JP2005308252A - 熱交換器およびこれを備えた空気調和機の室外ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 フィンから除霜した水が底板上に滞ることなく排出して、氷結を防止することにより、熱交換効率の低下を防ぐ。
【解決手段】 フィン８の下部において、空気流れ方向の下流側の隅を折り曲げて傾斜面１５を形成する。傾斜面１５は、フィン８の外側から中央に向かって傾斜する。除霜運転中、フィン８に付着した霜が融解した水は、フィン８表面を流れ落ち、傾斜面１５に達した水は、その傾斜に沿って流れ落ち、フィン８の下端中央付近から底板１３に落下する。底板１３に落下した水は、広がらず、ドレン口１４を通って排出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和機の室外ユニットに内装される熱交換器に関する。

従来の冷暖房機能を有する空気調和機を図１０に示す。室外ユニット１に、室外熱交換器２、圧縮機３、室外送風機４、膨張装置５、四方弁６を備え、室外熱交換器２、圧縮機３、膨張装置５、四方弁６が冷媒管７を介して接続される。室内ユニット１０は、室内熱交換器１１、室内送風機１２を備えている。これらによって冷凍サイクルが構成される。

室外ユニット１では、図１１、１２に示すように、キャビネット１ａに、室外熱交換器２、圧縮機３、膨張装置５、四方弁６が内装される。室外熱交換器２は、室外送風機４に面して配置され、空気流れ方向において室外送風機４よりも上流側に位置する。
室外熱交換器２は、図１３に示すように、平面視Ｌ形に曲げられ、所定の間隔で並んだ複数の板状フィン８と、フィン８を貫通する複数の伝熱管９とを備える。室外熱交換器２は、図１４に示すように、キャビネット１ａの底板１３に隙間をあけて立設される。長方形の各フィン８は、互いに略平行に配列される。各伝熱管９は、水平な状態で上下方向に所定の間隔で配列され、フィン８と略直交してフィン８を貫通する。上下の伝熱管９は、一端あるいは他端において連結され、１本の管となって、冷媒管７に接続される。なお、底板１３には、室外熱交換器２の下方においてドレン口１４が形成されている。そして、室外熱交換器２の下方の底板１３は少し凹んでおり、これが排水用の流路となる。

上記の空気調和機において、図１０に示すように、暖房運転時には冷媒は破線の矢印方向に流れる。圧縮機３から吐出された高温、高圧のガスが、四方弁６を通過した後、室内熱交換器１１で凝縮される。冷媒が液化して、室内を暖房し、室内熱交換器１１から流出した液冷媒は、室外ユニット１の膨張装置５に流入し、減圧されて低温の２相状態となり、室外熱交換器２へ流入する。冷媒は、室外熱交換器２を通過すると、外気から熱を吸収して蒸発する。気化した冷媒は、四方弁６を通過した後、再び圧縮機３へ流入する。暖房運転中、このサイクルを繰り返す。

外気温が低いときは、室外熱交換器２を流れる冷媒の温度が摂氏０度以下となり、室外熱交換器２のフィン８の表面に空気中の水分が着霜していく。すると、フィン８の間を通過する風量が減少して、暖房能力が急激に低下する。このように、着霜量が増えると、四方弁６の流れ方向を切り替えて除霜を行う。

以下に除霜運転の動作を示す。冷媒の流れは、実線の矢印で示すように、冷房運転と同じであるが、室外送風機４および室内送風機１２は停止している。圧縮機３から吐出された高温、高圧のガスが、四方弁６を通過した後、室外熱交換器２で凝縮される。冷媒が液化して、室外熱交換器２を加熱する。フィン８に付着した霜がこの熱で融解する。融解した水は、フィン８の表面に沿って流れ落ち、底板１３に落下した後、ドレン口１４を通って排水される。

