フィンチューブ熱交換器
【課題】単位重量あたりの熱交換量の大きいフィンチューブ熱交換器を提供する。
【解決手段】フィンチューブ熱交換器１０は、フィン３０及び伝熱管２０を備えている。フィン３０は、伝熱管２０が個別に嵌められた複数の貫通孔５ａ及び５ｂを有する。貫通孔５ａ及び５ｂは、フィン３０の並び方向と空気Ａの流れ方向との両方向に垂直な段方向に沿って等間隔で形成されているとともに、流れ方向に平行な列方向に沿って複数の列で形成されている。伝熱管２０の外径をＤ、伝熱管２０の段方向の中心間距離をＤｐ、伝熱管２０の列方向の中心間距離をＬｐ、複数のフィン３０のフィンピッチをＦｐと定義したとき、熱交換器１０は、下記の関係を満たす。
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
【解決手段】フィンチューブ熱交換器１０は、フィン３０及び伝熱管２０を備えている。フィン３０は、伝熱管２０が個別に嵌められた複数の貫通孔５ａ及び５ｂを有する。貫通孔５ａ及び５ｂは、フィン３０の並び方向と空気Ａの流れ方向との両方向に垂直な段方向に沿って等間隔で形成されているとともに、流れ方向に平行な列方向に沿って複数の列で形成されている。伝熱管２０の外径をＤ、伝熱管２０の段方向の中心間距離をＤｐ、伝熱管２０の列方向の中心間距離をＬｐ、複数のフィン３０のフィンピッチをＦｐと定義したとき、熱交換器１０は、下記の関係を満たす。
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィンチューブ熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフィンチューブ熱交換器として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された熱交換器は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、板状フィン１及び伝熱管２を有する。伝熱管２は、板状フィン１に対して垂直に挿入されている。板状フィン１には、切り起こし３が設けられている。
【０００３】
伝熱管２の外径をＤ、伝熱管２の段方向の段ピッチをＤｐ、板状フィン１のフィンピッチをＦｐ、伝熱管２の列方向の列ピッチをＬｐと定義したとき、特許文献１に記載された熱交換器は、３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍ、２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄ、２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄ、０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄの関係を満たす。このような構成によれば、伝熱特性に優れた熱交換器を提供できることが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７２０２０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された構成によれば、熱交換器の熱交換量を増やすことができるものの、熱交換器の重量も増加する。つまり、単位重量あたりの熱交換量は必ずしも十分ではない。また、特許文献１に記載された熱交換器のフィンには切り起こしが設けられている。そのため、フィンピッチＦｐ及び段ピッチＤｐを狭くして熱交換器の小型化を図ることが本質的に難しい。また、開口部が設けられていないフィン（フラットフィン、コルゲートフィンなど）を使用した熱交換器の特性は、開口部が設けられたフィンを使用した熱交換器の特性と大きく異なる。そのため、開口部が設けられていないフィンを使用した熱交換器に特許文献１に記載された構成をそのまま適用することは不可能である。さらに、フィンに切り起こしを設けると、着霜による切り起こしの目詰まりの問題も生じる。
【０００６】
本発明は、比較的容易に小型化できるとともに、単位重量あたりの熱交換量の大きいフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、
気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れる伝熱管とを備え、
前記複数のフィンは、それぞれ、前記伝熱管が個別に嵌められた複数の貫通孔を有し、かつ前記複数の貫通孔を除いたその他の領域において当該フィンの第１主面側から第２主面側への前記気体の流れを禁止するように構成され、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気体の流れ方向との両方向に垂直な段方向に沿って等間隔で形成されているとともに、前記流れ方向に平行な列方向に沿って複数の列で形成されており、
前記伝熱管の外径をＤ、前記伝熱管の前記段方向の中心間距離をＤｐ、前記伝熱管の前記列方向の中心間距離をＬｐ、前記複数のフィンのフィンピッチをＦｐと定義したとき、
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
の関係を満たす、フィンチューブ熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のフィンチューブ熱交換器において、各フィンは、第１主面側から第２主面側への気体の流れを禁止するように構成されている。言い換えれば、伝熱管が嵌められた貫通孔以外の部分に開口部が設けられていない。従って、段ピッチＤｐ（中心間距離Ｄｐ）及びフィンピッチＦｐを比較的容易に狭くすることができる。また、上記した関係を満たすことにより、比較的細い伝熱管（５〜５．５ｍｍ）を使用する場合において、単位重量あたりの熱交換量を改善することができる。さらに、着霜による切り起こしの目詰まりの問題も生じない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の斜視図
【図２】図１のフィンチューブ熱交換器に用いられたフィンの平面図
【図３】図２に示すフィンのIII-III線に沿った断面図
【図４】図１のフィンチューブ熱交換器に用いられた別のフィンの平面図
【図５】図４に示すフィンのV-V線に沿った断面図
【図６Ａ】数値解析の結果を示すグラフ
【図６Ｂ】数値解析の結果を示す別のグラフ
【図６Ｃ】数値解析の結果を示すさらに別のグラフ
【図７】従来のフィンチューブ熱交換器の平面図及び側面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態のフィンチューブ熱交換器１０は、空気Ａ（気体）の流路を形成するために一定間隔（フィンピッチ）で平行に並べられた複数のフィン３０と、これらのフィン３０を垂直に貫通する複数の伝熱管２０とを備えている。フィンチューブ熱交換器１０は、伝熱管２０の内部を流れる媒体Ｂと、フィン３０の表面に沿って流れる空気Ａとを熱交換させるように構成されている。媒体Ｂは、ハイドロフルオロカーボン（Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２）、イソブタン、プロパン、二酸化炭素などの冷媒である。媒体Ｂは、詳細には、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒である。伝熱管２０は、１本につながっていてもよいし、複数本に分かれていてもよい。
【００１２】
