JP2011099630A - 熱交換器及びこの熱交換器を用いた冷蔵庫、空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管を扁平化しても、管内圧力によってこの扁平伝熱管が変形することがなく、伝熱性能に優れ、通風抵抗が減少し、熱交換能力を増大させることができるようにする。
【解決手段】中隔の壁３２により画成された第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂを有する扁平伝熱管３Ａと、伝熱特性を有しかつ扁平伝熱管の外周に複数並設されて空気流路を形成する耐熱フィン２とを備え、扁平伝熱管を、その外表面に低温ロウ材を塗布して、その扁平形状の長手方向が空気の流入方向Ａと平行となるように耐熱フィンに設けた取付穴２１に挿入し、これら扁平伝熱管と耐熱フィンを１５０〜３５０度の炉中でロウ付けにより接合し、一体的に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば冷蔵庫用熱交換器や空気調和機用熱交換器として好適な熱交換器に関する。

従来の冷蔵庫、空気調和機を構成する熱交換器に、耐熱フィンチューブ型熱交換器と呼ばれるものがある。この耐熱フィンチューブ型熱交換器は、一定の間隔で配置されてその間を気体（空気）が流れる板状フィンと、この板状フィンに直交して挿入され、内部に冷媒が流れる伝熱管とにより構成されている。

フィンチューブ型熱交換器の伝熱性能に影響を与える因子としては、冷媒と伝熱管との間の冷媒側熱伝達率、伝熱管とフィンとの間の接触熱伝達率、及び空気とフィンとの間の空気側熱伝達率が知られている。

冷媒と伝熱管との間の冷媒側熱伝達率を向上させるためには、伝熱面積拡大と冷媒の攪拌効果が得られる内面溝付伝熱管とする。これにより、管内性能を促進することができるとされている。

また、空気とフィンとの間の空気側熱伝達率を促進する方法としては、隣接する伝熱管の間に、板状フィンの切り起こしによるスリット群を設ける。このスリット群は、スリットの切り起こし部が風向きに対して対向するように設けられ、その切り起こし部において空気流の速度境界層および温度境界層を薄くして、乱流による攪拌効果を発現させる。これにより、伝熱促進が行われ、熱交換能力が増大するとされている。

伝熱管とフィンとの間の接触熱伝達率は、伝熱管とフィンとの接触状態に影響される。例えば、伝熱管を拡管してフィンに固定する際、伝熱管の外面とフィンとの間に、伝熱管外面のうねりによる隙間とフィンカラー変形による隙間が発生する。これらの隙間による接触熱伝達率低下は、熱交換器全体の伝熱性能の５％程度であると考えられている（例えば、非特許文献１参照）。

ところで、フィンと伝熱管との接合部となるフィンカラー内面に、金属粉末などの熱伝導性微粉末を油などに混入したペーストを介在させることで、前述のような隙間が形成されるのを最小限にして、接触熱伝達率を向上させることができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、伝熱管として内面に凹凸形状を有する偏平チューブを用いることで、熱交換効率を向上させることができるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、Fe₂P、CO₂P、Mg₃P₂、Cu₃Zr、Cr、Co、Fe、NiB、Ni₂Si、TiFe₂の１種または複数種により析出硬化された耐熱銅合金からなるプレートチューブ及びコルゲートフィンを積層し、それらを融点が４５０℃〜６５０℃の低温りん入りロウ材によりロウ付け接合することで、熱伝導率、機械的強度、耐熱性、耐食性に優れた特性をを向上させることができるようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開昭５８−１５８４９３号（図２，図３） 特開平１１−９４４８１号公報（図１，図２） 特開２０００−１３５５５８（図１）

中田、「空調用熱交換器における最適設計と経済性」、機械の研究、１９８９、第４１巻、第９号、ｐ.１００５〜１０１１

しかしながら、フィンと伝熱管との接合部となるフィンカラー内面に、金属粉末などの熱伝導性微粉末を油などに混入したペーストを介在させるようにしたものにあっては、フィンカラー内面に金属粉末を隙間無く、塗布するのが難しく、製造コストも増加する。

