JPWO2013161263A1 - フィンチューブ熱交換器とその製造方法 - Google Patents

Abstract

気体の流路が形成する複数のフィン１と、複数のフィンを貫通し、気体と熱交換する流体が内部を流通する伝熱管２１とを備え、フィンは、少なくとも１つの山部３を形成するように気体の流れ方向に対して傾斜した第１の傾斜部６と、重力方向に互いに離間した第１および第２の位置にてフィンを貫通する伝熱管の周囲にそれぞれ形成された管周囲部５と、管周囲部と第１の傾斜部とを互いに接続する第２の傾斜部７とを備え、第１および第２の位置におけるそれぞれの第２傾斜部を接続する溝部８が、第１の傾斜部の表面に形成されていることにより、凝縮水が溝部を伝って、重力方向下方へと円滑に誘導され、排水性能が向上する。

Description

本発明は、気体と熱交換を行うフィンチューブ熱交換器とその製造方法に関する。

従来、この種のフィンチューブ熱交換器は、所定間隔で並べられる複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。空気（気体）は、フィンとフィンとの間を流れて伝熱管の中の流体と熱交換する。

ここで、蒸発器としてフィンチューブ熱交換器を用いる場合、フィンの表面温度が熱交換を行う空気の露点より低下すると、空気中の水分が結露して、フィン表面に水滴（凝縮水）が付着する。このようにフィン表面に凝縮水が付着すると、隣接するフィン間などにおいて水分の架橋（ブリッジ）が発生し、フィン間の空気流路がこの凝縮水により閉塞して、通風抵抗の増大を招いてしまう。

その結果、このようなフィンチューブ熱交換器が用いられる空気調和機や給湯機器などの機器において消費電力が増加し、エネルギー効率が低下するという課題がある。したがって、フィン表面から速やかに凝縮水が除去されることが好ましい。

そのため、フィン表面に親水性皮膜層を形成し、フィン表面に付着する水に対する接触角を小さくすることで排水性を向上させ、生成した凝縮水によるフィン間の空気流路の閉塞を防止することが行われている（例えば、文献１参照）。

また、フィン表面の親水性皮膜層にプラズマ照射を行い、微細凹凸を形成することで、親水性を向上させているものもある（例えば、文献２参照）。

また、フィンに排水スリットを形成することで、凝縮水の排出性を向上させているものもある（例えば、文献３参照）。この文献３のフィンチューブ熱交換器の構成を図１０に示す。図１０に示すように、フィン１３１には、伝熱管１２１の下方のドレン（凝縮水１１３）滞留域からフィン１３１の表面に沿って斜め下に向かって延びる排水スリット１１６が設けられている。この排水スリット１１６を設けることにより、伝熱管１２１の下方のドレン滞留域に滞留した凝縮水１１３を速やかに排出するようにしている。

文献１：平澤秀公「プレコートアルミニウムフィン材の表面処理技術」、表面技術、Ｖｏｌ．５７（２００６）、Ｎｏ．２、ｐ．１２７

文献２：特開２０１０−１７５１３１号公報
文献３：実開昭６４−２２１８６号公報

しかしながら、文献１に記載された技術では、特に所定の間隔を空けて積層されたフィン間にて凝縮水のブリッジが生じた場合には、凝縮水の排水性が十分でないという課題を有している。

また、文献２に記載された技術では、フィン表面に微細凹凸を形成する場合、プラズマ照射などの高価な加工プロセスが必要となり、製造コストが格段に高くなるという課題を有している。