図１及び図２に示すように、複数のフィン３０は、空気Ａの流れ方向の上流側（風上側）に配置された複数の第１フィン３１と、複数の第１フィン３１を通過した空気Ａが流入するように空気Ａの流れ方向の下流側（風下側）に配置された複数の第２フィン３２とを含む。本実施形態において、第１フィン３１の構造及び寸法は、第２フィン３２のそれらに等しい。つまり、第１フィン３１及び第２フィン３２は、同一部材で構成されている。本明細書において、第１フィン３１に関する説明は、特に断らない限り、第２フィン３２にも適用される。
【００１３】
ただし、第１フィン３１の構造及び寸法が、第２フィン３２のそれらと異なっていてもよい。さらに、第１フィン３１及び第２フィン３２が単一の部材で構成されていてもよい。つまり、第１フィン３１の面積と第２フィン３２の面積とを合計した面積を有するフィンを準備し、そのフィンを「フィン３０」として使用することができる。
【００１４】
図２に示すように、第１フィン３１及び第２フィン３２は、それぞれ、直線状の前縁３１ｆ及び３２ｆを有する。本明細書では、空気Ａの流れ方向に平行な方向を列方向、複数のフィン３０の並び方向と空気Ａの流れ方向との両方向に垂直な方向を段方向と定義する。前縁３１ｆ及び３２ｆは、段方向に平行である。図１に示すように、列方向、並び方向及び段方向は、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に対応している。空気Ａは、フィン３１及び３２の表面に平行な方向から熱交換器１０に流入する。
【００１５】
第１フィン３１は、例えば、長方形かつ平板の形状を有する。第１フィン３１の長手方向は段方向に一致している。本実施形態では、第１フィン３１は一定間隔（フィンピッチ）で並べられている。第１フィン３１の材料として、打ち抜き加工された肉厚０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に使用できる。第１フィン３１の表面にベーマイト処理、親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。
【００１６】
第１フィン３１は、複数の貫通孔３１ｈを有する。複数の貫通孔３１ｈは、段方向に沿って等間隔で形成されている。第１フィン３１は、複数の貫通孔３１ｈを除いたその他の領域において当該フィン３１の第１主面側（上面側）から第２主面側（下面側）への空気Ａの流れを禁止するように構成されている。つまり、第１フィン３１には、貫通孔３１ｈ以外に開口部が設けられていない。本実施形態において、第１フィン３１は、起伏を有さないフラットフィンである。同様に、第２フィン３２は、複数の貫通孔３２ｈを有する。複数の貫通孔３２ｈは、段方向に沿って等間隔で形成されている。第２フィン３２は、複数の貫通孔３２ｈを除いたその他の領域において当該フィン３２の第１主面側（上面側）から第２主面側（下面側）への空気Ａの流れを禁止するように構成されている。つまり、第２フィン３２には、貫通孔３２ｈ以外に開口部が設けられていない。本実施形態において、第２フィン３２は、起伏を有さないフラットフィンである。フラットフィンは、圧力損失を抑制する観点で有利である。また、開口部が存在しなければ、着霜による目詰まりの問題も生じない。
【００１７】
なお、「開口部が設けられていない」とは、スリット、ルーバーなどが設けられていないこと、すなわち、フィンを貫通する孔が設けられていないことを意味する。開口部が設けられていないフィンには、フラットフィン及びコルゲートフィンが含まれる。
【００１８】
貫通孔３１ｈ及び３２ｈは、列方向に沿って複数の列で形成されている。つまり、複数の貫通孔３１ｈは、上流側の列（第１列）に形成された貫通孔である。複数の貫通孔３２ｈは、下流側の列（第２列）に形成された貫通孔である。貫通孔３１ｈ及び３２ｈのそれぞれに伝熱管２０が嵌められている。
【００１９】
図１及び図２に示すように、伝熱管２０は、段方向に並ぶように第１フィン３１側に配置された複数の第１伝熱管２１と、同じく段方向に並ぶように第２フィン３２側に配置された複数の第２伝熱管２２とを含む。本実施形態において、第１伝熱管２１の外径は、第２伝熱管２２の外径に等しい。つまり、第１伝熱管２１及び第２伝熱管２２は、同一の配管（冷媒管）で構成されている。本明細書において、第１伝熱管２１に関する説明は、特に断らない限り、第２伝熱管２２にも適用される。
【００２０】
第１伝熱管２１及び第２伝熱管２２は、それぞれ、第１フィン３１の貫通孔３１ｈ及び第２フィン３２の貫通孔３２ｈに嵌められている。貫通孔３１ｈの周りにフィンカラー５ａが第１フィン３１の一部によって形成されており、フィンカラー５ａと第１伝熱管２１とが密着している。同様に、貫通孔３２ｈの周りにフィンカラー５ｂが第２フィン３２の一部によって形成されており、フィンカラー５ｂと第２伝熱管２２とが密着している。フィンカラー５ａ及び５ｂは、いわゆるバーリング加工によって形成することができる。第１伝熱管２１及び第２伝熱管２２は、フィン３０を平面視したとき、互い違いに配置されている。つまり、フィン３０を平面視したとき、貫通孔３１ｈ及び３２ｈが千鳥状に配列している。
【００２１】
貫通孔３１ｈ及び３２ｈの直径は、例えば５〜５．５ｍｍである。貫通孔３１ｈの直径及び貫通孔３２ｈの直径は、それぞれ、第１伝熱管２１の外径及び第２伝熱管２２の外径に一致している。比較的細い伝熱管２１及び２２を使用することにより、熱交換器１０の軽量化が容易となる。第１フィン３１の列方向の寸法は、例えば１５〜２５ｍｍである。第２フィン３２の列方向の寸法も例えば１５〜２５ｍｍである。
【００２２】
図３に示すように、第１フィン３１の下流端３１ｅと第２フィン３２の前縁３２ｆ（上流端）との間には、隙間３７が形成されている。この隙間３７には、第１フィン３１の下流端３１ｅと第２フィン３２の前縁３２ｆとの間に霜が跨って形成されて風路が閉塞するのを防止する役割がある。つまり、隙間３７により着霜時の圧力損失の増大を抑制できる。また、隙間３７が存在していると、第１フィン３１の下流端３１ｅの陰に第２フィン３２の前縁３２ｆが隠れないので、第２フィン３２での熱交換量も増大する。隙間３７の列方向の広さＧは、例えば１〜３ｍｍである。本実施形態では、複数の第１フィン３１及び複数の第２フィン３２が、互いに等しいフィンピッチＦｐを有する。並び方向に関して複数の第１フィン３１と複数の第２フィン３２とが互い違いに配列している。
【００２３】
伝熱管２０の外径をＤ、伝熱管２０の段方向の中心間距離をＤｐ、伝熱管２０の列方向の中心間距離をＬｐ、複数のフィン３０のフィンピッチをＦｐと定義する。具体的には、第１伝熱管２１の外径及び第２伝熱管２２の外径をＤと定義する。互いに隣り合う２つの第１伝熱管２１の中心間距離をＤｐと定義する。第２伝熱管２２の中心間距離もＤｐで表される。第１伝熱管２１の中心Ｏ1と第２伝熱管２２の中心Ｏ2との列方向の距離をＬｐと定義する。伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐの単位は、いずれも「ｍｍ」である。このとき、本実施形態のフィンチューブ熱交換器１０は、下記の関係を満足する。
【００２４】
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
【００２５】
伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐの変化に対する、熱交換器１０の熱交換量の変化及び熱交換器１０の重量の変化について説明する。
【００２６】
（伝熱管２０の外径Ｄ）
