JP2010249374A - フィンチューブ型熱交換器並びに空調冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱性能が高く、蒸発器として用いられた場合の露飛びの発生を抑制し、製造性が高くコストの低減が可能なフィンチューブ型熱交換器並びに空調冷凍装置を提供する。
【解決手段】壁掛け用ルームエアコン室内機において、複数平行に配置され、その間を空気が流動する開口部を有した板状フィン1とこの各板状フィン1へ空気流れ方向に直角に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、気体通過方向に対して直角方向の段方向へ複数段設けられるとともに気体通過方向の列方向に２列設けられたテーパ形状のアルミニウム製の扁平管を用いた主熱交換器であって、前記位置の扁平管と他の扁平管を接続する円管とで構成し、この接続部を前記扁平管とを円管−扁平管形状のジョイントを用いて接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒と気体等の流体間での熱交換を行うためのフィンチューブ型熱交換器、並びにこのフィンチューブ型熱交換器を用いた空調冷凍装置に関するものである。

従来、伝熱管に扁平管を用い、扁平管挿入用の開口部を持つ１列の熱交換器であって、扁平管の重力方向下部に常にフィンを配することによって、この熱交換器が蒸発器として使用された時の凝縮水の流路をフィン下部に確保して排水を行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。

この扁平状の伝熱管を用いた熱交換器を製造するためには、適宜間隔をおいて多数重ねられた板状フィン1を治具で固定し、各板状フィンの挿通穴に挿入して板状フィンと扁平管を密着させ、その後、ロウ材や、接着剤によって密着させている。

特開２００３−２６２４８５号公報（第９頁、図２０）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来の熱交換器は、扁平管の空気流れ方向前縁にフィンを配しており、熱交換性能が小さくなるという問題があった。

また、１列熱交換器であるため凝縮器として用いられる場合、冷媒−空気の対向流化がなされず、熱交換性能が小さくなるという問題があった。

本発明は、上で述べたような問題点を解決するためになされたものであり、扁平管の特徴である、伝熱管部で、管部後流の死水域を減少させ、通風抵抗の減少および熱交換量の向上を図るとともに、伝熱性能が高く、蒸発器として用いられた場合の露飛びの発生を抑制し、製造性が高くコストの低減が可能なフィンチューブ型熱交換器並びにこのフィンチューブ型熱交換器を用いた空調冷凍装置を提供することを目的としている。

本発明のフィンチューブ型熱交換器は、空気の通過方向に複数列設けられた熱交換器を室内機の少なくとも前面側と背面側に備え、前記熱交換器の各々は、所定の間隔で積層され、板状の面の一方向に複数の挿通口を有する熱伝導性の複数のフィンと、この複数のフィンに前記挿通口を介してほぼ垂直に挿入され、テーパ状の扁平形状を有する複数の伝熱管である扁平管と、一方の扁平管と隣接する他方の扁平管とを接続する円管と、前記扁平管と前記円管との接続部において、一端が前記扁平管の一端と接続され、他端が前記円管の一端と接続される円管−扁平管形状のジョイントと、を備えたものである。

本発明によれば、熱交換器の扁平管同士を接続する円管と、扁平管と円管との接続部において、一端が前記扁平管の一端と接続され、他端が前記円管の一端と接続される円管−扁平管形状のジョイントを備えたので、空調機におけるヘッダによる冷媒流路確保と比べ、熱交換器の冷媒流路形態の汎用性を飛躍的に向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１における熱交換器構成の側面断面図である。 本発明の実施の形態１における冷媒流路を示す側面図である。 本発明の実施の形態１における円管−扁平管形状のジョイントを示す断面図および斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるＵベンドおよび３方管を示す側面図である。 本発明の実施の形態１における熱交換器を用いた空調機の冷媒配管を持たない側（ヘアピン側）の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１におけるヘアピンの形状を示す側面図である。 本発明の実施の形態１におけるプレス前の扁平管を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるプレス後の扁平管を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における熱交換器を用いた空調機のヘアピン側にＵベンドおよびジョイントを用いた場合の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態1におけるフィンの形状を示す外観図である。 本発明の扁平管熱交換器を示す正面図および側面図である。 本発明の扁平管熱交換器を示す正面図および側面図である。 本発明の実施の形態１におけるフィンを製造する際のプレス方向（フィン送り方向）を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における凝縮水流路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１が用いられる空調冷凍装置の冷媒回路を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態1における熱交換器の側面断面図である。本実施の形態１において熱交換器は前面下部および前面上部に置かれた扁平管を用いた主熱交換器３，４と背面に置かれた扁平管を用いた主熱交換器5および空気流れ方向の１列目に配置される円管を用いた補助熱交換器６，７，８で構成される。なお、添え字a,ｂは主熱交換器において、空気流れ方向の風上側と風下側の熱交換器を示す。

