JPWO2019058514A1 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、扁平形状の伝熱管とは、縦幅(断面短軸方向)よりも横幅(断面長軸方向)を大きくした形状であって、内部に複数の流体流路が形成されている伝熱管のことである。断面扁平形状の伝熱管を、扁平管と称するものとする。また、断面円形状の伝熱管を、円管と称するものとする。
一方、プレートフィンチューブ型熱交換器は、伝熱管が、フィンに形成されている貫通穴又は切欠部に挿入するように配置された構成となっている。伝熱管は、フィンの並び方向に沿って延びるようにフィンの貫通穴又は切欠部に取り付けられる。切欠部は、フィンの一側面を開放するように形成されている。切欠部に挿入される伝熱管は、開放された側面から切欠部に挿入されることで、フィンに取り付けられる。
また、内部に複数の流路が形成された伝熱管を備えた熱交換器、及び、内面に溝が形成された伝熱管を備えた熱交換器も知られている。このような熱交換器では、伝熱管の内部に複数の流路を形成したり、伝熱管の内面に溝を形成したりすることによって、熱交換される表面積を増やし、熱交換性能を向上させている。
そして、熱交換器では、フィンの間を流動する空気等の熱交換流体と、伝熱管内を流動する水又は冷媒等の被熱交換流体と、の間で熱交換が実行される。
また、プレートフィンチューブ型熱交換器は、チューブとフィンとをロウ付けすることにより固定することで製造することができる。
また、拡管方法としては、伝熱管に流体を流し込み、伝熱管内の圧力を高めることにより伝熱管の内側から押し広げる方法が知られている。この拡管方法を、流体圧拡管方法と称するものとする。
一方、プレートフィンチューブ型熱交換器において、扁平管を用いる場合は、所定のフィンピッチで並べられたフィンに扁平管を挿入した後に、ロウ付けにより接合する方法が一般的である。これは、扁平管の微細に区切られた多数の並行流路に対して、剛体棒を挿入して拡管することが非常に困難であることが起因している。
一方で、流体圧拡管方法は、伝熱管及びフィン間の密着性が確保できるため、製造コストを低く抑えることができる。
そこで、流体圧拡管方法を用いて熱交換器を製造するようにした技術が特許文献1に開示されている。
また、冷凍サイクル装置の筐体サイズ等による構造的な制約が存在する場合、ヘッダのサイズが大きくなると、目的とする性能を得るため熱交換器が実現できなくなってしまう可能性がある。
一方、ロウ付けを用いずに他端を密封する場合、扁平管の内部流路は微小であるため、扁平管の内側からの密封は困難であり、扁平管の外側からの密封手段を用意する必要がある。
このため、ヘッダのコスト増加を抑制しつつ、熱交換器の信頼性を確保できる熱交換器、冷凍サイクル装置、及び、熱交換器の製造方法が望まれている。
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、上記の熱交換器を第1熱交換器及び第2熱交換器の少なくとも1つとして用いているので、その分、製造費用が低減できる。
本発明に係る熱交換器の製造方法によれば、ヘッダを介さずに、複数の伝熱管を拡管することが可能となり、ヘッダに伝熱管と同等以上の耐圧強度を備えさせる必要がなくなる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器の構成の一例を示す概略斜視図である。以下、実施の形態1に係る熱交換器を熱交換器1Aと称する。図2は、熱交換器1Aを空気の流れ方向から見た状態の一例を示す概略側面図である。図3は、熱交換器1Aを冷媒の流れ方向から見た状態の一例を示す概略側面図である。図1〜図3に基づいて、熱交換器1Aの一例について説明する。
複数本の伝熱管20Aは、フィン30Aに形成されている複数の貫通穴31Aに貫通するように装着され、フィン30Aと交差する。伝熱管20Aは、図3に示すように、断面円形状に構成されている。複数本の伝熱管20Aは、冷媒の流通方向に対して直交する段方向(紙面上下方向)に所定間隔で配置される。
上下に隣り合う伝熱管20Aの重力方向の距離は、フィン30Aの隣り合う貫通穴31AのピッチP2で一定としている。
また、伝熱管20Aは、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。
また、フィン30Aの貫通穴31Aが形成される領域を伝熱管領域31Rと称する。
さらに、フィン30Aの短手方向の両端部であって貫通穴31Aによって分断されずフィン30Aが長手方向に連なっている領域をフィン領域32Rと称する。
なお、フィン30Aは、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。
