| 【発明の名称】 |
フィンアンドチューブ熱交換器及びこれを備えた空気調和機 |
| 【発明者】 |
【氏名】古澤 雄二
【氏名】渡辺 吉典
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| 【要約】 |
【課題】熱交換能力が大きく、かつ通過抵抗を小さくでき、低騒音でファン入力を小さく抑え、霜生成が生じ難いフィンアンドチューブ熱交換器及びこれを備えた空気調和機を提供するものである。
【解決手段】間隔をおいて並設された多数の平板状のフィン１と、これを貫き、かつこれに密着した複数の伝熱管２とを備え、一方の液体は上記伝熱管内を流れ、他方の気体はフィン間を流れるようにしたフィンアンドチューブ熱交換器において、フィン表面に多数の楕円柱微小突起３が付設されていることを特徴とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 間隔をおいて並設された多数の平板状のフィンと、これを貫き、かつこれに密着した複数の伝熱管とを備え、一方の液体は上記伝熱管内を流れ、他方の気体はフィン間を流れるようにしたフィンアンドチューブ熱交換器において、フィン表面に多数の楕円柱の微小突起が付設されていることを特徴とするフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項２】 上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの片面にのみ付設されていることを特徴とする請求項１に記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項３】 上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの両面に交互に連続して突出形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項４】 上記フィン表面の楕円柱の微小突起の上面部の縁が曲面で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項５】 上記フィン表面に気体流れ方向に直交した凸ビードが、楕円柱の微小突起列と交互に、かつ突起と逆方向に配置されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項６】 上記フィンを楕円柱の微小突起列間で気体の流れ方向に直交して折り曲げ、微小突起列と交互に配置した波板形状としたことを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項７】 上記楕円柱がその長軸を気体の通過方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交換器。
【請求項８】 上記請求項１から請求項７のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交換器を備えたことを特徴とする空気調和機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、空気調和機の各種熱交換用に用いられるフィンアンドチューブ熱交換器及びこれを備えた空気調和機に関する。
【０００２】
【従来の技術】フィンアンドチューブ熱交換器では管内を流れる液体と、フィン間を流れる空気との間で効果的な熱交換がおこなわれることが重要である。空気との熱の授受が行われるフィン表面では、次のような特性が必要となる。
ａ、フィン表面での熱伝達能力が大きい。
ｂ、フィン間を通過する際の空気圧力損失が小さい。
この二つの要求を満たすようなコンパクトな形状が、実際の熱交換器として使用されている。
【０００３】現在、熱交換器のフィンの形状として、スリットカットフィンが広く用いられている。このスリットカットフィンは、図１５、図１６に示すようにフィン１１に切り込みを形成し短冊状に切り起こしを設け、これら多数のフィン１１を所定間隔を隔てて併設し、これら多数のフィン１１に複数の伝熱管１２を貫通したものである。この種の形状のフィン１１では空気がスリットカット１４を通過する時に高い熱伝達が得られ熱交換能力は大きい反面、空気がフィン１１間を通過する際の流れによる抵抗、すなわち圧力抵抗が比較的大きく、この点で不十分である。
【０００４】また、図１７〜図１９に示すようにスリットカットを施すことなく平板状のフィン１１の表面に微小の突起１３を多数突出させるタイプのフィン形状もある。例えば特開平８−１７０８８９号公報には、円柱、三角錐、四角錐等の様々な形状の微小突起を付加した技術が開示されている。
