JP2010107130A - 熱交換器ユニット及びこれを使用する空気調和機の室内機 - Google Patents

Abstract

【課題】２個の熱交換器を組み合わせて熱交換器ユニットを形成するにあたり、熱交換器の種類と配置を吟味して、熱交換性能の高い熱交換器ユニットとする。
【解決手段】熱交換器ユニット１はサーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０を備え、サーペンタイン型熱交換器１０の気流出入り面と、パラレルフロー型熱交換器２０の気流出入り面が対向し、且つ、熱交換を行う気流中に、サーペンタイン型熱交換器１０が上流側、パラレルフロー型熱交換器２０が下流側となるように配置したものである。熱交換器ユニット１を蒸発器として用いる場合、冷媒はサーペンタイン型熱交換器１０を流れてから、冷媒流出口１５よりパラレルフロー型熱交換器２０の下部ヘッダパイプ２２に流入する。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器ユニット及びこれを使用する空気調和機の室内機に関する。

空気調和機等に用いられる熱交換器には、フィンアンドチューブ型、パラレルフロー型、サーペンタイン型といった種類のものがある。フィンアンドチューブ型は、多数の平行するフィンを１本のチューブが蛇行しつつ貫通する形のものであって、一般的に良く用いられている。パラレルフロー型は、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ものである。サーペンタイン型は、偏平チューブを用いる点ではパラレルフロー型と同じであるが、偏平チューブの数が１本であり、この１本の偏平チューブが蛇行し、蛇行する偏平チューブの間にコルゲートフィン等のフィンが配置されているという点でパラレルフロー型と異なる。なお、偏平チューブを用いるという点で共通するパラレルフロー型及びサーペンタイン型の熱交換器にあっては、フィンを配置していない、フィンレスの熱交換器も存在する。特許文献１にはフィンアンドチューブ型とサーペンタイン型の例が示されている。特許文献２にはパラレルフロー型とサーペンタイン型の例が示されている。特許文献３にはパラレルフロー型の例が示されている。

熱交換器ユニットでは、熱交換量を多くするため、複数の熱交換器を前後して通風路中に配置するということもしばしば行われる。特許文献１に記載された熱交換器ユニットでは、フィンアンドチューブ型熱交換器とサーペンタイン型熱交換器が、熱交換を行う気流中に、フィンアンドチューブ型熱交換器が上流側、サーペンタイン型熱交換器が下流側となるように配置されている。特許文献３に記載された熱交換器ユニットでは、フィンが取り付けられていないパラレルフロー型熱交換器とフィンが取り付けられたパラレルフロー型熱交換器が、熱交換を行う気流中に、フィンが取り付けられていないパラレルフロー型熱交換器が上流側、フィンが取り付けられたパラレルフロー型熱交換器が下流側となるように配置されている。
実開昭６４−２２５０９号公報 実開平２−５２０６３号公報 実開平７−２１４０８号公報

本発明は、２個の熱交換器を組み合わせて熱交換器ユニットを形成するにあたり、熱交換器の種類と配置を吟味して、熱交換性能の高い熱交換器ユニットとすることを目的とする。また、そのような熱交換器ユニットを搭載して性能及び信頼性を高めた空気調和機の室内機を提供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熱交換器ユニットは、サーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器を備え、前記サーペンタイン型熱交換器の気流出入り面と、前記パラレルフロー型熱交換器の気流出入り面が対向し、且つ、熱交換を行う気流中に、前記サーペンタイン型熱交換器が上流側、前記パラレルフロー型熱交換器が下流側となるように配置したことを特徴としている。

この構成によると、熱交換器ユニットがサーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器の二段構えとなっていることにより、空気との熱交換を十分に行うことができる。サーペンタイン型熱交換器では冷媒の回りの悪い偏平チューブが生じる余地がないので、熱交換を行わないまま熱交換器ユニットを通過する気流がなくなり、それを搭載した機器の露付き問題が軽減される。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、蒸発器として用いる場合、冷媒は前記サーペンタイン型熱交換器を流れてから前記パラレルフロー型熱交換器に流入することが好ましい。

