JPWO2013076907A1 - フィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

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Abstract

フィンカラーの根元に、前記フィンカラーの立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部を有し、前記フィンカラーの根元の前記陥没部の断面形状は、隣接する前記フィンカラーの先端のフランジ形状に概略沿う円弧状となるように形成することにより、隙間空間を小さくし、前記伝熱管と前記フィンカラーの接触面積を増大させることができるので、接触熱抵抗を低減して前記伝熱管と前記伝熱フィンとの間の伝熱を向上させ、熱交換性能を向上させることができる。

Description

本発明は、多数積層された平板状のフィンの間を流動する空気などの気体と伝熱管内を流動する水や冷媒などの流体との間で熱を授受するフィンチューブ型熱交換器に関する。特に、ルームエアコン、パッケージエアコン、カーエアコン等の空気調和機や、ヒートポンプ式給湯機、冷蔵庫、冷凍庫等に用いられるフィンチューブ型熱交換器に関する。
ルームエアコン等の空気調和機や冷蔵庫等に組み込まれる熱交換器の大半は、フィンチューブ型熱交換器である。
図４は、一般的なフィンチューブ型熱交換器１を説明するための部分断面概略正面図である。
フィンチューブ型熱交換器１は、所定の間隔で相互に平行に配列された複数の伝熱フィン３１と、前記伝熱フィン３１の平面に略直交して立ち上がるように設けられた略円筒状のフィンカラーに拡管密着された伝熱管３３により構成されている。そして、この伝熱管３３の内部に水や冷媒を流すことにより、前記伝熱管３３および前記伝熱フィン３１を介して、外部の空気との間で熱交換が行われる。
このフィンチューブ型熱交換器１は、一般に次のような工程で製造される。
初めに、アルミニウムまたはアルミニウム合金製などの薄板をプレス加工し、前記薄板の平面に略直交して立ち上がる略円筒状のフィンカラーを有する前記伝熱フィン３１を形成する。次に、銅または銅合金製などの前記伝熱管３３をＵ字型に曲げ加工し、ヘアピン状にする。そして、複数の前記伝熱フィン３１を平行に積層し、連接した前記フィンカラーに前記伝熱管３３を通す。さらに、前記伝熱管３３を適当な方法で拡管することにより、前記伝熱管３３の外面と前記フィンカラーの内面が密着し、前記伝熱管３３が前記伝熱フィン３１に固定される。最後に、前記伝熱管３３の開放端を拡管してＵベンド管３５を差し込み、ろう付けすることにより、前記伝熱管３３を連通させる。
近年、空気調和機や冷蔵庫等においても、エネルギー消費効率の大幅な向上が求められている。このため、これらの機器に組み込まれるフィンチューブ型熱交換器は、伝熱性能を向上させることが要求されている。
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、前記伝熱管３３とその内部を流れる水や冷媒などの流体の間の熱伝達率、前記伝熱管と前記フィンカラーとの間の接触熱抵抗、前記伝熱フィン３１の熱伝導によるフィン効率および空気と前記伝熱フィン３１との間の熱伝達率が知られている。
前記伝熱管３３とその内部を流れる流体との間の熱伝達率向上には、管内の沸騰熱伝達、凝縮熱伝達あるいは対流熱伝達の促進が有効であるため、前記伝熱管３３の内表面積の増加及び冷媒の撹拌効果を増大させる最適な内面溝形状の開発が進められている。
また、空気と前記伝熱フィン３１との間の熱伝達率を向上させる手段としては、前記伝熱フィン３１の表面に空気の温度境界層の形成を抑制するための起伏を設けたり、スリットまたはルーバーと呼ばれる切り起こしを設けたりする方法が開発されている。これらの起伏およびスリットまたはルーバーの寸法、形状の最適化が進められている。また、フィン効率は、前記伝熱フィン３１の板厚と熱伝導率、そして前記伝熱管３３の直径と配列によって一義的に定まるので、それらに留意した設計が行われている。
一方、前記伝熱管３３と前記フィンカラーとの間の接触熱抵抗は、前記伝熱管３３と前記フィンカラーの密着度合いに影響される。