【０００５】この種のタイプのフィン形状のものでは、フィン表面に付加した突起１３の役割はフィン１１の平板表面付近を流れる空気流を攪拌することで、伝熱の促進を図るものである。このような構造のフィン１１では、フィン１１表面を流れる空気は微小の突起１３によって攪拌されるため、平板表面に発達していく境界層が成長せず、境界層が薄く保持されるため熱伝達が有効に行われる。しかし、空気が微小の突起１３で攪拌される時に、突起１３の後流に渦が多数発生するため、空気との抵抗が大きくなり、やはり空気圧損が大きく増大してしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ここで、熱交換器のフィンの形状は、熱交換器の使用される用途に応じてその形が異なってくる。熱交換器の使用状態が、特に空気の圧力損失を小さくしなければならないような条件で使用される場合、例えば熱交換器を通過する空気により生じる騒音を低く抑えなければならないような状況では、熱交換器のフィンの形状は、できるだけ空気が通過する際の空気圧損が小さい形状としなければならない。
【０００７】しかしながら、上述したようなスリットカットフィンあるいは円柱等の微小突起付フィンのフィンパターンでは通気抵抗が大きくなり過ぎてしまい、むしろ表面がスムーズなストレートフィン形状を用いざるを得ない。ところが、このストレートフィン形状は、図２０、図２１に示すように、フィン１１が平坦で、切り込みや突起なども無く、空気が通過するときの抵抗は最も小さいが、当然のことながらフィン１１表面での熱伝達能力はスリットカットフィンや突起付フィン形状に比べて小さくなり、熱交換能力が十分取れないものとなるという問題がある。
【０００８】また、熱交換器の使用条件として、温度レベルが低く、フィン表面に霜が生成するような条件も存在する。霜が生成するような条件で、図１５、図１６で示したスリットカットフィンを用いると、カットした切起こし部（スリットカット１４）の先端に霜が集中して付着し、空気の通過する流路が閉塞し、空気が流れにくくなってしまうという問題が発生する。したがって、この場合にもスリットカット１４のないストレートタイプのフィン形状のものを用いざるを得ないのが現状である。
【０００９】しかしながら、上述したようにストレートフィン形状では熱交換能力が不十分となるので、能力を大きくするため熱交換器の大きさを大きくしたり、あるいは空気の風量を大きくすることなどの手段で対応しなければならず、その結果、低騒音化や装置の小型化に逆行するという問題がある。そこで、この発明は、熱交換能力が大きく、かつ通過抵抗を小さくでき、低騒音でファン入力を小さく抑え、霜が生じ難いフィンアンドチューブ熱交換器及びこれを備えた空気調和機を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、間隔をおいて並設された多数の平板状のフィン（例えば、実施形態におけるフィン１）と、これを貫き、かつこれに密着した複数の伝熱管（例えば実施形態における伝熱管２）とを備え、一方の液体は上記伝熱管内を流れ、他方の気体はフィン間を流れるようにしたフィンアンドチューブ熱交換器において、フィン表面に多数の楕円柱の微小突起（例えば、実施形態における楕円柱微小突起３）が付設されていることを特徴とする。このように構成することで、楕円柱の側面に沿って空気はスムーズに流れ、この側面で効率良く熱交換することが可能となる。また、スリットカットのような切り起こし部分がなく、流路の閉塞の問題も生じない。
【００１１】請求項２に記載した発明は、上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの片面にのみ付設されていることを特徴とする。このように構成することで、空気圧損をできるだけ低く抑えることが可能となる。
【００１２】請求項３に記載した発明は、上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの両面に交互に連続して突出形成されていることを特徴とする。このように構成することで、熱交換面積を大きく確保することが可能となる。
【００１３】請求項４に記載した発明は、上記フィン表面の楕円柱の微小突起の上面部の縁が曲面で構成されていることを特徴とする。このように構成することで、周囲を通過する空気の抵抗をさらに小さくすることが可能となる。
