JP5281676B2 - クロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン及びそれを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、クロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン及びそれを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器に関し、特に、曲げが施されたクロスフィンチューブ型熱交換器に好適に用いられるアルミニウムフィン及びクロスフィンチューブ型熱交換器に関する。

従来より、空気調和機用の熱交換器として、また、炭酸ガス冷媒を使用したヒートポンプ式給湯器の蒸発器用として、主に、クロスフィンチューブ型熱交換器が用いられている。このクロスフィンチューブ型熱交換器は複数のフィンに対して、複数の伝熱管を垂直方向に差し込み、それらの伝熱管を拡管することによって、フィンと伝熱管を接合させた構造となっている。そして、所定の冷媒を伝熱管内に流通させる一方、伝熱管に対して垂直方向に、フィンに沿って空気が流れるようにすることによって、冷媒と空気との間で熱交換が行われるようになっている。

また、そのようなクロスフィンチューブ型熱交換器は、一般的に、アルミニウムもしくはアルミニウム合金製のフィンと、銅、銅合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の伝熱管にて構成され、１枚のフィンに複数の伝熱管を挿通させた構造とされている。そして、空気調和機用やヒートポンプ式給湯機の蒸発器用として用いられるクロスフィンチューブ型熱交換器は、平板状や平板を折り曲げた形状の熱交換器が用いられており、例えば、特開２００８−１１１６２２号公報（特許文献１）の図３や、特開２００６−２００８７４号公報（特許文献２）の図２において、空気調和機の室外熱交換器として、平板を折り曲げた形状、いわゆるL曲げを施されたクロスフィンチューブ型熱交換器が示されている。

このようなクロスフィンチューブ型熱交換器のL曲げは、例えば、特開平１−２５８８９１９号公報（特許文献３）の第１図に記載されているような装置を用いて行われる。

特開２００８−１１１６２２号公報 特開２００６−２００８７４号公報 特開平１−２５８８９１９号公報

近年、アルミニウムフィンの板厚は、コストダウン目的などの理由で薄くなってきており、
０．０９ｍｍ〜０．１２mm程度の板厚となってきている。そして、アルミニウムフィンの板厚がこのように薄くなると、L曲げ時に曲げ型と強く接触する、曲げ部の内側のアルミフィンが座屈するという問題が生じる。

そして、このような座屈に耐えうる剛性を有することがアルミニウムフィンに要求されてきている。

発明者らは、熱交換率を低下させることなく、L曲げ時の座屈に耐えうる剛性を有するアルミニウムフィンの形状の検討を行ってきた。そして、アルミフィンの適切な位置に適切な寸法形状の突起部を設けることで、L曲げ時の座屈に耐えうる剛性を効果的に付加することができることを見出した。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、曲げ時に座屈の問題を解消することの可能なクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン及びそれを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器用を提供することを目的とする。

第１の発明は、多数のフィンからなるフィン群の配列方向及び前記フィンの長手方向の双方に対して直交する方向に曲げが施されたクロスフィンチューブ型熱交換器に用いられ、前記フィン群を構成するアルミニウムフィンであって、該フィンの両側側面近傍に複数の凸部を有し、該凸部は前記フィンを真上から見た状態で前記フィンの長手方向に対して直角方向に延びた略長円状であり、前記凸部の長さをL（ｍｍ）、前記凸部の幅をｗ（ｍｍ）としたとき、L≧１．５ｗであることを特徴とするクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィンである（請求項１）。

第２の発明は、第１の発明のアルミニウムフィンを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器である（請求項５）。

本発明のクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィンは、フィンの両側側面近傍に、複数の凸部を有することにより、L曲げ等の曲げ時の座屈の問題を効果的に解消するが可能となり、好適なクロスフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

また、本発明のクロスフィンチューブ型熱交換器は、本発明のクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィンを用いることによって、曲げ時に座屈の問題を効果的に解消
した好適なクロスフィンチューブ型熱交換器である。

本発明のアルミニウムフィンを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器の一つの実施形態を示す斜視図である。 図１に示されるクロスフィンチューブ型熱交換器の平面図であり、（Ａ）はＬ曲げ後、（Ｂ）はＬ曲げ前の状態を示す図である。 本発明のアルミニウムフィンの一つの実施形態を示す平面図である。 図３に示される凸部の詳細を示す拡大図であり、（Ａ）は凸部の端がフィン側面にまで至る例、図４（Ｂ）は凸部の端がフィン側面近傍に留まる例を示す図である。 図４（Ｂ）の凸部の断面図である。 本発明のアルミニウムフィンの別の実施形態を示す平面図である。 熱交換器の曲げの形態の一例を示す図である。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

