JP6548824B2 - 熱交換器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器および冷凍サイクル装置に関するものである。
従来、互いに間隔を隔てて平行状に配置された複数の扁平管と、複数の扁平管の各々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が用いられている。このような、熱交換器は、たとえば特開平9−280754号公報(特許文献1)に開示されている。この熱交換器においては、コルゲートフィンは扁平管よりも風上側に突出するように構成されている。
特開平9−280754号公報
しかしながら、上記の公報に記載された熱交換器においては、コルゲートフィンの扁平管よりも風上側に突出する部分では、コルゲートフィンに付着した凝縮水が扁平管の側面に沿って排水されることはない。そのため、熱交換器の排水性が悪化するという問題がある。なお、この凝縮水は、冷暖房時に熱交換器の表面で発生する凝縮水であって、気温が低いときに霜または氷と化した凝縮水が除霜時に溶けたものを含んでいる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排水性を向上することができる熱交換器およびそれを備えた冷凍サイクル装置を提供することである。
本発明の熱交換器は、第1の扁平管と、コルゲートフィンと、第2の扁平管と、ルーバを備えている。第1の扁平管は第1の方向に延びる。コルゲートフィンは第1の扁平管の第1側に配置され、第1隆起および第1隆起に隣接して配置された第2隆起を有し、第1隆起で第1の扁平管に接続する。第2の扁平管は第1の方向に実質的に平行である第2の方向に延び、コルゲートフィンを越えて第1扁平管と反対側の位置に配置され、第2隆起でコルゲートフィンに接続する。第1の扁平管は第1の方向に第1長さを有する。第2の扁平管は前記第2の方向に第2長さを有する。コルゲートフィンは第1方向および第2の方向の少なくともいずれかに第3長さを有する。第3長さは第1長さおよび第2長さの両方よりも短い。ルーバは第1隆起と第2隆起の間においてコルゲートフィンに形成されている。第1の扁平管および第2の扁平管の各々は、後縁部と、後縁部に対して第2の方向に位置する前縁部とを含む。コルゲートフィンは、後縁部と前縁部との間の中央よりも後縁部側に配置されており、かつ中央よりも前縁部側に配置されていない。
本発明の熱交換器によれば、第3長さは第1長さおよび第2長さの両方よりも短い。このため、第1の扁平管および第2の扁平管の各々のコルゲートフィンから突出する部分に付着した凝縮水を第1の扁平管および第2の扁平管の各々の側面に沿って排水することができる。また、第1隆起と第2隆起の間においてコルゲートフィンにルーバが形成されている。このため、コルゲートフィンに付着した凝縮水をルーバを通して下方に流すことができる。したがって、熱交換器の排水性を向上することができる。
本発明の一実施の形態における熱交換の構成を概略的に示す正面図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 図2の領域IIIの拡大図である。 図2のIV−IV線に沿う断面図である。 本発明の一実施の形態における熱交換のフィン幅と対フィンレス排水速度との関係を示す特性図である。 本発明の一実施の形態における熱交換のフィン幅と対フィンレス暖房低温能力との関係を示す特性図である。 本発明の一実施の形態における熱交換のコルゲートフィンの折り曲げ角度と排水速度との関係を示す特性図である。 本発明の一実施の形態における熱交換のコルゲートフィンの折り曲げ角度と暖房低温能力との関係を示す特性図である。 本発明の一実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施の形態における熱交換器の外観を示す図である。図2は、図1のII−II線に沿う熱交換器の断面を示す図である。図1および図2を参照して、本発明の一実施の形態における熱交換器の構成について説明する。本実施の形態の熱交換器は、フィンチューブ型熱交換器である。本実施の形態の熱交換器は、たとえば空気調和機に用いられる。
本実施の形態の熱交換器は、第1のヘッダ1と、第2のヘッダ2と、複数の扁平管10と、コルゲートフィン20とを備えている。
