JP4856044B2 - 熱交換器 - Google Patents

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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、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からなり、前記風上側コルゲートフィンの風下側端部と前記風下側コルゲートフィンの風上側端部とが所定の間隙を隔てて配置され、前記偏平チューブは、前記風上側コルゲートフィンを溶着した風上側偏平チューブと、前記風下側コルゲートフィンを溶着した風下側偏平チューブに分割され、前記風上側偏平チューブと前記風下側偏平チューブはそれぞれ熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、前記風上側偏平チューブの風上側端部と前記風下側偏平チューブの風下側端部には空気の流通方向と平行に突出するリブが設けられ、前記風上側コルゲートフィンは、前記風上側偏平チューブの風上側端部に設けられたリブの先端に並ぶ位置近傍まで延出され、前記風下側コルゲートフィンは、前記風下側偏平チューブの風下側端部に設けられたリブの先端に並ぶ位置近傍まで延出され、前記風上側偏平チューブの風上側端部に設けられたリブと前記風上側コルゲートフィンとの間、または前記風下側偏平チューブの風下側端部に設けられたリブと前記風下側コルゲートフィンとの間に排水溝が形成されてい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。そして風上側コルゲートフィンの斜面あるいは風下側コルゲートフィンの斜面を流下して両フィンの合わせ目に至った除霜水や結露水は、偏平チューブの側面に形成された中央排水溝から排水されるので、排水をスムーズに行うことができる。
また、除霜水や結露水を偏平チューブの風上側の縁と風下側の縁から効率よく排水することができる。こ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。
また、風上側コルゲートフィンと風下側コルゲートフィンをカバーする奥行きの単一の偏平チューブを用いるのに比べ、偏平チューブの押出成型金型を小型にでき、金型コストを引き下げることができる。偏平チューブとコルゲートフィンを溶着する際の冶具も小型化できるから、冶具コストも低下する。
上記構成の熱交換器において、前記風上側偏平チューブと風下側偏平チューブは、各々風上側端部と風下側端部に空気の流通方向と平行に突出するリブが設けられており、前記風上側偏平チューブの前記風上側コルゲートフィンは、前記風上側偏平チューブの風下側端部に設けられたリブの先端に並ぶ位置近傍まで延出され、前記風下側端部に設けられたリブと前記風上側コルゲートフィンとの間に風下側端部排水溝が設けられ、前記風下側偏平チューブの前記風下側コルゲートフィンは、前記風下側偏平チューブの風上側端部に設けられたリブの先端に並ぶ位置近傍まで延出され、前記風上側端部に設けられたリブと前記風下側コルゲートフィンとの間に風上側端部排水溝が設けられ、前記風下側端部排水溝と前記風上側端部排水溝が合体して前記中央排水溝が形成されることが好ましい。
このような構成にすれば、中央排水溝の形成が簡単になる。
上記構成の熱交換器において、前記風上側偏平チューブの風下側端部と、前記風下側偏平チューブの風上側端部にも、空気の流通方向と平行に突出するリブが設けられており、前記風上側偏平チューブの風下側端部の前記リブと前記風下側偏平チューブの風上側端部の前記リブを突き合わせることにより、前記風上側コルゲートフィンと風下側コルゲートフィンの前記合わせ目に所定の間隙が形成されることが好ましい。
このような構成にすれば、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熱交換器の生産が容易になる。
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、除霜水や結露水の排水経路を確保して、排水がスムーズに行われるようにすることができる。
以下本発明の第1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の部分をB−B線の箇所で見た正面図である。
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。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と風下側コルゲートフィン6Dに合わせて、偏平チューブ4も風上側偏平チューブ4Uと風下側偏平チューブ4Dに分割されている。風上側コルゲートフィン6Uは風上側偏平チューブ4Uに溶着され、風下側コルゲートフィン6Dは風下側偏平チューブ4Dに溶着される。風上側偏平チューブ4U及び風下側偏平チューブ4Dの内部には、図3に示すように、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、そのため風上側偏平チューブ4U及び風下側偏平チューブ4Dはハーモニカのような断面を呈している。
