JP2016017695A - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換部どうしの接合部に空気の流入を制限する遮風板を設けると、接合部付近の伝熱量が低下してしまう。
【解決手段】前面熱交換部１ａと背面熱交換部１ｂとの接合部１４付近において、伝熱フィン１２の切起し１３を密に配置することで、伝熱フィン１２に発生した結露水を切起し１３どうしの間で保持させ、接合部１４付近を通過する空気流量を制限する。これにより、フィンチューブ熱交換器１全体に均一に空気を通過させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フィンチューブ熱交換器、特に気流と略直行方向に配置され内部を熱媒体が流動する伝熱管と伝熱管に貫通される形で配置され伝熱管周囲に複数の切起しを有するフィンを備えた熱交換器であって、さらに複数の熱交換部が接するように配置されることで熱交換部同士の接合部を有するフィンチューブ熱交換器に関するものである。

従来の空気調和機などに使用されるフィンチューブ熱交換器は、室内機本体内にクロスフローファンとともに収納されており、複数に分割された状態で室内機本体内の前面側および上面側にクロスフローファンを取り囲むような形態に配置されている。

分割されたフィンチューブ熱交換器同士の接合部では伝熱管を配置することが困難であることから通風抵抗が小さく、フィンチューブ熱交換器を通過する空気のうち接合部を通過する空気の割合が多くなる。しかし、接合部は伝熱管が少なく熱交換能力が低いため接合部を通過する空気の割合が多くなると、フィンチューブ熱交換器全体の熱交換能力を有効に活かすことができなくなる。そのため、接合部における空気の流入を制限する遮風板が接合部風上側に配置されている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１５６８９１号公報

前記従来の構成では接合部における空気の流入を制限する遮風板の風下に位置するフィンチューブ熱交換器の伝熱量が著しく低下し、接合部付近の熱交換能力を活かしきれないという課題があった。

本発明は、遮風板を設けることなく、前記従来の課題を解決するもので、伝熱フィンに設けた切起しを密に配置することで切起し間に結露水を保持することにより接合部の通過空気量を制限して、接合部付近の熱交換能力の低下を抑制したフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部の前記気体の主流方向の下流側の一端に近接して設けられた第２の熱交換部と、を備え、前記第１の熱交換部の前記気体の主流方向の下流側の一端を中心に、前記第１の熱交換部の伝熱フィンの幅を半径とした円領域内に配置された切起しの主流方向の配置間隔を、その他の領域に配置された切起しの主流方向の配置間隔より小さくしたもので、接合部付近において切起しを密に配置することで切起し同士の間で結露水をブリッジさせ、フィンチューブ熱交換器を通過する空気のうち接合部付近を通過する空気を制限させる。

本発明のフィンチューブ熱交換器は、接合部付近における切起し間に発生した結露水のブリッジにより空気の流路を狭めることができる。その結果、接合部付近の通過空気量を制限し、フィンチューブ熱交換器全体の熱交換能力を活かすことができる。

本発明の実施の形態におけるフィンチューブ熱交換器を備えた室内機の縦断面図 本発明の実施の形態におけるフィンチューブ熱交換器の伝熱フィンにおける伝熱管と切起しの配置図 本発明の実施の形態におけるフィンチューブ熱交換器の模式断面図 本発明の実施の形態における切起しの模式斜視図 本発明の実施の形態の切起しの配置を模式的に説明する（ａ）平面図、（ｂ）断面図

第１の発明は、所定の間隔で略平行に積層され、その間を気体が流動する複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンの平面方向と略直交する方向に伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、前記伝熱フィンに設けられ前記気体の主流方向に開口する複数の切起しと、を備えたフィンチューブ熱交換器であって、第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部の前記気体の主流方向の下流側の一端に近接して設けられた第２の熱交換部と、を備え、前記第１の熱交換部の前記気体の主流方向の下流側の一端を中心に、前記第１の熱交換部の伝熱フィンの幅を半径とした円領域内に配置された切起しの主流方向の配置間隔を、その他の領域に配置された切起しの主流方向の配置間隔より小さくしたものである。

