JP4952503B2 - 複式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱交換器を備えた複式熱交換器に関する。

特許文献１には、エジェクタ式の冷凍サイクルが開示されている。この冷凍サイクルは、エジェクタの噴射側と気液分離器との間に設けられた第１冷媒蒸発器と、気液分離器とエジェクタの吸引側との間に設けられた第２冷媒蒸発器とを有している。第１冷媒蒸発器及び第２冷媒蒸発器としては、複数のプレートフィンとそれらを貫通する複数の伝熱管とを有するフィンアンドチューブ型の熱交換器が用いられている。第１冷媒蒸発器及び第２冷媒蒸発器は互いに近接して配置され、複式熱交換器を構成している。
特開平６−１３７６９５号公報

フィンアンドチューブ型の熱交換器では、複数のプレートフィンに貫通させた複数の伝熱管を拡径する拡管工程により、プレートフィンと伝熱管とが互いに固定される。拡管工程は、加工対象が戴置されるテーブルと、複数の略弾丸形状の拡管子と、拡管子が挿入される貫通孔が規則的に設けられたガイド治具を備え、複数の拡管子を一斉に軸方向先端側に加圧移動させる加圧部とを有する拡管機を用いて行われる。

一般に上記のような複式熱交換器を作製する際には、各熱交換器の拡管が１つずつ順次行われる。この場合、１つの複式熱交換器に対して熱交換器の個数分の製造工数が必要になるため、複式熱交換器の製造工数が増大してしまうという問題が生じる。

複式熱交換器の製造工数を低減させるために、両熱交換器の伝熱管の配置位置に対応する位置に貫通孔を設けた専用のガイド治具を新規に作製し、２つの熱交換器の拡管を同時に行うことも考えられる。この場合、複数の熱交換器の拡管が同時に行われるとともに、各熱交換器の拡管と同時に複式熱交換器の一体化が完了するため、複式熱交換器の拡管工程及び組付け工程での製造工数が低減する。ところがこの場合、伝熱管の配置が異なる複式熱交換器毎にガイド治具を新設する必要があるため、設備費が増大するという問題が生じる。また、複式熱交換器毎にガイド治具を取り替える必要があるため、段取り工数が増大するという問題が生じる。

本発明の目的は、設備費や段取り工数の増大を抑えつつ製造工数を低減できる複式熱交換器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明は、第１の熱交換器（１０）と、第１の熱交換器（１０）に対して所定の第１の方向又は第１の方向に平行でない第２の方向に並列配置された第２の熱交換器（２０）とを備えた複式熱交換器であって、第１の熱交換器（１０）は、複数の第１のプレートフィン（１１）と、第１の方向に第１のピッチ（ｐ１）で配列するとともに第２の方向に第２のピッチ（ｐ２）で配列し、第１のプレートフィン（１１）をそれぞれ貫通して互いにほぼ平行に延び、内部に流体を流通させる複数の第１の伝熱管（１２）とを有し、第２の熱交換器（２０）は、複数の第２のプレートフィン（２１）と、第１の方向に第１のピッチ（ｐ１）で配列するとともに第２の方向に第２のピッチ（ｐ２）で配列し、第２のプレートフィン（２１）をそれぞれ貫通して第１の伝熱管（１２）にほぼ平行に延び、内部に流体を流通させる複数の第２の伝熱管（２２）とを有し、第１の方向又は第２の方向において互いに隣り合う第１の伝熱管（１２）と第２の伝熱管（２２）との間の間隔（Ｄ１、Ｄ２）は、第１のピッチ（ｐ１）の整数倍に等しくされ、第１の伝熱管（１２）の内径（ｄ１）と第２の伝熱管（２２）の内径（ｄ２）とはほぼ等しくされ、第１及び第２のプレートフィン（１１、２１）の双方を並列に挟持するとともに第１及び第２の伝熱管（１２、２２）に貫通され、第１及び第２の熱交換器（１０、２０）を一体化して固定する一対のサイドプレート（３１、３２）をさらに有しており、第１の伝熱管（１２）と第２の伝熱管（２２）との間で、第１の伝熱管（１２）に対して第１のピッチ（ｐ１）離れた部位に、伝熱管が配されない欠陥部（３３）を有することを特徴としている。

