JP6115783B2 - 伝熱フィン、フィンチューブ型熱交換器及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置に関する。また、本発明は、フィンチューブ型熱交換器に好適な伝熱フィンに関する。

従来から、家庭用エアコンや自動車用エアコン、業務用パッケージエアコン等の空調用機器や冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯機等のヒートポンプ装置には、蒸発器又は凝縮器として作動する熱交換器が用いられており、その中でも、家庭用エアコンや業務用パッケージエアコンにおいては、フィンチューブ型熱交換器が最も一般的に用いられてきた。

図１３は、家庭用エアコンや業務用パッケージエアコン等に用いられているフィンチューブ型熱交換器１００の部分的な断面図である。この熱交換器１００は、積み重ねられた複数枚の伝熱フィン１２０と、伝熱フィン１２０を貫通する伝熱管１１０を備えている。各伝熱フィン１２０は、ベース部１２１から立ち上がる円筒状（断面形状が一定）のカラー部１２３を有している。カラー部１２３の根元及び先端からは、根元部１２２及びフレア部１２４が湾曲しながら径方向外向きに拡大している。フレア部１２４は、隣接する伝熱フィン１２０のベース部１２１における根元部１２２近傍部分に当接している。通常は、積み重ねられた伝熱フィン１２０のカラー部１２３内にカラー部１２３の内径よりも小さな外径の伝熱管１１０が挿通され、その後に伝熱管１１０が拡管されることで、伝熱管１１０がカラー部１２３に密着させられる。

伝熱フィン１２０が積み重ねられると、フレア部１２４と根元部１２２の間に隙間１３０が形成される。かかる隙間１３０においては、伝熱管１１０と伝熱フィン１２０が接触しないため、従来の一般的な機械的拡管工法では伝熱管１１０から伝熱フィン１２０への伝熱性を向上させることができない。

最近では、特許文献１により、伝熱管１１０から伝熱フィン１２０への伝熱性を向上させる方法が提案されている。この方法では、隙間１３０にシリコーン樹脂等の充填剤を充填して硬化させることにより隙間１３０を埋めている。

特開２０１０−１６９３４４号公報

しかしながら、特許文献１に提案された方法では、従来の一般的な工程に加え、充填剤を充填する工程が必要となるため、工程の見直しが必要であり、多大な工数が発生してしまう。さらに、熱交換器の廃棄時には、廃材として通常は金属からなる伝熱フィン１２０及び伝熱管１１０に加えて充填剤という異種材料が増えるため、材料の分別が困難になる。これにより、リサイクル性が悪化し、環境負荷を増大させてしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、充填剤を用いずに伝熱管から伝熱フィンへの伝熱性を向上させることができるフィンチューブ型熱交換器及びこのフィンチューブ型熱交換器を用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、フィンチューブ型熱交換器に好適な伝熱フィンを提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
ベース部と、
前記ベース部から立ち上がる筒状のカラー部と、
前記カラー部の先端の一部分が前記カラー部の先端から前記カラー部の径方向外向きに張り出した張り出し部と、
前記カラー部の先端であって前記張り出し部以外の領域に延長されて形成された壁部と、を具備し、
前記ベース部から前記壁部の高さは、前記ベース部から前記張り出し部の高さより高い、伝熱フィンを提供する。

本開示によれば、フィンチューブ型熱交換器に好適な伝熱フィンを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の構成図 図１に示す熱交換器の部分的な断面図 第１実施形態における伝熱フィンの部分的な斜視図 図１のIVＡ−IVＡ線に沿った断面図 図１のIVＢ−IVＢ線に沿った断面図 図４Ａ及び図４Ｂを説明のために便宜上１つの図に表した拡大断面図 図４Ａ及び図４Ｂを説明のために便宜上１つの図に表した別の拡大断面図 第１実施形態の変形例の伝熱フィンの部分的な斜視図 第１実施形態の別の変形例の伝熱フィンの部分的な斜視図 本発明の第２実施形態における伝熱フィンの部分的な斜視図 第２実施形態の変形例の伝熱フィンの部分的な斜視図 本発明の第３実施形態における伝熱フィンの部分的な斜視図 フィンチューブ型熱交換器が用いられるヒートポンプ装置の一例であるルームエアコンの構成図 従来のフィンチューブ型熱交換器の部分的な断面図

本開示の第１の態様は、
ベース部と、
前記ベース部から立ち上がる筒状のカラー部と、
前記カラー部の先端の一部分が前記カラー部の先端から前記カラー部の径方向外向きに張り出した張り出し部と、
前記カラー部の先端であって前記張り出し部以外の領域に延長されて形成された壁部と、を具備し、
前記ベース部から前記壁部の高さは、前記ベース部から前記張り出し部の高さより高い、伝熱フィンを提供する。

上記構成によれば、伝熱フィンが積み重ねられた際、張り出し部は隣接する伝熱フィンを支える役割を果たす。一方、カラー部に伝熱管を通した場合、張り出し部の設けられていないカラー部の先端、すなわち、壁部は、伝熱管と接触する。そのため、伝熱フィンと伝熱管との接触面積を大きくでき、隣接する伝熱フィン間の隙間を可能な限り少なくすることができる。従って、隣接する伝熱フィンを安定して積み重ねつつも、全体として見れば、隣接する伝熱フィン間の隙間を可能な限り少なくすることができる。

