JP2005090939A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 コルゲートフィンの山部または谷部の高さを異ならせて形成することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】 冷媒が流動し、所定間隔離間して配置された多数のチューブ130と;前記チューブ130が直角に貫通し、貫通されるチューブ130を支持するフィンカラー116と、前記フィンカラー116の下端外周辺を支持するシート118と、フィンカラー間の領域上に空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも3つ以上が所定の高さ差で交叉して連設される山部112および谷部114とが設けられたフィン110と;を備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳しくは、チューブとチューブとの間に介在するフィンに沿って流動する空気をより効果的に前記チューブの後方にまでガイドし得るように傾斜角度および流動に変動を加える要素を構造的に変更した熱交換器に関する。
一般に、熱交換器は、空調機などにおいて冷媒と空気との熱交換を行うための装置であって、フィン−チューブ式の熱交換器が主流となっており、通常、蒸発器または凝縮器として機能する。
また、フィン−チューブ式熱交換器において、冷媒を流動させるチューブに挿着されるフィンとしては、スリットフィン、ルーバーフィン、W字形状のコルゲートフィンなどが挙げられる。
従来のコルゲートフィンが採用された熱交換器が、図8に示されている。
同図に示されたように、熱交換器1は、一定間隔離間して配設され、逆W字形を呈するコルゲートフィン10と、冷媒が流動し、前記フィン10と直交して貫通する多数のチューブ30とで構成される。
ここで、前記フィン10は、チューブが貫通しない領域(即ち、傾斜領域)に一定の傾斜角度で互いに交叉して連設される山部12および谷部14と、フィン中心をチューブ30が貫通するようにフィン中心に設けられたフィンカラー16と、前記フィンカラー16を支持する同心円状のシート18とで構成される。
以下、前述のような従来のコルゲートフィンが設けられた熱交換器を、添付の図8乃至図11に基づいて説明する。
図8は、従来のコルゲートフィンが設けられた熱交換器を示す斜視図である。
同図に示されたように、熱交換器1は、フィン−チューブ式のものであって、多数のフィン10と多数のチューブ30とが互いに直角に交叉し、所定間隔離間して配置される構造で、2列のチューブ30が複数連結されたフィン10に貫通して直交する構造となっている。
前記フィン10は、コルゲートフィン(以下、「フィン」と略する)であって、ドーナツ状の偏平な部分と、山と谷とが連続して連なる緩やかなW字形を呈する傾斜部とからなり、縦方向に配列されるチューブ30に沿って多数のフィンが所定間隔離間して配設される。なお、以下、山部の頂点は、「頂点部」と、谷部の底点は、「底点部」と呼ぶことにする。
図9および図10に示されたように、それぞれのフィン10は、2つの頂点部(山部)12a、12b(12)と、3つの底点部(谷部)14a、14b、14c(14)とが互いに交叉しており、底点部14aから始まって底点部14cで終わる。かかるフィン10を複数連結して使用する場合、一般に、2列のチューブ30が熱交換効率の向上のためにジグザグ状に配列される。
即ち、前記フィン10は、1つのチューブ列に対して2つの頂点部12a、12bと3つの底点部14a、14b、14cとが交叉する方式で谷−山−谷−山−谷の形態となり、中間の底点部14bの中心線上でフィン形状が互いに対称となり、また、チューブが貫通する。
そして、フィン10の中心部に縦方向に設けられるフィンカラー16は、円柱状に突出し、その内部に形成されたチューブ挿入口16aを介してチューブ30が挿入され、面接触する。
また、前記フィンカラー16の外周面下端には、同心円状のシート18が設けられる。前記同心円状のシート18は、前記フィン10の製作時に前記フィンカラー16がチューブ挿入口16aと同心をなしながら一定高さに突出するように支持すると共に、流動する空気がチューブ30およびフィンカラー16の周囲を取り囲むように流動されるようにガイドする。
