JP6289729B2 - フィンアンドチューブ型熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、扁平管を用いたフィンアンドチューブ型熱交換器、特に着霜耐力を損なうことなく、結露水の排出を改善できるフィンアンドチューブ型熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来のこの種のフィンアンドチューブ型熱交換機は、管の断面形状が扁平状である伝熱管すなわち扁平管を用い、板状フィン表面には山部と谷部が交互に並んで形成される伝熱促進部を備えることにより、伝熱を促進している（例えば、特許文献１参照）。

また、板状フィン表面の伝熱促進部に、気体の流れに対して風上側を開口するような切込みを備えることにより、板状フィン表面に発生する凝縮水の排水を促進しているものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−１６３３１８号公報（図１０、図１１） 特開２０１４−３５１２２号公報（請求項１、図２、図３）

従来のフィンアンドチューブ型熱交換機、すなわち扁平管と板状フィンの組合せにおいては、扁平管が平らな形状であるため、扁平管の表面と板状フィンの表面とに発生する凝縮水が扁平管の上面と板状フィンの表面とに滞留することに加え、水の表面張力により、扁平管の下面にも水が保持される。このため、扁平管の表面を流れる気体と扁平管内の流体との間の熱抵抗の増加、及び通風抵抗の増加を生じさせ、熱交換効率が著しく損なわれるという問題があった。

また、冷凍サイクル装置、例えば空気調和機において、暖房運転時に蒸発器となる室外機の室外熱交換器では、霜が付き易い状態となる。そして、気体の流れに対して風上側が開口する切込みを導水経路として凝縮水の排水を促進する場合、温度境界層の前縁効果で霜が切込みに偏着霜する。このため、通風抵抗が増加し、暖房能力が損なわれるという問題があった。
ここで、温度境界層の前縁効果とは、流れ内に平板を置いたときに、平板の前縁（ここでは、切込みの風上側の開口のエッジ）では境界層の厚さが薄く、下流に行くにしたがって厚くなり、平板の前縁部分（切込みの風上側の開口のエッジ部分）において熱伝達率が良好で、熱伝達が促進される効果をいう。

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、着霜耐力を損なうことなく伝熱管と板状フィン表面の排水を促進することができるフィンアンドチューブ型熱交換器及びこれを備えた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アンドチューブ型熱交換器は、間隔を有して積層された長方形状の板状フィンと、積層された板状フィンへ直角に挿入され、板状フィンの長手方向に沿って複数段設けられた扁平管とを備え、板状フィンには、隣接する扁平管の間の領域に、稜線が当該板状フィンの長手方向へ延びる山部と谷部とが交互に並んで形成される伝熱促進部を備えるとともに、隣接する板状フィン間の隙間であるフィンピッチを確保するための折返し部が設けられており、伝熱促進部には、山部の風下側に、板状フィンの表裏を連通する切込みが形成され、折返し部は、先端が鋭角に形成され、この鋭角に形成された先端の位置が、隣接する板状フィンの伝熱促進部の切込みの位置と少なくとも一箇所は一致しているものである。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張手段、及び蒸発器を備え、これらが冷媒配管によってループ状に接続されて冷媒回路を構成し、冷媒回路内には冷媒を充填してなる冷凍サイクル装置であって、蒸発器として前記フィンアンドチューブ型熱交換器を用いたものである。

