JP7352215B2

JP7352215B2 - 空気調和機の熱交換器、及び、空気調和機の熱交換器の製造方法

Info

Publication number: JP7352215B2
Application number: JP2022505708A
Authority: JP
Inventors: 功介山口; 正章我妻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JPWO2021181683A1; WO2021181683A1

Description

本開示は、空気調和機の熱交換器、及び、空気調和機の熱交換器の製造方法に関するものである。

従来の空気調和機の熱交換器は、積層された複数の放熱フィンと、放熱フィンを積層方向に貫通する複数の伝熱管で構成されている。この内、伝熱管は直管部と所定の曲率で１８０°曲げられたヘアピン曲げ部を有している（例えば特許文献１参照）。

ヘアピン曲げ部には、強度確保と風路最適化のための熱交換器固定板が装着されている。この熱交換器固定板には前述の作用以外にも伝熱管および熱交換器固定板への結露水を最適な経路で排出する作用も備わっている（例えば、特許文献２参照）。

熱交換器は、室内機内と室外機内にそれぞれ配置される。そのため、設置環境による影響をうけて伝熱管の一部が腐食する恐れがある。特に、伝熱管のヘアピン曲げ部は、曲げられた外周側の表面（以降、単に外周側の表面と称する。）の管肉厚がもっとも薄く、腐食による減肉の影響を受けやすい。そのため、ヘアピン曲げ部の外周側の表面の少なくとも一部に、それ以外の表面よりも自然電位が１０～１５０ｍV程度低くなるような低自然電位部をテープ状材料または塗料で形成することで、低自然電位部が形成されたヘアピン曲げ部の腐食を抑制する技術が提案されている。

特開２０１７－５３５４７号公報特開２００３－４２４７５号公報

特許文献１に記載の技術では、ヘアピン曲げ部の外周側の表面の一部に形成された低自然電位部以外の表面の腐食を抑制することができないという課題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、ヘアピン曲げ部に熱交換器固定板が装着される。そのため、冷房・除湿運転時にヘアピン曲げ部に発生した結露水が、ヘアピン曲げ部と熱交換器固定板との間を跨ぐように付着して長時間保持される場合がある。この場合、付着した結露水によって、ヘアピン曲げ部の外周側の表面以外の表面も腐食してしまう恐れがあった。

また、特許文献２に記載の技術では、熱交換器固定板の取り付けに代表されるその後の製造工程において、ヘアピン曲げ部に近い側の放熱フィンと伝熱管との間の密着が緩んでしまう可能性がある。この場合、放熱フィンと伝熱管の間に隙間が形成され、その隙間に溜まった結露水によって伝熱管が腐食してしまう恐れがあった。

本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであり、伝熱管のヘアピン曲げ部と熱交換器固定板の間で発生した結露によって、伝熱管が腐食することを抑制した空気調和機の熱交換器、及び、空気調和機の熱交換器の製造方法を提供することを目的とするものである。

本開示に係る空気調和機の熱交換器は、互いに間隔をあけて配置され、複数の開口を有する放熱フィンと、前記放熱フィンの開口に挿入される直管部、及び、隣接する前記直管部の端部同士を接続するヘアピン曲げ部を有する伝熱管と、前記ヘアピン曲げ部が挿入される挿入穴、及び、当該挿入穴の外周縁に設けられた筒部を有する熱交換器固定板とを備え、前記ヘアピン曲げ部の外周面、及び、前記直管部の一部の区間の外周面であって、前記ヘアピン曲げ部に近い側から少なくとも２枚の放熱フィンに囲まれた領域に位置する前記直管部の外周面に耐水性被膜が形成されているものである。

本開示に係る空気調和機の熱交換器は、伝熱管のヘアピン曲げ部と熱交換器固定板の間で発生した結露によって、伝熱管が腐食することを抑制することができる。

空気調和機用の熱交換器の全体構成を示す斜視図である。熱交換器固定板の正面図である。筒部にヘアピン曲げ部が挿入された状態を示す斜視図である。筒部にヘアピン曲げ部が挿入された状態を示す正面図である。筒部にヘアピン曲げ部が挿入された状態を示す断面図である。ヘアピン曲げ部の表面に結露水が発生した状況を示す図である。ヘアピン曲げ部の表面に結露水が発生した状況を示す図である。ヘアピン曲げ部の外周面全体に耐水性被膜が形成された伝熱管を示す断面図である。ヘアピン曲げ部の外周表面の全体と、放熱フィンの開口に挿入された直管部の一部にも耐水性被膜が形成された状態を示す断面図である。ヘアピン曲げ後の伝熱管の外周面に耐水性被膜を形成した図である。ヘアピン曲げ前の伝熱管の外周面に耐水性被膜を形成した図である。空気調和機の熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における空気調和用の熱交換器の全体構成を示す斜視図である。
空気調和用の熱交換器３は、複数の伝熱管１と、複数の放熱フィン２と、熱交換器固定板５とを備える。

