JP2015090237A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数本の前記サーペンタインチューブのそれぞれの前記平坦部同士が隣接するところで、コルゲートフィンを通して熱伝導で異なる温度の冷媒同士が熱交換して、熱交換性能が低下するのを防ぎ、本来の熱交換器性能を発揮させる。
【解決手段】複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部１２同士がコルゲートフィン３を介して隣接するところは、複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの入口分流器４に繋がる平坦部１２同士、すなわち上流端最寄の平坦部１２同士がコルゲートフィン３を介して隣接するか、または複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの出口合流器５に繋がる平坦部１２同士、すなわち下流端最寄の平坦部１２同士がコルゲートフィン３を介して隣接するように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機や冷凍機等に用いられ、空気などの気体と水や冷媒などの流体との間の熱交換を行なうコルゲートフィンとサーペンタインチューブとを組み合わせて構成されるフィンアンドチューブタイプの熱交換器に関するものである。

従来、空気などの気体と水や冷媒などの流体との間の熱交換を行なうコルゲートフィンとサーペンタインチューブとを組み合わせて構成されるフィンアンドチューブタイプの熱交換器がある（例えば、特許文献１参照）。図３は特許文献１に記載された熱交換器を示している。図３において、熱交換器１は、冷媒の流通路となる偏平チューブ２と、空気との間で吸放熱するコルゲートフィン３とを組み合わせて構成されており、偏平チューブ２は、それぞれ蛇行状に屈曲形成された３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃからなる。コルゲートフィン３は、帯状の板材を波形に屈曲成形したものである。

３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれ伝熱に寄与しない屈曲部１１と、コルゲートフィン３が密着接合され伝熱に寄与する平坦部１２を有する。

３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃの冷媒上流端（図３の右側）は、入口接続管４ｄから冷媒を流入させたのち、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃへ冷媒を分配する入口分流器４に接続されている。一方、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃの冷媒下流端（図３の左側）は、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃから冷媒を合流させたのち、出口接続管５ｄへ冷媒を流出する出口合流器５が接続されている。

サーペンタインチューブ２ａの冷媒上流端最寄の平坦部１２ａｉとサーペンタインチューブ２ｂの冷媒下流端最寄の平坦部１２ｂｏ、およびサーペンタインチューブ２ｂの冷媒上流端最寄の平坦部１２ｂｉとサーペンタインチューブ２ｃの冷媒下流端最寄の平坦部１２ｃｏは、コルゲートフィン３を介して隣接している。

特開平２−１３７８８号公報

しかしながら、前記従来の構成の熱交換器を、例えば、凝縮器として使用したときには、平坦部１２ａｉと平坦部１２ｂｉの管内には過熱ガス冷媒が流れる。一方、平坦部１２ｂｏと平坦部１２ｃｏの管内には過冷却液冷媒が流れる。このため、コルゲートフィン３を介して隣接するサーペンタインチューブ２ａの平坦部１２ａｉとサーペンタインチューブ２ｂの平坦部１２ｂｏのそれぞれの管内を流れる冷媒の温度が大きく異なる。また同様に、コルゲートフィン３を介して隣接するサーペンタインチューブ２ｂの平坦部１２ｂｉとサーペンタインチューブ２ｃの平坦部１２ｃｏのそれぞれの管内を流れる冷媒の温度が大きく異なる。そして、これらの部位では、異なる温度の冷媒同士がコルゲートフィン３を介して熱伝導により熱交換することとなり、本来熱交換器が空気に放熱できる熱交換量を低下させていた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、複数本のサーペンタインチュー
ブのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部同士がコルゲートフィンを介して隣接するところは、複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの入口分流器に繋がる平坦部同士、すなわち上流端最寄の平坦部同士がコルゲートフィンを介して隣接するか、または複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの出口合流器に繋がる平坦部同士、すなわち下流端最寄の平坦部同士がコルゲートフィンを介して隣接するように、配置することにより、複数本のサーペンタインチューブの、温度が異なる冷媒が流れる平坦部同士が隣接することがないので、異なる温度の冷媒同士がコルゲートフィンを通した熱伝導により熱交換性能を低下させるということがなくなり、本来の熱交換性能を発揮することができる熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の熱交換器は、複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部同士がコルゲートフィンを介して隣接するところは、複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの入口分流器に繋がる平坦部同士、すなわち上流端最寄の平坦部同士がコルゲートフィンを介して隣接するか、または複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの出口合流器に繋がる平坦部同士、すなわち下流端最寄の平坦部同士がコルゲートフィンを介して隣接するように配置するものである。

