JP2004069228A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブ５２周りで発生した水分がチューブ５２表面に残らず排水される熱交換器を提供する。
【解決手段】複数本のチューブ５２の各扁平断面を、外気の流入する水平方向に対して傾斜させた。
これにより、チューブ５２周りで発生した水分は重力でチューブ５２の傾斜下端に集まり、滴下して排水され易くなる。そのため、チューブ５２表面に残った水分が再氷結して除霜運転の頻度を増加させ、加熱運転の効率を悪くするということが防げる。
更に、チューブ５２を傾斜させることにより熱交換器全体を薄幅にすることができる。そのうえ、タンク５４の幅も小さくできることから耐圧性が確保し易くなり、タンク部材を薄肉化することもできる。これは特に、二酸化炭素冷媒等を用いて高圧で使用する場合において有効である。また、タンク５４の幅を小さくできることは、チューブ５２幅方向への冷媒分配性も良くすることができる。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外気と冷媒とを熱交換させる熱交換器に関するもので、冷媒サイクルによる空調装置・暖房装置・給湯加熱機等の室外熱交換器に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
フロン・二酸化炭素等の冷媒を用いて、空気・ブライン・水等の流体の加熱を行なうヒートポンプシステムにおいて、低外気温時には冷媒蒸発器となる室外熱交換器のフィン表面で空気中の水分が氷結（いわゆる着霜）して通風路を閉塞してしまう為、この霜を溶かして除去する除霜運転が実施される。
【０００３】
一般的な除霜方法として、加熱運転モードのまま圧縮機で発生した高温冷媒（いわゆるホットガス）の一部を、バイパス回路を用いて室外熱交換器の上流に供給することにより、加熱を行いながら除霜を行なうホットガスバイパス除霜方式がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記除霜方式では、室外熱交換器の外面に付いた霜を効率的に溶かすことができるが、ホットガスバイパス回路合流点での圧力が高くなることより、除霜運転の間は室内熱交換器からの冷媒の流れが滞ってしまう。そのため除霜の間も加熱運転モードのままとはいえ、実質的には室内熱交換器側は充分に冷媒が流れないため、充分な加熱は得られない。
【０００５】
よって、上記除霜運転を終えた後、霜が溶けて発生した水分が熱交換器の扁平チューブ表面に残ってしまうと、その水分がまた氷結を繰り返すことから除霜運転の頻度が増加してしまい、加熱運転の効率が悪くなるという問題がある。本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、扁平チューブ周りで発生した水分が扁平チューブ表面に残らず排水される熱交換器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を採用する。請求項１記載の発明では、水平方向に長手の複数本の扁平チューブ（５２）を垂直方向に積層し、長手方向と直行する水平方向から流入して扁平チューブ（５２）の外を流れる外部流体と扁平チューブ（５２）の中を流れる内部流体との間で熱交換を行なうコア部（５１）と、扁平チューブ（５２）の長手方向両端に接続され、垂直方向に延びて複数本の扁平チューブ（５２）内と連通し、複数本の扁平チューブ（５２）に内部流体を分配供給すると共に、複数本の扁平チューブ（５２）から流出する内部流体を集合回収するヘッダタンク（５４）とを備えた熱交換器において、
複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面を、外部流体の流入する水平方向に対して傾斜させたことを特徴とする。
【０００７】
これにより、扁平チューブ（５２）周りで発生した水分は重力で扁平チューブ（５２）の傾斜下端に集まり、滴下して排水され易くなる。そのため、扁平チューブ（５２）表面に残った水分が再氷結して除霜運転の頻度を増加させ、加熱運転の効率を悪くするということが防げる。
【０００８】
