JP2017166757A - 熱交換器及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気との伝熱促進効果を上げながら、通風抵抗の上昇はなるべく抑制することができる熱交換器を提供する。【解決手段】（スリット高さ）／（フィンピッチ）の値ＨＲが０．５≦ＨＲ≦０．７となるように前記スリット高さが設定されており、前記冷媒管の管径をＤｏ、前記熱交換器への空気流通方向である列方向に対する前記冷媒管の軸心間距離である列ピッチＬｐ、前記列方向に対して垂直な方向である段方向に対する前記冷媒管の軸心間距離である段ピッチＤｐ、とした場合、4.5mm≦Do≦5.5mm、2.5×Do≦Ｄｐ≦3.5×Do、2.0×Do≦Ｌｐ≦2.5×Doに設定した。【選択図】図５

Description

本発明は、フィン上に切り起こしが形成された熱交換器に関するものである。

例えば特許文献１に示されるようないわゆるフィンアンドチューブ型の熱交換器では、熱交換効率を高めるために単純な平板状のフィンではなく、当該フィンから各フィンの離間方向へ切り起こしを設けたものがある。

例えば図９に示すように切り起こしが無い平板状のフィンに空気が通過する場合はフィンの空気流入端から温度境界層が発達し、空気流入端から空気流出端側へ所定距離離間した位置において両側のフィンからの温度境界層が接することになる。そして、図９のグラフに示すように局所伝熱係数は温度境界層が発達するとともに低くなり、温度境界層が接する点からは一定の伝熱係数となる。一方、図１０のようにフィンに切り起こしを加工した場合は各切り起こしの空気流入端においても新しく温度境界層が発達するため、図１０のグラフに示されるように各位置において高い局所伝熱係数を維持することができる。したがって切り起こしを有するフィンの全体の平均伝熱係数は、平板フィンの平均伝熱係数よりも大きくすることができる。

また、上述したような平均伝熱係数は切り起こしの形状や大きさだけでなく、フィンに貫通される冷媒管の配置間隔の影響も受ける。例えば特許文献２では冷媒管の列ピッチ、段ピッチを所定の範囲にすることが示されている。

特許第2553647号公報 特許第4610626号公報

しかしながら、例えば切り起こしの高さが大きくなりすぎると今度は隣接するフィンと切り起こしとの間の距離が小さくなりすぎてしまい、通風抵抗が大きくなってしまう。この場合、フィンと切り起こしとの間を空気が通りにくくなることにより圧力損失が大きくなってしまいエネルギー効率が低下してしまう。

また、切り起こしがある状態でさらに伝熱係数を向上させるには冷媒管をどのように配置するべきかについては改善の余地がまだ残っている。

そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、空気との伝熱促進効果を上げながら、通風抵抗の上昇はなるべく抑制することができる熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る熱交換器は、本願発明者が上述した技術課題を鋭意検討した結果、後述するような形状で切り起こしを形成するとともに、冷媒管を配置することで空気との伝熱促進効果と通風抵抗の抑制を両立できる形状及び寸法を発見したことによるものである。

具体的には、本願発明に係る熱交換器は、所定のフィンピッチごとに設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通するように設けられ、内部を冷媒が通過する冷媒管と、を備え、前記フィンが当該フィンの面板部から各フィンの離間方向に立ち上げられた切り起こしを複数具備する熱交換器であって、前記冷媒管の管径をＤｏ、前記熱交換器への空気流通方向である列方向に対する前記冷媒管の軸心間距離である列ピッチＬｐ、前記列方向に対して垂直な方向である段方向に対する前記冷媒管の軸心間距離である段ピッチＤｐ、とした場合、4.5mm≦Do≦5.5mm、2.5×Do≦Ｄｐ≦3.5×Do、2.0×Do≦Ｌｐ≦2.5×Doに設定されていることを特徴とする。

このようなものであれば、従来の熱交換器よりも空気との間の平均伝熱係数を向上させつつ、通風抵抗の増加による圧力損失を抑えることができる。したがって、例えば空気調和装置に本発明に係る熱交換器を用いることで、従来よりも少ないエネルギーで十分な冷暖房を実現できる。

