JP2023074515A - 空気調和機、熱交換器、及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機、熱交換器、及び熱交換器の製造方法に関し、アルミニウム製の伝熱管における伝熱性能を向上させる。【解決手段】空気調和機であって、アルミニウム製の伝熱管１１０を備え、伝熱管の内壁には、伝熱管の軸方向に沿った１次溝１１２と、１次溝１１２と異なる方向に沿った２次溝１１４と、１次溝１１２に隣接する凸部１１６から１次溝１１２に突出するように形成されたバリ１１８とが設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、空気調和機、熱交換器、及び熱交換器の製造方法に関する。

近年、銅価高騰のため、フィンやチューブ熱交換器の伝熱管が、銅からアルミニウムへ変更されている。銅の伝熱管においては、らせん状のねじれ溝が設けられていたが、量産に適用されたアルミニウム製の伝熱管では、押出工程によりストレート溝が形成される。ストレート溝は、冷媒の撹拌効果が少なく、従来の銅製のねじれ溝の伝熱管に比べて伝熱性能が劣る。熱交換器の伝熱管内において、冷媒が蒸発する場合には、液冷媒が供給され難くなり、局所的にドライアウトと呼ばれる現象が起こる。これは、伝熱面に乾き面が生じ、伝熱性能が低下する現象である。また、ストレート溝の場合、冷媒量が多い場合に、冷媒の撹拌効果が小さく、伝熱性能が低下してしまう。特許文献１には、伝熱管に、内周壁よりも管肉厚を薄くした第１溝と、第１溝と異なる形状の第２溝と、を形成することにより、内周壁の凹凸を複雑化し、伝熱管を通る作動流体の乱流を促進させる技術が開示されている。

国際公開第２０１８／１３４９７５号

アルミニウム製の伝熱管においても、伝熱性能をさらに向上させることが望まれている。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、アルミニウム製の伝熱管における伝熱性能を向上させることを目的とする。

本発明は、空気調和機であって、アルミニウム製の伝熱管を備え、前記伝熱管の内壁には、前記伝熱管の軸方向に沿った１次溝と、前記１次溝と異なる方向に沿った２次溝と、前記１次溝に隣接する凸部から前記１次溝に突出するように形成されたバリとが設けられている。

本発明の他の形態は、アルミニウム製の伝熱管を備えた熱交換器であって、前記伝熱管の内壁には、前記伝熱管の軸方向に沿った１次溝と、前記１次溝と異なる方向に沿った２次溝と、前記１次溝に隣接する凸部から前記１次溝に突出するように形成されたバリとが設けられている。

本発明の他の形態は、アルミニウム製の伝熱管を備えた熱交換器の製造方法であって、前記伝熱管の軸方向に沿った１次溝が形成された前記伝熱管の内壁に、前記１次溝と異なる方向に沿った２次溝を形成すると共に、前記１次溝に隣接する凸部から前記１次溝に突出するバリを形成する。

本発明によれば、アルミニウム製の伝熱管における伝熱性能を向上させることができる。

空気調和機の外観構成図である。 空気調和機の冷媒回路を示す図である。 伝熱管及びフィンを示す図である。 伝熱管の内壁の概略図である。 伝熱管の概略断面図である。 １次溝及び２次溝の深さの説明図である。 伝熱管の製造方法の説明図である。 ２次溝の深さの説明図である。

図１は、実施形態に係る空気調和機１を示す外観構成図である。空気調和機１は、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）で冷媒を循環させることによって、空調を行う。図１に示すように、空気調和機１は、室内（被空調空間）に設置される室内機１０と、屋外（室外）に設置される室外機２０と、ユーザによって操作されるリモコン３０と、を備えている。

室内機１０は、リモコン通信部１１を備えている。リモコン通信部１１は、赤外線通信等によって、リモコン３０との間で所定の信号を送受信する。例えば、リモコン通信部１１は、運転／停止指令、設定温度の変更、運転モードの変更、タイマの設定等の信号をリモコン３０から受信する。また、リモコン通信部１１は、室内温度の検出値等をリモコン３０に送信する。なお、図１では省略しているが、室内機１０と室外機２０とは、冷媒配管を介して接続されるとともに、通信線を介して接続されている。

図２は、実施形態に係る空気調和機１の冷媒回路Ｑを示す図である。なお、図２に示す実線矢印は、暖房運転時における冷媒の流れを示している。また、図２に示す破線矢印は、冷房運転時における冷媒の流れを示している。

