JP2013092287A

JP2013092287A - 冷凍サイクルの熱交換器

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Publication number: JP2013092287A
Application number: JP2011233787A
Authority: JP
Inventors: Terumasa Matsumoto; 輝政松本; Takuji Kayano; 卓史茅野; Makoto Kusama; 誠草間
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: JP5798445B2

Abstract

【課題】現行の冷凍サイクルの熱交換器の銅製サクションパイプ及び銅製キャピラリーチューブに換えて、サクションパイプとキャピラリーチューブの素材をコストの安いアルミニウム材とし、しかも蛇行加工の容易な冷凍サイクルの熱交換器を提供。
【解決手段】キャピラリーチューブをＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブとし、サクションパイプをＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプとし、且つ、キャピラリーチューブの外表面とサクションパイプの外表面が溶融状態で接合された冷凍サイクルの熱交換器
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば冷蔵庫などの冷凍サイクルの熱交換器に関する。

一般に、冷蔵庫は圧縮機から吐出された冷媒が、順次、凝縮器、キャピラリーチューブ、蒸発器、サクションパイプを通り、再び圧縮機に戻る冷凍サイクルを構成する。

圧縮機で圧縮された冷媒は、高温高圧ガスとなって凝縮器に送られ、ここで放熱して液化される。液化された冷媒は、キャピラリーチューブを通って蒸発器に送られる。キャピラリーチューブから蒸発器に送られる液化された冷媒は、蒸発器にて気化されることにより周囲の熱を奪い取り冷気を生み出す。気化された冷媒は、サクションパイプを通って圧縮機に戻り再び圧縮される。

このような冷凍サイクルにおいては、キャピラリーチューブを通る冷媒は比較的高温である。冷却性能を向上させるためには、キャピラリーチューブから蒸発器に流入する冷媒の温度を低くすることが有効である。このために、比較的低温の冷媒が流れるサクションパイプをキャピラリーチューブと接触させる方法が知られている。すなわち、サクションパイプの冷媒とキャピラリーチューブの冷媒の間で熱交換させることで、キャピラリーチューブを流れる冷媒の温度を低下させるのである。このような冷凍サイクルの熱交換器としてのキャピラリーチューブとサクションパイプの接合方法としてはキャピラリーチューブとサクションパイプを並列に添わせた状態でハンダ付けするという方法がよく採用されている。

現行のキャピラリーチューブは、概ね、内径がφ０．６ｍｍ〜φ０．８ｍｍ程度、外径がφ２．０ｍｍ〜φ３．０ｍｍ程度の細径管であり、一方、サクションパイプは、概ね、内径がφ４．５ｍｍ〜φ６．５mm程度、外径がφ６．０ｍｍ〜φ８．０mm程度の丸管で構成されている。また、キャピラリーチューブとサクションパイプの長さは、冷蔵庫の大きさによっても異なるが、概ね２，０００〜５，０００ｍｍ程度である。

我が国を始め世界中で市販されている冷蔵庫に搭載されている冷凍サイクルの熱交換器は、銅製のサクションパイプと銅製のキャピラリーチューブが、それぞれの外表面が熱的に接触されるようにハンダ付けにより一体的に接合されたものである。銅製のサクションパイプと銅製のキャピラリーチューブは、熱交換性がよい、耐食性に優れる、ハンダ付けにより容易に一体的に接合することができる、などの理由により現在に至るまで実用に供されている。

多数の特許文献、例えば、特許文献１、２、５においても、それぞれ熱交換器としての改良が提案されているが、基本的には銅製のサクションパイプと銅製のキャピラリーチューブとをハンダ付けにより熱的に接触させた熱交換器が開示されている。また、特許文献７は、銅製のサクションパイプと銅製のキャピラリーチューブとをシーム溶接により熱的に接触させた熱交換器が開示されている。

特許文献３においては、具体的にはサクションパイプとキャピラリーチューブの素材については言及していないが、「キャピラリーチューブはサクションパイプと対向流熱交換器をなす形でハンダ付けされている。」との記載から、サクションパイプとキャピラリーチューブの素材は銅であると思われる。特許文献５においては、キャピラリーチューブの素材については言及していないが、「サクションパイプとキャピラリーチューブはハンダ付けで所定の距離を熱接触させ熱交換させた構成とするが、サクションパイプのキャピラリーチューブと熱接触する部分は銅などの金属とし、」との記載から、キャピラリーチューブの素材についても銅であると思われる。特許文献３と特許文献５における熱交換器としてのサクションパイプとキャピラリーチューブの素材がともに銅であろうことは、特許文献６の段落〔００１１〕〜〔００１２〕の「サクションパイプと毛細管（キャピラリーチューブと同義）とを連結するために、・・・・・、通常、ハンダ付けはスズ（Ｓｎ）を使用して実施される。また、サクションパイプと毛細管との間の熱交換性及び耐食性が向上するように、サクションパイプと毛細管は銅製のものが一般的である。」との記載からも首肯できる。

