JP5238428B2 - 熱交換器および空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、適材適所的に素材を選択した熱交換器と、この熱交換器を室内熱交換器もしくは室外熱交換器として用いた空気調和機に関する。

空気調和機において、室内熱交換器もしくは室外熱交換器に用いられる熱交換器は、伝熱管挿通孔を有し、互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気が流通する複数枚の伝熱フィンと、前記伝熱挿通孔に挿通し、伝熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体が導通するＵ字状に曲成された伝熱管とから構成される。

いわゆるプレートフィンチューブタイプと呼ばれる熱交換器であって、特に伝熱管には、ろう付け性、耐食性、耐圧性および熱伝達性能のそれぞれに優れた銅管が用いられるのが一般的である。

その反面、銅材は比重が大きいうえに、室内機容積のほとんど大部分を室内熱交換器が占め、室外機の少なくとも半分以上は室外熱交換器が占めている関係上、室内機と室外機の重量が重くなる。そして、銅材は高価であるところから、空気調和機としての価格の低減化を抑制している。

［特許文献１］には、アルミニウム製フィンと、アルミニウム製チューブとからなるアルミニウム製熱交換器が開示されている。このアルミニウム製熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ式空気調和機に組み込んだ場合に、特に冬季の低温暖房時に高伝熱特性を維持できる、とある。

また、［特許文献２］において、熱交換器を構成する伝熱管として、内面にフィン溝が形成されるアルミニウム管が提案されている。このアルミニウム管を用いて熱交換器を構成することにより、高品質化や高機能化を得るとともに、リサイクルのし易さと、分解のし易さを得る、とある。
特開平８−２４７６７８号公報 特開２００１−２８９５８５号公報

しかしながら、アルミニウム材は、従来の銅材に比べて、ろう付け性、耐食性、耐圧性、熱伝達性能、電食性等が劣るという課題がある。そのため、熱交換器全体をアルミニウム製にして、空気調和機の熱交換器として用いるには不向きである。

なお、電食性とは、電気化学的反応による腐蝕のことを言い、金属のプラスイオンと水や環境下で発生するマイナスイオンが電池作用して腐蝕反応を起すこと、もしくは電位差による反応のことである。上記腐蝕は、湿気や水（Ｈ２Ｏ）を介在して発生することが多い、と言われている。

また、電食性や接続部自体の強度の点で、銅管とアルミニウム管とを溶着接続するには大変困難である、そこで、一般には、銅管とアルミニウム管とを、ステンレス材（管）を介して溶着接続するようにしている。
いわゆるスプリットタイプ（室内機と室外機との分離形）の空気調和機の場合、熱交換器の冷媒出入り口部と冷媒配管との接続部には、圧縮機の振動がかかり、応力が集中し易い。さらに、空気調和機の据付け組立時においても、応力集中の影響を受け易い。いずれも、ガスリークが生じる要因となる。

本発明は上記事情にもとづきなされたものであり、その目的とするところは、基本的には、軽量であるとともに廉価であるアルミニウム管からなり、冷凍サイクルの冷媒配管と接続される冷媒の出入り口部は、ろう付け性、耐食性、耐圧性、熱伝達性能に優れた銅管を用いて構成され、適材適所的に素材を選択して、軽量化とコストの低減化および耐食性の向上化を得られる熱交換器と、室内熱交換器および室外側熱交換器の少なくともいずれか一方に上記熱交換器を用いた空気調和機を提供しようとするものである。

上記目的を満足するため本発明の熱交換器は、複数枚の伝熱管挿通孔を有する伝熱フィンを互いの隙間に熱交換空気が流通するよう所定間隔を存して並設し、内部に熱交換媒体が導通するＵ字状に曲成した伝熱管を伝熱管挿通孔に挿通して全ての伝熱フィンを貫通して設け、冷凍サイクルの銅管からなる冷媒配管と接続する伝熱管の全てが銅管からなり、それ以外の部分全てをアルミニウム管から構成する。

さらに、上記目的を満足するため本発明の空気調和機は、圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、膨張装置、室内熱交換器を冷媒配管で連結した冷凍サイクルを備え、室外熱交換器および室内熱交換器の少なくともいずれか一方は、複数枚の伝熱管挿通孔を有する伝熱フィンを互いの隙間に熱交換空気が流通するよう所定間隔を存して並設し、内部に熱交換媒体を導通させるＵ字状に曲成した伝熱管を伝熱管挿通孔に挿通して全ての伝熱フィンを貫通して設け、冷凍サイクルの銅管からなる冷媒配管と接続する伝熱管の全てが銅管からなり、それ以外の部分全てをアルミニウム管から構成する。

