JP2006329470A - 熱交換器及びこれを備えた空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気側の改良でもって熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供すること。
【解決手段】 流体が流れる伝熱管３２と、伝熱管３２に軸方向に間隔をおいて取り付けられた複数の伝熱フィン３４と、を備え、伝熱管３２及び複数の伝熱フィン３４の周囲を流れる空気と伝熱管３２内を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器。複数の伝熱フィン３４に関連して、コロナ放電を発生するさせるためのコロナ放電発生手段３６が設けられ、コロナ放電発生手段３６は、複数の伝熱フィン３４との間にコロナ放電を発生する。コロナ放電発生手段３６は細長い放電部材４２から構成され、かかる放電部材４２が隣接する伝熱フィン３４間に配設される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、伝熱管内を流れる液体の熱を利用して空気を加熱又は冷却する、或いは空気の熱を利用して伝熱管内を流れる液体を加熱又は冷却するための熱交換器、及びこの熱交換器を備えた空調装置に関する。

エアコン、浴室暖房乾燥機などの空調装置、また冷凍機、冷蔵器などの冷凍・冷蔵装置においては、熱搬送媒体からの熱を空気に伝達するために熱交換器が用いられている（例えば、特許文献１参照）。例えば、空調装置に用いられる熱交換器は、熱搬送媒体が流れる伝熱管と、この伝熱管に軸方向に間隔をおいて取り付けられた複数の伝熱フィンと、を備え、伝熱管内を流れる熱搬送媒体と伝熱管及び伝熱フィンの周囲を流れる空気との間で熱交換が行われ、この熱交換によって、周囲の空気が暖房又は冷房される。

特開２００２−１３０７１２号公報

このような空調装置などにおいては、省エネルギー、省スペースなどの要望が強く、このような要求を満たすために、空気との熱交換に用いられる熱交換器の高性能化が求められている。一般に、空調装置などの熱交換器では、伝熱管の周囲を流れる空気の伝熱効率が、伝熱管の内部を流れる熱搬送媒体（水などの液体、代替フロンなどの気体）の伝熱効率よりも低く、それ故に、熱交換器全体としての熱交換の効率が、伝熱管の外周を流れる空気の伝熱特性に支配され、このようなことから、熱交換器の効率を高めるために、空気側の伝熱効率の改善が望まれている。

この熱交換器の伝熱効率を高めるためには、例えば、伝熱管に設けられた伝熱フィンの枚数を多くすればよく、このようにすることによって、周囲を流れる空気との接触面積が増大し、伝熱管内の熱搬送媒体から空気への伝熱量が増加し、伝熱特性を向上させることができる。しかし、伝熱フィンの枚数を多くした場合、これら伝熱フィン間の間隔が狭くなるため、これら伝熱フィン間に充分な空気流路を確保することが難しくなり、伝熱管及び伝熱フィンの周囲を流れる空気流の圧力損失が大きくなって空調効率（暖房又は冷房効率）が悪くなるという問題が新たに発生する。

本発明の目的は、空気側の改良でもって熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供することである。
また、本発明の他の目的は、熱交換器の熱交換効率を高めて空調効率を改善することができる空調装置を提供することである。

本発明の請求項１に記載の熱交換器は、流体が流れる伝熱管と、前記伝熱管に軸方向に間隔をおいて取り付けられた複数の伝熱フィンと、を備え、前記伝熱管及び前記複数の伝熱フィンの周囲を流れる空気と伝熱管内を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記複数の伝熱フィンに関連して、コロナ放電を発生するさせるためのコロナ放電発生手段が設けられ、前記コロナ放電発生手段は、前記複数の伝熱フィンとの間にコロナ放電を発生することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の熱交換器では、前記コロナ放電発生手段は、前記複数の伝熱フィンの間に配設された細長い放電部材から構成され、前記放電部材と前記複数の伝熱フィンとの間に高圧電圧が印加されて両者間にコロナ放電が発生することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の熱交換器では、前記コロナ放電発生手段は、空気の流れ方向において前記複数の伝熱フィンの上流側に配設された面状放電部材から構成され、前記面状放電部材と前記複数の伝熱フィンとの間に高圧電圧が印加されて両者間にコロナ放電が発生することを特徴とする。

