JP2010127547A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
フィン付熱交換器の伝熱管背面に発生する死水領域が、全体的な伝熱性能に与える影響を考慮した、最適フィン形状を発案する。
【解決手段】
板厚方向に並べられたフィンと、前記フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱管は前記フィンの長手方向に配列され、前記伝熱管および前記フィンに向かって、前記フィンの長手方向および板厚方向に対して垂直方向に空気を送風し、冷媒と熱交換させるようにした熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、送風方向に対して前記伝熱管の下流側であって前記伝熱管の近傍にあるフィンの面積を、当該上流側であって前記伝熱管の近傍にあるフィンの面積よりも大きくした冷凍サイクル装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気と熱交換媒体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器に関し、また、当該熱交換器を用いた冷凍サイクル装置、特に空気調和機，ヒートポンプ給湯機に関する。

熱交換器の性能向上を狙ったフィン形状に関する発明としては、例えば実開昭６２−７５３８３号公報（特許文献１）に開示の発明が知られている。基本的な構成としては、表面に多数の帯状切起片（４等）を設けた複数のフィン（２等）と、前記フィンを板厚方向に貫通し前記フィンの長手方向に一定間隔で配列される複数の伝熱管（１等）とから構成され、前記フィンと前記伝熱管とに向かって前記フィンの長手方向および板厚方向に対して垂直方向（３等）に空気を送風することで冷媒と熱交換させるようにしている。

そして、送風方向に対して伝熱管の上流側であって、伝熱管の近傍にあるフィン端部を、フィンの送風方向上流側端部に対して凸型に膨らませている。或いは、フィン全体を幅広にした上で、送風方向に対して帯状切起片の上流側であって帯状切起片の近傍にあるフィン端部を、フィンの送風方向上流側端部に対して凹型にへこませているとも言える。

これらの構成に加え、フィンの送風方向下流側においては、下流側端部全域を大幅にカットしたフィン形状（或いは、伝熱管と下流側端部との距離を短くしているフィン形状）の熱交換器を提案している。特許文献１によると、伝熱管近傍のフィン効率が高い部分のフィン面積をできるだけ広げ、それ以外のフィン効率の低い部分および伝熱管背面の死水領域を含む送風方向下流側全域を大幅にカットすることで、フィンの伝熱面積に対する熱交換効率が大きく上昇するとしている。

実開昭６２−７５３８３号公報

上述したフィン付熱交換器においては、フィン効率の良し悪しによって、それぞれの該当するフィン面積を増減させることで、フィンの伝熱面積に対する熱交換効率を大きく向上できるとしている。

ここで、冷媒から送風空気までのトータル熱交換効率という観点から、例えば送風空気の吸熱、つまり冷媒から送風空気への放熱を考えてみる。この場合、送風方向に対して伝熱管の下流側には空気の流れが殆ど無い死水領域が存在する。このため、当該死水領域に接する伝熱管では「冷媒→伝熱管→送風空気」といったフィンを介さない直接的な熱交換はあまり期待することができない。すなわち、送風方向に対して伝熱管の下流側では、上流側のような熱交換はあまり期待することができない。

よって、当該下流側における主な放熱手段はフィンとなる。伝熱管から死水領域外のフィン表面に至るまで、フィンを介した熱伝導により熱を伝え、それから空気に放熱する「冷媒→伝熱管→フィン→送風空気」といった間接的な熱交換による放熱経路としなければならない。

そのため、送風方向に対して伝熱管内壁の下流側に面する冷媒（死水領域に接する冷媒）にとって、死水領域周辺の充分なフィン面積の確保が重要である。また、特許文献１のようにフィンの死水領域を含む送風方向の下流側全域を大幅にカットするというのは、部分的に元々大きかった空気までの熱抵抗を更に増大させることになる。

本発明の目的は、冷媒から空気への熱交換効率を向上させることにある。

上記目的は、送風方向に対して伝熱管の下流側の面積を広げることで達成される。

本発明によれば、冷媒から空気への熱交換効率を向上させることができる。

以下、本発明にかかるフィン付熱交換器等の好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。

図１１は通常の空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。暖房運転時の冷媒の流れで説明すると、圧縮機１０１にて圧縮された高温・高圧の冷媒は四方弁１０２により室内熱交換器１０３に流入する。そして、室内ファン１０４により室内空気と室内熱交換器１０３内に流れる冷媒が熱交換することにより空気は暖められ室温は上昇し、冷媒は放熱すると共に液化し膨張弁１０５に流入する。

