JP2019100563A - 熱交換器およびそれを用いた冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】プレートフィン同士の接合部の耐食性を向上させた熱交換器とそれを用いた冷凍システムの提供。【解決手段】ヘッダ流路用の環状突出部１６と伝熱流路用の凹状溝とを備えた一対の板状部材６ａ、６ｂを接合してプレートフィン２ａを形成し、前記プレートフィン２ａはその表面側に犠牲防食層１４を形成するとともに、環状突出１６部の先端部に折り返し片１６ａを設け、この折り返し片１６ａの折り返しにより表面側となる非犠牲防食面同士を向かい合わせに接合し一体化した構成としてある。これにより、凝縮水が生じるプレートフィンの表面側の面は犠牲防食層側を施した面のままとして耐食性を維持しつつ、プレートフィンを接合一体化した環状突出部は非犠牲防食面同士の接合として腐食の恐れを低減し、耐食性を向上させることができる。【選択図】図６

Description

本発明は熱交換器およびそれを用いた冷凍システムに関し、特に、冷媒が流れる板状のプレートフィンを積層して構成されたプレートフィン積層型の熱交換器とそれを用いた冷凍システムに関する。

一般に空気調和機や冷凍機等の冷凍システムは、圧縮機によって圧縮した冷媒を凝縮器や蒸発器等の熱交換器に循環させ、第２流体と熱交換させて冷房もしくは暖房を行うが、前記熱交換器の熱交換効率によってシステムとしての性能や省エネ性が大きく左右される。従って、熱交換器は高効率化が強く求められている。

このような中にあって、冷凍システムの熱交換器は、一般的には、フィン群に伝熱管を貫通させて構成したフィンチューブ型熱交換器を用いており、その伝熱管の細径化を図って熱交換効率の向上及び小型化が進められている。

しかしながら、上記伝熱管の細径化には限度があるため、熱交換効率の向上及び小型化は限界に近づきつつある。

一方、熱エネルギーを交換するために使用される熱交換器の中には、冷媒流路を有するプレートフィンを積層して構成したプレートフィン積層型熱交換器が知られている。

このプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィンに形成された冷媒流路を流れる冷媒と、積層されたプレートフィの間を流れる第２流体との間で熱交換を行うもので、車両用の空気調和機において広く使用されている（特許文献１参照）。

図１２、図１３は上記特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器を示し、この熱交換器１００は、冷媒流通用の流路１０１を有するプレートフィン１０２を積層したプレートフィン積層体１０３の両側部にエンドプレート１０４を積層配置し、前記流路１０１の左右両端部に入口側ヘッダ流路１０５及び出口側ヘッダ流路１０６を形成して構成してある。

上記プレートフィン１０２は流路１０１となる凹状溝と入口側ヘッダ流路１０５及び出口側ヘッダ流路１０６となる環状突出部１０７とを設けた一対の板状部材を接合して構成してあり、プレートフィン１０２同士はその環状突出部１０７を突き合わせて接合してある。

実用新案登録第３１９２７１９号公報

上記特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィン１０２となる板状部材に凹状溝をプレス成形して流路１０１を形成しているので、当該流路１０１の断面積をフィンチューブ型の伝熱管に比べさらに小さくでき、熱交換効率を高めることができる。

しかしながら、上記構成のプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィン１０２同士を接合する入口側ヘッダ流路１０５及び出口側ヘッダ流路１０６の環状突出部１０７同士の突き合わせ接合部分から腐食が進行して最悪の場合孔あきが生じる、という課題があった。

即ち、一般的に熱交換器はアルミニウムでプレートフィン１０２が形成されており、そのプレートフィン１０２は凝縮水が生じる側の面、すなわちプレートフィン１０２の表面側の面に犠牲防食層が形成してある。そのため、図１２の（ａ）に拡大して示すように、各プレートフィン１０２の環状突出部１０７同士の接合は犠牲防食層１０９を介して行われることとなり、特に塩害地等においては前記環状突出部１０７同士の接合部分から腐食が進行して孔あきが生じる場合があるのであった。

