JP2014181842A

JP2014181842A - 圧縮空気除湿装置の熱交換器

Info

Publication number: JP2014181842A
Application number: JP2013055971A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Matsumoto; 浩明松本; Kazuaki Kobayashi; 一章小林; Norihisa Takeuchi; 則久竹内; Yasuhiko Maruyama; 泰彦丸山
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-29

Abstract

【課題】製造に要する時間の短縮とコストの低減をすることができる、圧縮空気除湿装置の熱交換器を提供する。
【解決手段】圧縮空気の導入口２１と排出口２２を備えた圧力容器２０内に収納され、冷凍サイクル３０の蒸発器として圧縮空気と熱交換して冷却し除湿する冷却器２を備え、圧縮空気の冷却時に冷却器２で発生したドレンを圧力容器２０外部に排出可能に構成されている熱交換器１において、冷却器２は複数枚の熱交換フィン１０と、これら熱交換フィン１０を貫通する蛇行状の冷媒配管１１と、熱交換フィン１０の両端に設けられた側板１３とから構成される複数の冷却器ブロック２からなり、複数の冷却器ブロック２の両端はそれぞれ共通の管板１４、１５で保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルによって圧縮空気を冷却することで除湿する圧縮空気除湿装置の熱交換器に関するものである。

圧縮空気を冷凍サイクルによって冷却して除湿する圧縮空気除湿装置（以下、「除湿装置」という）がある。この除湿装置では、圧縮空気が熱交換器内で冷媒と熱交換することで冷却され圧縮空気に含まれる水分が凝縮し、結露した水分を分離して排出することによって除湿する（以下、圧縮空気と分離された水分を「ドレン」という）。

この熱交換器内の冷媒によって冷却される部分（以下、「冷却器」という）には、複数枚の熱交換フィンと、熱交換フィンを貫通する冷媒配管とから構成されるフィンアンドチューブ型の冷却器が用いられている。従来この種の冷却器は、所定間隔で複数枚配設された熱交換フィンと、これら熱交換フィンの両端に設けられ、当該熱交換フィンより肉厚で強度の高い冷媒配管固定用の管板と、これら熱交換フィンおよび管板とを貫通する蛇行状の冷媒配管とから構成されている。そして、この冷却器を製造する場合、熱交換フィンと熱交換フィンの両端の管板に冷媒配管の外径より大きい貫通孔を穿設しておき、この貫通孔に直管状の複数の主配管を挿通する。この状態で当該主配管に拡張治具を挿入して、主配管を内側から押し広げて拡管する。これにより、主配管の外面が貫通孔に密着して当接し、主配管と熱交換フィンおよび管板とが固着される。
次に、Ｕ字状に湾曲されたベンド配管の端部を上記直管状の主配管の端部に挿入し、ろう材（溶接材）で両者を溶接によって固定することによって、蛇行状の冷媒配管が構成され、フィンアンドチューブ型の冷却器が組み立てられていた。

しかし上記のような拡管による製造では、拡管治具で拡管可能な冷却器の大きさに限界があり、大型の除湿装置に用いられる冷却器は拡管治具による拡管ができない。そのため、大型の冷却器を製造する場合には、水圧による拡管方法が採用される。拡管を行う前に、主配管とベンド配管をろう材による溶接によって固定し、閉回路とした蛇行状の冷媒配管の中に水を封入して圧力を掛け、内側からの水圧によって主配管を拡管する。これにより、拡管治具による拡管方法と同様に主配管の外面が貫通孔に密着して当接し、主配管と熱交換フィンおよび管板とが固着される。

また、冷却器では周囲環境の腐食性ガスが混合された圧縮気体および腐食物質が含有されたドレンによって、冷却器の冷媒配管を構成する銅材質である主配管とベンド配管が腐食され、冷媒が漏れることがある。除湿装置を構成する他の部分より冷却器での腐食による漏れが多い原因としては、腐食物質が大気よりも圧縮され濃縮された状態であることに加え、ドレン（凝縮水）によって腐食物質が濃縮された状態となっていることで、腐食が促進されていると考えられる。

化学工場など予め周囲環境に腐食性ガスが存在することがわかっている場所に除湿装置を設置する場合、冷却器の冷媒配管が腐食するのを防ぐため、主配管とベンド配管の材質を銅からステンレスに変更して耐食性を向上させ、腐食を防止するようにしている。

