JP2005345021A

JP2005345021A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005345021A
Application number: JP2004166151A
Authority: JP
Inventors: Tatsuji Kitano; 竜児北野
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: CN1322288C; CN1704698A; JP4549106B2

Abstract

【課題】通風抵抗を減少してファンの回転数を抑制することを可能にし、消費電力を低減できる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、フィンチューブ型であって、伝熱管を熱交換空気流方向に３列以上設け、伝熱管間に複数本の切起しスリットが設けられ、最も風上側の列の伝熱管間には片側より切り起した切起しスリットを３本設けるとともに、３本の切起しスリットの内、風上側及び風下側の切起しスリットの高さＨ_１を、フィンピッチをＰとするとき、０．６Ｐ＜Ｈ_１＜０．８Ｐに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さＨ_２をＨ_２＜０．６Ｐとする。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器に係り、特に放熱フィンの形状を改良したフィンチューブ型熱交換器に関する。

従来、空気調和機の室内機に設けられるフィンチューブ型の室内熱交換器は、伝熱管を熱交換空気流方向に１列又は２列設けるとともに、各列の熱交換空気流方向とは直交する方向の伝熱管間に複数本の切起しスリットを設けたものが主であったが、近年、性能向上のため、熱交換器の一部又は全体の伝熱管の列数を３列以上に増やす傾向にある（特許文献１、２）。

しかしながら、単純に列数を増加した場合には、熱交換器の通風抵抗が増大し、風量を確保するためにファンの回転数を大きくする必要があり、その結果、消費電力が増大して効率が低下する問題があった。

すなわち、図７に示すように、伝熱管の各列毎の流入空気温度と伝熱管温度との温度差は風下側に行くにしたがって小さくなり、特に３列目以降の温度差が小さい傾向にあり、風速（風量）が小さい場合は顕著である。そのため、伝熱管の列数を増加することによる熱交換量の増加はそれ程大きくない。これは、３列目以降の伝熱管は有効に活用されていないことを意味する。

また、図８（ａ）は伝熱管１列での切起しスリットの本数と熱伝達率の相関を示し、切起しスリットの本数が増えることで熱伝達率は増加する。そのため、伝熱管１列の切起しスリット本数は通常４本以上設けられることが多い。しかしながら、図８（ｂ）に示すように、切起しスリットの本数が増えることで通風抵抗は増大し、伝熱管の列数が増加するにしたがって、比例的に増大して、熱交換効率は低下する。
特開２００１−９０９７７号公報（［００３９］、［００７０］、図３、図５）特開２００４−１９９９９号公報（［００５１］〜［００５３］、図２、図３）

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、通風抵抗を減少してファンの回転数を抑制することを可能にし、消費電力を低減できる熱交換器を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、所定ピッチを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管とを具備し、前記伝熱管を熱交換空気流方向に３列以上設けるとともに、各列の熱交換空気流方向と直交する方向の伝熱管間に切起しスリットを設け、少なくともいずれか１列に４本以上の切起しスリットを設けた熱交換器において、最も風上側の列の伝熱管間には片側より切り起した切起しスリットを３本設けると共に、３本の切起しスリットの内、風上側及び風下側の切起しスリットの高さＨ_１を、フィンピッチをＰとするとき、０．６Ｐ＜Ｈ_１＜０．８Ｐに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さＨ_２をＨ_２＜０．６Ｐとすることを特徴とする。

本発明に係る熱交換器によれば、通風抵抗を減少してファンの回転数を抑制することを可能にし、消費電力を低減できる熱交換器を提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態に係る熱交換器について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の概念図である。

図１に示すように、本第１実施形態に係る熱交換器１は、所定ピッチＰを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィン２と、これら放熱フィン２を貫通して設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管３とを具備している。なお、図中矢印は風の流れを示す。放熱フィン２は、風上側に配置される幅狭な放熱フィン２１と幅広な放熱フィン２２の２枚に分割されており、この２枚の放熱フィン２１、２２は近接して配置されている。なお、放熱フィンは、伝熱管の各列毎に分割しても良いし、３列一体でも良い。

伝熱管３は、３列以上例えば３列の伝熱管３１、３２、３３からなり、最も風上側の伝熱管３１は、放熱フィン２１に形成されたフィンカラー２１ａを貫通して多数の放熱フィン２１に伝熱的に嵌着され、中央の伝熱管３２及び風下側の伝熱管３３は、放熱フィン２２に形成されたフィンカラー２２ａを貫通して多数の放熱フィン２２に伝熱的に嵌着されている。

