JP2010249343A - フィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】通風抵抗の減少及び熱交換量の向上を図ると共に製造性が高くコストの低減化を図るフィンチューブ型熱交換器を得ること。
【解決手段】複数平行に配置され、その間を空気が流動する板状フィン１と、各板状フィンへ空気流れ方向に直角に挿入され、内部を作動冷媒が通過する複数の伝熱管とから構成される主熱交換器４、５を２つ備え、２つの主熱交換器の伝熱管を扁平管２とし、ケーシング１０内の前面側に配置される１つの前面主熱交換器４の流路断面積を、該ケーシング内の背面側に配置されるもう１つの背面熱交換器５の流路断面積よりも小さくし、且つ扁平管間の段方向距離を小さくしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒と気体等の流体間での熱交換を行うためのフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた空気調和機に関するものである。

従来のフィンチューブ型熱交換器は、前面主熱交換器に扁平管、背面主熱交換器に円管を用いて構成されている。
そして、再熱弁前の前面主熱交換器に扁平管を用いることで、高性能化を実施し、再熱弁後の背面主熱交換器に円管を用いることで、分配数の低下を狙っている（特許文献１参照）。

特開２００８−２６１５１７号公報（第１頁、図１）

特許文献１に記載の従来のフィンチューブ型熱交換器では、背面熱交換器に円管を用いていることで、伝熱性能が前面熱交換器に対し小さく、通風抵抗が大きくなるという問題があった。
また、前面熱交換器の冷媒分配にディストリビュータを用いており、圧損が大きく、大きな構造スペースが必要となり、コストも高いという問題があった。

本発明は、上記に述べた問題点を解決するためになされたもので、通風抵抗の減少及び熱交換量の向上を図るとともに、製造性が高くコストの低減化を図ることができるフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いた空気調和機を得ることを目的としている。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、多数平行に配置され、その間を空気が流動する板状フィンと、この各板状フィンへ空気流れ方向に直角に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、気体通過方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に２列設けられた複数の伝熱管とから構成される主熱交換器を２つ備えたフィンチューブ型熱交換器であって、前記２つの主熱交換器の伝熱管を扁平管とし、ケーシング内の前面側に配置される１つの前面主熱交換器の流路断面積を、該ケーシング内の背面側に配置されるもう１つの背面熱交換器の流路断面積よりも小さくし、且つ扁平管間の段方向距離を小さくしたものである。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器においては、２つの主熱交換器の伝熱管を扁平管とし、ケーシング内の前面側に配置される１つの前面主熱交換器の流路断面積を、該ケーシング内の背面側に配置されるもう１つの背面熱交換器の流路断面積よりも小さくし、且つ扁平管間の段方向距離を小さくしたので、前面主熱交換器は管内伝熱面積を大幅に増加でき、熱交換器性能を高めることができ、背面熱交換器は扁平管内断面積を大きくし、冷媒パス数を小さくして圧力損失を低減し、通風抵抗を減少させ、熱交換能力の向上を図ることができるという効果がある。

本発明の実施の形態のフィンチューブ型熱交換器を用いた空気調和機の室内機を示す横断面図。 同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冷媒流路を示す構成図。 同フィンチューブ型熱交換器のヘッダの付設されない側の配管構成を示す横断面図。 同フィンチューブ型熱交換器のヘッダと主熱交換器の構成を示す部分側面図及び平面図。 同フィンチューブ型熱交換器に用いる円管−扁平管ジョイントを示す斜視図及び断面図。 同フィンチューブ型熱交換器に用いるＵベンド及び３方管を示す側面図。 同フィンチューブ型熱交換器の前面主熱交換器に用いられる扁平管を示す断面図。 同フィンチューブ型熱交換器の背面主熱交換器に用いられる扁平管を示す断面図。 同フィンチューブ型熱交換器を用いた空気調和機の冷凍サイクルの冷媒回路図。

図１は本発明の実施の形態によるフィンチューブ型熱交換器を用いた空気調和機の室内機を示す横断面図である。
この実施の形態の空気調和機の室内機は、ケーシング１０内に送風機９と、送風機９を囲むように配置したフィンチューブ型熱交換器１００とを備えている。
ケーシング１０の上部側には吸込口（図示せず）が設けられており、吸込口から吸い込まれた空気は、フィンチューブ型熱交換器１００及び送風機９を通過し、ケーシング１０の下部側に設けた吹出口１０ａから、下部前方に吹き出されるようになっている。
１１はケーシング１０の前方に設けられた前面パネル、１２はケーシング１０の上方に設けられた天面グリル、１３は前面パネル１１内に設けられた自動清掃機構、２３は前面パネル１１内に設けられたフィルタである。

