JP2011220674A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱交換効率を削減するまたはその外観を破壊することなく、曲げやすく、便利に製造できる使用寿命の長い熱交換器を提供する。
【解決手段】第１のヘッダー１と、第２のヘッダー２と、複数の伝熱管３と、複数のフィン４を有する熱交換器であって、各伝熱管の両端部がそれぞれ第１および第２のヘッダーに接続され、各伝熱管は直管部及び直管部３１の間における屈曲部３２を有し、前記屈曲部は直管部に対して所定の角度で捩じれ、各フィンは隣接する直管部の間に介在し、各屈曲部の曲げる前の長さは、下記の関係式を満たす熱交換器。５tπ(１８０-θ)/１８０+２Tw≦A≦３０tπ(１８０-θ)/１８０+８Tw（式中、Aは屈曲部の曲げる前の長さ、tは管壁の厚さ、Twは管の幅、θは管の直管部間の交差角度、πは円周率を表する。）熱交換器が、熱交換効率を低下させることなく、曲げやすく、便利に製造することができる。
【選択図】図１

Description

本願は、熱交換器に関し、特に並流式熱交換器に関するものである。
熱交換器は様々な分野で使用されています。従来の熱交換器は、一般的に、いわゆる並流式の平らな長方形の形状を有している。アプリケーション、インストールのさまざまな要件を満たすように熱伝達効率を向上させるために、屈曲型熱交換器が提案されている。
曲げ位置にフィンが存在しているため、製造中において、熱交換器を曲げることが困難であり、大きな曲げ半径が必要となり、曲げ角度が限られており、熱交換器により占めている設置スペースが大きくなる。また、曲げ位置にフィンがゆがめられる傾向があるため、熱効率、排水性能と熱交換器の外観に影響を与え、そして、水はパイプシステムから吹き飛ばされるまたはパイプシステムに落ちる恐れがある。
このため、熱交換器の曲げ位置にフィンを設置しないこと、すなわち、伝熱管の隣接する屈曲部の間にフィンが介在されないことが提案された。そのため、屈曲部は、フィン無し部とも呼ばれている。
しかしながら、フィン無し部は熱交換を行わないので、フィン無し部が長すぎる場合は、熱交換に有効な面積は減らし、熱伝達効率に影響を与える。一方、フィン無し部が短すぎる場合は、屈曲部の曲げ半径を大きくする必要があり、曲げ角度が限られており、そして設置スペースを大きくする必要があり、熱交換器の熱効率、排水性能と外観に影響を与える。
また、従来の熱交換器は、伝熱管を曲げる際に、その曲げが伝熱管に与える影響が考慮されていない。熱交換器の屈曲部の表面の伸縮量は大きい程伝熱管の外壁は薄い。そのため、伝熱管の破裂強さおよび伝熱管の耐食性は低くなり、熱交換器の寿命が短くなってしまう。
この発明は、従来技術に存在する問題の少なくとも一つを解決するためになされたもので、熱交換効率を削減するまたはその外観を破壊することなく、曲げやすく、便利に製造できる使用寿命の長い熱交換器を提供することを目的とする。
この発明の一実施態様によれば、第１および第２のヘッダーと、複数の伝熱管と、複数のフィンを備える熱交換器であって、各前記伝熱管の両端がそれぞれ第１および第２のヘッダーに接続し、各前記伝熱管は直管部および直管部の間における屈曲部を有し、前記屈曲部は前記直管部に対して所定の角度で捩じれ、各前記フィンは隣接する前記直管部の間に介在し、各前記屈曲部の曲げる前の長さは、下記の関係式を満たす熱交換器が提供される。

