JP2013257095A - フィンレス熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】着霜による目詰まりを生じにくくすることによって、除霜運転の頻度を低減することのできるフィンレス熱交換器を提供する。
【解決手段】各熱交換チューブ１１が、断面形状が冷媒と熱交換する空気の流通方向に延びる扁平状に形成され、空気の流通方向に対して直交する方向に互いに間隔をおいて配置され、各熱交換チューブ１１と隣り合う熱交換チューブ１１との間の隙間が、空気の流通方向の下流側よりも上流側が大きく形成されている。これにより、着霜による各熱交換チューブ１１の間の目詰まりを生じにくくすることができるので、霜を除去するための除霜運転の運転回数を低減して、エネルギーの消費量を低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、車両用空気調和装置に用いられるヒートポンプサイクルにおいて、冷媒と空気とを熱交換するためのフィンレス熱交換器に関するものである。

従来、熱交換器としては、内部に流体が流通する流体流路が設けられた複数の熱交換チューブと、各熱交換チューブと隣り合う熱交換チューブとの間に設けられた伝熱フィンと、を備え、流体流路を流通する冷媒と熱交換チューブの外周面側を流通する空気とを、伝熱フィンを介して熱交換するようにしたものが知られている。

前記熱交換器をヒートポンプサイクルの吸熱器として用いた場合には、各熱交換チューブの間に伝熱フィンが設けられているため、低外気温下における使用によって伝熱フィンに着霜して目詰まりを生じやすい。このため、前記熱交換器では、低外気温下において必要な吸熱量を得るために、霜を除去するための除霜運転を頻繁に行わなければならない場合がある。

前記着霜による目詰まりの発生を低減可能な熱交換器としては、内部に冷媒流路が設けられ、冷媒流路を流通する冷媒と外周面に沿って流通する空気とを熱交換させる複数の熱交換チューブを備え、伝熱フィンを用いることなく冷媒流路を流通する冷媒と熱交換チューブの外周面側を流通する空気とを熱交換させるフィンレス熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

前記フィンレス熱交換器では、各熱交換チューブの間に伝熱フィンが設けられていないため、着霜による目詰まりが生じにくいという利点がある。

特開平１１−２８７５８０号公報

しかし、前記フィンレス熱交換器では、伝熱フィンが設けられていないにもかかわらず熱交換チューブの空気流通方向の上流側を中心として着霜が生じるおそれがある。熱交換チューブの空気流通方向の上流側に着霜が生じた場合には、フィンレス熱交換器であっても目詰まりが生じる場合があるため、所定の頻度で除霜運転を行う必要がある。

本発明の目的とするところは、着霜による目詰まりを生じにくくすることによって、除霜運転の頻度を低減することのできるフィンレス熱交換器を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために、内側を流通する第１流体と外周面に沿って流通する第２流体とを熱交換させる複数の熱交換チューブを備えたフィンレス熱交換器であって、各熱交換チューブは、断面形状が第２流体の流通方向に延びる扁平状に形成され、第２流体の流通方向に対して直交する方向に互いに間隔をおいて配置され、各熱交換チューブと隣り合う熱交換チューブとの間の隙間は、第２流体の流通方向の下流側よりも上流側が大きく形成されている。

これにより、第２流体の流通抵抗が第２流体の流通方向の下流側よりも上流側の方が小さくなることから、例えば、第１流体としての冷媒と第２流体としての空気との熱交換によって冷媒を吸熱させる場合に、熱交換チューブの空気の流通方向上流側に着霜が偏ることがなく、熱交換チューブの空気の流通方向の全体に均一に着霜させることが可能となり、着霜による各熱交換チューブの間の目詰まりが生じにくくなる。

本発明によれば、例えば、第１流体としての冷媒と第２流体としての空気との熱交換によって冷媒を吸熱させる場合に、着霜による各熱交換チューブの間の目詰まりを生じにくくすることができるので、霜を除去するための除霜運転の運転回数を低減して、エネルギーの消費量を低減することができる。

本発明の一実施形態を示す室外熱交換器の全体斜視図である。 熱交換器が接続された冷媒回路を示す図である。 室外熱交換器の要部断面図である。 その他の例を示す熱交換チューブの断面図である。 その他の例を示す熱交換チューブの断面図である。 その他の例を示す熱交換チューブの断面図である。 その他の例を示す室外熱交換器の要部断面図である。

図１乃至図３は、本発明の一実施形態を示すものである。

本発明のフィンレス熱交換器は、例えば、車両用空気調和装置に適用されるものである。車両用空気調和装置は、図２に示すように、車室Ａ外に設けられた本発明の室外熱交換器１０が接続された冷媒回路１を備えている。冷媒回路１には、室外熱交換器１０の他に、冷媒を圧縮するための圧縮機２と、車室Ａ内に設けられた室内熱交換器３と、冷媒を減圧するための膨張弁４と、冷媒の流路を切換えるための四方弁５と、が接続されている。

冷媒回路１は、室外熱交換器１０および室内熱交換器３の一方において冷媒を放熱させるとともに、他方において冷媒を吸熱させるようにヒートポンプサイクルが構成されている。冷媒回路１は、四方弁５によって室外熱交換器１０および室内熱交換器３における冷媒の放熱および吸熱を切換えることにより車室Ａ内の冷房と暖房が切換えられる。