また、貫通穴31Aは、伝熱管20Aの断面形状に対応して円形状となっているが、形状を特定するものではない。
以下の説明において、フィン30Aの長辺方向を長手方向、短辺方向を短手方向と称している。
上下に隣り合う伝熱管20Bの重力方向の距離は、フィン30Bの隣り合う貫通穴31BのピッチP2で一定としている。
また、伝熱管20Bは、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。
また、フィン30Bの貫通穴31Bが形成される領域を伝熱管領域31Rと称する。
さらに、フィン30Bの短手方向の両端部であって貫通穴31Bによって分断されずフィン30Bが長手方向に連なっている領域をフィン領域32Rと称する。
なお、フィン30Bは、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。
また、貫通穴31Bは、長方形状となっているが、形状を特定するものではない。
以下の説明において、フィン30Bの長辺方向を長手方向、短辺方向を短手方向と称している。
伝熱管20Bは、図6に示すように、縦幅(断面短軸方向の長さ)よりも横幅(断面長軸方向の長さ)を大きくした形状に構成されている。複数の伝熱管20Bは、断面長軸の向きがフィン30Bの間を流れる流体の流通方向とされ、流通方向に対して直交する段方向(紙面上下方向)に所定間隔で配置される。なお、以下の説明において、伝熱管20Bの断面長軸、つまりフィン30Bの幅方向(短手方向)に伸びる部分を、伝熱管20Bの幅方向と称する場合がある。
なお、図6では、上面21aと下面21cとが平行になっている場合を例に示しているが、上面21a及び下面21cの少なくとも一方を傾斜させて両者が平行になっていなくてもよい。また、伝熱管20Bの断面形状が楕円形状等であってもよい。
なお、内壁22を含む伝熱管20Bの内面に溝又はスリットを形成してもよい。これにより、内穴23を流れる冷媒との接触面積が増えることになり、熱交換効率が向上する。
また、円筒型ヘッダ40−1の内径をdh、外壁部41の肉厚をth、引張強さをσとする。
このとき、円筒型ヘッダ40−1は、dh/thを2σ/{P*(da/n/tp−1)}以上となるように構成されている。
こうすることにより、円筒型ヘッダ40−1の外壁部41の肉厚を、円筒型ヘッダ40−1の内径と比較してより小さくすることができ、その分材料費を削減できる。
なお、円筒型ヘッダ40−1の内径とは、円筒部46の内径を意味している。
なお、以下では、第1板状部材91a〜第1板状部材91eを総称して、複数の第1板状部材91と称する場合がある。同様に、第2板状部材92a〜第2板状部材92dを総称して、複数の第2板状部材92と記載する場合がある。
なお、流路断面とは、流路を流体の流れと直交する方向で切った断面である。
なお、図12では、分配合流流路65が、1つの流体入口部に対して4つの流体出口部を有している場合を例に図示しているが、分岐数を4分岐に限定するものではない。
図12に示すように、接続配管61aを流れてきた冷媒は、第1板状部材91aの貫通穴を流体入口部として、上段分岐部60aの内部に流入する。この冷媒は、第2板状部材92aの貫通穴に流入する。
第1の工程51で伝熱管20Bを拡管した際に、伝熱管20Bをフィン30Bに密着させてもよいが、第2の工程52において、伝熱管20Bとヘッダ40とをロウ付けすると同時に、伝熱管20Bとフィン30Bともロウ付けしてもよい。この場合、伝熱管20B及びフィン30Bの少なくともいずれかの表面にロウ材を塗布又は積層しておき、第2の工程52で伝熱管20Bとフィン30Bとをロウ付けすればよい。
図15は、熱交換器1Bの製造方法における伝熱管の密封用器具70への取り付け方の他の一例を説明するための説明図である。図16は、熱交換器1Bの製造方法における伝熱管の密封用器具70への取り付け方の更に他の一例を説明するための説明図である。図15及び図16に基づいて、熱交換器1Bの製造方法で使用する密封用器具70の変形例について説明する。
ただし、伝熱管20Aを使用した場合であっても、ジョイントを介して伝熱管20Aを密封用器具70に取り付けるようにしてもよい。この場合、ジョイントの構成が、伝熱管20Aと密封用器具70に対応したものとなる。
図17は、熱交換器1Bが備えるフィン30Bとなる板状部材に切り込みを設けた状態を示す図である。図18は、熱交換器1Bが備えるフィン30Bの貫通穴31Bに伝熱管20Bを挿入した状態を示す図である。図19は、熱交換器1Bが備えるフィン30Bの貫通穴31Bに挿入した伝熱管20Bを拡管した状態を示す図である。図17〜図19に基づいて、伝熱管20Bとフィン30Bとの接合方法の一例について説明する。なお、フィン30Bとなる板状部材を板状部材30aとして示す。
