| 【発明の名称】 |
フィンチューブ型熱交換器 |
| 【発明者】 |
【氏名】宮原 里支
【氏名】平 輝彦
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| 【要約】 |
【課題】フィンチューブ型熱交換器において、騒音ができるだけ低く、しかも最も適切な伝熱管の配置を実現することを課題とする。
【解決手段】冷媒を通す伝熱管の外径をＤＡとした場合、４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとして径を従来より細くして騒音を低くし管列ピッチをＬＡとした場合、１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡ、管段ピッチをＬＢとした場合、２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとして最も適切な伝熱管の配置を実現し、冷媒をオゾン層を破壊することがなく地球を温暖化する危惧の少ないＨＦＣ系冷媒，ＨＣ系冷媒，二酸化炭素を主体とする冷媒に特定することにより上記の数値を可能にした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一定間隔で平行に並べられ、その間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直角に挿通されていて内部をハイドロフルオロカーボン系冷媒が流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管はその外径をＤＡとした場合には４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、前記伝熱管の気流の流動方向の管列ピッチをＬＡとした場合に１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、気流と垂直方向の管列ピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとしたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
【請求項２】 一定間隔で平行に並べられ、その間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直角に挿通されていて内部をハイドロカーボン系冷媒が流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管はその外径をＤＡとした場合には４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、前記伝熱管の気流の流動方向の管列ピッチをＬＡとした場合に１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、気流と垂直方向の管列ピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとしたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
【請求項３】 一定間隔で平行に並べられ、その間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直角に挿通されていて内部を二酸化炭素を主体とした冷媒が流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管はその外径をＤＡとした場合には４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、前記伝熱管の気流の流動方向の管列ピッチをＬＡとした場合に１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、気流と垂直方向のピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとしたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
【請求項４】 板状フィンには伝熱管内の冷媒の温度が隣接する伝熱管列にある伝熱管に熱伝導する度合を抑制する機能を果たす不連続な断熱切断部を有する熱伝導抑制部を縦方向に設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項５】 板状フィンには温度境界層を更新する機能を果たす切り起こしを伝熱管段の間に設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機，冷凍庫，冷蔵庫，自動販売機，ショーケース等に使用され、冷媒と空気等の流体間で熱の授受を行うフィンチューブ型熱交換器の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来は特開昭６３−３１８８号公報（特許２６０４７２２号明細書）に記載されているように同一ファン動力基準にて、空気側熱伝達率を最大にすることを目的とした技術が開示されている。
【０００３】その技術内容について図６を用いて以下に説明する。