第1のヘッダ1および第2のヘッダ2は互いに向かい合うように配置されている。第2のヘッダ2は、第1のヘッダ1に対して第4の方向D4に位置する。第1のヘッダ1および第2のヘッダ2はそれぞれ内部に冷媒が流通する冷媒通路を有している。
複数の扁平管10は第1のヘッダ1と第2のヘッダ2との間に配置されている。複数の扁平管10の各々の両端は第1のヘッダ1および第2のヘッダ2にそれぞれ接続されている。複数の扁平管10は互いに間隔を隔てて配置されている。複数の扁平管10は互いに重力方向に平行に配置されている。
複数の扁平管10の各々は、扁平形状を有している。具体的には、複数の扁平管10の各々は、第4の方向D4にそれぞれ延びている。また、複数の扁平管10の各々は、第4の方向D4に交差する第1の方向D1または第1の方向D1に実質的に平行である第2の方向D2に延びている。ここで、「実質的に平行である」とは、完全に平行であることに加えて製造誤差の範囲内において平行であることを意味している。複数の扁平管の各々の材料として、たとえば、アルミニウムが用いられる。
複数の扁平管10の各々の短軸(短手方向)dの寸法は、たとえば、1.0mmである。複数の扁平管10の各々の間のピッチFpは、たとえば3.0mmである。このピッチFpは、複数の扁平管10が並ぶ方向、つまり、複数の扁平管10の段方向のピッチである。この複数の扁平管10の段方向は、第1の方向D1または第2の方向D2と、第4の方向D4の両方と交差する第3の方向D3である。
複数の扁平管10はそれぞれ第1の方向D1および第2の方向D2の少なくともいずれかに沿って並んで配置された複数の貫通孔Hを有している。複数の貫通孔Hはそれぞれ第4の方向D4に、複数の扁平管10の各々の一方端から他方端に向かって貫通している。これらの複数の貫通孔Hは、その内部に冷媒を流通させるように第1のヘッダ1および第2のヘッダ2の各々の冷媒通路に連通している。
複数の扁平管10のうち互いに隣り合う扁平管10を第1の扁平管11と、第2の扁平管12とする。第1の扁平管11は、第1のヘッダ1および第2のヘッダ2の各々に接続されている。第1の扁平管11の一方端に第1のヘッダ1が接続されており、第1の扁平管11の他方端に第2のヘッダ2が接続されている。第1の扁平管11は、第1の方向D1に延びる。
第2の扁平管12は、第1のヘッダ1および第2のヘッダ2の各々に接続されている。第2の扁平管12の一方端に第1のヘッダ1が接続されており、第2の扁平管12の他方端に第2のヘッダ2が接続されている。第2の扁平管12は、第1の方向D1に実質的に平行である第2の方向D2に延びている。第2の扁平管12は、第1の扁平管11と間隔を隔てて配置される。
第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々は、前縁部F1と、後縁部B1とを有している。前縁部F1は、後縁部B1に対して第2の方向D2に位置する。図2中矢印Aで示す熱交換器に送風される風の流れ(風向)において、前縁部F1は上流に配置されており、後縁部B1は下流に配置されている。つまり、前縁部F1は後縁部B1よりも上流側に配置されている。
複数の扁平管10の各々の間に複数のコルゲートフィン20がそれぞれ配置されている。コルゲートフィン20は、第1の扁平管11と第2の扁平管12の間に配置されている。コルゲートフィン20が配置されている第1の扁平管11と第2の扁平管12の間の距離は、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の短軸(短手方向)の寸法よりも大きい。
コルゲートフィン20は第1の扁平管11の第1側S1に配置されている。コルゲートフィン20は第1隆起20a1および第2隆起20a2を有している。第2隆起20a2は第1隆起20a1に隣接して配置されている。コルゲートフィン20は第1隆起20a1で第1の扁平管11に接続する。コルゲートフィン20を越えて第1の扁平管11と反対側の位置に第2の扁平管12は配置されている。第2の扁平管12は第2隆起20a2でコルゲートフィン20に接続する。第1隆起20a1と第2隆起20a2の間においてコルゲートフィン20にルーバ30が形成されている。
コルゲートフィン20は、前端部F2と、後端部B2とを有している。前端部F2は、後端部B2に対して第2の方向D2に位置する。つまり、後端部B2は、前端部F2に対して第2の方向D2と反対方向に位置する。熱交換器に送風される風の流れにおいて、前端部F2は上流に配置されており、後端部B2は下流に配置されている。つまり、前端部F2は後端部B2よりも上流側に配置されている。
