JP4659863B2 - 熱交換器ユニット及びこれを使用する空気調和機の室内機 - Google Patents

Description

本発明は熱交換器ユニット及びこれを使用する空気調和機の室内機に関する。

空気調和機等に用いられる熱交換器には、フィンアンドチューブタイプ、パラレルフロータイプ、サーペンタインタイプといった種類のものがある。フィンアンドチューブタイプは、多数の平行するフィンを１本のチューブが蛇行しつつ貫通する形のものであって、一般的に良く用いられている。パラレルフロータイプは、２本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ものである。サーペンタインタイプは、２本のヘッダパイプの間に偏平チューブを配置するところまではパラレルフロータイプと同じであるが、偏平チューブの数が１本であり、この１本の偏平チューブが蛇行し、蛇行する偏平チューブの間にコルゲートフィン等のフィンが配置されている。フィンアンドチューブタイプの例は特許文献１に見ることができ、パラレルフロータイプとサーペンタインタイプの例は特許文献２に見ることができる。

熱交換器ユニットでは、熱交換量を多くするため、複数の熱交換器を前後して通風路中に配置するということもしばしば行われる。特許文献２にはパラレルフロータイプやサーペンタインタイプの熱交換器を２台以上平行に配置する構成が記載されている。特許文献３にはフィンアンドチューブタイプの熱交換器を前後して複数列配置する構成が記載されている。
実開平４−６８９２１号公報 特開２００５−５５１０８号公報 特開平７−１９８１６６号公報

上記熱交換器は、凝縮器としても蒸発器としても使用できる。ヒートポンプ式空気調和機にあっては、室外機の熱交換器が、冷房時には凝縮器として用いられ、暖房時には蒸発器として用いられることになる。熱交換器が蒸発器として用いられる場合、チューブ内を低温の冷媒が流れ、チューブやフィンの表面温度が低下する。これにより、空気中の水分がチューブやフィンの表面に霜となって付着するという現象（着霜現象）が起きる。着霜が生じるとチューブやフィンから空気への冷熱伝達が悪くなり、またフィンの間隔が狭められて空気が流れにくくなるので、熱交換効率が低下する。このため、時々は蒸発器と凝縮器の役割を逆転する除霜運転が行われ、霜が溶かされる。

霜が溶けた水、すなわち除霜水がチューブやフィンに付着したままであると、除霜運転から通常運転に戻ったときにそれが結氷し、熱交換効率を低下させてしまう。また、除霜を繰り返すと氷が成長して熱交換器を破壊する可能性もある。従って除霜水は速やかに排水する必要がある。

また、空気調和機の室内機では、冷房運転の際に室内空気との熱交換で熱交換器に結露が生じる。空気調和機の室外機では、暖房運転の際に室外空気との熱交換で熱交換器に結露が生じる。結露水も、空気流通路の断面積を狭めて熱交換性能を低下させる原因となるので、速やかに排水する必要がある。

パラレルフロータイプやサーペンタインタイプの熱交換器は、熱交換効率は高いが、除霜水や結露水の排水という点で問題を抱える。すなわちこれらの熱交換器では、コルゲートフィンの間に水の表面張力で水の膜が張る、いわゆるブリッジ現象が生じやすい。ブリッジ現象が生じるときは、水が重力でコルゲートフィンの端まで垂れて来ても、そこに膜を張るのみで、滴下に至らない。ブリッジ現象が生じないよう、コルゲートフィンの山−谷ピッチを大きくしたとすれば、コルゲートフィンの放熱面積が減少し、熱交換性能の低下を招く。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パラレルフロータイプ熱交換器の熱交換性能が結露現象や着霜現象、また除霜行為によって低下することを防ぎ、パラレルフロータイプ熱交換器の特徴である熱交換効率の高さが十分に発揮されるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の熱交換器ユニットは、フィンアンドチューブタイプ熱交換器とコルゲートフィンを有するパラレルフロータイプ熱交換器とを備え、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器の気流出入り面と、前記パラレルフロータイプ熱交換器の気流出入り面が対向し、且つ、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器が下、前記パラレルフロータイプ熱交換器が上の重なり合いが生じる形で、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器と前記パラレルフロータイプ熱交換器を互いに近接ないし接触させて配置したことを特徴としている。

