(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数平行に配置されその間を気体が流動する複数の板状フィンと、
この各板状フィンへ直角に挿入され、内部を作動流体が通過し、気体の通過する方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に複数列設けられた外径Ｄが３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍの伝熱管と、
前記板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する切り起こしとを備え、
前記伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、
前記伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、
前記板状フィンのフィンピッチＦｐを０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄとしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
多数平行に配置されその間を気体が流動する複数の板状フィンと、
この各板状フィンへ直角に挿入され、内部を作動流体が通過し、気体の通過する方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に複数列設けられた外径Ｄが３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍの伝熱管と、
前記板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する切り起こしとを備え、
前記伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、
前記伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、
前記板状フィンの積層方向のフィンピッチをＦｐとしたとき、前記板状フィンのフィン厚さＦｔを６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８としたことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
多数平行に配置されその間を気体が流動する複数の板状フィンと、
この各板状フィンへ直角に挿入され、内部を作動流体が通過し、気体の通過する方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられとともに気体通過方向の列方向に複数列設けられた外径Ｄが３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍの伝熱管と、
前記板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する切り起こしとを備え、
前記伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、
前記伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、
前記板状フィンのフィンピッチＦｐを０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄとし、
前記板状フィンのフィン厚さＦｔを６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８としたことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
冷媒を作動流体とし、圧縮機、絞り装置、凝縮熱交換器、蒸発熱交換器を備えた空調冷凍装置において、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とする空調冷凍装置。
【請求項５】
冷媒を作動流体とし、圧縮機、四方弁、絞り装置、室内熱交換器、室外熱交換器を備えた空調冷凍装置において、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を前記室内熱交換器に用いたことを特徴とする空調冷凍装置。
【請求項６】
室内熱交換器の内容積をＶｉ、室外内熱交換器の内容積をＶｏとし、ＶｉとＶｏとが１．４≦Ｖｏ／Ｖｉ≦１．８の関係を満たすことを特徴とする請求項５記載の空調冷凍装置。
【請求項７】
