JP2012247091A - フィン・アンド・チューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接するフィン間の距離の乱れが生じ難いフィン・アンド・チューブ型熱交換器を提供すること。
【解決手段】カラー部１８を、フィン１２の上面で組付けスリット１６の周りに一体的に立設すると共に、かかるカラー部１８における扁平多穴管を間にして対向する部位の一方を高カラー部位２０とし、この高カラー部位２０の先端部を隣接するフィン１２の下面に当接するようにして、フィン・アンド・チューブ型熱交換器を構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、フィン・アンド・チューブ型熱交換器に係り、特に、家庭用エアコンや自動車用エアコン等の空調機において好適に用いられるフィン・アンド・チューブ型熱交換器に関するものである。

従来より、家庭用エアコンや自動車用エアコン、パッケージエアコン等の空調用機器の他、冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯器等においては、蒸発器又は凝縮器として作動する熱交換器が用いられており、特に家庭用室内エアコンや業務用パッケージエアコンにおいては、伝熱管にフィンを組み付けてなる構造のフィン・アンド・チューブ型熱交換器が、最も一般的に用いられている。

かかるフィン・アンド・チューブ型熱交換器は、一般に、複数のフィン（外面フィン）に対して垂直方向に伝熱管を差し込み、それら複数のフィンと伝熱管とを接合させた構造のものが実用化されてきている。そして、そのような構造の熱交換器にあっては、伝熱管内に冷媒を流通せしめる一方、伝熱管に対して垂直方向に、前記複数のフィンの間隙に熱交換流体としての空気を流すことによって、冷媒と空気との間で熱交換が行われるようになっているのである。

ここで、このようなフィン・アンド・チューブ型熱交換器を構成するフィンは、一般的に、アルミニウム又はアルミニウム合金製の板材から構成されている。また、フィン・アンド・チューブ型熱交換器で用いられる伝熱管の一つとして、扁平な形状の管内部を複数の隔壁にて複数の流路に分割してなる構造を有する扁平多穴管が、知られている。この扁平多穴管にあっては、その製造の容易性から、通常、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を材質として、それをポートホール押出して得られるものが、一般的に用いられている。このように、熱交換器を構成するためのフィンや伝熱管を全てアルミニウム材料によって構成することによって、フィン・アンド・チューブ型熱交換器を効果的に小型、軽量化することが可能となるのであり、またコスト的にも、銅材質のものよりも安価となる利点を有している。

また、そのようなフィン・アンド・チューブ型熱交換器におけるフィンと伝熱管との代表的な接合方法としては、フィンに設けられた取付け孔内に挿通された伝熱管を、機械拡管や液圧拡管等で拡管して、かかる取付け孔の内面と伝熱管の外周面とを密着させる拡管法や、フィンの取付け孔内に伝熱管を圧入して組み付けるカチコミ法と呼ばれる手法、更には、フィンの取付け孔内に挿通された伝熱管の外周面と取付け孔との間隙をろう材によって埋めて、接合を行うろう付け法等が、よく知られている。なお、このような接合方法のうち、伝熱管として扁平多穴管を用いたフィン・アンド・チューブ型熱交換器の場合には、機械拡管法にて拡管することが困難であるため、一般に、カチコミ法やろう付け法が多く採用されている。

そして、従来より、様々なフィン・アンド・チューブ型熱交換器が提案されているのである。例えば、特開２００７−１５５１８１号公報（特許文献１）においては、平板状のフィンに設けられた嵌合溝の周辺に切り起こし部を設けると共に、かかるフィンの複数を一定のピッチで平行に積層し、前記嵌合溝に、内部を冷媒が流動する断面外周が扁平の伝熱管に略直角に挿入して、フィンと伝熱管とが密着接合されるように構成したフィン・アンド・チューブ式の熱交換器が、明らかにされている。また、特開２０１０−１５６５２５号公報（特許文献２）においては、アルミニウム合金からなる板状フィンを所定の間隔で積層し、かかる板状フィンに設けた溝に、長軸方向に長手方向に沿って冷媒流路が設けられた扁平な伝熱管を嵌入し、該伝熱管の前縁部外面に設けたはんだ層を溶融させて、該はんだにより、前記伝熱管を前記板状フィンに固定した熱交換器が、明らかにされている。

