JP4815612B2 - 熱交換器およびこれを用いた空気調和装置並びに空気性状変換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器およびこれを備える空気調和装置並びに空気性状変換器に関し、詳しくは、空気と熱交換媒体との熱交換を行なう熱交換器およびこの熱交換器を用いた空気調和装置並びに空気を流入して性状を変換して流出する空気性状変換器に関する。

従来、この種の熱交換器としては、平行に配置された複数のフィンに複数の伝熱管が貫通するように配置されたフィンチューブ熱交換器において、複数のフィンとして細いスリットがフィンに加工されたスリットフィンを用いるものや（例えば、特許文献１参照）、空気流れ方向に垂直な波型凹凸を施した波型フィンを用いるもの（例えば、特許文献２参照）、などが提案されている。これらの熱交換器は、フィンの形状を工夫することにより、フィンチューブ熱交換器の伝熱促進を図っている。
特開２００３−１６１５８８号公報 特開２０００−１９３３８９号公報

しかしながら、上述のフィンチューブ熱交換器では、熱伝達率は向上するものの、突起や切り起こし等による空気流れの剥離や局所的な増速によって熱伝達率以上に通風抵抗が増大してしまう場合がある。また、上述の熱交換器を冷凍サイクルの蒸発器として使用するときには、空気中の水蒸気が露や霜となって熱交換器に付着し、スリットの間に凝縮水や霜が目詰まりを起こし、空気の流れを阻害する場合が生じる。

本発明の熱交換器およびこれを用いる空気調和装置は、空気の流れの剥離や局所的な増速を抑制することを目的の一つとする。また、本発明の熱交換器およびこれを用いる空気調和装置は、空気の有効な二次流れを発生させることにより熱交換効率を向上させることを目的の一つとする。さらに、本発明の熱交換器およびこれを用いる空気調和装置は、小型化を図ることを目的の一つとする。また、本発明の空気性状変換器は、空気流れの剥離や局所的な増速を抑制すると共に空気性状の変換を効率よく行ない、その小型化を図ることを目的とする。

本発明の熱交換器およびこれを用いた空気調和装置並びに空気性状変換器は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の熱交換器は、
空気と熱交換媒体との熱交換を行なう熱交換器であって、
前記熱交換媒体の流路として平行に配置された複数の伝熱管と、
空気を流入する空気流入部と、空気を流出する空気流出部と、前記複数の伝熱管と熱交換する前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路とを構成する波状の複数のフィン部材と、
を備え、
前記複数のフィン部材は、少なくとも前記空気流入部から前記空気流出部方向の所定範囲における空気の流線と波とのなす角が鋭角の範囲内の所定角となるよう配置されてなることを特徴とする。

この本発明の熱交換器は、複数のフィン部材を空気流入部から空気流出部方向の所定範囲における空気の流線と波とのなす角が鋭角の範囲内の所定角となるよう配置することにより、空気の流れに剥離を発生させずに伝熱促進に有効な二次流れ成分を発生させることができる。したがって、空気の流れの局所的な増速を抑制することができると共に熱交換効率を向上させることができる。この結果、熱交換器の小型化を図ることができる。ここで、複数の伝熱管は、断面が略円形，略矩形のいずれかに形成されてなるものとすることもできる。また、複数のフィン部材は、平行に重ねた波状の部材とすることもできる。

こうした本発明の熱交換器において、前記複数のフィン部材は、波が隣接する伝熱管に対して対称となるよう形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、空気の流れを隣接する伝熱管に対して対称なものとすることができる。

また、本発明の熱交換器において、前記複数のフィン部材は、前記伝熱管の空気の流れ方向後方の死水域に空気が流れるよう波が形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、伝熱管の空気の流れ方向後方の死水域にも空気が流れるようにすることができ、熱交換効率を向上させることができる。