５tπ(１８０-θ)/１８０+２Tw≦A≦３０tπ(１８０-θ)/１８０+８Tw

「式中、Aは屈曲部の曲げる前の長さ、tは伝熱管の管壁の厚さ、Twは伝熱管の幅、θは伝熱管の直管部の間の交差角度、πは円周率を表する。」
本発明の前記実施形態によれば、伝熱管の隣接する屈曲部の間にフィンが介在されないため、熱交換器が曲げやすくなり、曲げ半径を小さくすることができる。また、設置スペースも狭くなるため、便利に製造することができ、熱交換器の曲げ角度（すなわち、交差角θ）に制限がなく、屈曲部の排水性能も改善される。そして、屈曲部の曲げる前の長さが上記の関係式を満たすので、各屈曲部の長さを許容最小値とすることができる。そのため、熱交換に有効な面積が増大され、屈曲部が熱交換器の曲げの要件を満たすことができ、すなわち、屈曲部は長すぎでも短すぎない。さらに、曲げた後の熱交換器は、整然とした外観を持っている。また、伝熱管に曲げの影響が考慮されているため、伝熱管の寿命だけでなく、熱交換器の寿命も長い。
いくつかの実施態様において、前記交差角度θは、約２０°以上、かつ約１００°以下の範囲にある。より好ましいのは、前記交差角度θは約３０°以上、且つ約１００°以下の範囲にある。
いくつかの実施態様において、前記所定の角度βは、約４５°以上、且つ約９０°以下の範囲にある。
いくつかの実施態様において、前記複数の伝熱管の屈曲部の第１端が、前記第１および第２のヘッダーの軸方向に一直線に並べ、前記複数の伝熱管の屈曲部の第２端もその軸方向に一直線に並べる。
また、その他の実施形態において、各伝熱管は複数の屈曲部を有し、各屈曲部がそれぞれ２つの直管部の間に接続される。それによって、熱交換器は、N字状、M字状またはW字状など様々な形状に曲げることが可能となる。
本発明の上記の概要は、本発明の各開示された実施形態、またはすべての実施例を記述するためではない。下記の図および詳細な説明は、例示的な実施形態をより具体的に例示する。
本発明の他の側面および利点は、一部が以下の説明により開示し、一部が以下の説明を参照することにより明らかとなり、または実践の考察から理解されうる。
本発明の上記および/または他の側面及び利点は、添付図面とともに以下の記載を参照することにより明らかとなる。
本発明の実施の形態に係る熱交換器の模式図であって、その伝熱管は捩じれ曲げる前である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の模式図であって、その伝熱管がねじれ曲げた後である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の曲げた後の伝熱管の長さの概略図である。 図２に示す熱交換器の側面図であって、伝熱管が捩じれた後且つ曲げる前である。 本発明の別の実施形態に係る熱交換器の模式図である。
以下、本発明の実施形態の例示を詳細に説明する。ここで添付図面と合わせて説明した実施例は、説明的なおよび解釈的なものであり、本開示を理解するために使用されているものである。本発明を限定すると解釈してはならない。以下の説明において、同一または類似の要素と同一または類似の機能を有する要素は、類似の番号で示される。
本明細書において、デバイスまたは要素の方向を参照して使用される言い方や用語（例え、"縦"、"横"、"前"、"背面"、"右"、"左"、"下げる"、"上がる"、"水平"、"垂直"、"より上に"、"より下に"、"上方へ"、"頂上"、"底部"のような用語、およびそれらの派生語としての"垂直に"、"下方に"、"上方に"など）は、本発明の説明を簡素化するために使用されてものであり、係るデバイスや要素が特定の方向性を持つ或いは特定の方向に操作されるという意味ではないことを理解されるべきである。また、このような"第１"と"第２"の用語は、説明のために使用され、相対的な重要性や意義を意味するものではない。
指定されるまたは限定される場合を除き、用語"固定"、"接続"、"サポート"、"結合"およびそれら用語のバリエーションが、広く使用されており、直接的および間接的な固定、接続、サポート、およびカップリングを含む。
以下、図１−４を参照しながら、本発明の一実施形態に係る熱交換器について説明する。
図１-２に示すように、本発明の一実施形態に係る熱交換器は、第１のヘッダー１、第２のヘッダー２、複数の伝熱管３および複数のフィン４を備える。
第１のヘッダー１および第２のヘッダーが、実質的に互いに平行に配置され、所定の間隔で互いに離間している。例えば、第１のヘッダー１は、入口パイプ１１０に接続される入口ヘッダーとして使用することができ、第２のヘッダーは２は、出口パイプ２１０に接続される出口ヘッダーとして使用することができる。
各伝熱管３、例え、扁平管の両端は、第１のヘッダー１と第２のヘッダー２が各伝熱管３に形成された冷媒流路を介して連通されるように、それぞれ第１のヘッダー１と第２のヘッダー２に接続されている。図２-３に示すように、本実施形態では、各伝熱管３は２つの直管部３１と１つの屈曲部３２を有し、当該２つの直管部３１は、それぞれ屈曲部３２の第１と第２の端部に接続され、屈曲部３２は２つの直管部３１に対して所定の角度βで捩じれている。
一実施形態では、熱交換器を製造するために、熱交換器の組立、溶接前に、各伝熱管３の一部（たとえば、屈曲部となる中間部）を伝熱管３の残りの部分に対して捩じれ、そして伝熱管３は、２つの直管部３１と、２つの直管部３１の間に接続された１つの屈曲部３２に分かれるように、折り曲げられている。次に、組み立てるため、捩じれ曲げられた伝熱管３は、第１のヘッダー１と第２ヘッダー２に接続され、各フィン４は隣接する伝熱管３の間に介在される。当該熱交換器において、隣接する伝熱管３の屈曲部３２の間にフィン４介在されていない。最後に、伝熱管３、第１のヘッダー１、第２ヘッダー２およびフィン４が溶接される。
代替実施形態では、伝熱管３が、捩じれ曲げ前に、第１のヘッダー１と第２のヘッダー２に接続され、そして伝熱管３の曲げる部分に配置されないように各フィン４が隣接する伝熱管３の間に介在される。次に、伝熱管３、第１のヘッダー１、第２ヘッダー２およびフィン４が溶接される。最後に、各伝熱管３が、フィンのない部分は伝熱管３の屈曲部となるように、当該部分で捩じれ曲げる。複数の伝熱管３は同時に捩じれ曲げでもよいことを理解されたい。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る熱交換器は、２つの直管部３１に対して曲げねじれする前の各屈曲部３２の長さAを示すために、まっすぐに伸ばされた。図２に示すように、熱交換器が曲げられ、屈曲部３２の両側にそれぞれ位置する熱交換器の左部と熱交換器の右部に分かれている。
図１-２および図４に示すように、各フィン４は隣接する直管部３１の間に介在されているが、隣接する屈曲部３２の間にはフィン４が介在されていない。ここでは、屈曲部３２をフィン無し部と称することがあり、直管部３１をフィン付き部と称することがある。
曲げる前に、各伝熱管３の屈曲部３２の長さは、次の式を満たす：
５tπ(１８０-θ)/１８０+２Tw≦A≦３０tπ(１８０-θ)/１８０+８Tw

