JP2022044103A - コルゲートフィン式熱交換器 - Google Patents

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。

特開２０１９－１４８３７５号公報 特開２０１３－１９５０２４号公報 特開２００５－３３５０号公報

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。

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。

この発明に係る熱交換器の一例を示す概略正面図である。 図１のＩ部における熱交換チューブとコルゲートフィンを示す拡大断面図である。 図２のII－II線に沿う拡大断面図（ａ）及び（ａ）のIII部の拡大図（ｂ）である。 従来のルーバを示す拡大断面図（ａ）及び（ａ）のIV部の拡大図（ｂ）である。 従来の別のルーバを示す拡大断面図（ａ）及び（ａ）のＶ部の拡大図（ｂ）である。 この発明におけるルーバを有する実施例と従来のルーバを有する比較例の熱交換器における風速と放熱性能との関係を示すグラフである。 上記実施例と比較例の風速分布を示す概略断面図である。

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）

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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