JP2019196847A - 熱交換器及び冷熱サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換性能が高められた熱交換器及び冷熱サイクル装置を提供する。【解決手段】熱交換器は、複数の伝熱管と、長手方向に延在する板状部21、板状部21に形成され、長手方向に配列されると共に、伝熱管が挿入された複数の切り欠き部23、切り欠き部23の周縁に形成され、周縁から伝熱管の管軸方向へ延在すると共に、伝熱管の外周部に密着するカラー部24、及びカラー部24の先端が折り曲げられた形状のリフレア部25Aを有し、カラー部24の延在する方向が揃えられた状態で、伝熱管の管軸方向に一定のピッチで設けられた複数のフィン20Aと、を備える。隣り合うフィン20Aの一方が有するリフレア部25Aは、隣り合うフィン20Aの他方が有する板状部21と離されている。【選択図】図2
Description
本発明は熱交換器及び冷熱サイクル装置に関する。
熱交換器には、矩形状の板状部と、板状部に形成された切り欠き部と、切り欠き部に形成され、伝熱管に密着するカラー部と、が設けられたフィンを備えるものがある。
例えば、特許文献1には、カラー部に、カラー部の先端が折り返された形状のリフレア部を有する複数のフィンを備える熱交換器が開示されている。特許文献1に記載の熱交換器では、カラー部は、切り欠き部の周縁から伝熱管の管軸方向へ延在している。また、複数のフィンは、管軸方向に重ねられている。そして、隣接するフィンでは、隣り合う一方のフィンの板状部と、他方のフィンのリフレア部が有する折り返し部分と、が当接している。
特許文献1に記載の熱交換器は、板状部とリフレア部の折り返し部分が当接しているので、折り返し部分が熱交換に十分寄与できない。その結果、熱交換性能を高めることが困難である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、熱交換性能が高められた熱交換器及び冷熱サイクル装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、複数の伝熱管と、複数のフィンと、を備える。複数のフィンは、長手方向に延在する板状部、板状部に形成され、長手方向に配列されると共に、伝熱管が挿入された複数の切り欠き部、切り欠き部の周縁に形成され、周縁から伝熱管の管軸方向へ延在すると共に、伝熱管の外周部に密着するカラー部、及びカラー部の先端が折り曲げられた形状のリフレア部を有する。複数のフィンは、カラー部の延在する方向が揃えられた状態で、伝熱管の管軸方向に一定のピッチで設けられている。隣り合うフィンの一方が有するリフレア部は、隣り合うフィンの他方が有する板状部と離されている。
本発明の構成によれば、隣り合うフィンの一方が有するリフレア部は、隣り合うフィンの他方が有する板状部と離れているので、リフレア部と板状部との間にある空気とリフレア部が熱交換することができる。このため、熱交換器では、空気と熱交換する面積が増加する。その結果、熱交換性能が高い。
以下、本発明の実施の形態に係る熱交換器及び冷熱サイクル装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一又は同等の部分には同一の符号を付す。図のXYZ座標系は、熱交換器の伝熱管の管軸方向をX軸方向、フィンの長手方向をY軸方向、X軸とY軸とに直交する方向をZ軸の方向とした場合の座標系である。以下、適宜、この座標系を引用して説明する。
(実施の形態1)
実施の形態1に係る熱交換器は、板状部と、板状部から扁平管の管軸方向に延在して扁平管の外周部に密着するカラー部と、カラー部の先端が折り曲げられた形状のリフレア部と、を有する複数のフィンが設けられた熱交換器である。この熱交換器では、複数のフィンが管軸方向に重ねられている。そして、空気との接触面積を増やすため、隣り合うフィンの一方にあるリフレア部と、他方にあるカラー部との間に空間が設けられている。まず図1−図4を参照して熱交換器の構成を説明する。次に、図5−図12を参照して熱交換器の製造方法について説明する。
