JP2001141383A

JP2001141383A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2001141383A
Application number: JP32773199A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hirohata; 治廣畑
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】外部に別部材を設けることなく、伝熱管の後
流域に生じる死水領域を抑制し、高い熱交換率を維持で
きる熱交換器を提供する。【解決手段】各伝熱管２の風上側の平板フィン１の表
面に、三角形の渦生成部材４を左右対称に一対設ける。
空気が渦生成部材を通過するときに、縦渦が生成して、
伝熱管２の表面での流れを乱流化する。伝熱管２からの
空気の剥離が防がれて、死水領域の生成が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機、冷蔵
庫など冷凍・冷蔵、空調分野で広く用いられているフィ
ンアンドチューブ型熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、空気調和機や冷蔵庫などにお
いては、高性能・小型化が強く訴求されている。そのた
め、空気調和機や冷蔵庫などの主要構成パーツである熱
交換器においても、高効率、高密度化が要求されてい
る。

【０００３】図１０は、従来のフィンアンドチューブ型
熱交換器に用いる、平板フィンの一例を示す平面図であ
る。このフィンアンドチューブ型熱交換器は、平行に並
んだ複数枚の平行フィン１と、それらを貫通する複数の
伝熱管２とから成り、伝熱管２内を流動する冷媒と、各
平板フィン１の間を通過する空気との間で熱交換が行わ
れる。

【０００４】熱交換器に空気を送風すると、平板フィン
１上には空気の流れに従って温度境界層が形成され、熱
伝達率が低下する。また、空気の流れが伝熱管２に衝突
すると、伝熱管２の表面に沿って流れはじめる。そし
て、伝熱管２の中心より風上側に寄った位置で、空気の
流れは伝熱管２から剥離する。その結果、伝熱管２の直
ぐ後流域に死水領域が形成され、熱伝達率が著しく低下
する。これらの影響により、熱交換器としての伝熱性能
が低下することになる。

【０００５】以上のように、熱交換器の空気の流れを変
えて高効率化を達成するためには、平板フィン１上の温
度境界層と、伝熱管２の風下に形成される死水領域を如
何に抑えるかが一つの課題である。

【０００６】その対策として、前者に関しては、平板フ
ィン１面上にスリット、ルーバー等を形成することによ
り、温度境界層の成長を抑制している。

【０００７】後者に関しては、例えば特開昭５９ー９５
３９１号公報あるいは特開昭５９ー９５３９２号公報に
開示されているように、熱交換器の風上側に円柱形状を
した別部材を配設して、風上側から一列目の伝熱管２の
周囲の空気の流れを乱し、一列目の伝熱管２後流付近の
死水領域の形成を抑えることによって、高効率化を図っ
ている。なお、風上側から二列目の伝熱管２の周囲につ
いては、一列目の伝熱管２の影響で、空気の流れが乱さ
れ、死水領域の形成が抑えられることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、空気調和機
や冷蔵庫などの用途、大きさ等により、熱交換器の仕様
がさまざまな形態となることがある。このとき、前述の
ように、熱交換器の風上側に別部材を配設する構成とす
ると、伝熱管の外径と配置の状態によっては、風上側か
ら二列目の伝熱管の周囲における空気の流れを十分に乱
すことができない場合が想定される。また、その都度、
部材を設計する必要があり、しかも、熱交換器の構成が
複雑となり、コスト的に不具合を招く恐れがある。

【０００９】さらに、前述のように、熱交換器の風上側
に別部材を配設する場合、その別部材のための空間を確
保する必要があり、熱交換器が大きくなる。また、別部
材を配設することによって、通風抵抗が若干増加するこ
とになる。

【００１０】本発明は、熱交換器がさまざまな形態を取
った場合にも、その形態に関係なく風の流れを乱すこと
によって、高い熱交換率を確実に維持できる熱交換器を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る熱交換器では、各伝熱管の風上側にお
いて平板フィン上に、渦生成部を設けるものとした。そ
の結果、平板フィン間を通過する風の流れの一部に対し
て渦を発生させ、渦生成部の風下側に位置する伝熱管の
表面に沿う流れを乱流化することができる。したがっ
て、伝熱管の後流域に生成する死水領域を確実に低減す
ることができる。また、渦生成部を平板フィン上に設け
ているので、渦生成部のための空間を別途確保する必要
がない。ここで、平板フィンの表面に、複数個のルーバ
ーやスリットを設けると、平板フィン上に形成される温
度境界層を低減し、熱伝達率を向上させることができ
る。