本発明に係るフィンアンドチューブ型熱交換器においては、板状フィンには、隣接する扁平管の間の領域に、稜線が当該板状フィンの長手方向へ延びる山部と谷部とが交互に並んで形成される伝熱促進部を備えるとともに、隣接する板状フィン間の隙間であるフィンピッチを確保するための折返し部が設けられており、伝熱促進部には、山部の風下側に、板状フィンの表裏を連通する切込みが形成され、折返し部は、先端が鋭角に形成され、この鋭角に形成された先端の位置が、隣接する板状フィンの伝熱促進部の切込みの位置と少なくとも一箇所は一致しているので、扁平管下面と板状フィンの切込み近傍で発生した凝縮水が、切込みの毛管現象により、切込みを伝って下方向へ導水され、排水が促進される。このため、通風抵抗の増大が抑制され、伝熱性能が改善される。
さらに、板状フィンの伝熱促進部の山部の風下側に形成した切込みには、風が当たりにくく、気流の混合撹拌が抑制される。このため、通風抵抗の増加が抑制される。このため、切込みの温度境界層の前縁効果が抑制され、霜が切込みの風上側の端部に偏着霜することが抑制される。
また、扁平管の下面に滞留する凝縮水は、板状フィンの折返し部とその先端を通じて、隣の板状フィンの伝熱促進部の切込みへ導水される。このため、板状フィンの折返し部を導水経路とすることで、より優れた排水性能を得ることができ、伝熱性能を向上させることができる。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、蒸発器として前記のフィンアンドチューブ型熱交換器を用いたので、偏着霜を防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の斜視図である。 図１のフィンアンドチューブ型熱交換器に用いられる板状フィンの扁平管貫通部を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の実施の形態２に係るフィンアンドチューブ型熱交換器に用いられる板状フィンの扁平管貫通部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るフィンアンドチューブ型熱交換器に用いられる板状フィンの扁平管貫通部を示す平面図である。 図４のＢ−Ｂ線方向から見た板状フィンの扁平管貫通部を示す側面図である。 本発明の実施の形態１と２に係る冷凍サイクル装置の一例である空気調和機を示す冷媒回路図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るフィンアンドチューブ型熱交換器の斜視図である。図２は図１のフィンアンドチューブ型熱交換器に用いられる板状フィンの扁平管貫通部を示す平面図である。図３は図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
本実施の形態１のフィンアンドチューブ型熱交換器（以下、単に「熱交換器」という）１は、図１〜図３に示すように、多数平行に配置され、その間を気体が流動する長方形状の複数の板状フィン２と、これら板状フィン２の切欠き部２０に直角に挿入されるとともに、板状フィン２の長手方向（＝段方向）に沿って複数段設けられ、内部に作動流体が通過する断面形状が扁平状である伝熱管（以下「扁平管」という）３とを有する。

板状フィン２は、伝熱促進部６を有する。伝熱促進部６は、板状フィン２の長手方向、つまりフィン面に沿い風向きに対して直交する方向に稜線が延びる複数並列された山部４と、各山部４間に形成された谷部５とを有し、これら山部４と谷部５とが風向き方向に交互に並んで波形に形成されている。また、伝熱促進部６は、各山部４の風下側にそれぞれ板状フィン２の表裏を連通する切込み７が形成されている。山部４と谷部５は、例えば絞り加工により成形することができる。なお、図２中の符号８は扁平管３の下面、９は扁平管３の上面、１０は板状フィン２の前縁部、１１は切込み７の上端部、１２は切込み７の風上側の端部、１５は切込み７の下端部である。

次に、前記のようなフィンアンドチューブ型熱交換器を有する冷凍サイクル装置の一例を説明する。図７は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の一例である空気調和機を示す冷媒回路図である。
この空気調和機は、図７に示すように、圧縮機５０１と、四方弁５０２と、室外機に搭載された室外側熱交換器５０３と、膨張手段である膨張弁５０４と、室内機に搭載された室内側熱交換器５０５とが順次配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。

四方弁５０２は、冷媒回路内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う。なお、冷房専用または暖房専用の空気調和機とする場合には、四方弁５０２を省略してもよい。

室外側熱交換器５０３は、前記フィンアンドチューブ型熱交換器である熱交換器１に相当するものであり、冷房運転の際には、冷媒の熱で気体（外気）を加熱する凝縮器として機能し、暖房運転の際には、冷媒を蒸発させ、その気化熱で気体（外気）を冷却する蒸発器として機能する。

圧縮機５０１は、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する。

膨張弁５０４は、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する。

次に、本実施の形態１の熱交換器１の動作について図１〜図３及び図７に基づき説明する。
以上のように構成された熱交換器１において、熱交換器１を気体（外気）の冷却機（蒸発器）として用いたとき、板状フィン２と扁平管３の下面８に生じる凝縮水は、伝熱促進部６の山部４の風下側に形成された切込み７の毛管現象により、切込み７を伝って下方向へ導水される。

また、切込み７は板状フィン２の表裏に連通する形で形成されているため、凝縮水が切込み７を伝って流れ落ちる際に、板状フィン２の表裏に付着する凝縮水が切込み７を通じて集まり、重力による下方向への流れが促進される。

切込み７を伝って流れ落ちた凝縮水は、扁平管３の上面９に滞留した後、一定量の凝縮水が溜まると板状フィン２の前縁部１０を伝って流れ落ちる。また、一部の凝縮水は、表面張力により、扁平管３の下面８に滞留する。扁平管３の下面８に回り込んだ凝縮水は、板状フィン２の伝熱促進部６の山部４に形成された切込み７によって導水される。

伝熱促進部の切込み７は、伝熱促進部６の山部４の稜線よりも気体の通過する方向に対して風下側に位置しているため、風が当たりにくく、気流の混合撹拌が抑制される。このため、通風抵抗の増加が抑制される。このため、空気調和機の暖房運転時に霜が付き易い室外機の室外側熱交換器５０３（＝熱交換器１）において、切込み７の温度境界層の前縁効果が抑制され、霜が切込み７の風上側の端部１２に偏着霜することが抑制される。

