(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外界流体にさらされて内部を流れる冷媒を相変化させることにより前記外界流体と前記冷媒との間で熱交換を行い、前記外界流体が当たる側面からの前記外界流体の抵抗を低減するように断面の外形が楕円形となっており、管内面に前記冷媒を案内する複数の冷媒案内部を有した熱交換器用伝熱管において、
前記外形の屈曲率が大きい部分の内面は平坦となっており、
前記断面の内面形状は長方形であることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
【請求項２】
前記熱交換器用伝熱管の表面にフィンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用伝熱管を用いた熱交換器。
【請求項３】
前記フィンは、前記熱交換器用伝熱管と同じ材質であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記フィンにスリットが設けられたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記伝熱管が複数列整列され、前記整列された方向に沿って見たときに前記伝熱管の縁部が重なっている熱交換器において、熱交換器端面において前記整列された方向に隣接した前記伝熱管同士を直列につなぎ合わせる接続管が中間部で前記伝熱管断面の長径より小さな直径の円形断面を有していることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒が前記外界流体に熱を与えて凝縮する凝縮器と、前記凝縮した冷媒が断熱膨張する絞りと、前記断熱膨張した冷媒が前記外界流体の熱を奪って蒸発する蒸発器と、前記外界流体を前記凝縮器及び前記蒸発器に送り込む送流機とを備えた冷凍空調装置において、
前記凝縮器及び前記蒸発器は少なくとも一方が請求項２乃至請求項５の何れかに記載の熱交換器であることを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項７】
前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方が前記送流機の周りに配置され、前記送流機が周囲の前記外界流体を吸い込むことにより前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方に前記外界流体を送り込むことを特徴とする請求項６に記載の冷凍空調装置。
【請求項８】
前記外界流体の流れ方向に対して上流側に蒸発器を配置し、下流側に凝縮器を配置したことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の冷凍空調装置。
【請求項９】
請求項１に記載の熱交換器用伝熱管の作製方法であって、表面に凹凸を有したロールを用いて平板を圧延する工程と、前記ロールにより圧延され凹凸面が形成された平板の凹凸面を内側にして前記圧延された平板の両側を合わせて断面楕円の管状に形成する工程と、前記平板の合わせ部分を接合して断面楕円形状の伝熱管を形成する工程とを備えたことを特徴とする熱交換器用伝熱管の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷凍空調装置等に用いられる熱交換器及びその熱交換器用伝熱管ならびにその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、冷凍空調装置等に用いられる熱交換器は内部に冷媒が流れる熱交換器用伝熱管（以下、伝熱管という）に空気等の外界流体が接触することにより、冷媒と外界流体である空気との熱交換を行っている。すなわち、空気が伝熱管表面に接触すると、その伝熱管の内部を流れる冷媒は空気から熱を蒸発熱として受け取り蒸発し、あるいは空気に凝縮熱として熱を与えて凝縮をして、空気と冷媒との間で熱のやり取りをする。従って、冷媒の相変化が行われている部分では液体及び気体の冷媒が混在し、液体及び気体の二相状態となっている。このような熱交換部分では表面に複数のフィンが設けられた構成となっており、このフィンで伝熱管の表面積を大きくすることにより伝熱管内部を流れる冷媒と空気等の外界流体との熱交換量を増加させている。また、伝熱管表面に接触する空気の量をできるだけ多くするために、熱交換器は空気の流れの妨げとならないような構成となっている。
【０００３】
空気の流れの中に物体を挿入すると、この物体により空気の乱れが生じ、空気流れ方向の下流側に圧力の低下による空気の渦が発生する。この渦発生領域（死水域）では空気が滞留するため、死水域に面している物体表面の熱伝達率は物体のそれ以外の表面の熱伝達率より極端に小さくなっている。従って、死水域をできるだけ小さくなるように伝熱管が構成されるべきである。
【０００４】
このように空気と伝熱管内を流れる冷媒との熱交換量を増加させるために、例えば、特開平１１−９４４８１号公報のような熱交換器用伝熱管が開示されている。図１４はこの公報に開示された熱交換器用伝熱管と同様の構成である伝熱管断面図である。この伝熱管１は断面が楕円形状となっており、側面からの空気による流圧抵抗を低減して空気が伝熱管１の表面をスムーズに流れるように工夫されている。また、この伝熱管１の内面には冷媒が流れる方向に複数の冷媒案内部であるレール２が平行に設けられており、このレール２は冷媒が伝熱管１の内面に接触する面積を増加させるとともに冷凍サイクル内のオイルや液体状態の冷媒等を伝熱管内に滞留させることなく、冷媒の圧力損失を低く抑えるような働きをしている。さらに、この伝熱管１は図１４に示した断面で押し出し成形することにより作製することが開示されている。
【０００５】
