JP4275182B2

JP4275182B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4275182B2
Application number: JP2007286394A
Authority: JP
Inventors: 隆弘橋本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP2009115339A; WO2009057364A1; EP2233874B1; CN101809400B; EP2233874A4; CN101809400A; EP2233874A1

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器に関する。

２本のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器はカーエアコンなどに広く利用されている。その例を特許文献１、２に見ることができる。

特許文献１記載の熱交換器は、ヘッダパイプが水平に配置され、偏平チューブが垂直に配置されており、コルゲートフィンは熱交換器の奥行き方向中央部を底とする谷型形状とされている。コルゲートフィンの谷底部分で偏平チューブに接合する箇所には貫通穴が設けられ、除霜運転を行って熱交換器に付着した霜を溶かすと、霜が溶けた水は貫通穴から排水される。

特許文献２には、コルゲートフィンの平板部の一面側と他面側に複数の舌片を切り起こし、フィンでの熱交換効率を向上させた熱交換器が記載されている。
特開２００５−２４１８７号公報特開２００１−６６０８３号公報

本発明は、パラレルフロー型熱交換器において、コルゲートフィンの形状に改良を加えて熱交換性能の向上を図ることを目的とする。また、除霜水や結露水をスムーズに排水できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された複数の水平なヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に所定ピッチで複数配置され、内部に設けた垂直な冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた垂直な偏平チューブと、前記偏平チューブ間に配置されたコルゲートフィンとを備えた熱交換器において、前記コルゲートフィンは、フィン表面が風下側に向かい下り勾配となった風上側コルゲートフィンと、フィン表面が風下側に向かい上り勾配となった風下側コルゲートフィンとからなり、前記偏平チューブの側面に形成されたリブに前記風上側コルゲートフィンの風下側端と前記風下側コルゲートフィンの風上側端を当接させることにより、前記風上側コルゲートフィンと前記風下側コルゲートフィンとの間に所定の間隙が形成されることを特徴としている。

この構成によると、風上側コルゲートフィンは下り勾配、風下側コルゲートフィンは上り勾配にしたことにより、風上側コルゲートフィンと風下側コルゲートフィンの空気に触れる長さを、偏平チューブの奥行きに比較して大きくとり、熱交換能力を向上させることができる。また偏平チューブの側面に形成されたリブに風上側コルゲートフィンの風下側端と風下側コルゲートフィンの風上側端を当接させるので、偏平チューブ、風上側コルゲートフィン、及び風下側コルゲートフィンを正確に位置決めし、組立誤差を少なくすることができる。また、除霜水や結露水を風上側コルゲートフィンと風下側コルゲートフィンの合わせ目の間隙から効率よく排水することができる。

上記構成の熱交換器において、前記リブは垂直方向に連続することが好ましい。

このような構成にすれば、リブと偏平チューブを押し出し成型により同時に形成することができる。

本発明によると、コルゲートフィンの空気に触れる長さを長くして熱交換が十分に行われるようにするとともに、偏平チューブとコルゲートフィンを正確に位置決めして組み立てることができる。また、除霜水や結露水が速やかに排水されるようにすることができる。

以下本発明の一実施形態を図１から図４に基づき説明する。図１は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図、図３は拡大部分水平断面図、図４は図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。

熱交換器１は、２本の水平なヘッダパイプ２、３を上下に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に垂直な偏平チューブ４を所定ピッチで複数配置する。偏平チューブ４はアルミニウム等熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。図３に示すように、偏平チューブ４の内部には、断面形状及び断面面積の等しい冷媒通路５が複数個並び、そのため偏平チューブ４はハーモニカのような断面を呈している。なお冷媒通路５は断面形状と断面面積が均一である必要はなく、断面形状や断面面積の異なるものが混在していても構わない。

偏平チューブ４は押出成型方向を垂直にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も垂直になる。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。なお図１において紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側であり、上側のヘッダパイプ２と下側のヘッダパイプ３の間に複数の偏平チューブ４が長手方向を垂直にして所定ピッチで配置された構成となっている。

ヘッダパイプ２、３と偏平チューブ４は溶着により固定される。偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置され、偏平チューブ４とコルゲートフィン６も溶着により固定される。偏平チューブ４と同様、ヘッダパイプ２、３及びコルゲートフィン６も熱伝導の良い金属（例えば、アルミニウム）からなる。

