JP5172772B2 - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は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。

従来のパラレルフロー型熱交換器の一例を図１３に示す。図１３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本の水平なヘッダパイプ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１３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はサイドフローで用いられており、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１３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。また、各経路の偏平チューブの本数についても、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１３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。

パラレルフロー型熱交換器は、コルゲートフィンから凝縮水を速やかに排水しないと通風路が塞がって熱交換効率が低下する。この問題は、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顕著である。熱交換器１を蒸発器として使用する場合、凝縮水は、気温が低いと熱交換器の表面で霜と化すことがある。また、その霜を取り除くための除霜運転を繰り返すことにより、氷にまで成長することもある。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。

特許文献１に、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

特許文献１記載の排水ガイドは、コルゲートフィンに密着してはじめて効力を発揮する。しかしながら、コルゲートフィンを複数列並べて構成する熱交換器の平面を正確に平らに形成することは至難の業であり、凹凸や起伏の存在が常態となっている。凹凸や起伏が存在するところに線状部材の排水ガイドを張ると、排水ガイドがコルゲートフィンから浮き上がる箇所が必ず発生する。コルゲートフィンからの浮き上がりは、排水ガイドの効力を著しく損なう。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、パラレルフロー型熱交換器の凝縮水が結集する側の面に線状の導水部材を配置するに際し、導水部材がその全長にわたってコルゲートフィンに密着し、機能を十分に果たせるようにすることを目的とする。また、そのパラレルフロー型熱交換器を搭載した、高性能な空気調和機を提供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は、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熱交換器において、凝縮水が結集する側の面に、線状の導水部材を複数本、各々が前記コルゲートフィンの端部に接触し、且つ複数列のコルゲートフィンにまたがる形で、互いに間隔を置いて平行に配置するとともに、前記導水部材の途中箇所を、前記コルゲートフィンの隙間に挿入される固定部材で固定したことを特徴としている。

この構成によると、導水部材の途中箇所がコルゲートフィンの隙間に挿入される固定部材で固定されているから、導水部材が途中でコルゲートフィンから浮き上がることがない。このため導水部材は、コルゲートフィンから凝縮水を誘引するという機能をその全長にわたって確実に果たすことができる。

上記構成の熱交換器において、前記コルゲートフィンの端は前記偏平チューブの端からはみ出しており、そのはみ出し部分同士のなす隙間に前記固定部材が挿入されることが好ましい。

この構成によると、コルゲートフィンの通風性を何ら阻害することなく固定部材を配置することができる。また、コルゲートフィンのはみ出し部分同士のなす隙間に導水部材が押し込まれることにより、導水部材がぴんと張り詰めてコルゲートフィンに密着するから、導水部材の凝縮水誘引性能が一層向上する。

上記構成の熱交換器において、前記固定部材は、複数本の前記導水部材にまたがる長さを有することが好ましい。

この構成によると、１個の固定部材で複数本の導水部材を固定するから、全体で必要となる固定部材の数を減らすことができる。固定部材の挿入作業回数も少なくて済む。

上記構成の熱交換器において、前記固定部材は、前記導水部材１本だけをカバーする長さを有することが好ましい。

この構成によると、設計変更により導水部材の配列ピッチが変わったとしても、固定部材の方は設計変更しないままで使い続けることができる。

上記構成の熱交換器において、前記固定部材は、前記隙間への挿入時に先頭となる側の端が先細り形状であることが好ましい。

この構成によると、固定部材の隙間への挿入が容易になる。

上記構成の熱交換器において、前記固定部材は、前記隙間への挿入時に先頭となる側と反対側の端も先細り形状であることが好ましい。

この構成によると、固定部材の外側の空気流の乱れを少なくして、送風効率を高めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記固定部材は、前記隙間への挿入時に先頭となる側とその反対側の端が対称的な先細り形状であることが好ましい。

この構成によると、固定部材を隙間に挿入する際、固定部材の向きを気にする必要がなく、作業が楽である。

上記構成の熱交換器において、前記固定部材に、前記導水部材を通す切り欠きが形成されていることが好ましい。

この構成によると、固定部材による導水部材の圧迫が緩和され、導水部材の導水性が途中で途切れない。また、導水部材の配列ピッチを所望通りに維持することができる。

上記構成の熱交換器において、前記導水部材の下端が、熱交換器の外に垂下することが好ましい。

この構成によると、コルゲートフィンの領域から凝縮水を速やかに排除することができる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室外機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、室外機の熱交換器の通風性が凝縮水によって損なわれにくい、高性能な空気調和機を提供することができる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室内機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、室内機の熱交換器の通風性が凝縮水によって損なわれにくい、高性能な空気調和機を提供することができる。

