(57)【要約】【課題】熱交換性能を高めながら，継目を極力少なくして冷媒漏れに対する信頼性を高め，また必要最小限のフィン構造を１単位として熱交換器の設計自由度も上げたクロスフィン型熱交換器を提供する。【解決手段】上記課題を解決するために、クロスフィン型熱交換器において、独立した１枚のフィンに対して冷媒管は１本のみ接触させたものである。元々直線状の１本の冷媒管にフィンを接合した後に任意回数だけ任意の長さになるように平面的もしくは立体的に曲げ加工した構造としたものである。また、長尺、細径の冷媒管を水圧等の液圧により拡管したものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１本もしくは複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、独立した１枚のフィンに対して冷媒管は１本のみ接触していることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、元々直線状の１本の冷媒管を所定個所で任意回数だけ１平面内で曲げ加工して、所定平面内の熱交換領域を確保した構造としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、元々直線状の１本の冷媒管を所定個所で任意回数だけ任意方向に曲げ加工して、所定平面内及び所定奥行方向を持つ所定空間の熱交換領域を確保した構造としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
１本もしくは複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、前記冷媒管の内面に溝を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
１本もしくは複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、フィン同士の間隔を任意としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
１本もしくは複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、前記冷媒管を水圧等の液圧により拡管し、フィンと締結させたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
冷媒管を貫通させるための通孔を形成したフィンに前記冷媒管を挿入した後、前記冷媒管を液圧により拡管し前記フィンと締結させる液圧拡管方法において、前記冷媒管の初期内径より若干大きな外径を持ち内部に流体の通路を形成された棒体と前記棒体を軸方向に摺動可能に保持する部材および前記冷媒管の初期外径より若干大きな内径の剛体から構成され、前記剛体を冷媒管の外周に保持し、前記棒体を前記冷媒管の端部から圧入して拡管することにより、前記冷媒管の外周面を前記剛体の内面に圧着して気密状態とし、その後、前記棒体に形成した流体通路より前記冷媒管内に高圧液体を注入し拡管することを特徴とする請求項６記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の熱交換器を凝縮器並びに蒸発器として搭載したことを特徴とする冷蔵庫並びに空調機、およびその他の冷凍応用製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒管とフィンとを組合せたクロスフィン型熱交換器に係わり、特に単一、長尺の冷媒管を用いることで接合個所の少ない構造の冷媒配管を有する熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】冷媒管とフィンを組合せた従来型のクロスフィン形熱交換器はいわゆる空調機等にて多用されているものであるが、社団法人日本塑性加工学会編「チューブフォーミング」（初版，１９９２年，コロナ社）第６３頁に示されるように一定間隔で平行に配列された複数の冷媒管と、その冷媒管に垂直な方向で一定間隔に並べられた複数枚のフィンにて構成されている。フィンには、複数個の通孔が形成され、この通孔に冷媒管を通し、冷媒管内径より若干大きな拡管用マンドレルを圧入することでフィンと冷媒管を締結させる。また冷媒管どうしは、別工程で１８０度に曲げられたＵベンドを用いてろう付け等により接合され熱交換器として構成される。拡管により冷媒管とフィンには強固な緊縛力が生まれ接触熱抵抗は低下、また高密度のフィン実装により大きな伝熱面積が確保できる上記タイプのクロスフィン形熱交換器は熱交換性能に優れるという特徴を有している。
【０００３】
