JP2009168317A - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】通風抵抗を大幅に増大することなし、伝熱性能を向上すること。
【解決手段】所定の間隙を存して並設され、これらの間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィン３０と、フィン３０における熱交換空気の流通方向Ｆとは直交する方向にフィン３０を貫通して隣接され、内部に冷媒を導通させる伝熱管４０と、隣接する伝熱管４０相互間に設けられるスリット３３とを具備し、スリット３３は、少なくともフィン３０の風上側端縁３１ａと各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線Ｃ間の範囲に設けられ、熱交換空気の流通方向の幅が伝熱管４０の外径Ｄの１／２以上に形成されている。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機に関し、特に熱交換器を構成するフィンに形成される切起しの形状に関する。

例えば空気調和機における冷凍サイクルの構成部品として、熱交換器が備えられている。空気調和機が室内機と室外機とから構成される場合は、そのいずれのユニットにも熱交換器が必要となる。これら熱交換器は、所定の間隙を存して並設され、上記間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、これらフィンを貫通して設けられ、その内部に冷媒（熱交換媒体）を導通させる伝熱管とからなる、いわゆるフィンチューブタイプのものが多用される。

そして、熱交換器における熱交換効率の向上を図るため、上記フィンに切起しを設けるのが、近時の傾向となっている。フィンの板厚は極く薄いので、例えばプレス加工にてフィンを型抜きするとともに、上記切起しを同時加工するようになっている。この切起し部は、熱交換空気の流通方向とは直交する方向に隣設された伝熱管相互間に設けられる。

このように、空気調和機等の熱交換器においては、フィンに多数の切起しを設けることによって熱交換効率の向上を図ってきた。そして、上記切起し部に対して様々な工夫がなされてきた。例えば、切起しの幅が気流下流側伝熱管ほど短く、かつ、下流側伝熱管ほど本数が多くなるよう切越しを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、風上側の切起しの幅を風下側の切起しの幅よりも広くしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、切起しの幅をフィンカラーの外径の１／４〜１／３に形成したものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭６３−００３１８１号公報 特開２００１−１３３１７９号公報 特開２００３−０３５４９７号公報

上述した熱交換器では、必ずしも十分な伝熱性能が得られず、さらなる伝熱性能の向上が望まれている。

そこで本発明は、通風抵抗の増加を抑えつつ、さらに伝熱性能を向上できる熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の熱交換器及び空気調和機は次のように構成されている。

（１）所定の間隙を存して並設され、これらの間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、それぞれのフィンにおける熱交換空気の流通方向とは直交する方向にフィンを貫通して隣接され、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管と、上記隣接する伝熱管相互間に設けられる切起しとを具備し、上記切起しは、少なくとも上記フィンの風上側端縁と上記各伝熱管の中心同士を結ぶ中心線間の範囲に設けられ、熱交換空気の流通方向の幅が上記伝熱管の外径の１／２以上に形成されていることを特徴とする。

（２）圧縮機、室外側熱交換器、膨張装置、室内側熱交換器を備えた空気調和機において、上記室外側熱交換器及び室内側熱交換器の少なくとも一方は、所定の間隙を存して並設され、これらの間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、それぞれのフィンにおける熱交換空気の流通方向とは直交する方向にフィンを貫通して隣接され、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管と、上記隣接する伝熱管相互間に設けられる切起しとを具備し、上記切起しは、少なくとも上記フィンの風上側端縁と上記各伝熱管の中心同士を結ぶ中心線間の範囲に設けられ、熱交換空気の流通方向の幅が上記伝熱管の外径の１／２以上に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、通風抵抗の増加を抑えつつ、さらに伝熱性能を向上できる。

図１は本発明の一実施の形態に係る熱交換器２０及びこの熱交換器２０が組み込まれた空気調和機１０の構成を示す説明図、図２Ａは熱交換器２０を構成するフィン３０の要部を示す正面図、図２Ｂは側面図、図２Ｃは熱交換器２０の一部斜視図である。なお、図２Ｂにおいて説明の都合上フィン３０は１枚のみ示している。

空気調和機１０は、冷媒配管１１によって圧縮機１２、四方弁１３、室外側熱交換器１４、膨張弁１５、第１の室内側熱交換器１６、除湿絞り装置１７、第２の室内側熱交換器１８、四方弁１３、圧縮機１２の順で接続されている。なお、図１中１４ａは送風ファン、１６ａは横流ファンを示している。

