JP6262982B2

JP6262982B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6262982B2
Application number: JP2013213755A
Authority: JP
Inventors: 橋本　功; 功橋本; 別所　正博; 正博別所
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP2015075320A

Description

本発明は、空気調和装置の構成要素である熱交換器に関し、特に平行に配列された多数のフィンを備えるフィンチューブ型の熱交換器における応力緩和に関する。

フィンチューブ型の熱交換器１は、図１に示すように、伝熱管（チューブ）をその中央でヘアピン状に曲げ加工をしてＵ字型のヘアピン管３を作製し、所定の間隔をおいて平行に配置したフィン２にヘアピン管３を挿通した後、拡管により両者を密着させて固定する。次に、隣接するヘアピン管３の管端に予め曲げ加工を施してあるＵベンド管４を嵌合し、ヘアピン管３とＵベンド管４とをろう付けすることにより複数個のヘアピン管３とＵベンド管４を連結させる。ヘアピン管３とＵベンド管４の間は真直である。
ヘアピン管３、Ｕベンド管４を構成するチューブとしては、熱伝導性、耐食性、加工性、強度等に優れている銅管が広く使用されている。また、フィン２としては軽量性、加工性および熱伝導性に優れるという観点からアルミニウムやアルミニウム合金が広く用いられている。フィン２は、薄肉化、高強度化が進められるとともに、表面処理を施すことで表面の親水性や耐食性の向上が図られている。

フィンチューブ型の熱交換器１は、幅方向Ｗの両端部に端板（または、コアサポート）５を備えている。端板５は、フィン２を両端から支持することで、熱交換器１を所定の形状に保持する。
熱交換器１は、鉛直方向Ｖに延びるヘッダ配管６を備えており、このヘッダ配管６に繋がる枝配管７を介してヘアピン管３とＵベンド管４からなる冷媒流路に冷媒が供給される。枝配管７は、端板５にろう付けされるとともに端板５を貫通してヘアピン管３に連通している。なお、図示は省略するが、熱交換器１を流れる過程で熱交換された冷媒を排出するためのヘッダ配管も備えている。

ヘッダ配管６は、空気調和装置の運転条件により温度変化が生じ、この温度変化に対応して、鉛直方向Ｖに伸び縮みが発生する。特に、鉛直方向Ｖの上下の端部における伸縮量が大きくなる。一方で、熱交換器１の端板５は温度変化が小さく、ヘッダ配管６の伸縮量と差が生じるために、枝配管７に曲げ応力が発生する。この曲げの繰り返しにより、最も応力が高くなる枝配管７と端板５のろう付けによる接続部に疲労が生じる。特に、近年、室外機のコンパクト化に伴って枝配管７が短くなり、ヘッダ配管６の熱膨張・収縮による曲げ応力の影響を受けやすくなっている。

特許文献１は、内部を流体が流れるエレメント（チューブに相当）の積層体と、その積層方向の端部に配置されるコアサポート（端板に相当）とを有する熱交換器において、コアサポートとエレメントとの間に熱膨張の差が生ずるときに、両者間の熱応力を緩和する手段を提案している。この手段は、コアサポートの周縁部から中央部までスリットを形成するというものである。

特開２０００−３２９４９３号公報

特許文献１のコアサポートにスリットを形成する手段は、応力緩和にとって一定の効果はあるものの、ヘッダ配管６が長尺になると、スリットを設けるだけでは枝配管７に生ずる曲げ応力を緩和することができないこともある。
そこで本発明は、枝配管７に生ずる曲げ応力をより確実に緩和することのできる熱交換器を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の熱交換器は、相互に間隔をおいて配置された複数の板状のフィンと、真直ぐに延出し前記フィンを貫通する複数の直管と、隣接する前記直管の端部を繋ぐ曲管と、を備え、冷媒流路が蛇行して設けられるチューブと、フィンを挟んで配置され、チューブの曲管が貫通する端板と、冷媒が供給されるとともに、チューブに形成される冷媒流路に向けて冷媒を送るヘッダ配管と、ヘッダ配管に一端が接続されるとともに、他端が端板に接続され、冷媒流路と連通する枝配管と、を備える。本発明の熱交換器は、端板には、幅方向の一方の縁から他方の縁に向けて所定の位置まで形成されるスリットが、端板の長手方向の中央部を境にして間隔を空けて設けられる少なくとも２つの枝配管の間に設けられ、熱交換機能を発揮している際に、端板は複数に分割されることを特徴とする。
本発明の熱交換器は、熱交換機能を発揮している際に、端板は複数に分割されるので、ヘッダ配管が熱収縮しても、分割される個々のセグメントは、ヘッダ配管に追従して変位することができるので、枝配管に過剰な応力が生じるのを避けることができる。
ここで、本発明において、「熱交換機能を発揮している」とは、例えば空気調和装置を据え付けた後に、一度でも駆動させたならば、それ以後は、実際に空気調和装置を使用する都度に、「熱交換機能を発揮している」ことになる。