更に、本発明の請求項４に記載の空調装置は、室内の空気を循環させる循環流路を備えた空調装置本体と、前記循環流路に配設された熱交換器と、室内の空気を前記循環流路を通して循環させるための吸込み手段と、を具備する空調装置であって、
前記熱交換器は、熱搬送流体が流れる伝熱管と、前記伝熱管に軸方向に間隔をおいて取り付けられた複数の伝熱フィンと、コロナ放電を発生するさせるためのコロナ放電発生手段と、を備え、前記コロナ放電発生手段は、前記複数の伝熱フィンとの間にコロナ放電を発生することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の熱交換器によれば、複数の伝熱フィンに関連してコロナ放電発生手段が設けられ、このコロナ放電発生手段はこれら伝熱フィンとの間にコロナ放電を発生するので、伝熱管及び伝熱フィンの周囲を流れる空気はこのコロナ放電を受け、この空気中のゴミ、ホコリなどの物質が局部的に帯電したイオン化物質となってその対流が生じる。このようなイオン化物質の対流はイオン風と呼ばれ、このイオン風により、複数の伝熱フィンの表面に空気流の乱れが生じ、この乱れによって空気と伝熱フィンとの接触が促進され、その結果、伝熱管内を流れる流体と周囲を流れる空気との伝熱効率が高められる。この熱交換器は、伝熱管内を流れる流体からの熱（温熱又は冷熱）を周囲の空気に伝熱するものでもよく、又は周囲の空気からの熱（温熱又は冷熱）を伝熱管内の流体に伝熱するものでもよい。また、伝熱管内を流れる流体は、水などの液体、代替フロンなどの気体でよい。

また、本発明の請求項２に記載の熱交換器によれば、コロナ放電発生手段は複数の伝熱フィンとの間に配設された放電部材から構成され、放電部材とこれら伝熱フィンとの間に高圧電圧が印加されるので、隣接する伝熱フィン間にコロナ放電が発生し、これら伝熱フィン間を流れる空気がコロナ放電を受けてイオン風が発生し、このイオン風による空気流の乱れによって伝熱フィンとの接触が促進される。

また、本発明の請求項３に記載の熱交換器によれば、コロナ放電発生手段は複数の伝熱フィンの上流側に配設された面状放電部材から構成され、面状放電部材とこれら伝熱フィンとの間に高圧電圧が印加されるので、面状放電部材と複数の伝熱フィンとの間にコロナ放電が発生し、伝熱フィン間に向けて流れる空気がコロナ放電を受けてイオン風が発生し、イオン風を伴う空気流が伝熱フィン間を流れることによって伝熱フィンとの接触が促進される。

更に、本発明の請求項４に記載の空調装置によれば、空調装置本体に設けられた循環流路に熱交換器が配設され、この熱交換器はコロナ放電発生手段を備えているので、循環流路を通して流れる空気はコロナ放電発生手段のコロナ放電を受けてイオン風が生じ、このイオン風による空気流の乱れによって熱交換器の伝熱フィンとの接触が促進され、その結果、熱交換器の伝熱管内を流れる流体と循環流路を流れる空気との伝熱効率が高められ、流体からの熱（温熱又は冷熱）を効率良く空気に伝えて室内を空調（暖房又は冷房）することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う熱交換器及び空調装置の一実施形態について説明する。図１は、空調装置の一例としての浴室暖房乾燥機を簡略的に示す断面図であり、図２は、図１の浴室暖房乾燥機における熱交換器を簡略的に示す斜視図であり、図３は、熱交換器の変形形態を簡略的に示す斜視図である。

