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WO2007013623A1 - 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

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 Download PDF

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WO2007013623A1
WO2007013623A1 PCT/JP2006/315049 JP2006315049W WO2007013623A1 WO 2007013623 A1 WO2007013623 A1 WO 2007013623A1 JP 2006315049 W JP2006315049 W JP 2006315049W WO 2007013623 A1 WO2007013623 A1 WO 2007013623A1
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WO
WIPO (PCT)
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air
heat exchanger
heat
heat transfer
heat exchange
Prior art date
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PCT/JP2006/315049
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English (en)
French (fr)
Inventor
Naoki Shikazono
Nobuhide Kasagi
Yuji Suzuki
Yoshinori Suzue
Kenichi Morimoto
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University of Tokyo NUC
Original Assignee
University of Tokyo NUC
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Publication date
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Priority to EP06781959A priority patent/EP1912034B1/en
Priority to JP2007526925A priority patent/JP4815612B2/ja
Priority to CN200680027916.XA priority patent/CN101233380B/zh
Publication of WO2007013623A1 publication Critical patent/WO2007013623A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, an air conditioner including the heat exchanger, and an air property converter. Specifically, the heat exchanger performs heat exchange between air and a heat exchange medium, and the heat exchanger is used.
  • the present invention relates to an air conditioner and an air property converter that converts the property by flowing in and flows out.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-161588
  • Patent Document 2 JP 2000-193389 A
  • the airflow resistance exceeds the heat transfer rate due to separation of the air flow due to protrusions and cuts and local acceleration. May increase.
  • water vapor in the air becomes dew or frost and adheres to the heat exchanger, and condensed water or frost clogs between the slits. In some cases, the air flow may be obstructed.
  • One of the objects of the heat exchanger of the present invention and the air conditioner using the heat exchanger is to suppress separation of air flow and local acceleration.
  • Another object of the heat exchanger and the air conditioner using the heat exchanger of the present invention is to improve the heat exchange efficiency by generating an effective secondary flow of air.
  • the pneumatic property of the present invention The purpose of the state change is to reduce air flow separation and local acceleration, and to efficiently convert the air properties and reduce the size.
  • the heat exchanger of the present invention, the air conditioner using the heat exchanger, and the air property converter employ the following means in order to achieve at least a part of the above-described object.
  • the heat exchanger of the present invention comprises:
  • a plurality of heat transfer tubes arranged in parallel as flow paths of the heat exchange medium
  • a plurality of corrugated fins that constitute an air inflow portion for inflowing air, an air outflow portion for outflowing air, and an air passage from the air inflow portion to the air outflow portion for heat exchange with the plurality of heat transfer tubes A member,
  • the plurality of fin members are arranged such that at least an angle formed by an air stream line and a wave in a predetermined range from the air inflow portion to the air outflow portion is a predetermined angle within an acute angle range.
  • a plurality of fin members are arranged so that an angle formed by an air streamline and a wave in a predetermined range in the direction of the air inflow portion force and the air outflow portion is a predetermined angle in an acute angle range. Therefore, it is possible to generate a secondary flow component effective for promoting heat transfer without causing separation in the air flow. Therefore, local acceleration of the air flow can be suppressed and heat exchange efficiency can be improved. As a result, the heat exchange can be reduced in size.
  • the plurality of heat transfer tubes may be formed to have a substantially circular or rectangular cross section. Further, the plurality of fin members may be corrugated members stacked in parallel.
  • the plurality of fin members may be formed so that waves are symmetrical with respect to adjacent heat transfer tubes. In this way, the air flow can be made symmetrical with respect to the adjacent heat transfer tubes.
  • the plurality of fin members may be formed with waves so that air flows in a dead water area behind the heat transfer tube in the air flow direction. . This will allow air to flow in the dead water area behind the heat flow tube air flow direction. It is possible to improve the heat exchange efficiency.
  • the plurality of fin members may be formed with waves such that a top line connecting the tops of the waves bends a plurality of times.
  • the plurality of fin members are formed with waves so that a bending line connecting the bending points of the top lines of adjacent waves in the predetermined range coincides with the air stream line.