前記熱交換器においてさらに熱交換効率を向上させるには、前記切り起こしの面板部に対する高さであるスリット高さが、全ての切り起こしで同じ高さに設定されているとともに、前記スリット高さが、（スリット高さ）／（フィンピッチ）の値ＨＲが０．５≦ＨＲ≦０．７となるように設定されていればよい。

前記フィン間を流通する空気流が前記冷媒管の周囲を流れる際に前記冷媒管の後側に形成される空気が滞留する死水域を小さくし、さらに性能改善できるようにするには前記フィンにおいて空気流入端側の切り起こしよりも、空気流出端側の切り起こしのほうが段方向の長さが長くなるように構成されていればよい。

切り起こしについて所定の剛性を持たせつつ、温度境界層を形成するのに適した形状とするには、前記切り起こしの段方向側の端部と、前記フィンの面板部とがなす角度である立ち上げ側面角度θが４０°≦θ≦５０°となるように構成されていればよい。

本願発明に係る熱交換器の具体的な用途として好適なものとしては、ターボファンを備えた天井埋め込み型の室内機用に構成されており、前記複数のフィンの空気流入端により形成される空気流入面が、前記ターボファンの空気吹き出し口の外側をほぼ囲うように形成されている熱交換器が挙げられる。

本願発明に係る熱交換器を備えた空気調和装置であれば、非常に効率のよい冷暖房を実現できる。

このように本発明に係る熱交換器によれば、空気に対する伝熱効果と、通風抵抗の増加抑制効果を両立した最適化が可能となる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器を用いた４wayカセットの室内機を示す模式的斜視図。 同実施形態における熱交換器の全体を示す模式的斜視図。 同実施形態における熱交換器の一部を拡大した模式的斜視図。 同実施形態におけるフィンの一部を拡大した模式図。 同実施形態におけるフィンの構造及び空気流を示す模式的斜視図。 同実施形態におけるフィンの各寸法について示す模式図。 同実施形態における切り起こしの立ち上がり角度を示す模式図。 同施形態における空気流れの死水域について示す模式図。 切り起こしの無いフィンにより形成される境界層と伝熱係数の変化を示す模式図。 同実施形態におけるフィンと切り起こしにより形成される境界層と伝熱係数の変化を示す模式図。 同実施形態におけるフィンのフィンピッチに対するスリット高さの比と、伝熱性能との間の関係を示すグラフ。 同実施形態におけるフィンのフィンピッチに対するスリット高さの比と、通風抵抗との間の関係を示すグラフ。 同実施形態におけるフィンのフィンピッチに対するスリット高さの比と、通風抵抗に対する伝熱性能との間の関係を示すグラフ。 同実施形態における冷媒管の関係と、通風抵抗に対する伝熱性能との間の関係を示すグラフ。 同実施形態における段ピッチ及び列ピッチと、通風抵抗に対する伝熱性能との間の関係を示すグラフ。 本発明の別の実施形態に係るフィンの形状を示す模式図。 本発明のさらに別の実施形態に係るフィンの形状を示す模式図。

本発明の一実施形態に係る熱交換器１００、及び、当該熱交換器１００を用いた空気調和装置について各図を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の熱交換器１００は例えば天井埋め込み型の室内機２００内に設けられるものである。より具体的には前記熱交換器１００は、図示しないターボファンの吹き出し口の周囲を囲うように設けられるものである。

図２に示すように前記熱交換器１００はフィンアンドチューブ型のものである。そして前記熱交換器１００は複数枚の板状の熱交換器要素１０を厚み方向に積層して構成してある。本実施形態では４枚の熱交換器要素１０を当該熱交換器要素１０の厚み方向に積層して、それぞれを曲げて概略角丸四角柱状の熱交換器１００として形成してある。

また、熱交換器要素１０は、図２及び図３に示すように上下方向に蛇行するように設けられた冷媒管２と、上下方向に延びるアルミ薄板であって水平方向に並べ設けられた多数のフィン１とからなる。

