JP2022044103A - コルゲートフィン式熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】風速が比較的遅い使用条件でも熱交換性能を向上し、エネルギー消費効率の向上を図れるようにしたコルゲートフィン式熱交換器を提供すること。【解決手段】一対のヘッダーパイプと、上記ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の熱交換チューブと、上記熱交換チューブ間に接合されるコルゲートフィン4と、を具備するコルゲートフィン式熱交換器において、コルゲートフィン4は、熱交換チューブの長手方向と直交する空気が流れる方向に沿って切り起こされる複数のルーバ10(10a,10b)を具備する。上記複数のルーバ10(10a,10b)は、空気の流れ方向の長さLa,Lb及び切り起こされた角度α,βが異なるものが交互に配置されている。【選択図】 図3
Description
この発明は、コルゲートフィン式熱交換器に関するもので、更に詳細には、例えば、冷凍空調用の空気調和装置としてのエアコン用の冷凍サイクルに用いるコルゲートフィン式熱交換器に関するものである。
一般に、一対のヘッダーパイプの間に、互いに平行な複数の扁平状の熱交換チューブを水平方向に配置し、上記熱交換チューブの間にコルゲートフィンを接合したパラレルフロー型熱交換器が広く使用されている。
この種の熱交換器において、上記コルゲートフィンは、熱交換チューブ内を流れる冷媒と外部を流れる空気との熱交換を促進させる役割があり、コルゲートフィンの伝熱性能を向上させるために空気の流れ方向に沿って切り起こされたルーバ加工が施されており、ルーバによって空気の流れを乱して熱伝達を上げている(例えば、特許文献1,2,3参照)。
特許文献1に記載の熱交換器は、複数のルーバを、一定の高さに設定し、ルーバの角度を風上側の一端から風下側の他端に向かって徐々に小さくして、風速が比較的遅い場合でも熱交換性能の向上が図れる。
また、特許文献2に記載の熱交換器は、複数のルーバの間に転向部が設けられ、転向部の空気流れ方向の上流側と下流側のルーバの角度が逆に形成され、第1ルーバと第1ルーバよりも角度が小さい第2ルーバの少なくとも2種類が設けられ、第2ルーバは転向部に隣り合って配置されている。このように構成することにより、空気抵抗を低減して流量増加することで、熱交換性能の向上が図れる。
また、特許文献3に記載の熱交換器は、空気の流れ方向の長さが長い広幅ルーバと狭幅ルーバの角度を一定に設定し、広幅ルーバと狭幅ルーバとが交互に配置されている。このように構成することにより、風速が速い場合において、高い熱伝熱率が得られる。
しかしながら、特許文献1に記載の熱交換器においては、複数のルーバは同じ高さに設定されているため、空気はルーバ間に流れない虞があり、また、一定の高さのルーバの角度が風上側の一端から風下側の他端に向かって徐々に小さくなるので、ルーバの長さが徐々に大きくなり、その分ルーバの数が少なくなるため、熱伝達率が低下する懸念がある。
一方、特許文献2に記載の熱交換器は、風速が速い自動車用熱交換器を想定しており、第1ルーバよりも角度が小さい第2ルーバにより、空気抵抗を低減して流量増加することで、熱交換性能の向上が図れる。したがって、風速が比較的遅い場合には、空気抵抗を低減して流量増加することはできず、熱伝達率の向上が図れない懸念がある。
また、特許文献3に記載の熱交換器は、自動車用熱交換器を想定しており、例えば、風速2m/sの高風速域においては、空気の乱れを発生させて熱伝達を上げることができるが、風速が1.5m/s以下のような比較的風速が遅い場合には、空気の流れを乱して熱伝達を上げることは難しい。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、風速が比較的遅い使用条件でも熱交換性能を向上し、エネルギー消費効率の向上を図れるようにしたコルゲートフィン式熱交換器を提供することを課題とする。
上記課題を達成するために、この発明は、一対のヘッダーパイプと、上記ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の熱交換チューブと、上記熱交換チューブ間に接合されるコルゲートフィンと、を具備するコルゲートフィン式熱交換器であって、 上記コルゲートフィンは、上記熱交換チューブの長手方向と直交する流体が流れる方向に沿って切り起こされる複数のルーバを具備し、 上記複数のルーバは、上記流体の流れ方向の長さ及び切り起こされた角度が異なるものが交互に配置されている、ことを特徴とする(請求項1)。この場合、上記ルーバのうち長いルーバは短いルーバに対して角度が大きく形成されているのが好ましい(請求項2)。
このように構成することにより、交互に配置される角度の異なる長いルーバと短いルーバによって風速が遅い流体の流れを乱して隣接するコルゲートフィンのルーバ間に流体を流して熱伝達を上げることができる。
