JP3872996B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば空気調和機や、冷凍庫、冷蔵庫あるいはショーケース等に使用され、熱交換媒体である冷媒と、ここに流通する熱交換空気との間で熱の授受を行う熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば空気調和機や、冷凍庫、冷蔵庫あるいはショーケース等に使用される熱交換器は、所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンに貫通して設けられ、その内部に冷媒(熱交換媒体)を流通させる熱交換パイプとを具備している。
【0003】
このようにして構成される、いわゆるフィンチューブ型と呼ばれる熱交換器において、従来から熱交換性能をより向上させるための種々の開発工夫がなされている。
たとえば、特許第2706497号には、板状フィンを伝熱管列間に設けられる波状の列切断線により分断し、この分断による波状の縁の凹凸が互いにかみ合うようにしたことを特徴とする熱交換器が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱交換パイプ列間で完全に分離される構成の板状フィンでは、熱交換空気の流通方向とは直交する方向の熱交換パイプ相互間である管段ピッチ部分が、他のフィン部分と比較して細く形成されることになり、フィン全体の剛性が低下してしまう。
したがって、実際に板状フィンをプレス加工すると、剛性が低下しているのでプレス加工を良好に行うことができず、仕上がり精度に影響が生じるという問題があった。
【0005】
本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、製造性の向上と、熱交換性能および低温性能(着霜と除霜をともなう暖房性能)の向上を得られる熱交換器を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を満足するため本発明は、所定間隔を存して並設され互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンに亘って貫通し熱交換空気の流通方向とは直交する方向に所定間隔を存して複数段設けられ、かつ熱交換空気の流通方向に沿って複数列に設けられ内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する熱交換パイプとを具備し、上記放熱フィンは、熱交換空気の流通方向に沿う熱交換パイプ列相互間に設けられる円弧形状もしくは屈曲形状の切込み部を備え、この切込み部は、少なくとも2ヶ所の分断部を介して単独で設けられる切込み部を含み、熱交換空気の流通方向に沿う上記熱交換パイプ列の管列ピッチをL1、熱交換空気の流通方向とは直交する方向における上記熱交換パイプの管段ピッチをL2、熱交換空気流の風下側列における熱交換パイプ中心線から上記単独の切込み部の頂点までの距離をH、および単独の切込み部の端縁相互の間隔をWとしたとき、
0.55×L1 ≦ H ≦ 0.95×L1
0.65×L2 ≦ W ≦ 0.95×L2
と設定される。
【0008】
さらに、上記放熱フィンは、その最下部において最下段の熱交換パイプからフィン下端面までの距離が遠い方の列の熱交換パイプ下部が切欠される。
【0009】
このような課題を解決する手段を採用することにより、製造性の向上と、熱交換性能および暖房性能の向上を得られる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図1は、第1の実施の形態である、いわゆるフィンチューブ型と呼ばれる熱交換器の断面図である。
上記熱交換器1Aは、所定間隔で平行に並べられ、それらの隙間に熱交換空気を流通させるようにした多数枚(複数枚)の板状放熱フィン2と、これら放熱フィン11の面方向とは直交する方向に貫通して設けられ、内部を冷媒(熱交換媒体)が流通する熱交換パイプ3とから構成される。
【0011】
図に示す矢印Z方向に熱交換空気が流通するようになっていて、上記放熱フィン2には、熱交換空気の流通方向とは直交する方向に所定間隔を存して一列で、かつ熱交換空気の流通方向に沿って複数(ここでは2)列の熱交換パイプ3が設けられる。
熱交換空気の流通方向とは直交する方向の上記熱交換パイプ3列において、熱交換パイプ3相互の所定間隔を管段ピッチPと言い、熱交換空気の流通方向に沿って並べられる熱交換パイプ列を管列La,Lbと呼ぶ。
【0012】