また、前記シート18の周りには、チューブ30の周囲を取り囲みながら流動中の空気が前記チューブ30周囲から外れないように山部傾斜面20が形成される。前記山部傾斜面20は、前記シート18から隣接した山部12に向かって所定角度で上向き傾斜するように連なる構造である。
また、前記シート18と前記フィン10の谷部14とは同一線上に位置し、谷部14および山部12の相対的な高さH1、H2は、同じ高さに形成される。即ち、H1=H2であり、H1は、谷部14を基準に隣接した山部12の高さであり、H2は、山部12を基準に隣接した谷部14の高さであって、互いに同じ傾斜角度(θ)で傾斜している。
図11は、前記フィンの正面図および背面図であって、図11の(a)における山部12は、図11の(b)における谷部14となり、谷部14は、山部12となる。
かかる熱交換器1は、空気が流入されると、フィン10の表面に生じる霜の厚さやフィン10の表面における熱伝達に比例するが、この時、縦方向のチューブ30とチューブ30との間のフィン領域においては流動中の空気速度が増加する高速流が発生し、これによって、熱伝達係数が増加し、フィン10の表面に生じる霜層が速く成長するようになる。
前述のようにフィン10の表面に霜層が成長すると、隣接した他のフィン10との間の距離が狭くなるため、空気通過面積が減少し、これによって、空気の流速が一層速くなる現象が発生する。これに対する空気の圧力損失は、経時的に放物線状に増加し、熱交換器の伝熱量も大きく減少するという問題点があった。
なし
本発明の第1の目的は、コルゲートフィン上にチューブの中心が通るフィン中心部を基準に両側に2つ以上の山部および谷部が互いに異なる高さに交叉して連設される構造とすることにより、従来の同じ高さを有する山部および谷部の構造を有するものに比べて熱交換器の放熱効率が向上するようにした熱交換器を提供することにある。
本発明の第2の目的は、チューブ間の領域上に、フィン内側に形成される山部および谷部の高さよりフィン外側に形成される山部および谷部の高さの方が高く形成されるようにした熱交換器を提供することにある。
本発明の第3の目的は、フィンの中間の山部を中心に互いに対称となる構造で、外側山部の高さが内側山部の高さより高く形成され、フィンを通過する空気の流速をチューブの間で増大させることができるようにした熱交換器を提供することにある。
本発明の第4の目的は、フィンの中間の山部の内角が外側の山部の内角より大きくなることを特徴とする熱交換器を提供することにある。
前述の目的を達成するための本発明の熱交換器は、冷媒が流動し、所定間隔離間して配置された多数のチューブと;前記チューブが直角に貫通し、貫通されるチューブを支持するフィンカラーと、前記フィンカラーの下端外周辺を支持するシートと、フィンカラー間の領域上に空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも3つ以上が所定の高さ差で交叉して連なる山部および谷部とを有するフィンと;を備えることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例に係る熱交換器は、冷媒が流動する多数のチューブと;前記チューブが直交して貫通するフィンカラー領域の間に空気の流動方向に変動を与えるために内側の頂点が外側の頂点よりは低い山部が谷部と所定の傾斜角度で交叉して連設され、一定間隔離間して配置される多数のフィンと;を備えることを特徴とする。
以下に説明するように、本発明によれば、フィンのチューブ領域の間に傾斜した面の内側頂点および底点を既存のものに比べて低い高さに形成させることにより、前・後フィン間の空気流動面積が相対的に増加して圧力損失は、減少し、熱伝達量は、増加するため、全体として熱交換器の効率が向上するという効果を奏する。
また、フィンの傾斜領域の間に一定の幅(広さ)を有する平板状の谷部を形成させることにより、その領域における空気の流動が変動され、圧力損失は減少し、熱伝達量は、増加するため、全体として熱交換器の効率が向上するという効果が得られる。
以下、本発明に係る熱交換器の好適な実施例を添付の図面に基づいて説明する。
図1乃至図7は、本発明の第1の実施例を示す図である。
図1乃至図3に示されたように、熱交換器101は、所定間隔離間して配置されるフィン110と、冷媒が流動し、前記フィン110に直交して貫通し、一定間隔離間して配置されるチューブ130とで構成される。