この発明において、上記ルーバのうち長いルーバの角度が39~34°、短いルーバの角度が25~20°であるのが好ましい(請求項3)。
長いルーバと短いルーバの角度を上記の角度とした理由は、長いルーバの角度が39°より大きいと圧力損失が増大し、また、短いルーバの角度が20°より小さいとルーバ間に流体が流れなくなるからである。
長いルーバと短いルーバの角度を上記の角度とした理由は、長いルーバの角度が39°より大きいと圧力損失が増大し、また、短いルーバの角度が20°より小さいとルーバ間に流体が流れなくなるからである。
また、この発明において、上記コルゲートフィンにおける上記複数のルーバの間に、上記流体の流れ方向と略平行な転向部が設けられ、上記転向部に関して上記流体の流れ方向上流側に配置された上記複数のルーバと、上記流体の流れ方向下流側に配置された上記複数のルーバとは、それぞれ上記角度が逆に形成されているのが好ましい(請求項4)。
このように構成することにより、流体の流れを隣接する一方のコルゲートフィンのルーバ間と他方のコルゲートフィンのルーバ間に流して熱伝達を上げることができる。
この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような効果が得られる。
交互に配置される角度の異なる長いルーバと短いルーバによって風速が遅い空気の流れを乱してルーバ間に流体を流して熱伝達を上げることができるので、風速が比較的遅い使用条件でも熱交換性能を向上し、エネルギー消費効率の向上を図ることができる。
交互に配置される角度の異なる長いルーバと短いルーバによって風速が遅い空気の流れを乱してルーバ間に流体を流して熱伝達を上げることができるので、風速が比較的遅い使用条件でも熱交換性能を向上し、エネルギー消費効率の向上を図ることができる。
以下に、この発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、冷凍空調用の空気調和装置としてのエアコン用の冷凍サイクルに用いる熱交換器について説明する。
この発明に係る熱交換器1は、図1及び図2に示すように、それぞれアルミニウム(アルミニウム合金を含む)製の一対のヘッダーパイプ2a,2bと、これらヘッダーパイプ2a,2b間に互いに平行に架設(連結)される複数の扁平状の熱交換チューブ3及び隣接する熱交換チューブ3間に介在されるコルゲートフィン4をろう付け接合してなる。なお、上下端のコルゲートフィン4の上部外方側及び下部開放側には、それぞれアルミニウム製のサイドプレート5がろう付けされている。
熱交換チューブ3はアルミニウム製の押出形材にて例えば扁平な板状に形成されており、その内部には長手方向に向かって貫通する複数に区画された冷媒の流路3aが形成されている。
ヘッダーパイプ2a,2bは、例えばアルミニウム製の押出形材にて略円筒状に形成されており、その両端部にはキャップ部材6が被着固定されている。また、両ヘッダーパイプ2a,2bの一方のヘッダーパイプ2aの長手方向の上端部の一側には冷媒流入管7が接続されており、他方のヘッダーパイプ2bの長手方向の下端部の一側には、冷媒流出管8が接続されている。
コルゲートフィン4は、アルミニウム製の板材を屈曲することにより連続波形状に形成されており、隣接する熱交換チューブ2の対向面にそれぞれ山又は谷の屈曲部がろう付け接合されている。
コルゲートフィン4は、図2及び図3に示すように、熱交換チューブ3の長手方向と直交する方向、すなわち熱交換チューブ3の内部を流れる冷媒と熱交換される流体である空気が流れる方向に沿って切り起こされる複数のルーバ10を具備し、複数のルーバ10は、空気の流れ方向の長さ及び切り起こされた角度が異なるものが交互に配置されている。この場合、複数のルーバ10の各ピッチPは同一に形成されている。
また、コルゲートフィン4における複数のルーバ10の間に、空気の流れ方向と略平行な転向部20が設けられており、転向部20に関して空気の流れ方向の上流側に配置された複数のルーバ10(以下に、上流側ルーバ10Aという)と、空気の流れ方向の下流側に配置された複数のルーバ10(以下に、下流側ルーバ10Bという)とは、それぞれ角度が逆に形成されている。なお、転向部20はコルゲートフィン4の幅、すなわち空気の流れ方向の幅の中間部に形成されている。したがって、転向部20に関して上流側ルーバ10Aと下流側ルーバ10Bは180度対称に配置される。
