JP2009103393A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を用いた冷却装置に使用される、低コストでかつ、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管２は、一本の管体を曲げ加工により直管部と該直管部の両端に位置した曲管部が連続する蛇行状に形成され、前記曲管部は、それぞれの端部において同じ方向であって、かつ相対する端部に対しては逆方向となるように傾斜して曲げられており、さらに平板状フィン３に設けた貫通孔３Ａは、前記曲管部が貫通する長穴状に形成され、かつ平板状フィン３の縁を基線に前記曲管部の傾斜と同角度となるように傾斜して上下または左右の列状態となるように設けられており、熱交換器１の冷媒流動部分を、継ぎ目が無く、フィン縁方向に対して斜めに一定のピッチで２列にまたがって配列されている伝熱管２で構成することで、熱交換器１は低コストでかつ、冷媒漏れに対する信頼性が高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに使用される熱交換器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、自動販売機や冷蔵庫等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Ｒ−４０７Ｃが採用され、ＣＦＣ−１２冷媒を用いていた冷蔵庫においては、その代替冷媒としてＨＦＣ１３４ａが採用されている。

一方、これらＲ−４０７Ｃ等の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、地球温暖化対策については不十分な冷媒であり、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）冷媒が使用されている。

ＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒は可燃性冷媒であり、漏洩時の爆発事故防止等の点から、冷凍空調機器に用いられる場合は、熱交換器の溶接部の低減、封入冷媒量の低減が重視されるようになってきた。また、地球資源の有効活用、消費電力抑制の観点から、冷凍空調機器に用いられる熱交換器の効率化が求められている。

上記の溶接部の低減、封入冷媒量の低減及び省エネを考慮した熱交換器の一つに、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブを用いた熱交換器が知られている（特許文献１、２参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の斜視図である。

図６に示すように、熱交換器５１は、内部を冷媒が流動する伝熱管５２と、互いに間隔を取りながら重ねられ、伝熱管５２が挿入されて固定される平板状フィン５３とから構成され、伝熱管５２は、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブである。

そして、伝熱管２内を流動する冷媒と平板状フィン５３の隙間を流れる空気が伝熱管２および平板状フィン３を介して熱交換するものである。この伝熱管２を、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブにすることで、溶接部を大幅に低減することができる。

図７は、特許文献２に記載された従来の熱交換器の正面図である。

図７に示すように、熱交換器６１は、ヘアーピン６２とリターンベンド６３を溶接することにより冷媒経路を構成したもので、ヘアーピン６２には平板状フィン６４が密着している。

図７に示す熱交換器６１は、図６に示す熱交換器５１に比べると溶接部が多くなるため、可燃性冷媒に使用される例は少なく、多くはＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒等に使用される。
特許第２５５５４５３号公報 特許第３１９８１６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の熱交換器５１は、伝熱管５２が一本の連続したパイプを平面状に蛇行曲げ加工し、さらにひねり加工することで、複数列の配管を形成している。そのため、ひねり加工を施しても、パイプが変形、座屈などしないように、パイプの肉厚を厚くする必要があった。

したがって、熱交換器５１の全長寸法が短いほど、すなわち、パイプのＵ字曲げ同士の間隔が短いほど、ひねり加工の際に発生するトルク（応力疲労）が大きくなり、パイプが変形、座屈等し易い傾向がある。そのため、熱交換器５１の全長が長い場合は、肉厚の薄いパイプを使用することができるが、熱交換器５１の全長が短い場合は、肉厚の薄いパイプを使用することができず、材料投入量の増加につながり、コストダウンが図れないという課題を有していた。