【００１４】請求項５に記載した発明は、上記フィン表面に気体流れ方向に直交した凸ビード（例えば、実施形態における凸ビード１００）が、楕円柱の微小突起列（例えば、実施形態における微小突起列Ｌ）と交互に、かつ突起と逆方向に配置されていることを特徴とする。このように構成することで、上記フィン間の気体の流れを凸ビードにより曲げることで熱伝達率の高い楕円柱の微小突起の前面へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路を長くすることが可能となる。
【００１５】請求項６に記載した発明は、上記フィンを楕円柱の微小突起列間で気体の流れ方向に直交して折り曲げ、微小突起列と交互に配置した波板形状としたことを特徴とする。このように構成することで、上記フィンを波板形状としたことで上記フィン間の気体の流れを曲げるようにして熱伝達率の高い楕円柱の微小突起の前面へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路を長くすることが可能となる。
【００１６】請求項７に記載した発明は、上記楕円柱がその長軸を気体の通過方向に沿って配置されていることを特徴とする。このように構成することで、楕円柱を通過する空気の抵抗を最小限に抑えることが可能となる。
【００１７】請求項８に記載した発明は、上記請求項１から請求項７のいずれかに記載のフィンアンドチューブ熱交換器を備えたことを特徴とする空気調和機。このように構成することで、空気調和能力を大幅にアップすることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１〜図４はこの発明の第１実施形態を示している。同図において１は熱交換器のフィン、２は伝熱管、３は楕円柱微小突起を示している。図１に示すように平行に多数枚並んだフィン１を貫通して伝熱管２が設置され、両者は密着した状態で固着されている。図３、図４に示すようにフィン１にはその片面に楕円柱微小突起３が多数付設されている。この楕円柱微小突起３は、図４に示すように上流側に配置された２つの楕円柱微小突起３の間に下流側の楕円柱微小突起３が位置するよう互い違いに配置され、各楕円の長軸が流線に沿うように配置されている。
【００１９】そして、伝熱管２の内側を液体と気体が混合した冷媒が流れ、フィン１の間には空気が通過し、フィン１と伝熱管２とを伝導体として、空気と冷媒との間で熱交換が行われる。上記空気はフィン表面との熱伝達によって、熱をフィン表面に伝えるが、このときフィン表面の形状によリ決定される熱伝達率の値によって伝熱能力が左右される。
【００２０】この実施形態では、例えば、フィン表面に形成された楕円柱微小突起３の大きさは、楕円長径が１〜５ｍｍ、楕円短径が０．５〜３ｍｍで、柱の高さは０．２〜０．５ｍｍとしている。
【００２１】実験によれば、図６に示すように空気流中に楕円柱および円柱を単独で置いて流体抵抗および熱伝達を比較すると、楕円柱の熱伝達率は図６（ｂ）に示すとおり最上流部でもっとも高く、円柱の２倍以上あり他の周面でも円柱より高い値となることが明らかになった。これは円柱の最上流部では流れが一旦堰きとめられる形で２分岐されるのに対し楕円柱の場合にはそのようなこともなくスムーズに両方向に分岐されるためである。ここでＤは楕円の長径、Ｓは最上流部よりの周長を示す。
【００２２】一方、空気流に対する抗力係数は、図６（ａ）に示すとおり逆に円柱の約２分の１程度と低く、低空気圧損を実現できた。このことは熱交換器に適用した場合にもいえることで、突起形状を楕円柱とした場合の微小突起フィンでは熱交換能力が高く、しかも低空気圧損となるといった優位性がもたらされることが証明された。
【００２３】すなわち、フィン表面に楕円柱状の微小突起を多数付設することにより、フィン間を通過する空気の流路抵抗を小さくできると共に熱伝達率を大きく確保でき、霜に対する流路閉塞を起こり難くさせることができるのである。フィン表面に楕円柱状の微小突起を付加した形状では、フィン表面から流路に向かって微小に突出する部分が現れるが、突起形状が楕円柱の場合には楕円柱の先端で空気がスムースに分岐して通過していくため、流路抵抗は小さく抑えることができる。
【００２４】一方、熱伝達特性については、微小突起を付けたフィンにおいては、微小突起の側面と、そこに沿って流れていく気体との間に、特に楕円柱では高い熱伝達が得られるため、熱交換能力は大きく確保できる。また、微小突起の数を多くすることで熱交換能力をさらに大きくすることができる。
【００２５】また、スリットカットフィン、楕円柱微小突起フィンの空気圧損と熱伝達率をフィン表面が平坦なストレートフィンを基準として示すと、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すような結果が得られる。空気圧損はスリットカットフィンではストレートフィンに比べ２倍程度大きくなるが、楕円柱突起フィンでは１．４〜１．５倍に留まる。また、熱伝達率はスリットフィンではストレートフィンに比べ１．５倍となり、楕円柱突起フィンでは１．３〜１．４倍に大きくなることが明らかになった。
