JP5387539B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に空気調和機や冷凍機などに使用されるフィンの付いた熱交換器に関する。

空気調和機などに搭載される熱交換器の一形態として、帯板状に成形されたフィンと扁平形状の断面を有する伝熱管とを組み合わせてなるフィンアンドチューブ型熱交換器がある。そのような扁平形状伝熱管を用いたフィンアンドチューブ型熱交換器の一種として、各プレートフィンに対して、長手方向に所定の間隔で端縁部に開口する伝熱管保持部が設けられるとともに、その周縁にフィンカラーが成形され、伝熱管を伝熱管保持部に嵌め込むとともに、フィンカラーと伝熱管とを接触させて組付ける構造のものが知られている（例えば特許文献１、２）。

このような構造のフィンアンドチューブ型熱交換器においては、段方向に隣り合う伝熱管の間のフィンプレート表面に切り起しスリットを設けることで、熱交換性能の向上を図っている。帯板状に成形された熱交換器用フィンと扁平形状の断面を有する伝熱管とを組み合わせてなるフィンアンドチューブ型熱交換器は、フィンの長手方向に沿って所定の間隔で伝熱管を保持するための伝熱管保持部が設けられている。

伝熱管保持部は端縁部に開口して設けられるとともに、その周縁にフィンカラーが成形されている。フィンカラーはフィンカラー根元よりフィンカラー先端側に向かって伝熱管の外形よりも窄まるよう成形され、伝熱管保持部に伝熱管を嵌め込むとともに伝熱管がフィンカラーに接触してフィンカラーを伝熱管側面に倣うように押し開くことで、伝熱管外面とフィンカラーの接触を得る構成となっている。

ところが、このようにフィンプレートに対して、その端縁部に開口するような伝熱管保持部を設けるとフィンプレートの強度を確保し難くなる。そのため、フィンベース面にたわみを生じる。たわみは、フィンプレート端面に開口部を有する側が大きく、フィンプレート端面が閉塞している側が小さくなる。また、スリットはフィンベース面のたわみ形状に必ずしも追随しない。

特開２００３−２６２４８５ 特開平６−５０６８８

本発明に係る熱交換器は、フィンベース面のたわみを減少させることで、フィンプレートと伝熱管との密着性に優れ、熱交換流体との熱伝達に優れ、かつ通風抵抗の少ない熱交換器を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、複数段にわたって間隔を設けて並列配置された扁平伝熱管と、扁平伝熱管の端部に嵌合し、扁平伝熱管同士を接続する継手と、並列配置された扁平伝熱管と交差する向きに間隔をあけて複数枚が挿入固定されているフィンプレートとを備えている。フィンプレートには一端側が開口し扁平伝熱管に係合する形状に切り欠き形成された伝熱管保持部が長手方向に複数個所形成されており、隣り合う伝熱管保持部の間には短手方向に並ぶ第１の切り起こしスリットと第２の切り起こしスリットとが形成されていて、フィンプレートの開口側に近い第１の切り起こしスリットはフィンプレートの閉塞側に近い第２の切り起こしスリットよりも高さが低いことを特徴とするものである。

本発明に係る熱交換器は、隣り合う伝熱管挿通部の間のフィンベース面にスリットが切り起し成形されているとともに、フィンプレート端面に開口部を有する側のスリットの切り起し高さの方が、フィンプレート端面が閉塞している側のスリットの切り起し高さよりも低くなるように成形されている。フィンプレートを伝熱管に組み付けたときに生じるフィンベース面のたわみの差が打ち消されるため、スリットがフィンピッチの中央に位置するようになる。スリットがフィンベース面の表面の温度境界層から離れるので、熱交換性能に優れた熱交換器を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係るフィンプレートの平面概略図である。 本発明の実施の形態に係るフィンプレートの概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係るフィンプレートのスリットの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るフィンプレートと伝熱管との組み付け状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係るフィンプレートのたわみ状況を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の概略図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るフィンアンドチューブ型熱交換器を表す概略斜視図である。熱交換器１００は、伝熱管４１と、フィンプレート６１と、分配管６２と、Ｕ字継手６３などから構成されている。伝熱管４１は扁平形状の断面を有するパイプで、中を冷媒流体が流れている。フィンプレート６１は、フィンカラー１２とスリット１４ａ、１４ｂを備えていて、間隔ＦＰを隔てて複数枚が積層されている。分配管６２は伝熱管４１の端部に接続され、伝熱管４１とともに連続する冷媒流通回路を形成する。分配管６２とＵ字継手６３は伝熱管同士を接続している。

