(57)【要約】【課題】特殊構造のダクトを備えない冷凍サイクル装置に搭載可能であるとともに、着霜が風量減少をもたらすことの少ない熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１０は、内部に冷媒の分配流路１１ａが形成された第一分流管１１と、同じく内部に冷媒の分流流路１２ａが形成された第二分流管１２と、第一分流管１１及び第二分流管の長手方向に所定間隔で配置されて第一分流管１１及び第二分流管１２に接続されるとともに、自身の内部の冷媒通路１３ａを分配流路１１ａ、１２ａに連通させた複数の伝熱管１３と、複数の伝熱管１３が形成する複数段のフィン配置空間１４のそれぞれに配置され、フィン配置空間１４を形成する伝熱管１３に接合される複数の伝熱用フィンとを備える。複数段のフィン配置空間１４には、フィンピッチの異なる伝熱用フィン１５Ａ、１５Ｂが混在せしめられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒の分配流路が形成された分流管と、前記分流管の長手方向に所定間隔で配置されて前記分流管に接続されるとともに、自身の内部の冷媒通路を前記分配流路に連通させた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管が形成する複数段のフィン配置空間のそれぞれに配置され、前記フィン配置空間を形成する伝熱管に接合される複数の伝熱用フィンとを備えた熱交換器において、
前記複数段のフィン配置空間に、フィンピッチの異なる前記伝熱用フィンが混在せしめられることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記フィンピッチの異なる伝熱用フィンとして、相対的にフィンピッチが密の伝熱用フィンと相対的にフィンピッチが疎の伝熱用フィンとが交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記伝熱用フィンがコルゲートフィンであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱用フィンが平板フィンであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかの熱交換器を搭載したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器及びそれを搭載した冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置は空気調和機、冷蔵庫、冷凍庫、給湯器などの形で広く実用化されている。冷凍サイクル装置に必須の構成要素として熱交換器がある。この種熱交換器として広く用いられているパラレルフロー型熱交換器の構造例を図７及び図８に示す。
【０００３】
図７において、紙面上側が熱交換器１０の上側、紙面下側が熱交換器１０の下側となる。熱交換器１０は垂直な第一分流管１１と垂直な第二分流管１２を水平方向に間隔を置いて配置し、第一分流管１１と第二分流管１２を複数の水平な伝熱管１３で接続した構成である。伝熱管１３は金属の押出成型品であり、第一分流管１１と第二分流管１２の長さ方向に沿って所定間隔で配置される。
【０００４】
第一分流管１１の内部には冷媒の分配流路１１ａが形成され、第二分流管１２の内部には冷媒の分配流路１２ａが形成される。各伝熱管１３の内部には冷媒通路１３ａが形成され、冷媒通路１３ａは分配流路１１ａ、１２ａに連通する。伝熱管１３は垂直方向に圧縮された偏平形状となっており、内部の冷媒通路１３ａは断面形状及び断面面積の等しいものが複数個、横１列に並び、そのため伝熱管１３の断面形状はハーモニカ状を呈している。冷媒通路１３ａの並び方向は図７においては紙面の奥行き方向、図８においては紙面の左右方向である。
【０００５】
第一分流管１１の長手方向中央付近には冷媒出入口１１ｂが形成され、第二分流管１２の長手方向中央付近には冷媒出入口１２ｂが形成される。冷媒出入口１１ｂから第一分流管１１に冷媒が流入すると、冷媒は分配流路１１ａによって各伝熱管１３に分配され、冷媒通路１３ａを通って第二分流管１２に流れる。その過程で冷媒は伝熱管１３の外側の空気に対し放熱または吸熱を行う。各冷媒通路１３ａから分配流路１２ａに入った冷媒は冷媒出入口１２ｂから流出する。
