JP2016020757A - 冷凍サイクル装置及びこれに使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管内部に設けたフィン溝の山部の潰れを抑えつつ、フィンと伝熱管との接触熱抵抗を小さくして、熱交換器の性能向上を図ると共に、熱交換器の組立作業も容易に行えるようにする。
【解決手段】冷凍サイクル装置は、圧縮機、熱源側熱交換器７、膨張装置、利用側熱交換器を冷媒配管で順次連結して構成されている。前記熱源側熱交換器は、アルミニウム系材料で構成され内面にはフィン溝が形成されている伝熱管３０と、アルミニウム系材料で構成され前記伝熱管を通すための貫通孔２０ａが形成されているフィン２０とを備えたクロスフィンチューブ型熱交換器であって、前記貫通孔は伝熱管の外径よりも大きな径に形成され、前記伝熱管を貫通孔に通した後、伝熱管の外径が貫通孔の径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように該伝熱管を拡管して接合し、この接合部分をろう付けして構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルを利用した空気調和機や冷凍機などの冷凍サイクル装置及びこれに使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法に関し、特に、アルミニウム製の伝熱管を使用したクロスフィンチューブ型熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機などの冷凍サイクル装置に使用されている従来の熱交換器としては、複数枚のアルミニウム（以下、単にアルミともいう）製フィンと複数本の銅製伝熱管から構成されたクロスフィンチューブ型熱交換器が一般に使用されている。このクロスフィンチューブ型熱交換器の性能向上のためには、フィンと伝熱管との密着性を向上してフィンと伝熱管との熱抵抗（接触熱抵抗）を低減することが効果的である。また、前記クロスフィンチューブ型熱交換器は、その性能向上のために、伝熱管の内面にフィン溝を設けて、冷媒側の熱交換量を増加させるようにしている。

一方、前記クロスフィンチューブ型熱交換器の軽量化やコスト低減のため、伝熱管の材質を銅からアルミに変更した熱交換器も知られている。このアルミ製フィンとアルミ製伝熱管から構成されたクロスフィンチューブ型熱交換器においては、フィンと伝熱管との密着性を確保するため、フィンに伝熱管の外径よりも大きい断面積を有する貫通孔を形成し、この貫通孔に前記伝熱管を通した後、前記伝熱管の内側に、伝熱管内径より大きな径の球部を通過させて機械的な圧力をかけて前記伝熱管を拡管し、その外径を大きくすることにより、前記フィンと前記伝熱管とを密着させる方法が知られている。この種公知例としては、例えば、特開２００１−２８９５８５号公報（特許文献１）や特開２０１１−１５３８２３号公報（特許文献２）に記載されたものなどがある。

また、従来の熱交換器としては特開平８−２４７６７８号公報（特許文献３）に記載されたものも知られている。この特許文献３に記載のものは、複数のアルミニウム製フィンと複数のアルミニウム製偏平伝熱管で構成されたアルミニウム製熱交換器であって、フィンには扁平伝熱管の断面積よりもやや小さく設定したスリット部を形成し、このスリット部に前記扁平伝熱管を圧入して通すことで、フィンの弾性力により前記扁平伝熱管とフィンとの密着性を確保するようにしている。そして、更に密着性が必要な場合には、扁平伝熱管をフィンに圧入した後、フィンと伝熱管をろう付け或いは接着することが記載されている。

特開２００１−２８９５８５号公報 特開２０１１−１５３８２３号公報 特開平８−２４７６７８号公報

上記特許文献１や特許文献２のものでは、アルミ製伝熱管の内部のフィン溝の形状を工夫することにより、機械的圧力による拡管であってもフィン溝の潰れによる性能低下を最小限に留めることができるようにしている。

しかし、フィンと伝熱管との接触熱抵抗を十分に低減するためには、フィンと伝熱管とを十分に密着させることのできる拡管率に設定する必要がある。ここで、拡管率とは、「（拡管後のフィンに設けた伝熱管を通す貫通孔の径／拡管前のフィンに設けた伝熱管を通す貫通孔の径−１）×１００[％]」である。伝熱管内部にかける圧力が大きくなるほど拡管率を大きくできるが、伝熱管内部にかける圧力が大きくなるほど伝熱管の内面に設けたフィン溝の山部の潰れが大きくなる。

接触熱抵抗を小さく設定することは拡管率を大きく設定することであり、接触熱抵抗を十分に低減するためには前記拡管率を１．５％から３．５％に設定することが望ましいが、このような拡管率にすると、前記フィン溝の山部の潰れが大きくなる傾向にある。即ち、フィンと伝熱管との接触熱抵抗を低減することは期待できるが、伝熱管の内面に設けたフィン溝の山部の潰れが大きくなり、伝熱管内を流れる冷媒側の熱交換量の低下が生じるので、全体として熱交換器の性能を十分に向上することはできないという課題があった。

上記特許文献３のものには、フィンに扁平伝熱管の断面積よりもやや小さく設定したスリット部を形成し、このスリット部に前記扁平伝熱管を圧入して通すことで、フィンの弾性力により前記扁平伝熱管とフィンとの密着性を確保することが記載されている。しかし、この特許文献３のものでは、熱交換器を製造する際、複数枚のフィンに形成した断面積がやや小さく設定された前記スリット部に、前記扁平伝熱管を圧入して通すことが必要であり、熱交換器の組立作業に多くの時間を要し、製造性が劣るという課題がある。

