JP6621928B2 - 熱交換器および空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、熱交換器および空気調和装置に関する。

従来、扁平管を伝熱管として用いた熱交換器が知られている（たとえば、特開平９−２８０７５４号：特許文献１参照）。特許文献１に開示された熱交換器では、伝熱管として複数の扁平管を互いに平行に配置し、隣接する扁平管の間にコルゲートフィンを配置している。コルゲートフィンの風上側部分には補強リブが形成されている。また、コルゲートフィンの風下側部分にはルーバが形成されている。コルゲートフィンは、伝熱管より風上側に延在する部分を有する。このような熱交換器はたとえば空気調和機に適用される。特許文献１では、上記のような構成とすることにより、コルゲートフィンの成型加工時の蛇行を防止でき、また蒸発器として作用させたときの着霜領域を十分確保できるとしている。

特開平９−２８０７５４号公報

上記のような従来の熱交換器では、コルゲートフィンの表面積が十分に大きくなっているために伝熱性能という点では優れている。しかし、除霜運転時においてコルゲートフィンの表面から水滴を除去する排水性という点については、上述した従来の熱交換器には改善の余地があった。

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、この発明の目的は、伝熱性能と排水性に優れた熱交換器および当該熱交換器を適用した空気調和機を提供することである。

この発明に係る熱交換器は、少なくとも１つの伝熱管と、少なくとも１つのフィンとを備える。伝熱管は、第１方向に沿って延びるように設けられており、かつ内部に冷媒が流通する。フィンは、第１方向と交差する第２方向において伝熱管の中央より風上側に位置し、伝熱管に接続される。少なくとも１つの伝熱管は、互いに隣接する第１の伝熱管および第２の伝熱管を含む。少なくとも１つのフィンは、第１の伝熱管に接続された第１のフィンを含む。第１の伝熱管の表面からの第１のフィンの突出高さは、第１の伝熱管と第２の伝熱管との間の距離未満である。

この発明によれば、伝熱管の中央より風上側にフィンを形成しているので、熱交換器の伝熱特性を向上させることができる。さらに、フィンの表面に付着した水滴が空気の流れにより風下側に移動したときに、当該水滴はフィンの風下側に位置する伝熱管の表面上に流れ、当該伝熱管の表面を伝って容易に排出される。すなわち、熱交換器の排水性を向上させることができる。

本実施形態に係る熱交換器の外観模式図である。 本実施形態に係る熱交換器の部分外観模式図である。 本実施形態に係る熱交換器の部分側面模式図である。 図３の線分ＩＶ−ＩＶにおける部分断面模式図である。 本実施形態に係る熱交換器の変形例の部分断面模式図である。 本実施形態に係る熱交換器の製造方法を説明するための模式図である。 本実施形態に係る熱交換器を用いた空気調和装置の冷媒回路を示す模式図である。 比較例の熱交換器の部分外観模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
＜熱交換器の構成＞
図１および図２は本実施形態に係る熱交換器の外観を示したものである。図３は図１および図２に示した熱交換器を側面側から見た部分側面模式図である。図４は、図３の線分ＩＶ−ＩＶにおける断面模式図である。

図１〜図４に示す本実施形態に係る熱交換器は、扁平管である少なくとも１つの伝熱管１と、当該伝熱管１の表面に形成された少なくとも１つのフィン３と、重力方向に沿って配置された伝熱管１の上端と下端とにそれぞれ接続されたヘッダ２とを備える。伝熱管１は、重力方向に沿った方向である第１方向に沿って延びるように設けられている。伝熱管１の内部には冷媒が流通する。扁平管状の形状を有する伝熱管１の内部には、その延在方向（第１方向）に沿って復数の冷媒流路が形成されていてもよい。

図１に示した熱交換器では、複数の伝熱管１が互いにほぼ平行に並ぶように配置されている。複数の伝熱管１の上端はそれぞれ上側のヘッダ２に接続されている。また、複数の伝熱管１の下端もそれぞれ下側のヘッダ２に接続されている。下側のヘッダ２には図１の矢印に示すように、たとえばその端部から冷媒が供給される。ヘッダ２の内部から伝熱管１の内部に流れる冷媒は、伝熱管１の内部を上昇し、上側のヘッダ２の内部に流れる。上側のヘッダ２に到達した冷媒はヘッダ２のたとえば端部から矢印で示されるようにヘッダ２の外部へ排出される。