また、特許文献２に記載の構成は、接続のための溶接部分が多く、組立て作業性が悪く、また溶接が不十分であることに起因して、冷媒漏れが発生するリスクが高いものである。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、伝熱管として肉厚の薄いパイプを使用でき、しかもロー付け等による接続手段を用いることなく一本の冷媒流路が形成できる熱交換器を提供することを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部を冷媒が流れる伝熱管を、一本の管体を曲げ加工により直管部と該直管部の両端に位置した曲管部が連続する蛇行状に形成し、前記曲管部を、それぞれの端部において同じ方向であって、かつ相対する端部に対しては逆方向となるように傾斜した曲げ状態とし、さらに前記フィンに設けた貫通孔を、前記曲管部が貫通する長穴形状で、かつ前記フィンの縁を基線に前記曲管部の傾斜と同角度となるように傾斜して上下または左右の列状態となるように設け、前記曲管部を前記貫通孔に貫通させることにより、前記伝熱管とフィンを一体化固定したものである。

これによって、継ぎ目の無い伝熱管路が形成でき、しかも蛇行に起因して左（右）側から右（左）側または、上（下）側から下（上）側に流れる二列仕様の熱交換器ではあるが、曲管部については単なる曲げ加工であるため、ひねり加工に伴う伝熱管の厚肉化が抑制でき、その結果、熱交換器における冷媒流路の全長の長短にかかわらず、肉厚の薄いパイプを伝熱管として採用することができ、材料投入量の削減にもつながり、コストダウンを図ることができる。

本発明は、伝熱管として肉厚の薄いパイプの採用が可能となり、しかもロー付け等による接続手段を用いることなく一本の冷媒流路が形成できるため、低コストで、かつ冷媒漏洩リスクが極めて少ない高い信頼性が期待できる熱交換器を得るものである。

請求項１に記載の発明は、内部を冷媒が流れる伝熱管と、互いに間隔を取りながら重ねられ前記伝熱管が貫通する貫通孔を有する平板状のフィンを具備した熱交換器であって、前記伝熱管は、一本の管体を曲げ加工により直管部と該直管部の両端に位置した曲管部が連続する蛇行状に形成され、前記曲管部は、それぞれの端部において同じ方向であって、かつ相対する端部に対しては逆方向となるように傾斜して曲げられており、さらに前記フィンに設けた貫通孔は、前記曲管部が貫通する長穴状に形成され、かつ前記フィンの縁を基線に前記曲管部の傾斜と同角度となるように傾斜して上下または左右の列状態となるように設けられているものである。

かかる構成とすることにより、前記伝熱管を、継ぎ目が無く、フィン縁方向に対して斜めに一定のピッチで２列にまたがって配列された構成とするもので、前記伝熱管の曲げ加工においては、ひねり加工することなく伝熱管を構成することができる。

そのため、ひねり加工による伝熱管の変形、座屈等を想定して伝熱管の肉厚を厚くする必要がなく、熱交換器の全長の長短にかかわらず、肉厚の薄い伝熱管を使用することができ、材料投入量の削減につながり、低コストでかつ信頼性の高い熱交換器を提供することができる。また、伝熱管にひねり加工による加工硬化部分がないため、液圧拡管でパイプを拡管する際に、十分拡管され、平板状フィンとの密着が良化され、熱交換能力の高い熱交換器を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記蛇行状に曲げ加工された伝熱管を複数設け、さらに前記フィンを、列状態にある貫通孔を複数列設けた構成とし、前記伝熱管がそれぞれの列状態にある貫通孔を貫通した状態において隣り合う伝熱管の端部開口を接続して一つの流路を形成する継ぎ手配管を設けたものである。

かかることにより、４列、６列等の大きいサイズの熱交換器においても、ひねり加工することなく伝熱管を構成することができる。また、隣合う列を形成するそれぞれの伝熱管同士は、継ぎ手配管等で接続する仕様であり、接続部分は各伝熱管の端部のみであるから、ヘアーピンとリターンベンド（継ぎ手配管）を使用する熱交換器比べると、接続部分は少ない。そのため、組立て工数も少なくでき、生産において歩留まりの良い熱交換器を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記蛇行状に曲げ加工された伝熱管を複数設け、さらに前記フィンを、列状態にある貫通孔を複数列設けた構成とし、前記伝熱管がそれぞれの列状態にある貫通孔を貫通した状態において隣り合う伝熱管の端部開口を接続して複数の並列流路を形成する分岐配管を設けたものである。

