(57)【要約】【課題】曲り部を有する熱交換器の風速分布を十分に均一化する。【解決手段】板状のフィンを積層したフィン群と当該フィン群を貫通する複数の流体配管とを含み空気と流体との熱交換をするフィンチューブ熱交換器と、フィン間に空気を流通する送風機と、を備えた熱交換器ユニットであって、流体配管は、曲り部を有し、当該曲り部の一部は、フィンを有しない構成とし、これにより曲り部の通風抵抗を低減した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のフィンを積層したフィン群と、前記フィン群を貫通する複数の流体配管と、を含み、空気と流体との熱交換をするフィンチューブ熱交換器と、
前記フィン間に前記空気を流通する送風機と、を備え、
前記流体配管は、曲り部を有し、
前記曲り部の一部は、前記フィンを有しない構成であり、これにより前記曲り部の通風抵抗を低減した、熱交換器ユニット。
【請求項２】
前記曲り部のうち最も曲率半径が小さい部分が前記フィンを有しない構成である、請求項１記載の熱交換器ユニット。
【請求項３】
前記送風機は、前記フィン群を介して前記空気を吸い込むように配置され、
前記曲り部のうち前記送風機に最も近い曲り部のみが前記フィンを有しない構成である、請求項１記載の熱交換器ユニット。
【請求項４】
前記送風機は、前記フィン群を介して前記空気を吸い込むように配置され、
前記曲り部のうち前記空気の流れの最も下流側に位置する曲り部のみが前記フィンを有しない構成である、請求項１記載の熱交換器ユニット。
【請求項５】
前記フィンを有しない前記曲り部は、前記フィン群と接触している、請求項１記載の熱交換器ユニット。
【請求項６】
前記空気の流れの方向に対して直交する平面に前記複数の流体配管のそれぞれの中心軸が位置するように前記複数の流体配管を配置した流体配管列を複数重ね合わせた構成である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項７】
前記送風機は、軸流ファンである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項８】
前記流体は、冷媒であり、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器ユニットと、圧縮機と、膨張弁と、もう１つの熱交換器と、を環状に接続し、前記流体を循環する構成とした、冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルを基本原理とするヒートポンプ式加熱装置または空気調和装置は、空気と熱交換することで冷媒を蒸発または凝縮させるフィンチューブ型の熱交換器を備えているものがあり、この伝熱部の一部をＬ字状に曲げることで伝熱面積を確保するという技術がある。しかし、このような構成の場合、熱交換器の曲り部の風速が直線部に比べて低くなり、風速分布が不均一化することで熱交換器全体の風量が低下するという課題があった。
【０００３】
これに対して、従来、熱交換器の曲り部のフィンピッチを直線部よりも広くすることによって風速分布の均一化を図ったものが提案されている。
【０００４】
特許文献１には、略Ｌ字状に形成したフィンチュ−ブ型熱交換器の曲げ部のフィンピッチを他の部分のフィンピッチより大きくしたものが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部が、熱交換器の直線部を構成するフィンの送風方向下流側端部よりも、送風方向上流側にへこませた凹部を有するものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７００４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５１４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術の実現を考えた場合、フィンカラーの立ち上げ幅が複数種類になることから、フィンを製造するためのプレス型が複数必要になり、設備費用が高くなる。また、フィンを同一プレス機で製造する場合には、型の組み換えが必要になるため、製造効率が低下する。以上から、従来技術では風速分布の均一化を得るための製造コストが増加するため、原価に対する性能に改善の余地が残る。
