(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の列間隔で通風方向に列をなして並んだ複数の穴部を有するフィンと、
前記穴部を通るように配置される伝熱管とを備え、
前記伝熱管のうち乾き度０．６〜０．９の冷媒が通過する伝熱管を含む第１の伝熱管列とこの列に風下側に隣接する第２の伝熱管列の距離は、前記一定の列間隔よりも長いことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記フィンの風上にヒータを設け、前記第１の伝熱管列は最も風上にあることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷凍サイクル装置に用いる熱交換器に関するものであり、特に熱交換器の着霜耐力と除霜能力とを向上させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は従来の冷凍サイクル装置に使用された熱交換器の外観図である。
図１８中、１００は熱交換器であり、複数の穴部を有する同一形状の複数のフィン１０１と複数の伝熱管１０２と、横方向に相隣り合う伝熱管１０２の口部を接続するＵベンド（図示せず）で主に構成されている。また、複数のフィン１０１は平行に並べられており、ヘアピン部１０２ａと２本の直管部とで構成されたＵ字状の伝熱管１０２が各フィン１０１の２つの穴に、各フィン１０１と垂直になるように貫通させることで複数のフィン１０１と伝熱管１０２とは接着・固定する。なお、伝熱管１０２は、一本の直管を曲げるようにしてヘアピン部１０２ａと２本の直管部を有するように形成するのが一般的である。また、フィン同士の間隔（以降、「フィンピッチ」とする）は同じであり、横方向で相隣り合う伝熱管１０２同士の間隔（以降、「列ピッチ」とする）、および縦方向で相隣り合う伝熱管１０２同士の間隔（以降、「段ピッチ」とする）も同じである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の熱交換器１００では、列ピッチ、段ピッチ、フィンピッチをどのようにとれば霜が一番着きにくいか、伝熱管の配置をどのようにすれば霜が一番着きにくいか等に関係なく各ピッチを等間隔で形成していたので、着霜の分布は成り行きにより決定されるに過ぎなかった。この場合、フィンの特定箇所に多くの霜が着いてしまうと、空気が通過する風路が狭められ、熱交換率が悪化するという問題があった。
【０００４】
さらに、従来の熱交換器１００では、除霜用ヒータを設置し、これを稼動させることで除霜を行なっているが、その除霜用ヒータの設置位置と着霜との関係が不明確であったので、ヒータを稼動させた時に、着霜が一番多い部分の霜除去が効率よく行えず、除霜運転に多くの時間を要するという問題があった。なお、除霜時間を短くするためには、除霜用ヒータの容量をアップさせたり、除霜用ヒータを熱交換器のいろいろな箇所に設置させたりすることも考えられるが、これではコスト高になってしまう。
【０００５】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、着霜される箇所を分散させ、さらに、除霜を効率良く行うことができる熱交換器を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明における熱交換器では、一定の列間隔で通風方向に列をなして並んだ複数の穴部を有するフィンと、穴部を通るように配置される伝熱管とを備え、伝熱管のうち乾き度０．６〜０．９の冷媒が通過する伝熱管を含む第１の伝熱管列とこの列に風下側に隣接する第２の伝熱管列の距離は、一定の列間隔よりも長いものとした。
【０００７】
また、この発明における熱交換器では、フィンの風上にヒータを設け、第１の伝熱管列は最も風上側にあるものとした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における冷凍サイクルの構成を示す構成図である。
図１中、冷凍サイクル１は、圧縮機２と、凝縮器３と、膨張弁４と、熱交換器５と、それらを順次接続させる冷媒配管６とから主に構成されている。