第1の扁平管11は第1の方向D1に第1長さL1を有する。第2の扁平管12は第2の方向D2に第2長さL2を有する。コルゲートフィン20は第1の方向D1および第2の方向D2の少なくともいずれかに第3長さL3を有する。第3長さL3は第1長L1さおよび第2長さL2の両方よりも短い。第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々は、第2の方向D2にコルゲートフィン20から突出している。つまり、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の前縁部F1は、第2の方向D2においてコルゲートフィン20の前端部F2よりも前方に突出している。第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の前縁部F1には、コルゲートフィン20は設けられていない。
第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の前縁部F1と、コルゲートフィン20の前端部F2とは、風の流れの上流側に配置されている。第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の後縁部B1と、コルゲートフィン20の後端部B2とは、風の流れの下流側に配置されている。
コルゲートフィン20は、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の後縁部B1と前縁部F1との間の中央CPよりも後縁部側に配置されている。この中央CPは、複数の扁平管10の各々の長軸(長手方向)Lpの中間軸である。つまり、前縁部F1から中央CPまでの長さはLp/2であり、後縁部B1から中央CPまでの長さはLp/2である。したがって、第2の方向D2におけるコルゲートフィン20の幅(フィン幅)Lは、Lp/2よりも短くなる。
第2の方向D2において、コルゲートフィン20の後端部B2の位置は、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の後縁部B1の位置と一致する。つまり、コルゲートフィン20の後端部B2と第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の後縁部B1とは第2の方向D2において面一となるように配置されている。
コルゲートフィン20は、波形形状に折り曲げられている。具体的には、コルゲートフィン20は、シート材を波形形状に折り曲げて成形されている。コルゲートフィン20の材料として、たとえば、アルミニウムが用いられる。コルゲートフィン20は、第1の扁平管11および第2の扁平管12に交互に当接する。具体的には、コルゲートフィン20は、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々にろう付けされている。
コルゲートフィン20の波形形状の折り曲げ角度は90度よりも大きい。コルゲートフィン20の折り曲げ角度は、100度よりも大きく130度よりも小さいことが好ましい。コルゲートフィン20の波形形状は複数の頂点20aを有している。コルゲートフィン20は、波形形状の頂点20a間に配置された複数の傾斜部20bを含んでいる。コルゲートフィン20の波形形状の折り曲げ角度は、複数の傾斜部20bのうち隣り合う傾斜部20b同士のなす内角である。言い換えれば、コルゲートフィン20の波形形状の折り曲げ角度は、複数の傾斜部20bのうち連続する傾斜部20b同士の互いに向かい合う角度である。複数の傾斜部20bはそれぞれルーバ30を有している。複数の傾斜部20bの各々は平面形状を有している。複数の傾斜部20bの各々に設けられたルーバ30はそれぞれ上下方向に重なるように配置されている。
図3は、ルーバ30を上面から見た拡大図である。図4は、ルーバ30の断面図である。図3および図4を参照して、ルーバ30は、複数の羽板30aと、複数の羽板30aの各々の間にそれぞれ設けられた開口部30bとを有している。複数の羽板30aの各々は、傾斜部20bの表面から切り起こされるように構成されている。複数の羽板30aは互いに平行に配置されている。複数の羽板30aは互いに等間隔で配置されている。
