JP2010091145A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機に用いられるパラレルフロー型熱交換器において、高い熱交換性能を維持しつつ、フィンから結露水や除霜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、内部に設けた複数の冷媒通路５をヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブ４を備える。偏平チューブ４は長手方向を横向きにして配置され、それによって複数のフィン６が串刺しにされている。フィン６の下縁の１箇所または複数箇所に下向きのピーク部９が形成される。複数の偏平チューブ４は垂直面内で並列に配置されるものであり、フィン６の間を通って流れる気流の風上側から風下側に向かって低くなる斜辺１０がフィン６の下縁に形成され、斜辺１０の最下部がピーク部９となっている。
【選択図】図２

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器に関する。

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冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させ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。その例を特許文献１に見ることができる。

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、冷媒通路を低温の冷媒が流れ、偏平チューブの表面温度、また偏平チューブ間にコルゲートフィンが設けられている場合にはコルゲートフィン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やコルゲートフィン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やコルゲートフィン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やコルゲートフィン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。

特許文献１記載の熱交換器では、複数本のチューブの各偏平断面を、外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、チューブ周りで発生した水分は重力でチューブの傾斜下端に集まり、滴下して排水され易くなる。

空気調和用熱交換器の結露（凝縮）水排水に関しては、特許文献１の他にも様々な提案がなされている。特許文献２−４にその例を見ることができる。

特許文献２には、エバポレータの下面側を排水案内部材の斜面で支えてエバポレータの凝縮水を排水案内するようにした熱交換器が記載されている。

特許文献３には、上下に分割された上側プレートと下側プレートを接合して偏平チューブを形成し、外部の気体の下流側の偏平チューブの縁部に、下方に延出する凝縮水案内部を形成した熱交換器が記載されている。

特許文献４には、エバポレータを送風空気の前方側へ向かって下方へ微小角度だけ傾斜させ、そのエバポレータの傾斜前進端に凝縮水の排水案内部材を配置した熱交換器が記載されている。
特開２００４−６９２２８号公報 特開２００３−１１６５５号公報 特開２００７−１８３０２９号公報 特開平９−２１６５１１号公報

特許文献１記載の熱交換器には、偏平チューブ自体の排水性は良くなるが、フィンに付着した結露（凝縮）水の排水性改善にはつながりにくいという問題がある。

特許文献２記載の熱交換器では、排水案内部材が樹脂製のケースに一体成形で形成されているが、例えアルミニウムのような熱伝導の良い金属で形成されていたとしても、エバポレータに一辺で接触しているだけなので、パラレルフロー型熱交換器で用いられるフィンのように熱交換効率を高める役割を排水案内部材に期待することはできない。

特許文献３記載の熱交換器は、上側プレートと下側プレートを接合して偏平チューブを形成するものであり、偏平チューブの内部に複数の冷媒通路を設けて熱交換効率を高めるとことができない。

特許文献４記載の熱交換器では、排水案内部材がケースとは別体にて独立に樹脂成形されているが、例えアルミニウムのような熱伝導の良い金属で形成されていたとしても、エバポレータに一辺で接触しているだけなので、パラレルフロー型熱交換器で用いられるフィンのように熱交換効率を高める役割を排水案内部材に期待することはできない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、空気調和機に用いられるパラレルフロー型熱交換器において、フィンにより高い熱交換性能を維持しつつ、フィンから結露水や除霜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、内部に設けた複数の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を備えた熱交換器において、前記偏平チューブは長手方向を横向きにして配置されるものであり、この偏平チューブによって串刺しにされる複数のフィンを設け、前記フィンの下縁の１箇所または複数箇所に下向きのピーク部を形成したことを特徴としている。

この構成によると、内部に複数の冷媒通路を設けた複数の偏平チューブで複数のフィンを串刺しにした構造であるから、偏平チューブとフィンを合わせ、広い熱交換面積を確保して、効率的に熱交換を行うことができる。フィンの中を偏平チューブが通るのでフィンは偏平チューブの大きさによる制約を受けることなく形状や面積を設定でき、熱交換性能を高めることができる。またフィンに付着した結露水や除霜水は重力でフィンの下端まで垂れた後、ピーク部から滴下するから、排水をスムーズに進めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記複数の偏平チューブは縦方向に並列に配置されるものであり、前記フィンの間を通って流れる気流の風上側から風下側に向かって低くなる斜辺を前記フィンの下縁に形成し、前記斜辺の最下部が前記ピーク部となることが好ましい。

