(57)【要約】【課題】本発明は、熱交換量が多く、耐着霜性能に優れたフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。【解決手段】間隔を空けて略平行に並べられ、その間隙を流体Ａが流動する多数のフィンと、前記フィンに略垂直に挿入され、内部に流体Ｂが流動する多数の伝熱管から構成されたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管の管外径Ｄを１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍ、前記伝熱管の流体Ａの流動方向の管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、流体Ａの流動方向と垂直方向の管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄとすることにより、熱交換量が多く、耐着霜性能に優れたフィンチューブ型熱交換器及びヒートポンプ装置を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を空けて略平行に並べられ、その間隙を流体Ａが流動する多数のフィンと、前記フィンに略垂直に挿入され、内部に流体Ｂが流動する多数の伝熱管から構成されたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管の管外径Ｄを１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍ、前記伝熱管の流体Ａの流動方向の管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、流体Ａの流動方向と垂直方向の管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄ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】
前記フィンの形状をフラットフィン、または波形状フィンとしたことを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項３】
前記流体Ｂに二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項４】
前記流体Ａと前記流体Ｂとを対向流となるように流動させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項５】
圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器を順次接続してなるヒートポンプ装置において、前記蒸発器に請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調、冷凍、冷蔵、給湯等に利用され、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及びヒートポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フィンチューブ型熱交換器及びヒートポンプ装置は、適用製品の高性能化、小型化のため、熱交換量の増加と小型化が要求されている。熱交換量を増加させるためには、伝熱管の細径化が有効であることが知られている。
【０００３】
従来のフィンチューブ型熱交換器としては、伝熱管の外径は５ｍｍから８ｍｍ前後のものが主流となってきている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
以下、図面を参考にしながら上記従来のフィンチューブ型熱交換器を説明する。
【０００５】
図５は上記従来のフィンチューブ型熱交換器の模式的な斜視図である。図５に示すように上記従来のフィンチューブ型熱交換器１は、所定間隔で平行に配列され、それらの間を気流が流れるように構成された多数のフィン２と、フィン２を直交するように並列して貫通し、断面外周を円形とした伝熱管３とを有し、伝熱管３の管外径をＤ、伝熱管３の気流方向における管列ピッチをＬ１、伝熱管３の気流方向と直交する方向における管段ピッチをＬ２としたとき、２ｍｍ≦Ｄ≦８ｍｍ、１．９Ｄ≦Ｌ１≦２．５Ｄ、２．３Ｄ≦Ｌ２≦３．７Ｄとすることで、管外径、気流量、フィンピッチなどを一定としたときに最大熱交換量を得て、なお且つ、コンパクト化を達成することができるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５７４８３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成は、伝熱管の管外径が２ｍｍ≦Ｄ≦８ｍｍにおいて、管外径をパラメータとした同一の管ピッチ定義式１．９Ｄ≦Ｌ１≦２．５Ｄ、２．３Ｄ≦Ｌ２≦３．７Ｄを用いているため、管外径８ｍｍでは上記管列ピッチＬ１の範囲にて最大熱交換量を得るが、管径が細くなるに従い、最大熱交換量を得る管列ピッチＬ１の範囲はスライドして、管径２ｍｍでは２．５Ｄをこえて最大熱交換量を得ている。管ピッチ定義式を適用する管外径の範囲が広いため、同一の管ピッチ定義式で必ずしも最大熱交換量を得る範囲となっていないという課題がある。また、上記従来の構成は、蒸発器として用いられた場合の耐着霜性能という観点からは検討されていない。