室内機１０は、リモコン通信部１１のほかに、室内熱交換器１２と、室内ファン１４と、を備えている。室内熱交換器１２において、その伝熱管を通流する冷媒と、室内ファン１４から送り混まれる室内空気と、の間で熱交換が行われる。室内熱交換器１２は、後述の四方弁２５の切り替えにより凝縮器または蒸発器として動作する。室内ファン１４は、室内熱交換器１２の付近に設置されている。室内ファン１４は、室内ファンモータ１４ａの駆動によって、室内熱交換器１２に室内空気を送り込む。

室外機２０は、圧縮機２１と、室外熱交換器２２と、室外ファン２３と、室外膨張弁２４（膨張弁）と、四方弁２５とを備えている。圧縮機２１は、圧縮機モータ２１ａの駆動によって、低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する。室外熱交換器２２において、その伝熱管を通流する冷媒と、室外ファン２３から送り込まれる外気と、の間で熱交換が行われる。室外熱交換器２２は、四方弁２５の切り替えにより凝縮器または蒸発器として動作する。

室外ファン２３は、図１に示すように、室外熱交換器２２の付近に設置されている。室外ファン２３は、室外ファンモータ２３ａの駆動によって、室外熱交換器２２に外気を送り込む。室外膨張弁２４は、「凝縮器」（室外熱交換器２２及び室内熱交換器１２の一方）で凝縮した冷媒を減圧する機能を有している。なお、室外膨張弁２４において減圧された冷媒は、「蒸発器」（室外熱交換器２２及び室内熱交換器１２の他方）に導かれる。

四方弁２５は、空気調和機１の運転モードに応じて、冷媒の流路を切り替える弁である。四方弁２５の切り替えにより、冷房運転時には、破線矢印で示すように、圧縮機２１、室外熱交換器２２（凝縮器）、室外膨張弁２４、及び室内熱交換器１２（蒸発器）の順に冷媒が循環する冷凍サイクルとなる。また、四方弁の切り替えにより、暖房運転時には、実線矢印で示すように、圧縮機２１、室内熱交換器１２（凝縮器）、室外膨張弁２４、及び室外熱交換器２２（蒸発器）の順に冷媒が循環する冷凍サイクルとなる。すなわち、圧縮機２１、「凝縮器」、室外膨張弁３４、及び「蒸発器」を順次に介して、冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路Ｑにおいて、前記した「凝縮器」及び「蒸発器」の一方は室外熱交換器２２であり、他方は室内熱交換器１２である。

また、本実施形態の空気調和機１においては、冷媒として２成分以上が混合した非共沸冷媒が用いられる。より詳しくは、温度グライドが２℃以上の非共沸冷媒が用いられる。ここで、温度グライドとは、冷媒が相変化する際の、相変化開始時の温度と相変化終了時の温度の差である。非共沸冷媒としては、例えば、ＧＷＰが約１４６のＲ４５４Ｃが挙げられる。Ｒ４５４Ｃは、温度グライドは、約７℃である。

近年、地球温暖化防止のため、空気調和機においては、ＧＷＰ（Global Warming Potential：地球温暖化係数）が低い冷媒を使う必要があり、低ＧＷＰ冷媒として、非共沸混合冷媒が多く提案されている。本実施形態の空気調和機１においても、非共沸混合冷媒を用いることとする。非共沸混合冷媒は、単一冷媒と違い、構成成分の各冷媒の沸点の違いから温度グライドがあり、伝熱管内で冷媒が相変化するときに、濃度境界層において伝熱性能が低下する。本実施形態の空気調和機１においては、この濃度境界層を撹拌することで、伝熱性能を向上させる。

図３は、室内熱交換器１２及び室外熱交換器２２を構成する伝熱管１１０及びフィン１２０を示す図である。伝熱管１１０の周囲には、複数のフィン１２０が接続されている。伝熱管１１０としては、アルミニウム製の伝熱管が用いられる。図４は、伝熱管１１０の内壁の概略図である。矢印Ａは、伝熱管１１０の管軸方向、すなわち冷媒の流れる方向を示している。図５は、伝熱管１１０の概略断面図である。

伝熱管１１０の内壁には、管軸方向Ａに平行な１次溝１１２と、１次溝１１２と異なる方向に沿った２次溝１１４とが形成されている。ここで、１次溝１１２と２次溝１１４のなす角β２は、１０°以上であるものとする。１次溝１１２と２次溝１１４のなす角度β２については後述する。伝熱管１１０の内壁には、さらに、１次溝１１２に隣接する凸部１１６から１次溝１１２に向けて突出したバリ１１８が形成されている。さらに、図６に示すように、２次溝１１４は、その深さＨｆ２が、１次溝の深さＨｆ１よりも浅くなるように形成されている。これにより、２次溝１１４の加工を容易にすることができる。また、２次溝１１４の深さＨｆ２は、１次溝１１２の深さＨｆ１の３０％以上の深さとする。溝の深さについては後述する。

