(57)【要約】【課題】小型化する場合でも、伝熱管の壁面に沿った流れの剥離や、流体の圧力損失の増大を効果的に抑制しつつ、伝熱面を拡大すること。【解決手段】熱交換器１０は、断面外形が対称翼状である複数の扁平管１１と、隣り合う扁平管１１のそれぞれと接する板状のフィン１３と、を備え、下流側にある断面外形の先端部分の曲率半径は、上流側にある断面外形の先端部分の曲率半径よりも小さく、フィン１３には隆起部１３ａが設けられ、隆起部１３ａの断面外形は線対称断面であり、線対称断面の対称軸１３ｂは、隣り合う扁平管１１から等距離にあり、対称軸１３ｂの上流側の先端は、隣り合う扁平管１１の最大幅の部分を結んだ線Ｌ１上、または、下流側に位置し、対称軸１３ｂの下流側の先端は、隣り合う扁平管１１の断面外形の下流側の先端を結んだ線Ｌ２上、または、下流側に位置し、対称軸１３ｂと垂直方向の幅は、上流側から下流側に向けて徐々に大きくなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に配置されるとともに、長手方向に垂直な面で切断した断面外形が対称翼状である複数の扁平管と、
前記複数の扁平管のうち隣り合う扁平管のそれぞれと接する板状のフィンと、を備え、
流体流路の下流側にある前記断面外形の先端部分の曲率半径は、前記流体流路の上流側にある前記断面外形の先端部分の曲率半径よりも小さく、
前記フィンには隆起部が設けられ、
前記長手方向に垂直な面で切断した前記隆起部の断面外形は線対称断面であり、
前記線対称断面の対称軸は、前記隣り合う扁平管から等距離にあり、
前記線対称断面の対称軸の前記上流側の先端は、前記対称軸と垂直方向の前記隣り合う扁平管の断面外形における最大幅の部分を結んだ第１の線上、または、該第１の線より下流側に位置し、
前記線対称断面の対称軸の前記下流側の先端は、前記隣り合う扁平管の断面外形の前記下流側の先端を結んだ第２の線上、または、該第２の線より下流側に位置し、
前記対称軸と垂直方向の前記線対称断面の幅は、前記流体流路の上流側から下流側に向けて徐々に大きくなる熱交換器。
【請求項２】
前記隆起部の断面外形の表面は、該表面に対向する前記扁平管の断面外形の表面と平行である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記扁平管の前記フィンと接触する部分は局所的に平面である請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記複数の扁平管は、前記対称軸と垂直方向の幅が第１の幅である断面外形を有する第１の扁平管と、前記対称軸と垂直方向の幅が前記第１の幅よりも広い第２の幅である断面外形を有する第２の扁平管とを含み、前記第１の扁平管と、前記第２の扁平管とが交互に配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、扁平管にフィンを接続して構成される熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷凍・空調サイクル装置では、冷媒と空気や水などの流体との間で熱交換を行う熱交換器が用いられている。そして、熱交換器の熱交換効率を向上させるためには、伝熱管の断面形状をどのようなものにするかが重要になってくる。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、伝熱管の断面形状を略翼型形状にした熱交換器用伝熱管の配列構造が示されている。伝熱管の断面形状を略翼型形状にすることにより、流体が伝熱管の表面に沿って流れやすくなり、その結果、熱交換効率を向上させることができるとされている。
【０００４】
また、特許文献１では、断面形状が略翼型形状である複数の伝熱管を千鳥状に配置している。すなわち、各伝熱管は前列と後列に交互に配置され、前列の伝熱管と、後列の伝熱管の間隔を小さくすることにより、前列の伝熱管の壁面に沿った流れの剥離を抑制することとしている。
【０００５】