また、伝熱管として偏平チューブを用いたものにあっては、冷凍システム運転中、管内圧力により偏平チューブが変形し易く、この場合には偏平チューブと板状フィンとの密着性が悪化する。

また、耐熱銅合金からなるプレートチューブ及びコルゲートフィンを積層し、それらを融点が４５０℃〜６５０℃の低温りん入りロウ材によりロウ付け接合するようにしたものにあっては、高温の加熱工程が必要になるため、製造コストが増加する。更に、コルゲートフィンを使用すると、フィン表面に凝縮液が常時存在し易くなり、露跳びおよび腐食の問題が発生する可能性があった。

ところで、熱交換器の高性能化を目的として、伝熱管を細径化することが考えられる。しかし、この場合には、伝熱管を細径化することによる管内熱伝達率の増大に伴い、圧力損失も増大するため、これらを最適化することが必要になる。また、細径伝熱管は、伝熱性能的には有利であるが、伝熱管の製作費用が増大するという難点がある。

本発明の技術的課題は、伝熱管を扁平化しても、管内圧力によってこの扁平伝熱管が変形することがなく、伝熱性能に優れ、通風抵抗が減少し、熱交換能力を増大させることができるようにすることにある。

本発明に係る熱交換器は、下記の構成からなるものである。すなわち、中隔の壁により画成された第１及び第２の冷媒流路を有する扁平伝熱管と、伝熱特性を有しかつ扁平伝熱管の外周に複数並設されて空気流路を形成する耐熱フィンとを備え、扁平伝熱管は、その外表面に低温ロウ材が塗布されて、その扁平形状の長手方向が空気の流入方向と平行となるように耐熱フィンに設けた取付穴に挿入され、これら扁平伝熱管と耐熱フィンが１５０〜３５０度の炉中でロウ付けされることで、接合され、一体的に固定されているものである。

本発明の熱交換器によれば、扁平伝熱管と耐熱フィンがロウ付けにより一体的に固定されているので、扁平伝熱管と耐熱フィンとの接触熱抵抗をほぼゼロにできる。
また、扁平伝熱管には、中隔の壁により画成された第１と第２の冷媒流路を設けているので、冷媒流路が細径化され、伝熱性能が向上する。
さらに、扁平伝熱管はその扁平形状の長手方向が空気の流入方向と平行となるように前記耐熱フィンに設けた取付穴に挿入されて設けられているので、通風抵抗が減少し、熱交換能力を増大させることができ、延いてはこの熱交換器を用いた冷蔵庫、空気調和機の高効率な運転を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の要部である扁平伝熱管を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の扁平伝熱管と耐熱フィンの接合部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の要部である扁平伝熱管を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の扁平伝熱管の拡管後の突条の高さと熱交換率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の要部である扁平伝熱管を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の要部である扁平伝熱管を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態１に係る熱交換器を示す正面図、図２はその要部である扁平伝熱管を示す断面図、図３はその扁平伝熱管と耐熱フィンの接合部を拡大して示す断面図である。

本実施の形態の熱交換器すなわちフィンチューブ型熱交換器１は、図１乃至図３のようにフィンが耐熱性及び伝熱特性を有する銅合金またはアルミニウム合金などの金属板で構成されている（後述の他の実施の形態においても同様である）。また、この耐熱フィン２は、空気の流入方向Ａと平行に、かつ図１で見て紙面直交方向に所定の間隔で複数並設されている。耐熱フィン２の上下方向には、耐熱フィン２と直交して貫通する複数の扁平伝熱管３Ａが設けられている。なお、耐熱フィン２の厚さは２０〜４０μｍに形成することが望ましい。これにより、耐熱フィン２の通風抵抗が減少できる。