【０００６】
図８において、冷媒通路１３ａの断面形状は円形となっているが、それはこの種の熱交換器において限定的な意味を持つものではない。冷媒通路１３ａの断面形状は楕円形であってもよく、四角形その他の多角形であってもよく、あるいはより複雑な形状であってもよい。伝熱管１３毎に冷媒通路１３ａの断面形状が異なっていてもよく、断面形状の異なる冷媒通路１３ａが単一の伝熱管１３の内部に混在していても構わない。
【０００７】
図７において、第一分流管１１の長手方向中央付近に冷媒出入口１１ｂが配置され、第二分流管１２の長手方向中央付近に冷媒出入口１２ｂが配置されているが、この配置もこの種の熱交換器において限定的な意味を持つものではない。冷媒出入口１１ｂは第一分流管１１の上部または下部に偏った位置に配置されていてもよく、冷媒出入口１２ｂは第二分流管１２の上部または下部に偏った位置に配置されていてもよい。
【０００８】
第一分流管１１と第二分流管１２の長手方向に所定間隔で並ぶ複数の伝熱管１３は、上下に隣接する伝熱管１３同士の間にフィン配置空間１４を形成する。フィン配置空間１４は垂直方向に複数段にわたって並ぶ。各フィン配置空間１４には空気との接触面積を増大して伝熱管１３の放熱または吸熱を助ける伝熱用フィン１５が配置される。図７に描かれた伝熱用フィン１５は平板を波形に形成したコルゲートフィンである。図７のコルゲートフィンでは、複数の垂直なフィンプレート部分のうち隣接するもの同士の間隔、見方を変えれば隣接する襞の山同士の間隔あるいは谷同士の間隔がフィンピッチＰということになる。
【０００９】
第一分流管１１、第二分流管１２、伝熱管１３、及び伝熱用フィン１５はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属で形成され、ロウ付けで互いに接合されている。なお、この種の熱交換器で金属同士の接合に用いられる手法はロウ付けに限られない。溶射処理、熱拡張、溶接などの手法が採用可能である。
【００１０】
第一分流管１１及び第二分流管１２と伝熱管１３とをロウ付けで接続すれば、接続部からの冷媒漏れを防ぐことができる。また伝熱管１３と伝熱用フィン１５を金属同士の接合に用いられる手法で接合することで、伝熱管１３から伝熱用フィン１５に良く熱が伝わるようにし、伝熱用フィン１５とそれに接触する空気との間で効率良く熱交換を行わせることができる。また伝熱用フィン１５を波形とすることにより、空気との接触面積を広くすることができる。
【００１１】
熱交換器１０を空気調和機の室外熱交換器として使用した場合、暖房運転時には熱交換器１０が蒸発器として使用され、その表面が低温になる。外気温度が低ければ熱交換器１０の表面温度は氷点下となり、空気中の水分が伝熱用フィン１５に霜となって付着する。すなわち着霜が生じる。着霜が進行するにつれ霜の厚さが増し、伝熱用フィン１５の内部の通風路が狭められる。着霜により熱交換器１０の通風抵抗が増大すれば熱交換器１０を通る風量が減少し、熱交換器１０の蒸発性能が低下し、空気調和機の暖房性能が低下する。ここに空気調和機を除霜運転する必要が生じる。しかしながら除霜運転は冷凍サイクルの効率を低下させ、消費電力量増大の原因ともなるので、できるだけその頻度を低減することが望ましい。除霜運転の時間もできるだけ短いことが望ましい。
【００１２】
除霜運転の頻度を下げるためには、熱交換器を着霜の生じにくい構造にする必要がある。この目的のため、特許文献１に記載された熱交換器では次のような構造が採用されている。すなわち、ダクト内に熱交換器を配置する場合、ダクトの空気流入口がダクトの幅方向一端寄りに設けられているときには、フィン同士の間隔を空気流入口側が広くなるように設定して、空気流入口側の着霜量が多くなった場合でも、各フィン間の部分的な霜詰まりを確実に防止できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−４２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１記載の熱交換器は、空気流入口が幅方向一端寄りに設けられているという特殊構造のダクトに適合するように設計されており、そのような特殊構造のダクトを備えない冷凍サイクル装置では所期の性能を発揮できない。また同一のフィンにおいて部位によりフィン間隔を変える必要があるため、加工コストが上昇する。フィン間隔が広くなる方の端では熱交換量が低下する。