ルーバ30は、第2の方向D2と反対側に開口している。言い換えれば、第2の方向D2と反対側に開口部30bが配置されている。開口部30bは風下側に配置されている。つまり、ルーバ30は、風下側に開口している。
続いて、本実施の形態の熱交換器の排水性について説明する。
図5は、フィンの無い熱交換器(フィンレス熱交換器)に対する、コルゲートフィンの幅Lを変化させたときの凝縮水の排水速度の変化(%)を示している。この排水速度は、図2に示すように、コルゲートフィン20の後端部B2を複数の扁平管10の後縁部B1と一致させた状態での排水速度である。図5を参照して、フィン幅Lを大きくすると、複数の扁平管10の間で排水される凝縮水の量が低下し、かつコルゲートフィン20から排水される凝縮水の量が増加するため、排水速度が低下する。
図6は、フィンレス熱交換器に対する、コルゲートフィンの幅Lを(フィン後縁を扁平管後縁と一致させた状態で)変化させたときの暖房低温能力の変化(%)を示している。この暖房低温能力は、図2に示すように、コルゲートフィン20の後端部B2を複数の扁平管10の後縁部B1と一致させた状態での暖房低温能力である。
図6を参照して、暖房低温能力の値は、フィン幅変更時の熱交換器能力計算から着霜運転時の能力を計算し、排水性速度の実験結果から除霜時間を算出し、平均暖房低温能力を計算したものである。具体的には、複数の扁平管10の各々の長軸(長手方向)Lpの長さに対しフィン幅Lを変更したときの排水性に関する実験を実施した。この際、熱交換器を水中から引き上げ、時間ごとの重量を測定した。除霜時間は、排水後の熱交換器に残る残水の持つ熱容量と熱交換器の熱容量から予測される。一方、着霜運転時の能力は、時間毎の熱交換器の伝熱性能と着霜時の風量から熱交換器処理能力Ga(風量)×ε(エンタルピ効率)を計算し、Q=Ga×ε×Δh(空気と熱交換器蒸発温度のエンタルピ差)で求められる。
フィン幅Lを増加させていくと、フィン面積が増加することで熱交換器性能が増加するため暖房低温能力も増加する。しかしながら、図2に示すフィン幅Lを扁平管10の長軸Lpの中心軸よりも扁平管10の前縁部側まで伸ばすと、暖房低温能力が低下する。これは、コルゲートフィン20の前端部F2が第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の前縁部F1と接近することで、コルゲートフィン20の前端部F2と空気との温度差が大きくなるので前端部F2に付着する霜量が増大するため、風量低下が起きることによる。また、フィン幅Lを伸ばすと、図5に示すように、排水速度が低下するため、除霜時間が増加することによる。
図7は、コルゲートフィンの折り曲げ角度θを変化させた場合の排水速度の変化(%)を示している。図7を参照して、図1に示すコルゲートフィンの折り曲げ角度θを大きくすると、凝縮水が重力に沿ってルーバ間を排水し易くなるため排水速度は増加する。
図8は、コルゲートフィンの折り曲げ角度θを変化させた場合の暖房低温能力の変化(%)を示している。図8を参照して、図1に示すコルゲートフィンの折り曲げ角度θを大きくしていくと、暖房低温能力は大きくなるが、θ=120°付近でピークとなり、その後低下する。これは、20°<θ<130°ではコルゲートフィンの折り曲げ角度θを大きくしていくと排水速度が大きくなる影響で除霜時間が短くなり、暖房低温能力が増加するためである。また、130°<θでは、フィン面積低下のため着霜運転時の熱交換器性能が低下することで着霜運転時の能力が低下するためである。100°<θ<130°では、暖房低温能力は、能力測定精度の1%以内となるため、十分に本実施の形態の効果を奏する。つまり、暖房低温能力のピークの1%以内であれば、能力測定誤差±1%以内であり、ほぼピーク能力となる仕様とみなせる。
続いて、本発明の一実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路について説明する。図9は、本発明の一実施の形態における冷凍サイクル装置の一例としての空調冷凍装置の冷媒回路図である。
図9を参照して、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機33と、凝縮熱交換器34と、絞り装置35と、蒸発熱交換器36と、第1の送風機37と、第2の送風機38とを備えている。圧縮機33と、凝縮熱交換器34と、絞り装置35と、蒸発熱交換器36とが配管を介して連通されることにより冷媒回路は構成されている。冷媒は、図中矢印で示すように、冷媒回路を圧縮機33、凝縮熱交換器34、絞り装置35、蒸発熱交換器36の順に循環する。
