JP2009299963A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】パラレルフロー型熱交換器において、コルゲートフィンの形状に改良を加えることにより、除霜水や結露水をスムーズに排水できるようにする。
【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の間に所定ピッチで複数配置され、内部に設けた垂直な冷媒通路５をヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブ４と、偏平チューブ４間に配置されたコルゲートフィン６を備える。コルゲートフィン６には、それを通過する気流の風下側にあたる端に、偏平チューブ４の長手方向と平行する方向に連なるスリット９が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器に関する。

２本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。

従来のパラレルフロー型熱交換器の一例を図９に示す。熱交換器１は、２本の水平なヘッダパイプ２、３を上下に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に垂直な偏平チューブ４を所定ピッチで複数配置する。偏平チューブ４はアルミニウム等熱伝導の良い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は押出成型方向を垂直にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も垂直になる。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。なお図９において、紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側であり、上側のヘッダパイプ２と下側のヘッダパイプ３の間に複数の偏平チューブ４が長手方向を垂直にして所定ピッチで配置された構成となっている。

ヘッダパイプ２、３と偏平チューブ４は溶着により固定される。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４はハーモニカのような断面を呈している。偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。偏平チューブ４とコルゲートフィン６は溶着やロウ付けにより固定される。偏平チューブ４の他、ヘッダパイプ２、３及びコルゲートフィン６も熱伝導の良い金属からなる。

ヘッダパイプ２、３の間に多数の偏平チューブ４を設け、偏平チューブ４間にコルゲートフィン６を設けた構造であるから、熱交換器１の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。下側のヘッダパイプ（下部ヘッダパイプと称することもある）３の一端には冷媒流入口７が設けられ、上側のヘッダパイプ（上部ヘッダパイプと称することもある）２の一端には、冷媒流入口７と対角をなす位置に冷媒流出口８が設けられている。なお、ここに示した冷媒流入口７と冷媒流出口８の位置関係は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、冷媒流出口８が２箇所にある構成も可能である。

パラレルフロー型熱交換器を蒸発器として使用する場合、冷媒通路５を低温の冷媒が流れ、偏平チューブ４やコルゲートフィン６の表面温度が低下する。これにより、空気中の水分が偏平チューブ４やコルゲートフィン６の表面に霜となって付着するという現象（着霜現象）が起きる。着霜が生じると偏平チューブ４やコルゲートフィン６から空気への冷熱伝達が悪くなり、またコルゲートフィン６の隙間が霜により狭められて空気が流れにくくなるので、風量が低下し熱交換効率が低下する。このため、時々は蒸発器と凝縮器の役割を逆転する除霜運転を行い、霜を溶かすようにしている。

霜が溶けた水、すなわち除霜水が偏平チューブ４やコルゲートフィン６に付着したままであると、除霜運転から通常運転に戻ったときにそれが結氷し、熱交換効率を低下させてしまう。従って除霜水は速やかに排水する必要がある。

また、空気調和機の室内ユニットでは、冷房運転の際に室内空気との熱交換で熱交換器に結露が生じる。空気調和機の室外ユニットでは、暖房運転の際に室外空気との熱交換で熱交換器に結露が生じる。結露水も、空気流通路の断面積を狭めて熱交換性能を低下させる原因となるので、速やかに排水する必要がある。

除霜水や結露水を速やかに排水するため、特許文献１や特許文献２の構成が提案されている。

特許文献１に記載された熱交換器では、コルゲートフィンの波型の谷線と稜線を熱交換器奥行き方向に傾斜させ、除霜水が傾斜したフィン面に沿ってフィン下端面まで流れ、偏平チューブに沿って流れ落ちるようにしている。

特許文献２に記載された熱交換器では、コルゲートフィンの偏平チューブとの接合部に貫通穴を設け、除霜水が貫通穴を通過して偏平チューブに沿って流れ落ちるようにしている。
特開２００４−１７７０４０号公報 特開２００５−２４１８７号公報

