JP2017138008A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の屈曲部では、熱交換器を通過する空気流量が低下して、屈曲部での伝熱量が低下することを防止する。【解決手段】略くの字状に屈曲したフィン２２と、フィン２２に貫通する伝熱管２１とを備え、フィン２２の屈曲部１４において、フィン２２の長手方向に隣接する２本の伝熱管２１の間に設けられた切起し２３の数は、屈曲部１４以外の箇所において、フィン２２の長手方向に隣接する２本の伝熱管２１の間に設けられた切起し２３の数より少ない。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器、特にフィンチューブ熱交換器に関するものである。

従来の空気調和機では、室内機（室内ユニット）の筐体内にクロスフローファンとフィンチューブ熱交換器が収納されている。フィンチューブ熱交換器を通過する空気は、筐体に設けられた可動式前面パネルの上下隙間や、筐体の天面から取りこまれる（例えば、特許文献１）。

しかし、可動式前面パネルは、室内機の構造が複雑となることや、簡素な外観の室内機を望む消費者意識により、用いられなくなってきている。そして、近年では固定式の前面パネルを備え、前面パネルと背面板との間に構成される天面を主要な吸込み口とする天面吸込み式の室内機が増えてきている。

また、フィンチューブ熱交換器は、通風抵抗を減らすために、空気の吸込み面積を拡大してきている。このため、フィンチューブ熱交換器は、クロスフローファンを取り囲むように屈曲して設けられている。

特開２０１５−０２１７００号公報

天面吸込み式の室内機に、屈曲したフィンチューブ熱交換器が組み込まれると、屈曲したフィンチューブ熱交換器の屈曲部と筐体との間は、吸込み口からフィンチューブ熱交換器までの風路である吸込み風路の絞り部となる。絞り部を通過する空気は、流速が大きくなり、静圧が低下する。このため、屈曲部においては熱交換器の内側へ吸引される空気の流量が低下する。その結果、フィンチューブ熱交換器の屈曲部での伝熱量が低下する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、フィンの配置を適切にして、屈曲部の通風抵抗を低減させるものである。

これにより、絞り部によって静圧が低下した空気に対しても、フィンチューブ熱交換器を通過する空気量を増加させることができる。その結果、屈曲部の伝熱量を増大させ、フィンチューブ熱交換器の熱交換能力を有効に活用することができる。

本発明の実施の形態における室内機の縦断面図 本発明の実施の形態におけるフィンチューブ熱交換器のフィンと伝熱管およびフィンの切起しの配置を示す断面図 本発明の実施の形態におけるフィンチューブ熱交換器の一部の拡大断面模式図

第１の発明は、略くの字状に屈曲したフィンと、前記フィンに貫通する伝熱管とを備え、前記フィンの屈曲部において、前記フィンの長手方向に隣接する２本の前記伝熱管の間に設けられた切起しの数は、前記屈曲部以外の箇所において、前記フィンの長手方向に隣接する２本の前記伝熱管の間に設けられた切起しの数より少ない、熱交換器である。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記伝熱管は、前記フィンの長手方向に所定の段ピッチ、かつ、前記フィンの短手方向に所定の列ピッチで設けられ、配置され、前記フィンの前記屈曲部より上方の前縁の延長線と前記フィンの前記屈曲部より下方の前縁の延長線との交点と、前記フィンの前記屈曲部より上方の後縁の延長線と前記フィンの前記屈曲部より下方の後縁の延長線との交点と、を結ぶ直線と重なる切起しの数は、前記フィンの屈曲部以外の任意の箇所において、前記フィンの最も風上側に設けられた伝熱管の段ピッチを２等分する直線が前記フィンの前縁と交差する点と、当該箇所において、前記フィンの最も風下側に設けられた伝熱管の段ピッチを２等分する直線が前記フィンの後縁と交差する点と、当該箇所において、前記フィンに設けられた伝熱管の段ピッチを２等分する各点と、を結んだ線と重なる切起しの数より少ないものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
一般家庭で使用される空気調和機は、通常、冷媒配管で互いに接続された室外機（図示しない）と室内機（室内ユニット）とで構成されているセパレート式ルームエアコンである。室内機は、フィンチューブ熱交換器１を備えている。室外機は、圧縮機と冷媒減圧装置と熱交換器とを備えている。フィンチューブ熱交換器１と、圧縮機と、冷媒減圧装置と、熱交換器とは、配管で接続され、蒸気圧縮式の冷凍サイクル回路を構成している。

