JP6399008B2 - 熱交換器、及びそれを備えた冷凍装置の室外ユニット - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、扁平管を用いた、冷凍装置の室外ユニット用として搭載される熱交換器に関する。

近年、冷凍装置の室外ユニットでは、例えば、特許文献１（特開２０１５−９０２３７号公報）に開示されているような、扁平管を蛇行状に折り返し、その折り返し部を除く平坦部にフィンを装着した熱交換器が室外熱交換器として採用されている。

当該熱交換器は、ヘッダーを有しないので温度センサを取り付ける場所がおのずと扁平管に絞られてくるが、扁平管は強度が強くなく、温度センサの取付け時に扁平管を変形させ、又は扁平管を傷つけてしまうおそれがある。

本発明の課題は、扁平管を変形させたり、傷つけたりすることなく確実に温度センサが取り付けられる熱交換器を提供することにある。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、折り返し部を有する複数の扁平管と、伝熱フィンと、板部材と、温度センサ保持部とを備えている。伝熱フィンは、扁平管と接触するように装着される。板部材は、扁平管のうち伝熱フィンが装着されているフィン装着部を除くフィン非装着部に装着され、折り返し部が挿入されるための貫通孔を有する。温度センサ保持部は、温度センサを保持させるために板部材に形成される、或いは板部材に固定される。温度センサ保持部は、板部材の貫通孔の端に片持ちはり状に成形された短冊部が、円筒状またはクリップ状に加工されることによって形成されている。

この熱交換器では、温度センサが、扁平管でも伝熱フィンでもない板部材に設けられた温度センサ保持部に保持されるので、扁平管を損傷させることが回避される。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器であって、温度センサ保持部が扁平管の近傍に配置される。

この熱交換器では、温度センサ保持部が扁平管の近傍に配置されることによって温度センサが扁平管に近接するので、熱交換器温度を正確に検知することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第１観点又は第２観点に係る熱交換器であって、扁平管と板部材とがロウ付けされている。

この熱交換器では、扁平管と板部材とのエアギャップが解消されて伝熱性能が向上するので、熱交換器温度を正確に検知することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第１観点から第３観点のいずれか１つに係る熱交換器であって、温度センサ保持部が、温度センサを水平方向に挿入させる保持形状である。

この熱交換器では、扁平管の水平面に沿って温度センサを配置することが可能となるので、扁平管に対する温度センサの測定点が安定し、熱交換器温度を正確に検知することができる。

本発明の第５観点に係る冷凍装置の室外ユニットは、第１観点から第４観点のいずれか１つに係る熱交換器を備えた冷凍装置の室外ユニットであって、ケーシングをさらに備えている。ケーシングは、圧縮機が配置される機械室と送風機が配置される送風機室とを有している。熱交換器は、送風機室に配置されている。板部材は、機械室と送風機室とを分ける仕切り部材の一部として機能する。

この室外ユニットでは、部品の機能の兼用化により、部品の大型化、部品点数の増加を抑制することができる。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、温度センサが、扁平管でも伝熱フィンでもない板部材に設けられた温度センサ保持部に保持されるので、扁平管を損傷させることが回避される。

本発明の第２観点に係る熱交換器では、温度センサ保持部が扁平管の近傍に配置されることによって温度センサが扁平管に近接するので、熱交換器温度を正確に検知することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器では、扁平管と板部材とのエアギャップが解消されて伝熱性能が向上するので、熱交換器温度を正確に検知することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器では、扁平管の水平面に沿って温度センサを配置することが可能となるので、扁平管に対する温度センサの測定点が安定し、熱交換器温度を正確に検知することができる。

