JP6026871B2 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数本のマイクロチューブから構成される熱交換器及びこの熱交換器の製造方法に関するものである。

従来より冷媒回路を構成するこの種熱交換器としては、フィンアンドチューブタイプの熱交換器やマイクロチューブタイプの熱交換器等、様々なタイプのものが使用されている。前者のフィンアンドチューブタイプの熱交換器は、銅等から成る配管にアルミニウム等から成るフィンを圧着、或いは、ロウ付けすることにより構成されて、主に自動販売機等の定置用の冷却庫に使用されている。

一方、後者のマイクロチューブタイプの熱交換器は、複数の微小通路を備えたアルミニウム製の扁平管（マイクロチューブ）を水平方向に複数本配置し、各マイクロチューブの間にこれもアルミニウム製のフィンをロウ付けしてなるパラレルフロー型熱交換器で、主に自動車のラジエター等に使用されている。係るマイクロチューブタイプの熱交換器は、コンパクトで軽量でありながら、熱交換性能に優れているため、前述した自動販売機への適用が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

また、近年では地球環境問題に対応するために、自動販売機等の冷却庫においても冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いることが提案されているが、自動販売機の冷媒回路で二酸化炭素を使用する場合、小型／軽量で比較的安価なマイクロチューブタイプの熱交換器をガスクーラとして使用することが考えられる。

特開２００３−１２１０９２号公報

しかしながら、自動販売機にてマイクロチューブタイプの熱交換器を使用する場合、自動車に比して装置そのものが小型になることから、冷媒循環量が少なくなり、マイクロチューブ内を流れる冷媒の流速も低くなる。また、複数本のマイクロチューブに冷媒を分流させる熱交換器では、二酸化炭素の高圧に耐えるために、凝縮冷媒を使用する自動車用の熱交換器に比べ、マイクロチューブの断面に対して冷媒流路が狭くなり、水力直径も小さくなる。

そのため、マイクロチューブ内を流れる冷媒のＲｅ数（レイノルズ数）が小さくなり、冷媒の粘性力が支配し、場合によっては層流域で使用される状態となって熱伝達率が大きく低下してしまう危険性があった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、マイクロチューブタイプの熱交換器のチューブ断面の形状と冷媒パスの構成を最適化することで、熱交換効率を改善し、熱交換能力の低下を防止することを目的とする。

請求項１の発明の熱交換器は、複数本のマイクロチューブの両端を一対のヘッダーにて相互に連通し、各マイクロチューブに渡って熱交換用のフィンを取り付けて成り、冷媒として二酸化炭素を使用するものであって、マイクロチューブの水力直径をＤ_h、ヘッダー内を仕切ることで往復構成される冷媒パスの数をＮ_P、当該冷媒パスを構成するマイクロチューブの本数をＴ_N、フィンが存在する部分のマイクロチューブの長さをＴ_l、マイクロチューブの冷媒流路断面積をＳ_c、マイクロチューブの総本数をＴ_ANとしたときに、

上記数式１で表される評価指数ξが、各冷媒パスの全てに当該数式１を満たすことを特徴とする。

請求項２の発明の熱交換器は、上記発明において圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、及び、蒸発器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、蒸発器にて収納室内を冷却する冷却庫において、ガスクーラとして使用されることを特徴とする。

請求項３の発明の熱交換器は、上記発明において冷却庫は、収納室内に商品を収納し、蒸発器にて冷却しながら販売する自動販売機であることを特徴とする。

請求項４の発明の熱交換器の製造方法は、複数本のマイクロチューブの両端を一対のヘッダーにて相互に連通し、各マイクロチューブに渡って熱交換用のフィンを取り付けて成り、冷媒として二酸化炭素を使用する熱交換器を製造するに当たり、マイクロチューブの水力直径をＤ_h、ヘッダー内を仕切ることで往復構成される冷媒パスの数をＮ_P、当該冷媒パスを構成するマイクロチューブの本数をＴ_N、フィンが存在する部分のマイクロチューブの長さをＴ_l、マイクロチューブの冷媒流路断面積をＳ_c、マイクロチューブの総本数をＴ_ANとしたときに、

