JP6343809B2 - 熱交換器及びそれを用いた冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動販売機あるいは業務用冷蔵庫、さらにはショーケース等において、蒸発器または凝縮器として用いられる、所謂ドッグボーン（ｄｏｇ−ｂｏｎｅ）型フィンアンドチューブ式の熱交換器及びそれを用いた冷却装置に関するものである。

近年、自動販売機、業務用冷蔵庫、ショーケース等のコールドチェーン分野においても、グローバルで競争が激しくなり価格競争となってきている。一方で、原材料高騰の影響で熱交換器においても益々コスト低減が求められている。

また、環境対応として、自然冷媒化への動きが進みつつある。熱交換器においては、可燃性冷媒対応として気密信頼性の高い仕様への転換や、ＣＯ_２冷媒対応としては耐圧信頼性の高い仕様への転換が求められる。

その一例として、ドッグボーン型ハイカラータイプ（ｈｉｇｈ ｃｏｌｌａｒ ｔｙｐｅ）のプレートフィンにサーペンタイン（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の冷媒チューブを挿入固定して成る熱交換器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

図７から図１０は、従来の熱交換器を示すものである。

図７は、従来の熱交換器の斜視図である。図８は、従来の熱交換器の要部断面図である。図９は、従来の熱交換器を構成するプレートフィンの斜視図である。図１０は、従来の熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。

図７から図９に示すように、プレートフィン１０１は、互いに間隔をおいて配置されている。そして、プレートフィン１０１は熱伝導性の高いアルミニウムを素材としたものが好ましい。冷媒チューブ１０２は、継ぎ目のない１本の押出管や抽伸管を、直管部１０２ａ及び曲管部１０２ｂが連続する蛇行状に曲げ加工して形成されている。そして、冷媒チューブ１０２は熱伝導性が高く、曲げ加工が行い易い銅を素材としたものが好ましい。また、図１０に示すように、冷媒チューブ１０２の内面には表面積拡大のための螺旋溝１０２ｃが多数加工されている。プレートフィン１０１の板面には冷媒チューブ１０２を挿入するための複数の長孔１０３が形成されている。長孔１０３は、一般的にドッグボーン方式と呼ばれる二つの円弧部１０３ａと二つの円弧部１０３ａを結ぶストレート部１０３ｂで形成される。そして、円弧部１０３ａの周縁を縁立てして形成したフィンカラー１０４を設けている。

フィンカラー１０４は、長孔１０３の全周に設けるよりも、円弧部１０３ａの周縁にのみに設ける方が好ましい。また、プレートフィン１０１の冷媒チューブ１０２を挿入しない箇所には、非挿入丸孔部１０５を形成している。

また、プレートフィン１０１の表面形状はコルゲート（ｃｏｒｒｕｇａｔｅ）形状になっていて、冷媒チューブ１０２内を流れる冷媒はプレートフィン１０１を介して空気と熱交換し、凝縮あるいは蒸発することができる。

なお、プレートフィン１０１と冷媒チューブ１０２の組立方法は以下の通りである。まず、複数のプレートフィン１０１をフィンカラー１０４で互いに間隔を保持し積層する。次に、複数の長孔１０３に、直管部１０２ａ及び曲管部１０２ｂが連続する蛇行状に曲げ加工して成る冷媒チューブ１０２を曲管部１０２ｂ側から挿入し、プレートフィン１０１と冷媒チューブ１０２を固定する。この際、複数のプレートフィン１０１に複数加工されたフィンカラー１０４と、冷媒チューブ１０２の複数の直管部１０２ａとの間には挿入摩擦抵抗が発生し、プレートフィン１０１と冷媒チューブ１０２の十分な固定を妨げる可能性がある。このため、冷媒チューブ１０２の直管部１０２ａの正直性や曲管部１０２ｂの曲げ精度など、冷媒チューブ１０２としての加工精度が重要であるとともに、挿入摩擦抵抗を低減するための潤滑オイルが必要となることもある。

しかしながら、従来の熱交換器の構成では、コストパフォーマンスの良いアルミニウム合金を、プレートフィン１０１と冷媒チューブ１０２に適用した場合、次のような不具合が発生する場合があった。すなわち、蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブ１０２を複数のプレートフィン１０１の長孔１０３に同時に挿入するため、間隔保持用のフィンカラー１０４と冷媒チューブ１０２の摩擦抵抗が大きくなり、挿入性が悪くなる。その結果、プレートフィン１０１や冷媒チューブ１０２が変形し、外観的、寸法的、性能的に安定した熱交換器が作れないという課題があった。