図１において、図示の浴室暖房乾燥機は、空調装置本体としての浴室暖房乾燥機本体２を備え、この浴室暖房乾燥機本体２内に循環流路４が設けられ、この循環流路４の一端側に吸込み口６が設けられ、その他端側に吹出し口８が設けられている。また、循環流路４には熱交換器１０が配設され、この熱交換器１０の下流側に吸込み手段１２が配設されている。吸込み手段１２は吸込みファン１６を備え、矢印１４で示す方向に回動される吸込みファン１６の作用によって、室内の空気は、矢印１８で示すように、吸込み口６から吸い込まれ、循環流路４を通して流れ、熱交換器１０において後述するように加温された後に吹出し口８から室内に吹き出し、このようにして室内が空調、この場合には暖房される。尚、図示の浴室暖房乾燥機本体２には換気流路２０が設けられ、この換気流路２０に換気ファン２２が配設され、矢印２４で示す方向に回動される換気ファン２４の作用によって、室内の空気が破線矢印２６で示すように換気流路２０を通して室外に排出される。

次に、主として図２を参照して、熱交換器１０について説明する。この熱交換器１０は、所定の間隔をおいて配設された複数の伝熱管３２（図２では、説明を容易にするために４本の伝熱管３２を示すが、実際にはもっと多数の伝熱管３２が設けられている）と、これら伝熱管３２の軸線方向（図２において左上から右下の方向）に間隔をおいて配設された複数の伝熱フィン３４とを備え、これら伝熱フィン３４が伝熱管３２にろう付けなどの手段によって取り付けられている。伝熱管３２は配管径が６〜１２ｍｍ程度の円管部材から構成することができる。この伝熱管３２は伝熱特性（熱伝導性）の優れた金属材料から形成することができ、例えば、銅、ステンレス鋼、亜鉛、炭素鋼などから形成することができ、特に伝熱特性が優れ、安価で且つ環境性にも優しい銅を用いるのが好ましい。

伝熱フィン３４は、例えば矩形状の平板部材から構成されている。複数の伝熱フィン３４は相互に実質上平行となるように、また伝熱管３２に対して実質上垂直となるように取り付けられる。このような伝熱フィン３４は、伝熱特性の優れた金属材料から形成することができ、例えばステンレス鋼、鉄、銅、金、銀、アルミニウムなどから形成することができる。また、伝熱フィン３４の厚みについても、薄すぎると形状保持することができず、伝熱管３２に安定的に固定することができず、反対に厚すぎると材料コストが高くなるとともに、重量も重くなり、このようなことから伝熱フィン３４の厚みは０．０１〜５ｍｍであるのが好ましく、特に０．１〜１ｍｍであるのがより好ましい。

この熱交換器１０は、熱搬送媒体としての流体（この場合、温水）が熱交換器１０に流入する流入室（図示せず）と、流体が熱交換器１０から流出する流出室（図示せず）とを備え、これら伝熱管３２の一端側が上記流入室に接続され、それらの他端側が上記流出室に接続されている。従って、熱源機（図示せず）から熱交換器１０の流入室に送給された液体は、複数の伝熱管３２に分流して流出室に流れ、この流出室から熱源機に戻され、液体が伝熱管３２内を通して流れる際に、伝熱管３２内を流れる流体と伝熱管３２及び伝熱フィン３４の周囲を流れる空気、即ち循環流路４を流れる空気との間で熱交換が行われ、熱交換により温められた空気が吹出し口８（図１参照）から吹き出す。尚、この形態では、複数の伝熱管３２が流入室と流出室との間を並列的に配設しているが、複数の伝熱管が直列的に接続されたものを用
この熱交換器１０には、更に、コロナ放電を発生させるためのコロナ放電発生手段３６が設けられている。図示のコロナ放電発生手段３６は、コロナ放電を発生させるための電極手段３８と、この電極手段３８に高圧電圧を印加するための高電圧源４０から構成されている。図示の電極手段３８は、細長いワイヤ乃至棒状の放電部材４２から構成され、この放電部材４２が隣接する伝熱フィン３４間に配設されている。各放電部材４２は、隣接する一対の伝熱フィン３４間に図２において上下方向に実質上平行にそれらの間の中央に配置され、矢印４４で示す空気の流れ方向において、伝熱フィン３４の上流側部に配設される。高電圧源４０からの電圧印加ライン４６は電極手段３８に延び、各放電部材４２はこの電圧印加ライン４６に電気的に並列に接続されている。この放電部材４２は、例えばステンレス鋼、鉄、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケルなどの金属材料から形成することができ、経済的に安価で強度が大きいニッケルから形成するのが特に好ましい。この放電部材４２の太さは、細すぎると強度が弱く切れ易くなり、反対に太すぎると伝熱フィン３４間に配設できる本数が少なくなり、後述するコロナ放電による効果が少なくなり、このようなことから、その太さは直径０．０１〜２ｍｍであるのが望ましく、特に０．０５〜１ｍｍであるのがより望ましい。

