JP2017101866A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム製の内面溝付伝熱管を用いたフィンアンドチューブ型の熱交換器において、安定した伝熱管の拡管を可能とする。【解決手段】フィン１１と、フィン１１に拡管接合された内面溝付伝熱管１０とを備え、内面溝付伝熱管１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成されており、内面溝付伝熱管１０の内面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より高硬度な硬質層が形成されている。硬質層は、ベーマイトまたはアルマイトによって形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム製の内面溝付伝熱管を用いたフィンアンドチューブ型の熱交換器およびその製造方法に関する。

フィンアンドチューブ型の熱交換器は、次のように製造される。すなわち、フィンに設けられた貫通孔に伝熱管を通す。その後、伝熱管内に拡管子を挿通し、拡管子により伝熱管を機械的に拡管して伝熱管とフィンとを密着させる。

銅製の伝熱管は拡管が比較的容易であるのに対し、硬度が低いアルミニウム製の伝熱管は拡管子に焼付いて、凝着が生じやすい。このため、拡管荷重が急激に増加して拡管工程で伝熱管が座屈変形することがある。

そこで、特許文献１では、アルミニウムと親和性の低いセラミックスからなる拡管子を用いることが提案されている。また、特許文献２では、伝熱管にスペーサを挿入し、スペーサを介して拡管子によって伝熱管を拡管することが提案されている。

特開平１０−１６０３７４ 特開２０００−２１８３３２

しかしながら、拡管子にセラミックスを用いる場合には、拡管子の加工性が悪くコスト的に不利である。また、スペーサを用いて拡管する場合には、拡管作業の度にスペーサを抜き差しする工程が増える。

本発明は上記点に鑑みて、アルミニウム製の内面溝付伝熱管を用いたフィンアンドチューブ型の熱交換器において、伝熱管の安定した拡管を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、フィン（１１）と、フィンに拡管接合された内面溝付伝熱管（１０）とを備え、内面溝付伝熱管は、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成されており、内面溝付伝熱管の少なくとも内面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より高硬度な硬質層が形成されていることを特徴とする。

これによれば、拡管子（１００）によって伝熱管（１０）を拡管する際に、拡管子（１００）にアルミニウムが凝着し難くすることができる。これにより、伝熱管（１０）の安定した拡管が可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態におけるフィンアンドチューブ式熱交換器を示す概略斜視図である。 内面溝付伝熱管の断面図である。 内面溝付伝熱管の内面を示すＳＥＭ画像である。 内面溝付伝熱管の拡管工程を示す概念図である。 拡管工程での最大拡管荷重および拡管後の拡管子の表面を観察した結果を示す図表である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態に係る熱交換器は、例えば冷凍サイクルの冷媒と空気との間で熱交換を行うフィンアンドチューブ型の熱交換器に適用される。

図１に示すように、フィンアンドチューブ型の熱交換器１は、内面溝付伝熱管１０（以下、伝熱管１０という）、プレートフィン１１、Ｕベント管１２およびヘッダ１３等から構成されている。

伝熱管１０は、内部を冷媒が流通する管である。本実施形態では、伝熱管１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成されている。プレートフィン１１は、空気と伝熱管１０との伝熱面積を増大させて空気と冷媒との熱交換を促進する伝熱促進部材であり、プレート状に形成されている。後述のように、伝熱管１０はプレートフィン１１に拡管接合されている。Ｕベント管１２は、Ｕ字状に形成されており、複数の伝熱管１０の端部同士をヘアピン状に接続する管である。ヘッダ１３は、伝熱管１０に対して冷媒の分配または集合を行うものである。

図２に示すように、伝熱管１０の内面には、複数の溝１０ａが螺旋状に形成されている。溝１０ａは、伝熱管１０の管軸と傾斜する方向に延びている。伝熱管１０の内面には、螺旋状の溝１０ａ間の突起として螺旋状に延びるフィン１０ｂが形成されている。伝熱管１０の内面に溝１０ａおよびフィン１０ｂが形成されることにより、伝熱管１０の内面と冷媒との接触面積が増え、伝熱性能が向上する。

