(57)【要約】【課題】  従来の編込み細線熱交換器に比べ、排水性に優れ、低コストで、品質安定性と量産性に優れた高効率の熱交換器を提供する。【解決手段】  略鉛直方向に複数の伝熱管２が並んで配列され、各伝熱管２の一端が第１のヘッダー４に接続されるとともに他端が第２のヘッダー５に接続された熱交換器１Ａにおいて、前記各伝熱管２が並ぶ面に対して一方側には、伝熱管２側に凸となるとともに略鉛直方向に延びる複数の山部３１とこれらの山部３１の間に位置する谷部３２とを有し、金属材料で構成された伝熱板３Ａが配設されており、前記各山部３１は、前記各伝熱管２に接続され、前記谷部３２には、空気を流通させる通風孔３２ａが設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝熱管が並んで配列され、各伝熱管の一端が第１のヘッダーに接続されるとともに他端が第２のヘッダーに接続された熱交換器において、
前記各伝熱管が並ぶ面に対して一方側には、伝熱管側に凸となるとともに伝熱管が並ぶ方向に延びる複数の山部とこれらの山部の間に位置する谷部とを有し、金属材料で構成された伝熱板が配設されており、前記各山部は、前記各伝熱管に接続され、前記谷部には、空気を流通させる通風孔が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記伝熱板は、前記伝熱管が並ぶ方向から見たときに前記山部及び谷部によって波状を呈する形状に成形されたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記各山部には、前記各伝熱管に対応する位置に、当該伝熱管が嵌り込み可能な凹部が形成されており、この凹部に伝熱管が嵌り込んだ状態で当該伝熱管に各山部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記各伝熱管は、略円形の断面形状を有していて、前記凹部の幅は、前記伝熱管の直径と略同寸法に設定され、凹部の深さは、前記伝熱管の半径以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記通風孔は、前記凹部における前記各伝熱管が並ぶ面に対して直交する方向から見たときの伝熱管に重なり合う領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記伝熱管は、略鉛直方向に並んで配列されており、前記山部は略鉛直方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記各伝熱管及び前記伝熱板は、親水性の表面処理を施したものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記各伝熱管の表面及び前記伝熱板の表面には、光触媒が塗布されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記伝熱管の内部には、冷媒として二酸化炭素が流通されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
複数の伝熱管が並んで配列され、各伝熱管の一端が第１のヘッダーに接続されるとともに他端が第２のヘッダーに接続された熱交換器を製造する方法において、
金属材料で構成された伝熱板を用い、この伝熱板を波状に成形して、当該伝熱板に互いに同方向に延びる複数の山部とこれらの山部の間に位置する谷部とを形成する工程と、
前記伝熱板の谷部に、空気を流通させる通風孔を形成する工程と、
前記各伝熱管を、前記伝熱板の各山部に当該山部が延びる方向に並んだ状態で接続する工程と、
前記各伝熱管の一端を第１のヘッダーに接続するとともに他端を第２のヘッダーに接続する工程とを含むことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１１】
前記伝熱板の各山部における前記各伝熱管が接続される位置に、当該伝熱管が嵌り込み可能な凹部を形成する工程をさらに含み、
