JP2020176757A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】部位によってフィンピッチが異なる熱交換器であって、安価に製造できる熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１は、伝熱管４と、伝熱管４と交叉する伝熱フィン列７であって、複数枚の伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃを配列して構成される伝熱フィン列７を備える。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは伝熱フィン列７において隣接する別の伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃに当接して、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃ相互の間隔を規制するバーリングを備える。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備えるバーリングの高さが、伝熱フィン列７における部位によって異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関する。

熱交換器は、熱媒体と大気との間で熱交換を行う装置である。つまり、熱交換器は、熱媒体が担持する熱を大気に放出させ、あるいは大気が担持する熱を熱媒体に吸収させる装置である。

熱交換器は、互いに離隔して配置された２本のヘッダ集合管と、ヘッダ集合管の間を連絡する複数本の伝熱管と、ヘッダ集合管の間に配置されて伝熱管と交叉する複数枚の伝熱フィンを備えている。ヘッダ集合管の一方には、外部の装置から熱媒体が流入する。一方のヘッダ集合管に流入した熱媒体は伝熱管を通って他方のヘッダ集合管に移動する。熱媒体が伝熱管を通る間に、熱媒体と大気との間で熱交換が行われる。熱交換を終えた熱媒体は他方のヘッダ集合管から外部の装置に還流する。また、一般的な熱交換器においては、伝熱フィンは等ピッチに配列されて伝熱フィン列を構成している。

さて、熱交換器が他の機器あるいは構造物から離隔した場所に単独に配置されているならば、伝熱フィン列を通過する冷却空気の流速は均一であると考えてよい。しかしながら、多くの場合、熱交換器の周囲には他の機器あるいは構造物が配置される。そのため、伝熱フィン列を通過する冷却空気の流速は、他の機器あるいは構造物による通風抵抗の影響を受けるので、不均一になる。つまり、伝熱フィン列の一部の領域を通過する冷却空気の流速が、他の領域に比べて低くなることがある。そして、冷却空気の流速が遅い領域においては、熱交換性能が低下する。また、冷却空気の流速が遅い領域では着霜が生じ、冷却空気の流路を塞ぐので、熱交換性能が更に低下することがある。

そこで、伝熱フィン列を通過する冷却空気の流速が速い領域においては伝熱フィン相互の間隔を狭め、冷却空気の流速が遅い領域においては伝熱フィン相互の間隔を拡げることが行われている（特許文献１，２）。つまり、伝熱フィン列を通過する冷却空気の流速の分布に応じて、伝熱フィンのフィンピッチを変更することが行われている。

特開昭６３−２３３２９６号公報 特開２００４−２４５５３１号公報

しかしながら、部位によってフィンピッチが異なる伝熱フィン列を製造する場合、所望のフィンピッチで伝熱フィンを配列するための専用の治具、あるいは専用の装置を、熱交換器の機種毎に準備する必要がある。そのために、熱交換器の製造コストが嵩むという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、部位によってフィンピッチが異なる熱交換器であって、安価に製造できる熱交換器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る熱交換器は、伝熱管と、伝熱管と交叉する伝熱フィン列であって、複数枚の伝熱フィンを配列して構成される伝熱フィン列を備える。伝熱フィンは伝熱フィン列において隣接する別の伝熱フィンに当接して、伝熱フィン相互の間隔を規制するスペーサを備える。そして、伝熱フィンが備えるスペーサの高さが、伝熱フィン列における部位によって異なる。

