JP2010025490A - 熱交換器及びこれを使用する空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】パラレルフロー型熱交換器において、コルゲートフィンの形状に改良を加えることにより、除霜水や結露水をスムーズに排水できるようにする。
【解決手段】熱交換器１は、間隔を置いて平行に配置された上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３と、上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の間に所定ピッチで複数配置され、内部に設けた冷媒通路５を上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３の内部に連通させた偏平チューブ４と、偏平チューブ４間に配置されたコルゲートフィン６を備える。コルゲートフィン６は、襞の角が直角に折り曲げられて正面形状矩形の通風空間１０を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器及びこれを使用する空気調和機に関する。

複数本（例えば２本）のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器はカーエアコンや建物用空気調和機の室外側ユニットなどに広く利用されている。

従来のパラレルフロー型熱交換器の一例を図５に示す。熱交換器１は、複数本のヘッダパイプとして、それぞれが水平な上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の２本のヘッダパイプを所定間隔で平行に配置している。図５において、紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側であり、上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の間に複数の偏平チューブ４が長手方向を垂直にして所定ピッチ（チューブピッチ）で配置されている。偏平チューブ４はアルミニウム等熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３も熱伝導の良い金属からなり、上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３と偏平チューブ４はロウ付けや溶着により固定される。

偏平チューブ４は押出成型方向を垂直にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も垂直になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図５の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４はハーモニカのような断面を呈する。各冷媒通路５は上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３の内部に連通する。

偏平チューブ４同士の間には熱伝導の良い金属からなるコルゲートフィン６が配置される。コルゲートフィン６の襞形状には図６に示すものや図７に示すものがある。図６に示すコルゲートフィン６の襞形状は鋸歯状であって、頂点が横に向き、且つ頂角が鋭角の二等辺三角形を、頂点の向きを互い違いにして積み重ねた形になっている。図７に示すコルゲートフィン６の襞形状は、襞の頂部が半円形になっている。偏平チューブ４とコルゲートフィン６は溶着により固定される。

上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の間に多数の偏平チューブ４を設け、偏平チューブ４間にコルゲートフィン６を設けた構造であるから、熱交換器１の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。下部ヘッダパイプ３の一端には冷媒流入口７が設けられ、上部ヘッダパイプ２の一端には、冷媒流入口７と対角をなす位置に冷媒流出口８が設けられている。

パラレルフロー型の熱交換器１を蒸発器として使用する場合、冷媒通路５を低温の冷媒が流れ、偏平チューブ４やコルゲートフィン６の表面温度が低下する。これにより、空気中の水分が偏平チューブ４やコルゲートフィン６の表面に霜となって付着するという現象（着霜現象）が起きる。着霜が生じると偏平チューブ４やコルゲートフィン６から空気への冷熱伝達が悪くなり、またコルゲートフィンの６の間隔が狭められて空気が流れにくくなるので、熱交換効率が低下する。このため、時々は蒸発器と凝縮器の役割を逆転する除霜運転を行い、霜を溶かすようにしている。

霜が溶けた水、すなわち除霜水が偏平チューブ４やコルゲートフィン６に付着したままであると、除霜運転から通常運転に戻ったときにそれが結氷し、熱交換効率を低下させてしまう。また、除霜を繰り返すと氷が成長して熱交換器を破壊する可能性もある。従って除霜水は速やかに排水する必要がある。

また、空気調和機の室内ユニットでは、冷房運転の際に室内空気との熱交換で熱交換器に結露が生じる。空気調和機の室外ユニットでは、暖房運転の際に室外空気との熱交換で熱交換器に結露が生じる。結露水も、空気流通路の断面積を狭めて熱交換性能を低下させる原因となるので、速やかに排水する必要がある。

除霜水や結露水を速やかに排水するため、特許文献１に記載されたパラレルフロー型熱交換器では、コルゲートフィンの波型の谷線と稜線を熱交換器奥行き方向に傾斜させ、除霜水が傾斜したフィン面に沿ってフィン下端面まで流れ、偏平チューブに沿って流れ落ちるようにしている。
特開２００４−１７７０４０号公報

