JP2006349208A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィンに切り起こし片を適切に形成することによって、熱交換効率を向上する。
【解決手段】 冷媒を流す冷媒管１１と、該冷媒管１１に、管軸方向に間隔をあけて並設された複数の板状のフィン１２と、を備えており、フィン１２の板面に沿って流れる空気と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において、前記フィン１２が、板面の一部を切断して折曲することにより形成される切り起こし片１５と、切り起こし片１５の形成に伴ってフィン１２を貫通するように形成される開口１６とを、空気の流れ方向に複数備えており、前記切り起こし片１５を、フィン１２の両面に交互に突出するように折曲する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冷媒管に複数のフィンを並設している熱交換器に関するものである。

熱交換器、例えば、冷蔵庫等に用いられるエバポレーターは、冷媒を流す冷媒管に、管軸方向に沿って複数のフィンを間隔をあけて並設し、フィンの板面に沿う方向に空気を送ることによって、空気と冷媒との間で熱交換を行う（例えば、特許文献１参照）。この熱交換の効率を向上するため、従来から、冷媒管やフィンの熱伝達を大きくする試みが色々となされている。

フィンの熱伝達を大きくする方法として、フィンを部分的に張り出し加工することによって波形に形成し、空気に触れる表面積を増大させることが考えられる。また、他の方法として、フィンの一部を切断し、折曲することによって切り起こし片を形成し、該切り起こし片に、流動する空気を直接当てるようにすることも考えられる。

特開平５−１３３６４４号公報

一般に、エバポレーターに用いられるフィンは、厚さが約０．１５ｍｍと非常に薄い。そのため、上記の如く張り出し加工によって波形に成形すると、フィンを破る可能性があり、波を高く形成するのは困難である。したがって、表面積の増大にも限度があり、さほど熱交換の効率向上は見込めない。

また、フィンに切り起こし片を形成する方法では、切り起こし片の向きや角度によっては、空気の流れが阻害され、空気の滞留を招いたり、空気が切り起こし片にほとんど当たらずに高速で通り抜けたりする。このような状態になると、空気とフィンとの間で十分に熱交換がなされなくなる。

本発明は、フィンに切り起こし片を適切に形成することによって、熱交換の効率向上を図ることを目的とする。

請求項１に記載の発明は、冷媒を流す冷媒管と、該冷媒管に管軸方向に間隔をあけて並設された複数の板状のフィンと、を備えており、フィンの板面に沿って流れる空気と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において、前記フィンが、板面の一部を切断して折曲することにより形成される切り起こし片と、切り起こし片の形成に伴ってフィンを貫通するように形成される開口とを、空気の流れ方向に複数備えており、前記切り起こし片が、フィンの両面に交互に突出するように折曲されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記切り起こし片が、空気の流れ方向の上流側から下流側へ、徐々にフィンの板面から離れるように傾斜していることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、同じ形状のフィンを同じ向きに並設して備えていることを特徴とする。

請求項１の発明において、フィンの板面に沿って流れる空気は、フィンの一方の面に突出した切り起こし片により流れが抑制され、当該切り起こし片の上流側にある開口を経てフィンの他方の面に流れる。他方の面に流れた空気は、次の切り起こし片によって流れが抑制されると共に、その上流側に隣接する開口を経て、再度一方の面側に流れる。

従って、請求項１の発明によれば、フィンの両面側を蛇行するように円滑に空気を流動させることができ、その空気の流速が、直線的に流れる場合に比べて遅くなるため、空気をフィンに長く触れさせることができ、その間に適切に熱交換を行うことができる。これにより、熱交換の効率が向上する。

請求項２の発明によれば、空気の流れを過度に抑制することがなく、より円滑に空気を流動させることができる。

請求項３の発明によれば、各フィンの周りで略均一に空気が流動するようになり、熱交換効率が安定する。また、フィンの種類を少なくできるので、コスト低減にも繋がる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器の正面図、図２は、同熱交換器の部分斜視図である。この熱交換器１０は、主として冷蔵庫に用いられるエバポレーターであり、直管部１１Ａと曲管部１１Ｂとを組み合わせて蛇行する冷媒管１１と、冷媒管１１の直管部１１Ａに、間隔をあけて並設された複数のフィン１２とを備えている。冷媒管１１およびフィン１２は、熱伝導性の高いアルミニウムや銅によって形成される。

フィン１２は、長方形の薄板材である。フィン１２の上下中央部には、前後２本の冷媒管１１が貫通し、固定されている。フィン１２には、複数の切り起こし片１５が形成されている。

図３は、フィンの正面図（一部断面図）であり、図４は、フィンの側面図である。切り起こし片１５は、フィン１２の上段、中段、下段の上下３カ所に形成され、更に、中段には、２本の冷媒管１１を避けるように、前後３カ所に形成されている。全ての切り起こし片１５は、長方形状であり、下辺がフィン１２の板面に接続されている。切り起こし片１５は、フィン１２に対して約４５°の角度で傾斜している。

