JP2005121318A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】一定のピッチで平行に多数積層される平板状のフィンと、所定のピッチでフィンに略直角に挿入される偏平状の伝熱管から構成されるフィンアンドチューブ式の熱交換器のフィンのピッチを容易に正確に保持するとともに凝縮水の落下性を良くすること目的とする。
【解決手段】偏平状の伝熱管４を傾斜させ、フィン２０１ａとフィン２０１ｂの、段方向に隣接する伝熱管４の間の領域に、フィン２０１ａとフィン２０１ｂが交互に積層される一定のピッチと等しい高さの、気体の主流方向に開口する切り起こしを、隣接するフィン２０１ａとフィン２０１ｂでは異なる位置に設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、空気調和機や冷凍機などに使用され、多数積層された平板状のフィンの間を流動する空気などの気体と偏平状の伝熱管内を流動する水や冷媒などの流体との間で熱を授受するフィンアンドチューブ式の熱交換器に関するものである。

一般に、多数積層された平板状のフィンと偏平状の伝熱管とで構成されるフィンアンドチューブ式の熱交換器は、図７に示すように、一定のピッチで平行に積層されるとともに、その間を空気などの気体が流動する多数の平板状のフィン１と、これらのフィン１に略直角に所定のピッチで挿入され、内部を水や冷媒などの流体が流動する、断面外周が偏平状の伝熱管４および、伝熱管４の両端それぞれが接続され、伝熱管４とともに冷媒流路を形成するヘッダー５とから構成され、製造されている。

そして従来の熱交換器のフィン1は、図８や図９に示すように、積層されるフィン１の一定間隔を保持するために、フィン１に根元の幅より先端の幅が広い逆台形状の立ち上げ片１２が設けられている。なお、フィン１には、伝熱管４を挿入するため、貫通穴１３が設けられている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
実開昭６０−６０５９０号公報（第１頁、第２図） 特開平３−６３４９９号公報(第２−３頁、第１図)

しかしながら、上記従来の構成では、立ち上げ片１２は、根元を除いて、フィンから切り取られ、フィンベースにほぼ垂直に立ち上げ加工しただけの構造であるため、立ち上げ片は容易に倒れてしまい、多数積層されるフィン１の一定間隔を正確に保持するという本来の目的を果たせないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、多数積層されるフィンの一定間隔を容易に正確に保持するとともに、平板状のフィンと偏平状の伝熱管とを良好に密着接合することができる熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、フィンの表面の、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管の間の領域に、前記フィンが積層される一定のピッチと等しい高さの、前記気体の主流方向に開口する切り起こしを、隣接する前記フィン同士では異なる位置に設けたものである。

上記構成のように、前記フィンが積層される一定のピッチと等しい高さの、前記気体の主流方向に開口する切り起こしを、隣接する前記フィン同士では異なる位置に設けたことによって、通風抵抗をほとんど増大させることなく、積層される前記フィンの一定間隔を容易に正確に保持することができるものである。

本発明の熱交換器は、フィンの表面の、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管の間の領域に、前記フィンが積層される一定のピッチと等しい高さの、前記気体の主流方向に開口する切り起こしを、隣接する前記フィン同士では異なる位置に設けたもので、この構成によれば、積層される前記フィンの一定間隔を容易に正確に保持する
ことができるとともに、通風抵抗をほとんど増大させることがない。

第１の発明は、フィンの表面の、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管の間の領域に、前記フィンが積層される一定のピッチと等しい高さの、前記気体の主流方向に開口する切り起こしを、隣接する前記フィン同士では異なる位置に設けたことにより、前記切り起こしの高さは積層されるフィンのピッチと等しいので、積層される前記フィンの一定のピッチを容易に正確に保持することができるとともに、前記切り起こしは前記気体の主流方向に開口しているので、通風抵抗をほとんど増大させることない。

第２の発明は、第１の発明の熱交換器において、前記フィン表面の前記気体の主流に直角方向に隣接する前記伝熱管の間の領域に、積層される前記フィンの一定のピッチの約１／４〜約３／４の高さの、気体主流方向に開口する複数の切り起こしを設けたので、複数の切り起こしの温度境界層前縁効果により、優れた通風特性と伝熱性能を得ることができる。

第３の発明は、第２の発明の熱交換器において、積層される前記フィンの一定のピッチの約１／４〜約３／４の高さの前記切り起こしの幅をフィンベースの幅の約１／２〜約１／３としたので、前記切り起こしの温度境界層がその直前の風上の切り起こしの温度境界層に埋没しにくく、さらに優れた通風特性と伝熱性能を得ることができる。