前記伝熱管を山部に接続する工程では、前記凹部に伝熱管を嵌め込んだ状態で伝熱管を山部に接続することを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管内側に冷媒、管外側に空気を流し、熱交換を行う空気−冷媒式熱交換器の中で、特に小型高効率を実現する細管を用いた熱交換器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の空気−冷媒式熱交換器として代表的なものは、例えば特許文献１に開示されているようなエアコン等で用いられるフィン＆チューブ型の熱交換器があり、これは、図７のように、多数の伝熱管２１の夫々の一端を流体の供給ヘッダー２２に直結するとともに、その他端を流体の排出ヘッダー２３に直結し、細線からなる流通抵抗体２５を、伝熱管２１の外側に接触させ、且つ各伝熱管２１と交差する方向に延在させて配置した熱交換装置であった。
【０００３】
そして近年、熱交換器の小型高効率化の要求により、コンパクト型の細管熱交換器として、例えば特許文献２に開示された図８のような熱交換器が提案されている。
【０００４】
図において、４１は伝熱管、４２は細線、Ｂは管外を流れる流体（空気）、Ａは管内を流れる流体（冷媒）である。各伝熱管４１の間には伝熱管４１の表面を横切るように細線４２が配置されていて、伝熱管４１を縦糸、細線４２ａ及び細線４２ｂを横糸として畳織状に編み込んである。図８には空気Ｂの流れの様子が矢印で示されている。空気Ｂが細線４２にあたると流れが乱され、細線４２の下に来た空気Ｂは矢印に示すように、細線４２に沿って左右に伝熱管４１の表面を上昇する。その結果、空気Ｂが伝熱管４１と接触する時間が長くなり、伝熱管４１との熱伝達作用は有効に行われ、熱交換効率の良い熱交換器が得られる。
【特許文献１】特開昭６１−１５３３８８号公報
【特許文献２】特開平７−１７４４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような熱交換器を製造するためには、伝熱管４１を縦糸、細線４２を横糸として畳織状に編み込む必要がある。そして、伝熱管４１も細線４２も銅材を用いて多少は柔軟性を持たせているが、糸の繊維のように編み込む場合、縦糸である伝熱管４１は繰り返しの応力により弱くなり、亀裂を生じる可能性があり、品質安定性に課題を有している。また、伝熱管４１に細線４２を編み込む工程が別途必要なこと、細線４２の材料費も工賃も必要であり、コストと量産性に課題を有している。
【０００６】
そこで本発明は、従来の編込み細線熱交換器に比べ、低コストで、品質安定性と量産性に優れた高効率の熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明に係る熱交換器は、複数の伝熱管が並んで配列され、各伝熱管の一端が第１のヘッダーに接続されるとともに他端が第２のヘッダーに接続された熱交換器において、前記各伝熱管が並ぶ面に対して一方側には、伝熱管側に凸となるとともに伝熱管が並ぶ方向に延びる複数の山部とこれらの山部の間に位置する谷部とを有し、金属材料で構成された伝熱板が配設されており、前記各山部は、前記各伝熱管に接続され、前記谷部には、空気を流通させる通風孔が設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、複数の伝熱管が並んで配列され、各伝熱管の一端が第１のヘッダーに接続されるとともに他端が第２のヘッダーに接続された熱交換器を製造する方法において、金属材料で構成された伝熱板を用い、この伝熱板を波状に成形して、当該伝熱板に互いに同方向に延びる複数の山部とこれらの山部の間に位置する谷部とを形成する工程と、前記伝熱板の谷部に、空気を流通させる通風孔を形成する工程と、前記各伝熱管を、前記伝熱板の各山部に当該山部が延びる方向に並んだ状態で接続する工程と、前記各伝熱管の一端を第１のヘッダーに接続するとともに他端を第２のヘッダーに接続する工程とを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る熱交換器によれば、山部と谷部とを有する伝熱板が用いられ、この伝熱板の山部が伝熱管に接続されているので、伝熱管と伝熱板との熱伝達が可能となっており、これらの伝熱管及び伝熱板を介して冷媒と空気とで熱交換が行われるようになる。