室外熱交換器２から流出した液冷媒は、膨張装置５に流入し、減圧されて低温の２相状態となって、室内ユニット１０の室内熱交換器１１へ流入する。冷媒は、室内熱交換器１１自体から熱を吸収して蒸発し、気化した冷媒は室外ユニット１の四方弁６を通過した後、再び圧縮機３へ流入する。

上記の除霜サイクルによって、暖房運転中に室外熱交換器２に着霜した霜を除霜することができる。室外熱交換器２での熱交換効率が回復すると、再び暖房運転を行い、十分な暖房を行うことができる。

ところで、上記の空気調和機の室外ユニットでは、寒冷地において、外気温が氷点下の状態が続くと、図１５に示すように、除霜された水が氷結して、氷１８が底板１３に堆積した状態となる。熱交換器の暖房能力が低下したり、最悪の場合、室外送風機４に氷が接触して、異常音が発生するおそれがある。室外熱交換器２の下部に残った氷が融解、氷結を繰り返すと、伝熱管９が破損するということがある。

そこで、図１６に示すように、底板１３に、凍結防止用ヒータ１９を設け、室外熱交換器２の下部に除霜した水が氷結するのを防止する。しかし、ヒータ１９への電力供給が余分に必要であり、ランニングコストがアップする。また、構造や制御が複雑になり、製品コストがアップする等の問題があった。

このようなヒータを設けずに氷結を防ぐようにした熱交換器が、特許文献１に記載されている。フィンの下端を斜めにカットして、外方に突出する突出部を形成する。突出部が底板の立上がり縁に当接する。フィンの表面を流れ落ちる水は、突出部から立上がり縁を経て、底板に流れ、フィンの下部に溜まらない。
実開平３−５７３２６号公報

特許文献１の熱交換器の構造では、先の尖った突出部が、外側に突出し、しかも立上がり縁に当接している。そのため、熱交換器の製造時や組み立て時に、突出部の先端が折れたり曲がったりして、損傷を受けやすい。また、熱交換器を室外ユニットに設置後も、振動や衝撃によって、立上がり縁に当接した突出部の先端に外力がかかり、変形するおそれがある。このように、突出部が損傷すると、立上がり縁と突出部とは離れ、水が流れ落ちにくくなり、フィンの下部に氷結が生じやすくなる。また、突出部の先端から落下した水は、フィンから外側に向かって流れる。そのため、水は、底板上を広がってドレン口から排出されず、溜まってしまう。これによっても、氷結が生じる。

本発明は、上記に鑑み、除霜した水を滞ることなく排出して、氷結を防止し、熱交換効率の低下しない空気調和機の室外ユニットにおける熱交換器の提供を目的とする。

本発明は、空気が流通するように所定の間隔で立設された複数の板状フィンと、該フィンを貫通し上下方向に配列された複数の伝熱管とを備え、前記フィンの下部に、フィンの外側から中央に向かって傾斜した傾斜面が形成されたものである。すなわち、傾斜面は、フィンの下部の隅が隣のフィンに向かって倒されることにより形成される。

傾斜面は、空気流れ方向においてフィンの下流側下部に位置する。あるいは、傾斜面は、空気流れ方向においてフィンの下流側下部および上流側下部の２ヶ所に位置する。

また、フィンが空気流れ方向に沿って複数列並べられている場合、空気流れ方向の最下流側にあるフィンに傾斜面が形成される。あるいは、空気流れ方向の最下流側にあるフィンおよび最上流側にあるフィンに傾斜面がそれぞれ形成される。

空気調和機における除霜運転が行われたとき、フィンに付着した霜が融解して、水がフィン表面を流れ落ちる。フィンの下方のキャビネットの底板には、ドレン口が形成されており、フィンから落下した水は、ドレン口から排出される。フィンの外側近傍を流れ落ちる水は、傾斜面に沿って流れ、中央側に寄せられて、底板上に落下する。この傾斜面により、流れ落ちる水は、フィンから外側に広がらない。そのため、底板には、排水されずに残る水は存在せず、外気温の低下に伴う氷結は起こり得ない。

