JP2013087977A

JP2013087977A - フィンチューブ型熱交換器

Info

Publication number: JP2013087977A
Application number: JP2011226401A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Otsubo; 周平大坪; Michito Ozaki; 道人尾崎; Kaoru Hosokawa; 薫細川; Shoichi Yokoyama; 昭一横山; Atsuo Okaichi; 敦雄岡市; Masaya Honma; 雅也本間; Kenji Nagoshi; 健二名越
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-05-13

Abstract

【課題】フィン縁の長さを長く確保しながらも高い歩留まりで製造することができるフィンチューブ型熱交換器を提供する。
【解決手段】１つの側面からの熱交換器は、Ｙ方向に沿って風が供給される熱交換器であって、Ｙ方向と直交するＸ方向に配列された伝熱フィン３と、伝熱フィン３を貫通する複数の伝熱管２を備えている。各伝熱フィン３は、Ｙ方向に対して傾斜する線状の山部３１および谷部３２を交互に繰り返す波形状を有している。各伝熱フィン３のＹ方向の両側の縁３０は、山部３１および谷部３２と直交するジグザグ状である。
【選択図】図２

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器に関する。

従来から、風が供給される方向と直交する方向に配列された伝熱フィンと、伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備えたフィンチューブ型熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、図６（ａ）および（ｂ）に示すようなフィンチューブ型熱交換器１００が開示されている。

この熱交換器１００では、各伝熱フィン１２０が風の供給方向Ａおよび伝熱フィン１２０の配列方向と直交する方向に延びる短冊状をなしており、伝熱管１１０がその方向に配列されている。また、各伝熱フィン１２０は、風の供給方向Ａに対して傾斜する線状の山部１２１および谷部１２２を交互に繰り返す波形状を有している。

このような伝熱フィン１２０では、山部１２１および谷部１２２が両側の縁に現れるため、フィン縁も伝熱フィン１２０の配列方向に波打つ波形状になり、フィン縁が直線状のものに比べてフィン縁の長さが長くなる。風上側のフィン縁は、当該フィン縁に空気が衝突することによって形成される境界層の効果のために伝熱性能が最も高い部分である。そのため、フィン縁の長さが長く確保された伝熱フィン１２０は、熱伝達率を向上させることができる。

特公平７−３１０２９号公報

上記のような伝熱フィン１２０を大量生産するには、大きな金属原板をプレス成型することにより複数の短冊状の伝熱フィン１２０が幅方向に連なった連続波板を成形し、その後に連続波板を各伝熱フィン１２０のフィン縁に沿って切断することが考えられる。しかしながら、連続波板を厚さ方向の両側から切断刃で挟み込む切断機を用いて連続波板の切断を行った場合には、伝熱フィン１２０の山部１２１および谷部１２２に切断刃が直交しないために、フィン縁上の山部１２１および谷部１２２付近でよじれが生じる。その結果、不良品が発生し、歩留まりが低下する。

本発明は、このような事情に鑑み、フィン縁の長さを長く確保しながらも高い歩留まりで製造することができるフィンチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、１つの側面から、第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィンと、前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、前記伝熱フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する線状の山部および谷部を交互に繰り返す波形状を有し、前記伝熱フィンのそれぞれの前記第１方向の両側の縁は、前記山部および谷部と直交するジグザグ状である、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

また、本発明は、別の側面から、第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィンと、前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、前記伝熱フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する線状の山部および谷部を交互に繰り返す波形状を有する中間領域と、前記第１方向において前記中間領域の両側に位置し、当該伝熱フィンの縁を形成する末端領域を含み、前記末端領域のそれぞれは、前記中間領域の山部および谷部から前記第１方向に折れ曲がる山部および谷部を交互に繰り返す波形状を有する、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

上記の第１の構成のフィンチューブ型熱交換器によれば、伝熱フィンの縁が波形状の山部および谷部と直交するジグザグ状であるので、複数の伝熱フィンが連なった連続波板を切断機を用いて切断する際に、切断刃を山部および谷部に直交させることができる。従って、伝熱フィンを良好な形状を保ったままで切り離すことができる。しかも、フィン縁は伝熱フィンの配列方向に波打つ波形状になるために、フィン縁の長さを長く確保することができる。