また、家庭用冷蔵庫等に一般に使用されている熱交換器とくに凝縮器としては、帯状フィンが螺旋巻きされた冷媒管を平面状もしくは立体状に蛇行曲げしたスパイラルフィン形の熱交換器がある。
【０００４】
【非特許文献１】「チューブフォーミング」コロナ社出版、１９９２年、ｐ．６２−６３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の内、一定間隔で平行に配列された複数の冷媒管と、その冷媒管に垂直な方向に一定間隔で並べられた複数枚のフィンで構成されるクロスフィン形熱交換器の場合、直管と１８０度曲げされたＵベンドを交互に接合して熱交換器を構成しているため、接合個所が多く冷媒漏れに対しての信頼性確保の点から漏れ試験が必須となる。また近年の地球温暖化防止の観点から、フロンに代わり可燃性の炭化水素系冷媒を使用する場合、その安全対策上、冷媒漏れの少ない構造つまりは接合個所の少ない熱交換器構造を必要とし、また冷媒量を極力減らすことが必要となる。上記に示す従来構造での熱交換器では、漏れに対しての十分な信頼性の確保が難しく、また拡管用マンドレルを圧入しフィンと冷媒管を締結させる従来の拡管方式では、冷媒管が長尺、細径になった場合に拡管用マンドレルのロッド棒も長尺、細径となるため強度が不足し量産性に対しての問題を有していた。
【０００６】
また、スパイラルフィン形熱交換器の場合、元々直線状の冷媒管に帯状フィンを螺旋状に巻付け、その後蛇行状に曲げることから熱交換器の設置スペースに任意の形状にて形作れ、また単一、長尺の冷媒管を用いることから接合個所も少ないという優位点を有している。しかしながら、前記スパイラルフィン形熱交換器の場合、フィンと冷媒管の締結形態が拡管方式ではないことにより冷媒管とフィンの緊縛力が小さいためフィンと冷媒管での接触熱抵抗が増加すること、また円形フィンにより隣合う冷媒管に螺旋状に巻き付けられたフィン同士においてデッドスペースが生まれフィン伝熱面積を大きく取れない事から熱交換性能が拡管構造のクロスフィン型熱交換器に比べ劣るという問題があった。
【０００７】
本発明では従来の課題を解決するため、１枚のフィンに１個の通孔を設け、その通孔中に所定の冷媒管を通した後に拡管して十分な緊縛力を得た後に、冷媒管を曲げ加工して任意の熱交換器形状を得ることで熱交換性能を確保しつつ、さらに熱交換器形状の自由度も高めながら継目を極力少なくして冷媒漏れに対する信頼性も高めた熱交換器を提供することを目的とする。また、冷媒管の内面に溝を設けることで熱交換性能の更なる向上を図ることも目的とする。また、本発明では上記特徴を有する熱交換器において、冷媒管を液圧により拡管しフィンと締結させる製造方法についても提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は１本もしくは複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、独立した１枚のフィンに対して冷媒管は１本のみ接触させた構造としたことを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、所定平面の熱交換領域を確保する目的で、元々直線状の１本の冷媒管を所定箇所で任意回数だけ１平面内で曲げ加工した構造としたことを特徴とする。これにより、任意箇所での曲げ加工が可能となり、平行に配列した長尺の冷媒管の長さを任意に設定でき、また冷媒管どうしの接合がなく継目のない冷媒漏れに対して信頼性の高い熱交換器が提供できる。
【００１０】
また本発明は、上記曲げ方式を３次元的に応用することにより、所定平面内及び所定奥行方向を持つ所定空間の熱交換領域を確保する構造としたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、１本もしくは複数本を平行に配列した長尺の冷媒管と、その冷媒管の垂直方向に所定の間隔で平行に並べた複数枚のフィンからなるクロスフィン型熱交換器において、前記冷媒管の内面に溝を設けたことを特徴とする。これにより冷媒管内側の熱伝達率向上が図られ、熱交換器自体の大型化を招くことなく高性能化が図られることとなる。
【００１２】
また本発明は、フィン同士の間隔を任意とした構造として設計の自由度を向上させたことを特徴とする。これにより、本熱交換器を凝縮器として埃詰まりし易い環境下において使用する際には、埃詰まりし易い個所のフィンの間隔を広く、また蒸発器として使用する際には霜詰まりし易い個所のフィンの間隔を広くするといった構造の熱交換器が提供できる。
【００１３】
また本発明は、冷媒管を水圧等の液圧により拡管し、フィンと締結させたことを特徴とする。これにより、拡管用マンドレルを用いて機械的に拡管するよりも容易に、また長尺、細径の冷媒管においても量産性にすぐれた方法での拡管が可能となる。また、水圧等の液圧により拡管することで冷媒管とフィンとの間に強固な緊縛力を生むことができ、接触熱抵抗が低減し、かつ拡管用マンドレルを用いた機械的な拡管と違い、冷媒管内面の溝を潰すことがないので溝付け管の初期性能を低減させることのない熱交換性能の高い熱交換器を提供できる。
