JP6337742B2

JP6337742B2 - フィンチューブ熱交換器

Info

Publication number: JP6337742B2
Application number: JP2014224120A
Authority: JP
Inventors: 雅也本間; 欣公田積; 小川　修; 修小川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-11-04
Also published as: CN105571370B; EP3018439B1; CN105571370A; US20160123681A1; JP2016090122A; EP3018439A1; US10072898B2

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に用いられるフィンチューブ熱交換器に関する。

一般に、ヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、および蒸発器から構成され、それらが冷媒回路で順に接続されている。凝縮器や蒸発器がフィンチューブ熱交換器である場合、それらは所定間隔で並べられた複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。空気は、フィンとフィンとの間を流れて伝熱管の中の流体と熱交換する。

フィンチューブ熱交換器に用いられるフィンとして、例えば、特許文献１には、気流方向に沿って山部が１箇所にのみ現れるように成形されたフィンが開示されている。図１は、このフィンを示す平面図である。

図１において、フィン３１の並び方向を高さ方向Ｙ、前縁３０ａに平行な方向を段方向Ｚ、高さ方向Ｙおよび段方向Ｚに垂直な方向を気流方向（空気Ａの流れ方向）Ｘと定義する。

図１において、山部３４の稜線は段方向Ｚに平行である。すなわち、フィン３１は、一般的にコルゲートフィンと呼ばれるフィンである。このフィン３１は、平坦部３５、第１傾斜部３６および第２傾斜部３８を有している。平坦部３５は、フィンカラー３７に隣接している部分であって、貫通孔３７ｈ（図３参照）の周囲に形成された円環状の部分である。平坦部３５の表面は、気流方向Ｘに平行で高さ方向に垂直である。

第１傾斜部３６は、山部を形成するように気流方向Ｘに対して傾いた部分である。第１傾斜部３６は、フィン３１において最も広い面積を占有している。第１傾斜部３６は、段方向Ｚに平行かつ伝熱管２１の中心を通る基準線の左右に位置している。つまり、風上側の第１傾斜部３６と風下側の第１傾斜部３６とによって山部３４が形成されている。

第２傾斜部３８は、平坦部３５と第１傾斜部３６との間の高さの違いを解消するように、平坦部３５と第１傾斜部３６とを滑らかに接続している部分である。第２傾斜部３８の表面は緩やかな曲面で構成されている。

フィン３１は、気流方向Ｘにおいて、第１傾斜部３６を１対のみを有している。また、第１傾斜部３６および第２傾斜部３８は、中央平面Ｈｃから遠ざかるにつれて、正の高さ方向（高さ方向Ｙにおいて、平坦部３５からフィンカラー３７が突出している方向）に向かって単調に伸びている。このような構成により、気流の圧力損失を低減でき、着霜時の目詰まりを防止できるとしている。

特開２０１３−２２１６８２号公報

しかしながら、特許文献１のフィン３１では、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８によって形成される起伏によって気流の剥離が生じ、低外気温運転時にフィンへの着霜位置の偏りが生じてしまう。その結果、着霜時の伝熱性能が低下し、ヒートポンプ装置の能力およびヒートポンプ装置の有効運転時間の低下を招くという問題がある。

本発明は、ヒートポンプ装置の能力およびヒートポンプ装置の有効運転時間の低下を防止するフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れるように構成された伝熱管とを備え、前記フィンは、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記伝熱管と密着して前記貫通孔の周囲に形成された円筒状のフィンカラーと、前記フィンカラーの周囲に形成された平坦部と、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成され、前記気流方向における前記第１傾斜部の上流端から下流端までの距離をＳ１、前記気流方向における前記平坦部の上流端から下流端までの距離をＤ１、前記気流方向における前記第１傾斜部の上流端と下流端に前記山部の頂点側と反対側から接する平面を基準平面、前記気流方向における前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記気流方向における前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２、前記基準平面から前記平坦部までの距離をα、一の前記フィンの前記基準平面と前記山部の頂点側に隣接する他の前記フィンの前記基準平面との間の距離をＬ、と定義したとき、前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合に、0° ≦ θ2 ＜ tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]の関係を満足し、前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と反対側にある場合に、0° ＜ θ2 ＜ tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]の関係を満足し、かつ、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度が前記段方向から前記気流方向に向かうに従い減少し、前記気流方向において最小となる構成を採る。

