JP2019032119A

JP2019032119A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2019032119A
Application number: JP2017153549A
Authority: JP
Inventors: 石井　裕; Yutaka Ishii; 裕石井
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2019031155A1

Abstract

【課題】着霜による通風路の閉塞を抑制すると共に、熱交換効率の向上を図る。【解決手段】チューブ１３とフィン１４とで囲まれた領域を、幅方向に空気を流すための通風路２１とし、フィン１４は、幅方向に沿って通風路２１よりも風上側に延長させた延長部２３を備える。チューブ１３は、幅方向に沿って通風路２１よりも風上側へ突出する突出部２４を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

冷媒管を流れる冷媒とフィンを通過する空気との間で熱交換を行なう熱交換器では、フィンの先端に着霜して通風路が塞がれると、熱交換効率が低下してしまう。特許文献１では、着霜によって通風路が塞がれることを抑制するために、フィンを冷媒管よりも風上側に延長させることを提案している。

特開２０１２−１６３３２３号公報

フィンの先端に着霜すると、空気はそこを迂回するようにして延長部の横から通風路へ除湿されない空気が流入することになり、迂回した箇所において容易に通風量の閉塞を引き起こす。
本発明の課題は、着霜による通風路の閉塞を抑制すると共に、熱交換効率の向上を図ることである。

本発明の一態様に係る熱交換器は、
互いに直交する方向を、第一の方向、第二の方向、及び第三の方向とし、
第一の方向に延び、第二の方向に間隔を空けて設けられ、内部を熱媒体が流れる複数の配管部材と、
隣り合う配管部材同士の間に固定され、第三の方向に延び、第一の方向に間隔を空けて設けられた複数の板部材と、を備え、
配管部材の内部を流れる熱媒体と、配管部材の周囲及び板部材の周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであり、
配管部材と板部材とで囲まれた領域を、第三の方向に空気を流すための通風路とし、板部材は、第三の方向に沿って通風路よりも風上側に延長させた延長部を備え、
配管部材は、第三の方向に沿って通風路よりも風上側へ突出する突出部を備える。

本発明によれば、フィンに延長部を設けたことで、延長部の先端に着霜が生じても、通風路が閉塞されることを抑制できる。また、延長部の先端に着霜し、そこを迂回して通風路へと空気が流入する際には、配管部材の突出部を介して熱交換が行なわれ、突出部に着霜することで、除湿された空気が風下側に流入し、着霜による通風路の閉塞が抑制できるため、熱交換効率の向上を図ることができる。

熱交換器を示す図である。チューブ及びフィンの詳細を示した図である。着霜の様子を模式的に示した図である。比較例における着霜の様子を模式的に示した図である。突出部の変形例を示す図である。熱交換器の変形例を示す図である。第２実施形態におけるチューブ及びフィンの詳細を示した図である。チューブ及びフィンの変形例を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

《第１実施形態》
《構成》
以下の説明では、互いに直交する三方向を、便宜的に、縦方向（第一の方向）、横方向（第二の方向）、及び幅方向（第三の方向）とする。
図１は、熱交換器を示す図である。
熱交換器１１は、カーエアコンやショーケース等、ヒートポンプサイクル及び冷凍回路において、蒸発器として機能するものである。アルミ製の熱交換器１１は、上下一対のヘッダ１２と、複数のチューブ１３（配管部材）と、複数のフィン１４（板部材）と、を備える。

一対のヘッダ１２は、横方向に延び、縦方向に間隔を空けて設けられている。ヘッダ１２は、両端が閉塞された円筒状の配管によって形成されており、内部は隔壁１７によって横方向に並んだ区画に仕切られている。上方のヘッダ１２は、内部が横方向一端側の区画１２Ａと横方向他端側の区画１２Ｂとに分けられており、横方向一端側の区画１２Ａには流入口１５が設けられている。下方のヘッダ１２は、内部が横方向一端側の区画１２Ｃと横方向他端側の区画１２Ｄとに分けられており、横方向他端側の区画１２Ｄには排出口１６が設けられている。

各チューブ１３は、縦方向に延び、上端及び下端の夫々がヘッダ１２に接続され、横方向に沿って等間隔に設けられている。チューブ１３は横方向に薄い扁平形状であり、両端をヘッダ１２の内部に連通させてヘッダ１２にろう付けされている。ここでは１２本ある場合を示してあり、夫々を識別する場合は、横方向の一端から他端に向かって順に１３ａ〜１３ｌとする。上方のヘッダ１２では、チューブ１３ｄとチューブ１３ｅとの間が隔壁１７によって仕切られており、下方のヘッダ１２では、チューブ１３ｈとチューブ１３ｉとの間が隔壁１７によって仕切られている。
各フィン１４は、隣り合うチューブ１３同士の間にろう付けによって固定されている。

