JP2010151403A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】
熱交換器の曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下を抑制することを課題とする。
【解決手段】
本発明に係る熱交換器は、板厚方向に並べられたフィンと、フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管とを備え、伝熱管はフィンの長手方向に配列され、フィンの長手方向及び板厚方向に対して垂直方向に送風して空気を冷媒と熱交換させる熱交換器であって、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部が、熱交換器の直線部を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気と熱交換媒体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器、並びに当該熱交換器を用いた冷凍サイクル装置、及び空気調和機，ヒートポンプ給湯機に関する。

熱交換器の性能向上を目的としたフィン形状に関する発明としては、例えば、実開昭６２−７５３８３号公報（特許文献１）に開示の発明が知られている。基本的な構成としては、表面に多数の帯状切起片（４等）を設けた複数のフィン（２等）と、フィンを板厚方向に貫通しフィンの長手方向に一定間隔で配列される複数の伝熱管（１等）とから構成され、フィンと伝熱管とに向かってフィンの長手方向及び板厚方向に対して垂直方向（３等）に空気を送風することで冷媒と熱交換させる。

そして、送風方向に対して伝熱管の上流側であって、伝熱管の近傍にあるフィン端部を、フィンの送風方向上流側端部に対して凸型に膨らませている。（送風方向に対して帯状切起片の上流側であって帯状切起片の近傍にあるフィン端部を、フィンの送風方向上流側端部に対して凹型にへこませている。）さらに、特許文献１では、フィンの送風方向下流側において、下流側端部全域を大幅にカットしたフィン形状の熱交換器を提案している。

特許文献１によると、伝熱管近傍のフィン効率が高い部分のフィン面積をできるだけ広げ、それ以外のフィン効率の低い部分および伝熱管背面の死水領域を含む送風方向下流側全域を大幅にカットすることで、フィンの伝熱面積に対する熱交換効率が大きく上昇するとしている。

実開昭６２−７５３８３号公報

空気調和機の室外熱交換器は、一般的に、有効伝熱面積をできるだけ大きく取るために、送風ファンを取り囲むように配置され、その形状は「Ｌ字型」又は「Ｕ字型」に折り曲げられている。折り曲げられた部分（曲げ部）のフィン・ピッチは送風方向下流側が狭くなり、折り曲げられていない部分（直線部）に比べると通風抵抗が大きくなる。結果として、曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下が生じ、熱交換器としての性能低下に繋がる。

特許文献１においては、フィン効率の良し悪しによって、それぞれの該当するフィン面積を増減させることで、フィンの伝熱面積に対する熱交換効率を向上している。しかしながら、特許文献１においては、熱交換器の曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下については何等考慮されていない。

本発明は、熱交換器の曲げ部に関する上記課題を解決するものであり、熱交換器の曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明に係る熱交換器は、板厚方向に並べられたフィンと、フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管とを備え、伝熱管はフィンの長手方向に配列され、フィンの長手方向及び板厚方向に対して垂直方向に送風して空気を冷媒と熱交換させる熱交換器であって、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部が、熱交換器の直線部を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有する。

本発明によれば、熱交換器の曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る熱交換器は、板厚方向に並べられたフィンと、フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管とを備え、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部が、熱交換器の直線部を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有することにより、凹部を有さない場合に比べて、曲げ部を構成する隣り合うフィンの送風方向下流側端部の間隔が広げられる。従って、曲げ部における通風抵抗の増大を抑制することができ、ひいては風量低下に伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。以下、図１〜図１１を用いて、本発明に係る熱交換器の実施例を説明する。

本発明に係る第１の実施例を図１１及び図１〜図４を用いて説明する。本実施例は、特に、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの切越片の送風方向下流側端部を伝熱管の送風方向下流側端部よりも送風方向上流側にへこませることにより、熱交換器の曲げ部に凹部を形成する実施例である。尚、本実施例においては、空気調和機における室外熱交換器を例にして説明する。