また、カラー部の先端に壁部を形成することにより、伝熱フィンが積み重ねられた際、積み重ねられた伝熱フィン同士が当接する。そのため、積み重ねられた伝熱フィンが全体として一体化して伝熱性が向上する。その結果、伝熱管内を流れる流体の熱を効率よく逃がすことができる。なお、積み重ねられた伝熱フィン同士が当接していない箇所も生じうるが、全体として見た場合には、積み重ねられた伝熱フィンが全体として一体化して伝熱性が向上する。

また、カラー部だけでなく、張り出し部の間の壁部も伝熱管に接触するため、従来の熱交換器よりも、伝熱管から伝熱フィンへの伝熱性を向上させることができる。これにより、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。また、従来のように充填剤を必要としないので、熱交換器の破棄時の材料の分別が容易であり、リサイクル性を悪化させることもない。

本開示の第２の態様は、第１の態様に加え、前記張り出し部は、少なくとも２つ設けられている、伝熱フィンを提供する。このような構成によれば、張り出し部の数を少なくしつつ、隣接する伝熱フィンを安定して積み重ねることができる。張り出し部の数を少なくすれば、その分、伝熱フィンと伝熱管との接触面積を大きくできる。

本開示の第３の態様は、第２の態様に加え、少なくとも２つの前記張り出し部の一方は一の方向に延びており、少なくとも２つの前記張り出し部の他方は前記一の方向と反対方向に延びている、伝熱フィンを提供する。このような構成によれば、張り出し部の数が２つであっても、伝熱フィンを積み重ねた際の安定性を十分に確保できる。

本開示の第４の態様は、第３の態様に加え、前記一の方向は、前記伝熱フィンの長手方向と直交する方向である、伝熱フィンを提供する。このような構成によれば、張り出し部の数が２つであっても、伝熱フィンを積み重ねた際の安定性を十分に確保できる。

本開示の第５の態様は、第３の態様に加え、前記一の方向は、前記カラー部の中心から前記伝熱フィンの長手方向と直交する幅方向に延びる直線に対して±３０度の範囲内にある、伝熱フィンを提供する。このような構成によれば、張り出し部の数が２つであっても、伝熱フィンを積み重ねた際の安定性を十分に確保できる。

本開示の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部は、前記カラー部の先端から遠ざかるにつれて径方向外向きに屈曲している構造である、伝熱フィンを提供する。

本開示の第７の態様は、第１〜第６の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部と前記壁部との間に、切り欠き部が設けられている、伝熱フィンを提供する。

本開示の第８の態様は、第１〜第５の態様及び第７の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部は、前記カラー部を構成する筒状体の外周面から、前記張り出し部の中央部が盛り上がる形状をしている、伝熱フィンを提供する。

本開示の第９の態様は、第１〜第５の態様及び第７の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部は、前記カラー部を構成する筒状体の外周面に設けられた突起である、伝熱フィンを提供する。

本開示の第１０の態様は、第１〜第９の態様のいずれか１つに加え、前記カラー部の根元から湾曲して前記ベース部につながり、窪みを形成する段差部を設けた、伝熱フィンを提供する。このような構成によれば、伝熱フィンが積み重ねられた際、段差部は、隣接する伝熱フィンの張り出し部が入り込む窪みを形成することになる。これにより、製造時に伝熱フィンを積み重ねる際、積み重ねられた伝熱フィンの自重によって、下層部分の伝熱フィンに荷重がかかって、張り出し部がカラー部の径方向の外側に押し広げられても、段差部で形成された窪みによって押し広げられる範囲が規制される。そのため、積み重ねられた下層部分の伝熱フィンのカラー部の内径が、積み重ねられた上層部分の伝熱フィンのカラー部の内径よりも広く押し広げられるのを防止できる。すなわち、積み重ねられた伝熱フィンに伝熱菅を挿入して、伝熱菅を押し広げて伝熱フィンのカラー部に接触させる作業を行う際、積み重ねられた上層部分の伝熱フィンと伝熱菅との接触面積と、積み重ねられた下層部分の伝熱フィンと伝熱菅との接触面積との間でムラが生ずるのを防止できる。従って、積み重ねられた伝熱フィンの場所によらず、伝熱管から伝熱フィンへの伝熱性の均一化を図ることができる。

本開示の第１１の態様は、
ベース部と、
前記ベース部から立ち上がる筒状のカラー部と、
前記カラー部の先端の一部分が前記カラー部の先端から前記カラー部の径方向外向きに張り出した張り出し部と、
前記カラー部の先端であって前記張り出し部以外の領域に延長されて形成された壁部と、
前記カラー部の根元から湾曲して前記ベース部につながり、窪みを形成する段差部と、
を具備した伝熱フィンを提供する。

