JP5678392B2 - コルゲートフィン式熱交換器の排水構造 - Google Patents

Description

この発明は、コルゲートフィン式熱交換器の排水構造に関するもので、更に詳細には、コルゲートフィンと扁平状熱交換チューブとが交互に配置されるパラレルフロー型熱交換器の排水性を向上させる排水構造に関するものである。

一般に、対峙する一対のヘッダーパイプ間に、互いに平行な複数の扁平状の熱交換チューブを水平方向に配置し、これら熱交換チューブ間にコルゲートフィンを接合してなるコルゲートフィン式熱交換器が広く使用されている。この種のコルゲートフィン式熱交換器を蒸発器として用いた場合、表面に凝縮水（結露水）が付着し、通気抵抗の増大、更には、コルゲートフィン表面に付着する水膜が抵抗となり伝熱を阻害してしまい、熱交換性能の低下を招く問題があった。

また、この種のコルゲートフィン式熱交換器においては、コルゲートフィンへの保水性を考慮すると、フィンピッチを広くする方が好ましい反面、フィンピッチを広げると空気側伝熱面積が縮小してしまうという二律背反の問題があるため、フィンピッチと空気側伝熱面積を考慮する必要がある。

上記問題を解決するために、発明者は鋭意研究した結果、熱交換チューブの幅方向の端部に延設される鍔部を傾斜状に切起して形成される流水路を熱交換チューブの長手方向に適宜ピッチをおいて設けた排水構造を提案した（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の技術によれば、熱交換チューブの上下側に隣接するコルゲートフィンとの間に保水される水を誘引する流水路を、鍔部を傾斜状に切起して形成することで、熱交換器の表面に付着した凝縮水（結露水）を排水することができる。

特開２０１０−２４３１４７号公報（特許請求の範囲、図１〜図３）

特許文献１に記載の技術においては、扁平状熱交換チューブの幅方向端部に延設される鍔部を傾斜状に切起して形成される流水路形状（寸法）に関しては、コルゲートフィンのピッチの４倍以下の範囲である。

しかしながら上記範囲のみの限定では不十分で、例えば鍔部の切起こし角度が小さく、熱交換チューブの厚さが比較的厚い場合においては、一定の排水性は有するものの、極端に排水速度が低下する懸念があり、更に排水性改善の余地が残されている。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱交換チューブの厚さやコルゲートフィンのピッチを考慮して、排水性の向上を図れるようにしたコルゲートフィン式熱交換器の排水構造を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明のコルゲートフィン式熱交換器の排水構造は、対峙する一対のヘッダーパイプ間に、互いに平行な複数の扁平状熱交換チューブを水平方向に配置し、山−谷折りを交互に繰り返して成形されたコルゲートフィンを上記熱交換チューブ間に接合してなり、上記熱交換チューブの幅方向の端部に延設される鍔部に適宜ピッチをおいて切込みを介して傾斜状に切り起こした切起し片にて流水路を形成してなるコルゲートフィン式熱交換器において、上記コルゲートフィンは、該コルゲートフィンの幅方向に互いに並行に設けられた複数の縦スリットを切り起こしたフィンルーバが形成され、上記各熱交換チューブに形成される複数の上記切起し片を熱交換チューブの長手方向に沿って等間隔をおいて列設し、上記コルゲートフィンの山頂点と谷頂点間のピッチ（Ｐ）が１．２〜１．８ｍｍ、上記切起し片の上下方向の幅（Ｌ）が１．２〜３．６ｍｍ、上記熱交換チューブの厚さ（Ｔ）が１．２〜２ｍｍであって、上記コルゲートフィンの山頂点と谷頂点間のピッチ（Ｐ）と、上記切起し片の上下方向の幅（Ｌ）と、上記熱交換チューブの厚さ（Ｔ）との関係を、Ｐ×２≧Ｌ≧Ｔとする、ことを特徴とする。