続いて、図７を参照しつつ、伝熱管１１０の製造方法について説明する。まず、１次溝１１２が形成された伝熱管１１０を拡管することで、伝熱管１１０をフィン１２０に固定する（密着させる）。その後、２次溝形成プラグ２００を回転させながら、伝熱管１１０に挿入することで、２次溝１１４を形成する。図７の右上に２次溝形成プラグ２００を拡大して示す。また、図７の右下には、２次溝形成プラグ２００の概略断面を示す。２次溝形成プラグ２００の先端には、２次溝形成プラグ２００の軸と所定の角度をなす凸部２０２が一定間隔おきに形成されている。ここで、凸部２０２は、凸部２０２と２次溝形成プラグ２００の軸とがなす角βが、１０°以上となるように形成されているものとする。このように、１０°以上の角度とすることにより、押出方式において、精度よく２次溝１１４を形成することができる。また、このようにして形成されることから、２次溝１１４と１次溝１１２とのなす角β２は、２次溝形成プラグ２００の角βと等しい角度、すなわち１０°以上となる。

２次溝形成プラグ２００が伝熱管１１０に挿入されると２次溝１１４が形成され、２次溝１１４の形成と同時にバリ１１８が形成される。このように、バリ１１８は、１次溝１１２が形成された伝熱管１１０において、押出方式により２次溝１１４を形成することにより形成される。

このように、押出方式により１次溝１１２が形成された伝熱管１１０に、２次溝１１４を形成するので、転造方式で形成する場合に比べてコストを抑えることができる。また、２次溝１１４の加工を拡管のタイミングと同時に行わないため、２次溝１１４の加工を、より容易にすることができる。なお、２次溝１１４の加工は、拡管と同時に行わないようにすればよく、拡管の前のタイミングで行うこととしてもよい。

次に、２次溝１１４の深さについて説明する。図８に示すように２次溝形成プラグ２００の凸部２０２の頂点の幅Ｗを０．０７ｍｍ、凸部２０２の角度θを３０°とし、深さの異なる２次溝を形成し、バリの発生状況を確認した。この結果を表１に示す。

ここで、深さの割合は、１次溝の深さと同じ深さを１００％とした場合の値である。表１に示されるように、深さの割合が２０％ではバリが発生せず、３０％でバリが発生することがわかった。さらに、２次溝が深くなるほどバリが大きくなることがわかった。したがって、上述の通り、伝熱管１１０の２次溝１１４の深さは、１次溝１１２の深さの３０％以上とする。これにより、２次溝１１４を形成する際に、確実にバリ１１８を形成することができる。

また、本実施形態においては、２次溝の深さＨｆ２は、１次溝の深さＨｆ１よりも浅いものとした。ただし、他の例としては、２次溝の深さＨｆ２は、１次溝の深さＨｆ１と等しくてもよい。また、他の例としては、２次溝の深さＨｆ２は、１次溝の深さＨｆ１よりも深くてもよい。２次溝の深さＨｆ２を１次溝の深さＨｆ１よりも深くした場合には、２次溝の深さＨｆ２を１次溝の深さＨｆ１よりも浅くした場合に比べて、冷媒の掻き上げ量が多くなり、熱交換効率を向上させることができる。

以上の通り、本実施形態の伝熱管においては、管軸方向に沿った１次溝だけでなく、１次溝と異なる方向に形成された２次溝を備えた。これにより、冷媒が管内上部に供給され、冷媒の撹拌効果を高め、伝熱性能を向上させることができる。さらに、１次溝に突出するようにバリが形成されているため、冷媒がバリに衝突することにより、撹拌効果をより高めることができる。また、特に、非共沸混合冷媒を用いた場合には、伝熱管内で冷媒が相変化するときに濃度境界層により伝熱性能が低下するが、これに対し、本実施形態の伝熱管では、濃度境界層を撹拌することができるため、伝熱性能を向上させることができる。

（実施例）
本実施形態に係る伝熱管において、熱伝導率と圧力損失の測定を行った。伝熱管の外径ｄｏは７ｍｍとした。また、伝熱管の１次溝の深さ（溝深さ）Ｈｆ１、底肉厚Ｔｗ、溝数Ｎ１、フィン頂角α及びねじれ角β１、並びに、２次溝の深さ（溝深さ）Ｈｆ２、溝数Ｎ２及びねじれ角β２は、表２に示す通りである。なお、底肉厚Ｔｗは、１次溝の底から外壁までの長さであり、フィン頂角αは、凸部１１６の頂点から延びる２辺のなす角であり、ねじれ角β１，β２は、管軸と溝のなす角である（図６参照）。