図１は、セパレート式ルームエアコンの室内機の断面図である。図２は、フィンチューブ熱交換器１の断面図である。図１に示すように、室内機の筐体２は、筐体２の前面となる前面パネル２ａと、背面となる背面板２ｂとを備えている。筐体２の天面側の前面パネル２ａと背面板２ｂとの間は開口しており、上面開口部３となっている。また、筐体２の下方側には、下面開口部４が設けられている。なお、本実施の形態における前面パネル２ａは、可動式の前面パネルではなく、固定式の前面パネルである。

上面開口部３は、空気を筐体２内に吸込むための吸込み口６となる。下面開口部４は、筐体２内を通過した空気の吹出し口７となる。なお、吸込み口６は上面開口部３以外にも設けてよいが、その場合でも、上面開口部３が最も開口面積の大きい開口となるように構成されている。

吹出し口７には、下面開口部４を開閉するとともに空気の吹き出し方向を上下に変更するルーバー８と、空気の吹き出し方向を左右に変更する左右風向変更羽根（図示せず）とが設けられている。

筐体２の内部には、フィンチューブ熱交換器１と、吸込み口６から取り入れられた空気を、フィンチューブ熱交換器１を通過させて吹出し口７から流出させるファン（送風機）９が設けられている。ファン９は筐体２内に設けられたファンモータ（図示しない）と軸接続されている。なお、本実施の形態におけるファン９は、クロスフローファンである。

ファン９と吹出し口７との間には、吹出し風路１１が形成されている。吹出し風路１１は、ファン９の背面側に位置するリアガイダ１１ａと、リアガイダ１１ａに対向するスタビライザ１１ｂと、左右の側壁とで形成されている。

なお、上述した用語「スタビライザ」は、ファン９の下流近傍に位置し、ファン９の前部付近に発生する渦を安定化させるスタビライザと、このスタビライザの下流側に位置しファン９により搬送される空気の圧力回復を担うディフューザの前部壁部分に分けることもできるが、本願明細書では、これらを総称して「スタビライザ」という。

筐体２は、フィンチューブ熱交換器１からの結露水を受け、排水するための水受け皿１３ａ、１３ｂが設けられている。水受け皿１３ａは、リアガイダ１１ａの上部と背面板２ｂとの間に設けられている。水受け皿１３ｂは、スタビライザ１１ｂの上方に設けられている。

吸込み口６とフィンチューブ熱交換器１との間には、吸込み風路１２が形成されている。吸込み風路１２は、前面パネル２ａの上部と、後述する隔壁１０と、背面板２ｂと、左右の側壁とで形成されている。吹出し風路１１と吸込み風路１２は、吸込み口６と吹出し口７との間に設けられた風路の一部を構成している。

筐体２は前面下方に、空気調和機の運転状態等を表示する表示ユニット（図示せず）を備えている。表示ユニットなどは、筐体２が備える隔壁１０によって、吸込み風路１２とは区画されている。

隔壁１０は、前面パネル２ａの上下方向の略中央部からフィンチューブ熱交換器１の方向へ略水平に突出する水平部１０ａと、水平部１０ａより下方に前面パネル２ａと略平行に延びる垂直部１０ｂと、垂直部１０ｂの下端と水受け皿１３ｂとの間に設けられ背面側に向かうにしたがって下方に向かうように傾斜する傾斜部１０ｃとを備えている。傾斜部１０ｃの下端は、スタビライザ１１ｂの上面に接続されている。