段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐを一定とし、伝熱管２０の外径Ｄを小さくすると、冷媒側熱伝達率、冷媒側伝熱面積、空気側熱伝達率及び空気側伝熱面積のバランスに応じて熱交換器１０の熱交換量が増減する。多くの場合、熱交換量は減少する。伝熱管２０の本数が一定かつ外径Ｄが小さくなるため、熱交換器１０の重量は減少する。伝熱管２０の外径Ｄを大きくすると、逆の結果が得られる。ただし、５〜５．５ｍｍの外径Ｄを有する伝熱管２０を使用することで、熱交換器１０の軽量化が容易となる。
【００２７】
（段ピッチＤｐ）
伝熱管２０の外径Ｄ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐを一定とし、段ピッチＤｐを狭めると、熱交換量は増加し、重量も増加する。段ピッチＤｐを拡げると、逆の結果が得られる。
【００２８】
（列ピッチＬｐ）
伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ及びフィンピッチＦｐを一定とし、列ピッチＬｐを狭くすると、熱交換量は減少し、重量も減少する。列ピッチＬｐを拡げると、逆の結果が得られる。
【００２９】
（フィンピッチＦｐ）
伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ及び列ピッチＬｐを一定とし、フィンピッチＦｐを拡げると、熱交換量は減少し、重量も減少する。フィンピッチＦｐを狭めると、逆の結果が得られる。
【００３０】
小さい外径Ｄを有する伝熱管２０を使用する場合、熱交換量の低下を補うために、段ピッチＤｐを狭くしたり、列ピッチＬｐを拡げたりする必要がある。同様に、フィンピッチＦｐを拡げる場合、熱交換量の低下を補うために、段ピッチＤｐを狭くしたり、列ピッチＬｐを拡げたりする必要がある。しかし、これらの変更は重量の増加を招く。つまり、フィンチューブ熱交換器１０において、熱交換量と重量の間には、トレードオフの関係が存在する。後述する数値解析の結果から明らかとなるように、上記した関係を満足するように伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐを調節することによって、フラットフィン又はコルゲートフィンを使用したフィンチューブ熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を改善する（最適化する）ことができる。
【００３１】
（変形例）
図４及び図５に示すように、本変形例において、フィン１３０は、空気Ａの流れ方向（列方向）に沿って山部と谷部が交互に現れるように成形されたコルゲートフィンである。コルゲートフィンによれば、フラットフィンよりも優れた伝熱性能を期待できる。その他の構成は、基本的には、図１〜３を参照した説明した通りである。本変形例では、前列の第１フィン１３１及び後列の第２フィン１３２の両方がコルゲートフィンである。ただし、フラットフィンとコルゲートフィンとを組み合わせて使用してもよい。すなわち、前列の第１フィンとしてフラットフィンを使用し、後列の第２フィンとしてコルゲートフィンを使用することができる。逆に、前列の第１フィンとしてコルゲートフィンを使用し、後列の第２フィンとしてフラットフィンを使用することができる。
【００３２】
図４及び図５に示すように、第１フィン１３１及び第２フィン１３２は、それぞれ、空気Ａの流れ方向に沿って２つの山部（又は谷部）が現れるように成形されたコルゲートフィンである。ただし、コルゲートフィンの山部（又は谷部）の数は特に限定されない。例えば、Ｖ字形に成形されたコルゲートフィン、すなわち、山部を１つのみ有するコルゲートフィンを図１に示す熱交換器１０に使用してもよい。
【００３３】
なお、図２及び図３を参照して説明したフラットフィン（フィン３０）の表面に凹部及び／又は凸部が設けられていてもよい。凹部及び／又は凸部を設けることによって、伝熱性能を向上させることができる。そのような凹部及び／又は凸部によって排水性が低下したり、ゴミ、埃などの異物の目詰まりによって伝熱性能が低下したりするおそれもない。このことは、コルゲートフィンについても同様である。
【実施例】
【００３４】
本発明のフィンチューブ熱交換器の性能を確認するため、汎用の流体解析ソフトウェアを用いて数値解析を実施した。主な解析条件を以下に示す。
【００３５】
ソフトウェア：ＦＬＵＥＮＴ（アンシスジャパン社製）
流入空気の乾球温度：３５℃
流入空気の湿球温度：２４℃
前面風速：１．２ｍ／秒
冷媒：Ｒ４１０Ａ
凝縮温度：４３℃
冷媒側熱伝達率：１２０００Ｗ／ｍ2・Ｋ
伝熱管の外径Ｄ：５ｍｍ、５．２５ｍｍ、５．５ｍｍ
伝熱管の材質：銅
第１フィンの長さ（列方向）：１８．９ｍｍ
第２フィンの長さ（列方向）：１８．９ｍｍ
フィンの厚み：０．０９ｍｍ
フィンピッチ：１．２７ｍｍ、１．３７ｍｍ、１．４１ｍｍ
フィンの材質：アルミニウム
フィンの形状：コルゲートフィン（山の高さ：１．３６ｍｍ、山の数：２、傾斜角度：１６．７°）
【００３６】
参照例として、以下の構成を有するフィンチューブ熱交換器の数値解析も行った。上記条件と異なる構成のみを記す。
伝熱管の外径Ｄ：７ｍｍ
段ピッチＤｐ：１８．３ｍｍ
列ピッチＬｐ：１８．９ｍｍ
【００３７】
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに解析結果を示す。図６Ａ及び図６Ｃのグラフにおいて、横軸は、段ピッチＤｐを伝熱管の外径Ｄで割った値を表す。図６Ｂのグラフにおいて、横軸は、列ピッチＬｐを伝熱管の外径Ｄで割った値を表す。
【００３８】
なお、図６Ａにおいて、伝熱管の外径Ｄが５．５ｍｍのときの近似カーブは、下記式（１）で表される。ｙ＝０となるのは、ｘ＝２．４９、３．７３のときである。
ｙ＝−１８．６２９*ｘ2＋１１５．８５*ｘ−７２．９６９…（１）
【００３９】
図６Ｂにおいて、伝熱管の外径Ｄが５ｍｍのときの近似カーブは、下記式（２）で表される。ｙ＝０となるのは、ｘ＝３．１５のときである。
ｙ＝−５２．４４１*ｘ2＋３８３．１４*ｘ−５８６．７５…（２）
【００４０】
図６Ｂにおいて、伝熱管の外径Ｄが５．５ｍｍのときの近似カーブは、下記式（３）で表される。ｙ＝０となるのは、ｘ＝３．６７のときである。
ｙ＝−６０．３５８*ｘ2＋４００．８９*ｘ−５５８．１３…（３）
【００４１】
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃのグラフにおいて、縦軸の「Ｑ／ΔＰａ比」は、それぞれ、以下の意味を持っている。各グラフにおいて、「Ｑ」は、解析対象の熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を表しており、「ΔＰａ」は解析対象の熱交換器の圧力損失（通風抵抗）を表している。詳細には、図６Ａのグラフにおいて、「Ｑ」は、特定の段ピッチＤｐに対して、最適な列ピッチＬｐを選択したときの解析対象の熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を表しており、「ΔＰａ」は、特定の段ピッチＤｐに対して、最適な列ピッチＬｐを選択したときの熱交換器の圧力損失を表している。図６Ｂのグラフにおいて、「Ｑ」は、特定の列ピッチＬｐに対して、最適な段ピッチＤｐを選択したときの解析対象の熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を表しており、「ΔＰａ」は、特定の列ピッチＬｐに対して、最適な段ピッチＤｐを選択したときの熱交換器の圧力損失を表している。図６Ｃのグラフの縦軸は、列ピッチＬｐを１８．９ｍｍに固定し、段ピッチＤｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。つまり、特定のフィンチューブ熱交換器のＱ／ΔＰａ比が１００％を超えているとき、その特定のフィンチューブ熱交換器の性能は、参照例のフィンチューブ熱交換器の性能を上回っている。なお、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃでは、参照例の熱交換器（Ｄ＝７ｍｍ）の単位重量あたりの熱交換量と、参照例の熱交換器の圧力損失の比を１００とし、解析対象の熱交換器のＱ／ΔＰａを正規化した値をプロットしている。
