JP2014145490A - 熱交換器及びそれを備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することのできるサイドフロー式のパラレルフロー型熱交換器を実現する。
【解決手段】 本発明に係る熱交換器は、平行に設けられた２本のヘッダパイプと、２本のヘッダパイプと垂直となるように、該２本のヘッダパイプ間に互いに平行に設けられた複数の扁平管と、複数の扁平管の間に各々設けられたフィンと、２本のヘッダパイプと垂直方向に延びるように設けられたドレンパンと、を備える熱交換器において、ドレンパンは、熱交換器の通風面の一方において、扁平管によって区切られる複数のフィンの領域のうち前記ドレンパンに最も近い領域に重なる第１の壁面を有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、サイドフロー式のパラレルフロー型熱交換器における水飛び防止に関するものである。

エアコンなどの空気調和機に用いられる熱交換器には、パラレルフロー型と呼ばれる方式が存在する。パラレルフロー型の熱交換器は、平行に設けられた複数の扁平管の間に波形のコルゲートフィンが設けられ、扁平管に冷媒を流すことで、コルゲートフィンを通じて冷媒と外気との熱交換を行うことができる。

このようなパラレルフロー型の熱交換器においては、冷却時においてフィンに生じた凝縮水によって、フィン同士の間に水膜が発生する。フィン間に水膜が生じると、フィンを通過する気流に対して抵抗が生じるため、熱交換器における熱交換率が減少する。また、フィン間の水膜が気流によって飛ばされる原因にもなる。エアコン内部での水飛びは他の部材の腐食等を引き起こし、エアコン外部への水飛びは利用者に不快感を与えていた。

図９に示した特許文献１の熱交換器１１０は、フィンに生じた凝縮水を円滑に排水することを目的としたものである。この熱交換器１１０は、上下に平行に対峙する上部ヘッダーパイプ１１１及び下部ヘッダーパイプ１１２と、これらヘッダーパイプに上端及び下端を連通接続され扁平面同士を平行にして配列される複数の扁平熱交換管１１３と、扁平熱交換管間に介在され、扁平熱交換管の上下方向に連続する波状に屈曲形成されるコルゲートフィン１１４と、下部ヘッダーパイプ１１２の下方に配置され、下部ヘッダーパイプ１１２の下方に落下する水滴を受け止めるドレインパン１１５と、を具備する熱交換器において、コルゲートフィン１１４に接触すると共に、下部ヘッダーパイプ１１２の上端面及び側面に接触し、かつ、ドレインパン１１５の底部１１５ａに接触する排水用案内板１２０を設ける。

これにより、コルゲートフィン１１４の表面や扁平熱交換管１１３の外表面に生じた凝縮水をドレインパン１１５に確実に流すことができる。

しかし、特許文献１の熱交換器１１０は、扁平熱交換管１１３が鉛直方向に並んでいる。扁平熱交換管１１３が鉛直方向に並んでいる場合、冷媒に含まれる気泡は上方向に移動するため、冷媒を扁平熱交換管１１３の上から下に流す際には、冷媒の移動方向と気泡の移動方向が逆になってしまい、一部でつまりが生じてしまう。

そこで、この問題が起こらないようにするため、扁平管を水平方向に並べたサイドフロー式の熱交換器が用いられることがある。

図１０に示した特許文献２のコルゲートフィン式熱交換器２０１は、扁平管２０４と、この扁平管２０４を平行に複数配置しその両端を固定するヘッダー２０２・２０３と、扁平管２０４の間に配置される波形状のコルゲートフィン２０５とから構成されている。このような構成とすることで、冷媒は一方のヘッダー２０２から流入し、平行に並んだ扁平管２０４を平行に通過して他方のヘッダー２０３から流出する。

さらに、凝縮水の結集側にコルゲートフィン２０５と接触する排水ガイド２１１を設け、前記排水ガイド２１１を前記扁平管２０４に対して傾斜配置すると共に前記排水ガイド２１１の両端の少なくとも一つを前記コルゲートフィン式熱交換器２０１の下端側或いは側端側に導く排水ガイド構成とする。