この発明において、上記切起し片の上記幅（Ｌ）と、上記熱交換チューブの厚さ（Ｔ）、切起し片の角度（θ）との関係を、Ｌ×ｓｉｎθ＝Ｔとする方がよい。

また、この発明において、上記切起し片の幅が２ｍｍ以上である方が好ましい。切起し片の幅が２ｍｍより小さいと、加工が困難となるからである。

加えて、この発明において、上記切起し片の厚さが０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである方が好ましい。切起し片の厚さが０．２ｍｍより薄いと、加工刃具の適正クリアランスが微小となるため剪断加工が難しくなり、また、切起し片の厚さが０．８ｍｍより厚くなると、大きな剪断力を必要とし、加工刃具の強度及び加工方法が限定されてしまう場合があるからである。

上記のように構成されるこの発明によれば、コルゲートフィンの表面に凝縮し、水滴となった凝縮水（結露水）が、熱交換チューブの上下側に隣接するコルゲートフィン間に保水された状態で、切起し片の端部が保水に接触することで、流れ落ちる起点となり、水を誘引して下方側のコルゲートフィンへ排出し、以下同様に下方のコルゲートフィンへ排出することができる。
また、この発明において、最下端の上記コルゲートフィンの下部開放側に接合されるサイドプレートを具備し、上記サイドプレートの中央部に、該サイドプレートの長手方向に沿う排水用スリットを設けるのが好ましい。また、これに代えて、上記サイドプレートは、上記コルゲートフィンに接触する水平片と、該水平片の一端部から直交状に屈曲する垂下片とからなり、上記垂下片に、上記サイドプレートの長手方向に沿って間隔をおいて垂下片の下端から上記水平片の交差部に渡って上記コルゲートフィンのピッチより狭い幅の排水用溝を形成するのが好ましい。
このように構成することにより、最下端部のコルゲートフィン間に滞留する水を下方へ排水することができる。

この発明によれば、熱交換器に付着した水滴がコルゲートフィン間に保水された状態で、切起し片の端部が保水に接触することで、流れ落ちる起点となり、水を誘引して下方側のコルゲートフィンへ確実に排出することができる。したがって、扁平状熱交換チューブを水平配置した場合でも、排水速度を速めることができ、排水性の向上を図ることができる。

この発明に係るコルゲートフィン式熱交換器の排水構造の一例を示す正面図（ａ）及び（ａ）のＩ部拡大正面図（ｂ）である。 この発明に係る排水構造の一部を断面で示す斜視図（ａ）及びこの発明におけるコルゲートフィンの一部拡大斜視図（ｂ）である。 この発明における流水路を有する熱交換チューブを示す斜視図である。 この発明における熱交換チューブ、コルゲートフィン及び切起し片の関係を示す概略正面図である。 この発明に係るコルゲートフィン式熱交換器における下部サイドプレートに排水構造を設けた一形態を示す要部断面斜視図である。 この発明に係るコルゲートフィン式熱交換器における下部サイドプレートに排水構造を設けた別の形態を示す要部断面斜視図である。

以下に、この発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

この発明に係るコルゲートフィン式熱交換器１は、図１に示すように、それぞれアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の左右に対峙する一対のヘッダーパイプ２ａ，２ｂと、これらヘッダーパイプ２ａ，２ｂ間に互いに平行に水平方向に架設（連結）される複数の扁平状の熱交換チューブ３及び隣接する熱交換チューブ３間に介在されるコルゲートフィン４をろう付けしてなる。

この場合、熱交換チューブ３には複数に区画された熱媒体流路３ａが形成されている。また、上下端のコルゲートフィン４の上部外方側及び下部開放側には、それぞれアルミニウム製のサイドプレート５がろう付けされている。また、ヘッダーパイプ２ａ，２ｂの上下開口端にはアルミニウム製のエンドキャップ６がろう付けされている。

上記のように構成される熱交換器１において、コルゲートフィン４は、薄板を所定の高さになるように山−谷折りを交互に繰り返して成形されており、熱交換器正面からの視点では、Ｖ字形状の連続として見ることができる。なお、コルゲートフィン４の形状は必ずしもＶ字形状の連続ではなく、Ｕ字形状の連続であってもよい。

