JP5270732B2 - 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 - Google Patents

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。

特許文献１には、２本の垂直方向ヘッダパイプと、両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が記載されている。この熱交換器では偏平チューブの間にコルゲートフィンが配置されている。コルゲートフィンの端は偏平チューブの端よりも外側に突き出しており、コルゲートフィンの表面には空気との伝熱効率を向上させるための切起し片（ルーバー）が形成されている。切起し片は、加工上形成されるコルゲートフィンの中央の偏平面を中心として空気流の上流側部分と下流側部分の各々に形成され、各々の側で空気の流れ方向に対する傾斜方向が逆になっている。

特許文献２にもサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が記載されている。この熱交換器のフィンには伝熱面積を増大させるための切り込みが設けられている。

特許文献３に記載されたパラレルフロー型熱交換器はサイドフロー方式ではなくダウンフロー方式であり、偏平チューブが垂直に配置されている。コルゲートフィンには、通風上流端から通風方向に沿った一定の長さより下流側にのみ、複数の群に分けたルーバーが設けられている。ルーバーは、上流側と下流側とで傾き方向を逆に切り起こしてある。コルゲートフィンの通風上流端部分は偏平チューブより通風上流側へ突出している。

特開２００８−１０１８４７号公報 特開２０１０−２５４８１号公報 特開平６−１４７７８５号公報

特許文献１記載の熱交換器のように、フィンに偏平チューブの風上側端部よりも突き出す突き出し部が設けられている場合、偏平チューブの風上側端部に並ぶ箇所の近傍のフィン表面にスリットが設けられていると、その部分に付着した霜によりフィンの形状が変化してクラックが生じることがある。クラックがスリットにつながれば突き出し部が切断されてしまう。

本発明は、サイドフロー方式のパラレルフロー熱交換器において、フィンの熱交換効率を向上させるとともに当該熱交換器が蒸発器として使用されたときの着霜の弊害を軽減できる構造を提供することを目的とする。

本発明に係るパラレルフロー型熱交換器は、２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記ヘッダパイプ同士を連結する複数の水平方向偏平チューブと、前記複数の偏平チューブの偏平面に取り付けられる複数のフィンを備え、前記フィンの風上側端部は前記偏平チューブの風上側端部よりも風上側に突き出す突き出し部となっており、前記フィンの表面は、前記偏平チューブの風上側端部に並ぶ箇所の近傍は空白部であり、前記空白部以外の箇所には、当該フィンの表面を通過する気流に交差する方向のスリットが複数形成され、前記スリットは全て前記気流に対面する前縁部を備える。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記複数のフィンのうち、少なくとも当該熱交換器において下部に位置するフィンには、前記空白部よりも風下側の箇所に前記スリットが設けられていることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記フィンはコルゲートフィンであり、その素材となる帯状材のセンターラインの両側に前記スリットが配置されていることが好ましい。

また本発明は、上記構成のパラレルフロー型熱交換器を室外機または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。

本発明によると、フィンの風上側端部は偏平チューブの風上側端部よりも風上側に突き出す突き出し部となっており、フィンの表面は、偏平チューブの風上側端部に並ぶ箇所の近傍は空白部であり、この空白部以外の箇所にスリットを設けているので、空白部には着霜しにくくなる。スリットの無い空白部は強度も高い。これにより、空白部に付着した霜によりフィンの形状が変化してクラックが生じ、クラックがスリットにつながって突き出し部が切断されてしまうといったことがなくなる。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の概略構成図である。 偏平チューブとフィンの組み合わせを示す部分断面図である。 図２のIII−III線に沿った部分断面図である。 図１のIV−IV線に沿った断面図である。 コルゲートフィンの成形法について説明する図である。 フィンの他の構成例を示す図４と同様の断面図である。 本発明に係るパラレルフロー型熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明に係るパラレルフロー型熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の基本構造を図１に示す。図１では紙面上側が熱交換器の上側、紙面下側が熱交換器の下側となる。パラレルフロー型熱交換器１は、２本の垂直方向ヘッダパイプ２、３と、その間に配置される複数の水平方向偏平チューブ４を備える。ヘッダパイプ２、３は水平方向に間隔を置いて平行に配置され、偏平チューブ４は垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、熱交換器１は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるから、本明細書における「垂直方向」「水平方向」は厳格に解釈されるべきものではない。単なる方向の目安として理解されるべきである。