本発明において、熱交換機能を発揮している際に、端板は複数に分割される形態として、ヘッダ配管に所定の熱伸びが生じると、端板がスリットの延長線上に沿って破断することにより、複数に分割させることができる。この端板によると、人手による分割の作業を伴うことなく、端板を複数に分割させることができる。
この形態の一つの具体的な提案として、端板が、幅方向の一方の縁から他方の縁に向けて所定の位置まで形成されるスリットと、スリットの延長線上に設けられ、端板の表裏を貫通する複数の孔が断続的に形成される切り込みと、を備えることができる。
また、スリットは、中央部を境にして、長手方向の一方側および他方側のそれぞれに一対として設けられ、一対の一方のスリットは、端板の一方の縁から他方の縁に向けて形成され、一対の他方のスリットは、端板の他方の縁から一方の縁に向けて形成され、一方のスリットと他方のスリットは、長手方向に対して同じ向きに傾斜する、という形態にできる。

本発明における熱交換器の形態として、端板が、複数のセグメントを接合することにより一体的に形成された状態で、熱交換器に組み付けられ、組み付けられた後に、セグメント同士の接合が解除されるという、選択肢もある。

本発明の熱交換器によれば、熱交換機能を発揮している際に、端板は複数に分割されるので、ヘッダ配管が熱収縮しても、分割される個々のセグメントは、ヘッダ配管に追従して変位することができるので、枝配管に過剰な応力が生じるのを避けることができる。

本実施形態における熱交換器の概略構成を示す図である。第１実施形態における端板の構成を示す正面図である。第１実施形態における端板の他の構成を示す正面図である。第２実施形態における端板の構成を示す正面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。

［第１実施形態］
本実施形態にかかる熱交換器は、先に説明した図１のフィンチューブ型の熱交換器１とは端板１０を除く構成は一致するので、以下では、端板１０を中心にして説明を行う。熱交換器１は、空気調和装置の室外熱交換器として用いられるものとする。
第１実施形態に係る端板１０は、熱交換器１が機能している途中で、過大な応力が加わると、複数に分離することで、枝配管７の曲げ応力を緩和する。
端板１０は、図２に示すように、ヘッダ配管６に沿って鉛直方向Ｖに沿って設けられ、上下の各々に配置される終端部１１，１１と、終端部１１，１１の間に挟まれる中央部１３と、を備えている。終端部１１〜中央部１３〜終端部１１の全域にかけて、ヘアピン管３（または、Ｕベンド管４）が端板１０を貫通している。また、ヘッダ配管６から分岐する枝配管７の先端が、終端部１１〜中央部１３〜終端部１１の全域に亘って、端板１０にろう付けにより接合されている。ただし、図２には、終端部１１，１１に接続される枝配管７のみが示されている。

ヘッダ配管６は、高温の冷媒が流れると、冷媒からの熱を受けることによって、伸び（鉛直方向Ｖ）が生ずる。この熱伸びは中央部１３から両側の終端部１１，１１に近づくほど大きくなる。したがって、終端部１１，１１に接続される枝配管７に生ずる曲げ応力が大きくなる。そこで、端板１０は、最も終端部１１に近い位置に設けられる枝配管７よりも中央部１３寄りにスリット１５を設ける。スリット１５は、端板１０の幅方向の両縁から中央に向けて形成される。スリット１５は、ヘアピン管３との干渉を避けるために、鉛直方向Ｖに対して傾斜している。

本実施形態の端板１０は、スリット１５に加えてスリット１５の延長線上に切り込み１７を設けている。この切り込み１７は、端板１０の表裏を貫通する複数の矩形の孔が断続的に形成されているものであり、例えて言うならば、ミシン目である。
切り込み１７は、端板１０に所定の熱伸びによる応力が生ずると、枝配管７が端板１０との接続部分が破壊する前に、破断するように形成されている。つまり、切り込み１７は、枝配管７が破壊する身代わりとなるものであり、所定の熱伸びε_１により、枝配管７が破壊に到る曲げ応力σ_１よりも小さいせん断応力τ_１で破断するように設定されている。

