JP2004028398A - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】接触熱抵抗並びに空気の通風抵抗を極力小さくすることにより熱交換性能を向上させることができ、製造性に優れたコンパクトな熱交換器及び空気調和機を提供する。
【解決手段】直径が５．３ｍｍ以下の細径膨管部２（又は３）が１本以上固定され、この細径膨管部２の一部又は全部を蒸発又は凝縮を行う冷媒回路として用いるロールボンドパネル１１（又は１２）を複数積層する。この積層時に、細径膨管部２，３が上下で重ならず、各々の細径膨管部２，３の間を空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒を蒸発又は凝縮させて熱交換を行う熱交換器及び空気調和機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、空気調和機に用いられたクロスフィン型熱交換器は、伝熱管と伝熱管の外側表面積を拡大するためのフィンで構成され、伝熱管内に冷媒を通すと共に、伝熱管外に空気を流し、冷媒を伝熱管内で蒸発・凝縮させることにより、必要な熱交換を行っている。クロスフィン型熱交換器の製造方法としては、フィンを成形後スタックしておき、その後に伝熱管を、重ねられたフィンの通孔中を通し、管内に拡管マンドレルを挿入して伝熱管とフィンとを密着させる機械的拡管方法が一般に知られている。
【０００３】
一方、プレート式熱交換器では、積層した複数のプレート相互間に流路を形成し、これらの流路に温度の異なる流体を交互に流す事により熱交換を行う構成となっており、多管式等の従来の熱交換器に比べて大幅にコンパクト化できるメリットがある。例えば特開平１１−２２９９５号公報では、伝熱管とプレートを結合したプレートを用いることにより、クロスフィン型熱交換器とプレート式熱交換器の長所を合わせた、設計の自由度が高い熱交換器を提供している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の熱交換器においては、次のような問題がある。クロスフィン型熱交換器の性能は、拡管過剰による伝熱管内面溝つぶれや、拡管不十分による接触熱抵抗などにより、伝熱管及び伝熱管外のフィンの性能の和より５〜１０％ダウンしてしまう。一般に伝熱管の性能が４０％アップすると、熱交換器の性能は５〜１０％アップとなるが、拡管により、この性能アップ分をキャンセルしてしまうことがある。
【０００５】
また、クロスフィン型熱交換器を製造するためには、伝熱管とフィンを別々に成形し、伝熱管をヘアピン状に折り曲げて、フィンの通孔中を通し、拡管した後、リターンベンド材をろう付けしなければならず、製造性に優れているとは言い難い。
【０００６】
一方、プレート式熱交換器は、同じ形状のプレートを積層しているため、１次側流体と２次側流体との流路断面積が殆ど同じとなる。このため、１次側流体にフロン、２次側流体に水を用いた場合には、熱抵抗比を同程度にするため２次側は大きい流量を流すことにより流動抵抗が増加し、２次側流体の循環ポンプ所要動力が大きくなってしまう。また、１次側にフロン、２次側流体に空気を用いることは、熱抵抗比の違いが大きすぎるため難しい。
【０００７】
また、伝熱管とプレートを結合したプレートは、溶接した場合、接触熱抵抗はほぼ０となるが、この場合製造性が悪い。固定金具で固定した場合は、接触熱抵抗の問題を解決することが難しい。
【０００８】
一般に、空気調和機用熱交換器に使用されている現状のクロスフィンチューブ熱交換器は、２次側流体である空気と１次側流体である冷媒と接触熱抵抗比が７：２：１となっており、非常にアンバランスである。このため、空気側の性能を上げなければ全体の性能向上につながらない。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、接触熱抵抗並びに空気の通風抵抗を極力小さくすることにより熱交換性能を向上させることができ、製造性に優れたコンパクトな熱交換器及び空気調和機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、冷媒を蒸発又は凝縮させて熱交換を行う熱交換器において、膨管部が１本以上固定され、この膨管部の一部又は全部を蒸発又は凝縮を行う冷媒回路として用いるロールボンドパネルを複数積層し、この積層時に、前記膨管部が上下で重ならず、且つ各々の膨管部の間に空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
また、前記膨管部は、直径が５．３ｍｍ以下であることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の空気調和機は、少なくとも凝縮器又は蒸発器を含む複数の熱交換器を用いた空気調和機において、前記複数の熱交換器のうち少なくとも１つは、膨管部が１本以上固定され、この膨管部の一部又は全部を蒸発又は凝縮を行う冷媒回路として用いるロールボンドパネルを複数積層し、この積層時に、前記膨管部が上下で重ならず、且つ各々の膨管部の間に空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにした熱交換器であることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。図２は図１の右側面図である。