さらに、放熱フィン２１の熱交換空気流方向と直交する方向で、伝熱管３１間には、複数の切起しスリット群２１Ｇが設けられ、放熱フィンフィン２２の熱交換空気流方向と直交する方向で、伝熱管３２間、３３間には、複数の切起しスリット群２２Ｇ、２３Ｇが設けられている。

切起しスリット群２１Ｇは、片側より切り起した３本の切起しスリットから成り、切起しスリット群２２Ｇは４本の切起しスリットから成り、さらに、切起しスリット群２３Ｇは３本の切起しスリットから成っている。なお、切起しスリット群２３Ｇは４本以上のスリットであっても良い。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、最も風上側の切起しスリット群２１Ｇの３本の切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_２、２１ｓ_３のうち、風上側及び風下側の切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_３の高さＨ_１は、フィンピッチをＰとするとき、０．６Ｐ＜Ｈ_１＜０．８Ｐに形成されるとともに、中央の切起しスリット２１ｓ_２の高さＨ_２はＨ_２＜０．６Ｐに形成されている。なお、切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_３の高さは上記数値範囲内で互いに異なっても良い。

また、切起しスリット群２３Ｇは切起しスリット群２１Ｇと同様の形状でも良いし、異なっても良い。

本発明者らが行った多数の試験結果から、３本の切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_２、２１ｓ_３は、各々その特性が異なり、風上側の切起しスリット２１ｓ_１は伝熱管３１の周辺へ空気を集める作用があり、熱伝達及び通風抵抗への影響は大きく、中央の切起しスリット２１ｓ_２は伝熱管３１周辺の空気の剥離を防止する効果があり、熱伝達への影響は中程度であり、通風抵抗への影響は小さく、また、風下側の切起しスリット２１ｓ_３は伝熱管３１周辺へ空気を沿わせる作用があり、熱伝達への影響は小さく、通風抵抗への影響は中程度であることが分かった。

また、フィンピッチに対する切起しスリット高さの割合と熱伝達率との関係は、図３に示すような関係にあることを確認している。

この試験結果によれば、風上側および風下側切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_３は、熱伝達に関し、切起しの立上り部の効果は、切起し平坦部よりも大きく、いかに伝熱管３１周辺へ空気を流すかが重要であり、本発明のように片側切起し構造で切起しスリット高さを高くすることでより、伝熱管周辺へ空気を流すことができる。

また、切起しスリット平坦部も高くなることで通風抵抗が低減する。しかし、切起しスリット高さＨ_１＞０．８Ｐ、すなわちＨ_１／Ｐ＞０．８になると平坦部の境界層阻害効果の減少も大きくなる。

中央の切起しスリット２１ｓ_２は、熱伝達に対し、境界層阻害効果が大きいため、その高さＨ_２を最も境界層阻害効果の高いＰの略半分の高さにするのが好ましいことがわかる。

このことから、切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_３の高さＨ_１を、０．６Ｐ＜Ｈ_１＜０．８Ｐとするとともに、中間の切起しスリット２１ｓ_２の高さＨ_２をピッチＰの略半分の高さに設置すれば、熱伝達率の低下を抑制できるとともに通風抵抗を低減することができる。

さらに、本発明者らが行った試験結果から、図４（ａ）に伝熱管１列での熱伝達率、図４（ｂ）に伝熱管１列での通風抵抗率を示す。

実線は切起しスリット本数が４本のもの、破線は本第１実施形態における風上側のフィン列のものである。本第１実施形態のものは切起しスリット本数が４本のものと比較して、熱伝達率の低下はわずかであるのに対し、通風抵抗は大幅に減少していることがわかる。

また、図５（ａ）に伝熱管３列での熱伝達率、図５（ｂ）に伝熱管３列での通風抵抗を示す。この試験は実線が各列の切起しスリット数を４本にしたもの、破線は本第１実施例のものである。

図４（ａ）及び図５（ａ）に示す結果から明らかなように、風上側列の通風抵抗を低くなるよう切起しスリットを設けた本第１実施例のものは、風上側１列での熱伝達率は若干低下するが、その熱交換の低下分を風下側列で補うため３列の熱交換器全体での熱伝達率は、各列の切起しスリット本数を４本にしたものと同等となる。これに対し、図４（ｂ）及び図５（ｂ）から明らかなように、本第１実施例のものは熱交換器全体での通風抵抗は低減している。

