JP2006234264A

JP2006234264A - フィンチューブ型熱交換器

Info

Publication number: JP2006234264A
Application number: JP2005048756A
Authority: JP
Inventors: Sunao Saito; 直斎藤; Toshiaki Yoshikawa; 利彰吉川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】従来の空気調和機に用いられるフィンチューブ型熱交換器は、列数を増しても収納性や通風抵抗、または風速分布により大幅な能力向上が得られ難い。
【解決手段】一定間隔で平行に複数並べられるとともに、その間を気体が流動するフィンと、前記フィンに所定の段ピッチおよび列ピッチで略直角に挿入され、内部を流体が流動する伝熱管から構成され、前記伝熱管の外径Ｄ０を３ｍｍ≦Ｄ０≦７．８ｍｍとし、気流方向管列ピッチＬ１および気流と垂直方向の管段ピッチＬ２としたとき、１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０およびＬ２＜３．３Ｄ０とした。
【選択図】図３

Description

この発明は、空気調和機または冷凍機分野に広く用いられるフィンチューブ型熱交換器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、管外径Ｄ０（３ｍｍ≦Ｄ０≦７．５ｍｍ）の伝熱管を有し、気流方向の管列ピッチＬ１を１．２Ｄ０≦Ｌ１≦１．８Ｄ０、そして気流方向に垂直な管段ピッチＬ２を２．６Ｄ０≦Ｌ２≦３．５Ｄ０としている。

そして、フィンの伝熱管相互間に切り起して開口したスリット形切り起し群の脚部列がフィンの前縁と角度をなすように設けられて、空気側伝熱性能を高めるものであった（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６３−３１８８号公報（第３−４頁、第１図）

上述のように構成された従来の熱交換器は、近年の省エネ法規制等による高効率の追求に応じた伝熱面積の拡大のための複数列化には対応しておらず、空気側の圧力損失の増加により伝熱性能の低下をまねくといった問題を有していた。また、環境問題による素材使用量の削減といった観点では、伝熱性能最大を目指すあまり素材（フィン材）使用量に対する効率面ではパフォーマンスの悪いところで列ピッチＬ１が設定されているという問題を有していた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複数列化した場合の伝熱性能を改善することと、列数が少ない場合でも伝熱性能を確保しながらフィン材の使用量を削減することを目的としている。

この発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、一定間隔で平行に複数並べられ、その間を気体が流動するフィンと、前記フィンに所定の段ピッチおよび列ピッチで略直角に挿入され、内部を冷媒が流動する伝熱管から構成され、前記伝熱管の外径Ｄ０を３ｍｍ≦Ｄ０≦７．８ｍｍとし、気流方向の管列ピッチＬ１および気流と垂直方向の管段ピッチＬ２を、１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０およびＬ２＜３．３Ｄ０としたものである。

この発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、一定間隔で平行に複数並べられ、その間を気体が流動するフィンと、前記フィンに所定の段ピッチおよび列ピッチで略直角に挿入され、内部を冷媒が流動する伝熱管から構成され、前記伝熱管の外径Ｄ０を３ｍｍ≦Ｄ０≦７．８ｍｍとし、気流方向の管列ピッチＬ１および気流と垂直方向の管段ピッチＬ２を、１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０およびＬ２＜３．３Ｄ０としたので、大幅な性能向上の効果を有する。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器を図１〜図５を用いて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による冷凍サイクルの構成図、図２と図３はこの発明のフィンチューブ型熱交換器を示す断面図、図４、図５はこのフィンチューブ型熱交換器の性能を説明する特性図である。

