JP4607471B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳しくは、チューブとチューブとの間に介在するフィンに沿って流動する空気をより効果的に前記チューブ後方にまでガイドし得るように傾斜角度および空気の流動に変動を与える要素を構造的に変更した熱交換器に関する。

一般に、熱交換器は、空調機などにおいて冷媒と空気との熱交換を行うための装置であって、フィン−チューブ式熱交換器が主流となっており、通常、蒸発器または凝縮器として機能する。
また、フィン−チューブ式熱交換器において、冷媒を流動させるチューブに挿着されるフィンとしては、スリットフィン、ルーバーフィン、Ｗ字形状のコルゲートフィンなどが挙げられる。

従来のコルゲートフィンが採用された熱交換器が、図２２に示されている。
同図に示されたように、熱交換器１は、一定間隔離間して配設され、逆Ｗ字形を呈するコルゲートフィン１０と、冷媒が流動し、前記フィン１０と直交して貫通する多数のチューブ３０とで構成される。
ここで、前記フィン１０は、チューブが貫通しない領域（即ち、傾斜領域）に所定の傾斜角度で互いに交叉して連設される山部１２および谷部１４と、フィン中心をチューブ３０が貫通するようにフィン中心に設けられたフィンカラー１６と、前記フィンカラー１６を支持する同心円状のシート１８とで構成される。

以下、前述のような従来のコルゲートフィンが設けられた熱交換器を、添付の図２２乃至図２５に基づいて説明する。
図２２は、従来のコルゲートフィンが設けられた熱交換器を示す斜視図である。
同図に示されたように、熱交換器１は、フィン−チューブ式のものであって、多数のフィン１０と多数のチューブ３０とが互いに直角に交叉し、所定間隔離間して配置される構造で、２列のチューブ３０が互いに連結されたフィン１０に貫通して直交する構造となっている。
前記フィン１０は、コルゲートフィン（以下、「フィン」と略する）であって、ドーナツ状の偏平な部分と、山と谷とが連なる緩やかなＷ字形状の傾斜部とからなり、縦方向に配列されるチューブ３０に沿って多数のフィンが所定間隔離間して配設される。なお、以下、山部の頂点は、「頂点部」と、谷部の底点は、「底点部」と呼ぶことにする。

図２３および図２４に示されたように、それぞれのフィン１０は、２つの頂点部（山部）１２ａ、１２ｂ（１２）と、３つの底点部（谷部）１４ａ、１４ｂ、１４ｃ（１４）とが互いに交叉しており、底点部１４ａから始まって底点部１４ｃで終わる。かかるフィン１０を複数連結して使用する場合、一般に、２列のチューブ３０が熱交換効率の向上のためにジグザグ状に配列される。
即ち、前記フィン１０は、１つのチューブ列に対して２つの頂点部１２ａ、１２ｂと３つの底点部１４ａ、１４ｂ、１４ｃとが交叉する方式で谷−山−谷−山−谷の形態となり、中間の底点部１４ｂの中心線上においてフィン形状が互いに対称となり、また、チューブが貫通される。

そして、フィン１０の中心部に縦方向に設けられるフィンカラー１６は、円柱状に突出し、その内部に形成されたチューブ挿入口１６ａを介してチューブ３０が挿入され、面接触する。
また、前記フィンカラー１６の外周面下端には、同心円状のシート１８が設けられる。前記同心円状のシート１８は、前記フィン１０の製作時に前記フィンカラー１６がチューブ挿入口１６ａと同心をなしながら一定高さに突出し得るように支持すると共に、流動する空気がチューブ３０およびフィンカラー１６の周囲を取り囲むように流動されるようにガイドする。

また、前記シート１８の周りには、チューブ３０の周囲を取り囲みながら流動中の空気が前記チューブ３０周囲から外れないように山部傾斜面２０が形成される。前記山部傾斜面２０は、前記シート１８から隣接した山部１２に向かって所定角度で上向き傾斜するように連設される構造である。
また、前記シート１８と前記フィン１０の谷部１４とは、同一線上に位置し、谷部１４および山部１２の相対的な高さＨ１、Ｈ２は、同じ高さとなる。即ち、Ｈ１＝Ｈ２であり、Ｈ１は、谷部１４を基準にした隣接する山部の高さで、Ｈ２は、山部１２を基準にした隣接する谷部１４の高さであって、互いに同じ傾斜角度で傾斜している。

図２５は、前記フィンの正面図および背面図であって、図２５の（ａ）における山部１２は、図２５の（ｂ）における谷部１４となり、谷部１４は、山部１２となる。
かかる熱交換器１は、空気が流入されると、フィン１０の表面に発生する霜の厚さやフィン１０の表面における熱伝達に比例するが、この時、縦方向のチューブ３０とチューブ３０との間のフィン領域においては流動中の空気の速度が増加する高速流が発生し、これによって、熱伝達係数が増加し、フィン１０の表面に形成される霜層が速く成長するようになる。