パラレルフロー型熱交換器で除霜を行う場合、水の表面張力によるブリッジ現象（水の膜が張ること）が問題となる。コルゲートフィンの間にブリッジ現象が生じると、水がコルゲートフィンの端まで垂れて来ても、そこに膜を張るのみで、滴下に至らないということになる。このことは除霜水についても結露水についても言える。

図６に示すコルゲートフィン６は、襞の鋭角部分９ａを起点としてブリッジ現象が生じやすい。図７に示すコルゲートフィン６は、半円形の頂部の外側で先すぼまりになっている隅部９ｂを起点としてブリッジ現象が生じやすい。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パラレルフロー型熱交換器において、コルゲートフィンの形状に改良を加えることにより、除霜水や結露水をスムーズに排水できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された複数本のヘッダパイプと、前記複数本のヘッダパイプの間に所定ピッチで複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ間に配置されたコルゲートフィンとを備えた熱交換器において、前記コルゲートフィンは、襞の角が直角に折り曲げられて正面形状矩形の通風空間を形成していることを特徴としている。

この構成によると、コルゲートフィンの襞から水膜の張りやすい鋭角の、あるいはすぼまった隅部が排除され、ブリッジ現象が生じにくい。このため、除霜水がスムーズに流れ落ちることになり、除霜運転から通常運転に復帰したとき、排水されないまま残留した水滴が凍結して熱交換性能を損なうというおそれが少ない。結露水も除霜水と同じように流れ落ちるので、空気流通路の断面積が水によって狭められ、熱交換性能を低下させることを懸念せずに済む。

上記構成の熱交換器において、前記通風空間は、正面形状の矩形の寸法が、短辺は５mm
以上、長辺は１０mm以上に設定されていることが好ましい。

上記構成の熱交換器において、前記コルゲートフィンはアルミニウム製であることが好ましい。

上記構成の熱交換器において、前記コルゲートフィンは素材形状が鋸歯状であり、この素材を互いに平行な２枚の平板で挟んで圧迫することにより角が直角な襞形状を得たものであることが好ましい。

このような構成にすれば、所望の襞形状を能率良く形成することができる。

また本発明は、上記熱交換器ユニットを使用する空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、除霜水や結露水が生じても熱交換性能が低下しにくい空気調和機を得ることができる。

本発明によると、コルゲートフィンの襞から水膜の張りやすい鋭角の、あるいはすぼまった隅部が排除されてブリッジ現象が生じにくくなるので、除霜水や結露水はスムーズに流れ落ち、それらによる熱交換性能の低下を懸念せずに済む。

以下本発明の実施形態を図１に基づき説明する。図１は熱交換器の部分正面図である。図５に示した従来構造の熱交換器と機能的に共通する要素には図５で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。

図１に示すコルゲートフィン６は、襞の角が直角に折り曲げられている。このため、コルゲートフィン６の襞の間には正面形状矩形の通風空間１０が形成されることになる。

上記構成によると、コルゲートフィン６の襞から水膜の張りやすい鋭角の、あるいはすぼまった隅部が排除され、ブリッジ現象が生じにくい。このため、除霜水がスムーズに流れ落ちることになり、除霜運転から通常運転に復帰したとき、排水されないまま残留した水滴が凍結して熱交換性能を損なうというおそれが少ない。結露水も除霜水と同じように流れ落ちるので、空気流通路の断面積が水によって狭められ、熱交換性能を低下させることを懸念せずに済む。

偏平チューブ４とコルゲートフィン６の素材金属はいずれもアルミニウムとする。そして、コルゲートフィン６の襞の間に形成される通風空間１０の正面形状の矩形は、短辺は５mm以上、長辺は１０mm以上に寸法を設定する。寸法をこのように設定することにより、
除霜水や結露水はブリッジ現象を生じることなくスムーズに流れ落ちる。短辺も１０mm
以上とすれば、さらによい。通風空間１０の寸法がこのようになるように、偏平チューブ４のチューブピッチとコルゲートフィン６のフィンピッチを設定する。

