JP4659779B2 - 熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機 - Google Patents

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ものである。

従来の空気調和機を構成する熱交換器に、フィンチューブ型熱交換器と呼ばれるものがある。この熱交換器は、一定の間隔で配置されてその間を気体（空気）が流れる板状フィンと、この板状フィンに直交して挿入され、内部に冷媒が流れる伝熱管とからなり、隣接する伝熱管の間に板状フィンに切り起こしによるスリット群を設けたものである。このスリット群は、スリットの側端部が風向きに対して対向するように設けられており、その側端部において空気流の速度境界層及び温度境界層を薄くすることにより、伝熱促進が行われ熱交換能力が増大するとされている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−３３５９５号公報（第３−４頁、図１−２）

特許文献１の熱交換器においては、伝熱管に円管を用いているため、伝熱管部における通風抵抗や伝熱管の後流側に生じる死水域を抑えることが難かしいという問題があった。
また、熱交換器の高性能化を目的として冷媒側では伝熱管内の溝形状をハインスリムすること、空気側ではフィン形状を工夫することで熱交換性能を改善しているが、さらに現状以上に高性能化するためには、伝熱管を細径化することが考えられる。しかしながら、伝熱管を細径化することにより、管内熱伝達率が増大するのに対して圧力損失が増大するため、これらを最適化することが必要になる。また、細径伝熱管は、伝熱性能的には有利であるが、伝熱管の製作費用が増大するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、細径化しても管内圧力損失が増大せず、伝熱性能が優れた伝熱管を用いることにより、通風抵抗が減少し熱交換能力を増大することのできる熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機を提供することを目的としたものである。

本発明に係る熱交換器は、外周面が左右対称の凹凸状に形成され、長手方向に所定の間隔で軸方向に複数の円筒状の冷媒流路が設けられた伝熱管を有し、伝熱管を、空気の流入方向に沿って並設された複数のフィンの空気の流入方向と平行に設けた取付穴に挿入し、伝熱管の冷媒流路を拡管ビユレット玉で拡径することによって伝熱管と複数のフィンを一体に固定する熱交換器であって、伝熱管の外周面を冷媒流路の形状に合わせて円弧状の凹凸を交互に連続した曲面にて形成すると共に、フィンの取付穴を伝熱管の外周面に合わせて凹凸状に形成したものである。

また、本発明に係る空気調和機は、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、上記の熱交換器を用いたものである。

本発明によれば、管内圧力損失が増大することなく、伝熱性能が優れた細径化した伝熱管を用いたので、通風抵抗が減少し熱交換能力を増大することのできる熱交換器及びこの熱交換器を備えた空気調和機を得ることができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の正面図、図２は図１の伝熱管の斜視図である。
図１において、２は銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属板からなる（他の実施の形態においても同様である）フィンで、空気の流入方向Ａと平行に、かつ図の垂直方向（奥行方向）に所定の間隔で並設され、その上下方向にはフィン２と直交して、後述の伝熱管３が取付けられる複数の取付穴２１が設けられている。この取付穴２１は並設されたフィン２に直交して水平方向に貫設して設けられ、図３に示すように、取付穴２１に臨むフィン２の端部は折曲げられて左右の間隔を保持している。

伝熱管３は、図２に示すように、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属材料からなり（他の実施の形態においても同様である）、空気の流入方向Ａに沿って細長く形成され、外周面は後述の冷媒流路３２の外形に対応した円弧状の曲面３１を交互に連続させて、左右（図の上下）が対称の凹凸状に形成されており、軸方向の長さＬは、並設されたフィン２の奥行方向の長さとほぼ等しいか、又はこれより若干長く形成されている。そして、長手方向（幅方向）には、所定の間隔で軸方向に複数の円筒状の冷媒流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（以下、単に３２と記すことがある）が平行に設けられている。なお、図には冷媒流路３２を４本設けた場合を示したが、２本以上であればよい。