「式中、Aは屈曲部３２の曲げる前の長さ、tは伝熱管３の管壁の厚さ（すなわち、図１において伝熱管３の上下方向における大きさ）、Twは伝熱管３の幅、θは伝熱管３が曲げた後の直管部３１の間の交差角度（すなわち、熱交換器の曲げ角度）、πは円周率を表する。」
本発明のいずれかの特定の実施形態では、伝熱管３は、実質的に長円形断面を有する扁平伝熱管であって、当該長円形は中部の長方形と、その長方形の両端にそれぞれ接続する２つの半円から構成される。なお、伝熱管３の断面は、上記形状に限定されていないことに留意すべきであり、例えば、伝熱管３の断面は、扁平楕円または正方形であってもよい。
本発明の実施形態の熱交換器によれば、伝熱管３は屈曲部３２（すなわち、フィン無し部）を含むため、曲げやすく、便利に製造することができる。そして、曲げ半径と設置スペースを小さくすることも可能となり、熱交換器の曲げ角度θに制限がなく、排水性能が改善される。
また、曲げる前の屈曲部３２の長さAは、上記の式を満たしているため、屈曲部３２の長さは許容最小値に達することができ、熱交換に有効な面積を増大させることができる。したがって、屈曲部３２は熱交換器の曲げの要件に満たすとともに、熱交換器の曲げおよび熱交換効率に影響を与えない。すなわち、屈曲部３２は長すぎでも短すぎでもない。一方、曲げられ後の熱交換器は、整然とした外観を持っている。また、伝熱管３に曲げの影響が考慮されているため、伝熱管３の使用寿命そして熱交換器の寿命が長くなる。
以下、図３を参照しながら、各伝熱管３の屈曲部３２の長さの確定についえ更に説明する。
図３に示すように、伝熱管３の上壁（すなわち、外面）の伸縮量Sは、伝熱管３の肉厚tに直接的な関係を持っている。伸縮量Sは大きいほど、伝熱管３の上壁薄いし、伝熱管３の破裂強さと耐食性が低い。したがって、上壁の伸縮量Sをコントロールする必要がある。
図３に示すように、伸縮量Sは、下記の関係式を満たす。
S=πα（t- t１）/１８０=π（１８０-θ）(t- t１）/１８０
式中、t１は伝熱管３の屈曲部３２の中心部から内側（すなわち、図３の下面）までの厚さ、αは屈曲部３２の捩じれ端部（屈曲部は、その両端部を捩じることによって捩じれているため、屈曲部の両端部が、捩じれ部と称することがある）を除いた中心角、θは伝熱管３の２つの直管部３１の間の交差角度（すなわち、熱交換器の曲げ角度）である。
上記の関係式から分かるように、伸縮量Sは、角度θ、伝熱管３の肉厚ｔ、および曲げ半径Rに直接な関係を持つ。角度θが一定である場合、伸縮量Sは、tに正比例し、Rに反比例する。伝熱管３の強さと耐食性を向上させるために、伸縮量Sは可能な限り小さくすることが必要する。研究によっては、R/ｔ≧５に設定すると有利であることが証明された。一方、外面の円弧の長さは一定である場合、曲げ半径Rは大きくなるとともに、外側の表面が平坦となり、外側の表面の排水性能に不利となり、水は外表面から直接ドロップする可能性がある。研究よっては、R/ｔ≦３０に設定すると有利であることが証明された。したがって、Rは、５ｔ以上、且つ３０ｔ以下であることが有利である。
図３において、a２は、屈曲部３２の捩じれ部の長さであり、主にねじれ力に依存する。ねじれ力が伝熱管３の幅Twに正比例する。所定の幅Twに対して、捩じれ部の長さa２は小さくなるとともに、ねじれ力が大きくなり、フィン４が変形しやすくなる。したがって、捩じれ部の長さa２は大きければ大きいほど、フィン４が変形しにくい。また、捩じれ部は熱交換に参加しないため、捩じれ部が長すぎる場合、熱交換器の熱交換効率が不利に影響される。研究によっては、Tw≦ a２ ≦４Twに設定すると有利であることが証明された。
また、捩じれ部の長さa２は、屈曲部３２が２つ直管部３１に対してねじれた角βに直接な関係を持つ。β、a２は大きいほど、屈曲部３２の長さAは大きい。研究によっては、４５°≦ β ≦９０°に設定すると有利であることが証明された。
図３に示すように、屈曲部３２の長さAは、以下の関係式を満たす。
A=a１+２a２=πRα/１８０+２a２=πR(１８０-θ)/１８０+２a２

