(57)【要約】【課題】フィンチューブ型熱交換器において風の供給方向と異なる筋模様の波形状を保ちながら排水性を良好にできるようにする。【解決手段】熱交換器は、Ｙ方向に沿って風が供給される熱交換器であって、Ｙ方向と直交するＸ方向に配列された伝熱フィン３と、伝熱フィン３を貫通する複数の伝熱管２を備えている。各伝熱フィン３は、Ｙ方向に対して傾斜する線状の山部３１および谷部３２を交互に繰り返す波形部３Ａと、谷部３２の両端部のうち下側に位置する方の端部同士を結ぶように延びる平坦部３Ｂと、平坦部３Ｂから斜めに立ち上がり、波形部３Ａに沿って山部３１の一方の端部に収束する変換部３Ｃと、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、
前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィンと、
前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、
前記伝熱フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する線状の山部および谷部を交互に繰り返す波形部と、前記谷部の両端部のうち下側に位置する方の端部同士を結ぶように延びる平坦部と、前記平坦部から斜めに立ち上がり、前記波形部に沿って前記山部の一方の端部に収束する変換部と、を含む、フィンチューブ型熱交換器。
【請求項２】
前記谷部の両端部のうち下側に位置する方の端部は、風下側の端部である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項３】
前記波形部には、前記谷部と同一レベルで前記伝熱管を取り巻くリング部が設けられており、前記波形部は、前記谷部が前記リング部の最下点または最下点近傍を通るように構成されている、請求項１または２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱フィンのそれぞれは、前記谷部の両端部のうち上側に位置する方の端部同士を結ぶように延びる第２の平坦部と、前記第２の平坦部から斜めに立ち上がり、前記波形部に沿って前記山部の他方の端部に収束する第２の変換部と、をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィンチューブ型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風が供給される方向と直交する方向に配列された伝熱フィンと、伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備えたフィンチューブ型熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、図５（ａ）および（ｂ）に示すようなフィンチューブ型熱交換器１００が開示されている。
【０００３】
この熱交換器１００では、各伝熱フィン１２０が風の供給方向Ａおよび伝熱フィン１２０の配列方向と直交する方向に延びる短冊状をなしており、伝熱管１１０がその方向に配列されている。また、各伝熱フィン１２０は、風の供給方向Ａに対して傾斜する線状の山部１２１および谷部１２２を交互に繰り返す波形状を有している。
【０００４】
このような傾斜波形状の伝熱フィン１２０では、垂直波形状の伝熱フィンに比べて、風の供給方向Ａに対する波形勾配が緩和されるため、通風抵抗を低減することができる。しかも、山部１２１の裏側に形成される溝および谷部１２２の表側に形成される溝内に当該溝が延びる方向に沿う旋回流が生じるため、旋回流による攪拌効果により熱伝達率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−３１０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような熱交換器１００が例えば空気調和装置の室外熱交換器として用いられる場合、暖房運転時の結露や除霜運転時の霜の溶解によって伝熱フィン１２０の表面上に水が堆積する。堆積した水は自重により山部１２１の裏側に形成される溝および谷部１２２の表側に形成される溝に沿って斜め下向きに流れ落ちるが、伝熱フィン１２０の縁は伝熱フィン１２０の配列方向に波打つ波形状になっているために、図５（ａ）に示すようにフィン縁において多くの水１３０が排出されずに保持される。