JP2010078256A

JP2010078256A - フィンチューブ型熱交換器、これを用いた冷凍サイクル装置及び空気調和機

Info

Publication number: JP2010078256A
Application number: JP2008248580A
Authority: JP
Inventors: Takuya Matsuda; 拓也松田; Soubu Ri; 相武李
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】伝熱管を構成するＵベンド管を流れる冷媒に圧力損失を低減し、熱交換能力の大きいフィンチューブ型熱交換器、これを用いた冷凍サイクル装置、及び空気調和機を提供する。
【解決手段】複数の板状フィン３を所定の間隔で積層したフィン部２と、このフィン部２の板状フィン３を積層方向に貫通して配設された複数のヘアピン管６、及び隣接するヘアピン管６の管端部を接続するＵベンド管１０からなる伝熱管５とを有し、Ｕベンド管１０の曲り部１２の流路幅を、ヘアピン管６の内径より大きくかつ内径の２倍以下とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器、これを用いた冷凍サイクル装置及び空気調和機に係り、より詳しくは、フィンチューブ型熱交換器のＵベンド管に関するものである。

フィンチューブ型熱交換器は、主として空気調和機に使用されるもので、一定間隔で積層されてその間を気体（例えば空気）が流れる多数の板状フィンと、この各板状フィンに直交して設けた貫通穴に挿通され、内部に冷媒が流れる複数の伝熱管とによって構成され、板状フィンの間を流れる気体と伝熱管内を流れる冷媒との間に熱交換が行われるように構成したものである。そして、伝熱管は、板状フィンの貫通穴に挿通されるヘアピン管と、板状フィンの外側において隣接するヘアピン管の管端部を連結するＵベンド管とからなっている。

従来のフィンチューブ型熱交換器に、積層されたフィンに挿通された複数の電縫管（伝熱管）を有し、隣接する電縫管（伝熱管）の管端部の外側に、管内面が平滑なＵベンド管を接合したものがある（例えば、特許文献１，２参照）。
また、並列した多数のチューブの端部間を連結するＵベンド管の肉厚をチューブの肉厚より厚くし、そのＵベンド管の内面に多数の冷媒撹拌用の溝を設けたものがある（例えば、特許文献３参照）。

また、管内面にらせん状の第２溝を備えたヘアピン管と、管内面にらせん状の第１溝を備え、ヘアピン管の管端部に接続されるリターンベンド管とを有し、第１溝と管軸とがなす第１溝リード角の方向と、第２溝と管軸とがなす第２溝リード角とを同一方向に形成したフィンアンドチューブ型熱交換器がある（例えば、特許文献４参照）。

実開昭６３−１５４９８６号公報（第４−５頁、図１）特開平１１−１９０５９７号公報（第３頁、図２）実開平４−１２２９８６号公報（要約、図１）特開２００６−９８０３３号公報（要約、図４）

特許文献１〜４に記載されたフィンチューブ型熱交換器のＵベンド管は、内面が平滑な円管又は内面溝付の円管を曲げ加工してＵ字状に形成されているため、図７に示すように、Ｕベンド管１０ａ内を流れる冷媒（矢印で示す）が曲り部１２ａにおいて遠心力が働いて外側に偏り、内側に剥離が生じるため圧力損失が大きくなって、伝熱性能の大きいフィンチューブ型熱交換器を得ることができなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、伝熱管を構成するＵベンド管を流れる冷媒の圧力損失を低減し、熱交換能力の大きいフィンチューブ型熱交換器、これを用いた冷凍サイクル装置及び空気調和機を提供することを目的としたものである。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、複数の板状フィンを所定の間隔で積層したフィン部と、該フィン部の前記板状フィンを積層方向に貫通して配設された複数のヘアピン管、及び隣接する前記ヘアピン管の管端部を接続するＵベンド管からなる伝熱管とを有し、前記Ｕベンド管の曲り部の流路幅を、前記ヘアピン管の内径より大きくかつ該内径の２倍以下としたものである。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記のフィンチューブ型熱交換器を用いたものである。

また、本発明に係る空気調和機は、上記の冷凍サイクル装置を用いたものである。

本発明によれば、伝熱管を構成するＵベンド管の曲り部の流路幅をヘアピン管の内径より大きく形成したので、Ｕベンド管内を流れる冷媒の圧力損失を低減し、熱交換能力の大きいフィンチューブ型熱交換器、これを用いた冷凍サイクル装置及び空気調和機を得ることができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の模式的説明図、図２は図１の要部の断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。なお、説明を容易にするため、図面の一部を誇張して示してある。

