JP2006125658A

JP2006125658A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2006125658A
Application number: JP2004310510A
Authority: JP
Inventors: Naotake Kokubu; 尚武國分
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】可燃性冷媒を用いた冷却装置に使用される、大型で、かつ冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供するものである。
【解決手段】内部に冷媒を流通させる熱交換器において、互いに間隔を取りながら重ねられた平板状フィン３に、伝熱管２を挿入して固定したフィンチューブ組立品４を、継ぎ手配管５により複数接続して一つの熱交換器１を構成することにより、大型で、かつ冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器１を提供することができるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、可燃性冷媒を使用した冷凍サイクルに使用される熱交換器に関するものである。

近年、地球のオゾン層を保護する観点から、自動販売機や冷蔵庫などにおける冷却装置の冷凍サイクルに使用されていた冷媒ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）―１２あるいはＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）―２２といった塩素原子を含んだ冷媒の使用が規制され、塩素原子を含まず、オゾン層を破壊しないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒への転換が進行している。

従来、主にＨＣＦＣ―２２冷媒を用いていた自動販売機においては、その代替冷媒として、ＨＦＣ冷媒の混合冷媒であるＲ―４０７Ｃが、ＣＦＣ―１２冷媒を用いていた冷蔵庫においては、その代替冷媒としてＨＦＣ１３４ａが採用されている。

一方、これらＲ―４０７ＣなどのＨＦＣ冷媒は、オゾン層破壊はないものの、地球温暖化係数が高いため、地球温暖化に対しては不十分な冷媒となり、そのため地球温暖化係数の低い冷媒として、ＨＦＣ冷媒に代わってＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒が使用されている。

ＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒は可燃性冷媒であり、漏洩時の爆発事故防止等の点から、冷凍空調機器に用いられる熱交換器の溶接部の低減、封入冷媒量の低減が重視されるようになってきた。また、地球資源の有効活用、消費電力抑制の観点から、冷凍空調機器に用いられる熱交換器の効率化が求められている。

可燃性冷媒を使用する冷凍サイクルに使用される熱交換器としては、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブを用いた熱交換器がある。

図７は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の斜視図である。

図７に示すように、熱交換器１は内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管２と、互いに間隔を取りながら重ねられ、伝熱管２を挿入されて固定される平板状フィン３とから構成され、伝熱管２は、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工されたサーペンタインチューブである。伝熱管２内を流動する冷媒と平板状フィン３の隙間を流れる空気が伝熱管２及び平板状フィン３を介して熱交換するものである。

伝熱管２を、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工されたサーペンタインチューブにすることで、溶接部を大幅に低減することができる。

図８は、特許文献２に記載された従来の他の熱交換器の正面図である。

図８に示すように、熱交換器１は、ヘアーピン８とリターンベンド９を溶接することにより冷媒経路を構成したもので、ヘアーピン８には平板状フィン３が密着している。特許文献１に記載された熱交換器に比べると溶接部が多くなるため、可燃性冷媒を用いた冷却システムに使用される例は少なく、多くはＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒などに使用される。
特許第２５５５４５３号公報特許第３１９８１６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の熱交換器は、伝熱管が一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブであるため、パイプ一本当たりの全長が長く、曲げ加工を行なう前の真っ直ぐな状態のパイプを、曲げ加工工程までの一時的な間、保管するための多大なスペースを工場内に確保する必要がある。可燃性冷媒を使用する冷蔵庫や自動販売機に現在使用される熱交換器のパイプ全長は、最大でも１０ｍ程度であるが、さらに大きな熱交換器を必要とする冷却装置（例えば産業機器など）に、可燃性冷媒を使用することを想定した場合、特許文献１に記載された従来の熱交換器の伝熱管を構成するパイプ全長は数１０ｍにも及ぶ。工場内に全長数１０ｍものパイプを保管するスペースを確保することは困難であり、製造工程の観点から見ても大きなロスを生じ、製造は困難であるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の冷媒流動経路を、少なくとも一つは２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成される伝熱管と、伝熱管端部同士をつなぐ継ぎ手配管とから構成することで、パイプ一本当たりの全長を短くすることができ、従来と同等の製造スペースで、特許文献２に記載された、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、互いに間隔を取りながら重ねられた平板状フィンに内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管を挿入し固定したフィンチューブ組立品と、少なくとも２つ以上の前記フィンチューブ組立品の伝熱管端部同士をつなぐ継ぎ手配管とから構成され、前記伝熱管の少なくとも１つは２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成されたものである。

これによって、伝熱管一本当たりの全長が、一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで構成する場合に比べて短くなるため、曲げ加工を行なう前の真っ直ぐな状態のパイプを曲げ加工工程までの一時的な間、保管するためのスペースの低減が図れ、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