傾斜面の水平方向に対する傾斜角度が３５度以上、７５度以下とされ、傾斜面の上縁が、最下位にある伝熱管の上端よりも下方に位置する。これらは、流れ落ちる水を案内する方向およびフィンを通り抜ける空気の流れに対する抵抗を考慮して、熱交換効率が低下しないように設定される。

本発明によると、熱交換器のフィンにおいて、空気流れ方向下流側の下部あるいは空気流れ方向上流側の下部に傾斜面を形成することにより、フィン表面を水が流れ落ちるとき、フィンから外側に広がることなく水が底板に落下して、底板に水が溜まることなく排水できる。したがって、外気温が氷点下となっても、底板上に水が氷結して堆積することを防止でき、十分な熱交換効率を維持できる。また、凍結防止用のヒータが不要となるので、機器自体のコストアップがなく、ヒータの電力消費もなくなることから、省エネ運転が可能である。

（第１実施形態）
本実施形態の空気調和機の室外ユニット１における室外熱交換器２を図１、２に示す。室外熱交換器２は、フィン８と伝熱管９とを備えたものであり、平面視Ｌ形に湾曲している。そして、フィン８の下部に、フィン８表面を流れ落ちてくる水を底板１３のドレン口１４に導くため、傾斜面１５が形成されている。なお、空気調和機の構成および上記以外の室外熱交換器２の構成は、図１０〜１４に示した従来のものと同じである。また、図１中、白抜きの矢印は空気流れ方向を示す。

傾斜面１５は、空気流れ方向において下流側の下部に位置し、フィン８の下部の一隅を隣のフィン８に向かって倒すことにより形成される。傾斜面１５は、三角形の平面となり、フィン８の外側から中央に向かって傾斜している。すなわち、傾斜面１５は、フィン８表面を流れ落ちてくる水をフィン８の下方に位置する底板１３のドレン口１４に導くために、ドレン口１４に向かって傾斜するように形成される。

また、傾斜面１５は、各フィン８に同じように形成されており、一端側のフィン８から他端側のフィン８に向かって重なるように並んでいる。なお、隣り合う傾斜面１５同士は、軽く接触した状態あるいはわずかに隙間があいた状態となっている。
空気調和機の暖房運転を行うとき、外気温が低いと、室外熱交換器２を流れる冷媒の温度が摂氏０度以下となり、室外熱交換器２のフィン８の表面に空気中の水分が着霜する。各フィン８の間を通過する風量が減少し、暖房能力が急激に低下するので、着霜量が増える。

このとき、除霜運転が行われ、従来と同様に、室外送風機４および室内送風機１２を停止して、四方弁６の流れ方向を切り替える。図１０の実線の矢印で示したように、圧縮機３から吐出された高温、高圧のガスが、四方弁６を通過した後、室外熱交換器２によって凝縮して液化する。

室外熱交換器２を流出した液冷媒は、膨張装置５に流入し、減圧されて低温の２相状態となって、室内ユニット１０の室内熱交換器１１へ流入する。室内熱交換器１１自体から熱を吸収して冷媒は蒸発し、気化した冷媒は室外ユニット１の四方弁６を通過した後、再び圧縮機３へ流入するサイクルを繰り返す。上記の除霜運転によって、暖房運転中に室外熱交換器２を除霜することができ、再び暖房運転を行って十分な暖房を行うことができる。

除霜運転中、室外熱交換器２が加熱され、フィン８に付着した霜が融解する。融解した水は、フィン８表面を流れ落ち、フィン８の下端から底板１３に落下した後、ドレン口１４を通って排水される。傾斜面１５に達した水は、その傾斜に沿って流れ落ち、フィン８の下端中央付近から底板１３に落下する。そして、底板１３の水は、狭い流路幅となって短時間で流れ出すので、底板１３に氷結することなく、ドレン口１４を通って室外ユニット１から排出される。

