JP2015206569A - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクルのフィンチューブ熱交換器において着霜による性能低下を抑制する。【解決手段】表面にスリットを有するフィンが所定のピッチで積層されるフィン群と、該フィン群を積層方向に貫通し内部に冷媒が流れる伝熱管と、を備え、異なる沸点の冷媒が組み合わされた非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクルに設けられるフィンチューブ熱交換器において、前記伝熱管は、複数の伝熱管に分岐して前記フィン群に冷媒を流入させる入口側伝熱管群と、前記フィン群から複数の伝熱管で冷媒を流出させた後に合流する出口側伝熱管群と、を有して構成され、前記入口側伝熱管と前記出口側伝熱管群とは、前記フィンの長手方向の一端部側と他端部側に分かれて配置される。【選択図】 図１

Description

本発明はフィンチューブ熱交換器に関するものである。

近年のエネルギー枯渇問題、地球温暖化問題が注目を浴び、冷凍サイクルや冷凍機で使用される冷媒に対しても、ＣＯＰが高く環境負荷がより小さいものが望まれている。特に地球温暖化問題に対する注目度は高く、冷媒が漏れることでの直接的影響すなわちＧＷＰが低く、間接的影響すなわち消費エネルギーが小さい冷媒が求められている。

一方人体に近いところで使用されることもあり、無毒性、低燃焼性等の安全面における配慮も重要となっている。以上のことを考慮し、冷凍サイクルに使われる冷媒の開発や選定が行われることになり、そのシステムにおける体積能力の確保やＣＯＰ値、安全性等が重要な選定項目となる。

そのため、単独の冷媒で必要な性能、低環境負荷、安全性が得られない場合には冷媒を数種混合して、目的の特性を得ることがある。たとえばＣＯＰが高く直接的環境負荷も小さいが燃える冷媒とＣＯＰが低いが消化性のある冷媒を混合して、要求性能は確保し、燃焼性を低くすることが可能となる。

特開平０８−１００９６２号公報

しかしこのような混合冷媒（非共沸混合冷媒）では、飽和域において温度勾配を有することになり、蒸発過程で入口温度が極端に低下してしまう。その低い冷媒温度のため空気中の水分が熱交換器に付着凍結する着霜現象が起きやすくなり、着霜による空気流路の閉塞から熱交換できなくなり熱交換器および冷凍サイクルの性能が低下する。

図５は一般的な従来のフィンチューブ熱交換器の模式図である。図中伝熱管内部には冷媒が流れ、伝熱管周りにはフィンが配置され、紙面垂直方向に空気が流れ冷媒と空気を熱交換する。しかし、このような配置では、比較低温となる冷媒流入部が熱交換器全体に配置されるため、熱交換器全体に霜が発生し、比較冷媒温度が高く霜の付着しにくい冷媒流出部の空気の流れも阻害することになる。

また、特許文献１ではフィンチューブ蒸発器において冷媒温度が低くなる冷媒流入側のフィンでは着霜しても空気流路がふさがりにくいコルゲート等のスリットなしフィンを使用し、冷媒温度の高い冷媒流出側のフィンは熱伝達率の高いスリットフィンを用いている。

しかし、コルゲートフィンはスリットフィンよりも熱交換効率が低いため、特許文献１で提案されるようにコルゲートフィンを用いた場合には、熱交換器全体の性能低下が避けられない。

本発明は、上記のような問題を鑑み、非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクルのフィンチューブ熱交換器において着霜による性能低下を抑制することを目的とする。

表面にスリットを有するフィンが所定のピッチで積層されるフィン群と、該フィン群を積層方向に貫通し内部に冷媒が流れる伝熱管と、を備え、異なる沸点の冷媒が組み合わされた非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクルに設けられるフィンチューブ熱交換器において、前記伝熱管は、複数に分岐して前記フィン群に冷媒を流入させる入口側伝熱管群と、前記フィン群から複数の分岐管で冷媒を流出させた後に合流する出口側伝熱管群と、を有し、前記入口側伝熱管と前記出口側伝熱管群とは、前記フィンの長手方向の一端部側と他端部側に分かれて配置される。

また、表面にスリットを有するフィンが所定のピッチで積層されるフィン群と、該フィン群を積層方向に貫通し内部に冷媒が流れる伝熱管と、を備え、異なる沸点の冷媒が組み合わされた非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクルに設けられるフィンチューブ熱交換器において、複数のフィン群が積層方向に並べて配置されるとともに、前記複数のフィン群を冷媒が順に流れるように前記伝熱管により接続され、最初に冷媒が流れる入口側フィン群には、前記伝熱管が積層方向の一端から他端まで少なくとも一往復するように貫通される。