【０００８】
特許文献２に記載の技術のように、熱交換器の曲げ部を構成するフィンの送風方向下流側端部に凹部を設けたとしても、その部分のフィンがつぶれて空気の流路が狭くなる問題を十分に解消するものではない。
【０００９】
そこで、本発明は、曲り部を有する熱交換器の風速分布を十分に均一化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、板状のフィンを積層したフィン群と当該フィン群を貫通する複数の流体配管とを含み空気と流体との熱交換をするフィンチューブ熱交換器と、フィン間に空気を流通する送風機と、を備えた熱交換器ユニットであって、流体配管は、曲り部を有し、当該曲り部の一部は、フィンを有しない構成とし、これにより曲り部の通風抵抗を低減したものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、曲り部を有する熱交換器の風速分布を十分に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＣＯ２ヒートポンプ給湯機のシステム全体を示す概略構成図である。
【図２】図１の蒸発器１０３を含むヒートポンプユニットの内部の構成を示す平面図である。
【図３】実施例１の蒸発器を示す斜視図である。
【図４】蒸発器のフィン２枚を重ねた状態における寸法を示す部分斜視図である。
【図５Ａ】従来の蒸発器（比較例１）を示す平面図である。
【図５Ｂ】従来の蒸発器（比較例１）を示す斜視図である。
【図６】図２の実施例１及び図５Ａの比較例１の蒸発器における風速分布を示すグラフである。
【図７】特許文献１に記載の従来技術による蒸発器を示す平面図である。
【図８】実施例２の蒸発器を示す平面図である。
【図９】実施例３の蒸発器を含むヒートポンプユニットの内部の構成を示す平面図である。
【図１０】図９の実施例３及び比較例２の蒸発器における風速分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
実施例１について図１〜図７に従って説明する。
【００１５】
図１は、二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として用いるヒートポンプ給湯機のシステム全体を示す概略構成図である。
【００１６】
本図においてヒートポンプ給湯機は、冷水から温水への加熱時に稼動するヒートポンプサイクル２００および水側サイクル２０１と、給湯時に稼動する給湯用流路群とを含む。
【００１７】
ヒートポンプサイクル２００は、圧縮機１００、水冷媒熱交換器１０１、膨張弁１０２及び蒸発器１０３の各要素を環状に接続した構成を有する。一方、水側サイクル２０１は、貯湯容器１０４、沸き上げ用循環ポンプ１０５及び水冷媒熱交換器１０１を環状に接続した構成である。また、給湯用流路群は、貯湯容器１０４、給湯用循環ポンプ１０６及び給湯熱交換器１０７を環状に接続した給湯サイクル２０２と、水道管１０８、給湯熱交換器１０７及び給湯口１０９を直列に接続した流路とで構成されている。
【００１８】
本実施例では、ヒートポンプサイクル２００にＣＯ２冷媒を封入し、水側サイクル２０１と給湯サイクル２０２に水を満たす。また、給湯サイクル２０２に水を満たすために、貯湯容器１０４の下部に水道管１０８を接続している。
【００１９】
図２は、図１の蒸発器１０３のヒートポンプユニットの内部における配置を示す平面図である。
【００２０】