特開２０００−１８８８２号公報

ところが、従来の除湿装置の熱交換器には、以下の改善すべき課題がある。

大型の冷却器を製造する場合は上述のように拡管治具による拡管ができないため、水圧による拡管が行われる。冷却器の冷媒配管をステンレス鋼にした場合、ステンレス鋼は銅と比較して硬い材質のため、拡管に要する水圧を高くしなければならず、また材料の粘りがないため破裂も起きやすく、扱いづらく歩留まりが悪かった。また、水圧による拡管は均一に拡管できず、主配管と熱交換フィンとの密着性にばらつきが生じ、冷却器の熱交換性能に影響が出ることがあった。さらに、水圧による拡管によって主配管の一部が膨らんで熱交換フィンを押し広げ、冷却器の形状が歪んでしまうことがある。そのため、拡管後の冷却器が意図した形状になるように拘束する枠型の治具にセットした後、水圧による拡管を行っているが、枠型治具のセットに要する時間が必要であった。さらに、水圧による拡管を行なった後は、冷却器の冷媒配管の内部に水が残るため、配管内の乾燥に要する時間とコストが必要であった。

本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、ステンレスの冷媒配管を用いた大型の冷却器を製造する場合において、歩留まりが良く、製造に要する時間を短縮してコストを低減することができる除湿装置の熱交換器を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく、請求項１記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器は、圧縮空気の導入口と排出口を備えた圧力容器内に収納され、冷凍サイクルの蒸発器として前記圧縮空気と熱交換して冷却し除湿する冷却器を備え、前記圧縮空気の冷却時に前記冷却器で発生したドレンを前記圧力容器外部に排出可能に構成されている熱交換器において、前記冷却器は複数枚の熱交換フィンと、これら前記熱交換フィンを貫通する蛇行状の冷媒配管と、前記熱交換フィンの両端に設けられた側板とから構成される複数の冷却器ブロックからなり、前記複数の冷却器ブロックの両端はそれぞれ共通の管板で保持されていることを特徴とする。

また、請求項２記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器は、前記管板は、圧縮空気を案内する板として使用されることを特徴とする。

さらに、請求項３記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器は、前記冷媒配管の材質は、ステンレス鋼管であることを特徴とする。

また、請求項４記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器は、前記複数の冷却器ブロックは、熱交換フィンと冷媒配管との組み合わせがそれぞれ同一であることを特徴とする。

請求項１記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器によれば、冷却器を複数の冷却器ブロックに分けているため、拡管治具による拡管を行うことができる。それによって、水圧による拡管に比べ、製造に掛かる時間を短縮することができ、冷媒配管の破裂がなくなり歩留まりを良くすることができる。また、主配管全体が均一に拡管されることにより、主配管と熱交換フィンとが均一に密着するため冷却器の熱交換性能のばらつきをなくすことができる。さらに、水圧による拡管において必要であった枠型治具を使用しなくても良いため、枠型治具のセットに要する時間を削減することができる。また、水を使用しないため、配管内の乾燥を行う必要がなく、乾燥に要する時間とコストを削減することができる。

また、請求項２記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器によれば、複数の冷却器ブロックを保持する管板を、熱交換器内の圧縮空気を案内する板としても使用できるため、案内板を別に取り付ける必要がなく、コストを削減することができる。

さらに、請求項３記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器によれば、熱交換フィンを貫通する蛇行状の冷媒配管がステンレス鋼管であり腐食に対する耐久性が高いため、周囲環境に腐食性ガスが存在する場所においても除湿装置を設置することができ、除湿装置の耐久性を向上させることができる。

また、請求項４記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器によれば、複数の冷却器ブロックを構成する熱交換フィンと冷媒配管との組み合わせがそれぞれ同じであるため、同一の部品を使用して同一の工程で製造することができるため、工程が簡略化され、作業時間を削減することができる。

本発明の圧縮空気除湿装置の熱交換装置の概要を示す図である。本発明の冷却器の構成を示す図である。本発明の冷却器の構成を示す分解図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る圧縮空気除湿装置の熱交換装置の実施の形態について説明する。

最初に、圧縮空気の除湿装置および熱交換装置の構成について、図面を参照して説明する。

図１に示す圧縮空気除湿装置３（以下、「除湿装置３」ともいう）は、本発明の圧縮空気除湿装置の熱交換装置の一例であって、冷凍サイクル３０、圧縮空気の導入口２１と排出口２２、排水口２７を備えた圧力容器２０内に、冷凍サイクル３０の蒸発器である冷却器２を収納された熱交換器１、ドレン排出器２８を備えて構成されている。

