JP5649715B2 - 熱交換器及びこの熱交換器を備えた冷蔵庫、空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば冷蔵庫や空気調和機などに使用される熱交換器、及びこの熱交換器を備えた冷蔵庫、空気調和機に関するものである。

従来の冷蔵庫や空気調和機に使用される熱交換器に、フィンチューブ型熱交換器と呼ばれるものがある。この熱交換器は、一定の間隔で配置されてその間を気体（空気）が流れる板状フィンと、この板状フィン（以下、単にフィンという）に直交して挿入され、内部に冷媒が流れる伝熱管とにより構成されている。このようなフィンチューブ型熱交換器の伝熱性能に影響を与える因子としては、冷媒と伝熱管との間の冷媒側熱伝達率、伝熱管とフィンとの間の接触熱伝達率、及び空気とフィンとの間の空気側熱伝達率が知られている。

冷媒と伝熱管との間の冷媒側熱伝達率を向上するために、伝熱管の面積拡大と冷媒の攪拌効果が得られる伝熱管の内面溝付により、管内性能が促進されている。また、空気とフィンとの間の空気側熱伝達率を促進するために、隣接する伝熱管の間にフィンに切り起こしによるスリット群を設けている。このスリット群は、スリットの側端部が風向きに対して対向するように設けられており、その側端部において空気流の速度境界層及び温度境界層を薄くすることにより、伝熱促進が行われ熱交換能力が増大するとされている。また、伝熱管とフィンとの間の接触熱伝達率は、伝熱管とフィンとの間の接触状態に影響される。

例えば、図８に示すように伝熱管１０を拡管してフィン１に固定する際、伝熱管１０の外面とフィン１との間には、伝熱管１０の外面のうねりによる隙間、フィンカラー２の中間部の変形による隙間、フィン１とフィン１との間の隙間などが発生する。この隙間による接触熱伝達率の低下は、熱交換器全体の５％程度であると考えられている（例えば非特許文献１参照）。

そこで、このような隙間を少なくして、接触熱伝達率を向上するために、例えば、図９に示すように、フィン１の伝熱管１０が挿入されるフィンカラー２に３つ以上の曲げＲを設け、されにそれぞれの曲げＲを滑らかに接続させ、全体的にフィンカラ−２の形状を伝熱管１０側に凸とし、ストレート部分が存在しないようにする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３５６１５１号公報（特許請求の範囲、図１）

中田、「空調用熱交換器における最適設定と経済性」、機械の研究、１９８９、第４１巻、第９号、ｐ.１００５−１０１１

しかしながら、上述の従来技術には以下に示すような問題点がある。特許文献１に記載の技術では、フィンカラー２に３つ以上の曲げＲを設け、さらにそれぞれの曲げＲを滑らかに接続させ、全体的にフィンカラー２の形状を伝熱管１０側に凸とし、ストレート部分が存在しないため、曲げＲ成型加工の不良により、伝熱管１０をフィンカラー２に挿入する際、挿入力の増加を招き、量産コストの増加となり、目的とする伝熱性能が得られないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、伝熱管とフィンのフィンカラーとの接触熱抵抗を低減することにより、熱交換能力を増大することのできる熱交換器及びこの熱交換器を備えた冷蔵庫、空気調和機を提供することを目的としたものである。

本発明は、平行に配置した複数の伝熱管と、該伝熱管に対して直交して設けられた複数の板状フィンとを備え、前記板状フィンの前記伝熱管が挿通されるフィンカラーに前記伝熱管を拡管によって接触させてなるフィンチューブ型の熱交換器であって、
前記フィンカラーは、該フィンカラーのリフレア部と根元部に曲げ部が設けられ、前記リフレア部の厚さが前記根元部の厚さと比較して薄く形成され、前記リフレア部の曲げ部の半径が前記根元部の曲げ部の半径と比較して大きく形成されるように構成されたものである。

また、本発明に係る冷蔵庫又は空気調和機は、上記の熱交換器を備えたものである。

本発明によれば、伝熱管とフィンのフィンカラーとの接触熱抵抗が低減し、熱交換能力を増大することのできる熱交換器及びこの熱交換器を備えた冷蔵庫、空気調和機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の要部の拡大断面図である。 実施の形態１に係る熱交換器の製造方法の説明図である。 実施の形態１に係る熱交換器のフィンカラーの曲げ部の半径及び厚さの関係式と、熱交換率との関係を示す線図である。 実施の形態１に係る熱交換器のフィンカラーの曲げ部の半径及び厚さの関係式と、熱交換率との関係を示す線図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の要部の拡大図、及び伝熱管の断面図である。 実施の形態２に係る熱交換器のフィンカラーの厚さ、伝熱管の外径及び伝熱管の内部突起の条数の関係式と、熱交換率との関係を示す線図である。 実施の形態２に係る熱交換器のフィンカラーの厚さ、伝熱管の外径及び伝熱管の内部突起の条数の関係式と、熱交換率との関係を示す線図である。 従来のフィンチューブ型熱交換器の要部の拡大断面図である。 図８のフィンの説明図である。