このような構成によれば、伝熱フィンが積み重ねられた際、段差部は、隣接する伝熱フィンの張り出し部が入り込む窪みを形成することになる。これにより、製造時に伝熱フィンを積み重ねる際、積み重ねられた伝熱フィンの自重によって、下層部分の伝熱フィンに荷重がかかって、張り出し部がカラー部の径方向の外側に押し広げられても、段差部で形成された窪みによって押し広げられる範囲が規制される。そのため、積み重ねられた下層部分の伝熱フィンのカラー部の内径が、積み重ねられた上層部分の伝熱フィンのカラー部の内径よりも広く押し広げられるのを防止できる。すなわち、積み重ねられた伝熱フィンに伝熱菅を挿入して、伝熱菅を押し広げて伝熱フィンのカラー部に接触させる作業を行う際、積み重ねられた上層部分の伝熱フィンと伝熱菅との接触面積と、積み重ねられた下層部分の伝熱フィンと伝熱菅との接触面積との間でムラが生ずるのを防止できる。従って、積み重ねられた伝熱フィンの場所によらず、伝熱管から伝熱フィンへの伝熱性の均一化を図ることができる。

本開示の第１２の態様は、
積み重ねられた複数枚の伝熱フィンと、
前記複数枚の伝熱フィンを貫通する伝熱管と、を備え、
前記伝熱フィンは、
ベース部と、
前記ベース部から立ち上がる筒状のカラー部と、
前記カラー部の先端の一部分が前記カラー部の先端から前記カラー部の径方向外向きに張り出した張り出し部と、
前記カラー部の先端であって前記張り出し部以外の領域に延長されて形成された壁部と、を具備し、
前記ベース部から前記壁部の高さは、前記ベース部から前記張り出し部の高さより高い、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

このような構成によれば、伝熱フィンが積み重ねられた際、張り出し部は隣接する伝熱フィンを支える役割を果たす。一方、カラー部に伝熱管を通した場合、張り出し部の設けられていないカラー部の先端、すなわち、壁部は、伝熱管と接触する。そのため、伝熱フィンと伝熱管との接触面積を大きくでき、隣接する伝熱フィン間の隙間を可能な限り少なくすることができる。従って、隣接する伝熱フィンを安定して積み重ねつつも、全体として見れば、隣接する伝熱フィン間の隙間を可能な限り少なくすることができる。

また、カラー部の先端に壁部を形成することにより、伝熱フィンが積み重ねられた際、積み重ねられた伝熱フィン同士が当接する。そのため、積み重ねられた伝熱フィンが全体として一体化して伝熱性が向上する。その結果、伝熱管内を流れる流体の熱を効率よく逃がすことができる。

また、隣接する伝熱フィン間の隙間を可能な限り少なくすることできるため、隙間への充填剤を不要にできる。熱交換器の破棄時において材料の分別が容易となり、リサイクル性が向上する。

本開示の第１３の態様は、第１２の態様に加え、前記張り出し部は、少なくとも２つ設けられている、フィンチューブ型熱交換器を提供する。このような構成によれば、張り出し部の数を少なくしつつ、隣接する伝熱フィンを安定して積み重ねることができる。張り出し部の数を少なくすれば、その分、伝熱フィンと伝熱管との接触面積を大きくできる。

本開示の第１４の態様は、第１３の態様に加え、少なくとも２つの前記張り出し部の一方は一の方向に延びており、少なくとも２つの前記張り出し部の他方は前記一の方向と反対方向に延びている、フィンチューブ型熱交換器を提供する。このような構成によれば、張り出し部の数が２つであっても、伝熱フィンを積み重ねた際の安定性を十分に確保できる。

本開示の第１５の態様は、第１４の態様に加え、前記一の方向は、前記伝熱フィンの長手方向と直交する方向である、フィンチューブ型熱交換器を提供する。このような構成によれば、張り出し部の数が２つであっても、伝熱フィンを積み重ねた際の安定性を十分に確保できる。

本開示の第１６の態様は、第１４の態様に加え、前記一の方向は、前記カラー部の中心から前記伝熱フィンの長手方向と直交する幅方向に延びる直線に対して±３０度の範囲内にある、フィンチューブ型熱交換器を提供する。このような構成によれば、張り出し部の数が２つであっても、伝熱フィンを積み重ねた際の安定性を十分に確保できる。

本開示の第１７の態様は、第１２〜第１６の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部は、前記カラー部の先端から遠ざかるにつれて径方向外向きに屈曲している構造である、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第１８の態様は、第１２〜第１７の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部と前記壁部との間に、切り欠き部が設けられている、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第１９の態様は、第１２〜第１６の態様及び第１８の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部は、前記カラー部を構成する筒状体の外周面から、前記張り出し部の中央部が盛り上がる形状をしている、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第２０の態様は、第１２〜第１６の態様及び第１８の態様のいずれか１つに加え、前記張り出し部は、前記カラー部を構成する筒状体の外周面に設けられた突起である、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第２１の態様は、第１２〜第２０の態様のいずれか１つに加え、前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの壁部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンのカラー部の根元の裏面に当接している、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第２２の態様は、第１２〜第２０の態様のいずれか１つに加え、前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの壁部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンのカラー部の根元の裏面に当接していない、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第２３の態様は、第１２〜第２２の態様のいずれか１つに加え、前記カラー部の根元から湾曲して前記ベース部につながり、窪みを形成する段差部を設けた、フィンチューブ型熱交換器を提供する。このような構成によれば、伝熱フィンが積み重ねられた際、段差部は、隣接する伝熱フィンの張り出し部が入り込む窪みを形成することになる。これにより、製造時に伝熱フィンを積み重ねる際、積み重ねられた伝熱フィンの自重によって、下層部分の伝熱フィンに荷重がかかって、張り出し部がカラー部の径方向の外側に押し広げられても、段差部で形成された窪みによって押し広げられる範囲が規制される。そのため、積み重ねられた下層部分の伝熱フィンのカラー部の内径が、積み重ねられた上層部分の伝熱フィンのカラー部の内径よりも広く押し広げられるのを防止できる。すなわち、積み重ねられた伝熱フィンに伝熱菅を挿入して、伝熱菅を押し広げて伝熱フィンのカラー部に接触させる作業を行う際、積み重ねられた上層部分の伝熱フィンと伝熱菅との接触面積と、積み重ねられた下層部分の伝熱フィンと伝熱菅との接触面積との間でムラが生ずるのを防止できる。従って、積み重ねられた伝熱フィンの場所によらず、伝熱管から伝熱フィンへの伝熱性の均一化を図ることができる。

