JP2017053516A - 冷凍サイクル装置の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出センサが固定されるヘッダ集合管における腐食の発生を抑制することが可能な新規な熱交換器を提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヘッダ集合管２１内の冷媒温度を測定する温度検出センサ３０の金属ケースが、ヘッダ集合管２１と電気的な絶縁性を有する絶縁部材４０を介して固定される。これによれば、温度検出センサ３０の金属ケースとヘッダ集合管２１とが電気的に絶縁されているため、ヘッダ集合管２１における異種金属接触腐食を抑制することができ、ヘッダ集合管２１の耐腐食性能を向上することができる。【選択図】図４

Description

本発明は冷凍サイクルを利用した空気調和機等の冷凍サイクル装置に使用される熱交換器に係り、特にパラレルフロー型の熱交換器に関するものである。

空気調和機などの冷凍サイクル装置に使用されている熱交換器として、従来では複数のアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られたフィンと、複数本の銅製伝熱管から構成されているクロスフィンチューブ型熱交換器が知られている。ただ、最近ではこのクロスフィンチューブ型熱交換器に代わる熱交換器としてパラレルフロー型熱交換器が開発されている。パラレルフロー型熱交換器は、低コスト化、小型化、軽量化に優れたものであり、空気調和機等の冷凍サイクル装置に適しているものである。

パラレルフロー型熱交換器は、例えば、特開２００６−２８４１３３号公報（特許文献１）にあるように、２つのヘッダ集合管と、このヘッダ集合管の間に配列され、一端が一方のヘッダ集合管に連結されると共に、他端が他方のヘッダ集合管に連結された複数の扁平伝熱管と、扁平伝熱管に接合された複数のフィンとを備えており、これら全ての構成部材がアルミニウム、或いはアルミニウム合金で作られている。

特開２００６−２８４１３３号公報

ところで、空気調和機などの冷凍サイクル装置では、熱交換器を流れる冷媒の温度に基づき圧縮機等の動作制御を行っており、パラレルフロー型熱交換器においても、冷媒温度を測定するための温度検出センサを熱交換器のヘッダ集合管の外周面に取り付けている。例えば、空気調和機では、運転時の安全性を確保するために、熱交換器の内部の圧力を把握し、それに基づき圧縮機の制御を行う必要がある。そして、実際には圧力を直接測定する代わりに、冷媒の温度を測定して圧力を推測している。

ヘッダ集合管に取り付けられる温度検出センサは、一般的にはサーミスタが使用されており、このサーミスタは金属製ケースに収納されているが、その材料には熱伝導の良さと加工のしやすさから銅が用いられることが多い。

したがって、パラレルフロー型熱交換器のヘッダ集合管に、サーミスタが収納された銅ケースを取り付けると、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヘッダ集合管が異種金属接触腐食を引き起こされる。このため、前述した異種金属接触腐食によりヘッダ集合管の腐食が促進されてくると、ヘッダ集合管に穴が開き、その結果、冷媒が漏洩する危険性がある。また、温度検出センサがヘッダ集合管と直接接触していない場合でも、鋼板などの他の金属材料からなる取り付け金具が電気的に絶縁されていない状態で直接接触することは、異種金属接触腐食を誘発させる要因となる。

本発明の目的は、温度検出センサが固定されるヘッダ集合管における腐食の発生を抑制することが可能な新規な熱交換器を提供することにある。

本発明の特徴は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２つのヘッダ集合管と複数の伝熱管及び複数のフィンで構成されている熱交換器において、ヘッダ集合管内の冷媒温度を測定する温度検出センサの金属ケースが、ヘッダ集合管と電気的な絶縁性を有する絶縁部材を介して固定されている、ところにある

本発明によれば、温度検出センサの金属ケースとヘッダ集合管とが電気的に絶縁されているため、ヘッダ集合管における異種金属接触腐食を抑制することができ、その結果、ヘッダ集合管の耐腐食性能を向上させることができる。

冷凍サイクルにおける冷凍サイクル系統図である。 本発明が適用される熱交換器の正面図である。 図２のＡ−Ａ断面になる断面図である。 温度検出センサの断面図である。 本発明の第１の実施形態になる熱交換器の部分拡大図である。 絶縁シート部材の断面図である。 本発明が適用される他の熱交換器の正面図である。 本発明の第２の実施形態になる熱交換器の部分拡大図である。 本発明の第３の実施形態になる温度検出センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