実施の形態1に係る熱交換器は、板状部と、板状部から扁平管の管軸方向に延在して扁平管の外周部に密着するカラー部と、カラー部の先端が折り曲げられた形状のリフレア部と、を有する複数のフィンが設けられた熱交換器である。この熱交換器では、複数のフィンが管軸方向に重ねられている。そして、空気との接触面積を増やすため、隣り合うフィンの一方にあるリフレア部と、他方にあるカラー部との間に空間が設けられている。まず図1−図4を参照して熱交換器の構成を説明する。次に、図5−図12を参照して熱交換器の製造方法について説明する。
図1は本発明の実施の形態1に係る熱交換器1の斜視図である。図2は、熱交換器1が備えるフィン20Aの平面図である。図3は、図2に示すIII-III断面線の断面図である。図4は、図1に示すIV-IV断面図である。なお、図1では、理解を容易にするため、熱交換器1が備える複数のフィンのうち、一部のフィンだけを図示している。また、フィンが備えるリフレア部25Aを省略している。
図1に示すように、熱交換器1は、X方向に管軸が向けられた複数の扁平管10と、長手方向がY方向に向けられた矩形状のフィン20Aと、で構成されている。
図1に示すように、熱交換器1は、X方向に管軸が向けられた複数の扁平管10と、長手方向がY方向に向けられた矩形状のフィン20Aと、で構成されている。
扁平管10それぞれは、管断面、すなわちYZ断面が扁平状に形成され、YZ断面の長手方向がZ方向に向けられている。ここで、扁平状とは、長円、楕円状の形状のことである。扁平管10は、伝熱性を高めるため、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。そして、扁平管10と扁平管10とは、その長手方向の外周面を互いに平行にしてかつY方向に一定のピッチP1で配列されている。
扁平管10それぞれの内部は、XY平面に平行かつZ方向に互いに等間隔な複数の板で仕切られている。これにより、冷媒用の流路11が形成されている。その流路11には熱交換をする冷媒が流される。扁平管10の外周部には、流路11内の冷媒と外部の空気とで熱交換するため、複数のフィン20Aが装着されている。
複数のフィン20Aは、図1に示すように、X方向に一定のピッチP2で、XZ平面に平行に配列されている。そして、フィン20Aそれぞれは、図2に示すように、矩形状の板状部21と、板状部21に形成され、Y方向に一定の間隔で配列されたスリット22と、Y方向に扁平管10と同じピッチP1、かつスリット22とスリット22の間に形成され、扁平管10それぞれが嵌め込まれた複数の切り欠き部23と、切り欠き部23の周縁に設けられたカラー部24と、を有している。
板状部21は、伝熱性を高めるため、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。板状部21は、空気がZ方向に流れることで、空気の熱を扁平管10に伝熱する。そして、板状部21には、伝熱性を高めるため、板状部21を貫通する複数のスリット22が形成されている。
スリット22は、長手方向がY方向に向けられた矩形の形状に形成されている。そして、スリット22は、上述したY方向のみならず、Z方向にも配列されている。すなわち、Y方向、Z方向にマトリックス状に配列されている。これにより、スリット22は、フィン20Aの伝熱性をより高めている。また、スリット22の+Y端及び−Y端には、図2に示すように、後述する製造方法で形成された切り起こし部220が設けられている。これにより、スリット22は、フィン20Aの座屈強度を高めている。Y方向に隣り合うスリット22とスリット22の間には、切り欠き部23が位置している。
切り欠き部23は、扁平管10の+Z端面、+Y端面、及び−Y端面が当接可能とするため、逆U字状に形成されている。これにより、切り欠き部23には、扁平管10が嵌め込み可能である。そして、切り欠き部23の−Z端には、−Z側に向かうに従い+Y側又は−Y側に広がる案内部230が形成されている。これにより、切り欠き部23では、扁平管10を嵌め込むときに、案内部230が扁平管10を案内する。切り欠き部23に嵌め込まれた扁平管10には、図1に示すように、カラー部24が密着している。
