JP6413760B2 - 熱交換器及びそれを用いた熱交換器ユニット - Google Patents

Description

本発明は、扁平管を用いた熱交換器に関する。

従来、薄い帯状の金属板を、僅かな連結部を残して幅方向に切断し、連結部で帯状金属板をつづら折りに曲折してフィン要素の集合体を構成し、そのフィン要素の集合体の表面側と裏面側とに扁平チューブを嵌着した２列の扁平チューブ列（扁平管列）を配置した熱交換器が知られている（特許文献１参照）。

また、側面が対向するように平行に配置された複数の扁平管と、 扁平管の配列方向に延びる板状に形成され、各扁平管が直交方向に差し込まれる切欠部を有する複数のフィンとを備え、フィンは、板状のフィン本体と、扁平管が接して扁平管を取り付ける取付部とを備える一方、フィン本体は、板状の本体部と、フィン本体の一部を折り曲げて形成されて本体部に連続し且つ各フィンの間隔を保持する複数のスペーサとした構成で１列の扁平管列を配置した熱交換器が知られている（特許文献２参照）。

特開２００４―２０５１２４号公報 特開２０１２―１６３３１８号公報

ところで、上記のように、扁平管列を１列用いる熱交換器や２列用いる熱交換器が知られているが、これら特許文献１、２に開示されるものは、扁平管列が１列配置の場合と２列配置の場合とで共通の構造のフィンを用いるものではない。

一方、扁平管列を１列配置する場合でも２列配置する場合でも共通の構造のフィンを用いることができるようになれば、部品の製造効率を向上させることが可能であるため、部品の製造コストの低減が図れる。

そこで、本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであって、扁平管を１列配置する場合にも２列配置する場合にも共通の構造のフィンを用いることができる熱交換器及びそれを用いた熱交換器ユニットを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものである。

（１）本発明に係る熱交換器は、扁平管と、前記扁平管を挿入するための複数の切欠き部が等間隔で設けられたフィンと、を備え、前記フィンは、前記切欠き部の開口端側に凹凸部を有し、前記凹凸部は、隣り合う前記切欠き部同士の間から延びる凸部と前記扁平管の前記切欠き部の開口端側端部に隣接する凹部を交互に有しており、前記凸部と前記凹部は点対称の関係である。

（２）上記（１）の構成において、前記凹部には、リブが立てられている。

（３）また、上記（１）又は（２）の構成を有した熱交換器を二つ並べて配置して構成される熱交換器ユニットは、一方の前記熱交換器と他方の前記熱交換器の前記凹凸部同士が対向するように並べて配置され、一方の前記熱交換器の前記凹部に他方の前記熱交換器の前記凸部が配置される。

本発明によれば、扁平管を１列配置する場合にも２列配置する場合にも共通の構造のフィンを用いることができる熱交換器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の使用の一例として空気調和機に熱交換器を用いた場合の図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器である扁平管熱交換器を示す図であり、（ａ）は扁平管熱交換器の平面図、（ｂ）は扁平管熱交換器の正面図、（ｃ）は扁平管熱交換器の側面図、（ｄ）は扁平管熱交換器の要部側面断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器である扁平管熱交換器の要部拡大側面断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器である２つ扁平管熱交換器を組み合わせた熱交換器の扁平管熱交換器の組み合わせ方を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器である２つ扁平管熱交換器を組み合わせた熱交換器の扁平管熱交換器が組み合わさった状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器である２つ扁平管熱交換器を組み合わせた熱交換器の平面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器に用いられるフィンの隣接部の側端面にリブを立てた状態を示す図である。

以下、本発明に係る好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ要素には同じ符号を付して説明する。

本発明に係る熱交換器は、一般的な空気調和機などに用いることができる熱交換器であり、先ず、本発明に係る熱交換器を用いた空気調和機の一例を示す。
図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器を用いた空気調和機の構成を示す図である。

図１に示すように、空気調和機１は、室内機２と室外機３とを備えて構成されている。
室外機３には、本発明に係る扁平管を用いた熱交換器（以下、扁平管熱交換器という）１０からなる室外熱交換器５の他に、圧縮機６、膨張弁７及び四方弁８が設けられ、室内機２には、任意の熱交換器を用いて構成される室内熱交換器４が設けられている。

暖房運転時には、室外機３の圧縮機６から吐出した高温高圧のガス冷媒が四方弁８を介して室内機２の室内熱交換器４に流入し、室内熱交換器４（凝縮器）で空気と熱交換した冷媒は凝縮し液化する。
このように、室内熱交換器４が凝縮器として機能し、室内熱交換器４で冷媒と熱交換を行い加熱された室内空気が室内に吹き出されることによって、室内機２が設置された室内の暖房が行われる。