これにより、第１及び第２の伝熱管（１２、２２）は、第１のピッチ（ｐ１）及び第２のピッチ（ｐ２）で規則的に拡管子を取り付けることのできる汎用のガイド治具を用いて拡管することができる。したがって、複式熱交換器毎にガイド治具を作製する必要がないため、設備費を低減できる。また複式熱交換器毎にガイド治具を取り替える必要がないため、段取り工数を低減できる。さらに、第１及び第２の伝熱管（１２、２２）を同時に拡管することができるため、複式熱交換器の製造工数を低減できる。
また、第１の伝熱管（１２）の内径（ｄ１）と第２の伝熱管（２２）の内径（ｄ２）とはほぼ等しい。これにより、本来なら伝熱管径の違う拡管を行う際は別々の拡管機での拡管になるが、拡管子を共通化できるため、段取り工数をさらに低減できる。また、一つの拡管機で伝熱管径の違う拡管を行う時の拡管子シャフト強度向上などの設備費を削減することができる。更に、第１及び第２のプレートフィン（１１、２１）の双方を並列に挟持するとともに第１及び第２の伝熱管（１２、２２）に貫通され、第１及び第２の熱交換器（１０、２０）を一体化して固定する一対のサイドプレート（３１、３２）をさらに有している。これにより、第１及び第２の伝熱管（１２、２２）を拡管することによって第１の熱交換器（１０）と第２の熱交換器（２０）とが一体化して固定されるため、複式熱交換器の製造工数をさらに低減できる。また、ユニット組み付け時のブラケット削減、組み付け工数を低減できる。
加えて、第１の伝熱管（１２）と第２の伝熱管（２２）との間で、第１の伝熱管（１２）に対して第１のピッチ（ｐ１）離れた部位に、伝熱管が配されない欠陥部（３３）を有するから、第１の熱交換器（１０）と第２の熱交換器（２０）との間で伝熱を防止できる隙間のある複式熱交換器を製造する場合でも、段取り工数を増やすことなく対応できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係の一例を示している。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態における複式熱交換器の概略構成を示す模式図である。本実施形態の複式熱交換器は、例えばエジェクタ式冷凍サイクルにおける２つの冷媒蒸発器が一体化された構成に適用される。図１に示すように、複式熱交換器１は、所定の間隙を介して図中左右方向に並列配置された２つの熱交換器（冷媒蒸発器）１０、２０を有している。熱交換器１０、２０は、いずれもフィンアンドチューブ型である。熱交換器１０は、対向配置された一対のサイドプレート３１、３２と、サイドプレート３１、３２間に挟持された複数のプレートフィン１１とを有している。複数のプレートフィン１１は、サイドプレート３１、３２に並列して配置されている。また熱交換器１０は、サイドプレート３１、３２及び複数のプレートフィン１１を貫通し、内部に流体を流通させる複数の伝熱管１２を有している。各伝熱管１２は互いにほぼ平行に延び、いずれもほぼ同一の内径ｄ１を有している。各伝熱管１２は、熱交換器１０、２０の並列方向に平行な列方向（図中左右方向）において、所定の列ピッチｐ１で規則的に配列している。また各伝熱管１２は、隣り合う列同士で列方向に半ピッチ分ずれながら、段方向（図中上下方向）において所定の段ピッチｐ２で規則的に配列している。