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、図２に示す通り、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４は断面形状及び断面面積の等しいものが図２の左右方向に複数個並び、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。

偏平チューブ４の偏平面にはフィン６が取り付けられる。フィン６として、ここではコルゲートフィンを用いているが、プレートフィンでも構わない。上下に並ぶフィン６のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート７が配置される。

ヘッダパイプ２、３、偏平チューブ４、フィン６、及びサイドプレート７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、フィン６は偏平チューブ４に対し、サイドプレート７はフィン６に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

ヘッダパイプ２の内部は、２枚の仕切板Ｐ１、Ｐ２により３個の区画Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に仕切られている。仕切板Ｐ１、Ｐ２は複数の偏平チューブ４を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ１には合計２４本の偏平チューブ４のうち４本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ２には１５本の偏平チューブ４からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ３には５本の偏平チューブ４からなる偏平チューブグループが接続される。

ヘッダパイプ３の内部は、１枚の仕切板Ｐ３により２個の区画Ｓ４、Ｓ５に仕切られている。仕切板Ｐ３は複数の偏平チューブ４を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ４には合計２４本の偏平チューブ４のうち１２本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ５にも１２本の偏平チューブ４からなる偏平チューブグループが接続される。

上記した偏平チューブ４の総数、各ヘッダパイプ内部の仕切板の数とそれによって仕切られる区画の数、及び仕切板によって区分される偏平チューブグループ毎の偏平チューブ４の数は、いずれも単なる例示であり、発明を限定するものではない。

区画Ｓ１には冷媒出入パイプ８が接続される。区画Ｓ３には冷媒出入パイプ９が接続される。

熱交換器１の機能は次の通りである。熱交換器１が凝縮器として用いられるとき、冷媒は冷媒出入パイプ８を通じて区画Ｓ１に供給される。区画Ｓ１に入った冷媒は区画Ｓ１と区画Ｓ４を連結する４本の偏平チューブ４を通って区画Ｓ４に向かう。この４本の偏平チューブ４で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＡを構成する。冷媒パスＡはブロック矢印で象徴されている。それ以外の冷媒パスもブロック矢印で象徴させる。

区画Ｓ４に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ４と区画Ｓ２を連結する８本の偏平チューブ４を通って区画Ｓ２に向かう。この８本の偏平チューブ４で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＢを構成する。

区画Ｓ２に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ２と区画Ｓ５を連結する７本の偏平チューブ４を通って区画Ｓ５に向かう。この７本の偏平チューブ４で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＣを構成する。

区画Ｓ５に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ５と区画Ｓ３を連結する５本の偏平チューブ４を通って区画Ｓ３に向かう。この５本の偏平チューブ４で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＤを構成する。区画Ｓ３に入った冷媒は冷媒出入パイプ９より流出する。

熱交換器１が蒸発器として用いられるときは、冷媒は冷媒出入パイプ９を通じて区画Ｓ３に供給される。それ以後の冷媒の流れは、熱交換器１が凝縮器として用いられるときの冷媒パスを逆に辿る。すなわち冷媒パスＤ→冷媒パスＣ→冷媒パスＢ→冷媒パスＡのルートで冷媒は区画Ｓ１に入り、冷媒出入パイプ８より流出する。

熱交換器１は、フィン６の構造に特徴を有する。それを図２から図５までの図に基づき説明する。

図２において、図の右側が熱交換器１を通り抜ける気流の風上側、左側が風下側となる。フィン６の風上側端部６Ｕは偏平チューブ４の風上側端部４Ｕよりも風上側に突き出している。偏平チューブ４の風上側端部４Ｕから自身の風上側端部６Ｕまでの領域がフィン６の突き出し部６ａとなる。なおフィン６の風下側端部６Ｄも偏平チューブ４の風下側端部４Ｄより少しだけ風下側に突き出している。