その後、高圧の液冷媒は、室外機３の膨張弁７を通過することによって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり室外熱交換器５へ流入し、室外熱交換器５（蒸発器）で外気と熱交換した冷媒はガス化する。
そして、その後、低圧のガス冷媒は、四方弁８を介して圧縮機６に吸入される。

冷房運転時には、室外機３の圧縮機６から吐出した高温高圧のガス冷媒が四方弁８を介して室外熱交換器５に流入し、室外熱交換器５（凝縮器）で外気と熱交換した冷媒は凝縮し液化する。

その後、高圧の液冷媒は、室外機３の膨張弁７を通過することによって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内機２の室内熱交換器４へ流入し、室内熱交換器４（蒸発器）で空気と熱交換した冷媒はガス化する。

このように、室内熱交換器４が蒸発器として機能し、室内熱交換器４で冷媒と熱交換を行い冷却された室内空気が室内に吹き出されることによって、室内機２が設置された室内の冷房が行われる。
そして、その後、低圧のガス冷媒は、四方弁８を介して圧縮機６に吸入される。

次に、本発明に係る熱交換器の一例である扁平管熱交換器からなる熱交換器について詳細に説明する。
まず、扁平管列が１列配置となる場合を説明し、その後に、扁平管列が２列配置となる場合についての説明を行っていく。

図２は、本発明に係る扁平管熱交換器（室外熱交換器５）を示す図であり、１つの扁平管熱交換器を用いて扁平管列が１列設けられている場合を示すものである。

図２において（ａ）は扁平管熱交換器の平面図、（ｂ）は扁平管熱交換器の正面図、（ｃ）は扁平管熱交換器の側面図、（ｄ）は（ｂ）の扁平管熱交換器の切断線Ｘにおける断面図である。
また、図３は、図２（ｂ）の扁平管熱交換器の切断線Ｘにおける拡大断面図である。

図２及び図３に示すように、扁平管熱交換器１０は、冷媒が流通する複数の扁平管２０と、扁平管２０の両端に取り付けられる一対のヘッダ３０と、扁平管２０と交差させて空気を通過させるための隙間を設けて積層された複数のフィン４０と、を備えて構成されたパラレルフロー型熱交換器である。
なお、本実施形態の扁平管２０、ヘッダ３０及びフィン４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。

扁平管２０は、断面が空気流通方向に延びた扁平な形状を有し、その内部には、複数の冷媒流路２１が空気流通方向に平行に形成されている。
なお、冷媒流路２１を有する扁平管２０の断面を図３に示すが、その他の図における扁平管２０の断面は、冷媒流路２１を省略し、単なるハッチングとする。

扁平管２０は、空気が通過するための所定の間隔で上下に平行に配置され、その両端部が一対のヘッダ３０に接続される。
例えば、図２（ｂ）に示す扁平管熱交換器１０では、左右方向に伸びる複数の扁平管２０が一対のヘッダ３０を接続している。

ヘッダ３０は、円筒形状を有しており、その内部には、ヘッダ３０に接続される図示しない一方の接続管から流入する冷媒を複数の扁平管２０に分流させたり、複数の扁平管２０から流出する冷媒を合流させてヘッダ３０に接続される図示しない他方の接続管に流出させたりするための冷媒流路（不図示）が形成されている。

つまり、一方のヘッダ３０に流入した冷媒は、複数の扁平管２０に分流される。そして、扁平管２０に流入した冷媒は、内部の冷媒流路２１を流れて他方のヘッダ３０で合流して流出する。
このとき、扁平管２０においては、複数の扁平管２０を流れる冷媒と、各々の扁平管２０の間の隙間を通過する空気との間で熱交換が行われる。

フィン４０は、平板形状を有しており、空気が通過するための隙間を設けて平行に配置されている。
例えば、図２（ｂ）に示す扁平管熱交換器１０では、上下方向に沿う複数のフィン４０を左右方向に所定の隙間を設けて配置されている。

図２（ｄ）及び図３に示すように、フィン４０は、フィン４０の長手方向（図上下方向）に沿った風下側の片側端面に、その風下側の片側端面に沿って開口するように、扁平管２０を挿入するための複数の切欠き部４３が等間隔で形成されている。

