JP2004333013A - 空気調和機用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、室内機に備えられる熱交換器の熱交換性能の向上を図るとともに、熱交換器のコンパクト化と組立て工数および組立て部品をより少なくして、生産性の向上を得る空気調和機用熱交換器を提供する。
【解決手段】室内機と室外機とから構成される空気調和機の室内機内に配置され、所定の間隙を存して並設される複数枚のフィンＦに伝熱管Ｄを貫通させてなるフィンチューブタイプの熱交換器５において、フィンの伝熱管貫通部に設けられるフィンカラーの外径Ｄｃを、 ５．５ｍｍ≦Ｄｃ≦８．７ｍｍ としたうえで、伝熱管は空気の主流方向に３列設けられ、フィンカラーの外径Ｄｃに対する伝熱管の空気の主流方向と垂直方向の段ピッチＬ１と、空気の主流方向の列ピッチＬ２との関係を、 １．２≦（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２≦１．５ に設定した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、室内機と室外機とに分割される空気調和機において、特に室内機に配置されるフィンチューブタイプの熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般家庭用として、室内機と室外機とに分割され、これらを冷媒管と電気配線で接続してなる空気調和機が多用される。上記室内機に配置される熱交換器は、所定の間隙を存して並設される複数枚のフィンに伝熱管を貫通させたフィンチューブタイプのものが主流となっている。
【０００３】
この種の熱交換器において熱交換効率のより向上化を得るために、種々の技術が投入されている。たとえば、フィンの伝熱管貫通部相互間に切起しを一体加工して、熱交換空気に接触する面積をより増大させる。あるいは、伝熱管の貫通部分にカラーを一体に突出加工して、伝熱管との密着面積を高めている。
【０００４】
さらには、より大能力化の要求を満たすために、たとえば［特許文献１］に記載されているように補助熱交換器を設置することで伝熱管の列数を増やしたり、もしくは単純に段数を多くしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３１３０４９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィンに対する小規模の改良では熱交換効率の顕著な変化がみられない。伝熱管の列数を増やすと通風抵抗の増大と、それにともなう風量低下がある。また、補助熱交換器を設置することによる組立て部品の増加と、組立て工数の増大化があり、生産性が悪化してしまう。
【０００７】
伝熱管の段数を増加すると、熱交換効率の増大の割合よりも熱交換器自体が大型化する。すなわち、筐体が大型化し、より大きな据付けスペースを占めるようになる。
【０００８】
本発明は上記事情にもとづいてなされたものであり、その目的とするところは、室内機に備えられる熱交換器の熱交換性能の向上を図るとともに、熱交換器のコンパクト化と組立て工数および組立て部品をより少なくして、生産性の向上を得る空気調和機用熱交換器を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明は、室内機と室外機とから構成される空気調和機の室内機内に配置され、所定の間隙を存して並設される複数枚のフィンに伝熱管を貫通させてなるフィンチューブタイプの熱交換器において、フィンの伝熱管貫通部に設けられるフィンカラーの外径Ｄｃを、 ５．５ｍｍ≦Ｄｃ≦８．７ｍｍ としたうえで、伝熱管は空気の主流方向に３列設けられ、フィンカラーの外径Ｄｃに対する伝熱管の空気の主流方向と垂直方向の段ピッチＬ１と、空気の主流方向の列ピッチＬ２との関係を、 １．２≦（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２≦１．５ に設定した。