上記管列Laは、熱交換空気流の上流側に設けられる熱交換パイプ3列であって、上記管列Lbは、熱交換空気流の下流側に設けられる熱交換パイプ3列である。
各管列La,Lbにおける管段ピッチPは互いに同一であり、しかも、各管列La,Lbにおける熱交換パイプ3は管段ピッチPの二分の一だけ位置をずらして配置され、いわゆる千鳥状配置となっている。
【0013】
このような熱交換器1Aにおける上記放熱フィン2には、後述する切込み部5Aが設けられている。すなわち、切込み部5Aは管列La,Lb相互間に設けられていて、ここでは円弧形状をなしている。
上記切込み部5Aにおける円弧形状の半径中心は、熱交換空気流Zの風下側管列Lbにおける熱交換パイプ3の熱交換空気流に沿う中心線上に設定されている。したがって、それぞれの円弧形状切込み部5Aは、風下側熱交換パイプ3を囲撓するように、風上側に向かって突出する湾曲状をなしている。
【0014】
放熱フィン2の上端部と下端部における切込み部5Aは、それぞれ単独の切込み部5aとして設けられ、これら単独切込み部5aの相互間には連続的切込み部5bが設けられている。
なお説明すれば、上端部に設けられる切込み部5aの下端は、この下部に設けられる切込み部5bの上端と所定間隙を存している。また、下端部に設けられる切込み部5aの上端は、この上部に設けられる切込み部5bの下端と所定間隙を存している。
【0015】
連続的な切込み部5bは、単独形状の切込み部5a端縁相互が、熱交換空気の流通方向とは直交する方向と同一方向の直状切込みcによって連結されてなる。したがって、連続的切込み部5bは、ほぼ波形状をなす。
このようにして構成される単独切込み部5aと連続的切込み部5bの対向する端縁間は何らの加工も施されていない部分であり、言わば切込み部5a,5bを分断する箇所であるので、ここを分断部6と呼ぶ。
【0016】
上記熱交換器1Aは、放熱フィン2に少なくとも2ヶ所の分断部6を介して、連続的もしくは単独形状の切込み部5Aが設けられていることを特徴としている。
上記放熱フィン2に切込み部5Aを設けていながら、完全に分離したタイプのフィン構成と比較して放熱フィン2全体の剛性を高めることができ、良好なフィンプレス加工を行え製造性の向上を得られる。
【0017】
そして、切込み部5Aと分断部6を熱交換パイプ3の管列La,Lb相互間に設けることによって、風上側と風下側の熱伝導率が減少してフィン効率が向上し、フィン面積は変わらずに熱交換性能が向上する。
図2は、第1の実施の形態の変形例である、熱交換器1Bの断面図である。基本的に、先に図1で説明したのと同一の放熱フィン2と、熱交換パイプ3の配列構成と、熱交換パイプ3の管列La,Lb相互間に設けられる後述する切込み部5Bおよび分断部6を備えている。
【0018】
すなわち、先に説明した切込み部5Aは円弧形状をなしているが、ここに示す切込み部5Bは屈曲形状をなしているのが特徴である。
この切込み部5Bは、風下側管列Lbの熱交換パイプ3中心と対向し、熱交換空気の流通方向とは直交する方向に直状で、かつ上下に均等に振り分け加工される部分と、この直状部分の上下端から斜めに設けられる部分とからなっていて、風下側管列Lbの熱交換パイプ3を囲撓するように形成される。
【0019】
放熱フィン2の上端部と下端部には単独切込み部5cが設けられ、これら単独切込み部5cの相互間には連続的切込み部5dが設けられる。連続的切込み部5dは、単独切込み部5cの端縁相互を、熱交換空気の流通方向とは直交する方向と同一方向の直状切込みcによって連結してなり、ほぼ凹凸形状をなす。
このようにして、構成される単独切込み部5cと連続的切込み部5dの対向する端縁間は何らの加工も施されておらず、切込み部5c,5dを分断する分断部6となっている。
上述した切込み部5Bと分断部6を備えた熱交換器1Bにおける作用効果は、先に説明したものと全く同一であり、ここでは上述の記載を参照することとして、新たな記載を省略する。
【0020】
図3は、第1の実施の形態のさらに異なる変形例としての、熱交換器1Cの断面図である。
基本的に、先に図1で説明した放熱フィン2に対する熱交換パイプ3の配列構成と、熱交換パイプ3の管列La,Lb相互間に設けられる後述する切込み部5Cおよび分断部6を備えている。
【0021】
ここでは、特に上下方向に長い、長尺の放熱フィン2Aであることを特徴としている。すなわち、上記放熱フィン2Aが長尺であるので、単独の切込み部がなく、全て連続的に形成された切込み部5Cを備えている。
具体的には、放熱フィン2Aの上下端部における切込み部5eは、それぞれ2個の円弧形状を連続させ、これらの間には、5個連続円弧形状の切込み部5fと、4個連続円弧形状の切込み部5gを連続させた形状をなす。