上記のように構成される熱交換器１において、図１ないし図３に示すように、熱交換チューブ３の幅方向の側端部には、熱交換チューブ３の長手方向に沿って鍔部７が延設されており、この鍔部７に適宜ピッチをおいて切込みを介して傾斜状に切り起こされる複数の切起し片８を列設すると共に、各切起し片８の上下端部を熱交換チューブ３の上下側に隣接するコルゲートフィン４に接触することで、コルゲートフィン４間に保水される水を誘引する流水路１０が形成されている。

流水路１０となる切起し片８を形成する方法として、図３に示すように、両端部に鍔部７を延設した熱交換チューブ３を押出成形した後、鍔部７に切込みを介して切起し加工等を施して切起し片８を形成する。この場合、極端に切起し片８の上下方向の幅（長さ）が短いと加工が困難となるため、切起し片８の幅（長さ）は２ｍｍ以上が好ましい。

なお、切起し片８の厚さについては、剪断加工性の観点から、０．２ｍｍ〜０．８ｍｍが好ましい。切起し片の厚さが０．２ｍｍより薄いと、加工刃具の適正クリアランスが微小となるため剪断加工が難しくなり、また、切起し片の厚さが０．８ｍｍより厚くなると、大きな剪断力を必要とし、加工刃具の強度及び加工方法が限定されてしまう場合があるからである。

この発明における排水メカニズムとしては、Ｖ字形状（谷折り）フィン表面に凝縮した凝縮水（結露水）は、下段への水路がないため、コルゲートフィン４の幅方向に互いに並行に設けられた複数の縦スリットを切り起こして形成されたフィンルーバ４ａ（図２（ｂ）参照）を介して隣の逆Ｖ字形状（山折り）部に移動し、逆Ｖ字形状部に集まった凝縮水は、下方の開口部から、熱交換チューブ３に形成された流水路１０を介して、下方側のコルゲートフィン４に流れ込むといったメカニズムをスムーズに繰り返すことにより、排水が促進される構造である。

なお、コルゲートフィン４にフィンルーバ４aを設けることにより、熱交換能力の向上が図れる、すなわち、空気の通路に所定角度に成形された所定数のルーバーを設けることで、乱流効果等により熱伝達性能の向上が図れる。

この排水メカニズムにおいて、熱交換チューブ３に形成される流水路１０の望ましい配置としては、その両脇すなわち熱交換チューブ３の厚さ方向の両側に位置するコルゲートフィン４を結ぶことである。このため、切起し片８の幅は熱交換チューブ３の厚さにより制約を受ける。また、切起し片８の幅は、コルゲートフィンの山頂点と谷頂点間のピッチの２倍以下であることが好ましい。

上記の関係から、熱交換チューブ３，コルゲートフィン４及び切起し片８の各部の寸法／角度の最適範囲を表すことがでる。

すなわち、図４を参照して説明すると、コルゲートフィン４の山頂点と谷頂点間のピッチ（Ｐ）と、切起し片８の幅（Ｌ）と、熱交換チューブ３の厚さ（Ｔ）との関係を、
Ｐ×２≧Ｌ≧Ｔで表すことができる。また、熱交換チューブ３の中心線に対する切起し片８の角度をθとすると、
Ｌ×ｓｉｎθ＝Ｔで表すことができる。

＜評価試験＞
次に、この発明における熱交換チューブ３，コルゲートフィン４及び切起し片８の各部の寸法／角度の最適範囲を調べるための評価試験について説明する。

図４に示すコルゲートフィン４の山頂点と谷頂点間のピッチ（Ｐ）が、１．２ｍｍ，１．４ｍｍ，１．６ｍｍ，１．８ｍｍ、切起し片８の幅（Ｌ）が、１．２ｍｍ，１．６ｍｍ，２ｍｍ，２．４ｍｍ，２．８ｍｍ，３．２ｍｍ，３．６ｍｍ，４ｍｍであって、厚さが０．５ｍｍ、熱交換チューブ３の厚さ（Ｔ）が、１．２ｍｍ，１．６ｍｍ，２ｍｍの場合について、Ｌ≧ＴではＬ×ｓｉｎθ＝Ｔ、Ｌ＜ＴではＬ×ｓｉｎθ＝最大となる角度（θ）で設定して、排水速度が速く、排水性が良好（◎）、排水性良好（○）、排水機能は有するが速度が遅い（△）、排水性が劣る、もしくは不可（×）の４段階の評価試験を行った。その結果、表１に示すような結果が得られた。