本発明によれば、スペーサの高さが異なる伝熱フィンを配列することによって、伝熱フィン相互の間隔が部位によって異なる伝熱フィン列を構成することができる。また、伝熱フィン相互の間隔はスペーサの高さによって規制されるので、伝熱フィン相互の間隔の調整が容易になる。また、伝熱フィンをスペーサの高さが異なる別の伝熱フィンに交換することによって伝熱フィン相互の間隔を変更できるので、熱交換器の設計変更が容易になる。その結果、伝熱フィン相互の間隔が部位によって異なる熱交換器を容易に、かつ低コストで製造できる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の構成を示す正面図 図１に記載の熱交換器が備える伝熱フィンの形状を示す側面図であって、（Ａ）は伝熱フィン列の中央部に配列される伝熱フィンの側面図、（Ｂ）は伝熱フィン列の両端部に配列される伝熱フィンの側面図、（Ｃ）は伝熱フィン列の中央部と両端部の中間の部位に配列される伝熱フィンの側面図 （Ａ）は第１の変形例に係る伝熱フィンの側面図、（Ｂ）は第１の変形例に係る伝熱フィンの正面図 第１の変形例に係る熱交換器の正面図 （Ａ）は第１の変形例に係る伝熱フィンの側面図、（Ｂ）は第１の変形例に係る伝熱フィンの正面図

以下、本発明の実施形態に係る熱交換器の構成と作用を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器１の構成を示す正面図である。図１に示すように、熱交換器１は、流入側ヘッダ集合管２と流出側ヘッダ集合管３を備えている。また、熱交換器１は、流入側ヘッダ集合管２と流出側ヘッダ集合管３の間を連絡する複数本の伝熱管４を備えている。複数本の伝熱管４は互い平行に配列されて、伝熱管列５を構成している。流入側ヘッダ集合管２は、図示しない外部装置に図示しない配管を介して接続され、その外部装置から熱媒体が流入する。流入側ヘッダ集合管２に流入した熱媒体は伝熱管４を通って流出側ヘッダ集合管３に流れる。伝熱管４を通って流出側ヘッダ集合管３に流入した熱媒体は、図示しない配管を通って外部装置に帰還する。そして、熱媒体が伝熱管４を通って流れる間に熱媒体と大気との間で熱交換がなされる。

また、熱交換器１は、それぞれ複数枚の伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃを備えている。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは互いに平行に配置されて、伝熱フィン列７を構成している。また、伝熱管列５は伝熱フィン列７と交叉し、伝熱管４は伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃを貫通している。熱交換器１に伝熱フィン列７を備えることによって、大気に接する表面積、つまり大気に対する伝熱面積が拡張されるので、熱交換が促進される。

図１に示すように、伝熱フィン６ａは、伝熱フィン列７の中央部の区画Ａに配列されている。伝熱フィン６ｂは、伝熱フィン列７の両端部の区画Ｂに配列されている。伝熱フィン６ｃは、伝熱フィン列７の区画Ａと区画Ｂに挟まれた区画Ｃに配列されている。本実施の形態においては、伝熱フィン列７の中央部つまり区画Ａにおいて、冷却空気の流速が最大になり、伝熱フィン列７の両端部つまり区画Ｂに近付くに従って、冷却空気の流速が低下することを想定にしている。そのため、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔は、区画Ａにおいて最も狭く、区画Ｂにおいて最も広くされている。区画Ｃにおける伝熱フィン６ｃの相互の間隔は、区画Ａにおける伝熱フィン６ａの相互の間隔と区画Ｂにおける伝熱フィン６ｂの相互の間隔の中間の大きさにしている。

このように、熱交換器１においては、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔を、部位に応じて変更している。伝熱フィン列７を通過する冷却空気の流速が均等でない場合に、冷却空気の流速分布に応じて、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔を変更することによって、熱交換器１の効率を改善するためである。

図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの側面図である。図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは、いずれも複数個の貫通穴８とバーリング９を備えている。貫通穴８は伝熱管４を挿通させる穴であって、プレス加工によって形成される。バーリング９はプレス加工によって形成されて、貫通穴８の周囲に***する円筒状の部位である。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは、基本的形状が共通するが、バーリング９の高さＨａ，Ｈｂ，Ｈｃがそれぞれ異なる。伝熱フィン６ａのバーリング９の高さＨａが最も小さく、伝熱フィン６ｂのバーリング９の高さＨｂが最も大きい。伝熱フィン６ｃのバーリング９の高さＨｃは、ＨａとＨｂの中間にある。

伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃを積層配列して、伝熱フィン列７を構成する場合に、バーリング９の先端は隣接する伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃに当接する。そのため、バーリング９は伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔を規定するスペーサとして機能する。そのため、図１に示したような、部位によって伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔が異なる伝熱フィン列７が得られる。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備えるバーリング９の高さＨａ，Ｈｂ，Ｈｃを所望の大きさにすることによって、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃ相互の間隔を所望の大きさにすることができる。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備えるバーリング９の高さＨａ，Ｈｂ，Ｈｃを揃えることによって、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃ相互の間隔を揃えることができる。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備えるバーリング９の高さＨａ，Ｈｂ，Ｈｃを変更することによって、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃ相互の間隔を変更することができる。

（第１の変形例）
図３（Ａ）は第１の変形例に係る伝熱フィン６’ａ（６’ｂ，６’ｃ）の側面図であり、図３（Ｂ）は伝熱フィン６’ａ（６’ｂ，６’ｃ）の正面図である。図４は、第１の変形例に係る熱交換器１の正面図である。

上記の実施の形態においては、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備える全ての貫通穴８の周囲にバーリング９が形成されている例を示したが、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは全ての貫通穴８の周囲にバーリング９が形成されているものには限定されない。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは一部の貫通穴８の周囲にバーリング９が形成されていないものであっても良い。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、伝熱フィン６’ａ（６’ｂ，６’ｃ）の中央部の領域Ｃに配置された６個の貫通穴８の周囲だけにバーリング９が形成され、両端部の領域Ｅに配置された合計１２個の貫通穴８の周囲にバーリング９を備えないようにしても良い。

上記の実施の形態においては、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備える全ての貫通穴８に伝熱管４が挿通される例を示したが、熱交換器１は伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備える全ての貫通穴８に伝熱管４が挿通されるものには限定されない。熱交換器１に要求される性能によっては、伝熱管４の本数を減じて熱交換器１を構成しても良い。

例えば、熱交換器１は、図４に示すように、伝熱フィン６’ａ，６’ｂ，６’ｃの上から数えて３，７番目の貫通穴８に伝熱管４が挿通されないものであっても良い。また、伝熱フィン６’ａ，６’ｂ，６’ｃの上から数えて１〜３，７〜９番目の貫通穴８に周囲にバーリング９を備えないものであっても良い。このように、バーリング９および伝熱管４を備えない部位においては流路抵抗が減少するので、当該部位を通過する冷却空気の流速の低下が抑制される。

（第２の変形例）
図５（Ａ）は第２の変形例に係る伝熱フィン６”ａ（６”ｂ，６”ｃ）の側面図であり、図５（Ｂ）は伝熱フィン６”ａ（６”ｂ，６”ｃ）の正面図である。

上記の実施の形態においては、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備える全ての貫通穴８の周囲にバーリング９を備えて、バーリング９を、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔を規定するスペーサとして機能させる例を示した。しかしながら、熱交換器１は伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃがバーリング９を備えて、バーリング９をスペーサとして機能させるものには限定されない。バーリング９に代えて専用のスペーサを備えるものであっても良い。例えば、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、伝熱フィン６”ａ（６”ｂ，６”ｃ）の貫通穴８から離れた位置に、プレス加工によって、専用のスペーサ１０として機能する部位を形成しても良い。

以上、説明したように、熱交換器１が備える伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは、バーリング９あるいはスペーサ１０を備えている。伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備えるバーリング９あるいはスペーサ１０の高さは、それぞれ異なっている。そして、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの相互の間隔、つまりフィンピッチは、バーリング９あるいはスペーサ１０の高さによって規制される。そのため、熱交換器１の伝熱フィン列７の特定の部位に、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃのいずれかを選択して配列することによって、当該特定の部位におけるフィンピッチの大小を選択することができる。また、伝熱フィン列７内の特定の部位において、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃのいずれか１種を配列することによって、当該特定の部位におけるフィンピッチを揃えることができる。

