(57)【要約】【課題】熱交換効率の高いフィン付き熱交換器を提供する。【解決手段】フィン２に略直角に貫通し冷媒が内部を流通すると共に外径寸法（Ｄ）が３種類以上の伝熱管４１ａ〜４２ｃとを備え、風上側に、冷媒の上流から下流にかけて順次５．０≦Ｄ≦７．０ｍｍの範囲で外径寸法が大きくなる伝熱管４１ａ〜４１ｃを配置し、風下側に、７．０≦Ｄ≦９．６ｍｍの範囲の伝熱管４２ａ〜４２ｃを配置し、伝熱管４２ａ〜４２ｃを、凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は、冷媒入口寄りの伝熱管とし、蒸発器として利用する場合は、冷媒出口寄りの伝熱管とし、気体の流方向と同じ列方向に２列以上で構成したもので、蒸発器として利用する場合には、急激な流速の低下に伴う熱伝達率の低下を抑えながら冷媒の流速の増加と共に増大する伝熱管４１ａ〜４２ｃの内部の摩擦損失を緩やかに低減でき、高い熱交換能力を発揮することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で平行に並べられた複数のフィンと、前記フィンに略直角に貫通して冷媒が内部を流通すると共に外径寸法（Ｄ）が３種類以上の伝熱管とを備え、風上側に、前記冷媒の上流から下流にかけて順次、５．０≦Ｄ≦７．０ｍｍの範囲で外径寸法が大きくなる伝熱管を配置し、風下側に、７．０≦Ｄ≦９．６ｍｍの範囲の伝熱管を配置し、風下側の前記伝熱管を、フィン付き熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は、冷媒入口寄りの伝熱管とし、蒸発器として利用する場合は、冷媒出口寄りの伝熱管とし、前記フィンを通る気体の主流方向と同方向の列方向に２列以上で構成したことを特徴とするフィン付き熱交換器。
【請求項２】
小能力で低循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は、２パス以下にして冷媒を流すようにして構成したことを特徴とする請求項１に記載のフィン付き熱交換器。
【請求項３】
大能力で高循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は、３パス以上にして冷媒を流すようにして構成したことを特徴とする請求項１に記載のフィン付き熱交換器。
【請求項４】
気体の主流方向と直交する方向における伝熱管の段ピッチＰ１を、２．５Ｄ≦Ｐ１≦６．０Ｄになるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。
【請求項５】
気体の主流方向と同方向における伝熱管の列ピッチＰ２を１．５Ｄ≦Ｐ２≦５．０Ｄになるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。
【請求項６】
伝熱管内を流動する冷媒として、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のいずれか一つを用いたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器を備えた空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式空気調和機などに利用されるフィン付き熱交換器及びそれを用いた空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機の冷凍サイクルを構成している室外ユニットの中に組み込まれた従来のフィン付き熱交換器は、熱交換器能力が小さい場合には、冷媒の循環量が少なく、伝熱管内の圧力損失が小さい為、冷媒が流通する伝熱管のパス数を減らして比較的外径の小さい伝熱管を用い、逆に熱交換器能力が大きく、循環量が大きくなる場合には、伝熱管内の圧力損失が大きくなり、複数の冷媒通路が必要である為に多パス化したり、もしくは外径の大きい伝熱管が必要となってくる。
【０００３】
ここで、図４を用いて、熱交換効率を向上させる為に工夫された室外用のフィン付き熱交換器であり、空気と冷媒がフィン付き熱交換器１のフィン２を介して効率良く熱交換できるように送風機７が設けられており、また、伝熱管４１の外径が空気の流入方向に対する方向である１列目の熱交換器１１と２列目の熱交換器１２で異なるように、伝熱管４１、４２が組み合わされた室外用のフィン付き熱交換器１台を蒸発器として使用した場合について説明する。
【０００４】