本発明によれば、ヒートポンプ装置の能力およびヒートポンプ装置の有効運転時間の低下を防止できる。

従来のフィンの一例を示す平面図本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ熱交換器の一例を示す斜視図本発明の実施の形態１に係るフィンの一例を示す平面図従来のフィンが図３の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図本発明の実施の形態１に係るフィンが図３の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図本発明の実施の形態１に係るフィンの斜視図本発明の実施の形態１の変形例に係るフィンが図３の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図本発明の実施の形態２に係るフィンの一例を示す平面図本発明の実施の形態２に係るフィンが図８の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図本発明の実施の形態２に係るフィンの斜視図２つの山部を備えたコルゲートフィンの断面図本発明の実施の形態に係るフィンおよび従来技術に係るフィンの斜視図本発明の実施の形態に係るフィンおよび従来技術に係るフィンの仕様を示す図本発明の実施の形態に係るフィンおよび従来技術に係るフィンの解析条件である物性値、境界条件、解析設定を示す図本発明の実施の形態に係るフィンおよび従来技術に係るフィンの解析結果である熱伝導率と圧力損失の関係を示すグラフ本発明の実施の形態に係るフィンおよび従来技術に係るフィンの解析結果である気流の流れを示す流線図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の各実施の形態によって限定されるものではない。

（実施の形態１）
図２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１００の一例を示す斜視図である。このフィンチューブ熱交換器１００は、主にヒートポンプ装置に用いられるものであり、凝縮器や蒸発器として作用する。以下では例として、フィンチューブ熱交換器１００が用いられるヒートポンプ装置は、暖房装置に用いられるとする。

なお以下では、図２に示すように、空気Ａの流れ方向を気流方向Ｘ、フィン３２の並び方向を高さ方向Ｙ、フィン３２の長手方向を段方向Ｚと定義する。言い換えれば、段方向Ｚは、高さ方向Ｙと気流方向Ｘとの両方向に垂直な方向である。

図２に示すように、フィンチューブ熱交換器１００は、空気Ａ（気体）の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィン３２と、これらのフィン３２を貫通する伝熱管２１とを備えている。

フィンチューブ熱交換器１００は、伝熱管２１の内部を流れる媒体Ｂと、フィン３２の表面に沿って流れる空気Ａとの間で熱交換がなされるように構成されている。媒体Ｂは、例えば、二酸化炭素、ハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。伝熱管２１は、１本につながっていてもよいし、複数本に分かれていてもよい。

フィン３２は、長方形かつ平板の形状であり、前縁３０ａおよび後縁３０ｂを有する。前縁３０ａおよび後縁３０ｂは、それぞれ、直線状である。本実施の形態では、伝熱管２１の中心に関してフィン３２が左右対称の構造を有しており、かつ、フィン３２には上下の区別も存在しない。従って、フィンチューブ熱交換器１００を組み立てるときに、フィン３２の方向を考慮する必要がないので、組み立て作業が容易となる。

本実施の形態において、フィン３２は一定の間隔（以下、フィンピッチという）で並べられている。フィンピッチは、例えば、１．０〜２．０ｍｍの範囲に調整されうる。フィンピッチは、図２に示すように、隣り合う２つのフィン３２の距離Ｌで表される。なお、距離（フィンピッチ）Ｌは、必ずしも一定である必要はなく、異なっていてもよい。

