JP2006064245A

JP2006064245A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2006064245A
Application number: JP2004245608A
Authority: JP
Inventors: Naotake Kokubu; 尚武國分
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】可燃性冷媒を用いた冷却装置に使用される、大型で、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１の冷媒経路部内部を可燃性冷媒が流動する複数の伝熱管２と、伝熱管２の端部同士を接続する継ぎ手配管４と、互いに間隔を取りながら重ねられ伝熱管４を挿入されて固定される平板状フィン３とから構成され、複数の伝熱管２の内少なくとも一つの伝熱管２は２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成することで、大型で、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可燃性冷媒を使用した冷凍サイクルに使用される熱交換器に関するものである。

近年、地球のオゾン層を保護する観点から、自動販売機や冷蔵庫などにおける冷却装置の冷凍サイクルに使用されていた冷媒ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）―１２あるいはＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）―２２といった塩素原子を含んだ冷媒の使用が規制され、塩素原子を含まず、オゾン層を破壊しないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒への転換が進行している。

従来、主にＨＣＦＣ―２２冷媒を用いていた自動販売機においては、その代替冷媒として、ＨＦＣ冷媒の混合冷媒であるＲ―４０７Ｃが、ＣＦＣ―１２冷媒を用いていた冷蔵庫においては、その代替冷媒としてＨＦＣ１３４aが採用されている。

一方、これらＲ―４０７ＣなどのＨＦＣ冷媒は、オゾン層破壊はないものの、地球温暖化係数が高いため、地球温暖化に対しては不十分な冷媒となり、そのため地球温暖化係数の低い冷媒として、ＨＦＣ冷媒に代わってＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒が使用されている。

ＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒は可燃性冷媒であり、漏洩時の爆発事故防止等の点から、冷凍空調機器に用いられる熱交換器の溶接部の低減、封入冷媒量の低減が重視されるようになってきた。また、地球資源の有効活用、消費電力抑制の観点から、冷凍空調機器に用いられる熱交換器の効率化が求められている。

可燃性冷媒を使用する冷凍サイクルに使用される熱交換器としては、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工されたサーペンタインチューブを用いた熱交換器がある。

図６は特許文献１に記載された従来の熱交換器の斜視図である。

図６に示すように、熱交換器１は、内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管２と、互いに間隔を取りながら重ねられ、伝熱管２を挿入されて固定される平板状フィン３とから構成され、伝熱管２は、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工されたサーペンタインチューブである。伝熱管２内を流動する冷媒と平板状フィン3の隙間を流れる空気が伝熱管２及び平板状フィン３を介して熱交換するものである。伝熱管２を、一本のパイプを連続蛇行曲げ加工されたサーペンタインチューブにすることで、溶接部を大幅に低減することができる。

図７は特許文献２に記載された従来の熱交換器の正面図である。

図７に示すように、熱交換器１は、ヘアーピン６とリターンベンド７を溶接することにより冷媒経路を構成したもので、ヘアーピン６には平板状フィン３が密着している。特許文献１に記載された熱交換器に比べると溶接部が多くなるため、可燃性冷媒に使用される例は少なく、多くはＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒などに使用される。
特許第２５５５４５３号公報特許第３１９８１６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の熱交換器１は、伝熱管２が一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブであるため、パイプ一本当たりの全長が長く、曲げ加工を行なう前の真っ直ぐな状態のパイプを、曲げ加工工程までの一時的な間、保管するための多大なスペースを工場内に確保する必要がある。可燃性冷媒を使用する冷蔵庫や自動販売機に現在使用される熱交換器のパイプ全長は、最大でも１０ｍ程度であるが、さらに大きな熱交換器を必要とする冷却装置（例えば産業機器など）に、可燃性冷媒を使用することを想定した場合、特許文献１に記載された従来の熱交換器の伝熱管２を構成するパイプ全長は数１０ｍにも及ぶ。工場内に全長数１０ｍものパイプを保管するスペースを確保することは困難であり、製造工程の観点から見ても大きなロスを生じ、製造は困難であるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の冷媒流動経路を、少なくとも一つは２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成される伝熱管と、伝熱管端部同士をつなぐ継ぎ手配管とから構成することで、パイプ一本当たりの全長を短くすることができ、従来と同等の製造スペースで、特許文献２に記載された大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部を可燃性冷媒が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱管の端部同士を接続する継ぎ手配管と、互いに間隔を取りながら重ねられ前記伝熱管を挿入されて固定される平板状フィンとから構成され、前記複数の伝熱管の内少なくとも一つの伝熱管は２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成されるものである。

これによって、伝熱管一本当たりの全長が、一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで構成する場合に比べて短くなるため、曲げ加工を行なう前の真っ直ぐな状態のパイプを曲げ加工工程までの一時的な間、保管するためのスペースの低減が図れ、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