上記数式１で表される評価指数ξが、各冷媒パスの全てにおいて当該数式１を満たすようにすることを特徴とする。

請求項５の発明の熱交換器の製造方法は、上記発明において圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、及び、蒸発器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、蒸発器にて収納室内を冷却する冷却庫において、ガスクーラとして使用される熱交換器を製造する方法であることを特徴とする。

請求項６の発明の熱交換器の製造方法は、上記発明において冷却庫は、収納室内に商品を収納し、蒸発器にて冷却しながら販売する自動販売機であることを特徴とする。

空気と冷媒とを熱交換させる熱交換器の能力は、空気側と冷媒側それぞれの伝熱面積と熱伝達率によって決定される。一般に熱伝達率は空気側のほうが小さく、熱抵抗は空気側が支配的であるが、冷媒として二酸化炭素を用いた自動販売機等の熱交換器では、前述した如く高圧に耐えるために冷媒流路が小さくなるため、冷媒側の伝熱面積や水力直径が小さくなる。更に、前述した如く小型であることから冷媒循環量も少なくなるため、Ｒｅ数が極端に小さくなる。そのため、冷媒側の熱抵抗が相対的に大きくなり、冷媒側の熱伝達率の影響が支配的となる。

図６は冷媒側の熱伝達率（横軸）と熱交換器の熱交換性能（開口面積当り放熱能力。縦軸）の関係を示した図である。冷媒側の熱伝達率が或る値を超えると、熱交換性能は急激に増加し、１０００を超える辺りからは殆ど増加しなくなる。また、図７はマイクロチューブ内の冷媒のＲｅ数（横軸）と熱伝達率（縦軸）の関係を示した図である。Ｒｅ数が小さい場合、冷媒の流れが層流となるため、熱伝達率は１０００以下となっている。自動販売機に通常のマイクロチューブタイプの熱交換器を使用した場合、冷媒流量が少ないためにＲｅ数が小さく、熱伝達率も小さい（図６の冷媒側の熱伝達率１０００以下の領域）。この領域では冷媒側の熱伝達率による影響が熱交換性能に大きく影響している。

一方、図７においてＲｅ数が或る値（約２０００程）を超えると、冷媒の流れが乱流に遷移するため、熱伝達率が急激に増加する。従って、熱交換器のチューブ断面の形状と冷媒パスの構成を最適化すれば、図６において冷媒側の熱伝達率を高い値とし、冷媒側の熱伝達率で熱交換性能が支配される領域から脱却して空気側の支配とすることで、熱交換性能の低下を防止することができることが分かる。

そこで、本発明ではマイクロチューブの水力直径Ｄ_hと、往復構成される冷媒パスの数Ｎ_Pと、当該冷媒パスを構成するマイクロチューブの本数Ｔ_Nと、フィンが存在する部分のマイクロチューブの長さＴ_lと、マイクロチューブの冷媒流路断面積Ｓ_cと、マイクロチューブの総本数Ｔ_ANをパラメータとし、実験により求めた数式１で決定される評価指数ξを判断材料として、各冷媒パスの全てにおいてこの評価指数ξが３０００以上となるように設計するようにした。

係る構造及び製造方法により熱交換器を構成するマイクロチューブの冷媒流路を流れる冷媒が常に乱流域で運転されるようになったので、熱交換性能を高く維持することができるようになった。これは冷媒流量が少ない自動販売機において冷媒として二酸化炭素を使用する場合に特に有効である。

本発明の熱交換器を適用した一実施例の自動販売機の冷媒回路図である。 本発明の熱交換器の一実施例の図１のガスクーラの正面図である。 図２のガスクーラの要部拡大正面図である。 図３のフィンのルーバー部分の拡大平断面図である。 本発明における熱交換器の評価指数と熱伝達率の関係を示す図である。 熱交換器の冷媒側の熱伝達率と熱交換性能（開口面積当り放熱能力）の関係を示す図である。 熱交換器のＲｅ数と熱伝達率の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明を説明するために例示する冷却庫の一実施例としての自動販売機の冷媒回路図である。この図において、１は圧縮機であり、圧縮機１の吐出側に本発明の実施例の熱交換器であるガスクーラ２が接続されている。このガスクーラ２の構造については後に詳述する。ガスクーラ２の出口側には減圧装置としての膨張弁３（キャピラリチューブでもよい）が接続され、この膨張弁３の出口側に蒸発器４が接続されている。この蒸発器４が図示しない自動販売機の商品収納室６内に設置される。そして、蒸発器４の出口側が圧縮機１の吸込側に接続されて自動販売機の冷媒回路７が構成されている。