伝熱管１０の内面には、母材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金よりも高硬度な硬質層が形成されている。硬質層は、アルミナを含む水和物もしくは水酸化物によって形成することができる。本実施形態の硬質層は、アルミナ１水和物（ＡｌＯＯＨまたはＡｌ₂Ｏ₃・Ｈ₂Ｏ）であるベーマイトによって構成されている。高硬度とは、一般的に用いられるブリネル硬さ、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さ等の少なくともいずれかで硬度が高くなっていればよい。

図３は伝熱管１０のフィン頂部のＳＥＭ画像である。図３（ａ）はベーマイトが形成されているフィン頂部を示し、図３（ｂ）はベーマイトが形成されていないフィン頂部を示している。図３（ａ）に示すように、ベーマイトが形成されている場合には、表面に微細な凹凸構造が形成されている。

次に、本実施形態の熱交換器１の製造工程を図４を用いて説明する。まず、引き抜き加工によりアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる管を形成する。次に、管の内面に転造加工を施すことにより内面に溝１０ａが形成された伝熱管１０を形成する。

次に、伝熱管１０の内面に硬質層を形成する硬質層形成工程を行う。硬質層形成工程では、伝熱管１０の内面にベーマイトを形成するベーマイト処理を行う。ベーマイト処理は、例えばアルミニウム製の伝熱管１０を沸騰させたイオン交換水につけて乾燥させることによって行うことができる。伝熱管１０の少なくとも内面にベーマイトが形成されていればよいが、伝熱管１０の全面にベーマイトが形成されていてもよい。

次に、プレートフィン１１に、伝熱管１０が挿通される貫通孔１１ａを形成する。そして、複数のプレートフィン１１を等間隔に配置した後、貫通孔１１ａに伝熱管１０を挿通する。

次に、伝熱管１０を拡管する拡管工程を行う。図４に示すように、伝熱管１０の内径より径が大きい拡管子１００を伝熱管１０内に挿通し、拡管子１００により伝熱管１０を機械的に拡管する。ここで、伝熱管１０の内径は、伝熱管１０の内面に設けられたフィン１０ｂの内径を意味している。また、本実施形態の拡管工程では、拡管子１００により伝熱管１０を拡管する際に加工油を用いていない。伝熱管１０を拡管することで、伝熱管１０とプレートフィン１１とが密着して接合される。

次に、伝熱管１０、プレートフィン１１、Ｕベント管１２およびヘッダ１３をろう付け接合する。これにより、図１に示す熱交換器１が完成する。

図５は、伝熱管１０が挿入されたプレートフィン１１の周囲を治具で拘束した上で、アムスラー試験機に取り付けた拡管子１００を用いて伝熱管１０を機械拡管する試験を行った結果を示している。図５の試験では、内面にベーマイトが形成されていない伝熱管１０および内面にベーマイトが形成されている伝熱管１０の両方について、最大拡管荷重と、拡管後の拡管子１００へのアルミニウムの凝着の有無を調べた。

試験に用いた伝熱管１０は、Ａ３００３からなるアルミニウム合金を用いた。伝熱管１０の各部寸法は、長さ４２０ｍｍ、外径６．０ｍｍ、底肉厚０．４ｍｍ、フィン高０．１８ｍｍとした。伝熱管１０の拡管は、外径５．２０ｍｍの拡管子１００を用いて拡管速度５００ｍｍ／ｍｉｎで行った。拡管子１００による拡管の際に加工油を用いなかった。

図５に示すように、内面にベーマイトを形成されていない伝熱管１０では、拡管子１００の全周または片面にアルミニウムの凝着の発生が見られた。これに対し、内面にベーマイトを形成されている伝熱管１０では、拡管子１００にアルミニウムの凝着が発生することはなかった。

また、内面にベーマイトを形成されていない伝熱管１０では、内面にベーマイトを形成されている伝熱管１０で凝着が発生しなかった場合に比べて、最大拡管荷重が約２０％低下した。

以上説明した本実施形態によれば、伝熱管１０の内面にアルミニウムまたはアルミウニウム合金よりも高硬度な硬質層を形成することで、拡管子１００にアルミニウムが凝着し難くなる。これにより、伝熱管１０の安定した拡管が可能となる。

また、伝熱管１０の内面にベーマイトを形成することで、拡管子１００による拡管工程を行う際にベーマイトの脆い結晶が拡管子１００に粉砕され、ベーマイトの微細な粉が拡管子１００と伝熱管１０の内面の間に介在する。これにより、拡管子１００の摺動抵抗を低減でき、拡管子１００へのアルミニウムの凝着をより効果的に抑制することができる。