フィンチューブ型熱交換器１００は、積層した板状フィン１と、板状フィン１に対して垂直に挿入され、内部に差動冷媒（以下、冷媒という）が通過し、気体通過方向に対して直角方向である段方向へ複数段設けられると共に気体通過方向である列方向に複数列設けられた伝熱管とを備えた構成を有するもので、伝熱管に扁平管２を用いた主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと、伝熱管に円管３を用いた補助熱交換器６，７，８とを備えている。

主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂのうち、ケーシング１０の前面の上部及び下部に配設された前面主熱交換器４ａ、４ｂは、フィン１が段方向でくの字形状をしており、列方向に２分割して構成されている。また、主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂのうち、ケーシング１０の背面に配設された背面主熱交換器５ａ、５ｂも２分割して構成され、上部を前方に下部を後方にやや傾斜して配置されている。
前面主熱交換器４ａ、４ｂの空気流れ方向の１列目に補助熱交換器６、７が配設され、背面主熱交換器５ａ、５ｂの空気流れ方向の１列目に補助熱交換器８が配設されている。

次に、空気流れ方向２列目と３列目に配置される主熱交換器について説明する。
前面パネル側に配置される前面主熱交換器４ａ及び４ｂは、フィン１の積層方向のピッチＦp はＦp＝０．００１１ｍであり、フィン厚みＦt＝０．０００１ｍ、また、空気流れ方向のフィン幅はＬ＝０．０１３７ｍ、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管である扁平管の距離Ｄp はＤp＝０．００９５ｍである。
また、背面側に配置される背面主熱交換器５ａ及び５ｂはＦp＝０．００１２ｍであり、フィン厚みＦt＝０．０００１ｍ、また、空気流れ方向のフィン幅はＬ＝０．０１２７ｍ、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管である扁平管の距離Ｄp はＤp＝０．０１４ｍである。
フィンカラーと伝熱管である扁平管がロウ付けにより、完全接合されている。
また、主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂにおいて、扁平管２は千鳥状に配列され、列毎にフィン１は分割されている。また、列数は２列である。

円管を用いた補助熱交換器６，７，８は、フィン１の積層方向のピッチＦpはＦp＝０．００１３ｍであり、フィン厚みＦt＝０．０００１ｍ、また空気の流れ方向のフィン幅はＬ＝０．０１２７ｍ、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管である円管の距離Ｄp はＤp＝０．０２０４ｍ、フィン前縁部まで、フィンカラーと伝熱管である円管が機械拡管により、圧接合されている。

上記のように構成されたフィンチューブ型熱交換器において、扁平管２及び円管３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１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、腐食の耐力は向上する。

また、主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂにおいて、扁平管２を千鳥状に配列することで、扁平管前縁の熱伝達率が向上し、熱交換器性能は向上する。
また、主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂにおいて、２列目と３列目のフィン１を分割することで、熱交換器の配置が室内機箱内において様々に対応でき、２列目のフィンにおける前縁効果（空気境界層分断効果）による熱伝達率向上も期待できる。

また、主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂのうち、前面主熱交換器４ａ、４ｂのフィン１を段方向でくの字形状の一体に成型し、列方向に分割したことで、従来のような主熱交換器間の空気抜けを防止でき、熱交換能力を大きくすることができる。
特に、扁平管２の形状により折り曲げ部２２の扁平管間隔が大きくなるため、その間をフィン１で埋まることとなり、円管３を用いた補助熱交換器６、７よりもフィン１を一体とする効果は大きくなる。また、フィン１に継ぎ目が無いため、蒸発器として用いられるときの露垂れを防止できる。

また、主熱交換器４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂにおいて、空気流れ上流列の前面主熱交換器４ａの最上部で空気流れ下流列の前面主熱交換器４ｂと段方向に重複する位置における扁平管数段分の箇所は、扁平管２を配置しない３角形状のフィン２１を有するようにしたため、構造上のコンパクト化および空気流れを重力方向下に誘導し、滑らかに風下側の前面熱交換器４ｂに誘導され、風下側の前面熱交換器４ｂの最上部の風速が過大となることを防止できる。

