JP2007147221A - フィン付き熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器として利用しても、放熱器として利用しても、蒸発器および凝縮器としての両性能を向上させることができるフィン付き熱交換器を提供すること。
【解決手段】伝熱管４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは気体の流入方向に対して略直角方向に配置され、熱交換器１の中央Ｃを境にして冷媒が流入する上部２パスの入口の分岐管３１と下部２パスの入口の分岐管３２の４パスが空気の上流側となる右側に接合され、分岐管３１、３２に流入した冷媒は１列目の熱交換器１１に連通するヘアピン形状の伝熱管４１ＡをＵ字管５１Ａで繋いて冷媒流通路を流れ、下流側の伝熱管４１ＢとＵ字管５１Ｂ、更には伝熱管４１Ｃを経て、Ｕ字管５２Ａを通過して２列目の伝熱管４２Ａへ、また２列目では、５２ＢのＵ字管４２Ｂの伝熱管、５２ＣのＵ字管と伝熱管４２Ｃを経て１パスの冷媒出口となる６１、６２の分岐管から流出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式空気調和機に利用される熱交換器に関し、効率良く空気と冷媒の熱交換が可能となる熱交換器に関する。

空気調和機の冷凍サイクルを構成している室外ユニットの中の熱交換器は、熱交換器能力が小さい場合には、冷媒の循環量が少なく、伝熱管内の圧力損失が小さい為、冷媒が流通する伝熱管のパス数を減らして比較的外径の小さい伝熱管を用い、逆に熱交換器能力が大きく、循環量が大きくなる場合には、伝熱管内の圧力損失が大きくなり、複数の冷媒通路が必要である為に多パス化したり、もしくは外径の大きい伝熱管が必要となってくる。

ここで、図４において、熱交換効率を向上させる為に工夫された室外用の熱交換器であり、空気と冷媒が熱交換器１のフィンを介して効率良く熱交換できるように送風機７が設けられており、また、伝熱管の外径が空気の流入方向に対する方向である１列目の１１と２列目の１２で異なるように、伝熱管が組み合わされた室外用の熱交換器１台を蒸発器に使用した場合について説明する。

図４に示す従来例の場合、熱交換器１を蒸発器として使用される場合、冷媒が流入する分岐管３が空気の上流側となる右側に接合されている。分岐管３に流入した冷媒は１列目の熱交換器１１に連通するヘアピン形状の伝熱管４１をＵ字管５１で繋いて冷媒流通路を形成して、この冷媒流通路の中を通過しながら、各伝熱管に密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、更にガス化した冷媒は空気の下流側となる２列目の熱交換器１２に連通するヘアピン形状の伝熱管４２をＵ字管５２で繋いだ冷媒流路を通過して分岐管６から流出する。この時、冷媒のガス化と共に増加して生じる伝熱管内部での摩擦による圧力損失をできるだけ少なくなるように１列目の伝熱管４１よりも２列目の伝熱管４２の外径を大きくしている。

また、凝縮器として使用した場合は、図示しない冷凍サイクル中の四方弁の切換えにより冷媒の流れる方向が異なり、図４に示す熱交換器１の場合、圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスが空気の下流側となる２列目の熱交換器１２の分岐管６より流入し、各冷媒流路を形成するのＵ字管５２を通過しながら、２列目のヘアピン形状の伝熱管４２から１列目のヘアピン形状の伝熱管４１へ流れ、各ヘアピン形状の伝熱管４１、４２に密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化した冷媒は分岐管３より流出する。

従来このような空気調和機用の２列以上の熱交換器の熱交換効率を良好にした構成例としては、１列目から４列目の間の熱交換器の伝熱管の外径を列ごとに変化させて室外熱交換器として利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、１列目と２列目の伝熱管の外径を空気の流入上流部の方が大きくなるように構成して室内ユニットに搭載し、熱交換器全体が効率良く運転可能となるようにさせたものもがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３―２１４８５号公報（７頁、第６図） 実開平２―１２８０１５号公報（３頁、第１図）

