JPH1130494A - 熱交換装置およびこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は，優れた撥水性を示す熱交換器
から飛散する微細な凝縮水滴をファンの上流で捕捉・除
去することが可能な，通風抵抗が比較的小さく，除霜周
期の長い，低騒音の熱交換装置を提供することである。
また，上記熱交換装置を室外機として用いた，除霜周期
が長く，暖房運転の快適性が高い空気調和機を提供する
ことである。 【解決手段】撥水性熱交換器とファンとの間に通風抵抗
が小さく，氷による閉塞が起こりにくい熱交換器あるい
は水滴捕捉手段を設置し，除霜時に冷媒の凝縮潜熱を利
用して捕捉した氷を融解除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，空気調和機の室外
ユニットに用いられる熱交換器に関するものであり，特
に，撥水性熱交換器から発生する飛散水滴の捕捉・除去
を行う熱交換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば，特開平4-184095号公報に記載さ
れているように，室内ユニット内に取付けられた撥水性
熱交換器の下流側に親水性熱交換器を設置して，凝縮水
が撥水性熱交換器の上流側に発生して付着したまま下流
端部に移動して親水性熱交換器に接触させ，膜状にして
流下させることにより通風抵抗の増加を小さくする熱交
換装置がある。この従来技術に使用されている撥水性熱
交換器のフィンには、水滴の接触角度が約１５０度の撥
水処理が施されている。

【０００３】尚、接触角度とは、水滴の滴下した面を０
度とした場合、滴下面に対し水滴の端面の傾斜角度を言
いう。従って、接触角度が小さいほど親水性が小さく、
接触角度が大きほど撥水性が大きいものである。言換え
れば、接触角度が小さいほど滴下面に水滴が馴染み、広
がる状態となり、接触角度が大きいほど滴下面に水滴が
馴染まず、水玉となり、滴下面から離れようとするもの
である。

【０００４】また，特開平4-334511号公報に記載されて
いるように，熱交換器とファンとを備え，熱交換器で熱
交換された空気をファンで吸引・送風する熱交換装置に
おいて，ファンの吸引側に水分捕捉手段を配設した熱交
換装置がある。

【０００５】また、特開昭63-3182号公報には，上流側
のフィンピッチを下流側より大きくし，上流側を撥水
性，下流側を親水性とした熱交換器が示してある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の発明者らは、
フィン表面の撥水処理方法の研究を進めてきた結果，直
径1mm程度の水滴の接触角度が１７０度以上で，かつ直
径数十μmの微細な凝縮水滴に対しても撥水性を示す被
膜を開発した。そして，直径数十μmの個々の水滴が持
つ表面張力は、隣り合う複数個の水滴が合体したときの
表面張力よりも大きいため、その表面張力の差が運動エ
ネルギーとなって水滴自ら飛散することが判った。その
結果、極めて撥水性の高いフィンを空気調和機等の室外
ユニット用熱交換器に適用すると，暖房運転時の熱交換
器への着霜量が著しく減少することが明らかとなったの
で，除霜周期を長くすることができることが判った。し
かしながら，外気温が低温時には，熱交換器の下流側に
飛散した微細な凝縮水滴がユニット内やファン翼に氷と
して蓄積されて、特にファン翼の氷とファンダクトが衝
突するなどの不具合を生じるという問題があることが判
った。

【０００７】また、空気調和機を暖房として運転させた
場合、冷凍サイクルは冷房運転とは異なり、室内ユニッ
ト内の熱交換器が放熱器として作用し、室外ユニット内
の熱交換器が蒸発器として作用する。室外ユニットの熱
交換器が蒸発器として作用すると、室外の温度、湿度と
熱交換して熱交換器に水滴が付着する。水滴が付着した
状態でファンが回転するとファンの吸引力によって熱交
換器に付着していた水滴までもが室外ユニット外へ飛散
してしまう。例えば、室外ユニットの空気吹出し口付近
に植木等が置かれていた場合、飛散した水滴が植木に付
着する。ところが、室外が凍結温度まで低下してしまっ
た場合には、水滴が凍ってしまい、植木が枯れてしまう
などの問題があった。

【０００８】これらの不具合を解決する手段として、特
開平4-334511号公報は、熱交換器の表面に撥水処理が施
されているかについては明記されていないが、撥水面か
ら発生する飛散水滴をメッシュ状の捕捉手段で捕捉する
ことが記載されている。しかし、上述の接触角１７０度
以上の撥水処理を行なった場合には，飛散する水滴が微
細となるためメッシュを細かくする必要がある。

