(57)【要約】【課題】フィンカラーに亀裂を発生させずに、伝熱管に対するフィンカラーの接触面積を増加させ、伝熱性能を向上させることができる熱交換器等を得る。【解決手段】断面形状に曲線を有する伝熱管１と、伝熱管１の形状に合わせて形成された挿入孔４を有する板状のフィン２とを備え、フィン２は、挿入孔４の縁に沿って立ち上がり、伝熱管１の曲線の部分とは、切り欠き８により複数片に分割して接触させるようにしたフィンカラー６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状に曲線を有する伝熱管と、
該伝熱管の形状に合わせて形成された挿入孔を有する板状のフィンとを備え、
前記フィンは、前記挿入孔の縁に沿って立ち上がり、前記伝熱管の前記曲線の部分とは、切り欠きにより複数片に分割して接触させるようにしたフィンカラーを有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記伝熱管は、長辺側を直線とし、短辺側を半円状の曲線とした扁平形状を断面とする管であり、
前記フィンのフィンカラーは、前記伝熱管の長辺側と接触するフィンカラー直線部及び前記半円の中心から放射状に形成した前記切り欠きにより分割して前記伝熱管の短辺側と接触させるフィンカラー曲部で構成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記切り欠きは、前記挿入孔の縁側との終端部分にピアス穴を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記切り欠きは、前記挿入孔の縁側の終端部分を半円状にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記切り欠きは、前記挿入孔の縁の一部まで切り欠いていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器を製造する際、
フィンのフィンカラーを鋭角となるように立ち上げるプレス加工を行う工程と、
前記フィンカラーと伝熱管とが垂直に接触するように、前記挿入孔に伝熱管を挿入させる工程と
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項７】
前記鋭角は４５°以上９０°より小さい角度とすることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８】
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、
前記蒸発器、前記凝縮器の少なくとも一方を請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器とすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒と気体等の流体との間で熱交換するための伝熱管にフィンを接合して構成する熱交換器及びその製造方法等に係るものである。特に、例えば扁平状等のように断面形状に曲線を有する伝熱管を用いた熱交換器等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、伝熱管の断面が扁平形状（扁平状）である従来の扁平管熱交換器は、一定間隔に平行に配列された複数の扁平状の伝熱管と、板面長軸方向に伝熱管と同数かつ同間隔の挿入穴を設け、伝熱管に挿入されて一定間隔に配列された複数の板状のフィンとを備えている。フィンに設けられた挿入孔の縁には、プレス工程において立ち上げられたフィンカラーが設けられ、伝熱管とフィンとは、フィンカラーにおいて、ろう材等で接合している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２１４７９１号公報（第１４頁、第２５図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、扁平状の伝熱管は側部が曲面となっており、その断面形状は曲線を有している。従来の扁平管熱交換器は、挿入孔を有したフィンが扁平状の伝熱管に挿入されているので、フィンの挿入孔の縁に設けられたフィンカラーは、直線部（以後、フィンカラー直線部と称す）と曲部（以後、フィンカラー曲部と称す）とが混在している。
【０００５】
例えば、プレス工程において、フィンカラー直線部は折り曲げ加工により立ち上げているのに対して、フィンカラー曲部はバーリング加工により立ち上げている。このため、フィンカラー直線部では折り曲げ線方向に引張応力が加わらないのに対して、フィンカラー曲部では円周方向に引張応力が加わり、フィンカラー曲部は円周方向に塑性変形しながら立ち上がる。よって、フィンカラー曲部の高さを大きくすると、フィンカラー曲部の先端における引張応力が大きくなり、フィンカラー曲部の先端を起点として亀裂が発生する可能性が高くなるという問題がある。
【０００６】
例えば、扁平状の伝熱管の場合には、扁平断面の長軸方向に複数の孔が配列されており、フィンカラー直線部と隣接する長方形孔と、フィンカラー曲部と隣接するＤ形状の孔とを備えている。扁平管熱交換器において、１つのＤ形状の孔がフィンカラー曲部と熱交換できる面積は、１つの長方形孔がフィンカラー直線部と熱交換できる面積の約１．５倍である。このため、フィンカラー曲部はフィンカラー直線部に比べて扁平管熱交換器の伝熱性能に大きく寄与することになる。
【０００７】