図３において、上段の切り起こし片１５Ｕは、フィン１２の右側に突出し、中段の切り起こし片１５Ｍは、同左側に突出し、下段の切り起こし片１５Ｌは、同右側に突出している。すなわち、各切り起こし片１５Ｕ，１５Ｍ，１５Ｌは、フィン１２の両面に交互に突出している。

フィン１２には、切り起こし片１５を形成することによって、左右に貫通する開口１６が形成されている。

図３に示すように、エバポレーター１０には、矢印Ｘのように、下方から上方へ空気が流れる。前記切り起こし片１５は、空気の流れ方向Ｘに関してみれば、上流側から下流側へ向けて徐々にフィン１２の板面から離れるように傾斜している。

［本実施形態の作用］
以下、本実施形態の作用を、主として、図３の中央に配置されたフィン１２Ｂに着目して説明する。同図において、一番左側のフィンに１２Ａ、中間のフィンに１２Ｂ、右側のフィンに１２Ｃの符号を付している。

フィン１２Ｂの左側を流れる空気は、フィン１２Ａ下段の切り起こし片１５Ｌと、フィン１２Ｂ中段の切り起こし片１５Ｍとによって、流れが変向及び抑制され、フィン１２Ｂ中段の切り起こし片１５Ｍの流れ方向Ｘ上流側にある開口１６Ｌを経て、フィン１２Ｂの右側に流れる（矢印ｂ１）。

更に、フィン１２Ｃ中段の切り起こし片１５Ｍと、フィン１２Ｂ上段の切り起こし片１５Ｕとによって、空気の流れが変向及び抑制され、フィン１２Ｂ上段の切り起こし片１５Ｕの流れ方向Ｘ上流側にある開口１６Ｍを経て、フィン１２Ｂの左側に再び戻る（矢印ｂ２）。その後、そのまま上方に流れるか、又は、フィン１２Ａ上段の切り起こし片１５Ｕに変向され、開口１６Ｕを経てフィン１２Ｂ右側へ流れ、フィン１２Ｂから上方へ抜け出る。

したがって、空気は、開口１６を経てフィン１２の両面側を蛇行するように流れる。このように空気が蛇行することによって、直線的に流れる場合に比べて流速が遅くなり、その間にフィン１２との間で適切に熱交換がなされるようになっている。

なお、空気の流れは、全てが上記のように開口１６を経て蛇行するのではなく、各フィン１２間をそのまま通り抜ける流れも生じる。この場合も、各フィン１２間へ突出する切り起こし片１５によって蛇行しながら流動する。

切り起こし片１５は、空気の流れ方向Ｘの上流側から下流側へ、徐々にフィン１２の板面から離れるように傾斜しているので、空気の流れが過度に抑制されることもなく、空気を円滑に蛇行させることができる。

図３に示すように、各フィン１２は、全て同じ形状で、同じ向きに並設されている。これにより、空気が各フィン１２の周りを略均一に流れ、安定した熱交換を行うことができる。また、フィン１２を１種類で構成できるので、コスト低減も可能になる。

［本実施形態のシミュレーション解析］
本願出願人は、本実施形態のフィン１２について、コンピュータ上でシミュレーションを行い、性能について解析した。シミュレーションの条件は、次の通りである。

（１）本実施形態のフィン１２の有効性を検証するため、図７の（Ａ）〜（Ｆ）に示す形状も比較例として解析対象にした。（Ａ）〜（Ｆ）のフィン１２は、それぞれ以下の形状である。
（Ａ）は、切り起こし片や凹凸のない平滑な形状である。
（Ｂ）は、上中下段にそれぞれ山（波）１７を張り出し加工し、表面積を増大したものである。
（Ｃ）は、同じく山を張り出し加工したものであるが、（Ｂ）よりも山が高いものである。
（Ｄ）は、空気の流れ方向に関して上流側から下流側へ、徐々にフィン１２から離れるように傾斜した切り起こし片１５を、フィン１２の一方側に突出したものである。
（Ｅ）は、空気の流れ方向に関して上流側から下流側へ、徐々にフィン１２に近づくように傾斜した切り起こし片１５を、フィン１２の一方側に突出したものである。
（Ｆ）は、フィン１２に直交する切り起こし片１５を、フィン１２の一方側に突出したものである。

（２）上記（Ａ）の形状を基本モデルとし、これに対する比較として（Ｂ）〜（Ｆ）および本発明を評価した。

（３）図５及び図６に示すように、１枚のフィン１２を、上下が貫通した仮想の箱（キャビネット）２０内に設置し、キャビネット２０の下方から送風する場合を想定した。

（４）フィン材質は、Ａ１０５０（熱伝導率：２３１Ｗ／ｍＫ）、寸法は、縦２８×横６０×厚さ０．１５（ｍｍ）とした。フィンピッチは、５ｍｍ相当とした。

（５）銅管（冷媒管）１１は、外径８．３５ｍｍの銅ブロック（熱伝導率：３９５Ｗ／ｍＫ）とし、２本配置した。また、８０℃に温度を固定した。

（６）雰囲気温度を２５℃とし、キャビネット２０内への風速を０．５ｍ／ｓ（入口温度２５℃）とした。流れ場は、平滑フィンについては層流モデルとした。時間依存性を定常解析とし、流れ場（速度／圧力）と温度場について解析を行った。流体領域は、空気層とし、熱放射は無視した。