本図に示すように、蒸発器１０３は、ヒートポンプユニット２０の周囲に沿ってＬ字状に配置されている。そして、Ｌ字状の蒸発器１０３の対面に軸流ファン２１を配置し、軸流ファン２１の側面に仕切り板２２を配置することで、蒸発器１０３から軸流ファン２１への風路を構成している。
【００２１】
図３に蒸発器１０３の斜視図を示す。蒸発器１０３は、空気の伝熱面であるフィン６に対して、ＣＯ２冷媒が流通する冷媒管９を貫通するように配置したフィンチューブ型熱交換器である。ここで、冷媒管９は、円管状である。
【００２２】
蒸発器１０３を貫通する冷媒管は、蒸発器１０３の端部でヘアピン状に接続しているが、一部の端部に、膨張弁１０２からの冷媒を流入させる冷媒入口部１０と、圧縮機１００へと冷媒を流出させる冷媒出口部１１とが設けてある。
【００２３】
本実施例の蒸発器１０３は、空気の流通方向に対して３列のフィン６および冷媒管９で構成され、空気の最下流側の列（最も曲率半径が小さい列）のみ、蒸発器曲り部３のフィン６を設けない構成とし、冷媒管９だけが露出した状態で配置されている。
【００２４】
なお、本明細書において蒸発器（フィンチューブ型熱交換器）における冷媒管の列とは、特に記載しない場合は、図２の実線の矢印で示す空気の概略の流れの方向に対して直交する平面に複数の冷媒管のそれぞれの中心軸が位置するように複数の冷媒管を配置したものをいう。よって、複数の冷媒管の列を、空気の流れに関して上流側から下流側に向かって並べることにより、複数の冷媒管の列を有するフィンチューブ型熱交換器が形成される。図３においては、複数の列を構成する冷媒管の各１列に対応するフィン群が、列ごとに切り離された状態となっているが、フィン群の構成は、これに限定されるものではなく、１枚のフィンに複数の冷媒管の列が挿入された構成を有するものであってもよい。
【００２５】
また、複数の冷媒管が千鳥配列となったものを１つの列とみなしてもよい。
【００２６】
本発明の要点は、曲り部に位置する冷媒管の一部がフィンを有しない構成とした点であり、その位置は空気の最下流側の列に限定するものではない。ただし、フィン間距離の狭まり方を考慮すれば、曲率半径が小さい冷媒管にフィンを設けないことが望ましい。
【００２７】
図４にフィン６を２枚重ねた状態の斜視図を示す。フィン６は、フィン板部７と、冷媒管９を覆う高さＨのフィンカラー部８とから構成されている。そして、フィンカラー部８の端部にフィン６を積層することにより、フィン群が構成されている。そのため、フィンピッチｐは、カラー高さＨに依存している。なお、フィンピッチｐは、隣り合う２枚のフィン板部７の同一方向に向かう面の間の距離（厚さ方向の断面の中心線の間の距離でもよい。）であり、本明細書においては熱交換器（蒸発器１０３）が完成した状態で測定した値を用いる。
【００２８】
実施例１について、システムの動作を説明する。
【００２９】
ＣＯ２冷媒は、圧縮機１００で圧縮されて高温・高圧状態になった後、水冷媒熱交換器１０１にて、貯湯容器１０４の下部から沸き上げ用循環ポンプ１０５によって送られてきた冷水に熱を伝え、温水へと加熱する代わりに自身の熱を失う。そして、冷媒は膨張弁１０２を通過することで低温・低圧状態になった後、蒸発器１０３にて軸流ファン２１によって送られた空気から熱を受け取り、再び圧縮機１００へと流入する。なお、水冷媒熱交換器１０１では水と冷媒とは対向する方向に流通し、被加熱後の温水は貯湯容器１０４の上部に戻される。
【００３０】
給湯運転時には、給湯用循環ポンプ１０６が稼動し、貯湯容器１０４の上部から給湯熱交換器１０７へと温水が供給され、同時に水道管１０８から水道水が供給される。給湯熱交換器１０７では、水道水は貯湯容器１０４からの温水と対向する方向に流通し、熱を受け取った後、給湯口１０９へと供給される。また、給湯熱交換器１０７で熱を失った貯湯容器１０４からの水は、貯湯容器１０４の下部へと戻る。
【００３１】
次に、蒸発器１０３の動作について図２と図３に従って説明する。
【００３２】
