JP2001091183A - フィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

フィンチューブ型熱交換器

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JP2001091183A
JP2001091183A JP2000200676A JP2000200676A JP2001091183A JP 2001091183 A JP2001091183 A JP 2001091183A JP 2000200676 A JP2000200676 A JP 2000200676A JP 2000200676 A JP2000200676 A JP 2000200676A JP 2001091183 A JP2001091183 A JP 2001091183A
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tube
transfer tube
refrigerant
heat exchanger
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Satoshi Miyahara
里支 宮原
Teruhiko Taira
輝彦 平
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Refrigeration Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィンチューブ型熱交換器において、騒音が
できるだけ低く、しかも最も適切な伝熱管の配置を実現
することを課題とする。 【解決手段】 冷媒を通す伝熱管の外径をDAとした場
合、4.0mm≦DA≦5.8mmとして径を従来より
細くして騒音を低くし管列ピッチをLAとした場合、
1.2DA≦LA≦1.8DA、管段ピッチをLBとし
た場合、2.6DA≦LB≦3.5DAとして最も適切
な伝熱管の配置を実現し、冷媒をオゾン層を破壊するこ
とがなく地球を温暖化する危惧の少ないHFC系冷媒,
HC系冷媒,二酸化炭素を主体とする冷媒に特定するこ
とにより上記の数値を可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機,冷凍
庫,冷蔵庫,自動販売機,ショーケース等に使用され、
冷媒と空気等の流体間で熱の授受を行うフィンチューブ
型熱交換器の技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来は特開昭63−3188号公報(特
許2604722号明細書)に記載されているように同
一ファン動力基準にて、空気側熱伝達率を最大にするこ
とを目的とした技術が開示されている。
【0003】その技術内容について図6を用いて以下に
説明する。
【0004】図6において、11は所定間隔で平行に並
べられた板状フィン、12は外径をDOとする伝熱管で
あり、気流方向の管列ピッチをL1とし、気流方向に垂
直な管段ピッチをL2とする。そして図7に示すように
気流の流動抵抗(単位をkg/m2とする)を△Pと
し、気流の速度(単位をm/hとする)をUFとし、空
気側総括熱伝達率(単位をKcal/m2h℃)をαO
とすると流動抵抗と気流の速度の積に対する空気側総括
熱伝達率は伝熱管12の外径DOに対する気流方向の管
列ピッチL1の比率により影響を受けるものであり、結
局空気側総括熱伝達率は同一ファン動力基準において
1.2DO≦L1≧1.8DOが他の範囲より良いこと
が明らかにされている。また図8に示すように空気側総
括熱伝達率は同一ファン動力基準において伝熱管12の
外径DOに対する気流方向の管段ピッチL2の比率によ
り影響を受け、結局空気側総括熱伝達率は同一ファン動
力基準において2.6DO≦L2≦3.5DOの範囲が
他の範囲より良いことが明らかにされている。
【0005】そして伝熱管12の外径DOが小さければ
小さい程、気流の流動抵抗△Pも小さくなることは明ら
かであるが、伝熱管12の外径DOの寸法によって伝熱
管12内を流動する冷媒の量が定まるものであって、こ
のことは伝熱管による熱交換能力に影響を与えることに
なるから特許第2604722号においては伝熱管12
の外径DOを3mm≦DO≦7.5mmとすることによ
り熱交換器の能力が好ましい状態を確保できることを示