まず、本発明の具体的な実施形態を説明する前に冷凍サイクル装置の構成について図１を用いて簡単に説明する。

図１は冷凍サイクル装置を示す冷凍サイクル系統図であり、室外機１と室内機２は、冷媒配管である液側接続配管３とガス側接続配管４により接続されている。室外機１には、アキュムレータ５、圧縮機６、四方弁７、室外側熱交換器８、第１の膨張弁９などが備えられている。また、液側接続配管３と接続される液阻止弁１０、及びガス側接続配管４と接続されるガス阻止弁１１が備えられている。また、室内機２には、利用側熱交換器１２及び第２の膨張弁１３等が備えられている。

冷房運転を行う場合には次のように動作する。圧縮機６で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は冷凍機油とともに圧縮機６から吐出され、その後四方弁７を経て、熱源側熱交換器８へと流入し、ここで室外空気或いは冷却水などと熱交換して凝縮液化する。

凝縮液化した冷媒は全開とされた第１の膨張弁９を通り、液阻止弁１０及び液側接続配管３を経て、室内機２へ送られる。室内機２に流入した液冷媒は、第２の膨張弁１３で減圧されて膨張し、低温・低圧の気液二相流となって、利用側熱交換器１２に入り、ここで室内空気等の利用側媒体と熱交換して利用側媒体を冷却するとともに、自らは蒸発気化する。

その後、ガス冷媒はガス側接続配管４を通り、ガス阻止弁１１、四方弁７、アキュムレータ５を経て圧縮機６へ戻るという冷凍サイクルを構成する。冷凍サイクルの余剰冷媒はアキュムレータ５に貯留され、冷凍サイクルの運転圧力、温度が正常な状態に保たれるように構成されている。

暖房運転を行う場合には次のように動作する。圧縮機６で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は冷凍機油とともに圧縮機６から吐出され、四方弁７、ガス阻止弁１１、ガス側接続配管４を経て室内機２の利用側熱交換器１２へ流入し、ここで室内空気等の利用側媒体と熱交換して利用側媒体を加熱し、自らは凝縮液化する。

凝縮液化した冷媒は、液側接続配管３、液阻止弁１０を経て、第１の膨張弁９で減圧され、熱源側熱交換器８で室外空気或いは水などの熱源媒体と熱交換して蒸発気化する。蒸発気化した冷媒は四方弁７、アキュムレータ５を経て圧縮機６へ戻るというサイクルを構成する。

図１に示す冷凍サイクル装置における熱源側熱交換器８は、本実施形態では、アルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られた２本のヘッダ集合管と、ヘッダ集合管の間に上下方向に配列され、一端が一方のヘッダ集合管に連結され、他端が他方のヘッダ集合管に連結されたアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られた複数の扁平伝熱管と、扁平伝熱管に接合されたアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られた複数のフィンで構成されている。次に、この室外側熱交換器８に使用されている熱交換器８の構成を図２Ａ，図２Ｂにより説明する。

図２Ａに示すように、室外側熱交換器８は、第１のヘッダ集合管２１及び第２のヘッダ集合管２２と、複数の扁平伝熱管２３と、複数のフィン２４を備えており、何れもアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られており、互いにロウ付けにより接合されている。

第１のヘッダ集合管２１と第２のヘッダ集合管２２は、両端が閉塞された細長い円筒状に形成されており、所定の間隔をあけて垂直方向（天地方向）に沿うようにして平行に配置されている。第１のヘッダ集合管２１には、ガス側出入口２７及び液側出入口２８が設けられている。尚、第１のヘッダ集合管２１の外周面には温度検出センサ３０が固定されている。

図２Ｂに示すように、扁平伝熱管２３は、その断面が扁平な長円形状であり、内部に複数の冷媒流路２５が形成されている。複数の扁平伝熱管２３は、それぞれ長辺面が対向する状態で、互いに一定の間隔をおいて平行になるように上下方向に配列されている。複数の扁平伝熱管２３は、一端が第１ヘッダ集合管２１に差し込まれ、かつ他端が第２のヘッダ集合管２２に差し込まれており、その内部の冷媒流路が、第１のヘッダ集合管２１及び第２のヘッダ集合管２２と連通している。したがって、冷媒は水平方向左右に流れることになる。

フィン２４はプレス加工された縦長の板状をアコーディオン形状に成形した、いわゆるコルゲート型であり、隣り合う扁平伝熱管２３の間に配置されている。上下に並ぶフィン２４のうち、最上段のフィンと最下段のフィンの外側にはプレート２６が設置されている。