さらに、本発明の熱交換器において、前記複数のフィン部材は、波の頂部を連ねた頂部線が複数回に亘って屈曲するよう波が形成されてなるものとすることもできる。この場合、前記複数のフィン部材は、前記所定範囲では隣接する波の前記頂部線の屈曲点を連ねた屈曲線が前記空気の流線に一致するよう波が形成されてなるものとすることもできる。

あるいは、本発明の熱交換器において、前記複数のフィン部材は、設計される空気の流速ｕと波の振幅ｈとにより定義されるレイノルズ数が１０以上となるよう構成されてなるものとすることもできる。これは、レイノルズ数が１０以上になると、空気の流れの慣性力がその粘性力を上回り、波の凹凸における凸面前面の淀み点で動圧が静圧に変換され、この圧力差によって伝熱促進に有効な二次流れを発生させることに基づく。

また、本発明の熱交換器において、前記所定角は、１０度ないし６０度の範囲内の角度であるものとすることもできる。こうすれば、空気の流れの剥離や空気の流れの局所的な増速を抑制することができる。なお、この所定角は、好ましくは１５度ないし４５度、さらに好ましくは２５度ないし３５度であり、３０度がより好ましい。

本発明の熱交換器において、前記複数のフィン部材は、前記空気の通路として前記複数の伝熱管と熱交換可能に交差する前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路を構成する部材であるものとすることもできる。また、前記複数の伝熱管は、前記複数のフィン部材と共に前記空気流入部や前記空気流出部を構成することを特徴とするものとすることもできる。

本発明の空気調和装置は、上述のいずれかの態様の本発明の熱交換器、即ち、基本的には、空気と熱交換媒体との熱交換を行なう熱交換器であって、前記熱交換媒体の流路として平行に配置された複数の伝熱管と、空気を流入する空気流入部と、空気を流出する空気流出部と、前記複数の伝熱管と熱交換する前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路とを構成する複数のフィン部材と、を備え、前記複数のフィン部材は、少なくとも前記空気流入部から前記空気流出部方向の所定範囲における空気の流線と波とのなす角が鋭角の範囲内の所定角となるよう配置されてなることを特徴とする熱交換器を、蒸発器および凝縮器のうちの少なくとも一方に用いた冷凍サイクルを構成してなることを要旨とする。

本発明の空気調和装置では、上述のいずれかの態様の本発明の熱交換器を用いるから、本発明の熱交換器が奏する効果、例えば、空気の流れに剥離を発生させずに伝熱促進に有効な二次流れ成分を発生させることができる効果や空気の流れの局所的な増速を抑制することができる効果、熱交換効率を向上させることができる効果などと同様の効果を奏することができる。これらの効果を奏する結果、装置の小型化を図ることができる。

本発明の空気性状変換器は、
空気を流入して性状を変換して流出する空気性状変換器であって、
空気を流入する空気流入部と、空気を流出する空気流出部と、前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路とを構成する波状の複数のフィン部材を備え、
該複数のフィン部材は、少なくとも前記空気流入部から前記空気流出部方向の所定範囲における空気の流線と波とのなす角が鋭角の範囲内の所定角となるよう配置されてなることを特徴とする。

この本発明の空気性状変換器では、複数のフィン部材を空気流入部から空気流出部方向の所定範囲における空気の流線と波とのなす角が鋭角の範囲内の所定角となるよう配置することにより、空気の流れに剥離を発生させずに空気性状変換に有効な二次流れ成分を発生させることができる。したがって、空気の流れの局所的な増速を抑制することができると共に空気性状変換の効率を向上させることができる。この結果、空気性状変換器の小型化を図ることができる。ここで、空気の性状変換としては、ミストを多量に含む空気からミストを軽減した空気に変換するもの（空気性状変換器としてはミストセパレータが相当）などが含まれる。ここで、複数のフィン部材は、平行に重ねた波状の部材とすることもできる。