本開示の第２４の態様は、第１２〜第２３の態様のいずれか１つに加え、前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの前記張り出し部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンの前記段差部によって形成される窪み内に入り込む、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第２５の態様は、第２３の態様に加え、前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの前記張り出し部が、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンの前記段差部によって形成される窪みと接触している範囲で、前記ベース部から前記壁部の高さは、前記ベース部から前記張り出し部の高さより高い、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本開示の第２６の態様は、第１２〜第２５の態様のいずれか１つに加え、前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの前記壁部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンの前記カラー部の根元の内側に入り込む、フィンチューブ型熱交換器を提供する。このような構成によれば、積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンと、一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンとの間に形成される隙間を可能な限り少なくすることができるので、伝熱面積を増大させ、熱交換効率を向上させることができる。

本開示の第２７の態様は、圧縮機と、凝縮器と、絞り装置と、蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記絞り装置及び前記蒸発器に、冷媒を循環させる冷媒回路と、を備え、
前記凝縮器と前記蒸発器との少なくとも一方が第１２〜第２６の態様のいずれか１つに記載のフィンチューブ型熱交換器である、ヒートポンプ装置を提供する。

（実施の形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１を示す。この熱交換器１は、積み重ねられた複数枚の伝熱フィン３Ａと、伝熱フィン３Ａの両側に配置された一対のサイドプレート２０と、伝熱フィン３Ａ及びサイドプレート２０を貫通する複数のＵ字状の伝熱管２を備えている。

各伝熱フィン３Ａは特定方向に延びており、各伝熱管２の直線部は一定のピッチで伝熱フィン３Ａの長手方向に並んでいる。各伝熱管２の両端部は、直線部同士をつなぐ折り返し部と反対側のサイドプレート２０から突出しており、隣り合う伝熱管２の端部同士がベント管２１によって連結されている。

各伝熱管２は、銅等の熱伝導度の大きい金属から成る。各伝熱フィン３Ａは、薄いアルミニウム板がプレス成形された板状のものであり、平面視で長方形状である。ただし、各伝熱フィン３Ａの形状は、特定方向に延びるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、特定方向に引き延ばされた菱形や台形等の多角形状でもよいし、楕円状であってもよい。

具体的に、各伝熱フィン３Ａは、図２〜図４Ｂに示すように、伝熱管２の直線部の回りに広がるベース部４と、ベース部４から伝熱管２の直線部に沿って立ち上がる円筒状のカラー部５を含む。なお、以下では、説明の便宜のために、カラー部５が立ち上がる方向を上方、それと反対方向を下方という。

カラー部５は、伝熱管２を挿通するための挿通孔を形成する。伝熱管２は、当初はカラー部５の内径よりも小さな外径を有し、伝熱フィン３Ａが挿通孔が合致するように積み重ねられた後に挿通孔に挿通される。すなわち、当初の伝熱管２とカラー部５との間には、伝熱管２の挿通性を確保するためのクリアランスが設けられる。その後、伝熱管２内に拡管ビレットを挿通する機械的拡管法等を用いて伝熱管２が拡管される。これにより、伝熱管２がカラー部５に接触し、それらが同軸的に一体化するように固定される。

カラー部５の下方には、カラー部５の根元から湾曲しながら径方向外向きに拡大してベース部４につながる根元部５５が設けられている。一方、カラー部５の上方には、複数の張り出し部５１と複数の壁部５２が周方向に交互に並んで設けられている。すなわち、張り出し部５１の数と壁部５２の数は同じである。

ベース部４は、フラットであってもよいが、本実施形態では伝熱フィン３Ａの長手方向に平行な筋模様を呈する波形となっている。なお、波形の筋模様は必ずしも伝熱フィン３Ａの長手方向に平行でなくてもよく、それに対して傾いていてもよい。具体的に、ベース部４は、複数の山谷を有する波形部４１と、波形部４１の谷と同一レベルで伝熱管２を取り囲むフラットなリング部４３と、リング部４３の外周縁から波形部４１の山までテーパー状に延びる周壁４２を含む。そして、上記の根元部５５は、リング部４３の内周縁につながっている。