【0022】
互いの連続円弧形状切込み部5e〜5g間には、何らの加工も施されていない分断部6が設けられる。合計4つの連続円弧形状切込み部5e〜5gが設けられるので、これら相互間の分断部6は合計3ヶ所形成されることになる。
このような放熱フィン2Aに切込み部5Cおよび分断部6が設けられる熱交換器1Cにおいての作用効果は、先に説明したものと全く同一であり、ここでは上述の記載を参照することとして、新たな記載を省略する。
【0023】
図4(A)は、本発明の第2の実施の形態としての、熱交換器1Dの一部断面図である。
基本的に、先に図1で説明した放熱フィン2と、熱交換パイプ3の配列構成と、熱交換パイプ3の管列La,Lb相互間に設けられる後述する切込み部5Dおよび分断部6を備えている。
【0024】
ここでは、全て円弧形状で、かつ単独の切込み部5Dが設けられることが特徴である。そのうえ、上記切込み部5Dをなす円弧形状の頂点部とその付近部分である凸部dが、熱交換パイプ3の管列La,Lb相互間の中間線Lcから風上側方向へ突出形成される。
上記熱交換器1Dにおいて、それぞれの切込み部5Dの両端縁相互間に形成される分断部6は、風上側管列Laの熱交換パイプ3と対向する風下側部位に設けられることになる。
【0025】
このようにして構成される切込み部5Dおよび分断部6を備えた熱交換器1Dと、図4(B)に示す構成の切込み部5Zおよび分断部6を備えた熱交換器1Zと比較して説明する。
図4(B)の熱交換器1Zは、全て円弧形状でかつ単独の切込み部5Zを備えているが、円弧形状の頂点部とその付近部分である凸部dは、管列La,Lb相互間の中間線Lcから風下側方向へ突出形成され、分断部6は風下側管列Lbの熱交換パイプ3と対向する風上側部位に設けられる。
【0026】
すなわち、図4(A)の熱交換器1Dに設けられる切込み部5Dと、図4(B)の熱交換器1Zに設けられる切込み部5Zとは、互いに突出方向が逆向きとなっていて、分断部6の対向する熱交換パイプ3位置が異なっている。
以上説明した熱交換器1Dを、空気調和機の冷凍サイクル回路における室外熱交換器として使用した場合において、低外気温環境条件下では着霜現象が生じることが避けられない。
【0027】
通常、風下側よりも風上側における着霜量が多いため、圧縮機から吐出されるホットガスは、はじめに風上側管列Laの熱交換パイプ3へ導かれるよう設定していて、風上側の除霜をなし、そのあとホットガスを風下側管列Lbの熱交換パイプ3へ導くようになっている。
したがって、風下側管列Lbの熱交換パイプ3の温度は、風上側管列Laの熱交換パイプ3の温度よりも低くなり、単純構成の熱交換器では、風下側部位の除霜効果は風上側部位における除霜効果よりも劣る。
【0028】
比較例である切込み部5Zは、風上側管列Laの熱交換パイプ3を囲撓するように設けられているので、風上側管列Laの熱交換パイプ3からホットガスの熱が風下側部位へ伝達されても切込み部5Aで熱の供給が遮断されてしまい、風下側管列Lbの熱交換パイプ3と周辺部における除霜効果が低下する。
これに対して図4(A)の構成では、風下側管列Lbの熱交換パイプ3相互間に分断部6が形成されているから、ホットガスが直接供給される風上側管列Laの熱交換パイプ3から分断部6を介してフィン2の風下側部位へ熱の供給が良好に行われる。
したがって、このような熱交換器1Dとすることにより、放熱フィン2の風下側部位における除霜効果が、比較例である図4(B)の構成のものよりも良好となるとの結論が得られる。
【0029】
図5は、本発明の第3の実施の形態としての、熱交換器1Eの一部断面図である。
基本的に、先に第1の実施の形態で説明した放熱フィン2に対する熱交換パイプ3の配列構成と同一で、かつ第2の実施の形態で説明した熱交換パイプ3の管列La,Lb相互間に設けられる後述する切込み部5Eおよび分断部6を備えている。
【0030】
上記切込み部5Eは、全て単独で、かつ円弧形状をなし、各切込み部5E相互間に分断部6が形成される。そして、切込み部5Eの凸部は管列La,Lb相互間の中間線から風上側方向へ突出形成され、分断部6は風上側管列Laの熱交換パイプ3と対向する風下側部位に設けられている。
したがって、このような熱交換器1Eとすることにより、先に第2の実施の形態で得られる除霜性向上の効果が熱交換器1E全体に得られることとなり、除霜効果がさらに向上する。
【0031】
図6(A)は、本発明の第4の実施の形態としての、熱交換器1Fの一部断面図である。
基本的に、先に第1の実施の形態(図1)と、第2の実施の形態(図4(A))および、第3の実施の形態(図5)のいずれかで説明した放熱フィン2と、熱交換パイプ3の配列と、切込み部5Fおよび分断部6を備えている。