熱交換器２０は、サイドプレート３１、３２を熱交換器１０と共有するとともに、サイドプレート３１、３２間にプレートフィン１１に並列に挟持された複数のプレートフィン２１を有している。複数のプレートフィン２１は、プレートフィン１１と同様にサイドプレート３１、３２に並列して配置されている。また熱交換器２０は、サイドプレート３１、３２及び複数のプレートフィン２１を貫通し、内部に流体を流通させる複数の伝熱管２２を有している。各伝熱管２２は伝熱管１２にほぼ平行に延び、いずれも伝熱管１２の内径ｄ１にほぼ等しい内径ｄ２を有している（ｄ１≒ｄ２）。各伝熱管２２は、列方向において伝熱管１２と同様に列ピッチｐ１で規則的に配列している。また各伝熱管２２は、伝熱管１２と同様に、隣り合う列同士で列方向に半ピッチ分ずれながら、段方向において段ピッチｐ２で規則的に配列している。

ここで、伝熱管１２、２２は、それぞれの熱交換器１０、２０内で規則的に配列しているだけでなく、複式熱交換器１全体において共通の配列規則に基づいて規則的に配列している。したがって、複式熱交換器１の伝熱管１２、２２は、熱交換器１０、２０間の間隙部や各熱交換器１０、２０の外周端部等に対応して配列規則通りには伝熱管１２、２２が配置されない部分（以下、本願明細書中では「欠陥部」という）を除いて、列方向には共通の列ピッチｐ１で配列し、段方向には共通の段ピッチｐ２で配列している。

本実施形態では、伝熱管１２、２２の配列において図中上端の第１列を含む奇数列に、熱交換器１０、２０間の間隙部に対応する１つの欠陥部３３が形成されている。したがって、伝熱管１２、２２の配列における奇数列では、列方向に互いに隣り合う伝熱管１２と伝熱管２２との間の間隔Ｄ１は、列ピッチｐ１の２倍になっている（Ｄ１＝ｐ１×２）。一方、第２列を含む偶数列には欠陥部３３が形成されていない。したがって偶数列では、列方向に互いに隣り合う伝熱管１２と伝熱管２２との間の間隔Ｄ２は、列ピッチｐ１に等しくなっている（Ｄ２＝ｐ１）。

ここで、伝熱管１２、２２間の欠陥部３３の個数は０個又は１個に限られず、２個以上の欠陥部３３が列方向に並んでいてもよい。すなわち、伝熱管１２、２２間の間隔Ｄ１、Ｄ２は、列ピッチｐ１の整数倍（１倍以上）となる。

次に、本実施形態の複式熱交換器の製造方法について説明する。まず、図１に示した伝熱管１２の配置位置にそれぞれ貫通孔が形成された複数のプレートフィン１１と、図１に示した伝熱管２２の配置位置にそれぞれ貫通孔が形成された複数のプレートフィン２１とを作製する。また、図１に示した伝熱管１２、２２の配置位置に貫通孔が形成された一対のサイドプレート３１、３２を作製する。

次に、一対のサイドプレート３１、３２及び複数のプレートフィン１１の貫通孔に対し、当該貫通孔の内径とほぼ同一又はそれより小さい外径を有する複数の伝熱管１２を互いに平行に延びるようにそれぞれ貫通させる。これにより、熱交換器１０の組立て体が作製される。このとき伝熱管１２は、列方向に列ピッチｐ１で規則的に配列し、段方向に段ピッチｐ２で規則的に配列する。この状態では、伝熱管１２とサイドプレート３１、３２及びプレートフィン１１との間は固定されていない。

また、サイドプレート３１、３２及び複数のプレートフィン２１の貫通孔に対し、当該貫通孔の内径とほぼ同一又はそれより小さい外径を有する複数の伝熱管２２を伝熱管１２に平行に延びるようにそれぞれ貫通させる。これにより、熱交換器２０の組立て体が作製されるとともに、熱交換器１０、２０が列方向に並列配置された複式熱交換器１の組立て体が作製される。このとき伝熱管２２は、列方向に列ピッチｐ１で規則的に配列し、段方向に段ピッチｐ２で規則的に配列する。また、列方向に互いに隣り合う伝熱管１２、２２の間隔Ｄ１、Ｄ２は、列ピッチｐ１の整数倍となる。この状態では、伝熱管２２とサイドプレート３１、３２及びプレートフィン２１との間は固定されていない。