風上側偏平チューブ4Uの風上側端部と風下側端部には、空気の流通方向と平行に(言い換えれば、風上側または風下側に向かって)突出するうね状のリブ10Uが設けられている。風下側偏平チューブ4Dの風上側端部と風下側端部にも、空気の流通方向と平行に(言い換えれば、風上側または風下側に向かって)突出するうね状のリブ10Dが設けられている。本実施形態ではリブ10Uは風上側偏平チューブ4Uに、リブ10Dは風下側偏平チューブ4Dに、それぞれ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の長さを風上側偏平チューブ4Uの長さと同じとせず、風上側偏平チューブ4Uの上端及び下端とリブ10U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、同様に、リブ10Dの長さを風下側偏平チューブ4Dの長さと同じとせず、風上側偏平チューブ4Dの上端及び下端とリブ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、風上側偏平チューブ4U及び風下側偏平チューブ4D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。
リブ10Uを含めた風上側偏平チューブ4Uの断面形状はリブ10Dを含めた風下側偏平チューブ4Dの断面形状と同一である。すなわち風上側偏平チューブ4Uと風下側偏平チューブ4Dは同一の金型で成型することができる。
風上側コルゲートフィン6Uの風下側端部は、風上側偏平チューブ4Uの風下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はリブ10Uの先端まで達していない)まで延出され、風下側コルゲートフィン6Dの風上側端部は、風下側偏平チューブ4Dの風上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はリブ10Dの先端まで達していない)まで延出されている。
風上側コルゲートフィン6Uの風上側端部は、風上側偏平チューブ4Uの風上側端部に設けられたリブ10Uの先端に並ぶ位置まで達しないという構成の他、リブ10Uの先端に並ぶ位置と面一である構成、またはリブ10Uの先端よりもさらに風上側に延出する構成も可能である。
風下側コルゲートフィン6Dの風下側端部は、風下側偏平チューブ4Dの風下側端部に設けられたリブ10Dの先端に並ぶ位置まで達しないという構成の他、リブ10Dの先端に並ぶ位置と面一である構成、またはリブ10Dの先端よりもさらに風下側に延出する構成も可能である。
偏平チューブ4を風上側偏平チューブ4Uと風下側偏平チューブ4Dに分割したことにより、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をカバーする奥行きの単一の偏平チューブを用いるのに比べ、偏平チューブの押出成型金型を小型にでき、金型コストを引き下げることができる。風上側偏平チューブ4Uと風上側コルゲートフィン6Uの溶着、及び風下側偏平チューブ4Dと風下側コルゲートフィン6Dの溶着の際に用いる冶具も小型化できるから、冶具コストも低下する。このようにして、熱交換能力の大きい熱交換器を比較的安価に製造できるようにするという目的も達成することができる。
正面から見たリブ10U、10Dの幅は風上側偏平チューブ4U及び風下側偏平チューブ4D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。
風上側偏平チューブ4Uと風下側偏平チューブ4Dは空気の流れ方向において直列に配置される。その際風上側偏平チューブ4Uの風下側端部のリブ10Uと、風下側偏平チューブ4Dの風上側端部のリブ10Dの、先端同士が突き合わせられる。リブ10Uと10Dが突き合わせられたとき、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の間には間隙9が形成される。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。
間隙9を形成するのに、上記とは異なる手法を用いることもできる。例えば、コルゲートフィン6を製造する際、コルゲートフィン6と同じ幅の長方形状アルミニウム板に、その長手方向と斜めに交わるようにコルゲートのうね形状を形成すると、完成したコルゲートフィン6の端部は真っ直ぐにはならず、凹凸が生じる。凸部がリブ10U、10Dよりも突出するようにしておけば、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を突き合わせたとき、凸部同士の間に接触が生じ、接触しない部分が間隙9となる。
風上側偏平チューブ4Uの風下側の端のリブ10Uと、風下側偏平チューブ4Dの風上側の端のリブ10Dの、先端同士を突き合わせることにより、風上側偏平チューブ4Uの風下側に形成された排水溝11Uと風下側偏平チューブ4Dの風上側に形成された排水溝11Dが合体して、1個の垂直な中央排水溝12が形成される。中央排水溝12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の合わせ目に並ぶ。なお中央排水溝12の「中央」とは偏平チューブ4の前端と後端の間を漠然と指す概念であり、厳密に中央に存在することを求めるものではない。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の空気の流れ方向の長さ比率が変化して、合わせ目の位置がずれたとしたら、それに合わせてずらせばよい。
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の場合(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)、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、それは風上側偏平チューブ4Uの風上側の排水溝11Uと、風下側偏平チューブ4Dの風下側の排水溝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、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の合わせ目のところで、中央排水溝12から排水される。