第４の発明は、第１の発明の熱交換器において、前記フィン表面の前記気体の主流に直角方向に隣接する前記伝熱管の間の領域に、稜線が段方向に伸びる山部と谷部を交互に並べた起伏部を設けたことにより、優れた伝熱性能が得られる。また、第４の発明の熱交換器は空気調和機の室外熱交換器として用いたとき、暖房運転時に外気が低温になると、前記フィンの表面に霜が付着するが、温度境界層前縁効果で高性能を得る切り起こしなどのように、性能が良好な切り起こしの前縁に霜が集中して付着し、付着した霜により前記フィンが目詰まりを起こし、ほとんど通風できなくなってしまうのが早く、暖房性能が急激に下がるという課題も生じにくい。

第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明の熱交換器において、前記熱交換器を蒸発器として使用する際、前記気体の主流方向を水平方向に、設置し、前記偏平状の伝熱管の長手方向を、水平方向に対して傾斜させたことにより、前記フィンおよび前記偏平状の伝熱管の表面に付着する凝縮水を、滞留させることなく、円滑に落下させることができる。

第６の発明は、第５の発明の熱交換器において、前記偏平状の伝熱管の傾斜を前記気体の風下方向に下り勾配となるようにしたので、前記フィンおよび前記偏平状の伝熱管の表面に付着する凝縮水は、前記気体の流れにより風下側へ、そして前記気体の風下方向に下り勾配の前記偏平状の伝熱管に沿って、円滑に落下していく。

第７の発明は、第５または第６の発明の熱交換器において、前記偏平状の伝熱管の水平方向に対する傾斜の角度を約５°〜約３０°となるようにしたことにより、通風抵抗をあまり増大させず、前記フィンおよび前記偏平状の伝熱管の表面に付着する凝縮水を、滞留させることなく、円滑に落下させることができる。

第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明の熱交換器において、前記フィンを積層する際、隣接する前記フィン同士の形状は、片方を前記フィンの表裏は変えずにフィン面を保って１８０°回転させると同じ形状となるようにしたので、実質的には１種類だけの形状のフィンを用いて、前記フィンを積層する際、隣接する前記フィン同士を、交互に、
フィン面を保って１８０°回転させることにより、隣接する前記フィン同士では異なる形状のものとして使用することができる。

第９の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明の熱交換器において、前記フィンを積層する際、隣接する前記フィン同士の形状は、片方を前記フィンの段方向の上下どちらかに1段ずらすと、最上段と最下段のいずれかのずれている領域を除いて同じ形状となるようにしたので、実質的には１種類だけの形状のフィンを用いて、前記フィンを積層する際、隣接する前記フィン同士を、交互に、フィンの段方向の上下どちらかに1段ずらすことにより、隣接する前記フィン同士では異なる形状のものとして使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

また、本発明の実施形態の熱交換器の基本構成および基本の製造方法は、従来の技術で述べた図７に示した多数積層された平板状のフィンと偏平状の伝熱管とで構成される一般的なフィンアンドチューブ式の熱交換器と同じなので説明を割愛し、そのフィン形状とそのフィンの加工と積層する製造方法に特徴があるので、それらについて詳しく説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の隣接するフィン１０１ａ、１０１ｂのそれぞれの正面図、図２は図1の本発明の実施の形態１における熱交換器のフィン１０１ａとフィン１０１ｂを交互に積層した状態の図１）におけるＡ−Ａ断面の拡大図、図３は図1の本発明の実施の形態１における熱交換器のフィン１０１ａとフィン１０１ｂを交互に積層した状態を風上から見た拡大側面図である。

図１、図２、図３において、フィン１０１aおよびフィン１０１ｂには、断面外周が偏平状の伝熱管４をフィン１０１ａおよびフィン１０１ｂに略直角に所定のピッチで挿入するための貫通穴１３が設けられている。気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域に、フィン１０１aとフィン１０１ｂが交互に積層されるときの一定のフィンピッチＰｆと等しい高さの、気体の主流方向に半円状に開口し、フィン１０１aおよびフィン１０１ｂの表面側に凸となる切り起こし１２０aと切り起こし１２０ｂを、風上前縁近傍と風下後縁近傍に、フィン１０１aの切り起こし１２０aは伝熱管４が挿入される貫通穴１３の段方向下側近傍に、フィン１０１ｂの切り起こし１２０ｂは伝熱管４が挿入される貫通穴１３の段方向上側近傍に、設けられている。

また、フィン１０１aおよびフィン１０１ｂの、段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域には、気体の主流方向に開口し、段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域の中心点に対して対称な形状の複数の切り起こし１７が、積層される前記フィンの一定のピッチＰｆの約１／４〜約３／４の高さＨｓで、フィンベースの幅Ｗｆの約１／２〜約１／３の幅Ｗｓとなるよう設けられている。

