(57)【要約】【課題】  熱交換効率に優れ、圧力損失が小さい熱交換器を提供する。【解決手段】  本発明の熱交換器１００は、互いに間隔をおいて配置された１対のヘッダ１１と、両ヘッダ１１間にヘッダ１１の長さ方向に間隔をおいて配置され、かつ両端部が両ヘッダ１１に接続された複数の扁平伝熱管１２で構成され、前記扁平伝熱管１２内部を流れる第一流体と、前記扁平伝熱管外部を流れる第二流体で熱交換を行うとき、扁平伝熱管の平面部分表面に前記第二流体の流れに一致する方向を長手方向とするフィン状の切り起こしが設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定間隔を隔てて離間する１対のヘッダとの間に、複数の扁平伝熱管が平行に所定間隔で接続され、
前記扁平伝熱管内部を流れる第一流体と、前記扁平伝熱管外表面を流れる第二流体と熱交換する熱交換器であって、
前記扁平伝熱管の扁平部分表面に、前記第二流体の流れ方向を長手方向とする複数のフィン状の切り起こしを設けたことを特徴とする、
熱交換器。
【請求項２】
前記第二流体の流入方向から見た、熱交換器の射影面積に対する、前記第二流体の流路面積の割合である開口率εと、前記複数のフィン状切り起こしの間隔幅ｗは、
５９％≦ε≦６６％、かつ、０．５５ｍｍ≦ｗ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】
前記第一流体の流れ方向に、前記フィン状切り起こしの厚みｔと、前記第一流体と垂直で、かつ前記第二流体とも垂直な方向に前記フィン高さｈは、
０．１２ｍｍ≦ｔ≦０．１９ｍｍ、１．７ｍｍ≦ｈ≦２．６ｍｍであり、
前記フィンの切り起こし間隔ＦＰは、０．６ｍｍ≦ＦＰ≦０．８ｍｍである、
請求項２に熱交換器。
【請求項４】
前記第二流体の流れ方向に、前記フィン状切り起こしの長さであるLを、４ｍｍ≦L≦８ｍｍとした、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第一流体を液体、前記第二流体を気体として熱交換を行う、
請求項１から請求項３に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第一流体を二酸化炭素、前記第二流体を空気として熱交換を行う、
請求項１から請求項３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、第一流体と第二流体との間で熱交換を行うための熱交換器、特に、ヒートポンプ装置における蒸発器、凝縮器、ガスクーラーとして好適に用いられる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ式空調機、給湯機、床暖房装置等においては、２種類の流体（例えば、空気と冷媒、水と冷媒）の間で熱交換を行うための熱交換器が使用されている。そのような熱交換器のいくつかの例を簡単に説明する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、アルミフィンに銅管を挿し込み、伝熱管内側に冷媒、アルミフィン側に空気を流し、伝熱面積を増加させることによって、熱交換効率を高めた熱交換器が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、冷媒の通路を形成する配管を扁平伝熱管とし、波形状のアルミフィンを扁平伝熱管の外側にロウ付けした熱交換器が記載されている。この熱交換器によれば、扁平伝熱管を用いることにより、空気流れを滑らかにし、空気の圧力損失を抑え、さらにアルミフィンにより、伝熱面積を増加させることによって、熱交換効率を高めている。
【特許文献１】特開２００３−２６９８８１号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】特開２００６−２００８８１号公報（第１６頁、図１）
【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、上記特許文献１に記載された熱交換器の構成では、拡管工法によってフィンと伝熱管の接合を行っているため、アルミフィンと伝熱管の接触熱抵抗の低減には限界があった。さらに、フィン効率の増加を目的として、管と管の距離を近づけると、伝熱管に円管を用いているため、空気の流通抵抗が顕著に増大してしまうという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２に記載された熱交換器の構成では、扁平伝熱管と波形状アルミフィンとの接続は、高温炉中におけるロウ付けにより行われているが、ロウ付けにより接続された扁平伝熱管と波板状アルミフィンの間には熱抵抗が存在することが課題であった。
【０００７】
