JP5404571B2 - 熱交換器及び機器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及びこの熱交換器を用いた機器に関し、特に空気中の凝縮水の排水性向上に関するものである。

従来、扁平管の平面部をほぼ水平に配置し、平面部と平面部との間に波形状のコルゲートフィンを配置した熱交換器が広く普及している。この熱交換器の内で、水捌けの向上と、室内への水滴の浸入防止を図ることを目的として、フィンから空気流の下流側へ突出する突出部を有し、その突出部の上下の折曲線部にほぼ水平に切除された切り欠きを形成したものが知られている。この熱交換器で発生した凝縮水は、空気流の下流側に集まり、切り欠きから下方へ落下する（特許文献１参照）。しかし、特許文献１に開示されている熱交換器では、凝縮水が切り欠きから落下するのは、凝縮水が自重で落下できる程度の大きさまで成長したときであって、しばらく凝縮水が熱交換器に滞留することがあり、その結露水が通風抵抗となって熱交換性能を低下させている。排水性を向上させるために、フィンを平面部と平面部との間からはみ出させ、そのはみ出し部分を介して結露水が下方へ流れる熱交換器を開発し、凝縮水に対する熱交換器の排水性を向上させるものが知られている（特許文献２参照）。

実公昭６３−６６３２号公報（第３頁、第２図〜第３図） 特開２００８−１０１８４７号公報（第６頁〜第９頁、図１〜４）

しかしながら、熱交換器の小型化がさらに進む状況下において、熱交換器の小型化は、凝縮水に対する熱交換器の排水性を低下させる可能性が高いので、さらなる排水性の向上が求められている。また、外気温が約２度以下となり、冷媒の蒸発温度がゼロ度以下となる熱交換器に着霜が生じる環境下において、室外熱交換器に特許文献１及び特許文献２に記載された従来の熱交換器を使用すると、空気中の絶対湿度量が多い風上側のフィン、扁平管に着霜が生じ易く、通風抵抗が増大し風量が低下して熱交換性能が低下する課題があった。また、霜を溶かす除霜運転においても、コルゲートフィン上に凝縮水が滞留して、滞留した凝縮水が基点となり霜が生じ易くなるという問題があった。

本発明は上記のような問題点を解決するために為されたものであり、その目的は、凝縮水の排水性を向上させた熱交換器及びこの熱交換器を用いた機器を提供することにある。

本発明に係る熱交換器は、下方に配置され中空の円筒で構成され、長手方向の側面にほぼ等間隔に複数の孔が形成された第１のヘッダーと、第１のヘッダーに対向するように上方に配置され、第１のヘッダーとほぼ同形状、ほぼ同サイズの中空の円筒で構成され、側面の第１のヘッダーの孔と対向する位置に孔が形成された第２のヘッダーと、第１のヘッダーの孔と、第２のヘッダーの第１のヘッダーの孔と対向する位置の孔とを接続する複数の伝熱管と、伝熱管の隣接するもの同士の間に接続された複数のフィンと、を備え、伝熱管は、複数の冷媒流路を有する第１の管と、第１の管と同一平面上に配置され、第１の管の冷媒流路の総断面積よりも小さい総断面積の冷媒流路を有し、かつ冷媒流路を流れる冷媒の総量が第１の管の全ての冷媒流路を流れる冷媒の総量に等しい第２の管とを備え、第１のヘッダーは、第１の管側と前記第２の管側を仕切る仕切り板と、第１の管側に配置された冷媒入口管と、第２の管側に配置された冷媒出口管とを備え、第１の管の外周と第２の管の外周とによって挟まれた空間に空気中の水分がフィン上で冷媒との熱交換により凝縮して形成された凝縮水が排水される排水路を形成し、凝縮器として使用される場合には、冷媒が第１の管から第２の管へ流れ、空気の流れる方向とは対向流となり、蒸発器として使用される場合には、冷媒が第２の管から第１の管へ流れ、空気の流れる方向とは平行流となるものである。

