JP7069350B2

JP7069350B2 - 熱交換器、及び冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7069350B2
Application number: JP2020565106A
Authority: JP
Inventors: 加奈佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: CN113227679A; JPWO2020144809A1; DE112019006647T5; WO2020144809A1; CN113227679B

Description

本発明は、熱交換器、及び熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関し、特にろう付けして接合して形成される分配器を備える熱交換器の構造に関する。

従来、空気調和機に使用される銅製の冷媒配管は、性能向上を目的として有底中空円状の黄銅製の分配器を用いて複数の冷媒配管に分配され、熱交換器に接続される。銅製の冷媒配管と黄銅製の分配器とは、りん銅ろうなどの接合材を用いて接合される。しかし、銅製の冷媒配管と黄銅製の分配器とを接合する場合、異種金属間接合になるため、ろう回りが悪く、高い信頼性を保った接合を確保することが困難である。そのため、信頼性の高い接合を保つためには、ろう付作業者の技術に頼っているのが実状である。または、ろう付部において高い接合信頼性を保つために、挿入管端部外周面に単一または複数の溝を設けて被挿入管に挿入する技術がある（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２－１０３０３０号公報

特許文献１に開示されているろう付け方法は、円筒状の挿入管を有底中空円筒状の被挿入管に挿入してろう付けする場合に適用すると、以下のような課題があった。特許文献１に開示されているろう付け方法によれば、挿入管にろう材を誘導する溝が設けてあり、ろう材は挿入管端部において、ろう材が流動する外側から挿入管の内側に漏れ出て冷媒配管が詰まる場合があるという課題があった。仮に、特許文献１に開示されているろう付け方法を有底中空円状の部品を用いた分配器に適用した場合、分配器の内部にろう材が流れ込むことにより冷媒の分配量及び冷媒の流れが変化し、熱交換性能に影響を及ぼす場合がある。

また、有底筒状の部品に管状の部品をろう付する場合には、管状の部品の外周面と有底中空円筒状の部品の内側円筒面及び内側底面とにより囲まれた空間にろう材を流し込むため、一時的に密閉空間が生じる。そのため、密閉空間の圧力増加によって有底中空円筒状の部品と管状の部品との間の距離が変動する等して、製品の寸法に差が生じてしまうという課題もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、ろう材による分配器の内部詰まりを抑制し、分配器をろう材浸透状態及び接合状態の変動を抑えた接合により形成した、熱交換器及び冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、周囲を流れる流体と内部を流れる冷媒との熱交換を行う伝熱管と、前記伝熱管の端部に接合された冷媒配管と、冷凍サイクル回路を構成する各要素に接続する配管と接続し、前記配管から流入した前記冷媒を前記冷媒配管に分配する分配器と、を備え、前記分配器は、前記配管と接続する管状部材と、前記冷媒配管と接続する有底筒状部材と、を備え、前記冷媒配管は、前記有底筒状部材の底面に貫通して接続され、前記管状部材は、前記有底筒状部材の内側に配置され、前記有底筒状部材は、筒状部に貫通孔と、前記筒状部の内面に、開口端から前記底面に向かって延設された少なくとも１つの溝と、を備え、前記溝の前記底面側の端部は、前記底面よりも前記開口端側に位置し、前記貫通孔は、前記溝の前記底面側の端部と前記有底筒状部材の前記開口端との間に設けられ、前記有底筒状部材の前記内面と前記管状部材の外周面とは、隙間を持って配置され、ろう材により接合されている。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記熱交換器を備える。

本発明によれば、有底中空円筒状の黄銅製の分配器の内周に底面の手前まで溝を設けろう材を誘導することによって、管状の部品と有底中空円筒状の部品との接合部へのろう材の浸透性を確保すると共に、管状の部品の端部がろう材で詰まるのを抑制できる。また、分配器の底面側に位置する溝の端部と同じ、又は溝の端部よりも上の位置に分配器の内面から外面に至る貫通孔を設けることによって、接合部へのろう材の浸透状態を確認できるため、接合状態のバラつきが少なく、接合信頼性の高い接合体を得られる。さらに、貫通孔は、必要な量のろう材を分配器の外部へ排出する排出孔としても機能するため、管状の部品の端部がろう材で詰まるのを抑制する効果を向上させることができる。また、貫通孔を設けることによって有底中空円筒状の部品と管状の部材とを接合する際に生じる一時的な密閉空間が形成されるのを回避できるため、分配器の寸法精度が向上する。