本発明は、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、内部を可燃性冷媒が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱管の端部同士を接続する継ぎ手配管と、互いに間隔を取りながら重ねられ前記伝熱管を挿入されて固定される平板状フィンとから構成され、前記複数の伝熱管の内少なくとも一つの伝熱管は２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成される熱交換器であり、前記伝熱管の端部同士を前記継ぎ手配管でつなぐことにより冷媒経路を構成することで、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、伝熱管一本当たりの全長が短くなる。そのため、製造工程において、曲げ加工を行なう前の真っ直ぐな状態のパイプを、曲げ加工工程までの一時的な間、保管するためのスペースを低減することができ、同一製造スペースで、従来に比べて大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記伝熱管は、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成されることを特徴としたものであり、列数とフィン部長さ、または段数とフィン部長さが同一の場合に、伝熱管を兼用することができ、部品兼用の効率化による材料コスト低減をはかることができる。また、伝熱管を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、伝熱管の配置を自由に設定することが可能になる。そのため、開口部形状や熱交換能力を考慮して、最適な伝熱管の配置が可能な仕様の熱交換器を提供することができる。ここで、列方向とは平板状フィン表面に沿って熱交換器本体を空気が通過する方向で、段方向とは平板状フィンに平行で、かつ列方向に直角な方向である（以下同様とする）。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記伝熱管は平面状に曲げ加工されたことを特徴としたものであり、平面状の伝熱管と継ぎ手配管により冷媒経路部が構成されることになり、冷媒経路部におけるパイプひねり加工部を無くすことができる。そのため、冷媒経路部を構成するパイプのひねり加工による加工硬化部分がなく、液圧拡管などによる伝熱管とフィンの密着性を良化することができ、熱交換能力を向上することができる。また、伝熱管にひねり加工部が無いため、ひねり加工による機械的負荷がかからず、ひねり加工を施す場合に比べて、伝熱管の肉厚を薄くすることが可能となり、材料コストの低減を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、液冷媒側の前記伝熱管の冷媒経路部断面積を、蒸気冷媒側の前記伝熱管の冷媒経路部断面積よりも小さくしたことを特徴としたものである。これにより、伝熱管内を冷媒が流動する際の圧力損失の低減、液冷媒側における熱交換能力の向上が可能となり、熱交換効率が向上し、可燃性冷媒の封入量を低減ができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、冷媒経路を複数経路で構成したことを特徴としたものであり、冷媒経路を複数経路で構成することで、伝熱管一本当たりに流れる冷媒の量を低減することができ、効率的な熱交換の促進、液冷媒の偏流の防止、管内圧力損失の低減が可能となり、熱交換効率が向上し、可燃性冷媒の封入量を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（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斜視図である。図２は同実施の形態における熱交換器の伝熱管の斜視図である。図３は同実施の形態における熱交換器の伝熱管の他の実施例の斜視図である。

図１において、熱交換器１は、内部を可燃性冷媒が流動する伝熱管２と、伝熱管の端部同士をつなぐ継ぎ手配管４と、互いに間隔を取りながら重ねられ、伝熱管を挿入されて固定される平板状フィン３とから構成され、伝熱管２の少なくとも一つは、２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成されている。伝熱管２内を流動する可燃性冷媒と空気が伝熱管２および平板状フィン３を介して熱交換される。

以上のように構成された熱交換器１について、以下その動作、作用を説明する。

まず、真っ直ぐなパイプを蛇行状に曲げ加工した伝熱管２を平板状フィン３に挿入し、水、あるいは油等の液圧等で伝熱管２と平板状フィン３を密着固定させる。この拡管工程は、場合によっては省略され、伝熱管２を平板状フィン３に挿入するだけで形状を保持する場合もある。次に伝熱管２同士を継ぎ手配管４で、溶接などにて接続することで冷媒経路を構成する。伝熱管２と平板状フィン３の接続手段は溶接やロー付けが一般的であるが、双方の材質などにより最適な手段も変わってくるため、冷媒漏れに対する信頼性を確保できる方法であれば手段は問わない。このような構成にすることで、従来の熱交換器１のように一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、同一の大きさの熱交換器で比較した場合、パイプ単品当たりの全長を短くすることができる。これにより、蛇行曲げ加工する前の真っ直ぐな状態のパイプを保管するスペースの低減を図ることができ、同一製造スペースで、従来に比べて大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると、溶接箇所が大幅に低減することができ、冷媒漏れに対する信頼性の高い熱交換器を提供することができる。例えば３列１０段の熱交換器で比較した場合、溶接箇所を３０箇所から６箇所と、大幅に低減することが可能である。

また、図２に示すように、伝熱管２を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、熱交換器1の列数とフィン部長さ、または段数とフィン部長さが同一の場合に、伝熱管２を兼用することができ、部品兼用の効率化による材料コスト低減をはかることができる。また、伝熱管２を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成することで、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する場合に比べて、伝熱管２の配置を自由に設定することが可能になる。そのため、開口部形状や熱交換能力を考慮して、最適な伝熱管２の配置をすることができる仕様の熱交換器１を提供することができる。