特許文献１は、サクションパイプとキャピラリーチューブを熱交換する冷蔵庫に関するものであり、キャピラリーチューブとサクションパイプが共に銅管で形成され、それぞれを並列に添わせた状態でハンダ付けにより熱的に接触させることが記載されている。

特許文献２は、冷蔵庫などで使用される多重熱交換器の改良に関するものである。この多重熱交換器は流体流路管（外管）内に流体流路管（内管）を配して流体の熱交換を行うものである。流体流路管（外管）（サクションパイプに相当）及び流体流路管（内管）（キャピラリーチューブに相当）としては、銅管、銅合金管を使用することが、塑性加工性、熱伝導性、ろう付け性、ハンダ付け性、耐食性などに優れるので好ましいことが記載されている。

特許文献３は、サクションパイプとキャピラリーチューブを熱交換する冷蔵庫に関するものであるが、キャピラリーチューブとサクションパイプは、並列に添わせた状態で対向流熱交換器をなす形でハンダ付けされている。

特許文献４は、冷蔵庫などの冷凍回路に用いることのできる熱交換器に関するものである。銅合金製のキャピラリーチューブとアルミ合金製のサクションパイプを用いた熱交換器が開示されている。キャピラリーチューブとサクションパイプが異種金属であるので、熱交換器に水分が付着すると異種金属間に局部電池が形成され、熱交換器が腐食する可能性がある。このため、銅合金製のキャピラリーチューブとアルミ合金製のサクションパイプを並列に添わせた状態で保持し、溶融したアルミーシリコン系のろう材を流し込み、凝固させる。これにより、銅合金製のキャピラリーチューブとアルミ合金製のサクションパイプを熱的に接合するとともに、キャピラリーチューブとサクションパイプの外周囲を連続的にろう材で被覆させるというものである。

特許文献５は、冷凍サイクルによる結露防止を目的とする冷凍システム機器に関するものである。サクションパイプ自体が熱伝導性に優れる銅などの金属材料で構成されているので結露の問題が発生しやすい。サクションパイプの一部を銅などの金属よりも熱伝導率が低い樹脂とすることによりこの問題を解決しようというものである。サクションパイプとキャピラリーチューブはハンダ付けで所定の距離を熱接触させ熱交換させた構成とするが、サクションパイプのキャピラリーチューブと熱接触する部分は銅などの金属とし、それ以外の部分はガスバリア性の高い樹脂とすることが記載されている。

特許文献６は、熱伝導率を向上するサクションパイプアセンブリに関するものである。サクションパイプアセンブリは、内部にキャピラリーチューブを備え外部にサクションパイプとの接触面積を広げるための接触部を備えた熱伝達パイプの接触部が、サクションパイプの外周面に熱導電性接着剤を介して連結された構造となっている。熱伝達パイプとサクションパイプとの接触面積が増加するので、サクションパイプを移動する冷媒と熱伝達パイプの内部に挿入されたキャピラリーチューブを移動する冷媒との間の熱交換が効果的に行われるというものである。キャピラリーチューブは銅製であるが、アルミニウム、鋼で形成されてもよいこと、また、熱伝達パイプはアルミニウム製であってもよいが、様々な材料が使用できることが記載されている。サクションパイプは銅材料やアルミニウムでもよいが、加工性及び曲げ性がよいことや相対的に安価なことから鋼製が好ましいこと、サクションパイプが鋼製である場合、耐食性メッキを施すことにより腐食の心配がない商業利用できるサクションパイプが得られることが記載されている。実施例では、鋼製のサクションパイプ、銅製のキャピラリーチューブ、アルミニウム製の熱伝達パイプを使用している。

特許文献７は、サクションパイプとキャピラリーチューブを溶接することにより熱的に接触するように接合する方法を開示している。具体的には、サクションパイプをなす銅管の外周面に、サクションパイプの一部を径方向に突出するように塑性変形させることにより、管軸方向に延びる一対の突条部を周方向にキャピラリーチューブの外径とほぼ同等の間隔をおいて形成する。この後、各突条部の間にキャピラリーチューブをなす銅管を配置し、各突条部をシーム溶接によってキャピラリーチューブに接合するというものである。