実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路図である。図１の空気調和装置の室内熱交換器の斜視図である。図２に示される分配器の断面構造の説明図である。図３におけるＢ－Ｂ部の断面の説明図である。

以下に、熱交換器及び冷凍サイクル装置の実施の形態について説明する。なお、図面の形態は一例であり、本発明を限定するものではない。また、各図において同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路図である。図１は、冷凍サイクル装置の一例として空気調和装置１００の概略構成を示している。実施の形態１においては、冷凍サイクル装置は、空気調和装置１００であるものとして説明する。空気調和装置１００は、構成要素として、圧縮機１と、マフラ２と、四方弁３と、室外熱交換器４と、毛細管５と、ストレーナ６と、電子制御式膨張弁７と、ストップバルブ８ａ、８ｂと、室内熱交換器９と、補助マフラ１０とを備える。空気調和装置１００は、各構成要素が配管１６により接続されて構成される冷凍サイクル回路を備える。例えば、冷凍サイクル装置が空気調和装置１００である場合には、配管１６内には冷媒が流通し、四方弁３により冷媒の流れを切り換えることにより、暖房運転、冷凍運転、又は除霜運転に切り換えることができる。なお、図１に示される冷凍サイクル回路は、一例であり、構成要素を変更することができる。

また、空気調和装置１００の室内熱交換器９は、外気、室内、冷媒等の各温度に基づいて、圧縮機１、電子制御式膨張弁７等のアクチュエータ類の制御を司る制御部１１が設けられている。四方弁３は、暖房運転、冷凍運転、又は除霜運転に冷凍サイクルを切り換えるための弁で、制御部１１によって制御される。

制御部１１により四方弁３が切り替えられ、冷房運転になったときには、冷媒は、圧縮機１により圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、四方弁３を介して室外熱交換器４に流入する。室外熱交換器４に流入した高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器４を通過する室外空気と熱交換（放熱）され、高圧の液冷媒となって流出する。室外熱交換器４から流出した高圧の液冷媒は、毛細管５及び電子制御式膨張弁７で減圧されて、低圧の気液二相の冷媒となり、室内熱交換器９に流入する。室内熱交換器９に流入した気液二相の冷媒は、室内熱交換器９を通過する室内空気と熱交換され、低温低圧のガス冷媒となって圧縮機１に吸入される。

また、制御部１１により四方弁３が切り替えられ、暖房運転になったときには、冷媒は、前記と同様に圧縮機１により圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、四方弁３を介して室内熱交換器９に流入する。室内熱交換器９に流入した高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器９を通過する室内空気と熱交換され、高圧の液冷媒となる。室内熱交換器９から流出した高圧の液冷媒は、電子制御式膨張弁７および毛細管５で減圧されて、低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器４に流入する。室外熱交換器４に流入した低圧の気液二相の冷媒は、室外熱交換器４を通過する室外空気と熱交換され、低温低圧のガス冷媒となって圧縮機１に吸入される。

図２は、図１の空気調和装置１００の室内熱交換器９の斜視図である。室内熱交換器９は、例えばフィンアンドチューブ型の熱交換器である。室内熱交換器９は、所定の間隔で平行に並べられた複数のフィン１２と、複数のフィン１２の並列方向の端部に配置された固定板１３と、ヘアピン管１４と、を備える。固定板１３は、空気調和装置１００の室内機の外郭を形成する箱形状のケーシング内に、室内熱交換器９を固定するための部材である。ヘアピン管１４は、Ｕ字形状に形成されており、平行な２つの直線状の管の一方の端部を円弧状の管で連結した形状になっており、直線状の管を複数のフィン１２と固定板１３に垂直に挿入して設置されている。ヘアピン管１４の端部には、隣接するヘアピン管１４の端部同士を連結するＵ字形状のベンド１５が接続されている。ヘアピン管１４とベンド１５とを接続することにより伝熱管３０が構成される。

伝熱管３０を構成するヘアピン管１４のうちの一部は、冷媒配管１９ａにより分配器５０に接続されている。分配器５０は、冷凍サイクル回路の配管１６と接続され、冷凍サイクル回路を流れる冷媒が流入するものである。冷媒配管１９ａは複数設けられており、冷房運転時において、配管１６から分配器５０に流入した冷媒が分配器５０に接続されている複数の冷媒配管１９ａから分割して流出し、伝熱管３０に流入する。伝熱管３０を経た冷媒は、冷媒配管１９ｂを経て、室内熱交換器９から配管１６へ流出する。伝熱管３０に冷媒が流入する箇所は、１箇所又は複数箇所の何れでも良い。また、暖房運転時においては、冷媒は、上記の説明と逆向きに流れる。