図１５は伝熱管の空気流れ方向（矢印７方向）下流側に発生する死水域を示す図で、図１５（ａ）は断面が楕円形である伝熱管の死水域を示す図、図１５（ｂ）は断面が円形である伝熱管の死水域を示す図である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）から分かるように伝熱管の断面を楕円形として空気の流れをできるだけ妨げないようにすることにより、断面が円形である伝熱管の空気流れ下流側に発生する死水域３ｂに比べて断面楕円の伝熱管の空気流れ下流側に発生する死水域３ａの発生領域を著しく小さくすることができ、これに伴って死水域３ａに面している伝熱管表面４を死水域３ｂに面している伝熱管表面５に比べて小さくすることができる。従って、伝熱管の断面を楕円形にすることは、空気を楕円の長径方向に流すことにより、発生する死水域を円形断面伝熱管に発生する死水域より小さく抑え、死水域に面する伝熱管表面の面積も小さくするので、この死水域の縮小による伝熱管全体としての熱伝達率向上の効果もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の熱交換器用伝熱管では、断面形状が楕円である伝熱管１に上述のように液体及び気体が混在した二相状態の冷媒が流れているので、液体の冷媒は表面張力の影響で屈曲率の大きい部分に集中して流れる。即ち、図１６に示すように、伝熱管１内の両サイド１ａ、１ｂを集中して液体冷媒が流れる。従って、冷媒の伝熱管１の内面からの厚みは楕円断面の両サイド１ａ、１ｂの部分で極端に大きくなる。通常、伝熱管１は空気の流れを妨げないように長径をその流れ方向（矢印７方向）に沿って配置され、空気は伝熱管１の屈曲率が大きな部分であるサイド１ａ（前縁部）に当たり、伝熱管１の表面に沿って流れて下流側に流れていく。このとき、伝熱管１の空気の流れ方向（矢印７方向）に対して下流側には伝熱管１の存在によって死水域３ａが図１５（ａ）に示すように発生し、この死水域３ａに面している伝熱管１の表面は液体冷媒が集中して流れる片方のサイド１ｂ（後縁部）にほぼ一致している。
【０００７】
ここで、図１７は液体冷媒の伝熱管内面からの厚さ（液膜厚さ）と空気及び冷媒間の熱伝達率の関係を示すグラフである。図１７からも分かるように、液膜厚さが小さいほど冷媒と空気との間の熱伝達率は大きくなる。従って、流れる空気が当たって空気の送り込みが常に行われているサイド１ａ及び空気が滞留する死水域に面しているサイド１ｂに液体冷媒が集中して流れるので、この両サイド１ａ、１ｂでの空気及び冷媒間の熱伝達率は極端に小さくなる。特に、サイド１ａ（前縁部）においては熱交換可能な空気が常に送り込まれているので、熱伝達率が大きければ冷媒との間で交換することができたはずの熱を冷媒液膜厚さが大きいために交換できないという問題点があった。
【０００８】
また、通常、楕円断面の伝熱管１はスペースを有効利用し空気の流れ抵抗を小さくするために長径が水平になるように設けられるので、鉛直下向きに常に重力がかかっており、この重力の影響により液体冷媒は伝熱管内面で鉛直下方向（底面）に集中する。従って、実際に伝熱管１が熱交換器に取り付けられて使用されている状態では、図１８に示すように、矢印６方向に重力がかかっている状態で、表面張力と重力との影響により楕円断面内の両サイド１ａ、１ｂ及び底面に液体冷媒が集中する。このように液体冷媒が両サイド１ａ、１ｂ及び底面に集中すると伝熱管内面で鉛直上方向（上面）に液体冷媒の液膜ができなくなる。冷媒が凝縮することにより冷媒から空気に熱を与える状態、即ち、凝縮器として使用されているときは伝熱管内の上面が乾いているので、この部分で気体（蒸気）冷媒が凝縮され盛んに相変化が起こることにより熱伝達率は向上する。しかしながら、冷媒が蒸発することにより冷媒が空気から熱を取り入れる状態、即ち、蒸発器として使用されているときは伝熱管内の上面が乾いているので、この部分では蒸発すべき液体冷媒が存在しないため全く蒸発による熱交換が行われず、熱交換に寄与しないという問題点もあった。
【０００９】
さらに、内面にレール２を有し断面が楕円形状である伝熱管１は引き抜き加工で作製されるので、レール２は冷媒の流れ方向にしか形成することができず、レール２によって冷媒を案内する方向が制限され、例えば、レール２によって伝熱管の熱伝達率を向上させるための自由な設計ができなくなる等の制約を受けるという問題点もあった。
【００１０】
そこでこの発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするもので、熱交換可能な空気が常に送り込まれている伝熱管の内面での冷媒液膜厚さを小さくし、また重力の影響では液体冷媒が底面に溜まらないようにして熱伝達率の大きい伝熱管及びこのような伝熱管を作製する方法、さらにこのような伝熱管を用いた熱交換器を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱交換器用伝熱管は、外界流体にさらされて内部を流れる冷媒を相変化させることにより前記外部流体と前記冷媒との間で熱交換を行い、前記外界流体が当たる側面からの前記外界流体の抵抗を低減するように断面の外形が楕円形となっており、管内面に前記冷媒を案内する複数の冷媒案内部を有した熱交換器用伝熱管において、前記外形の屈曲率が大きい部分の内面は平坦となっており、前記断面の内面形状は長方形である。
【００２０】
この発明に係る熱交換器用伝熱管を用いた熱交換器は、前記熱交換器用伝熱管の表面にフィンが設けられているものである。
【００２１】
また、前記フィンは、前記熱交換器用伝熱管と同じ材質であるものである。
【００２２】
また、前記フィンにスリットが設けられたものである。
【００２３】
また、前記伝熱管が複数列整列され、前記整列された方向に沿って見たときに前記伝熱管の縁部が重なっている熱交換器において、熱交換器側面において前記整列された方向に隣接した前記伝熱管同士を直列につなぎ合わせる接続管が中間部で前記伝熱管断面の長径より小さな直径の円形断面を有しているものである。
【００２４】