図５は、従来の一例のフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図である。図５に示すように一般に、フィンチューブ型熱交換器における伝熱フィン１０１のフィンカラー１０２は、先端に断面が円弧状のフランジ部１０３を有し、根元には前記フィンカラー１０２の半径方向の外側に裾が広がるＲ部１０４を有する。そのため、前記伝熱フィン１０１を積層して、前記フィンカラー１０２に伝熱管１０５を挿入し、拡管しても、前記フィンカラー１０２に密着できない隙間空間１０７が生じるため、接触熱抵抗を悪化させる原因となっている。
また、例えば、伝熱フィンの材料としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用い、伝熱管の材料として銅または銅合金を用いた場合、伝熱管を拡管してフィンカラーに固定する際、フィンカラーは、塑性変形して拡管後の孔径を維持する。これに対し、より弾性係数の大きい伝熱管は、拡管後に僅かに縮径して、フィンとの間に僅かな空隙部を形成することが分かっている。この空隙部による熱交換器の性能の損失（熱抵抗）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。）。
図６は、従来の別の一例のフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図である。図６に示すように、隙間空間や空隙部１０７を少なくして、熱交換器の伝熱性能を向上させるため、隙間空間や空隙部１０７に、有機被膜、金属粉末等の熱伝導性微粉末、塗料、樹脂などを充填して隙間空間や空隙部を埋める構成１０８とする技術（特許文献１−６参照。）が提案されている。他にも伝熱管を拡管せずに低融点の非金属材料を加熱融解することにより、伝熱管とフィンとを密着させる技術（特許文献７参照。）が提案されている。また、接着剤で伝熱管とフィンとを密着させる技術（特許文献８参照。）も提案されている。
図７は、従来のさらに別の一例のフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図である。図７に示す特許文献９に記載のフィンでは、隣接するフィン同士が拡管時に接触するアベック現象を起こし、フィンカラーと伝熱管との密着性が悪くなるのを防止することを狙い、フィンの積層性を良化させることを目的としている。この目的を達成するため、特許文献９に記載のフィンでは、フィンカラー２６の根元Ｒ部近傍の平面部２２の一部を突出させた突出部３２を設けた構成としている。
特開昭５６−１３３５９５号公報 特開昭５８−１５８４９３号公報 特開平１０−１６０３７４号公報 特開昭６０−１６２１９３号公報 特許第３９８２７６８号公報 特開２０１０−１６９３４４号公報 特開昭５９−１５７９４号公報 特開平９−１４５２８２号公報 特開平９−１１９７９２号公報
中田、「空調用熱交換器における最適設計と経済性」、機械の研究、１９８９、第４１巻、第９号、ｐ．１００５−１０１１
しかしながら、前記従来の構成ではいずれも、前記伝熱フィンを積層したとき、前記フィンカラーの先端の断面が円弧状のフランジ部と、根元の断面が円弧状のＲ部との間に生じる隙間空間では、前記フィンカラーと前記伝熱管を直接接触させることができない。そのため、接触熱抵抗の低減に限界があるという課題を有していた。
また、前記フィンカラーの先端の前記フランジ部の断面の円弧形状の半径や、前記フィンカラーの根元のＲ部の断面の円弧形状の半径は、前記フィンカラーのプレス加工時における前記伝熱フィンの材料の伸びの制約から、小さくすることができない。このことからも、接触熱抵抗の低減に限界があるという課題を有していた。
さらに、隙間空間に前記伝熱フィンや前記伝熱管と異なる材料を充填することは、製品廃棄時のリサイクル性を悪化させることとなる。
また、フィンカラーの根元に突出部を設けて、フィンの積層性を良くする構成としても、フィンカラーの先端のフランジ部と根元のＲ部との間に生じる隙間空間そのものを低減させることはできない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、伝熱管とフィンカラー部が直接接触する面積を増大させ、伝熱管とフィンの密着性を向上させることで接触熱抵抗を低減し、熱交換性能を向上させることができるフィンチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、
所定の間隔を置いて略平行に積層された複数の伝熱フィンと、
前記伝熱フィンの平面方向と略直交する方向に前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、