【0032】
ここでの特徴は、放熱フィン2の最下部において、切込み部5の代用として分断部6Aを備えたことである。すなわち、放熱フィン2の上端部に円弧形状で単独の切込み部5aが設けられ、分断部6を介して下部側に連続的な切込み部5bが設けられる。
連続的切込み部5bの最も下部側のものは、風下側管列Lbにおける下から二段目の熱交換パイプ3と対向して設けられ、最下段の熱交換パイプ3に対向しては切込み部は設けられおらず、代って分断部6Aとなっている。
【0033】
このような熱交換器1Fとすることにより、放熱フィン2における風上側部位と風下側部位間の熱伝導性が向上する。特に、除霜時に上部から流下する除霜水が堆積したり、残霜と残氷ができ易い放熱フィン2の最下部における除霜性が向上する。
なお、上述の構成では、風下側管列Lbの最下段熱交換パイプ3と対向する部位を分断部6Aとしたが、これに限定されるものではなく、熱交換性能の向上と除霜性の兼ね合いにより、最下段ばかりでなく、さらにその上段の熱交換パイプ3と対向する部位にまで分断部6Aの範囲を拡大してもよい。
【0034】
図6(B)は、本発明の第5の実施の形態としての、熱交換器1Gの一部断面図である。
基本的に、先に第1の実施の形態(図1)から第4の実施の形態(図6(A))のいずれかで説明した放熱フィン2と、熱交換パイプ3の配列と、切込み部5Gおよび分断部6の構成が同一である。
【0035】
ここでの特徴は、放熱フィン2の最下部において切込み部5Gの代用として分断部6Aを備えたうえで、最下段の熱交換パイプ3から放熱フィン2下端面までの距離が遠い方の列の熱交換パイプ3下部に切欠部7を備えたことである。
すなわち、切欠前の状態で風下側管列Lbにおける最下段の熱交換パイプ3と放熱フィン2下端縁との距離が、風上側管列Laにおける熱交換パイプ3と放熱フィン2下端縁との距離よりも遠くなっている。そこで、放熱フィン2の風下側管列Lbにおける最下段の熱交換パイプ3の下部側を切欠している。
【0036】
このような熱交換器1Gとすることにより、除霜時に上部から流下する除霜水が堆積したり、残霜と残氷ができ易い放熱フィン2の熱交換パイプ3からフィン下端縁までの距離が遠い側の除霜性を向上させることができる。
また、上述の切欠部7は、熱交換空気流に対する風下側にのみ設けられているが、これに限定されるものではなく、熱交換パイプ3の配列構造によっては、風上側を切欠しても同じ効果が得られる。
【0037】
図7は、本発明の第6の実施の形態としての、熱交換器1Hの一部断面図である。基本的に、先に第1の実施の形態(図1)から第5の実施の形態(図6(B))のいずれかで説明した放熱フィン2と、熱交換パイプ3配列と、切込み部5Hおよび分断部6を備えている。
ここでの特徴は、熱交換空気流の風下側管列Lbに沿って設けられる熱交換パイプ3Aの外径を、風上側管列Laに沿って設けられる熱交換パイプ3の外径よりも大に形成したことである。
【0038】
すなわち、先に説明したように除霜時は風下側管列Lbの熱交換パイプ3は風上側管列Laの熱交換パイプ3より温度が低く、単純構成の熱交換器では風下側管列Lbに沿う熱交換パイプ3周辺部での除霜性が低下する。
そこで、風下側管列Lbにおける熱交換パイプ3の外径を、風上側管列Laにおける熱交換パイプ3の外径よりも大に形成することにより、風下側管列Lbの熱交換パイプ3Aにより多量のホットガスが導かれて、これら周辺部における除霜性が向上する。
【0039】
図8は、本発明の第7の実施の形態としての、熱交換器1Jの一部断面図である。
基本的に、先に第1の実施の形態(図1)から第6の実施の形態(図7)のいずれかで説明した放熱フィン2と、熱交換パイプ3の配列と、切込み部5Jおよび分断部6を備えている。
【0040】
熱交換空気の流通方向に沿う熱交換パイプ3の管列ピッチをL1、熱交換空気の流通方向とは直交する方向における熱交換パイプ3の管段ピッチをL2、風下側管列Lbにおける熱交換パイプ3中心線LLから切込み部5の頂点までの距離をH、切込み部5の端縁f相互の間隔をWとしたとき、
0.55×L1 ≦ H ≦ 0.95×L1
0.65×L2 ≦ W ≦ 0.95×L2
となるように設定したことを特徴としている。
【0041】
以上の数値は、図8の構成を基礎として、風下側管列Lbにおける熱交換パイプ中心線LLから切込み部5の頂点までの距離Hと、切込み部5の端縁f相互の間隔Wを種々変えた放熱フィンを用意し、その各々について特性試験を実施したところ、図9(A)(B)に示す結果から得られたものである。
