(57)【要約】【課題】熱交換能力が大きい熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機を提供する。【解決手段】平行に積層され、その間を気体が通過する板状フィン１と、板状フィン１を積層方向に貫通し拡管されて固定され冷媒が流れる複数の伝熱管２とを有し、伝熱管２は、その内部に複数の隔壁６が設けられている。拡管前の伝熱管２の隔壁６はく字状もしくは蛇腹状に形成され、一方の端部が伝熱管２の側壁５の内周に一体に形成され、他方の端部が伝熱管２の流路の中心部Ａで合体している。あるいは、拡管前の伝熱管２の中心部付近に設けられたほぼ円筒状の隔壁８と、く字状、円弧状または蛇腹状に形成され、一方の端部が伝熱管２の側壁５の内周に一体に形成され、他方の端部が円筒状の隔壁８の外周に一体に形成されている隔壁６とからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で平行に積層され、その間を気体が通過する複数の板状フィンと、前記板状フィンを積層方向に貫通し拡管されて固定され冷媒が流れる複数の伝熱管とを有する熱交換器において、
前記伝熱管は、内部に複数の隔壁が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記複数の隔壁は前記伝熱管の軸方向に沿って該伝熱管と一体に形成され、前記隔壁により複数の流路を形成することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
拡管前の前記伝熱管の複数の隔壁はく字状、円弧状または蛇腹状に形成され、その一方の端部がそれぞれ前記伝熱管の側壁の内周に一体に形成され、他方の端部が前記伝熱管の中心部で合体していることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】
拡管前の前記伝熱管の複数の隔壁は、前記伝熱管の中心部付近に設けられたほぼ円筒状の第１の隔壁と、く字状、円弧状または蛇腹状に形成され、一方の端部がそれぞれ前記伝熱管の側壁の内周に一体に形成され、他方の端部がそれぞれ前記第１の隔壁の外周に一体に形成されている第２の隔壁とからなることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項５】
前記隔壁のく字状の突設部が前記伝熱管の中心部の周りの同方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項３または４記載の熱交換器。
【請求項６】
前記伝熱管の隔壁によって形成された流路は、気体が通過する風上側の流路が風下側の流路より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記伝熱管の内壁及び隔壁に溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項８】
前記伝熱管がアルミニウム材料の押し出しにより形成されており、前記伝熱管に板状フィンを積層したのち液圧または気圧拡管方式により前記伝熱管を拡管させて、前記伝熱管と前記板状フィンとが接合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とする空気調和機。
【請求項１０】
前記冷媒として、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、炭酸ガス、及びアンモニアのいずれかを用いたことを特徴とする請求項９記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機に係り、特に、フィンチューブ型の熱交換器に用いられる伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
主に空気調和機に用いられているプレートフィンチューブ型と呼ばれる熱交換器は、一定間隔で配置されその間を気体（空気）が流れる板状フィンと、この各板状フィンに直角に挿入され、内部に冷媒が流れる伝熱管とで構成され、フィン間を流れる気体（空気）と伝熱管内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。
熱交換器の能力、すなわち熱交換量Ｑ［Ｗ］は、熱通過率Ｋ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］、伝熱面積Ａｏ［ｍ2 ］、および空気と冷媒との対数平均温度差ＬＭＴＤ［Ｋ］を用いて、簡易的に、Ｑ  ＝  Ａｏ・Ｋ・ＬＭＴＤ  と表される。空気調和機において、省エネルギーの観点から、ＬＭＴＤは年々縮小されており、熱交換器は、Ａｏ・Ｋを大きくすることが求められる。