前述のようにフィン１０表面に霜層が成長されると、隣接したフィン１０間の距離が狭くなるため、空気通過面積が減少し、これによって、空気の流速が一層速くなる現象が発生する。これに対する空気の圧力損失は、経時的に放物線状に増加し、熱交換器の伝熱量も大きく減少するという問題点があった。

なし

本発明の第１の目的は、コルゲートフィン上にチューブ中心が通る個所を基準にして両側に２つ以上の山部および谷部が互いに異なる高さに交叉して連設されることにより、既存の同じ高さを有する山部および谷部の構造に比べて熱交換器の放熱効率を向上させるようにした熱交換器を提供することにある。
本発明の第２の目的は、チューブ間の領域上に、フィン内側に形成される山部または谷部の高さよりフィン外側に形成される山部または谷部の高さが相対的に高く形成されるようにした熱交換器を提供することにある。

本発明の第３の目的は、フィンの中間の谷部を中心に互いに対称となる構造で、外側山部の高さより内側山部の高さを低く形成させることにより、内部の空気通過面積の増大および流動空気量の増大をはかるようにした熱交換器を提供することにある。
本発明の第４の目的は、フィンの中間谷部と外側山部との間を連結する面が他の傾斜面より短い構造を有する熱交換器を提供することにある。
本発明の第５の目的は、フィンの中心部に平板状の谷部を形成させることができるようにした熱交換器を提供することにある。

本発明の第６の目的は、フィンの谷部の高さを前記山部の高さより小さく形成させると共に前記フィンの谷部からシートまで傾斜部を形成させることにより、前記チューブの間を流動する空気をより効果的に通過させるようにした熱交換器を提供することにある。

本発明の実施例に係る熱交換器は、冷媒が流動し、所定間隔離間して配置される多数のチューブと、前記チューブが直角に貫通し、一定の間隔で多数配置され、空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも４つ以上の山部および谷部が所定の高さ差で交互に連設されたフィンとを備えることを特徴とする。全ての谷部は、水平面に設置され、水平面から山部までの深さは、それぞれ異なる。フィンは、同一線上の谷部を基準に最外郭山部の高さが同一であり、フィン内部の他の山部の高さが同一であり、最外郭山部の高さと異なる。

また、前記フィンは、多数の山部および谷部からなる傾斜領域と、前記傾斜領域の間にフィン中心に沿って所定間隔離間して配置され、内部に前記チューブが貫通するチューブ挿入口を形成させ、一定の高さに突出してチューブを支持するフィンカラーと、前記フィンカラーの下端外周面に設けられる同心円状のシートと、前記シート外側に連なる曲率を底辺とし、所定の傾斜角度で前記山部に連なる傾斜面とを有することを特徴とする。

以下に説明するように、本発明によれば、フィンのチューブ領域間に傾斜面を有して形成される山部および谷部が互いに異なる高さを有することにより、前・後フィン間の空気流動面積が増加して圧力損失が低下し、熱電圧量は増加するため、全体として熱交換器の効率が向上する。
また、フィンの傾斜領域間に一定の幅（広さ）を有する平板状の谷部を形成させることにより、当該領域における空気の流動に変動を与えることで圧力損失が減少し、熱伝達量は増加するため、全体として熱交換器の効率が向上するという効果を奏する。

以下、本発明に係る熱交換器の好適な実施例を添付の図面に基づいて説明する。

［第１の実施例］
図１乃至図８は、本発明の第１の実施例を示すものである。
図１乃至図３に示されたように、熱交換器１０１は、所定間隔離間して配置されるフィン１１０と、冷媒が流動し、前記フィン１１０に直交して貫通し、一定間隔離間して配置されるチューブ１３０とで構成される。

前記フィン１１０は、所定の傾斜角度で傾斜して互いに交叉するように連設される少なくとも４つ以上の山部１１２および少なくとも５つ以上の谷部１１４と、前記チューブ１３０が直交して貫通する冷媒流入口１１６ａを有するフィンカラー１１６と、前記フィンカラー１１６を支持するシート１１８と、前記シート１１８の外径において山部１１２の間を傾斜した面で連結する傾斜面１１８とで構成される。
また、前記フィン１１０は、フィンカラー間の領域に少なくとも４つの頂点部（山部）１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ（１１２）とこれに連なる底点部（谷部）１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ（１１４）が互いに所定の傾斜角度で交叉して連設される。

また、空気の流動に変動を与えるために前記第２の頂点部１１２ｂおよび第３の頂点部１１２ｃの高さを第１の頂点部１１２ａおよび第４の頂点部１１２ｄの高さより低く形成してチューブ１３０の間を流動する空気がチューブ１３０の後方にまでより効果的に流動されるように構成されている。
以下、前述のような本発明の第１の実施例による作用および効果について説明する。
図１乃至図４に示されたように、熱交換器１０１は、フィン−チューブ式のものであって、逆Ｗ字形状のコルゲートフィンがチューブ１３０に対して直交し、所定間隔離間して配置される。