【００１５】
本発明は上記のような従来技術の抱える問題を解決すべくなされたものであり、特殊構造のダクトを備えない冷凍サイクル装置に搭載可能であるとともに、着霜が風量減少をもたらすことの少ない熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る熱交換器は、内部に冷媒の分配流路が形成された分流管と、前記分流管の長手方向に所定間隔で配置されて前記分流管に接続されるとともに、自身の内部の冷媒通路を前記分配流路に連通させた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管が形成する複数段のフィン配置空間のそれぞれに配置され、前記フィン配置空間を形成する伝熱管に接合される複数の伝熱用フィンとを備え、前記複数段のフィン配置空間に、フィンピッチの異なる前記伝熱用フィンが混在せしめられることを特徴としている。
【００１７】
上記構成の熱交換器において、前記フィンピッチの異なる伝熱用フィンとして、相対的にフィンピッチが密の伝熱用フィンと相対的にフィンピッチが疎の伝熱用フィンとが交互に配置されることが好ましい。
【００１８】
上記構成の熱交換器において、前記伝熱用フィンがコルゲートフィンであることが好ましい。
【００１９】
上記構成の熱交換器において、前記伝熱用フィンが平板フィンであることが好ましい。
【００２０】
また本発明は、上記熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、複数段のフィン配置空間にフィンピッチの異なる伝熱用フィンが混在せしめられるから、フィンピッチの密な伝熱用フィンで着霜による風量低下が生じたとしてもフィンピッチの疎な伝熱用フィンで風量を確保することができる。これにより、熱交換器全体が霜で目詰まりし、熱交換量が急激に低下するという事態を回避することができる。そのため除霜運転の頻度を下げ、除霜運転の時間も短縮することができる。熱交換器の一方の端のみ熱交換量が低下するということもない。また伝熱用フィンの総面積を従来の熱交換器並みとすることで、従来の熱交換器と変わらない熱交換量を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】空気調和機の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図６】熱流体シミュレーションの結果を示す表である。
【図７】従来の熱交換器の正面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
最初に、熱交換器が搭載される冷凍サイクル装置の一例としての空気調和機の構造を図１に基づき説明する。
【００２４】
空気調和機１はセパレートタイプとして構成されており、室内機２と室外機３を備える。室内機２は室内熱交換器４を内蔵し、室外機３はコンプレッサ５、室外熱交換器６、レシーバー７、及び膨張弁８を内蔵する。室内熱交換器４、コンプレッサ５、室外熱交換器６、レシーバー７、及び膨張弁８は図１のように接続されて冷凍サイクルの閉回路を構成し、その閉回路に冷媒が封入される。
【００２５】
冷房時には、冷媒はコンプレッサ５の吐出管より高温高圧のガス冷媒として吐出される。高温高圧のガス冷媒は室外熱交換器６に流入し、室外熱交換器６の外側を流れる室外空気に対し放熱を行う。放熱を行うとガス冷媒は凝縮する。凝縮した冷媒はレシーバー７で気液分離された後、膨張弁８に送られる。冷媒は膨張弁８で絞られ、低温低圧の液冷媒となる。液冷媒は室内熱交換器４に流入し、そこで蒸発・気化することにより周囲から熱を奪う。室内熱交換器４を通る室内空気から熱が奪われる結果、居室内は冷却される。このように冷房時には室内熱交換器４は蒸発器として機能し、室外熱交換器６は凝縮器として機能する。
【００２６】
暖房時には冷媒の流れが冷房時と逆になる。コンプレッサ５より高温高圧で吐出されたガス冷媒は室内熱交換器４に流入し、室内熱交換器４の外側を流れる室内空気に対し放熱を行い、室内空気を加熱する。その結果居室内は暖められる。放熱を行って凝縮した冷媒は膨張弁８に送られる。膨張弁８に送られた冷媒は膨張弁８で絞られ、低温低圧の液冷媒または気液二相冷媒となる。液冷媒または気液二相冷媒となった冷媒はレシーバー７で気液分離された後、室外熱交換器６に流入する。室外熱交換器６に流入した冷媒は室外熱交換器６を通る室外空気から熱を奪って蒸発・気化し、その後コンプレッサ５に戻る。このように暖房時には室内熱交換器４は凝縮器として機能し、室外熱交換器６は蒸発器として機能する。