【０００９】本発明は，上述のように優れた撥水性を示
す熱交換器から飛散する微細な凝縮水滴をファンの上流
で捕捉・除去し，通風抵抗を小さくし，除霜周期の長
い，低騒音の熱交換装置を提供することを目的とするも
のである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は，熱交換器と
ファンとを備え，このファンを用いて空気を強制対流さ
せてなる熱交換装置において，前記熱交換器の空気上流
側熱交換器の表面を撥水性とし，下流側熱交換器の表面
を非撥水性とするとともに，前記上流側熱交換器のフィ
ンピッチよりも下流側熱交換器のフィンピッチを大きく
することにより達成することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を具体
的に説明する。

【００１２】図１は本発明による一実施例を示す空気調
和機の概略断面図である。空気調和機は室内ユニット
１，室外ユニット７およびそれらを連結する冷媒配管
４，４’より構成されている。室内ユニット１の内部に
は熱交換器２および貫流ファン３が収納されている。室
外ユニット７は撥水性熱交換器８，親水性熱交換器９，
軸流ファン１０，ファンダクト１１およびグリル１０１
から成っている。通常，室外ユニット７内部には圧縮機
５および膨張弁６が設置してあるが，この図では，冷媒
回路をわかりやすくするため，外部に記載した。

【００１３】図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。
本実施例では，室外ユニット７内の撥水性熱交換器８お
よび親水性熱交換器９をそれぞれＵ型形状としている。
これら熱交換器８、９の内側に軸流ファン１０を設置し
てある。この軸流ファン１０を回転させることにより，
撥水性熱交換器８の空気上流側から空気を吸引して熱交
換するようになっている。

【００１４】図３は図２の部分拡大断面図である。この
図は撥水性熱交換器８および親水性熱交換器９の構造の
一例を示したものである。撥水性熱交換器８は伝熱管２
１およびフィン２２から成り，親水性熱交換器９は伝熱
管２３およびフィン２４から成っている。撥水性熱交換
器８のフィン形状は現行と同様で略平板状であるが、親
水性熱交換器９のフィンは上流側を斜めに屈曲させてあ
る。フィンピッチは，撥水性熱交換器８に比べて親水性
熱交換器９の方を大きくしてある。例えば、撥水性熱交
換器８のフィンピッチは現行と同様に１〜２mmとし，親
水性熱交換器９のフィンピッチは３mm以上とすることが
望ましい。さらに望ましくは，親水性熱交換器９のフィ
ンピッチは４〜１０mmにすると良い。ちなみに、親水性
熱交換器９は必ずしも優れた親水性である必要はなく，
接触した水滴をはじくことなく捕捉できる程度でよい。

【００１５】つぎに，本実施例の暖房運転時の動作につ
いて図１を用いて説明する。圧縮機５が運転されること
により，圧縮機５から吐出した冷媒が配管４，熱交換器
２，配管４’膨張弁６，室外ユニット側撥水性熱交換器
８および親水性熱交換器９の順に循環する。そして，貫
流ファン３および軸流ファン１０を回転させて送風する
ことにより室内・室外それぞれの熱交換器２、８、９の
熱交換を促進させる。このとき，室内ユニット側熱交換
器２は凝縮器として作用し，室外ユニット側撥水性熱交
換器８および親水性熱交換器９は蒸発器として作用す
る。撥水性熱交換器８の表面には上述した接触角１７０
度以上の撥水処理を施しているので微細な凝縮水滴が発
生し，飛散して下流側の親水性熱交換器９に接触・捕捉
される。従って、撥水性熱交換器８への水滴の付着を押
さえることができるので着霜しにくい。親水性熱交換器
９はフィンピッチが大きいため，撥水性熱交換器８から
の水滴が付着しても着霜による空気流路の閉塞は起こり
にくく、長時間除霜せずに暖房運転を続けることができ
る。すなわち，除霜のための暖房停止の頻度を少なくす
ることができるので，暖房運転の快適性を高めることが
できる。

【００１６】このように、空気上流側の撥水性熱交換器
への着霜を押さえることができるので，現行の空気調和
機に使用されている熱交換器に比べて上流側の熱交換器
はの熱伝達率が高くなり、下流側のフィンピッチを大き
くしても，交換熱量を確保することができる。そして，
フィンピッチを大きくした分，通風抵抗が比較的小さ
く，低コスト・低騒音の熱交換器ユニットを提供するこ
とができる。

