JP2013245916A - パラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を、その表面への水かけが容易な構造とする。
【解決手段】パラレルフロー型熱交換器５０は、間隔を置いて平行に配置された２本の垂直方向ヘッダパイプ５１、５２と、ヘッダパイプ５１、５２を連結する複数の水平方向偏平チューブ５３を備える。熱交換器５０の上部には偏平チューブ５３と平行な受水槽６０が形成され、受水槽６０の縁から溢れた水が熱交換器５０の表面伝いに流下する。偏平チューブ５３に取り付けられるコルゲートフィン５５のうち、最上位に位置するコルゲートフィン５５ａは偏平チューブ５３と平行に襞が延びることとされており、このコルゲートフィン５５ａが受水槽６０を構成する。受水槽６０に近接したコルゲートフィン５５は他のコルゲートフィンに比べフィンピッチが密にされている。
【選択図】図４

Description

本発明はパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

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複数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。

特許文献１には、２本の垂直方向ヘッダパイプと、両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が記載されている。この熱交換器では偏平チューブの間にコルゲートフィンが配置されている。

一方で家屋用の空気調和機では、ヒートポンプ方式を採用し、また室外機と室内機に分かれるセパレート型としたものが主流となっている。このような空気調和機で冷房運転を行うと、室内機の側でドレン水が発生する。通常の場合、ドレン水は単に屋外に排水されるのみであるが、このドレン水を室外機側熱交換器の凝縮性能の向上に役立てようとする提案もなされている。その例を特許文献２に見ることができる。

特許文献２に記載された空気調和機では、室内機で発生したドレン水を室外機のバケットに溜め、所定量のドレン水が貯留された時点でバケットを貯留姿勢から放流姿勢に姿勢変更し、放流されたドレン水を一旦筐体に受けた後下方に流下させ、室外機側熱交換器の大気取り入れ面に沿ってドレン水を滴下させることにより、冷房時の運転エネルギー省力化を図っている。

特開２０１０−２４９３８８号公報 特許第３８６１２１９号公報

本発明は、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を、その表面への水かけが容易な構造とするとともに、その構造上の特徴を生かして、室内機で発生したドレン水を室外機側熱交換器の凝縮性能の向上に役立てようとするものである。

本発明に係るパラレルフロー型熱交換器は、２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器であって、上部に前記偏平チューブと平行な受水槽が形成され、前記受水槽の縁から溢れた水が当該熱交換器の表面伝いに流下することを特徴としている。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記受水槽は前記偏平チューブの全長をカバーする長さであることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記偏平チューブに取り付けられるコルゲートフィンのうち、最上位に位置するコルゲートフィンは前記偏平チューブと平行に襞が延びることとされており、当該コルゲートフィンが前記受水槽を構成することが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記偏平チューブに取り付けられるコルゲートフィンのうち、前記受水槽に近接したコルゲートフィンは他のコルゲートフィンに比べフィンピッチが密にされていることが好ましい。

本発明に係る空気調和機は、室外機と室内機を備え、室外機に上記構造のパラレルフロー型熱交換器を搭載し、当該パラレルフロー型熱交換器の前記受水槽に前記室内機で発生したドレン水を導くことを特徴としている。

本発明によると、上部の受水槽に水を注ぐことにより、パラレルフロー型熱交換器の表面に偏り無く水をかけることができる。そしてこのパラレルフロー型熱交換器を空気調和機の室外機に搭載し、室内機で発生したドレン水を前記受水槽に導くことにより、冷房運転時に凝縮器として用いられている前記パラレルフロー型熱交換器の凝縮性能を向上させることができる。

本発明に係る空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明の実施形態に係る空気調和機の制御ブロック図である。 本発明に係るパラレルフロー型熱交換器の実施形態を示す概略構成図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図５の一部分の拡大断面図である。 図６と同様の拡大断面図で、変形態様を示すものである。