本発明の一実施例としてのフィンチューブ熱交換器２０の構成の概略を示す構成図である。 図１におけるフィンチューブ熱交換器２０のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 単なる平板として形成されたフィン３０Ｂによりフィンチューブ熱交換器２０Ｂを構成したときの空気の流線を説明する説明図である。 山部３４および谷部３６の屈曲部を結ぶ図１中の曲線Ｂ１−Ｂ２に沿ってフィン３０を破断したときの断面を示す断面図である。 波板状の平板に流速の小さな一様流れの空気を導入したときに平板上に生じる空気の二次流れと温度による等高線とを示す説明図である。 伝熱性能を表す熱伝達率を無次元化したヌッセルト数の平板フィンに対する向上率を示す説明図である。 伝熱性能と通風抵抗の比であるj/f因子の平板フィンに対する向上率を示す説明図である。 実施例のフィンチューブ熱交換器２０を凝縮器１２４および蒸発器１２８として用いた冷凍サイクル１２０の構成の概略を示す構成図である 変形例のフィンチューブ熱交換器２２０の構成の概略を示す構成図である。 空気性状変換器の一例としてのミストセパレータの概略を示す説明図である。 変形例のフィンチューブ熱交換器２０の断面の一例を示す断面図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例としてのフィンチューブ熱交換器２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は図１におけるフィンチューブ熱交換器２０のＡ−Ａ断面を示す断面図である。なお、図２は、断面を拡大して示す関係上、伝熱管２２ａから伝熱管２２ｂの範囲を示している。実施例のフィンチューブ熱交換器２０は、図示するように、熱交換媒体の通路をなす平行に配置された複数の伝熱管２２ａ〜２２ｃと、この複数の伝熱管２２ａ〜２２ｃに略垂直に配置された複数のフィン３０とにより構成されている。

複数の伝熱管２２ａ〜２２ｃは、熱交換媒体、例えば冷却水や冷却オイル等の冷却用液体，冷凍サイクルに用いられる冷媒ガスなどの媒体を迂流あるいは分流するために平行に且つ冷却用の空気の流れとは略垂直になるよう配置されている。

複数のフィン３０は、図１および図２に示すように、図１中波線で示す複数の屈曲する山部３４と、この複数の山部３４の間に介在する一点鎖線で示す複数の屈曲する谷部３６とが形成された複数の波状の平板部材として構成されており、各フィン３０は、伝熱管２２ａ〜２２ｃの熱交換媒体の流れ方向とは略垂直に隣接するフィン３０は等間隔で略平行となるように伝熱管２２ａ〜２２ｃに取り付けられている。なお、複数のフィン３０の伝熱管２２ａ〜２２ｃの取付部３２ａ〜３２ｃは、取り付けの必要から山部３４や谷部３６のない水平部として形成されている。実施例では、図１中、複数のフィン３０により、上部側に空気の流入部が構成され、下部側に空気の流出部が構成され、各伝熱管２２ａ〜２２ｃの間に空気の通路が構成される。

