JP4988015B2

JP4988015B2 - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機

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Publication number: JP4988015B2
Application number: JP2010162479A
Authority: JP
Inventors: 理浜口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: US20130087315A1; CN102985784B; WO2012011331A1; US9689618B2; JP2012026587A; CN102985784A

Description

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

複数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複数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パラレルフロー型の熱交換器は、カーエアコンや建物用空気調和機の室外側ユニットなどに広く利用されている。

従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の一例を図９に示す。図９では紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側となる。熱交換器１は、２本の垂直なヘッダパイプ２、３を水平方向に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に複数の水平な偏平チューブ４を垂直方向に所定ピッチで配置する。偏平チューブ４は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５が形成されている。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図９の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。

ヘッダパイプ２と３、偏平チューブ４、及びコルゲートフィン６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、コルゲートフィン６は偏平チューブ４に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

熱交換器１では、冷媒出入口７、８はヘッダパイプ３の側にのみ設けられている。ヘッダパイプ３の内部には上下方向に間隔を置いて２枚の仕切板９ａ、９ｃが設けられており、ヘッダパイプ２の内部には仕切板９ａ、９ｃの中間の高さのところに仕切板９ｂが設けられている。

熱交換器１を蒸発器として使用する場合、冷媒は図９に実線矢印で示すように下側の冷媒出入口７から流入する。冷媒出入口７から入った冷媒は、仕切板９ａでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は仕切板９ｃでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は冷媒出入口８から流出する。このように、冷媒はジグザグの経路を辿って下から上に流れる。ここでは仕切板の数が３の場合を示したが、これは一例であり、仕切板の数と、その結果としてもたらされる冷媒流れの折り返し回数は、必要に応じ任意の数を設定することができる。

熱交換器１を凝縮器として使用する場合は、冷媒の流れが逆になる。すなわち冷媒は図９に点線矢印で示すように冷媒出入口８からヘッダパイプ３に入り、仕切板９ｃでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２では仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かい、ヘッダパイプ３では仕切板９ａでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２で折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かい、冷媒出入口７から点線矢印のように流出するという、ジグザグの経路を辿って上から下に流れる。

熱交換器を蒸発器として用いた場合、低温となった熱交換器表面に大気中の水分が凝結して凝縮水が発生する。パラレルフロー型熱交換器では、偏平チューブやコルゲートフィンの表面に凝縮水が留まると空気流通路の断面積が水によって狭められてしまい、熱交換性能が低下する。

凝縮水は、気温が低いと熱交換器の表面で霜と化す。霜が氷にまで進むこともある。本明細書では、そのような霜や氷が溶けた水、いわゆる除霜水も含めた意味で「凝縮水」の語を用いるものとする。

凝縮水の滞留は、特にサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において問題となる。特許文献１に、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器からの排水を促進する方策が提案されている。

特許文献１記載の熱交換器では、凝縮水の結集側にコルゲートフィンと接触する排水ガイドを配置している。排水ガイドは線形部材からなり、偏平管に対して傾斜配置され、両端の少なくとも一つが熱交換器の下端側あるいは側端側に導かれている。

特開２００７−２８５６７３号公報

本発明は、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の凝縮水の排水性を改善するとともに、その効果が、凝縮水が結集する側の面が下を向くように熱交換器が傾いた状態で置かれたとしても発揮されるようにすることを目的とする。

本発明の好ましい実施形態によれば、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端を前記偏平チューブの端からはみ出させ、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、当該導水部材と、その上に位置する前記コルゲートフィンのはみ出し端との間隔を、両者間に水の表面張力が働き得る距離とするとともに、前記コルゲートフィンのはみ出し端の山部と谷部のエッジにＶ字切り込みを形成し、前記Ｖ字切り込みは、当該Ｖ字切り込みが形成された前記コルゲートフィンに接する前記導水部材の少なくとも一部を露出させる深さとされる。

本発明の好ましい実施形態によれば、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端を前記偏平チューブの端からはみ出させ、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、当該導水部材と、その上に位置する前記コルゲートフィンのはみ出し端との間隔を、両者間に水の表面張力が働き得る距離とするとともに、前記コルゲートフィンのはみ出し端の垂直壁のエッジにＶ字切り込みを形成し、前記Ｖ字切り込みは、少なくともその最深部が、当該Ｖ字切り込みが形成された前記コルゲートフィンの直下に位置する前記導水部材の上方にまで侵入していることとされる。