パラレルフロー型熱交換器で除霜を行う場合、水の表面張力によるブリッジ現象（水の膜が張ること）が問題となる。特許文献２の貫通穴にブリッジ現象が生じると、水が貫通穴からなかなか流れ落ちない。ブリッジ現象はコルゲートフィンの間にも生じ、水がコルゲートフィンの端まで垂れて来ても、そこに膜を張るのみで、滴下に至らないという事態が発生する。除霜水のみならず、結露水についても同じことが言える。

上記のような事態を打開するため、例えば貫通穴の直径を大きくしたとすれば、偏平チューブとコルゲートフィンとの接触面積が減少し、熱交換性能が低下する。コルゲートフィンの山−谷ピッチを大きくしたとすれば、コルゲートフィンの放熱面積が減少し、これまた熱交換性能の低下を招く。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パラレルフロー型熱交換器において、コルゲートフィンの形状に改良を加えることにより、除霜水や結露水をスムーズに排水できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、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、前記偏平チューブ間に配置されたコルゲートフィンとを備えた熱交換器において、前記コルゲートフィンには、それを通過する気流の風上側または風下側にあたる端に、前記偏平チューブの長手方向と平行する方向に連なるスリットを形成したことを特徴としている。

この構成によると、除霜運転で除霜水が生じた場合、スリットの両側で各々水滴の形をなしたものが、スリットのところで出会うと、互いに表面張力を破壊し合って合体し、ブリッジ現象を生じることなく流れ落ちる。この時スリットは排水路（導水路）と化し、水は順次下に流れ落ちて行く。除霜水がスムーズに流れ落ちるため、除霜運転から通常運転に復帰したとき、排水されないまま残留した水滴が凍結して熱交換性能を損なうというおそれが少ない。結露水も除霜水と同じように流れ落ちるので、空気流通路の断面積が水によって狭められ、熱交換性能を低下させることを懸念せずに済む。

上記構成の熱交換器において、前記スリットの奥行きは前記コルゲートフィンの奥行き未満であることが好ましい。

このような構成にすれば、スリットの存在により、コルゲートフィンの強度が大幅に低下することはない。

上記構成の熱交換器において、前記スリットは前記コルゲートフィンを奥行き方向に貫通してもよい。

このような構成にすれば、コルゲートフィンの奥行き方向全体に渡って、排水性が良くなる。

上記構成の熱交換器において、前記コルゲートフィンは前記スリットの箇所が最も落ち込んでいることが好ましい。

このような構成にすれば、水滴がスリットまで下がってくるので、スリットのところで水滴同士が出会いやすくなり、排水が一層スムーズに行われる。

上記構成の熱交換器において、前記コルゲートフィンを前記偏平チューブに固定した後、前記スリットを切り開くことが好ましい。

このような構成にすれば、スリットを容易に形成することができる。

本発明によると、除霜水や結露水の水滴がスリットのところで出会い、互いに表面張力を破壊し合って合体し、ブリッジ現象を生じることなく流れ落ちるので、排水されないまま残留した水滴が凍結したり、空気流通路の断面積が水によって狭められたりすることによる熱交換性能の低下がない。

以下本発明の第１実施形態を図１から図３に基づき説明する。図１はパラレルフロー型熱交換器と送風装置の組み合わせを模式的に示す図、図２は熱交換器の垂直断面図、図３は熱交換器を風下側から見た部分正面図である。なお図９に示した従来構造の熱交換器と機能的に共通する要素には図９で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。第２実施形態以下の実施形態についても同様とする。

図１において、熱交換器１は水平断面が示されており、送風装置１０はプロペラファンの形状をもって象徴してある。送風装置１０は熱交換器１に対峙する位置に設置されている。送風装置１０を駆動すると、それによって生起された気流が熱交換器１を通過し、熱交換器１を流れる冷媒と気流との間で熱交換が行われる。

