説明

熱交換器及びそれを搭載した空気調和機

【課題】サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾いた状態で置かれたとしても、良好な排水性能が維持されるようにする。
【解決手段】熱交換器1は、間隔を置いて平行に配置された2本のヘッダパイプ2、3と、ヘッダパイプ2、3の間に複数配置され、内部の冷媒通路5をヘッダパイプ2、3に連通させた偏平チューブ4と、偏平チューブ4同士の間に配置されたコルゲートフィン6を備える。熱交換器1の凝縮水が結集する側の面におけるコルゲートフィン6の端は偏平チューブ4の端からはみ出しており、はみ出し部分同士のなす隙間Gに線状の導水部材10が挿入される。導水部材10と、その上に位置するコルゲートフィン6のはみ出し端との間隔は、両者間に水の表面張力が働き得る距離とされる。導水部材10が配置された側の面に、偏平チューブ4の端同士を連結する排水プレート11が差し込まれる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。
【背景技術】
【0002】
複数のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の複数の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器は、カーエアコンや建物用空気調和機の室外側ユニットなどに広く利用されている。
【0003】
従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の一例を図7に示す。熱交換器1は、2本のヘッダパイプ2、3と、その間に配置される複数の偏平チューブ4を備える。図7では、ヘッダパイプ2、3は垂直方向に延び、水平方向に間隔を置いて平行に配置されており、偏平チューブ4は水平方向に延び、垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、パラレルフロー型熱交換器1は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるものであり、厳密な「垂直」「水平」が当てはまらなくなるケースが多いことは言うまでもない。
【0004】
偏平チューブ4は金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路5が形成されている。偏平チューブ4は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路5の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路5は断面形状及び断面面積の等しいものが図7の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ4の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路5はヘッダパイプ2、3の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ4同士の間にはコルゲートフィン6が配置される。
【0005】
ヘッダパイプ2と3、偏平チューブ4、及びコルゲートフィン6はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ4はヘッダパイプ2、3に対し、コルゲートフィン6は偏平チューブ4に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。
【0006】
熱交換器1では、冷媒出入口7、8はヘッダパイプ3の側にのみ設けられている。ヘッダパイプ3の内部には上下方向に間隔を置いて2枚の仕切板9a、9cが設けられており、ヘッダパイプ2の内部には仕切板9a、9cの中間の高さのところに仕切板9bが設けられている。
【0007】
熱交換器1を蒸発器として使用する場合、冷媒は図7に実線矢印で示すように下側の冷媒出入口7から流入する。冷媒出入口7から入った冷媒は、仕切板9aでせき止められて偏平チューブ4経由でヘッダパイプ2に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ2に入った冷媒は仕切板9bでせき止められて別の偏平チューブ4経由でヘッダパイプ3に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ3に入った冷媒は仕切板9cでせき止められてさらに別の偏平チューブ4経由で再びヘッダパイプ2に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ2に入った冷媒は折り返してさらに別の偏平チューブ4経由で再びヘッダパイプ3に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ3に入った冷媒は冷媒出入口8から流出する。このように、冷媒はジグザグの経路を辿って下から上に流れる。ここでは仕切板の数が3の場合を示したが、これは一例であり、仕切板の数と、その結果としてもたらされる冷媒流れの折り返し回数は、必要に応じ任意の数を設定することができる。
【0008】