【００１２】そして、渦生成部として、渦生成部材を平
板フィンの表面に突出するように形成すると、効果的に
渦を発生させることができる。ここで、渦生成部材とし
ては、平板フィンの表面に、別部材の板を垂直に取付け
て形成するか、あるいは平板フィンの一部を切り起こす
ことによって形成すればよく、切り起こす場合、従来と
ほぼ同様の工程によって、本発明に係る熱交換器を製作
することができる。

【００１３】渦生成部材の形状については、三角形の平
板として、その長さＬと最大高さＨの比（Ｈ／Ｌ）を
０．４〜１．０とするのがよい。そして、風上から風下
に向かって高くなるように設置すると、風の流れを妨げ
ることなく効果的に渦を発生させることができる。

【００１４】また、渦生成部材は、伝熱管の中心を通る
直線に対して風の流れ方向に垂直な方向にずれた位置に
配置すればよく、さらに左右対称に一対形成するのがよ
い。ここで、渦生成部材の配置として、適切な範囲を見
出だした。これらの範囲を以下に示す。（ａ）風の流れ方向において、伝熱管中心から渦生成
部材の中間点までの距離を管外径の０．３５倍〜０．５
倍とする。（ｂ）風の流れ方向の垂直方向において、伝熱管中心
から渦生成部材の中間点までの距離を管外径の０．４倍
〜０．６倍とする。（ｃ）風の流れ方向に対する迎え角を２０°〜４５°
とする。

【００１５】渦生成部材の形状と配置を上記のようにす
ることにより、フィン間を通過する空気の圧力を損なう
ことなく、伝熱管表面を流れる空気の乱流化を促進し、
伝熱効率の向上を達成することができる。

【００１６】以上の手段によって、平板フィンの表面の
うち渦生成部材が設けられた一面については、伝熱管の
後流域の死水領域を低減することができる。しかし、渦
生成部材が設けられていない他面については、死水領域
を十分に低減することができない恐れがある。そこで、
渦生成部材を平板フィンの両面に形成すると、平板フィ
ンの両面において渦を生成することができる。切り起こ
しによる渦生成部材を設ける場合は、隣り合う渦生成部
材同士を平板フィンの両面に交互に切り起こして形成す
るとよい。あるいは隣り合う平板フィンの間に渦生成部
材を差し渡すように取り付けてもよい。上記の手段によ
り、平板フィンの両面において、伝熱管の後流域に生成
する死水領域を確実に低減することができる。

【００１７】ところで、空気の流路中に渦生成部材のよ
うな複雑な形状の障害物があると、渦生成部材の後流域
に凝縮水が滞留することが懸念される。そこで、平板フ
ィンに表面処理を施すことが必要となる。この場合、第
一の手段として、平板フィン表面の全体に親水性処理を
施す手段を用いることができる。また、第二の手段とし
て、風の流れに対して下流域の平板フィンの表面のみに
親水性処理を施す手段を用いることができる。さらに、
第三の手段としては、風の流れに対して、上流域の平板
フィンの表面に撥水性処理、下流域の平板フィンの表面
に親水性処理を施す手段を用いることができる。これら
の手段によって、凝縮水が滞留して送風の流路損失が大
きくなることを防止することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかるフィンアン
ドチューブ型熱交換器の実施の形態について、図面を用
いて説明する。なお、それぞれの図中に描かれた矢印は
全て空気の流れ方向を表すものである。

【００１９】まず、図１は前記熱交換器の一例を示す部
分斜視図であり、図２は図１に示す熱交換器の断面図で
ある。

【００２０】この熱交換器は、平行に並べられた複数枚
の平板フィン１を伝熱管２が貫通する構造となってお
り、伝熱管２を拡管するなどして互いを固定している。
そして、平板フィン１は、アルミニウム等の薄板とさ
れ、適当な間隔を開けて配置され、この間を空気が流動
するようにしている。銅製の伝熱管２の内部では、フレ
オンガスなどの冷媒が流動することになる。また、平板
フィン１には、スリット状に切り込みを入れた後、表面
及び裏面へ段押し成型することにより、複数のルーバー
３あるいはスリットを設けている。

【００２１】前記構成によれば、伝熱管２内を流れる冷
媒と複数枚の平板フィン１の間を通過する空気との温度
差によって、伝熱管２、伝熱管２に圧接されている図示
していないカラー孔、及び平板フィン１を介して熱の授
受が行われる。

【００２２】例えば、熱交換器が蒸発器として用いられ
る場合、伝熱管２内の冷媒の温度は低くなっており、熱
交換器に流入する空気が冷却される。一方、熱交換器が
凝縮器として用いられる場合、伝熱管２内の冷媒の温度
は高くなっており、熱交換器に流入する空気が加熱され
る。

