JP2001174181A - フィンアンドチューブ熱交換器及びこれを備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換能力が大きく、かつ通過抵抗を小さく
でき、低騒音でファン入力を小さく抑え、霜生成が生じ
難いフィンアンドチューブ熱交換器及びこれを備えた空
気調和機を提供するものである。 【解決手段】 間隔をおいて並設された多数の平板状の
フィン１と、これを貫き、かつこれに密着した複数の伝
熱管２とを備え、一方の液体は上記伝熱管内を流れ、他
方の気体はフィン間を流れるようにしたフィンアンドチ
ューブ熱交換器において、フィン表面に多数の楕円柱微
小突起３が付設されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、空気調和機の各
種熱交換用に用いられるフィンアンドチューブ熱交換器
及びこれを備えた空気調和機に関する。

【０００２】

【従来の技術】フィンアンドチューブ熱交換器では管内
を流れる液体と、フィン間を流れる空気との間で効果的
な熱交換がおこなわれることが重要である。空気との熱
の授受が行われるフィン表面では、次のような特性が必
要となる。 ａ、フィン表面での熱伝達能力が大きい。 ｂ、フィン間を通過する際の空気圧力損失が小さい。 この二つの要求を満たすようなコンパクトな形状が、実
際の熱交換器として使用されている。

【０００３】現在、熱交換器のフィンの形状として、ス
リットカットフィンが広く用いられている。このスリッ
トカットフィンは、図１５、図１６に示すようにフィン
１１に切り込みを形成し短冊状に切り起こしを設け、こ
れら多数のフィン１１を所定間隔を隔てて併設し、これ
ら多数のフィン１１に複数の伝熱管１２を貫通したもの
である。この種の形状のフィン１１では空気がスリット
カット１４を通過する時に高い熱伝達が得られ熱交換能
力は大きい反面、空気がフィン１１間を通過する際の流
れによる抵抗、すなわち圧力抵抗が比較的大きく、この
点で不十分である。

【０００４】また、図１７〜図１９に示すようにスリッ
トカットを施すことなく平板状のフィン１１の表面に微
小の突起１３を多数突出させるタイプのフィン形状もあ
る。例えば特開平８−１７０８８９号公報には、円柱、
三角錐、四角錐等の様々な形状の微小突起を付加した技
術が開示されている。

【０００５】この種のタイプのフィン形状のものでは、
フィン表面に付加した突起１３の役割はフィン１１の平
板表面付近を流れる空気流を攪拌することで、伝熱の促
進を図るものである。このような構造のフィン１１で
は、フィン１１表面を流れる空気は微小の突起１３によ
って攪拌されるため、平板表面に発達していく境界層が
成長せず、境界層が薄く保持されるため熱伝達が有効に
行われる。しかし、空気が微小の突起１３で攪拌される
時に、突起１３の後流に渦が多数発生するため、空気と
の抵抗が大きくなり、やはり空気圧損が大きく増大して
しまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで、熱交換器のフ
ィンの形状は、熱交換器の使用される用途に応じてその
形が異なってくる。熱交換器の使用状態が、特に空気の
圧力損失を小さくしなければならないような条件で使用
される場合、例えば熱交換器を通過する空気により生じ
る騒音を低く抑えなければならないような状況では、熱
交換器のフィンの形状は、できるだけ空気が通過する際
の空気圧損が小さい形状としなければならない。

【０００７】しかしながら、上述したようなスリットカ
ットフィンあるいは円柱等の微小突起付フィンのフィン
パターンでは通気抵抗が大きくなり過ぎてしまい、むし
ろ表面がスムーズなストレートフィン形状を用いざるを
得ない。ところが、このストレートフィン形状は、図２
０、図２１に示すように、フィン１１が平坦で、切り込
みや突起なども無く、空気が通過するときの抵抗は最も
小さいが、当然のことながらフィン１１表面での熱伝達
能力はスリットカットフィンや突起付フィン形状に比べ
て小さくなり、熱交換能力が十分取れないものとなると
いう問題がある。