このように、フィン８の外側で融解した水は傾斜面１５の下には流れ落ちない。そのため、室外熱交換器２よりも空気流れ方向の下流側に水が広がることはない。特に、暖房運転が開始されて室外送風機４が駆動され、空気の流れが生じると、フィン８の下部において水はフィン８の下流側に向かって流れるが、傾斜面１５があるので、外側には吹き飛ばされずに中央に向かって流れ落ちる。なお、空気流れ方向の上流側では、室外熱交換器２と底板１３の側縁とが近接しているので、落下した水が外側に広がることはない。

ここで、図１に示すように、傾斜面１５の水平方向に対する傾斜角度をＡｆ、フィン８の下端から傾斜面１５の上縁までの高さをＨｆとする。傾斜角度Ａｆは、３５度以上、７５度以下の範囲とされる。高さＨｆは、フィン８の下端から最下位にある伝熱管９の上端までの高さＨｐよりも小とされる。すなわち、傾斜面１５の上縁は、最下位の伝熱管９の上端よりも下方に位置する。

傾斜角度Ａｆを３５度より小さくすると、除霜によって融解した水が一気に流れたときに傾斜面１５をすり抜け、フィン８の周囲に散らばることがある。また、傾斜角度を７５度より大きくすると、融解した水の落下位置がフィン８の外側寄りになって、水が底板１３の空気流れ方向の下流側に広がる。そのため、傾斜面１５の傾斜角度Ａｆは３５度以上、７５度以下が適している。

また、傾斜面１５の上縁の高さを高くしすぎると、傾斜面１５の面積が大きくなって最下位の伝熱管８の周囲を通る空気の流れが遮られ、暖房運転時の熱交換性能が低下する。そこで、傾斜面１５の高さＨｆを最下位の伝熱管９の上端の高さＨｐより低くすることにより、熱交換性能の低下をわずかに抑えられる。以上のように、上記に示す空気調和機の室外ユニット１では、寒冷地において、外気温が氷点下になったまま継続する状況においても、底板１３に除霜された水が氷結して堆積することはなく、十分な暖房能力を得ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態の室外熱交換器２では、図３に示すように、フィン８に形成された傾斜面１５、１６が、空気流れ方向の下流側だけでなく、上流側にも形成される。その他の構成は、第１実施形態と同様の構成である。

両側の傾斜面１５、１６は、フィン８の下部の両隅を隣のフィン８に向かって同方向に倒すことにより形成される。下流側の傾斜面１５は、第１実施形態と同じであり、上流側の傾斜面１６も同じ構造とされる。上流側の傾斜面１６において、水平方向に対する傾斜角度をＡｆ２、フィン８の下端から傾斜面１６の上縁までの高さをＨｆ２とすると、傾斜角度Ａｆ２は、３５度以上、７５度以下の範囲とされる。高さＨｆ２は、フィン８の下端から最下位にある伝熱管９の上端までの高さＨｐよりも小とされる。なお、両傾斜面１５、１６の傾斜角度および高さは、同一であっても、また異なっていてもよい。ただし、上流側の傾斜面１６の高さＨｆ２は下流側の傾斜面１５の高さＨｆよりも低いほうが好ましい。このようにすれば、空気の流れが妨げられにくくなり、室外熱交換器２に対する通風量の低下を低く抑えられる。

除霜運転時に融解した水はフィン８の表面を流れ落ち、両側の傾斜面１５、１６によって室外熱交換器２の下流側および上流側に水が広がることなく、中央に寄せられて落下する。したがって、寒冷地において、外気温が氷点下になったままの状況においても、底板１３上に除霜された水が氷結して堆積することはなく、十分な暖房能力を得ることができる。

上記の第１、第２実施形態の室外熱交換器２は、平面視Ｌ形に曲がった形状であるが、図４に示すように、伝熱管９が１箇所あるいは複数箇所で変曲されて、全体的に湾曲した形状としてもよい。伝熱管９が貫通するフィン８は、伝熱管９の形状に合わせて配列される。この場合においても、傾斜面１５は、フィン８の下部の空気流れ方向の下流側にのみ、あるいは下流側および上流側の両方に形成される。