図１から図７に基づき、本発明に係るパラレルフロー型熱交換器５０、及びそれを室外機に搭載した空気調和機１についての説明を行う。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器５０の基本構造を図４に示す。図４では紙面上側が熱交換器の上側、紙面下側が熱交換器の下側となる。パラレルフロー型熱交換器５０は、２本の垂直方向ヘッダパイプ５１、５２と、その間に配置される複数の水平方向偏平チューブ５３を備える。ヘッダパイプ５１、５２は水平方向に間隔を置いて平行に配置され、偏平チューブ５３は垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、熱交換器５０は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるから、本明細書における「垂直方向」「水平方向」は厳格に解釈されるべきものではない。単なる方向の目安として理解されるべきである。

偏平チューブ５３は金属を押出成型した細長い成型品であり、図５に示す通り、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５４が形成されている。偏平チューブ５３は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５４の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路４４は断面形状及び断面面積の等しいものが図５の左右方向に複数個並び、そのため偏平チューブ５３の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５４はヘッダパイプ５１、５２の内部に連通する。

偏平チューブ５３の偏平面にはコルゲートフィン５５が取り付けられる。上下に並ぶコルゲートフィン５５のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート５６が配置される。なお最上段のコルゲートフィン５５の構造は他のコルゲートフィン５５と異なっているが、それについては後で説明する。また、フィン５５の形状はコルゲートに限られない。他の形状であってもよい。

ヘッダパイプ５１、５２、偏平チューブ５３、コルゲートフィン５５、及びサイドプレート５６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ５３はヘッダパイプ５１、５２に対し、コルゲートフィン５５は偏平チューブ５３に対し、サイドプレート５６はコルゲートフィン５５に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

ヘッダパイプ５１の内部は、１個の仕切部Ｐ１により２個の区画Ｓ１、Ｓ２に仕切られている。仕切部Ｐ１は複数の偏平チューブ５３を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ１には合計２４本の偏平チューブ５３のうち１２本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ２にも１２本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続される。

ヘッダパイプ５２の内部は、２個の仕切部Ｐ２、Ｐ３により３個の区画Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５に仕切られている。仕切部Ｐ２、Ｐ３は複数の偏平チューブ５３を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ３には合計２４本の偏平チューブ５３のうち４本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ４には１５本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ５には５本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続される。

上記した偏平チューブ５３の総数、各ヘッダパイプ内部の仕切部の数とそれによって仕切られる区画の数、及び仕切部によって区分される偏平チューブグループ毎の偏平チューブ５３の数は、いずれも単なる例示であり、発明を限定するものではない。

区画Ｓ３には冷媒出入パイプ５７が接続される。区画Ｓ５には冷媒出入パイプ５８が接続される。

熱交換器５０の機能は次の通りである。熱交換器５０が凝縮器として用いられるとき、冷媒は冷媒出入パイプ５７を通じて区画Ｓ３に供給される。区画Ｓ３に入った冷媒は区画Ｓ３と区画Ｓ１を連結する４本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ１に向かう。この４本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＡを構成する。冷媒パスＡはブロック矢印で象徴されている。それ以外の冷媒パスもブロック矢印で象徴させる。

区画Ｓ１に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ１と区画Ｓ４を連結する８本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ４に向かう。この８本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＢを構成する。

区画Ｓ４に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ４と区画Ｓ２を連結する７本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ２に向かう。この７本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＣを構成する。

区画Ｓ２に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ２と区画Ｓ５を連結する５本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ３に向かう。この５本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＤを構成する。区画Ｓ５に入った冷媒は冷媒出入パイプ５８より流出する。

熱交換器５０が蒸発器として用いられるときは、冷媒は冷媒出入パイプ５８を通じて区画Ｓ５に供給される。それ以後の冷媒の流れは、熱交換器５０が凝縮器として用いられるときの冷媒パスを逆に辿る。すなわち冷媒パスＤ→冷媒パスＣ→冷媒パスＢ→冷媒パスＡのルートで冷媒は区画Ｓ１に入り、冷媒出入パイプ５７より流出する。