  • the plurality of fin members are configured such that a Reynolds number defined by a designed air flow velocity u and wave amplitude h is 10 or more. It can also be. This is because when the Reynolds number is 10 or more, the inertial force of the air flow exceeds the viscous force, and the dynamic pressure is converted to static pressure at the stagnation point on the front surface of the convex surface in the wave irregularities, and heat transfer is performed by this pressure difference. Based on generating a secondary flow effective for promotion
  • the predetermined angle may be an angle within a range of 10 degrees to 60 degrees. In this way, separation of the air flow and local acceleration of the air flow can be suppressed.
  • the predetermined angle is preferably 15 degrees to 45 degrees, more preferably 25 degrees to 35 degrees, and more preferably 30 degrees.
  • the plurality of fin members are air passages from the air inflow portion to the air outflow portion that intersect the plurality of heat transfer tubes so that heat exchange is possible as the air passages. It can also be a member which comprises. Further, the plurality of heat transfer tubes constitute the air inflow portion and the air outflow portion together with the plurality of fin members.
  • the air conditioner of the present invention is a heat exchanger of the present invention according to any one of the above-described aspects, that is, a heat exchanger that basically performs heat exchange between air and a heat exchange medium.
  • a plurality of heat transfer tubes arranged in parallel as flow paths of the heat exchange medium, an air inflow portion for inflowing air, an air outflow portion for outflowing air, and the air inflow for heat exchange with the plurality of heat transfer tubes
  • a plurality of fin members constituting air passages leading to the air outflow portion, wherein the plurality of fin members flow at least in a predetermined range from the air inflow portion to the air outflow portion.
  • the gist of the present invention is that the heat exchange characterized by being used in at least one of the evaporator and the condenser constitutes a refrigeration cycle.
  • the heat exchanger of the present invention since the heat exchanger of the present invention according to any one of the above-described aspects is used, the effects exhibited by the heat exchanger of the present invention, for example, no separation occurs in the air flow. Similar to the effect of generating secondary flow components effective for promoting heat transfer, the effect of suppressing local increase in air flow, and the effect of improving heat exchange efficiency The effect of can be produced. As a result of these effects, the apparatus can be made compact.
  • a plurality of corrugated fin members that form an air inflow portion for inflowing air, an air outflow portion for outflowing air, and an air passage extending from the air inflow portion to the air outflow portion;
  • the member is arranged such that an angle formed by an air stream line and a wave in a predetermined range from the air inflow portion to the air outflow portion is a predetermined angle within an acute angle range.
  • the angle formed between the air streamline and the wave in a predetermined range in the direction of the air inflow portion force and the air outflow portion of the plurality of fin members becomes a predetermined angle within an acute angle range.
  • a secondary flow component effective for air property conversion can be generated without causing separation in the air flow. Therefore, local acceleration of the air flow can be suppressed and the efficiency of air property conversion can be improved.
  • the air property change can be reduced in size.
  • the air property conversion includes aerodynamic force that contains a large amount of mist, which converts mist to air (air property change is equivalent to a mist separator).
  • the plurality of fin members may be wavy members stacked in parallel.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a finned tube heat exchanger 20 as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an AA cross section of the finned tube heat exchanger 20 in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining air flow lines when a fin tube heat exchanger 20 ⁇ ⁇ ⁇ is constituted by fins 30 B formed as simple flat plates.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section when the fin 30 is broken along the curve B1-B2 in FIG. 1 connecting the bent portions of the peak portion 34 and the valley portion 36.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a secondary flow of air generated on a flat plate when air with a small flow velocity is introduced into a corrugated flat plate and a contour line due to temperature.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an improvement rate for a flat plate fin having a Nusselt number with a non-dimensional heat transfer coefficient representing heat transfer performance.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the improvement rate of the j / fH element, which is the ratio of the heat transfer performance and the ventilation resistance, with respect to the flat plate fin.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the refrigeration cycle 120 using the fin tube heat exchanger 20 of the embodiment as a condenser 124 and an evaporator 128.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a finned-tube heat exchanger 220 of a modified example.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing an outline of a mist separator as an example of air property change.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a cross section of a fin tube heat exchanger 20 of a modification.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a finned-tube heat exchanger 20 as an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an AA cross section of the finned-tube heat exchanger 20 in FIG. It is a sectional view. Note that FIG. 2 shows a range from the heat transfer tube 22a to the heat transfer tube 22b because of the enlarged cross-sectional view.
