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技術 空気調和機用フィンレス熱交換器

出願人 日立グローバルライフソリューションズ株式会社
発明者 名越健二高久昭二
出願日 2007年12月17日 (11年7ヶ月経過) 出願番号 2007-324488
公開日 2009年7月2日 (10年0ヶ月経過) 公開番号 2009-145010
状態 未査定
技術分野 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部1 ラジエータ、流路群をもつ熱交換装置
主要キーワード 短径寸法 熱流体解析 断面長径 圧力損失比 管外壁 フィンアンドチューブ熱交換器 ファン入力 フィン枚数
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この項目の情報は公開日時点(2009年7月2日)のものです。
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図面 (7)

課題

空気調和機用フィンレス熱交換器において、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ること。

解決手段

フィンレス熱交換器10は、扁平の流路断面を有する複数の扁平管1と、扁平管1の両端部に接続されたヘッダタンク2とを備える。各扁平管1は、管短外径Aが0.31〜1.50mmの範囲で使用される。複数の扁平管1は、長径方向を空気の流れ4に対してほぼ平行に配置し、各扁平管1を空気の流れ4の方向に対して交差する方向に1列に等間隔に並置する。各扁平管1のピッチをBと表す場合、Aが0.31mmではB/Aが2.5〜5.6、Aが0.63ではB/Aが2.5〜3.1、Aが1.00ではB/Aが1.9〜2.1、Aが1.25ではB/Aが1.8〜1.9、Aが1.40ではB/Aが1.74の範囲となるように各扁平管1を設置する。

概要

背景

内部に冷媒循環させ、冷媒を蒸発凝縮させることにより空気と熱のやり取りを行う熱交換器は、空気調和機冷蔵庫をはじめとして様々な分野において幅広く利用されている。発熱機器の冷却や作動流体への加熱など様々な用途で活躍する熱交換器であるが、どの分野においても熱交換性能コンパクト性の向上は常に求められており、これらの両立機器そのものにとって優位に働くことは言うまでもない。

現在、代表的な熱交換器の一つとして、フィンアンドチューブ熱交換器がある。このフィンアンドチューブ熱交換器は、複数の薄板状のフィンに、フィン表面に垂直な方向に複数の管を通し、これらの管を拡管させることにより製造される。このフィンアンドチューブ熱交換器は、管内部に冷媒を流し、管外壁密着する伝熱面積の広いフィンを伝熱媒体として空気との熱交換を行うことを特徴としており、熱交換性能とコンパクト性の向上を目指してこれまでに様々な模索がなされてきた。例えば、伝熱面積を増やすために、フィンを薄くしてフィン枚数を多くする、もしくはフィン表面にスリットを入れる、といったフィンについての改良や、同じく伝熱面積を増やすために管内壁凹凸を付ける、といった管についての改良がなされてきている。

しかしながら、今後更なる熱交換性能とコンパクト性の向上を追求するためには、フィンアンドチューブ熱交換器という範疇内での部分的改良の積み重ねのみでは、大きな効果を期待することが難しい状況になってきている。

このような背景から、従来のフィンアンドチューブ熱交換器に代わる新しい形態の熱交換器の研究が数多くなされている。その中で、多数の管を密に並べることにより伝熱面積を増やす事で、フィンを用いずに構成される熱交換器であるフィンレス熱交換器が最近注目を浴びてきている。このフィンレス熱交換器の形態としては、円管規則正しく並べたオーソドックスなものから、矩形楕円形あるいは流線形といった断面を持つ管を不規則に並べた複雑なものまで、用途に応じて様々な形態のものが考案されている。

例えば、特開2002−115934号公報(特許文献1)では、冷凍車内に設置している蒸発器を、複数の扁平管とそれらの両端に配したヘッダタンクとで構成し、さらに扁平管の断面長径方向を空気流れ方向に沿って平行に配置している。これにより、蒸発器における発達は空気が直接当たらない扁平管背面側に限定されるため、空気通路内での着霜発達による冷凍能力の低減を防止することができるとしている。

