JP2010255918A - 空気熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】押し出し成形により製造される扁平多穴伝熱管を有する空気熱交換器において、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させる。
【解決手段】空気熱交換器１は、幅広の平面部２１が平面部２１の幅方向に向かって空気が流れる通風空間を空けて向かい合う状態で複数配置されており、内部に熱媒体が流れる複数の流路穴２２が平面部２１の幅方向に並んで形成されており、押し出し成形により製造される扁平多穴管からなる熱媒体伝熱管２を備えており、平面部２１の外面は、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸している。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気熱交換器、特に、押し出し成形により製造される扁平多穴伝熱管を有する空気熱交換器に関する。

従来より、特許文献１（特開平６−７４６０９号公報）に示されるような、押し出し成形により製造される扁平多穴管を有する空気熱交換器がある。扁平多穴管は、幅広の平面部を有しており、空気が流れる通風空間を空けて向かい合う状態で複数配置されている。平面部は、通風空間に面する幅広の外面が平坦な面となっており、その内部には、扁平多穴管の長手方向から見た際に、長方形の断面形状を有する複数の流路穴が、長方形の短辺同士が平行になるように幅方向に並んで形成されている。扁平多穴管の内部（すなわち、複数の流路穴）には、熱媒体が流れており、扁平多穴管の外側の通風空間を流れる空気と熱交換を行うようになっている。

しかし、上記従来の扁平多穴管を有する空気熱交換器では、内部を流れる熱媒体の圧力が高くなる等のように厚肉化の要求に対応しようとする場合、押し出し成形により製造されることから、扁平多穴管の製造に使用される金属素材からなる材料の量が多くなる傾向にある。しかも、扁平多穴管を有する空気熱交換器では、さらなる伝熱性能の向上も要求されている。

本発明の課題は、押し出し成形により製造される扁平多穴伝熱管を有する空気熱交換器において、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させることにある。

第１の発明にかかる空気熱交換器は、幅広の平面部が平面部の幅方向に向かって空気が流れる通風空間を空けて向かい合う状態で複数配置されており、内部に熱媒体が流れる複数の流路穴が平面部の幅方向に並んで形成されており、押し出し成形により製造される扁平多穴管からなる熱媒体伝熱管を備えており、平面部の外面は、熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、各流路穴の内周面の形状に沿うように凹凸している。

この空気熱交換器では、上記従来の扁平多穴管における平坦な外面を有する平面部とは異なり、平面部の外面が、熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、各流路穴の内周面の形状に沿うように凹凸しているため、複数の流路穴がなす平面部の内部形状と平面部の外形とが相似形状に近づき、無駄に厚肉になる部分が減少するとともに、平面部の外面の伝熱面積が増加し、かつ、通風空間を流れる空気の乱流化が促進されることになる。

これにより、この空気熱交換器では、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させることができる。

第２の発明にかかる空気熱交換器は、第１の発明にかかる空気熱交換器において、平面部の外面は、各流路穴の内周面からの平面部の外面までの肉厚が略同じになるように凹凸している。

第３の発明にかかる空気熱交換器は、第１又は第２の発明にかかる空気熱交換器において、通風空間に配置された波形フィンからなる伝熱フィンをさらに備えている。

この空気熱交換器では、波形フィンからなる伝熱フィンが通風空間に配置された構造を有しているため、伝熱面積が増加し、さらに伝熱性能が向上している。

第４の発明にかかる空気熱交換器は、第１又は第２の発明にかかる空気熱交換器において、熱媒体伝熱管が貫通する貫通穴が形成されたプレートフィンからなる伝熱フィンをさらに備えており、熱媒体伝熱管は、貫通穴を貫通した状態で拡管されることによって、伝熱フィンに固定されている。

この空気熱交換器では、プレートフィンからなる伝熱フィンに熱媒体伝熱管を貫通させる構造を有しているため、伝熱面積が増加し、さらに伝熱性能が向上している。しかも、熱媒体伝熱管の伝熱フィンへの固定は、拡管によって行われるが、上記のように、熱媒体伝熱管の平面部の外面が、熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、各流路穴の内周面の形状に沿うように凹凸しているため、拡管の際に、平面部の外面が均等に拡大することになり、これにより、伝熱フィン（より具体的には、貫通穴の周縁）と平面部との密着性が向上し、伝熱性能の向上にも寄与している。

第５の発明にかかる空気熱交換器は、第１〜第４の発明のいずれかにかかる空気熱交換器において、各流路穴は、熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、円形の断面形状を有している。

