JP4679542B2

JP4679542B2 - フィンチューブ熱交換器、およびそれを用いた熱交換器ユニット並びに空気調和機

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Publication number: JP4679542B2
Application number: JP2007078285A
Authority: JP
Inventors: 晃石橋; 相武李; 拓也松田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008241057A

Description

この発明は、冷媒と気体等の流体間において熱交換を行うためのフィンチューブ熱交換器、およびそれを用いた熱交換器ユニット並びに空気調和機に関するものである。

従来の切り欠きを持つフィンチューブ扁平管熱交換器は、例えば図１４に示されるように、気体（空気）の流れ通過方向に開口部を有する板状フィン１へ空気の流れ通過方向に対し短軸長さが短くなるように直角に挿入され、内部に作動流体が流れる扁平伝熱管が板状フィン１と垂直に配置されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００２−１３９２８２号公報（第２、３頁、図３）

従来の熱交換器においては、例えば、図14に示すように、空気入り口部において、扁平伝熱管が配置されるため、これを室外機に用いた場合には、暖房低温運転時にフィン温度と空気温度の差が大きくなり、フィン上に霜が発生し、この霜は空気の流れ通過方向の前縁部に集中発生し、そのため通風抵抗が非常に増大し、送風量低減、強いては、熱交換能力の低減を引き起こすという問題があった。

また、板状フィン上に切り起こし部が設けられている場合には、暖房低温運転時にこの切り起こし部が空気流れを閉塞し、熱交換能力の低減を引き起こすという問題点があった。

本発明は、上で述べたような問題点を解決するためになされたものであり、最適な熱交換器の配置を行うことにより、室外機に用いられる場合でも、暖房低温時の送風機入力を低下させ、熱交換器伝熱性能が良好で、組み立て性にも優れる熱交換器を用いた空気調和機を提供することを目的としている。

この発明に係るフィンチューブ熱交換器は、
１）空気調和機に用いられる熱交換器であって、多数平行に配置され、且つ気体の通過流れ方向の下流側に切り欠き部を設けた板状フィンと、該板状フィンの切り欠き部へ気体の通過流れ方向の下流側から挿入され、気体の通過流れ方向に対して直角方向に複数段設けられ、且つ断面の短軸方向長さは気体の通過流れ方向の下流側が大きく、また、下流側のフィンの切り欠き部端面と扁平伝熱管端面が概ね一致するような形状を有する扁平伝熱管とを備え、前記扁平伝熱管と前記板状フィンとは、前記扁平伝熱管の短軸長さが小さい部分が重力方向に対し下方となるように設置され、ロウ材が前記切り欠き部における前記扁平伝熱管の上部に配置された状態でロウ付け接合されてなるものである。
２）また、上述の１）において、前記板状フィンに対して気体の通過流れ方向にジグザグの凹凸を付加したものであり、
３）上述の１）又は２）において、前記扁平伝熱管の気体の通過流れ方向の上流側の部分を重力方向下方へ傾けたものである。

また、この発明に係る熱交換器ユニットは、
４）上述の１）〜３）いずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備え、前記フィンチューブ熱交換器を室外側に用いる場合であって、扁平伝熱管を用いた主熱交換器５の気体の通過流れ方向の上流側に円管６を用いた補助熱交換器を付加したものであり、
５）さらに、上述の１）〜３）いずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備え、前記フィンチューブ熱交換器を室外側に用いる場合であって、軸流送風機の正面に配置される主熱交換器と、軸流送風機の側面に配置され、該主熱交換器と連結される中継ヘッダを備えたものであり、
６）上述の１）〜３）いずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備え、前記フィンチューブ熱交換器を室外側に用いる場合であって、軸流送風機の正面に配置される主熱交換器と、軸流送風機の側面に配置され、該主熱交換器に連結される、フィンを有しないベンドを備えたものである。
７）上述の４）において、前記主熱交換器を、軸流送風機の側面側に配置しないことを特徴とするものである。

また、本発明の空気調和機は、
８）上述の１）〜３）のいずれかに記載のフィンチューブ熱交換器を備えた熱交換器ユニットを、凝縮熱交換器、蒸発熱交換器、もしくはその両方に用いることを特徴とするものである。