切起しであるフィン３は、伝熱管１において隣接する伝熱管１同士が対向する側面部分に形成されている。当該側面部分は、伝熱管１の側面のうち最も面積が大きい平面部分である。複数のフィン３は、伝熱管１の延在方向に沿って互いに間隔を隔てて配置されている。伝熱管１に接続されたフィン３は、伝熱管１の第１方向と交差する第２方向（第１方向に直交し、風上から風下に向かう方向）において伝熱管１の中央である中心軸４（図２参照）より風上側に位置する。フィン３は中心軸４より風下側には形成されていない。図１に示した熱交換器では、上記のような一組のヘッダ２の間を繋ぐように複数の伝熱管１が配置された２つのユニットが、風上方向から風下方向にむかって並ぶように配置されている。当該ユニットでは、伝熱管１においてフィン３が形成された上記側面部分の表面が、風上から風下へ向かう方向に沿うように、伝熱管１が配置されている。

図３に示すように、板状体であるフィン３は、風上側から風下側に向けて、水平方向から重力方向下向きに傾いた表面を有する。フィン３の水平方向に対する傾き角θは、たとえば０°超え３０°以下であってもよい。傾き角θの下限は５°でもよく、１０°でもよい。傾き角θの上限は２０°であってもよく、１５°であってもよい。

図４に示すように、少なくとも１つのフィン３は、風上側から見たときに伝熱管１を挟むように配置された第１のフィン３と第２のフィン３とを含む。伝熱管１の延在方向（第１方向）から見た少なくとも１つのフィン３の平面形状は四角形状である。フィン３の伝熱管１表面からの突出高さであるフィン３の幅は、たとえば隣接する伝熱管１の間の距離の半分以下であってもよい。この場合、隣接する伝熱管１において第１方向におけるフィン３の位置が同じになっていてもよい。また、フィン３の幅は、たとえば隣接する伝熱管１の間の距離の半分より大きく、当該距離未満であってもよい。この場合、隣接する伝熱管１において第１方向におけるフィン３の位置が異なるように、フィン３が配置される。また、フィン３と伝熱管１との接続部の長さは、たとえば風上から風下に向かう方向での伝熱管１の長さの３０％以上４０％以下でもよい。フィン３の厚みは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下でもよく、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下でもよい。

図４に示すように、伝熱管１は、伝熱管本体８と、接合材７と、外殻部材５とを含む。外殻部材５は、伝熱管本体８の外周を囲む。少なくとも１つのフィン３は外殻部材５の表面に形成されている。外殻部材５を構成する材料は、アルミニウムであってもよく、アルミニウムと亜鉛とを含む合金でもよい。フィン３を構成する材料は、外殻部材５を構成する材料と同じでもよい。あるいは、フィン３を構成する材料は、外殻部材５を構成する材料と異なる材料としてもよい。接合材７は、伝熱管本体８と外殻部材５との間に位置する。接合材７は伝熱管本体８と外殻部材５とを接続する。接合材７はたとえば珪素を含むロウ材である。

また、伝熱管１の風上方向から見た幅（短軸の長さ）はたとえば０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下としてもよく、たとえば１ｍｍとしてもよい。また、隣接する伝熱管１の間のピッチ（中心間の距離）は２．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下でもよく、たとえば３ｍｍとしてもよい。

＜熱交換器の作用効果＞
このように、扁平管である伝熱管１の前縁部に切起しとしてのフィン３を設けることにより、熱交換器における伝熱面積の拡大が可能となるとともに、フィン３の風下側に縦渦が発生し、熱交換器における熱伝達率が向上する。また、異なる観点から言えば、フィン３の形成により当該フィン３が形成されていない場合に比べて熱交換器の伝熱特性を向上させることができる。さらに、図３に示すように、本実施形態の熱交換器が蒸発器として用いられた場合を考える。この場合、凝縮水である水滴６は先ずフィン３上に滞留する。フィン３は、図３に示すように水平方向に対し、風下側に向かうほど重力方向下方に傾斜している。このため、水滴６は当該傾斜の作用、さらには空気の流れからの力により風下側に移動する。このようにフィン３の表面に付着した水滴６が、熱交換器に供給される空気の流れの風下側に移動したときに、当該水滴６はフィン３の風下側に位置する伝熱管１の表面上に流れる。その後、水滴６は伝熱管１の表面を伝って重力方向下側に流れ、熱交換器から容易に排出される。つまり、伝熱管１の表面は、フィン３の風下に位置する部分を含む。当該部分は水滴の排水流路として機能する。このため、図８に示す伝熱管の幅よりフィンの幅が広いような構成と比較して、熱交換器の排水性を向上させることができる。