図１１は、空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。まず、図１１を用いて冷凍サイクルについて説明する。暖房運転時は、圧縮機１０１により圧縮された高温・高圧の冷媒が四方弁１０２を介して室内熱交換器１０３に流入する。そして、室内ファン１０４により室内空気と室内熱交換器１０３内に流れる冷媒が熱交換することにより空気は暖められ室温は上昇する。また、冷媒は放熱すると共に液化して膨張弁１０５に流入する。膨張弁１０５において冷媒は減圧されて低温・低圧になり、室外熱交換器１０６に流入する。室外ファン１０７により室外空気と室外熱交換器１０６内に流れる冷媒が熱交換し、室外空気が冷やされ、冷媒は蒸発する。その後、蒸発した冷媒は再び四方弁１０２に流入した後、圧縮機１０１に戻され、再び高温・高圧の冷媒となる。このサイクルを繰り返すことにより、空気調和機は暖房運転を行う。

逆に、冷房運転時は、四方弁１０２により冷媒の流れる方向が切り換えられ、室内熱交換器１０３と室外熱交換器１０６の役割が逆になる。つまり、室内熱交換器１０３が蒸発器になり、室外熱交換器１０６が凝縮器となることにより、空気調和機は冷房運転を行う。

図１に、本実施例に係る室外熱交換器の要部を示す。熱交換器は、フィン１の板厚方向（伝熱管２の軸方向）に一定間隔で多数平行に並べられたフィン１と、フィン１を板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管２とを備える。伝熱管２はフィン１の長手方向（図１の上下方向）に一定間隔で配列される。フィン１の表面には、フィン１の長手方向に隣り合う伝熱管２の間に、複数の帯状切起片３が形成される。このように構成される熱交換器の伝熱管２及びフィン１に向かって、フィン１の長手方向及び板厚方向に対して垂直方向（図１の左右方向）に空気を送風する（図１の右向き）ことで、冷媒と空気とが熱交換される。

次に、本実施例に係るフィン１形状の特徴を、図２を用いて説明する。図２は、室外熱交換器の要部に係る概要図（図１の熱交換器のフィン１をフィン板厚方向から見た図）であり、本実施例に係るフィン１形状と従来フィン形状との対比として、図２の（ａ）に従来フィン、（ｂ）に本実施例に係るフィンを示している。

ここで、熱交換器の性能について検討する。例えば、冷媒から送風空気までのトータルでの熱交換効率という観点から、送風空気の吸熱（つまり冷媒から送風空気への放熱）を検討すると、送風方向に対して伝熱管の下流側には空気の流れが殆ど無い死水領域が存在する。このため、死水領域に接する伝熱管では「冷媒→伝熱管→送風空気」といったフィン１を介さない直接的な熱交換は期待することができない。すなわち、伝熱管２の送風方向下流側では、上流側のような熱交換を期待することができない。従って、この場合、伝熱管２の送風方向下流側における主な放熱手段はフィン１となる。つまり、伝熱管２から死水領域外のフィン１表面に至るまで、フィンを介した熱伝導により熱を伝え、それから空気に放熱する「冷媒→伝熱管→フィン→送風空気」といった間接的な熱交換による放熱経路となる。そのため、送風方向に対して伝熱管内壁の下流側に面する冷媒（死水領域に接する冷媒）にとって、死水領域周辺の充分なフィン面積の確保が重要となる。

図２の（ａ）と（ｂ）とを比較すると、本実施例のフィン１では、帯状切起片３の送風方向下流側のフィン１端部が、従来フィンの帯状切起片３の送風方向下流側のフィン端部１′に対して矩形状に凹んでいる。この凹み部分が凹部４である。これは、送風方向に対して上流側の端部から伝熱管２までの長さよりも、送風方向に対して下流側の端部から伝熱管２までの長さの方が短いともいえる。また、送風方向に対して帯状切起片３の上流側の面積よりも下流側の面積の方が小さいともいうことができる。

このような帯状切起片３の近傍に凹部４を形成した場合の効果は以下の通りである。帯状切起片３を通過する送風空気の熱伝達率は、伝熱管２の近傍を通過する送風空気の熱伝達率に比べて高い。そのため、流れ込む空気の温度が比較的早くフィン１表面温度に近付く。つまり、空気とフィンとの熱交換が飽和状態に早く到達してしまい、帯状切起片３を通過した後の下流側端部では大きな熱交換量は望めない。そこで、図２（ｂ）のように帯状切起片３の送風方向下流側のフィン端部をカットすることで、フィン１の伝熱面積に対する熱交換効率を改善することができる。また、送風空気が帯状切起片３を通過する際に生じる圧力損失は、伝熱管２近傍を通過する場合に比べると高いため、帯状切起片３の下流側フィン端部をカットすることで圧力損失が低減され、全体的な空気流動バランスを改善することもできる。