本発明の第５観点に係る冷凍装置の室外ユニットでは、部品の機能の兼用化により、部品の大型化、部品点数の増加を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器である室外熱交換器を使用した冷凍装置の構成図。 熱交換器の外観斜視図。 室外ユニットの平面図。 正規位置に配置された左側板、室外熱交換器及び室外ファンの斜視図。 正規位置に配置された左側板、室外熱交換器及び室外ファンを図４とは別の角度から視たときの左側板、室外熱交換器および室外ファンの斜視図。 温度センサ保持部の周辺の拡大側面図。 温度センサ、及び温度センサ保持部の組立前の斜視図。 温度センサ、及び変形例に係る温度センサ保持部の組立前の斜視図。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（１）冷凍装置１の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器である室外熱交換器２５を使用した冷凍装置１の構成図である。図１において、冷凍装置１は、冷房運転及び暖房運転が可能な空気調和装置であり、室外ユニット３と、室内ユニット２と、室外ユニット３と室内ユニット２とを接続するための液冷媒連絡配管７及びガス冷媒連絡配管９とを備えている。

（１−１）室内ユニット２
図１において、室内ユニット２は、室内熱交換器１１と、室内ファン１３とを有している。室内熱交換器１１は、クロスフィン型熱交換器であり、室内空気との熱交換によって内部を流れる冷媒を蒸発又は凝縮させ、室内の空気を冷却又は加熱することができる。

（１−２）室外ユニット３
図１において、室外ユニット３は、主に、圧縮機２１、四路切換弁２３、室外熱交換器２５、膨張弁２７、アキュムレータ２９、液側閉鎖弁３７、及びガス側閉鎖弁３９を有している。さらに、室外ユニット３は室外ファン４１も有している。

（２）室外ユニット３の詳細構成
（２−１）圧縮機２１、四路切換弁２３およびアキュムレータ２９
圧縮機２１は、ガス冷媒を吸入して圧縮する。圧縮機２１の吸込口手前には、アキュムレータ２９が配置されており、圧縮機２１に液冷媒が直に吸い込まれないようになっている。

四路切換弁２３は、冷房運転と暖房運転との切換時に、冷媒の流れの方向を切り換える。冷房運転時、四路切換弁２３は、圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２５のガス側とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側とガス側閉鎖弁３９とを接続する。つまり、図１の四路切換弁２３内の実線で示された状態である。

また、暖房運転時、四路切換弁２３は、圧縮機２１の吐出側とガス側閉鎖弁３９とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と室外熱交換器２５のガス側とを接続する。つまり、図１の四路切換弁２３内の点線で示された状態である。

（２−２）室外熱交換器２５
図２は、室外熱交換器２５の外観斜視図である。図２において、室外熱交換器２５は、マイクロチャネル熱交換器であって、室外空気との熱交換によって内部を流れる冷媒を凝縮又は蒸発させることができる。なお、室外熱交換器２５の詳細構成については、後半で説明する。

（２−３）膨張弁２７
膨張弁２７は、冷媒圧力や冷媒流量の調節を行うために、室外熱交換器２５と液側閉鎖弁３７の間の配管に接続され、冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても、冷媒を膨張させる機能を有している。

（２−４）閉鎖弁３７，３９および冷媒連絡配管７，９
液側閉鎖弁３７及びガス側閉鎖弁３９は、それぞれ、液冷媒連絡配管７及びガス冷媒連絡配管９に接続されている。液冷媒連絡配管７は、室内ユニット２の室内熱交換器１１の液側と室外ユニット３の液側閉鎖弁３７との間を接続している。ガス冷媒連絡配管９は、室内ユニット２の室内熱交換器１１のガス側と室外ユニット３のガス側閉鎖弁３９との間を接続している。

その結果、冷房運転時に圧縮機２１、室外熱交換器２５、膨張弁２７および室内熱交換器１１の順に冷媒が流れ、暖房運転時に圧縮機２１、室内熱交換器１１、膨張弁２７および室外熱交換器２５の順に冷媒が流れる冷凍回路が形成されている。

（２−５）本体ケーシング９１
図３は、室外ユニット３の平面図であり、天板を取り除いて内部を平面的に図示している。また、図４は、正規位置に配置された左側板９１７、室外熱交換器２５及び室外ファン４１の斜視図である。さらに、図５は、正規位置に配置された左側板９１７、室外熱交換器２５及び室外ファン４１を図４とは別の角度から視たときの左側板９１７、室外熱交換器２５および室外ファン４１の斜視図である。

