JP2012225545A - 熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管を集約し、パス数を低減できるようにする。
【解決手段】空気が通過する隙間を置いて複数積層された矩形状フィンと、これら矩形状フィンと直交し、内部を作動流体が通過する伝熱管とを備え、矩形状フィンは、前記隙間の空気導入部となる側の積層面が空気流れ方向に直交する向きに配置され、伝熱管は、矩形状フィンの長手方向を段方向として複数段設けられるとともに、空気流れ方向を列方向として複数列設けられてなる熱交換器であって、各列及び各段毎に、列方向に複数の伝熱管２ａ，２ｂを配し、かつこれら複数の伝熱管２ａ，２ｂの、前記積層された矩形状フィンを貫通した両端部の少なくとも一方に、これら複数の伝熱管２ａ，２ｂを束ねて段毎に合流又は分配する段専用集合管３を設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機に関する。

従来より、空気が通過する隙間を置いて複数積層された矩形状フィンと、これら矩形状フィンと直交し、内部を作動流体が通過する伝熱管とを備えたフィンチューブ型熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−５１４１２号公報（図１）

しかしながら、従来のフィンチューブ型熱交換器は、配管間の距離が遠く、一まとめにできないという難点があり、パス数が増大する傾向にあった。

本発明の技術的課題は、伝熱管を集約し、パス数を低減できるようにすることにある。

本発明に係る熱交換器は、下記の構成からなるものである。すなわち、空気が通過する隙間を置いて複数積層された矩形状フィンと、これら矩形状フィンと直交し、内部を作動流体が通過する伝熱管とを備え、矩形状フィンは、前記隙間の空気導入部となる側の積層面が空気流れ方向に直交する向きに配置され、伝熱管は、矩形状フィンの長手方向を段方向として複数段設けられるとともに、空気流れ方向を列方向として複数列設けられてなる熱交換器であって、各列及び各段毎に、列方向に複数の伝熱管を配し、かつこれら複数の伝熱管の、前記積層された矩形状フィンを貫通した両端部の少なくとも一方に、これら複数の伝熱管を束ねて段毎に合流又は分配する段専用集合管を設けたものである。

本発明に係る熱交換器においては、各列及び各段毎に、列方向に複数の伝熱管を配し、かつこれら複数の伝熱管の、前記積層された矩形状フィンを貫通した両端部の少なくとも一方に、これら複数の伝熱管を束ねて段毎に合流又は分配する段専用集合管を設けたので、各列及び各段毎に列方向に複数設けた伝熱管を、実質的に１本の配管として扱って冷媒パスを構成することが可能となり、パス数を低減させることができ、熱交換性能を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る熱交換器の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器の伝熱管配置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器の接続配管、段専用集合管（三方管）、及び伝熱管の関係を示す正面図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器の接続配管、段専用集合管（三方管）、伝熱管、及び矩形状フィンと、空気流れ方向の関係を示す正面図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器の段専用集合管（三方管）とＵベンドの関係を示す側面図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器を伝熱管のヘアピン側より示す側面図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器の三方管の変形例を示す正面図である。 本発明の実施形態２に係る空気調和機の冷凍サイクルの冷媒回路図である。

実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係る熱交換器の構成を示す断面図である。
本発明の実施形態１に係る熱交換器は、図１のように空気が通過する隙間を置いて複数積層された２列の矩形状フィン１ａ，１ｂと、これら矩形状フィン１ａ，１ｂのそれぞれに直交し、内部を作動流体が通過する２列の伝熱管２ａ，２ｂとを備えている。すなわち、矩形状フィン１ａ，１ｂは、隙間の空気導入部となる側の積層面が空気流れ方向に直交する向きに配置されている。伝熱管２ａ，２ｂは、矩形状フィン１ａ，１ｂの長手方向を段方向として複数段設けられるとともに、空気流れ方向を列方向として複数列設けられている。また、伝熱管２ａ，２ｂは、各列及び各段毎に設けられ、それぞれが列方向（空気流れ方向）に平行に配置されている。さらに、各列及び各段毎に設けられている伝熱管２ａ，２ｂは、隣接する列側の伝熱管２ａ，２ｂとの位置関係で見ると段方向にずらせて配置されていて、互いに千鳥状に配列されている。ここで、伝熱管２ａ，２ｂの管径は５.０mmであり、矩形状フィン１ａ，１ｂの空気流れ方向のフィン幅は２２mm、各列における伝熱管２ａ，２ｂの段方向のピッチは２１mmである。また、各列における伝熱管２ａ，２ｂの中心軸の空気流れ方向のピッチは１０mmである。