さらに、挿入摩擦抵抗低減のために高粘度の潤滑オイルを用いると、摩擦抵抗は低減できるが、高粘度オイルの洗浄という工程が増え、コストにも影響するという課題を有していた。

また、冷媒チューブ１０２を銅からアルミニウム合金にすると、耐食性が低下するので、耐食性向上のための表面処理を施す必要があり、コストパフォーマンスの高いアルミニウム合金を使用する価値が低くなるという課題を有していた。

本発明は、ドッグボーン型ハイカラータイプのプレートフィンにサーペンタイン状の冷媒チューブを挿入固定して成る熱交換器において、アルミニウム合金をプレートフィンと冷媒チューブに適用できるようにし、コストパフォーマンスの高い熱交換器とそれを用いた冷却装置を提供する。

特開２００４−１１６８４５号公報

本発明の熱交換器は、直管部及び曲管部が連続する蛇行状に曲げ加工して成る冷媒チューブと、互いに間隔をおいて配置された一群のプレートフィンと、プレートフィンの板面に複数設けた冷媒チューブを挿入する長孔とで構成される。また、長孔の周縁部にはプレートフィンの間隔保持用のフィンカラーを設ける。そして、プレートフィンは、アルミニウム合金製であり、冷媒チューブは、アルミニウム合金を主体とし、外皮部分がアルミニウムと異なる異種金属またはアルミニウム合金と異なる異種金属合金である。

この構成により、プレートフィンと冷媒チューブとの接触部分が異種金属となり、冷媒チューブのプレートフィンへの挿入摩擦抵抗が軽減される。そのため、アルミニウム合金をプレートフィンと冷媒チューブに適用することができるようになり、コストパフォーマンスの高い熱交換器とそれを用いた冷却装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の要部断面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。 図５は、本発明の第３の実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。 図６は、本発明の第４の実施の形態における冷却装置の模式図である。 図７は、従来の熱交換器の斜視図である。 図８は、従来の熱交換器の要部断面図である。 図９は、従来の熱交換器を構成するプレートフィンの斜視図である。 図１０は、従来の熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の斜視図である。図２は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の要部断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。

図１から図３に示すように、本実施の形態における熱交換器は、直管部２ａ及び曲管部２ｂが連続する蛇行状に曲げ加工して成る、内部を冷媒が流動する冷媒チューブ２と、互いに間隔をおいて配置された一群のプレートフィン１を有する。プレートフィン１の板面には冷媒チューブ２を挿入する長孔３が複数設けてあり、長孔３の周縁部には縁立加工したフィンカラー４が設けてあり、フィンカラー４によって複数あるプレートフィン１の間隔が保持される。

ここで、冷媒チューブ２の外径Ｄは３．２〜９．５ｍｍであり、フィンカラー４の高さｈは複数あるプレートフィン１の間に空気を流すために３ｍｍは必要となる。

また、長孔３のストレート部３ｂの抜き幅は、長孔３の円弧部（図示せず）の内径以下であるとともに長孔３の（円弧部の内径−２ｍｍ）以上としている。

ここで、プレートフィン１は、アルミニウム合金製であり、冷媒チューブ２は、主体部分７がアルミニウム合金であり、冷媒チューブ２の外皮部分６をアルミニウムと異なる異種金属またはアルミニウム合金とは異なる異種金属合金としている。

なお、本実施の形態では冷媒チューブ２は、銅クラッドアルミニウム管であり、冷媒チューブ２外皮部分６は、銅製である。

複数のプレートフィン１は、フィンカラー４で互いに間隔を保持して積層されている。そして、複数のプレートフィン１の複数の長孔３に、直管部２ａ及び曲管部２ｂが連続する蛇行状に曲げ加工して成る冷媒チューブ２を、曲管部２ｂ側から挿入し、複数のプレートフィン１と冷媒チューブ２を固定する。この際、複数のプレートフィン１に複数加工されたフィンカラー４と、冷媒チューブ２の複数の直管部２ａの間に挿入摩擦抵抗が発生する。ここで、フィンカラー４がアルミニウム合金製で、冷媒チューブ２の外皮部分６もアルミニウム合金製であると、挿入時の摩擦抵抗は非常に大きくなる。しかしながら、冷媒チューブ２の外皮部分６が銅製であれば、挿入時の摩擦抵抗は比較的小さくなる。同種金属同士の場合表面粗度が同じ、つまり、表面の微細な凸凹のピッチが同じであるため、摩擦抵抗が大きくなる。一方、異なる金属であると表面粗度が異なり摩擦抵抗が小さくなる。さらに、銅の表面粗度がアルミニウムよりも小さいため、より滑りが良くなり摩擦抵抗が小さくなる。