冷媒としてＲ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、プロパン、炭酸ガス、アンモニアのいずれかを用いたことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の空調冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷媒と気体等との流体間での熱交換を行うための熱交換器、及びそれを用いた空調冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、例えば特開昭６３−３１８８号公報に開示された空調冷凍装置に用いられるフィンチューブ型熱交換器を示す部分側面図である。この熱交換器は、プレートフィンチューブ型と一般に呼ばれるもので、一定間隔で配置されその間を空気が流れる（図中に矢印で風向きを示した）板状フィン１と、この各板状フィン１へ直角に挿入され、内部に冷媒が流れる伝熱管２とを有し、伝熱管２の気体通過方向に対して直角方向の段方向に隣接するもの同士の間の板状フィン１面には、切り起こし３群が設けられている。
【０００３】
近年、地球温暖化防止の観点から空調冷凍装置の省エネルギー化や作動流体として使用する冷媒量の削減が強く求められ、この種の熱交換器にも高性能化と内容積の小型化が要求されている。
一方快適性を確保するため騒音増加抑制の観点から気体の通過風速は低く抑えられており、伝熱管内部の熱伝達率に対して空気側の熱伝達率は低い。そこで空気側の伝熱面積を増加させることにより、空気側伝熱向上を図っている。
【０００４】
しかし、熱交換器小形化の要求や設置スペースの限界から、熱交換器の段方向の設置数や伝熱管長手方向の長さを変えて熱交換器を大型化し伝熱面積を増加させるのではなく、伝熱管径を小さくしたり、またフィンピッチを狭めるか伝熱管の列方向の設置列数を増加させて、熱交換器の伝熱面積を増加させる手法が採用される。
【０００５】
以前は、例えば伝熱管径は１０mm程度、フィンピッチは１．５mm程度まで、また列数は２列の熱交換器が製品化されていたが、最近では伝熱管径は７mm程度まで、フィンピッチは１．１mm程度まで狭められており、また列数も３列以上の熱交換器が製品化されている。
【０００６】
図１２においては、伝熱管外径Ｄｏが３mm≦Ｄｏ≦７．５mmの範囲にあり、かつ伝熱管２の気体通過方向の列ピッチＬ１が１．２Ｄｏ≦Ｌ１≦１．８Ｄｏの範囲にあり、かつ伝熱管２の気体通過方向に対して直角方向（段方向）の段ピッチＢが２．６Ｄｏ≦Ｌ２≦３．５Ｄｏの範囲にあることが前記公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来のフィンチューブ型熱交換器が記載された特開昭６３−３１８８号公報では、フィンピッチやフィンの厚さについては言及していない。例えばフィンピッチを１．１mm程度まで狭くした場合、従来の熱交換器では伝熱管２の気体通過方向の列ピッチＬ１が小さすぎ、空気流の圧力損失が極端に増大し、送風機駆動力の増加や騒音値の増大を招き、空調冷凍装置の省エネルギー化に逆行し、かつ快適性確保が困難になるという問題点があった。
【０００８】
また、伝熱面積の拡大を列数の増加により達成しようとする場合、例えば２列から３列の熱交換器にすると、空気流の圧力損失が約１．５倍に増大し、フィンピッチを狭めたのと同様、送風機駆動力の増加や騒音値の増大を招き、空調冷凍装置の省エネルギー化に逆行し、快適性確保が難しいという問題点があった。
【０００９】
さらに、上述の従来のフィンチューブ型熱交換器が記載された特開昭６３−３１８８号公報では、熱交換器の内容積についても言及していない。同公報に示されている伝熱管外径、列ピッチ、段ピッチとすると、熱交換器における伝熱管の配置密度がかえって上昇し、熱交換器の内容積が大きくなり、冷媒使用量が増大し地球温暖化防止の観点に反する。
【００１０】
また空調冷凍装置は、室内熱交換器と室外熱交換器が組み合わせて使われるので、どちらか片方の熱交換器の内容積だけ小さくすればよいわけでなく、それぞれの内容積を小さくし、冷媒使用量の削減を図る必要がある。加えて空調冷凍装置はヒートポンプタイプとしても用いられるので、冷房運転、暖房運転に必要な冷媒量をそれぞれ削減し、かつその差がゼロとなるように室内熱交換器と室外熱交換器の内容積を設計する必要がある。
【００１１】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、通風抵抗が小さくかつ伝熱性能の良好な熱交換器、およびこの熱交換器を用いて冷媒使用量の削減を図った空調冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱交換器は、多数平行に配置されその間を気体が流動する複数の板状フィンと、この各板状フィンへ直角に挿入され、内部を作動流体が通過し、気体の通過する方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に複数列設けられた外径Ｄが３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍの伝熱管と、板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する切り起こしとを備え、伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、板状フィンのフィンピッチＦｐを０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄとしたものである。