次に、動作について説明する。
圧縮機２で圧縮され、高温・高圧となったガス冷媒は凝縮器３に流れ込み、そこで液冷媒となって膨張弁４に流れ込む。膨張弁４で減圧された冷媒は気液二相冷媒となって熱交換器５に流れ込む。流れ込んだ気液二相冷媒は、空気の熱を奪いながら蒸発してガスになり、圧縮機２に流れ込む。
【０００９】
次に、熱交換器５の構成につき説明する。
図２（ａ）は、熱交換器５の外観図である。
図中、熱交換器５は、複数の穴部を有する同一形状の複数のフィン１０とヘアピン部１１ａと２つの直管部１１ｂとからなるＵ字状の複数の伝熱管１１と、相隣り合う伝熱管１１の口部を相互に接続するＵベンドで主に構成されている。また、複数のフィン１０は平行に並べられており、伝熱管１１の直管部１１ｂが各フィン１０の２つの穴に、各フィン１０と垂直になるように貫通することで複数のフィン１０と伝熱管１１とは接着・固定している。なお、各フィン１０の間を流体として空気が流れ、伝熱管１１の内部を冷媒が流れることで冷媒と空気との熱交換が行われ、冷やされた空気が放出されることになる。なお、図２（ｂ）は伝熱管１１の構成を示す構成図である。
次に、各フィン１０の穴部と、各穴部に配置される伝熱管１１との関係を図３の配置図に基づいて説明する。なお、図３は、図２の熱交換器５をＡ方向側から見た場合の配置図である。
【００１０】
図３中、フィン１０には、風上側から風下側に向かって、第１列穴部１０ａ、第２列穴部１０ｂ、第３列穴部１０ｃ、第４列穴部１０ｄ、第５列穴部１０ｅ、第６列穴部１０ｆが設けられており、さらに、第１列穴部１０ａの穴、第２列穴部１０ｂの穴、第３列穴部１０ｃの穴、第５列穴部１０ｅの穴、第６列穴部１０ｆの穴のうち、それぞれ隣接する２つの穴に１つの伝熱管１１の直管部１１ｂが貫通している。また、各伝熱管１１の直管部１１ｂの口部には隣り合う伝熱管１１の直管部１１ｂの口部と接続させるためのＵベンド１２が取り付けられている。
【００１１】
このような構成であるため、第３列穴部１０ｃと第５列穴部１０ｅとに挿入された直管部１１ｂの列ピッチＲＲｐは、第１列穴部１０ａと第２列穴部１０ｂとに挿入された直管部１１ｂの列ピッチＲｐ：２２ｍｍの２倍の４４ｍｍとなる。なお、空気は右方向から左方向に流れ、冷媒は伝熱管１１・Ｕベンド１２を通りながら左方向から右方向に向かって流れる。
【００１２】
１３は、除霜用発熱体としての電気ヒータであり、フィン１０の側面に固定され、さらに、その数は風上側の方が風下側に比較して多くなっている。なお、除霜運転（以下、「デフロスト運転」）時には、この電気ヒータ１３が通電され、熱伝導と輻射熱によって、フィン１０の表面に付着した霜を解かす働きをする。
【００１３】
次に一般的な着霜のメカニズムについて説明する。
熱交換器５を蒸発器として用いた場合には、空気と熱交換する際に空気中の水分が凝縮するので、フィン１０の表面に水滴が付着する。氷点下ではこの水分が霜（氷）となり、時間と共にフィン１０の表面での霜の厚みが大きくなり、これによりフィン間の空気が通過できる風路が狭められ、熱交換器５での流路抵抗が大きくなる。その結果、排出される風量が大幅に低下し、それに伴い冷却能力も低下する。
また、着霜により管外の熱抵抗も時間とともに増大するため、冷却能力を低下させる。そこで、あらかじめ設定された時間の間隔でデフロスト運転を行い、フィン表面の霜を解かしている。
【００１４】
通常の冷凍装置では、蒸発器出口の過熱度は４〜７℃程度で制御されている。このような運転下における着霜状態は図４に示すように、風が通る方向に分布を持つようになる。また、この着霜量が最も多い箇所は、図５に示すように、フィン表面温度における絶対飽和湿度と空気の絶対湿度の差がもっとも大きくなる所で、これはフィン表面の温度が最も低くなる所でもある。
また、フィン表面温度が最も低くなるのは、管内熱伝達率が最も大きくなる伝熱管の直管部が貫通している付近であり、気液二相流の蒸発熱伝達率の場合は図６に示されるように、ドライアウトが発生するポイントになる。なお、このドライアウトは、冷媒の乾き度が０．６〜０．９で発生する。
【００１５】