このような構成にすれば、冷媒はパラレルフロー型熱交換器に至るまでに徐々に蒸発するため、パラレルフロー型熱交換器には乾き度の大きい冷媒が流入する。パラレルフロー型熱交換器は冷媒を分配する偏平チューブ本数が多いため、冷媒の流れが偏って各偏平チューブに均等に流れず、熱交換器全体での温度分布が不均一になる。一方サーペンタイン型熱交換器は、流入するのが乾き度の小さい冷媒である上、冷媒を分配する偏平チューブが１本だけであるため、冷媒の流れの偏りが生じない。そこで、上記両タイプの熱交換器を組み合わせることにより、熱交換されないまま熱交換器ユニットを通り抜ける空気を無くすことができる。

なお、圧縮機の信頼性確保のためにはある程度過熱された冷媒を圧縮機に返す必要があり、熱交換器の一部に温度が高くなる部分を発生させる必要がある。そのため、パラレルフロー型熱交換器を単独で用いると、温度が高くなった熱交換器の一部を熱交換されないまま通り抜ける空気がどうしても発生する。これでは、露付きの問題が生じてしまう。本発明熱交換器ユニットは、蒸発器として用いる場合、冷媒がサーペンタイン型熱交換器を流れてからパラレルフロー型熱交換器に流入するので、パラレルフロー型熱交換器にはサーペンタイン型熱交換器で熱交換された後の空気が流れることになり、パラレルフロー型熱交換器に冷媒の偏りが生じても露付き問題が生じる可能性を低減できる。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、蒸発器として用いる場合、冷媒は前記サーペンタイン型熱交換器の冷媒流出口より前記パラレルフロー型熱交換器の下部ヘッダパイプに流入することが好ましい。

パラレルフロー型熱交換器においては、上部ヘッダパイプから冷媒が流入すると、流入部に近い方の偏平チューブに冷媒の流れが偏る、いわゆる偏流が生じやすいが、本発明のように下部ヘッダチューブから冷媒が流入する構成では、各偏平チューブへの冷媒の分流が良好に行われ、偏流が生じにくい。そのため熱交換性能を良好に保つことができる。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、前記サーペンタイン型熱交換器の素材金属と前記パラレルフロー型熱交換器の素材金属を同一種類とすることが好ましい。

このような構成にすれば、サーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器が接触したとしても、異種金属の接触による腐食といった問題は生じない。つまり接触を気にすることなくサーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器を近接配置することができ、設計が容易になる。

また本発明は、上記熱交換器ユニットを使用する空気調和機の室内機であることを特徴としている。

この構成によると、熱交換性能の高い空気調和機の室内機を得ることができる。

本発明によると、サーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器の二段構えとした構成により、空気との熱交換を十分に行うことができる。サーペンタイン型熱交換器では冷媒の回りの悪い偏平チューブが生じる余地がないので、熱交換を行わないまま熱交換器ユニットを通過する気流がなくなり、それを搭載した機器の露付き問題が軽減される。

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は熱交換器ユニットの側面図にして、サーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器を断面図で示したもの、図２は熱交換器ユニットの模式的概略構成図である。なお図１において、図の上側が熱交換器ユニットの上側である。

熱交換器ユニット１は、サーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０を組み合わせて構成される。図１には、熱交換器１が空気調和機の室内機に搭載されるとの想定で、室内機からの吹出気流形成用のクロスフローファン３０も描かれている。

サーペンタイン型熱交換器１０は左右に折り返し部分を有する１本の蛇行する偏平チューブ１１を備える。偏平チューブ１１は素材金属を押出成型したものであり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路１２が形成されている。冷媒通路１２の一構成例では、断面形状及び断面面積の等しいものが図２の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ１１はハーモニカのような断面を呈している。

蛇行する偏平チューブ１１の間にはコルゲートフィン１３が配置される。偏平チューブ１１とコルゲートフィン１３はアルミニウム等熱伝導の良い素材金属で形成され、ロウ付けまたは溶着により相互に固定される。

