JPWO2016103487A1

JPWO2016103487A1 - 熱交換器および空気調和装置

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Publication number: JPWO2016103487A1
Application number: JP2016565829A
Authority: JP
Inventors: 加奈佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN205102463U; WO2016103487A1; JP6223603B2

Abstract

ろう浸透性および接合状態のバラつきが少なく、接合信頼性の高い室外熱交換器４を得ることを目的とする。一定の間隔で配列された複数のフィン１２と、配列された各フィン１２を貫通して固定され、端部の内表面に複数の溝１４ｄが形成されたヘアピン管１４と、ヘアピン管１４につながった冷媒配管１７と、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７の端部１７ｃとが接合された接合部Ａ、Ｂと、を備え、冷媒配管１７は、端部１７ｃの外周面に複数の溝１７ａが形成され、接合部Ａ、Ｂは、冷媒配管１７の端部１７ｃがヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂに挿入されてヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂが外側からかしめられた。

Description

本発明は、アルミニウム製の冷媒配管がろう付けされるアルミニウム製の伝熱管を備えた熱交換器およびその熱交換器を備えた空気調和装置に関するものである。

現在、空気調和装置に使用される配管には伝熱性能の向上を目的として管の中心軸方向に沿って伸びる溝を形成することが一般的である。しかし、伝熱性能の向上のための溝があることで、配管を接合する際にクリアランスにバラつきが生じ、ろう付け不良を引き起こす可能性がある。

特に、配管にアルミニウム製配管（以下、「アルミ配管」と称す）を用いる場合には、一般的に接合材に用いられるろう材（アルミニウム―ケイ素合金（融点：約６００℃））とアルミ配管（融点：６６０℃）との融点差が少ないことからろう付けが困難である。これに加えて、ろう付けの際にアルミニウム表面の不導体皮膜を除去するためのフラックスが必須となり、クリアランスがろう流れ性に大きな影響を及ぼす。また、ろう材の凝固形態では、クリアランスのバラつきによる凝固欠陥が銅製配管と比較して顕著となり、気密性に欠ける可能性がある。

アルミ配管のろう付け性を向上させる方法として、ろう材の重力方向への流れ落ちを抑制するために、差し込み端部の外周面または孔の内周面のいずれかに管の中心軸方向に沿って伸びる溝を形成する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−２９９７９５号

しかしながら、上記特許文献１による方法は伝熱性能を向上させるための溝が形成されていないことが前提である。このため、伝熱性能を向上させる溝が形成されている配管では上記特許文献１による方法を適用できないほか、クリアランスのバラつきによる凝固欠陥の問題を解決できていない。仮に所定の位置までろう材が浸透したとしても、接合部に凝固欠陥が発生することによって、配管内部を流動する物質（冷媒）が外部へ漏れる可能性がある。

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、ろう浸透性および接合状態のバラつきが少なく、接合信頼性の高い熱交換器を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、一定の間隔で配列された複数のフィンと、配列された各フィンを貫通して固定され、端部の内表面に複数の溝が形成された伝熱管と、前記伝熱管につながった冷媒配管と、前記伝熱管の端部と前記冷媒配管の端部とが接合された接合部と、を備え、前記冷媒配管は、該配管の端部の外表面に複数の溝が形成され、前記接合部は、前記冷媒配管の端部が前記伝熱管の端部に挿入されて前記伝熱管の端部が外側からかしめられたものである。

本発明に係る熱交換器は、一定の間隔で配列された複数のフィンと、配列された各フィンを貫通して固定され、端部の内表面に複数の溝が形成された伝熱管と、前記伝熱管につながった冷媒配管と、前記伝熱管の端部と前記冷媒配管の端部とが接合された接合部と、を備え、前記冷媒配管は、端部の外表面に複数の溝が形成され、前記接合部は、前記冷媒配管の端部が前記伝熱管の端部に挿入されて前記伝熱管の端部の内表面に形成された溝と前記冷媒配管の端部の外表面に形成された溝間の凸部とが噛み合ったものである。

本発明によれば、伝熱性能を向上させるために伝熱管に形成されている溝と同様な溝を冷媒配管に形成した状態で伝熱管に冷媒配管を嵌め込み、さらにその状態から外側からかしめる。この構造によって伝熱管と冷媒配管とのクリアランスを一定寸法にすることができ、信頼性の高い接合を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の概略構成を示す冷媒回路図である。本発明の実施の形態に係る室外熱交換器の拡大斜視図である。本発明の実施の形態に係るアルミ配管接合構造の接合後縦断面図である。本発明の実施の形態に係るアルミ配管接合構造の接合後横断面図である。