各フィン３０の複数の山部３４と谷部３６は、空気の流入側ではその連続する線（波線，一点鎖線）と空気の流れ（流線）とのなす角γが所定の鋭角、例えば３０度となるように、且つ、隣接する伝熱管２２ａ〜２２ｃの中央で空気の流線を対称線として対称となるよう形成されている。したがって、山部３４および谷部３６の屈曲部を結ぶ曲線は、空気の流入側では空気の流線に一致する。山部３４や谷部３６が形成されていない単なる平板として形成されたフィン３０Ｂによりフィンチューブ熱交換器２０Ｂを構成したときの空気の流線を図３に示す。図４は、山部３４および谷部３６の屈曲部を結ぶ図１中の曲線Ｂ１−Ｂ２に沿ってフィン３０を破断したときの断面を示す断面図である。図示するように、フィン３０の曲線Ｂ１ーＢ２面は山部３４と谷部３６とが交互に現われる波状に形成される。このように、空気の流入側で山部３４や谷部３６の連続する線（波線，一点鎖線）と空気の流れ（流線）とのなす角γが所定の鋭角となるようにフィン３０を形成するのは、空気の二次流れを有効に発生させるためである。図５に波板状の平板に流速の小さな一様流れの空気を導入したときに平板上に生じる空気の二次流れ（矢印）と温度による等高線とを示す。図示するように、山部３４や谷部３６によって強い二次流れが発生し、かつ壁面付近で大きな温度勾配が発生することがわかる。実施例では、山部３４や谷部３６の連続する線（波線，一点鎖線）と空気の流線とのなす角γを３０度としたのは、この二次流れを有効に生じさせるためである。このなす角γは、小さすぎると空気の流れに有効な二次流れを生じさせることができず、大きすぎると空気が山部３４や谷部３６に沿って流れることができずに剥離や局所的な増速が発生して通風抵抗が増大してしまう。したがって、なす角γは、空気の二次流れを生じさせるためには鋭角の範囲内で１０度ないし６０度が好ましく、１５度ないし４５度が更に好ましく、２５度ないし３５度がより理想的である。このため、実施例では、なす角γとして３０度を用いた。なお、空気の流れが小さいときには、空気の流れの主流は山部３４や谷部３６の無い単なる平板のときの流線とほぼ同じに保ちながら、山部３４や谷部３６による二次流れを有効に発生させることができる。

各フィン３０の複数の山部３４と谷部３６は、空気の流出側では各伝熱管２２ａ〜２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域に空気が流れるよう形成されている。こうすることにより、伝熱管２２ａ〜２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域にも空気を流し、熱交換に寄与させることができる。

実施例では、各フィン３０は、各フィン間の空気の平均風速ｕとフィン３０の山部３４と谷部３６とによる波の振幅ｈ（図４参照）で定義されるレイノルズ数Ｒｅが１０以上となるよう振幅ｈと各フィンの間隔が設計されている。図６に伝熱性能を表す熱伝達率を無次元化したヌッセルト数の平板フィンに対する向上率を示す。図６の縦軸のヌッセルト数は、平板フィンのヌッセルト数(Nu)_flatで規格化されている。図からわかるように、レイノルズ数Ｒｅが１０以上でフィン３０に形成した山部３４や谷部３６の効果が現れ、急激にヌッセルト数が増大する。図７に、伝熱性能と通風抵抗の比であるj/f因子の平板フィンに対する向上率を示す。縦軸のj/f因子は、平板フィンのj/f因子(j/f)_flatで規格化されており、jはコルバーンのj因子、fは摩擦係数である。図からわかるように、レイノルズ数Ｒｅが１０以上でフィン３０に形成した山部３４や谷部３６の効果が現れる。

以上説明した実施例のフィンチューブ熱交換器２０によれば、空気の流入部側では、空気の流線に対してなす角γが所定の鋭角（３０度）となるようフィン３０に山部３４と谷部３６とを形成することにより、空気の流れに有効な二次流れを生じさせて伝熱効率を向上させ、全体としての熱交換効率を向上させることができる。この結果、フィンチューブ熱交換器２０の小型化を図ることができる。また、実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、各フィン３０間の空気の平均風速ｕと山部３４と谷部３６とによる波の振幅ｈで定義されるレイノルズ数Ｒｅが１０以上となるよう山部３４と谷部３６とを形成すると共に各フィン３０を伝熱管２２ａ〜２２ｃに取り付けるから、伝熱性能を向上させることができる。

また、実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、空気の流出側では、各伝熱管２２ａ〜２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域に空気が流れるよう各フィン３０の山部３４と谷部３６とを形成するから、伝熱管２２ａ〜２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域にも空気を流し、熱交換に寄与させることができる。この結果、フィンチューブ熱交換器２０の熱交換効率を更に向上させることができる。

さらに、実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、フィン３０に山部３４と谷部３６とによる波を形成するから、フィンの切り起こしもなく、またフィンとフィンの間隔も狭まることがないので、空気の流れの剥離や局所的な増速を抑制することができる。また、フィンチューブ熱交換器２０を蒸発器として使用した際には、凝縮水や霜による目詰まりによる空気の流れを阻害するのを抑制することができる。