また、伝熱板に向かって流れる空気は、伝熱板に衝突してその流れを遮られつつ谷部に設けられた通風孔から反対側に流れ出ることになるため、空気と伝熱板との接触時間を長く確保することができ、これによって空気と伝熱板との熱伝達が有効に行われ、良好な熱交換効率を得ることができる。しかも、伝熱板は一体として伝熱管に接続することができるので、従来の編み込み構造に比べ、簡単かつ低コストで熱交換器を製造でき、また、伝熱管と伝熱板との接続時に伝熱管に繰り返しの応力を生じさせることがないため、伝熱管の強度低下を防いで品質安定性に優れた熱交換器とすることができる。
【００１０】
また、本発明に係る熱交換器の製造方法によれば、良好な熱交換効率を得ることができかつ品質安定性に優れた熱交換器を、簡単かつ低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る熱交換器の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、第１実施例の熱交換器１Ａを示す斜視図である。本実施例の熱交換器１Ａは、略鉛直方向に並ぶ複数の伝熱管２と、各伝熱管２の一端が接続される第１のヘッダー４と、各伝熱管２の他端が接続される第２のヘッダー５と、伝熱管２が並ぶ面に対して一方側に配設される伝熱板３Ａとで構成されている。図２は、伝熱板３Ａの一部を示す斜視図である。伝熱板３Ａは、鉛直方向（図２では矢印Ｃの方向）から見たときに波状を呈する形状に成形されたものであり、伝熱管２側に凸となるとともに略鉛直方向に延びる複数の山部３１と、これらの山部３１の間に位置する谷部３２とを有している。また、伝熱板３Ａの山部３１には、伝熱管２の位置決め及び固定を行うための凹部３１ａが設けられており、谷部３２には、空気を流通させる通風孔３２ａが略鉛直方向に並んで略等間隔で設けられている。この熱交換器１Ａは、品質安定性に優れ、良好な熱交換効率を得ることができるとともに、簡単かつ低コストで製造することができる。以下に、具体的な構成を示す。
【００１３】
前記伝熱管２は、略円形の断面形状で前記山部３１と略直交するように水平方向に延びているとともに、前記凹部３１ａに嵌め込まれた状態で各山部３１に接続されており、その一端側を第１のヘッダー４、他端を第２のヘッダー５に接続することにより、冷媒及び冷温水等の流体が流れる流路を形成し、流体が図面の矢印Ａから第１のヘッダー４に流入し、複数の伝熱管２の管内側を流れ、第２のヘッダー５から矢印Ａ’に流出するようになっている。一方空気Ｂは、図面正面側から熱交換器１Ａに向かって流れ、伝熱管２及び伝熱板３Ａの表面を沿うように接触しながら伝熱板３Ａの谷部３２に設けた複数の通風孔３２ａを通り（図３参照）、空気Ｂ’のように熱交換器１Ａの背面へ流れる。従って伝熱管２及び伝熱板３Ａの表面を流れる際に空気の流れが乱れるとともに、接触する時間が長くなり、熱伝達が有効に行われる。また、この熱交換器１Ａを蒸発器等の冷却用に使用する場合、空気Ｂが冷却され熱交換器１Ａの表面に結露が生じるが、伝熱板３Ａの谷部３２が略鉛直方向に延びているため、凝縮水は谷部３２を伝わり速やかに排水されることになり、結露による空気側の流路を防ぐことがなく、空気側の圧損も上昇しないので、伝熱性能が低下せず、かつ、高効率の熱交換器を実現することができる。
【００１４】