図３は室外熱交換器の概略説明図である。図３に示す空気調和機の室外熱交換器１０６は、有効伝熱面積をできるだけ大きく取るために、送風ファンを取り囲むように配置され、その形状は「Ｌ字型」に折り曲げられている。折り曲げられた部分（曲げ部２０１）のフィン・ピッチは内側（送付方向下流側）が狭くなり、折り曲げられていない部分（直線部２０２）に比べると通風抵抗が大きくなる。結果として、曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下が生じ、熱交換器としての性能低下に繋がる。

本実施例においては、図３に示すように、室外熱交換器１０６の曲げ部２０１に上記フィン形状を適用する。フィン１は、室外ファン１０７による空気の流れ（図中矢印）に対して、フィン１端部に形成された凹部４が風下側となるように配置される。このようにフィン１を配置することで、凹部４における送風方向下流側先端が、その他（例えば、伝熱管２の送風方向下流側）の先端よりも送風方向上流側に位置することになるため、熱交換器の曲げ部２０１を構成する隣り合うフィン１の凹部４でのフィン・ピッチが広がる。従って、凹部４を通過する空気はその他の下流側先端を通過する空気に比べて通風抵抗が小さくなる。

このような送風方向下流側端部の位置によるフィン・ピッチの違いについて、図４を用いて詳細に説明する。図４は図３の折り曲げ部を上から見た拡大図であり、「凹部先端」を○で、前述の「その他の先端」を「凸部先端」として●で表している。図４に示すように、直線部２０２においては、フィン１が平行に配置されるため、隣り合うフィン１の先端部でのフィン・ピッチは、先端部（○，●）の位置によらず一定である。

一方、曲げ部２０１においては、フィンが放射状に配置されるため、隣り合うフィン１の先端部におけるフィン・ピッチは、送風方向下流側になるほど狭くなる。しかしながら、本実施例においては、曲げ部２０１を構成するフィンの送風方向下流側端部が、直線部２０２を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有し、特に、曲げ部２０１を構成するフィン１の切越片の送風方向下流側端部を伝熱管２の送風方向下流側端部よりもへこませて曲げ部２０１に凹部を形成した。これにより、曲げ部２０１においては、隣り合うフィン１の送風方向下流側端部でのフィン・ピッチは凹部先端○（切越片下流側）において広くなるため、通風抵抗を小さくすることができる。

以上、本実施例によれば、熱交換器の曲げ部２０１を構成するフィンの送風方向下流側端部が、直線部２０２を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有することにより、凹部を有さない場合に比べて、直線部２０２を構成する隣り合うフィンの送風方向下流側端部のフィン・ピッチを変えずに、曲げ部２０１を構成する隣り合うフィンの送風方向下流側端部のフィン・ピッチを広げ、曲げ部２０１における通風抵抗を小さくできる。その結果、曲げ部の風量低下に伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。さらに、曲げ部２０１を構成するフィン１の切越片の送風方向下流側をへこませることで曲げ部２０１に凹部を形成したので、上述したように、フィン１の伝熱面積に対する熱交換効率を改善することができるとともに、圧力損失を低減して全体的な空気流動バランスを改善することもできる。また、凹部を形成したことによる材料費の低減をも図ることができる。

本発明に係る第２の実施例を、図５を用いて説明する。図５に示すように、本実施例においては、実施例１の曲げ部に使用したフィン形状（フィン１の切越片の送風方向下流側を送風方向上流側にへこませて凹部を形成）を、室外熱交換器に使用する全てのフィン１（曲げ部２０１及び直線部２０２）に対して適用した実施例である。本実施例においては、実施例１と同様の効果を奏するとともに、全フィン１の形状を統一したことにより製造工程を大幅に簡易化することができ、さらには、全フィン１について凹部を形成したので材料費の大幅な削減を図ることができる。

次に、本発明に係る第３の実施例を、図６を用いて説明する。図６に示すように、本実施例においては、熱交換器の曲げ部におけるフィン１の送風方向下流側端部を全域にわたってカットしている。つまり、曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部全体を、直線部を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませている。本実施例においては、曲げ部２０１の通風抵抗を大きく軽減し、かつフィンの材料費を大幅に削減することができる。特に、伝熱面積を稼ぐために曲げ部２０１の曲げ半径を小さくした仕様の室外熱交換器に対しては、曲げ部２０１内側のフィン・ピッチが非常に小さいため、通風抵抗を低減させる効果が大きい。