図２では、左側が風上、右側が風下となる。コルゲートフィン６は、風上側が高くなり、風下側が低くなるように傾斜している。なお、偏平チューブ４を等ピッチで配置する必要はなく、異なるピッチで配置してもよい。

コルゲートフィン６の風下側の縁には、風下側から見て中心の位置に、スリット９が形成されている。スリット９は気流に沿う方向に延び、その奥行きはコルゲートフィン６の奥行き未満である。図ではスリット９の奥行きはコルゲートフィン６の奥行きの３分の１から２分の１といった比率になっているが、これに限定されるものではない。図３に見られる通り、各スリット９は上下方向、すなわち偏平チューブ４の長手方向と平行する方向に連なっている。

送風機１０を駆動しつつ熱交換器１の除霜運転を行うと、コルゲートフィン６の表面に生じた除霜水は、送風機１０による風で風下側に吹き寄せられる。スリット９の両側で成長した水滴がスリット９のところで出会うと、互いに表面張力を破壊し合って合体し、ブリッジ現象を生じることなく流れ落ちる。スリット９の連なりが排水路（導水路）となり、水は順次下に流れ落ちて行く。除霜水がスムーズに流れ落ちるため、除霜運転から通常運転に復帰したとき、排水されないまま残留した水滴が凍結して熱交換性能を損なうというおそれが少ない。結露水も除霜水と同じように流れ落ちる。

熱交換器１の各部の寸法は、実験を通じて適切な値を決めるとよい。一例として、偏平チューブ４同士の間隔が５．５mm、偏平チューブ４の厚みが１．３mm、空気の流れ方向に
おけるコルゲートフィン６の水平方向長さが１８mm、コルゲートフィン６の山−谷ピッチ
が２mm〜３mm、スリット９の幅が最大１mm、といった数値を掲げることができる。言うま
でもないが、これらの数値は単なる例示であり、発明の内容を限定するものではない。

除霜運転時に送風装置１０を駆動しないという仕様も可能である。コルゲートフィン６は風上側が高くなり、風下側が低くなるように傾斜しているため、コルゲートフィン６の表面に生じた除霜水は、送風装置１０による風が無くても風下側に集まり、成長する。スリット９の両側で成長した水滴はやがてスリット９のところで出会い、互いに表面張力を破壊し合って合体し、ブリッジ現象を生じることなくスリット９の連なりを通じて流れ落ちることになる。

図１から図３に示す例では、コルゲートフィン６の風下側の縁であって、風下側から見て中心の位置にスリット９を形成したが、この構成に限定されるものではない。コルゲートフィン６の風上側の縁であって、風上側から見て中心の位置にスリットを追加することもできる。このようにすれば、コルゲートフィン６の風上側に生じた除霜水や結露水の水滴は、風下側へ移動する前に風上側のスリットのところで出会って合体し、ブリッジ現象を生じることなく風上側のスリットの連なりを通じて流れ落ちるので、コルゲートフィン６の風上側に生じた除霜水や結露水を速やかに排水することができる。なお、風下側のスリット９をコルゲートフィン６の風上側の縁の近傍まで延ばすことにより、風上側スリットの代わりとすることもできる。逆に、風上側のスリットをコルゲートフィン６の風下側の縁の近傍まで延ばすことにより、風下側スリットの代わりとすることもできる。

コルゲートフィン６は、風上側と風下側で高さの変わらない、水平なものであってもよい。このようなコルゲートフィンであっても、風下側の縁にスリットを形成することにより、風下側に生じた除霜水や結露水を、スリットの連なりを通じて速やかに排水することができる。また風上側の縁にスリットを形成することにより、風上側に生じた除霜水や結露水を、スリットの連なりを通じて速やかに排水することができる。風下側のスリットを風上側の縁の近傍まで延ばして風上側のスリットの代用とし、逆に風上側のスリットを風下側の縁の近傍まで延ばして風下側のスリットの代用とすることもできる。