本発明によれば、適材適所的に素材を選択して、軽量化とコストの低減化および耐食性の向上化を得られる熱交換器と、室内熱交換器および室外側熱交換器の少なくともいずれか一方に上記熱交換器を用いて同様の効果を得る空気調和機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
図１は、空気調和機の冷凍サイクル構成図である。
この空気調和機は、圧縮機１と、四方切換弁２と、室外熱交換器３と、膨張装置４と、室内熱交換器５が冷媒配管Ｐを介して順次接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成する。

上記圧縮機１と、四方切換弁２と、室外熱交換器３および膨張装置４は、室外機１Ａに配置され、上記室内熱交換器５は室内機１Ｂに配置される。また、全ての冷媒配管Ｐは銅管からなる。

図２は、上記室外機１Ａ内に収容される室外熱交換器３の正面図であり、ドレンパン６とともに示している。
上記室外熱交換器３は、複数枚の伝熱フィンＦと、複数本の伝熱管７および複数本のＵベンド管８とから組立てられる。

上記伝熱フィンＦは、それぞれ伝熱管挿通孔１０を有していて、互いに所定間隔を存して並設される。伝熱フィンＦの互いの隙間には、熱交換空気が流通するようになっている。上記伝熱管７は、略Ｕ字状に曲成された長尺のＵ字管であり、伝熱フィンＦの伝熱管挿通孔に挿通され、複数枚の全ての伝熱フィンＦを貫通して設けられる。

上記Ｕベンド管８は、略Ｕ字状に曲成された短尺のＵ字管であり、伝熱フィンＦから突出する伝熱管７の開口端部で、かつ隣接する伝熱管７相互に亘って接続される。伝熱管７とともに内部に熱交換媒体（冷媒）が導通するようになっていて、蛇行状に形成される冷媒流路を構成する。

このように、いわゆるプレートフィンチューブタイプの室外熱交換器３であって、特に、室外熱交換器３を構成する伝熱管７は、後述する箇所を除いて、そのほとんど大部分はアルミニウム材（アルミニウム合金を含む）からなるアルミニウム管である。

ただし、室外熱交換器３の出入り口部における伝熱管７、すなわち冷凍サイクルの冷媒配管Ｐと接続される伝熱管７には、銅管が用いられる。なお説明すると、銅管からなる冷媒配管Ｐと同じ銅管が、室外熱交換器３の出口パイプと入口パイプとして採用される。

さらに、ここでは室外熱交換器３の最下部に位置する伝熱管７も、銅管が用いられる。この室外熱交換器３はドレンパン６上に載置されていて、室外熱交換器３の最下部に位置する伝熱管７は、ドレンパン６に直接、接触する、もしくはわずかの間隙を存して載置される位置にある。

暖房運転時は、室外熱交換器３で冷媒が蒸発し、それにともないドレン水が生成される。ドレン水は室外熱交換器３に沿って流下し、ドレンパン６に集溜される。室外熱交換器３最下部の伝熱管７は、集溜されたドレン水に浸漬する位置にある。しかも、最下部の伝熱管７は、冷凍サイクルの冷媒配管Ｐと接続される伝熱管を兼用している。

このように、従来から実績のある銅管同士のロー付け接続を行えるように、室外熱交換器３における応力集中し易い出入り口部を銅管として、銅管からなる冷媒配管Ｐとロー付け接続をなす。製造方法的に、従来そのままのものを流用でき、工数増大の抑制化を得られる。

また、上記室外熱交換器３における最下部の伝熱管７として銅管を用いたので、伝熱フィンＦに対して凝縮した腐蝕成分を持つドレン水に浸漬した状態であっても、耐食信頼性を維持できる。

なお、上記室内熱交換器５を構成する伝熱管７として、上記室外熱交換器３と同様に、アルミニウム管を用いてもよい。ただし、アルミニウム材は銅材と比較して、化学物質による耐食性あるいは電食性に劣るものである。

家庭用エアコンとして用いられる空気調和機では、室内居室を構成する、いわゆる新建材に多くの化学物質の発生源が存在するので、室内機１Ｂに備えられる室内熱交換器５は耐食性に優れた素材が必要になる。これに対して、室外熱交換器３は防錆処理が必要とされる。

したがって、室外熱交換器３と室内熱交換器５の、いずれか一方の熱交換器のアルミニウム管を伝熱管７として使用する場合は、むしろ室外熱交換器３を対象とする方が素材特性上の面で好ましいものである。

