JP2013238354A - フィンチューブ型熱交換器及びこの熱交換器を用いた冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着霜時のファンによる風量のアップ量を抑えることができるようにする。
【解決手段】所定の間隔で平行に積層され、その間をファン１０５により送風された空気が通過する複数のフィン１と、これらフィン１を積層方向に貫通して風の流れ方向に直交する方向に複数段配置されるとともに風の流れ方向に複数列配置されて冷媒が流れる伝熱管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ…とを有し、冷凍サイクルの蒸発器１０４として使用されるフィンチューブ型熱交換器１００であって、複数列の伝熱管のうち、蒸発器１０４の風上となる蒸発器前面側に配置されて蒸発器出口冷媒の過熱度が調整される伝熱管２ａ，２ｂに風下側で隣接する伝熱管２ｃ，２ｄをパス抜きする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルの蒸発器として好適なフィンチューブ型熱交換器、及びこの熱交換器を用いた冷凍空調装置に関する。

所定の間隔で平行に積層され、その間をファンにより送風された空気が通過する複数のフィンと、これらフィンを積層方向に貫通して風の流れ方向に直交する方向に複数段配置されるとともに風の流れ方向に複数列配置されて冷媒が流れる伝熱管とを有するフィンチューブ型熱交換器は知られている。また、このようなフィンチューブ型熱交換器を有する冷凍サイクルを備えた冷凍空調装置も知られている。冷凍空調装置は、一般に、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を環状に接続して構成され、ファンにより外気を蒸発器にて冷却するようになっている。

このようなものにおいては、冷却される供給空気が中低温の場合、空気中の水分が蒸発器に着霜し、この着霜による熱交換効率の低下が懸念される。さらに、このようなものにおいては、着霜量が多くなると、蒸発器のフィン間が目詰りし、圧損が大きくなることによる風量の低下も懸念される。

そこで、熱交換器（蒸発器）の着霜に応じて、単にファンの回転数を増加させることで、熱交換器（蒸発器）に通風する風量を増加させて交換熱量を増加させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４０７８４４７号公報（段落［００２０］）

しかしながら、熱交換器の着霜に応じて、単にファンの回転数を増加させるものにあっては、風量のアップ量を抑えることができず、省エネが図れないという問題があった。

ところで、着霜は、空気中の水分量が多い蒸発器風上側である蒸発器前面に多く発生する。冷凍サイクルにおいては、圧縮機の冷媒液戻り防止のために、膨張機構によって蒸発器出口（前面側）冷媒の過熱度を確保するようになっている。そのため、蒸発器の複数列配置されている伝熱管のうち、蒸発器最前列（１列目と２列目）に位置する伝熱管内の冷媒温度は、上昇し、着霜が発生し難い。本発明者等による実験の結果、着霜は、蒸発器前列（３列目と４列目）に集中することが分かってきた。

本発明は、前記のような課題とこれまで知られていなかった前記知見に鑑みてなされたもので、着霜時のファンによる風量のアップ量を抑えることができるフィンチューブ型熱交換器及びこの熱交換器を用いた冷凍空調装置を提供す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、その間をファンにより送風された空気が通過する複数のフィンと、これらフィンを積層方向に貫通して風の流れ方向に直交する方向に複数段配置されるとともに風の流れ方向に複数列配置されて冷媒が流れる伝熱管とを有し、冷凍サイクルの蒸発器として使用されるフィンチューブ型熱交換器であって、複数列の伝熱管のうち、蒸発器の風上となる蒸発器前面側に配置されて蒸発器出口冷媒の過熱度が調整される伝熱管に風下側で隣接する伝熱管をパス抜きしたものである。