図２は本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器を蒸発器として用いられた場合の冷媒流路を示す構成図である。
冷房時、蒸発器として用いられた場合、冷媒は１パス部の補助熱交換器８、７、６を通り、風上側の前面熱交換器４ａに至り、その前面熱交換器４ａでは、丸状の上流側ヘッダ１４にて、扁平管段数毎に分配され、ヘッダが付設されない側のＵベンド１７を通過し、風下側の前面熱交換器４ｂに至り、その前面熱交換器４ｂでは、丸状の下流側ヘッダ１５により合流後、絞り装置（再熱弁）１９を通過し、２分岐する分岐管２０を通過後、背面側の主熱交換器５ａに付設される３方管１８により２分岐された後、主熱交換器５ｂに付設される３方管１８により合流し、流出する。

図３は本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器のヘッダの付設されない側の配管構成を示す横断面図である。
フィンチューブ型熱交換器１００のヘッダの付設されない側では、配管は全て扁平管−円管ジョイント１６及びＵベンド１７で構成されている。
このように、前面主熱交換器４ａ、４ｂのように段数＝パス数となっている熱交換器において、冷媒を分配する機構をもつ側を上流側及び下流側ヘッダ１４、１５と扁平管−円管ジョイント１６とで構成し、冷媒分配の機構を持たない側を扁平管−円管ジョイント１６とＵベンド１７とで構成することにより、ディストリビュータを用いた場合に比べてコンパクト化、製造工程簡易化が実現できる。また、冷媒を分配する機構を持たない側で冷媒再分配を実施する必要がなく、熱交換特性が安定する。

また、冷媒乾き度の大きい蒸発器出口では背面熱交換器５ａ、５ｂの分配が不均一となると、冷媒が過熱状態となり、熱交換器性能が大幅に低下するが、再熱弁前の前面熱交換器４ａ、４ｂのパス数を多くし、ヘッダ分配し、再熱弁後の背面熱交換器５ａ、５ｂのパス数を少なくすることで、冷媒の乾き度（＝蒸気質量流量/蒸気+液の質量流量）が大きい再熱弁後の分配性能の安定性を保つことができる。
再熱弁前の主熱交換器４ｂでは、冷媒の乾き度が小さく分配性能が低い場合でも冷媒が過熱状態となりにくく、ヘッダによる多パス分配となっても十分熱交換器性能が保て、コンパクト、低コスト化が図れる。

図４は本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器のヘッダと主熱交換器の構成を示し、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は平面図、図５は本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器１００に用いる円管−扁平管ジョイントを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
ヘッダ１４と前面主熱交換器４ａの扁平管２は円管−扁平管ジョイント１６により接合される。ヘッダ１４には円管が挿入されているため、ヘッダ径は扁平管２の長軸長さよりも小さく設定でき、コンパクトが可能となる。
また、円管−扁平管ジョイント１６は円管に扁平形状の治具を挿入し塑性加工し製造される。この円管−扁平管ジョイント１６を用いることで、空調機におけるヘッダによる冷媒流路確保と比べ、熱交換器のパス組が自由になる等、冷媒流路形態の汎用性を飛躍的に向上させることが可能となる。

また、図６は本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器に用いるＵベンド及び３方管の側面図である。
扁平管２の間を繋ぐＵベンド１７及び主熱交換器に流入する冷媒を２分岐する３方管１８の管端の断面はいずれも円形状であり、図５に示す円管−扁平管ジョイント１６の円管断面側と接合される。
また、３方管１８は、円管−扁平管ジョイント１６と分岐管と繋ぐ配管であるバルジ部分とを接続するが、出口の管端が円形状のために、冷媒流路の繋ぎ方の自由度は飛躍的に向上する。
また、Ｕベンド１７も管端の断面は円形状であるため、前面主熱交換器４ａ、４ｂにおいてヘッダの付設されない側で斜めに配管を接続することが可能となる。

図７は主熱交換器のうち、前面主熱交換器４ａ、４ｂに用いられる扁平管２を示す断面図である。扁平管２の短軸長さは０．００２２ｍ、長軸は０．０１０５ｍであり、扁平管２の内部は隔壁により８箇所の流路に分岐されている。

図８の（ａ）及び（ｂ）は主熱交換器のうち、背面熱交換器５ａ、５ｂに用いられる扁平管２を示す断面図である。扁平管２の短軸長さは０．００３８ｍ、長軸は０．０１０５ｍであり、扁平管２の内部は隔壁により５箇所の流路に分岐されている。図８の（ｂ）のように扁平管２の管内に複数の溝３０を付設することにより、冷媒と管壁の伝熱面積を増やすことができ、さらに熱交換能力を向上させることができる。

