JP4549106B2 - 熱交換器 - Google Patents

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本発明は熱交換器に係り、特に放熱フィンの形状を改良したフィンチューブ型熱交換器に関する。
従来、空気調和機の室内機に設けられるフィンチューブ型の室内熱交換器は、伝熱管を熱交換空気流方向に1列又は2列設けるとともに、各列の熱交換空気流方向とは直交する方向の伝熱管間に複数本の切起しスリットを設けたものが主であったが、近年、性能向上のため、熱交換器の一部又は全体の伝熱管の列数を3列以上に増やす傾向にある(特許文献1、2)。
しかしながら、単純に列数を増加した場合には、熱交換器の通風抵抗が増大し、風量を確保するためにファンの回転数を大きくする必要があり、その結果、消費電力が増大して効率が低下する問題があった。
すなわち、図7に示すように、伝熱管の各列毎の流入空気温度と伝熱管温度との温度差は風下側に行くにしたがって小さくなり、特に3列目以降の温度差が小さい傾向にあり、風速(風量)が小さい場合は顕著である。そのため、伝熱管の列数を増加することによる熱交換量の増加はそれ程大きくない。これは、3列目以降の伝熱管は有効に活用されていないことを意味する。
また、図8(a)は伝熱管1列での切起しスリットの本数と熱伝達率の相関を示し、切起しスリットの本数が増えることで熱伝達率は増加する。そのため、伝熱管1列の切起しスリット本数は通常4本以上設けられることが多い。しかしながら、図8(b)に示すように、切起しスリットの本数が増えることで通風抵抗は増大し、伝熱管の列数が増加するにしたがって、比例的に増大して、熱交換効率は低下する。
特開2001−90977号公報([0039]、[0070]、図3、図5) 特開2004−19999号公報([0051]〜[0053]、図2、図3)
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、通風抵抗を減少してファンの回転数を抑制することを可能にし、消費電力を低減できる熱交換器を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、所定ピッチを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管とを具備し、前記伝熱管を熱交換空気流方向に3列設けるとともに、各列の熱交換空気流方向と直交する方向の伝熱管間に切起しスリットを設け、少なくともいずれか1列に4本の切起しスリットを設けた熱交換器において、最も風上側の列の伝熱管間には片側より切り起した切起しスリットを3本設けると共に、3本の切起しスリットのうち、風上側及び風下側の切起しスリットの高さH1を、フィンピッチをPとするとき、0.6P<H1<0.8Pに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さH2をフィンピッチをPの半分の高さにし、前記中央の切起しスリットの幅は、風上側の切起しスリット及び風下側の切起しスリットの幅より大きくしたことを特徴とする熱交換器。
本発明に係る熱交換器によれば、通風抵抗を減少してファンの回転数を抑制することを可能にし、消費電力を低減できる熱交換器を提供することができる。
以下、本発明の第1実施形態に係る熱交換器について添付図面を参照して説明する。
図1は本発明の第1実施形態に係る熱交換器の概念図である。
図1に示すように、本第1実施形態に係る熱交換器1は、所定ピッチPを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィン2と、これら放熱フィン2を貫通して設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管3とを具備している。なお、図中矢印は風の流れを示す。放熱フィン2は、風上側に配置される幅狭な放熱フィン21と幅広な放熱フィン22の2枚に分割されており、この2枚の放熱フィン21、22は近接して配置されている。なお、放熱フィンは、伝熱管の各列毎に分割しても良いし、3列一体でも良い。