【００２３】図３に示すように、一般的な熱交換器にお
いて、伝熱管２付近を通過する気流は、伝熱管２に衝突
すると、伝熱管２の外周表面に沿って流れる。そして、
伝熱管２に対して空気の流れ方向に垂直な方向から１０
°〜２０°風上側に寄った位置で剥離する。この結果、
伝熱管２の直ぐ後流域に、格子にて示す、流れが少なく
澱んだ死水領域Ｄが形成される。この死水領域Ｄでは、
空気の流れがなく熱伝達率が著しく低下するため、熱交
換器としての伝熱性能が低下する。

【００２４】そこで、図１、図２及び図５に示すよう
に、平板フィン１の一面側で伝熱管２の風上側に切り起
こしによる渦生成部材４を形成する。渦生成部材４は、
図２、６に示すように、空気の流れ方向と平行な伝熱管
２の中心を通る直線Ｓに対して左右対称に一対形成す
る。そして、夫々の渦生成部材４の伝熱管２からの位置
は、図６に示すように、空気の流れ方向に対する距離Ｘ
を伝熱管２の外径の０．３５倍〜０．５倍として、空気
の流れ方向と垂直な方向に対する距離Ｙを伝熱管２の外
径の０．４倍〜０．６倍とする。ここで、渦生成部材４
と伝熱管２との距離とは、渦生成部材４の中間点から伝
熱管２の中心までの距離を示す。なお、一対の渦生成部
材４間の距離は、伝熱管２の外径の０．８倍〜１．２倍
となる。

【００２５】また、渦生成部材４には、空気の流れ方向
に対して２０°〜４５°の迎え角を持たせる。そして、
渦生成部材４の形状は三角形の平板として、高さ／長さ
の比を０．４〜１．０とする。

【００２６】伝熱管２付近を通過する空気の流れとして
は、図４に示すように、渦生成部材４を通過すると縦渦
が生成され、伝熱管２表面で乱流が生じる。このよう
に、渦生成部材４を伝熱管２の風上側に配設することに
より、平板フィン間を通過する空気の圧力を損なうこと
なく伝熱管２周辺における流れの乱流化を促進すること
ができる。すると、伝熱管２の表面から空気の流れが剥
離しにくくなって、伝熱管２の後流域における死水領域
Ｄの形成を抑制することができる。これにより、伝熱管
２の風下側表面にも空気が回り込んで熱交換が行われる
ことになり、何ら特別なエネルギーを必要とせず、熱交
換率を向上することができる。

【００２７】次に、他の実施形態を図７に示す。伝熱管
２の風上側に一対形成された渦生成部材４において、一
方を平板フィン１の上面側、他方を平板フィン１の下面
側に切り起こし形成したものである。この構成により、
平板フィン１の両面に生成される死水領域の低減を図る
ことができ、より一層熱交換効率を高めることができ
る。また、渦生成部材４を両面に切り起こして形成する
代わりに、渦生成部材４を別部材として、同形状の平板
をフィンの他面にはんだ付け等によって取り付けること
によっても両面に設けることができる。なお、上記の渦
生成部材とは異なる渦生成部の実施形態を図１１に示
す。この実施形態では、伝熱管２の風上側の平板フィン
１に渦生成用段５を形成して渦生成部としている。すな
わち、平板フィン１の上面側に対しては凹みであり、下
面側では突出部材となり、平板フィン１の両面で空気の
流れを乱すことが可能となる。

【００２８】次に、平板フィン１の表面処理に関して、
熱交換器が蒸発器として用いられる場合、熱交換器を通
過する空気は冷却されて、平板フィン１の表面上で空気
中の水分が凝縮する。その結果、渦生成部材４のような
複雑に形成された部位の近傍に凝縮水が滞留し、空気の
流路損失が大きくなる恐れがある。

【００２９】そこで、図８に示すように平板フィン１表
面全体に親水性処理を施す。あるいは、流れ方向の下流
域にだけ親水性処理を施してもよい。また、図９に示す
ように、上流域に対して撥水性処理、下流域に対して親
水性処理を施す。ここで、親水性処理は、酸化チタン等
の光触媒をコーティングすることによって行う。また、
撥水性処理は、シリコン系又はフッ素系の撥水剤を塗布
することにより行う。

【００３０】これらの処理を行うことにより、凝縮水は
親水化されて膜状になり、風圧によって流されていき、
空気の流れを妨げない。また、撥水性処理されている領
域では、凝縮水は水滴となり、風圧によって下流側に流
され、親水化されて膜状になる。したがって、凝縮水の
滞留による送風の流路損失を防止でき、熱交換効率が低
下することを防止できる。