図３は、本発明の実施の形態１に係るフィン３２の一例を示す平面図である。図３では例として、フィン３２の一部分を示している。

図３に示すように、前縁３０ａを含む一定幅の部分および後縁３０ｂを含む一定幅の部分は、気流方向Ｘに平行である。ただし、これらの部分は、成形時にフィン３２を金型に固定するために使用される部分であり、フィン３２の性能に大きな影響を及ぼすものではない。

フィン３２の材料として、打ち抜き加工された肉厚０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に使用できる。フィン３２の表面にベーマイト処理、親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。親水性処理に代えて、撥水処理を行うことも可能である。

フィン３２には、複数の貫通孔３７ｈが段方向Ｚに沿って一列かつ等間隔で形成されている。複数の貫通孔３７ｈのそれぞれに伝熱管２１が嵌められている。

また、貫通孔３７ｈの周りには円筒状のフィンカラー３７がフィン３２の一部によって形成されており、このフィンカラー３７と伝熱管２１とが密着している。貫通孔３７ｈの直径は、例えば１〜１０ｍｍである。

貫通孔３７ｈの直径は、伝熱管２１の外径に一致している。段方向Ｚにおいて互いに隣り合う２つの貫通孔３７ｈの距離（管ピッチ）は、例えば、貫通孔３７ｈの直径の２〜３倍である。また、気流方向Ｘにおけるフィン３２の長さは、例えば１５〜２５ｍｍである。

図３に示すように、フィンカラー３７の突出方向と同じ方向に突出している部分を山部３３と定義する。本実施の形態では、気流方向Ｘにおいて１つの山部３３のみを有する。

山部３３の稜線は、段方向Ｚに平行である。すなわち、フィン３２は、コルゲートフィンと呼ばれるフィンである。気流方向Ｘにおいて、山部３３の位置は伝熱管２１の中心Ｏの位置に一致している。

フィン３２は、さらに、平坦部３５、第１傾斜部３６および第２傾斜部３８を有する。平坦部３５は、フィンカラー３７に隣接している部分であって、貫通孔３７ｈの周囲に形成された円環状の部分である。平坦部３５の表面は、気流方向Ｘに平行で高さ方向Ｙに垂直である。

第１傾斜部３６は、山部３３を形成するように気流方向Ｘ（平坦部３５の表面）に対して傾いた部分である。第１傾斜部３６は、フィン３２において最も広い面積を占有している。第１傾斜部３６の表面は平坦である。

第１傾斜部３６は、基準線（段方向Ｚに平行で、かつ、伝熱管２１の中心Ｏを通る直線）の左右に位置している。図３の例では、基準線の左側（風上側）に第１傾斜部３６ａが位置しており、基準線の右側（風下側）に第１傾斜部３６ｂが位置している。そして、第１傾斜部３６ａと第１傾斜部３６ｂにより、山部３３が形成されている。

第２傾斜部３８も、第１傾斜部３６と同様に、上述した基準線の左右に位置している。図３の例では、基準線の左側（風上側）に第２傾斜部３８ａが位置しており、基準線の右側（風下側）に第２傾斜部３８ｂが位置している。

第２傾斜部３８と平坦部３５は、フィンカラー３７および貫通孔３７ｈの周囲に凹状の部分を形成している。

境界線部３８ｐ、３８ｑは、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８とによって形成される境界線の部分（山状の部分）である。境界線部３８ｐは基準線の左側（風上側または上流側）に位置しており、境界線部３８ｑは基準線の右側（風下側または下流側）に位置している。

本実施の形態のフィンは、従来のフィンと比べ、伝熱性能、圧力損失および着霜性能の点で優れている。その理由について、図４〜図６を用いて以下に説明する。図４は、従来のフィン３２を図３の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断した場合の断面を示す断面図である。図５は、本実施の形態のフィン３２を図３の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断した場合の断面を示す断面図である。図６は、本実施の形態のフィン３２の斜視図である。

