JP2008121932A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱行程で温度変化をする冷媒が流れる冷媒回路のクロスフィン型熱交換器（1）において、第１管列（8a）よりも第２管列（8b）のほうが、熱流束が低くなることによる熱交換量の低下を抑制する。
【解決手段】クロスフィン型熱交換器（1）において、熱流束が低い第２管列（8b）の伝熱管（4）の本数を第１管列（8a）よりも増やすことにより、第２管列（8b）の空気側の伝熱面積を第１管列（8a）よりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒回路に設けられる熱交換器に関し、特に、放熱行程で温度変化をする冷媒が流れる冷媒回路に設けられるクロスフィン型熱交換器の形状に関するものである。

従来より、冷媒と空気とが互いに直交するように流れて、冷媒と空気との間で熱交換を行う熱交換器、いわゆるクロスフィン型の熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器は、例えば、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路に接続されて、該冷媒回路内を循環する冷媒の放熱行程及び吸熱行程を行うために用いられている。

図６は、従来のクロスフィン型熱交換器の外観形状を示す斜視図である。上記熱交換器（61）は、図６に示すように、複数の伝熱管（64）を有する伝熱管群（68）と、複数の伝熱フィン（65）を有する伝熱フィン群（69）とを備えている。

上記伝熱管群（68）は、複数の伝熱管（64）を例えば、２列に配列して形成されている。配列された複数の伝熱管（64）の端部うち、第１伝熱管（66）の一端と第２伝熱管（67）の一端とを除く、他の端部同士はＵ字管（62）で接続されている。このように構成することにより、上記伝熱管群（68）には、第１伝熱管（66）の一端を入口端とし、第２伝熱管（67）の一端を出口端とする１本の冷媒流路が形成されている。そして、この冷媒流路が形成された伝熱管群（68）の管内側を冷媒が流れ、管外側を空気が流れる。ここで、上記管内側には冷媒側の伝熱面が構成され、上記管外側には空気側の伝熱面が構成されている。

上記伝熱フィン群（69）は、上記伝熱管群（68）の空気側の伝熱面を拡大するためのものである。上記伝熱管群（68）の各列を構成する伝熱管（64）に貫通されて固定された矩形状の伝熱フィン（65）が、該伝熱管（64）の長さ方向に沿って、所定の間隔をあけつつ、互いに平行となるように一列に並べられて、伝熱フィン列が構成されている。図６では、２列の伝熱フィン列により、上記伝熱フィン群（69）が構成されている。

ところで、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路において、例えば、冷媒として二酸化炭素を用いた場合には、図５における太線に示すように、一般に、超臨界での放熱行程（ｂ−ｃ間）と、臨界温度（e）未満での吸熱行程（ｄ−ａ間）とを備えた冷凍サイクル（ａ−ｂ−ｃ−ｄ）が構成される。図５からわかるように、上記吸熱行程の場合、二酸化炭素は相変化を伴いながら吸熱するので、吸熱中の二酸化炭素の温度は一定である。一方、上記放熱行程の場合には、二酸化炭素が臨界温度（e）を超える部分を含むため、該二酸化炭素は相変化を伴わずに放熱する。そのため、放熱中の冷媒温度は大きく低下する（図５の例では、温度差ΔＴ≒５０℃である）。そして、上記クロスフィン熱交換器（61）の伝熱管群（68）内に二酸化炭素を流して、空気と熱交換させることにより、上記冷凍サイクルの放熱行程を行わせることは可能である。
特開平１０−２２７５８９号公報

しかしながら、上記伝熱管群内に二酸化炭素を流して、該二酸化炭素と空気とを熱交換させた場合、上記クロスフィン型熱交換器には、熱流束が高い領域と低い領域とが構成され、この構成により、熱流束が低い領域の熱交換量が低下してしまうという問題がある（ここで、熱流束とは単位伝熱面積、単位時間あたりに移動する熱量のことである。）。

