JP2009198055A - 天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器及び天井埋め込み型空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱交換器100は、間隔を空けて積層された板状フィン1と、これに対して垂直に挿入され、複数の直管部2sとこれらの端部同士を連通させる曲管部2rとから形成された伝熱管2とを有し、板状フィン1には一方の面側に突出する第1スリットフィン3a等と、他方の面側に突出する第2スリットフィン3b等と、が切り起こしによって形成されている。直管部21a等は互いに平行で千鳥状に配置され、それぞれの軸心同士の段方向の間隔である「段ピッチDp」と、列方向の間隔である「列ピッチLp]とが、伝熱管2の外径Dに対して「4mm≦D≦6mm、14mm≦Dp≦17mm、7mm≦Lp≦10mm」の関係にある。
【選択図】図1
Description
近年、地球温暖化防止の観点から空気調和機の消費エネルギーの低減や作動流体として使用する冷媒量の削減が強く求められ、当該装置に装備される熱交換器にも高性能化と内容積の小型化が要求されている。
一方、快適性を確保するため騒音増加抑制の観点から気体の通過風速は低く抑えられているため、伝熱管内部の熱伝達率に対して空気側の熱伝達は低いままであった。そこで、空気側の伝熱面積を増加させることにより、空気側の伝熱向上が図られている。
1.2D≦Lp≦1.8D
2.6D≦Dp≦3.5D
このとき、Lp:伝熱管の気体通過方向の列ピッチ
Dp:伝熱管の気体通過方向に対して直角方向(段方向)の段ピッチ
とすることによって伝熱性能を向上させ、さらに、板状フィンの両面に突出するスリットフィンを、気体通過方向に対して直角方向で、段方向に複数列「切り起こし」によって形成し、切り起こし部における伝熱性能の向上や気体の混合の促進を図る発明が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
互いに所定の間隔を空けて平行に積層され、前記間隔を気体が通過する複数枚の板状フィンと、該板状フィンを蛇行しながら貫通し、内部を作動流体が通過する伝熱管と、を有し、
前記伝熱管の外径(D)と、気体通過方向の直角方向である段方向における前記伝熱管同心の軸心間距離である段ピッチ(Dp)と、気体通過方向である列方向における前記伝熱管の軸心間距離である列ピッチ(Lp)との関係が、
4mm≦D≦6mm
14mm≦Dp≦17mm
7mm≦Lp≦10mm
であることを特徴とする。
図1および図2は本発明の実施の形態1に係る天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器を説明するものであって、図1は部分を示す平面図、図2は正面視の断面図、図3の(a)は図1のA−A断面の断面図、図3の(b)は図1のB−B断面の断面図、図3の(c)は図1のC−C断面の断面図、図3の(d)は図1のH−H断面の断面図である。なお、以下の説明において、共通の内容を示すものについては、符号の添え字「a、b、c・・・」の記載を省略する。
図1および図2において、天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器(以下、「熱交換器」と称す)100は、互いに所定の間隔を空けて平行に積層され、前記間隔を空気が通過する複数枚の板状フィン1と、板状フィン1に対して垂直に挿入された、蛇行する伝熱管2とを有し、板状フィン1面上にはスリットフィン3が切り起こしによって形成されている。
図1において、伝熱管2は、複数の直管部2sと、直管部2sの端部同士を連通させる複数の曲管部2rと、から形成されている。直管部2sの一部である直管部21a、21bは、空気流れ方向に直角の方向(以下、「段方向」と称す)に配置され、実際は、段方向に直管部21c・・・(図示しない)が配置されている。同様に、直管部2sの一部である直管部22a・・・および直管部23a、23b・・・が、それぞれ段方向に配置されている。なお、空気流れ方向の方向を「列方向」と称するから、熱交換器100には、直管部2sが3列だけ配置されている。
そして、直管部21a、21b・・・と、直管部22a・・・と、直管部23a、23b・・・とは、互いに平行で千鳥状に配置され、それぞれに軸心同士の段方向の間隔である「段ピッチDp」と、列方向の間隔である「列ピッチLp]とが、伝熱管2の外径Dに対して「4mm≦D≦6mm、14mm≦Dp≦17mm、7mm≦Lp≦10mm」の関係にあり、例えば、D=5mm、Dp=15.3mm、Lp=8.67mm、である。
