JP2018136036A - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】フィンカラーの根元部が伝熱管を押す力によりフィンカラーと伝熱管との密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減させて、熱交換能力を増大する。【解決手段】熱交換器は、冷媒が流れる伝熱管６０と、伝熱管６０に設けられたフィン５０と、フィン５０に接続され、伝熱管６０が挿通される挿通穴を形成し、伝熱管６０の拡管により伝熱管６０に接触するフィンカラー７０とを含み、フィンカラー７０は、フィン５０に接続された側の端部であって、伝熱管６０の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径となる曲げ部を有し、予め定められた厚さを下回らない範囲でフィン５０の厚さよりも薄い厚さを有する端部である根元部７１と、根元部７１とは反対側の端部であって、伝熱管６０の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径となる曲げ部を有する端部であるリフレア部７３とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器及び空気調和機に関する。

平行に配置した複数の伝熱管と、伝熱管に対して直交して設けられた複数の板状フィンとを備え、板状フィンの伝熱管が挿通されるフィンカラーに伝熱管を接触させてなるフィンチューブ型の熱交換器であって、フィンカラーは、フィンカラーのリフレア部と根元部に曲げ部が設けられてこれら両曲げ部の間に平坦な中間部が形成され、リフレア部の厚さは根元部の厚さより薄く形成され、リフレア部の曲げ部の半径は根元部の曲げ部の半径より大きく形成されて、リフレア部の曲げ部の半径と厚さとの比率が根元部の曲げ部の半径と厚さとの比率の２分の１以上になるように構成されている熱交換器は知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１２／１１７４４０号パンフレット

ここで、フィンカラーの根元部の曲げ部の曲率半径がフィンカラーのリフレア部の曲げ部の曲率半径がよりも小さく形成され、フィンカラーの根元部の厚さがフィンの厚さよりも制限なく薄くなるように形成された構成を採用した場合には、フィンカラーの根元部が伝熱管を押す力によりフィンカラーと伝熱管との密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減させることが困難になる。

本発明の目的は、フィンカラーの根元部が伝熱管を押す力によりフィンカラーと伝熱管との密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減させて、熱交換能力を増大することにある。

かかる目的のもと、本発明は、冷媒が流れる伝熱管と、伝熱管に設けられたフィンと、フィンに接続され、伝熱管が挿通される挿通穴を形成し、伝熱管の拡管により伝熱管に接触するフィンカラーとを含み、フィンカラーは、フィンに接続された側の端部であって、伝熱管の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径となる曲げ部を有し、予め定められた厚さを下回らない範囲でフィンの厚さよりも薄い厚さを有する端部である根元部と、根元部とは反対側の端部であって、伝熱管の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径となる曲げ部を有する端部であるリフレア部とを備えた熱交換器を提供する。

ここで、第２の曲率半径の第１の曲率半径に対する比率は、０．６５以上０．９５以下であってよい。

また、根元部の厚さは、根元部のフィンに近い第１の部分の厚さである第１の厚さと、根元部のフィンから遠い第２の部分の厚さである第２の厚さとから、算出される、ものであってよい。その場合、第１の厚さと第２の厚さとの平均の厚さのフィンの厚さに対する比率は、０．９以上であってよい。また、根元部は、第１の部分から第２の部分に向けて徐々に薄くなる、ものであってよい。

更に、伝熱管の内周面上の突起部の間隔の伝熱管の拡管後の外径に対する比率は、０．０４以上０．１以下であってよい。

更にまた、伝熱管の内周面上の突起部のリード角の伝熱管の拡管後の外径に対する比率は、３．３ｄｅｇ／ｍ以上５．５ｄｅｇ／ｍ以下であってよい。

更にまた、本発明は、冷媒を流通させる配管と、配管を流通する冷媒と室外の空気との間で熱交換を行う室外熱交換器を有する室外機と、配管を流通する冷媒と室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器を有する室内機とを含み、室外熱交換器及び室内熱交換器の少なくとも１つは、冷媒が流れる伝熱管と、伝熱管に設けられたフィンと、フィンに接続され、伝熱管が挿通される挿通穴を形成し、伝熱管の拡管により伝熱管に接触するフィンカラーとを含み、フィンカラーは、フィンに接続された側の端部であって、伝熱管の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径となる曲げ部を有し、予め定められた厚さを下回らない範囲でフィンの厚さよりも薄い厚さを有する端部である根元部と、根元部とは反対側の端部であって、伝熱管の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径となる曲げ部を有する端部であるリフレア部とを備えた空気調和機も提供する。

本発明によれば、フィンカラーの根元部が伝熱管を押す力によりフィンカラーと伝熱管との密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減させて、熱交換能力を増大することが可能となる。