上記と同様に、フィン８から融解して落下した水は、外側に広がることなく、ドレン口１４を通って排水される。そのため、底板１３に溜まった水が氷結して堆積することはなく、この室外熱交換器２においても、十分な暖房能力を得ることができる。

（第３実施形態）
本実施形態の室外熱交換器２では、図５に示すように、伝熱管９が空気流れ方向に複数列に配置され、各伝熱管９がフィン８を貫通している。伝熱管９は、千鳥状に配列される。碁盤目状に配列することも可能であるが、空気調和機用の熱交換器のように薄型で、列数が３列から４列程度までの場合は、千鳥状の配列が、熱交換性能の点において好適である。その他の室外ユニット１の構成は、上記各実施形態のものと同じである。

そして、フィン８の下部の空気流れ方向の下流側に、傾斜面１５が形成される。傾斜面１５は、第1実施形態のものと同じである。傾斜面１５の高さＨｆは、傾斜面１５に最も近い列の最下位の伝熱管９を基準に設定され、フィン８の下端からこの伝熱管９の上端までの高さＨｐよりも小とされる。すなわち、傾斜面１５の上縁は、最下流側の最下位の伝熱管９の上端よりも下方に位置する。傾斜面１５の傾斜角度Ａｆは、３５度以上、７５度以下の範囲とされる。

また、図６に示すように、フィン８の下流側および上流側に傾斜面１５、１６を形成してもよい。上流側の傾斜面１６の高さＨｆ２は、傾斜面１６に最も近い列の最下位の伝熱管９を基準に設定され、フィン８の下端からこの伝熱管９の上端までの高さＨｐ２よりも小とされる。すなわち、傾斜面１６の上縁は、最上流側の最下位の伝熱管９の上端よりも下方に位置する。この場合、上流側の伝熱管９は下流側の伝熱管９よりも低い位置にあるので、上流側の傾斜面１６の高さＨｆ２は下流側の傾斜面１５の高さＨｆより低くなる。

このような形態の室外熱交換器２においても同様に、外気温が氷点下のまま継続する状況であっても、底板１３上に除霜された水が氷結して堆積することはなく、十分な暖房能力を得ることができる。

（第４実施形態）
本実施形態の室外熱交換器２では、図７、８に示すように、フィン８ａ，８ｂが空気流れ方向に複数、ここでは２列に並べて設けられている。各列のフィン８ａ，８ｂには、それぞれ伝熱管９ａ，９ｂが貫通している。各列の伝熱管９ａ，９ｂは、互いに上下方向にずれて配され、千鳥配列とされる。一端側のフィン８ａ，８ｂには、支持板１７が取り付けられている。伝熱管９ａ，９ｂは支持板１７を貫通して、上下の伝熱管９ａ，９ｂが連結される。その他の室外ユニット１の構成は、上記各実施形態のものと同じである。

そして、下流側に位置するフィン８ｂに傾斜面１５が形成されている。傾斜面１５は、フィン８ｂの下部の下流側に形成され、その構造は第１実施形態と同じである。また、図９に示すように、下流側のフィン８ｂだけでなく、上流側のフィン８ａに傾斜面１６を形成してもよい。この傾斜面１６は、第２実施形態のものと同じである。

このような形態の室外熱交換器２においても同様に、除霜運転時に融解した水は、各列のフィン８ａ，８ｂの表面を流れ落ち、傾斜面１５，１６に沿って外側に広がることなく底板１３上に落下し、ドレン口１４から排水される。したがって、外気温が氷点下のまま継続する状況であっても、底板１３上に除霜された水が氷結して堆積することはなく、十分な暖房能力を得ることができる。