熱交換器1を凝縮器として使用する場合は、冷媒の流れが逆になる。すなわち冷媒は図7に点線矢印で示すように冷媒出入口8からヘッダパイプ3に入り、仕切板9cでせき止められて偏平チューブ4経由でヘッダパイプ2に向かい、ヘッダパイプ2では仕切板9bでせき止められて別の偏平チューブ4経由でヘッダパイプ3に向かい、ヘッダパイプ3では仕切板9aでせき止められてさらに別の偏平チューブ4経由で再びヘッダパイプ2に向かい、ヘッダパイプ2で折り返してさらに別の偏平チューブ4経由で再びヘッダパイプ3に向かい、冷媒出入口7から点線矢印のように流出するという、ジグザグの経路を辿って上から下に流れる。
【0009】
熱交換器を蒸発器として用いた場合、低温となった熱交換器表面に大気中の水分が凝結して凝縮水が発生する。パラレルフロー型熱交換器では、偏平チューブやコルゲートフィンの表面に凝縮水が留まると空気流通路の断面積が水によって狭められてしまい、熱交換性能が低下する。
【0010】
凝縮水は、気温が低いと熱交換器の表面で霜と化す。霜が氷にまで進むこともある。本明細書では、そのような霜や氷が溶けた水、いわゆる除霜水も含めた意味で「凝縮水」の語を用いるものとする。
【0011】
凝縮水の滞留は、特にサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において問題となる。特許文献1、2に、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器からの排水を促進する方策が提案されている。
【0012】
特許文献1記載の熱交換器では、凝縮水の結集側にコルゲートフィンと接触する排水ガイドを配置している。排水ガイドは線形部材からなり、偏平管に対して傾斜配置され、両端の少なくとも一つが熱交換器の下端側あるいは側端側に導かれている。
【0013】
特許文献2記載の熱交換器では、ガイド板が、送風の下流側に、コルゲートフィンに接触して配置されている。熱交換器の表面に付着した露は、送風によって下流側に移動してガイド板に付着し、その重さによって自由落下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】特開2007−285673号公報
【特許文献2】特開2001−263861号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
特許文献1記載の熱交換器では、線形部材からなる排水ガイドを熱交換器に接触させて水を導く。しかしながら、熱交換器が傾いた状態で設置されているときや、排水ガイドに汚れが付着したときなど、水が排水ガイドを伝わらないで、水とび等の現象が発生することがある。特許文献2記載の熱交換器でも、傾いた状態で設置された場合には、フィン間でブリッジした水がもとになって水とびが発生する。
【0016】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の凝縮水の排水性を改善するとともに、その効果が、凝縮水が結集する側の面が下を向くように熱交換器が傾いた状態で置かれたとしても発揮されるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の好ましい実施形態によれば、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端は前記偏平チューブの端からはみ出しており、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材が挿入され、当該導水部材と、その上に位置する前記コルゲートフィンのはみ出し端との間隔は、両者間に水の表面張力が働き得る距離とされるとともに、前記導水部材が配置された側の面に、前記偏平チューブの端同士を連結する排水プレートが差し込まれる。
【0018】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成の熱交換器において、前記排水プレートの一方の縁に前記偏平チューブの配置ピッチに等しいピッチで複数のノッチが形成され、前記ノッチに前記偏平チューブの端と前記導水部材が入り込む。
【0019】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成の熱交換器において、複数の前記排水プレートが前記偏平チューブの長さ方向に沿って所定ピッチで配置される。
【0020】
本発明の好ましい実施形態によれば、空気調和機の室外機または室内機に上記構成の熱交換器が搭載される。
【発明の効果】
【0021】
本発明によると、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面におけるコルゲートフィンの端は偏平チューブの端からはみ出しており、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材が挿入され、当該導水部材と、その上に位置するコルゲートフィンのはみ出し端との間隔は、両者間に水の表面張力が働き得る距離とされるとともに、導水部材が配置された側の面に、偏平チューブの端同士を連結する排水プレートが差し込まれていることにより、凝縮水はコルゲートフィンから導水部材に移るばかりでなく、コルゲートフィンから排水プレートにも移り、排水プレートを伝って安定して流下するので、凝縮水が結集する側の面が下を向くように熱交換器が傾いた状態で置かれたとしても、凝縮水は熱交換器の下端まで流下し続け、途中で滴下するようなことはない。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の実施形態に係る熱交換器の部分正面図である。