また、図３に示すように、図２の熱交換器１において、伝熱管２を平面状に曲げ加工することにより、冷媒経路部におけるパイプひねり加工部をゼロにすることができる。そのため、冷媒経路部を構成するパイプのひねり加工による加工硬化部分がなく、液圧拡管などによる、伝熱管２と平板状フィン３の密着性を良化することができ、熱交換能力を向上することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図である。

図４において、熱交換器１は、液冷媒側の伝熱管２の冷媒経路部断面積を、蒸気冷媒側の伝熱管２の冷媒経路部断面積よりも、小さくしている。

本実施の形態の熱交換器１は、実施の形態１の熱交換器１において、液冷媒側の伝熱管２の冷媒経路部断面積を、蒸気冷媒側の伝熱管２の冷媒経路部断面積よりも、小さくしているため、通常圧力損失の大きくなる蒸気冷媒側では冷媒が流れやすく、圧力損失を小さくでき、また、液冷媒側については、伝熱管２の冷媒経路部断面積が小さいため、熱交換効率が上がり、かつ冷媒の偏流、結露を防止することができる。従って、熱交換器全体として効率的な熱交換を行うことができ、冷媒充填量を削減することができ、冷媒に可燃性冷媒を用いた場合の冷媒漏れによる発火の危険性を減少することができる。

また、従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する熱交換器で、液冷媒側の伝熱管２の冷媒経路部断面積を、蒸気冷媒側の伝熱管２の冷媒経路部断面積よりも小さくするには、一本の連続したパイプに拡管、縮管工程を施す必要があり、拡管、縮管工程を施されたパイプを蛇行曲げ加工する必要があるため、製造工程、設備などの面で多大なロスがあり現実的ではないが、本実施の形態における熱交換器１の冷媒経路は、少なくとも一つは２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工された伝熱管２の端部同士を継ぎ手配管４で、溶接などにて接続することで構成しているため、伝熱管２自身に拡管、縮管工程を施す必要はなく、蒸気冷媒側の伝熱管２には冷媒経路部断面積の大きいものを、液冷媒側の伝熱管２には冷媒経路部断面積の小さいものを配置し、冷媒経路部断面積の違う伝熱管２の端部同士を継ぎ手配管４で接続することで、容易に上記の構成を得ることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における熱交換器の斜視図である。

図５において、熱交換器１は、冷媒経路を３経路にしている。

本実施の形態の熱交換器１は、実施の形態１又は実施の形態２の熱交換器１において、冷媒経路を３経路で構成したものである。従来の一本の連続したパイプを蛇行曲げ加工したサーペンタインチューブで冷媒経路を構成する熱交換器では、冷媒経路が一本の連続したパイプであるので、冷媒経路を複数経路で構成することは不可能である。本実施の形態の熱交換器１は、冷媒経路を３経路で構成することで、伝熱管一本当たりに流れる冷媒の量を低減し、効率的な熱交換の促進、液冷媒の偏流の防止、管内圧力損失の低減が可能となり、熱交換効率が向上し、冷媒充填量を削減することができ、冷媒に可燃性冷媒を用いた場合の冷媒漏れによる発火の危険性を減少することができる。冷媒経路を複数経路で構成する手段としては、図５に示すような分流器５が一般的であるが、冷媒をそれぞれの経路に均等に分流できれば手段は問わない。

また、蛇行状に曲げ加工された伝熱管２と伝熱管２同士を接続する継ぎ手配管によって冷媒経路が構成されているため、冷媒経路の分け方は自由に設定することができるが、冷媒分流の均一性、製造工程におけるロス及び部品兼用の効率化などを考えると、伝熱管２を、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成する（実施の形態１、図２、図３参照）し、それぞれの伝熱管２同士を分流器５で接続するような仕様が望ましい。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、大型でかつＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いた冷却装置に使用されるヘアーピンとリターンベンドを溶接することにより冷媒経路を構成する熱交換器に比べると冷媒漏れに対する信頼性が高いので、可燃性冷媒を用いた冷蔵庫、自動販売機はもちろん、産業機器など、より大きな熱交換器を必要とする冷却装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図同実施の形態における熱交換器の伝熱管の斜視図同実施の形態における熱交換器の伝熱管の他の実施例の斜視図本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図本発明の実施の形態３における熱交換器の斜視図従来の熱交換器の斜視図従来の他の熱交換器の正面図

符号の説明

１熱交換器
２伝熱管
３平板状フィン
４継ぎ手配管

Claims

内部を可燃性冷媒が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱管の端部同士を接続する継ぎ手配管と、互いに間隔を取りながら重ねられ前記伝熱管を挿入されて固定される平板状フィンとから構成され、前記複数の伝熱管の内少なくとも一つの伝熱管は２箇所以上の曲げ部を有するように蛇行状に曲げ加工されて構成される熱交換器。
前記伝熱管は、各列、又は各段ごとに継目無しになるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱管は平面状に曲げ加工されたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
液冷媒側の前記伝熱管の冷媒経路部断面積を、蒸気冷媒側の前記伝熱管の冷媒経路部断面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
冷媒経路を複数経路で構成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。