この発明においては、気体の通過流れ方向の下流側に切り欠きを設けた板状フィンを多数平行に配置し、該板状フィンへ気体の通過流れ方向の上流側から挿入され、気体の通過流れ方向に対して直角方向に複数段設けられ、且つ断面が気体の通過流れ方向に対して軸長さが大きく、また、下流側のフィン端面と扁平伝熱管の端面が概ね一致するような形状を有する扁平伝熱管を備えたことにより、
熱交換器伝熱性能が良好で、組み立て性にも優れるフィンチューブ熱交換器およびそれを用いた空気調和機を提供することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による熱交換器を示す平面図である。本実施の形態１の熱交換器は、板状フィン1と該板状フィン1に対して垂直に挿入された扁平伝熱管２より構成されている。

この実施の形態１において、板状フィン１の積層方向のピッチＦｐはＦｐ＝０．００１５ｍであり、フィン厚みＦｔはＦｔ＝０．０００１ｍ、また、扁平伝熱管２の長軸方向のフィン幅ＬはＬ＝０．０２２ｍ、熱交換器の前面風速ＵｆはＵｆ＝１．０ｍ／ｓ、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の中心の距離ＤｐはＤｐ＝０．０１２ｍである。
また、本実施の形態１の熱交換器は空調機の室外機に用いられる。

この中で、扁平伝熱管２は空気流れ方向の下流寄りに配置され、短軸方向の長さｄａは空気の通過流れ方向に沿って大きくなるような形状をしている。

図２は、実施の形態1によるフィン温度の測定位置を示す説明図である。
図３は、熱交換器入り口からの距離と空気およびフィン温度の特性の関係を示す特性図である。
空気入り口部（フィン前縁部）においては、扁平伝熱管２が無く板状フィン２のみが配置されているため、フィン温度Ｔ１と空気温度Ｔ２の差は小さくなる。本実施の形態１の熱交換器を室外機に用いた場合には、元々熱流束（＝単位面積辺りの熱交換量）の大きいフィン前縁部において、熱流束を低減し、フィン全体の熱交換量を均一化できる。このため、フィン上に霜が発生する暖房低温運転時に、フィン前縁部に霜が集中し熱交換器における通風抵抗が増加することを防ぐことができる。

また、扁平伝熱管２は、短軸方向の長さｄａは空気の通過流れ方向に沿って大きくなるような形状をしているため、熱伝達率は、上流側より下流側の方が大きくなる。熱流束は空気−冷媒温度差と熱伝達率の積であるため、上流側では、温度差は大きいが熱伝達率が小さく、また下流側では、温度差は小さいが熱伝達率が大きくなり、熱流束は均一化される。このため、上述のように、均一に霜付着させることが可能となる。
すなわち、本実施の形態１のフィンチューブ熱交換器により、暖房低温時の能力が大きく、熱交換器能力が高く、通風抵抗の小さい空気調和機を得ることが出来る。

実施の形態２．
図４は、本実施の形態２における、板状フィン１に列方向（空気の流れ通過方向）にジグザグの凹凸を付けたフィンを示した平面図である。
このように板状フィン１に列方向（空気の流れ通過方向）にジグザグの凹凸を付けたことにより、完全に板状フィン１がフラットな場合と比べて、空気流れは上下に動き、板状フィン１上で長い距離を通過することとなるため、熱交換量が増大する。また、切り起こしフィンのように、フィン前縁部の熱伝達率のみを増加させることなく、全体に熱伝達率を増加させることが可能となる。
すなわち、本実施の形態２は、板状フィンに空気の流れ通過方向に凹凸付加したため、暖房低温時の能力が大きく、熱交換器能力が高く、通風抵抗の小さい空気調和機を得ることが出来る。

図５は、本発明の扁平伝熱管２の断面形状を示す図である。
短軸方向の長さは、空気の流れ方向で０．００１８〜０．００２２ｍに変化し、長軸方向の長さは０．０１４ｍであり、冷媒側の管内部屋（マイクロチャンネル）３の数は１０穴であり、各管内部屋（マイクロチャンネル）の断面積は概ね同一となっている。