そして、フィン４０は切欠き部４３の開放端を有する片側端面に凹凸部４１が設けられている。
凹凸部４１には、凸部４４と凹部４２が交互に配置されている。
凸部４４は、隣り合う切欠き部４３の間の部分に連続した凸形状の部分であって、凹部４２は隣り合う凸部４４の間に形成され、切欠き部４３（扁平管２０の切欠き部４３の開口端側端部）に隣接する開口部である。
なお、凸部４４と凹部４２の形状は、点対称の形状である。つまり、凹凸部４１には凸部４４と凸部４４を１８０度回転させた形状の凹部４２が互い違いに配置されている。

さらに、扁平管２０は、凹部４２の切欠き部４３側に近い部分４２ａに設けられた切欠き部４３に向かって幅が小さくなる部分で切欠き部４３の位置にガイドされるので幅が小さい切欠き部４３に対してもスムーズに挿し込まれることになる。
したがって、上述のような形状に凹部４２を形成しておくことでフィン４０を扁平管２０に取付ける作業の作業性を高めることができる。

なお、扁平管２０が切欠き部４３に挿入され、この切欠き部４３の周囲と扁平管２０との間でろう付けされることでフィン４０と扁平管２０とは一体的に接合されている。
例えば、少なくとも切欠き部４３の周囲にろう材を設けたフィン４０を準備しておき、扁平管２０が切欠き部４３に挿入された状態で加熱すれば、簡単にろう付けを行うことができる。
そして、上記で説明した扁平管熱交換器１０を１つだけ用いて熱交換器を構成することで、１列の扁平管２０が配置される熱交換器となる。

次に、この扁平管熱交換器１０を２つ用いることで２列の扁平管が配置された熱交換器ユニット１００を構成できることについて説明をする。
先ず、図３を参照しながら、より詳細なフィン４０の形状等についての詳細説明を行った後に、具体的に２列の扁平管が配置された熱交換器が実現できることについて説明する。

図３に示すように、フィン４０では、フィン４０は切欠き部４３の開放端を有する片側端面に凹凸部４１が設けられている。凹凸部４１には、凸部４４と凹部４２が交互に配置されている。凸部４４は、隣り合う切欠き部４３の間の部分に連続した凸形状の部分であって、凹部４２は隣り合う凸部４４の間に形成され、切欠き部４３（扁平管２０の端部）に隣接する開口部である。なお、凸部４４と凹部４２の形状は、点対称の形状である。

そして、凸部４４には、片側端面に向かって幅が小さくなるようにテーパ４４ａが形成される。
一方、上述したように、凹部４２の切欠き部４３側に近い部分４２ａは、切欠き部４３の幅に近づくように、片側端面に沿った方向（図上下方向）の幅が切欠き部４３に向かって徐々に小さくなる形状にされているが、この形状は、凸部４４に形成されているテーパ４４ａに対応するように幅が小さくなる形状になっている。

より具体的に、この凹部４２と凸部４４との形状の関係について説明すると、凹部４２と凸部４４の形状は、図３に、１つの凸部４４と１つの凹部４２の部分に形状の関係がわかり易いように点線のハッチングを設けているが、この部分を見ればわかるように、凸部４４は凹部４２の形状を反転させた状態に形成されている。

このように形成されていることで、２つの扁平管熱交換器１０をきれいに一体化させ熱交換器ユニット１００を形成することができる。

図４は２つの扁平管熱交換器（扁平管熱交換器１０、１０’）を組み合わせる組み合わせ方を説明するための図である。
図４に示す扁平管熱交換器１０は、上記で説明してきた扁平管熱交換器１０である。
一方、扁平管熱交換器１０’は扁平管熱交換器１０と同じ構成の扁平管熱交換器の上下を反転させ、扁平管熱交換器１０の凹凸部４１が形成されている片側端面に対して扁平管熱交換器１０’の凹凸部４１’が形成されている片側端面が対向するように配置したものである。

そして、図４においても、参考として、扁平管熱交換器１０の１つの凸部４４に点線のハッチングを行い、扁平管熱交換器１０’の１つの凹部４２’に点線のハッチングを行っているが、この凸部４４と凹部４２’の形状は、点対称となっているので、凸部４４が凹部４２’にほぼ隙間なく挿入できるようになっている。

