JPWO2017179190A1 - 熱交換器及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

熱交換器（１０）は、複数のフィン（１１）が鉛直に立てて並べられ、複数のフィン（１１）を複数の冷媒配管（１２）が貫通して設けられて構成される。複数のフィン（１１）それぞれには、縁に切欠き（１４）が形成され、水平方向に１本の溝状になっており、１本の溝状になった切欠き（１４）にはワイヤ（１５）が挿入され設けられている。また、複数のフィン（１１）それぞれには、切欠き（１４）の下側に鉛直方向に延びた流路溝（１６）が形成されている。

Description

この発明は、凝縮器で発生した凝縮水の排出性を高めた熱交換器と、この熱交換器を備えたヒートポンプ装置とに関する。

ヒートポンプ装置では、複数のフィンが並べられ、複数のフィンを貫通して冷媒配管が設けられて構成された熱交換器が用いられる場合がある。
この熱交換器が凝縮器として用いられた場合、各フィンでは、表面で結露した水である凝縮水が液滴となる。この液滴は、フィン間を閉塞して、熱交換器の能力を低下させてしまう場合がある。また、この液滴は、風により熱交換器の外に飛散してしまう場合がある。

特許文献１には、各フィンに折れ曲げ溝を形成し、凝縮水を折れ曲げ溝に沿って重力方向に流して排出することが記載されている。

特開２０１５−４４５０号公報

特許文献１に記載された技術では、折れ曲げ溝部分で発生した凝縮水は、折れ曲げ溝により排出できるものの、折れ曲げ溝以外の部分で発生した凝縮水は、折れ曲げ溝により排出できない。
この発明は、凝縮水の排出性を向上させることを目的とする。

この発明に係る熱交換器は、
鉛直方向に立てて設けられた複数のフィンであって、縁に切欠きが形成され、前記切欠きの下側に鉛直方向に延びた流路溝が形成された複数のフィンと、
前記複数のフィンに形成された切欠きに設けられたワイヤと、
前記複数のフィンを貫通して設けられた冷媒配管と
を備える。

この発明では、フィンの縁に形成されたワイヤ部分で凝縮水が発生し、発生した凝縮水が液滴となって下側に垂れて、流路溝に沿って排出される。これにより、凝縮水の排出性が向上する。

実施の形態１に係るヒートポンプ装置１の構成図。 実施の形態１に係る熱交換器１０の斜視図。 実施の形態１に係る熱交換器１０の側面図。 実施の形態１に係る熱交換器１０が備えるフィン１１の温度分布の説明図。 実施の形態１に係る熱交換器１０の凝縮水の排出経路の説明図であり、熱交換器１０の側面から見た図。 実施の形態１に係る熱交換器１０の凝縮水の排出経路の説明図であり、熱交換器１０のフィン１１間を見た図。 フィン１１間で凝縮水がブリッジ状に溜まった状態を示す図。 フィン１１から凝縮水が飛散する状態を示す図。 変形例１に係る熱交換器１０の側面図。 変形例２に係る熱交換器１０の側面図。

実施の形態１．
＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１を参照して、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１の構成を説明する。
ヒートポンプ装置１は、圧縮機２と、熱交換器３と、膨張弁４と、熱交換器５とが配管により順次接続された冷媒回路６を備える。冷媒回路６には、圧縮機２の吐出側に四方弁７が設けられており、冷媒が流れる方向を切り替えることができるようになっている。
冷媒が流れる方向が切り替えられることにより、熱交換器３が凝縮器となり、熱交換器５が蒸発器となる場合と、熱交換器３が蒸発器となり、熱交換器５が凝縮器となる場合とが切り替えられる。
実施の形態１に係る熱交換器１０は、熱交換器３と熱交換器５との少なくともいずれかである。

図２及び図３を参照して、実施の形態１に係る熱交換器１０の構成を説明する。
熱交換器１０は、鉛直方向に立てて、水平方向に並べて設けられた、略矩形の薄板状の複数のフィン１１を備える。各フィンは、同じ位置に複数の通過孔が空けられており、各通過孔に冷媒配管１２が通されている。図２及び図３では、各フィン１１は、４つの通過孔が鉛直方向に並んで空けられており、４つの冷媒配管１２が通されている。複数の冷媒配管１２のうち、最上部の冷媒配管１２は、他の冷媒配管よりも径が小さい細径配管１３である。つまり、複数の冷媒配管１２のうち、後述する切欠き１４に近い冷媒配管１２は細径配管１３である。

