JP2009186090A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィンチューブ形の熱交換器において、伝熱管の内面形状を潰すことなく伝熱管とフィンとを強固に固着することによって、伝熱性能に優れた熱交換器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】内部に流体が通流される伝熱管１と、この伝熱管を挿通するカラー部２２が形成され該カラー部の高さ方向に所定間隔で積層された複数のフィン２を備えた熱交換器において、上記カラー部が上記伝熱管の外周面１ａに対して縮径され上記伝熱管に固着されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明はフィンチューブ形の熱交換器及びその製造方法に関する。

フィンチューブ形の熱交換器における冷媒と伝熱管との間の熱伝達率向上には、伝熱管内の沸騰熱伝達、凝縮熱伝達及び滞留熱伝達の促進が有効であるため、伝熱管内面の表面積の増加と冷媒の攪拌効果の増大を目的として、伝熱管内面に溝状の凹凸を施した内面溝付管が多用されている。しかしながら、伝熱管外周面とフィンのカラー部内周面との固着には、カラー部に挿通した伝熱管を内側から押し拡げる手段が採用されているため、拡管の際に伝熱管内面を通過する拡管治具と伝熱管内面との接触により伝熱管内面の溝形状が押し潰され、熱伝達効率が低下する不具合が発生する。そこで、このような不具合を解消するために、例えば、伝熱管内部に流体を封入し、流体を加圧することにより伝熱管を押し拡げる液圧拡管方式あるいは気圧拡管方式が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、伝熱管内面に幅の広い凸部（犠牲溝）とこの凸部より幅の狭い内部フィン（内面溝）を設け、あるいは円筒管を介して拡管する方法等が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開平６−１１４５４３号公報（第１頁、図１） 特開平８−１２８７９３号公報（第３項、図１〜図３）

しかしながら、上記特許文献１のような従来技術では、伝熱管とフィン（プレートフィン）の密着力が弱く伝熱管外面とフィンとの接触熱伝達率を十分に確保することが難しいという課題があった。また、液圧による拡管方法では拡管液の排出および伝熱管内面の乾燥に多大の時間や手間を要するという問題もあった。また、特許文献２のような従来技術では、伝熱管内面の幅の広い凸部に管を押し拡げようとする力が集中するため、拡管後の伝熱管断面が略多角形状に成形され、伝熱管外面とフィンとの接触熱伝達率を低下させる問題があるほか、円筒管を介した拡管では伝熱管内面溝を深くすると拡管のための円筒管も細くせざるを得ず、それに伴って拡管治具を伝熱管に押し込むためのロッドも細くなるため、ロッドが拡管治具挿入力に耐えられず座屈する恐れがあり、結果的に伝熱管内面溝形状の最適化が拡管のための円筒管によって制約されるという課題があった。

この発明は、上記のような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、フィンチューブ形の熱交換器において、伝熱管の内部構造を傷つけることなく伝熱管とフィンとの密着を確実にし、更に伝熱管とフィンとの密着度合いを向上することにより、熱交換性能に優れた熱交換器及びその製造方法を提供することを目的としている。

この発明に係る熱交換器は、内部に流体が通流される伝熱管と、この伝熱管を挿通するカラー部が突設され該カラー部の高さ方向に所定間隔で積層された複数のフィンを備えた熱交換器において、上記カラー部が上記伝熱管の外周面に対して縮径され上記伝熱管に固着されていることを特徴とするものである。
また、この発明に係る熱交換器の製造方法は、伝熱管が挿通されたフィンのカラー部を縮径させることにより、上記フィンと上記伝熱管を固定する縮径工程を含むことを特徴とするものである。