また、本発明に係る冷凍空調装置は、前記フィンチューブ型熱交換器を冷凍サイクルの蒸発器として用いたものである。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器においては、複数列の伝熱管のうち、蒸発器の風上となる蒸発器前面側に配置されて蒸発器出口冷媒の過熱度が調整される伝熱管に風下側で隣接する伝熱管をパス抜きしたので、その間の空気中の水分はドレンとして排出される。このため、着霜量は減少し、かつ発生域も後列にまで分散させることができて、特定列への着霜の集中を防止することができる。そして、着霜時のファンによる風量のアップ量を抑えることができる。
また、本発明に係る冷凍空調装置においては、前記のようなフィンチューブ型熱交換器を冷凍サイクルの蒸発器として用いたので、冷凍空調装置における蒸発器の着霜耐力を向上させることができる。そして、デフロスト運転に至るまでの稼働時間を延長させることができる。

本発明の実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器のフィンと伝熱管との関係を示すもので、（ａ）は着霜分布画像を示す図、（ｂ）は（ａ）に対応するフィンと伝熱管との位置関係を示す図である。 従来仕様のフィンチューブ型熱交換器のフィンと伝熱管との関係を示すもので、（ａ）は着霜分布画像を示す図、（ｂ）は（ａ）に対応するフィンと伝熱管との位置関係を示す図、（ｃ）は（ｂ）に対応するフィンと伝熱管の位置における冷媒温度と空気温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器が蒸発器に適用される冷凍空調装置の冷媒回路図である。 本発明の実施形態に係る冷凍空調装置の風量低下の検知方法を説明するための供給空気温度と蒸発器の蒸発温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る冷凍空調装置の着霜時の運転動作を示すフローチャートである。

先ず、本実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の説明の前に、従来仕様のフィンチューブ型熱交換器の場合における着霜発生時の着霜分布について図２の比較例により説明する。図２は従来仕様のフィンチューブ型熱交換器のフィンと伝熱管との関係を示すもので、（ａ）は着霜分布画像を示す図、（ｂ）は（ａ）に対応するフィンと伝熱管との位置関係を示す図、（ｃ）は（ｂ）に対応する位置における冷媒温度と空気温度との関係を示すグラフである。
比較例のフィンチューブ型熱交換器（以下、熱交換器という）１０は、図２のように所定の間隔で平行に積層されてその間をファンにより送風された空気が通過する複数のフィン１と、これらフィン１を積層方向に貫通して風の流れ方向に直交する方向に複数段配置されるとともに風の流れ方向に複数列配置されて冷媒が流れる伝熱管２とを有している。また、熱交換器１０の後面側には、各伝熱管２に冷媒を供給するための冷媒入口ヘッダ３が設けられているとともに、熱交換器１０の前面側に、冷媒出口ヘッダ４が備えられている。
この比較例の熱交換器１０において、ファン（図示せず）から送風された空気は、図２（ｂ）のように前面側より各フィン１間に進入し、後面側へ通過する。

図３は本発明の実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器が蒸発器に適用される冷凍空調装置の冷媒回路図である。
冷凍空調装置は、図３のように圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、及び蒸発器１０４を環状に接続して構成され、ファン１０５により外気を蒸発器１０４にて冷却するようになっている。

既述したように、冷凍サイクルにおいては、圧縮機１０１の冷媒液戻り防止のために、膨張弁１０３によって蒸発器１０４の出口（前面側）冷媒の過熱度を確保するようになっている。そのため、図２（ｂ）（ｃ）のように蒸発器１０４の複数列配置されている伝熱管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ…のうち、蒸発器最前列（１列目と２列目）に位置する伝熱管２ａ，２ｂ内の冷媒温度は、上昇し、着霜が発生し難い。

実験の結果、比較例の熱交換器（蒸発器として使用される）１０においては、冷却される供給空気が中低温の場合、図２（ａ）（ｂ）のように複数列配置されている伝熱管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ…のうち、蒸発器出口冷媒の過熱度が調整される伝熱管２ａ，２ｂに風下側で隣接する伝熱管、つまり蒸発器前列（３列目と４列目）の伝熱管２ｃ，２ｄに空気中の水分が集中して着霜し、この着霜集中部Ｂによって熱交換効率が低下することが分かった。すなわち、比較例の熱交換器（蒸発器）１０においては、着霜量が多くなると、フィン１間が目詰りし、圧損が大きくなることによる風量の低下が起こる。