上記熱交換器５０をヒートポンプサイクルの構成要素として用いたセパレート型空気調和機１の概略構成を図１に示す。空気調和機１は室外機１０と室内機３０により構成される。

室外機１０は、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される筐体１１の内部に、圧縮機１２、切替弁１３、室外側熱交換器１４、膨張弁１５、室外側送風機１６などを収納している。切替弁１３は四方弁である。室外側熱交換器１４として熱交換器５０が用いられる。膨張弁１５には開度制御の可能なものが用いられる。室外側送風機はモータにプロペラファンを組み合わせたものである。

室外機１０は２本の冷媒配管１７、１８で室内機３０に接続される。冷媒配管１７は冷房運転時には液体冷媒が流れ、冷媒配管１８に比較して細い管が用いられている。そのため冷媒配管１７は「液管」「細管」などと称されることがある。冷媒配管１８には冷房運転時、気体冷媒が流れ、冷媒配管１７に比較して太い管が用いられている。そのため冷媒配管１８は「ガス管」「太管」などと称されることがある。冷媒には例えばＨＦＣ系のＲ４１０ＡやＲ３２等が用いられる。

室外機１０の内部の冷媒配管で、冷媒配管１７に接続される冷媒配管には二方弁１９が設けられ、冷媒配管１８に接続される冷媒配管には三方弁２０が設けられる。二方弁１９と三方弁２０は、室外機１０から冷媒配管１７、１８が取り外されるときに閉じられ、室外機１０から外部に冷媒が漏れることを防ぐ。室外機１０から、あるいは室内機３０を含めた冷凍サイクル全体から、冷媒を回収する必要があるときは、三方弁２０を通じて回収が行われる。

室内機３０は、合成樹脂製部品により構成される筐体３１の内部に、室内側熱交換器３２、室内側送風機３３などを収納している。室内側熱交換器３２は、３個の熱交換器３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを、室内側送風機３３を覆う屋根のように組み合わせたものである。熱交換器３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのいずれかまたは全部を熱交換器５０で構成することも可能である。室内側送風機３３はモータにクロスフローファンを組み合わせたものである。

空気調和機１の運転制御を行う上で、各所の温度を知ることが不可欠である。この目的のため、室外機１０と室内機３０に温度検出器が配置される。室外機１０においては、室外側熱交換器１４に温度検出器２１が配置され、圧縮機１２の吐出部となる吐出管１２ａに温度検出器２２が配置され、圧縮機１２の吸入部となる吸入管１２ｂに温度検出器２３が配置され、膨張弁１５と二方弁１９の間の冷媒配管に温度検出器２４が配置され、筐体１１の内部の所定箇所に外気温測定用の温度検出器２５が配置される。室内機３０においては、室内側熱交換器３２に温度検出器３４が配置される。温度検出器２１、２２、２３、２４、２５、３４はいずれもサーミスタにより構成される。

空気調和機１の全体制御を司るのは図３に示す制御部４０である。制御部４０は
室内温度が使用者によって設定された目標値に達するように制御を行う。

制御部４０は圧縮機１２、切替弁１３、膨張弁１５、室外側送風機１６、及び室内側送風機３３に対し動作指令を発する。また制御部４０は温度検出器２１〜２５、及び温度検出器３４からそれぞれの検出温度の出力信号を受け取る。制御部４０は温度検出器２１〜２５及び温度検出器３４からの出力信号を参照しつつ、圧縮機１２、室外側送風機１６、及び室内側送風機３３に対し運転指令を発し、切替弁１３と膨張弁１５に対しては状態切り替えの指令を発する。

図１は空気調和機１が冷房運転あるいは除霜運転を行っている状態を示す。この時圧縮機１２は冷房時循環、すなわち圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室外側熱交換器１４に入る循環様式で冷媒を循環させる。

圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側熱交換器１４に入り、そこで室外空気との熱交換が行われる。冷媒は室外空気に対し放熱を行い、凝縮する。凝縮して液状となった冷媒は室外側熱交換器１４から膨張弁１５に入り、そこで減圧される。減圧後の冷媒は室内側熱交換器３２に送られ、膨張して低温低圧となり、室内側熱交換器３２の表面温度を下げる。表面温度の下がった室内側熱交換器３２は室内空気から吸熱し、これにより室内空気は冷やされる。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４からの放熱を促進し、室内側送風機３３によって生成された気流が室内側熱交換器３２の吸熱を促進する。

図２は空気調和機１が暖房運転を行っている状態を示す。この時は切替弁１３が切り替えられて冷房運転時と冷媒の流れが逆になる。圧縮機１２は暖房時循環、すなわち圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室内側熱交換器３２に入る循環様式で冷媒を循環させる。

圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側熱交換器３２に入り、そこで室内空気との熱交換が行われる。冷媒は室内空気に対し放熱を行い、室内空気は暖められる。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は室内側熱交換器３２から膨張弁１５に入り、そこで減圧される。減圧後の冷媒は室外側熱交換器１４に送られ、膨張して低温低圧となり、室外側熱交換器１４の表面温度を下げる。表面温度の下がった室外側熱交換器１４は室外空気から吸熱する。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室内側送風機３３によって生成された気流が室内側熱交換器３２からの放熱を促進し、室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４による吸熱を促進する。

室外側熱交換器１４を構成するパラレルフロー型熱交換器５０の上部には、外部から供給される水を受け止める受水槽６０が設けられる。受水槽６０は偏平チューブ５３と平行に延び、その縁から溢れた水が熱交換器５０の表面にかかり、その表面伝いに流下する。

受水槽６０は偏平チューブ５３の全長をカバーする長さとされる。すなわち、受水槽６０は偏平チューブ５３と大体同じ長さであればよく、偏平チューブ５３から多少はみ出す長さであっても、あるいは偏平チューブ５３に少し届かない長さであっても、特に問題はない。

図４から図６に示すパラレルフロー型熱交換器５０では、５５ａという符号を付された最上段のコルゲートフィンが受水槽６０を構成する。他のコルゲートフィン５５では、偏平チューブ５３の長手方向と直交する方向に襞が延びているのに対し、コルゲートフィン５５ａでは偏平チューブ５３の長手方向と平行に襞が延びている。

コルゲートフィン５５ａでは、中央の襞のみ高さが高く、これがサイドプレート５６を支える形になっている。コルゲートフィン５５ａにより支えられるサイドプレート５６はコルゲートフィン５５ａよりも短く、ヘッダパイプ５２との間に隙間５６ａが生じている。隙間５６ａから、コルゲートフィン５５ａの内部、すなわち受水槽６０の内部が露出する。室内機３０から延びたドレンホース３５が隙間５６ａを通じて受水槽６０にドレン水を注ぐ。

冷房運転時、室内側熱交換器３２で発生したドレン水はドレンホース３５を経由して受水槽６０に注がれる。受水槽６０にドレン水が満ちると、ドレン水は受水槽６０の縁から溢れる。熱交換器５０の正面側を向いた受水槽６０の縁と熱交換器５０の背面側を向いた受水槽６０の縁の両方でドレン水の溢水が生じる。

熱交換器５０は、送風方向の上流側においても下流側においてもコルゲートフィン５５の端が偏平チューブ５３の縁より突き出しており、受水槽６０の縁から溢れて滴下したドレン水は、送風方向上流側のコルゲートフィン５５の端と送風方向下流側のコルゲートフィン５５の端の両方を濡らす。ドレン水は上下に積み重なったコルゲートフィン５５を上段側より下段側へと順次流下する。ドレン水は流下途中で蒸発し、気化熱で熱交換器５０を冷却する。これにより、冷房運転時に凝縮器として機能している熱交換器５０の凝縮圧力が大幅に低下し、凝縮性能が大幅に向上する。