このような冷媒流路３２の拡径後（後述）の内径ｄは１〜５ｍである（したがって、当初は、拡径を見込んでこれより小径に形成されている）。内径ｄが１ｍｍ未満であると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が大きくなり、結果として熱交換性能が低下する。また、内径ｄが５ｍｍを超えると、熱交換性能が低下するばかりでなく、伝熱管３の幅（厚み）が大きくなって、空気流の圧力損失が増大する。よって、本実施の形態における冷媒流路３２の拡径後の内径ｄを、１〜５ｍｍとした（他の実施の形態においても同様である）。

また、伝熱管３の隣接する冷媒流路３２の間隔ｔ₂を、冷媒流路３２の肉厚ｔ₁の１．５倍程度とした。これにより、伝熱管３の耐圧強度を高めることができる。
さらに、伝熱管３の外周の円弧状の曲面３１の曲率半径ｒを、冷媒流路３２の内径ｄの１／２より小さくした。これにより、冷媒流路３２の拡径後のフィン２との接合が確実になり、接触熱抵抗の低減により熱交換効率を高めることができる。

このような伝熱管３は、図３に示すように、フィン２に設けた取付穴２１に挿入され、図３（ａ）に示すように、超硬合金等の金属材料からなる拡管ビユレット玉４１を用いた機械式拡管装置、あるいは、図３（ｂ）に示すように、拡管ビユレット玉４１を液体４２により加圧する流体加圧式拡管装置により、冷媒流路３２を拡径してフィン２に一体的に接合する。これにより、熱交換器１が構成される。

上記のように構成した熱交換器１は、ＨＣ単一冷媒又はＨＣを含む混合冷媒、あるいは、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素等のいずれかの冷媒を使用する熱交換器として、蒸発器や凝縮器などに設けられる。

本実施の形態によれば、外周に曲面３１の凹凸が連続して形成された左右対称形状の伝熱管３の長手方向に、所定の間隔で軸方向に複数の冷媒流路３２を設けてフィン２の取付穴２１に挿入し、一体的に接合したので、通風抵抗が減少し、また、冷媒流路３２内の圧力損失が増大することなく、熱交換効率を向上させることのできる高効率の熱交換器１を得ることができる。

［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２に係る熱交換器の伝熱管３の正面図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、内径ｄの各冷媒流路３２ａ〜３２ｄの内壁面に所定の間隔で、軸方向に平行して断面ほぼ四角形状の複数の突条３３を延設したものである。この場合、突条３３の高さｈ（突出長）は、０．０５〜０．３ｍｍ程度とすることが望ましい。なお、突条３３の断面形状は四角形状に限定するものではなく、三角形状、台形状、半円形状等、適宜の断面形状とすることができる。

本実施の形態によれば、冷媒流路３２の内壁面に複数の突条３３を設けて冷媒との接触面積を増大し、かつ、突条３３の高さｈを０．０５〜０．３ｍｍ程度としたので、流路内圧力が増大することなく、伝熱性能をより向上することができる。なお、本実施の形態に係る冷媒流路３２を拡径する場合は、図３で説明した拡管ビユレット玉４１の外周に、突条３３に対応した溝を設ければよい。

［実施の形態３］
図５は本発明の実施の形態３に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、伝熱管３の長手方向に設けた複数の冷媒流路３２ａ〜３２ｄのうち、空気の流入方向Ａの下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの内壁面に、実施の形態２の場合と同様に所定の間隔で軸方向に平行な複数の突条３３を延設したものである。なお、突条３３の高さｈは、実施の形態２の場合と同様に、０．０５〜０．３ｍｍ程度とすることが望ましい。

熱交換器においては、流入する空気の流入方向Ａの上流側の空気と冷媒との温度差に比べて、下流側の空気と冷媒との温度差が小さくなるが、本実施の形態においては、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄに複数の突条３３を設けて冷媒との接触面積を大きくしたので、上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂとほぼ同様に熱交換効率を高めることができる。なお、図には、下流側の２本の冷媒流路３２ｃ，３２ｄに突条３３を設けた場合を示したが、最下流側の１本の冷媒流路３２ｄ、あるいは３本以上の冷媒流路（例えば、３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）に突条３３を設けてもよい。