【００１０】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明は、上述のフィンチューブタイプの熱交換器において、伝熱管は３列設けられ、暖房運転時に冷媒が過冷却液となる領域の伝熱管の管径Ｄｓをガス・液ニ相域となる領域の伝熱管の管径Ｄｂよりも小さく設定し、かつ管径Ｄｓの伝熱管を管径Ｄｂの伝熱管よりも風上側に配置し、さらに管径Ｄｓの伝熱管と管径Ｄｂの伝熱管との関係を、 ０．８≦Ｄｓ／Ｄｂ≦０．９ に設定した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は、室内機と室外機から構成される空気調和機における、室内機の概略の断面図である。この室内機本体１は、前面が手前側に突出し上面部まで一体に形成される前面パネル２Ａと、この前面パネル２Ａの背面側開口部を閉成する後板２Ｂとから構成される。
【００１２】
前面パネル２Ａの前面側にはグリル３ａが嵌め込まれた前部吸込み口３が設けられ、上面側にはグリル４ａが嵌め込まれた上部吸込み口４が設けられる。これら前部・上部吸込み口３，４に亘って図示しないフィルタが着脱自在に取付けられていて、吸込み空気に含まれる塵埃を捕捉し除去できる。
【００１３】
室内機本体１内には、前側熱交換器部５Ａおよび後側熱交換器部５Ｂを側面視で略逆Ｖ字状に組み合わせてなる室内熱交換器５が収容される。なお、この室内熱交換器５の詳細な構成については後述する。
【００１４】
上記前側熱交換器部５Ａは前部吸込み口３と上部吸込み口４一部に対向して湾曲成され、この前面側には空気清浄装置６が取付けられ、室内機本体１内に吸込まれる空気をより清浄化する。後側熱交換器部５Ｂは上部吸込み口４に対向する位置で斜めに傾斜し、かつ直状をなす。
【００１５】
上記室内熱交換器５の前側熱交換器部５Ａと後側熱交換器部５Ｂとの間には、断面円形状をなす横流ファン７が配置される。この横流ファン７の軸方向長さは前後側熱交換器部５Ａ，５Ｂの幅方向長さと同一であり、かつ正しく対向している。横流ファン７の回転軸に図示しないファンモータが連結され、これらで室内送風機を構成する。
【００１６】
上記室内熱交換器５および室内送風機ともに、上記後板２Ｂに対して図示しない支持具を介して取付け支持される。そして、前側熱交換器部５Ａ下端は前部ドレンパン８Ａに挿入され、後側熱交換器部５Ｂ下端は後板２Ｂに一体成形される後部ドレンパン８Ｂに挿入される。
【００１７】
これら前部ドレンパン８Ａと後部ドレンパン８Ｂは図示しない連通路を介して連通している。後部ドレンパン８Ｂは前部ドレンパン８Ａよりも高い位置にあるので、後部ドレンパン８Ｂで受けたドレン水を連通路を介して前部ドレンパン８Ａへ案内できるようになっている。
【００１８】
前部ドレンパン８Ａの下方には室内機本体１の前面側下部に開口する吹出し口９が設けられる。この吹出し口９には横ルーバーと縦ルーバーとからなるルーバー装置１０が取付けられていて、吹出し口９から吹出される空気の水平方向および垂直方向の案内をなす。
【００１９】
上記後板２Ｂの上端部は上部吸込み口４の背面側端部に連結され、後部ドレンパン８Ｂから横流ファン７側部を介して、最下部は吹出し口９に至るように延設される。前部ドレンパン８Ａ下面と横流ファン７側部から吹出し口９に至る後板一部とで吹出し案内路１１が形成される。
【００２０】
つぎに、上記室内熱交換器５について詳述する。
【００２１】
はじめに、本発明の第１の実施の形態について、図２および図３にもとづいて説明する。
【００２２】
図２は、室内熱交換器５の一部を拡大して示す側面図である。
【００２３】
上記室内熱交換器５は、所定間隙を存して並設される多数枚のフィンＦと、これらフィンＦを貫通するここでは一つだけ示す伝熱管Ｄとからなる、いわゆるフィンチューブタイプの熱交換器である。
【００２４】
上記フィンＦの伝熱管Ｄ貫通部にはフィンカラーＫが一体に突設されていて、伝熱管Ｄとの密着性を高めている。さらにフィンＦの伝熱性能の向上化を図るため、フィンカラーＫ相互間に切起しを設けてもよい。
【００２５】
そして、上記フィンＦの伝熱管Ｄ貫通部に設けられるフィンカラーＫの外径Ｄｃを、
５．５ｍｍ ≦ Ｄｃ ≦ ８．７ｍｍ
