JP2007003049A - 熱交換器とその製造方法およびその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】品質安定性と量産性を向上させた、伝熱管に網目状フィンが接合された構成の熱交換器とその製造方法及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】熱交換器１０は、複数の伝熱管１２が平面１上に、その長手方向２に平行に配列され、平面１に対して上側４および下側５を有する伝熱管群２７伝熱管群２７の上側４に、伝熱管１２に接触して配置され、長手方向２の垂直方向３に伸びている第１の細線１４と、伝熱管群２７の下側５に、伝熱管１２に接触して配置され、長手方向２の垂直方向３に伸びている第２の細線１５と、伝熱管１２の長手方向２に、隣り合った２つの伝熱管１２の間に配置され、第１の細線１４および第２の細線１５と交差している第３の細線１６を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器とその製造方法及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置に関し、特に伝熱管に網目状フィンが接合された構成の熱交換器とその製造方法及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来の伝熱管に網目状フィンが接合された構成の熱交換器として代表的なものは、例えば特許文献１に開示されているようなエアコン等で用いられるフィン＆チューブ型の熱交換器がある。これは、図１６のように、多数の伝熱管４０のそれぞれの一端を冷媒の供給ヘッダー４１に直結している。そして、伝熱管４０の他端を冷媒の排出ヘッダー４２に直結し、フィンとして細線からなる流通抵抗体４３を、伝熱管４０の外側に接触させ、かつ各伝熱管４０と交差する方向に延在させて配置している。

また近年、熱交換器の小型高効率化の要求により、コンパクト型の細管熱交換器として、例えば特許文献２に開示された図１７のような熱交換器が提案されている。図１７の熱交換器では、各伝熱管４４の間に伝熱管４４の表面を横切るように細線４５が配置されていて、伝熱管４４を縦糸、細線４５ａ及び細線４５ｂを横糸として畳織状に編み込んである。図１７には空気Ａの流れの様子が矢印で示されている。空気Ａが細線４５にあたると流れが乱され、細線４５の下に来た空気Ａは矢印に示すように、細線４５に沿って左右に伝熱管４４の表面を上昇する。その結果、空気Ａが伝熱管４４と接触する時間が長くなり、伝熱管４４との熱伝達作用は有効に行われ、熱交換効率の良い熱交換器が得られる。
特開昭６１−１５３３８８号公報（第６頁、第３図） 特開平７−１７４４７６号公報（第５頁、図１）

しかしながら、このような熱交換器を製造するためには、伝熱管４４を縦糸、細線４５を横糸として畳織状に編み込む必要がある。そして、伝熱管４４も細線４５も銅材を用いて多少は柔軟性を持たせているが、糸の繊維のように編み込む場合、縦糸である伝熱管４４は繰り返しの応力により弱くなり、亀裂を生じる可能性がある。また、縦糸である伝熱管４４を固定し、細線４５を編み込むことは難しく、品質安定性と量産性に課題を有している。

そこで本発明は、品質安定性と量産性を向上させた、伝熱管に網目状フィンが接合された構成の熱交換器とその製造方法及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明の熱交換器は、長手方向に冷媒が流れ、同一平面上に長手方向が平行に配列された複数の伝熱管から構成された伝熱管群と、
伝熱管群の上側に、伝熱管に接触して配置され、長手方向の垂直方向に伸びている第１の細線と、
伝熱管群の下側に、伝熱管に接触して配置され、長手方向の垂直方向に伸びている第２の細線と、
伝熱管の長手方向に沿って、隣り合った２つの伝熱管の間に配置され、第１の細線および第２の細線と交差している第３の細線と
を
有する構成である。

このような構成の熱交換器とすると、第３の細線と第１の細線および第２の細線を交差させ網目状フィンとしているため、伝熱管を細線とともに織り込む必要はない。また、伝熱管を網目状フィンの間を通す構成であり、伝熱管に繰り返し応力が加わることもないため、品質安定性と量産性を向上させることができる。