上記評価試験の結果、Ｐ×２≧Ｌ≧Ｔの範囲が最適範囲であることが判った。この結果から、実用的な例としては、比較的熱交換器表面に凝縮水が発生し辛い条件では、フィンピッチ（Ｐ）＝１．３ｍｍ、チューブ厚さ（Ｔ）＝１．９３ｍｍの場合、切起し片幅（Ｌ）＝２．６ｍｍ、切起し片角度（θ）＝４８°の組み合わせとなる。

また、熱交換器表面に凝縮水が発生し易い条件では、コルゲートフィン４への保水性を重視し、フィンピッチ（Ｐ）＝１．６ｍｍ程度であることが良く、この場合は、チューブ厚さ（Ｔ）＝１．９３ｍｍの場合で、切起し片幅（Ｌ）＝２．６ｍｍ、切起し片角度（θ）＝４８°組み合わせとなる。

上記実施形態の排水構造によれば、熱交換器表面がウェットな状態となると、コルゲートフィン４の表面に凝縮し、水滴となった凝縮水（結露水）が、熱交換チューブ３の上下側に隣接するコルゲートフィン４間に保水された状態で、コルゲートフィン４に接触する切起し片８（流水路１０）のエッジ部が保水に接触することで、流れ落ちる起点となり、水を誘引して下方側のコルゲートフィン４へ排出することができる。以下同様にして、コルゲートフィン４の表面に凝縮し、水滴となった凝縮水（結露水）は、順次下方側のコルゲートフィン４へ排出される。また、コルゲートフィン４の１山に対し、少なくとも１つ以上の切起し片８が配置されることとなり、スムーズな排水が可能となる。これにより、扁平状熱交換チューブ３を水平配置した場合でも、排水速度を速めることができ、排水性の向上を図ることができる。

なお、この発明に係るコルゲートフィン式熱交換器１において、最下端に位置するコルゲートフィン４に付着し滞留する水を効率よく排水するために、以下のような構造とする方がよい。

例えば、図５に示すように、最下端に位置する下部サイドプレート５の中央部に、このサイドプレート５の長手方向に沿う排水用スリット５ａを設ける構造とする。このように、最下端に位置する下部サイドプレート５に、このサイドプレート５の長手方向に沿う排水用スリット５ａを設けることにより、コルゲートフィン４の横方向へ連通させる水路を形成することができ、排水用スリット５ａにより最下端部のコルゲートフィン４間に滞留する水を下部へ誘引することができる。

また、別の構造として、図６に示すように、この発明に係るコルゲートフィン式熱交換器１の最下端のコルゲートフィン４の下部に位置する下部サイドプレート２０を、最下端のコルゲートフィン４の下端に接触する水平片２１と、水平片２１の一端から直交状に屈曲する垂下片２２とからなるアルミニウム製押出形材にて形成されるアングル状のサイドチャンネルによって形成し、垂下片２２には、サイドプレート２０の長手方向に沿って適宜間隔をおいて複数の排水用溝２３を、垂下片２２の下端から水平片２１の交差部に渡って形成する。この場合、排水用溝２３の幅は、コルゲートフィン４のピッチより狭く形成されている。

図６では、下部サイドプレート２０に設けられる垂下片２２が空気Ａの風下側に位置しているが、二点鎖線で示すように、垂下片２２を空気Ａの風上側に位置させてもよく、あるいは、サイドチャンネルをコ字状に形成して垂下片２２を空気Ａの風上、風下の双方に位置させてもよい。