本発明の好ましい実施形態によれば、空気調和機の室外機に上記構成の熱交換器が搭載される。

本発明の好ましい実施形態によれば、空気調和機の室内機に上記構成の熱交換器が搭載される。

本発明の請求項１、請求項２によると、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面におけるコルゲートフィンの端を偏平チューブの端からはみ出させ、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、当該導水部材と、その上に位置するコルゲートフィンのはみ出し端との間隔を、両者間に水の表面張力が働き得る距離とするとともに、コルゲートフィンのはみ出し端の山部と谷部のエッジにＶ字切り込みを形成し、前記Ｖ字切り込みは、当該Ｖ字切り込みが形成された前記コルゲートフィンに接する前記導水部材の少なくとも一部を露出させる深さとしたことにより、導水部材に対し凝縮水の表面張力を確実に働かせられる効果（請求項１）や、コルゲートフィンのはみ出し端の垂直壁のエッジにＶ字切り込みを形成し、前記Ｖ字切り込みは、少なくともその最深部が、当該Ｖ字切り込みが形成された前記コルゲートフィンの直下に位置する前記導水部材の上方にまで侵入していることとしたことにより、凝縮水をコルゲートフィンの角よりも内側に引き戻す効果（請求項２）が生じ、凝縮水が結集する側の面が下を向くように熱交換器が傾いた状態で置かれたとしても、導水部材の排水機能を十分に発揮させることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の部分正面図である。第１実施形態に係る熱交換器の部分上面図である。第１実施形態に係る熱交換器の部分概略断面図である。第１実施形態に係る熱交換器を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置いた状態を示す部分概略断面図である。本発明の第２実施形態に係る熱交換器の部分概略断面図である。第２実施形態に係る熱交換器を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置いた状態を示す部分概略断面図である。本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の室外機の概略断面図である。本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の室内機の概略断面図である。従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の部分概略断面図である。従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置いた状態を示す部分概略断面図である。

以下本発明の第１実施形態を、図１から図４までを参照しつつ説明する。なお、図９の従来構造と機能的に共通する構成要素には図９で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略するものとする。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１の排水性は、パラレルフロー型熱交換器１を図１０に示す構造とすることにより改善できる。すなわちパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面におけるコルゲートフィン６の端を偏平チューブ４の端からはみ出させる。そのはみ出し部分同士のなす隙間Ｇに、導水部材１０が挿入される。導水部材１０と、その上に位置するコルゲートフィン６のはみ出し端との間隔は、両者間に水の表面張力が働き得る距離とする。

導水部材１０としては、繊維（好ましくは合成繊維）の集合体、いわゆる紐であるとか、金属や合成樹脂の線材を二重らせんの形に巻いたもの、金属や合成樹脂の線材をコイルスプリングの形に巻いたもの、金属や合成樹脂の板材を襞ピッチの細かいコルゲート板としたもの、金属や合成樹脂のロッドの外周にらせん溝を刻んでドリルビットの形状としたもの、スポンジ等の多孔性物質（吸水性部材）、紐を三つ編みにしたもの、チェーンなど、様々な吸水性部材や非吸水性部材であって、凝縮水の表面張力を働かせ得るものを用いることができる。

コルゲートフィン６の端に凝縮水がたまると、水の表面張力により、コルゲートフィン６の端面にブリッジ現象（水の膜が張ること）が生じる。コルゲートフィン６の端面だけでなく、コルゲートフィン６の下に挿入された導水部材１０とコルゲートフィン６の端との間にもブリッジ現象が生じる。また、導水部材１０と、その下に位置するコルゲートフィン６の端にたまった凝縮水との間でもブリッジ現象が生じる。このようなブリッジ現象の連鎖により、上部から下部まで続く導水路が形成され、コルゲートフィン６の間にブリッジした凝縮水を流れ落ちさせることが可能となる。

しかしながら、図１０に示すサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１は、排水の問題を完全に解決するものとは言えない。図１０のパラレルフロー型熱交換器１を、図１１に示す通り、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置くと、コルゲートフィン６の端にたまった凝縮水が、表面張力で導水部材１０に移る前にコルゲートフィン６の下方の角から滴下してしまう。熱交換器１が空気調和機の室内機に搭載され、熱交換器１の下にクロスフローファンが設置されていた場合など、クロスフローファンが吹き出す気流に混じって水滴が飛び散ることになり、使用者に不快感を与える。

そこで本発明では、図１０の構造にもう一工夫を加える。すなわち、コルゲートフィン６のはみ出し端には、コルゲートフィン６の山部（図１の「Ｔ」の箇所）と谷部（図１の「Ｂ」の箇所）にＶ字切り込み６ａ（図２参照）を形成する。Ｖ字切り込み６ａは、当該Ｖ字切り込み６ａが形成されたコルゲートフィン６に接する導水部材１０の少なくとも一部を露出させる深さとする。

