JP7353483B2 - 熱交換器及び該熱交換器を備えた空気調和機 - Google Patents

Description

本開示は、複数の扁平管と、隣り合う扁平管の間に設けられたフィンと、を有する熱交換器及び該熱交換器を備えた空気調和機に関するものである。

従来、冷媒流路が形成された複数の伝熱管と、隣り合う伝熱管の間に設けられた複数のフィンと、を備えた熱交換器が知られている。例えば特許文献１に開示された熱交換器は、左右方向に互いに間隔をあけて配置された上下方向に延びる一対のヘッダと、上下方向に互いに間隔をあけて配置され、左右の両端部がそれぞれヘッダに接続された扁平状の冷媒流通管と、隣り合う冷媒流通管の間に配置されたコルゲートフィンと、を有する構成である。

特許第４４２３０９６号公報

特許文献１に開示された熱交換器は、ヘッダを通じて冷媒流通管に冷媒を分配する際に、重量の影響を受けるため、各冷媒流通管に流入する冷媒が不均一となる。例えば、暖房運転時では、風速が低い下部へ冷媒が流れやすく、風速が高い上部の位置への冷媒が少なく、効率の良い熱交換が行えないおそれがある。このような冷媒分布の改善には、例えばキャピラリーチューブを用いた方式がある。しかし、この場合、径と長さの異なる複数のキャピラリーチューブで冷媒分配を調整して、各冷媒流通管に適正な流量となるように冷媒を分配する必要があるため、コスト高となるおそれがある。

そこで、上記問題を解決するために、上下方向に流れる冷媒流路が形成され、互いに間隔をあけて並列に配置された複数の扁平管と、隣り合う扁平管の間に設けられた複数のフィンと、複数の扁平管のそれぞれの上端部が接続された上部ヘッダと、複数の扁平管のそれぞれの下端部が接続された下部ヘッダと、を備えた熱交換器が開発されている。しかし、この熱交換器では、空気中の水分がフィンの表面に結露し、その結露水がフィンを伝ってフィンの下部へ流れ落ち、フィンの下端部で水滴が滞留するおそれがある。フィンの下端部に滞留した水は、外気が氷点下となると凍結して熱交換器を損傷させるおそれがある。そのため、フィンを伝って下部に流れる水滴をフィンの下端部に滞留させることなく、外部に排水させる必要がある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、上下方向に複数の冷媒流路が形成された複数の扁平管の間にフィンが設けられた構造において、フィンの下端部で水滴が滞留する事態を抑制できる、熱交換器及び該熱交換器を備えた空気調和機を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器は、上下方向に流れる冷媒流路が形成され、互いに間隔をあけて並列に配置された複数の扁平管と、隣り合う前記扁平管の間に設けられた複数のフィンと、複数の前記扁平管のそれぞれの上端部が接続された上部ヘッダと、複数の前記扁平管のそれぞれの下端部が接続された下部ヘッダと、を備え、各前記フィンの下端部が前記下部ヘッダと接合されておらず、各前記フィンの下端部と前記下部ヘッダとの間に下部隙間が設けられており、各前記フィンの上端部が前記上部ヘッダと接合されておらず、各前記フィンの上端部と前記上部ヘッダとの間に上部隙間が設けられており、前記上部隙間の上下の幅寸は、前記下部隙間の上下の幅寸の３分の１以下である。

本開示に係る空気調和機は、上記熱交換器を有する室外機を備えているものである。

本開示の熱交換器及び該熱交換器を備えた空気調和機によれば、各フィンの下端部が下部ヘッダに接合されておらず、各フィンの下端部と下部ヘッダとの間に排水用の下部隙間が設けられているので、該下部隙間を通じてフィンの下方へ水滴を滴下させて排水することができ、フィンの下端部で水滴が滞留する事態を抑制できる。