冷凍サイクル３０は、蒸発器として機能する冷却器２、圧縮機３１、凝縮器３２および膨張弁３３を備えている。冷却器２は、熱交換器１の二次冷却部２４内に配設されて膨張弁３３から吐出された冷媒が気化することによって周囲の圧縮空気（二次冷却部２４内の圧縮空気）を冷却する。圧縮機３１は、冷却器２において圧縮空気と熱交換して温度上昇させられた冷媒を凝縮器３２に向けて圧送する。凝縮器３２にはファン３４が取り付けられており、圧縮機３１によって圧送された高温高圧の冷媒を冷却することで凝縮させる。

なお、実際の冷凍サイクル３０には、圧縮機３１によって圧送される冷媒の一部を冷却器２と圧縮機３１との間、または膨張弁３３と冷却器２の間に戻すためのバイパス管や容量制御弁を備えているが、本願発明についての理解を容易とするために、これらについての説明および図示を省略する。

次に、熱交換器１の構成について説明する。

熱交換器１は、全体として円筒状で円筒軸方向に延びた圧力容器２０で構成されると共に、圧力容器２０内に取り付けられた隔壁によって、一次冷却部２３と連通する円筒状の二次冷却部２４を挟んで前室２５および後室２６が設けられている。また、上記の前室２５および後室２６は、連結管２９によって相互に連結されている。この場合、一次冷却部２３には、処理対象の圧縮空気を導入する導入口２１が設けられると共に、後述するようにして連結管２９内を前室２５から後室２６に向かって通過させられる圧縮空気によって導入口２１から導入された圧縮空気を冷却する一次冷却部２３と、冷凍サイクル３０の蒸発器として機能する冷却器２を収納して一次冷却部２３から排出された圧縮空気を冷却して前室２５に排出する二次冷却部２４とが設けられている。

前室２５には圧縮空気中から取り除いた水分（ドレン）を排水する排水口２７が設けられている。排水口２７は、熱交換器１の底部に設けられると共に、ドレンを排出するためのドレン排出器２８が取り付けられている。また、後室２６には除湿処理後の圧縮空気を排出するための排出口２２が設けられている。

図１の二次冷却部２４には、図２に示す冷却器２が収納されている。次に、図２および図３を参照して冷却器２の詳細な構成と、製造方法について説明する。図２は冷却器２の全体構成、図３は二つの冷却器ブロック３を一体的に取り付ける冷却器２の構成を示したものであり、同一の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図２および図３に示すように、冷却器２は、二つの冷却器ブロック３、当該二つの冷却器ブロックを両側より保持する管板１４、１５、複数の仕切板１６、二つの冷却器ブロック３の冷媒配管１１のそれぞれの冷媒入口開口部１１ｂおよびそれぞれの冷媒出口開口部１１ｃを接続させる図１に示すヘッダー配管１７とからなる。

冷却器ブロック３は、所定の間隔に設けられた複数枚のアルミニウム薄板製の熱交換フィン１０と、この熱交換フィン１０の両端に配置され、当該熱交換フィン１０より肉厚で強度の高い一対の側板１３ａ、１３ｂと、これら熱交換フィン１０および側板１３ａ、１３ｂを貫通する蛇行状のステンレス鋼管製の冷媒配管１１からなる、いわゆるフィンアンドチューブ型の熱交換器として構成されている。

上記冷却器ブロック３を構成する蛇行状の冷媒配管１１は、複数本の直線状の配管の長手方向の中心部を湾曲してＵ字状に形成された主配管１１ａと、側板１３ａより熱交換フィン１０の離間側に位置する主配管１１ａの端部を相互に接続するＵ字状を呈したベンド配管１２とから構成されている。具体的に、本実施の形態の主配管１１ａは、Ｕ字状に形成された湾曲部が側板１３ｂより熱交換フィン１０の離間側に位置し、側板１３ａ、１３ｂとの間となる熱交換フィン１０は直線状を呈した直線部となる。

以上の構成からなる冷却器ブロック３の製造方法について説明すると、まず図３に示すように所定間隔で設けられた複数枚の熱交換フィン１０、及び、熱交換フィン１０の両側に設けた側板１３ａ、１３ｂに冷媒配管１１の主配管１１ａの外径より若干大きい貫通孔を穿設する。次に、側板１３ｂに形成された貫通孔から主配管１１ａの両端を挿入し、側板１３ｂから他方の側板１３ａ間に渡って所定間隔で配置された熱交換フィン１０に形成された貫通孔、側板１３ａの貫通孔に順次主配管１１ａを挿通する。このとき、主配管１１ａの両端は側板１３ａより熱交換フィン１０から離間側に位置した状態となる。