ここで、図８は、比較例としての熱交換器の構成を示す部分外観模式図である。図８に示した比較例の熱交換器は、複数の冷媒流路１１３を含む扁平管である伝熱管１１０と、複数の伝熱管１１０の間に配置されたフィンとしてのコルゲートフィン１１４とを備える。伝熱管１１０の表面には水切り用の溝１１２が形成されている。伝熱管１１０のコルゲートフィン１１４が接続された表面部分に沿った方向において、コルゲートフィン１１４の幅は、伝熱管１１０の幅より広くなっている。コルゲートフィン１１４の表面には複数のルーバ１１４ａおよびリブ１１４ｂが形成されている。図８に示した熱交換器では、コルゲートフィン１１４の幅が伝熱管１１０の幅より広くなっているため、伝熱性能という点では優れるものの、コルゲートフィン１１４上に凝集した水滴の排水性については、架台がある。特に、コルゲートフィン１１４において伝熱管１１０の端部より外側に延在している部分では、コルゲートフィン１１４の表面から水滴を排出するための具体的な実体的な経路が存在せず、排水性に課題があった。このような熱交換器と異なり、本実施形態に係る熱交換器では上述のようにフィン３の風下側に位置する伝熱管１の表面が水滴６の流通経路として機能する。そのため、本実施形態に係る熱交換器では優れた排水性を実現できる。

また、上述のようにフィン３が水平方向に対し、風下側に向かって重力方向下方に傾斜しているので、排水性が向上する。このため水滴６がフィン３上に滞留することに起因する通風抵抗の増加を抑制出来る。

また、図４に示すようにフィン３が伝熱管１の両側に配置された第１のフィン３と第２のフィン３とを含むので、伝熱管１の片側のみにフィン３が形成される場合より熱交換器の伝熱特性を向上させることができる。また、外殻部材５を構成する材料としてアルミニウムと亜鉛とを含む合金を用いることで、熱交換器の防食性を向上させることが出来る。

＜熱交換器の変形例の構成および作用効果＞
図５は、本実施形態に係る熱交換器の変形例を示す部分断面模式図である。図５に示した熱交換器は、基本的には図１〜図４に示した熱交換器と同様の構成を備えるが、フィン３の平面形状が図１〜図４に示した熱交換器と異なっている。すなわち、図５に示した熱交換器では、伝熱管１の延在方向である第１方向から見た、少なくとも１つのフィン３の平面形状が三角形状となっている。

このような構成とすることで、図１〜図４に示した熱交換器と同様の効果を得られるとともに、フィン３の平面形状が三角形状であるため、当該フィン３の表面近傍で起きる気流の速度変化が大きくなり、フィン３の風下側に発生する気流（後流）で形成される縦渦が大きくなる。このため、熱交換器においてより高い熱伝達率が得られる。

＜熱交換器の製造方法＞
図６は、本実施形態に係る熱交換器の製造方法を説明するための模式図であり、熱交換器の組立前の状態を示している。図６を用いて、本実施形態に係る熱交換器の製造方法を説明する。

まず、熱交換器の伝熱管１を構成する部材（扁平管である伝熱管本体８、フィン３が形成された外殻部材５、および接合材７）を準備する。接合材７としては珪素を含むロウ材を用いることができる。接合材７は外殻部材５の内周面（フィン３が形成された表面と反対側の裏面）上に配置される。その後、伝熱管本体８の両側面から、内周面に接合材７が配置された２つの外殻部材５により当該伝熱管本体８を挟む。この状態で加熱炉による加熱処理によって、接合材７により伝熱管本体８と外殻部材５とを接合する（たとえばロウ付けする）。

このようにして側面に複数のフィン３が配置された伝熱管１を準備する。さらに、熱交換器を構成する他の部材（図１に示すヘッダ２など）を準備し、これら他の部材と伝熱管１とを接合する。このようにして、図１に示す熱交換器を製造できる。

このような製造工程を用いることにより、比較的短時間且つ安価に熱交換器を製造することが出来る。また、伝熱管本体８の外周面に、フィン３が予め設けられた外殻部材５を取り付けることにより伝熱管１を形成しているので、伝熱管本体８に直接複数のフィン３を形成する場合より製造工程を容易化できる。

実施の形態２．
＜空気調和装置の構成＞
図７は本実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示す模式図である。図に示す冷媒回路は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、絞り装置３５、蒸発熱交換器３６、２つの送風機３７を備える。２つの送風機３７は、それぞれ送風機用モータ３８により駆動される。２つの送風機３７は、それぞれ凝縮熱交換器３４または蒸発熱交換器３６のいずれかに気体（たとえば空気）を吹き付ける。冷媒回路は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、絞り装置３５、蒸発熱交換器３６の順番に冷媒が循環する。