第６の発明にかかる空気熱交換器は、第１〜第４の発明のいずれかにかかる空気熱交換器において、各流路穴は、４角形の断面形状を有しており、熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、４角形の１対の角部が平面部の両外面に向かって突出するように配置されている。

第７の発明にかかる空気熱交換器は、第１〜第４の発明のいずれかにかかる空気熱交換器において、各流路穴は、熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、５角以上の多角形の断面形状を有している。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１、第２、及び、第５〜第７の発明では、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させることができる。

第３の発明では、伝熱面積が増加し、さらに伝熱性能が向上している。

第４の発明では、伝熱面積が増加し、さらに伝熱性能が向上している。しかも、伝熱フィンと平面部との密着性が向上し、伝熱性能の向上にも寄与している。

本発明の第１実施形態にかかる空気熱交換器の概略構成図である。 図１のＡ部の拡大斜視図である。 図２を熱媒体伝熱管の長手方向から見た図である。 図２の分解斜視図である。 第１実施形態の変形例１にかかる空気熱交換器を示す図であって、図３に相当する図である。 第１実施形態の変形例２にかかる空気熱交換器を示す図であって、図３に相当する図である。 本発明の第２実施形態にかかる空気熱交換器の概略構成図である。 図７のＡ部の拡大斜視図である。

以下、本発明にかかる空気熱交換器の実施形態について、図面に基づいて説明する。

−第１実施形態−
＜空気熱交換器の全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかる空気熱交換器１の概略構成図であり、図２は、図１のＡ部の拡大斜視図であり、図３は、図２のＢ矢視図であり、図４は、図２の分解斜視図である。空気熱交換器１は、空気を冷却源又は加熱源として、熱媒体の放熱（凝縮）や加熱（蒸発）を行う熱交換器であり、例えば、蒸気圧縮式の冷凍装置の冷媒回路を構成する熱交換器として採用されるものである。ここでは、冷媒回路を循環する熱媒体として二酸化炭素を使用するものとする。

空気熱交換器１は、主として、熱媒体伝熱管２と、伝熱フィン３と、ヘッダー管４、５とを有している。

＜熱媒体伝熱管＞
熱媒体伝熱管２は、長尺で幅広の平面部２１が上下方向に向く状態で上下方向間に平面部２１の幅方向（図１〜図３においては、紙面手前−奥方向に向かって空気が流れる通風空間を空けて複数（ここでは、８つ）配置されており、内部に熱媒体が流れる扁平管からなる。尚、熱媒体伝熱管２の流路穴２２の個数は、８つに限定されず、任意に設定可能である。

平面部２１内には、平面部２１を長手方向に貫通するように幅方向に並んだ複数（ここでは、８つ）の流路穴２２が形成されており、熱媒体は、各流路穴２２を流れるようになっている。尚、熱媒体伝熱管２は、アルミニウム等の金属素材からなり、押し出し成形により製造されている。

各流路穴２２は、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、円形の断面形状を有している。そして、平面部２１の外面は、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸している。より具体的には、平面部２１の外面は、各流路穴２２の内周面からの平面部２１の外面までの肉厚が略同じになるように凹凸している。

このように、ここでは、熱媒体伝熱管２として、複数の流路穴２２が形成された扁平多穴管を採用しているため、熱媒体側の熱伝達率が向上している。しかも、ここでは、従来の扁平多穴管における平坦な外面を有する平面部とは異なり、平面部２１の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸しているため、複数の流路穴２２がなす平面部２１の内部形状と平面部２１の外形とが相似形状に近づき、無駄に厚肉になる部分が減少するとともに、平面部２１の外面の伝熱面積が増加し、かつ、通風空間を流れる空気（特に、熱媒体伝熱管２の近傍を通過する空気）の乱流化が促進されるようになり、これにより、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させることができるようになっている。特に、ここでは、熱媒体伝熱管２内を流れる熱媒体が、蒸気圧縮式の冷凍装置の冷媒回路を循環する二酸化炭素であることから、熱媒体の圧力が高く厚肉化が要求されるが、上記のように、無駄に厚肉になる部分が減少するため、押し出し成形時の材料の増加を抑える効果が顕著となっている。