かかるフィン１１０は、一定間隔のチューブ１３０が貫通するフィンカラー領域とチューブ１３０が貫通しないフィンカラー１１６間の領域（即ち、傾斜領域）とに分けられ、傾斜領域の頂点および底点が互いに異なる高さに形成される。
また、前記フィンカラー間の領域上に互いに交叉して一定個数以上形成される山部（頂点部）１１２および谷部（底点部）１１４が互いに異なる高さおよび深さを有することで流入される空気の流動に変動を加えるようにする。

このため、前記フィン１１０は、４つの頂点部（山部）１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ（１１２）およびこれらを互いに連結する底点部（谷部）１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ（１１４）が互いに異なる角度の傾斜面で交叉して連設される。また、空気の流入および流出のために底点部１１４ａから始まり、頂点部１１４ｅで終わる。
また、フィン１１０の中間の底点部１１４ｃを基準に左・右側に２つの山部１１２ａ、１１２ｄ；１１２ｂ、１１２ｃが互いに対称的に形成され、互いに異なる高さおよび深さを有する。実施例として、フィンの中心は、頂点の個数によって中間の山部を基準に対称的に形成させることもできる。

ここで、図２のように前記各底点部（谷部）１１４ａ〜１１４ｅ（１１４）は、互いに同一線上に位置し、頂点部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが互いに異なる高さおよび角度をもって形成される構造である。
なお、前記各底点部１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅについては、第１の底点部１１４ａは、フィンの開始線上に位置し、第２の底点部１１４ｂは、第１の頂点部１１２ａと第２の頂点部１１２ｂとの間の境界線上に位置し、第３の底点部１１４ｃは、前記第２の頂点部１１２ｂと第３の頂点部１１２ｃとの間の境界線上に位置し、第４の底点部１１４ｄは、第３の頂点部１１２ｃと第４の頂点部１１２ｄとの間の境界線上に位置し、第５の底点部１１４ｅは、フィンの終了線上に位置する。

なお、空気の流入・流出方向を基準にフィン内側の頂点部１１２ｂ、１１２ｃとフィン外側の頂点部１１２ａ、１１２ｄの高さは、互いに異なる。
図２および図３に示されたように、フィンの谷部１１４は、互いに同一線上に位置し、前記フィンの谷部１１４を基準にフィンの山部１１２がフィンの外側に位置するか内側に位置するかによって所定の高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３に形成される。即ち、中間の底点部１１４ｃの底点ラインを基準に左・右側の山部および谷部が互いに対称的となって異なる高さおよび異なる角度をもって形成される。

実施例として、同一線上に位置したフィンの谷部１１４の底点を基準線にして内部頂点部１１２ｂ、１１２ｃの高さＨ１２、Ｈ１３は、最外郭頂点部１１２ａ、１１２ｄの高さＨ１１より低く形成される。
換言すれば、フィン１１０の谷部１１４の底点を基準に第１および第４の頂点部１１２ａ、１１２ｄの高さＨ１１は、互いに同一であり、フィン１１０の第２および第３の頂点部１１２ｂ、１１２ｃの高さＨ１２、Ｈ１３は、Ｈ１１とは異なる高さで互いに同じく形成させる。また、前記第２および第３の頂点部１１２ｂ、１１２ｃの高さＨ１２、Ｈ１３は、第１および第４の頂点部１１２ａ、１１２ｄより低く形成される。ここで、フィン１１０のピッチ間隔を内部において相対的に狭く、外部において相対的に広く形成することもできる。

前記チューブ１３０間の領域に流入される空気は、前記フィン内部がフィン外部より低い山部１１２の構造によって空気流動の変動が既存のものに比べて大きく発生するため、チューブ１３０の後方にまでより効果的に流動されるようにガイドすると共に、前記チューブ１３０の間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は、低減し、熱伝達量は、増加する。

具体的に、外気と最初に接触するフィン１１０の第１の底点部１１４ａを基準に第１および第４の頂点部１１２ａ、１１２ｄの高さは、共にＨ１１であり、第２の底点部１１４ｂを基準に第２の頂点部１１２ｂの高さは、Ｈ１２であり、第２の底点部１１４ｂを基準に第２の頂点部１１２ｂおよび第３の頂点部１１２ｃの高さは、共にＨ１３である時、Ｈ１１＞Ｈ１２＝Ｈ１３となる。実施例として、高さＨ１１＜Ｈ１２＝Ｈ１３、または、Ｈ１１＞Ｈ１２＞Ｈ１３の順に形成することもできる。

前述の本発明において、フィン１１０の内側頂点部１１２ｂ、１１２ｃの高さＨ１２、Ｈ１３は、最外郭頂点部１１２ａ、１１２ｄの高さＨ１１より高くなってはいけない。例えば、第１および第４の頂点部１１２ａ、１１２ｄの高さＨ１１が第２および第３の頂点部１１２ｂ、１１２ｃの高さＨ１２、Ｈ１３より高い構造にしても、それぞれの高さがＨ１１≠Ｈ１２≠Ｈ１３となれば良い。本発明においては、同一な頂点部高さ（Ｈ１１＝Ｈ１２＝Ｈ１３）を有する熱交換器に比べて相対的に圧力損失は低減し、熱伝達量は、増加するという効果が得られる。