上記の第２の構成のフィンチューブ型熱交換器によれば、中間領域の両側に山部および谷部の向きを風の供給方向と平行にする末端領域が設けられているので、複数の伝熱フィンが連なった連続波板を切断機を用いて切断する際に、切断刃を末端領域の山部および谷部に直交させることができる。従って、伝熱フィンを良好な形状を保ったままで切り離すことができる。しかも、フィン縁は伝熱フィンの配列方向に波打つ波形状になるために、フィン縁の長さを長く確保することができる。

本発明の第１実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器を示す概略斜視図（ａ）は図１に示すフィンチューブ型熱交換器の部分的な側面断面図、（ｂ）は（ａ）のIIＢ−IIＢ線に沿った断面図第１実施形態の変形例のフィンチューブ型熱交換器の部分的な側面断面図（ａ）は本発明の第２実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の部分的な側面断面図、（ｂ）は（ａ）のIVＢ−IVＢ線に沿った断面図シミュレーションの結果を示すグラフ（ａ）は従来のフィンチューブ型熱交換器の側面図、（ｂ）は（ａ）のVIＢ−VIＢ線に沿った断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１を示す。この熱交換器１は、内部流路を流れる媒体と当該熱交換器１を通過する空気との間で熱交換を行うものである。内部流路を流れる媒体の具体例は、例えば二酸化炭素やＨＦＣなどの冷媒である。熱交換器１には図１中に矢印Ａで示すように第１方向に沿って風が供給される。

具体的に、熱交換器１は、前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィン３と、伝熱フィン３を貫通する複数の伝熱管２とを備えている。なお、以下では、説明の便宜のために、第１方向をＹ方向、第２方向をＸ方向、第１方向および第２方向と直交する第３方向をＺ方向という。本実施形態では、Ｘ方向およびＹ方向が水平方向であり、Ｚ方向が鉛直方向であるが、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器１の設置場所等に応じて適宜選定可能である。

伝熱フィン３は、所定の間隔でＸ方向に互いに平行に並んでおり、それらの間に空気用の外部流路を形成する。各伝熱フィン３は、Ｚ方向に延びる短冊状をなしている。

伝熱管２は、上記内部流路を構成するものであり、Ｚ方向に一定のピッチで配列されている。伝熱管２は、隣り合うもの同士がＵ字管２１によって連結されることにより、蛇行しながらＺ方向に延び、伝熱フィン３を複数回横切る１本の内部流路を形成する。最も下方および上方に位置する伝熱管２は延長されており、外部との接続口を構成している。ただし、伝熱管２は必ずしも互いに連結されている必要はなく、別々の内部流路を構成していてもよい。

伝熱管２は、Ｙ方向において、伝熱フィン３の中央から風上側または風下側にずれた位置に配置されていてもよい。ただし、フィン効率を向上させるという観点からは、伝熱管２がＹ方向において伝熱フィン３の中央を貫通していることが好ましい。なお、伝熱管２は、伝熱フィン３に設けられたカラー３７（図２（ａ）および（ｂ）参照）内に挿入されている。

次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照して、各伝熱フィン３の形状について詳細に説明する。

伝熱フィン３は、Ｙ方向に対して傾斜する線状の山部３１および谷部３２を交互に繰り返す波形状を有している。伝熱フィン３には、例えば肉厚が０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の薄板を好適に用いることができる。特に、フィン効率を向上させるという観点からは、肉厚が０．０８ｍｍ以上の薄板を用いることが好ましい。また、伝熱フィン３の表面には、ベーマイト処理または親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。なお、山部３１および谷部３２の傾斜方向は、Ｙ方向の風上側から風下側に向かって先下がりであってもよいし先上がりであってもよい。また、山部３１と谷部３２の間にある腹部は、尖った山部３１および谷部３２が形成されるようにフラットになっていてもよいし、丸みを帯びた山部３１および谷部３２が形成されるように全体的にまたは両端部のみが湾曲していてもよい。

伝熱フィン３の波形状の波長λおよび振幅γ、ならびにＹ方向に対する山部３１および谷部３２の傾斜角度θは、所望の伝熱性能が得られるように適宜決定され得る。本実施形態では、谷部３２が伝熱管２の中心を通るような波形状が採用されている。

