JPWO2017017814A1 - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

扁平管の間における水滴のブリッジ現象を回避し、かつ、製造が容易な熱交換器を提供するものであり、熱交換器は、間隔を置いて並列に配置された複数の板状フィンと、板状フィンに挿入された複数の扁平管と、両端に配置された板状フィンの少なくとも一方から突出する扁平管の間に配置され、扁平管の側の両方の端部が扁平管の扁平面に接触する導水部材とを備える。

Description

本発明は、扁平管を用いたフィンチューブ型の熱交換器、及び当該熱交換器を用いた冷凍サイクル装置に関する。
従来のフィンチューブ型の熱交換器としては、例えば、特許文献1のように、側板を切り起こして形成した導水片を設けることにより、伝熱管の連結管に発生する水滴を除去するものが知られている。
特開平10−62085号公報
しかしながら、特許文献1では、伝熱管と導水片との間に水滴がブリッジし、ブリッジした水滴が凍結して氷塊を形成する場合がある。特に、特許文献1の伝熱管を扁平管とした場合、表面張力により扁平管の扁平面に水が滞留しやすくなるため、水滴がブリッジする可能性が高くなる。したがって、特許文献1では、形成された氷塊により伝熱管が損傷する可能性があるため、冷凍サイクル装置の安全性が確保できないという課題があった。また、特許文献1では、側板を切り起こすことにより導水片を形成するため、製造方法が煩雑であるという課題があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、扁平管の間における水滴のブリッジ現象を回避し、かつ、製造が容易な熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明に係る熱交換器は、間隔を置いて並列に配置された複数の板状フィンと、前記板状フィンに挿入された複数の扁平管と、両端に配置された前記板状フィンの少なくとも一方から突出する前記扁平管の間に配置され、前記扁平管の側の両方の端部が前記扁平管の扁平面に接触する導水部材とを備える。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上述の熱交換器を備える。
本発明によれば、導水部材が突出した扁平管の扁平面と接触するように扁平管の間に配置されるため、水滴によるブリッジ現象を回避することができ、かつ、製造が容易な熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することができる。
本発明の実施の形態1に係る熱交換器1の構造の一部を概略的に示した斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器1の構造の一部を空気の流動方向の風上側から見た概略的な正面図の一例である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器1の構造の一部を空気の流動方向の風上側から見た概略的な正面図の他の一例である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機100の一例を概略的に示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器1における排水動作の一例を示した概略図である。 図5のX−Xにおける概略的な矢視断面図である。 本発明の実施の形態2に係る熱交換器1の構造の一部を概略的に示した斜視図である。
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る熱交換器1の構造について説明する。図1は、本実施の形態1に係る熱交換器1の構造の一部を概略的に示した斜面図である。図1における白抜きのブロック矢印は、紙面の表面から裏面方向に流れる空気の流動方向を示している。図1に示すように、本実施の形態1に係る熱交換器1は、複数の板状フィン2と、複数の板状フィン2と交差する、管の断面形状が扁平状である複数の扁平管3とを備えるフィンチューブ型熱交換器である。熱交換器1は、複数の板状フィン2に沿って流動する空気と、複数の扁平管3の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行うものである。
なお、図1を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係及び形状は、実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面では、同一の又は類似する部材又は部分には、同一の符号を付すか、又は符号を付すことを省略している。また、以下の説明における各構成部材同士の、例えば上下関係等の位置関係は、原則として、本実施の形態1を含む以下の実施の形態の熱交換器1を使用可能な状態に設置したときのものである。