まず、図１には、本発明のアルミニウムフィンを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器の一つの実施形態が斜視図の形態において示されている。そこにおいて、熱交換器１０は、互いに平行に且つ一定距離を隔てて配置された多数枚の平板状のフィン１１からなるフィン群１２の複数が、それぞれ一定距離を隔てて平行に配列されていると共に、それら複数のフィン群１２を順次貫通するように、伝熱管１３が、伝熱管曲げ部１４を介して、蛇行形態において配設されて、構成されている。そして、フィン群１２を曲げ部１５にて折り曲げた形状、いわゆるL曲げを施されたものとなっている。

図２（Ａ）は、図１のクロスフィンチューブ型熱交換器１０のフィン群１３を真上から見た略図である。フィン群１２の曲げ部１５の内側での曲げ半径ＲにてＬ曲げしたものであり、Ｌ曲げを行う前は図２（Ｂ）に示すごとく、熱交換器長さＬｅの直線状の熱交換器である。

なお、フィン１１は、従来と同様に、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金にて形成されている。それらの中でも、伝熱性に優れ、且つフィンとしての強度を確保し得るという観点から、ＪＩＳ Ａ１０５０、ＪＩＳ Ａ１１００、ＪＩＳ Ａ１２００等の他、ＪＩＳ Ａ１０５０の組成にＭｎを０．１〜０．５質量％の割合において含有せしめてなるもの等が、有利に用いられることとなる。一般的には、板厚（ｔ）０．０９〜０．１２ｍｍ、フィン幅（W）１０〜２５ｍｍである。

一方、伝熱管１３は、アルミニウムや銅又はそれらの合金等の金属材料を用いて形成された、略円形形状の断面をもつ管体であって、一般的には、伝熱管外径（D）４〜９．５２ｍｍである。そのような伝熱管の直線部が、フィン群１２を構成する複数枚のフィン１１に形成された伝熱管挿通孔を順次貫通し、伝熱管１３の外周面とそれら複数のフィン１１に形成された伝熱管挿通孔の内周面とが密着せしめられている。

フィン１１に形成された伝熱管挿通孔は、図１においては、フィンの長手方向に１列に、１枚当たり１０個、伝熱管ピッチ（Ｐ）２１ｍｍとしているが、その数、配列、伝熱管ピッチ（Ｐ）はこれに限るものではなく、取付孔を２列に千鳥状に配置することでも構わない。一般的には、伝熱管ピッチ（Ｐ）は１２〜２５．４ｍｍである。また、フィン１１を図１のような細長い長方形状とするのではなく、略正方形状とし、フィン１枚当たり１個の伝熱管挿通孔とすることでも可能である。

そして、本発明のクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン１１は、図３に示すごとく、フィン側面２１の両側の近傍に複数の凸部２２を有し、凸部２２は前記フィン１１を真上から見た状態でフィン１１の長手方向に対して直角方向に延びた略長円状であることを特徴とするものである。このような複数の凸部２２を有するフィンとすることにより、フィンの剛性を高め、曲げ時のフィンの座屈を効果的に防止することが可能となる。伝熱管挿通孔２３のピッチ（伝熱管のピッチも同じ）をP（ｍｍ）、凸部２２のピッチをｐ（ｍｍ）で表す。

図４は、図３に示したフィン側面２１の両側の近傍に形成したと凸部２２の詳細を示す図である。凸部２２の端は、図４（Ａ）のように、フィン側面にまで至っているものであっても、図４（Ｂ）のように、その近傍に留まるものであっても構わない。凸部２２の長さをＬ、凸部２２の幅をｗで表す。

図５は、図４（Ｂ）の凸部２２の断面形状を示す図である。凸部２２の高さをｈで表す。

前記凸部２２の寸法形状は、好ましくは、凸部２２の高さをｈ（ｍｍ）、前記アルミニウムフィン１１の厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、ｈ／ｔが４以上９以下であり、凸部２２の長さをL（ｍｍ）、凸部２２の幅をｗ（ｍｍ）としたとき、L≧１．５ｗであり、前記クロスフィンチューブ型熱交換器のアルミニウムフィン１１に挿通される伝熱管１４のピッチ（伝熱管挿通孔２３のピッチも同じ）をP（ｍｍ）、凸部２２のピッチをｐ（ｍｍ）としたとき、ｐ≦P／２である。