かかる構成とすることにより、冷媒経路部を複数経路とし、これにより、伝熱管内を冷媒が流動する際の圧力損失の低減、液冷媒側における熱交換能力の向上を可能とし、さらに、熱交換効率を向上し、冷媒の封入量を低減することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において前記平板状フィンの表面をコルゲート形状としたもので、かかることにより、境界層乱流効果を促進し、熱交換器の高性能化を図ることができる。また、平板状フィンの表面をコルゲート形状にすることで、曲げ応力に対する強度が増し、その結果、熱交換器の製作過程で伝熱管を平板状フィンに挿入する際の、平板状フィンの変形を小さくすることができる。そのため、製作する際に使用する冶工具の簡素化が図れ、製造コストの低減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における熱交換器の斜視図である。

図２は、同実施の形態における熱交換器の伝熱管の斜視図である。

図３は、同実施の形態における熱交換器の平板状フィンの正面図である。

図１において、熱交換器１は、内部を冷媒が流動する伝熱管２と、互いに間隔を取りながら重ねられ、伝熱管２を挿入されて固定される平板状フィン３とから構成され、伝熱管２は継ぎ目が無く、フィン縁に対して斜めに一定のピッチで２列にまたがって配列されている。伝熱管２内を流動する冷媒と伝熱管２及び平板状フィン３の平面を流動する空気とが、伝熱管２および平板状フィン３を介して熱交換される。

なお、必要時応じて、積層された平板状フィン３の層両端に、鋼板等からなる端板（図示せず）を設けた構成とすることもできる。

以上のように構成された熱交換器１において、以下その組立てについて説明する。

まず、真っ直ぐな状態のパイプを、水平面Ｗを基調に俯角方向へα°傾斜した状態で１８０°の曲げ加工を行い、その曲げ部をＵ字形状とする。そして一定距離送った後に、パイプ自体を再び俯角方向へα°傾斜した状態で同方向にＵ字形状に曲げる。

以上の作業を複数回繰り返すことで、図２に示すように、継ぎ目が無く、直管部２Ａと曲管部２Ｂが連続する蛇行状であって、フィン縁に対して斜めに一定のピッチで２列にまたがって配列する伝熱管２を形成することができる。しかも、その曲げ加工には、ひねり加工が伴わないため、曲げ部の応力疲労は極めて軽いものとなる。

従来は、水平面Ｗ上に１８０°の曲げ加工を行い、その後、曲げ部を例えば俯角方向へα°ひねり加工を行い、図２に示すような蛇行形状の伝熱管を製作していた。したがって、ひねりが加わった部位では、応力疲労が残っているため、パイプの肉厚を厚くする等の必要性が伴うものであった。

また、平板状フィン３は、その表面がコルゲート形状に加工され、伝熱管２の曲げ加工と略同じ俯角方向にα°傾斜した長孔状の貫通孔３Ａが設けられている。

その伝熱管２を、平板状フィン３の貫通孔３Ａに挿入し、その後、水、あるいは油等の液体を使用した液圧拡管方法により伝熱管２を膨張させ、平板状フィン３を密着固定させる。この拡管工程は、場合によっては省略され、伝熱管２を平板状フィン３に挿入するだけで形状を保持する場合もある。

このような構成にすることで、伝熱管２はひねり加工が無い状態にすることができる。

従来の熱交換器では、一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工した平面状のサーペンタインチューブを、所定の位置でひねり加工することによって伝熱管を構成するため、ひねり加工される伝熱管２のストレート部分の長さが短い場合、ひねり加工に耐え得るように所定の肉厚を確保する必要があった。

本実施の形態１においては、熱交換器１の伝熱管２は、ひねり加工が伴わないため、伝熱管２の直管部２Ａの長さに関わらず、肉厚を薄くすることができ、材料費の削減を図ることができる。

また、従来の熱交換器では、一本の連続したパイプを平面上で蛇行曲げ加工した平面状のサーペンタインチューブを、所定の位置でひねり加工することにより伝熱管を構成していた。そのため、ひねり部に応力疲労が残り、部分的に材質が硬化し、液圧拡管方法により伝熱管を膨張させた場合、応力疲労部分が十分拡管できず、その結果、平板状フィンとの密着力が低下し、熱交換能力が低下する恐れがあった。