風上側コルゲートフィン6Uの斜面を伝って流下した水滴と風下側コルゲートフィン6Dの斜面を伝って流下した水滴が間隙9で出会うこともある。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、中央排水溝12、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。
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。勾配がきつくなると、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2と同様の断面図である。図5では紙面左側が風上側、紙面右側が風下側となる。
第2実施形態では、偏平チューブ4とコルゲートフィン6に留まらず、ヘッダパイプ2、3も風上側ヘッダパイプ2U、3Uと風下側ヘッダパイプ2D、3Dに分割した。風上側偏平チューブ4U及び風上側コルゲートフィン6Uは風上側ヘッダパイプ2U、3Uの間に配置されている。風下側偏平チューブ4D及び風下側コルゲートフィン6Dは風下側ヘッダパイプ2D、3Dの間に配置されている。
本発明の第3実施形態を図6に示す。図6は図3と同様の拡大部分水平断面図である。図6では紙面左側が風上側、紙面右側が風下側となる。
第3実施形態の偏平チューブ4は、風上側と風下側に分割されていない。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
し、偏平チューブ4の長手方向に連続するリブ10Uが設けられ、風上側コルゲートフィン6Uとの間に垂直な排水溝11Uを構成している。偏平チューブ4の風下側端部には、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)突出し、偏平チューブ4の長手方向に連続するリブ10Dが設けられ、風下側コルゲートフィン6Dとの間に垂直な排水溝11Dを構成している。偏平チューブ4の側面には中央排水溝12を構成する凹部が形成されている。
上記実施形態では、風上側偏平チューブ4Uの冷媒通路5と風下側偏平チューブ4Dの冷媒通路5とは、断面形状、断面面積、個数がそれぞれ等しいものとしたが、それらが相違していてもよい。また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の上り勾配が同じ角度になっているが、異なる角度であってもよい。さらに、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の長さが等しくなっているが、異なる長さであってもよい。
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2と同様の断面図 第3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
4U 風上側偏平チューブ
4D 風下側偏平チューブ
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
10U、10D リブ
11U、11D 排水溝
12 中央排水溝

Claims (2)

  1. 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からなり、前記風上側コルゲートフィンの風下側端部と前記風下側コルゲートフィンの風上側端部とが所定の間隙を隔てて配置され、
    前記偏平チューブは、前記風上側コルゲートフィンを溶着した風上側偏平チューブと、前記風下側コルゲートフィンを溶着した風下側偏平チューブに分割され、前記風上側偏平チューブと前記風下側偏平チューブはそれぞれ熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、
    前記風上側偏平チューブの風上側端部と前記風下側偏平チューブの風下側端部には空気の流通方向と平行に突出するリブが設けられ、
    前記風上側コルゲートフィンは、前記風上側偏平チューブの風上側端部に設けられたリブの先端に並ぶ位置近傍まで延出され、
    前記風下側コルゲートフィンは、前記風下側偏平チューブの風下側端部に設けられたリブの先端に並ぶ位置近傍まで延出され、
    前記風上側偏平チューブの風上側端部に設けられたリブと前記風上側コルゲートフィンとの間、または前記風下側偏平チューブの風下側端部に設けられたリブと前記風下側コルゲートフィンとの間に排水溝が形成されていることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記風上側偏平チューブの風下側端部と、前記風下側偏平チューブの風上側端部にも、空気の流通方向と平行に突出するリブが設けられており、前記風上側偏平チューブの風下側端部の前記リブと前記風下側偏平チューブの風上側端部の前記リブを突き合わせることにより、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の前記合わせ目に所定の間隙が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。
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