本発明によれば、扁平管と円管の間にできた隙間が排水路となり、凝縮水がフィン上に留まることなく排水され、通風抵抗増大が抑制できる。水が起因となって発生する腐食も抑制でき信頼性が向上する。
また、凝縮器として使用する場合は、第２の管内の流速が上がり、過冷却液状態の管内熱伝達率が向上するので、過冷却液（SC度）を大きくとることができる。この結果、エンタルピー差を大きく取ることができるので、熱交換能力が向上する。
また、蒸発器として使用する場合は、冷媒の蒸発温度が高い冷媒が第２の管を流れるので、風上側のフィン温度が風下側よりも大きくなり、着霜が生じ易い風上側の着霜量が低減でき、フィン全体に均一に霜が付着する。よって、通風抵抗の増大を抑制し、風量低下も抑制し、熱交換能力の低下を抑制できる。

本発明の実施の形態１を示す熱交換器の構成図である。 本発明の実施の形態１を示す熱交換器の一部の斜視図である。 本発明の実施の形態１を示す熱交換器の断面図である。 本発明の実施の形態１を示す凝縮器として使用する場合の冷媒流れの模式図である。 本発明の実施の形態１を示す蒸発器として使用する場合の冷媒流れの模式図である。 本発明の実施の形態２を示す熱交換器の断面図である。 本発明の実施の形態３を示す熱交換器の断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す熱交換器の構成図であり、図１（ａ）は、熱交換器の全体構成図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。次に、本発明の実施の形態１における熱交換器の構成について図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、熱交換器１０は、コルゲートフィン１と、このコルゲートフィン１に接続された伝熱管２と、伝熱管２の両端部に配置され、この伝熱管２に接続されたヘッダー３とから構成されている。伝熱管２は、アルミ製の扁平管２ａとアルミ製の円管２ｂから構成され、伝熱管２をその長手方向が重力方向になるようにほぼ等間隔に複数本設置し、伝熱管２の間には、アルミ製の波形状に加工されたコルゲートフィン１がロウ付け接合されている。また、伝熱管２とコルゲートフィン１の下端と上端にはそれぞれ第１のヘッダー３ａ、第２のヘッダー３ｂが接続されている。下部のヘッダー（第１のヘッダー）３ａは、中空の円筒で構成され、長手方向の側面にほぼ等間隔に複数の孔が形成されており、ここに扁平管２ａと円管２ｂの一端が接続される。また、下部のヘッダー３ａ内の扁平管２ａの接続口と円管２ｂとの接続口との境界には仕切り板４が設置されている。この仕切り板４は、下部のヘッダー３ａ内において、扁平管２ａを流れる冷媒が円管２ｂに流れ込まないようにすると同時に円管２ｂを流れる冷媒が扁平管２ａに流れ込まないように遮蔽するためのものである。また、下部のヘッダー３ａの扁平管２ａ側には冷媒入口管８ａが取り付けられ、下部のヘッダー３ａの円管２ｂ側には冷媒出口管８ｂが取り付けられている。上部のヘッダー（第２のヘッダー）３ｂは、下部のヘッダー３ａに対向するように配置され、下部のヘッダー３ａとほぼ同形状、ほぼ同サイズの中空の円筒で構成されており、側面の下部のヘッダー３ａの孔と対向する位置にそれぞれ孔が形成されている。なお、この上部のヘッダー３ｂには仕切り板も冷媒入口管も冷媒出口管もない。

次に、冷媒の流れについて説明する。冷媒５は冷媒入口管８ａから下部のヘッダー３ａ内の扁平管２ａ側に入る。この冷媒は、仕切り板４により円管２ｂ側と遮断されているため、円管２ｂ側へ入ることはない。扁平管２ａ側に入った冷媒はさらに複数の扁平管２ａ内に分散して入り込む。而して、冷媒はこの扁平管２ａ内を通り、上昇して上部のヘッダー３ｂに入る。この上部のヘッダー３ｂには仕切り板も冷媒入口管も冷媒出口管もないため、扁平管２ａから流出した冷媒は、一端合流した直後に複数の円管２ｂに分散して流れ込む。円管２ｂ内に流れ込んだ冷媒は、円管２ｂ内を通り、下降して下部のヘッダー３ａ内の円管２ｂ側へ入り、ここで合流した後、冷媒出口管８ｂより流出する。なお、円管２ｂ側に入った冷媒は仕切り板４により扁平管２ａ側と遮断されているため、扁平管２ａ側へは入ることはない。
なお、上述したヘッダー構成は一例を示すものであって、これに限る必要はない。例えば、ヘッダーではなくディストリビュータで接続されてあっても構わない。空気はコルゲートフィン１間を流れ、伝熱管２内を流れる冷媒の温度がコルゲートフィン１を介して空気と熱交換する。