室外側熱交換器１４、室内側熱交換器（第１の室内側熱交換器１６及び第２の室内側熱交換器１８）の少なくとも一方を構成する本発明の
熱交換器２０は、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、狭小の間隙を存して多数枚並設されたフィン３０に伝熱管４０が貫通して設けられるフィンチュープタイプである。上記フィン３０は上下方向に縦長の短冊状をなし、内部に冷媒（熱交換媒体）が流通する伝熱管４０が上下方向に所定のピッチで貫通される。また、上記伝熱管４０はフィン３０における熱交換空気の流通方向Ｆに２列設けられている。なお、フィン３０は伝熱管４０の各列毎に分割されていても良く、伝熱管は１列又は３列以上設けられていても良い。

フィン３０は、板状のベース３１と、このベース３１に所定のピッチで設けられた伝熱管挿入孔３２と、これら伝熱管挿入孔３２の間に設けられたスリット（切起し）３３，３４、３３´及び３４´とを備えている。伝熱管４０は、フィン３０における熱交換空気の流通方向Ｆとは直交する方向にフィン３０を貫通して配置されている。伝熱管挿入孔３２の内径寸法は当初は伝熱管４０の外径寸法よりも僅かに大に形成されていて、伝熱管挿入孔３２に伝熱管４０を貫通し、伝熱管４０を拡管加工することによりフィン３０に対して伝熱管４０が強固な状態で嵌め合う。

スリット３３，３４及び３３´、３４´は熱交換空気が流通する方向に沿って所定の間隙を存して並設されている。なお、各スリット３３，３４、３３´及び３４´は、いずれもその長手方向を熱交換空気が流通する方向に直交する向きに形成されるとともに、ベース３１に対し同一の方向にのみ突出して形成されている。

風上側の１列目の伝熱管４０間に設けられたスリットのうち、風上側のスリット３３は、少なくともフィン３０の風上側端縁３１ａと１列目の各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線Ｃ間の範囲（風上側）に設けられ、熱交換空気の流通方向Ｆの幅Ｌが伝熱管４０の外径Ｄの１／２以上に形成されている。また、スリット３３は、好ましくは風下側の端部３３ａが各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線Ｃに一致して設けられるとともに、風上側の端部３３ｂが各伝熱管４０の風上側に設けられ、さらに立ち上がり部３３ｃが伝熱管４０の外周面に沿って曲線状に形成されている。風上側の１列目の伝熱管４０間に設けられたスリットのうち、風下側のスリット３４も同様に立ち上がり部３４ｃが形成されている。これにより、スリット３３，３４と伝熱管４０との距離が一定に保たれている。スリット３３は伝熱管４０中心より風上側に設置するため立ち上がり部３３ｃを直線で形成すると、スリット面積が小さくなる。立ち上り部３３ｃを伝熱４０管と同一距離を保つよう曲線より形成することにより、切起し面積の拡大および伝熱管４０に気流を沿わせることができ伝熱性能がさらに向上する。

また、風下側の２列目の伝熱管４０間に設けられたスリットのうち、風上側のスリット３３´はフィン３０の１列目と２列目の伝熱管４０の中心Ｙと２列目の各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線間の範囲（風上側）に設けられ、熱交換空気の流通方向Ｆの幅Ｌが伝熱管４０の外径Ｄの１／２以上に形成されている。さらに、スリット３３´は、好ましくは風下側の端部３３ａが各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線に一致して設けられる。

ここで、このようなフィン３０の形状とした理由について説明する。一般的にスリットは、熱交換空気の流れを攪拌することで伝熱性能を向上させるため、数が多いほど伝熱性能は向上する。しかし、数に比例し通風抵抗も増加するため、数が多いほど伝熱量が多くなるとは限らない。

図３にスリットの数と熱伝達率及び通風抵抗との関係を示す。スリットの数が増えるにしたがい熱伝達率および通風抵抗は増加するが、熱伝達率の増加は通風抵抗の増加より小さい。これより過度にスリットの数を増やしても通風抵抗の増加により性能が向上するとはいえないことがわかる。

図４Ａ，４Ｂ、図５Ａ，５Ｂ、図６Ａ，６Ｂは、各種のフィンにおいて、解析より算出した熱伝達の高い部分の等値面に圧力損失大小を表したものを示している。図中の色の濃淡は圧力損失の大小を示している。したがって、薄い色の部分が圧力損失が小さい部分である。