図１のように、各列及び各段毎に、複数の伝熱管２ａ，２ｂを設け、かつこれら伝熱管２ａ，２ｂは、空気流れ方向に平行に配置することで、空気側の通風抵抗を増やすことなく伝熱管の本数を増加させることができる。

さらに、各列及び各段毎に設けられている伝熱管２ａ，２ｂを、隣接する列間で見て千鳥状に配列することで、伝熱性能を向上させることができる。

図２は本発明の実施形態１に係る熱交換器の伝熱管配置の変形例を示す断面図である。図２においては、各列及び各段毎に設けられている伝熱管２ａ，２ｂが、空気流れ方向に対して伝熱管投影面分（伝熱管外径分）、段方向に偏倚して配置されている。

図２のように各列及び各段毎に設けられている伝熱管２ａ，２ｂを互いに段方向に偏倚して配置し、空気流れの下流側に配置されている伝熱管２ｂが、空気流れの上流側に配置されている伝熱管２ａの後流の影響を受けないようにすることで、伝熱性能を向上させることができる。

図３は本発明の実施形態１に係る熱交換器の接続配管、段専用集合管（三方管）、及び伝熱管の関係を示す正面図である。図４は本発明の実施形態１に係る熱交換器の接続配管、段専用集合管（三方管）、伝熱管、及び矩形状フィンと、空気流れ方向の関係を示す正面図である。図５は本発明の実施形態１に係る熱交換器の段専用集合管（三方管）とＵベンドの関係を示す側面図である。図６は本発明の実施形態１に係る熱交換器を伝熱管のヘアピン側より示す側面図である。

図３乃至図６のように各列及び各段毎に設けられている伝熱管２ａ，２ｂの、積層された矩形状フィン１ａや１ｂを貫通した両端部の一方に、これら複数の伝熱管２ａ，２ｂを束ねて段毎に合流又は分配する段専用集合管すなわち三方管３が設けられている。三方管３の入口又は出口となる合流管部３ａは、その直径が７mmであり、その軸線が空気流れ方向上流側の伝熱管２ａ寄りに配置されている。ここでは、図３のように三方管３の合流管部３ａの軸線と空気流れ方向上流側の伝熱管２ａの軸線とがほぼ一致するように構成されている。このように三方管３の合流管部３ａを空気流れ方向上流側に配置することにより、本実施形態の熱交換器を空気調和機の凝縮器に適用した場合、液冷媒の慣性力を利用して、熱負荷の大きい空気流れ方向上流側の伝熱管２ａに冷媒を多く流すことができる。このため、２相冷媒を用いる場合、空気流れ方向上流側と下流側の伝熱管２ａ，２ｂ間の乾き度を一様にすることができ、熱交換性能が向上する。

したがって、冷媒は、凝縮器の場合、図５及び図６のように空気流れ方向下流側の矩形状フィン１ｂの列の入口から流入し、三方管３により矩形状フィン１ｂの最上段に位置する伝熱管２ａ，２ｂに分配される。次いで、矩形状フィン１ｂで熱交換され、伝熱管２ａ，２ｂのそれぞれのヘアピン部を通過し、再び矩形状フィン１ｂで熱交換された後、二段目の三方管３により伝熱管２ａ，２ｂは合流される。次いで、段間Ｕベンド５で下段（三段目）に流入し、下段（三段目）の三方管３に流入後、伝熱管２ａ，２ｂに分配される。これを、空気流れ方向下流側の矩形状フィン１ｂで繰り返した後、列間Ｕベンド６で上流側に流入し、空気流れ方向上流側の矩形状フィン１ａの最下段の三方管３に流入する。