板状フィン2は、一対の板状面21と、一対の板状面21の各辺の間に位置する周縁部22とを有している。熱交換器1においては、複数の板状フィン2は、一対の板状面21が間隔を置いて並列に配置されている。並列に配置された複数の板状フィン2は、板状面21に沿って空気を流動させ、扁平管3を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換部10となる。また、図示しないが、板状フィン2の板状面21には、山部と谷部が交互に並んで形成される伝熱促進部を設けてもよく、板状フィン2における伝熱を促進させることができる。
扁平管3は、対となる扁平面31と、管断面が半円形状の一対の屈曲面32と、対となる扁平面31の間、すなわち扁平管3の内部に位置し、対となる扁平面31の長手方向に延在する1つ以上の冷媒流路33とを有している。1つ以上の冷媒流路33は、図1には図示していないが、後述する図6に図示しているので参照されたい。熱交換器1においては、複数の扁平管3は、一対の扁平面31が間隔を置いて並列に配置されている。扁平管3は、例えば複数の板状フィン2の板状面21及び周縁部22に直交する方向にかち込み挿入されることで、複数の板状フィン2と交差するように構成される。図1では、扁平管3をヘアピン形状に折り曲げたU字形状の扁平管3が例示されている。扁平管3をU字形状の冷媒配管とすることにより、扁平管3を段方向、例えば図1では上下方向に管を跨がせることができる。
扁平管3には、一対の扁平面31の長手方向の端部を熱交換部10の少なくとも一方、すなわち両端に配置された板状フィン2の少なくとも一方から外側に突出させ、空間4を介して向かい合う複数の突出扁平面34が設けられている。すなわち、複数の突出扁平面34は扁平面31の一部を構成するものである。
本実施の形態1に係る熱交換器1は、突出扁平面34の間の空間4に配置され、突出扁平面34の側の両方の端部が突出扁平面34に接触する複数の導水部材5を備えている。図1では、上下の円柱面の端部が突出扁平面34に接触する円柱形状の導水部材5が例示されている。以下では、図1に記載の円柱形状の導水部材5の配置について図2を用いて説明する。
図2は、本実施の形態1に係る熱交換器1の構造の一部を空気の流動方向の風上側から見た概略的な正面図の一例である。図2では、図1と同様にU字形状の扁平管3を備える熱交換器1を例示している。U字形状の扁平管3の突出扁平面34は、上方外側に位置する第1の突出扁平面34aと、上方内側に位置する第2の突出扁平面34bと、下方内側に位置する第3の突出扁平面34cと、下方外側に位置する第4の突出扁平面34dとを有している。
図2においては、最上部及び最下部に示す円柱形状の導水部材5は、第2の突出扁平面34bと第3の突出扁平面34cとの間の第1の空間4aに、円柱形状の導水部材5の円柱面が第2の突出扁平面34bと第3の突出扁平面34cと接触するように配置されている。また、中間部に示す円柱形状の導水部材5は、第4の突出扁平面34dと第1の突出扁平面34aとの間の第2の空間4bに、円柱形状の導水部材5の円柱面が第4の突出扁平面34d及び第1の突出扁平面34aと接触するように配置されている。なお、図2における第1の空間4a及び第2の空間4bは、図1で示した空間4の一例である。
図2では、扁平管3の一例としてU字形状の冷媒配管を例示したが、例えば、直線形状の冷媒配管としてもよい。熱交換器1は、扁平管3を直線形状の冷媒配管とし、導水部材5を扁平管3の突出扁平面34の間に配置するように構成することができる。扁平管3を直線形状の冷媒配管とした場合の熱交換器1の構成を図3に示す。
図3は、本実施の形態1に係る熱交換器1の構造の一部を空気の流動方向の風上側から見た概略的な正面図の別の一例である。図3では、扁平管3の端部はヘッダ管6に連結された構造となっている。扁平管3の突出扁平面34は、上方に位置する第5の突出扁平面34eと、下方に位置する第6の突出扁平面34fとを有している。
図3の熱交換器1においても第5の突出扁平面34eと第6の突出扁平面34fとの間の第3の空間4cに、円柱形状の導水部材5の円柱面が第5の突出扁平面34e及び第6の突出扁平面34fと接触するように配置できる。なお、図3における第3の空間4cは、図1で示した空間4の一例である。
導水部材5の形状は、突出扁平面34の側の導水部材5の両側の端部が、突出扁平面34と接触する形状であればよい。例えば、導水部材5の形状は、球状、円柱形状、多角柱形状、多面体形状等にできる。突出扁平面34の側の導水部材5の両側の端部が導水部材5は、突出扁平面34と接触する形状とすることにより、突出扁平面34の間における水滴のブリッジを回避することができるため、排水効果を向上させることができる。
また、導水部材5の材質は、アルミニウム又はアルミニウム合金等の熱伝導性の高い金属材料、またはプラスチック等の樹脂材料とすることができる。なお、導水部材5として金属材料を用いる場合は、異種金属の接触による腐食、いわゆる電食を防ぐため、導水部材5の金属材料は、扁平管3の材質と同一の金属材料、又は扁平管3の材質との電位差が小さくなる金属材料から選択される。