さらに、文献３に記載された技術は、フラットフィンに排出スリットを設けたものであり、文献３の図２および図５にも示すように、隣接するフィン間にてブリッジの発生を避けることが困難であり、凝縮水をフィン下方へと円滑に誘導するには十分でないという課題を有している。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、安価な加工プロセスによりフィン表面に付着する凝縮水の排水性能を向上させ、エネルギー効率に優れたフィンチューブ熱交換器およびその製造方法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熱交換器は、それぞれの間に気体の流路が形成されるように平行に並べられた複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通し、前記気体と熱交換する流体が内部を流通する伝熱管とを備え、前記フィンは、少なくとも１つの山部を形成するように気体の流れ方向に対して傾斜した第１の傾斜部と、重力方向に互いに離間した第１および第２の位置にて前記フィンを貫通する前記伝熱管の周囲にそれぞれ形成された管周囲部と、前記管周囲部と前記第１の傾斜部とを互いに接続するように気体の流れ方向に対して傾斜した第２の傾斜部とを備え、前記第１の位置における前記第２の傾斜部と第２の位置における前記第２傾斜部とを接続する溝部が、前記第１の傾斜部の表面に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、安価な加工プロセスによりフィン表面に付着する凝縮水の排水性能を向上させた、エネルギー効率に優れたフィンチューブ熱交換器を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器の斜視図 実施の形態１のフィンチューブ熱交換器のコルゲートフィンの平面図 図２ＡのコルゲートフィンのＡ−Ａ断面図 図２ＡのコルゲートフィンのＢ−Ｂ断面図 実施の形態１のフィンチューブ熱交換器のフィン材の構成を示す断面図 本実施の形態１の比較例にかかるフィンチューブ熱交換器のコルゲートフィンに凝縮水が滞留した状態の説明図 実施の形態１のフィンチューブ熱交換器のコルゲートフィンの凝縮水排水作用の説明図 実施の形態１のフィンチューブ熱交換器の溝部の詳細形状を示す断面図 実施の形態１のフィンチューブ熱交換器の溝部の他の詳細形状を示す断面図 本発明の実施の形態２におけるフィンチューブ熱交換器のコルゲートフィンの平面図 実施の形態３のフィンチューブ熱交換器のコルゲートフィンの平面図 図９ＡのコルゲートフィンのＡ−Ａ断面図 図９ＡのコルゲートフィンのＢ−Ｂ断面図 従来のフィンチューブ熱交換器におけるフィンの平面図

第１の発明は、それぞれの間に気体の流路が形成されるように平行に並べられた複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通し、前記気体と熱交換する流体が内部を流通する伝熱管とを備え、前記フィンは、少なくとも１つの山部を形成するように気体の流れ方向に対して傾斜した第１の傾斜部と、重力方向に互いに離間した第１および第２の位置にて前記フィンを貫通する前記伝熱管の周囲にそれぞれ形成された管周囲部と、前記管周囲部と前記第１の傾斜部とを互いに接続するように気体の流れ方向に対して傾斜した第２の傾斜部とを備え、前記第１の位置における前記第２の傾斜部と第２の位置における前記第２傾斜部とを接続する溝部が、前記第１の傾斜部の表面に形成されている、フィンチューブ熱交換器である。

これにより、凝縮水の主な滞留域となる第２の傾斜部（あるいは第２の傾斜部を介して管周囲部）から溝部を通じて、凝縮水を重力方向下方へと効率的に誘導することができる。すなわち、第１の位置における第２の傾斜部に滞留した凝縮水を、溝部を通じて、第１の位置よりも重力方向下方に位置する第２の位置における第２の傾斜部へと効率的に誘導することができる。よって、フィン表面に付着する凝縮水の排水性能を向上することができ、隣接するフィン間などにおいてブリッジの発生を抑制でき、エネルギー効率に優れたフィンチューブ熱交換器を提供することができる。また、このような溝部は比較的簡便な加工プロセスにより形成することができ、溝部の形成に伴う製造コストの上昇を抑制できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記溝部の開口幅寸法が２ｍｍ以下である、フィンチューブ熱交換器である。

これにより、溝部と凝縮水の間で毛細管効果が生じるので、凝縮水の排水をより効率的に行うことができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記フィンにおいて、前記第１の傾斜部により形成される前記山部の稜線が重力方向に配置され、前記溝部が重力方向に延在するように形成されている、フィンチューブ熱交換器である。