また、この発明に係る冷凍空調装置は、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒が前記外界流体に熱を与えて凝縮する凝縮器と、前記凝縮した冷媒が断熱膨張する絞りと、前記断熱膨張した冷媒が前記外界流体の熱を奪って蒸発する蒸発器と、前記外界流体を前記凝縮器及び前記蒸発器に送り込む送流機とを備えた冷凍空調装置において、前記凝縮器及び前記蒸発器は少なくとも一方がこの発明に係る熱交換器である。
【００２５】
また、前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方が前記送流機の周りに配置され、前記送流機が周囲の前記外界流体を吸い込むことにより前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方に前記外界流体を送り込むものである。
【００２６】
また、前記外界流体の流れ方向に対して上流側に蒸発器を配置し、下流側に凝縮器を配置したものである。
【００２７】
この発明に係る熱交換器用伝熱管の作製方法は、表面に凹凸を有したロールを用いて平板を圧延する工程と、前記ロールにより圧延され凹凸面が形成された平板の凹凸面を内側にして前記圧延された平板の両側を合わせて断面楕円の管状に形成する工程と、前記平板の合わせ部分を接合して断面楕円形状の伝熱管を形成する工程とを備えたものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図１（ａ）はこの伝熱管の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線からの展開図、図１（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。図１（ａ）において、熱交換器用伝熱管は、側面からの空気等の流圧抵抗を低減するために断面形状が楕円形となっている伝熱管１０であり、この伝熱管１０は内面に冷媒を案内する複数の冷媒案内部であるレール１１を有している。このレール１１は図１（ｂ）に示すように、冷媒が流れる方向１４に対して一定の方向に傾斜している。また、伝熱管１０はレール１１の傾斜により案内される冷媒が流れ込むように設けられた集流通路１２を有している。この集流通路１２はレール１１が設けられていない部分であり、冷媒の流れ方向１４に通路状となって構成されている。集流通路１２は楕円断面の両サイドの屈曲率が大きなサイド１０ａ及び１０ｂのうちサイド１０ｂにのみ設けられている。
【００２９】
このような熱交換器用伝熱管は、図１（ａ）に示すように、矢印１５の方向に流れる空気中に楕円断面の長径が空気流れ方向となるように配置され、しかも集流通路１２を設けたサイド１０ｂが空気の流れの下流側になるように配置される。
【００３０】
このように構成された熱交換器用伝熱管は、レール１１が楕円断面の空気流れの下流側、即ちサイド１０ｂに設けられた集流通路１２に液体冷媒を案内するように冷媒の流れ方向１４に対して傾斜をなしているので、液体冷媒は矢印１３の方向に流れて集流通路１２に流れ込み、図１（ｃ）に示すように集流通路１２における冷媒液膜厚さが極端に大きくなると同時に伝熱管１０に流れる空気が直接当たる部分の内面であるサイド１０ａ（前縁部）の冷媒液膜厚さが小さくなる。従って、熱交換可能な空気が常に送り込まれているサイド１０ａでの空気と冷媒間の熱伝達率が向上し、熱交換量を増加することができる。一方、集流通路１２が設けられたサイド１０ｂ側には空気が滞留する死水域が発生しているため熱伝達率は小さく、この部分での冷媒液膜厚さを小さくしたとしても大きな熱伝達率の向上は期待できない。よって、サイド１０ａでの空気−冷媒間の熱伝達率が直接伝熱管１０全体の熱伝達率に影響し、伝熱管１０全体の熱伝達率としては向上する。
【００３１】
また、サイド１０ｂに集流通路１２が設けられているので、図１（ｂ）における矢印１４方向（即ち、冷媒流れ方向）に液体冷媒は流れ、液体冷媒の滞留を回避することができ、この滞留により伝熱管１０内の冷媒圧力損失が増加することを防止している。
【００３２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図２（ａ）はこの伝熱管の断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線からの展開図、図２（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。図２（ａ）において、熱交換器用伝熱管は、側面からの空気等の流圧抵抗を低減するために断面形状がサイド２０ａ及び２０ｂ（屈曲率の大きな部分）を有する楕円形となっている伝熱管２０であり、この伝熱管２０は内面に冷媒を案内する複数の冷媒案内部であるレール２１を有している。また、この伝熱管２０は図２（ｂ）に示すように、レール２１に案内される冷媒が流れ込む集流通路２２及び２３を有し、後縁集流通路２３は中間集流通路２２より幅が広く、楕円断面のサイド２０ｂに冷媒流れ方向（矢印１４方向）に設けられている。中間集流通路２２はサイド２０ａ及びサイド２０ｂの間の伝熱管２０内面に対面するように集流通路２３と平行に２本設けられている。これら集流通路２２、２３はレール２１が設けられていない部分が冷媒の流れ方向（矢印１４方向）に連続して構成されたものである。レール２１は中間集流通路２２と後縁集流通路２３との間で液体冷媒が分流するように傾斜しており、このレール２１は中間集流通路２２及び後縁集流通路２３のそれぞれに流れても支障を来さないような液体冷媒量を供給するようになっている。
【００３３】
このように構成された伝熱管２０は、図２（ａ）に示すように、空気が流れる方向（矢印１５方向）に楕円断面の長径を沿わせるように空気中に配置され、後縁集流通路２３が設けられているサイド２０ｂが空気流れ方向の下流側となるように配置される。このような状態で冷媒を流すと、液体冷媒は図２（ｂ）に示すように、レール２１の傾斜に沿って矢印２４方向に流れ、中間集流通路２２及び後縁集流通路２３に分流される。その結果、図２（ｃ）に示すように、冷媒液膜厚さは楕円断面のサイド２０ｂに設けられた後縁集流通路２３及び互いに対面する中間集流通路２２で大きくなり、その他の伝熱管２０内面では薄い冷媒液膜が残る。従って、実施の形態１と同様な効果を奏し、熱交換可能な空気が常に送り込まれているサイド２０ａ（前縁部）での空気と冷媒間の熱伝達率が向上し、熱交換量を増加することができる。