伝熱管４１は断面が小判の形状を有する扁平管で、曲部４４と平坦部４５から構成されている。図の例では、伝熱管４１は４段にわたって並列に配置されており、伝熱管４１の内部には、縦方向に２枚の隔壁が施設されていて、３つの微細流路が形成されている。冷媒流体は微細流路を通過する間に壁面（曲部４４と平坦部４５）へ熱を放出する。熱はフィンプレート６１を伝って外気と熱交換される。伝熱管４１は複数段にわたって配設されている。各伝熱管４１は間隔ＤＰを隔てて配置されている。フィンプレート６１の間隔ＦＰならびに伝熱管４１の間隔ＤＰは熱交換器の特性によって決められる。

図２は、フィンプレートの概略平面図である。フィンプレート６１は、主としてアルミニウムあるいはアルミニウム合金を原料とする厚さ（＝ｔ）０．０９〜０．２ｍｍの薄板を材料とし、帯板状に成形されている。フィンプレート６１の長手方向には複数個所に伝熱管保持部１１が設けられている。各々の伝熱管保持部１１の隔たりは間隔ＤＰと同じである。一般に間隔ＦＰは１〜２ｍｍ、間隔ＤＰは５ｍｍ〜２０ｍｍである。伝熱管保持部１１は、基本的に伝熱管４１の外形に沿う形状を呈している。

伝熱管保持部１１の一方側は切り欠かれ、開放されている。フィンプレート６１の長手方向の側面の内、切り欠きが形成されている方を開口側１５、その反対側を閉塞側１６と呼ぶ。フィンカラー１２は伝熱管保持部１１の周縁に沿って一つの伝熱管保持部１１に対して２箇所設けられている。フィンカラー１２は先端側（開口側）に向かって伝熱管外形よりも窄まるよう成形されている。隣り合う伝熱管保持部１１の相互間をフィンベース面１３と呼ぶ。フィンプレート６１のフィンベース面１３にはスリット１４ａ、１４ｂが設けられている。スリット１４ａは伝熱管保持部１１の開口側１５に近い方のスリットを指している。スリット１４ｂはフィンプレート６１の閉塞側１６に近い方のスリットを指している。

図３は、フィンプレートの一部分を示す斜視図である。フィンカラー１２は、伝熱管４１との密着性を向上する目的で伝熱管保持部１１の内側に向けて傾斜している。フィンカラー１２の形状は、伝熱管形状との組合せで決められるものである。フィンベース面１３にはフィンプレート６１と空気との熱交換を促進する目的でスリット１４ａ、１４ｂが切り起こし成形されている。スリット１４ａ、１４ｂは、フィンプレートの長辺方向に平行に、２箇所の切り込みを入れた後、切込みで囲まれた部分を押し出し成形することで、得られる。スリット１４ａ、１４ｂは、フィンベース面１３に対するフィンカラー１２の立ち上げ方向と同じ方向に切り起し成形されていることが望ましい。

図４はスリットの立上げ高さを説明するための図で、フィンプレートの断面概略図と平面外略図を一体化したものである。フィンカラー１２とスリット１４ａ、１４ｂの立上げ方向は同じ方向を向いている。立上げ方向をそろえると、フィン成形金型の構造が簡略化できるため、フィンプレートの成形精度や歩留まりを向上できる。スリットの立上げ高さＳＨは、フィンプレート端面に開口部を有する開口側１５のスリット１４ａが、フィンプレートの閉塞側１６のスリット１４ｂよりも差αだけ低くなるように成形する。差αの大きさは、フィン材料強度や、フィンカラー１２の傾斜量、及び伝熱管の圧入量によって決められる。スリットの立上げ高さＳＨは伝熱管組み付け後に間隔ＦＰの概略半分の大きさになるように調整することが望ましい。