更に、扁平チューブ（５２）を傾斜させることにより熱交換器全体を薄幅にすることができる。そのうえ、ヘッダタンク（５４）の幅も小さくできることから耐圧性が確保し易くなり、タンク部材を薄肉化することもできる。これは特に、二酸化炭素冷媒等を用いて高圧で使用する場合において有効である。また、ヘッダタンク（５４）の幅を小さくできることは、扁平チューブ（５２）の幅方向への冷媒分配性も良くすることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明では、複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面を、外部流体の流れに対して下流側が下がるように傾斜させたことを特徴とする。これにより、扁平チューブ（５２）周りの水分は外部流体の流れの力も加わって下流側下端にスムーズに集まって滴下し、排水されるようになる。
【００１０】
請求項３記載の発明では、水平方向に長手の複数本の扁平チューブ（５２）を垂直方向に積層し、長手方向と直行する水平方向から流入して扁平チューブ（５２）の外を流れる外部流体と扁平チューブ（５２）の中を流れる内部流体との間で熱交換を行なうコア部（５１）と、扁平チューブ（５２）の長手方向両端に接続され、垂直方向に延びて複数本の扁平チューブ（５２）内と連通し、複数本の扁平チューブ（５２）に内部流体を分配供給すると共に、複数本の扁平チューブ（５２）から流出する内部流体を集合回収するヘッダタンク（５４）とを備えた熱交換器において、
複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面を、外部流体の流入する水平方向に対して平行にすると共に、複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面の外部流体が流入する上流側に、下方へ傾斜させた傾斜部（５２ｃ）を設けたことを特徴とする。
【００１１】
これは、熱交換器において外部流体が流入する上流側面で着霜が発生することに着目したものであり、外部流体が流入する扁平チューブ（５２）の扁平断面上流側にのみ下方へ傾斜させた傾斜部（５２ｃ）を設けることで、その傾斜部（５２ｃ）周りで発生した水分は傾斜部（５２ｃ）の傾斜下端に集まり、滴下して排水され易くなる。そのため、扁平チューブ（５２）表面に残った水分が再氷結して除霜運転の頻度を増加させ、加熱運転の効率を悪くするということが防げる。
【００１２】
請求項４記載の発明では、扁平チューブ（５２）もしくは傾斜部（５２ｃ）を、外部流体の流入する水平方向に対して３０度以上傾斜させたことを特徴とする。これは、図９のチューブの傾斜角度と保水率との関係を示すグラフに示すように、傾斜角度３０度近傍が排水性向上の効率が最も良いことによる。
【００１３】
請求項５記載の発明では、扁平チューブ（５２）もしくは傾斜部（５２ｃ）の傾斜方向と同方向に傾斜させて設置したこと特徴とする。これにより、熱交換器単体でのチューブ傾斜角度を小さくすることができる。
【００１４】
請求項６記載の発明では、外部流体とは外気であり、内部流体とは二酸化炭素冷媒であることを特徴とする。これは、本発明の熱交換器が外気と二酸化炭素冷媒とを熱交換するのに好適であることによる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態に係わる冷凍サイクルの構成図である。本実施形態は、本発明の熱交換器５を、ＣＯ_２冷媒を用いた車両用ヒートポンプ式空調装置の室外熱交換器５に適用したものとして説明する。尚、当空調装置はエンジンや電動モータ等で駆動される定置式の屋内用であっても良い。
【００１６】
図示しない車両エンジンで駆動される圧縮機１、冷媒流路を切り換える四方弁２、室内熱交換器３、減圧手段としての膨張弁４、室外熱交換器５、気液分離し余剰冷媒を蓄えるアキュームレータ６を図１の如く配管接続し、冷媒回路が形成されている。室内熱交換器３と室外熱交換器５には図示しない送風ファンが取付けられている。
【００１７】
また、本実施形態ではホットガスバイパス除霜回路として、圧縮機１の吐出管１ａからホットガスバイパス回路７が分岐され、圧縮機１の吐出ガスの一部を室外熱交換器５へ流す制御弁８を介在し、他端は膨張弁４と室外熱交換器５との間の管路に接続されている。
【００１８】
そして、上記ヒートポンプ式空調装置は、電子回路等からなる図示しない制御装置を有し、この制御装置は、室内に設けられた図示しないコントローラ、図示しない外気温センサ・内気温センサ等からの情報を入力し、室内機および室外機を作動制御するようになっている。
【００１９】
次に、上記ヒートポンプ式空調装置の各運転時の作動につき説明する。制御装置は、当ヒートポンプ式空調装置に電力供給されている時に、コントローラからの情報に基づいて、暖房運転時の制御処理、又は冷房運転時の制御処理のいずれかを実行する。
