JP2012225521A - 扁平状チューブにコルゲートフィンを取り付けた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管として扁平状チューブを使用する場合に、コルゲートフィンとの接触面積を大きくして、効率よく熱を拡散させることができるような熱交換器を提供する。
【解決手段】ヘッダ２と、当該ヘッダ２に取り付けられる複数の扁平状チューブ３と、当該扁平状チューブ３の外側表面３１に取り付けられるコルゲートフィン４とを有してなる熱交換器１において、前記扁平状チューブ３の外側表面３１に、コルゲートフィン４の上側屈曲部４１や下側屈曲部４２を面接触させるための凹部３４を形成する。この凹部３４を形成する場合、裏面側にも突出する凸部３５を形成し、これを流体導通路３６に位置させて流体導通路３６に流れる流体を乱流化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、扁平状チューブとコルゲートフィンを接触させてなる熱交換器に関し、より詳しくは、その扁平状チューブとコルゲートフィンとの接触面積を大きくできるようにした熱交換器に関するものである。

一般に、熱交換器は、左右に設けられたヘッダと、それらヘッダとヘッダの間に設けられた伝熱管と、これら伝熱管と伝熱管との間に設けられたフィンとを有するように構成されている。この伝熱管としては、一般的に、断面円形状をなす伝熱管や、扁平状チューブをなす伝熱管が使用され、断面円形状をなす伝熱管を使用した場合は、高圧に耐えることができる一方、扁平状チューブを使用した場合は、熱交換の対象となる流体の流量を大きくすることができるというメリットがある。そして、このような熱交換器を用いて熱交換の対象となる流体を冷却させる場合は、ヘッダを介してその熱交換の対象となる流体を伝熱管内に流入させるとともに、その伝熱管の熱を伝熱管の表面やコルゲートフィンを介して拡散させ、これによって伝熱管内の流体を冷却させるようにしている。

ところで、このような伝熱管として扁平状チューブを使用する場合、その扁平状チューブの熱を拡散させるためにコルゲートフィンが取り付けられるが、そのようなコルゲートフィンを伝熱管に接触させる場合、その屈曲する部分のみを扁平状チューブに接触させるようになっている（特許文献１など）。

特開平４−２８８４８１号公報

しかしながら、このようにコルゲートフィンの屈曲する部分のみを接触させた状態では、接触面積が小さくなり、効率よく扁平状チューブから熱をコルゲートフィン側へと拡散させることができない。

そこで、本発明は、伝熱管として扁平状チューブを使用する際に、コルゲートフィンとの接触面積を大きくして、効率よく熱を拡散させることができるような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、ヘッダと、当該ヘッダに取り付けられる複数の扁平状チューブと、当該扁平状チューブの外側表面に取り付けられるコルゲートフィンとを有してなる熱交換器において、前記扁平状チューブの外側表面に、コルゲートフィンの屈曲部分を面接触させるための凹部を形成するようにしたものである。

このようにすれば、コルゲートフィンを扁平状チューブに面接触させることができるため、扁平状チューブからの熱を効率よくコルゲートフィンに伝達させて、熱拡散の効率を向上させることができるようになる。

また、このような発明において、扁平状チューブの外側表面における凹部の裏面側の流体導通路に凸部を形成する。

このようにすれば、扁平状チューブの中空部分の流体導通路に流体を流す場合、その凸部によって流体導通路内の流体を乱流化させることができ、より熱拡散の効率を向上させることができる。なお、このような凹部や凸部を形成する場合、プレス加工などによって凹部と凸部を同時に形成すれば、それぞれを個別に形成する場合に比べて、簡単に凹部や凸部を形成することができる。

さらに、扁平状チューブの流体導通路側へ突出する凸部と、これに対向する流体導通路の壁面とを部分的に接合する。

このようにすれば、高圧の流体を流入させる場合であっても、その凸部と対向する壁面とを接合させることで、扁平状チューブの膨らみを防止することができる。

本発明によれば、ヘッダと、当該ヘッダに取り付けられる複数の扁平状チューブと、当該扁平状チューブの外側表面に取り付けられるコルゲートフィンとを有してなる熱交換器において、前記扁平状チューブの外側表面に、コルゲートフィンの屈曲部分を面接触させるための凹部を形成するようにしたので、コルゲートフィンと扁平状チューブの接触面積を大きくすることができ、扁平状チューブからの熱を効率よくコルゲートフィンに伝達させることができる。

本発明の一実施の形態における熱交換器の側面概略図 同形態における扁平状チューブとコルゲートフィンの斜視図 同形態における扁平状チューブとコルゲートフィンの断面図 同形態における扁平状チューブの製造工程を示す図 他の実施の形態における扁平状チューブの製造の状態を示す図 他の実施の形態における扁平状チューブの製造の状態を示す図 他の実施の形態における扁平状チューブの製造の状態を示す図