【００１７】ところで、除霜運転時には，冷媒の流れを
反転させ，圧縮機５から流出したホットガスを親水性熱
交換器９，撥水性熱交換器８の順に流すｍのである。こ
のとき，主として親水性熱交換器９に蓄積された氷が融
解・除去される。親水性熱交換器９表面の親水性が優れ
たもの、言換えればフィンの表面が吸取り紙のように水
滴を極端に吸寄せるものであると，水滴の自重で水の流
下が速くなり，除霜時間を短くすることができる。

【００１８】例えば、親水性熱交換器９のフィン屈曲部
の射影幅が親水性熱交換器９のフィンピッチ幅より小さ
くても，フィンの屈曲部分で飛散水滴に遠心力が加わ
り，空気流路壁であるフィン表面に接触しやすくなり大
部分の水滴をフィンに付着させることができる。

【００１９】図４は撥水性熱交換器８で発生した凝縮水
滴を親水性熱交換器９で捕捉した状態を示す部分拡大図
である。捕捉され凍結した凝縮水２５，２６は親水性熱
交換器９に蓄積されるが，フィンピッチが大きいため，
従来の親水性の室外熱交換器よりも空気流路が閉塞しに
くい。また，撥水性熱交換器８と親水性熱交換器９との
間に隙間２７を設けて，フィン屈曲部に蓄積される氷が
成長して撥水性熱交換器８方向に達し，隙間２７を閉塞
させてしまうことを防止している。本実施例では，フィ
ン２２，２４に切り起こしは設けていない。

【００２０】図５は撥水性熱交換器８の他の実施例を示
す部分拡大図である。この図で５，撥水性熱交換器８の
フィン２２に切り起こし部３１を設けた、いわゆるスリ
ットフィンとしたものである。撥水性熱交換器８には霜
が付着しにくいため，熱伝達率の高いスリットフィンを
採用しても霜によってスリットフィン部分が目詰まりす
ることがない。

【００２１】図６は親水性熱交換器９の他の実施例を示
した部分拡大図である。本実施例では，親水性熱交換器
９のフィン２４に切り起こし部３２を設けたハーフスリ
ットフィンである。この切り起こし部３２によって飛散
水滴は、切り超こし３２を設けないフィンよりも大量に
捕捉することができるので親水性熱交換器９のフィンピ
ッチを更に大きくすることが可能である。

【００２２】図７は親水性熱交換器９の他の実施例を示
した部分拡大図である。本実施例では，親水性熱交換器
９のフィン２４の屈曲部にも切り起こし部３２を設けて
水滴の捕捉量を拡大させたものである。

【００２３】図８は撥水性熱交換器８の他の実施例を示
した部分拡大図である。本実施例では，フィン２２の下
流側にのみ切り起こし部３１を設けたハーフスリットフ
ィンとしている。これは撥水性熱交換器８の撥水処理表
面被膜が劣化した場合に切り起こし部３１で水滴を捕捉
することによって空気流路の閉塞を緩和するものであ
る。

【００２４】図９は本発明の他の実施例を示す部分拡大
図である。本実施例では室外側熱交換管を２列配列した
撥水性熱交換器５１と熱交換管を配置していない水滴捕
捉手段５２との組合わせである。水滴捕捉手段５２の前
列４３は撥水性熱交換器５１のフィンに対して傾きを有
している。後列４４は撥水性熱交換器５１のフィンと平
行である。このような構造により，撥水性熱交換器５１
から発生する飛散水滴を捕捉することができる。尚、こ
の水滴捕捉手段は、枠の中に前列と後列のフィンが支持
されているものである。

【００２５】一般的に、室外側熱交換器の除霜運転では
ファンを停止した状態で伝熱管にホットガスを流すもの
であるが、伝熱管を設置していない水滴捕捉手段では、
室外ユニット７の軸流ファン１０を低速で回転させてホ
ットガスの熱を水滴捕捉手段５２に供給し，捕捉した氷
を融解・除去するものである。

【００２６】図１０は図９に示す実施例の冷房運転時に
おける構造を示す部分拡大図である。本実施例は，水滴
捕捉手段５２の前列４３を回転あるいは変形可能とし，
冷房運転時には前列を回転させて不必要な水滴捕捉手段
５２の通風抵抗を低減できるようにしたものである。