本発明は、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、互いに間隔を取りながら重ねられた平板状フィンに内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管を挿入し固定したフィンチューブ組立品と、少なくとも２つ以上の前記フィンチューブ組立品の伝熱管端部同士をつなぐ継ぎ手配管とから構成され、前記伝熱管の少なくとも１つは２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成されたものであり、少なくとも２つ以上の前記フィンチューブ組立品同士を継ぎ手配管で接続し一つの熱交換器を構成することで、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、伝熱管一本当たりの全長が短くなる。そのため、製造工程において、曲げ加工を行なう前の真っ直ぐな状態のパイプを、曲げ加工工程までの一時的な間、保管するためのスペースを低減することができ、同一製造スペースで、従来に比べて大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると溶接箇所数を大幅に低減することができるため、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。例えば３列１０段の熱交換器で比較した場合、溶接箇所数を３０箇所から６箇所と、大幅に低減することが可能である。また、少なくとも２つ以上の前記フィンチューブ組立品同士を継ぎ手配管で接続し一つの熱交換器を構成することで、空気の流れ方向に対して平板状フィンを分割した形で配置することが可能となり、境界層前縁効果により高い熱交換能力を確保することが可能になる。また、平板状フィンや伝熱管又はフィンチューブ組立品を、複数の製品に対して効率的に兼用することが可能となり、材料コストを低減することができる。また、平板状フィンを配列する間隔（フィンピッチ）が異なる複数のフィンチューブ組立品から一つの熱交換器を構成することが可能となり、埃の目詰まりや着霜などの平板状フィン目詰まりによる性能劣化を、部分的に回避することができる。また、一つの熱交換器において、空気抵抗の高い部分のフィンピッチが疎に、低い部分のフィンピッチが密になるように構成することも可能であり、空気抵抗の均一化を図ることができ、熱交換能力を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記伝熱管は、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成されることを特徴としたものであり、伝熱管を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、熱交換器の開口部形状が同一の場合（列数又は段数、フィン部長さが同一の場合）に伝熱管を兼用することができ、部品兼用の効率化による材料コスト低減をはかることができる。また、伝熱管を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、伝熱管の配置を自由に設定することが可能になる。そのため、開口部形状や熱交換能力を考慮して、最適な伝熱管の配置をすることができる仕様の熱交換器を提供することができる。ここで、列方向とは平板状フィン表面に沿って熱交換器本体を空気が通過する方向で、段方向とは、平板状フィンに平行で、かつ列方向に直角な方向である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記伝熱管は平面状に曲げ加工されたことを特徴としたものであり、平面状の伝熱管と継ぎ手配管により冷媒経路部が構成されることになり、冷媒経路部におけるパイプひねり加工部をなくすことができる。そのため、冷媒経路部を構成するパイプのひねり加工による加工硬化部分を無くすことができ、液圧拡管などによる、伝熱管とフィンの密着性を良化することができ、熱交換能力を向上することができる。また、伝熱管にひねり加工部が無いため、ひねり加工による機械的負荷がかからず、ひねり加工を施す場合に比べて、伝熱管の肉厚を薄くすることが可能となり、材料コストの低減を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記平板状フィンは、フィンカラーを有することを特徴としたものである。これにより、平板状フィンと伝熱管の密着力が向上し、熱交換効率が向上し、可燃性冷媒の封入量を低減することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、冷媒経路を複数経路で構成したことを特徴としたものであり、冷媒経路を複数経路で構成することで、伝熱管一本当たりに流れる冷媒の量を低減することができ、効率的な熱交換の促進、液冷媒の偏流の防止、管内圧力損失の低減が可能となり、熱交換効率が向上し、可燃性冷媒の封入量を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図である。図２は、同実施の形態におけるフィンチューブ組立品の斜視図である。図３は、同実施の形態における熱交換器の伝熱管の斜視図である。図４は、同実施の形態における熱交換器の伝熱管の他の実施例の斜視図である。図５は、同実施の形態における熱交換器の平板状フィンの斜視図である。

図１において、熱交換器１は、互いに間隔を取りながら重ねられた平板状フィン３に、内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管２を挿入し固定した、図２に示すようなフィンチューブ組立品４と、少なくとも２つ以上のフィンチューブ組立品４同士をつなぐ継ぎ手配管５とから構成され、伝熱管２の少なくとも１つは、２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成されているものである。

伝熱管２内を流動する可燃性冷媒と空気が伝熱管２および平板状フィン３を介して熱交換される。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、真っ直ぐなパイプを蛇行状に曲げ加工した伝熱管２を平板状フィン３に挿入し、水や油等の液圧やその他の手段で伝熱管２と平板状フィン３を密着固定させることでフィンチューブ組立品４を構成する。

この拡管工程は、場合によっては省略され、伝熱管２を平板状フィン３に挿入するだけでフィンチューブ組立品４の形状を保持する場合や、熱交換器１の状態まで組み立てた後に拡管を行なう場合もある。

次にフィンチューブ組立品４の伝熱管２同士を継ぎ手配管５で、溶接などにて接続することで熱交換器１を構成する。伝熱管２と継ぎ手配管５の接続手段は溶接やロー付けが一般的であるが、双方の材質などにより最適な手段も変わってくるため、冷媒漏れに対する信頼性を確保できる方法であれば手段は問わない。