なお、板状フィン2と扁平管3との連結部、並びに扁平管3と導水部材5との接触部は、例えば、ロウ付け処理によって接合されている。例えば、扁平管3の材質がアルミニウムの場合、導水部材5をアルミのクラッド材を用いて構成し、扁平管3と導水部材5とをロウ付け処理で一体化することにより、排水効果を向上させることができる。なお、当該連結部及び接触部の接合方法としては、当該連結部及び接触部における熱伝導性を維持できる方法であれば、ロウ付け処理以外の方法を用いてもよい、例えば、当該連結部及び接触部は、溶接又は接着によって接合してもよい。
次に、本実施の形態1に係る熱交換器1を用いた冷凍サイクル装置について図4を用いて説明する。図4は、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置、すなわちヒートポンプ装置の一例である空気調和機100を概略的に示す冷媒回路図である。
図4に示すように、空気調和機100は、圧縮機110、冷媒流路切替装置120、熱源側熱交換器130、減圧装置140、及び負荷側熱交換器150が冷媒配管を介して環状に接続された構成を有している。本実施の形態1に係る熱交換器1は、熱源側熱交換器130又は負荷側熱交換器150の少なくとも一方に用いられている。以下では、熱交換器1は、熱源側熱交換器130に用いられた場合について説明する。また、空気調和機100は、熱源側熱交換器130に室外空気を送風する熱源側送風ファン160を有している。
なお、図4では、冷房運転及び暖房運転の双方を行う空気調和機100として必要最小限の構成要素のみを示している。空気調和機100は、図4に示す構成要素の他に、気液分離器、レシーバ、アキュムレータ等を備えていてもよい。また、空気調和機100を冷房専用または暖房専用とする場合には、冷媒流路切替装置120を省略してもよい。
圧縮機110は、吸入した低圧冷媒を圧縮し、高圧冷媒として吐出する流体機械である。
冷媒流路切替装置120は、冷房運転時と暖房運転時とで冷凍サイクル内の冷媒の流れ方向を切り替えるものであり、例えば四方弁等が用いられる。
熱源側熱交換器130は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器130では、内部を流通する冷媒と、熱源側送風ファン160により送風される室外空気との間で熱交換が行われる。なお、空気調和機100においては、蒸発器は冷却器と称され、凝縮器は放熱器と称される場合がある。
減圧装置140は、高圧冷媒を減圧して低圧冷媒とするものである。減圧装置140としては、例えば、開度を調節可能なリニア電子膨張弁(LEV)等が用いられる。
負荷側熱交換器150は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する熱交換器である。負荷側熱交換器150では、例えば、内部を流通する冷媒と、室内空気との熱交換が行われる。図4では図示していないが、室内空気は、例えば負荷側送風ファンにより負荷側熱交換器150に送風される。
ここで、「暖房運転」とは、負荷側熱交換器150に高温高圧の冷媒を供給する運転のことをいい、「冷房運転」とは、負荷側熱交換器150に低温低圧の冷媒を供給する運転のことをいう。図4では、暖房運転時における冷媒の流れを実線の矢印で示し、冷房運転時における冷媒の流れを破線の矢印で示している。
次に、本実施の形態1の空気調和機100において、熱源側熱交換器130として本実施の形態1の熱交換器1を用いた場合における、暖房運転時の熱交換器1の排水動作について図5を用いて説明する。図5は、本実施の形態1に係る熱交換器1における排水動作の一例を示した概略図である。
空気調和機100においては、暖房運転が長時間継続されたときには、蒸発器として機能する熱源側熱交換器130、すなわち熱交換器1の表面には、結露水すなわち凝縮水が発生する。熱交換器1の熱交換部10においては、凝縮水は、板状フィン2を導水経路として重力により排水される。
一方、扁平管3の突出扁平面34が外気に露出している場合には、外気が露点温度まで冷却されると、扁平管3の突出扁平面34にも凝縮水の水滴が発生する。突出扁平面34は熱交換部10の外側、すなわち両端に配置された板状フィン2の外側に位置するため、突出扁平面34に生じた水滴は、板状フィン2を導水経路として排水されない場合がある。図5では、U字形状の扁平管3を2つ備える熱交換器1が図示されているが、以下では、紙面上側の扁平管3を用いて、第1の空間4aに導水部材5が配置されない場合の、凝縮水の排水動作について比較例として説明する。図5の紙面上側の扁平管3における矢印は、水滴の流れを示している。
第1の突出扁平面34aに発生した凝縮水の水滴は、熱交換部10の近くで発生した場合には、板状フィン2を導水経路として重力により排水される。また、屈曲面32の近くで水滴が発生した場合には、重力により屈曲面32を伝って第2の突出扁平面34bに到達する。一方、U字形状の扁平管3の外側の円弧面である第1の円弧面35aの近くに発生した水滴は、重力により第1の円弧面35aを伝って、第4の突出扁平面34dに到達する。第4の突出扁平面34dの第1の円弧面35a側には排水経路がないため、水滴の表面張力により、凝縮水の滞留7aが発生しやすくなる。