  • the fin tube heat exchanger 20 of the embodiment has a plurality of heat transfer tubes 22a to 22c arranged in parallel to form a passage of the heat exchange medium, and substantially perpendicular to the plurality of heat transfer tubes 22a to 22c. And a plurality of fins 30 arranged in the.
  • the plurality of heat transfer tubes 22a to 22c are arranged in parallel to divert or divert a heat exchange medium, for example, a cooling liquid such as cooling water or cooling oil, or a medium such as a refrigerant gas used in a refrigeration cycle. It is arranged so as to be substantially perpendicular to the flow of cooling air.
  • a heat exchange medium for example, a cooling liquid such as cooling water or cooling oil, or a medium such as a refrigerant gas used in a refrigeration cycle. It is arranged so as to be substantially perpendicular to the flow of cooling air.
  • the plurality of fins 30 are indicated by a plurality of bent ridges 34 indicated by wavy lines in FIG. 1, and a dashed-dotted line interposed between the plurality of ridges 34. Multiple bending valleys
  • the fins 30 are formed as a plurality of corrugated flat plate members, and the fins 30 adjacent to each other are substantially perpendicular to the flow direction of the heat exchange medium of the heat transfer tubes 22a to 22c. It attaches to the heat exchanger tubes 22a-22c so that it may become substantially parallel.
  • the attachment portions 32a to 32c of the heat transfer tubes 22a to 22c of the plurality of fins 30 are formed as horizontal portions without the ridges 34 and the valleys 36 because of the necessity of attachment.
  • a plurality of fins 30 constitute an air inflow portion on the upper side, an air outflow portion on the lower side, and an air passage between the heat transfer tubes 22a to 22c. Is done.
  • a plurality of crests 34 and troughs 36 of each fin 30 have a predetermined acute angle, for example, an angle ⁇ formed by a continuous line (dashed line, alternate long and short dash line) and an air flow (stream line) on the air inflow side. It is formed so as to be 30 degrees and to be symmetric with respect to the air stream line at the center of the adjacent heat transfer tubes 22a to 22c. Therefore, the curve connecting the bent portions of the peak portion 34 and the valley portion 36 coincides with the air stream line on the air inflow side.
  • Fig. 3 shows the air flow lines when the fin tube heat exchanger 20 ⁇ is formed by the fin 30B formed as a mere flat plate.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section when the fin 30 is broken along the curve B1-B2 in FIG. 1 connecting the bent portions of the peak portion 34 and the valley portion 36.
  • the curve B1— ⁇ 2 surface of the fin 30 is formed in a wave shape in which peaks 34 and valleys 36 appear alternately.
  • the fins 30 are arranged so that the angle ⁇ formed by the continuous line (broken line, alternate long and short dash line) of the crest 34 and the trough 36 on the air inflow side and the air flow (stream line) becomes a predetermined acute angle. The reason for this is to effectively generate a secondary air flow.
  • Figure 5 shows the secondary flow of air (arrows) generated on the flat plate when air with a small flow velocity is introduced into the corrugated flat plate, and the contour lines due to temperature.
  • a strong secondary flow is generated by the peaks 34 and valleys 36, and a large temperature gradient is generated near the wall surface.
  • the angle ⁇ between the continuous line of the peak 34 and valley 36 (broken line, one-dot chain line) and the streamline of air was set to 30 degrees in order to effectively generate this secondary flow. It is. If the angle ⁇ is too small, an effective secondary flow cannot be generated in the air flow, and if it is too large, the air cannot flow along the peaks 34 and the valleys 36, causing separation and Local speed increase occurs and ventilation resistance increases.