【００２０】
まず、冷房運転時の作動について説明する。例えば外気温が高い時、コントローラの冷房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置に入力されると、制御装置は冷房運転時の制御処理を実行する。制御装置は四方弁２を破線方向に切り換えることにより、冷媒は圧縮機１−四方弁２−室外熱交換器５−膨張弁４−室内熱交換器３−四方弁２−アキュームレータ６−圧縮機１と流れ、室外熱交換器５が凝縮器に、室内熱交換器３が蒸発器となり室内熱交換器３で循環空気を冷却して冷房が行なわれる。
【００２１】
次に、暖房運転時の作動について説明する。例えば外気温が低い時、コントローラの暖房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置に入力されると、制御装置は暖房運転時の制御処理を実行する。制御装置は四方弁２を実線方向に切り換えることにより、冷媒は圧縮機１−四方弁２−室内熱交換器３−膨張弁４−室外熱交換器５−四方弁２−アキュームレータ６−圧縮機１と流れ、室内熱交換器３が冷媒凝縮器として作用し、循環空気を加熱して暖房が行なわれる。
【００２２】
冷媒自身は室内熱交換器３での熱交換により冷却され凝縮し、高圧の液状冷媒となって膨張弁４に流入する。この膨張弁４で減圧され低圧化した液状冷媒が室外熱交換器５に流入し、室外熱交換器５が冷媒蒸発器として作用する。この室外熱交換器５を流通する外気の熱で蒸発し低圧のガス冷媒となり、四方弁２からアキュームレータ６を経て圧縮機１に戻る。この暖房運転時には制御弁８は閉弁し、ホットガスバイパス回路７を閉路している。
【００２３】
外気温が低く湿度が高い場合に暖房運転を続けていて、室外熱交換器５の蒸発温度が０゜以下になると熱交換器５の表面に着霜が生じてくる。着霜状態が進行すると、室外熱交換器５の通風量は低下し、増々着霜量が増加し、その結果、暖房能力が低下し、室内温度が低下して、快適性が損なわれる。その上車両用では、室外熱交換器５の後方に配置されたエンジン冷却用ラジエータへの通風量も低下してオーバーヒートの原因ともなる。その為、適当な時期に着霜を溶かす除霜運転が実施される。
【００２４】
その除霜運転として制御装置は、暖房運転モードのまま制御弁８を開弁して圧縮機１で発生した高温冷媒の一部をホットガスバイパス回路７から室外熱交換器５の上流に供給することにより、暖房を行いながら室外熱交換器５の除霜が行なわれる。そして室外熱交換器５からの冷媒温度が所定温度以上に上がったら通常の暖房運転に戻される。
【００２５】
次に、本発明の要部である室外熱交換器５の構造について説明する。図２は本発明の一実施形態における熱交換器５の斜視図である。５２は水平方向（車両左右方向）に長手で内部流体として冷媒が流通する複数本の扁平チューブであり、アルミニウム材（本実施形態ではＡ１０５０）を押し出し加工にて一体成形したものである。これら扁平チューブ５２間には、波形状に形成されたアルミニウム製（本実施形態ではＡ３００３）のコルゲートフィン５３が配設されている。
【００２６】
そして、これら扁平チューブ５２とコルゲートフィン５３とを垂直方向（車両上下方向）に積層し、コルゲートフィン５３の表裏両面に被覆されたろう材により一体ロウ付けされている。そして、これらの長手方向と直行する水平方向（車両前方）から流れてくる送風空気（外気）と扁平チューブ５２内の冷媒との熱交換を行なうコア部５１を構成している。ちなみに、ロウ材は、扁平チューブ５２及びコルゲートフィン５３より低い融点を有する金属材料であり、本実施形態では、Ａ４３４３である。
【００２７】
また、コア部５１の車両左右方向両端側には、車両上下方向に延びて各扁平チューブ５２と連通して冷媒を分配供給すると共に、各扁平チューブ５２から流出する冷媒を集合回収するヘッダタンク５４が一体ロウ付けにて接続されている。図３は、そのヘッダタンク５４の構成を示す分解斜視図である。
【００２８】
ヘッダタンク５４は図３に示すように、ロウ材を被覆したアルミニウムの圧延材に複数本の扁平チューブ５２を差し込んで接合するための長孔５５ａを複数個開け、コの字状に成形した接合プレート５５と、その接合プレート５５の長孔５５ａに対応した連通孔５６ａを開けたアルミニウム材の連通プレート５６と、半円筒形状の冷媒通路５７ａを形成したアルミニウム材のタンクプレート５７とから構成されている。
