JP5881548B2 - フィンアンドチューブ型熱交換器、これを備えた空気調和機、及びフィンアンドチューブ型熱交換器の製造方法 - Google Patents

フィンアンドチューブ型熱交換器、これを備えた空気調和機、及びフィンアンドチューブ型熱交換器の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、製造が容易なフィンアンドチューブ型熱交換器とこの熱交換器を備えた空気調和機とフィンアンドチューブ型熱交換器の製造方法に関する。
フィンアンドチューブ型熱交換器は、積層された複数のフィンに対して、複数の伝熱管をフィン垂直方向に差し込み、それらの伝熱管を拡管することによって、フィンと伝熱管とを接合させた構造となっている。そして、水や冷媒を伝熱管内に流通させる一方、伝熱管に対して垂直方向に、フィンに沿って空気が流れるようにすることによって、水や冷媒と空気との間で熱交換が行われるようになっている。
このようなものにおいて、フィンの両側側面近傍に、フィンの一方の面から突出する複数の凸部を形成し、これら凸部は、その高さをh(mm)、フィンの厚さをt(mm)としたとき、h/tが4以上9以下となるように設定して補強し、積層フィンをL曲げする際の座屈の問題を解消したものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部が、熱交換器の直線部を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有するように構成して、熱交換器の曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下を抑制できるようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
ところで、フィンアンドチューブ型熱交換器は、以下の手順により製造される。
まず、リボン式フィンプレスによって所定のフィン形状に加工される。次いで、冷媒配管貫通用のフィン孔の円周部を垂直に立ち上げたフィンカラーを上向きとした状態で、複数列のフィンがリボン式フィンプレスから排出される。
リボン式フィンプレスから排出されたフィンは、排出直後に上向きに吸着するための吸着板によって吸い上げられながら、落下することなくフィン積層台車の上まで送られ、所定の長さまで排出された時点でリボン式フィンプレスによりフィン短辺側端を切断される。
リボン式フィンプレスにより排出され切断されたフィンは、切断後に吸着板の吸着が解除されるので、落下する。フィン積層台車には、1列につき、フィン排出方向に例えば2本の積層ピンが列ごとにそれぞれ立設されており、フィンはプレス加工が施されたフィン孔に積層ピンが差し込まれながら落下する。これにより、フィンは、平面方向の位置が積層ピンによって拘束されながら真下へと落下し、下から1枚ずつ順に積まれていく。
前記のように積層されたフィンは、所定の枚数まで積まれた後、フィン積層台車によりフィン取出位置まで移動される。
フィン積層台車がフィン取出位置まで移動した後、フィン積層台車よりフィンが1列または2列同時に取り出されるが、そのとき最下部のフィン底面を支持治具によって支えながら、真上に垂直に持ち上げるようにしてフィンが取り出される。その後、伝熱管の差し込み工程や、伝熱管が差し込まれた積層フィンの曲げ工程等の後工程へと供給されていく。
特開2012−17970号公報(図1、図3、図5) 特開2010−151403号公報(図1、図2、図3)
前述したように、リボン式フィンプレスから排出されたフィンは、フィン孔に積層ピンが差し込まれながら落下し、フィン積層台車に積層されるが、積層ピン外径はフィン孔内径よりも小さく作られているため、積層ピンとフィン孔との間に隙間が発生する。そのため、フィン積層時やフィン積層台車がフィン取出位置まで移動する際に、フィンが列方向にずれてしまい、列方向で隣合ったフィンがお互いにかみ込むことがあった。
フィン取出位置まで移動した後に、フィンは真上へと取り出される。しかし、この時、フィン相互がかみ込んだフィンは、取り出される列のフィンが待機フィンを真上方向へ引っ張り、お互いのフィン形状を変形させてしまう。
フィンが変形してしまうことで熱交換効率が低下し、熱交換器の品質が悪化する。
特許文献1に記載の技術は、フィン積層台車からフィンを取り出した後の曲げ工程に配慮されたものであり、フィンの両側側面近傍に、複数の凸部を形成しているものの、これら凸部は、フィンの一方の面からのみ突出し、その高さh(mm)が、フィンの厚さをt(mm)としたとき、h/tが4以上9以下となるように設定されたものである。つまり、積層フィン間の隙間(フィンピッチ)を考慮したものではないため、凸部の頂面とこれに積層方向で対向する隣接フィンとの間に隙間が発生する。そして、その隙間への隣接フィンの侵入を阻止する手段がないため、フィン積層時やフィン積層台車がフィン取出位置まで移動する際に、フィンが列方向にずれてしまい、列方向で隣合ったフィンがお互いにかみ込むのを防ぐことができなかった。
