WO2014091536A1 - 扁平管熱交換器 - Google Patents

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宏樹 岡澤
雄大 森川
生田　裕也
崇志 中島
洋樹 豊嶋
加藤　貴士
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三菱電機株式会社
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    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/12—Fins with U-shaped slots for laterally inserting conduits

Definitions

  • the present invention relates to a fin tube type heat exchanger used as a heat exchanger for an air conditioner, a refrigerator, a water heater, or the like, and more particularly, a flat tube heat exchanger for arranging flat heat transfer tubes in a staggered manner. This relates to the arrangement structure of
  • a circular tube having a circular cross-sectional shape and a flat tube having a cross-sectional shape obtained by rounding a rectangle having a large aspect ratio are generally known.
  • a heat exchanger using a circular tube is referred to as a “circular tube heat exchanger”
  • a heat exchanger using a flat tube is referred to as a “flat tube heat exchanger”.
  • the heat transfer tubes are arranged in a staggered manner with respect to the fins (hereinafter referred to as “staggered arrangement”).
  • staggered arrangement In the case of a circular tube heat exchanger, the circular tubes can be easily arranged in a staggered arrangement because the circular tubes are manufactured in one row.
  • the flat tubes are generally inserted into the fins, but a method of inserting one row at a time is easy to manufacture. Therefore, in the case of a flat tube heat exchanger, for example, as shown in Patent Document 1, a structure in which a plurality of heat exchangers in which flat tubes are arranged one by one is arranged in a staggered arrangement is adopted. Yes.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems. Even when a plurality of rows of flat tube heat exchangers having the same shape are arranged, a staggered arrangement can be obtained, and fin ends can be arranged.
  • An object of the present invention is to obtain a flat tube heat exchanger in which the positions of the parts do not become uneven.
  • the flat tube heat exchanger according to the present invention is a shape in which a rectangular shape with a large aspect ratio is cut off, and a flat tube in which a heat exchange medium flows inside, and the flat tube is inserted, and is perpendicular to the flat tube.
  • a flat tube heat exchanger in which a plurality of plate-like fins joined in a direction and a single row flat tube heat exchanger having a plurality of rows connected to each other, wherein the flat tubes have a constant pitch in the step direction of the fins.
  • the pitch of the flat tube in the step direction is Dp
  • the coefficient of Dp is k, and 0 ⁇ k ⁇ 0.5 or 0.5 ⁇ k ⁇ 1
  • one side of the fin in the step direction The distance between the fin end and the flat tube is k ⁇ Dp
  • the distance between the fin end on the other side in the step direction of the fin and the flat tube is (1 ⁇ k) ⁇ Dp.
  • a row of flat tube heat exchangers and the second row of single row flat tube heat exchangers are arranged opposite in the step direction.
  • the pitch in the step direction of the flat tube is Dp and the coefficient of Dp is k, 0 ⁇ k ⁇ 0.5 or 0.5 ⁇ k ⁇ 1
  • the distance between the fin end on one side in the step direction of the fin and the flat tube is k ⁇ Dp
  • the distance between the fin end on the other side in the step direction of the fin and the flat tube is (1 ⁇ k) ⁇ Dp
  • the flat tube heat exchange can be arranged in a staggered manner and the positions of the fin ends are not uneven. Can be obtained.
  • FIG. 1 drawings including FIG. 1 are schematically shown, and the relationship between the sizes of the constituent members may be different from the actual one.
  • a single-row (single-row) flat tube heat exchanger 10 constituting the flat tube heat exchanger of this embodiment includes a flat tube 1 that is a heat transfer tube and a plate-like fin 2.
  • the flat tube 1 has a shape obtained by rounding a rectangle having a large aspect ratio in cross section, and at least one (in the illustrated example, 10) flow paths 3 through which a heat exchange medium flows are formed.
  • a fluid such as water, a refrigerant, or brine is used as the heat exchange medium.
  • the flat tube 1 is made of a hollow metal tube having good thermal conductivity such as aluminum or copper.
  • the flat tubes 1 are arranged in a row in the step direction of the plate-like fins 2 (the vertical direction in FIG. 1, that is, the longitudinal direction of the fins 2).
  • Dp represents the pitch between the plurality of flat tubes 1
  • k represents a coefficient.
  • the plate-like fins 2 are laminated at a constant pitch (fin pitch) perpendicular to the tube axis direction of the flat tube 1.
  • the fin 2 is made of a metal plate having good thermal conductivity such as aluminum or copper.