本発明の目的は、伝熱管内部に設けたフィン溝の山部の潰れを抑えつつ、フィンと伝熱管との接触熱抵抗を小さくして、熱交換器の性能向上を図ると共に、熱交換器の組立作業も容易に行うことのできる製造性の良い熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置及びこれに使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法を得ることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張装置、利用側熱交換器を冷媒配管で順次連結して構成されている冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器は、アルミニウム系材料で構成され内面にはフィン溝が形成されている伝熱管と、アルミニウム系材料で構成され前記伝熱管を通すための貫通孔が形成されているフィンとを備えたクロスフィンチューブ型熱交換器であって、前記フィンの貫通孔は前記伝熱管の外径よりも大きな径に形成され、前記伝熱管を前記貫通孔に通した後、前記伝熱管の外径が前記貫通孔の前記径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように該伝熱管を拡管して接合し、この接合部分をろう付けして構成されていることを特徴とする。

本発明の他の特徴は、冷凍サイクル装置に使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法において、アルミニウム系材料で構成され内面にはフィン溝が形成されている伝熱管と、アルミニウム系材料で構成され前記伝熱管の外径よりも大きい径の貫通孔が形成されているフィンとを用意し、前記伝熱管を前記フィンの貫通孔に通した後、前記伝熱管を、その外径が前記貫通孔の前記径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように拡管し、その後、前記フィンと伝熱管をろう付けして接合することにある。

本発明によれば、伝熱管内部に設けたフィン溝の山部の潰れを抑えつつ、フィンと伝熱管との接触熱抵抗を小さくして、熱交換器の性能向上を図ると共に、熱交換器の組立作業も容易に行うことのできる製造性の良い熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置及びこれに使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法を得ることができる効果がある。

本発明の冷凍サイクル装置の実施例１を示す冷凍サイクル系統図。 図1の室外側熱交換器に使用されているクロスフィンチューブ型熱交換器の要部斜視図。 拡管のみで接合したフィンと伝熱管との接触熱抵抗と拡管率との関係を示す線図。 拡管のみで接合したフィンと伝熱管との接合状態を説明する図。 本発明の実施例１におけるクロスフィンチューブ型熱交換器の要部を示す断面図で、伝熱管を拡管する前の状態を示す図。 本発明の実施例１におけるクロスフィンチューブ型熱交換器の要部を示す断面図で、伝熱管を拡管した後の状態を示す図。 本発明の実施例１におけるクロスフィンチューブ型熱交換器の要部を示す断面図で、フィンと伝熱管をろう付けした後の状態を示す図。 本発明の実施例２におけるクロスフィンチューブ型熱交換器の要部を説明する要部断面図。 クロスフィンチューブ型熱交換器のフィン表面に水滴が付着した状態を説明する図。

以下、本発明の具体的実施例を図面を用いて詳細に説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

本発明の冷凍サイクル装置の実施例１を図１〜図７を用いて説明する。
図１は本実施例１の冷凍サイクル装置を示す冷凍サイクル系統図であり、この図１において、１は室外機、２は室内機で、これら室外機１と室内機２とは冷媒配管（液側接続配管３とガス側接続配管４）により接続されている。

前記室外機１には、圧縮機（密閉型圧縮機）５、四方弁６、室外側熱交換器７、第１の膨張装置８、アキュムレータ９などが備えられている。また、前記液側接続配管３と接続される液阻止弁１０及び前記ガス側接続配管４と接続されるガス阻止弁１１が設けられている。

前記室内機２には、利用側熱交換器１２及び第２の膨張装置１３などが備えられている。

冷房運転を行う場合には次のように動作する。即ち、圧縮機５で圧縮された高温高圧のガス冷媒は冷凍機油と共に前記圧縮機１から吐出され、その後四方弁６を経て、熱源側熱交換器７へと流入し、ここで室外空気或いは冷却水などと熱交換して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は全開とされた第１の膨張装置８を通り、液阻止弁１０及び液側接続配管３を経て、室内機２へ送られる。室内機２に流入した液冷媒は、第２の膨張装置１３で減圧されて膨張し、低温・低圧の気液二相流となって、利用側熱交換器１２に入り、ここで室内空気等の利用側媒体と熱交換して利用側媒体を冷却すると共に、自らは蒸発・ガス化する。その後、ガス冷媒はガス側接続配管４を通り、ガス阻止弁１１、四方弁６、アキュムレータ９を経て前記圧縮機１へ戻るという冷凍サイクルを構成する。冷凍サイクルの余剰冷媒は前記アキュムレータ９に貯留され、冷凍サイクルの運転圧力、温度が正常な状態に保たれるように構成されている。

暖房運転を行う場合には次のように動作する。即ち、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は冷凍機油と共に圧縮機１から吐出され、四方弁６、ガス阻止弁１１、ガス側接続配管４を経て室内機２の利用側熱交換器１２へ流入し、ここで室内空気等の利用側媒体と熱交換して利用側媒体を加熱し、自らは凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、液側接続配管３、液阻止弁１０を経て、第１の膨張装置４で減圧され、熱源側熱交換器７で室外空気或いは水などの熱源媒体と熱交換して蒸発・ガス化する。蒸発・ガス化した冷媒は四方弁６、アキュムレータ９を経て前記圧縮機１へ戻るという冷凍サイクルを構成する。

