JP2011174638A - 遠心ファンに用いられる熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボファンやシロッコファンなどのような遠心ファンを用いて熱交換を行う場合に、熱交換ユニットとの間で効率よく熱交換を行えるようにした熱交換器を提供する。
【解決手段】遠心ファン１の外周部分に取り付けられ、当該遠心ファン１による気体によって熱交換を行う熱交換器３において、遠心ファン１の外側部分に渦巻状に巻き付けられた屈曲管５と、その屈曲管５の外周部に接するように設けられるフィン６を設けるようにする。このフィン６は、遠心ファン１の中心に対して放射状に設けられ、これによって遠心ファン１に流入する気体、もしくは、遠心ファン１から吐き出される気体をフィン６に沿って効率よく通せるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シロッコファンやターボファンなどのような遠心ファンを用いて熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来から一般的に使用されている熱交換器の構成を図８に示す。図８において、符号９１は冷却対象となる流体を流通させる管であって、片方のヘッダ９２ａから熱い流体を通して他方側のヘッダ９２ｂへ向けて冷却させるようにしたものである。また、符号９３はフィンであり、管９１の外周部分に接するように設けられ、熱を拡散させるために蛇行状に設けられるものである。また、符号９４はプロペラファンであり、フィン９３の間に外部からの気体を通して、フィン９３で拡散された熱を冷却させるようにしたものである。このような熱交換器を用いて冷却対象となる液体を冷却させる場合、ヘッダ９２ａを介してその液体を複数の管９１に分岐して流通させ、その管９１の外周部およびフィン９３にその熱を伝導させるようにする。そして、プロペラファン９４を用いてそのフィン９３の隙間に風を流通させて熱を拡散させ、順次その液体から熱を汲み上げるようにしている。

ところで、このような熱交換器において放熱効果を高めるためには、管９１やフィン９３の表面積を大きくするとともに、プロペラファン９４による気体を管９１やフィン９３の隙間に通す必要がある。しかるに、管９１やフィン９３をプロペラファン９４の気体の流れ方向に対しての長さを厚くすると、プロペラファン９４では静圧特性が低いため、その下流側まで気体を通すことができない。特に、フィン９３の間が非常に狭くなっている場合は、余計にその下流側まで気体を通すことができない。そのため、プロペラファン９４を用いる場合は、管９１やフィン９３を薄くするとともにプロペラファン９４を大きくし、これによって熱交換の効率を向上させる必要がある。しかるに、このような構成であると、装置全体が非常に大型化してしまうばかりでなく、特にプロペラファン９４では中心部と外周部では風速や風圧が大きく異なるので、これらの風速や風圧を安定させるためには、ある程度の距離を置かなければならず、さらに大型化してしまうといった問題がある。

これに対して、ターボファンやシロッコファンは、プロペラファンよりも静圧が高いという特性を有しており、これを用いて熱交換を行うようにした装置も提案されている。

例えば、下記の特許文献１や特許文献２には、図９に示すように、ターボファン９５の外周部分に沿って複数の熱交換器を設け、このターボファン９５の風圧を利用して熱交換を行うようにした装置が提案されている。図９において、符号９５はターボファンであり、その中心部分から外周部分に向かって気体を吐き出すようにしたものである。また、符号９６は熱交換ユニットであり、ターボファン９５を取り囲むように正方形状に配置されるものである。これらの熱交換ユニット９６は、一対のヘッダ９９ａ、９９ｂに挟まれた複数本の管９７と、その管９７に対して垂直に設けられた複数枚のアルミフィン９８とを備えてなり、また、適宜、ターボファン９５から外側に向けて吐き出される気体をアルミフィン９８に沿って通すようにした整流板などを設けて構成されるものである。

特開２００３−０９７８２０号公報 特開２００５−１５６０４７号公報

しかしながら、このようなターボファンを用いた従来の熱交換機においては、次のような問題を生じる。

すなわち、図９に示すような熱交換器では、ターボファンを取り囲むように正方形状に熱交換ユニットを取り付けているが、このような構成では、正方形状をなす四隅近傍ではターボファンからの距離が長くなり、風圧が落ちてしまう。また、ターボファンから空気を吐き出す場合、そのターボファンから放射状に回転しながら気体が吐き出されるが、正方形状をなすようにフィンや管を設けていると、そのフィンの角度と気体の吐き出し角度が異なるため、効率よく熱交換を行うことができないといった問題もある。

そこで、本発明は、ターボファンやシロッコファンなどのような遠心ファンを用いて熱交換を行う場合に、熱交換ユニットとの間で効率よく熱交換を行えるようにした熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、遠心ファンの外周部分に取り付けられ、当該遠心ファンによる気体によって熱交換を行う熱交換器において、前記遠心ファンの外周部に沿って同心円状に設けられる屈曲管と、当該屈曲管に接するように設けられるフィンを設けるようにしたものである。