これによれば、接合部付近の切起しを密に配置することで結露水をブリッジさせ、接合部付近を通過する空気を制限できるので、空気の流入を制限する遮風板等を設ける必要がない。このため、接合部付近の熱交換能力の低下を防止でき、フィンチューブ熱交換器全体の熱交換能力を活かすことができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記円領域内に配置された切起しの形状は、切起しの開口外周長さをＬ、切起しの主流方向の配置間隔をＩ、切起しの開口面積をＳ、前記気体の温度における水の表面張力をγ、前記気体の温度における水の密度をρ、重力加速度をｇとした場合、次式を満たすものである。

これによれば、気体の主流方向に隣接する切起し同士の間に、結露水を保持できるので、接合部付近を通過する空気を制限できる。

（実施の形態）
本発明の第１の実施形態のフィンチューブ熱交換器の適用例として、一般家庭で使用されている空気調和機であるセパレート式ルームエアコンの室内機で説明を行う。図１は本発明の実施の形態１の熱交換器を備えた室内機の横断面図である。なお、以下の説明では、室内機において、室内の壁にとりつける側を背面とし、背面に対向する側を前面として説明する。

セパレート式ルームエアコンは、冷媒配管で互いに接続された室外機（図示しない）と室内機とで構成されている。室内機および室外機は配管により圧縮機と冷媒減圧装置とフィンチューブ熱交換器１とが接続され、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成している（図示しない）。また、フィンチューブ熱交換器１は伝熱管１１内部を流れる冷媒とフィンチューブ熱交換器１外部の空気とを熱交換させている。

図１に示すように、室内機本体２は前面開口部３および上面開口部４、下面開口部５を有している。前面開口部３および上面開口部４には、空気を室内機本体２内に吸込むための吸込み口６が形成されている。下面開口部５には、室内機本体２内を通過した空気を吹出すための吹出し口７が形成されている。吹出し口７の下流側には、吹出し口７から吹出される空気の吹き出し方向を上下に変更するルーバー８が設けられている。なお、ルーバー８は、空調運転時に吹出し口７を開口する（開いた）状態になる。

室内機本体２の内部には、フィンチューブ熱交換器１と、吸込み口６から取り入れられた空気を、フィンチューブ熱交換器１に通過させて吹出し口７から空気を流出させるためのファン９が設けられている。ファン９は室内機本体２内にてファンモータ（図示しない）と軸接続されている。本実施の形態におけるファン９はクロスフローファンである。

室内機本体２内の前面開口部３と上面開口部４に区画された空間には電装ユニット１０が配置される。電装ユニット１０は室内機の運転に関わる電子部品（図示しない）を収容している。

フィンチューブ熱交換器１について、以下に詳しく説明する。図２は伝熱フィンにおける伝熱管と切起しの配置図である。

フィンチューブ熱交換器１は、図２に示すように、本発明における第１の熱交換部である前面熱交換部１ａと、本発明における第２の熱交換部である背面熱交換部１ｂとに分割されるとともに、ファン９の上方にて逆Ｖ字状に接合されて配置される。より詳細には、前面熱交換部１ａの空気の主流方向の下流側（ファン９側）の上端に、背面熱交換部１ｂの上面の前面側を近接させている。

前面熱交換部１ａと背面熱交換部１ｂはそれぞれ、伝熱管１１と伝熱フィン１２から構成されている。伝熱フィン１２は伝熱管１１に貫通され、かつ伝熱管１１の中心軸方向に積層されている。換言すると、伝熱フィン１２は所定の間隔で略平行に複数枚、積層されており、伝熱フィン１２の平面方向と略直交する方向に伝熱フィン１２を貫通する複数の伝熱管１１が設けられている。