本実施形態によれば、拡管子１００にアルミニウムが凝着し難くなるので、伝熱管１０を拡管する際に加工油を用いる必要がない。これにより、加工油供給工程および拡管後の脱脂工程を省略できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

例えば、上記実施形態では、伝熱管１０の内面に硬質層としてベーマイトを形成したが、これに限らず、伝熱管１０の内面に硬質層としてアルマイトを形成してもよい。アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる伝熱管１０を陽極として電気分解するアルマイト処理を行うことで、伝熱管１０の内面にアルマイトを形成することができる。

また、拡管子１００の表面にＤＬＣコーティングを施してもよい。これにより、伝熱管１０の内面に形成された硬質層と拡管子１００の表面とが摺動面になって、拡管荷重をより低減させることができる。

また、伝熱管１０の内面に形成する硬質層として、アルミナを含む水和物であるバイヤライト、あるいは炭酸アルミニウムも適用することができる。

また、上記実施形態では、加工油を用いることなく拡管工程を行うように構成したが、これに限らず、加工油を用いて拡管工程を行ってもよい。伝熱管１０の硬質層によって拡管子１００にアルミニウムが凝着し難くなっているので、拡管工程で用いる加工油を無くす、もしくは加工油の供給量を減らすことができる。このため、加工油供給工程および拡管後の脱脂工程を簡素化することができる。

また、拡管工程では、油性剤や極圧添加剤を含まない加工油を用いることができる。油性剤や極圧添加剤は脱脂時にとばずに残り易く、油性剤や極圧添加剤をとばすためには高温での脱脂が必要になる。このため、油性剤や極圧添加剤を含む加工油を用いる場合には、高温で脱脂を行う設備が必要になり、さらに高温で脱脂を行うとフィンプレコートの焼け、剥がれ、溶けなどの問題が発生する。本発明によれば、油性剤や極圧添加剤を含まない加工油を用いた場合であっても、拡管子１００へのアルミニウムの凝着を抑制できる。

また、上述した実施形態に記載された伝熱管、フィンなどの寸法、拡管方法についての具体的な数値はあくまでも一例であり、本発明は上記の実施形態に記載した具体的な数値に限定されるものではない。

１ 熱交換器
１０ 内面溝付伝熱管
１０ａ 溝
１１ フィン
１００ 拡管子

Claims (10)

1. フィン（１１）と、
   前記フィンに拡管接合された内面溝付伝熱管（１０）とを備え、
   前記内面溝付伝熱管は、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成されており、
   前記内面溝付伝熱管の少なくとも内面に、前記アルミニウムまたは前記アルミニウム合金より高硬度な硬質層が形成されている熱交換器。
2. 前記硬質層は、アルミナを含む水和物もしくは水酸化物で形成されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記硬質層は、ベーマイトによって形成されている請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記硬質層は、アルマイトによって形成されている請求項１に記載の熱交換器。
5. フィン（１１）と、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成された内面溝付伝熱管（１０）とを備える熱交換器を製造する方法であって、
   前記内面溝付伝熱管の少なくとも内面に、前記アルミニウムまたは前記アルミニウム合金より高硬度な硬質層を形成する硬質層形成工程と、
   前記内面溝付伝熱管の内径より径が大きい拡管子（１００）を前記内面溝付伝熱管の内部に挿入することで、前記内面溝付伝熱管を拡管して前記フィンに接合する拡管工程とを備える熱交換器の製造方法。
6. 前記硬質層形成工程では、前記内面溝付伝熱管の少なくとも内面にベーマイト処理を行う請求項５に記載の熱交換器の製造方法。
7. 前記硬質層形成工程では、前記内面溝付伝熱管の少なくとも内面にアルマイト処理を行う請求項５に記載の熱交換器の製造方法。
8. 前記拡管工程では、前記拡管子による拡管の際に加工油を用いない請求項５ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器の製造方法。
9. 前記拡管工程では、前記拡管子による拡管の際に油性剤を含有しない加工油を用いる請求項５ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器の製造方法。
10. 前記拡管工程では、前記拡管子による拡管の際に極圧添加剤を含有しない加工油を用いる請求項５ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器の製造方法。