以下に、本発明に係る熱交換器を備えた空気調和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。

［空気調和装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置１００の概略構成を示す冷媒回路図である。図１に示すように、空気調和装置１００は、圧縮機１と、マフラー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、補助マフラー１０とを、冷媒配管１７により接続して構成される冷媒回路を備える。

空気調和装置１００の室内熱交換器９が配置されている室内機には、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、冷房と暖房の冷凍サイクルを切り替える弁であり、制御部１１によって制御される。

次に、図１を参照して空気調和装置１００の冷房運転時の動作例について説明する。制御部１１によって四方弁３が冷房運転に切り替えられた場合には、冷媒が圧縮機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および電子制御式膨張弁７で減圧され、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、室内空気を冷却して低温低圧のガス冷媒となって圧縮機１に吸入される。

次に、図１を参照して空気調和装置１００の暖房運転時の動作例について説明する。制御部１１によって四方弁３が暖房運転に切り替えられた場合には、冷媒は、上記と同様に圧縮機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、室内空気を暖めて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、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。

［室外熱交換器の構成］
図２は、図１に示す室外熱交換器４の拡大斜視図である。図２を参照して室外熱交換器４の構成について説明する。
室外熱交換器４は、例えばフィンアンドチューブ型の熱交換器である。室外熱交換器４は、一定間隔で平行に積層（配列）された複数のフィン１２と、複数のフィン１２の積層方向の外側に配置された固定板１３と、積層された複数のフィン１２と固定板１３に垂直に挿入された複数のＵ字形状のヘアピン管１４と、互いに隣接するヘアピン管１４の端部を連結するＵ字形状のベンド１５とで構成されている。ヘアピン管１４とベンド１５とは、伝熱管１８を構成する。

フィン１２、固定板１３、ヘアピン管１４およびベンド１５は、アルミニウム材によって形成されている。ヘアピン管１４は、各フィン１２に設けられた孔に挿入された後、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とは、製造ライン上にて、アルミニウム―ケイ素合金のろう材１６によって接合されている。固定板１３は、室外機の外郭を形成する箱形状のケーシング内に室外熱交換器４を固定する。
ヘアピン管１４の固定板１３から図示左右両端位置にて上方に突出した端部１４ａ，１４ｂには、アルミニウム製の冷媒配管１７が接合される。冷媒配管１７は、端部１４ａ，１４ｂに嵌め込まれてかしめられ、ろう材１６よって接合されている。これにより、冷媒配管１７は、ヘアピン管１４につながっている。

図３は、アルミ配管接合部Ａ、Ｂの接合後縦断面図であり、図２に示す接合部Ａ、Ｂを拡大して示す縦断面図である。図４は、アルミ配管接合部Ａ、Ｂの接合後横断面図であり、図３に示すＣ−Ｃ線における横断面図である。図３、図４を参照してアルミ配管接合部Ａ、Ｂの構成について詳述する。

ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂは、冷媒配管１７の外径よりも大きく拡管されている。ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂを拡管することにより、端部１４ａ，１４ｂの内周面と冷媒配管１７の外周面との間に、筒形状のクリアランスＷａが形成されており、クリアランスＷａにはろう材１６が充填されている。一方、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂ以外は、冷媒配管１７の外径よりも小さい。これにより、端部１４ａ，１４ｂに挿入された冷媒配管１７は、端部１４ａ，１４ｂ以外となる境界にてそれ以上の挿入が防止される。

複数のヘアピン管１４には伝熱性能を向上させるために内周面（内表面）に中心軸方向に沿って伸びる周方向に複数配列された溝１４ｄが形成されている。
アルミニウム製の冷媒配管１７のヘアピン管１４に対向する外周面（外表面）には、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂに形成されたものと同様の形状の中心軸方向に沿って伸びる周方向に複数配列された溝１７ａが形成されている。
冷媒配管１７の外周面に形成された複数の溝１７ａにおいて、その溝１７ａ間の外径方向に突出する凸部１７ｂの数が端部１４ａ，１４ｂの内周面に形成された溝１４ｄの数と等しい数である。この凸部１７ｂの周方向先端幅は、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂに形成された溝１４ｄの周方向開口幅よりも小さい。

ヘアピン管１４の冷媒配管１７と接合される端部１４ａ，１４ｂは、ろう材の浸透を確認するヘアピン管貫通孔１４ｃを備えている。ヘアピン管貫通孔１４ｃは、例えば周方向３ヶ所に均等に分散した位置にて内外周面に貫通する。