【００３４】
また、中間集流通路２２は後縁集流通路２３よりサイド２０ａ（前縁部）に近い距離に設けられているので、サイド２０ａでの冷媒液膜厚さを効果的に小さくすることができる。
【００３５】
なお、中間集流通路２２伝熱管２０内面のサイド２０ａとサイド２０ｂとの間であればサイド２０ａでの冷媒液膜厚さを小さくすることができるので、互いに対面する必要はない。
【００３６】
また、中間集流通路２２は後縁集流通路２３より幅を小さくする必要はないが、集流通路２２が設けられている部分は集流通路２３が設けられている部分より接触する空気の流れが速いので熱交換可能な空気の供給量が多く、この熱交換可能量が比較的多い部分で少しでも熱伝達率を向上させるために中間集流通路２２の幅は後縁集流通路２３の幅より小さくして、中間集流通路２２の周りでも薄い冷媒液膜を形成する部分を広げたほうが望ましい。
【００３７】
また、集流通路２２はサイド２０ａ（前縁部）の冷媒液膜厚さをより効果的に小さくするためにサイド２０ａに近い部分に設けるほうが望ましい。
【００３８】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図３（ａ）はこの伝熱管の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線からの展開図、図３（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。図３（ａ）において、熱交換器用伝熱管は、側面からの空気等の流圧抵抗を低減するために断面形状がサイド３０ａ及び３０ｂ（屈曲率の大きな部分）を有する楕円形となっている伝熱管３０であり、この伝熱管３０は内面に冷媒を案内する複数の冷媒案内部であるレール３１を有している。また、この伝熱管３０は図３（ｂ）に示すように、レール３１に案内される冷媒が流れ込む中間集流通路３２及び後縁集流通路３３を有し、後縁集流通路３３は中間集流通路３２より幅が広く、楕円断面のサイド３０ｂに冷媒流れ方向（矢印１４方向）に設けられている。集流通路３２はサイド３０ａ及びサイド３０ｂの間の伝熱管３０内面に互いに対面するように集流通路３３と平行に２本設けられている。これら集流通路３２、３３はレール３１が設けられていない部分が冷媒の流れ方向（矢印１４方向）に連続して構成され通路状となっている。レール３１は冷媒流れ方向（矢印１４方向）に対して螺旋状に傾斜させて伝熱管３０内面に設けられており、液体冷媒を螺旋移動させながら冷媒流れ方向（矢印１４方向）に導くようになっている。
【００３９】
このように構成された伝熱管３０は、図３（ａ）に示すように、空気が流れる方向（矢印１５方向）に楕円断面の長径を沿わせるように空気中に配置され、後縁集流通路３３が設けられているサイド３０ｂが空気流れ方向の下流側となるように配置される。このような状態で冷媒を流すと、液体冷媒は図３（ｂ）に示すように、レール３１の傾斜に沿って螺旋移動をしながら矢印３４方向に流れ、途中で集流通路３２及び３３に流れ込む。その結果、図３（ｃ）に示すように、冷媒液膜厚さは楕円断面のサイド３０ｂに設けられた後縁集流通路３３及び互いに対面する中間集流通路３２で大きくなり、その他の伝熱管２０内面では薄い冷媒液膜が残る。従って、実施の形態１と同様な効果を奏し、熱交換可能な空気が常に送り込まれているサイド３０ａ（前縁部）での空気と冷媒間の熱伝達率が向上し、熱交換量を増加することができる。
【００４０】
また、液体冷媒が螺旋移動をしながら冷媒流れ方向（矢印１４方向）に進行して液体冷媒の慣性力が伝熱管３０内面に押し付ける方向にも働くため、重力の影響により液体冷媒が伝熱管３０内面の底面に溜まることなく、伝熱管３０内面全体に均一厚さの冷媒液膜を形成でき、しかも集流通路３２及び３３に多くの液体冷媒が流れ込んでいるので、これら集流通路３２、３３以外の伝熱管３０内面における冷媒液膜厚さを小さくすることができ、空気−冷媒間の熱伝達率を向上させることができる。
【００４１】
なお、実施の形態２と同様に、中間集流通路３２の位置、幅を変更してもよく、この変更によっても実施の形態２と同様の効果を奏する。
【００４２】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図４（ａ）はこの伝熱管の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ線からの展開図、図４（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。図４（ａ）において、熱交換器用伝熱管は、側面からの空気等の流圧抵抗を低減するために断面形状がサイド４０ａ及び４０ｂ（屈曲率の大きな部分）を有する楕円形となっている伝熱管４０であり、この伝熱管４０は内面に複数のピン４１（冷媒案内部である突起）を有している。また、この伝熱管３０は図４（ｂ）に示すように、ピン４１が設けられていない集流通路４２を有し、この集流通路４２は楕円断面のサイド４０ｂに冷媒流れ方向（矢印１４方向）に設けられている。ピン４１は冷媒流れ方向（矢印１４方向）及び伝熱管４０内面の楕円周方向に一定間隔で設けられ、このサイズに限定する必要はないが、例えばピン高さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、冷媒流れ方向間隔０．４〜１．５ｍｍ、楕円周方向間隔０．４〜１．５ｍｍとしたときに伝熱管４０全体としての熱伝達率が良くなる。
【００４３】