実施の形態３．
図６は、本実施の形態３におけるフィンチューブ熱交換器を、空調機の室外機に用い、冷房時、蒸発器として用いた場合で、且つ扁平伝熱管２の空気流れ上流部を重力方向下方へ傾けた場合を示す平面図である。
扁平伝熱管２の重力方向上方の側面に凝縮水膜が付着し、扁平伝熱管２の空気流れ上流側から凝縮水が流れ落ちるため、フィンの切り欠き部１０から凝縮水が飛散することなく、フィン上を重力方向に流れ落ちる。このため、室外ユニットの外に水滴が飛散せず、信頼性の高い空調機を提供できる。
すなわち、本実施の形態３は、扁平伝熱管２の空気流れ上流部を重力方向下方へ傾けたことにより、排水性が高く、熱交換器能力が高く、通風抵抗の小さい空気調和機を得ることが出来る。

図７は、本発明のフィンチューブ熱交換器の組み立て方法を示した説明図である。
扁平伝熱管２を板状フィン１の切り欠き部１０から挿入し、板状フィン１と扁平伝熱管２を密着させる。扁平伝熱管２の断面を楔型形状としているため、組み立て時に扁平伝熱管２と板状フィン１が干渉することなく挿入され、板状フィン−扁平伝熱管の密着が極めて良好となる。

実施の形態４．
図８は、本実施の形態４における、板状フィン−扁平伝熱管を組み立てた後、ロウ付け接合のロウ材４を配置した状態を示す説明図である。
扁平伝熱管２の短軸長さが最大部の端部、板状フィン１の切り欠き部１０に配置される。板状フィン−扁平伝熱管のロウ付け時、扁平伝熱管２の短軸長さが小さい部分が重力方向に対し下方となるため、ロウ材４が固定され、十分にロウ材４が回り熱交換能力の高い熱交換器となる。
すなわち、本実施の形態４は、空気流れ通過方向と反対側にロウ材を配置したことにより、暖房低温時の能力が大きく、熱交換器能力が高く、通風抵抗の小さい空気調和機を得ることが出来る。

図９は、本発明のフィンチューブ熱交換器の製造工程を示した説明図である。板状フィン１を成形するフィン抜き工程を実施した後、板状フィン１を扁平伝熱管２の管軸方向に固定する。図７のように扁平伝熱管２と板状フィン１を組み立て、図８のようにロウ材を配置する。その後ノコロック連続炉に投入し加熱接合を実施し、さらに板状フィン１の表面に親水処理コーティング材を塗布して完成する。

実施の形態５．
図１０は、本実施の形態５における、フィンチューブ熱交換器と軸流型送風機の構成を示す空気調和機の説明図である。
本実施の形態５における空気調和機の場合は、空調の対象となる部屋の外に置かれた空気調和機の箱内に空気風路に軸流型送風機２３、扁平伝熱管フィンチューブ熱交換器が、またセパレータ３６と呼ばれる隔壁の外側に圧縮機２６が配置されている。
軸流型送風機２３を用いる場合、大風量となるため、熱交換器は大きく、扁平伝熱管２の軸方向に対し、L字もしくはU字に曲げて用いることが多い。フィンチューブ熱交換器である主熱交換器５を用いる場合、扁平伝熱管２の長軸を曲げることは難しく、２分割もしくは３分割して用いる必要がある。

また、扁平伝熱管熱交換器である主熱交換器５が凝縮機として用いられる場合、冷媒が２相状態にある場合には熱伝達率が非常に高いが、冷媒が過冷却した場合には、熱伝達率が非常に小さくなる。このため、扁平伝熱管２の空気の流れ通過方向上流側に、円管の補助熱交換器６を配置する必要がある。