[実施の形態１]
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の拡管後の要部の拡大断面図である。図１において、１は銅合金又はアルミニウム合金などの耐熱性金属板からなる（他の実施の形態においても同様である）フィンで、フィン１と直交して、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属材料からなる（他の実施の形態においても同様である）伝熱管１０が設けられている。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の製造方法を示す説明図である。
熱交換器を製造するにあたっては、先ず、各伝熱管１０をそれぞれ長手方向の中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工し、複数のヘアピン管を製作する。ついで、これらのヘアピン管を所定の間隔をおいて相互に平行に配置した複数枚のフィン１のフィンカラー２の間に挿通し、その後、図２（ａ）に示すように、ヘアピン管内に拡管玉１５をロッド１６により押し込む機械拡管方式、又は図２（ｂ）に示すように、ヘアピン管内に拡管玉１５を流体１７により押し込む液圧拡管方式によりヘアピン管を拡管して、各フィン１とヘアピン管、すなわち伝熱管１０とを接合する。こうしてフィンチューブ型熱交換器が製造される。

このようにして製造された熱交換器は、平行に配置された複数の伝熱管１０と、伝熱管１０に対して直交する複数のフィン１とを備え、フィン１の伝熱管１０が挿通されるフィンカラー２に伝熱管１０を接触させるようにしたものである。
フィンカラー２の形状は、リフレア部３と根元部４に半径Ｒ１，Ｒ２の円弧状の曲げ部を設け、リフレア部３の厚さＴｗ１が根元部４の厚さＴｗ２より薄く形成され、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１に対する厚さＴｗ１の比率（Ｔｗ１／Ｒ１）が、根元部４の曲げ部の半径Ｒ２に対する厚さＴｗ２の比率（Ｔｗ２／Ｒ２）の２分の１以上になっている。なお、リフレア部３と根元部４の曲げ部の間には外面側が平坦な中間部５が設けられ、全体としてほぼＪ字状に形成されている。

この場合、フィンカラー２のリフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１を、根元部４の曲げ部の半径Ｒ２より大きく形成すると、伝熱管１０の拡管後に、前側のフィン１のフィンカラー２の根元部４と、後側のフィン１のフィンカラー２のリフレア部３との接触面積が増加して接触熱抵抗が低下し、熱交換能力が増加する。

図３、図４はフィンカラー２のリフレア部３と根元部４の曲げ部の半径Ｒ１，Ｒ２及び厚さＴｗ１，Ｔｗ２の関係式と、熱交換率との関係を示す線図である。
フィンカラー２のリフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１は、リフレア部３の厚さＴｗ１と密接な関係があり、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１を大きくする場合は、リフレア部３の厚さＴｗ１も厚くしなければならない。フィンカラー２のリフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１が大きくなっているときに、リフレア部３の厚さＴｗ１が薄くなるとリフレア部３に応力が集中し、中間部５と伝熱管１０との接触面圧が低下して接触熱抵抗が増加し、熱交換能力が低下する。

また、フィンカラー２のリフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１に対する厚さＴｗ１の比率（Ｔｗ１／Ｒ１）が、根元部４の曲げ部の半径Ｒ２に対する厚さＴｗ２の比率（Ｔｗ２／Ｒ２）の２分の１以下であると、前側のフィン１のフィンカラー２の根元部４と、後側のフィン１のフィンカラー２のリフレア部３との接触面圧が低下し、フィンカラー２の中間部５と伝熱管１０との接触面圧が低下して接触熱抵抗が増加して、熱交換能力が低下する。

したがって、フィンカラー２のリフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１に対する厚さＴｗ１の比率（Ｔｗ１／Ｒ１）が、根元部４の曲げ部の半径Ｒ２に対する厚さＴｗ２の比率（Ｔｗ２／Ｒ２）に対して、０．６以上であることが望ましい。

[実施の形態２]
図５は本発明の実施の形態２に係る熱交換器の要部の拡大断面図、及び伝熱管の断面図である。なお、実施の形態１と同じ部分には、これと同じ符号が付してある。
図において、１は銅合金又はアルミニウム合金などの耐熱性金属板からなるフィンで、フィン１と直交して、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属材料からなり、内周面の軸方向に複数の内面突起１１が設けられた伝熱管１０が設けられている。