扁平管３の下面８と切込み７の上端部１１との間の距離は、近い方がより優れた排水促進効果が得られるが、切込み７の位置は特に限定されない。切込み７の下端部１５と扁平管３の上面９が近い場合は、毛管現象により、切込み７に凝縮水が吸い上げられ、排水が阻害される。このため、切込み７の下端部１５と扁平管３の上面９との間の距離は、凝縮水が扁平管３の上面９に滞留しても切込み７に凝縮水が吸い上げられることなく流れだすことができる距離とするのが良い。また、扁平管３の下面８と切込み７の上端部１１との間の距離、及び切込み７の下端部１５と扁平管３の上面９との間の距離が短いと、切欠き部２０や伝熱促進部６の加工が難しくなる。そのため、本実施の形態１の熱交換器１においては、扁平管３の下面８と切込み７の上端部１１との間、及び切込み７の下端部１５と扁平管３の上面９との間に、非加工部２１，２２を設けている。これによって、凝縮水が扁平管３の上面９に滞留しても切込み７に凝縮水が吸い上げられるようなことがなくなり、また伝熱促進部６の加工性を確保している。

以上のように、本実施の形態１の熱交換器１は、板状フィン２の伝熱促進部６の各山部４の風下側にそれぞれ板状フィン２の表裏を連通する排水経路となる切込み７を形成しているので、円滑に凝縮水を排水することができ、伝熱性能を向上させることができる。さらに、この熱交換器１を冷凍サイクル装置（例えば空気調和機の室外機）に備えさせることで、暖房運転時における偏着霜を防ぐこともできる。このため、暖房能力の低下を抑制することができる。

以上の実施の形態１では、板状フィン２の切込み７のみを利用して排水を促進するようにしたものであるが、さらにフィンピッチを確保するための板状フィン２の折返し部１３を有する熱交換器の場合に、より優れた排水効果を得ることができる。これを、次の実施の形態２によって説明する。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係るフィンアンドチューブ型熱交換器に用いられる板状フィンの扁平管貫通部を示す斜視図である。図５は本発明の実施の形態２に係るフィンアンドチューブ型熱交換器に用いられる板状フィンの扁平管貫通部を示す平面図である。図６は図４のＢ−Ｂ線方向から見た板状フィンの扁平管貫通部を示す側面図である。なお、各図中前述の実施の形態１に相当する部分には同一符号を付してある。また、説明に当たっては前述の図１を参照するものとする。
本発明の実施の形態２に係るフィンアンドチューブ型熱交換器すなわち熱交換器１は、図４〜図６に示すように、隣接する板状フィン２間の隙間であるフィンピッチ（ＦＰ）を確保するために、板状フィン２に先端が鋭角な（例えば三角形状の）折返し部１３が形成されている。折返し部１３は、三角形状の先端１４の位置が隣の板状フィン２における伝熱促進部６の切込み７の位置と少なくとも一箇所は一致するように配置されている。

これを更に詳述すると、折返し部１３は、板状フィン２における山部４及び谷部５とその上下に配置される扁平管３との間に設けられている非加工部２１，２２から延出する折り曲げ片によって構成される。板状フィン２は積層されており、隣合う板状フィン２ａ，２ｂとは折返し部１３ａ，１３ｂが当接して所定の間隔を保持することができる。扁平管３の下面８に位置する板状フィン２ａの伝熱促進部６ａの折返し部１３ａの先端１４ａの位置は、隣の板状フィン２ｂの伝熱促進部６ｂの切込み７の位置と少なくとも一箇所は一致している。板状フィン２ｂの折返し部１３ｂの先端１４ｂの位置についても同様である。それ以外の構成については、前述の実施の形態１の熱交換器１と同様であるので説明を省略する。

次に、本実施の形態２の熱交換器１の動作について図４〜図６及び図７に基づき説明する。
以上のように構成された熱交換器１においても、熱交換器１を気体（外気）の冷却機（蒸発器）として用いたとき、板状フィン２と扁平管３の下面８に生じる凝縮水は、伝熱促進部６の山部４の風下側に形成された切込み７の毛管現象により、切込み７を伝って下方向へ導水される。

また、本実施の形態２の熱交換器１においても切込み７は板状フィン２の表裏に連通する形で形成されているため、凝縮水が切込み７を伝って流れ落ちる際に、板状フィン２の表裏に付着する凝縮水が切込み７を通じて集まり、重力による下方向への流れが促進される。

また、本実施の形態２の熱交換器１においても切込み７を伝って流れ落ちた凝縮水は、扁平管３の上面９に滞留した後、一定量の凝縮水が溜まると板状フィン２の前縁部１０を伝って流れ落ちる。また、一部の凝縮水は、表面張力により、扁平管３の下面８に滞留する。扁平管３の下面８に回り込んだ凝縮水は、板状フィン２の伝熱促進部６の山部４に形成された切込み７によって導水される。