前記伝熱管が貫通する前記伝熱フィンの貫通孔の周囲には、前記伝熱フィンの平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラーが形成され、前記伝熱管は前記フィンカラーに密着した状態で前記貫通孔に挿入され、前記伝熱フィンの平面方向に流れる気体と前記伝熱管の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行うようにしたフィンチューブ型熱交換器であって、
前記フィンカラーは、先端に断面が円弧状のフランジ部と、根元に前記フィンカラーに繋がる周囲のフィン平面から、前記フィンカラーの立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部と、を有し、
前記フィンカラーの前記陥没部の断面形状は、前記伝熱フィンが積層されたとき、隣接する前記伝熱フィンの前記フィンカラーの前記フランジ部の形状に概略沿う円弧状となるように形成している。
これによって、前記フィンカラーの先端の前記フランジ部と前記根元のＲ部との間にできる隙間空間を小さくすることができる。また、前記伝熱管と前記フィンカラーの接触面積を増加させることができ、接触熱抵抗を低減して前記伝熱管と前記伝熱フィンとの間の伝熱を向上させることができるため、熱交換性能を向上させることができる。さらに、前記伝熱管と前記伝熱フィン以外の材料を必要としないため、製品廃棄時のリサイクル性を損なうこともない。
本発明のフィンチューブ型熱交換器は、フィンカラーの先端のフランジ部と根元のＲ部との間にできる隙間空間を小さくすることができる。また、伝熱管とフィンカラーの接触面積を増大させることができ、接触熱抵抗を低減して伝熱管と伝熱フィンとの間の伝熱を向上させることができるため、熱交換性能を向上させることができる。
本発明の実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図 図１のＡのフィンカラー要部の拡大断面図 本発明の実施の形態２におけるフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図 一般的なフィンチューブ型熱交換器を説明するための部分断面概略正面図 従来の一例のフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図 従来の別の一例のフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図 従来のさらに別の一例のフィンチューブ型熱交換器のフィンカラー要部の断面図
本発明に係る第１の態様のフィンチューブ型熱交換器は、
所定の間隔を置いて略平行に積層された複数の伝熱フィンと、
前記伝熱フィンの平面方向と略直交する方向に前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、
前記伝熱管が貫通する前記伝熱フィンの貫通孔の周囲には、前記伝熱フィンの平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラーが形成され、前記伝熱管は前記フィンカラーに密着した状態で前記貫通孔に挿入され、前記伝熱フィンの平面方向に流れる気体と前記伝熱管の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行うようにしたフィンチューブ型熱交換器であって、
前記フィンカラーは、先端に断面が円弧状のフランジ部と、根元に前記フィンカラーに繋がる周囲のフィン平面から、前記フィンカラーの立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部と、を有し、
前記フィンカラーの前記陥没部の断面形状は、前記伝熱フィンが積層されたとき、隣接する前記伝熱フィンの前記フィンカラーの前記フランジ部の形状に概略沿う円弧状となるように形成している。
この構成により、前記フィンカラーの先端の前記フランジ部と前記根元のＲ部との間にできる隙間空間を小さくすることができ、前記伝熱管と前記フィンカラーの接触面積を増加させることができる。また、接触熱抵抗を低減して前記伝熱管と前記伝熱フィンとの間の伝熱を向上させることができるため、熱交換性能を向上させることができる。
さらに、前記伝熱管と前記伝熱フィン以外の材料を必要としないため、製品廃棄時のリサイクル性を損なうことがない。