本実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路図である。 本実施の形態１に係る空気調和機の室外機の外観を示した斜視図である。 本実施の形態１に係る熱交換器を概略的に示した正面図である。 図３に示したＩＶ部の断面を上方から見た斜視図である。 本実施の形態２に係る熱交換器を概略的に示した正面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、適宜変更することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る空気調和機３００の室外機１００は、室内の空調を行う室内機２００と共に、空気調和機３００を構成するものである。空気調和機３００は、圧縮機１０１と、流路切替手段１０２と、室内熱交換器２０１と、膨張機構１０３と、室外熱交換器１０４と、を冷媒配管１０５で接続して冷媒を循環させる冷媒回路を有している。室外機１００は、圧縮機１０１と、流路切替手段１０２と、膨張機構１０３と、室外熱交換器１０４と、を備えている。室内機２００は、室内熱交換器２０１を備えている。なお、空気調和機３００は、図示した構成要素に限定されず、他の構成要素を含んでもよい。

圧縮機１０１は、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の状態にして吐出するものである。圧縮機１０１は、一例として、運転容量（周波数）を可変できる構成であり、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機である。

流路切替手段１０２は、一例として四方弁であり、冷媒の流路を切り換える機能を有するものである。流路切替手段１０２は、冷房運転時において、圧縮機１０１の冷媒吐出側と室外熱交換器１０４のガス側とを接続すると共に、圧縮機１０１の冷媒吸入側と室内熱交換器２０１のガス側とを接続するように冷媒流路を切り換える。一方、流路切替手段１０２は、暖房運転時において、圧縮機１０１の冷媒吐出側と室内熱交換器２０１のガス側とを接続すると共に、圧縮機１０１の冷媒吸入側と室外熱交換器１０４のガス側とを接続するように冷媒流路を切り換える。なお、流路切替手段１０２は、二方弁又は三方弁を組み合わせて構成してもよい。

室内熱交換器２０１は、冷房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構１０３から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、室内熱交換器２０１は、暖房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機１０１から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。室内熱交換器２０１は、室内送風機によって室内空気を吸い込み、冷媒との間で熱交換した空気を室内に供給する。

膨張機構１０３は、冷媒回路内を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、一例として開度が可変に制御される電子膨張弁で構成される。

室外熱交換器１０４は、冷房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機１０１から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、室外熱交換器１０４は、暖房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構１０３から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。室外熱交換器１０４は、室外送風機によって室外空気を吸い込み、冷媒との間で熱交換した空気を外部に排出する。

次に、空気調和機３００の冷房運転時の動作を説明する。圧縮機１０１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、流路切替手段１０２を通過して室外熱交換器１０４へと流れて空気と熱交換して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、膨張機構１０３で減圧され低圧の気液２相冷媒となり、室内熱交換器２０１へと流れて空気と熱交換してガス化する。ガス化した冷媒は、流路切替手段１０２を通過して圧縮機１０１に吸入される。

次に、空気調和機３００の暖房運転時の動作を説明する。圧縮機１０１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、流路切替手段１０２を通過して室内熱交換器２０１へと流れて空気と熱交換して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は膨張機構１０３で減圧され低圧の気液２相冷媒となり、室外熱交換器１０４へと流れて空気と熱交換してガス化する。ガス化した冷媒は流路切替手段１０２を通過して圧縮機１０１に吸入される。

次に、図２に基づいて本実施の形態１に係る空気調和機３００の室外機１００の構造を説明する。図２は、本実施の形態１に係る空気調和機の室外機の外観を示した斜視図である。空気調和機３００の室外機１００は、図２に示すように、筐体５の上面に空気吹出口５４が形成され、空気吹出口５４の直下位置に室外送風機が配備されたトップフロー型の室外機である。空気調和機３００の室外機１００は、外郭を形成する筐体５の内部に、例えば圧縮機１０１、流路切替手段１０２、膨張機構１０３、室外熱交換器１０４、室外送風機及び制御装置等の構成部材が収納された構成である。

