WO2015004720A1 - 熱交換器、及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

　本発明の熱交換器は、間隔を空けて配置されその間を流体が流れ、内部に流体と熱交換する媒体が流れる流路が形成された複数のフィン１と、複数のフィン１の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダと、を備え、複数のフィン１は、隣り合うフィン１の間隔であるフィンピッチをＦｐ、フィンの厚さをＦｔとした場合、３≦Ｆｐ／Ｆｔ≦２１の関係を満たすことを特徴とする。

Description

熱交換器、及び空気調和機

　本発明は、熱交換器、及び熱交換器を備えた空気調和機に関する。

　従来の技術においては、間隔を置いて配置されたヘッダ間に、複数の平坦な多流路伝熱管を備える熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００８－５２８９４３号公報（要約）

　上記特許文献１に記載の技術では、複数の平坦な多流路伝熱管（内部に流路が形成された複数のフィン）の厚さ及び管ピッチについては何ら考慮されていない。
　このため、複数のフィンの厚さと管ピッチが適切でないと、熱交換器の熱交換性能が低下する、という問題点があった。
　例えば、フィンの厚さを厚くしすぎると流路面積が増加するが、複数のフィンの間を通過する空気の通風抵抗が大きくなり、熱交換性能が低下する。また、逆に、フィンの厚さを薄くすれば複数のフィンの間を通過する空気の通風抵抗が小さくなるが、流路面積が減少し、熱交換性能が低下する。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱交換性能を向上することができる熱交換器、及び空気調和機を得るものである。

　本発明に係る熱交換器は、間隔を空けて配置されその間を流体が流れ、内部に前記流体と熱交換する媒体が流れる流路が形成された複数のフィンと、前記複数のフィンの両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダと、を備え、前記複数のフィンは、隣り合う前記フィンの間隔であるフィンピッチをＦｐ、前記フィンの厚さをＦｔとした場合、３≦Ｆｐ／Ｆｔ≦２１の関係を満たすことを特徴とする。

　本発明は、間隔を空けて配置されその間を流体が流れ、内部に前記流体と熱交換する媒体が流れる流路が形成された複数のフィンと、前記複数のフィンの両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダとを備えた熱交換器において、熱交換性能を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す側面図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 図３のＢ部を示す拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の性能特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器のフィンの配列を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の入口側ヘッダを示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の内管を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器を示す側面図である。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す斜視図である。
　図２は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す側面図である。
　図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。
　図４は、図３のＢ部を示す拡大図である。
　図１～図４に示すように、熱交換器は、複数のフィン１と、一対のヘッダ（入口側ヘッダ２、出口側ヘッダ３）と、を備えている。
　複数のフィン１は、間隔を空けて配置され、その間を流体（例えば空気）が流れる。複数のフィン１は、内部に媒体（例えば冷媒）が流れる１つ又は複数の流路１１が形成されている。
　一対のヘッダ（入口側ヘッダ２、出口側ヘッダ３）は、複数のフィン１の両端部をそれぞれ接続する。例えば、入口側ヘッダ２の冷媒流入口４から冷媒が流入する。入口側ヘッダ２に流入した冷媒は、複数のフィン１を通って出口側ヘッダ３に流入する。そして、出口側ヘッダ３の冷媒出口５から冷媒が流出する。なお、冷媒の流通方向はこれに限定されず逆向きでも良い。
　このような構成により、熱交換器は、複数のフィン１の間を通過する空気と、複数のフィン１の内部の流路１１を流れる冷媒とを熱交換する。