このようにすることで、熱交換器で発生した凝縮水を熱交換器から排水し易くすることができる。

特開２０１０−２５４６２号公報 特開２００７−２８５６７３号公報

しかしながら、特許文献２のようなサイドフロー式の熱交換器においては、複数のフィンが上下方向に積み重なっているため、凝縮水が最下段のフィンにたまりやすくなる。最下段のフィンにたまった凝縮水は、フィンを通過する気流によって飛ばされることによって、水飛びを引き起こしていた。

そこで、本発明は、サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することを目的とする。

本発明の熱交換器は、平行に設けられた２本のヘッダパイプと、２本のヘッダパイプと垂直となるように、該２本のヘッダパイプ間に互いに平行に設けられた複数の扁平管と、複数の扁平管の間に各々設けられたフィンと、２本のヘッダパイプと垂直方向に延びるように設けられたドレンパンと、を備える熱交換器において、ドレンパンは、熱交換器の通風面の一方において、扁平管によって区切られる複数のフィンの領域のうち前記ドレンパンに最も近い領域に重なる領域の通風方向に重なる第１の壁面を有することを特徴とする。

本発明によれば、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することができる、サイドフロー式の熱交換器を実現することができる。

本発明の熱交換器の正面図である。 本発明の熱交換器の斜視図である。 本発明の熱交換器を適用したエアコンの側面図である。 本発明の熱交換器を適用したエアコンの吹き出し口に置いた感水紙の様子を、従来技術と比較したものである。 ドレンパンと独立した壁面を有するエアコンの側面図である。 本発明の第２の実施形態における熱交換器の斜視図である。 本発明の熱交換器を適用したエアコンの吹き出し口に置いた感水紙の様子を、従来技術と比較したものである。 本発明の第３の実施形態における熱交換器の斜視図である。 先行特許文献１の空調装置を示した図である。 先行特許文献２のコルゲートフィン式熱交換器を示した図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１〜４を用いて説明を行う。

図１は、本発明の熱交換器１の正面図である。熱交換器１は、ヘッダパイプ１１ａ、ヘッダパイプ１１ｂ、扁平管１２、フィン１３及びドレンパン１５を有する。扁平管１２は略水平方向となるように設けられ、ヘッダパイプ１１ａ及びヘッダパイプ１１ｂは、扁平管１２に対して垂直方向に設けられている。このような、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂが扁平管１２の両サイドに設けられている熱交換器をサイドフロー式と呼ぶ。

ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂはそれぞれ冷媒口１４を有しており、冷媒口１４を通じて冷媒を扁平管１２に流すことができる。なお、熱交換器１は、冷媒口１４または図示しない部材によって保持される。それぞれの扁平管１２の間にはフィン１３が設けられ、外気との熱交換が行われる。このように、フィン１３は、扁平管１２によって上下方向に重なる複数の領域に分かれる。これら各部材の形成には、アルミニウム板の片面又は両面にろう材を被覆したブレージングシートを用いている。また、ヘッダパイプ１１ａとヘッダパイプ１１ｂの下部には、ヘッダパイプと垂直に延びる方向にドレンパン１５が設けられている。

なお、以降の説明においては、扁平管１２の延びる方向をｘ軸、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂの延びる方向をｙ軸とする。また、ｘ軸とｙ軸に垂直で、フィン１３を通過する気流の方向をｚ軸の正の方向とする。なお、熱交換器１のうち、気流が通過する２つの面を通風面、と呼ぶものとする。この通風面は、ｘｙ平面と略平行をなすものである。

図２は、熱交換器１の下部を拡大した斜視図である。熱交換器１の下部にはＬ字型のドレンパン１５が設けられている。ドレンパン１５は、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂの下部に設けられたドレンパン底面１５ａと、フィン１３を通過する気流の風下方向に設けられた、第１の壁面としてのドレンパン背面１５ｂからなる。ドレンパン背面１５ｂは、フィン１３の最下段と重なる高さとなっている。

