JP5631452B2 - フィンチューブ熱交換器及びそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るフィンチューブ熱交換器1の説明図である。図3は、図1に示すフィンチューブ熱交換器1に生じた凝縮水6の流れを説明するものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
まず、フィンチューブ熱交換器1の構成について説明する。
フィンチューブ熱交換器1は、図1に示すように、板状のフィン2及び冷媒が流れる冷媒孔4が形成されている伝熱管3を有している。フィンチューブ熱交換器1は、フィン2に沿って流れる被熱伝達媒体(以下、空気であるものとして説明する)と、伝熱管3を流れる冷媒を熱交換させるものであり、特に、フィン2に沿って凝縮水6が流れやすくなる改良が施されている。
フィン2の厚みFtは、例えば0.0001m、フィン2の空気流れ方向の幅Lは、0.017m程度とするとよい。また、隣接するフィン2のピッチFpは、例えば0.0016m程度とするとよい。さらに、段方向に隣接する伝熱管3の中心間の長さは、例えば0.015m程度とするとよい。
通常、熱交換器のフィンには、加工性を高めるために焼きなまし処理が施されている。これにより、フィンは、「やわらかく」なり、加工しやすくなるが、熱交換器を設置したときに、フィンの強度不足で変形(フィン倒れ)してしまう場合がある。熱交換器を設置したときに、フィンが変形してしまうと、通風抵抗が高くなってしまったり、外観が損なわれてしまったりする。しかし、フィンチューブ熱交換器1のフィン2は、上記のような凹凸が形成されており、フィン2にかかる応力が分散されるようになっている。従って、フィンチューブ熱交換器1を設置したときに、フィン2が変形してしまうことが抑制されるので、フィンチューブ熱交換器1は、通風抵抗が高くなってしまったり、外観が損なわれてしまったりすることが抑制される。
フィン2で生じた凝縮水6は、表面張力によってまとまった後に、頂点P1(底点)を結んだ線L1に沿って流れていく。なお、フィン2の凸となっている部分の裏面は、凹になっているので、裏面側では、凝縮水6が、該凸の頂点P2を結んだ線L2に沿って流れるということになる。そして、図3に示すように、凹の頂点P1を結んだ線L1に沿って(裏面では、凸の頂点P2を結んだ線L2に沿って)流れた水は、空気の流れ方向の上流側であるフィン2の前端凹凸22から鉛直下方(重力方向)に流れ落ちるようになっている。
図4は、図1に示すフィンチューブ熱交換器1の角度θと通風抵抗の関係を表したものである。図4の縦軸は、通風抵抗を表し、横軸は、角度θを表している。また、図4は、フィンチューブ熱交換器1が、長軸AX1と空気流れ方向が平行になるように設置されている場合の関係を表している、図4に示すように、角度θが、90°より大きくなると、急激に通風抵抗が大きくなることがわかる。これは、フィン2の線L1に沿って流れる凝縮水6が、フィン2と伝熱管3が交差する部分で、滞留しやすくなってしまったり、その滞留した凝縮水6が霜になってしまったりして、空気の流れを阻害するためである。従って、フィンチューブ熱交換器1は、フィン2の線L1(線L2)と伝熱管3の長軸が交差する角度θを0°〜90°の範囲にしており、凝縮水6が交差する部分で滞留しにくくなっているので、空気の流れが阻害されにくくなり、熱交換効率が低減してしまうことが抑制される。
ここで、図1において、フィン2には、図1の線B−B断面図に示すように、所定の角度αの凹凸が形成されている。ここで、角度α/2が、所定の角度θより小さくなるように、形成されているとよい。仮に、所定の角度θより角度α/2が大きいと、凝縮水6が、フィン2を平面視した面と垂直な方向に流れてしまう恐れがある。よって、フィン2の凹凸の所定の角度α/2を所定の角度θより小さくなるように形成することで、フィン2で生じた凝縮水6が、線L1に沿って流れやすくなるので、空気の流れが阻害されにくくなり熱交換効率が低減してしまうことが抑制される。
図5は、図1に示すフィンチューブ熱交換器1を通過する空気の流れを説明するための模式図である。図5に示すように、フィン2の凹凸の凹にあたる部分(面)には、渦(2次流れ)が発生することが知られている。つまり、フィン2を通過する空気は、この渦によって、フィン2の表面(平面視した面)に引き込まれるので、熱交換が促進されるようになっている。本フィンチューブ熱交換器1は、凹凸の頂点P1(P2)上を結んだ線L1(L2)が、伝熱管3の長軸AX1方向と、反時計回りに所定の角度θ(0°<θ<90°)をなしている。これにより、凹凸の頂点P1(P2)上を結んだ線L1(L2)が、伝熱管3の長軸AX1方向と垂直(θ=90°)になっている場合に比べて、渦が発生する領域が広くなるので、熱交換効率が向上することはいうまでもない。