また、第2のフィンカラー312と貫通穴31Bに挿入された伝熱管20Bとの隙間長さL3は、第1のフィンカラー311と貫通穴31Bに挿入された伝熱管20Bとの隙間長さL4よりも大きく設定されている。
なお、伝熱管20Bの長手面とは、冷媒の流れ方向における伝熱管20Bの外壁21の表面を意味している。
実施の形態1に係る熱交換器は、ヘッダ40が、dh/thが、2σ/{P*(da/n/tp−1)}以上となるように構成されている。そのため、実施の形態1に係る熱交換器では、ヘッダ40の外壁部41の肉厚を、ヘッダ40の内径と比較してより小さくできることになる。したがって、実施の形態1に係る熱交換器によれば、ヘッダ40の外壁部41の肉厚を小さくできる分の材料費が削減できる。
そのため、伝熱管20を密封用器具70により強固に固定できるので、密閉度が増し、高圧ガスの漏れを更に抑制できる。したがって、実施の形態1に係る熱交換器の製造方法によれば、第2の工程52における加圧効率を向上させつつ、製造上の安全性も向上させることが可能になる。また、信頼性の高い熱交換器を、効率よく、製造することができる。
本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置100について説明する。図22は、冷凍サイクル装置100の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。なお、冷凍サイクル装置100が空気調和装置である場合を例として説明する。図22では、冷房運転時の冷媒の流れを破線矢印で示し、暖房運転時の冷媒の流れを実線矢印で示している。
図22に示すように、冷凍サイクル装置100は、圧縮機101、第1熱交換器102、第1ファン105、絞り装置103、第2熱交換器104、第2ファン106、及び、流路切替装置107を備えている。圧縮機101、第1熱交換器102、絞り装置103、第2熱交換器104、及び、流路切替装置107が、冷媒配管110によって接続され、冷媒回路が形成されている。
なお、第1熱交換器102及び第2熱交換器104の少なくとも一方が、実施の形態1に係る熱交換器であるものとする。
第2ファン106は、第2熱交換器104に付設されており、第2熱交換器104に熱交換流体である空気を供給するものである。
次に、冷凍サイクル装置100の動作について、冷媒の流れとともに説明する。ここでは、熱交換流体が空気であり、被熱交換流体が冷媒である場合を例に、冷凍サイクル装置100の動作について説明する。第1熱交換器102が空調対象空間の空気を冷却又は加温するものとして、冷凍サイクル装置100の動作を説明する。なお、冷房運転時の冷媒の流れは、図22の破線矢印で示している。また、暖房運転時の冷媒の流れは、図22に実線矢印で示している。
図22に示すように、圧縮機101を駆動させることによって、圧縮機101から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、破線矢印にしたがって冷媒が流れる。圧縮機101から吐出した高温高圧のガス冷媒(単相)は、流路切替装置107を介して凝縮器として機能する第2熱交換器104に流れ込む。第2熱交換器104では、流れ込んだ高温高圧のガス冷媒と、第2ファン106によって供給される空気との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒(単相)になる。
図22に示すように、圧縮機101を駆動させることによって、圧縮機101から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、実線矢印にしたがって冷媒が流れる。圧縮機101から吐出した高温高圧のガス冷媒(単相)は、流路切替装置107を介して凝縮器として機能する第1熱交換器102に流れ込む。第1熱交換器102では、流れ込んだ高温高圧のガス冷媒と、第1ファン105によって供給される空気との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒(単相)になる。この熱交換によって、空調対象空間が加温されることになる。
実施の形態2に係る冷凍サイクル装置100は、実施の形態1に係る熱交換器を第1熱交換器102及び第2熱交換器104の少なくとも1つとして用いているので、熱交換器における信頼性の向上及びヘッダ40のコスト削減が実現できる。
このため、ヘッダのコスト増加を抑制しつつ、熱交換器の信頼性を確保できる、熱交換器の製造方法が望まれている。
Claims (12)
- 断面扁平形状であり、内部に内穴が複数形成されている複数本の伝熱管と、
前記複数本の伝熱管が接合された複数枚のフィンと、
前記複数本の伝熱管に接続され、内部に流体の流通流路を有するヘッダと、を備え、