この場合、ルーバ10のうち長いルーバ10a(以下に、長幅ルーバ10aという)の空気の流れ方向のルーバ長さLaは1.05mmに設定され、短いルーバ10b(以下に、短幅ルーバ10bという)のルーバ長さLbは0.65mmに設定されている。また、長幅ルーバ10aは短幅ルーバ10bに対して角度が大きく形成されている。例えば、長幅ルーバ10aの角度αは圧力損失を生じさせない角度36°に形成され、短幅ルーバ10bの角度βはルーバ10間に空気が流れる角度22°に形成されている。なお、転向部20における上流側端部には上流側ルーバ10Aの長幅ルーバ10aと同じ角度36°のルーバ10cが設けられ、転向部20における下流側端部には下流側ルーバ10Bの長幅ルーバ10aと同じ角度36°のルーバ10dが設けられている。
なお、上記実施形態では、長幅ルーバ10aの角度αを36°に設定し、短幅ルーバ10bの角度βを22°に設定した場合について説明したが、長幅ルーバ10aの角度αと短幅ルーバ10bの角度βはこれに限定されるものではなく、長幅ルーバ10aの角度αは39~34°の範囲でもよく、短幅ルーバ10bの角度βは25~20°の範囲でもよい。その理由は、長幅ルーバ10aの角度αが39°より大きいと圧力損失が増大し、短幅ルーバ10bの角度βが20°より小さいとルーバ10間に空気が流れなくなるからである。
また、上記実施形態では、長幅ルーバ10aのルーバ長さLaが1.05mmに設定され、短幅ルーバ10bのルーバ長さLbが0.65mmに設定される場合について説明したが、ルーバ長さLa,Lbはこれに限定されるものではない。ルーバ10(10a,10b)の角度α,βが22~36°の範囲内でルーバ長さLa,Lbを任意に設定してもよい。
上記のように構成される実施形態の熱交換器によれば、交互に配置される長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bのうち長幅ルーバ10aは短幅ルーバ10bに対して角度が大きく形成されているので、コルゲートフィン4の間を流れる空気は角度が大きい長幅ルーバ10aによって流れの向きが変えられて隣接するコルゲートフィン4の長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bの間を流れる。これにより、空気の流れが乱れて熱交換チューブ3の流路3aを流れる冷媒と、外部から熱交換チューブ3の長手方向すなわち冷媒の流れ方向と直交する方向を流れる空気との熱交換が促進され、熱伝達を上げることができる。特に、風速が遅い低風速域において、空気の流れを乱して長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10b間に空気を流して熱伝達を上げることができる。したがって、風速が比較的遅い使用条件でも熱交換性能の向上を図ることができると共に、エネルギー消費効率の向上を図ることができる。
以下に、この発明に係る熱交換器の実施例と比較例について説明する。
<実施例>
図3に示すように、交互に配置される長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bが以下の仕様で構成されている。
長幅ルーバ10aの長さLa=1.05mm
短幅ルーバ10bの長さLb=0.65mm
長幅ルーバ10aの角度α=36°
短幅ルーバ10bの角度β=22°
<比較例1>
図4に示すように、複数の同形状のルーバ100が以下の仕様で構成されている。なお、図4においては、要部のみに符号を付して、その他は省略してある。
ルーバ100の長さL=0.9mm(一定)
ルーバ100の角度α=36°(一定)
<比較例2>
図4Aに示すように、複数の同形状のルーバ200が以下の仕様で構成されている。なお、図4Aにおいては、要部のみに符号を付して、その他は省略してある。
ルーバ200の長さL2=1.05mm(一定)
ルーバ200の角度α2=22°(一定)
図3に示すように、交互に配置される長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bが以下の仕様で構成されている。
長幅ルーバ10aの長さLa=1.05mm
短幅ルーバ10bの長さLb=0.65mm
長幅ルーバ10aの角度α=36°
短幅ルーバ10bの角度β=22°
<比較例1>
図4に示すように、複数の同形状のルーバ100が以下の仕様で構成されている。なお、図4においては、要部のみに符号を付して、その他は省略してある。
ルーバ100の長さL=0.9mm(一定)
ルーバ100の角度α=36°(一定)
<比較例2>
図4Aに示すように、複数の同形状のルーバ200が以下の仕様で構成されている。なお、図4Aにおいては、要部のみに符号を付して、その他は省略してある。
ルーバ200の長さL2=1.05mm(一定)
ルーバ200の角度α2=22°(一定)
上記実施例の熱交換器と比較例1の熱交換器について異なる風速での放熱性能を測定したところ、図5に示す結果が得られた。測定結果から判るとおり、風速0.5m/sでは比較例1に対して実施例では4.5%放熱性能が向上し、風速1m/sでは比較例1に対して実施例では2%放熱性能が向上し、風速1.5m/sにおいても比較例1に対して実施例では1%強放熱性能が向上することが判った。なお、風速2m/s,2.5m/s,3m/sにおいても比較例1に対して実施例では放熱性能が向上している。