このような構成にすれば、フィンの下縁まで下がった水滴を気流で後押ししてピーク部に集め、速やかに滴下させることができる。

上記構成の熱交換器において、前記複数の偏平チューブは横方向に並列に配置されるものであり、前記フィンの間を通って上側から下側に流れる気流の一方の端方向から他方の端方向に向かって低くなる斜辺を前記フィンの下縁に形成し、前記斜辺の最下部が前記ピーク部となることが好ましい。

このような構成にすれば、フィンの下縁まで下がった水滴を気流で後押ししてピーク部に集め、速やかに滴下させることができる。また、偏平チューブ間の冷媒の分流に重力が影響せず、特定の偏平チューブに冷媒の流れが偏る現象が起こりにくくなり、熱交換効率を高めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記フィンが平板フィンであることが好ましい。

このような構成にすれば、フィンを生産性良く形成し、また組み立てることができる。

上記構成の熱交換器において、前記フィンがコルゲートフィンであることが好ましい。

このような構成にすれば、フィンの面積を増大し、熱交換性能を高めることができる。

本発明によると、長手方向を横向きにして配置され、内部に複数の冷媒通路を設けた複数の偏平チューブと、偏平チューブで串刺しにされた複数のフィンを合わせ、広い熱交換面積を確保して、効率的に熱交換を行うことができる。フィンに付着した結露水や除霜水は重力でフィンの下縁まで垂れた後、そこに形成された下向きのピーク部から滴下するから、排水をスムーズに進めることができる。

以下本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づき説明する。図１はパラレルフロー型熱交換器の正面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿って切断した垂直断面図である。なお図において、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る。

熱交換器１は、２本のヘッダパイプ２、３をその長手方向を縦向きにして、すなわち垂直かそれに近い角度にして、互いに平行且つ間隔を置く形で配置し、ヘッダパイプ２、３の間には、複数の偏平チューブ４をヘッダパイプ２、３の長手方向に所定ピッチで配置したものである。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は長手方向を横向きにして、すなわち水平かそれに近い角度にして、互いに平行且つ間隔を置く形で配置されている。複数の偏平チューブ４が縦方向に並列に並ぶ。偏平チューブ４は上下方向に偏平であり、その内部には複数の冷媒通路５が水平方向に所定ピッチで並ぶ形で並列に形成されている。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図２の左右方向に複数個並び、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。冷媒通路５はそれぞれヘッダパイプ２、３の内部に連通する。

ヘッダパイプ２、３と偏平チューブ４は溶着またはロウ付けにより固定される。ヘッダパイプ２、３もアルミニウム等熱伝導の良い金属からなる。

ヘッダパイプ２、３の間には厚み方向を横に向ける形で複数のフィン６が設けられる。フィン６はフィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンと同様のものであり、個々のフィン６は平板状で、横方向に所定ピッチで配置され、それを複数の偏平チューブ４が串刺しにしている。フィン６もアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、串刺しにされた後、偏平チューブ６と溶着またはロウ付けにより固定される。

ヘッダパイプ２、３には冷媒出入り口が設けられる。第１実施形態では、ヘッダパイプ２の下端に冷媒出入り口７が設けられ、ヘッダパイプ３の上端に冷媒出入り口８が設けられている。このようにヘッダパイプ２、３の対角位置に冷媒出入り口７、８を設けたのは単なる構成例であり、これに限定されるものではない。例えば、ヘッダパイプ２、３の上下方向中央位置に冷媒出入り口７、８を設ける構成も可能である。ヘッダパイプ２の両端に冷媒出入り口７を設け、ヘッダパイプ３の両端に冷媒出入り口８を設けるといった構成も可能である。