これにより、溝部内に入り込んだ凝縮水を、重力方向下方に向けて効果的に排水することができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記フィンは、基材と、前記基材の表面に形成される皮膜層とを備え、前記皮膜層を構成する層の一部が親水性皮膜である、フィンチューブ熱交換器である。

これにより、親水性皮膜によって、管周囲部や第２の傾斜部に滞留する凝縮水がフィン表面に沿って平坦に拡がることになり、ブリッジの発生をさらに抑制するとともに、溝部へと凝縮水を容易に誘引することができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記基材に前記親水性皮膜を形成した後に、前記基材を用いて、前記第１の傾斜部、前記第２の傾斜部、前記溝部を同時に成型して、前記フィンを成型する、フィンチューブ熱交換器の製造方法である。

これにより、フィンにおける第１および第２の傾斜部と溝部とを同時に成型するので、加工プロセスを増やすことなく、製造コストを抑制しながらエネルギー効率に優れたフィンチューブ熱交換器を提供することができる。

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）
本発明の実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器の斜視図を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態１のフィンチューブ熱交換器１００は、空気Ａ（気体）の流路を形成するために所定の間隔を空けて平行に並べられた複数のフィン１と、これらのフィン１を貫通する伝熱管２１とを備えている。フィンチューブ熱交換器１００は、伝熱管２１の内部を流通する媒体Ｂと、フィン１の表面に沿って流れる空気Ａとを熱交換させるように構成されている。

媒体Ｂとしては、例えば、二酸化炭素、ハイドロフルオロカーボンなどの冷媒が用いられる。伝熱管２１は、１本につながっていてもよいし、複数本に分かれていてもよい。

本実施の形態１におけるフィン１の詳細な構造を図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す。図２Ａに示すように、フィン１には、空気の流れ方向Ｓに対して少なくとも１つの山部３が現れるように形成されている。具体的には、フィン１は、空気の流れ方向Ｓに対して山部３を２つ有し、図２Ｂの断面図に示すように大略Ｍ字形の断面形状を有するコルゲートフィンとして形成されている。

また、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、フィン１は、フィン１を貫通する伝熱管２１の周囲に形成された管周囲部５と、山部３を形成するように空気の流れ方向Ｓに対して傾斜している第１の傾斜部６と、管周囲部５と第１の傾斜部６とを互いに接続している第２の傾斜部７とを備える。

図２Ｂに示すように、空気の流れ方向Ｓに対する傾斜角が異なる第１の傾斜部６を交互に接続することにより、２つの山部３とその間に配置された谷部４とが形成されている。本実施の形態１のフィン１では、山部３の稜線と谷部４とがそれぞれ重力方向に沿って形成されている。

管周囲部５は、フィン１への伝熱管２１の貫通位置において、伝熱管２１の周囲を囲むように配置された環状部分である。図２Ｃに示すように、本実施の形態１では、管周囲部５は、空気の流れ方向に沿った平面、すなわち平坦な面として形成されている。また、図２Ａに示すように、伝熱管２１は、重力方向に離間した複数の位置においてフィン１を貫通しており、それぞれの貫通位置に管周囲部５が設けられている。

第２の傾斜部７は、管周囲部５の周囲に配置される部分である。図２Ｃに示すように、平坦な面である管周囲部５と、傾斜面である第１の傾斜部６とが、傾斜面である第２の傾斜部７により接続されている。そのため、図２Ｃに示すように、伝熱管２１の貫通位置の周囲には、第２の傾斜部７の傾斜面にて囲まれた凹状の領域が形成される。この凹状の領域が、凝縮水が滞留しやすい領域となっている。

本実施の形態１のフィン１では、第２の傾斜部７にて滞留した凝縮水を排水する複数の凹状の溝部８が形成されている。具体的には、凹状の溝部８は、谷部４を形成する一対の第１の傾斜部６の表面において、重力方向に延在するように形成されている。それぞれの溝部８は、山部３および谷部４に沿って形成されており、谷部４の近傍に形成されている。