この状態で、当該主配管１１ａの両端の開口から図示しない拡張治具を挿入する。具体的には、主配管１１ａの両端の開口に主配管１１ａの内径より若干大きい外径を有する拡張棒を位置合わせする。そして、その状態で、拡張棒を主配管１１ａ内に挿入する。これにより、主配管１１ａが当該主配管１１ａ内に挿入された上記拡張棒により内側から押し広げられて拡張し（拡管）、主配管１１ａの外周面が熱交換フィン１０及び両側板１３ａ、１３ｂに形成された貫通孔に密着して当接し、主配管１１ａと熱交換フィン１０、及び、主配管１１ａと両側板１３ａ、１３ｂとが密着される。

その後、上記拡張治具の拡張棒を主配管１１ａから引き抜き、主配管１１ａの端部の開口にＵ字状に湾曲されたベンド配管１２の端部を挿入し、ろう材（溶接材）にて両者を溶接にて固定することによって、蛇行状の冷媒配管１１が構成される。これにより、係るフィンアンドチューブ型の熱交換器（冷却器ブロック３）が組み立てられる。

次に図３を参照して冷却器２の製造方法を説明する。

図示のように二つの同一の冷却器ブロック３、３を、当該冷却器ブロック３、３のそれぞれの側板１３ａ、１３ａの端部、及びそれぞれの側板１３ｂ、１３ｂの端部を当接させるように重ね合わせる。そして、円筒状の二次冷却部２４の円筒の径とほぼ同径である円形状の端部１４ａを持ち、該円形状の端部１４ａの下側部分及び円形の中心部分が冷却器ブロック３の主配管１１ａ及びベンド配管１２に接触しないように空けられた開口部１４ｂを持つ管板１４を、当該管板１４と冷却器ブロック３、３のそれぞれの側板１３ａ、１３ａとが一部重なり合うように配置する。そして、この状態で、管板１４と側板１３ａ、１３ａとが重なり合った箇所に設けた取付孔１４ｄに図示しないビスを挿入して両者を締結する。

また、管板１４の円形状の端部１４ａと同径である円形状の端部１５ａを持ち、該円形状の端部１５ａの下側部分に開口部１５ｂを持ち、かつ冷却器ブロック３の主配管１１ａに接触しないように複数の開口部１５ｃを持つ管板１５を、当該管板１５と冷却器ブロック３、３のそれぞれの側板１３ｂ、１３ｂとが一部重なり合うように配置する。そして、この状態で、管板１５と側板１３ｂ、１３ｂとが重なり合った箇所に設けた取付孔１５ｄに図示しないビスを挿入して両者を締結する。

二次冷却部２４における圧縮空気の蛇行流路を構成するように、図２に示すように複数の仕切板１６を冷却器ブロック３、３の熱交換フィン１０、１０間に間隔を空けて挿入して固定する。そして、各冷却器ブロック３、３の冷媒配管１１、１１の冷媒入口開口部１１ｂ同士を、ヘッダー配管１７をろう材にて溶接することによって接続し、各冷却器ブロック３、３の冷媒配管１１、１１の冷媒出口開口部１１ｂ同士についてもヘッダー配管１７をろう材にて溶接することによって接続する。これにより、二つの冷却器ブロック３、３のそれぞれの冷媒配管１１、１１をひとつの冷媒流路とすることによって、冷却器２を形成する。

冷却器２は、上記圧力容器２０の二次冷却部２４に収納され、冷凍サイクル３０の冷媒配管が接続されることによって冷凍サイクル３０の蒸発器として機能しする。

続いて、除湿装置３と熱交換器１による圧縮空気の除湿処理について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

まず、圧縮機３１を作動させて冷凍サイクル３０内において冷媒を循環させる。この際には、後述するように、冷却器２内における冷媒の気化によって二次冷却部２４内が冷却される。圧縮空気は、導入口２１から熱交換器１内（一次冷却部２３）に導入される。この場合、熱交換器１内に導入された圧縮空気は、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された際に温度上昇させられて高温となっている。この高温の圧縮空気は、後述する除湿過程において冷却されて連結管２９内を前室２５から後室２６に向かって通過させられる除湿処理後の圧縮空気と一次冷却部２３において熱交換することによって冷却される（除湿処理後の圧縮空気によって冷却される）。この結果、導入口２１から導入された圧縮空気に含まれている水分の一部が、一次冷却部２３において連結管２９の周囲に結露して圧縮空気から取り除かれる。