本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、プレートフィン同士の接合部での防食性を高めて耐食性を向上させた熱交換器とそれを用いた冷凍システムの提供を目的としたものである。

本発明は、上記目的を達成するため、ヘッダ流路用の環状突出部と前記ヘッダ流路に繋がる伝熱流路用の凹状溝とを備えた一対の板状部材を接合してプレートフィンとし、前記プレートフィンはその表面側に犠牲防食層を形成するとともに、前記環状突出部の先端部に折り返し片を設け、この折り返し片の折り返しにより表面側となる非犠牲防食面同士を向かい合わせに接合してプレートフィンを積層一体化した構成としてある。

これにより、伝熱流路を流れる冷媒等と熱交換して凝縮水が生じるプレートフィンの表面側の面は犠牲防食層によって耐食性を維持しつつ、前記プレートフィンを接合一体化した環状突出部の接合部分は非犠牲防食面同士の接合として腐食を抑制し、耐食性の高い熱交換器とすることができる。

本発明は、上記構成により、耐食性の高い熱交換器及びそれを用いた高耐久性の冷凍システムとすることができる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の外観斜視図 同熱交換器を分離した状態で示す分解斜視図 同熱交換器のフィン積層体を示す斜視図 同熱交換器のフィンプレートに設けたヘッド流路形成用環状突出部を示す拡大斜視図 同ヘッド流路形成用環状突出部の接合部分を示す拡大斜視図 同ヘッド流路形成用環状突出部の接合部分を示す模式断面図 同熱交換器のプレートフィンを構成する板状部材の拡大断面図 同熱交換器を構成するプレートフィンの平面図 同熱交換器を構成するプレートフィンの構成を一部を拡大して示す分解図 本発明の熱交換器を用いた実施の形態２における冷凍システムの一例として示す空気調和機の冷凍サイクル図 同空気調和機の概略断面図 従来のプレートフィン積層型熱交換器の断面図 同従来のプレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィンの平面図

第１の発明は、ヘッダ流路用の環状突出部と前記ヘッダ流路に繋がる伝熱流路用の凹状溝とを備えた一対の板状部材を接合してプレートフィンとし、前記プレートフィンはその表面側に犠牲防食層を形成するとともに、前記環状突出部の先端部に折り返し片を設け、この折り返し片の折り返しにより表面側となる非犠牲防食面同士を向かい合わせに接合してプレートフィンを積層一体化した構成としてある。

これにより、伝熱流路を流れる冷媒等と熱交換して凝縮水が生じるプレートフィンの表面側の面は犠牲防食層によって耐食性を維持しつつ、前記プレートフィンを接合一体化した環状突出部の接合部分は非犠牲防食面同士の接合として腐食を抑制し、耐食性の高い熱交換器とすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記プレートフィンを形成する板状部材は犠牲防食層を施した面を含めその両面をロウ材で被覆した構成としてある。

これにより、一対の板状部材の接合及びプレートフィンの接合時のロウ付け作業が容易になり、ロウ付けの作業性を向上させることができる。

第３の発明は、冷凍システムであり、この冷凍システムは冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１又は第２の発明のいずれかに記載の熱交換器としてある。

これにより、熱交換器の耐食性が高いことから、高耐久性の冷凍システムとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

（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外観斜視図、図２は同熱交換器を分離した状態で示す分解斜視図、図３は同熱交換器のフィン積層体を示す斜視図、図４は同熱交換器のフィンプレートに設けたヘッド流路形成用環状突出部を示す拡大斜視図、図５（ａ）は同ヘッド流路形成用環状突出部の接合部分を示す拡大斜視図、（ｂ）は同ヘッド流路形成用環状突出部の接合部分を示す拡大概略断面図、図７は同熱交換器のプレートフィンを構成する板状部材の拡大断面図、図８は同熱交換器を構成するプレートフィンの平面図、図９は同熱交換器を構成するプレートフィンの構成を一部を拡大して示す分解図である。