【００２６】すなわち、楕円柱微小突起を多数付設したフィンでは、熱伝達はスリットカットフィンに比べ少し低くなるが、空気圧損の値はスリットカットフィンに比して大幅に小さくなり、低空気圧損を必要とする条件できわめて有利となる。霜がフィン表面に付着する条件においても、この楕円柱突起フィンはすぐれた効果を有する。
【００２７】一般にフィン表面の温度が低く、フィンに空気中の湿分が霜となって付着する条件では、フィンの先端に霜が付着しやすく、流路の閉塞につながる。スリットカットフィンでは短冊状のカット部分がフィン間の中央に位置し、流れを２分岐しているが、このカット部分の前縁に霜が集中して固まり、空気の流れを阻害する。したがって、流路の閉塞が短時間に起こってしまう。ところが、楕円柱突起を有するフィンはフィン表面の楕円柱の側面の熱伝達が高い部分で、霜の成長が積層的に進んで行き、フィン表面に沿って厚くなっていくため、流路の幅方向への成長が遅く、閉塞までの時間が長くなるのである。したがって、霜の成長によるフィン間の流路の閉塞が起こりにくく、除霜を行うまでの運転の間隔を長くできるという有利な特性を有することとなる。
【００２８】以上説明したように第１実施形態によれば、楕円柱微小突起３の持つ特性によりフィン表面の熱伝達率は高い値となっているため、熱交換能力も高い値が得られる。一方で、フィン間を通過する際の空気圧損は、流れに対する空気抵抗の小さい楕円柱形状の突起であるために、前述したストレートフィンに比べ大きくなるが、その増加幅は比較的小さく抑えられる。また、フィン表面温度が低く、フィン１に空気中の湿分が霜となって付着する条件においては、霜が楕円柱微小突起３の側面に集中して付着するため、フィン間の流路の閉塞が遅く、熱交換を長時間にわたって効率的におこなうことができる。
【００２９】そして、通過する空気の抵抗が低いため、空気風量を流すために必要なファン動力が少なくて済むと共に空気が通過する際に発生する騒音が小さくなり静粛性を高めることができる。さらに、フィンの表面に霜が付着するような条件において、霜の成長によるフィン間の流路閉塞が起こり難いため、除霜と除霜との間の運転時間を長く確保できる。したがって、運転効率が高められ快適性を向上することができる。
【００３０】ここで、この実施形態では楕円柱微小突起３はフィン１の片面にのみ突出している形状であるが、微小突起による熱伝達の向上は突起の突出側の側面が大きく、突起の内面ではあまり期待できない。したがって、この形状ではフィン１間を流れる空気に対する熱交換の向上は、片側のフィン１面にのみ生じる。しかし、その空気圧損については、楕円柱微小突起３の形成部位がフィン１の片面のみであるため、通気抵抗による空気圧損をできるだけ低く抑えることが可能となるメリットがある。
【００３１】次に、この発明の第２実施形態を図７〜図９によって説明する。この実施形態は、楕円柱微小突起３がフィン１の両面に突出している形状である。この形状では、前記楕円柱微小突起３がフィン間の流路の両側に存在することとなり、空気圧損は、第１実施形態に比較して大きくなるが、その反面熱伝達は両側面で向上するため熱交換能力を大きく確保できる。
【００３２】次に、図１０はこの発明の第３実施形態の要部を示す斜視図である。この実施形態は、微小突起楕円柱３の上面の側縁が角ではなく、丸くなっているものである。このような形状の微小突起楕円柱３が第１実施形態のようにフィン１の片面に、あるいは第２実施形態のようにフィン１の両面に形成されている。この滑らかな突起形状では、そのまわりを通り過ぎる空気に対する抵抗がより一層小さくなるため、通気抵抗は各段に小さくなり、さらなる低空気圧損を実現することができる。つまり、この実施形態においては、微小突起楕円柱３の上面を通過する空気に対する通気抵抗も低下するため、全体としての空気圧損をより小さくできるのである。
【００３３】次に、図１１、図１２はこの発明の第４実施形態を示すものである。尚、前記実施形態と同一部分には同一符号を付して説明する（第５実施形態についても同様）。この実施形態は、楕円柱微小突起３がフィン１の片面のみに突出している形状であり、空気の流れに直交するように微小突起列Ｌに並行し、かつ微小突起列Ｌと交互に楕円柱微小突起３の突出方向と逆方向に突出する凸ビード１００を設けたものである。したがって、この実施形態では、凸ビード１００と微小突起列Ｌによりフィン１間の流れを曲げることができ、流れを熱伝達率の高い楕円柱微小突起３の前面に積極的に衝突させ、かつ実質的流過経路を長くでき、より一層熱伝達率を向上させ、熱交換能力を増大することができる。