図４に示すような従来のフィン付き熱交換器１が蒸発器として使用される場合、冷媒が流入する分岐管３が空気の上流側となる右側に接合されている。分岐管３に流入した冷媒は１列目の熱交換器１１に連通するヘアピン形状の伝熱管４１をＵ字管５１で繋いて冷媒流通路を形成して、この冷媒流通路の中を通過しながら、各伝熱管４１に密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、更にガス化した冷媒は、空気の下流側となる２列目の熱交換器１２に連通するヘアピン形状の伝熱管４２をＵ字管５２で繋いだ冷媒流路を通過して分岐管６から流出する。この時、冷媒のガス化と共に増加して生じる伝熱管４２内部での摩擦による圧力損失をできるだけ少なくなるように１列目の伝熱管４１よりも２列目の伝熱管４２の外径を大きくしている。
【０００５】
また、フィン付き熱交換器１を凝縮器として使用した場合は、図示しない冷凍サイクル中の四方弁の切換えにより圧縮機より吐出された冷媒の流れる方向が異なり、図４に示すフィン付き熱交換器１の場合、圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスが空気の下流側となる２列目の熱交換器１２の分岐管６より流入し、各冷媒流路を形成するＵ字管５２を通過しながら、２列目のヘアピン形状の伝熱管４２から１列目のヘアピン形状の伝熱管４１へ流れ、各ヘアピン形状の伝熱管４１、４２に密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化した冷媒は分岐管３より流出する。
【０００６】
従来のこのような空気調和機用の２列以上の熱交換器の熱交換効率を良好にした構成例としては、１列目から４列目の間の熱交換器の伝熱管の外径を列ごとに変化させて（例えば、特許文献１参照）室外熱交換器として利用したものや、また、１列目と２列目の伝熱管の外径を空気の流入上流部の方が大きくなるように構成して、空気調和機の室内ユニットに搭載し、熱交換器全体が効率良く運転できるようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−２１４８５号公報（７頁、第６図）
【特許文献２】実開平２−１２８０１５号公報（３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１、２に開示されたフィン付き熱交換器では、蒸発器として利用した場合に、列ごとに伝熱管の外径を変化させている為に、冷媒が蒸発してガス化と共に大きく増加する伝熱管の内部の管壁の摩擦抵抗を徐々に減少させるには限界があった。更には、空気の風下となる２列目全てに外径の大きい伝熱管を配置しているために、空気が通過する際に通風抵抗が大きくなり性能を大きく低下させる要因になっていた。
【０００８】
また、フィン付き熱交換器を凝縮器として利用した場合では、冷媒が凝縮して単相の過冷却液となった場合に冷媒の熱伝達率が大きく低下するので、凝縮器の出口付近で過冷却液の取れる箇所での部分細径ができないために、蒸発器および凝縮器の性能を大きく低下させてしまうという課題があった。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決するもので、蒸発器では摩擦抵抗の変化に応じて徐々に細管化したり、凝縮器では冷媒流速を上げて熱伝達率を向上させるなどの工夫をして最適化を図り、蒸発器および凝縮器としての性能を向上させることができるフィン付き熱交換器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明のフィン付き熱交換器は、所定の間隔で平行に並べられた複数のフィンと、前記フィンに略直角に貫通して冷媒が内部を流通すると共に外径寸法（Ｄ）が３種類以上の伝熱管とを備え、風上側に、前記冷媒の上流から下流にかけて順次、５．０≦Ｄ≦７．０ｍｍの範囲で外径寸法が大きくなる伝熱管を配置し、風下側に、７．０≦Ｄ≦９．６ｍｍの範囲の伝熱管を配置し、風下側の前記伝熱管を、フィン付き熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は、冷媒入口寄りの伝熱管とし、蒸発器として利用する場合は、冷媒出口寄りの伝熱管とし、前記フィンを通る気体の主流方向と同方向の列方向に２列以上で構成したもので、蒸発器として利用する場合には、急激な流速の低下に伴う熱伝達率の低下を抑えながら冷媒の流速の増加と共に増大する伝熱管の内部の管壁との摩擦損失を緩やかに低減でき、高い熱交換能力を発揮することができる上に、通風抵抗を余り上げることなく、高い空気側の熱伝達率を得ることがで、同一騒音時の風量を向上させて高い熱交換能力を発揮することができる。又、風下側に、７．０≦Ｄ≦９．６ｍｍの範囲の伝熱管を配置し、当該熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は冷媒入口寄りの伝熱管として、蒸発器として利用する場合は冷媒出口寄りの伝熱管として、気体の主流方向に沿う方向となる列方向に２列以上で構成したことにより熱交換能力を向上させることが可能となる。