扁平伝熱管２は列方向に長く、段方向に短い形状を有している。扁平伝熱管熱交換器である主熱交換器５は２分割されており、ヘッダ７が扁平伝熱管２の軸方向端部の片側に配置されている。
また、ヘッダ７部において扁平伝熱管２の列方向に９０°折り曲がった形状をしている。さらに、ヘッダ７部以外の折り曲げ部は扁平伝熱管２を段方向に１８０°折り曲げて形成される扁平伝熱管屈曲部が配置される。
冷房時、凝縮器として用いられる場合、ヘッダ７から流入した冷媒は、多パスに分かれ、扁平伝熱管２内で２相状態で相変化し、ヘッダ７の扁平伝熱管軸２方向の反対部分に配置される扁平伝熱管屈曲部を通過し、ヘッダに戻り、１パスの円管熱交換器である補助熱交換器６にて過冷却し、出口から流出される。
本実施の形態５における熱交換器は、全体に軸流型送風機２３の空気流の上流側に配置されている。このように、軸流型送風機２３の風上前方に過冷却扁平伝熱管熱交換器を配置し通風抵抗を低減したため、十分な風速が得られ、熱交換効率の良い熱交換器が得られる。
すなわち、本実施の形態５は、補助熱交換器を付加配置することにより、熱交換器能力が高い空気調和機を得ることが出来る。

図１０の熱交換器形態を用いた場合、ヘッダ７を扁平伝熱管２の端部両方に設ける必要がなく、１つしか持たないため、ヘッダ７と扁平伝熱管２のロウ付け部が減り、組み立て性が良く、製造が容易となる。また、ヘッダ７の配置が減り、ロウ付け部が減ることによりコストが少なくても済み、熱交換器能力の高い空気調和機を得ることが出来る。

実施の形態６．
図１１は、扁平伝熱管フィンチューブ熱交換器と軸流型送風機２３の他の構成を示す図である。主熱交換器５の折り曲げ部において、接合部は扁平断面、屈曲部に円断面を持つベンド２５で構成され、さらに端部を扁平伝熱管２の屈曲部としている。このように、屈曲部においてベンド２５の断面を円形状とすることにより、曲げ易く、耐圧強度を高くすることが出来る。
また、中継ヘッダ７を用いる場合よりも材料費が安価に抑えることができる。
すなわち、本実施の形態６は、軸流送風機の正面に配置される主熱交換器と軸流送風機の側面に配置される主熱交換器を結ぶフィンを付加しないベンドを用いるようにしたため、組み立て性が良く、熱交換器能力の高い空気調和機を得ることが出来る。

実施の形態７．
図１２は、扁平伝熱管フィンチューブ熱交換器と軸流型送風機２３のさらに他の構成を示す図である。扁平伝熱管熱交換器である主熱交換器５は折り曲げなしで成形されており、主熱交換器５の風上側に円管熱交換器である補助熱交換器６を配置している。このように軸流送風機２３の側面に熱交換器を設けないことにより、送風機２３による流れは完全に軸方向の流れのみとなり、送風機効率が向上する。また、熱交換器材料費が安価に抑えることができる。また、室外機側面からの流入が無いため、室外機の設置条件の許容範囲が拡大する。
すなわち、本実施の形態７は、軸流送風機の側面に配置される主熱交換器を配置しないようにしたため、送風機効率が高く、組み立て性が良く、熱交換器能力の高い空気調和機を得ることが出来る。

実施の形態８．
図１３は、本発明の空気調和機の冷媒回路図である。図に示す冷媒回路は、圧縮機２４、凝縮熱交換器２５、絞り装置２６、蒸発熱交換器２７、送風機２８により構成されている。上述の実施の形態による熱交換器ユニットを凝縮熱交換器２５または蒸発熱交換器２７、もしくは両方に用いることにより、エネルギ効率の高い空気調和機を実現することが出来る。ここで、エネルギ効率は、次式で構成されるものである。
暖房エネルギ効率=室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
冷房エネルギ効率=室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力

なお、上述の実施の形態１で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１，ＲＣ３１８などや、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、またこれら冷媒の数種の混合冷媒など、どんな種類の冷媒を用いても、その効果を達成することが出来る。

また、作動流体として、空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏する。

また、伝熱管とフィンは異なった材料を用いていることが多いが、伝熱管とフィンに銅、伝熱管とフィンにアルミなど、同じ材料を用いることで、フィンと伝熱管のロウ付けが可能となり、フィン部と伝熱管の接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換能力が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。

また、伝熱管とフィンを密着させる方法として、炉中ロウ付けを行う場合、フィンに親水材を塗布するのに後処理で行うことで、前処理の場合のロウ付け中の親水材の焼け落ちを防ぐことができる。