軸流ファン２１を駆動すると、軸流ファン２１へ向かって蒸発器１０３を横切るように空気が流通する（図２の実線の矢印）。この空気は、フィン群の隙間を通る際、フィン板部７とフィンカラー部８を介して破線の矢印の方向に流通する冷媒を加熱する。なお、図２では説明を簡略化するため冷媒の流れを紙面の右から左へと記載したが、実際には、図３に破線で示すように、冷媒は蒸発器１０３の端部で折り返して流通する。
【００３３】
本発明の効果を説明するために、まず、一般的な蒸発器１０３について説明する。
【００３４】
図５Ａ及び５Ｂに、従来の一般的な蒸発器１０３の平面図と斜視図をそれぞれ示す。これらの図において蒸発器１０３は、本実施例と同様に３列で構成されており、すべての列において高さが一定のフィンカラー部を有するフィン６が配置されている。
【００３５】
図６は、図２の実施例１及び図５Ａの比較例１の蒸発器における風速分布を示すグラフである。
【００３６】
実施例１は、実線で示している。一方、比較例１は、図５Ａの蒸発器１０３を図２のヒートポンプユニット２０に適用し、軸流ファン２１を駆動した場合の蒸発器の風速分布であり、破線で示している。横軸は図５Ａに記載の基準点Ａからの長さであり、縦軸は平均風速である。フィンピッチは、実施例１及び比較例１ともに１．３ｍｍである。なお、図６は、実際の試験結果をわかり易くするために簡略化したものとなっている。
【００３７】
図６より、破線の比較例１は、蒸発器背面１の風速が最も高く、蒸発器曲り部３の風速は蒸発器背面１よりも低くなることがわかる。これは、蒸発器曲り部３の外側から内側に向かうほど通風面積が狭くなることや、曲面の内側ほどフィンピッチが密になることで通風抵抗が増加することが原因である。
【００３８】
図６の破線のような風速分布となった場合の熱交換器全体の風量を考える。
【００３９】
通風抵抗は、一般に、流れの状態によって風速の１．０乗超ないし１．５乗以下に比例する。
【００４０】
すなわち、通風抵抗Ｒは、風速をｕとし、ｎを指数とすると、次の式で表される。
【００４１】
Ｒ∝ｕｎ    （１．０＜ｎ≦１．５）
よって、風速が高い部分と低い部分が発生した場合、低風速の部分の通風抵抗の低下率に比べて、高風速の部分にて通風抵抗が大きく増加するために、熱交換器全体では通風抵抗が増加し、結果として風量が低下する。  一方、図６の実線で示す実施例１は、蒸発器曲り部３の通風抵抗が低減するために当該部分の風速が増加する。これに伴って、蒸発器背面１と蒸発器側面２の風速がやや低下するものの、熱交換器全体としては風量が増加する。
【００４２】
次に、本発明と従来技術との違いについて説明する。
【００４３】
図７に、特許文献１に記載の従来技術による蒸発器の平面図を示す。この従来技術では、蒸発器曲り部３のフィン間隔（ｐ２）をその他の部分（ｐ１）に比べて広くすることで、本発明と同様に風速分布の均一化を図っているが、カラー高さの異なる２種類のフィン６を用いるという点で、本発明と異なっている。
【００４４】
一般に、フィン６は、プレス機にフィン型を設置し、原材料となる金属平板をプレス機に通すことで連続的に製造される。カラー高さの異なるフィン６を用意するには、製造するフィン６の種類だけフィン型が必要になる。そのため、従来技術の蒸発器１０３を製造するには、少なくとも２種類のフィン型が必要になり、固定費が増加する。加えて、プレス機が１台の場合には、製造の途中でフィン型を交換するために生産効率が低下し、一方でプレス機を複数台配置する場合には、設備コストが増加する。以上から、従来技術は効果を得るためのコストが増加し、原価に対する性能に課題が残る。
【００４５】
一方、本発明では、冷媒管９（流体配管）にフィン６を順番に重ね入れていく工程において、フィン６を配置しない部分に治具を挿入しておき、曲げ加工を行った後で取り外すことによって製造が可能である。ここで、治具としては、フィン６を重ね入れる工程の途中でフィン６を配置しない部分の長さに対応するものを冷媒管９の側方から挿入してもよいし、重ね入れるフィン６の一部を治具に置き換えて並べておき、フィン６を配置しない部分に治具を重ね入れてもよい。