【００２７】図１１は親水性熱交換器９の他の実施例を
示した部分拡大図である。本実施例では，親水性熱交換
器９のフィン２４の上流側を波形とすることにより水滴
捕捉を容易にするとともに，熱伝達率を高めたものであ
る。尚、これまでは親水性熱交換器９のフィン２４の上
流側を屈曲させる場合について説明してきたが，フィン
２４の下流側を屈曲させることにより水滴を捕捉するこ
とも可能である。

【００２８】図１２は撥水性熱交換器の他の実施例を示
した部分拡大図である。本実施例では，撥水性熱交換器
５１は２列で，コルゲートフィン６１およびハーフスリ
ットフィン６２を備えている。

【００２９】図１３は撥水性熱交換器の他の実施例を示
した部分拡大図である。本実施例では，撥水性熱交換器
５１は２列で，スリットフィン６３，６４を備えてい
る。

【００３０】図１４は撥水性熱交換器および親水性熱交
換器の組合わせの他の実施例を示した部分拡大図であ
る。本実施例では，撥水性熱交換器８は１列で，ハーフ
スリットフィン２２を備えている。

【００３１】図１２，１３および１４の親水性熱交換器
９のフィン２４はプレートフィンの上流側を屈曲させた
ものである。

【００３２】図１５は図１２の撥水性熱交換器および親
水性熱交換器を備えた室外熱交換器を用いた空気調和機
の暖房運転時における各部の経時温度変化の一例を示し
たものである。フィンピッチは，撥水性熱交換器５１の
１列目が1.5mm，２列目が1.4mm，親水性熱交換器９が4.
5mmである。この実験は，室外条件を気温２℃／湿度８
５％とし，室内条件を気温２０℃／湿度５０％とし、霜
が最も付着しやすい条件て行ったものである。また，蒸
発器の除霜に関する制御は，除霜終了後９０分経過した
ときに蒸発器温度が所定温度を下回る場合に除霜運転を
行うように設定してある。

【００３３】本図において，撥水性熱交換器および親水
性熱交換器を備えた室外熱交換器を用いた空気調和機の
結果は実線で示してある。比較のため，従来の親水性熱
交換器を備えた空気調和機の結果を破線で示した。従来
の空気調和機の除霜周期は４５分となっている。従来の
親水性熱交換器は１列目がコルゲートフィンで，２列目
がハーフスリットフィンであり，フィンピッチはそれぞ
れ，1.5mm，1.4mmである。

【００３４】この結果から，実線の室内吹出し空気温度
および蒸発器中間温度は９０分間ほぼ一定である。これ
に対し，破線で示す温度は４５分の間に低下している。
実線は，本発明による撥水性熱交換器と親水性熱交換器
の組合わせにより，暖房運転が少なくとも９０分間連続
可能であることを示している。一方，従来の室外熱交換
器には着霜による空気流路の閉塞が起こり，暖房能力が
低下していることを示している。

【００３５】上記の実験結果は室外条件が気温２℃／湿
度８５％の場合の着霜実験に関するものであるが，一般
に暖房運転は室外条件が気温７℃／湿度８５％を標準と
して実験を行っている。その場合，空気の絶対湿度が高
いため凝縮量が多く，親水性熱交換器あるいはファンで
捕捉されずに下流側のグリルにまで到達する水滴が若干
多くなる。長時間運転すると，水滴が下流側グリルに蓄
積されて全体の通風抵抗に影響を与えることになる。こ
れを解決するための手段を以下で説明する。

【００３６】図１６は本発明による一実施例を示す室外
機ファンの下流側グリルの正面図である。本実施例で
は，グリル１０１を縦方向に設置してある。本図では，
グリル１０１の奥にファンダクト１０４およびファン１
０５が見える。グリル１０１のピッチ１０３は使用上の
安全性を考慮して10mm程度とするのが望ましい。

【００３７】本実施例に示すグリル１０１の構造によ
り，上述の親水性熱交換器で捕捉し切れずにグリル１０
１に付着した水滴は、水滴の自重で流下させて通風抵抗
の増加を抑制したものである。

【００３８】図１７は本発明による他の実施例を示す室
外機ファンの下流側グリルの正面図である。本実施例で
は，グリル１０１を傾斜させて設置してある。

【００３９】図１８は本発明による他の実施例を示す室
外機ファンの下流側グリルの正面図である。本実施例で
は，２方向に傾斜したグリル１０１を組合わせて菱形状
に配置してある。