【００２９】
そして、接合プレート５５のコの字状内に連通プレート５６とタンクプレート５７とを入れ、接合プレート５５の両端５５ｂを内側に折り込むことで一体としている。長孔５５ａに差し込まれた扁平チューブ５２の端面とタンクプレート５７との間に連通孔５６ａを介することにより、冷媒通路５７ａ両脇の平面部５７ｂにおいても冷媒通路５７ａと扁平チューブ５２の全冷媒通路孔が連通するようになっている。冷媒通路５７ａの上下端は図示しないキャッププレートが差し入れられて閉じられる。
【００３０】
次に、本実施形態の特徴を述べる。図４は、本発明の第１実施形態におけるタンク部５４とチューブ５２との関係を示すコア部５１の部分断面図である。図４に示すように、複数本の扁平チューブ５２の各扁平断面を、空気の流入する水平方向に対して傾斜させている。これにより、扁平チューブ５２周りで発生した水分は重力で扁平チューブ５２の傾斜下端に集まり、滴下して排水され易くなる。そのため、扁平チューブ５２表面に残った水分が再氷結して除霜運転の頻度を増加させ、加熱運転の効率を悪くするということが防げる。
【００３１】
図５は本発明でのタンク部５４とチューブ５２との関係を表し、図６は従来のタンク部５４とチューブ５２との関係を表す説明図である。両図の比較から分かるように、扁平チューブ５２を傾斜させることにより熱交換器全体を薄幅にすることができる（本発明５４ａ＜従来５４Ａ）。そのうえ、ヘッダタンク５４の幅も小さくできることから耐圧性が確保し易くなり、タンク部材を薄肉化することもできる。これは特に、二酸化炭素冷媒等を用いて高圧で使用する場合において有効である。
【００３２】
また、冷媒通路５７ａの幅は同じとすると、その冷媒通路５７ａに掛かる冷媒通路孔の範囲（本発明５２ａ＞従来５２Ａ）が増え、タンクプレート５７の平面部（本発明５７ｂ＜従来５７Ｂ）に掛かる冷媒通路孔の範囲（本発明５２ｂ＜従来５２Ｂ）が小さくなる。このように、ヘッダタンク５４の幅を小さくできることは、扁平チューブ５２の幅方向への冷媒分配性も良くすることができる。
【００３３】
また、複数本の扁平チューブ５２の各扁平断面を、外部流体の流れに対して下流側が下がるように傾斜させている。これにより、扁平チューブ５２周りの水分は外部流体の流れの力も加わって下流側下端にスムーズに集まって滴下し、排水されるようになる。
【００３４】
また、扁平チューブ５２を、外部流体の流入する水平方向に対して３０度以上傾斜させている。これは、図９のチューブの傾斜角度と保水率（チューブ傾斜角度０度の時の保水量を１００％とした）との関係を示すグラフに示すように、傾斜角度３０度近傍が排水性向上の効率が最も良いことによる。また、外部流体は外気であり、内部流体は二酸化炭素冷媒である。これは、本発明の熱交換器が外気と二酸化炭素冷媒とを熱交換するのに好適であることによる。
【００３５】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態を示すコア部５１の部分断面図である。複数本の扁平チューブ５２の各扁平断面を、外部流体の流入する水平方向に対して平行にすると共に、扁平チューブ５２の各扁平断面の外部流体が流入する上流側に、下方へ傾斜させた傾斜部５２ｃを設けている。
【００３６】
これは、外部流体が流入する上流側面で着霜が発生するためであり、傾斜部５２ｃ周りで発生した水分は傾斜部５２ｃの傾斜下端に集まり滴下して排水され易くなることより、扁平チューブ５２表面に残った水分が再氷結して除霜運転の頻度を増加させ、加熱運転の効率を悪くするということが防げる。
【００３７】
また、傾斜部５２ｃを外部流体の流入する水平方向に対して３０度以上傾斜させている。これは第１実施形態と同様に、傾斜角度３０度近傍が排水性向上の効率が最も良いことによる。また、外部流体は外気であり、内部流体は二酸化炭素冷媒である。これも第１実施形態と同様に、本発明の熱交換器が外気と二酸化炭素冷媒とを熱交換するのに好適であることによる。
【００３８】
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態におけるタンク部５４と扁平チューブ５２との関係を示すコア部５１の部分断面図である。第１実施形態と同様のコア部５１を、扁平チューブ５２の傾斜方向と同方向に傾斜させて設置している（本実施例では１０度）。これにより、熱交換器単体でのチューブ傾斜角度を小さくすることができる（本実施例では２０度）。
（その他の実施形態）