端板１０は、スリット１５と切り込み１７を同一の直線上に繋げて設けていることにより、所定の熱伸びε_１が生ずるまでは、スリット１５を設けることにより、枝配管７に生ずる曲げ応力が緩和され、枝配管７が破壊されるのを防止する。
ヘッダ配管６の熱伸びがε_１に達すると、スリット１５の延長線上に設けられる切り込み１７が破断することで、枝配管７に生ずる曲げ応力を解消する。

以上説明した端板１０は、スリット１５と切り込み１７を組み合わせているが、第１実施形態は使用の途中に端板１０を破断させることを主旨とするものであり、この主旨に沿うのであれば、スリットだけ、あるいは、切り込みだけを形成することもできる。
例えば、図３に示す端板２０は、スリット１５と同様のスリット１６を端板２０の両縁から形成し、幅方向の中央部分にスリット１６，１６の先端同士の間に連結部分１８を設ける。この端板２０は、連結部分１８のせん断応力τ_２が、枝配管７が破壊に到る曲げ応力σ_１よりも小さく設定されており、ヘッダ配管６の熱伸びがε_１に達すると、連結部分１８が破断することで、枝配管７に生ずる曲げ応力を解消する。

以上、第１実施形態を説明したが、その主旨を逸脱しない限り、上記説明で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、スリット１５と切り込み１７、あるいは、スリット１６，１６を設ける位置は任意であり、ヘッダ配管６の熱伸びに伴って破壊が危惧される枝配管７に対応して設ける位置を定めればよい。
また、以上の端板１０は、１つの終端部１１についてスリット１５と切り込み１７の組を一対設けたが、スリット１５と切り込み１７の組を１つだけ設けることもできる。これも、ヘッダ配管６の熱伸びに伴って破壊が危惧される枝配管７に対応して定めればよい。
また、端板１０は、スリット１５と切り込み１７の長さを同等にしているが、熱伸びがε_１に達すると切り込み１７が破断するのであれば、スリット１５を切り込み１７よりも長く、又はその逆にすることもできる。
さらに、スリット１６とスリット１６の間の連結部分１８の寸法をどの程度に設定するかについても同様であり、熱伸びがε_１に達すると連結部分１８が破断するように設定すればよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図４を参照して説明する。
第２実施形態の端板３０は、３セグメント構造をなしており、熱交換器１の組立が終わるまでは３つのセグメントが一体的に接合されているが、熱交換器１の組立を追えた後には、接合が解除される。

端板３０は、図４に示すように、上下の各々に配置される終端セグメント３１，３１と、終端セグメント３１，３１の間に挟まれる中央セグメント３３と、を備えている。
終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３は、前述したように、上側の終端セグメント３１と中央セグメント３３が接合され、また、下側の終端セグメント３１と中央セグメント３３が接合されることで、一体化されている。端板３０が一体化された状態で、フィン２、ヘアピン管３及びＵベンド管４の組み付けが行なわれる。この段階で終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３が分離されていると、フィン２、ヘアピン管３及びＵベンド管４の組み付けに不自由を来たすからである。

熱交換器１の組立が終わってしまえば、接合を解除して、終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３の３つのセグメントが独立して変位ができるようにしても、フィン２、ヘアピン管３及びＵベンド管４の組み付け状態は維持できる。しかも、３つのセグメントが独立して変位できるようになれば、ヘッダ配管６に熱伸びが生じても、終端セグメント３１は接続されている枝配管７の変位に追従して変位することができる。したがって、ヘッダ配管６に熱伸びが生じたとしても、枝配管７にはほとんど応力が生じない。

端板３０は、はじめに図４（ｂ）に示すように、２つの終端セグメント３１，３１と、中央セグメント３３から構成される。終端セグメント３１，３１には、中央セグメント３３と接合される側に接合縁３５が配され、中央セグメント３３には、終端セグメント３１，３１と接合される両端に接合縁３７，３７が配される。
終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３は、接合縁３５と接合縁３７，３７が上下に重ね合わされた状態で、ボルト・ナットのような締結手段、接着剤、両面粘着テープなどの手段で接合される。接合には、フィン２、ヘアピン管３及びＵベンド管４の組み付けに不自由を来たさない程度の強度が求められる。

