JP2011153814A

JP2011153814A - 熱交換用扁平管

Info

Publication number: JP2011153814A
Application number: JP2010218897A
Authority: JP
Inventors: Keiko Ryu; 継紅劉; Genei Kin; 鉉永金
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-08-11
Also published as: WO2011040518A1; US20120181007A1; EP2485006A4; EP2485006A1; CN102510992A

Abstract

【課題】目標耐圧強度を確保できるとともに薄型化を達成した熱交換用扁平管を提供する。
【解決手段】第１発明の熱交換用扁平管１は、冷媒が通る円形断面の貫通孔３が一列に多数配置された熱交換用扁平管１である。
隣り合う２つの貫通孔３の間を仕切る仕切部４の厚さｔ１を貫通孔３の半径Ｒで無次元化した値をｔ１／Ｒとし、かつ、扁平管１の外周の平面から貫通孔３までの厚さである外周厚さｔ２を半径Ｒで無次元化した値をｔ２／Ｒとし、
貫通孔３の内部圧力が１０．０〜９０．０ＭＰａの場合において、
０．２８＜（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）＜０．４２
の関係が成り立つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数の貫通孔が形成された熱交換用扁平管に関する。

従来より、空調機の蒸発器などにおいて、特許文献１（特開平１０−１３２４２４号公報）に示されるような熱交換用扁平管が用いられている。このような扁平管は、アルミニウム合金等を押出成形等をすることによって一体成形され、円形断面の多数の貫通孔が一列または複数列並んで配置されている。貫通孔内部を通る冷媒と扁平管の外周を通る空気などの媒体との間で熱交換が行われる。

近年では、使用圧力がＨＦＣ冷媒よりもはるかに高圧な二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒（使用圧力１０ＭＰａ以上）が用いられるようになってきており、ＣＯ２冷媒の高圧にも耐えうる扁平管も種々提案されてきている。

しかし、ＣＯ２などの高圧冷媒に耐える扁平管を設計する場合、耐圧強度を満たすように貫通孔周囲の肉厚を厚くすることが要求され、扁平管の外周の平面から貫通孔までの厚さである外周厚さを薄くすることが難しく、その結果、扁平管全体の薄型化を達成することが困難であった。

本発明の課題は、目標耐圧強度を確保できるとともに薄型化を達成した熱交換用扁平管を提供することにある。

第１発明の熱交換用扁平管は、冷媒が通る円形断面の貫通孔が一列に多数配置された熱交換用扁平管である。

隣り合う２つの貫通孔の間を仕切る仕切部の厚さｔ１を貫通孔の半径Ｒで無次元化した値をｔ１／Ｒとし、かつ、扁平管の外周の平面から貫通孔までの厚さである外周厚さｔ２を半径Ｒで無次元化した値をｔ２／Ｒとし、貫通孔の内部圧力が１０．０〜９０．０ＭＰａの場合において、
０．２８＜（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）＜０．４２（式１）
の関係が成り立つ。

ここでは、上記関係式（式１）が成り立つことにより、熱交換用扁平管は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管の厚さを最も薄くすることが可能になる。

第２発明の熱交換用扁平管は、第１発明の熱交換用扁平管であって、貫通孔の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３０≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式２）
の関係が成り立つ。

ここでは、冷媒の種類によっては、貫通孔の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記関係式（式２）が成り立つことにより、熱交換用扁平管は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管の厚さを最も薄くすることが可能になる。

第３発明の熱交換用扁平管は、第１発明または第２発明の熱交換用扁平管であって、貫通孔の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３２≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式３）
の関係が成り立つ。

ここでは、冷媒の種類によっては、貫通孔の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記関係式（式３）が成り立つことにより、熱交換用扁平管は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管の厚さを最も薄くすることが可能になる。

また、第４発明の熱交換用扁平管は、第１発明から第３発明のいずれかの熱交換用扁平管であって、弾塑性変形可能な材料で製造されている。

ここでは、熱交換用扁平管が弾塑性変形可能な材料で製造されているので、上記関係式が成り立つ場合には、目標耐圧強度をより確実に確保でき、かつ扁平管の厚さを最も薄くすることが可能になる。

第１発明によれば、熱交換用扁平管は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管の厚さが最も薄くなり、これにより、熱交換用扁平管のコンパクト化とコストダウンを達成できる。

第２発明によれば、冷媒の種類によっては、貫通孔の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記関係式（式２）が成り立つことにより、熱交換用扁平管は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管の厚さを最も薄くすることが可能になる。

第３発明によれば、冷媒の種類によっては、貫通孔の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記関係式（式３）が成り立つことにより、熱交換用扁平管は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管の厚さを最も薄くすることが可能になる。