実施例として、フィンの山部１１２の頂点が同一線上に形成され、これを基準にフィンの内側底点部１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄの高さ（深さ）を外側底点部１１４ａ、１１４ｄの高さより低く形成させる。また、フィンの内側底点部１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄのうち中間の底点部１１４ｃの高さを相対的に低くまたは高く形成させることもできる。
実施例として、フィンにおいて特定の谷部または山部を基準にしてフィンの内部に行くほど高さが低く、フィンの外部に行くほど高さが高くなる山部または谷部を形成させることもできる。

なお、前記フィン１１０の中間底点部１１４ｃを基準にして縦方向に形成されたフィンカラー１１６は、所定の高さに突出してチューブの外径に対応するチューブ挿入口１１６ａを介して貫通するチューブ１３０を支持および固定する。
また、前記フィンカラー１１６の外周面下端に設けられた同心円状のシート１１８は、前記フィンカラー１１６を支持するように一定半径の幅を有し、第２、第３および第４の底点部１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄと同じ高さで連結される。

また、山部傾斜面１２０は、前記シート１１８の外径を底辺とし、２つの谷部１１４ｂ、１１４ｃ；１１４ｃ、１１４ｄおよび１つの山部１１２ｂ；１１２ｃにそれぞれ連なる傾斜した面に形成される。かかる山部傾斜面１２０は、流動中の空気が前記フィンカラー１１６の外面に沿って流動するようにガイドする。
また、山部傾斜面１２０は、第２および第３の頂点部１１２ｂ、１１２ｃに連なる場合、傾斜した面が三角形状となり、第１および第４の頂点部１１２ａ、１１２ｄに連なる場合、傾斜した面が長方形状となる。かかる傾斜した面が所定の曲率でフィンカラー１１６の外壁としての機能を行うこととなる。

図４に示された本発明の第１の実施例において、（ａ）は、前記フィンの正面図であり、（ｂ）はその背面図である。かかる図４においては、フィンをチューブに挿着する方向に沿って正面から見てフィンの山部が、反対側においては谷部となるため、本発明は、フィンの山部を基準に谷部の高さを異ならせることができる。

図５は、本発明の第１の実施例に係るフィンの他の構造を適用した例を示すものである。
同図に示されたように、フィンの第１乃至第４の頂点部（山部）１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ（１５２）は、同一線上に位置し、第１および第５の底点部１５４ａ、１５４ｅの高さＨ１１’および第２および第４の底点部１５４ｂ、１５４ｄの高さＨ１２’、第３の底点部１５４ｃの高さＨ１３’は、山部１５２を基準にしてフィンの中心部から外側に行くほどだんだん高くなる構造となっている。即ち、Ｈ１１’＞Ｈ１２’＞Ｈ１３’となる。かかるフィン構造の場合、フィンカラー１５６の下端シートとそれぞれの谷部１５４とは、互いに異なる線上に形成されることもできる。

図６は、本発明の第１の実施例に係るフィンの他の構造を示すものである。
同図に示されたように、フィン１１０において第１乃至第４の頂点部（山部）１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄ（１６２）は、同一線上に位置し、特定の山部の水平線上を基準に最外郭底点部１６４ａ、１６４ｅを除いた底点部１６４ｂ〜１６４ｄの深さＨ１４は、互いに同じ深さを有する。即ち、頂点部１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄを基準に第１の底点部１６４ａおよび第５の底点部１６４ｅは、Ｈ１１であり、第２乃至第４の底点部１６４ｂ、１６４ｃ、１６４ｄの深さは、共にＨ１４である時、Ｈ１１＞Ｈ１４の構造となる。かかる構造のフィンにおいて、フィンカラーの下端シートとそれぞれの谷部とは、互いに異なる線上に形成されることもできる。

前述の第１の実施例に係るフィン構造は、多数の山部および谷部が所定の傾斜角度または高さ差をもって傾斜した面として形成されるため、既存のものに比べて空気との接触面積が増大され、流動の変動をより多く発生させた構造となる。また、多数の山部または谷部のうちのいずれか１つの谷部または山部を基準にして互いに異なる線上の高さを有するように形成させることもできる。また、複数の山部または谷部が同一線上に位置し、中間の谷部または山部に行くほど低くなる構造とすることで、フィン内部における流動空気に変動を加えて流速を増大させることもできる。

また、フィンの中心部が谷部または山部のどちらにもなり得るが、これにより、山部および谷部の個数が変わることもできるが、フィンの内部が外部よりは低く形成されることが好ましい。
図６および図７は、本発明の第１の実施例に係る熱交換器の空気の流動状態を示す図である。図６は、単一フィンの場合、図７は、複数のフィンを結合させた場合の空気流動状態を示す図である。