非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクルのフィンチューブ熱交換器において着霜による性能低下を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態を示すフィンチューブ熱交換器。 本発明の第２の実施形態を示すフィンチューブ熱交換器。 本発明の実施例を示す冷凍サイクルの系統図。 非共沸混合冷媒のｐ−ｈ線図。 従来のフィンチューブ熱交換器。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図３に本発明の実施例に係る冷凍サイクルの構成を示す。図３に示す冷凍サイクルは、室内の空気と冷媒とを熱交換させる室内熱交換器２１０と、室内熱交換器２１０に送風する室内ファン２２０とを有する室内機を備えている。また、冷凍サイクル内を流れる冷媒を圧縮する圧縮機１００と、冷媒の流路を切り替える四方弁１２０と、室外の空気と冷媒とを熱交換させる室外熱交換器１３０と、冷媒を減圧する膨張弁１４０とを有する室外機を備えている。そして、室内機と室内機を冷媒配管で接続することで冷凍サイクルを構成している。

次に冷媒の流れについて説明する。暖房運転時は図中破線の矢印の方向に冷媒が流れ、圧縮機１００から出た冷媒は四方弁１２０を通りガス接続配管３２０を経て、室内熱交換器２１０で室内ファン２２０によって送り込まれる空気を暖め、冷媒自身は冷却され凝縮し室内機を出て、液接続配管３１０で再び室外機に導かれる。膨張弁１４０で圧力と温度を下げられ、室外熱交換器１３０で室外ファン１５０によって送り込まれる空気により加熱され蒸発し、四方弁１２０を通り、圧縮機１００に吸い込まれる。冷房運転時は逆の動作となり、図中実線の矢印で示される。

本実施例では冷媒としてプロパンとＣＯ₂の混合物を用いる。プロパンはＣＯＰが高く、ＧＷＰも低い冷媒であるが燃焼性が高いため、不燃のＣＯ₂を混合することで燃焼性を下げることが可能である。ここでは質量分率で５０％：５０％の混合冷媒とする。

図４はこの混合冷媒を用いた暖房時のｐ−ｈ線図を示す。図中Ａ〜Ｄの記号は図３のサイクル図の位置を表している。熱源の空気温度を１５℃と想定すれば、蒸発器の一番高い図中Ａ点は１０℃程度となる。ここで問題となるのが、Ｄ点すなわち蒸発器となる室外熱交換器１３０に入口温度である。

例えば、想定される温度の一例を挙げると熱源空気温度１５℃程度でありながら、Ｄ点は−１０℃程度となり、空気中の水分が熱交換器のフィンや伝熱管の表面に凍結付着する着霜現象が起こる。この着霜は時間とともに増大し、空気流路を塞ぎ熱交換量を落とすため、性能が低下してしまう。これに伴い室内機側で室内空気と冷媒との熱交換量が低下することで、室内に送風される空気の温度もユーザに設定された温度に達せずに快適性を損ねることにも繋がる。

図１は本発明の第１の実施例を示すフィンチューブ熱交換器である。フィンチューブ熱交換器は、略長方形状のフィンを所定のピッチで積層したフィン群４００（以下、単にフィンとも称す）に対し、内部に冷媒が流れる伝熱管を貫通させて構成する。フィン４００は、切り起こしまたは切り欠き等のスリットを有するフィンを使用する。伝熱管は、４分岐させてフィン４００へ接続することで４箇所から冷媒を流入させる。また、フィン４００の積層方向の一端から他端へ貫通させた伝熱管は折り返されて、他端から一端へ往復して冷媒が流れるように構成する。

また、フィン４００に冷媒を流入させる入口側伝熱管群５００は、フィン４００の長手方向の一端側へ寄せて配置する。入口側伝熱管５００は出口側伝熱管群５１０へ接続され、出口側伝熱管群５１０は、フィン４００の長手方向の他端側へ寄せて配置する。別の言い方をすると、フィン４００の積層方向及び気流方向に対する垂直方向において、入口側伝熱管群５００と出口側伝熱管群５１０を離れた位置に配置する。なお、気流方向とは、図１及び図２において、手前から奥へ向かう方向またはその逆方向のことである。

このように冷媒温度が低くフィン４００に着霜を生じさせ易い入口側伝熱管群５００と、フィンチューブ熱交換器内で熱交換されて着霜を生じさせない温度まで上昇した冷媒が流れる出口側伝熱管群５１０とを、フィン４００の長手方向において離れた位置に配置することで、着霜が発生する箇所をフィン４００上で局所化することができる。図１において、霜はフィン４００下部に集中的に成長することで空気の流れを阻害するが、上部に霜が付着しない領域があるため、大きな性能低下を起こさない。つまり、少なくとも出口側伝熱管群５１０が貫通しているフィン４００の近傍では着霜を抑制することができるため、フィン群４００を通過する空気の通路全体が閉塞してしまうことを防止できる。したがって、着霜によるフィンチューブ熱交換器の性能低下を抑制することができる。