フィン１０１ａを表裏は変えずにフィン面を保って１８０°回転させるとフィン１０１ｂの形状となるように成形されており、フィン１０１ａとフィン１０１ｂは、実質的には１種類の形状のフィンである。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

以上のように、本実施の形態においては、まず、フィン１０１ａと１０１ｂの、段方向
に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域に、フィン１０１ａおよびフィン１０１ｂが積層される一定のピッチＰｆと等しい高さの、気体の主流方向に開口する切り起こし１２０ａと１２０ｂを、隣接するフィン１０１ａとフィン１０１ｂでは異なる位置に設けたことにより、フィン１０１ａとフィン１０１ｂを交互に多数積層するとき、切り起こし１２０ａと切り起こし１２０ｂはフィン１０１ａまたはフィン１０１ｂに嵌まり込むことなく、また切り起こし１２０ａおよび切り起こし１２０ｂの高さは積層されるフィン１０１ａとフィン１０１ｂのピッチＰｆと等しく、切り起こし１２０ａおよび切り起こし１２０ｂは気体の主流方向に半円状に開口しており簡単に変形することがあまりないので、積層されるフィン１０１ａとフィン１０１ｂの一定間隔を容易に正確に保持することができるとともに、切り起こし１２０ａおよび切り起こし１２０ｂは気体の主流方向に開口しているので、通風抵抗をほとんど増大させることなく、温度境界層前縁効果により、伝熱性能を若干向上されることができる。

また、本実施の形態では、フィン１０１ａおよびフィン１０１ｂの表面の、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管４の間の領域に、積層されるフィン１０１ａとフィン１０１ｂの一定のピッチＰｆの約１／４〜約３／４の高さＨｓの、気体主流方向に開口する複数の切り起こし１７を設けたので、複数の切り起こし１７の温度境界層前縁効果により、優れた通風特性と伝熱性能を得ることができる。

また、本実施の形態では、積層されるフィン１０１ａとフィン１０１ｂの一定のピッチＰｆの約１／４〜約３／４の高さＨｓの切り起こし１７の幅Ｗｓをフィンベースの幅Ｗｆの約１／２〜約１／３としたので、切り起こし１７の温度境界層がその直前の風上の切り起こしの温度境界層に埋没しにくく、さらに優れた通風特性と伝熱性能を得ることができる。

また、本実施の形態では、フィン１０１ａおよびフィン１０１ｂを交互に積層する際、隣接するフィン１０１ａとフィン１０１ｂの形状は、片方をフィンの表裏は変えずにフィン面を保って１８０°回転させると同じ形状となるようにしたので、実質的には１種類だけの形状のフィン１０１ａを用いて、フィン１０１ａとフィン１０１ｂを交互に積層する際、フィン１０１ａを、1枚おきに、フィン面を保って１８０°回転させることにより、隣接するもの同士では異なる形状のフィン１０１ａとフィン１０１ｂとして使用することができる。また、フィン１０１ａとフィン１０１ｂは実質的に同じ形状のものなので、１種類だけの金型で成形でき、金型の投資額や補修費を抑制することができ、生産性も良い。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における熱交換器の隣接するフィン２０１ａ、２０１ｂのそれぞれの正面図、図５は図４の本発明の実施の形態２における熱交換器のフィン２０１ａとフィン２０１ｂを交互に積層した状態の図４におけるＢ−Ｂ矢視断面の拡大図、図６は図４の本発明の実施の形態２における熱交換器のフィン２０１ａとフィン２０１ｂを交互に積層した状態を風上から見た拡大側面図である。

図４、図５、図６において、フィン２０１aおよびフィン２０１ｂには、断面外周が偏平状の伝熱管４をフィン２０１aおよびフィン２０１ｂに略直角に所定のピッチで挿入するための貫通穴１３が設けられている。気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域に、フィン２０１aとフィン２０１ｂが交互に積層されるときの一定のフィンピッチＰｆと等しい高さの、気体の主流方向に半円状に開口し、フィン２０１aおよびフィン２０１ｂの表面側に凸となる切り起こし２２０aと切り起こし２２０ｂを、風上前縁近傍と風下後縁近傍に、フィン２０１aの切り起こし２２０aは伝熱管４が挿入される貫通穴１３のうち、段方向に上から数えて偶数段の貫通
穴１３の段方向の上側近傍と下側近傍の両方に、フィン２０１ｂの切り起こし２２０ｂは伝熱管４が挿入される貫通穴１３のうち、段方向に上から数えて奇数段の貫通穴１３の段方向上側近傍と下側近傍に、設けられている。