図５はフィンプレートに伝熱管を組み付けた状態を表している。伝熱管保持部１１は、一端が開口している。伝熱管保持部が閉じている場合と比較すると、伝熱管４１を伝熱管保持部１１に片側から挿入することができるため、フィンプレート６１と伝熱管４１を組みつけやすいという効果がある。一方で、端縁部に一端を開口した形状を有する伝熱管保持部１１を成形したプレートフィン６１は強度を確保し難い。また、フィンベース面１３の剛性は、フィンプレート端面に開口部を有する開口側１５が相対的に弱くなり、フィンプレートの閉塞側１６が相対的に強くなる。そのため、フィンプレート６１と伝熱管４１を組み付けたときのフィンベース面１３のたわみは、フィンプレート端面に開口部を有する開口側１５が、フィンプレートの閉塞側１６よりも大きくなる。

フィンベース面１３がたわんだ場合、スリット１４ａ、１４ｂはフィンベース面のたわみに追随しない。図６は３段に積まれ、フィンベース面がたわんだ状態にあるフィンプレートの断面を示す。フィンプレート６１ａ、６１ｂ、６１ｃは真っすぐな状態から開口側１５が距離βだけたわんでいる。たわみ量は閉塞側１６にいくほど小さくなる。もともとスリット１４ａはスリット１４ｂよりも差αだけ、高さが低いので、フィンプレート６１の開口側１５とスリット１４ａとの間隔は狭小にならない。

これに対し、差αがゼロの場合、スリットと隣り合うフィンベース面との間隔が詰まって、スリットが間隔ＦＰの中央から外れた場所に位置することになる。隣り合うフィンベース面の温度境界層内にスリットが入り込むことによって熱交換流体との熱伝達率が低下し、熱交換性能が悪化する。たわみを解消するには、伝熱管保持部および伝熱管の寸法精度を高くするとともに、フィンプレートの板厚を大きくして強度を増すことによって、ある程度、対処することは可能である。寸法精度を高くすると製作効率の低下や歩留まりの低下などの問題が引き起こされる。

またフィンプレートの板厚を大きくすると熱交換器コアが大型化かつ重量化する。また、フィンカラーと伝熱管との間にクリアランスを設けて、フィンプレートに曲げモーメントを発生しないようにすることでたわみを解消することもできるが、フィンカラーと伝熱管との間にクリアランスを設けるとフィンカラーと伝熱管の熱伝導率が低下し熱交換性能が低下する。

本発明に係る熱交換器では、フィンプレート端面に開口部を有する開口側１５のスリット高さを、フィンプレート端面が閉塞している側１６のスリット高さよりも低く設定してあるため、フィンベース面のたわみによってもスリットとフィンベース面との間隔が詰まることを抑制できる。隣り合うフィンベース面の温度境界層内にスリットが入り込むことが避けられるため、フィンと熱交間流体との熱伝達に優れ、熱交換性能に優れた熱交換器を得る効果がある。

スリットの平面形状は熱交換器の特性によって決められ、様々な形状が考えられる。また、スリットの配置は熱交換器の特性によって決められ、実施の形態に限定されるものではないが、隣り合う伝熱管保持部の相互間のフィンベース面に通風方向に２〜４個配置される場合が一般的である。

なお、フィンプレートの表面には、防食、防汚や親水もしくは撥水を目的とした樹脂コーティングが施されていることが望ましい。樹脂コーティングは、伝熱管保持部に伝熱管を嵌め込むときのフィンカラーと伝熱管との摩擦抵抗を軽減し組立性を向上する効果もある。

フィンカラーと伝熱管とは接着剤によって接合されることが望ましい。接着剤で接合することによって、フィンプレートと伝熱管とをろう付する場合に不可欠だったろう付け炉が不要となるので、環境負荷が少なく低コストで熱交換器を製造できるようになる。また、フィンプレートがろう付時の高温に曝されなくなるため、予め樹脂コーティングを施したプレコートフィン材を用いることができる。こうすれば組立後にコーティングを施すポストコート工程が不要となるため製造工程を短縮できるという効果がある。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の概略図である。本発明の実施の形態２のフィンアンドチューブ型熱交換器は、伝熱管４１とフィンプレート６１と分配管６２などから構成されている。フィンプレート６１は間隔ＦＰで複数積層されるとともに長手方向に間隔ＤＰで伝熱管保持部が設けられた帯板状の部材である。伝熱管４１は伝熱管保持部に嵌め込まれる扁平形状の断面を有する部材である。分配管６２は伝熱管の端部に接続され伝熱管とともに冷媒流通回路を形成する。上記構成において、熱交換器用フィンの間隔ＦＰならびに伝熱管の間隔ＤＰは熱交換器の特性によって決められ、一般にＦＰは１〜２ｍｍ、ＤＰは５〜２０ｍｍである。