【００１３】
また、多数平行に配置されその間を気体が流動する複数の板状フィンと、この各板状フィンへ直角に挿入され、内部を作動流体が通過し、気体の通過する方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に複数列設けられた外径Ｄが３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍの伝熱管と、板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する切り起こしとを備え、伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、板状フィンの積層方向のフィンピッチをＦｐとしたとき、板状フィンのフィン厚さＦｔを６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８としたものである。
【００１４】
また、多数平行に配置されその間を気体が流動する複数の板状フィンと、この各板状フィンへ直角に挿入され、内部を作動流体が通過し、気体の通過する方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられとともに気体通過方向の列方向に複数列設けられた外径Ｄが３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍの伝熱管と、板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する切り起こしとを備え、伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、板状フィンのフィンピッチＦｐを０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄとし、板状フィンのフィン厚さＦｔを６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８としたものである。
【００１５】
この発明に係る空調冷凍装置は、冷媒を作動流体とし、圧縮機、絞り装置、凝縮熱交換器、蒸発熱交換器を備え、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を用いたものである。
【００１６】
また、冷媒を作動流体とし、圧縮機、四方弁、絞り装置、室内熱交換器、室外熱交換器を備え、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を室内熱交換器に用いたものである。
【００１８】
また、冷媒を作動流体とし、圧縮機、四方弁、絞り装置、室内熱交換器、室外熱交換器を備え、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を室内熱交換器に用いたものにおいて、室内熱交換器の内容積をＶｉ、室外内熱交換器の内容積をＶｏとし、ＶｉとＶｏとが１．４≦Ｖｏ／Ｖｉ≦１．８の関係を満たすものである。
【００１９】
また、冷媒としてＲ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、プロパン、炭酸ガス、アンモニアのいずれかを用いたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１を示す図で、熱交換器の部分側面平面図とその側面図である。図に示すように、板状フィン１と、この板状フィン１に対して垂直に挿入された伝熱管２とを有し、気体通過方向に対して直角方向の段方向に隣接する伝熱管間の板状フィン面に切り起こし３を設けている。
【００２１】
この実施形態における熱交換器は、板状フィン１の積層方向のピッチＦｐはＦｐ＝０．００１ｍ、フィン厚みＦｔはＦｔ＝０．０００１ｍ、熱交換器の気体通過方向に沿った１列の長さである列ピッチＬｐはＬｐ＝０．０１２ｍ、熱交換器の気体通過方向に対して直角方向の段方向に隣接する伝熱管の中心の距離である段ピッチＤｐはＤｐ＝０．０１４ｍ、伝熱管の外径ＤはＤ＝０．００５ｍ、熱交換器の気体通過方向の列の列数ＬｎはＬｎ＝３である。
【００２２】
熱交換器の伝熱性能と通風抵抗について、以上に述べた形状パラメータの定性的傾向について以下に説明する。