また、フィン２０１aおよびフィン２０１ｂの、段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域には、稜線が段方向に伸びる山部と谷部を交互に並べた起伏部１８が設けられている。

また、本発明の実施の形態２における熱交換器を蒸発器として使用する際、気体の主流方向すなわち列方向を水平方向に、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向を鉛直方向に設置し、偏平状の伝熱管４の長手方向が、気体の風下方向に下り勾配の、水平方向に対して約５°〜約３０°の角度θで傾斜するよう貫通穴１３が傾斜して設けられている。

また、フィン２０１ａは、貫通穴１３および起伏部１８および切り起こし２２０ａを連続した２段分の領域Ｃ部ごとに同じ形状に成形されており、さらにフィン２０１ｂも、フィン２０１ａから段方向に１段ずらした、連続する２段分の領域Ｄ部ごとの貫通穴１３および起伏部１８および切り起こし２２０ｂの形状は、フィン２０１ａの貫通穴１３および起伏部１８および切り起こし２２０ａと同じ形状に成形されている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

以上のように、本実施の形態においては、まず、まず、フィン２０１ａと２０１ｂの、段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域に、フィン２０１ａおよびフィン２０１ｂが積層される一定のピッチＰｆと等しい高さの、気体の主流方向に開口する切り起こし２２０ａと２２０ｂを、隣接するフィン２０１ａとフィン２０１ｂでは異なる位置に設けたことにより、フィン２０１ａとフィン２０１ｂを交互に多数積層するとき、切り起こし２２０ａと切り起こし２２０ｂはフィン２０１ａまたはフィン２０１ｂに嵌まり込むことなく、また切り起こし２２０ａおよび切り起こし２２０ｂの高さは積層されるフィン２０１ａとフィン２０１ｂのピッチＰｆと等しく、切り起こし２２０ａおよび切り起こし２２０ｂは気体の主流方向に半円状に開口しており簡単に変形することがあまりないので、積層されるフィン２０１ａとフィン２０１ｂの一定間隔を容易に正確に保持することができるとともに、切り起こし２２０ａおよび切り起こし２２０ｂは気体の主流方向に開口しているので、通風抵抗をほとんど増大させることなく、温度境界層前縁効果により、伝熱性能を若干向上されることができる。

また、本実施の形態では、フィン２０１ａおよびフィン２０１ｂの、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向に隣接する伝熱管４が挿入される貫通穴１３の間の領域に、稜線が段方向に伸びる山部と谷部を交互に並べた起伏部１８を設けたことにより、優れた伝熱性能が得られる。また、本実施の形態の熱交換器を空気調和機の室外熱交換器として用いたとき、暖房運転時に外気が低温になると、フィン２０１ａおよびフィン２０１ｂの表面に霜が付着するが、温度境界層前縁効果で高性能を得る切り起こしなどのように、性能が良好な切り起こしの前縁に霜が集中して付着し、付着した霜によりフィンが目詰まりを起こし、ほとんど通風できなくなってしまうのが早く、暖房性能が急激に下がるという課題も生じにくい。

また、本実施の形態では、本実施の形態の熱交換器を蒸発器として使用する際、気体の主流方向すなわち列方向を水平方向に、気体の主流方向に直角方向すなわち段方向を鉛直方向に設置し、偏平状の伝熱管４の長手方向を、水平方向に対して傾斜させたことにより、フィン２０１ａとフィン２０１ｂおよび偏平状の伝熱管４の表面に付着する凝縮水を、滞留させることなく、円滑に落下させることができる。

また、本実施の形態では、偏平状の伝熱管４の傾斜を気体の風下方向に下り勾配となるようにしたので、フィン２０１ａとフィン２０１ｂおよび偏平状の伝熱管４の表面に付着する凝縮水は、気体の流れにより風下側へ、そして気体の風下方向に下り勾配の偏平状の伝熱管４に沿って、円滑に落下していく。

また、本実施の形態では、偏平状の伝熱管４の水平方向に対する傾斜の角度を約５°〜約３０°となるようにしたことにより、通風抵抗をあまり増大させず、フィン２０１ａとフィン２０１ｂおよび偏平状の伝熱管４の表面に付着する凝縮水を、滞留させることなく、円滑に落下させることができる。

