JP5641945B2 - 熱交換器及びこの熱交換器を用いた空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、ヘアピン伝熱管が間引かれた熱交換器およびこの熱交換器を用いた空気調和機に関するものである。

ヘアピン伝熱管が間引かれた従来の熱交換器として、例えば「複数のフィン３０には、冷媒管３１を挿通させるための複数の穴部４０がそれぞれ形成され、これらの複数の穴部４０は、冷却される空気の送流方向に沿って３列４１、４２、４３に並べて配置されると共に、任意に選定した相互に隣り合う３つの穴部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が略正三角形の頂点を構成するようにそれぞれ配置され、複数のヘアピン３１は、Ｕ字形状における互いに対向する冷媒管のピッチが正三角形の一辺の長さと等しく、隣り合う穴部の列に跨って取り付けられる第１ヘアピン３１ａと、この第１ヘアピン３１ａの２倍のピッチを有し、３列のうち中央列を除く両端の列に跨って取り付けられる第２ヘアピン３１ｂとを備える。」というものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば「フィン材１にパイプ２を挿入してなるクロスフィンチューブ形熱交換器のパイプ２を一部ぬいて熱交換器能力を小さくした熱交換器において、空気の入口部のパイプ２を多くぬいた構造を特徴とする熱交換器」というものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、例えば「空気流（Ａ）方向に多数列（Ｉ，II，III・・・）で各列に多数設置した伝熱管（１）・・・に対して多数のフィン（２）・・・を所定間隔を置いて直交状に配設してなるクロスフィン型の空気熱交換器において、上記多数列（Ｉ，II，III・・・）の伝熱管（１）・・・の内、空気流の最上流側に位置する第１列目１の伝熱管（１）・・・を所定本数間引きしてなる空気熱交換器。」というものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−１２８５６２号公報（要約、図７） 実開昭５０−１２２０５６号公報（第１頁、第３図） 実開昭６２−３４６７８号公報（第１頁、第１図）

熱交換器は、要求される能力に応じて設計及び製造をすればよいが、それでは手間及び費用が余計にかかる。そこで、特許文献１〜特許文献３のように伝熱管（特許文献１における冷媒管３１、特許文献２におけるパイプ２。以下、ヘアピン伝熱管と記載する。）を間引きする技術が提案されている。しかし、特許文献１〜特許文献３に示したようなヘアピン伝熱管を間引きした従来の熱交換器は、ヘアピン伝熱管を間引きされた部分において強度が低下し、フィンの座屈等により熱交換器が変形してしまうという課題があった。また、ヘアピン伝熱管を間引きされた部分において熱交換が行われないため、熱交換効率が低下するという課題があった。

また、特許文献１〜特許文献３の熱交換器は、ヘアピン伝熱管が挿通する穴が３列に形成されたものであるが、熱交換能力を必要としない小能力の空気調和機に多く用いられる熱交換器として、ヘアピン伝熱管が挿通する穴を上下１列で構成したものがある。しかし、その場合、ヘアピン伝熱管を複数列に構成したものよりもさらに、強度の低下及び熱交換効率の低下が課題となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ヘアピン伝熱管が間引かれた熱交換器において、ヘアピン伝熱管を間引く前の熱交換器と比較した場合の強度の低下及び熱交換効率の低下を抑制することができる熱交換器を得るものである。

この発明における熱交換器は、ヘアピン伝熱管が間引きされた熱交換器であって、複数の穴部が上下に一列のみ形成された平板状の伝熱フィンと、前記複数の穴部のうち、少なくとも一部の前記穴部に挿通させたＵ字形状の複数のヘアピン伝熱管と、を備え、前記ヘアピン伝熱管が挿通されていない前記穴部を隣接させないものである。

この発明は、ヘアピン伝熱管が間引かれた熱交換器において、ヘアピン伝熱管が挿通されていない穴部が隣接しないように構成したため、ヘアピン伝熱管を間引く前の熱交換器と比較した場合の強度の低下及び熱交換効率の低下を抑制できるという効果を有する。