膨張弁１０５において冷媒は減圧され低温・低圧になり、室外熱交換器１０６に流入する。ここでは室外ファン１０７により室外空気と室外熱交換器１０６内に流れる冷媒が熱交換し、室外空気は冷やされ、冷媒は蒸発していく。その後、蒸発した冷媒は再び四方弁１０２に流入し、圧縮機１０１に戻され再び高温・高圧の冷媒にされる。このサイクルを繰り返すことにより、空気調和機は暖房運転する。

逆に、冷房運転時は四方弁１０２により冷媒の流れる方向を切り換えることにより、室内熱交換器１０３と室外熱交換器１０６の役割が逆になり、室内熱交換器１０３が蒸発器になり、室外熱交換器１０６が凝縮器となる。

図１に、熱交換器の基本構成図を示す。板厚方向（伝熱管２の軸方向）に一定間隔で多数平行に並べられたフィン１と、フィン１を板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管２と、伝熱管２はフィン１の長手方向（図１の上下方向）に一定間隔で配列され、フィン１の表面にはフィン１の長手方向に隣り合った伝熱管２の間に複数の帯状切起片３をフィン１の長手方向に対して概ね平行に形成し、伝熱管２およびフィン１に向かってフィンの長手方向および板厚方向に対して垂直方向（図１の左右方向）に空気を送風する（図１の右向き）ことで、冷媒と空気とを熱交換させるようにしたフィン付熱交換器モデルである。

次に、フィン形状の特徴を説明するため、従来フィンとの対比を図２の（ａ）と（ｂ）に示す。これは図１記載のフィン付熱交換器をフィン板厚方向から見た図であり、（ａ）が従来フィン、（ｂ）が本願のフィンである。

図２の（ａ）と（ｂ）とを比較してみると、本願のフィンでは、送風方向に対して下流側の端部（送風方向下流側端部）において、送風方向に対して伝熱管２の下流側であって伝熱管２の近傍にあるフィン端部が、従来フィンの送風方向下流側端部１′に対して矩形状に膨らんでいる。この膨らみ部分が凸部５である。送風方向に対して上流側の端部から伝熱管２までの長さよりも、送風方向に対して下流側の端部から伝熱管２までの長さの方が長いとも言える。更に言えば、送風方向に対して伝熱管２の上流側の面積よりも下流側の面積の方が大きいとも言える。

従って、室内熱交換器１０３であれば室内ファン１０４側の、室外熱交換器１０６であれば、室外ファン１０７側のフィンが凸部を有することとなる。このように、凸形状にすることにより、伝熱管の送風方向下流側に発生する死水領域周辺のフィン伝熱面積が十分に確保される。一方、大抵の熱交換器には配置スペースの制限があり、前述した凸部高さに上限がある場合が多い。そこで、凸部を略矩形状で輪郭形成することで、同じ凸部高さ条件で円弧もしくは曲線にて輪郭形成した場合よりも、凸部の面積を大きく確保することができ、このフィン形状の効果を最大限活かすことができる。

このような伝熱管２の近傍に凸部５を形成したときの効果を説明するため、伝熱管２周りにおける送風空気の流動状態を示す図を図３と図４にそれぞれ示す。図３が従来フィン、図４が本願のフィンである。

まず、図３の従来フィンを使用した熱交換器の場合、図３（ｂ）のＡ−Ａ断面図に示すように、送風方向上流側（図の左半分）では「冷媒→伝熱管２→空気」といった熱伝達経路６、或いは「冷媒→伝熱管２→フィン１→空気」といった熱伝達経路７の２系統の熱伝達手段がある。なお、図中の細線で示された熱伝達経路６，７の矢印は熱の移動を示す。また、フィン１の送風空気に対する伝熱面積も充分に大きいことから、冷媒から空気へのトータル熱抵抗は小さく、故に大きな熱交換量が期待できる。

一方、伝熱管２の送風方向下流側（図３（ｂ）の右半分）には図３（ａ）中の斜線部に示すような死水領域が発生し、その領域内においては上流側のような送風空気による対流熱伝達は殆ど期待できない。このように送風方向下流側においては、主な熱の移動は熱伝達経路７による熱伝達に絞られる。更に、このときのフィン１の送風空気に対する伝熱面積は、死水領域で大幅に削減され、図３（ｂ）の右半分に示すようにフィン先端近傍に限られた小さなものになる。