［実施の形態４］
図６は本発明の実施の形態４に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、伝熱管３の長手方向に設けた複数の冷媒流路３２ａ〜３２ｄのうち、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄ（図には２本の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの場合を示してあるが、１本又は３本以上であってもよい）の内径ｄ₁を、上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂより小さく、ｄ₁＜ｄに形成したものである。なお、本実施の形態においては、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄを小径にしたが、伝熱管１の外周壁は上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂと同じ外周壁としたので、その分肉厚ｔ₁が厚くなり、冷媒流路３２ｂと３２ｃ、３２ｃと３２ｄの間隔ｔ₂も若干大きくなる。

本実施の形態は、上記のように構成したので、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの冷媒循環量が、上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂの冷媒循環量に比べて少なくなるため、伝熱量３の出口側における気相と液相との質量比率をほぼ等しくすることができ、熱交換器全体の効率を高めることができる。

図７は本実施の形態の伝熱管の他の例を示す正面図である。なお、実施の形態３及び図６の伝熱管と同じ部分には、これと同じ符号が付してある。
本例は、図６の伝熱管３と同様に、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの内径ｄ₁を、上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂの内径ｄより小さく、ｄ₁＜ｄに形成すると共に、上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂの内周壁と、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの内周壁に、実施の形態３（図４）の場合と同様に、所定の間隔で軸方向に平行な複数の突条３３，３３ａをそれぞれ設けたものである。この場合、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの突条３３ａの高さｈ₁を、上流側の冷媒流路３２ａ，３２ｂの突条３３の高さｈより低く、ｈ₁＜ｈとすることが望ましい。
上記のように構成した本例によれば、実施の形態３の伝熱管３の効果と、図６の伝熱管３の効果の両者を合わせた効果を得ることができる。

図８は本実施の形態の伝熱管のさらに他の例を示す正面図である。
本例に係る伝熱管３は、図６の伝熱管３の下流側の小径の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの内周壁に、図７の伝熱管３の下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの場合と同様に、所定の間隔で軸方向に平行な複数の突条３３ａを設けたものである。
本例においても、図６の伝熱管の場合と同様に、下流側の冷媒流路３２ｃ，３２ｄの伝熱面積を大きくすることにより、より熱交換効率を高めることができる。

［実施の形態５］
図９は本発明の実施の形態５に係る熱交換器の説明図、図１０は図９の要部の説明図である。
横方向に所定の間隔で空気の流入方向Ａに沿って並設された複数のフィン２には、これと直交して上下方向に４本の伝熱管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが設けられている。なお、図には、伝熱管３ａ〜３ｄにそれぞれ３本の冷媒流路３２ａ〜３２ｃを設けた場合が示してある。

そして、上下方向の中間の隣接する伝熱管３ｂ，３ｃは、銅若しくは銅合金又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金などの金属材料からなるリターンベント管３５により、冷媒の入口部と出口部である伝熱管３ｂの下流側の冷媒流路３２ｃと伝熱管３ｃの上流側の冷媒流路３２ａ、伝熱管３ｂの中間の冷媒流路３２ｂと伝熱管３ｃの下流側の冷媒流路３２ｃ、伝熱管３ｂの上流側の冷媒流路３２ａと伝熱管３ｃの中間の冷媒流路３２ｂをそれぞれ接続したものである。なお、上部に設けた伝熱管３ａは例えば冷媒出口、下部に設けた伝熱管３ｄは冷媒入口として、それぞれ冷媒配管（図示せず）に接続される。

上記のように構成したことにより、空気の流入方向Ａの上流側の熱交換能力と、下流側の熱交換能力とのバランスをとることができるので、高能率の熱交換器を得ることができる。