前述の通り、導水部材１０としては様々な種類のものを用いることができるが、ここでは２本の針金を撚り合わせたものを用いる。針金には、電食を防ぐため、偏平チューブ４及びコルゲートフィン６と同じ材質のものを使用する。偏平チューブ４とコルゲートフィン６がアルミニウム製であれば、針金もアルミニウムということになる。導水部材１０の長さは偏平チューブ４の長さとほぼ同じである。

第１実施形態に係る熱交換器１を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置くと、図４のようになる。コルゲートフィン６の端に結集した凝縮水は、図４に矢印で示す通り、コルゲートフィン６の谷部の方に流下し、Ｖ字切り込み６ａに達すると、そこから露出している導水部材１０に直ちに表面張力を及ぼす。このため、凝縮水は確実に導水部材１０に移る。

表面張力で導水部材１０に移った凝縮水は、その下のコルゲートフィン６の山部のＶ字切り込み６ａから当該コルゲートフィン６に移る。このようにして、上部のコルゲートフィン６から下部のコルゲートフィン６まで、ブリッジ現象の連鎖による導水路を形成することができる。凝縮水の捕集と排水については、最下部あるいはその少し上あたりのコルゲートフィン６についてのみ、水を受けて排水する仕組みを整えておきさえすればよい。

第１実施形態の構成によれば、最下部以外のコルゲートフィン６から凝縮水が滴下し、熱交換器１の下に配置されたクロスフローファンが吹き出す気流に混じって水滴が飛び散り、使用者に不快感を与えるといった事態を防ぐことができる。

本発明の第２実施形態を図５及び図６に示す。第２実施形態でもコルゲートフィン６のはみ出し端のエッジにＶ字切り込みを形成するのであるが、形成する場所が第１実施形態と異なる。すなわちコルゲートフィン６のはみ出し端には、その垂直壁のエッジにＶ字切り込み６ｂが形成される。Ｖ字切り込み６ｂは、少なくともその最深部が、当該Ｖ字切り込み６ｂが形成されたコルゲートフィン６の直下に位置する導水部材１０の上方にまで侵入している。

第２実施形態に係る熱交換器１を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置くと、図６のようになる。図６に矢印で示す通り、コルゲートフィン６の上方に生じた凝縮水はＶ字切り込み６ｂのエッジに沿って一旦コルゲートフィン６の奥の方に移動し、それから導水部材１０の方に流下するので、図１１に従来構造のように、コルゲートフィン６の下方の角からいきなり滴下することはない。その結果、凝縮水は導水部材１０に対し確実に表面張力を及ぼすから、上部のコルゲートフィン６から下部のコルゲートフィン６まで、ブリッジ現象の連鎖による導水路を形成することができる。凝縮水の捕集と排水については、最下部あるいはその少し上あたりのコルゲートフィン６についてのみ、水を受けて排水する仕組みを整えておきさえすればよい。

第２実施形態の構成によれば、最下部以外のコルゲートフィン６から凝縮水が滴下し、熱交換器１の下に配置されたクロスフローファンが吹き出す気流に混じって水滴が飛び散り、使用者に不快感を与えるといった事態を防ぐことができる。

第１実施形態と第２実施形態は重複実施が可能である。すなわち、コルゲートフィン６の山部と谷部にＶ字切り込み６ａを形成した上、垂直壁にＶ字切り込み６ｂを形成してもよい。

Ｖ字切り込み６ａ、６ｂの形状は、厳密なＶ字形状である必要はない。最深部が丸められ、Ｕの字のような形状になっていても構わない。

上記熱交換器１は、セパレート型空気調和機の室外機または室内機に搭載することができる。図７には室外機への搭載例を、図８には室内機への搭載例を示す。

図７の室外機２０は平面形状略矩形の板金製筐体２０ａを備え、筐体２０ａの長辺側を正面２０Ｆ及び背面２０Ｂとし、短辺側を左側面２０Ｌ及び右側面２０Ｒとしている。正面２０Ｆには排気口２１が形成され、背面２０Ｂには背面吸気口２２が形成され、左側面２０Ｌには側面吸気口２３が形成される。排気口２１は複数の水平なスリット状開口の集合からなり、背面吸気口２２と側面吸気口２３は格子状の開口からなる。正面２０Ｆ、背面２０Ｂ、左側面２０Ｌ、右側面２０Ｒの４面の板金部材に図示しない天板と底板が加わって六面体形状の筐体２０ａが形成される。