しかし、従来の扁平管熱交換器では、フィンカラー曲部に亀裂を発生させないようにするため、フィンカラー曲部の高さは、フィンカラー直線部の高さの約０．５倍と小さくなるように設計していた。このため、伝熱管に対するフィンカラー曲部の接触面積に制約があり、フィンカラー曲部に亀裂を発生させずに、扁平管熱交換器以上に伝熱性能を向上させることができなくなる。このように、熱交換器の信頼性を維持しつつ、曲線部分を有する伝熱管に対応して形成したフィンカラーの曲部の接触面積を増加させるのは困難であり、また、伝熱性能を向上させるのは困難であった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、フィンカラーに亀裂を発生させずに、伝熱管に対するフィンカラーの接触面積を増加させ、伝熱性能を向上させることができる熱交換器等を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における熱交換器は、断面形状に曲線を有する伝熱管と、伝熱管の形状に合わせて形成された挿入孔を有する板状のフィンとを備え、フィンは、挿入孔の縁に沿って立ち上がり、伝熱管の曲線の部分とは、切り欠きにより複数片に分割して接触させるようにしたフィンカラーを有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱交換器は、フィンカラーに切り欠きを設けて複数片に分割して伝熱管と接触させるようにしたので、フィンカラーの曲部に加わる引張応力を減少でき、亀裂等の発生を防止しつつ、フィンカラーの高さを高くすることができる。そして、フィンカラーと伝熱管との接触面積を大きくすることができ、伝熱性能を向上できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における扁平管熱交換器の部分斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるフィンの部分正面図である。
【図３】切り欠き角度φと引張応力Ｐの相関を示す図である。
【図４】接触面積Ｓと管外熱伝達率α0 の相関を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるフィンカラー６の立ち上げ前を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３におけるフィンカラー６の立ち上げ前を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４における熱交換器の製造工程の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４におけるフィンカラー６の近傍の断面を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における扁平管熱交換器２０の部分斜視図を示したものである。本実施の形態では、熱交換器として、断面形状の一部が曲線となっている扁平状の伝熱管を有する扁平管熱交換器について説明する。図１において、実施の形態１の扁平管熱交換器２０は、断面が長辺部分が直線で、短辺部分が例えば半円状等の曲線とした扁平状の複数の伝熱管１を有する。複数の伝熱管１は、管内に流す冷媒の流路方向とは直交する方向に、一定間隔をおいて平行に配列している。また、複数の平板状（矩形状）のフィン２を有する。フィン２は冷媒の流路方向（伝熱管１の並び方向と直交する方向）で一定間隔に平行に配列させる。ここで、本実施の形態のフィン２は、伝熱管１の幅方向の長さよりも伝熱管１の並び方向の方が長い矩形状であるため、伝熱管１の幅方向を短手方向とし、伝熱管１の並び方向を長手方向とする。
【００１３】
伝熱管１内には、幅方向に複数の孔３が並んで設けられており、孔３内には例えば扁平管熱交換器２０を通過する空気と熱交換をさせるための冷媒が流れる。また、フィン２は、長手方向に複数の挿入孔４を有している。各挿入孔４は各伝熱管１に対応するため、例えば、伝熱管１と同数かつ同間隔（両端を除く）で設けている。また、各挿入孔４の間にフィン２の一部を切り起こして形成したスリット５を設けている。そして、各挿入孔４の縁には、フィン２に対して垂直方向に立ち上げられたフィンカラー６が設けられている。そして、伝熱管１とフィンカラー６とをろう材等で接合することで、各伝熱管１と各フィン２とを固定している。ここで、本実施の形態の伝熱管１は円管を２方向で扁平状にした形としているので、平面部（断面形状が直線）と曲面部（断面形状が曲線）を有している。このため、フィンカラー６は、伝熱管１の平面部と接しているフィンカラー直線部６ａと、伝熱管１の曲面部と接しているフィンカラー曲部６ｂとで構成する。
【００１４】
図２は、実施の形態１におけるフィン２の部分正面図を示したものである。図２（ａ）はプレス工程でフィンカラー６を立ち上げる前のフィン２の一部の正面図を示したものである。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すフィン２をプレス加工して、フィンカラー６を立ち上げたときの部分正面図を示している。そして、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面の断面図を示している。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、プレス工程前のフィン２においては、直線部と曲部とが連続した扁平状の下穴７と、下穴７の曲部における中心を起点として、放射状にフィンカラー曲部６ｂを切り欠いた切り欠き８が設けられている。例えば、４５°毎に放射状に切り欠き８を設けると、フィンカラー曲部６ｂが４片に分割されることになる。境界線９は、フィンカラー６形成後において、挿入孔４の縁となり、フィン２本体とフィンカラー６との境界（折り曲げ部分）となる線である。ここで、本実施の形態では、切り欠き８を４５°毎に設け、４片に分割するようにしたが、角度、分割数についてはこれに限定するものではない。例えば６０°毎に３分割する等してもよい。また、挿入孔４の縁側の切り欠き８の終端部分の一部に過度な力がかからないようにするため、終端部分の形状を半円状等にして力が均等に係るようにしてもよい。