しかしながら、特許文献１や特許文献２にて明らかにされている熱交換器にあっては、フィンと伝熱管とをろう付けにて固定する際に、ろう付け不良に起因して、隣接するフィン間の距離が所望とする距離とならない恐れがあった。具体的には、隣接するフィン間の距離が小さい（狭い）熱交換器を作製する際に、フィン間の距離が小さい（狭い）状態でろう付けを行うと、伝熱管とフィンとを接合するろう材（はんだ）が、伝熱管とフィンとの間の間隙だけではなく、隣り合うフィンとフィンとの間にまで入り込んでフィン同士がくっついてしまう恐れがあったのである。

隣接するフィン間の距離が所望とする距離にならないという問題は、上述したろう付け不良に起因するもの以外にも、例えば、フィンと伝熱管とをろう付けする際に、フィンに外力が加わること等によって、隣接するフィン間の距離が目的とする距離より大きく（又は小さく）なり、かかる状態にてフィンが固定されることによっても発生する。そして、隣接するフィン間の距離が乱れた状態にある熱交換器においては、熱交換媒体である空気の通風抵抗が増大してしまい、フィン・アンド・チューブ型熱交換器の熱交換性能を低下させてしまうという問題を惹起していた。

一方、隣接するフィン間の距離の乱れが発生し難いフィン・アンド・チューブ型熱交換器として、従来より種々のものが提案されている。

具体的には、特開平１０−７８２９６号公報（特許文献３）においては、偏平状熱交換管（伝熱管）の厚さ（Ｈ）と板状フィンのピッチ（Ｐ）との関係を、Ｐ＜Ｈ＜２×Ｐとし、挿通孔の開口縁の対向する長辺から切り起こされる起立片の長さ（Ｌ）を少なくとも板状フィンのピッチ（Ｐ）と同等以上として、この起立片を偏平状熱交換管に均一に接触させるようにしてなる熱交換器が、提案されている。

また、特開２００５−１２７５９５号公報（特許文献４）においては、フィンに、断面外周が偏平状の伝熱管を挿入し密着接合するための貫通穴を、かかる断面外周に概略沿う形状で設け、貫通穴の周囲の一部に、積層されるフィンの一定間隔を保持するためのフィンカラーが設けられてなる熱交換器が提案されている。

さらに、特開２００７−２４４２６号公報（特許文献５）においては、フィンに、嵌合用カラーとは別個に、かかる嵌合用カラーの高さよりも高い切起スペーサを設けてなる熱交換器が、提案されている。

しかしながら、特許文献３にて提案されている熱交換器においては、偏平状熱交換管（伝熱管）の厚さとフィンピッチ（隣接するフィン間の距離）とが所定の関係を満たす必要があることから、フィンピッチ（隣接するフィン間の距離）を伝熱管の厚さ以上とすることが不可能であった。また、特許文献４にて提案の熱交換器は、フィン面の垂直方向に伝熱管を挿入してなるものであるため、複数のフィンの相対位置が僅かにずれるだけで伝熱管の挿入が困難になるという問題がある。更に、特許文献５に開示の熱交換器にあっては、嵌合用カラーとは別個に切起スペーサを設けられていることから、かかる切起スペーサを設ける工程が別途、必要とされるのであり、製造コストの増大が避けられないという問題があったのである。

特開２００７−１５５１８１号公報 特開２０１０−１５６５２５号公報 特開平１０−７８２９６号公報 特開２００５−１２７５９５号公報 特開２００７−２４４２６号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、空気調和器のフィン・アンド・チューブ型熱交換器において、隣接するフィン間の距離の乱れが発生し難いフィン・アンド・チューブ型熱交換器を提供することにある。

そして、本発明にあっては、そのような課題を解決するために、互いに所定距離を隔てて積層配置されるアルミニウム若しくはその合金からなる多数のプレート状のフィンにおいて、それらの対応する周縁部で開口するように、それぞれ設けられた側方開口空所形状の組付けスリットに対して、アルミニウム若しくはその合金からなる扁平多穴管を嵌め込んで、組み付けてなるフィン・アンド・チューブ型熱交換器にして、カラー部を前記フィンの上面で組付けスリットの周りに一体的に立設すると共に、該カラー部の前記扁平多穴管を間にして対向する部位の一方を、他方よりも高さの高い部位を有する高カラー部位と為す一方、かかる高カラー部位の先端部を隣接するフィンの下面に当接させることにより、隣接するフィン間の距離が規定されるようにしたことを特徴とするフィン・アンド・チューブ型熱交換器を、その要旨とするものである。

なお、そのような本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器においては、好ましくは、前記カラー部における前記高カラー部位に対向する他方の部位の少なくとも一部が、内方に傾斜せしめられて、傾斜カラー部位とされ、そして該傾斜カラー部位の先端側部位において前記扁平多穴管の表面に当接せしめられるようになっている。