隔壁１０を設けることで、表示ユニットなどの電気部品に、フィンチューブ熱交換器１の結露水や、水受け皿１３ｂなどに溜まった水がかかるのを防止している。

フィンチューブ熱交換器１は、後述する伝熱管２１の軸方向（図２において紙面に対して垂直方向）に所定の長さを備えている。フィンチューブ熱交換器１は、ファン９の前方から上方を覆うように設けられている。フィンチューブ熱交換器１は、前面熱交換器１ａと背面熱交換器１ｂとを備えている。前面熱交換器１ａと背面熱交換器１ｂと分割される（図２参照）。前面熱交換器１ａと背面熱交換器１ｂとは、ファン９の上方にて、フィンチューブ熱交換器１が逆Ｖ字状となるように接合されて配置される。

前面熱交換器１ａは、ファン９の前方を取り囲むように前方へ突出したくの字状となっている。つまり、前面熱交換器１ａは、前面パネル２ａ側に突出する屈曲部１４を有している。

前面熱交換器１ａは、屈曲部１４の頂点が、隔壁１０の垂直部１０ｂの上端より下方に位置するように配置されている。これによって、前面熱交換器１ａの屈曲部１４と隔壁１０の垂直部１０ｂとの間には、絞り部１５が形成される。つまり、吸込み風路１２は、前面熱交換器１ａの屈曲部１４と隔壁１０との間に絞り部１５を備えている。絞り部１５の風路断面積は、絞り部１５より上流側の吸込み風路１２の風路断面積、および、絞り部１５より下流側の吸込み風路１２の風路断面積より小さい。

図３は、フィンチューブ熱交換器１の一部の拡大断面模式図である。フィンチューブ熱交換器１は、空気の流れと略直行方向に配置され内部を冷媒が流動する伝熱管２１と、伝熱管２１に貫通される形で配置され、伝熱管２１の周囲に複数の切起し２３を有するフィ
ン２２を備えた熱交換器である。

より詳細には、フィンチューブ熱交換器１は、伝熱管２１とフィン２２とを備えている。伝熱管２１は、冷凍サイクル回路を流れる冷媒を流す管であり、フィン２２に貫通している。フィン２２は、伝熱管２１の外表面積を拡大する、所定の肉厚を有する薄板である。フィン２２は、伝熱管２１の中心軸方向に、所定の間隔（フィンピッチ）で、複数枚、積層されている。

フィン２２は、伝熱を促進するために、フィン２２の平面からフィン積層方向に切り起こされた切起し２３を備えている。切起し２３によって、フィン２２は、１枚のフィン２２の表裏を連通させる開口部２４を備える。

本明細書では、フィンチューブ熱交換器１の伝熱管２１の中心軸方向に垂直な断面（例えば、図２）における短手方向を列方向と称し、フィンチューブ熱交換器１の伝熱管２１の中心軸方向に垂直な断面における長手方向に並んだ伝熱管２１同士の中心を結んだ方向を段方向と称する。列方向と段方向は略直角に交差する。また、列方向は、空気の流れ方向に略平行な方向であり、段方向は、空気の流れ方向に略直角な方向である。

また、フィンチューブ熱交換器１は、前面熱交換器１ａと背面熱交換器１ｂのそれぞれにおいて、長手方向に所定の段ピッチ（段方向に隣接する２本の伝熱管２１どうしの中心間距離）で、伝熱管２１が設けられている。また、フィンチューブ熱交換器１は、前面熱交換器１ａと背面熱交換器１ｂのそれぞれにおいて、短手方向に所定の列ピッチ（列方向に隣接する伝熱管２１の列どうしの中心間距離）で、伝熱管２１が設けられている。

