JP2013164215A - フィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管の肉厚を極力薄くしながら、伝熱管とベンド管および／または枝管との接続部の外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い部分の強度を確保することができるフィンチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】伝熱管２に多数のフィン３が挿通され、その両側部に側板４が配設されるとともに、伝熱管２の端部にベンド管５および／または枝管７の端部が挿入され、ろう付け接続されているフィンチューブ型熱交換器１において、伝熱管２が挿通される側板４の挿通穴４Ａ周りに外側に向けて突出されたバーリング４Ｂが設けられ、該バーリング４Ｂの端部と、伝熱管２の端部に挿入され、ろう付け接続されるベンド管５および／または枝管７の端部との間の外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い部分寸法Ｌが、０〜５ｍｍの範囲に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＯ２冷媒を用いた空調機、冷凍機、ヒートポンプ、給湯機等の空気熱交換器に適用して好適なフィンチューブ型熱交換器に関するものである。

空調機、冷凍機、ヒートポンプ、給湯機等の空気熱交換器に適用されているフィンチューブ型熱交換器は、ヘアピンチューブからなる伝熱管に多数のフィンが挿通され、その両側部に側板が配設されるとともに、伝熱管の端部にベンド管および／またはディストリビュータ側枝管およびヘッダ側枝管（以下、両方の枝管を総称して単に枝管という。）の端部が挿入され、ろう付け接続された構成とされている。このようなフィンチューブ型熱交換器において、強度が最も弱くなる箇所は、外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い、ヘアピンチューブの端部とベンド管および／または枝管の端部とのろう付け接続部分の近傍となる。

それは、ベンド管および／または枝管については肉厚を確保できるものの、伝熱管については性能面から肉厚を薄くすることが望ましいこと、構造的に外周部がフィンや側板等で抑えられる部分については強度を確保できるが、ベンド管および／または枝管とのろう付け接続部分の近傍には外周抑えがないこと、ベンド管および／または枝管の端部を伝熱管の端部に挿入し、ろう付け接続しているが、内部まで十分にろう材が廻らないこと、等が主な理由と考えられる。ろう材が廻る箇所は強度が保たれる。

特に、冷媒としてＣＯ２冷媒を用いたものでは、設計圧力が高圧側で１４ＭＰａ、低圧側で８．５ＭＰａであり、高圧側が４．１５ＭＰａであるＨＦＣ冷媒を用いたものに対して数倍高く、更に強度試験の圧力はその設計圧力の３倍とすることが一般的である。このため、対応策として、例えば、伝熱管の肉厚を厚くしたり、特許文献１に示すように、冷媒の出・入口配管に補強スリーブを被せたり、あるいは特許文献２に示すように、伝熱管の端部の拡管率を抑え、伝熱管とベンド管との接続部の外周面を、伝熱管のフィンに対する密着部の外周面と略面一構成にしたりする等の策を採っているのが現状である。

特開２００６−３２９４７６号公報 特開２０１０−２４３０７８号公報

しかしながら、伝熱管の肉厚を厚くする方法は、簡単で確実な方法であるが、１台の熱交換器で使用する伝熱チューブ（銅管）の総延長長さを考えると、材料費や重量の増加は無視できず、それが直に製品コストに跳ね返ってしまうという問題がある。更に、伝熱管の肉厚が厚くなると、伝熱性能の低下および冷媒の圧損が大きくなってしまう。また、補強スリーブを被せる方法は、別部品が必要であり、部品点数や組み立て工数の増加により生産効率の低下が懸念される等の課題を有している。