さらに、特許文献１では、略翼型形状の本体部の前端および／または後端に、流体の流れ方向に沿って伸びる薄い板状のフィンを設け、伝熱管の伝熱面を拡大することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２４４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示される従来技術では、前列の隣り合う伝熱管の間に、前列の伝熱管と幅が等しい後列の伝熱管が配置されるため、熱交換器を小型化しようとすると、幅が等しい３つの伝熱管により流路が狭められ、流体の圧力損失が大きくなるという問題がある。また、伝熱管の内部には、冷媒が流れる流路が設けられるが、伝熱管の幅を狭めようとすると、流路を形成することが難しくなるとともに、冷媒も流れにくくなる。
【０００８】
さらに、上記従来技術では、略翼型形状の本体部の前端および／または後端に、流体の流れ方向に沿って伸びる薄い板状のフィンを設けることとしているが、伝熱面の拡大という意味ではさらに改善の余地がある。
【０００９】
本発明は、小型化する場合でも、伝熱管の壁面に沿った流れの剥離や、流体の圧力損失の増大を効果的に抑制しつつ、伝熱面を拡大することが可能な熱交換器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】
【００１０】
本発明の熱交換器は、互いに平行に配置されるとともに、長手方向に垂直な面で切断した断面外形が対称翼状である複数の扁平管と、複数の扁平管のうち隣り合う扁平管のそれぞれと接する板状のフィンと、を備え、流体流路の下流側にある断面外形の先端部分の曲率半径は、流体流路の上流側にある断面外形の先端部分の曲率半径よりも小さく、フィンには隆起部が設けられ、上記長手方向に垂直な面で切断した隆起部の断面外形は線対称断面であり、線対称断面の対称軸は、隣り合う扁平管から等距離にあり、線対称断面の対称軸の上流側の先端は、対称軸と垂直方向の隣り合う扁平管の断面外形における最大幅の部分を結んだ第１の線上、または、第１の線より下流側に位置し、線対称断面の対称軸の下流側の先端は、隣り合う扁平管の断面外形の下流側の先端を結んだ第２の線上、または、第２の線より下流側に位置し、対称軸と垂直方向の線対称断面の幅は、流体流路の上流側から下流側に向けて徐々に大きくなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る熱交換器は、伝熱管の壁面に沿った流れの剥離や、気流の圧力損失の増大を効果的に抑制しつつ、伝熱面を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成の一例を示す模式図
【図２】図１に示す熱交換器のＡ−Ａ’線断面図
【図３】本発明の実施の形態２に係る熱交換器の構成の一例を示す模式図
【図４】図３に示す熱交換器のＡ−Ａ’線断面図
【図５】本発明の実施の形態３に係る熱交換器の他の構成の一例を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態４に係る熱交換器の一例を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態５に係る熱交換器の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本発明はこの実施形態により限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の構成の一例を示す模式図である。また、図２は、図１に示す熱交換器１０のＡ−Ａ’線断面図である。この熱交換器１０は、主に冷凍・空調サイクル装置に用いられるものであり、凝縮器や蒸発器として作用する。
【００１５】
例えば、熱交換器１０が凝縮器として作用する場合、冷凍・空調サイクル装置が備える圧縮機（図示せず）で高温高圧に圧縮された冷媒が熱交換器１０に流入し、空気や水などの流体との間で熱交換が行われる。これによって、冷媒が凝縮し、空気や水などの流体が加熱される。なお、冷媒には、フロン系冷媒（Ｒ２２等）、代替フロン（Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等）、自然冷媒(二酸化炭素、炭化水素等)などが用いられる。
【００１６】