まず、図４を用いて従来のフィン３２について説明する。図４において、気流方向Ｘにおける第１傾斜部３６の上流端と下流端に山部３３の頂点側と反対側から接する平面を基準平面Ｈ１と定義する。また、基準平面Ｈ１と、山部３３の頂点側に隣接する他のフィン３２の基準平面Ｈ１との間の距離（すなわち、フィンピッチ）をＬと定義する。また、基準平面Ｈ１と、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８との境界線部３８ｐまたは３８ｑとの間の距離をＨ２と定義する。

図４に示すように、従来のフィン３２では、距離Ｈ２が距離Ｌより長いため、境界線部３８ｐ、３８ｑにおける折り返し部分（折れ曲がり部分ともいう）の角度が急峻であり、気流方向Ｘに平行な流路（後述する図５の隙間４１）が確保されていない。

よって、空気Ａの気流３９は、境界線部３８ｐ、３８ｑの折り返し部分に衝突し、フィン３２の表面に沿って滑らかに流れないので、上記折り返し部分において気流３９の剥離が生じる。

例えば、フィン３２がヒートポンプ装置の室外側の熱交換器に使用され、フィン３２に着霜が生じる場合において、上述したように気流３９が境界線部３８ｐ、３８ｑの折り返し部分に衝突すると、その部分に霜４０が付着する。これは、折り返し部分の熱伝達率が高いためである。

このように折り返し部分に偏って霜４０が付着すると、霜４０による熱抵抗が大きくなり、気流３９が衝突することによる熱伝達率の急激な低下を招き、熱交換器全体の性能も急激に低下する。

熱交換器全体での性能が低下すると、熱交換器能力を発揮するために、蒸発器の冷媒温度を低下させて冷媒と空気の温度差を取る必要が生じ、さらに着霜を促進させてしまう。この着霜の促進によって、風量の低下による熱交換器能力の低下、暖房能力や暖房運転の有効時間の低下を招いてしまう。

次に、図５、図６を用いて本実施の形態のフィン３２について説明する。図５では、図４と同様の定義である基準平面Ｈ１、距離Ｌ、距離Ｈ２が示されている。また、図５において、気流方向Ｘにおける基準平面Ｈ１と第１傾斜部３６ａまたは第１傾斜部３６ｂとのなす角度をθ１と定義する。また、気流方向Ｘにおける基準平面Ｈ１と第２傾斜部３８ａまたは第２傾斜部３８ｂとのなす角度をθ２と定義する。また、気流方向Ｘにおける第１傾斜部３６の上流端から下流端間までの距離をＳ１と定義する。また、平坦部３５の直径をＤ１と定義する。また、基準平面Ｈ１から平坦部３５までの距離をαと定義する。

ここで、平坦部３５は、基準平面Ｈ１よりも上方に位置する場合も下方に位置する場合もある。また、平坦部３５の高さが、基準平面Ｈ１の高さと一致する場合もある。この場合、αは０となる。

図５に示すように、本実施の形態のフィン３２では、距離Ｈ２が距離Ｌより短いため、境界線部３８ｐ、３８ｑにおける折り返し部分の角度が緩やかであり、気流方向Ｘに平行な流路である隙間４１が確保されている。

隙間４１は、境界線部３８ｐまたは境界線部３８ｑと、フィン３２の山部３３の頂点側に隣接する他のフィン３２の基準平面Ｈ１との間に形成されている。なお、距離Ｈ３は、境界線部３８ｐまたは境界線部３８ｑと、フィン３２の山部３３の頂点側に隣接する他のフィン３２の基準平面Ｈ１との間の距離を示している。

