JP5111571B2 - フィンチューブ型熱交換器及びこのフィンチューブ型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、低温条件下での熱交換器の能力向上が図れるフィンチューブ型熱交換器及びこのフィンチューブ型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来のフィンチューブ型熱交換器として、例えば気流が間ごとに移動されるように所定の間隔をおいて平行に配列された複数の平板フィンと、流体が内部に流動されるように前記複数の平板フィンに対して上下に千鳥状に直角になるように挿入配列された複数の伝熱管とから構成された空気調和機の熱交換器において、伝熱管の間の平板フィン表面にスリット型切起し群を形成したものがある。このようなものにおいて、平板フィン間を通過する気流（例えば、室内空気）は、スリット型切起し群によって乱流化および混合されるので、伝熱管後方に生じる止水領域が減少され、伝熱効率が高まるとされている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば所定間隔で平行に並べた複数の平板フィンと、これら平板フィンを貫通し内部を冷媒が通過する伝熱管とを備え、平板フィンの前縁側から平板フィン相互間を通過する空気との間で熱交換する熱交換器において、伝熱管の中心から送風方向延長線上前方に先端がくるように、基部から先端部に向けて漸次幅狭となり、通過する空気に縦渦を発生させる翼部を平板フィンから切り起して形成する一方、伝熱管の送風方向後方の死水域に空気を引き寄せるウイングレットを平板フィンから切り起して形成し、伝熱管後流の縮流成分に作用する旋回成分を生成する態様で前記ウイングレットの傾斜角を逆ハの字となるように設定したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２０６０８５号公報（段落[0008]、図６，図７） 特許第４２５４５５６号公報（段落[0007]、図１）

平板フィン表面にスリットがない場合は、平板フィンと熱交換を行う気体（例えば空気）の流れに沿って平板フィン表面に温度境界層が発達し、空気と平板フィンとの熱交換が阻害される。しかし、前述のように伝熱管の間の平板フィン表面にスリット型切起し群を設け、スリット型切起し群を通過する気流（例えば、室内空気）が乱流化および混合されるようにすることで、伝熱管後方に生じる止水領域を減少させることができる。これは、温度境界層がスリットごとに分断、更新され、空気と平板フィンとの間の熱交換が促進されるからである。

また、伝熱管の中心から送風方向延長線上前方に先端がくるように、基部から先端部に向けて漸次幅狭となる翼部を設けたものにあっても、既述したように翼部を通過する空気に縦渦を発生させることができて、前述のスリットの効果と同様に温度境界層を分断、更新することができ、空気と平板フィンとの間の熱交換を促進させることができる。

しかしながら、室外温度が約２℃以下という低外気温条件において、フィンチューブ型熱交換器を空調機の室外機用熱交換器、もしくは冷蔵庫、ショーケースなどの冷却器として使用する場合、伝熱管や平板フィンの表面に付着した凝縮水が氷結し着霜してしまうことがある。特に、熱伝達率の高いスリット、翼部付近に多く着霜し、各平板フィンの間隙が霜によって閉塞することがある。このため、フィンチューブ型熱交換器を空調機の室外熱交換器として使用する場合、平板フィン表面にスリットや翼部を設けることができず、熱交換能力が低下していた。この場合、通常運転時（室外空気温度が約０℃以上）での熱交換能力を向上させるためには、熱交換器の容量を大きくしたり、ファンの回転数を高くして熱交換器と熱交換を行う空気流量を増加させたりしなければならない。したがって、熱交換器設置面積の増加、フィンチューブ型熱交換器の材料費の増加、及びファン動力増加に伴う騒音の増加などを招くといった問題があった。

本発明は前述のような課題を解決するためになされたもので、着霜が生じる条件下で運転する場合でも、各平板フィンの間隙が霜によって閉塞するのを防止することができ、室外熱交換器としての使用が可能で、熱交換能力が高く、コンパクトなフィンチューブ型熱交換器を得ることを目的とする。また、このフィンチューブ型熱交換器を用いた熱交換能力の高い冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、下記の構成からなるものである。すなわち、所定の間隔で平行に積層され、その間を気体が通過する複数の平板フィンと、この平板フィンを積層方向に貫通して複数段配置された伝熱管とを有するフィンチューブ型熱交換器において、前記平板フィンは、隣接する伝熱管の間に円弧翼が設けられており、この円弧翼は、折り目となる基部から先端部にかけて漸次幅狭となり、空気流れの上流側にこの先端部が向くように、かつ基部から先端部に向かう両側辺がそれぞれ隣接する伝熱管の円弧に沿う弧状となるように平板フィンから切り起こしにより形成されているものである。