図6は、図1に示すフィンチューブ熱交換器1が傾けて設置された場合の凝縮水6の流れを説明するものである。具体的には、フィンチューブ熱交換器1が、長軸AX1と空気流れ方向が略平行とならないように設置した場合の凝縮水6の流れを説明するものである。図6に示すように、フィンチューブ熱交換器1が、長軸AX1と空気流れ方向がφの角度で傾いていても、フィン2で生じた凝縮水6は、表面張力によってまとまった後に、頂点P1を結んだ線L1に沿って流れていく。そして、図3に示すように、凹の頂点P1を結んだ線L1に沿って(裏面では、凸の頂点P2を結んだ線L2に沿って)流れた凝縮水6は、空気の流れ方向の上流側であるフィン2の前端凹凸22から鉛直下方(重力方向)に流れ落ちるようになっている。ただし、図6のように、フィンチューブ熱交換器1が傾けて設置された場合は、所定の角度φは、0°〜90−θ°とする。
フィンチューブ熱交換器1は、伝熱管3が、空気の流れ方向に対して、下流側に設けられているので、フィン2の温度分布のムラが小さくなり、霜が生じにくくなっている。また、フィンチューブ熱交換器1は、長軸AX1と線L1(線L2)が所定の角度θ(0°〜90°)を有しているので、フィン2と伝熱管3が交差している部分で凝縮水6が滞留しにくくなっている。つまり、空気の流れが、阻害されにくくなるので、フィンチューブ熱交換器1の熱交換効率が、低下することが抑制される。
図7は、本発明の実施の形態2に係るフィンチューブ熱交換器20の説明図である。図8は、図7に示すフィンチューブ熱交換器20が傾けて設置された場合の凝縮水6の流れを説明するものである。なお、本実施の形態2では、実施の形態1と同一部分には同一符号とし、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。図7に示すように、フィン21は、空気流れ方向に対して上流側である前端にも、長軸AX1と垂直な方向に前端凹凸22が形成されているものとする。なお、この前端凹凸22は、例えばフィン21の前端から伝熱管3の先端までの範囲に形成されていればよい。さらに、この前端凹凸22は、空気流れ方向と平行な面の断面において、のこぎり状、波状(曲面)等となっているとよい。
フィン21で生じた凝縮水6は、表面張力によって適宜まとまった後に、線L1に沿って流れていく。なお、フィン21の凸となっている部分の裏面は、凹になっているので、裏面側では、凝縮水6が、該凸の頂点P2を結んだ線L2に沿って流れるということになる。そして、図7に示すように、凹の頂点P1を結んだ線L1に沿って(裏面では、凸の頂点P2を結んだ線L2に沿って)流れた凝縮水6は、前端凹凸22に沿って重力方向に流れ落ちるようになっている。
図8に示すように、フィンチューブ熱交換器20が、長軸AX1と空気流れ方向がφの角度で傾いていても、フィン21で生じた凝縮水6は、表面張力によってまとまった後に、線L1に沿って流れていく。そして、図8に示すように、線L1に沿って(裏面では、線L2に沿って)流れた凝縮水6は、前端凹凸22に沿って流れ落ちるようになっている。ただし、図8のように、フィンチューブ熱交換器20が傾けて設置された場合は、所定の角度θは、0°〜90−φ°とする。
フィンチューブ熱交換器20は、フィンチューブ熱交換器1の有する効果に加えて、フィン21は、空気流れ方向に対して上流側である前端にも、長軸AX1と垂直な方向に前端凹凸22が形成されている。従って、フィンチューブ熱交換器20は、上流側に凝縮水6が滞留しにくくなっているため、空気の流れが阻害されることが抑制されるので、熱交換効率が低下することが抑制される。
図9は、本発明の実施の形態3に係るフィンチューブ熱交換器30を空気調和機の室外機100に設けた場合の説明図である。なお、本実施の形態3では、実施の形態1、2と同一部分には同一符号とし、実施の形態1、2との相違点を中心に説明するものとする。
なお、実施の形態3では、フィンチューブ熱交換器30を空気調和機の室外機100に設けた例を説明するが、その他の冷凍サイクル装置(例えば、空気調和機の室内機、冷蔵庫等)でもよい。
室外機100は、空気を吸い込むための吸気口32及び熱交換した空気を排気するための排気口33が形成されている。また、室外機100は、フィンチューブ熱交換器30及び送風機31を有している。室外機100は、例えば略直方体形状の筐体100aを有している。この筐体100aの少なくとも2つの側面には、吸気口32が形成されている。また、筐体100aの側面の内、吸気口32と対向する面に排気口33が形成されている。
フィンチューブ熱交換器30は、フィンチューブ熱交換器1の有する効果に加えて、空気流れ方向の下流側であって、設置される面と垂直な方向を軸として曲げられているので、フィン倒れを起こしにくくなっている。
図10は、本発明の実施の形態4に係るフィンチューブ熱交換器40を空気調和機の室外機101に設けた場合の説明図である。なお、本実施の形態4では、実施の形態1〜3と同一部分には同一符号とし、実施の形態1〜3との相違点を中心に説明するものとする。なお、実施の形態4では、フィンチューブ熱交換器40を空気調和機の室外機101に設けた例を説明するが、その他の冷凍サイクル装置でもよい。