これにより、冷媒から送風空気への「放熱出口」にあたる部分が伝熱的に急激に絞られた形となり、冷媒から空気までのトータル熱抵抗が増大し、結果的に送風方向上流側に比べると小さな熱交換量になってしまう。

以上のように従来フィンでは、送風方向上流側伝熱管２内壁に面する冷媒からの放熱は活発であるのに対して、送風方向下流側伝熱管２内壁に面する冷媒からの放熱は不活発となり、冷媒から空気までの全体的な熱交換効率は大幅に低下することになる。

これに対して本願のフィンを使用した場合、図４に示すように、前述した死水領域の近傍にフィン伝熱面積を確保したため、つまりフィン伝熱面積を実質的に増加させたため、絞られた「放熱出口」を伝熱的に大きくすることができ、下流側冷媒から送風空気までのトータル熱抵抗を小さくすることできる。延いては、伝熱管２内における送風方向下流側に面する冷媒から空気への放熱がその分活発化することになり、冷媒と空気との全体的な熱交換効率が向上する。

更なるフィン形状の特徴を説明するため、従来フィンとの対比を図５の（ａ）と（ｂ）に示す。これは図２と同じ方向から見た図であり、（ａ）が従来フィン、（ｂ）が本願のフィンである。

図５の（ａ）と（ｂ）とを比較してみると、本願のフィンでは、送風方向に対して下流側の端部（送風方向下流側端部）において、凸部５とは別に、送風方向に対して帯状切起片３の下流側であって帯状切起片３の近傍にあるフィン端部が、従来フィンの送風方向下流側端部１′に対して矩形状に凹んでいることが分かる。この凹み部分が凹部４である。送風方向に対して上流側の端部から伝熱管２までの長さよりも、送風方向に対して下流側の端部から伝熱管２までの長さの方が短いとも言える。更に言えば、送風方向に対して帯状切起片３の上流側の面積よりも下流側の面積の方が小さいとも言える。

このような帯状切起片３の近傍に凹部４を形成したときの効果としては、帯状切起片３を通過する送風空気の熱伝達率は、伝熱管２の近傍を通過する送風空気の熱伝達率に比べて高い。そのため、流れ込む空気の温度が比較的早くフィン１表面温度に近付くことになり、つまり空気とフィンとの熱交換が飽和状態に早く到達してしまい、帯状切起片３を通過した後の下流側端部では大きな熱交換量は望めない。

そこで、図５（ｂ）のように当該部分をカットすることで、フィン１の伝熱面積に対する熱交換効率を改良することができる。また、送風空気が帯状切起片３を通過する際に生じる圧力損失は、伝熱管２近傍を通過する場合に比べると高いため、帯状切起片３の下流側フィン部をカットすることで圧力損失が低減され、全体的な空気流動バランスの改善にも繋がる。

以上の効果を理論的に確認するため、簡易モデルを用いた熱流体解析を実施した。

図６の（ａ）に、使用した解析モデルを示す。解析モデルについては、実用性を考慮し、一般家庭用空気調和機に使用されているフィンと同程度の形状，寸法，ピッチにて作成した。また、フィンの送風方向下流側端部に設ける凸部５幅ｂと凹部４幅ｃについて、今回の解析では、ベースとなるフィン幅ａに対してｂ／ａ＝ｃ／ａ＝０.０４となるように設定した。解析条件である送風空気のフィン前面風速についても、一般家庭用空気調和機を想定して０〜１.５［ｍ／ｓ］の範囲とし、送風空気温度と伝熱管表面温度については凝縮機に使用するものと仮定して、３５［Ｋ］程度の温度差とした。

以上のフィンモデル，境界条件により熱流体解析ツールにて計算した結果、同風速下におけるフィン表面から送風空気への熱交換量について従来フィンと本願のフィンとを比較したところ、ほぼ同等の熱交換量を確保できることが分かったため、同風速下における通風抵抗を比較した。

図６の（ｂ）は、横軸にフィン前面風速、縦軸に通風抵抗比（凹凸有／凹凸無、表示は百分率）をとって、凹凸有無の影響を確認したものである。図６の（ｂ）より、０〜１［ｍ／ｓ］の風速域では凹部４，凸部５を付けることにより０.１〜０.９［％］程度の通風抵抗低減効果があることが分かる。通風抵抗比の傾向としては、低速域では低減効果が高く、風速が速くなるにつれて低減効果が減衰しており、これは風速が早くなるにつれて特に帯状切起片３を通過する際の圧力損失が著しく増大することで、その下流側の平板面を削った効果、すなわち凹部４付加効果の割合が減衰してしまうからであると考えられる。