フィンプレート６１は伝熱管４１の長手方向に向けて予め角度をつけて組み付けられていて、フィンプレート６１の開口側１５が閉塞側１６よりも上方向を向いている。すなわち、フィンプレートのフィンベース面は伝熱管の長手方向の軸に対して垂直な面よりもフィンカラーの立上げ側に傾斜するように組みつけられている。こうすることで、フィンプレート６１を伝熱管４１に組み付けたときに生じるフィンベース面のたわみによる傾斜角が打ち消され、通風抵抗が軽減され、熱交換性能に優れた熱交換器１００を得ることができる。

フィンプレート６１の隣り合う伝熱管保持部の相互間には、フィンプレートと空気との熱交換を促進する目的でスリットが切り起こし成形されても良い。スリットを設ける場合、スリットの切り起し高さは伝熱管組み付け後に間隔ＦＰの概略半分の大きさにすることが望ましい。伝熱管保持部は帯板状に成形されたフィンの長手方向の辺の一方側に開放された切り欠き形状であるとともに、その周縁に沿ってフィンカラーが具備されている。

伝熱管保持部をこのように成形すると、保持部が閉じた形状の伝熱管保持部に対して伝熱管を挿通する場合よりもフィンプレートと伝熱管を組みつけやすいという効果がある。一方で、端縁部に一端を開口した形状の伝熱管保持部を成形したプレートフィンは強度を確保し難い。フィンベース面の強度は、フィンプレート端面に開口部を有する側が相対的に弱く、フィンプレート端面が閉塞している側が相対的に強くなる。フィンプレートと伝熱管を組み付けると、フィンベース面はフィンプレート端面に開口部を有する側が、フィンプレート端面が閉塞している側よりも大きくたわむ。たわみが生じたままフィンプレートと伝熱管とを組み付けると、風路に対するフィンの投影面積が増えて通風抵抗が増加する。

たわみを解消するには、フィンの伝熱管保持部および伝熱管の寸法精度、並びにフィンと伝熱管の組み付け精度を高くするとともに、フィンプレートの板厚を大きくして強度を増すことによって、ある程度、対処することが可能である。寸法精度を高くすると製作効率の低下や歩留まりの低下などの問題が引き起こされる。またフィンプレートの板厚を大きくすると熱交換器コアが大型化かつ重量化するため、有効な方法ではない。

本発明の実施の形態２に関わる熱交換器では、伝熱管４１に対してフィンプレート６１を予め角度をつけて組み付けることで、たわみによって生じる風路に対するフィンプレート６１の投影面積の増加を打ち消し、フィンプレートの強度や成形性や歩留まりに悪影響を及ぼすことなく、通風抵抗が少ない熱交換性能に優れた熱交換器を得る効果がある。

１１：伝熱管保持部、１２：フィンカラー、１３：フィンベース面、１４：スリット、４１：伝熱管、６１：フィンプレート、６２：分配管

Claims (5)

1. 複数段にわたって間隔を設けて並列配置された扁平伝熱管と、前記扁平伝熱管の端部に嵌合し、前記扁平伝熱管同士を接続する継手と、並列配置された前記扁平伝熱管と交差する向きに間隔をあけて複数枚が挿入固定されているフィンプレートとを備えている熱交換器において、
   前記フィンプレートには一端側が開口し前記扁平伝熱管に係合する形状に切り欠き形成された伝熱管保持部が長手方向に複数個所形成されており、隣り合う前記伝熱管保持部の間には短手方向に並ぶ第１の切り起こしスリットと第２の切り起こしスリットとが形成されていて、前記フィンプレートの開口側に近い前記第１の切り起こしスリットは前記フィンプレートの閉塞側に近い前記第２の切り起こしスリットよりも高さが低いことを特徴とする熱交換器。
2. フィンプレートの伝熱管保持部にはその外形に沿ってフィンカラーが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 扁平伝熱管に挿入されるフィンプレートは角度をつけて扁平伝熱管に組み付けられていて、フィンプレートの開口側が上方向を向いていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. フィンプレートの表面には、樹脂コーティングが施されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. フィンプレートと扁平伝熱管とは接着剤によって固定されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

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