このように構成すれば、遠心ファンと熱交換器との隙間を均一にすることができ、効率よく熱交換を行わせることができる。

また、このような発明で屈曲管を設ける場合、遠心ファンの外周部分に渦巻状に屈曲管を巻き付けるようにする。

このようにすれば、比較的長い屈曲管を形成しておき、これを遠心ファンに巻き付けるだけで同心円状に屈曲管を配置することができるようになる。

もしくは、このような屈曲管を設ける場合、遠心ファンの外周部分の内側から同心円上に第一屈曲管、第二屈曲管となるように独立して屈曲管を設けるようにする。

さらに、このような発明において、前記フィンを遠心ファンの中心から放射状をなすように設けるようにする。

このようにすれば、遠心ファンから吐き出される気体や遠心ファンに吸い込まれる気体の流れに沿ってフィンを設けられるため、気体の流れをスムーズなものにすることができ、効率よく熱交換を行わせることができる。

また、このようなフィンを設ける場合、半円状の凹部を有し、当該凹部を屈曲管の外周部分に接触させるようなフィンを用いる。

このようにすれば、凹部で屈曲管の外周部に広く接触させることができ、その凹部で屈曲管に効率的に熱を拡散させることができるようになる。

本発明によれば、遠心ファンの外周部分に取り付けられ、当該遠心ファンによる気体によって熱交換を行う熱交換器において、前記遠心ファンの外周部に沿って同心円状に設けられる屈曲管と、当該屈曲管に接するように設けられるフィンを設けるようにしたので、遠心ファンと熱交換器との隙間を均一にすることができ、効率よく熱交を行わせることができる。

本発明の第一の実施の形態における熱交換器を示す平面図 同形態における熱交換器のＡ−Ａ断面を示す図 同形態におけるフィンを示す図 他の実施の形態におけるフィンを示す図 他の実施の形態におけるフィンを示す図 同形態における熱交換器の製造工程を示す図 本発明の第二の実施の形態における熱交換を示す平面図 従来の一般的な熱交換器を示す図 従来のターボファンを用いた熱交換器を示す図

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。この実施の形態における熱交換器３は、ターボファンやシロッコファンなどのような遠心ファン１の外周部分に設けられて熱交換の対象となる冷媒を冷却させるものであって、左右一対に設けられたヘッダ４と、そのヘッダ４の間に設けられる複数本の円柱状の管５とを備えてなり、その管５を遠心ファン１の外周部分に沿って屈曲させるとともに、その管５と管５の隙間に放射状のフィン６を設けるようにしたものである。以下、第一の実施の形態における熱交換器３の構成について詳細に説明する。

まず、この熱交換器３が取り付けられる遠心ファン１は、図１に示すように、ターボファンやシロッコファンなどのように中心から外周部分に向けて気体を吹き出し、もしくは、外周部分から中心に向かって気体を吸い込めるようにしたものであって、ケーシングの内側に設けられた回転円盤上に設けられた複数のブレード２を回転させることによって気体の吸い込みや吐き出しを行えるようにしたものである。この遠心ファン１では、ブレード２の回転方向や角度を変えることで外周からの気体の吸い込みや吐き出しを行えるようにすることができるが、外周部分から気体を吸い込む場合は、ほぼ直線状に気体を吸い込むことができる。一方、外周部分から気体を吐き出す場合は、そのブレード２の回転方向に沿って斜めに気体が吐き出される。そのため、外周部分に向かって気体を吐き出す場合、これと平行にフィン６を設けようとすると、そのフィン６の角度調整が非常に難しくなる。そこで、この実施の形態では、外周部分から中心に向けて気体を吸い込ませるようにしている。

この遠心ファン１の外周部分に取り付けられる熱交換器３のヘッダ４は、図２に示すように、遠心ファン１の回転軸と同じ縦軸方向に設けられ、これらのヘッダ４のうち、第一ヘッダ４１は、冷却対象となる冷媒を流入させるとともに、その冷媒を複数の管５に分岐させるようにしており、第二ヘッダ４２は、その複数の管５を通って冷却された冷媒を合流させて排出させるようにしている。ここでは、遠心ファン１に近い側を流入側の第一ヘッダ４１とし、遠心ファン１から遠い側を排出側の第二ヘッダ４２としている。