扁平伝熱管３Ａは、銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金などの金属材料で構成されている（後述の他の実施の形態においても同様である）。また扁平伝熱管３Ａは、その断面の輪郭形状が、図１及び図２のように空気の流入方向Ａに沿って細長くかつ上下の辺がストレート状（扁平伝熱管３Ａの上下面が平坦である）に形成された小判状を呈している。そして、図２で見てこの横長の輪郭内の左右に、断面半円状の第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂが設けられ、軸方向に平行に延設されている。また、第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂの間に中隔の壁３２が形成されていて、上下の平坦面が中隔の壁３２により接続されている。したがって、中隔の壁３２は、扁平伝熱管３Ａの内圧に対する上下平坦面の補強リブとして作用し、扁平伝熱管３Ａが内圧によって変形するのを防止する機能を有する。

第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂは、半径ｒが１〜３mmとなるように、例えば流路内部に液圧（高圧）をかけることで拡径されている。半径ｒを１〜３mmとした理由は次の通りである。
すなわち、半径ｒが１mm未満であると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が大きくなり、結果として熱交換性能が低下する。
また、半径ｒが３mmを超えると、管内冷媒流速が遅くなり熱交換性能が低下するばかりでなく、扁平伝熱管３Ａの幅が大きくなって、空気流の圧力損失が増大する。
よって、本実施の形態における第１、第２冷媒流路３１ａ，３１ｂの拡径後の半径ｒを、１〜３mmとしたものである（後述の他の実施の形態における冷媒流路の半径ｒも同様である）。

次に、前記のような第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂを有する扁平伝熱管３Ａと耐熱フィン２の取付穴２１との接合の一例について説明する。扁平伝熱管３Ａは、その外表面に低温ロウ材４が塗布されており、図３のように耐熱フィン２に設けた取付穴２１に挿入されている。そして、これら耐熱フィン２と予め低温ロウ材４が塗布された扁平伝熱管３Ａは、低温１５０〜３５０度の炉中で低温ロウ材４によりロウ付けすることで、完全に接合され、一体的に固定されている。

この場合、第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂの中隔の壁３２の最薄肉部の肉厚ｔ２を、第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂの他の部位の壁の肉厚ｔ１の１．５倍の肉厚とすることが望ましい。これにより、中隔の壁３２のリブ機能を強化でき、扁平伝熱管３Ａの耐圧強度を高めることができる。このため、伝熱管の外形を扁平化しても管内圧力による扁平伝熱管３Ａの変形が発生せず、扁平伝熱管３Ａと耐熱フィン２との密着性を悪化させることなく、熱交換効率を向上させることができる高能率の熱交換器を得ることができ、延いてはこの熱交換器を用いた冷蔵庫、空気調和機の高効率な運転を実現することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る熱交換器の要部である扁平伝熱管を示す断面図、図５はその扁平伝熱管拡管後の突条の高さと熱交換率との関係を示すグラフであり、図４中、前述の実施の形態１のものに相当する部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図１及び図３を参照するものとする。

本実施の形態の熱交換器すなわちフィンチューブ型熱交換器１は、扁平伝熱管３Ｂが、銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金などの金属材料で構成されている。また、扁平伝熱管３Ｂの横長の輪郭内の左右に設けた断面半円状の第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂの内壁面に、周方向に所定の間隔で配置されて管軸方向にスパイラル状に延びる断面ほぼ四角形状の突条（または溝）３３を設けたものである。それ以外の構成は、全て前述の実施の形態１と同一である。

本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器において、扁平伝熱管３Ｂは、前述の要領により、耐熱フィン２の取付穴２１に挿入され、（第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂを）前述と同じ低温の炉中で耐熱フィン２と扁平伝熱管３Ｂを低温ロウ材で完全に接合して、一体的に固定する。

本実施の形態の扁平伝熱管３Ｂにおいては、基本的に拡管後の突条３３の高さｈ（突出長）が高い程、その熱伝達率も高くなる。これは、突条３３の存在により冷媒との接触面積が増大するからである。なお、突条３３を溝に代えても同様に冷媒との接触面積は増大する。

しかし、図５のように拡管後の突条３３の高さ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、結果として、熱交換率が低下する。一方、拡管後の突条３３の高さｈが０．１mm未満の場合、熱伝達率が向上しない。