次に、矩形状フィン１ａの最下段の三方管３により伝熱管２ａ，２ｂに分配され、矩形状フィン１ａで熱交換され、ヘアピンを通過し、再び矩形状フィン１ａで熱交換される。その後、下から二段目の三方管３により伝熱管２ａ，２ｂは合流される。次いで、段間Ｕベンド５で上段（下から三段目）に流入し、下から三段目の三方管３に流入後、伝熱管２ａ，２ｂに分配される。これを、空気流れ方向上流側の矩形状フィン１ａで繰り返した後、最上段の三方管３の合流管部３ａ、つまり冷媒出口より接続配管４（図４）へ流出する。

このように、各列及び各段毎に設けられている複数の伝熱管２ａ，２ｂを束ねて段毎に合流又は分配する三方管３により、各列及び各段毎に設けられている複数の伝熱管２ａ，２ｂを実質的に１本の配管として扱い、冷媒パスを構成しているので、冷媒パス数を半減できる。

図７は本発明の実施形態１に係る熱交換器の三方管の変形例を示す正面図である。この三方管３Ａは、伝熱管２ａ，２ｂとの接続部が、合流管部３ａの軸線を挟むように設けられている。このような三方管３Ａの場合、空気流れ方向上流側に配置される伝熱管２ａと空気流れ方向下流側に配置される伝熱管２ｂをストレート状に接続した場合、これら伝熱管２ａ，２ｂには液冷媒が均等に流れる。このため、熱負荷の大きい空気流れ方向上流側の伝熱管２ａに冷媒を多く流すことはできない。

したがって、このような三方管３Ａを用いる場合は、空気流れ方向下流側に配置される伝熱管２ｂを、図７のように三方管３Ａの接続部まで空気流れ方向上流側に折り曲げて、三方管３Ａに接続する形態を採る。これにより、空気流れ方向下流側に配置される伝熱管２ｂに圧損を付けることができて、空気流れ方向上流側の伝熱管２ａにより多くの液冷媒を流すことができる。このため、２相冷媒を用いる場合、空気流れ方向上流側と下流側の伝熱管２ａ，２ｂ間の乾き度を一様にすることができ、熱交換性能が向上する。

なお、ここでは各列及び各段毎に設けられている複数の伝熱管２ａ，２ｂの、積層された矩形状フィン１ａ，１ｂを貫通した両端部の内の一方に、これら複数の伝熱管２ａ，２ｂを束ねて段毎に合流又は分配する段専用集合管すなわち三方管３又は３Ａを設け、伝熱管２ａ，２ｂの両端部の内の他方は、これら伝熱管２ａ，２ｂを折り返すヘアピンとして構成したものを例に挙げて説明したが、これに限るものではない。すなわち、三方管３又は３Ａは、伝熱管２ａ，２ｂの、積層された矩形状フィン１ａ，１ｂを貫通した両端部の両方に設けてもよいものである。この場合は、各伝熱管２ａ，２ｂが合流するまでの長さを短くすることができるため、熱負荷の影響を受けなくなり、乾き度分布を少なくでき、熱交換性能が向上する。

また、ここでは、各列及び各段毎に、列方向に２つの伝熱管２ａ，２ｂを配し、段専用集合管すなわち三方管３又は３Ａにてこれら２つの伝熱管２ａ，２ｂを束ねて段毎に合流又は分配するようにしたものを例に挙げて説明したが、これに限るものではない。例えば、各列及び各段毎に、列方向に３つ以上の伝熱管を配し、段専用集合管にてこれら３つ以上の伝熱管を束ねて段毎に合流又は分配するようにしてもよいものである。

実施形態２．
図８は前述の熱交換器を備えた本発明の実施形態２に係る空気調和機の冷凍サイクルの冷媒回路図である。

本発明の実施形態２に係る空気調和機は、図８のように圧縮機３３、凝縮器３４、絞り装置３５、蒸発器３６、凝縮器用送風機３７ａ及びその駆動用モーター３８ａ、蒸発器用送風機３７ｂ及びその駆動用モーター３８ｂにより構成されている。前述の実施形態１に係る熱交換器を凝縮器３４または蒸発器３６、もしくは両方に用いることにより、エネルギー効率の高い空調冷凍装置を実現することができる。ここで、エネルギー効率は、次式（１）（２）で求められるものである。
暖房エネルギー効率＝室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力‥‥‥‥‥‥（１）
冷房エネルギー効率＝室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力‥‥‥‥‥‥（２）