張り出し部５１は、カラー部５の先端から径方向外向きに張り出している。壁部５２は、カラー部５が張り出し部５１以外の領域に延長されることにより形成されたものである。言い換えれば、壁部５２は、カラー部５が張り出し部５１の間に延長されることにより形成されたものである。そして、隣り合う伝熱フィン３Ａでは、図４Ａに示すように、一方の伝熱フィン３Ａの張り出し部５１が他方の伝熱フィン３Ａのリング部４３における根元部５５近傍部分に当接している。

なお、本実施形態では、カラー部５の根元から湾曲してベース部４につながり、窪みを形成する段差部６が設けられている。詳細には、リング部４３に、根元部５５の周囲に張り出し部５１が嵌り込み可能な窪みを形成する段差部６が設けられている。すなわち、段差部６は、張り出し部５１に外接する円の直径よりも大きな内径を有している。段差部６の断面形状は、カラー部５の軸方向に平行又は斜めの直線であってもよいし湾曲していてもよい。このような構成では、製造時に伝熱フィン３Ａを積み重ねる際、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの自重によって、下層部分の伝熱フィン３Ａに荷重がかかって、張り出し部５１がカラー部５の径方向の外側に押し広げられても、段差部６で形成された窪みによって押し広げられる範囲が規制される。そのため、積み重ねられた下層部分の伝熱フィン３Ａのカラー部５の内径が、積み重ねられた上層部分の伝熱フィン３Ａのカラー部５の内径よりも広く押し広げられるのを防止できる。すなわち、積み重ねられた伝熱フィン３Ａに伝熱菅２を挿入して、伝熱菅２を押し広げて伝熱フィン３Ａのカラー部５に接触させる作業を行う際、積み重ねられた上層部分の伝熱フィン３Ａと伝熱菅２との接触面積と、積み重ねられた下層部分の伝熱フィン３Ａと伝熱菅２との接触面積との間でムラが生ずるのを防止できる。従って、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの場所によらず、伝熱管２から伝熱フィン３Ａへの伝熱性の均一化を図ることができる。

張り出し部５１は、伝熱フィン３Ａが積み重ねられた際に、隣接する伝熱フィン３Ａを支承する役割を果たす。そのため、張り出し部５１の上端は全て、リング部４３から等しい高さにあることが望まれる。また、張り出し部５１は、周方向に等角度間隔で配置されていることが好ましい。

張り出し部５１の個数は特に制約されるものではないが、張り出し部５１は、少なくとも２つ設けられていることが望ましい。伝熱フィン３Ａを積み重ねる際の伝熱フィン３Ａの長手方向と直交する幅方向の安定性（長手方向においては、複数個設けられた張り出し部５１により安定的に支承される）の観点からは、張り出し部５１は、少なくとも、カラー部５の中心から伝熱フィン３Ａの幅方向に広がる２つの角度範囲（例えば、幅方向に延びる直線に対して±３０度の範囲）内にそれぞれ配置された２つの張り出し部を含むことが好ましい。例えば、平面視で（カラー部５の軸方向から見たとき）、３つの張り出し部５１の中心線がＹ字状をなすように、一方の角度範囲内に１つの張り出し部５１を配置し、他方の角度範囲内に２つの張り出し部５１を配置してもよい。あるいは、双方の角度範囲内に張り出し部５１が１つずつ、カラー部５の中心を通って幅方向に延びる直線からずれた位置に配置されてもよい。ただし、壁部５２と伝熱管２との接触面積を大きく確保しつつ安定性を高めるという観点からは、張り出し部５１を伝熱フィン３Ａの幅方向に沿って互いに逆向きに張り出すように２つだけ設けるのが最良の形態となる。言い換えれば、２つの張り出し部５１の一方は一の方向に延びている。２つの張り出し部５１の他方は一の方向と反対方向に延びている。詳細には、一の方向は、伝熱フィン３Ａの長手方向と直交する方向（幅方向）である。

各張り出し部５１は、本実施形態では、カラー部５の先端から遠ざかるにつれて径方向外向きにシフトするようにカラー部５に対して湾曲しながら９０度屈曲している。ただし、張り出し部５１は、必ずしも湾曲している必要はなく、例えば、カラー部５から斜めに延びる直線勾配部と直線勾配部の先端に設けられた鍔部で構成されていてもよい。屈曲の角度も９０度に限定されない。

各張り出し部５１の周方向の幅は、各壁部５２の周方向の幅よりも小さいことが好ましく、例えば、カラー部５の周長の１／１２〜１／５程度である。

また、本実施形態では、各張り出し部５１は、平面視で一定の幅の円弧状となるように尖った角部を有しているが、伝熱フィン３Ａを積み重ねる際に張り出し部５１の角部が邪魔にならない様、図７に示すように張り出し部５１の角部を丸めてもよいし、張り出し部５１の形状を平面視で三日月状にしてもよい。

一方、壁部５２は隣接する伝熱フィン３Ａを支承する役割を有しない代わりに、伝熱管２と接触する。壁部５２の内径はカラー部５の内径と同一であり、壁部５２はカラー部５と連続した壁面を構成する。すなわち、伝熱フィン３Ａが積み重ねられたときには、図４Ａに示すように張り出し部５１と上方の伝熱フィン３Ａの根元部５５との間には隙間７が形成されるものの、図４Ｂに示すように壁部５２と上方の伝熱フィン３Ａの根元部５５との間には僅かな隙間しか形成されない。

