JP2014126311A

JP2014126311A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2014126311A
Application number: JP2012284052A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Matsumoto; 貢松本; Takashi Hirano; 孝平野; Hideaki Maruyama; 英晶丸山; Tadao Haruhara; 忠夫春原; Shozo Kiyono; 正三清野; Akira Tomioka; 章富岡; Yoichi Nakajima; 洋一中島; Kazunori Asanuma; 一範浅沼
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】食品冷凍庫等は食品を扱うため、頻繁に庫内を洗浄し、常に庫内を清潔に保つ必要がある。食品冷凍庫等にアルミニウムフィンと銅パイプを備える熱交換器を採用した場合、庫内に水を直接かけて洗浄すると銅パイプが腐食してしまうので、庫内に水を直接かけて洗浄することができないという問題点があった。ヘアピンとリターンベンドの溶接の信頼性を向上した熱交換器を備える冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置における蒸発器２ｂは、金属パイプをＵ字状に曲げ加工したＵ字状屈曲部３１ｈとＵ字状屈曲部３１ｈの屈曲終端部３１ｅから連続形成された所定の長さの直線部３１ｓとを有するヘアピン３１と、Ｕ字型を成す金属パイプであるリターンベンド３０を有し、両者のいずれかが一方が他方の内側に挿入され、外側に配置された他方の端面３１又は３０ａから所定の距離Ｐ１だけオフセットした位置において他方の外周に沿って溶接される。
【選択図】図４

Description

本発明は、食品冷凍庫等の冷却装置に関するものであり、特に、金属パイプを備える製造品質が優れた熱交換器に関するものである。

食品冷凍庫等の冷却装置や空気調和機等に用いる熱交換器は、次のように構成されている。アルミニウム等の薄板であるフィンが所定の間隔で平行に配置され、それらフィンとフィンの隙間が空気などの流体の流路となる。一方、１本の金属パイプを長手方向の中央でＵ字状に曲げ加工し、Ｕ字状屈曲部と当該屈曲部の終端から連続形成される所定の長さの直線部を有する形状であるヘアピンを形成する。フィンには、所定の間隔で複数の穴加工が施されており、それらの穴へヘアピンの直線部を串状に差し込んで固定させる。熱交換器は、ヘアピンの直線部の端面側にＵ字型を成す金属パイプであるリターンベンドを接合することによって連続した金属パイプの配管構造を備えている。このように所定の間隔で配置されたフィンに串状に差し込んで固定された金属パイプ内に冷媒等を通過させることによって、冷媒からの熱が金属パイプからフィンを経てフィンの隙間を流れる空気等の流体に伝わることにより、空気等の流体は任意の温度に冷却、または加熱される。

このように、フィンと金属パイプを備える熱交換器は、特許文献１に記載されているように、アルミニウムフィンと銅パイプを備えている。

特開２０００-２９７９９５

しかし、上述した従来における当該装置は、次のような解決すべき課題が存在した。食品冷凍庫等は食品を扱うため、頻繁に庫内を洗浄し、常に庫内を清潔に保つ必要がある。食品冷凍庫等にアルミニウムフィンと銅パイプを備える熱交換器を採用した場合、庫内に水を直接かけて洗浄すると銅パイプが腐食してしまう。このため、庫内に水を直接かけて洗浄することができないという問題点があった。

また、熱交換器のパイプが腐食することから、銅パイプを他の材質に変更した場合、ヘアピンとリターンベンドとの接合不良の発生率を低減できないという問題点もあった。

図７は、銅パイプを他の材質に変更し、従来の溶接方法で溶接した際に発生し得る不良を説明する図である。図７（ａ）は、溶接部を上から見た上面図、図７（ｂ）は、溶接部の断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）における歪みＤｔ部の断面を拡大し側面側から見た拡大断面図である。