【０００３】
熱通過率Ｋは、フィンと空気との間の熱抵抗（空気側熱抵抗）、管内壁と冷媒との熱抵抗（冷媒側抵抗）に分類される。空気側熱抵抗を低減させるためには、フィン面状にスリットと呼ばれる切り起こしを設置して、空気の流れを乱流促進化して空気側を伝熱促進化する。冷媒側熱抵抗を低減させるためには、伝熱管の内面に多数のらせん状の溝を設け、その溝深さの高さ、溝のねじれ角度を伝熱性能が高い形状にしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
熱交換器の伝熱管には主として銅管が用いられていたが、銅管よりも重さが軽く、リサイクルしやすいという環境負荷低減の理由からアルミニウム管も用いられている。しかしながら、アルミニウム管は銅管に比べて変形抵抗が低く変形しやすいため、銅管と同様の断面形状の加工を施した場合、伝熱管を機械式に拡管する工程において管内の溝（特許文献１参照）が潰れてしまい、上記の銅管と同等あるいはそれ以上の伝熱特性を得ることは難しかった。
【０００５】
そこで、アルミニウム管本体の内面に、管の長手方向に延在する拡管用溝が３条以上、管本体の内周方向に沿って間隔をあけて略均状に形成され、それぞれの拡管用溝と拡管用溝との間に、拡管用溝よりも高さが低く、管の長手方向に延在する突条型の放熱溝が１条または複数条形成され、これらの拡管用溝および放熱溝により管本体の内面に複数の溝が形成され、拡管用溝が拡管時に潰れても放熱溝が残るので銅管に比べて同等以上の熱交換器が得られるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−１４２１９５号公報（第２頁、図３）
【特許文献２】特開２００１−２８９５８５号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に係る技術は、アルミニウム管本体の内面に、拡管用溝が形成され、それぞれの拡管用溝の間に管の長手方向に延在する突条型の放熱溝を形成しなければならないが、これらの溝の形状は複雑で、正確に加工することは必ずしも容易ではない。
また、アルミニウム管は、拡管した際にスプリングバックの影響で内側に若干変形するため、アルミニウム管と板状フィンとの十分な接触状態を得ることができず、銅管に比べて伝熱性能が悪化するという問題もあった。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、溝の形状が複雑にならず、しかも拡管するときにスプリングバックで内側に変形することがない、熱交換能力が大きい熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る熱交換器は、所定の間隔で平行に積層され、その間を気体が通過する複数の板状フィンと、板状フィンを積層方向に貫通し拡管されて固定され冷媒が流れる複数の伝熱管とを有し、伝熱管は、内部に複数の隔壁が設けられたものである。
【発明の効果】
【００１０】
伝熱管の内部に複数の隔壁を設け、複数の流路を形成して多穴円管としたので、管内の伝熱面積が増大する。また、伝熱管に液体や不活性ガスを注入し圧力を高めて拡管するときに、伝熱管がスプリングバックで内側に変形するのを隔壁により防ぐことができ、板状フィンと伝熱管とが十分に接触する。
こうして、熱交換能力が大きい熱交換器、及びこの熱交換器を用いた空気調和機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の平断面図、図２は図１の要部の側面図、図３は図１の熱交換器の伝熱管の拡管前の要部を拡大した断面図である。
フィンチューブ型の熱交換器４において、板状フィン１は積層方向イ（図１の紙面の垂直方向、図２の紙面の左右方向）に所定の間隔Ｆｐ（フィンピッチ）で平行に積層されており、また、変形抵抗が低い材料、例えばアルミニウム材料からなり外周が円状の伝熱管（ほぼ円筒状の伝熱管）は、板状フィン１に設けられたフィンカラー３によって積層方向イに貫通、保持され、段方向ロ（図１、図２の紙面の上下方向）に所定の間隔で配置されている。
【００１２】
図３に示すように、伝熱管２はアルミニウムやアルミニウム合金を押し出しにより形成された多穴円管であり、板状フィン１と接する側壁５と、この側壁５内に一体に形成された複数の隔壁６とから構成されている。