この発明の熱交換器においては、フィンのカラー部を縮径することによってフィンが伝熱管に密着されているため、伝熱管とフィンとの密着力が高く熱伝達効率が高いという効果が得られる。また、製造工程で拡管治具を用いていないので、伝熱管の内面に例えば高性能熱伝達形状の凹凸が設けられた場合であっても、該凹凸に変形や傷がない健全な状態が保たれる。
また、この発明の熱交換器の製造方法においては、伝熱管が挿通されたフィンのカラー部を縮径させることによりフィンと伝熱管を固定するようにしたので、拡管治具や拡管液等を用いる必要がない。しかも伝熱管の内面の凹凸を変形させたり汚染することなく伝熱管とフィンを密着させることができるので、伝熱管の内面形状の設計自由度が高く、冷媒と伝熱管内面との間の熱伝達効率の高い熱交換器が得られる効果がある。

実施の形態１．
図１及び図２は、本発明の実施の形態１によるフィンチューブ形の熱交換器を説明する図であり、図１は伝熱管とフィンのカラー部との固定部分を拡大して示す要部断面図、図２はフィンに複数立設されたカラー部の例を模式的に示す概略斜視図である。図において、熱交換器１０は、内部に例えば冷凍サイクルの冷媒などの流体が通流される伝熱管１と、伝熱管１の外周面１ａに密着固定された複数のフィン２を備えている。フィン２は図２に示すように板状のプレート部２１と、プレート部２１に列状に所定間隔で突設された概略円筒状の複数のカラー部２２から構成されている。カラー部２２は何れもプレート部２１の一方の側（図１の左側、図２の上方側）に突出形成されており、中心の孔Ｈは伝熱管１を挿通し得る大きさに形成されている。

そして、カラー部２２は、伝熱管１の外周面１ａに縮径によって密着される固定部２２１、この固定部２２１と基部であるプレート部２１との間に、この例ではＲ状に湾曲形成された第１の当接部２２２、及びカラー部２２の突出端部側に、上記基部側に折り返す如く同様にＲ状に湾曲形成された第２の当接部２２３を有している。なお、固定部２２１は縮径前は孔Ｈの中心方向に若干凸Ｒ状に湾曲形成されている。そして、隣接するフィン２相互は、突出端部側（図１の左側）のフィン２の第１の当接部２２２の外周面２２２ａに対して第２の当接部２２３の外周面２２３ａが点Ａ１付近で円接し、基部のプレート部２１側（図１の右側）のフィン２の第２の当接部２２３の外周面２２３ａに対して第１の当接部２２２の外周面２２２ａが点Ａ２付近で周接するように形成されている。

なお、カラー部２２は適宜の手段で縮径され、伝熱管１の外周面１ａに固定される。例えば、下記実施の形態２で詳述するように、フィン２の積層体におけるカラー部２２の積層方向両端部から、カラー部２２の高さ方向（図１の左右方向。なお、この例では、カラー部２２の突出方向であって、積層方向でもある）に圧縮荷重を付加する方法で容易に実施することができる。なお、フィン２のプレート部２１は、単純な平面の他、凹凸を設け、あるいは切り起こしやスリット等の穴を設けたものなどであっても差し支えない。また、伝熱管１の内周面１ｂは平滑状の例で示したが、例えば公知の各種形状の凹凸が設けられているものであっても勿論差し支えない。さらにまた、フィン２に伝熱管１を複数列設けるようにしたものでもよい。その他の構成は従来の熱交換器と同様であるので説明を省略する。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。上記構成からなる熱交換器１０においては、伝熱管１の外周面１ａにフィン２のカラー部２２が縮径によって固定されたものであるため、固定部２２１における伝熱管１の外周面１ａとフィン２との密着度合いが周方向に一様である。また、拡管治具によって固定した場合に生じる伝熱管１の内周面１ｂの傷が無い。また冷媒等の流体と伝熱管１との間の熱伝達率向上の目的で多用される、沸騰熱伝達、凝縮熱伝達、及び滞留熱伝達促進のための内周面１ａの表面積の増加、及び攪拌効果の増大を図る溝等の凹凸が設けられたものにあっては該凹凸が変形したり乱れたりすることがない健全な状態となっている。従って、例えば図示省略している空気調和装置等の熱交換器として用いたときに、冷媒との熱伝達効率が高められ、エネルギー消費効率も高められる。

