JPWO2017179399A1 - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

熱交換性能と腐食に対する信頼性の確保を両立できる熱交換器。熱交換器は、平板形状の複数のフィンと、前記複数のフィンのそれぞれに設けられた開口部と、前記開口部の外周側に配置され、前記開口部の外径よりも大きい内径を有する筒状部材と、を備え、前記複数のフィンは、前記筒状部材を介して積層され、前記開口部と、前記筒状部材とにより通液管を形成するとともに、前記開口部が前記筒状部材より内側に突き出している。

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、空調調和機で用いられるプレートフィン型の熱交換器に関するものである。
従来の熱交換器は、例えば、特許文献１のように、複数のフィンカラーが設けられた平板形状の複数のフィンを備え、複数の円筒状のフィンカラーの穴中心が一致するように複数のフィンが積層されて形成されている。連接されたフィンカラーは、樹脂により接合され、シールされて、複数の通液管及びフィンコアが形成されている。通液管は、内周面に形成された樹脂膜により表面の防食がなされている。
特公昭６１−０１５３５９号公報
特許文献１に記載された熱交換器においては、通液管の内周面に形成された樹脂膜の厚みが薄く、樹脂膜に発生する傷やピンホールなどの欠陥、樹脂膜自体の径年劣化等による剥離が起きやすい。樹脂膜の欠陥や剥離などが発生すると、フィンに腐食が進行し、熱交換性能が低下してしまう。また、厚みの薄い樹脂膜は、強度が不十分であり、熱交換器が筺体内に設置される際、又は、搬送される際などに受ける接合部の曲げ、捩り、剪断により破断してしまうという課題もある。防食性を向上させるために、樹脂膜を厚くすると、樹脂膜が熱抵抗となり熱交換性能が低下するという別の課題が生じてしまう。また、通液管には水や不凍液等の比較的粘度の高い流体を流す場合が多く、また、高伝熱化のため通液管を細径で構成する場合、通液管の流れが層流化して熱交換性能が低下するといった問題があった。
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、熱交換性能と腐食に対する信頼性の確保を両立できる熱交換器を提供すること、また、通液管内の流れが層流化するような場合でも高い熱交換性能が得られる熱交換器を目的としている。
本発明に係る熱交換器は、平板形状の複数のフィンと、前記複数のフィンのそれぞれに設けられた開口部と、前記開口部の外周側に配置され、前記開口部の外径よりも大きい内径を有する筒状部材と、を備え、前記複数のフィンは、前記筒状部材を介して積層され、前記開口部と、前記筒状部材とにより通液管を形成するとともに、前記開口部が前記筒状部材より内側に突き出している。
本発明に係る熱交換器によれば、筒状部材より内側に突き出したフィンが直接熱媒体に接触するため、熱交換効率を向上させることができる。また、フィン開口部の外周側に筒状部材を設けて積層するため、従来のように樹脂膜を厚くする等せずに強度を上げることができる。また、万一、腐食が発生してもフィンの面方向には腐食しにくく、シール性の低下は抑制される。
実施の形態１に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。 実施の形態１に係る熱交換器を図１のＡ−Ａ方向から見たフィンの模式図である。 実施の形態１に係る熱交換器を図２のＢ−Ｂ方向から見た模式図である。 実施の形態１の変形例１に係る熱交換器のフィンを説明する模式図である。 実施の形態１の変形例に係る熱交換器のフィンカラーを説明する模式図である。 実施の形態２に係る熱交換器のフィンカラーの断面を示す模式図である。 実施の形態３に係る熱交換器のフィンカラーの斜視図である。 実施の形態３の変形例に係る熱交換器のフィンカラーの斜視図である。 実施の形態４に係る熱交換器のフィンカラー周辺の断面を示す模式図である。 実施の形態４に係る熱交換器のフィンカラー周辺の上面図である。 実施の形態４に係る熱交換器の突起の上面図である。 実施の形態４の変形例１に係る熱交換器のフィンカラー周辺の断面を示す模式図である。 実施の形態４の変形例２に係る熱交換器のフィンカラー周辺の断面を示す模式図である。 実施の形態４の変形例３に係る熱交換器のフィンカラー周辺の断面を示す模式図である。 実施の形態４の変形例３に係る熱交換器のフィンカラー周辺の斜視図である。 実施の形態５に係る熱交換器のフィンカラーを説明する模式図である。 図１６のフィンカラーの斜視図である。 図１７のフィンに隣接するフィンに形成されたフィンカラーの斜視図である。 実施の形態５の変形例に係る熱交換器のフィンカラーを説明する模式図である。 図１９のフィンカラーの斜視図である。 図２０のフィンに隣接するフィンに形成されたフィンカラーの斜視図である。 実施の形態６に係る熱交換器のフィンカラーを説明する模式図である。 図２３のフィンカラーを通液管の流れ方向から見た模式図である。 図２３のフィンカラーの斜視図である。 実施の形態６の変形例に係る熱交換器のフィンカラーを説明する模式図である。 図２５のフィンカラーを通液管の流れ方向から見た模式図である。 図２５のフィンカラーの斜視図である。 実施の形態６の変形例２に係る熱交換器のフィンカラーを説明する模式図である。 図２８のフィンカラーを通液管の流れ方向から見た模式図である。 図２８のフィンカラーの斜視図である。
実施の形態１．
＜熱交換器１０の構成＞
図１は、実施の形態１に係る熱交換器１０の外観を示す斜視図である。図１において、空気ＷＦの流れ方向、及び、熱搬送媒体である水ＲＦの流れ方向をそれぞれ矢印により示している。図２は、実施の形態１に係る熱交換器１０を図１のＡ−Ａ方向から見たフィン１の模式図である。図３は、実施の形態１に係る熱交換器１０を図２のＢ−Ｂ方向から見た模式図である。なお、図３において、空気ＷＦの流れの上流側の構成を示しているが、下流側の構成も同様の構成であるため、図示を省略する。
図１〜図３に示すように、実施の形態１に係る熱交換器１０は、積層された複数のフィン１と、フィンカラー１１と、樹脂部材１２とにより構成されている。