このヘッダ４に取り付けられる管５は、非常に細い円柱状の金属製の管５で構成され、その内側に冷媒を流通させるようになっている。この管５を左右のヘッダ４に設ける場合、あらかじめヘッダ４の側面に長手方向に沿って複数の孔４３を設けておき、その孔４３に管５を挿入してロウ付けさせる。このとき、管５をヘッダ４に取り付けた状態では、図６（ａ）に示すように、左右に一対のヘッダ４が存在した状態となり、その左右にわたって複数の平行な管５が直線状に存在している状態となっている。

このように構成された熱交換器３を遠心ファン１の外周部分に取り付ける場合、まず、遠心ファン１の外周部分とほぼ同一形状をなす字具７を設けておき（図６（ｂ））、これに直線状の管５をその字具７の外周部分に沿って巻き付けるようにする。なお、この管５が非常に細い場合は、その巻き付けによる屈曲によって管５の中空部分が塞がってしまう可能性がある。そこで、管５の内部にナイロンや樹脂で形成されたマンドレルを挿入した状態で管５を屈曲させるようにする。この屈曲作業を行う場合、まず、字具７の内側から外側に向かって渦巻状に巻き付けていき、その後、その管５からマンドレルを引き抜く。そして、その屈曲された屈曲管５の両端をヘッダ４の孔４３に取り付けてロウ付けしていく。このような巻き付けを行う場合、冷媒の流入側である第一のヘッダ４を中心側に位置させ、冷媒の排出側である第二のヘッダ４を外側に位置させ、しかも、それぞれの第一のヘッダ４と第二のヘッダ４の位置を一致させるようにする（図６（ｂ））。すなわち、この熱交換器３を遠心ファン１の外周部分に取り付けた場合に、その中心から半径方向に見た状態で同一線上に第一ヘッダ４１と第二ヘッダ４２とをオーバーラップさせるようにする。このように第一ヘッダ４１の位置と第二ヘッダ４２の位置をオーバーラップさせるのは、遠心ファン１に吸い込まれる気体がそれぞれのヘッダ４で邪魔されないようにするためであり、管５の面積を大きく確保できるようにするためである。

次に、ヘッダ４を取り付けた管５と管５の隙間にフィン６を取り付ける。このフィン６は、図３に示すように、上下方向に隣接する管５の隙間に設けられる波板状をなす金属板で構成されるものであって、上下の管５に伝わった熱を拡散させるようにしたものである。このフィン６を形成する場合、あらかじめ放射状となる波を形成できるような金型を設けておき、その金型に薄い金属板を載せて押圧し、これによって遠心ファン１の中心から放射状に伸びる波板状のフィン６を形成する。

もしくは、このフィン６を形成する場合、図４に示すように、まず、矩形状をなす波板を形成し、その波板の上辺と底辺部分を引張・圧縮させることで扇状に形成することもできる。この波板状のフィン６を形成する場合、比較的横幅寸法の短い波板を形成し、その波板を遠心ファン１の曲率と同じとなるように一辺側に向かって屈曲させると、その波板の波が遠心ファン１の中心に向かう放射状に形成され、これを複数枚設けるようにする。

また、このフィンを形成する場合、図５に示すように、上下に半円形の凹部６ｂを有する矩形状の板材６ａを形成し、この板材６ａを上側の管５と下側の管５との間に挟み込むように取り付ける。このときフィン６の凹部６ｂには、管５の表面に密着するような屈曲部６ｃを形成し、その屈曲部６ｃで管５からの熱を受け取るようにするとともに、管５からの起立状態を維持できるようにする。なお、ここでは、凹部６ｂを上下に設けるようにしているが、いずれか一方のみであってもよい。

そして、このようなフィン６を取り付けた状態の熱交換器３を遠心ファン１の外周部分に沿って取り付ける（図６（ｃ））。この熱交換器３を取り付けた状態で遠心ファン１を駆動させると、熱交換器３の外周部分から気体が取り込まれ、遠心ファン１の中心に向かってほぼ直線的に吸い込まれていく。このとき、渦巻状に屈曲された屈曲管５が遠心ファン１とほぼ同心円状に設けられているため、風速を一定にさせることができ、しかも、フィン６が放射状に形成されているため、フィン６との接触効率をよくして効率的に熱交換を行わせることができる。

このように第一の実施の形態によれば、遠心ファン１の外周部分に取り付けられ、当該遠心ファン１による気体によって熱交換を行う熱交換器３において、遠心ファン１の外周部分に渦巻状に巻き付けられた屈曲管５と、その屈曲管５の外周部に接するように設けられるフィン６を設けるようにしたので、遠心ファン１と熱交換器３との隙間を均一にすることができ、効率よく熱交換を行わせることができる。しかも、管５を渦巻状に巻き付けるようにしているため、比較的長い屈曲管５を形成した状態で、これを遠心ファン１に巻き付けるだけで同心円状に屈曲管５を配置することができるようになる。