図３、図４及び図５において、室外ユニット３は、外殻を形成する本体ケーシング９１の内部に、室外ファン４１、圧縮機２１、室外熱交換器２５、及び配管等の蒸気圧縮式冷凍サイクルの構成に必要な部材を収納している。

本体ケーシング９１の外形は、天板９１１（図５参照）、底板９１３、基礎脚９１５、左側板９１７、第１前板９１９、第２前板９２１、右側板９２３、及び吸込グリル９２５によって略直方体形状に形成されている。また、天板９１１、底板９１３、基礎脚９１５、左側板９１７、第１前板９１９、第２前板９２１、及び右側板９２３は鋼製の板金加工部材である。

本体ケーシング９１の内部は、鉛直に延びる仕切板９２７によって機械室９１ａと送風機室９１ｂとに分割されており、機械室９１ａに圧縮機２１が、送風機室９１ｂに室外熱交換器２５及び室外ファン４１が収納されている。図３において、室外ファン４１が稼動しているとき、空気はＢ及びＣの方向から吸い込まれ、室外熱交換器２５と熱交換した後、Ａの方向へ吹き出される。

（２−６）室外ファン
図４及び図５において、室外ファン４１は、複数の翼を有するプロペラファンであり、送風機室９１ｂ内の室外熱交換器２５の前側で、吹出口９１９ａ（図３参照）に対向するように配置されている。室外ファン４１は、ファンモータ４１ａによって回転駆動される。

ファンモータ４１ａは、モータ固定台７１に取り付けられている。モータ固定台７１は、上端平面部７１１と下端平面部７１３とが４本の支持棒７１５で連結されている構造体である。ファンモータ４１ａはモータ固定台７１の鉛直方向中央部分に固定されている。

（３）室外熱交換器２５の詳細構成
図２に示すように、室外熱交換器２５は、扁平管２５１、入口ヘッダー２５３、伝熱フィン２５５、出口ヘッダー２５７、防食部材２６０及び管板２７０を含んでいる。

（３−１）扁平管２５１
扁平管２５１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で蛇行状に成形されており、伝熱面となる平面部２５１ａと、折り返し部２５１ｂとを有している。扁平管２５１の内部には、冷媒が流れる複数のマイクロチャネル（図示せず）を形成されている。扁平管２５１は、平面部２５１ａを上下に向けた状態で配置されている。

本実施形態では、４つの扁平管２５１が互いに等間隔を維持したまま蛇行するように５回折り返されている。これを、折り返し部２５１ｂという。折り返し部２５１ｂは、伝熱フィン２５５が装着されるフィン装着部２５０ａから突出して折り返されて再びフィン装着部２５０ａに至る。

説明の便宜上、１回目の折り返し部を第１折り返し部２５１ｂａ、２回目の折り返し部を第２折り返し部２５１ｂｂ、３回目の折り返し部を第３折り返し部２５１ｂｃ、４回目の折り返し部を第４折り返し部２５１ｂｄ、５回目の折り返し部を第５折り返し部２５１ｂｅという。

また、図２に示すように、第２折り返し部２５１ｂｂの上方に入口ヘッダー２５３が配置され、第４折り返し部２５１ｂｄの下方に出口ヘッダー２５７が配置されている。フィン装着部２５０ａから突出して入口ヘッダー２５３及び出口ヘッダー２５７に繋がる扁平管２５１には折り返し部２５１ｂは存在しないので、これらを非折り返し部２５１ｃという。

扁平管２５１の折り返し部２５１ｂ及び非折り返し部２５１ｃには、伝熱フィン２５５が装着されないので、フィン非装着部２５０ｂという。フィン非装着部２５０ｂでは、通過する空気と管内冷媒との熱交換にほとんど貢献しない。

（３−２）伝熱フィン２５５
伝熱フィン２５５は、波形に折り曲げられたアルミニウム製またはアルミニウム合金製のフィンである。伝熱フィン２５５は、上下に隣接する扁平管２５１の平面部２５１ａに挟まれた通風空間に配置され、谷部および山部が扁平管２５１の平面部２５１ａと接触している。なお、谷部と山部と平面部２５１ａとはロウ付け溶接されている。

