JP4861867B2 - 熱交換器と空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば空気調和機に用いられる熱交換器に係り、特に、熱交換器を構成するフィンに加工される切起しの改良に関する。

背景の技術

たとえば空気調和機における冷凍サイクルの構成部品として、圧縮機や弁類などの他に、熱交換器が備えられる。上記空気調和機が室内ユニットと室外ユニットとから構成され、互いのユニットを冷媒管で連通する空気調和機の場合は、そのいずれのユニットにも熱交換器が必要となる。

上記熱交換器として、所定の間隙を存して並設され、上記間隙に沿って熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、これらフィンを貫通して設けられ、その内部に熱交換媒体である冷媒を導通させる伝熱管とからなる、いわゆるフィンチューブタイプのものが多用される。

また、省エネルギの要求に対応するとともに、さらなる熱交換効率の向上を得るための一つの手段として、上記フィンに切起し加工を施した構成が主流となっている。当初は、単なる細状の切起しであったが、近時は種々の形状限定をなしていて、熱交換効率の向上ばかりでなく、熱交換器のよりコンパクト化を図っている。

たとえば［特許文献１］には、フィンの表裏面のそれぞれに切起され、気体の流送方向の上流側と下流側にそれぞれ対面する二つの開口部が形成された複数のルーバー状切起しを設け、これら切起しの上流側開口部の前縁部および下流側開口部の後縁部のいずれか一方、または両方を凹凸状に形成したフィン付き熱交換器が開示されている。

［特許文献２］には、伝熱管相互間のフィン表面にのみ、気体の主流方向に開口する切起しを設け、この切起しの気体の主流方向に対する前縁部または後縁部が凹凸形状となるように形成したフィン付き熱交換器、もしくは、前縁部と後縁部の両方が凹凸形状となるように形成したフィン付き熱交換器が開示されている。
特開２００３−１５６２９５号公報 特開２００２− ９００８５号公報

［特許文献１］においては、フィンの表裏面に切起しが突出するので、フィンを密に並置すると上記切起しが通風抵抗となってしまう。そこで、フィン相互間隔をある程度広げると、熱交換器全体の寸法が設定されているから、フィンの必要枚数が少なくなり、熱交換器全体では熱交換効率の向上が期待し難いものとなる。

なお、冷媒熱が伝熱管からフィンへ伝熱するので、熱交換空気の気流を伝熱管周辺部位に集中して導く必要がある。しかしながら、フィンの両面に突出する切起しを設けるための開口部が大きく開口している。気流は通風抵抗とならない開口部に集中して導かれ易く、通風抵抗となる伝熱管周辺部位には導かれ難い構成となっている。

［特許文献２］においては、１つの実施例として、最も風上側に位置する切起しの後縁部のみを凹凸状に形成し、この風下側に位置する切起しは前縁部と後縁部を凹凸状に形成し、さらにこの切起しの風下側に位置する切起しは前縁部のみを凹凸状に形成した構成が開示されている。

上記切起しはフィンの表面側にのみ設けられているので通風抵抗にならずにすむが、いずれの切起しも、その両側端部近傍に位置する伝熱管に最も近い両側端部の気流方向に沿う幅寸法が、中間部位の幅寸法よりも大となる。そのため、気流は幅寸法が小さい中間部位に集まり易く、両側端部に流れ難くなり伝熱管周辺を流れる空気流量が抑制される。

また、［特許文献２］の他の実施例として、全ての切起しがフィンの表面側にのみ突出するよう設けられていることは変りがない。ここでは、全ての切起しにおいて、気流の主流方向に対する前縁部および後縁部が、複数のジグザグ形状に設けられた構成が開示されている。

この場合は、最も風上側の切起しに導かれた空気が、切起しの前縁部に設けられるジグザグ状部分に案内されて多岐方向に流出してしまう。その結果、伝熱管からより離間した部位に空気流が形成されることになり、伝熱管周辺を流れる空気流量が少なくなって伝熱性能低下になることは、上述の実施例と同様である。