【０００４】図６において、１１は所定間隔で平行に並べられた板状フィン、１２は外径をＤＯとする伝熱管であり、気流方向の管列ピッチをＬ１とし、気流方向に垂直な管段ピッチをＬ２とする。そして図７に示すように気流の流動抵抗（単位をｋｇ／ｍ2とする）を△Ｐとし、気流の速度（単位をｍ／ｈとする）をＵＦとし、空気側総括熱伝達率（単位をＫｃａｌ／ｍ2ｈ℃）をαＯとすると流動抵抗と気流の速度の積に対する空気側総括熱伝達率は伝熱管１２の外径ＤＯに対する気流方向の管列ピッチＬ１の比率により影響を受けるものであり、結局空気側総括熱伝達率は同一ファン動力基準において１．２ＤＯ≦Ｌ１≧１．８ＤＯが他の範囲より良いことが明らかにされている。また図８に示すように空気側総括熱伝達率は同一ファン動力基準において伝熱管１２の外径ＤＯに対する気流方向の管段ピッチＬ２の比率により影響を受け、結局空気側総括熱伝達率は同一ファン動力基準において２．６ＤＯ≦Ｌ２≦３．５ＤＯの範囲が他の範囲より良いことが明らかにされている。
【０００５】そして伝熱管１２の外径ＤＯが小さければ小さい程、気流の流動抵抗△Ｐも小さくなることは明らかであるが、伝熱管１２の外径ＤＯの寸法によって伝熱管１２内を流動する冷媒の量が定まるものであって、このことは伝熱管による熱交換能力に影響を与えることになるから特許第２６０４７２２号においては伝熱管１２の外径ＤＯを３ｍｍ≦ＤＯ≦７．５ｍｍとすることにより熱交換器の能力が好ましい状態を確保できることを示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記する特許第２６０４７２２号に開示された技術は、伝熱管１２の外径ＤＯと管列ピッチＬ１と管段ピッチＬ２との関係を明らかにして、同一ファン動力基準で最適な伝熱管配列を実現するための手段である。
【０００７】しかしながら特許第２６０４７２２号に開示された技術は騒音を少なくして、静かな音のフィンチューブ型熱交換器の実現を意図したものではない。
【０００８】ところで、従来より冷媒として使用されてきたモノクロロジフルオロメタン（以下Ｒ２２と云う）はオゾン層の破壊や地球温暖化を招く恐れがあることから代替冷媒への転換が急務である。その代替冷媒としてはハイドロフルオロカーボン系冷媒（以下ＨＦＣ系冷媒と云う）が有望であり、例えば、混合冷媒ではＲ４１０Ａが開発され、単一冷媒ではＲ３２が有力視されている。また地球温暖化防止のためにはＨＦＣ系冷媒が有力視されている。更に可燃性のない二酸化炭素を冷媒とすることも研究されている。これらの冷媒の特徴を生かすことによって新たなフィンチューブ型熱交換器を実現することができる。
【０００９】そこで本発明が解決しようとする課題は、同一ファン動力基準でフィンの空気側総括熱伝達率を最大に高める特許第２６０４７２２号の技術を利用し、熱交換能力が高くしてしかも騒音の低いフィンチューブ型熱交換器を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は前記する課題を解決するための手段として、ＨＦＣ系冷媒が流動する伝熱管の外径を細くして騒音を低くし、しかも細径化による欠点がない特定な条件のフィンチューブ型熱交換器とした。すなわち本発明は伝熱管の外径をＤＡとした場合に、４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、その管列ピッチをＬＡとした場合に１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、管段ピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＡ≦３．５ＤＡとしたものである。従って、特許第２６０４７２２号明細書に示されている範囲内で伝熱管の外径を細い範囲内とし、管列ピッチと管段ピッチは伝熱管の外径に対して同じ割合としたものである。これにより同一ファン動力基準において空気側総括熱伝達率を最高にし、伝熱管の配置を最適にしたものと云える。
【００１１】また、冷媒はＨＦＣ系冷媒以外にハイドロカーボン系冷媒（以下ＨＣ系冷媒と云う）および二酸化炭素を主体とした冷媒は前記条件のフィンチューブ型熱交換器に適用できることを見出したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明は、家庭用または業務用のいずれにも使用することのできる機器のフィンチューブ型熱交換器に適用できるものであり、機器としては空気調和機，冷凍庫，冷蔵庫，自動販売機，ショーケース等の冷却機器が対象となる。
【００１３】特許請求の範囲に記載した形態を実施の形態とすることにより本発明の目的を達成したフィンチューブ型熱交換器を実現できるものであるが、以下には本発明の構成の作用を記載して本発明の意義を具体的に説明することとする。
【００１４】本発明は、一定間隔で平行に並べられ、その間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直角に挿通されていて冷媒が内部を流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器を前提条件とし、上記フィンチューブ型熱交換器の冷媒は塩素を含まないＨＦＣ系冷媒，ＨＣ系冷媒，二酸化炭素を主体とする冷媒とし、前記伝熱管はその外径をＤＡとした場合に４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、前記伝熱管の流動方向の管列ピッチをＬＡとした場合に、１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、気流と垂直方向の管段ピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとするものである。