【００４２】
図６Ａのグラフは、フィンピッチＦｐを１．３７ｍｍ、伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ又は５．５ｍｍに固定し、段ピッチＤｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。列ピッチＬｐは段ピッチＤｐに応じて最適化した。Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、特定のＤｐ／Ｄにピークを持っていた。この理由は、次の通りである。すなわち、フィンピッチＦｐ及び伝熱管の外径Ｄが一定の条件の下で段ピッチＤｐを増やすとＱ及びΔＰａが減少し、段ピッチＤｐを減らすとＱ及びΔＰａが増加する。Ｑ及びΔＰａの増加又は減少のバランスに応じて、Ｑ／ΔＰａ比のカーブがピークを持つものとなる。また、伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ、５．５ｍｍと変化させると、Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、少しずつシフトした。伝熱管の外径Ｄが５〜５ｍｍの範囲にあるとき、段ピッチＤｐが２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７の関係を満たせば、Ｑ／ΔＰａ比が１００％を超えた。
【００４３】
図６Ｂのグラフは、フィンピッチＦｐを１．３７ｍｍ、伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ又は５．５ｍｍに固定し、列ピッチＬｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。段ピッチＤｐは列ピッチＬｐに応じて最適化した。Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、特定のＬｐ／Ｄにピークを持っていた。この理由は、次の通りである。すなわち、フィンピッチＦｐ及び伝熱管の外径Ｄが一定の条件の下で列ピッチＬｐを増やすとＱ及びΔＰａが増加し、列ピッチＬｐを減らすとＱ及びΔＰａが減少する。Ｑ及びΔＰａの増加又は減少のバランスに応じて、Ｑ／ΔＰａ比のカーブがピークを持つものとなる。伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ、５．５ｍｍと変化させると、Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、少しずつシフトした。伝熱管の外径Ｄが５〜５ｍｍの範囲にあるとき、列ピッチＬｐが３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７の関係を満たせば、Ｑ／ΔＰａ比が１００％を超えた。
【００４４】
図６Ｃのグラフは、伝熱管の外径Ｄを５．５ｍｍ、列ピッチＬｐを１８．９ｍｍ、フィンピッチＦｐを１．２７ｍｍ、１．３７ｍｍ又は１．４１ｍｍに固定し、段ピッチＤｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、特定のＤｐ／Ｄにピークを持っていた。図６Ａの場合と異なり、ピークの位置は概ね一定であった（Ｄｐ／Ｄ＝３．１の位置）。
【００４５】
図６Ｃに示すように、フィンピッチＦｐが１．３７〜１．４１ｍｍの範囲にあり、かつＤｐ／Ｄが２．５〜３．７の範囲にあるとき、Ｑ／ΔＰａ比が１００％を超えた。図６Ａのグラフから理解できるように、フィンピッチＦｐが一定であれば、伝熱管の外径Ｄが５ｍｍ又は５．２５ｍｍのときのＱ／ΔＰａ比は、段ピッチＤｐ及び列ピッチＬｐを調節することによって、伝熱管の外径Ｄが５．５ｍｍのときのＱ／ΔＰａ比を上回ることができる。そのため、伝熱管の外径Ｄが５ｍｍ又は５．２５のときにおいても、フィンピッチＦｐが１．３７〜１．４１ｍｍの範囲にあり、かつＤｐ／Ｄが２．５〜３．７の範囲にあれば、Ｑ／ΔＰａ比は１００％を超える。従って、Ｆｐ／Ｄの好ましい下限値は、１．３７ｍｍ／５．５ｍｍ＝０．２５であり、Ｆｐ／Ｄの好ましい上限値は、１．４１ｍｍ／５ｍｍ＝０．２８である。
【００４６】
以上の結果から、（ａ）５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ、（ｂ）２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７、（ｃ）３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７、（ｄ）０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８の要件が導かれる。これらの要件を全て満足するフィンチューブ熱交換器の単位重量あたりの熱交換量は十分に大きい。
【００４７】
本実施例における解析条件は、空調装置の冷房定格条件に該当する。しかし、本発明のフィンチューブ熱交換器によれば、冷房中間条件、暖房定格条件、暖房中間条件などの他の条件においても冷房定格条件と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のフィンチューブ熱交換器は、空調装置、給湯機、暖房機などのヒートポンプ応用機器の室外熱交換器に適用することによって、より大きな効果を発揮する。なぜなら、フィンに開口部が設けられていないので、結露条件及び着霜条件での排水性に優れているだけでなく、ゴミ、埃などの異物による目詰まりに対しても優れているからである。
【符号の説明】
【００４９】
５ａ，５ｂ フィンカラー
１０ フィンチューブ熱交換器
２０ 伝熱管
２１ 第１伝熱管
２２ 第２伝熱管
３０ フィン
３１ 第１フィン
３１ｈ 貫通孔
３２ 第２フィン
３２ｈ 貫通孔
Ｄｐ 段ピッチ
Ｌｐ 列ピッチ
Ｆｐ フィンピッチ
Ｄ 伝熱管の外径
Ａ 空気
Ｂ 媒体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィンチューブ熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフィンチューブ熱交換器として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された熱交換器は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、板状フィン１及び伝熱管２を有する。伝熱管２は、板状フィン１に対して垂直に挿入されている。板状フィン１には、切り起こし３が設けられている。
【０００３】