【００２７】
本発明に係る熱交換器は図７、８に示した従来の熱交換器と同様のパラレルフロー型熱交換器であり、室内熱交換器４または室外熱交換器６として空気調和機１に搭載される。なお従来の熱交換器の構造の説明の際、構成材料となる熱伝導の良い金属の例としてアルミニウムを例示した。アルミニウムやアルミニウム合金は安価であり、加工性が高いというメリットを有するが、必ずしもそれに限定されるものではない。熱伝導が良く加工が容易な金属としては金、銀、銅などがあり、それらの使用が可能である。要求される性能、強度、加工性、熱伝導性、コストなどを考慮し、熱交換器の構成部材として最適な金属材料を選択すればよい。この場合、室内熱交換器４と室外熱交換器６とで使用材料、及びその取り合わせが異なることもあり得る。これらを踏まえた上で、以下、本発明に係る熱交換器の実施形態を説明する。
【００２８】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る熱交換器を図２に示す。図７、８に示した従来の熱交換器と機能的に共通する構成要素には図７、８で用いた符号をそのまま用い、説明は省略する。第２実施形態以下の実施形態の説明でも同様とする。
【００２９】
第１実施形態に係る熱交換器１０では、複数段存在するフィン配置空間１４に、フィンピッチの異なる伝熱用フィン１５Ａ、１５Ｂが混在している。伝熱用フィン１５Ａ、１５Ｂは共にコルゲートフィンである。伝熱用フィン１５ＡのフィンピッチはＰＡであって、相対的に密である。伝熱用フィン１５ＢのフィンピッチはＰＢであって、相対的に疎である。伝熱用フィン１５Ａと伝熱用フィン１５Ｂは交互に１段置きに配置される。
【００３０】
このようにフィンピッチが相対的に密である伝熱用フィン１５Ａとフィンピッチが相対的に疎である伝熱用フィン１５Ｂとが交互に配置されていることにより、次のような効果が生じる。すなわち熱交換器１０に着霜が発生した場合、フィンピッチの密な伝熱用フィン１５Ａでは早々に着霜により通風路が狭められて風量が低下するが、フィンピッチの疎な伝熱用フィン１５Ｂでは通風路が狭められて風量が低下するまでに長い時間がかかる。これにより、熱交換器１０全体が霜で目詰まりし、熱交換量が急激に低下するという事態を長時間に亘り回避することができる。当然除霜運転の頻度を下げることができる。伝熱用フィン１５Ｂに付着した霜を溶かすことは容易なので除霜運転の時間も短縮することができる。熱交換器１０の一方の端のみ熱交換量が低下するということもない。また全ての伝熱用フィン１５Ａと全ての伝熱用フィン１５Ｂの合計面積を従来の熱交換器並みとすることで、従来の熱交換器と変わらない熱交換量を維持することができる。
【００３１】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る熱交換器を図３に示す。第２実施形態に係る熱交換器１０にもフィンピッチが相対的に密である伝熱用フィン１５Ａとフィンピッチが相対的に疎である伝熱用フィン１５Ｂが存在する。第１実施形態と同様、伝熱用フィン１５Ａ、１５Ｂはコルゲートファンであるが、第１実施形態と異なるのはコルゲートの形状である。すなわち、第１実施形態の伝熱用ファン１５Ａ、１５Ｂは円弧状の屈曲部分を直線状のフィンプレート部分がつなぐ形状であったが、第２実施形態の伝熱用ファン１５Ａ、１５Ｂでは屈曲部分が角形に折られ、正面から見ると左右に台形が連なるような形状となっている。第２実施形態の熱交換器１０も第１実施形態の熱交換器１０と同様の効果を奏する。
【００３２】
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る熱交換器を図４に示す。第３実施形態に係る熱交換器１０は、フィンピッチが相対的に密である伝熱用フィン１５Ａとフィンピッチが相対的に疎である伝熱用フィン１５Ｂを有し、伝熱用フィン１５Ａ、１５Ｂはいずれもコルゲートフィンであって円弧状の屈曲部分を直線部分でつないだ形状であるところまでは第１実施形態と同じである。第１実施形態と異なるのは第３の伝熱用フィン１５Ｃが存在する点である。伝熱用フィン１５Ｃも円弧状の屈曲部分を直線部分でつないだ形状であり、そのフィンピッチＰＣは伝熱用フィン１５ＡのフィンピッチＰＡと伝熱用フィン１５ＢのフィンピッチＰＢの中間の値となっている。伝熱用フィン１５Ｃは伝熱用フィン１５Ａと伝熱用フィン１５Ｂの間に配置されている。