伝熱管3は、3列以上例えば3列の伝熱管31、32、33からなり、最も風上側の伝熱管31は、放熱フィン21に形成されたフィンカラー21aを貫通して多数の放熱フィン21に伝熱的に嵌着され、中央の伝熱管32及び風下側の伝熱管33は、放熱フィン22に形成されたフィンカラー22aを貫通して多数の放熱フィン22に伝熱的に嵌着されている。
さらに、放熱フィン21の熱交換空気流方向と直交する方向で、伝熱管31間には、複数の切起しスリット群21Gが設けられ、放熱フィンフィン22の熱交換空気流方向と直交する方向で、伝熱管32間、33間には、複数の切起しスリット群22G、23Gが設けられている。
切起しスリット群21Gは、片側より切り起した3本の切起しスリットから成り、切起しスリット群22Gは4本の切起しスリットから成り、さらに、切起しスリット群23Gは3本の切起しスリットから成っている。なお、切起しスリット群23Gは4本以上のスリットであっても良い。
図2(a)、(b)に示すように、最も風上側の切起しスリット群21Gの3本の切起しスリット21s、21s、21sのうち、風上側及び風下側の切起しスリット21s、21sの高さHは、フィンピッチをPとするとき、0.6P<H<0.8Pに形成されるとともに、中央の切起しスリット21sの高さHはH<0.6Pに形成されている。なお、切起しスリット21s、21sの高さは上記数値範囲内で互いに異なっても良い。
また、切起しスリット群23Gは切起しスリット群21Gと同様の形状でも良いし、異なっても良い。
本発明者らが行った多数の試験結果から、3本の切起しスリット21s、21s、21sは、各々その特性が異なり、風上側の切起しスリット21sは伝熱管31の周辺へ空気を集める作用があり、熱伝達及び通風抵抗への影響は大きく、中央の切起しスリット21sは伝熱管31周辺の空気の剥離を防止する効果があり、熱伝達への影響は中程度であり、通風抵抗への影響は小さく、また、風下側の切起しスリット21sは伝熱管31周辺へ空気を沿わせる作用があり、熱伝達への影響は小さく、通風抵抗への影響は中程度であることが分かった。
また、フィンピッチに対する切起しスリット高さの割合と熱伝達率との関係は、図3に示すような関係にあることを確認している。
この試験結果によれば、風上側および風下側切起しスリット21s、21sは、熱伝達に関し、切起しの立上り部の効果は、切起し平坦部よりも大きく、いかに伝熱管31周辺へ空気を流すかが重要であり、本発明のように片側切起し構造で切起しスリット高さを高くすることでより、伝熱管周辺へ空気を流すことができる。
また、切起しスリット平坦部も高くなることで通風抵抗が低減する。しかし、切起しスリット高さH>0.8P、すなわちH/P>0.8になると平坦部の境界層阻害効果の減少も大きくなる。
中央の切起しスリット21sは、熱伝達に対し、境界層阻害効果が大きいため、その高さHを最も境界層阻害効果の高いPの略半分の高さにするのが好ましいことがわかる。
このことから、切起しスリット21s、21sの高さHを、0.6P<H<0.8Pとするとともに、中間の切起しスリット21sの高さHをピッチPの略半分の高さに設置すれば、熱伝達率の低下を抑制できるとともに通風抵抗を低減することができる。
さらに、本発明者らが行った試験結果から、図4(a)に伝熱管1列での熱伝達率、図4(b)に伝熱管1列での通風抵抗率を示す。
実線は切起しスリット本数が4本のもの、破線は本第1実施形態における風上側のフィン列のものである。本第1実施形態のものは切起しスリット本数が4本のものと比較して、熱伝達率の低下はわずかであるのに対し、通風抵抗は大幅に減少していることがわかる。
また、図5(a)に伝熱管3列での熱伝達率、図5(b)に伝熱管3列での通風抵抗を示す。この試験は実線が各列の切起しスリット数を4本にしたもの、破線は本第1実施例のものである。
図4(a)及び図5(a)に示す結果から明らかなように、風上側列の通風抵抗を低くなるよう切起しスリットを設けた本第1実施例のものは、風上側1列での熱伝達率は若干低下するが、その熱交換の低下分を風下側列で補うため3列の熱交換器全体での熱伝達率は、各列の切起しスリット本数を4本にしたものと同等となる。これに対し、図4(b)及び図5(b)から明らかなように、本第1実施例のものは熱交換器全体での通風抵抗は低減している。