そして、冷媒回路７内には冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）が所定量封入される。圧縮機２が運転されると、冷媒（二酸化炭素）が圧縮されて高温高圧のガス状態となり、吐出側から吐出されてガスクーラ２に流入する。ガスクーラ２にはガスクーラ用送風機８にて外気が通風されており、ガスクーラ２に流入したガス冷媒はガスクーラ用送風機８から通風される空気と熱交換して放熱する。

ガスクーラ２にて冷媒は凝縮すること無く超臨界状態のまま温度が低下し、ガスクーラ２から出て膨張弁３に流入する。この膨張弁３にて冷媒は減圧されることにより液相に遷移し、蒸発器４に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で冷却能力を発揮する。蒸発器４には蒸発器用送風機９から商品収納室６内の冷気が循環されており、これにより、商品収納室６内に収納された缶飲料やペットボトル入りの飲料（商品）が所定温度に冷却されることになる。自動販売機はこの商品収納室６内で商品を冷却しながら販売するものである。そして、蒸発器４で蒸発したガス冷媒は再び圧縮機１に吸い込まれる循環を繰り返す。

次に、図２以降を参照して本発明の熱交換器であるガスクーラ２の構成及びその製造方法について説明する。ガスクーラ（熱交換器）２はマイクロチューブタイプのパラレルフロー型熱交換器であり、縦方向に相対向して平行に配置された一対のヘッダー１１、１２と、両ヘッダー１１、１２間に渡って水平方向に配置され、上下に複数本（実施例では２０本）並設されたマイクロチューブ１３と、各マイクロチューブ１３間に取り付けられた熱交換用のフィン１４から構成されている。尚、上端と下端の１６Ａ、１６Ｂは取り付けようの板材であり、フィン１４は最上段のマイクロチューブ１３と板材１６Ａ、最下段のマイクロチューブ１３と板材１６Ｂ間にも取り付けられている。

両ヘッダー１１、１２は各マイクロチューブ１３の両端に接続されており、これにより、各マイクロチューブ１３の両端は相互に連通されている。マイクロチューブ１３は銅、アルミニウム、或いは、鉄などの金属（実施例ではアルミニウム）にて構成され、断面略楕円形、若しくは、長円形を呈し、内部に微小径の冷媒流路（図示せず）が複数形成された多孔扁平管である。

また、一方のヘッダー１１内は、上から６本目と７本目のマイクロチューブ１３の間に対応する位置に取り付けられた仕切部材１１Ａにより仕切られており、更に、下から４本目と５本目のマイクロチューブ１３の間に対応する位置に取り付けられた仕切部材１１Ｂによってもヘッダー１１内は仕切られている。更に、他方のヘッダー１２内も、下から９本目と１０本目のマイクロチューブ１３の間に対応する位置に取り付けられた仕切部材１２Ａによって仕切られている。

そして、ヘッダー１１の仕切部材１１Ａの上側に対応する位置に冷媒入口配管１７が接続され、この冷媒入口配管１７が圧縮機１の吐出側に接続される。また、ヘッダー１１の仕切部材１１Ｂの下側に対応する位置には冷媒出口配管１８が接続され、この冷媒出口配管１８が膨張弁３に接続される。

これにより、冷媒入口配管１７からヘッダー１１内に流入し、上から６本目までのマイクロチューブ１３内を分流して通過し、仕切部材１２Ａの上側のヘッダー１２内に流入する第１の冷媒パス２１と、ヘッダー１２から出て上から７本目から１１本目までの計５本のマイクロチューブ１３内を分流して通過し、仕切部材１１Ａと１１Ｂの間のヘッダー１１内に流入する第２の冷媒パス２２と、ヘッダー１１から出て下から５本目から９本目までの計５本のマイクロチューブ１３内を分流して通過し、仕切部材１２Ａの下側のヘッダー１２内に流入する第３の冷媒パス２３と、ヘッダー１２から出て下から４本目までのマイクロチューブ１３内を分流して通過し、仕切部材１１Ｂの下側のヘッダー１１内に流入する第４の冷媒パス２４の計４つの冷媒パスがガスクーラ２内に往復構成される。

