JP2011144953A - フィンチューブ型熱交換器およびこれを用いた空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各列のスリットの断面形状に変化を付けることで、スリットの前縁効果を十分に発揮させ、伝熱性能を向上することができるフィンチューブ型熱交換器形態を得る。
【解決手段】所定の間隔で平行に積層されその間を気体が流通する複数の板状フィン１と、板状フィン１の積層方向に貫通して配置され、内部を作動流体が流動する複数の伝熱管２と、気体の流れ方向に対して直角方向に隣接する伝熱管２の間のフィンベース部に形成された複数列のスリット３、４、５とを有し、複数列のスリットのうち、気体の流れ方向に対して１列目と３列目のスリット３、５は、長手方向中央部で２分割されているとともに、伝熱管２に近いスリット脚部のスリット高さＨ１が分割部脚部のスリット高さＨ２よりも高くなっており、２列目のスリット４は、伝熱管２に近いスリット脚部のスリット高さＨ３が長手方向中央部のスリット高さＨ４よりも低くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器およびこれを用いた空調装置に関するものである。

フィンチューブ型熱交換器のフィンの形状については、熱交換能力の向上や通風抵抗の低減等を図るために、従来より様々な工夫がなされている。たとえば、特許文献１には、板状フィンの段方向に隣接する伝熱管の間に切り起こしによる複数のスリットが設けられ、さらに１列目と３列目のスリットは長手方向の中央部が２分割され、その列方向に略平行なスリット分割部の幅に合わせて２列目のスリットが配置された構成が開示されている。これは、スリットを段方向に分割することによって空気の流路を確保することとしたもので、これによって、スリットへの着霜を抑制するとともに、熱交換能力の向上を図っている。

特許文献２には、板状フィンの列方向に複数の切り起こし部が設けられた熱交換において、切り起こし部と隣接するフィン基体部との間隔寸法が隣接する２つの伝熱管取付穴間の中央に近づくにしたがって大きくなるように切り起こし部が傾斜した形状に形成されてことが開示されている。これは、フィン間に溜まる凝縮水によるフィンの目詰まりを防止して通風抵抗の増加を防止し、伝熱性能を向上させようとするものである。

特許文献３は、伝熱管後方のスリットフィンの長さを、伝熱管前方のスリットフィンの長さより、伝熱管側に長くすることが開示されている。さらに、長く形成されたスリットフィンの脚部が他の部分より高くすることが開示されている。これは、伝熱管後方の流れの死水域を低減し、熱伝達性能を向上させようとするものである。

特開２００８−２１５７３７号公報（第４−５頁、図１） 特開平８−８６５８１号公報（第３頁、図３） 特開２０００−２４９４８４号公報（第２−３頁、図１）

しかし、上記の特許文献１に示された熱交換器では、２列目のスリットの長さが短くなるため、伝熱性能が十分でないという問題があった。
また、特許文献２に示された熱交換器では、スリットの断面形状をたとえば山形状に形成したものであるが、最前列と最後列以外は全て同じようなスリット形状であるため、スリットの前縁効果を十分に引き出せていないという問題があった。
また、特許文献３では、スリット高さについて記載されているが、最後列についてだけであり、伝熱管側へ長くした方のスリット脚部を同じスリットの他の部分より高くしている。したがって、他の列のスリットについてはスリット高さが同じようなものであり、特許文献２と同様の問題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、各列のスリットの断面形状に変化を付けることで、スリットの前縁効果を十分に発揮させ、伝熱性能を向上することができるフィンチューブ型熱交換器を得ることを目的とする。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、所定の間隔で平行に積層されその間を気体が流通する複数の板状フィンと、板状フィンの積層方向に貫通して配置され、内部を作動流体が流動する複数の伝熱管と、前記気体の流れ方向に対して直角方向に隣接する伝熱管の間のフィンベース部に形成された複数列のスリットとを有するフィンチューブ型熱交換器において、
前記複数列のスリットのうち、前記気体の流れ方向に対して前列と後列のスリットは、長手方向中央部で２分割されているとともに、伝熱管に近いスリット脚部のスリット高さが分割部脚部のスリット高さよりも高くなっており、
中間列のスリットは、伝熱管に近いスリット脚部のスリット高さが長手方向中央部のスリット高さよりも低くなっていることとしたものである。

上記のように構成することにより、各列のスリットの断面形状に変化を付けることができるので、各列のスリットの前縁効果を十分に発揮させることができ、伝熱性能を向上することができるフィンチューブ型熱交換器が得られる。