上記第1実施形態のように、3本の切起しスリットの内、風上側及び風下側の切起しスリットの高さHを、フィンピッチをPとするとき、0.6P<H<0.8Pに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さHをH<0.6Pとすることにより、風上側の切起しスリットで熱伝達の向上と通風抵抗の低減を図り、中央の切起しスリットでの境界層阻害効果を向上させ、熱伝達率の低下を抑制できるとともに熱交換器全体での通風抵抗を低減できる。
従って、本第1実施形態の熱交換器によれば、ファンの回転数を抑制することが可能になり、消費電力が低減し、効率が向上する。
次に本発明の第2実施形態に係る熱交換器について説明する。
本第2実施形態は、上記第1実施形態の各切起しスリット幅に特定の関係を持たせたものである。
例えば、図6に示すように、本第2実施形態に係る熱交換器1は、最も風上側の切起しスリット群21Gの3本の切起しスリット21s、21s、21s3aのうち、中央切起しスリット21sの幅Wは、風上側切起しスリット21sの幅W及び風下側切起しスリット21s3aの幅Wより大きく形成されている。これにより、中央切起しスリット21sの特性から通風抵抗の悪化を抑制しつつ、熱伝達率を向上させることができる。
また、風下側の切起しスリット21s3aは、伝熱管31間の略中央で分割されているのが好ましい。これにより、下流側列への風速の均一化が図れ、下流側列の伝熱性能の向上を図ることができる。
さらに、風下側切起しスリット21s3aの風下側端とフィンの風下側端の距離mを他の切起しスリット間の間隔mより広くするのが好ましい。これにより、冷媒蒸発過程で生成されたドレン水の排水性を良くして通風抵抗を低減させ下流側の伝熱性能を向上させることができる。
なお、上記各実施形態では、伝熱管の列数が3列の例を採り説明したが、伝熱管の列数が4列以上の熱交換器にも適用できる。
本発明に係わる熱交換器の斜視図。 (a)は本発明に係わる熱交換器に設けられた最も風上側の切起しスリット群の平面図、(b)は側面図。 本発明に係る熱交換器のフィンピッチに対する切起しスリット高さの割合と熱伝達率の相関線図。 (a)は本発明に係る熱交換器を用いた伝熱管1列での風速と熱伝達率の相関線図、(b)は風速と通風抵抗率の相関線図。 (a)は本発明に係る熱交換器を用いた伝熱管3列での風速と熱伝達率の相関線図、(b)は風速と通風抵抗率の相関線図。 本発明の第2実施形態に係る熱交換器の概念図。 一般的な伝熱管列数と流入空気温度と伝熱管温度との温度差、及び通風抵抗の相関線図。 (a)は一般的な切起しスリット本数と熱伝達率の相関線図、(b)は切起しスリット本数と通風抵抗率の相関線図。
符号の説明
1…熱交換器、2…放熱フィン、3…伝熱管、21…放熱フィン、22…放熱フィン、21s,21s,21s…切起しスリット、22G…切起しスリット群、23G…切起しスリット群、31,32,33…伝熱管。

Claims (1)

  1. 所定ピッチを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、これら放熱フィンを貫通して設けられ、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管とを具備し、前記伝熱管を熱交換空気流方向に3列設けるとともに、各列の熱交換空気流方向と直交する方向の伝熱管間に切起しスリットを設け、少なくともいずれか1列に4本の切起しスリットを設けた熱交換器において、最も風上側の列の伝熱管間には片側より切り起した切起しスリットを3本設けると共に、3本の切起しスリットのうち、風上側及び風下側の切起しスリットの高さH1を、フィンピッチをPとするとき、0.6P<H1<0.8Pに形成するとともに、中央の切起しスリットの高さH2をフィンピッチをPの半分の高さにし、前記中央の切起しスリットの幅は、風上側の切起しスリット及び風下側の切起しスリットの幅より大きくしたことを特徴とする熱交換器。
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