以上のことから、着霜量が最も多い部分は乾き度が０．６〜０．９となる冷媒が流れる伝熱管の直管部近辺であり、従って、伝熱管の配置を変えることで、着霜の分布を制御することが可能となる。
次に、この実施の形態における熱交換器での着霜現象について説明する。
まず、この実施の形態のように第４列穴部１０ｄに伝熱管を通さない場合と、従来のように伝熱管を通した場合を比較する。図７は、第４列穴部も含めて全ての穴部に伝熱管の直管部を通した６列の熱交換器のフィン表面温度分布図、図８は着霜分布図である。図７から分かるように、第４列穴部を貫通する４列目の直管部付近のフィン表面温度が最も低い値を示すことから、この４列目の直管部での乾き度が０．６〜０．９と考えられる。また、図８からわかるように、着霜は第４列穴部１０ｄを貫通する４列目の直管部付近のフィンに最も多く発生している。
【００１６】
図９は、この実施の形態における５列での熱交換器５のフィン表面温度分布図、図１０は着霜分布図である。図７、図８および図９、図１０を比較すると、図９、図１０では、第３列穴部１０ｃを貫通する３列目の直管部での冷媒の乾き度が０．６〜０．９となるので、従来と比較してフィン表面温度の分布と着霜分布が変わり、より風上側、すなわち、ヒータ１３により近い位置に一番着霜される箇所が偏ることになる。よって、この状況では、デフロスト運転時の除霜効果が向上する。
【００１７】
また、図８と図１０とを重ね合わせた図１１を見ればわかるように、この実施の形態における５列での熱交換器５での着霜量は、従来の６列での熱交換器に比較して低減される。
さらに、従来の熱交換器とこの実施の形態の熱交換器での時間と冷却能力との関係は、はぼ図１２の関係図に示すような傾向となる。すなわち、この実施の形態の熱交換器では、従来の熱交換器に比較して着霜によって時間とともに低下する冷却能力の割合は小さくなり、同時にデフロスト運転に入るまでの時間Ｔdf1を大きくすることができるので、着霜耐力がアップする。但し、フィンを貫通する直管部の列が１列削減されているので、初期の能力（無着霜時）は抜いていない従来の熱交換器より弱冠劣ることになる。
【００１８】
このように、乾き度０．６〜０．９の冷媒が流れる伝熱管の直管部と、それよりも風下に位置する直管部との列ピッチを他の列ピッチよりもあけることで、乾き度０．６〜０．９の冷媒が流れる伝熱管の直管部と風下に位置する直管部との間での着霜を分散でき、狭い範囲に集中的に着霜されることにより風路が極端に狭くなることを回避できる。
また、乾き度０．６〜０．９の冷媒が流れる伝熱管の直管部をフィンの風上方向に移動できるので、デフロスト運転時の除霜効率が向上する。
さらに、積算の冷却能力もアップするために、デフロスト運転に入るまでの時間が長くなり、１日に行われるデフロスト運転の回数が削減するので、さらに、消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００１９】
なお、この実施の形態では、第４列穴部１１ｄには全く直管部を貫通させない構成としたが、一部直管部を貫通させても、従来に比較して着霜量を低減することができる。
また、この実施の形態の熱交換器５では、３列目の直管部と４列目の直管部との列ピッチを他の列ピッチより大きくするために、第１列穴部から第６列穴部までを有するフィンを使用し、第４列穴部に伝熱管の直管部を貫通させないようにした。これは、従来と同じフィンを使用する方が製造の手間やコストの観点から、列ピッチを大きくする方法としては最も合理的であると考えられたからであるが、特にこのフィン形状にこだわる必要はなく、第４列穴部に相当するものが塞がれたようなフィンを使用しても当然によい。
【００２０】
実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２における熱交換器のフィン及び伝熱管の配置図である。
図中、２０はフィンであり、等間隔に形成された第１列穴部２０ａ、第２列穴部２０ｂ、第３列穴部２０ｃ、第４列穴部２０ｄを有している。また、第１列穴部２０ａ、第３列穴部２０ｃ、第４列穴部２０ｄには、伝熱管１１の直管部１１ｂが貫通しており、第２列穴部２０ｂには直管部１１ｂが貫通しない構成となっている。