ここで、前記フィン110は、逆W字形状であり、互いに異なる傾斜角度(θ1、θ2)で傾斜するように交叉して連設される少なくとも2つ以上の山部112および少なくとも3つ以上の谷部114と、前記チューブ130が直交して貫通するように冷媒流入口116aが形成されたフィンカラー116と、前記フィンカラー116の下端外周面を支持するシート118と、前記シート118外径において山部112間を傾斜した面で連結する傾斜部118とで構成される。
また、前記フィン110は、フィンカラー間の領域に少なくとも4つの頂点部(山部)112a、112b、112c、112d(112)とこれに連なる底点部(谷部)114a、114b、114c、114d、114e(114)とが互いに所定の傾斜角度(θ1、θ2)で交叉して連設される。
また、空気の流動に変動を与えるために前記第2の頂点部112bの高さH12を第1の頂点部112aおよび第3の頂点部112cの高さH11より低く形成することができ、これとは反対に、第1および第3の頂点部112a、112cの高さH11を第2の頂点部112bの高さより高く形成することもできる。かかる流動に変動を与える要素による波動によってチューブ130の間を流動する空気をチューブ130の後方にまでより効果的に流動されるように構成されている。
前述のような本発明の実施例による作用および効果は、次の通りである。
図1乃至図4に示されたように、熱交換器101は、フィン−チューブ式のものであって、逆W字形状のコルゲートフィンがチューブ130に対して直交し、所定間隔離間して配置される。
かかるフィン110は、一定間隔のチューブ130が貫通するフィンカラー領域とチューブ130が貫通しないフィンカラー116間の領域(即ち、傾斜領域)とに分けられ、傾斜領域の頂点および底点が互いに異なる高さに形成される。
また、前記フィンカラー間の領域上に互いに交叉して一定個数以上形成される山部112および谷部114が互いに異なる高さおよび深さを有し、流入される空気の流動に変動を加えることが可能となる。
このため、前記フィン110は、3つの頂点部(山部)112a、112b、112c(112)およびこれらに連なる底点部(谷部)114a、114b、114c、114d(114)が互いに異なる角度(θ1、θ2)で交叉して連設される。また、空気の流入および流出のために底点部114aから始まり、底点部114dで終わる。
また、フィン110の中間の頂点部112bを基準に左・右側に2つの頂点部112a、112cが互いに対称的に形成され、互いに異なる高さおよび深さを有する。
ここで、図2のように前記各底点部(谷部)114a、114b、114c、114d(114)は、互いに同一線上に位置し、頂点部112a、112b、112cが互いに異なる高さおよび角度を有する構造となっている。
即ち、第1の頂点部112aは、フィンの開始線上に位置した第1の底点部114aおよび第2の底点部114b間の頂点から所定の角度(θ1)で傾斜面113a、113bに連なっている。第2の頂点部112bは、第2の底点部114bおよび第3の底点部114cの間の頂点から所定の角度(θ2)で傾斜面113c、113dに連なっている。また、第3の頂点部112cは、第3の底点部114cおよびフィンの終了線上に位置した第4の底点部114dの間の頂点から所定の角度(θ1)で傾斜面113e、113fに連なっている。
なお、空気の流入・流出方向を基準にフィン内側の頂点部112bとフィン外側の頂点部112a、112cの高さは、互いに異なる。
図2および図3に示されたように、フィンの底点部(谷部)114a〜114d(114)は、互いに同一線上に位置し、前記フィンの谷部114を基準にフィンの頂点部(山部)112a〜112c(112)がフィンの外側に位置するか内側に位置するかによって互いに異なる高さH11、H12に形成される。即ち、中間の頂点部112bの高さH12は、互いに同じ高さH11を有する外側の頂点部112a、112cよりは低く形成される。
ここで、中間の頂点部112bは、頂点ラインを基準に左・右側の頂点部112a、112cおよび底点部114a、114b;114c、114dが互いに対称となり、異なる高さに形成される。
実施例として、同一線上に位置したフィンの山部112の頂点を基準線にして内側の底点部114b、114cの高さH12は、最外郭底点部114a、114dの高さH12より低く形成される。
