JP2012093010A - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に凝縮水が付着したとしても、それによって水とびが発生しないようにする。
【解決手段】熱交換器１は、間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプ２、３と、ヘッダパイプ２、３の間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路５をヘッダパイプ２、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同士の間に配置されたフィン６を備える。偏平チューブ４は、両端に比べ長さ方向の中間部が高くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

複数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複数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。

従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の一例を図８に示す。熱交換器１は、２本のヘッダパイプ２、３と、その間に配置される複数の偏平チューブ４を備える。図８では、ヘッダパイプ２、３は垂直方向に延び、水平方向に間隔を置いて平行に配置されており、偏平チューブ４は水平方向に延び、垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、パラレルフロー型熱交換器１は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるものであり、厳密な「垂直」「水平」が当てはまらなくなるケースが多いことは言うまでもない。

偏平チューブ４は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。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図８の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ４同士の間にはフィン６が配置される。フィン６として、ここではコルゲートフィンを用いているが、プレートフィンでも構わない。

ヘッダパイプ２と３、偏平チューブ４、及びフィン６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、フィン６は偏平チューブ４に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

図８の熱交換器１では、冷媒出入口７、８はヘッダパイプ３の側にのみ設けられている。ヘッダパイプ３の内部には上下方向に間隔を置いて２枚の仕切板９ａ、９ｃが設けられており、ヘッダパイプ２の内部には仕切板９ａ、９ｃの中間の高さのところに仕切板９ｂが設けられている。

熱交換器１を蒸発器として使用する場合、冷媒は図８に実線矢印で示すように下側の冷媒出入口７から流入する。冷媒出入口７から入った冷媒は、仕切板９ａでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は仕切板９ｃでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は冷媒出入口８から流出する。このように、冷媒はジグザグの経路を辿って下から上に流れる。ここでは仕切板の数が３の場合を示したが、これは一例であり、仕切板の数と、その結果としてもたらされる冷媒流れの折り返し回数は、必要に応じ任意の数を設定することができる。

熱交換器１を凝縮器として使用する場合は、冷媒の流れが逆になる。すなわち冷媒は図８に点線矢印で示すように冷媒出入口８からヘッダパイプ３に入り、仕切板９ｃでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２では仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かい、ヘッダパイプ３では仕切板９ａでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２で折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かい、冷媒出入口７から点線矢印のように流出するという、ジグザグの経路を辿って上から下に流れる。

熱交換器を蒸発器として用いた場合、低温となった熱交換器表面に大気中の水分が凝結して凝縮水が発生する。パラレルフロー型熱交換器では、偏平チューブやフィンの表面に凝縮水が留まると空気流通路の断面積が水によって狭められてしまい、熱交換性能が低下する。

凝縮水は、気温が低いと熱交換器の表面で霜と化す。霜が氷にまで進むこともある。本明細書では、そのような霜や氷が溶けた水、いわゆる除霜水も含めた意味で「凝縮水」の語を用いるものとする。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において凝縮水が発生し滞留すると、次のような問題が生じる。サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１を、図９に示す通り、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置くと、フィン６の端にたまった凝縮水が、下の段のフィン６に乗り移る前にフィン６の角から滴下してしまう。熱交換器１が空気調和機の室内機に搭載され、熱交換器１の下にクロスフローファンが設置されている場合など、クロスフローファンが吹き出す気流に混じって水滴が飛び散る「水とび」が発生し、使用者に不快感を与える。

そこで、水とびが発生する前に凝縮水を排水する方策が種々提案されている。その例を特許文献１、２に見ることができる。

特許文献１記載の熱交換器では、凝縮水の結集側にフィンと接触する排水ガイドを配置している。排水ガイドは線形部材からなり、偏平管に対して傾斜配置され、両端の少なくとも一つが熱交換器の下端側あるいは側端側に導かれている。

特許文献２記載の熱交換器では、ガイド板が、送風の下流側に、フィンに接触して配置されている。熱交換器の表面に付着した露は、送風によって下流側に移動してガイド板に付着し、その重さによって自由落下する。

特開２００７−２８５６７３号公報 特開２００１−２６３８６１号公報

特許文献１記載の熱交換器では、線形部材からなる排水ガイドを熱交換器に接触させて水を導く。しかしながら、熱交換器が傾いた状態で設置されているときや、排水ガイドに汚れが付着したときなど、水が排水ガイドを伝わらないで、水とび等の現象が発生することがある。特許文献２記載の熱交換器でも、傾いた状態で設置された場合には、フィン間でブリッジした水がもとになって水とびが発生する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、熱交換器に凝縮水が付着したとしても、それによって水とびが発生しないようにすることを目的とする。