図６に示されたように、外気が流入されると、外気は、多数の頂点部（山部）１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ（１１２）および底点部（谷部）１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ（１１４）に沿って一定回数以上上昇および下降しながらチューブの間を速く流動するため、既存のフィンに比べて空気接触面が増大することとなる。
また、流入される空気は、第１の頂点部１１２ａを介して流入された後、第２および第３の頂点部１１２ｂ、１１２ｃ、また、第４の頂点部１１２ｄに沿って変化することで流動中の空気の流速が速くなり、熱伝達効率が向上する。

また、フィン１１０に形成された山部１１２のうち空気の流入・流出側に位置した第１の頂点部１１２ａおよび第４の頂点部１１２ｄの高さＨ１１は、第２の頂点部１１２ｂおよび第３の頂点部１１２ｃの高さＨ１２、Ｈ１３より高く形成されるため、チューブ１３０と直交する前・後フィン１１０間の間隔が既存のものに比べて一層広くなり、チューブ１３０間の空気通過面積が既存のものに比べて増加することとなる。空気通過面積が増加すると、前記チューブ１３０の間を通過する高速流の圧力損失が減少して熱伝達量が増加する効果があり、全体として熱交換器の圧力損失を低減することができる。

また、チューブ１３０が貫通する部分にフィンカラー、シート、山部傾斜面を形成させることにより、流入される空気がチューブ曲率および山部傾斜面に沿ってチューブの後方にまで流動されるため、円滑に流動をガイドすることができる。
以下、前述のような空気の流動特性を詳述する。
チューブ１３０とチューブ１３０との間を空気が高速で通過する場合、前記チューブ１３０とチューブ１３０との間を通過する高速流の空気は、フィン内部および外部の間の高さ差により既存のものに比べて熱伝達が減少し、これにより、霜層の成長が遅延される。従って、着霜下でも従来より高い熱量を維持して熱交換能力を向上させ、長時間の運転が可能となる。

図８は、図７と同様な構造のフィンを二重連結とし、チューブをジグザグ状に直交させて配置する構造である場合における空気流動方向を示す図であって、チューブが配置されるフィン領域（即ち、チューブ領域）とチューブが配置されないフィン領域（チューブ間のフィン領域）へ空気が流動する場合、チューブがジグザグ状に配列されているため、空気流動は、各領域において単一フィンを流動する空気流動とほとんど同様であることがわかる。

前述のような第１の実施例に係る熱交換器は、空気の流動方向を基準にフィンの内側山部の高さが空気の入口側・出口側に位置した山部の高さより低く形成させることにより、チューブとチューブとの間を流動する空気がより速く流入および流出され、従来に比べて効果的にチューブの後方にまで外気をガイドすることができる。また、前記チューブとチューブとの間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は低下し、熱伝達量および熱交換量は増加するため、熱交換器の効率が向上するという効果が得られる。

［第２の実施例］
図９乃至図１４は、本発明の第２の実施例を示すものである。
図９に示されたように、フィン２１０は、フィンカラー２１６間の領域に２つの頂点部（山部）２１２ａ、２１２ｂ（２１２）および３つの底点部（谷部）２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ（２１４）で構成される。前記谷部２１４は、頂点部２１２ａ、２１２ｂの外側に連なる第１および第３の底点部２１４ａ、２１４ｃおよび山部２１２の内側に形成される平板状の第２の底点部２１４ｂで構成される。
ここで、第２の底点部２１４ｂは、第１および第３の底点部２１４ａ、２１４ｃと同一線上に位置し、一定の幅でチューブ間に形成される。

以下、前述のような本発明の第２の実施例について添付の図面を参照して説明する。
図９および図１０に示されたように、フィン２１０は、山部２１２および谷部２１４が連続的に交叉して連設され、前記山部２１２が谷部２１４を基準に同じ高さに形成される。これとは反対に、谷部２１４を基準に山部２１２の高さが同一線上に形成される。
ここで、前記チューブの間および山部間の領域に第２の底点部２１４ｂが形成される。

前記フィン２１０の中央に形成される第２の底点部２１４ｂは、第１の頂点部２１２ａと第２の頂点部２１２ｂとの間に形成される平板状の谷部であって、第１および第３の底点部２１４ａ、２１４ｂｃと同一線上に位置する。また、第２の底点部２１４ｂは、一定の幅Ｗでチューブ外径よりは狭くチューブ内径よりは大きな幅を有し、チューブとチューブとの間において同一線上に形成される。

なお、空気の流入方向を基準にフィン２１０の外側にそれぞれ形成された頂点部（山部）２１２ａ、２１２ｂ（２１２）は、互いに同じ高さＨ２１を有し、前記頂点部２１２ａ、２１２ｂの間に一定の幅を有する第２の底点部２１４ｂが形成されるため、前・後フィンは、第２の底点部２１４ｂ間の距離によってフィン２１０とフィン２１０との間の空気通過面積は、増大する。
また、隣接したチューブ２３０の間を流動する空気がチューブ２３０の後方にまでより効果的に流動されるようにすると共に、前記チューブ２３０とチューブ２３０との間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は、低減し、熱伝達量は、増加する。

