JP7068574B2 - 伝熱管ユニットを有する熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管ユニットを有する熱交換器に関する。

空気調和装置などに用いられる熱交換器の中には、冷媒を流す伝熱管および熱交換を行うフィンが一体の部材として形成された伝熱管ユニットを有するものがある。特許文献１（特開２０００－２３４８９０号公報）が開示する伝熱管ユニットは、２枚の金属平板から構成されており、交互に並んだ伝熱管とフィンを有している。

熱交換器との間で熱を授受する空気流は、交互に配置された伝熱管とフィンを横切るように進行する。この時、伝熱管とフィンの厚みの差に起因して、死水域が例えば伝熱管の下流側に形成される。ここでいう死水域とは、空気の動きが不活発である領域を意味する。死水域によって、空気と伝熱管ユニットとの間での熱の移動が阻害され、熱交換器の伝熱性能が低下する。

本発明の課題は、熱交換器の伝熱性能を向上させることである。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、少なくとも１つのフィンおよび複数の伝熱管を有する伝熱管ユニットを備える。フィンおよび伝熱管は、伝熱管離間方向に交互に配置されている。空気流が伝熱管離間方向へ向かうように構成されている。フィンは、最も薄い箇所である最薄部を有する。複数の伝熱管は上流伝熱管を含む。上流伝熱管は、フィンよりも空気流の上流側に配置されるとともにフィンに隣接している。フィンの最薄部は、上流伝熱管から離間している。

この構成によれば、フィンにおいて上流伝熱管との接合部から最薄部までは厚みが変化する領域である。この領域によって、死水域となりうる空間の少なくとも一部が占有される。したがって、熱交換器の伝熱性能が向上する。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器において、複数の伝熱管が下流伝熱管を含む。下流伝熱管は、フィンよりも空気流の下流側に配置されるとともにフィンに隣接している。フィンの最薄部は、下流伝熱管から離間している。

この構成によれば、フィンにおいて最薄部から下流伝熱管との接合部までは厚みが変化する領域である。この領域によって、空気流が受ける抵抗が減少する。したがって、熱交換器の伝熱性能がさらに向上する。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第２観点に係る熱交換器において、フィンの最薄部が、上流伝熱管よりも下流伝熱管に近い。

この構成によれば、最薄部はフィンの中央部よりも空気流の下流側に位置する。したがって、フィンは死水域となりうる空間を効果的に占有することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第１観点から第３観点のいずれか１つに係る熱交換器において、空気流を発生させるファン、をさらに備える。

この構成によれば、空気流はファンによって発生される。したがって、熱交換する空気量を確保できるので、熱交換器の伝熱が促進される。

本発明の第５観点に係る熱交換器は、第１観点から第４観点のいずれか１つに係る熱交換器において、伝熱管ユニットが接続されるヘッダ、をさらに備える。ヘッダの長手方向は、伝熱管離間方向に交差する。

この構成によれば、複数の伝熱管ユニットをヘッダの長手方向に配列させることができるので、空気流が通過する面積を確保できる。したがって、熱交換器の伝熱性能がさらに向上する。

本発明の第１観点から第５観点に係る熱交換器よれば、伝熱性能が向上する。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器１０の構造を示す模式図である。 熱交換器本体１２の外形を示す模式図である。 伝熱管ユニット３０の外形を示す模式図である。 伝熱管ユニット３０の断面図である。 本発明の変形例Ａに係る熱交換器１０Ａの伝熱管ユニット３０Ａの断面図である。 本発明の変形例Ｂに係る熱交換器１０Ｂの伝熱管ユニット３０Ｂの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器１０’の外形を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器１０’の伝熱管ユニット３０’の外形を示す模式図である。

＜第１実施形態＞
（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器１０を示す。熱交換器１０は冷媒と空気との間で熱交換を行うために、例えば空気調和装置において用いられるものである。熱交換器１０は、ケーシング１１と、熱交換器本体１２と、ファン１３と、第１配管４１、第２配管４２とを有する。ファン１３が発生させる空気流は、熱交換器本体１２と熱交換する。

図２に示すように、熱交換器本体１２は、第１ヘッダ２１、第２ヘッダ２２、および、伝熱管ユニット群３５を有する。伝熱管ユニット群３５は、複数の伝熱管ユニット３０からなる。

（２）各部構成
（２－１）ヘッダおよび配管
第１配管４１および第２配管４２は冷媒を通過させるためのものである。第１配管４１および第２配管４２はどちらも、ガス、液、気液二相などの様々な状態をとりうる冷媒の導入口および排出口として機能できる。第１配管４１は、第１ヘッダ２１と冷媒を授受できるように第１ヘッダ２１に接続されている。第２配管４２は、第２ヘッダ２２と冷媒を授受できるように第２ヘッダ２２に接続されている。第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２はいずれも中空の部材であり、伝熱管ユニット接続面２３を有している。第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２は、それぞれの伝熱管ユニット接続面２３が対向するか、あるいは実質的に対向するように配置されている。本実施形態では、第２ヘッダ２２は第１ヘッダ２１の下方に設けられている。