複数のフィン１のそれぞれは、平板形状を有するアルミニウムなどの金属製の部材であり、複数のフィン１が空気の流れ方向と直交する方向に積層されている。つまり、複数のフィン１のそれぞれは、間隔をもって並設されている。それぞれのフィン１の一方の面には、フィン１に形成された複数の開口部１１０から積層方向に突出する複数のフィンカラー１１が設けられている。複数のフィン１は、複数のフィンカラー１１の中心を一致させ、間に樹脂部材１２を介在させて積層されている。積層されたフィンカラー１１及び樹脂部材１２は、複数のフィン１の積層方向に通液管１３を形成する。なお、樹脂部材１２は、本発明の筒状部材の一例である。以下の説明において、フィン１のフィンカラー１１が突出する側の面を表面とする。
フィンカラー１１は、円筒形状を有し、例えば、絞り加工により、フィン１の表面に対し垂直方向である複数のフィン１の積層方向に突出するように形成されている。フィンカラー１１は、フィン１の積層方向と直交する空気ＷＦの流れ方向、つまり、列方向に、例えば２列、且つ、空気ＷＦの流れ方向の鉛直方向、つまり、段方向にそれぞれ複数段配置され、千鳥配列になっている。樹脂部材１２は、フィンカラー１１の外径よりも大きい内径を有する円筒形状であり、フィンカラー１１の外周側にフィンカラー１１を囲むように配置されている。樹脂部材１２の内径は、フィンカラー１１の外径よりも大きく、樹脂部材１２の中心軸と、フィンカラー１１の中心軸とが一致している。樹脂部材１２の内径は、フィンカラー１１の外径とほぼ一致していてもよく、その場合には、樹脂部材１２にフィンカラー１１が嵌めあうようになり、樹脂部材１２がフィン１の内面方向にずれることが防止される。樹脂部材１２の外周面と、フィンカラー１１の内周面とは、一部を接着し、フィン１の面内方向の力に対する強度を向上させてもよい。なお、フィンカラー１１は、本発明の第２のフィンの一例である。
複数のフィン１は、間に樹脂部材１２が挿入され、樹脂部材１２を介し、それぞれのフィン１に設けられたフィンカラー１１の中心が一致するように連接されて積層されている。連接されたフィンカラー１１と、フィンカラー１１の外周面において、積層されたフィン１の間でフィン１に密着する樹脂部材１２と、により、通液管１３が形成されている。樹脂部材１２は、フィンカラー１１が設けられる開口部１１０の外径よりも大きい内径を有し、フィンカラー１１が樹脂部材１２より内側に突き出している。フィンカラー１１は、積層方向の高さが、樹脂部材１２の積層方向の高さよりも小さく形成されており、フィンカラー１１の端部と、隣接するフィン１の裏面との間に形成されたすきまを介して、流体の熱搬送媒体の入れ替えが行われる。
積層する複数のフィン１の一端には、空気ＷＦの流れの下流側に設けられた入口ヘッダー２と、空気ＷＦの流れの下流側に設けられた出口ヘッダー３とが複数の接続管４を介して接続されている。出口ヘッダー３は、出口ヘッダー３から分岐する複数の接続管４のフランジを介し、積層するフィン１の一端のフィン１に配置された樹脂部材１２に接続されている。入口ヘッダー２も、出口ヘッダー３と同様の構成により、一端に配置されたフィン１の樹脂部材１２に接続されている。入口ヘッダー２及び出口ヘッダー３は、それぞれが接続する樹脂部材１２により通液管１３に接続される。さらに、入口ヘッダー２と、出口ヘッダー３とは、積層する複数のフィン１の他端において、入口ヘッダー２から延びる通液管１３と、出口ヘッダー３に向けて延びる通液管１３とを接続する不図示のＵ字管により接続されている。
＜熱交換器１０の動作＞
次に、実施の形態１に係る熱交換器１０の動作について、温水又は冷水を熱搬送媒体とし、空気調和機の室内機に収容して適用した場合を例に説明する。
空気調和機の暖房運転においては、室外機での熱交換により熱搬送媒体が加熱され、温水ＲＦとなって室内機に流入する。温水ＲＦは、室内機に収容された熱交換器１０の入口ヘッダー２から流入し、各接続管４を介して空気ＷＦの下流側に位置する各通液管１３内を流れる。空気ＷＦの下流側の各通液管１３内を流れた温水ＲＦは、それぞれＵ字管を介して空気ＷＦの上流側に位置する各通液管１３内に流れる。空気ＷＦの上流側の各通液管１３内を流れた温水ＲＦは、各接続管４を介して出口ヘッダー３において合流して流通し、室外機に向けて流出する。空気調和機の冷房運転においては、室外機での熱交換により熱搬送媒体が冷却され、冷水ＲＦとなって室内機に流入し、熱交換器１０を通流する。熱交換器１０における冷水ＲＦの流れは、暖房運転時の流れと同じである。
室内の空気ＷＦは、室内機の送風機によって吸引され、熱交換器１０を介して空気ＷＦの流れ方向の室内に送風される。送風機によって吸引された空気ＷＦは、フィン１の積層方向と直交する方向から、積層方向に隣接するフィン１間のフィンコア１４に流入する。そして、その空気ＷＦは、風上側に位置する各通液管１３内の温水ＲＦと熱交換すると共に、風下側に位置する各通液管１３内の温水ＲＦと熱交換して温風となり、室内に流出する。なお、冷房運転時の場合は、風下側と風上側の各通液管１３内に流れる冷水ＲＦにより、冷風となった空気ＷＦが室内に送り込まれる。
＜熱交換器１０の製造方法＞
熱交換器１０の製造においては、まず、１枚目のフィン１に設けられたフィンカラー１１の周りに、樹脂部材１２を配置する。次に、１枚目のフィン１に２枚目のフィン１を積層し、１枚目のフィン１に配置した樹脂部材１２と、２枚目のフィン１の裏面とを、接着剤により接合し、シールする。このとき、１枚目のフィン１のフィンカラー１１と、２枚目のフィンカラー１１の中心を一致させる。そして、２枚目のフィン１に設けられたフィンカラー１１の周りに樹脂部材１２を配置する。次に、２枚目のフィン１に３枚目のフィン１を積層し、２枚目のフィン１に配置した樹脂部材１２と、３枚目のフィン１の裏面とを、接着剤により接合し、シールする。このときも、２枚目のフィン１のフィンカラー１１と、３枚目のフィンカラー１１の中心を一致させる。４枚目以降も同様にして積層し、積層された複数のフィン１のフィンカラー１１により通液管１３が形成された熱交換器１０が得られる。熱交換器１０には、積層されたフィン１により、列方向に２列、列毎の段方向に、樹脂部材１２でシールされた、それぞれ複数の通液管１３が形成される。