また、前記フィン２１０の第２の底点部２１４ｂには、チューブ挿入口２１６ａを介して前記フィン２１０上に貫通するチューブ２３０を支持し得るようにフィンカラー２１６が一定の高さに突出して設けられる。
ここで、前記空気がチューブ２３０の周囲を取り囲むように流動されるように前記フィンカラー２１６に対して同心円状のシート２１８が設けられている。前記シート２１８は、その周りにチューブ２３０の周囲を取り囲みながら流動中の空気が前記チューブ２３０の周囲から外れないように山部傾斜面２２０が形成される。前記山部傾斜面２２０は、前記シート２１８からフィン２１０の各頂点部２１２ａ、２１２ｂに所定の角度で傾斜している。

なお、シート２１８は、前記平板状の第２の底点部２１４ｂに延びるような構造であって、縦方向に隔てられた第２の底点部２１４ｂの間を連結する通路となる。
また、前記第２の底点部２１４ｂの幅Ｗは、着霜下で熱伝達の低下を最小化しながら着霜下における着霜遅延効果を最大化する値と決定することが好ましく、これによるフィンカラー２１６の外径をＷｏ、平板状谷部２１４の幅をＷとする時、フィンカラー２１６の外径Ｗｏと平板状谷部２１４の幅Ｗとの比（Ｗ／Ｗｏ）が１．０＞Ｗ／Ｗｏ＞０．３の条件を満たすように形成されている。

図１１は、本発明の第２の実施例に係るフィンの正面図およびその背面図である。図１２は、本発明の第２の実施例に係るフィンの他の断面構造を示す平面図である。
図１２に示されたように、第１および第２の頂点部２５２ａ、２５２ｂ間に形成された平板状谷部である第２の谷部２５４の高さＨ２２’は、前記頂点部２５２ａ、２５２ｂの高さＨ２１’より低く形成される。
ここで、前記フィンの頂点部２５２ａ、２５２ｂの高さＨ２１’に比べて第２の底点部２５４ｂが低く形成される場合、前記第２の谷部２５４の高さＨ２２’は、頂点部２５２ａ、２５２ｂよりは低く、第１および第３の底点部２５４ａ、２５４ｃよりは高く形成される構造となり、第１および第３の底点部２５４ａ、２５４ｃは、同じ高さに位置する。

図１３は、本発明の第２の実施例が適用されたフィンを通過する空気の流動状態を示す図である。
同図に示されたように、空気の流動状態を円滑に説明するためフィン２１０の第１の底点部２１４ａおよび第１の頂点部２１２ａに空気が流入され、また、第２の頂点部２１２ｂおよび第３の底点部２１４ｃから空気が流出される。
かかるフィン構造により空気が流入されると、狭い間隔のチューブ２３０とチューブ２３０との間においては、空気の速度が増加した状態で前記チューブ２３０の周囲を流動するようになるが、前記空気の圧力は低下し、流動抵抗が大きくなる状態となる。

この時、フィン２１０上に形成された第１の頂点部２１２ａと第２の頂点部２１２ｂとの間に平板状谷部である第２の底点部２１４を形成させることにより、チューブ２３０上に離隔して設けられたフィン２１０とフィン２１０との間の空気通過面積が従来に比べて増加するようになる。前述のように空気通過面積が増加すると、前記チューブ２３０とチューブ２３０との間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は大きく低下する。即ち、平板状谷部を有しない場合に比べて相対的に高速流動領域における熱伝達が減少し、これにより、霜層の成長が遅延される。従って、着霜下でも高い熱量を維持し、熱交換量が増大され、長時間の運転が可能となる。

また、前述のように最外郭山部の間に平板状の谷部を形成することにより、除霜時に融解水がチューブの重力方向の下側、即ち、前記チューブとチューブとの間の平板状谷部へ流動され、熱交換器の下端へ落下し、融解水の排水性能が向上する。
図１４は、フィンが、２列のチューブとするために並んで２列に配置される場合における空気の流動状態を示す図である。

なお、本発明の他の実施例として、チューブ間のフィン領域別に前記第１の実施例に係る少なくとも４つの山部および少なくとも５つの谷部を形成するフィン構造と、外側山部および内側の平板状谷部を形成するフィン構造とを互いに交叉して形成させることもできる。即ち、第１の実施例による構造と第２の実施例による構造とを縦方向に交叉して混用することができる。

また他の実施例として、一定配列を有するチューブにおいて、一番目のチューブ列には第１の実施例によるフィンを適用し、二番目のチューブ列には第２の実施例によるフィンを適用することもできる。また、第１および第２の実施例を左・右フィンにまたは前・後フィンに交叉して適用可能であり、チューブによって多様なパターンを適用することが可能となる。