隔壁６は伝熱管２の軸方向（図３の紙面の垂直方向）に沿って形成され、初期状態（拡管前）においてはく字状の第１、第２、第３、第４の隔壁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなり、一方の端部はそれぞれが伝熱管２の側壁５の内周にほぼ等間隔で一体に形成され、他方の端部はそれぞれが流路７の中心部Ａ付近において合体している。それぞれの隔壁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、く字状の突設部６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄが、流路の中心部Ａの周りの同方向に沿って形成されている。
【００１３】
こうして、伝熱管２は、側壁５と、第１〜第４の隔壁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとによって大きさのほぼ等しい４つの流路７に区画される。この流路７は、側壁５と第１、第２の隔壁６ａ、６ｂとによって形成された第１の流路７ａ、側壁５と第２、第３の隔壁６ｂ、６ｃとによって形成された第２の流路７ｂ、側壁５と第３、第４の隔壁６ｃ、６ｄとによって形成された第３の流路７ｃ、及び側壁５と第４、第１の隔壁６ｄ、６ａによって形成された第４の流路７ｄとによって構成されている。
【００１４】
次に、本実施の形態１に係る熱交換器４の製造工程について説明する。図４は熱交換器４の製造工程を示すフローチャート、図５は熱交換器４の伝熱管２の拡管前後の状態を示す説明図である。
図４に示すように、熱交換器４を製造するには、まず、図３に示す伝熱管２をアルミニウムやアルミニウム合金等の押し出し成型によって製造する（ステップＳ−１）。
次に、板状フィン１を、上記のように形成した伝熱管２に積層する（ステップＳ−２）。
次に、伝熱管２内を、液圧や気圧により拡管して、板状フィン１と伝熱管２とを密着させる（ステップＳ−３）。すなわち、図５に示すように、伝熱管２の内に水などの液体あるいはヘリウムなどの不活性ガスを注入し、圧力を高めて拡管し、伝熱管２を板状フィン１に密着する。こうすると、伝熱管２の破線で示したく字状の第１、第２、第３、第４の隔壁６ａ〜６ｄは、拡管したときにその圧力によって、く字状の突設部６０ａ〜６０ｄが、実線で示すように直線状に伸ばされる。
【００１５】
実施の形態１によれば、アルニウム材料からなる伝熱管２に水などの液体、ヘリウムなどの不活性ガスを注入し、圧力を高めて拡管するときに、伝熱管２に設けた第１〜第４の隔壁６ａ〜６ｄが直線状に伸びきるため、伝熱管２の側壁５が金属のスプリングバックの影響で内側に変形するのを阻止することができ、伝熱管２の内側への変形を防ぐことができる。このため、伝熱管２は板状フィン１と均一に密着し、板状フィン１１と伝熱管２との間で十分な接触状態を得ることができる。さらに、この伝熱管２は、隔壁６ａ〜６ｄと側壁５との間に形成された４つの流路７ａ〜７ｄを有する４穴円管なので、管内の伝熱面積が増大する。こうして、熱交換能力が大きい熱交換器４を得ることができる。
【００１６】
図６は本実施の形態１の伝熱管２の他の例を示すもので、側壁５の内側と、第１、第２、第３、第４の隔壁６ａ〜６ｄの両側に、溝１０を設けたものである。
上述したように、伝熱管２は、押し出し成型で製造するので、溝１０がある場合でも製造は可能である。また、溝１０が設置されているので、管内に流れる冷媒の乱流が促進され、伝熱性能が向上し、より熱交換能力が大きい熱交換器４を得ることができる（なお、本例は他の実施の形態にも適用することができる）。
【００１７】
ここで、本実施の形態１に係るフィンチューブ型の熱交換器４の熱交換能力について説明する。熱交換器の能力、すなわち熱交換量Ｑ［Ｗ］は、熱通過率Ｋ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］、フィンの空気側伝熱面積Ａｏ［ｍ2 ］、空気と冷媒の対数平均温度差ＬＭＴＤ［Ｋ］を用いて、一般的に次式のように表される。
Ｑ＝Ａｏ×Ｋ×ＬＭＴＤ
空気調和機において、近年省エネルギー化が進められており、ＬＭＴＤは小さくなっており、そのため、Ａｏ×Ｋを大きくすることが熱交換器に求められる。しかしながら、Ａｏを大きくするには、その分、板状フィンの重量が増え、コストが増える難点があり、熱通過率Ｋを大きくすることが重要となる。
【００１８】