このような構成に関連して、伝熱フィン３４の配設間隔についても、狭すぎると放電部材４２を配設するスペースがなく、逆に大きすぎると空気との接触面積が少なくなって伝熱効率が悪くなり、このようなことから、伝熱フィン３４の間隔は放電部材４２の太さの１．２〜１０倍であるのが好ましく、特に１．５〜５倍であるのがより好ましい。

放電部材４２には、高電圧源４０からの高電圧、例えば５〜２０ｋＶ程度の高電圧が印加される。また、伝熱フィン３４は接地ライン４８を介して接地（アース）されており、従って、放電部材４２に高電圧が印加されると、放電部材４２から伝熱フィン３４に向けてコロナ放電が発生する。

この熱交換器１０によって熱交換を行うときには、熱搬送媒体としての液体（例えば、温水）が伝熱管３２を通して流れるとともに、温めるべき空気が伝熱管３２及び伝熱フィン３４の周囲を通して流れ、更に高電圧源４０からの高電圧（例えば、５〜２０ｋＶの電圧）が電圧印加ライン４６を介して各放電部材４２に印加される。このように高圧電圧が印加されると、放電部材４２から伝熱フィン３４に向けてコロナ放電が発生し、このコロナ放電によって電場が生成され、伝熱フィン３４間を流れる空気中のゴミ、ホコリなどの物質が局部的に帯電したイオン化物質となる。従って、このイオン化物質による対流、即ちイオン風が生じ、このイオン風によって伝熱フィン３４の表面において空気流の乱れが生じ、この空気流の乱れによって空気と伝熱フィン３４との接触が促進される。その結果、伝熱管内を流れる流体と周囲を流れる空気との伝熱効率が向上し、この熱交換効率を高めることができる。

次に、図３を参照して、熱交換器の変形形態について説明する。この変形形態では、コロナ放電発生手段に修正が施されている。
図３において、このコロナ放電発生手段３６Ａの電極手段３８Ａは面状放電部材４２Ａから構成されている。この面状放電部材４２Ａは網目状に形成され、空気の流れ方向において伝熱フィン３４の上流側に配設され、伝熱フィン３４と面状放電部材４２との間隔Ｓは、例えば１〜１０ｍｍ程度に設定される。かかる面状放電部材４２Ａは、複数の伝熱フィン３４に対して実質上垂直にこれら伝熱フィン３４の上流側の覆うように配設される。この面状放電部材４２Ａは、上述した実施形態の放電部材４２と同様の金属材料から形成することができる。この変形形態の熱交換器１０Ａのその他の構成は、図１及び図２に示す実施形態のものと実質上同一である。

