JP4836996B2 - 熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機に関するものである。

従来の空気調和機を構成する熱交換器に、フィンチューブ型熱交換器と呼ばれるものがある。この熱交換器は、一定の間隔で配置されてその間を気体（空気）が流れる板状フィンと、この板状フィンに直交して挿入され、内部を冷媒が流れる偏平形状の伝熱管とからなっており、伝熱管の内面には軸方向に複数の突条を設けた構成となっている（例えば、特許文献１参照）。また、偏平形状の伝熱管を多穴構造としたものや、板状フィンに切り起こしによる複数のスリットを設けたものがある。そして、このスリット群は、スリットの側端部が空気の流れ方向に対して対向するように設けられており、スリットの側端部において空気流の速度境界層及び温度境界層を薄くすることにより、伝熱促進が行われ熱交換能力が増大するとされている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−９４４８１号公報（図１−図３） 特開２００３−２６２４８５号公報（図１−図４）

特許文献１の熱交換器においては、伝熱管は内部を冷媒が流れる１つの貫通穴を有する偏平な楕円形状にて形成されているため、冷凍システムの運転中、伝熱管内圧力により、伝熱管が膨らみ変形するため、伝熱管と板状フィンとの密着性が悪化するという問題があった。
また、熱交換器の高性能化を目的として、特許文献２のように伝熱管を多穴構造とし小型化・細径化することが考えられる。しかしながら、伝熱管を小型化・細径化することにより、管内熱伝達率が増大するのに対して圧力損失が増大するため、これらを最適化することが必要になる。また、小型化・細径化された伝熱管は、伝熱性能的には有利であるが、伝熱管の製作や伝熱管と板状フィンとの取付がロウ付けによるため組立等の費用が増大するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、伝熱管を偏平にしても伝熱管内圧力により伝熱管の変形が発生せず、板状フィンとの密着性が良好で、組立性が良く、しかも伝熱性能に優れた伝熱管を用いることにより、通風抵抗が減少し熱交換能力を増大することができる熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機を提供することを目的としたものである。

本発明に係る熱交換器は、所定の間隔で並べて配置された複数の板状フィンと、前記板状フィンに直交する方向に挿通され、内部を冷媒が流れる偏平形状の複数の伝熱管とを備え、前記伝熱管は、空気の流れ方向に沿って配置される外面が平坦で、断面がほぼ小判型状の外形形状を有し、内部には隔壁を間にして２つの対称な略Ｄ字状の貫通穴からなる第１および第２の冷媒流路を有し、前記第１および第２の冷媒流路は、内壁面に軸方向に延びる複数の突条を有し、前記複数の突条は前記隔壁以外に設け、前記第１および第２の冷媒流路と同じ断面形状からなる１対の拡管ビュレット玉を用いて前記複数の突条を介して同時に拡径することにより前記伝熱管が前記板状フィンに接合されているものである。

本発明によれば、偏平形状の伝熱管の内部に２つの冷媒流路を隔てる隔壁が設けられているので、伝熱管を偏平にしても伝熱管内圧力により伝熱管の変形が発生せず、板状フィンとの密着性が良好で、かつ組立性の良い、伝熱性能に優れた伝熱管を得ることができる。また、伝熱性能に優れた小型・細径化された偏平形状の伝熱管を用いることにより、通風抵抗が減少し熱交換能力を増大することができる熱交換器を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の概要を示す正面図である。図１において、１は熱交換器で、所定の間隔で並べて配置された複数の板状フィン２と、板状フィン２に直交する方向に挿通され、拡管（拡径ともいう）することにより板状フィン２に接合される複数の偏平形状の伝熱管３とから構成されている。板状フィン２は、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属板からなり（他の実施の形態においても同様である）、空気の流れ方向Ａと平行に、かつ図の垂直方向（奥行方向）に所定の間隔で並設されている。また、この板状フィン２には、空気の流れ方向Ａに垂直な方向（図の上下方向）に後述の偏平形状の伝熱管３が複数段かつ１列以上で設けられている。さらに、各段の偏平形状の伝熱管３の間には切り起こしにより複数のスリット４が板状フィン２に設けられている。このスリット４は、特許文献２に示されるように、スリット４の側端部が空気の流れ方向Ａに対して対向するように設けられており、その側端部において空気流の速度境界層及び温度境界層を薄くすることにより、伝熱促進が行われ、熱交換能力が増大する効果がある。