としたうえで、フィンカラーＫがフィンＦに対する空気の主流方向（フィンＦの幅方向）に沿って３列設けられる。すなわち、上記伝熱管Ｄは空気の主流方向に沿って３列設けられるようになっている。
【００２６】
そして、上記フィンカラーＫの外径Ｄｃに対する伝熱管Ｄの段ピッチＬ１と、列ピッチＬ２の互いの関係を、
１．２ ≦ （Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２ ≦ １．５ ……（１）
と設定したことを特徴の一つとしている。
【００２７】
つぎに、（１）式の設定理由を述べる。
図３（Ａ）（Ｂ）に、（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２の具体的数値を横軸とし、フィン効率および通風抵抗を縦軸とした特性図を示す。なお、図３（Ａ）は本発明の特徴の一つとしてフィンＦに対する空気の主流方向（フィンＦの幅方向）に沿って伝熱管Ｄを３列設けた場合であり、図３（Ｂ）は比較例として従来構造である同方向に伝熱管を２列設けた場合である。
【００２８】
３列と２列の何れの条件でも、フィン効率は（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２値が大きくなるにつれて低下する傾向にある。特に、図３（Ａ）に示す３列の場合は、（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２値が１．５付近から急激に低下する傾向にある。
【００２９】
一方、通風抵抗は３列と２列の何れの条件でも、（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２値が小さくなるにつれて増加する傾向にある。そして、２列の場合は変化が僅かであるのに対して、３列の場合は変化が顕著であり、（Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２値が１．２付近から急激に増加する傾向にある。
【００３０】
すなわち、図３（Ａ）に示すフィンＦに伝熱管Ｄを空気の主流方向に３列備えることを前提として、フィンカラーＫの外径Ｄｃに対する伝熱管Ｄの空気の主流方向と直交する方向の段ピッチＬ１と、空気の主流方向の列ピッチＬ２との関係を、先に（１）式で結論付けたように、
１．２ ≦ （Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２ ≦ １．５
を設定できることになり、伝熱性能の向上が図れる。
【００３１】
これに対して従来構造である同方向に２列の場合は、図３（Ｂ）から
０．９５ ≦ （Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２ ≦ １．１５
が最適範囲であり、伝熱管が２列の構成と３列の構成では互いに最適範囲が異なる。したがって、従来の２列構成に単純に１列を加えて３列構成に変更しただけでは、フィン効率の向上を図ることができず、通風抵抗が増大してしまい、伝熱性能の向上が得られない。
【００３２】
つぎに、本発明の第２の実施の形態について、図４および図５にもとづいて説明する。
【００３３】
図４は、室内熱交換器５の一部を拡大して示す側面図である。
上記室内熱交換器５は、多数枚のフィンＦと、これらフィンＦを貫通する一つだけ図示する伝熱管Ｄとからなる、いわゆるフィンチューブタイプの熱交換器であることと、上記フィンＦの伝熱管Ｄ貫通部にはフィンカラーＫが一体に設けられていて伝熱管Ｄとの密着性を高めていることは変りがない。
【００３４】
上記フィンＦに対する空気の主流方向（フィンＦの幅方向）に３列の伝熱管Ｄが設けられることも同様であるが、ここでは風上側１列の伝熱管Ｄの管径Ｄｓの径を、風下側２列の伝熱管Ｄの管径Ｄｂよりも小に設定したことを特徴の一つとしている。
【００３５】
すなわち、近年、暖房運転時に室内側熱交換器Ｄで冷媒が液・ガスのニ相状態となるばかりでなく、過冷却液状態となるように設計される。熱交換空気との熱交換作用を液・ガスのニ相域領域で行うとともに、過冷却液領域でも行うようにして、エンタルピの増大を図り熱交換能力の大能力化を得られる。