図７では、Ｕ字状屈曲部とＵ字状屈曲部の屈曲終端部から連続形成される所定の長さの直線部を有する形状に形成されたヘアピン１０１とＵ字型を成す金属パイプであるリターンベンド１００を溶接した状況を表わしている。ヘアピン１０１は径の寸法精度を向上させるために径を拡大する拡管加工が施され、ヘアピン拡管部１０１ｂを有する。リターンベンド側もヘアピン同様に径の寸法精度を向上させるために径を拡大する拡管加工が施され、リターンベンド拡管部１００ｂを有する。ヘアピン拡管部１０１ｂに、リタンーンベンド拡管部１００ｂが挿入される。ヘアピン１０１とリターンベンド１００は、ヘアピン端面１０１ａに溶接アークＷを当て、溶接部を溶かし、適量の溶接材Ｓｏを加えることにより隅肉溶接を行う。

上記のような溶接方法で溶接を行う、すなわち、図７（ａ）に示すように円周方向Ｗｄに周回するように溶接を行うと、周回の最終地点において、ヘアピン１０１が外側に開いてしまう症状の歪みＤｔが発生する。歪みＤｔが発生すると、図７（ｃ）に示すように、溶接材Ｓｏとヘアピン１０１の間に隙間Ｓｐが形成されたり、溶接材Ｓｏ中に空洞のボイドＶｏが生じたりしてしまう可能性がある。溶接材Ｓｏ中に空洞であるボイドＶｏが生じることにより、結果的に溶接部の破断が発生する可能性も小さくない。また、図７（ｂ）に示す用に、盛られた溶接材Ｓｏに小さな穴が開いてしまう症状のピンホールＰｈが発生する可能性もある。ピンホールＰｈが生じると、ヘアピン１０１とリターンベンド１００の間が完全に塞がらず、ピンホールＰｈから冷媒漏れが発生するという問題点もあった。

本発明は、このような課題を解決するために、ヘアピンとリターンベンドの溶接の信頼性を向上した熱交換器を備える冷却装置の提供を目的とするものである。

本発明の冷却装置１は、少なくとも冷媒を圧縮する圧縮機２４と冷媒を凝縮する凝縮器２５と冷媒を膨張させる膨張弁１１ａ、１１ｂと冷媒を蒸発させる蒸発器２ａ、２ｂとを有する冷却装置であって、前記蒸発器２ａ、２ｂは、金属パイプをＵ字状に曲げ加工されたＵ字状屈曲部３１ｈとＵ字状屈曲部３１ｈの屈曲終端部３１ｅから連続形成された所定の長さの直線部３１ｓとを有するヘアピン３１と、Ｕ字型を成す金属パイプであるリターンベンド３０を有し、前記ヘアピン３１の前記直線部３１ｓの先端部であるヘアピン端部３１ｃと前記リターンベンド３０の先端部であるリターンベンド端部３０ｃの内いずれか一方が他方の内側に挿入され、外側に配置された前記他方のヘアピン端面３１ａ又はリターンベンド端面３０ａから所定の距離Ｐ１だけオフセットした位置において前記他方の外周に沿って溶接されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項２の冷却装置１は、外側に配置された前記他方の肉厚は、内側に配置された前記一方の肉厚よりも薄いことを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項３の冷却装置１は、ヘアピン３１の前記ヘアピン端部３１ｃとリターンベンド３０の前記リターンベンド端部３０ｃは拡管され、この拡管された部分の外周に沿って溶接されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項４の冷却装置１は、ヘアピン３１の直線部３１ｓの前記ヘアピン端部３１ｃとリターンベンド３０の前記リターンベンド端部３０ｃはいずれも拡管されず、この拡管されていない部分の外周に沿って溶接されていることを特徴とする。