伝熱管３は、図２に示すように、空気の流れ方向Ａに沿って細長く上下の外面３ａ、３ｂが平坦で断面がほぼ小判型状（あるいは偏平長円形状）に形成されている。すなわち、上下の外面３ａ、３ｂはフラットで、風上側と風下側の側面３ｃ、３ｄは半円をなす偏平な外形形状となっている。この偏平形状の伝熱管３は、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属材料からなり、押し出し材にて形成されている（他の実施の形態においても同様である）。そして、伝熱管３の内部には、図の左右方向（以下、幅方向という）の両側に隔壁３２を間にして２つの対称な略Ｄ字状の貫通穴からなる第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂが軸方向に平行に設けられている。つまり、この伝熱管３は偏平な略Ｄ字状の２穴構造となっている。

このような略Ｄ字状の貫通穴からなる第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂの拡径後（後述）の半径ｒは１〜３ｍｍである。これは、半径ｒが１ｍｍ未満であると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が大きくなり、結果として熱交換性能が低下するからである。また、半径ｒが３ｍｍを超えると、管内冷媒流速が遅くなり熱交換性能が低下するばかりでなく、偏平形状の伝熱管３の高さ（厚さ）Ｈや幅Ｗが大きくなって、空気流の圧力損失が増大するからである。よって、本実施の形態における第１、第２冷媒流路３１ａ、３１ｂの拡径後の半径ｒは、１〜３ｍｍとした（他の実施の形態における冷媒流路の半径ｒも同様である）。

次に、上記のような偏平形状の伝熱管３の第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂの拡径手順、及び板状フィン２に設けられた取付穴（長穴）２２への取付手順の一例について説明する。
図３に示すように、プレス加工された板状フィン２のフィンカラー部２１には長穴の取付穴２２が設けられており、各板状フィン２はフィンカラー部２１を同じ向きに揃えて治具（図示せず）等で保持されている。そして、各板状フィン２の取付穴２２に、前述した偏平形状の伝熱管３を挿入し、その後、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂと同じ断面形状（略Ｄ字形状、図４参照）で超硬合金等の金属材料からなる１対の拡管ビュレット玉１００を用いた拡管装置で、１対の拡管ビュレット玉１００を機械的な方法または流体圧により第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂ内に押し込む。そうすると、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂは同時に拡径し、伝熱管３は順次各板状フィン２に接合していき、一体的に固定される。

この場合、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂ間の隔壁３２の肉厚ｔ２を、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂの肉厚ｔ１より１．５倍程度厚く形成することが望ましい。これにより、偏平形状の伝熱管３の耐圧強度を高めることができる。

以上のように、本実施の形態の伝熱管によれば、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂ間に設けられた隔壁３２により偏平形状の伝熱管３の耐圧強度を保持することができるため、伝熱管内圧力により偏平形状の伝熱管３が変形することがなく板状フィン２との密着性を良好に保持することができる。そのため、伝熱性能に優れた伝熱管が得られる。また、偏平形状の伝熱管３を拡管することによって板状フィン２と接合するものであるため、ロウ付けに比べてはるかに組み付けが容易である。従って、製造コストの低減が可能である。さらに、各板状フィン２は同じ向きのフィンカラー部２１によって間隔を一定に保持することができるとともに、偏平形状の伝熱管３と板状フィン２との密着性が良好なため、伝熱管を偏平化・小型細径化しても、通風抵抗が減少し熱交換能力を増大することができる熱交換器が得られる。

［実施の形態２］
図５は実施の形態２の偏平形状の伝熱管を示す正面図である。本実施の形態の伝熱管３は、図２の場合と同様に、幅方向の両側には断面が略Ｄ字状の貫通穴からなる第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂが設けられている。そして、この第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂの内壁面にはそれぞれ、所定の高さと間隔で断面がほぼ四角形状（先端部は若干丸みを付けた形状となっている）の複数の突条３３が軸方向に設けられている。