また、本実施の形態では、フィン２０１ａを段方向の上下いずれかに1段ずらすとフィン２０１ｂの形状となるようにしているので、実質的には１種類だけの形状のフィン２０１ａを用いて、フィン２０１ａとフィン２０１ｂを交互に積層する際、フィン２０１ａを、1枚おきに、段方向に１段ずらして積層することにより、隣接するもの同士では異なる形状のフィン２０１ａとフィン２０１ｂとして使用することができる。また、フィン２０１ａとフィン２０１ｂは実質的に同じ形状のものなので、１種類だけの金型で成形でき、金型の投資額や補修費を抑制することができ、生産性も良い。

なお、実施の形態１および２において、フィンピッチＰｆと等しい高さの切り起こし１２０ａ、１２０ｂ、２２０a、２２０ｂは、気体の主流方向に半円状に開口する形状として説明したが、これより切り起こしの強度と有効伝熱面積の観点で若干劣るものの、気体の主流方向に台形状に開口する形状であっても、ほぼ同等の効果を有するものである。

なお、上記各実施の形態では偏平状の伝熱管を用いているため、管の肉厚が同等でも、管径が小さいため、耐圧が大きくなり、特に圧力の高い二酸化炭素冷媒を用いる時に、上記各実施の形態の熱交換器が有効である。

また、偏平状の伝熱管の管内容積が小さいため、冷媒量を減らすことができ、可燃性冷媒であるＨＣ冷媒等を用いる時、上記各実施の形態の熱交換器が有効である。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、多数積層されるフィンの一定間隔を容易に正確に保持することが可能となるので、空気調和機や冷凍機、冷蔵庫などに使用され、多数積層された平板状のフィンの間を流動する空気などの気体と偏平状の伝熱管内を流動する水や冷媒などの流体との間で熱を授受するフィンアンドチューブ式の熱交換器に広く適用できるものである。

本発明の実施の形態１における熱交換器の隣接する２種類のフィンそれぞれの正面図 本発明の実施の形態１における熱交換器の２種類のフィンを交互に積層した状態の図１Ａ−Ａ断面の拡大図 本発明の実施の形態１における熱交換器の２種類のフィンを交互に積層した状態を風上から見た拡大側面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の隣接する２種類のフィンそれぞれの正面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の２種類のフィンを交互に積層した状態の図４Ｂ−Ｂ矢視断面の拡大図 本発明の実施の形態２における熱交換器の２種類のフィンを交互に積層した状態を風上から見た拡大側面図 一般のフィンアンドチューブ熱交換器の基本構成を示す斜視図 第１の従来例のフィンの正面図 第２の従来例のフィンの正面図

符号の説明

４ 伝熱管
１３ 貫通穴
１７ 高さがフィンピッチの１／３〜２／３の切り起こし
１８ 起伏部
１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ、２０１ｂ フィン
１２０ａ、１２０ｂ、２２０ａ、２２０ｂ 高さがフィンピッチの切り起こし

Claims (9)

1. 一定のピッチで平行に積層されるとともに、その間を空気などの気体が流動する多数の平板状のフィンと、前記フィンに略直角に所定のピッチで挿入されるとともに、前記フィンに密着接合され、内部を水や冷媒などの流体が流動する、断面外周が偏平状の伝熱管から構成されるフィンアンドチューブ式の熱交換器において、前記フィン表面の前記気体の主流に直角方向に隣接する前記伝熱管の間の領域に、前記フィンが積層される一定のピッチと等しい高さの前記気体の主流方向に開口する切り起こしを隣接する前記フィン同士では異なる位置に設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記フィン表面の前記気体の主流に直角方向に隣接する前記伝熱管の間の領域に、積層される前記フィンの一定のピッチの約１／４〜約３／４の高さの気体主流方向に開口する複数の切り起こしを設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 積層される前記フィンの一定のピッチの約１／４〜約３／４の高さの前記切り起こしの幅をフィンベースの幅の約１／２〜約１／３としたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記フィン表面の前記気体の主流に直角方向に隣接する前記伝熱管の間の領域に、稜線が段方向に伸びる山部と谷部を交互に並べた起伏部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記熱交換器を蒸発器として使用する際、前記気体の主流方向を水平方向に設置し、前記偏平状の伝熱管の長手方向を、水平方向に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記偏平状の伝熱管の傾斜を前記気体の風下方向に下り勾配となるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記偏平状の伝熱管の水平方向に対する傾斜の角度を約５°〜約３０°となるようにしたことを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換器。
8. 前記フィンを積層する際、隣接する前記フィン同士の形状は、片方を前記フィンの表裏は変えずにフィン面を保って１８０°回転させると同じ形状となる請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 前記フィンを積層する際、隣接する前記フィン同士の形状は、片方を前記フィンの段方向の上下どちらかに1段ずらすと、最上段と最下段のいずれかのずれている領域を除いて同じ形状となる請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。

Images