特開２００２−１３０９１２号公報特開２００６−２９２１８２号公報特開２００８−１２１９８０号公報特開２００８−２６７７５７号公報特開２００９−４１８１０号公報特表２０１０−５２５２９７号公報特開２００１−２４８９７９号公報

製造業の世界では製品のコストダウンは永遠の課題である。冷凍サイクルの熱交換器のコストダウンを実現することができれば、製品としての冷蔵庫のコストダウンが実現できる。製品としての冷蔵庫のコストダウンを実現するためには、熱交換器としての機能、品質は許容範囲内で現状のものと遜色のないことが求められる。また、熱交換器自体を改良することにより、冷凍サイクルシステムとしての構造を変更する、あるいは、冷蔵庫全体の構造の変更を余儀なくされるようなことは回避しなければならない。このためには、改良した熱交換器は、現行の熱交換器と実質的に同じ構造、すなわち、熱交換器を構成するサクションパイプとキャピラリーチューブの形状（パイプやチューブの内径、外径、長さ）が許容範囲内で同等であることが求められる。

本発明者等は、現行の冷凍サイクルの熱交換器の銅製サクションパイプ及び銅製キャピラリーチューブに換えて、サクションパイプ及びキャピラリーチューブの素材としてアルミニウム材を使用することができれば、現行の冷凍サイクルの熱交換器としての機能、品質が許容範囲内で遜色なく、また、現行の冷凍サイクルの熱交換器と実質的に同じ構造であり、且つ、コストダウンが可能な冷凍サイクルの熱交換器を提供することができるのではないかと考えた。

サクションパイプとキャピラリーチューブのように、径が極端に異なる母材同士をハンダ付けあるいはろう付けする場合には、母材とハンダあるいはろう材の融点の差が大きいことが望ましい。ハンダ付けの場合には、母材であるアルミニウム材とハンダの融点の差が大きいので、母材に影響を与えることなく、サクションパイプの外表面とキャピラリーチューブの外表面を接合することができる。しかしながら、アルミニウム材製のサクションパイプとアルミニウム材製のキャピラリーチューブをアルミハンダ（例えば、Ｓｎ−Ｚｎ合金）により接合した冷凍サイクルの熱交換器は、耐食性の点で問題があり、使用環境下での接合部の劣化が避けられず、これを防止するために防食処理が必要である。

アルミニウム材同士をＡｌ−Ｓｉ合金またはＺｎ−Ａｌ合金から選ばれるろう材で接合したものは、耐食性には問題がないので接合部保護のための防食処理を必要としない。しかしながら、長さが２，０００〜５，０００ｍｍもある径の細いアルミニウム材製キャピラリーチューブと、それと比べ極端に径の太いアルミニウム材製サクションパイプを並列に添わせた状態で加熱し、双方を同じ温度に上げることは双方の熱容量の違いから難しいと考えられ、ろう付け温度の適温に上げようとした場合、径の細いキャピラリーチューブが加熱オーバーとなり溶解損傷するおそれがある。

特許文献７では、銅製のサクションパイプと銅製キャピラリーチューブの接合をシーム溶接で行っている。銅製のサクションパイプと銅製キャピラリーチューブの接合にシーム溶接、アーク溶接などの溶接は可能であるが、銅製のサクションパイプと銅製キャピラリーチューブ換えて、アルミニウム材製のサクションパイプとアルミニウム材製のキャピラリーチューブとした場合には、シーム溶接、アーク溶接による接合は不可能であると考えられる。

その理由としては、次のようなことが考えられる。銅の比熱（０℃）が０．８８０Ｊ／ｇ・Ｋ、アルミニウムの比熱（０℃）が０．３７９Ｊ／ｇ・Ｋであること、銅の比重（２０℃）が８．９６、アルミニウムの比重が２．７１であることから、銅製のサクションパイプはアルミニウム製のサクションパイプの熱容量の７．７倍であり、同じく銅製のキャピラリーチューブはアルミニウム製のキャピラリーチューブの熱容量の７．７倍である。従って、同じ熱量を与えても銅製の方がアルミニウム材製に比べて、より温度変化が小さいことになる。加えて、銅の融点が約１０８３℃、アルミニウムの融点が約６６０℃であることを考え合わせると、銅製のサクションパイプと銅製キャピラリーチューブの接合にシーム溶接、アーク溶接などの溶接が可能であっても、アルミニウム製のサクションパイプとアルミニウム製のキャピラリーチューブとした場合には、径の細いキャピラリーチューブが加熱オーバーとなり溶解損傷するおそれがある。