図１１は本実施の形態に係る熱交換器の他の例を示す説明図、図１２は図１１の要部の説明図である。
本例は、フィン２の上下方向の中間に設けた隣接する伝熱管３ｂと３ｃの、冷媒の入口部と出口部である対向する上流側の冷媒流路３２ａと３２ａ、中間の冷媒流路３２ｂと３２ｂ、下流側の冷媒流路３２ｃと３２ｃを、それぞれリターンベント管３５で接続したものである。

このように構成したことにより、出口側の伝熱管（例えば３ａ）の冷媒流路３２ａ〜３２ｃの出口側における気相と液相との質量比率がほぼ等しくなって、他段方向の熱交換器の伝熱管３ｄの冷媒入口に流入するので、伝熱管３の上流側の熱交換能力と下流側の熱交換能力とのバランスをとることができるので、高能力の熱交換器を得ることができる。

次に本発明に係る熱交換器の実施例について説明する。
実施の形態１の熱交換器において、冷媒流路３２の内径ｄが５ｍｍで肉厚ｔ₁が０．２ｍｍ、内径ｄが３ｍｍで肉厚ｔ₁が０．２ｍｍ、内径ｄが２ｍｍで肉厚ｔ₁が０．２ｍｍ、内径ｄが１ｍｍで肉厚ｔ₁が０．２ｍｍの伝熱管３をそれぞれ製作し、また、内径ｄが７ｍｍで肉厚ｔ₁が０．２５ｍｍ、内径ｄが０．６ｍｍで肉厚ｔ₁が０．２５ｍｍの伝熱管３を製作した。

図１３は上記のそれぞれの伝熱管３の冷媒流路３２の内径ｄをパラメータとしたサイクルの成績係数ＣＯＰ（熱交換器能力／圧縮機入力）を示す線図である。図に示すように、冷媒流路３２の内径ｄが、約１．５〜２ｍｍの場合にＣＯＰが最大値になり、内径ｄが約０．８ｍｍから約５ｍｍの範囲内であればＣＯＰの最大値に対して５％以内であって、確実に目標値が得られて熱交換能力が十分大きいことがわかった。なお、冷媒流路３２の内径ｄが１ｍｍ未満ではＣＯＰは急激に低下し、５ｍｍを超えると徐々に低下する。
このようなことから、本発明においては、伝熱管３の冷媒流路３２の内径を、前述のように１〜５ｍｍとした。

［実施の形態６］
図１４は本発明の実施の形態６に係る空気調和機の空気調和サイクルの説明図、図１５は本発明に係る空気調和機の室内機の説明図で、本発明に係る熱交換器が設けられた蒸発器及び凝縮器を備えたものである。

本実施の形態に係る空気調和機の空気調和サイクルは、図１４に示すように、冷凍機油を含有し、本発明に係る熱交換器１の伝熱管３の冷媒流路３２を流れる低温の冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により空気や水などを冷却する蒸発器５１と、蒸発器５１から吐出された冷媒を圧縮し、高温、高圧にして凝縮器５３へ供給する圧縮機５２と、本発明に係る熱交換器１の伝熱管３の冷媒流路３２に流入して高温の冷媒の熱により空気や水などを加熱する凝縮器５３と、凝縮器５３から吐出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器５１へ供給する膨張弁５４とからなっている。

空気調和機が駆動され、室内域の送風機６１により前面パネルに設けた吸気口６２から吸込まれた室内空気は、図１５に示すように、吸気口６２の下流側に設けた本発明に係る熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃからなる蒸発器５１により熱交換され、温風又は冷風となってダクト６３とケーシング６４によって形成された吹出し口６５から室内に吹出される。