図７に示した凝縮熱交換器３４および蒸発熱交換器３６の少なくともいずれか１つに、実施の形態１において説明した熱交換器を適用する。上記送風機３７は、それぞれの熱交換器に対して第２方向（図２において矢印で示す方向）に沿って期待を吹き付ける。

＜空気調和装置の作用効果＞
上述の実施の形態１に係る熱交換器を、凝縮熱交換器３４または蒸発熱交換器３６、もしくは凝縮熱交換器３４および蒸発熱交換器３６の両方に用いることにより、エネルギー効率の高い空気調和装置を実現出来る。また異なる観点から言えば、実施の形態１に係る熱交換器を空気調和装置の室内機または室外機、あるいは室内機および室外機の両方に適用してもよい。

なお、ここで、エネルギー効率は、たとえば次式で構成されるものである。
暖房エネルギー効率＝室内熱交換器（凝縮熱交換器）の能力／全入力
冷房エネルギー効率＝室内熱交換器（蒸発熱交換器）の能力／全入力
また、上述した実施の形態１に係る熱交換器および当該熱交換器を用いた空気調和装置では、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ等の冷媒を用いることができる。また、上述した実施形態では、作動流体として、空気と冷媒を用いる例を示したが、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。

また、上述した実施の形態１に係る熱交換器およびそれを用いた空気調和装置については、冷凍機用油として、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、任意の種類の油を用いることができる。また、冷凍機用油について、冷媒が当該油に対して溶けるか溶けないかにかかわらず、どのような冷凍機用油を用いてもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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を含むことが意図される。

本発明は、空気調和装置、冷凍サイクル装置、ヒートポンプ装置などに適用出来る。

１，１１０ 伝熱管、２ ヘッダ、３ フィン、４ 中心軸、５ 外殻部材、６ 水滴、７ 接合材、８ 伝熱管本体、９ 特開平、３３ 圧縮機、３４ 凝縮熱交換器、３５ 絞り装置、３６ 蒸発熱交換器、３７ 送風機、３８ 送風機用モータ、１１２ 溝、１１３ 冷媒流路、１１４ コルゲートフィン、１１４ａ ルーバ、１１４ｂ リブ。

Claims (10)

1. 第１方向に沿って延びるように設けられており、かつ内部に冷媒が流通する少なくとも１つの伝熱管と、
   前記第１方向と交差する第２方向において前記伝熱管の中央より風上側に位置し、前記伝熱管に接続された少なくとも１つのフィンとを備え、
   前記少なくとも１つの伝熱管は、互いに隣接する第１の伝熱管および第２の伝熱管を含み、
   前記少なくとも１つのフィンは、前記第１の伝熱管に接続された第１のフィンを含み、
   前記第１の伝熱管の表面からの前記第１のフィンの突出高さは、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管との間の距離未満であり、
   前記少なくとも１つのフィンは、前記第２方向において前記伝熱管の中央より風下側には形成されていなく、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管の前記風上側の先端より前記風下側に位置している、熱交換器。
2. 前記少なくとも１つのフィンは、前記風上側から風下側に向けて、水平方向から重力方向下向きに傾いた表面を有する、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記少なくとも１つのフィンは、前記第２の伝熱管に接続された第２のフィンを含み、
   前記第１の伝熱管の表面からの前記第１のフィンの前記突出高さは、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管との間の前記距離の半分以下であり、
   前記第２の伝熱管の表面からの前記第２のフィンの突出高さは、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管との間の前記距離の半分以下である、請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記少なくとも１つのフィンは、前記風上側から見たときに前記第１の伝熱管を挟むように配置された前記第１のフィンと第３のフィンとを含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記第１方向から見た前記少なくとも１つのフィンの平面形状は四角形状である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記第１方向から見た前記少なくとも１つのフィンの平面形状は三角形状である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記伝熱管は、
   伝熱管本体と、
   前記伝熱管本体の外周を囲む外殻部材とを含み、
   前記少なくとも１つのフィンは前記外殻部材の表面に形成されている、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 前記外殻部材を構成する材料は、アルミニウムと亜鉛とを含む、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記伝熱管は、前記伝熱管本体と前記外殻部材との間に位置し、前記伝熱管本体と前記外殻部材とを接続する接合材を含み、
   前記接合材は珪素を含むロウ材である、請求項７または請求項８に記載の熱交換器。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の熱交換器と、
    前記第２方向に沿って前記熱交換器に気体を吹き付けるファンとを備える、空気調和装置。

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