この変形形態の熱交換器１０Ａにおいても、熱交換の際には、高電圧源４０からの高電圧（例えば、５〜２０ｋＶの電圧）が電圧印加ライン４６を介して面状放電部材４２Ａに印加される。このように高圧電圧が印加されると、面状放電部材４２Ａから伝熱フィン３４（それらの上流端部）に向けてコロナ放電が発生し、このコロナ放電によって面状放電部材４２Ａと複数の伝熱フィン３４との間の空間に電場が生成され、伝熱フィン３４間に向けて流れる空気中のゴミ、ホコリなどの物質が局部的に帯電したイオン化物質となる。従って、この変形形態においても、伝熱フィン３４間を流れる空気流にイオン風が生じ、このイオン風による空気流の乱れによって空気と伝熱フィン３４との接触が促進され、伝熱管内を流れる流体と周囲を流れる空気との伝熱効率が向上する。

例えば、上述した実施形態では、伝熱管３２内を流れる流体からの熱（温熱又は冷熱）を伝熱管３２及び伝熱フィン３４の周囲を流れる空気に伝熱するものに適用して説明したが、これとは反対に、伝熱管３２及び伝熱フィン３４の周囲を流れる空気からの熱を伝熱管３２内を流れる流体に伝熱するものにも同様に適用することができる。

本発明の効果を確認するために、簡易的な熱交換器を製作し、この熱交換器を用いて次の通りの実験を行った。熱交換器を製作するために、銅管（配管径：１０ｍｍ、肉厚：１ｍｍ、長さ１００ｃｍ）を伝熱管として用い、アルミニウム製の平板（サイズ：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を伝熱フィンとして用い、ニッケル線（太さ：０．２ｍｍ）を放電部材として用いた。伝熱フィン（平板）の中央部に伝熱管（銅管）を貫通させ、この伝熱管に対して実質上垂直となるように伝熱フィンを密着固定した。伝熱フィンは伝熱管に５ｍｍ間隔で１２１枚ろう付けで取り付けた。また、放電部材としてのニッケル線は、隣接する伝熱フィン間の全てに設け、空気流の流れ方向において伝熱管の管軸よりも上流側に１０ｍｍ離隔した位置であって、隣接する伝熱フィン間の中央部に配設した。更に、全ての伝熱フィンと全ての放電部材は、それぞれ、銅線（太さ：１ｍｍ）でもって電気的に接続し、伝熱フィンは電気的に接地し、放電部材は高電圧源に電気的に接続した。

実験においては、６０℃に温度調整された温水を毎分５リットルの割合で伝熱管を通して流すとともに、１０℃に温度調整された空気を毎分５２０リットルの割合で伝熱管及び伝熱フィンの周囲を流し、伝熱管及び伝熱フィンの周囲を通過した空気の温度変化をモニターし、伝熱管を通して流れる温水によって空気が温められる度合いを評価した。この実験では、空気を流動させる際に、放電部材に印加する電圧の大きさを種々に変化させて印加した。

図４は、この実験の評価結果を示しており、放電部材に印加した電圧と空気流の出口温度との関係を示している。この評価結果から明らかなように、放電部材に印加する電圧が５ｋＶを超えた場合、空気の出口温度は約３０℃前後まで上昇しているのに対し、この印加する電圧が５ｋＶ未満である場合、空気の出口温度は約１３℃程度であり、空気の温度の上昇はほとんどなかった。これは、印加する電圧が５ｋＶを超えた場合、放電部材から伝熱フィンに向けてコロナ放電が発生し、このコロナ放電によってイオン風が発生し、このイオン風によって伝熱管及び伝熱フィンと空気との接触が促進されて伝熱効果が高まることが確認できた。

実施例２として、放電部材を除いて実施例１で製作した熱交換器を用いて、次の通りの実験を行った。ニッケル線（太さ：０．２ｍｍ）を放電部材として用い、このニッケル線を用いてピッチ２ｍｍからなる網状の面状部材を面状放電部材として用いた。この面状放電部材を空気の流れ方向において伝熱フィンの上流側に、これら伝熱フィンに対して実質上垂直となるように配設した。