図１は本発明の実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器のフィンと伝熱管との関係を示すもので、（ａ）は着霜分布画像を示す図、（ｂ）は（ａ）に対応するフィンと伝熱管との位置関係を示す図である。
本実施形態のフィンチューブ型熱交換器（以下、熱交換器という）１００は、冷凍サイクルの蒸発器１０４として使用される。この熱交換器（蒸発器）１００は、着霜集中が発生し易い風上側から数えて３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄへは冷媒を流さず、パス抜きし、２列目の伝熱管２ｂと５列目の伝熱管２ｅとを直接接続したものである。３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄは、ここでは伝熱面積を確保するためにダミー管としてそのまま残してあるが、３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄを削除しても、所期の目的、すなわち着霜時のファンによる風量のアップ量の抑制、着霜耐力の向上は達成できるものである。なお、「パス」とは、フィンを貫通する冷媒が流れる伝熱管の折返し数を意味する。また、「パス抜き」とは、通常のピッチであれば有るはずの位置に伝熱管が存在しない、またはその位置に伝熱管が存在していてもその伝熱管は冷媒が流れないダミー管であることを意味する。

このように、本実施形態の熱交換器１００は、着霜集中が発生し易い風上側から数えて３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄをパス抜きしているので、その間の空気中の水分はドレンとして排出される。このため、着霜量は減少し、図１（ａ）（ｂ）のように着霜発生域Ａも後列にまで分散される。

下記表１に比較例、ダミー管無し、ダミー管有りの場合の性能を比較して示す。

表１から明らかなように、風上側から数えて３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄをパス抜きしていない比較例の場合、着霜集中による目詰りが起こり易く、着霜耐力に欠ける。そのため、着霜時のファンによる風量のアップ量の抑制は困難である。

本実施形態のように風上側から数えて３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄを削除することでパス抜きした場合は、着霜発生域Ａを後列にまで分散させることができるため、特定列への着霜の集中を防止することができる。このため、目詰りが起こり難くなり、着霜耐力が向上する。しかし、この場合は、伝熱管２ｃ，２ｄの削除に伴って伝熱面積が減少するため、熱交換性能が低下する。

また、本実施形態の熱交換器１００のように風上側から数えて３列目と４列目の伝熱管２ｃ，２ｄをパス抜きし、かつダミー管として残した場合には、伝熱面積を確保できるため、熱交換性能を低下させることなく、着霜発生域Ａを後列にまで分散させることができ、着霜耐力を向上させることができる。

着霜によりフィン１が目詰りした場合、蒸発器１０４の圧損が大きくなり風量が低下する。その対策として、ファンインバータによりファン１０５の風量をアップさせる手段を用いるが、本実施形態の熱交換器１００においては、パス抜きにより着霜が分散されているため、風量のアップ量を抑えることができ、ファン１０５の回転数を抑えて運転できるため、省エネが図れる。

ところで、着霜が懸念される蒸発器１０４においては、フィン１の目詰りを考慮し、予めフィンピッチを大きくするが、その場合には伝熱面積が減少するため、熱交換器１００の仕様を大きくしなければならない。

既述したように、着霜は、空気中の水分量が多い蒸発器風上側である蒸発器前面に多く発生する。
そこで、本実施形態の熱交換器１００においては、フィン１を、蒸発器前列（３列目と４列目）のパス抜き部を含む風上側フィン（図示せず）とその後方の風下側フィン（図示せず）とに分割している。
また、本実施形態の熱交換器１００においては、風上側はフィン１の目詰りを考慮し、風上側フィンのピッチを大きくし、風下側フィンのピッチは風上側フィンのピッチよりも小さく設定している。

下記表２にフィンピッチを変更しない場合（比較例）と、フィンピッチを変更した場合（実施例）の仕様を比較して示す。

表２から明らかなように、風下側フィンのピッチは風上側フィンのピッチよりも小さく設定した実施例の場合は、必要以上に蒸発器の仕様を大きくすることなく、伝熱面積も確保でき、かつ着霜量も低減できる。

