JPWO2009131072A1 - 熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

フィン及び伝熱管をアルミニウム材によって形成しても、伝熱管の管内圧力損失が増加せず、銅管と同等あるいはそれ以上の伝熱性能を有する熱交換器等を提供する。変形抵抗が低いアルミニウム系材料からなるフィン１０と、フィン１０を形成するアルミニウム系材料より変形抵抗が高く内面に溝２１が設けられフィン１０を貫通して固定されたアルミニウム系材料からなる伝熱管２０とを備え、伝熱管２０の管内面の管軸方向イと、伝熱管２０の管内面に設けられた溝２１の方向ロとがほぼ平行になるようにしたものである。この場合、伝熱管２０の管内面の管軸方向イに対して溝方向ロが０度〜２度の角度をなす。伝熱管２０の拡管後の溝２１の深さは、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍであり、山頂部２２の先端幅は、０．０８ｍｍ〜０．１８ｍｍである。また、伝熱管２０の溝２１の条数は４０〜６０であり、頂角αは５度〜２０度である。

Description

本発明は、内面溝付の伝熱管を組み込んだ熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機に関する。

従来、空気調和機等の熱交換器は一般に内面溝付きの伝熱管が一定間隔で配置され、その内部に冷媒が流れるようになっている。そして、管内面における管軸方向と溝が延びる方向とが一定の角度（７°〜３０°）をなし、多数の溝を加工して山部を形成しており、管内を流れる流体が相変化（凝縮・蒸発）を行うようになっている。このような相変化において、伝熱管は、管内の表面積増加、内面溝部による流体攪拌効果、溝部の毛細管作用による溝部間の液膜保持効果等により、性能改善がはかられている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６０−１４２１９５号公報（第２頁、図１）

特許文献１の伝熱管を含む従来の伝熱管は、一般に、銅又は銅合金の金属材料からなっているが、加工性の向上や軽量化のためにその材質をアルミニウム材に変えると、銅に比べて変形抵抗が低く変形しやすくなる。しかしながら、この伝熱管をフィンに固定するために拡管すると、内面の山部形状が倒れて、銅管と同等あるいはそれ以上の伝熱性能を得ることができなくなる。
また、銅材に比べてアルミニウム材の強度が低いため、伝熱管の溝底の板厚を厚くしなければならず、このため、伝熱管の管内圧力損失が増加してしまうという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、フィン及び伝熱管をアルミニウム系材料で構成しても、伝熱管の管内圧力損失が増加せず、銅管と同等あるいはそれ以上の伝熱性能を得ることができる熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、変形抵抗が低いアルミニウム系材料からなるフィンと、フィンを形成するアルミニウム系材料より変形抵抗が高く内面に溝が設けられフィンを貫通して固定されたアルミニウム系材料からなる伝熱管とを備え、伝熱管の管内面の管軸方向と、伝熱管の管内面に設けられた溝の方向とがほぼ平行になるようにしたものである。

本発明の熱交換器によれば、伝熱管の管内面の管軸方向と溝方向とがほぼ平行なので、従来使用されていた銅材の伝熱管に比べて、圧力損失を増加させずに、管内伝熱性能を銅管と同等あるいはそれ以上にすることができる。また、伝熱管を拡管しても内面の山部形状が倒れず、伝熱管とフィンとの密着性が銅管と同等またはそれ以上に改善されて、高効率である。さらに、製造が容易で分解しやすく、リサイクル性を向上することもできる。