また、冷凍サイクルにＨＦＣ冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒を用いるとともに、室外機１Ａと室内機１Ｂとから構成されるスプリットタイプの空気調和機では、熱交換器の形態上の制約や、冷暖房効率の向上を図るために、室外熱交換器３を構成する伝熱管の管径が、室内熱交換器５を構成する伝熱管の管径よりも太く設計されている。

そこで、アルミニウム材による伝熱管７の耐圧信頼性を維持しつつ、熱伝達効率を向上するために、室外熱交換器３においてアルミニウム管からなる伝熱管７の管径を細く変更して、室内熱交換器５の銅管からなる伝熱管７の管径に近付けたことで、信頼性を確保できる。

上記伝熱管７は、アルミニウム材を母材として、亜鉛系の表面処理を施した、いわゆるクラッド管を用いるとともに、伝熱フィンＦとしてアルミニウム材を用いた室外熱交換器３であってもよい。

すなわち、従来の空気調和機における熱交換器として、伝熱管７には銅管を用いているが、比重の低いアルミニウム材を用いることで、製品の重量を軽減できる。したがって、据付作業性の向上を図れるとともに、省資源化を得られる。併せて、クラッド管を用いることで、電食の防止を得られ、伝熱管の長期信頼性の向上を得られる。

図３は、熱交換器における伝熱管７とＵベンド管８との接合構造を示す概略の構成図である。
ここで、上記伝熱管７の肉厚（内面溝付き管の場合は、溝底肉厚）は、０．２５ｍｍであり、この伝熱管７の表面は亜鉛系の材料で表面処理されている。これに対してＵベンド管８の肉厚は、０．３０ｍｍであって、伝熱管７の肉厚よりは厚くなっている。

上記伝熱管７は、伝熱フィンＦに密着した状態で挿通することで耐圧強度を確保できるが、Ｕベンド管８は伝熱フィンＦと無関係であるので、耐圧強度は伝熱管７よりも劣る。そのため、Ｕベンド管８をアルミニウム管から形成した場合に、アルミニウム管からなる伝熱管７と同等の耐圧強度を維持するには、伝熱管７以上の肉厚が必要となる。

上述の実施の形態では、アルミニウム管からなる伝熱管７の肉厚よりも、アルミニウム管からなるＵベンド管８の肉厚を厚くした。このことで、熱交換器全体の耐圧強度を確保できる。

再び図２に示すように、上記室外熱交換器３を全体的に平板状に形成した。冷凍サイクルにＲ４１０Ａ冷媒を用いるとともに、室外機１Ａと室内機１Ｂとからなる分離形の空気調和機においては、筐体寸法の制約から、室外熱交換器３は平面視で略Ｌ字状に形成されるのが通常構成である。

また、従来の銅管を用いた伝熱管では、曲げた場合の扁平、編肉に対して強度的に充分であった。その一方で、アルミニウム管を用いた伝熱管７では、曲げ強度が弱く、平面視で略Ｌ字状に形成される熱交換器には不向きである。

しかしながら、本実施の形態では、上記室外熱交換器３を曲げることなく平板状に形成したので、強度低下を防止できる。
さらに、アルミニウム管からなる伝熱管７と、銅管からなる伝熱管７を接続するＵベンド管８は、電食性を確保するために鋼材を用いてもよい。

また、伝熱フィンＦの両側部に並設される端板１１は、従来から製造性や軽量化の面から伝熱フィンＦの板厚よりも厚い板厚のアルミニウム材のものを用いていたが、本実施の形態では鋼板を用いている。

そのため、圧縮機１が配置される機械室と、室外熱交換器３および室外送風機が配置される熱交換室とを仕切る仕切り板への固定や、輸送中に誤って落下した際の強度の確保を充分に図ることができる。

一方、熱交換器内で冷媒流路系統が増えると、分流器等が必要となる。分流器の製造性や精度を生かすためには、銅材を使用せざるを得ない。そのため、伝熱管７への接続方法がＵベンド管８の場合と異なる可能性が高く、製造工数も大きくなる。

これに対して本実施の形態では、室外熱交換器３における冷媒流路が、蛇行状に形成される１系統のみであるので、上記不具合の発生を防止できる。ただし、伝熱管７は、その直径が複数種類のものを使用してもよい。

このように本発明においては、熱交換器を構成する伝熱管７の応力が集中し易い出入り口部は、従来から実績のある銅管同士のロー付け接続を行えるように、銅管からなる冷媒配管Ｐに対して出入り口パイプに銅管を用いた。したがって、製造方法が従来と流用できる空気調和機を提供できる。