本発明のフィンチューブ型熱交換器によれば、隣接する伝熱管の間に円弧翼を設け、この円弧翼は、折り目となる基部から先端部にかけて漸次幅狭となり、空気流れの上流側にこの先端部が向くように、かつ基部から先端部に向かう両側辺がそれぞれ隣接する伝熱管の円弧に沿う弧状となるように平板フィンから切り起こしにより形成したので、円弧翼により縦渦を発生させることができ、この縦渦によって、温度境界層を攪拌して、伝熱促進を図ることができる。
また、着霜により円弧翼部が閉塞した場合でも、円弧翼の両側辺がそれぞれ隣接する伝熱管の円弧に沿う弧状に切り起こされているので、従来のスリット、三角形状の翼部に比べて閉塞領域を小さくすることができ、空気の流路を確保することができる。

本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す側面視の断面図である。 本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。 円弧翼の変形例を示す図４相当の断面図である。 図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 ウイングレットの変形例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の空気流れの説明図である。 本発明の実施の形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す側面視の断面図である。 本発明の実施の形態１又は実施の形態２に記載のフィンチューブ型熱交換器を室外熱交換器に用いた冷凍サイクル装置の冷媒回路である。

実施の形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す斜視図である。図２は本実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す側面視の断面図である。図３は本実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器の要部を示す正面図である。図４は図２のＡ−Ａ線矢視断面図、図５はその円弧翼の変形例を示す図４相当の断面図である。図６は図２のＢ−Ｂ線矢視断面図、図７はウイングレットの変形例を示す斜視図である。図８は本実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の空気流れの説明図である。

本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器６は、図３に示すように、複数の平板フィン１が縦向きに配置されて所定の間隔Ｆｐ（フィンピッチ）で平行に積層されている。また、図１及び図２に示すように、伝熱管２は、平板フィン１に設けられたフィンカラー３によって積層方向に貫通、保持され、空気流れ方向に直交する段方向（図２及び図３の上下方向）に所定の間隔で配置されている。

平板フィン１には、図１及び図２に示すように、空気流れ方向で伝熱管２よりも上流側に、表面に凹凸が形成されていないフラット領域８が設けられている。また、上下方向（段方向）で隣接する伝熱管２，２の間に、折り目となる基部４ａから先端部４ｂにかけて漸次幅狭となり、空気流れの上流側にその先端部４ｂが向くように、かつ基部４ａから先端部４ｂに向かう両側辺４ｃ，４ｄがそれぞれ隣接する上下の伝熱管２，２の円弧に沿う弧状に形成されるように平板フィン１の切れ目となる弧状の切り起こし線４ｅから切り起こされて形成された円弧翼４が設けられている。さらに、平板フィン１における伝熱管２の空気流れの下流側となる斜め後方に、円弧翼４の切り起こし線４ｅの延長線（以下、「円弧線」という）７上に折り目となる基部５ａが配置されるように切り起こされたウイングレット５が設けられている。

図４に示すように、円弧翼４は、それ自体がストレート状に形成され、平板フィン１に対して傾斜するように切り起こされているが、これを図５（ａ）又は（ｂ）に示す円弧翼４Ａ，４Ｂの如く、それ自体が外向きの湾曲面や内向きの湾曲面を形成するように切り起こしてもよいものである。また、切り起こし高さに関しては、フィンピッチの半分以下となるように設定されている。

図６に示すように、ウイングレット５も平板フィン１に対して傾斜するように切り起こされており、図７に示すように、三角形（図７（ａ））、長方形（図７（ｂ））、台形（図７（ｃ））、半円（図７（ｄ））等、種々の形態をとらせることが可能である。

なお、本実施形態１におけるフィンチューブ型熱交換器６は、伝熱管２として、例えば外形が７mm、７．９４mm、９．５２mm等の金属パイプが用いられる。伝熱管２を挿入するフィンカラー３としては、直径７．５５mm、８．５４mm、１０．２mm等のものが用いられる。伝熱管２の伝熱管段方向配列ピッチは、例えば２０．４mm、２５．４mm等に設定される。また、伝熱管２を列方向に複数本配置する場合には、伝熱管２の列方向（図２の左右方向）配列ピッチは１８mm、２２mm等に設定される。しかし、これらの値はすべて単なる例示であって、本発明がこれらの値に限定されるものではない。また、ここでは伝熱管２を列方向に１列のみ配置したものを例示しているが、２列またはそれ以上設けることもできる。