【００１５】
この図１及び図２に示す熱交換器は、多パス熱交換器であり、多数の細径膨管部２，３を平行に配列してパネルで接続固定したロールボンドパネル１１，１２を、各々の細径膨管部２，３が上下で重ならないように積層して構成したものである。
【００１６】
多数の細径膨管部２，３のうち、図面上ハッチングを施した細径膨管部２は内部に冷媒が流れる冷媒回路用のものであり、他の細径膨管部３は拡大伝熱面として作用するものである。この他の非膨管部４も拡大伝熱面として作用するものである。また、細径膨管部２の内部に流れる冷媒の方向を矢印Ｙ１で示し、細径膨管部２の外部に流れる空気の方向を矢印Ｙ２で示した。
【００１７】
この熱交換器において、従来の空気調和機用熱交換器と同等の能力、コンパクトさを得るためには、空気側伝熱面積の伝熱管表面積に対する拡大率と、熱交換器の体積に占める空気側伝熱面積比が同程度である必要がある。従来の空気調和機用熱交換器の空気側伝熱面積の伝熱管表面積に対する拡大率は約１５倍、熱交換器の体積に占める空気側伝熱面積比は約１．３４（ｍ２／ｍ３）である。
【００１８】
本実施の形態の熱交換器の場合、空気側伝熱面積の伝熱管表面積に対する拡大率は、細径膨管部２の冷媒回路と細径膨管部３の拡大伝熱面との割合で調節することができる。すなわち、空気側伝熱面積の伝熱管表面積に対する拡大率を大きくする場合は、一枚のロールボンドパネル１１上に設けられた細径膨管部２，３のうち、冷媒回路として使用する細径膨管部２の割合を小さく、拡大伝熱面として使用する細径膨管部３の割合を大きくすればよい。
【００１９】
一方、従来の空気調和機用熱交換器と同等のコンパクトさを得るためには、熱交換器の体積に占める空気側伝熱面積比を従来の約１．３４（ｍ２／ｍ３）にする必要がある。そこで、図３に示すように、細径膨管部直径ｄに対する隣り合うロールボンドパネル１１，１２のピッチ（以下、フィンピッチと呼ぶ）の倍率ｋを変化させたときに、熱交換器の体積に占める空気側伝熱面積比が従来の約１．３４（ｍ２／ｍ３）になる膨管部直径ｄを計算して求めると、膨管部直径ｄはフィンピッチの膨管部直径ｄに対する倍率ｋが大きくなるにつれ、減少する。
【００２０】
なお、図３に示す入口開口部５に対して空気側流路断面積が減少しないように、すなわち空気側の通風抵抗が増大しないように開口部６を設定している。図４は、フィンピッチの膨管部直径に対する倍率ｋと膨管部直径ｄの関係を計算した結果であり、この結果によれば最大直径は５．３ｍｍである。従って、本実施の形態の熱交換器では、細径膨管部２，３の直径ｄが５．３ｍｍ以下の場合について有効に作用すると言える。
【００２１】
このように直径が５．３ｍｍ以下の細径膨管部２，３が上下で重ならず、各々の細径膨管部２，３の間を空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにロールボンドパネル１１，１２を積層すれば、空気の流路断面積に増減がなく、通風抵抗の小さい熱交換器を得ることができる。また、細径管のメリットである空気側の通風抵抗を減少させると同時に、空気の流れに対し膨管部２，３の背面側における剥離を防止し、空気側の性能を向上させることができる。
【００２２】
また、本実施の形態の熱交換器は、ロールボンドパネル１１，１２において伝熱管と拡大伝熱面であるフィンが一体であるため、接触熱抵抗が殆ど無くなり、また、上記のように通風抵抗が小さいので、これより熱交換性能を、従来の熱交換器に比べ５〜１０％向上させることができる。
【００２３】
また、細径膨管部２，３による伝熱管と拡大伝熱面であるフィンが一体となったロールボンドパネル１１を積層すればよいので、容易に熱交換器を製造することができる。
【００２４】
また、ロールボンドパネル１１，１２に１本以上の膨管部を形成し、そのうちの一部を冷媒回路として使用すれば、残りの膨管部が拡大伝熱面として作用する。これより、熱交換器をよりコンパクトにすることが可能である。
【００２５】
また、ロールボンドパネル１１，１２により、伝熱管と拡大伝熱面であるフィンを兼ねるため、ヘアピン加工、拡管などの製造工程を省略することができ、コスト低減化を図ることができる。ロールボンドパネルをクロスフィン型熱交換器として組み立てる場合、膨管部内面はペア管となり、従来の細径伝熱管に比べ管内熱伝達率は劣ることが予想される。しかし、例えば直径４ｍｍの細径伝熱管の場合、従来と同程度の圧力損失とするには、現行に比べて４倍に多パス化することが必要なため、１パスあたりの冷媒流量は非常に小さくなる。このため、伝熱管による差異がほとんどなく、管内熱伝達率の減少はそれほど大きくないと言える。
【００２６】
次に、上記実施の形態の熱交換器を、室外熱交換器及び室内熱交換器に用いた空気調和機の構造概念図を図５に示し、その説明を行う。
【００２７】