各フィン１１は、鉛直方向の上端付近における縁に切欠き１４が形成されている。各フィン１１に形成された切欠き１４は、水平方向に１本の溝状になっている。溝状になっている切欠き１４には、ワイヤ１５が挿入され設けられている。また、各フィン１１は、切欠き１４の下側に鉛直方向に延びた流路溝１６が形成されている。
なお、熱交換器１０がヒートポンプ装置１の一部として用いられた場合に、各フィン１１の風上側になる縁に切欠き１４は形成される。つまり、ヒートポンプ装置１が備えるファンにより送られる風の風上側になる縁に切欠き１４は形成される。

図３に示すように、熱交換器１０の下には、ドレンパン１７が設置される。ドレンパン１７は、熱交換器１０で発生した凝縮水の液滴を受け、外部に排出する。

＊＊＊製造方法の説明＊＊＊
まず、厚さ０．１［ｍｍ（ミリメートル）］程度のアルミ板をプレス加工することにより、冷媒配管１２を通すための通過孔と、切欠き１４と、流路溝１６とが形成されたフィン１１が複数製造される。ここで、切欠き１４に近い最上部の通過孔は、直径Φ３．５［ｍｍ］程度の細径配管１３がちょうど通る程度の大きさであり、他の通過孔は、直径Φ７．０［ｍｍ］程度の冷媒配管１２がちょうど通る程度の大きさである。
次に、製造された複数のフィン１１がフィンピッチ１．５［ｍｍ］程度で並べられる。次に、最上部の通過孔に直径Φ３．５［ｍｍ］程度の細径配管１３が通され、他の通過孔に直径Φ７．０［ｍｍ］程度の冷媒配管１２が通される。また、複数のフィン１１が並べられて溝状になった切欠き１４に、ワイヤ１５が挿入される。

なお、切欠き１４は、複数のフィン１１が並べられ、細径配管１３及び冷媒配管１２が通された後に、切削加工によりフィン１１に切り込みが入れられ、形成されてもよい。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
細径配管１３を含む冷媒配管１２の長さを８００［ｍｍ］として熱交換器１０を構成した場合の配管温度を検証する。使用する冷媒をＲ３２とし、冷媒配管１２への流入時の冷媒流量を２５［ｋｇ／ｈ］、温度を１０［℃］、乾き度を０．９［−］とする。そして、冷媒配管１２内の圧力損失をＬｏｃｋｈａｒｔ−Ｍａｒｔｉｎｅの式（「気液二相流ハンドブック」、コロナ社参照）を用いて計算する。
すると、細径配管１３を除く冷媒配管１２では、２．７［ｋＰａ］の圧力損失が生じ、冷媒配管１２内の冷媒の温度は、０．１［℃］低減する。細径配管１３では、−４５．１［ｋＰａ］の圧力損失が生じ、細径配管１３内の冷媒の温度が−３．０［℃］低減する。つまり、図４に示すように、細径配管１３を用いることによって、周囲の配管より３［℃］程度の温度の低い領域をフィン１１の表面に作ることができる。

凝縮水は、水分子を含んだ空気が相対湿度１００％となる温度以下に下げられた時に、冷却による空気の熱エネルギーの減少が凝縮水の析出として表れる。
熱交換器１０で凝縮水が析出し易い領域は、空気との温度差が大きく、熱伝達率を高めることができる温度の低い領域である。フィン１１の風上側の端面（前縁）など、空気と衝突し、温度境界層の厚さが薄い部分も、熱伝達率が高く凝縮水が析出し易い。また凝縮水が析出するときの核となる微小な表面粗さが残る壁面でも凝縮水が析出し易い。

熱交換器１０が備えるワイヤ１５は、細径配管１３の近傍にある。そのため、温度が周囲のフィン１１の表面より低くなり、空気との温度差が大きくなる。また、ワイヤ１５の形状が流入する空気の温度境界層の厚みを切断し、温度境界層を薄くする効果がある。さらに、熱交換器１０にワイヤ１５が取付けられる時に、ワイヤ１５にひねりが加わり、ワイヤ１５が切欠き１４と摩擦されることにより、ワイヤ１５の表面に微小な傷が生じる。
そのため、ワイヤ１５は、凝縮水が析出する核となり易く、フィン１１の表面よりも凝縮水の析出と成長が促進される条件を多く持つ。