　また、複数のフィン１は、隣り合うフィン１の間隔であるフィンピッチをＦｐ、フィン１の厚さをＦｔとした場合、３≦Ｆｐ／Ｆｔ≦２１、の関係を満たしている。

　図５は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の性能特性を示す図である。
　図５においては、従来の熱交換器を基準（１００％）として、熱交換器の空気側通風抵抗ΔＰに対する伝熱性能ＡＫ［Ｗ／Ｋ］の割合（ＡＫ／ΔＰ）と、フィン１の厚さＦｔに対するフィンピッチＦｐの割合（Ｆｐ／Ｆｔ）との関係を示している。
　ここで、ＡＫ値は熱交換器における熱通過率Ｋと伝熱面積Ａとを乗じた値であり、熱交換器の伝熱特性を表すものである。
　なお、基準となる従来の熱交換器は、複数の放熱フィンの間を通過する空気と、複数の伝熱管を流通する冷媒との熱交換を行うプレートフィン型の熱交換器である。また、従来の熱交換器の伝熱管は、空気の流れ方向に２列配置され、空気の流れと直交する方向に複数段配置されている。また、伝熱管として、Φ７．９４ｍｍの円管を用い、フィンピッチＦｐ＝１．６ｍｍ、伝熱管の段ピッチＤｐ＝２０．４ｍｍ、伝熱管の列ピッチＬｐ＝１７．７ｍｍの構成である。

　図５に示されるように、ＡＫ／ΔＰは、Ｆｐ／Ｆｔが小さくなりすぎると低下する。また、ＡＫ／ΔＰは、Ｆｐ／Ｆｔが大きくなりすぎると低下する。つまり、Ｆｐ／Ｆｔには、ＡＫ／ΔＰを向上できる適正な範囲が存在する。
　例えば同一のフィンピッチＦｐの場合、フィン１の厚さＦｔが厚くなると流路１１の流通面積が増加し、冷媒の流速増加により熱通過率Ｋが増えて伝熱性能ＡＫが大きくなり、ＡＫ／ΔＰが増加する。しかし、フィン１の厚さＦｔが厚くなりすぎると、空気側通風抵抗ΔＰが大きくなり、ＡＫ／ΔＰが低下する。
　また例えば、フィン１の厚さＦｔが薄くなると、空気側通風抵抗ΔＰが小さくなり、ＡＫ／ΔＰが増加する。しかし、フィン１の厚さＦｔが薄くなりすぎると、流路１１の流路面積が減少し、冷媒の流速減少により熱通過率Ｋが低下して伝熱性能ＡＫが小さくなり、ＡＫ／ΔＰが低下する。

　以上のようなことから、本実施の形態１における熱交換器は、従来の熱交換器と比較してＡＫ／ΔＰを向上できる値（１００％）以上となるように、３≦Ｆｐ／Ｆｔ≦２１の関係を満たしている。
　これにより、熱交換器の熱交換性能を向上することができる。

　また、従来の熱交換器のように、複数の放熱フィンの間を通過する空気と、複数の伝熱管を流通する冷媒との熱交換を行うプレートフィン型の熱交換器の場合、伝熱管と放熱フィンとの間に接触熱抵抗が存在する。また、放熱フィンには熱伝導による抵抗が存在する。
　一方、本実施の形態１における熱交換器は、フィン１の内部に冷媒が流通する流路１１が形成されている。このため、フィン効率はほぼ１である。また、従来の熱交換器のように、放熱フィンと伝熱管との間の接触熱抵抗は発生しない。よって、従来の熱交換器と比較して、フィン効率を向上することができ、熱交換器の熱交換性能を向上することができる。

　次に、上記熱交換器を空気調和機の冷媒回路に適用した場合を説明する。

　図６は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路図である。
　図６に示す冷媒回路は、圧縮機３３、凝縮器３４、絞り装置３５、蒸発器３６により構成されている。また、空気調和機は、凝縮器３４及び蒸発器３６へ空気を送風する送風機３７と、送風機３７を駆動する送風機用モータ３８とを備えている。
　上記熱交換器を、凝縮器３４又は蒸発器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。
　　暖房エネルギー効率＝室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
　　冷房エネルギー効率＝室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力

　蒸発器３６に上記熱交換器を用いる場合、熱交換器は、複数のフィン１の長手方向が重力方向となるように配置される。
　また、蒸発器３６として用いられる場合、一対のヘッダ（入口側ヘッダ２、出口側ヘッダ３）のうち、下側に配置された入口側ヘッダ２に冷媒が流入する。入口側ヘッダ２に流入した冷媒は、複数のフィン１のそれぞれの流路１１を通過し、上側に配置された出口側ヘッダ３に流入する。
　つまり、入口側ヘッダ２に流入した冷媒は、複数のフィン１の数と同じ数のパス（冷媒経路）に分配され、複数のフィン１の下から上に向かって流動する。その後、出口側ヘッダ３から冷媒が流出する。