上記第１実施形態のように、３本の切起しスリットの内、風上側及び風下側の切起しスリットの高さＨ_１を、フィンピッチをＰとするとき、０．６Ｐ＜Ｈ_１＜０．８Ｐに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さＨ_２をＨ_２＜０．６Ｐとすることにより、風上側の切起しスリットで熱伝達の向上と通風抵抗の低減を図り、中央の切起しスリットでの境界層阻害効果を向上させ、熱伝達率の低下を抑制できるとともに熱交換器全体での通風抵抗を低減できる。

従って、本第１実施形態の熱交換器によれば、ファンの回転数を抑制することが可能になり、消費電力が低減し、効率が向上する。

次に本発明の第２実施形態に係る熱交換器について説明する。

本第２実施形態は、上記第１実施形態の各切起しスリット幅に特定の関係を持たせたものである。

例えば、図６に示すように、本第２実施形態に係る熱交換器１は、最も風上側の切起しスリット群２１Ｇの３本の切起しスリット２１ｓ_１、２１ｓ_２、２１ｓ_３ａのうち、中央切起しスリット２１ｓ_２の幅Ｗ_２は、風上側切起しスリット２１ｓ_１の幅Ｗ_１及び風下側切起しスリット２１ｓ_３ａの幅Ｗ_３より大きく形成されている。これにより、中央切起しスリット２１ｓ_２の特性から通風抵抗の悪化を抑制しつつ、熱伝達率を向上させることができる。

また、風下側の切起しスリット２１ｓ_３ａは、伝熱管３１間の略中央で分割されているのが好ましい。これにより、下流側列への風速の均一化が図れ、下流側列の伝熱性能の向上を図ることができる。

さらに、風下側切起しスリット２１ｓ_３ａの風下側端とフィンの風下側端の距離ｍ_２を他の切起しスリット間の間隔ｍ_１より広くするのが好ましい。これにより、冷媒蒸発過程で生成されたドレン水の排水性を良くして通風抵抗を低減させ下流側の伝熱性能を向上させることができる。

なお、上記各実施形態では、伝熱管の列数が３列の例を採り説明したが、伝熱管の列数が４列以上の熱交換器にも適用できる。

本発明に係わる熱交換器の斜視図。（ａ）は本発明に係わる熱交換器に設けられた最も風上側の切起しスリット群の平面図、（ｂ）は側面図。本発明に係る熱交換器のフィンピッチに対する切起しスリット高さの割合と熱伝達率の相関線図。（ａ）は本発明に係る熱交換器を用いた伝熱管１列での風速と熱伝達率の相関線図、（ｂ）は風速と通風抵抗率の相関線図。（ａ）は本発明に係る熱交換器を用いた伝熱管３列での風速と熱伝達率の相関線図、（ｂ）は風速と通風抵抗率の相関線図。本発明の第２実施形態に係る熱交換器の概念図。一般的な伝熱管列数と流入空気温度と伝熱管温度との温度差、及び通風抵抗の相関線図。（ａ）は一般的な切起しスリット本数と熱伝達率の相関線図、（ｂ）は切起しスリット本数と通風抵抗率の相関線図。

符号の説明

１…熱交換器、２…放熱フィン、３…伝熱管、２１…放熱フィン、２２…放熱フィン、２１ｓ_１，２１ｓ_２，２１ｓ_３…切起しスリット、２２Ｇ…切起しスリット群、２３Ｇ…切起しスリット群、３１，３２，３３…伝熱管。

Claims

所定ピッチを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管とを具備し、前記伝熱管を熱交換空気流方向に３列以上設けるとともに、各列の熱交換空気流方向と直交する方向の伝熱管間に切起しスリットを設け、少なくともいずれか１列に４本以上の切起しスリットを設けた熱交換器において、最も風上側の列の伝熱管間には片側より切り起した切起しスリットを３本設けると共に、３本の切起しスリットのうち、風上側及び風下側の切起しスリットの高さＨ_１を、フィンピッチをＰとするとき、０．６Ｐ＜Ｈ_１＜０．８Ｐに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さＨ_２をＨ_２＜０．６Ｐとすることを特徴とする熱交換器。
前記中央の切起しスリットの幅は、風上側の切起しスリット及び風下側の切起しスリットの幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。