下側のヘッダパイプ３の一端には冷媒流入口７が設けられ、上側のヘッダパイプ２の一
端には、冷媒流入口７と対角をなす位置に冷媒流出口８が設けられている。

このように、ヘッダパイプ２、３の間に多数の偏平チューブ４を設け、偏平チューブ４の間にコルゲートフィン６を設けた構造であるから、熱交換器１の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。

続いてコルゲートフィン６の構造を図２、図３、図４に基づき説明する。図２及び図３では紙面左側が風上側、紙面右側が風下側となる。

図２及び図３に示すように、コルゲートフィン６は風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄに分割されている。風上側コルゲートフィン６Ｕはフィン表面が風下側に向かい下り勾配となっている。風下側コルゲートフィン６Ｄはフィン表面が風下側に向かい上り勾配となっている。風上側コルゲートフィン６Ｕの下り勾配と風下側コルゲートフィン６Ｄの上り勾配は同じ角度である。空気の流れ方向における風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄの長さは互いに等しい。

風上側コルゲートフィン６Ｕの下り勾配と風下側コルゲートフィン６Ｄの上り勾配は必ずしも同じ角度である必要はなく、異なっていても構わない。空気の流れ方向における風上側コルゲートフィン６Ｕの長さと風下側コルゲートフィン６Ｄの長さも、等しいことが必須ではなく、異なる長さであってもよい。

風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄを空気の流れと直角の方向から見ると、多数のＶ字形状が上下に並ぶように見える。但しＶの字の底部は閉じているのではなく開いている。すなわち風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄは密着するのでなく間隙９を隔てて配置されている。間隙９は、風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側端部に付着した水滴と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側端部に付着した水滴の合体が生じ得る大きさに設定されている。

偏平チューブ４の風上側端部には、空気の流通方向と平行に（言い換えれば、風上側に向かって）突出するうね状のリブ１０Ｕが設けられており、風下側端部には、空気の流通方向と平行に（言い換えれば、風下側に向かって）突出するうね状のリブ１０Ｄが設けられている。なお、本実施形態では、リブ１０Ｕ、１０Ｄは偏平チューブ４に押出成型で一体成型され、垂直に配置された偏平チューブの長手方向に沿って、偏平チューブ上端より少し低い位置から偏平チューブ下端より少し高い位置まで連続している。

上記のように、リブ１０Ｕ、１０Ｄの長さを偏平チューブ４の長さと同じとせず、偏平チューブ４の上端及び下端とリブ１０Ｕ、１０Ｄの上端及び下端との間にそれぞれ少し距離を置くものとしたことにより、ヘッダパイプ２、３の直径は、偏平チューブ４の本体部分を受け入れられる大きさとすれば足り、リブ１０Ｕ、１０Ｄまで受け入れることとした場合に比べ、ヘッダパイプ２、３の直径を小さくすることができる。

なお、風上側コルゲートフィン６Ｕの風上側端部は、偏平チューブ４の風上側端部に設けられたリブ１０Ｕの先端に並ぶ位置近傍（本実施形態では、風上側コルゲートフィン６Ｕの風上側端部はリブ１０Ｕの先端にほぼ並んでいる）まで延出され、風下側コルゲートフィン６Ｄの風下側端部は、偏平チューブ４の風下側端部に設けられたリブ１０Ｄの先端に並ぶ位置近傍（本実施形態では、風下側コルゲートフィン６Ｄの風下側端部はリブ１０Ｄの先端にほぼ並んでいる）まで延出されている。

このように、風上側コルゲートフィン６Ｕの風上側端部がリブ１０Ｕの先端に並び、風下側コルゲートフィン６Ｄの風下側端部がリブ１０Ｄの先端に並ぶ（面一になる）構成の他、風上側コルゲートフィン６Ｕの風上側端部がリブ１０Ｕの先端に並ぶ位置に届かず、風下側コルゲートフィン６Ｄの風下側端部もリブ１０Ｄの先端に並ぶ位置に届かないという構成も可能であり、風上側コルゲートフィン６Ｕの風上側端部がリブ１０Ｕの先端に並ぶ位置からはみ出し、風下側コルゲートフィン６Ｄの風下側端部もリブ１０Ｄの先端に並ぶ位置からはみ出すという構成も可能である。このような構成をいろいろ組み合わせてもよい。