　なお、入口側ヘッダ２は、本発明における「下側に配置されたヘッダ」に相当する。
　また、出口側ヘッダ３は、本発明における「上側に配置されたヘッダ」に相当する。

　ここで、蒸発器３６を流通する冷媒は気液二相状態となる。この気液二相状態の冷媒は、流動様式がプラグ流又はスラグ流となる場合がある。蒸発器３６に上記熱交換器を用いる場合、冷媒が複数のフィン１の流路１１を、下から上に流動するので、プラグ流又はスラグ流の場合には、気泡の浮力により冷媒が滞りなく上方に流動できる。
　これにより、熱交換器の熱交換性能を向上することができる。

　また、蒸発器３６を流通する冷媒の蒸発温度が低くなると、複数のフィン１の表面で空気中の水蒸気が結露し、結露水（凝縮水）が発生する場合がある。蒸発器３６に上記熱交換器を用いる場合、熱交換器は、複数のフィン１の長手方向が重力方向となるように配置される。このため、結露水は重力方向と平行な複数のフィン１の間を流下するので、結露水の排水性を向上することができる。また、蒸発器３６に着霜した霜を溶かすデフロスト運転時においても、熱交換器の下部に根氷が積層することを防ぐことができる。

実施の形態２．
　以下、本実施の形態２の熱交換器について、上記実施の形態１との相違点を説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付する。

　図７は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器を示す斜視図である。
　図８は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器のフィンの配列を示す断面図である。
　図７、図８に示すように、本実施の形態２における熱交換器は、流体（空気）の流れ方向に２列設けている。また、流体（空気）の流れ方向において、上流側の複数のフィン１と下流側の複数のフィン１とが重ならないように配置している。即ち、複数のフィン１の配列を千鳥状にしている。

　これにより、１列目の複数のフィン１の間に発達した空気の流れを、２列目の複数のフィン１の前縁で、新規の境界層を発達させることができ、伝熱を促進することができる。

　なお、本実施の形態２では、熱交換器を２列設ける場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、３列以上設けても良い。

実施の形態３．
　以下、本実施の形態３の熱交換器について、上記実施の形態１との相違点を説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付する。

　図９は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す斜視図である。
　図１０は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器の入口側ヘッダを示す断面図である。
　図１１は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器の内管を示す図である。
　図９～図１１に示すように、本実施の形態３における熱交換器の入口側ヘッダ２は、外管６と、外管６の内部に設けられた内管７とを備えている。
　外管６は、複数のフィン１の端部が接続されている。外管６は、例えば断面が矩形形状の管であり、両端が閉塞されている。外管６の側面には、内管７に冷媒を流入する冷媒流入口４を構成する管が貫通している。
　内管７は、例えば円管である。内管７は、冷媒が流入する冷媒流入口４と、流入口から流入した冷媒を外管６内へ流出させる複数の流出口７１とが形成されている。内管７の幅は複数のフィン１の配置範囲と略同等である。複数の流出口７１は、内管７の下側（重力方向下部）にのみ形成されている。複数の流出口７１は、内管７の幅方向に略均等に配置されている。

　このような構成により、熱交換器が蒸発器３６として用いられる場合、冷媒流入口４から内管７に液相状態の冷媒が流入する。内管７に流入した液相状態の冷媒は、複数の流出口７１のそれぞれから外管６内へ流出する。これにより、入口側ヘッダ２の内部では、液相状態の冷媒が攪拌され、液相状態の冷媒が、均等に複数のフィン１へ流入する。よって、複数のフィン１のうちの一部に、局所的な冷媒の乾きが生じにくくなり、熱交換器の熱交換性能を向上することができる。

実施の形態４．
　以下、本実施の形態４の熱交換器について、上記実施の形態１との相違点を説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付する。

　図１２は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器を示す側面図である。
　図１２に示すように、本実施の形態４における熱交換器は、重力方向に重ねて２つ設けている。また、複数のフィン１の流路１１は、０．０５～０．２ｍｍの流体相当直径（等価直径）である。