（７）シミュレーションの解析結果より、キャビネット２０の下部（入口）と上部（出口）との熱流量を求め、その差分を総熱流量とした。

図８は解析結果を示す表であり、図９は解析結果を示すグラフである。各比較例および本発明のフィン１２は同じ寸法であるが、フィン１２の表面積は、平滑フィン（比較例Ａ）に比べて波形フィン（比較例Ｂ、Ｃ）が増大し、その他は同じとなっている。

以下、比較例（Ａ）の平滑フィンと、その他フィン（Ｂ）〜（Ｆ）との比較を説明する。比較例（Ｂ）は、比較例（Ａ）と比べて、面積比が１．０３と、３％増加し、総熱量比が１．０５と５％増加している。また、比較例（Ｃ）は、比較例（Ａ）と比べて、面積比が１２％増加し、熱量比が８％増加している。

比較例（Ｂ）（Ｃ）は、解析結果からそれなりの効率向上が認められた。しかし、比較例（Ｂ）と比較例（Ｃ）との面積比の増加に比べ、熱量比の増加の割合は低くなっている。したがって、山１７の高さを一層高くしたとしても、それほど熱量比の増加は望めないと考えられる。また、薄板材であるフィン１２に、張り出し加工によって高い山１７を形成するには、加工上限界があり、熱交換の効率向上も低レベルで限界に達する。

比較例（Ｄ）は、比較例（Ａ）と比べて熱量比にほとんど差がなかった。これは、図７の（Ｄ）に示すように、空気の流れが切り起こし片１５に遮られてフィン１２の左右両側に分かれ、比較的高速でまっすぐに抜けてしまい（矢印ｙ１、ｙ２）、各切り起こし片１５の間では、空気の滞留Ｚが生じるためと考えられる。つまり、高速で流れる空気は、フィンに触れる時間も短くなるため適切に熱交換がなされず、滞留した空気では、熱交換が促進されないものと考えられる。

比較例（Ｅ）は、比較例（Ａ）と熱量比が略同等である。この場合も、比較例Ｄと同じく、フィン１２の左右両側を高速で空気が流れ（ｙ１，ｙ２）、各切り起こし片１５の間で滞留Ｚが生じている。

比較例（Ｆ）についても、比較例（Ａ）と熱量比が略同等である。この場合も、比較例（Ｄ）と同じく、フィン１２の左右両側を高速で空気が流れ（ｙ１，ｙ２）、各切り起こし片１５の間で滞留Ｚが生じている。

本発明の場合、比較例（Ａ）と面積比は同じであるが、熱量比で約１．１６となり、約１６％の熱交換の効率向上が認められた。本発明では、図６に示すように、切り起こし片１５の下側で僅かな滞留Ｚがみられるが、開口１６を経てフィン１２の左右を空気が蛇行しているため、その間にフィン１２と熱交換が適切になされているものと考えられる。

［他の実施形態］
（１）切り起こし片１５は、図１０に示すように、空気の流れ方向に関して、上流側から下流側へ、徐々にフィン１２の板面に近づくように傾斜させることができる。

（２）また、切り起こし片１５は、図１１に示すように、フィンに直交して設けることもできる。

（３）本発明の熱交換器は、全てのフィンに切り起こし片を形成しなくてもよく、切り起こし片を形成したフィンと平滑なフィンとを交互に並設したものであってもよい。

本発明の実施形態に係る熱交換器の正面図である。 同熱交換器の部分斜視図である。 フィンの正面図（一部断面図）である。 フィンの側面図である。 シミュレーションのモデルを示す斜視図である。 同シミュレーションのモデルを示す正面図である。 同シミュレーションの比較例のモデルを示す正面図である。 同シミュレーションの解析結果を示す表である。 同シミュレーションの解析結果を示すグラフである。 第２実施形態を示すフィンの正面図（一部断面図）である。 第３実施形態を示すフィンの正面図（一部断面図）である。

符号の説明

１０ 熱交換器
１１ 冷媒管
１２ フィン
１５ 切り起こし片
１６ 開口

Claims (3)

1. 冷媒を流す冷媒管と、該冷媒管に管軸方向に間隔をあけて並設された複数の板状のフィンと、を備えており、フィンの板面に沿って流れる空気と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において、
   前記フィンが、板面の一部を切断して折曲することにより形成される切り起こし片と、切り起こし片の形成に伴ってフィンを貫通するように形成される開口とを、空気の流れ方向に複数備えており、前記切り起こし片が、フィンの両面に交互に突出するように折曲されていることを特徴とする熱交換機。
2. 前記切り起こし片が、空気の流れ方向の上流側から下流側へ、徐々にフィンの板面から離れるように傾斜している、請求項１に記載の熱交換器。
3. 同じ形状のフィンを同じ向きに並設して備えている、請求項１記載の熱交換器。
   
   

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