また、本発明のフィン・アンド・チューブ型熱交換器においては、より好ましくは、前記組付けスリットがＵ字形状において形成されている。

このように、本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器にあっては、カラー部を、フィンの上面で組付けスリットの周りに一体的に立設すると共に、該カラー部の前記扁平多穴管を間にして対向する部位の一方を、他方よりも高さの高い部位を有する高カラー部位と為す一方、かかる高カラー部位の先端部を隣接するフィンの下面（カラー部が立設していない側の面）に当接させることにより、隣接するフィン間の距離が規定されるように、構成されているものである。このような構成を採用したことにより、仮にフィンと扁平多穴管とをろう付けする際に、フィンに予期しない外力が加えられた場合等であっても、隣接するフィン間の距離は十分に確保されることとなり、隣接するフィン間の距離の乱れが生じ難い熱交換器となっているのである。

また、カラー部における、上記した高カラー部に対向する他方の部位については、好ましくは、その少なくとも一部が内方に傾斜せしめられて傾斜カラー部位とされており、かかる傾斜カラー部位の先端側部位において扁平多穴管の表面に当接せしめられるようになっている。このような構成を採用することにより、傾斜カラー部位は、弾性的に扁平多穴管の表面に当接するようになることから、フィンと扁平多穴管との接合がより強固に確保されることとなる。

本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器の一例を示す斜視説明図である。 図１に示されるフィン・アンド・チューブ型熱交換器を構成するフィンを示す斜視説明図である。 図２に示されるフィンの組付けスリット部を拡大して示す断面説明図である。 本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器のフィンと扁平多穴管との接合部分を拡大して示す斜視説明図である。 本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器を構成するフィンの他の一例を示す斜視説明図である。 図５に示されるフィンの組付けスリット部を拡大して示す断面説明図である。 本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器を構成するフィンの更に他の一例について、組付けスリット部を拡大して示す断面説明図である。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、本発明に従うフィン・アンド・チューブ型熱交換器の実施形態の一つが、斜視図の状態において概略的に示されている。そこにおいて、熱交換器１０は、互いに平行に且つ一定距離を隔てて積層、配置された複数枚のフィン１２に対して、１本の扁平多穴管１４が、かかるフィン１２に設けられたスリット状の組付けスリット１６に挿入された後、ろう付けによって固着されて、形成されている。

より詳細には、フィン１２は、従来と同様に、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる金属材料にて形成された、図２にも示されているように、矩形の平面形状を呈した薄肉の板状フィンとされている。そして、かかるフィン１２の略中央部位には、扁平多穴管１４が組み付けられる組付けスリット１６が、矩形形状のフィン１２の一方の辺の端部から対向する他方の辺に向かって延びるＵ字状のスリットとして、形成されている。更に、かかる組付けスリット１６の周りには、カラー部１８が、フィン１２より直立して一体的に形成されている。なお、かかるフィン１２の厚さ（ｔ）は、組み付けられる扁平多穴管１４の大きさや、求められる熱交換器１０の性能等に応じて、適宜に決定されるものであるが、好ましい一例としては、０．０８０ｍｍ以上、０．１２０ｍｍ以下の厚さとされることとなる。

そして、組付けスリット１６の周縁部に一体的に形成されているカラー部１８は、図２及び図３に示されているように、扁平多穴管１４を間にして対向する部位の一方（図３において、カラー部１８の右半分側の部位）が、他方の部位（低カラー部位２２）よりも高さの高い部位を有する高カラー部位２０とされている。より具体的に、高カラー部位２０は、Ｕ字状の組付けスリット１６の直線部（図３において右側の直線部）より立設する部位において、その先端部が隣接するフィン１２の下面（カラー部１８が立設していない側の面）に当接するように、熱交換器１０における隣接するフィン間の距離（設計値）と同一の高さ：ｈを有している。また、かかる高さ：ｈを有する部位に連続する、Ｕ字状の組付けスリット１６の湾曲部より立設する部位については、その高さが徐々に低くなるように構成されており、カラー部１８における扁平多穴管１４を間にして対向する他方の部位（低カラー部位２２）へと繋がっているのである。