【０００８】また、熱交換器の使用条件として、温度レ
ベルが低く、フィン表面に霜が生成するような条件も存
在する。霜が生成するような条件で、図１５、図１６で
示したスリットカットフィンを用いると、カットした切
起こし部（スリットカット１４）の先端に霜が集中して
付着し、空気の通過する流路が閉塞し、空気が流れにく
くなってしまうという問題が発生する。したがって、こ
の場合にもスリットカット１４のないストレートタイプ
のフィン形状のものを用いざるを得ないのが現状であ
る。

【０００９】しかしながら、上述したようにストレート
フィン形状では熱交換能力が不十分となるので、能力を
大きくするため熱交換器の大きさを大きくしたり、ある
いは空気の風量を大きくすることなどの手段で対応しな
ければならず、その結果、低騒音化や装置の小型化に逆
行するという問題がある。そこで、この発明は、熱交換
能力が大きく、かつ通過抵抗を小さくでき、低騒音でフ
ァン入力を小さく抑え、霜が生じ難いフィンアンドチュ
ーブ熱交換器及びこれを備えた空気調和機を提供するも
のである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、間隔をおいて並設され
た多数の平板状のフィン（例えば、実施形態におけるフ
ィン１）と、これを貫き、かつこれに密着した複数の伝
熱管（例えば実施形態における伝熱管２）とを備え、一
方の液体は上記伝熱管内を流れ、他方の気体はフィン間
を流れるようにしたフィンアンドチューブ熱交換器にお
いて、フィン表面に多数の楕円柱の微小突起（例えば、
実施形態における楕円柱微小突起３）が付設されている
ことを特徴とする。このように構成することで、楕円柱
の側面に沿って空気はスムーズに流れ、この側面で効率
良く熱交換することが可能となる。また、スリットカッ
トのような切り起こし部分がなく、流路の閉塞の問題も
生じない。

【００１１】請求項２に記載した発明は、上記フィン表
面の楕円柱の微小突起が、フィンの片面にのみ付設され
ていることを特徴とする。このように構成することで、
空気圧損をできるだけ低く抑えることが可能となる。

【００１２】請求項３に記載した発明は、上記フィン表
面の楕円柱の微小突起が、フィンの両面に交互に連続し
て突出形成されていることを特徴とする。このように構
成することで、熱交換面積を大きく確保することが可能
となる。

【００１３】請求項４に記載した発明は、上記フィン表
面の楕円柱の微小突起の上面部の縁が曲面で構成されて
いることを特徴とする。このように構成することで、周
囲を通過する空気の抵抗をさらに小さくすることが可能
となる。

【００１４】請求項５に記載した発明は、上記フィン表
面に気体流れ方向に直交した凸ビード（例えば、実施形
態における凸ビード１００）が、楕円柱の微小突起列
（例えば、実施形態における微小突起列Ｌ）と交互に、
かつ突起と逆方向に配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、上記フィン間の気体の流れ
を凸ビードにより曲げることで熱伝達率の高い楕円柱の
微小突起の前面へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路
を長くすることが可能となる。

【００１５】請求項６に記載した発明は、上記フィンを
楕円柱の微小突起列間で気体の流れ方向に直交して折り
曲げ、微小突起列と交互に配置した波板形状としたこと
を特徴とする。このように構成することで、上記フィン
を波板形状としたことで上記フィン間の気体の流れを曲
げるようにして熱伝達率の高い楕円柱の微小突起の前面
へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路を長くすること
が可能となる。

【００１６】請求項７に記載した発明は、上記楕円柱が
その長軸を気体の通過方向に沿って配置されていること
を特徴とする。このように構成することで、楕円柱を通
過する空気の抵抗を最小限に抑えることが可能となる。