本発明の実施形態１に係る熱交換器の正面断面図である。 実施形態１に係る硬いアルミ管と柔らかいアルミフィンのひずみと応力との関係を示す線図である。 柔らかいアルミ管と柔らかいアルミフィンのひずみと応力との関係を示す線図である。 実施形態１に係るリード角と蒸発圧力損失増加率との関係を示す線図である。 本発明の実施形態２に係る熱交換器の側面断面図である。 図５のＡ部を拡大した断面図である。 実施の形態２に係る拡管後の溝の深さと熱交換率との関係を示す線図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の側面断面図である。 実施形態３に係る溝数と熱交換率との関係を示す線図である。 本発明の実施形態４に係る熱交換器の側面断面図である。 図１０のＢ部を拡大した断面図である。 実施形態４に係る頂角と熱交換率との関係を示す線図である。 本発明の実施形態５に係る熱交換器の製造方法を示す正面断面図である。 本発明の実施形態７に係る熱交換器の側面断面図である。 図１４のＣ部を拡大した断面図である。 本発明の実施形態８に係る熱交換器の正面断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器を鉛直方向に切断した正面断面図、図２は変形抵抗の高いアルミ管と変形抵抗が低いアルミフィンのひずみと応力との関係を示す線図、図３は変形抵抗が低いアルミ管と変形抵抗が低いアルミフィンのひずみと応力との関係を示す線図、図４はリード角と蒸発圧力損失増加率との関係を示す線図である。
図１において、熱交換器１は、フィン１０と、フィン１０を貫通する伝熱管２０とを備えている。フィン１０は変形抵抗が低い（柔らかい）アルミニウム系の材料からなっている。一方、伝熱管２０はフィン１０より変形抵抗の高い（硬い）アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、アルミニウム系という）の材料からなり、アルミニウム合金の場合は、例えば純アルミニウムに０．２％〜１．８％のマンガン（Ｍｎ）を添加した３０００系アルミニウム合金である。そして、図２のように両者のひずみ差を用い、伝熱管２０とフィン１０との密着性を確保して、高効率の熱交換器１を得るようにしたものである。なお、伝熱管２０とフィン１０が同じ剛性のアルミニウム材の場合は、図３のようにひずみ差がないので、熱交換器１の伝熱管２０とフィン１０との密着性が悪く、高い熱交換率が得られない。

伝熱管２０の内面には溝２１が形成されており、伝熱管２０の内面における管軸方向イと溝２１が延びる方向ロとはほぼ平行であり、これらのなす角度、すなわちリード角Ｒは、０度〜２度である。

図４に示すように、熱交換器１において、伝熱管２０の溝２１のリード角Ｒを０度〜２度の範囲に設定したのは、銅材に比べてアルミニウムの強度が低く、伝熱管２０の溝底の板厚を厚くしなければならないので、伝熱管２０の溝２１のリード角Ｒを２度以上にすると、山部が倒れて、管内圧力損失が増加するからである。
こうして、溝２１を乗り越えて流れるような流れが発生しなくなり、管内圧力損失が増加せずに、熱交換率を向上させることができる。

上記の熱交換器は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管で接続し、作動流体として冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、蒸発器または凝縮器として使用され、成績係数（ＣＯＰ）の向上に寄与する。また、冷媒として、ＨＣ単一冷媒、またはＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素のいずれかが用いられるが、これらの冷媒と空気との熱交換効率が向上する。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係る熱交換器１を鉛直方向に切断した側面断面図、図６は図５のＡ部を拡大した断面図、図７は拡管後の溝の深さと熱交換率との関係を示す線図である。なお、実施の形態１と同一または相当部分には同じ符号を付し、説明を省略する（以下の実施の形態においても同様）。
図７において、内面溝付の伝熱管２０（図５、図６参照）は、拡管後の溝２１の深さＨが深い程、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、溝２１の深さＨが０．３ｍｍを超えると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、熱交換率が低下する。一方、拡管後の溝２１の深さＨが０．２ｍｍ未満の場合は、熱伝達率は向上しない。
よって、本実施形態２の内面溝付の伝熱管２０においては、拡管後の溝２１の深さＨを、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとする。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３に係る熱交換器を鉛直方向に切断した側面断面図、図９は溝の条数と熱交換率との関係を示す線図である。
図９において、内面溝付の伝熱管２０（図８参照）は、溝２１の条数が多いほど、伝熱面積が増加するため、熱伝達率が増加する。しかしながら、溝２１の条数が６０を超えると溝部断面積が小さくなり、溝２１から冷媒液膜が溢れて山頂部まで冷媒液膜に覆われてしまうため、熱伝達率が低下する。一方、溝２１の条数が４０より少なくなると、伝熱面積が減少し、熱伝達率が低下する。
よって、本実施形態３の内面溝付の伝熱管２０においては、溝２１の条数を４０〜６０とする。