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一部分を示す平面図とスリット断面図である。 図１のフィンのスリット形状の拡大平面図である。 図１のフィンチューブ型熱交換器のフィン上の空気の流れを示す説明図である。 図１のフィンチューブ型熱交換器の伝熱管からフィン前縁部への熱の流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の一部分を示す平面図とスリット断面図である。 本発明の実施の形態３に係るフィンチューブ型熱交換器の一部分を示す平面図とスリット断面図である。 本発明の実施の形態４に係る空調装置の冷凍サイクル回路の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

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一部分を示す平面図とスリット断面図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図２は図１のフィンのスリット形状を拡大して示す平面図である。
本実施の形態に係るフィンチューブ型熱交換器は、所定の間隔で平行に積層されその間を気体（たとえば、空気）が流通する複数の板状フィン１と、板状フィン１の積層方向に貫通して配置され、内部を作動流体（たとえば、冷媒）が流動する複数の円形断面の伝熱管２とを有する。なお、図１（ａ）はこのフィンチューブ型熱交換器が２列配置されたものを示している。
板状フィン１には、空気の流れ方向１０に対して直角方向（段方向）に隣接する伝熱管２の間のフィンベース部に複数列（ここでは、３列）のスリット３、４、５が切り起こしにより形成されている。そして、スリット３、４、５は、上記段方向に隣接する伝熱管２の中心を結ぶ中心線２０に対して略対称に配置されている。なお、空気の流れ方向１０に平行な方向を「列方向」といい、空気の流れ方向１０に直角な方向を「段方向」というものとする。

空気の流れ方向１０に対して前列に当たる１列目のスリット３と後列に当たる３列目のスリット５は、長手方向の中央部で２分割されており、さらに平面視で、伝熱管２の中心線２０に対して反転した形状であり、図１(ｂ)に示すように同じ断面形状をしている。
ここで、１列目のスリット３と３列目のスリット５について、伝熱管２に近いスリット脚部をそれぞれ３ａ、５ａ、分割部におけるスリット脚部（分割部脚部）をそれぞれ３ｂ、５ｂ、スリット脚部３ａ、５ａと分割部脚部３ｂ、５ｂとを繋ぐスリットベース部をそれぞれ３ｃ、５ｃであらわすものとすると、スリット脚部３ａ、５ａのスリット高さＨ１は、分割部脚部３ｂ、５ｂのスリット高さＨ２よりも高くしてある。すなわち、Ｈ１＞Ｈ２である。このため、１列目のスリット３と３列目のスリット５は、断面形状が両側のスリットベース部３ｃ、５ｃが内側に向かって傾斜した略凹状の形状をしている。

空気の流れ方向１０に対して中間の列に当たる２列目のスリット４は、スリット脚部４ａのスリット高さＨ３が長手方向中央部のスリット高さＨ４よりも低くしてある。すなわち、Ｈ３＜Ｈ４であり、２列目のスリット４は断面が山形状に形成されている。
なお、１列目および３列目のスリット高さと２列目のスリット高さの関係については、下記に限定されるものではないが、２列目のスリット４の長手方向中央部のスリット高さＨ４は、１列目および３列目のスリット３、５のスリット脚部３ａ、５ａのスリット高さＨ１と同等、もしくはそれ以下（Ｈ４≦Ｈ１）にすることが好ましい（図３（ｂ）参照）。

図２は、各スリット３、４、５の平面形状、配置および列方向の幅の関係を示す平面図である。
１列目のスリット３と３列目のスリット５の列方向の幅については、伝熱管２に近いスリット脚部３ａ、５ａの幅（立ち上がりの幅）Ｂ１より分割部脚部３ｂ、５ｂの幅（立ち上がりの幅）Ｂ２が小さくしてある。すなわち、Ｂ１＞Ｂ２である。またこれから、１列目のスリット３の後縁部３ｄは、伝熱管２の中心から延びる所定の中心角度の放射線２２ａ上に配置されており、３列目のスリット５の前縁部５ｄは、同様に、伝熱管２の中心から延びる所定の中心角度の放射線２２ｂ上に配置されている。

２列目のスリット４の列方向の幅については、伝熱管２に近いスリット脚部４ａの幅（立ち上がりの幅）Ｂ３より長手方向中央部の幅Ｂ４が大きくしてある。すなわち、Ｂ３＜Ｂ４である。そして、２列目のスリット４についても、前縁部４ｂおよび後縁部４ｃがそれぞれ伝熱管２の中心から延びる所定の中心角度の放射線２２ｃ、２２ｄ上に配置されている。
このように、各列のスリット３、４、５を伝熱管２の中心線２０に対し略対称に配置することで、スリットの加工が容易になる。また、上記のように各列のスリットの断面形状に変化をもたせても、従来と同程度のフィンピッチで熱交換器の小型化を実現できる。