次に、熱流体解析ソフト「FLUENT」を用いた二次元層流解析によって、共にフィンピッチPfが1.3mmの比較例1,2と実施例の風速1.5m/sの風速分布を調べたところ、比較例2のものは図6(a)に示すような結果が得られ、比較例1のものは図6(b)に示すような結果が得られ、実施例のものは図6(c)に示すような結果が得られた。なお、図6(a),(b),(c)において空気の流れを分かり易くするために矢印で示してある。
上記風速分布に示すように、図6(a)に示す比較例2ではルーバ間に空気は流れないことが判る。図6(b)に示す比較例1ではルーバ間に空気は流れるが、ルーバ100の長さと角度が一定であるため、上流側では全てのルーバ間に空気は流れていないことが判る。これに対して、図6(c)に示す実施例では、上流側において、空気は角度が大きい長幅ルーバ10aによって流れの向きが変えられて隣接する一方側(図6(c)の上方側)の長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bの間を流れ、転向部より下流側においては、空気は同様に角度が大きい長幅ルーバ10aによって流れの向きが変えられて隣接する他方側(図6(c)の下方側)の長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bの間を流れることが判る。上記風速分布は風速1.5m/sの場合であるので、風速が1.5m/sより遅い場合は、風速1.5m/sに比べて多くの空気がルーバ10a,10b間に流れ、図5に示した放熱性能の測定結果のように放熱性能を向上させることができる。
なお、上記実施形態では、転向部20を設ける場合について説明したが、転向部20を設けない構造としても、空気は、それぞれ角度が大きい長幅ルーバ10aによって流れの向きが変えられて隣接する一方側の長幅ルーバ10aと短幅ルーバ10bの間を流れるので、同様の効果が得られる。
また、上記実施形態では、冷凍空調用の空気調和装置としてのエアコン用の冷凍サイクルに用いる熱交換器について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、その他の熱交換器についても適用できるものである。
1 熱交換器
2a,2b ヘッダーパイプ
3 熱交換チューブ
4 コルゲートフィン
10 ルーバ
10a 長幅ルーバ
10b 短幅ルーバ
10A 上流側ルーバ
10B 下流側ルーバ
20 転向部
La 長幅ルーバの長さ
Lb 短幅ルーバの長さ
α 長幅ルーバの角度
β 短幅ルーバの角度
2a,2b ヘッダーパイプ
3 熱交換チューブ
4 コルゲートフィン
10 ルーバ
10a 長幅ルーバ
10b 短幅ルーバ
10A 上流側ルーバ
10B 下流側ルーバ
20 転向部
La 長幅ルーバの長さ
Lb 短幅ルーバの長さ
α 長幅ルーバの角度
β 短幅ルーバの角度
Claims (4)
- 一対のヘッダーパイプと、上記ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の熱交換チューブと、上記熱交換チューブ間に接合されるコルゲートフィンと、を具備するコルゲートフィン式熱交換器であって、
上記コルゲートフィンは、上記熱交換チューブの長手方向と直交する流体が流れる方向に沿って切り起こされる複数のルーバを具備し、
上記複数のルーバは、上記流体の流れ方向の長さ及び切り起こされた角度が異なるものが交互に配置されている、
ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。 - 請求項1に記載のコルゲートフィン式熱交換器において、
上記ルーバのうち長いルーバは短いルーバに対して角度が大きく形成されている、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。 - 請求項1又は2に記載のコルゲートフィン式熱交換器において、
上記ルーバのうち長いルーバの角度が39~34°、短いルーバの角度が25~20°である、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載のコルゲートフィン式熱交換器において、
上記コルゲートフィンにおける上記複数のルーバの間に、上記流体の流れ方向と略平行な転向部が設けられ、上記転向部に関して上記流体の流れ方向上流側に配置された上記複数のルーバと、上記流体の流れ方向下流側に配置された上記複数のルーバとは、それぞれ上記角度が逆に形成されている、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。
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