隙間４１は、上述したとおり、距離Ｈ２が距離Ｌよりも短い場合に生じる。ここで、隙間４１が形成されるための条件について、以下に説明する。

まず、距離Ｈ２は、
H2={(S1-D1)/2±α/tanθ2}/(1/tanθ1+1/tanθ2)
で表される。

そして、距離Ｈ２が距離Ｌとちょうど等しくなるとき、距離Ｌは、
{(S1-D1)/2±α/tanθ2}/(1/tanθ1+1/tanθ2)
と表される。

これより、角度θ２の正接は、
tanθ2=(L±α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}
で表されるので、角度θ２の上限である（換言すれば、距離Ｈ２が距離Ｌと等しくなる）閾値角度θ２Ｕは、以下の式（１）で表される。
θ2U=tan^-1[(L±α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]・・・（１）

よって、本実施の形態のフィン３２は、上記式（１）を満足するように構成される。

例えば、平坦部３５が、基準平面Ｈ１に関して山部３３の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合には、
0°≦ θ2 ＜ tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
の関係を満足するように構成される。

また、例えば、平坦部３５が、基準平面Ｈ１に関して山部３３の頂点側と反対側にある場合には、
0°＜ θ2 ＜ tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
の関係を満足するように構成される。

よって、本実施の形態のフィン３２では、空気Ａの気流３９が、境界線部３８ｐ、３８ｑの折り返し部分に衝突することなく流れる領域が少なくとも形成され、フィン３２の表面に沿って滑らかに流れるので、上記折り返し部分において気流３９の剥離が生じにくくなる。

例えば、フィン３２がヒートポンプ装置の室外側の熱交換器に使用され、フィン３２に着霜が生じる場合において、上述したように気流３９がフィン３２の表面に沿って滑らかに流れると、霜４０はフィン３２の表面上に平均的に付着する（換言すれば、着霜位置の偏りが起こらない）。

よって、熱伝達率の急激な低下を抑制することができるため、熱交換器全体の性能の急激な低下を抑制できる。その結果、着霜の促進を遅らせることができ、熱交換器能力の低下、暖房能力や暖房運転の有効時間の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態のフィン３２は、図６に示すように、基準平面Ｈ１と第２傾斜部３８ａまたは第２傾斜部３８ｂとのなす角度が段方向Ｚから気流方向Ｘに向かうに従い減少し、気流方向Ｘにおいて最小（角度θ２）となるように構成される。

これにより、隙間４１の距離Ｈ３をより長く確保でき、気流３９がフィンカラー３７に直接衝突する面積を大きくすることができる。また、気流３９が伝熱管２１周りの平坦部３５に沿って流れるため、熱交換器の性能が向上する。

さらに、フィンカラー３７衝突後の気流３９が平坦部３５周りの第２傾斜部３８に沿って流れやすくなるため、フィンカラー３７後方の死水域を低減でき、熱交換器の性能が向上する。

なお、本実施の形態のフィン３２は、図５、図６に示す形状に限定されず、例えば、図７に示す形状であってもよい。図７は、本実施の形態の変形例に係るフィン３２が図３の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図である。

図７では、図５と比べて、第２傾斜部３８ａ、３８ｂの幅を短くし、平坦部３５の気流方向Ｘにおける長さを長くしている。これにより、気流方向Ｘに対して平坦部３５が占める領域が増加するため、気流３９がより平坦部３５に沿って滑らかに流れるようになる。よって、フィン３２の表面上に霜４０がより平均的に付着するため、図５と比べて、熱伝達率の急激な低下を抑制でき、その結果、熱交換器全体の性能の急激な低下を抑制できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るフィン３２について、図８〜図１０を用いて以下に説明する。図８は、本実施の形態に係るフィン３２の一例を示す平面図である。また、図９は、本実施の形態のフィン３２を図８の線Ｂ−Ｂに沿った面で切断した場合の断面を示す断面図である。図９は、本実施の形態のフィン３２の斜視図である。図８〜図１０に示す各部には、上記実施の形態１で説明した図３、図５、図６の各部と同一の符号を付している。以下では、図８〜図１０に示す各部のうち、実施の形態１と異なる構成要素についてのみ説明する。