また、このようなフィン６を遠心ファン１の中心から放射状に設けるようにしたので、遠心ファン１に流入する気体の流れをスムーズにフィン６の隙間に通すことができ、効率よく熱交換を行うことができる。

また、このようなフィン６を設ける場合、半円状の凹部６ｂを有し、その凹部６ｂを屈曲管５の外周部分に接するようなフィン６を用いるようにすれば、凹部６ｂで屈曲管５の外周部に広く接触させることができ、その凹部６ｂで屈曲管５の熱を効率よく拡散させることができるようになる。

＜第二の実施の形態＞
次に、第二の実施の形態における熱交換器３を説明する。上記第一の実施の形態における熱交換器３は渦巻状に管５を巻き付けるようにしたが、この第二の実施の形態では、遠心ファン１の外周部分に第一の屈曲管５１、第二の屈曲管５２、第三の屈曲管５３というように独立した屈曲管５を同心円状に取り付けるようにしたものである。

この第二の実施の形態における熱交換器３を図７に示す。図７において第一の実施の形態と同じ符号を示したものは同じ構造を有するものである。この熱交換器３は、遠心ファン１に外周一周分の長さを有するように設けられた左右のヘッダ４とそれらのヘッダ４の間に取り付けられた複数の管５とを有してなり、その左右のヘッダ４がそれぞれ周回して密着するように管５を円形に屈曲させてなる。この管５は第一の実施の形態と同様に中空状の細い金属で形成され、その屈曲を行う場合は、同様に、内部にマンドレルを挿入した状態で屈曲させる。そして、その後、その管５の両端にヘッダ４を取り付け、その取り付けた孔４３の隙間をロウ付けして封入する。そして、遠心ファン１の外周部分に接するように第一の屈曲管５を形成するとともに、その外側に同様に、第二の屈曲管５やヘッダ４を取り付け、以下、順次必要な数だけ外側に屈曲管５やヘッダ４を取り付けていく。この際、各ヘッダ４は半径方向の同じ位置に設けられており、その半径方向の同じ位置に設けられたヘッダ４を介して冷媒を流入させ、他方のヘッダ４からその冷媒を排出させる。

そして、このようにヘッダ４や屈曲管５を配置させた後、その管５と管５の隙間に第一の実施形態と同様のフィン６を挟み込み、これによって遠心ファン１から放射状のフィン６を形成する。

このようにした場合であっても、屈曲管５を遠心ファン１の外周部分に沿って配置することができ、遠心ファン１との距離を均一にして風速の低下を低減することができる。しかも、フィン６が遠心ファン１の中心から放射状に形成されているため、遠心ファン１による気体をそのフィン６に沿って流入させることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、遠心ファン１の外周部分から気体を吸い込んで中央部分から吐き出すようにしているが、これと逆の構造であってもよい。すなわち、外周部分に向けて気体を吐き出させるような構造であってもよい。

また、上記実施の形態では、熱交換器３を製造する場合、まず、屈曲管５を形成した後、ヘッダ４に取り付け、その後、フィン６を取り付けるようにしたが、ヘッダ４やフィン６を取り付けた状態で直線状の管５を屈曲させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、屈曲管５として断面円形状をなす管を用いたが、断面が中空矩形状をなす管を用いてもよい。

１・・・遠心ファン
２・・・ブレード
３・・・熱交換器
４・・・ヘッダ
４１・・・第一ヘッダ
４２・・・第二ヘッダ
４３・・・孔
５・・・管（屈曲管）
６・・・フィン
６ａ・・・板材
６ｂ・・・凹部
６ｃ・・・屈曲部

Claims (6)

1. 遠心ファンの外周部分に取り付けられ、当該遠心ファンによる気体によって熱交換を行う熱交換器において、
   前記遠心ファンの外周部に沿って同心円状に設けられる屈曲管と、
   当該屈曲管に接するように設けられるフィンと、
   を設けるようにしたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記屈曲管が、遠心ファンの外周部分に渦巻状に巻き付けられるものである請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記屈曲管が、遠心ファンの外周部分の内側から同心円上に独立して複数設けるものである請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記フィンが、遠心ファンの中心から放射状をなすように設けられるものである請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記フィンが、半円状の凹部を有し、当該凹部を隣接する屈曲管の外周部分に接触させるようにしたものである請求項１に記載の熱交換器。
6. 遠心ファンの外周部分に取り付けられ、当該遠心ファンによる気体によって熱交換を行う熱交換器の製造方法において、
   直線状に設けられた管を前記遠心ファンと同心円状に屈曲させる工程と、
   当該屈曲させた屈曲管の隙間に、当該屈曲管の外周部に接するようにフィンを取り付ける工程と、
   を備えたことを特徴とする熱交換器の製造方法。

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