上記の構成によって、複数本のサーペンタインチューブの、温度が異なる冷媒が流れる平坦部同士が隣接することがないので、異なる温度の冷媒同士がコルゲートフィンを通した熱伝導により熱交換性能を低下させるということがなくなり、熱交換の性能を低下させることがない。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図 従来の熱交換器の斜視図

第１の発明は、内部を水、冷媒などの流体が通過する偏平チューブを蛇行状に屈曲させ、Ｕ字状の屈曲部と平坦部とを有する複数本のサーペンタインチューブと、間隙を空気などの気体が流通する、波形に屈曲成形され、隣接する前記サーペンタインチューブの平坦部の間に挿入され密着接合されるコルゲートフィンと、複数本の前記サーペンタインチューブに前記流体を分流させる入口分流器と、複数本の前記サーペンタインチューブを通過した前記流体を合流させる出口合流器とを備え、前記サーペンタインチューブは、前記入口分流器に接続される前記平坦部が、他のサーペンタインチューブの前記入口分流器に接続される前記平坦部と前記コルゲートフィンを介して隣接するか、または、前記出口合流器に接続される前記平坦部が、他のサーペンタインチューブの前記出口合流器に接続される前記平坦部と前記コルゲートフィンを介して隣接するかのいずれか一方となるように配置されたものである。

これによれば、温度が異なる冷媒が流れる平坦部同士が隣接することがないので、異なる温度の冷媒同士がコルゲートフィンを通した熱伝導により熱交換性能を低下させるということがない。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記サーペンタインチューブは前記屈曲部を偶数個備え、前記平坦部を略鉛直方向に配置し、熱交換器の上下の外側に、前記入口分流器と前記出口合流器とを、それぞれ上下片方ずつ、または、上下いずれか一方にまとめて配置したものである。これによれば、空気調和機などに熱交換器を搭載するときの収納性
が向上する。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記サーペンタインチューブは前記屈曲部を偶数個備え、前記平坦部を略鉛直方向に配置し、熱交換器の左右の外側に、前記入口分流器と前記出口合流器とを、それぞれ左右片方ずつ、または、左右いずれか一方にまとめて配置したものである。これによれば、空気調和機などに熱交換器を搭載するときの収納性が向上する。

第４の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明において、前記入口分流器と前記出口合流器を、熱交換器の通風部と隔離された空間に配置したものである。これによれば、入口分流器や、出口合流器を流れる流体が、熱交換器を通過する気体と熱交換することがないので、効率よく熱交換できる。

以下に、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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図である。図１において、熱交換器１は、冷媒の流通路となる偏平チューブ２と、空気との間で吸放熱するコルゲートフィン３とを組み合わせて構成されており、偏平チューブ２は、それぞれ蛇行状に屈曲形成された３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃからなる。コルゲートフィン３は、帯状の板材を波形に屈曲成形したものである。

３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれ伝熱に寄与しないＵ字上の屈曲部１１と、コルゲートフィン３が密着接合され伝熱に寄与する平坦部１２を有する。そして、平坦部１２は、長手方向が鉛直方向となるように配置されている。

３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃの冷媒上流端（図１の下側）は、入口接続管４ｄから冷媒を流入させたのち、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃへ冷媒を分配する入口分流器４に接続されている。一方、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃの冷媒下流端（図１の上側）は、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃから冷媒を合流させたのち、出口接続管５ｄへ冷媒を流出する出口合流器５が接続されている。

サーペンタインチューブ２ａは、図１の下側に配置された入口分流器４に接続された冷媒上流端から順に、５つの鉛直方向に伸びる伝熱に寄与する平坦部１２と、２つの上側に凸となるＵ字状の屈曲部１１と、２つと下側に凸となるＵ字状の屈曲部１１（すなわち、合計４つの屈曲部１１）が交互に並べられ、そのあと水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部を有する冷媒下流端を経て図１の上側に配置された出口合流器５へ接続されている。平坦部１２ａｉはサーペンタインチューブ２ａの、入口分流器４に接続された冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部である。