複数のフィン１２の材質はアルミニウム、固定板１３の材質は鉄、ヘアピン管１４、ベンド１５及び冷媒配管１９ａ、１９ｂの材質は銅、分配器５０を構成する管状部材１８の材質は銅、及び分配器５０を構成する有底筒状部材１７の材質は黄銅によって形成されている。ヘアピン管１４は、各フィン１２に設けられた穴に挿入された後、拡管されて各フィン１２に固定されている。ヘアピン管１４とベンド１５、ヘアピン管１４と冷媒配管１９ａ、１９ｂ、及び冷媒配管１９ａと分配器５０を構成する有底筒状部材１７とは、製造ラインにおいてりん銅ろうなどの接合材で接合される。なお、配管１６及び室内熱交換器９を構成する各部材の材質は、上記のみに限定されるものではない。実施の形態１においては、特に分配器５０を構成する管状部材１８と有底筒状部材１７とが異種金属により構成されているが、同種の金属を用いることもできる。同じ構造であれば、同種の金属の接合は、異種金属の接合よりもろう材２０の浸透が良い。

図３は、図２に示される分配器５０の断面構造の説明図である。つまり、図３は、図２のＡ部の詳細構造を示している。また、図４は、図３におけるＢ－Ｂ部の断面の説明図である。ここで、冷媒配管１９ａと分配器５０の構成について詳述する。

管状部材１８は、配管１６と接続される部材であり、両端が開口しており、配管１６が接続される側の端部から有底筒状部材１７が位置する側に向かうに従い径が拡大する拡径部１８ａを備える（図２参照）。管状部材１８は、分配器５０を構成する有底筒状部材１７の開口端部１７ｄ側から有底筒状部材１７内に挿入される。実施の形態１において、管状部材１８の有底筒状部材１７内に挿入される部分は、有底筒状部材１７の筒状部の内面１７ａに沿うように形成されている。管状部材１８と有底筒状部材１７との間に筒状の隙間Ｗａが形成され、隙間Ｗａにはろう材２０が充填されている。なお、実施の形態１において、有底筒状部材１７及び管状部材１８は、断面において外形が円形である。即ち、有底筒状部材１７及び管状部材１８は、円筒形状になっている。しかし、有底筒状部材１７及び管状部材１８は、この形状に限定されるものではなく、筒状であれば断面形状を適宜変更することができる。

有底筒状部材１７の底側に接続されている複数本の冷媒配管１９ａの各々は、有底筒状部材１７の底部１７ｇを貫通して形成されている挿入孔１７ｈに挿入され、ろう付されている。冷房運転時において、配管１６から管状部材１８及び有底筒状部材１７に囲まれた分配器５０の内部空間に流入した冷媒は、有底筒状部材１７の底部１７ｇに接続された冷媒配管１９ａから流出し、伝熱管３０に供給される。実施の形態１において、冷媒配管１９ａは、有底筒状部材１７の底部１７ｇに３本接続されている。挿入孔１７ｈと冷媒配管１９ａとは所定の寸法で嵌め合わされ、ろう材等の接合部材で固定される。図３においては、冷媒配管１９ａと底部１７ｇの接続部分は、１箇所のみ示されているが、他の２箇所の接続部分も同様な構造になっている。

次に、有底筒状部材１７と管状部材１８との接合構造について説明する。有底筒状部材１７は、開口端部１７ｄ側から管状部材１８が内部に挿入されている。有底筒状部材１７の筒状部の内面１７ａには、溝１７ｂが設けられている。溝１７ｂは、開口端部１７ｄから底面１７ｅに向かって延設されている。溝１７ｂは、筒状部の内面１７ａに、中心軸方向に沿って直線状に形成されているのが望ましい。溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２は、底面１７ｅに到る手前に位置している。