している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前記する特許第260
4722号に開示された技術は、伝熱管12の外径DO
と管列ピッチL1と管段ピッチL2との関係を明らかに
して、同一ファン動力基準で最適な伝熱管配列を実現す
るための手段である。
【0007】しかしながら特許第2604722号に開
示された技術は騒音を少なくして、静かな音のフィンチ
ューブ型熱交換器の実現を意図したものではない。
【0008】ところで、従来より冷媒として使用されて
きたモノクロロジフルオロメタン(以下R22と云う)
はオゾン層の破壊や地球温暖化を招く恐れがあることか
ら代替冷媒への転換が急務である。その代替冷媒として
はハイドロフルオロカーボン系冷媒(以下HFC系冷媒
と云う)が有望であり、例えば、混合冷媒ではR410
Aが開発され、単一冷媒ではR32が有力視されてい
る。また地球温暖化防止のためにはHFC系冷媒が有力
視されている。更に可燃性のない二酸化炭素を冷媒とす
ることも研究されている。これらの冷媒の特徴を生かす
ことによって新たなフィンチューブ型熱交換器を実現す
ることができる。
【0009】そこで本発明が解決しようとする課題は、
同一ファン動力基準でフィンの空気側総括熱伝達率を最
大に高める特許第2604722号の技術を利用し、熱
交換能力が高くしてしかも騒音の低いフィンチューブ型
熱交換器を実現することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は前記する課題を
解決するための手段として、HFC系冷媒が流動する伝
熱管の外径を細くして騒音を低くし、しかも細径化によ
る欠点がない特定な条件のフィンチューブ型熱交換器と
した。すなわち本発明は伝熱管の外径をDAとした場合
に、4.0mm≦DA≦5.8mmとし、その管列ピッ
チをLAとした場合に1.2DA≦LA≦1.8DAと
し、管段ピッチをLBとした場合に2.6DA≦LA≦
3.5DAとしたものである。従って、特許第2604
722号明細書に示されている範囲内で伝熱管の外径を
細い範囲内とし、管列ピッチと管段ピッチは伝熱管の外
径に対して同じ割合としたものである。これにより同一
ファン動力基準において空気側総括熱伝達率を最高に
し、伝熱管の配置を最適にしたものと云える。
【0011】また、冷媒はHFC系冷媒以外にハイドロ
カーボン系冷媒(以下HC系冷媒と云う)および二酸化
炭素を主体とした冷媒は前記条件のフィンチューブ型熱
交換器に適用できることを見出したものである。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明は、家庭用または業務用の
いずれにも使用することのできる機器のフィンチューブ
型熱交換器に適用できるものであり、機器としては空気
調和機,冷凍庫,冷蔵庫,自動販売機,ショーケース等
の冷却機器が対象となる。
【0013】特許請求の範囲に記載した形態を実施の形
態とすることにより本発明の目的を達成したフィンチュ
ーブ型熱交換器を実現できるものであるが、以下には本
発明の構成の作用を記載して本発明の意義を具体的に説
明することとする。
【0014】本発明は、一定間隔で平行に並べられ、そ
の間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フ
ィンに直角に挿通されていて冷媒が内部を流動する伝熱
管を備えたフィンチューブ型熱交換器を前提条件とし、
上記フィンチューブ型熱交換器の冷媒は塩素を含まない
HFC系冷媒,HC系冷媒,二酸化炭素を主体とする冷
媒とし、前記伝熱管はその外径をDAとした場合に4.
0mm≦DA≦5.8mmとし、前記伝熱管の流動方向
の管列ピッチをLAとした場合に、1.2DA≦LA≦
1.8DAとし、気流と垂直方向の管段ピッチをLBと
した場合に2.6DA≦LB≦3.5DAとするもので
ある。
【0015】そして、HFC系冷媒としてR410系冷
媒を使用することができる。R410系冷媒のうちR4
10Aの特質としては40℃における気相の飽和圧力は
2.41MPa、R32の40℃における飽和圧力は
2.478MPa、二酸化炭素の31.06℃における
飽和圧力は7.384MPa以上であり、いずれも従来
例であるR22の40℃における飽和圧力である1.5
34MPaに比較して飽和圧力が高い。従ってR410
A,R32,二酸化炭素の各冷媒を使用した伝熱管はR
22冷媒を使用した伝熱管と同じ肉厚であっても耐圧力