このため、耐着霜性能が低いという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換量が多く、耐着霜性能に優れたフィンチューブ型熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、間隔を空けて略平行に並べられ、その間隙を流体Ａが流動する多数のフィンと、前記フィンに略垂直に挿入され、内部に流体Ｂが流動する多数の伝熱管から構成されたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管の管外径Ｄを１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍ、前記伝熱管の流体Ａの流動方向の管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、流体Ａの流動方向と垂直方向の管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄとしたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器であり、管外径Ｄを１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍとしたことにより、従来の管径５ｍｍから８ｍｍの伝熱管に比して、伝熱管外を流動する流体Ａの流動方向後方部分に生じる死水域が減少し、同一空気抵抗で管ピッチを詰めることができ、フィン効率が上昇するという作用を有する。また、同一耐圧の管肉厚は、従来の管外径５ｍｍから８ｍｍの伝熱管に比して、薄くなるため、伝熱管の材料投入量が少なくなるという作用を有する。また、管列ピッチを詰めると、フィン効率は向上するが、同一列数ではフィンの伝熱面積は減少、耐着霜性能も低下する。逆に管列ピッチを広げると、フィン効率は低下するが、同一列数ではフィンの伝熱面積は増加、耐着霜性能も向上する。そのバランスが良い設計点は、管ピッチがおおよそ正三角形となる点である。さらに、管段ピッチを詰めると伝熱管間の流体Ａの速度が増加し、フィン効率が上昇する反面、流体Ａの流動抵抗が増加する。このため、管外径と管ピッチとの間には、熱交換量が最大となる最適な関係が存在し、前記管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄとすることにより、熱交換量と耐着霜性能のバランスが良くなるという作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、フィンの形状をフラットフィン、または波形状フィンとしたことを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器であり、開口部や端面がない形状のフィンとすることにより、フィンの表面にほこりや凝縮水が付着しにくくなり、フィン間隙の目詰まりを低減できるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、流体Ｂに、二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器であり、二酸化炭素の高圧、高密度な冷媒特性により、同一質量流量では他の冷媒に比して速度が遅く、細径化による伝熱管内の圧力損失の増加が小さいという作用を有する。また、伝熱管内の圧力損失が温度変化に与える影響が小さいという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、流体Ａと流体Ｂとを対向流となるように流動させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器であり、これにより、並行流に比べて、流体Ａと流体Ｂとが温度差を保ちながら安定した熱交換を行うという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器を順次接続してなるヒートポンプ装置において、前記蒸発器に請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とするヒートポンプ装置であり、コンパクトで高耐圧、なお且つ、安定した熱交換量の蒸発器を得るという作用を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるフィンチューブ型熱交換器及びこのフィンチューブ型熱交換器を利用したヒートポンプ給湯機の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器の側面から見た部分断面図である。
【００１６】
図１において、フィンチューブ型熱交換器１は、間隔を空けて略平行に並べられ、その間隙を空気が流動する多数のフィン２と、内部に冷媒が流動し、フィン２に対して略垂直に挿入された多数の伝熱管３から構成される。伝熱管３は気流方向と冷媒流動方向とが対向流になるように相互に接続され、また、等間隔で隣り合う列間は半ピッチずれて千鳥格子状に配列される。また、伝熱管３の管外径をＤ、気流方向の管列ピッチをＬ１、気流方向と垂直方向の管段ピッチをＬ２としたとき、１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍ、２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄとされている。また、フィン２の形状はフラットフィン、または波形状フィンにより構成される。フィン２と伝熱管３は、アルミニウムや銅といった熱伝導性の良い材料で作られる。