本実施の形態１において、空気流れ方向２列目と３列目に配置される主熱交換器について説明する。前面下部に配置される主熱交換器3aおよび3bは、フィン1の積層方向のピッチFpはFp=0.0012mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気の流れ方向のフィン幅はL＝0.0127m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の距離DpはDp=0.01425ｍ、フィンの段方向の長さLは0.119ｍ、また、前面上部に配置される主熱交換器4aおよび4bはFp=0.001２mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気のながれ方向のフィン幅はL＝0.0127m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の距離DpはDp=0.0127m、フィンの段方向の長さLは0.116ｍ、また、背面に配置される主熱交換器5aおよび5bはFp=0.001２mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気のながれ方向のフィン幅はL＝0.01２7m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の距離DpはDp=0.01425m、である。伝熱管は扁平形状とし、フィンカラーと伝熱管がロウ付けおよび接着剤により、接合されている。また、主熱交換器において、扁平管は千鳥状に配列され、列毎にフィンは分割されている。

円管を用いた補助熱交換器６、７、８は、フィン1の積層方向のピッチFpはFp=0.001３mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気のながれ方向のフィン幅はL＝0.0127m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の中心の距離DpはDp=0.0204、伝熱管の断面形状は円形状とし、フィン前縁部まで、フィンカラーと伝熱管が機械拡管により、圧接合されている。

上記のように構成される扁平管を用いた熱交換器において、扁平管２および円管はアルミニウム合金製押し出し形材にて形成され、板状フィン１はアルミニウム合金製板材にて形成されている。このように熱交換器全てを同じ材質とすることで、腐食の耐力は向上する。

また、主熱交換器において扁平管を千鳥状に配列することで、扁平管前縁の熱伝達率が向上し、熱交換器性能は向上する。

また、主熱交換器において、２列目と３列目のフィンを分割することで、熱交換器の配置が室内機箱内において様々に対応でき、２列目のフィンにおける前縁効果（空気境界層分断効果）による熱伝達率向上も期待出来る。

また、各主熱交換器のフィンの長さを
前面下部熱交換器３のフィン長＞前面上部熱交換器４のフィン長≧背面熱交換器５のフィン長
とすることで、送風機９と前面上部熱交換器４との間の距離が大きく取れるため、送風機への空気流入角αが小さくなるため、送風機回転を補助し、送風機入力が低減できる。

図２は本実施の形態１における冷媒流路を示す側面図であり、熱交換器を用いた空調機の冷媒流路を構成するために設けられる接続配管および冷媒流路を示す冷媒配管を有する側（Ｕベンド側）の側面図である。蒸発器として用いられる場合、冷媒は補助熱交換器６より流入し、補助熱交換器７の上部から、冷媒を１流路から２流路に分岐させる分岐管１８により主熱交換器の前面上部４aと前面下部３aに流入し、熱交換器に付設されるバルジ成型の３方管１７によりさらに２分岐される。その後、前面上部４aと前面下部３aで３方管１７にて合流し、さらに分岐管１８にて合流後、再熱弁１９を通過後、分岐管１８にて再分岐され、ユニット背面に入り、補助熱交換器８を通過後、主熱交換器５ａと５ｂの列を跨いだ３方管１７により２分岐される。主熱交換器５ａと５ｂ中で冷媒配管をたすき掛け状に列を入れ替えるように配置（20）し、冷媒流れは空気流れ方向下流の主熱交換器５ｂから空気流れ方向上流の主熱交換器5a、空気流れ方向下流の主熱交換器５ａから空気流れ方向上流の主熱交換器５ｂと入れ替わるようにする。その後、冷媒は主熱交換器５ａと５ｂの列を跨いだ３方管１７により合流し、流出する。このように、再熱弁後の主熱交換器において列を跨いで３方管により２分岐することで、ある段における、列全体の冷媒の局所的な乾きを抑制出来、露飛び等の問題の発生を抑制出来る。

凝縮器として用いられる場合は、冷媒は反対方向へと流れ、背面主熱交換器５bでは、過熱状態、背面主熱交換器5a、背面補助熱交換器8、前面主熱交換器3a、3b、4a、4bは2相、前面補助熱交換器6,7では過冷却となる。