が大きいと云う事が明白である。また、R410Aは0
℃における飽和気相密度が30.5kg/m3、飽和液
相密度が1171kg/m3、二酸化炭素は0℃におけ
る飽和気相密度は97.3kg/m3、飽和液相密度は
928kg/m3であり、従来例のR22は0℃におけ
る飽和気相密度が21.4kg/m3、飽和液相密度が
1282kg/m2であるから、R410Aおよび二酸
化炭素はR22に比較して0℃における液相における飽
和密度は低く、気相における飽和密度は高い。つまり、
同一質量流量の冷媒を用いた場合、R410Aも、二酸
化炭素も気相密度が大きく、気相の比体積が小さいこと
が明らかである。従って体積流速が遅くなり、管内圧力
損失が、小さくなることで蒸発器として用いる場合伝熱
管の細径化によるデメリットは少ない。
【0016】その上、HFC系冷媒、可燃性のあるHC
系冷媒、二酸化炭素冷媒を使用した本発明のフィンチュ
ーブ型熱交換器は伝熱管の細径化により内容積が軽減す
るので、機器への冷媒充填量を削減でき、冷媒コストの
削減につながる。
【0017】勿論、伝熱管の細径化により騒音が低くな
り、使用上有利となる。
【0018】例えば、熱交換器の能力を同等とした上
で、伝熱管の径を7.3mmから5.2mmにしたとき
には、伝熱管の径が7mmの場合と5.2mmの場合と
で熱交換能力を同等とするために、7mmの径の伝熱管
の場合に比較して5mmの径の伝熱管を使用した場合は
伝熱管のピッチが小さくなるのであるが、このピッチが
小さくなることを加味しても騒音は2.5dB低下する
ことになる。
【0019】また、管列ピッチ,管段ピッチを固定し、
例えば伝熱管の径を5.2mmから4.2mmに変えた
場合は3〜7%低下することになる。
【0020】そこでHFC系冷媒を使用した発明では、
HFC系冷媒の前記した特質より伝熱管の外形寸法を小
さくすることができるのであるが、外径寸法をDAとし
た場合に4.0mm≦DA≦5.8mmとし、しかも伝
熱管の管列ピッチと管段ピッチを最適にすることによ
り、使用上好ましい熱交換能力の確保と、騒音低下を極
力図ったバランスの取れたフィンチューブ型熱交換器と
することができる。
【0021】また、HC系冷媒、例えば、プロパンやイ
ソブタンを使用した発明では、その冷媒の可燃性のた
め、機器への冷媒封入量を必要最小限にしなくてはいけ
ない。従って、伝熱管の外径DAを最小限にする必要が
ある。この要求を満たし、かつ騒音および、ファン動力
基準での性能を良好に保つためには、外径寸法をDAと
した場合に4.0mm≦DA≦5.8mmとし、しかも
伝熱管の管列ピッチと管段ピッチを最適にすることによ
り、使用上好ましい熱交換能力の確保と、騒音低下を極
力図ったバランスの取れたフィンチューブ型熱交換器と
することができる。
【0022】また、二酸化炭素を主とした冷媒を使用し
た発明では、その冷媒の動作圧力が高いため、伝熱管の
外径DAを最小限にし、耐圧力を確保するための伝熱管
の肉厚を最小限にし、使用材料重量を低減する必要があ
る。なおかつ、二酸化炭素の圧力損失もR22と比較し
て低く、細径化によるデメリットも少ない。
【0023】また、板状フィンには、伝熱管内の冷媒の
温度が隣接する伝熱管列にあたる伝熱管に熱伝導する度
合を抑制する機能を果たす不連続な断熱切断部を有する
熱伝導抑制部を縦方向に設けることとしたものである。
【0024】この発明は管列間の熱伝導を抑制し、熱交
換器の能力を向上させることを目的とするものである。
例えば2列目と3列目の伝熱管では、伝熱管内部を流れ
る冷媒の温度が異なるため、本来、空気に伝わるべき冷
媒の熱が、フィンを伝わって隣接する伝熱管内部の冷媒
へ伝わってしまい、空気への熱の移動が減少することに
なる。
【0025】この空気への熱の移動が減少することを防
止し、隣接する伝熱管内部に熱が伝導することを極力防
ぐために熱伝導抑制部を設けることとしたものである。
これは伝熱管相互間の距離が短く、隣接する伝熱管内部
の冷媒へ熱が伝わりやすいためであり、本発明において
より効果を向上できる。
【0026】そして、板状フィンに温度境界層を更新す
る機能を果す切り起こしを伝熱管段の間に設けることに
よって、本発明の主目的を達成するのに効果をより向上
することができる。
【0027】以下、本発明の具体的な実施例について図
面を参照して以下に述べる。
【0028】
【実施例】図1に示すように、厚さ0.1mmのアルミ
ニウム製の板状フィン1に多数の穴2をあけ、肉厚0.
