JP2011257084A

JP2011257084A - オールアルミニウム熱交換器

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Publication number: JP2011257084A
Application number: JP2010132728A
Authority: JP
Inventors: Shiro Kakiyama; 史郎柿山; Takaaki Kido; 孝聡城戸
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】伝熱管と伝熱フィンとの間の熱伝達性能を向上させ、全体の熱交換性能を向上させることができるクロスフィンタイプのオールアルミニウム熱交換器を提供すること。
【解決手段】アルミニウム合金よりなる伝熱フィン２と、伝熱フィン２に設けた管挿入穴２５に挿通配置したアルミニウム合金よりなる伝熱管３とを有するクロスフィンタイプの熱交換器において、伝熱管３と伝熱フィン２との接合が、伝熱管３を管挿入穴２５に挿入した後に伝熱管３の外径を拡大させる拡管と、伝熱管３の外周面と管挿入穴２５の内周面との間のろう付けの両方を行うことによりなされている。ろう付けは、ろう付け前の伝熱管３の外面に１０〜２０ｇ／ｍ²の量のろう材を塗布しておき、拡管の後に加熱することにより行われることが好ましい。拡管は、拡管率が１．５〜７％の範囲となる条件で行われることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱フィンと伝熱管とが共にアルミニウム合金であるオールアルミニウム熱交換器に関する。ここでいうアルミニウム合金とは、いわゆる純アルミニウムを含み、アルミニウムを主体とする金属材料の総称である。

家庭用エアコンの熱交換器としては、伝熱管と伝熱フィンとを有するクロスフィンタイプの熱交換器が用いられている。伝熱フィンとしては、アルミニウム合金製の板であって、その表面に親水性あるいは疎水性、もしくは耐食性を向上させる表面処理を行ったものが用いられることが多い。また、伝熱管としては、熱交換性能を向上させるために、伝熱特性のすぐれた銅管であって、内面を溝付形状としたものが用いられることが多い（特許文献１参照）。

また、自動車用熱交換器としては、アルミニウム合金製の偏平多穴チューブとＡｌ−Ｓｉ系材料をクラッドした波状フィンを積層した状態でろう付けするタイプの熱交換器が広く用いられている（特許文献２参照）。これは、チューブとフィンの両方がアルミニウム合金よりなるオールアルミニウム製である。

一方、近年のリサイクル性、環境保護意識の高まりに加え、銅地金の高騰などの要因により、クロスフィンタイプの熱交換器においても、伝熱フィンと伝熱管の両者をアルミニウム合金により構成したオールアルミニウム熱交換器を適用することが求められるようになってきた。

特開２００４−１９０９６８号公報特開２０００−１３５５８８号公報

しかしながら、クロスフィンタイプの熱交換器においてはオールアルミニウム熱交換器の採用が進んでおらず、特に家庭用エアコンの室内機としては、オールアルミニウム熱交換器が実際に採用された例は未だない。

オールアルミニウム熱交換器の採用が進まない理由の一部としては、
（１）銅管よりもアルミニウム合金製の伝熱管の方が物性的に伝熱性が低いこと、
（２）アルミニウム合金製の伝熱管の場合には、その内面に長手方向に真っ直ぐなストレート溝を形成することはできるものの、銅管の内面と同様の伝熱性能に有利な螺旋状の溝を形成することが困難なこと
等がある。

（１）は物性であるため解消することはできず、（２）は加工技術の進歩を待たざるを得ず、現段階では解消することが困難である。
したがって、上記の銅管の場合よりも不利な点を抱えた上で、他の点を改良して少しでも伝熱特性を向上させることができる構成の開発が望まれる。

クラッドフィンチューブタイプの熱交換器における性能は、ａ．冷媒と伝熱管との間の熱伝達、ｂ．伝熱管自体の熱伝導、ｃ．伝熱管と伝熱フィンとの間の熱伝達、ｄ．伝熱フィン自体の熱伝導、ｅ．伝熱フィンと通風空気との熱伝達とを含めた総合的な伝熱性能に左右される。ここで、上記（１）（２）の問題が存在することを前提とした場合には、上記ａ、ｂの改善は困難である。また、アルミニウム合金製の伝熱フィンを用いる限り、現時点での上記ｄ、ｅの特性をさらに向上させることにも限界がある。そこで、上記ｃを改善することによって、全体の伝熱性能を向上させる方策をとることが有効である。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、従来よりも伝熱管と伝熱フィンとの間の熱伝達性能を向上させることができ、全体の熱交換性能を向上させることができるクロスフィンタイプのオールアルミニウム熱交換器を提供しようとするものである。