着霜によりフィン１が目詰りした場合、蒸発器１０４の圧損が大きくなり風量が低下する。その対策として、ファンインバータによりファン１０５の風量をアップさせる手段を用いるが、本実施形態の熱交換器１００においては、前述のようにパス抜きにより着霜が分散されているとともに、風上側フィンのピッチを大きく、風下側フィンのピッチを小さく設定しているので、着霜による蒸発器１０４の圧損増加はない。さらに、風上側から風下側に至るフィンのピッチを大きくした場合と同様にファンインバータによる風量アップが実施可能であるとともに、風量のアップ量を抑えることができ、ファン１０５の回転数を抑えて運転できるため、省エネが図れる。

次に、本発明の実施形態に係る冷凍空調装置の着霜時の運転動作を、図４、図５を用い、図１、図３を参照しながら説明する。

図４は本発明の実施形態に係る冷凍空調装置の風量低下の検知方法を説明するための供給空気温度と蒸発器の蒸発温度との関係を示すグラフである。図５は本発明の実施形態に係る冷凍空調装置の着霜時の運転動作を示すフローチャートである。
まず、制御部は、ステップＳ１で冷凍空調装置の冷却運転が開始されると、圧縮機１０１を駆動させ、蒸発器１０４のファン１０５を回転させる。次いで、ステップＳ２で制御部は、蒸発器１０４の目詰まりを判断する。ここでは、蒸発器１０４の出口側に風量計（図示せず）を設け、ファン１０５の風量が低下したか否かを見て判断しているが、蒸発器１０４の目詰まりの判断手法はこれに限定されるものでなく、次のａ〜ｅのいずれかを用いて判断してもよい。
ａ．蒸発器に蒸発温度を検出する蒸発温度センサーを設け、蒸発器の目詰まりを、冷凍サイクルの圧縮機容量が不変である場合に、蒸発温度が低下したことを検知することで判断する。
ｂ．蒸発器の入口側と出口側にそれぞれ空気圧力センサーを設け、蒸発器の目詰まりを、この蒸発器の入口側風圧と出口側風圧との差圧が過大となったことを検知することで判断する。
ｃ．ファン電力供給系に電流計を設置し、蒸発器の目詰まりを、ファン運転電流が減少したことを検知することで判断する。
ｄ．蒸発器の入口側と出口側にそれぞれ空気温度センサーを設け、蒸発器の目詰まりを、この蒸発器の出口空気温度と入口空気温度との温度差が減少したことを検知することで判断する。
ｅ．蒸発器の入口側に空気温度センサーを設けるとともに、蒸発器に蒸発温度を検出する蒸発温度センサーを設け、図４のように蒸発器の目詰まりを、供給空気温度と蒸発温度の関係に対し、現在の状態が外れていることを検知することで判断する。

制御部は、ステップＳ２でファン１０５の風量が低下したと判断されると、ファンインバータにより周波数をアップさせ、ファン１０５の風量を増加させてから（ステップＳ３）、冷却運転開始後１時間経過したか否かをみる（ステップＳ４）。

制御部は、ステップＳ２でファン１０５の風量が低下していないと判断されると、処理をステップＳ４に移す。

また、制御部は、ステップＳ４で冷却運転開始後１時間経過したと判断されると、次いでファンインバータにより周波数をアップしたか否かをみる（ステップＳ５）。

制御部は、ステップＳ５でファンインバータにより周波数をアップしたと判断されると、元の周波数に戻してから（ステップＳ６）、圧縮機１０１の運転を停止させる（ステップＳ７）。

また、制御部は、ステップＳ５でファンインバータにより周波数をアップしていないと判断されると、処理をステップＳ７に移す。

制御部は、ステップＳ７で圧縮機１０１の運転を停止させ、次にデフロスト運転、つまりファン１０５の運転を開始させる（ステップＳ８）。

次に、制御部は、終了か否かをみて（ステップＳ９）、終了と判断されれば、ファン１０５を停止させ（ステップＳ１０）、処理をステップＳ１に戻す。終了の判断は、例えばデフロスト運転時間を予め設定しておき、その経過時間により行う。