【００４６】
また、別法として、作製するフィンチューブ熱交換器に対応する配置に複数の冷媒管９（流体配管）を真っ直ぐな状態でセットし、この流体配管の群にフィンを重ね入れ、その過程で、フィンを有しない曲り部に対応する部位にはフィンが入らないように、フィンを有しない曲り部の領域を切り欠いたフィンを重ね入れることにより、一体化したフィンチューブ熱交換器を作製することができる。言い換えると、１枚のフィンに複数の冷媒管の列が挿入された構成を有するフィンチューブ熱交換器を作製することができる。すなわち、フィン群を複数の列とすることなく、作製することができる。
【００４７】
上述のようにして製造することにより、軽微な投資で効果を得ることができ、原価に対する性能を高められる。
【００４８】
以上、本発明により、風速分布の均一化による風量増大が安価に実現できる。なお、本実施例では蒸発器１０３の列数を３列としたが、複数列で構成されていれば列数によらず効果が得られる。また、本実施例では蒸発器曲り部３における空気の最下流側をフィン６のない列としたが、空気流入側や中間列の蒸発器曲り部３をフィン６のない列としても、本発明の意図する効果が得られる。
【実施例２】
【００４９】
実施例２について図８に従って説明する。
【００５０】
本実施例は、実施例１について、空気の最下流側に位置するフィン６を排除した冷媒管９を中間列のフィン６の内周側に沿って接触させたものである。
【００５１】
本実施例の効果について説明する。
【００５２】
実施例１において、冷媒管内を低温の冷媒が流通し、フィン間を冷媒よりも温度の高い空気が通過することを考えると、熱伝導の影響によって、フィン板部７の表面温度はフィンカラー部８に近いほど低く、フィン板部７の端になるほど高くなる。そのため、フィン板部７の端では空気との温度差が小さくなることで、フィンカラー部８に対して相対的に面積あたりの交換熱量が少なくなる。
【００５３】
これに対して、中間列のフィン板部７の端に、フィン６のない列の冷媒管９を接触させた場合、中間列のフィン板部７の端が冷媒管９によって冷却されるため、空気との熱交換温度差が拡大し、結果として交換熱量が増加、すなわちフィン効率が向上する。
【００５４】
本実施例の形状は、蒸発器曲げ部３の内側のフィン６を抜いた直線状の蒸発器１０３を、冷媒管９を中間列に押し付ける突起を設けた加工機で曲げるなどによって実現できる。
【００５５】
以上の仕組みにより、実施例１と比べて同等の加工費で、より高い性能の熱交換器を得ることができる。なお、本実施例では中間列の内側に空気最下流側の冷媒配管を沿わせるように接触させているが、冷媒配管の一部がフィン端に接触していれば、本発明の意図する効果が得られる。
【実施例３】
【００５６】
実施例３について図９に従って説明する。
【００５７】
本実施例は、実施例１の構成に対して蒸発器１０３の形状が異なるものである。
【００５８】
図９に蒸発器１０３の配置図を示す。蒸発器１０３はヒートポンプユニット２０の３面に渡ってＵ字状に配置され、仕切り板２２と軸流ファン２１によって風路を構成している。
蒸発器１０３の基本構成は図３と同じく、フィン６に対して冷媒管９が貫通する構成であるが、曲り部が２箇所あり、軸流ファン２１に近い方の蒸発器曲り部３のみ空気最下流側のフィン６が存在しない。
【００５９】
本実施例を用いた場合の風速分布を図１０に示す。図中の破線は蒸発器曲り部３にもフィンが存在する場合の風速分布（比較例２）を、実線は図９の構成を有する場合の風速分布である。
【００６０】
図１０より、本実施例においても、実施例１と同様の原理により蒸発器曲り部３の風速が増加し、風速分布が改善することがわかる。
【００６１】
なお、蒸発器第２曲り部５についても、曲り部をフィンなしの構造とすれば風速分布の均一化の効果が得られる。しかし、図１０に示すとおり、蒸発器第２曲り部５は軸流ファン２１から遠いために風速が低く、本発明を取り入れることによる風速分布の均一化の効果が相対的に低い。したがって、本実施例では、より効果の高い、軸流ファン２１に近い曲り部のみをフィンなしの構成とした。