本発明によると、線状の導水部材を全長にわたりコルゲートフィンに密着させ、コルゲートフィンから凝縮水を誘引するという機能を確実に果たさせることができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の部分正面図である。 図１の熱交換器の部分拡大断面図である。 図１の熱交換器の部分拡大斜視図である。 固定部材の断面形状の一例を示す図である。 固定部材の断面形状の他例を示す図である。 固定部材の断面形状のさらに他例を示す図である。 固定部材の断面形状のさらに他例を示す図である。 固定部材の一例を示す斜視図である。 固定部材の他例を示す斜視図である。 変形実施形態に係る熱交換器の部分正面図である。 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。

以下本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、図１３の従来構造と機能的に共通する構成要素には図１３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。

図１から図３には、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１の一部の構造が示されている。熱交換器１の、凝縮水の結集側の面には線状の導水部材１０が複数本、所定間隔で配置されている。導水部材１０は繊維（好ましくは合成繊維）の束や線状の金属を編み込んだものからなり、偏平チューブ４を斜めに横切っている。偏平チューブ４に対する導水部材の角度は、排水の効率と導水部材１０による通風抵抗のバランスを考慮すると、おおよそ４５°とするのが好ましい。なお、どちら側の面が凝縮水の結集側になるかは、熱交換器１の配置、形状により異なる。

ここで示した熱交換器１はサイドフロー方式であるが、この方式に限定されるものではない。垂直な偏平チューブを水平方向に所定ピッチで配置した、ダウンフロー方式のパラレルフロー型熱交換器にも本発明は適用可能であり、その場合にも同様の凝縮水排出効果を得ることができる。

図２及び図３に示すように、コルゲートフィン６の端は偏平チューブ４の端からはみ出している。そのはみ出し部分同士のなす隙間Ｇに、導水部材１０を押さえ込む形で固定部材１１が挿入される。

固定部材１１は、好ましくは弾性物質、例えば軟質合成樹脂やゴムで成形される。軟質合成樹脂やゴムは発泡していてもよく、発泡していなくてもよい。その幅（図２で言えば、高さ）は、上下のコルゲートフィン６に対し適度の圧迫力を及ぼし、輸送時の振動や冷凍機の振動によって隙間Ｇから固定部材１１が脱落しない寸法に設定する。隙間Ｇの奥行きも、あまり浅いと固定部材１１が容易に脱落してしまうので、適度に深くしておく。

このように、導水部材１０の途中箇所を固定部材１１で固定することにより、導水部材１０が途中でコルゲートフィン６から浮き上がることが防がれ、導水部材１０は、コルゲートフィン６から凝縮水を誘引するという機能をその全長にわたって確実に果たす。

本実施形態では、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、コルゲートフィン６のはみ出し部分同士のなす隙間Ｇに固定部材１１を挿入したから、固定部材１１の存在によってコルゲートフィン６の通風性が阻害されることがない。また、隙間Ｇに導水部材１０が押し込まれることにより、導水部材１０がぴんと張り詰めてコルゲートフィン６に密着するから、導水部材の凝縮水誘引性能が一層向上する。

本実施形態では、固定部材１１は複数本の導水部材１０にまたがる長さを有している。１個の固定部材１１で複数本の導水部材１０を固定するから、全体で必要となる固定部材１１の数を減らすことができる。固定部材１１の挿入作業回数も少なくて済む。導水部材１０を２本だけまたぐ長さから、偏平チューブ４の全長にほぼ等しい長さまで、事情に合わせて様々な長さを選択することができる。

また、固定部材１１の長さを、導水部材１０を１本だけカバーする長さとすることも可能である。このようにすれば、設計変更により導水部材１０の配列ピッチが変わったとしても、固定部材１１の方は設計変更しないままで使い続けることができる。

隙間Ｇ毎に、すなわち偏平チューブ４毎に固定部材１１を挿入するのでなく、１列おきとか２列おきで固定部材１１を挿入する構成とすることもできる。ただし、導水部材１０の途中がコルゲートフィン６から浮き上がるのを防ぐという目的からすれば、凝縮水の結集側の面に属する全ての隙間Ｇに固定部材１１を挿入するのが好ましい。

固定部材１１の断面は、図４から図７に示すような様々な形状にし得る。なお図４から図７における固定部材１１の配置は図２における固定部材１１の配置と同じであり、右側が隙間Ｇへの挿入時に先頭となる側である。

図４の固定部材１１は断面矩形となっている。このような単純形状の固定部材１１は、例えば板材を切断して形成すればよく、製作が容易である。また、コルゲートフィン６のはみ出し部との接触面積が大きく、隙間Ｇから脱落し難い。

図５から図７までは、隙間Ｇへの挿入時に先頭側になる固定部材１１の端を先細りにした例である。図５では先頭側の端が半円形になっている。図６では先頭側の端と後尾側の端が共に半円形になっている。図７では先頭側の端がくさび形で後尾側の端が半円形になっている。このように先頭側の端を先細り形状にすることにより、固定部材１１の隙間Ｇへの挿入が容易になる。