  • the fin 2 is formed in the rectangular shape which consists of the long sides 2a and 2b and the short sides 2c and 2d.
  • a plurality of slits 4 having openings at the edges of one long side 2b of the fin 2 are formed at equal intervals.
  • the flat tubes 1 are inserted into the slits 4 of the fins 2, and the fins 2 are stacked on the flat tubes 1 at a constant fin pitch, and then brazed at the slit 4 portions to be integrally joined with the fins 2.
  • a U-shaped vent pipe 5, which is a confluence pipe in which a single flow path is formed, is connected to the end of the flat pipe 1 to connect a plurality of flat pipes.
  • it replaces with the vent pipe 5 and a header as shown to patent document 1 may be joined.
  • one row (single row) of flat tube heat exchangers 10 is formed so that the refrigerant passes from the flat tube 1 on the inlet side to the flat tube 1 on the outlet side.
  • the heat exchange medium flows through the flow path 3 of the flat tube 1, and a gap between the fins 2 is formed in a direction perpendicular to the tube axis direction of the flat tube 1.
  • Heat exchange is performed by passing a heat exchange medium (for example, a fluid such as air or water).
  • the pitch (step pitch) in the step direction of the flat tube 1 is Dp
  • the coefficient of Dp is k, 0 ⁇ k ⁇ 0.5, or 0.00. 5 ⁇ k ⁇ 1
  • the fin end on one side in the step direction of the fin 2 (fin upper end in FIG. 1) 2c and the flat tube 1 is k ⁇ Dp
  • the fin end on the other side in the step direction of the fin 2 The distance between the lower end of the fin (in FIG. 1) 2d and the flat tube 1 is (1-k) ⁇ Dp. Therefore, this flat tube heat exchange 10 is formed so that the flat tubes 1 are vertically asymmetric with respect to the arrangement in the step direction.
  • FIG. 3 is a front view of a flat tube heat exchanger (comparative example) in which the flat tube heat exchanger 10 is connected in a plurality of rows in the same direction.
  • the flat tube heat exchangers 10 having the same shape are arranged in two rows in the same direction, the upper and lower ends of the fins 2 are aligned, but the flat tubes 1 are arranged in a grid pattern, compared with the staggered arrangement. Heat transfer performance is reduced.
  • FIG. 4 is a front view of the flat tube heat exchanger according to the embodiment of the present invention.
  • one flat tube heat exchanger 10 of the two rows of flat tube heat exchangers 10 and 10 to be coupled is arranged upside down so that heat transfer performance is achieved.
  • a good staggered arrangement For example, the fin lower end 2d of the windward flat tube heat exchanger 10 is arranged on the upper side and the fin upper end 2c is arranged on the lower side. That is, the first row and the second row of the flat tube heat exchanger 10 in which the distance between the fin upper end 2c and the flat tube 1 and the distance between the fin lower end 2d and the flat tube 1 are different in the step direction of the flat tube 1. It is arranged oppositely.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the external heat transfer coefficient and the coefficient k according to the embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents k and the vertical axis represents the external heat transfer coefficient.
  • FIG. 6 is a front view of a flat tube heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • two flat tube heat exchangers 10 in one row are combined with the side where the slit 4 of the fin 2 is open and the side where the slit 4 is not open facing each other.
  • two rows of flat tube heat exchangers 10 in a single row are coupled with the sides of the fins 2 where the slits 4 are not opened facing each other.
  • FIG. 6 the same result as in FIG. 5 can be obtained. That is, even if the first row of flat tube heat exchangers 10 are arranged in the left-right direction, the flat tubes 1 can be arranged in a staggered arrangement to improve heat transfer performance.
  • the third and subsequent rows are in units of two rows as shown in FIG.
  • the flat tubes 1 can be arranged in a staggered arrangement.
  • the step pitch is Dp and the coefficient of Dp is k, 0 ⁇ k ⁇ 0.5 Or 0.5 ⁇ k ⁇ 1
  • the distance between the fin upper end 2c and the flat tube 1 is k ⁇ Dp
  • the distance between the fin lower end 2d and the flat tube 1 is (1 ⁇ k) ⁇ Dp
  • the flat tube 1 By arranging the first row and the second row opposite to each other in the step direction, a staggered arrangement can be obtained, so that the heat transfer coefficient outside the tube can be improved.
  • the mounting space for the flat tube heat exchanger is not increased, and the mounting device for the flat tube heat exchanger can be downsized. Furthermore, since the flat tube heat exchanger 10 to be combined has the same shape, the mold of the fin 2 becomes one type, which contributes to the reduction of the manufacturing cost.