この発明の実施の形態１における熱交換器を用いた空気調和機の冷媒回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における熱交換器を用いた空気調和機の室外ユニットの内部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の熱交換器の、ヘアピン伝熱管を間引きする前の状態を示す概略図である。 図３で図示した熱交換器をさらに模式的に示した模式図である。 この発明の実施の形態１の熱交換器を示す模式図である。 この発明の実施の形態２の熱交換器を示す模式図である。 この発明の実施の形態３の熱交換器を示す模式図である。 ヘアピン伝熱管が間引かれた熱交換器の一例を示す模式図である。 ヘアピン伝熱管を間引かれた熱交換器の別の例を示す模式図である。

以下、この発明における熱交換器の例について、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における熱交換器を用いた冷媒回路の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態１における冷媒回路は、室外ユニット１と室内ユニット２とを有しており、室外ユニット１と室内ユニット２とは、室内外接続バルブ８ａ及び８ｂによって接続されている。室外ユニット１には、四方弁４、圧縮機３、室外熱交換器５、絞り部７、ファン１０が設けられている。四方弁４は、配管を介して室内外接続バルブ８ｂ、圧縮機３及び室外熱交換器５に接続されている。また、絞り部７は、配管を介して室外熱交換器５及び室内外接続バルブ８ａに接続されている。また、ファン１０は、室外熱交換器５に隣接して設置されている。なお、冷媒の流れ方向９は冷房運転時の冷媒の流れ方向を示している。

次に、図１に示す冷媒回路の動作の一例として、冷房運転時の動作を説明する。
圧縮機３によって圧縮されて高温・高圧となった冷媒は、圧縮機３の吐出側から四方弁４を介して、室外熱交換器５に送られる。そして、室外熱交換器５に送られた冷媒は、ファン１０により送られた外気と熱交換することで放熱し、絞り部７に送られる。絞り部７において膨張し低圧となった冷媒は、室内熱交換器６において蒸発し、その蒸発熱により空気を冷却する。室内熱交換器６を通った冷媒は、四方弁４を介して圧縮機３の吸入側に送られ、再び圧縮機３により圧縮され高温・高圧の冷媒となる。なお、暖房運転時には、四方弁４により冷媒の流路を切替えることで、上記と逆の方向に冷媒が流れる。

図２は、この発明の実施の形態１の熱交換器を用いた空気調和機の室外ユニット１の内部を示す斜視図である。なお、図２のＡの矢印が示す方向が、背面側であり、Ｂが示す方向が左側面側である。なお、以下の図面の説明においても図２の方向に従って説明することとする。
図２に示すように、室外ユニット１には、圧縮機３、室外熱交換器５、ファン１０及び室内外接続バルブ８ａ及び８ｂが設置されている。

また、図２において、室外熱交換器５は、平面断面が略Ｌ字状となるように形成されており、室外ユニット１の図示しない筐体の一方の側面内壁と背面内壁とに沿う形状となっている。また、ファン１０は、室外熱交換器５に囲まれる位置に設置されている。そして、ファン１０を動作させることにより、室外ユニット１内に外気が流入し、その外気は室外熱交換器５を通過して前面の図示しない通気孔から外に送られる。また、ファン１０と壁を隔てた位置に圧縮機３が設置されている。また、右側面の下部には室内外接続バルブ８ａ及び８ｂが設置されており、図示しない室内ユニット２に接続されている。なお、本実施の形態１の室外熱交換器５は、平面断面が略直線状となるように形成されていてもよく、その場合、例えば室外ユニット１の図示しない筐体の背面内壁と沿うように配置される。

本実施の形態１における熱交換器は、例えば上述した室外熱交換器５として用いられるものであるが、室内熱交換器６又は空気調和機以外の熱交換器等に用いてもよい。また、図１に示した冷媒回路及び図２に示した室外熱交換器５の構成については、上述した構成に限られるものではない。
また、以下の説明において、室外熱交換器５と室内熱交換器６等の他の熱交換器とを特に区別しない場合は、熱交換器と記載することとする。

次に、本実施の形態１における熱交換器のヘアピン伝熱管１５を間引きする前の状態について説明する。
図３は、この発明の実施の形態１における熱交換器の、ヘアピン伝熱管１５を間引きする前の状態を示す概略図であり、（ａ）は右側面図、（ｂ）は正面図である。図４は、図３で図示した熱交換器をさらに模式的に示した模式図であり、（ａ）は右側面図、（ｂ）は正面図である。

