JP2012180961A - 熱交換器の製造方法、熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】拡径後の伝熱管に対しフィンとの隙間を埋めるための処理を施すことで伝熱管とフィンとの密着性を向上でき、熱交換性能の高い熱交換器を形成することが可能な熱交換器の製造方法等を提供する。
【解決手段】積層されたアルミニウム製の複数のフィン３１に設けられた複数の貫通孔に、アルミニウム製の複数の伝熱管３２を挿入して組み付けて本体を形成し、伝熱管３２に陽極端子を設置して本体を陽極酸化処理し、伝熱管３２の表面に酸化皮膜を生成して伝熱管とフィン３１の貫通孔との間の隙間を埋める。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱交換器の製造方法、熱交換器及び冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍空調機器の熱交換器は、フィンにスリットを設ける、またはフィン材に親水化処理等の表面処理を行うことにより、フィンと空気の熱伝達率が向上し高性能化が進んでいる。また伝熱管の管内に溝を設けることで、冷媒と伝熱管の熱伝達率が向上し高性能化が進んでいる。

ところで、熱交換器の製造に際しては、フィンの貫通穴に伝熱管を通し、伝熱管を機械的に拡管することでフィンと接合することが行われている。しかし、その接合界面（つまりフィンと伝熱管の密着部）には接触熱抵抗が存在し、密着が悪い（隙間が存在するなど）と接触熱抵抗が大きくなり、熱交換器の性能低下を引き起こす問題があった。

これらの問題を解決するため、伝熱管表面に予め有機樹脂の皮膜を設け、接合界面の隙間を前記樹脂で埋めることで接触熱抵抗を軽減することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また予め伝熱管の内面側に高さの異なる溝を設けて、伝熱管の機械的な拡管による広がりを調節し、密着を改善する案も提示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２８０８９２号公報（第１図） 特許第４０２０６７８号公報（第１図）

しかしながら、特許文献１の方法では接触熱抵抗の軽減は可能であるが、接合部の隙間の大きさは熱交換器内の伝熱管とフィンとの各密着部でそれぞれ異なるため、如何なる隙間量にも対応するためには有機樹脂を十分に厚く設ける必要がある。また有機樹脂なしで隙間なく密着している箇所と有機樹脂を介して接触する箇所との熱抵抗を比較すると、金属の熱伝導率＞有機樹脂の熱伝導率の関係から、樹脂を介して密着させても、熱交換器の性能改善にはつながらないといった問題があった。

また、特許文献２の方法では、伝熱管の内面側に高さの異なる溝を設ける必要があるが、溝の形成精度によっては密着の改善が十分得られない可能性もあり、密着性改善のための対策としては十分ではなかった。

また、特許文献１及び特許文献２のどちらも、伝熱管を拡径する前の段階で対策を施す方法であり、拡径後に対策を施すことについて検討されていない。しかし、最終的に得たいのは、拡径後の伝熱管がフィンに対して高い密着性で接合している状態であることを考慮すると、確実な密着性を得る上では、拡径後の伝熱管に対策を施すことが有効であると思われる。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、拡径後の伝熱管に対しフィンとの隙間を埋めるための処理を施すことで伝熱管とフィンとの密着性を向上でき、熱交換性能の高い熱交換器を形成することが可能な熱交換器の製造方法、熱交換器及び冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、積層されたアルミニウム製の複数のフィンに設けられた複数の貫通孔に、アルミニウム製の複数の伝熱管を挿入して組み付けて本体を形成し、伝熱管に陽極端子を設置して本体を陽極酸化処理し、伝熱管の表面に酸化皮膜を生成して伝熱管とフィンの貫通孔との間の隙間を埋めるものである。

本発明によれば、伝熱管とフィンとの密着性が向上して熱交換性能が向上した熱交換器を得ることができる。

本発明の一実施の形態を示す冷凍サイクル装置の冷媒回路を示した図である。 本発明の一実施の形態を示す熱交換器の詳細図である。 本発明の一実施の形態を示す機械式拡管の模式図である。 本発明の一実施の形態を示す伝熱管とフィンとの接触部の拡大図である。 本発明の一実施の形態を示す金属と金属の接触部の模式図である。 本発明の一実施の形態を示す陽極酸化処理の具体例を示した図である。