本発明に係る請求項１の冷却装置１によれば、他方のヘアピン端面３１ａ又はリターンベンド端面３０ａから所定の寸法Ｐ１だけオフセットした位置において他方のヘアピン端部３１ｃ又はリターンベンド端部３０ｃの外周に沿って溶接されていることにより、ヘアピン端面３１ａ又はリターンベンド端面３０ａに溶接材を盛ることにより溶接する従来溶接方式の場合に発生し得るピンホール、ボイドと呼ばれるような症状による冷媒漏れ等の不良の発生率を低減することができる。これにより、溶接工程において、溶接材を加えるという要素がなくなるので、溶接材自体のコストを削減できる。また、量産の見込みがある場合は、生産工程の自動化も容易になり、生産工程が自動化すれば、生産コストが低減されることにより、冷却装置のコストダウンが可能となる。品質を向上させた上でのコストダウンになるので、付加価値を向上させることにもなる。

本発明に係る請求項２の冷却装置１によれば、外側に配置された前記他方の肉厚は、内側に配置された前記一方の肉厚よりも薄いことにより、ヘアピン３１とリターンベンド３０を溶接する際に、内側配置された前記一方の肉厚が前記他方の肉厚より厚いことにより、前記一方の内側まで溶接アークＷが貫通して穴が開いてしまうことを防止することができる。しかも、前記他方の肉厚が薄いことにより熱が伝わり易いことにより溶接のし易さが向上するので、生産コストの低減が見込まれ、冷却装置１のコストダウンにもつながる。

本発明に係る請求項３の冷却装置１によれば、ヘアピン端部３１ｃとリターンベンド端部３０ｃが拡管されることにより、ヘアピン端面３１ａとリターンベンド端面３０ａの直径寸法と真円度のバラツキが筒状の部材から切り出したままの状態よりも抑制される。このため、一方を他方に挿入した際に、リターンベンド３０とヘアピン３１の隙間寸法の精度を向上させることができる。これにより、溶接がし易くなり、作業性が向上し、冷媒漏れの可能性も低減することができる。また、両者の径を拡げた上で接合するので、配管径狭窄による配管抵抗の増加を防止することもできる。結果として、冷却装置１の品質が向上される。

本発明に係る請求項４の冷却装置１によれば、ヘアピン端部３１ｃとリターンベンド端部３０ｃはいずれも拡管されず、この拡管されていない部分の外周に沿って溶接されていることにより、拡管する工程を省くことができるので、製造コストを削減することができる。

本発明の実施形態１に係る冷却装置１の外形を示す図である。本発明の実施形態１に係る冷却装置１の冷媒回路２０を示す図である。本発明の実施形態１に係る冷媒回路２０が備える蒸発器２ｂを示す図である。本発明の実施形態１に係る蒸発器２ａ、２ｂが備えるヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部を示す図である。本発明の実施形態１に係るヘアピン３１とリターンベンド３０との溶接部を説明する図及び、従来事例におけるヘアピン３１とリターンベンド３０との溶接部を説明する図である。本発明の実施形態２に係る冷却装置における蒸発器２ａ、２ｂが備えるヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部を示す図である。従来技術のヘアピン１０１とリターンベンド１００とを溶接した接合部を説明する図である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係る冷却装置１の外形を示す図である。図１（ａ）は、冷却装置１を上から見た上面図である。図１（ｂ）は、冷却装置１を正面から見た正面図である。図１（ｃ）は、冷却装置１を右側から見た一部断右側面図である。図１（ｄ）は、冷却装置１内の空気の流れ方向を示す図である。

冷却装置１はその内部に、冷媒を蒸発させることにより空気を冷却する蒸発器２ａ、２ｂを有する。冷却装置１内の空気が、蒸発器２ａ、２ｂ内を流れる冷媒と熱交換することにより冷却される。また、冷却装置１は、冷却装置１内の空気を循環させるためのファン３を有し、冷却装置１内の空気は、図１（ｄ）の矢印で示される流れ方向で冷却装置１内を循環する。

図２は、本発明の実施形態１に係る冷媒回路２０を示す図である。本実施形態１において、冷却装置１の冷媒回路２０は、室内機７、室外機２９、第１接続部２１と第２接続部２２から構成されている。

