JP5689033B2 - フィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器の構造及びこのフィンチューブ型熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来のフィンチューブ型熱交換器として、複数の扁平管が挿入された板状フィンに、切り起こしにより形成された複数のスリットを設けて、熱交換性能の向上を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−５４０６０号公報（第１図）

前述した従来のフィンチューブ型熱交換器は、ルームエアコン等のケーシング内で傾斜して配置されており、蒸発器として用いた場合には、凝縮水が発生し、板状フィンとの接合部分の扁平管上に凝縮水が滞留し易くなる。滞留した凝縮水は、自重により扁平管から露垂れし、送風ファンからの送風によって飛散することがあった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、扁平管上に滞留した凝縮水が飛散し難くするフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた冷凍サイクル装置を得るものである。
第２の目的は、第１の目的に加えて、熱交換性能の高いフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた冷凍サイクル装置を得るものである。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、気体の流れ方向に複数隣接して配列され、それぞれ、気体の流れ方向と直交する方向に間隙を有して積層された板状フィンと、その板状フィンの積層方向に挿入された複数の作動流体通過用の扁平管とを有するフィンチューブ型熱交換器において、気体の流れ方向の上流側に配列された板状フィンの扁平管の間の部分に、気体の流れ方向に設けられた切り起こしによる複数のスリットと、気体の流れ方向の最下流側に配列された板状フィンの扁平管の間の部分に、気体の流れ方向に設けられた切り起こしによる複数のスリットとを備え、気体の流れ方向の上流側に配列された板状フィンの扁平管の間の部分に設けられた複数のスリットは、気体の流れ方向の長さが略同じで、その長さと複数のスリット間の間隔の長さとが略同じ長さに形成され、気体の流れ方向の最下流側に配列された板状フィンの複数のスリットのうち、上流側に位置するスリットは、気体の流れ方向の上流側に配列された板状フィンの複数のスリットの気体の流れ方向の長さと略同じ長さに形成され、下流側に位置するスリットは、当該スリットの後縁部が扁平管の後縁部よりも上流側に位置するように、上流側に位置するスリットの気体の流れ方向の長さよりも短く形成され、最下流側に配列された板状フィンは、扁平管の後縁部から当該板状フィンの後縁部までの長さが、その板状フィンの上流側に配列された板状フィンの扁平管の後縁部から当該板状フィンの後縁部までの長さよりも長く形成されて、上流側に配列された板状フィンの気体の流れ方向の長さよりも長くなっている。

本発明によれば、最下流側に配列された板状フィンの複数のスリットのうち最下流側に設けられたスリットの後縁部が、扁平管の後縁部よりも上流側に位置している。これにより、フィンチューブ型熱交換器を蒸発器として用いた場合に、板状フィン上に凝縮水の流路を確保でき、このため、送風ファンによる凝縮水の飛散を抑えることができる。

実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の一部分を示す側面図。 実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器を蒸発器として用いた場合の凝縮水の流れを示す側面図。 実施の形態１の２列目のフィンチューブ型熱交換器において上流側のスリットの幅ｃと下流側のスリットの幅ｄの比率とＡＫ値との関係を示す線図。 実施の形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の一部分を示す側面図。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の一部分を示す側面図である。
図１に示すフィンチューブ型熱交換器は、気体である空気の流れ方向に例えば２列配置されている。空気の流れ方向の上流側（１列目）に配置されたフィンチューブ型熱交換器は、空気の流れ方向と直交する方向に間隙を有して積層された板状フィン２ａと、板状フィン２ａの長手方向に配列されており、板状フィン２ａの積層方向に挿入された複数の扁平管１ａとを備えている。下流側（２列目）のフィンチューブ型熱交換器は、上流側のフィンチューブ型熱交換器と同様に、空気の流れ方向と直交する方向に間隙を有して積層された板状フィン２ｂと、板状フィン２ｂの長手方向に配列されており、板状フィン２ｂの積層方向に挿入された複数の扁平管１ｂとを備えている。

板状フィン２ａ、２ｂの積層方向のピッチＦｐはＦｐ＝０．００１２ｍ、板状フィン２ａ、２ｂの厚みＦｔはＦｔ＝０．０００１ｍ、板状フィン２ａ、２ｂの空気の流れ方向の幅Ｌｐ１、Ｌｐ２は共にＬｐ１＝Ｌｐ２＝０．０１８ｍである。また、板状フィン２ａ、２ｂの長手方向に隣接する扁平管１ａ、１ｂは、千鳥状に配列され、扁平管１ａ、１ｂの中心間の長さＤｐはＤｐ＝０．０１４２５ｍである。なお、前述した寸法は一例であって限定されるものではない。