伝熱管２の回りには、フラットなリング部３６が谷部３２と同一レベルで設けられている。リング部３６の外周縁からはテーパー状の周壁３５が山部３１まで立ち上がっており、リング部３６の内周縁からは筒状のカラー３７が立ち上がっている。

伝熱フィン３のＹ方向の両側の縁３０は、山部３１および谷部３２と直交するジグザグ状になっている。本実施形態では、フィン縁３０が、山部３１および谷部３２と直交する第１直線部４１とこの第１直線部４１と逆勾配の第２直線部４２とを交互に繰り返している。そして、第１直線部４１および第２直線部４２の端部によってＹ方向に突出する凸部とＹ方向に窪む凹部が形成されている。

加工性の観点からは、凹部および凸部の角度をより大きな鈍角にすることが好ましい。これを実現するには、第１直線部４１の長さを第２直線部４２の長さよりも十分に小さくすればよい。この場合、Ｘ方向から見たときに、第２直線部４２が第１直線部４１よりもＺ方向に平行に近くなり、凸部および凹部がＺ方向に非対称（それらを頂点からＹ方向に延びる線で分断したときの角度が不等）になる。ただし、対称性を優先して、第１直線部４１の長さを第２直線部４２の長さと同程度またはそれよりも長くしてもよい。

本実施形態では、山部３１および谷部３２が、第１直線部４１の中間で第１直線部４１と直交している。ただし、山部３１および谷部３２は、図３に示すように、第１直線部４１と第２直線部４２の交点で第１直線部４１と直交していてもよい。

以上説明した本実施形態の熱交換器１では、フィン縁３０が波形状の山部３１および谷部３２と直交するジグザグ状であるので、複数の伝熱フィン３が連なった連続波板を切断機を用いて切断する際に、切断刃を山部３１および谷部３２に直交させることができる。従って、伝熱フィン３を良好な形状を保ったままで切り離すことができる。これにより、不良品発生によるコスト増加を大幅に軽減することが期待できる。しかも、フィン縁３０は伝熱フィン３の配列方向に波打つ波形状になるために、フィン縁３０の長さを長く確保することができる。さらには、フィン縁３０は、風の供給方向にも波打つため、図６（ａ）に示す伝熱フィン１２０よりもフィン縁の長さを大きくすることができ、熱伝達率をさらに向上させることができる。

＜変形例＞
フィン縁３０のジグザグ状は、必ずしも第１直線部４１と第２直線部４２を交互に繰り返す形状に限られない。例えば、第２直線部４２が２つに分断されており、その間に第１直線部４１と平行な第３直線部が配置されていてもよい。あるいは、フィン縁３０のジグザグ状は、直線部のみで構成される角波である必要はなく、例えば正弦波などの曲線を含むものであってもよい。

（第２実施形態）
次に、図４（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器を説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

本実施形態の熱交換器は、第１実施形態の熱交換器と比べて伝熱フィン３の構成が異なるだけである。具体的に、各伝熱フィン３は、Ｙ方向に対して傾斜する線状の山部３１および谷部３２を交互に繰り返す波形状を有する中間領域３Ａと、Ｙ方向において中間領域３Ａの両側に位置する末端領域３Ｂを含む。末端領域３Ｂは、Ｚ方向に延びる線状の領域であり、伝熱フィン３のＹ方向の両側の縁３０を形成する。

各末端領域３Ｂは、中間領域３Ａの山部３１および谷部３２からＹ方向に折れ曲がる山部５１および谷部５２を交互に繰り返す波形状を有している。換言すれば、末端領域３Ｂの山部５１および谷部５２はＹ方向に平行な線状であり、末端領域３Ｂの波形状は、中間領域３Ａと同一の振幅γと、中間領域３Ａの波長λの１／ｓｉｎθの波長を有する。なお、端末領域３Ｂの山部５１と中間領域３Ａの山部３１とが交わる部分および端末領域３Ｂの谷部５２と中間領域３Ａの谷部３２とが交わる部分での応力集中を緩和するために、山部３１，５１同士および谷部３２，５２が滑らかにつながるようにそれらの端部を湾曲させてもよい。