放熱フィン２は、隣接する放熱フィン２同士の平面が対向するように、互いに間隔をあけて積層されている。放熱フィン２は、伝熱管１が挿入される複数の開口を有する。

伝熱管１は、中空の管形状を有し、図示せぬ冷媒が内部を通過可能である。伝熱管１は、直管部１１、及び、ヘアピン曲げ部４を有する。直管部１１は、放熱フィン２の開口に挿入され、積層された放熱フィン２を積層方向に貫通する。ヘアピン曲げ部４は、所定の曲率で折り曲げられ、隣接する直管部１１の端部同士を接続する。ヘアピン曲げ部４は、例えば、所定の曲率として１８０°で伝熱管１を折り曲げたＵ字の形状を有する。伝熱管１の内部の冷媒は、或る直管部１１、及び、ヘアピン曲げ部４を通過して、或る直管部１１に隣接する直管部１１へと移動する。ヘアピン曲げ部４は、放熱フィン２の開口に挿入されず、積層された放熱フィン２の一端から突出した状態で設けられる。そして、ヘアピン曲げ部４には、熱交換器固定板５が装着される。実施の形態１において、ヘアピン曲げ部４に近い側に配置された放熱フィン２の開口と、その開口に挿入された伝熱管１の直管部１１とが密着しているものとする。

図２は、実施の形態１における熱交換器固定板５の正面図である。
熱交換器固定板５は、熱交換器３に流れ込む空気を、ヘアピン曲げ部４が設けられた熱交換器３の一端ではなく、放熱フィン２の存在する中央に集中させる役割を担う。また、熱交換器固定板５は、ヘアピン曲げ部４を係合する役割、及び、空気調和機に熱交換器３を固定する役割を担う。熱交換器固定板５は、挿入穴６、筒部７、及び、板部を有する。熱交換器固定板５の板部には、ヘアピン曲げ部４が挿入可能な大きさの挿入穴６が形成されている。挿入穴６の外周縁には、筒部７が設けられている。筒部７は、挿入穴６から挿入されたヘアピン曲げ部４を覆うことで、ヘアピン曲げ部４を保護したり、係止したりする役割を担う。筒部７は、ヘアピン曲げ部４の曲げ頂点の高さよりも高い高さを有する。

図３は、筒部７にヘアピン曲げ部４が挿入された状態を示す斜視図である。図４は、筒部７にヘアピン曲げ部４が挿入された状態を示す正面図である。図５は、筒部７にヘアピン曲げ部４が挿入された状態を示す図２のA-A'線の断面図である。
筒部７には、積層された放熱フィン２の一端から突出したヘアピン曲げ部４が挿入される。筒部７とヘアピン曲げ部４の間には、隙間９が存在する。従って、筒部７の長手方向の長さＬ７１は、ヘアピン曲げ部４の長手方向の長さＬ４１（曲げ頂点の高さ）よりも長い。また、筒部７の短手方向の長さＬ７２は、ヘアピン曲げ部４の短手方向の長さＬ４２よりも長い。また、筒部７の奥行方向の長さＬ７３は、ヘアピン曲げ部４の奥行方向の長さＬ４３よりも長い。ここで、１つのヘアピン曲げ部４が、１つの筒部７に挿入されてもよいし、複数のヘアピン曲げ部４が、１つの筒部７に挿入されてもよい。

空気調和機の冷房・除湿運転時において、伝熱管１の内部を流れる冷媒によって、伝熱管１の周囲の水蒸気を含んだ空気が冷やされた場合、伝熱管１の表面に結露水８が発生する。この結露水８が発生した状況の概念図を図６、図７に示す。

図６は、図４におけるヘアピン曲げ部４の表面に結露水８が発生した状況を示す図である。また、図７は、図５におけるヘアピン曲げ部４の表面に結露水８が発生した状況を示す図である。図６、図７には、ヘアピン曲げ部４で発生した結露が進行してヘアピン曲げ部４の全体及び隙間９を介して、ヘアピン曲げ部４と筒部７とを跨ぐように結露水８が付着した様子が示されている。