上流側の板状フィン２ａは、空気の上流側が開口のＵ字形状の切欠部４ａと、切欠部４ａの間のベースフィン部（平らな部分）に空気の流れ方向に切り起こしされて形成された例えば２個のスリット３ａ、３ｂが設けられている。下流側の板状フィン２ｂは、前記と同様に、空気の上流側が開口のＵ字形状の切欠部４ｂと、切欠部４ｂの間のベースフィン部に空気の流れ方向に切り起こしされて形成された例えば２個のスリット３ｃ、３ｄが設けられている。切欠部４ａ、４ｂには、前述したように、それぞれ扁平管１ａ、１ｂが挿入されており、扁平管１ａ、１ｂは、切欠部４ａ、４ｂにロウ付けによって接合されている。

扁平管１ａ、１ｂは、アルミニウム合金製押し出し形材にて形成され、板状フィン２ａ、２ｂは、アルミニウム合金製板材にて形成されている。このように熱交換器全てを同じ材質とすることで、ロウ付けが容易となり、腐食の耐力が向上する。また、ロウ付けが容易となるので、生産工程自体の環境負荷の低減を図ることができる。また、扁平管１ａ、１ｂを千鳥状に配列することで、下流側の扁平管１ｂの前縁部の熱伝達率が向上し、熱交換性能が向上する。

上流側の板状フィン２ａに設けられたスリット３ａ、３ｂは、例えば図１の側面において両側の脚が内側に傾斜するように手前側に切り起こしされている。また、スリット３ａより下流側に位置するスリット３ｂは、空気の下流側に向かうに従って上流側より外側に広く切り起こしされている。スリット３ａ、３ｂの幅ａ、ｂ（空気の流れ方向の長さ）とスリット３ａ、３ｂ間のベースフィン部の幅ｅ１は、ほぼ同じ長さである。

下流側の板状フィン２ａに設けられたスリット３ｃ、３ｄは、前記と同様に、両側の脚が内側に傾斜するように手前側に切り起こしされている。また、スリット３ｃより下流側に位置するスリット３ｄは、空気の下流側に向かうに従って上流側より外側に広く切り起こしされている。スリット３ｃの幅ｃ（空気の流れ方向の長さ）とスリット３ｃ、３ｄ間のベースフィン部の幅ｅ２は、前述のスリット３ａ、３ｂの幅ａ、ｂとほぼ同じ長さである。また、スリット３ｄの幅ｄは、スリット３ｃの幅ｃより短くなっている。これにより、スリット３ｄの後縁部は、扁平管１ｂの後縁部よりも上流側に位置する。

スリット３ａ、３ｂの幅ａ、ｂとベースフィン部の幅ｅ１を等しくすることで、空気流の境界層の厚さを等間隔で薄くすることができ、熱交換性能が向上する。

また、前述のフィンチューブ型熱交換器を列方向に配置することで、室内機のケーシング内への収納が様々に対応でき、下流側の板状フィン２ｂにおける前縁効果（空気流の境界層の分断効果）による熱伝達率の向上も期待できる。また、室内機そのものを小型化にできる。

ここで、２列に配置したフィンチューブ型熱交換器を室内機内に設け、蒸発器として用いた場合の凝縮水の流れを図２に基づいて説明する。
図２は実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器を蒸発器として用いた場合の凝縮水の流れを示す側面図である。

２列に配置したフィンチューブ型熱交換器を重力方向に対して傾斜させ、蒸発器として作用するように扁平管１ａ、１ｂ内に液冷媒を流し、送風ファンにより板状フィン２ａ、２ｂの積層方向に直交するように空気を流すと、空気中の水分が凝縮し、板状フィン２ａ、２ｂ上に凝縮水５が付着する。凝縮水５は、図２に示すように、２列目の扁平管１ｂの下流側に、かつ重力方向の上方に滞留し易くなる。これは、空気中の水分の発生量は、空気流の下流側ほど空気中水分の絶対湿度量が多いからである。