上記の室外熱交換器２は、図７に示すように平面視Ｌ形に湾曲されているが、図４に示すように全体的に湾曲した形状であってもよく、同様に傾斜面１５を下流側にのみ、あるいは下流側および上流側に形成する。また、フィン８が空気流れ方向に沿って３列以上並んでいる場合には、最も下流側に位置するフィン８に傾斜面１５が形成される。さらに、最も上流側に位置するフィン８にも傾斜面１６が形成される。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。底板における熱交換器の両側広さの関係に基づいて、下流側が狭く、上流側が広い場合、傾斜面は上流側だけに形成するとよい。傾斜面は、フィンの一部を折り曲げることにより形成されているが、別部材の平板をフィンに取り付けてもよい。傾斜面の形状も平面状に限らず、湾曲面としてもよい。また、各実施形態の熱交換器を空気調和機以外の除霜運転が行われる冷凍システム、例えば冷蔵庫、冷凍庫に適用してもよい。

本発明の第１実施形態の室外ユニットの要部断面図 同じく室外熱交換器の斜視図 第２実施形態の室外ユニットの要部断面図 他の形態の室外熱交換器の斜視図 第３実施形態の室外ユニットの要部断面図 同じく他の形態の室外ユニットの要部断面図 第４実施形態の室外熱交換器の斜視図 同じく室外ユニットの要部断面図 同じく他の形態の室外ユニットの要部断面図 空気調和機の冷媒回路図 室外ユニットの内部構造を示す図 室外ユニットの横断面図 従来の室外熱交換器の斜視図 従来の室外ユニットの要部断面図 室外熱交換器の下部が氷結した状態を示す図 従来の他の室外ユニットの要部断面図

符号の説明

１ 室外ユニット
２ 室外熱交換器
８ 板状フィン
９ 伝熱管
１４ ドレン口
１５ 傾斜面

Claims (11)

1. 空気が流通するように所定の間隔で立設された複数の板状フィンと、該フィンを貫通し上下方向に配列された複数の伝熱管とを備え、前記フィンの下部に、フィンの外側から中央に向かって傾斜した傾斜面が形成されたことを特徴とする熱交換器。
2. 空気が流通するように所定の間隔で立設された複数の板状フィンと、該フィンを貫通し上下方向に配列された複数の伝熱管とを備え、前記フィンの下部の隅が隣のフィンに向かって倒されることにより傾斜面が形成されたことを特徴とする熱交換器。
3. 傾斜面は、空気流れ方向においてフィンの下流側下部に位置す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. 傾斜面は、空気流れ方向においてフィンの下流側下部および上流側下部の２ヶ所に位置す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。
5. フィンが空気流れ方向に沿って複数列並べられ、空気流れ方向の最下流側にあるフィンに傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
6. フィンが空気流れ方向に沿って複数列並べられ、空気流れ方向の最下流側にあるフィンおよび最上流側にあるフィンに傾斜面がそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
7. 傾斜面の水平方向に対する傾斜角度が３５度以上、７５度以下とされたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 傾斜面の上縁が、最下位にある伝熱管の上端よりも下方に位置することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱交換器。
9. キャビネットに、送風機およびこれに面した熱交換器が内装され、該熱交換器は、前記キャビネットの底板に形成されたドレン口の上方に配置され、前記熱交換器は、空気が流通するように所定の間隔で立設された複数の板状フィンと、該フィンを貫通し上下方向に配列された複数の伝熱管とを備え、前記フィンの下部に、フィン表面を流れ落ちてくる水を前記ドレン口に導くために、前記フィンの外側から中央に向かって傾斜した傾斜面が形成されたことを特徴とする空気調和機の室外ユニット。
10. 傾斜面は、空気流れ方向においてフィンの下流側下部に位置することを特徴とする請求項９に記載の空気調和機の室外ユニット。
11. 傾斜面は、空気流れ方向においてフィンの下流側下部および上流側下部の２ヶ所に位置することを特徴とする請求項９に記載の空気調和機の室外ユニット。

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