28mmの銅製の伝熱管3を前記の穴2に挿通する。伝
熱管3の外径をDAとした場合に、本発明では4.0m
m≦DA≦5.8mmと特定しているが、本実施例では
DAを5.25mmとする。そして管列ピッチをLAと
した場合に、管列ピッチLAは1.2DA≦LA≦1.
8DAと本発明では特定しているが、本実施例では、L
Aを7.5mmとする。同様に管段ピッチをLBとした
場合に、本実施例では管段ピッチLBを15mmとなる
ように多数の穴2を板状フィンに透設する。
【0029】図2において、4は板状フィン1の穴2の
間に縦方向に形成した不連続な断熱切断部を有する熱伝
導抑制部としてのミシン目である。5は管段方向の伝熱
管3の間に形成した温度境界層の更新機能を果たす切り
起こしとしてのスリットである。板状フィン1には伝熱
管3間にこのスリット5が設けられていることにより空
気側熱伝達率が向上することになる。
【0030】伝熱管3を流動する冷媒がR410Aの冷
媒を使用した本発明の実施例について、幾つかの試作品
を用いて実験を行い、その結果を図3に示す。
【0031】図3においては、伝熱管径DAを変化さ
せ、それぞれ、LA/DA=1.43〜1.52,LB
/DA=2.85〜2.91としている。この場合の標
準的な壁掛けエアコン室内機に搭載した場合の騒音値が
一定となるように風量を変化させ、その場合の熱交換能
力をプロットしている。図3より、騒音一定下における
4≦DA≦5.8の場合に、熱交換能力が高くなること
がわかる。
【0032】次に、図4にDA=5.25mm,LB=
15mmとした場合に、LA/DAを変化させ、騒音値
が一定となるように風量を変化させた場合の特性値を示
す。図4より、1.2≦LA/DA≦1.8が最も熱交
換能力が高くできる。
【0033】次に、図5にDA=5.25mm,LA=
7.5mmとした場合に、LB/DAを変化させ、騒音
値が一定になるように風量を変化させた場合の特性値を
示す。図5より、2.6≦DA≦3.5が最も熱交換能
力を高くできることがわかる。
【0034】以上の通り、貫流ファン(図示せず)を用
いた場合の騒音値を一定として特性値を比較すると、4
≦DA≦5.8,1.2≦LA/DA≦1.8,2.6
≦DA≦3.5が最も熱交換能力を高くできることがわ
かる。
【0035】また、伝熱管が近接しているために、隣接
する伝熱管の熱伝導がより多くなる。従って、縦方向に
形成した不連続な断熱切断部4があることで、伝熱管ど
おしの熱交換が阻害され、空気との熱交換量が増す割合
いは、従来に増して大きい。
【0036】以上のように、一定間隔で平行に並べら
れ、その間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記
板状フィンに直角に挿通されていて冷媒が内部を流動す
る伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器を前提条件
とし、上記フィンチューブ型熱交換器の冷媒はR22に
比較して伝熱管内の圧力損失が低く、従って伝熱管を細
径にしても欠点が少なく、しかも塩素を含まないHFC
系冷媒とし、前記伝熱管はその外径をDAとした場合に
4.0mm≦DA≦5.8mmとし、前記伝熱管の流動
方向の管列ピッチをLAとした場合に、1.2DA≦L
A≦1.8DAとし、気流と垂直方向の管段ピッチをL
Bとした場合に2.6DA≦LB≦3.5DAとするこ
とにより、耐圧力を有するための肉厚を薄くすることが
でき、伝熱管の細径化により内容積が軽減するので、機
器への冷媒充填量を削減でき、冷媒コストの削減につな
がる。勿論、伝熱管の細径化と最適配置により騒音が低
くなり、使用上有利となる。
【0037】なお、本実施例において、冷媒をHC系冷
媒のプロパンを用いた場合も冷媒の圧力損失は高くなる
ために、最適な冷媒回路の分配が必要になるが、可燃性
冷媒であるために、機器への冷媒量削減による安全性の
向上は顕著なものがある。
【0038】なお、本実施例において、冷媒を二酸化炭
素を主とした冷媒を用いた場合は、冷媒の圧力損失は著
しく低下するために、冷媒回路の分配は最小限で済み、
その他の効果はHFC系冷媒の場合と同様に得られる。
【0039】
【発明の効果】前記説明から明らかなように、本発明は
伝熱管の外径をDAとした場合に、4.0mm≦DA≦
5.8mmとし、伝熱管の流動方向の管列ピッチをLA
とした場合に、1.2DA≦LA≦1.8DAとし、気
流と垂直方向の管段ピッチをLBとした場合に2.6D
A≦LB≦3.5DAとして、最も適切な伝熱管の配管
位置を定め、伝熱管はオゾン層を破壊したり地球を温暖
化させる危惧の少ないHFC系冷媒またはHC系冷媒ま
たは二酸化炭素を主体とする冷媒を流動することとし、
これらの冷媒が伝熱管の外径を細くした前記の寸法にし