図３及び図４に示す熱交換器は、平面断面が略直線状となるように形成されており、複数の伝熱フィン１１と、これらを挿通するＵ字形状のヘアピン伝熱管１５とを有する。複数の伝熱フィン１１は、薄い板状であり、熱交換器を例えば室外ユニット１内に設置した状態において略垂直に設けられ、所定の間隔で複数枚積層されている。ヘアピン伝熱管１５は、ヘアピン形状の伝熱管と、ヘアピン形状の伝熱管の両端に連結した２本の略直線形状の伝熱管とにより形成されている。

また、伝熱フィン１１には、熱交換器を例えば室外ユニット１内に設置した状態において上下に一列となるように、穴部１１ａが形成されている。また、ヘアピン伝熱管１５が、穴部１１ａを挿通し、上下に複数段設けられている。そして、上下のヘアピン伝熱管１５は、Ｕベンド管１６で接続されている。また、図３の（ａ）に示す空気の流れ方向１８は、この熱交換器を例えば図２で示した室外熱交換器５に用いた場合の、空気が流れる方向を示している。図３及び図４に示すヘアピン伝熱管１５を間引きする前の熱交換器は、通常、伝熱フィン１１における全ての穴部１１ａにヘアピン伝熱管１５が挿通されている。

図５はこの発明の実施の形態１の熱交換器を示す模式図であり、（ａ）は右側面図、（ｂ）は正面図である。
図５（ａ）において、白色で示した穴部１１ａは、ヘアピン伝熱管１５が挿通している部分であり、黒色で示した穴部１１ａは、ヘアピン伝熱管１５が挿通していない部分である。また、図５（ｂ）における破線は、仮にヘアピン伝熱管１５を黒色で示した穴部１１ａに挿通させた場合にヘアピン伝熱管１５が存在する部分を示している。なお、以下の全ての図面において、穴部１１ａ及び破線は、上述した内容を示すものとする。

図５に示すように、この発明の実施の形態１の熱交換器は、ヘアピン伝熱管１５を間引きしただけでなく、ヘアピン伝熱管１５の配置を、間引きする前と変えている。そして、各ヘアピン伝熱管１５の間隔を１／２本分づつ空け、その隣接しているヘアピン伝熱管１５の間に穴部１１ａが一つ存在する構成としている。つまり、ヘアピン伝熱管１５が挿通していない穴部１１ａが隣接しない構成となっている。そして、Ｕベンド管１６は、このヘアピン伝熱管１５の間隔に合わせた長さのものが用いられている。

次に、本実施の形態１の熱交換器との比較のため、ヘアピン伝熱管１５の配置を変えずに間引きした熱交換器について説明する。
図８は、ヘアピン伝熱管が間引かれた熱交換器の一例を示す模式図である。また、図９は、ヘアピン伝熱管が間引かれた熱交換器の別の例を示す模式図である。
なお、図８及び図９に示す熱交換器において、ヘアピン伝熱管を間引きする前の状態は図４に示したものと同じである。

図８及び図９に示す熱交換器は、上下１列に複数の穴部１１ａが形成された平板状の伝熱フィン１１と、伝熱フィン１１の穴部１１ａに挿通されたＵ字形状の複数のヘアピン伝熱管１５とを備えるものである。また、熱交換器の能力を小さくするために、図８に示す熱交換器は、４本のヘアピン伝熱管１５が間引きされており、図９に示す熱交換器は、２本のヘアピン伝熱管１５が間引きされている。

図８及び図９において、ヘアピン伝熱管１５の配置を変えずに間引きをしているので、間引きをしたことによりヘアピン伝熱管１５が挿通していない穴部１１ａが連続して２つ並ぶことになる。よって、この間引きされた部分において、強度の低下及び熱交換率の低下が課題となる。

一方、図５に示した本実施の形態１における熱交換器は、図８で示した熱交換器とヘアピン伝熱管１５の数は同じであるが、間引きによって生じたヘアピン伝熱管１５の上下方向の間隔は、その最大長さが従来の２／３になる。そのため、ヘアピン伝熱管１５の間引きによる強度の低下を抑制できる。

また、ヘアピン伝熱管１５同士の上下方向の間隔の最大長さが大きい場合、その間隔においては、熱交換器を通過する空気とヘアピン伝熱管１５内を通過する冷媒との熱交換が少なくなる。しかし、本実施の形態１における熱交換器は、上述したようにヘアピン伝熱管１５の上下方向の間隔の最大長さが最小限となるため、間引きによる熱交換効率の低下を抑制できる。