壁部５２が上方の伝熱フィン３Ａの根元部５５の内側に入り込んで根元部５５との間に形成される隙間を可能な限り小さくするという観点から、図５に示すように、リング部４３（ベース部４）からの壁部５２の高さＢは、リング部４３（ベース部４）からの張り出し部５１の高さＡよりも高い。すなわち、壁部５２は、リング部４３（ベース部４）からの壁部５２の高さＢと、リング部４３（ベース部４）からの張り出し部５１の高さＡと、の差Δｈだけ高くなっている。このような構成によれば、差Δｈの分だけ隙間７を少なくできるだけでなく、伝熱フィン３Ａと伝熱管２との接触面積が増大するので、伝熱面積が増大し、熱交換効率が向上する。仮に、リング部４３（ベース部４）からの壁部５２の高さＢがリング部４３（ベース部４）からの張り出し部５１の高さＡよりも低い場合、伝熱フィン３Ａが積み重ねられた際に、隣り合う伝熱フィン３Ａ間において、伝熱管２の側面が露出し、伝熱効率の観点から好ましくない傾向となる。さらに、カラー部５の先端に壁部５２を形成することにより、伝熱フィン３Ａが積み重ねられた際、積み重ねられた伝熱フィン３Ａ同士が当接する。そのため、積み重ねられた伝熱フィン３Ａが全体として一体化して伝熱性が向上する。その結果、伝熱管２内を流れる流体の熱を効率よく逃がすことができる。

図５に示すように、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの中の一の伝熱フィン３Ａの壁部５２は、一の伝熱フィン３Ａに積み重ねられた他の伝熱フィン３Ａのカラー部５の根元の裏面に当接していてもよい。また、図６に示すように、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの一の伝熱フィン３Ａの壁部５２は、一の伝熱フィン３Ａに積み重ねられた他の伝熱フィン３Ａのカラー部５の根元の裏面に当接していなくてもよい。積み重ねられた複数の伝熱フィン３Ａの中には、壁部５２とカラー部５の根元の裏面とが当接している部分もあれば、当接していない部分もあり得る。例えば、伝熱フィン３Ａが製造時に積み重ねられた際、下層部分の伝熱フィン３Ａにおいては壁部５２とカラー部５の根元の裏面とが自重により当接する可能性が高い。これに対し、上層部分の伝熱フィン３Ａの中には壁部５２とカラー部５の根元の裏面とが当接しない箇所も生じうる。ただし、全体として見た場合には、積み重ねられた伝熱フィン３Ａが全体として一体化して伝熱性が向上する。

また、図４Ａに示すように、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの中の一の伝熱フィン３Ａの張り出し部５１は、一の伝熱フィン３Ａに積み重ねられた他の伝熱フィン３Ａの段差部６によって形成される窪み内に入り込んでいる。また、図４Ｂに示すように、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの中の一の伝熱フィン３Ａの壁部５２は、一の伝熱フィン３Ａに積み重ねられた他の伝熱フィン３Ａのカラー部５の根元の内側に入り込んでいる。なお、図５に示すように、積み重ねられた伝熱フィン３Ａの中の一の伝熱フィン３Ａの張り出し部５１が、一の伝熱フィン３Ａに積み重ねられた他の伝熱フィン３Ａの段差部６によって形成される窪みと接触している範囲で、ベース部４から壁部５２の高さＢは、ベース部４から張り出し部５１の高さＡより高くなっていればよい。

本実施形態では、各張り出し部５１と各壁部５２の間に細い線状の切り込み（スリット）が設けられている。しかし、張り出し部５１と壁部５２の境界での応力集中を緩和するためには、図８に示すように、各張り出し部５１と各壁部５２の間にそれらを滑らかに接続する、所定幅を有する底が円弧状の切り欠き５３（切り欠き部の一例）を設けることが好ましい。

ここで、図１３に示す従来のフィンチューブ型熱交換器１００を参考にして、伝熱現象の詳細を説明する。

伝熱管１１０内を流れる流体の熱は、伝熱管１１０の外周面からカラー部１２３の内周面に伝達された後に、カラー部１２３の外周面並びにベース部１２１の上面及び下面に伝導される。カラー部１２３の外周面並びにベース部１２１の上面及び下面に伝導された熱は、これらからベース部１２１間を流れる流体に伝達される。

このとき、伝熱管１１０の外周面からカラー部５の内周面に熱伝達される際の接触熱コンダクタンスは、一般的に以下の式１で定義される。

Ｋ：接触熱コンダクタンス（Ｗ／ｍ²・Ｋ）
δ₁：接触面を構成する一方の部材の表面粗さ（μｍ）
δ₂：接触面を構成する他方の部材の表面粗さ（μｍ）
δ₀：接触相当長さ（＝２３μｍ）
λ₁：接触面を構成する一方の部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
λ₂：接触面を構成する他方の部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
Ｐ：接触圧力（ＭＰａ）
Ｈ：接触面を構成する部材のうち軟らかい方の硬度（Ｈｂ）
λ_f：介在流体熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）