さらに、拡管率を抑える方法は、強度を確保する上で有効な方法であるが、特許文献２に示すものは、外径が約５Φ、肉厚が約０．３２ｍｍという比較的細い伝熱チューブを用いた場合のものであり、大型機器用として冷媒循環量を確保し、圧損を低減するために外径が太い８Φ程度の伝熱チューブを用いた場合、それだけでは不十分であり、肉厚を可及的に薄くしながら、強度を確保することができるフィンチューブ型熱交換器が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、伝熱管の肉厚を極力薄くしながら、伝熱管とベンド管および／または枝管との接続部の強度を確保することができるフィンチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるフィンチューブ型熱交換器は、伝熱管に多数のフィンが挿通され、その両側部に側板が配設されるとともに、前記伝熱管の端部にベンド管および／または枝管の端部が挿入され、ろう付け接続されているフィンチューブ型の熱交換器において、前記伝熱管が挿通される前記側板の挿通穴周りに外側に向けて突出されたバーリングが設けられ、該バーリングの端部と、前記伝熱管の端部に挿入され、ろう付け接続される前記ベンド管および／または枝管の端部との間の外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い部分の寸法が、０〜５ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、多数のフィンの両側部に配設される側板の挿通穴周りに外側に向けて突出されたバーリングを設けるとともに、そのバーリングの端部と、伝熱管の端部に挿入され、ろう付け接続されるベンド管および／または枝管の端部との間の外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い部分の寸法が、０〜５ｍｍの範囲に設定されている。従って、外周部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難いことから、強度が弱くなる伝熱管とベンド管および／または枝管との接続部分の管軸方向長さ、すなわちバーリングの端部と、ベンド管および／または枝管の端部との間の寸法を、最小範囲の０〜５ｍｍに設定し、当該接続部分での受圧面積を小さくすることによって、強度を向上することができる。このため、伝熱管の肉厚を厚くしたり、補強スリーブを被せたりする必要がなく、大型機器用として比較的肉厚が薄く外径が太い伝熱管を使用した場合おいても、十分に強度を確保することができ、高性能で簡素化、軽量化、低コスト化された安全性の高いフィンチューブ型熱交換器を提供することができる。

さらに、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、上記のフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管内を流通される媒体がＣＯ２冷媒とされ、該ＣＯ２冷媒と空気とを熱交換する空気熱交換器として適用されることを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管内を流通される媒体がＣＯ２冷媒とされ、該ＣＯ２冷媒と空気とを熱交換する空気熱交換器に適用したとしても、ＣＯ２冷媒を用いる場合の設計圧力の３倍が一般的である強度試験圧力を満たすことができる。従って、ＣＯ２冷媒を用いた空調機や冷凍機、ヒートポンプ、給湯機等の空気熱交換器に適用して好適な高性能で、かつ軽量化、低コスト化された安全性の高いフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

さらに、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、上述のいずれかのフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管の拡管前の外径が８Φとされ、その肉厚が０．４５ｍｍ以下とされていることを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管の拡管前の外径が８Φとされ、その肉厚が０．４５ｍｍ以下とされているため、ＣＯ２冷媒用のフィンチューブ型熱交換器としては、それに適した外径で最小の肉厚の伝熱管を用いることができる。従って、ＣＯ２冷媒用フィンチューブ型熱交換器の低圧損化を図り、高性能化、軽量化、低コスト化を図ることができるとともに、安全性を確保することができる。

さらに、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、上述のいずれかのフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管は、高強度管とされていることを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管が、ＪＩＳ；Ｈ３３００、合金番号Ｃ５１１０の高強度管とされているため、伝熱管として広範に使用されているリン脱酸銅系（ＪＩＳ；Ｈ３３００、合金番号Ｃ１２２０）の管に比べ、可及的に肉厚を薄くしながら強度を確保することができる。従って、フィンチューブ型熱交換器の熱交換性能の更なる向上と軽量化を図ることができる。