（２－２）伝熱管ユニット
図２に示すように、伝熱管ユニット群３５を構成する複数の伝熱管ユニット３０は、伝熱管ユニット配列方向ｘに間隔をあけて配置されている。各伝熱管ユニット３０は、第１ヘッダ２１および第２ヘッダと、それぞれの伝熱管ユニット接続面２３において接続されている。

図３は、１つの伝熱管ユニット３０を示す。伝熱管ユニット３０は、複数の伝熱管３１および複数のフィン３２を有する。伝熱管ユニット３０に設けられる伝熱管３１の数は、例えば６本以上であるが、これに限られない。

伝熱管３１は、第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２の間で冷媒を移動させるためのものである。各伝熱管３１の両端は、第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２の伝熱管ユニット接続面２３に接続されている。各伝熱管３１は、少なくとも伝熱管伸張方向ｚに延びる部分を有しており、好ましくは直線状である。複数の伝熱管３１は、伝熱管離間方向ｙに配列している。

フィン３２は、隣接する伝熱管３１を流れる冷媒と周囲の空気との間で熱交換を行うためのものである。各フィン３２は、隣接する２本の伝熱管３１の間に配置される。伝熱管ユニット３０の最も外側の伝熱管３１の外側にさらにフィン３２が配置されてもよい。フィン３２は伝熱管伸張方向ｚに延びる辺を有しており、その辺において伝熱管３１と接合している。フィン３２と伝熱管３１は、伝熱管離間方向ｙに交互に配置されている。

伝熱管ユニット３０は、上流端３０ａと下流端３０ｂを有する。上流端３０ａと下流端３０ｂは、伝熱管離間方向ｙに互いに離間している。ファン１３（図１）によって生じる空気流は、上流端３０ａから下流端３０ｂへ向かう方向に進みながら、伝熱管ユニット３０と熱交換を行う。すなわち、空気流の方向は少なくともｙｚ平面と平行な方向に設定され、好ましくは伝熱管離間方向ｙと一致するように設定される。

図２に示すように、第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２の長手方向は、伝熱管離間方向ｙに交差する。例えば、第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２の長手方向は、伝熱管ユニット配列方向ｘと一致する。

伝熱管ユニット配列方向ｘ、伝熱管離間方向ｙ、および伝熱管伸張方向ｚは、互いに交差している。伝熱管ユニット配列方向ｘ、伝熱管離間方向ｙ、および伝熱管伸張方向ｚは、互いに垂直であってもよい。伝熱管ユニット配列方向ｘおよび伝熱管離間方向ｙは水平方向であり、伝熱管伸張方向ｚは鉛直方向であってもよい。

（３）伝熱管ユニットの断面形状
図４は、伝熱管ユニット３０の断面を示す。図３では概略的に示されているフィン３２について、図４からはフィン３２の厚みが部位によって異なることが理解できる。比較のために、円管の伝熱管３１’と平板のフィン３２’から構成される仮想的な伝熱管ユニット３０’の断面形状を二点鎖線で本図に併記している。空気流は、伝熱管ユニット３０の上流端３０ａから下流端３０ｂへ向かう方向へ進む。

フィン３２は、隣接する２つの伝熱管３１に挟まれている。一方の伝熱管３１は、フィン３２よりも空気流の上流側に配置されており、接合部３２ａにおいてフィン３２と接合している。他方の伝熱管３１は、フィン３２よりも空気流の下流側に配置されており、接合部３２ｂにおいてフィン３２と接合している。接合部３２ａおよび接合部３２ｂにおけるフィン３２の厚みは、伝熱管３１の外径に近い程度に大きくてもよいが、これに限られず、伝熱管３１の外径より小さくてもよい。フィン３２は、フィン幅Ｗにわたり最も薄い部分である最薄部３２ｄを有する。最薄部３２ｄは、フィン幅Ｗの中央部３２ｃよりも空気流の下流側に位置している。

フィン３２の第１領域３２ｐは、上流側の伝熱管３１との接合部３２ａから最薄部３２ｄまでにわたっており、下流側に行くほど厚みが減少する。仮想的な伝熱管ユニット３０’であれば、円管の伝熱管３１’の下流側に死水域となりやすい空間を形成しうる。ここでいう死水域とは、空気の動きが不活発である領域を意味する。これに対して、本発明に係る伝熱管ユニット３０のフィン３２の第１領域３２ｐは、その空間を占有するので、死水域の発生を抑制する。第１領域３２ｐが死水域となりやすい空間を効果的に占有できるように、最薄部３２ｄはフィン幅Ｗの中央部３２ｃよりも空気流の下流側に設けられている。