比較例として、本実施形態に係る伝熱管において１次溝のみを形成した伝熱管（ストレート溝付伝熱管）を用いて、熱伝導率と圧力損失の測定を行った。ストレート溝付伝熱管の外径ｄｏは、７ｍｍとした。また、ストレート溝付伝熱管の１次溝の溝深さＨｆ１、底肉厚Ｔｗ、溝数Ｎ１、フィン頂角α及びねじれ角β１は、表２に示す通りであり、いずれも実施形態に係る伝熱管の１次溝と等しい。

本実施形態に係る伝熱管とストレート溝付伝熱管、それぞれにおいて、冷媒流量を変えて、管内凝縮熱伝導率、管内蒸発熱伝導率、及び管内蒸発圧力損失を測定した。なお、このとき、冷媒としては単一冷媒を用いた。この結果を表３に示す。なお、表３において、本実施形態に係る伝熱管の管内凝縮熱伝導率、管内蒸発熱伝導率、及び管内蒸発圧力損失は、ストレート溝付伝熱管の管内凝縮熱伝導率、管内蒸発熱伝導率、及び管内蒸発圧力損失をそれぞれ１００％とした場合の割合で示している。いずれの冷媒流量においても、管内凝縮熱伝導率及び管内蒸発熱伝導率ともにストレート溝付伝熱管に比べて向上することがわかった。一方で、管内圧力損失については大きな増加はなかった。以上の通り、本実施形態の伝熱管においては、ストレート溝のみが形成された伝熱管に比べて、熱伝導率が向上することを確認することができた。

本実施形態においては、冷媒として非共沸冷媒を用いることとしたが、これに限定されるものではなく、冷媒として単一成分からなる冷媒を用いてもよい。この場合も、実施形態において説明したのと同様に、伝熱管における伝熱性能を向上させることができる。

１ 空気調和機
１０ 室内機
１１ リモコン通信部
１２ 室内熱交換器
１４ 室内ファン
１４ａ 室内ファンモータ
２０ 室外機
２１ 圧縮機
２２ 室外熱交換器
２３ 室外ファン
２３ａ 室外ファンモータ
２４ 室外膨張弁
２５ 四方弁
１１０ 伝熱管
１１２ １次溝
１１４ ２次溝
１１６ 凸部
１１８ バリ
１２０ フィン
２００ ２次溝形成プラグ

Claims (10)

1. アルミニウム製の伝熱管を備え、
   前記伝熱管の内壁には、
   前記伝熱管の軸方向に沿った１次溝と、
   前記１次溝と異なる方向に沿った２次溝と、
   前記１次溝に隣接する凸部から前記１次溝に突出するように形成されたバリと
   が設けられている、空気調和機。
2. 前記２次溝の深さは、前記１次溝の深さの３０％以上である、請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記２次溝の深さは、前記１次溝の深さと同じ又は前記１次溝の深さよりも浅い、請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記２次溝の深さは、前記１次溝の深さよりも深い、請求項２に記載の空気調和機。
5. 前記１次溝の方向と、前記２次溝の方向と、の間の角が１０°以上である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の空気調和機。
6. 前記伝熱管内を流れる冷媒は、２成分以上が混合した非共沸冷媒である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の空気調和機。
7. 前記バリは、前記１次溝が形成された後で、かつ、前記２次溝の形成時に形成される、請求項１乃至６の何れか１項に記載の空気調和機。
8. 前記２次溝は、前記１次溝が形成された後で、かつ、前記伝熱管がフィンに固定されるように拡管される前又は後に、形成される、請求項７に記載の空気調和機。
9. アルミニウム製の伝熱管を備えた熱交換器であって、
   前記伝熱管の内壁には、
   前記伝熱管の軸方向に沿った１次溝と、
   前記１次溝と異なる方向に沿った２次溝と、
   前記１次溝に隣接する凸部から前記１次溝に突出するように形成されたバリと
   が設けられている、熱交換器。
10. アルミニウム製の伝熱管を備えた熱交換器の製造方法であって、
    前記伝熱管の軸方向に沿った１次溝が形成された前記伝熱管の内壁に、前記１次溝と異なる方向に沿った２次溝を形成すると共に、前記１次溝に隣接する凸部から前記１次溝に突出するバリを形成する、熱交換器の製造方法。

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