【００１７】
図２は同実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器を利用したヒートポンプ給湯機の回路図であり、ヒートポンプ回路と湯回路により構成されている。
【００１８】
図２において、ヒートポンプ給湯機４のヒートポンプ回路は、冷媒を圧縮する圧縮機５、水と冷媒を熱交換させる放熱器６、冷媒を膨張させる膨張装置７、空気と冷媒を熱交換させる蒸発器８、冷媒の気液分離を行うアキュムレータ９を環状に接続して構成され、蒸発器８にはフィンチューブ型熱交換器１を用いている。以下、蒸発器８をフィンチューブ型熱交換器１と称する。また、湯回路は、放熱器６で加熱された水を貯める貯湯タンク１０と、放熱器６を介して貯湯タンク１０内の水を循環させる循環ポンプ１１から構成される。
【００１９】
以上のように構成されたフィンチューブ型熱交換器１及びヒートポンプ給湯機４について、以下その動作を説明する。
【００２０】
図３は、フィンチューブ型熱交換器１の熱交換量変化の数値解析結果で、縦軸は熱交換量Ｑ、横軸は列ピッチＬ１を管外径Ｄで除した（Ｌ１／Ｄ）である。熱交換量Ｑは、同一風速下におけるフィンチューブ型熱交換器１の単位開口面積当たりの熱交換量である。伝熱管３の気流方向と垂直な方向の段数が６段、管外径ＤがＤ＝３．１５ｍｍ、管段ピッチＬ２がＬ２＝１０ｍｍの条件で、管列ピッチＬ１を１．０Ｄ≦Ｌ１≦４．８Ｄの範囲において変化させた。伝熱管３の気流方向の列数が３列から６列としたときの各列毎の解析結果を示している。
【００２１】
図３において、上記の条件にて列ピッチを変化させた場合、列ピッチを広げるほど熱交換量は増加している。これは、フィン効率は低下するがフィンの伝熱面積は増加するためである。ここで、Ｌ１／Ｄ＝２．８は管配列がおおよそ正三角形となる管ピッチである。列ピッチを広げるほど熱交換量は増加しているが、管配列がおおよそ正三角形となるピッチを過ぎる辺りから向上の度合いが低下している。従って、同一列数において列ピッチをある一定値以上広げることは、フィンの材料投入量の増加に伴うコストアップに見合う熱交換量の増加が見込めないため、不経済である。また、管列ピッチを詰めると耐着霜性能も低下していく。これらのことより、そのバランスが良い設計点は管ピッチがおおよそ正三角形となる点である。このため、上記管外径ＤがＤ＝３．１５ｍｍ、管段ピッチＬ２がＬ２＝１０ｍｍの条件では、伝熱管３の気流方向の管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄの範囲に設定することにより、熱交換量と耐着霜性能のバランスが良いフィンチューブ型熱交換器を得ることができる。
【００２２】
図４は、フィンチューブ型熱交換器１の熱交換量変化の数値解析結果で、縦軸は熱交換量Ｑ、横軸は段ピッチＬ２を管外径Ｄで除した（Ｌ２／Ｄ）である。熱交換量Ｑは、図３同様、同一風速下におけるフィンチューブ型熱交換器１の単位開口面積当たりの熱交換量である。伝熱管３の気流方向と垂直な方向の段数が６段、伝熱管３の気流方向の列数が３列、管外径ＤがＤ＝３．１５ｍｍの条件で、管段ピッチＬ２を１．９Ｄ≦Ｌ２≦５．７Ｄの範囲において変化させた。このとき、管ピッチがおおよそ正三角形ピッチとなるように、管列ピッチＬ１も管段ピッチＬ２に連動して変化させた。
【００２３】
図４において、管外径ＤがＤ＝３．１５ｍｍの条件では伝熱管３の気流方向の管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄの範囲において熱交換量がピークに達している。これは以下の理由による。管段ピッチを詰めた場合、伝熱管間の空気速度増加及びフィン効率向上の反面、管段ピッチに連動して管列ピッチも小さくなるためフィンの伝熱面積が減少する。また逆に、管段ピッチを広げた場合、伝熱管間の空気速度減少及びフィン効率減少の反面、フィンの伝熱面積が増加する。このため、管外径と管ピッチとの最適な関係が存在し、その最適な関係において熱交換量はピーク値を示す。
【００２４】
従って、管外径ＤがＤ＝３．１５ｍｍの条件では、管列ピッチＬ１、管段ピッチＬ２を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄの範囲に設定することにより熱交換量と耐着霜性能のバランスが良いフィンチューブ型熱交換器となる。
【００２５】
さらに、管外径Ｄを１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍの範囲においても同様の数値解析を行った結果、管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ２≦３．９Ｄとする範囲設定は、十分に熱交換量と耐着霜性能のバランスが良いフィンチューブ型熱交換器を得るものであることがわかった。ここで、管径Ｄを１ｍｍから５ｍｍにしたことにより、従来の管径５ｍｍから８ｍｍの伝熱管に比して、伝熱管外を流動する気流方向後方部分に生じる死水域が減少し、また、同一空気抵抗で管ピッチを詰めることができ、さらに、フィン効率が上昇する。このため、熱交換量を増加させることができ、また、同一耐圧での管肉厚が薄くなるため、伝熱管３の材料投入量を少なくすることができる。熱交換器全体のサイズもコンパクト化でき、総重量も軽量化できる。
【００２６】