圧縮機33は、冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機33は熱交換器との間で冷媒を循環させるように構成されている。凝縮熱交換器34は、凝縮器として機能し、圧縮機33により圧縮された冷媒を凝縮するように構成されている。凝縮熱交換器34には第1の送風機37が併設されている。第1の送風機37は、凝縮熱交換器34における冷媒と空気との熱交換量を調整するように構成されている。
絞り装置35は凝縮熱交換器34により凝縮された冷媒を減圧するように構成されている。蒸発熱交換器36は、蒸発器として機能し、絞り装置35により減圧された冷媒を蒸発させるように構成されている。蒸発熱交換器36には第2の送風機38が併設されている。第2の送風機38は、蒸発熱交換器36における冷媒と空気との熱交換量を調整するように構成されている。
上述の本実施に形態の熱交換器を凝縮熱交換器34および蒸発熱交換器36のいずれか、もしくは両方に用いることができる。これにより、エネルギ効率の高い空調冷凍装置を実現することができる。ここで、エネルギ効率は、次式で構成されるものである。
暖房エネルギ効率=室内熱交換器(凝縮器)能力/全入力
冷房エネルギ効率=室内熱交換器(蒸発器)能力/全入力
なお、上述の本実施の形態の熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、R410a、R32、HFO1234yf等の冷媒を用いて、その効果を達成することができる。
また、作動流体として、空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏することができる。
また、上述の本実施の形態の熱交換器を室内機に用いた場合においても、同様な効果を奏することができる。
なお、上述の本実施の形態の熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、鉱油系、アルキルベンゼン油系、エステル油系、エーテル油系、フッ素油系など、冷媒と油が溶ける、溶けないにかかわらず、どんな冷凍機油についても、その効果を達成することができる。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の熱交換器によれば、第3長さL3は第1長さL1および第2長さL2の両方よりも短い。このため、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々のコルゲートフィン20から突出する部分に付着した凝縮水を第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の側面に沿って排水することができる。また、第1隆起20a1と第2隆起20a2の間においてコルゲートフィン20にルーバ30が形成されている。このため、コルゲートフィン20に付着した凝縮水をルーバ30を通して下方に流すことができる。したがって、熱交換器の排水性を向上することができる。
また、コルゲートフィン20の波形形状の頂点20a間に配置された複数の傾斜部20bはそれぞれルーバ30を有している。このため、コルゲートフィン20に付着した凝縮水を傾斜部20bに沿ってルーバ30に導き、ルーバ30を通して下方に流すことができる。
また、コルゲートフィン20の波形形状の折り曲げ角度は90度よりも大きい。このため、コルゲートフィン20に付着した凝縮水を波形形状に沿って下方に流れやすくすることができる。
また、本実施の形態の熱交換器によれば、コルゲートフィン20の折り曲げ角度は、100度よりも大きく130度よりも小さい。これにより、暖房低温能力は、能力測定精度の1%以内となるため、十分に本実施の形態の効果を奏することができる。
また、本実施の形態の熱交換器によれば、ルーバ30は、第2の方向D2と反対側に開口している。このため、暖房低温運転時の霜を発達しにくくすることができる。したがって、通風抵抗を増加しにくくすることができる。これにより、暖房低温能力を増加することができる。