熱交換器の熱通過率Ｋは、一般的に次式で表される。ただし、αｏ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］は板状フィンと空気との平均管外熱伝達率、αｉ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］は管内熱伝達率、αａｏ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］は板状フィンと空気との接触熱伝達率無限大時での管外熱伝達率、Ａｃ［ｍ2 ］は板状フィンと伝熱管との接触伝熱面積、αｃ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］が接触熱伝達率、Ａｉ［ｍ2 ］は管内伝熱面積である。
１／Ｋ＝１／αｏ＋Ａｏ／Ａｉ×１／αｉ
＝（１／αａｏ＋Ａｏ／Ａｃ×１／αｃ）＋Ａｏ／Ａｉ×１／αｉ
従来から用いられている内面溝付き管は、側壁９の内側に溝１０が設けられている。本実施の形態１に係るフィンチューブ型の熱交換器４において、内面溝付き管８にさらに隔壁６を設けた場合は（図６参照）、隔壁６が加わった分、内面溝付き管のみの場合に比べて管内伝熱面積Ａｉが大幅に増加するので、熱通過率Ｋが大きくなり、熱交換能力が大きい熱交換器を得ることができる。
【００１９】
実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部を拡大した断面図である。
実施の形態１では、第１〜第４の隔壁６ａ〜６ｄによって伝熱管２を４つの流路７ａ〜７ｄに区画したが、本実施の形態２では、第１〜第８の隔壁によって８つの流路に区画したものである。
隔壁６は伝熱管２の軸方向（図７の紙面の垂直方向）に沿って形成され、く字状の第１〜第８の隔壁６ａ〜６ｈからなり、側壁５とそれぞれの隔壁６ａ〜６ｈとによって、伝熱管２を大きさの等しい８つの流路、すなわち第１〜第８の流路７ａ〜７ｈに区画する。
その他の構成、製造（拡管）方法、及び作用、効果は実施の形態１に示した場合とほぼ同様なので、説明を省略する。
【００２０】
実施の形態３．
図８（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態３に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部を拡大した断面図である。
実施の形態１では、く字状の隔壁６ａ〜６ｄによって伝熱管２を４つの流路７ａ〜７ｄに区画したが、本実施の形態３では蛇腹状または円弧状の隔壁によって伝熱管を４つの流路に区画したものである。
図８（ａ）の隔壁６は伝熱管２の軸方向（図８の紙面の垂直方向）に沿って形成され、蛇腹状の第１〜第４の隔壁６ａ〜６ｄからなり、側壁５とそれぞれの隔壁６ａ〜６ｈとによって伝熱管２を、大きさのほぼ等しい４つの流路、すなわち第１〜第４の流路７ａ〜７ｄに区画する。図８（ｂ）は隔壁の形状が円弧状からなっている。
その他の構成、製造（拡管）方法、及び作用、効果は実施の形態１に示した場合とほぼ同様なので、説明を省略する。
【００２１】
実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部を拡大した断面図である。
実施の形態１では、隔壁６はく字状の第１〜第４の隔壁６ａ〜６ｄのみからなっているが、本実施の形態４では、伝熱管２の流路７の中心部付近に周囲がほぼ円状の隔壁を設け、この隔壁と側壁との間にく字状の隔壁を設けたものである。
伝熱管２の中心部付近には、周囲がほぼ円状の（伝熱管２の軸方向に沿ってほぼ円筒状の）隔壁８が形成され、この隔壁８の外周と側壁５の内周との間に、軸方向に沿ってく字状の第１、第２、第３、第４の隔壁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられ、一方の端部はそれぞれが伝熱管２の側壁５の内周にほぼ等間隔で一体形成され、他方の端部はそれぞれが円筒状の隔壁８の外周にほぼ等間隔で一体に形成されている。
【００２２】
こうして、伝熱管２は、ほぼ円筒状の隔壁８の内部に形成された流路９と、側壁５、第１〜第４の隔壁６ａ〜６ｄ、及びほぼ円筒状の隔壁８とによって形成された大きさのほぼ等しい第１〜第４の流路７ａ〜７ｄとによって５つに区画される。
その他の構成、製造（拡管）方法、及び作用、効果は実施の形態１に示した場合と同様なので、説明を省略する。
【００２３】
実施の形態５．
図１０は本発明の実施の形態５に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部を示す断面図、図１１は熱交換器に空気が流れる状態を示す説明図である。
実施の形態１では伝熱管２をく字状の第１〜第４の隔壁６ａ〜６ｄによって同じ大きさの４つの流路７ａ〜７ｄに区画したが、本実施の形態５では４つの流路のうち、空気の流れ方向に対して風上側の２つの流路を風下側の２つの流路よりも大きくなるようにしたものである。