本発明によると、外周部に抑え部材がないことから、強度が弱くなる伝熱管とベンド管および／または枝管との接続部分の管軸方向長さ、すなわちバーリングの端部と、ベンド管および／または枝管の端部との間の外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い部分の寸法を、最小範囲の０〜５ｍｍに設定し、当該接続部分の受圧面積を小さくすることによって、強度を向上することができるため、伝熱管の肉厚を厚くしたり、補強スリーブを被せたりする必要がなく、比較的肉厚が薄く外径が太い伝熱管を使用した場合おいても、十分に強度を確保することができ、高性能で簡素化、軽量化、低コスト化された安全性の高いフィンチューブ型熱交換器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の斜視図である。 図１に示すフィンチューブ型熱交換器のヘッダ側枝管接続部分の拡大断面図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の斜視図が示され、図２には、そのヘッダ側枝管接続部分の拡大断面図が示されている。
フィンチューブ型熱交換器１は、Ｕ字状に曲げ加工された所定長さのヘアピンチューブからなる多数の伝熱管２と、伝熱管２が挿通される薄板を短冊状に打抜き成形した多数のプレートフィン（フィン）３と、プレートフィン３の両側部に配設される側板４と、伝熱管２の端部同士を互いに接続するＵ字状のベント管５と、伝熱管２からの冷媒を合流させるヘッダ６と、ヘッダ６と所定の伝熱管２との間を接続するヘッダ側枝管（枝管）７と、伝熱管２に冷媒を分配するディストリビュータ８と、ディストリビュータ８と所定の伝熱管２との間を接続するディストリビュータ側枝管（枝管）９とから構成されている。

ヘアピンチューブとされた伝熱管２は、外径が８Φ、肉厚が０．４５ｍｍ以下のＪＩＳ；Ｈ３３００、合金番号Ｃ５１１０の伝熱チューブが使用されており、プレートフィン３および側板４が挿通された後、所定寸法だけ拡管され、伝熱管２とプレートフィン３および側板４とが密着されるようになっている。プレートフィン３は、アルミ合金製の薄板を短冊状に打抜き成形したもので、伝熱管２の本数に対応した数のバーリング付き挿通穴が穿設されており、伝熱管２の外周に所定ピッチで多数枚挿通され、伝熱管２の拡管により密着されるようなっている。

側板４は、所定の強度を有する板厚の鉄板等により構成されるものであり、所定ピッチで多数枚配設されたプレートフィン３の両側部にそれぞれ配設され、熱交換器のコア部を形作るとともに、熱交換器を据え付け設置する際の設置機能を担うものである。この側板４は、プレートフィン３と同様の外形および伝熱管２の挿通穴４Ａを有しており、各々の挿通穴４Ａの周りには、外側に向って突出加工された所定高さのバーリング４Ｂが設けられた構成とされている。

ベント管５は、隣接する伝熱管２の端部同士を互いに接続し、複数本のヘアピンチューブ同士を蛇行状に繋ぐことにより、熱交換器のコア部において所定長さの冷媒流路を形成するものである。ベント管５は、伝熱管２よりも肉厚の管で構成されており、伝熱管２の端部に設けられている拡管部２Ａに対して内挿され、冷媒漏れが発生しないように全周ろう付けにより接続されるようになっている。

ディストリビュータ８は、冷媒配管を介して送られてくる冷媒を複数のサーキットに分けられている伝熱管２毎に分岐して供給するためのものであり、またヘッダ６は、各サーキットの伝熱管２群を流通した冷媒を合流して冷媒配管側に送り出すためのものである。枝管７は、ヘッダ６と、所定の伝熱管２との間を接続するためのもので、伝熱管２よりも肉厚の管により構成されており、伝熱管２の端部に設けられた拡管部２Ａに内挿され、冷媒漏れが発生しないように全周ろう付けにより接続されている。また、詳細は図示されていないが、ディストリビュータ８と所定の伝熱管２との間を接続する枝管９も、伝熱管２よりも肉厚の管により構成され、枝管７と同様に、伝熱管２の端部に設けられた拡管部２Ａに内挿されて冷媒漏れが発生しないように全周ろう付けにより接続されるようになっている。なお、ろう材が廻り込む範囲は拡管部２Ａとなる。