伝熱管２の外径をＤ、伝熱管２の段方向の段ピッチをＤｐ、板状フィン１のフィンピッチをＦｐ、伝熱管２の列方向の列ピッチをＬｐと定義したとき、特許文献１に記載された熱交換器は、３ｍｍ≦Ｄ≦７ｍｍ、２Ｄ≦Ｄｐ≦３Ｄ、２Ｄ≦Ｌｐ≦３．５Ｄ、０．１５Ｄ≦Ｆｐ≦０．２７Ｄの関係を満たす。このような構成によれば、伝熱特性に優れた熱交換器を提供できることが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７２０２０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された構成によれば、熱交換器の熱交換量を増やすことができるものの、熱交換器の重量も増加する。つまり、単位重量あたりの熱交換量は必ずしも十分ではない。また、特許文献１に記載された熱交換器のフィンには切り起こしが設けられている。そのため、フィンピッチＦｐ及び段ピッチＤｐを狭くして熱交換器の小型化を図ることが本質的に難しい。また、開口部が設けられていないフィン（フラットフィン、コルゲートフィンなど）を使用した熱交換器の特性は、開口部が設けられたフィンを使用した熱交換器の特性と大きく異なる。そのため、開口部が設けられていないフィンを使用した熱交換器に特許文献１に記載された構成をそのまま適用することは不可能である。さらに、フィンに切り起こしを設けると、着霜による切り起こしの目詰まりの問題も生じる。
【０００６】
本発明は、比較的容易に小型化できるとともに、単位重量あたりの熱交換量の大きいフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、
気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れる伝熱管とを備え、
前記複数のフィンは、それぞれ、前記伝熱管が個別に嵌められた複数の貫通孔を有し、かつ前記複数の貫通孔を除いたその他の領域において当該フィンの第１主面側から第２主面側への前記気体の流れを禁止するように構成され、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気体の流れ方向との両方向に垂直な段方向に沿って等間隔で形成されているとともに、前記流れ方向に平行な列方向に沿って複数の列で形成されており、
前記伝熱管の外径をＤ、前記伝熱管の前記段方向の中心間距離をＤｐ、前記伝熱管の前記列方向の中心間距離をＬｐ、前記複数のフィンのフィンピッチをＦｐと定義したとき、
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
の関係を満たす、フィンチューブ熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のフィンチューブ熱交換器において、各フィンは、第１主面側から第２主面側への気体の流れを禁止するように構成されている。言い換えれば、伝熱管が嵌められた貫通孔以外の部分に開口部が設けられていない。従って、段ピッチＤｐ（中心間距離Ｄｐ）及びフィンピッチＦｐを比較的容易に狭くすることができる。また、上記した関係を満たすことにより、比較的細い伝熱管（５〜５．５ｍｍ）を使用する場合において、単位重量あたりの熱交換量を改善することができる。さらに、着霜による切り起こしの目詰まりの問題も生じない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の斜視図
【図２】図１のフィンチューブ熱交換器に用いられたフィンの平面図
【図３】図２に示すフィンのIII-III線に沿った断面図
【図４】図１のフィンチューブ熱交換器に用いられた別のフィンの平面図
【図５】図４に示すフィンのV-V線に沿った断面図
【図６Ａ】数値解析の結果を示すグラフ
【図６Ｂ】数値解析の結果を示す別のグラフ
【図６Ｃ】数値解析の結果を示すさらに別のグラフ
【図７】従来のフィンチューブ熱交換器の平面図及び側面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態のフィンチューブ熱交換器１０は、空気Ａ（気体）の流路を形成するために一定間隔（フィンピッチ）で平行に並べられた複数のフィン３０と、これらのフィン３０を垂直に貫通する複数の伝熱管２０とを備えている。フィンチューブ熱交換器１０は、伝熱管２０の内部を流れる媒体Ｂと、フィン３０の表面に沿って流れる空気Ａとを熱交換させるように構成されている。媒体Ｂは、ハイドロフルオロカーボン（Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ３２）、イソブタン、プロパン、二酸化炭素などの冷媒である。媒体Ｂは、詳細には、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒である。伝熱管２０は、１本につながっていてもよいし、複数本に分かれていてもよい。
【００１２】
図１及び図２に示すように、複数のフィン３０は、空気Ａの流れ方向の上流側（風上側）に配置された複数の第１フィン３１と、複数の第１フィン３１を通過した空気Ａが流入するように空気Ａの流れ方向の下流側（風下側）に配置された複数の第２フィン３２とを含む。本実施形態において、第１フィン３１の構造及び寸法は、第２フィン３２のそれらに等しい。つまり、第１フィン３１及び第２フィン３２は、同一部材で構成されている。本明細書において、第１フィン３１に関する説明は、特に断らない限り、第２フィン３２にも適用される。
【００１３】
ただし、第１フィン３１の構造及び寸法が、第２フィン３２のそれらと異なっていてもよい。さらに、第１フィン３１及び第２フィン３２が単一の部材で構成されていてもよい。つまり、第１フィン３１の面積と第２フィン３２の面積とを合計した面積を有するフィンを準備し、そのフィンを「フィン３０」として使用することができる。
【００１４】
図２に示すように、第１フィン３１及び第２フィン３２は、それぞれ、直線状の前縁３１ｆ及び３２ｆを有する。本明細書では、空気Ａの流れ方向に平行な方向を列方向、複数のフィン３０の並び方向と空気Ａの流れ方向との両方向に垂直な方向を段方向と定義する。前縁３１ｆ及び３２ｆは、段方向に平行である。図１に示すように、列方向、並び方向及び段方向は、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に対応している。空気Ａは、フィン３１及び３２の表面に平行な方向から熱交換器１０に流入する。
【００１５】
第１フィン３１は、例えば、長方形かつ平板の形状を有する。第１フィン３１の長手方向は段方向に一致している。本実施形態では、第１フィン３１は一定間隔（フィンピッチ）で並べられている。第１フィン３１の材料として、打ち抜き加工された肉厚０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に使用できる。第１フィン３１の表面にベーマイト処理、親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。
【００１６】
第１フィン３１は、複数の貫通孔３１ｈを有する。複数の貫通孔３１ｈは、段方向に沿って等間隔で形成されている。第１フィン３１は、複数の貫通孔３１ｈを除いたその他の領域において当該フィン３１の第１主面側（上面側）から第２主面側（下面側）への空気Ａの流れを禁止するように構成されている。つまり、第１フィン３１には、貫通孔３１ｈ以外に開口部が設けられていない。本実施形態において、第１フィン３１は、起伏を有さないフラットフィンである。同様に、第２フィン３２は、複数の貫通孔３２ｈを有する。複数の貫通孔３２ｈは、段方向に沿って等間隔で形成されている。第２フィン３２は、複数の貫通孔３２ｈを除いたその他の領域において当該フィン３２の第１主面側（上面側）から第２主面側（下面側）への空気Ａの流れを禁止するように構成されている。つまり、第２フィン３２には、貫通孔３２ｈ以外に開口部が設けられていない。本実施形態において、第２フィン３２は、起伏を有さないフラットフィンである。フラットフィンは、圧力損失を抑制する観点で有利である。また、開口部が存在しなければ、着霜による目詰まりの問題も生じない。