波状の伝熱板３Ａは、良熱伝導性の金属板で構成されている。この伝熱板３Ａの製造方法としては、一般的にはコルゲートマシーン（図示せず）を用いて波状の加工を行って山部３１と谷部３２とを形成し、その後に凹部３１ａ及び通風孔３２ａをプレス等で加工する工法がある。また、量産性を考えた場合には、コルゲートマシーンの歯車の形状を、山部３１と谷部３２との形成と同時に凹部３１ａ及び通風孔３２ａを形成するように加工歯を構成すれば良い。更には、プレス成型で波状加工と、凹部３１ａ及び挿通孔３２ａの形成とを同時に行っても良い。なお、プレスの一体加工は、プレスの機械の大きさにもよるが、小型の熱交換器に適しており、コルゲートマシーンによる加工は大型の熱交換器に適している。ただし、プレス加工やコルゲートマシーンで成形した伝熱板３Ａを複数枚組み合わせて熱交換器にしても良い。
【００１５】
なお、凹部３１ａは伝熱管２の位置決めと固定を目的としており、その幅は伝熱管２の直径と略同寸法とし、その奥行き（深さ）は伝熱管２の半径以上とし、その形状は切り欠きや、冶具等で変形させて形成する。凹部３１ａの底部は、図３に示すように側面視で直線状となっていてもよいし、あるいは図６に示すように側面視で曲線状となっていてもよい。また、凹部３１ａは、山部３１が窪まされて形成された有底状であってもよいし、山部３１が切り欠かれた貫通穴となっていてもよい。さらに、伝熱管２と伝熱板３Ａの山部３１とはロウ付けやメッキ等で確実に接着し接触熱抵抗を減らしてある。また挿通孔３２ａの形状であるが、単なる矩形や円形だけでなく、スリット状や、ルーバー状でも良く、要は空気が流れればよい。
【００１６】
なお、伝熱管２と伝熱板３Ａの山部３１との接続及び伝熱管２と第１，第２のヘッダー４，５との接続は、順番に行っても良いが、予め伝熱管２に、または伝熱板３Ａ及び第１，第２のヘッダー４，５にロウ材をコーティングするなどしておき、炉中ロウ付けを行ってそれらを同時に接続してもよい。そのためには、伝熱管２、伝熱板３Ａ、及び第１，第２のヘッダー４，５の材質は、接着や溶着性の相性や信頼性の関係で、金属類として、銅、アルミニウム、それらの合金類、及びステンレス系の材料を用いる。
【００１７】
なお、伝熱管２の外径は小さい方が良く、その肉厚は中を流れる流体の耐圧、製造上の面から０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のものが好ましい。さらに、伝熱板３Ａは加工性と軽量化等の利点を生かすため、その板厚は０．１ｍｍ前後が好ましい。
【００１８】
以上のように本実施例の構成では、山部３１と谷部３２とを有する伝熱板３Ａが用いられ、この伝熱板３Ａの山部３１が伝熱管２に接続されているので、伝熱管２と伝熱板３Ａとの熱伝達が可能となっており、これらの伝熱管２及び伝熱板３Ａを介して冷媒Ａと空気Ｂとで熱交換が行われるようになる。また、伝熱板３Ａに向かって流れる空気Ｂは、伝熱板３Ａに衝突してその流れを遮られつつ谷部３２に設けられた通風孔３２ａから反対側に流れ出ることになるため、空気と伝熱板３Ａとの接触時間を長く確保することができ、これによって空気と伝熱板３Ａとの熱伝達が有効に行われ、良好な熱交換効率を得ることができる。しかも、伝熱板３Ａは一体として伝熱管２に接続することができるので、従来の編み込み構造に比べ、簡単かつ低コストで熱交換器１Ａを製造でき、また、伝熱管２と伝熱板３Ａとの接続時に伝熱管２に繰り返しの応力を生じさせることがないため、伝熱管２の強度低下を防いで品質安定性に優れた熱交換器とすることができる。
【００１９】
また、各山部３１には、伝熱管２が嵌り込み可能な凹部３１ａが形成されているので、凹部３１ａに伝熱管２を嵌め込むだけで伝熱管２の位置決めを行うことができるため、伝熱管２と伝熱板３Ａとの接続を簡単に行うことができる。
【００２０】
さらに、前記山部３１は略鉛直方向に延びているので、伝熱管２や伝熱板３Ａに結露が生じ、その結露した水が谷部３２に入り込んだとしても、その水は重力によって下方に排水されるため、結露した水によって通風孔３２ａが塞がれることを防止することができ、熱伝達効率を低下させることなく安定した性能を維持することができる。
【００２１】
なお、本実施例では炉中ロウ付けで伝熱管２と第１，第２のヘッダー４，５を溶着しているが、ハンダ、メッキ等を用いての接着や、熱伝導性の優れた接着剤を用いても良く、容易に確実に接着できればその効果は同じである。