つまり、上記熱交換器における伝熱管群内を流れる二酸化炭素は、放熱とともにその温度が低下する。このために、該伝熱管群内に形成された冷媒流路の入口側と出口側との間には大きな温度差（図５のΔＴ≒５０℃）が生じる。一方、伝熱管群外を流れる空気は、上記二酸化炭素の放熱により暖められるが、上記熱交換器の通過前後における空気の温度差は、熱交換器の通過前後における二酸化炭素の温度差に比べて小さいと考えられる。このことから、上記熱交換器において、二酸化炭素と空気との温度差は、上記伝熱管群の入口側よりも出口側のほうが小さくなると考えられる。そして、この二酸化炭素と空気との温度差に起因して、上述したように、上記伝熱管群の入口側には熱流束が高い領域が、出口側には熱流束が低い領域がそれぞれ構成される。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱行程で温度変化をする冷媒が流れる冷媒回路に設けられる熱交換器において、該冷媒に起因して、熱流束が低い領域が構成されることによる熱交換器の熱交換能力の低下を抑制することにある。

第１の発明は、複数の伝熱管（4）からなり複数列に配列された伝熱管群（8）と、該伝熱管群（8）に固定された複数の伝熱フィン（5a,5b）からなる伝熱フィン群（9）とを備え、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側から出口側へ向かって温度変化する冷媒が流れる熱交換器を前提としている。ここで、その温度変化する冷媒として、超臨界の二酸化炭素などが挙げられる。

そして、上記熱交換器（1）の伝熱管群（8）及び上記伝熱フィン群（9）の少なくとも一方は、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、空気との伝熱面積が大きくなるように構成されていることを特徴としている。ここで、上記空気との伝熱面積とは、上記複数の伝熱管（4）における管外面の面積と上記複数の伝熱フィン（5a,5b）における外面の面積のことである。又、冷媒は入口側から出口側へ向かって温度変化するため、出口側に近づくほど、冷媒と空気との温度差は小さくなる。つまり、出口側ほど上記熱交換器（1）の熱流束は小さくなり、熱交換量は減少すると考えられる。

第１の発明では、上記熱交換器（1）において、熱流束が小さい出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることにより、出口側における熱交換量を増加させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、上記伝熱管（4）同士の間隔が狭いことを特徴としている。

第２の発明では、上記熱交換器（1）において、冷媒の出口側の伝熱管（4）同士の間隔を入口側よりも狭くして、１列あたりの該伝熱管（4）の本数を増やすことにより、冷媒の出口側の伝熱管群（8）における管外面の面積を入口側よりも大きくすることができる。又、１列あたりの該伝熱管（4）の本数が増えるので、該伝熱管（4）の外側にある伝熱フィン（5a,5b）がより加熱され、結果として、フィン効率が向上する。つまり、伝熱フィン（5a,5b）の先端部分の温度が上昇するので、伝熱フィン（5a,5b）と空気との伝熱を促進させることができる。

第３の発明は、 第１又は２の発明において、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、上記伝熱フィン（5a,5b）同士の間隔が狭いことを特徴としている。

第３の発明では、上記熱交換器（1）において、冷媒の出口側の伝熱フィン（5a,5b）同士の間隔を入口側よりも狭くして、該伝熱フィン（5a,5b）の枚数を増やすことにより、冷媒の出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることができる。

第４の発明は、第１から第３の発明の何れか１つにおいて、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、上記伝熱フィン（5a,5b）の幅が広いことを特徴としている。

第４の発明では、上記熱交換器（1）において、冷媒の出口側の伝熱フィン（5a,5b）の幅を広くすることにより、第３の発明と同様に、冷媒の出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることができる。

上述したように、放熱行程で温度変化をする冷媒が流れる冷媒回路に設けられる熱交換器（1）において、出口側に熱流束の低い領域が構成されることにより、出口側の熱交換量は入口側よりも低下してしまう。

本発明によれば、上記熱交換器（1）において、出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることにより、出口側に熱流束が低い領域が構成されることによる熱交換量の低下を抑制することができる。

また、上記第２の発明によれば、上記熱交換器（1）において、熱流束が低い領域が構成された出口側における伝熱管（4）の本数を入口側よりも増やすことにより、出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることができる。これにより、出口側に熱流束が低い領域が構成されることによる熱交換量の低下を抑制することができる。又、第２の発明では、出口側に設けられた伝熱フィン（5a,5b）のフィン効率を向上させることができるので、さらに伝熱が促進されて、出口側に熱流束が低い領域が構成されることによる熱交換量の低下をさらに抑制することができる。