実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４に係る熱交換器を鉛直方向に切断した側面断面図、図１１は図１０のＡ部を拡大した断面図、図１２は頂角と熱交換率との関係を示す線図である。
図１２において、内面溝付の伝熱管２０（図１０、図１１参照）は、溝２１の頂角αが小さい程、伝熱面積が増加するため、熱伝達率が増加する。しかしながら、頂角αが５度より小さくなると熱交換器製造時の加工性が著しく低下し、熱交換率が低下する。一方、頂角αが２０度を超えると、溝部断面積が小さくなり、溝２１から冷媒液膜が溢れて山頂部まで冷媒液膜に覆われてしまうため、熱伝達率が低下する。
よって、本実施形態４の内面溝付の伝熱管２０においては、頂角αを５度〜２０度とする。

実施の形態５．
図１３（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態５に係る空気調和機の熱交換器の製造方法を示す鉛直方向に切断した正面断面図である。なお、室内機側の熱交換器および室外機側の熱交換器は、いずれも同様の手順により製作される。
図１３に示すように、各伝熱管２０を、それぞれ長手方向の中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工し、複数のヘアピン管を製作する。次いで、これらのヘアピン管を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置した複数枚のフィン１０に挿通し、その後、ヘアピン管内に拡管玉３０をロッド３１により押し込む機械拡管方式により（図１３（ａ）参照）、またはヘアピン管内に拡管玉３０を流体３２の液圧により押し込む液圧拡管方式により（図１３（ｂ）参照）、ヘアピン管を拡管して、各フィン１０とヘアピン管すなわち伝熱管２０とを接合する。こうして、熱交換器１０が製造される。

本実施形態５の熱交換器１０においては、構成部材であるヘアピン管を、機械拡管方式あるいは液圧拡管方式により拡管するだけで、多数のフィン１０とヘアピン管（伝熱管２０）とが接合されるので、熱交換器１０の製作が容易になる。

実施の形態６．
実施形態５においては、ヘアピン管の拡管によってフィン１０とヘアピン管（伝熱管２０）とを接合した場合を示したが、本実施の形態６ではさらに熱交換器１０の伝熱管２０の拡管率を規定したものである。
本実施形態６では、ヘアピン管を機械拡管方式あるいは液圧拡管方式により拡管する際の拡管率を、熱交換器１の伝熱管２０で１０５．５％〜１０７．５％とする。これにより、熱交換器１の伝熱管２０とフィン１０との密着性を改善して、高効率の熱交換器１を得る。しかしながら、熱交換器１の伝熱管２０の拡管率が１０７．５％以上になると、山頂部での潰れとフィンカラー割れが発生し、伝熱管２０とフィン１０との密着性が悪化する。一方、熱交換器１の伝熱管２０の拡管率が１０５．５％未満の場合は、伝熱管２０とフィン１０の密着性が悪く、高い熱交換率が得られない。
よって、本実施形態６のヘアピン管を拡管する際の拡管率を、熱交換器１の伝熱管２０で１０５．５％〜１０７．５％とする。
こうして拡管率を規定すると、製品にばらつきが発生しない。

なお、実施形態５及び６においては、伝熱管２０の拡管のみによってフィン１０とヘアピン管（伝熱管２０）とを接合するようにしているが、接合後に、さらにロウ付けによって完全接着するようにしてもよく、これにより信頼性をさらに高めることができる。