本発明は、アルミニウム合金よりなる伝熱フィンと、該伝熱フィンに設けた管挿入穴に挿通配置したアルミニウム合金よりなる伝熱管とを有するクロスフィンタイプの熱交換器において、
上記伝熱管と上記伝熱フィンとの接合が、上記伝熱管を上記管挿入穴に挿入した後に上記伝熱管の外径を拡大させる拡管と、上記伝熱管の外周面と上記管挿入穴の内周面との間のろう付けの両方を行うことによりなされていることを特徴とするオールアルミニウム熱交換器にある（請求項１）。

本発明のオールアルミニウム熱交換器は、上記のごとく、上記伝熱管と上記伝熱フィンとの接合が、上記拡管とろう付けの両方を行うことによりなされている。これにより、伝熱管と伝熱フィンとの密着性を従来よりも向上させることができる。それ故、従来のクロスフィンタイプのオールアルミニウム熱交換器に比べて、熱交換性能に優れたクロスフィンタイプのオールアルミニウム熱交換器を得ることができる。

実施例１における、オールアルミニウム熱交換器の構成を示す説明図。

上記オールアルミニウム熱交換器において、上記ろう付けは、ろう付け前の上記伝熱管の外面に１０〜２０ｇ／ｍ²の量のろう材を塗布しておき、上記拡管の後に加熱することにより行われることが好ましい（請求項２）。

上記ろう材としては、一般的な様々なろう材を使用することができる。例えば、ケイ素粉とノコロックフラックスとバインダー樹脂を２．５：６．７５：１の割合で混合したものがある。
ろう付けを行う加熱は、前記のノコロックフラックスを使用した場合は、窒素雰囲気中において行われる。この場合には、例えば、約５８０℃程度で、約１０分加熱する条件でろう付けを行うことができる。

上記ろう付け前の伝熱管の外面に塗布するろう材の塗布量は、上記のごとく１０〜２０ｇ／ｍ²の範囲であることが好ましい。上記ろう材の塗布量が１０ｇ／ｍ²未満の場合には、ろう材による伝熱管と伝熱フィンとの密着性向上効果が十分に得られず伝熱性能が向上しにくくなるおそれがある。一方、上記ろう材の塗布量が２０ｇ／ｍ²を超える場合には、ろう付け加熱時にフィンが溶解するおそれがあり、この場合も伝熱性能が向上しにくくなる。

また、上記拡管は、上記伝熱フィンの上記管挿入穴の内径をＤ、上記伝熱管の拡管前外径をｄ、（Ｄ−ｄ）／ｄを拡管率としたとき、当該拡管率が１．５〜７％の範囲となる条件で行われることが好ましい（請求項３）。

上記伝熱管の拡管は、当該伝熱管の内部に、その内径よりも若干大きい外径の拡管治具を挿入する方法である機械拡管方法が用いられる。上記拡管率が１．５％未満である場合には伝熱管が伝熱フィンに接触しにくくなり、ろう付けを加えたとしても十分な密着性が得られず、伝熱性能が向上しにくくなるおそれがある。一方、上記拡管率が７％を超える場合には、伝熱フィンが変形し易くなり、空気側の通風抵抗が大きくなり、伝熱性能が低下しやすくなるおそれがある。

上記伝熱管の材質は、１０００系あるいは３０００系のアルミニウム合金が望ましく、１０００系であれば例えばＪＩＳＡ１０５０、Ａ１１００、Ａ１２００が挙げられる。３０００系であれば、例えばＪＩＳＡ３００３が挙げられる。伝熱管にピット状の腐食が発生し内部冷媒が漏洩することを防止するために、亜鉛などの被覆を行い、犠牲陽極効果を持たせることも好ましい。