列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐを拡大すると、フィン表面での熱伝達率は向上するが、伝熱管２の外周からフィン端部までの距離と伝熱との関係で定義されるフィン効率が低下する。また、通風抵抗が減少するため、風量増加を図ることができる。
一方、列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐを縮小すると、フィン効率は向上するが、通風抵抗は増加するため、風量増加を図ることができない。
【００２３】
また、フィンピッチＦｐを拡大すると、通風抵抗が減少するため、風量増加を図ることができるが、伝熱面積は減少する。
一方フィンピッチＦｐを縮小すると伝熱面積は増加するが、通風抵抗が増加し、風量増加を図ることができない。
加えてフィン厚さＦｔを拡大すると、フィン効率は向上するが、通風抵抗は増加する。一方フィン厚さＦｔを縮小すると、フィン効率は低下するが、通風抵抗は低減する。
以上ように、上述した形状パラメータには各々最適値があり、これを定量的に評価するため、以下に述べる手法にて熱交換器の伝熱性能と通風抵抗を算出する。
【００２４】
空気と板状フィンの間の熱伝達率α［ｗ／ｍ2・ｋ］は一般に次式で定義される。
α＝Ｎｕ×λ／Ｄｅ
Ｎｕ＝ Ｃ１×（Ｒｅ×Ｐｒ× Ｄｅ／Ｌｐ／Ｌｎ）C2
Ｒｅ＝Ｕ× Ｄｅ／ν
ここでＮｕはヌセルト数、Ｒｅはレイノルズ数である。Ｐｒはプラントル数、λは空気の熱伝導率、νは空気の動粘性係数で、それぞれ常温常圧の場合に、Ｐｒ＝０．７２、λ＝０．０２６１［ｗ／ｍ・ ｋ］、ν＝０．００００１６［ｍ2 ／ｓ］である。また、Ｃ１、Ｃ２は定数である。
【００２５】
ここで代表長さＤｅ［ｍ］を次式にて定義する。
Ｄｅ＝４×（Ｌｐ×Ｄｐ−π×Ｄ2 ／４）×（Ｆｐ−Ｆｔ）／｛２×（Ｌｐ×Ｄｐ−π×Ｄ2 ／４ ）＋π×Ｄ×（Ｆｐ−Ｆｔ）｝
板状フィン間の自由通過体積基準の風速Ｕ［ｍ／ｓ］と、熱交換器の前面風速Ｕｆ［ｍ／ｓ］とは、以下の式で定義される。
Ｕ＝Ｕｆ× Ｌｐ×Ｄｐ×Ｆｐ／｛（Ｌｐ×Ｄｐ−π×Ｄ2 ／４ ）×（Ｆｐ−Ｆｔ）｝
【００２６】
また、フィン効率ηは次式で定義される。
η＝１／（１＋ψ×α）
ψ＝｛（４×Ｌｐ×Ｄｐ／π）0.5 −Ｄ｝2 ×（４×Ｌｐ×Ｄｐ／π）0.5 ／Ｄ0.5 ／６／Ｆｔ／λｆ
ここでλｆ［ｗ／ｍ・ ｋ］は板状フィンの熱伝導率である。
【００２７】
一方、空気と板状フィンの間の通風抵抗ΔＰ［Ｐａ］は次式にて定義される。
ΔＰ＝２×Ｆ× Ｌｐ×Ｌｎ×ρ × Ｕ2 ／ Ｄｅ
Ｆ＝Ｃ３× Ｄｅ／Ｌｐ／Ｌｎ＋Ｃ４× ＲｅC5×（Ｄｅ／Ｌｐ／Ｌｎ）1+C5
ここでＦは摩擦損失係数で、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５は定数である。またρは空気の密度で、常温常圧の場合に１．２［ｋｇ／ｍ3 ］程度となる。
【００２８】
また、実施の形態１における熱交換器を空調冷凍装置に使用した場合の送風機駆動力低減を図るため、送風機駆動力を熱交換器の性能評価項目に追加する。
送風機駆動力Ｐｆ［ｗ］は次式にて定義される。
Ｐｆ＝ΔＰ×Ｑ
ここで、Ｑは熱交換器を通過する空気流量［ｋｇ／ｓ］であり、伝熱管長手方向の長さをＷ［ｍ］、段数をＤｎとすると、熱交換器の前面風速Ｕｆ［ｍ／ｓ］とは、以下の関係がある。
Ｕｆ＝ Ｑ／ρ／（Ｗ×Ｄｐ×Ｄｎ）
【００２９】
以下、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ、フィンピッチＦｐ、フィン厚さＦｔ、伝熱管の外径ＤをそれぞれパラメータとしてΔＰを計算し、送風機駆動力Ｐｆ一定の条件で空気流量Ｑを決定して、この時の熱交換器の熱交換能力Ｅを算出した。なお熱交換能力は単位温度差当たりの熱交換量Ｅ［ｗ／ｋ］で評価し、次式による。
Ｅ＝Ｑ×Ｈ×ε
ε＝１−ｅｘｐ（−Ｔ）
Ｔ＝Ａｏ×Ｋ／（Ｑ×Ｈ）
Ｋ＝１／（１／αｏ＋Ａｏ／Ａｉ／αｉ）
αｏ＝１／（Ａｏ／（Ａｐ＋η×Ａｆ）／α）
Ａｏ＝Ａｐ＋Ａｆ
ここでＨ［ｗ／ｋｇ・ ｋ］は空気比熱、εは温度効率、Ｋ［ｗ／ｍ2・ｋ］は熱通過率、Ａｏ［ｍ2 ］は熱交換器の空気側全伝熱面積、Ａｐ［ｍ2 ］は熱交換器の空気側パイプ伝熱面積、Ａｆ［ｍ2 ］は熱交換器の空気側フィン伝熱面積、Ａｉ［ｍ2 ］は熱交換器の冷媒側伝熱面積であり、熱交換器の形状に依存する寸法、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ、フィンピッチＦｐ、フィン厚さＦｔ、伝熱管の外径Ｄが決まれば、算出できる値である。なお熱交換器の管内を流れる流体の熱伝達率αｉ［ｗ／ｍ2・ｋ］ は、一定とする。
【００３０】
以下、形状パラメータと熱交換能力Ｅの関係を図２〜図６に示す。なおこれらの図において、熱交換量Ｅ［ｗ／ｋ］は、段数が１段で、伝熱管長手方向の長さＷが単位長さの時の値である。
図２は、伝熱管の外径Ｄ、列ピッチＬｐ、フィンピッチＦｐ、フィン厚さＦｔをほぼ最適値の範囲内で一定とし（必ずしも最適値の範囲内ではない）、段ピッチＤｐ、をパラメータとして熱交換量Ｅを計算した結果である。