【００１７】請求項８に記載した発明は、上記請求項１
から請求項７のいずれかに記載のフィンアンドチューブ
熱交換器を備えたことを特徴とする空気調和機。このよ
うに構成することで、空気調和能力を大幅にアップする
ことが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
と共に説明する。図１〜図４はこの発明の第１実施形態
を示している。同図において１は熱交換器のフィン、２
は伝熱管、３は楕円柱微小突起を示している。図１に示
すように平行に多数枚並んだフィン１を貫通して伝熱管
２が設置され、両者は密着した状態で固着されている。
図３、図４に示すようにフィン１にはその片面に楕円柱
微小突起３が多数付設されている。この楕円柱微小突起
３は、図４に示すように上流側に配置された２つの楕円
柱微小突起３の間に下流側の楕円柱微小突起３が位置す
るよう互い違いに配置され、各楕円の長軸が流線に沿う
ように配置されている。

【００１９】そして、伝熱管２の内側を液体と気体が混
合した冷媒が流れ、フィン１の間には空気が通過し、フ
ィン１と伝熱管２とを伝導体として、空気と冷媒との間
で熱交換が行われる。上記空気はフィン表面との熱伝達
によって、熱をフィン表面に伝えるが、このときフィン
表面の形状によリ決定される熱伝達率の値によって伝熱
能力が左右される。

【００２０】この実施形態では、例えば、フィン表面に
形成された楕円柱微小突起３の大きさは、楕円長径が１
〜５ｍｍ、楕円短径が０．５〜３ｍｍで、柱の高さは
０．２〜０．５ｍｍとしている。

【００２１】実験によれば、図６に示すように空気流中
に楕円柱および円柱を単独で置いて流体抵抗および熱伝
達を比較すると、楕円柱の熱伝達率は図６（ｂ）に示す
とおり最上流部でもっとも高く、円柱の２倍以上あり他
の周面でも円柱より高い値となることが明らかになっ
た。これは円柱の最上流部では流れが一旦堰きとめられ
る形で２分岐されるのに対し楕円柱の場合にはそのよう
なこともなくスムーズに両方向に分岐されるためであ
る。ここでＤは楕円の長径、Ｓは最上流部よりの周長を
示す。

【００２２】一方、空気流に対する抗力係数は、図６
（ａ）に示すとおり逆に円柱の約２分の１程度と低く、
低空気圧損を実現できた。このことは熱交換器に適用し
た場合にもいえることで、突起形状を楕円柱とした場合
の微小突起フィンでは熱交換能力が高く、しかも低空気
圧損となるといった優位性がもたらされることが証明さ
れた。

【００２３】すなわち、フィン表面に楕円柱状の微小突
起を多数付設することにより、フィン間を通過する空気
の流路抵抗を小さくできると共に熱伝達率を大きく確保
でき、霜に対する流路閉塞を起こり難くさせることがで
きるのである。フィン表面に楕円柱状の微小突起を付加
した形状では、フィン表面から流路に向かって微小に突
出する部分が現れるが、突起形状が楕円柱の場合には楕
円柱の先端で空気がスムースに分岐して通過していくた
め、流路抵抗は小さく抑えることができる。

【００２４】一方、熱伝達特性については、微小突起を
付けたフィンにおいては、微小突起の側面と、そこに沿
って流れていく気体との間に、特に楕円柱では高い熱伝
達が得られるため、熱交換能力は大きく確保できる。ま
た、微小突起の数を多くすることで熱交換能力をさらに
大きくすることができる。

【００２５】また、スリットカットフィン、楕円柱微小
突起フィンの空気圧損と熱伝達率をフィン表面が平坦な
ストレートフィンを基準として示すと、図５（ａ）、図
５（ｂ）に示すような結果が得られる。空気圧損はスリ
ットカットフィンではストレートフィンに比べ２倍程度
大きくなるが、楕円柱突起フィンでは１．４〜１．５倍
に留まる。また、熱伝達率はスリットフィンではストレ
ートフィンに比べ１．５倍となり、楕円柱突起フィンで
は１．３〜１．４倍に大きくなることが明らかになっ
た。