このように、ヘアピン曲げ部４と筒部７の間を跨ぐように付着した結露水８が長時間保持された場合、付着した結露水８によって、ヘアピン曲げ部４の曲げられた外周側の表面以外の表面にも腐食が及んでしまう恐れがある。そのため、実施の形態１における伝熱管１は、ヘアピン曲げ部４の曲げられた外周側の表面だけでなく、ヘアピン曲げ部４の外周面全体に耐水性被膜１０が形成されている。

図８は、ヘアピン曲げ部４の外周面全体に耐水性被膜１０が形成された伝熱管１を示す断面図である。伝熱管１の外周面のうち、冷房・除湿運転時に発生する結露水が、熱交換器３の構造上保持されやすいヘアピン曲げ部４の外周面全体に耐水性被膜１０が形成されている。また、耐水性被膜１０が形成されていない直管部１１は、放熱フィン２の開口に挿入され、ヘアピン曲げ部４に近い側に配置された放熱フィン２の開口に密着している。これにより、例え、図６、図７に示すような結露水８が発生したとしても、耐水性被膜１０が形成されていない直管部１１に結露水８が接することが抑制される。これにより、伝熱管１が結露水８によって腐食することが抑制され、より信頼性の高い空気調和機を提供することが出来る。

実施の形態２．
ヘアピン曲げ部４で発生した結露水８は、ヘアピン曲げ部４の表面をつたわって放熱フィン２の方向へと移動する場合がある。この際、ヘアピン曲げ部４に近い側に配置された放熱フィン２の開口と、その開口に挿入された伝熱管１の直管部１１が密着していれば、直管部１１の外周面に結露が発生したり、結露水８が付着したりすることはない。しかしながら、熱交換器固定板５の取り付け工程に代表されるその後の製造工程および据付先までの輸送や据付後の運転による振動よって、ヘアピン曲げ部４に近い側の放熱フィン２と伝熱管１の直管部１１の間の密着が緩んでしまう可能性がある。この場合、放熱フィン２と伝熱管１の間に隙間が形成され、その隙間に結露水８が長時間保持されやすくなる。そして、長時間保持された結露水８によって、伝熱管１の直管部１１の表面にも腐食が及んでしまう恐れがある。

そこで、実施の形態２においては、ヘアピン曲げ部４の外周面の全部だけではなく、放熱フィン２の開口に挿入された直管部１１の外周面であって、ヘアピン曲げ部４側の一部の区間の直管部１１の外周面にも耐水性被膜１０を形成することとした。

図９は、ヘアピン曲げ部４の外周面の全体と、放熱フィン２の開口に挿入された直管部１１の外周面の一部の区間にも耐水性被膜１０が形成された状態を示す断面図である。図９においては、ヘアピン曲げ部４の外周面全体と、ヘアピン曲げ部４に近い側から２～３枚の放熱フィン２に囲まれた領域に位置する直管部１１の外周面に耐水性被膜１０が形成されている。

これにより、例え、放熱フィン２と伝熱管１の間に隙間が形成され、結露水８が長時保持されたとしても、耐水性被膜１０が形成されていない直管部１１に結露水８が接することが抑制される。これにより、伝熱管１が結露水８によって腐食することが抑制され、より信頼性の高い空気調和機を提供することが出来る。なお、ヘアピン曲げ部４に近い側から２～３枚の放熱フィン２に囲まれた領域に位置する直管部１１の外周面に限らず、２～５枚の放熱フィン２に囲まれた領域に位置する直管部１１の外周面に耐水性被膜１０を形成してもよい。２枚未満では、放熱フィン２と伝熱管１の間に隙間が形成された場合に、耐水性被膜１０が形成されていない外周面に結露水８が付着してしまう可能性がある。一方、５枚以上では、放熱フィン２と伝熱管１の間に隙間が形成され難く、耐水性被膜１０が形成されていない外周面に結露水８が付着する可能性が低くいため効果が得られない。