また、特許文献2に記載の技術においても、フィン積層台車からフィンを取り出した後の曲げ工程に配慮されたものであり、フィンの送風方向下流側端部を切り欠いて凹部を形成している分、フィン積層時やフィン積層台車がフィン取出位置まで移動する際に、フィンが列方向にずれた場合、列方向で隣り合ったフィンがお互いにかみ込む箇所(かみ込む方向)が増えるという問題があった。
すなわち、これまでは積層フィン取出時のフィン相互のかみ込みに着目して配慮されたフィンは存在しないのが実状であった。
本発明は、このような背景のもとに成されたものであり、積層フィン取出時にフィン相互のかみ込みによるフィン形状の変形を抑えることが可能なフィンアンドチューブ型熱交換器これを備えた空気調和機、及びフィンアンドチューブ型熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るフィンアンドチューブ型熱交換器は、一定間隔で積層された平板状のフィンと、フィンに形成された複数のフィン孔と、フィン孔の円周部に設けられたフィンカラーと、積層された平板状のフィンのフィン孔に挿通されている伝熱管とを備え、積層された平板状のフィンのそれぞれの両側部の少なくとも一方のエッジには、ィン侵入抑制手段複数箇所に備え、フィン侵入抑制手段は、フィンの積層方向に対し凹部、凸部、又は凹凸部状とされており、凹部、凸部、又は凹凸部のフィンの平板面からの高さをH、フィンピッチをPfとしたとき、凹部、凸部、又は凹凸部のフィンの平板面からの高さHとフィンピッチPfを、1>(H/Pf)>(1/2)の関係が成り立つ範囲に設定したものである。
また、本発明に係る空気調和機は、少なくとも圧縮機、室外熱交換器、減圧器、及び室内熱交換器を有し、これらが冷媒配管によってープ状に接続された空気調和機であって、室外熱交換器又は室内熱交換器として前記のフィンアンドチューブ型熱交換器を用いたものである。
本発明に係るフィンアンドチューブ型熱交換器においては、一定間隔で積層された平板状のフィンと、フィンに形成された複数のフィン孔と、フィン孔の円周部に設けられたフィンカラーと、積層された平板状のフィンのフィン孔に挿通されている伝熱管とを備え、積層された平板状のフィンのそれぞれの両側部の少なくとも一方のエッジにィン侵入抑制手段複数箇所に備え、フィン侵入抑制手段は、フィンの積層方向に対し凹部、凸部、又は凹凸部状とされており、凹部、凸部、又は凹凸部のフィンの平板面からの高さをH、フィンピッチをPfとしたとき、凹部、凸部、又は凹凸部のフィンの平板面からの高さHとフィンピッチPfを、1>(H/Pf)>(1/2)の関係が成り立つ範囲に設定したので、隣接するフィンがフィンピッチPfの隙間に侵入しようとしても、これを積層する方向で隣接するフィン相互の凹部、凸部、又は凹凸部によって確実に阻止することができる。このため、フィン積層時に、隣り合った列の相互のフィンがかみ合うのを防ぐことができる。そして、積層フィン取出時にフィン相互が干渉し変形する問題を効果的に解消することが可能となり、品質の安定したフィンアンドチューブ型熱交換器を得ることができ、また製造工程での生産性を向上させることが可能となる。
また、本発明に係る空気調和機は、室外熱交換器又は室内熱交換器として前記のフィンアンドチューブ型熱交換器を用いたので、製造工程での生産性を向上させることが可能となり、製造コストを削減することができる。
本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の外観図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の製造時におけるフィン積層工程の説明図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の製造時におけるフィン積層工程の説明図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の製造時における積層フィン取出工程の説明図である。 比較例における積層フィン取出時のフィン相互のかみ込み有りの場合とかみ込み無しの場合の説明図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のプレス成形されたフィンの斜視図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィン長辺側の正面図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィンのフィン取出工程でのフィン積層状態の説明図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィンに設けられたフィン侵入抑制手段である積層方向の凹凸部を拡大して示す正面図である。 本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィンに設けられたフィン侵入抑制手段である積層方向の凹凸部の変形例を拡大して示す正面図である。 本発明の実施形態2に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のプレス成形されたフィンの斜視図である。 本発明の実施形態3に係る空気調和機の冷媒回路図である。
実施形態1.