有底筒状部材１７は、筒状部の内面１７ａから外周面１７ｋに貫通する貫通孔１７ｆを備える。貫通孔１７ｆは、管状部材１８の外周面と有底筒状部材１７の内面１７ａとの間に浸透するろう材２０の状態を確認するためのものである。また、貫通孔１７ｆは、管状部材１８と有底筒状部材１７との間の隙間Ｗａに開口端部１７ｄ側からろう材２０が浸透したときに、管状部材１８と有底筒状部材１７とろう材２０とにより形成される密閉空間を回避するためのものである。

溝１７ｂの開口側端部１７ｂ１は、有底筒状部材１７の開口端部１７ｄに位置する。底面１７ｅ側に位置する溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２は、有底筒状部材１７の底面１７ｅから所定の距離をおいて位置している。即ち、溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２は、有底筒状部材１７の開口端部１７ｄと底面１７ｅとの間に位置している。

溝１７ｂは、有底筒状部材１７の内面１７ａの周方向に沿って等間隔に形成されている。溝１７ｂの幅は、有底筒状部材１７の内面１７ａから外周面１７ｋに向かうにつれて狭くなっている。ここで言う溝１７ｂの幅とは、有底筒状部材１７の内面１７ａの周方向における幅を言う。例えば、溝１７ｂの形状は、図４に示される断面において、有底筒状部材１７の円筒の内面１７ａ側を底辺、外周面１７ｋ側を頂点とする三角形状となっている。溝１７ｂの深さは、有底筒状部材１７の開口端部１７ｄから底面１７ｅに向かうにつれて減少する。すなわち、溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２の深さは、溝１７ｂの開口側端部１７ｂ１よりも浅い。ここで言う溝１７ｂの深さとは、有底筒状部材１７の円筒状の半径方向における深さである。なお、実施の形態１において、溝１７ｂの断面形状は、三角形状となっているが、この形状だけに限定されるものではなく、矩形状又は半円形状等の形状であっても良い。

また、有底筒状部材１７の筒状部に設けられた貫通孔１７ｆは、溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２と同じ高さ又は上方に位置する。言い換えると、貫通孔１７ｆは、有底筒状部材１７の軸方向において、溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２と同じ位置又は底面側端部１７ｂ２よりも開口端部１７ｄ側に位置している。貫通孔１７ｆは、有底筒状部材１７の筒状部において溝１７ｂが形成されていない領域に、形成されている。貫通孔１７ｆは、有底筒状部材１７に少なくとも１つ形成されている。

次に、分配器５０を構成する有底筒状部材１７と管状部材１８との接合について説明する。有底筒状部材１７に管状部材１８を挿入した状態において、トーチ等の加熱手段で管状部材１８及び有底筒状部材１７をそれぞれ加熱しながらろう材２０を添加溶融し、隙間Ｗａへ溶融したろう材２０を浸透させる。管状部材１８及び有底筒状部材１７をそれぞれ加熱することにより、ろう材２０は、液状態を維持しながら隙間Ｗａへ流れ込む。その後、加熱を停止するとろう材２０は凝固し、管状部材１８と有底筒状部材１７とを接合する。接合後に有底筒状部材１７に設けられている貫通孔１７ｆから隙間Ｗａのろう材２０の浸透を確認する。

有底筒状部材１７の内面１７ａには、溝１７ｂが形成されている。溝１７ｂが設けられている部分は、管状部材１８と有底筒状部材１７との間の距離が隙間Ｗａよりも広くなっており、液状のろう材２０が流れ込み易くなっている。そのため、ろう材２０は、溝１７ｂに沿って流れ込み、溝１７ｂの周囲の隙間Ｗａに毛管現象によりろう材２０が浸透する。溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２は、底面１７ｅに到る手前に位置しているため、ろう材２０は、底面１７ｅの手前で誘導が抑えられ、管状部材１８の内側の領域に到る前で浸透が抑えられる。そのため、ろう材２０が管状部材１８の内側の領域に浸入するのを抑えることができ、さらには管状部材１８の端部を閉塞するのを抑えることができる。

また、溝１７ｂは、有底筒状部材１７の底面１７ｅに近づくに従い浅くなっている。そのため、溝１７ｂを流れるろう材２０は、底面１７ｅに近づくに従いろう材２０に掛かる重力よりも毛管現象により隙間Ｗａへ浸透する力が強くなり、ろう材２０の浸透が促進される効果がある。ろう材２０が有底筒状部材１７の底面１７ｅに誘導されつつ、底面１７ｅに到る手前において隙間Ｗａに浸透するため、信頼性の高い接合が実現できる。また、溝１７ｂが有底筒状部材１７の内面１７ａに周方向に等間隔に複数設けられることによって、有底筒状部材１７の周方向の各箇所でろう材２０の誘導及び浸透を促進できるため、接合強度が向上する。