図１に示す冷凍サイクル装置における前記熱源側熱交換器７は、本実施例では、アルミニウム系材料で構成され内面にはフィン溝が形成されている複数本の伝熱管と、アルミニウム系材料で構成され前記伝熱管を通すための貫通孔が形成されている複数枚のフィンとを備えたクロスフィンチューブ型熱交換器で構成されている。なお、アルミニウム系材料とは、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。

この室外側熱交換器７に使用されているクロスフィンチューブ型熱交換器の構成を図２により説明する。図２は前記クロスフィンチューブ型熱交換器の要部斜視図である。
この図２により、前記クロスフィンチューブ型熱交換器の構成を説明する。図２において、２０はアルミニウム系材料で構成された複数枚のフィン、３０は同じくアルミニウム系材料で構成された複数本の伝熱管である。前記各フィン２０には前記伝熱管３０を通すための貫通孔２０ａがそれぞれ形成されており、この貫通孔２０ａは前記伝熱管３０の外径よりも大きな径に形成されている。

このクロスフィンチューブ型熱交換器の組立ては、まず前記伝熱管３０を前記フィン２０の貫通孔２０ａに通すことで、複数枚のフィン２０が積層された状態で伝熱管３０にセットする。その後、前記伝熱管３０の外径が前記貫通孔２０ａの前記径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように該伝熱管３０を拡管して、前記伝熱管３０と積層された複数枚のフィン２０と接合させる。この接合後、該接合部分をろう付けすることにより、フィン２０と伝熱管３０とを密着固定する。これにより、前記フィン２０と伝熱管３０の密着性を向上させたクロスフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

前記伝熱管３０の拡管方式としては、伝熱管３０の内径よりも大きい外径を有する球部を備えたロッドを伝熱管３０の内部を通過させることで、伝熱管３０を内部から押し広げて拡管する機械的拡管方式、伝熱管３０の内径よりも大きい外径を有する球部を流体液圧により押し込む液圧拡管方式などがある。
なお、図２において、１４は室外機１の底ベース、１５は室外側熱交換器７と前記底ベース１４との間に設けられた絶縁材料である。また、前記伝熱管３０の電位よりも、前記フィン２０の電位の方が低くなるように、前記伝熱管３０と前記フィン２０とは異なるアルミニウム系材料で構成しており、伝熱管３０よりもフィン２０の方が先に腐食するようにして、伝熱管３０の腐食を遅らせるようにしている。

次に、前記拡管率と、フィンと伝熱管の接触熱抵抗との関係を、図３及び図４を用いて説明する。図３は拡管のみで接合したフィンと伝熱管との接触熱抵抗と拡管率との関係を示す線図、図４は拡管のみで接合したフィンと伝熱管との接合状態を説明する図である。

まず、図３により、接触熱抵抗と拡管率との関係を説明する。拡管率とは、前述した通り、「（拡管後のフィンに設けた伝熱管を通す貫通孔の径／拡管前のフィンに設けた伝熱管を通す貫通孔の径−１）×１００[％]」である。即ち、図３は、フィン２０の貫通孔２０ａの径（カラー部２０ｂの内径も含む）を基準とした拡管率と、フィン２０と伝熱管３０との間の接触熱抵抗との関係を示すものである。

この図３に示すように、拡管率を大きく設定するほど接触熱抵抗を小さくすることができるので、フィン側（空気側）の熱交換性能を上昇させる方向に作用する。また、伝熱管３０の拡管により接触熱抵抗を十分に低減させるためには拡管率を１．５％以上に設定することが望ましい。しかし、前記拡管率が３．５％を超えると、伝熱管３０に対して垂直に設置されたフィン２０が倒れて、室外側熱交換器７の通風抵抗が増え、該室外側熱交換器７の性能が低下する。このため、従来のものでは拡管率を１．５〜３．５％に設定することが知られている。

しかし、拡管率を大きく取るほど伝熱管３０内面に設けたフィン溝の山部の潰れ（以下単にフィン溝の潰れということもある）が大きくなる傾向があり、このフィン溝の潰れにより、伝熱管３０内面を流れる冷媒側の熱交換量が低下するため、拡管率を大きく取るほど冷媒側の熱交換性能を低下させる方向に作用する。

特に、アルミニウム系材料は銅よりも機械的特性が劣ることから、伝熱管３０をアルミニウム系材料とした場合、伝熱管３０の肉厚を銅製伝熱管の場合よりも大きく設定する必要があり、拡管率を大きくするほど伝熱管３０を拡管するための荷重が大きくなる傾向にある。そのため、拡管率を大きくするほど伝熱管３０を拡管する製造装置も大きくなり、設備コストも増大する。

図４は拡管のみで接合したフィン２０と伝熱管３０との接合状態を説明する図で、（ａ）図は伝熱管３０に、拡管により接合された１枚のフィン２０の部分を示す図、（ｂ）図は（ａ）図におけるＡ部の拡大図である。

伝熱管３０内側を通過させる球部（拡管玉）により伝熱管３０は拡管されるが、この拡管する圧力（伝熱管内面に作用する面圧）が大きくなるほど拡管率は大きくなる。しかし、前記拡管するための圧力が大きくなるほど、伝熱管３０内部に設置したフィン溝の山部に作用する面圧が大きくなり、フィン溝山部の潰れが大きくなる。