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、フィンチューブ型熱交換器において風の供給方向と異なる筋模様の波形状を保ちながら排水性を良好にできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィンと、前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、を備え、前記伝熱フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する線状の山部および谷部を交互に繰り返す波形部と、前記谷部の両端部のうち下側に位置する方の端部同士を結ぶように延びる平坦部と、前記平坦部から斜めに立ち上がり、前記波形部に沿って前記山部の一方の端部に収束する変換部と、を含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、山部の裏側に形成される溝に沿って流れ落ちる水は変換部によって平坦部に導かれ、谷部の表側に形成される溝に沿って流れ落ちる水は直接的に平坦部に導かれる。そして、平坦部に導かれた水は、平坦部に沿って抵抗なくスムーズに流れ落ちる。これにより、伝熱フィンの表面上に堆積する水を良好に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器を示す概略斜視図
【図２】（ａ）は図１に示すフィンチューブ型熱交換器の部分的な側面断面図、（ｂ）は（ａ）のIIＢ−IIＢ線に沿った断面図
【図３】変形例のフィンチューブ型熱交換器の部分的な側面断面図
【図４】参照モデルのフィンチューブ型熱交換器を示す概略斜視図
【図５】（ａ）は従来のフィンチューブ型熱交換器の側面図、（ｂ）は（ａ）のVＢ−VＢ線に沿った断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００１２】
図１に、本発明の一実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１を示す。この熱交換器１は、内部流路を流れる媒体と当該熱交換器１を通過する空気との間で熱交換を行うものである。内部流路を流れる媒体の具体例は、例えば二酸化炭素やＨＦＣなどの冷媒である。熱交換器１には図１中に矢印Ａで示すように第１方向に沿って風が供給される。
【００１３】
具体的に、熱交換器１は、前記第１方向と直交する第２方向に配列された伝熱フィン３と、伝熱フィン３を貫通する複数の伝熱管２とを備えている。なお、以下では、説明の便宜のために、第１方向をＹ方向、第２方向をＸ方向、第１方向および第２方向と直交する第３方向をＺ方向という。本実施形態では、Ｘ方向およびＹ方向が水平方向であり、Ｚ方向が鉛直方向であるが、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器１の設置場所等に応じて適宜選定可能である。
【００１４】
伝熱フィン３は、所定の間隔でＸ方向に互いに平行に並んでおり、それらの間に空気用の外部流路を形成する。各伝熱フィン３は、Ｚ方向に延びる短冊状をなしている。
【００１５】
伝熱管２は、上記内部流路を構成するものであり、Ｚ方向に一定のピッチで配列されている。伝熱管２は、隣り合うもの同士がＵ字管２１によって連結されることにより、蛇行しながらＺ方向に延び、伝熱フィン３を複数回横切る１本の内部流路を形成する。最も下方および上方に位置する伝熱管２は延長されており、外部との接続口を構成している。ただし、伝熱管２は必ずしも互いに連結されている必要はなく、個々に内部流路を構成していてもよい。
【００１６】
伝熱管２は、Ｙ方向において、伝熱フィン３の中央から風上側または風下側にずれた位置に配置されていてもよい。ただし、フィン効率を向上させるという観点からは、伝熱管２がＹ方向において伝熱フィン３の中央を貫通していることが好ましい。なお、伝熱管２は、伝熱フィン３に設けられたカラー３７（図２（ａ）および（ｂ）参照）内に挿入されている。
【００１７】
次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照して、各伝熱フィン３の形状について詳細に説明する。
【００１８】
伝熱フィン３は、伝熱管２に貫通される波形部３Ａと、Ｙ方向において波形部３Ａの両側に位置する第１平坦部３Ｂ（本発明の平坦部に相当）および第２平坦部３Ｄ（本発明の第２の平坦部に相当）を含む。伝熱フィン３には、例えば肉厚が０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の薄板を好適に用いることができる。特に、フィン効率を向上させるという観点からは、肉厚が０．０８ｍｍ以上の薄板を用いることが好ましい。また、伝熱フィン３の表面には、ベーマイト処理または親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。