第４発明によれば、目標耐圧強度をより確実に確保でき、かつ扁平管の厚さが最も薄くなるので、コンパクト化とコストダウンを達成できる。

本発明の実施形態に係わる熱交換用扁平管の部分正面図。図１の熱交換用扁平管に対応する解析対象の概略図。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、貫通孔の半径が０．２ｍｍの場合のグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、貫通孔の半径が０．３ｍｍの場合のグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、貫通孔の半径が０．４ｍｍの場合のグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、貫通孔の半径が０．５ｍｍの場合のグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、貫通孔の半径が０．６ｍｍの場合のグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、貫通孔の半径を変えた場合の複数のグラフを重ねたグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。図１の熱交換用扁平管の耐圧強度の等圧線を示すグラフであって、図８のグラフを近似化したグラフ（アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いた場合）。アルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏを用いた場合の、図９に対応するグラフ。

本発明の熱交換用扁平管の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
〔実施形態〕
図１に示される熱交換用扁平管１は、その扁平管１の本体２の内部に冷媒が通る円形断面の貫通孔３が横一列に多数配置された扁平な楕円形断面を有する多穴管である。貫通孔３は、真円の円形断面である。

この熱交換用扁平管１は、アルミニウム合金などの弾塑性変形可能な材料を押出成形することにより一体成形で製造される。

この熱交換用扁平管１は、隣り合う２つの貫通孔３の間を仕切る仕切部４の厚さｔ１を貫通孔３の半径Ｒで無次元化した値をｔ１／Ｒとし、かつ、扁平管１の外周の平面５から貫通孔３までの厚さである外周厚さｔ２を半径Ｒで無次元化した値をｔ２／Ｒとし、貫通孔３の内部圧力が１０．０〜９０．０ＭＰａの場合において、
０．２８＜（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）＜０．４２（式１）
の関係が成り立つように、仕切部４の厚さｔ１、外周厚さｔ２、および貫通孔３の半径Ｒが設定されている（なお、０．３０≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）＜０．４２の関係が成り立つことが好ましい）。

このような関係式（式１）が成り立つように、ｔ１、ｔ２、Ｒを設定することにより、熱交換用扁平管１は目標とする耐圧強度（すなわち目標耐圧強度）を確保でき、かつ扁平管１の厚さが最も薄くなり、これにより、熱交換用扁平管１のコンパクト化とコストダウンを達成できる。

なお、以下の実施例１で詳細に述べるが、（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）が０．２８以下になると、扁平管１は実用に耐える最低限の耐圧強度（１０ＭＰａ）に耐えることができなくなり、また、（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）が０．４２以上になると実際の使用で想定される最大の耐圧強度（９０ＭＰａ）に耐えるのに十分な強度が得られるが、この（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）の値が大きくなるにつれて扁平管１の寸法は必要以上に大きくなりすぎてしまい、コンパクト化が難しくなる。したがって、上記関係式（式１）が成立する関係であれば、実用に耐える耐圧強度の設計が可能であるとともに、コンパクト化を達成できる。

なお、本発明は、以下の実施例で詳細に述べるように、アルミニウム材料などにおける降伏応力を大きく超えた引張強度を考慮して設計したものであり、ｔ１、ｔ２、Ｒが、（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）の値が中心値の０．３５前後、０．２８〜０．４２の範囲内になるように、設定されることを想定したものであり、この範囲から大きく外れた設定（例えば、降伏応力のみを考慮した設計）とは異なるものである。

また、ＨＦＣなどの低圧冷媒を使用する場合、扁平管１の耐圧強度が２０．０ＭＰａ以上必要であることを考慮すれば、扁平管１の貫通孔３の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３０≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式２）
の関係が成り立つことが好ましい。これにより、ＨＦＣなどの低圧冷媒を使用して貫通孔３の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記（式２）が成り立つことにより、扁平管１は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管１の厚さを最も薄くすることが可能になる。

さらに、二酸化炭素（ＣＯ２）などの高圧冷媒を使用する場合、扁平管１の耐圧強度が３０．０ＭＰａ以上必要であることを考慮すれば、扁平管１の貫通孔３の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３２≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式３）
の関係が成り立つことが好ましい。これにより、ＣＯ２などの高圧冷媒を使用して貫通孔３の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記（式３）が成り立つことにより、扁平管１は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管１の厚さを最も薄くすることが可能になる。

図３〜７には、貫通孔３の半径Ｒをそれぞれ０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍと固定し、ｔ１／Ｒとｔ２／Ｒをそれぞれ横軸と縦軸にとった場合における耐圧Ｐの等圧線を、コンピュータシミュレーションにより数値解析して求め、それを示したグラフがそれぞれ示されている。なお、図３〜図７に示すグラフの解析には、アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏを用いている。アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏの材料物性については、以下の表１に示す。