また、伝熱管３０を拡管することで、フィン２０と伝熱管３０とを接合することができるが、伝熱管３０を拡管することでフィン２０のカラー部２０ｂも半径方向外側に拡がる。そのとき、フィン２０のカラー部２０ｂは薄いので、伝熱管３０の外表面に完全に密着して拡がるのではなく、上記（ｂ）図に示すように、接合面を拡大すると、若干波打つ形状となる。このため、フィン２０と伝熱管３０とが接していない空間（空気層）１６が生じ、この空間１６には空気が存在する。空気の熱伝導率は０．０２４［Ｗ／ｍ・Ｋ］であり著しく小さいので、前記空間１６はフィン２０と伝熱管３０との伝熱を阻害する熱抵抗になる。

以上のことから、前記拡管率はできるだけ小さく設定することが好ましい。
そこで、本実施例では、伝熱管３０の外径がフィン２０に設けた前記貫通孔２０ａの径よりも大きくなるように拡管すると共に、前記拡管率が１．５％未満、好ましくは、１．０％を若干上回る程度（例えば１．１〜１．３％）に拡管して、前記フィン２０と伝熱管３０を接合し、この接合部分をろう付けするようにしたものである。このようにすることにより、伝熱管３０内面に設けたフィン溝の山部の潰れを最小限に抑え、また拡管率を小さくしているので、伝熱管３０を拡管する製造装置も小型化でき、フィンカラー部２０ｂが波打つ形状となるのも抑えることができる。更に、本実施例では、前記フィン２０と伝熱管３０の接合部分を拡管後にろう付けするので、フィン２０と伝熱管３０との間に十分なろう材を充填させることができ、前述した空間１６が仮に発生しても、この空間１６にはろう付け時にろう材が充填される。この結果、本実施例によれば、フィン２０と伝熱管３０との間に空気層が生じるのを防止してそれらを密着固定できるから、接触熱抵抗も大幅に低減することができる。

次に、上述した冷凍サイクル装置に使用される前記クロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法の一例を、図５〜図７を用いて説明する。図５は図２に示すクロスフィンチューブ型熱交換器の要部断面図で、伝熱管を拡管する前の状態を示す図、図６は同じくクロスフィンチューブ型熱交換器の要部断面図で、伝熱管を拡管後の状態を示す図、図７は同じくクロスフィンチューブ型熱交換器の要部断面図で、フィンと伝熱管をろう付けした後の状態を示す図である。

まず、アルミニウム系材料で構成されている複数本の伝熱管３０（拡管前の伝熱管３０ａ）と、アルミニウム系材料で構成された複数枚のフィン２０を用意する。前記複数本の伝熱管３０の内面にはフィン溝（図示せず）が形成されており、前記複数枚のフィン２０には前記拡管前の伝熱管３０ａの外径よりも大きい径の貫通孔２０ａとこの貫通孔２０ａを形成しているカラー部２０ｂが設けられている。

前記フィン２０は、図５に示すように、アルミニウム或いはアルミニウム合金で構成されたフィン心材２１の表面に、前記心材２１よりも融点の低いアルミニウム合金で構成されたろう材層２２を貼り合わせたブレージングシートを使用し、これをプレス加工して貫通孔２０ａを有するフィンに形成されている。なお、前記ブレージングシートは日本工業規格ＪＩＳ Ｚ３２６３に規格化されている。

次に、図５に示すように、前記伝熱管３０ａを前記フィン２０の貫通孔２０ａに通し、複数枚のフィン２０が前記カラー部２０ｂにより一定間隔で積層された状態で拡管前の伝熱管３０ａにセットする。この状態では、前記フィン２０の貫通孔２０ａと前記伝熱管３０ａとの間には隙間１７が形成されている。

その後、前述した機械的拡管方式などにより、図６に示すように、前記伝熱管３０の外径が前記貫通孔２０ａの前記径よりも大きくなるように拡管することで、前記フィン２０は弾性変形して、拡管後の伝熱管３０ｂと接合される。本実施例では、前記伝熱管３０の拡管率が１．５％未満になるように、伝熱管３０を拡管して、前記積層された複数枚のフィン２０と接合するようにしている。

このようにすることにより、前記伝熱管３０の内面に形成されている前記フィン溝の山部が拡管時に潰れるのを小さく抑えることができ、伝熱管内部を流れる冷媒側の熱交換量の低下を抑制することができる。

次に、図６に示す状態の熱交換器全体を加熱炉（図示せず）に入れて加熱すると、フィン心材２１表面のろう材層２２が溶融して、図７に示すように、フィン２０と伝熱管３０とを溶融したしたろう材２２ａで密着固定することができる。

即ち、本実施例では、前述したように前記拡管率を小さくして前記フィン２０と伝熱管３０の接合部分をろう付けするので、ろう材２２ａは、加熱されることにより溶けて粘度が低下すると、フィン２０の弾性力によりフィン２０と伝熱管３０の間から押し出される。これにより、フィン２０と伝熱管３０とは密着し、図４（ｂ）に示すように、フィン２０と拡管後の伝熱管３０ｂとの間に前記空間１６が発生した場合であっても、この空間１６にはろう材２２ａが充填されるので、伝熱を阻害する空気層を無くすことができる。