【００１９】
波形部３Ａは、Ｙ方向に対して傾斜する線状の山部３１および谷部３２を交互に繰り返す波形状を有している。本実施形態では、山部３１および谷部３２の傾斜方向が、Ｙ方向の風上側から風下側に向かって先下がりとなっている。なお、山部３１と谷部３２の間にある腹部は、尖った山部３１および谷部３２が形成されるようにフラットになっていてもよいし、丸みを帯びた山部３１および谷部３２が形成されるように全体的にまたは両端部のみが湾曲していてもよい。
【００２０】
波形部３Ａの波長λおよび振幅γ、ならびにＹ方向に対する山部３１および谷部３２の傾斜角度θ１は、所望の伝熱性能が得られるように適宜決定され得る。本実施形態では、谷部３２が伝熱管２の中心を通るような波形状が採用されている。
【００２１】
波形部３Ａには、谷部３２と同一レベルで伝熱管２を取り巻くフラットなリング部３６が設けられている。リング部３６の外周縁からはテーパー状の周壁３５が山部３１まで立ち上がっており、リング部３６の内周縁からは筒状のカラー３７が立ち上がっている。
【００２２】
第１平坦部３Ｂおよび第２平坦部３Ｄは、Ｘ方向に扁平でＺ方向に長い長方形板状をなしている。風下側に位置する第１平坦部３Ｂは、谷部３２の両端部のうち下側に位置する方の端部同士を結ぶように延びており、風上側に位置する第２平坦部３Ｄは、谷部３２の両端部のうち上側に位置する方の端部同士を結ぶように延びている。
【００２３】
第１平坦部３Ｂおよび第２平坦部３Ｄの幅ｔは、特に限定されるものではないが、例えば４．０ｍｍ以下である。
【００２４】
第１平坦部３Ｂと波形部３Ａの間には、それらの間に形成される三角形の隙間を塞ぐように第１変換部（本発明の変換部に相当）３Ｃが設けられている。同様に、第２平坦部３Ｄと波形部３Ａの間には、それらの間に形成される三角形の隙間を塞ぐように第２変換部（本発明の第２の変換部に相当）３Ｅが設けられている。
【００２５】
波形部３Ａの山部３１は谷部３２よりも短く、山部３１の両端部がＹ方向において谷部３２の両端部よりも内側に配置されている。第１変換部３Ｃは、第１平坦部３Ｂから斜めに立ち上がり、波形部３Ａに沿って山部３１の下側の端部に収束しており、第２変換部３Ｅは、第２平坦部３Ｄから斜めに立ち上がり、波形部３Ａに沿って山部３１の上側の端部に収束している。換言すれば、第１変換部３Ｃおよび第２変換部３Ｅは、平坦部３Ｂ，３Ｄの内側の辺を底辺とする三角形板状をなしている。
【００２６】
第１変換部３Ｃおよび第２変換部３Ｅの平坦部３Ｂ，３Ｄに対する仰角θ２は、例えば５度以上８０度以下である。ただし、仰角θ２が大きくなりすぎると、伝熱フィン３の形成時に山部３１または谷部３２でヒビ割れが生じるおそれがあるため、仰角θ２は６０度以下であることが好ましい。
【００２７】
以上説明した本実施形態の熱交換器１では、山部３１の裏側に形成される溝に沿って流れ落ちる水は第１変換部３Ｃによって第１平坦部３Ｂに導かれ、谷部３２の表側に形成される溝に沿って流れ落ちる水は直接的に第１平坦部３Ｂに導かれる。そして、第１平坦部３Ｂに導かれた水は、第１平坦部３Ｂに沿って抵抗なくスムーズに流れ落ちる。これにより、伝熱フィン３の表面上に堆積する水を良好に排出することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、波形部３Ａを挟んで第１変換部３Ｃと反対側に第２変換部３Ｅが設けられているため、伝熱フィン３間に流入する空気を第２変換部３Ｅによってガイドすることができる。これにより、通風抵抗を小さく抑えることができる。また、伝熱フィン３間に流入した空気が第２変換部３Ｅに衝突することと第２変換部３Ｅによってガイドされた空気が隣接する伝熱フィン３に衝突することにより、伝熱性能をも向上させることができる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、波形部３Ａを挟んで第１平坦部３Ｂと反対側に第２平坦部３Ｄが設けられているため、伝熱フィン３を高い歩留まりで製造することができる。
【００３０】
図５（ａ）および（ｂ）に示すような従来の伝熱フィン１２０を大量生産するには、大きな金属原板をプレス成型することにより複数の短冊状の伝熱フィン１２０が幅方向に連なった連続波板を成形し、その後に連続波板を各伝熱フィン１２０のフィン縁に沿って切断することが考えられる。しかしながら、連続波板を厚さ方向の両側から切断刃で挟み込む切断機を用いて連続波板の切断を行った場合には、伝熱フィン１２０の山部１２１および谷部１２２に切断刃が直交しないために、フィン縁上の山部１２１および谷部１２２付近でよじれが生じる。その結果、不良品が発生し、歩留まりが低下する。