【００１４】
また本発明は、水圧等の液圧により冷媒管を拡管するにおいて、冷媒管の初期内径より若干大きな外径を持ち内部に流体の通路を形成された棒体と前記棒体を軸方向に摺動可能に保持する部材および前記冷媒管の初期外径より若干大きな内径の剛体から構成され、前記剛体を冷媒管の外周に保持し、前記棒体を前記冷媒管の端部から圧入して拡管することにより、前記冷媒管の外周面を前記剛体の内面に圧着して気密状態とし、その後、前記棒体に形成した流体通路より前記冷媒管内に高圧液体を注入し拡管することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図１〜図７を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施例であるクロスフィン型熱交換器Ｈを示す斜視図である。図１において、冷媒管Ｐは８個所の直線部Ｐｓ（一部フィンＦの影になるため図示せず）と、７個所の曲げ部Ｐｃ１〜Ｐｃ７から構成されており、交互に折り返されて同一平面内に蛇行形状としている。その冷媒管Ｐの直線部Ｐｓには、放熱用のフィンＦを一定の間隔で冷媒管Ｐに垂直に並べて取り付けており、独立した１枚のフィンＦに対して冷媒管Ｐは１本のみ接触していることを特徴としている。
【００１７】
図２は本発明における別の実施例であり、冷媒管Ｐの直線部Ｐｓに接合したフィンＦのピッチ間隔を任意に設定し、また冷媒管Ｐの直線部Ｐｓの長さを任意とした構造としている。直線部Ｐｓの長さを任意に設定することで、熱交換器の設置スペースに対し大きなデッドスペースを生むことなく熱交換器Ｈを設置することができることとなる。またフィンＦのピッチ間隔を任意に設定することで、例えば、冷蔵庫等の底面に図２に示す形状の熱交換器Ｈを凝縮器として設置する場合、埃詰まりし易い個所のフィンピッチ間隔は広くするといった構造をとることもできる。
【００１８】
図３は本発明のまた別の実施例であり、平面状の熱交換器Ｈにおいて，冷媒管Ｐの直線部Ｐｓを所定箇所Ｂにおいて９０度にＬ字形に曲げた構造のものである。
【００１９】
図４は、本発明を立体的に構成する場合の斜視図である。図１に示した本発明の実施例は同一平面内に冷媒管Ｐを成形して、平面的（２次元的）にフィンＦを配置した構造の熱交換器Ｈであるのに対して、図４に示す本発明の別実施例の熱交換器Ｈは、冷媒管の直線部Ｐｓ、及び同じ平面内に曲げ加工した曲げ部Ｐｃ１〜Ｐｃ４、並びに奥行方向に曲げ加工した曲げ部Ｐｃ’（他の奥行方向に曲げ加工した曲げ部は図示せず）によって構成され、立体（３次元）形状の熱交換器構造としたものである。図４に示す構造の熱交換器Ｈを、例えば、冷蔵庫等の蒸発器として使用する場合、霜詰まりし易い部分のフィンピッチ間隔を広くしたり、あるいはダクト構造との関係で風量配分を最適化するため、フィンＦのピッチ間隔を熱交換器の高さ方向、奥行方向にて変化させるといった応用も考えられる。
【００２０】
図５（ｂ）は図１〜４に示す本発明の熱交換器の一実施例として、冷媒管Ｐの内面に溝Ｐｍを形成した場合における溝形状を示すものである。溝の断面形状は略三角形として冷媒管内面の濡れ縁長さを増大させることにより管内側の熱伝達率が向上し、熱交換器自体の大型化を招くことなく高性能化が図られることとなる。ただし、熱交換器の性能とコストのバランスをみて、あるいは使用の形態等により図５（ａ）に示すごとく冷媒管Ｐ内面に溝を形成しないことを選択することも可能である。
【００２１】
本発明の図１〜４の実施例において、冷媒管Ｐ及びフィンＦには、熱伝導性が高く、また展延性が良い銅やアルミニウム及びそれらの合金等の金属が主として用いられる。なお冷媒管ＰとフィンＦは同種の材質でも、異種の材質でも構わない。フィンＦと冷媒管Ｐの接触は、冷媒管Ｐの径を内部圧力もしくは機械的に広げて接触させる拡管方式、あるいは溶接・ロー付け・接着・塗装など外部要因による接合方式によるものがある。本発明では、熱交換器の継目を極力なくし、また長尺、細径の冷媒管を拡管するという点において、またロー付けや塗装など設備が大型化しない方法として水圧等による液圧の拡管を特徴とし、以下その液圧のシール構造に付いて説明する。
【００２２】