本発明は上記事情にもとづきなされたものであり、その目的とするところは、切起しの形状構成を限定することにより、熱交換効率の向上と、伝熱性能の向上を得られる熱交換器と、この熱交換器を備えて空調能力の向上を図れる空気調和機を提供しようとするものである。

上記目的を満足するため本発明の熱交換器は、互いに所定間隔を存して並設され互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、熱交換空気の気流方向と略直交する放熱フィンの長手方向に沿って所定の管段ピッチを存して貫通し内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管とを具備し、
上記放熱フィンにおける伝熱管貫通部の相互間に気流方向に沿い間隙を存して３本の切起しを並設し、気流の最も風上側に位置する切起しである第１の切起しの風上側端縁および風下側端縁を直状に形成し、第１の切起しの風下側に位置する切起しである第２の切起しの風上側端縁および風下側端縁を連続する波形状もしくは連続する屈曲状である直状以外の形状となし、第２の切起しの風下側に位置する切起しである第３の切起しの風上側端縁および風下側端縁を直状に形成する。

上記目的を満足するため本発明の空気調和機は、上記熱交換器と、送風機とを備えた。

本発明によれば、熱交換効率と伝熱性能の向上を得られる熱交換器と、この熱交換器を備えて空調能力の向上を図った空気調和機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
図１は空気調和機を構成する室内ユニットの概略縦断面図である。
ユニット本体１は、前側筐体を構成する前面パネル２と、後板筐体３とから構成され、上下方向に対して幅方向に横長状をなす。ユニット本体１の前面側一部に前面吸込み口４が開口され、ユニット本体１の上部には、枠状の桟が嵌め込まれた上面吸込み口５が設けられる。

上記ユニット本体１の前面下部に吹出し口６が開口され、２枚の吹出しルーバー７ａ，７ｂが並行して設けられる。各吹出しルーバー７ａ，７ｂは、それぞれの回動姿勢によって上記吹出し口６を開閉し、運転条件に応じて熱交換空気の吹出し方向を設定できるようになっている。

ユニット本体１内には、前側熱交換器部８Ａと後側熱交換器部８Ｂとで略逆Ｖ字状に形成される熱交換器８が配置される。
この熱交換器８の具体的な構成については後述するが、ここでは上記前側熱交換器部８Ａが湾曲状に形成され、前面吸込み口４と上面吸込み口５の一部と対向して設けられ、上記後側熱交換器部８Ｂが斜めに傾斜し、上面吸込み口５と対向して設けられる、ことの説明に止める。

上記熱交換器８の前後側熱交換器部８Ａ，８Ｂ相互間に、室内送風機１０が配置される。上記室内送風機１０は、一側端に配置されるファンモータと、このファンモータの回転軸に一方の支軸が機械的に連結され、他方の支軸は軸受け具に支持されるクロスフローファン（横流ファン）とから構成される。

上記前側熱交換器部８Ａの下端部は前ドレンパン１２ａ上に載り、上記後側熱交換器部８Ｂの下端部は後ドレンパン１２ｂ上に載る。前、後ドレンパン１２ａ，１２ｂは、各熱交換器部８Ａ，８Ｂから滴下するドレン水を受け、図示しない排水ホースを介して外部に排水できるようになっている。

前後ドレンパン１２ａ，１２ｂの一部は、室内送風機１０に対するノーズを構成している。ノーズとなる前後ドレンパン１２ａ，１２ｂの側壁部分と吹出し口６とはケーシング１４によって連結されていて、このケーシング１４によって囲まれる空間は、ノーズと吹出し口６とを連通する吹出し側通風路１５を形成する。

上記ケーシング１４には、上記吹出し側通風路１５に突出する左右ルーバー１６を支持している。上記吹出し口６に設けられる２枚の吹出しルーバー７ａ，７ｂが吹出し口６から吹出される熱交換空気の上下方向の風向を設定するのに対して、左右ルーバー１６は左右方向の風向を設定する。