【００１７】
なお、「開口部が設けられていない」とは、スリット、ルーバーなどが設けられていないこと、すなわち、フィンを貫通する孔が設けられていないことを意味する。開口部が設けられていないフィンには、フラットフィン及びコルゲートフィンが含まれる。
【００１８】
貫通孔３１ｈ及び３２ｈは、列方向に沿って複数の列で形成されている。つまり、複数の貫通孔３１ｈは、上流側の列（第１列）に形成された貫通孔である。複数の貫通孔３２ｈは、下流側の列（第２列）に形成された貫通孔である。貫通孔３１ｈ及び３２ｈのそれぞれに伝熱管２０が嵌められている。
【００１９】
図１及び図２に示すように、伝熱管２０は、段方向に並ぶように第１フィン３１側に配置された複数の第１伝熱管２１と、同じく段方向に並ぶように第２フィン３２側に配置された複数の第２伝熱管２２とを含む。本実施形態において、第１伝熱管２１の外径は、第２伝熱管２２の外径に等しい。つまり、第１伝熱管２１及び第２伝熱管２２は、同一の配管（冷媒管）で構成されている。本明細書において、第１伝熱管２１に関する説明は、特に断らない限り、第２伝熱管２２にも適用される。
【００２０】
第１伝熱管２１及び第２伝熱管２２は、それぞれ、第１フィン３１の貫通孔３１ｈ及び第２フィン３２の貫通孔３２ｈに嵌められている。貫通孔３１ｈの周りにフィンカラー５ａが第１フィン３１の一部によって形成されており、フィンカラー５ａと第１伝熱管２１とが密着している。同様に、貫通孔３２ｈの周りにフィンカラー５ｂが第２フィン３２の一部によって形成されており、フィンカラー５ｂと第２伝熱管２２とが密着している。フィンカラー５ａ及び５ｂは、いわゆるバーリング加工によって形成することができる。第１伝熱管２１及び第２伝熱管２２は、フィン３０を平面視したとき、互い違いに配置されている。つまり、フィン３０を平面視したとき、貫通孔３１ｈ及び３２ｈが千鳥状に配列している。
【００２１】
貫通孔３１ｈ及び３２ｈの直径は、例えば５〜５．５ｍｍである。貫通孔３１ｈの直径及び貫通孔３２ｈの直径は、それぞれ、第１伝熱管２１の外径及び第２伝熱管２２の外径に一致している。比較的細い伝熱管２１及び２２を使用することにより、熱交換器１０の軽量化が容易となる。第１フィン３１の列方向の寸法は、例えば１５〜２５ｍｍである。第２フィン３２の列方向の寸法も例えば１５〜２５ｍｍである。
【００２２】
図３に示すように、第１フィン３１の下流端３１ｅと第２フィン３２の前縁３２ｆ（上流端）との間には、隙間３７が形成されている。この隙間３７には、第１フィン３１の下流端３１ｅと第２フィン３２の前縁３２ｆとの間に霜が跨って形成されて風路が閉塞するのを防止する役割がある。つまり、隙間３７により着霜時の圧力損失の増大を抑制できる。また、隙間３７が存在していると、第１フィン３１の下流端３１ｅの陰に第２フィン３２の前縁３２ｆが隠れないので、第２フィン３２での熱交換量も増大する。隙間３７の列方向の広さＧは、例えば１〜３ｍｍである。本実施形態では、複数の第１フィン３１及び複数の第２フィン３２が、互いに等しいフィンピッチＦｐを有する。並び方向に関して複数の第１フィン３１と複数の第２フィン３２とが互い違いに配列している。
【００２３】
伝熱管２０の外径をＤ、伝熱管２０の段方向の中心間距離をＤｐ、伝熱管２０の列方向の中心間距離をＬｐ、複数のフィン３０のフィンピッチをＦｐと定義する。具体的には、第１伝熱管２１の外径及び第２伝熱管２２の外径をＤと定義する。互いに隣り合う２つの第１伝熱管２１の中心間距離をＤｐと定義する。第２伝熱管２２の中心間距離もＤｐで表される。第１伝熱管２１の中心Ｏ1と第２伝熱管２２の中心Ｏ2との列方向の距離をＬｐと定義する。伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐの単位は、いずれも「ｍｍ」である。このとき、本実施形態のフィンチューブ熱交換器１０は、下記の関係を満足する。
【００２４】
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
【００２５】
伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐの変化に対する、熱交換器１０の熱交換量の変化及び熱交換器１０の重量の変化について説明する。
【００２６】
（伝熱管２０の外径Ｄ）
段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐを一定とし、伝熱管２０の外径Ｄを小さくすると、冷媒側熱伝達率、冷媒側伝熱面積、空気側熱伝達率及び空気側伝熱面積のバランスに応じて熱交換器１０の熱交換量が増減する。多くの場合、熱交換量は減少する。伝熱管２０の本数が一定かつ外径Ｄが小さくなるため、熱交換器１０の重量は減少する。伝熱管２０の外径Ｄを大きくすると、逆の結果が得られる。ただし、５〜５．５ｍｍの外径Ｄを有する伝熱管２０を使用することで、熱交換器１０の軽量化が容易となる。
【００２７】
（段ピッチＤｐ）
伝熱管２０の外径Ｄ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐを一定とし、段ピッチＤｐを狭めると、熱交換量は増加し、重量も増加する。段ピッチＤｐを拡げると、逆の結果が得られる。
【００２８】
（列ピッチＬｐ）
伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ及びフィンピッチＦｐを一定とし、列ピッチＬｐを狭くすると、熱交換量は減少し、重量も減少する。列ピッチＬｐを拡げると、逆の結果が得られる。
【００２９】
（フィンピッチＦｐ）
伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ及び列ピッチＬｐを一定とし、フィンピッチＦｐを拡げると、熱交換量は減少し、重量も減少する。フィンピッチＦｐを狭めると、逆の結果が得られる。
【００３０】
小さい外径Ｄを有する伝熱管２０を使用する場合、熱交換量の低下を補うために、段ピッチＤｐを狭くしたり、列ピッチＬｐを拡げたりする必要がある。同様に、フィンピッチＦｐを拡げる場合、熱交換量の低下を補うために、段ピッチＤｐを狭くしたり、列ピッチＬｐを拡げたりする必要がある。しかし、これらの変更は重量の増加を招く。つまり、フィンチューブ熱交換器１０において、熱交換量と重量の間には、トレードオフの関係が存在する。後述する数値解析の結果から明らかとなるように、上記した関係を満足するように伝熱管２０の外径Ｄ、段ピッチＤｐ、列ピッチＬｐ及びフィンピッチＦｐを調節することによって、フラットフィン又はコルゲートフィンを使用したフィンチューブ熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を改善する（最適化する）ことができる。
【００３１】
（変形例）
図４及び図５に示すように、本変形例において、フィン１３０は、空気Ａの流れ方向（列方向）に沿って山部と谷部が交互に現れるように成形されたコルゲートフィンである。コルゲートフィンによれば、フラットフィンよりも優れた伝熱性能を期待できる。その他の構成は、基本的には、図１〜３を参照した説明した通りである。本変形例では、前列の第１フィン１３１及び後列の第２フィン１３２の両方がコルゲートフィンである。ただし、フラットフィンとコルゲートフィンとを組み合わせて使用してもよい。すなわち、前列の第１フィンとしてフラットフィンを使用し、後列の第２フィンとしてコルゲートフィンを使用することができる。逆に、前列の第１フィンとしてコルゲートフィンを使用し、後列の第２フィンとしてフラットフィンを使用することができる。