また本発明の熱交換器は、複数の伝熱管のそれぞれの一端が接続された冷媒を分配させる第１のヘッダーと、複数の伝熱管のそれぞれの他端が接続された冷媒を集合させる第２のヘッダーとを有する構成としてもよい。

このようなヘッダータイプの構成の熱交換器では、複数の伝熱管が平行に配置されているため、複数の伝熱管を一括して細線間に挿入しやすい構成となる。

また本発明の熱交換器の第１の細線および第２の細線は、複数の細線を配置して構成してもよい。このように、第１の細線および第２の細線を複数の細線とすると、伝熱管からの伝熱面積が大きくなるため、伝熱促進の効果がより大きくなる。

また本発明の熱交換器の第３の細線は、複数の細線を配置して構成してもよい。このように第３の細線を複数の細線とすることで、複数の伝熱管の間隔を十分な大きさにとることができるとともに、網目状フィンをより強固な構成にできる。

また本発明の熱交換器の複数の伝熱管、第１の細線、第２の細線、および第３の細線は、親水性を有するようにしてもよい。このように伝熱管および細線を、親水性を有するようにすると、伝熱管の表面に生じた結露水は、その親水性のために熱交換器の表面に水濡れ性が付与され、結露水が水膜となるため、伝熱管および細線から速やかに排出され、熱交換効率を低下させることがない。

また本発明の熱交換器の第１の細線、第２の細線、および第３の細線は、光触媒が塗布されてもよい。このような網目状フィンは、その細線間の隙間にごみ等の目詰まりを起こしやすいが、細線に光触媒が塗布されていると、光等により付着した汚れを落とすことができるため、空気流路を塞ぐことがなく、熱交換効率を低下させることがない。

また本発明の熱交換器は、冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。二酸化炭素は、その作動圧力がフロン系冷媒に比べ１０倍程度高く、伝熱管等の構成部品に耐圧性が要求される。本発明の熱交換器であれば、製造時に伝熱管に過大な応力が加わることなく、品質の安定した熱交換器となり、二酸化炭素のような作動圧力の高い冷媒も用いることができる。

さらに本発明の熱交換器の製造方法は、直交する細線を交差させて編み込む工程と、細線のうちの一方向の細線を谷部または山部とする波状に加工する工程と、谷部の細線と山部の細線との間に冷媒が流れる伝熱管を貫通させる工程と、伝熱管の一端を、冷媒を分配させる第１のヘッダーに、伝熱管の他端を、冷媒を集合させる第２のヘッダーに挿入させる工程と、伝熱管と谷部の細線および山部の細線とを圧接させる工程と、伝熱管と谷部の細線、山部の細線、第１のヘッダー、および第２のヘッダーとを接合する工程とを有する。

このような製造方法とすると、細線同士を先に織り込んで、伝熱管を通す間隙を形成し、そこに伝熱管を貫通させて接合するため、製造時に伝熱管に過大な応力が加わることがない。そのため、このような製造方法は、品質が安定し、量産性に優れた製造方法となる
。

また本発明の熱交換器の製造方法の接合する工程は、ロウ付けを行ってもよい。ロウ付けは、ロウ付け炉内で一括して行うことができるため、より量産性を向上させた製造方法とすることができる。

さらに本発明の冷凍サイクル装置は、上記の熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を膨張させる膨張機構とを備えた構成とする。具体的には、冷凍サイクル装置の放熱器または蒸発器のどちらか、または両方に上記の熱交換器を用いた構成とする。このような、冷凍サイクル装置では、放熱器または蒸発器のどちらか、または両方が品質安定性、伝熱効率に優れたものとなるから、冷凍サイクル装置としても安定した運転を行え、サイクル効率が高くなる。

本発明によれば、品質安定性と量産性を向上させた、伝熱管に網目状フィンが接合された構成の熱交換器とその製造方法及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置を提供することができる。