よって、本実施の形態における熱交換器では、接触部分が異種金属になるように、冷媒チューブ２の外皮部分６を、プレートフィン１を構成する金属とは異なる異材質の金属にした。

これにより、冷媒チューブ２のプレートフィン１への挿入摩擦抵抗が低減されることとなり、アルミニウム合金をプレートフィン１に適用し、冷媒チューブ２の主体部分７にもアルミニウム合金を適用することができるので、コストパフォーマンスの高い熱交換器となる。

さらに、冷媒チューブ２の外皮部分６が銅製であるため、肉厚方向に孔食するアルミニウムの欠点を補うことができる。そして、肉厚方向に比べて水平方向に孔食が進行する、いわゆる面腐食現象が起こる銅を冷媒チューブ２の外皮部分６に設けたことで、熱交換器が触れるさまざまな成分が含まれた空気や水分からの腐食を防ぎ、耐食性の低下を抑えることができる。

つまり、コストパフォーマンスが高く、かつ、信頼性が高い熱交換器を提供することができる。

また、従来の熱交換器では、冷媒チューブ２のプレートフィン１への挿入摩擦抵抗が高くなることから、フィンカラーを３ｍｍ以上に加工することができないので、プレートフィン１の間隔を３ｍｍ以上にするには、多数のプレートフィン１の間隔を保持する治具が必要となっていた。さらに、治具を使用すると、配管パターンに制約が出てくるが、本実施の形態によれば、プレートフィン１は、フィンカラー４により、互いに間隔を保持することができるので、間隔を保持する治具が不要となる。

よって、本実施の形態では安価な方法で配管自由度の高い熱交換器を提供できるとともに、プレートフィンの間隔が３ｍｍ以上の熱交換器の仕様も製作可能となり、着霜を伴う冷却器や埃を伴う凝縮器、あるいは自然対流などの用途の熱交換器に適用することができる。

また、本実施の形態の熱交換器は、１本の冷媒管を連続蛇行曲げ加工された蛇行チューブを用いて、溶接部が低減された熱交換器である。そのため、冷媒チューブ２内を流れる冷媒を可燃性冷媒とした場合でも、可燃性冷媒の漏洩を極めて低く抑えることができるので、安全性が向上する。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブの断面図である。なお、本発明の第１の実施の形態と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。

本発明の第２実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブ２は、亜鉛クラッドアルミニウム管、または亜鉛溶射アルミニウム管であり、その外皮部分６は亜鉛製である。つまり、図４に示す、本実施の形態における熱交換器の冷媒チューブ２の外皮部分６は亜鉛で、主体部分７はアルミニウム合金である。

この構成の場合、本発明の第１の実施の形態と同様に、挿入摩擦抵抗が小さくなる効果に加え、アルミニウムよりも強固な耐食性を有するという効果がある。

すなわち、冷媒チューブ２の外皮部分６が、亜鉛製であるため、肉厚方向に孔食するアルミニウムの欠点を補うことができる。そして、肉厚方向に比べて水平方向に孔食が進行する亜鉛を組み合わせたことで、熱交換器が触れるさまざまな成分が含まれた空気や水分からの腐食を防ぎ、耐食性の低下を抑えることができる。

さらに、銅よりも安価な亜鉛を使うことや、亜鉛はアルミニウムよりも融点が低いことを利用した、亜鉛溶射アルミニウム管は、製法が簡素であり、より安価となる。

よって、外皮に銅を使うよりもコストパフォーマンスの高い熱交換器となる。

なお、冷媒チューブ２が、アルマイト、または、ベーマイト処理アルミニウム管であり、図４に示す、外皮部分６が酸化アルミニウムで、主体部分７がアルミニウム合金であるような構成の場合、本発明の第１の実施の形態と同様に、挿入摩擦抵抗が小さくなる効果に加え、強固な耐食性を有するという効果がある。

すなわち、アルミニウムの酸化皮膜は、緻密度が高く電導性が低い上に、アルマイト処理やベーマイト処理のように、その酸化皮膜を化学的に厚くすることで、より強固な耐食性を有するものとなる。