上記吹出し側通風路１５のノーズから上流側には特にケーシングが存在しないが、上記室内送風機１０と熱交換器８を介して上記前面吸込み口４と上面吸込み口５に連通する。すなわち、前、上面吸込み口４，５と吹出し口６との間に亘って通風路が形成されていて、この通風路に沿って熱交換器８と室内送風機１０が配置されることになる。

上記前面パネル２と熱交換器８との間に、エアフィルタ１７と、二次エアフィルタであるところの電気集塵機１８が設けられる。上記電気集塵機１８は、流通する空気中の塵埃に電荷を与える荷電側電極と、電荷を与えられた塵埃を捕捉する集塵側電極を備えて、集塵機能を有するとともに、脱臭機能を併せ有する。

つぎに、上記熱交換器８について詳述する。
上記熱交換器８は、紙面の前後方向に互いに所定間隔を存して並設される複数枚の放熱フィンＦと、この放熱フィンＦの長手方向に沿って所定の管段ピッチを存して貫通する伝熱管Ｄとから構成される。上記伝熱管Ｄの両端部は図示しない室外ユニットから延出される冷媒管に接続され、内部に熱交換媒体である冷媒が流通する流路が形成される。

上述した熱交換器８を備えて上記室内送風機１０を駆動することにより、前面、上面吸込み口４，５から吸込まれた室内空気が上記放熱フィンＦの互いの隙間に流通する。そして室内空気は、上記放熱フィンＦ相互間に露出する伝熱管Ｄ部分にも接触するようになっている。

図１においては省略しているが、以下に述べるように放熱フィンＦに切起しＫが設けられていて、上記切起しＫに対する特別な加工により、伝熱性能の向上など、所期の効果を得られる。

図２（Ａ）は第１の実施の形態における放熱フィンＦａの一部を切り取って示す正面図、図２（Ｂ）は同放熱フィンＦ一部の側面図である。
上記放熱フィンＦａには、室内空気である熱交換空気の気流方向と略直交する方向に所定の管段ピッチを存して上記伝熱管Ｄが貫通し、かつ嵌め込み固定される取付け用孔ｄが設けられている。同列の取付け用孔ｄと隣接する列の取付け用孔ｄが設けられる位置は、互いに千鳥状となるよう設定されている。

上記取付け用孔ｄ相互間には、熱交換空気の気流方向に沿って所定の間隔を存して３条（本）の切起しＫ１，Ｋ２，Ｋ３が設けられる。全ての切起しＫ１〜Ｋ３は放熱フィンＦａの表面側に突出し、裏面側には突出しない。なお、本発明においては、上記切起しＫ１〜Ｋ３を３条以上設けることが必須の要件である。

放熱フィンＦａには、各切起しＫ１〜Ｋ３と同一形状の開口部が設けられているが、ここでは特に図示していない。矢印で示す熱交換空気の気流の最も風上側に位置する切起しＫ１を「第１の切起し」と呼び、中間部位に位置する切起しＫ２を「第２の切起し」と呼び、最も風下側に位置する切起しＫ３を「第３の切起し」と呼ぶ。

上記第１の切起しＫ１は、気流に対する風上側端縁ａおよび風下側端縁ｂが、気流方向と直交する放熱フィンＦの略長手方向に沿い直状に形成されている。第１の切起しＫ１の取付け用孔ｄに最も近い端部ｍは、取付け用孔ｄの接線方向に沿って斜めに形成されている。具体的には、風上側端縁ａの両側端間隔が風下側端縁ｂの両側端間隔よりも長い。

上記第２の切起しＫ２は、気流に対する風上側端縁ａおよび風下側端縁ｂが、気流方向と直交する放熱フィンＦの略長手方向に沿ってジグザグ状に屈曲形成されている。なお、必ずしもこの形状に限定されるものではなく、たとえば連続する波形状であってよく、要は、直線状以外の形状となすことであればよい。