このように、カラー部１８は、扁平多穴管１４を間にして対向する部位の一方が高カラー部位２０とされ、かかる高カラー部位２０の最大高さ：ｈが、目的とする熱交換器１０における隣接するフィン間の距離（設計値）と同一とされているのである。そして、高カラー部位２０の先端部が隣接するフィン１２の下面（カラー部１８が立設していない側の面）側の面に当接するように、フィン１２と扁平多穴管１４との組付けを行い、かかる状態にてフィン１２及び扁平多穴管１４のろう付けを行うことにより作製される熱交換器１０においては、ろう付けの際に仮にフィンに予期しない外力が加えられた場合等であっても、隣接するフィン間の距離は十分に確保されるのであり、フィン間距離の乱れの発生が効果的に抑制されるのである。

ここで、高カラー部位２０の最大高さ：ｈは、一般に、１．２〜３．０ｍｍ程度とされる。高カラー部位２０の最大高さが低すぎると、フィン間距離の乱れの発生を防止する効果が低くなってしまう恐れがあり、高カラー部位２０の最大高さが高すぎると、後述するしごき加工等によって高カラー部位２０の厚さが薄くなり、変形し易くなるため、フィン間距離の乱れの発生を抑制することが困難となるからである。

ところで、このようなカラー部１８（高カラー部位２０及び低カラー部位２２）を有するフィン１２は、例えば、以下のような公知の加工方法によって有利に得ることが出来る。即ち、先ず、所定のアルミニウム若しくはアルミニウム合金からなるアルミニウム板材をプレス加工することによって、フィン１２の外形形状とされ、更に、扁平多穴管１４の外面形状に対応した組付けスリット１６や、その組付けスリット部位の材料の切り起こしによって、かかる組付けスリット１６の周縁部から所定高さで立設するカラー形成部が一体的に形成されたものが準備される。その後、かかるカラー形成部における、将来的に組み付けられる扁平多穴管（１４）を間にして対向する部位の一方について、しごき加工を施すことによって、高カラー部位２０とすることにより、カラー部１８が形成されるのである。

なお、高カラー部位２０を形成する際のしごき加工は、最終的に与えられる高カラー部位２０の最大高さ：ｈが隣接するフィン間の距離（設計値）と同一となるように、１回若しくは複数回、実施される。１回のしごき加工は、５０％以下のしごき率で実施されることが好ましい。しごき率とは、以下の式より算出されるものである。
［しごき率（％）］＝｛（Ｂ−Ａ）／Ｂ｝×１００（％） ・・・（式）
但し、Ａはしごき加工後のカラー部の厚さであり、Ｂはしごき加工前のカラー部の 厚さである。

一方、扁平多穴管１４は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる金属材料を用い、これにポートホール押出加工等の公知の加工方法を施すことによって、形成されることとなる。なお、図１においては、管軸方向に延びる７つの穴２４が形成されてなる、扁平形状を呈する多穴管とされている。また、扁平多穴管１４の厚さ：ｔ’は、一般に、１．０〜４．０ｍｍ程度とされる。

そして、そのような扁平多穴管１４とフィン１２を用いて、かかるフィン１２の複数枚を、それぞれに形成された組付けスリット１６を一致させた状態下において、互いに平行に、且つ、カラー部１８の高カラー部位２０の先端が隣接するフィン１２の下面（カラー部１８が立設していない側の面）に当接するように配置せしめ、その一致させた組付けスリット１６内に、扁平多穴管１４を嵌め込んで、それらを組み付けた後に、置きろう等の方法にてろう付け加工を施すことにより、目的とするフィン・アンド・チューブ型熱交換器１０が製作されるのである。なお、ここでは図示しないが、扁平多穴管１４のそれぞれの両端部には、所定のヘッダがそれぞれ接続されて、扁平多穴管１４の７つの穴２４、即ち、管軸方向に延びる冷媒が流通せしめられる７つの流路が、冷媒の入口側と出口側においてそれぞれまとめられて、フィン・アンド・チューブ型熱交換器１０として構成されている。

このような本発明に従う構成とされたフィン・アンド・チューブ型熱交換器１０によれば、カラー部１８における高カラー部位２０の先端を、隣接するフィン１２の下面（カラー部１８が立設していない側の面）に当接させることにより、隣接するフィン間の距離が規定されるようにされているところから、仮にフィン１２と扁平多穴管１４とをろう付けする際に、フィン１２に予期しない外力が加えられた場合等であっても、フィン１２間の距離が十分に確保され、フィン間距離の乱れの発生が効果的に抑制されるのである。