２つの扁平管熱交換器（扁平管熱交換器１０、１０’）を組み合わせて熱交換器ユニット１００を形成する際は、一方（一列目）の扁平管熱交換器１０の積層されたフィン４０に設けられた凹部４２に、他方（二列目）の扁平管熱交換器１０’の凸部４４’が挿入され、また、一方（一列目）の扁平管熱交換器１０の積層されたフィン４０に設けられた凸部４４が、他方（二列目）の扁平管熱交換器１０’の凹部４２’に挿入されるように組み合わせる。
これによって、扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’は、図５に示すように、きれいに一体化させることができ、このように一体化させると図６に示すように、２つの扁平管熱交換器（扁平管熱交換器１０、１０’）が一体化した扁平管列が２列配置された熱交換器ユニット１００となる。
なお、図６は、図２（ａ）に対応する平面図である。

また、この扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’を一体化した熱交換器ユニット１００は、図５に示すように、扁平管２０と扁平管２０’とが千鳥配置されるように２つの扁平管の列（扁平管２０の列、及び、扁平管２０’の列）が配置された状態の熱交換器ユニットになっている。

ここで、上述では、図３を参照しながら、凹部４２の切欠き部４３側に近い部分４２ａが、切欠き部４３の幅Ｌ２に近づくように、片側端面に沿った方向の幅が切欠き部４３に向かって徐々に小さくなるように形成されていることの作用効果として、切欠き部４３に扁平管２０を挿し込み易くなることを述べたが、この部分は、扁平管２０を挿し込み易くできるだけでなく、扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’を組み合わせるときの作業性の向上効果も有している。

つまり、図３を参照しながら、扁平管熱交換器１０において、凸部４４には、片側端面に向かって幅が小さくなるようにテーパ４４ａが形成されており、そして、凹部４２の切欠き部４３側に近い部分４２ａが、凸部４４に形成されているテーパ４４ａに対応するように、切欠き部４３の幅に近づくように、片側端面に沿った方向（図上下方向）の幅が切欠き部４３に向かって徐々に小さくなる形状とされていることは、既に説明した通りである。
そして、扁平管熱交換器１０’も設計自体は、扁平管熱交換器１０と変わるところがないので、凹部４２’及び凸部４４’は、上記凹部４２及び凸部４４と同様の形状となっている。

したがって、図４に示す状態から図５に示す状態になるように、凹部４２、４２’に凸部４４’、４４が挿入されていくときに、凸部４４’、４４のテーパ４４ａ’、４４ａが、凹部４２、４２’の切欠き部４３、４３’側に近い部分４２ａ、４２ａ’に形成されているテーパ４４ａ、４４ａ’に対応するように幅が小さくなる形状によってガイドされ、容易に扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’の間の位置合わせが行われるので、扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’を組み合わせるときの作業性が良い。

一方、このようにして扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’とで構成された熱交換器では、次のような作用効果も有する。
図５に矢印で示すように、風上側から風下側にフィン同士の間（フィン４０同士の間及びフィン４０’同士の間）を流れる空気は、風上側に配置される扁平管熱交換器１０の扁平管２０同士の間を通った後、風下側に配置される扁平管熱交換器１０’の扁平管２０’同士の間を通るが、扁平管２０と扁平管２０’との位置関係が千鳥配置となっているので扁平管２０の表面から離れた位置を通る空気Ｆ１は扁平管２０’の表面の近くを通過し、扁平管２０’の表面から離れた位置を通る空気Ｆ２は、扁平管２０の表面の近くを通過する。
このように、扁平管２０と扁平管２０’との位置関係を千鳥配置とすることで、フィン同士の間（フィン４０同士の間及びフィン４０’同士の間）を流れる空気は、必ず上流側又は下流側の扁平管熱交換器１０、１０’の扁平管（扁平管２０、２０’）の近くを通過する。その結果、内部に冷媒が流通し、空気との温度差が大きい扁平管２０、２０’の付近を多くの空気が通過するので熱交換効率が高くなる。

さらに、図５を見るとわかるように、扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’との間の繋がり部分は、上述したように凹部４２、４２’と点対称の形状である凸部４４’、４４が挿入された状態になっているので、この部分に隙間がほとんどできないようになっている。
この部分に隙間があると、当該隙間を介してフィン（フィン４０、４０’）に直交する方向（紙面方向）にも空気の通ることができる空気流路が形成されることになるが、この空気流路を流れる空気は、先ほど、図５で説明した空気Ｆ１、Ｆ２の流れる方向に直交する方向に流れる空気のため、空気Ｆ１、Ｆ２の流れを阻害する。

しかしながら、図５に示した本実施形態の場合、扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’との間の繋がり部分には、ほとんど隙間がないので、空気Ｆ１、Ｆ２の流れを阻害する空気の流れを抑制することが可能であり、一層、熱交換効率を高くすることができる。