従来の熱交換器では、強度や防食性を上げるためにフィンカラーの内面の樹脂膜を厚く形成すると、熱抵抗の増大による熱交換性能の低下は避けられない。これに対し、実施の形態１に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１の外側に配置した樹脂部材１２により通液管１３をシールする。そのため、内側に突き出したフィン１が直接熱媒体に接触することによる熱交換性能と強度及び腐食に対する信頼性の確保を両立させることができる。万一、腐食が発生してもフィンの面方向には腐食しにくく、シール性の低下は抑制される。
なお、上記の説明において、アルミニウムを材料とするフィン１について説明しているが、フィン１の表面に、フィン１の材質よりもイオン化傾向が高く腐食しやすい卑な材質の層を設けることができる。例えば、フィン１がアルミ二ウムの場合には、亜鉛などアルミ二ウムよりも腐食しやすい層を設けることで、フィン１に発生した腐食がフィン１の表面方向に進むことが防止される。また、フィン１の表面を、樹脂コーティング層など、フィン１よりも腐食しにくい層により被覆してもよい。
＜実施の形態１の変形例１＞
図４は、実施の形態１の変形例１に係る熱交換器１０のフィン１を説明する模式図である。なお、図４は、上記の説明において示した図３に相当する図である。図４に示すように、実施の形態１の変形例１に係る熱交換器１０には、開口部１１０を中心として樹脂部材１２が配置されており、積層方向に突出する円筒形状のフィンカラー１１が形成されていない。このように、樹脂部材１２と開口部１１０とにより、実施の形態１と同様、熱交換性能向上と強度及び腐食に対する信頼性の確保を両立させることに加え、製造簡素化を図ることができる。
＜実施の形態１の変形例２＞
図５は、実施の形態１の変形例に係る熱交換器１０のフィンカラー１１ａを説明する模式図である。なお、図５は、上記の説明において示した図３に相当する図である。図５に示すように、実施の形態１の変形例に係る熱交換器１０のフィンカラー１１ａは、外径が樹脂部材１２の内径と一致しており、樹脂部材１２がフィンカラー１１に嵌め合うように配置されている。これにより、樹脂部材１２がフィン１の内面方向にずれることを抑制できる。なお、フィンカラー１１の外周面と、樹脂部材１２の内周面とは、一部が接着されていてもよい。これにより、フィン１の内面方向の力に対する強度が向上される。
なお、上記の説明において、通液管１３の列方向及び段方向の配列数は、実施の形態１で示した数に限定されるものではなく、いかなる数でも良い。また、空気ＷＦと水ＲＦを疑似対向流で熱交換させずに、空気ＷＦの流れを反転させて疑似並行流で熱交換させてもよい。
また、上記の説明において、断面が円形の円筒形状の樹脂部材１２を一例に説明しているが、円形に限らず、三角形、四角形など多角形の断面形状であってもよい。フィン１と、フィン１間に挿入された樹脂部材１２との界面は、接着剤等で接合してもよく、接着性がある部材をリング状に構成し、１００〜３００℃程度の加熱処理により溶融・固化して接合してもよい。また、フィン１と樹脂部材１２とを交互に積層する代わりに、フィンカラー１１の周りに塗布したウレタンフォームなどの反応性発泡材、又は、熱膨張性のあるマイクロカプセル等を混入した接着剤などを塗布することもできる。この場合、フィン１を積層する際に、１００〜３００℃程度の加熱処理で発泡、又は膨張させることでフィン１が接合される。これにより、反応性発泡材、接着剤などがフィン１間のすきまをシールするように拡がってフィン１が接合され、フィン１と樹脂部材１２とを交互に積層する場合に比べて、部品点数が削減し、また、組立性を向上させることができる。
以上説明した、実施の形態１に係る熱交換器１０によれば、フィン１の一方の面に設けられ、垂直方向に突出するフィンカラー１１が形成されており、フィンカラー１１の外周側に円筒形状の樹脂部材１２が配置されている。複数のフィン１は、樹脂部材１２を介して積層され、フィンカラー１１と、樹脂部材１２とにより通液管１３を形成している。通液管１３は、通液管１３の外周側の樹脂部材１２によりシールされることとなり、フィンカラー１１と熱搬送媒体との接液面積が増加する。これにより、フィンカラー１１の内面を樹脂などで覆ってシールする場合に比べ、流体とフィン１との間の熱抵抗が低減し、熱交換器１０の熱交換性能が向上する。また、接合強度及びシール性を向上させるために通液管１３の外周面に配置される樹脂部材１２を厚く形成しても熱交換が妨げられることがない。接液面積が増加することで、フィン１が腐食した場合の余裕となる腐れ代が増加させることができるため、万一、腐食が発生しても、腐食の進行が抑制される。さらに、フィン１の板厚方向に腐食が進み、フィン１を貫通した場合でも、通液管１３の外周面の樹脂部材１２によりシールされているため、通液管１３のシール性を損なうことがなく、腐食方向と電熱方向とが直行することで伝熱特性の低下も抑制される。
また、実施の形態１に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１は、円筒形状を有するため、リブ効果によりフィン１の強度が向上する上に、フィン１を積層して組み立てる際の真直性が良好となり、スムーズに積層することができ、組立性が向上する。また、熱交換器１０を、例えば、室内機の筺体内に設置したり、搬送したりする際に接合部が受ける曲げ、捩り、剪断に対する強度も向上する。
また、実施の形態１に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１の表面に、フィン１の材質よりもイオン化傾向が高く腐食しやすい卑な材質の層を設けることができる。例えば、フィン１がアルミ二ウムの場合には、亜鉛などアルミ二ウムよりも腐食しやすい層を設ければよい。これにより、フィン１に発生した腐食がフィン１の表面方向に進み、板厚方向に複数の位置で発生した腐食によりフィンカラー１１が破断して欠落してしまうことが防止され、接液面積を維持できる。