図８は、実施例のフィンチューブ熱交換器２０を凝縮器１２４および蒸発器１２８として用いた冷凍サイクル１２０の構成の概略を示す構成図である。図示の冷凍サイクル１２０は、低温低圧の気相冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒ガスとする圧縮機１２２と、この高温高圧の気相冷媒を外気との熱交換により冷却して低温高圧の液相冷媒とする凝縮器１２４と、この低温高圧の液相冷媒を減圧して二相流の冷媒とする減圧器１２６と、この二相流の冷媒を外気との熱交換により低温低圧の気相冷媒とする蒸発器１２８と、により構成されている。この冷凍サイクル１２０は、凝縮器１２４を室内機として用い、蒸発器１２８を室外機として用いれば、室内を加熱するヒートポンプとして作用する。この冷凍サイクル１２０の機能については、通常の機能と変わることがなく、本発明の中核をなさないので、これ以上の詳細な説明は省略する。この冷凍サイクル１２０では、凝縮器１２４や蒸発器１２８に実施例のフィンチューブ熱交換器２０を用いるから、凝縮器１２４や蒸発器１２８の伝熱効率が向上する結果、全体のエネルギ効率を向上させることができ、装置の小型化を図ることができる。なお、凝縮器１２４と蒸発器１２８のうち一方だけを実施例のフィンチューブ熱交換器２０として構成するものとしても構わない。

実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、図１に示すように、フィン３０における山部３４と谷部３６とを隣接する伝熱管間で３回屈曲させるものとしたが、山部３４や谷部３６の屈曲回数は何回でもよく、例えば、図９に例示する変形例のフィンチューブ熱交換器２２０に示すように、フィン２３０における山部３４と谷部３６とを隣接する伝熱管間で５回屈曲させるものとしてもよい。また、実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、隣接する伝熱管間の中央で対称となるようフィン３０における山部３４と谷部３６とを屈曲させるものとしたが、山部３４と谷部３６とを屈曲させないものとしても構わない。この場合、隣接する伝熱管間の中央で対称とはならない。

実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、空気の流出側では、各伝熱管２２ａ〜２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域に空気が流れるよう各フィン３０の山部３４と谷部３６とを形成するものとしたが、このように、各伝熱管２２ａ〜２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域に空気が流れるよう各フィン３０の山部３４と谷部３６とを形成しないものとしてもよい。この場合、空気の流入側と同様に、空気の流線に対してなす角γが所定の鋭角（３０度）となるようフィン３０に山部３４と谷部３６とを形成するものとしてもよい。

実施例では、本発明をフィンチューブ熱交換器２０として説明したが、このフィンチューブ熱交換器２０から伝熱管２２ａ〜２２ｃを取り除いた空気性状変換器として用いるものとしてもよい。空気性状変換器としては、例えば、ミストセパレータとして用いることもできる。図１０に空気性状変換器の一例としてのミストセパレータの概略を示す。このミストセパレータは、ミスト（霧状の水）を含む空気を導入し、ミストを分離してミストの少ない空気を流出する。上述したように、ミストセパレータの内部には、伝熱管２２ａ〜２２ｃのない複数のフィン３０が取り付けられているから、流入した空気にはフィン３０上で二次流れが生じる。空気はこの二次流れと共に流出するが、ミストは空気ほど軽くないため、フィン３０に衝突し、フィン３０上に液滴として付着する。フィン３０を垂直になるよう配置すれば、フィン３０に付着した液滴は自然流下し、ミストセパレータの下部から水として取り出すことができる。このように、山部３４と谷部３６とを形成したフィン３０は、熱交換器として用いるだけでなくミストセパレータとしても用いることができる。なお、フィン３０を熱交換器に用いた場合、空気の温度に着目すれば、熱交換器も空気の性状を変換する空気性状変換器と考えることができる。