【００４０】図１９は本発明による他の実施例を示す室
外機ファンの下流側グリルの正面図である。本実施例で
は，グリル１０１をハニカム形状としてある。

【００４１】図２０は本発明による他の実施例を示す室
外機ファンの下流側グリルの正面図である。本実施例で
は，グリル１０１をＶ字形としてある。

【００４２】図２１は本発明による他の実施例を示す室
外機ファンの下流側グリルの正面図である。本実施例で
は，グリル１０１を逆Ｖ字形としてある。

【００４３】図２２は現行の室外機ファンの下流側グリ
ルの正面図である。本実施例では，グリル１０１を水平
方向に設置してある。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば，優れた撥水性を示す熱
交換器から飛散する微細な凝縮水滴をファンの上流で捕
捉・除去することが可能な，通風抵抗が比較的小さく，
除霜周期の長い，低騒音の熱交換装置を提供することが
できる。

【００４５】また，着霜による空気流路の閉塞を緩和し
て除霜周期を長くすることができ，空気調和機の暖房運
転時の快適性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す空気調和機の概略断面
図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図３】図２の部分拡大断面図である。

【図４】本発明による熱交換器の一実施例を示す部分拡
大図である。

【図５】本発明による撥水性熱交換器の他の実施例を示
す部分拡大図である。

【図６】本発明による親水性熱交換器の他の実施例を示
す部分拡大図である。

【図７】本発明による親水性熱交換器の他の実施例を示
す部分拡大図である。

【図８】本発明による撥水性熱交換器の他の実施例を示
す部分拡大図である。

【図９】本発明による熱交換器ユニットの他の実施例を
示す部分拡大図である。

【図１０】図８に示す実施例の冷房運転時における構造
を示す部分拡大図である。

【図１１】本発明による親水性熱交換器の他の実施例を
示す部分拡大図である。

【図１２】本発明による撥水性熱交換器の他の実施例を
示す部分拡大図である。

【図１３】本発明による撥水性熱交換器の他の実施例を
示す部分拡大図である。

【図１４】本発明による撥水性熱交換器の他の実施例を
示す部分拡大図である。

【図１５】図１２の撥水性熱交換器および親水性熱交換
器を備えた室外熱交換器を用いた空気調和機の暖房運転
時における各部の経時温度変化である。

【図１６】本発明による一実施例を示す室外機ファンの
下流側グリルの正面図である。

【図１７】本発明による他の実施例を示す室外機ファン
の下流側グリルの正面図である。

【図１８】本発明による他の実施例を示す室外機ファン
の下流側グリルの正面図である。

【図１９】本発明による他の実施例を示す室外機ファン
の下流側グリルの正面図である。

【図２０】本発明による他の実施例を示す室外機ファン
の下流側グリルの正面図である。

【図２１】本発明による他の実施例を示す室外機ファン
の下流側グリルの正面図である。

【図２２】現行の室外機ファンの下流側グリルの正面図
である。

【符号の説明】

１…室内ユニット，２…熱交換器，３…貫流ファン，
４，４’…冷媒配管，５…圧縮機，６…膨張弁，７…室
外ユニット，８…撥水性熱交換器，９…親水性熱交換
器，１０…軸流ファン，１１…ファンダクト，１２…風
向，２１，２３…伝熱管，２２，２４…フィン，２５，
２６…霜，２７…隙間，３１，３２…切り起こし部，４
１…伝熱管，４２…フィン，４３，４４…水滴捕捉フィ
ン，５１…撥水性熱交換器，５２…水滴捕捉手段，１０
１…グリル，１０２…空気流路，１０３…グリルピッ
チ，１０４…ファンダクト，１０５…ファン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ２５Ｂ 39/02 Ｆ２５Ｂ 39/02 Ｖ (72)発明者 畑田 敏夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換器とファンとを備え，このファンを
   用いて空気を強制対流させてなる熱交換装置において，
   前記熱交換器の空気上流側熱交換器の表面を撥水性と
   し，下流側熱交換器の表面を非撥水性とするとともに，
   前記上流側熱交換器のフィンピッチよりも下流側熱交換
   器のフィンピッチを大きくした熱交換装置。
2. 【請求項２】請求項１において、下流側熱交換器のフィ
   ンの少なくとも一部を屈曲させた熱交換装置。
3. 【請求項３】撥水性熱交換器と、ファンとを備え，この
   撥水性熱交換器とファンの間に水滴捕捉手段あるいは非
   撥水性熱交換器を設置した熱交換装置において，前記水
   滴捕捉手段あるいは非撥水性熱交換器の通気抵抗を可変
   とした熱交換装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
   において、熱交換装置を室外機として用いた空気調和
   機。