滞留した凝縮水５の量が大きくなると、保持する表面張力よりも重力が大きくなり下方に流れ落ちる。その場合、扁平管１ｂの後縁部と板状フィン２ｂの後縁部との間にスリットが無いため、しかも凝縮水５が滴下する起点が無いために、滞留した凝縮水５は扁平管１ｂの後縁部と板状フィン２ｂの後縁部との間の面を流路６として流れる。つまり、滞留した凝縮水５は、板状フィン２ｂより重力方向の下流側に殆ど滴下することなく、前述の流路６を沿って下方に流れる。

次に、下流側（２列目）のフィンチューブ型熱交換器における熱交換性能について図３を用いて説明する。
図３は実施の形態１の２列目のフィンチューブ型熱交換器において上流側のスリットの幅ｃと下流側のスリットの幅ｄの比率とＡＫ値との関係を示す線図である。なお、図中のＡはフィンチューブ型熱交換器の管外伝熱面積［ｍ² ］、Ｋは熱通過率［ｗ／ｍ² ｋ］である。
下流側の板状フィン２ｂに設けられたスリット３ｃの幅ｃとそれより下流のスリット３ｄの幅ｄの比率ｄ／ｃが０〜１／２となるまで熱通過率Ｋは大きくなるが、その比率ｄ／ｃが１／３〜１／２の間では３％以内でほぼ同等のＡＫ値となる。熱交換性能の測定誤差を考慮した場合に、比率ｄ／ｃを１／３≦ｄ／ｃ≦１／２の範囲とすれば最適な熱交換性能を達成することができる。つまり、２列目のフィンチューブ型熱交換器において、下流側のスリット３ｄの幅ｄを上流側のスリット３ｃの幅ｃの１／２〜１／３とすることで、最適な熱交換性能を得ることが可能になる。

以上のように実施の形態１によれば、最下流側に配列された板状フィン２ｂの複数のスリット３ｃ、３ｄのうち最下流側に設けられたスリットの後縁部が、扁平管の後縁部よりも上流側に位置している。この構成により、フィンチューブ型熱交換器を蒸発器として用いた場合に、板状フィン２ｂ上に凝縮水の流路６を確保でき、このため、送風ファンによる凝縮水の飛散を抑えることができる。

また、下流側の板状フィン２ｂにおいて、下流側に位置するスリット３ｄの幅ｄを、上流側に位置するスリット３ｃの幅ｃの１／２〜１／３の長さとしているので、その比率ｄ／ｃがほぼ同等のＡＫ値となり、最適な熱交換性能を達成することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、上流側（１列目）の板状フィン２ａのフィン幅Ｌｐ１と下流側（２列目）の板状フィン２ｂのフィン幅Ｌｐ２を同じとしたが、実施の形態２は、下流側の板状フィン２ｂのフィン幅Ｌｐ２を上流側の板状フィン２ａのフィン幅Ｌｐ１よりも長くしたものである。

図４は実施の形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の一部分を示す側面図である。
実施の形態２においては、下流側に配列された板状フィン２ｂの扁平管１ｂの後縁部から板状フィン２ｂの後縁部までの長さが、上流側に配列された板状フィン２ａの扁平管１ａの後縁部から板状フィン２ａの後縁部までの長さよりも長くなっている。この構成により、前述したように、下流側の板状フィン２ｂのフィン幅Ｌｐ２が、上流側の板状フィン２ａのフィン幅Ｌｐ１よりも長くなり、つまり、下流側の扁平管１ｂの後縁部と板状フィン２ｂの後縁部との間の流路６の幅が広くなっている。これにより、下流側の扁平管１ｂに滞留した凝縮水５は、実施の形態１と比べ、板状フィン２ｂの後縁部からの滴下をより抑えることができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。
図５に示す冷媒回路は、圧縮機３１、室外熱交換器３２、絞り装置３３、室内熱交換器３４が順次に冷媒管３７により接続されて構成される、室外熱交換器３２及び室内熱交換器３４には、送風ファン３５を備えたファンモーター３６がそれぞれ内蔵されている。

前述した実施の形態１あるいは実施の形態２に示す２列のフィンチューブ型熱交換器を室外熱交換器３２あるいは室内熱交換器３４、又は両方に用いることにより、エネルギ効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。なお、エネルギ効率は、次式により得られる。
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、前述の実施の形態１、２で述べたフィンチューブ型熱交換器、及びそれを用いた冷凍サイクル装置については、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）、ＨＦ０１２３４ｙｆなどの低ＧＷＰ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できる。