また、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合、冷凍・空調サイクル装置が備える膨張弁（図示せず）で膨張することにより低温低圧となった冷媒が熱交換器１０に流入し、空気や水などの流体との間で熱交換が行われる。これによって、冷媒が蒸発し、空気や水などの流体が冷却される。
【００１７】
図１、図２に示すように、熱交換器１０は、多孔扁平管１１、ヘッダー１２ａ、１２ｂ、フィン１３を備える。そして、多孔扁平管１１は複数設けられ、各多孔扁平管１１は互いに平行に配置される。なお、図２では、簡略化のため、多孔扁平管１１の数を減らしている。
【００１８】
ここで、多孔扁平管１１の長手方向に垂直な面で切断した断面外形は、流線形の対称翼状の形状となっている。また、この多孔扁平管１１の断面外形では、流体流路の下流側の先端部分の曲率半径が、流体流路の上流側の先端部分の曲率半径よりも小さくなっている。
【００１９】
例えば、流体が流れる流れ場に円管が存在すると、流体が円管に衝突することにより流体の運動エネルギーの損失が発生する。そして、流体が円管に貼り付けるだけの運動エネルギーが失われれば、流体は円管の壁面から剥離してしまう。
【００２０】
しかし、円管ではなく、断面外形が対称翼状である多孔扁平管１１であれば、流体の流動抵抗を大幅に低減できるため、運動エネルギーの損失を抑制できる。その結果、流体が多孔扁平管１１の壁面から剥離せずに、壁面に沿って流れるようになる。
【００２１】
なお、流体が下流側に流れるにつれ少しずつ運動エネルギーの損失は発生するため、下流側ほど多孔扁平管１１の壁面から流体が剥離しやすくなる。よって、流体流路の下流側の先端部分の曲率半径が大きいと、多孔扁平管１１の壁面から流体が剥離することになる。
【００２２】
これを抑制するため、上述のようにこの多孔扁平管１１は、流体流路の下流側の先端部分の曲率半径が、流体流路の上流側の先端部分の曲率半径よりも小さくなるよう形成される。
【００２３】
また、多孔扁平管１１の内部には、冷媒が流れる複数の孔１１ａが設けられている。各孔１１ａは、扁平な形状をしている。そして、多孔扁平管１１の断面外形の幅が大きいほど、孔１１ａの幅も大きくなっている。さらに、多孔扁平管１１は、管厚みが一定となるよう形成されてもよい。
【００２４】
このように孔１１ａを形成することで、冷媒が流れる孔１１ａの伝熱面積を増加させるとともに、空気や水などの流体と冷媒との間の距離を縮めることができる。その結果、冷媒側の熱伝達率を向上させることができる。
【００２５】
なお、孔１１ａの断面形状は、図２に示すように四角形の４つの角に丸みを持たせたものでもよいし、四角形や、楕円形などでもよい。また、孔１１ａは、例えば、３ｍｍ以下の水力半径となるよう形成される。
【００２６】
ヘッダー１２ａ、１２ｂは、各多孔扁平管１１の端部に接続される。ヘッダー１２ａは、各多孔扁平管１１に冷媒を供給し、ヘッダー１２ｂは、各多孔扁平管１１を通過した冷媒を排出する。
【００２７】
フィン１３は、伝熱面を拡大することにより熱交換率を向上させるため、平板状に形成され、隣り合う多孔扁平管１１のそれぞれに接するように設けられる。このフィン１３には、隆起部１３ａが設けられる。例えば、フィン１３および隆起部１３ａは、金属などの熱伝導性の材料により形成される。
【００２８】
このような隆起部１３ａを設けることにより、空気側の熱伝達率を増加させ、熱交換性能を向上させることができる。また、伝熱管の壁面に沿った流れの剥離、および、気流の圧力損失の増大を効果的に抑制することができる。以下この点に関して詳細に説明する。
【００２９】
図２に示すように、この隆起部１３ａは、以下のような特徴を有する。
（１）多孔扁平管１１の長手方向に垂直な面で切断した隆起部１３ａの断面外形は線対称断面である。
（２）隆起部１３ａの線対称断面の対称軸１３ｂは、隣り合う多孔扁平管１１から等距離にある。
（３）対称軸１３ｂの上流側の先端は、対称軸１３ｂと垂直方向の隣り合う多孔扁平管１１の断面外形における最大幅の部分を結んだ線Ｌ１上にある。なお、この先端は、線Ｌ１より下流側に位置してもよい。
（４）対称軸１３ｂの下流側の先端は、隣り合う多孔扁平管１１の断面外形の下流側の先端を結んだ線Ｌ２上にある。なお、この先端は、線Ｌ２より下流側に位置してもよい。