カラー部24は、図2に示すように、切り欠き部23の+Z側、+Y側、及び−Y側の各縁部、すなわち、切り欠き部23の周縁を囲み、−X方向に起立した起立壁の形状に形成されている。これにより、カラー部24は、図4に示すように、扁平管10の外周部に密着して扁平管10を支持している。カラー部24は、ロウ付け又は接着により扁平管10に固定されている。そして、カラー部24の−X端には、図3に示すように、カラー部24の壁が折れ曲がった形状に形成されたリフレア部25Aが形成されている。
リフレア部25Aは、後述するリフレア工程でカラー部24が折れ曲げられることで形成されている。リフレア部25Aは、図2に示すように、X方向視矩形状に形成されている。そして、リフレア部25Aは、カラー部24の周縁に、複数個、形成されている。詳細には、カラー部24の+Y端の周縁と−Y端の周縁とに、それぞれ一定の間隔をあけて2つのリフレア部25Aが形成されている。+Y端の周縁にあるリフレア部25Aと−Y端の周縁にあるリフレア部25Aは、+Z方向に向かって交互に形成されている。
図3に戻って、リフレア部25Aそれぞれは、カラー部24の先端が垂直に、すなわち、Y方向へ折り曲げられて形成されている。リフレア部25Aの−X面は、図4に示すように、X方向に隣り合うフィン20Aの板状部21の+X面から、フィン20AのピッチP2よりも小さい距離L1に位置している。その距離L1は、ピッチP2の3/4〜4/5である。また、距離L1は、板状部21との間に空気を通過させるため、ピッチP2の1/2、すなわち、ピッチP2の半分であることが望ましい。このような位置にリフレア部25Aがあることにより、X方向に隣り合うフィン20Aの板状部21と離されている。その結果、リフレア部25Aとその板状部21との間に空間が設けられ、空気が通過可能である。そして、リフレア部25Aには、扁平管10の冷媒の熱が伝えられ、空気と熱交換する。これにより、リフレア部25Aは、熱交換に寄与してフィン20A全体の熱交換率を高めている。
次に、図5−図12を参照して、熱交換器1の製造方法について説明する。以下の説明では、まず、フィン20Aの製造方法について説明する。続いて、製造されたフィン20Aで熱交換器1を製造する方法について説明する。
図5は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器1が備えるフィン20Aの製造方法のフロー図である。図6は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器1が備えるフィン20Aの製造方法において、フィン20Aの原材料であるアルミニウム板100に形成した第1下穴110と第2下穴111の平面図である。図7は、アルミニウム板100に形成した切れ目120の平面図である。図8は、アルミニウム板100に形成したスリット22の平面図である。図9は、アルミニウム板100とそのアルミニウム板100の加工に用いるバーリングパンチ200の平面図である。図10は、アルミニウム板100に形成した起立部240の断面図である。図11は、アルミニウム板100に形成したリフレア部25Aの断面図である。図12は、リフレア部25Aの平面図である。
図5に示すように、フィン20Aの製造方法は、穴あけ工程S1と、切れ目形成工程S2と、スリット形成工程S3と、バーリング工程S4と、リフレア工程S5と、で構成されている。
図5に示すように、フィン20Aの製造方法は、穴あけ工程S1と、切れ目形成工程S2と、スリット形成工程S3と、バーリング工程S4と、リフレア工程S5と、で構成されている。