  • the angle ⁇ is preferably 10 ° to 60 ° within an acute angle range, and 15 ° to 45 ° in order to generate a secondary flow of air. Even more preferred is 25 to 35 degrees. For this reason, in the embodiment, 30 degrees was used as the angle y formed.
  • the air flow is small, the main flow of the air flow is kept almost the same as the streamline of a flat plate without peaks 34 and valleys 36, while the secondary flow due to peaks 34 and valleys 36 is maintained. It can be generated effectively.
  • the plurality of crests 34 and troughs 36 of each fin 30 are formed so that air flows in the dead water area behind the heat transfer tubes 22a to 22c on the air outflow side. In this way, air can also flow through the dead water area behind the heat transfer tubes 22a to 22c in the air flow direction, thereby contributing to heat exchange.
  • each fin 30 has a Reynolds number Re defined by the average wind velocity u of air between the fins and the wave amplitude h (see FIG. 4) due to the peak 34 and the valley 36 of the fin 30.
  • the amplitude h and the distance between each fin are designed so that is 10 or more.
  • Figure 6 shows the improvement rate for a flat plate fin with a Nusselt number obtained by reducing the heat transfer coefficient representing heat transfer performance.
  • the Nusselt number on the vertical axis in Fig. 6 is specified by the Nusselt number (Nu) of the plate fin.
  • Figure 7 shows the rate of improvement of the plate fin of j / loader, which is the ratio of heat transfer performance and draft resistance.
  • the j / fH element on the vertical axis is the j / fH element of the plate fin (j / D
  • the fin 30 is arranged so that the angle ⁇ formed with respect to the air stream line is a predetermined acute angle (30 degrees).
  • the peak portion 34 and the valley portion 36 an effective secondary flow can be generated in the air flow to improve the heat transfer efficiency and improve the overall heat exchange efficiency.
  • the fin tube heat exchanger 20 can be reduced in size.
  • the peak is set so that the Reynolds number Re defined by the average wind velocity u of the air between the fins 30 and the wave amplitude h by the peak 34 and the valley 36 is 10 or more. Since the portion 34 and the valley portion 36 are formed and the fins 30 are attached to the heat transfer tubes 22a to 22c, the heat transfer performance can be improved.
  • each heat transfer tube 22 is on the air outflow side. Since the crest 34 and the trough 36 of each fin 30 are formed so that air flows in the dead water area behind the air flow direction a to 22c, the dead water area behind the heat flow tube 22a to 22c also flows in the dead water area Air can be flowed to contribute to heat exchange. As a result, the heat exchange efficiency of the fin tube heat exchanger 20 can be further improved.
  • the fin tube heat exchanger ⁇ 20 of the embodiment since waves are formed in the fin 30 by the peak portion 34 and the valley portion 36, the fins are not cut and raised, and the distance between the fins and the fins is narrowed. Therefore, separation of air flow and local acceleration can be suppressed. Further, when the fin tube heat exchanger 20 is used as an evaporator, it is possible to suppress obstructing the air flow caused by clogging due to condensed water or frost.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the refrigeration cycle 120 using the finned tube heat exchanger 20 of the embodiment as the condenser 124 and the evaporator 128.
  • the illustrated refrigeration cycle 120 includes a compressor 122 that compresses a low-temperature and low-pressure gas-phase refrigerant into a high-temperature and high-pressure refrigerant gas, and cools the high-temperature and high-pressure gas-phase refrigerant by heat exchange with the outside air.
  • a condenser 124 that is a liquid phase refrigerant, a decompressor 126 that depressurizes the low-temperature and high-pressure liquid phase refrigerant to form a two-phase refrigerant, and a low-temperature and low-pressure refrigerant by heat exchange with the outside air.
  • an evaporator 128 serving as a gas-phase refrigerant.
  • the refrigeration cycle 120 functions as a heat pump that heats the room if the condenser 124 is used as an indoor unit and the evaporator 128 is used as an outdoor unit. Since the function of the refrigeration cycle 120 does not form the core of the present invention, which is different from the normal function, further detailed description is omitted.