換言すれば、フィン110の第1および第3の頂点部112a、112cの高さは、互いに同一であり、第2の頂点部112bの高さは、H11とは異なる高さを有するH12であるため、前記第2の頂点部112bの高さH12は、第1および第3の頂点部112a、112cより低く形成される。
前記チューブ130間の領域に流入される空気は、前記フィン内部がフィンの外部より低い山部112を有する構造によって空気の流動に変動を与えるようになる。即ち、フィンの外部から内部へ空気が流入され、流入される空気は、フィン内部で再びフィン外部に抜け出す流動空気の変動が既存のものに比べて大きく発生するため、チューブ30の後方にまで流動空気をより効果的にガイドすると共に、前記チューブ130間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は、低減し、熱伝達量は、増加する。
具体的に、外気と最初に接触するフィン110の第1の底点部114aを基準に第1および第3の頂点部112a、112cの高さは、共にH11であり、第1の底点部114aを基準に第2の頂点部112bの高さが、H12である時、H11>H12となる。
なお、前記フィン110の中間の頂点部112bを基準線として縦方向に所定間隔離間してそれぞれのチューブ130が貫通するフィンカラー116は、所定の高さに突出し、チューブ外径に対応するチューブ挿入口116aを介してチューブ130を支持および固定することとなる。
また、前記フィンカラー116の外周面下端に形成された同心円状のシート118は、前記フィンカラー116を支持するように一定半径の幅を有し、第2および第3の底点部114b、114cと同じ高さで連結される。
また、山部傾斜面120は、前記シート118の外径を底辺とし、2つの底点部114b、114cおよび1つの頂点部112aに連なる傾斜した面として形成される。かかる山部傾斜面120は、流動中の空気が前記フィンカラー116の外面に沿って流動されるようにガイドする。
また、山部傾斜面120は、第2の頂点部112bと連設される場合、傾斜面が三角形状となり、第1および第3の頂点部112a、112cに連設される場合、傾斜面が長方形状となる。前記傾斜面は、それぞれが所定の曲率で連なるようにフィンカラー116に対して壁として機能する。
前述のような本発明は、フィン110の谷部114を基準に内側の頂点部112bの高さH12は、最外郭頂点部112a、112cの高さH1より高くなってはいけない。実施例として、内側の頂点部が1つ以上である場合でも、最外郭頂点部の高さより高くなってはいけない。
図4は、本発明の実施例に係るフィンの正面図および背面図であって、フィンをチューブに挿着する方向に沿って正面から見てフィンの山部が反対側では谷部となるため、本発明は、フィンの山部を基準に谷部の高さを異ならせることができる。
図5は、本発明に係るフィンの他の構造を示す図である。
同図に示されたように、フィン150の頂点部(山部)152a、152b、152c(152)が同一である場合、同一線上のフィンの山部152を基準に内側底点部154b、154cの高さH13が最外郭底点部154a、154bの高さよりは低く形成される。即ち、H11’>H13となる。また、第1の頂点部152aの内角(θ1’)は、第2の頂点部152bの内角(θ2’)よりは小さくなる。
従って、本発明のフィンの山部が同じ高さ(H11=H12)である場合に比べて、H11≠H12およびH11’≠H13の場合、相対的に圧力損失は、低減し、熱伝達量は、増加する効果が得られる。
実施例として、フィンにおいて特定の谷部または山部を同一線上に位置させ、同一線上の頂点または底点を基準にフィン内部に行くほど高さが段階的に低くなり、フィンの外部に行くほど高さが段階的に高くなる構造とすることができる。
かかる実施例に係るフィン構造は、フィンの中心がフィン外側より所定の傾斜角度でまたは高さ差で傾斜した面をもって山部と谷部が形成されるため、既存のものに比べて空気との接触面積が増大し、流動に変動を一層多く加えた構造である。また、いずれか1つの谷部または山部を基準線とし、互いに異なる線上の頂点または底点の高さを等しく形成させることもできる。また、複数の山部または谷部が同一線上に位置し、中間谷部または山部に行くほど低くなるような構造とし、フィン内部での空気流動に変動を加え、流速を増大させることができる。
図6および図7は、本発明の実施例に係る熱交換器の空気流動状態を示す図である。図6は、単一フィンである場合、図7は、複数のフィンを結合させた場合の空気流動状態を示す図である。