室内機７は、冷媒の流れを制するための電磁弁１０、冷媒を膨張させるための膨張弁１１ａ、１１ｂ、冷媒を蒸発させるための蒸発器２ａ、２ｂ、膨張弁１１ａ、１１ｂの開度を制御する目的で蒸発器２ａ、２ｂ出口側の冷媒温度を測定するための温度センサ１２ａ、１２ｂを有する。室内機７は、第１接続部２１と第２接続部２２により室外機２９と接続される。

室外機２９は、冷媒内に残留した水分を除去するためのアキュームレータ２３、冷媒を圧縮するための圧縮機２４、冷媒を凝縮するための凝縮器２５、凝縮器２５に対して送風し凝縮器２５内の冷媒を凝縮させるための送風機２８、凝縮器２５において凝縮された液冷媒を蓄えるための受液器２６、凝縮器２５と受液器２６を経た冷媒を更に冷却するための過冷却器２７を備える。

圧縮機２４で圧縮された冷媒は、圧縮機２４から吐出され、凝縮器２５、受液器２６、過冷却器２７、電磁弁１０、膨張弁１１ａ、１１ｂ、蒸発器２ａ、２ｂ、アキュームレータ２３の順番で冷媒回路２０を循環し、圧縮機２４へと戻って来る。

図３は、本発明の実施形態１に係る冷却装置１の冷媒回路２０が備える蒸発器２ｂを示す図である。図３（ａ）は、蒸発器２ｂを正面側から見た正面図である。図３（ｂ）は蒸発器２ｂを側面側から見た側面図である。

冷媒は、冷媒を蒸発させることで冷媒と空気を熱交換させ冷媒を冷却するための蒸発器２ｂを通過することで、冷却される。蒸発器２ｂは、金属パイプをＵ字状に曲げ加工されたＵ字状屈曲部３１ｈとこのＵ字状屈曲部３１ｈの屈曲終端部３１ｅから連続形成された所定の長さの直線部３１ｓとを有するヘアピン３１と、Ｕ字型を成す金属パイプであるリターンベンド３０を有する。空気は、蒸発器２ｂの吸込み側である吸込み面２ｂ１から吸い込まれ、蒸発器２ｂの吹出し側である吹出し面２ｂ２から吹き出され、冷凍装置１内を循環する。蒸発器２ａについても、基本的構成は同じである。ヘアピン３１とリターンベンド３０は、両者が同じ材質であるので溶接がし易く、溶接後の接合力を向上させ、長期安定性が維持される。

図４は、本発明の実施形態１に係る冷却装置における蒸発器２ａ、２ｂが備えるヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部を示す図である。図４（ａ）は、ヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部を上から見た上面図である。図４（ｂ）は、ヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部の断面図である。図４（ｃ）は、ヘアピン３１とリターンベンド３０が蒸発器２ａ、２ｂに組み込まれている様子を部分的に示した図である。

図４（ｃ）に示す通り、蒸発器２ｂは、ステンレス鋼製（ＳＵＳ３１６）パイプをＵ字状に曲げ加工されたＵ字状屈曲部３１ｈとＵ字状屈曲部３１ｈの屈曲終端部３１ｅから連続形成された所定の長さの直線部３１ｓとを有するヘアピン３１と、Ｕ字型を成すステンレス鋼製（ＳＵＳ３１６）パイプであるリターンベンド３０と、冷媒と空気の伝熱面積を増やすためのアルミニウム製のフィン３３と、蒸発器２ｂの両端を固定するための固定板３２とを備える。なお、フィン３３は、防錆を目的として、耐食性樹脂とリン酸クロメートを成分とした表面処理がなされているフィンを採用している。