図２は本発明の実施の形態１を示す熱交換器の一部の斜視図である。本発明の伝熱管の構成方法について詳細に説明する。伝熱管２は冷媒流路が複数（図２の例では５個）設けられたアルミ製の扁平管２ａと円管２ｂが同一面上に設置される。また、扁平管２ａの外周と円管２ｂの外周とで挟まれた空間には凝縮水が排水される排水溝６が形成される。
１つの扁平管２ａを流れる冷媒の量はこの扁平管２ａに接続された１つの円管２ｂを流れる冷媒の量にほぼ等しい。従って、熱交換器１０内をほぼ均一に冷媒が流れると仮定すると、円管２ｂ内を流れる冷媒の流量は扁平管２ａの全ての冷媒流路を流れる冷媒の総量にほぼ等しい。従って、円管２ｂの流路の内径が扁平管２ａの各流路の内径とほぼ同じであれば、円管２ｂ内を流れる冷媒の流量は扁平管２ａ内を流れる冷媒の流量に比べ、扁平管２ａの冷媒流路の総数にほぼ匹敵する倍数になる。従って、円管２ｂ内を流れる冷媒の速度は扁平管２ａ内を流れる冷媒の速度に比べ、扁平管２ａの冷媒流路の総数にほぼ匹敵する倍数になる。従って、熱交換器１０を蒸発器として利用する冷房運転時には、扁平管２ａ付近のコルゲートフィン１よりも円管２ｂ付近のコルゲートフィン１での空気の冷却効果が大きい。そこで、熱交換を行う空気の流れにおいて、円管２ｂ側を上流とし、扁平管２ａ側を下流とすると熱交換効率が良くなる。また、熱交換器１０を凝縮器として利用する暖房運転時には、扁平管２ａ付近のコルゲートフィン１よりも円管２ｂ付近のコルゲートフィン１での空気の暖房効果が大きい。そこで、暖房運転の場合も熱交換を行う空気の流れにおいて、円管２ｂ側を上流とし、扁平管２ａ側を下流とすると熱交換効率が良くなる。
なお、コルゲートフィン１の表面には空気との熱交換効率向上を狙って、空気との接触面積を増やすために形成された複数の切り起こし１ａが設けられている。

図３は本発明の実施の形態１を示す熱交換器の断面図であり、同図中、図２と同符号は同一または相当部分を示す。矢印７は空気中の水分がコルゲートフィン１上で冷却されることで凝縮（結露）して得られた凝縮水の流れの方向を示す。次に、図３を用いて本発明が解決しようとする課題である凝縮水の排水性を向上させる効果について説明する。熱交換器１０を蒸発器として使用する際には、図３に白抜きの矢印Ａで示すように空気の流れは、円管２ｂ側を上流とし、扁平管２ａ側を下流とする方向である。この場合、空気の露点温度に対して、コルゲートフィン１面の温度が低いので、空気中の水分の凝縮水がコルゲートフィン１面上に発生する。従来のコルゲートフィン１による熱交換では、凝縮水がコルゲートフィン１上に滞留してしまい、この滞留した凝縮水により通風抵抗が増大し風量が低下して、熱交換能力が低下するという課題があったが、本発明の場合には円管２ｂの外周と扁平管２ａの外周で挟まれた空間に排水溝６が形成されているので、それを介して凝縮水が排水される。なお、図３に実線で示した矢印の内、空気の流れと逆行するものがあるが、排水溝６に流れ込む凝縮水によりコルゲートフィン１上の凝縮水が排水溝６側に引き込まれる負圧が空気流れの風圧よりも強い場合にこのようになることを示しており、この方向は空気の流れの強さにより変わり得る。
また、風下側の扁平管２ａの端部を介しても凝縮水が排水される。このように凝縮水が排水溝及び扁平管の端部を介して滞留することなく、スムーズに排水されることにより、通風抵抗は増大することなく風量も低下せず、熱交換能力が高いことを継続することができる。また、水が滞留することで、アルミ製のコルゲートフィン、扁平管、円管が耐食することなく、経年劣化することなく、使用することも可能となる。