図１〜図９において、本実施の形態の熱交換器１は、長方形の板状である複数のプレートフィン２ａと、プレートフィン２ａの積層方向の両側（図１では上側及び下側）に配したエンドプレート３ａ、３ｂとを備え、前記両側のエンドプレート３ａ、３ｂをボルト等の締結手段７により連結固定して構成してあり、蒸発器として用いる場合には入口となり凝縮器として用いる場合は出口となる管Ａ４及びその逆となる管Ｂ５とを有している。

上記プレートフィン２ａは、後述するように、内部に第１流体である冷媒が流れる複数の並行した伝熱流路群を有しており、この伝熱流路群は略Ｕ字状に形成されていて、これと繋がる前記管Ａ４、管Ｂ５は、プレートフィン積層体２の一方側（図２では左側）のエンドプレート３ａの一端部側に纏めて配置されている。

詳述すると、上記プレートフィン２ａは、図８に示すように、複数の並行した伝熱流路（以下、冷媒流路と称す）１１とこれに繋がるヘッダ流路Ａ８およびヘッダ流路Ｂ１０を形成した一対の板状部材６ａ、６ｂ（図９参照）を向い合せにロウ付け接合して構成してあり、複数の冷媒流路１１は略Ｕ字状に形成されていてこれに繋がるヘッダ流路Ａ８とヘ
ッダ流路Ｂ１０とが一端部側に纏まった形となっている。

そして、上記構成のプレートフィン２ａは、図３に示すように多数積層して熱交換器の主体をなすプレートフィン積層体２を構成しており、各プレートフィン２ａ同士の間には当該プレートフィン２ａの長辺両端部及び冷媒流路１１間に適宜設けた複数の突起１２（図８参照）によって第２流体である空気が流れる隙間を形成している。

このように構成したプレートフィン積層体２の上記プレートフィン２ａを構成する一対の板状部材６ａ、６ｂは、図７に示すように、プレートフィン２ａを構成する板状部材６ａ、６ｂの表面側となる一方の面に犠牲防食層１４を設けるとともに、犠牲防食層１４を施した面を含めその両面をロウ材１５で被覆したクラッド板としてある。

そして、上記一対の板状部材６ａ、６ｂは、前記犠牲防食層１４側の面とは反対側の非犠牲防食面側から犠牲防食層１４側の面に向かってヘッダ流路Ａ８、Ｂ１０用の環状突出部１６が設けてあり、一対の板状部材６ａ、６ｂを接合することによってプレートフィン２ａを構成した際には、その外側の面、すなわち空気が流れる表面側の面が犠牲防食層１４面となっている。

そして更に、上記一対の板状部材６ａ、６ｂは、図４〜図６に示すように、その環状突出部１６の先端部に折り返し片１６ａを設け、この折り返しによって表面側に向くことになる折り返し片１６ａの非犠牲防食面同士を向かい合わせにして接合することによりプレートフィン２ａ同士を積層一体化してある。

なお、上記冷媒流路１１のうちヘッダ流路Ａ８に繋がるヘッダ流路Ａ側冷媒流路１１ａとヘッダ流路Ｂ１０に繋がるヘッダ流路Ｂ側冷媒流路１１ｂとの間にはこれら両者間の熱移動を防止すべくスリット溝１８（図９参照）が形成してある。

またこの例では、上記ヘッダ流路Ｂ側冷媒流路１１ｂは本数を多くし図９に示すようにヘッダ流路Ｂ１０の連絡流路１９と対向する部分は冷媒流路のない無孔部２０として凝縮条件使用時に入口側となるヘッダ流路Ｂ１０から各ヘッダ流路Ｂ側冷媒流路１１ｂへと流れる冷媒が無孔部２０の壁部に衝突して各ヘッダ流路Ｂ側冷媒流路１１ｂへ均等に流れるように構成してある。

以上のように構成した空気調和機について、以下その作用効果を説明する。

本実施形態のプレートフィン積層型熱交換器は、冷媒がプレートフィン積層体２の各プレートフィン２ａの内部の冷媒流路１１群を長手方向に並行に流れＵターンして折り返しヘッダ流路Ａ８或いはヘッダ流路Ｂ１０から管Ａ４あるいは管Ｂ５を通して排出される。