また、枝管７，９には、伝熱管２よりも太い管が使用されている。伝熱管２の拡管部２Ａに対し内挿されてろう付けされるろう付け部７Ａ（枝管９の相当部分）は、外径が細くなるように絞り加工されている。従って、枝管７，９は、必要な肉厚があり、強度が確保されている。ベンド管５も同様に太い管が使用されており、強度が確保されている。本実施形態の枝管７は、その一部がろう付け部７Ａの先端側に伝熱管２内に内挿される更に径が細くされた内挿部７Ｂを備えたものとされている。枝管９には、枝管７の内挿部７Ｂに相当する部分は設けられていない。ヘッダ６およびディストリビュータ８も当然必要な強度を有している。

さらに、本実施形態においては、外周部に抑えがなく、しかも肉厚が薄く、かつろう材が廻り難いことにより、強度が弱くなる伝熱管２とベンド管５および／または枝管７，９との接続部分における強度を確保するために、伝熱管２とベンド管５および／または枝管７，９との接続部分の管軸方向長さ、すなわち側板４のバーリング４Ｂの端部と、ベンド管５および／または枝管７，９の端部（ろう付け部７Ａおよびその相当部分の端部）との間の寸法Ｌを、最小寸法の０〜５ｍｍの範囲に設定することによって、当該接続部分の受圧面積を小さくし、強度を確保する構成としている。

このように、外径が８Φ、肉厚が０．４５ｍｍ以下のＪＩＳ；Ｈ３３００、合金番号Ｃ５１１０の伝熱管２を使用したフィンチューブ型熱交換器１において、伝熱管２とベンド管５および／または枝管７，９との接続部を、側板４にバーリング４Ｂを設け、そのバーリング４Ｂの端部と、ベンド管５および／または枝管７，９の端部（ろう付け部７Ａおよびその相当部分の端部）との間の寸法Ｌを、０〜５ｍｍの範囲に設定した構成とすることで、外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い当該接続部分の受圧面積を小さくするようにしている。

かかる構成とされたフィンチューブ型熱交換器１を、冷媒がＣＯ２冷媒とされている空調機、冷凍機、ヒートポンプ、給湯機等の蒸発器として機能する空気熱交換器に適用した場合の強度試験において、必要な強度を満たすことが確認された。なお、ＣＯ２冷媒を用いた機器における低圧側の設計圧力は、８．５ＭＰａであり、必要な強度は、設計圧力の３倍の２５．５ＭＰａである。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上記フィンチューブ型熱交換器１において、冷媒は入口側のディストリビュータ８から複数のサーキット毎に枝管９を介して分流され、伝熱管２内に供給される。各サーキットの伝熱管２内に供給された冷媒は、ベンド管５を介して接続されている複数本の伝熱管２内を流通する間にその外部を流れる空気とプレートフィン３を介して熱交換される。冷媒は接続された複数本の伝熱管２の出口に至るまでに蒸発され、ガス冷媒となり枝管７を介して出口側のヘッダ６に導かれて合流された後、圧縮機へと吸入される。

この際、フィンチューブ型熱交換器１の伝熱管２、ベンド管５、枝管７，９、ヘッダ６およびディストリビュータ８には、内圧が作用する。この場合、強度が最も弱くなる部分は、前述の通りヘアピンチューブである伝熱管２の端部と、ベンド管５および／または枝管７，９の端部とのろう付け接続部分、すなわち、外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い、図２のＬ寸法部分である。しかるに、本実施形態では、伝熱管２が挿通される側板４の挿通穴４Ａの周りに外側に向けて突出されたバーリング４Ｂを設けるとともに、そのバーリング４Ｂの端部と、伝熱管２の端部に挿入され、ろう付け接続されるベンド管５および／または枝管７，９の端部との間の寸法Ｌを、０〜５ｍｍの範囲に設定した構成としている。