本実施の形態のフィン３２は、図８〜図１０に示すように、境界線部３８ｐの一部が前縁３０ａと同一面上にあり、かつ、境界線３８ｑの一部が後縁３０ｂと同一面上にある。すなわち、本実施の形態のフィン３２では、境界線３８ｐ、３８ｑと基準平面Ｈ１との間の距離Ｈ２がゼロとなる部分を設けている。

図８〜図１０に示すように、境界線部３８ｐの一部が前縁３０ａと同一面上にある部分、および、境界線３８ｑの一部が後縁３０ｂと同一面上にある部分では、第１傾斜部３６が存在せず、また、第２傾斜部３８ａ、３８ｂが、平坦となっている。よって、上記各部分では、距離Ｈ２、角度θ１、θ２がゼロとなる。

そして、距離Ｈ２がゼロの部分では、気流３９がフィン３２の表面に沿って流れやすくため、霜４０はフィン３２の表面上にさらに平均的に付着する。

よって、熱伝達率の急激な低下を抑制でき、熱交換器全体の性能の急激な低下をさらに抑制できる。その結果、着霜の促進を遅らせることができ、熱交換器能力の低下、暖房能力や暖房運転の有効時間の低下をさらに抑制することができる。

また、本実施の形態では、距離Ｈ２がゼロの部分において、気流の剥離を確実に防止することができるので、通風抵抗やファン動力の低減を実現できる。

また、本実施の形態のフィン３２では、気流３９がフィンカラー３７に直接衝突する面積をさらに大きくできる。これにより、気流３９が伝熱管２１周りの平坦部３５に沿って流れやすくなるため、熱交換器の性能がより向上する。

さらに、フィンカラー３７衝突後の気流３９が平坦部３５周りの第２傾斜部３８に沿って流れやすくなるため、フィンカラー３７後方の死水域を低減でき、熱交換器の性能がより向上する。

以上、本発明の実施の形態１、２について説明した。なお、本発明の実施の形態１、２に係るフィン３２は、図３、図５〜図１０に示すように、山部３３を１つ備えた形状としている。その理由について、図１１を用いて以下に説明する。図１１は、山部３３の数が２つのコルゲートフィンの一例を示す断面図である。

実施の形態１、２で説明した山部３３が１つのコルゲートフィンと図１１に示す山部３３が２つのコルゲートフィンとにおいて角度θ２が同じである場合、山部３３が１つのコルゲートフィンでは、山部３３が２つのコルゲートフィンと比べ、通風抵抗が小さくなる。その理由は、山部３３の数が少ないので、気流が折れ曲がる回数が少なくなり、折り返し部分への衝突による抵抗が減少するからである。

また、山部３３が１つのコルゲートフィンでは、複数の山部３３を有するコルゲートフィンに比べて気流が剥離する回数を低減することができる。したがって、着霜位置の偏りが起こらなくなり、熱交換器能力の低下、暖房能力や暖房運転の有効時間の低下を確実に抑制できる。このようなことから、本発明の実施の形態１、２に係るフィン３２は、山部３３を１つのみ有する形状としている。

なお、上記実施の形態１、２では、フィンチューブ熱交換器１００が用いられるヒートポンプ装置は暖房装置に用いられるとしたが、これに限定されない。例えば、フィンチューブ熱交換器１００が適用されるヒートポンプ装置は、空気調和装置または給湯装置に用いられてもよい。

次に、上述した本発明の実施の形態に係るフィンと、従来のフィンとの比較例について、図１２〜図１６を用いて説明する。

ここでは例として、図１２Ａに示す従来のフィン４１と、図１２Ｂに示す本発明の実施の形態に係るフィン３２との比較について説明する。

図１２Ｂに示すフィン３２は、図８に示したフィンと同様に、以下の式を満足するように構成される。
0°≦ θ2 ＜ tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]

また、図１２Ｂに示すフィン３２では、基準平面と第２傾斜部３８とのなす角度が段方向Ｚから気流方向Ｘに向かうに従い減少し、気流方向Ｘにおいて最小値０となる。ここで、基準平面とは、図４を用いて説明した基準平面Ｈ１と同様のものである。