【００３６】
過冷却液領域に相当する伝熱管Ｄは、ニ相域領域に相当する伝熱管Ｄに比べて冷媒の管摩擦抵抗が少なくてすみ、管径の小さい伝熱管Ｄでも、より高性能が得られる。
【００３７】
暖房運転時における室内熱交換器５で、過冷却液状態の冷媒が流れる領域の伝熱管Ｄの管径をＤｓとし、ニ相域状態の冷媒が流れる領域の伝熱管Ｄの管径をＤｂとしている。
【００３８】
したがって、過冷却状態の冷媒が流れる風上側１列の伝熱管Ｄの直径Ｄｓを小さく設定し、ニ相域の冷媒が流れる風下側２列の伝熱管Ｄの直径Ｄｂの直径を、上記風上側１列の伝熱管Ｄの直径Ｄｓよりも大に設定している。
【００３９】
このように、管径はより小さい方が性能がよく、通風抵抗の低減も図れて有利であるので、上述の設定条件による効果が得られるが、管径を小さくすればするほど単位伝熱管あたりの熱量の低下が懸念される。
【００４０】
そこで、上述の管径の条件を設定したうえで、管径の小さい伝熱管Ｄｓと大きい伝熱管Ｄｂの関係が、
０．８ ≦ Ｄｓ／Ｄｂ ≦ ０．９ ……（２）
となるように設定する。
【００４１】
つぎに、（２）式の設定理由を述べる。
図５は、上記（２）式の設定条件を説明するための実験結果であって、横軸に伝熱管Ｄにおける小さい管径Ｄｓと大きい管径Ｄｂとの割合（Ｄｓ／Ｄｂ）の具体的数値を横軸とし、伝熱量および通風抵抗を縦軸とした特性図を示す。
【００４２】
すなわち、伝熱量はＤｓ／Ｄｂ値が小さいほど低下し、０．８付近より大になったところで急激に増加する。一方、通風抵抗はＤｓ／Ｄｂ値が大きいほど増加し、０．９付近より急激に増加することが分かる
上述の条件下において、（２）式である ０．８≦Ｄｓ／Ｄｂ≦０．９ が求められ、その結果、伝熱性能の向上が図られ、通風抵抗の増加を抑制することができる。
【００４３】
図６は、本発明の第３の実施の形態を示す室内熱交換器５の構成と、冷媒の流れを説明する図である。フィンＦ外にジャンピングパイプＰａ，Ｐｂと、ジャンピングパイプＰｂに除湿用絞り装置２０を備えている。
【００４４】
図中実線矢印は暖房時の冷媒の流れを示し、破線矢印は冷房時と除湿運転時の冷媒の流れを示す。除湿用絞り装置２０は暖房運転時と冷房運転時に全開となり、除湿運転時に絞り作用をなすように制御される。
【００４５】
前側熱交換器部５Ａと後側熱交換器部５Ｂをそれぞれ構成するフィンＦは、いずれも伝熱管Ｄの列毎に分割されていない一体フィンとしたことを、本発明の特徴の一つとしている。
【００４６】
これにより、たとえば補助熱交換器を備えて３列にしたものと比較して、補助熱交換器のフィンの製造手間と、伝熱パイプのフィン挿入および拡管工程等の製造工程の削減が図られ、かつ補助熱交換器に対する後側熱交換器および前側熱交換器のフィン位置のズレによる通風抵抗の増加も防止できる。
【００４７】
図８は、本発明の第４の実施の形態を説明する、室内熱交換器５の概略の側面図である。
室内機に備えられ、フィンＦに対する空気の主流方向（フィンＦの幅方向）に沿って３列の伝熱管Ｄが設けられ、かつ一体形フィンＦで構成される室内熱交換器５であることには変りがない。ここでは省略する配管構成と各運転モードに応じた冷媒の流れ方向は、先に図６で示したものと全く同一であり、そのまま適用される。
【００４８】
このような室内熱交換器５におけるフィンＦで、除湿運転時に冷媒が蒸発する領域である蒸発部Ｚと、冷媒が凝縮する領域である凝縮部Ｇとの相互の熱遮断のため、段方向のカットＣａおよび列方向のカットＣｂが設けられていることが特徴の一つである。
【００４９】
すなわち、除湿運転時に冷媒が蒸発する蒸発部Ｚと、凝縮する凝縮部Ｇとは互いに温度が大きく異なるため、そのままの状態では領域相互間で熱交換を行ってしまい、熱交換空気への熱伝達の阻害となる。
【００５０】
そこで、室内熱交換器５における蒸発部Ｚと凝縮部Ｇとの間の熱遮断のため、フィンＦに段方向のカットＣａおよび列方向のカットＣｂを設けることで、除湿性能の向上が図れる。
【００５１】