図1〜図3において、板状フィン1は矩形の板材であって、伝熱管2の直管部2sが貫通する貫通孔が千鳥状に複数形成されている。
さらに、直管部21aと直管部21bとの間には、一方の面側に突出する第1スリットフィン3a、3c、3eと、他方の面側に突出する第2スリットフィン3b、3dと、がそれぞれ形成されている。
また、同様に、第2スリットフィン3b、3dが、板状フィン1を他方の面側に切り起こしたものであって、第2スリットフィン平面32b、32dと、これを支える第2スリットフィン斜面31b、31dおよび第2スリットフィン斜面33b、33dと、を有している。したがって、かかる切り起こしによって、板状フィン1には、第2スリットフィン溝34b、34dが形成されている。
なお、第1スリットフィン3a、3c、3eの板状フィン1の一方の面からの突出高さ(H1)、および第2スリットフィン3b、3dの板状フィン1の他方の面からの突出高さ(H2)が、板状フィン1の面間隔であるフィンピッチ(Fp)の1/3、すなわち、「H1=Fp/3、H2=Fp/3」になっている。
図4は本発明の実施の形態2に係る天井埋め込み型空気調和機の概念を説明するものであって、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
図4において、天井埋め込み型空気調和機(以下、「空気調和機」と称す)2000には、熱交換器100(実施の形態1参照)が配置されている。空気調和機2000のユニット筐体4の中央天面側にはファン5を駆動するモーター6が設けられ、モーター6にはファン5が下側を吸込口として取り付けられている。
また、ファン5の下部にはファン5へ空気を導入するベルマウス7が配置される。ファンを囲む略環状に熱交換器100が配置され、熱交換器100の下部にはドレンパン9が配置されている。ドレンパン9の各辺には熱交換器100の2次側と室内とをつなぐ開口部が形成され、化粧パネル10の開口部10aと連通して吹出口8を構成している。
吹出口8にはベーン8vが取り付けられ、吹出方向の調整を可能としている。また、ファン5の下部には、正面パネル10c、フィルター10fが化粧パネル10の中央に嵌め込まれるように配置されている。
次に、熱交換器100の伝熱性能と通風抵抗について、熱交換器100の形状パラメータの定性的傾向について以下に説明する。
段ピッチDpを拡大すると、伝熱管2の外周から板状フィン1の端部までの距離と伝熱管2との管径で定義される「フィン効率」が低下することによって、「管外熱伝達率」は低下する。また、段ピッチDpを拡大すると、「通風抵抗」は減少するため、「風量増加」を図ることができる。
一方、段ピッチDpを縮小すると、「フィン効率」が上がり、「管外熱伝達率」は向上するが、「通風抵抗」が増大する。
列ピッチLpを拡大すると、「フィン効率」が下がり、「管外熱伝達率」は低下するが、伝熱面積は増大するので熱交換器の伝熱性能は向上する。また、「通風抵抗」は増大し、風量が低下する。
一方、列ピッチLpを縮小すると、「フィン効率」は増大し、「管外熱伝達率」は向上するが、伝熱面積は低下するので、熱交換器の伝熱性能は低下する。また、「通風抵抗」は減少し、「風量増加」を図ることができる。
以上のように、熱交換器の形状パラメータについては各々最適値があり、これを定量的に評価するため、以下に述べる手法にて熱交換器の伝熱特性と通風抵抗を算出する。
α=Nu×λ/De ・・・・・・・・・・・・・・・・・・式1
Nu=C1×(Re×Pr×De/Lp/Ln)^C2 ・・・式2
Re=U×De/ν
ここで、Nuはヌセルト数、
Reはレイノルズ数、
Prはプラントル数、
λは空気の熱伝導率、
νは空気の動粘性係数、
C1およびC2は定数である。
なお、常温常圧の場合に、Pr=0.72、λ=0.0261[W/mK]、ν=0.000016[m2/s]である。
De=4×(Lp×Dp−π×D2 /4)×Fp/{2×(Lp×Dp−π×D2 /4 )+π×D×Fp} ・・・・・・・・・・・・・・・・・・式3
板状フィン1間の自由通過体積基準の風速U[m/s]と、熱交換器の前面風速Uf[m/s]とは、以下の式で定義される。
U=Uf× Lp×Dp×Fp/{(Lp×Dp−π×D2 /4 )×Fp}・・式4
η=1/(1+ψ×α) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・式5
ψ={(4×Lp×Dp/π)/2 −D}2 ×(4×Lp×Dp/π)/2 /D/2 /6/Ft/λf ・・・・・・・・・・・・・・・・・式6
ここで、λf[w/m・ k]は板状フィンの熱伝導率である。
ΔP_hex=2×F× Lp×Ln×ρ × U2 / De ・・・・・・・式7