正面から見たリブ１０Ｕ、１０Ｄの幅は偏平チューブ４の幅より狭い。そのため、リブ１０Ｕと風上側コルゲートフィン６Ｕの間には間隙が生じ、この間隙が垂直な排水溝１１Ｕを構成する。リブ１０Ｄと風下側コルゲートフィン６Ｄの間にも間隙が生じ、この間隙が垂直な排水溝１１Ｄを構成する。

偏平チューブ４の側面には、その中央に、偏平チューブ４の長手方向（本実施形態では垂直方向）に連続するリブ１２が形成される。このリブ１２に、風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側端と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側端が当接する。これにより、リブ１２の厚みだけの幅を持つ間隙９が形成される。なお、リブ１２も偏平チューブ４に押出成型で一体成型されており、垂直に配置された偏平チューブの長手方向に沿って、偏平チューブ上端より少し低い位置から偏平チューブ下端より少し高い位置まで連続している。これにより、リブ１２を挿入するための孔部をヘッダパイプ２、３に形成する必要がなくなり、ヘッダパイプ２、３に偏平チューブ４を挿入するための孔部を設ける工程が簡単になる。

リブ１２の位置は、偏平チューブ４の側面中央位置に一致していることが必須ではなく、そこからずれていても構わない。この場合、風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄとを偏平チューブ４の空気の流れ方向の幅内に収めるのであれば、それぞれの空気の流れ方向における長さを調整する。偏平チューブ４の空気の流れ方向の幅からはみ出してもよいのであれば、それぞれの空気の流れ方向における長さは互いに等しくてもよく、異なっていてもよい。

また本実施形態ではリブ１２が垂直方向に連続するよう形成されているが、断続的なリブであってもよいし、数箇所（例えばコルゲートフィンの上部、中部、下部に対応する計３箇所、あるいはコルゲートフィンの上部と下部に対応する計２箇所）のみに設けてもよい。この場合、リブは偏平チューブ本体に溶着して取り付けたり、押出成型で偏平チューブ４と一体成型されて連続しているリブ１２を切断して形成したり、あるいは削って形成することが考えられる。

図示しないファンで送風を行いつつ熱交換器１に冷媒を流すと、熱交換器１を蒸発器として使用する運転モード（例えば、室内機と室外機とからなるセパレート型空気調和機の室外機で熱交換器１を用い、暖房運転を行うと、熱交換器１は蒸発器として作用する）の場合、熱交換器１は空気から温熱を奪い、逆に冷熱を空気中に放出する。風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄのフィン表面にはそれぞれ勾配がついているので、コルゲートフィンに勾配をつけずに水平とした場合に比べると、コルゲートフィン６全体として空気の流れ方向に長く延びる形で存在することになり、高い熱交換性能を得ることができる。

空気から温熱を奪う運転を続けていると、風上側コルゲートフィン６Ｕの表面にも風下側コルゲートフィン６Ｄの表面にも、また偏平チューブ４の表面にも、空気中の水分が結露する。当初は微細だった水滴が結集して大きな水滴になると、それは偏平チューブ４の風上側の排水溝１１Ｕと、風下側の排水溝１１Ｄから排水される。これらの箇所では空気の流れが水の表面張力の破壊を後押しするので、水が表面張力で膜を張るいわゆるブリッジ現象が起きにくく、水を速やかに流し去ることができる。

水滴の一部は風上側コルゲートフィン６Ｕまたは風下側コルゲートフィン６Ｄの斜面を伝って流下し、間隙９で出会う。間隙９は風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側端部に付着した水滴と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側端部に付着した水滴の合体が生じ得る大きさに設定されているので、風上側コルゲートフィン６Ｕの水滴と風下側コルゲートフィン６Ｄの水滴は、間隙９で出会うと互いに表面張力を破壊し合って合体し、ブリッジ現象を生じることなく速やかに間隙９から流れ出る。