切起し２３は、図２に示すように、段方向に隣接する伝熱管２１の間に、切起し２３の開口部２４が向かい合うように略平行に配置されている。

フィン２２の間には、ファン９によって吸込まれた空気が流れる。これによって、フィンチューブ熱交換器１は、伝熱管２１の内部を流れる冷媒と、フィンチューブ熱交換器１の外部の空気とを熱交換させている。

以上のように構成された空気調和機の室内機について、その動作、作用を説明する。

室内機が運転されると、ファン９によって吸い込まれた空気は、吸込み口６から吸込み風路１２に流入する。前面熱交換器１ａの上方部分、および、背面熱交換器１ｂへは、吸込み口６から吸込み風路１２を通って、空気が導入される。前面熱交換器１ａの下方部分、具体的には、屈曲部１４と屈曲部１４より下方の部分へは、吸込み口６から吸込み風路１２の絞り部１５を通って、空気が導入される。フィンチューブ熱交換器１では、空気と冷媒とで熱交換する。熱交換した空気は、冷やされ、または、温められる。その後、フィンチューブ熱交換器１を通過した空気は、ファン９に吸込まれ、吹出し風路１１を通って、吹出し口７から吹き出される。これによって、室内を冷房、または、暖房する。

本実施の形態では、絞り部１５の風路断面積を、絞り部１５より下方に位置する前面熱交換器１ａの吸込み面積より大きくしている。

より詳細には、絞り部１５における垂直部１０ｂと前面熱交換器１ａとの距離である最小絞り隙間Ｃ［ｍ］は、絞り部１５より下方の前面熱交換器１ａの段方向長さＬｕ［ｍ］と、絞り部１５より下方の伝熱管２１の段方向の本数Ｎ［−］と、絞り部１５より下方の伝熱管２１の平均外径Ｄ［ｍ］と、フィン２２のフィンピッチＰと、フィン２２の肉厚Ｌｆ［ｍ］と、フィンチューブ熱交換器１の伝熱管２１の軸方向の長さＬｗ［ｍ］を用いた
場合に、次式を満たすように構成されている。

Ｃ×Ｌｗ＞（Ｌｗ−（Ｌｗ／Ｐ）×Ｌｆ）×（Ｌｕ−Ｄ×Ｎ）

これによれば、絞り部１５を通過した直後の空気に、乱れ（渦）が生じることを抑制できる。このため、屈曲部１４より下方の前面熱交換器１ａに流れる空気の流量の低下を抑制できる。このため、フィンチューブ熱交換器１での伝熱量が低下することを抑制できる。

さらに、前面熱交換器１ａの屈曲部１４の前縁１４ａ（前縁１６の一部であって、屈曲部１４に対応する部分）は、所定の半径Ｒで円弧状に形成されている。つまり、前面熱交換器１ａの屈曲部１４の前縁１４ａは、絞り部１５による気流の乱れを抑制するために、絞り部１５の急拡大を抑制する形状としている。

また、切起し２３は、フィンチューブ熱交換器１を通過する空気の風速分布に合わせて、位置によって、その数が調整されている。本実施の形態では、屈曲部１４の、径方向に隣接する２本の伝熱管２１の間に設けた切起し２３の数は、屈曲部１４以外の箇所の、径方向に隣接する２本の伝熱管２１の間に設けた切起し２３の数より、少ない。

より具体的には、図２において、線Ｌ１上に配置された切起しの数は、線Ｌ２上に配置された切起しの数より、少ない。ここで、線Ｌ１は、前面熱交換器１ａの前縁１６と、前面熱交換器１ａの後縁１７とを最短に結ぶ直線のうち、前面熱交換器１ａの上方部分の前縁１６の延長線と前面熱交換器１ａの下方部分の前縁１６の延長線との交点である屈曲部前方頂点Ａと、前面熱交換器１ａの上方部分の後縁１７の延長線と前面熱交換器１ａの下方部分の後縁１７の延長線との交点である屈曲部後方頂点Ｂとを結ぶ直線である。