【００１６】
次にフィン２の作成手順等について説明する。図２（ｂ）のプレス加工によって、図２（ａ）の境界線９の部分が支点となり、フィンカラー直線部６ａとフィンカラー曲部６ｂとが立ち上げられて挿入孔４が形成される。このとき、図２（ｃ）に示すように、フィンカラー直線部６ａとフィンカラー曲部６ｂとはフィン２に対して垂直に立ち上げられる。そして、図２（ａ）に示すように、境界線９から下穴７までの幅は、直線部と曲部とにおいて同じであるため、フィンカラー曲部６ｂの高さはフィンカラー直線部６ａと同等の高さを確保できることとなる。
【００１７】
図３は、隣りあう切り欠き８がなす角度φとフィンカラー曲部６ｂの円周方向に加わる引張応力（Ｐ）との相関を示した図である。ここで、従来の熱交換器のフィンカラーは切り欠き８を設けていないのでφ＝１８０°となる。立ち上げられた複数のフィンカラー曲部６ｂには、各々に円周方向について引張応力Ｐが加わることになる。図３から、従来の扁平管熱交換器のような半円状のフィンカラー曲部に比べて、切り欠き８を設け、扇形に分割したフィンカラー曲部６ｂを形成した方が、円周方向に加わる引張応力Ｐが小さくなることがわかる。
【００１８】
以上のように、実施の形態１の扁平管熱交換器２０によれば、フィンカラー曲部６ｂに放射状に切り欠き８を設けているので、従来の扁平管熱交換器のように、バーリング加工によってフィンカラー曲部を立ち上げる場合に比べて、フィンカラー曲部６ｂの円周方向に加わる引張応力を小さくすることができる。このため、フィンカラー曲部６ｂと伝熱管１との接触面積を増やしつつ、フィンカラー曲部６ｂにおける亀裂の発生を防ぐことができる。
【００１９】
図４は従来の扁平管熱交換器および実施の形態１のフィンカラー曲部の接触面積Ｓと、管外熱伝達率αo との相関を示したものである。図４に示すように、例えば、従来のフィンのフィンカラー曲部の伝熱管との接触面積（約４．０９ｍｍ2 ）に比べ、本実施の形態のフィンカラー曲部６ｂの伝熱管１との接触面積は２倍以上（約９．３０ｍｍ2 ）となっている。これに伴い、管外熱伝達率は、例えば１０１．４９［Ｗ／（ｍ2 ・Ｋ）］から１０１．７６［Ｗ／（ｍ2 ・Ｋ）］に上昇している。これにより、フィンカラー曲部６ｂの高さをフィンカラー直線部６ａと同等の高さにすることで、従来の扁平管熱交換器に比べて伝熱管１とフィンカラー曲部６ｂの接触面積を増加させることができ、扁平管熱交換器全体として伝熱性能を向上させることができる。
【００２０】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２における、フィンカラー６を立ち上げる前のフィン２の部分正面図を示したものである。実施の形態２に示すフィン２では、実施の形態１で説明した切り欠き８に対して、この切り欠き８の終端部に円形状のピアス穴１０を追加して設けている。ピアス穴１０の直径（Ｄ）は、切り欠きの短軸方向の幅（Ｗ）以上（Ｄ≧Ｗ）の関係となるようにしている。
【００２１】
以上のように、実施の形態２の扁平管熱交換器２０においては、挿入孔４の縁側の切り欠き８の終端部分にピアス穴１０を設けることで、切り欠き８の終端部に角となる部分をなくすことができ、フィン２が伝熱管１に過度な力で挿入孔４に挿入された場合においても、切り欠き８の終端部の円周方向に加わる引張応力がピアス穴１０の円周方向に分散されるので、切り欠き８の終端部を起点とした亀裂の発生を防止することができる。
【００２２】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における、フィンカラー６を立ち上げる前のフィン２の部分正面図を示したものである。図６（ａ）に示すように、実施の形態３のフィン２では、実施の形態１で説明した放射状の切り欠きを円周方向に延長させたような切り欠き８を設けている。このとき、図６（ｂ）に示すように、例えば切り欠き８の終端部分は切り欠き幅と同径の半円状となるように形成している。また、場合によっては、図６（ｂ）に示すように、切り欠き８の終端部にピアス穴１１を設けるようにしてもよい。
【００２３】
このように、実施の形態３の扁平管熱交換器２０においては、切り欠き８を挿入孔４の斑に沿って円周方向に延長させるようにしたので、切り欠き８の終端部に形成することで、例えばフィンカラー６の立ち上げ時等に円周方向に加わる引張応力を減少させることができる。また、このとき、終端部分を半円状にする、ピアス穴１１を形成する等して、切り欠き８の終端部に直角部を無くすようにしたので、フィン２の挿入孔４に過度な力で伝熱管１が挿入された場合においても、切り欠き８の終端部の円周方向に加わる引張応力を分散させることができ、切り欠き８の終端部を起点とした亀裂の発生を防止することができる。
【００２４】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４における扁平管熱交換器２０の製造工程の一例を示す図である。実施の形態４では、図７に基づいて扁平管熱交換器を製造する手順について説明する。まず、コイル状のフィン材をプレス加工することで、扁平状の下穴７を形成する（Ｓ１）。また、プレス加工によりスリット５の切り起こしを行う（Ｓ２）。さらに、フィンカラー曲部６ｂに切り欠き８を形成する（Ｓ３）。そして、プレス加工によりフィンカラー６を立ち上げる（Ｓ４）。ここで、立ち上げ角度θを鋭角（特に４５°＜θ＜９０°）となるようにする。そして、伝熱管１に挿入する力を利用してフィンカラー６を垂直に立ち上げながらフィン２を挿入し（Ｓ５）、フィン２のフィンカラー６と伝熱管１とをろう材等で接合する（Ｓ６）。以上のようにして扁平管熱交換器２０を製造する。