図6に示されたように、外気が流入されると、外気は、多数の頂点部(山部)112a、112b、112c(112)および底点部(谷部)114a、114b、114c、114d(114)に沿って一定回数以上上昇および下降しながらチューブの間を速く流動するため、従来のフィンに比べて空気接触面が増大することとなる。
また、流入される空気は、第1の底点部114aおよび第2の頂点部112aを介して流入された後、内側の底点部114b、114cおよび頂点部112bに沿って変化し、流動中の空気の流速を速くして流出側頂点部112cおよび底点部114dへ送られるため、熱伝達効率を向上する。
また、フィン110に形成された山部112のうち空気の流入側・流出側に位置した第1の頂点部112aおよび第3の頂点部112cの高さH11は、第2の頂点部112bの高さH12より高く形成されるため、チューブ130と直交する前・後フィン110間の間隔が従来のものに比べて広くなり、チューブ130間の空気通過面積が従来のものに比べて増大することとなる。これにより、前記チューブ130の間を通過する高速流の圧力損失は減少し、熱伝達量は増加するという効果が得られ、全体として熱交換器の圧力損失を低減させることが可能となる。
また、チューブ130が貫通する部分にフィンカラー、シート、山部傾斜面を形成させることにより、流入される空気がチューブ曲率および山部傾斜面に沿ってチューブの後方にまで流動されるため、円滑に流動をガイドすることができる。
以下、前述のようなフィンにおける空気の流動特性について詳述する。
チューブ130とチューブ130との間を空気が高速で通過する場合、前記チューブ130とチューブ130との間を通過する高速流の空気は、フィンの内部と外部との高さ差によって既存のものに比べて熱伝達が減少し、これにより、霜層の成長が遅延される。従って、着霜下でも既存のものに比べて高い熱量を維持し、熱交換能力が向上するため、長時間の運転が可能となる。
図7は、図6と同様な構造を有するフィンを二重連結とし、チューブをジグザグ状に直交して配置する構造である場合における空気流動方向を示す図であって、チューブが配置されるフィン領域(即ち、チューブ領域)とチューブが配置されないフィン領域(チューブ間のフィン領域)へ空気が流動する場合、チューブがジグザグ状に配列されているため、空気の流動は、各領域において単一フィンを流動する空気の流動とほとんど同様であることがわかる。
前述のような実施例に係る熱交換器は、空気の流動方向を基準にフィン内側の山部の高さを空気の入口側・出口側に位置した山部の高さより低く形成させることにより、チューブとチューブとの間を流動する空気がより速く流入および流出され、従来に比べて効果的にチューブ後方にまで外気をガイドすることができる。また、前記チューブとチューブとの間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は、低減され、熱伝達量および熱交換量は、増加するため、熱交換器の効率が向上するという効果が得られる。
本発明の実施例に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る熱交換器におけるフィン構造を示す斜視図である。 図2のB−B’に沿った断面図である。 図2のフィンの正面図および背面図である。 図2のB−B’断面に対するフィンの他の構造を示す断面図である。 本発明の第1の実施例に係る熱交換器を通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明の第1の実施例に係る熱交換器を通過する空気の流動状態を示す図である。 従来の熱交換器を示す斜視図である。 従来のフィンの斜視図である。 従来のフィンのA−A’に沿った断面図である。 従来のフィンの正面図および背面図である。
符号の説明
101…熱交換器
110、150…フィン
112(112a、112b、112c)、152(152a、152b、153c)…山部(頂点部)
113a、113b…傾斜面
114(114a、114b、114c、114d)、154(154a、154b、154c)…谷部(底点部)
116…フィンカラー
116a…チューブ挿入口
118…傾斜部
120…山部傾斜面
130…チューブ

Claims (16)

  1. 冷媒が流動し、所定間隔離間して配置された多数のチューブと、