このような偏平形状の伝熱管３は、前述の要領により、板状フィン２の取付穴２２に挿入され、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂを前述と同じ断面形状（略Ｄ字状）の拡管ビュレット玉１００を用いて各突条３３を介して拡径することにより板状フィン２に固定する。
図６に示すように、本実施の形態の偏平形状の伝熱管３においては、拡管後の突条３３の高さｈ（突出長）が高い程、接触面積が増大するため熱伝達率も高くなる。しかしながら、拡管後の突条３３の高さｈが０．３ｍｍを超えると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、結果として、熱交換率が低下する。一方、拡管後の突条３３の高さｈが０．１ｍｍ未満の場合、熱伝達率が向上しない。よって、本実施の形態の偏平形状の伝熱管３においては、拡管後の突条３３の高さｈ（突出長）は、０．１〜０．３ｍｍ程度とすることが望ましい。なお、突条３３の断面形状は四角形状に限定するものではなく、三角形状、台形状、半円形状等、適宜の断面形状とすることができる。

［実施の形態３］
図７は実施の形態３の偏平形状の伝熱管を示す正面図である。本実施の形態の伝熱管３は、図２の場合と同様に、幅方向の両側には断面が略Ｄ字状の貫通穴からなる第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂが設けられている。そして、この第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂの内壁面には、所定の高さと間隔で断面が略四角形状（先端部は若干丸みを付けた形状となっている）の複数の突条３３、３４が軸方向に設けられている。突条３４は、隔壁３２の角部に設けられており、さらに各突条３３、３４の先端が半径Ｒの円、すなわち拡管ビュレット玉１００の円形の外周面（図９参照）に接するように所要の高さｈで設けられている。
別の表現をすれば、複数の突条３３、３４が設けられた第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂは、その断面において冷媒流路中央部の所定の点（図７のＯ１、Ｏ２）と複数の突条３３、３４の各先端部とがほぼ等距離になるように構成されている。点Ｏ１、Ｏ２とは拡管時の拡管ビュレット玉１００の中心と一致する点である。

このような偏平形状の伝熱管３は、前述の要領により、図８に示すように、板状フィン２の取付穴２２に挿入され、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂを円形断面の拡管ビュレット玉４１を用いて突条３３、３４を介して拡径することにより板状フィン２に固定する。この場合、突条３３の高さｈ（突出長）は、０．１〜０．３ｍｍ程度とすることが望ましい。また、外周面が円形状の拡管ビュレット玉１００を用いることで、拡管ビュレット玉の位置決めが容易できる。なお、突条３３、３４の断面形状は四角形状に限定するものではなく、三角形状、台形状、半円形状等、適宜の断面形状とすることができる。

［実施の形態４］
図１０は実施の形態４の偏平形状の伝熱管を示す正面図である。本実施の形態の伝熱管３は、例えば、第１の冷媒流路３１ａを実施の形態１と同じ形状とし、第２の冷媒流路３１ｂを実施の形態３と同じ形状とするものである。もちろん、この逆の組み合わせであってもよい。

このような偏平形状の伝熱管３は、前述の要領により、板状フィン２の取付穴２１に挿入され、第１の冷媒流路３１ａを略Ｄ字状断面の拡管ビュレット玉４１を用い、第２の冷媒流路３１ｂを円形状断面の拡管ビュレット玉４１を用いて拡径して板状フィン２に固定する。この場合、突条３３の高さｈ（突出長）は、０．１〜０．３ｍｍ程度とすることが望ましい。なお、突条３３の断面形状は四角形状に限定するものではなく、三角形状、台形状、半円形状等、適宜の断面形状とすることができる。

本実施の形態によれば、第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂについて実施の形態１と実施の形態３を組み合わせて適用したものであり、これらの実施の形態とほぼ同様の効果を得ることができる。すなわち、伝熱管内圧力により偏平形状の伝熱管３が変形することがなく板状フィン２との密着性を良好に保持することができる。そのため、伝熱性能に優れた伝熱管が得られる。また、偏平形状の伝熱管３を拡管することによって板状フィン２と接合するものであるため、ロウ付けに比べてはるかに組み付けが容易である。従って、製造コストの低減が可能である。さらに、各板状フィン２は同じ向きのフィンカラー部２１によって間隔を一定に保持することができるとともに、偏平形状の伝熱管３と板状フィン２との密着性が良好なため、伝熱管を偏平化・小型細径化しても、通風抵抗が減少し熱交換能力を増大することができる熱交換器が得られる。