ヘッダ１２及びチューブ１３によって、流路が形成されており、そこを冷媒（熱媒体）が流れる。すなわち、先ず流入口１５を介して上方のヘッダ１２における横方向一端側の区画１２Ａへ流入し、チューブ１３ａ〜１３ｄに分配されてから下方のヘッダ１２における横方向一端側の区画１２Ｃへ流入する。次にチューブ１３ｅ〜１３ｈに分配されてから上方のヘッダ１２における横方向他端側の区画１２Ｂへ流入し、次にチューブ１３ｉ〜１３ｌに分配されてから下方のヘッダ１２における横方向他端側の区画１２Ｄへ流入し、排出口１６を介して排出される。こうして、冷媒は各チューブ１３を流れるときに、チューブ１３及びフィン１４の周囲を流れる空気との間で熱交換を行なう。すなわち、冷媒は蒸発気化することで吸熱によって昇温され、一方の空気が冷やされる。

次に、チューブ１３及びフィン１４の詳細について説明する。
図２は、チューブ及びフィンの詳細を示した図である。
図中の（ａ）はチューブ１３及びフィン１４を幅方向の風上側から見た図である。
フィン１４は、薄板を波状のつづら折りにして形成されたコルゲートフィンである。これにより、縦方向に間隔を空けて設けられた複数の薄板を一体化して形成することが可能となる。このフィン１４とチューブ１３とで囲まれた各領域が、幅方向に空気を流すための通風路２１となる。

図中の（ｂ）はチューブ１３及びフィン１４を縦方向から見た図であり、チューブ１３についてはその断面を示す。
チューブ１３には、縦方向に延び、幅方向に沿って並んだ複数の貫通孔２２が形成されており、各貫通孔２２に冷媒が流れる。
フィン１４には、幅方向に沿って通風路２１よりも風上側に延長させた延長部２３が形成されている。各延長部２３の延長量（長さ）は統一されている。なお、フィン１４における幅方向の風下側に延長部はない。

チューブ１３には、幅方向に沿って通風路２１よりも風上側へ突出する突出部２４が形成されている。各突出部２４の突出量（長さ）は統一されている。チューブ１３は、突出部２４と共に押し出し成形によって一体的に形成されている。なお、チューブ１３における幅方向の風下側に突出部はない。
突出部２４は、縦方向及び幅方向を面方向とする板状に形成されており、チューブ１３における横方向の寸法よりも薄く、フィン１４の延長部２３とは非接触状態である。風上側から見て、突出部２４の先端は、延長部２３の先端よりも奥側にあり、延長部２３の先端の方が、突出部２４の先端よりも風上側に張り出している。

《作用》
次に、第１実施形態の主要な作用効果について説明する。
図３は、着霜の様子を模式的に示した図である。
例えば、暖房運転時に熱交換器１１を蒸発器として使用する場合、周囲の空気を冷却するため、図中の（ａ）に示すように、まずフィン１４の先端側に霜２５が付着してゆく。しかしながら、フィン１４には、幅方向に沿って通風路２１よりも風上側に延長させた延長部２３が形成されている。したがって、延長部２３の先端に着霜が生じるとしても、通風路２１が閉塞されることがないため、熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、チューブ１３には、幅方向に沿って通風路２１よりも風上側へ突出する突出部２４が形成されている。したがって、延長部２３の先端に着霜すると、そこを迂回して通風路２１へと空気が流入することになるが（図中の矢印）、このとき突出部２４を介して熱交換が行なわれるため、熱交換効率の向上を図ることができる。突出部２４は、チューブ１３ａ〜１３ｌの全てに設けられているため、各チューブ１３を共通化できる。
突出部２４は、フィン１４の延長部２３とは非接触である。したがって、通風路２１への空気の流入を阻むことがない。

突出部２４は、縦方向及び幅方向を面方向とする板状に形成されている。このように、シンプルな形状とすることで、製造も容易であり、製造コストの増加も抑制することができる。
その後、図中の（ｂ）に示すように、さらに突出部２４の先端にも霜２６が付着するものの、やはり通風路２１が閉塞されることはなく、空気の流入が維持されるため（図中の矢印）、熱交換効率の低下を抑制することができる。すなわち、突出部２４の先端への着霜を許容することで、フィン１４のうち初期段階で付着した霜２５を迂回した位置に着霜が生じることを抑制することができる。これにより、熱交換器１１の使用時間を延長することができる。

次に、比較例について説明する。
図４は、比較例における着霜の様子を模式的に示した図である。
ここでは、フィン１４に延長部２３が形成されているだけで、チューブ１３に突出部２４は形成されていない。図中の（ａ）に示すように、まずフィン１４の先端側に霜２５が付着してゆく。そして、やはり通風路２１が閉塞されることがないため、熱交換効率の低下を抑制することができる。しかしながら、延長部２３の先端に着霜すると、そこを迂回して通風路２１へと除湿されていない空気が流入する（図中の矢印）。
その後、図中の（ｂ）に示すように、迂回した先のチューブ１３やフィン１４にもさらに霜２７が付着してゆくと、通風路２１が徐々に閉塞されてゆき、熱交換効率の低下を招いてしまう。そして、最終的に通風路２１は閉塞されてしまう。