空気の熱伝導率が０．０２４［Ｗ／ｍ・Ｋ］であるのに対し、アルミニウム合金のろう材２２ａの熱伝達率は一般に１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であるから、空気の熱伝導率よりもろう材２２ａの熱伝導率の方が著しく大きい。従って、本実施例によれば、フィン２０と伝熱管３０との接触熱抵抗を著しく小さくすることができる。

これにより、複数枚のフィン２０を拡管後の伝熱管３０ｂに対して垂直になるように密着固定でき、フィン２０のカラー部２０ｂにより、前記複数枚のフィン２０が一定間隔に配列されたクロスフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

このように、本実施例では、拡管前の伝熱管３０ａをフィン２０の貫通孔２０ａに通した後、前記伝熱管３０ａを、その外径が前記貫通孔２０ａの径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように、即ちフィン２０と伝熱管３０とが接する程度に拡管し、その後、この拡管した伝熱管３０ｂと前記フィン２０とを炉中ろう付けして接合するので、伝熱管内部に設けたフィン溝の山部の潰れを抑えつつ、フィンと伝熱管との接触熱抵抗を小さくして、熱交換器の性能向上を図ることができる。

また、本実施例では、組立て時には、前記伝熱管３０を、拡管前の伝熱管３０ａの外径よりも大きい径の貫通孔２０ａを有するフィン２０に通すようにしているので、熱交換器の組立作業も容易に行うことのできる効果が得られる。

上述した構成のクロスフィンチューブ型熱交換器は、室外側熱交換器７として屋外に設置して使用される。この室外側熱交換器７は、暖房運転時には蒸発器として作用し、そのため前記フィン２０の温度は外気温度よりも低くなる。フィン２０の温度が外気の露点以下になると、外気中の水分が室外側熱交換器７のフィン２０表面に結露する。更に、前記フィン２０の表面温度が下がり、０℃以下になると、フィン２０の表面に結露した水分は凝固し、氷や霜へと変化する。

フィン２０の温度が０℃以下の状態で一定時間運転を継続すると、室外側熱交換器７のフィン２０の表面全体に霜が生成され、この霜が熱抵抗となるため室外側熱交換器７の伝熱性能が低下する。また、フィン２０間の隙間も霜で狭くなるので、室外側熱交換器７を流れる空気の流動抵抗が増加し、室外側熱交換器７を流れる空気の流量も減少するため、室外側熱交換器７の伝熱性能が低下する。このため、蒸発圧力が低下し、圧縮機５の吸入側の圧力が低下するので、圧縮機５吸入側の密度も低下する。この結果、冷凍サイクル装置を流れる冷媒循環量が減少するから、室内機２側の暖房能力が低下する。

従って、冷凍サイクル装置においては、外気温度が低くフィン２０の温度が０℃以下となるような状態で暖房運転を一定時間継続した場合、室外側熱交換器７のフィン２０に付着した霜を取り除くための除霜運転を実施するようになっている。この除霜運転では、フィン２０の温度を０℃以上になるように運転して付着した霜を取り除く。

例えば、外気温度が０℃を超える場合であれば圧縮機５を停止し、室外側熱交換器７に流れる冷媒を止めることで蒸発圧力を上昇させ、室外側熱交換器７の温度が０℃以上となるようにして、フィン２０に付着した霜を溶かす。

また、別の除霜方式として逆サイクル除霜方式がある。これは、冷凍サイクルを一次的に逆サイクル、即ち冷房運転に切り替えることで、圧縮機１から吐出された高圧高温の冷媒を室外側熱交換器７に流して、室外側熱交換器７を凝縮器として作用させ、この室外側熱交換器７に付着した霜を溶かすものである。この除霜方式は外気温度が０℃以下の場合であっても有効である。

前記除霜運転を実施すると、室外側熱交換器３に付着した霜は溶けて水に変化するが、この水はフィン２０を伝わって重力により下方に落下し、室外側熱交換器３を設置している室外機１の底ベース１４（図２参照）に流れ、この底ベース１４に設けた水受け（図示せず）を介して、底ベース１４に設けた排水孔から室外機１外に排出される。このとき、前記水の量が多いと、底ベース１４に設けた前記水受けに水が溜まり、室外側熱交換器７と底ベース１４とが水を介して電気的に接続される。

底ベース１４の材質は鉄であり、室外側熱交換器７に使用する伝熱管３０はアルミニウム系材料であるため、鉄とアルミ製伝熱管３０とが水を介して電気的に接続される。即ち、電位の異なる異種金属が水を介して接続された状態となるので、イオン化傾向の大きいアルミ製伝熱管３０が水にイオンとなって溶け出すので、前記アルミ製伝熱管３０の肉厚が薄くなり、最終的にはアルミ製伝熱管３０に穴が開き、伝熱管３０の内部を流れる冷媒が冷凍サイクル装置の外に放出されてしまうことになる。

この問題解決のために、本実施例では図２で説明したように、室外機１の底ベース１４とアルミ製のクロスフィンチューブ型熱交換器（室外側熱交換器７）とが水を介して接続しないように、前記底ベース１４と室外側熱交換器７との間に絶縁材料１５を配設している。

また、室外側熱交換器７や室内側熱交換器１２の性能向上のため、フィン２０に、空気の流れに対して垂直方向に、フィン２０の一部を切り起こして多数のスリットを形成する場合がある。即ち、空気の流れに対するフィン２０表面の温度境界層の厚さが、各スリットの前縁部で最小になるように該スリットを配置することで、スリット前縁部での熱伝達率を上昇させ、熱交換器の性能が向上するようにしている。