また、本実施例で使用しているスリットを有するフィンは、フラットフィンやコルゲートフィンと比較し熱交換効率が高い一方、スリット部分での着霜による空気通路の閉塞が起こり易い特徴を有するが、着霜を局所化することでフィン全体での閉塞を防止しつつスリットフィンを用いた熱交換器を構成することができる。

なお、本実施例では、伝熱管を４分岐させてフィン４００に接続しているが、４分岐以上または以下の複数の分岐としても構わない。

図２は本発明の第２の実施例を示すフィンチューブ熱交換器である。実施例１と同様の構成については省略して説明する。フィンを所定のピッチで積層し構成したフィン群４００を積層方向に２つ並べて配置する。伝熱管は４分岐させて一方のフィン群４００へ接続し冷媒を流入させる。分岐した伝熱管は全て同じフィン群４００（図２左側の入口側フィン群４１０）へ接続し、各分岐管はフィン群４００の積層方向の一端部から他端部へ貫通した後に、他端部から一端部へ及び一端部から他端部へ往復するように積層方向へ貫通させる。

次に、入口側フィン群４１０から冷媒を流出させる伝熱管の各分岐管は、他方のフィン群（図２右側の出口側フィン群４１０）へ接続し、左側フィン群と同様に積層方向に往復して貫通させる。そして、フィン群４００から冷媒を流出させる各分岐管は、一本の伝熱管に合流させる。

このように、フィンチューブ熱交換器のフィン４００を左右に分割し、まず片方に冷媒を流した後、他方へ導くことで、冷媒が最初に流入する前段のフィンには着霜が生じる虞があるが、後段のフィンには前段のフィンで熱交換（吸熱）した後の冷媒のみが流れるようになるため着霜が生じ難くなる。

また、冷媒が最初に流入する入口側フィン群４１０では、貫通させる伝熱管を往復させていることで熱交換量が増加し冷媒温度が上がるため、後段のフィン群４００での着霜をより低減することができる。したがって、熱交換器を通過する空気の通路全体が閉塞してしまうことを防止できるため、着霜による大きな性能低下を抑制できる。

なお、本実施例では２つのフィン群を並べて配置しているが、３つ以上複数並べて配置して構成しても良い。その場合にも、熱交換器内を流れる冷媒は各フィン群を順に通過する伝熱管の接続構成とすることで、最初に冷媒が流れるフィン群以外に着霜が生じることを抑制できる。

また、本実施例では、フィンの積層方向にフィン群を並べて配置しているが、このような配置に限らず、フィンを通過する空気の気流方向において、複数のフィン群が重ならないように配置することで、一つのフィン群が着霜により閉塞されたとしても、他のフィン群がその影響を受けることがない。

１００・・・圧縮機
１２０・・・四方弁
１３０・・・室外熱交換器
１４０・・・膨張弁
１５０・・・室外ファン
２１０・・・室内熱交換器
２２０・・・室内ファン
３１０・・・液接続配管
３２０・・・ガス接続配管
４００・・・フィン（フィン群）
４１０・・・入口側フィン群
４２０・・・出口側フィン群
５００・・・入口側伝熱管群
５１０・・・出口側伝熱管群

Claims (2)

1. 表面にスリットを有するフィンが所定のピッチで積層されるフィン群と、該フィン群を積層方向に貫通し内部に冷媒が流れる伝熱管と、を備え、
   異なる沸点の冷媒が組み合わされた非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクルに設けられるフィンチューブ熱交換器において、
   前記伝熱管は、複数に分岐して前記フィン群に冷媒を流入させる入口側伝熱管群と、前記フィン群から複数の分岐管で冷媒を流出させた後に合流する出口側伝熱管群と、を有し、
   前記入口側伝熱管と前記出口側伝熱管群とは、前記フィンの長手方向の一端部側と他端部側に分かれて配置されることを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
2. 表面にスリットを有するフィンが所定のピッチで積層されるフィン群と、該フィン群を積層方向に貫通し内部に冷媒が流れる伝熱管と、を備え、
   異なる沸点の冷媒が組み合わされた非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクルに設けられるフィンチューブ熱交換器において、
   複数のフィン群が積層方向に並べて配置されるとともに、前記複数のフィン群を冷媒が順に流れるように前記伝熱管により接続され、
   最初に冷媒が流れる入口側フィン群には、前記伝熱管が積層方向の一端から他端まで少なくとも一往復するように貫通されることを特徴とするフィンチューブ熱交換器。