なお、図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、図８と同一の構成要素には、同一符号を付している。また、図１２Ａ、図１２Ｂでは、フィンカラー３７の内側に密着して設けられる伝熱管２１の図示を省略している。

図１３は、フィン４１とフィン３２の仕様を示す図である。図１３に示すように、フィン４１とフィン３２において、伝熱管列数、山部の数、フィン幅、フィンピッチ、フィン厚み、伝熱管ピッチ、伝熱管外径、第１傾斜部３６ａ、３６ｂの傾斜角を同じ値とし、第２傾斜部３８の傾斜角（基準平面と第２傾斜部３８とのなす角度）のみを異なる値としている。すなわち、図１２Ａに示すフィン４１では、基準平面と第２傾斜部３８とのなす角度は２５度で一定であるが、図１２Ｂに示すフィン３２では、基準平面と第２傾斜部３８とのなす角度は段方向において２５度であり、気流方向Ｘにおいて０度である。

ここでは、市販の熱流体解析ソフトウェアを用いてフィン４１、３２を３次元でモデル化し、その後熱流体解析シミュレーションを行った。なお、シミュレーション用のメッシュの生成にも市販のメッシュ生成ソフトウェアを利用している。詳しい解析条件は図１４に示すとおりである。図１４Ａは物性値を示しており、図１４Ｂは境界条件を示しており、図１４Ｃは解析設定を示している。

上記解析の結果得られた熱伝導率と圧力損失との関係を図１５に示す。図１５に示されるように、フィン３２は、フィン４１に比べて、圧力損失が同じ場合、熱伝導率がより高くなっている。よって、フィン３２は、フィン４１よりも伝熱性能が優れていると言える。

また、上記解析の結果得られた気流の流れを図１６に示す。図１６Ａはフィン４１における流線図であり、図１６Ｂはフィン３２における流線図である。図１６Ａ、図１６Ｂの囲み部分ａに示されるように、フィン３２は、フィン４１に比べて、伝熱管（フィンカラー）の後方にも気流が流れやすくなっている。よって、フィン３２は、フィン４１よりも伝熱性能が優れていると言える。

本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、例えば、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられるヒートポンプ装置に有用であり、特に、冷媒を蒸発させるための蒸発器に有用である。

２１伝熱管
３０ａ前縁
３０ｂ後縁
３１、３２、４１フィン
３３、３４山部
３５平坦部
３６、３６ａ、３６ｂ第１傾斜部
３７フィンカラー
３７ｈ貫通孔
３８、３８ａ、３８ｂ第２傾斜部
３８ｐ、３８ｑ境界線部
３９気流
４０霜
１００フィンチューブ熱交換器

Claims

気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れるように構成された伝熱管とを備え、
前記フィンは、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記伝熱管と密着して前記貫通孔の周囲に形成された円筒状のフィンカラーと、前記フィンカラーの周囲に形成された平坦部と、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成され、
前記気流方向における前記第１傾斜部の上流端から下流端までの距離をＳ１、前記気流方向における前記平坦部の上流端から下流端までの距離をＤ１、前記気流方向における前記第１傾斜部の上流端と下流端に前記山部の頂点側と反対側から接する平面を基準平面、前記気流方向における前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記気流方向における前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２、前記基準平面から前記平坦部までの距離をα、一の前記フィンの前記基準平面と前記山部の頂点側に隣接する他の前記フィンの前記基準平面との間の距離をＬ、と定義したとき、前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合に、
0° ≦ θ2 ＜ tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
の関係を満足し、
前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と反対側にある場合に、
0° ＜ θ2 ＜ tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
の関係を満足し、
かつ、
前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度が前記段方向から前記気流方向に向かうに従い減少し、前記気流方向において最小となる、
フィンチューブ熱交換器。
前記θ２がゼロである、
請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。