続いて本発明の第２実施形態を図４から図６に基づき説明する。図４はパラレルフロー型熱交換器と送風装置の組み合わせを模式的に示す図、図５は熱交換器の垂直断面図、図６は熱交換器を風下側から見た部分正面図である。

第２実施形態では、図５に示す通り、コルゲートフィン６には風上側と風下側とで高さの差がなく、水平になっている。そしてスリット９はコルゲートフィン６を奥行き方向に貫通している。

第２実施形態の構成によると、通常運転時や除霜運転時に送風装置１０を駆動しておけば、スリット９のところで出会って合体した水滴は、スリット９の端から入った風により吹き飛ばされる。このため、水が一層良く除去される。

第２実施形態の構成であっても、除霜運転時に送風装置１０を駆動しないという仕様が可能である。その場合、スリット９の両側で成長した除霜水の水滴は、スリット９の全長のいずれかの箇所で出会い、互いに表面張力を破壊し合って合体し、ブリッジ現象を生じることなくスリット９の連なりを通じて流れ落ちることになる。

第１実施形態でも第２実施形態でも、スリット９は偏平チューブ４同士の間隔の中央に位置するものとして描かれているが、この位置は絶対的なものではない。風下側から見て左右どちらか一方に偏っていても構わない。コルゲートフィン６の１段毎に、あるいは数段毎に、左に偏ったり右に偏ったりする、千鳥状の配置であってもよい。またコルゲートフィン６の全段にスリット９を形成するのでなく、上半分の段だけに形成したり、その逆に下半分の段だけに形成したりすることもできる。

スリット９の形成は次のように行うことができる。例えば第１実施形態のスリット９を形成する場合、コルゲートフィン６を偏平チューブ４に固定した後、図７に示すように刃物２０を上から下に動かしてスリット９を切り開く。これにより、スリット９を容易に形成することができる。第２実施形態のスリット９の場合も同じである。

図７のように刃物２０を上から下に動かしてスリット９を切り開くこととすると、図８に示すように、コルゲートフィン６はスリット９の箇所が最も落ち込むことになる。このような形状であると、コルゲートフィン６の表面の水滴がスリット９のところまで下がってくるので、スリット９のところで水滴同士が出会いやすくなり、排水が一層スムーズに行われる。

コルゲートフィン６において、スリット９の箇所を最も落ち込ませるについては、刃物による切り開きに伴って落ち込みを形成するという上記手法の他、回転刃物やレーザー加工で落ち込みのないスリットを形成した後、別途プレス加工や曲げ加工で落ち込みを形成するといった手法なども採用可能である。

以上、本発明の各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。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

第１実施形態に係る熱交換器と送風装置の組み合わせを模式的に示す図 第１実施形態に係る熱交換器の垂直断面図 第１実施形態に係る熱交換器を風下側から見た部分正面図 第２実施形態に係ると送風装置の組み合わせを模式的に示す図 第２実施形態に係る熱交換器の垂直断面図 第３実施形態に係る熱交換器を風下側から見た部分正面図 スリット形成手法の説明図 図７の手法でスリットを形成した熱交換器を風下側から見た部分正面図 従来の熱交換器の概略構造を示す垂直断面図

符号の説明

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 コルゲートフィン
７ 冷媒流入口
８ 冷媒流出口
９ スリット
１０ 送風装置
２０ 刃物

Claims (5)

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、前記偏平チューブ間に配置されたコルゲートフィンとを備えた熱交換器において、
   前記コルゲートフィンには、それを通過する気流の風上側または風下側にあたる端に、前記偏平チューブの長手方向と平行する方向に連なるスリットを形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記スリットの奥行きは前記コルゲートフィンの奥行き未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記スリットは前記コルゲートフィンを奥行き方向に貫通することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記コルゲートフィンは前記スリットの箇所が最も落ち込んで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. 前記コルゲートフィンを前記偏平チューブに固定した後、前記スリットを切り開く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。

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