式中、a１は屈曲部３２の捩じれ部を除いた弧長であり、a２は捩じれ部の長さである。
Aの上記の式に、Rとa２の関係式を代入することによって、次の式が得られる。
５tπ(１８０-θ)/１８０+２Tw≦A≦３０tπ(１８０-θ)/１８０+８Tw
使用中において、図２に示すように２、熱交換器の表面に空気流Bの均一性は、空気流Bと熱交換器の間の角度（すなわち、２つの直管部３１との間の交差角度の半分）θ/２に直接な関係を持つ。θは大きいほど、熱交換器の表面に、より均一な空気が流れる。
しかし、熱交換器は蒸発器として使用されている場合、操作中に凝縮水は、熱交換器の表面に生成されることがある。θは、盲目的に増加すると、熱交換器の表面にある凝縮水が熱交換器の下方にあるパイプにドロップすることがある。それは、許可されないことである。研究によっては、交差角度θを約２０°-１００°の範囲に設定すると有利であることが証明された。研究よっては、熱交換器が水平方向に配置されている場合、交差角度θを約３０°-１００°の範囲内に設定すると有利であることが証明された。
図１と図４に示すように、本発明のいくつかの実施形態では、複数の伝熱管３の屈曲部３２の第１の端部は、第１のヘッダー１と第２ヘッダー２の軸方向（すなわち、図１における上下方向、または図４における左右方向）一直線と並べ、屈曲部３２の第２の端部も当該軸方向に一直線と並べる。図４に示すように、屈曲部３２は、お互いに一部が重なっている。したがって、得られた熱交換器は、整然とした外観を持つ。また、製造中において、熱交換器の変形は均一であり、変形を簡単に制御することができ、歩留まり率が改善される。
上記実施形態では、熱交換器は実質的に逆V字状に曲がっているように、各伝熱管３は１つ屈曲部３２を備えている。本発明のいくつかの実施形態では熱交換器は、N字状、M字状またはW字状など様々な形状に曲げることができるように、各伝熱管３は複数の屈曲部３２を有し、各屈曲部３２が２つの直管部３１の間に接続されでもよい。図５に示すように、当該熱交換器は、N字状に曲がっている。
本明細書において、"実施形態"、"いくつかの実施形態"、"一実施形態"、"一例"、"具体例"、または"いくつかの例"のような表現は、実施形態または例に合わせて説明した特定の機能、構造、素材、または特性が、少なくとも１つの実施形態又は例には含まれていることを意味する。したがって、本明細書のさまざまな場所における"いくつかの実施形態において"、"一実施形態において"、"実施形態において"、"一例"、"具体例"、または"いくつかの例"などの表現は、必ずしも同じ実施形態または例を指しているわけではない。さらに、特定の機能、構造、材料、または特性は、１つまたは複数の実施形態または例では任意の適切な方法で組み合わせることができる。
本発明の説明的な実施例について開示および説明したが、当該実施形態では、本発明の精神と原則から逸れることなく特許請求の範囲またはその等価物に含まれる多数の変更、代替、修正を行うことができることは、当業者には理解されたいです。
本願は、下記の中国特許出願に基づく優先権を主張する。これらの文献は、参照することにより、本願明細書に取り入れられている：
中国特許出願第２０１０１０２１３４３６．０号（２０１０年６月２４日に出願）
中国特許出願第２０１０１０１４６９３９．０号（２０１０年４月１３日に出願）