［第３の実施例］
図１５乃至図２１は、本発明の第３の実施例を示す図である。
図１５乃至図１７に示されたように、熱交換器３０１は、少なくとも２つ以上の山部３１２と谷部３１４とが連設されるが、中間の谷部３１４ｂの高さＨ３２を前記山部３１２の高さＨ３１より低く形成した多数のフィン３１０と、前記フィン３１０上に直角に貫通して設けられる多数のチューブ３３０と、前記フィン３１０に挿着されたチューブ３３０を支持固定するフィンカラー３１６と、前記フィンカラー３１６に対して同心円状に前記フィンカラー３１６の外周面下端に形成されたシート３１８と、前記シート３１８からフィン３１０の山部３１２および谷部３１４に傾斜するように連設され、前記チューブ３３０の周囲を取り囲みながら流動中の空気が前記チューブ３３０周囲から外れないようにする傾斜面３２０とで構成される。

以下、前述のような本発明の第３の実施例に係る熱交換器について添付の図面を参照して説明する。
図１５乃至図１７に示されたように、Ｗ字形状のフィン３１０は、２つの頂点部（山部）３１２ａ、３１２ｂ（３１２）およびそれらの間に３つの底点部（谷部）３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ（３１４）が連設される。前記頂点部３１２ａ、３１２ｂは、同一線上に位置し、前記頂点部３１２ａ、３１２ｂを基準に中間の第２の底点部３１４ｂの高さＨ３２は、第１の底点部３１４ａまたは第３の底点部３１４ｃの高さＨ３１よりは低く形成される。

また、頂点部３１２ａ、３１２ｂは、チューブ挿入口３１６ａに貫通するチューブを支持するため突出したフィンカラー３１６とほとんど同じ高さに位置する。
また、前記フィンカラー３１６の外周辺下端に同心円状のシート３１８が設けられる。前記シート３１８の周りにはチューブ３３０の周囲を取り囲みながら流動中の空気が前記チューブ３３０の周囲から外れないように傾斜面３２０が形成されるが、前記傾斜面３２０は、前記シート３１８からフィン３１０の各山部３１２および谷部３１４に所定の角度で傾斜して連設される。

即ち、シート３１８は、第１の底点部および第３の底点部と同一線上に位置するため、周囲の山部および谷部と連結されるため傾斜面を有し、また、山部および谷部間の短方向に対しても一定の曲率で連結され、山部および山部の間の長方向に対しても一定の曲率で連結される。

また、前記フィン３１０の第２の底点部３１４ｂは、その高さＨ３２が前記山部３１２の高さＨ３１より低く形成されるが、フィン３１０の高さの比（Ｈ３２／Ｈ３１）は、０．７以下となる必要がある。これは、前記チューブ３３０とチューブ３３０との間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失を低減させるためである。実施例として、前記フィン３１０の第２の底点部３１４ｂの高さＨ３２を前記山部３１２の高さＨ３１より低くまたは高く形成することもできる。

なお、前記フィン３１０の第２の底点部３１４ｂの高さＨ３２を前記山部３１２の高さＨ３１より低く形成するためには、前記山部３１２の両側面の傾斜角度を互いに異ならせる。即ち、フィン３１０の山部３１２をなす外側面が前記第２の底点部３１４ｂに連なる内側面より大きな傾斜角度で傾斜している場合、自然に前記山部３１２の内角は、前記第２の底点部３１４ｂの内角よりも鋭角となり、これとは反対に、前記第２の底点部３１４ｂの内角は、前記山部３１２の内角より鈍角となる。
前述の状態で前記フィン３１０の山部３１２の高さＨ３１２に比べてフィン３１０の第２の底点部３１４ｂが小さく形成される場合、前記第２の底点部３１４ｂの高さは、前記山部３１２と前記シート３１８との間に位置することとなる。

図１８は、本発明の第３の実施例に係る図１６に示されたフィンの正面図および背面図である。
図１９および図２０は、本発明の適用された熱交換器を通過する空気の流動状態を示すものであり、図２１は、本発明の適用された熱交換器の熱量および圧力損失を示すフラグである。

図１９に示されたように、フィンに空気が流入される場合、狭い間隔のチューブ３３０とチューブ３３０との間では、空気の速度が増加した状態で前記チューブ３３０の周囲を流動するようになるが、前記空気の圧力は低下し、流動抵抗が大きくなる状態となる。
この時、流動中の空気の流動抵抗を低減させると共に前記チューブ３３０の周囲を流動する空気が前記チューブ３３０の周囲から外れることなく円滑にチューブ３３０の後方にまで流動される。即ち、山部傾斜面３２０およびシート３１８に沿ってチューブ３３０の後方にまで流動される。

図２１に示されたように、フィン３１０の山部３１２の高さＨ３１より前記フィン３１０の底点部３１４ｂの高さＨ３２を小さく形成した構造（Ｈ３１＞Ｈ３２）を介して隣接したフィン３１０間（または間隔）に形成される空気通過面積が、従来の高さ（Ｈ１＝Ｈ２）が同じ構造のフィンのそれより増加することにより、前記チューブ３３０とチューブ３３０との間を流動する空気の速い流動速度に対して発生する圧力損失は大きく低下する。また、着霜下でも既存の同じ高さを有する構造のものに比べて高い熱量を維持し、長時間の運転が可能となる。