【００３１】
これに対し、本実施形態では、波形部３Ａの両側に平坦部３Ｂ，３Ｄが設けられているので、複数の伝熱フィン３が連なった連続波板を切断機を用いて切断する際に、山部３１および谷部３２が存しない第１平坦部３Ｂと第２平坦部３Ｄの境界上に切断刃を配置することができる。従って、伝熱フィン３を良好な形状を保ったままで切り離すことができる。これにより、不良品発生によるコスト増加を大幅に軽減することが期待できる。なお、連続波板を切断する際の切断刃の位置ずれを考慮すると、第１平坦部３Ｂおよび第２平坦部３Ｄの幅ｔは０．２５ｍｍ以上が好ましい。
【００３２】
＜変形例＞
なお、第２平坦部３Ｄおよび第２変換部３Ｅは必ずしも必要ではなく、伝熱フィン３の第１平坦部３Ｂおよび第１変換部３Ｃと反対側の縁は、山部３１および谷部３２の端部が露出した、伝熱フィン３の配列方向に波打つ波形状になっていてもよい。
【００３３】
さらに、第１平坦部３Ｂおよび第１変換部３Ｃは必ずしも風下側に配置されている必要はなく、山部３１および谷部３２の傾斜方向がＹ方向の風上側から風下側に向かって先上がりとなっていて、第１平坦部３Ｂおよび第１変換部３Ｃが風上側に配置されていてもよい。ただし、この場合には、伝熱フィン３の表面上を水が流れる向きと風の供給方向とが逆向きになるため、排水性の観点からは、前記実施形態のように、第１平坦部３Ｂおよび第１変換部３Ｃが風下側に配置されていることが好ましい。
【００３４】
また、前記実施形態では、波形部３Ａが、谷部３２が伝熱管２の中心を通るように構成されている。しかし、波形部３Ａは、図３に示すように、谷部３２がリング部３６の最下点または最下点近傍を通るように構成されていてもよい。このような構成であれば、リング部３６上に堆積する水が谷部３２の表側に形成される溝内に直ちに流れ込むため、排水性をさらに向上させることができる。なお、最下点近傍とは、伝熱管２の中心に対して最下点から±３０度以内の範囲をいう。
【００３５】
＜シミュレーション＞
以下に、熱交換器の伝熱性能に対する平坦部および変換部の影響を確認するために行ったシミュレーションを説明する。
【００３６】
シミュレーションでは、フィンチューブ型熱交換器を空気調和装置（４ｋＷ）の蒸発器として用い、暖房運転を行った場合の熱交換器全体での熱交換量および空気圧力損失を算出した。解析条件としては、熱交換器に供給される空気の温度を７．０℃、密度を１．２４４ｋｇ／ｍ3、風速を１．０ｍ／ｓとした。また、熱交換器の内部流路を流れる冷媒をＲ４１０Ａとし、その温度を０．０℃、熱伝達率を３２００Ｗ／ｍ2・Ｋとした。
【００３７】
まず、図２（ａ）および（ｂ）に示すような構成の実施形態モデルを作成した。
【００３８】
伝熱フィン３の寸法としては、厚さを０．０９ｍｍ、Ｙ方向の幅を１８．９０ｍｍとし、伝熱管２をＹ方向において伝熱フィン２の中央に配置した。波形部３Ａについては、波形状の振幅γを１．３３ｍｍ、山部３１および谷部３２の傾斜角度θ１を１７．９度とした。伝熱管２については、内径を６．４ｍｍ、外径を７．０ｍｍ、Ｚ方向のピッチを１８．３２ｍｍとした。また、第１平坦部３Ｂおよび第２平坦部３Ｄの幅ｔを０．３５ｍｍ、第１変換部３Ｃおよび第２変換部３Ｅの仰角θ２を４５．９度とした。
【００３９】
次に、実施形態モデルの平坦部および変換部をなくした代わりに波形部を延長した、図４に示すような参照モデルを作成した。
【００４０】
シミュレーションの結果、空気圧力損失に関しては、参照モデルに対する実施形態モデルの増加割合が僅かに１．９％であり、実施形態モデルでは参照モデルと同等に通風抵抗が低かった。また、熱交換量に関しては、参照モデルに対する実施形態モデルの増加割合が０．４％であった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のフィンチューブ型熱交換器は、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられるヒートポンプに有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１    熱交換器
２    伝熱管
３    伝熱フィン
３Ａ  波形部
３Ｂ  第１平坦部
３Ｃ  第１変換部
３Ｄ  第２平坦部
３Ｅ  第２変換部
３１  山部
３２  谷部
【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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