    前記チューブが直角に貫通し、貫通されるチューブを支持するフィンカラーと、前記フィンカラーの下端外周辺を支持するシートと、フィンカラー間の領域上に空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも3つ以上が所定の高さ差で交叉して連設される山部および谷部とを有するフィンと、
    を備えることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記フィンは、逆W字形状のコルゲートフィンであることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記フィンは、フィンカラー領域上に、空気の流動方向を基準に一側の最外郭谷部から始まって他側の最外郭谷部で終わり、前記最外郭谷部の間に少なくとも2つ以上の山部および谷部の高さ差によって空気の流動に変動が発生することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  4. 前記フィンは、空気の流動方向を基準に谷部が同一線上に形成され、前記谷部の間に形成される山部が前記谷部の底点を基準に互いに異なる高さを有することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  5. 前記フィンの山部は、最外郭谷部と所定の傾斜角度で傾斜した面で連結される最外郭山部が内側山部より低い高さを有することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  6. 前記最外郭山部の間に単一の内側山部が形成され、前記内側山部の内角が最外郭山部の内角よりは小さくなることを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。
  7. 前記フィンは、空気の流動方向を基準に山部が同一線上に形成され、前記山部の間に形成される谷部が前記山部の頂点を基準に互いに異なる高さを有することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  8. 前記フィンの谷部は、空気の流入側および流出側に形成される最外郭谷部の高さが内側の谷部より低い高さに形成されることを特徴とする請求項7に記載の熱交換器。
  9. 前記最外郭谷部の内側に複数の内側谷部が形成され、前記内側谷部の高さが互いに同一であることを特徴とする請求項8に記載の熱交換器。
  10. 前記最外郭谷部の間に複数の内側谷部が形成され、前記内側谷部の高さが互いに異なることを特徴とする請求項8に記載の熱交換器。
  11. 前記フィンの中心線上を通る中間の山部を基準に左・右側が対称となる構造であり、左・右側に行くほど谷部の高さ(深さ)が高いことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  12. 前記フィンの中心線上を通る中間の山部を基準に左・右側が対称となる構造であり、左・右側に行くほど谷部の高さが高いことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  13. 前記フィンは、前記フィンカラーの下端外周面に形成される同心円状のシートと内側山部および谷部に所定の傾斜面で連結され、空気の流動をチューブ外径に沿ってガイドするための流動ガイド部を有することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  14. 前記シートは、谷部と同一線上に位置し、一定の幅を有することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  15. 冷媒が流動する多数のチューブと、
    前記チューブが直交して貫通するフィンカラー領域の間に空気の流動方向に変動を与えるために内側の頂点が外側の頂点よりは低い山部が谷部と交叉して傾斜するように連設され、一定間隔離間して配置される多数のフィンと、
    を備えることを特徴とする熱交換器。
  16. 前記フィンは、フィンカラー領域間のフィン中心が流動の変動が大きくなり得るように、内側の底点が外側の底点よりは低い谷部が山部と交叉して連設されることを特徴とする請求項15に記載の熱交換器。
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