また、谷部の高さを山部の高さより小さく形成することにより圧力損失が低減され、これにより、着霜時における熱交換能力を向上させることができる。また、谷部とフィンカラーとの間に傾斜面を設けることにより、チューブ周囲での流動を効果的にチューブの後方にガイドすることができる。

本発明の第１の実施例に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例に係る熱交換器においてフィン構造を示す斜視図である。 図２のＣ−Ｃ’に沿った断面図である。 図２のフィンの正面図および背面図である。 図２のＣ−Ｃ’断面に対するフィンの他の構造を示す断面図である。 図２のＣ−Ｃ’断面に対するフィンの他の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施例に係る熱交換器を通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る熱交換器を通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器においてフィンの構造を示す斜視図である。 図９のＤ−Ｄ’に沿った断面図である。 図９のフィンの正面図および背面図である。 図９のＤ−Ｄ’断面に対するフィンの他の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器を通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器を通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明の第３の実施例においてフィン構造を示す斜視図である。 （ａ）は、図１６のＥ−Ｅ’に沿った断面図、（ｂ）は、図１６のＦ−Ｆ’に沿った断面図、（ｃ）は、図１６のＧ−Ｇ’に沿った断面図である。 図１６のフィンの正面図および背面図である。 本発明の第３の実施例に係るフィンを通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明の第３の実施例に係るフィンを通過する空気の流動状態を示す図である。 本発明が適用された熱交換器の熱量および圧力損失を示すグラフである。 従来の熱交換器を示す斜視図である。 従来のフィンを示す斜視図である。 従来のフィンのＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。 従来のフィンの正面図および背面図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１…熱交換器
１１０、２１０、３１０…フィン
１１２（１１２ａ〜１１２ｄ）、１５２（１５２ａ〜１５２ｄ）、１６２（１６２ａ〜１６２ｄ）、２１２（２１２ａ、２１２ｂ）、２５２（２５２ａ、２５２ｂ）、３１２（３１２ａ、３１２ｂ）…山部（頂点部）
１１４（１１４ａ〜１１４ｅ）、１５４（１５４ａ〜１５４ｅ）、１６４（１６４ａ〜１６４ｅ）、２１４（２１４ａ〜２１４ｃ）、２５４（２５４ａ〜２５４ｃ）、３１４（３１４ａ〜３１４ｃ）…谷部（底点部）
１１６、２１６、３１６…フィンカラー
１１８、２１８、３１８…シート
１２０、２２０、３２０…傾斜面
１３０、２３０、３３０…チューブ

Claims (6)

1. 冷媒が流動し、所定間隔離間して配置される多数のチューブと、
   前記チューブが直角に貫通し、一定の間隔で多数配置され、空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも４つ以上の山部および谷部が所定の高さ差で交互に連設されたフィンと、を備える熱交換器において、
   全ての谷部は、水平面に設置され、前記水平面から前記山部までの高さは、それぞれ異なっており、
   前記フィンは、同一線上の谷部を基準に最外郭山部の高さが同一であり、
   フィン内部の他の山部の高さが同一であり、前記最外郭山部の高さと異なることを特徴とする熱交換器。
2. 冷媒が流動し、所定間隔離間して配置される多数のチューブと、
   前記チューブが直角に貫通し、一定の間隔で多数配置され、空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも４つ以上の山部および谷部が所定の高さ差で交互に連設されたフィンと、
   を備える、熱交換器において、
   全ての山部は、水平面に設置され、前記水平面から前記谷部までの深さは、それぞれ異なり、
   前記フィンは、同一線上の山部を基準に最外郭谷部の高さが互いに同一であり、
   他の内側谷部の高さが互いに同一であり、前記最外郭谷部の高さと異なることを特徴とする熱交換器。
3. 冷媒が流動し、所定間隔離間して配置される多数のチューブと、
   前記チューブが直角に貫通し、一定の間隔で多数配置され、空気の流動に変動を与えるために前記チューブ間の領域上に少なくとも４つ以上の山部および谷部が所定の高さ差で交互に連設されたフィンと、
   を備える、熱交換器において、
   全ての山部は、水平面に設置され、前記水平面から前記谷部までの深さは、それぞれ異なり、
   前記フィンの中心線上を通る中間の谷部を基準に左・右側が対称となった構造であり、左・右側に行くほど山部または谷部の高さが高くなることを特徴とする熱交換器。
4. 前記フィンの山部は、空気が流入・流出される最外郭山部の高さより内側山部の高さが低く形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記フィンは、フィンの中心に沿って所定間隔離間して配置され、内部に前記チューブが貫通するチューブ挿入口を形成させ、一定の高さに突出してチューブを支持するフィンカラーと、
   前記フィンカラーの下端外周面に同心円状に形成されるシートと、
   前記シート外側に連なる曲率を底辺とし、所定の傾斜角度で前記山部に連結されて空気流動をチューブの外径に沿ってガイドする流動ガイド部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記シートは、谷部と同一線上に位置し、一定の幅を有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。

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