また、図６と図７の例のように、隙間Ｇの挿入時に先頭となる側と反対側の端も先細り形状とすることにより、固定部材１１の外側の空気流の乱れを少なくして、送風効率を高めることができる。

さらに、図６の例のように、隙間Ｇへの挿入時に先頭となる側とその反対側の端が対称的な先細り形状であることとすれば、固定部材１１を隙間に挿入する際、固定部材１１の向きを気にする必要がなく、作業が楽である。

図８及び図９に示すように、固定部材１１の端に導水部材１０を通す切り欠き１２を形成することができる。このように切り欠き１２を設けておけば、固定部材１１による導水部材１０の圧迫が緩和され、導水部材１０の導水性が途中で途切れない。また、導水部材１０の配列ピッチを所望通りに維持することができる。

図８の例では、切り欠き１２は三角形のノッチの形をしていて、幅が狭い。このような切り欠き１２にすれば、導水部材１０をきっちりと位置決めすることができる。

図９の例では、切り欠き１２は矩形になっていて、図８の切り欠き１２よりも幅が広い。このような切り欠き１２にすれば、導水部材１０の位置決めは多少甘くなるが、反面、導水部材１０の動きにゆとりが生じるので、導水部材１０が無理に引っ張られて繊維が切れるといった事態を回避できる。

図１０は熱交換器１の変形実施態様を示す。図１０に描かれているのは熱交換器１の下端部であり、そこでは導水部材１０の下端が熱交換器の外に垂下している。このようにすれば、コルゲートフィン６の領域から凝縮水を速やかに排除することができる。

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１１には室外機への搭載例を、図１２には室内機への搭載例を示す。

図１１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、風上側の面に導水部材１０を配置することにより、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１２の室内機３０は、筐体３１の内部にＶの字を倒立させたような形状の熱交換器１を備えている。筐体３１の上面から正面にかけての箇所をフロントパネル３２が覆う。フロントパネル３２には、複数のスリット状開口の集合からなる吸気口が形成されている。フロントパネル３２の内面に沿って、断面形状Ｌ字形のエアフィルタ３３が配置される。

熱交換器１はエアフィルタ３３に対向する形で配置され、熱交換器１がなすＶ字形状の内側にクロスフローファン３４が配置される。筐体３１の正面下部には空気吹出口３５が設けられている。空気吹出口３５には、縦方向のルーバ片を複数個横並びにした縦ルーバ３６と、水平なルーバ片を複数個縦並びにした水平ルーバ３７が設けられている。また熱交換器１の最下部の下にはドレンパン３８が配置されている。

室内空調時は、クロスフローファン３４が図の太い矢印の方向に回転し、熱交換器１には図示しない室外機から送られてきた冷媒が流れる。クロスフローファン３４の回転により、室内空気は図の細い矢印の方向に流れる。すなわち室内空気はフロントパネル３２の吸気口から吸い込まれ、エアフィルタ３３を通って熱交換器１に向かう。空気に含まれる塵埃はエアフィルタ３３で捕集され、清浄になった空気が熱交換器１を通り抜ける。その際空気は熱交換器１との間で熱交換を行う。熱交換器１を通ることにより温度調整された空気はクロスフローファン３４に吸い込まれ、空気吹出口３５から室内に吹き出される。縦ルーバ３６と水平ルーバ３７の角度を調整することにより、吹出方向を変えることができる。

室内機３０では、重力や熱交換器１を通過する風の影響により、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はこちら側の面に配置される。

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
Ｇ 隙間
７、８ 冷媒出入口
１０ 導水部材
１１ 固定部材
１２ 切り欠き
２０ 室外機
３０ 室内機

Claims (11)

1. 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熱交換器において、
   凝縮水が結集する側の面に、線状の導水部材を複数本、各々が前記コルゲートフィンの端部に接触し、且つ複数列のコルゲートフィンにまたがる形で、互いに間隔を置いて平行に配置するとともに、前記導水部材の途中箇所を、前記コルゲートフィンの隙間に挿入される固定部材で固定したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記コルゲートフィンの端は前記偏平チューブの端からはみ出しており、そのはみ出し部分同士のなす隙間に前記固定部材が挿入されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記固定部材は、複数本の前記導水部材にまたがる長さを有することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記固定部材は、前記導水部材１本だけをカバーする長さを有することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記固定部材は、前記隙間への挿入時に先頭となる側の端が先細り形状であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記固定部材は、前記隙間への挿入時に先頭となる側と反対側の端も先細り形状であることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記固定部材は、前記隙間への挿入時に先頭となる側とその反対側の端が対称的な先細り形状であることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記固定部材に、前記導水部材を通す切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 前記導水部材の下端が、熱交換器の外に垂下することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器を室外機に搭載した空気調和機。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器を室内機に搭載した空気調和機。

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