特開2002−115934号公報

概要

空気調和機用フィンレス熱交換器において、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上をること。フィンレス熱交換器10は、扁平の流路断面を有する複数の扁平管1と、扁平管1の両端部に接続されたヘッダタンク2とを備える。各扁平管1は、管短外径Aが0.31〜1.50mmの範囲で使用される。複数の扁平管1は、長径方向を空気の流れ4に対してほぼ平行に配置し、各扁平管1を空気の流れ4の方向に対して交差する方向に1列に等間隔に並置する。各扁平管1のピッチをBと表す場合、Aが0.31mmではB/Aが2.5〜5.6、Aが0.63ではB/Aが2.5〜3.1、Aが1.00ではB/Aが1.9〜2.1、Aが1.25ではB/Aが1.8〜1.9、Aが1.40ではB/Aが1.74の範囲となるように各扁平管1を設置する。A

目的

本発明の目的は、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる空気調和機用フィンレス熱交換器を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

冷媒が流れる扁平の流路断面を有する複数の扁平管と、前記複数の扁平管の両端部に接続され当該各扁平管に冷媒を流出入させるヘッダタンクとを備え、送風機器により送られる空気の流れの中に配置される空気調和機用フィンレス熱交換器において、前記各扁平管はその管外径短径寸法である管短外径が0.31〜1.40mmの範囲で形成され、前記複数の扁平管は、当該各扁平管の長径方向を前記空気の流れに対してほぼ平行に配置すると共に、当該各扁平管を当該空気の流れの方向に対して交差する方向に1列に等間隔に並置し、前記各扁平管を管短外径をAとし、各扁平管のピッチをBと表す場合、Aが0.31mmではB/Aが2.5〜5.6、Aが0.63mmではB/Aが2.5〜3.1、Aが1.00mmではB/Aが1.9〜2.1、Aが1.25mmではB/Aが1.8〜1.9、Aが1.40mmではB/Aが1.74の範囲内となるように前記各扁平管を設置したことを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。

請求項2

請求項1において、前記各扁平管は、その長径方向の両端壁面部が緩やかな曲面形状を有し、これらの両端壁面部を繋ぐ側壁面部がほぼ平坦な形状を有していることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。

請求項3

請求項1において、前記ヘッダタンクは円筒状の管の両端部を閉鎖して形成されており、前記各扁平管は長手方向の両端を垂直に切断した同一長さに形成されて前記ヘッダタンク内に挿入して当該ヘッダタンクに接続されていることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。

請求項4

請求項1において、前記扁平管は複数の円管を連続的に配置した円管群で構成されていることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。

請求項5

請求項1において、前記扁平管はその内部にコルゲート状フィンを挿入してロウ付けしたものであることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。

技術分野

0001

本発明は、空気調和機用フィンレス熱交換器係り、特に複数の扁平管を1列に並置してなる空気調和機用フィンレス熱交換器に好適なものである。

背景技術

0002

内部に冷媒循環させ、冷媒を蒸発凝縮させることにより空気と熱のやり取りを行う熱交換器は、空気調和機冷蔵庫をはじめとして様々な分野において幅広く利用されている。発熱機器の冷却や作動流体への加熱など様々な用途で活躍する熱交換器であるが、どの分野においても熱交換性能コンパクト性の向上は常に求められており、これらの両立機器そのものにとって優位に働くことは言うまでもない。

0003

現在、代表的な熱交換器の一つとして、フィンアンドチューブ熱交換器がある。このフィンアンドチューブ熱交換器は、複数の薄板状のフィンに、フィン表面に垂直な方向に複数の管を通し、これらの管を拡管させることにより製造される。このフィンアンドチューブ熱交換器は、管内部に冷媒を流し、管外壁密着する伝熱面積の広いフィンを伝熱媒体として空気との熱交換を行うことを特徴としており、熱交換性能とコンパクト性の向上を目指してこれまでに様々な模索がなされてきた。例えば、伝熱面積を増やすために、フィンを薄くしてフィン枚数を多くする、もしくはフィン表面にスリットを入れる、といったフィンについての改良や、同じく伝熱面積を増やすために管内壁凹凸を付ける、といった管についての改良がなされてきている。