本発明の実施の形態における空気調和機の概略構成図である。 本発明の実施の形態における熱交換器の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における熱交換器のフィンと伝熱管との接触部分の断面図である。 リフレア部の拡管後の曲げ部の曲率半径の根元部の拡管後の曲げ部の曲率半径に対する比率と、熱交換器の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。 根元部の平均厚さのフィンの厚さに対する比率と、熱交換器の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。 本発明の第２の実施の形態について説明するための熱交換器の伝熱管の断面図である。 伝熱管の内周面上の突起部のピッチの伝熱管の拡管後の外径に対する比率と、熱交換器の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。 本発明の第３の実施の形態について説明するための熱交換器のフィンと伝熱管との接触部分の断面図である。 伝熱管の突起部のリード角の伝熱管の拡管後の外径に対する比率と、熱交換器の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。

［本発明の実施の形態における空気調和機の構成］
図１は、本発明の実施の形態における空気調和機１の概略構成図である。空気調和機１は、例えば建物の屋外に設置される室外機１０と、例えば建物内の各部屋に設置される複数の室内機２０と、室外機１０と室内機２０との間に接続されてこれら室外機１０及び室内機２０に循環する冷媒が流通する配管３０とを備えている。尚、図１に示す例では、１台の室外機１０に対して２台の室内機２０が接続されているが、１台の室外機１０に対して１台又は３台以上の室内機２０が接続されていてもよい。

室外機１０は、温度の高い物体から低い物体へ熱を移動させる機器である室外熱交換器１１と、室外熱交換器１１に空気を当てて冷媒と空気との熱交換を促進させる室外送風機１２と、凝縮された冷媒液を膨張気化させて低圧かつ低温にする室外膨張弁１３とを備えている。また、冷媒の流路を切り換える四路切換弁１４と、蒸発し切れなかった冷媒液を分離するアキュムレータ１５と、冷媒を圧縮する圧縮機１６とを備えている。四路切換弁１４は、室外熱交換器１１、アキュムレータ１５及び圧縮機１６とそれぞれ配管で接続されている。また、室外熱交換器１１と室外膨張弁１３とは配管で接続され、アキュムレータ１５と圧縮機１６とは配管で接続されている。尚、図１では、四路切換弁１４の切換接続状態として、暖房運転を行う場合の状態を示している。

また、室外機１０は、室外送風機１２、室外膨張弁１３、圧縮機１６等の作動や、四路切換弁１４の切り換え等を制御する制御装置１７を備えている。ここで、制御装置１７は、例えばマイコンにより実現される。

室内機２０は、温度の高い物体から低い物体へ熱を移動させる機器である室内熱交換器２１と、室内熱交換器２１に空気を当てて冷媒と空気との熱交換を促進させる室内送風機２２と、凝縮された冷媒液を膨張気化させて低圧かつ低温にする室内膨張弁２３とを備えている。

配管３０は、液化した冷媒が流通する液冷媒配管３１と、ガス冷媒が流通するガス冷媒配管３２とを有している。液冷媒配管３１は、室内機２０の室内膨張弁２３と、室外機１０の室外膨張弁１３との間を冷媒が流通するように配置される。ガス冷媒配管３２は、室外機１０の四路切換弁１４と、室内機２０の室内熱交換器２１のガス側との間を冷媒が通過するように配置される。

［本発明の実施の形態における熱交換器の構成］
図２は、本発明の実施の形態における熱交換器４０の斜視図である。この熱交換器４０は、図１に示した室外熱交換器１１及び室内熱交換器２１の少なくとも何れか一方に相当する。図示するように、熱交換器４０は、フィンチューブ式の熱交換器であり、複数の熱交換器用のフィン５０と伝熱管６０とを備えている。

複数のフィン５０は、複数の伝熱管６０に直交するように予め定められた間隔で並べられている。また、複数の伝熱管６０は、各フィン５０の挿通穴に挿通されるように平行に設けられている。伝熱管６０は、図１の空気調和機１における配管３０の一部となり、管内部を冷媒が流れる。ここで、冷媒としては、ＨＣ単一冷媒、ＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素の何れかを使用するとよい。そして、フィン５０を介して熱を伝えることで空気との接触面となる伝熱面積が拡がり、伝熱管６０内部を流れる冷媒と外部を流れる空気との間の熱交換を効率よく行うことが可能となる。

［第１の実施の形態］
図３は、第１の実施の形態における熱交換器４０のフィン５０と伝熱管６０との接触部分の断面図である。図示するように、フィン５０には、フィンカラー７０が接続されている。即ち、熱交換器４０は、フィン５０の伝熱管６０が挿通される部分に設けられたフィンカラー７０に伝熱管６０を拡管によって接触させてなるフィンチューブ式の熱交換器である。