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。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態の熱交換器１０の斜視図、図２は図１のＣ部を拡大した斜視図、図３は図１のＤ−Ｄ線断面図である。
図１に示すように熱交換器１０は、ヘッダーを有するタイプで、冷媒を分配させる第１のヘッダー１１、複数の伝熱管１２が仮想的な平面１上に、その長手方向２に平行に配列された伝熱管群２７、冷媒を集合させる第２のヘッダー１３を備えている。また、熱交換器１０は、伝熱管群２７の上側４に、伝熱管１２に接触して配置され、長手方向２の垂直方向３に伸びている第１の細線１４と、伝熱管群２７の下側５に、伝熱管１２に接触して配置され、長手方向２の垂直方向３に伸びている第２の細線１５と、伝熱管１２の長手方向２に、隣り合った２つの伝熱管１２の間に配置され、第１の細線１４および第２の細線１５と交差している第３の細線１６を備えている。この伝熱管群の上側４および下側５は、伝熱管群の一方を上側とすればその反対側は下側となるものであり、どちら側を上側と呼ぶかは便宜上のものである。

ここで、第１の細線１４と第２の細線１５とは、図２に示すように、例えば第１の細線１４を伝熱管１２の上部で接触するように配置させると、第２の細線１５は伝熱管１２の下部で接触するように配置させる。従って、これとは逆に第１の細線１４を伝熱管１２の下部に、第２の細線１５を上部に配置させてもよい。また、第３の細線１６を第１の細線１４と第２の細線１５に交差させるとは、第３の細線１６を第１の細線１４と第２の細線１５とに十字状に絡ませることである。

また、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６は図２、図３に示すように、それぞれ３本ずつの細線で構成されている。そして、本実施の形態では、第１の細線１４と第２の細線１５とは、交互に配置され、第３の細線１６と畳織状に交差させている。その結果、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６が、伝熱管１２に接合された網目状フィン１７を構成している。

ここで伝熱管１２の外径は３ｍｍ以下の細径管を用い、その肉厚は中を流れる冷媒を二酸化炭素とすると０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のものが好ましい。またその材料は、銅、
アルミニウム、それらの合金類、およびステンレス系の材料を用いている。

次に、本発明の実施の形態の熱交換器１０の動作を説明する。図１で冷媒は、矢印のように第１のヘッダー１１に導入され、複数の伝熱管１２それぞれに分配される。冷媒は、伝熱管１２の中を第１のヘッダー１１から第２のヘッダー１３に向けて流れる。また、伝熱管１２と第１の細線１４および第２の細線１５とは接触されているため、伝熱管１２と第１の細線１４および第２の細線１５とは熱伝導により熱移動が行われる。さらに、第３の細線１６は、第１の細線１４と第２の細線１５とに交差させているため、第３の細線１６にも熱移動が行われる。

その際、図示していないファン等により空気Ａが、熱交換器１０に送られる。このとき、網目状フィン１７により空気Ａは紙面の裏面側から、表面側に乱されて通過する。その結果、熱交換器１０が、凝縮器として用いられる場合は、伝熱管１２内の冷媒は、網目状フィン１７により空気Ａへの放熱が促進される。また熱交換器１０が、蒸発器として用いられる場合は、伝熱管１２内の冷媒は、網目状フィン１７により空気Ａからの吸熱が多くなり、蒸発が促進される。

以上のように本発明の実施の形態の熱交換器１０の構成では、伝熱管１２を縦糸として編み込む必要がない。そのため、製造時に伝熱管１２に繰り返し応力が加わることもなくなり、品質安定性と量産性が向上する。

また、本発明の実施の形態の熱交換器１０の構成では、網目状フィン１７として第１の細線１４と第２の細線１５に加え、第３の細線１６で形成しているので、伝熱面積が増え、かつ空気Ａが網目状フィン１７を通過する際に流れが乱される。その結果、網目状フィン１７での熱伝達が促進され、伝熱管１２内を流れる冷媒と網目状フィン１７との熱伝達量も多くできるため、高効率な熱交換器を得ることができる。