図9(A)は、熱交換パイプ外径d、管列ピッチL1、管段ピッチL2、切込み部5の円弧形状の頂点までの距離Hを種々に変化させた場合の、低温性能Qの変化を示したものである。なお、低温性能とは、着霜と除霜をともなう暖房性能のことを指す。
【0042】
同図の結果によると、管列ピッチL1に対して約0.7倍としたときの低温性能Qが最も大きく、これよりも距離Hを大きくするほど、また、距離Hを小さくするほど低温性能が小さくなることが分かった。
したがって、低温性能Qの最高値に対して約90%となる距離Hを好適な使用限度と定めると、先に述べたように、切込み部5の円弧形状頂点までの距離Hとして、 0.55×L1≦H≦0.95×L1 の範囲が適当であるとの結論が得られる。
【0043】
また、図9(B)に示すように、熱交換パイプ外径d、管列ピッチL1、管段ピッチL2、切込み部5の円弧形状の頂点までの距離Hを一定として、切込み部5の端縁f相互の間隔(図では、足の長さ)Wを種々に変化させた場合の低温性能Qの変化を示したものである。
同図の結果によると、管段ピッチL2に対して約0.8倍としたときの低温性能Qが最も大きく、これよりも切込み部の端縁相互の間隔Wを長くするほど、または間隔Wを短くするほど低温性能が小さくなることが分かった。
【0044】
ここで、低温性能Qの最高値に対して約90%となる間隔Wを好適な使用範囲と定めると、先に述べたように切込み部5の端縁f相互の間隔(足の長さ)Wとして、 0.65×L2≦W≦0.95×L2 の範囲が適当であるとの結論が得られることとなる。
なお、上述した図3から図8の切込み部においては全て円弧形状として示したが、これに限定されるものではなく、全て図2に示したような屈曲形状の切込み部に変えても何らの支障もない。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、放熱フィンに対する製造性の向上を得られるとともに、熱交換器として熱交換性能および低温性能(着霜と除霜をともなう暖房性能)の向上を得られるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す、熱交換器の断面図。
【図2】同実施の形態の変形例を示す、熱交換器の断面図。
【図3】同実施の形態のさらに異なる変形例を示す、熱交換器の断面図。
【図4】本発明の第2の実施の形態を示す熱交換器の一部断面図と、比較例としての熱交換器の一部断面図。
【図5】本発明の第3の実施の形態を示す、熱交換器の一部断面図。
【図6】本発明の第4の実施の形態と、第5の実施の形態を示す、熱交換器の断面図。
【図7】本発明の第6の実施の形態を示す、熱交換器の一部断面図。
【図8】本発明の第7の実施の形態を示す、熱交換器の断面図。
【図9】同実施の形態の結果を証明するための、それぞれ異なる特性図。
【符号の説明】
2,2A…放熱フィン、
3…熱交換パイプ、
5A〜5J…切込み部、
6,6A…分断部。
Claims (2)
- 所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンに亘って貫通し、熱交換空気の流通方向とは直交する方向に所定間隔を存して複数段設けられ、かつ熱交換空気の流通方向に沿って複数列に設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する熱交換パイプとを具備し、
上記放熱フィンは、熱交換空気の流通方向に沿う熱交換パイプ列相互間に設けられる円弧形状もしくは屈曲形状の切込み部を備え、
この切込み部は、少なくとも2ヶ所の分断部を介して単独で設けられる切込み部を含み、
熱交換空気の流通方向に沿う上記熱交換パイプ列の管列ピッチをL1、熱交換空気の流通方向とは直交する方向における上記熱交換パイプの管段ピッチをL2、熱交換空気流の風下側列における熱交換パイプ中心線から上記単独の切込み部の頂点までの距離をH、および単独の切込み部の端縁相互の間隔をWとしたとき、
0.55×L1 ≦ H ≦ 0.95×L1
0.65×L2 ≦ W ≦ 0.95×L2
と設定されることを特徴とする熱交換器。 - 上記放熱フィンは、その最下部において、最下段の熱交換パイプからフィン下端面までの距離が遠い方の列の、熱交換パイプ下部が切欠されることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
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Publications (2)
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