《変形例》
第１実施形態では、突出部２４が単なる板状である構成について説明したが、これに限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。
図５は、突出部の変形例を示す図である。
図中の（ａ）は、先端に向かって細くなる三角形状にした例である。これによれば、突出部２４の剛性を高めることができる。
図中の（ｂ）は、板状にすると共に、先端を矢じり状にした例である。これによれば、整流作用により、通風路２１へと空気を案内しやすくなる。

図中の（ｃ）は、板状にすると共に、先端をＴ字状にした例である。これによれば、先端への着霜を積極的に許容し、フィン１４のうち初期段階で付着した霜２５を迂回した位置に着霜が生じることを抑制できる。
図中の（ｄ）は、板状にすると共に、先端をＴ字状にし、さらに側面に凹凸を設けた例である。これによれば、先端のみならず、側面への着霜も積極的に許容し、フィン１４のうち初期段階で付着した霜２５を迂回した位置に着霜が生じることを抑制できる。
図中の（ｅ）は、波板にした例である。これによれば、先端のみならず、側面への着霜も積極的に許容し、フィン１４のうち初期段階で付着した霜２５を迂回した位置に着霜が生じることを抑制できる。

第１実施形態では、チューブ１３ａ〜１３ｌの全てに突出部２４を設けているが、これに限定されるものではない。着霜が生じやすいのは、各チューブ１３ａ〜１３ｌのうち、冷媒が流れる上流側である。したがって、チューブ１３ａ〜１３ｌのうち、冷媒が流れる上流側だけに突出部２４を設けてもよい。
図６は、熱交換器の変形例を示す図である。
ここでは、上流側となるチューブ１３ａ〜１３ｄにだけ突出部２４を設けてあり、下流側となるチューブ１３ｅ〜１３ｌには突出部２４を省略している。これにより、下流側となるチューブ１３ｅ〜１３ｌについては、突出部２４のない従来品を流用でき、重量増加も抑制できる。

《第２実施形態》
《構成》
第２実施形態は、突出部２４の長さを変更したものである。
前述した第１実施形態と共通する部分については、詳細な説明を省略する。
図７は、第２実施形態におけるチューブ及びフィンの詳細を示した図である。
ここでは、突出部２４の先端と延長部２３の先端とが面一になるように、突出部２４を延長部２３と同じ長さだけ風上側に突出させている。

《作用》
次に、第２実施形態の主要な作用効果について説明する。
一般に、フィン１４は０.１ｍｍ程度の厚さしかなく、外力を受けると容易に変形してしまう。そこで、突出部２４を延長部２３と同じ長さだけ風上側に突出させている。これにより、製造時、輸送時、使用時に、風上側からフィン１４に外力が加わるとしても、フィン１４よりも剛性の高い突出部２４で外力を受けるので、フィン１４の変形を抑制することができる。フィン１４の先端が変形して、一部の通風路２１が閉塞すると、熱交換効率が低下してしまうため、フィン１４の変形を抑制することで、所望の熱交換性能を維持することができる。
なお、突出部２４の形状については、図５の（ａ）〜（ｅ）に示すように、任意の形状とすることができる。その他、前述した第１実施形態と共通する部分については、同様の作用効果が得られるものとし、詳細な説明は省略する。

《変形例》
第２実施形態では、チューブ１３の突出部２４を、フィン１４の延長部２３と同じ長さだけ風上側に突出させているが、これに限定されるものではなく、延長部２３よりも風上側に突出させてもよい。
図８は、チューブ及びフィンの変形例を示した図である。
風上側から見て、延長部２３の先端は、突出部２４の先端よりも奥側にあり、突出部２４の先端の方が、延長部２３の先端よりも風上側に張り出している。これにより、風上側から外力を受ける際、延長部２３の先端よりも突出部２４の先端がまず当接するので、フィン１４の変形を、さらに抑制することができる。

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

１１熱交換器
１３チューブ（配管部材）
１４フィン（板部材）
２１通風路
２３延長部
２４突出部

Claims

互いに直交する方向を、第一の方向、第二の方向、及び第三の方向とし、
前記第一の方向に延び、前記第二の方向に間隔を空けて設けられ、内部を熱媒体が流れる複数の配管部材と、
隣り合う前記配管部材同士の間に固定され、前記第三の方向に延び、前記第一の方向に間隔を空けて設けられた複数の板部材と、を備え、
前記配管部材の内部を流れる前記熱媒体と、前記配管部材の周囲及び前記板部材の周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであり、
前記配管部材と前記板部材とで囲まれた領域を、前記第三の方向に空気を流すための通風路とし、前記板部材は、前記第三の方向に沿って前記通風路よりも風上側に延長させた延長部を備え、
前記配管部材は、前記第三の方向に沿って前記通風路よりも風上側へ突出する突出部を備えることを特徴とする熱交換器。
前記突出部は、前記延長部とは非接触であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記突出部は、前記第一の方向及び前記第三の方向を面方向とする板状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記突出部は、複数の前記配管部材のうち前記熱媒体が流れる上流側だけに設けられることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器。
前記突出部は、前記第三の方向に沿って前記延長部と同じ長さだけ風上側に突出していることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器。
前記突出部は、前記第三の方向に沿って前記延長部よりも風上側に突出していることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器。