また、線Ｌ２は、前面熱交換器１ａの屈曲部１４以外の任意の箇所において、前面熱交換器１ａの最も風上側の列の伝熱管２１の段ピッチを２等分する直線が、前面熱交換器１ａの前縁１６と交差する点Ｑと、前面熱交換器１ａの最も風下側の列の伝熱管２１の段ピッチを２等分する直線が、前面熱交換器１ａの後縁１７と交差する点Ｕと、前面熱交換器１ａのすべての列における伝熱管２１の段ピッチを２等分する点Ｒ〜Ｔと、を結んだ線である。

本実施の形態によれば、屈曲部１４の切起し２３の数が、他の箇所より少ないため、絞り部１５によって静圧が低下した空気であっても、屈曲部１４を通過することができる。このため、屈曲部１４の伝熱量、さらにはフィンチューブ熱交換器１全体の伝熱量を増大させることができる。これによって、フィンチューブ熱交換器１の熱交換能力を有効に活用することができる。

なお、屈曲部１４の切起し２３の数は、少なくとも前面熱交換器１ａの他の箇所より少なければよい。しかし、屈曲部１４の切起し２３の数は、フィンチューブ熱交換器１の全体、つまり、前面熱交換器１ａと背面熱交換器１ｂを合わせた全体の他の箇所より少ないことが望ましい。

本発明に係る熱交換器は、熱交換器を通過する方向とは異なる風速分布に起因する静圧変動の影響を緩和するものである。そのため、熱交換器とそれを覆う筐体により熱交換器を通過する方向とは異なる風速分布を発生させる機器にも適用可能であり、例えば衣類乾燥機の熱交換ユニットにも適用できる。

１ フィンチューブ熱交換器
１ａ 前面熱交換器
１ｂ 背面熱交換器
２ 筐体
２ａ 前面パネル
２ｂ 背面板
３ 上面開口部
４ 下面開口部
６ 吸込み口
７ 吹出し口
８ ルーバー
９ ファン
１０ 隔壁
１０ａ 水平部
１０ｂ 垂直部
１０ｃ 傾斜部
１１ 吹出し風路
１１ａ リアガイダ
１１ｂ スタビライザ
１２ 吸込み風路
１３ａ、１３ｂ 水受け皿
１４ 屈曲部
１５ 絞り部
１６ 前縁
１７ 後縁
２１ 伝熱管
２２ フィン
２３ 切起し
２４ 開口部

Claims (2)

1. 略くの字状に屈曲したフィンと、
   前記フィンに貫通する伝熱管とを備え、
   前記フィンの屈曲部において、前記フィンの長手方向に隣接する２本の前記伝熱管の間に設けられた切起しの数は、
   前記屈曲部以外の箇所において、前記フィンの長手方向に隣接する２本の前記伝熱管の間に設けられた切起しの数より少ない、熱交換器。
2. 前記伝熱管は、前記フィンの長手方向に所定の段ピッチ、かつ、前記フィンの短手方向に所定の列ピッチで設けられ、配置され、
   前記フィンの前記屈曲部より上方の前縁の延長線と前記フィンの前記屈曲部より下方の前縁の延長線との交点と、
   前記フィンの前記屈曲部より上方の後縁の延長線と前記フィンの前記屈曲部より下方の後縁の延長線との交点と、を結ぶ直線と重なる切起しの数は、
   前記フィンの屈曲部以外の任意の箇所において、前記フィンの最も風上側に設けられた伝熱管の段ピッチを２等分する直線が前記フィンの前縁と交差する点と、
   当該箇所において、前記フィンの最も風下側に設けられた伝熱管の段ピッチを２等分する直線が前記フィンの後縁と交差する点と、
   当該箇所において、前記フィンに設けられた伝熱管の段ピッチを２等分する各点と、を結んだ線と重なる切起しの数より少ない、請求項１に記載の熱交換器。