また、本実施の形態の熱交換器によれば、コルゲートフィン20は、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の後縁部B1と前縁部F1との間の中央CPよりも後縁部側に配置されている。このため、コルゲートフィン20の前端部F2と第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の前縁部F1とが接近しないので、コルゲートフィン20の前端部F2と空気との温度差が大きくならない。したがって、コルゲートフィン20の前端部F2に付着する霜量が増大しないため、風量低下を抑制することができる。また、フィン幅Lを伸ばすことによる排水速度の低下を抑制することができるため、除霜時間の増加を抑制することができる。よって、暖房低温能力を増加することができる。
また、本実施の形態の熱交換器によれば、第2の方向D2において、コルゲートフィン20の後端部B2の位置は、第1の扁平管11および第2の扁平管12の各々の後縁部B1の位置と一致する。このため、第1の扁平管11と第2の扁平管12との間にコルゲートフィン20を挿入する際の位置決めが容易となる。
本実施の形態の冷凍サイクル装置によれば、上記の熱交換器と、熱交換器との間で冷媒を循環させる圧縮機33とを備えている。このため、排水性を向上することができる熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 第1のヘッダ、2 第2のヘッダ、10 扁平管、11 第1の扁平管、12 第2の扁平管、20 コルゲートフィン、20a 頂点、20a1 第1隆起、20a2 第2隆起、20b 傾斜部、30 ルーバ、30a 羽板、30b 開口部、33 圧縮機、34 凝縮熱交換器、35 絞り装置、36 蒸発熱交換器、37 第1の送風機、38 第2の送風機、B1 後縁部、B2 後端部、CP 中央、D1 第1の方向、D2 第2の方向、D3 第3の方向、F1 前縁部、F2 前端部、L1 第1長さ、L2 第2長さ、L3 第3長さ。

Claims (5)

  1. 第1の方向に延びる第1の扁平管と、
    前記第1の扁平管の第1側に配置され、第1隆起および前記第1隆起に隣接して配置された第2隆起を有し、前記第1隆起で前記第1の扁平管に接続するコルゲートフィンと、
    前記第1の方向に実質的に平行である第2の方向に延び、前記コルゲートフィンを越えて前記第1の扁平管と反対側の位置に配置され、前記第2隆起で前記コルゲートフィンに接続する第2の扁平管とを備え、
    前記第1の扁平管は前記第1の方向に第1長さを有し、
    前記第2の扁平管は前記第2の方向に第2長さを有し、
    前記コルゲートフィンは前記第1の方向および前記第2の方向の少なくともいずれかに第3長さを有し、
    前記第3長さは前記第1長さおよび前記第2長さの両方よりも短く、かつ
    前記第1隆起と前記第2隆起の間において前記コルゲートフィンに形成されたルーバをさらに備え、
    前記第1の扁平管および前記第2の扁平管の各々は、後縁部と、前記後縁部に対して前記第2の方向に位置する前縁部とを含み、
    前記コルゲートフィンは、前記後縁部と前記前縁部との間の中央よりも前記後縁部側に配置されており、かつ前記中央よりも前記前縁部側に配置されていない、熱交換器。
  2. 前記コルゲートフィンの前記折り曲げ角度は、100度よりも大きく130度よりも小さい、請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記ルーバは、前記第2の方向と反対側に開口している、請求項1または2に記載の熱交換器。
  4. 前記コルゲートフィンは、前端部と、前記前端部に対して前記第2の方向と反対方向に位置する後端部とを含み、
    前記第2の方向において、前記コルゲートフィンの前記後端部の位置は、前記第1の扁平管および前記第2の扁平管の各々の前記後縁部の位置と一致する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
  5. 請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換器と、
    前記熱交換器との間で冷媒を循環させる圧縮機とを備えた、冷凍サイクル装置。
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