図２より、段ピッチＤｐが２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄの範囲にあれば、熱交換量Ｅは十分に大きく、伝熱特性に優れた熱交換器となる。
【００３１】
図３は、段ピッチＤｐ、伝熱管の外径Ｄ、フィンピッチＦｐ、フィン厚さＦｔをほぼ最適値の範囲内で一定とし（必ずしも最適値の範囲内ではない）、列ピッチＬｐをパラメータとして熱交換量Ｅを計算した結果である。
図３より、列ピッチＬｐが２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄの範囲にあれば、熱交換量Ｅは十分に大きく、伝熱特性に優れた熱交換器となる。
【００３２】
図４は、列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐ、伝熱管の外径Ｄ、フィン厚さＦｔをほぼ最適値の範囲内で一定とし（必ずしも最適値の範囲内ではない）、フィンピッチＦｐをパラメータとして熱交換量Ｅを計算した結果である。
図４より、フィンピッチＦｐが０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄの範囲にあれば、熱交換量Ｅは十分に大きく、伝熱特性に優れた熱交換器となる。
【００３３】
図５は、列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐ、伝熱管の外径Ｄ、フィンピッチＦｐをほぼ最適値の範囲内で一定とし（必ずしも最適値の範囲内ではない）、フィン厚さＦｔをパラメータとして熱交換量Ｅを計算した結果である。
図５より、フィン厚さＦｔが６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８の範囲にあれば、熱交換量Ｅは十分に大きく、伝熱特性に優れた熱交換器となる。
【００３４】
図６は、ほぼ最適値の（必ずしも最適値ではない）列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐ、フィンピッチＦｐ、フィン厚さＦｔの範囲において、伝熱管の外径Ｄをパラメータとして熱交換量Ｅを計算した結果である。
図６より、伝熱管外径Ｄが３mm≦Ｄ≦７mmの範囲にあれば、熱交換量Ｅは十分に大きく、伝熱特性に優れた熱交換器となる。なお実測結果を図２〜６に白丸で示すが、いずれにおいても計算結果を精度良く再現している。
【００３５】
なお、図１には気体通過方向に対して伝熱管を３列備えた例を示したが、列数は３列に限られたものでなく、何列でもよく本発明の効果を奏する。
また、板状フィン面に設けられた切り起こし３は、伝熱管２の間に３本設けた例を示したが、本数は３本に限定されるものではなく何本でもよく、また切り起こしがなくても本発明の効果を奏する。
【００３６】
また、図７は実施形態１の変形例である熱交換器の部分側面図である。図７では、１列目に対して２列目の伝熱管の配置を段ピッチＤｐの１／２である千鳥配列でなく、例えば段ピッチＤｐの１／３としている。このように、伝熱管の配置が千鳥配列でなくても本発明の効果を奏する。
非千鳥配列の熱交換器は、空気流れ方向に対する伝熱管の投影面積減少により、通風抵抗が減少する。また伝熱管２の後ろの死水域減少により空気側伝熱性能が向上する。
【００３７】
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、同様の効を奏する。
【００３８】
また、伝熱管外径を従来の１０［mm］より小径化しているので、熱交換器の内容積が小さくなり、管内の作動流体の使用量削減を図ることができる。特に作動流体として燃焼性があるＨＣ冷媒（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）や、毒性があるアンモニア冷媒を用いる場合、使用量削減を図ることは機器の安全性向上を図ることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図８は実施形態２を示す図で、空調冷凍装置の冷媒回路図である。図に示す冷媒回路は、圧縮機１１、凝縮熱交換器１２、絞り装置１３、及び蒸発熱交換器１４により構成されている。上述の実施の形態１による熱交換器を凝縮熱交換器１２または蒸発熱交換器１４、もしくは両方に用いることにより、エネルギ効率の高い空調冷凍装置を実現することができる。
ここで、エネルギ効率は、次式で定義されるものである。
暖房エネルギ効率＝室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
冷房エネルギ効率＝室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力
【００４０】