フィンカラー７０は、根元部７１と中間部７２とリフレア部７３とを含む。根元部７１は、フィンカラー７０のうち、フィン５０に接続された側の端部であり、円周に沿って滑らかに曲げられた曲げ部を有している。中間部７２は、フィンカラー７０のうち、根元部７１とリフレア部７３との間に形成された外面側が平坦な部分である。リフレア部７３は、フィンカラー７０のうち、根元部７１とは反対側の端部であり、円周に沿って曲げられた曲げ部を有している。

ところで、第１の実施の形態では、まず、根元部７１及びリフレア部７３が、根元部７１の拡管後の曲げ部の曲率半径よりもリフレア部７３の拡管後の曲げ部の曲率半径が小さくなるように形成されている。即ち、図３に示すように、根元部７１の拡管後の曲げ部の曲率半径をｒ１とし、リフレア部７３の拡管後の曲げ部の曲率半径をｒ２とすると、ｒ２／ｒ１＜１が成立するようになっている。ここで、本実施の形態では、第１の曲率半径の一例としてｒ１を用いており、第２の曲率半径の一例としてｒ２を用いている。

図４は、リフレア部７３の拡管後の曲げ部の曲率半径ｒ２の根元部７１の拡管後の曲げ部の曲率半径ｒ１に対する比率と、熱交換器４０の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。尚、このグラフでは、一般的な仕様の熱交換器４０の熱交換能力を１００％としている。図示するように、ｒ２／ｒ１が０．６５以上０．９５以下の範囲で、熱交換能力改善率は１００％を超えている。従って、ｒ２／ｒ１は、０．６５以上０．９５以下の範囲内の値であることが好ましい。これは、根元部７１の拡管後の曲げ部の曲率半径ｒ１が大きくなると根元部７１が伝熱管６０を押す力によりフィンカラー７０と伝熱管６０との密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減させることができるからである。また、リフレア部７３の拡管後の曲げ部の曲率半径ｒ２が小さくなると伝熱管６０とフィンカラー７０との接触長さが長くなり、熱交換能力が改善されるが、リフレア部７３の拡管後の曲げ部の曲率半径ｒ２があまりにも小さくなると、隣の根元部７１との接触によりリフレア部７３が伝熱管６０を押す力が弱くなり、フィンカラー７０と伝熱管６０との密着性を保つことができなくなるからである。また、リフレア部７３を有することで伝熱管６０を挿入する際に隣のフィン５０との間隔を保つことができ、フィンカラー７０が隣のフィンカラー７０と伝熱管６０の間に入り込むことを防ぎ、密着性を保つことができる。

また、第１の実施の形態では、根元部７１の厚さが、フィン５０の厚さよりも薄くなるように形成されている。ここで、根元部７１の厚さとしては、これに限られるものではないが、根元部７１のフィン５０に近い第１の部分の厚さと、根元部７１のフィン５０から遠い第２の部分の厚さとの平均厚さを用いるとよい。即ち、図３に示すように、フィン５０の厚さをｆｉｎ＿ｔｗ０とし、根元部７１の第１の部分の厚さをｆｉｎ＿ｔｗ１とし、根元部７１の第２の部分の厚さをｆｉｎ＿ｔｗ２とすると、｛（ｆｉｎ＿ｔｗ１＋ｆｉｎ＿ｔｗ２）／２｝／ｆｉｎ＿ｔｗ０＜１が成立するようになっている。ここで、本実施の形態では、第１の厚さの一例としてｆｉｎ＿ｔｗ１を用いており、第２の厚さの一例としてｆｉｎ＿ｔｗ２を用いている。

図５は、根元部７１の平均厚さ（（ｆｉｎ＿ｔｗ１＋ｆｉｎ＿ｔｗ２）／２）のフィン５０の厚さｆｉｎ＿ｔｗ０に対する比率と、熱交換器４０の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。尚、このグラフでも、一般的な仕様の熱交換器４０の熱交換能力を１００％としている。図示するように、｛（ｆｉｎ＿ｔｗ１＋ｆｉｎ＿ｔｗ２）／２｝／ｆｉｎ＿ｔｗ０が０．９以上で、熱交換能力改善率は１００％を超えている。従って、｛（ｆｉｎ＿ｔｗ１＋ｆｉｎ＿ｔｗ２）／２｝／ｆｉｎ＿ｔｗ０は、０．９以上の値であることが好ましい。これは、根元部７１の厚さをフィン５０の厚さよりも薄くするのが加工上は好ましいが、根元部７１の厚さがあまりに薄くなると、根元部７１が伝熱管６０を押す力が弱くなり、フィンカラー７０と伝熱管６０との密着性を保つことができなくなるからである。