上記第２の切起しＫ２における上記取付け用孔ｄに最も近い端部ｎは、取付け用孔ｄの接線方向に沿って設けられていて、ここでは放熱フィンＦの略長手方向とは直交する向きに形成されている。具体的には、風上側端縁ａの両側端間隔と風下側端縁ｂの両側端間隔が互いに等しい。

上記第３の切起しＫ３は、気流に対する風上側端縁ａおよび風下側端縁ｂが、気流方向と直交する放熱フィンＦの略長手方向と平行となるよう直状に形成されている。取付け用孔ｄに最も近い端部ｐは、第１の切起しＫ１の端部ｍとは逆の傾斜の向きである、風上側端縁ａの両側端間隔が風下側端縁ｂの両側端間隔よりも短く形成される。

再び図１に示すように、このような熱交換器８を備えて冷凍サイクル運転を開始するとともに室内送風機１０を駆動することにより、室内空気が矢印方向に沿い前面吸込み口４と上面吸込み口５からユニット本体１内に導かれる。室内空気はフィルタ１７を介して熱交換器８に導かれるとともに、電気集塵機１８に導かれる。

電気集塵機１８に導かれた室内空気は、含まれている塵埃が除去され、かつ脱臭されてから熱交換器８に流通する。上記熱交換器８において室内空気は、前側熱交換器部８Ａと後側熱交換器部８Ｂのそれぞれを構成する放熱フィンＦ相互間を流通し、かつ伝熱管Ｄに接する。

上記伝熱管Ｄには冷媒が流通していて、冷媒熱が伝熱管Ｄから放熱フィンＦに伝達する。したがって、冷媒熱と室内空気とが熱交換し、熱交換した空気は吹出し口６から室内へ吹出されて室内の空調作用をなす。冷媒は室外ユニットに導かれ、ここで再び圧縮されてから凝縮され、減圧した状態で室内ユニットに導かれて冷凍サイクルを構成する。

さらに、図３にもとづいて、上記放熱フィンＦａにおける熱交換空気の流れ状態について説明する。
放熱フィンＦａに導かれた熱交換空気は、気流に対し最も風上側に位置する第１の切起しＫ１に接触し、かつ流通する。第１の切起しＫ１は風上側端縁ａと風下側端縁ｂが熱交換空気の気流方向とは直交する直状に設けられているから、そのまま第１の切起しＫ１を通過する。そして、第１の切起しＫ１を通過した気流が第２の切起しＫ２に到達する。

第２の切起しＫ２の風上側端縁ａはジグザグ状に形成されているので、この形状の影響を受け、図に小矢印で示すように、より抵抗の少ない下流側に変形している方向に流れる。第２の切起しＫ２の風下側端縁ｂもジグザグ状に形成されているから、さらにこの形状の影響を受けて気流が導出し、第３の切起しＫ３に到達する。

すなわち、整然と、かつ並行して第１の切起しＫ１の風上側端縁ａに導入した熱交換空気の気流は、第２の切起しＫ２を介して第３の切起しＫ３の風下側端縁ｂから導出したとき、気流方向は複雑に変化して撹拌される。このことにより、特に熱交換器８を構成する放熱フィンＦと室内空気は充分に熱交換され、熱交換効率の向上を得られる。

一方、気流の最も風上側に位置する第１の切起しＫ１は、放熱フィンＦａの表面に突出しているところから、気流に対してある程度の通風抵抗とならざるを得ない。ただし、第１の切起しＫ１の両側端部ｍと取付け用孔ｄに嵌め込み固定される伝熱管Ｄ周面との間には何らの介在物もない。