0004

しかしながら、今後更なる熱交換性能とコンパクト性の向上を追求するためには、フィンアンドチューブ熱交換器という範疇内での部分的改良の積み重ねのみでは、大きな効果を期待することが難しい状況になってきている。

0005

このような背景から、従来のフィンアンドチューブ熱交換器に代わる新しい形態の熱交換器の研究が数多くなされている。その中で、多数の管を密に並べることにより伝熱面積を増やす事で、フィンを用いずに構成される熱交換器であるフィンレス熱交換器が最近注目を浴びてきている。このフィンレス熱交換器の形態としては、円管規則正しく並べたオーソドックスなものから、矩形楕円形あるいは流線形といった断面を持つ管を不規則に並べた複雑なものまで、用途に応じて様々な形態のものが考案されている。

0006

例えば、特開2002−115934号公報(特許文献1)では、冷凍車内に設置している蒸発器を、複数の扁平管とそれらの両端に配したヘッダタンクとで構成し、さらに扁平管の断面長径方向を空気流れ方向に沿って平行に配置している。これにより、蒸発器における発達は空気が直接当たらない扁平管背面側に限定されるため、空気通路内での着霜発達による冷凍能力の低減を防止することができるとしている。

0007

特開2002−115934号公報

発明が解決しようとする課題

0008

上述した特許文献1の冷凍車のように定期的なドアの開け閉めを行いながら常に車内を低温に保つ必要のある場合は、着霜発達による冷凍能力低減を防止することは特に重要である。しかし、特許文献1の冷凍車用蒸発器を空気調和機用フィンレス熱交換器として利用した場合、熱交換性能面では、フィンを無くした事による熱交換性能の低下が非常に大きくなってしまうおそれがある。例えば、家庭用空気調和機室内熱交換器のように管外径がφ7mm程度、フィンピッチが1mm程度、ファンにより送り込まれる空気の風速が1m/s程度のフィンアンドチューブ熱交換器を、熱交換器サイズとファン入力を変えずに、扁平管を用いたフィンレス熱交換器に変更しようとすると、管外径の短径寸法である管短外径を2〜3mm程度まで小さくして配列ピッチを小さくしても伝熱面積が不足し、熱交換性能が大幅に低下してしまうおそれがある。また、配列ピッチをさらに小さくして伝熱面積を増大しようとすると、配列ピッチを小さくし過ぎたことによる圧力損失の大幅な増加を招き、空気調和機への適用が難しくなる、という問題が生ずる。

0009

本発明の目的は、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる空気調和機用フィンレス熱交換器を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

前述の目的を達成するために、本発明は、冷媒が流れる扁平の流路断面を有する複数の扁平管と、前記複数の扁平管の両端部に接続され当該各扁平管に冷媒を流出入させるヘッダタンクとを備え、送風機器により送られる空気の流れの中に配置される空気調和機用フィンレス熱交換器において、前記各扁平管はその管外径の短径寸法である管短外径が0.31〜1.40mmの範囲で形成され、前記複数の扁平管は、当該各扁平管の長径方向を前記空気の流れに対してほぼ平行に配置すると共に、当該各扁平管を当該空気の流れの方向に対して交差する方向に1列に等間隔に並置し、前記各扁平管を管短外径をAとし、各扁平管のピッチをBと表す場合、Aが0.31mmではB/Aが2.5〜5.6、Aが0.63mmではB/Aが2.5〜3.1、Aが1.00mmではB/Aが1.9〜2.1、Aが1.25mmではB/Aが1.8〜1.9、Aが1.40mmではB/Aが1.74の範囲内となるように前記各扁平管を設置したものである。

0011

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
(1)前記各扁平管は、その長径方向の両端壁面部が緩やかな曲面形状を有し、これらの両端壁面部を繋ぐ側壁面部がほぼ平坦な形状を有していること。
(2)前記ヘッダタンクは円筒状の管の両端部を閉鎖して形成されており、前記各扁平管は長手方向の両端を垂直に切断した同一長さに形成されて前記ヘッダタンク内に挿入して当該ヘッダタンクに接続されていること。
(3)前記扁平管は複数の円管を連続的に配置した円管群で構成されていること。
(4)前記扁平管はその内部にコルゲート状のフィンを挿入してロウ付けしたものであること。