よって、本実施の形態における扁平伝熱管３Ｂの第１及び第２の冷媒流路３１ａ，３１ｂの拡管後の突条３３の高さｈ（突出長）を、０．１〜０．３mmとしたものである。これにより、流路内圧力を増大させることなく、伝熱性能をより向上させることができる高能率の熱交換器を得ることができ、延いてはこの熱交換器を用いた冷蔵庫、空気調和機の高効率な運転を実現することができる。

なお、突条３３の断面形状は四角形状に限定されるものでなく、例えば三角形状、台形状、半円形状等、適宜選択すればよく、いずれの断面形状も採用可能である。更に、既述したように突条３３でなく、溝を形成しても同等の作用、効果を奏する。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す正面図、図７はその要部である扁平伝熱管を示す断面図であり、各図中、前述の実施の形態１のものに相当する部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図３を参照するものとする。

本実施の形態の熱交換器すなわちフィンチューブ型熱交換器１は、耐熱フィン２が銅合金またはアルミニウム合金などの耐熱性金属板で構成されている。また耐熱フィン２は、空気の流入方向Ａと平行に、かつ図６で見て紙面直交方向に所定の間隔で複数並設されている。耐熱フィン２の上下方向には、耐熱フィン２と直交して貫通する複数の扁平伝熱管３Ｃが設けられている。

扁平伝熱管３Ｃは、銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金などの金属材料で構成されている。また扁平伝熱管３Ｃは、その断面の輪郭形状が、図６及び図７のように空気の流入方向Ａに沿って細長くかつ外周面が左右対称の凹凸状に形成されている。そして、図７で見てこの横長の輪郭内の左右に、断面円形の第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄが設けられ、軸方向に平行に延設されている。また、第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄの間に中隔の壁３２が形成されていて、上下の凹面が中隔の壁３２により接続されている。したがって、中隔の壁３２は、扁平伝熱管３Ｃの内圧に対する上下凹面の補強リブとして作用し、扁平伝熱管３Ｃが内圧によって変形するのを防止する機能を有する。

次に、前記のような第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄを有する扁平伝熱管３Ｃと耐熱フィン２の取付穴２１（図３）との接合の一例について説明する。扁平伝熱管３Ｃは、その外表面に低温ロウ材４が塗布されており、図３のように耐熱フィン２に設けた取付穴２１に挿入されている。そして、これら耐熱フィン２と扁平伝熱管３Ｃは、低温１５０〜３５０度の炉中で低温ロウ材４によりロウ付けすることで、完全に接合され、一体的に固定されている。

この場合、第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄの中隔の壁３２の最薄肉部の肉厚ｔ２を、第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄの他の部位の壁の肉厚ｔ１の１．５倍の肉厚とすることが望ましい。これにより、中隔の壁３２のリブ機能を強化でき、扁平伝熱管３Ｃの耐圧強度を高めることができる。このため、伝熱管の外形を扁平化しても管内圧力による扁平伝熱管３Ｃの変形が発生せず、扁平伝熱管３Ｃと耐熱フィン２との密着性を悪化させることなく、熱交換効率を向上させることができる高能率の熱交換器を得ることができ、延いてはこの熱交換器を用いた冷蔵庫、空気調和機の高効率な運転を実現することができる。

実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４に係る熱交換器の要部である扁平伝熱管を示す断面図であり、図中、前述の実施の形態２，３のものに相当する部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図３及び図６を参照するものとする。

本実施の形態の熱交換器すなわちフィンチューブ型熱交換器１は、扁平伝熱管３Ｄが、銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金などの金属材料で構成されている。また、扁平伝熱管３Ｄは、その断面の輪郭形状が、図６及び図８のように空気の流入方向Ａに沿って細長くかつ外周面が左右対称の凹凸状に形成されている。そして、図８で見てこの横長の輪郭内の左右に、断面円形の第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄが設けられ、軸方向に平行に延設されている。また、第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄの間に中隔の壁３２が形成されていて、上下の凹面が中隔の壁３２により接続されている。また、第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄの内壁面に、周方向に所定の間隔で配置されて軸方向にスパイラル状に延びる断面ほぼ四角形状の突条３３を設けたものである。それ以外の構成は、全て前述の実施の形態３と同一である。