図５及び図６に示すように、ワイヤ１５の表面で析出し成長した凝縮水２１は液滴２２となって、重力により切欠き１４の下側に垂れる。そして、切欠き１４の下側に垂れた液滴２２は、流路溝１６に達し、表面張力による毛管力現象によって流路溝１６に吸水される。流路溝１６に給水された液滴２２は、流路溝１６に沿って下側に向かい、ドレンパン１７に回収される。

以上のように、実施の形態１に係る熱交換器１０では、フィン１１にワイヤ１５を設け、ワイヤ１５で凝縮水を析出、成長させ、ワイヤ１５に近接する流路溝１６を用いて成長した凝縮水をドレンパン１７に誘導する。これにより、凝縮水の排出性を向上させることができる。
ワイヤ１５で凝縮水を析出、成長させ、排出されるため、図７に示すように、フィン１１間で凝縮水がブリッジ状に溜り、凝縮水がフィン１１間の空気の流れを妨害して、熱交換器１０の熱交換効率を低下させることを防止できる。また、図８に示すように、フィン１１の表面で凝縮水が成長して、ファンの風により熱交換器１０の外に飛散してしまうことを防止できる。

なお、特許文献１に記載されたように折れ曲げ溝を設けただけでは、ワイヤ１５のように、凝縮水を成長させる部分がないため、フィン１１の排水性を十分に高くすることができない。

＊＊＊他の構成＊＊＊
＜変形例１＞
実施の形態１では、図２及び図３に示すように、細径配管１３は、切欠き１４に近い１つの冷媒配管１２だけであった。しかし、図９に示すように、切欠き１４に近い２本以上の冷媒配管１２を細径配管１３にしてもよい。
これにより、フィン１１の表面の温度が低くなる領域が拡大される。

＜変形例２＞
また、実施の形態１では、図２及び図３に示すように、切欠き１４には、１本のワイヤ１５が設けられた。しかし、図１０に示すように、切欠き１４には、複数のワイヤ１５が設けられてもよい。図１０では、具体例として、切欠き１４に３本のワイヤ１５が設けられている。
これにより、ワイヤ１５の表面積が拡大され、ワイヤ１５に凝縮水が析出し易くなる。そのため、ワイヤ１５で凝縮水が成長し易くなり、熱交換器１０の凝縮水の排出性が高くなる。

＜変形例３＞
また、ワイヤ１５の表面に親水性コーティングが施されてもよい。
これにより、ワイヤ１５の表面で凝縮水の析出し易くなる。そのため、ワイヤ１５で凝縮水が成長し易くなり、熱交換器１０の凝縮水の排出性が高くなる。

１ ヒートポンプ装置、２ 圧縮機、３ 熱交換器、４ 膨張弁、５ 熱交換器、６ 冷媒回路、１０ 熱交換器、１１ フィン、１２ 冷媒配管、１３ 細径配管、１４ 切欠き、１５ ワイヤ、１６ 流路溝、１７ ドレンパン、２１ 凝縮水、２２ 液滴。

Claims (7)

1. 鉛直方向に立てて設けられた複数のフィンであって、縁に切欠きが形成され、前記切欠きの下側に鉛直方向に延びた流路溝が形成された複数のフィンと、
   前記複数のフィンに形成された切欠きに設けられたワイヤと、
   前記複数のフィンを貫通して設けられた冷媒配管と
   を備える熱交換器。
2. 前記冷媒配管は、複数設けられており、前記切欠きに近い冷媒配管は、他の冷媒配管よりも径が小さい細径配管である
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記細径配管は、２本以上である
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記ワイヤは、前記切欠きに複数設けられた
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記ワイヤは、表面に親水性コーティングが施された
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記切欠きは、前記複数のフィンの風上側の縁に設けられた
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 圧縮機と、請求項１から６までのいずれか１項に記載の熱交換器である凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とが配管により順次接続された冷媒回路を備えるヒートポンプ装置。

Images