本実施の形態によれば、本発明に係る熱交換器１を蒸発器５１及び凝縮器５３に設けたので、空気調和能力に優れた空気調和機を得ることができる。なお、本発明に係る熱交換器１を備えた空気調和機の室内機は、図示の構造に限定するものではなく、他の構造のものであってもよい。また、蒸発器５１と凝縮器５３の両者に本発明に係る熱交換器１を設けた場合を示したが、いずれか一方のみにこの熱交換器を設け、他方には構造の異なる熱交換器を設けてもよい。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の正面図である。 図１の伝熱管の斜視図である。 図２の伝熱管の冷媒流路の拡径手段の説明図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の伝熱管の正面図である。 実施の形態４の伝熱管の他の例を示す説明図である。 実施の形態４の伝熱管の他の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態５に係る熱交換器の説明図である。 図９の要部の説明図である。 実施の形態５に係る熱交換器の他の例の説明図である。 図１１の要部の説明図である。 伝熱管の冷媒流路の内径とＣＯＰとの関係を示す線図である。 本発明の実施の形態６に係る空気調和機の空気調和サイクルの説明図である。 本発明に係る空気調和機の室内機の説明図である。

符号の説明

１ 熱交換器、２ フィン、３ 伝熱管、３２ 冷媒流路、３３ 突条、３５ リターンベント管、４１ 拡管ビユレット玉、５１ 蒸発器、５２ 圧縮機、５３ 凝縮器、５４ 膨張弁。

Claims (13)

1. 外周面が左右対称の凹凸状に形成され、長手方向に所定の間隔で軸方向に複数の円筒状の冷媒流路が設けられた伝熱管を有し、該伝熱管を、空気の流入方向に沿って並設された複数のフィンの空気の流入方向と平行に設けた取付穴に挿入し、前記伝熱管の冷媒流路を拡管ビユレット玉で拡径することによって前記伝熱管と前記複数のフィンを一体に固定する熱交換器であって、
   前記伝熱管の外周面を前記冷媒流路の形状に合わせて円弧状の凹凸を交互に連続した曲面にて形成すると共に、前記フィンの取付穴を前記伝熱管の外周面に合わせて凹凸状に形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱管の冷媒流路を、機械式拡管装置又は液体加圧式拡管装置により拡径して、前記フィンに接合し固定したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記伝熱管に設けた冷媒流路の内周壁に、所定の間隔で軸方向に平行に延設された複数の突条を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管に設けた複数の冷媒流路のうち、空気の流入方向の下流側の冷媒流路に前記突条を設けたことを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管に設けた複数の冷媒流路のうち、空気の流入方向の下流側の冷媒流路を、上流側の冷媒流路より小径に形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
6. 前記空気の流入方向の上流側に設けた冷媒流路と下流側に設けた冷媒流路の内周壁に、所定の間隔で軸方向に平行に延設された複数の突条を設けたことを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
7. 前記空気の流入方向の下流側の冷媒流路に設けた突条の高さを、上流側の冷媒流路に設けた突条の高さより低く形成したことを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
8. 前記空気の流入方向の下流側の小径の冷媒流路の内周壁に、所定の間隔で軸方向に平行に延設された複数の突条を設けたことを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
9. 前記伝熱管に設けた複数の冷媒流路の拡径後の内径を１〜５ｍｍとしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記並設された複数のフィンの上下方向に、該フィンと直交して複数の伝熱管を設け、隣接する一方の伝熱管の、空気の流入方向の下流側に設けた冷媒流路の冷媒入口部と、他方の伝熱管の、空気の流入方向の上流側に設けた冷媒流路の冷媒出口部とをリターンベント管でそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱交換器。
11. 前記並設された複数のフィンの上下方向に、該フィンと直交して複数の伝熱管を設け、隣接する伝熱管の対向する冷媒流路をリターンベント管でそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱交換器。
12. 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〜請求項１１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。
13. 前記冷媒に、ＨＣ単一冷媒若しくはＨＣを含む混合冷媒、又はＲ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、二酸化炭素のいずれかを用いたことを特徴とする請求項１２記載の空気調和機。

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