【００３２】
図４及び図５に示すように、第１フィン１３１及び第２フィン１３２は、それぞれ、空気Ａの流れ方向に沿って２つの山部（又は谷部）が現れるように成形されたコルゲートフィンである。ただし、コルゲートフィンの山部（又は谷部）の数は特に限定されない。例えば、Ｖ字形に成形されたコルゲートフィン、すなわち、山部を１つのみ有するコルゲートフィンを図１に示す熱交換器１０に使用してもよい。
【００３３】
なお、図２及び図３を参照して説明したフラットフィン（フィン３０）の表面に凹部及び／又は凸部が設けられていてもよい。凹部及び／又は凸部を設けることによって、伝熱性能を向上させることができる。そのような凹部及び／又は凸部によって排水性が低下したり、ゴミ、埃などの異物の目詰まりによって伝熱性能が低下したりするおそれもない。このことは、コルゲートフィンについても同様である。
【実施例】
【００３４】
本発明のフィンチューブ熱交換器の性能を確認するため、汎用の流体解析ソフトウェアを用いて数値解析を実施した。主な解析条件を以下に示す。
【００３５】
ソフトウェア：ＦＬＵＥＮＴ（アンシスジャパン社製）
流入空気の乾球温度：３５℃
流入空気の湿球温度：２４℃
前面風速：１．２ｍ／秒
冷媒：Ｒ４１０Ａ
凝縮温度：４３℃
冷媒側熱伝達率：１２０００Ｗ／ｍ2・Ｋ
伝熱管の外径Ｄ：５ｍｍ、５．２５ｍｍ、５．５ｍｍ
伝熱管の材質：銅
第１フィンの長さ（列方向）：１８．９ｍｍ
第２フィンの長さ（列方向）：１８．９ｍｍ
フィンの厚み：０．０９ｍｍ
フィンピッチ：１．２７ｍｍ、１．３７ｍｍ、１．４１ｍｍ
フィンの材質：アルミニウム
フィンの形状：コルゲートフィン（山の高さ：１．３６ｍｍ、山の数：２、傾斜角度：１６．７°）
【００３６】
参照例として、以下の構成を有するフィンチューブ熱交換器の数値解析も行った。上記条件と異なる構成のみを記す。
伝熱管の外径Ｄ：７ｍｍ
段ピッチＤｐ：１８．３ｍｍ
列ピッチＬｐ：１８．９ｍｍ
【００３７】
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに解析結果を示す。図６Ａ及び図６Ｃのグラフにおいて、横軸は、段ピッチＤｐを伝熱管の外径Ｄで割った値を表す。図６Ｂのグラフにおいて、横軸は、列ピッチＬｐを伝熱管の外径Ｄで割った値を表す。
【００３８】
なお、図６Ａにおいて、伝熱管の外径Ｄが５．５ｍｍのときの近似カーブは、下記式（１）で表される。ｙ＝０となるのは、ｘ＝２．４９、３．７３のときである。
ｙ＝−１８．６２９*ｘ2＋１１５．８５*ｘ−７２．９６９…（１）
【００３９】
図６Ｂにおいて、伝熱管の外径Ｄが５ｍｍのときの近似カーブは、下記式（２）で表される。ｙ＝０となるのは、ｘ＝３．１５のときである。
ｙ＝−５２．４４１*ｘ2＋３８３．１４*ｘ−５８６．７５…（２）
【００４０】
図６Ｂにおいて、伝熱管の外径Ｄが５．５ｍｍのときの近似カーブは、下記式（３）で表される。ｙ＝０となるのは、ｘ＝３．６７のときである。
ｙ＝−６０．３５８*ｘ2＋４００．８９*ｘ−５５８．１３…（３）
【００４１】
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃのグラフにおいて、縦軸の「Ｑ／ΔＰａ比」は、それぞれ、以下の意味を持っている。各グラフにおいて、「Ｑ」は、解析対象の熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を表しており、「ΔＰａ」は解析対象の熱交換器の圧力損失（通風抵抗）を表している。詳細には、図６Ａのグラフにおいて、「Ｑ」は、特定の段ピッチＤｐに対して、最適な列ピッチＬｐを選択したときの解析対象の熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を表しており、「ΔＰａ」は、特定の段ピッチＤｐに対して、最適な列ピッチＬｐを選択したときの熱交換器の圧力損失を表している。図６Ｂのグラフにおいて、「Ｑ」は、特定の列ピッチＬｐに対して、最適な段ピッチＤｐを選択したときの解析対象の熱交換器の単位重量あたりの熱交換量を表しており、「ΔＰａ」は、特定の列ピッチＬｐに対して、最適な段ピッチＤｐを選択したときの熱交換器の圧力損失を表している。図６Ｃのグラフの縦軸は、列ピッチＬｐを１８．９ｍｍに固定し、段ピッチＤｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。つまり、特定のフィンチューブ熱交換器のＱ／ΔＰａ比が１００％を超えているとき、その特定のフィンチューブ熱交換器の性能は、参照例のフィンチューブ熱交換器の性能を上回っている。なお、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃでは、参照例の熱交換器（Ｄ＝７ｍｍ）の単位重量あたりの熱交換量と、参照例の熱交換器の圧力損失の比を１００とし、解析対象の熱交換器のＱ／ΔＰａを正規化した値をプロットしている。
【００４２】
図６Ａのグラフは、フィンピッチＦｐを１．３７ｍｍ、伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ又は５．５ｍｍに固定し、段ピッチＤｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。列ピッチＬｐは段ピッチＤｐに応じて最適化した。Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、特定のＤｐ／Ｄにピークを持っていた。この理由は、次の通りである。すなわち、フィンピッチＦｐ及び伝熱管の外径Ｄが一定の条件の下で段ピッチＤｐを増やすとＱ及びΔＰａが減少し、段ピッチＤｐを減らすとＱ及びΔＰａが増加する。Ｑ及びΔＰａの増加又は減少のバランスに応じて、Ｑ／ΔＰａ比のカーブがピークを持つものとなる。また、伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ、５．５ｍｍと変化させると、Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、少しずつシフトした。伝熱管の外径Ｄが５〜５ｍｍの範囲にあるとき、段ピッチＤｐが２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７の関係を満たせば、Ｑ／ΔＰａ比が１００％を超えた。
【００４３】
図６Ｂのグラフは、フィンピッチＦｐを１．３７ｍｍ、伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ又は５．５ｍｍに固定し、列ピッチＬｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。段ピッチＤｐは列ピッチＬｐに応じて最適化した。Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、特定のＬｐ／Ｄにピークを持っていた。この理由は、次の通りである。すなわち、フィンピッチＦｐ及び伝熱管の外径Ｄが一定の条件の下で列ピッチＬｐを増やすとＱ及びΔＰａが増加し、列ピッチＬｐを減らすとＱ及びΔＰａが減少する。Ｑ及びΔＰａの増加又は減少のバランスに応じて、Ｑ／ΔＰａ比のカーブがピークを持つものとなる。伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、５．２５ｍｍ、５．５ｍｍと変化させると、Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、少しずつシフトした。伝熱管の外径Ｄが５〜５ｍｍの範囲にあるとき、列ピッチＬｐが３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７の関係を満たせば、Ｑ／ΔＰａ比が１００％を超えた。