また、実施の形態１に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１の表面を、樹脂コーティング層など、腐食しにくい層により被覆することで、フィン１の腐食の進行をさらに抑制できる。
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る熱交換器１０のフィンカラー２１の断面を示す模式図である。図６に示すように、実施の形態２に係る熱交換器１０のフィンカラー２１は、円筒形状の先端に鍔部２１ａを備える点で実施の形態１と異なる。なお、熱交換器１０のその他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略し、熱交換器１０と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。
フィンカラー２１は、複数のフィン１の積層方向に突出する円筒形状を有し、フィンカラー２１の先端は、フィンカラー２１の中心軸から離れる方向に外周側に折りまげられて形成された鍔部２１ａになっている。鍔部２１ａは、フィンカラー２１の外周側に配置された樹脂部材１２に近接し、フィンカラー２１の円筒形状の内径を広げる方向に折り返されている。なお、フィンカラー２１は、本発明の第２のフィンの他の一例である。
フィンカラー２１と、樹脂部材１２とにより形成された通液管１３には、フィンカラー２１と、鍔部２１ａと介在し、フィンカラー２１と、鍔部２１ａとにおいて熱搬送媒体が接触し熱交換が行われる。
なお、上記において、鍔部２１ａとして、フィンカラー１１の先端を外周方向に折り曲げて形成した例について説明しているが、フィンカラー１１の先端をフィンカラー１１の中心軸に近づく方向の内周方向に折り曲げて鍔部２１ａを形成してもよい。また、１回折り曲げるだけでなく、複数回折り曲げて形成し、接液面積を増加させ、接液面積を増加させることで、熱交換性能及び防食信頼性を向上させることもできる。
フィンカラー１１の積層方向の高さは、樹脂部材１２の厚み、つまり、複数のフィン１の間隔よりも小さいことが望ましい。これにより、通液管１３の流体が流れる領域の熱搬送媒体が、樹脂部材１２周辺と、通液管１３との間で入れ替わりやすくなり、流体間で溶存酸素濃度等に差が発生しにくくなる。このため、局部腐食等の進行を抑えることができ、腐食信頼性がさらに向上する。
以上説明した、実施の形態２に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１の先端を外周方向又は内周方向に広げ、鍔部２１ａを形成しているため、熱搬送媒体とフィンカラー１１とが接する接液面積が増加し、熱交換性能が向上する。また、腐食した場合の腐れ代の増加により、腐食の進行を抑制することができる。
実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る熱交換器１０のフィンカラー３１の斜視図である。図７に示すように、実施の形態３に係る熱交換器１０のフィンカラー３１は、円筒形状の側面に複数の通液孔３１ａを備える点で実施の形態１と異なる。なお、熱交換器１０のその他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略し、熱交換器１０と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。
フィンカラー３１は、フィン１の表面から複数のフィン１の積層方向に突出する円筒形状を有し、側面に複数の通液孔３１ａが開口している。通液孔３１ａは、フィンカラー３１の側面を貫通し、例えば、円筒形状の高さの１／３の直径の円形であり、円筒形状の周方向に等間隔で１０個形成されている。フィンカラー３１は、本発明の第２のフィンの他の一例である。
通液孔３１ａは、熱搬送媒体をフィンカラー３１とフィンカラー３１の外周側に配置された樹脂部材１２との間を流通させる。フィンカラー３１と、樹脂部材１２とが積層されて形成された通液管１３を流通する熱搬送媒体は、フィンカラー３１の通液孔３１ａを介して入れ替わりながらフィンカラー３１と接触して熱交換を行う。
以上説明した、実施の形態３に係る熱交換器１０によれば、円筒形状のフィンカラー３１の側面に通液孔３１ａが形成されており、フィンカラー３１と樹脂部材１２との間の熱搬送媒体の入れ替わりがさらに促進される。これにより、熱搬送媒体間で溶存酸素濃度等がさらに均衡化され、局部腐食等による腐食の進行を一層抑えることができ、腐食信頼性がさらに向上する。
＜実施の形態３の変形例＞
図８は、実施の形態３の変形例に係る熱交換器１０のフィンカラー３２の斜視図である。図８に示すように、実施の形態３の変形例に係る熱交換器１０のフィンカラー３２は、複数の通液孔３１ａに代えて複数のスリット３２ａを備えている。
スリット３２ａは、円筒形状のフィンカラー３２の側面に形成されている。スリット３２ａは、例えば、円筒形状のフィンカラー３２を絞り加工等によりで製造する際に、予めスリット状に打ち抜き加工後、積層方向に円筒状に起こして形成される。フィンカラー３２に複数のスリット３２ａを形成することで、スリット３２ａを介して熱搬送媒体が入れ替わり、円形の通液孔３１ａと同様の効果を得ることができる。
以上説明した、実施の形態３に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー３２の側面にスリット３２ａが形成されており、フィンカラー３１と樹脂部材１２との間の熱搬送媒体の入れ替わりがさらに促進される。この場合にも、熱搬送媒体間で溶存酸素濃度等がさらに均衡化され、局部腐食等による腐食の進行を一層抑えることができ、腐食信頼性がさらに向上する。
実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る熱交換器１０のフィンカラー１１周辺の断面を示す模式図である。図１０は、実施の形態４に係る熱交換器１０のフィンカラー１１周辺の上面図である。図９、及び、図１０に示すように、実施の形態４に係る熱交換器１０のフィンカラー１１の周辺には、複数の突起４１ａ、４１ｂが設けられている点で実施の形態１〜３と異なる。なお、熱交換器１０のその他の構成は、実施の形態１〜３と同様であるため、説明を省略し、熱交換器１０と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。