このように、様々なタイプの熱交換器が提案されているが、いずれも依然として改良の余地がある。本発明は、熱交換効率に優れ、より一層の小型化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】
【０００８】
本発明は、所定間隔を隔てて離間する１対のヘッダとの間に、複数の扁平伝熱管が平行に所定間隔で接続され、
前記扁平伝熱管内部を流れる第一流体と、前記扁平伝熱管外表面を流れる第二流体と熱交換する熱交換器であって、
前記扁平伝熱管の扁平部分表面に、前記第二流体の流れ方向を長手方向とする複数のフィン状の切り起こしを設けたことを特徴とする熱交換器を提供する。
【０００９】
これにより、切り起こされたフィンと扁平伝熱管の間には熱抵抗が存在せず、フィンの
温度が、第一流体の温度に近づくことよって、高効率な熱交換が可能となる。さらに、切り起こされたフィンのフィン効率を向上させるため、切り起こしの高さを小さくしていった場合にも、第二流体の流通流路の面積が広く保たれるため、第二流体の圧力損失が増加しにくい。さらに、ロウ付けの工程が不要なため、容易に製造が可能である。
【００１０】
望ましくは、前記第二流体の流入方向から見た、熱交換器の射影面積に対する、前記第二流体の流路面積の割合である開口率εと、前記複数のフィン状切り起こしの間隔幅ｗは、５９％≦ε≦６６％、かつ、０．５５ｍｍ≦ｗであることを特徴とする、熱交換器である。
【００１１】
これにより、第二流体側の熱伝達率を大きくとり、圧力損失を小さく抑えることができるため、熱交換効率は向上し、熱交換器を小型化できる。
【００１２】
本発明の熱交換器の別の望ましい形態は、前記第一流体の流れ方向に、前記フィン状切り起こしの厚みｔと、前記第一流体と垂直で、かつ前記第二流体とも垂直な方向に前記フィン高さｈは、０．１２ｍｍ≦ｔ≦０．１９ｍｍ、１．７ｍｍ≦ｈ≦２．６ｍｍであり、前記フィンの切り起こし間隔ＦＰは、０．６ｍｍ≦ＦＰ≦０．８ｍｍとしたものである。
【００１３】
これにより、切り起こされたフィンのフィン効率を飛躍的に大きくすることができ、熱交換効率が向上するとともに、第二流体側の圧力損失を小さく抑えることができる。
【００１４】
また、本発明の熱交換器の別の望ましい形態は、前記第二流体の流れ方向に、前記フィン状切り起こしの長さであるLを、４ｍｍ≦L≦８ｍｍとしたものである。
【００１５】
これにより、第二流体側の伝熱面積を大きくとり、十分な熱交換量を得ることができるとともに、第二流体側の圧力損失を小さく抑えることができる。
【００１６】
また、本発明の熱交換器の別の望ましい形態は、前記第一流体を液体、前記第二流体を気体として熱交換を行うものである。
【００１７】
これにより、第一流体と第二流体の圧力損失を抑え、第二流体側の熱伝達率が大きい条件で熱交換が可能となり、熱交換効率が向上し、熱交換器を小型化することができる。
【００１８】
また、本発明の熱交換器の別の望ましい形態は、前記第一流体を二酸化炭素、前記第二流体を空気として熱交換を行うものである。
【００１９】
これにより、第一流体の圧力損失を抑え、第二流体側の熱伝達率が最も大きい条件で熱交換が可能となり、熱交換効率が向上し、熱交換器を小型化することができる。
【００２０】
また、本発明の熱交換器の望ましい形態は、扁平伝熱管をアルミニウム製押し出し材、または引き抜き材としたものである。
【００２１】
これにより、比較的安価に熱交換器を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
上記本発明の熱交換器によれば、扁平伝熱管の表面に切り起こしを設けることにより、フィンと扁平伝熱管の間に熱抵抗が存在しないこと、第二流体の圧力損失を小さく抑えること、第二流体側熱伝達率を大きくとることにより、熱交換効率が向上する。したがって、本発明によれば、同程度の性能を有する熱交換器に比して、小型化が容易であり、同程度の大きさを有する熱交換器においては性能の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
本実施形態では、二酸化炭素等の冷媒（第一流体）と、空気（第二流体）との間で熱交換を行う熱交換器を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の熱交換器の全体平面図である。以後、上下左右は図１における上下左右を示し、前後は図１の紙面に対して垂直上側を前、垂直下側を後とする。図１に示すごとく、熱交換器１００は、互いに間隔をおいて平行に配置され、かつ上下方向に伸びる左右１対のアルミニウム製ヘッダ１１と両ヘッダ１１間に上下方向に間隔をおいて並列状に配置され、左側ヘッダ１１１の下端には冷媒入口配管１４１と、中間のヘッダ１１２と１１３に冷媒連絡管１４２と、右側ヘッダ１１４に冷媒出口配管１４３を備え、両端がそれぞれ両ヘッダ１１に接続された複数のアルミニウム製扁平伝熱管１２と、隣り合う扁平伝熱管間１２の通風間隙１３に扁平伝熱管１２上の平面部分に、前後方向を長手方向として切り起こされたフィン１２１を有する。