本実施の形態１においては、熱交換器１の伝熱管２には、ひねり加工部分が無いため、液圧拡管方法により伝熱管２の全体を膨張させ、平板状フィン３を十分密着固定させることができ、熱交換能力を確保することができる。

また、従来の熱交換器では、一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工した平面状のサーペンタインチューブを所定の位置でひねり加工することにより伝熱管を構成するため、２列仕様の熱交換器の場合、伝熱管の入口と出口の位置が接近し、相手側冷媒配管との接続に関する設計が困難であるが、本実施の形態１における熱交換器１では、入口と出口が両極（上下）に配置されるため、相手側配管との接続に関する設計が比較的容易ある。

また、従来の熱交換器では、一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工した平面状のサーペンタインチューブを所定の位置でひねり加工することにより伝熱管を構成するため、２列仕様の熱交換器の場合、冷媒が熱交換器内を上昇した後下降、又は、下降した後上昇することになり、伝熱管内の圧力損失が高くなって熱交換能力が低下する恐れがあるが、本実施の形態１の熱交換器１は、冷媒の流れが一方向であるため、伝熱管２内の圧力損失は比較的低く、管内圧力損失による熱交換能力の低下を防止することができる。

さらに、本実施の形態１においては、熱交換器１の平板状フィン３の表面を、図３に示すようなコルゲート形状にすることで、境界層前縁効果により、熱交換能力の高い熱交換器を提供することができる。

また、平板状フィン３の表面が平坦な状態の場合、熱交換器の製作過程で伝熱管２を平板状フィン３に挿入する際、耐変形強度が弱いことに起因して平板状フィン３が伝熱管２を挿入する方向に引っ張られて大きく変形し、製作工程にロスが生じる。

そのため、伝熱管２を挿入する際に平板状フィン３を固定するための治工具が必要となり、また、平板状フィン３同士の間隔が不均一になる等の問題が生じるが、平板状フィン３の表面をコルゲート形状にすることで、耐変形強度が増し、伝熱管２を挿入する際の平板状フィン３の変形を、表面が平坦な状態の場合に比べて小さくでき、比較的製作ロスが少なく、品質の良い熱交換器１を提供することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図である。ここで、実施の形態１と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。

図４において、熱交換器１１は、実施の形態１で説明した伝熱管２を複数備えた構成であり、したがって、平板状フィン３も、実施の形態１で説明した貫通孔３Ａを列（横）方向に複数列形成し、伝熱管２との組込みが可能に形成されている。

また、本実施の形態２においては、複数の伝熱管２を直列に接続して一本の冷媒回路を形成する如く、一方の伝熱管２の終端と他方の伝熱管２の始端を接続するＵ字状の継ぎ手配管４を設けている。

以上のように構成された熱交換器１は、実施の形態１における伝熱管２を複数、継ぎ手配管４で接続することにより、図４に示す４列の他に、６列、８列といった所望の列数の熱交換器１を提供することができる。

また、それぞれの伝熱管２同士を継ぎ手配管４で接続する仕様であるため、接続部分を最少とすることができる。

したがって、先の実施の形態１と同様にひねり加工による伝熱管２の変形、座屈等を想定して伝熱管２の肉厚を厚くする必要がなく、熱交換器１における冷媒回路の全長の長短にかかわらず、肉厚の薄い伝熱管２を使用することができ、材料投入量削減につながり、低コストでかつ信頼性の高い熱交換器１を提供することができる。

また、伝熱管２にひねり加工による加工硬化部分がないため、液圧拡管方法で伝熱管２を拡管する際に、十分拡管され、平板状フィン３との密着が良化され、熱交換能力の高い熱交換器１を提供することができる。

伝熱管２と継ぎ手配管４の接続手段は、溶接やロー付けが一般的であるが、双方の材質等により最適な手段を選択すればよく、冷媒漏れに対する信頼性を確保できる方法であれば手段は問わない。