本発明の一実施の形態の構成について、図を用いて説明する。図１は、本発明の一実施の形態で用いられる一般的な蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
この冷凍サイクル装置は、室内機１１と室外機１２とを備えている。室外機１２は、圧縮機２１、室外機熱交換器２５、室外機用ファン２６及び膨張手段２４を備えている。室内機１１は、室内機熱交換器２２及び室内機用ファン２３を備えている。圧縮機２１、室外機熱交換器２５、膨張手段２４及び室内機熱交換器２２は順次配管で接続され、内部に冷媒が充填されている。室外機１２には更に冷媒回路上に四方弁２７が設けられており、四方弁２７の切り換えにより室外機熱交換器２５を凝縮器、室内機熱交換器２２を蒸発器としたり、室外機熱交換器２５を蒸発器、室内機熱交換器２２を凝縮器としたりする。この冷凍サイクル装置は、例えば空気調和機や給湯などに利用される。

（動作）
次に本装置の動作を説明する。ここでは室内を暖房運転するときの冷媒流れを想定した動作を記載する。このとき、四方弁２７は図１の実線で示す側に切り換えられている。
装置内の冷媒は圧縮機２１で圧縮され、高温高圧の冷媒となり、四方弁２７を介して室内機熱交換器２２へと流れ込む。室内機熱交換器２２へと流れ込んだ冷媒は室内機熱交換器２２で放熱し液冷媒となり、その後、膨張手段２４により膨張され気液二相の冷媒となる。室外機熱交換器２５では冷媒は周囲空気から吸熱を行い、気体となって圧縮機２１へと戻る。

図２は、図１の室内機熱交換器及び室外機熱交換器に一般的に用いられるフィンアンドチューブ型熱交換器（以下、熱交換器）の外観を示す図である。
熱交換器は主として複数のフィン３１と複数の伝熱管３２とで構成されている。複数のフィン３１は所定の間隔で積層されている。そして、伝熱管３２が、各フィン３１に設けられた貫通穴を貫通するように設けられている。フィン３１の材料は加工しやすく熱伝導率のよいアルミ板がよく用いられる。伝熱管３２を通じて流れ込んだ液冷媒はフィン３１を介して外部の空気と熱交換する。フィン３１において空気との熱交換過程を効率的に行うため、熱交換器はファン２３，２６からの空気がフィン３１に平行に熱交換器内部に送り込まれるように配置される。

図３は、図２に示した熱交換器の一般的な製造方法である機械式拡管を模式的に表した横断面図である。
フィン３１は図３に示すように一方向に複数枚、離間して積層される。そして、フィン３１の貫通穴に伝熱管３２が挿入された後、伝熱管３２の内部に、伝熱管３２の素管内径よりも大径で且つフィン３１の貫通穴と同程度の大きさの拡管玉４１を挿入して管軸方向に移動させる。これにより、伝熱管３２は拡管されて（拡管された部分４２）、フィン３１の貫通穴と密着する。なお、一般に伝熱管の拡管による拡大率は拡管率と定義されているが、拡管率は概ね５％程度である。

上記に示した熱交換器の製造方法において、製造上のばらつき（例えばフィン３１の貫通穴の径、または伝熱管３２の径など）により、必ずしも全ての密着部４３でフィン３１と伝熱管３２とを密着できるとは限らない。

図４は、発明者らが実際に作成した熱交換器の密着部の拡大写真を示す図である。
図４（ａ）はフィン３１と伝熱管３２とが良好な密着をしている。一方で（ｂ）は（ａ）と同一熱交換器内の別の密着部であるが、フィン３１と伝熱管３２の間に隙間が存在している。

この隙間が熱交換器の性能に与える影響を以下に記す。熱交換器の熱交換量Ｑは熱交換器の外表面積Ａ０、冷媒温度と流入空気との対数平均温度差ΔＴを用いて以下のように記載できる。

ここでＫは熱交換器の熱通過率を表し、冷媒と伝熱管、伝熱管とフィン、フィンと空気の熱交換過程を考慮すると以下のように記載できる。

ここでα₀ は空気とフィンとの熱伝達率、Ａ_iは管内表面積、α_iは冷媒と伝熱管との熱伝達率、Ｒ_t は接触熱抵抗である。式（１）より外表面積Ａ₀ を固定（熱交換器の大きさ固定）とし、対数平均温度差ΔＴが一定（運転条件を固定）であるとき、熱交換量Ｑを大きくするためには熱通過率Ｋを大きくする必要がある。また式（２）より外表面積Ａ₀ を固定且つ管内表面積Ａ_i 固定（熱交換器の大きさ固定）で、空気とフィンとの熱伝達α₀ を固定且つ冷媒と伝熱管との熱伝達率α_i を固定（フィン形状、フィンピッチ、伝熱管溝形状を固定）すると、熱通過率Ｋを大きくするためには接触熱抵抗Ｒ_t を小さくする必要がある。