フィン６の表面は、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍と、突き出し部６ａが空白部（後述するスリットが形成されない箇所）とされ、空白部以外の箇所に複数のスリット１０が形成される。スリット１０はフィン６の表面を通過する気流と交差する方向に延びる。図２では、スリット１０は垂直方向に延びる。すなわち気流方向と直角に交差するスリット１０が複数個、所定間隔で形成されている。なお、スリット１０と気流の交差角は直角以外の角度であってもよい。

図３に示す通り、スリット１０は切起し片の形状を備えている。全ての切起し片が同じ方向に傾斜する。すなわち全てのスリット１０が気流に対面する前縁部１０ａを備える。

上記構成を備えるフィン６を気流が通り過ぎるとき、気流はスリット１０の前縁部１０ａのところで流速大となる。流速大となった箇所では空気の境界層が薄くなり、熱伝導率が上昇する。全てのスリット１０が前縁部１０ａを備えているので、熱交換器１の熱伝達効率が向上する。

フィン６の表面は、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍は空白部であり、突き出し部６ａも空白部であり、この空白部以外の箇所にスリット１０を設けているので、空白部には着霜しにくくなる。スリット１０の無い空白部は強度も高い。これにより、空白部に付着した霜によりフィン６の形状が変化してクラックが生じ、クラックがスリットにつながって突き出し部６ａが切断されてしまうといったことがなくなる。

スリット１０の存在しないフィン６の突き出し部６ａには着霜は発生しにくいが、ある程度の除湿は行われる。スリット１０はある程度除湿された空気との間で熱交換するので、スリット１０への着霜は遅れることになり、除霜運転の頻度を減らすことができる。

図２及び図３の構成例では、スリット１０は、単に突き出し部６ａを避けるというにとどまらず、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所も避ける形で配置されている。すなわち、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕから風下方向に所定距離隔たった位置からスリット１０の配置が始まっている。これにより、次のような効果がもたらされる。

スリット１０に霜がつくと、スリット１０は凍結による圧力を受ける。この圧力は、フィン６に亀裂を生じさせることがある。スリット１０が偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並んでいた場合、亀裂は容易にフィン６の折り曲げ部分に達し、フィン６が破断することがある。図２、３に示すように、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所を避ける形でスリット１０を配置しておけば、そのような事故を防ぐことができる。

偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍を空白部とし、突き出し部６ａも空白部とし、空白部以外の箇所にスリット１０を形成するという配慮は、熱交換器１の下部、例えば高さ方向における中央分割ラインより下に位置するフィン６、すなわち凝縮水が多く集まるフィン６についてのみ行うこととすることができる。図４にそのような構成例を示す。

図４では、下から６番目までのフィン６については偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍の空白部を避ける形でスリット１０が形成されているが、それより上のフィンについては、「突き出し部６ａ以外の箇所に複数のスリット１０を形成」という条件は守られているものの、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍にもスリット１０が形成されている。除霜水が残りやすく、それが霜となり、クラックに発展しやすい熱交換器１の下部のフィン６については、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍を空白部とすることにより、フィン６の破壊を防ぐことができる。また、そのような処置を熱交換器１の下部のフィン６に限定することにより、熱交換器１全体の熱交換効率をそれほど低下させずに済む。

フィン６がコルゲートフィンである場合、それを図５のようにして形成することができる。コルゲートフィンの素材は帯状材１１である。帯状材１１を図示しない歯車状の回転工具に通し、山または谷となる折り線１１ａに沿って襞を折り込みつつ、同時に刃物でスリット１０を形成する。帯状材１１は自身の長手方向に沿って回転工具に引き込まれ、端の方から順次加工を受ける。なお、図５において、４Ｕ、４Ｄの２点鎖線は、コルゲートフィンを熱交換器として加工した際に、偏平チューブ４がどの位置に来るのかを分かりやすくするために記載している。