上記のように、実施の形態１による熱交換器は、伝熱管１の外周面１ａに対してフィン２のカラー部２２が縮径によって密着されたものであるため、伝熱管１とフィン２との密着が均質で強度も高い。このため接触熱伝達率が高くばらつきも少なく、信頼性も確保できる。また、伝熱管１として、例えばその内周面１ｂに高性能な熱伝達を図る各種形状の溝等の凹凸が設けられたものが用いられた場合であっても、該凹凸に変形や傷の発生がなく、しかもフィン２との密着力が高く熱伝達効率に優れるため、伝熱管１の内面形状の設計自由度が高いという効果が得られる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による熱交換器の製造方法におけるカラー部の縮径工程により伝熱管とフィンを密着する方法を説明する部分断面図である。図において、縮径工程に用いる縮径装置は、互に平行に積層された複数個のフィン２に挿通された複数の伝熱管１の一端部１ｃをそれぞれ挿通する複数の貫通孔３ａが設けられた台座３と、上記複数の伝熱管１の他端部１ｄをそれぞれ挿通する複数の貫通孔４ａが設けられた押圧治具４と、押圧治具４を矢印Ａ方向に押圧する図示省略している駆動手段を備えている。その他の符号は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に、縮径方法について説明する。カラー部２２を縮径するには、まずカラー部２２が実施の形態１と同様の図１、図２に示すような所定形状に形成された所定数のフィン２を用意し、図３に示すようにカラー部２２の突出方向を揃えて、プレート部２１が互いに平行になるように所定枚数積層する。次に、積層されたフィン２の複数のカラー部２２に所定の外径で所定長の伝熱管１をそれぞれ貫通させた後、図３に示すように縮径装置の台座３と押圧治具４の間にセットする。そして、図示省略している駆動手段によって押圧治具４を矢印Ａで示すカラー部２２の高さ方向に押圧することで、カラー部２２の高さ方向を圧縮変形させる。このとき、この例では、予めカラー部２２の固定部２２１が孔Ｈ（図２）の中心部側に弱凸にＲ成形されているので、カラー部２２の高さ方向の圧縮に伴ってカラー部２２における固定部２２１の内径が縮径し、伝熱管１の外周面１ａに密接させることができる。

図４はこの実施の形態２において、カラー部２２の高さ方向の圧縮量に対するカラー部２２の高さ方向中央部に形成された固定部２２１の内径の変化率の関係について測定された特性図であり、横軸に圧縮量、縦軸に内径の変化率をとっている。なお、圧縮量は縮径加工前のフィンピッチに対する圧縮量を百分率で示し、内径の変化率は元のカラー内径（カラー部２２の内径）に対する縮径加工後のカラー内径を百分率で示している。図４から、この実施の形態２の例では、カラー部２２の高さを約２４〜３６％程度圧縮するとカラー部２２の固定部２２１の内面が伝熱管１の外周面と十分に密接され、品質的にも問題のないことが確認された。