また、上記の式１で求められた接触熱コンダクタンスＫを用い、接触熱抵抗Ｒｃは以下の式２より求められる。
Ｒｃ＝１／（Ｋ×Ｓ） ・・・（式２）
Ｒｃ：接触熱抵抗（Ｋ／Ｗ）
Ｓ：接触面積（ｍ²）

したがって、接触熱抵抗Ｒｃを低減するためには、接触熱コンダクタンスＫを大きくする方法と、接触面積Ｓを大きくする方法の２パターンが存在する。

接触熱コンダクタンスＫを大きくするためには、例えば特許文献１に記載されたように、カラー部１２３間の隙間１３０に充填剤を充填する方法がある。この方法では、通常は空気である介在流体を充填剤に変更することにより、介在流体熱伝導率λ_fを高くして接触熱コンダクタンスＫを大きくすることができる。

しかしながら、充填剤を用いた場合には、熱交換器１００を構成する材料に、伝熱フィン１２０の素材及び伝熱管１１０の素材に加えて充填剤の素材が混在することになり、製品廃棄時にリサイクルのための素材毎の分別が困難になる。その結果、リサイクル性が悪化してリサイクル率の低下やリサイクル時に必要なエネルギーの増大等につながり、環境負荷を増大させてしまう。

昨今、家電リサイクル法に代表されるように地球環境への負荷を低減する取り組みが政府主導で実施されており、今後対象商品が拡大される傾向にあるため、リサイクル性は無視できない要素となっている。

また、上記の方法以外に接触熱コンダクタンスＫを大きくする方法として、伝熱管１１０とカラー部１２３の接触面の表面粗さδ₁、δ₂を小さくする方法、接触圧力Ｐを向上させる方法、伝熱管１１０及び伝熱フィン１２０の熱伝達率λ₁、λ₂を向上させる方法、伝熱管１１０又は伝熱フィン１２０のどちらか軟らかい方の硬度Ｈを低くする方法等がある。本発明は、接触面積Ｓを大きくする方法に着目したものである。

伝熱管１１０と伝熱フィン１２０との接触面積を増やすことで、接触熱コンダクタンスＫを変化させなくても接触熱抵抗Ｒｃを低減することができ、伝熱管１１０から伝熱フィン１２０への伝熱性を向上させることが可能となる。

上述したように、本実施形態の熱交換器１では、カラー部５だけでなく、張り出し部５１の間の壁部５２も伝熱管２に接触するため、従来の熱交換器よりも、伝熱管２から伝熱フィン３Ａへの伝熱性を向上させることができる。これにより、熱交換器１の熱交換効率を向上させることができる。また、従来のように充填剤を必要としないので、熱交換器の破棄時の材料の分別が容易であり、リサイクル性を悪化させることもない。

＜ヒートポンプ装置＞
次に、図１２を参照して、上述した熱交換器１が用いられるヒートポンプ装置の一例であるルームエアコン１０を説明する。

ルームエアコン１０では、室内ユニット１０Ａと室外ユニット１０Ｂとに跨って冷媒回路１０Ｃが構成されている。室外ユニット１０Ｂ内には圧縮機１１（一例としてロータリー型圧縮機）、四方弁１２、室外熱交換器１３、絞り装置１４（一例として膨張弁）が配置されており、室内ユニット１０Ａ内には室内熱交換器１５が配置されている。また、室外ユニット１０Ｂには室外熱交換器１３に室外空気を送る室外ファン１６（一例としてプロペラファン）が、室内ユニット１０Ａには室内熱交換器１５に室内空気を送る室内ファン１７（一例としてクロスフローファン）がそれぞれ設けられている。

ルームエアコン１０では、四方弁１２により、圧縮機１１により圧縮された高温高圧の冷媒が、暖房運転の際は室内熱交換器１５に、冷房運転の際は室外熱交換器１３に導かれる。暖房運転の際は、室内熱交換器１５が凝縮器となり、四方弁１２から室内熱交換器１５へ高温冷媒が送られる。室内熱交換器１５は、流れてくる高温冷媒の熱と室内ファン１７によって送られる室内空気の熱を熱交換し、冷媒の熱を空気へ放熱させることで冷媒を凝縮液化させる。液化した冷媒は絞り装置１４で断熱膨張され、これにより低温低圧となった冷媒が室外熱交換器１３に送られる。室外熱交換器１３は蒸発器となり、気液二相状態の低温冷媒の熱と室外ファン１６によって送られる室外空気の熱を熱交換し、空気の熱を冷媒に吸熱させることで冷媒を蒸発気化させる。蒸発した低圧気化冷媒は、圧縮機１１で再度圧縮される。このサイクルを連続的に繰り返すことにより、室内空気を暖めて暖房を行う。冷房運転の際は、四方弁１２を切り替えることで、冷媒を逆方向に流し、室内空気を冷やして冷房を行う。すなわち、暖房運転と冷房運転の双方で、冷媒回路１０Ｃを循環する冷媒は、圧縮機１１、凝縮器、絞り装置１４および蒸発器をこの順に通過する。