＜ヘッダー管＞
ヘッダー管４、５は、熱媒体伝熱管２を支持する機能と、熱媒体を熱媒体伝熱管２（ここでは、複数の流路穴２２）内に流入させる機能と、熱媒体伝熱管２（ここでは、複数の流路穴２２）から熱媒体を流出させる機能とを有する部材であり、上下方向に複数配置された熱媒体伝熱管２の両端にロウ付けによって接合されている。ここでは、図１における紙面右側のヘッダー管を第１ヘッダー管４とし、図１における紙面左側のヘッダー管を第２ヘッダー管５とする。尚、ヘッダー管４、５の構成は、図１の構成に限定されず、種々の構成が適用可能である。

第１ヘッダー管４は、上部に熱媒体のやりとりを行うための第１開口４１が設けられるとともに下端が閉じられている上下方向に延びる筒状の部材であり、ここでは、上下方向の中央よりもやや上側の位置（より具体的には、上から３段目の熱媒体伝熱管２と上から４段目の熱媒体伝熱管２との間の位置）に、第１ヘッダー管４内の空間を上下２つに仕切る第１仕切板４２が設けられている。これにより、第１ヘッダー管４は、上から１段目から３段目までの３つの熱媒体伝熱管２及び第１開口４１に連通する第１上部ヘッダー４３と、残りの５つの熱媒体伝熱管２に連通する第１下部ヘッダー４４とを有している。

第２ヘッダー管５は、下部に熱媒体のやりとりを行うための第２開口５１が設けられるとともに上端が閉じられている上下方向に延びる筒状の部材であり、ここでは、上下方向の中央よりもやや下側の位置（より具体的には、上から６段目の熱媒体伝熱管２と上から７段目の熱媒体伝熱管２との間の位置）に、第２ヘッダー管５内の空間を上下２つに仕切る第２仕切板５２が設けられている。これにより、第２ヘッダー管５は、下から１段目から２段目までの２つの熱媒体伝熱管２及び第２開口５１に連通する第２下部ヘッダー５４と、残りの６つの熱媒体伝熱管２に連通する第２上部ヘッダー５３とを有している。

これにより、空気熱交換器１が熱媒体の放熱器（凝縮器）として機能する場合には、熱媒体は、第１開口４１を通じて第１上部ヘッダー４３に流入し、上から１段目から３段目までの３つの熱媒体伝熱管２に分配されて流入し、これら３つの熱媒体伝熱管２内を流れた後に、第２上部ヘッダー５３に流出して集合される。この第２上部ヘッダー５３において集合した熱媒体は、上から４段目から６段目までの３つの熱媒体伝熱管２に分配されて流入し、これら３つの熱媒体伝熱管２内を流れた後に第１下部ヘッダー４４に流出して集合される。この第１下部ヘッダー４４において集合した熱媒体は、上から７段目から８段目までの２つの熱媒体伝熱管２に分配されて流入し、これら２つの熱媒体伝熱管２内を流れた後に第２下部ヘッダー５４に流出して集合され、第２開口５１を通じて第２下部ヘッダー５４から流出する。また、空気熱交換器１が熱媒体の加熱器（蒸発器）として機能する場合には、熱媒体は、第２開口５１を通じて第２下部ヘッダー５４に流入し、上から７段目から８段目までの２つの熱媒体伝熱管２に分配されて流入し、これら２つの熱媒体伝熱管２内を流れた後に、第１下部ヘッダー４４に流出して集合される。この第１下部ヘッダー４４において集合した熱媒体は、上から４段目から６段目までの３つの熱媒体伝熱管２に分配されて流入し、これら３つの熱媒体伝熱管２内を流れた後に第２上部ヘッダー５３に流出して集合される。この第２上部ヘッダー５３において集合した熱媒体は、上から１段目から３段目までの３つの熱媒体伝熱管２に分配されて流入し、これら３つの熱媒体伝熱管２内を流れた後に第１上部ヘッダー４３に流出して集合され、第１開口４１を通じて第１上部ヘッダー４３から流出する。また、熱媒体伝熱管２の両端は、ロウ付けによってヘッダー管４、５に接合されるが、この際、熱媒体伝熱管２に形成された流路穴２２が、従来の扁平多穴管と同様の長方形の断面形状を有する場合には、流路穴の長方形の角部にロウ材が流れ込みやすく、複数の流路穴の一部に詰まりが生じて、伝熱性能を低下させるおそれがあるが、ここでは、流路穴２２を円形の断面形状にしているため、角部が存在せず、ロウ材が流れ込んで複数の流路穴の一部に詰まりが生じるおそれが少なくなっている。