次に、前記のような第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄを有する扁平伝熱管３Ｄと耐熱フィン２の取付穴２１（図３）との接合の一例について説明する。扁平伝熱管３Ｄは、その外表面に低温ロウ材４が塗布されており、図３のように耐熱フィン２に設けた取付穴２１に挿入されている。そして、これら耐熱フィン２と扁平伝熱管３Ｄは、低温１５０〜３５０度の炉中で低温ロウ材４によりロウ付けすることで、完全に接合され、一体的に固定されている。

本実施の形態の扁平伝熱管３Ｄにおいても、基本的に拡管後の突条３３の高さｈ（突出長）が高い程、その熱伝達率も高くなる。しかし、既述したように拡管後の突条３３の高さ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、結果として、熱交換率が低下する。一方、拡管後の突条３３の高さｈが０．１mm未満の場合、熱伝達率が向上しない。

よって、ここでも扁平伝熱管３Ｄの第１及び第２の冷媒流路３１ｃ，３１ｄの拡管後の突条３３の高さｈ（突出長）を、０．１〜０．３mmとする。これにより、流路内圧力を増大させることなく、伝熱性能をより向上させることができる高能率の熱交換器を得ることができ、延いてはこの熱交換器を用いた冷蔵庫、空気調和機の高効率な運転を実現することができる。

なお、ここでも突条３３の断面形状は四角形状に限定されるものでなく、例えば三角形状、台形状、半円形状等、適宜選択すればよく、いずれの断面形状も採用可能であることは言うまでもない。更に突条３３でなく、溝を形成しても同等の作用、効果を奏する。

以上説明したフィンチューブ型熱交換器１は、ＨＣ単一冷媒、またはＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、テトラフルオロプロペンと、このテトラフルオロプロペンよりも沸点の低いＨＦＣ系冷媒とからなる非共沸混合冷媒または二酸化炭素等のいずれかの冷媒を使用する熱交換器として、冷蔵庫や空気調和機の蒸発器や凝縮器などに用いられる。

１ フィンチューブ型熱交換器（熱交換器）、２ 耐熱フィン、３Ａ〜３Ｄ 扁平伝熱管、２１ 取付穴、３１ａ，３１ｃ 第１の冷媒流路、３１ｂ，３１ｄ 第２の冷媒流路、３２ 中隔の壁、３３ 突条。

Claims (8)

1. 中隔の壁により画成された第１及び第２の冷媒流路を有する扁平伝熱管と、
   伝熱特性を有しかつ前記扁平伝熱管の外周に複数並設されて空気流路を形成する耐熱フィンとを備え、
   前記扁平伝熱管は、その外表面に低温ロウ材が塗布されて、その扁平形状の長手方向が空気の流入方向と平行となるように前記耐熱フィンに設けた取付穴に挿入され、これら扁平伝熱管と耐熱フィンがロウ付けされることで、接合され、一体的に固定されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記扁平伝熱管の前記第１及び第２の冷媒流路の内面には、それぞれ管軸方向にスパイラル状に延びる突条または溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記扁平伝熱管は、その扁平形状の長軸を挟む両側の外周面が平坦、又は前記中隔の壁を挟む両側の外周面が線対称の凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換器。
4. 第１及び第２の冷媒流路は、半径ｒが１〜３mmとなるように拡径されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記耐熱フィンの厚さを２０〜４０μｍとしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器を用いた冷蔵庫。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器を用いた空気調和機。
8. 冷媒として、ＨＣ単一冷媒、またはＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、テトラフルオロプロペンとこのテトラフルオロプロペンよりも沸点の低いＨＦＣ系冷媒とを含む非共沸混合冷媒、または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７記載の空気調和機。

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