次に、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７との接合について説明する。ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂに冷媒配管１７の端部１７ｃを挿入し、端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７の端部１７ｃとの間のクリアランスＷａを周方向にわたって一定寸法にするために外側からかしめる。これにより、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７の端部１７ｃとが接合された接合部Ａ、Ｂが構成される。このとき、端部１４ａ，１４ｂの内周面に形成された溝１４ｄと、冷媒配管１７の外周面に形成された溝１７ａ間の凸部１７ｂとが数が等しく、凸部１７ｂが溝１４ｄに入り込むために噛み合い、端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７とが周方向にずれないように隙間を有しつつ固定され、クリアランスＷａが周方向にわたって一定寸法になる。その後、端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７の端部１７ｃとの間のクリアランスＷａの上部にろう材１６を設置する。ろう材１６を設置した状態においてトーチ等の加熱手段でヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂをそれぞれ加熱しながらろう材１６を溶融し、クリアランスＷａへろう材１６を浸透させることによって、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７の端部１７ｃとを接合する。溶融したろう材１６は、主に端部１４ａ，１４ｂの内周面に形成された溝１４ｄと冷媒配管１７の端部１７ｃの外周面に形成された溝１７ａ間の凸部１７ｂとが噛み合ってクリアランスＷａが均一であることからクリアランスＷａに均等に自重落下しつつ浸透する。接合後、ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂに開けられたヘアピン管貫通孔１４ｃからろう材１６の浸透を確認する。

以上のように、伝熱性能を向上させるためにアルミニウム製のヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂに形成されている溝１４ｄと同様な溝１７ａを冷媒配管１７に形成した状態で端部１４ａ，１４ｂに冷媒配管１７の端部１７ｃを嵌め込み、さらにその状態から外側からかしめる。この構造によってヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂと冷媒配管１７の端部１７ｃとのクリアランスＷａを一定寸法にすることができ、信頼性の高い接合を行うことができる。
アルミニウム製のヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂとアルミニウム製の冷媒配管１７とは、凸部１７ｂが溝１４ｄに入り込むために噛み合い、クリアランスＷａを周方向でより精度よく一定寸法にする。この構成によって、ろう材１６の凝固欠陥の生成を防ぐことができる。
また、ヘアピン管貫通孔１４ｃからろう材１６の浸透性を確認する。これらによって、信頼性の高い接合を行うことができる。

なお、本実施の形態では、冷媒配管１７の溝１７ａの間の凸部１７ｂが溝１４ｄに入り込むことで噛み合うが、これに限られない。ヘアピン管１４の端部１４ａ，１４ｂの溝１４ｄの間の凸部が冷媒配管１７の溝１７ａに入り込むことで噛み合うものでもよい。
また、本実施の形態では、ヘアピン管１４および冷媒配管１７がアルミニウム製であったが、これに限られない。例えば、ヘアピン管１４または冷媒配管１７が銅製等であってもよい。
また、本発明の熱交換器としては、本実施の形態に係る室外熱交換器４のほかに、室内熱交換器９であってもよい。

１圧縮機、２マフラー、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，８ｂストップバルブ、９室内熱交換器、１０補助マフラー、１１制御部、１２フィン、１３固定板、１４ヘアピン管、１４ａ，１４ｂ端部、１４ｃヘアピン管貫通孔、１４ｄ溝、１５ベンド、１６ろう材、１７冷媒配管、１７ａ溝、１７ｂ凸部、１７ｃ端部、１８伝熱管、１００空気調和装置、Ａ、Ｂ接合部。

Claims

一定の間隔で配列された複数のフィンと、
配列された各フィンを貫通して固定され、端部の内表面に複数の溝が形成された伝熱管と、
前記伝熱管につながった冷媒配管と、
前記伝熱管の端部と前記冷媒配管の端部とが接合された接合部と、
を備え、
前記冷媒配管は、該配管の端部の外表面に複数の溝が形成され、
前記接合部は、前記冷媒配管の端部が前記伝熱管の端部に挿入されて前記伝熱管の端部が外側からかしめられた熱交換器。
前記接合部は、前記伝熱管の端部の内表面に形成された溝と、前記冷媒配管の端部の外表面に形成された溝間の凸部とが噛み合う請求項１に記載の熱交換器。
一定の間隔で配列された複数のフィンと、
配列された各フィンを貫通して固定され、端部の内表面に複数の溝が形成された伝熱管と、
前記伝熱管につながった冷媒配管と、
前記伝熱管の端部と前記冷媒配管の端部とが接合された接合部と、
を備え、
前記冷媒配管は、端部の外表面に複数の溝が形成され、
前記接合部は、前記冷媒配管の端部が前記伝熱管の端部に挿入されて前記伝熱管の端部の内表面に形成された溝と前記冷媒配管の端部の外表面に形成された溝間の凸部とが噛み合った熱交換器。
前記伝熱管の端部に、内外表面に貫通する貫通孔を設けた請求項１から３のいずれか1項に記載の熱交換器。
前記伝熱管および前記冷媒配管は、アルミニウム製である請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記接合部の前記伝熱管と前記冷媒配管とのクリアランスにろう材を浸透させた請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器を備えた空気調和装置。