  • the fin tube heat exchanger 20 of the embodiment is used for the condenser 124 and the evaporator 128, so that the heat transfer efficiency of the condenser 124 and the evaporator 128 is improved, thereby improving the overall energy efficiency. Therefore, the apparatus can be reduced in size. Note that only one of the condenser 124 and the evaporator 128 may be configured as the fin tube heat exchanger of the embodiment.
  • a force that causes the crest 34 and the trough 36 in the fin 30 to be bent three times between adjacent heat transfer tubes For example, as shown in the fin tube heat exchanger 220 of the modified example illustrated in FIG. 9, the peak portion 34 and the valley portion 36 in the fin 230 are connected between adjacent heat transfer tubes. It may be bent 5 times.
  • the peak 34 and the valley 36 in the fin 30 are bent so that they are symmetrical in the center between adjacent heat transfer tubes. It does not matter if the valley 36 is not bent. In this case, it is not symmetrical at the center between adjacent heat transfer tubes.
  • the crests 34 and troughs of the fins 30 are arranged so that air flows in the dead water area behind the heat transfer tubes 22a to 22c in the air flow direction.
  • the ridges 34 and valleys 36 of each fin 30 are not formed so that air flows in the dead water area behind the heat flow tubes 22a to 22c in the air flow direction. It may be a thing.
  • the crest 34 and the trough 36 may be formed in the fin 30 so that the angle ⁇ formed with respect to the air stream line is a predetermined acute angle (30 degrees). .
  • the force described in the present invention as fin tube heat exchange may be used as the air property change by removing the heat transfer tubes 22a to 22c from the fin tube heat exchange.
  • the air property change for example, it can be used as a mist separator.
  • Fig. 10 shows an outline of a mist separator as an example of air property change. This mist separator introduces air containing mist (mist-like water), separates the mist, and flows out air with less mist.
  • the heat transfer tubes 22a to 22c are installed inside the mist separator! /, And a plurality of fins 30 are attached! /. Arise.
  • the mist is not as light as air, so it collides with the fins 30 and adheres to the fins 30 as droplets. If the fins 30 are arranged vertically, the droplets adhering to the fins 30 will naturally flow down and can be taken out as water from the bottom of the mist separator.
  • the fin 30 in which the peak portion 34 and the valley portion 36 are formed can be used not only as a heat exchanger but also as a mist separator. When the fin 30 is used in a heat exchanger, if attention is paid to the air temperature, the heat exchanger can also be considered as an air property change that converts the air property.
  • a force using a plurality of heat transfer tubes 22a to 22c having a substantially circular cross section as shown in the fin tube heat exchanger 120 of the modification of FIG. It is also possible to use a plurality of heat transfer tubes 122a to 122c having a rectangular shape. In this case, as shown, a plurality of fins 130 and a plurality of heat transfer tubes 122a to 122c are used. It is good also as what comprises the inflow part of air, and the outflow part of air.
  • the ridges 134 and valleys are formed on the fins 130 so that the angle ⁇ made with respect to the air stream line becomes a predetermined acute angle.
  • the part 136 By forming the part 136, an effective secondary flow can be generated in the air flow to improve the heat transfer efficiency, and the overall heat exchange efficiency can be improved.
  • the fin tube heat exchanger 120 of the modification can be reduced in size.
  • the Reynolds number Re defined by the average wind speed u of the air between the fins 130 and the wave amplitude h by the peak portion 134 and the valley portion 136 is 10 or more.
  • the present invention can be used in the manufacturing industry of heat exchangers and air property converters.