上記のように構成される構造によれば、サイドプレート２０の垂下片２２に、垂下片２２の下端から水平片２１の交差部に渡って形成され複数の排水用溝２３を設けることにより、最下部のコルゲートフィン４の波形部に付着して滞留した水を、毛細管現象により排水用溝２３内に誘引し、排水用溝２３内に誘引された水を位置エネルギー（重力）により排水用溝２３から下方に排出することができる。

なお、上記実施形態では、この発明に係る排水構造を蒸発器に適用した場合について説明したが、この発明は、蒸発器以外のパラレルフロー型コルゲートフィン式熱交換器において、熱交換チューブを水平配置した場合でも、表面に付着した水滴の排水性を十分に有し、通気抵抗及び熱交換効率に与える悪影響を抑制することができる。

１ 熱交換器
２ａ，２ｂ ヘッダーパイプ
３ 熱交換チューブ
４ コルゲートフィン
４a フィンルーバ
７ 鍔部
８ 切起し片
１０ 流水路
Ｐ コルゲートフィンのピッチ
Ｌ 切起し片の幅
Ｔ 熱交換チューブの厚さ
θ 切起し片の角度

Claims (6)

1. 対峙する一対のヘッダーパイプ間に、互いに平行な複数の扁平状熱交換チューブを水平方向に配置し、山−谷折りを交互に繰り返して成形されたコルゲートフィンを上記熱交換チューブ間に接合してなり、上記熱交換チューブの幅方向の端部に延設される鍔部に適宜ピッチをおいて切込みを介して傾斜状に切り起こした切起し片にて流水路を形成してなるコルゲートフィン式熱交換器において、
   上記コルゲートフィンは、該コルゲートフィンの幅方向に互いに並行に設けられた複数の縦スリットを切り起こしたフィンルーバが形成され、
   上記各熱交換チューブに形成される複数の上記切起し片を熱交換チューブの長手方向に沿って等間隔をおいて列設し、
   上記コルゲートフィンの山頂点と谷頂点間のピッチ（Ｐ）が１．２〜１．８ｍｍ、上記切起し片の上下方向の幅（Ｌ）が１．２〜３．６ｍｍ、上記熱交換チューブの厚さ（Ｔ）が１．２〜２ｍｍであって、
   上記コルゲートフィンの山頂点と谷頂点間のピッチ（Ｐ）と、上記切起し片の上下方向の幅（Ｌ）と、上記熱交換チューブの厚さ（Ｔ）との関係が、
   Ｐ×２≧Ｌ≧Ｔ
   である、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器の排水構造。
2. 請求項１に記載のコルゲートフィン式熱交換器の排水構造において、
   上記切起し片の幅（Ｌ）と、上記熱交換チューブの厚さ（Ｔ）、切起し片の角度（θ）との関係が、
   Ｌ×ｓｉｎθ＝Ｔ
   である、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器の排水構造。
3. 請求項１又は２に記載のコルゲートフィン式熱交換器の排水構造において、
   上記切起し片の幅が２ｍｍ以上である、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器の排水構造。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のコルゲートフィン式熱交換器の排水構造において、
   上記切起し片の厚さが０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器の排水構造。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のコルゲートフィン式熱交換器の排水構造において、
   最下端の上記コルゲートフィンの下部開放側に接合されるサイドプレートを具備し、上記サイドプレートの中央部に、該サイドプレートの長手方向に沿う排水用スリットを設けてなる、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器の排水構造。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載のコルゲートフィン式熱交換器の排水構造において、
   最下端の上記コルゲートフィンの下部開放側に接合されるサイドプレートを具備し、上記サイドプレートは、上記コルゲートフィンに接触する水平片と、該水平片の一端部から直交状に屈曲する垂下片とからなり、上記垂下片に、上記サイドプレートの長手方向に沿って間隔をおいて垂下片の下端から上記水平片の交差部に渡って上記コルゲートフィンのピッチより狭い幅の排水用溝を形成してなる、ことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器の排水構造。

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