このように、アルミニウムやアルミニウム合金などの弾塑性変形可能な材料では、弾性限界である降伏応力と比較して、弾塑性変形後についには塑性破壊したときの引張強度がはるかに大きいので、弾塑性変形を考慮した耐圧設計をすれば、扁平管１の寸法をはるかにコンパクトにでき、さらなる薄型化も可能になる。この手法は、ＣＯ２などの高圧冷媒を用いた場合における耐圧設計にとくに有効である。

さらに、これら図３〜図７の等圧線を示したグラフを重ね合わせれば、図８のグラフが得られる。また、図９には、見やすくするために、図８のグラフの等圧線を１０ＭＰａ刻みで耐圧Ｐごとに１本にするために近似化したグラフが示されている。

この図８〜９に示されるグラフを見れば、それぞれ無次元化されたｔ１／Ｒとｔ２／Ｒとの関係が曲線Ｃ１の上で急激に曲がる形状をした等圧線が規則正しく並んでいることがわかる。

そして、この曲線Ｃ１の上にあるときのｔ１／Ｒとｔ２／Ｒとの組合せが、最もｔ１、ｔ２の肉厚を小さくできる組み合わせとなる。

したがって、これら図８〜９のグラフを用いることにより、ある耐圧Ｐのときの最適な組み合わせのｔ１／Ｒとｔ２／Ｒを容易に得ることができる。

ここで、ｔ１、ｔ２の肉厚を最も小さくできる場合の、Ｐ、ｔ１／Ｒ、ｔ２／Ｒ、及びこれらから求めた（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）の関係を、表２にまとめる。

この表２を見れば、実用に耐える耐圧Ｐが１０．０〜９０．０ＭＰａの範囲に適合する
（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）は、０．２８より大きく（好ましくは、０．３０以上であり）、０．４２よりも小さい範囲、すなわち、上記関係式（式１）を満たす範囲であることが確認される。また、耐圧Ｐが２０．０〜８０．０ＭＰａの範囲に適合する（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）は、０．３０以上であり、０．４１以下である範囲、すなわち、上記関係式（式２）を満たす範囲であることが確認される。また、耐圧Ｐが３０．０〜８０．０ＭＰａの範囲に適合する（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）は、０．３２以上であり、０．４１以下である範囲、すなわち、上記関係式（式３）を満たす範囲であることが確認される。

また、以下の表３を用いれば、例えば、目標耐圧が７０ＭＰａ、８０ＭＰａの場合において、貫通孔３の直径（２Ｒ）が、０．９、１．０、１．１、１．２ｍｍのときのｔ１、ｔ２の最適な厚さをすぐに求めることができる。

また、本発明者は、アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏ以外の別のアルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏについても、アルミニウム合金Ａ３００３−Ｏと同様の解析を行った（すなわち、貫通孔３の半径Ｒをそれぞれ０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍと固定し、ｔ１／Ｒとｔ２／Ｒをそれぞれ横軸と縦軸にとった場合における耐圧Ｐの等圧線を、コンピュータシミュレーションにより数値解析して求めた）。アルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏの材料物性については、以下の表４に示す。

アルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏを用いてアルミニウム合金Ａ３００３−Ｏと同様の解析を行った場合の解析結果を図１０に示す。なお、図１０は、アルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏの解析結果を示す図９に対応するものである。

アルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏを用いた場合も、Ａ３００３−Ｏを用いた場合と同様に、曲線Ｃ２上にあるときのｔ１／Ｒとｔ２／Ｒとの組み合わせが、最もｔ１、ｔ２の肉厚を小さくできる組み合わせとなる。以下の表５に、アルミニウム合金Ａ１０５０−Ｏを用いた場合において、ｔ１、ｔ２の肉厚を最も小さくできる場合の、Ｐ、ｔ１／Ｒ、ｔ２／Ｒ、及びこれらから求めた（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）の関係をまとめる。

以上のように、異なるアルミニウム合金を用いた場合であっても、実用に耐える耐圧Ｐが１０．０〜９０．０ＭＰａの範囲に適合する（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）は、０．２８より大きく（好ましくは、０．３０以上であり）、０．４２よりも小さい範囲、すなわち、上記関係式（式１）を満たす範囲であることが確認される。また、異なるアルミニウム合金を用いた場合であっても、耐圧Ｐが２０．０〜８０．０ＭＰａの範囲に適合する（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）は、０．３０以上であり、０．４１以下である範囲、すなわち、上記関係式（式２）を満たす範囲であることが確認される。また、異なるアルミニウム合金を用いた場合であっても、耐圧Ｐが３０．０〜８０．０ＭＰａの範囲に適合する（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）は、０．３２以上であり、０．４１以下である範囲、すなわち、上記関係式（式３）を満たす範囲であることが確認される。