フィン１には、フィン１の表面から積層方向に突出するフィンカラー１１の外周側に配置された樹脂部材１２の外周側に、複数の突起４１ａ、４１ｂが配置されている。複数の突起４１ａ、４１ｂは、フィン１の表面から積層方向に突出し、樹脂部材１２の積層方向の高さとほぼ同じ積層方向の高さに形成されている。複数の突起４１ａ、４１ｂは、上面視において円形などの形状であり、樹脂部材１２の外周側に点在している。複数の突起４１ａと、突起４１ｂとは、同様の形状であり、積層方向の位置をずらした位置に配置されている。複数のフィン１は、複数の突起４１ａ、４１ｂの上面及び樹脂部材１２の上面と、フィン１の裏面とが接するように積層される。フィン１に設けられた複数の突起４１ａ、４１ｂは、フィン１が隣り合うフィン１に対して傾きが生じることを防止し、積層されたフィン１の間の距離が一定に保たれる。積層するフィン１は、隣接するフィン１のそれぞれの突起４１ａと突起４１ｂとは、位置をずらすことで、フィン１の間の距離を保持することが容易となる。
なお、フィン１の裏面と、突起４１ａ、４１ｂの上面とは、接着剤などにより接着すればよい。また、樹脂部材１２として、反応性発泡材や熱膨張性のあるマイクロカプセル等を混入した接着剤を用いて、組立後に反応させることでフィン間のすきまをシールするように拡げる構成を採用してもよい。突起４１ａ、４１ｂは、上面視において円形の円柱形状であってもよいが、上面視において矩形状の直方体形状でもよく、形状は限定されない。
図１１は、実施の形態４に係る熱交換器１０の突起４１ｃの上面図である。図１１に示すように、突起４１ｃは、上面視において、樹脂部材１２よりも大きい内径を有する円環形状を有する。このように、突起４１ｃを、上面視において樹脂部材１２を囲う環状に形成してもよく、この場合にも、積層されたフィン１の間の距離が一定に保たれる。
＜熱交換器１０の動作＞
次に、実施の形態４に係る熱交換器１０の動作について、熱交換器１０を室内機に配置し、暖房運転を行った場合を例に説明する。熱交換器１０に流入した温水ＲＦは、熱交換器１０の入口ヘッダー２から流入し、接続管４を介して通液管１３に流入する。通液管１３に流入した温水ＲＦは、通液管１３の内部に介在するフィンカラー１１において熱交換を行い、出口ヘッダー３から流出する。温水ＲＦからフィンカラー１１に移動した熱は、フィンカラー１１からフィン１と、フィン１の樹脂部材１２よりも外周側に配置された複数の突起４１ａ、４１ｂとに到達する。そして、フィン１と、フィン１から突出する複数の突起４１ａ、４１ｂとにおいて、周囲を流通する空気ＷＦに放熱されることで室内が暖められる。複数の突起４１ａ、４１ｂは、フィン１と、空気ＷＦとの接触面積を増加させ、熱交換の効率を向上させる。
＜実施の形態４の変形例１＞
図１２は、実施の形態４の変形例１に係る熱交換器１０のフィンカラー１１周辺の断面を示す模式図である。図１２に示すように、実施の形態４の変形例１に係る熱交換器１０は、突起４１ａ、４１ｂの内周面に接触して配置された樹脂部材１２ａ、１２ｂを備える。
樹脂部材１２ａは、上面視において、突起４１ａの内径と同等又はそれより小さい外径と、フィンカラー１１の外径よりも大きい内径とを有する円環状に形成される。また、樹脂部材１２ｂは、上面視において、突起４１ａよりも外周側に配置された突起４１ｂの内径と同等又はそれより小さい外径と、フィンカラー１１の外径よりも大きい内径とを有する円環状に形成される。樹脂部材１２ａの内径は、樹脂部材１２ｂの内径よりも大きくなっている。そして、樹脂部材１２ａ、１２ｂが、樹脂部材１２ａ、１２ｂの外周面と突起４１ａ、４１ｂの内周面とが接した状態で、突起４１ａ、４１ｂの内側に嵌め込まれている。
樹脂部材１２ａ、１２ｂをこのような形状にすることで、通液管１３の内圧を樹脂部材１２ａ、１２ｂと、樹脂部材１２ａ、１２ｂの外周に接する突起４１ａ、４１ｂとの両方で受けることとなり、通液管１３の耐圧強度が向上する。また、樹脂部材２３ｂの内径を大きくすることで、通液管１３の内部におけるフィン１と熱搬送媒体との接液面積が増加し、熱交換に有効な面積が増大される。
＜実施の形態４の変形例２＞
図１３は、実施の形態４の変形例２に係る熱交換器１０のフィンカラー１１周辺の断面を示す模式図である。図１３に示すように、実施の形態４の変形例２に係る熱交換器１０は、突起４１ａ、４１ｂと、突起４１ａ、４１ｂの上面が挿入される凹部４２ａ、４２ｂを備える。
凹部４２ａ、４２ｂは、突起４１ａ、４１ｂの上方の位置において、フィン１の裏面に形成された凹部であり、突起４１ａ、４１ｂの上面と同等の面積に形成されている。複数のフィン１が積層された状態において、凹部４２ａ、４２ｂには、突起４１ａ、４１ｂの上面が挿入され、凹部４２ａ、４２ｂの裏面側に当接している。凹部４２ａ、４２ｂは、突起４１ａ、４１ｂの高さと凹部４２ａ、４２ｂの深さとの差が、隣接するフィン１の間の距離、及び樹脂部材１２の高さと等しくなる深さに形成すればよい。
フィン１の表面に突起４１ａ、４１ｂを設けると共に、フィン１の裏面に凹部４２ａ、４２ｂが形成され、突起４１ａ、４１ｂが凹部４２ａ、４２ｂに挿入されることで、積層するフィン１同士が位置決めされ、且つ、積層するフィンカラー１１の中心が一致する。
＜実施の形態４の変形例３＞
図１４は、実施の形態４の変形例３に係る熱交換器１０のフィンカラー１１周辺の断面を示す模式図である。図１４に示すように、実施の形態４の変形例３に係る熱交換器１０は、樹脂部材１２の外周側のフィン１に切り起こし部４３と、切り込み部４４とを備える。
切り起こし部４３は、フィン１に複数の切り込み部４４を入れ、切り込み部４４をフィン１の積層方向に起こして形成される。切り込み部４４は、空気ＷＦの流れ方向に平行な方向に形成すればよく、切り起こし部４３は、例えば、積層されたフィン１の間隔と同等の積層方向の高さに形成する。切り起こし部４３がフィン１の積層方向に直交する方向の空気ＷＦの流れと平行になることで、空気ＷＦとの接触が容易となり、前縁効果によりフィン１と空気ＷＦとの伝熱が促進される。