まず、図示しないが、フィン20Aと同じ厚さかつ同じY幅を有するアルミニウムのロールを用意する。続いて、そのロールを引き出して、所望の長さに切断する。その所望の長さは、フィン20AのZ方向長さの2倍である。ここで、フィン20Aの製造では、所望の長さに切断されたアルミニウム板100を、さらにその所望の長さの方向に分割して、その分割数と同数のフィン20Aを製造する。この説明では、所望の長さに切断して作製されたアルミニウム板100を2分割して、Z方向に対称な形状の2つのフィン20Aを製造する。このため、所望の長さは、フィン20AのZ方向長さの2倍である。
次に穴あけ工程S1を実施する。詳細には、図6に示すように、作製されたアルミニウム板100に2つの第1下穴110と1つの第2下穴111を形成する。第1下穴110は、図2に示す、フィン20Aの切り欠き部23の+Z端の端面を形成するために設けるものである。一方、第2下穴111は、切り欠き部23の案内部230を形成するために設けるものである。このため、第1下穴110と第2下穴111を、第1下穴110の+Z端又は−Z端と第2下穴111の中心までの距離が、図2に示す、切り欠き部23の+Z端から−Z端までの距離L2と同じになる位置に形成する。なお、穴あけ工程S1の後に第1下穴110と第2下穴111を利用して長穴を形成する工程を実施してもよい。
続いて、切れ目形成工程S2を実施する。図7に示すように、詳細には、第1下穴110と第2下穴111が形成されたアルミニウム板100に、+Z側に位置する第1下穴110から−Z側に位置する第1下穴110まで続く切れ目120を形成する。切れ目は、+Z側の第1下穴110−Z方向に向かって、−Y方向、−Z方向、+Y方向、−Z方向・・の順で、折れ曲がる形状に形成する。
次に、スリット形成工程S3を実施する。図8に示すように、切れ目120が形成されたアルミニウム板100に、上述した形状のスリット22を形成する。スリット22は、プレス加工で形成する。これにより、スリット22の周縁に切り起こし部220が形成される。
次に、バーリング工程S4を実施する。図9に示すように、+Z側に位置する第1下穴110から第2下穴111までと、第2下穴111から−Z側に位置する第1下穴110までとに、それぞれバーリングパンチ200を押し当てる。そして、図10に示すように、バーリングパンチ200を押し込んで起立部240を形成する。
次に、リフレア工程S5を実施する。起立部240の+Z側の部分を垂直に折り曲げる。このとき、+Y側に位置する起立部240は、+Y方向に折り曲げ、−Y側に位置する起立部240は、−Y方向に折り曲げる。起立部240の折り曲げる位置は、アルミニウム板100の−Z面から折り曲げられた起立部240の+Z面までの距離が上述した距離L1と同じになる位置である。これにより、図11に示すように、カラー部24とリフレア部25Aを形成される。また、図12に示すように、Z方向に対称形状の2つのフィン20Aが連結した半製品状のアルミニウム板100が形成される。
続いて、半製品状のアルミニウム板100を2つに分割する。分割する位置は、図12に示すように、第2下穴111の中心を通るY軸に平行な分割線Sである。これにより、2つのフィン20Aが完成する。
以上の工程を繰り返して必要な数のフィン20Aを製造する。一方で、上述した形状の扁平管10を複数個だけ用意する。
次に、用意した扁平管10を、上述したピッチP1で互いに管軸方向を平行に並べ、その並べられた扁平管10に製造されたフィン20Aを装着する。このとき、フィン20Aの案内部230を使用して、扁平管10を切り欠き部23に挿入する。そして、カラー部24に扁平管10の外周部を密着させる。フィン20Aの装着を繰り返して、複数のフィン20Aを扁平管10に装着する。このとき、フィン20AのピッチP2を、上述した距離L1よりも大きくする。その後、扁平管10とフィン20Aをロウ付けする。これにより、熱交換器1が完成する。
以上のように、本発明の実施の形態1に係る熱交換器1では、リフレア部25Aが隣り合うフィン20Aの板状部21と離れており、リフレア部25Aは、その板状部21と接触していない。このため、リフレア部25Aと隣り合うフィン20Aの板状部21との間に空気が流れる。その結果、フィン20Aの空気と熱交換する面積が増加して、熱交換性能が高い。