以下にＲ_t について示す。同様または異種の金属が互いに接触または密着されている状態で、境界面を通過する熱伝導があるとき、その温度分布は境界面でｄＴだけ跳びあがり、熱流束をｑとすると、式（２）における接触熱抵抗Ｒ_tは、以下の式で与えられる。

図５は、金属接触表面の拡大概念図である。
金属表面同士の間には、金属表面の凹凸面により互いに接触している接触部５１と、空隙が空いている空隙部（隙間）５２とが存在する。接触熱抵抗Ｒ_t は両面の種類、押し付け圧力Ｐ、金属表面の硬さの比Ｈ、金属表面の粗さに依存する。特にＰ／Ｈが大きいほど接触熱抵抗は小さくなる。

以下に本実施の形態における接触熱抵抗の軽減方法を示す。接触熱抵抗が最も軽減するのは、図５に示したフィン３１と伝熱管３２の隙間５２が完全に何らかの金属、合金または金属化合物で埋まる場合である。しかし、フィン３１と伝熱管３２とが同一の金属で作成されている場合は、両者の表面から同一の酸化物が形成され、酸化物によって隙間５２を埋めることができれば、接触熱抵抗の軽減が可能となる。本実施の形態では陽極酸化処理（アルマイト処理）を利用して金属表面に酸化アルミを生成し、生成した酸化アルミで隙間５２を完全に埋めることで接合部分の密着を実現する。

陽極酸化処理とは、処理対象となる金属を陽極とし、不溶性電極を陰極として電解質溶液中で直流電解操作を行うものである。陰極と陽極とが通電することで、陽極の金属の表面が酸化し、金属の一部がイオン化して電解質溶液中に溶解する。特にアルミニウム、ニオブ、タンタルなどが陽極酸化処理により酸化皮膜を持つ。一方で銅は電解溶液に融解するため、陽極酸化処理はできない。このため本発明では伝熱管３２を含め熱交換器がアルミニウムで構成されたオールアルミ熱交換器を対象とする。

本発明では伝熱管３２とフィン３１との隙間を埋める目的で陽極酸化処理を施すことから、陽極端子を伝熱管３２に設置することを特徴とする。また陽極端子設置数であるが、通常、熱交換器は図２に示したように複数個の伝熱管３２を有する。陽極端子の設置数を１点とすると、伝熱管３２全体に均一に酸化皮膜を形成することができないため、本実施の形態では次の図６に示すように複数個設置する。

図６は、本発明の一実施の形態を示す熱交換器の陽極酸化処理の具体例を示した図である。
図６に示すように、本例では伝熱管３２の曲がり部全てに陽極端子を設置する。そして、フィン３１に伝熱管３２を取り付けた状態の本体全体を電解質溶液中に浸漬させて陽極酸化処理を行う。このように複数個の陽極端子を設置することで伝熱管３２全体に均一に酸化皮膜を形成することができると共に、処理時間を短縮することも可能である。

オールアルミ熱交換器を陽極酸化処理すると、フィン３１表面及び伝熱管３２表面に酸化皮膜が成長する。ただし、本実施の形態では伝熱管３２に陽極を設置することから、酸化皮膜は基本的には伝熱管３２から成長する。なお、伝熱管３２とフィン３１とが良好に接触している場合はフィン３１からも酸化皮膜は成長する。

なお発明者らは陽極酸化処理条件を様々に変化させて試験を行い、酸化皮膜の成長速度が、電解溶液濃度・電解溶液温度・印加電流密度に依存することを知見として得た。また図４から、熱交換器の密着部４３に発生する隙間量はおおよそ数μｍ程度であることを知見として得ている。例えば溶液を１５％硫酸で２０℃、１Ａ/ｄｍ²の印加電流によりおおよそ１０分程度で数十μｍ程度の酸化皮膜が形成されることから、熱交換器の密着部４３に発生する数μｍ程度の隙間は十分に埋められる。