このような構成にすることで、従来の熱交換器１のように一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、同一の大きさの熱交換器で比較した場合、パイプ単品当たりの全長を短くすることができる。

これにより、蛇行曲げ加工する前の真っ直ぐな状態のパイプを保管するスペースの低減を図ることができ、同一製造スペースで、従来に比べて大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

また、互いに間隔を取りながら重ねられた平板状フィン３に、伝熱管２を挿入し固定した、図２に示すような複数のフィンチューブ組立品４同士を、継ぎ手配管５で接続することにより熱交換器１を構成することで、空気の流れ方向に対して平板状フィン３を分割した形で配置することが可能となり、境界層前縁効果により高い熱交換能力を確保することが可能になる。

また、平板状フィン３や伝熱管２、又はフィンチューブ組立品４を複数の製品に対して効率的に兼用することが可能となり、材料コストを低減することができる。また、少なくとも２つ以上のフィンチューブ組立品４同士を継ぎ手配管で接続し一つの熱交換器を構成することで、平板状フィン３の配列の間隔（フィンピッチ）が異なる複数のフィンチューブ組立品４から一つの熱交換器１を構成することが可能となり、部分的に埃の目詰まりや着霜などの平板状フィン３の目詰まりによる性能劣化を回避することができる。また、一つの熱交換器１において、空気抵抗の高い部分のフィンピッチが疎に、低い部分のフィンピッチが密になるように構成することも可能であり、空気抵抗の均一化を図ることができ、熱交換能力を向上することができる。

また、図３に示すように、熱交換器１において、伝熱管２を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、熱交換器１の開口部形状が同一の場合（列数又は段数、フィン部長さが同一の場合）に伝熱管２を兼用することができ、部品兼用の効率化による材料コスト低減をはかることができる。また、伝熱管２を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、伝熱管２の配置を自由に設定することが可能になる。そのため、開口部形状や熱交換能力を考慮して、最適な伝熱管２の配置をすることができる仕様の熱交換器１を提供することができる。

また、図４に示すように、熱交換器１において、伝熱管２を平面状に曲げ加工することにより、冷媒経路部におけるパイプひねり加工部をなくすことができる。そのため、冷媒経路部を構成するパイプのひねり加工による加工硬化部分がゼロになり、液圧拡管などによる、伝熱管２と平板状フィン３の密着性を良化することができ、熱交換能力を向上することができる。

また、図５に示すように、熱交換器１において、平板状フィン３にフィンカラー６を設けることにより、平板状フィン３と伝熱管２の密着力を向上することができ、熱交換能力を向上することができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図である。

図６において、熱交換器１は、冷媒経路を５経路にしている。

熱交換器１は、冷媒経路を５経路で構成したものである。従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する熱交換器では、冷媒経路が一本の連続したパイプであるので、冷媒経路を複数経路で構成することは不可能である。

熱交換器１は、冷媒経路を複数経路で構成することで、伝熱管一本当たりに流れる冷媒の量を低減し、効率的な熱交換の促進、液冷媒の偏流の防止、管内圧力損失の低減が可能となり、熱交換効率が向上し、冷媒充填量を削減することができ、冷媒に可燃性冷媒を用いた場合の冷媒漏れによる発火の危険性を減少することができる。

冷媒経路を複数経路で構成する手段としては、図６に示すように分流器７を用いて伝熱管２の端部同士を接続するのが一般的であるが、冷媒をそれぞれの経路に均等に分流できれば手段は問わない。

また、蛇行状に曲げ加工された伝熱管２と伝熱管２同士を接続する継ぎ手配管５によって冷媒経路が構成されているため、冷媒経路の分け方は自由に設定することができるが、冷媒分流の均一性、製造工程におけるロス及び部品兼用の効率化などを考えると、伝熱管２を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成し、それぞれの伝熱管２の端部同士を分流器７で接続するような仕様が望ましい。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると冷媒漏れに対する信頼性が高いので、可燃性冷媒を用いた冷蔵庫、自動販売機はいうまでもなく、産業機器などより大きな熱交換器を必要とする冷却装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図同実施の形態におけるフィンチューブ組立品の斜視図同実施の形態における熱交換器の伝熱管の斜視図同実施の形態における熱交換器の伝熱管の他の実施例の斜視図同実施の形態における熱交換器の平板状フィンの斜視図本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図従来の熱交換器の斜視図従来の他の熱交換器の正面図

符号の説明

１熱交換器
２伝熱管
３平板状フィン
４フィンチューブ組立品
５継ぎ手配管
６フィンカラー

Claims

互いに間隔を取りながら重ねられた平板状フィンに内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管を挿入し固定したフィンチューブ組立品と、少なくとも２つ以上の前記フィンチューブ組立品の伝熱管端部同士をつなぐ継ぎ手配管とから構成され、前記伝熱管の少なくとも１つは２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成された熱交換器。
前記伝熱管は、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱管は平面状に曲げ加工されたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
前記平板状フィンは、フィンカラーを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
冷媒経路を複数経路で構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。