フィン３２の第２領域３２ｑは、最薄部３２ｄから下流側の伝熱管３１との接合部３２ｂまでにわたっており、下流側に行くほど厚みが増加する。仮想的な伝熱管ユニット３０’であれば、平板のフィン３２’に沿う空気流が下流側の円管の伝熱管３１’に衝突することを許しうる。これに対して、本発明に係る伝熱管ユニット３０のフィン３２の第２領域３２ｑは、衝突の原因となる空間を占有するので、空気流が受ける抵抗を低減させる。

（４）熱交換器１０の製造方法
伝熱管ユニット３０は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料か製造される。まず、図４の断面形状に相当する型を用いて金属材料の押出成形を行い、フィン３２および伝熱管３１を一体的に形成する。次に、フィン３２の一部を切除して切欠部３３を設ける。これにより、伝熱管伸張方向ｚにおいて、伝熱管３１の端部よりもフィン３２の端部が伝熱管ユニット３０の中央に近く位置することとなる。切欠部３３は、フィン３２の複数箇所を打ち抜きによって切除することによって形成されるのが望ましい。

第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２は、金属材料を管状に加工することによって製造される。第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２には、伝熱管３１の端部を挿入するための穴が設けられる。穴は例えばドリルによって形成される円形の穴である。

熱交換器１０の組み立てにおいては、第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２の穴に、伝熱管ユニット３０の伝熱管３１の端部が挿入される。これにより、フィン３２の端部が第２ヘッダ２２の伝熱管ユニット接続面２３に接触する状態になる。この接触箇所において、伝熱管ユニット３０と第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２がロウ付けされる。

（５）特徴
（５－１）
フィン３２において上流側の伝熱管３１との接合部３２ａから最薄部３２ｄまでは厚みが変化する第１領域３２ｐである。この第１領域３２ｐによって、死水域となりうる空間の少なくとも一部が占有される。したがって、熱交換器１０の伝熱性能が向上する。

（５－２）
フィン３２において最薄部３２ｄから下流側の伝熱管３１との接合部３２ｂまでは厚みが変化する第２領域３２ｑである。この第２領域３２ｑによって、空気流が受ける抵抗が減少する。したがって、熱交換器１０の伝熱性能がさらに向上する。

（５－３）
最薄部３２ｄはフィン３２の中央部３２ｃよりも空気流の下流側に位置する。したがって、フィン３２は死水域となりうる空間を効果的に占有することができる。

（５－４）
空気流はファン１３によって安定的に作り出される。したがって、熱交換する空気量を確保できるので、熱交換器１０の伝熱が促進される。

（５－５）
複数の伝熱管ユニット３０を第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２の長手方向に配列させることができるので、空気流が通過する面積を確保できる。したがって、熱交換器１０の伝熱性能がさらに向上する。

（６）変形例
以下に、本実施形態の変形例について説明する。複数の変形例を組み合わせてもよい。

（６－１）変形例Ａ
図４に示した実施形態においては、フィン３２の厚みの変化は、平面状のフィン側面によって形成されている。これに代えて、図５に示す変形例Ａに係る熱交換器１０Ａの伝熱管ユニット３０Ａのように、フィン３２の厚みの変化は曲面状のフィン側面によって形成されてもよい。

この構成によれば、空気流が曲面状のフィン側面によって滑らかに案内される。したがって、伝熱管ユニット３０Ａから受ける抵抗が減少し、熱交換器１０Ａの伝熱性能の向上に寄与する場合がある。

（６－２）変形例Ｂ
図６は、本発明の第１実施形態の変形例Ｂに係る熱交換器１０Ｂの伝熱管ユニット３０Ｂである。伝熱管３１とフィン３２は、伝熱管離間方向ｙに交互に配置されている。本変形例に係る伝熱管ユニット３０Ｂでは、１つの伝熱管３１が複数の微細導管３１ｓを含む。複数の微細導管３１ｓは、伝熱管離間方向ｙに配列している。

フィン３２は、隣接する２つの伝熱管３１に挟まれている。一方の伝熱管３１は、フィン３２よりも空気流の上流側に配置されており、接合部３２ａにおいてフィン３２と接合している。他方の伝熱管３１は、フィン３２よりも空気流の下流側に配置されており、接合部３２ｂにおいてフィン３２と接合している。フィン３２は、フィン幅Ｗにわたり最も薄い部分である最薄部３２ｄを有する。本変形例においては、最薄部３２ｄは、フィン幅Ｗの中央部３２ｃを含んでいる。