【００１１】
また、本発明の空気調和機は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器を用いたもので、フィン付き熱交換器の熱交換効率が高いので、小型で、空調効率に優れた空気調和機を提供することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフィン付き熱交換器は、熱交換効率が非常に高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、所定の間隔で平行に並べられた複数のフィンと、前記フィンに略直角に貫通して冷媒が内部を流通すると共に外径寸法（Ｄ）が３種類以上の伝熱管とを備え、風上側に、前記冷媒の上流から下流にかけて順次、５．０≦Ｄ≦７．０ｍｍの範囲で外径寸法が大きくなる伝熱管を配置し、風下側に、７．０≦Ｄ≦９．６ｍｍの範囲の伝熱管を配置し、風下側の前記伝熱管を、フィン付き熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は、冷媒入口寄りの伝熱管とし、蒸発器として利用する場合は、冷媒出口寄りの伝熱管とし、前記フィンを通る気体の主流方向と同方向の列方向に２列以上で構成した
もので、蒸発器として利用する場合には、急激な流速の低下に伴う熱伝達率の低下を抑えながら冷媒の流速の増加と共に増大する伝熱管の内部の管壁との摩擦損失を緩やかに低減でき、高い熱交換能力を発揮することができる上に、通風抵抗を余り上げることなく、高い空気側の熱伝達率を得ることがで、同一騒音時の風量を向上させて高い熱交換能力を発揮することができる。又、風下側に、７．０≦Ｄ≦９．６ｍｍの範囲の伝熱管を配置し、当該熱交換器を凝縮器またはガスクーラーとして利用する場合は冷媒入口寄りの伝熱管として、蒸発器として利用する場合は冷媒出口寄りの伝熱管として気体の主流方向に沿う方向となる列方向に２列以上で構成したことにより熱交換能力を向上させることが可能となる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明の小能力で低循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は、２パス以下にして冷媒を流すようにして構成したもので、伝熱管内の熱伝達率を向上させるとともに空気と冷媒の温度差に関し対向流的な配置となるので、熱交換能力を増大させることができ、冷媒の流速を上げて冷媒側の熱伝達率を上げて熱交換能力を向上させることが可能となる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１の発明の大能力で高循環量の熱交換器の構成を必要とする場合は、３パス以上にして冷媒を流すようにして構成したもので、蒸発器として利用する場合に冷媒の流速の増加と共に増大する伝熱管の内部の管壁との摩擦損失を低減させることができ、循環量が大きい場合でも高い管内熱伝達率と低い冷媒流通抵抗を両立させて、熱交換能力を増大させることができる。
【００１６】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の気体の主流方向と直交する方向における伝熱管の段ピッチＰ１を２．５Ｄ≦Ｐ１≦６．０Ｄになるようにしたもので、通風抵抗をあまり上げることなく、高い空気側の熱伝達率を得ることができ、同一騒音時の風量を向上させて高い熱交換能力を発揮することができる。
【００１７】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の気体の主流方向と同方向における伝熱管の列ピッチＰ２を１．５Ｄ≦Ｐ２≦５．０Ｄになるようにしたもので、通風抵抗をあまり上げることなく、伝熱管内部を流れる冷媒と空気とを効率よく熱交換し、能力の高い熱交換能力を発揮することできる。
【００１８】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の伝熱管内を流動する冷媒として、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のいずれか一つを用いたもので、地球環境の保護に貢献することができる。特に、ＨＣ冷媒や二酸化炭素は地球温暖化係数が小さい冷媒であるため、より地球環境の保護に貢献することができる。