このように構成された伝熱管４０は、図４（ａ）に示すように、空気が流れる方向（矢印１５方向）に楕円断面の長径を沿わせるように空気中に配置され、集流通路４２が設けられているサイド４０ｂが空気流れ方向の下流側となるように配置される。このような状態で冷媒を流すと、液体冷媒は図４（ｂ）に示すように、ピン４１が抵抗体となるのでこのピン４１を避けて流れ、ピン４１が設けられていない集流通路４２に流れ込む。従って、実施の形態１と同様な効果を奏し、熱交換可能な空気が常に供給されているサイド４０ａ側の冷媒液膜厚さが小さくなり（図４（ｃ））、空気−冷媒間の熱伝達率が向上する。
【００４４】
また、伝熱管４０を用いた熱交換器を蒸発器として使用したときに、冷媒液膜厚さが大きな部分が生じたとしても、ピン４１が液体冷媒の沸騰を促進する核となるため、液体冷媒が蒸発し易くなり空気−冷媒間の熱伝達率が向上する。
【００４５】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図５（ａ）はこの伝熱管の断面図、図５（ｂ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。図５（ａ）において、熱交換器用伝熱管は、側面からの空気等（外界流体）の流圧抵抗を低減するために断面形状がサイド５０ａ及び５０ｂ（屈曲率の大きな部分）を有する楕円形となっている伝熱管５０であり、この伝熱管５０内面の断面は長方形である冷媒通路となっている。この長方形断面の側面５１（平坦部）及び５２（平坦部）はそれぞれサイド５０ａ及び５０ｂ側にあり、楕円断面の長径とこの長方形断面の長軸が一致するように冷媒通路が設けられている。
【００４６】
このように構成された伝熱管５０は、図５（ａ）に示すように、空気が流れる方向（矢印１５方向）に楕円断面の長径を沿わせるようにサイド５０ａ（前縁部）を上流に向けて空気中に配置されて使用される。このような状態で冷媒を流すと、液体冷媒は図５（ｂ）に示すように、屈曲率の大きい長方形断面の四隅に集中し、他の平面状の部分では冷媒液膜厚さが小さくなる。特に、サイド５０ａ側には熱交換可能な空気が常に供給されており、しかもその内面に長方形断面の平面部分５１（平坦部）が設けられて冷媒液膜厚さを小さくしているので、空気−冷媒間の熱伝達率は向上する。
【００４７】
なお、上記の例では伝熱管５０の断面の内形を長方形としているが、サイド５０ａ（前縁部）側に平面部分があり、その平面部分の冷媒液膜厚さが小さければ熱伝達率は向上するので、長方形に限定する必要はない。
【００４８】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態２に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図６（ａ）はこの伝熱管の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＦ−Ｆ線からの展開図、図６（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。図６（ａ）において、熱交換器用伝熱管は、側面からの空気等（外界流体）の流圧抵抗を低減するために断面形状がサイド６０ａ及び６０ｂ（屈曲率の大きな部分）を有する楕円形となっている伝熱管６０であり、この伝熱管６０は内面に冷媒を案内する複数の冷媒案内部であるレール６１を有している。また、この伝熱管６０は図６（ｂ）に示すように、レール６１に案内される冷媒が流れ込む集流通路６２及び６３を有し、後縁集流通路６３は楕円断面のサイド６０ｂに冷媒流れ方向（矢印１４方向）に、底面集流通路６２は液体冷媒が重力方向（矢印１６方向）に重力を受けて伝熱管６０内面に液体冷媒が集中する部分に集流通路６３と平行に設けられている。これら集流通路６２、６３はレール６１が設けられていない部分が冷媒の流れ方向（矢印１４方向）に連続して構成され通路状となっている。また、レール６１は底面集流通路６２と後縁集流通路６３との間で液体冷媒が分流するように傾斜している。
【００４９】
このように構成された伝熱管６０は、図６（ａ）に示すように、空気が流れる方向（矢印１５方向）に楕円断面の長径を沿わせるように空気中に配置され、集流通路２３が設けられているサイド６０ｂが空気流れ方向の下流側となるように配置される。また、このときの重力方向（鉛直方向）は矢印１６の方向であり、重力方向（鉛直方向）は楕円断面の長径方向に垂直になっている。このような状態で冷媒を流すと、液体冷媒は図６（ｂ）に示すように、レール６１の傾斜に沿って矢印６４方向に流れ、集流通路６２及び６３に流れ込む。その結果、図６（ｃ）に示すように、冷媒液膜厚さは楕円断面のサイド６０ｂに設けられた後縁集流通路６３及び鉛直方向の底面に設けられた底面集流通路６２で大きくなり、その他の伝熱管２０内面では薄い冷媒液膜が残る。従って、実施の形態１と同様な効果を奏し、熱交換可能な空気が常に送り込まれているサイド６０ａ（前縁部）での空気と冷媒間の熱伝達率が向上し、熱交換量を増加することができる。
【００５０】
また、伝熱管６０内面の鉛直方向底面に設けられた集流通路６２によって、重力の影響により底面に集中した液体冷媒が滞留することなくスムーズに冷媒流れ方向（矢印１４方向）に流れ、冷媒の圧力損失を低減することができる。
【００５１】
なお、上記各実施の形態に係る熱交換器用伝熱管は以下のようにして作製される。まず、銅あるいはアルミ等の熱伝導性の高い金属板を表面に凹凸を設けたロールで圧延する。この凹凸は上記各実施の形態における伝熱管を展開したときの冷媒案内部の模様となっており、この凹凸を設けたロールで圧延することにより、金属板の表面に上記各実施の形態における冷媒案内部の模様を形成することができる。次に、この圧延された金属板を冷媒案内部が形成された面を内側にするように曲げてこの金属板の両側を合わせ、断面が楕円形の管状に形成する。その後、この金属板の合わせ部分を電気縫合等によって接合して断面楕円形状の伝熱管を形成する。