図１０に示すように、第１、第２の流路７ａ、７ｂは風上側に位置し、第３、第４の流路７ｃ、７ｄは風下側に位置している。そして、風上側に位置する第１、第２の流路７ａ、７ｂ、及び風下側に位置する第３、第４の流路７ｃ、７ｄはそれぞれがほぼ同じ大きさに形成され、かつ風上側に位置する第１、第２の流路７ａ、７ｂは風下側に位置する第３、第４の流路７ｃ、７ｄよりも大きくしてある。
【００２４】
空気の流れ方向に対して風上側の流路（第１、第２の流路７ａ、７ｂ）の大きさを風下側の流路（第３、第４の流路７ｃ、７ｄ）の大きさよりも大きくしているが、これは、図１１に示すように、フィンチューブ型の熱交換器４の伝熱管２の風下側は空気の流れが十分に行き渡らないので、伝熱管２の風下側は伝熱管２内を流れる冷媒と空気とが熱交換し難いためである。このため、風上側の流路（第１、第２の流路７ａ、７ｂ）を大きくし、風下側の流路（第３、第４の流路７ｃ、７ｄ）をこれよりも小さくすることで、全ての流路の大きさを等しくした実施の形態１よりも熱交換能力を大きくしたものである。
その他の構成、製造（拡管）方法、及び作用、効果は実施の形態１に示した場合とほぼ同様なので、説明を省略する。
【００２５】
以上のように、伝熱管２内の流路７を、実施の形態１、３、５では４つに区画し、実施の形態２では８つに区画し、実施の形態４では５つに区画した場合を示したが、例えば、２つ、３つ、６つに区画するものであってもよく、いずれの区画数であっても押し出し成型では容易に形成することができる。
【００２６】
実施の形態６．
図１２は、実施の形態１〜５のいずれかに係る熱交換器を用いた冷凍サイクルを示す模式図である。
図１２に示すように、冷凍サイクルは、圧縮機１５、四方弁１６、室内熱交換器１７、膨張弁１９、室外熱交換器２０が、順次冷媒配管により接続されている。そして、熱交換器４は、室内熱交換器１７、及び室外熱交換器２０のいずれにも用いることができる。
【００２７】
暖房時には、矢印（実線）で示す方向に冷媒が流れる。圧縮機１５で圧縮されたガス状態の冷媒は、四方弁１６を通り、室内熱交換器１７に入る。室内熱交換器１７は、送風機１８から送り出された空気との熱交換によって放熱する。室内熱交換器１７で熱交換を行った冷媒は過冷却状態の液冷媒となり、膨張弁１９に入る。膨張弁１９で膨張した低温低圧の冷媒は低乾き度の二相状態となり、室外熱交換器２０に入る。室外熱交換器２０は、送風機２１から送り出された空気と熱交換して吸熱する。室外熱交換器２０で室外の空気と熱交換して吸熱した冷媒は、蒸発してガス状態となり、圧縮機１５に入る。
なお、上記の冷媒としてＲ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、炭酸ガス、アンモニアのいずれかを用いることができるが、これらの冷媒により空気との熱交換率が向上する。
このように、室内熱交換器及び室外熱交換器の両者又はいずれか一方に実施の形態１〜５のいずれかの熱交換器４を用いることにより、熱交換能力が大きい空気調和機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の平断面図である。
【図２】図１の要部の側面図である。
【図３】図１に示す熱交換器の拡管前の伝熱管の要部の断面図である。
【図４】熱交換器の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】熱交換器の伝熱管の拡管前後の状態を示す説明図である。
【図６】実施の形態１の伝熱管の他の例の要部の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る熱交換器の拡管前の伝熱管の要部の断面図である。
【図１１】図１０に示す熱交換器の伝熱管に空気が流れる状態の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクルを示す模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  板状フィン、２  伝熱管、３  フィンカラー、４  熱交換器、５  側壁、６，６ａ〜６ｈ，８  隔壁、７，７ａ〜７ｈ，９  流路、１０  溝、１５  圧縮機、１６  四方弁、１７  室内熱交換器、１９  膨張弁、２０  室外熱交換器、６０，６０ａ〜６０ｈ  く字状の突設部。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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