筐体５は、底面に設けられた底板５０と、該底板５０の角部から上方に向かって延びるフレーム材５１と、を備えている。筐体５は、平面視が四角形状とされ、角部に配置したフレーム材５１で囲まれた４つの側面に開口を有する。開口の上部は、筐体５の内部に空気を取り込むための空気吸込口５３とされ、それぞれの空気吸込口５３に沿って室外熱交換器１０４が配置されている。開口の下部には、意匠板金である側面パネル５２で塞がれている。側面パネル５２は、左右の側縁部がフレーム材５１にネジ等の締結部材で固定され、下縁部が底板５０にネジ等の締結部材で固定されている。室外機１００は、側面パネル５２を取り外して内部を開放することで、内部に配置した構成部材のメンテナンスなどが可能となる。

筐体５の上面には、空気吹出口５４が形成されており、空気吹出口５４の直下位置に室外送風機が配備されている。空気吹出口５４には、室外送風機の周囲を囲むベルマウス５５が設けられている。また、空気吹出口５４には、ファンガード５４ａが取り付けられている。室外送風機は、例えばプロペラファン等で構成され、送風機モータによって駆動される。室外送風機の駆動により、空気吸込口５３から筐体５内に吸い込まれた空気が、室外熱交換器１０４を通過して冷媒と熱交換したのち室外送風機を経て空気吹出口５４から排気される。

次に、図３及び図４に基づいて、本実施の形態１に係る熱交換器の特徴について説明する。図３は、本実施の形態１に係る熱交換器を概略的に示した正面図である。図４は、図３に示したＩＶ部の断面を上方から見た斜視図である。

本実施の形態１に係る熱交換器は、室外熱交換器１０４として使用される。室外熱交換器１０４は、図３及び図４に示すように、上下方向Ｙに流れる冷媒流路１０が形成され、互いに間隔をあけて並列に配置された複数の扁平管１と、隣り合う扁平管１の間に設けられた複数のフィン２と、複数の扁平管１のそれぞれの上端部が接続された上部ヘッダ３と、複数の扁平管１のそれぞれの下端部が接続された下部ヘッダ４と、を有している。

扁平管１は、例えばアルミニウム製である。扁平管１は、気流の流れ方向Ｚと直交するように左右方向Ｘに互いに間隔をあけて並列に配置されている。また、扁平管１は、気流の流れ方向Ｚと扁平面とが略平行となるように配置されている。扁平管１の内部には、上下方向Ｙに冷媒が流れる複数の冷媒流路１０が、気流の流れ方向Ｚに沿って並列に形成されている。なお、前記上下方向Ｙとは、鉛直方向だけでなく、鉛直方向に対して傾いた状態も含むものとする。また、前記左右方向Ｘとは、水平方向だけでなく、水平方向に対して傾いた状態も含むものとする。

フィン２は、例えばアルミニウム製であり、扁平管１に流れる冷媒の熱を伝達する部材である。フィン２は、薄板を波状に折り曲げられて形成されたコルゲートフィンである。フィン２は、複数の扁平管１のうち互いに隣り合う２つの扁平管１の間にそれぞれ設けられている。フィン２の折り曲げ頂部は、２つの扁平管１のいずれかの扁平面に接合されている。フィン２と扁平管１との間は、空気が流れる通風路となっている。なお、図示することは省略したが、フィン２は、凝縮水を排水する排水穴又はルーバー等を各斜面に設けた構成としてもよい。また、フィン２は、コルゲートフィンに限定されず、例えば上下方向に沿って並列に配置されたプレートフィンでもよい。

上部ヘッダ３は、複数の扁平管１のそれぞれ上端に接続され、冷媒配管１０５を介して流路切替手段１０２に接続されている。上部ヘッダ３は、例えばアルミニウム製である。上部ヘッダ３は、室外熱交換器１０４が凝縮器として作用する際に、冷媒配管１０５から流入したガス冷媒を各扁平管１に分配する。また、上部ヘッダ３は、室外熱交換器１０４が蒸発器として作用する際に、扁平管１から合流したガス冷媒を冷媒配管１０５に流出させる。