上述したようなルームエアコン１０あるいはそれ以外のヒートポンプ装置において、凝縮器と蒸発器の少なくとも一方を本実施形態の熱交換器１とすることで、凝縮器及び／又は蒸発器の熱交換効率を向上させることができる。その結果、ヒートポンプ装置のＣＯＰ（成績係数：coefficient of performance）を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第２実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器を説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。この点は、後述する第３実施形態でも同様である。

本実施形態では、図９に示す形状の伝熱フィン３Ｂが用いられる。この伝熱フィン３Ｂは、第１実施形態で用いられた伝熱フィン３Ａから張り出し部５１の形状を変更しただけのものである。ベース部４からの壁部５２の高さは、ベース部４からの張り出し部５１の高さよりも高い。

具体的に、本実施形態では、各張り出し部５１が、両側の壁部５２と連続しているとともに、カラー部５の先端から遠ざかるにつれて周方向の中央部が徐々に盛り上がる形状を有している。換言すれば、各張り出し部５１の形状は、ヘ字状断面（くちばし状断面、Ｖ字状断面）の注水口形状である。

伝熱フィン３Ｂを積み重ねる際、張り出し部５１は、隣接する伝熱フィン３Ｂを支承する役割を持つため、上方に位置する全ての伝熱フィン３Ｂの重さに耐える必要がある。この点、本実施形態のように張り出し部５１の形状を注水口形状とすれば、断面係数を増やせるため、張り出し部５１自体の強度を向上させることが可能となる。なお、壁部５２による効果は第１実施形態と同様である。

なお、図９では、張り出し部５１の断面がヘ字状となっていて中央部が尖っているが、伝熱フィン３Ｂを積み重ねる際に張り出し部５１の中央部が邪魔にならない様、図１０示すように張り出し部５１の中央部を滑らかに湾曲させてもよい。

（第３実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第３実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器を説明する。本実施形態では、図１１に示す形状の伝熱フィン３Ｃが用いられる。この伝熱フィン３Ｃは、第１実施形態で用いられた伝熱フィン３Ａから張り出し部５１の形状を変更しただけのものである。ベース部４からの壁部５２の高さは、ベース部４からの張り出し部５１の高さよりも高い。

具体的に、本実施形態では、各張り出し部５１が、カラー部５および壁部５２を構成する連続筒状体の外周面に設けられた突起で構成されている。突起は、カラー部５の軸方向に延びる線状のつまみ形状を有している。このような構成でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のフィンチューブ型熱交換器は、家庭用エアコンや自動車用エアコン、業務用パッケージエアコン等の空調用機器や冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯機等に利用されるヒートポンプ装置に適応可能である。

Claims (15)

1. 積み重ねられた複数枚の伝熱フィンと、
   前記複数枚の伝熱フィンを貫通する伝熱管と、を備え、
   前記伝熱フィンは、
   ベース部と、
   前記ベース部から立ち上がる筒状のカラー部と、
   前記カラー部の先端の一部分が前記カラー部の先端から前記カラー部の径方向外向きに張り出した張り出し部と、
   前記カラー部の先端であって前記張り出し部以外の領域に延長されて形成された壁部と、を具備し、
   前記ベース部から前記壁部の高さは、前記ベース部から前記張り出し部の高さより高く、
   前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの前記壁部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンの前記カラー部の根元の内側に入り込む、フィンチューブ型熱交換器。
2. 前記張り出し部は、少なくとも２つ設けられている、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 少なくとも２つの前記張り出し部の一方は一の方向に延びており、少なくとも２つの前記張り出し部の他方は前記一の方向と反対方向に延びている、請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記一の方向は、前記伝熱フィンの長手方向と直交する方向である、請求項３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記一の方向は、前記カラー部の中心から前記伝熱フィンの長手方向と直交する幅方向に延びる直線に対して±３０度の範囲内にある、請求項３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記張り出し部は、前記カラー部の先端から遠ざかるにつれて径方向外向きに屈曲している構造である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 前記張り出し部と前記壁部との間に、切り欠き部が設けられている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
8. 前記張り出し部は、前記カラー部を構成する筒状体の外周面から、前記張り出し部の中央部が盛り上がる形状をしている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
9. 前記張り出し部は、前記カラー部を構成する筒状体の外周面に設けられた突起である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
10. 前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの壁部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンのカラー部の根元の裏面に当接している、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
11. 前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの壁部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンのカラー部の根元の裏面に当接していない、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
12. 前記カラー部の根元から湾曲して前記ベース部につながり、窪みを形成する段差部を設けた、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
13. 前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの前記張り出し部は、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンの前記段差部によって形成される窪み内に入り込む、請求項１２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
14. 前記積み重ねられた伝熱フィンの中の一の伝熱フィンの前記張り出し部が、前記一の伝熱フィンに積み重ねられた他の伝熱フィンの前記段差部によって形成される窪みと接触している範囲で、前記ベース部から前記壁部の高さは、前記ベース部から前記張り出し部の高さより高い、請求項１２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
15. 圧縮機と、
    凝縮器と、
    絞り装置と、
    蒸発器と、
    前記圧縮機、前記凝縮器、前記絞り装置及び前記蒸発器に、冷媒を循環させる冷媒回路と、を備え、
    前記凝縮器と前記蒸発器との少なくとも一方が請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器である、ヒートポンプ装置。
    
    

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