更に、根元部７１は、フィン５０に近い第１の部分から、フィン５０から遠い第２の部分に向けて、徐々に薄くなるように形成されていてもよい。

このように、第１の実施の形態では、フィンカラー７０の根元部７１の拡管後の曲げ部の曲率半径よりもフィンカラー７０のリフレア部７３の拡管後の曲げ部の曲率半径が小さくなるようにした。これにより、フィンカラー７０の根元部７１が伝熱管６０を押す力によりフィンカラー７０と伝熱管６０との密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減させて、熱交換能力を増大することが可能となった。

また、第１の実施の形態では、フィンカラー７０の根元部７１の厚さをフィン５０の厚さよりも薄くなるようにした。これにより、根元部７１の厚さをあまりに薄くした場合に生じる、フィンカラー７０の根元部７１が伝熱管６０を押す力が弱くなってフィンカラー７０と伝熱管６０との密着性を向上させることができないという問題を除去し、接触熱抵抗を低減させて、熱交換能力を増大することが可能となった。

［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態について説明するための熱交換器４０の伝熱管６０の断面図である。図示するように、伝熱管６０には、その内周面に沿って、突起部６１と、溝部６２とが設けられている。尚、以下では、伝熱管６０の内周面の１周あたりの突起部６１の数を「条数」と称し、Ｎで表すものとする。

ところで、伝熱管６０の内周面上の突起部６１のピッチが短すぎると、溝部６２に冷媒が溜まることにより、管内伝熱性能が低下して、熱交換能力が低下する。一方、伝熱管６０の内周面上の突起部６１のピッチが長すぎると、突起部６１が倒れることにより、管内伝熱性能が低下したり、伝熱管６０とフィンカラー７０との接触熱抵抗が増加したりして、熱交換能力が低下する。そこで、第２の実施の形態では、伝熱管６０の突起部６１が、伝熱管６０の内周面上の突起部６１のピッチの伝熱管６０の拡管後の外径に対する比率が予め定められた範囲内の値となるように形成されている。即ち、図６に示すように、伝熱管６０の最小内径をＤｉとし、伝熱管６０の拡管後の外径をＤｏとすると、（πＤｉ／Ｎ）／Ｄｏが予め定められた範囲内の値となっている。

ここで、伝熱管６０の最小内径とは、各溝部６２における内径のうちの最大の内径（各溝部６２の最も凹んだ位置における内径）をＮ個の溝部６２について比較した場合に最小となる内径をいう。伝熱管６０の肉厚が一定であれば、図６のどの溝部６２におけるＤｉを内径として用いてもよいが、伝熱管６０の肉厚は一定でないので、図６のＮ個の溝部６２のうちＤｉを最小にする溝部６２におけるＤｉを内径として用いるものとし、この内径を最小内径としている。

図７は、伝熱管６０の内面円周上の突起部６１のピッチ（（π×Ｄｉ）／Ｎ）の伝熱管６０の拡管後の外径Ｄｏに対する比率と、熱交換器４０の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。尚、このグラフでも、一般的な仕様の熱交換器４０の熱交換能力を１００％としている。図示するように、（πＤｉ／Ｎ）／Ｄｏが０．０４以上０．１以下の範囲で、熱交換能力改善率は１００％を超えている。従って、（πＤｉ／Ｎ）／Ｄｏは、０．０４以上０．１以下の範囲内の値であることが好ましい。

このように、第２の実施の形態では、伝熱管６０の内周面上の突起部６１のピッチの伝熱管６０の拡管後の外径に対する比率が予め定められた範囲内の値になるようにした。これにより、伝熱管６０の管内伝熱性能の低下又は伝熱管６０とフィンカラー７０との接触熱抵抗の増加による熱交換能力の低下を抑制することが可能となった。

［第３の実施の形態］
図８は、第３の実施の形態について説明するためのフィン５０と伝熱管６０との接触部分の断面図である。図示するように、伝熱管６０には、その長手方向に沿って、突起部６１と、溝部６２とが設けられている。また、図中、伝熱管６０の内周面上側の突起部６１から内周面下側の対応する突起部６１への二重線は、内周面に沿った突起部６１の連なりを表している。