第１のヘッダ集合管２１のほぼ中央付近には温度検出センサ３０が固定され、第１のヘッダ集合管２１を流れる冷媒の温度を検出している。この冷媒温度は電気的な信号に変換されて図示しない制御装置に伝送されており、制御装置は受信した冷媒温度情報に基づいて圧縮機６の運転制御を行なうものである。

冷媒温度を測定するための温度検出センサ３０は、図３に示しているように、サーミスタ等の感温素子３１と、リード線３２と、金属ケース３３と、エポキシ等のモールド樹脂３４等から形成されている。感温素子３１にはリード線３２が接続されており、温度の変化よって感温素子３１で発生した信号がリード線３２へ伝達される。金属ケース３３は、熱伝導性及び加工性の観点から一般的には銅製であり、一端が閉塞され他端が開口した細長い円筒状に形成されている。この金属ケース３３には、感温素子３１とリード線３２の一端が差し込まれ、モールド樹脂３４によって封入されている。

上述したように、第１のヘッダ集合管２１と温度検出センサ３０を直接的に取り付けると、アルミニウム、或いはアルミニウム合金からなる第１のヘッダ集合管２１が異種金属接触腐食を引き起こされるようになる。このため、異種金属接触腐食によりヘッダ集合管２１の腐食が促進されてくると、ヘッダ集合管２１に穴が開き、その結果、冷媒が漏洩する危険性がある。

このような課題を解決するため、本実施形態では、ヘッダ集合管２１内の冷媒温度を測定する温度検出センサの金属ケースが、ヘッダ集合管と電気的な絶縁性を有する絶縁部材を介して固定されている構成を提案するものである。

これによれば、温度検出センサの金属ケースとヘッダ集合管とが電気的に絶縁されているため、ヘッダ集合管における異種金属接触腐食を抑制することができるようになる。以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態では、第１のヘッダ集合管の外周囲に電気絶縁性のシート部材を配置し、このシート部材の上に温度検出センサの金属ケースを載置して固定するものである。

図４に示すように、第１のヘッダ集合管２１の外周面に電気絶縁性のシート部材４０を配置すると共に、このシート部材４０の上に温度検出センサ３０の金属ケース３３を載置し、金属ケース３３と第１のヘッダ集合管２１を固定部材５０で固定する構成となっている。固定部材５０は紐状の結束バンドであって、ヘッダ集合管２１の外周囲と温度検出センサ３０の金属ケース３３の外周囲を巻き締めて、両者を固定するものである。ここで、シート部材４０と結束バンド等の固定部材５０を用いて、温度検出センサ３０を固定するだけなので構成が極めて簡単となる。

このように、シート部材４０は、温度検出センサ３０を第１のヘッダ集合管２１と電気的に絶縁させるためのものである。尚、固定部材５０も第１のヘッダ集合管２１及び温度検出センサ３０と直接接触するため、シート部材４０及び固定部材５０は、樹脂系材料等からなる絶縁性材料である必要がある。この絶縁性のシート部材４０及び固定部材５０により、第１のヘッダ集合管２１と温度検出センサ３０が、電気的に接触することがなくなり、その結果、異種金属接触腐食を抑制することができるようになる。

尚、シート部材４０の材料として電気的な絶縁性の他に、温度検出センサ３０に冷媒の温度を正確に伝える必要があることから、熱伝導性の高い材料が有効である。例えば、低硬度熱伝導性シリコンゴムシート等を用いることにより、より正確な冷媒温度を測定することが可能となる。また、この低硬度熱伝導性シリコンゴムシートによれば、柔軟性が大きいので、第１のヘッダ集合管２１の形状に沿って設けることができ、これによっても冷媒の温度をより正確に温度検出センサ３０に伝えることが可能となる。その際、シート部材４０の材料の熱伝導率は温度検出センサに封入されているエポキシ等のモールド樹脂よりも高いことが必要であり、具体的にはエポキシ樹脂よりも大きい１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

また、固定部材５０としての結束バンドはフッ素樹脂製の結束バンドが望ましいものである。フッ素樹脂製結束バンドは耐熱性、耐寒性、耐候性に優れており、熱交換器８が室外機１に使用される場合は特に望ましいものである。

更に、シート部材４０は少なくとも片面に粘着層を具備したものであれば温度検出センサ３０の取り付け作業性を向上させることができる。例えば、図５に示すシート材４０のように、上面が非粘着性の熱伝導性低硬度アクリル層４１で形成され、下面が粘着性の熱伝導性低硬度アクリル層４２で構成されているシート部材である。