図４は本発明の実施の形態１を示す凝縮器として使用する場合の冷媒流れ方向の模式図である。上述したように、熱交換器１０を凝縮器とする場合、空気の流れ方向Ａについては、円管２ｂ側を上流とし、扁平管２ａ側を下流とする方向にすると熱交換効率が良い。従って、本発明の熱交換器１０を凝縮器として使用する場合は、図４に示すように空気の流れＡに対して対向流となるように、扁平管２ａ→円管２ｂの順番に冷媒を流すようにする。凝縮器内の冷媒は加熱ガス→二相→過冷却液（SC度）の順番で相変化を伴い、過冷却領域（SC度）を大きくとることでｐ−ｈ線図よりエンタルピー差を大きくとれ、熱交換能力を大きくすることができる。しかしながら、冷媒の過冷却液状態の管内熱伝達率は、二相状態の管内熱伝達率に対して大きく低下するので、冷媒の流速を増加させる必要がある。本発明の場合は、冷媒を扁平管２ａ→円管２ｂの順番に流すことにより、円管２ｂ内の流速が上がり、過冷却液状態の管内熱伝達率が向上するので、過冷却液（SC度）を大きくとることができる。この結果、エンタルピー差を大きく取ることができるので、熱交換能力が向上する。

図５は本発明の実施の形態１を示す蒸発器として使用する場合の冷媒流れ方向の模式図である。上述したように、熱交換器１０を蒸発器とする場合も、空気の流れ方向Ａについては、円管２ｂ側を上流とし、扁平管２ａ側を下流とする方向にすると熱交換効率が良い。従って、本発明の熱交換器１０を蒸発器として使用する場合は、図５に示すように空気流れに対して平行流となるように、円管２ｂ→扁平管２ａの順番に冷媒を流すようにする。一般的な空調機の中では四方弁が用いられており、暖房、冷房運転の切り替えには四方弁により冷媒が逆方向に流されるので、凝縮器の場合は扁平管２ａ→円管２ｂとなり空気流れに対して対向流となり、蒸発器の場合は円管２ｂ→扁平管２ａとなり、空気流れに対して平行流となる。熱交換器１０を蒸発器として使用する場合、特に外気温が約２度以下で、冷媒の蒸発温度がゼロ度以下となる場合は、熱交換器１０のコルゲートフィン１、伝熱管２の表面に着霜が生じてしまう。着霜が成長すると、熱交換器１０の通風抵抗が増大して、風量が低下して熱交換能力が低下してしまう。さらに、着霜は空気の絶対湿度が大きい風上側に着霜が生じ易い。本発明の場合は冷媒の流れ方向を風上側に設置した円管２ｂから扁平管２ａとしているので、冷媒の蒸発温度が高い冷媒が円管２ｂを流れるので、風上側のフィン温度が風下側よりも大きくなるので、着霜が生じ易い風上側の着霜量が低減でき、コルゲートフィン１全体に均一に霜が付着する。よって、通風抵抗の増大を抑制し、風量低下も抑制し、熱交換能力の低下を抑制できる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２を示す熱交換器の断面図である。図６において、図３と同符号は同一または相当部分である。図６の扁平管２ｃの形状が図３の扁平管２ａと異なる以外は、図３の構成と同じである。次に、この図６を用いて実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。本実施の形態２では流路毎の中間部の外周に窪みをもつ扁平管２ｃを用いている。これにより、外周部の窪み部が円管２ｂと扁平管２ｃの間の窪みに加えて排水路となるので、実施の形態１に比べてさらに排水性が向上する。さらに、窪み６ａ〜６ｅに相当する分、扁平管２ｃの重さを実施の形態１よりも低減できる。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３を示す熱交換器の断面図である。図７において、図３と同符号は同一または相当部分である。図７の扁平管２ｄの形状が、図３の扁平管２ａと異なる以外は、図３の構成と同じである。次に、この図７を用いて実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。本実施の形態３では流路毎の中間部の外周に窪みをもつが、一方の面に窪みを持つとき、他方の面には窪みを持たない扁平管２ｄを用いている。