＜伝熱フィン＞
伝熱フィン３は、熱媒体伝熱管２が貫通する貫通穴３１が形成されたプレートフィンからなり、熱媒体伝熱管２の長手方向に沿って略等間隔に複数配置されている。貫通穴３１は、熱媒体伝熱管２の長手方向における外形と同じ穴形状を有している。

熱媒体伝熱管２は、貫通穴３１を通じて伝熱フィン３を貫通し（図４の矢印Ｂ参照）、貫通穴３１を貫通した状態で拡管されることによって、伝熱フィン３に固定されている。ここで、拡管の手法としては、熱媒体伝熱管２が複数の流体穴２２を有する多穴管構造であることを考慮して、熱媒体伝熱管２の管端から高圧の液体や気体を供給して熱媒体伝熱管２を拡管させる流体圧拡管の手法を採用される。

このように、ここでは、プレートフィンからなる伝熱フィン３に熱媒体伝熱管２を貫通させる構造を有しているため、伝熱面積が増加し、さらに伝熱性能が向上している。しかも、熱媒体伝熱管２の伝熱フィン３への固定は、拡管によって行われるが、上記のように、熱媒体伝熱管２の平面部２１の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸しているため、拡管の際に、平面部２１の外面が均等に拡大することになり（図４の拡管前の平面部２１及び流路穴２２を示す二点鎖線と拡管後の平面部２１及び流路穴２２を示す実線とを参照）、これにより、伝熱フィン３（より具体的には、貫通穴３１の周縁）と平面部２１との密着性が向上し、伝熱性能の向上にも寄与している。

＜変形例１＞
上述の実施形態における空気熱交換器１では、流路穴２２が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、円形の断面形状を有するように形成されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用しているが、図５に示されるように、流路穴２２が、４角形（ここでは、略正方形）の断面形状を有するように形成されており、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、４角形の１対の角部が平面部２１の両外面に向かって突出するように配置されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用してもよい。

本変形例においても、上述の実施形態と同様に、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させる等の作用効果を得ることができる。

＜変形例２＞
上述の実施形態における空気熱交換器１では、流路穴２２が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、円形の断面形状を有するように形成されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用しているが、図６に示されるように、流路穴２２が、５角以上（ここでは、６角）の多角形の断面形状を有するように形成されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用してもよい。

本変形例においても、上述の実施形態と同様に、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させる等の作用効果を得ることができる。

−第２実施形態−
＜空気熱交換器の全体構成＞
図７は、本発明の第２実施形態にかかる空気熱交換器１０１の概略構成図であり、図８は、図７のＡ部の拡大斜視図である。空気熱交換器１０１は、上述の第１実施形態及びその変形例にかかる空気熱交換器１と同様、空気を冷却源又は加熱源として、熱媒体の放熱（凝縮）や加熱（蒸発）を行う熱交換器であり、例えば、蒸気圧縮式の冷凍装置の冷媒回路を構成する熱交換器として採用されるものである。ここでは、冷媒回路を循環する熱媒体として二酸化炭素を使用するものとする。

空気熱交換器１０１は、主として、熱媒体伝熱管２と、伝熱フィン１０３と、ヘッダー管４、５とを有している。ここで、熱媒体伝熱管２及びヘッダー管４、５については、上述の第１実施形態及びその変形例における熱媒体伝熱管２及びヘッダー管４、５と同様であるため、ここでは説明を省略し、伝熱フィン１０３について説明する。

＜伝熱フィン＞
伝熱フィン１０３は、板状素材が熱媒体伝熱管２の長手方向に沿って波形に折り曲げられることによって構成された波形フィンからなる。

伝熱フィン１０３は、平面部２１の上下方向間の通風空間に配置されており、波形に折り曲げることによって形成された上端及び下端が平面部２１の下面及び上面にロウ付け等によって接合されている。また、伝熱フィン１０３には、熱交換効率を向上させるために、伝熱フィン１０３の上下方向中央部分を切り起こすことによって複数の切り起こし部１０３が形成されている。ここでは、本体側切り起こし部１３１は、ルーバー状に切り起こされており、通風方向の上流側の部分と下流側の部分とで通風方向に対する傾斜方向が逆になるように形成されている。尚、切り起こし部１０３の形状等は、図８の形状等に限定されず、種々の構成が適用可能である。このように、ここでは、波形フィンからなる伝熱フィン１０３を通風空間に配置する構造を有しているため、伝熱面積が増加し、さらに伝熱性能が向上している。