(実施の形態2)
実施の形態2は、実施の形態1に係る熱交換器1を用いた冷熱サイクル装置2である。以下、図13を参照して、実施の形態2に係る冷熱サイクル装置2について説明する。
実施の形態2は、実施の形態1に係る熱交換器1を用いた冷熱サイクル装置2である。以下、図13を参照して、実施の形態2に係る冷熱サイクル装置2について説明する。
図13は、本発明の実施の形態2に係る冷熱サイクル装置2の回路図である。
図13に示すように、冷熱サイクル装置2は、冷媒を圧縮する圧縮機3と、圧縮された冷媒を熱交換させて凝縮させる凝縮器4と、凝縮された冷媒を減圧させてその冷媒体積を膨張させる膨張弁5と、膨張された冷媒を熱交換させて蒸発させる蒸発器6と、で構成されている。
図13に示すように、冷熱サイクル装置2は、冷媒を圧縮する圧縮機3と、圧縮された冷媒を熱交換させて凝縮させる凝縮器4と、凝縮された冷媒を減圧させてその冷媒体積を膨張させる膨張弁5と、膨張された冷媒を熱交換させて蒸発させる蒸発器6と、で構成されている。
圧縮機3は、冷媒を吸入して圧縮することで冷媒を高温、高圧の状態に変化させる。圧縮機3は、その高温、高圧の冷媒を凝縮器4に供給する。
凝縮器4は、実施の形態1に係る熱交換器1で構成されている。凝縮器4では、供給された冷媒が、熱交換器1の扁平管10に流れ、その冷媒はフィン20Aに触れる空気と熱交換する。これにより、凝縮器4は、熱交換された冷媒を液状の冷媒に変化させる。
膨張弁5は、減圧弁、又は絞り装置で構成されている。膨張弁5は、液状の冷媒を低温、低圧の状態にして、蒸発器6に供給する。
蒸発器6は、実施の形態1に係る熱交換器1で構成されている。蒸発器6では、凝縮器4の場合と同様に、扁平管10及びフィン20Aによって供給された冷媒が空気と熱交換する。蒸発器6は、冷媒を気化させる。そして、蒸発器6は、その冷媒を圧縮機3に供給する。
以上のように、冷熱サイクル装置2では、凝縮器4及び蒸発器6が実施の形態1に係る熱交換器1で構成されている。熱交換器1は、熱交換性能が高いので、冷熱サイクル装置でも熱効率が高い。
なお、冷熱サイクル装置2は、空気調和装置の室外機又は室内機に設けられる場合、熱効率が高いので、空気調和装置は省エネルギーである。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、実施の形態1では、フィン20Aは、X方向視矩形状に形成されると共に、間隔をあけて複数個設けられたリフレア部25Aを備えている。しかし、フィン20Aは、実施の形態1で説明した形状以外のリフレア部25Aを備えてもよい。
図14−図17は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器1の変形例1−4に係るフィン20B−20Dの平面図である。
図14に示すように、フィン20Bは、X方向視で、長手方向がZ方向に向けられると共に、切り欠き部23の+Y端面、−Y端面に沿って設けられた矩形状のリフレア部25Bを備えてもよい。リフレア部25Bは、図15に示すように、切り欠き部23の+Y端面、−Y端面にいずれかに設けられてもよい。これらの場合、上述した切れ目形成工程S2の切れ目120の形状が単純であるため、フィン20Bの製造が容易である。
図14に示すように、フィン20Bは、X方向視で、長手方向がZ方向に向けられると共に、切り欠き部23の+Y端面、−Y端面に沿って設けられた矩形状のリフレア部25Bを備えてもよい。リフレア部25Bは、図15に示すように、切り欠き部23の+Y端面、−Y端面にいずれかに設けられてもよい。これらの場合、上述した切れ目形成工程S2の切れ目120の形状が単純であるため、フィン20Bの製造が容易である。
図16に示すように、フィン20Cは、X方向視三角形状のリフレア部25Cを備えてもよい。この場合、リフレア部25Cは底辺を切り欠き部23の端面に向けた二等辺三角形の形状に形成されるとよい。