【００３１】

【発明の効果】この発明に係る熱交換器では、渦生成部
材を伝熱管の風上側の平板フィン面上に設けることで、
全ての伝熱管の後流域における死水領域の形成を抑制す
ると共に、温度境界層を低減することができる。そし
て、渦生成部材を空気の流れを阻害しないような形状と
配置にすることによって、流入空気の圧力を損なうこと
なく、確実に伝熱効率の向上を達成できる。

【００３２】また、渦生成部材を平板フィン面上に設け
ているので、渦生成部材を配置するための空間を別途確
保する必要がない。したがって、この熱交換器では、高
性能と小型化の両方の要求を満足することができる。さ
らに、渦生成部材を切り起こしによって形成すれば、一
般の熱交換器とほぼ同様の工程により作ることが可能で
あり、製造コストが上がらない。

【００３３】そして、平板フィンの表面に親水性処理あ
るいは撥水性処理を施すことで、凝縮水の滞留を抑制す
ることができる。したがって、流入空気の流路損失を低
下することができ、熱交換効率の向上を図れる。

【００３４】以上、ここに列挙した改善により、何ら特
別なエネルギーを必要とせず、又製造面でも大幅なコス
トアップを伴わずに、熱交換効率の向上を達成し得る。
このような構造を採用することにより、機器の高性能
化、省資源化、省エネルギー化に貢献することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱交換器の部分斜視図

【図２】平板フィンの平面図

【図３】従来の熱交換器における風の流れを示す図

【図４】本発明に係る熱交換器における風の流れを示す
図

【図５】平板フィンの側面図

【図６】渦生成部材の位置を説明するための図

【図７】他の形態の平板フィンの側面図

【図８】親水性処理が施された平板フィンの平面図

【図９】撥水性処理及び親水性処理が施された平板フィ
ンの平面図

【図１０】従来の熱交換器の平板フィンの平面図

【図１１】（ａ）は、渦生成用段を設けた熱交換器の平
板フィンの平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ断面図

【符号の説明】

１平板フィン２伝熱管３ルーバー４渦生成部材５渦生成用段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の間隔で平行に並べられた複数枚の
平板フィンと、該平板フィンを貫通し内部を流体が流動
する伝熱管とを備えた熱交換器において、前記平板フィ
ン上に、前記伝熱管よりも風上側に前記伝熱管表面の風
の流れを乱すための渦生成部を設けたことを特徴とする
熱交換器。
【請求項２】前記渦生成部は、前記平板フィンの表面
に突出した渦生成部材とされたことを特徴とする請求項
１記載の熱交換器。
【請求項３】前記渦生成部材は、平板フィンの一部を
切り起こすことによって形成したことを特徴とする請求
項２記載の熱交換器。
【請求項４】前記渦生成部材は、伝熱管の中心を通る
直線に対して風の流れ方向に垂直な方向にずれた位置に
配置されたことを特徴とする請求項２又は３記載の熱交
換器。
【請求項５】前記渦生成部材は、その形状を三角形の
平板として、風上から風下に向かって高くなるように配
設し、その長さＬと最大高さＨの比（Ｈ／Ｌ）を０．４
〜１．０としたことを特徴とする請求項２〜４のうちい
ずれか一項記載の熱交換器。
【請求項６】前記渦生成部材は、風の流れ方向に対し
て前記伝熱管の中心を通る直線を対称にして一対形成さ
れたことを特徴とする請求項２〜５のうちいずれか一項
記載の熱交換器。
【請求項７】前記渦生成部材の中間点から前記伝熱管
中心までの距離が、風の流れ方向において管外径の０．
３５倍〜０．５倍、風の流れ方向に垂直な方向において
管外径の０．４倍〜０．６倍とされたことを特徴とする
請求項２〜６のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項８】前記渦生成部材は、風の流れ方向に対し
て２０°〜４５°の迎え角を持たせて配設したことを特
徴とする請求項２〜７のうちいずれか一項記載の熱交換
器。
【請求項９】前記渦生成部材が前記平板フィンの両面
に形成されたことを特徴とする請求項２〜８のうちいず
れか一項記載の熱交換器。
【請求項１０】前記平板フィン表面の一部又は全部に
親水性処理を施したことを特徴とする請求項１〜９のう
ちいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項１１】前記平板フィンの風下側表面に親水性
処理を施したことを特徴とする請求項１０記載の熱交換
器。
【請求項１２】前記平板フィンの風上側表面に撥水性
処理、風下側表面に親水性処理を施したことを特徴とす
る請求項１０記載の熱交換器。