上記伝熱フィンの材質は、１０００系あるいは７０００系のアルミニウム合金が望ましい。１０００系であれば例えばＪＩＳＡ１０５０、Ａ１１００、Ａ１２００が挙げられる。７０００系の場合、フィン側を優先的に腐食させ、冷媒を通す伝熱管を保護するために、フィンに犠牲陽極効果を持たせることができ耐食性の観点から有効である。但し、伝熱フィンに適用するには、約０．１ｍｍにまで圧延加工できること、できた板材に張り出しあるいはしごき加工でカラーを立て、カラー先端をフレア加工するという上記管挿入穴を形成するための成形加工性が必要になる。そのための７０００系であれば、例えばＪＩＳＡ７０７２が望ましい。

また、上記伝熱フィンとしては無塗装フィンが好ましい。親水性塗料塗装フィンは、ろう付け加熱時にその塗膜性能が劣化するため、望ましくない。親水性を持たせるには、例えば、１μｍ程度の厚みでアルマイト処理したフィン、あるいはベーマイト処理したフィンが望ましい。

また、上記クロスフィンタイプのオールアルミニウム熱交換器は、複数枚の伝熱フィンの管挿入穴を貫通した伝熱管の端部同士がヘアピン曲げした部分で接続された構成を有している。このヘアピン曲げした部分は、一方は、ストレート管の中央部分をヘアピン曲げすることによって形成することができ、他方は、別途準備したヘアピン曲げしたＵベンド管と呼ばれる伝熱管を接続することにより形成される。ストレート管とＵベンド管との接合は、一方を他方の内部に挿入した状態でろう付けすることにより行われる。

ここで、上記伝熱フィンと伝熱管との間のろう付けを行うための加熱と、ストレート管よりなる伝熱管とＵベンド管との間のろう付けを行うための加熱とは、別々に行ってもよいし、同時にまとめて行ってもよい。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるオールアルミニウム熱交換器につき、図１を用いて説明する。
本例のオールアルミニウム熱交換器１は、同図に示すごとく、アルミニウム合金よりなる伝熱フィン２と、伝熱フィン２に設けた管挿入穴２５に挿通配置したアルミニウム合金よりなる伝熱管３とを有するクロスフィンタイプの熱交換器である。

伝熱管３と伝熱フィン２との接合は、伝熱管３を管挿入穴２５に挿入した後に伝熱管３の外径を拡大させる拡管と、伝熱管３の外周面と管挿入穴２５の内周面との間のろう付けの両方を行うことによりなされている。
以下、さらに詳説する。

伝熱フィン２は、板厚０．１ｍｍのＪＩＳ−Ａ７０７２アルミニウム合金薄板を打ち抜き加工し、さらに、張り出し加工及びしごき加工を加えて、内周部にカラー部を有する管挿入穴を形成することにより作製した。

伝熱管３は、外径７．０ｍｍ、内面ストレート溝付き、底肉厚０．４７ｍｍ、長さ７００ｍｍのＪＩＳＡ３００３のアルミニウム合金管を用いて作製した。ストレート溝は、深さ（内面突起の高さ）０．２５ｍｍ、突起の形状は三角形でその頂角２０°、突起の条数５０条である。伝熱フィン２への挿通前の伝熱管３は、上記アルミニウム合金管をＵ字型に曲げ加工してヘアピン状に加工したものであり、その表面にはろう材を塗布した。ろう材は、ケイ素粉とノコロックフラックスとバインダー樹脂を２．５：６．７５：１の割合で混合したものを用いた。

上記伝熱管３は、平行に配列した多層の伝熱フィン２の管挿入穴２５に挿通し、まずは、伝熱管３を拡管して伝熱管３と伝熱フィン２とを固定した。
次に、伝熱管３の開口部には、別途準備した長さ１００ｍｍのＪＩＳＡ３００３アルミニウム合金管をＵ字型に曲げ加工したヘアピン状のＵベンド管３５を接合する。Ｕベンド管３５は、上記ろう材を塗布したストレートの伝熱管３の先端の外側を覆うように外挿して仮接合した。