図１５は、実施の形態４の変形例３に係る熱交換器１０のフィンカラー１１周辺の斜視図である。図１５に示すように、実施の形態４の変形例３に係るフィン１の切り起こし部４３は、台形状に形成されていてもよい。切り起こし部４３を台形状に形成すれば、切り起こし部４３がフィン１の間の距離を保持する機能を兼ねることができる。
なお、上記において説明した実施の形態４の構成は、実施の形態１〜３のいずれにおいても、組み合わせにより採用することができる。
以上説明した、実施の形態４に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１及び樹脂部材１２の外周側にフィン１の表面から突出する突起４１ａ、４１ｂを設けている。これにより、フィン１を積層して熱交換器１０を組み立てる際に、フィン１の間の距離が適正に保持されるため組立性が向上する。特に、樹脂部材１２として反応性発泡材や熱膨張性のあるマイクロカプセル等を混入した接着剤を用いた場合に、組立後に反応させてフィン１のすきまをシールするように拡げる際に隣接するフィン１の距離が保持されて、組立性が向上する。
また、実施の形態４に係る熱交換器１０によれば、突起４１ａ、４１ｂが複数の円柱形状、又は、直方体形状により構成されるため、隣接するフィン１の間の距離が一定となり、組立性が向上する。
また、実施の形態４に係る熱交換器１０によれば、突起４１ａ、４１ｂがフィンカラー１１の外周側に配置された樹脂部材１２を囲うような環状で構成されるため、積層されたフィン１の間の距離が一定に保たれ、組立性が向上する。
また、実施の形態４に係る熱交換器１０によれば、フィン１の裏面に、突起４１ａ、４１ｂの上面が挿入される凹部４２ａ、４２ｂを備えている。これにより、隣接するフィン１の間の距離が一定となり、且つ、積層されたフィンカラー１１の位置がずれることが防止される。
また、実施の形態４に係る熱交換器１０によれば、フィン１に、樹脂部材１２の外周側に設けられた切り込み部４４及び切り起こし部４３が形成されている。切り起こし部４３により、フィン１と空気ＷＦとの接触が容易となり、前縁効果によりフィン１と空気ＷＦとの伝熱が促進される。
実施の形態５．
実施の形態５に係る熱交換器１０のフィンカラー１１は、内側に突出する凸部１１ｂを有する点で実施の形態１〜４と相違する。
図１６は、実施の形態５に係る熱交換器１０のフィンカラー１１を説明する模式図である。図１７は、図１６のフィンカラー１１の斜視図である。なお、図１６は、実施の形態１の説明において示した図３に相当する図である。図１６、及び、図１７に示すように、実施の形態５に係る熱交換器１０は、積層された複数のフィン１と、フィン１に形成されたフィンカラー１１と、筒状部である樹脂部材１２とにより構成されている。
複数のフィン１のそれぞれは、平板形状を有するアルミニウムなどの金属製の部材であり、複数のフィン１が空気の流れ方向と直交する方向に積層されている。つまり、複数のフィン１のそれぞれは、間隔をもって並設されている。それぞれのフィン１の面には、複数の開口部１１０が設けられている。
複数のフィン１は、複数の開口部１１０の中心を一致させ、間に筒状部材である樹脂部材１２を介在させて積層されている。積層された開口部１１０及び樹脂部材１２は、複数のフィン１の積層方向に通液管１３を形成する。つまり、積層されたフィン１には、列方向に２列、列毎の段方向にそれぞれ複数の通液管１３が形成される。樹脂部材１２は、開口部１１０の外径よりも大きい内径を有する円筒形状であり、開口部１１０の外周側に開口部１１０を囲むように配置されている。樹脂部材１２の内径は、開口部１１０の外径よりも大きく、樹脂部材１２の中心軸と、開口部１１０の中心軸とが一致している。なお、樹脂部材１２は、本発明の筒状部材の一例である。
開口部１１０には、フィン１の一方の面から積層方向に突き出したフィンカラー１１が設けられている。フィンカラー１１には、内側に突出する矩形状の凸部１１ｂが形成されており、通液管１３を流れる流体の流れに沿って配置されている。凸部１１ｂは、２つ設けられており互いに対向する位置に配置されている。なお、フィンカラー１１は、本発明の第２のフィンの一例である。
積層する複数のフィン１の一端には、空気ＷＦの流れの下流側に設けられた入口ヘッダー２と、空気ＷＦの流れの下流側に設けられた出口ヘッダー３とが複数の接続管４を介して接続されている。出口ヘッダー３は、出口ヘッダー３から分岐する複数の接続管４のフランジを介し、積層するフィン１の一端のフィン１に配置された樹脂部材１２に接続されている。入口ヘッダー２も、出口ヘッダー３と同様の構成により、一端に配置されたフィン１の樹脂部材１２に接続されている。入口ヘッダー２及び出口ヘッダー３は、それぞれが接続する樹脂部材１２により通液管１３に接続される。さらに、入口ヘッダー２と、出口ヘッダー３とは、積層する複数のフィン１の他端において、入口ヘッダー２から延びる通液管１３と、出口ヘッダー３に向けて延びる通液管１３とを接続する不図示のＵ字管により接続されている。
＜熱交換器１０の動作＞
次に、実施の形態５に係る熱交換器１０の動作について、温水又は冷水を熱搬送媒体とし、空気調和機の室内機に収容して適用した場合を例に説明する。
空気調和機の暖房運転においては、室外機での熱交換により熱搬送媒体が加熱され、温水ＲＦとなって室内機に流入する。温水ＲＦは、室内機に収容された熱交換器１０の入口ヘッダー２から流入し、各接続管４を介して空気ＷＦの下流側に位置する各通液管１３内を流れる。空気ＷＦの下流側の各通液管１３内を流れた温水ＲＦは、それぞれＵ字管を介して空気ＷＦの上流側に位置する各通液管１３内に流れる。空気ＷＦの上流側の各通液管１３内を流れた温水ＲＦは、各接続管４を介して出口ヘッダー３において合流して流通し、室外機に向けて流出する。空気調和機の冷房運転においては、室外機での熱交換により熱搬送媒体が冷却され、冷水ＲＦとなって室内機に流入し、熱交換器１０を通流する。熱交換器１０における冷水ＲＦの流れは、暖房運転時の流れと同じである。