（５）対称軸１３ｂと垂直方向の断面外形の幅は、流体流路の上流側から下流側に向けて徐々に大きくなる。
【００３０】
隆起部１３ａをこのような形状とすることにより、多孔扁平管１１の壁面に流体が押し付けられるので、多孔扁平管１１の壁面に沿った流れの剥離をさらに抑制することができる。また、熱交換器１０を小型化するため、隣り合う多孔扁平管１１の間隔を狭める場合でも、隆起部１３ａの幅を小さくすることにより、流体の圧力損失の増大を効果的に抑制できる。
【００３１】
さらに、この隆起部１３ａは、以下のような特徴を有することとしてもよい。
（６）隆起部１３ａの断面外形の表面は、その表面に対向する多孔扁平管１１の断面外形の表面と平行である。
【００３２】
隆起部１３ａをこのような形状とすることにより、流体の流路の断面積が変化しないため、多孔扁平管１１の壁面に沿った流れの剥離を抑制することができるとともに、流体の圧力損失の増大も効果的に抑制できる。
【００３３】
なお、熱交換器１０の製造には、材料として例えばアルミニウムが用いられ、各部は炉中ロウ付けにより一体成形される。これにより、軽量・小容積の熱交換器１０を低コストで製造することができる。
【００３４】
（実施の形態２）
上記実施の形態１では、熱交換器１０に平板状のフィン１３を用いることとしたが、フィン１３の形状はこれに限定されず、他の形状のフィン１３を用いることとしてもよい。実施の形態２では、他の形状のフィン１３を用いる場合について説明する。
【００３５】
図３は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０の構成の一例を示す模式図である。また、図４は、図３に示す熱交換器１０のＡ−Ａ’線断面図である。なお、図４では、簡略化のため、多孔扁平管１１の数を減らしている。
【００３６】
この熱交換器１０は、図１、２に示した熱交換器１０とフィン１３の形状が異なる。具体的には、図３、図４に示すフィン１３は、平板が波状に加工されたコルゲート型のフィンである。
【００３７】
この場合も、フィン１３には、図１、図２に示した熱交換器１０と同様の隆起部１３ａが設けられる。隆起部１３ａについては、実施の形態１において詳細に説明したので、ここでの説明は省略する。
【００３８】
なお、多孔扁平管１１の断面外形は、対称翼形状であるため、マクロ的に見るとほとんどの箇所で曲率を持っている。この場合、多孔扁平管１１にフィン１３をそのまま接合すると、接合される部分の面積が小さくなり、強度が小さくなってしまう。
【００３９】
また、多孔扁平管１１からフィン１３への熱移動も妨げられる。そこで、多孔扁平管１１は、フィン１３と接する接触部分１４が局所的に平面となるよう形成される。これにより、上記課題を解決することができる。
【００４０】
（実施の形態３）
上記実施の形態１、２では、すべての多孔扁平管１１に冷媒が一度に流れ込むようにヘッダー１２ａ、１２ｂが構成されていたが、ヘッダー１２ａ、１２ｂの構成はこれに限定されず、他の構成であってもよい。実施の形態３では、他の構成を有するヘッダー１２ａ、１２ｂを用いる場合について説明する。
【００４１】
図５は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０の他の構成の一例を示す模式図である。図５に示すヘッダー１２ａ、１２ｂには、冷媒を蓄える空間を仕切る仕切板１５が設けられている。また、仕切板１５により仕切られてできた空間に対応するヘッダー１２ａ、１２ｂの各部には、冷媒が流れる冷媒管１６ａ、１６ｂが設けられる。
【００４２】
図５の例では、矢印で示されるように、ヘッダー１２ａとヘッダー１２ｂとの間で冷媒が行き来する。そして、仕切板１５と冷媒管１６ａ、１６ｂの配置を変更することにより、熱交換器１０の冷媒流路を柔軟に構成することができる。
【００４３】
（実施の形態４）
上記実施の形態１〜３では、隆起部１３ａの断面外形の表面が、その表面に対向する多孔扁平管１１の断面外形の表面と平行であることとしたが、これに限定されず、それらの表面は必ずしも平行でなくてもよい。実施の形態４では、隆起部１３ａの断面外形の表面と、その表面に対向する多孔扁平管１１の断面外形の表面と平行でない場合について説明する。