図４（ｂ）に示す通り、リターンベンド３０の先端部であるリターンベンド端部３０ｃを所定の工具を用いて直径を拡げたリターンベンド拡管部３０ｂを形成する。同様に、ヘアピン３１の端部であるヘアピン端部３１ｃを所定の工具を用いて直径を拡げたヘアピン拡管部３１ｂを形成する。リターンベンド端部３０ｃを、ヘアピン端部３１ｃの内側に挿入する。この時に、リターンベンド端部３０ｃとヘアピン端部３１ｃは、リターンベンド端面３０ａの外径とヘアピン端面３１ａの内径の間に所定の寸法である隙間Ｓが形成されるように拡管する。リターンベンド端部３０ｃとヘアピン端部３１ｃは、両者の径を拡げた上で接合するので、配管径狭窄による配管抵抗の増加を防止することもできる。

リターンベンド端面３０ａの位置がヘアピン端面３１ａから所定の距離Ｐ２になるようにリターンベンド３０を挿入する。リターンベンド端部３０ｃをヘアピン端部３１ｃに挿入後、ヘアピン端面３１ａから所定の距離Ｐ１の位置でヘアピン端部３１ｃの外周に沿って溶接アークＷを当て、溶接状態が溶接ビードＢの状態になるように溶接を行う。帯を巻くように周回し溶接することから、以下、この溶接方式を帯溶接と呼ぶ。なお、ヘアピン肉厚３１ｔは、リターンベンド肉厚３０ｔよりも薄い肉厚となっている。ヘアピン肉厚３１ｔは０．３５ｍｍ程度が望ましく、リターンベンド肉厚３０ｔは、ヘアピン肉厚３１ｔの１．６倍程度が望ましい。

所定の距離Ｐ１、所定の距離Ｐ２、リターンベンド肉厚３０ｔ、ヘアピン肉厚３１ｔの実施形態１における実際の寸法は、所定の距離Ｐ１は５±１ｍｍ、所定の距離Ｐ２は８ｍｍ、リターンベンド肉厚３０ｔは０．５ｍｍ、ヘアピン肉厚３１ｔは０．３５ｍｍとなっている。所定の距離Ｐ２は所定の距離Ｐ１に対して１．６倍程度が望ましい。

図５は、本発明の実施形態１に係る冷却装置１におけるヘアピン３１とリターンベンド３０との溶接部を説明する図及び、従来事例におけるヘアピン１０１とリターンベンド１００との溶接部を説明する図である。図５（ａ）は、実施形態１におけるヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部を上から見た上面図である。図５（ｂ）は、実施形態１におけるヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部の断面図である。図５（ｃ）は、従来方式の溶接方法におけるヘアピン１０１とリターンベンド１００の接合部を上から見た上面図である。図５（ｄ）は、従来方式の溶接方法におけるヘアピン１０１とリターンベンド１００の接合部を横から見た図である。

実施形態１においては、図５（ｂ）に示す通り、ヘアピン端面３１ａから所定の距離Ｐ１の位置で前述のように溶接アークＷを当て帯溶接するため、溶接後も、図５（ａ）に示す通り、接合部を上から見ると全周に渡って隙間Ｓが見える。対照的に、従来方式の溶接方法においては、図５（ｄ）に示す通り、ヘアピン１０１の端面であるヘアピン端面１０１ａに溶接アークＷを当て、溶かしながら、溶接材Ｓｏを加えることにより、円周方向Ｗｄに周回するように隅肉溶接を行う。したがって、図５（ｃ）に示す通り、接合部を上から見ても隙間Ｓは見えない。

従来方式の溶接方法においては、盛られた溶接材Ｓｏに小さな穴が開く症状であるピンホールＰｈ等の不良の発生を防ぎきることができなかったが、実施形態１においては、不良の発生を低減することができた。

なお、実施形態１は、段落００１５〜段落００１７に示す効果と同じ効果を得ることができる。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２に係る冷却装置における蒸発器２ａ、２ｂが備えるヘアピン３１とリターンベンド３０の接合部を示す図である。