本実施の形態に係る熱交換器は、フィン１のフィンカラー２のリフレア部３と根元部４に曲げ部を設け、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１に対する厚さＴｗ１の比率（Ｔｗ１／Ｒ１）が、根元部４の曲げ部の半径Ｒ２に対する厚さＴｗ２の比率（Ｔｗ２／Ｒ２）の２分の１以上になるように形成され、また、外径Ｄの伝熱管１０の円周の長さ（３．１４×Ｄ）の内面突起１１の合計条数Ｎに対する比率（３．１４×Ｄ／Ｎ）に、フィンカラー２の中間部５の平均厚さ（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２のフィンカラー２の根元部４の厚さＴｗ２に対する比率（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２を乗じた関係式（３．１４×Ｄ／Ｎ）×（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２が、０．２６以上０．３４以下であるように構成したものである。

次に、本実施の形態における数値限定の理由について説明する。
図６、図７は、フィン１のフィンカラー２の厚さＴｗ、伝熱管１０の外径Ｄ、及び伝熱管１０の内面突起１１の条数Ｎとの関係式と、熱交換率（％）との関係を示す線図である。
図６、図７に示すように、熱交換器の熱交換能力を維持するためには、外径Ｄの伝熱管１０の円周長さ（３．１４×Ｄ）の内面突起１１の条数Ｎに対する比率（３．１４×Ｄ／Ｎ）に、フィンカラー２の中間部５平均厚さ（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２の、フィンカラー２の根元部４との厚さＴｗ２に対する比率（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２を乗じた関係式（３．１４×Ｄ／Ｎ）×（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２が、０．２６以上０．３４以下であることが必要である。

一方、外径Ｄの伝熱管１０の円周長さ（３．１４×Ｄ）の内面突起１１の条数Ｎに対する比率（３．１４×Ｄ／Ｎ）に、フィンカラー２の中間部５の平均厚さ（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２の根元部４の厚さＴｗ２に対する比率（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２を乗じた関係式（３．１４×Ｄ／Ｎ）×（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２が０．２６未満になると、フィンカラー２の中間部５と伝熱管１０との接触面圧が低下し、接触熱抵抗が増加して熱交換能力が低下する。

また、外径Ｄの伝熱管１０の周囲長さ（３．１４×Ｄ）の内面突起１１の条数Ｎに対する比率（３．１４×Ｄ／Ｎ）に、フィンカラー２の中間部５の平均厚さ（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２の根元部４の厚さＴｗ２に対する比率（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２を乗じた関係式（３．１４×Ｄ／Ｎ）×（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２が０．３４を超えると、フィンカラー２の根元部４に応力が集中し、フィンカラー２の中間部５と伝熱管１０との接触面圧が低下して接触熱抵抗が増加し、熱交換能力が低下する。

なお、外径Ｄの伝熱管１０の円周長さ（３．１４×Ｄ）の内面突起１１の条数Ｎに対する比率（３．１４×Ｄ／Ｎ）に、フィンカラー２の中間部５の平均厚さ（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２の根元部４の厚さＴｗ２に対する比率（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２を乗じた関係式（３．１４×Ｄ／Ｎ）×（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２が、０．２７以上０．３１以下になることが特に好ましい。

したがって、本実施の形態においては、外径Ｄの伝熱管１０の円周長さ（３．１４×Ｄ）の内面突起１１の条数Ｎに対する比率（３．１４×Ｄ／Ｎ）に、フィンカラー２の中間部５の平均厚さ（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２の根元部４の厚さＴｗ２に対する比率（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２を乗じた関係式（３．１４×Ｄ／Ｎ）×（（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）／Ｔｗ２が、０．２６以上０．３４以下の範囲になるようにする。
これにより、フィン１と伝熱管１０との接触熱抵抗が低減し、熱交換能力が増大する。

[実施の形態３]
本実施の形態は、冷蔵庫又は空気調和機に実施の形態１又は２のいずれかに係る熱交換器を用いたものである。
これにより、熱交換器のフィン１と伝熱管１０との接触抵抗が低減し、熱交換能力が増大した高効率の冷蔵庫又は空気調和機を得ることができる。

なお、上記の本発明に係る冷蔵庫及び空気調和機は、作動流体にＨＣ単一冷媒又はＨＣを含む混合冷媒、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、テトラフルオロプロペンと、このテトラフルオロプロペンよりも沸点の低いＨＦＣ系冷媒とからなる非共沸混合冷媒又は二酸化炭素等のいずれかの冷媒を用い、空気調和機においては蒸発器及び凝縮器の両者又はいずれか一方に本発明に係る熱交換器を用いたものである。