ｈ／ｔが４未満の場合、アルミニウムフィンの剛性は十分でなく、曲げ時にフィンの座屈の危険性が高くなる。一方、ｈ／ｔが９を超える場合、プレス加工にて凸部２２を形成する際に割れが生じる危険性が高くなる。

凸部２２は、フィン幅方向に長くなっていることが必要であり、L≧１．５ｗが必要である。L＜１．５ｗでは、凸部２２が曲げ時の座屈を抑制する効果が低くなる。一方、wはフィン厚さｔの少なくとも１０倍あることが効果的であり、このｗに対してLが長すぎると、フィン幅に対して凸部２２が長すぎることになり、フィンの強度を低下させる要因となる。L≦ ５ｗであることが、より好ましい。

伝熱管ピッチをP（ｍｍ）、凸部２２のピッチをｐ（ｍｍ）としたとき、p≦Ｐ／２とすることが好ましい。凸部２２の数が少なすぎ、ｐ＞Ｐ／２であると、曲げ時の座屈を抑制する効果が低くなる。一方、ｐがP／２より小さく（ピッチが狭く）なっても、アルミニウムフィンに付加する剛性が格段に大きくなるわけではなく、凸部２２を余分に設けることになってコストアップにつながりやすい。P／３≦ｐとすることが、より好ましい。

凸部２２の端は、図５（Ａ）のように、フィン側面にまで至っているものであっても、図５（Ｂ）のように、その近傍に留まるものであっても構わない。図４（Ｂ）のように、凸部２２の端がフィン側面の近傍に留まる場合、フィン側面からの距離ｘは、０．５mm以下であることが好ましい。この距離ｘが大きくなると、凸部２２は、Ｌ曲げ時の座屈を抑制する効果を低下させてしまうからである。

なお、図３は、フィンの長手方向において伝熱管挿通孔２３の中心と凸部２２の位置を一致させたものとしているが、これに限るものではなく、図６のように、伝熱管挿通孔２３の中心と凸部２２の位置を一致させないことでも構わない。

また、フィンは、公知のスリット、ルーバー等を設けたものであっても構わない。

なお、クロスフィンチューブ型熱交換器に施す曲げは、上記の特許文献１、特許文献２に記載され、図１、図２にも示されるようなL曲げの他、図７（Ａ）のようなU曲げ（U字曲げ、コの字曲げ）、図７（Ｂ）のようなロの字曲げも同様に該当するものである。

下記に示すクロスフィンチューブ型熱交換器用のフィンを製作した。
（１） 純アルミニウム（ＪＩＳ Ａ１０５０）製の板材、
（２） 板厚（ｔ）＝０．１０ｍｍ、
（３） フィン幅（Wｆ）＝１８ｍｍ、
（４） フィン長さ（Ｌｆ）＝２１０ｍｍ、
（５） 伝熱管挿通孔の径は約８ｍｍ（外径８断面が円形形状の伝熱管を挿通するための寸法）
（６） 伝熱管挿通孔のピッチ（Ｐ）＝２１ｍｍ、
（７） フィン１枚当たりの伝熱管挿通孔の数＝１０個（図１のように１列に配置）

アルミニウムフィンの両側側面近傍に設けた凸部寸法形状（高さｈ、長さL、幅ｗ、ピッチｐ）は下記の通りとした。なお、凸部はフィン側面まで至るものとした。

（試験例１）ｈ＝０．５ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝１．２ｍｍ、ｐ＝１０．５ｍｍ
（試験例２）ｈ＝０．５ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝１．２ｍｍ、ｐ＝７．０ｍｍ
（試験例３）ｈ＝０．４ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝１．２ｍｍ、ｐ＝１０．５ｍｍ
（試験例４）ｈ＝０．９ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝２．４ｍｍ、ｐ＝１０．５ｍｍ
（試験例５）ｈ＝０．３５ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝１．２ｍｍ、ｐ＝１０．５ｍｍ
（試験例６）ｈ＝１．０ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝２．４ｍｍ、ｐ＝１０．５ｍｍ
（試験例７）ｈ＝０．５ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝２．５ｍｍ、ｐ＝１０．５ｍｍ
（試験例８）ｈ＝１．５ｍｍ、L＝３．５ｍｍ、ｗ＝１．２ｍｍ、ｐ＝２１．０ｍｍ
（試験例９）凸部なし。