F=C3× De/Lp/Ln+C4× ReC5 ×(De/Lp/Ln)1+C5
・・・・・・・・・式8
ここで、Fは摩擦損失係数で、C3、C4、C5は定数である。また、ρは空気の密度で、常温常圧の場合に1.2[kg/m3 ]程度となる。
また、熱交換器100(実施の形態1)を空気調和機200(実施の形態2)に使用した場合の「送風機稼動力」について定量的に評価するために、以下に示す方法で送風機稼動力を算出する。送風機稼動力Pf[W]は次式にて定義される。
Pf=ΔP_all×Q ・・・・・・・・・・・・・式9の1
=(△P_hex+△P_etc)×Q ・・・・式9の2
K=1/(1/αo+Ao/Ai/αi) ・・・・・・・・・式11
αo=1/(Ao/(Ap+η×Af)/α) ・・・・・・式12
Ao=Ap+Af ・・・・・・・・・・・・・・式13
ここで、K[W/m2K]は熱交換器の全熱通過率、
Ao[m2]は熱交換器の空気側全伝熱面積、
Ap[m2]は熱交換器の空気側パイプ伝熱面積、
Af[m2]は熱交換器の空気側フィン伝熱面積、
Ai[m2]は熱交換器の冷媒側伝熱面積であり、
熱交換器の形状に依存する寸法、段ピッチDp、列ピッチLp、フィンピッチFp、伝熱管の外径Dが決まれば、算出できる値である。なお熱交換器の管内を流れる流体の熱伝達率αi[W/M2K]は一定とする。
次に、全入カは圧縮機入力と送風機稼働力Pfを足したものである。圧縮機人力はAoKが大きければ大きいほど低減され、送風機稼動力pfは、△P_hexが小さければ小さいほど低下する。
ここで、定数nとして、熱交換器性能指標「AoK/△P^n」を定義する。定数nは通風抵抗「△P_hex」が全体の通風抵抗に占める割合が100%の場合を「n=1」として、空気調和機200の熱交換器100では、全体の通風抵抗に占める割合が約半分であるので、△P_hexが2倍、3倍、あるいは4倍になった場合は、全体の通風抵抗はそれぞれ1.5倍、2.0倍、あるいは2.5倍になり、「n=0.59」と近似できる。
そこで、空気調和機200の熱交換器100では、前面風速U=1[m/s]時の熱交換器性能指標「AoK/△P^0.59」として、伝熱管径D、段ピッチDp、列ピッチLpの関係を評価した。他の空気調和機で、例えばルームエアコン室内機の場合では、△P_hexが全体の通風抵抗に占める割合が約80%であるので、「n≒0.85」となる。
nの値が大きい空気調和機の形態ほど、△P_hexが熱交換器性能指標「AoK/△P^n」に及ぼす影響が大きくなり、空気調和機200の熱交換器100では他の空気調和機に比べて△P_hexの影響が小さいのが特徴である。
図6は、段ピッチDp=15.3mm、列ピッチLp=8.67mm、前面風速U=1[m/s]と一定にして、伝熱管径Dをパラメータとして熱交換器性能指標「AoK/△P^0.59」を計算した結果である。
製造技術的に伝熱管径が4mm以下の場合は、伝熱管に拡管棒を挿入して板状フィンに密着させる工程で作業効率が著しく低下する。一方、伝熱管経が6mm以上の場合は「AoK/△P^0.59」が著しく低下するが、D≦6mmの範囲であるならば、伝熱管径D=4mmの時と比べて3%以下の低下であるので十分に伝熱性能が高い熱交換器が供給できる。
よって、「4mm≦D≦6mm」の範囲で製造効率を低下させないで十分に伝熱性能が高い熱交換器100を供給することができる。
段ピッチDp=15mm付近で熱交換器性能指標「AoK/△P^0.59」は最大値を示し、「14mmm≦Dp≦17mm」で最大値より10%以下の低下である。段ピッチDpが14mm以下の場合は、伝熱管をヘアピン形状に曲げる工程で、曲げピッチが小さいので伝熱管が扁平形状になって外観性が低下したり、管内の圧力損失増大を誘発するおそれがある。
一方、段ピッチDpが17mm以上の場合は熱交換器の配置容積を容積一定と考えたとき、伝熱管間のパス数を低下させる必要があるが、パス数を低下させると、管内圧損増大が熱交換器の性能を低下させる。特に、伝熱管径が小さくなるほど伝熱管の管内圧損が増大しやすい。従って、段ピッチDpは「14mm≦Dp≦17mm」であることが望ましい。
列ピッチLp=8mm付近で熱交換器性能指標「AoK/△P^0.59」は最大値を示し、「7mm≦Lp≦10mm」で最大値より10%以下の低下であるので十分に伝熱性能が高い熱交換器100となる。
列ピッチLp7mm以下に小さくなると、製造技術的に板状フィンにフィンカラー(伝熱管を挿入する穴とカラー)を形成することが難しい。
一方、列ピッチLp10mm以上の場合、フィン効率が低下することによる熱通過率Kが低下、それに加えて通風抵抗△Pが増大することで熱交換器性能指標「AoK/△P^0.59」が著しく低下する。従って、列ピッチは「7mm≦Lp≦10mm」であることが望ましい。