図３は、上記のように構成された実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の板状フィン１上の空気の流れをあらわしたものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は板状フィン１に平行な方向で空気の流れの下流側から見たスリットの側面図である。
図において、６は伝熱管２に近いスリット付近の空気の流れ、７はフィン段方向中央部の空気の流れである。
スリットには前縁効果と呼ばれる、温度・速度境界層を再構築する効果があるが、スリットの後縁部では後流と呼ばれる伝熱の低い領域ができる。本実施の形態では、１列目のスリット３が中央部（分割部）３ｅで２分割されており、中央部３ｅを通過する空気の流れ７の付近では、スリットが設けられていないため、２列目のスリット４において、１列目のスリット３の後流の無い状態の空気が、スリット高さが高い中央部で受け止められるので、前縁効果を十分に発揮することができ、伝熱を促進することができる。そしてさらに、２列目のスリット４の中央部の流れで伝熱に寄与しない後流部分を３列目のスリット５の中央部（分割部）付近で受け止めるので、３列目のスリット５の前縁効果が発揮され、これにより伝熱を促進することができる。

また、板状フィン１上では伝熱管周りの風速が増加し易いため、スリットへ導入される空気風速が不十分となるが、本実施の形態では、１列目のスリット３の伝熱管２に近い部分の脚部３ａはスリット高さＨ１が高く、２列目のスリット４でもその中央部のスリット高さＨ４が高いため、伝熱管周りの空気の流れ６を、図３に矢印で示すように１列目のスリット３の脚部３ａから２列目のスリット４の中央部へとフィン段方向中央部へ空気を導入することができ、２列目のスリット４の前縁効果を十分に発揮することができるようになる。

また、空気の流れ方向１０に対し、伝熱管２の後縁部は後流（死水域ともいう）と呼ばれる風速が低く、伝熱性能が低い部分が存在するが、３列目のスリット５の伝熱管２に近い部分の脚部５ａはスリット高さＨ１が高いため、後流が通過しやすくなることで後流を低減でき、伝熱性能の向上を図ることができる。

図４は、伝熱管２からフィン前縁部８に伝達される熱の流れ９を示す説明図である。前述のように、１列目および３列目のスリット３、５は、空気の流れ方向１０に対する後縁部３ｄと前縁部５ｄが伝熱管２の中心から結んだ直線（放射線）上に配置されている。また、２列目のスリット４の前縁部４ｂと後縁部４ｃも伝熱管２の中心から結んだ直線（放射線）上に配置されている。このようにスリット３、４、５を配置することで、１列目のスリット３の後縁部３ｄと２列目のスリット４の前縁部４ｂとの間のフィンベース部１ａにスリットが配置されない部分を作り出すことができる。このため、伝熱管２から伝達される熱は、図中の点線の矢印で示すようにこのフィンベース部１ａを伝わり、更に１列目のスリット３の中央部３ｅを経由してフィン前縁部８の中央部に伝達される。したがって、フィン温度が最も空気温度に近づく板状フィン１の前縁部８の中央部の温度と伝熱管温度とを近づけることが可能となる。つまり、伝熱管２とフィン前縁部８との温度差を小さくすることができる。よって、フィン効率が向上し、熱交換性能が向上する。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の一部のフィンのスリット形状を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｄ）はフィンピッチＦｐと１列目のスリット３との関係示す図である。
本実施の形態では、１列目および３列目のスリット３、５において、伝熱管２に近いスリット脚部３ａ、５ａからスリットベース部３ｃ、５ｃに繋がる部位を三角形状（図中、３ｆ、５ｆで示す三角部）に形成したものである。その他の構成は実施の形態１と同様である。
このように構成することにより、１列目のスリット３がそのスリット脚部３ａにおける風を板状フィン段方向の中央部に導入する効果を強めると共に、スリットベース部３ｃを、積層されたフィンのピッチＦｐの半分に近い高さを保つことができ、熱交換能力を高めることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るフィンチューブ型熱交換器の一部のフィンのスリット形状を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
本実施の形態では、１列目および３列目のスリット３、５において、スリットベース部３ｃ、５ｃを板状フィン１のフィンベース部１ａと平行にしたものである。その他の構成は実施の形態１と同様である。
このように構成することにより、スリットベース部３ｃ、５ｃは常にフィンピッチＦｐの半分の高さとなり、更に熱交換能力を高めることができる。