　熱交換器が蒸発器３６として用いられる場合、管内径が１ｍｍ以下の矩形流路は冷媒流量が小さくなっても、管内熱伝達率は一定若しくは上昇しやすい。これは、冷媒流量が低下すると、液相状態の冷媒が滞留し、冷媒の沸騰が起きやすくなるためである。
　本実施の形態４の熱交換器は、複数のフィン１内部の一つの流路１１当りの冷媒流量は小さいが、パス数は複数のフィン１の数と同じ数となり、パス数を非常に大きくできる。このため、熱伝達率は、従来の熱交換器に用いられる円管内と変わらない程度である。
　この場合、乾き度が１を超えるのに要する伝熱部の長さ（複数のフィン１の長さ）は、従来の熱交換器より小さくする必要がある。
　このようなことから本実施の形態４における熱交換器は、重力方向に重ねて２つ設けることで、複数のフィン１の長さを短くする場合であっても十分な熱交換容積を確保することができる。例えば、空気調和機の室外機に熱交換器を搭載する場合、室外機のユニット高さが従来と同等であっても十分な熱交換容積を確保することができる。

　なお、上述の実施の形態１～４の熱交換器の構成を任意に組み合わせても良い。このような構成においても、熱交換器の熱交換効率を向上することができる。

　なお、上述の実施の形態１～４で述べた熱交換器、及びそれを用いた空気調和機については、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ等の何れの冷媒においても、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、上述の実施の形態１～４で述べた熱交換器を、空気調和機の室内機及び室外機の何れで用いた場合においても同様な効果を奏することができる。

　なお、上述の実施の形態１～４で述べた熱交換器、及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、冷媒と油が溶ける又は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。

　本発明の活用例としては、上述した空気調和機に限らず、熱交換性能を向上し、省エネルギー性能を向上することが必要なヒートポンプ装置に使用することができる。

　１　フィン、２　入口側ヘッダ、３　出口側ヘッダ、４　冷媒流入口、５　冷媒出口、６　外管、７　内管、１１　流路、３３　圧縮機、３４　凝縮器、３５　絞り装置、３６　蒸発器、３７　送風機、３８　送風機用モータ、７１　流出口。

Claims (7)

1. 　間隔を空けて配置されその間を流体が流れ、内部に前記流体と熱交換する媒体が流れる流路が形成された複数のフィンと、
   　前記複数のフィンの両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダと、
   を備え、
   　前記複数のフィンは、
   　隣り合う前記フィンの間隔であるフィンピッチをＦｐ、前記フィンの厚さをＦｔとした場合、
   　３≦Ｆｐ／Ｆｔ≦２１
   　の関係を満たす
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 　圧縮機、凝縮器、膨張手段、及び蒸発器を配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備え、
   　前記凝縮器及び前記蒸発器の少なくとも一方に、請求項１に記載の熱交換器を用いた
   ことを特徴とする空気調和機。
3. 　圧縮機、凝縮器、膨張手段、及び蒸発器を配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備え、
   　前記蒸発器に、請求項１に記載の熱交換器を用い、
   　前記熱交換器は、
   　前記複数のフィンの長手方向が重力方向となるように配置され、
   　前記一対のヘッダのうち、下側に配置された前記ヘッダに前記冷媒が流入し、下側に配置された前記ヘッダに流入した前記冷媒が前記複数のフィンを通って、上側に配置された前記ヘッダに流入し、上側に配置された前記ヘッダから前記冷媒が流出する
   ことを特徴とする空気調和機。
4. 　前記一対のヘッダのうち、下側に配置された前記ヘッダは、
   　前記複数のフィンの端部が接続された外管と、
   　前記外管の内部に設けられた内管と、
   　を備え、
   　前記内管は、
   　前記冷媒が流入する流入口と、
   　前記流入口から流入した前記冷媒を前記外管へ流出させる複数の流出口と、が形成された
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の空気調和機。
5. 　前記複数の流出口は、前記内管の下側にのみ形成された
   ことを特徴とする請求項４に記載の空気調和機。
6. 　前記熱交換器を、前記流体の流れ方向に複数設け、
   　前記流体の流れ方向において、上流側の前記複数のフィンと下流側の前記複数のフィンとが重ならないように配置した
   ことを特徴とする請求項２～５の何れか一項に記載の空気調和機。
7. 　前記熱交換器を、重力方向に複数設けた
   ことを特徴とする請求項２～６の何れか一項に記載の空気調和機。

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