以上のように、本実施の形態１におけるヘアピン伝熱管１５を間引きした熱交換器は、例えば図８に示した方法で同数間引きした場合と比べ、間引き前に対する強度の低下を抑制できる。そのため、例えば、本実施の形態１における熱交換器を用いた空気調和機の運搬作業において誤って落下させてしまった場合等においても、ヘアピン伝熱管１５が存在しない部分で伝熱フィン１１が座屈しにくいので熱交換器全体の変形を抑制できる。これにより、品質向上と運搬時間の短縮ができるという効果を有する。

また、本実施の形態１におけるヘアピン伝熱管１５を間引きした熱交換器は、例えば図８に示した方法で同数間引きした場合と比べ、間引き前に対する熱交換効率の低下を抑制できる。そのため、ヘアピン伝熱管１５を間引きしても熱交換器の性能の低下を抑制することができるという効果を有する。

また、仮に、従来の熱交換器と同じ強度及び同じ熱交換効率を得ようとした場合に、より多くのヘアピン伝熱管を間引くことができるので、コストを削減できるという効果を有する。

なお、熱交換器のコスト削減のために、例えばヘアピン伝熱管の管径を細くして肉厚も薄くしたり、伝熱フィンも幅を小さくし肉厚も薄くする場合がある。このような熱交換器は、強度が低くなるという課題がある。そのため、このような熱交換器においても、本実施の形態１に示した構成を用いることで強度の低下を抑制することできる。

実施の形態２．
以下に、ヘアピン伝熱管１５を間引きする位置を上半分と下半分で異なるようにすることで、さらに強度の低下と熱交換効率の低下を抑制する例について説明する。なお、本実施の形態１において、特に説明しない構成及び機能については、実施の形態１と同じであるものとする。

図６はこの発明の実施の形態２の熱交換器を示す模式図であり、（ａ）は右側面図、（ｂ）は正面図である。
図６に示すように、この発明の実施の形態２の熱交換器は、ヘアピン伝熱管１５を間引いた部分が上半分と下半分で異なっている。熱交換器の上半分においては、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが３つあり、下半分にはヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが一つある。

前述したように、従来の熱交換器は、運搬作業中等に誤って落下させてしまった場合等にヘアピン伝熱管１５が存在しない部分で伝熱フィン１１が座屈し熱交換器全体が変形する場合がある。この際に、熱交換器は、上部よりも下部に掛かる荷重がより大きいので、下部において伝熱フィン１１の座屈等により熱交換器が変形する可能性が高い。
そこで、本実施の形態２における熱交換器は、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが上半分よりも下半分が少なくなるように構成し、荷重の大きい下部での強度が高くなるように構成されている。そのため、運搬作業等において変形しにくい熱交換器を得ることができる。

また、本実施の形態２における熱交換器は、実施の形態１における熱交換器と同様に、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが隣接しないように構成されている。これにより、ヘアピン伝熱管１５を間引きしない熱交換器と比較した場合の強度の低下及び熱交換効率の低下を抑制できるという効果を有する。

以上のように、本実施の形態２における熱交換器は、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが上半分よりも下半分が少なくなるように構成した。これにより、本実施の形態２における熱交換器を用いた空気調和機が、例えば落下した場合に、より荷重の掛かる下部において強度が高いため、伝熱フィン１１の座屈等による熱交換器の変形がしにくいという効果を有する。

また、実施の形態１における熱交換器と同様に、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが隣接しないように構成されている。これにより、ヘアピン伝熱管１５を間引きしない熱交換器と比較した場合の強度の低下及び熱交換効率の低下を抑制できるという効果を有する。

実施の形態３．
本実施の形態３においては、従来の熱交換器と比べてヘアピン伝熱管１５同士の間隔を空けることなく実施の形態１及び２と同様の効果を得られる熱交換器について説明する。
図７は、この発明の実施の形態３の熱交換器を示す模式図であり、（ａ）は右側面図、（ｂ）は正面図である。