【００２６】
フィン１２１は例えば、以下のようにして形成する。まず、扁平伝熱管１２平面に対して傾斜させた所定の移動角度で削り起こし刃を移動させて平面を肉薄に削り起こすことにより、基端部残して所定角度に起立させて第１のフィンを形成する。次に、第１のフィンよりも後退させた位置から、削り起こし刃を上記移動角度、かつ第１のフィンを形成したときとほぼ同じ削り代寸法を移動させて第１のフィンを削り取った後の面を肉薄に削り起こすことにより、基端部残して所定角度に起立させた第２ の放熱フィンを形成する。以後も同様に、削り起こし刃を移動させる削り代寸法が同じになるようにして面を肉薄に削り起こす工程を複数回繰り返すことにより、複数枚の放熱フィンが起立形成される。これらの放熱フィンは、削り起こし刃による削り代寸法を同じに設定しているので、ほぼ等しい高さに形成される。
【００２７】
図２は、図１におけるフィン１２１を省略して示した図である。図２中の矢印は冷媒の流れを示している。冷媒は冷媒入口配管１４１から流入し、左側ヘッダ１１１を通り、扁平伝熱管１２へ分配、流入する。その後、冷媒は中間ヘッダ１１２で合流し、冷媒連絡管１４２を通過し、中間ヘッダ１１３により扁平伝熱管１２へ分配、流入する。さらには、冷媒は右側ヘッダ１１４で合流し、冷媒出口配管１４３より流出する。
【００２８】
また、空気は前方から流入し、通風間隙１３を通過し、後方へ流出する。これにより、流入空気と流入冷媒の間で熱交換を行う。
【００２９】
なお、図３のように、ヘッダには冷媒を仕切る仕切り板２５を有していてもよい。その場合、冷媒は左右のヘッダ間を複数回往復することになる。
【００３０】
このような構成とすることで、切り起こされたフィン１２１と扁平伝熱管１２の間には熱抵抗が存在せず、フィン１２１の温度が、第一流体の温度に近づく。これによって、フィン１２と空気との熱交換が容易となり、ひいては冷媒と空気の熱交換が容易となり、高効率な熱交換が可能となる。さらに、フィン１２１のフィン効率を向上させるために切り起こしの高さを小さくしていった場合にも、通風間隙１３、すなわち空気の流通流路面積が広く保たれるため、空気側圧力損失が増加しにくい。
【００３１】
また、従来の扁平伝熱管を用いた熱交換器は、アルミニウムフィンと扁平伝熱管をロウ付けにより接合していたため、工程が煩雑であったが、上記のような構成とすれば、ロウ付け工程が不要なため、容易に製造が可能である。
【００３２】
なお、本実施例においては扁平伝熱管１２はアルミニウム製押し出し材を使用しているが、熱伝導性が高く切り起こしが容易な、銅やSUSなどの材料であれば問題ない。
【００３３】
図４は、図１に示す扁平伝熱管１２、フィン１２１、通風間隙１３の拡大平面図である。また、図５、図６は図４部分の斜視図であり、フィン１２１は図６のように湾曲していてもよい。フィン１２１の生成過程では、図６のような湾曲が起こりやすい。
【００３４】
図７、図８はコンピュータシミュレーションによって得られた計算結果である。このシミュレーションに関しては、以下のような条件下で行った。すなわち、二酸化炭素冷媒の温度１５℃（一定）、空気流入温度２７℃、空気流入速度2.0m/sである。図７、図８は空気流入速度2.0m/sの場合であるが、シミュレーションは空気流入速度0.5m/s〜2.0m/sについて行っており、ほぼ同様の傾向となることがわかっている。さらに、図７、図８中の比較例とは、表面に切り起こし加工が設けられた複数の板状フィンを、円管である伝熱管が貫通するスリットフィンチューブ熱交換器であり、フィンピッチ0.83mm、空気の流れ方向のチューブ列ピッチ12.7mm、チューブ列数２列、空気の流れと垂直な方向のチューブ段ピッチ21.0mmのスリットフィンチューブ熱交換器の例である。
【００３５】
ここで、扁平伝熱管１２とフィン１２１の前方からの射影面積をＡf（ｍｍ２）、通風間隙１３の前方からの射影面積をＡa（ｍｍ２）とし、フィン１２１の最近接距離をｗ（ｍｍ）とする。さらに開口率ε＝Ａa／（Ａa＋Ａf）と定義する。
【００３６】
このとき、０．５９≦ε≦０．６６を満たし、かつ、０．５５ｍｍ≦ｗを満足している場合、熱交換器１００の熱交換効率が向上するとともに、空気の圧力損失は低く抑えられる。図７は横軸にε、縦軸に空気側平均熱伝達率、空気側圧力損失をとって示したものである。破線は比較例として、スリットフィンチューブ熱交換器の空気側熱伝達率と空気側圧力損失を示している。０．５９≦ε≦０．６６を満たすとき、空気側熱伝達率は比較例の熱交換器より大きく、空気側圧力損失が比較例の熱交換器より小さくなっている。また、ｗが極端に小さい場合、空気はフィン間を流れず、図４中Ａsで示した領域を主に流れてしまう。よって、効率的な熱交換を行うためのｗには下限値が存在し、０．５５ｍｍ≦ｗとすることにより、大きな熱交換効率が得られる。