室内の空気ＷＦは、室内機の送風機によって吸引され、熱交換器１０を介して空気ＷＦの流れ方向の室内に送風される。送風機によって吸引された空気ＷＦは、フィン１の積層方向と直交する方向から、積層方向に隣接するフィン１間のフィンコア１４に流入する。そして、その空気ＷＦは、風上側に位置する各通液管１３内の温水ＲＦと熱交換すると共に、風下側に位置する各通液管１３内の温水ＲＦと熱交換して温風となり、室内に流出する。なお、冷房運転時の場合は、風下側と風上側の各通液管１３内に流れる冷水ＲＦにより、冷風となった空気ＷＦが室内に送り込まれる。
従来の熱交換器では、通液管に水や不凍液等の比較的粘度の高い流体を流す場合、また、高伝熱化のため通液管を細径で構成する場合、通液管の流れが層流化して熱交換性能が低下する。これに対し、実施の形態５に係る熱交換器１０によれば、フィンカラー１１の内側に凸部１１ｂが通液管１３を流れる流体の流れに沿って配置されているため、流れが層流化する場合でも、前縁効果により熱交換性能が向上する。前縁効果は、層流流れの中に孤立して置かれたフィンに、先端の前縁部から薄い温度境界層が形成され、熱伝達率が向上する効果をいう。なお、上記の説明において、フィンカラー１１の周方向に凸部１１ｂを２つ配置した場合を示している。凸部１１ｂの数は１つでも良く、限定されないが、多い方が伝熱促進効果を向上させることができる。
図１８は、図１７のフィン１に隣接するフィン１に形成されたフィンカラー１１の斜視図である。図１８に示すように、図１７に示すフィン１に隣接するフィン１には、凸部１１ｃが形成されている。凸部１１ｃは、凸部１１ｂと、周方向に半ピッチずらした位置に配置されている。このように、凸部１１ｃを、隣接するフィン１の凸部１１ｂと半ピッチずらしたオフセットフィン配置とすることで、上流に配置された凸部１１ｂが後流に配置された凸部１１ｃに与える影響が抑制され、さらに伝熱性能が向上する。
以上説明したように、フィンカラー１１が内側に突出する凸部１１ｂ、１１ｃを有することで、流れが層流化する場合でも、有効に熱交換性能を向上させることができる。なお、春、秋など空調負荷の比較的小さい中間季での空調機の運転頻度の増加やビルや住宅の高断熱化に伴う空調負荷の低下等により、熱搬送媒体である水の流量が低下し流れが層流化する運転割合は高まっている。そのため、層流化しても熱交換性能を向上させる必要性はますます重要になっている。なお、凸部１１ｂ、１１ｃは、本発明の矩形状の突出部の一例である。
＜実施の形態５の変形例＞
図１９は、実施の形態５の変形例に係る熱交換器１０のフィンカラー１１を説明する模式図である。図２０は、図１９のフィンカラー１１の斜視図である。なお、図１６は、実施の形態１の説明において示した図３に相当する図である。図１９、及び、図２０に示すように、開口部１１０において積層方向に突き出したフィンカラー１１には、内側に半球状に突出する突出部１１ｄが形成されている。
突出部１１ｄは、例えば、外面から窪む形状などを有し、通液管１３を流れる流体の流れに沿って配置されている。２つの突出部１１ｄは、互いに対向する位置に配置されている。変形例においても、実施の形態５と同様に、通液管１３の流れが層流化する場合でも、前縁効果により、熱交換性能が向上する。
図２１は、図２０のフィン１に隣接するフィン１に形成されたフィンカラー１１の斜視図である。図２１に示すように、図２０に示すフィン１に隣接するフィン１には、突出部１１ｅが形成されており、突出部１１ｄと、周方向に半ピッチずらした位置に配置されている。この場合にも、周方向に半ピッチずらしたオフセットフィン配置とすることで、上流に配置された第２のフィンの後流の影響を抑制でき、さらに伝熱性能が向上する。
実施の形態６．
実施の形態６に係る熱交換器１０は、第２のフィンとして、開口部１１０の周方向に複数の屈曲部１１ｆが形成されている点で実施の形態１〜５と相違する。
図２２は、実施の形態６に係る熱交換器１０のフィンカラー１１を説明する模式図である。図２３、及び、図２４は、図２３のフィンカラー１１を通液管１３の流れ方向から見た模式図、及び、斜視図である。なお、図２２は、実施の形態１の説明において示した図３に相当する図である。図２２、図２３、及び、図２４に示すように、実施の形態６に係る熱交換器１０は、複数のフィン１のフィンカラー１１は、開口部１１０に形成された複数の屈曲部１１ｆを備えている。複数の屈曲部１１ｆは、先端部分が通液管１３に沿うように同じ方向に曲げられており、周方向に配置されている。
このように、開口部１１０の内側に形成された屈曲部１１ｆを、先端部分が周方向に断続的に配置し、通液管１３を流れる流体の流れに沿わせることで、流れが層流化する場合でも、前縁効果により、熱交換性能が向上する。また、屈曲部１１ｆ同士の間に、周方向に配置されたすきまが形成されているため、流動抵抗を抑制しながら、熱交換性能を向上させることができる。なお、上記において、屈曲部１１ｆを開口部１１０の周方向に８つ配置した場合を示している。屈曲部１１ｆの数は２つでも良く、数は限定されないが、多い方が伝熱促進効果を向上させることができる。
＜実施の形態６の変形例１＞
図２５は、実施の形態６の変形例１に係る熱交換器１０のフィンカラー１１を説明する模式図である。図２６、及び、図２７は、図２５のフィンカラー１１を通液管１３の流れ方向から見た模式図、及び、斜視図である。なお、図２２は、実施の形態１の説明において示した図３に相当する図である。また、図２５において、矢印は熱搬送媒体である水ＲＦの流れを示している。
図２５、図２６、及び、図２７に示すように、複数のフィン１のフィンカラー１１は、開口部１１０の内側に周方向に形成された、複数の屈曲部１１ｇ、１１ｈを備える。複数の屈曲部１１ｇ、１１ｈは、先端部分が通液管１３に沿うように、且つ、隣接する屈曲部１１ｇ、１１ｈが互いに逆方向に曲げられて配置されている。
このように、隣接する屈曲部１１ｇ、１１ｈが互いに逆方向に曲げられていると、熱搬送媒体は、隣接する屈曲部１１ｇ、１１ｈの間に周方向に形成された大きなすきまを通ることができる。これにより、実施の形態６の効果に加え、流動抵抗を更に抑制し、熱交換性能を向上させることができるという効果が得られる。