【００３４】次に、図１３、図１４はこの発明の第５実施形態を示すものである。この実施形態は、楕円柱微小突起３がフィン１の両面に突出している形状であり、空気の流れに直交するよう微小突起列Ｌに並行し、かつ微小突起列Ｌと交互にフィン１を５〜３０度の角度を持たせ折り曲げ部１０１により折り曲げて波板形状としたものである。したがって、この実施形態においても、前記実施形態と同様に、波板状に形成されたフィン１によりフィン１間の流れを曲げることができ、流れを熱伝達率の高い楕円柱微小突起３の前面に積極的に衝突させ、かつ実質的流過経路を長くでき、より一層熱伝達率を向上させ、熱交換能力を増大することができる。
【００３５】したがって、上記各実施形態のフィンアンドチューブ熱交換器を備えた空気調和機においては、フィンアンドチューブ熱交換器の熱交換能力が高まり空気調和能力を大幅にアップすることが可能となるため、空気調和機全体を小型化できるという効果がある。
【００３６】
【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、楕円柱の側面に沿って空気はスムーズに流れ、この側面で効率良く熱交換することが可能となり、スリットカットのような切り起こし部分がないため、通気抵抗を低減でき、熱伝達性を高め、霜による流路閉塞が生じ難いという効果がある。また、通過する空気の抵抗が低いため、空気風量を流すために必要なファン動力が少なくて済むと共に空気が通過する際に発生する騒音が小さくなり静粛性を高めることができるという効果がある。そして、フィンの表面に霜が付着するような条件において、霜の成長によるフィン間の流路閉塞が起こり難いため、除霜と除霜との間の運転時間を長く確保できる。したがって、運転効率が高められ快適性を向上することができる効果がある。
【００３７】請求項２に記載した発明によれば、上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの片面にのみ付設されているため、通気抵抗を低減することができる効果がある。請求項３に記載した発明によれば、上記フィン表面の楕円柱の微小突起が、フィンの両面に交互に連続して突出形成されているため、熱交換面積を大きく確保して、熱交換効率を高めることができる効果がある。
【００３８】請求項４に記載した発明によれば、上記フィン表面の楕円柱の微小突起の上面部の縁が曲面で構成されているため、周囲を通過する空気の抵抗をさらに小さくすることが可能となり、より一層空気圧損を低減することができる効果がある。請求項５に記載した発明によれば、上記フィン間の気体の流れを曲げることで熱伝達率の高い楕円柱の微小突起の前面へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路を長くすることが可能となるため、更なる熱伝達率の向上を図り熱交換能力を高めることができる効果がある。
【００３９】請求項６に記載した発明によれば、上記フィンを波板形状としたことで上記フィン間の気体の流れを曲げるようにして熱伝達率の高い楕円柱の微小突起の前面へ流れを衝突させ、かつ実質的流過経路を長くすることが可能となるため、更なる熱伝達率の向上を図り熱交換能力を高めることができる効果がある。
【００４０】請求項７に記載した発明によれば、上記楕円柱がその長軸を気体の通過方向に沿って配置されているため、通気抵抗を最小限に抑えることができる効果がある。請求項８に記載した発明によれば、空気調和能力を大幅にアップすることが可能となるため、装置全体を小型化できるという効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１月３１日（２０００．１．３１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１２７３７
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７４１８１（Ｐ２００１−１７４１８１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２９日（２００１．６．２９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２３１３９（Ｐ２０００−２３１３９） |
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