コルゲートフィン５５ａにより構成される受水槽６０はヘッダパイプ５１、５２の間隔に等しい長さとなっているから、熱交換器５０の表面に偏り無く水をかけることができる。

熱交換器５０の表面を伝って流下するドレン水が、熱交換器５０の下端に達する前に全部蒸発するのが望ましいが、熱交換器５０の下端まで液体の形を保ち、熱交換器５０の下端から滴下するドレン水も存在する。そのようなドレン水を受け止めるドレンパンを室外機１０の筐体１１の内部に配置し、受け止めたドレン水を適宜外部に廃棄できるようにしておくのがよい。

コルゲートフィン５５のフィンピッチは、どのコルゲートフィン５５についても同じという訳ではない。受水槽６０に近接したコルゲートフィン５５は他のコルゲートフィン５５に比べフィンピッチが密にされている。図４では受水槽６０の直下のコルゲートフィン５５と、その１段下のコルゲートフィン５５までがフィンピッチ密とされている。

フィンピッチ密とされたコルゲートフィン５５は保水性能が向上する。従って熱交換器５０では、受水槽６０から溢れたドレン水がすぐに熱交換器５０の下端まで流れ落ちることはない。ドレン水はフィンピッチ密とされたコルゲートフィン５５に一旦蓄積され、それから徐々に放出されるから、ドレン水を熱交換器５０の凝縮性能の向上に長時間役立てることができる。フィンピッチ密とされるのは熱交換器５０の上部の一部のコルゲートフィンのみであるから、全体の通風が悪くなって熱交換器５０の熱交換性能が低下する懸念はない。

図４から図６に示す熱交換器５０では最上段のコルゲートフィン５５ａの上にサイドプレート５６を設けていたが、このサイドプレート５６を廃止する構成も可能である。そのようにした構造例を図７に示す。図７のコルゲートフィン５５ａは、特定の襞でサイドプレート５６を支える必要がないため、どの襞も同じ高さになっている。

これまで、ドレン水を受水槽６０に注ぐことのみ説明してきたが、水道水や雨水を受水槽６０に注ぐこととしてもよい。また受水槽６０を最上段のコルゲートフィン５５ａ以外の部材で構成することとしてもよい。

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。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載する空気調和機に広く利用可能である。

１ 空気調和機
１０ 室外機
１１ 筐体
１２ 圧縮機
１３ 切替弁
１４ 室外側熱交換器
１５ 膨張弁
１６ 室外側送風機
３０ 室内機
３１ 筐体
３２ 室内側熱交換器
３３ 室内側送風機
３５ ドレンホース
４０ 制御部
５０ 熱交換器
５１、５２ ヘッダパイプ
５３ 偏平チューブ
５５、５５ａ コルゲートフィン
６０ 受水槽

Claims (5)

1. ２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器であって、
   上部に前記偏平チューブと平行な受水槽が形成され、前記受水槽の縁から溢れた水が当該熱交換器の表面伝いに流下することを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
2. 前記受水槽は前記偏平チューブの全長をカバーする長さであることを特徴とする請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器。
3. 前記偏平チューブに取り付けられるコルゲートフィンのうち、最上位に位置するコルゲートフィンは前記偏平チューブと平行に襞が延びることとされており、当該コルゲートフィンが前記受水槽を構成することを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルフロー型熱交換器。
4. 前記偏平チューブに取り付けられるコルゲートフィンのうち、前記受水槽に近接したコルゲートフィンは他のコルゲートフィンに比べフィンピッチが密にされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパラレルフロー型熱交換器。
5. 室外機と室内機を備える空気調和機であって、
   前記室外機に請求項１から４のいずれかのパラレルフロー型熱交換器を搭載し、当該パラレルフロー型熱交換器の前記受水槽に前記室内機で発生したドレン水を導くことを特徴とする空気調和機。

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