＜実施の形態６の変形例２＞
図２８は、実施の形態６の変形例２に係る熱交換器１０のフィンカラー１１を説明する模式図である。図２９、及び、図３０は、図２８のフィンカラー１１を通液管１３の流れ方向から見た模式図、及び、斜視図である。なお、図２２は、実施の形態１の説明において示した図３に相当する図である。また、図２５において、矢印は熱搬送媒体である水ＲＦの流れを示している。
図２８、図２９、及び、図３０に示すように、複数のフィン１のフィンカラー１１は、開口部１１０の内側に周方向に形成された複数の屈曲部１１ｉ、１１ｊ、及び、平坦部１１ｋを備える。複数の１１ｉ、１１ｊは、開口部１１０の周方向の一部を通液管１３の流れ沿って折り曲げられており、平坦部１１ｋは、通液管１３に垂直になっている。
このように、周方向の一部が通液管１３の流れに沿うように平坦部１１ｋから屈曲する屈曲部１１ｉ、１１ｊは、実施の形態６及び実施の形態６の変形例１において説明したように、すきまが形成される。これにより、流動抵抗を抑制し、熱交換性能を向上させることができるという効果が得られる。
なお、本変形例の隣接する屈曲部１１ｉ、１１ｊの先端は互いに逆方向に曲げて配置されているが、同じ方向でも構わない。屈曲部１１ｉ、１１ｊの面積は大きくするほど、前縁効果による伝熱の向上及び流動抵抗の低減となるが、屈曲部１１ｉ、１１ｊはフィン１と径方向、つまり、伝熱方向に分断されるため、熱伝導ロスも増加するため最適な屈曲部１１ｉ、１１ｊの面積が存在する。なお、実施の形態６及び実施の形態６の変形例１では、屈曲部１１ｆ、１１ｇ、１１ｈが周方向、つまり、伝熱と直角方向に分断されているため、分断により伝熱が低下する影響はない。
１ フィン、２ 入口ヘッダー、３ 出口ヘッダー、４ 接続管、１０ 熱交換器、１１、１１ａ、２１、３１、３２ フィンカラー、１１ｂ、１１ｃ 凸部、１１ｄ、１１ｅ 突出部、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ 屈曲部、１１ｋ 平坦部、１２、１２ａ、１２ｂ、２３ｂ 樹脂部材、１３ 通液管、１４ フィンコア、２１ａ 鍔部、３１ａ 通液孔、３２ａ スリット、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ 突起、４２ａ、４２ｂ 凹部、４３ 切り起こし部、４４ 切り込み部、１１０ 開口部。
本発明に係る熱交換器は、平板形状の複数のフィンと、前記複数のフィンのそれぞれに設けられた開口部と、前記開口部の外周側に配置され、前記開口部の外径よりも大きい内径を有する筒状部材と、を備え、前記複数のフィンは、前記筒状部材を介して積層され、前記開口部と、前記筒状部材とにより通液管を形成するとともに、前記開口部が前記筒状部材より内側にあり、前記開口部から前記積層の方向に突出した第２のフィンを有し、前記第２のフィンは、円筒形状であり、前記第２のフィンは、前記円筒形状の内側に突出する複数の凸部を有する。

Claims (15)

  1. 平板形状の複数のフィンと、前記複数のフィンのそれぞれに設けられた開口部と、前記開口部の外周側に配置され、前記開口部の外径よりも大きい内径を有する筒状部材と、を備え、
    前記複数のフィンは、前記筒状部材を介して積層され、前記開口部と、前記筒状部材とにより通液管を形成するとともに、前記開口部が前記筒状部材より内側に突き出している
    熱交換器。
  2. 前記開口部の内側に、第２のフィンが形成された
    請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記第２のフィンは、円筒形状を有する、請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記開口部の周方向には、複数の前記第２のフィンが断続的に配置されている
    請求項２に記載の熱交換器。
  5. 前記第２のフィンは、前記円筒形状の内側に突出する複数の凸部で形成された
    請求項３に記載の熱交換器。
  6. 前記第２のフィンは、矩形状または半球状の突出部で形成された
    請求項３に記載の熱交換器。
  7. 隣接する前記フィンにおいて、前記第２のフィンの配置が、互いに、周方向に半ピッチずらして配置されている
    請求項４〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
  8. 前記第２のフィンは、先端部分が、通液管に沿うように同じ方向に曲げて配置して構成した
    請求項４に記載の熱交換器。
  9. 隣接する前記第２のフィンは互いに逆方向に曲げて配置されている
    請求項４に記載の熱交換器。
  10. 前記円筒形状は、通液孔が開口している
    請求項３に記載の熱交換器。
  11. 前記フィンは、前記筒状部材の外周側に設けられ、前記フィンの一方の面に対して垂直方向に突出して形成された突起を備えた
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
  12. 前記フィンは、前記筒状部材の外周側に設けられ、前記フィンの一方の面に対して垂直方向に突出して形成された突起を備え、
    前記突起は、前記開口部を囲うような環状で構成された
    請求項１０に記載の熱交換器。
  13. 前記フィンは、前記筒状部材の外周側に切り込み部及び切り起こし部を備えた
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器。
  14. 前記フィンの表面に、前記フィンの材質よりもイオン化傾向が高い材質の層が設けられた
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換器。
  15. 前記フィンの表面が、樹脂コーティング層により被覆された
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換器。
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