ところで、凹部４２、４２’及び凸部４４、４４’の形状が扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’を組み合わせるときに、自然と位置合わせができる形状になっていることは上述した通りであるが、この組み合わせ作業時に、凸部４４や凸部４４’が、フィン（フィン４０、４０’）の表面に直交する方向にズレて、フィン４０とフィン４０’の一部が重なる場合がある。

このようなフィン４０とフィン４０’との重なりを防止するとともに、扁平管熱交換器１０と扁平管熱交換器１０’を組み合わせるときの更なるガイド機能を向上させるために、凸部４４、４４’の側端面にリブを立てるようにしても良い。

図７は、フィンの凸部４４の側端面にリブを立てた状態の一例を示す斜視図であり、上述したように、フィン４０とフィン４０’とは、配置時の向きなどが変わるだけであり、構成自体は変わらないので、ここでは、代表して、フィン４０の凸部４４の側端面にリブ４２ｂを設けた場合を示している。
フィン４０’においてもこのリブ４２ｂと同様のリブ４２ｂ’を設けるようにするとよい。

なお、図７では、凸部４４の側端面に立てたリブ４２ｂが同じ側に立てられている場合を示しているが、このように同じ側に立てることに限定されるものではなく、リブ４２ｂのうちのいくつかが図７で示す方向とは逆側に立てられていても良い。

このようなリブ４２ｂを設けておくことで、上述したように、凸部４４や凸部４４’が、フィン（フィン４０、４０’）の表面に直交する方向に少しずれたとしても、リブ４２ｂがあるため、凸部４４、４４’が凹部４２’、４２から外れて、フィン４０とフィン４０’の一部が重なるようなことが抑制される。

以上のように、扁平管熱交換器１０を１つだけ用いることで扁平管列を１列配置とした熱交換器が構成できるとともに、扁平管熱交換器１０と同じ構成の扁平管熱交換器１０’を加え、２つの扁平管熱交換器１０、１０’を用いることで扁平管列が２列配置である熱交換器ユニット１００を構成することができる。

そして、この２列配置の熱交換器ユニット１００を構成するために用いる扁平管熱交換器１０のフィン４０と扁平管熱交換器１０’のフィン４０’とは、同じ設計のフィンである。
したがって、本実施形態の開示に従えば、扁平管を１列配置する場合にも２列配置する場合にも共通の構成のフィンを用いて熱交換器を構成することが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、本発明に係る熱交換器が、室内熱交換器として使用される場合について示してきたが、本発明に係る熱交換器の具体態な使用形態は任意であり、室内熱交換器に限定されるものでない。
また、凹部４２及び凸部４４の形状も、上記実施形態で開示される形状に限定されるものではなく、凹部４２に凸部４４が挿入される状態を仮定したときに、凹部４２内に凸部４４がほぼ隙間なく挿入されるような形状であればよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形及び改良を実施しても良く、本発明の技術的範囲が、そのような変形及び改良を行ったものを含むことは、当業者にとって、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 空気調和機
２ 室内機
３ 室外機
４ 室内熱交換器
５ 室外熱交換器
６ 圧縮機
７ 膨張弁
８ 四方弁
１０、１０’ 扁平管熱交換器
２０、２０’ 扁平管
２１ 冷媒流路
３０、３０’ ヘッダ
４０、４０’ フィン
４１、４１’ 凹凸部
４２、４２’ 凹部
４２ａ、４２ａ’ 切欠き部側に近い部分
４３、４３’ 切欠き部
４４、４４’ 凸部
４４ａ、４４ａ’ テーパ
４２ｂ、４２ｂ’ リブ
１００ 熱交換器ユニット

Claims (2)

1. 扁平管と、
   前記扁平管を挿入するための複数の切欠き部が等間隔で設けられたフィンと、を備え、 前記フィンは、前記切欠き部の開口端側に凹凸部を有し、 前記凹凸部は、隣り合う前記切欠き部同士の間から延びる凸部と前記扁平管の前記切欠き部の開口端側端部に隣接する凹部を交互に有しており、前記凸部と前記凹部は点対称の関係であり、
   前記凹部には、リブが立てられていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器を二つ並べて配置して構成される熱交換器ユニットにおいて、一方の前記熱交換器と他方の前記熱交換器の前記凹凸部同士が対向するように並べて配置され、一方の前記熱交換器の前記凹部に他方の前記熱交換器の前記凸部が配置されることを特徴とする熱交換器ユニット。

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