図1は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の外観図である。
本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器(以下、単に「熱交換器」という)1は、図1のようにフィン2と伝熱管3とを備えている。すなわち、熱交換器1は、一定間隔で複数平行に積層された平板状のフィン2からなるフィン群11と、円管曲げ部Bを有しフィン群11に一定の間隔で配置されているフィン孔14に順次挿入されて内部に流体が流動する伝熱管(円管)3と、を備えている。
これを更に詳述すると、フィン2は純アルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成され、円管3はアルミニウムもしくは銅またはそれらの合金等の金属材料を用いて形成されている。一般的には、板厚0.09〜0.12mm、フィン幅Wf10mm〜25mm、円管外径Dは4〜10mmである。また、フィン2に形成されたフィン孔14は、一枚当たり24個、円管ピッチPd21mmとしているが、その数、配列、円管ピッチPdはこれに限るものではない。
図2及び図3はいずれも本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の製造時におけるフィン積層工程の説明図である。図4は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の製造時における積層フィン取出工程の説明図である。図5は比較例における積層フィン取出時のフィン相互のかみ込み有りの場合とかみ込み無しの場合の説明図である。図6は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のプレス成形されたフィンの斜視図である。
本実施形態1の熱交換器1のフィン群11は、図2〜図4の工程を経て製作される。まず、図2及び図3に示すように、リボン式フィンプレス4に取り付けられた金型5によって、複数配列された長方形平板状のフィン2の内、1列おきにフィンにはフィン孔14とフィンカラー13が成型され、またこれと隣接する1列おきのフィンにはフィン孔14とフィンカラー13に加えて両側エッジにフィン侵入抑制手段となる積層方向の凹凸部15,16が成型される。両側エッジの凹凸部15,16は、積層フィン間の隙間に隣接積層フィンが侵入するのを阻止する機能を有する。そして、これら複数列のフィンは、フィン孔14とフィンカラー13、さらには1列おきのフィンに凹凸部15,16が成型されながらフィン積層位置へ向けてフィン送り方向(フィン長手方向と同一方向)に順次送られる。この時、フィン積層位置へ送られる複数列のフィンは、中が空洞となっている吸着箱7と、フィン送り方向にフィンカラー13を逃がすための溝を有しかつ吸着用の貫通孔が複数形成された吸着板8とを介して、チャンバー6によって真上へ吸い上げられ、吸着板8と接しつつ真上へ吸着されながら、フィン積層位置まで送られる。なお、これ以降、フィン孔14、フィンカラー13、及び両側エッジの凹凸部15,16が成型されたフィンについては、符号17を付して区別する。
金型5からフィン積層位置までフィン長辺長さLf(図1)送られた複数列のフィン2,17は、リボン式フィンプレス4側のフィン短辺端が切断され、同時に吸着板8からの吸着が解除され、真下へ落下する。その際、複数列のフィン2,17のそれぞれに一定の間隔で配列されたフィン孔14に積層ピン9が差し込まれながらフィン17が落下することにより、フィン2,17は位置決めされる。積層ピン9は、積層台車10に垂直に立設されており、1列あたり2本の積層ピン9が配置されている。積層ピン外径Dp(図3)はフィン孔内径Df(図7参照)に対し、0.2〜0.6mm小さくなっており、積層ピン9とフィン孔14との間には片側0.1〜0.3mmの隙間があいている。
そのため、フィン2,17は積層ピン9で位置決めされていても、フィン2,17と積層ピン9との間には隙間があるため、隙間分だけはどのフィン2,17も列方向に動く尤度がある。全ての列のフィンが両側エッジに凹凸部15,16を有していないフィン2で構成されている場合、積層ピン9による位置決めが正確になされていれば、図5(a)のようにフィン積層時に隣り合った列相互のフィン2がかみ合うことがなく、問題は発生しない。しかし、フィン2が列方向にずれた場合、図5(b)のように列方向で隣合ったフィン2がお互いにかみ込み、フィン重なり部Aが発生してしまう。