次に、本実施の形態１のフィンチューブ型熱交換器６における空気流れについて図８に基づき説明する。風上側から流入した空気は、円弧翼４によって縦渦に形成される。この縦渦によって、温度境界層が攪拌され、伝熱が促進される。さらに、伝熱管２後方に円弧翼４の切り起こし線４ｅの延長線すなわち円弧線７上を基部５ａとしたウイングレット５が、伝熱管２後方の死水域を減少させるように、円弧翼４により生成された縦渦を誘導するので、更なる伝熱促進が可能となる。

また、着霜が生じる環境下で運転した場合、熱交換器の風上側の方が空気が持っている絶対湿度量が多いので、着霜が生じやすい。そのため、本実施の形態１においては、伝熱管２前方にフラット領域８（図２）を設置し、着霜が発生した場合にフラット部に均一に付着するようにしているので、空気の流路が十分に確保できる。

また、隣接する上下の伝熱管２，２の間に設置した円弧翼４部も着霜により閉塞するが、切れ目となる切り起こし線４ｅ、つまり円弧翼４の両側辺４ｃ，４ｄが上下の伝熱管２，２の円弧に沿う弧状に形成されているので、従来のスリット、ルーバー、三角状の翼部に比べて、閉塞領域を小さくすることができ、空気の流路を十分に確保することができる。

さらに、円弧翼４の切り起こし高さをフィンピッチの半分以下に設定しているので、閉塞した場合にも円弧翼４と隣接平板フィン１との間に空気流路を確保することができる。

更にまた、伝熱管２後方に設置したウイングレット５が、着霜の有無に関わらず空気の流れを伝熱管２後方に誘導し、伝熱管２後方の死水域を低減させるので、伝熱促進することが可能である。

よって、本実施の形態１のフィンチューブ型熱交換器６は、着霜が生じる条件下で運転する場合でも、各平板フィン１間が霜によって閉塞するのを防止することができ、熱交換能力が高く、その分、コンパクト化が可能となる。

また、本実施の形態１のフィンチューブ型熱交換器６は、熱交換能力が高いため、材料費の低減にも非常に有用である。一般に、フィンチューブ型熱交換器の熱交換能力は、平板フィン１間の距離であるフィンピッチに反比例する。しかし、本実施形態１のような熱交換能力の高いフィンチューブ型熱交換器を用いることで、フィンピッチを拡大することが可能となり、平板フィン枚数を減らしてフィンチューブ型熱交換器の材料費を削減することができ、ファン動力増加に伴う騒音を従来よりも低減することができる。

本実施の形態１のフィンチューブ型熱交換器６は、冷蔵庫、ショーケース用の冷却器、空調機用の室外熱交換器として使用可能である。空調機用の室外熱交換器の製造工程で、熱交換器を拡管した後にＬ状、コの字状に曲げて、室外機に装備することになる。その際に、平板フィン１に列方向に加わる荷重に対して、座屈耐力が弱い場合、平板フィン１が倒れてしまい、平板フィン１間に流れる風量が少なくなり、熱交換能力が低下してしまう。さらには、外観が損なわれ、意匠上の問題も発生してしまう。本実施の形態１の場合は、最も列方向に加わる荷重が集中する平板フィン中央部に斜めに切り起こされた円弧翼４を設置しているので、座屈耐力が向上し、平板フィン倒れが発生せず、意匠的にも問題の無い室外熱交換器を提供することができる。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の要部を示す側面視の断面図である。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一機能については同一の符号を用いて述べることとする。ここでは主に実施の形態１と異なる点について説明する。

本実施の形態２のフィンチューブ型熱交換器９は、伝熱管２後方（空気流れの下流側）に設置していたウイングレット５を、伝熱管２の中心を通る鉛直線を中心に前後（空気流れの上流側と下流側）で対称となるように、伝熱管２の前方（空気流れの上流側）にも設置したものである。