そして、本実施形態における空気熱交換器１０３においても、上述の第１実施形態と同様に、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させる等の作用効果を得ることができる。

＜変形例＞
上述の実施形態における空気熱交換器１０３では、流路穴２２が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、円形の断面形状を有するように形成されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用しているが、上述の第１実施形態の変形例１、２における空気熱交換器１（図５、６参照）と同様、流路穴２２が、４角形（ここでは、略正方形）の断面形状を有するように形成されており、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、４角形の１対の角部が平面部２１の両外面に向かって突出するように配置されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用してもよいし、流路穴２２が、５角以上（ここでは、６角）の多角形の断面形状を有するように形成されており、かつ、平面部２２の外面が、熱媒体伝熱管２を長手方向から見た際に、各流路穴２２の内周面の形状に沿うように凹凸した熱媒体伝熱管２を採用してもよい。

本変形例においても、上述の実施形態と同様に、押し出し成形時の材料の増加を抑えつつ、伝熱性能を向上させる等の作用効果を得ることができる。

−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）
上述の実施形態及びその変形例では、熱媒体伝熱管２の流路穴２２が幅方向に８つ並んで形成されているが、これに限定されない。流路穴の個数は任意に設定してもよい。

（２）
ヘッダー管の構成は、上述の実施形態及びその変形例の構成に限定されず、種々の構成が適用可能である。

（３）
上述の第１及び第２実施形態では、流路穴２２が、略真円の断面形状であったが、これに限定されず、楕円の断面形状であってもよい。

（４）
上述の第１実施形態の変形例１及び第２実施形態の変形例では、流路穴２２が、略正方形の断面形状であったが、これに限定されず、長方形や菱形等の他の４角形の断面形状であってもよい。

（５）
上述の実施形態の変形例２及び第２実施形態の変形例では、流路穴２２が、六角形の断面形状であったが、これに限定されず、５角以上の多角形の断面形状であればよく、５角形や７角形以上等の断面形状であってもよい。

（６）
上述の第２実施形態及びその変形例では、切り起こし部１０３の形状がルーバ状であったが、これに限定されず、種々の形状が適用可能である。

本発明は、押し出し成形により製造される扁平多穴伝熱管を有する空気熱交換器に広く適用可能である。

１、１０１ 空気熱交換器
２ 熱媒体伝熱管
３、１０３ 伝熱フィン
２１ 平面部
２２ 流路穴
３１ 貫通穴

特開平６−７４６０９号公報

Claims (7)

1. 幅広の平面部（２１）が前記平面部の幅方向に向かって空気が流れる通風空間を空けて向かい合う状態で複数配置されており、内部に熱媒体が流れる複数の流路穴（２２）が前記平面部の幅方向に並んで形成されており、押し出し成形により製造される扁平多穴管からなる熱媒体伝熱管（２）を備え、
   前記平面部の外面は、前記熱媒体伝熱管を長手方向から見た際に、前記各流路穴の内周面の形状に沿うように凹凸している、
   空気熱交換器（１、１０１）。
2. 前記平面部（２１）の外面は、前記各流路穴（２２）の内周面からの前記平面部の外面までの肉厚が略同じになるように凹凸している、請求項１に記載の空気熱交換器（１、１０１）。
3. 前記通風空間に配置された波形フィンからなる伝熱フィン（１０３）をさらに備えている、請求項１又は２に記載の空気熱交換器（１０１）。
4. 前記熱媒体伝熱管（２）が貫通する貫通穴（３１）が形成されたプレートフィンからなる伝熱フィン（３）をさらに備えており、
   前記熱媒体伝熱管は、前記貫通穴を貫通した状態で拡管されることによって、前記伝熱フィンに固定されている、
   請求項１又は２に記載の空気熱交換器（１、１０１）。
5. 前記各流路穴（２２）は、前記熱媒体伝熱管（２）を長手方向から見た際に、円形の断面形状を有している、請求項１〜４のいずれかに記載の空気熱交換器（１、１０１）。
6. 前記各流路穴（２２）は、４角形の断面形状を有しており、前記熱媒体伝熱管（２）を長手方向から見た際に、前記４角形の１対の角部が前記平面部（２１）の両外面に向かって突出するように配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の空気熱交換器（１、１０１）。
7. 前記各流路穴（２２）は、前記熱媒体伝熱管（２）を長手方向から見た際に、５角以上の多角形の断面形状を有している、請求項１〜４のいずれかに記載の空気熱交換器（１、１０１）。

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