図２に示すように、フィン６の下縁には下向きのピーク部９を形成する。第１実施形態ではフィン６の下端を鋸歯状にして複数のピーク部９を形成している。図ではピーク部９の数が４個となっているが、数に限定はない。

図２の矢印はフィン６の間を通って流れる気流の方向を示す。図２では気流方向は水平となっている。フィン６の下縁の、ピーク部９より前の部分は、気流の風上側から風下側に向かって低くなる斜辺１０となっている。

熱交換器１が空気調和機の室外機に用いられるものとすると、暖房時には、図示しない室内機側熱交換器で凝縮した冷媒がヘッダパイプ２の冷媒出入り口７から流入する。冷媒は偏平チューブ４の冷媒通路５を通って流れる間に室外空気から熱を奪って蒸発し、膨張する。その後冷媒はヘッダパイプ３の冷媒出入り口８から流出し、図示しない圧縮機へと向かう。偏平チューブ４とフィン６を合わせ、広い熱交換面積が確保されているので、効率的に熱交換を行うことができる。

冷媒の蒸発で冷却された偏平チューブ４とフィン６の表面には、空気中の水分が結露する。結露水はフィン６の表面を伝ってフィン６の下縁へと垂れて行き、下縁に達したらさらに斜辺１０を伝ってピーク部９へ向かう。ピーク部９に達した水は集合して大きな水滴を形成し、速やかに落下する。斜辺１０を伝う水は水平に流れる気流に後押しされ、短時間でピーク部９に達するから、排水が一層促進される。

熱交換器１を空気調和機の室外機に用いていると、暖房時の結露水が霜に変わることがある。そのときは冷媒の流れを逆転し、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒を熱交換器１に流して霜を解かすのであるが、その霜が溶けた除霜水も、結露水と同様、ピーク部９から速やかに排水される。

ピーク部９は必ずしも鋭く尖っていることを要しない。手指を傷つけないように、多少のアールは許容される。第２実施形態以降の実施形態についても同じことが言える。

図１及び図２には、熱交換器１を垂直に立てて使用する状態が示されているが、熱交換器１の置き方はこれに限定されない。斜めにしてもよい。ピーク部９に水滴が垂れて行く角度範囲に留まっていれば、斜めであっても垂直時同様の効果を奏する。

図３に本発明の第２実施形態を示す。図３は図２と同様の垂直断面図である。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点はピーク部９の数である。第２実施形態では、ピーク部９を１個だけ、フィン６の風下側の端に形成した。そしてフィン６の風上側の端からピーク部９までを、気流の風上側から風下側に向かって低くなる単一の斜辺１０とした。

第２実施形態の構成においても、フィン６の下縁に達した結露水や除霜水は気流に後押しされて短時間でピーク部９に達し、そこで集合して大きな水滴を形成し、速やかに落下する。また図３のように熱交換器１を垂直に立てることは必須ではない。斜めにしてもよい。ピーク部９に水滴が垂れて行く角度範囲に留まっていれば、斜めであっても垂直時同様の効果を奏する。

図４に本発明の第３実施形態を示す。図４は図１と同様のパラレルフロー型熱交換器の正面図である。

第３実施形態が第１実施形態と異なる点はフィンの形状である。すなわち第３実施形態ではフィンをコルゲートフィン６Ａとした。コルゲートフィン６Ａは、気流の方向（水平方向）に延びる複数の断面略半円形の襞が、凹凸方向を交互に逆転させて上下に連続する形状を備えている。この構成によれば、フィンの面積が増大し、熱交換性能が高まる。

図５に本発明の第４実施形態を示す。図５は図４と同様のパラレルフロー型熱交換器の正面図である。

第４実施形態もフィンをコルゲートフィンとしている。第４実施形態のコルゲートフィン６Ｂは、襞の断面形状が台形で、襞ピッチが第３実施形態の２倍となっている。このフィン形状でもフィンの面積が増大し、熱交換性能が高まる。

第３実施形態でも第４実施形態でも、熱交換器１を垂直に立てることは必須ではない。斜めにしてもよい。ピーク部９に水滴が垂れて行く角度範囲に留まっていれば、斜めであっても垂直時同様の効果を奏する。