切り起こしの高さHlとフィンピッチFpの比率「Hl/Fp=1/3」付近で板状フィンの基盤部と切り起こし間で等間隔に空気の流路ができ、最も高効率に伝熱向上することができるので、熱交換器性能指標「AoK/△P^0.59」は最大値を示し、十分に伝熱性能が高い熱交換器100となる。
図10および図11は本発明の実施の形態3に係る天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器を説明するものであって、図10は部分を示す平面図、図11は正面視の断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略し、共通の内容を示すものについては、符号の添え字「a、b、c・・・」の記載を省略して説明する。
図10および図11において、板状フィン301は矩形の板材であって、伝熱管2の直管部2sが貫通する貫通孔が千鳥状に複数形成されている。
さらに、直管部21aと直管部21bとの間には、一方の面側に突出する第1スリットフィン3a、3c、3eがそれぞれ形成されている。すなわち、板状フィン301は板状フィン1(実施の形態1)において第2スリットフィン3b、3dを撤去したもの(切り起こしをしなかったもの)に同じである。
なお、第1スリットフィン3a、3c、3eの空気流れ方向の幅は同一で(便宜上、「Wa」と称す)、板状フィン短冊部35b、35dの空気流れ方向の幅は同一である(便宜上、「Wb」と称す)。
このように、列方向に3個の第1スリットフィン3a、3c、3eを、切り起こした場合でも、実施の形態1と同様に、本発明の効果を得られる。
図12および図13は本発明の実施の形態4に係る天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器を説明するものであって、図12は部分を示す平面図、図13は断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略し、共通の内容を示すものについては、符号の添え字「a、b、c・・・」の記載を省略して説明する。
図12および図13において、板状フィン401は、板状フィン301(実施の形態3)において第1スリットフィン3cを撤去したもの(切り起こしをしなかったもの)に同じである。
なお、第1スリットフィン3a、3eの空気流れ方向の幅は同一で(便宜上、「Wa」と称す)、板状フィン短冊部35cの空気流れ方向の幅を、便宜上、「Wb」と称す。
このように、列方向に2個の第1スリットフィン3a、3eを、切り起こした場合でも、実施の形態1と同様に、本発明の効果を得られる。
図14および図15は、図12および図13に示す熱交換器におけるスリットフィンの効果を説明する相関図である。
図14において、横軸はスリットフィン3a等の列方向の幅waと、スリットフィンの間に存在する板状フィン短冊部35b等の列方向の幅wbとの比率「wa/wb」であり、縦軸は熱交換器性能指標「AoK/△P_hex^0.59」であって、前者をパラメータにして算出した結果である。
図14より、比率「wa/wb」が1のとき、すなわち、「Wa:Wb=1:1、Wa=Wb」のとき熱交換器性能指標「AoK/△P_hex^0.59」が十分に大きい熱交換器となる。
図16および図17は本発明の実施の形態5に係る天井埋め込み型空気調和機の概念を説明するものであって、図16は底面図、図17は部分断面図である。
図16および図17において、天井埋め込み型空気調和機(以下、「空気調和機」と称す)5000には、熱交換器500。なお、図4(実施の形態2)および図1(実施の形態1)と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略し、共通の内容を示すものについては、符号の添え字「a、b・・・」の記載を省略して説明する。
図16において、空気調和機5000のユニット筐体4の中央天面側にはファン5が下側を吸込口として取り付けられている。そして、ファン5を取り囲むようにL字型に折り曲げられた熱交換器500が、略環状に2枚配置されている。
このように、L字型の熱交換器500を略環状に2枚配置することによって、ロ字型の熱交換器が1枚だけ略環状に配置される場合に比べて、冷媒が伝熱管2内を通過する長さが低減できパス数が2倍に増えるので、冷媒の管内圧力損失が低減できる。これは、伝熱管2の径を小さくする場合において極めて有効な手段である。