【図2】実施形態に係る熱交換器の部分概略断面図である。
【図3】実施形態に係る熱交換器を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置いた状態を示す部分概略断面図である。
【図4】本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の室外機の概略断面図である。
【図5】本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。
【図6】本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。
【図7】従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。
【図8】従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の部分概略断面図である。
【図9】従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置いた状態を示す部分概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下本発明の実施形態を、図1から図3までを参照しつつ説明する。なお、図7の従来構造と機能的に共通する構成要素には図7で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略するものとする。
【0024】
サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器1の排水性は、パラレルフロー型熱交換器1を図8に示す構造とすることにより改善できる。すなわちパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面におけるコルゲートフィン6の端を偏平チューブ4の端からはみ出させる。そのはみ出し部分同士のなす隙間Gに、導水部材10が挿入される。導水部材10と、その上に位置するコルゲートフィン6のはみ出し端との間隔は、両者間に水の表面張力が働き得る距離とする。
【0025】
導水部材10としては、繊維(好ましくは合成繊維)の集合体、いわゆる紐であるとか、金属や合成樹脂の線材を二重らせんの形に巻いたもの、金属や合成樹脂の線材をコイルスプリングの形に巻いたもの、金属や合成樹脂の板材を襞ピッチの細かいコルゲート板としたもの、金属や合成樹脂のロッドの外周にらせん溝を刻んでドリルビットの形状としたもの、スポンジ等の多孔性物質(吸水性部材)、紐を三つ編みにしたもの、チェーンなど、様々な吸水性部材や非吸水性部材であって、凝縮水の表面張力を働かせ得るものを用いることができる。
【0026】
コルゲートフィン6の端に凝縮水がたまると、水の表面張力により、コルゲートフィン6の端面にブリッジ現象(水の膜が張ること)が生じる。コルゲートフィン6の端面だけでなく、コルゲートフィン6の下に挿入された導水部材10とコルゲートフィン6の端との間にもブリッジ現象が生じる。また、導水部材10と、その下に位置するコルゲートフィン6の端にたまった凝縮水との間でもブリッジ現象が生じる。このようなブリッジ現象の連鎖により、上部から下部まで続く導水路が形成され、コルゲートフィン6の間にブリッジした凝縮水を流れ落ちさせることが可能となる。
【0027】
しかしながら、図8に示すサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器1は、排水の問題を完全に解決するものとは言えない。図8のパラレルフロー型熱交換器1を、図9に示す通り、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置くと、コルゲートフィン6の端にたまった凝縮水が、表面張力で導水部材10に移る前にコルゲートフィン6の下方の角から滴下してしまう。熱交換器1が空気調和機の室内機に搭載され、熱交換器1の下にクロスフローファンが設置されていた場合など、クロスフローファンが吹き出す気流に混じって水滴が飛び散ることになり、使用者に不快感を与える。
【0028】
そこで本発明では、図8の構造にもう一工夫を加える。すなわち、導水部材10が配置された側の面に、図2に示す通り、偏平チューブ4の端同士を連結する排水プレート11を差し込む。排水プレート11は図1において垂直に、すなわち偏平チューブ4と直角に配置されている。排水プレート11の一方の縁には偏平チューブ4の配置ピッチに等しいピッチで複数のノッチ12が形成され、このノッチ12に偏平チューブ4の端と導水部材10が入り込む。排水プレート11の他方の縁は、コルゲートフィン6よりもさらに外側にはみ出す。
【0029】
排水プレート11はロウ付けまたは溶着で偏平チューブ4に固定される。排水プレート11の材料としては、コルゲートフィン6と同じ材質、同じ厚みの板材を使用するのがよい。図1に示す通り、排水プレート11は、複数のものが偏平チューブ4の長さ方向に沿って所定ピッチで配置される。排水プレート11のピッチは、コルゲートフィン6の山(谷)のピッチよりも広めに、例えばコルゲートフィン6の山(谷)のピッチの3倍程度に設定することができる。