上記のように、実施の形態２の熱交換器の製造方法は、伝熱管１が挿通されたフィン２のカラー部２２を縮径させることにより、フィン２と伝熱管１を固定する縮径工程を含むように構成したもので、該構成により、予め伝熱管１の内周面１ａに加工した高性能熱伝達形状の凹凸を変形させることなく伝熱管１とフィン２とを密着させることができる。このため、伝熱管１の内面形状の設計自由度が高く、冷媒と伝熱管内面との間の熱伝達効率の高い熱交換器が得られる効果がある。また、拡管手段を用いる方法と異なり、伝熱管１内に異物が挿入されることがないため、熱交換器１０の伝熱管内面側を汚染することなく加工できる。さらに、積層した複数個のフィンをカラー部の高さ方向に圧縮荷重を付加するという簡単な方法によってカラー部を縮径するので、製造性に優れた熱交換器の製造方法が得られる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による熱交換器の製造方法におけるカラー部の縮径前の状態を示す要部断面図である。図において、銅管などのチューブ材からなる伝熱管１の外周面には、予めコーティングされた所定の厚さの樹脂層５が設けられている。なお、その他の構成は実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
この実施の形態３では、上記のように予め外周面に樹脂層５が設けられた伝熱管１を用いることにより、実施の形態２と同様にカラー部２２を縮径する際に、カラー部２２と伝熱管１外面との間の密着度合いを、樹脂層５が存在しない場合よりも高めることができる。従って、得られる熱交換器のフィン２と伝熱管１の固着が強固となるほか、フィン２と伝熱管１の間の熱伝達効率が一層向上され、熱交換効率に優れた熱交換器が得られるという効果がある。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による熱交換器のカラー部と樹脂層を設けた伝熱管とが密着した状態を示す要部断面図である。この実施の形態４は、上記実施の形態３と同様の樹脂層５Ａを構成する樹脂材料として、所定の温度あるいは所定の荷重により軟化あるいは流動性を生じる性質を有するものを用いるようにしたものである。上記樹脂材料としては、軟化温度が熱交換器の最高動作温度よりも高く、フィン２の耐熱温度以下で、使用環境に耐えるものであれば特別な制限なく用いることができる。例えば、ポリエチレン樹脂などは好ましく用いることができる。

製造方法としては、先ず、上記実施の形態３の図５のように積層されたフィン２のカラー部２２に所定の温度あるいは所定の荷重により軟化あるいは流動性を生じる樹脂材料からなる樹脂層５Ａが外周面に施された伝熱管１を挿通させ、図３と同様の縮径装置にセットした後、カラー部２２を縮径させてカラー部２２を樹脂層５Ａ外周面に密接、固定する。次に、樹脂層５Ａ近傍の温度を樹脂材料の熱変形温度以上耐熱温度以下に加熱することにより、樹脂皮膜の流動を促し、カラー部と伝熱管１との間の隙間Ｖを樹脂の流動によって埋める。具体的には、樹脂材料としてポリエチレン樹脂を用い、樹脂層５Ａ近傍の温度を１１０±１０℃で約５分間保持することにより、ポリエチレン樹脂皮膜の流動を促して隙間Ｖをポリエチレン樹脂によって埋めた図３に示す熱交換器を得ることができた。

上記のように実施の形態４によれば、熱または荷重により軟化し、あるいは流動性を生じ得る樹脂材料を用いて、樹脂の柔軟性を高めることにより、伝熱管１とフィン２との間の空隙部に樹脂を流動させカラー部２２と伝熱管１との間の隙間Ｖを少なくすることにより、密着度合いが向上され、フィン２と伝熱管１の間の熱伝達効率が向上した熱交換器が得られる効果がある。なお、加熱工程は、カラー部２２の縮径後に実施する方法に限定されるものでは無く、縮径工程における密接成形中に行うようにしても良い。
なお、上記樹脂層５Ａに用いる樹脂材料としては、例示したポリエチレン樹脂に限定されるものではなく、例えばポリプロピレン、塩化ビニル樹脂などの熱可塑性樹脂等を用いても差し支えない。また、加熱温度、加熱時間は用いる樹脂材料に応じて適宜変更すればよい。

実施の形態５．
図７は本発明の実施の形態５による熱交換器の要部を模式的に示す断面図である。この実施の形態５は、伝熱管１Ａとして、軸方向に垂直な断面の形状が扁平であるいわゆる扁平管を用い、また、フィン２Ａとして、プレート部２１にルーバ２１１などの加工が施されたものを用いた場合である。なお、その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
上記のように構成された実施の形態５においては、伝熱管１Ａを通流する冷媒などの流体と伝熱管との流路断面積当りの接触面積が拡大され、また、フィン２Ａと、冷却風などの流体との接触面積が拡大されることで熱交換効率が向上される。なお、伝熱管１Ａの断面形状は円管や扁平管に限らず、楕円や角管や多孔管などであっても良い。また、組み合わせるフィン２Ａとしては、フラットフィン、ルーバ２１１以外の例えばスリット等の加工が施されたものなどであっても良い。