発明の効果

0012

係る本発明の空気調和機用フィンレス熱交換器によれば、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0013

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

0014

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器を図1A図1B図2A及び図2Bを用いて説明する。

0015

まず、本実施形態のフィンレス熱交換器10の構成及びその基本的な機能を図1A及び図1Bを用いて説明する。図1Aは本実施形態のフィンレス熱交換器10の一部断面斜視図、図1B図1AのC−C線に沿って断面した扁平管1の配列の一部分を示す拡大図である。

0016

フィンレス熱交換器10は、冷媒が流れる扁平形状の流路断面を有する複数の扁平管1と、これらの扁平管1の両端部1aに接続され、これらの扁平管1に冷媒を流出入させるヘッダタンク2とを備える。冷媒の流れは図1Aの符号3で示す。

0017

このフィンレス熱交換器10は、空気調和機の室内機の内部における送風機器により送られる空気の流れ4の中に配置される。この空気調和機は室内機と室外機とからなる一般的な家庭用空気調和機であり、その空気の流れ4の速さは1m/s程度(具体的には、0.9〜1.1m/sの範囲)である。そして、フィンレス熱交換器10は空気調和機の冷凍サイクルの一部を構成するものである。

0018

扁平管1は、その長径方向の両端壁面部1bが緩やかな曲面形状を有し、これらの両端壁面部1bを繋ぐ側壁面部1cがほぼ平坦な形状を有している。この扁平管1は、その管外径の短径寸法である管短外径A(図1B参照)が0.31〜1.50mmの範囲で用いられる。

0019

複数の扁平管1は、各扁平管1の長径方向が空気の流れ4に対してほぼ平行に配置されると共に、各扁平管1が管短外径Aの1.4〜5.6倍の範囲内のピッチB(図1B参照)を有して空気の流れ4の方向に対して交差する方向に1列に並置されている。

0020

ヘッダタンク2は、円筒状の管の一側端部が完全に閉鎖され、他側端部が流通口を有して閉鎖された構造となっている。具体的には、各ヘッダタンク2の一側端部は流通口を有しないキャップ溶接されて閉鎖され、他側端部は流通口を有するキャップが溶接されて閉鎖されている。そして、各扁平管1は、長手方向の両端を垂直に切断した同一長さに形成され、ヘッダタンク2内に挿入してヘッダタンク2に接続されている。係る構造によれば、フィンレス熱交換器10を安価に製作することができる。

0021

冷凍サイクルを流れる冷媒3は、まず図面奥側のヘッダタンク2に流入され、このヘッダタンク2から複数の扁平管1に分配される。各扁平管1を流れる冷媒は、扁平管1の外部を流れる空気と熱交換される。ここで、フィンレス熱交換器10が蒸発器として用いられる場合には、各扁平管1を流れる冷媒は扁平管1の外部を流れる空気と熱交換して蒸発され、フィンレス熱交換器10が凝縮器として用いられる場合には、各扁平管1を流れる冷媒は扁平管1の外部を流れる空気と熱交換して凝縮される。扁平管1を通過した冷媒3は、図面手前側のヘッダタンク2に流入され、ヘッダタンク2の端部の流通口を通って流出される。

0022

次に、管短外径Aの1.4〜5.6倍の範囲内のピッチBを有して空気の流れ4の方向に対して交差する方向に各扁平管1を1列に並置した理由を、図2A及び図2Bを用いて説明する。図2A図1Aに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ/管径と熱交換量比との関係を熱流体解析の結果で表す図、図2B図1Aに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ/管径と圧力損失比との関係を熱流体解析の結果で表す図である。図2Aの熱交換量比及び図2Bの圧力損失比は、熱交換器サイズ及びファン入力が同一の条件でのフィンアンドチューブ熱交換器に対する比較値である。