前記冷媒管２は、前記複数のフィン１を貫通するように設けてあり、その内部には冷媒が流れ、当該冷媒管２の外表面及び前記フィン１の表面を介して前記熱交換器１００を通過する空気流との間で熱交換が行われるように構成してある。この冷媒管２は図３における熱交換器要素１０の端面図に示すように前記フィン１に対して上下方向である段方向に所定間隔ごとに設けてある。すなわち、前記熱交換器１００への空気流通方向であり、前記熱交換器要素１０の積層方向を列方向（水平方向）とし、前記列方向に対して垂直な方向を段方向（上下方向）とした場合、前記フィン１に対する前記冷媒管２の貫通位置はそれぞれの方向に対して所定間隔毎に設定してある。より具体的には、図４に示すように１つの前記熱交換器要素１０に注目した場合には段方向に対する前記冷媒管２の軸芯管距離が段ピッチＤｐとなるように所定間隔ごとに設けてある。また、２つの前記熱交換器要素１０に注目した場合には列方向の前記冷媒管２の軸芯管距離が列ピッチＬｐとなるように所定間隔ごとに設けてある。ここで、隣り合う前記熱交換器要素１０においては列方向に沿って見た場合に前記冷媒管２の貫通位置が互い違いになるようにしてある。

前記フィン１は、その面板部から各フィン１の離間方向に立ち上げられた切り起こし３を複数具備するものである。すなわち、アルミ板をプレス加工することによりその一部をせん断して面板部に対して垂直な方向に起き上がらせてある。なお、本実施形態では各切り起こし３は前記フィン１の面板部に対して片側のみ突出させるようにしてある。このようにすることで、プレス加工に係る工数を減らし生産性を高めることができる。図５及び図６に示すように前記切り起こし３は前記フィン１の面板部に対して段方向（上下方向）に概略段ピッチＤｐの半分程度の長さを有している。また、前記切り起こし３の列方向の幅は前記冷媒管２の外径に対して１／４程度となるようにしてある。図６のＶＩＥＷ.Ａ及び図７に示すように前記フィン１の上端部と下端部が前記フィン１の面板部に対して所定の角度をなすように斜めに形成されており、その中央部は前記フィン１の面板部に対して平行となるように形成してある。より具体的には、前記切り起こし３の段方向側の端部と、前記フィン１の面板部とがなす角度である立ち上げ側面角度θが４０°≦θ≦５０°となるように構成してある。

また、図８に示すように前記冷媒管２の周囲に設けられる前記切り起こし３の上端部又は下端部の形状は、それぞれを結んだ場合に前記冷媒管２の外径形状に沿った概略半円状をなすように形成してある。より具体的には前記切り起こし３の上端部又は下端部は空気流入側の方が隣接空気流出側より上端部と下端部の間隔を大きくしてある。より具体的には空気流出側においては前記切り起こし３の上端部又は下端部は当該切り起こし３が形成されていない場合において前記冷媒管２の下流側に形成される空気が流入しない死水域内までその先端部が入るように間隔を狭く形成してある。また、各切り起こし３の上端部又は下端部と列方向（水平方向）とがなす角は空気流の入口側から前記冷媒管２の頂点部（Ａ―Ａ線図示部分）に至るまでは少しずつ減少し、その後、再び増加するようにしてある。そして空気流出側において切り起こし３の上端部又は下端部が列方向となす角度のほうが空気流入側においてなす角度よりも大きく設定してあり、その角度範囲Φは２０°以上５０°以下に設定してある。このようにすることで前記冷媒管２において空気流出側に空気流が回りこみやすくなり、死水域の範囲を小さくでき、前記フィン１において熱交換に寄与していない面積を小さくしてさらに熱交換効率を高めることができる。

次にこのように前記フィン１に切り起こし３が形成されていることによる伝熱係数の変化について説明する。

図９は切り起こし３が形成されていないフィン１が所定ピッチごとに設けられている場合の温度境界層の発達と空気流入端から空気流出端に至るまでの各場所における熱伝達係数の大きさをグラフ化したものである。この場合、両側のフィン１から温度境界層が発達し、空気流入端から空気流出端までの半分の距離に至るまでに各フィン１から発達した温度境界層が接してしまう。このため、各温度境界層が接してしまった地点移行では熱伝達係数が一定となってしまう。