【００１９】
第７の発明は、空気調和機に、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィン付き熱交換器を用いたもので、フィン付き熱交換器の熱交換効率が高いので、小型で、空調効率に優れた空気調和機を提供することができる。
【００２０】
以下、本発明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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
以下に、本発明の第１の実施の形態におけるフィン付き熱交換器について、図１、２を用いて説明する。なお、上記従来のフィン付き熱交換器と同一部分、同一機能を示す部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
図１は、本実施の形態におけるフィン付き熱交換器の断面図である。
【００２３】
本実施の形態では、熱交換効率を向上させる為に工夫された室外用のフィン付き熱交換器１が、空気の流入方向に対する方向である１列目の熱交換器１１と２列目の熱交換器１２の２列で構成され、更には、４パスの冷媒流路を形成し、１列当たり１２本のヘアピン形状の伝熱管４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃを使用したものであり、２４段の２列構成となるものである。
【００２４】
また、フィン付き熱交換器１において、破線で囲まれる上部Ａ領域は２列６段であり、４パス中の１パスの冷媒経路を構成し、フィン付き熱交換器１の中央に位置する破線Ｃよりも上部にある破線で囲まれるＢ領域は、上部のＡ領域を略水平方向を基準として１８０回転したものであり、領域Ａと領域Ｂは水平方向に対し、対を成して１２段の２パスを形成する。同様に破線Ｃより下部にある１２段の熱交換器も同形態を成して、２４段のフィン付き熱交換器１を形成している。
【００２５】
また、フィン付き熱交換器１に流入する空気と冷媒が、フィン付き熱交換器１のフィン２を介して効率良く熱交換できるように送風機７が設けられている。図２は、図１におけるフィン付き熱交換器１の破線で囲まれる上部Ａ領域の２列６段で構成された部分の拡大図である。
【００２６】
図２に、示すように外径寸法（Ｄ）が３種類のヘアピン形状の伝熱管４１ａ（例えばφ５．０ｍｍ）、４１ｂ、４１ｃ（例えばφ７．０ｍｍ）、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ（例えばφ９．６ｍｍ）が組み合わされてフィン付き熱交換器１全体の４パスのうち１パスの冷媒経路を構成し、空気の流れに対する通風抵抗を抑えながら、フィン付き熱交換器１の性能を高く維持できる段方向のピッチＰ１を、２．５Ｄ≦Ｐ１≦６．０Ｄ（例えば１２．５〜５７．６ｍｍの範囲）になるようにし、且つ列方向のピッチＰ２を、１．５Ｄ≦Ｐ２≦５．０Ｄ（例えば、７．５〜４８．０ｍｍの範囲）となるようにしたものであり、高い空気側熱伝達率を得ることができ、またフィン付き熱交換器１全体としての通風抵抗の差異を少なくして風速分布を改善することができるので、同一騒音時の風量を向上させて優れた熱交換能力を発揮させることができる。
【００２７】
ここで、上記フィン付き熱交換器１を、室外熱交換器用の蒸発器に使用した場合について図１を用いて説明する。
【００２８】
図１および図２に示すように、伝熱管４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃは気体（空気である）の主流方向（流れ方向）と直交する方向に配置され、フィン付き熱交換器１の中央Ｃを境にして冷媒が流入する上部２パスの入口の分岐管３１と下部２パスの入口の分岐管３２の４パスが空気の上流側となる右側に接合されている。分岐管３１、３２に流入した冷媒は、１列目の熱交換器１１に連通するヘアピン形状の伝熱管４１ａをＵ字管５１ａで繋いて冷媒流通路を流れ、下流側の伝熱管４１ｂとＵ字管５１ｂ、更には伝熱管４１ｃを経て、Ｕ字管５２ａを通過して２列目の伝熱管４２ａへ流れる。また２列目では、Ｕ字管５２ｂ、伝熱管４２ｂ、Ｕ字管５２ｃ、伝熱管４２ｃを経て１パスの冷媒出口となる分岐管６１、６２から流出する。
【００２９】
この時、冷媒のガス化と共に増加して生じる伝熱管内部での摩擦による圧力損失をできるだけ少なくなるように１列目の伝熱管４１ａ、４１ｂ、４１ｃの外径を下流側に流れるにつれてφ５．０〜φ７．０の範囲で徐々に大きくし、更には１列目の伝熱管４１ｃと同等以上の外径（φ７〜φ９．６ｍｍの範囲）の伝熱管４２ａ、４２ｂ、４２ｃを２列目に配置している。