前面熱交換部１ａは、ファン９の回転軸より前方に配置されている。前面熱交換部１ａは、室内機本体２の前面側に向かって突出するように折れ曲がって形成されおり、上部と、屈曲部と、下部とから構成されている。

前面熱交換部１ａの上部は、風上側と風下側が、それぞれ平行な傾斜面１８ａ、１８ｂで構成されており、それぞれ一定の距離Ｗを保っている。つまり、伝熱フィン１２の上部は一定の幅Ｗとなっている。前面熱交換部１ａの上面（傾斜面１８ａと傾斜面１８ｂとを接続する面）は、室内機本体２の水平方向と略平行な略平面で形成されている。前面熱交換部１ａの上部は、空気の主流方向に対して伝熱管１１を３列で千鳥状に配置されている。風下側の２列の伝熱管１１の管径は、風上側の１列の伝熱管１１の管径より小さい。

前面熱交換部１ａの屈曲部は、伝熱フィン１２の風上側と風下側が、円弧状に構成されている。前面熱交換部１ａの屈曲部は、空気の主流方向に対して伝熱管１１を３列で千鳥状に配置されている。屈曲部の伝熱管１１の管径は、前面熱交換部１ａの上部の風上側の１列の伝熱管１１の管径より大きい。

前面熱交換部１ａの下部は、伝熱フィン１２の風上側と風下側が、室内機本体２の背面側に突出するように構成されている。前面熱交換部１ａの下部は、空気の主流方向に対し
て伝熱管１１を２列で千鳥状に配置されている。下部の伝熱管１１の管径は、屈曲部の伝熱管１１の管径と同じである。

背面熱交換部１ｂは、室内機本体２の背面側に向かって下がる方向に傾斜して設けられている。背面熱交換部１ｂは、下部を除き、風上側と風下側が、平行な平面で構成されている。背面熱交換部１ｂの主要部の伝熱フィン１２の幅は、前面熱交換部１ａの上部の伝熱フィン１２の幅Ｗと略同等の幅となっている。

背面熱交換部１ｂは、下部を除き、空気の主流方向に対して伝熱管１１を３列で千鳥状に配置されている。風下側の２列の伝熱管１１の管径は、風上側の１列の伝熱管１１の管径より小さい。風上側の１列の伝熱管１１の管径は、前面熱交換部１ａの上部の風上側の１列の伝熱管１１の管径と同じであり、風下側の２列の伝熱管１１の管径は、前面熱交換部１ａの上部の風下側の２列の伝熱管１１の管径と同じである。

背面熱交換部１ｂの上面の前面側は、室内機本体２の前面側に向かって下がる方向に傾斜しており、前面熱交換部１ａの傾斜面１８ｂの上部とほぼ接している。背面熱交換部１ｂの上面の背面側は、室内機本体２の水平方向と略平行となっており、前面熱交換部１ａの上面とほぼ連続する略平面で形成されている。

前面熱交換部１ａの空気の主流方向の下流側の上端、つまり、傾斜面１８ｂの上端１７は、背面熱交換部１ｂの上面の前面側と接し、前面熱交換部１ａと背面熱交換部１ｂとの間に接合部１４を形成している。上端１７は、背面熱交換部１ｂの２列目の伝熱管１１の前面側に位置している。

前面熱交換部１ａ、背面熱交換部１ｂの伝熱管１１どうしは、Ｕベンド（図示せず）で連結され、単数または複数の冷媒流路を構成している。なお、前面熱交換部１ａと背面熱交換部１ｂとは、それぞれの伝熱管１１のいずれかで接続管（図示せず）で連結されることにより、一つの熱交換器として作用する。

図２に示すように、前面熱交換部１ａと背面熱交換部１ｂの伝熱フィン１２には、空気の主流方向に対して直交する方向に隣接する伝熱管１１どうしの間（つまり、同一列の伝熱管１１の間）に、複数の切起し１３空気の主流方向に並べて設けられている。