以上に述べた実施の形態１〜３では、スリットが３列の熱交換器について説明したが、これに限られるものではない。たとえば、４列のスリットの場合、２列目のスリット４だけを２つとし、伝熱管２の中心線２０に対し対称に配置すればよい。５列のスリットの場合、１列目と２列目のスリットを２つずつ対称に配置すればよい。但し、４列、５列のスリットの場合、スリットの一部については、前縁部もしくは後縁部、またはその両方を伝熱管の中心からの放射線上ではなく中心線２０に平行に形成するとよい。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る空調装置の冷媒回路図である。図に示す冷媒回路は、圧縮機３１、凝縮器熱交換器３２、絞り装置３３、蒸発器熱交換器３４をこの順に冷媒配管で環状に接続し、凝縮器熱交換器３２および蒸発器熱交換器３４にはそれぞれ送風機３５を配設することにより構成されている。
上述の実施の形態１〜３によるいずれか一つのフィンチューブ型熱交換器を凝縮器熱交換器３２もしくは蒸発器熱交換器３４、または両方に用いることにより、エネルギー効率の高い空調装置を実現することができる。
ここで、エネルギー効率は、次式で構成されるものである。
暖房エネルギー効率＝室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
冷房エネルギー効率＝室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力

なお、上述の実施の形態１〜３で述べたフィンチューブ型熱交換器およびそれを用いた空調装置については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１，ＲＣ３１８などや、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、またはこれら冷媒の数種の混合冷媒など、どんな種類の冷媒を用いても、その効果を達成することができる。

また、作動流体として、空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏する。

また、伝熱管とフィンは異なった材料を用いていることが多いが、伝熱管とフィンに銅、伝熱管とフィンにアルミなど、同じ材料を用いることで、フィンと伝熱管のロウ付けが容易となり、フィン部と伝熱管の接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換能力が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。

また、伝熱管とフィンを密着させる方法として、炉中ロウ付けを行う場合、フィンに親水材を塗布するのを後処理で行うことで、前処理の場合のロウ付け中の親水材の焼け落ちを防ぐことができる。

また、上述の実施の形態１〜３で述べたフィンチューブ型熱交換器を室外機で用いた場合においても同様な効果を奏することができる。

なお、上述の実施の形態１〜３で述べたフィンチューブ型熱交換器およびそれを用いた空調装置については、鉱油系、アルキルベンゼン油系、エステル油系、エーテル油系、フッ素油系など、冷媒と油が溶ける溶けないにかかわらず、どんな冷凍機油についても、その効果を達成することができる。

本発明のフィンチューブ型熱交換器は、熱交換性能を向上し、省エネルギー性能を向上することが必要なヒートポンプ装置に効果的に利用することができる。

１ 板状フィン、１ａ フィンベース部、２ 伝熱管、３ １列目のスリット（前列のスリット）、３ａ スリット脚部、３ｂ 分割部脚部、３ｃ スリットベース部、３ｄ 後縁部、３ｅ 中央部（分割部）、３ｆ 三角部、４ ２列目のスリット（中間列のスリット）、４ａ スリット脚部、４ｂ 前縁部、４ｃ 後縁部、５ ３列目のスリット（後列のスリット）、５ａ スリット脚部、５ｂ 分割部脚部、５ｃ スリットベース部、５ｄ 前縁部、６ 伝熱管に近いスリット付近の空気の流れ、７ フィン段方向中央部の空気の流れ、８ フィン前縁部、９ 熱の流れ、１０ 空気の流れ方向、２０ 伝熱管の中心線、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 伝熱管中心からの放射線、３１ 圧縮機、３２ 凝縮器熱交換器、３３ 絞り装置、３４ 蒸発器熱交換器、３５ 送風機。

Claims (6)

1. 所定の間隔で平行に積層されその間を気体が流通する複数の板状フィンと、板状フィンの積層方向に貫通して配置され、内部を作動流体が流動する複数の伝熱管と、前記気体の流れ方向に対して直角方向に隣接する伝熱管の間のフィンベース部に形成された複数列のスリットとを有するフィンチューブ型熱交換器において、
   前記複数列のスリットのうち、前記気体の流れ方向に対して前列と後列のスリットは、長手方向中央部で２分割されているとともに、伝熱管に近いスリット脚部のスリット高さが分割部脚部のスリット高さよりも高くなっており、
   中間列のスリットは、伝熱管に近いスリット脚部のスリット高さが長手方向中央部のスリット高さよりも低くなっていることを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記前列と後列のスリットは、伝熱管に近いスリット脚部の列方向の幅が分割部脚部のスリット脚部の列方向の幅よりも大きくなっており、
   前記中間列のスリットは、伝熱管に近いスリット脚部の列方向の幅が中央部のスリットの列方向の幅よりも小さくなっている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。
3. 前記前列のスリットの後縁部および後列のスリットの前縁部、前記中間列のスリットの前縁部および後縁部のそれぞれは、伝熱管の中心から延びる放射線上に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記前列と後列のスリットは、伝熱管に近いスリット脚部からスリットベース部につながる部位が三角形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記前列と後列のスリットのスリットベース部が、フィンベース部と平行になっていることを特徴とする請求項４記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器を蒸発器又は凝縮器のいずれか一方又は両方の熱交換器として用いたことを特徴とする空調装置。

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