上記寸法設定は、図２に示す排水性試験結果に基づくものである。試験では、アルミニウム板を用いて内部空間（通風空間）の正面形状が矩形である枠状の試験片を作成した。試験片は、矩形のＸ方向寸法とＹ方向寸法を様々に変えて複数種類作成した。この試験片を、内部空間の軸線が垂直になるようにして、下端から５mmのところまで水に沈め、それ
からゆっくりと引き上げた。試験片が水から離れてから１０秒後、内部空間にブリッジ現象が生じているかどうかを調べた。ここでは内部空間の断面積の１割以上に水が膜を張っていたとき「ブリッジ現象あり」と判定するものとした。この試験を１個の試験片につき３回ずつ行い、３回ともブリッジ現象を生じなければ表中に「○」で表示した。３回中１回、もしくは２回ブリッジ現象を生じた場合は表中に「△」で表示した。３回ともブリッジ現象を生じた場合は表中に「×」で表示した。

上記試験結果より、内部空間（通風空間）の正面形状である矩形の寸法を、短辺は５mm
以上、長辺は１０mm以上とすることにより、ブリッジ現象が生じにくくなることがわかる
。短辺も１０mm以上とすれば、ブリッジ現象は生じない。

襞の角が直角に折り曲げられたコルゲートフィン６は、次のようにして形成することができる。

まず第１の方法としては、アルミニウム板をプレス加工して正面形状が矩形の襞を連続させるという方法がある。

第２の方法としては、図３に示す方法がある。ここでは、図６に示すものと同様に襞形状が鋸歯状となった素材１１を用意する。この素材１１を互いに平行な２枚の平板１２で挟んで圧迫すると、図の右側に見られるように、角が直角な襞形状を有するコルゲートフィン６を得ることができる。このような製造方法を採用すれば、所望形状のコルゲートフィン６を能率良く製造することができる。

図４には図３の変形例を示す。図４の素材１１は、鋭角と鈍角が交互に出現する襞形状を有している。この素材１１も、互いに平行な２枚の平板１２で挟んで圧迫すれば、図の右側に見られるように、角が直角な襞形状を有するコルゲートフィン６となる。

本発明に係る熱交換器１は、例えば空気調和機で使用することができる。その場合、空気調和機の内部に熱交換器１を、次のように設置するのが好ましい。すなわち上部ヘッダパイプと下部ヘッダパイプの長手方向を水平にした上で、側面から見ると偏平チューブ４が傾斜しているように設置する。偏平チューブ４は、風上側が上を向き、風下側が下を向くように傾斜させる。このように設置すれば、コルゲートフィン６の通風空間は風上側が高く、風下側が低くなるので、コルゲートフィン６の表面に生じた除霜水や結露水は、重力によってコルゲートフィン６の風下側端部に流れて行く。コルゲートフィン６の風下側端部に達した水はブリッジ現象を生じることなく熱交換器１の下部に流れ、あるいは落ちて行く。

偏平チューブ４の傾斜をさらに極端にして、側面から見て水平であるように設置することもできる。コルゲートフィン６の表面に生じた除霜水や結露水は重力によってコルゲートフィン６の風下側端部に流れ、そこから滴り落ちる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

発明の実施形態に係る熱交換器の部分正面図 コルゲートフィンの排水性試験の結果を示す表 コルゲートフィン形成方法の説明図 コルゲートフィン形成方法の変形例の説明図 従来のパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 従来のコルゲートフィン形状を示すパラレルフロー型熱交換器の部分正面図 従来のコルゲートフィン形状の他例を示すパラレルフロー型熱交換器の部分正面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 上部ヘッダパイプ
３ 下部ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ 冷媒流入口
８ 冷媒流出口
１０ 通風空間
１１ 素材
１２ 平板

Claims (5)

1. 間隔を置いて平行に配置された複数本のヘッダパイプと、前記複数本のヘッダパイプの間に所定ピッチで複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ間に配置されたコルゲートフィンとを備えた熱交換器において、
   前記コルゲートフィンは、襞の角が直角に折り曲げられて正面形状矩形の通風空間を形成していることを特徴とする熱交換器。
2. 前記通風空間は、正面形状の矩形の寸法が、短辺は５mm以上、長辺は１０mm以上に設定
   されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記コルゲートフィンはアルミニウム製であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記コルゲートフィンは素材形状が鋸歯状であり、この素材を互いに平行な２枚の平板で挟んで圧迫することにより角が直角な襞形状を得たものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器を使用することを特徴とする空気調和機。

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