図３はフィンチューブ熱交換器の模式断面図である。図４は切起しの模式斜視図である。図５（ａ）は、切起しの配置を模式的に説明する平面図であり、図５（ｂ）は同断面図である。

図３に示すように、伝熱フィン１２には、伝熱を促進するためにフィン平面からフィン積層方向に切起し１３が設けられている。切起し１３は、空気の主流方向に直交する方向に２本の平行な切り込みを入れ、２本の切り込み端部同士を接続する部位を脚部１３ａとして、２本の切り込みに挟まれた部位を伝熱フィン１２の平面に対し直交する方向に持ち上げたものである。これにより、切起し１３は、伝熱フィン１２の平面との間に、空気の主流方向の前後にそれぞれ開口部１６を備える。図２に示すように、切起し１３は、同一列の伝熱管１１の間で隣接する切起し１３の開口部１６が、それぞれ向かい合うように略平行に配置されている。

図４、５に示すように、略平行に配置された切起し１３のうち風上側に位置する切起し１３は、主流方向に隣接する切起し１３側に面する開口部１６の外周長さ（開口外周長さ）が、Ｌとなっており、その断面積（切起し１３の開口面積）が、Ｓとなっている。また、主流方向に隣接する切起し１３どうしの間隔（切起し１３の主流方向の配置間隔）、つ
まり、向かい合う開口部１６の距離が、Ｉとなっている。

本実施の形態では、接合部１４付近の同一列の伝熱管１１の間に設けられた切起し１３の間隔Ｉは、他の領域の同一列の伝熱管１１の間に設けられた切起し１３の間隔より小さい。より具体的には、図２に示すように、上端１７を中心軸とし、幅Ｗを半径とした円領域（伝熱フィン１２の積層方向を考慮すると円柱領域）１５に配置された切起し１３どうしの間隔Ｉは、他の領域の切起し間隔より小さく配置されている。換言すると、円領域１５内の同一列の伝熱管１１の間には、３つの切起し１３が配置されている一方、他の領域の同一列の伝熱管１１の間には、２つの切起し１３が配置されている。

あるいは、前面熱交換部１ａでは、切起し１３の間隔が小さく配置されているのは、風上側から１列目では、上面から２段目の伝熱管１１までの間であり、風上側から２列目では、上面から３段目の伝熱管１１までの間であり、風上側から３列目では、上面から４段目の伝熱管１１までの間である。つまり、風上側からｎ列目では、上面からｎ段目の伝熱管１１までの間の切起し１３の間隔は、前面熱交換部１ａの他の領域に比べて小さい。

また、背面熱交換部１ｂでは、切起し１３の間隔が小さく配置されているのは、上面側から３段目の伝熱管１１までの間である。つまり、背面熱交換部１ｂがｎ列であれば、上面からｎ段目の伝熱管１１までの間の切起し１３の間隔は、背面熱交換部１ｂの他の領域に比べて小さい。なお、背面熱交換部１ｂでも、前面熱交換部１ａと同様に、風上側からｎ列目では、上面側からｎ段目の伝熱管１１までの間の切起し１３の間隔を、背面熱交換部１ｂの他の領域に比べて小さくしてもよい。

また、上述した切起し１３の間隔が小さい領域では、切起し１３は次式を満たす形状を備えている。

ここで、γはフィンチューブ熱交換器１を通過後の空気の温度における水の表面張力であり、ρはフィンチューブ熱交換器１を通過後の空気の温度における水の密度をρであり、ｇは重力加速度である。