【００５２】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係る熱交換器の構成を示す概略図であり、図７（ａ）は伝熱管長方向（冷媒流れ方向）に沿って見た視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＧ−Ｇ線に沿った断面図である。また、図８はこの実施の形態７に係る熱交換器の整列された伝熱管を直列に接続する接続管（Ｕ−ｂｅｎｄ）部分を示す側面図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、実施の形態７に係る熱交換器は、実施の形態１に係る伝熱管１０が複数のフィン７０に垂直に貫装されて形成されている。この伝熱管１０は楕円断面の長径が空気（外界流体）の流れ方向に沿うように配置されている。フィン７０は空気流れ方向（矢印１５方向）に対して垂直方向に延びたスリット７１と、このスリット７１の両端部にフィン７０の表面に対して垂直に設けられた折り曲げ部７２とを有している。また、この伝熱管１０及びフィン７０は同じ材料、例えば銅又はアルミ等で作製されたものである。
【００５３】
熱交換器両側面では図８に示すように伝熱管１０同士がＵ−ｂｅｎｄ７３で直列接続された状態になっている。Ｕ−ｂｅｎｄ７３は断面が端部で伝熱管１０と同様な楕円となっており、中央部に近づくに伴って円形となる接続管で、Ｕ字に曲げられた円管の両端部を少し潰して作製される。このＵ−ｂｅｎｄ７３は整列方向に沿って見て互いに縁部が重なるように二列に整列した伝熱管１０のうち整列方向に隣り合う伝熱管１０をつなぎ合わせている。
【００５４】
このように構成された熱交換器は、フィン７０がスリット７１及び折り曲げ部７２を有しているので、多くの縁部が形成され、平板の縁部の熱伝達率が最も大きいという性質（前縁効果）から、フィン７０による伝熱効果が増大する。しかも、実施の形態１における伝熱管１０の熱伝達率向上の効果も加わるので、より大きな伝熱効果を得ることができる。
【００５５】
また、伝熱管１０及びフィン７０は同じ材料によって作製されているので、容易に伝熱管１０とフィン７０とのロウ付けによる接合をすることができ、伝熱管１０とフィン７０との間の熱伝達率が飛躍的に向上し、この熱交換器全体の熱交換能力は大幅に向上する。しかも、同じ材料で作製されているので、再利用をする際に材料ごとに分別する手間がなくなり、リサイクル率の高い熱交換器を得ることができる。
【００５６】
また、Ｕ−ｂｅｎｄ７３の中央部が断面円形となっていて直径が楕円断面の長径より小さくなっているので、整列方向に沿って見たときに二列に整列された伝熱管１０の縁部の重なりを回避することができ、伝熱管１０の列間距離が小さい状態でも隣り合う伝熱管１０同士を整列方向につなぎ合わせることができる。
【００５７】
また、伝熱管１０の断面を楕円としているので、空気の流れ方向が楕円断面の長径に沿っていなくてもある程度空気の流れ方向に傾きがあっても伝熱管１０同士の間で整流される。さらに、楕円形状は外形で空気の流れ方向に対する配置方向を区別でき、この熱交換器を作製する際に前縁部のみを区別できれば伝熱管１０の配置方向を誤る可能性がなくなる。
【００５８】
なお、この熱交換器の両側面ではＵ−ｂｅｎｄ７３を用いて伝熱管１０同士を直列につなぎ合わせているが、図９に示すように平行に並んだ伝熱管１０を側面で一括して一つの容器（ヘッダ８１）につなぎ込むことによって、並列に伝熱管１０を接続しても構わない。
【００５９】
また、図１０に示すように、ヘッダ内に仕切り８２を設けて並列接続された数本の伝熱管１０のブロック８３として、このブロックを複数設けても構わない。
【００６０】
なお、上記実施の形態７は実施の形態１に係る熱交換器用伝熱管を用いているが、実施の形態２乃至実施の形態６の何れかの熱交換器用伝熱管を用いても同様な効果を奏することは言うまでもない。
【００６１】
実施の形態８．
図１１はこの発明の実施の形態８に係る冷凍空調装置が用いている冷凍サイクルを示す模式図である。図１１において、この冷凍空調装置での冷凍サイクルは圧縮工程、凝縮工程、膨張行程、蒸発工程の４工程から成る通常の冷凍サイクルである。即ち、冷媒は圧縮機９１で圧縮され高温高圧状態となって、凝縮器９２に送られ送風機９５（送流機）に送り込まれた空気に熱を与え凝縮する。凝縮した冷媒は液体となり、絞り９４で断熱膨張する。断熱膨張した冷媒は蒸発器９３に送られ送風機９５により送られた空気から熱を奪って激しく蒸発する。蒸発して気体となった冷媒は再び圧縮機９１に戻って圧縮される。このように冷媒の状態変化を利用して凝縮器９２においては冷媒は空気に熱を与え、蒸発器９３においては冷媒は空気から熱を受け取る。
【００６２】
この実施の形態８に係る冷凍空調装置は、実施の形態７に係る熱交換器が凝縮器９２及び蒸発器９３に用いられている。従って、実施の形態７の熱交換性能が高い熱交換器をこの冷凍空調装置に取り入れることによりエネルギ効率が向上する。ここで、（暖房エネルギ効率）＝（凝縮器能力）／（全入力）、（冷房エネルギ効率）＝（蒸発器能力）／（全入力）で表される。
【００６３】
なお、凝縮器９２及び蒸発器９３の一方のみを実施の形態７に係る熱交換器としてもエネルギ効率が向上するので構わない。
【００６４】
実施の形態９．
図１２は実施の形態９に係る冷凍空調装置の蒸発器及び送風機の位置関係を示す概略図である。図１２において、送風機９０の周囲に実施の形態７に係る熱交換器（蒸発器９３）を配置した構成となっており、送風機９０は周りの空気を吸い込むので、断面楕円形の伝熱管の長径をこの吸い込まれた空気の流れ方向１５に沿うように蒸発器９３を配置している。なお、他の構成は実施の形態８と同様である。
【００６５】
このように蒸発器９３及び送風機９０を配置すると蒸発器９３の通風抵抗が小さいので、送風機９０は蒸発器９３に効率的に空気を送り込むことができ、送風機９０の消費エネルギを低減することができる。
【００６６】
なお、蒸発器９３に代えて、凝縮器９２に適用しても同様の効果が得られるので、凝縮器９２を送風機９０の周囲に配置しても構わない。
【００６７】
実施の形態１０．