室外機101は、空気を吸い込むための吸気口42及び熱交換した空気を排気するための排気口43が形成されている。また、室外機101は、フィンチューブ熱交換器40及び送風機41を有している。室外機101は、例えば略直方体形状の筐体101aを有している。この筐体101aの少なくとも1つの側面には、吸気口42が形成されている。また、筐体101aの上面に、排気口43が形成されている。
なお、フィンチューブ熱交換器1、20、30、40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の冷媒を流してもよい。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よいことは言うまでもない。
図2は、図1に示すフィンチューブ熱交換器1のフィン2と伝熱管3の接合の説明図である。図1に示すように、伝熱管3は、フィン2の切り欠き部に挿入して接合され、空気流れ方向に対して、下流側に設けられている。図2に示すように、この切り欠き部は、伝熱管3の側面形状と合うように形成されている。伝熱管3は、切り欠き部に密着するように挿入されて、ロウ付けにより、フィン2に接合されるようになっている。なお、このロウ付けに用いられるロウ材は、伝熱管3の幅より短い棒状のもの用いるとよい。また、ロウ材を伝熱管3の端部に1本又は2本配置して、ノコロック連続炉で加熱し、フィン2と接合するとよい。ここで、仮に、伝熱管3の断面形状が円形であると(円状伝熱管)、伝熱管3を拡管して接合する必要がある(拡管接合)。この拡管接合では、フィン2と伝熱管3の間に接触していない部分ができてしまいやすくなってしまい、フィン2と伝熱管3の熱抵抗が大きくなってしまう。一方、フィンチューブ熱交換器1は、上記のように、フィン2と伝熱管3をロウ付けして接合するので、フィン2と伝熱管3の熱抵抗が大きくなってしまうことが抑制される。
また、伝熱管3とフィン2は異なった材料を用いていることが多いが、伝熱管3及びフィン2に銅、伝熱管3及びフィン2にアルミなど、同じ材料で構成してもよい。これにより、フィン2と伝熱管3のロウ付けが容易となり、フィン2と伝熱管3の接触熱伝達率が向上するので、熱交換能力が向上する。また、伝熱管3及びフィン2を同じ材料で構成することで、リサイクル性が向上することは言うまでもない。
なお、フィンチューブ熱交換器1、20、30、40には、例えば、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、フッ素油系等の冷凍機油が用いられてもよい。
Claims (6)
- 被熱伝達媒体の流れ方向に平行に複数配置されるフィンと、
前記フィンに挿入して設けられた扁平伝熱管と、
を備え、
前記フィンは、前記被熱伝達媒体の流れ方向の下流側に凹凸が複数列形成され、
前記複数のフィンは、凸の部分同士及び凹の部分同士が互いに対向するように配置されており、
この下流側の凹凸は、
凹にあたる部分に発生する渦の発生領域を広げるように前記下流側の凹凸の頂点上を結んだ線が、前記被熱伝達媒体の流れ方向と、反時計回りに所定の角度θ(0°<θ<90°)となるように形成され、
前記凹にあたる部分に対応する角度であって前記フィンを縦断面視したときにおける前記下流側の凹凸の頂点の角度αが、α/2<θとなるように形成され、前記凹にあたる部分に発生する渦の発生領域を広げながら、前記下流側の凹凸の頂点上を結んだ線に沿うように凝縮水が流れるようにしている
ことを特徴とするフィンチューブ熱交換器。 - 前記扁平伝熱管は、
その上側面が、前記被熱伝達媒体の流れ方向の下流側より上流側が低くなるように傾斜している
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。 - 前記扁平伝熱管は、
前記フィンの内、前記被熱伝達媒体の流れ方向の下流側に設けられている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のフィンチューブ熱交換器。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のフィンチューブ熱交換器を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記フィンチューブ熱交換器が、傾けて設けられている
ことを特徴とする請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記フィンチューブ熱交換器が、蒸発器及び/又は放熱器として用いられる
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の冷凍サイクル装置。
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