図７に示す熱交換器は、ヘアピン伝熱管２５とヘアピン伝熱管１５の２種類の伝熱管が用いられている。ヘアピン伝熱管２５は、ヘアピン伝熱管１５と同様にヘアピン形状の伝熱管と、ヘアピン形状の伝熱管の両端に連結した２本の略直線形状の伝熱管とにより形成されている。ヘアピン伝熱管２５は、ヘアピン伝熱管１５と比べて曲げＲが大きく、２本の略直線形状の伝熱管の間隔が大きい。そして、略直線形状の伝熱管の間隔は、伝熱フィン１１の穴部１１ａ同士の間隔の略２倍となっている。このようなヘアピン伝熱管２５を用いた場合、ヘアピン伝熱管２５の略直線部分の伝熱管の間、つまり一つのヘアピン伝熱管２５の間に穴部１１ａが一つある構成となる。これにより、実施の形態１と同様に、間引きによって生じた伝熱管の上下方向の間隔は、その最大長さが図８に示す従来の熱交換器の２／３になる。そのため、ヘアピン伝熱管１５の間引きによる熱交換器の強度の低下及び熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、図７に示すように、ヘアピン伝熱管２５は、熱交換器の下半分よりも上半分に多く使われている。これにより、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａが上半分よりも下半分が少なくなるように構成している。そのため、実施の形態２と同様に、下部における強度が高いので、熱交換器に落下等の衝撃が与えられた場合に、変形する可能性の少ない熱交換器を得ることができる。

また、本実施の形態３における熱交換器は、ヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａの数が上半分と下半分で異なるが、ヘアピン伝熱管２５及びヘアピン伝熱管１５同士の間隔は同じであるため、Ｕベンド管１６は共通のものを用いることができる。

以上のように、本実施の形態３における熱交換器は、実施の形態１及び２と同様の効果を有する。また、ヘアピン伝熱管２５及びヘアピン伝熱管１５同士の間隔は同じであるため、Ｕベンド管１６は共通のものを用いることができる。

なお、本実施の形態３では、実施の形態２と同様にヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａの数が上半分と下半分で異なる例を示したが、このような例に限られない。例えば、実施の形態１と同様にヘアピン伝熱管１５が挿通しない穴部１１ａの数が上半分と下半分で同じとなるように構成してもよい。その場合、ヘアピン伝熱管１５を用いずに、ヘアピン伝熱管２５のみを用いればよい。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

１ 室外ユニット、２ 室内ユニット、３ 圧縮機、４ 四方弁、５ 室外熱交換器、６ 室内熱交換器、７ 絞り部、８ 室内外接続バルブ、９ 冷媒の流れ方向、１０ ファン、１１ 伝熱フィン、１１ａ 穴部、１５，２５ ヘアピン伝熱管、１６ Ｕベンド管、１７ａ 冷媒入口、１７ｂ 冷媒出口、１８ 空気の流れ方向。

Claims (4)

1. ヘアピン伝熱管が間引きされた熱交換器であって、
   複数の穴部が上下に一列のみ形成された平板状の伝熱フィンと、
   前記複数の穴部のうち、少なくとも一部の前記穴部に挿通させたＵ字形状の複数のヘアピン伝熱管と、
   を備え、
   前記ヘアピン伝熱管が挿通されていない前記穴部を隣接させないことを特徴とする熱交換器。
2. ヘアピン伝熱管が間引きされた熱交換器であって、
   複数の穴部が上下一列に形成された平板状の伝熱フィンと、
   前記複数の穴部のうち、少なくとも一部の前記穴部に挿通させたＵ字形状の複数のヘアピン伝熱管と、
   を備え、
   前記ヘアピン伝熱管が挿通されていない前記穴部を隣接させないように、前記複数のヘアピン伝熱管が挿通されており、
   前記ヘアピン伝熱管が挿通されていない前記穴部は、
   前記伝熱フィンにおける下半分より上半分に多くあることを特徴とする熱交換器。
3. ヘアピン伝熱管が間引きされた熱交換器であって、
   複数の穴部が上下一列に形成された平板状の伝熱フィンと、
   前記複数の穴部のうち、少なくとも一部の前記穴部に挿通させたＵ字形状の複数のヘアピン伝熱管と、
   を備え、
   前記ヘアピン伝熱管が挿通されていない前記穴部を隣接させないように、前記複数のヘアピン伝熱管が挿通されており、
   前記ヘアピン伝熱管が挿通されていない前記穴部の少なくとも一つは、一つの前記ヘアピン伝熱管の間に配置されていることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とする空気調和機。

Images