また、上記第３の発明によれば、上記熱交換器（1）において、熱流束が低い領域が構成された出口側における伝熱フィン（5a,5b）の枚数を増やすことにより、出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることができる。これにより、出口側に熱流束が低い領域が構成されることによる熱交換量の低下を抑制することができる。

また、上記第４の発明によれば、上記熱交換器（1）において、熱流束が低い領域が構成された出口側における伝熱フィンの形状を大きくする、つまり、伝熱フィン（5a,5b）の幅を広くすることにより、出口側の伝熱面積を入口側よりも大きくすることができる。これにより、出口側に熱流束が低い領域が構成されることによる熱交換量の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態の熱交換器（1）は、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路に接続されており、該冷媒回路内の超臨界圧に圧縮された二酸化炭素と空気とを熱交換させて、該二酸化炭素を冷却するものである。

−熱交換器の構成−
図１は、上記熱交換器（1）の外観形状を概念的に示す斜視図である。該熱交換器（1）は、図示するようにクロスフィン型の熱交換器であり、複数の伝熱管（4）と複数のＵ字管（2）とを有する伝熱管群（8）と、複数の第１伝熱フィン（5a）と複数の第２伝熱フィン（5b）とを有する伝熱フィン群（9）とを備えている。そして、上記各伝熱フィン群（9）を貫通するように、上記複数の伝熱管（4）が配置されている。

〈伝熱管群〉
上記伝熱管群（8）は、複数の伝熱管（4）が２列に配列され、図１における右側に第１管列（8a）、左側に第２管列（8b）が構成されている。図２は、図１のクロスフィン型熱交換器のII−II断面図を示している。図２に示すように、上記第１管列（8a）（図２の右側）と上記第２管列（8b）（図２の左側）とでは、伝熱管（4）同士の間隔（管ピッチ）が異なり、第１管列（8a）よりも第２管列（8b）のほうが、管ピッチが狭くなっている。つまり、第２管列（8b）のほうが、１列あたりの伝熱管（4）の本数が多くなっている。又、上記伝熱管群（8）は、上記複数の伝熱管（4）のうち、第１管列（8a）における最下段の伝熱管（6）の一端（第１端）と、第２管列（8b）における最下段の伝熱管（7）の一端（第２端）とを除く伝熱管（4）の端部同士を上記Ｕ字管（2）で接続することにより、上記第１端と上記第２端とを両端とする一本の冷媒流路（図２の太線）が形成される。ここで、第１管列（8a）を構成する伝熱管（4）の端部同士は、第１Ｕ字管（2a）で接続され、第２管列（8b）を構成する伝熱管（4）の端部同士は、第２Ｕ字管（2b）で接続される。上記第１Ｕ字管（2a）と上記第２Ｕ字管（2b）とでは、両端の間の距離が異なり、第１Ｕ字管（2a）よりも第２Ｕ字管（2b）の方が両端の間の距離が短い。又、図示していないが、第１管列（8a）における最上段の伝熱管の一端及び第２管列（8b）における最上段の伝熱管の一端も、Ｕ字管で接続されている。

本実施形態では、上記第１端を冷媒の入口端、上記第２端を冷媒の出口端とすることにより、上記伝熱管群（8）の入口端側よりも出口端側の管ピッチが狭くなるように構成される。この伝熱管群（8）の構成が本発明の特徴である。

〈伝熱フィン群〉
上記伝熱フィン群（9）は、複数の長方形状の伝熱フィン（5a,5b）が２列に配列され、この伝熱フィン（5a,5b）が、上記伝熱管（4）の長さ方向に沿って、所定の間隔をあけつつ、互いに平行となるように一列に並べられることにより、上記第１管列（8a）側に第１伝熱フィン列（9a）、上記第２管列（8b）側に第２伝熱フィン列（9b）が構成されている。ここで、上記第１伝熱フィン列（9a）の第１伝熱フィン（5a）と上記第２伝熱フィン列（9b）の第２伝熱フィン（5b）とでは、そのフィンの表裏面を貫通する貫通穴（10）の穴ピッチが異なる。この理由は、この貫通穴（10）が上記伝熱管（4）を挿入するためのものであり、第１管列（8a）と第２管列（8b）の管ピッチが異なるからである。具体的には、第１伝熱フィン列（9a）の穴ピッチは第１管列（8a）の管ピッチと同じに構成され、第２伝熱フィン列（9b）の穴ピッチは第２管列（8b）の管ピッチと同じに構成されている。