本実施の形態２のフィンチューブ型熱交換器においては、伝熱管２の前方に発生する馬蹄形渦の発生を、伝熱管２の前方に新たに設けたウイングレット５によって抑制することができる。さらに、着霜が生じる環境下においては、ウイングレット５の局所熱伝達率が高いので、着霜がウイングレット５に発生しやすい。ウイングレット５に集中的に着霜するので、フィン前縁部の着霜量が小さくなる。これにより、フィン間の閉塞が抑制できるので、風量が低下することがなく、電熱性能が高いフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は前述の実施の形態１又は実施の形態２のいずれかのフィンチューブ型熱交換器を室外熱交換器として用いた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

本実施の形態３のフィンチューブ型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮機１０、四方弁１１、室内熱交換器１２、膨張弁１３、及び本発明に係るフィンチューブ型熱交換器である室外熱交換器１４が順次冷媒配管により閉ループに接続されて冷凍サイクル装置を構成している。

本実施の形態３のフィンチューブ型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置において、暖房時の冷媒流れは図１０に実線矢印で示す方向となる。すなわち、圧縮機１０で圧縮されたガス状態の冷媒は、四方弁１１を通り室内熱交換器１２に入る。室内熱交換器１２は、送風機１５から送り出された空気との熱交換により放熱する。室内熱交換器１２で熱交換を行った冷媒は過冷却状態の液冷媒となり、膨張弁１３に入る。膨張弁１３で膨張した低温低圧の冷媒は低乾き度の二相状態となり、室外熱交換器１４であるフィンチューブ型熱交換器に入る。このフィンチューブ型熱交換器では、送風機１６から送り出された空気との熱交換により吸熱する。フィンチューブ型熱交換器で室外の空気と熱交換により吸熱した冷媒は蒸発してガス状態となり、圧縮機１０に吸入される。

このように、室外熱交換器１４に、前述の実施の形態１又は実施の形態２のいずれかのフィンチューブ型熱交換器を用いることで、前述した熱交換能力の高い優れた特性を有するフィンチューブ型熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を得ることができる。なお、ここでは本発明に係るフィンチューブ型熱交換器を室外熱交換器１４に適用したものを例に挙げて説明したが、本発明は室内熱交換器１２にも適用可能であることは言うまでもない。

本発明の活用例として、低温条件下でのフィンチューブ型熱交換器の熱交換能力向上に必要なヒートポンプ装置の熱交換器に使用することができる。

１ 平板フィン、２ 伝熱管、３ フィンカラー、４，４Ａ，４Ｂ 円弧翼、４ａ，５ａ 基部、４ｂ 先端部、４ｃ，４ｄ 両側辺、４ｅ 弧状の切り起こし線、５ ウイングレット、６，９ フィンチューブ型熱交換器、７ 円弧線、８ フラット領域、１０ 圧縮機、１１ 四方弁、１２ 室内熱交換器、１３ 膨張弁、１４ 室外熱交換器（フィンチューブ型熱交換器）、１５，１６ 送風機。

Claims (7)

1. 所定の間隔で平行に積層され、その間を気体が通過する複数の平板フィンと、該平板フィンを積層方向に貫通して複数段配置された伝熱管とを有するフィンチューブ型熱交換器において、
   前記平板フィンは、隣接する前記伝熱管の間に円弧翼が設けられており、
   該円弧翼は、折り目となる基部から先端部にかけて漸次幅狭となり、空気流れの上流側に前記先端部が向くように、かつ前記基部から前記先端部に向かう両側辺がそれぞれ前記隣接する伝熱管の円弧に沿う弧状となるように前記平板フィンから切り起こしにより形成されていることを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記複数の平板フィンは縦向きに配置され、前記複数の伝熱管は空気流れ方向に直交する方向に所定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 前記円弧翼の切り起こし高さが、前記積層された平板フィンのフィンピッチの半分以下となる高さに設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記平板フィンにおける前記伝熱管の空気流れの下流側となる斜め後方にウイングレットが設けられており、
   該ウイングレットは、前記円弧翼の弧状切り起こし線の延長線上に折り目となる基部が配置されるように前記平板フィンから切り起こしにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記ウイングレットを、前記伝熱管の中心を通る鉛直線を中心に空気流れの上流側と下流側で対称となるように、該伝熱管の空気流れの上流側にも設置したことを特徴とする請求項４に記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記平板フィンにおける前記伝熱管よりも空気流れの上流側に、表面に凹凸が形成されていないフラット領域を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置。

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