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１は、図１に示すように、左右に設けられたヘッダ２と、これらのヘッダ２とヘッダ２との間に取り付けられる扁平状チューブ３と、上層の下層の扁平状チューブ３の間に取り付けられるコルゲートフィン４とを有してなるものであって、特徴的には、図２や図３などに示すように、その扁平状チューブ３の外側表面３１と流体導通路３６側に凹部３４や凸部３５（図３参照）を形成し、これによって外側表面３１の凹部３４にコルゲートフィン４の屈曲部を面接触させるとともに、その裏面側に形成された凸部３５によって内側に流れる流体（以下、第一流体という）を乱流化させるようにしたものである。以下、本実施の形態における熱交換器１の構成について説明する。

まず、図１におけるヘッダ２は、熱交換の対象となる第一流体を流入させるとともに、熱交換された第一流体を排出させるように構成されている。これらのヘッダ２とヘッダ２の対向する壁面には、扁平状チューブ３を取り付けるためのスリット２１が形成されており、そのスリット２１に扁平状チューブ３の端部を挿入してロウ付けするようにしている。なお、この実施の形態では、ヘッダ２を左右に設ける場合について説明するが、同一方向に流入用のヘッダ２と排出用のヘッダ２を並べて配置し、扁平状チューブ３をＵ字状に屈曲させるようにしてもよい。

このヘッダ２に取り付けられる扁平状チューブ３は、内側の流体導通路３６に第一流体を流通させるようにしたものであって、熱伝導性の高い金属部材で形成される。この扁平状チューブ３を形成する場合、図２に示すように、上面側と下面側の外側表面３１にそれぞれ凹部３４を形成しておき、ここにコルゲートフィン４の屈曲部分を横方向（図１の紙面垂直方向）から挿入できるようにしておく。この凹部３４は、コルゲートフィン４の屈曲部分の曲率と略同一の曲率にしておくのが好ましく、あるいは、コルゲートフィン４の屈曲部分の曲率よりも若干大きくしておき、そのコルゲートフィン４との隙間をロウ付けするようにしてもよい。

このような扁平状チューブ３に凹部３４を形成する場合、次のような方法を用いることができる。

まず、第一の方法が、図４に示すように、扁平状チューブ３の外側表面３１にのみプレス加工で凹部３４を形成しておき、内側表面３２については扁平状にしておく方法である。この方法で凹部３４を形成する場合、まず、金属製の板材を平坦な載置台に載せておき、その板材の上から凹部３４を形成するための図示しない押圧部材（例えば、線材など）で押圧する。このような方法によって凹部３４を形成する場合、上側表面と下側表面の凹部３４の位相を一致させてもよく、あるいは、図４に示すように、それぞれの凹部３４の位相をずらすようにしてもよい。そして、このように押圧部材で押圧することによって外側表面３１にのみ凹部３４を形成し、この板材を折り曲げることによって両端部を接合する（図４の側面図参照）。このような方法で扁平状チューブ３を形成すると、内側の流体導通路３６については平らな壁面が形成される一方、上側表面と下側表面については凹部３４が形成されることで、横方向からコルゲートフィン４を挿入することができるようになる。

第二の方法が、図５に示すように、交互に凹凸を有する板材を二枚用意しておき、それぞれ上面および下面となるように配置して両側面３３をロウ付けする方法である。この側面３３を形成する場合、板材の表裏に形成された凹凸に対応する形状の側板を用意しておき、これを上面と下面の両側に位置させてコーナー部分をロウ付けする。あるいは、上面と下面を所定の隙間を設けて保持させておき、側面３３の隙間全体をロウ材で埋めて側面３３を形成する方法も用いることもできる。前者の場合は、ロウ材のコストを低減させることができる一方、後者の方法では、上面と下面に対応する側板を形成する手間を省くことができるというメリットがある。

第三の方法が、図６に示すように、交互に凹凸を有する一枚の板材を折り曲げて扁平状チューブ３を形成する方法である。この一枚の板材を形成する場合、あらかじめ上側の波の位相と下側の凹凸の位相を反波長分だけずらすようにしておく。そして、これを折り曲げることによって上側の凹凸と下側の凹凸の位相を同じになるようにする。このとき、扁平状チューブ３の内側の流体導通路３６は、第一流体の流れ方向に沿って蛇行した状態となり、これによって第一流体の流れを乱流化させることができる。

このような方法に加えて、図７に示すように、内側に突出する凸部３５の対向する壁面に、間欠的に流体導通路３６側に突出する接合部３７を設けておき、その凸部３５と接合部３７とを接合させるようにすることもできる。この接合部３７を形成する場合、外側表面３１からプレス加工などによって内側に突出するように形成しておくか、あるいは、あらかじめ柱状の部材を取り付けておいて、凸部３５に接合できるようにしておく。そして、その接合部３７と凸部３５とをスポット溶接やロウ付けなどによって接合させ、これによって高圧の第一流体を流す場合であっても、扁平状チューブ３の膨らみを防止するとともに、その部分的な接合部３７によっても第一流体の流れを乱流化させる。