また、サーペンタインチューブ２ｂは、図１の下側に配置された入口分流器４に接続された冷媒上流端から順に、５つの鉛直方向に伸びる伝熱に寄与する平坦部１２と上側２つと下側２つの合計４つの屈曲部１１が交互に並べられ、そのあと冷媒下流端を経て、図１の上側に配置された出口合流器５へ接続されている。平坦部１２ｂｏは、サーペンタインチューブ２ｂの、出口合流器５へ接続された冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部である。

サーペンタインチューブ２ｃは、図１の下側に配置された入口分流器４に接続された冷媒上流端から順に、水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部を経て、５つの鉛直方向に
伸びる伝熱に寄与する平坦部１２と上側２つと下側２つの合計４つの屈曲部１１が交互に並べられ、そのあと冷媒下流端を経て、図１の上側に配置された出口合流器５へ接続されている。平坦部１２ｃｏは、サーペンタインチューブ２ｃの、出口合流器５へ接続された冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部である。

サーペンタインチューブ２ｂの、入口分流器４に接続された冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ｂｉは、コルゲートフィン３を介して、サーペンタインチューブ２ａの、入口分流器４に接続された冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ａｉと隣接している。

また、サーペンタインチューブ２ｂの、出口合流器５へ接続された冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ｂｏは、コルゲートフィン３を介して、サーペンタインチューブ２ｃの、出口合流器５へ接続された冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ｃｏと隣接している。

つまり、熱交換器１は、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのすべてが、以下のいずれか一方を満足するように配置されている。１）入口分流器４に接続される平坦部１２が、他のサーペンタインチューブの入口分流器４に接続される平坦部１２とコルゲートフィン３を介して隣接する。２）出口合流器５に接続される平坦部１２が、他のサーペンタインチューブの出口合流器５に接続される平坦部１２とコルゲートフィン３を介して隣接する。

また、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃの主要部である屈曲部１１や伝熱に寄与する平坦部１２は、熱交換器１と熱交換する空気などの気体が流れる通風部（図示せず）内に設けられる。一方、入口分流器４、出口合流器５、伝熱に寄与しない平坦部は、通風部と隔壁などによって隔離された空間に設けられている。これによれば、入口分流器４や、出口合流器５を流れる流体が、熱交換器を通過する気体と熱交換することがないので、効率よく熱交換できる。

以上のように構成された熱交換器において、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部１２の数は奇数の５つである。換言すると、Ｕ字状の屈曲部１１は偶数の４つである。このため、サーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの上流端はすべて図１における熱交換器の下側に配置することができるので、サーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの上流端は交差することなく、図１における熱交換器の下側に配置された入口分流器４に接続することができる。また、サーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの下流端はすべて図１における熱交換器の上側に配置することができるので、サーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの下流端は交差することなく、図１における熱交換器の上側に配置された出口合流器５に接続することができる。

なお、本実施の形態において、サーペンタインチューブの本数が３本の場合について説明したが、２本でも、伝熱に寄与する平坦部の数を奇数になるよう構成（換言すると、Ｕ字状の屈曲部１１の数が偶数になるように構成）することにより、同様効果を得ることができる。また、サーペンタインチューブの本数が４本以上の場合も、伝熱に寄与する平坦部の数を奇数になるよう構成（換言すると、Ｕ字状の屈曲部１１の数が偶数になるように構成）することにより、同様効果を得ることができる。さらに、熱負荷のバランスは崩れるが、熱交換器全体の収納スペースの都合で、複数のサーペンタインチューブのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部の数が異なっても、いずれもが奇数となるように構成（換言すると、いずれもがＵ字状の屈曲部１１の数が偶数になるように構成）であれば、同様効果を得ることができる。