下部ヘッダ４は、複数の扁平管１のそれぞれ下端に接続され、冷媒配管１０５を介して膨張機構１０３に接続されている。下部ヘッダ４は、例えばアルミニウム製である。下部ヘッダ４は、室外熱交換器１０４が凝縮器として作用する際に、扁平管１から合流した液冷媒を冷媒配管１０５に流出させる。また、下部ヘッダ４は、室外熱交換器１０４が蒸発器として作用する際に、冷媒配管１０５から流入した気液２相冷媒を各扁平管１に分配する。

ところで、室外熱交換器１０４は、蒸発器として使用される場合、冷媒の蒸発温度が周囲の空気温度に比べて低くなるため、空気中の水分がフィン２の表面に結露し、その結露水がフィン２を伝って下部へ流れ落ち、フィン２の下端部で滞留するおそれがある。また、室外熱交換器１０４では、フィン２及び扁平管１に付着した霜を除去するため、除霜運転を行うことがある。この除霜運転によって融解し、フィン２及び扁平管１に付着した水滴が、フィン２を伝って下部へ流れ落ち、フィン２の下端部で滞留するおそれがある。フィン２の下部に滞留した水は、外気が氷点下となると凍結して室外熱交換器１０４を損傷させるおそれがある。そのため、フィン２を伝って下部に流れる水滴をフィン２の下部に滞留させることなく、外部に排水させる必要がある。

また、室外熱交換器１０４では、複数の扁平管１の上端が上部ヘッダ３に接続され、複数の扁平管１の下端が下部ヘッダ４に接続される。扁平管１と上部ヘッダ３及び下部ヘッダ４との接合は、例えばろう付けにより行われる。そのため、扁平管１と上部ヘッダ３及び下部ヘッダ４とをろう付け接合するためのスペースの確保が必要となる。

そこで、本実施の形態１に係る熱交換器１０４では、図３に示すように、各フィン２の下端部が下部ヘッダ４に接合されておらず、各フィン２の下部と下部ヘッダ４との間に、排水用の下部隙間６が設けられている。室外熱交換器１０４は、下部隙間６を設けることにより、フィン２の下部へ流れ落ちた水滴を、フィン２の下端部で滞留させることなく下方へ滴下させることができるので、排水性を向上させることができる。また、室外熱交換器１０４は、下部隙間６を利用して、扁平管１の下端部と下部ヘッダ４とをろう付け接合することができる。なお、下部隙間６は、排水性を考慮した大きさで設けるものとする。

また、本実施の形態１に係る熱交換器１０４では、各フィン２の上端部が上部ヘッダ３に接合されておらず、各フィン２の上端部と上部ヘッダ３との間に、扁平管１と上部ヘッダ３とをろう付け接合するための上部隙間７が設けられている。室外熱交換器１０４は、上部隙間７を利用して、扁平管１の上端部と上部ヘッダ３とをろう付け接合することができる。

上部隙間７の上下の幅寸は、下部隙間６の上下の幅寸よりも小さくしている。室外熱交換器１０４は、送風機に近い上部において風速が大きく、送風機から離れた下部において風速が小さい。風速が大きい室外熱交換器１０４の上部は、熱交換効率が最も高い場所となる。室外熱交換器１０４では、上部隙間７の上下の幅寸を大きくすると、熱交換しないバイパス風量が増え、熱交換効率が低下するおそれがある。そのため、上部隙間７は、ろう付け接合することができる最小限の寸法とし、且つ熱交換しないバイパス風量をできるだけ抑制できる寸法とすることが望ましい。例えば、室外熱交換器１０４では、上部の風速が下部の風速のおおよそ３倍になることがある。そこで、上部の風速と下部の風速との比率を考慮して、上部隙間７を下部隙間６の３分の１以下とすることが考えられる。なお、この比率は、一例であって送風機の性能及び室外機の大きさ等の条件によって変化するものである。