［実施例］
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
表１に示すように、フィン１のフィンカラー２の根元部４の曲げ部の半径Ｒ２が０．３ｍｍ、厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１が０．４ｍｍ、厚さＴｗ１が０．０６７ｍｍ又は０．０９ｍｍである熱交換器を製作した（実施例１及び実施例２）。
また、比較例として、フィン１のフィンカラー２の根元部４の曲げ部の半径Ｒ２が０．３ｍｍ、厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１が０．４ｍｍ、厚さＴｗ１が０．０５ｍｍ又は０．０６ｍｍの熱交換器を製作した（比較例１及び比較例２）。

表１から明らかなように、実施例１及び実施例２の熱交換器は、いずれも比較例１及び比較例２の熱交換器と比べて熱交換率が高く、接触熱伝達率が向上していた。

次に、表２に示すように、フィン１のフィンカラー２の根元部４の曲げ部の半径Ｒ２が０．３ｍｍ、厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１が０．５ｍｍ、厚さＴｗ１が０．０８３ｍｍ又は０．０９ｍｍの熱交換器を製作した（実施例３及び実施例４）。
また、比較例として、フィン１のフィンカラー２の根元部４の曲げ部の半径Ｒ２が０．３ｍｍ、厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、リフレア部３の曲げ部の半径Ｒ１が０．５ｍｍ、厚さＴｗ１が０．０６ｍｍ又は０．０７ｍｍの熱交換器を製作した（比較例３及び比較例４）。

表２から明らかなように、実施例３及び実施例４の熱交換器は、いずれも比較例３及び比較例４に比べて熱交換率が高く、接触熱伝達率が向上していた。

次に、表３に示すように、フィン１のフィンカラー２のリフレア部３の厚さＴｗ１が０．０７ｍｍ、根元部４の厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、伝熱管１０の外径Ｄが７ｍｍ、内面突起１１の条数Ｎが５５又は７２の熱交換器を製作した（実施例５及び実施例６）。
また、比較例として、フィン１のフィンカラー２のリフレア部３の厚さＴｗ１が０．０７ｍｍ、根元部４の厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、伝熱管１０の外径Ｄが７ｍｍ、内面突起１１の条数Ｎが４５、５０又は８０の熱交換器を製作した（比較例５、比較例６及び比較例７）。

表３から明らかなように、実施例５及び実施例６の熱交換器は、いずれも比較例５、比較例６及び比較例７の熱交換器と比べて熱交換率が高く、接触熱伝達率が向上していた。

さらに、表４に示すように、フィン１のフィンカラー２のリフレア部３の厚さＴｗ１が０．０９ｍｍ、根元部４の厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、伝熱管１０の外径Ｄが７ｍｍ、内面突起１１の条数Ｎが６０又は８０の熱交換器を製作した（実施例７及び実施例８）。
また、比較例として、フィン１のフィンカラー２のリフレア部３の厚さＴｗ１が０．０９ｍｍ、根元部４の厚さＴｗ２が０．１ｍｍで、伝熱管１０の外半径Ｄが７ｍｍ、内面突起１１の条数Ｎが５０、５５又は８５の熱交換器を製作した（比較例８、比較例９及び比較例１０）。

表４から明らかなように、実施例７及び実施例８の熱交換器は、いずれも比較例８、比較例９及び比較例１０の熱交換器と比べて熱交換率が高く、接触熱伝達率が向上していた。

１ フィン、２ フィンカラー、３ フィンカラーのリフレア部、４ フィンカラーの根元部、５ フィンカラーの中間部、１０ 伝熱管、１１ 内面突起、１５ 拡管玉、 １６ ロッド、１７ 流体。

Claims (7)

1. 平行に配置した複数の伝熱管と、該伝熱管に対して直交して設けられた複数の板状フィンとを備え、前記板状フィンの前記伝熱管が挿通されるフィンカラーに前記伝熱管を拡管によって接触させてなるフィンチューブ型の熱交換器であって、
   前記フィンカラーは、該フィンカラーのリフレア部と根元部に曲げ部が設けられ、前記リフレア部の厚さが前記根元部の厚さと比較して薄く形成され、前記リフレア部の曲げ部の半径が前記根元部の曲げ部の半径と比較して大きく形成されるように構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記フィンカラーの、前記リフレア部の曲げ部と前記根元部の曲げ部との間に、外面側が平坦な中間部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記中間部は、前記根元部から前記リフレア部に向かって徐々に薄くなることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管は、その円周長さの内面突起の合計条数に対する比に、前記中間部の平均厚さの前記根元部の厚さに対する比を掛けた値が、０．２６以上０．３４以下の範囲になるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱交換器。
5. 前記フィンカラーは、前記リフレア部の厚さの前記リフレア部の曲げ部の半径に対する比が、前記根元部の厚さの前記根元部の曲げ部の半径に対する比の２分の１以上になるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とする空気調和機。

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