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Abstract

　同一形状の１列の扁平管熱交換器を複数列配置しても、千鳥配列にすることができ、かつ、フィン端部の位置が不揃いとならない扁平管熱交換器を得る。　断面形状がアスペクト比の大きい長方形を角取りした形状で、内部を熱交換媒体が流れる扁平管と、扁平管が挿入され、該扁平管に対し直角方向に接合される複数の板状のフィンと、を有した単列扁平管熱交換器を複数列結合した扁平管熱交換器であって、扁平管がフィンの段方向に一定のピッチで配置され、扁平管の段方向のピッチをＤｐ、Ｄｐの係数をｋとし、０＜ｋ＜０．５、または０.５＜ｋ＜１としたとき、フィンの段方向の一方側のフィン端と扁平管との距離がｋ・Ｄｐ、フィンの段方向の他方側のフィン端と扁平管との距離が（１－ｋ）・Ｄｐとされ、１列目の単列扁平管熱交換器と２列目の単列扁平管熱交換器を段方向に反対に配置する。

Description

扁平管熱交換器
　本発明は、空気調和機、冷凍機または給湯器等の熱交換器として使用されるフィンチューブ式の熱交換器に関し、特に扁平状の伝熱管を千鳥状に配列するための扁平管熱交換器の配列構造に関するものである。
　フィンチューブ式の熱交換器に関し、伝熱管の形状としては、通常、断面形状が円形状の管と、断面形状がアスペクト比の大きい長方形を角取りした形状の扁平管が知られている。本明細書において、円形管を使用した熱交換器を「円形管熱交換器」といい、扁平管を使用した熱交換器を「扁平管熱交換器」というものとする。
熱交換器の伝熱性能を向上するためには、伝熱管をフィンに対し千鳥状に配置（以下、「千鳥配列」という。）する。円形管熱交換器の場合、円形管を２列一体で製造するため容易に千鳥配列にすることができる。しかし、扁平管熱交換器の場合は、一般に扁平管をフィンに挿入するが、１列ずつ挿入する方法が製造しやすい。そのため、扁平管熱交換器の場合、例えば特許文献１に示されているように、扁平管を１列ずつ配置した熱交換器を、複数列配置することで千鳥配列にする構造がとられている。
特許第４９８４８３６号公報
　同一形状の１列の扁平管熱交換器を複数列配置する場合、扁平管を伝熱特性の良い千鳥配列にすると、各列の扁平管熱交換器のフィン端部の位置が合わず（フィンの長さが揃わず）、突出部分が生じて不必要に扁平管熱交換器の搭載スペースが増えることになる。また、フィン端部の位置を合わせると、伝熱特性が千鳥配列よりも低い格子状の配列（以下、「碁盤目配列」という）となる課題がある。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、同一形状の１列の扁平管熱交換器を複数列配置しても、千鳥配列にすることができ、かつ、フィン端部の位置が不揃いとならない扁平管熱交換器を得ることを目的とする。
　本発明に係る扁平管熱交換器は、断面形状がアスペクト比の大きい長方形を角取りした形状で、内部を熱交換媒体が流れる扁平管と、前記扁平管が挿入され、該扁平管に対し直角方向に接合される複数の板状のフィンと、を有した単列扁平管熱交換器を複数列結合した扁平管熱交換器であって、前記扁平管が前記フィンの段方向に一定のピッチで配置され、前記扁平管の段方向のピッチをＤｐ、Ｄｐの係数をｋとし、０＜ｋ＜０．５、または０.５＜ｋ＜１としたとき、前記フィンの段方向の一方側のフィン端と前記扁平管との距離がｋ・Ｄｐ、前記フィンの段方向の他方側のフィン端と前記扁平管との距離が（１－ｋ）・Ｄｐとされ、１列目の前記単列扁平管熱交換器と２列目の前記単列扁平管熱交換器を段方向に反対に配置したものである。
　本発明に係る扁平管熱交換器は、上記のように、扁平管の段方向のピッチをＤｐ、Ｄｐの係数をｋとすると、０＜ｋ＜０．５、または、０.５＜ｋ＜１とし、フィンの段方向の一方側のフィン端と扁平管との距離をｋ・Ｄｐ、フィンの段方向の他方側のフィン端と扁平管との距離を（１－ｋ）・Ｄｐとし、扁平管の１列目と２列目を段方向に反対に配置するので、１列目と２列目のフィン端部の位置を揃えることができ、扁平管を千鳥配列に近づけ、伝熱性能の向上を図ることができる。
　したがって、本発明によれば、同一形状の１列の扁平管熱交換器を複数列配置しても、千鳥配列にすることができ、かつ、フィン端部の位置が不揃いとならない扁平管熱交換器を得ることができる。
本発明の実施の形態を構成する１列（単列）の扁平管熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施の形態を構成する１列（単列）の扁平管熱交換器を示す側面図である。 複数列の扁平管熱交換器を同じ向きにつないだ扁平管熱交換器（比較例）の正面図である。 本発明の実施の形態に係る扁平管熱交換器の正面図である。 本発明の実施の形態に係る管外熱伝達率と係数ｋとの関係を表す図である。 本発明の別の実施の形態に係る扁平管熱交換器の正面図である。
　以下、本発明に係る扁平管熱交換器の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図１を含め、以下の図面は模式的にあらわしたものであり、各構成部材の大きさの関係についても実際のものとは異なる場合がある。
　この実施の形態の扁平管熱交換器を構成する１列（単列）の扁平管熱交換器１０は、図１に示すように、伝熱管である扁平管１と板状のフィン２とを有する。扁平管１は、断面形状がアスペクト比の大きい長方形を角取りした形状を有し、内部を熱交換媒体が流れる少なくとも一つ（図示の例では１０個）の流路３が形成されている。熱交換媒体は、水、冷媒、ブライン等の流体が使用される。また、扁平管１は、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性の良好な中空金属管でつくられる。そして、図１に示すように、扁平管１が板状のフィン２の段方向（図１において上下方向、すなわちフィン２の長手方向）に一列に配置されている。