【００１５】そして、ＨＦＣ系冷媒としてＲ４１０系冷媒を使用することができる。Ｒ４１０系冷媒のうちＲ４１０Ａの特質としては４０℃における気相の飽和圧力は２．４１ＭＰａ、Ｒ３２の４０℃における飽和圧力は２．４７８ＭＰａ、二酸化炭素の３１．０６℃における飽和圧力は７．３８４ＭＰａ以上であり、いずれも従来例であるＲ２２の４０℃における飽和圧力である１．５３４ＭＰａに比較して飽和圧力が高い。従ってＲ４１０Ａ，Ｒ３２，二酸化炭素の各冷媒を使用した伝熱管はＲ２２冷媒を使用した伝熱管と同じ肉厚であっても耐圧力が大きいと云う事が明白である。また、Ｒ４１０Ａは０℃における飽和気相密度が３０．５ｋｇ／ｍ3、飽和液相密度が１１７１ｋｇ／ｍ3、二酸化炭素は０℃における飽和気相密度は９７．３ｋｇ／ｍ3、飽和液相密度は９２８ｋｇ／ｍ3であり、従来例のＲ２２は０℃における飽和気相密度が２１．４ｋｇ／ｍ3、飽和液相密度が１２８２ｋｇ／ｍ2であるから、Ｒ４１０Ａおよび二酸化炭素はＲ２２に比較して０℃における液相における飽和密度は低く、気相における飽和密度は高い。つまり、同一質量流量の冷媒を用いた場合、Ｒ４１０Ａも、二酸化炭素も気相密度が大きく、気相の比体積が小さいことが明らかである。従って体積流速が遅くなり、管内圧力損失が、小さくなることで蒸発器として用いる場合伝熱管の細径化によるデメリットは少ない。
【００１６】その上、ＨＦＣ系冷媒、可燃性のあるＨＣ系冷媒、二酸化炭素冷媒を使用した本発明のフィンチューブ型熱交換器は伝熱管の細径化により内容積が軽減するので、機器への冷媒充填量を削減でき、冷媒コストの削減につながる。
【００１７】勿論、伝熱管の細径化により騒音が低くなり、使用上有利となる。
【００１８】例えば、熱交換器の能力を同等とした上で、伝熱管の径を７．３ｍｍから５．２ｍｍにしたときには、伝熱管の径が７ｍｍの場合と５．２ｍｍの場合とで熱交換能力を同等とするために、７ｍｍの径の伝熱管の場合に比較して５ｍｍの径の伝熱管を使用した場合は伝熱管のピッチが小さくなるのであるが、このピッチが小さくなることを加味しても騒音は２．５ｄＢ低下することになる。
【００１９】また、管列ピッチ，管段ピッチを固定し、例えば伝熱管の径を５．２ｍｍから４．２ｍｍに変えた場合は３〜７％低下することになる。
【００２０】そこでＨＦＣ系冷媒を使用した発明では、ＨＦＣ系冷媒の前記した特質より伝熱管の外形寸法を小さくすることができるのであるが、外径寸法をＤＡとした場合に４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、しかも伝熱管の管列ピッチと管段ピッチを最適にすることにより、使用上好ましい熱交換能力の確保と、騒音低下を極力図ったバランスの取れたフィンチューブ型熱交換器とすることができる。
【００２１】また、ＨＣ系冷媒、例えば、プロパンやイソブタンを使用した発明では、その冷媒の可燃性のため、機器への冷媒封入量を必要最小限にしなくてはいけない。従って、伝熱管の外径ＤＡを最小限にする必要がある。この要求を満たし、かつ騒音および、ファン動力基準での性能を良好に保つためには、外径寸法をＤＡとした場合に４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、しかも伝熱管の管列ピッチと管段ピッチを最適にすることにより、使用上好ましい熱交換能力の確保と、騒音低下を極力図ったバランスの取れたフィンチューブ型熱交換器とすることができる。
【００２２】また、二酸化炭素を主とした冷媒を使用した発明では、その冷媒の動作圧力が高いため、伝熱管の外径ＤＡを最小限にし、耐圧力を確保するための伝熱管の肉厚を最小限にし、使用材料重量を低減する必要がある。なおかつ、二酸化炭素の圧力損失もＲ２２と比較して低く、細径化によるデメリットも少ない。
【００２３】また、板状フィンには、伝熱管内の冷媒の温度が隣接する伝熱管列にあたる伝熱管に熱伝導する度合を抑制する機能を果たす不連続な断熱切断部を有する熱伝導抑制部を縦方向に設けることとしたものである。
【００２４】この発明は管列間の熱伝導を抑制し、熱交換器の能力を向上させることを目的とするものである。例えば２列目と３列目の伝熱管では、伝熱管内部を流れる冷媒の温度が異なるため、本来、空気に伝わるべき冷媒の熱が、フィンを伝わって隣接する伝熱管内部の冷媒へ伝わってしまい、空気への熱の移動が減少することになる。
【００２５】この空気への熱の移動が減少することを防止し、隣接する伝熱管内部に熱が伝導することを極力防ぐために熱伝導抑制部を設けることとしたものである。これは伝熱管相互間の距離が短く、隣接する伝熱管内部の冷媒へ熱が伝わりやすいためであり、本発明においてより効果を向上できる。
【００２６】そして、板状フィンに温度境界層を更新する機能を果す切り起こしを伝熱管段の間に設けることによって、本発明の主目的を達成するのに効果をより向上することができる。
【００２７】以下、本発明の具体的な実施例について図面を参照して以下に述べる。
【００２８】
【実施例】図１に示すように、厚さ０．１ｍｍのアルミニウム製の板状フィン１に多数の穴２をあけ、肉厚０．２８ｍｍの銅製の伝熱管３を前記の穴２に挿通する。伝熱管３の外径をＤＡとした場合に、本発明では４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍと特定しているが、本実施例ではＤＡを５．２５ｍｍとする。そして管列ピッチをＬＡとした場合に、管列ピッチＬＡは１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡと本発明では特定しているが、本実施例では、ＬＡを７．５ｍｍとする。同様に管段ピッチをＬＢとした場合に、本実施例では管段ピッチＬＢを１５ｍｍとなるように多数の穴２を板状フィンに透設する。