このように、熱交換器１は、伝熱フィン列７の特定の部位に、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃのいずれかを選択して配列するだけで、当該特定の部位におけるフィンピッチの大小を選択するとともに、当該特定の部位におけるフィンピッチを揃えることができる。したがって、熱交換器１の製造においては、伝熱フィン列７内の部位によってフィンピッチを変更し、あるいは伝熱フィン列７内の特定部位におけるフィンピッチを揃えるための、治具あるいは装置を必要としない。また、熱交換器１の機種毎に、専用の治具あるいは装置を準備する必要がない。そのため、熱交換器１は容易に、かつ低コストで製造できる。

また、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃは、バーリング９あるいはスペーサ１０の高さだけが異なり、他の部分の形状と寸法が共通している。そのため、所望の枚数の伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃを組み合わせて積層することによって、所望の形態を備える伝熱フィン列７を構成することができる。そのため、熱交換器１の設計変更あるいは機種展開を容易に行うことができる。

なお、本発明の技術的範囲は、上記の実施の形態と変形例によっては限定されない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の限りにおいて、自由に応用、変形、あるいは改良して実施することができる。また、上記の各実施の形態及び各変形例に開示されていない構成要素を追加して、本発明を実施することも自由である。

特に、熱交換器１が備える伝熱管４の本数と伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの枚数は、上記の実施の形態と変形例に例示されたものには限定されない。熱交換器１が備える伝熱管４の本数と伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃの枚数は、任意に選択できる。また、伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃが備えるバーリング９あるいはスペーサ１０の高さは、上記の実施の形態と変形例に例示されたものには限定されない。バーリング９あるいはスペーサ１０の高さは任意に選択できる。

伝熱フィン６ａ，６ｂ，６ｃを貫通する貫通穴８の個数と配置は、上記の実施の形態と変形例に例示されたものには限定されない。貫通穴８の個数と配置は、任意に選択できる。また、上記の変形例においては、伝熱フィン６’ａ，６’ｂ，６’ｃの中央部に配置された貫通穴８の周囲にバーリング９を備え、両端部に配置された貫通穴８の周囲にバーリング９を備えない例を示したが、バーリング９を備えない貫通穴の配置は、これには限定されない。バーリング９を備えない貫通穴の配置は、任意に選択できる。伝熱フィン６’ａ，６’ｂ，６’ｃの全ての領域において、バーリング９を備える貫通穴８とバーリング９を備えない貫通穴８が混在していても良い。

熱交換器１は、全ての伝熱管４の口径が等しいものには限定されない。伝熱管列５内の部位によって、伝熱管４の口径が異なっていても良い。伝熱フィンは、全ての貫通穴８の内径が等しいものには限定されない。伝熱フィンは、その部位によって、貫通穴８の内径が異なるものであっても良い。例えば、図３に示した伝熱フィン６’ａ，６’ｂ，６’ｃにおいて、両端部に配置されるバーリング９を備えない貫通穴８の内径を小さくしても良い。また、両端部に配置されるバーリング９を備えない貫通穴８の個数を増やしても良い。

上記の実施の形態においては、バーリング９あるいはスペーサ１０の高さが異なる３種の伝熱フィンを備える熱交換器１を例示したが、熱交換器１は、３種の伝熱フィンを備えるものには、限定されない。熱交換器１は、バーリング９あるいはスペーサ１０の高さが異なる２種の伝熱フィンを備えるものであっても良い。熱交換器１は、バーリング９あるいはスペーサ１０の高さが異なる４種以上の伝熱フィンを備えるものであっても良い。