実施の形態７．
図１４は本発明の実施の形態７に係る熱交換器を鉛直方向に切断した側面断面図、図１５は図１４のＣ部を拡大した断面図である。
本実施の形態７においては、熱交換機１において、伝熱管２０の拡管後の山頂部２２（図１４、１５参照）の先端幅Ｗを、０．０８〜０．１８ｍｍの範囲に設定したものである。
これは、アルミニウムは銅に比べて変形抵抗が低く変形しやすくなり、山頂部２２の潰れ及び倒れが大きくなるので、伝熱管２０の拡管後の山頂部２２の先端幅Ｗを０．０８ｍｍ以上にすることにより、溝２１の山部の潰れ量及び溝２１の山部の倒れを少なくすることができる。一方、先端幅Ｗが０．１８ｍｍを超えると、溝部断面積が小さくなり、溝２１から冷媒液膜が溢れて山頂部２２まで冷媒液膜に覆われてしまうため、熱伝達率が低下する。
これにより、熱交換器１の伝熱管２１とフィン１０との密着性を改善して、高効率の熱交換器１を得ることができる。

実施の形態８．
図１６は本発明の実施の形態８に係る熱交換器を鉛直方向に切断した正面断面図である。
本実施の形態８は熱交換器１の伝熱管２０の外表面には亜鉛溶射・拡散処理を施したものであり、これによって伝熱管２０の防食効果が期待でき、冷凍システムの信頼性を向上する。なお、亜鉛溶射・拡散処理後、アルミニウム母材中に約５０μｍ〜１００μｍの亜鉛拡散層２３を形成することが望ましい。

実施の形態９．
本実施の形態９は、空気調和機に本発明の実施の形態１〜８のいずれかに係る熱交換器を用いたものである。
これにより、管内圧力損失が増加せず、伝熱性能に優れた熱交換器を用いた高効率の空気調和機を得ることができる。

以下、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
表１に示すように、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍであり、リード角が０度及び２度であるアルミニウム合金製の熱交換器２０を作製した（実施例１及び実施例２）。
また、比較例として、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍであり、リード角Ｒが１０度及び３０度であるアルミニウム合金製の熱交換器（比較例１及び比較例２）、及び外径が７ｍｍ、底肉厚が０．２５ｍｍであり、リード角Ｒが３０度である銅製の熱交換及び器を作製した（比較例３）。

表１から明らかなように、実施例１及び実施例２の熱交換器１は、いずれも比較例１〜比較例３の熱交換器と比べて蒸発圧力損失が低く、管内伝熱性能が向上していた。

次に、表２に示すように、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、拡管後の溝深さが０．２ｍｍ及び０．３ｍｍであるアルミニウム製の熱交換器１を作製した（実施例３及び実施例４）。
また、比較例として、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、拡管後の溝深さが０．１ｍｍ、及び拡管後の溝深さが０．４ｍｍであるアルミニウム製の熱交換器（比較例４及び比較例５）、及び外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．２５ｍｍ、リード角が３０度であり、拡管後の溝深さが０．１５ｍｍである銅製の熱交換器を作製した（比較例６）。

表２から明らかなように、実施例３及び実施例４の熱交換器１は、いずれも比較例４〜比較例６の熱交換器と比べて熱交換率が高く、管内伝熱性能が向上していた。

次に、表３に示すように、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、溝数が４０及び６０であるアルミニウム製の熱交換器１を作製した（実施例５及び実施例６）。
また、比較例として、外径が７ｍｍ、底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、溝数が３０及び７０であるアルミニウム製の熱交換器を作製し（比較例７及び比較例８）、外径が７ｍｍ、底肉厚が０．２５ｍｍ、リード角が３０度であり、溝数が５０である銅製の熱交換器を作製した（比較例９）。

表３から明らかなように、実施例５及び実施例６の熱交換器１は、いずれも比較例７〜比較例９の熱交換器と比べて熱交換率が高く、管内伝熱性能が向上していた。

次に、表４に示すように、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、頂角が５度及び２０度であるアルミニウム製の熱交換器１を作製した（実施例７及び８）。
また、比較例として、外径が７ｍｍ、底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、頂角が０度及び４０度であるアルミニウム製の熱交換器を作製し（比較例１０及び比較例１１）、及び外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．２５ｍｍ、リード角が３０度であり、頂角が１５度である銅製の熱交換器を作製した（比較例１２）。