【００３０】
また、凝縮器として使用した場合は、図示しない冷凍サイクル中の四方弁の切換えによ
り圧縮機より吐出された冷媒の流れる方向が逆になり、図１に示すフィン熱交換器１の場合、圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスが空気の下流側となる２列目の熱交換器１２の分岐管６１、６２より流入し、各冷媒流路を形成するヘアピン形状の伝熱管４２ｃからＵ字管５２ｃへと順次通過しながら、Ｕ字管５２ａより１列目の熱交換器１１へ流れ、各ヘアピン形状の伝熱管４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃに密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化して過冷却が取れた冷媒は分岐管３１、３２より流出して図示しない冷凍サイクルへ戻るものである。
【００３１】
また、図３は、図１に示す４パスを構成したフィン付き熱交換器１と同形態を示すものであるが、集合分流器３３、６３より冷媒が流出入し、図１に示すフィン熱交換器１のＡ領域の熱交換器と同じ２列６が１パスの冷媒経路を構成し、上に凸の形態で４パスを組んでいるものとなっているが、基本的には図１のフィン付き熱交換器１と同様の効果を示すものである。
【００３２】
また、上記実施の形態では、例として図１、図３に示すようなフィン付き熱交換器１について説明したが、これらに特に限定されるものでなく、伝熱管４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃの太さも４種類以上使用しても構わない。
【００３３】
更に、小能力（例えば冷凍能力２．２ｋＷ以下）で冷媒循環量が小さくなる冷凍サイクルに使用するフィン付き熱交換器として利用する場合には、図示しない２パスで冷媒経路を構成して、冷媒流速を増加させて熱伝達率を向上させて熱交換器としての能力を向上させても上記実施の形態と同様の効果を得るものである。
【００３４】
また、上記実施の形態では、伝熱管４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃの外径は全て、拡管加工前のφ５．０〜φ９．６ｍｍの伝熱管を用いて説明しているが、通常は、フィン２と伝熱管４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃの密着性を向上させるのに１％〜１０％の範囲で外形を大きくしているので、その場合でも同じ効果が得られるものであり、外径の数値はその変化した分も範囲に含むものである。
【００３５】
また、熱交換器１の伝熱管内部を流れる（流動する）冷媒としては、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のいずれか一つが用いられオゾン破壊係数の小さいＨＦＣ冷媒、ＨＣ冷媒および二酸化炭素のいずれか１つを用いることにより、地球環境の保護に貢献することができる。
【００３６】
なお、空気調和機に、上記実施の形態に詳述したフィン付き熱交換器１を搭載するようにすれば、フィン付き熱交換器１の熱交換効率が非常に高いので、小型で、空調効率に優れた空気調和機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
このように、本発明にかかるフィン付き熱交換器は、優れた熱交換特性を有するもので、空気調和機の室内外ユニットに限らず、伝熱管内を流れる冷媒と外部を流れる空気との間で熱交換を行う機能部品を使用する各種機器に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるフィン付き熱交換器の断面図
【図２】同フィン付き熱交換器の部分拡大図
【図３】他の例を示すフィン付き熱交換器の断面図
【図４】従来のフィン付き熱交換器の断面図
【符号の説明】
【００３９】
１  熱交換器
２  フィン
３、３１、３２、６、６１、６２  分岐管
７  送風機
１１、１２  熱交換器
３３、６３  集合分岐管
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ  伝熱管
５１、５１ａ、５１ｂ、５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ  Ｕ字管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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