したがって、放熱フィンＦａに到達した熱交換空気は、図に太い矢印で示すように、より通風抵抗の小さな第１の切起しＫ１両側端部ｍと伝熱管Ｄ周面との間に多く導かれる。そして、第１の切起しＫ１の端部ｍと第２の切起しＫ２の端部ｎとの間隔が比較的狭いのに比べて、第２の切起しＫ２の端部ｎと伝熱管Ｄ周面との間には何らの介在物もない。

熱交換空気はそのまま第２の切起しＫ２の端部ｎと伝熱管Ｄ周面との間を通過し、第３の切起しＫ３と伝熱管Ｄ周面との間に導かれる。しかも、第２の切起しＫ２がジグザグ状に形成され、かつ両側部が伝熱管Ｄ方向へ向いているので、第２の切起しＫ２の風下側端縁ｂから導出してから伝熱管Ｄと第３の切起しＫ３の端部ｐとの間に気流が集り易い。

第１の切起しＫ１両側端部ｍと伝熱管Ｄ周面との間から、第２の切起しＫ２両側端部ｎと伝熱管Ｄ周面との間に導かれた熱交換空気に、第２の切起しＫ２両側部から導出される室内空気の一部が合流する。そのため、第３の切起しＫ３両側端部ｐと伝熱管Ｄ周面との間に導かれる空気流量が大となり、伝熱管Ｄに対する熱交換効率の向上が得られる。

図４（Ａ）は第２の実施の形態における放熱フィンＦｂの一部を切り取った正面図、図４(Ｂ)は同放熱フィンＦｂにおける気流の流れを説明する図である。
ここでも第１の切起しＫ１ないし第３の切起しＫ３は、気流方向に沿い間隙を存して並設される。そして、第１の切起しＫ１および第３の切起しＫ３の気流に対する風上側端縁ａおよび風下側端縁ｂが、放熱フィンＦｂの長手方向と平行となるよう直状に形成されている。

ただし、第２の切起しＫ２ａにおいては、気流に対する風上側端縁ａおよび風下側端縁ｂが、放熱フィンＦｂの長手方向に沿って第１の実施の形態における屈曲角度よりも大きな角度の屈曲状に形成される。いわば、第２の切起しＫ２ａは、屈曲角度の浅い略Ｗ字状に形成されている。

このような構成では、放熱フィンＦｂに到達した熱交換空気の気流が、第１の切起しＫ１を流通して第２の切起しＫ２ａの風上側端縁ａに導入されると、この風上側端縁ａの略Ｗ字状頂点部ｃの裏面側に気流が集中し易い。そして、風下側端縁ｂから導出された状態で、頂点部ｃから放射状に拡散し易い。

第２の切起しＫ２ａの頂点部ｃで、いわゆる「縮流部」が形成され、しかも縮流部は伝熱管ｄに近い位置に存在する。そのため、縮流部から出た一部の気流は、第２の切起しＫ２ａと伝熱管Ｄ周面との間に導かれる気流に合流する。第３の切起しＫ３と伝熱管Ｄ周面との間に導かれる空気流量が大となり、熱交換効率がより向上化する。

図５(Ａ)は、第３の実施の形態における放熱フィンＦｃを一部切り取った正面図、図５（Ｂ）は同放熱フィンＦｃにおける気流の流れを説明する図である。
伝熱管Ｄ内に形成される流路を冷媒が流通する際に放熱し、放熱フィンＦｃ間に流通する熱交換空気と熱交換するとき、実際には、熱は伝熱管Ｄから放熱フィンＦｃを介して熱交換空気に移動する。放熱フィンＦｃの個々の部位において、より温度差が大きい部位と、より伝熱面積が大である部位において熱が移動し易い。

そこで、第１の切起しＫ１の端部ｍと第２の切起しＫ２の端部ｎとの間隔Ｌａより、第２の切起しＫ２ａの端部ｎと第３の切起しＫ３ａの端部ｐとの間隔Ｌｂを大（Ｌａ＜Ｌｂ）に設定する。また、第２の切起しＫ２ａと第３の切起しＫ３ａとの相互間隔は、端部ｎ，ｐから中間部である伝熱管Ｄから離れる部位に連れて漸次狭くなるように設ける。