表４から明らかなように、実施例７及び実施例８の熱交換器１は、いずれも比較例１０〜比較例１２の熱交換器と比べて熱交換率が高く、管内伝熱性能が向上していた。

次に、表５に示すように、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、山部先端幅が０．０８ｍｍ、０．１５ｍｍ及び０．１８ｍｍであるアルミニウム製の熱交換器を作製した（実施例９、実施例１０及び実施例１１）。
また、比較例として、外径が７ｍｍ、溝２１の底肉厚が０．５ｍｍ、リード角が０度であり、山部先端幅が０．０７ｍｍであるアルミニウム製の熱交換器を作製した（比較例１３）。
上記の実施例９〜実施例１１、並びに比較例１３の熱交換器を用いた拡管試験を行った。拡管試験は溝付管管内に拡管玉３０を挿入して拡管率１０６％で拡管し、拡管後の内面溝付管の管軸直交断面を光学顕微鏡で観察し、内面潰れ量を調査した。そして、山頂部２２の減少量が０．０４ｍｍ以下のものを○、０．０４ｍｍ以上超えるものを×とした。

表５から明らかなように、実施例９〜実施例１１の熱交換器１は、いずれも比較例１３の熱交換器と比べて、潰れ量及び溝の山部の倒れが少なく、熱交換器１の伝熱管２０とフィン１０との密着性を改善した。

１ 熱交換器
１０ フィン
２０ 伝熱管
２１ 溝
２２ 山頂部
２３ 亜鉛拡散層
３０ 拡管玉
３１ ロッド
３２ 流体
α 頂角
Ｈ 溝の深さ
Ｒ リード角
Ｗ 山頂部の先端幅

本発明に係る熱交換器は、変形抵抗が低いアルミニウム系材料からなるフィンと、フィンを形成するアルミニウム系材料より変形抵抗が高く内面に溝が設けられフィンを貫通して固定されたアルミニウムまたはアルムニウム合金からなる伝熱管とを備え、伝熱管の管内面の管軸方向と、伝熱管の管内面に設けられた溝の方向とがほぼ平行であり、伝熱管の外表面に約５０μｍ〜１００μｍの亜鉛拡散層が形成されているものである。

Claims (13)

1. 変形抵抗が低いアルミニウム系材料からなるフィンと、前記フィンを形成するアルミニウム系材料より変形抵抗が高く内面に溝が設けられ前記フィンを貫通して固定されたアルミニウム系材料からなる伝熱管とを備え、
   前記伝熱管の管内面の管軸方向と、前記伝熱管の管内面に設けられた溝の方向とがほぼ平行であることを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱管の管内面の管軸方向に対して溝方向が０度〜２度の角度をなすことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 機械拡管方式または液圧拡管方式により前記伝熱管を拡管させて、前記伝熱管と前記フィンが接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
4. 拡管により接合された前記伝熱管と前記フィンが、ロウ付けによって接着されていることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
5. 機械拡管方式または液圧拡管方式による前記伝熱管の拡管率が、１０５．５％〜１０７．５％であることを特徴とする請求項３または４記載の熱交換器。
6. 前記伝熱管の拡管後の溝の深さは、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記伝熱管の拡管後の山頂部の先端幅は、０．０８ｍｍ〜０．１８ｍｍであることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記伝熱管の溝の条数は４０〜６０であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器。
9. 前記伝熱管の溝の頂角は５度〜２０度であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記伝熱管の外表面は亜鉛溶射・拡散処理されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱交換器。
11. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管によって接続し、冷媒を作動流体として用いた冷凍サイクルにおいて、前記熱交換器を前記蒸発器または凝縮器として用いたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の熱交換器。
12. 前記冷媒として、ＨＣ単一冷媒、またはＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素のいずれかを用いることを特徴とする請求項１１記載の熱交換器。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とする空気調和機。

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