また、図９は実施の形態２の変形例による空調冷凍装置の冷媒回路図である。図に示す冷媒回路は、ヒートポンプタイプの空調冷凍装置の例であり、圧縮機１１、四方弁１５、室外熱交換器１６、絞り装置１３、室内熱交換器１７より構成されている。上述の実施の形態１による熱交換器を、室外熱交換器１６、または室内熱交換器１７、もしくは両方に用いることにより、エネルギ効率の高い空調冷凍装置を実現することができる。
【００４１】
実施の形態３．
図１０は実施の形態３を示す図で、ヒートポンプタイプの空調冷凍装置の冷媒回路図である。図に示すように、圧縮機１１、四方弁１５、室外熱交換器１６、絞り装置１３、室内熱交換器１７により構成されている。そして、室外熱交換器１６の内容積をＶｏ、室内熱交換器１７の内容積をＶｉとする。
以下、ヒートポンプタイプの空調冷凍装置における、室内外熱交換器の大きさと、冷房と暖房での必要冷媒量について述べる。
【００４２】
ヒートポンプタイプの空調冷凍装置においては、暖房通常運転時、具体的には外気温が７［℃］の時、室外熱交換器１６が着霜せず連続運転できることが要求される。この時冷媒の蒸発温度が０［℃］以上であれば着霜しないため、外気温との温度差が７［℃］以内となる蒸発熱交換性能を有する室外熱交換器１６が必要となる。ここで熱交換器の性能を表す指標として、単位温度差あたりの熱交換量Ｇ［ｗ／ｋ］を考える。
【００４３】
暖房能力（＝凝縮能力）に対して必要な蒸発能力は、一般にその２／３〜３／４程度であり、例えば暖房能力が４０００［ｗ］の空調装置において室外熱交換器１６に要求される蒸発能力を３０００［ｗ］とし、外気温との温度差を７［℃］とすると、Ｇ＝４２８．６［ｗ／ｋ］である室外熱交換器が必要となる。
一方室内熱交換器１７は、室温を２０［℃］、凝縮温度を４０［℃］とすると、温度差は２０［℃］となり、Ｇ＝２００［ｗ／ｋ］である室内熱交換器１７が必要となる。
【００４４】
従って、ヒートポンプタイプの空調冷凍装置においては、室内熱交換器１７より室外熱交換器１６の方が２倍以上の熱交換能力を有することが要求される。
これはすなわち、同一性能の熱交換器であれば、室外熱交換器１６は室内熱交換器１７の２倍以上の大きさが必要となるということである。
ここで、例えば凝縮温度が３０［℃］とすると、室温との温度差は１０［℃］となり、Ｇ＝４００［ｗ／ｋ］である室内熱交換器１７が必要となり、室外熱交換器１６とほぼ同等の熱交換能力となるが、室内熱交換器１６からの吹出し空気温度は３０［℃］以下となり、体温より低い温度で暖房することになるので、その風が人間あたった場合不快感を感じ、快適性の面から考えると凝縮温度は４０［℃］程度が下限値となる。従って、やはり室内熱交換器１６より室外熱交換器１７の方が２倍以上の熱交換能力を有することが要求される。
【００４５】
一方冷房運転時、例えば冷房能力（＝蒸発能力）が３０００［ｗ］の空調装置において、室温を２７［℃］、室内熱交換器の蒸発温度を１３［℃］とすると、温度差は１４［℃］となり、Ｇ＝２１４．３［ｗ／ｋ］である室内熱交換器１６が必要となる。
また、室外熱交換器１７に要求される凝縮能力を４０００［ｗ］とし、外気温を３５［℃］、室外熱交換器１７の凝縮温度を４５［℃］とすると、温度差は１０［℃］となり、Ｇ＝４００［ｗ／ｋ］である室外熱交換器１７が必要となる。従って、冷房運転においても室内熱交換器１６より室外熱交換器１７の方が２倍程度の熱交換能力を有することが要求され、同一性能の熱交換器であれば、室外熱交換器１７は室内熱交換器１６の２倍程度の大きさが必要となる。
【００４６】
一般に凝縮器において冷媒過多となると過冷却度が増大し、冷媒側伝熱性能の低い過冷却液部の伝熱面積が増大するので熱交換能力が低下する。また冷媒不足となると過冷却度が減少し、エンタルピ差がとれなくなるので熱交換能力が低下する。
一方、蒸発器においても一般に冷媒過多となると蒸発器出口乾き度が低下し、エンタルピ差がとれなくなるので熱交換能力が低下する。また冷媒不足となると蒸発器出口過熱度が増大し、冷媒側伝熱性能の低い過熱蒸気部の伝熱面積が増大するので熱交換能力が低下する。
従って凝縮器、蒸発器とも熱交換能力が最大となりエネルギ効率が最も高くなる最適な冷媒量が存在する。
【００４７】
一方、実機での冷媒使用量について考えると、当然ながら内容積が小さい熱交換器の方が、また凝縮器より蒸発器の方が、冷媒量は少なくなる。ここで同一性能の熱交換器であれば、室外熱交換器１７は室内熱交換器１６の２倍程度の大きさ（＝内容積）が必要となることを前述したが、室外熱交換器１７が凝縮器となる冷房運転の方が暖房運転より冷媒使用量が多くなる。よってヒートポンプタイプの空調冷凍装置においては、冷房運転基準でエネルギ効率が最大となる冷媒量を充填すると暖房運転時は冷媒過多となりエネルギ効率が低下する。
【００４８】
また、暖房運転基準でエネルギ効率が最大となる冷媒量を充填すると冷房運転時は冷媒不足となりエネルギ効率が低下する。従って熱交換器の性能と内容積の調整により冷房・暖房ともエネルギ効率が最大となる冷媒量を充填しなければならない。