　なお、図１において、Ｄｐは複数の扁平管１の間のピッチを、ｋは係数を表している。
　図２に示すように、板状のフィン２は、扁平管１の管軸方向に直角に一定のピッチ（フィンピッチ）で積層されている。フィン２は、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性の良好な金属板からなる。図１に示すように、フィン２は、長辺２ａ、２ｂおよび短辺２ｃ、２ｄからなる矩形状に形成されている。そして、フィン２の一方の長辺２ｂの縁端が開口されたスリット４が、等間隔で複数形成されている。フィン２のスリット４にそれぞれ扁平管１を挿入して、各扁平管１にフィン２を一定のフィンピッチで積層したのち、スリット４部分でロウ付けしてフィン２と一体に接合する。さらに、扁平管１の端部には、単一の流路が形成された合流管であるＵ字状のベント管５が接続されて複数の扁平管がつなげられる。なお、ベント管５に代えて特許文献１に示すようなヘッダーが接合されてもよい。そして、例えば図２のように、冷媒が入口側の扁平管１から出口側の扁平管１へ通過するように、１列(単列)の扁平管熱交換器１０が形成される。なお、図示は省略するが、フィン２には、上記のスリット４以外に、切り起こしまたは凹凸形状等の受熱部または放熱部が形成されるものもある。
　この１列（単列）の扁平管熱交換器１０においては、扁平管１の流路３を熱交換媒体が流れ、扁平管１の管軸方向と直交する方向に、フィン２間の隙間を被熱交換媒体（例えば、空気、水等の流体）が通過することで、熱の授受が行われる。
　ここで、１列（単列）の扁平管熱交換１０において、扁平管１の段方向のピッチ（段ピッチ）をＤｐ、Ｄｐの係数をｋ、０＜ｋ＜０．５、または、０.５＜ｋ＜１とし、フィン２の段方向の一方側のフィン端（図１において、フィン上端）２ｃと扁平管１との距離をｋ・Ｄｐ、フィン２の段方向の他方側のフィン端（図１において、フィン下端）２ｄと扁平管１との距離を（１－ｋ）・Ｄｐとする。
　したがって、この扁平管熱交換１０は、扁平管１が段方向に配列に関し、上下非対称に形成されている。
　図３は上記の扁平管熱交換器１０を、複数列同じ向きにつないだ扁平管熱交換器（比較例）の正面図である。図３のように、同一形状の扁平管熱交換器１０を同じ向きに２列に配置した場合は、フィン２の上下端は揃うけれども扁平管１の配置が碁盤目配列となり、千鳥配列に比べて伝熱性能が低下する。
　図４は、本発明の実施の形態に係る扁平管熱交換器の正面図である。本発明の実施の形態に係る扁平管熱交換器は、結合する２列の扁平管熱交換器１０、１０の一方の扁平管熱交換器１０を、上下逆に配置することで、伝熱性能の良い千鳥配列にしている。例えば、風上側の扁平管熱交換器１０のフィン下端２ｄを上に、フィン上端２ｃを下にして配置する。つまり、フィン上端２ｃと扁平管１との距離、および、フィン下端２ｄと扁平管１との距離が異なる扁平管熱交換器１０の１列目と２列目を、扁平管１の段方向に反対に配置したものである。
　図５は、本発明の実施の形態に係る管外熱伝達率と係数ｋとの関係を表す図である。図５は、横軸にｋ、縦軸に管外熱伝達率をとって表してある。
　図５に示すように、ｋ＝０．５のとき、管外熱伝達率が最小となる。これは扁平管１が碁盤目配列となるためである。
　また、ｋ＝０．２５またはｋ＝０．７５のとき、管外熱伝達率が最大となる。これは扁平管１が千鳥配列となるためである。
　図６は、本発明の別の実施の形態に係る扁平管熱交換器の正面図である。図４の例は、１列（単列）の扁平管熱交換器１０の２つを、フィン２のスリット４が開口している辺と開口していない辺とを対向させて結合したものであるが、図６の例は、１列（単列）の扁平管熱交換器１０の２つを、フィン２のスリット４が開口していない辺同士を対向させて結合したものである。図６のようにしても図５と同様の結果が得られる。つまり、１列目の扁平管熱交換器１０を左右逆に配置しても扁平管１を千鳥配列にして、伝熱性能を向上させることができる。
　また、１列（単列）の扁平管熱交換器１０を２ｎ列（ｎは整数）とした扁平管熱交換器であっても３列目以降を２列単位で図４または図６のように配置すれば、扁平管１を千鳥配列にすることができる。
　以上のように、この実施の形態では、同一形状の１列（単列）の扁平管熱交換器１０において、段ピッチをＤｐ、Ｄｐの係数をｋとしたとき、０＜ｋ＜０．５、または、０.５＜ｋ＜１とし、フィン上端２ｃと扁平管１との距離をｋ・Ｄｐ、フィン下端２ｄと扁平管１との距離を（１－ｋ）・Ｄｐとし、扁平管１の１列目と２列目を段方向に反対に配置することにより、千鳥配列とすることができるので、管外熱伝達率を向上させることができる。また、フィン端部の位置をそろえることができるため、扁平管熱交換器の搭載スペースを増加させることがなく、この扁平管熱交換器の搭載機器の小型化が可能となる。
　さらに、組み合わされる扁平管熱交換器１０は同一形状であるので、フィン２の金型が１種類になり、製造コストの削減に寄与する。
　また、ｋ＝０．２５、またはｋ＝０．７５とすることにより、管外熱伝達率を特に良好に向上させることができる。
　１　扁平管、２　フィン、２ａ、２ｂ　長辺、２ｃ　短辺（フィン上端）、２ｄ　短辺（フィン下端）、３　流路、４　スリット、５　ベント管、１０　１列（単列）の扁平管熱交換器。