しかし、暖房運転時に蒸発器として作用する室外側熱交換器７においては、フィン２０付着した霜は除霜運転で水に変わり、空気の流れに対して垂直方向にフィン２０を切り起こしてスリットを設けると、水の表面張力によってスリット内に水が残留する。除霜運転を長い時間継続すれば、スリット内に残留した前記水を蒸発させ、室外側熱交換器７表面の水は除去される。

しかし、除霜運転中は、室内機２側では十分な暖房運転ができないため、室内機２を設置した室内の温度が低下し快適性が低下する。そのため、除霜運転はできるだけ短く設定することが望ましく、室外側熱交換器７の表面に付着した霜が溶け、スリット内を除くフィン２０表面の水が重力によって下方に排出されれば、スリット内に水が残留した状態であっても除霜運転を終了し暖房運転に切り替える場合がある。

スリット内に水が残留した状態で暖房運転に切り替わり、室外側熱交換器７が蒸発器として作用すると、フィン２０の温度が０℃以下になった場合、前記スリット内に残留していた水が氷結し、前記スリット内が目詰まり状態になってしまう。除霜運転から暖房運転に切り替わった初期の段階で、空気が流れるべきスリット内が目詰まりしていると、室外側熱交換器７に流れる空気風量が減少するので、室外側熱交換器７の熱交換量は減少し、蒸発圧力が低下する。このため、圧縮機１の吸入側の冷媒の密度が低下し、冷媒循環量が減少するので、暖房能力が低下する。

そこで、室外側熱交換器７が蒸発器として作用する場合、室外側熱交換器７のフィン２０はスリットレスフィンとすることが有効である。ここで、スリットレスフィンとは、前記フィン２０の一部を切り起こして形成したスリット（空気の向きに対して略垂直方向に形成されたスリット）を有していないフィンのことである。なお、空気の流れに対して平行に設けた切り欠きやスリットをもつフィンは、除霜運転時に、前記切り欠きやスリットに水が残留しスリット内が目詰まりしても、室外側熱交換器７の通風抵抗の上昇はほとんどないので、前記スリットレスフィンと同様の性能をもつから、このようなフィンも、本実施例では、スリットレスフィンの範疇に含まれるものとする。

図８及び図９により、本発明の実施例２を説明する。図８は本実施例２におけるクロスフィンチューブ型熱交換器の要部を説明する要部断面図で、フィンと伝熱管をろう付けした後の接合状態を示す図、図９はクロスフィンチューブ型熱交換器のフィン表面に水滴が付着した状態を説明する図である。

図８は本実施例２の冷凍サイクル装置に使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の一部を示しており、複数枚のフィンのうちの１枚の部分のみを取り出して示している図である。図８において、２３はフィン、３１は伝熱管であり、上記実施例１と同様に、フィン２３の貫通孔２３ａに伝熱管３１を通した後、前記伝熱管３１を前記貫通孔２３ａの径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満の範囲で拡管し、その後炉中ろう付けしてフィン２３と伝熱管３１を密着固定している。なお、２２ａはろう材、２３ｂはフィンカラー部である。

従来の銅製伝熱管、アルミ製フィンを使用したクロスフィンチューブ型熱交換器においては、前記フィンとして、アルミニウムの母材表面にコーティングを実施したプレコート材を使用するのが一般的である。プレコート材を使用する目的は耐食性の向上と親水性の向上のためである。

しかし、伝熱管としてアルミニウム系材料を使用した場合、アルミ製伝熱管は銅よりも電位が低いため、腐食し易くなる。伝熱管が腐食すると伝熱管の内部を流れる冷媒が伝熱管外に放出されてしまうので、フィン２０の方を先に腐食させ、伝熱管３１の腐食を遅らせるように設計することが好ましい。従来のように、フィンとして前記プレコート材を使用すると耐食性が向上して腐食し難くなるから、アルミ製伝熱管の腐食進行が早くなってしまう。

そこで、本実施例２では、前記フィン２３は、プレコート材ではなくプレコートレスとしたフィンを採用している。また、電位の低い材料の方が先に腐食するので、フィン２３と伝熱管３１との電位は、伝熱管３１よりもフィン２３の方が低くなるような材料で構成されている。

更に、本実施例２では、前記伝熱管３１の空気側の耐食性を向上させるために、アルミ製の伝熱管部３１ａの外表面に亜鉛の犠牲層３１ｂを溶射したアルミ製伝熱管（クラッド管）３１を使用している。前記亜鉛の犠牲層（亜鉛リッチ層）３１ｂは、母材であるアルミ製の伝熱管部（アルミリッチ層）３１ａよりも電位が低くなるので、亜鉛の犠牲層３１ｂが選択的に腐食され、これにより母材であるアルミ製の伝熱管部３１ａの腐食を遅らせることができる。

しかし、本実施例２では、プレコートをしていないプレコートレスフィンを使用しているので、フィン２３表面の親水性がプレコートフィンよりも劣る。親水性が劣ると図９（ａ）に示すように、フィン２３の表面に結露した水滴（結露水）１８が生じた時、その水滴１８の接触角θｃが大きくなってしまう。このため、複数枚のフィン２３間に大きな水滴１８が留まり、フィン２３の水はけ性が悪くなり、前記水滴１８が空気の流れの抵抗となり、通風抵抗が大きくなるという課題がある。