上述の実施形態は冷媒蒸発器に適用した例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の排水性を必要とする熱交換器に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる冷凍サイクルの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における熱交換器の斜視図である。
【図３】図２の熱交換器におけるヘッダタンクの構成を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態におけるタンク部とチューブとの関係を示すコア部の部分断面図である。
【図５】図４でのタンク部とチューブとの関係を表す説明図である。
【図６】従来のタンク部とチューブとの関係を表す説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態を示すコア部の部分断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態におけるタンク部と扁平チューブとの関係を示すコア部の部分断面図である。
【図９】チューブの傾斜角度と保水率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
５１　コア部
５２　扁平チューブ
５２ｃ　傾斜部
５４　ヘッダタンク

Claims (6)

1. 水平方向に長手の複数本の扁平チューブ（５２）を垂直方向に積層し、前記長手方向と直行する水平方向から流入して前記扁平チューブ（５２）の外を流れる外部流体と前記扁平チューブ（５２）の中を流れる内部流体との間で熱交換を行なうコア部（５１）と、
   前記扁平チューブ（５２）の前記長手方向両端に接続され、前記垂直方向に延びて前記複数本の扁平チューブ（５２）内と連通し、前記複数本の扁平チューブ（５２）に前記内部流体を分配供給すると共に、前記複数本の扁平チューブ（５２）から流出する前記内部流体を集合回収するヘッダタンク（５４）とを備えた熱交換器において、
   前記複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面を、前記外部流体の流入する水平方向に対して傾斜させたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面を、前記外部流体の流れに対して下流側が下がるように傾斜させたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 水平方向に長手の複数本の扁平チューブ（５２）を垂直方向に積層し、前記長手方向と直行する水平方向から流入して前記扁平チューブ（５２）の外を流れる外部流体と前記扁平チューブ（５２）の中を流れる内部流体との間で熱交換を行なうコア部（５１）と、
   前記扁平チューブ（５２）の前記長手方向両端に接続され、前記垂直方向に延びて前記複数本の扁平チューブ（５２）内と連通し、前記複数本の扁平チューブ（５２）に前記内部流体を分配供給すると共に、前記複数本の扁平チューブ（５２）から流出する前記内部流体を集合回収するヘッダタンク（５４）とを備えた熱交換器において、
   前記複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面を、前記外部流体の流入する水平方向に対して平行にすると共に、前記複数本の扁平チューブ（５２）の各扁平断面の前記外部流体が流入する上流側に、下方へ傾斜させた傾斜部（５２ｃ）を設けたことを特徴とする熱交換器。
4. 前記扁平チューブ（５２）もしくは前記傾斜部（５２ｃ）を、前記外部流体の流入する水平方向に対して３０度以上傾斜させたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記扁平チューブ（５２）もしくは前記傾斜部（５２ｃ）の傾斜方向と同方向に傾斜させて設置したこと特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記外部流体とは外気であり、前記内部流体とは二酸化炭素冷媒であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の熱交換器。

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