【００２２】
また、伝熱板３Ａは、必ずしも平面視で波状を呈する形状である必要はなく、複数の山部３１を有する形状であれば、例えば谷部３２の幅寸法が山部３１の幅寸法に対して大きく設定されたものであってもよい。ただし、本実施例のように伝熱板３Ａが波状を呈する形状に成形されたものであれば、伝熱板３Ａを、比較的に短いピッチで並んだ山部３１で伝熱管２に接続することができるため、伝熱管２と伝熱板３Ａとの熱伝達を良好に行わせることができるようになる。
【００２３】
さらに、凹部３１ａの幅が伝熱管２の直径よりも小さく設定されているとともに、凹部３１ａの深さが伝熱管２の半径よりも小さく設定されていて、伝熱管２が円周上の２分の１以下の範囲で凹部３１ａに嵌り込んでいてもよい。ただし、本実施例のように凹部３１ａの幅及び深さが設定されていれば、熱交換器１Ａを山部３１の延びる方向が鉛直方向になるように配置した場合でも、伝熱管２は凹部３１ａに保持された状態となるため、伝熱管２の重力が伝熱管２と伝熱板３Ａとの接続部に作用することを防ぎ、伝熱管２と伝熱板３Ａとの接続の信頼性を向上させることができる。
【実施例２】
【００２４】
図４及び図５を参照して、本発明による第２実施例の熱交換器１Ｂを説明する。図４は本発明の熱交換器１Ｂの伝熱板３Ｂの一部を示す斜視図であり、図５は熱交換器１Ｂの要部を拡大して示す断面側面図である。
【００２５】
本第２実施例の熱交換器１Ｂは、前述した第１実施の熱交換器１Ａと比べ、伝熱板３Ｂが異なるだけであり、他の構成部分は同一である。伝熱板３Ｂの山部３１には伝熱管２の位置決め及び固定を行うための凹部３１ａが設けてあり、谷部３２における左右を凹部３１ａで挟まれる領域、換言すれば水平方向において伝熱管２に重なり合う領域に、空気を流通させる通風孔３２ａが上下２段で設けてある。そして、凹部３１ａに伝熱管２を固定・接続した場合、通風孔３２ａは伝熱管２の背面部に位置することになる。図５を参照して、正面（図面では左側）から流れる空気Ｂは、伝熱管２及び伝熱板３Ｂの表面を沿うように接触しながら伝熱板３Ｂの谷部３２に設けた複数の通風孔３２ａを通る。特に通風孔３２ａが伝熱管２の背面にあるため、空気が通風孔３２ａを素通りすることなく、確実に伝熱管２及び伝熱板３Ｂの表面を流れることが出来、その結果接触する時間が長くなり、熱伝達が有効に行われる。
【００２６】
本発明の第２の実施例では、以上のように伝熱板３Ｂの谷部３２の通風孔３２ａを、伝熱管２と重なり合う領域に設けたので、空気が確実に伝熱管２及び伝熱板３Ｂの表面を流れるようになって接触する時間が長くなり、熱伝達が有効に行われるため、高効率の熱交換器を実現することができる。
【実施例３】
【００２７】
本発明による第３実施例の熱交換器は、第１実施例と第２実施例の熱交換器１Ａ，１Ｂおいて、伝熱管２と伝熱板３Ａ，３Ｂが親水性を有するように、予め表面処理を施すか、熱交換器として組み終わった後に表面処理を施したもの（図示せず）である。
【００２８】
これは、本実施例のような小型の熱交換器では、空気の通過する流路（通風孔３２ａ）の開口面積が狭くなっているため、冷却用の熱交換器として使用する場合には、結露（凝縮水）を生じることがあり、その凝縮した水分が前記流路を塞いでしまう。そのため凝縮水を速やかに排出するために親水性を有するようにしているものである。これは結露した水分が表面張力等で伝熱板３Ａ，３Ｂ表面にとどまることなく、重力によって排水されるからである。特に凝縮水が重力により下方へ排水されるときに下方にある結露水と結合することにより排水効果が増すことになる。
【００２９】
以上のように本実施例の構成では、伝熱板３Ａ，３Ｂの山部３１及び谷部３２の延びる方向が略鉛直方向となっていることと、伝熱板３Ａ，３Ｂ及び伝熱管２が親水性を有していることにより、凝縮水は容易に排出され空気流路を塞ぐことなく熱交換を行うことができるので、性能低下を起こさず、信頼性も安定した熱交換器を提供することができる。なお、撥水性も同じように水を排出するように考えられるが、伝熱板との表面張力が大きいため、逆に狭い交差部で保持（ブリッジ）されてしまい、空気流路を塞いでしまうので望ましくない。