しかし、本実施例では、前記フィン２３は、上記実施例１と同様に、フィン心材にろう材層を設けたフィンを使用し、このフィン２３の貫通孔に、アルミ製の伝熱管部３１ａの表面に亜鉛の犠牲層３１ｂを溶射した前記伝熱管３１を通して、該伝熱管３１を拡管し、前記フィンと伝熱管３１を接合した後炉中ろう付けをして、フィン２３と伝熱管３１を密着固定するようにしているので、以下の効果が得られる。

即ち、本実施例２で製作された熱交換器は、加熱炉で炉中ろう付けして製作されるため、フィン２３の表面状態は、図９（ｂ）に示すようになる。つまり、フィン２３を加熱することで、フィン２３の表面のろう材層は溶けるが、そのろう材層の一部はフィン２３の表面に残留する。２２ｂはフィン２３表面に残留したろう材（残留ろう材）である。この残留ろう材２２ｂは、図９（ｂ）ではフィン２３の一部分にしか表示していないが、フィン２３の表面全体に点在している。そして、この残留ろう材２２ｂを有するフィン２３の表面は粗い面となっている。

平坦な面における水滴１８の接触角θに対する粗い面における水滴１８の接触角θｃは、次のＷｅｎｚｅｌの式から、求めることができる。
ｃｏｓθｃ＝ｒ・ｃｏｓθ
ここで、θｃは粗い面上での接触角、ｒは平面に対する粗い面の面積比（ｒ≧１）、θは平坦面での接触角である。

平坦なアルミ表面での接触角θは８０°程度である。上記の式からθ＜９０°でｒ＞１であれば、θｃ＜θとなるので、粗い面であるほどその接触角θｃは小さくなり、フィン２３表面の濡れ性を向上でき、親水性が向上する。本実施例によれば、フィン２３表面に点在する前記残留ろう材２２ｂの効果により、フィン２３表面の水滴１８の接触角θｃはプレコート材の接触角１０°〜２０°以下にすることが可能となり、フィン２３の親水性を向上できるから、フィン２３管の通風抵抗の小さい熱交換器を得ることができる。

次に、上述した実施例２の変形例を説明する。上述した実施例２では、アルミ製の伝熱管部３１ａの表面に亜鉛の犠牲層３１ｂを溶射したアルミ製伝熱管（クラッド管）３１を使用した例を説明した。これに対し、この変形例は、伝熱管３１としてクラッド管を採用する点では同じであるが、この変形例の伝熱管３１は、冷媒が流動する伝熱管３１の内側を構成する伝熱管部（３１ａ）は銅系材料とし、伝熱管３１の外側の部材（３１ｂ）をアルミニウム系材料としたクラッド管として構成しているものである。この伝熱管は次のような場合に有効である。

図１に示すように、冷凍サイクル装置には、銅製の接続配管３，４が使用されるが、この銅製の接続配管３，４を加工した際に発生する銅片や、前記接続配管３，４をろう付けにより接続した場合に発生する酸化スケール（酸化銅）などの異物が冷凍サイクル装置内に混入することがある。冷凍サイクル内に混入した前記銅片や酸化スケールは、冷凍サイクル内を循環する冷媒と共に冷凍サイクル内を循環し、室外側熱交換器７の伝熱管３０内部に流入する。伝熱管３０にはその内部にフィン溝が形成されているため、伝熱管３０に流入した異物はフィン溝に残留する場合がある。伝熱管３０内部に流れる冷媒は、液相の状態では電気が流れるので、アルミ製伝熱管３０を採用した場合、液相状態の冷媒を介して異物である銅と接触する。アルミと銅とではアルミの方がイオン化傾向は大きいのでアルミ製伝熱管が腐食し、該伝熱管に穴が開き、冷凍サイクル装置に封入されている冷媒が冷媒サイクル装置外に放出されてしまう可能性がある。

また、冷凍サイクル装置をリニューアル施工する場合、旧機で使用していた既設配管を利用して新しい室外機１と室内機２に変更する。この場合、旧機で使用していた冷媒として例えばＲ２２等の塩素を含む冷媒であった場合、冷媒中の塩素には極圧作用があるので、この塩素は、圧縮機５の摺動部である軸受部などの鉄と結合し塩化鉄を生成する。経年劣化により、圧縮機１の摺動部で生成された前記塩化鉄が摩耗分となって既設の接続配管３，４に残留していることがある。このため、リニューアル施行をすると、塩素系化合物が冷凍サイクル装置に混入し、室外側熱交換器７の伝熱管３０に流入する。銅は塩素系化合物に強いが、アルミは弱いので、アルミ製伝熱管を使用した場合、アルミ製伝熱管は前記塩素系化合物と反応して腐食し、上記した例と同様に伝熱管に穴が開く可能性がある。

このような場合、前述した本変形例の内側（冷媒側）を銅（銅系材料）、外側（空気側）をアルミニウム（アルミニウム系材料）としたクラッド管を前記伝熱管として採用することにより、伝熱管の腐食を防止できる効果が得られる。