図４Ａ，４Ｂのフラットフィン（スリットの無いフィン）５０の場合、熱伝達はベース５１の先端部５１ａから伝熱管挿入孔５２間の中心線付近まで高い（二点鎖線Ｑ）。これは伝熱管による縮流によるものと推測される。先端部５１ａは熱交換空気流を攪拌するため熱伝達も高いが通風抵抗も高い。また伝熱管挿入孔５２の中心部付近より熱伝達の高い部分が剥離していることがわかる（二点鎖線Ｓ：色の濃い部分が伝熱管から遠ざかっている）。

図５Ａ，５Ｂのフィン６０は、ベース６１に２本のスリット６３が設けられている。この場合、伝熱管周りの剥離は改善されているが、フラットフィン５０に見られた縮流による熱伝達の高い部分がスリット５３先端部の熱交換空気流の攪拌により無くなっていることがわかる。これは図６Ａ，６Ｂに示すフィン７０でも同様である。図６Ａ，６Ｂ中７１はベース、７３は３本のスリットを示している。

このような結果から、フラットフィン５０に見られる縮流を伴う効率の良い部分（圧力損失が小さく熱伝達率の高い部分）を維持するためには、フィンの先端部による空気流の撹件を極力少なくする必要がある。同時に、フラットフィン５０に見られる伝熱管周りの剥離を改善するためには伝熱管中心より風上側に切起しを設けることが必要である。

したがって、縮流を伴う伝熱効率の良い部分の終わる部分である伝熱管４０間中心（熱交換空気の流通方向Ｆと直交する方向に隣設する各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線Ｃ）に略一致させてスリット３３の風下側の端部３３ａを設け、縮流が始まる前の部分（伝熱管４０よりも風上側）に風上側の端部３３ｂを設け、かつ、スリット３３の幅をＤ／２以上にすることで、より効率の良い伝熱促進が可能となる。但し、スリット３３の幅をＤ／２以上にし、フィン３０の風上側端縁３１ａから各伝熱管４０の中心同士を結ぶ中心線Ｃ間の範囲にスリット３３を設けても同等の効果が得られる。

また、伝熱管４０間の中心線Ｃより風下側は熱伝達が小さいため、所定の間隔でスリットを設けることが好ましい。但し、通風抵抗低減させるためには１本のスリット３４のみを設置することが望ましい。図７Ｂに、図７Ａに示した本発明の実施態様の解析結果を示す。図７Ｂから明らかなように、本発明のものは熱伝達の高い部分が図５Ａ，５Ｂ及び図６Ａ，６Ｂに示したものに比較して大幅に拡大している。

このように構成された空気調和機１０は、次のように動作する。すなわち、冷房／除湿運転時においては、圧縮機１２を作動させて、図１中実線矢印Ｋに沿って冷媒が流通する。圧縮機１２を出た高温高圧の冷媒蒸気は、四方弁１３を通って、室外側熱交換器１４に流入し、外気によって熱を奪われ、凝縮、液化する。室外側熱交換器１４を出た高圧液冷媒は、膨張弁１５に流入し減圧され、低圧の気液二相冷媒となって第１の室内側熱交換器１６に流入する。さらに、除湿絞り装置１７を介して第２の室内側熱交換器１８に流入し、横流ファン１６ａにて室内に冷気が吹き出される。第１の室内側熱交換器１６及び第２の室内側熱交換器１８の伝熱管４０を流れる間に室内空気によって加熱され、低圧の液冷媒の大部分が蒸気となり、四方弁１３を通って、再び圧縮機１２に吸入される。

一方、暖房運転時においては、図１中破線矢印に沿って冷媒が流通する。圧縮機１２を出た高温高圧の冷媒蒸気は、四方弁１３を通って、第２の室内側熱交換器１８に流入する。さらに、除湿絞り装置１７を介して第１の室内側熱交換器１６に流入する。第２の室内側熱交換器１８及び第１の室内側熱交換器１６の伝熱管４０に流入した冷媒は、室内空気によって冷却され、凝縮、液化する。第１の室内側熱交換器１６を出た高圧液冷媒は、膨張弁１５に流入し減圧され、低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器として動作する室外側熱交換器１４へ流入する。この低圧の気液二相冷媒は室外側熱交換器１４で外気から熱を奪って蒸発し、低圧蒸気冷媒となって室外側熱交換器１４を流出する。この低圧の蒸気冷媒は、四方弁１３を通って、再び圧縮機１２に吸入される。