そして、粘着性のある熱伝導性低硬度アクリル層４２を第１のヘッダ集合管２１に貼付しておけば、温度検出センサ３０だけを固定部材５０で固定すれば良いので取り付け作業が容易となるものである。尚、温度検出センサ３０が接する面は粘着性を有していないので埃が付着しづらく、修理やメンテナンスを行う上で作業者への環境改善効果がある。

更に、シート材４０の両面を粘着性の熱伝導性低硬度アクリル層４２で構成すれば、一方の粘着性のある熱伝導性低硬度アクリル層４２を第１のヘッダ集合管２１に貼付し、更に温度検出センサ３０を他方の粘着性のある熱伝導性低硬度アクリル層４２に貼付すれば、固定部材５０だけで両者を固定すれば良いので取り付け作業性が更に良くなるものである。

以上のように、本実施形態によれば、熱交換器の一部であるヘッダ集合管の外周面に絶縁性のシート部材を取り付けることで、ヘッダ集合管と温度検出センサを電気的に絶縁させることができる。これによって、異種金属接触腐食を抑制することができ、その結果、ヘッダ集合管の腐食寿命を向上する、言い換えれば耐腐食性能を向上することができる。また、電気絶縁性のシート部材として高熱伝導率の材料を使用することで、より正確な冷媒温度を測定することができる。更に、シート部材の少なくとも片面に粘着層を具備したものであれば温度検出センサ取り付け作業性を向上させることができる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１のヘッダ集合管及び第２のヘッダ集合管２２を横方向に配置し、下側のヘッダ集合管に温度検出センサを固定する点で実施例１と異なっている。

本発明の第２の実施形態を図６、７に示している。図６に示すように、室外側熱交換器８は、第１のヘッダ集合管２１と、第２のヘッダ集合管２２と、複数の扁平伝熱管２３と複数のフィン２４を備えており、何れもアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られた構成部材であって、互いにロウ付けにより接合されている。

第１のヘッダ集合管２１と第２のヘッダ集合管２２は、両端が閉塞された細長い円筒状に形成されており、所定の間隔をあけて水平方向（横方向）に沿うように配置されている。第１のヘッダ集合管２１には、ガス側出入口２７および液側出入口２８が設けられている。

扁平伝熱管２３は、図２Ｂに示すように、その断面が扁平な長円形状であり、内部に複数の冷媒流路２５が形成されている。複数の扁平伝熱管２３は、それぞれ長辺面が対抗する状態で、互いに一定の間隔をおいて平行になるように左右方向に配列されている。複数の扁平伝熱管２３は、一端が第１ヘッダ集合管２１に差し込まれ、かつ他端が第２のヘッダ集合管２２に差し込まれており、その内部の冷媒流路が、第１の集合管２１および第２のヘッダ集合管２２と連通している。したがって、冷媒は垂直方向（上下方向）に流れることになる。

フィン２４はプレス加工された縦長の板状をアコーディオン形状に成形した、いわゆるコルゲート型であり、隣り合う扁平伝熱管２３の間に配置されている。左右に並ぶフィン２４のうち、最左列のフィンと最右列のフィンの外側にはプレート２６が設置されている。

冷媒温度測定のための温度検出センサ３０は、図７に示すように、下側に配置された第２のヘッダ集合管２２の下面側にシート部材４０を介して固定部材５０で取り付けられている。ここで、シート部材４０の材料や構成、固定部材５０の材料や構成は実施形態１と同様であるので、再度の説明は省略する。更に、シート部材４０の材料や構成、固定部材５０の材料や構成よって奏する作用、効果についても同様であるので、再度の説明は省略する。

そして、前述した実施例１においては、銅製の金属ケース３３を有する温度検出センサ３０の下方向に第１のヘッダ集合管２１等が存在するため、温度検出センサ３０に結露によって生じた水分に銅イオンが溶出し、その水分が第１のヘッダ集合管２１等の熱交換器の一部に移動、或いは滴下することにより、異種金属接触腐食が発生する可能性がある。

一方、本実施形態によれば、温度検出センサ３０を熱交換器の最下部に位置する第２のヘッダ集合管２２の最下端に固定しているため、結露によって生じ銅イオンが溶出した水分は、重力によって下側に移動、或いは滴下するので、熱交換器に付着することがなく、異種金属接触腐食の発生を抑制することができ、熱交換器の耐腐食性能を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は温度検出センサの金属ケース表面を電気絶縁性と高熱伝導性を備えた樹脂材料によって被覆した点で実施例１、実施例２と異なっている。