実施の形態３．
本開示に係る空気調和機の熱交換器の製造方法について説明する。本開示に係る空気調和機の熱交換器の製造方法は、伝熱管１の外周面に耐水性被膜１０を形成する工程を含んでいる。伝熱管１と放熱フィン２を組みあげた後（放熱フィン２の開口に伝熱管１の直管部１１を挿入した後）に伝熱管１のヘアピン曲げ部４に耐水性被膜１０を形成することは作業効率からみて好ましくない。そのため、予め該当となる箇所に耐水性被膜１０が形成された伝熱管１を用いて、伝熱管１と放熱フィン２を組みあげることが望ましい。この耐水性被膜１０は、塗料又は熱収縮チューブを用いて形成される。なお、空気調和機の熱交換器を製造する方法の殆どの工程は一般的な製造設備および製造条件によって行うことができるため詳細な説明は省略する。

・塗料を用いて耐水性被膜１０を形成する場合
＜耐水性被膜の形成工程＞
耐水性被膜１０は、伝熱管１の一部の区間の外周面に塗料を塗布し、塗料を乾燥させることで塗膜として形成される。乾燥の方法としては、例えば、炉を用いて高温で焼き付ける方法（所謂焼き付け乾燥）を用いてもよい。また、乾燥時の温度及び時間は、塗布した塗料の特性に応じて適宜決定されればよい。また、塗料が塗布される伝熱管１の一部の区間は、ヘアピン曲げ後の伝熱管１のヘアピン曲げ部４の区間に相当するものであるが、多少のズレなどを考慮して、余剰分を含んでいてもよい。

図１０は、ヘアピン曲げ後に、伝熱管１のヘアピン曲げ部４の外周面に耐水性被膜１０を形成した図である。ヘアピン曲げ後の伝熱管１に塗料を塗布する場合、例えば、刷毛塗り、ローラー塗り、カーテン塗装、吹付塗装、浸漬塗装などの方法を用いることが出来る。

図１１は、ヘアピン曲げ前に、伝熱管１のヘアピン曲げ部４となる一部の区間の外周面に耐水性被膜１０を形成した図である。ヘアピン曲げ前の伝熱管１に塗料を塗布する場合は、例えば、刷毛塗り、ローラー塗り、カーテン塗装、吹付け塗装などの方法を用いることが出来る。この場合、ヘアピン曲げ前の直線状の伝熱管１のうち、ヘアピン曲げ部４となる一部の区間の外周面に塗料を塗布して、耐水性被膜１０を形成する必要がある。また、曲げ加工に耐えうる加工性を有した耐水性被膜１０を形成する必要がある。

耐水性被膜１０を形成する塗料の樹脂種の選定は、防水性が高く暖房運転時の熱に耐え、銅と水の共存下で著しく劣化しないという性能が求められる。これらを鑑みるとアクリル樹脂系、ポリエステル樹脂系、フッ素樹脂系、エポキシ樹脂系、又は、ウレタン樹脂系の塗料を使用することが好ましい。

＜ヘアピン曲げ工程＞
伝熱管１のヘアピン曲げ部４は、直線状の伝熱管１の一部の区間を所定の曲率で１８０°曲げることによって形成される。ここで、直線状の伝熱管１の一部の区間が、ヘアピン曲げ部４となり、直線状の伝熱管１の一部の区間の両端部が、直管部１１となる。即ち、曲げ加工時に、ヘアピン曲げ部４の両端部に接続する直管部１１が形成される。なお、塗料を用いて耐水性被膜１０を形成する場合、ヘアピン曲げ工程は、耐水性被膜の形成工程の前後のどちらであっても良い。

・熱収縮チューブを用いて耐水性被膜１０を形成する場合
＜耐水性被膜の形成工程＞
耐水性被膜１０は、ヘアピン曲げ前の直線状の伝熱管１の一部の区間の外周面に配置された熱収縮チューブに熱を加えることで形成される。より具体的には、まず、熱収縮チューブを、ヘアピン曲げ前の直線形状の伝熱管１の一部の区間の外周面を覆う位置に配置する。ここで、伝熱管１の一部の区間は、ヘアピン曲げ部４となる一部の区間に相当する。次に、熱収縮チューブに対して熱を加えることで、熱収縮チューブを収縮及び硬化させる。これにより、伝熱管１の一部の区間の外周面を覆う位置に耐水性被膜１０が形成される。なお、伝熱管１に対する熱収縮チューブの配置のずれや、熱収縮チューブの収縮を考慮して、ヘアピン曲げ部４の区間に相当する長さよりも長い熱収縮チューブを用いることが望ましい。また、熱収縮チューブの材質としては、防水性が高く暖房運転時の熱に耐え、銅と水の共存下で著しく劣化しないという特性をもつ素材を選定することが望ましい。また、熱収縮チューブを収縮及び硬化させる温度は、熱収縮チューブの特性に応じて適宜決定されればよい。