図３は本発明の実施の形態１における円管−扁平管形状のジョイントを示す断面図および斜視図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はジョイントの偏平管接続口の長手方向から見た外観図であり、（ｃ）はジョイントの偏平管接続口の長手方向と垂直な方向から見た外観図であり、（ｄ）は（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図である。このジョイントは扁平管と円管を接合するためのものである。本実施の形態１の主熱交換器内の伝熱管には扁平管を用いているが、冷媒接続配管は円管である。この接合には円管の断面と扁平管断面を有するジョイントが必要である。本ジョイントは円管に扁平形状の治具を挿入した上で塑性加工して製造される。本ジョイントを用いることで、空調機におけるヘッダによる冷媒流路確保と比べ、熱交換器の冷媒流路形態の汎用性を飛躍的に向上させることが可能となる。

図４は本発明の実施の形態１におけるＵベンドおよび３方管を示す側面図である。Ｕベンド１６は扁平管間を繋ぐためのものであり、３方管１７は主熱交換器に流入する冷媒を２分岐させるためのものである。これらの断面は円形状であり、図３のジョイントの円断面側と接合される。また、本３方管のジョイント接続以外のバルジ部分と再熱弁等とを繋ぐ配管を接続する出口の形状が円形のため、冷媒流路の繋ぎ方の自由度は飛躍的に向上する。

図５は本発明の実施の形態１における熱交換器を用いた空調機の冷媒配管を持たない側（ヘアピン側）の構成を示す側面図である。図６は扁平管をＵの字に曲げたヘアピンを示している。ヘアピン側には冷媒配管は設けられず、冷媒は伝熱管のヘアピンによって隣り合う段方向にのみ流れる。このようにヘアピンのみの側面を持つことで、ヘッダ等を接続する必要が無く、構造的に簡易化でき、コストも低減できる。

図7（ａ）および図7（ｂ）は、プレス前の扁平管の断面を示している。扁平管は４箇所の隔壁によって冷媒流路が５分岐され、内面は平滑なもの(a)、溝が付設されるもの（ｂ）がある。溝を付設することによって、管内部の熱伝達率は向上する。

図８は、プレス後の扁平管の断面を示しており、扁平管の側面をテーパ形状とし、内部隔壁をくの字に傾斜させたものである。扁平管の側面をテーパ形状とすることで、フィンへの挿入性が向上し、フィンと扁平管の接合が容易となる。

図９は本発明の実施の形態１における熱交換器を用いた空調機のヘアピン側にＵベンド16およびジョイント21を用いた場合の構成を示す側面図である。この場合でも、構造は簡易となる上、ジョイントおよびＵベンド部で冷媒は再混合され、冷媒乾き度の偏りが是正され、熱交換能力は向上する。

図１０(a)は主熱交換器3bのフィン長さLと扁平管段方向距離Dpの関係を示す平面図であり、図１０(b)はフィンカラー23の成型状況を示す図である。また、図１１は、前面下部主熱交換器３ｂの正面図および側面図であり、図１１（ａ）は側面図、図１１（ｂ）は正面図を示している。また、図１２は前面下部主熱交換器3aの正面および側面図であり、図１２（ａ）は側面図、図１２（ｂ）は正面図を示している。また、図１３は本発明の実施の形態１におけるフィンを製造する際のプレス方向（フィン送り方向）を示す説明図である。図１０の主熱交換器のフィン長さL＝0.119ｍであり、Dp＝0.001425ｍ、段数８段であるが、L＞Dp×Nであり、段ピッチの段数倍よりもフィン長さが大きい形状となっている。このようなフィンを連続成型するためには、図１３のようにフィンを列方向にプレスし製造する必要がある。

本実施の形態１の主熱交換器３,４,５では、L≧Dp×Nを満たすようになっており、ユニット配置する際の熱交換器間の隙間を埋めることが可能となる。隙間をフィンで埋めることによって、熱交換器を通らない空気流れを削減することが出来、熱交換能力は向上する。

本実施の形態１の主熱交換器３,４,５では、それぞれ２列に配置された２つの熱交換器、即ち空気流れ上流側aの熱交換器と下流側bの熱交換器はほぼ同一形状となっており、図１３で示されるようにフィン開口部が互いに向き合う形で成型される場合、一度の成型が可能となる。