コルゲートフィン４は、図１や図２に示すように、この扁平状チューブ３の外側表面３１に取り付けられるものであって、熱伝導性の高い金属板によって構成される。このコルゲートフィン４は、扁平状チューブ３の横幅寸法とほぼ同じ横幅寸法を有し、上側と下側には、それぞれ凹部３４とほぼ同じ曲率を有する上側屈曲部４１および下側屈曲部４２を形成するようにしている。そして、その上側屈曲部４１を扁平状チューブ３の下側の凹部３４に面接触させるとともに、下側屈曲部４２を扁平状チューブ３の下側の凹部３４に面接触させ、ロウ材によってロウ付けする。そして、図１における紙面垂直方向に第二流体を流して、その熱を拡散させる。なお、ここでは、コルゲートフィン４を扁平状チューブ３の流体の流れ方向と直交する方向（横方向）に挿入するようにしているが、扁平状チューブ３とコルゲートフィン４とを上下方向に積層するようにして取り付けるようにしてもよい。

次に、このように構成された熱交換器１の作用について説明する。

まず、このような熱交換器１を用いて第一流体と熱交換させる場合、その第一流体を一方のヘッダ２側に流入させる。すると、その第一流体は、ヘッダ２から各扁平状チューブ３に分岐してそれぞれの扁平状チューブ３に流れていく。

このように扁平状チューブ３に第一流体を流入させると、その第一流体に蓄えられた熱は扁平状チューブ３に伝達し、その外側表面３１に設けられた凹部３４に面接触しているコルゲートフィン４にまで伝達していく。そして、そのコルゲートフィン４に対して横方向（すなわち、図１における紙面垂直方向）に第二流体を流すことで、そのコルゲートフィン４に拡散された熱を放熱させる。

このとき、扁平状チューブ３として、図５や図６に示すように、内側にも第一流体の流れ方向に沿った凸部３５を形成しておけば、第一流体の流れを乱流化させることができ、流体導通路３６内における熱境界層の発達を防止して熱交換の効率を向上させることができるようになる。

このように上記実施の形態によれば、ヘッダ２と、当該ヘッダ２に取り付けられる複数の扁平状チューブ３と、当該扁平状チューブ３の外側表面３１に取り付けられるコルゲートフィン４とを有してなる熱交換器１において、前記扁平状チューブ３の外側表面３１に、コルゲートフィン４の屈曲部分を面接触させるための凹部３４を形成するようにしたので、コルゲートフィン４と扁平状チューブ３の接触面積を大きくすることができ、扁平状チューブ３からの熱を効率よくコルゲートフィン４に伝達させて熱拡散させることができるようになる。

また、図５や図６に示すように、扁平状チューブ３の外側表面３１における凹部３４の裏面側に凸部３５を形成するようにしたので、コルゲートフィン４を面接触させると同時に、流体導通路３６に流れる第一流体の流体を乱流化させることができるようになる。

さらに、図７に示すように、扁平状チューブ３の流体導通路３６側へ突出する凸部３５と、これに対向する流体導通路３６の壁面とを部分的に接合させる接合部３７を設けるようにすれば、扁平状チューブ３に高圧の流体を通す場合であっても、その凸部３５と対向する壁面とを接合させることで、扁平状チューブ３の膨らみを防止することができる。

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、コルゲートフィン４と扁平状チューブ３とをロウ付けするようにしたが、コルゲートフィン４と扁平状チューブ３との面接触が確保されている状態であれば、ロウ付けなどを行わないようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、コルゲートフィン４として湾曲した上側屈曲部４１や下側屈曲部４２を有するものを用いたが、矩形波状のコルゲートフィンや三角波状のコルゲートフィンを用いるようにしてもよい。この場合、凹部３４としては、その矩形波状あるいは三角波状の上側屈曲部や下側屈曲部に対応した形状としておく。

さらに、外側表面３１にのみ凹部３４を形成して内側表面３２を平坦にしておく場合（図４の場合）、内側表面３２にコイルなど挿入して内接させ、これによって表面積の確保と乱流化を促進させるようにしてもよい。

１・・・熱交換器
２・・・ヘッダ
２１・・・スリット
３・・・扁平状チューブ
３１・・・外側表面
３２・・・内側表面
３３・・・側面
３４・・・凹部
３５・・・凸部
３６・・・流体導通路
３７・・・接合部
４・・・コルゲートフィン
４１・・・上側屈曲部
４２・・・下側屈曲部

Claims (4)

1. ヘッダと、当該ヘッダに取り付けられる複数の扁平状チューブと、当該扁平状チューブの外側表面に取り付けられるコルゲートフィンとを有してなる熱交換器において、前記扁平状チューブの外側表面に、コルゲートフィンの屈曲部分を面接触させるための凹部を形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記扁平状チューブの外側表面における凹部の裏面側の流体導通路に凸部を形成したことを特徴とする請求項１における熱交換器。
3. 前記凹部と凸部を、板材を波板状にして同時に形成した請求項２における熱交換器。
4. 前記扁平状チューブの流体導通路側へ突出する凸部と、これに対向する流体導通路の壁面とを部分的に接合したことを特徴とする請求項１における熱交換器。

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