一方、図１０に示すように前記フィン１が切り起こし３を備えていると、フィン１及び切り起こし３の空気流入端のそれぞれで温度境界層が発達することになる。このため、各地点における熱伝達係数は各空気流入端で最大となって次の空気流入端まで単調減少するのを繰り返すことになる。そして、各切り起こし３でそのような現象が生じるのを平均化すると切り起こし３を備えていないフィン１に比べて熱伝達係数が全体として大きくなる。一方、フィン１に切り起こし３が形成されて前記フィン１の面板部と前記切り起こし３との間でスリットが形成されると本来設定されているピッチよりも狭くなっているので圧力損失は大きくなってしまう。ここで、切り起こし３を形成することによる熱伝達係数の改善効果と、切り起こし３を形成することによる圧力損失の増加はそれぞれ別々の特性を有している。そして、熱伝達係数はできるだけ大きくしつつ、圧力損失の増加量を低減できれば最も熱交換器１００として好ましいものにできる。

そこで、各フィン１の設置間隔であるフィン１ピッチと、切り起こし３のフィン１の面板部からの高さであるスリット高さを設計変数とした場合、熱伝達係数と圧力損失の原因となる通風抵抗がどのように変化するのかについてシミュレーションにより調べた。

図１１は（スリット高さ）／（フィン１ピッチ）の値であるＨＲを変化させた場合に、切り起こし３が存在しない場合の熱伝達係数に対する比率である伝熱性能を示したグラフである。図１１からわかるように伝熱性能はスリット高さ/フィン１ピッチであるＨＲが約0.7で最大性能になる。HR=0.7で最大になる理由は空気側の伝熱係数はHRが0.5〜0.6近傍で最大になるのに対して、HRが大きくなり、スリット高さが高くなるほど、スリットの切り起こし３側面の面積が増えることに起因する。なぜならば、伝熱性能は(伝熱係数x伝熱面積)になるからであって、結果0.7近傍で最大になる。

一方、図１２に示すようにスリット高さ／フィン１ピッチが大きくなるほど、通風抵抗は増加してしまう。これは空気流れに対して場外物となる切り起こし３側面の面積が増加してしまうことによる。

これらのシミュレーション結果から伝熱性能が高く、かつ、通風抵抗の小さくすることができるＨＲについて検討する。図１３に示すように横軸をスリット高さ／フィン１ピッチ、縦軸を伝熱性能／通風抵抗とした場合、０．５≦ＨＲ≦０．７において熱伝達性能を大きくしつつ、通風抵抗は小さくできていることがわかる。このため、本実施形態の熱交換器１００における各フィン１の設置間隔及び切り起こし３の高さは０．５≦ＨＲ≦０．７を満たすようにスリット高さを設定している。

次にこのように構成された熱交換器１００により図１及び図２に示すような４Wayカセットの室内機２００に搭載した場合の性能計算を以下の（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）ように行った。

（ｉ）管径Φ,列数,段数,フィン１ピッチをパラメータとして変化させた。

（ｉｉ）空気側の伝熱係数 haおよび圧力損失dPaは以下により計算。

c₁=1.8、 c₂=6.142、 c₃=3.451、 c₄=1.325、 D_e：代表長さ、 Nu：ヌッセルト数、Re：レイノルズ数、 L：フィン１幅、 f：流動損失係数、 v_ac：代表速度λ_a：熱伝導率(空気)、 P_r：プラントル数(空気)、 ρ_a ：密度(空気)である。

（ｉｉｉ）冷媒側の伝熱係数h_refおよび圧力損失dP_refは、下記の既存相関式を利用して推算。

冷媒側伝熱係数：h_ref：Gungor and Winterton相関式； 冷媒側圧力損失：dP_ref ：Lockhart-Martinelli相関式である。