サーペンタイン型熱交換器１０は冷媒流入口１４と冷媒流出口１５を有する。本実施形態においては、上の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流入口１４、下の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流出口１５を設けているが、それを逆にして、下の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流入口１４、上の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流出口１５を設けてもよい。この点は後で第３実施形態として説明する。

パラレルフロー型熱交換器２０は、上部ヘッダパイプ２１と下部ヘッダパイプ２２を互いに間隔を置いてそれぞれ水平に、すなわち互いに平行する形で配置し、上部ヘッダパイプ２１と下部ヘッダパイプ２２の間に上下方向に延びる偏平チューブ２３を所定ピッチで複数配置し、隣り合う偏平チューブ２３同士の間にコルゲートフィン２５を配置したダウンフロー型のパラレルフロー型熱交換器である。偏平チューブ２３は素材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２４が形成されている。冷媒通路２４の一構成例では、断面形状及び断面面積の等しいものが図２の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ２３はハーモニカのような断面を呈している。各冷媒通路２４は上部ヘッダパイプ２１及び下部ヘッダパイプ２２の内部に連通する。

上部ヘッダパイプ２１、下部ヘッダパイプ２２、偏平チューブ２３、及びコルゲートフィン２５はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い素材金属で形成される。素材金属の種類が統一されているのが好ましい。上部ヘッダパイプ２１及び下部ヘッダパイプ２２と偏平チューブ２３、及び偏平チューブ２３とコルゲートフィン２５はそれぞれロウ付けまたは溶着により固定される。

サーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０は、互いの気流出入り面（そこから気流が吸い込まれる面またはそこから気流が吹き出される面）を対向させる形で、クロスフローファン３０が生成する吹出気流の気流方向において直列に配置される。すなわちサーペンタイン型熱交換器１０は風上側に配置され、パラレルフロー型熱交換器２０はサーペンタイン型熱交換器１０に前後する形で風下側に配置される。サーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０は互いに平行し、且つ近接ないし接触する形で配置されている。

空気調和機の室内機の内部において熱交換器ユニット１は、風上側が上向きで風下側が下向きになるよう斜めに配置されている。このため、風上側に配置されたサーペンタイン型熱交換器１０が上、風下側に配置されたパラレルフロー型熱交換器２０が下となる重なり合いが生じている。言い換えれば、熱交換器ユニット１は、サーペンタイン型熱交換器１０の気流吹出面にパラレルフロー型熱交換器２０の気流吸込面が近接ないし接触する形で対向し、且つ、サーペンタイン型熱交換器１０が上、パラレルフロー型熱交換器２０が下という配置構成にしたものである。

熱交換器ユニット１を蒸発器として用いる場合、パラレルフロー型熱交換器２０の下部ヘッダパイプ２２の一端にはサーペンタイン型熱交換器１０の冷媒流出口１５に接続する冷媒流入口２６が設けられている。なお図２においては、下部ヘッダパイプ２２の一端に１個の冷媒流入口２６が設けられているが、この冷媒流入口２６の数と位置は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、下部ヘッダパイプ２２の両端に冷媒流入口２６が１個ずつ設けられていてもよいし、下部ヘッダパイプ２２の中央に１個の冷媒流入口２６が設けられていてもよい。

上部ヘッダパイプ２１には冷媒流出口２７が設けられている。冷媒流出口２７も、冷媒流入口２６と同様、図２に示す数と位置は一例であって、これに限定されるものではない。上部ヘッダパイプ２１の両端に冷媒流出口２７が１個ずつ設けられていてもよいし、上部ヘッダパイプ２１の中央に１個の冷媒流出口２７が設けられていてもよい。

サーペンタイン型熱交換器１０の冷媒流出口１５とパラレルフロー型熱交換器２０の冷媒流入口２６は、同じ側に配置されていることが好ましい。このようにすれば、サーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０を接続するパイプやチューブを短くすることができ、資材量を削減することができる。

熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合、サーペンタイン型熱交換器１０の冷媒流入口１４から冷媒が流入する。冷媒は冷媒通路１２を通る間に蒸発し、周囲の空気から熱を奪う。サーペンタイン型熱交換器１０を通り抜けた冷媒はパラレルフロー型熱交換器２０の冷媒流入口２６から下部ヘッダパイプ２２に入り、偏平チューブ２３の冷媒通路２４を上昇する。冷媒通路２４を上昇する過程で冷媒はさらに蒸発して周囲の空気から熱を奪う。最終的に冷媒は上部ヘッダパイプ２１に入り、冷媒流出口２７から流出する。

蒸発器として用いる場合、冷媒はサーペンタイン型熱交換器１０を流れてからパラレルフロー型熱交換器２０に流入する。冷媒はパラレルフロー型熱交換器２０に至るまでに徐々に蒸発するため、パラレルフロー型熱交換器２０には乾き度の大きい冷媒が流入する。パラレルフロー型熱交換器２０は冷媒を分配する偏平チューブ２３の本数が多いため、冷媒の流れが偏って各偏平チューブ２３に均等に流れず、熱交換器全体での温度分布が不均一になる可能性がある。一方サーペンタイン型熱交換器１０は、冷媒を分配する偏平チューブ１１が１本だけであるため、冷媒の流れの偏りが生じない。このように冷媒の流れ方の異なる熱交換器を組み合わせることにより、熱交換器ユニット１を通り抜ける空気の温度分布を均一化することができる。

なお、熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合には、圧縮機の信頼性確保のために、ある程度過熱された冷媒を圧縮機に返す必要があり、熱交換器の一部に温度が高くなる部分を発生させる、すなわち、熱交換器内に少し乾き部を作り、過熱度を取ることが望ましい。本実施形態の熱交換器ユニットでは、蒸発器として使用する場合、サーペンタイン型熱交換器１０で熱交換が確実に行われるので、ダウンフロー型のパラレルフロー型熱交換器２０を流れる空気は熱交換された後の空気となり、ダウンフロー型のパラレルフロー型熱交換器２０にて冷媒の偏りが生じても露付きが生じる可能性を低減できる。

クロスフローファン３０に吸い込まれる空気の温度が均一でなく、クロスフローファン３０の特定部位には十分に冷却された空気が吸い込まれ、他の部位には冷却の不十分な空気が吸い込まれるといった状況下では、クロスフローファン３０の内部の熱伝導で前記他の部位が冷却され、ここに冷却の不十分な空気が当たることから、クロスフローファン３０に結露が生じ、その露が室内機から吹き出す空気に乗って飛散し、使用者に不快感を与えたり、吹出し口から水が滴下するということがある。本実施形態では、クロスフローファン３０のいずれの部位に吸い込まれる空気もサーペンタイン型熱交換器１０との間で熱交換を行った空気であるため、上述したクロスフローファン３０の結露の問題を軽減することができる。

冷媒の流れを見た場合、パラレルフロー型熱交換器２０で上部ヘッダパイプ２１から冷媒が流入すると、流入部に近い方の偏平チューブ２３に冷媒の流れが偏る、いわゆる偏流が生じやすいが、下部ヘッダチューブ２２から冷媒が流入する構成であれば、各偏平チューブ２３への冷媒の分流が良好に行われ、偏流が生じにくい。そのため熱交換性能を良好に保つことができる。

熱交換器ユニット１を凝縮器として使用する場合には、パラレルフロー型熱交換器２０にて十分に熱交換し、液部分の比率が高い冷媒がサーペンタイン型熱交換器１０に流入することとなる。液部分の比率が高い冷媒は密度が高く、流路断面積の大きなパラレルフロー型熱交換器２０に流すと冷媒流速が非常に遅くなり、効率良く過冷却状態を取ることができないという問題が発生する。本発明の構成であれば、液部分の比率の高い冷媒が、パラレルフロー型熱交換器２０に比べて流路断面積の小さいサーペンタイン型熱交換器１０に流入して熱交換を行うから、サーペンタイン型熱交換器１０の内部での冷媒流速が速くなり、過冷却状態を効率良く取ることができる。これにより、熱交換器ユニット１の性能が向上する。