実施の形態６．
図８は本発明の実施の形態６に係る熱交換器におけるカラー部の形状を示す要部断面図である。この実施の形態６は、カラー部２２Ａの固定部２２１Ａを、図示省略している伝熱管が挿通される内周面側に弱凸に成形しておくのみならず、さらに中心部方向に滑らかに湾曲された小突起状に形成したものである。
上記のように構成された実施の形態６においては、実施の形態２と同様の縮径装置を用いて、カラー部２２Ａに対して高さ方向の圧縮荷重を付加すると、小突起状の固定部２２１Ａを起点にカラー部２２Ａが中心部方向へ屈曲することにより、図示省略している伝熱管外周面と密接、固定されるので、縮径が一層容易となる。

なお、上記実施の形態ではカラー部２２がプレート部２１の一方の側に突設されている場合について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、プレート部２１に対してカラー部２２が例えば交互に両側に突設されたものなどであっても差し支えない。また、カラー部２２、２２Ａの形状や縮径装置の構成、樹脂層５に用いる樹脂材料の種類など、何れも実施の形態に例示したものに限定されないことは勿論である。

本発明の実施の形態１によるフィンチューブ形の熱交換器における伝熱管とカラー部との固定部分を拡大して示す要部断面図。 フィンに複数立設されたカラー部の例を模式的に示す概略斜視図。 本発明の実施の形態２による熱交換器の製造方法におけるカラー部の縮径工程により伝熱管とフィンを密着する方法を説明する部分断面図。 実施の形態２において、カラー部２２の高さ方向の圧縮量に対するカラー部２２の高さ方向中央部に形成された固定部２２１の内径の変化率の関係について測定された特性図。 この発明の実施の形態３による熱交換器の製造方法におけるカラー部の縮径前の状態を示す要部断面図。 この発明の実施の形態４による熱交換器のカラー部と樹脂層を設けた伝熱管とが密着した状態を示す要部断面図。 本発明の実施の形態５による熱交換器の要部を模式的に示す断面図。 本発明の実施の形態６に係る熱交換器におけるカラー部の形状を示す要部断面図。

符号の説明

１０ 熱交換器、 １、１Ａ 伝熱管、 １ａ 外周面、 １ｂ 内周面、 １ｃ 一端部、 １ｄ 他端部、 ２、２Ａ フィン、 ２１ プレート部、 ルーバ ２１１、 ２２、２２Ａ カラー部、 ２２１、２２１Ａ 固定部、 ２２２ 第１の当接部、 ２２２ａ 外周面、 ２２３ 第２の当接部、 ２２３ａ 外周面、 ３ 台座、 ３ａ 貫通孔、 ４ 押圧治具、 ４ａ 貫通孔、 ５、５Ａ 樹脂層、 Ｖ 隙間、 Ｈ 孔。

Claims (6)

1. 内部に流体が通流される伝熱管と、この伝熱管を挿通するカラー部が突設され該カラー部の高さ方向に所定間隔で積層された複数のフィンを備えた熱交換器において、上記カラー部が上記伝熱管の外周面に対して縮径され上記伝熱管に固着されていることを特徴とする熱交換器。
2. 上記伝熱管と上記カラー部との間に樹脂層が介装されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 上記樹脂層は、熱または荷重により軟化し得るものであることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 伝熱管が挿通されたフィンのカラー部を縮径させることにより、上記フィンと上記伝熱管を固定する縮径工程を含むことを特徴とする熱交換器の製造方法。
5. 上記カラー部は上記フィンのプレート部に対して突出形成されてなり、上記縮径工程は、上記カラー部の突出端部をその高さ方向に圧縮荷重を付加することにより該カラー部の内径を縮径させることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器の製造方法。
6. 上記圧縮荷重は、所定数積層された上記フィンのカラー部に対して積層方向の両端部から作用させることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器の製造方法。

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