図１３はこの発明の実施の形態１０に係る冷凍空調装置の凝縮器及び蒸発器の配置を示す概略図である。図１３において、凝縮器９２及び蒸発器９３は空気の流れ方向１５が断面楕円の伝熱管の長径に沿うように配置され、しかも蒸発器９３が凝縮器９２より空気流れ上流になるように並べられている。また、凝縮器９２及び蒸発器９３は伝熱管楕円断面の長径を水平にしてこの伝熱管を積み重ねるように構成されており、蒸発器９３の伝熱管表面で空気の凝縮により生じた水１００が重力方向１６に流れるようになっている。他の構成は実施の形態８と同様である。
【００６８】
従って、送風機９０により流れ込む空気は、まず蒸発器９３に当たりこの蒸発器９３で冷却されて凝縮する。空気が凝縮することによって蒸発器９３の伝熱管表面が結露し、重力に従って方向１６に流れ落ちる。蒸発器９３を通過した空気は凝縮器９２に当たるが、この空気は蒸発器９３を通過する際に冷却されているので、凝縮器９２から凝縮熱を吸収しやすく効率的に空気及び冷媒間の熱交換を行うことができる。さらに、伝熱管が断面楕円管であるので、空気の流れ抵抗を低減することができ、より一層凝縮器９２及び蒸発器９３の熱交換性能を向上できる。
【００６９】
以上の説明から明らかな通り、外界流体にさらされて内部を流れる冷媒を相変化させることにより前記外界流体と前記冷媒との間で熱交換を行い、前記外界流体が当たる側面からの前記外界流体の流圧抵抗を低減するために断面形状が楕円形となっており、管内面に前記冷媒を案内する複数の冷媒案内部を有した熱交換器用伝熱管において、前記管内面に少なくとも１本前記冷媒の流れ方向に前記冷媒の集流通路を有し、前記複数の冷媒案内部は前記集流通路に前記冷媒が流れ込むように設けられており、前記複数の冷媒案内部は複数の突起であるので、前記冷媒が前記集流通路に流れ込み前記集流通路以外の管内面における前記冷媒の液膜厚さを小さくして前記外界流体と前記冷媒との間の熱伝達率を向上させることができる。また、前記突起が前記冷媒の沸騰を促進させる核となり、前記冷媒を沸騰させやすくすることができる。
【００７０】
また、前記集流通路は、前記外界流体の流れ方向での下流側における前記楕円形断面の屈曲率が大きい後縁部に設けられたので、熱伝達率の小さい前記外界流体が滞留する部分（死水域）に面する部分に前記冷媒を流れ込ませ、前記外界流体の流れ方向での上流側における前記楕円形断面の前記冷媒の液膜厚さを小さくして前記外界流体と前記冷媒との間の熱伝達率を向上させることができる。
【００７１】
また、前記集流通路は、重力の影響で前記冷媒が集中する部分に設けられたので、前記重力により集中した前記冷媒が前記集流通路を通ってスムーズに流れ、前記冷媒の圧力損失は低減され、それだけ周りの管内面部分の前記冷媒の液膜厚さが小さくなり、前記外界流体と前記冷媒との間の熱伝達率は向上する。
【００７２】
また、前記複数の冷媒案内部は、前記冷媒の流れ方向に対して傾斜しているので、前記冷媒を正確に案内することができる。
【００７３】
また、前記複数の冷媒案内部は、前記冷媒の流れ方向に対して螺旋状となっているので、前記冷媒を螺旋移動させ、この螺旋移動による慣性力が前記伝熱管の内面を押し付ける方向にも働くことにより、重力の影響を受けにくい。
【００７４】
また、前記複数の冷媒案内部は、前記冷媒が分流するように傾斜しているので、前記冷媒を分散させて前記冷媒の液膜厚さを均一化することができる。
【００７６】
【発明の効果】
この発明によれば、外界流体にさらされて内部を流れる冷媒を相変化させることにより前記外部流体と前記冷媒との間で熱交換を行い、前記外界流体が当たる側面からの前記外界流体の抵抗を低減するように断面の外形が楕円形となっており、管内面に前記冷媒を案内する複数の冷媒案内部を有した熱交換器用伝熱管において、前記外形の屈曲率が大きい部分の内面は平坦となっており、前記断面の内面形状は長方形であるので、表面張力の影響による前記冷媒の液膜厚さは小さく、前記外界流体と前記冷媒との間の熱伝達率が向上する。また、前記長方形の四隅に表面張力により前記冷媒が集まることにより、前記長方形の平坦となっている部分の前記冷媒の液膜厚さを小さくすることができ、前記外界流体と前記冷媒との間の熱伝達率が向上する。
【００７８】
この発明に係る熱交換器用伝熱管を用いた熱交換器は、前記伝熱管の表面にフィンが設けられているので、前記伝熱管の表面積を増大して前記外界流体と前記フィンとの間の熱伝達率が向上する。
【００７９】
また、前記フィンは前記伝熱管と同じ材質であるので、前記フィンと前記伝熱管とのロウ付けによる接合が容易になり、前記フィンと前記伝熱管との間の熱伝達率が向上する。
【００８０】
また、前記フィンにスリットが設けられているので、前縁効果により前記フィンと前記外界流体との間の熱伝達率が向上する。
【００８１】
また、前記伝熱管が複数列整列され、前記整列された方向に沿って見たときに前記伝熱管の縁部が重なっている熱交換器において、熱交換器側面において前記整列された方向に隣接した前記伝熱管同士を直列につなぎ合わせる接続管が中間部で前記伝熱管断面の長径より小さな直径の円形断面を有しているので、前記冷媒の圧力損失が低減されるとともに前記熱交換器の厚さを小さくすることができる。
【００８２】
また、この発明に係る冷凍空調装置は、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒が前記外界流体に熱を与えて凝縮する凝縮器と、前記凝縮した冷媒が断熱膨張する絞りと、前記断熱膨張した冷媒が前記外界流体の熱を奪って蒸発する蒸発器と、前記外界流体を前記凝縮器及び前記蒸発器に送り込む送流機とを備えた冷凍空調装置において、前記凝縮器及び前記蒸発器は少なくとも一方がこの発明に係る熱交換器であるので、冷凍サイクルとして効率的な冷凍空調装置が得られる。
【００８３】
また、前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方が前記送流機の周りに配置され、前記送流機が周囲の前記外界流体を吸い込むことにより前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方に前記外界流体を送り込むので、前記送流機により発生する前記外界流体を効率良く利用することができる。