図８に示しているように、温度検出センサ３０の銅製のケース３３は全体の外周囲を電気絶縁性と高熱伝導性を備えた絶縁部材４１によって被覆されている。ここで、絶縁部材４１は実施例１と同様に熱伝導性シリコンゴムを使用することができる。もちろん、これ以外の電気絶縁性と高熱伝導性を備えた樹脂材料を使用しても差し支えないものである。

そして、この温度検出センサ３０を固定部材５０によって実施例と同様に第１のヘッダ集合管２１、或いは実施例２と同様に第２のヘッダ集合化管２２に固定することによって、実施例１、実施例２と同様の作用、効果を奏することが可能となる。

更に、本実施形態では銅製の金属ケース３３が電気絶縁性と高熱伝導性を備えた絶縁部材４１で覆われているため、結露した水分に銅イオンが溶出することが無いので、ヘッダ集合管等の熱交換器の一部に銅イオンが溶出した水分が付着することに基づく異種金属接触腐食が発生することが抑制できるものである。

以上述べた通り、本発明は、アルミニウム、或いはアルミニウム合金からなる２つのヘッダ集合管と複数の伝熱管および複数のフィンで構成されている熱交換器において、ヘッダ集合管内の冷媒温度を測定する温度検出センサの金属ケースが、ヘッダ集合管と電気的な絶縁性を有する絶縁部材を介して固定されている構成とした。これによれば、温度検出センサの金属ケースとヘッダ集合管とが電気的に絶縁されているため、ヘッダ集合管における異種金属接触腐食を抑制することができ、その結果、ヘッダ集合管の耐腐食性能を向上することができるものである。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…室外機、２…室内機、８、１２…熱交換器、２１、２２…ヘッダ集合管、２３…扁平伝熱管、２４…フィン、３０…温度検出センサ、４０…シート部材、４１…合成樹脂被覆、５０…固定部材。

Claims (8)

1. 平行に配置された２つのヘッダ集合管と、夫々の前記ヘッダ集合管の間に前記ヘッダ集合管に対して垂直に配置され、一端が一方の前記ヘッダ集合管に連結され、他端が他方の前記ヘッダ集合管に連結された複数の伝熱管と、前記伝熱管に接合された複数のフィンとを備え、前記ヘッダ集合管、前記伝熱管、前記フィンとがアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られた冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   前記ヘッダ集合管内の冷媒温度を測定する温度検出センサのケースが前記アルミニウム、或いは前記アルミニウム合金とは異なる金属で形成されていると共に、
   前記温度検出センサの前記ケースが、電気的な絶縁性を有する絶縁部材を介して、前記ヘッダ集合管に固定されていることを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   前記絶縁部材は、高熱伝導性を備えたシート部材であることを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
3. 請求項２に記載の冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   前記シート部材の熱伝導率は、前記ケース内で温度検出素子を封入する合成樹脂材料よりも熱伝導率が高いことを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
4. 請求項３に記載の冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   前記シート部材の少なくとも片面には粘着層が形成されていることを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   前記温度検出センサを前記ヘッダ集合管に固定するための固定部材が、電気的な絶縁性を有する樹脂材料から作られていることを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   ２つの前記ヘッダ集合管が垂直方向に配置され、かつ複数の前記伝熱管が水平方向に配置されており、前記温度検出センサはどちらか一方の前記ヘッダ集合管に固定されていることを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   ２つの前記ヘッダ集合管が水平方向に配置され、かつ複数の前記伝熱管が垂直方向に配置されており、前記温度検出センサは下側に位置する前記ヘッダ集合管の最下端に固定されていることを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。
8. 平行に配置された２つのヘッダ集合管と、夫々の前記ヘッダ集合管の間に前記ヘッダ集合管に対して垂直に配置され、一端が一方の前記ヘッダ集合管に連結され、他端が他方の前記ヘッダ集合管に連結された複数の伝熱管と、前記伝熱管に接合された複数のフィンとを備え、前記ヘッダ集合管、前記伝熱管、前記フィンとがアルミニウム、或いはアルミニウム合金から作られた冷凍サイクル装置の熱交換器において、
   前記ヘッダ集合管内の冷媒温度を測定する温度検出センサのケースが前記アルミニウム、或いは前記アルミニウム合金とは異なる金属で形成されていると共に、
   前記温度検出センサの前記ケースの外周囲を、電気的な絶縁性を有し、しかも高熱伝導性を備えた絶縁部材で被覆する共に、前記絶縁部材の熱伝達率が前記ケース内で温度検出素子を封入する合成樹脂材料の熱伝達率よりも高いことを特徴とする冷凍サイクル装置の熱交換器。

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