このような動作の中で、室外側熱交換器１４、第１の室内側熱交換器１６及び第２の室内側熱交換器１８に組み込まれた熱交換器２０では、次のように熱交換が行われる。

冷媒配管１１から伝熱管４０内に冷媒が流通するとともに、熱交換空気が熱交換器２０を通過することで、熱交換空気とフィン３０との間で熱交換が行われる。熱交換空気は前述したように、スリット３３において効率の良い伝熱が行われる。さらに、スリット３３の風下側には、１本のスリット３４が設置されているだけなので、通風抵抗が極端に増大することがなくスリット３４による伝熱がさらに行われる。通風抵抗を大幅に増大することなしに、伝熱性能を向上できる。

上述したように、本実施の形態に係る熱交換器２０及びこの熱交換器２０が組み込まれた空気調和機１０においては、通風抵抗を大幅に増大することなしに、伝熱性能を向上できる。なお、本発明の空気調和機は、室内側熱交換器及び室外側熱交換器の両方に上記本発明の熱交換器２０を適用しても良いが、いずれか一方、例えば、室内側熱交換器にのみ適用しても良い。

図８は、上述した実施の形態に係る熱交換器２０を構成するフィン３０の変形例に係るフィン３０Ａを示す平面図である。なお、図８において図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

フィン３０Ａにおいては、スリット３３，３４の代わりに、スリット３５，３６を設けた。スリット３５，３６においては、立ち上り部３５ｃ，３６ｃを直線状に形成している。このように形成した場合、伝熱性能は若干低下するが、加工を単純化することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の一実施の形態に係る熱交換器及びこの熱交換器が組み込まれた空気調和機の構成を示す説明図。 同熱交換器に組み込まれたフィンの要部を示す平面図。 同フィン及び伝熱管を示す側面図。 同熱交換器の一部斜視図。 スリットの数と熱伝達率及び通風抵抗との関係を示すグラフ。 比較例としてのフィンの要部を示す斜視図。 同フィンの要部における熱伝達の高い部分の等値面に圧力損失大小を表した説明図。 比較例としてのフィンの要部を示す斜視図。 同フィンの要部における熱伝達の高い部分の等値面に圧力損失大小を表した説明図。 比較例としてのフィンの要部を示す斜視図。 同フィンの要部における熱伝達の高い部分の等値面に圧力損失大小を表した説明図。 本実施の形態に係る熱交換器に組み込まれたフィンの要部を示す斜視図。 同フィンの要部における熱伝達の高い部分の等値面に圧力損失大小を表した説明図。 本実施の形態の変形例を示す平面図。

符号の説明

１０…空気調和機、２０…熱交換器、３０…フィン、３１…ベース、３２…伝熱管挿入孔、３３〜３６…スリット、４０…伝熱管。

Claims (3)

1. 所定の間隙を存して並設され、これらの間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、それぞれのフィンにおける熱交換空気の流通方向とは直交する方向にフィンを貫通して隣接され、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管と、上記隣接する伝熱管相互間に設けられる切起しとを具備し、
   上記切起しは、少なくとも上記フィンの風上側端縁と上記各伝熱管の中心同士を結ぶ中心線間の範囲に設けられ、熱交換空気の流通方向の幅が上記伝熱管の外径の１／２以上に形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 上記切起しは、風下側縁部が上記各伝熱管の中心同士を結ぶ中心線に一致して設けられ、立ち上がり部が上記伝熱管の外周面に沿って曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 圧縮機、室外側熱交換器、膨張装置、室内側熱交換器を備えた空気調和機において、
   上記室外側熱交換器及び室内側熱交換器の少なくとも一方は、
   所定の間隙を存して並設され、これらの間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、それぞれのフィンにおける熱交換空気の流通方向とは直交する方向にフィンを貫通して隣接され、内部に熱交換媒体を導通させる伝熱管と、上記隣接する伝熱管相互間に設けられる切起しとを具備し、
   上記切起しは、少なくとも上記フィンの風上側端縁と上記各伝熱管の中心同士を結ぶ中心線間の範囲に設けられ、熱交換空気の流通方向の幅が上記伝熱管の外径の１／２以上に形成されていることを特徴とする空気調和機。

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