終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３を一体化した後に、所定の手順により、フィン２、ヘアピン管３及びＵベンド管４を組み付け、さらにヘッダ配管６の枝配管７を必要な箇所に接合することで、熱交換器１の作製が完了する。
その後、接合縁３５と接合縁３７の接合を解除すれば、終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３の３つのセグメントが独立して変位ができるようになる。

接合縁３５と接合縁３７の接合の解除には種々の手法を適用できる。
例えば、ボルト・ナットにより接合しているのであれば、締結を緩めてボルト・ナットを取り外す、接着剤で接合しているのであれば、接着剤を溶解するなどして除去する、というように、人手の作業によって接合を解除することができる。一方で、人手に頼ることなく、例えば、接着剤、両面粘着テープにより接合しているのであれば、外気に曝しておくことで、自然に接合力が消失することを期待することもできる。

接合を解除すれば、終端セグメント３１，３１と中央セグメント３３は、接合縁３５と接合縁３７，３７が接触する程度の係り合いしかないので、各々、独立して変位ができるようになる。したがって、ヘッダ配管６に熱伸びが生じたとしても、枝配管７にはほとんど応力が生じない。

以上、第２実施形態を説明したが、その主旨を逸脱しない限り、上記説明でで挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、分割するセグメントの数は３つに限るものでなく、ヘッダ配管６の熱伸びに伴って破壊が危惧される枝配管７に対応して分割する数、あるいは位置を定めればよい。ただし、分割する位置については、第１実施形態と同様の理由により、最も終端セグメント３１の最も端の近くに設けられる枝配管７よりも中央寄りに設けることが好ましい。
また、接合縁３５，３７は、以上の説明では、幅方向の全域に設けたが、接合箇所は任意である。フィン２、ヘアピン管３及びＵベンド管４の組み付けに不自由を来たさない程度の接合力が得られるのであれば、例えば、幅方向の所定の部位だけを接合することもできる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、ヘアピン管３、Ｕベンド管４の配列などの熱交換器１の具体的な構成は任意であり、本発明は、ヘッダ配管から枝配管を介して冷媒が流入する構成及び端板を備える熱交換器に広く適用することができる。

１熱交換器
２フィン材
３ヘアピン管
４ベンド管
５端板
６ヘッダ配管
７枝配管
１０，２０，３０端板
１１終端部
１３中央部
１５，１６スリット
１８連結部分
３１終端セグメント
３３中央セグメント
３５，３７接合縁

Claims

相互に間隔をおいて配置された複数の板状のフィンと、
真直ぐに延出し前記フィンを貫通する複数の直管と、隣接する前記直管の端部を繋ぐ曲管と、を備え、冷媒流路が蛇行して設けられるチューブと、
前記フィンを挟んで配置され、前記チューブの前記曲管が貫通する端板と、
冷媒が供給されるとともに、前記チューブに形成される前記冷媒流路に向けて前記冷媒を送るヘッダ配管と、
前記ヘッダ配管に一端が接続されるとともに、他端が前記端板に接続され、前記冷媒流路と連通する枝配管と、を備える熱交換器であって、
前記端板には、幅方向の一方の縁から他方の縁に向けて所定の位置まで形成されるスリットが、前記端板の長手方向の中央部を境にして間隔を空けて設けられる少なくとも２つの前記枝配管の間に設けられ、
熱交換機能を発揮している際に、前記端板が複数に分割される、
ことを特徴とする熱交換器。
前記端板は、
前記ヘッダ配管に所定の熱伸びが生じると、前記スリットの延長線上に沿って破断することにより、複数に分割される、請求項１に記載の熱交換器。
前記端板は、
前記スリットの延長線上に設けられ、前記端板の表裏を貫通する複数の孔が断続的に形成される切り込みを備える請求項２に記載の熱交換器。
前記スリットは、
前記中央部を境にして、前記長手方向の一方側および他方側のそれぞれに一対として設けられ、
一対の一方の前記スリットは、前記端板の一方の縁から他方の縁に向けて形成され、
一対の他方の前記スリットは、前記端板の前記他方の縁から前記一方の縁に向けて形成され、
一方の前記スリットと他方の前記スリットは、前記長手方向に対して同じ向きに傾斜している、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。