図において、１は本実施の形態に係るフィンチューブ型熱交換器で、フィン部２と伝熱管５とからなっている。
フィン部２は複数の板状フィン３を所定の間隔で平行に積層したもので、その上下方向にはフィン部２と直交して複数の貫通穴４が設けられている。

伝熱管５は、ヘアピン状に折曲げられて２本の管６１，６２がフィン部２の一方の側から隣接する貫通穴４にそれぞれ挿通され、管端部が他方の側から突出した複数のヘアピン管６ａ，６ｂ，…６ｎ（以下、単に６と記すことがある）と、隣接するヘアピン管６ａ，６ｂ，…の管６２，６１の管端部どうしを接続するＵベンド管１０とからなっている。そして、内径がＤ₁のヘアピン管６の管端部は拡径されて、Ｕベンド管１０の管端部１１ａ，１１ｂが接続される接続部７が形成されている。

Ｕベンド管１０は曲り部１２とその両側のヘアピン管６に接続される管端部１１ａ，１１ｂとによりほぼＵ字状に形成されており、管端部１１ａ，１１ｂの内径Ｄ₂は、ヘアピン管６の内径Ｄ₁と同等又はこれより若干大きく形成されている。この管端部１１ａ，１１ｂの内径Ｄ₂がヘアピン管６の内径Ｄ₁より小さい場合は、管内を流れる冷媒は、流路が縮小されることにより圧力損失が増大してしまうので、管端部１１ａ，１１ｂの内径Ｄ₂は、ヘアピン管６の内径と同等かこれより大きく形成することが望ましい。

また、Ｕベンド管１０の曲り部１２は拡幅されて、その流路幅Ｌをヘアピン管６の内径Ｄ₁より大きく、かつその２倍以下（Ｄ₁＜Ｌ≦２Ｄ₁）として、その断面積を拡大したものである。この流路幅Ｌがヘアピン管６の内径Ｄ₁と等しいか又はこれより小さい場合は、図７で説明したように、曲り部１２ａの内側の冷媒の剥離領域が大きくなって圧力損失が増大し、十分な熱交換能力を得ることができない。

一方、この曲り部１２の流路幅Ｌがヘアピン管６の内径Ｄ₁の２倍より大きくなると、Ｕベンド管１０の内部の体積が大きくなって耐圧力が低下するため、Ｕベンド管１０の肉厚を厚くする必要があり、これにより重量が大きくなるばかりでなく、コストが増大する。
よって、Ｕベンド管１０の曲り部１２の流路幅Ｌを、ヘアピン管６の内径Ｄ₁より大きく、かつその２倍以内とした。

上記のようなフィンチューブ型熱交換器１は、板状フィン３が積層されて形成されたフィン部２に設けた隣接する２つの貫通穴４に、一方の側からヘアピン管６の２本の管６１，６２をそれぞれ挿通してその管端部を他方の側から外部に突出させ、例えば、上端部と下端部の管の管端部を除く他の管の管端部を拡径して、接続部７を形成する（なお、すべての管の管端部を拡径してもよい）。

そして、例えば、ヘアピン管６ａの管６２の接続部７と、これに隣接するヘアピン管６ｂの管６１の接続部７に、Ｕベンド管１０の管端部１１ａ，１１ｂを嵌合してシールし、固定する。以下、同様にしてヘアピン管６ｂ，６ｃ，…６ｎの隣接する接続部７をＵベンド管１０で接続する。このとき、例えば上部にはヘアピン管６ａの一方の管６１により冷媒流入口８ａが形成され、下部のヘアピン管６ｎの他方の管６２により冷媒流出口８ｂが形成される。

そして、フィン部２の板状フィン３の間に空気を通過させると共に、伝熱管５の冷媒流入口８ａから冷媒流出口８ｂに向って冷媒を流すことにより、空気は冷媒との間で熱交換されて冷風又は温風となる。
このとき、伝熱管５のＵベンド管１０内を流れる冷媒は、図４に示すように、曲り部１２の流路幅Ｌ（断面積）が直進部（管端部１１側）より十分大きいため、曲り後の流れはほぼ直進状態となり、遠心力による曲り部１２の内側の冷媒の剥離が抑えられる。このため、後来のＵベンド管（図７参照）に比べて冷媒の圧力損失が低減し、熱交換能力の大きいフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