【００３３】
このように、フィンピッチが最も密な伝熱用フィン１５Ａに比べ、フィンピッチが相対的に疎である伝熱用フィンを、「疎」の度合が大きい伝熱用フィン１５Ｂと「疎」の度合が小さい伝熱用フィン１５Ｃの２種類設ける構成としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。ここではフィンピッチの粗密の段階を３段階としたが、それを超える段階数としてもよい。
【００３４】
伝熱用フィン１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃのコルゲートの形状を、第２実施形態のように角張った形状とすることも可能である。
【００３５】
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る熱交換器を図５に示す。第４実施形態に係る熱交換器１０にもフィンピッチが相対的に密である伝熱用フィン１５Ｄとフィンピッチが相対的に疎である伝熱用フィン１５Ｅが存在するが、第１実施形態と異なるのは、伝熱用フィン１５Ｄ、１５Ｅがコルゲートフィンでなく、個別に形成されたフィンプレートを並べた平板フィンであるという点である。第４実施形態の熱交換器１０も第１実施形態の熱交換器１０と同様の効果を奏する。
【００３６】
＜効果の確認＞
本発明に係る熱交換器の構造の効果を、熱流体シミュレーションを実施して確認した。
シミュレーションでは、熱交換器の正面から背面方向に冷却用流体を一定流量流すものとし、解析領域の壁面は断熱条件とした。乱流スケールにはk-ε法を用いて熱流体解析を実施した。
【００３７】
図７及び図８の従来構造と同様、単一のフィンピッチの伝熱用フィンのみが組み込まれている熱交換器のシミュレーション結果を本発明による熱交換器との比較対象とした。本発明による熱交換器としては、第１実施形態と同様、相対的にフィンピッチが密の伝熱用フィンと相対的にフィンピッチが疎の伝熱用フィンが上下方向に交互に配置されるモデルを使用した。
【００３８】
シミュレーションの結果を図６の表に示す。流量はシミュレーションに設定した一定の検査面積より出力した。熱交換率は流量の平方根に放熱用フィンの有効面積を乗じた値とした。図６の表より、本発明による熱交換器は従来の熱交換器に比べて熱交換率が向上していることがわかる。
【００３９】
＜その他＞
本発明に係る熱交換器の応用範囲は空気調和機の室外機に限定されない。冷却庫の庫内に設置される蒸発器や、乾燥機の室外側ユニットの熱交換器など、冷媒と空気との熱交換を行うとともに、表面温度が空気の露点以下となるような用途に本発明に係る熱交換器は好適する。
【００４０】
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】
【００４１】
本発明は熱交換器及びそれを搭載した冷凍サイクル装置に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１    空気調和機
２    室内機
３    室外機
４    室内熱交換器
５    コンプレッサ
６    室外熱交換器
７    レシーバー
８    膨張弁
１０  熱交換器
１１  第一分流管
１１ａ  冷媒の分配流路
１２  第二分流管
１２ａ  冷媒の分配流路
１３  伝熱管
１３ａ  冷媒通路
１４  フィン配置空間
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ  伝熱用フィン
【図１】
2014066431.tif 000003
【図２】
2014066431.tif 000004
【図３】
2014066431.tif 000005
【図４】
2014066431.tif 000006
【図５】
2014066431.tif 000007
【図６】
2014066431.tif 000008
【図７】
2014066431.tif 000009
【図８】
2014066431.tif 000010