以上のような理由から、今日に至るまで、アルミニウム製キャピラリーチューブとアルミニウム製サクションパイプを使用した冷凍サイクルの熱交換器の提案がなかったものと思われる。

本発明者等は、特定の工夫を施すことにより、キャピラリーチューブとサクションパイプの素材がともにアルミニウム材であり、キャピラリーチューブの外表面とサクションパイプの外表面との接合箇所がＡｌ−Ｓｉ合金またはＺｎ−Ａｌ合金から選ばれるろう材が溶融してフィレットが形成されている冷凍サイクルの熱交換器及びその製造方法について提案した（特願２０１０−２６８５７９）。

本発明者等は更なる検討を行い、アルミニウム材製のサクションパイプとアルミニウム材製のキャピラリーチューブのそれぞれの外表面を圧接させた状態とし、サクションパイプとキャピラリーチューブ全体に熱的影響を極力与えないように接合箇所を微小スポット熱源で短時間に加熱することにより、径の細いキャピラリーチューブが加熱オーバーとなり変形乃至は溶解損傷することがない、熱交換性のよい冷凍サイクルの熱交換器を製造できることを見出した。具体的には、熱源としてレーザービームを用い、サクションパイプとキャピラリーチューブのそれぞれの外表面を圧接させた状態でレーザー溶接し、それぞれの外表面を溶融状態で接合するというものである（特願２０１１−７７５７）。

冷凍サイクルにおいて、キャピラリーチューブとサクションパイプの外表面が互いに熱的に接触している部分、すなわち熱交換距離を長くすることができれば蒸発器の冷凍能力が増大し消費電力を低減できるというメリットがある。熱交換器を蛇行させてコンパクトにすることができれば、冷蔵庫のように限られたスペース内でも熱交換距離を長くすることができる。

従って、本発明の目的は、現行の冷凍サイクルの熱交換器の銅製サクションパイプ及び銅製キャピラリーチューブに換えて、サクションパイプとキャピラリーチューブの素材をコストの安いアルミニウム材とし、しかも蛇行加工の容易な冷凍サイクルの熱交換器を提供するものである。

本発明者等は、鋭意検討した結果、サクションパイプの素材としては、アルミニウム材の中で熱伝導度が最も高く、加工性、耐食性、溶接性などの優れるＪＩＳ規格１０００系アルミニウムを選択し、径のより小さいキャピラリーチューブの素材としては、ＪＩＳ規格１０００系アルミニウムの有する加工性、耐食性を低下させることなく、強度を増加させ、且つ、熱伝導性、溶接性が良好なアルミニウム合金を選択すれば良いのではないかと考え、本発明を想起するに至った。

すなわち、本発明に係る冷凍サイクルの熱交換器は、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮器、キャピラリーチューブ、蒸発器、サクションパイプ及び前記圧縮機に順次循環するように構成され、前記キャピラリーチューブの外表面と前記サクションパイプの外表面とが互いに熱的に接触している冷凍サイクルの熱交換器であって、前記キャピラリーチューブはＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブであり、前記サクションパイプはＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプであり、且つ、前記キャピラリーチューブの外表面と前記サクションパイプの外表面が溶融状態で接合されたものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、現行の冷凍サイクルの熱交換器としての機能、品質が許容範囲内で遜色なく、また、現行の冷凍サイクルの熱交換器と実質的に同じ構造、すなわち、熱交換器を構成するサクションパイプとキャピラリーチューブの形状（パイプやチューブの内径、外径、長さ）が許容範囲内で同等であり、且つ、サクションパイプとキャピラリーチューブの素材をコストの安いアルミニウム材とし、しかも蛇行加工の容易な冷凍サイクルの熱交換器を提供することができた。

本発明に係る熱交換器を用いた冷凍サイクルの基本的な構成図本発明に係る熱交換器を示す斜視図ファイバーレーザー溶接機の概念図押圧ローラーによりサクションパイプとキャピラリーチューブの外表面を圧接させていることを示す図本発明に係る熱交換器の製造方法を説明するための模式図蛇行加工された本発明に係る熱交換器を用いた冷凍サイクルを搭載した冷蔵庫の概略図図６に示す蛇行加工された本発明に係る熱交換器を拡大した概略図