図５は本実施の形態に係るフィンチューブ型熱交換器のＵベンド管の他の例を示すもので、（ａ）は図２のＡ−Ａ断面、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ断面に対応する。
本例は、Ｕベンド管１０の内壁の軸方向に全周にわたってほぼ等間隔で溝１３を設けたものである。
このように構成したことにより、管内の伝熱面積が増大し、また冷媒の流れが乱れるため伝熱性能が向上するが、圧力損失低減効果が若干低下する。しかし、このようなＵベンド管１０を用いたフィンチューブ型熱交換器を、管内を流れる冷媒の圧力損失が熱交換性能に及ぼす影響が低い凝縮器に用いれば、より熱交換能力の大きいフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

［実施の形態２］
図６は本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の説明図である。
本実施の形態は、圧縮機２０、四方弁２１、室内熱交換器２２、膨張弁２３、室外熱交換器２４が冷媒配管により順次接続されて冷凍サイクル装置を構成し、室内熱交換器２２及び室外熱交換器２４の両者又はいずれか一方に、実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器１を用いたものである。

また、本実施の形態は、冷凍サイクル装置の冷媒に、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２、イソブタン、炭酸ガス、アンモニア、超低ＧＷＰ冷媒（例えば、ＨＦ０１２３４ｙｆ）のいずれかを用いたものである。

上記のように構成した冷凍サイクル装置において、暖房運転時には、圧縮機２０で圧縮された高圧高温のガス状態の冷媒は、実線矢印で示すように、四方弁２１を経て室内熱交換器２２に送られ、送風機２５により室内熱交換器２２に送られた空気は熱交換されて温風となり、室内に吹き出す。

室内熱交換器２２で空気との間に熱交換された冷媒は、過冷却状態の液冷媒となって膨張弁２３に入る。膨張弁２３で膨張した低圧低温の冷媒は低乾き度の二相状態となり、室外熱交換器２４へ送られる。そして、室外熱交換器２４により送風機２６で送られた室外空気と熱交換され、吸熱した冷媒はガス状態となり、圧縮機２０に送られる。以下、この作用を繰り返す。
冷房運転の場合は、破線矢印で示すように、暖房運転の場合と逆の作用により、室内熱交換器２２から室内に冷風を吹き出す。

本実施の形態によれば、室内熱交換器２２及び室外熱交換器２４の両者又はいずれか一方に、実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器１を用いたので、熱交換能力の大きい冷凍サイクル装置を得ることができる。
また、前記のような冷媒、特にＨＦ０１２３４ｙｆのような冷媒を用いた場合は、地球温暖化係数を大幅に低下しうるばかりでなく、凝縮圧力、蒸発圧力が低いので、管内の圧力損失低減効果による冷凍サイクル装置の高効率化に及ぼす影響がきわめて大きい。

［実施の形態３］
本実施の形態は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を用いた空気調和機に関するものである。
本実施の形態によれば、熱交換能力が大で地球温暖化係数の低い空気調和機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の模式的説明図である。図１の要部の断面図である。図２のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。図２のＵベンド管の作用説明図である。実施の形態１のＵベンド管の他の例の説明図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の説明図である。従来のＵベンド管の作用説明図である。

符号の説明

１フィンチューブ型熱交換器、２フィン部、３板状フィン、４貫通穴、５伝熱管、６ヘアピン管、１０Ｕベンド管、１１ａ，１１ｂ管端部、１２曲り部、１３溝、２０圧縮機、２１四方弁、２２室内熱交換器、２３膨張弁、２４室外熱交換器、Ｄ₁ ヘアピン管の内径、Ｄ₂ Ｕベンド管の管端部の内径、Ｌ曲り部の流路幅。

Claims

複数の板状フィンを所定の間隔で積層したフィン部と、該フィン部の前記板状フィンを積層方向に貫通して配設された複数のヘアピン管、及び隣接する前記ヘアピン管の管端部を接続するＵベンド管からなる伝熱管とを有し、
前記Ｕベンド管の曲り部の流路幅を、前記ヘアピン管の内径より大きくかつ該内径の２倍以下としたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
前記Ｕベンド管の前記ヘアピン管に接続する管端部の内径を、該ヘアピン管の内径と同じか又はこれより大きく形成したことを特徴とする請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
前記ベンド管の内壁の軸方向に所定の間隔で複数の溝を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のフィンチューブ型熱交換器。
請求項１〜３のいずれかのフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記フィンチューブ型熱交換器の冷媒に、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２、イソブタン、炭酸ガス、アンモニア、ＨＦ０１２３４ｙｔのいずれかを用いたことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル装置。
請求項４又は５の冷凍サイクル装置を用いたことを特徴とする空気調和機。