図17に示すように、フィン20Dは、X方向視半円状のリフレア部25Dを備えてもよい。この場合、半円の円中心側が切り欠き部23の端面に向けられ、半円の弧側がその反対側に向けられるとよい。また、フィン20Dの弧側の形状は、放物線状、半楕円状であってもよい。
このように、フィン20Aは、実施の形態1で説明した形状以外のリフレア部25Aを備えてもよい。本発明では、リフレア部25A−25Dの形状は、カラー部24の先端が折り曲げられた形状である限りにおいて任意である。なお、リフレア部25A−25Dは、切り欠き部23の+Y端面、−Y端面のいずれかに設けられてもよい。リフレア部25A−25Dは、Z軸に対して対称な位置、又は非対称な位置に設けられてもよい。
また、実施の形態1では、リフレア部25Aの、カラー部24に対して垂直に折り曲げられているが、本発明では、リフレア部25A−25Dの、カラー部24に対する折り曲げ角度は、隣り合うフィン20A−20Dの板状部21に接触しない限り任意である。例えば、折り曲げ角度は、鈍角であってもよい。
実施の形態1では、熱交換器1が扁平管10を備えている。しかし、本発明はこれに限定されない。扁平管10は、伝熱管である限り、その形状は任意である。このため、扁平管10は、円管に置き換えられてもよい。また、扁平管10の内壁に、熱交換性能を高めるため、溝が形成されてもよい。
実施の形態1では、フィン20Aにスリット22が形成されているが、本発明では、スリット22の有無は任意である。伝熱効率を高めるため、スリット22に換えて、スクラッチと呼ばれる凹凸が板状部21に形成されてもよい。また、スリット22に加え、その凹凸が板状部21に形成されてもよい。
実施の形態1では、扁平管10とフィン20Aがアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されているが、本発明では、その材料は任意である。また、扁平管10とフィン20Aの数、長さ、幅等も任意である。
1 熱交換器、2 冷熱サイクル装置、3 圧縮機、4 凝縮器、5 膨張弁、6 蒸発器、10 扁平管、11 流路、20A−20D フィン、21 板状部、22 スリット、23 切り欠き部、24 カラー部、25A−25D リフレア部、100 アルミニウム板、110 第1下穴、111 第2下穴、120 切れ目、200 バーリングパンチ、220 切り起こし部、230 案内部、240 起立部、L1、L2 距離、P1、P2 ピッチ、S 分割線
Claims (6)
- 複数の伝熱管と、
長手方向に延在する板状部、該板状部に形成され、前記長手方向に配列されると共に、前記伝熱管が挿入された複数の切り欠き部、該切り欠き部の周縁に形成され、前記周縁から前記伝熱管の管軸方向へ延在すると共に、前記伝熱管の外周部に密着するカラー部、及び該カラー部の先端が折り曲げられた形状のリフレア部を有し、前記カラー部の延在する方向が揃えられた状態で、前記伝熱管の管軸方向に一定のピッチで設けられた複数のフィンと、
を備え、
隣り合う前記フィンの一方が有する前記リフレア部は、隣り合う前記フィンの他方が有する前記板状部と離されている、
熱交換器。 - 前記リフレア部は、前記板状部から前記一定のピッチよりも小さい距離だけ離れている、
請求項1に記載の熱交換器。 - 前記伝熱管は、管断面が扁平状に形成され、
前記フィンそれぞれは、前記伝熱管の管断面の長手方向に互いに離れて設けられた複数の前記リフレア部を有する、
請求項1又は2に記載の熱交換器。 - 前記リフレア部は、前記伝熱管の管軸に対して傾斜している、
請求項1から3のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 前記板状部は、スリット又は凹凸を有する、
請求項1から4のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の熱交換器を備える冷熱サイクル装置。
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