また、本実施の形態において、図１に示すように、サーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの上流端は、円筒状の入口分流器４の長手方向に並べて接続されているが、サーペンタインチューブの本数が３本以下の場合は、それぞれの上流端は、円筒状の入口分流器４の円周方向に並べて接続してもよい。同様に、本実施の形態では、サーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの下流端は、円筒状の出口合流器５の長手方向に並べて接続されているが、それぞれの下流端は、円筒状の出口合流器５の円周方向に並べて接続してもよい。

ただし、サーペンタインチューブの本数が４本以上の場合は、サーペンタインチューブのそれぞれの上流端は、円筒状の入口分流器４の長手方向に、サーペンタインチューブの伝熱に寄与する平坦部の間隔より狭い間隔で並べて接続するのが、入口分流器４の材料使用量が少なくなり、収納スペースも小さくなるので、好ましい。同様に、サーペンタインチューブのそれぞれの下流端は、円筒状の出口合流器５の長手方向に、サーペンタインチューブの伝熱に寄与する平坦部の間隔より狭い間隔で並べて接続するのが、出口合流器５の材料使用量が少なくなり、収納スペースも小さくなるので、好ましい。

さらに、以上のように構成された熱交換器において、サーペンタインチューブ２ｂの、入口分流器４に接続された冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ｂｉは、コルゲートフィン３を介して、サーペンタインチューブ２ａの、入口分流器４に接続された冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ａｉと隣接している。平坦部１２ｂｉの管内を流れる流体と、平坦部１２ａｉの管内を流れる流体の温度は、ほぼ等しいので、平坦部１２ｂｉの管内を流れる流体と、平坦部１２ａｉの管内を流れる流体がコルゲートフィン３を通して熱伝導することはほとんどない。

また、サーペンタインチューブ２ｂの、出口合流器５へ接続された冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ｂｏは、コルゲートフィン３を介して、サーペンタインチューブ２ｃの、出口合流器５へ接続された冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部１２ｃｏと隣接している。平坦部１２ｂｏの管内を流れる流体と、平坦部１２ｃｏの管内を流れる流体の温度は、ほぼ等しいので、平坦部１２ｂｏの管内を流れる流体と、平坦部１２ｃｏの管内を流れる流体がコルゲートフィン３を通して熱伝導することもほとんどない。このため、異なる温度の流体同士がコルゲートフィン３を通した熱伝導を起こして熱交換性能を低下させるということがなくなり、本来の熱交換性能を発揮することができ、熱交換器性能を低下させることがない。

つまり、複数本のサーペンタインチューブのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部１２同士が隣接するところは、複数本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの入口分流器４に繋がる伝熱に寄与する平坦部１２同士が隣接するか、または複数本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの出口合流器５に繋がる伝熱に寄与する平坦部１２同士が隣接するように配置したことにより、隣接している箇所同士の管内を流れる温度差がほぼ同等となるため、熱交換器性能の低下を防止することができる。

また、本実施の形態において、３本のサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの伝熱に寄与する平坦部１２を鉛直方向に配置しているので、熱交換器を蒸発器として用いたときには、偏平チューブ２やコルゲートフィン３の表面に凝縮する水は鉛直方向に伸びる伝熱に寄与する平坦部１２の風上側前縁あるいは、風下側後縁に沿って円滑に流れ落ちることができる。また図示しないが、コルゲートフィン３の表面にルーバーなどの切り起こしを設けると、コルゲートフィン３の鉛直方向上側の表面に凝縮する水はルーバーなどの切り起こしを潜り抜けて円滑に流れ落ちることができる。ただし、熱交換器を凝縮器として用いる場合など、偏平チューブ２やコルゲートフィン３の表面に凝縮水が付着
しない場合、本実施の形態の熱交換器を９０°回転させて、サーペンタインチューブの伝熱に寄与する平坦部の長手方向が水平方向になるように配置としてもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図である。図２において、図１の本発明の実施の形態１と同じ構成については、説明を省略する。図２において、入口分流器４と出口合流器５は、図１の本発明の実施の形態１と異なり、風上側から見て、ともに左側に配置され、それぞれのサーペンタインチューブ２ａ、２ｂ、２ｃから延伸された、伝熱に寄与しない平坦部を経て、上流端が入口分流器４に、下流端が出口合流器５に接続されている。