しかしながら、上記特許文献１、２の構成のフィン付き熱交換器では、蒸発器として利
用した場合に、列ごとに伝熱管の外径を変化させている為に、冷媒が蒸発してガス化と共に大きく増加する伝熱管の内部の管壁の摩擦抵抗を徐々に減少させるには限界があった。また、更には、空気の風下となる２列目全てに外径の大きい管を配置しているために、空気が通過する際に通風抵抗が大きくなり性能を大きく低下させる要因になっていた。

また、凝縮器として利用した場合では、冷媒が凝縮して単相の過冷却液となった場合に冷媒の熱伝達率が大きく低下するので、凝縮器の出口付近で過冷却液の取れる箇所での部分細径ができないために、蒸発器および凝縮器の性能を大きく低下させてしまうという恐れがある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸発器として利用しても、放熱器として利用しても、蒸発器および凝縮器としての両性能を向上させることができるフィン付き熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために本発明のフィン付き熱交換器は、所定の間隔で平行に並べられた複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンと略直角に貫通して冷媒が内部を流通する３種類以上の外径の伝熱管とで構成し、空気流路の上流側に他より外径の小さい伝熱管を配設するとともに、前記他より外径の小さい伝熱管を、当該熱交換器を放熱器として利用する場合は冷媒出口側の伝熱管として、蒸発器として利用する場合は冷媒入口側の伝熱管として用い、気体の主流方向に沿う方向となる列方向に２列以上で構成したことを特徴とするもので、熱交換能力を向上させることができる。

蒸発器として利用しても、放熱器として利用しても、蒸発器および凝縮器としての両性能を向上させることができるフィン付き熱交換器を提供できる。

第１の発明は、所定の間隔で平行に並べられた複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンと略直角に貫通して冷媒が内部を流通する３種類以上の外径の伝熱管とで構成し、空気流路の上流側に他より外径の小さい伝熱管を配設するとともに、前記他より外径の小さい伝熱管を、当該熱交換器を放熱器として利用する場合は冷媒出口側の伝熱管として、蒸発器として利用する場合は冷媒入口側の伝熱管として用い、気体の主流方向に沿う方向となる列方向に２列以上で構成したことを特徴とするもので、通風抵抗をあまり上げることなく、高い空気側の熱伝達率を得ることができ、同一騒音時の風量を向上させて高い熱交換能力を発揮することができる。放熱器、いわゆる凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は冷媒出口寄りの伝熱管として、蒸発器として利用する場合は冷媒入口寄りの伝熱管として気体の主流方向に沿う方向となる列方向に２列以上で構成することにより熱交換能力を向上させることが可能となる。

第２の発明は、小能力で低循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は２パスにして冷媒を流すことで、管内の熱伝達率を向上させ得るとともに空気と冷媒の温度差に関し対向流的な配置となるので、熱交換能力を増大させることができ、冷媒の流速を上げて冷媒側の熱伝達率を上げて熱交換能力を向上させることが可能となる。

第３の発明は、大能力で高循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は３パス以上にして冷媒を流すことで、蒸発器として利用する場合に冷媒の流速の増加と共に増大する伝熱管の内部の管壁との摩擦損失を低減させることができ、循環量が大きい場合でも高い管内熱伝達率と低い冷媒流通抵抗を両立させて、熱交換能力を増大させることができる
第４の発明は、３種類以上の伝熱管の外径を５．０〜９．６ｍｍを用い、冷媒の上流から下流にかけて徐々に、前記伝熱管の外径が変化させることで、蒸発器として利用する場合には、急激な流速の低下に伴う熱伝達率の低下を抑えながら冷媒の流速の増加と共に増大する伝熱管の内部の管壁との摩擦損失を緩やかに低減でき、高い熱交換能力を発揮することができる。即ち、高い管内熱伝達率と低い冷媒流通抵抗を両立させて、熱交換能力を増大させることができる。

第５の発明は、気体の主流方向と垂直になる前記伝熱管の段ピッチを１５〜３０ｍｍになるように最適化することにより、通風抵抗をあまり上げることなく、高い空気側の熱伝達率を得ることができ、同一騒音時の風量を向上させて高い熱交換能力を発揮することができる。