伝熱フィン２５５は、扁平管２５１の平面部２５１ａのうち、片側の折り返し部から一定長さ離れた位置から反対側の折り返し部から一定長さ離れた位置までロウ付けされている。この領域をフィン装着部２５０ａとよび、それ以外をフィン非装着部２５０ｂとよぶ。

（３−３）入口ヘッダー２５３、出口ヘッダー２５７及び冷媒の流れ
入口ヘッダー２５３は、中空円筒状の管である。入口ヘッダー２５３は、上下方向に等間隔を維持して並ぶ複数の扁平管２５１の一方の端と連結されている。また、入口ヘッダー２５３は、扁平管２５１を支持する機能と、冷媒を扁平管２５１内のマイクロチャネルに導く機能と、マイクロチャネルから出てきた冷媒を集合させる機能とを有している。

出口ヘッダー２５７は、入口ヘッダー２５３と同様に、中空円筒状の管である。出口ヘッダー２５７は、上下方向に等間隔を維持して並ぶ複数の扁平管２５１の他方の端と連結されている。また、出口ヘッダー２５７は、入口ヘッダー２５３と同様に、扁平管２５１を支持する機能と、冷媒を扁平管２５１内のマイクロチャネルに導く機能と、マイクロチャネルから出てきた冷媒を集合させる機能とを有している。

（冷媒の流れ）
図２において、左側上部の入口ヘッダー２５３に流入した冷媒は、上から１段目、２段目、３段目及び４段目の扁平管２５１の各内部流路（マイクロチャネル）へほぼ均等に分配され、最初の折り返し部である第１折り返し部２５１ｂａに向って流れる。

第１折り返し部２５１ｂａに到達した冷媒はそこで進行方向を１８０°反転し、次の折り返し部である第２折り返し部２５１ｂｂに向かって流れる。

第２折り返し部２５１ｂｂに到達した冷媒はそこで進行方向を１８０°反転し、次の折り返し部である第３折り返し部２５１ｂｃに向かって流れる。

第３折り返し部２５１ｂｃに到達した冷媒はそこで進行方向を１８０°反転し、次の折り返し部である第４折り返し部２５１ｂｄに向かって流れる。

第４折り返し部２５１ｂｄに到達した冷媒はそこで進行方向を１８０°反転し、次の折り返し部である第５折り返し部２５１ｂｅに向かって流れる。

第５折り返し部２５１ｂｅに到達した冷媒はそこで進行方向を１８０°反転し、出口ヘッダー２５７に向かって流れる。

例えば、室外熱交換器２５が蒸発器として機能するとき、扁平管２５１内を流れる冷媒は、伝熱フィン２５５を介して通風空間を流れる空気流から吸熱する。室外熱交換器２５が凝縮器として機能するときは、扁平管２５１内を流れる冷媒は、伝熱フィン２５５を介して通風空間を流れる空気流へ放熱する。

（３−４）防食部材２６０
図４及び図５に示すように、扁平管２５１の５つの折り返し部のうち第１折り返し部２５１ｂａ、第３折り返し部２５１ｂｃ及び第５折り返し部２５１ｂｅと、左側板９１７との間に板状の防食部材２６０が取り付けられている。

防食部材２６０は、第１折り返し部２５１ｂａ、第３折り返し部２５１ｂｃ及び第５折り返し部２５１ｂｅが空気流に曝されることを防止して腐食の進行を抑制している。

例えば、防食部材２６０がない場合、扁平管２５１の５つの折り返し部のうち第１折り返し部２５１ｂａ、第３折り返し部２５１ｂｃ及び第５折り返し部２５１ｂｅは、送風機室９１ｂ内で左側板９１７の側面吸入口９１７ｃ（図５参照）に近接しているので、空気流に曝される。