室外熱交換器１０は、図１に示すように、空気と熱交換する冷媒を流通させるための複数の熱交換チューブ１１と、各熱交換チューブ１１の冷媒流通方向の両端に接続された第１ヘッダ１２および第２ヘッダ１３と、を備えている。室外熱交換器１０は、伝熱フィンを介することなく各熱交換チューブ１１内を流通する冷媒と車室Ａ外の空気とを熱交換可能なフィンレス熱交換器である。

各熱交換チューブ１１は、例えばアルミニウム等の金属からなり、それぞれ上下方向に延びる複数の冷媒流路１１ａが冷媒と熱交換する空気の流通方向に配置された扁平状の部材である。各冷媒流路１１ａは、図３に示すように、空気の流通する方向に向かって順に、熱交換チューブ１１の厚さ方向一方側と他方側に交互に配置されている。熱交換チューブ１１の厚さ方向両側には、各冷媒流路１１ａが隣り合う熱交換チューブ１１側に張り出すことで複数の凸部１１ｂが形成される。各冷媒流路１１ａは、断面が台形形状に形成されている。各冷媒流路１１ａは、空気の流通方向下流側から上流側に向かって熱交換チューブ１１の厚さ方向の寸法を順に小さく形成するとともに、空気の流通方向の寸法が順に大きく形成することによって、それぞれ略同一の流路断面積を有している。各冷媒流路１１ａに対応する熱交換チューブ１１の厚さ方向両側の凸部１１ｂの高さ寸法Ｐ（図３のＰ１〜Ｐ７）は、空気の流通方向下流側から上流側に向かって順に小さく形成されている（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４＜Ｐ５＜Ｐ６＜Ｐ７）。なお、図３における白抜き矢印は、冷媒と熱交換する空気の流通方向を示す。

各熱交換チューブ１１は、第１ヘッダ１２と第２ヘッダ１３との間に、厚さ方向の中央部が互いに所定の間隔Ｓをおいて配置されている。各熱交換チューブ１１は、空気の流通方向下流側から上流側に向かって凸部１１ｂの高さ寸法Ｐが小さく形成されているため、各熱交換チューブ１１間の隙間の寸法が、空気の流通方向下流側よりも上流側が大きくなる。

第１ヘッダ１２は、熱交換チューブ１１の上端側に位置する中空状の部材からなる。第１ヘッダ１２の上面には、冷媒回路１を流通する冷媒が流入する冷媒流入口１２ａと、冷媒が流出する冷媒流出口１２ｂと、が設けられている。また、第１ヘッダ１２には、内部を冷媒流入口１２ａ側と冷媒流出口１２ｂ側とに仕切るための仕切部材１２ｃが設けられている。

第２ヘッダ１３は、熱交換チューブ１１の下端側に位置する中空状の部材からなる。第２ヘッダ１３には、第１ヘッダ１２の冷媒流入口１２ａ側の空間に流入した冷媒が熱交換チューブ１１を介して流入する。また、第２ヘッダ１３内に流入した冷媒は、熱交換チューブ１１を介して第１ヘッダ１２の冷媒流出口１２ｂ側の空間に向かって流出する。

以上のように構成されたフィンレス熱交換器においては、冷媒回路１が暖房運転に設定された状態で圧縮機２を運転すると、膨張弁４によって減圧された冷媒が室外熱交換器１０の冷媒流入口１２ａから第１ヘッダ１２に流入する。第１ヘッダ１２に流入した冷媒は、第１ヘッダ１２の仕切部材１２ｃの冷媒流入口１２ａ側に位置する熱交換チューブ１１の各冷媒流路１１ａを流通して第２ヘッダ１３に流入する。第２ヘッダ１３に流入した冷媒は、第１ヘッダ１２の仕切部材１２ｃの冷媒流出口１２ｂ側に位置する熱交換チューブ１１の各冷媒流路１１ａを流通して第１ヘッダ１２の仕切部材１２ｃの冷媒流出口１２ｂ側に流入して冷媒流出口１２ｂから流出する。

各熱交換チューブ１１の各冷媒流路１１ａを流通する冷媒は、各熱交換チューブ１１の外周面に沿って流通する空気と熱交換することによって吸熱する。

このとき、各冷媒流路１１ａを流通する冷媒と熱交換する空気は、冷媒と熱交換することによって冷却される。このため、熱交換チューブ１１の外周面には、空気中の水蒸気が昇華して着霜を生じる。このとき、各熱交換チューブ１１間の隙間の寸法が空気の流通方向下流側よりも上流側が大きく形成されていることから、熱伝達率が空気の流通方向下流側よりも上流側の方が低下し、着霜が上流側に偏ることなく熱交換チューブ１１の空気の上流側から下流側に渡って均一に着霜する。