本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器１００を蒸発器として用いる場合、再熱弁前の冷媒乾き度の小さい部分の前面主熱交換器４ａ、４ｂにおいて、図１に示すように、扁平管内断面積を小さく、扁平管間の距離を小さくすることで管内伝熱面積を大幅に増加でき、熱交換器性能を高めることができる一方で、管内圧力損失が増大し、冷媒パス数は大きくなる。
しかし、上述したように、冷媒の乾き度が小さく、分配性能が低い場合でも冷媒が過熱状態となりにくいことでヘッダによる分配性能が悪化した場合でも、熱交換器能力を向上することが出来る。
また、再熱弁後の冷媒乾き度の大きい部分の背面熱交換器５ａ、５ｂにおいては、図１に示すように、前面主熱交換器４ａ、４ｂより、扁平管内断面積を大きくし、冷媒パス数を少なくし、圧力損失低減および熱交換能力の向上を図ることができる。

図９は本実施の形態のフィンチューブ型熱交換器を用いた空気調和機の冷凍サイクルの冷媒回路図である。図９に示す冷媒回路は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、絞り装置３５、蒸発熱交換器３６、送風機３７により構成されている。
上記実施の形態によるフィンチューブ型熱交換器１００を凝縮熱交換器３４または蒸発熱交換器３６、もしくは両方に用いることにより、エネルギー効率の高い空気調和機を実現することができる。
ここで、エネルギー効率は、次式で構成されるものである。
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、上記実施の形態で述べたフィンチューブ型熱交換器およびこれを用いた空気調和機については、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、プロピレン等や、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等、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、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、同様の効果を奏する。

また、伝熱管とフィンは異なった材料を用いていることが多いが、伝熱管とフィンに銅、伝熱管とフィンにアルミなど、同じ材料を用いることで、フィンと伝熱管のロウ付けが可能となり、フィン部と伝熱管の接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換能力が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。
また、伝熱管とフィンを密着させる方法として、炉中ロウ付けを行う場合、フィン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。

なお、上記実施の形態で述べた熱交換器およびそれを用いた空気調和機については、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。

１ 板状フィン、２ 扁平管、３ 円管、４ａ，ｂ 前面主熱交換器、５ａ，ｂ 背面主熱交換器、６，７，８ 補助熱交換器、９ 送風機、１０ ケーシング、１０ａ 吹出口、１１ 前面パネル、１２ 天面グリル、１４ 上流側ヘッダ、１５ 下流側ヘッダ、１６ 円管−扁平管ジョイント、１７ Ｕベンド、１８ ３方管、１９ 再熱弁、２０ 分岐管、２１ ３角形状フィン部、２２ 折り曲げ部、２４ 空気流れ方向、２５ 空気流れ方向、１００ フィンチューブ型熱交換器。

Claims (9)

1. 複数平行に配置され、その間を空気が流動する板状フィンと、この各板状フィンへ空気流れ方向に直角に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、気体通過方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に２列設けられた複数の伝熱管とから構成される主熱交換器を２つ備えたフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記２つの主熱交換器の伝熱管を扁平管とし、ケーシング内の前面側に配置される１つの前面主熱交換器の流路断面積を、該ケーシング内の背面側に配置されるもう１つの背面熱交換器の流路断面積よりも小さくし、且つ扁平管間の段方向距離を小さくしたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記前面熱交換器の一端部にヘッダを付設し、前記ヘッダ内部で冷媒分配を実施し、反対側の他端部はＵベンドを用いて冷媒流路を構成し、前記背面主熱交換器には３方管と１流路を２流路に分ける分岐管によって冷媒分配を実施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. 前記２つの主熱交換器の扁平管は千鳥状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記前面主熱交換器のフィンを段方向でくの字形状の一体で成型し、列方向に分割したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記前面熱交換器のうち、空気流れ上流列の前面熱交換器の最上部で空気流れ下流列の前面熱交換器と段方向に重複する位置における扁平管数段分の箇所は、扁平管を配置しない３角形状のフィンを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記前面主熱交換器において、前記ヘッダと前記扁平管とは円−扁平管ジョイントを用いて接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 前記円−扁平管ジョイントのヘッダ径は扁平管長軸長さよりも小さくなることを特徴とする請求項６記載のフィンチューブ型熱交換器。
8. 前記２つの主熱交換器の気体通過方向の上流側に、伝熱管を円管とした補助熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。
9. 吸込口と吹出口とが設けられたケーシング内に、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器が配置されたことを特徴とする空気調和機。

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