また、本実施の形態２の熱交換器１においても扁平管３の下面８と切込み７の上端部１１との間の距離は、近い方がより優れた排水促進効果が得られるが、切込み７の位置は特に限定されない。切込み７の下端部１５と扁平管３の上面９が近い場合は、毛管現象により、切込み７に凝縮水が吸い上げられ、排水が阻害される。このため、切込み７の下端部１５と扁平管３の上面９との間の距離は、凝縮水が扁平管３の上面９に滞留しても切込み７に凝縮水が吸い上げられることなく流れだすことができる距離とするのが良い。

また、本実施の形態２の熱交換器１においても伝熱促進部の切込み７は、伝熱促進部６の山部４の稜線よりも気体の通過する方向に対して風下側に位置しているため、風が当たりにくく、気流の混合撹拌が抑制される。このため、通風抵抗の増加が抑制される。このため、空気調和機の暖房運転時に霜が付き易い室外機の室外側熱交換器５０３（＝熱交換器１）において、切込み７の温度境界層の前縁効果が抑制され、霜が切込み７の風上側の端部１２に偏着霜することが抑制される。

特に、本実施の形態２の熱交換器１においては、扁平管３の下面８に位置する板状フィン２ａの三角形状の折返し部１３ａの先端１４ａと、隣の板状フィン２ｂの伝熱促進部６の切込み７の位置を一致させている。このため、扁平管３の下面８に滞留する凝縮水は、板状フィン２ａの折返し部１３ａとその先端１４ａを通じて、隣の板状フィン２ｂの伝熱促進部６ｂの切込み７へ導水される。なお、排水促進効果を得るには、扁平管３の下面８に位置する板状フィン２ａの折返し部の先端１４ａの位置と、隣の板状フィン２ｂの伝熱促進部６ａの切込み７の位置を必ず一致させる必要はなく、少なくとも一箇所を一致させればよい。

以上のように、本実施の形態２の熱交換器１は、板状フィン２に排水経路となる切込み７を形成しているので、円滑に凝縮水を排水することができ、伝熱性能を向上させることができる。また、この熱交換器１を冷凍サイクル装置（例えば空気調和機の室外機）に備えさせることで、暖房運転時における偏着霜を防ぐこともできる。このため、暖房能力の低下を抑制することができる。さらに、板状フィン２の折返し部１３を導水経路とすることで、より優れた排水性能を得ることができ、伝熱性能を向上させることができる。

１ 熱交換器（フィンアンドチューブ型熱交換器）、２，２ａ，２ｂ 板状フィン、３
扁平管（伝熱管）、４ 山部、５ 谷部、６，６ａ，６ｂ 伝熱促進部、７ 切込み、８ 下面、９ 上面、１０ 前縁部、１１ 上端部、１２ 風上側の端部、１３，１３ａ，１３ｂ 折返し部、１４，１４ａ，１４ｂ 先端、１５ 下端部、２０ 切欠き部、２１，２２ 非加工部、５０１ 圧縮機、５０２ 四方弁、５０３ 室外側熱交換器、５０４ 膨張弁、５０５ 室内側熱交換器。

Claims (3)

1. 間隔を有して積層された長方形状の板状フィンと、前記積層された板状フィンへ直角に挿入され、前記板状フィンの長手方向に沿って複数段設けられた扁平管とを備え、
   前記板状フィンには、隣接する扁平管の間の領域に、稜線が当該板状フィンの長手方向へ延びる山部と谷部とが交互に並んで形成される伝熱促進部を備えるとともに、隣接する前記板状フィン間の隙間であるフィンピッチを確保するための折返し部が設けられており、
   前記伝熱促進部には、前記山部の風下側に、前記板状フィンの表裏を連通する切込みが形成され、
   前記折返し部は、先端が鋭角に形成され、この鋭角に形成された先端の位置が、隣接する前記板状フィンの前記伝熱促進部の前記切込みの位置と少なくとも一箇所は一致しているフィンアンドチューブ型熱交換器。
2. 前記板状フィンにおける前記伝熱促進部の前記山部及び前記谷部と隣接する前記扁平管との間に、非加工部が設けられている請求項１記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
3. 少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張手段、及び蒸発器を備え、これらが冷媒配管によってループ状に接続されて冷媒回路を構成し、該冷媒回路内には冷媒を充填してなる冷凍サイクル装置であって、
   前記蒸発器として、請求項１又は２記載のフィンアンドチューブ型熱交換器を用いて成る冷凍サイクル装置。

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