本明細書においては、ＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブ１０３を単にキャピラリーチューブ１０３と記載し、ＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプ１０５を単にサクションパイプ１０５と記載することもある。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る熱交換器を用いた冷凍サイクルの基本的は構成図である。図１に示す冷凍サイクルは、冷媒を吸入し吐出する圧縮機１０１と、一端が圧縮機１０１の冷媒吐出側に接続された凝縮器１０２と、一端が凝縮器１０２の他端に接続されたキャピラリーチューブ１０３と、一端がこのキャピラリーチューブ１０３の他端に接続された蒸発器１０４と、一端が蒸発器１０４の他端に接続され他端を圧縮機１０１の冷媒吸入側に接続したサクションパイプ１０５を備えている。この冷凍サイクルにおいて、ＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプ１０５とＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を熱的に接触させることにより本発明に係る冷凍サイクルの熱交換器１０６が形成される。ＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブ１０３の外表面とＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプ１０５の外表面は溶融状態で接合されたものである。

本発明に係る冷凍サイクルは、蒸発器１０４とサクションパイプ１０５の間に蒸発した気体の冷媒と液体の冷媒とを分離し気体の冷媒を圧縮機１０１に向かわせる機能を備えるアキュムレータ、凝縮器１０２とキャピラリーチューブ１０３の間に水分除去のためのドライヤなどを備えることができる。

圧縮機１０１において圧縮された冷媒は、高温高圧ガスとなって凝縮器１０２に送られ、ここで放熱して液化される。液化された冷媒は、キャピラリーチューブ１０３を通って減圧され、蒸発器１０４に送られ、ここで液化された冷媒が蒸発することに伴い周囲の熱を奪い、この結果周囲の空気を冷却する。蒸発した低温冷媒はサクションパイプ１０５を通って圧縮機１０１に戻り、再び圧縮される。使用する冷媒としては、地球温暖化係数の小さいシクロペンタン、イソブタンなどの炭化水素系の冷媒が好ましい。

以上のように構成された冷凍サイクルにおいて、キャピラリーチューブ１０３とサクションパイプ１０５とが互いに熱的に接触しているので、キャピラリーチューブ１０３内を流通する液相冷媒はサクションパイプ１０５内を流通する低温冷媒によって冷却されるので、冷却効率の向上が図られる。

図２は、本発明に係る熱交換器を示す斜視図である。この熱交換器１０６におけるサクションパイプ１０５の外表面とキャピラリーチュー１０３の外表面との接合箇所は、それぞれの外表面が溶融した状態で接合しているので、キャピラリーチューブ１０３とサクションパイプ１０５とは互いに熱的に接触した状態になっている。具体的には、キャピラリーチューブ１０３の外表面とサクションパイプ１０５の外表面との接合箇所は、レーザービームの照射によりそれぞれの外表面が溶融した状態で接合している。

本発明に係る熱交換器１０６を構成するキャピラリーチューブ１０３の素材はＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金であり、サクションパイプ１０５の素材はＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるものである。キャピラリーチューブに使用するＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金としては、Ａ３００３、Ａ３００４、Ａ３１０３、Ａ３１０４などである。また、サクションパイプに使用するＪＩＳ規格１０００系アルミニウムとしては、Ａ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１１００、Ａ１２００などである。

本発明に係る熱交換器１０６を構成するキャピラリーチューブ１０３の内径、外径、長さ、及びサクションパイプ１０５の内径、外径、長さは、特に制限されるものでなく、家庭用、業務用などの冷蔵庫に使用されるものと同程度のものでよい。キャピラリーチューブ１０３としては、概ね、内径がφ０．６ｍｍ〜φ０．８ｍｍ程度、外径がφ２．０ｍｍ〜φ３．０ｍｍ程度の細径管を使用することができる。また、サクションパイプ１０５としては、概ね、内径がφ４．５ｍｍ〜φ６．５mm程度、外径がφ６．０ｍｍ〜φ８．０mm程度の丸管を使用することができる。キャピラリーチューブ１０３とサクションパイプ１０５の長さは、本発明に係る熱交換器を適用する冷蔵庫の大きさによっても異なるが、概ね２，０００〜５，０００ｍｍ程度である。

図３は、本発明に係る熱交換器１０６を製造する際に用いるレーザー溶接機の概念図である。ここでは、レーザー溶接機としては、ファイバーレーザー溶接機を例示している。符号３０１はファイバーレーザー本体であり、符号３０２は光ファイバー（ファイバー径φ）、符号３０３はレーザービーム出射ユニットである。レーザービーム出射ユニット３０３に導かれたレーザービームＬＢ（図中、破線で示す線）は、レンズＬ１（焦点距離ｆ_１）により平行ビーム化され次いでレンズＬ２（焦点距離ｆ_２）により集光され、レーザービームＬＢに対して一方向に移動する被加工物４０５（図４で説明する。）に所定のスポット径のレーザービームＬＢが照射されるように構成されている。