以上、本発明の代表的な実施形態の一つについて詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであり、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、図２及び図３に示されている如き、高カラー部位２０及び低カラー部位２２からなるカラー部１８を備えたフィン１２に代えて、図５及び図６に示されているフィン２６を本発明の熱交換器において採用することも可能である。ここで、図５及び図６に示すフィン２６のカラー部２８は、図２及び図３に示す高カラー部位２０と同様の高カラー部位３０と、かかる高カラー部位３０と扁平多穴管を間にして対向する傾斜カラー部位３２とから構成されている。そして、かかる傾斜カラー部位３２は、Ｕ字状の組付けスリット３４の直線部（図６において左側の直線部）より立設する部位が、開口部内方に向かって（先端に向かうに従って対向する高カラー部位３０との距離が漸次小さくなるように）、所定角度：θをもって傾斜せしめられているのである。このようなフィン２６を使用すると、傾斜カラー部位３２は扁平多穴管の表面に弾性的に当接せしめられることから、フィン２６と扁平多穴管との接合がより強固に確保され得ることとなる。また、傾斜カラー部位３２が弾性的に扁平多穴管の表面に当接していることから、フィン２６と扁平多穴管とをろう付けする際に必要なろう材の量を、有利に低減することが出来るといった効果も享受することが可能である。更に、ろう材の使用量の低減が図られることにより、フィン２６と扁平多穴管をろう付けする際に、隣接するフィン同士がくっついてしまいフィン間距離が乱れる等の、ろう付け不良によるフィン間距離の乱れの発生をも、有利に回避乃至は解消され得るのである。尚、傾斜カラー部位３２の傾斜部分における傾斜角度：θは、好ましくは、５°以上、２０°以下とされる。このような範囲内の傾斜角度を採用することによって、バネ特性を良好に確保して、傾斜カラー部位３２を効果的に扁平多穴管に対して、弾性的に当接せしめることが可能となる。

また、図７に部分断面図が示されているように、傾斜部分の厚さが先端側に向かって漸次減少する傾斜カラー部位３６と、高カラー部位３８とからなるカラー部４０を有するフィン４２についても、本発明の熱交換器において採用することが可能である。図７に示されている如きフィン４２を用いることにより、傾斜カラー部位３６をより弾性的に扁平多穴管に当接せしめ、フィン４２と扁平多穴管との接合を更に確実なものとすることが出来る。

さらに、前述した実施形態においては、側方開口空所形状の組付けスリットとして、Ｕ字形状を呈する組付けスリット１６を例示したが、このような形状の他にも、例えば、コの字形状やＶ字形状等、組付けられる扁平多穴管１４の厚さや外面形状に対応した形状の組付けスリット形状とすることも可能である。

さらにまた、フィン１２と扁平多穴管１４とをろう付けする方法として、置きろうによるろう付け方法を例示したが、そのような方法の他にも、例えば、アルミニウム板材の表面に予めろう材がクラッドされたもの、所謂ブレージングシートを用いて、フィン１２を形成し、そのようなフィン１２と扁平多穴管１４とをろう付けする等、公知の各種のろう付け方法が採用可能であり、それら何れのろう付け方法においても、本発明の効果が、有利に発揮されることとなる。

その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、またそのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

１０ 熱交換器 １２ フィン
１４ 扁平多穴管 １６ 組付けスリット
１８ カラー部 ２０ 高カラー部位
２２ 低カラー部位 ２４ 穴

Claims (3)

1. 互いに所定距離を隔てて積層配置されるアルミニウム若しくはその合金からなる多数のプレート状のフィンにおいて、それらの対応する周縁部で開口するように、それぞれ設けられた側方開口空所形状の組付けスリットに対して、アルミニウム若しくはその合金からなる扁平多穴管を嵌め込んで、組み付けてなるフィン・アンド・チューブ型熱交換器にして、
   カラー部を前記フィンの上面で組付けスリットの周りに一体的に立設すると共に、該カラー部の前記扁平多穴管を間にして対向する部位の一方を、他方よりも高さの高い部位を有する高カラー部位と為す一方、かかる高カラー部位の先端部を隣接するフィンの下面に当接させることにより、隣接するフィン間の距離が規定されるようにしたことを特徴とするフィン・アンド・チューブ型熱交換器。
2. 前記カラー部における前記高カラー部位に対向する他方の部位の少なくとも一部が、内方に傾斜せしめられて、傾斜カラー部位とされ、そして該傾斜カラー部位の先端側部位において前記扁平多穴管の表面に当接せしめられるようになっている請求項１に記載のフィン・アンド・チューブ型熱交換器。
3. 前記組付けスリットが、Ｕ字形状において形成されている請求項１又は請求項２に記載のフィン・アンド・チューブ型熱交換器。
   

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