試験例１〜９について、ＦＥＭの線形解析によってフィンの剛性を評価した。
具体的には下記の方法により行った。
対称性を考慮して１／４解析モデルを作成し、そのフィンの端部に０．５Ｎの均等荷重を付加し、変位量を評価した。変位の小さい形状を剛性が高いと判断した。変位量０．２４０ｍｍ以下であれば実用可、０．２４０ｍｍを超えるものは実用不可とした。

評価結果は表１に示す通りであり、試験例９の凸部を設けていないものは、フィンの剛性が低く、熱交換器の曲げ加工に供するのは困難であると評価された。一方、本発明による試験例１〜８の凸部を設けたものは、試験例９に比較し大幅にフィンの剛性は改善されており、熱交換器の曲げ加工における座屈を抑制する効果が得られていると評価された。特に、ｈ／ｔが４以上９以下、Ｌ≧１．５ｗ、ｐ≦Ｐ／２のすべてを満たしている試験例１〜４は、
フィンの剛性が十分高く、熱交換器の曲げ加工における座屈を抑制する効果が優れるものと評価された。なお、試験例６は、ｈ／ｔが９を超えているため、プレス加工時に割れが生じる危険性が高く、実際、フィンのプレス加工時、一部に割れ発生が見られたものがあった。また、試験例５は、ｈ／ｔが４未満のために、試験例６は、Ｌ≧１．５ｗを満たさないために、試験例７は、ｐ≦Ｐ／２を満たさないために、それぞれ、フィンの剛性は試験例１〜４と比較して低いものと評価された。

次に、試験例１、試験例２、試験例３、試験例９のフィンを用い、下記のような、クロスフィンチューブ型熱交換器を、それぞれ１個、製作した。
（１） 伝熱管は、りん脱酸銅（ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２２０）製の内面溝付管で、外径８ｍｍで断面が円形形状とされたもの。
（２） 熱交換器長さ＝２８７ｍｍ（図２（Ｂ）に示すＬｅ）、
（３） 伝熱管ピッチ（Ｐ）＝２１ｍｍ、
（４） フィンピッチ（Ｐｆ）＝１．４ｍｍ、
（５） フィン１枚当たりの伝熱管本数＝１０本（図１のように１列に配置）、
（６） フィン枚数＝２１４枚
上記のクロスフィンチューブ型熱交換器について、９０°L曲げを行った。L曲げ半径（内側半径）は７５ｍｍとした。

本発明による試験例１、試験例２、試験例３は、いずれも、L曲げ時の座屈は見られなかった。特に、試験例１、試験例２は、フィンの変形も無く、非常に良好であった。試験例３は、フィンに若干の変形があったが、実用に供することは可能と評価された。一方、試験例９の凸部を設けていないものは、すべての熱交換器にてL曲げ時に顕著な座屈が見られ、実用に供することは困難と評価された。

１０ 熱交換器
１１ フィン
１２ フィン群
１３ 伝熱管
１４ 伝熱管曲げ部
１５ 曲げ部
２１ フィン側面
２２ 凸部
２３ 伝熱管挿通孔

Claims (5)

1. 多数のフィンからなるフィン群の配列方向及び前記フィンの長手方向の双方に対して直交する方向に曲げが施されたクロスフィンチューブ型熱交換器に用いられ、前記フィン群を構成するアルミニウムフィンであって、該フィンの両側側面近傍のみに複数の凸部を有し、該凸部は前記フィンを真上から見た状態で前記フィンの長手方向に対して直角方向に延びた略長円状であり、前記凸部の長さをL（ｍｍ）、前記凸部の幅をｗ（ｍｍ）としたとき、L≧１．５ｗであることを特徴とするクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン。
2. 前記凸部の高さをｈ（ｍｍ）、前記アルミニウムフィンの厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、ｈ／ｔが４以上９以下であり、前記クロスフィンチューブ型熱交換器のアルミニウムフィンに挿通される伝熱管のピッチをP（ｍｍ）、前記凸部のピッチをｐ（ｍｍ）としたとき、ｐ≦P／２である、ことを特徴とする請求項１に記載のクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン。
3. 前記凸部の一端は、前記アルミニウムフィンの側面にまで至っていることを特徴とする請求項１または２に記載のクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン。
4. 前記凸部は、略長円形状の長軸方向の一端が前記アルミニウムフィンの側面から０．５ｍｍ以内の領域に配されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクロスフィンチューブ型熱交換器用アルミニウムフィン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウムフィンを用いたクロスフィンチューブ型熱交換器。

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