【００８４】
また、前記外界流体の流れ方向に対して上流側に蒸発器を配置し、下流側に凝縮器を配置したので、前記蒸発器が吸収する蒸発熱を空気を媒介として前記凝縮器が一部利用することができる。即ち、前記蒸発器で空気が冷却されるので、前記凝縮器での熱の移動が効率的になる。
【００８５】
この発明に係る熱交換器用伝熱管の作製方法は、表面に凹凸を有したロールを用いて平板を圧延する工程と、前記ロールにより圧延され凹凸面が形成された平板の凹凸面を内側にして前記圧延された平板の両側を合わせて断面楕円の管状に形成する工程と、前記平板の合わせ部分を接合して断面楕円形状の伝熱管を形成する工程とを備えたので、前記伝熱管の内面形状を制約を受けることなく自由に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図１（ａ）はこの伝熱管の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線からの展開図、図１（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。
【図２】  この発明の実施の形態２に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図２（ａ）はこの伝熱管の断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線からの展開図、図２（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。
【図３】  この発明の実施の形態３に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図３（ａ）はこの伝熱管の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線からの展開図、図３（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。
【図４】  この発明の実施の形態４に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図４（ａ）はこの伝熱管の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ線からの展開図、図４（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。
【図５】  この発明の実施の形態５に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図５（ａ）はこの伝熱管の断面図、図５（ｂ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。
【図６】  この発明の実施の形態２に係る熱交換器用伝熱管の形状を示す図であり、図６（ａ）はこの伝熱管の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＦ−Ｆ線からの展開図、図６（ｃ）はこの伝熱管に液体冷媒が流れている状態の断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態７に係る熱交換器の構成を示す概略図であり、図７（ａ）は伝熱管長方向（冷媒流れ方向）に沿って見た視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【図８】  この発明の実施の形態７に係る熱交換器の二列に整列された伝熱管を直列に接続する接続管（Ｕ−ｂｅｎｄ）部分を示す側面図である。
【図９】  平行に並んだ伝熱管を並列にヘッダを用いて一括に接続された熱交換器の構成を示す概略図である。
【図１０】  ヘッダに仕切りを設けて複数のブロックに分けた熱交換器における１つのブロックの断面図である。
【図１１】  この発明の実施の形態８に係る冷凍空調装置が用いている冷凍サイクルを示す模式図である。
【図１２】  この発明の実施の形態９に係る冷凍空調装置の蒸発器及び送風機の位置関係を示す概略図である。
【図１３】  この発明の実施の形態１０に係る冷凍空調装置の凝縮器及び蒸発器の配置を示す概略図である。
【図１４】  従来の熱交換器用伝熱管の断面図である。
【図１５】  伝熱管の空気流れ方向下流側に発生する死水域を示す図で、図１２（ａ）は断面が楕円形である伝熱管の死水域を示す図、図１２（ｂ）は断面が円形である伝熱管の死水域を示す図である。
【図１６】  断面が楕円形である伝熱管内に流れる液体冷媒の状態を示す図である。
【図１７】  液体冷媒の伝熱管内面からの厚さ（液膜厚さ）と空気及び冷媒間の熱伝達率の関係を示すグラフである。
【図１８】  断面が楕円形である伝熱管を楕円断面の長径を水平にしたときの伝熱管内に流れる液体冷媒の状態を示す図である。
【符号の説明】
１，１０，２０，３０，４０，５０，６０  伝熱管（熱交換器用伝熱管）、２，１１，２１，３１，４１，６１  冷媒案内部（２，１１，２１，３１，６１  レール、４１  ピン（突起））、１２，２２，２３，３２，３３，４２，６２，６３  集流通路（２３，３３，６３  後縁集流通路、２２，３２  中間集流通路、６２  底面集流通路）、５２  長方形断面の側面（平坦部）、７０  フィン、７１  スリット、７２  折り曲げ部、７３  接続管（Ｕ−ｂｅｎｄ）、８１  容器（ヘッダ）、８２  仕切り、９０  送風機（送流機）、９１  圧縮機、９２  凝縮器、９３  蒸発器、９４  絞り。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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