フィン２の形状を、フラットフィン、または波形状フィンとしたため、フィンの表面に開口部や端面がなく、ほこりや凝縮水が付着しにくくなり、フィン間隙の目詰まりを低減できる。このため、フィン間隙の目詰まりによる熱交換量の減少を抑制できる。
【００２７】
上記実施の形態においては、冷媒は二酸化炭素が好ましい。二酸化炭素は、高圧、高密度な冷媒特性により、同一質量流量では他の冷媒に比して速度が遅く、細径化による伝熱管内の圧力損失の増加が小さい。また、伝熱管３内の圧力損失が温度変化に与える影響が小さい。このため、細径化による伝熱管３内の圧力損失の増加が熱交換量減少に与える影響が他の冷媒に比して抑制され、上記フィンチューブ型熱交換器１で多くの熱交換量を得ることができる。
【００２８】
フィンチューブ型熱交換器１の伝熱管３の管配列を、対向流に構成したことにより、蒸発器として安定した熱交換量を得ることができる。これは、並行流に比べて、熱交換器全体で平均して空気と冷媒とが温度差を保ちながら熱交換を行うためで、並行流は蒸発器出口過熱度を大きく取るほど熱交換量が減少するが、対向流は蒸発器出口過熱度を変化させた場合でも熱交換量はほぼ一定である。
【００２９】
上述のフィンチューブ型熱交換器１を蒸発器８に用いたことにより、コンパクトで高耐圧、なお且つ、安定した熱交換量の蒸発器８を得るため、給湯機４自体もコンパクトで高耐圧、なお且つ、安定した性能を持つヒートポンプ給湯機４となる。
【００３０】
なお、実施の形態においては、フィンチューブ型熱交換器を給湯機に適用した例を示したが、ヒートポンプ給湯機に限らず、空気調和機の蒸発器や、ヒートポンプ洗濯乾燥機の蒸発器に適用しても同様の効果を奏する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明は、間隔を空けて略平行に並べられ、その間隙を流体Ａが流動する多数のフィンと、前記フィンに略垂直に挿入され、内部に流体Ｂが流動する多数の伝熱管から構成されたフィンチューブ型熱交換器において、前記伝熱管の管外径Ｄを１ｍｍ≦Ｄ＜５ｍｍ、前記伝熱管の流体Ａの流動方向の管列ピッチＬ１を２．５Ｄ＜Ｌ１≦３．４Ｄ、流体Ａの流動方向と垂直方向の管段ピッチＬ２を３．０Ｄ＜Ｌ１≦３．９Ｄとしたものである。
【００３２】
このように構成することにより、従来のフィンチューブ型熱交換器に比して伝熱管の管径が細いため、伝熱管後方の死水域が減少し、同一空気抵抗では管ピッチを詰められることからフィン効率を向上させることができ、多くの熱交換量を得ることができる。また、同一耐圧の管肉厚は薄くなるため、材料投入量を少なくできる。熱交換器全体のサイズもコンパクト化でき、総重量も軽量化できる。また、管ピッチをおおよそ正三角形としたので、フィン効率と、フィンの伝熱面積、耐着霜性能のバランスがよく、その中でも上記範囲の管ピッチはフィン効率とフィンの伝熱面積のバランスがよいことから、総じて、熱交換量と耐着霜性能のバランスが良い、コンパクトで高耐圧な熱交換器を得ることができる。
【００３３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器のフィン形状を、フラットフィンまたは波形状フィンとしたので、フィンの表面に開口部や端面がないため、ほこりや凝縮水が付着しにくくなってフィン間隙の目詰まりを低減でき、フィン間隙の目詰まりによる熱交換量の減少を抑制することができる。
【００３４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、流体Ｂに、二酸化炭素を用いたので、その冷媒特性が高圧、高密度なことにより、同一質量流量では他の冷媒に比して速度が遅く、細径化による伝熱管内の圧力損失の増加が小さい上に、伝熱管内の圧力損失が温度変化に与える影響が小さいため、多くの熱交換量を得ることができる。
【００３５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、流体Ａと流体Ｂとを対向流となるように流動させたので、並行流に比べて、流体Ａと流体Ｂとが熱交換器全体で平均して温度差を保ちながら安定した熱交換を行うことにより、安定した熱交換量を得ることができる。
【００３６】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器を順次接続してなるヒートポンプ装置において、前記蒸発器に請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器を用いたので、コンパクトで高耐圧、なお且つ、安定した熱交換量の蒸発器を得るため、ヒートポンプ装置自体もコンパクトで高耐圧、なお且つ、安定した性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフィンチューブ型熱交換器の実施の形態１の側面から見た部分断面図
【図２】同実施の形態のフィンチューブ型熱交換器を使用したヒートポンプ給湯機の回路図
【図３】伝熱管の列ピッチに対する熱交換量変化の特性図
【図４】伝熱管の略正三角形ピッチに対する熱交換量変化の特性図
【図５】従来のフィンチューブ型熱交換器の模式的な斜視図
【符号の説明】
１  フィンチューブ型熱交換器
２  フィン
３  伝熱管
５  圧縮機
６  放熱器
７  膨張装置
８  蒸発器
【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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