この構成によれば、伝熱管３１とフィン３２との接合部３２ａ、接合部３２ｂにおける傾斜が緩やかである。したがって、死水域が発生しにくく、熱交換器１０Ｂの伝熱性能の向上に寄与する場合がある。

＜第２実施形態＞
（１）構成
図７は、本発明の上述の実施形態に係る熱交換器１０’である。熱交換器１０’では、第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２は伝熱管ユニット群３５に対して同じ側に配置されている。第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２は、それぞれ第１配管４１および第２配管４２に接続されている。

図８は熱交換器１０’の伝熱管ユニット群３５を構成する複数の伝熱管ユニット３０’のうちの１つを示す。伝熱管ユニット３０’は、複数の伝熱管３１および少なくとも１つのフィン３２を有する。各伝熱管３１は、少なくとも伝熱管伸張方向ｚに延びる部分を有しており、好ましくは直線状である。複数の伝熱管３１は、伝熱管離間方向ｙに配列している。さらに、隣接する伝熱管３１は、曲線状の連結管３１ｃによって連結されている。すなわち、伝熱管ユニット３０’は、伝熱管３１および連結管３１ｃによって構成される１本の冷媒経路を有する。この冷媒経路が、第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２の間で冷媒を移動させる。第１ヘッダ２１および第２ヘッダ２２のいずれの伝熱管ユニット接続面２３にも、伝熱管３１の端部が接続される。

伝熱管ユニット３０’は、隣接する伝熱管３１の間にフィン３２を有する。伝熱管ユニット３０’の最も外側の伝熱管３１の外側にさらにフィン３２が配置されてもよい。複数のフィン３２が伝熱管ユニット３０’の上端または下端において接続されていてもよい。フィン３２は伝熱管伸張方向ｚに延びる辺を有しており、その辺において伝熱管３１と接合している。フィン３２と伝熱管３１は、伝熱管離間方向ｙに交互に配置されている。空気流の方向は、少なくともｙｚ平面と平行な方向に、好ましく伝熱管離間方向ｙと一致する方向に設定されている。伝熱管ユニット３０’は、金属材料の押出成形以外の方法によって製造されてもよい。

この構成によれば、伝熱管ユニット３０’の４辺うちの３つが周囲空間に開放されているので、結露水がより排出されやすい。

（２）変形例
第１実施形態の変形例を本実施形態に適用してもよい。

＜第３実施形態＞
これまでに述べた実施形態では、配置の一例として、伝熱管ユニット配列方向ｘおよび伝熱管離間方向ｙが水平方向であり、伝熱管伸張方向ｚが鉛直方向である構成に言及した。これに代えて、熱交換器１０を別の方向に配置してもよい。例えば、伝熱管離間方向ｙおよび伝熱管伸張方向ｚは水平方向であり、伝熱管ユニット配列方向ｘは鉛直方向であってもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０’ 熱交換器
１１ ケーシング
１２ 熱交換器本体
１３ ファン
２１ 第１ヘッダ
２２ 第２ヘッダ
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０’ 伝熱管ユニット
３１ 伝熱管
３２ フィン
３２ａ 接合部
３２ｂ 接合部
３２ｃ 中央部
３２ｄ 最薄部
３２ｐ 第１領域
３２ｑ 第２領域
３３ 切欠部

特開２０００－２３４８９０号公報

Claims (4)

1. 少なくとも１つのフィン（３２）および複数の伝熱管（３１）を有する伝熱管ユニット（３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０’）、
   を備え、
   前記フィンおよび前記伝熱管は、伝熱管離間方向（ｙ）に交互に配置されており、
   空気流が前記伝熱管離間方向（ｙ）へ向かうように構成されており、
   前記フィンは、最も薄い箇所である最薄部（３２ｄ）を有し、
   前記複数の伝熱管は上流伝熱管及び下流伝熱管を含み、
   前記上流伝熱管は、前記フィンよりも前記空気流の上流側に配置されるとともに前記フィンに隣接しており、
   前記下流伝熱管は、前記フィンよりも前記空気流の下流側に配置されるとともに前記フィンに隣接しており、
   前記フィンの前記最薄部は、前記上流伝熱管から離間しており、
   前記フィンの前記最薄部は、前記上流伝熱管よりも前記下流伝熱管に近い、
   熱交換器（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０’）。
2. 前記フィンの前記最薄部は、前記下流伝熱管から離間している、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記空気流を発生させるファン（１３）、
   をさらに備える、
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管ユニットが接続されるヘッダ（２１、２２）、
   をさらに備え、
   前記ヘッダの長手方向は、前記伝熱管離間方向（ｙ）に交差する、
   請求項１から３のいずれか１つに記載の熱交換器。

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