また、本発明の実施の形態の熱交換器１０の構成では、第３の細線１６により熱交換器１０がどのように配置されても、伝熱管１２の表面に生じた結露水が除去されやすくなる。伝熱管１２の中を流れる冷媒の温度が、空気の露点温度以下になると、伝熱管１２の表面に結露水が生じるが、その結露水が伝熱管１２と網目状フィン１７に溜ると伝熱性能が低下する。図４は、本発明の実施の形態の熱交換器の伝熱管１２の長手方向を、鉛直に配置したときの結露水２５の流下状態を示す図である。従来の伝熱管の長手方向に直交する細線のみを有する熱交換器では、結露水は、伝熱管と細線との間に溜まってしまうが、本実施の形態の熱交換器では、図４に示すように第３の細線１６を伝って結露水２５が容易に除去される。

また、本発明の実施の形態の熱交換器１０は、第１の細線１４、第２の細線１５および第３の細線１６を３本の細線を配置して構成している。このように、複数の細線で構成すると、網目状フィンを強固にでき、特に第３の細線１６を複数の細線で構成すると、伝熱管１２の間隔を適切にでき、伝熱管１２の第１のヘッダー１１と第２のヘッダー１３に対する位置決めも容易になる。

また、本発明の実施の形態の熱交換器１０は、複数の伝熱管１２、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６を、例えばシリカ系皮膜や親水性樹脂を用いた樹脂系皮膜を設けて親水性を有するように、予め表面処理を施すか、熱交換器として組み終わった後に表面処理を施している。このようにすることにより、熱交換器１０の表面には水濡れ性が付与され、凝縮水が水膜となるため、結露水をより速やかに排出することができる。

また、本発明の実施の形態の熱交換器１０は、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６に酸化チタン等の光触媒が塗布されている。これは、本発明の実施の形態のような小型の熱交換器では、空気の通過する流路の開口面積が狭くなっているため、ごみ等の付着が生じやすく、空気流路を塞いでしまう恐れがある。そこで、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６に光触媒を塗布することにより、光等により付着した汚れを落とすことができる。その結果、空気流路を塞ぐことなく常に熱交換器の表面を清潔に保つとともに、性能低下を起こさず、信頼性も安定した熱交換器を提供することができる。

また、本発明の実施の形態の熱交換器１０は、冷媒に二酸化炭素を用いている。冷媒に二酸化炭素を用いることにより、二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルを運転する場合、高圧側は臨界圧を超えた圧力で行われる。そのため熱交換器に耐圧性が要求されるが、本発明の実施の形態の熱交換器は、製造時に伝熱管に過大な応力が加わる構成でなく、耐圧を十分に確保することができる。

次に、本発明の実施の形態の熱交換器１０の製造方法を説明する。図５は、熱交換器１０の製造フロー図である。熱交換器１０は、図５に示すように、ステップＳ１の直交する細線を交差させて畳織状に編み込む工程、ステップＳ２の一方向の細線を谷部または山部とする波状に加工する工程、ステップＳ３の細線間に伝熱管を貫通させる工程、ステップＳ４の伝熱管をヘッダーに挿入させる工程、ステップＳ５の伝熱管と細線とを圧接する工程、ステップＳ６の伝熱管と細線、ヘッダーを接合する工程を経て形成される。ここで、上述の各工程をさらに詳しく説明する。

図６〜図１２は、熱交換器１０の製造工程図である。図６は、Ｓ１の工程図で、いずれも３本の細線からなる第１の細線１４および第２の細線１５が、第３の細線１６と交差するように編み込まれ、畳織細線１８を形成する。ここで、第３の細線１６はそれぞれ、伝熱管１２の少なくとも管径以上の間隔を設けて配置されている。なお、この工程では、平面状に細線が編み込まれた段階であり、第１の細線１４と第２の細線１５との区別がないが、便宜的に第１の細線１４と第２の細線１５とに分けて記載している。また、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６の材料は、銅、アルミニウム、それらの合金類、およびステンレス系である。そして、その線径は当然、伝熱管１２より小さく、０．１ｍｍ以下のものが使われる。

