JP2020153606A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】着霜による通風路の閉塞をより効果的に抑制する熱交換器を提供する。【解決手段】隣り合うチューブ１３同士の間に設けられるフィン１４は、波型のコルゲートフィンであり、チューブ１３を挟んで隣り合うコルゲートフィン１４は、少なくとも一方がチューブ１３よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量Ｅに差ΔＥをつけることにより、先端に着霜が生じたとしても、その先端を迂回するように風が通り抜けることができ、着霜による通風路の閉塞をより効果的に抑制することができる。【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。

特開平６−１４７７８５号公報

フィンを冷媒管よりも一様に延長させたとしても、フィンの先端、及び隣接したフィン同士の間に着霜が生じると、通風路に閉塞が生じてしまう。
本発明の課題は、着霜による通風路の閉塞をより効果的に抑制することである。

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、第三の方向に沿って風を通す複数の通風路を形成するために設けられ、第三の方向から見た形状が、第一の方向に沿って変位しながら一方の配管部材と他方の配管部材との間を周期的に往復する波型であるコルゲートフィンと、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コルゲートフィンの周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであって、
配管部材を挟んで隣り合うコルゲートフィンは、少なくとも一方が配管部材よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量に差がある。

本発明によれば、隣り合うコルゲートフィンの延長量に差があるため、仮に風上側の先端に着霜が生じたとしても、その先端を迂回するように風が通り抜けることができる。したがって、着霜による通風路の閉塞をより効果的に抑制することができる。

熱交換器を示す図である。 チューブ及びフィンを示す図である。 チューブ及びフィンの斜視図である。 着霜の様子を模式的に示した図である。 着霜がさらに進んだ様子を模式的に示した図である。 比較例を示す図である。 比較例における着霜の様子を模式的に示した図である。 他の比較例を示す図である。 変形例におけるチューブ及びフィンを示す図である。 変形例におけるチューブ及びフィンの斜視図である。 変形例における着霜の様子を模式的に示した図である。

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限定するものでない。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。

《一実施形態》
《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）、及び奥行方向（第三の方向）とする。

図１は、熱交換器を示す図である。
ここでは、熱交換器１１の正面、つまり奥行方向の風上側から見た状態を示す。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（コルゲートフィン）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、冷媒は周囲を流れる空気から吸熱することで蒸発気化し、空気は冷媒の吸熱によって冷やされる。

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を示す図である。
図中の（ａ）はチューブ１３及びフィン１４を奥行方向から見た図である。フィン１４は、薄板を波状に形成したコルゲートフィンであり、奥行方向から見た形状が、縦方向に沿って変位しながら一方のチューブ１３と他方のチューブとの間を周期的に往復する波型である。一つのフィン１４により、隣り合うチューブ１３同士の間を縦方向に沿って複数の区画に仕切ることができる。フィン１４とチューブ１３とで囲まれた各区画が、奥行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、奥行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。

チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、夫々、奥行方向に沿ってチューブ１３又は通風路２１よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量Ｅには０よりも大きな差ΔＥがある。ここでは、延長量Ｅが相対的に長いＥ１のフィン１４と、延長量Ｅが相対的に短いＥ２のフィン１４とを、横方向に沿って交互に配置している。

Ｅ１は例えば５.０ｍｍ程度であり、Ｅ２は例えば２.５ｍｍ程度である。延長量Ｅ１と延長量Ｅ２との差ΔＥは、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４同士の離隔距離ｄよりも大きい。離隔距離ｄはチューブ１３の横方向の寸法に相当する。チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、奥行方向の寸法Ｌが全て同一であり、奥行方向に沿って少なくともチューブ１３における風下側の端部まで延びている。つまり、風下側から見て、各フィン１４は、チューブ１３と面一か、又はチューブ１３よりも突出している。ここでは、風上側の延長量ＥがＥ１のフィン１４は、風下側がチューブ１３と面一になり、風上側の延長量ＥがＥ２のフィン１４は、風下側がチューブ１３よりも突出する。