主熱交換器３ａおよび３ｂは図１で示されるように、３ａは空気流れ方向の扁平管前縁部にフィンが配置され、後縁にはフィンが配置されない。一方3bは扁平管の前縁にはフィンは配置されず、後縁にはフィンが配置される。図１４に示されるように、前面補助熱交換器が配置されない場合、蒸発器として用いられる場合の凝縮水流路が主熱交換器３ａの重力方向下部に確保され、凝縮水滴下による露垂れの発生を防ぐことが可能となる。一方、主熱交換器３ｂは扁平管の前縁にフィンが配置されないため、フィン効率が３ａの場合より向上し熱交換能力を確保出来る。

主熱交換器4a、4b、5aおよび5bは、扁平管の重力方向下部に凝縮水流路が確保されるため、熱交換能力の観点から、扁平管の空気流れ方向上流にフィンを配置しない形態となっている。

図１１および図１２では、主熱交換器３ａおよび３ｂのフィン積層方向の側面図を示しているが、主熱交換器3aをＵベンド側に切起し２２およびフィンカラー屹立方向を配置、主熱交換器3bをヘアピン側に切起し２２およびフィンカラー屹立方向を配置、もしくは、その反対とすると図１３のように開口部を互いに向き合う形で成型される場合には、一度にフィン製造を行うことが可能となる。また、切起しの方向が主熱交換器3aと3bで反対となっているため、切起しの位置にずれが生じ、切起しの空気流れ後縁部での風速の遅い領域が、下流側の切起し位置の前縁を避けることになり、切起しでの前縁効果が得やすくなるため、熱交換能力を向上させることが出来る。このように、切起しの方向を主熱交換器3aと3bで反対とすることにより、扁平管の後流の死水域を減少させ、通風抵抗の減少および熱交換量の向上を図ることができる。

図１３のように、開口部を互いに向き合う形で設置してフィン成型することで、積層するフィンのフィンピッチを確保するためのフィンカラーの倒れを防止出来る。また、列方向にフィンを送ることで、フィン長さL（図１０）を段数、段ピッチDpと関係なく決めることが可能となり、上述したような効果を奏する。

本実施の形態１の熱交換器の製造工程について記す。主熱交換器に用いられる扁平管は押し出し加工で成形され、その後プレス加工にて外周形状をテーパ状に加工され、冷媒の流路を構成するジョイント21に挿入され、治具によって固定された積層フィンに挿入され、ジョイント21にＵベンド16および3方管１７を接続し、3方管に冷媒配管を接続したのち、ロウ材を扁平管上部、ジョイント−扁平管間、ジョイントとＵベンドおよび3方管、3方管と接続配管間に配置し、冷媒配管によって接続され２列毎組み合わされた熱交換器組み立てを炉中ロウ付けし、洗浄後、親水処理材を塗布し、乾燥した後、複数の熱交換器組み立てと分配器および再熱弁をバーナーロウ付けにより接合された後、拡管により製造された円管補助熱交換器に付加された配管とバーナーロウ付けにより接合される手順で製造される。また、ジョイントとＵベンドまたは３方管は、炉中ではなくバーナーロウ付けでも成型でき、フィンと扁平管を熱伝導性の接着剤を使用し、炉中ロウ付けを用いない場合でも配管接合が可能となる。熱伝導性の接着剤には、アルミナ等のフィラーを用い、熱伝導率を向上させたものを用いる。

図1５は本発明の実施の形態１が用いられる空調冷凍装置の冷媒回路を示す説明図である。図に示す冷媒回路は、圧縮機33、凝縮熱交換器34、絞り装置35、蒸発熱交換器36、送風機37により構成されている。上述の実施の形態１による熱交換器を凝縮熱交換器34または蒸発熱交換器36、もしくは両方に用いることにより、エネルギー効率の高い空調冷凍装置を実現することが出来る。
ここで、エネルギー効率は、次式で構成されるものである。
暖房エネルギー効率=室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
冷房エネルギー効率=室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力

なお、上述の実施の形態１で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１，ＲＣ３１８などや、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、またこれら冷媒の数種の混合冷媒など、どんな種類の冷媒を用いても、その効果を達成することが出来る。

また、作動流体として、空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏する。

また、伝熱管とフィンは異なった材料を用いていることが多いが、伝熱管とフィンに銅、伝熱管とフィンにアルミなど、同じ材料を用いることで、フィンと伝熱管のロウ付けが可能となり、フィン部と伝熱管の接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換能力が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。