これに対し、第２折り返し部２５１ｂｂ及び第４折り返し部２５１ｂｄは、機械室９１ａ内に位置し、空気流に曝されることがない。このような場合、空気流に曝される第１折り返し部２５１ｂａ、第３折り返し部２５１ｂｃ及び第５折り返し部２５１ｂｅは、空気流に曝されない第２折り返し部２５１ｂｂ及び第４折り返し部２５１ｂｄに比べて腐食の進行が速くなる。

そこで、室外熱交換器２５では、扁平管２５１、防食部材２６０、ロウ材の順に電位が小さくなる構成としている。それゆえ、扁平管２５１に対して防食部材２６０が犠牲防食効果を発揮し、防食部材２６０及び扁平管２５１に対してロウ材が犠牲防食効果を発揮する。

（３−５）管板２７０
図２〜図４に示すように、フィン装着部２５０ａを挟んで防食部材２６０と反対側となるフィン非装着部２５０ｂに管板２７０が取り付けられている。管板２７０は、フィン装着部２５０ａに装着された伝熱フィン２５５の群を防食部材２６０とで挟み込むように配置されている。管板２７０は、フィン非装着部２５０ｂで扁平管２５１とロウ付けされる。

本体ケーシング９１の内部を機械室９１ａと送風機室９１ｂとに分ける仕切板９２７は、第１前板９１９と第２前板９２１との境界から延び、その終端は室外熱交換器２５の管板２７０寄りに至る。そして、室外熱交換器２５と本体ケーシング９１の背面側との隙間は、管板２７０によって機械室９１ａと送風機室９１ｂとに仕切られる。つまり、管板２７０は、仕切部材としての機能も有している。

（３−５−１）温度センサ保持部２８０
図２及び図４に示すように、管板２７０の略中央であって、扁平管２５１の第２折り返し部２５１ｂｂと第４折り返し部２５１ｂｄとの間に、温度センサが挿入される温度センサ保持部２８０が設けられている。

図６は、温度センサ保持部２８０の周辺の拡大側面図である。図６において、温度センサ保持部２８０は、第４折り返し部２５１ｂｄの最も外側に位置する扁平管２５１に接するように設けられている。

従来、温度センサ４５は熱交換器の伝熱管にクリップで固定されていたが、扁平管２５１は強度が従来の伝熱管に比べて弱く、クリップでの固定は扁平管２５１の損傷を招くので、本実施形態では管板２７０に温度センサ保持部２８０が設けられている。

温度センサ保持部２８０は、管板２７０に製作後に管板２７０に固着させてもよいが、本実施形態では管板２７０の製作時に管板２７０の材料自体を用いて一体成形される。

図７は、温度センサ４５、及び温度センサ保持部２８０の組立前の斜視図である。図７において、管板２７０には扁平管２５１の第２折り返し部２５１ｂｂ及び第４折り返し部２５１ｂｄが挿入されるための２つの貫通孔２７０ａが必要であり、図７にはその内の第４折り返し部２５１ｂｄが挿入される貫通孔２７０ａが描かれている。

本実施形態では、打ち抜き加工により貫通孔２７０ａを形成する際、貫通孔２７０ａの上端だけが母材から分離しないように穿孔して、「片持ちはり」状の短冊部を成形する。そして、その短冊部を円筒状に巻き加工することによって、図７に示すような温度センサ保持部２８０が形成される。

温度センサ保持部２８０は、貫通孔２７０ａの上端部に位置するので、貫通孔２７０ａに扁平管２５１の第４折り返し部２５１ｂｄが挿入されたとき、扁平管２５１と温度センサ保持部２８０とが近接する。

また、温度センサ保持部２８０の温度センサ挿入孔２８０ａは、水平方向に貫通しているので、扁平管２５１の平面部分と平行に並ぶ。したがって、温度センサ４５と扁平管２５１の平面部分とは、温度センサ保持部２８０の厚み、すなわち管板２７０の板厚分だけ離れているに過ぎず、扁平管２５１内を流れる冷媒の温度を正確に検知することができる。

（４）特徴
（４−１）
室外熱交換器２５では、温度センサ４５が扁平管２５１でも伝熱フィン２５５でもない管板２７０に設けられた温度センサ保持部２８０に保持されるので、扁平管２５１を損傷させることなく温度センサ４５を室外熱交換器２５に装着することできる。