【００４９】
なお冷媒回路に冷房・暖房の冷媒量差を吸収する冷媒量調整容器を設ければエネルギ効率が最大となる運転は可能であるが、充填する冷媒量は冷房・暖房で使用量の多い運転に合わせることになり、冷媒量の削減はできない。また冷媒量調整容器を設けることは、機器のコストアップにつながり、この容器の収納スペースも必要となるので機器の小形化にも反することになり、得策ではない。
【００５０】
熱交換器内の冷媒存在量Ｍｏは、熱交換器を過熱蒸気部、過冷却液部、二相部の３つの部分に分けて考えると、それぞれの部分の冷媒存在量Ｍｇｓｈ、Ｍｌｓｃ、Ｍｔｐの合計Ｍｏ＝Ｍｇｓｈ＋Ｍｌｓｃ＋Ｍｔｐとなる。
ここでＭｇｓｈ、Ｍｌｓｃ、Ｍｔｐは、それぞれ次式にて計算される。
Ｍｇｓｈ＝Ｖｇｓｈ×ρｇｓｈ
Ｍｌｓｃ＝Ｖｌｓｃ×ρｌｓｃ
Ｍｔｐ＝Ｖｔｐ×ρｔｐ
ρｔｐ＝Ｆ×ρｇ＋（１−Ｆ）×ρｌ
Ｆ＝１／｛１−Ｓ×（ρｇ／ρｌ）｝＋Ｓ×（ρｇ／ρｌ）×ＬＮ｛Ｘｉ＋（Ｘｏ−Ｘｉ）Ｓ×（ρｇ／ρｌ）｝／（Ｘｏ−Ｘｉ）／｛１−Ｓ×（ρｇ／ρｌ）｝2
Ｓ＝（Ｕｇ／Ｕｌ）C6
ここで、Ｍ［ｋｇ］は冷媒存在量、Ｖ［ｍ3］は内容積、ρ［ｋｇ／ｍ3］は冷媒密度、Ｕ［ｍ／ｓ］は冷媒流速であり、添え字ｏは熱交換器全体、ｇｓｈは過熱蒸気、ｌｓｃは過冷却液、ｔｐは二相部、ｇは飽和蒸気、ｌは飽和液である。
【００５１】
単相部である過熱蒸気部と過冷却液部は、その時の冷媒状態である過熱度または過冷却度から冷媒密度を計算し、その部分が占める熱交換器の内容積と合わせて冷媒量を計算することができる。
二相域については、ボイド率Ｆとすべり比Ｓという無次元数を導入し、冷媒密度ρｔｐを計算して冷媒量を計算する。ここでＣ６は飽和蒸気冷媒と飽和液冷媒の流速の比、すなわちすべり比Ｓを関係づけた定数である。なおＸｉは二相部入口乾き度、Ｘｏは二相部出口乾き度である。ここで凝縮器の場合は、一般にＸｉ＝１、Ｘｏ＝０であり、蒸発器の場合はＶｌｓｃ＝０である。
【００５２】
図１１は、ある冷媒量の時に室内熱交換器の内容積Ｖｉと室外熱交換器の内容積Ｖｏの比Ｖｏ／Ｖｉを横軸に取り、その時の冷房と暖房のエネルギ効率を縦軸に取った特性図である。これは、上述した式に基づいて冷媒量と室内熱交換器１６の内容積Ｖｉ、室外熱交換器１７の内容積Ｖｏから、過冷却度と過熱度を計算してエネルギ効率を求めた。
図１１より内容積比Ｖｏ／Ｖｉの変化に対して、暖房のエネルギ効率変化は緩やかであるが、冷房のエネルギ効率変化は大きく、内容積比Ｖｏ／Ｖｉが１．４≦Ｖｏ／Ｖｉ≦１．８の範囲にあれば、冷房暖房ともエネルギ効率は十分に高くなることが予測される。実機試験結果を白丸にて示すが良い一致を見ている。
【００５３】
従って室内外熱交換器１６の内容積の調整により冷房、暖房ともエネルギ効率が最大となる運転が可能となり、冷房、暖房の冷媒量差を吸収する冷媒量調整容器を設けなくてくもよく、冷媒量の削減と、機器のコスト低減、ならびにこの容器の収納スペースも必要となるので機器の小形化も達成することができる。この時熱交換器に実施の形態１に述べた熱交換器を使用すれば、エネルギ効率をさらに高めることができる。
【００５４】
なお、上述の実施形態１から実施形態３で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２など）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１、ＲＣ３１８などや、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、またこれら冷媒の数種の混合冷媒など、どんな種類の冷媒を用いても、その効果を達成することができる。かつ、燃焼性のあるＨＣ冷媒や毒性のあるアンモニア冷媒を用いる場合、冷媒使用量の削減は装置の安全性向上を図ることができる。
【００５５】
なお、上述の実施形態１から実施形態３で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、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、冷媒と油が溶ける溶けないに関わらず、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。特に冷媒との溶解性が０または難溶性の冷凍機油については、空調冷凍装置の油循環率を溶解度以下、もしくは０．５％以下とすることにより、その効果を達成することができる。
【００５６】
【発明の効果】
この発明に係る熱交換器は、伝熱管の外径Ｄを３≦Ｄ≦７mmとし、伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、板状フィンのフィンピッチＦｐを０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄとしたので、送風機駆動力を増加させることなく、伝熱性能が高くかつ通風抵抗が小さい熱交換器を構成できるため、大幅な熱交換量向上を達成することができる。