また、第2の突出扁平面34bに発生した凝縮水の水滴は、熱交換部10の近くで発生した場合には、板状フィン2を導水経路として重力により排水される。また、U字形状の扁平管3の内側の円弧面である第2の円弧面35bの近くに発生した水滴は、重力により第2の円弧面35bを伝って、第3の突出扁平面34cに到達する。一方、熱交換部10と第2の円弧面35bの立ち上がり位置との間に発生した水滴は、板状フィン2からも第2の円弧面35bからも排水されないため、水滴の表面張力により凝縮水の滞留7bが発生しやすくなる。よって、熱交換器1が、導水部材5を備えていない場合、凝縮水の一部が、水滴の表面張力等により突出扁平面34に滞留することとなる。
したがって、導水部材5を、扁平管3の突出方向、すなわち突出扁平面34の長手方向において、突出扁平面34の中心位置を基準として、熱交換部10、すなわち板状フィン2から離れる方向に配置することにより、凝縮水の排水を促進することができる。例えば、突出扁平面34の長手方向における、熱交換部10と突出扁平面34の交差部分を基準点0とする。扁平管3の突出部分の長さをL、第1の円弧面35aの半径をRとする。突出扁平面34の長手方向における導水部材5の中心位置をXとした場合において、導水部材5の中心位置Xが式(1)を満たすように導水部材5を配置することにより、凝縮水の滞留を回避し、凝縮水の排水を促進することができる。
(L−R)/2<X<L …(1)
本実施の形態1では、突出扁平面34が0℃以下の外気に触れた場合、又は、扁平管3の内部に0℃以下の冷媒が存在する場合であっても、導水部材5により排水が促進されるため、凝縮水による氷塊の形成を回避できる。したがって、凝縮水による氷塊の形成による扁平管3を破壊し、扁平管3の内部の流体が外部へ漏出させる可能性を回避できる。また、凝縮水の排水を促進することにより、除霜のための運転頻度を少なくすることができるため、空気調和機100全体のエネルギー消費量を削減することができる。
次に、第1の突出扁平面34a又は第3の突出扁平面34cから屈曲面32を伝って第2の突出扁平面34b又は第4の突出扁平面34dに到達する水滴の排水動作について図6を用いて説明する。図6は、図5のX−Xにおける概略的な矢視断面図である。図6では、突出扁平面34の短手方向における断面幅をS、屈曲面32の半径をrとして表記している。また、第3の突出扁平面34cの断面と、導水部材5の断面における第2の突出扁平面34bと第3の突出扁平面34cとを結ぶ線分との間の角度をθとして表記している。
図6では、第1の突出扁平面34aから屈曲面32を伝って第2の突出扁平面34bに到達する水滴の排水動作について考える。第2の突出扁平面34bに到達する水滴は、導水部材5に触れるまでの距離が短いほど、迅速に水滴が排水される。したがって、第2の突出扁平面34bの短手方向における導水部材5の接触部位の断面幅をYとした場合、導水部材5の接触部位の断面幅Yを突出扁平面34の断面幅Sと同一にすることによって、凝縮水の排水を促進することができる。また、扁平管3のピッチ幅方向における導水部材5の幅Hは、第2の突出扁平面34bと第3の突出扁平面34cとの間の幅と同一となるように構成されている。また、角度θは90度となるように構成することにより、凝縮水が迅速に屈曲面32を伝って第4の突出扁平面34dに到達するため、凝縮水の排水を促進することができる。すなわち、導水部材5の断面積を長方形とし、導水部材5の接触部位の断面幅Yを突出扁平面34の断面幅Sと同一にすることにより、凝縮水の排水をより促進することができる。
以上に説明したように、本実施の形態1の熱交換器1は、間隔を置いて並列に配置された複数の板状フィン2と、板状フィン2に挿入された複数の扁平管3と、両端に配置された板状フィン2の少なくとも一方から突出する扁平管3の間に配置され、扁平管3の側の両方の端部が扁平管3の扁平面31に接触する導水部材5とを備える。
また、本実施の形態1の空気調和機100は、上述の熱交換器1を備える。
本実施の形態1の構成によれば、導水部材5が突出扁平面34と接触するように扁平管3の間に配置されるため、突出扁平面34の間における水滴によるブリッジ現象を回避することができ、突出扁平面34に付着した水滴の排水が促進される。また、複数の導水部材5を突出した扁平管3の間に配置することによって構成されるため、製造方法が簡易である。したがって、本実施の形態1の構成によれば、水滴によるブリッジ現象を回避することができ、かつ、製造が容易な熱交換器1及び空気調和機100を提供することができる。
また、本実施の形態1の熱交換器1においては、扁平管3の突出部は、U字形状に折り曲げられている。扁平管3をU字形状の冷媒配管とすることにより、U字形状の冷媒配管の末端に連結されるヘッダ部を同一の方向に配置でき、熱交換器1の小型化を図ることができる。
また、本実施の形態1の熱交換器1においては、導水部材5は、突出扁平面34の長手方向において、突出扁平面34の中心位置を基準として、板状フィン2から離れる方向に配置できる。また、突出扁平面34の短手方向における導水部材5の接触部位の断面幅は、突出扁平面34の短手方向における断面幅と同一にすることができる。この構成によれば、凝縮水の排水を更に促進することができる。