次に、伝熱管１２、２２をそれぞれ拡管することにより伝熱管１２とサイドプレート３１、３２及びプレートフィン１１との間、並びに伝熱管２２とサイドプレート３１、３２及びプレートフィン２１との間を固定する拡管工程を行う。

図２は、本実施形態の複式熱交換器の製造方法における拡管工程に用いられる拡管機の概略構成を模式的に示している。図２に示すように、拡管機５０は、加工対象である複式熱交換器１の組立て体が戴置されるテーブル５１を有している。テーブル５１の上面はほぼ水平になっている。また拡管機５０は、それぞれの軸方向がほぼ水平で互いに平行になるように着脱可能に取り付けられる複数の拡管子５２と、各拡管子５２を軸方向先端側に一斉に加圧移動させる加圧部５３とを有している。図２では、拡管子５２の加圧移動方向を白抜き太矢印で示している。

加圧部５３は、複数の拡管子５２を一斉に加圧移動させるための加圧板５５と、拡管子５２が軸方向先端側に移動するように案内するための複数枚のガイド板５６、５７とを有している。加圧板５５及びガイド板５６、５７は互いに並列し、加圧移動方向に対しいずれもほぼ垂直に配置されている。加圧板５５には、各拡管子５２の後端側が当接又は固定されるようになっている。最も加工対象側に設けられたガイド板５６はテーブル５１に対して固定されており、他のガイド板５６は、加圧板５５の加圧移動に伴って加圧移動方向に移動するようになっている。

図３は、拡管子５２の先端部近傍の構成を模式的に示している。図３に示すように、拡管子５２は棒状の形状を有している。拡管子５２の先端部は、略弾丸状（又は略球状）の形状を有し、拡管前の伝熱管１２（又は伝熱管２２）の内径ｄ４よりも大きい直径ｄ３を備えている。

図４は、ガイド板５７の構成を模式的に示している。図４に示すように、ガイド板５７には、拡管子５２が摺動可能に挿入される複数の貫通孔５８が形成されている。図４では一部分の貫通孔５８のみを示している。貫通孔５８は、列方向において列ピッチｐ１で規則的に配列しているとともに、隣り合う列同士で半ピッチ分ずれながら、段方向において段ピッチｐ２で規則的に配列している。本実施形態のガイド板５７は、後述するように、伝熱管１２、２２の配置パターンが異なる種々の複式熱交換器や単式の熱交換器の拡管工程で用いることのできる汎用型となっている。ガイド板５６は、ガイド板５７と同様の構成を有している。

拡管工程では、まず、伝熱管１２、２２の軸方向が加圧移動方向に平行になるように、複式熱交換器１の組立て体をテーブル５１上に戴置する。戴置された複式熱交換器１は、固定用の治具を用いて前後、左右及び上下の各方向に対して固定される。

次に、拡管前の伝熱管１２、２２の内径よりも大きい外径の先端部を有し少なくともサイドプレート３１、３２間の間隔よりも長い長さを有する複数の拡管子５２を、伝熱管１２、２２の配置位置に対応する位置の貫通孔５８に後端側から選択的に挿入し、拡管子５２の後端を加圧板５５表面に当接させる。

次に、加圧板５５を加圧移動方向に移動させ、各拡管子５２を一斉に軸方向先端側に加圧移動させる。これにより、各拡管子５２先端は伝熱管１２、２２内に圧入され、伝熱管１２、２２がそれぞれ徐々に拡管される。加圧板５５の加圧移動は、伝熱管１２、２２の軸方向全体の拡管が完了するまで行われる。これにより、複式熱交換器１の全ての伝熱管１２、２２がほぼ同時に拡管され、伝熱管１２とサイドプレート３１、３２及びプレートフィン１１とが互いに固定されるとともに伝熱管２２とサイドプレート３１、３２及びプレートフィン２１とが互いに固定される。以上の工程を経て、本実施形態の複式熱交換器１が作製される。