なお、ドレンパン底面１５ａとドレンパン背面１５ｂのなす角度は９０°に限らず、凝縮水がドレンパン１５から漏出しないような構造であれば、これより大きくても小さくてもよい。また、ドレンパン底面１５ａがドレンパン背面１５ｂ側を下にして傾いていれば、ドレンパン底面１５ａとドレンパン背面１５ｂとの間により多くの凝縮水をドレンパン１５にためることができる。また、ドレンパン底面１５ａが水平であっても、ドレンパン１５に滴下した水滴は、気流の風下であるドレンパン背面１５ｂの方向に向かうため、少量の凝縮水であればドレンパン１５から漏出することはない。

図３は、熱交換器１を３通りの位置と角度で配置した、エアコン１８の側面方向の断面図である。図中、熱交換器１に重ねて描かれた波線は、吸い込み口からの気流の流入を示している。

エアコン１８には、熱交換器１の他に、クロスフローファン１６及びファンカバー１７を備える。クロスフローファン１６は、熱交換器１で熱交換された空気をエアコン１８の外へと排出する役割を示す。ファンカバー１７は、熱交換器１やクロスフローファン１６の全体を覆うものである。

熱交換器１の配置においては、図３（ａ）が前方鉛直配置、図３（ｂ）が前方傾斜配置、図３（ｃ）が後方傾斜配置の場合を示す。なお、これらの熱交換器１の配置の前方、後方は、ファンカバー１７から吹き出す風の風下方向側からエアコン１８を見た場合の前方、後方として表すものとする。これらの配置は、エアコン１８に求められる形状や配線の都合等に応じて、適宜決定される。

熱交換器１が図３（ａ）のように前方鉛直配置となっている場合、ドレンパン背面１５ｂ及びドレンパン底面１５ａはそれぞれ略鉛直方向、略水平方向となっている。ドレンパン背面１５ｂは、熱交換器１を通過する気流の風下方向であるクロスフローファン１６側に設けられる。

熱交換器１が図３（ｂ）の前方傾斜配置となっている場合、熱交換器１は図３（ａ）の前方鉛直配置における相対位置を保ったまま、熱交換器１の上側を、フィン１３を通過する気流の風下方向であるクロスフローファン１６側に傾けたものである。

熱交換器１が図３（ｃ）の後方傾斜配置となっている場合、熱交換器１はクロスフローファン１６の後方に配置される。この配置の場合、熱交換器１を通過する気流は、エアコン１８の外部から内部に向かう、図３（ｃ）の右上から左下に伸びるｚ軸で表した方向である。したがって、ドレンパン背面１５ｂは、クロスフローファン１６側に設けられる。また、熱交換器１の上側は、気流の風下方向であるクロスフローファン１６側に傾けられる。

ここで、比較対象として、本発明のドレンパン１５を備えない熱交換器を用いたエアコンおける水飛びの様子について説明を行う。

一般に、フィン１３で生じる水飛びの頻度は、フィン１３の表面の状態によって異なり、フィンが撥水状態にある場合は、親水状態にある場合と比べて水飛びが多くなる。また、図３に示したそれぞれの配置によっても、水飛びの頻度は変化するが、特に図３（ｂ）の前方傾斜配置においては、フィンが親水状態であっても、高い頻度で水飛びが発生する。

本発明のドレンパン１５を備えないエアコンにおける前方傾斜配置での水飛びは、次のようなメカニズムによって生じる。まず、熱交換器１のフィン１３に付着した凝縮水は、熱交換器１を伝って、より下段のフィン１３へと移動する。そして、最終的には凝縮水は最下段のフィン１３の領域にたまるが、フィン１３の最下段に収まりきれなくなった水は、熱交換器１から滴下する。滴下した水滴は、風の流れに乗ってクロスフローファン１６に巻き込まれる。クロスフローファン１６に巻き込まれた水滴は、クロスフローファン１６により粉砕され、吹き出し口１９からエアコン１８の外部へと飛ばされる。

なお、図３（ｃ）の後方傾斜配置については、クロスフローファン１６の回転による影響によって気流の方向が下方向に近づくため、フィン１３が親水性である場合は、水滴はクロスフローファン１６に巻き込まれず、下部のファンカバー１７等に付着する場合が多くなる。しかし、特にフィン１３が撥水性である場合は、凝縮水が熱交換器１の上部からクロスフローファン１６へと落下するため、ファンカバー１７の外部へと飛ばされることが多くなる。