【００２６】すなわち、楕円柱微小突起を多数付設した
フィンでは、熱伝達はスリットカットフィンに比べ少し
低くなるが、空気圧損の値はスリットカットフィンに比
して大幅に小さくなり、低空気圧損を必要とする条件で
きわめて有利となる。霜がフィン表面に付着する条件に
おいても、この楕円柱突起フィンはすぐれた効果を有す
る。

【００２７】一般にフィン表面の温度が低く、フィンに
空気中の湿分が霜となって付着する条件では、フィンの
先端に霜が付着しやすく、流路の閉塞につながる。スリ
ットカットフィンでは短冊状のカット部分がフィン間の
中央に位置し、流れを２分岐しているが、このカット部
分の前縁に霜が集中して固まり、空気の流れを阻害す
る。したがって、流路の閉塞が短時間に起こってしま
う。ところが、楕円柱突起を有するフィンはフィン表面
の楕円柱の側面の熱伝達が高い部分で、霜の成長が積層
的に進んで行き、フィン表面に沿って厚くなっていくた
め、流路の幅方向への成長が遅く、閉塞までの時間が長
くなるのである。したがって、霜の成長によるフィン間
の流路の閉塞が起こりにくく、除霜を行うまでの運転の
間隔を長くできるという有利な特性を有することとな
る。

【００２８】以上説明したように第１実施形態によれ
ば、楕円柱微小突起３の持つ特性によりフィン表面の熱
伝達率は高い値となっているため、熱交換能力も高い値
が得られる。一方で、フィン間を通過する際の空気圧損
は、流れに対する空気抵抗の小さい楕円柱形状の突起で
あるために、前述したストレートフィンに比べ大きくな
るが、その増加幅は比較的小さく抑えられる。また、フ
ィン表面温度が低く、フィン１に空気中の湿分が霜とな
って付着する条件においては、霜が楕円柱微小突起３の
側面に集中して付着するため、フィン間の流路の閉塞が
遅く、熱交換を長時間にわたって効率的におこなうこと
ができる。

【００２９】そして、通過する空気の抵抗が低いため、
空気風量を流すために必要なファン動力が少なくて済む
と共に空気が通過する際に発生する騒音が小さくなり静
粛性を高めることができる。さらに、フィンの表面に霜
が付着するような条件において、霜の成長によるフィン
間の流路閉塞が起こり難いため、除霜と除霜との間の運
転時間を長く確保できる。したがって、運転効率が高め
られ快適性を向上することができる。

【００３０】ここで、この実施形態では楕円柱微小突起
３はフィン１の片面にのみ突出している形状であるが、
微小突起による熱伝達の向上は突起の突出側の側面が大
きく、突起の内面ではあまり期待できない。したがっ
て、この形状ではフィン１間を流れる空気に対する熱交
換の向上は、片側のフィン１面にのみ生じる。しかし、
その空気圧損については、楕円柱微小突起３の形成部位
がフィン１の片面のみであるため、通気抵抗による空気
圧損をできるだけ低く抑えることが可能となるメリット
がある。

【００３１】次に、この発明の第２実施形態を図７〜図
９によって説明する。この実施形態は、楕円柱微小突起
３がフィン１の両面に突出している形状である。この形
状では、前記楕円柱微小突起３がフィン間の流路の両側
に存在することとなり、空気圧損は、第１実施形態に比
較して大きくなるが、その反面熱伝達は両側面で向上す
るため熱交換能力を大きく確保できる。

【００３２】次に、図１０はこの発明の第３実施形態の
要部を示す斜視図である。この実施形態は、微小突起楕
円柱３の上面の側縁が角ではなく、丸くなっているもの
である。このような形状の微小突起楕円柱３が第１実施
形態のようにフィン１の片面に、あるいは第２実施形態
のようにフィン１の両面に形成されている。この滑らか
な突起形状では、そのまわりを通り過ぎる空気に対する
抵抗がより一層小さくなるため、通気抵抗は各段に小さ
くなり、さらなる低空気圧損を実現することができる。
つまり、この実施形態においては、微小突起楕円柱３の
上面を通過する空気に対する通気抵抗も低下するため、
全体としての空気圧損をより小さくできるのである。