一方、空気は、プレートフィン積層体２を構成するプレートフィン２ａの積層間に形成された隙間を通り抜ける。これにより第１流体である冷媒と第２流体である空気との熱交換が行われる。

ここで、上記プレートフィン２ａは犠牲防食層１４側の面が空気の流れる表面側に位置しているので、塩害地等であってその表面に冷媒流路１１を流れる冷媒等と熱交換して凝縮水が生じるようなことがあっても、この凝縮水による腐食を防止することができる。

また、上記プレートフィン２ａはその環状突出部１６の端部を折り返して折り返し片１６ａの非犠牲防食面同士を向かい合わせて接合し一体化してあるから、従来のように接合部分に犠牲防食層１４が存在することによって生じる腐食の進行を防止でき、長期間にわ
たって確実に腐食を防止することができる。

つまり、冷媒流路１１を流れる冷媒等と熱交換して凝縮水が生じるプレートフィン２ａの表面側の面は犠牲防食層１４によって耐食性を維持しつつ、プレートフィン２ａを接合一体化した環状突出部１６の接合部分は非犠牲防食面同士の接合として腐食を抑制し、耐食性を向上させることができる。

また、上記プレートフィン２ａを構成する板状部材６ａ、６ｂは犠牲防食層１４を施した面を含めその両面をロウ材１５で被覆してあるから、一対の板状部材６ａ、６ｂの接合及びプレートフィン２ａの接合時のロウ付け作業が容易になり、ロウ付けの作業性を向上させることができる。

（実施の形態２）
この実施の形態２は、先に示した実施の形態１における熱交換器を用いて構成した冷凍システムである。

図１０は冷凍システムの一例として示す空気調和機の冷凍サイクル図、図１１は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

図１０、図１１において、この空気調和装置は、室外機５１と、室外機５１に接続された室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６、室外送風機５９が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

本実施形態による冷媒回路には、テトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペン、ジフルオロメタンまたはペンタフルオロエタンまたはテトラフルオロエタンを、単体、もしくはそれぞれ２成分混合または３成分混合した冷媒を使用している。

上記空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

上記のように構成された空気調和機は、その室外熱交換器５５或いは室内熱交換器５７の一方もしくは双方に前記実施の形態で示した耐食性の高い熱交換器を使用することによ
り、高耐久性の空気調和機とすることができる。

以上、本発明に係る熱交換とそれを用いた冷凍システムについて、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。つまり、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、凝縮水が生じる表面側の面は犠牲防食層によって耐食性を維持しつつ、プレートフィンを接合一体化した環状突出部の接合部分は非犠牲防食面同士の接合として腐食を抑制し、耐食性の高い熱交換器及びそれを用いた高耐久性の冷凍システムとすることができる。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３ａ、３ｂ エンドプレート
４ 管Ａ
５ 管Ｂ
６ａ 板状部材
６ｂ 板状部材
７ 締結手段
８ ヘッダ流路Ａ
１０ ヘッダ流路Ｂ
１１ 冷媒流路（第１流体流路）
１１ａ ヘッダ流路Ａ側冷媒流路
１１ｂ ヘッダ流路Ｂ側冷媒流路
１２ 突起（切り起こし突起）
１４ 犠牲防食層
１５ ロウ材
１６ 環状突出部
１６ａ 折り返し片
１７ 凹状溝
１８ スリット溝
１９ 連絡流路
２０ 無孔部

Claims (3)

1. ヘッダ流路用の環状突出部と前記ヘッダ流路に繋がる伝熱流路用の凹状溝とを備えた一対の板状部材を接合してプレートフィンとし、前記プレートフィンはその表面側に犠牲防食層を形成するとともに、前記環状突出部の先端部に折り返し片を設け、この折り返し片の折り返しにより表面側となる非犠牲防食面同士を向かい合わせに接合してプレートフィンを積層一体化した熱交換器。
2. プレートフィンを形成する板状部材は犠牲防食層を施した面を含めその両面をロウ材で被覆した請求項１の熱交換器。
3. 冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記請求項１又は２のいずれかに記載の熱交換器とした冷凍システム。

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