パラレルフロー型熱交換器は、上部ヘッダパイプと下部ヘッダパイプの間に上下方向に延びる複数の偏平チューブを配置する構成のものに限定されない。上下方向に延びるヘッダパイプを左右両端に配置し、その間に複数の水平な偏平チューブを配置した、サイドフロー型のパラレルフロー型熱交換器であってよい。その場合もサーペンタイン型熱交換器との組み合わせによる性能向上のメリットを享受できる。

なお、サーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０の素材金属を同一種類としておけば、サーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０が接触したとしても、異種金属の接触による腐食といった問題は生じない。従って、接触を気にすることなくサーペンタイン型熱交換器１０とパラレルフロー型熱交換器２０を近接配置することができ、設計が容易になる。

本発明の第２実施形態を図３に示す。図３は熱交換器ユニットの模式的概略構成図である。

第２実施形態が第１実施形態と異なるのはサーペンタイン型熱交換器１０の構造である。すなわちここでは上下に折り返し部分が生じるように偏平チューブ１１を蛇行させたサーペンタイン型熱交換器１０が用いられている。作用的には第１実施形態と変わる点はない。

本発明の第３実施形態を図４に示す。図４は熱交換器ユニットの模式的概略構成図である。

第３実施形態のサーペンタイン型熱交換器１０は、第１実施形態と同様、左右に折り返し部分を有する構造であるが、第１実施形態と逆に、下の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流入口１４、上の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流出口１５が設けられている。この構成であると、熱交換器ユニット１を凝縮器として使用する場合、ダウンフロー型のパラレルフロー型熱交換器２０の下部ヘッダパイプ２２から流出する冷媒は、上側の冷媒流出口１５から流入し、下側の冷媒流入口１４から流出することになる。凝縮過程では冷媒が順次液化して行くことから、冷媒の流れを上から下の方向にするのが好ましく、まさにこの要請に応え得るものである。

以上、本発明の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。

本発明は空気調和機等の熱交換器ユニットに広く利用可能である。

発明の第１実施形態に係る熱交換器ユニットの側面図にして、フィンアンドチューブ型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器を断面図で示したもの 第１実施形態の熱交換器ユニットの模式的概略構成図 第２実施形態の熱交換器ユニットの模式的概略構成図 第３実施形態の熱交換器ユニットの模式的概略構成図

符号の説明

１ 熱交換器ユニット
１０ サーペンタイン型熱交換器
１１ 偏平チューブ
１３ コルゲートフィン
２０ パラレルフロー型熱交換器
２１ 上部ヘッダパイプ
２２ 下部ヘッダパイプ
２３ 偏平チューブ
２５ コルゲートフィン
３０ クロスフローファン

Claims (5)

1. サーペンタイン型熱交換器とパラレルフロー型熱交換器を備え、前記サーペンタイン型熱交換器の気流出入り面と、前記パラレルフロー型熱交換器の気流出入り面が対向し、且つ、熱交換を行う気流中に、前記サーペンタイン型熱交換器が上流側、前記パラレルフロー型熱交換器が下流側となるように配置したことを特徴とする熱交換器ユニット。
2. 蒸発器として用いる場合、冷媒は前記サーペンタイン型熱交換器を流れてから前記パラレルフロー型熱交換器に流入することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器ユニット。
3. 蒸発器として用いる場合、冷媒は前記サーペンタイン型熱交換器の冷媒流出口より前記パラレルフロー型熱交換器の下部ヘッダパイプに流入することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器ユニット。
4. 前記サーペンタイン型熱交換器の素材金属と前記パラレルフロー型熱交換器の素材金属を同一種類とした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ユニット。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器ユニットを使用することを特徴とする空気調和機の室内機。

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