本発明に係る第４の実施例を、図７〜図１０を用いて説明する。上記各実施例におけるフィン形状は、送風方向下流側端部に略矩形状の凹部４を形成したり、送風方向下流側端部全域をカットしたりしたが、対象となる環境や熱交換器の用途に応じて、図７に示すように段階的に凹部深さを異ならせるような階段状のフィン形状とすることもできる。図７に示すようなフィン形状とすることで、フィン１上の空気流動や圧力損失，伝熱性能について、それぞれのバランスを考慮して凹部４の形状を自由に設定することができる。また、図７のような階段状の凹部４を、図１０に示すようにスロープ状（山型形状・谷型形状）とすることもできる。

また、図８〜図１０に示すように、フィンの送風方向下流側端部の凹部と凸部の形状及び面積を同一にすることもできる。例えば、曲げ部を構成するフィンの伝熱管の送風方向下流側を切越片の送風方向下流側よりも膨らませた凸部とし、この凸部と凹部とを対称形状とすることにより、一方のフィンの凹部を他方のフィンの凸部とすることができるため、フィン材料取りの際に素材が無駄にならず材料コストを削減することができる。すなわち、図８〜図１０に示すようなフィンを用いることにより、使用するフィンのコストを下げつつ、熱交換器の性能を向上させることができる。

尚、上記各実施例においては、主に空気調和機を基本構成として説明したが、熱交換媒体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を有する冷凍サイクル装置（空気調和機、ヒートポンプ給湯機等）であれば上述の説明に適い、本発明を適用することができる。

室外熱交換器の要部を示す図。 室外熱交換器の要部を示す図（対比図）。 室外熱交換器の概略説明図。 室外熱交換器の説明図。 室外熱交換器の説明図。 室外熱交換器の説明図。 室外熱交換器のフィン形状の一例。 室外熱交換器のフィン材料取りの一例。 室外熱交換器のフィン材料取りの一例。 室外熱交換器のフィン材料取りの一例。 空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図。

符号の説明

１ フィン
１′ フィン端部
２ 伝熱管
３ 帯状切起片
４ 凹部
１０１ 圧縮機
１０２ 四方弁
１０３ 室内熱交換器
１０４ 室内ファン
１０５ 膨張弁
１０６ 室外熱交換器
１０７ 室外ファン
２０１ 曲げ部
２０２ 直線部

Claims (8)

1. 板厚方向に並べられたフィンと、前記フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管とを備え、前記伝熱管は前記フィンの長手方向に配列され、前記フィンの長手方向及び板厚方向に対して垂直方向に送風して空気を前記冷媒と熱交換させる熱交換器であって、
   前記熱交換器の曲げ部を構成する前記フィンの送風方向下流側端部が、前記熱交換器の直線部を構成する前記フィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有する熱交換器。
2. 請求項１において、前記フィンは、前記フィンの長手方向に隣り合う前記伝熱管の間に設けられた切越片を有し、
   前記曲げ部を構成する前記フィンの前記切越片の送風方向下流側端部を、前記曲げ部を構成する前記フィンの前記伝熱管の送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませることにより、前記凹部が形成される熱交換器。
3. 前記直線部を構成する前記フィンが、請求項２に記載の前記曲げ部を構成する前記フィンと同形状である熱交換器。
4. 請求項２又は３において、前記曲げ部を構成する前記フィンの前記伝熱管の送風方向下流側端部を、前記曲げ部を構成する前記フィンの前記切越片の送風方向下流側端部よりも、送風方向下流側に膨らませた凸部とし、前記凸部と前記凹部とを対称形状とした熱交換器。
5. 請求項１において、前記曲げ部を構成する前記フィンの送風方向下流側端部全体が、前記直線部を構成する前記フィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませることにより、前記凹部が形成される熱交換器。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の熱交換器を備えた冷凍サイクル装置。
7. 請求項６に記載の冷凍サイクル装置を備えた空気調和機。
8. 請求項６に記載の冷凍サイクル装置を備えたヒートポンプ給湯機。

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