本発明の好ましい実施形態によれば、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、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、前記偏平チューブ同士の間に配置されたフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、前記偏平チューブは、両端に比べ長さ方向の中間部が高くなっている。

また、上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブは、上方に凸となった湾曲形状を備えることが好ましい。

また、上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブは、長さ方向の中央部において最も高くなることが好ましい。

また、上記構成の熱交換器において、当該熱交換器を空気が通り抜ける方向において、前記偏平チューブは前記フィンよりも幅が狭くなっていることが好ましい。

また、上記構成の熱交換器において、凝縮水が結集する側の面における前記フィンの端に、断面Ｌ字形の塞き止め部が形成されていることが好ましい。

また、上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブの上面には長さ方向に延びる溝が形成され、前記溝は長さ方向と直角の方向において前記偏平チューブのほぼ中央に位置することが好ましい。

また、上記構成の熱交換器において、凝縮水が結集する側の面における前記フィンの端は前記偏平チューブの端からはみ出しており、前記偏平チューブの端には、前記フィンのはみ出し部分同士のなす隙間に突き出し、且つ当該偏平チューブの長さ方向に延びるツバが形成されていることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、空気調和機の室外機または室内機に上記構成の熱交換器が搭載される。

本発明によると、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、偏平チューブは両端に比べ長さ方向の中間部が高くなっているので、偏平チューブやフィンの表面で発生した凝縮水は偏平チューブの両端の方に流れる。従って、熱交換器の下にファンが置かれていたとしても、ファンと上下位置が重ならなくなる偏平チューブの両端部に凝縮水を誘導して排水することができるから、偏平チューブの長さ方向の中間部より凝縮水が滴下して水とびが発生するといった事態を避けることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図である。 図１の熱交換器の上面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の部分断面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱交換器の部分断面図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の室外機の概略断面図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。 従来のサイドフロー方式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である。 従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置いた状態を示す概略断面図である。

以下本発明の第１実施形態を、図１及び図２を参照しつつ説明する。図８の従来構造と機能的に共通する構成要素には図８で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。

第１実施形態に係るサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器１は、ヘッダパイプ２に４本の冷媒出入口７が設けられ、ヘッダパイプ３に４本の冷媒出入口８が設けられている。４本の冷媒出入口７は分流器（図示せず）などにより１本にまとめられ、４本の冷媒出入口８も分流器（図示せず）などにより１本にまとめられる。

本発明の特徴とする点は、偏平チューブ４の形状にある。すなわち、ヘッダパイプ２、３を垂直、偏平チューブ４を水平にする形で熱交換器１を配置したとき、偏平チューブ４は、両端に比べ長さ方向の中間部が高くなっている。第１実施形態では、偏平チューブ４を、上方に凸となった湾曲形状とすることにより長さ方向の中間部を高くしている。また、長さ方向の中央部において偏平チューブ４の高さが最も高くなるものとしている。偏平チューブ４の平面形状は、図２に示す通り、直線状である。

上記の通り、偏平チューブ４の長さ方向の中間部を両端に比べ高くしたので、偏平チューブ４やフィン６の表面で発生した凝縮水は偏平チューブ４の両端の方に流れる。従って、熱交換器１の下にファンが置かれていたとしても、ファンと上下位置が重ならなくなる偏平チューブ４の両端部に凝縮水を誘導して排水することができるから、偏平チューブ４の長さ方向の中間部より凝縮水が滴下して水とびが発生するといった事態を避けることができる。

熱交換器１を空気が通り抜ける方向において、言い換えると長さ方向と直角且つ水平方向において、偏平チューブ４は、それら同士の間に配置されるフィンよりも幅が狭い。これにより、凝縮水は偏平チューブの縁に沿って流れることになり、排水効率が向上する。

第１実施形態では、偏平チューブ４を上方に凸となった湾曲形状としたが、「へ」の字形の屈曲形状であってもよい。また、長さ方向の中央部において偏平チューブ４の高さが最も高くなるものしたが、中央でなく左右どちらかに偏った箇所に最高ポイントが来るように構成してもよい。

さらに第１実施形態では、複数の偏平チューブ４を全て同一形状としたが、偏平チューブ４によって形状を異ならせてもよい。例えば、上位に位置する偏平チューブ４ほど湾曲（屈曲）が深くなるといった構成や、湾曲チューブと屈曲チューブを組み合わせるといった構成などが可能である。