実施形態２における所定の距離Ｐ１、所定の距離Ｐ２、リターンベンド肉厚３０ｔ、ヘアピン肉厚３１ｔの実際の寸法は、実施形態１と同じである。

実施形態２が実施形態１と異なる点は、ヘアピン端部３１ｃとリターンベンド端部３０ｃ共に、拡管の加工をせずにストレート管のままあてがわれ、溶接されている点である。実施形態１のように所定の工具を用いて拡管の加工をした場合、ヘアピン３１とリターンベンド３０の真円度の精度を向上でき、拡管の加工をしないままの管は、拡管の加工をした管に比べ、その真円度と接合をする際の作業性が劣るが、加工プロセスを１工程減らすことができるので、製造コスト削減になるというメリットがある。実施形態２においては、段落１８に示す効果と同じ効果を示すことができる。

以上、好適な実施例を詳細に説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、以下のような例が考えられる。

（変形例１）
ヘアピン３１とリターンベンド３０は実施形態１とは逆、すなわちヘアピン３１を内側、リターンベンド３０を外側にし、外周を全周に渡って溶接する様にしても良い。

（変形例２）
ヘアピン３１とリターンベンド３０は、同じ材質が好ましいが、溶接のし易さや、耐腐食性の観点から問題がなければ異なる材質としても良い。

（変形例３）
帯溶接の溶接条件は、溶接アークＷの強さと周回速度が一定であることが望ましいが、溶接の仕上がりに問題がなければ、周回中に、溶接アークＷの強さや、周回速度を変化させても良い。

（変形例４）
本実施形態１において、冷媒回路２０は、冷却装置１と室外機２９と第１接続部２１と第２接続部２２とから構成されているが、冷却装置１と室外機２９を分離するのではなく、一体化しても良い。

（変形例５）
本実施形態１において、送風機２８が室外機２９の凝縮器２５と過冷却器２７に対して送風することによって、凝縮、過冷却を行っているが、送風機２８により送風するのではなく、冷却した水を凝縮器２５、過冷却器２７に供給しても良い。

２ａ：蒸発器、２ｂ：蒸発器、１１ａ：膨張弁、１１ｂ：膨張弁、
２４：圧縮機、２５：凝縮器、３０：リターンベンド、３０ａ：リターンベンド端面、
３０ｃ：リターンベンド端部、３１：ヘアピン、３１ａ：ヘアピン端面、
３１ｃ：ヘアピン端部、３１ｅ：屈曲終端部、３１ｈ：Ｕ字状屈曲部、３１ｓ：直線部、
３３：フィン、Ｐ１：所定の距離、Ｗ：溶接アーク

Claims

少なくとも冷媒を圧縮する圧縮機と冷媒を凝縮する凝縮器と冷媒を膨張させる膨張弁と冷媒を蒸発させる蒸発器とを有する冷却装置１であって、
前記蒸発器は、金属パイプをＵ字状に曲げ加工されたＵ字状屈曲部とＵ字状屈曲部の屈曲終端部から連続形成された所定の長さの直線部とを有するヘアピンと、Ｕ字型を成す金属パイプであるリターンベンドを有し、
前記ヘアピンの前記直線部の先端部であるヘアピン端部と前記リターンベンドの先端部であるリターンベンド端部のいずれか一方が他方の内側に挿入され、外側に配置された前記他方のヘアピン端面又はリターンベンド端面から所定の距離だけオフセットした位置において前記他方の外周に沿って溶接されていることを特徴とする冷却装置。
外側に配置された前記他方の肉厚は、内側に配置された前記一方の肉厚よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記ヘアピンの前記ヘアピン端部と前記リターンベンドの前記リターンベンド端部は拡管され、この拡管された部分の外周に沿って溶接されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
前記ヘアピンの前記ヘアピン端部と前記リターンベンドの前記リターンベンド端部はいずれも拡管されず、この拡管されていない部分の外周に沿って溶接されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却装置。