サーペンタインチューブ２ａは、図２の左側に配置された入口分流器４に接続された冷媒上流端から順に、鉛直方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と、水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と、５つの鉛直方向に伸びる伝熱に寄与する平坦部１２と、２つの上側に凸となるＵ字状の屈曲部１１と、上側２つと下側２つの合計４つの屈曲部１１が交互に並べられ、そのあと水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と鉛直方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部を有する冷媒下流端を経て図２の左側に配置された出口合流器５へ接続されている。

また、サーペンタインチューブ２ｂは、図２の左側に配置された入口分流器４に接続された冷媒上流端から順に、鉛直方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と、水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と、５つの鉛直方向に伸びる伝熱に寄与する平坦部１２と上側２つと下側２つの合計４つの屈曲部１１が交互に並べられ、そのあと水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と鉛直方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部を有する冷媒下流端を経て、図２の左側に配置された出口合流器５へ接続されている。

サーペンタインチューブ２ｃは、図２の左側に配置された入口分流器４に接続された冷媒上流端から順に、鉛直方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と、水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部を経て、５つの鉛直方向に伸びる伝熱に寄与する平坦部１２と上側２つと下側２つの合計４つの屈曲部１１が交互に並べられ、そのあと水平方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部と鉛直方向に伸びる伝熱に寄与しない平坦部を有する冷媒下流端を経て、図２の左側に配置された出口合流器５へ接続されている。

以上のように構成された熱交換器において、入口分流器４と出口合流器５は、熱交換器の同じ左側に配置されているので、空気調和機などに熱交換器を搭載するときの収納性が良く、また、入口分流器４と出口合流器５を、通風部と隔離された空間へ容易に収納することができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、異なる温度の冷媒同士がコルゲートフィンを通した熱伝導により熱交換性能を低下させるということがなくなり、本来の熱交換性能を発揮することができるため、空気調和機や冷凍機等の用途に適用できる。

１ 熱交換器
２ 偏平チューブ
２ａ、２ｂ、２ｃ サーペンタインチューブ
３ コルゲートフィン
４ 入口分流器
４ｄ 入口接続管
５ 出口合流器
５ｄ 出口接続管
１１ 屈曲部
１２ 伝熱に寄与する平坦部
１２ａｉ サーペンタインチューブ２ａの冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部
１２ｂｉ サーペンタインチューブ２ｂの冷媒上流端最寄の伝熱に寄与する平坦部
１２ｂｏ サーペンタインチューブ２ｂの冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部
１２ｃｏ サーペンタインチューブ２ｃの冷媒下流端最寄の伝熱に寄与する平坦部

Claims (4)

1. 内部を水、冷媒などの流体が通過する偏平チューブを蛇行状に屈曲させ、Ｕ字状の屈曲部と平坦部とを有する複数本のサーペンタインチューブと、間隙を空気などの気体が流通する、波形に屈曲成形され、隣接する前記サーペンタインチューブの平坦部の間に挿入され密着接合されるコルゲートフィンと、複数本の前記サーペンタインチューブに前記流体を分流させる入口分流器と、複数本の前記サーペンタインチューブを通過した前記流体を合流させる出口合流器とを備え、
   前記サーペンタインチューブは、前記入口分流器に接続される前記平坦部が、他のサーペンタインチューブの前記入口分流器に接続される前記平坦部と前記コルゲートフィンを介して隣接するか、または、前記出口合流器に接続される前記平坦部が、他のサーペンタインチューブの前記出口合流器に接続される前記平坦部と前記コルゲートフィンを介して隣接するかのいずれか一方となるように配置されたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記サーペンタインチューブは前記屈曲部を偶数個備え、前記平坦部を略鉛直方向に配置し、熱交換器の上下の外側に、前記入口分流器と前記出口合流器とを、それぞれ上下片方ずつ、または、上下いずれか一方にまとめて配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記サーペンタインチューブは前記屈曲部を偶数個備え、前記平坦部を略鉛直方向に配置し、熱交換器の左右の外側に、前記入口分流器と前記出口合流器とを、それぞれ左右片方ずつ、または、左右いずれか一方にまとめて配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記入口分流器と前記出口合流器を、熱交換器の通風部と隔離された空間に配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。