【0030】
前述の通り、導水部材10としては様々な種類のものを用いることができるが、ここでは2本の針金を撚り合わせたものを用いる。針金には、電食を防ぐため、偏平チューブ4、コルゲートフィン6、及び排水プレート11と同じ材質のものを使用する。偏平チューブ4、コルゲートフィン6、及び排水プレート11がアルミニウム製であれば、針金もアルミニウムということになる。導水部材10の長さは偏平チューブ4の長さとほぼ同じである。
【0031】
熱交換器1を、凝縮水が結集する側の面が下を向くように傾けて置くと、図3のようになる。コルゲートフィン6の端に結集した凝縮水は、排水プレート11という排水経路が確保されているため、排水プレート11を伝って安定して流下する。凝縮水は熱交換器1の下端まで流下し続け、途中で滴下することはない。凝縮水の捕集と排水については、熱交換器1の最下部あるいはその少し上あたりのコルゲートフィン6についてのみ、水を受けて排水する仕組みを整えておきさえすればよい。
【0032】
本発明の構成によれば、最下部以外のコルゲートフィン6から凝縮水が滴下し、熱交換器1の下に配置されたクロスフローファンが吹き出す気流に混じって水滴が飛び散り、使用者に不快感を与えるといった事態を防ぐことができる。
【0033】
本実施形態では排水プレート11を垂直に、すなわち偏平チューブ4に対し直角をなすように配置したが、排水プレート11を偏平チューブ4に対し斜めに交差する形で挿入することも可能である。
【0034】
熱交換器1は、セパレート型空気調和機の室外機または室内機に搭載することができる。図4には室外機への搭載例を示す。
【0035】
図4の室外機20は平面形状略矩形の板金製筐体20aを備え、筐体20aの長辺側を正面20F及び背面20Bとし、短辺側を左側面20L及び右側面20Rとしている。正面20Fには排気口21が形成され、背面20Bには背面吸気口22が形成され、左側面20Lには側面吸気口23が形成される。排気口21は複数の水平なスリット状開口の集合からなり、背面吸気口22と側面吸気口23は格子状の開口からなる。正面20F、背面20B、左側面20L、右側面20Rの4面の板金部材に図示しない天板と底板が加わって六面体形状の筐体20aが形成される。
【0036】
筐体20aの内部には、背面吸気口22及び側面吸気口23のすぐ内側に平面形状L字形の熱交換器1が配置される。熱交換器1と室外空気との間で強制的に熱交換を行わせるため、熱交換器1と排気口21の間に送風機24が配置される。送風機24は電動機24aにプロペラファン24bを組み合わせたものである。送風効率向上のため、筐体20aの正面20Fの内面にはプロペラファン24bを囲むベルマウス25が取り付けられる。筐体20aの右側面20Rの内側の空間は背面吸気口22から排気口21へと流れる空気流から隔壁26で隔離されており、ここに圧縮機27が収容されている。
【0037】
室外機20の熱交換器1に凝縮水が発生すると、空気流通路の面積が凝縮水で狭められることにより熱交換性能が低下するだけでなく、外気温が氷点下であったりした場合には、凝縮水が凍結して熱交換器1の破損を招くことすらある。そのため室外機20では、熱交換器1からの凝縮水の排水が重要な課題となる。
【0038】
室外機20では、熱交換器1の風上側が凝縮水の結集側となる。これは次の理由による。室外機20においては、熱交換器1を傾けることなく、ほぼ垂直に立てて設置している。熱交換器1を蒸発器として使用した場合(例えば暖房運転時がこれに該当する)、風下側よりも風上側で熱交換が盛んに行われ、そこに凝縮水が溜まる。そのため、風上側が凝縮水の結集側ということになるのである。
【0039】
風上側で結露した凝縮水は、風下側に流れることはあまりない。外気温が低い場合は、凝縮水は霜として熱交換器1に付着する。霜の量が増えれば除霜運転を余儀なくされるが、除霜運転中、送風機24は停止しているので、霜が溶けた水は風の影響を受けることなく専ら重力で下に流れ落ちる。これらのことから、風上側の面に本発明の構造を適用することにより、凝縮水を速やかに排水し、熱交換性能の低下を防ぐことができる。
【0040】
図5及び図6には、セパレート型空気調和機の室内機に熱交換器1を搭載した例を示す。図5及び図6に示されるセパレート型空気調和機の室外機は圧縮機、四方弁、膨張弁、室外側熱交換器、室外側送風機などを含み、室内機は室内側熱交換器、室内側送風機などを含む。室外側熱交換器は、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。室内側熱交換器は、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。
【0041】
図5には冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成が示されている。ヒートポンプサイクル101は、圧縮機102、四方弁103、室外側の熱交換器104、減圧膨張装置105、及び室内側の熱交換器106をループ状に接続したものである。圧縮機102、四方弁103、熱交換器104、及び減圧膨張装置105は室外機110の筐体に収容され、熱交換器106は室内機120の筐体に収容される。熱交換器104には室外側の送風機107が組み合わせられ、熱交換器106には室内側の送風機108が組み合わせられる。送風機107は吹出気流形成用のプロペラファン107aを含み、送風機108は吹出気流形成用のクロスフローファン108aを含む。クロスフローファン108aは熱交換器106の下に軸線を水平にして配置される。