第６の発明は、前記気体の主流方向になるように前記伝熱管の列ピッチを１２〜２０ｍｍになるように最適化することにより、通風抵抗をあまり上げることなく、伝熱管内部を流れる冷媒と空気とを効率よく熱交換し、能力の高い熱交換器を発揮することできる。

第７の発明は、伝熱管の内部を流動する冷媒流体として、オゾン破壊係数の小さいＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のうちいずれかを用いることにより、地球環境の保護に貢献することができる。特に、ＨＣ冷媒や二酸化炭素は地球温暖化係数が小さい冷媒であるため、より地球環境の保護に貢献することができる。

以下、本発明の実施の形態係るフィン付き熱交換器について、図面を参照しながら説明する。上記の背景の技術と重複する内容と原理は省き、同一機能を示すものであれば同一番号にて図面を参照しながら以下に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態にかかるフィン付き熱交換器の断面図である。ここでは、熱交換効率を向上させる為に工夫された室外用の熱交換器１が、空気の流入方向に対する方向である１列目の熱交換器１１と２列目の熱交換器１２の２列で構成され、更には、４パスの冷媒流路を形成し、１列当たり１２本のヘアピン形状の伝熱管が使用されたものであり、２４段の２列構成となるものである。

また、熱交換器１において、破線で囲まれる上部Ａ領域の熱交換器は２列６段であり、４パス中の１パスの冷媒経路を構成し、熱交換器１の中央に位置する破線Ｃよりも上部にある破線で囲まれるＢ領域は上部のＡ領域を略水平方向を基準として１８０回転したものであり領域Ａと領域Ｂは水平方向に対し、対を成して１２段の２パスを形成する。同様に破線Ｃより下部にある１２段の熱交換器も同形態を成して、２４段の熱交換器１を形成している。また、熱交換器１に流入する空気と冷媒が熱交換器１のフィン２を介して効率良く熱交換できるように送風機７が設けられている。

図２は、図１における熱交換器１の破線で囲まれる上部Ａ領域の２列６段で構成された熱交換器の部分拡大図である。

図２に示すように外径が３種類のヘアピン形状の伝熱管４１Ａ（例えばφ５．０ｍｍ）、４１Ｂ、４１Ｃ、４２Ａ（例えばφ７．０ｍｍ）、４２Ｂ、４２Ｃ（例えばφ９．６ｍ
ｍ）が組み合わされて熱交換器１全体の４パスのうち１パスの冷媒経路を構成し、空気の流れに対する通風抵抗を抑えながら、熱交換器１の性能を高く維持できる段方向のピッチＰ１（例えば２０〜３０ｍｍの範囲）で、且つ列方向のピッチＰ２（例えば１２〜２０ｍｍ）となるようにしたものであり、高い空気側熱伝達率を得ることができ、また熱交換器全体としての通風抵抗の差異を少なくして風速分布を改善することができるので、同一騒音時の風量を向上させて優れた熱交換能力を発揮させることができる。

ここで、上記熱交換器１を室外熱交換器用の蒸発器に使用した場合について図１を用いて説明する。

図1および図２に示すように、伝熱管４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは気体（空気である）の主流方向（流れ方向）に対して直角方向に配置され、熱交換器１の中央Ｃを境にして冷媒が流入する上部２パスの入口の分岐管３１と下部２パスの入口の分岐管３２の４パスが空気の上流側となる右側に接合されている。

分岐管３１、３２に流入した冷媒は１列目の熱交換器１１に連通するヘアピン形状の伝熱管４１ＡをＵ字管５１Ａで繋いて冷媒流通路を流れ、下流側の伝熱管４１ＢとＵ字管５１Ｂ、更には伝熱管４１Ｃを経て、Ｕ字管５２Ａを通過して２列目の伝熱管４２Ａへ流れる。また２列目では、５２ＢのＵ字管４２Ｂの伝熱管、５２ＣのＵ字管と伝熱管４２Ｃを経て１パスの冷媒出口となる６１、６２の分岐管から流出する
この時、冷媒のガス化と共に増加して生じる伝熱管内部での摩擦による圧力損失をできるだけ少なくなるように伝熱管の外径を１列目の伝熱管４１よりも２列目の下流側に流れるに連れて徐々に外径をφ５〜φ９．６ｍｍの範囲で大きくしている。