これによって、外周部に抑え部材がなく、ろう材が廻らないことにより、強度が最も弱くなる伝熱管２とベンド管５および／または枝管７，９との接続部分の管軸方向長さ、すなわちバーリング４Ｂの端部とベンド管５および／または枝管７，９の端部との間の寸法Ｌを、最小範囲の０〜５ｍｍに設定し、当該接続部分における受圧面積を小さくすることによって、強度を高めることができる。このため、伝熱管２の肉厚を厚くしたり、補強スリーブを被せたりする必要がなく、比較的肉厚が薄く外径が太い伝熱管２を使用した場合おいても、十分に強度を確保することができ、高性能で簡素化、軽量化、低コスト化された安全性の高いフィンチューブ型熱交換器１を提供することができる。

また、伝熱管２内を流通される媒体がＣＯ２冷媒とされ、該ＣＯ２冷媒と空気とを熱交換する空気熱交換器に適用したとしても、ＣＯ２冷媒を用いる場合の設計圧力（８．５ＭＰａ）の３倍が一般的である強度試験圧力を満たすことができ、従って、ＣＯ２冷媒を用いた空調機や冷凍機、ヒートポンプ、給湯機等の空気熱交換器に適用して好適な高性能でかつ軽量化、低コスト化された安全性の高いフィンチューブ型熱交換器１を得ることができる。

さらに、本実施形態では、伝熱管２の拡管前の外径が８Φとされ、その肉厚が０．４５ｍｍ以下とされているため、大型機器に適用するＣＯ２冷媒用のフィンチューブ型熱交換器１としては、それに適した外径で最小の肉厚の伝熱管２を用いることができる。これによって、ＣＯ２冷媒用フィンチューブ型熱交換器１の低圧損化を図り、その高性能化、軽量化、低コスト化を図ることができる。

また、上記伝熱管２が、ＪＩＳ；Ｈ３３００、合金番号Ｃ５１１０の高強度管とされているため、伝熱管２として広く使用されているリン脱酸銅系（ＪＩＳ；Ｈ３３００、合金番号Ｃ１２２０）の管に比べ、可及的に肉厚を薄くしながら強度を確保することができ、これによって、フィンチューブ型熱交換器１の熱交換性能の更なる向上と、軽量化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、枝管７の一部をろう付け部７Ａの先端側に伝熱管２内に内挿される更に径が細くされた内挿部７Ｂを備えたものとしているが、この内挿部７Ｂは必ずしも必要なものではなく、省略してもよい。また、枝管９には、枝管７の内挿部７Ｂに相当する部分を設けていないが、同様の内挿部を設けてもよい。

さらに、上記実施形態では、熱交換器１の入口側にディストリビュータ８を設け、出口側にヘッダ６を設けた例について説明したが、入口側および出口側ともにヘッダを設けた構成としてもよい。また、上記実施形態では、熱交換器１のコア部を９０度曲げた形状としているが、曲げのない形状としてもよいことはもちろんである。

１ フィンチューブ型熱交換器
２ 伝熱管
２Ａ 伝熱管の拡管部
３ プレートフィン（フィン）
４ 側板
４Ａ 挿通穴
４Ｂ バーリング
５ ベンド管
６ ヘッダ
７ ヘッダ側枝管（枝管）
７Ａ ろう付け部
８ ディストリビュータ
９ ディストリビュータ側枝管（枝管）
Ｌ 伝熱管端部とベンド管および／または枝管端部間の寸法

Claims (4)

1. 伝熱管に多数のフィンが挿通され、その両側部に側板が配設されるとともに、前記伝熱管の端部にベンド管および／または枝管の端部が挿入され、ろう付け接続されているフィンチューブ型熱交換器において、
   前記伝熱管が挿通される前記側板の挿通穴周りに外側に向けて突出されたバーリングが設けられ、
   該バーリングの端部と、前記伝熱管の端部に挿入され、ろう付け接続される前記ベンド管および／または枝管の端部との間の外部に抑え部材がなく、ろう材が廻り難い部分の寸法が、０〜５ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記伝熱管内を流通される媒体がＣＯ２冷媒とされ、該ＣＯ２冷媒と空気とを熱交換する空気熱交換器として適用されることを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 前記伝熱管の拡管前の外径が８Φとされ、その肉厚が０．４５ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記伝熱管は、高強度管とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
   

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