【００２９】図２において、４は板状フィン１の穴２の間に縦方向に形成した不連続な断熱切断部を有する熱伝導抑制部としてのミシン目である。５は管段方向の伝熱管３の間に形成した温度境界層の更新機能を果たす切り起こしとしてのスリットである。板状フィン１には伝熱管３間にこのスリット５が設けられていることにより空気側熱伝達率が向上することになる。
【００３０】伝熱管３を流動する冷媒がＲ４１０Ａの冷媒を使用した本発明の実施例について、幾つかの試作品を用いて実験を行い、その結果を図３に示す。
【００３１】図３においては、伝熱管径ＤＡを変化させ、それぞれ、ＬＡ／ＤＡ＝１．４３〜１．５２，ＬＢ／ＤＡ＝２．８５〜２．９１としている。この場合の標準的な壁掛けエアコン室内機に搭載した場合の騒音値が一定となるように風量を変化させ、その場合の熱交換能力をプロットしている。図３より、騒音一定下における４≦ＤＡ≦５．８の場合に、熱交換能力が高くなることがわかる。
【００３２】次に、図４にＤＡ＝５．２５ｍｍ，ＬＢ＝１５ｍｍとした場合に、ＬＡ／ＤＡを変化させ、騒音値が一定となるように風量を変化させた場合の特性値を示す。図４より、１．２≦ＬＡ／ＤＡ≦１．８が最も熱交換能力が高くできる。
【００３３】次に、図５にＤＡ＝５．２５ｍｍ，ＬＡ＝７．５ｍｍとした場合に、ＬＢ／ＤＡを変化させ、騒音値が一定になるように風量を変化させた場合の特性値を示す。図５より、２．６≦ＤＡ≦３．５が最も熱交換能力を高くできることがわかる。
【００３４】以上の通り、貫流ファン（図示せず）を用いた場合の騒音値を一定として特性値を比較すると、４≦ＤＡ≦５．８，１．２≦ＬＡ／ＤＡ≦１．８，２．６≦ＤＡ≦３．５が最も熱交換能力を高くできることがわかる。
【００３５】また、伝熱管が近接しているために、隣接する伝熱管の熱伝導がより多くなる。従って、縦方向に形成した不連続な断熱切断部４があることで、伝熱管どおしの熱交換が阻害され、空気との熱交換量が増す割合いは、従来に増して大きい。
【００３６】以上のように、一定間隔で平行に並べられ、その間を気流が流動する多数の板状フィンと、前記板状フィンに直角に挿通されていて冷媒が内部を流動する伝熱管を備えたフィンチューブ型熱交換器を前提条件とし、上記フィンチューブ型熱交換器の冷媒はＲ２２に比較して伝熱管内の圧力損失が低く、従って伝熱管を細径にしても欠点が少なく、しかも塩素を含まないＨＦＣ系冷媒とし、前記伝熱管はその外径をＤＡとした場合に４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、前記伝熱管の流動方向の管列ピッチをＬＡとした場合に、１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、気流と垂直方向の管段ピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとすることにより、耐圧力を有するための肉厚を薄くすることができ、伝熱管の細径化により内容積が軽減するので、機器への冷媒充填量を削減でき、冷媒コストの削減につながる。勿論、伝熱管の細径化と最適配置により騒音が低くなり、使用上有利となる。
【００３７】なお、本実施例において、冷媒をＨＣ系冷媒のプロパンを用いた場合も冷媒の圧力損失は高くなるために、最適な冷媒回路の分配が必要になるが、可燃性冷媒であるために、機器への冷媒量削減による安全性の向上は顕著なものがある。
【００３８】なお、本実施例において、冷媒を二酸化炭素を主とした冷媒を用いた場合は、冷媒の圧力損失は著しく低下するために、冷媒回路の分配は最小限で済み、その他の効果はＨＦＣ系冷媒の場合と同様に得られる。
【００３９】
【発明の効果】前記説明から明らかなように、本発明は伝熱管の外径をＤＡとした場合に、４．０ｍｍ≦ＤＡ≦５．８ｍｍとし、伝熱管の流動方向の管列ピッチをＬＡとした場合に、１．２ＤＡ≦ＬＡ≦１．８ＤＡとし、気流と垂直方向の管段ピッチをＬＢとした場合に２．６ＤＡ≦ＬＢ≦３．５ＤＡとして、最も適切な伝熱管の配管位置を定め、伝熱管はオゾン層を破壊したり地球を温暖化させる危惧の少ないＨＦＣ系冷媒またはＨＣ系冷媒または二酸化炭素を主体とする冷媒を流動することとし、これらの冷媒が伝熱管の外径を細くした前記の寸法にしても径を細くすることによるデメリットがないため、伝熱管の外径を細くして騒音の少ないフィンチューブ型熱交換器を実現することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４４８８
【氏名又は名称】松下冷機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年７月３日（２０００．７．３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−９１１８３（Ｐ２００１−９１１８３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月６日（２００１．４．６） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２００６７６（Ｐ２０００−２００６７６） |
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