また、伝熱管とフィンを密着させる方法として、炉中ロウ付けを行う場合、フィンに親水材を塗布するのに後処理で行うことで、前処理の場合のロウ付け中の親水材の焼け落ちを防ぐことができる。

なお、上述の実施の形態１で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、鉱油系、アルキルベンゼン油系、エステル油系、エーテル油系、フッ素油系など、冷媒と油が溶けるか否かに関わらず、どんな冷凍機油についても、その効果を達成することができる。

１ 板状フィン、２a 円管、２ｂ 扁平管、３a、３b 扁平管を用いた主熱交換器、４a、４b 扁平管を用いた主熱交換器、５a、５b 扁平管を用いた主熱交換器、６，７，８ 円管を用いた補助熱交換器、９ 貫流式送風機、１０ ケーシング、１１ 前面パネル、１２ 自動清掃機構部品、１３ フィルター、１４ 天面グリル、１５ 風向、１６ Ｕベンド、１７ ３方管、１８ 分岐管、１９ 再熱弁、２０ たすき掛け状冷媒配管部分、２１ 円管−扁平管ジョイント、２２ 切起し、２３ フィンカラー、３３ 圧縮機、３４ 凝縮熱交換器、３５ 絞り装置、３６ 蒸発熱交換器、３７ 送風機、３８ 送風機用モーター。

Claims (11)

1. 空気の通過方向に複数列設けられた熱交換器を室内機の少なくとも前面側と背面側に備え、
   前記熱交換器の各々は、
   所定の間隔で積層され、板状の面の一方向に複数の挿通口を有する熱伝導性の複数のフィンと、
   この複数のフィンに前記挿通口を介してほぼ垂直に挿入され、テーパ状の扁平形状を有する複数の伝熱管である扁平管と、
   一方の扁平管と隣接する他方の扁平管とを接続する円管と、
   前記扁平管と前記円管との接続部において、一端が前記扁平管の一端と接続され、他端が前記円管の一端と接続される円管−扁平管形状のジョイントと、
   を備えたことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記熱交換器の前記扁平管軸方向の一方の端部において、前記扁平管をＵの字の形状で成型して入り口および冷媒流路を構成する配管の無い構成とし、前記熱交換器の他方の端部を前記円管−扁平管形状のジョイントとＵベンドおよび３方管を用いた構成とすることを特徴とする請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 前記扁平管と前記フィンを熱伝導性の接着剤を用いて接合し、前記扁平管および前記円管のすくなくとも一方と前記ジョイントとの接合をバーナーロウ付けにて実施することを特徴とする請求項２記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記室内機の背面側に設けられた熱交換器の空気流れ方向の上流側の第１の列と隣接する下流側の第２の列を接合する冷媒配管は、前記熱交換器が蒸発器として用いられる場合、再熱弁後の冷媒流入口、出口にバルジ状の3方管を列を跨ぐように配置し、途中の冷媒流路において、前記第一の列と前記第２の列を流れる冷媒をたすき状に入れ替える冷媒配管を備えたことを特徴とする請求項３記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記熱交換器において、前記扁平管は列方向に２個以上、段方向に３個以上設けられ、各列において、前記扁平管の段方向の本数Nと扁平管の段方向のピッチDpと前記フィンの段方向の長さLが、L≧Dp×Nの関係を有することを特徴とする請求項４記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記フィンの段方向の長さLは前面下部＞前面上部≧背面となることを特徴とする請求項５記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 前記熱交換器の風上側と風下側のフィンの形状が概ね同一となることを特徴とする請求項６記載のフィンチューブ型熱交換器。
8. 前記主熱交換器の前記室内機の前面パネル側に配置され、重力方向下部の熱交換器の空気流れ方向一列目の扁平管の前縁より風上側に前記フィンを配置、且つ空気流れ方向二列目では、扁平管の前縁より風上側に前記フィンを配置しないことを特徴とする請求項７記載のフィンチューブ型熱交換器。
9. 前記フィンに形成された切起しおよびフィンカラーを有し、
   前記主熱交換器の内、前面パネル側に配置され、重力方向下部、空気流れ方向一列目および二列目の熱交換器において、前記切起しおよび前記フィンカラーの屹立方向が反対になるように配置されることを特徴とする請求項８記載のフィンチューブ型熱交換器。
10. 前記主熱交換器のフィンをプレスする際、前記フィンの開口部が向き合う形で、列方向に前記フィンを送り、フィン成型を行うことを特徴とする請求項９記載のフィンチューブ型熱交換器。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とする空調冷凍装置。

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