（４−２）
室外熱交換器２５では、温度センサ保持部２８０が扁平管２５１の近傍に配置される。それゆえ、温度センサ４５が扁平管２５１に近接するので、熱交換器温度を正確に検知することができる。

（４−３）
室外熱交換器２５では、扁平管２５１と管板２７０とのエアギャップが解消されて伝熱性能が向上するので、熱交換器温度を正確に検知することができる。

（４−４）
室外熱交換器２５では、扁平管２５１の水平部に沿って温度センサ４５を配置することができるので、扁平管２５１に対する温度センサ４５の測定点が安定し、熱交換器温度を正確に検知することができる。

（４−５）
冷凍装置の室外ユニット３では、部品の機能の兼用化により、部品の大型化、部品点数の増加を抑制することができる。

（５）管板２７０の変形例
上記実施形態では、温度センサ保持部２８０は中空円筒状に成形して温度センサ挿入孔２８０ａを製作しているが、これに限定されるものではない。

例えば、図８は、温度センサ４５、及び変形例に係る温度センサ保持部２８０の組立前の斜視図であるが、図８において、温度センサ保持部２８０の製作は、貫通孔２７０ａの上端だけが母材から分離しないように穿孔して「片持ちはり」状の短冊部を成形する、というところまでは上記実施形態と同様であるが、その後、短冊部を円筒状にではなく、クリップ状に成形している。

温度センサ保持部２８０をクリップ状にすることで、弾性を利用して温度センサ４５を保持することができるので、温度センサ４５を温度センサ保持部２８０へ組み込む際の作業効率の向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、アルミ製の熱交換器を室外熱交換器として採用することができるので、空気調和機に限らずヒートポンプ式給湯機にも有用である。

３ 室外ユニット
２５ 室外熱交換器
４１ 送風機
４５ 温度センサ
９１ 本体ケーシング（ケーシング）
２５０ａ フィン装着部
２５０ｂ フィン非装着部
２５１ 扁平管
２５５ 伝熱フィン
２７０ 管板（板部材）
２８０ センサ保持部

特開２０１５−９０２３７号公報

Claims (5)

1. 折り返し部（２５１ｂ）を有する複数の扁平管（２５１）と、
   前記扁平管（２５１）と接触するように装着される伝熱フィン（２５５）と、
   前記扁平管（２５１）のうち前記伝熱フィン（２５５）が装着されているフィン装着部（２５０ａ）を除くフィン非装着部（２５０ｂ）に装着され、前記折り返し部（２５１ｂ）が挿入されるための貫通孔（２７０ａ）を有する板部材（２７０）と、
   温度センサ（４５）を保持させるために前記板部材（２７０）に形成される或いは前記板部材（２７０）に固定される温度センサ保持部（２８０）と、
   を備え、
   前記温度センサ保持部（２８０）は、前記板部材（２７０）の前記貫通孔（２７０ａ）の端に片持ちはり状に成形された短冊部が、円筒状またはクリップ状に加工されることによって形成されている、
   熱交換器（２５）。
2. 前記温度センサ保持部（２８０）は、前記扁平管（２５１）の近傍に配置される、
   請求項１に記載の熱交換器（２５）。
3. 前記扁平管（２５１）と前記板部材（２７０）とはロウ付けされる、
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器（２５）。
4. 前記温度センサ保持部（２８０）は、前記温度センサ（４５）を水平方向に挿入させる保持形状である、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器（２５）。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器を備えた冷凍装置の室外ユニットであって、
   圧縮機（２１）が配置される機械室（９１ａ）と送風機（４１）が配置される送風機室（９１ｂ）とを有するケーシング（９１）をさらに備え、
   前記熱交換器（２５）は前記送風機室（９１ｂ）に配置され、
   前記板部材（２７０）は、前記機械室（９１ａ）と前記送風機室（９１ｂ）とを分ける仕切り部材の一部として機能する、
   冷凍装置の室外ユニット（３）。

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