さらに、暖房運転時に、室内側熱交換器５において冷媒が過冷却液状態となる領域である過冷却部Ｗおよび、この過冷却部Ｗと風下側であるニ相域となる領域との間の熱遮断構造のために、段方向カットＣａと列方向カットＣｂを同様に設けることにより、除湿性能の向上ばかりでなく暖房性能の向上も図れる。
【００５２】
図７は、上記実施の形態の設定理由を説明する、暖房運転時における室内熱交換器（凝縮器）での温度分布の特性図である。横軸に凝縮器位置をとり、縦軸に冷媒温度をとっていて、本発明構造と従来構造と比較している。
【００５３】
ニ相域においては本発明構造と従来構造のものではさほど差が存在しないが、液冷媒の単相域では従来構造の熱交換器と比較して本発明構造の熱交換器の冷媒温度を低くできる。
【００５４】
換言すれば、本発明構造の室内熱交換器では冷媒充填量が従来構造の室内熱交換器と同一の場合には、単相域をより少なくすることが可能となりパイプ本数を減らすことが可能となる。
【００５５】
なお、図１と図６および図８に示す室内熱交換器５のように、前部吸込み口３と上部吸込み口４とに対向するように側面視で円弧状または略Ｖ字状に形成される前側熱交換器部５Ａは、送風ファン７の周面一部を囲むように形成する。これにより、前側熱交換器部５Ａを構成するフィンＦを、横流ファン７の周面一部を囲むように折り曲げる製造工程の削減が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、室内機に備えられる熱交換器の熱交換性能の向上を図るとともに、熱交換器のコンパクト化と組立て工数および組立て部品をより少なくして、生産性の向上を得る等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る、空気調和機を構成する室内機の概略の断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る、室内熱交換器の一部を拡大した側面図。
【図３】同実施の形態の設定理由を説明するための特性図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る、室内熱交換器の一部を拡大した側面図。
【図５】同実施の形態の設定理由を説明するための特性図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る、室内熱交換器の側面図と冷媒の流れを説明する図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る、暖房運転時の室内熱交換器の位置と冷媒温度の特性図。
【図８】同実施の形態の設定理由を説明するための特性図。
【符号の説明】
Ｆ…フィン、Ｄ…伝熱管、Ｋ…フィンカラー、５…室内熱交換器。

Claims (3)

1. 室内機と室外機とから構成される空気調和機の室内機内に配置され、所定の間隙を存して並設される複数枚のフィンに伝熱管を貫通させてなるフィンチューブタイプの熱交換器において、
   上記フィンの伝熱管貫通部に設けられるフィンカラーの外径Ｄｃを、
   ５．５ｍｍ ≦ Ｄｃ ≦ ８．７ｍｍ
   としたうえで、上記伝熱管は空気の主流方向に３列設けられ、
   上記フィンカラーの外径Ｄｃに対する伝熱管の空気の主流方向と垂直方向の段ピッチＬ１と、空気の主流方向の列ピッチＬ２との関係を、
   １．２ ≦ （Ｌ１−Ｄｃ）／Ｌ２ ≦ １．５
   に設定したことを特徴とする空気調和機用熱交換器。
2. 室内機と室外機とから構成される空気調和機の室内機内に配置され、所定の間隙を存して並設される複数枚のフィンに、伝熱管を貫通させてなるフィンチューブタイプの熱交換器において、
   上記伝熱管は３列設けられ、暖房運転時に、冷媒が過冷却液となる領域の伝熱管の管径Ｄｓを、ガス・液ニ相域となる領域の伝熱管の管径Ｄｂよりも小さく設定し、かつ管径Ｄｓの伝熱管を管径Ｄｂの伝熱管よりも風上側に配置し、さらに管径Ｄｓの伝熱管と管径Ｄｂの伝熱管との関係を、
   ０．８ ≦ Ｄｓ／Ｄｂ ≦ ０．９
   に設定したことを特徴とする空気調和機用熱交換器。
3. 上記フィンは、伝熱管の列毎に分割されない一体型であることを特徴とする請求項１および請求項２のいずれかに記載の空気調和機用熱交換器。

Images