前記伝熱管の断面長軸をda、前記伝熱管の前記内穴の個数をn、前記伝熱管の外壁の肉厚をtp、前記伝熱管の必要耐圧をPとし、
前記ヘッダの内径をdh、前記ヘッダの外壁部の肉厚をth、前記ヘッダの引張強さをσとしたとき、
前記ヘッダは、
dh/thが、2σ/{P*(da/n/tp−1)}以上に構成されている
熱交換器。 - 圧縮機、第1熱交換器、絞り装置、及び、第2熱交換器を冷媒配管によって接続した冷媒回路を有し、
請求項1に記載の熱交換器を、前記第1熱交換器及び前記第2熱交換器の少なくとも1つとして用いている
冷凍サイクル装置。 - フィンとなる板状部材に複数の貫通穴を形成し、
前記複数の貫通穴のそれぞれに伝熱管を挿入し、
前記伝熱管の一方の端部を密封し、
前記伝熱管の他方の端部からガスを供給して、前記伝熱管を拡管することで、前記伝熱管を前記フィンに接合し、
前記伝熱管を前記フィンに接合した後に、内部に流体の流通流路を有するヘッダに前記伝熱管をロウ付けする
熱交換器の製造方法。 - 前記伝熱管及び前記フィンの少なくとも1つの表面にロウ材を塗布又は積層し、
前記ヘッダと前記伝熱管とをロウ付けする際に、前記伝熱管と前記フィンともロウ付けする
請求項3に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記板状部材の伝熱管領域となる部分に切り込みを設け、
前記切り込みを介して前記板状部材を折り曲げてフィンカラーと前記貫通穴を形成し、
前記フィンカラーのうち前記フィンの長手方向に切り起こされた前記フィンカラーを第1のフィンカラーとし、
前記フィンカラーのうち前記フィンの短手方向に切り起こされた前記フィンカラーを第2のフィンカラーとしたとき、
前記第1のフィンカラーの前記フィンの短手方向の長さL1が、前記第2のフィンカラーの前記フィンの長手方向の長さL2よりも大きく、
前記第2のフィンカラーと前記貫通穴に挿入された前記伝熱管との隙間長さL3が、前記第1のフィンカラーと前記貫通穴に挿入された前記伝熱管との隙間長さL4よりも大きく設定されている
請求項3又は4に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記伝熱管の一方の端部を密封用器具に挿入することで前記伝熱管を密封するようになっており、
前記伝熱管の一方の端部の外周には外側に向かって突出する取付部が形成され、
前記密封用器具の前記伝熱管が挿入される挿入部には外側に向かって凹む凹部が形成され、
前記伝熱管は、
前記取付部が前記凹部に嵌め込むことで、前記密封用器具に固定される
請求項3〜5のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記伝熱管の一方の端部をジョイントを介して密封用器具に接続することで前記伝熱管を密封するようになっており、
前記ジョイントは、
前記密封用器具の挿入部に挿入される円管部が、前記挿入部によって内壁側及び外壁側から押さえ込まれることで、前記密封用器具に固定される
請求項3〜5のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記伝熱管の一方の端部を密封用器具に挿入することで前記伝熱管を密封するようになっており、
前記伝熱管には、前記伝熱管の一方の端部において内部に内穴を形成する内壁を有さない領域が形成され、
前記密封用器具には、前記伝熱管が挿入される挿入部が形成され、
前記伝熱管は、
前記内壁を有さない領域が、前記挿入部によって内壁側及び外壁側から押さえ込まれることで、前記密封用器具に固定される
請求項3〜5のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記伝熱管は、
一方の端部における外壁に面取り部が形成されている
請求項3〜8のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記面取り部は、
前記伝熱管の管内側点Aから管外側端Bへ向かう直線と、前記フィンの長手方向と、のなす角度θが、鋭角となるように形成されている
請求項9に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記伝熱管は、
断面形状が扁平形状又は円形状である
請求項3〜10のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記ヘッダは、
中空ヘッダ又は積層型ヘッダである
請求項3〜11のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
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