また、図３（ａ）の前方鉛直配置においては、前方傾斜配置や後方傾斜配置と比べると水飛びの頻度は減るものの、特に熱交換器１とクロスフローファン１６の距離が短い場合においては、クロスフローファン１６に凝縮水が巻き込まれることによって水飛びが発生する。

このような水飛びを防止するため、以下、本発明のドレンパン１５を備えた熱交換器１について、撥水性のフィン１３を用い、前方傾斜配置としたときを実例として説明を行う。

図４は、水が当たると変色する感水紙を、エアコン１８の吹き出し口１９付近に置き、水飛びの様子を観察したものである。図４（ａ）は本実施形態におけるドレンパン１５を備えた熱交換器１において、吹き出し口１９に置いた感水紙を示している。図４（ｂ）は、比較例として、ドレンパン１５がフィン１３の最下段は覆わなかった場合の感水紙を示している。なお、図中で黒くなっている部分が、水が接触した部分である。また、感水紙は、エアコン１８の正面から見て左半分のみの様子を示しており、図４中の点線はｘ軸方向について、ヘッダパイプ１１ａと対応する位置を示している。エアコン１８の正面から見て右半分の水飛びの様子は、エアコン１８に傾き等がない場合は、左半分の様子と同様になる。

図４（ａ）に示したように、本実施形態のドレンパン１５を備えたエアコン１８においては、図４（ｂ）に示した、比較例のドレンパンを備えないエアコンと比べ、水飛びの量が大幅に減少していることが分かる。これは、最下段のフィンの領域にたまった凝縮水がクロスフローファン１６に向かって飛ぶことが抑制されたためである。したがって、本実施形態の熱交換器１を用いることで、サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することができる。

なお、図４に示した感水紙の様子においては、水飛びが端部に偏っているが、常にこのようになるわけではなく、エアコンの傾きや風量によって水飛びの分布は異なる。ただし、一般的には、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂを伝ってドレンパン１５に滴下する凝縮水が多く存在するため、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂに対応する位置の周辺における水飛びの量が多くなる。一方で、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂ自体には気流が通過しないため、その対応する位置においては水飛びの量は減少する。

また、本実施形態においては図３（ｂ）に示した前方傾斜配置についての実験結果を説明したが、図３（ａ）（ｃ）に示したような、前方鉛直配置や後方傾斜配置においても同様であり、凝縮水のたまりやすいフィン１３の風下方向の最下段と重なるようにドレンパン１５が設けられている熱交換器１を用いることで、サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することができる。このフィン１３の風下方向の最下段は、扁平管１２によって区切られる複数のフィンの領域のうち、ドレンパン１５に最も近い領域となる。

なお、フィン１３の表面の初期状態が親水性であっても、長期間の使用に伴う汚染物質の付着によって、フィン１３が撥水性になることが知られている。しかし、本実施形態の熱交換器１は、凝縮水のたまりやすいフィン１３の風下方向の最下段と重なるようにドレンパン１５が設けられているため、フィン１３が撥水性である場合においても、サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することができる。

また、上層のフィンにたまった凝縮水を下層のフィンへと流れやすくする排水ガイドのようなものを設けた場合においても、本発明を適用することで、最下段のフィンにたまった凝縮水の水飛びを抑制することができる。

また、図５に示したように、ドレンパン背面１５ｂの代わりに、ドレンパン１５とは独立して設けられる、第３の壁面としての防風壁１５ｄを設けるようにしてもよい。防風壁１５ｄは、ドレンパン背面１５ｂと同様に、フィン１３の風下方向の最下段に重なるように設けられる。このような防風壁１５ｄを設けることによっても、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図６、７を用いて説明を行う。なお、第１の実施形態と共通する部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

図６に示したように、第２の実施形態の熱交換器２は、ドレンパン１５に排水管２１を付与したものである。

排水管２１は、ドレンパン１５のうち、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂと近接する部分において設けられ、ドレンパン１５にたまった凝縮水の排出を行う。