実験においては、６０℃に温度調整された温水を毎分５リットルの割合で伝熱管を通して流すとともに、１０℃に温度調整された空気を面状放電部材側から毎分５２０リットルの割合で伝熱管及び伝熱フィンの周囲を流し、伝熱管及び伝熱フィンの周囲を通過した空気の温度変化をモニターし、伝熱管を通して流れる温水によって空気が温められる度合いを評価した。この実験では、空気を流動させる際に、面状放電部材に印加する電圧の大きさを種々に変化させて印加し、また面状放電部材の配設位置を変化させて計測した。

図５は、この実験の評価結果を示しており、面状放電部材の配設位置を変化させた場合における面状放電部材に印加した電圧と空気流の出口温度との関係を示している。図５のの評価結果から明らかなように、面状放電部材と伝熱フィンとの間隔が１ｍｍ、５ｍｍ及び１０ｍｍである場合、印加する電圧が５ｋＶを超えると空気の出口温度は約３０℃前後まで上昇するのに対し、面状放電部材と電熱フィンとの間隔が１５ｍｍである場合、印加する電圧が５ｋＶを超えても空気の出口温度は約１３℃程度であり、空気の温度の上昇はほとんどなかった。これは、面状放電部材と伝熱フィンとの間隔が１ｍｍ、５ｍｍ及び１０ｍｍである場合、面状放電部材からのコロナ放電が発生し、このコロナ放電よってイオン風による伝熱管及び伝熱フィンと空気との接触促進効果が得られたためであり、一方面状放電部材と伝熱フィンとの間隔が１５ｍｍと大きくなると、面状放電部材からのコロナ放電が消失し、伝熱管及び伝熱フィンと空気との接触促進効果が得られないために空気の温度上昇はほとんどなかった。

空調装置の一例としての浴室暖房乾燥機を簡略的に示す断面図。 図１の浴室暖房乾燥機における熱交換器を簡略的に示す斜視図。 熱交換器の変形形態を簡略的に示す斜視図。 実施例１における放電部材の印加電圧と空気の出口温度との関係を示す図。 実施例２において面状放電部材と伝熱フィンとの間隔を変化させたときにおける面状放電部材の印加電圧と空気の出口温度との関係を示す図。

符号の説明

２ 浴室暖房乾燥機本体
４ 循環流路
１０，１０Ａ 熱交換器
１２ 吸込み手段
３２ 伝熱管
３４ 伝熱フィン
３６，３６Ａ コロナ放電発生手段
３８，３８Ａ 電極手段
４０ 高電圧源
４２，４２Ａ 放電部材

Claims (4)

1. 流体が流れる伝熱管と、前記伝熱管に軸方向に間隔をおいて取り付けられた複数の伝熱フィンと、を備え、前記伝熱管及び前記複数の伝熱フィンの周囲を流れる空気と伝熱管内を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記複数の伝熱フィンに関連して、コロナ放電を発生するさせるためのコロナ放電発生手段が設けられ、前記コロナ放電発生手段は、前記複数の伝熱フィンとの間にコロナ放電を発生することを特徴とする熱交換器。
2. 前記コロナ放電発生手段は、前記複数の伝熱フィンの間に配設された細長い放電部材から構成され、前記放電部材と前記複数の伝熱フィンとの間に高圧電圧が印加されて両者間にコロナ放電が発生することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記コロナ放電発生手段は、空気の流れ方向において前記複数の伝熱フィンの上流側に配設された面状放電部材から構成され、前記面状放電部材と前記複数の伝熱フィンとの間に高圧電圧が印加されて両者間にコロナ放電が発生することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 室内の空気を循環させる循環流路を備えた空調装置本体と、前記循環流路に配設された熱交換器と、室内の空気を前記循環流路を通して循環させるための吸込み手段と、を具備する空調装置であって、
   前記熱交換器は、熱搬送流体が流れる伝熱管と、前記伝熱管に軸方向に間隔をおいて取り付けられた複数の伝熱フィンと、コロナ放電を発生するさせるためのコロナ放電発生手段と、を備え、前記コロナ放電発生手段は、前記複数の伝熱フィンとの間にコロナ放電を発生することを特徴とする空調装置。

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