−熱交換器の動作−
上記クロスフィン型熱交換器（1）は、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路に用いられるものであり、該冷媒回路を循環する冷媒が、上記冷凍サイクルの放熱行程（図５のｂ−ｃ間）を行うように構成されている。

まず、上記クロスフィン型熱交換器（1）における二酸化炭素の流れについて、図２を用いて説明する。尚、図２の太線の矢印は二酸化炭素の流れを示している。上記冷媒回路に設けられた圧縮機（図示せず）により、超臨界圧に圧縮された高温の二酸化炭素は、上記第１管列（8a）の最下段の伝熱管（6）の入口端より、上記熱交換器（1）に流入する。流入した二酸化炭素は、伝熱管群（8）に形成された冷媒流路に沿って第１管列（8a）の上方へ、蛇行しながら流れる。そして、第１管列（8a）の最上段の伝熱管（4）に流入した二酸化炭素は、隣の第２管列（8b）の最上段のある伝熱管（4）に流入する。第２管列（8b）の最上段のある伝熱管（4）に流入した二酸化炭素は、冷媒流路に沿って第２管列（8b）の下方へ、蛇行しながら流れる。そして、第２管列（8b）の最下段の伝熱管（7）に流入した冷媒は、該最下段の伝熱管（7）の出口端から冷媒回路に向かって流出する。ここで、上記伝熱管群（8）の入口端において、図５のｂ点の温度であった二酸化炭素は、伝熱管群（8）内を流れて、管外側の空気へ放熱することにより、最終的には、上記伝熱管群（8）の出口端において、図５のｃ点の温度まで低下する。このように、二酸化炭素の流れに沿って、二酸化炭素自体の温度が低下するため、上記伝熱管群（8）の温度は、入口端に近いほど高温となり、出口端に近いほど低温となる。

次に、上記熱交換器（1）における空気の流れについて説明する。図２の白い大きな矢印に示すように、空気は、第２伝熱フィン列（9b）の第２伝熱フィン（5b）間に流入した後、第２伝熱フィン（5b）間を通過中に、上記二酸化炭素の放熱により加熱されて、第２伝熱フィン（5b）間を流出する。流出した空気は、次に、第１伝熱フィン列（9a）の第１伝熱フィン（5a）間に流入し、該第１伝熱フィン（5a）間を通過中に加熱されて、第１伝熱フィン（5a）間を流出する。ここで、上記熱交換器（1）の通過前後における空気の温度差は、上記熱交換器（1）の通過前後における二酸化炭素の温度差（図５のΔＴ）よりも小さいので、上記第１管列（8a）及び上記第２管列（8b）において、管内の二酸化炭素と管外の空気との温度差を比較すると、上記第１管列（8a）よりも上記第２管列（8b）のほうが、二酸化炭素と空気との温度差が小さい。つまり、上記第１管列（8a）よりも上記第２管列（8b）のほうが、熱流束は小さくなる。上述したように、熱流束とは、単位伝熱面積、単位時間あたりに移動する熱量のことであり、その熱量の大きさは、その部分の温度差と熱通過率とに比例する。したがって、二酸化炭素と空気との温度差が小さい第２管列（8b）のほうが、熱流束は小さくなる。

このように、上記第１管列（8a）よりも上記第２管列（8b）のほうが、熱流束が小さくなるのは、冷媒に放熱過程の二酸化炭素、つまり相変化を伴わずに放熱する冷媒を用いているためである。この二酸化炭素に代えて、相変化を伴いながら放熱する冷媒を用いた場合、該冷媒の温度は放熱中においてほぼ一定となることから、該熱交換器（1）を通過する空気との温度差も、ほぼ一定となる。つまり、上記第１管列（8a）と上記第２管列（8b）との熱流束もほぼ一定となり、上記第１管列（8a）よりも上記第２管列（8b）のほうが、熱流束が小さくなることはない。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、上記クロスフィン型熱交換器（1）において、熱流束が低い領域が構成された第２管列（8b）における伝熱管（4）の管ピッチを第１管列（8a）よりも狭くすることにより、第２管列（8b）の一列あたりの伝熱管（4）の本数を第１管列（8a）よりも多することができる。これにより、第２管列（8b）の伝熱面積が大きくなるので、熱流束が低い領域が第２管列（8b）に構成されることによる熱交換量の低下を抑制することができる。