【００３７】
開口率εを変化させたとき、空気側熱伝達率が最大値を持つのは、以下の理由による。
【００３８】
まず、空気側熱伝達率は
「空気側熱伝達率」＝「熱交換量」／[「伝熱面積」×「空気とフィン表面の温度差」]・・・（１式）
で表される。「熱交換量」は空気の流量によって上限が存在し、空気流量が大きいとき、この上限は大きくなる。さらに、「空気とフィン表面の温度差」は空気と冷媒の温度差によって下限値が存在し、冷媒流入温度と空気流入温度の差が小さいほど、この下限は小さくなる。すなわち、これら「熱交換量」と「空気とフィン表面の温度差」の上限と下限は熱交換器の使用条件によって決まり、変更が困難である。しかし、「伝熱面積」はεを変更することによって、大きな幅で変更することが可能である。また、「熱交換量」は、「伝熱面積」と正の相関関係があり、「伝熱面積」はεと負の相関関係がある。さらに、「熱交換量」と「空気とフィンの温度差」は負の相関関係がある。
【００３９】
これらのことから、εを変化させたとき（１）式において、次のことが言える。「伝熱面積」を増加させていく（εを減少させていく）とき、当初は「熱交換量」が増大し、「空気とフィン表面の温度差」が減少することによって、（１）式の分母と分子が増加（または分子は同等が減少）する。これにより、「空気側熱伝達率」が増加するが、やがて「
熱交換量」の上限値となり、かつ「空気とフィンの温度差」が下限値となる。これ以上「伝熱面積」を増加させる（εを低下させる）と、（１）式の分子のみが増加することになり、「空気側熱伝達率」が低下する。ゆえに、εについて、「空気側熱伝達率」には最大値が存在する。
【００４０】
さらに空気側圧力損失については、εの増加とともに指数関数的に減少するために、上記の空気側熱伝達率が飛躍的に大きく、かつ空気側圧力損失が小さいεの領域が存在することとなる。
【００４１】
また、図５は図４部分の斜視図であり、斜線部は図1の扁平伝熱管１２断面である。フィン１２１の左右方向厚みｔ（ｍｍ）、上下方向高さｈ（ｍｍ）、左右方向フィン間隔ＦＰ（ｍｍ）とすると、これらは次に示す範囲とするのが好ましい。すなわち、０．１２（ｍｍ）≦ｔ≦０．１９（ｍｍ）、１．７（ｍｍ）≦ｈ≦２．６（ｍｍ）である。
【００４２】
これにより、切り起こされたフィン１２１のフィン効率が飛躍的に大きくなり、かつ、空気側熱伝達率が最大値付近となり、熱交換効率が飛躍的に向上する。さらに、十分な通風間隙１３を確保しているため、空気側圧力損失も小さく抑えることができる。
【００４３】
また、フィン１２１の前後方向長さL（ｍｍ）は４（ｍｍ）≦Ｌ≦８（ｍｍ）とするのが好ましい。
【００４４】
これにより、空気側伝熱面積を大きくとり、十分な熱交換量を得ることができる。さらに、空気側流路を長く取りすぎないことにより、圧力損失を小さく抑えられる。図８は横軸にL、縦軸に熱交換量、空気側圧力損失をとって示したものである。破線は比較例として、スリットフィンチューブ熱交換器の熱交換量と空気側圧力損失を示している。４ｍｍ≦L≦８ｍｍを満たすとき、熱交換量は比較例の熱交換器より大きく、空気側圧力損失が比較例の熱交換器より小さくなっている。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明にかかる熱交換器は、優れた熱交換性能を有し、冷媒を用いたヒートポンプ式空調機の熱交換器として有用である。また、気体同士や液体同士の熱交換を行う熱交換器にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態の熱交換器の平面図
【図２】図１に示す熱交換器のフィンを省略した平面図
【図３】本発明の実施形態の別の熱交換器の平面図
【図４】図１に示す熱交換器の拡大平面図
【図５】図１に示す熱交換器の拡大斜視図
【図６】本発明の実施形態の別の熱交換器の拡大斜視図
【図７】開口率εと空気側熱伝達率、空気側圧力損失の関係図
【図８】フィン１２１の前後方向長さLと熱交換量の関係図
【符号の説明】
【００４７】
１００  熱交換器
１１  熱交換器ヘッダ
１２  扁平伝熱管
１２１  切り起こしフィン
１３  通風間隙
１４１  冷媒入口
１４２  冷媒出口
【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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【図８】
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