なお、被加工物４０５は押圧ローラ４０１、４０２で押圧されながらサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面が圧接された状態にある（図４を参照。）が、ここでは簡略化して図示した。この図においては、被加工物４０５が矢印（→）で示す方向（図面に向かって左から右方向）に移動しているものとする。符号３０８は窒素ボンベであり、符号３０７は窒素ガス噴射ノズルである。レーザー溶接は被加工物４０５の酸化を防ぐためアルゴンガスなどの不活性ガスを使用することもできる。

図４は、押さえ治具である押圧ローラー４０１、４０２により被加工物４０５（サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３を並列に添わせた状態のものをいう。）を押圧しサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接させている状態を示す図である。図４（ａ）は側面から見た図であり、図４（ｂ）は平面図である。

押圧ローラー４０１は、サクションパイプ１０５の側面をキャピラリーチューブ１０３に向けて押圧するように構成されている。押圧ローラー４０１は、サクションパイプ１０５の外径に合わせた円弧状の溝が形成された溝付きローラーとなっている。押圧ローラー４０２は、キャピラリーチューブ１０３の側面をサクションパイプ１０５に向けて押圧するように構成されている。押圧ローラー４０２は、キャピラリーチューブ１０３の外径に合わせた円弧状の溝が形成された溝付きローラーとなっている。符号４０３は押圧ローラー４０１のシャフトであり、符号４０４は押圧ローラー４０２のシャフトである。シャフト４０３、シャフト４０４の両方、あるいはいずれか一方は図示しない筐体に軸方向と垂直方向（サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの中心点を通る線の方向）に位置調整可能に固定されている。

図４では、適宜な間隔で設けた二対の押圧ローラー４０１、４０２により被加工物４０５を押圧してサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接させているが、これに限られない。一対の押圧ローラー４０１、４０２により被加工物４０５を押圧してサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接させてもよい。押圧ローラー４０１、４０２の素材としては、銅、真鍮、アルミニウムなどの熱導電性のよいもの、或いはウレタンなどポリマーを使用することができる。

本発明に係る熱交換器を製造するには、先ず、ＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプ１０５とＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブ１０３を並列に添わせた状態で押さえ治具により押圧し、サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接させた状態とする。次いで、サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接させた状態でレーザービームに対して相対的に移動させながら、サクションパイプ１０５の外表面とキャピラリーチューブ１０３の外表面との接合箇所にレーザービームを照射することにより接合箇所であるそれぞれの外表面を溶融し、サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３の外表面を接合すればよい。

ここで、「ＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプ１０５とＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブ１０３を並列に添わせた状態」とは、図４及び図５で示すように、サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面が接するように並べることを意味する。

図５は、本発明に係る熱交換器の製造方法を説明するための模式図であり、図５（ａ）は側面から見た図であり、図５（ｂ）は平面図である。一対の押圧ローラー４０１、４０２により被加工物４０５を押圧しながらサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接し、窒素ガスを吹き付けながらレーザー溶接している様子を示している。この被化工物４０５は、レーザービームＬＢに対して矢印（←）の方向（図面に向かって右から左方向）に移動している。被化工物４０５の移動速度は、ファイバーレーザーの出力が大きいほど速くすることができるが、目安としてファイバーレーザーのピーク出力が１０００Ｗ程度で概ね３ｍ／分〜５ｍ／分程度である。

被加工物４０５に対するレーザービームＬＢの照射の向きは、被加工物４０５からの戻り光を避けるために、被加工物４０５に対して斜めの方向から照射することが好ましい。レーザービーム出射ユニット３０３の傾きは、被加工物移動方向の上流側に傾いている（レーザービームＬＢが被加工物４０５の進行方向前方側に向けて照射されている。）、或いは、被加工物移動方向の下流側に傾いている（レーザービームＬＢが被加工物４０５の進行方向後方側に向けて照射されている。）のいずれでもよい。

被化工物４０５に対するレーザービームＬＢの照射位置は、一対の押圧ローラー４０１、４０２が被化工物４０５を押圧している位置から被化工物移動方向の下流側直後の範囲が好ましく、より好ましくは一対の押圧ローラー４０１、４０２が被化工物４０５を押圧している位置である。また、二対の押圧ローラー４０１、４０２で被加工物４０５を押圧しサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面を圧接させる場合には、レーザービームＬＢの照射位置は、被化工物移動方向の下流側に位置する押圧ローラー４０１、４０２が被化工物４０５を押圧している位置から被化工物移動方向の下流側直後の範囲が好ましい。より好ましくは、被化工物移動方向の下流側に位置する押圧ローラー４０１、４０２が被化工物４０５を押圧している位置である。