この構成によると、パラレルフロータイプ熱交換器で除霜水や結露水が発生した場合、水は重力によりパラレルフロータイプ熱交換器の中で下を向いている面まで下がった後、その面に近接ないし接触しているフィンアンドチューブタイプ熱交換器の端部によって表面張力を破壊され、フィンアンドチューブタイプ熱交換器側へと流れ落ちる。フィンアンドチューブタイプ熱交換器に移った水は、ブリッジ現象を起こすことなく排水される。これにより、水がブリッジ現象でパラレルフロータイプ熱交換器に留まって通風を妨げ、パラレルフロータイプ熱交換器の熱交換効率を低下させるといった事態を防ぐことができる。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、蒸発器として用いる場合、冷媒は前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器を流れてから前記パラレルフロータイプ熱交換器に流入することが好ましい。

このような構成にすれば、冷媒はパラレルフロータイプ熱交換器に至るまでに徐々に蒸発するため、パラレルフロータイプ熱交換器には乾き度の大きい冷媒が流入する。パラレルフロータイプ熱交換器は冷媒を分配するチューブ本数が多いため、乾き度の大きい冷媒であると冷媒の流れが偏って各チューブに均等に流れず、熱交換器全体での温度分布が不均一になる可能性がある。これに対しフィンアンドチューブ型タイプ熱交換器は、流入するのが乾き度の小さい冷媒である上、冷媒を分配するチューブ本数が少ないため、冷媒の流れの偏りが生じにくく、熱交換器全体の温度分布を均一化することができる。熱交換器ユニットに流入する空気は最終的に必ずフィンアンドチューブタイプ熱交換器で熱交換されるため、ファン等への結露の問題を回避することができる。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、蒸発器として用いる場合、冷媒は前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器の下部に設けた冷媒流出口より前記パラレルフロータイプ熱交換器の下部ヘッダパイプに流入することが好ましい。

このような構成にすれば、フィンアンドチューブタイプ熱交換器とパラレルフロータイプ熱交換器を接続するパイプやチューブを短くすることができ、資材量を削減することができる。また、パラレルフロータイプ熱交換器において、上部ヘッダパイプから冷媒が流入することとすると、流入部に近い方の偏平チューブに冷媒の流れが偏る、いわゆる偏流が生じやすいが、本発明のように下部ヘッダチューブから冷媒が流入する構成では、各偏平チューブへの冷媒の分流が良好に行われ、偏流が生じにくい。そのため熱交換性能を良好に保つことができる。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンと前記パラレルフロータイプ熱交換器の素材金属を同一種類とすることが好ましい。

このような構成にすれば、フィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンとパラレルフロータイプ熱交換器が接触したとしても、異種金属の接触による腐食といった問題は生じない。つまり接触を気にすることなくフィンアンドチューブタイプ熱交換器とパラレルフロータイプ熱交換器を近接配置することができ、設計が容易になる。なおフィンアンドチューブタイプ熱交換器は、フィンだけでなく、チューブも含めてパラレルフロータイプ熱交換器と同一種類の素材金属で構成してもよい。

上記構成の熱交換器ユニットにおいて、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンは前記パラレルフロータイプ熱交換器の偏平チューブと平行に配置され、且つ前記フィンの長さは前記偏平チューブの長さと同等以下であることが好ましい。

このような構成にすれば、フィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンをヘッダパイプに邪魔されることなくパラレルフロータイプ熱交換器の偏平チューブまたはコルゲートフィンに接近させることができる。

また本発明は、上記熱交換器ユニットを使用する空気調和機の室内機であることを特徴としている。

この構成によると、冷房運転の際に室内空気中の水分が結露しても熱交換性能が低下しにくい空気調和機の室内機を得ることができる。

本発明によると、パラレルフロータイプ熱交換器で発生した除霜水や結露水は、パラレルフロータイプ熱交換器の下に重なる形で配置されているフィンアンドチューブタイプ熱交換器に移り、ブリッジ現象を起こすことなく排水されるから、水がブリッジ現象でパラレルフロータイプ熱交換器に留まることで通風を妨げ、パラレルフロータイプ熱交換器の特徴である高い熱交換効率を低下させるといった事態を防ぐことができる。