図１において、圧縮機１、四方弁２、室外側熱交換器３、膨張機構（電子制御式膨張弁）４、室内側熱交換器５を順次接続して冷凍サイクルを構成し、室外側熱交換器３には室外送風機６が、そして室内側熱交換器５には室内送風機７が設けられている。冷房運転時は、圧縮機１から圧縮された高温高圧の冷媒が吐出し、四方弁２を介して室外側熱交換器３へ流入する。この室外側熱交換器３ではその風路に設けられた室外側送風機６により室外の空気が室外側熱交換器のフィンとチューブの間を通過しながら熱交換し冷媒は冷却されて高圧の液状態になり、室外側熱交換器３は凝縮器として作用する。その後膨張機構４を通過して減圧され低圧の二相冷媒となり室内側熱交換器５に流入する。室内側熱交換器５ではその取り付けられた風路の室内側送風機７の駆動により室内空気が室内側熱交換器５のフィンとチューブの間を通過し冷媒と熱交換することにより、室内空間に吹出される空気は冷やされ、一方冷媒は空気より熱を受け取り蒸発して気体状態となり（室内側熱交換器５は蒸発器として作用する）、その後圧縮機１へ戻り冷媒は循環することにより、室内空間を空調する。また、暖房運転の場合は、冷凍サイクルにおいて上記と逆向きの冷媒流れとなり、室内側熱交換器５が凝縮器として、室外側熱交換器３が蒸発器として作用する。

図２および図３に示すように、一定間隔をおいて平行に複数並べられたフィン２０に一定間隔でバーリング加工されてフィンカラーを有した挿通穴にフィンに対して略垂直に伝熱管１０が挿入され、フィン２０に並行に、そして伝熱管１０には垂直な方向（図中の矢印方向）に気流が流入する。この伝熱管１０の外径Ｄ０は略３ｍｍから７．８ｍｍのサイズである。また、気流方向の管列ピッチをＬ１、気流と垂直方向の管段ピッチＬ２とすると、外径Ｄ０と管列ピッチＬ１との関係は１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０、外径Ｄ０と管列ピッチＬ２との関係はＬ２＜３．３Ｄ０に設定されている。なお、この伝熱管１０には図１にて説明した冷凍サイクル中を循環する冷媒が流動することにより、熱交換器を通過する気流とこの冷媒との間で、伝熱管１０およびそれに密着して熱的に繋がったフィン２０を介して熱交換される。

図３は図２のＡ−Ａ断面における断面図であり、フィン２０に対して伝熱管１０が管列数を３列とし、千鳥状に配置された形態となっている。

図４は上記構成のフィンチューブ型熱交換器を室外側熱交換器として用いた場合に、管列ピッチＬ１と列数をパラメータとして、同一送風騒音時の風量基準で冷凍サイクル機器のＣＯＰ（エネルギー消費効率の冷房と暖房の平均）を実験および解析を行い評価したものである。図において、縦軸にＣＯＰ改善率［％］、横軸にＬ１／Ｄ０をとり、３列の場合を実線、２列を一点鎖線、そして１列を点線で示している。

すなわち、管列数が３列の熱交換器（図中の実線）において、従来の熱交換器で用いられたＬ１＞２．２Ｄ０の範囲では、伝熱面積は増加するが通風抵抗も増加し、ＣＯＰは減少するばかりでＣＯＰの最大ポイントで使用できていない。本発明は、１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０の範囲に設定しているので、ＣＯＰの最大ポイントで使用することができ、大幅に性能が向上する。

また、管列数が２列の熱交換器（図中の一点鎖線）や１列の熱交換器（図中の点線）においては、従来のＬ１＞２．２Ｄ０の範囲で、Ｌ１／Ｄ０が増加するにつれてＣＯＰは微増傾向にあるのでＣＯＰとしては最大値を得ることができるが、管列ピッチが増加するためフィン材の使用量も増加する。一方、Ｌ１＜１．９Ｄ０の領域ではＬ１／Ｄ０が減少するにつれてＣＯＰは大幅に低下する。そして、本発明の１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０の範囲に設定することで、ＣＯＰの低下を最小限に抑えながらフィン材の使用量を削減しているのでコストパフォーマンスは大幅に改善できる。