なお、図５（ｂ）では、レーザービームＬＢの照射位置は、一対の押圧ローラー４０１、４０２が被化工物４０５を押圧する位置の被化工物移動方向の下流側直後よりさらに下流側であるかのように描かれている。これは、レーザービーム出射ユニット３０３と窒素ガス噴射ノズル３０７を同一平面で描く上での便宜的なものである。

窒素ガス噴射ノズル３０７から噴射する窒素ガスの被化工物４０５に対する吹き付け位置は、レーザービームＬＢの照射位置とほぼ同じ位置が好ましい。また、窒素ガスの吹き付け方向は、被化工物４０５の移動方向と同じ方向が好ましい。このような方向に窒素ガスを吹き付けることにより、溶接直後の接合部も窒素ガス雰囲気で覆われることになり酸素からの遮断をより確実なものとすることができる。窒素ガスのガス流量は概ね１０ｌ／分（毎分１０リットル）程度である。なお、図５（ｂ）において、サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３の接触部における×××××の符号は、レーザービーム溶接によりサクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３のそれぞれの外表面が溶融して接合している状態を示している。

図６は、蛇行加工された本発明に係る熱交換器１０６を用いた冷凍サイクルを搭載した冷蔵庫の概略図である。符号６０１は冷蔵庫本体を表し、符号６０２は冷蔵庫本体の第一天面部を表し、符号６０３は第二天面部を表す。圧縮機１０１は第二天面部６０３の一部に配設され、凝縮器は第一天面部６０２の一部に配設されている。圧縮機１０１で圧縮された冷媒は、高温高圧ガスとなって冷媒吐出部（図示せず）より接続配管６０４を通って、圧縮機１０１より上方に配置された凝縮器１０２に送られる。高温高圧の冷媒は、凝縮器１０２にて冷蔵庫本体６０１の上方の空気と熱交換して放熱し凝縮液化される。凝縮液化された冷媒は、キャピラリーチューブ１０３に送られ、キャピラリーチューブ１０３とサクションパイプ１０５のそれぞれの外表面が溶融して接合している箇所（便宜上、図では１０６で示す）で熱交換しながら減圧されて、圧縮機１０１より下方に配置された蒸発器１０４に至る。蒸発器１０４は、蒸発器１０４内の冷媒の蒸発作用により冷却された空気は、図示しない冷却用ファンにより冷蔵室や冷凍室に流入し、それぞれの室を冷却する。蒸発器１０４内で周囲から蒸発潜熱を奪って蒸発した冷媒は、蒸発器１０４の冷媒出口部ｙに設けられたアキュムレータ（図示せず）を経てサクションパイプ１０５を通り、圧縮機１０１へと吸い込まれる。

図７は、図６に示すように冷蔵庫本体６０１に配設された蛇行加工された本発明に係る熱交換器１０６を拡大した概略図である。図中、ａはキャピラリーチューブ１０３の冷媒入口部であり、ｂは冷媒出口部である。図中ｃはサクションパイプの冷媒入口部であり、ｄは冷媒出口部である。キャピラリーチューブ１０３の冷媒入口部ａは、凝縮器１０２に接続しているドライヤ（図示せず）の冷媒出口部に接続している。キャピラリーチューブ１０３の冷媒出口部ｂは、蒸発器１０４の冷媒入口部（図６にてｘで示す。）に接続している。サクションパイプ１０５の冷媒入口部ｃは、図６にても図示しないアキュムレータの冷媒出口部に接続している。サクションパイプ１０５の冷媒出口部ｄは、圧縮機１０１の冷媒吸入部（図示せず）に接続している。

本発明に係る熱交換器１０６は、キャピラリーチューブ１０３とサクションパイプ１０５の両端部を残してそれぞれの外表面が溶融して接合されている。キャピラリーチューブ１０３の外表面と熱交換させるサクションパイプ１０５の外表面とが接合している長さは、お互いの熱交換を効率よく行い冷凍サイクルの効率を向上させるためには、キャピラリーチューブ１０３の長さのほぼ８０％以上とすることが好ましい。

本発明においては、熱交換器１０６を構成するキャピラリーチューブ１０３の素材としてＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金を採用し、サクションパイプ１０５の素材としてＪＩＳ規格１０００系アルミニウムを採用しているので、図７に示すような蛇行加工された熱交換器を容易に得ることができる。任意形状の蛇行加工は、ベンダーを用いて通常の方法に従い容易に行うことができる。