一般に、１台の拡管機５０を用いて複数種類の熱交換器を加工する場合、加工前に、（１）加工対象の熱交換器に適合するガイド板を拡管機５０にセットし、（２）熱交換器に適合する拡管子をガイド板にセットし、（３）熱交換器をテーブル上に固定する、という３つの段取りが主に必要となる。

本実施形態では汎用のガイド板５７を用いるため、（１）の段取りが不要になる。また、ガイド板５７を交換する必要がないので全ての拡管子を着脱する必要がなく、一部の拡管子を必要に応じて着脱すればよいため、（２）の段取りが簡略化する。さらに、伝熱管１２と伝熱管２２とを同時に拡管できるため、各熱交換器１０、２０を順次拡管するのに比較して（３）の段取り回数が減少する。このように本実施形態によれば、拡管工程での段取り工数を大幅に低減できる。

ここで、上記（２）の段取りについて具体的に説明する。図５は、１台の拡管機５０を用いて順次拡管される複数種類の熱交換器の例を示す図である。図５（ａ）は、熱交換器１０と熱交換器２０とが一体化された複式熱交換器２を一方のサイドプレート３２側から見た構成を示している。図５（ｂ）は、複式熱交換器２の拡管を行った後に拡管される単式の熱交換器３をサイドプレート３２側から見た構成を示している。図５（ａ）、（ｂ）に示す例では、隣り合う伝熱管１２、２２、４２同士がサイドプレート３２の外側でＵ字状に接続されるヘアピン管が用いられている。図５（ａ）に示すように、複式熱交換器２では、伝熱管１２、２２及び欠陥部３３が列方向に列ピッチｐ１で規則的に配列し、段方向に段ピッチｐ２で規則的に配列している。また図５（ｂ）に示すように、単式の熱交換器３の伝熱管４２は、列方向及び段方向に上記と同様の列ピッチｐ１及び段ピッチｐ２でそれぞれ規則的に配列している。

複式熱交換器２の拡管工程では、ガイド板５７の貫通孔５８うち伝熱管１２、２２の配置位置に対応する位置に選択的に拡管子５２が挿入されており、欠陥部３３に対応する位置には拡管子５２が挿入されていない。

複式熱交換器２の拡管終了後に行われる、単式の熱交換器３の拡管を行うための段取りでは、複式熱交換器２の欠陥部３３に対応する位置の３つの貫通孔５８に拡管子５２が挿入される。また、図５（ａ）中の左端（Ａ部）の３本の伝熱管２２の配置位置に対応する３つの貫通孔５８に挿入されている拡管子５２が抜脱される。以上の簡略な手順により、上記（２）の段取りが完了する。ここでは複式熱交換器２と単式の熱交換器３を例に挙げたが、複数種類の複式熱交換器の拡管を順次行う場合であっても、（２）の段取りは同様に簡略化する。

また、本実施形態では熱交換器毎に専用のガイド板を作製する必要がないので、設備費を低減できる。さらに、伝熱管１２と伝熱管２２とを同時に拡管できるため、複式熱交換器の拡管工程での製造工数を低減できる。

また、本実施形態では伝熱管１２の内径ｄ１と伝熱管２２の内径ｄ２とが等しいため、拡管子５２を共通化できる。したがって、（２）の段取りをさらに簡略化でき、段取り工数をさらに低減できる。