【００３３】次に、図１１、図１２はこの発明の第４実
施形態を示すものである。尚、前記実施形態と同一部分
には同一符号を付して説明する（第５実施形態について
も同様）。この実施形態は、楕円柱微小突起３がフィン
１の片面のみに突出している形状であり、空気の流れに
直交するように微小突起列Ｌに並行し、かつ微小突起列
Ｌと交互に楕円柱微小突起３の突出方向と逆方向に突出
する凸ビード１００を設けたものである。したがって、
この実施形態では、凸ビード１００と微小突起列Ｌによ
りフィン１間の流れを曲げることができ、流れを熱伝達
率の高い楕円柱微小突起３の前面に積極的に衝突させ、
かつ実質的流過経路を長くでき、より一層熱伝達率を向
上させ、熱交換能力を増大することができる。

【００３４】次に、図１３、図１４はこの発明の第５実
施形態を示すものである。この実施形態は、楕円柱微小
突起３がフィン１の両面に突出している形状であり、空
気の流れに直交するよう微小突起列Ｌに並行し、かつ微
小突起列Ｌと交互にフィン１を５〜３０度の角度を持た
せ折り曲げ部１０１により折り曲げて波板形状としたも
のである。したがって、この実施形態においても、前記
実施形態と同様に、波板状に形成されたフィン１により
フィン１間の流れを曲げることができ、流れを熱伝達率
の高い楕円柱微小突起３の前面に積極的に衝突させ、か
つ実質的流過経路を長くでき、より一層熱伝達率を向上
させ、熱交換能力を増大することができる。

【００３５】したがって、上記各実施形態のフィンアン
ドチューブ熱交換器を備えた空気調和機においては、フ
ィンアンドチューブ熱交換器の熱交換能力が高まり空気
調和能力を大幅にアップすることが可能となるため、空
気調和機全体を小型化できるという効果がある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、楕円柱の側面に沿って空気はスム
ーズに流れ、この側面で効率良く熱交換することが可能
となり、スリットカットのような切り起こし部分がない
ため、通気抵抗を低減でき、熱伝達性を高め、霜による
流路閉塞が生じ難いという効果がある。また、通過する
空気の抵抗が低いため、空気風量を流すために必要なフ
ァン動力が少なくて済むと共に空気が通過する際に発生
する騒音が小さくなり静粛性を高めることができるとい
う効果がある。そして、フィンの表面に霜が付着するよ
うな条件において、霜の成長によるフィン間の流路閉塞
が起こり難いため、除霜と除霜との間の運転時間を長く
確保できる。したがって、運転効率が高められ快適性を
向上することができる効果がある。

【００３７】請求項２に記載した発明によれば、上記フ
ィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの片面にのみ付
設されているため、通気抵抗を低減することができる効
果がある。請求項３に記載した発明によれば、上記フィ
ン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの両面に交互に連
続して突出形成されているため、熱交換面積を大きく確
保して、熱交換効率を高めることができる効果がある。

【００３８】請求項４に記載した発明によれば、上記フ
ィン表面の楕円柱の微小突起の上面部の縁が曲面で構成
されているため、周囲を通過する空気の抵抗をさらに小
さくすることが可能となり、より一層空気圧損を低減す
ることができる効果がある。請求項５に記載した発明に
よれば、上記フィン間の気体の流れを曲げることで熱伝
達率の高い楕円柱の微小突起の前面へ流れを衝突させ、
かつ実質的流過経路を長くすることが可能となるため、
更なる熱伝達率の向上を図り熱交換能力を高めることが
できる効果がある。

【００３９】請求項６に記載した発明によれば、上記フ
ィンを波板形状としたことで上記フィン間の気体の流れ
を曲げるようにして熱伝達率の高い楕円柱の微小突起の
前面へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路を長くする
ことが可能となるため、更なる熱伝達率の向上を図り熱
交換能力を高めることができる効果がある。