具体的には、第１の切起しＫ１の気流に対する風上側端縁ａと風下側端縁ｂを、放熱フィンＦｃの略長手方向に沿って直状に形成する。第２の切起しＫ２ａにおいては、気流に対する風上側端縁ａと風下側端縁ｂを、第２の実施の形態と同様、略Ｗ字状に屈曲形成する。

ただし、第３の切起しＫ３ａの気流に対する風上側端縁ａと風下側端縁ｂは、端部ｐから中間部方向へある程度は直状に形成するが、中間部においては屈曲状に形成する。すなわち、第３の切起しＫ３ａは両側端部においては第１の切起しＫ１と平行であり、中間部においては第２の切起しＫ２ａと平行である。

このような構成により、放熱フィンＦｃの気流に対する上流側よりも後流側ほど伝熱面積が大になり、熱の移動を均一化させて伝熱性能が向上する。さらに、放熱フィンＦｃの伝熱管Ｄから離間した部位よりも伝熱管Ｄに近い部位ほど、伝熱管Ｄとの間隔が広がって気流がより流れ易くなり、伝熱性能のさらなる向上を得られる。

なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。

本発明の熱交換器を備えた空気調和機室内ユニットの概略縦断面図。 本発明における第１の実施の形態に係る、放熱フィンの一部正面図と側面図。 同実施の形態に係る、放熱フィンでの気流の流れを説明する図。 本発明における第２の実施の形態に係る、放熱フィンの一部正面図と、同放熱フィンでの気流の流れを説明する図。 本発明における第３の実施の形態に係る、放熱フィンの一部正面図と、同放熱フィンでの気流の流れを説明する図。

符号の説明

Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ…放熱フィン、Ｄ…伝熱管、８…熱交換器、Ｋ１…第１の切起し、Ｋ２，Ｋ２ａ…第２の切起し、Ｋ３，Ｋ３ａ…第３の切起し、ａ…風上側端縁、ｂ…風下側端縁、１０…室内送風機。

Claims (3)

1. 互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、熱交換空気の気流方向と略直交する放熱フィンの長手方向に沿って所定の管段ピッチを存して貫通し内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管とを具備した熱交換器において、
   上記放熱フィンにおける伝熱管貫通部の相互間に、気流方向に沿い間隙を存して３本の切起しを並設し、
   上記気流の最も風上側に位置する切起しである第１の切起しの風上側端縁および風下側端縁を直状に形成し、
   上記第１の切起しの風下側に位置する切起しである第２の切起しの風上側端縁および風下側端縁を連続する波形状もしくは連続する屈曲状である直状以外の形状となし、
   上記第２の切起しの風下側に位置する切起しである第３の切起しの風上側端縁および風下側端縁を直状に形成する
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の放熱フィンと、熱交換空気の気流方向と略直交する放熱フィンの長手方向に沿って所定の管段ピッチを存して貫通し内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管とを具備した熱交換器において、
   上記放熱フィンにおける伝熱管貫通部の相互間に、気流方向に沿い間隙を存して３本の切起しを並設し、
   上記気流の最も風上側に位置する切起しである第１の切起しの上記伝熱管に最も近い端部と、上記第１の切起しの風下側に位置する切起しである第２の切起しの上記伝熱管に最も近い端部との間隔（Ｌａ）より、上記第２の切起し端部と、この第２の切起しの風下側に位置する切起しである第３の切起しの上記伝熱管に最も近い端部との間隔（Ｌｂ）を大（Ｌａ＜Ｌｂ）に設定するとともに、上記第２の切起しと上記第３の切起しとの相互間隔は、上記伝熱管から離れる部位に連れて漸次狭くなるよう設けられる
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 上記請求項１記載の熱交換器もしくは、上記請求項２記載の熱交換器と、送風機とを備えたことを特徴とする空気調和機。

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