このような構成では、一番風上側に存在する第１列穴部２０ａを貫通する１列目の直管部１１ｂに乾き度０．６〜０．９の冷媒が存在するような形になる。よって、一番着霜の多い部分は除霜ヒータの直近に位置することになり、デフロスト運転時の除霜効率が向上する。
【００２１】
また、積算の冷却能力もアップするために、デフロスト運転に入るまでの時間を長くすることが可能となり、１日に行われるデフロスト運転の回数を削減することができ、消費電力の低減も図ることが可能となる。
さらにまた、冷媒の乾き度０．６〜０．９の冷媒が流れる伝熱管の直管部と、それよりも風下に位置する直管部との間隔をあけているので、着霜を均一化でき、狭い範囲に集中的に着霜されることにより風路が極端に狭くなることを回避できる。
【００２２】
実施の形態３．
実施の形態２では、第１列穴部から第４列穴部を有するフィンを使い、第２列穴部に伝熱管の直管部を貫通させない構成とすることで、冷媒の乾き度０．６〜０．９となる直管部を一番風上側に配置できるような構成にしたが、フィンに第１列穴部、第２列穴部、第３列穴部を等間隔に配置し、各穴部に伝熱管の直管部を貫通させ、第１列穴部に挿入される１列目の直管部の冷媒乾き度を０．６〜０．９となるようにしてもよい。
【００２３】
図１４は、この発明の実施の形態３における熱交換器のフィン及び伝熱管の配置図である。
図中、３０はフィンであり、等間隔に形成された第１列穴部３０ａ、第２列穴部３０ｂ、第３列穴部３０ｃを有している。また、第１列穴部３０ａ、第２列穴部３０ｂ、第３列穴部３０ｃには、伝熱管１１の直管部１１ｂが挿入される構成となっており、膨張弁の開度の変更や冷媒の流し方（パスパターン）等を調節することで、第１列穴部３０ａに挿入された１列目の直管部１１ｂでの冷媒乾き度を０．６〜０．９になるようにしている。
【００２４】
このような構成でも、一番着霜の多い部分を除霜ヒータの直近に位置させることができるようになり、デフロスト運転時の除霜効率が向上し、また、積算の冷却能力もアップするために、デフロストに入るまでの時間を長くすることが可能となり、１日に行われるデフロスト運転の回数を削減することができ、さらに、消費電力の低減も図ることが可能となる。
【００２５】
実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４における熱交換器を示す外観図である。
図中、４０は第１のフィン、５０は第２のフィンであり、交互に並べられ、穴部に伝熱管の直管部を貫通させることで接着・固定している。
図１６（ａ）は、第１のフィン４０と伝熱管との配置関係を示す配置図である。第１のフィン４０は、等間隔に形成された第１列穴部４０ａ、第２列穴部４０ｂ、第３列穴部４０ｃ、第４列穴部４０ｄとを有している。また、第１列穴部４０ａ、第３列穴部４０ｃ、第４列穴部４０ｄには、伝熱管１１の直管部１１ｂが貫通しており、第２列穴部４０ｂには貫通していない構成となっている。
【００２６】
また、図１６（ｂ）は、第２のフィン５０と伝熱管との配置関係を示す配置図である。第２のフィン５０は、第３列穴部５０ｃ、第４列穴部５０ｄとを有しており、第１のフィン４０の第３列穴部４０ｃを貫通した２列目の直管部１１ｂが第２のフィン５０の第３列穴部５０ｃを貫通し、第１のフィン４０の第４列穴部４０ｄを貫通した３列目の直管部１１ｂが、第２のフィン５０の第４列穴部５０ｄを貫通する構成となっている。
よって、１列目の直管部１１ｂでのフィンピッチは８ｍｍとなり、２列目および３列目の直管部１１ｂのフィンピッチ４ｍｍに比較して、２倍の間隔となる。さらに、１列目の直管部１１ｂでの冷媒乾き度は０．６〜０．９になるように調整されている。
【００２７】
さらに、この実施の形態の熱交換器と実施の形態２の熱交換器での時間と冷却能力との関係は、はぼ図１７の関係図に示すような傾向となる。すなわち、この実施の形態での熱交換器の方が冷凍能力の劣化が発生する時間が長く、よって、デフロフト運転に入る時間が遅い。これは、冷媒乾き度が０．６〜０．９となる１列目の直管部１１ｂは、第１のフィン４０のみに接着し、第２のフィン５０には接着していないので、１列目の直管部１１ｂの貫通部分に着く霜の量が減少し、着霜による風路の狭まる量も減少するからである。