本発明に係る第２の態様のフィンチューブ型熱交換器は、特に、第１の態様の構成に前記フィンカラーのまわりを囲むように、前記フィンカラーの立ち上げ方向に設けられた略円状の突出部をさらに備え、前記略円状の突出部の直径を、前記フィンカラーの先端の前記フランジ部の最外縁の直径以上となるように構成している。
この構成により、前記伝熱フィンを積層したとき、前記フィンカラーの軸中心のずれが少ない。また、前記フィンカラーに挿入された前記伝熱管を拡管したとき、円周方向に密着性の粗密が発生しにくいので、良好な密着性を確保することができ、さらに接触熱抵抗を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器２００のフィンカラー要部の断面図である。図２は、図１のＡのフィンカラー要部の拡大断面図である。
図１に示す第１の実施形態におけるフィンチューブ型熱交換器２００は、複数の伝熱フィン２０１と、複数の伝熱管２０５を備える。また、伝熱管２０５が貫通する伝熱フィン２０１の貫通孔２０８の周囲では、略円筒状のフィンカラー２０２が形成されている。以下、本実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器２００のフィンカラー２０２について詳述する。
図１および図２において、フィンカラー２０２は、その先端に断面が円弧状のフランジ部２０３と、フィンカラー２０２の根元にフィンカラー２０２に繋がる周囲のフィン平面２０６から、フィンカラー２０２の立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部２０４を有している。フィンカラー２０２の根元の陥没部２０４の断面形状は、伝熱フィン２０１が積層されたとき、隣接する伝熱フィン２０１のフィンカラー２０２の先端のフランジ部２０３の形状に概略沿う円弧状となるように形成されている。
以上のように構成されたフィンチューブ熱交換器２００について、その動作、作用を説明する。
本実施の形態１においては、フィンカラー２０２は、その先端に断面が円弧状のフランジ部２０３と、フィンカラー２０２の根元にフィンカラー２０２に繋がる周囲のフィン平面２０６から、フィンカラー２０２の立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部２０４を有する。フィンカラー２０２の根元の陥没部２０４の断面形状は、伝熱フィン２０１が積層されたとき、隣接する伝熱フィン２０１のフィンカラー２０２の先端のフランジ部２０３の形状に概略沿う円弧状となるように形成されている。そのため、複数の伝熱フィン２０１が積層されたとき、フィンカラー２０２の先端のフランジ部２０３のＲ部と根元の陥没部２０４のＲ形状との間にできる隙間空間２０７を小さくすることができる。また、フィンカラー２０２に挿入される伝熱管２０５を拡管したとき、伝熱管２０５とフィンカラー２０２の接触面積を増加させることができる。さらに、接触熱抵抗を低減して伝熱管２０５と伝熱フィン２０１との間の伝熱を向上させることができるため、熱交換性能を向上させることができる。
また、本実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器２００は、前記伝熱管２０５と前記伝熱フィン２０１以外の材料を必要としないため、製品廃棄時のリサイクル性を損なうことがない。
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器２００ａのフィンカラー要部の断面図である。
図３に示すように、本実施の形態２におけるフィンチューブ型熱交換器２００ａは、前述した実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器２００と比べて、フィンカラー２０２ａに突出部２０９を設けている点で異なる。本実施の形態２において、その他の構成は、実施の形態１のフィンチューブ型熱交換器２００と同じである。以下、本実施の形態２におけるフィンチューブ型熱交換器２００ａのフィンカラー２０２ａについて詳述する。