そのようにして所定の枚数まで積層されたフィン2,17を載せた積層台車10は、次工程である取出工程の取出位置まで移動する。フィン積層台車10がフィン取出位置まで移動した後、フィン積層台車10よりフィン2,17が1列、2列または4列同時に取り出される。その時、図4のように最下部のフィン2,17の下面が支持治具12によって支えられながら、真上に垂直に持ち上げるようにしてフィン2,17は取り出される。
この時、もし図5(b)のように隣りあったフィン相互が重なりあっていると、取り出されるフィン群11と積層台車10上の待機フィン群11Aとが干渉し、フィンが変形する。
本実施形態1の熱交換器1は、フィン積層工程時に、複数列あるフィンのなかで、偶数または奇数列のように1列おきに、図6に示すような両側エッジに積層フィン間の隙間に隣接積層フィンが侵入するのを阻止する機能を有する凹凸部15,16が成型されたフィン17が配置されているので、隣りあったフィン相互が重なりあうのを防ぐことができる。
図7は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィン長辺側の正面図である。図8は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィンのフィン取出工程でのフィン積層状態の説明図である。図9は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィンに設けられたフィン侵入抑制手段である積層方向の凹凸部を拡大して示す正面図である。図10は本発明の実施形態1に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のフィンに設けられたフィン侵入抑制手段である積層方向の凹凸部の変形例を拡大して示す正面図である。
本実施形態1の熱交換器1は、図7(及び図6)のようにフィン17の両側エッジにフィン侵入抑制手段となる積層方向の凹部15と凸部16を各2つ以上設けている。その凹凸部15,16の形状は、図9のような半円形、又は図10のような山形とすれば、成型が容易である。いずれにせよ、凹凸部15,16の高さH(mm)は、図7のようにフィンピッチPf(mm)に対し、H/Pfが1/2以上1以下、つまり凹凸部15,16のフィン平板面からの高さHとフィンピッチPfを、1>(H/Pf)>(1/2)の関係が成り立つ範囲に設定されている。ここで、凹凸部15,16のフィン平板面からの高さHとは、凸部16のフィン上面からの突出高さや、凹部15のフィン下面からの突出高さをいう。
このように凹凸部15,16のフィン平板面からの高さHを設定することで、図8のように隣接するフィン2がフィンピッチPfの隙間に侵入しようとしても、これを積層する方向で隣接するフィン相互の凹凸部15,16によって確実に阻止することができる。このため、積層フィン取出時にフィン相互が干渉し変形することがなくなり、品質の安定した熱交換器1を得ることができ、また製造工程での生産性を向上させることができる。
実施形態2.
図11は本発明の実施形態2に係るフィンアンドチューブ型熱交換器のプレス成形されたフィンの斜視図であり、前述の実施形態1と同一機能には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては、前述の図1、図7を参照するものとする。
本実施形態2の熱交換器1は、隣接するフィンがフィンピッチPfの隙間に侵入するのを阻止するフィン侵入抑制手段すなわち積層方向の凹凸部15,16を、積層される平板状のフィン17Aのそれぞれの両側部のうちの一方のエッジに設けたものである。なお、凹凸部15,16の諸元は前述の実施形態1と同様である。
本実施形態2の熱交換器1のフィン17Aは、製造時のフィン積層工程において、複数列あるフィン17Aが互いに凹凸部15,16があるエッジと凹凸部がないエッジが対向するように配置される。これにより、隣接するフィン17Aの凹凸部がないエッジがフィンピッチPfの隙間に侵入しようとしても、これを積層する方向で隣接するフィン相互の凹凸部15,16によって確実に阻止することができる。このため、積層フィン取出時にフィン相互が干渉し変形することがなくなり、品質の安定した熱交換器1を得ることができ、また製造工程での生産性を向上させることができる。
また、フィンは、両側部のうちの一方のエッジに凹凸部15,16を有する1種類のフィン17Aに統一できるため、フィンの共通化が図れ、生産および部品管理が容易となる。
なお、前述の実施形態1,2においては、凹凸部状のフィン侵入抑制手段を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば凹部15又は凸部16の高さH(mm)を、フィンピッチPf(mm)とほぼ同じ寸法に設定して、フィン侵入抑制手段を凹部15又は凸部16のみで構成してもよい。
実施形態3.