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Abstract

　複数積層するフィン３０の空気の流入部側には、空気の流線に対してなす角γが所定の鋭角（３０度）となるよう山部３４と谷部３６とを形成し、空気の流出側には、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山部３４と谷部３６とを形成する。これにより、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ることができると共に伝熱管２２ａ～２２ｃの空気の流れ方向後方の死水域にも空気を流して熱交換に寄与させることができる。この結果、空気の流れの剥離や局所的な増速を抑制すると共に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ができる。

Description

明 細 書
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 技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 従来、この種の熱交^^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^^にぉ 、て、複数のフィンとして 細!、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。これらの熱交翻は、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。
特許文献 1 :特開 2003— 161588号公報
特許文献 2 :特開 2000— 193389号公報
発明の開示
[0003] し力しながら、上述のフィンチューブ熱交^^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。
[0004] 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^^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^^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 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。
[0005] 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。
[0006] 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^^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。
[0007] この本発明の熱交 は、複数のフィン部材を空気流入部力 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^^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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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つ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 することちでさる。
[0011] 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
[0012] また、本発明の熱交^^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 4 5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。
[0013] 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 ことを特徴とするちのとすることちでさる。
[0014] 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^^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 力 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 を、蒸発器および凝縮器のうちの少なくとも一方 に用 、た冷凍サイクルを構成してなることを要旨とする。
[0015] 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 ィ匕を図ることができる。
[0016] 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。
[0017] この本発明の空気性状変 では、複数のフィン部材を空気流入部力 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 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力 ミストを軽減した空気に変換するもの（空気性状変^^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。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]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 2]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。 [図 3]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 20Βを構 成したときの空気の流線を説明する説明図である。
[図 4]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 5]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。
[図 6]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。
[図 7]伝熱性能と通風抵抗の比である j/fH子の平板フィンに対する向上率を示す説 明図である。
[図 8]実施例のフィンチューブ熱交翻 20を凝縮器 124および蒸発器 128として用 V、た冷凍サイクル 120の構成の概略を示す構成図である
[図 9]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。
[図 10]空気性状変翻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。
[図 11]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。 発明を実施するための最良の形態
[0019] 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。
[0020] 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翻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。
[0021] 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。
[0022] 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 3 6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 ヽな ヽ 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 20Β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— Β2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度が好ましぐ 15度ないし 45度が 更に好ましぐ 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 y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。
[0024] 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。
[0025] 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) で規格ィ匕されている。図からわ力るように、レイノ
flat
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/載子の平板フィ ンに対する向上率を示す。縦軸の j/fH子は、平板フィンの j/fH子 (j/D で
flat 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。図からわ力るように、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。
[0026] 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 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 とがでさる。
[0027] 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 22 a〜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 2 0の熱交換効率を更に向上させることができる。
[0028] さらに、実施例のフィンチューブ熱交^^ 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ぐ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 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。
[0029] 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 12 0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ぐ本発明の 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翻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 として構成するものとしても構わ ない。
[0030] 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力 山部 34や谷部 36の屈曲回数は何回でもよぐ例えば、図 9に例示する変形例のフィンチューブ熱交 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^^ 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。
[0031] 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〜2 2c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力 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。
[0032] 実施例では、本発明をフィンチューブ熱交 として説明した力 このフィンチュ 一ブ熱交 から伝熱管 22a〜22cを取り除 、た空気性状変 として用いるも のとしてもよい。空気性状変^^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に空気性状変翻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〜22 cのな!/、複数のフィン 30が取り付けられて!/、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^^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 と考えることができる。
[0033] 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力 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 、る複数の伝熱管 122a〜 122cを用 、るものとしてもよ ヽ 。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 12 0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。
[0034] 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ぐ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。
産業上の利用可能性
[0035] 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

請求の範囲
[1] 空気と熱交換媒体との熱交換を行なう熱交^^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
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つて屈曲するよ う波が形成されてなる請求項 1な!ヽし 3 、ずれか記載の熱交換器。
[5] 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請求項 4記載 の熱交換器。
[6] 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請求項 1ないし 5いずれか記載の熱 交概
[7] 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 6いずれか 記載の熱交換器。
[8] 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 、し 7 、ずれか記載の熱交^^。
[9] 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 、し 8 、ずれか記載の熱交^^。
[10] 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 Z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!ヽし 8 ヽずれか記載の熱 交概
[11] 請求項 1ないし 10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 、た冷凍サイクルを構成してなる空気調和装置。
[12] 空気を流入して性状を変換して流出する空気性状変 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、
空気性状変換器。
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