図５に示す空気調和機は、ヒートポンプ式冷凍サイクルを構成しており、室外熱交換器２１と、室内熱交換器２２と、これらに接続される圧縮機２３と、冷・暖房における冷媒の流れを切り換える四方弁２４と、膨張弁２５とを備えて構成されている。ここで、室外熱交換器２１及び室内熱交換器２２が、いずれも上記実施の形態の熱交換器で構成されている。
【００２８】
このような構成の空気調和機における冷暖房時の動作を説明する。但し、図５に示す実線矢印は冷房時の冷媒の流れを示し、波線矢印は暖房時の冷媒の流れを示す。
【００２９】
まず、冷房時には、室内熱交換器２２において、低温・低圧の液体で送られてきた冷媒が蒸発して低温・低圧の気体となる。この時、周囲の空気から熱を奪う。ここで送風を行うと冷たい風となって室内が冷やされる。気体となった冷媒は、四方弁２４を介して圧縮機２３に送られ、ここで圧縮され、高温・高圧の気体となり、更に四方弁２４を介して室外熱交換器２１へ送られる。この冷媒は室外熱交換器２１で外気によって凝縮され、この際、熱が外に放出されて高圧の液体となる。この冷媒は、膨張弁２５を通って膨張することで低温・低圧の液体となり、再び室内熱交換器２２へ送られ、以降上記同様の冷房動作を繰り返す。
【００３０】
暖房の場合は、四方弁２４によって冷媒の流れが波線矢印で示すように上記と逆になる。室外熱交換器２１で蒸発して吸熱することによって低温・低圧の気体となった冷媒は、四方弁２４を介して圧縮機２３に送られ、ここで圧縮され、高温・高圧の気体となります。この冷媒は四方弁２４を介して室内熱交換器２２に送られ、ここで凝縮され、液化する時に熱を放出する。この時、温風となって暖房が行われる。最後に冷媒は膨張弁２５を通って低温・低圧の液体となり、室外熱交換器２１へ送られ、以降上記同様の暖房動作を繰り返す。
【００３１】
つまり、本空気調和機において、冷房時には、室内熱交換器２２が蒸発器として、室外熱交換器２１は凝縮器として各々機能し、暖房時には、室内熱交換器２２が凝縮器として、室外熱交換器２１が蒸発器として各々機能する。このような空気調和機においても、前述した熱交換器と同様な効果を、室外熱交換器２１及び室内熱交換器２２において得ることが可能となる。
【００３２】
以上、本実施の形態の熱交換器を空気調和機として用いた場合の説明を行ったが、１次側流体に水、２次側流体に空気を使用した熱交換器や、一般的なプレート熱交換器としても使用可能であることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷媒を蒸発又は凝縮させて熱交換を行う熱交換器において、細径膨管部が１本以上固定され、この細径膨管部の一部又は全部を蒸発又は凝縮を行う冷媒回路として用いるロールボンドパネルを複数積層し、この積層時に、細径膨管部が上下で重ならず、且つ各々の細径膨管部の間に空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにしたので、接触熱抵抗並びに空気の通風抵抗を極力小さくすることにより熱交換性能を向上させることができ、製造性に優れたコンパクトな熱交換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図２】上記熱交換器の右側面図である。
【図３】上記熱交換器の右側面の拡大図である。
【図４】上記熱交換器におけるフィンピッチの膨管部直径に対する倍率ｋと膨管部直径ｄとの関係を示す図である。
【図５】上記熱交換器を室外熱交換器及び室内熱交換器に用いた空気調和機の構造概念図である。
【符号の説明】
２　冷媒回路として使用する細径膨管部
３　拡大伝熱面として使用する細径膨管部
４　非膨管部
５　入口開口部
６　開口部
１１，１２　ロールボンドパネル
２１　室外熱交換器
２２　室内熱交換器
２３　圧縮機
２４　四方弁
２５　膨張弁
ｄ　細径膨管部直径
ｋ　フィンピッチの膨管部直径に対する倍率
Ｙ１　冷媒の流れ
Ｙ２　空気の流れ

Claims (3)

1. 冷媒を蒸発又は凝縮させて熱交換を行う熱交換器において、
   膨管部が１本以上固定され、この膨管部の一部又は全部を蒸発又は凝縮を行う冷媒回路として用いるロールボンドパネルを複数積層し、この積層時に、前記膨管部が上下で重ならず、且つ各々の膨管部の間に空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにした
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記膨管部は、直径が５．３ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 少なくとも凝縮器又は蒸発器を含む複数の熱交換器を用いた空気調和機において、
   前記複数の熱交換器のうち少なくとも１つは、膨管部が１本以上固定され、この膨管部の一部又は全部を蒸発又は凝縮を行う冷媒回路として用いるロールボンドパネルを複数積層し、この積層時に、前記膨管部が上下で重ならず、且つ各々の膨管部の間に空気の通風抵抗がほぼ一定乃至は一定となる間隔が形成されるようにした熱交換器である
   ことを特徴とする空気調和機。

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