また、本実施の形態1の熱交換器1においては、導水部材5は、円柱状、多角柱形状、又は多面体形状の部材にできる。また、導水部材5は、球状の部材としてもよい。また、導水部材5は、扁平管3と同一の材質の部材、又は樹脂製の部材にできる。導水部材5は、多様な材質で多様な形状に構成できるため、製造を容易にすることができる。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る熱交換器1の構造について説明する。図7は、本実施の形態2に係る熱交換器1の構造の一部を概略的に示した斜視図である。本実施の形態2に係る熱交換器1は、上述の実施の形態1に係る熱交換器1の一変形例である。
本実施の形態2に係る熱交換器1においては、導水部材5の各々は、支持部材8に固定された構成となっている。その他の熱交換器1の構造については、上述の実施の形態1に係る熱交換器1のものと同一であるため、説明を省略する。
支持部材8は、導水部材5を固定できるものであればよい。例えば、支持部材8は、長方形の板状部材とすることができる。また、支持部材8は、導水部材5と同一の材質の部材、又は樹脂製の部材にできる。また、突出扁平面34の長手方向に、支持部材8の幅を広げることによって、風除部材として用いてもよい。
本実施の形態2では、導水部材5の各々を支持部材8に固定することにより、導水部材5の全てを一度に熱交換器1に取り付けることができるため、簡易に導水部材5を熱交換器1に取り付けられる。また、導水部材5の各々を支持部材8に取り付けることにより、突出扁平面34の強度を向上させることができる。つまり、導水部材5が補強部材としても機能することになる。
その他の実施の形態.
本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態では、冷凍サイクル装置として空気調和機100を例に挙げたが、本発明は、空気調和機100以外の冷凍サイクル装置、例えば給湯器等にも適用可能である。
また、導水部材5は、同一の空間4に複数個設けるように構成してもよい。例えば、熱交換器1においては、下方に向かうほど排水量が多くなるため、下方の扁平管3に配置する導水部材5を多くするように構成してもよい。
また、上記の各実施の形態は、互いに組み合わせて実施することが可能である。
1 熱交換器、2 板状フィン、3 扁平管、4 空間、4a 第1の空間、4b 第2の空間、4c 第3の空間、5 導水部材、6 ヘッダ管、7a、7b 滞留、8 支持部材、10 熱交換部、21 板状面、22 周縁部、31 扁平面、32 屈曲面、33 冷媒流路、34 突出扁平面、34a 第1の突出扁平面、34b 第2の突出扁平面、34c 第3の突出扁平面、34d 第4の突出扁平面、34e 第5の突出扁平面、34f 第6の突出扁平面、35a 第1の円弧面、35b 第2の円弧面、100 空気調和機、110 圧縮機、120 冷媒流路切替装置、130 熱源側熱交換器、140 減圧装置、150 負荷側熱交換器、160 熱源側送風ファン。

Claims (9)

  1. 間隔を置いて並列に配置された複数の板状フィンと、
    前記板状フィンに挿入された複数の扁平管と、
    両端に配置された前記板状フィンの少なくとも一方から突出する前記扁平管の間に配置され、前記扁平管の側の両方の端部が前記扁平管の扁平面に接触する導水部材と
    を備える
    熱交換器。
  2. 前記扁平管の突出部は、U字形状に折り曲げられている
    請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記導水部材は、突出した前記扁平面の長手方向において、前記扁平面の中心位置を基準として、前記板状フィンから離れる方向に配置される
    請求項1又は2に記載の熱交換器。
  4. 突出した前記扁平面の短手方向における前記導水部材の接触部位の断面幅は、突出した前記扁平面の短手方向における断面幅と同一である
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
  5. 前記導水部材は、円柱状、多角柱形状、又は多面体形状の部材である
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱交換器。
  6. 前記導水部材は、球状の部材である
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
  7. 前記導水部材の各々は、支持部材に固定されている
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱交換器。
  8. 前記導水部材は、前記扁平管と同一の材質の部材、又は樹脂製の部材である
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱交換器。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱交換器を備える冷凍サイクル装置。
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