図４に示すように、１．９≦Ｌ１／Ｄ０≦２．２の範囲に設定すると、管列数が１列または２列に比べて、３列の熱交換器の方がＣＯＰ改善率において顕著な効果が得られる。

上述のフィンチューブ型熱交換器では室外側熱交換器の場合として説明したが、室内側熱交換器でも同様の効果を得ることができる。
なお、室内側熱交換器と室内送風機を内設し、吸込口および吹出口を有する箱体からなる空気調和機室内機は居室空間に設置されることからコンパクトな形状となっている。一方、室外側熱交換器と室外送風機および圧縮機等の冷媒回路部品を内設する箱体からなる空気調和機室外機は、屋外の広い設置制約が少ない場所に据え付けられることから室外側熱交換器の正面面積は室内側熱交換器よりも大きくとれるのが一般的である。従って、これまでの室外側熱交換器の管列数は１または２列が多く、３列は稀であり、この３列の室外側熱交換器は１または２列の仕様の延長線上でつくられていた。そこで近年の市場環境より３列化の室外側熱交換器の重要度が上がってきているので、より室外側熱交換器への展開が必要となっている。

図５は図１から図３を用いて説明した構成のフィンチューブ型熱交換器を室外側熱交換器として用いた場合において、フィンピッチＦＰをパラメーターとして、同一送風騒音時の風量基準で機器の暖房低温能力（デフロストサイクル能力）を実験および解析を行い評価したものであり、縦軸に暖房低温能力、横軸にフィンピッチＦＰ［ｍｍ］をとり、その特性を実線カーブで示している。

そして、図５のフィンピッチＦＰを変化させたときのフィンチューブ型熱交換器の性能を示す特性図におけるフィンチューブ型熱交換器の条件としては、上記の伝熱管の外径寸法や、管外径と管列ピッチの関係、および管外径と管段ピッチの関係は同一としたものである。

図５に示すように、フィンピッチＦＰが１．３ｍｍ未満の場合には、伝熱面積は増加するが、フィン表面への着霜の成長が早まりその着霜した熱交換器を通過する風量が低下することによる能力低下となる。一方、フィンピッチＦＰが２．０ｍｍ以上の場合には、着霜による風量低下は抑えられるが伝熱面積が減少するための能力が低下してしまう。そこで、本発明は、フィンピッチＦＰを１．３ｍｍ≦ＦＰ≦２．０ｍｍとすることで最大の能力を得ることができ、暖房低温能力の大幅な性能改善の効果を有する。

また、この発明により伝熱性能を低下させることなく、フィン材の使用量を従来よりも削減し原価低減の効果を有するものである。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクルの構成図である。本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の断面図である。図２のＡ−Ａ断面における断面図である。本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の性能を示す特性図である。本発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の性能を示す特性図である。

符号の説明

１圧縮機、２四方弁、３室外側熱交換器、４膨張機構、５室内側熱交換器、６室外送風機、７室内熱交換器、１０伝熱管、２０冷却フィン。

Claims

一定間隔で平行に複数並べられ、その間を気体が流動するフィンと、前記フィンに所定の段ピッチおよび列ピッチで略直角に挿入され、内部を冷媒が流動する伝熱管から構成され、前記伝熱管の外径Ｄ０を３ｍｍ≦Ｄ０≦７．８ｍｍとし、気流方向の管列ピッチＬ１および気流と垂直方向の管段ピッチＬ２を、１．９Ｄ０≦Ｌ１≦２．２Ｄ０およびＬ２＜３．３Ｄ０としたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
前記伝熱管の列数を３列とした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。
前記フィンのフィンピッチＦＰを１．３ｍｍ≦ＦＰ≦２．０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１または２記載のフィンチューブ型熱交換器。
冷凍サイクルの圧縮機と膨張機構と室外側熱交換器を内設した空気調和機の室外機の前記室外側熱交換器として使用したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器。