以下本発明の実施形態を図１及び図２に基づき説明する。図１は熱交換器ユニットの側面図にして、フィンアンドチューブタイプ熱交換器とパラレルフロータイプ熱交換器を断面図で示したもの、図２は熱交換器ユニットの模式的概略構成図である。なお図１でも図２でも、紙面の上側が熱交換器ユニットの上側である。

熱交換器ユニット１は、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０とパラレルフロータイプ熱交換器２０により構成される。フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０とパラレルフロータイプ熱交換器２０は、互いの気流出入り面（そこから気流が吸い込まれる面またはそこから気流が吹き出される面）を対向させる形で、気流方向において直列に配置されている。すなわちパラレルフロータイプ熱交換器２０は図示しない送風機が生成する気流（図１の矢印が気流を表す）の中で風上側に配置され、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０はパラレルフロータイプ熱交換器２０に前後する形で風下側に配置される。フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０とパラレルフロータイプ熱交換器２０は互いに平行し、且つ近接ないし接触する形で配置されている。

熱交換器ユニット１は、風上側が上向きで風下側が下向きになるよう斜めに配置されている。このため、風下側に配置されたフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０が下、風上側に配置されたパラレルフロータイプ熱交換器２０が上となる重なり合いが生じている。言い換えれば、熱交換器ユニット１は、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の気流吸込面にパラレルフロータイプ熱交換器２０の気流吹出面が近接ないし接触する形で対向し、且つ、フィンアンドチューブタイプ熱交換器が下、パラレルフロータイプ熱交換器２０が上という配置構成にしたものである。

フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０は多数のフィン１１と１本の蛇行するチューブ１２を備える。個々のフィン１１は上下方向を長手方向とする短冊形状であり、それが多数、互いの間に所定の隙間を置いて水平方向に並んでいる。このフィン１１の集団をチューブ１２が、上から下へと蛇行して縫うように貫通する。チューブ１２の内部は冷媒を流通させる冷媒通路１３となる。またチューブ１２は上の方の端に蒸発器として用いる場合の冷媒流入口１４、下の方の端に冷媒流出口１５を有する。フィン１１とチューブ１２はアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、例えば溶着といった手段で固定される。フィン１１がアルミニウム、チューブ１２が銅といった異種金属の組み合わせであってもよい。

パラレルフロータイプ熱交換器２０は、上部ヘッダパイプ２１と下部ヘッダパイプ２２を互いに間隔を置いてそれぞれ水平に、すなわち互いに平行する形で配置し、上部ヘッダパイプ２１と下部ヘッダパイプ２２の間に上下方向に延びる偏平チューブ２３を所定ピッチで複数配置し、偏平チューブ２３間にコルゲートフィン２５を配置したものである。偏平チューブ２３はアルミニウム等熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路２４が形成されている。冷媒通路２４の一構成例では、断面形状及び断面面積の等しいものが図２の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ２３はハーモニカのような断面を呈している。各冷媒通路２４は上部ヘッダパイプ２１及び下部ヘッダパイプ２２の内部に連通する。

隣り合う偏平チューブ２３同士の間にはコルゲートフィン２５が配置される。上部ヘッダパイプ２１及び下部ヘッダパイプ２２と偏平チューブ２３、及び偏平チューブ２３とコルゲートフィン２５はそれぞれロウ付けまたは溶着により固定される。偏平チューブ２３の他、上部ヘッダパイプ２１、下部ヘッダパイプ２２、及びコルゲートフィン２５もアルミニウム等熱伝導の良い金属からなる。

上部ヘッダパイプ２１と下部ヘッダパイプ２２の間に多数の偏平チューブ２３を設け、偏平チューブ２３間にコルゲートフィン２５を設けた構造であるから、パラレルフロータイプ熱交換器２０の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。

パラレルフロータイプ熱交換器２０を蒸発器として用いる場合、下部ヘッダパイプ２２の一端にはフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の冷媒流出口１５に接続する冷媒流入口２６が設けられている。上部ヘッダパイプ２１には、冷媒流入口２６と対角をなす端に、冷媒流出口２７が設けられている。図３のように、冷媒流出口２７を冷媒流入口２６と同じ側に設けてもよい。なお図２の構成でも図３の構成でも、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の冷媒流入口１４とパラレルフロータイプ熱交換器２０の冷媒流出口２７が同じ側に配置されていることが好ましい。

熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の冷媒流入口１４から冷媒が流入する。冷媒は冷媒通路１３を通る間に蒸発し、周囲の空気から熱を奪う。フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０を通り抜けた冷媒はパラレルフロータイプ熱交換器２０の冷媒流入口２６から下部ヘッダパイプ２２に入り、偏平チューブ２３の冷媒通路２４を上昇する。冷媒通路２４を上昇する過程で冷媒はさらに蒸発して周囲の空気から熱を奪う。最終的に冷媒は上部ヘッダパイプ２１に入り、冷媒流出口２７から流出する。

パラレルフロータイプ熱交換器２０で除霜水や結露水が発生した場合、水はパラレルフロータイプ熱交換器２０の中で下を向いている面（言い換えればコルゲートフィン２５の風下側端面）まで重力で下がった後、その面に近接ないし接触する形となっているフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０のフィン１１の風上側端部によって表面張力を破壊され、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０側へと流れ落ちる。フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０に移った水は、ブリッジ現象を起こすことなく排水される。これにより、水がブリッジ現象でパラレルフロータイプ熱交換器２０に留まって通風を妨げ、パラレルフロータイプ熱交換器２０の熱交換効率を低下させるといった事態を防ぐことができる。パラレルフロータイプ熱交換器２０とフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の間の隙間は、パラレルフロータイプ熱交換器２０の端から表面張力で水滴が盛り上がったとき、その水滴がフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の端部に確実に届く程度の距離に設定しておく。

蒸発器として用いる場合、冷媒はフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０を流れてからパラレルフロータイプ熱交換器２０に流入する。冷媒はパラレルフロータイプ熱交換器２０に至るまでに徐々に蒸発するため、パラレルフロータイプ熱交換器２０には乾き度の大きい冷媒が流入する。パラレルフロータイプ熱交換器２０は冷媒を分配する偏平チューブ２３の本数が多いため、乾き度の大きい冷媒であると冷媒の流れが偏って各偏平チューブ２３に均等に流れず、熱交換器全体での温度分布が不均一になる可能性がある。これに対しフィンアンドチューブ型タイプ熱交換器１０は、流入するのが乾き度の小さい冷媒である上、冷媒を分配するチューブ１２の本数が少ないため、冷媒の流れの偏りが生じにくく、熱交換器全体の温度分布を均一化することができる。熱交換器ユニット１に流入する空気は最終的に必ずフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０で熱交換されるため、室内ファン等への結露の問題を回避することができる。

冷媒の流れを見た場合、冷媒はフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の上部から下部へと流れ、下部に設けた冷媒流出口１５よりパラレルフロータイプ熱交換器２０の下部ヘッダパイプ２２に流入する。このため、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０とパラレルフロータイプ熱交換器２０を接続するパイプやチューブを短くすることができ、資材量を削減することができる。また、パラレルフロータイプ熱交換器２０で上部ヘッダパイプ２１から冷媒が流入すると、流入部に近い方の偏平チューブ２３に冷媒の流れが偏る、いわゆる偏流が生じやすいが、下部ヘッダチューブ２２から冷媒が流入する構成であれば、各偏平チューブ２３への冷媒の分流が良好に行われ、偏流が生じにくい。そのため熱交換性能を良好に保つことができる。

パラレルフロータイプ熱交換器は、上部ヘッダパイプと下部ヘッダパイプの間に上下方向に延びる複数の偏平チューブをする構成のものに限定されない。上下方向に延びるヘッダパイプを左右両端に配置し、その間に複数の水平な偏平チューブを配置した、サイドフロータイプのパラレルフロータイプ熱交換器であってよい。その場合もフィンアンドチューブタイプ熱交換器との組み合わせによる排水性向上のメリットを享受できる。

なお、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０のフィン１１とパラレルフロータイプ熱交換器２０の素材金属を同一種類としておけば、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０とパラレルフロータイプ熱交換器２０が接触したとしても、異種金属の接触による腐食といった問題は生じないので、接触を気にすることなくフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０とパラレルフロータイプ熱交換器２０を近接配置することができ、設計が容易になる。この場合、パラレルフロータイプ熱交換器２０の素材金属と同一種類にするのはフィン１１だけでよく、チューブ１２の方は、アルミニウムのフィンに銅のチューブを組み合わせるという前述の例のように、パラレルフロータイプ熱交換器２０の素材金属と異なる種類であってもよい。もちろん、フィン１１とチューブ１２の両方をパラレルフロータイプ熱交換器２０の素材金属と同一種類にしても構わない。