ても径を細くすることによるデメリットがないため、伝
熱管の外径を細くして騒音の少ないフィンチューブ型熱
交換器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における伝熱管を導通した一
枚の板状フィンの平面図
【図2】同板状フィンの平面図
【図3】伝熱管を流動する冷媒がR410Aとした本発
明の実施例における伝熱管径DAを変化させた場合の熱
交換能力の特性図
【図4】同伝熱管管径DAに対する管列ピッチLAの割
合を変化させた場合の熱交換能力の特性図
【図5】同伝熱管径DAに対する管段ピッチLBの割合
を変化させた場合の熱交換能力の特性図
【図6】特許第2604722号に記載されたフィンチ
ューブ型熱交換器を示す部分側面図
【図7】特許第2604722号に開示された発明の作
用における伝熱管の外径と管列ピッチの関係を示す特性
【図8】同伝熱管の外径と管段ピッチの関係を示す特性
【符号の説明】
1,11 板状フィン 2 穴 3,12 伝熱管 4 ミシン目(熱伝導抑制部) 5 スリット(温度境界層を更新する切り起こし) DA,DO 伝熱管の外径 LA,L1 管列ピッチ LB,L2 管段ピッチ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一定間隔で平行に並べられ、その間を気
    流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直
    角に挿通されていて内部をハイドロフルオロカーボン系
    冷媒が流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換
    器において、前記伝熱管はその外径をDAとした場合に
    は4.0mm≦DA≦5.8mmとし、前記伝熱管の気
    流の流動方向の管列ピッチをLAとした場合に1.2D
    A≦LA≦1.8DAとし、気流と垂直方向の管列ピッ
    チをLBとした場合に2.6DA≦LB≦3.5DAと
    したことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
  2. 【請求項2】 一定間隔で平行に並べられ、その間を気
    流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直
    角に挿通されていて内部をハイドロカーボン系冷媒が流
    動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器におい
    て、前記伝熱管はその外径をDAとした場合には4.0
    mm≦DA≦5.8mmとし、前記伝熱管の気流の流動
    方向の管列ピッチをLAとした場合に1.2DA≦LA
    ≦1.8DAとし、気流と垂直方向の管列ピッチをLB
    とした場合に2.6DA≦LB≦3.5DAとしたこと
    を特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
  3. 【請求項3】 一定間隔で平行に並べられ、その間を気
    流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直
    角に挿通されていて内部を二酸化炭素を主体とした冷媒
    が流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器に
    おいて、前記伝熱管はその外径をDAとした場合には
    4.0mm≦DA≦5.8mmとし、前記伝熱管の気流
    の流動方向の管列ピッチをLAとした場合に1.2DA
    ≦LA≦1.8DAとし、気流と垂直方向のピッチをL
    Bとした場合に2.6DA≦LB≦3.5DAとしたこ
    とを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
  4. 【請求項4】 板状フィンには伝熱管内の冷媒の温度が
    隣接する伝熱管列にある伝熱管に熱伝導する度合を抑制
    する機能を果たす不連続な断熱切断部を有する熱伝導抑
    制部を縦方向に設けたことを特徴とする請求項1ないし
    3のいずれか1項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
  5. 【請求項5】 板状フィンには温度境界層を更新する機
    能を果たす切り起こしを伝熱管段の間に設けたことを特
    徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のフィ
    ンチューブ型熱交換器。
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