また、どちらか一方の冷媒流路３１ｂの内壁面に複数の突条３３、３４を設ける場合は、冷媒との接触面積が増大し、かつ突条３３の高さｈを０．１〜０．３ｍｍ程度としたので、流路内圧力が増大することなく、伝熱性能をより向上することができる。

［実施の形態５］
図１１は従来のフィンチューブ型熱交換器を示す説明図で、（ａ）は正面側、（ｂ）は背面側の伝熱管接続状態を示すものである。図１２は実施の形態５に係る熱交換器の正面図である。
まず、図１１について説明すると、伝熱管をその中間部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工して複数のヘアピン管５１を作製し、次に、複数のヘアピン管５１を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置された板状フィン２に背面側から挿通する。そして、この伝熱管を機械方式あるいは液圧拡管方式で拡管して板状フィン２と伝熱管を接合する。次に、所定の長さおよびピッチで曲げ加工された複数のリターンベンド管５を用いて、隣接する拡管後のヘアピン管５１の管端に、その外面にロウのリングを付けたリターンベンド管５を装着し、バーナーにより、両者の管を加熱ロウ付けして熱交換器５０を製造する。

次に、この従来のフィンチューブ型熱交換器５０の冷媒の流れについて説明すると、冷媒は入口管５２から入り、正面側のａから背面側のｂへ流出し、ヘアピン管５１を通りｃから流入して正面側のｄへ流出し、正面側のリターンベンド管５を通り、次段のヘアピン管５１にｅから流入する。このように、冷媒はａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→ｆ→ｇ・・・のように伝熱管内を下へ流動していき、最後に下段の流出管５３から冷媒は流出する。その間、板状フィン２間を通過する空気との間で熱交換が行われる。

一方、本実施の形態の熱交換器１は、図１２に示すように、例えば同図の右側の伝熱管３の配列について説明すると（なお、左右の伝熱管３の配列は中間の一部が示されているものとする）、伝熱管３を中間部で所定の曲げピッチで曲げ加工して複数のヘアピン管３０を作製し、次に、複数のヘアピン管３０を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置された板状フィン２に背面側から挿通する。そして、この伝熱管３を前述したように機械方式あるいは液圧拡管方式で拡管して板状フィン２と伝熱管３を接合する。さらに、隣接するヘアピン管３０において、２段目の伝熱管３と３段目の伝熱管３の管端を、銅又は銅合金、アルミ又はアルミ合金等の金属材料からなる２本のリターンベンド管５ａ、５ｂでクロス状に接続する。すなわち、２段目の伝熱管３の風上側の第１の冷媒流路３１ａと３段目の伝熱管３の風下側の第２の冷媒流路３１ｂとをリターンベンド管５ａで接続し、２段目の伝熱管３の風下側の第２の冷媒流路３１ｂと３段目の伝熱管３の風上側の第１の冷媒流路３１ａとをリターンベンド管５ｂで接続する。なお、３段目と図示しない４段目の伝熱管３はヘアピン管３０として構成されており、図示しない４段目と５段目の伝熱管は上記同様にリターンベンド管でクロス状に接続されている。本実施の形態の熱交換器１は、このようにして列方向に複数の冷媒回路が構成されている。

本実施の形態の熱交換器１では、冷媒は１段目の伝熱管３の第１、第２の冷媒流路３１ａ、３１ｂにそれぞれ別々に同時に流入する。１段目の伝熱管３の第１の冷媒流路３１ａに流入した冷媒はヘアピン管３０を経由して２段目の伝熱管３の第１の冷媒流路３１ａから流出し、さらにリターンベンド管５ａを経由して３段目の伝熱管３の第２の冷媒流路３１ｂに流入する。一方、１段目の伝熱管３の第２の冷媒流路３１ｂに流入した冷媒はヘアピン管３０を経由して２段目の伝熱管３の第２の冷媒流路３１ｂから流出し、さらにリターンベンド管５ｂを経由して３段目の伝熱管３の第１の冷媒流路３１ａに流入する。
従って、本実施の形態の熱交換器１によれば、リターンベンド管５ａ、５ｂにより冷媒が交互にクロス状に流動するので、風上側の熱交換能力と風下側の熱交換能力とのバランスをとることができるため、高効率の熱交換器を得ることができる。