また、図２Ａに示すように、フィン１において重力方向に互いに離間した第１の位置Ｐ１および第２の位置Ｐ２にて、フィン１を貫通する伝熱管２１の周囲にそれぞれ配置された凹状の領域（第２の傾斜部７）が、複数の溝部８により互いに接続されている。すなわち、それぞれの溝部８は、重力方向に隣接する第２の傾斜部７により囲まれた凹状の領域を互いに接続するように、重力方向に延在して形成されている。なお、溝部８は、第２の傾斜部７との接続部分において、第２の傾斜部７側に凹状の断面の少なくとも一部が開口されていることが望ましい。

フィン１の表面の材質については、水との接触角が３０度以下となる金属を用いることが好ましい。また、金属は空気や水分に暴露されると、酸化皮膜や腐食生成物が形成されるため、フィン１を構成する基材の表面処理として、親水性皮膜を形成したものを用いるとよい。

この場合、フィン材としては、図３に示すように、基材９の表面に皮膜層１０を形成したものを用いる。皮膜層１０は、耐食性皮膜１０ａと、さらにその上に親水性皮膜１０ｂおよび潤滑性皮膜１０ｃを重ねたものである。基材９については、鉄鋼材、銅材、アルミニウム材を適用することができる。

耐食性皮膜１０ａはリン酸クロメート処理により形成し、親水性皮膜１０ｂとしては無機系（水ガラス系、ベーマイト系）、有機樹脂系及び有機・無機複合系の皮膜を用いることができる。本実施の形態１では、親水性皮膜１０ｂとして有機・無機複合系であるシリカ／樹脂の複合系の皮膜を化成処理により形成したものを用いている。

また、潤滑性皮膜１０ｃはフィン材をフィン１へとプレス加工する際の潤滑性を向上させるためのものであり、水溶性の皮膜を用いた際にはフィン１上に発生する凝縮水により容易に消失する。したがって、上層に形成されているこの潤滑性皮膜１０ｃにより、親水性皮膜１０ｂの親水性が低下することはない。

このように、複数の層から構成される皮膜層１０の少なくとも一層を親水性皮膜１０ｂで構成しておけば、凝縮水がフィン表面に沿って平坦に拡がることになる。したがって、隣接するフィン１の間などにブリッジが発生することを抑制できるとともに、後述するように溝部８へと凝縮水を容易に誘引することができる。

次に、このような構成を有する本実施の形態１のフィンチューブ熱交換器１００について、フィン１に付着した凝縮水を排出する動作、作用について説明する。

ここで、本実施の形態１の比較例にかかるフィンチューブ熱交換器として、溝部８が形成されていないフィン１の平面図を図４に示す。なお、溝部８以外の構成については、本実施の形態１のフィン１の各構成部材と同じ参照番号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、溝部８が形成されていない比較例にかかるフィンチューブ熱交換器では、フィン１において、特に伝熱管２１の周囲で発生した凝縮水１３は、フィン１の表面に沿って徐々に重力方向下方に流れる。この凝縮水１３は、管周囲部５および第２の傾斜部７において、第１の傾斜部６との境界部分の山部３を乗り越えることができず、次第に滞留する。

さらに凝縮水１３が発生すると、滞留する凝縮水の量が増加し、隣接するフィン１の間でブリッジが発生し、フィン１の間を閉塞してしまう。その結果、通風抵抗が増大するとともに、空気との熱交換に利用されるフィンの伝熱面積が減少し、エネルギー効率の低下を招く。