【００２８】
このように、冷媒乾き度０．６〜０．９となる１列目の直管部が貫通するフィンピッチを、２列目以降の直管部が貫通するフィンピッチよりも大きくしたことにより、着霜量をさらに低減でき、同時に積算の冷却能力もアップするために、デフロストに入るまでの時間をさらに長くすることが可能となる。
さらに、１日に行われるデフロスト運転の回数も削減できるので、電力の消費量も低減できる。
【００２９】
なお、この実施の形態では、第１のフィン４０と第２のフィン５０とを交互に並ベたが、例えば、第１のフィン４０同士の間に第２のフィン５０を２枚以上並ベるようにして構成しても当然によい。
【００３０】
【発明の効果】
この発明における熱交換器では、乾き度０．６〜０．９の冷媒が通過する第１の伝熱管列とこの列に風下側に隣接する第２の伝熱管列の距離は、一定の列間隔で通風方向に列をなして並んだ穴部の列間隔よりも長いので、狭い範囲に集中的に着霜されることにより風路が極端に狭くなることを回避できる。さらに、積算の冷却能力もアップするために、デフロスト運転に入るまでの時間が長くなり、１日に行われるデフロスト運転の回数が削減するので、さらに、消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００３１】
また、最も風上側に位置する直管部での冷媒の乾き度を０．６〜０．９としたので、デフロスト運転でのデフロスト運転時の除霜効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  冷凍サイクルの構成を示す構成図である。
【図２】  熱交換器および伝熱管の外観図である。
【図３】  実施の形態１における熱交換器でのフィンと伝熱管の配置図である。
【図４】  蒸発器の着霜状態を示す図である。
【図５】  蒸発器での絶対湿度を示す図である。
【図６】  乾き度と熱伝達率の関係を示す図である。
【図７】  従来の熱交換器でのフィン表面温度分布図である。
【図８】  従来の熱交換器でのフィン着霜分布図である。
【図９】  実施の形態１における熱交換器でのフィン表面温度分布図である。
【図１０】  実施の形態１における熱交換器でのフィン着霜分布図である。
【図１１】  実施の形態１における熱交換器と従来の熱交換器とのフィン着霜分布を比較した図である。
【図１２】  熱交換器の冷却能力の時系列表である。
【図１３】  実施の形態２における熱交換器でのフィンと伝熱管の配置図である。
【図１４】  実施の形態３における熱交換器でのフィンと伝熱管の配置図である。
【図１５】  実施の形態４における熱交換器の外観図である。
【図１６】  実施の形態４における熱交換器での第１のフィン、第２のフィンと伝熱管の配置図である。
【図１７】  熱交換器の冷却能力の時系列表である。
【図１８】  従来の熱交換器の外観図である。
【符号の説明】
１  冷凍サイクル、  ２  圧縮機、  ３  凝縮器、  ４  膨張弁、
５  熱交換器、  ６  冷媒配管、  １０  フィン、  １０ａ  第１列穴部、
１０ｂ  第２列穴部、  １０ｃ  第３列穴部、  １０ｄ  第４列穴部、
１０ｅ  第５列穴部、  １０ｆ  第６列穴部、  １１  伝熱管、
１１ａ  ヘアピン部、  １１ｂ  直管部、  １２  Ｕベンド、
１３  ヒーター、  ２０  フィン、  ２０ａ  第１列穴部、
２０ｂ  第２列穴部、  ２０ｃ  第３列穴部、  ２０ｄ  第４列穴部、
３０  フィン、  ３０ａ  第１列穴部、  ３０ｂ  第２列穴部、
３０ｃ  第３列穴部、  ４０  第１のフィン、  ４０ａ  第１列穴部、
４０ｂ  第２列穴部、  ４０ｃ  第３列穴部、  ４０ｄ  第４列穴部、
５０  フィン、  ５０ｃ  第３列穴部、  ５０ｄ  第４列穴部。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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