［実施の形態６］
図１３は実施の形態６に係る熱交換器の概要を示す正面図である。本実施の形態は、隣接するヘアピン管３０における２段目と３段目の伝熱管３の管端を、冷媒が混合されるように１つの流路を有するリターンベンド管５ｃで接続した点だけが実施の形態５と相違するものである。
これにより、伝熱管の複数の冷媒回路の出口側における気相と液相との質量比率が同じになり、次段の伝熱管の冷媒入口部に入るので、風上側の熱交換能力と風下側の熱交換能力とのバランスをとることができるため、高効率の熱交換器を得ることができる。

また、以上の各実施の形態の偏平形状の伝熱管３を用いて構成される熱交換器１は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管で接続してなる冷凍サイクル回路において、作動流体として、ＨＣ単一冷媒又はＨＣを含む混合冷媒、あるいは、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素等のいずれかの冷媒を使用し、上記凝縮器または蒸発器として使用することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の概要を示す正面図である。 実施の形態１の伝熱管の正面図である。 図２の伝熱管の拡管手段の説明図である。 図３の拡管手段のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態２の伝熱管の正面図である。 拡管後の突条の高さと熱交換率との関係を示す図である。 実施の形態３の伝熱管の正面図である。 図７の伝熱管の拡管手段の説明図である。 図８の拡管手段のＢ−Ｂ断面図である。 実施の形態４の伝熱管の正面図である。 従来のフィンチューブ型熱交換器の説明図である。 実施の形態５に係る熱交換器の概要を示す正面図である。 実施の形態６に係る熱交換器の概要を示す正面図である。

符号の説明

１ 熱交換器、２ 板状フィン、３ 伝熱管、４ スリット、５、５ａ、５ｂ、５ｃ リターンベンド管、２１ フィンカラー部、２２ 取付穴、３０ ヘアピン管、３１ａ 第１の冷媒流路、３１ｂ 第２の冷媒流路、３２ 隔壁、３３、３４ 突条、１００ 拡管ビュレット玉。

Claims (6)

1. 所定の間隔で並べて配置された複数の板状フィンと、前記板状フィンに直交する方向に挿通され、内部を冷媒が流れる偏平形状の複数の伝熱管とを備え、
   前記伝熱管は、空気の流れ方向に沿って配置される外面が平坦で、断面がほぼ小判型状の外形形状を有し、内部には隔壁を間にして２つの対称な略Ｄ字状の貫通穴からなる第１および第２の冷媒流路を有し、
   前記第１および第２の冷媒流路は、内壁面に軸方向に延びる複数の突条を有し、
   前記複数の突条は前記隔壁以外に設け、
   前記第１および第２の冷媒流路と同じ断面形状からなる１対の拡管ビュレット玉を用いて前記複数の突条を介して同時に拡径することにより前記伝熱管が前記板状フィンに接合されていることを特徴とする熱交換器。
2. 拡径後の突条高さは、０．１〜０．３ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 中間部を曲げ加工された前記伝熱管を用いて列方向に複数の冷媒回路を構成するとともに、隣接する一方の伝熱管の前記第１および第２の冷媒流路の冷媒出口部と、他方の伝熱管の前記第１および第２の冷媒流路の冷媒入口部とを、２本のリターンベンド管でクロス状に接続してなることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
4. 中間部を曲げ加工された前記伝熱管を用いて列方向に複数の冷媒回路を構成するとともに、隣接する一方の伝熱管の前記第１および第２の冷媒流路の冷媒出口部と、他方の伝熱管の前記第１および第２の冷媒流路の冷媒入口部とを、冷媒が混合するように１本のリターンベンド管で接続してなることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
5. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管で接続した冷凍サイクルを備え、作動流体として冷媒を用いるとともに、請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器を前記蒸発器または凝縮器として用いたことを特徴とする空気調和機。
6. 冷媒として、ＨＣ単一冷媒、またはＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素のいずれかを用いることを特徴とする請求項５記載の空気調和機。

Images