このような構成にすることで、従来の熱交換器のように一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、同一の大きさの熱交換器１で比較した場合、パイプ単品当たりの全長を短くすることができる。これにより、蛇行曲げ加工する前の真っ直ぐな状態のパイプを保管するスペースの低減を図ることができる。

また、従来に比べて大型で、かつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると、溶接箇所数を大幅に低減することができ、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器１を提供することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における熱交換器の斜視図である。本実施の形態３においても、先の実施の形態１、２と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。

図５において、熱交換器１は、実施の形態１で説明した伝熱管２を３本用いて３経路の冷媒経路を形成している。

また、各伝熱管２における始端を分岐接続する始端側分岐配管（分流器）５と、各伝熱管２における終端を分岐接続する終端側分岐配管（分流器）６を具備し、並列した３経路が形成されている。

したがって、平板状フィン３は、貫通孔３Ａが３列形成された構成となっている。

また、熱交換器１の組立て内容は、実施の形態１で説明したように、伝熱管２を平板状フィン３の貫通孔３Ａへ挿入する作業を３回行う要領であることは容易に理解でき得るところである。

以上のように構成された熱交換器１は、冷媒経路を並列の３経路とするもので、伝熱管２一本当たりに流れる冷媒の量を低減し、効率的な熱交換の促進、液冷媒の偏流の防止、管内圧力損失の低減が可能となり、その結果、熱交換効率が向上し、冷媒充填量を削減することができ、冷媒に可燃性冷媒を用いた場合の冷媒漏れによる発火の危険性を減少することができる。

冷媒経路を複数経路で構成する手段としては、図５に示すような始端側分岐配管（分流器）５と終端側分岐配管（分流器）６を用いて伝熱管２の端部同士を接続するのが一般的であるが、冷媒をそれぞれの経路に均等に分流できれば手段は問わない。

冷媒分流の均一性、製造工程におけるロス及び部品兼用の効率化等を考えると、伝熱管２を、各列、又は各段毎に継目無しになるように構成し、それぞれの伝熱管２の端部同士を始端側分岐配管（分流器）５と終端側分岐配管（分流器）６で接続するような仕様が望ましい。

本発明にかかる熱交換器は、低コストで、かつ信頼性が高いので、冷蔵庫、自動販売機、食品機器、産業機器等の冷却装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図 同実施の形態における熱交換器の伝熱管の斜視図 同実施の形態における熱交換器の平板状フィンの正面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態３における熱交換器の斜視図 従来例を示す熱交換器の斜視図 異なる従来例を示す熱交換器の正面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 伝熱管
２Ａ 直管部
２Ｂ 曲管部
３ 平板状フィン
３Ａ 貫通孔
４ 継ぎ手配管
５ 始端側分岐配管
６ 終端側分岐配管

Claims (4)

1. 内部を冷媒が流れる伝熱管と、互いに間隔を取りながら重ねられ前記伝熱管が貫通する貫通孔を有する平板状のフィンを具備した熱交換器であって、前記伝熱管は、一本の管体を曲げ加工により直管部と該直管部の両端に位置した曲管部が連続する蛇行状に形成され、前記曲管部は、それぞれの端部において同じ方向であって、かつ相対する端部に対しては逆方向となるように傾斜して曲げられており、さらに前記フィンに設けた貫通孔は、前記曲管部が貫通する長穴状に形成され、かつ前記フィンの縁を基線に前記曲管部の傾斜と同角度となるように傾斜して上下または左右の列状態となるように設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記蛇行状に曲げ加工された伝熱管を複数設け、さらに前記フィンを、列状態にある貫通孔を複数列設けた構成とし、前記伝熱管がそれぞれの列状態にある貫通孔を貫通した状態において隣り合う伝熱管の端部開口を接続して一つの流路を形成する継ぎ手配管を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記蛇行状に曲げ加工された伝熱管を複数設け、さらに前記フィンを、列状態にある貫通孔を複数列設けた構成とし、前記伝熱管がそれぞれの列状態にある貫通孔を貫通した状態において隣り合う伝熱管の端部開口を接続して複数の並列流路を形成する分岐配管を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記平板状フィンの表面をコルゲート形状としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。