一般に蒸発器の熱交換器の伝熱管内を冷媒が流れる場合、冷媒の状態は二相域、過熱ガスの順番で変化する。その際の冷媒の圧力損失「△P_ref」は二相域よりも過熱ガスの方が大きい。本発明では蒸発器出口付近である2列目―3列目間で16パスから36パスにパス数が増えた効果によって、冷媒の圧力損失「△P_ref」を大幅に低減することができる。これは、伝熱管2の径を小さくする場合に極めて有効な手段である。
Claims (10)
- 互いに所定の間隔を空けて平行に積層され、前記間隔を気体が通過する複数枚の板状フィンと、該板状フィンを蛇行しながら貫通し、内部を作動流体が通過する伝熱管と、を有し、
前記伝熱管の外径(D)と、気体通過方向の直角方向である段方向における前記伝熱管同心の軸心間距離である段ピッチ(Dp)と、気体通過方向である列方向における前記伝熱管の軸心間距離である列ピッチ(Lp)との関係が、
4mm≦D≦6mm
14mm≦Dp≦17mm
7mm≦Lp≦10mm
であることを特徴とする天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器。 - 互いに所定の間隔を空けて平行に積層され、前記間隔を気体が通過する複数枚の板状フィンと、該板状フィンを蛇行しながら貫通し、内部を作動流体が通過する伝熱管と、
気体通過方向の直角方向と平行に切り起こされた、前記板状フィンの一方の面側に突出する第1スリットフィンと、
該第1スリットフィンに平行に切り起こされた、前記板状フィンの他方の面側に突出する第2スリットフィンと、を有し、
前記第1スリットフィンが切り起こされた跡である第1スリット溝と、前記第2スリットフィンが切り起こされた跡である第2スリット溝とが、繋がっていることを特徴とする天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器。 - 前記第1スリットフィンの前記板状フィンの一方の面からの突出高さ(H1)、および前記第2スリットフィンの前記板状フィンの他方の面からの突出高さ(H2)、が前記板状フィンの面間隔であるフィンピッチ(Fp)の1/3になる(H1=Fp/3、H2=Fp/3)ことを特徴とする請求項2記載の天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器。
- 互いに所定の間隔を空けて平行に積層され、前記間隔を気体が通過する複数枚の板状フィンと、該板状フィンを蛇行しながら貫通し、内部を作動流体が通過する伝熱管と、
気体通過方向の直角方向と平行に切り起こされた、前記板状フィンの一方の面側に突出する複数のスリットフィンと、を有し、
前記スリットフィンの気体通過方向の幅(Wa)が、前記スリットフィンが切り起こされた跡であるスリット溝同士の気体通過方向の間隔(Wb)とが、等しいことを特徴とする天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器。 - 前記スリットフィンの前記板状フィンの一方の面からの突出高さ(H)が前記板状フィンの面間隔であるフィンピッチ(Fp)の1/2になる(H=Fp/2)ことを特徴とする請求項4記載の天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器。
- 前記伝熱管が複数の直管部と、該直管部を連通する複数の曲管部と、から形成され、
前記直管部が、気体通過方向に対して3列になるように千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の天井埋め込み型空気調和機に配置される熱交換器。 - 筐体と、
該筐体の中央に配置され、筐体可能から吸引した空気を側方に排出するファンと、該ファンを囲むように配置された請求項1乃至6の何れかに記載の2台の熱交換器と、を有し、
前記熱交換器を構成する伝熱管の直管部がL字状に折り曲げられていることを特徴とする天井埋め込み型空気調和機。 - 熱交換器が蒸発器として使用される場合、16パスで流入した後にT字型の三方管を用いることで冷媒を32パスで流出させる配管経路を備えたことを特徴とする請求項7記載の天井埋め込み型空気調和機。
- 冷媒を作動流体とし、圧縮機、絞り装置、凝縮熱交換器、蒸発熱交換器を備えた天井埋め込み型空気調和機において、
前記凝縮熱交換器または前記蒸発熱交換器の一方または両方が、請求項1乃至6の何れかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とする天井埋め込み型空気調和機。 - 前記冷媒として、R407C、R410A、R32、イソブタン、炭酸ガス、アンモニアのいずれかを用いたことを特徴とする請求項9記載の天井埋め込み型空気調和機。
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