このような前提に基づき、４Wayカセットの室内機２００に本実施形態の熱交換器１００を適用する場合の性能評価を冷房能力が２．２ｋＷ〜１６ＫＷに対してシミュレーションした。

管径の伝熱性能に対する影響を図１４、段ピッチＤｐと列ピッチＬｐをパラメータにした場合における通風抵抗当たりの伝熱量のシミュレーション結果を図１５に示す。

図１４及び図１５で示すように伝熱量/通風抵抗は4.5mm≦Do≦5.5 mm, 段ピッチＤｐ／関係Ｄｏが2.5〜3.5, 列ピッチＬｐ/関係Doが2.0〜2.5で最大値であることがわかる。

したがって、４Wayカセットの室内機２００用の熱交換器１００としてはスリット高さ/フィン１ピッチの値を0.5〜0.7、管径Doを4.5mm≦Do≦5.5mm、段ピッチＤｐを2.5Do≦Ｄｐ≦3.5Do、列ピッチＬｐは2.0Do≦Ｌｐ≦2.5Doの範囲に設定することで最大性能を得られることが分かる。

このため、本実施形態の熱交換器１００は上述した数値範囲となるように前記熱交換器１００を構成してある。したがって、伝熱性能を最大化しつつ、通風抵抗を低減することができる。

その他の実施形態について説明する。

図１６に示すようにフィン１に形成される切り起こし３の上下方向の長さについてはそれぞれ略同じ長さにするのではなく、それぞれ異ならせてもよい。より具体的には、空気流入側よりも空気流出側ほど切り起こし３の段方向（上下方向）の長さが徐々に大きくなるように構成してもよい。また、図１７の各図に示すようにフィン１の全面に隙間なく切り起こし３を形成するのではなく、切り起こし３を形成しない部分を設けてもよい。

また、熱交換器１００としての所定の性能を発揮できるようにするには、（スリット高さ）／（フィン１ピッチ）の値ＨＲが０．５≦ＨＲ≦０．７となるように前記スリット高さが設定されていればよい。また、前記熱交換器１００は空気調和装置にだけでなく、冷蔵庫等のその他の冷凍サイクル装置に用いてもよい。また、室内機だけでなく室外機として用いても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

２００・・・室内機
１００・・・熱交換器
１０ ・・・熱交換器要素
１ ・・・フィン
２ ・・・冷媒管
３ ・・・切り起こし

Claims (6)

1. 所定のフィンピッチごとに設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通するように設けられ、内部を冷媒が通過する冷媒管と、を備え、前記フィンが当該フィンの面板部から各フィンの離間方向に立ち上げられた切り起こしを複数具備する熱交換器であって、
   前記冷媒管の管径をＤｏ、前記熱交換器への空気流通方向である列方向に対する前記冷媒管の軸心間距離である列ピッチＬｐ、前記列方向に対して垂直な方向である段方向に対する前記冷媒管の軸心間距離である段ピッチＤｐ、とした場合、4.5mm≦Do≦5.5mm、2.5×Do≦Ｄｐ≦3.5×Do、2.0×Do≦Ｌｐ≦2.5×Doに設定されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記切り起こしの面板部に対する高さであるスリット高さが、全ての切り起こしで同じ高さに設定されているとともに、
   （スリット高さ）／（フィンピッチ）の値ＨＲが０．５≦ＨＲ≦０．７となるように前記スリット高さが設定された請求項１記載の熱交換器。
3. 前記フィンにおいて空気流入端側の切り起こしよりも、空気流出端側の切り起こしのほうが段方向の長さが長くなるように構成された請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 前記切り起こしの段方向側の端部と、前記フィンの面板部とがなす角度である立ち上げ側面角度θが４０°≦θ≦５０°となるように構成されている請求項１乃至３いずれかに記載の熱交換器。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の熱交換器であって、ターボファンを備えた天井埋め込み型の室内機用に構成されており、
   前記複数のフィンの空気流入端により形成される空気流入面が、前記ターボファンの空気吹き出し口の外側をほぼ囲うように形成されている熱交換器。
6. 請求項１乃至４いずれかに記載の熱交換器を備えた空気調和装置。