次に、本実施の形態１におけるフィン１における凝縮水の排水作用を、図５を用いて説明する。図５は左から順に、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と時系列的に並べられている。まず、図５（ａ）に示すように、第１の位置Ｐ１において第２の傾斜部７に凝縮水１３が滞留し始めると、図５（ｂ）に示すように、滞留した凝縮水が、第２の傾斜部７の重力方向下部に接続されている溝部８内に誘引され、溝部８を通じて、重力方向下方に隣接する第２の位置Ｐ２における第２の傾斜部７へと凝縮水が誘導される。この溝部８による凝縮水の誘導作用により、凝縮水１３は、重力方向上方（第１の位置Ｐ１）の管周囲部５及び第２の傾斜部７から、重力方向下方（第２の位置Ｐ２）の管周囲部５及び第２の傾斜部７へと輸送される（図５（ｃ））。この溝部８による凝縮水の誘導作用が繰り返し行われることにより、凝縮水１３は、さらに下方へと輸送される（図５（ｄ））。

このように、溝部８による凝縮水の誘導作用によって、管周囲部５及び第２の傾斜部７に滞留する凝縮水１３を迅速に排出することができるため、フィン１の排水性能を飛躍的に高めることができる。

なお、本実施の形態１では、溝部８を、重力方向において隣接する第２の傾斜部７の間を互いに接続するように形成したが、溝部８は、少なくとも、伝熱管２１より重力方向下部に形成されている第２の傾斜部７に接していれば、第２の傾斜部７に滞留した凝縮水を重力方向下方へと誘導することができる。

なお、本実施の形態１では、溝部８を第１の傾斜部６によって形成される山部３の稜線に沿って平行に２本形成しているが、１本であっても、また、３本以上あってもよい。また、本実施の形態１では、溝部８を、第１の傾斜部６によって形成される山部３または谷部４の稜線を避けて形成しているが、これらの稜線上に、山部３または谷部４をさらに凹ませて溝部を形成してもよい。

なお、図６に示すように、溝部８の開口幅寸法Ｌは、毛細管現象を利用するために、２ｍｍ以下であることが好ましく、さらに毛細管現象の効果を向上させるために、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。このような開口幅寸法を採用することにより、溝部８による凝縮水１３の誘導作用を大きく向上させることができる。

なお、図６に示す溝部８の形状は、フィン１間を通過する空気の通風抵抗の低減を考慮して、側面８ａが傾斜した形状に構成したが、図７に示すように側面８ａが垂直でもよく、また、対向する側面８ａが底部８ｂにおいて接するような、尖り形状（Ｖ字形状）に形成されていてもよい。

このような構成を有する本実施の形態１のフィン１は、皮膜層が形成された基材に対してプレス加工をすることにより、第１の傾斜部６、第２の傾斜部７および溝部８を同時に成型することが可能である。したがって、新たな加工プロセスを追加することなく、安価で排水性に優れたフィンチューブ熱交換器を製造することが可能となる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２におけるフィンチューブ熱交換器のフィンの平面図である。なお、本実施の形態２において、上述の実施の形態１と同様の構成部分については同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態２と上述の実施の形態１との差異は、フィン１の山部３の近傍に溝部８を設けた点である。

図８に示すように、溝部８はフィン１の山部３に沿って、重力方向において隣接する第２の傾斜部７の間を接続するように形成されている。

このような構成では、第２の傾斜部７における重力方向のそれぞれの下端と、溝部８のそれぞれの上端とが接することとなるので、第２の傾斜部７に滞留する凝縮水１３を円滑に下方へと誘導することができる。

（実施の形態３）
図９Ａは、本発明の実施の形態３におけるフィンチューブ熱交換器のコルゲートフィンの平面図であり、図９Ｂおよび図９Ｃは断面図である。なお、本実施の形態３において、上述の実施の形態１と同様の構成部分については同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態３と上述の実施の形態１との差異は、図９Ｂおよび図９Ｃに示すように、フィン１５が大略逆Ｖ字形の断面形状を有するコルゲートフィンとして形成されている点（すなわち、フィン１５において山部３が１つのみ形成されている点）である。