アルミニウム管からなる伝熱管７と、銅管からなる伝熱管７とを接続するＵベンド管８は、電食を確実に防止するために、鋼材を用いてもよい。
プレートフィンチューブタイプの熱交換器において、伝熱管７としてアルミニウム管を用いる場合、従来から用いられる銅管と比較して耐食性に劣る。また、腐蝕成分はドレン水とともに下方へ集積する傾向がある。

上述したように、銅管を室外熱交換器３の最下部に用いたことで、伝熱フィンＦに凝縮した腐蝕成分をもつドレン水が熱交換器の下部に溜まっても、耐食信頼性を保持できる。また、伝熱管７として、アルミニウム材を母材と亜鉛系の表面処理を施すクラッド管を用いることで、耐食性と電食（腐蝕）信頼性が向上する。

アルミニウム管を伝熱管７として用いる場合、従来から用いられる銅管に比べて、耐圧性の低下と素材の特性上、耐圧バランスが大きいものである。そのため、従来の銅管からなる伝熱管と同一の径とすると、肉厚は銅管よりも厚くしなければならない。

上記伝熱管７は伝熱フィンＦと密着することで耐圧強度を確保できるが、伝熱フィンＦとは係り合いのないＵベンド管８の耐圧強度はそれよりも劣る。したがって、アルミニウム管からなるＵベンド管８が、アルミニウム管からなる伝熱管７と同等の耐圧強度を保持するには、伝熱管７以上の肉厚が必要になる。

そこで、アルミニウム管からなるＵベンド管８の肉厚をアルミニウム管からなる伝熱管７の肉厚以上に確保したことで、熱交換器全体の耐圧強度を確保できる。
ＨＦＣ冷媒のうち、圧力損失が小さく、熱伝達率が高い特性があり、エアコン向けに最適なＲ４１０Ａ冷媒を用いた分離形空気調和機では、筐体寸法の制約から室外機の熱交換器は平面視でＬ字状に曲げられている。

従来の銅管からなる伝熱管では、曲げに対しても扁平、編肉に対して強度的に充分であった。しかしながら、アルミニウム材を用いた伝熱管７は、曲げ強度が弱く、平面視で略Ｌ字状に形成した熱交換器に対しては不向きである。

本発明では、塑性特性の異なる、アルミニウム管からなる伝熱管７と銅管からなる伝熱管７が混在するため、熱交換器を曲げずに平板状に形成した。そのため、強度的に満足できる熱交換器を得られることとなった。

ところで、アルミニウム材は耐食性が悪く、長期の使用に耐えられないため、アルミニウム材を母材とし、耐食性の低い材料である亜鉛系の表面処理を施して、母材の腐蝕を抑えるクラッド管を、伝熱管７として用いている。

一方、アルミニウム管では温度条件などからロー付けにより接合が困難であるため、接着剤を用いた接合が行われている。しかしながら、クラッド管相互を接着剤によって接合させた場合に、外側に位置するパイプの端面の母材が露出するため、露出した箇所から母材が侵食され、冷媒のリークが生じたり、伝熱管として破壊の要因になってしまう。

そこで、以下に述べるようなクラッド管相互の接続構造を採用することにより、母材が直接、外環境と接することを防止でき、母材からの腐蝕を抑えることができ、信頼性の高いクラッド管相互の接続を得られる。

図４ないし図６は、互いに異なるクラッド管相互の接続構造を説明する図である。
図４に示す、下部側のクラッド管７ａは上端開口部ａが拡大加工され、開口端はラッパ状に拡開される。これに対して上部側のクラッド管７ｂは下端開口部に至るまで直径が変らないストレート管である。

このような拡大加工された下部側クラッド管７ａの上端開口部ａ内に、上部側クラッド管７ｂの下端部を挿入し嵌め込む。そして、下部側クラッド管７ａの上端開口部と下部側クラッド管７ｂとの間の隙間に接着剤Ｔを注入する。

接着剤Ｔは、下部側クラッド管７ａの上端開口部内周面と、上部側クラッド管７ｂの外周面との隙間に浸透し、上部側クラッド管７ｂの開口端と下部側クラッド管７ａの拡大されたテーパ部分に溜まるとともに、下部側クラッド管７ａの上端開口部ａを完全に覆い、固形化する。

したがって、下部側クラッド管７ａを構成する母材Ｍａは勿論のこと、上部側クラッド管７ｂの母材Ｍｂが全く露出しないですむ。これら母材Ｍａ，Ｍｂが露出しないから、母材Ｍａ，Ｍｂが直接外環境と接することを防止し、母材Ｍａ，Ｍｂからの腐蝕を抑えることができて、信頼性の高いクラッド管７ａ，７ｂ同士の接続を得られる。