【００４０】請求項７に記載した発明によれば、上記楕
円柱がその長軸を気体の通過方向に沿って配置されてい
るため、通気抵抗を最小限に抑えることができる効果が
ある。請求項８に記載した発明によれば、空気調和能力
を大幅にアップすることが可能となるため、装置全体を
小型化できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１実施形態の斜視図である。

【図２】 図１の平面図である。

【図３】 図２のａ−ａ線に沿う断面図である。

【図４】 この発明の第１実施形態の要部斜視図であ
る。

【図５】 熱交換器の性能を示すもので、（ａ）は風速
と空気圧損との関係を示すグラフ図、（ｂ）は風速とフ
ィン表面熱伝達率を示すグラフ図である。

【図６】 楕円柱微小突起と従来の円柱微小突起の単体
特性を示すもので、（ａ）はレイノルズ数と抗力係数と
の関係を示すグラフ図、（ｂ）は周位置と熱伝達率との
関係を示すグラフ図である。

【図７】 この発明の第２実施形態の平面図である。

【図８】 図７のｂ−ｂ線に沿う断面図である。

【図９】 この発明の第１実施形態の要部斜視図であ
る。

【図１０】 この発明の第３実施形態の要部拡大斜視図
である。

【図１１】 この発明の第４実施形態の平面図である。

【図１２】 図１１のｆ−ｆ線に沿う断面図である。

【図１３】 この発明の第５実施形態の平面図である。

【図１４】 図１３のｇ−ｇ線に沿う断面図である。

【図１５】 従来のスリットフィン形状の熱交換器の平
面図である。

【図１６】 図１５のｃ−ｃ線に沿う断面図である。

【図１７】 従来の微小突起付フィン形状の熱交換器の
平面図である。

【図１８】 図１７の要部を示す説明図である。

【図１９】 図１７のｄ−ｄ線に沿う断面図である。

【図２０】 従来のスリットフィン形状の熱交換器の平
面図である。

【図２１】 図２０のｅ−ｅ線に沿う断面図である。

【符号の説明】

１ フィン ２ 伝熱管 ３ 楕円柱微小突起（楕円柱の微小突起） １００ 凸ビード Ｌ 微小突起列

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 間隔をおいて並設された多数の平板状の
   フィンと、これを貫き、かつこれに密着した複数の伝熱
   管とを備え、一方の液体は上記伝熱管内を流れ、他方の
   気体はフィン間を流れるようにしたフィンアンドチュー
   ブ熱交換器において、フィン表面に多数の楕円柱の微小
   突起が付設されていることを特徴とするフィンアンドチ
   ューブ熱交換器。
2. 【請求項２】 上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、
   フィンの片面にのみ付設されていることを特徴とする請
   求項１に記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
3. 【請求項３】 上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、
   フィンの両面に交互に連続して突出形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載のフィンアンドチューブ熱
   交換器。
4. 【請求項４】 上記フィン表面の楕円柱の微小突起の上
   面部の縁が曲面で構成されていることを特徴とする請求
   項１から請求項３のいずれかに記載のフィンアンドチュ
   ーブ熱交換器。
5. 【請求項５】 上記フィン表面に気体流れ方向に直交し
   た凸ビードが、楕円柱の微小突起列と交互に、かつ突起
   と逆方向に配置されていることを特徴とする請求項１、
   請求項２、請求項４のいずれかに記載のフィンアンドチ
   ューブ熱交換器。
6. 【請求項６】 上記フィンを楕円柱の微小突起列間で気
   体の流れ方向に直交して折り曲げ、微小突起列と交互に
   配置した波板形状としたことを特徴とする請求項１、請
   求項３、請求項４のいずれかに記載のフィンアンドチュ
   ーブ熱交換器。
7. 【請求項７】 上記楕円柱がその長軸を気体の通過方向
   に沿って配置されていることを特徴とする請求項１から
   請求項６のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交
   換器。
8. 【請求項８】 上記請求項１から請求項７のいずれかに
   記載のフィンアンドチューブ熱交換器を備えたことを特
   徴とする空気調和機。