《作用》
次に、一実施形態の主要な作用効果について説明する。
フィン１４をチューブ１３よりも風上側に一様に延長させた場合、フィン１４の先端、及び隣接したフィン１４同士の間に着霜が生じると、通風路２１に閉塞が生じてしまう。
そこで、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、何れもチューブ１３よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量Ｅに差ΔＥを設けた。これにより、仮にフィン１４における風上側の先端に着霜が生じたとしても、その先端を迂回するように風が通り抜けることができる。したがって、着霜による通風路２１の閉塞をより効果的に抑制することができる。

図３は、チューブ及びフィンの斜視図である。
フィン１４は、コルゲートフィンであり、風上側に延長された部分には縦方向の一段おきに横方向に開いた隙間２３が形成される。したがって、フィン１４における風上側の先端が着霜によって閉塞しても、隙間２３から風が通り抜けることができる。

図４は、着霜の様子を模式的に示した図である。
チューブ１３及びフィン１４の双方において、風上側の先端から霜２６が付着し、ここでは既にフィン１４における風上側の先端が閉塞しているものとする。

隣り合うフィン１４は、風上側への延長量Ｅが互いに異なるため、フィン１４は風上側の先端に付着している霜２６により通風路２１が閉塞することはない。そのため、隙間２３により、点線の矢印で示すように、先端に付着した霜２６を迂回するように風が通り抜けることができる。

図５は、着霜がさらに進んだ様子を模式的に示した図である。
フィン１４の風上側の先端に生じた着霜が進み、延長量Ｅの小さい側の先端と隣り合うフィン１４との間（チューブ１３の風上側）が着霜により、閉塞した場合であっても、隙間２３のΔＥの部分は閉塞しない。そのため、隙間２３により、点線の矢印で示すように、先端に付着した霜２６を迂回するように風が通り抜けることができる。また、延長量Ｅが小さい側についても、隙間２３により、点線の矢印で示すように、先端に付着した霜２６を迂回するように風が通り抜けることができる。

図６は、比較例を示す図である。
ここでは、フィン１４をチューブ１３よりも風上側に一様に延長させた構成を示している。

図７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。
このように、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４の延長量Ｅに差ΔＥがない場合（ΔＥ＝０）、フィン１４の先端、及び隣接したフィン１４同士の間に着霜が生じると、通風路２１に閉塞が生じてしまう。

図８は、他の比較例を示す図である。
ここでは、板フィン３１を風上側に延長させた構成を示している。板フィン３１は、チューブ１３を挟んだ横方向の両側が同じ板材によって一体的に形成されている。したがって、風上側への延長量Ｅを異ならせるには、縦方向に隣り合う板フィン３１同士の延長量Ｅを異ならせることになる。このように、板フィン３１を採用した場合、板フィン３１の先端、及び縦方向に隣接した板フィン３１同士の間に着霜が生じると、通風路に閉塞が生じてしまう。

本実施形態では、フィン１４をコルゲートフィンとし、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４の延長量Ｅに差ΔＥを設けているため、着霜による通風路２１の閉塞をより効果的に抑制することができる。

延長量Ｅの差ΔＥは、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４同士の離隔距離ｄよりも大きいので、横方向の隙間２３をできるだけ確保し、着霜による通風路２１の閉塞をより効果的に抑制することができる。

チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、奥行方向の寸法が同一であるため、各フィン１４を共通化でき、製造コストの増大を抑制できる。

フィン１４は、奥行方向に沿って少なくともチューブ１３における風下側の端部まで延びているため、表面積をできるだけ広くし、熱交換効率を高めることができる。

《変形例》
本実施形態では、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、夫々、奥行方向に沿ってチューブ１３よりも風上側に延長させているが、これに限定されるものではない。チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、少なくとも一方がチューブ１３よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量Ｅに０よりも大きな差ΔＥがあればよい。