酸化皮膜の成長箇所は、熱交換器内で電流が流れる全ての箇所、且つ電解溶液と接触している全ての箇所であるため、例えば極端に密着が悪い箇所を有する熱交換器を想定すると、数多くの電極端子を熱交換器に設置することが望ましい。

また熱交換器に用いられる一般的なフィンには、フィンカラーと呼ばれるフィンと伝熱管の密着面積を大きくする部分が存在する。しかし、複数の電極端子を熱交換器に設置することで、フィンカラーにより密着が悪い箇所が複数存在しても成長を妨げることはなくなる。

また陽極酸化処理では下地処理でエッチングを行う。酸化皮膜はエッチング後の表面層から成長するため通常の表面より平滑性が高い。つまり図５に示した空隙部５２が軽減された表面が達成されるため、密着が高くなる。

また処理工程を伝熱管密着処理とフィン表面処理とに分けることで、例えば伝熱管密着処理工程では印加電流や処理溶液を変化させて積極的に隙間部に酸化皮膜を形成させ、フィン表面処理工程ではベーマイト処理やクロメート処理などフィンの表面処理に特化させることができ、作業効率が向上する。

またアルミニウムの陽極酸化処理で生成する酸化皮膜はアルミナで、強度はアルミニウムに比べて３倍ほど高い（アルミニウム強度２．５、アルミナ強度９）。先に示した金属表面の硬さの比Ｈを、通常の熱交換器（銅管、アルミフィン）とオールアルミ熱交換器を陽極酸化処理したものとを比較すると、通常の熱交換器ではＨ＞１（銅が軟らかいため）だが、オールアルミ熱交換器では陽極酸化処理によりＨ＝１（両面とも同種金属）を実現できる。そして、押し付け圧力Ｐを一定とすると、Ｐ／Ｈはオールアルミ熱交換器を陽極酸化処理したものの方が大きくなり、接触熱抵抗を低減することが可能となる。

また酸化皮膜は親水基を有していることから、フィン３１に予め親水化処理等の表面処理を行わなくても表面親水性を付与することができ、熱交換器製作コストの削減につながる。

以上のように伝熱管３２とフィン３１とがアルミニウムで構成されたオールアルミ熱交換器に対して、伝熱管３２をフィン３１の貫通穴に挿入後、伝熱管３２を内部から拡管した後に陽極酸化処理を施すことで、伝熱管３２とフィン３１との隙間を酸化皮膜で埋めることができる。よって、伝熱管３２とフィン３１との完全密着を実現でき、接触熱抵抗の低減が可能となり、熱交換量の増加が達成できる。このように熱交換性能が向上するため、消費電力の低減、熱交換器サイズのコンパクト化が可能となる。その結果、この熱交換器を備えた冷凍サイクル装置のコンパクト化も達成可能となる。

なお以上の実施の形態では、熱交換器の伝熱管の形態として円管を示したが、例えばカーエアコン等で用いられている扁平型の伝熱管に対しても本実施の形態を適用でき、本実施の形態と同様の効果を十分に得られる。

なお以上の実施の形態で示した熱交換器は、冷凍空調装置の熱交換器だけではなく例えばカーエアコンの熱交換器にも適用可能である。

本発明を利用することで、熱交換器の高性能化が実現でき、熱交換器性能の向上によりコンパクト化が可能となり、また機器の消費電力低減につながる。

１１ 室内機、１２ 室外機、２１ 圧縮機、２２ 室内機熱交換器、２３ 室内機用ファン、２４ 膨張手段、２５ 室外機熱交換器、２６ 室外機用ファン、２７ 四方弁、３１ フィン、３２ 伝熱管、４１ 拡管玉、４２ 拡管された部分、４３ 密着部、５１ 接触部、５２ 空隙部（隙間）。

Claims (6)

1. 積層されたアルミニウム製の複数のフィンに設けられた複数の貫通孔に、アルミニウム製の複数の伝熱管を挿入して組み付けて本体を形成し、
   前記伝熱管に陽極端子を設置して前記本体を陽極酸化処理し、前記伝熱管の表面に酸化皮膜を生成して前記伝熱管と前記フィンの前記貫通孔との間の隙間を埋める
   ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記本体を形成する際には、前記フィンの貫通孔に前記伝熱管を挿入した後、前記伝熱管を拡管させて前記フィンに組み付けることを特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記陽極酸化処理前に下地処理としてのエッチング処理を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記複数の伝熱管のそれぞれに前記陽極端子を設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法により製造されたことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項５記載の熱交換器を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。