また、実施の形態１、２では、気体として空気を例示したが、窒素ガスなどでもよく、また、作動流体として冷媒を例示したが、他の液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏する。

また、扁平管１ａ、１ｂと板状フィン２ａ、２ｂの材料をアルミとしたが、両方の材料として銅を用いてもよい。前述したように同じ材料を用いた場合、扁平管１ａ、１ｂと板状フィン２ａ、２ｂのロウ付けが容易となる。また、扁平管１ａ、１ｂと板状フィン２ａ、２ｂの接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換性能が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。

また、扁平管１ａ、１ｂと板状フィン２ａ、２ｂを密着させる方法として、炉中ロウ付けを行う場合、板状フィン２ａ、２ｂ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。

また、実施の形態１、２で述べたフィンチューブ型熱交換器を室外機で用いた場合においても同様な効果を奏することができる。

なお、前述した実施の形態１、２で述べたフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた冷凍サイクル装置については、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かかわらず、どんな冷凍機油についても、その効果を達成することができる。

また、実施の形態１、２では、フィンチューブ型熱交換器を２列として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば空気の流れ方向にフィンチューブ型熱交換器を３列並べるようにしてもよい。その場合、実施の形態１、２で述べた板状フィン２ａを１列目と２列目の板状フィンとし、板状フィン２ｂを３列目の板状フィンとして用いる。

本発明のフィンチューブ型熱交換器の活用例として、露飛びし難く、熱交換性能を向上し、省エネルギ性能を向上することが必要なヒートポンプ装置に使用することができる。

１ａ、１ｂ 扁平管、２ａ、２ｂ 板状フィン、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ スリット、４ａ、４ｂ 切欠部、５ 凝縮水、６ 流路、ａ、ｂ、ｃ、ｄ スリットの幅、ｅ１、ｅ２ ベースフィン部の幅、Ｌｐ１、Ｌｐ２ 板状フィンの幅、Ｄｐ 扁平管の中心間の長さ、３１ 圧縮機、３２ 室外熱交換器、３３ 絞り装置、３４ 室内熱交換器、３５ 送風ファン、３６ ファンモーター、３７ 冷媒管。

Claims (3)

1. 気体の流れ方向に複数隣接して配列され、それぞれ、気体の流れ方向と直交する方向に間隙を有して積層された板状フィンと、前記板状フィンの積層方向に挿入された複数の作動流体通過用の扁平管とを有するフィンチューブ型熱交換器において、
   気体の流れ方向の上流側に配列された板状フィンの扁平管の間の部分に、気体の流れ方向に設けられた切り起こしによる複数のスリットと、
   気体の流れ方向の最下流側に配列された板状フィンの扁平管の間の部分に、気体の流れ方向に設けられた切り起こしによる複数のスリットと
   を備え、
   気体の流れ方向の上流側に配列された板状フィンの扁平管の間の部分に設けられた複数のスリットは、気体の流れ方向の長さが略同じで、その長さと前記複数のスリット間の間隔の長さとが略同じ長さに形成され、
   気体の流れ方向の最下流側に配列された板状フィンの複数のスリットのうち、上流側に位置するスリットは、気体の流れ方向の上流側に配列された板状フィンの複数のスリットの気体の流れ方向の長さと略同じ長さに形成され、下流側に位置するスリットは、当該スリットの後縁部が前記扁平管の後縁部よりも上流側に位置するように、前記上流側に位置するスリットの気体の流れ方向の長さよりも短く形成され、
   最下流側に配列された板状フィンは、前記扁平管の後縁部から当該板状フィンの後縁部までの長さが、その板状フィンの上流側に配列された板状フィンの扁平管の後縁部から当該板状フィンの後縁部までの長さよりも長く形成されて、前記上流側に配列された板状フィンの気体の流れ方向の長さよりも長いことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 最下流側の板状フィンにおいて、最下流側に位置するスリットの長さを、そのスリットより上流側に位置するスリットの長さの１／２〜１／３とす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. 少なくとも圧縮機、室外熱交換器、絞り装置及び室内熱交換器を備え、前記室外熱交換器あるいは室内熱交換器又はその両方に、請求項１又は２記載のフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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