図５に示す、下部側クラッド管７ｃはストレート状に形成されており、上部側クラッド管７ｄは下端部ｂが直径を絞られている。上部側クラッド管７ｄの直径が絞られた下端細径部ｂを、下部側クラッド管７ｃの上端開口部内に挿入し、嵌め込む。

この状態で下部側クラッド管７ｃの内周面と、上部側クラッド管７ｄの直径が絞られた下端部ｂ外周面との隙間に接着剤Ｔを注入する。接着剤Ｔは、これらの隙間を浸透して、上部側クラッド管７ｄの下端開口部ｂ端部に溜まるとともに、下部側クラッド管７ｃの上端開口部端部と上部側クラッド管７ｄの細径部分を完全に覆い、固形化する。

したがって、下部側クラッド管７ｃの母材Ｍａは勿論のこと、上部側クラッド管７ｄの母材Ｍｂが全く露出しないですむ。母材Ｍａ，Ｍｂが露出しないから、母材Ｍａ，Ｍｂが直接外環境と接することを防止し、母材Ｍａ，Ｍｂからの腐蝕を抑えることができて、信頼性の高いクラッド管７ｃ，７ｄ同士の接続を得られる。

図６に示す、下部側クラッド管７ｅは、図４の下部側クラッド管７ａの変形例であり、上部側クラッド管７ｂは同じ物を用いている。下部側クラッド管７ｅの上端開口部は、ここでは内側に折り曲げて母材の露出をより少なくした構造となっている。
しかしながら、そのままでは母材Ｍａが露出することは変りがないので、図４で説明したようにして接着剤を注入する。

結果として、上部側クラッド管７ｂの母材Ｍｂは勿論のこと、下部側クラッド管７ｅの母材Ｍａが全く露出しないですむ。母材Ｍａ，Ｍｂが露出しないから、母材Ｍａ，Ｍｂが直接外環境と接することを防止し、母材Ｍａ，Ｍｂからの腐蝕を抑えることができて、信頼性の高いクラッド管同士の接続を得られる。

なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明における実施の形態に係る、空気調和機の冷凍サイクル構成図。 同実施の形態に係る、室外熱交換器の正面図。 同実施の形態に係る、室外熱交換器要部の説明図。 同実施の形態に係る、クラッド管同士の接続説明図。 同実施の形態に係る、他のクラッド管同士の接続説明図。 同実施の形態に係る、さらに他のクラッド管同士の接続説明図。

符号の説明

１０…伝熱管挿通孔、Ｆ…伝熱フィン、７…伝熱管、３…室外熱交換器、５…室内熱交換器、Ｐ…冷媒配管、８…Ｕベンド管、７ａ〜７ｅ…クラッド管。

Claims (5)

1. 伝熱管挿通孔を有し、互いの隙間に熱交換空気が流通するよう所定間隔を存して並設される複数枚の伝熱フィンと、
   前記伝熱管挿通孔に挿通し前記全ての伝熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体が導通するＵ字状に曲成された伝熱管とを有する熱交換器において、
   上記伝熱管は、冷凍サイクルの銅管からなる冷媒配管と接続される伝熱管の全てが銅管からなり、それ以外の部分は全てアルミニウム管からなる
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、膨張装置、室内熱交換器を冷媒配管で連結した冷凍サイクルを備えた空気調和機において、
   上記室外熱交換器および室内熱交換器の少なくともいずれか一方は、
   伝熱管挿通孔を有し、互いの隙間に熱交換空気が流通するよう所定間隔を存して並設される複数枚の伝熱フィンと、
   前記伝熱管挿通孔に挿通し前記全ての伝熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体が導通するＵ字状に曲成された伝熱管とを有し、
   上記伝熱管は、冷凍サイクルの銅管からなる冷媒配管と接続される伝熱管の全てが銅管からなり、それ以外の部分は全てアルミニウム管からなる
   ことを特徴とする空気調和機。
3. 上記室外熱交換器において、上記伝熱管同士を接続するＵベンド管はアルミニウム管からなり、このＵベンド管の肉厚は伝熱管の肉厚よりも厚く設定されることを特徴とする請求項２記載の空気調和機。
4. 上記請求項１記載の熱交換器は上記室外熱交換器として用いられ、かつ上記室外熱交換器は平板状に成形されることを特徴とする請求項２記載の空気調和機。
5. 上記伝熱管は、アルミニウム材を母材とし、亜鉛系の表面処理を施したクラッド管が用いられ、上記伝熱フィンはアルミニウム材からなることを特徴とする請求項２記載の空気調和機。

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