なお、排水管２１の位置や数はこれに限るものではなく、例えばドレンパン底面１５ａの延伸方向中央部に一つ設けられているものや、排水管２１が３つ以上設けられているようなものでもよい。また、排水管２１は、凝縮水を鉛直下方向に導くものではなくてもよく、例えば、ドレンパン１５のｘ方向端部から略水平方向に凝縮水を排出するようなものであってもよい。さらには、排水管２１に向けて水が流れやすくなるよう、ドレンパン１５に傾斜を付けてもよい。

図７（ａ）は、本実施形態におけるドレンパン１５を備えた熱交換器２を用いたエアコン１８の吹き出し口１９に置いた感水紙を示している。図７（ｂ）は、第１の実施形態において説明した、ドレンパンがフィン１３の最下段を覆わない場合の比較例を示したものである。

図７（ａ）に示した本実施形態のエアコン１８の感水紙においては、図７（ｂ）に示した比較例と比べ、水飛びが完全になくなっていることが分かる。

すなわち、ドレンパン１５にたまった水を排水管２１により排出することで、サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びをより効果的に抑制することができる。また、特に凝縮水のたまりやすいヘッダパイプ１１ａ、１１ｂの鉛直方向下部に排水管２１を設けることで、さらに効果的に、サイドフロー式の熱交換器において、フィンに生じた凝縮水による水飛びを抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図８を用いて説明を行う。なお、第２の実施形態と共通する部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

第３の実施形態の熱交換器３は、第２の実施形態の熱交換器と比較して、ドレンパン１５の前面の一部に、第２の壁面としてのドレンパン前面１５ｃが設けられている点で異なる。

ドレンパン前面１５ｃは、ドレンパン背面１５ｂと向かい合う面に設けられる壁面で、フィン１３を流れる気流の風上方向において、ヘッダパイプ１１ａ、１１ｂの端部と重なるように設けられており、それ以外の部分は開口している。ドレンパン前面１５ｃの幅と高さは、最下段のフィン１３をほとんど覆わない程度となっている。

これによって、ドレンパン１５にたまった凝縮水が多い場合においても、ドレンパン１５の前面方向から凝縮水が漏出することを防止することができる。また、特に水飛びの多いヘッダパイプ１１ａ、１１ｂ付近をドレンパン前面１５ｃによって覆うため、凝縮水に直接風が当たることがなく、フィン１３やドレンパン１５にたまった凝縮水による水飛びをさらに抑えることができる。さらには、フィン１３の風上方向の大部分は、ドレンパン前面１５ｃに覆われることなく開口されているため、気流が遮られることによる熱交換効率の低下を起こすことなく、水飛びを防止することができる。

１、２、３ 熱交換器
１１ａ、１１ｂ ヘッダパイプ
１２ 扁平管
１３ フィン
１４ 冷媒口
１５ ドレンパン
１５ａ ドレンパン底面、 １５ｂ ドレンパン背面、 １５ｃ ドレンパン前面
１５ｄ 防風壁
１６ クロスフローファン
１７ ファンカバー
１８ エアコン
１９ 吹き出し口
２１ 排水管

Claims (5)

1. 平行に設けられた２本のヘッダパイプと、
   前記２本のヘッダパイプと垂直となるように、該２本のヘッダパイプ間に互いに平行に設けられた複数の扁平管と、
   前記複数の扁平管の間に各々設けられたフィンと、
   前記２本のヘッダパイプと垂直方向に延びるように設けられたドレンパンと、
   を備える熱交換器において、
   前記ドレンパンは、前記熱交換器の通風面の一方において、前記扁平管によって区切られる複数の前記フィンの領域のうち前記ドレンパンに最も近い領域に重なる第１の壁面を有することを特徴とする熱交換器。
2. 前記ドレンパンは、前記２本のヘッダパイプとの近接部分に排水構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ドレンパンは、前記第１の壁面と向かい合い、前記ヘッダパイプの端部と重なる第２の壁面を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器を、前記複数の扁平管が水平方向に延びるように設けた空気調和機。
5. 前記空気調和機は、前記ドレンパンの前記第１の壁面に代えて、前記ドレンパンと独立して設けられる第３の壁面を有し、
   前記第３の壁面は、前記熱交換器の通風面の一方において、前記扁平管によって区切られる複数の前記フィンの領域のうち前記ドレンパンに最も近い領域に重なることを特徴とする、請求項４に記載の空気調和機。