帯状材１１のセンターライン１１Ｃの両側にスリット１０が存在することになるよう、スリット１０の配置を設計する。もし、センターライン１１Ｃの片側にしかスリット１０が存在しないとすると、回転工具が帯状材１１を引き込む際、帯状材１１にねじれが生じてしまう。帯状材１１にねじれが生じると、フィン６の形状誤差が大きくなり、熱交換器の組み立てが上手くいかない。熱交換効率も悪化する。センターライン１１Ｃの両側にスリット１０があれば、帯状材１１のねじれを防ぐことができる。

スリット１０の配置を図６のようにしてもよい。下から６番目までのフィン６については、図４と同様、突き出し部６ａと、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍は空白部とされている。それより上のフィン６については、偏平チューブ４の風上側端部４Ｕに並ぶ箇所の近傍は空白部とされているものの、それよりも風上側の突き出し部６ａの部分にはスリット１０が形成されている。このように、熱交換器１全体として見たときに着霜しにくい部分（蒸発器として使用する際の冷媒の上流側）にスリット１０を形成することにより、着霜しにくい部分の熱交換効率を少しでも上げることが可能になる。

熱交換器１はセパレート型空気調和機に搭載することができる。セパレート型空気調和機は室外機と室内機により構成され、室外機は圧縮機、四方弁、膨張弁、室外側熱交換器、室外側送風機などを含み、室内機は室内側熱交換器、室内側送風機などを含む。室外側熱交換器は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。室内側熱交換器は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成を図７に示す。ヒートポンプサイクル１０１は、圧縮機１０２、四方弁１０３、室外側の熱交換器１０４、減圧膨張装置１０５、及び室内側の熱交換器１０６をループ状に接続したものである。圧縮機１０２、四方弁１０３、熱交換器１０４、及び減圧膨張装置１０５は室外機の筐体に収容され、熱交換器１０６は室内機の筐体に収容される。熱交換器１０４には室外側の送風機１０７が組み合わせられ、熱交換器１０６には室内側の送風機１０８が組み合わせられる。送風機１０７はプロペラファンを含み、送風機１０８はクロスフローファンを含む。

本発明に係る熱交換器１は、室内機の熱交換器１０６の構成要素として用いることができる。熱交換器１０６は、３個の熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃを送風機１０８を覆う屋根のように組み合わせたものであり、熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのいずれかを熱交換器１とすることができる。

本発明に係る熱交換器１は、室外機の熱交換器１０４として用いることもできる。

図７は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の熱交換器１０６に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０６を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室外側の熱交換器１０４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６からの放熱を促進し、室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４の吸熱を促進する。

図８は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は四方弁１０３が切り換えられて暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の熱交換器１０４に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０４を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室内側の熱交換器１０６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４からの放熱を促進し、室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６の吸熱を促進する。

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
４Ｕ 偏平チューブの風上側端部
４Ｄ 偏平チューブの風下側端部
５ 冷媒通路
６ フィン
６Ｕ フィンの風上側端部
６Ｄ フィンの風下側端部
６ａ 突き出し部
７ サイドプレート
１０ スリット
１０ａ 前縁部
１１ 帯状材
１１Ｃ センターライン

Claims (3)

1. ２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記ヘッダパイプ同士を連結する複数の水平方向偏平チューブと、前記複数の偏平チューブの偏平面に取り付けられる複数の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、
   前記フィンの風上側端部は前記偏平チューブの風上側端部よりも風上側に突き出す突き出し部となっており、
   前記フィンの表面は、前記偏平チューブの風上側端部に並ぶ箇所の近傍は空白部であり、前記フィンの表面を通過する気流に交差する方向のスリットが前記空白部を避けて前記フィンに複数形成され、前記スリットは全て前記気流に対面する前縁部を備え、
   前記複数のフィンのうち、少なくとも当該熱交換器において下部に位置するフィンには、前記空白部よりも風下側の箇所に前記スリットが設けられていることを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
2. 前記空白部よりも風下側の箇所に前記スリットが設けられているフィン以外のフィンでは、前記空白部よりも風上側に前記スリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器。
3. 請求項１または請求項２に記載のパラレルフロー型熱交換器を室外機または室内機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

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