【００５７】
また、伝熱管の外径Ｄを３≦Ｄ≦７mmとし、伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、板状フィンの積層方向のフィンピッチをＦｐとしたとき、板状フィンのフィン厚さＦｔを６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８としたので、同様に送風機駆動力を増加させることなく、伝熱性能が高くかつ通風抵抗が小さい熱交換器を構成できるため、大幅な熱交換量向上を達成することができる。
【００５８】
また、伝熱管の外径Ｄを３≦Ｄ≦７mmとし、伝熱管の段方向の段ピッチＤｐを２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄとし、伝熱管の列方向の列ピッチＬｐを２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄとし、板状フィンのフィンピッチＦｐを０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄとし、板状フィンのフィン厚さＦｔを６≦Ｆｐ／Ｆｔ≦１８としたので、さらに送風機駆動力を増加させることなく、伝熱性能が高くかつ通風抵抗が小さい熱交換器を構成できるため、大幅な熱交換量向上を達成することができる。
【００５９】
この発明に係る空調冷凍装置は、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を用いたので、送風機駆動力を増加させることなく、伝熱性能が高くかつ通風抵抗が小さい熱交換器を構成できるため、大幅な熱交換量向上を達成し、機器のエネルギ効率を飛躍的に向上させることができる。
【００６０】
また、冷媒を作動流体とし、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を室内熱交換器に用いたので、送風機駆動力を増加させることなく、伝熱性能が高くかつ通風抵抗が小さい熱交換器を構成できるため、大幅な熱交換量向上を達成し、機器のエネルギ効率を飛躍的に向上させることができる。
【００６２】
また、冷媒を作動流体とし、圧縮機、四方弁、絞り装置、室内熱交換器、室外熱交換器を備え、請求項１〜３何れかに記載の熱交換器を室内熱交換器に用いたものにおいて、室内熱交換器の内容積をＶｉ、室外内熱交換器の内容積をＶｏとし、ＶｉとＶｏとが１．４≦Ｖｏ／Ｖｉ≦１．８の関係を満たすので、冷媒量の削減と、機器のコスト低減、ならびに機器の小形化を達成しつつ、機器のエネルギ効率を飛躍的に向上させることができる。
【００６３】
また、冷媒としてＲ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、プロパン、炭酸ガス、アンモニア等のどんな種類の冷媒を用いても、機器のエネルギ効率を飛躍的に向上させることができ、かつ、燃焼性のあるＨＣ冷媒や毒性のあるアンモニア冷媒を用いる場合、冷媒使用量の削減は装置の安全性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１を示す図で、熱交換器の部分側面平面図とその側面図である。
【図２】  実施の形態１を示す図で、伝熱管の段ピッチと熱交換量との関係を示す特性図である。
【図３】  実施の形態１を示す図で、伝熱管の列ピッチと熱交換量との関係を示す特性図である。
【図４】  実施の形態１を示す図で、フィンピッチと熱交換量との関係を示す特性図である。
【図５】  実施の形態１を示す図で、フィン厚さと熱交換量との関係を示す特性図である。
【図６】  実施の形態１を示す図で、伝熱管の外径と熱交換量との関係を示す特性図である。
【図７】  実施の形態１の変形例を示す図で、熱交換器の部分側面平面図である。
【図８】  実施の形態２を示す図で、空調冷凍装置の冷媒回路図である。
【図９】  実施の形態２の変形例を示す図で、空調冷凍装置の冷媒回路図である。
【図１０】  実施の形態３を示す図で、空調冷凍装置の冷媒回路図である。
【図１１】  実施の形態３を示す図で、室内熱交換器と室外熱交換器との内容積とエネルギ効率との関係を示す特性図である。
【図１２】  従来の熱交換器を示す図で、熱交換器の部分側面平面図である。
【符号の説明】
１  板状フィン、２  伝熱管、３  切り起こし、１１  圧縮機、１２  凝縮熱交換器、１３  絞り装置、１４  蒸発熱交換器、１５  四方弁、１６  室外熱交換器、１７  室内熱交換器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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