その後、上記のごとく組み立てた熱交換器全体を５８０℃の窒素ガス雰囲気の炉の中に１０分間保持し、ろう付けをおこなった。これにより、本例のオールアルミニウム熱交換器１が得られた。オールアルミニウム熱交換器１のサイズは、図１に示すごとく、幅Ａ×長さＢ＝３００ｍｍ×３００ｍｍ、フィン幅Ｃ＝２４ｍｍ、フィンピッチＰ＝１．１ｍｍとし、冷媒経路は伝熱管３の配列されたとおり２列１４段とした。

得られたオールアルミニウム熱交換器１は、上記のごとく、伝熱管３と伝熱フィン２との接合が、拡管とろう付けの両方を行うことによりなされている。これにより、伝熱管３と伝熱フィン２との密着性を従来よりも向上させることができる。それ故、本例のオールアルミニウム熱交換器１は、従来のクロスフィンタイプのオールアルミニウム熱交換器に比べて、熱交換性能に優れたものとなる。

（実験例１）
本例のオールアルミニウム熱交換器１の優れた点を定量的に評価するために、以下の実験を行った。
実験Ｃ１、Ｃ２は、比較例としての実験であって、伝熱管３へのろう材の塗布は、Ｕベンド管３５との接合部分以外では行わず、拡管だけによって伝熱管３と伝熱フィン２との接合を行ったものである。そして、実験Ｃ１は拡管率を２．７％、実験Ｃ２は拡管率を６．０％とした。

実験Ｅ１〜Ｅ４は、本発明の実施例としての実験であって、伝熱管３と伝熱フィンとの接合を拡管とろう付けの両方により行ったものである。各実験において、ろう材の塗布量と拡管率は、表１に示すごとく変更した。

実験は、上述したサイズのオールアルミニウム熱交換器を供試熱交換器とし、２列の冷媒経路に対して、１列目には５０℃の温水を、２列目には２０℃冷水を対向流に流して行った。そして、温水および冷水流量をそれぞれ変化させ、ウィルソン・プロット法により冷水側の熱抵抗を差し引いて、熱抵抗を算出した。また、供試熱交換器は、真空容器内に設置し、自然対流による熱伝達の影響を抑制した。

評価は、実験Ｃ２の拡管のみで伝熱管３と伝熱フィンを固着し、拡管率を６．０％としたものの熱交換性能を１００とし、その比（接触熱伝達率比）で表した。１００を超えたものを合格とした。評価結果を表１に示す。

表１より知られるごとく、本発明例に相当する実験Ｅ１〜Ｅ４については、いずれも１００超えの接触熱伝達率比であり、拡管とろう付けによる効果が相俟って、接触熱抵抗が非常に小さく、熱交換性能が良好となることがわかる。

１オールアルミニウム熱交換器
２伝熱フィン
２５管挿入穴
３伝熱管
３５Ｕベンド管

Claims

アルミニウム合金よりなる伝熱フィンと、該伝熱フィンに設けた管挿入穴に挿通配置したアルミニウム合金よりなる伝熱管とを有するクロスフィンタイプの熱交換器において、
上記伝熱管と上記伝熱フィンとの接合が、上記伝熱管を上記管挿入穴に挿入した後に上記伝熱管の外径を拡大させる拡管と、上記伝熱管の外周面と上記管挿入穴の内周面との間のろう付けの両方を行うことによりなされていることを特徴とするオールアルミニウム熱交換器。
請求項１に記載のオールアルミニウム熱交換器において、上記ろう付けは、ろう付け前の上記伝熱管の外面に１０〜２０ｇ／ｍ²の量のろう材を塗布しておき、上記拡管の後に加熱することにより行われることを特徴とするオールアルミニウム熱交換器。
請求項１又は２に記載のオールアルミニウム熱交換器において、上記拡管は、上記伝熱フィンの上記管挿入穴の内径をＤ、上記伝熱管の拡管前外径をｄ、（Ｄ−ｄ）／ｄを拡管率としたとき、当該拡管率が１．５〜７％の範囲となる条件で行われることを特徴とするオールアルミニウム熱交換器。