熱交換器１におけるフィンピッチの広狭の分布は、上記の実施の形態において例示されたものには限定されない。つまり、熱交換器１は伝熱フィン列７の中央においてフィンピッチを小さく、伝熱フィン列７の両端においてフィンピッチを大きくしたものには限定されない。熱交換器１におけるフィンピッチの広狭の分布は、計算あるいは実験によって求められた冷却空気の流速分布に基づいて、最高の熱交換性能が得られるように、任意に選択される。要するに、本発明は、伝熱フィン列７内の部位によってフィンピッチが異なる熱交換器１に広く適用することができる。

上記の実施の形態においては、図１に示したように、熱交換器１の左右端に、つまり、伝熱フィン列７の左側と右側に、流入側ヘッダ集合管２と流出側ヘッダ集合管３を、それぞれ、配置した例を示した。しかしながら、熱交換器１は、流入側ヘッダ集合管２と流出側ヘッダ集合管３を、伝熱フィン列７の左側と右側に離隔して配置されるものには限定されない。熱交換器１は、流入側ヘッダ集合管２と流出側ヘッダ集合管３が、伝熱フィン列７の左右いずれかの側に集約して配置されるものであっても良い。例えば、熱交換器１に、一方端においてＵ字形に曲げられた伝熱管４を備えれば、流入側ヘッダ集合管２と流出側ヘッダ集合管３を、伝熱フィン列７の左右いずれかの側に集約して配置することができる。この場合、流入側ヘッダ集合管２から伝熱管４に流入した熱媒体は、伝熱管４のＵ字形に曲げられた端部で流れの向きを変えて、流入側ヘッダ集合管２の近くに配置された流出側ヘッダ集合管３に還流する。

熱交換器１の用途は限定されない。例えば、熱交換器１は冷凍機を構成するものであっても良いし、空気調和装置を構成するものであっても良い。熱交換器１を備える空気調和装置は、建築物に固定されるものであっても良いし、車載あるいは舶載されるものであっても良い。

一般に冷凍機あるいは冷凍機においては、アンモニア、フロン、二酸化炭素等が熱媒体として使用されるが、熱交換器１において使用される熱媒体は特に限定されない。つまり、本発明は、各種の熱媒体を使用する熱交換器に広く適用することができる。

１ 熱交換器、２ 流入側ヘッダ集合管、３ 流出側ヘッダ集合管、４ 伝熱管、５ 伝熱管列、６ａ，６ｂ，６ｃ，６’ａ，６’ｂ，６’ｃ，６”ａ，６”ｂ，６”ｃ 伝熱フィン、７ 伝熱フィン列、８ 貫通穴、９ バーリング、１０ スペーサ、Ｃ，Ｅ 領域

Claims (6)

1. 伝熱管と、
   前記伝熱管と交叉する伝熱フィン列であって、複数枚の伝熱フィンを配列して構成される伝熱フィン列を備えるとともに、
   前記伝熱フィンは前記伝熱フィン列において隣接する別の前記伝熱フィンに当接して、前記伝熱フィン相互の間隔を規制するスペーサを備え、
   前記伝熱フィンが備える前記スペーサの高さが、前記伝熱フィン列における部位によって異なる、
   熱交換器。
2. 前記スペーサは、前記伝熱フィンの前記伝熱管が挿入される貫通穴の周縁に形成されたバーリングである、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記伝熱フィンは、全ての前記貫通穴の周縁に前記バーリングを備える、
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱フィンは、一部の前記貫通穴の周縁に前記バーリングを備える、
   請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱フィンは、全ての領域において、周縁に前記バーリングを備える前記貫通穴と周縁に前記バーリングを備えない前記貫通穴とが混在している、
   請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱フィンは、全ての前記貫通穴の周縁に前記バーリングを備える領域と、全ての前記貫通穴の周縁に前記バーリングを備えない領域とを備える、
   請求項４に記載の熱交換器。

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