実施形態では、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０のフィン１１はパラレルフロータイプ熱交換器２０の偏平チューブ２３と平行に配置され、且つフィン１１の長さは偏平チューブ２３の長さと同等以下とされている。すなわちフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０は、図１に示すように、また図２からも推察できるように、パラレルフロータイプ熱交換器２０の上部ヘッダパイプ２１と下部ヘッダパイプ２２の間に収まる大きさとなっている。このため、上部ヘッダパイプ２１や下部ヘッダパイプ２２に邪魔されることなくフィン１１を偏平チューブ２３またはコルゲートフィン２５に接近させることができる。

フィン１１が偏平チューブ２３より長い場合もあり得る。そのような場合は、図４に示すように、フィン１１の下側を偏平チューブ２３に接触させる。このようにすれば、パラレルフロータイプ熱交換器２０とフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０を部分的にでも近接ないし接触させることができる。なおフィン１１の上側でなく下側を偏平チューブ２３に接触させるのは、パラレルフロータイプ熱交換器２０を蒸発器として使用する場合、結露水が重力によりパラレルフロータイプ熱交換器２０の下面に沿って下の方へと流れるため、下の方に結露水が一層溜まりやすいからである。この部分の結露水をすばやく排水することができさえすれば、熱交換効率維持能力をそれほど低下させなくて済む。

実施形態の熱交換器ユニット１を空気調和機の室内機に使用すれば、冷房運転の際に室内空気中の水分が結露しても熱交換性能が低下しにくい空気調和機の室内機を得ることができる。

熱交換器ユニット１は、風上側が下向きで風下側が上向きになるよう斜めに配置してもよい。この場合、下のフィンアンドチューブタイプ熱交換器１０が風上側、上のパラレルフロータイプ熱交換器１０が風下側という形になる。言い換えれば、熱交換器ユニット１には、フィンアンドチューブタイプ熱交換器１０の気流吹出面にパラレルフロータイプ熱交換器２０の気流吸込面が近接ないし接触する形で対向し、且つ、フィンアンドチューブタイプ熱交換器が下、パラレルフロータイプ熱交換器２０が上の重なり合いが生じるものである。

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。

本発明は空気調和機等の熱交換器ユニットに広く利用可能である。

発明の実施形態に係る熱交換器ユニットの側面図にして、フィンアンドチューブタイプ熱交換器とパラレルフロータイプ熱交換器を断面図で示したもの 実施形態の熱交換器ユニットの模式的概略構成図 熱交換器ユニットの変形態様を示す図２と同様の模式的概略構成図 熱交換器ユニットの変形態様を示す図１と同様の側面図

符号の説明

１ 熱交換器ユニット
１０ フィンアンドチューブタイプ熱交換器
１１ フィン
１２ チューブ
２０ パラレルフロータイプ熱交換器
２１ 上部ヘッダパイプ
２２ 下部ヘッダパイプ
２３ 偏平チューブ
２５ コルゲートフィン

Claims (6)

1. フィンアンドチューブタイプ熱交換器とコルゲートフィンを有するパラレルフロータイプ熱交換器とを備え、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器の気流出入り面と、前記パラレルフロータイプ熱交換器の気流出入り面が対向し、且つ、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器が下、前記パラレルフロータイプ熱交換器が上の重なり合いが生じる形で、前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器と前記パラレルフロータイプ熱交換器を互いに近接ないし接触させて配置したことを特徴とする熱交換器ユニット。
2. 蒸発器として用いる場合、冷媒は前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器を流れてから前記パラレルフロータイプ熱交換器に流入することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器ユニット。
3. 蒸発器として用いる場合、冷媒は前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器の下部に設けた冷媒流出口より前記パラレルフロータイプ熱交換器の下部ヘッダパイプに流入することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器ユニット。
4. 前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンと前記パラレルフロータイプ熱交換器の素材金属を同一種類としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器ユニット。
5. 前記フィンアンドチューブタイプ熱交換器のフィンは前記パラレルフロータイプ熱交換器の偏平チューブと平行に配置され、且つ前記フィンの長さは前記偏平チューブの長さと同等以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器ユニット。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器ユニットを使用することを特徴とする空気調和機の室内機。

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