又、第２管列（8b）における伝熱管（4）の本数が第１管列（8a）よりも増えるので、該伝熱管（4）の外側に固定された第２伝熱フィン列（9b）がより加熱され、結果として、該第２伝熱フィン列（9b）のフィン効率が向上する。つまり、第２伝熱フィン（5b）の先端部分の温度が上昇するので、第２伝熱フィン（5b）と空気との伝熱を促進させることができる。これにより、熱流束が低い領域が第２管列（8b）に構成されることによる熱交換量の低下を、さらに抑制することができる。

−実施形態の変形例１−
実施形態の変形例１では、図３に示すように、上記第２管列（8b）の伝熱管（4）の本数を第１管列（8a）よりも多くするとともに、上記第２伝熱フィン列（9b）の伝熱フィン（5b）の枚数も第１管列（8a）よりも多くしている。これにより、該第２管列（8b）の空気側の伝熱面積が、上述した実施形態に比べて、さらに増加する。したがって、熱流束が低い領域が第２管列（8b）に構成されることによる熱交換量の低下を、より一層、抑制することができる。

−実施形態の変形例２−
実施形態の変形例２では、上記第２管列（8b）の伝熱管（4）及び上記第２伝熱フィン列（9b）の第２伝熱フィン（5b）を増加させるとともに、図４に示すように、上記第２伝熱フィン（5b）のフィン幅を第１伝熱フィン（5a）よりも広く構成している。これにより、該第２管列（8b）の空気側の伝熱面積が変形例１よりもさらに増加する。したがって、熱流束が低い領域が第２管列（8b）に構成されることによる熱交換量の低下をさらに抑制することができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、上記クロスフィン型熱交換器（1）の伝熱フィン群（9）が、第１伝熱フィン列（9a）と第２伝熱フィン列（9b）とに分割されていたが、必ずしも列ごとに分割される必要はなく、複数列が繋がって１列になった伝熱フィン群であってもよい。その場合、伝熱フィン同士の間隔を第１列と第２列とで変えることはできないが、伝熱管の管ピッチを変えたり、第２列側の幅を広げることは可能である。

又、上記クロスフィン熱交換器（1）は、伝熱管（4）が２列の熱交換器で構成したが、２列に限定されることはなく、３列以上であってもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、放熱行程で温度変化をする冷媒が流れる冷媒回路に用いるのに好適なクロスフィン型熱交換器の形状ついて有用である。

本発明の実施形態におけるクロスフィン型熱交換器の外観形状を示した斜視図である。 図１のII−II断面図である。 本発明の実施形態の変形例１におけるクロスフィン型熱交換器の外観形状を示した斜視図である。 本発明の実施形態の変形例２における伝熱フィンの拡大図である。 二酸化炭素のＴ−Ｓ線図上に冷凍サイクルを表した図である。 従来のクロスフィン型熱交換器の外観形状を示した斜視図である。

符号の説明

1 熱交換器
2 Ｕ字管
2a 第１Ｕ字管
2b 第２Ｕ字管
4 伝熱管
5a 第１伝熱フィン
5b 第２伝熱フィン
8 伝熱管群
8a 第１管列
8b 第２管列
9 伝熱フィン群
9a 第１伝熱フィン列
9b 第２伝熱フィン列
10 貫通穴

Claims (4)

1. 複数の伝熱管（4）からなり複数列に配列された伝熱管群（8）と、該伝熱管群（8）に固定された複数の伝熱フィン（5a,5b）からなる伝熱フィン群（9）とを備え、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側から出口側へ向かって温度変化する冷媒が流れる熱交換器であって、
   上記伝熱管群（8）及び上記伝熱フィン群（9）の少なくとも一方は、上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、空気との伝熱面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１において、
   上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、上記伝熱管（4）同士の間隔が狭いことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２において、
   上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、上記伝熱フィン（5a,5b）同士の間隔が狭いことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１から３の何れか１つにおいて、
   上記伝熱管群（8）に対する冷媒の入口側よりも出口側のほうが、上記伝熱フィン（5a,5b）の幅が広いことを特徴とする熱交換器。

Images