例えば、フィンチューブ熱交換器１を通過後の空気の温度が２０℃である場合には、切起し１３は、（ＳＩ／Ｌ）≦７．５×１０^−６の関係を満たす形状となっている。

以上のように構成されたフィンチューブ熱交換器１について、その動作、作用を説明する。ファン９が回転することにより生じる空気の流れによって、フィンチューブ熱交換器１の複数の伝熱フィン１２の間を空気が流動する。一方、室外機に設けられた圧縮機の動作により生じる冷媒の流れによって、伝熱管１１内を冷媒が流動する。そして、複数の伝熱フィン１２を通過する空気と、伝熱管１１内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。

本実施の形態では、伝熱フィン１２に切起し１３を設けたので、空気の気流混合作用と温度境界層前縁効果により、優れた通風特性と伝熱性能を得ることができる。

また、フィンチューブ熱交換器１が蒸発器として作用する場合、つまり、セパレート式ルームエアコンの冷房運転時には、空気に含まれていた湿分は、伝熱フィン１２の表面にて結露する。

本実施の形態では、接合部１４付近の切起し１３の間隔Ｉは、他の領域の切起し１３の間隔より小さいために、接合部１４付近では、切起し１３どうしの間に、より結露水が保持される。これによって、接合部１４を通過する空気の割合を抑制でき、フィンチューブ熱交換器１の全体に均一に空気を通過させることができる。この結果、フィンチューブ熱交換器１の熱交換能力を有効に活かすことができる。

また、上述した切起し１３の間隔が小さい領域では、式（１）を満たすよう形状の切起し１３が設けられている。切起し１３の表面張力により保水される結露水に作用する力はＬγ［Ｎ］であり、気流方向に隣接する切起し１３どうし間に存在しうる水の重さはＳＩρｇ［Ｎ］であることから、Ｌγ≧ＳＩρｇの場合、すなわち式（１）を満たす形状とすることで、隣接する切起し１３間に結露水を、確実にブリッジさせることができる。これによって、接合部１４を通過する空気の割合を抑制でき、フィンチューブ熱交換器１の全体に均一に空気を通過させることができる。この結果、フィンチューブ熱交換器１の熱交換能力を有効に活かすことができる。

本発明に係るフィンの切越しは、接合部における熱交換能力を低下させることなく接合部の空気の流れを抑制することができるので、ルームエアコンのみならず複数のフィンチューブ熱交換器を搭載した熱機器、たとえば除湿機やヒートポンプ乾燥方式洗濯乾燥機の熱交換ユニットの用途にも適用できる。

１ フィンチューブ熱交換器
１ａ 前面熱交換部
１ｂ 背面熱交換部
２ 室内機本体
３ 前面開口部
４ 上面開口部
５ 下面開口部
６ 吸込み口
７ 吹出し口
８ ルーバー
９ ファン
１０ 電装ユニット
１１ 伝熱管
１２ 伝熱フィン
１３ 切起し
１４ 接合部
１５ 円領域
１６ 開口部
１７ 上端
Ｗ 幅

Claims (2)

1. 所定の間隔で略平行に積層され、その間を気体が流動する複数の伝熱フィンと、
   前記伝熱フィンの平面方向と略直交する方向に伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管と、
   前記伝熱フィンに設けられ前記気体の主流方向に開口する複数の切起しと、を備えたフィンチューブ熱交換器であって、
   第１の熱交換部と、
   前記第１の熱交換部の前記気体の主流方向の下流側の一端に近接して設けられた第２の熱交換部と、を備え、
   前記第１の熱交換部の前記気体の主流方向の下流側の一端を中心に、前記第１の熱交換部の伝熱フィンの幅を半径とした円領域内に配置された切起しの主流方向の配置間隔を、その他の領域に配置された切起しの主流方向の配置間隔より小さくしたことを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
2. 前記円領域内に配置された切起しの形状は、
   切起しの開口外周長さをＬ、切起しの主流方向の配置間隔をＩ、切起しの開口面積をＳ、前記気体の温度における水の表面張力をγ、前記気体の温度における水の密度をρ、重力加速度をｇとした場合、次式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。