【0042】
本発明に係る熱交換器1は、室内機の熱交換器106の構成要素として用いることができる。熱交換器106は、3個の熱交換器106A、106B、106Cを送風機108を覆う屋根のように組み合わせたものであり、熱交換器106A、106B、106Cのいずれかまたは全てを熱交換器1とすることができる。
【0043】
図5は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機102から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の熱交換器106に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器106を出た冷媒は減圧膨張装置105から室外側の熱交換器104に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機102に戻る。室内側の送風機108によって生成された気流が熱交換器106からの放熱を促進し、室外側の送風機107によって生成された気流が熱交換器104の吸熱を促進する。
【0044】
図6は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は四方弁103が切り換えられて暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機102から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の熱交換器104に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器104を出た冷媒は減圧膨張装置105から室内側の熱交換器106に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機102に戻る。室外側の送風機107によって生成された気流が熱交換器104からの放熱を促進し、室内側の送風機108によって生成された気流が熱交換器106の吸熱を促進する。
【0045】
本発明に係る熱交換器1を室内機の熱交換器106の構成要素として用いた場合、熱交換器1の風下側であり、熱交換器1の姿勢によっては下面側でもある面が凝縮水の結集側となる。導水部材10と排水プレート11はこの風下側の面に配置される。
【0046】
本発明に係る熱交換器1を用いれば、風下側の面に凝縮水が結集しても、それがクロスフローファン108aに滴下したりするようなことはなく、水とびが発生しない。また、熱交換器1ではブリッジ現象を抑制することができ、通風抵抗の増加を抑えることが可能となる。
【0047】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【0048】
本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。
【符号の説明】
【0049】
1 熱交換器
2、3 ヘッダパイプ
4 偏平チューブ
5 冷媒通路
6 コルゲートフィン
G 隙間
7、8 冷媒出入口
10 導水部材
11 排水プレート
12 ノッチ
20 室外機
110 室外機
120 室内機

【特許請求の範囲】
【請求項1】
間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端は前記偏平チューブの端からはみ出しており、当該コルゲートフィンのはみ出し端同士のなす隙間に線状の導水部材が挿入され、当該導水部材と、その上に位置する前記コルゲートフィンのはみ出し端との間隔は、両者間に水の表面張力が働き得る距離とされるとともに、
前記導水部材が配置された側の面に、前記偏平チューブの端同士を連結する排水プレートが差し込まれることを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
【請求項2】
前記排水プレートの一方の縁に前記偏平チューブの配置ピッチに等しいピッチで複数のノッチが形成され、前記ノッチに前記偏平チューブの端と前記導水部材が入り込むことを特徴とする請求項1に記載のパラレルフロー型熱交換器。
【請求項3】
複数の前記排水プレートが前記偏平チューブの長さ方向に沿って所定ピッチで配置されることを特徴とする請求項1または2に記載のパラレルフロー型熱交換器。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか1項に記載の熱交換器を室外機または室内機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2012−37092(P2012−37092A)
【公開日】平成24年2月23日(2012.2.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−175524(P2010−175524)
【出願日】平成22年8月4日(2010.8.4)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)