図３において、フィンカラー２０２ａは、実施の形態１と同様に、その先端に断面が円弧状のフランジ部２０３と、フィンカラー２０２ａの根元にフィンカラー２０２ａに繋がる周囲のフィン平面２０６から、フィンカラー２０２ａの立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部２０４を有する。フィンカラー２０２ａの根元の陥没部２０４の断面形状は、伝熱フィン２０１ａが積層されたとき、隣接する伝熱フィン２０１ａのフィンカラー２０２ａの先端のフランジ部２０３の形状に概略沿う円弧状となるように形成されている。また、フィンカラー２０２ａのまわりを囲むように、フィンカラー２０２ａの立ち上げ方向に略円状の突出部２０９が設けられている。略円状の突出部２０９の直径は、フィンカラー２０２ａの先端のフランジ部２０３の最外縁の直径以上となるように形成されている。
以上のように構成されたフィンチューブ熱交換器２００ａについて、以下その動作、作用を説明する。
本実施の形態２においては、隙間空間２０７を小さくする実施の形態１の構成に加えて、フィンカラー２０２ａのまわりを囲むように、フィンカラー２０２ａの立ち上げ方向に略円状の突出部２０９を設けている。略円状の突出部２０９の直径は、フィンカラー２０２ａの先端のフランジ部２０３の最外縁の直径以上となるように形成されている。伝熱フィン２０１ａを積層したとき、フィンカラー２０２ａの軸中心のずれが少ない。また、フィンカラー２０２ａに挿入された伝熱管２０５を拡管したとき、円周方向に密着性の粗密が発生しにくいので、良好な密着性を確保することができ、さらに接触熱抵抗を低減することができる。
以上のように、本発明にかかるフィンチューブ型熱交換器は、フィンカラーの先端に断面が円弧状のフランジ部と、フィンカラーの根元にフィンカラーに繋がる周囲のフィン平面から、フィンカラーの立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部を有している。フィンカラーの根元の陥没部の断面形状は、伝熱フィンが積層されたとき、隣接する伝熱フィンのフィンカラーの先端のフランジ部の形状に概略沿う円弧状となるように形成されている。そのため、フィンカラーの先端のフランジ部と根元のＲ部との間にできる隙間空間を小さくすることができる。また、伝熱管とフィンカラーの接触面積を増加させることができ、接触熱抵抗を低減して伝熱管と伝熱フィンとの間の伝熱を向上させることができる。その結果、熱交換性能を向上させることが可能となるので、各種空気調和機や冷蔵庫、冷凍庫だけでなく、ヒートポンプ式給湯機やガス湯沸かし器等の用途にも適用できる。
２００、２００ａ フィンチューブ型熱交換器
２０１、２０１ａ 伝熱フィン
２０２、２０２ａ フィンカラー
２０３ フランジ部
２０４ 陥没部
２０５ 伝熱管
２０６ フィン平面
２０７ フィンカラーと伝熱管の間の隙間空間
２０８ 貫通孔
２０９ 突出部

Claims (2)

  1. 所定の間隔を置いて略平行に積層された複数の伝熱フィンと、
    前記伝熱フィンの平面方向と略直交する方向に前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、
    前記伝熱管が貫通する前記伝熱フィンの貫通孔の周囲には、前記伝熱フィンの平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラーが形成され、前記伝熱管は前記フィンカラーに密着した状態で前記貫通孔に挿入され、前記伝熱フィンの平面方向に流れる気体と前記伝熱管の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行うようにしたフィンチューブ型熱交換器であって、
    前記フィンカラーは、先端に断面が円弧状のフランジ部と、根元に前記フィンカラーに繋がる周囲のフィン平面から、前記フィンカラーの立ち上げ方向と反対方向に窪む陥没部と、を有し、
    前記フィンカラーの前記陥没部の断面形状は、前記伝熱フィンが積層されたとき、隣接する前記伝熱フィンの前記フィンカラーの前記フランジ部の形状に概略沿う円弧状となるように形成したことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
  2. 前記フィンカラーのまわりを囲むように、前記フィンカラーの立ち上げ方向に設けられた略円状の突出部をさらに備え、
    前記略円状の突出部の直径を、前記フィンカラーの先端の前記フランジ部の最外縁の直径以上となるように構成した請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
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