なお、前述の実施形態１で述べた熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１，ＲＣ３１８などや、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、ＨＦＯ１２３４yf等の低ＧＷＰ冷媒、またこれら冷媒の数種の混合冷媒など、どんな種類の冷媒を用いても、その効果を達成することができる。

また、作動流体として、ここでは空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏する。

伝熱管２ａ，２ｂと矩形状フィン１ａ，１ｂは、異なった材料を用いることが一般的である。しかし、伝熱管２ａ，２ｂと矩形状フィン１ａ，１ｂの材料として、銅やアルミ等、同じ材料を用いることで、矩形状フィン１ａ，１ｂと伝熱管２ａ，２ｂのロウ付けが可能となる。この場合には、矩形状フィン１ａ，１ｂと伝熱管２ａ，２ｂの接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換能力が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。

また、伝熱管２ａ，２ｂと矩形状フィン１ａ，１ｂを密着させる方法として、炉中ロウ付けを行う場合、炉中ロウ付けの後に、矩形状フィン１ａ，１ｂに親水材を塗布するようにすれば、親水材の焼け落ちを防ぐことができる。

また、前述の実施形態１で説明した熱交換器を室外機で用いた場合においても同様な効果を奏する。

なお、前述の実施形態１で述べた熱交換器及びそれを用いた実施形態２の空調冷凍装置については、鉱油系、アルキルベンゼン油系、エステル油系、エーテル油系、フッ素油系など、冷媒と油が溶ける溶けないに拘わらず、どんな冷凍機油についても、その効果を達成することができる。

本発明の活用例として、熱交換性能を向上し、省エネルギー性能を向上することが必要なヒートポンプ装置の熱交換器に使用することができる。

１ａ，１ｂ 矩形状フィン、２ａ，２ｂ 伝熱管、３，３Ａ 三方管（段専用集合管）、３ａ 合流管部、４ 接続配管、５ 段間Ｕベンド、６ 列間Ｕベンド、３３ 圧縮機、３４ 凝縮器、３５ 絞り装置、３６ 蒸発器、３７ａ 凝縮器用送風機、３７ｂ 蒸発器用送風機、３８ａ，３８ｂ 駆動用モーター。

Claims (8)

1. 空気が通過する隙間を置いて複数積層された矩形状フィンと、これら矩形状フィンと直交し、内部を作動流体が通過する伝熱管とを備え、前記矩形状フィンは、前記隙間の空気導入部となる側の積層面が空気流れ方向に直交する向きに配置され、前記伝熱管は、前記矩形状フィンの長手方向を段方向として複数段設けられるとともに、空気流れ方向を列方向として複数列設けられてなる熱交換器であって、
   各列及び各段毎に、列方向に複数の伝熱管を配し、かつこれら複数の伝熱管の、前記積層された矩形状フィンを貫通した両端部の少なくとも一方に、これら複数の伝熱管を束ねて段毎に合流又は分配する段専用集合管を設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記段専用集合管の合流管部を、その軸線が空気流れの上流寄りとなるように形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 段専用集合管の合流管部の軸線と空気流れ方向上流側の伝熱管の軸線とがほぼ一致するように構成したことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記段専用集合管は、前記複数の伝熱管との接続部が、当該段専用集合管の合流管部の軸線を挟むように設けられており、前記複数の伝熱管の内、空気流れ方向上流側の伝熱管は、前記段専用集合管の前記接続部の一方にストレートに接続され、空気流れ方向下流側の伝熱管は、空気流れ方向上流側に折り曲げられて前記段専用集合管の前記接続部の他方に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
5. 前記列及び各段毎に、列方向に複数設けた伝熱管を、互いに段方向に偏倚させて配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 伝熱管の少なくとも一端部の段間接続を、段方向で隣接する前記段専用集合管相互を段間Ｕベンドにて接続することで行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 伝熱管の少なくとも一端部の列間接続を、列方向で隣接する前記段専用集合管相互を列間Ｕベンドにて接続することで行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 作動流体に冷媒を用い、蒸発器及び凝縮器の両者又はいずれか一方に、前記請求項１乃至請求項７のいずれかの熱交換器を用いたことを特徴とする空気調和機。

Images