Claims (3)

  1. 　断面形状がアスペクト比の大きい長方形を角取りした形状で、内部を熱交換媒体が流れる扁平管と、
    　前記扁平管が挿入され、該扁平管に対し直角方向に接合される複数の板状のフィンと、
    を有した単列扁平管熱交換器を複数列結合した扁平管熱交換器であって、
    　前記扁平管が前記フィンの段方向に一定のピッチで配置され、
    　前記扁平管の段方向のピッチをＤｐ、Ｄｐの係数をｋとし、０＜ｋ＜０．５、または０.５＜ｋ＜１としたとき、
    　前記フィンの段方向の一方側のフィン端と前記扁平管との距離がｋ・Ｄｐ、前記フィンの段方向の他方側のフィン端と前記扁平管との距離が（１－ｋ）・Ｄｐとされ、
    　１列目の前記単列扁平管熱交換器と２列目の前記単列扁平管熱交換器を段方向に反対に配置している
    ことを特徴とする扁平管熱交換器。
  2. 　ｋ＝０．２５、またはｋ＝０．７５とすることを特徴とする請求項１記載の扁平管熱交換器。
  3. 　前記扁平管が前記フィンの一辺側から切り欠かれたスリットに挿入されており、単列の前記扁平管熱交換器の２つを、前記フィンの前記スリットが開口していない辺同士を対向させて結合したことを特徴とする請求項１または２記載の扁平管熱交換器。
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