Claims (6)

  1. 第１のヘッダーと、第２のヘッダーと、複数の伝熱管と、複数のフィンと、を備える熱交換器であって、各前記伝熱管の両端がそれぞれ第１および第２のヘッダーに接続され、各前記伝熱管は直管部および前記直管部の間における屈曲部を有し、前記屈曲部は前記直管部に対して所定の角度で捩じれ、各前記フィンは隣接する前記直管部の間に介在し、各前記屈曲部の曲げる前の長さは、下記の関係式を満たす熱交換器。

    ５tπ(１８０-θ)/１８０+２Tw≦A≦３０tπ(１８０-θ)/１８０+８Tw

    （式中、Aは屈曲部の曲げる前の長さ、tは伝熱管の管壁の厚さ、Twは伝熱管の幅、θは伝熱管の直管部の間の交差角度、πは円周率を表する。）
  2. 前記交差角度θは、約２０°以上、かつ約１００°以下の範囲にある請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記交差角度θは、約３０°以上、且つ約１００°以下の範囲にある請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記所定の角度βは、約４５°以上、且つ約９０°以下の範囲にある請求項１に記載の熱交換器。
  5. 前記複数の伝熱管の屈曲部の第１の端部が、前記第１および第２のヘッダーの軸方向に一直線に並べ、前記複数の伝熱管の屈曲部の第２の端部もその軸方向に一直線に並べる請求項１に記載の熱交換器。
  6. 各前記伝熱管は複数の屈曲部を有し、各前記屈曲部がそれぞれ２つの直管部の間に接続される請求項１に記載の熱交換器。
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