実施例のフィンチューブ熱交換器２０では、複数の伝熱管２２ａ〜２２ｃとして断面が略円形のものを用いたが、図１１の変形例のフィンチューブ熱交換器１２０に示すように、断面が矩形形状をしている複数の伝熱管１２２ａ〜１２２ｃを用いるものとしてもよい。この場合、図示するように、複数のフィン１３０と複数の伝熱管１２２ａ〜１２２ｃとにより空気の流入部と空気の流出部とを構成するものとしてもよい。こうした変形例のフィンチューブ熱交換器１２０でも、実施例と同様に、空気の流入部側では、空気の流線に対してなす角γが所定の鋭角となるようフィン１３０に山部１３４と谷部１３６とを形成することにより、空気の流れに有効な二次流れを生じさせて伝熱効率を向上させ、全体としての熱交換効率を向上させることができる。この結果、変形例のフィンチューブ熱交換器１２０の小型化を図ることができる。また、変形例のフィンチューブ熱交換器１２０でも、各フィン１３０間の空気の平均風速ｕと山部１３４と谷部１３６とによる波の振幅ｈで定義されるレイノルズ数Ｒｅが１０以上となるよう山部１３４と谷部１３６とを形成すると共に各フィン１３０を伝熱管１２２ａ〜１２２ｃに取り付けることにより、伝熱性能を向上させることができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、熱交換器や空気性状変換器の製造産業などに利用可能である。

Claims (9)

1. 空気と熱交換媒体との熱交換を行なう熱交換器であって、
   前記熱交換媒体の流路として平行に配置された複数の伝熱管と、
   空気を流入する空気流入部と、空気を流出する空気流出部と、前記複数の伝熱管と熱交換する前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路とを構成する波状の複数のフィン部材と、
   を備え、
   前記複数のフィン部材は、少なくとも空気の流入側における空気の流れの主流と波とのなす角が一定の鋭角となるよう配置されてなり、波の頂部を連ねた頂部線が複数回に亘って屈曲するよう波が形成され、且つ、前記流入側では隣接する波の前記頂部線の屈曲点を連ねた屈曲線が前記主流に一致するよう波が形成されてなる、ことを特徴とする
   熱交換器。
2. 前記複数のフィン部材は、波が隣接する伝熱管に対して対称となるよう形成されてなる請求項１記載の熱交換器。
3. 前記複数のフィン部材は、前記伝熱管の空気の流れ方向後方の死水域に空気が流れるよう波が形成されてなる請求項１または２記載の熱交換器。
4. 前記所定角は、１０度ないし６０度の範囲内の角度である請求項１ないし３いずれか記載の熱交換器。
5. 前記複数の伝熱管は、断面が略円形，略矩形のいずれかに形成されてなる請求項１ないし４いずれか記載の熱交換器。
6. 前記複数のフィン部材は、前記空気の通路として前記複数の伝熱管と熱交換可能に交差する前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路を構成する部材である請求項１ないし５いずれか記載の熱交換器。
7. 前記複数の伝熱管は、前記複数のフィン部材と共に前記空気流入部および／または前記空気流出部を構成することを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の熱交換器。
8. 請求項１ないし７いずれか記載の熱交換器を蒸発器および凝縮器のうちの少なくとも一方に用いた冷凍サイクルを構成してなる空気調和装置。
9. 空気を流入して性状を変換して流出する空気性状変換器であって、
   空気を流入する空気流入部と、空気を流出する空気流出部と、前記空気流入部から前記空気流出部に至る空気の通路とを構成する波状の複数のフィン部材を備え、
   該複数のフィン部材は、少なくとも空気の流入側における空気の流れの主流と波とのなす角が一定の鋭角となるよう配置されてなり、波の頂部を連ねた頂部線が複数回に亘って屈曲するよう波が形成され、且つ、前記流入側では隣接する波の前記頂部線の屈曲点を連ねた屈曲線が前記主流に一致するよう波が形成されてなる、ことを特徴とする、
   空気性状変換器。