このように、本実施形態のフィンレス熱交換器によれば、各熱交換チューブ１１が、断面形状が冷媒と熱交換する空気の流通方向に延びる扁平状に形成されるとともに、空気の流通方向に対して直交する方向に互いに間隔をおいて配置されており、各熱交換チューブ１１と隣り合う熱交換チューブ１１との間の隙間が、空気の流通方向の下流側よりも上流側が大きく形成されている。これにより、着霜による各熱交換チューブ１１の間の目詰まりを生じにくくすることができるので、霜を除去するための除霜運転の運転回数を低減して、エネルギーの消費量を低減することができる。

また、各熱交換チューブ１１の外周面には、隣り合う熱交換チューブ１１側に張り出す凸部１１ｂが、空気の流通方向に複数設けられ、各熱交換チューブ１１と隣り合う熱交換チューブ１１との間の隙間は、各凸部１１ｂの高さ寸法を変更することによって空気の流通方向下流側よりも上流側が大きく形成されている。これにより、凸部１１ｂの高さ寸法が大きくなると熱伝達が促進されるので、熱交換チューブ１１の熱伝達率を向上することができる。また、各熱交換チューブ１１と隣り合う熱交換チューブ１１との間の隙間は、各熱交換チューブ１１を同一の方向に向けて等間隔をおいて配置することで、空気の流通方向の下流側よりも上流側を大きくすることができるので、装置が大型化することはない。

また、各熱交換チューブ１１の各冷媒流路１１ａは、流路断面積がそれぞれ略同一に形成されている。これにより、各冷媒流路１１ａを流通する冷媒の流量を、冷媒流路１１ａの高さ寸法にかかわらず均一の流量とすることが可能となるので、熱交換効率の低下を防止することが可能となる。

なお、前記実施形態では、熱交換チューブ１１の各冷媒流路１１ａを断面台形形状に形成するようにしたものを示したが、これに限られるものではない。例えば、図４に示すように、熱交換チューブ１４の各冷媒流路１４ａを断面三角形状に形成するとともに、凸部１４ｂを断面三角形状に形成するようにしてもよい。また、図５に示すように、熱交換チューブ１５の各冷媒流路１５ａを円弧状に張り出すように形成し、凸部１５ｂを円弧状に張り出すように形成するようにしてもよい。さらに、図６に示すように、熱交換チューブ１６の各冷媒流路１６ａを断面多角形状（図６では六角形）に形成し、冷媒流路１６ａおよび凸部１６ｂを熱交換チューブ１１の厚さ方向両側に対向させるようにしてもよい。なお、図４乃至図６における白抜き矢印は、冷媒と熱交換する空気の流通方向を示す。

また、前記実施形態では、車両用空気調和装置の室外熱交換器１０において、冷媒を吸熱させるために冷媒と空気とを熱交換させるようにしたものを示したが、流体と流体とを熱交換させるための熱交換器であれば本発明を適用可能である。

また、前記実施形態では、各熱交換チューブ１１の各凸部１１ｂの高さ寸法を変更することによって、各熱交換チューブ１１の厚さ方向の寸法を空気の流通方向下流側よりも上流側を小さく形成することによって各熱交換チューブ１１の間の隙間を空気の流通方向下流側よりも上流側を大きく形成するようにしたものを示したがこれに限られるものではない。例えば、図７に示すように、空気の流通方向の上流側から下流側に渡って各熱交換チューブ１７の各凸部１７ｂの高さ寸法を同一に形成し、各熱交換チューブ１７の空気の流通方向下流側の端部の間隔Ｓ１を所定寸法とし、空気の流通方向上流側の端部の間隔Ｓ２をＳ１よりも大きい寸法となるように配置することによって、各熱交換チューブ１７の間の隙間を空気の流通方向下流側よりも上流側を大きくするようにしても、前記実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。なお、図７における白抜き矢印は、冷媒と熱交換する空気の流通方向を示す。

１０…室外熱交換器、１１…熱交換チューブ、１１ａ…冷媒流路、１１ｂ…凸部、１４〜１７…熱交換チューブ、１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ…冷媒流路、１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ，１７ｂ…凸部。

Claims (3)

1. 内側を流通する第１流体と外周面に沿って流通する第２流体とを熱交換させる複数の熱交換チューブを備えたフィンレス熱交換器であって、
   各熱交換チューブは、断面形状が第２流体の流通方向に延びる扁平状に形成され、第２流体の流通方向に対して直交する方向に互いに間隔をおいて配置され、
   各熱交換チューブと隣り合う熱交換チューブとの間の隙間は、第２流体の流通方向の下流側よりも上流側が大きく形成されている
   ことを特徴とするフィンレス熱交換器。
2. 各熱交換チューブの外周面には、隣り合う熱交換チューブ側に張り出す凸部が、第２流体の流通方向に複数設けられ、
   各熱交換チューブと隣り合う熱交換チューブとの間の隙間は、各凸部の高さ寸法を変更することによって、第２流体の流通方向の下流側よりも上流側が大きく形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のフィンレス熱交換器。
3. 各熱交換チューブには、それぞれ第２流体の流通方向に配置され、第１流体を流通させる複数の流体流路が設けられ、
   各流体流路は、各凸部に対応する位置に設けられ、流路断面積がそれぞれ略同一に形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のフィンレス熱交換器。

Images