また、凝縮器として使用した場合は、図示しない冷凍サイクル中の四方弁の切換えにり冷媒の流れる方向が異なり、図１に示す熱交換器１の場合、図示しない圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスが空気の下流側となる２列目の熱交換器１２の分岐管６１、６２より流入し、各冷媒流路を形成するヘアピン形状の伝熱管４２ＣからＵ字管５２Ｃへと順次通過しながら、Ｕ字管５２Ａより１列目の熱交換器１１へ流れ、各ヘアピン形状の伝熱管４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃに密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化して過冷却が取れた冷媒は分岐管３１、３２より流出して図示しない冷凍サイクルへ戻るものである。

また、図３は、図１に示す４パスを構成した熱交換器１と同形態を示すものであるが、集合分流器３３、６３より冷媒が流出入し、図１に示す熱交換器１のＡ領域の熱交換器と同じ２列６が１パスの冷媒経路を構成し、上に凸の形態で４パスを組んでいるものとなっているが、基本的には図１の熱交換器１と同様の効果を示すものである。

また、上記実施の形態では、例として図１、図３に示すような熱交換器１について説明したが、これらに特に限定されるものでなく、伝熱管も４種類以上使用しても構わない。

更に、小能力（例えば冷凍能力２．２ｋＷ以下）で冷媒循環量が小さくなる冷凍サイクルに使用する熱交換器として利用する場合には、図示しない２パスで冷媒経路を構成して冷媒流速の増加させて熱伝達率を向上させて熱交換器の能力を向上させても上記実施の形態と同様の効果を得るものである。

また、熱交換器１の伝熱管内部を流れる（流動する）冷媒としては、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のいずれか一つが用いられオゾン破壊係数の小さいＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のいずれか１つを用いることにより、地球環境の保護に貢献することができる。

このように、本発明にかかるフィン付き熱交換器における伝熱管の配置設計改善に関するもので、特に空気調和機の室内外ユニットに適用することができる他、伝熱管内を流れる冷媒と外部を流れる空気との間で熱交換を行う機器にも適用することができる。

本発明の実施の形態１に係るフィン付き熱交換器の断面図 同フィン付き熱交換器の部分拡大図 同他のフィン付き熱交換器の断面図 従来のフィン付き熱交換器の断面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ フィン
３、３１、３２、６、６１、６２ 分岐管
７ 送風機
１１ １列目の熱交換器
１２ ２列目の熱交換器
３３、６３ 集合分岐管
４１、４１Ａ〜４１Ｃ、４２、４２Ａ〜４２Ｃ ヘアピン形状の伝熱管
５１、５１Ａ、５１Ｂ、５２、５２Ａ〜５２Ｃ Ｕ字管
Ｐ１ 段ピッチ
Ｐ２ 列ピッチ

Claims (7)

1. 所定の間隔で平行に並べられた複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンと略直角に貫通して冷媒が内部を流通する３種類以上の外径の伝熱管とで構成し、空気流路の上流側に他より外径の小さい伝熱管を配設するとともに、前記他より外径の小さい伝熱管を、当該熱交換器を放熱器として利用する場合は冷媒出口側の伝熱管として、蒸発器として利用する場合は冷媒入口側の伝熱管として用い、気体の主流方向に沿う方向となる列方向に２列以上で構成したことを特徴とするフィン付き熱交換器。
2. 小能力で低循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は、２パスにして冷媒を流すようにして構成したことを特徴とする請求項１記載のフィン付き熱交換器。
3. 大能力で高循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は、３パス以上にして冷媒を流すようにして構成したことを特徴とする請求項１記載のフィン付き熱交換器。
4. ３種類以上の伝熱管の外径を５．０〜９．６ｍｍで用い、冷媒の上流から下流にかけて順次、前記伝熱管の外径を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。
5. 気体の主流方向と垂直になる伝熱管の段ピッチを、２０〜３０ｍｍになるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。
6. 気体の主流方向になるように伝熱管の列ピッチを、１２〜２０ｍｍになるようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。
7. 伝熱管の内部を流動する冷媒として、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒、二酸化炭素のうちのいずれを用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。

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