＜実施形態の特徴＞
（１）
実施形態の熱交換用扁平管１では冷媒が通る円形断面の貫通孔３が一列に多数配置された熱交換用扁平管１であり、隣り合う２つの貫通孔３の間を仕切る仕切部４の厚さｔ１を貫通孔３の半径Ｒで無次元化した値をｔ１／Ｒとし、かつ、扁平管１の外周の平面から貫通孔３までの厚さである外周厚さｔ２を半径Ｒで無次元化した値をｔ２／Ｒとし、貫通孔３の内部圧力が１０．０〜９０．０ＭＰａの場合において、
０．２８＜（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）＜０．４２（式１）
の関係が成り立つように、仕切部４の厚さｔ１、外周厚さｔ２、および貫通孔３の半径Ｒが設定されている。

このような関係式（式１）が成り立つことにより、熱交換用扁平管１は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管１の厚さが最も薄くなり、これにより、熱交換用扁平管１のコンパクト化と製造コストの大幅なコストダウンを達成できる。

（２）
しかも、図８〜９に示されるように、上記関係式（式１）が円形断面の貫通孔３の半径Ｒで無次元化したため、半径Ｒが異なる場合は容易にｔ１とｔ２の具体的な値を算出できる。

（３）
また、扁平管１の貫通孔３の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３０≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式２）
の関係が成り立つようにすれば、ＨＦＣなどの低圧冷媒を使用して貫通孔３の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記（式２）が成り立つことにより、扁平管１は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管１の厚さを最も薄くすることが可能になる。

（４）
さらに、扁平管１の貫通孔３の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３２≦（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式３）
の関係が成り立つようにすれば、ＣＯ２などの高圧冷媒を使用して貫通孔３の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａになる場合においても、上記（式３）が成り立つことにより、扁平管１は目標耐圧強度を確保でき、かつ扁平管１の厚さを最も薄くすることが可能になる。

（５）
実施形態の熱交換用扁平管１は、アルミニウム合金などの弾塑性変形可能な材料で製造されているので、目標耐圧強度をより確実に確保でき、かつ扁平管の厚さが最も薄くなるので、コンパクト化とコストダウンを達成できる。

（６）
以上のように、アルミニウム合金などの弾塑性変形可能な材料では、弾性限界である降伏応力と比較して、弾塑性変形後についには塑性破壊したときの引張強度がはるかに大きいので、本実施形態の扁平管１のように、弾塑性変形を考慮した耐圧設計をすれば、扁平管１の寸法をはるかにコンパクトにでき、さらなる薄型化も可能になる。この手法は、ＣＯ２などの高圧冷媒を用いた場合における耐圧設計にとくに有効である。

＜変形例＞
実施形態の熱交換用扁平管１では、アルミニウム合金の押出成形により製造されている例が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、弾塑性変形可能な材料であればよく、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金のほかにも、銅、鉄等金属から樹脂まで広く適用可能である。

本発明は、複数の貫通孔を備えた熱交換用扁平管に種々適用することが可能である。

１熱交換用扁平管
３貫通孔
４仕切部

特開平１０−１３２４２４号公報

Claims

冷媒が通る円形断面の貫通孔（３）が一列に多数配置された熱交換用扁平管（１）であって、
隣り合う２つの前記貫通孔（３）の間を仕切る仕切部（４）の厚さｔ１を前記貫通孔（３）の半径Ｒで無次元化した値をｔ１／Ｒとし、かつ、前記扁平管（１）の外周の平面から前記貫通孔（３）までの厚さである外周厚さｔ２を前記半径Ｒで無次元化した値をｔ２／Ｒとし、
前記貫通孔（３）の内部圧力が１０．０〜９０．０ＭＰａの場合において、
０．２８＜（ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）＜０．４２（式１）
の関係が成り立つ熱交換用扁平管（１）。
前記貫通孔（３）の内部圧力が２０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３０≦ （ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式２）
の関係が成り立つ請求項１に記載の熱交換用扁平管（１）。
前記貫通孔（３）の内部圧力が３０．０〜８０．０ＭＰａの場合において、
０．３２≦ （ｔ２／Ｒ）／（ｔ１／Ｒ）≦０．４１（式３）
の関係が成り立つ請求項１または２に記載の熱交換用扁平管（１）。
弾塑性変形可能な材料で製造されている、
請求項１から３のいずれかに記載の熱交換用扁平管（１）。