【実施例４】
【００３０】
本発明による第４実施例の熱交換器は、伝熱管２と伝熱板３Ａ，３Ｂに酸化チタン等の光触媒が塗布されている構成（図示せず）である。
【００３１】
これは、本実施例のような小型の熱交換器では、空気の通過する流路（通風孔３２ａ）の開口面積が狭くなっているため、ごみ等の付着が生じやすく、空気流路を塞いでしまう恐れがあるからである。
【００３２】
本実施例の構成では、光触媒を塗布することにより、光等により付着した汚れを落とすことができるため、空気流路を塞ぐことなく常に熱交換器の表面を清潔に保つとともに、性能低下を起こさず、信頼性も安定した熱交換器を提供することができる。
【実施例５】
【００３３】
本発明による第５の実施例の熱交換器は、前記各実施例の熱交換器において、当該熱交換器内の流路を流れる冷媒として二酸化炭素を用いたものである。
【００３４】
本発明の熱交換器で用いる冷媒としては、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ等のＨＦＣ系冷媒、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）等のＨＣ系冷媒、二酸化炭素等の自然冷媒及び冷温水やブライン等を用いることができる。特に二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルを運転する場合、高圧側は臨界圧を超えた圧力で行われる。そのため熱交換器に耐圧性が要求され、本実施形態の熱交換器のような細径管をロウ付けする構成であれば、耐圧を十分に確保することができ、高圧でも使用可能となる。従って、熱交換器内の流路を流れる冷媒として二酸化炭素を用いることにより、環境破壊の防止を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る熱交換器は、伝熱管を流れる冷媒と、空気との熱交換に用いられる熱交換器として用いられる。ヒートポンプ装置に用いられる蒸発器、凝縮器として用いた場合にも、良好な熱交換を行うことができる。ヒートポンプ装置は、空調機器、給湯器などに応用可能である。また、これらの熱交換器においては、室内熱交換器、室外熱交換器のいずれにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による第１実施例の熱交換器を示す斜視図である。
【図２】本発明による第１実施例の熱交換器の伝熱板の一部を示す斜視図である。
【図３】本発明による第１実施例の熱交換器の要部を拡大して示す断面側面図である。
【図４】本発明による第２実施例の熱交換器の伝熱板の一部を示す斜視図である。
【図５】本発明による第２実施例の熱交換器の要部を拡大して示す断面側面図である。
【図６】変形例の熱交換器の要部を拡大して示す断面側面図である。
【図７】従来の熱交換器の概略図である。
【図８】従来の細管熱交換器の概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１Ａ，１Ｂ  熱交換器
２  伝熱管
３Ａ，３Ｂ  伝熱板
３１  山部
３１ａ  凹部
３２  谷部
３２ａ  通風孔
４  第１のヘッダー
５  第２のヘッダー
Ａ，Ａ’  流体
Ｂ，Ｂ’  空気
【図１】
2006336904.tif 000003
【図２】
2006336904.tif 000004
【図３】
2006336904.tif 000005
【図４】
2006336904.tif 000006
【図５】
2006336904.tif 000007
【図６】
2006336904.tif 000008
【図７】
2006336904.tif 000009
【図８】
2006336904.tif 000010