これにより、圧縮機２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、ガスクーラ２の冷媒入口配管１７からヘッダー１１内に流入し、第１の冷媒パス２１、第２の冷媒パス２２、第３の冷媒パス２３、及び、第４の冷媒パス２４を往復しながら順次通過し、ガスクーラ用送風機８により通風される外気と熱交換し、それに放熱した後、冷媒出口配管１８から膨張弁３に出て行くことになる。

ガスクーラ２のフィン１４は図３に示すように、薄いアルミニウム板を所定ピッチＦ_Pで蛇行状に屈曲することにより構成されており、実施例では折返し部１４Ａ、１４Ｂが上下端に配置され、該折返し部１４Ａ、１４Ｂがマイクロチューブ１３にロウ付けされている。尚、図３においてＦ_hはフィン１４の上下方向の高さであり、マイクロチューブ１３の上下方向の間隔と同一である。

また、各折返し部１４Ａ、１４Ｂ間に位置する平面部１４Ｃには、流通する空気に乱流を起こすためのルーバー２６が切り起こし形成されている。このルーバー２６は図４に示すように所定ピッチＬ_P、空気の流通方向に対して所定の角度αで複数形成されており、その上下の長さＬ_lは略フィン１４の平面部１４Ｃの高さに匹敵する。また、ルーバー２６の傾く向きは空気の入口側と出口側とで逆方法とされている（図４）。

以上の構成で、次にガスクーラ（熱交換器）２を設計・製造する際の各部の寸法及びマイクロチューブ１３の本数等の各値の設定方法、若しくは、選定方法（何れも製造方法）について説明する。本発明では、ガスクーラ（熱交換器）２のマイクロチューブ１３の冷媒流路内において、冷媒が常に乱流を起こし、熱伝達率が高くなるようにする。そのために、評価指数ξを設定し、この評価指数ξを実験により求めた下記数式１で定義している。

尚、数式１のパラメータにおいて、Ｄ_hはマイクロチューブ１３内の冷媒流路の水力直径、Ｎ_Pはヘッダー１１、１２内を仕切ることにより往復構成される冷媒パスの数、Ｔ_Nは各冷媒パスにおいて当該冷媒パスを構成するマイクロチューブ１３の本数、Ｔ_lはフィン１４が存在する部分のマイクロチューブ１３の長さ、Ｓ_cはマイクロチューブ１３内の冷媒流路の断面積、Ｔ_ANはマイクロチューブ１３の総本数である。

このうち、水力直径Ｄ_hは大きい程、マイクロチューブ１３の長さＴ_lは長い程、冷媒パスの数Ｎ_Pは大きい程、伝熱面積が増えて、またあるいは流速が早くなり熱伝達率が向上するパラメータであるので分子に採用する。マイクロチューブ１３の総本数Ｔ_AN、当該冷媒パスのマイクロチューブ１３の本数Ｔ_Nも基本的には大きい程冷媒流量が増えて熱交換能力は上がるパラメータであるが、大きくなると熱交換器（ガスクーラ２）自体の寸法が拡大する。また、Ｓ_Cは大きくなると流速が低下するの分母へ採用する。冷媒パスのマイクロチューブ１３の本数Ｔ_Nも大きくなると流速が低下するパラメータであるので、総本数Ｔ_ANとの比Ｔ_N／Ｔ_ANとして分母へ採用し、フィッティングために０．５を乗じている。

図５は各パラメータの値を変更して算出した評価指数ξと変更した各パラメータの数値で設計した熱交換器（ガスクーラ）で実際に測定した熱伝達率との関係をプロットした図である（尚、フィン１４については同一）。この図から明らかの如く、評価指数ξが３０００未満である熱交換器（ガスクーラ）の場合、熱伝達率は極めて低い値となる。これはマイクロチューブ１３内の冷媒の流れが層流となっているからである。しかしながら、評価指数ξが３０００以上となると、熱伝達率が急激に上昇する。これは冷媒の流れが乱流状態となったためと考えられる。