0023

空気調和機の内部の限られたスペースに設置される、扁平管1を用いたフィンレス熱交換器10では、扁平管1の管短外径Aと、扁平管1の外部から流入する空気の流れ4の方向に対して垂直方向の配列ピッチBとからなる2つの要素が性能を決定付ける非常に重要なパラメータであることを熱流体解析により見出した。

0024

即ち、図2Aから明らかなように、管短外径Aが0.31mmではB/Aが5.6以下、管短外径Aが0.63mmではB/Aが3.1以下、管短外径Aが1.00mmではB/Aが2.1以下、管短外径Aが1.25mmではB/Aが1.9以下、管短外径Aが1.40mmではB/Aが1.74以下、管短外径Aが1.50mmではB/Aが1.65以下の範囲で、それぞれ熱交換量比が1以上となる。なお、短管外径Aの0.31mmは生産性を考慮した下限値である。

0025

また、図2Bから明らかなように、管短外径Aが0.31mmではB/Aが2.5以上、管短外径Aが0.63mmではB/Aが2.1以上、管短外径Aが1.00mmではB/Aが1.9以上、管短外径Aが1.25mmではB/Aが1.8以上、管短外径Aが1.40mmではB/Aが1.74以上、管短外径Aが1.50mmではB/Aが1.75以上の範囲で、それぞれ圧力損失比が1以上となる。

0026

従って、管短外径Aが0.31mmではB/Aが2.5〜5.6、管短外径Aが0.63mmではB/Aが2.1〜3.1、管短外径Aが1.00mmではB/Aが1.9〜2.1、管短外径Aが1.25mmではB/Aが1.8〜1.9、管短外径Aが1.40mmではB/Aが1.74の範囲となるように各扁平管を設置することにより、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。なお、短管外径Aが1.50mmではB/Aが1以上となる範囲がなく、結局、短管外径Aは1.40mmが上限値となる。

0027

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図3を用いて説明する。図3は本発明の第2実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管1の配列の一部分を示す断面図である。

0028

この第2実施形態では、各扁平管1が複数の円管5を連続的に配置した円管群で構成されているが、その他の構成は第1実施形態と同じである。係る扁平管1においても、管短外径A及び配列ピッチBの寸法範囲を第1実施形態と同様に設定することにより、同様の熱交換量及び圧力損失の効果が得られることが熱流体解析により確認できた。この第2実施形態によれば、さらに、管内を流れる冷媒に対する伝熱面積の増加に伴う性能向上、および耐圧性の向上が期待できる。

0029

なお、各扁平管1が複数の扁平管を連続的に配置した扁平管群で構成してもよい。この場合には、第2実施形態に比較して、伝熱面積の増加に伴う性能向上及び耐圧性の向上が抑制されるが、製作が容易となる。

0030

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図4を用いて説明する。図4は本発明の第3実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管1の配列の一部分を示す断面図である。

0031

この第3実施形態では、各扁平管1の内部にコルゲート状のフィン6を挿入してロウ付けしたものであり、その他の構成は第1実施形態と同じである。この第3実施形態によれば、第1実施形態の扁平管1のみの場合に比べて、耐圧性向上についても期待できると共に、第2実施形態の円管群からなる扁平管1の場合に比べて、製造工程を低減することができる。

図面の簡単な説明

0032

本発明の第1実施形態のフィンレス熱交換器の一部断面斜視図である。
図1AのC−C線に沿って断面した扁平管の配列の一部分を示す拡大図である。
図1Aに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ/管径と熱交換量比との関係を熱流体解析の結果で表す図である。
図1Aに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ/管径と圧力損失比との関係を熱流体解析の結果で表す図である。
本発明の第2実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管の配列の一部分を示す断面図である。
本発明の第3実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管の配列の一部分を示す断面図である。

符号の説明

0033

1…扁平管、2…ヘッダタンク、3…冷媒の流れ、4…空気の流れ、5…円管、6…コルゲートフィン、10…フィンレス熱交換器、A…管短外径(管径)、B…配列ピッチ。

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