さらに本実施形態では、サイドプレート３１、３２が熱交換器１０、２０で共有されている。これにより、拡管により伝熱管１２、２２とサイドプレート３１、３２とを固定するのと同時に熱交換器１０、２０が一体化して互いに固定される。したがって、拡管工程の後に熱交換器１０、２０を組み付けて一体化させる組付け工程を省略できるため、複式熱交換器の製造工数を低減できる。また、熱交換器１０、２０を一体化させるためのブラケット等の部品が不要になるため、複式熱交換器の構成が簡略化する。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、伝熱管１２の内径ｄ１と伝熱管２２の内径ｄ２とが等しい例を挙げたが、伝熱管１２の配置位置に対応する位置の拡管子５２の外径と、伝熱管２２の配置位置に対応する位置の拡管子５２の外径とを異ならせることによって、内径ｄ１と内径ｄ２とを異ならせてもよい。

また上記実施形態では、拡管子５２の軸方向が水平となる横型の拡管機５０を用いた複式熱交換器の製造方法を例に挙げたが、拡管子の軸方向が鉛直方向となる縦型の拡管機を用いることもできる。

さらに上記実施形態では、２つの熱交換器１０、２０が列方向に並列配置されているが、段方向に並列配置されていてもよい。

また上記実施形態では、２つの熱交換器１０、２０を備えた複式熱交換器１を例に挙げたが、複式熱交換器は３つ以上の熱交換器を備えていてもよい。

第１実施形態における複式熱交換器の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態の複式熱交換器の製造方法における拡管工程に用いられる拡管機の概略構成を模式的に示す図である。 拡管子の先端部近傍の構成を模式的に示す図である。 ガイド板の構成を模式的に示す図である。 １台の拡管機を用いて順次拡管される複数種類の熱交換器の例を示す図である。

符号の説明

１、２ 複式熱交換器
３ 熱交換器
１０、２０ 熱交換器
１１、２１ プレートフィン
１２、２２、４２ 伝熱管
３１、３２ サイドプレート
３３ 欠陥部
５０ 拡管機
５１ テーブル
５２ 拡管子
５３ 加圧部
５５ 加圧板
５６、５７ ガイド板
５８ 貫通孔

Claims (1)

1. 第１の熱交換器（１０）と、前記第１の熱交換器（１０）に対して所定の第１の方向又は前記第１の方向に平行でない第２の方向に並列配置された第２の熱交換器（２０）とを備えた複式熱交換器であって、
   前記第１の熱交換器（１０）は、複数の第１のプレートフィン（１１）と、前記第１の方向に第１のピッチ（ｐ１）で配列するとともに前記第２の方向に第２のピッチ（ｐ２）で配列し、前記第１のプレートフィン（１１）をそれぞれ貫通して互いにほぼ平行に延び、内部に流体を流通させる複数の第１の伝熱管（１２）とを有し、
   前記第２の熱交換器（２０）は、複数の第２のプレートフィン（２１）と、前記第１の方向に前記第１のピッチ（ｐ１）で配列するとともに前記第２の方向に前記第２のピッチ（ｐ２）で配列し、前記第２のプレートフィン（２１）をそれぞれ貫通して前記第１の伝熱管（１２）にほぼ平行に延び、内部に流体を流通させる複数の第２の伝熱管（２２）とを有し、
   前記第１の方向又は前記第２の方向において互いに隣り合う前記第１の伝熱管（１２）と前記第２の伝熱管（２２）との間の間隔（Ｄ１、Ｄ２）は、前記第１のピッチ（ｐ１）の整数倍に等しくされ、
   前記第１の伝熱管（１２）の内径（ｄ１）と前記第２の伝熱管（２２）の内径（ｄ２）とはほぼ等しくされ、
   前記第１及び第２のプレートフィン（１１、２１）の双方を並列に挟持するとともに前記第１及び第２の伝熱管（１２、２２）に貫通され、前記第１及び第２の熱交換器（１０、２０）を一体化して固定する一対のサイドプレート（３１、３２）をさらに有しており、
   前記第１の伝熱管（１２）と前記第２の伝熱管（２２）との間で、前記第１の伝熱管（１２）に対して前記第１のピッチ（ｐ１）離れた部位に、伝熱管が配されない欠陥部（３３）を有することを特徴とする複式熱交換器。

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