各末端領域３ＢのＹ方向の幅ｔは、複数の伝熱フィン３が連なった連続波板を切断機を用いて切断する際の切断刃の位置ずれを考慮して０．２５ｍｍ以上が好ましい。また、各末端領域３ＢのＹ方向の幅ｔは、伝熱フィン３のＹ方向の幅Ｗが制約されているときに伝熱性能の低下を抑制するという観点から、１．０ｍｍ以下が好ましい。

以上説明した本実施形態の熱交換器では、中間領域３Ａの両側に山部３１および谷部３２の向きを風の供給方向と平行にする末端領域３Ｂが設けられているので、複数の伝熱フィン３が連なった連続波板を切断機を用いて切断する際に、切断刃を末端領域３Ｂの山部５１および谷部５２に直交させることができる。従って、伝熱フィン３を良好な形状を保ったままで切り離すことができる。これにより、不良品発生によるコスト増加を大幅に軽減することが期待できる。しかも、フィン縁３０は伝熱フィン３の配列方向に波打つ波形状になるために、フィン縁３０の長さを長く確保することができる。

＜シミュレーション＞
以下に、熱交換器の伝熱性能に対する末端領域３Ｂの影響を確認するために行ったシミュレーションを説明する。

シミュレーションでは、フィンチューブ型熱交換器を空気調和装置（４ｋＷ）の蒸発器として用い、暖房運転を行った場合の熱交換器全体での熱交換量を算出した。解析条件としては、熱交換器に供給される空気の温度を７．０℃、密度を１．２４４ｋｇ／ｍ³、風速を１．０ｍ／ｓとした。また、熱交換器の内部流路を流れる冷媒をＲ４１０Ａとし、その温度を０．０℃、熱伝達率を３２００Ｗ／ｍ²・Ｋとした。

伝熱フィン３の寸法としては、厚さを０．０９ｍｍ、Ｙ方向の幅Ｗを１８．９０ｍｍとし、伝熱管２をＹ方向において伝熱フィン２の中央に配置した。中間領域３Ａについては、波形状の振幅γを１．３３ｍｍ、山部３１および谷部３２の傾斜角度θを４５．９度とした。伝熱管２については、内径を６．４ｍｍ、外径を７．０ｍｍ、Ｚ方向のピッチを１８．３２ｍｍとした。

上記のようにして構成した熱交換器において、末端領域３ＢのＹ方向の幅ｔを０ｍｍ、３．５ｍｍ、１．０ｍｍに設定したそれぞれのモデル１〜３について熱交換量を算出した。なお、モデル１（ｔ＝０ｍｍ）は、図６（ａ）に示す従来の熱交換器と同じである。モデル１に対するモデル２，３の熱交換量の比は図５に示すとおりであった。

図５から、末端領域３Ｂの幅ｔを１．０ｍｍとしても、熱交換量の減少を１％以内に抑えられることが分かる。

本発明のフィンチューブ型熱交換器は、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられるヒートポンプに有用である。

１熱交換器
２伝熱管
３伝熱フィン
３Ａ中間領域
３Ｂ末端領域
３０フィン縁
３１山部
３２谷部
４１第１直線部
４２第２直線部
５１山部
５２谷部

Claims

第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、
前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィンと、
前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、
前記伝熱フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する線状の山部および谷部を交互に繰り返す波形状を有し、
前記伝熱フィンのそれぞれの前記第１方向の両側の縁は、前記山部および谷部と直交するジグザグ状である、フィンチューブ型熱交換器。
前記伝熱フィンのそれぞれの前記第１方向の両側の縁は、前記山部および谷部と直交する第１直線部とこの第１直線部と逆勾配の第２直線部とを交互に繰り返す、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
前記山部および谷部は、前記第１直線部の中間で前記第１直線部と直交している、請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
前記山部および谷部は、前記第１直線部と前記第２直線部の交点で前記第１直線部と直交している、請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、
前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィンと、
前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、
前記伝熱フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する線状の山部および谷部を交互に繰り返す波形状を有する中間領域と、前記第１方向において前記中間領域の両側に位置し、当該伝熱フィンの縁を形成する末端領域を含み、
前記末端領域のそれぞれは、前記中間領域の山部および谷部から前記第１方向に折れ曲がる山部および谷部を交互に繰り返す波形状を有する、フィンチューブ型熱交換器。