そこで、本発明では各冷媒パス２１〜２４の全てにおいて、上記評価指数ξがそれぞれ数式１のように３０００以上となるようにガスクーラ２（熱交換器）を設計する。実際には各マイクロチューブ１３の設計（チューブ長さ、チューブ幅、チューブ高さ、水力直径Ｄ_h、流路断面積Ｓ_C）、本数Ｔ_ANの決定、冷媒パスＮ_Pの数の決定、各冷媒パス中のマイクロチューブ１３の本数Ｔ_Nの決定を行う。

実施例のガスクーラ２（熱交換器）の場合、マイクロチューブ１３の総本数Ｔ_ANは２０、冷媒パスＮ_Pは４、冷媒パス２１中のマイクロチューブ１３の本数Ｔ_Nは６、冷媒パス２２及び、２３のＴ_Nは５、冷媒パス２４のＴ_Nは４であり、マイクロチューブ１３の上記各値その他を設定することで、冷媒パス２１の評価指数ξはξ＝５６００、冷媒パス２２の評価指数ξはξ＝４１３８、冷媒パス２３の評価指数ξはξ＝３７７７、冷媒パス２４の評価指数ξはξ＝３３７８とした。即ち、冷媒パスの全てにおいて評価指数ξを３０００以上としている。

このようにしたことにより、ガスクーラ２（熱交換器）を構成するマイクロチューブ１３内の冷媒流路を流れる冷媒が常に乱流域で運転されるようになったので、熱交換性能を高く維持することができるようになった。これは冷媒流量が少ない自動販売機において冷媒として二酸化炭素を使用する場合に特に有効である。

１ 圧縮機
２ ガスクーラ（熱交換器）
３ 膨張弁
４ 蒸発器
７ 冷媒回路
１１、１２ ヘッダー
１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ 仕切部材
１３ マイクロチューブ
１４ フィン
１７ 冷媒入口配管
１８ 冷媒出口配管
２１〜１４ 冷媒パス

Claims (6)

1. 複数本のマイクロチューブの両端を一対のヘッダーにて相互に連通し、各マイクロチューブに渡って熱交換用のフィンを取り付けて成り、冷媒として二酸化炭素を使用する熱交換器において、
   前記マイクロチューブの水力直径をＤ_h、前記ヘッダー内を仕切ることで往復構成される冷媒パスの数をＮ_P、当該冷媒パスを構成する前記マイクロチューブの本数をＴ_N、前記フィンが存在する部分の前記マイクロチューブの長さをＴ_l、前記マイクロチューブの冷媒流路断面積をＳ_c、前記マイクロチューブの総本数をＴ_ANとしたときに、
   

   

   上記数式１で表される評価指数ξが、前記各冷媒パスの全てにおいて当該数式１を満たすことを特徴とする熱交換器。
2. 圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、及び、蒸発器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、前記蒸発器にて収納室内を冷却する冷却庫において、前記ガスクーラとして使用されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷却庫は、前記収納室内に商品を収納し、前記蒸発器にて冷却しながら販売する自動販売機であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 複数本のマイクロチューブの両端を一対のヘッダーにて相互に連通し、各マイクロチューブに渡って熱交換用のフィンを取り付けて成り、冷媒として二酸化炭素を使用する熱交換器の製造方法であって、
   前記マイクロチューブの水力直径をＤ_h、前記ヘッダー内を仕切ることで往復構成される冷媒パスの数をＮ_P、当該冷媒パスを構成する前記マイクロチューブの本数をＴ_N、前記フィンが存在する部分の前記マイクロチューブの長さをＴ_l、前記マイクロチューブの冷媒流路断面積をＳ_c、前記マイクロチューブの総本数をＴ_ANとしたときに、
   

   

   上記数式１で表される評価指数ξが、前記各冷媒パスの全てにおいて当該数式１を満たすようにすることを特徴とする熱交換器の製造方法。
5. 圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、及び、蒸発器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、前記蒸発器にて収納室内を冷却する冷却庫において、前記ガスクーラとして使用されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記冷却庫は、前記収納室内に商品を収納し、前記蒸発器にて冷却しながら販売する自動販売機であることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器の製造方法。

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