＜ヘアピン曲げ工程＞
伝熱管１のヘアピン曲げ部４は、直線状の伝熱管１の一部の区間を所定の曲率で１８０°曲げることによって形成される。ここで、直線状の伝熱管１の一部の区間が、ヘアピン曲げ部４となり、直線状の伝熱管１の一部の区間の両端部が、直管部１１となる。即ち、曲げ加工時に、ヘアピン曲げ部４の両端部に接続する直管部１１が形成される。ここで、熱収縮チューブを用いて耐水性被膜１０を形成する場合、ヘアピン曲げ工程は、耐水性被膜の形成工程の後に実施されることが望ましい。

＜空気調和機の熱交換器の製造方法＞
図１２は、空気調和機の熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。
ステップ１は、伝熱管１の一部の区間の外周面に耐水性被膜１０を形成する工程である。ステップ２は、伝熱管１の一部の区間を所定の曲げ率で曲げたヘアピン曲げ部４、及び、当該ヘアピン曲げ部４の両端部に接続する直管部１１を形成する工程である。塗料を用いて耐水性被膜１０を形成する場合、ステップ１の耐水性被膜を形成する工程と、ステップ２の伝熱管１を曲げる工程の何れのステップを先に実施してもよい。これに対し、熱収縮チューブを用いて耐水性被膜１０を形成する場合、ステップ２の伝熱管１を曲げる工程は、ステップ１の耐水性被膜を形成する工程の後に実施されることが望ましい。次に、ステップ３は、ステップ２及びステップ１の工程を経て形成された伝熱管１の直管部１１を放熱フィン２の開口に挿入する工程である。次に、ステップ４は、ステップ３の工程を経た伝熱管１のヘアピン曲げ部４を熱交換器固定板５の挿入穴６、及び、当該挿入穴６の外周縁に設けられた筒部７に挿入する工程である。以上の工程を経ることにより、本開示に係る空気調和機の熱交換器が製造される。

このように、本開示に係る空気調和機の熱交換器の製造方法は、伝熱管１の直管部１１を放熱フィン２の開口に挿入する工程（ステップ３）よりも前に、伝熱管１の一部の区間の外周面に耐水性被膜１０を形成する工程（ステップ１）、及び、伝熱管１の一部の区間を所定の曲げ率で曲げたヘアピン曲げ部４、及び、当該ヘアピン曲げ部４の両端部に接続する直管部１１を形成する工程（ステップ２）を実施するものである。そのため、伝熱管１と放熱フィン２を組みあげた後（放熱フィン２の開口に伝熱管１の直管部１１を挿入した後）に伝熱管１のヘアピン曲げ部４に耐水性被膜１０を形成することが無いため、製造工程における作業効率を向上させることができる。

１伝熱管、２放熱フィン、３熱交換器、４ヘアピン曲げ部、５熱交換器固定板、６挿入穴、７筒部、８結露水、９隙間、１０耐水性被膜、１１直管部、１２伝熱管挿入穴。

Claims

互いに間隔をあけて配置され、複数の開口を有する放熱フィンと、
前記放熱フィンの開口に挿入される直管部、及び、隣接する前記直管部の端部同士を接続するヘアピン曲げ部を有する伝熱管と、
前記ヘアピン曲げ部が挿入される挿入穴、及び、当該挿入穴の外周縁に設けられた筒部を有する熱交換器固定板と
を備え、
前記ヘアピン曲げ部の外周面、及び、前記直管部の一部の区間の外周面であって、前記ヘアピン曲げ部に近い側から少なくとも２枚の放熱フィンに囲まれた領域に位置する前記直管部の外周面に耐水性被膜が形成されている
空気調和機の熱交換器。
前記耐水性被膜は、
熱で硬化する熱収縮チューブで形成される
請求項１に記載された空気調和機の熱交換器。
前記耐水性被膜は、
塗布された塗料で形成される
請求項１に記載された空気調和機の熱交換器。
前記耐水性被膜は、
アクリル樹脂系、ポリエステル樹脂系、フッ素樹脂系、エポキシ樹脂系、又は、ウレタン樹脂系の塗料で形成される
請求項３に記載された空気調和機の熱交換器。