第１実施形態の熱交換器１に補助構造を付加することにより、偏平チューブ４の長さ方向の中間部から凝縮水が滴下することを一層確実に防止できる。そのようにした構造の一例を第２実施形態として図３に示す。

第２実施形態の熱交換器１では、凝縮水が結集する側の面における偏平チューブ４の端に塞き止め部１０を形成する。塞き止め部１０は、偏平チューブ４の延長部となるベース部１１と、ベース部１１の端から立ち上がる塞き止め壁１２を有し、全体として断面Ｌ字形になっている。塞き止め壁１２はフィン６の下端を外側から覆う。ベース部１１と塞き止め壁１２はフィン６の下端に密着することはなく、フィン６との間に間隙１３が設けられている。

塞き止め部１０は、偏平チューブ４とは別に成型しておいてそれをロウ付けまたは溶接で偏平チューブ４に接合してもよく、偏平チューブ４に一体成型してもよい。偏平チューブ４とは別に成型する場合でも、塞き止め部１０の材料自体は偏平チューブ４と同じにしておくのがよい。

偏平チューブ４とは別に成型する場合、塞き止め部１０の材料は偏平チューブ４と同じであってよいが、そうなると塞き止め部１０自体が冷却されて結露し、塞き止め部１０の角から凝縮水が滴下する可能性が出てくる。それを防ぐため、塞き止め部１０を合成樹脂のような冷えにくい材料で成型することとしてもよい。

このように、凝縮水が結集する側の面における偏平チューブ４の端に、フィン６の下端を外側から覆う塞き止め壁１２が形成されているから、結集した凝縮水は塞き止め壁１２によってフィン６の内部に導かれ、滴下しない。これにより、凝縮水を確実に偏平チューブ４の両端に導き、凝縮水がファンの上に落下して水とびが発生するのを防ぐことができる。

偏平チューブ４の上面には長さ方向に延びる溝１４が形成されている。溝１４は、長さ方向と直角の方向において、偏平チューブ４のほぼ中央に位置する。溝１４の深さは、偏平チューブ４の全体の厚みの１０％以下の深さがあればよい。凝縮水が溝１４を伝って偏平チューブ４の両端に導かれることから、排水効率が向上する。

熱交換器１の第３実施形態を図４に示す。第３実施形態の熱交換器１では、凝縮水が結集する側の面におけるフィン６の端が偏平チューブ４の端からはみ出しており、偏平チューブ４の端には、フィン６のはみ出し部分同士のなす隙間に突き出すツバ１５が形成されている。ツバ１５は偏平チューブ４の長さ方向に延び、上下方向では隙間の中央に位置する。

ツバ１５があると、偏平チューブ４とフィン６の間に隙間があるのと同じことになり、凝縮水が偏平チューブ４に沿って流れやすくなる。これにより、排水効率が向上する。油の付着によるフィン６の親水性低下もそれほど気にかけなくて済む。

上記各実施形態の熱交換器１は、セパレート型空気調和機の室外機または室内機に搭載することができる。図５には室外機への搭載例を示す。

図５の室外機２０は平面形状略矩形の板金製筐体２０ａを備え、筐体２０ａの長辺側を正面２０Ｆ及び背面２０Ｂとし、短辺側を左側面２０Ｌ及び右側面２０Ｒとしている。正面２０Ｆには排気口２１が形成され、背面２０Ｂには背面吸気口２２が形成され、左側面２０Ｌには側面吸気口２３が形成される。排気口２１は複数の水平なスリット状開口の集合からなり、背面吸気口２２と側面吸気口２３は格子状の開口からなる。正面２０Ｆ、背面２０Ｂ、左側面２０Ｌ、右側面２０Ｒの４面の板金部材に図示しない天板と底板が加わって六面体形状の筐体２０ａが形成される。

筐体２０ａの内部には、背面吸気口２２及び側面吸気口２３のすぐ内側に平面形状Ｌ字形の熱交換器１が配置される。熱交換器１と室外空気との間で強制的に熱交換を行わせるため、熱交換器１と排気口２１の間に送風機２４が配置される。送風機２４は電動機２４ａにプロペラファン２４ｂを組み合わせたものである。送風効率向上のため、筐体２０ａの正面２０Ｆの内面にはプロペラファン２４ｂを囲むベルマウス２５が取り付けられる。筐体２０ａの右側面２０Ｒの内側の空間は背面吸気口２２から排気口２１へと流れる空気流から隔壁２６で隔離されており、ここに圧縮機２７が収容されている。