図７は、Ｓ２の工程図で、第３の細線１６の長手方向に沿って、畳織細線１８を歯車１９で波状に加工する。第３の細線１６と第１の細線１４との交差部を山部、第３の細線１６と第２の細線１５との交差部を谷部となるように、全ての第３の細線１６で加工する。図８は、畳織細線１８を波状に加工する工程を終了したときの、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６からなる網目状フィン１７を形成したときの状態を示す。

図９は、Ｓ３の工程図である。平板上に網目状フィン１７を載置して固定し、網目状フィン１７の山部と谷部との間で、かつ第３の細線１６と第３の細線１６との間に生じた隙間に、複数の伝熱管１２を揃えて貫通させる。このとき、第３の細線１６が、複数の伝熱管１２のそれぞれの位置決めの役割を果たす。

図１０は、Ｓ４の工程図である。伝熱管１２の両端を、第１のヘッダー１１と第２のヘッダー１３との伝熱管挿入口２０に位置決めし、挿入する。

図１１は、Ｓ５の工程図である。伝熱管１２を網目状フィン１７の間隙に挿入しただけでは、伝熱管１２と第１の細線１４および第２の細線１５と接触していない箇所も生じる
。そのような箇所では、伝熱効率が低下するため、十分に伝熱管１２と第１の細線１４、第２の細線１５とを接触させておく必要がある。そこで、伝熱管１２の間隔に合わせた形状の圧接体２１により、伝熱管１２の両側から、第１の細線１４と第２の細線１５とを挟んで圧接する。

図１２は、Ｓ６の工程図である。この工程は、図示していないロウ付け炉の中で行われ、それぞれの接合箇所に、例えば銀ロウが付けられ、加熱して接合される。

以上のように、網目状フィン１７を先に作製し、その後、伝熱管１２を網目状フィン１７の間隙に貫通させ、第１のヘッダー１１、第２のヘッダー１３と位置決めし、ロウ付け炉の中で一括して接合する。そのため、本発明の熱交換器の製造方法は、品質安定性と、量産性に優れた製造方法となる。

また図１３は、本発明の実施の形態の変形例の熱交換器の部分斜視図である。熱交換器２２は、伝熱管１２の上部に接触する３本の細線を１組とする第１の細線２３を、２組続け、伝熱管１２の下部に接触する３本の細線を１組とする第２の細線２４を１組配置し、第３の細線１６を第１の細線２３と第２の細線２４とに交差させた構成である。

このように、本発明の実施の形態の熱交換器は、伝熱管１２に第１の細線２３および第２の細線２４が接触する構成であればよく、第１の細線２３および第２の細線２４の配置が本発明の実施の形態に限定されるものではない。

また本発明の実施の形態では、第１の細線１４、第２の細線１５、および第３の細線１６をいずれも３本の細線で構成したが、１本の細線で構成してもよい。図１４は、この例で本発明の実施の形態の他の変形例の熱交換器の部分斜視図である。このように、１本の細線で構成することで、より簡便に熱交換器２６を製造することもできる。

また図１５は、本発明の実施の形態の熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置３０は、冷媒を圧縮して高温、高圧にする圧縮機３１、高温、高圧になった冷媒を放熱する放熱器３２、低温になった冷媒の圧力を低下させる膨張機構としての膨張機３３、および低圧になった冷媒を蒸発させる蒸発器３４を冷媒回路３５で接続して構成されている。ここで放熱器３２および蒸発器３４のどちらか、または両方を本発明の実施の形態の熱交換器を用いている。このような、冷凍サイクル装置とすると、放熱器または蒸発器のどちらか、または両方が品質安定性、伝熱効率に優れたものとなるから、冷凍サイクル装置としても安定した運転を行え、サイクル効率が高くなる。