【００４４】
図６Ｃのグラフは、伝熱管の外径Ｄを５．５ｍｍ、列ピッチＬｐを１８．９ｍｍ、フィンピッチＦｐを１．２７ｍｍ、１．３７ｍｍ又は１．４１ｍｍに固定し、段ピッチＤｐを変化させたときのＱ／ΔＰａ比を表している。Ｑ／ΔＰａ比のカーブは、特定のＤｐ／Ｄにピークを持っていた。図６Ａの場合と異なり、ピークの位置は概ね一定であった（Ｄｐ／Ｄ＝３．１の位置）。
【００４５】
図６Ｃに示すように、フィンピッチＦｐが１．３７〜１．４１ｍｍの範囲にあり、かつＤｐ／Ｄが２．５〜３．７の範囲にあるとき、Ｑ／ΔＰａ比が１００％を超えた。図６Ａのグラフから理解できるように、フィンピッチＦｐが一定であれば、伝熱管の外径Ｄが５ｍｍ又は５．２５ｍｍのときのＱ／ΔＰａ比は、段ピッチＤｐ及び列ピッチＬｐを調節することによって、伝熱管の外径Ｄが５．５ｍｍのときのＱ／ΔＰａ比を上回ることができる。そのため、伝熱管の外径Ｄが５ｍｍ又は５．２５のときにおいても、フィンピッチＦｐが１．３７〜１．４１ｍｍの範囲にあり、かつＤｐ／Ｄが２．５〜３．７の範囲にあれば、Ｑ／ΔＰａ比は１００％を超える。従って、Ｆｐ／Ｄの好ましい下限値は、１．３７ｍｍ／５．５ｍｍ＝０．２５であり、Ｆｐ／Ｄの好ましい上限値は、１．４１ｍｍ／５ｍｍ＝０．２８である。
【００４６】
以上の結果から、（ａ）５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ、（ｂ）２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７、（ｃ）３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７、（ｄ）０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８の要件が導かれる。これらの要件を全て満足するフィンチューブ熱交換器の単位重量あたりの熱交換量は十分に大きい。
【００４７】
本実施例における解析条件は、空調装置の冷房定格条件に該当する。しかし、本発明のフィンチューブ熱交換器によれば、冷房中間条件、暖房定格条件、暖房中間条件などの他の条件においても冷房定格条件と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のフィンチューブ熱交換器は、空調装置、給湯機、暖房機などのヒートポンプ応用機器の室外熱交換器に適用することによって、より大きな効果を発揮する。なぜなら、フィンに開口部が設けられていないので、結露条件及び着霜条件での排水性に優れているだけでなく、ゴミ、埃などの異物による目詰まりに対しても優れているからである。
【符号の説明】
【００４９】
５ａ，５ｂ フィンカラー
１０ フィンチューブ熱交換器
２０ 伝熱管
２１ 第１伝熱管
２２ 第２伝熱管
３０ フィン
３１ 第１フィン
３１ｈ 貫通孔
３２ 第２フィン
３２ｈ 貫通孔
Ｄｐ 段ピッチ
Ｌｐ 列ピッチ
Ｆｐ フィンピッチ
Ｄ 伝熱管の外径
Ａ 空気
Ｂ 媒体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れる伝熱管とを備え、
前記複数のフィンは、それぞれ、前記伝熱管が個別に嵌められた複数の貫通孔を有し、かつ前記複数の貫通孔を除いたその他の領域において当該フィンの第１主面側から第２主面側への前記気体の流れを禁止するように構成され、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気体の流れ方向との両方向に垂直な段方向に沿って等間隔で形成されているとともに、前記流れ方向に平行な列方向に沿って複数の列で形成されており、
前記伝熱管の外径をＤ、前記伝熱管の前記段方向の中心間距離をＤｐ、前記伝熱管の前記列方向の中心間距離をＬｐ、前記複数のフィンのフィンピッチをＦｐと定義したとき、
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
の関係を満たす、フィンチューブ熱交換器。
【請求項２】
前記複数のフィンは、それぞれ、コルゲートフィンである、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
【請求項３】
前記複数のフィンが、前記列方向の上流側に配置された複数の第１フィンと、前記列方向の下流側に配置された複数の第２フィンとを含み、
前記複数の第１フィン及び前記複数の第２フィンが、互いに等しい前記フィンピッチＦｐを有し、
前記並び方向に関して前記複数の第１フィンと前記複数の第２フィンとが互い違いに配列している、請求項１又は２に記載のフィンチューブ熱交換器。
【請求項１】
気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れる伝熱管とを備え、
前記複数のフィンは、それぞれ、前記伝熱管が個別に嵌められた複数の貫通孔を有し、かつ前記複数の貫通孔を除いたその他の領域において当該フィンの第１主面側から第２主面側への前記気体の流れを禁止するように構成され、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気体の流れ方向との両方向に垂直な段方向に沿って等間隔で形成されているとともに、前記流れ方向に平行な列方向に沿って複数の列で形成されており、
前記伝熱管の外径をＤ、前記伝熱管の前記段方向の中心間距離をＤｐ、前記伝熱管の前記列方向の中心間距離をＬｐ、前記複数のフィンのフィンピッチをＦｐと定義したとき、
５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍ
２．５≦Ｄｐ／Ｄ≦３．７
３．１≦Ｌｐ／Ｄ≦３．７
０．２５≦Ｆｐ／Ｄ≦０．２８
の関係を満たす、フィンチューブ熱交換器。
【請求項２】
前記複数のフィンは、それぞれ、コルゲートフィンである、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
【請求項３】
前記複数のフィンが、前記列方向の上流側に配置された複数の第１フィンと、前記列方向の下流側に配置された複数の第２フィンとを含み、
前記複数の第１フィン及び前記複数の第２フィンが、互いに等しい前記フィンピッチＦｐを有し、
前記並び方向に関して前記複数の第１フィンと前記複数の第２フィンとが互い違いに配列している、請求項１又は２に記載のフィンチューブ熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９２３０６（Ｐ２０１３−９２３０６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４７９３（Ｐ２０１１−２３４７９３）
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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