また、一次冷却部２３において一次冷却された圧縮空気は、一次冷却部２３から、圧力容器２０の円筒軸と同方向に延びる円筒状に構成されて冷却器２が収納された二次冷却部２４に排出され、二次冷却部２４内において冷凍サイクル３０の冷却器２によって十分に冷却される。この際には、二次冷却部２４に導入された圧縮空気は、冷却器２を構成する管板１４とその開口部１４ｂ、および管板１５とその開口部１５ｂ、複数の仕切板１６が存在することにより、図１の矢印で示すように二次冷却部２４内を蛇行して移動しながら効率良く冷却される。このとき、一次冷却部２３から排出された圧縮空気に含まれている水分のほぼすべてが二次冷却部２４内において冷却器２の周囲に結露して圧縮空気から取り除かれる結果、圧縮空気が十分に除湿される。また、両冷却部２３、２４において圧縮空気中から取り除かれた水分は、熱交換器１底部の排水口２７からドレン排出器２８を介して熱交換器１の外部に排出される。一方、両冷却部２３、２４において冷却されて除湿された低温低湿の圧縮空気は、二次冷却部２４から前室２５に排出された後、一次冷却部２３において連結管２９を通過させられる際に、導入口２１から熱交換器１内（一次冷却部２３）に導入された高温の圧縮空気と熱交換することで温度上昇させられて後室２６に排出される。そして排出口２２から熱交換器１の外部に圧送される。

以上詳述したように、この圧縮空気除湿装置の熱交換器１によれば、冷却器２を複数の冷却器ブロック３、３に分けて構成されているため、拡管治具による拡管を行うことができる。それによって、水圧による拡管に比べ、製造に掛かる時間を短縮することができ、冷媒配管１１の破裂がなくなり歩留まりを良くすることができる。また、主配管１１ａ全体が均一に拡管されることにより、主配管１１ａと熱交換フィン１０とが均一に密着するため冷却器の熱交換性能のばらつきをなくすことができる。さらに、水圧による拡管において必要であった枠型治具を使用しなくても良いため、枠型治具のセットに要する時間を削減することができる。また、水を使用しないため、冷媒配管１１内の乾燥を行う必要がなく、乾燥に要する時間とコストを削減することができる。

以上、本発明につき各実施例を挙げて説明したが、本発明はこの各実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

１熱交換器
２冷却器
３冷却器ブロック
４圧縮空気除湿装置
１０熱交換フィン
１１冷媒配管
１１ａ主配管
１１ｂ冷媒入口開口部
１１ｃ冷媒出口開口部
１２ベンド配管
１３ａ，１３ｂ側板
１４，１５管板
１４ａ，１５ａ端部
１４ｂ，１５ｂ，１５ｃ開口部
１６仕切板
１７ヘッダー配管
２１導入口
２２排出口
２３一次冷却部
２４二次冷却部
２５前室
２６後室
２７排水管
２８ドレン排出器
２９連結管
３０冷凍サイクル
３１圧縮機
３２凝縮器
３３膨張弁
３４ファン

Claims

圧縮空気の導入口と排出口を備えた圧力容器内に収納され、冷凍サイクルの蒸発器として前記圧縮空気と熱交換して冷却し除湿する冷却器を備え、前記圧縮空気の冷却時に前記冷却器で発生したドレンを前記圧力容器外部に排出可能に構成されている熱交換器において、前記冷却器は複数枚の熱交換フィンと、これら前記熱交換フィンを貫通する蛇行状の冷媒配管と、前記熱交換フィンの両端に設けられた側板とから構成される複数の冷却器ブロックからなり、前記複数の冷却器ブロックの両端はそれぞれ共通の管板で保持されていることを特徴とする圧縮空気除湿装置の熱交換器。
前記管板は、圧縮空気を案内する板として使用されることを特徴とする請求項１記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器。
前記冷媒配管の材質は、ステンレス鋼管であることを特徴とする請求項１または２記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器。
前記複数の冷却器ブロックは、熱交換フィンと冷媒配管との組み合わせがそれぞれ同一であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧縮空気除湿装置の熱交換器。