図12は本発明の実施形態3に係る空気調和機の冷媒回路図を示すもので、前述の実施形態1又は実施形態2で説明したフィンアンドチューブ型熱交換器を室外熱交換器又は室内熱交換器として用いたものである。
本実施形態3の空気調和機は、圧縮機61、四方弁62、室外熱交換器63、減圧器64、及び室内熱交換器65が、冷媒配管70によって閉ループ状に接続され、室内機50と室外機60との間にガスバルブ68と液バルブ69が配置されている。また、室外熱交換器63には室外送風機66が併設され、室内熱交換器65には室内送風機67が併設されている。
本実施形態3の空気調和機において、冷房運転時には低圧低温のガス冷媒は室外機60の圧縮機61により高温高圧のガス冷媒に圧縮され、四方弁62に送られる。そして、四方弁62から冷媒配管70により室外熱交換器63に導かれてガス冷媒が液化し、凝縮熱を室外に放出する(室外熱交換器63が凝縮器として作用する)。室外熱交換器63から出た高圧の液冷媒は、減圧器64により低圧低温の気液二相冷媒となり、液バルブ69を介して室内機50の室内熱交換器65に導かれる。ここで、室内の空気中の熱を吸収して冷媒が蒸発し、低圧低温のガス冷媒となり、冷房運転を行う(室内熱交換器65が蒸発器として作用する)。そして、低圧低温のガス冷媒は、ガスバルブ68、四方弁62を経て圧縮機61に導かれ、冷媒サイクル運転を行う。
暖房運転を行う場合は、四方弁62を切り換えて冷媒の流れを冷房運転の場合と逆方向にすることにより、室内熱交換器65が凝縮機、室外熱交換器60が蒸発器として作用する。それ以外は冷房運転の場合と同様である。
本実施形態3によれば、室外熱交換器63又は室内熱交換器65として前述の実施形態1又は実施形態2の熱交換器1を用いているので、製造が容易となり空気調和機の製造コストを削減することができる。
1 熱交換器(フィンアンドチューブ型熱交換器)、2,17,17A フィン、3 伝熱管(円管)、4 リボン式フィンプレス、5 金型、6 チャンバー、7 吸着箱、8 吸着板、9 積層ピン、10 積層台車、11 フィン群、11A 待機フィン群、12 支持治具、13 フィンカラー、14 フィン孔、15 凹部(フィン侵入抑制手段)、16 凸部(フィン侵入抑制手段)、50 室内機、60 室外機、61 圧縮機、62 四方弁、63 室外熱交換器、64 減圧器、65 室内熱交換器、66 室外送風機、67 室内送風機、68 ガスバルブ、69 液バルブ、70 冷媒配管、A フィン重なり部、B 円管曲げ部、D 円管外径、Df フィン孔内径、Dp 積層ピン外径、H 凹凸部高さ、Pf フィンピッチ、Pd 円管ピッチ、Lf フィン長辺長さ、Wf フィン幅。

Claims (5)

  1. 一定間隔で積層された平板状のフィンと、
    前記フィンに形成された複数のフィン孔と、
    前記フィン孔の円周部に設けられたフィンカラーと、
    前記積層された平板状のフィンの前記フィン孔に挿通されている伝熱管とを備え、
    前記積層された平板状のフィンのそれぞれの両側部の少なくとも一方のエッジには、ィン侵入抑制手段複数箇所に備え
    前記フィン侵入抑制手段は、前記フィンの積層方向に対し凹部、凸部、又は凹凸部状とされており
    前記凹部、凸部、又は凹凸部の前記フィンの平板面からの高さをH、フィンピッチをPfとしたとき、前記凹部、凸部、又は凹凸部の前記フィンの前記平板面からの高さHとフィンピッチPfを、
    1>(H/Pf)>(1/2)
    の関係が成り立つ範囲に設定したことを特徴とするフィンアンドチューブ型熱交換器。
  2. 前記凹部、凸部、又は凹凸部の形状は、前記フィンの側方から見て半円形または山形の形状であることを特徴とする請求項1記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
  3. 前記積層された平板状のフィンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
  4. 少なくとも圧縮機、室外熱交換器、減圧器、及び室内熱交換器を有し、これらが冷媒配管によってループ状に接続された空気調和機であって、
    前記室外熱交換器又は前記室内熱交換器として請求項1〜3のいずれか一項に記載のフィンアンドチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とする空気調和機。
  5. 一定間隔で積層された平板状のフィンと、
    前記フィンに形成された複数のフィン孔と、
    前記フィン孔の円周部に設けられたフィンカラーと、
    前記積層された平板状のフィンの前記フィン孔に挿通された伝熱管とを備えるフィンアンドチューブ型熱交換器の製造方法であって、
    前記積層された平板状のフィンのそれぞれの両側部の少なくとも一方のエッジには、製造時に前記積層された平板状のフィン間の隙間に隣接積層フィンが侵入するのを阻止するフィン侵入抑制手段が複数箇所に形成されており、
    前記フィン侵入抑制手段は、前記フィンの積層方向の凹部、凸部、又は凹凸部状に形成され、
    前記凹部、凸部、又は凹凸部の前記フィンの平板面からの高さをH、フィンピッチをPfとしたとき、前記凹部、凸部、又は凹凸部の前記フィンの前記平板面からの高さHとフィンピッチPfを、
    1>(H/Pf)>(1/2)
    の関係が成り立つ範囲に設定することを特徴とするフィンアンドチューブ型熱交換器の製造方法。
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