図６は本発明における冷媒管Ｐを水圧等の液圧により拡管し、フィンと締結させる際の液圧のシール構造を示すものである。本実施例における液圧のシール構造は、主として冷媒管Ｐの端部に圧入する液圧ノズルＡと冷媒管Ｐの外周面をシールし、また分割することのできる剛体Ｇ１とＧ２、その剛体Ｇ１を可動し密着させ気密保持力を発生させるためのトグルＤ、また液圧ノズルＡを軸方向に摺動可能に保持するためのブロックＥと液圧供給手段（図示せず）より構成される。液圧ノズルＡは摩耗、破損を考慮しブロックＥと別体の部品として製作し、それを一体として組合せる構造としている。したがい、液圧ノズルＡとブロックＥの間には液シールのためのＯリングＲを取り付けてある。液圧ノズルＡとブロックＥを単一部品として製作した場合には、ＯリングＲは不要である。
【００２３】
まず熱交換器Ｈは冷媒管Ｐの外径より若干大きな径からなり円筒状のカラーが形成された通孔を有するフィンＦに冷媒管Ｐを挿入して仮組みされる。このとき素管外径は４〜５ｍｍである。続いて図６（ａ）に示すごとく分割された剛体Ｇ１と剛体Ｇ２内部に上記仮組みされた熱交換器Ｈの冷媒管Ｐを挿入する。次に図６（ｂ）に示すごとくトグルＤを可動させ剛体Ｇ１と剛体Ｇ２を密着させる。剛体Ｇ１と剛体Ｇ２には冷媒管Ｐを把持するための半円溝が形成されており、剛体Ｇ１と剛体Ｇ２が密着することで冷媒管Ｐを把持する。続いて図７（ａ）に示すごとく液圧ノズルＡを保持する摺動可能なブロックＥを軸方向に前進させ、冷媒管Ｐの端部から圧入し、冷媒管Ｐを拡管する。剛体Ｇ１、Ｇ２には、冷媒管Ｐの初期外径よりは若干大きく、しかしながら拡管された冷媒管Ｐの端部外径よりは若干小さい径からなる半円溝が形成されており、冷媒管Ｐの拡管された端部外周面と溝が圧着状態となり気密シール性が保持されることとなる。次に図７（ｂ）に示すごとく液圧供給源よりＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を通じて液体を注入し、液体圧力により冷媒管Ｐを拡管し、フィンＦと密着させ熱交換器を製造する。このとき拡管径は冷媒管が破裂しない程度で、かつフィンと冷媒管が強固に締結する状態になるようにする。また、この際、液圧ノズルＡを挿入する冷媒管Ｐの管端と反対側の管端には別の液圧ノズルＡを挿入し気密状態を保持する。また、拡管に用いる液体は、水あるいは揮発性油等が挙げられる。
【００２４】
本発明による液圧のシール構造では、冷媒管内面に溝が形成されている場合においても液圧ノズルと剛体Ｇ１、Ｇ２の間にて溝を塑性変形させ気密状態とするため溝付け管への適用も可能である。また、溝付け管を水圧等の液圧を用いて拡管することにより、拡管用マンドレルを用いた機械的な拡管と異なり冷媒管内面の溝を潰すことがないため溝付け管の初期性能を低減させることのない熱交換性能の高い熱交換器を提供できる。
【００２５】
本発明の熱交換器は、冷蔵庫の凝縮器や蒸発器、あるいは空調機の熱交換器、冷凍機や除湿機の熱交換器にも適用可能である。
【００２６】
以上説明した実施形態により，熱交換性能を高めながら，継目を極力少なくして冷媒漏れに対する信頼性を高めた熱交換器を提供できるものである。また，必要最小限のフィン構造を１単位とすることにより，熱交換器の設計製作の自由度を上げることができる。また、冷媒管の内面に溝を設けた冷媒管を用いることで熱交換器の大型化を招くことなく高性能化が図れることとなる。さらに、水圧等を用いた液圧の拡管により細径で長尺の冷媒管においても拡管が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】本発明により、熱交換性能を高めながら，継目を極力少なくして冷媒漏れに対する信頼性を高めた熱交換器を提供できることとなる。また，必要最小限のフィン構造を１単位とすることにより，熱交換器の設計製作の自由度を上げることができる。また、内面に溝を設けた冷媒管を用いることで熱交換器の大型化を招くことなく高性能化が図れ、さらに、水圧等を用いた液圧の拡管により細径で長尺の冷媒管においても拡管が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるクロスフィン型熱交換器を示す斜視図
【図２】本発明の一実施例における別の実施形態を示す斜視図
【図３】本発明を立体的に構成する場合の一実施例を示す斜視図
【図４】本発明を立体的に構成する場合の別の実施形態を示す斜視図
【図５】本発明の熱交換器を構成する冷媒管の要素断面図
【図６】本発明における冷媒管を水圧等にて拡管する場合の液圧シール方法を示す断面図
【図７】本発明における冷媒管を水圧等にて拡管する場合の液圧シール方法を示す断面図
【符号の説明】
Ｆ…フィン、Ｐ…冷媒管、Ｈ…熱交換器、Ｐｃ…冷媒管の曲げ部、Ｐｓ…冷媒管の直線部、Ｂ…熱交換器のＬ字曲げ部、Ａ…液圧ノズル、Ｄ…トグル、Ｅ…ブロック、Ｇ１，Ｇ２…液圧シール用剛体、Ｒ…Ｏリング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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