ところで、伝熱管６０の突起部６１の連なりの方向と伝熱管６０の軸方向とがなす角であるリード角が小さすぎると、冷媒が伝熱管６０内に留まる時間が短くなることにより、管内伝熱性能が低下して、熱交換能力が低下する。一方、伝熱管６０の突起部６１のリード角が大きすぎると、突起部６１が倒れることにより、管内伝熱性能が低下したり、伝熱管６０とフィンカラー７０との接触熱抵抗が増加したりして、熱交換能力が低下する。そこで、第３の実施の形態では、伝熱管６０の突起部６１が、突起部６１のリード角の伝熱管６０の拡管後の外径に対する比率が予め定められた範囲内の値となるように形成されている。即ち、図８に示すように、突起部６１のリード角をＬとし、伝熱管６０の拡管後の外径をＤｏとすると、Ｌ／Ｄｏが予め定められた範囲内の値となっている。

図９は、伝熱管６０の突起部６１のリード角Ｌの伝熱管６０の拡管後の外径Ｄｏに対する比率と、熱交換器４０の熱交換能力の改善率との関係を示したグラフである。尚、このグラフでも、一般的な仕様の熱交換器４０の熱交換能力を１００％としている。図示するように、Ｌ／Ｄｏが３．３ｄｅｇ／ｍ以上５．５ｄｅｇ／ｍ以下の範囲で、熱交換能力改善率は１００％を超えている。従って、Ｌ／Ｄｏは、３．３ｄｅｇ／ｍ以上５．５ｄｅｇ／ｍ以下の範囲内の値であることが好ましい。

このように、第３の実施の形態では、伝熱管６０の突起部６１のリード角の伝熱管６０の拡管後の外径に対する比率が予め定められた範囲内の値になるようにした。これにより、伝熱管６０の管内伝熱性能の低下又は伝熱管６０とフィンカラー７０との接触熱抵抗の増加による熱交換能力の低下を抑制することが可能となった。

１…空気調和機、１０…室外機、１１…室外熱交換器、２０…室内機、２１…室内熱交換器、３０…配管、４０…熱交換器、５０…フィン、６０…伝熱管、６１…突起部、６２…溝部、７０…フィンカラー、７１…根元部、７２…中間部、７３…リフレア部

Claims (8)

1. 冷媒が流れる伝熱管と、
   前記伝熱管に設けられたフィンと、
   前記フィンに接続され、前記伝熱管が挿通される挿通穴を形成し、前記伝熱管の拡管により前記伝熱管に接触するフィンカラーと
   を含み、
   前記フィンカラーは、
   前記フィンに接続された側の端部であって、前記伝熱管の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径となる曲げ部を有し、予め定められた厚さを下回らない範囲で前記フィンの厚さよりも薄い厚さを有する端部である根元部と、
   前記根元部とは反対側の端部であって、前記伝熱管の拡管後に曲率半径が前記第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径となる曲げ部を有する端部であるリフレア部と
   を備えたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第２の曲率半径の前記第１の曲率半径に対する比率が０．６５以上０．９５以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記根元部の厚さは、前記根元部の前記フィンに近い第１の部分の厚さである第１の厚さと、前記根元部の前記フィンから遠い第２の部分の厚さである第２の厚さとから、算出されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１の厚さと前記第２の厚さとの平均の厚さの前記フィンの厚さに対する比率が０．９以上であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記根元部は、前記第１の部分から前記第２の部分に向けて徐々に薄くなることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱管の内周面上の突起部の間隔の前記伝熱管の拡管後の外径に対する比率が０．０４以上０．１以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記伝熱管の内周面上の突起部のリード角の前記伝熱管の拡管後の外径に対する比率が３．３ｄｅｇ／ｍ以上５．５ｄｅｇ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 冷媒を流通させる配管と、
   前記配管を流通する前記冷媒と室外の空気との間で熱交換を行う室外熱交換器を有する室外機と、
   前記配管を流通する前記冷媒と室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器を有する室内機と
   を含み、
   前記室外熱交換器及び前記室内熱交換器の少なくとも１つは、
   前記冷媒が流れる伝熱管と、
   前記伝熱管に設けられたフィンと、
   前記フィンに接続され、前記伝熱管が挿通される挿通穴を形成し、前記伝熱管の拡管により前記伝熱管に接触するフィンカラーと
   を含み、
   前記フィンカラーは、
   前記フィンに接続された側の端部であって、前記伝熱管の拡管後に曲率半径が第１の曲率半径となる曲げ部を有し、予め定められた厚さを下回らない範囲で前記フィンの厚さよりも薄い厚さを有する端部である根元部と、
   前記根元部とは反対側の端部であって、前記伝熱管の拡管後に曲率半径が前記第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径となる曲げ部を有する端部であるリフレア部と
   を備えたことを特徴とする空気調和機。

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