なお、上記の例では、１つの扁平管に１つの円管を対応させて設けたが、これに限る必要はない。例えば、１つの扁平管の長手方向の両端に１つずつ円管を設けてもよい。また、扁平管の総流路面積が円管の総流路面積よりも大きい範囲で、１つの扁平管当たりの円管の数をさらに増やしても良い。さらに、扁平管の代わりに複数の円管を用いてもよい。また円管の代わりに扁平管を用いても良い。従って、管の組合せとして、扁平管と円管の組み合わせ、扁平管のみの組み合わせ、円管のみの組み合わせが考えられる。
また、上記の例では、コルゲートフィンについて説明したが、これに限る必要はなく、例えばプレートフィンを使用しても良い。

上記実施の形態１〜３に記載された熱交換器１０は、空気調和機の室外機、室内機、冷凍機器などの機器に用いられる。

１ コルゲートフィン、１ａ 切り起こし、２ 伝熱管、２ａ 扁平管、２ｂ 円管、２ｃ 扁平管、２ｄ 扁平管、３ａ 下部のヘッダー（第１のヘッダー）、３ｂ 上部のヘッダー（第２のヘッダー）、４ 仕切り板、５ 冷媒、６ 排水溝、６ａ〜６ｅ 窪み、７ 凝縮水の流れ、８ａ 冷媒入口管、８ｂ 冷媒出口管、１０ 熱交換器。

Claims (10)

1. 下方に配置され中空の円筒で構成され、長手方向の側面にほぼ等間隔に複数の孔が形成された第１のヘッダーと、
   この第１のヘッダーに対向するように上方に配置され、前記第１のヘッダーとほぼ同形状、ほぼ同サイズの中空の円筒で構成され、側面の前記第１のヘッダーの孔と対向する位置に孔が形成された第２のヘッダーと、
   前記第１のヘッダーの孔と、前記第２のヘッダーの前記第１のヘッダーの孔と対向する位置の孔とを接続する複数の伝熱管と、
   この伝熱管の隣接するもの同士の間に接続された複数のフィンと、を備え、
   前記伝熱管は、複数の冷媒流路を有する第１の管と、この第１の管と同一平面上に配置され、前記第１の管の冷媒流路の総断面積よりも小さい総断面積の冷媒流路を有し、かつ冷媒流路を流れる冷媒の総量が前記第１の管の全ての冷媒流路を流れる冷媒の総量に等しい第２の管とを備え、
   前記第１のヘッダーは、前記第１の管側と前記第２の管側を仕切る仕切り板と、前記第１の管側に配置された冷媒入口管と、前記第２の管側に配置された冷媒出口管とを備え、
   前記第１の管の外周と前記第２の管の外周とによって挟まれた空間に空気中の水分が前記フィン上で冷媒との熱交換によって凝縮して形成された凝縮水が排水される排水路を形成し、
   凝縮器として使用される場合には、冷媒が前記第１の管から前記第２の管へ流れ、空気の流れる方向とは対向流となり、
   蒸発器として使用される場合には、冷媒が前記第２の管から前記第１の管へ流れ、空気の流れる方向とは平行流となることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１の管はさらに、隣接する流路間の外周に形成された窪みを有し、全体として蛇腹状を呈することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１の管は一方の面に窪みを持つとき、他方の面には窪みを持たないことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記第１の管は複数の孔を有する金属製の扁平管であり、前記第２の管は金属製の円管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記第１の管は複数の孔を有する金属製の扁平管であり、前記第２の管は複数の孔を有する金属製の扁平管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第１の管は金属製の円管であり、前記第２の管は複数の孔を有する金属製の扁平管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記第１の管は金属製の円管であり、前記第２の管は金属製の円管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記フィンは金属製の波形状のコルゲートフィンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 前記フィンは金属製のプレートフィンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とする機器。

Images