溝１７ｂの底面側端部１７ｂ２と同じ又は開口端部１７ｄ側の位置に貫通孔１７ｆを設けることによって、隙間Ｗａにろう材２０が浸透しているか視認できる。そのため、管状部材１８と有底筒状部材１７との接合状態を確認しながら接合を行えるため、ろう材２０の浸透状態のばらつきを抑えることができ、接合信頼性が向上する。

また、ろう付け時に管状部材１８と有底筒状部材１７との間にろう材２０が流れ込むと、管状部材１８と有底筒状部材１７とろう材２０により密閉空間が形成される場合がある。密閉空間が形成されると、（１）温度変化、（２）体積変化、（３）フラックス起因ガス圧により、ボイル・シャルルの法則の基づき密閉空間の内部の気体の圧力が増加する。そのため、密閉空間の内部圧力が接合部に作用してろう付け後の寸法を変動させる懸念がある。しかし、貫通孔１７ｆが設けられているため管状部材１８と有底筒状部材１７とろう材２０により囲まれる領域が、ろう材２０が隙間Ｗａに浸透している間だけ外部と連通するため、接合する際に一時的な密閉空間が生じるのを回避できる。従って、分配器５０は、寸法精度が向上する。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、実施の形態の１つを部分的に実施しても構わない。本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、実施の形態１における室内熱交換器９の分配器５０の構造は、室外熱交換器４に適用することもできる。以上の説明においては、冷房運転時に冷媒が流入し分配して室内熱交換器９の伝熱管３０に流入させる分配器５０について説明したが、分配器５０は、冷房運転時又は暖房運転時に拘わらず使用しても良い。

１圧縮機、２マフラ、３四方弁、４室外熱交換器、５毛細管、６ストレーナ、７電子制御式膨張弁、８ａストップバルブ、８ｂストップバルブ、９室内熱交換器、１０補助マフラ、１１制御部、１２フィン、１３固定板、１４ヘアピン管、１５ベンド、１６配管、１７有底筒状部材、１７ａ内面、１７ｂ溝、１７ｂ１開口側端部、１７ｂ２底面側端部、１７ｄ開口端部、１７ｅ底面、１７ｆ貫通孔、１７ｇ底部、１７ｈ挿入孔、１７ｋ外周面、１８管状部材、１８ａ拡径部、１９ａ冷媒配管、１９ｂ冷媒配管、２０ろう材、３０伝熱管、５０分配器、１００空気調和装置、Ｗａ隙間。

Claims

周囲を流れる流体と内部を流れる冷媒との熱交換を行う伝熱管と、
前記伝熱管の端部に接合された冷媒配管と、
冷凍サイクル回路を構成する各要素に接続する配管と接続し、前記配管から流入した前記冷媒を前記冷媒配管に分配する分配器と、を備え、
前記分配器は、
前記配管と接続する管状部材と、
前記冷媒配管と接続する有底筒状部材と、を備え、
前記冷媒配管は、
前記有底筒状部材の底面に貫通して接続され、
前記管状部材は、
前記有底筒状部材の内側に配置され、
前記有底筒状部材は、
筒状部に貫通孔と、
前記筒状部の内面に、開口端から前記底面に向かって延設された少なくとも１つの溝と、を備え、
前記溝の前記底面側の端部は、
前記底面よりも前記開口端側に位置し、
前記貫通孔は、
前記溝の前記底面側の端部と前記有底筒状部材の前記開口端との間に設けられ、
前記有底筒状部材の前記内面と前記管状部材の外周面とは、
隙間を持って配置され、ろう材により接合されている、熱交換器。
前記溝は、
前記開口端から前記底面に向かうに従い深さが減少する、請求項１に記載の熱交換器。
前記分配器は、
複数の前記溝を備え、前記筒状部の周方向に等間隔で設けられている、請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記管状部材の材質と前記有底筒状部材の材質とは、
異種の金属である、請求項１～３の何れか１項に記載の熱交換器。
前記管状部材の材質は、銅であり、
前記有底筒状部材の材質は、黄銅である、請求項４に記載の熱交換器。
請求項１～５の何れか１項に記載の熱交換器を備える、冷凍サイクル装置。