また、図９Ａに示すように、溝部８はフィン１５の山部３に沿って、重力方向において隣接する第２の傾斜部７の間を接続するように形成されている。

通常、Ｖ字形コルゲートフィンは、Ｍ字形コルゲートフィンと比較して表面積を大きく形成しやすく、熱交換性能を向上させやすい。

一方、Ｖ字形コルゲートフィンは、Ｍ字形コルゲートフィンと比較して、平坦な管周囲部５及び第２の傾斜部７の面積が大きくなることで、凝縮水１３の滞留領域が大きくなり、凝縮水１３が溜まりやすいという課題がある。

そこで、本実施の形態３のように溝部８を設けることにより、凝縮水１３を円滑に重力方向下方へと誘導することが可能となる。よって、熱交換性能が高く、かつ排水性能にも優れたＶ字形コルゲートフィンの実現が可能となる。

上述の説明では、溝部８が重力方向に延在する場合を例として説明したが、溝部は重力方向下方へと向かう方向成分を連続的に有していれば良く、例えば、重力方向に対して傾斜している場合や湾曲している場合であっても良い。

上述の説明では、フィン表面に溝部を設けることにより、フィン表面に付着した凝縮水の排水性を向上させることができることについて説明したが、凝縮水以外にもフィン表面に付着した液体の排出性を向上することができる。

また、上述の説明では、フィンチューブ熱交換器を通過する空気との間で熱交換が行われる場合を例として説明したが、空気以外の気体がフィンチューブ熱交換器を通過して、この気体との間で熱交換が行われるような場合であっても良い。

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

以上のように、本発明にかかるフィンチューブ熱交換器は、フィン表面に設けた溝部によって排水性を向上させることができるので、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられる熱交換器に適用することができる。

１、１５ フィン（コルゲートフィン）
３ 山部
４ 谷部
５ 管周囲部
６ 第１の傾斜部
７ 第２の傾斜部
８ 溝部
９ 基材
１０ 皮膜層
１０ａ 耐食性皮膜
１０ｂ 親水性皮膜
１０ｃ 潤滑性皮膜
１３ 凝縮水
２１ 伝熱管
１００ フィンチューブ熱交換器
Ｐ１ 第１の位置
Ｐ２ 第２の位置
Ｓ 空気の流れ方向
Ｌ 開口部の開口幅寸法

Claims (5)

1. それぞれの間に気体の流路が形成されるように平行に並べられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを貫通し、前記気体と熱交換する流体が内部を流通する伝熱管とを備え、
   前記フィンは、
   少なくとも１つの山部を形成するように気体の流れ方向に対して傾斜した第１の傾斜部と、
   重力方向に互いに離間した第１および第２の位置にて前記フィンを貫通する前記伝熱管の周囲にそれぞれ形成された管周囲部と、
   前記管周囲部と前記第１の傾斜部とを互いに接続するように気体の流れ方向に対して傾斜した第２の傾斜部とを備え、
   前記第１の位置における前記第２の傾斜部と第２の位置における前記第２傾斜部とを接続する溝部が、前記第１の傾斜部の表面に形成されている、フィンチューブ熱交換器。
2. 前記溝部の開口幅寸法が２ｍｍ以下である、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
3. 前記フィンにおいて、前記第１の傾斜部により形成される前記山部の稜線が重力方向に配置され、前記溝部が重力方向に延在するように形成されている、請求項１または２に記載のフィンチューブ熱交換器。
4. 前記フィンは、基材と、前記基材の表面に形成される皮膜層とを備え、前記皮膜層を構成する層の一部が親水性皮膜である、請求項１から３のいずれか１つに記載のフィンチューブ熱交換器。
5. 前記基材に前記親水性皮膜を形成した後に、前記基材を用いて、前記第１の傾斜部、前記第２の傾斜部、前記溝部を同時に成型して、前記フィンを成型し、請求項４に記載のフィンチューブ熱交換器を製造する、フィンチューブ熱交換器の製造方法。

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