図６に本発明の第５実施形態を示す。図６はパラレルフロー型熱交換器の垂直断面図である。

第５実施形態の熱交換器１では、気流が上側から下側へと流れる。偏平チューブ４は上下方向にではなく水平方向に偏平とされ、その内部には複数の冷媒通路５が垂直方向に所定ピッチで並ぶ形で並列に形成されている。図示しないヘッダパイプがその長手方向を横向きにして、互いに間隔を置いて配置されており、そのヘッダパイプ間に複数の偏平チューブ４が横方向に並列に並ぶ。フィン６は平板状で、その下縁に計５個のピーク部９が形成されている。ピーク部９を終点とする斜辺１０は、気流の一方の端方向から他方の端方向に向かって低くなっている。

結露水や除霜水はフィン６の下縁に達すると斜辺１０を伝ってピーク部９へ向かう。上から下に流れる気流で吹かれることにより水は短時間でピーク部９に達し、そこで集合して大きな水滴を形成し、速やかに落下する。

図６には熱交換器１を水平に寝かして使用する状態が示されているが、熱交換器１の置き方はこれに限定されない。斜めに起こしてもよい。ピーク部９に水滴が垂れて行く角度範囲に留まっていれば、斜めであっても水平時同様の効果を奏する。

図７に本発明の第６実施形態を示す。図７はパラレルフロー型熱交換器の垂直断面図である。

第６実施形態は、第５実施形態のピーク部９の数を、第２実施形態と同じく１個としたものである。すなわちフィン６の一方の端にピーク部９を設け、他方の端からピーク部９までを、気流の一方の端方向から他方の端方向に向かって低くなる単一の斜辺１０としている。

第６実施形態の構成においても、フィン６の下縁に達した結露水や除霜水は上から下に流れる気流で吹かれて短時間でピーク部９に達し、そこで集合して大きな水滴を形成し、速やかに落下する。また図７のように熱交換器１を水平に寝かせることは必須ではない。斜めに起こしてもよい。ピーク部９に水滴が垂れて行く角度範囲に留まっていれば、斜めであっても水平時同様の効果を奏する。

第５実施形態と第６実施形態では、複数の偏平チューブ４が横方向に並列に配置されているため、偏平チューブ４間の冷媒の分流に重力が影響しない。そのため、特定の偏平チューブ４に冷媒の流れが偏る現象が起こりにくく、熱交換効率を高めることができる。

第５実施形態と第６実施形態のフィンを、第３実施形態や第４実施形態のようなコルゲートフィンとし、面積の増大を図ってもよい。その場合、コルゲートフィンの襞は縦方向に延ばすものとする。その場合の熱交換器１の平面図は図４や図５に近似したものとなる。

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実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の正面図 図１のＡ−Ａ線に沿って切断した垂直断面図 第２実施形態に係る図２と同様の垂直断面図 第３実施形態に係る図１と同様のパラレルフロー型熱交換器の正面図 第４実施形態に係る図１と同様のパラレルフロー型熱交換器の正面図 第５実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の垂直断面図 第６実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の垂直断面図

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 フィン
６Ａ、６Ｂ コルゲートフィン
７、８ 冷媒出入り口
９ ピーク部
１０ 斜辺

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、内部に設けた複数の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を備えた熱交換器において、
   前記偏平チューブは長手方向を横向きにして配置されるものであり、この偏平チューブによって串刺しにされる複数のフィンを設け、前記フィンの下縁の１箇所または複数箇所に下向きのピーク部を形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数の偏平チューブは縦方向に並列に配置されるものであり、前記フィンの間を通って流れる気流の風上側から風下側に向かって低くなる斜辺を前記フィンの下縁に形成し、前記斜辺の最下部が前記ピーク部となることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の偏平チューブは横方向に並列に配置されるものであり、前記フィンの間を通って上側から下側に流れる気流の一方の端方向から他方の端方向に向かって低くなる斜辺を前記フィンの下縁に形成し、前記斜辺の最下部が前記ピーク部となることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記フィンが平板フィンであ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. 前記フィンがコルゲートフィンであ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。

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