以上説明した、本発明の各実施例によれば、図１、図２に示す室外側熱交換器のフィン及び伝熱管をアルミニウム系材料で構成しているので、伝熱管として銅材を採用した場合と比較して軽量化でき、室外側熱交換器が大型となるような冷凍サイクル装置に特に有効である。例えば、図１に示す室外側熱交換器に通風する空気を地面に対して平行（水平方向）に吹く横吹きタイプの室外機で且つその通風するためのファン（通風装置）が垂直方向に２個（複数台）有するような大型の室外機に有効である。また、室内機で発生する熱交換量が大きく、室外側熱交換器の熱交換量を大きくする必要のある冷凍サイクル装置では、室外側熱交換器の伝熱面積を大きく取り且つ室外側熱交換器に流す空気の風量も大きくする必要があるので、大容量の送風機（通風装置）を室外機の筐体上部に設け、空気を上方に吹き出すような上吹きタイプの室外機など（室内機を多数有するビル用マルチエアコンの室外機など）にも好適である。

また、本実施例では、前記フィンの貫通孔は前記伝熱管の外径よりも大きな径に形成され、前記伝熱管を前記貫通孔に通した後、前記伝熱管の外径が前記貫通孔の前記径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように該伝熱管を拡管して接合し、この接合部分を炉中ろう付けして構成しているので、フィンと伝熱管とが最低限接する拡管率に設定できる。これにより、拡管による伝熱管内部のフィン溝の山部の潰れを最小限に抑えると共に、接触熱抵抗も極めて小さくできるので、熱交換器の性能を大幅に向上することが可能となる。また、フィンに伝熱管を通した後に伝熱管を拡管することから、フィンに設けた貫通孔（伝熱管通過部）の断面積を伝熱管の断面積よりも大きく設定できる。従って、複数枚のフィンを簡単に伝熱管に通すことができるので、熱交換器の組立作業も容易に行うことのできる製造性の良い、且つ高性能な熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置を得ることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
更に、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…室外機、２…室内機、３…液側接続配管、４…ガス側接続配管、
５…圧縮機、６…四方弁、７…熱源機側熱交換器、８…第１の膨張装置、
９…アキュムレータ、１０…液阻止弁、１１…ガス阻止弁、
１２…利用側熱交換器、１３…第２の膨張装置、
１４…底ベース、１５…絶縁材料、
１６…空間（空気層）、１７…隙間、１８…水滴（結露水）、
２０，２３…フィン、２０ａ，２３ａ…貫通孔、２０ｂ，２３ｂ…カラー部、
２１…フィン心材、２２…ろう材層、２２ａ…ろう材、２２ｂ…残留ろう材、
３０…伝熱管、３０ａ…拡管前の伝熱管、３０ｂ…拡管後の伝熱管、
３１…伝熱管（クラッド管）、
３１ａ…伝熱管部（アルミリッチ層）、３１ｂ…犠牲層（亜鉛リッチ層）。

Claims (10)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張装置、利用側熱交換器を冷媒配管で順次連結して構成されている冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器は、アルミニウム系材料で構成され内面にはフィン溝が形成されている伝熱管と、アルミニウム系材料で構成され前記伝熱管を通すための貫通孔が形成されているフィンとを備えたクロスフィンチューブ型熱交換器であって、前記フィンの貫通孔は前記伝熱管の外径よりも大きな径に形成され、前記伝熱管を前記貫通孔に通した後、前記伝熱管の外径が前記貫通孔の前記径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように該伝熱管を拡管して接合し、この接合部分をろう付けして構成されている
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器における前記伝熱管の電位よりも、前記フィンの電位の方が低くなるように、前記伝熱管と前記フィンを異なるアルミニウム系材料で構成していることを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器は室外機の筐体内の底ベースの上に設置されると共に、前記室外側熱交換器と前記底ベースとの間には絶縁材料を配置していることを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項１〜３の何れか1項に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器の前記フィンは、スリットが形成されていないスリットレスフィンであることを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 請求項１〜３の何れか1項に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器の前記フィンは、その表面にプレコートされていないプレコートレスのもので構成されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 請求項１〜３の何れか1項に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器の前記伝熱管は、アルミニウム製の伝熱管部の外表面に亜鉛の犠牲層を溶射したクラッド管で構成されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
7. 請求項１〜３の何れか1項に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器の前記伝熱管は、冷媒側が銅系材料、空気側がアルミニウム系材料のクラッド管で構成されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 請求項１〜３の何れか１項に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器は室外機に設置され、この室外機には前記熱源側熱交換器に通風させるための通風装置を前記熱源側熱交換器の垂直方向に複数台備え、前記通風装置は水平方向に空気を吹き出す構成としていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 請求項１〜３の何れか１項に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記熱源側熱交換器は室外機に設置され、この室外機には前記熱源側熱交換器に通風させるための通風装置を備え、前記通風装置は上方に空気を吹き出す構成としていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 冷凍サイクル装置に使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法において、
    アルミニウム系材料で構成され内面にはフィン溝が形成されている伝熱管と、アルミニウム系材料で構成され前記伝熱管の外径よりも大きい径の貫通孔が形成されているフィンとを用意し、
    前記伝熱管を前記フィンの貫通孔に通した後、前記伝熱管を、その外径が前記貫通孔の前記径よりも大きく且つ拡管率が１．５％未満となるように拡管し、
    その後、前記フィンと伝熱管をろう付けして接合する
    ことを特徴とする冷凍サイクル装置に使用されるクロスフィンチューブ型熱交換器の製造方法。

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