室外機２０では、熱交換器１の風上側が凝縮水の結集側となる。これは次の理由による。室外機２０においては、熱交換器１を傾けることなく、ほぼ垂直に立てて設置している。熱交換器１を蒸発器として使用した場合（例えば暖房運転時がこれに該当する）、風下側よりも風上側で熱交換が盛んに行われ、そこに凝縮水が溜まる。そのため、風上側が凝縮水の結集側ということになるのである。

風上側で結露した凝縮水は、風下側に流れることはあまりない。外気温が低い場合は、凝縮水は霜として熱交換器１に付着する。霜の量が増えれば除霜運転を余儀なくされるが、除霜運転中、送風機２４は停止しているので、霜が溶けた水は風の影響を受けることなく専ら重力で下に流れて溜まる。これらのことから、風上側の面に本発明の構造を適用することにより、凝縮水による水とびの発生を防ぐことができる。

図６及び図７には、セパレート型空気調和機の室内機に熱交換器１を搭載した例を示す。図６及び図７に示されるセパレート型空気調和機の室外機は圧縮機、四方弁、膨張弁、室外側熱交換器、室外側送風機などを含み、室内機は室内側熱交換器、室内側送風機などを含む。室外側熱交換器は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。室内側熱交換器は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

図６には冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成が示されている。ヒートポンプサイクル１０１は、圧縮機１０２、四方弁１０３、室外側の熱交換器１０４、減圧膨張装置１０５、及び室内側の熱交換器１０６をループ状に接続したものである。圧縮機１０２、四方弁１０３、熱交換器１０４、及び減圧膨張装置１０５は室外機１１０の筐体に収容され、熱交換器１０６は室内機１２０の筐体に収容される。熱交換器１０４には室外側の送風機１０７が組み合わせられ、熱交換器１０６には室内側の送風機１０８が組み合わせられる。送風機１０７は吹出気流形成用のプロペラファン１０７ａを含み、送風機１０８は吹出気流形成用のクロスフローファン１０８ａを含む。クロスフローファン１０８ａは熱交換器１０６の下に軸線を水平にして配置される。

本発明に係る熱交換器１は、室内機の熱交換器１０６の構成要素として用いることができる。熱交換器１０６は、３個の熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃを送風機１０８を覆う屋根のように組み合わせたものであり、熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのいずれかまたは全てを熱交換器１とすることができる。

図６は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の熱交換器１０６に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０６を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室外側の熱交換器１０４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６からの放熱を促進し、室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４の吸熱を促進する。

図７は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は四方弁１０３が切り換えられて暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の熱交換器１０４に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０４を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室内側の熱交換器１０６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４からの放熱を促進し、室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６の吸熱を促進する。

本発明に係る熱交換器１を室内機の熱交換器１０６の構成要素として用いた場合、熱交換器１の風下側であり、熱交換器１の姿勢によっては下面側でもある面が凝縮水の結集側となる。本発明に係る熱交換器１を用いれば、風下側の面に凝縮水が結集しても、それがクロスフローファン１０８ａに滴下したりするようなことはなく、水とびが発生しない。また、熱交換器１ではブリッジ現象を抑制することができ、通風抵抗の増加を抑えることが可能となる。

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。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１ 熱交換器
２、３ ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ フィン
７、８ 冷媒出入口
１０ 塞き止め部
１４ 溝
１５ ツバ
２０ 室外機
１１０ 室外機
１２０ 室内機

Claims (8)

1. 間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、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、前記偏平チューブ同士の間に配置されたフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
   前記偏平チューブは、両端に比べ長さ方向の中間部が高くなっていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記偏平チューブは、上方に凸となった湾曲形状を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記偏平チューブは、長さ方向の中央部において最も高くな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. 当該熱交換器を空気が通り抜ける方向において、前記偏平チューブは前記フィンよりも幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 凝縮水が結集する側の面における前記フィンの端に、断面Ｌ字形の塞き止め部が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記偏平チューブの上面には長さ方向に延びる溝が形成され、前記溝は長さ方向と直角の方向において前記偏平チューブのほぼ中央に位置することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 凝縮水が結集する側の面における前記フィンの端は前記偏平チューブの端からはみ出しており、前記偏平チューブの端には、前記フィンのはみ出し部分同士のなす隙間に突き出し、且つ当該偏平チューブの長さ方向に延びるツバが形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の熱交換器を室外機または室内機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

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