本発明にかかる熱交換器とその製造方法及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置によれば、品質安定性と量産性の向上を図ることができ、空気調和装置等に有用である。

本発明の実施の形態の熱交換器の斜視図 図１のＣ部を拡大した斜視図 図１のＤ−Ｄ線断面図 同実施の形態の熱交換器の伝熱管の長手方向を鉛直に配置したときの結露水の流下状態を示す図 同実施の形態の熱交換器の製造フロー図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の熱交換器の製造工程図 同実施の形態の変形例の熱交換器の部分斜視図 同実施の形態の他の変形例の熱交換器の部分斜視図 同実施の形態の熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の構成図 従来の熱交換器の概略図 従来の細管熱交換器の概略図

符号の説明

１ 平面
２ 長手方向
３ 垂直方向
４ 上側
５ 下側
１０，２２，２６ 熱交換器
１１ 第１のヘッダー
１２，４０，４４ 伝熱管
１３ 第２のヘッダー
１４，２３ 第１の細線
１５，２４ 第２の細線
１６ 第３の細線
１７ 網目状フィン
１８ 畳織細線
１９ 歯車
２０ 伝熱管挿入口
２１ 圧接体
２５ 結露水
２７ 伝熱管群
３０ 冷凍サイクル装置
３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 膨張機
３４ 蒸発器
３５ 冷媒回路
４１ 供給ヘッダー
４２ 排出ヘッダー
４３ 流通抵抗体
４５，４５ａ，４５ｂ 細線

Claims (10)

1. 長手方向に冷媒が流れ、同一平面上に前記長手方向が平行に配列された複数の伝熱管から構成された伝熱管群と、
   前記伝熱管群の上側に、前記伝熱管に接触して配置され、前記長手方向の垂直方向に伸びている第１の細線と、
   前記伝熱管群の下側に、前記伝熱管に接触して配置され、前記長手方向の垂直方向に伸びている第２の細線と、
   前記伝熱管の長手方向に沿って、隣り合った２つの前記伝熱管の間に配置され、前記第１の細線および前記第２の細線と交差している第３の細線と
   を有する熱交換器。
2. 前記複数の伝熱管のそれぞれの一端が接続された前記冷媒を分配させる第１のヘッダーと、前記複数の伝熱管のそれぞれの他端が接続された前記冷媒を集合させる第２のヘッダーとを有する請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１の細線および前記第２の細線は、複数の細線を配置して構成される請求項１または請求項２記載の熱交換器。
4. 前記第３の細線は、複数の細線を配置して構成される請求項１から請求項３のいずれか一項記載の熱交換器。
5. 前記複数の伝熱管、前記第１の細線、前記第２の細線、および前記第３の細線は、親水性を有するように施された請求項１から請求項４のいずれか一項記載の熱交換器。
6. 前記第１の細線、前記第２の細線、および前記第３の細線は、光触媒が塗布された請求項１から請求項５のいずれか一項記載の熱交換器。
7. 前記冷媒として二酸化炭素を用いる請求項１から請求項６のいずれか一項記載の熱交換器。
8. 直交する細線を交差させて編み込む工程と、
   前記細線のうちの一方向の細線を谷部または山部とする波状に加工する工程と、
   前記谷部の細線と前記山部の細線との間に冷媒が流れる伝熱管を貫通させる工程と、
   前記伝熱管の一端を、前記冷媒を分配させる第１のヘッダーに、前記伝熱管の他端を、前記冷媒を集合させる第２のヘッダーに挿入させる工程と、
   前記伝熱管と前記谷部の細線および前記山部の細線とを圧接させる工程と、
   前記伝熱管と前記谷部の細線、前記山部の細線、前記第１のヘッダー、および前記第２のヘッダーとを接合する工程と、
   を有する熱交換器の製造方法。
9. 前記接合する工程は、ロウ付けを行う請求項８記載の熱交換器の製造方法。
10. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱交換器と、
    前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記冷媒を膨張させる膨張機構と
    を備えた冷凍サイクル装置。
    

Images