【００２５】
図８は本発明の実施の形態４における扁平管熱交換器２０のフィンカラー６近傍の断面図である。図８（ａ）は、上述したＳ４において、プレス加工にてフィンカラー６を鋭角に立ち上げたときのフィンカラー６近傍の断面図を示したものである。また、図８（ｂ）は、上述したＳ６において、フィン２を伝熱管１に挿入したときのフィンカラー６近傍の断面図を示したものである。図８（ａ）のように、立ち上げ角度θを鋭角としておくことにより、フィンカラー６を立ち上げた状態でフィン２を挿入すると、図８（ｂ）のように、フィンカラー６にスプリングバックによる力１８が作用する。このため、フィンカラー６を伝熱管１に密着させることができる。
【００２６】
以上のように、実施の形態４においては、扁平管熱交換器２０を製造する際、プレス加工によりフィンカラー６を鋭角（特にθ：４５°＜θ＜９０°）に立ち上げた後に、挿入時において、フィンカラー６が垂直になるように立ち上げながらフィン２を挿入するようにしたので、加工バラツキ等で伝熱管１と挿入孔４の間にクリアランス（隙間）が発生したとしても、フィンカラー６にスプリングバックによる力１８が作用することで、フィンカラー６が伝熱管１に密着させることができ、例えば伝熱性能を高めることができる。そして、接合前における振動等によるフィン２の位置ズレ等を防ぐことができる。
【００２７】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図９の冷凍サイクル装置は、圧縮機１００、凝縮器２００、膨張弁３００及び蒸発器４００を配管接続して冷媒回路（冷媒循環回路）を構成している。ここで、温度の高低、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、装置内の冷媒等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
【００２８】
圧縮機１００は冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。熱交換器となる凝縮器２００は、例えば送風機（図示せず）から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。
【００２９】
また、膨張弁（減圧弁、絞り装置）３００は、冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段で構成するが、例えば、感温筒を有する膨張弁、毛細管（キャピラリ）等の冷媒流量調節手段等で構成してもよい。蒸発器４００は、空気等との熱交換により冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。
【００３０】
ここで、蒸発器４００、凝縮器２００の少なくとも一方に、実施の形態１〜４において説明した扁平管熱交換器２０を用いることができる。これにより、伝熱性能を向上させることができる。伝熱性能が向上することにより、エネルギー効率がよく、省エネルギーの冷凍サイクル装置を得ることができる。
【００３１】
次に、冷凍サイクル装置の各構成機器における動作等を、冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、圧縮機１００は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は凝縮器２００へ流入する。凝縮器２００は、送風機５００から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した冷媒は膨張弁３００を通過する。膨張弁３００は、通過する凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は蒸発器４００に流入する。蒸発器４００は、例えば熱負荷（熱交換対象）との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化した冷媒を圧縮機１００が吸入する。ここでは蒸発器４００において熱負荷と熱交換を行っているが、熱負荷を過熱する場合には凝縮器２００で行うようにしてもよい。
【００３２】
実施の形態６．
上述の実施の形態では、扁平状の伝熱管１と接合するフィン２のフィンカラー曲部６ｂについて説明したが、例えば、管の断面形状の一部が曲線となる伝熱管と接合するフィンのフィンカラー曲部にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  伝熱管、２  フィン、３  孔、４  挿入孔、５  スリット、６  フィンカラー、６ａ  フィンカラー直線部、６ｂ  フィンカラー曲部、７  下穴、８  切り欠き、９  境界線、１０，１１  ピアス穴、１８  スプリングバックによる力、２０  扁平管熱交換器、１００  圧縮機、２００  凝縮器、３００  膨張弁、４００  蒸発器。
【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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【図８】
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【図９】
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