以上のように、本実施の形態１に係る熱交換器１０４は、上下方向Ｙに冷媒流路１０が形成されており、左右方向Ｘに互いに間隔をあけて並列に配置された複数の扁平管１と、隣り合う扁平管１の間に設けられた複数のフィン２と、複数の扁平管１のそれぞれの上端部が接続された上部ヘッダ３と、複数の扁平管１のそれぞれの下端部が接続された下部ヘッダ４と、を備えている。各フィン２は、下端部が下部ヘッダ４に接合されておらず、各フィン２の下端部と下部ヘッダ４との間に下部隙間６が設けられている。

したがって、この熱交換器１０４は、フィン２を伝って下部へ流れる水滴を、下部隙間６を通じてフィン２の下方へ滴下させて排水することができるので、フィン２の下端部に水滴が滞留する事態を抑制できる。また、この熱交換器１０４では、下部隙間６を利用して、下部ヘッダ４と扁平管１の下端部とをろう付けにより接合することができる。

また、この熱交換器１０４は、各フィン２の上端部が上部ヘッダ３に接合されておらず、各フィン２の上端部と上部ヘッダ３との間に上部隙間７が設けられている。したがって、この熱交換器１０４では、上部隙間７を利用して、上部ヘッダ３と扁平管１の上端部とをろう付けにより接合することができる。

また、上部隙間７の上下の幅寸は、下部隙間６の上下の幅寸よりも小さい。つまり、本実施の形態１に係る熱交換器１０４は、下部隙間６で排水性を高めつつ、上部隙間７で熱交換しないバイパス風量をできるだけ抑制できる構造である。

実施の形態２．
次に、本実施の形態２に係る熱交換器を図５に基づいて説明する。図５は、本実施の形態２に係る熱交換器を概略的に示した正面図である。図５中に示す白抜き矢印は、気流の流れ方向Ｚを示している。なお、実施の形態１で説明した熱交換器と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を適宜省略する。

本実施の形態２に係る熱交換器１０４Ａも室外熱交換器として使用される。室外熱交換器１０４は、上記実施の形態１の熱交換器１０４の構造に加え、フィン２において波形のピッチが小さい部分Ａと、波形のピッチが大きい部分Ｂと、を設けた構成を特徴としている。上記したように、熱交換器は、送風機に近い上部において風速が大きく、送風機から離れた下部において風速が小さい。そのため、熱交換器は、送風機に近い上部の伝熱面積を増加させることで、熱交換性能を高めることができる。そこで、本実施の形態２に係る室外熱交換器１０４Ａのフィン２では、風速が大きい上部に波形のピッチが小さい部分Ａを設け、風速が小さい下部に波形のピッチが大きい部分Ｂを設けた構成としている。

具体的には、フィン２は、上下方向Ｙにおいて２つの領域に分けており、概ね上半分が波形のピッチが小さい部分Ａとされ、概ね下半分が波形のピッチが大きい部分Ｂとされている。波形のピッチが小さい部分Ａにおけるピッチは、波形のピッチが大きい部分Ｂのピッチに対して２分の１～３分の１程度である。なお、当該ピッチは、一例であって、室外機の大きさ又は設置場所等に応じて、適宜変更して設けるものとする。

フィン２の波形のピッチが小さい部分Ａと、フィン２の波形のピッチが大きい部分Ｂとの配置は、図示した構成に限定されない。詳細に図示することは省略したが、例えばフィン２を上下方向Ｙにおいて３つ以上の領域に分け、下方から上方に向かって領域ごとに段階的に波形のピッチを小さくした構成でもよい。また、フィン２は、下方から上方に向かうにつれて波形のピッチが小さくなるように構成してもよい。要するに、波形のピッチが小さい部分が、波形のピッチが大きい部分よりも上部に配置した構成であればよい。

本実施の形態２に係る熱交換器１０４Ａ及び該熱交換器を備えて空気調和機３００は、フィン２が上下方向Ｙに波状に折り曲げられて形成された構成とされ、波形のピッチが小さい部分Ａと、波形のピッチが大きい部分Ｂと、を有している。波形のピッチが小さい部分Ａは、波形のピッチが大きい部分Ｂよりも上部に配置されている。