【００６２】
以上のとおり、複数箇所に曲り部を持つ熱交換器についても、全てまたは一部の曲り部をフィンなしの構造とすることで、風速分布を均一化し、原価に対する性能を高めることができる。
【００６３】
以下、本発明の効果についてまとめる。
【００６４】
本発明によれば、複数列から構成される熱交換器の曲り部において、曲り部にフィンが存在しない列を配置することで、フィンの種類を増やさずに曲り部の通風抵抗を低減し、風速分布が均一化することで原価に対する性能が高まる。
【００６５】
また、曲り部が複数箇所存在する熱交換器において、送風装置に近い曲り部のみをフィンの存在しない構成とすることで、効率よく風速分布の均一化を達成する。
【００６６】
また、空気の最下流側の曲り部をフィンの存在しない列とすることで、フィンの排除による伝熱面積の低下が抑制され、原価に対する性能がより高まる。
【００６７】
また、フィンの存在しない部分の冷媒流路を、隣り合う列のフィンに接触させることで、隣り合った列のフィン効率が向上し、原価に対する性能がより高まる。
【００６８】
さらに、本発明の熱交換器を、冷媒によって冷水を温水に加熱するヒートポンプ式加熱装置の蒸発器や、空気調和装置の室外熱交換器に適用することで、限られた製品サイズ、原価で、省エネルギ性の高い製品を提供できる。
【００６９】
上記の実施例は、冷媒にＣＯ２を用いた冷凍サイクルへ適用した場合のものであるが、冷媒の種類によって効果が変わるものではないため、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａなど、他の冷媒を使用した機器でも適用可能である。さらに、実施例１ないし実施例３の熱交換器は、室外ユニットに軸流ファンを設けた構成を有するヒートポンプ給湯機だけでなく、たとえば空気調和装置など、熱交換器と送風装置で構成された熱交換システムであれば、製品によらず効果が得られる。
【００７０】
言い換えると、板状のフィンを積層したフィン群と、このフィン群を貫通する複数の流体配管と、を含み、空気と流体との熱交換をするフィンチューブ熱交換器と、フィン間に空気を流通する送風機と、を備えた熱交換器ユニットであって、流体配管は曲り部を有し、曲り部の一部はフィンを有しない構成であればよい。流体配管を流れる流体は、水、ブライン、油その他の液体でもよいし、空気、窒素その他の気体でもよい。また、当該流体は、上述のとおり、二酸化炭素その他の冷媒であってもよい。
【００７１】
また、流体配管は、実施例に示すとおり、円管状であってよいし、断面が矩形、三角形、六角形のものであってもよい。
【００７２】
なお、本明細書においては、冷凍サイクル装置は、ヒートポンプ式加熱装置、空気調和装置、ヒートポンプ給湯機等を含む。
【符号の説明】
【００７３】
１：蒸発器背面、２：蒸発器側面、３：蒸発器曲り部、４：蒸発器第２側面、５：蒸発器第２曲り部、６：フィン、７：フィン板部、８：フィンカラー部、９：冷媒管、１０：冷媒入口部、１１：冷媒出口部、２０：ヒートポンプユニット、２１：軸流ファン、２２：仕切り板、１００：圧縮機、１０１：水冷媒熱交換器、１０２：膨張弁、１０３：蒸発器、１０４：貯湯容器、１０５：沸き上げ用循環ポンプ、１０６：給湯用循環ポンプ、１０７：給湯熱交換器、１０８：水道管、１０９：給湯口、２００：ヒートポンプサイクル、２０１：水側サイクル、２０２：給湯サイクル。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2016133247.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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