本発明に係る熱交換器１０６は、図７に示すような蛇行加工された熱交換器とすることにより、冷蔵庫本体６０１の高さの数倍の長さの熱交換器とすることができるので、キャピラリーチューブ１０３を流通する液相冷媒はサクションパイプ１０５を流通する低温冷媒によって十分に冷却することができる。

キャピラリーチューブとサクションパイプが熱的に接触している長さが長ければ長い程、熱交換が効率よく行えるので、冷蔵庫に適用する熱交換器は長い程好ましい。また、凝縮器近傍の空気は凝縮器との熱交換により熱くなっているので、蒸発器はできる限り凝縮器から離れた位置に配設することが好ましい。そのためには、冷蔵庫としては、図６に示すように、圧縮機１０１を冷蔵庫本体６０１の天面の一部に配置し、凝縮器１０２は圧縮機１０１より上方に配置するとともに、蒸発器１０４を圧縮機１０１より下方（具体的には冷蔵庫本体６０１の下部）に配置する構造とすることが好ましい。

本発明は、サクションパイプとキャピラリーチューブの素材を従来の銅と比較して大幅にコストの安いアルミニウム材とし、しかも蛇行加工の容易な冷凍サイクルの熱交換器を提供することができる。従って、蛇行させてコンパクトに加工することのできる本発明に係る熱交換器１０６は、熱交換器の長さを冷蔵庫本体の高さの数倍、好ましくは２〜３倍とし、図６に示すような、圧縮機１０１を冷蔵庫本体６０１の天面の一部に配置し、凝縮器１０２は圧縮機１０１より上方に配置するとともに、蒸発器１０４を圧縮機１０１より下方（具体的には冷蔵庫本体６０１の下部）に配置する構造とする冷蔵庫に適用することが好ましい。

ファイバーレーザー溶接装置を用いて、サクションパイプとしてＡ１０７０、キャピラリーチューブとしてＡ３１０３を用いて本発明に係る熱交換器を作製した。
サクションパイプ；
外径：φ６．４ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍ、内径：φ５ｍｍ、長さ：３５４０ｍｍ
キャピラリーチューブ；
外径：φ２ｍｍ、肉厚：０．６５ｍｍ、内径：φ０．７ｍｍ、長さ：３６６０ｍｍ
ファイバーレーザー溶接機
発振波長：１０７０〜１１００ｎｍ、光ファイバー３０２のファイバー径：φ０．１ｍｍ、レンズL1の焦点距離（ｆ_１）：１００ｍｍ、レンズL２の焦点距離（ｆ_２）：２００ｍｍ、レーザービームスポット径：φ０．２ｍｍ、ピーク出力：８００Ｗ、
レーザービームスポット径：φ０．２ｍｍで焦点位置を被化工物４０５の表面とし、レーザービームＬＢのスポット中心は、サクションパイプ１０５とキャピラリーチューブ１０３が接する線を基準として、０．０５ｍｍだけサクションパイプ側に寄った位置に調整し、被化工物４０５に対する被加工物移動方向におけるレーザービームＬＢの照射位置は、押圧ローラー４０１、４０２が被化工物４０５を押圧している位置に調整した。押圧ローラー４０１、４０２の素材は銅製とした。被加工物４０５の移動速度を５０ｍｍ／秒とした。また、シールドガスとして流量が１０ｌ／分（毎分１０リットル）の窒素ガスを用い被加工物４０５の移動方向と同じ方向に吹き付けた。

このようにして得られた熱交換器をベンダーを用いて通常の方法に従い、図７に示すような蛇行加工された熱交換器を作製した。

本発明に係る熱交換器は冷蔵庫等に利用することができる。

１０３キャピラリーチューブ
１０５サクションパイプ
１０６熱交換器
３０３レーザービーム出射ユニット
３０７窒素ガス噴射ノズル
ＬＢレーザービーム
４０１、４０２押圧ローラー
４０５被加工物
６０１冷蔵庫本体

Claims

圧縮機から吐出された冷媒を凝縮器、キャピラリーチューブ、蒸発器、サクションパイプ及び前記圧縮機に順次循環するように構成され、前記キャピラリーチューブの外表面と前記サクションパイプの外表面とが互いに熱的に接触している冷凍サイクルの熱交換器であって、
前記キャピラリーチューブはＪＩＳ規格３０００系合金から選ばれるアルミニウム合金製キャピラリーチューブであり、前記サクションパイプはＪＩＳ規格１０００系アルミニウムから選ばれるアルミニウム製サクションパイプであり、且つ、前記キャピラリーチューブの外表面と前記サクションパイプの外表面が溶融状態で接合されたものであることを特徴とする冷凍サイクルの熱交換器。