筐体２０ａの内部には、背面吸気口２２及び側面吸気口２３のすぐ内側に熱平面形状Ｌ字形の熱交換器１が配置される。熱交換器１と室外空気との間で強制的に熱交換を行わせるため、熱交換器１と排気口２１の間に送風機２４が配置される。送風機２４は電動機２４ａにプロペラファン２４ｂを組み合わせたものである。送風効率向上のため、筐体２０ａの正面２０Ｆの内面にはプロペラファン２４ｂを囲むベルマウス２５が取り付けられる。筐体２０ａの右側面２０Ｒの内側の空間は背面吸気口２２から排気口２１へと流れる空気流から隔壁２６で隔離されており、ここに圧縮機２７が収容されている。

室外機２０の熱交換器１に凝縮水が発生すると、空気流通路の面積が凝縮水で狭められることにより熱交換性能が低下するだけでなく、外気温が氷点下であったりした場合には、凝縮水が凍結して熱交換器１の破損を招くことすらある。そのため室外機２０では、熱交換器１からの凝縮水の排水が重要な課題となる。

室外機２０では、熱交換器１の風上側が凝縮水の結集側となる。これは次の理由による。室外機２０においては、熱交換器１を傾けることなく、ほぼ垂直に立てて設置している。熱交換器１を蒸発器として使用した場合（例えば暖房運転時がこれに該当する）、風下側よりも風上側で熱交換が盛んに行われ、そこに凝縮水が溜まる。そのため、風上側が凝縮水の結集側ということになるのである。

風上側で結露した凝縮水は、風下側に流れることはあまりない。外気温が低い場合は、凝縮水は霜として熱交換器１に付着する。霜の量が増えれば除霜運転を余儀なくされるが、除霜運転中、送風機２４は停止しているので、霜が溶けた水は風の影響を受けることなく専ら重力で下に流れ落ちる。これらのことから、風上側の面に実施形態１や２で説明した本発明の構造を適用することにより、凝縮水を速やかに排水し、熱交換性能の低下を防ぐことができる。

図８の室内機３０は、上下方向に偏平な直方体形状の筐体３０ａを備える。筐体３０ａは、その背面に固定されたベース３１により図示しない室内壁面に取り付けられるものである。筐体３０ａは正面に吹出口３２を有し、上面には複数のスリットの集合または格子状に区切られた開口からなる吸込口３３を有する。吹出口３２にはカバー３４と風向板３５が設けられる。カバー３４も風向板３５も垂直面内で回動し、運転時には図８に示す水平姿勢（開いた状態）となり、運転停止時には垂直姿勢（閉じた状態）となるものである。吸込口３３の内側には吸い込む空気に含まれる塵埃を捕集するフィルタ３６が配置される。

吹出口３２の内側には吹出気流形成用のクロスフローファン４０が軸線を水平にして配置される。クロスフローファン４０はファンケーシング４１に収容され、図示しない電動機により図８の矢印方向に回転して、吸込口３３から流入し吹出口３２から吹き出される気流を形成する。

クロスフローファン４０の背後に熱交換器１が配置される。熱交換器１は、クロスローファン４０の側が高くなる傾斜状態で、ファンケーシング４１の上下幅範囲内に配置される。

室内機３０では、熱交換器１の風下側であり、下側でもある面が凝縮水の結集側となる。導水部材１０はこの風下側の面に配置され、コルゲートフィン６のＶ字切り込み６ａまたは６ｂもこちら側のエッジに形成される。

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。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１熱交換器
２、３ヘッダパイプ
４偏平チューブ
５冷媒通路
６コルゲートフィン
６ａ、６ｂＶ字切り込み
Ｇ隙間
７、８冷媒出入口
１０導水部材
２０室外機
３０室内機

Claims

間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端を前記偏平チューブの端からはみ出させ、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、当該導水部材と、その上に位置する前記コルゲートフィンのはみ出し端との間隔を、両者間に水の表面張力が働き得る距離とするとともに、
前記コルゲートフィンのはみ出し端の山部と谷部のエッジにＶ字切り込みを形成し、
前記Ｖ字切り込みは、当該Ｖ字切り込みが形成された前記コルゲートフィンに接する前記導水部材の少なくとも一部を露出させる深さとされていることを特徴とする熱交換器。
間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端を前記偏平チューブの端からはみ出させ、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、当該導水部材と、その上に位置する前記コルゲートフィンのはみ出し端との間隔を、両者間に水の表面張力が働き得る距離とするとともに、
前記コルゲートフィンのはみ出し端の垂直壁のエッジにＶ字切り込みを形成し、
前記Ｖ字切り込みは、少なくともその最深部が、当該Ｖ字切り込みが形成された前記コルゲートフィンの直下に位置する前記導水部材の上方にまで侵入していることを特徴とする熱交換器。
請求項１または２に記載の熱交換器を室外機に搭載したことを特徴とする空気調和機。
請求項１または２に記載の熱交換器を室内機に搭載したことを特徴とする空気調和機。