したがって、本実施の形態２に係る熱交換器１０４Ａ及び該熱交換器を備えた空気調和機３００は、送風機に近く風速が大きい上部において、波形のピッチが小さい部分Ａを設けてフィン２の伝熱面積を増加させているので、効果的に熱交換性能を高めることができる。

以上に、熱交換器（１０４、１０４Ａ）及び該熱交換器（１０４、１０４Ａ）を備えた空気調和機３００を実施の形態に基づいて説明したが、熱交換器（１０４、１０４Ａ）及び空気調和機３００は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。また、例えば熱交換器（１０４、１０４Ａ）は、気流の流れ方向Ｚにおいて２列以上配置した構成としてもよい。また、熱交換器（１０４、１０４Ａ）及び空気調和機３００は、上述した構成要素に限定されるものではなく、他の構成要素を含んでもよい。要するに、熱交換器（１０４、１０４Ａ）及び空気調和機３００は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更及び応用のバリエーションの範囲を含むものである。

１ 扁平管、２ フィン、３ 上部ヘッダ、４ 下部ヘッダ、５ 筐体、６ 下部隙間、７ 上部隙間、１０ 冷媒流路、５０ 底板、５１ フレーム材、５２ 側面パネル、５３ 空気吸込口、５４ 空気吹出口、５４ａ ファンガード、５５ ベルマウス、１００ 室外機、１０１ 圧縮機、１０２ 流路切替手段、１０３ 膨張機構、１０４、１０４Ａ 室外熱交換器、１０５ 冷媒配管、１０６ 構成部材、２００ 室内機、２０１ 室内熱交換器、３００ 空気調和機。

Claims (5)

1. 上下方向に流れる冷媒流路が形成され、互いに間隔をあけて並列に配置された複数の扁平管と、
   隣り合う前記扁平管の間に設けられた複数のフィンと、
   複数の前記扁平管のそれぞれの上端部が接続された上部ヘッダと、
   複数の前記扁平管のそれぞれの下端部が接続された下部ヘッダと、を備え、
   各前記フィンの下端部が前記下部ヘッダと接合されておらず、各前記フィンの下端部と前記下部ヘッダとの間に下部隙間が設けられており、
   各前記フィンの上端部が前記上部ヘッダと接合されておらず、各前記フィンの上端部と前記上部ヘッダとの間に上部隙間が設けられており、
   前記上部隙間の上下の幅寸は、前記下部隙間の上下の幅寸の３分の１以下である、熱交換器。
2. 前記フィンは、上下方向に波状に折り曲げられて形成された構成とされ、波形のピッチが小さい部分と、波形のピッチが大きい部分と、を有しており、
   波形のピッチが小さい部分は、波形のピッチが大きい部分よりも上部に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器を有する室外機を備えた、空気調和機。
4. 前記室外機は、
   上面に空気吹出口が形成された筐体と、
   前記空気吹出口の直下位置に配置された送風機と、を更に備えている、請求項３に記載の空気調和機。
5. 熱交換器と、
   上面に空気吹出口が形成された筐体と、
   前記空気吹出口の直下位置に配置された送風機と、を有する室外機を備え、
   前記熱交換器は、
   上下方向に流れる冷媒流路が形成され、互いに間隔をあけて並列に配置された複数の扁平管と、
   隣り合う前記扁平管の間に設けられた複数のフィンと、
   複数の前記扁平管のそれぞれの上端部が接続された上部ヘッダと、
   複数の前記扁平管のそれぞれの下端部が接続された下部ヘッダと、を有し、
   各前記フィンの下端部が前記下部ヘッダと接合されておらず、各前記フィンの下端部と前記下部ヘッダとの間に下部隙間が設けられており、
   各前記フィンの上端部が前記上部ヘッダと接合されておらず、各前記フィンの上端部と前記上部ヘッダとの間に上部隙間が設けられており、
   前記上部隙間の上下の幅寸は、前記下部隙間の上下の幅寸の３分の１以下である、空気調和機。

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