【００４４】
図６は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器１０の一例を示す断面図である。この断面図は、図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した図２の断面図に対応するものである。図２に示す熱交換器１０との違いは、隆起部１３ａの断面外形である。
【００４５】
図６に示す隆起部１３ａでは、隆起部１３ａの断面外形の表面と、その表面に対向する多孔扁平管１１の断面外形の表面とは平行ではない。しかし、他の隆起部１３ａの特徴は、図２に示した隆起部１３ａの特徴と同様である。
【００４６】
すなわち、
（１）多孔扁平管１１の長手方向に垂直な面で切断した隆起部１３ａの断面外形は線対称断面である。
（２）隆起部１３ａの線対称断面の対称軸１３ｂは、隣り合う多孔扁平管１１から等距離にある。
（３）対称軸１３ｂの上流側の先端は、対称軸１３ｂと垂直方向の隣り合う多孔扁平管１１の断面外形における最大幅の部分を結んだ線Ｌ１上にある。なお、この先端は、線Ｌ１より下流側に位置してもよい。
（４）対称軸１３ｂの下流側の先端は、隣り合う多孔扁平管１１の断面外形の下流側の先端を結んだ線Ｌ２上にある。なお、この先端は、線Ｌ２より下流側に位置してもよい。
（５）対称軸１３ｂと垂直方向の断面外形の幅は、流体流路の上流側から下流側に向けて徐々に大きくなる。
【００４７】
隆起部１３ａをこのような形状とすることにより、多孔扁平管１１の壁面に流体が押し付けられるので、多孔扁平管１１の壁面に沿った流れの剥離をさらに抑制することができる。また、熱交換器１０を小型化するため、隣り合う多孔扁平管１１の間隔を狭める場合でも、隆起部１３ａの幅を小さくすることにより、流体の圧力損失の増大を効果的に抑制できる。
【００４８】
（実施の形態５）
上記実施の形態１〜４では、断面外形の幅が同一である多孔扁平管１１を並列に配置することとしたが、これに限定されず、断面外形の幅が広い多孔扁平管１１とその幅が狭い多孔扁平管１１とを交互に配置することとしてもよい。実施の形態５では、断面外形の幅が広い多孔扁平管１１とその幅が狭い多孔扁平管１１とを交互に配置する場合について説明する。
【００４９】
図７は、本発明の実施の形態５に係る熱交換器１０の一例を示す断面図である。この断面図は、図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した図２の断面図に対応するものである。
【００５０】
図２に示す熱交換器１０と異なり、図７に示す熱交換器１０では、２種類の多孔扁平管１１が用いられる。１つは、隆起部１３ａの対称軸１３ｂと垂直の方向における幅が広い多孔扁平管１１であり、もう１つは、その幅がより狭い多孔扁平管１１である。そして、２種類の多孔扁平管１１は、交互に配置される。
【００５１】
これは、熱交換器１０を室外熱交換器として使用した場合の低温性能を向上させるためである。外気温が低く、多孔扁平管１１の前縁に着霜が生じると、流体の流路が狭くなり、流体の流量や熱交換能力が低下する。その結果、さらに着霜が進行し、ついには流路が閉塞される可能性がある。
【００５２】
そのため、図７に示すように、幅が大きい多孔扁平管１１と幅が小さい多孔扁平管１１とを交互に配置する。これにより、流体の流路が閉塞されるまでの時間を延長することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る熱交換器は、冷凍・空調サイクル装置の熱交換器として用いるのに好適である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  熱交換器
１１  多孔扁平管
１１ａ  孔
１２ａ，１２ｂ  ヘッダー
１３  フィン
１３ａ  隆起部
１３ｂ  対称軸
１４  接触部分
１５  仕切板
１６ａ、１６ｂ  冷媒管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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