熱交換器１を蒸発器として使用する運転モード（熱交換器１が室外空気から温熱を奪う運転モード）において、周囲の空気温度条件や、運転条件によっては、偏平チューブ４やコルゲートフィン６の表面に空気中の水分が霜として付着する場合がある。時間が経つにつれ霜は厚みを増し、熱交換性能を低下させるので、時々は熱交換器１を凝縮器に転換する除霜運転を行って霜を溶かさねばならない。霜が溶けた除霜水も、結露水と同様、排水溝１１Ｕ、１１Ｄ及び間隙９からスムーズに排水される。このため、除霜運転から通常運転に復帰したとき、排水されないまま残留した水滴が凍結して熱交換性能を損なうということがない。このように、除霜水や結露水をスムーズに排水できるようにするという目的も達成することができる。

偏平チューブ４に風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄを溶着する際、偏平チューブ４の側面のリブ１２に風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側端と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側端を当接させることにより、偏平チューブ４、風上側コルゲートフィン６Ｕ、及び風下側コルゲートフィン６Ｄを正確に位置決めし、組立誤差を少なくすることができる。また、生産効率が向上する。

風上側コルゲートフィン６Ｕの下り勾配と風下側コルゲートフィン６Ｄの上り勾配は５°〜４０°の範囲で選択することができる。勾配が急になると、熱交換面積が増え、排水しやすくなる一方、空気の流通に対しては抵抗となるので、実験を通じて適切な値を決めるとよい。その他、偏平チューブ４同士の間隔が５．５mm、偏平チューブ４の厚みが１．３mm、空気の流れ方向における風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄの水平方向長さがそれぞれ１８mm、風上側コルゲートフィン６Ｕと風下側コルゲートフィン６Ｄのそれぞれの山−谷ピッチが２mm〜３mm、間隙９の大きさが最大０．５mmといった数値を例示することができる。言うまでもないが、これらの数値は単なる例示であり、発明の内容を限定するものではない。例えば、間隙９は、風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側端部に付着した水滴と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側端部に付着した水滴の合体が生じ得る大きさに設定されていればよいので、最大４mmまでの範囲で設定可能である。

本発明の第２実施形態を図５に示す。図５は図３と同様の拡大部分水平断面図である。図５でも紙面左側が風上側、紙面右側が風下側となる。

第１実施形態では、リブ１２の厚みがそのまま間隙９の幅となっていたため、間隙９の大きさを最大０．５mmとするためには、リブ１２の厚みを０．５mm以下とする必要があっ
た。第２実施形態では、風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側の角と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側の角に、リブ１２を受け入れる切り欠き部１３を形成した。これにより、間隙９の幅をリブ１２の厚みより小さくすることができるので、金型製作の都合でリブ１２の厚みが大きくなったとしても、間隙９を、風上側コルゲートフィン６Ｕの風下側端部に付着した水滴と風下側コルゲートフィン６Ｄの風上側端部に付着した水滴の合体が生じ得る大きさにすることができる。

なお、リブ１２は厚みがある程度大きい（例えば２mm）方が押出成型により形成しやす
い。間隙９を大きく（例えば２mm）できる場合には、リブ１２の厚みをそのまま利用する
ことができるので、切り欠き部１３を設ける必要はない。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図熱交換器の拡大部分水平断面図図３の部分をＢ−Ｂ線の箇所で見た正面図第２実施形態を示す図３と同様の拡大部分水平断面図

符号の説明

１熱交換器
２、３ヘッダパイプ
４偏平チューブ
５冷媒通路
６コルゲートフィン
６Ｕ風上側コルゲートフィン
６Ｄ風下側コルゲートフィン
９間隙
１２リブ

Claims

間隔を置いて平行に配置された複数の水平なヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に所定ピッチで複数配置され、内部に設けた垂直な冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた垂直な偏平チューブと、前記偏平チューブ間に配置されたコルゲートフィンとを備えた熱交換器において、
前記コルゲートフィンは、フィン表面が風下側に向かい下り勾配となった風上側コルゲートフィンと、フィン表面が風下側に向かい上り勾配となった風下側コルゲートフィンとからなり、
前記偏平チューブの側面に形成されたリブに前記風上側コルゲートフィンの風下側端と前記風下側コルゲートフィンの風上側端を当接させることにより、前記風上側コルゲートフィンと前記風下側コルゲートフィンとの間に所定の間隙が形成されることを特徴とする熱交換器。
前記リブは垂直方向に連続することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。