンとから構成され、蛇行状の前記伝熱管には接合部を有しないことを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱管にアルミ管を用いて、前記伝熱管入口または出口に銅管を接続したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記平板状フィンの表面形状が、コルゲート形状である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。
4. 前記伝熱管内面に溝付形状を施したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器を具備した自動販売機。

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