以上のようにして、本発明の実施形態に係る冷凍空調装置の除霜運転が行われる。そして、本発明の実施形態に係る冷凍空調装置では、前記のような熱交換器１００を冷凍サイクルの蒸発器１０４として用いているので、冷凍空調装置における蒸発器１０４の着霜耐力を向上させることができる。その結果、デフロスト運転に至るまでの稼働時間を延長させることができる。

１ フィン、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ 伝熱管、３ 冷媒入口ヘッダ、１０，１００ 熱交換器（フィンチューブ型熱交換器）、４ 冷媒出口ヘッダ、１０１ 圧縮機、１０２ 凝縮器、１０３ 膨張弁、１０４ 蒸発器、１０５ ファン、Ａ 着霜発生域、Ｂ 着霜集中部。

Claims (12)

1. 所定の間隔で平行に積層され、その間をファンにより送風された空気が通過する複数のフィンと、これらフィンを積層方向に貫通して風の流れ方向に直交する方向に複数段配置されるとともに風の流れ方向に複数列配置されて冷媒が流れる伝熱管とを有し、冷凍サイクルの蒸発器として使用されるフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記複数列の伝熱管のうち、前記蒸発器の風上となる蒸発器前面側に配置されて蒸発器出口冷媒の過熱度が調整される伝熱管に風下側で隣接する伝熱管をパス抜きしたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記蒸発器の風上側から数えて３列目と４列目の前記伝熱管をパス抜き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。
3. 前記蒸発器の風上側から数えて３列目と４列目の伝熱管を、冷媒が流れないダミー管としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記フィンを、パス抜き部を含む風上側フィンとその後方の風下側フィンとに分割するとともに、前記風上側フィンのピッチを大きく、前記風下側フィンのピッチを前記風上側フィンのピッチよりも小さく設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を環状に接続して冷凍サイクルが構成され、ファンにより外気を前記蒸発器にて冷却する冷凍空調装置であって、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器を冷凍サイクルの蒸発器として用いた冷凍空調装置。
6. 着霜により前記蒸発器が目詰まりした場合、前記ファンにより送風する風量を大きくすることを特徴とする請求項５記載の冷凍空調装置。
7. 蒸発器の出口側に風量計を設け、前記蒸発器の目詰まりを、前記ファンによる風量が低下したことを検知することで判断することを特徴とする請求項６記載の冷凍空調装置。
8. 前記蒸発器に蒸発温度を検出する蒸発温度センサーを設け、前記蒸発器の目詰まりを、冷凍サイクルの圧縮機容量が不変である場合に、蒸発温度が低下したことを検知することで判断することを特徴とする請求項６記載の冷凍空調装置。
9. 蒸発器の入口側と出口側にそれぞれ空気圧力センサーを設け、前記蒸発器の目詰まりを、該蒸発器の入口側風圧と出口側風圧との差圧が過大となったことを検知することで判断することを特徴とする請求項６記載の冷凍空調装置。
10. ファン電力供給系に電流計を設置し、前記蒸発器の目詰まりを、ファン運転電流が減少したことを検知することで判断することを特徴とする請求項６記載の冷凍空調装置。
11. 蒸発器の入口側と出口側にそれぞれ空気温度センサーを設け、前記蒸発器の目詰まりを、該蒸発器の出口空気温度と入口空気温度との温度差が減少したことを検知することで判断することを特徴とする請求項６記載の冷凍空調装置。
12. 蒸発器の入口側に空気温度センサーを設けるとともに、該蒸発器に蒸発温度を検出する蒸発温度センサーを設け、該蒸発器の目詰まりを、供給空気温度と蒸発温度の関係に対し、現在の状態が外れていることを検知することで判断することを特徴とする請求項６記載の冷凍空調装置。