しかしながら、実際に一般家庭用空気調和機にて使用する風速は１［ｍ／ｓ］以下であることが多いことを考えれば、本願のフィンを使用することで交換熱量を確保しつつ通風抵抗を低減することができる。従って、ファン入力の低減、もしくは従来フィンを使用した場合の通風抵抗に到達するまでファン回転数を上げることによる伝熱性能の向上、といった効果を実現することができる。

また、これまでに述べてきたフィン形状は、送風方向下流側端部を凸部５と凹部４のみで構成した場合の例であるが、対象となる熱交換器の用途に応じて、図７に示すようなフィン形状も当然考えられる。図７に示すような形状のフィンを使用することで、フィン１上の空気流動や圧力損失，伝熱性能について、それぞれのバランスを考慮した凹凸部４，５の寸法を自由に設定することができる。また、凸部５を台形と見立てた場合の上辺の中心と、凹部４を台形と見立てた場合の上辺の中心とを直線で結んだような形状（山型形状・谷型形状）も考えられる（図１０参照）。

このように、それ程効果の無い部分をカットすることで、フィン自体の性能を上げる効果がある。

以上のフィン形状について、フィンの送風方向下流側端部の矩形凸部と矩形凹部の形状および面積を同一にすることで、図８，図９，図１０に示すようにフィン材料取りの際に素材が全く無駄にならず、材料コストは凹凸を付加しない場合の従来フィンと同じになる。すなわち、使用するフィンのコストを上げることなく、性能向上効果を実現することができる。

より一般的に言えば、空気流に対して伝熱管２の下流側に位置する凸部５のような部分と、同じく帯状切起片３の下流側に位置する凹部４のような部分と、を対称形状にすることで、フィン製作材料取りの際に素材が無駄にならないため素材原価を増やすこと無くフィン性能の向上を見込むことができる。

以上、主に空気調和機を基本構成として説明したが、熱交換媒体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を有する冷凍サイクル装置（空気調和機の外、例えばヒートポンプ給湯機）であれば上述の説明に適い、本発明を適用することができる。

フィン付熱交換器の要部を説明する図である。 フィン付熱交換器に係る概要図（対比する図）である。 従来のフィン付熱交換器に係る説明図である。 本願のフィン付熱交換器に係る説明図である。 フィン付熱交換器に係る概要図（対比する図）である。 フィン付熱交換器に係る解析実施例である。 フィン付熱交換器に係る概要図である。 フィン付熱交換器に係るフィン材料取り例である。 フィン付熱交換器に係るフィン材料取り例である。 フィン付熱交換器に係るフィン材料取り例である。 冷凍サイクルの概略図である。

符号の説明

１ フィン
１′ フィンの送風方向下流側端部
２ 伝熱管
３ 帯状切起片
４ 凹部
５ 凸部
６，７ 熱伝達経路

Claims (5)

1. 板厚方向に並べられたフィンと、前記フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱管は前記フィンの長手方向に配列され、前記伝熱管および前記フィンに向かって、前記フィンの長手方向および板厚方向に対して垂直方向に空気を送風し、冷媒と熱交換させるようにした熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、
   送風方向に対して前記伝熱管の下流側であって前記伝熱管の近傍にあるフィンの面積を、当該上流側であって前記伝熱管の近傍にあるフィンの面積よりも大きくした冷凍サイクル装置。
2. 請求項１において、
   送風方向に対して前記伝熱管の下流側であって前記伝熱管の近傍にあるフィン端部を前記フィンの送風方向下流側端部に対して略矩形状に膨らませた形状としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 請求項２において、
   送風方向に対して、前記伝熱管の間に配設された帯状切起片の下流であって、前記帯状切起片の近傍にあるフィン端部を前記フィンの送風方向下流側端部に対して略矩形状にへこませた形状としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項３において、
   前記略矩形状に膨らませた形状と、前記略矩形状にへこませた形状と、を対称形状としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 板厚方向に並べられたフィンと、前記フィンを板厚方向に貫通し内部を冷媒が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱管は前記フィンの長手方向に配列され、前記伝熱管および前記フィンに向かって、前記フィンの長手方向および板厚方向に対して垂直方向に空気を送風し、冷媒と熱交換させるようにした熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、
   送風方向に対して下流の前記フィンの端部から前記伝熱管までの長さよりも、送風方向に対して上流の前記フィンの端部から前記伝熱管までの長さの方を長くした冷凍サイクル装置。

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