さらに、銅クラッドや亜鉛クラッド、または、亜鉛溶射のようなアルミニウムよりも高価な金属を外皮に定着させるよりも、大気中及び水中に存在する酸素を利用し酸化させることで生成させることができるので、より安価となる。

よって、外皮に銅や亜鉛を使うよりもコストパフォーマンスの良い熱交換器となる。

つまり、コストパフォーマンスが高く信頼性が高い熱交換器を提供することができる。

（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブ２の断面図である。なお、本発明の第１の実施の形態と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。

本発明の第３実施の形態における熱交換器を構成する冷媒チューブ２は、アルミニウムクラッド銅管であり、外皮部分６はアルマイト処理、またはベーマイト処理を施したものである。

つまり、外皮部分６は、酸化アルミニウムであり、主体部分７はアルミニウム合金であり、内皮部分８が銅製である。

この構成とすることにより、本発明の第１の実施の形態と同様に、挿入摩擦抵抗が小さくなる効果に加え、内皮部分８が銅製であるので、比較的容易に、螺旋状の内面溝を形成することができる。

すなわち、アルミニウム管においては、熱間押出加工により、直線上の内面溝を形成することは容易であるが、螺旋溝を加工する場合は引抜工程の中で加工する必要がある。

しかしながら、アルミニウム管は銅管に比べて、耐力や伸び、摩擦抵抗といった加工性が良くないので、螺旋溝を加工するのは容易ではない。したがって、内皮部分８が銅製であると、比較的高精度な螺旋溝を安価に加工することができ、高性能な熱交換器を作成できる。

よって、コストパフォーマンスの高い熱交換器を提供することができる。

（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態における、熱交換器を用いた冷却装置の模式図である。

本冷却装置は、圧縮機９と、凝縮器１０と、減圧装置１１と、蒸発器１２と、凝縮器１０および蒸発器１２に強制通風させる送風機１３ａ、１３ｂと、を備え、凝縮器１０または蒸発器１２に本発明の第１の実施の形態から第３の実施の形態のいずれか一つにおける熱交換器を用いている。

凝縮器１０または蒸発器１２を構成する熱交換器は高いコストパフォーマンスと高い品質を持つものであり、本冷却装置に搭載することにより、信頼性が高く、省エネ特性に優れたものとなり、高品質でコストパフォーマンスの高い冷却装置を提供することができる。

本発明の熱交換器とそれを用いた冷却装置は、ドッグボーン型ハイカラータイプのプレートフィンにサーペンタイン状の冷媒チューブを挿入固定して成る熱交換器とそれを用いたものであって、高品質でコストパフォーマンスの高い冷却装置を提供することができる。このため、本発明の熱交換器は冷蔵庫、自販機のように家庭用から産業用に亘る冷凍機器の蒸発器、あるいは、放熱器として幅広く利用することができる。

１ プレートフィン
２ 冷媒チューブ
２ａ 直管部
２ｂ 曲管部
３ 長孔
３ｂ ストレート部
４ フィンカラー
６ 外皮部分
７ 主体部分
８ 内皮部分
９ 圧縮機
１０ 凝縮器
１１ 減圧装置
１２ 蒸発器
１３ａ，１３ｂ 送風機
１０１ プレートフィン
１０２ 冷媒チューブ
１０２ａ 直管部
１０２ｂ 曲管部
１０２ｃ 螺旋溝
１０３ 長孔
１０３ａ 円弧部
１０３ｂ ストレート部
１０４ フィンカラー
１０５ 非挿入丸孔部

Claims (2)

1. 直管部及び曲管部が連続する蛇行状に曲げ加工して成る冷媒チューブと、互いに間隔をおいて配置された一群のプレートフィンと、前記プレートフィンの板面に複数形成した前記冷媒チューブを挿入する長孔とで構成され、前記長孔の周縁部に前記プレートフィンの間隔保持用のフィンカラーを設けた熱交換器において、前記プレートフィンは、アルミニウム合金製であり、前記冷媒チューブは、アルミニウム合金を主体とするとともに、外皮部分がアルミニウムと異なる異種金属またはアルミニウム合金と異なる異種金属合金であって、
   前記冷媒チューブは、アルミニウムクラッド銅管であり、前記外皮部分は、酸化アルミニウムである熱交換器。
2. 圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、前記凝縮器または前記蒸発器に強制通風させる送風機と、を備え、前記凝縮器または前記蒸発器に、請求項１に記載した熱交換器を用いた冷却装置。

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