なお、上述の実施の形態で述べた熱交換器およびそれを用いた空気調和機については、鉱油系、アルキルベンゼン油系、エステル油系、エーテル油系、フッ素油系など、冷媒と油が溶ける溶けないに拘わらず、どんな冷凍機油においても、その効果を達成することができる。

この発明の実施の形態１におけるフィン−扁平伝熱管形態を表す側面図。この発明の実施の形態１におけるフィン上の温度測定位置を示す説明図。この発明の実施の形態１における空気流れ通過方向温度およびフィン温度分布を示す説明図。この発明の実施の形態２におけるフィンチューブ熱交換器のフィン形状を示す図。この発明の実施の形態における扁平伝熱管の断面図。この発明の実施の形態３におけるフィンチューブ熱交換器の形態および凝縮水の流れを示す説明図。この発明の実施の形態におけるフィンチューブ熱交換器の組み立て方法を示す説明図。この発明の実施の形態４におけるフィンチューブ熱交換器のロウ材配置位置を示す説明図。この発明におけるフィンチューブ熱交換器の組み立て手順を示す説明図。この発明の実施の形態５における熱交換器ユニット内の配置を示す説明図。この発明の実施の形態６における、他の熱交換器ユニット内の配置を示す説明図。この発明の実施の形態７における、さらに他の熱交換器ユニット内の配置を示す説明図。この発明のフィンチューブ熱交換器を用いた冷凍空調装置における冷媒回路の構成を示す図。従来の偏平伝熱管熱交換器の構成を表す図。従来の扁平伝熱管熱交換器の空気流れ通過方向温度およびフィン温度分布を示す説明図。

符号の説明

１板状フィン、２扁平伝熱管、３マイクロチャネル、４ロウ材、５主熱交換器、６補助熱交換器、７ヘッダ、１０板状フィンの切り欠き部、２１圧縮機、２２凝縮器熱交換器、２３絞り装置、２４蒸発器熱交換器、２５送風機、２６送風機用モータ。

Claims

空気調和機に用いられる熱交換器であって、多数平行に配置され、且つ気体の流れ通過方向の下流側に切り欠き部を設けた板状フィンと、
該板状フィンの切り欠き部へ気体の流れ通過方向の下流側から挿入され、気体の流れ通過方向に対して直角方向に複数段設けられ、且つ、断面の短軸方向長さは気体の流れ通過方向の下流側が大きく、また、下流側においてフィンの切り欠き部端面と扁平管端面が概ね一致するような形状を有する扁平伝熱管とを備え、
前記扁平伝熱管と前記板状フィンとは、前記扁平伝熱管の短軸長さが小さい部分が重力方向に対し下方となるように設置され、ロウ材が前記切り欠き部における前記扁平伝熱管の上部に配置された状態でロウ付け接合されてなることを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
前記フィンチューブ熱交換器において、前記板状フィンに対して気体の流れ通過方向にジグザグの凹凸を付加した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。
前記フィンチューブ熱交換器において、前記扁平伝熱管の気体の流れ通過方向の上流側の部分を重力方向下方へ傾けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフィンチューブ熱交換器。
前記フィンチューブ熱交換器を室外側に用いる場合であって、扁平伝熱管を用いた主熱交換器の気体の流れ通過方向の上流側に、円管を用いた補助熱交換器を付加配置したことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備えた熱交換器ユニット。
前記フィンチューブ熱交換器を室外側に用いる場合であって、軸流送風機の正面に配置される主熱交換器と、軸流送風機の側面に配置され、該主熱交換器と連結される中継ヘッダを備えたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備えた熱交換器ユニット。
前記フィンチューブ熱交換器を室外側に用いる場合であって、軸流送風機の正面及び側面に配置される主熱交換器と、断面が円形状であり、フィンを有しないベンドと、
備え、
前記ベンドは、前記軸流送風機の正面に配置された前記主熱交換器と前記軸流送風機の側面に配置された前記主熱交換器とを連結することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備えた熱交換器ユニット。
前記主熱交換器を、前記軸流送風機の側面側に配置しないことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器ユニット。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器を備えた熱交換器ユニットを、凝縮熱交換器、蒸発熱交換器、またはその両方に用いたことを特徴とする空気調和機。