図９は、変形例におけるチューブ及びフィンを示す図である。
図中の（ａ）はチューブ１３及びフィン１４を奥行方向から見た図である。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。

ここでは、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４は、一方だけがチューブ１３又は通風路２１よりも風上側に延長させてあり、他方はチューブ１３又は通風路２１よりも風上側に延長させていない。すなわち、一方の延長量ＥをＥ３とし、他方の延長量Ｅを０としているため、差ΔＥはＥ３である。ここでは、延長量ＥがＥ３のフィン１４と、延長量Ｅが０のフィン１４とを、横方向に沿って交互に配置している。Ｅ３は例えば３.０ｍｍ程度であり、差ΔＥは、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４同士の離隔距離ｄよりも大きい。このように、少なくとも一方がチューブ１３よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量Ｅに０よりも大きな差ΔＥがあれば、前述した作用効果が得られる。

図１０は、変形例におけるチューブ及びフィンの斜視図である。
変形例においても、コルゲートフィンであり、風上側に延長された部分には縦方向の一段おきに横方向に開いた隙間２３が形成される。したがって、フィン１４における風上側の先端が着霜によって閉塞しても、隙間２３から風が通り抜けることができる。

図１１は、変形例における着霜の様子を模式的に示した図である。
チューブ１３及びフィン１４の双方において、風上側の先端から霜２６が付着し、ここでは既にフィン１４における風上側の先端が閉塞しているものとする。

延長量Ｅを０とした他方のフィン１４は、風上側の先端が閉塞することにより、通風路２１が閉塞する。それでも、隣り合うフィン１４は、風上側への延長量Ｅが互いに異なるため、延長量ＥをＥ３とした一方のフィン１４は風上側の先端に付着している霜２６により通風路２１が閉塞することはない。また、霜２６はフィン１４に対して風上側の先端から付着するため、延長量Ｅにより形成された隙間２３がフィン１４の先端よりも先に霜２６により閉塞することはない。そのため、隙間２３により、点線の矢印で示すように、先端に付着した霜２６を迂回するように風が通り抜けることができる。

本実施形態では、延長量Ｅが異なる二種類のフィン１４を、横方向に沿って交互に配置しているが、これに限定されるものではない。延長量Ｅが異なる三種類以上のフィン１４を、横方向に沿って順に配置してもよい。要は、チューブ１３を挟んで隣り合うフィン１４の延長量Ｅに、０よりも大きな差ΔＥがあればよい。

本実施形態では、縦方向に延びるチューブ１３を設けた縦流れの構造について説明したが、これに限定されるものではない。横方向に延びるチューブ１３を設けた横流れの構造としてもよい。

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、１２…ヘッダ、１３…チューブ（配管部材）、１４…フィン（コルゲートフィン）、１５…流入口、１６…排出口、１７…隔壁、２１…通風路、２２…貫通孔、２３…隙間、２６…霜、３１…板フィン

Claims (4)

1. 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、前記第三の方向に沿って風を通す複数の通風路を形成するために設けられ、前記第三の方向から見た形状が、前記第一の方向に沿って変位しながら一方の前記配管部材と他方の前記配管部材との間を周期的に往復する波型であるコルゲートフィンと、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コルゲートフィンの周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであって、
   前記配管部材を挟んで隣り合う前記コルゲートフィンは、少なくとも一方が前記配管部材よりも風上側に延長させてあり、互いの延長量に差があることを特徴とする熱交換器。
2. 前記延長量の差は、前記配管部材を挟んで隣り合う前記コルゲートフィン同士の離隔距離よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記配管部材を挟んで隣り合う前記コルゲートフィンは、前記第三の方向の寸法が同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記コルゲートフィンは、前記第三の方向に沿って少なくとも前記配管部材における風下側の端部まで延びてい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。

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