(57)【要約】【課題】空気調和機用フィンレス熱交換器において、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ること。【解決手段】フィンレス熱交換器１０は、扁平の流路断面を有する複数の扁平管１と、扁平管１の両端部に接続されたヘッダタンク２とを備える。各扁平管１は、管短外径Ａが０．３１〜１．５０ｍｍの範囲で使用される。複数の扁平管１は、長径方向を空気の流れ４に対してほぼ平行に配置し、各扁平管１を空気の流れ４の方向に対して交差する方向に１列に等間隔に並置する。各扁平管１のピッチをＢと表す場合、Ａが０．３１ｍｍではＢ／Ａが２．５〜５．６、Ａが０．６３ではＢ／Ａが２．５〜３．１、Ａが１．００ではＢ／Ａが１．９〜２．１、Ａが１．２５ではＢ／Ａが１．８〜１．９、Ａが１．４０ではＢ／Ａが１．７４の範囲となるように各扁平管１を設置する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流れる扁平の流路断面を有する複数の扁平管と、前記複数の扁平管の両端部に接続され当該各扁平管に冷媒を流出入させるヘッダタンクとを備え、送風機器により送られる空気の流れの中に配置される空気調和機用フィンレス熱交換器において、
前記各扁平管はその管外径の短径寸法である管短外径が０．３１〜１．４０ｍｍの範囲で形成され、
前記複数の扁平管は、当該各扁平管の長径方向を前記空気の流れに対してほぼ平行に配置すると共に、当該各扁平管を当該空気の流れの方向に対して交差する方向に１列に等間隔に並置し、
前記各扁平管を管短外径をＡとし、各扁平管のピッチをＢと表す場合、Ａが０．３１ｍｍではＢ／Ａが２．５〜５．６、Ａが０．６３ｍｍではＢ／Ａが２．５〜３．１、Ａが１．００ｍｍではＢ／Ａが１．９〜２．１、Ａが１．２５ｍｍではＢ／Ａが１．８〜１．９、Ａが１．４０ｍｍではＢ／Ａが１．７４の範囲内となるように前記各扁平管を設置した
ことを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、前記各扁平管は、その長径方向の両端壁面部が緩やかな曲面形状を有し、これらの両端壁面部を繋ぐ側壁面部がほぼ平坦な形状を有していることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。
【請求項３】
請求項１において、前記ヘッダタンクは円筒状の管の両端部を閉鎖して形成されており、前記各扁平管は長手方向の両端を垂直に切断した同一長さに形成されて前記ヘッダタンク内に挿入して当該ヘッダタンクに接続されていることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。
【請求項４】
請求項１において、前記扁平管は複数の円管を連続的に配置した円管群で構成されていることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。
【請求項５】
請求項１において、前記扁平管はその内部にコルゲート状のフィンを挿入してロウ付けしたものであることを特徴とする空気調和機用フィンレス熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機用フィンレス熱交換器に係り、特に複数の扁平管を１列に並置してなる空気調和機用フィンレス熱交換器に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
内部に冷媒を循環させ、冷媒を蒸発・凝縮させることにより空気と熱のやり取りを行う熱交換器は、空気調和機、冷蔵庫をはじめとして様々な分野において幅広く利用されている。発熱機器の冷却や作動流体への加熱など様々な用途で活躍する熱交換器であるが、どの分野においても熱交換性能とコンパクト性の向上は常に求められており、これらの両立が機器そのものにとって優位に働くことは言うまでもない。
【０００３】
現在、代表的な熱交換器の一つとして、フィンアンドチューブ熱交換器がある。このフィンアンドチューブ熱交換器は、複数の薄板状のフィンに、フィン表面に垂直な方向に複数の管を通し、これらの管を拡管させることにより製造される。このフィンアンドチューブ熱交換器は、管内部に冷媒を流し、管外壁に密着する伝熱面積の広いフィンを伝熱媒体として空気との熱交換を行うことを特徴としており、熱交換性能とコンパクト性の向上を目指してこれまでに様々な模索がなされてきた。例えば、伝熱面積を増やすために、フィンを薄くしてフィン枚数を多くする、もしくはフィン表面にスリットを入れる、といったフィンについての改良や、同じく伝熱面積を増やすために管内壁に凹凸を付ける、といった管についての改良がなされてきている。
【０００４】
しかしながら、今後更なる熱交換性能とコンパクト性の向上を追求するためには、フィンアンドチューブ熱交換器という範疇内での部分的改良の積み重ねのみでは、大きな効果を期待することが難しい状況になってきている。
【０００５】
このような背景から、従来のフィンアンドチューブ熱交換器に代わる新しい形態の熱交換器の研究が数多くなされている。その中で、多数の管を密に並べることにより伝熱面積を増やす事で、フィンを用いずに構成される熱交換器であるフィンレス熱交換器が最近注目を浴びてきている。このフィンレス熱交換器の形態としては、円管を規則正しく並べたオーソドックスなものから、矩形や楕円形あるいは流線形といった断面を持つ管を不規則に並べた複雑なものまで、用途に応じて様々な形態のものが考案されている。
【０００６】
例えば、特開２００２−１１５９３４号公報（特許文献１）では、冷凍車内に設置している蒸発器を、複数の扁平管とそれらの両端に配したヘッダタンクとで構成し、さらに扁平管の断面長径方向を空気流れ方向に沿って平行に配置している。これにより、蒸発器における霜の発達は空気が直接当たらない扁平管背面側に限定されるため、空気通路内での着霜発達による冷凍能力の低減を防止することができるとしている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１１５９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１の冷凍車のように定期的なドアの開け閉めを行いながら常に車内を低温に保つ必要のある場合は、着霜発達による冷凍能力低減を防止することは特に重要である。しかし、特許文献１の冷凍車用蒸発器を空気調和機用フィンレス熱交換器として利用した場合、熱交換性能面では、フィンを無くした事による熱交換性能の低下が非常に大きくなってしまうおそれがある。例えば、家庭用空気調和機の室内熱交換器のように管外径がφ７ｍｍ程度、フィンピッチが１ｍｍ程度、ファンにより送り込まれる空気の風速が１ｍ／ｓ程度のフィンアンドチューブ熱交換器を、熱交換器サイズとファン入力を変えずに、扁平管を用いたフィンレス熱交換器に変更しようとすると、管外径の短径寸法である管短外径を２〜３ｍｍ程度まで小さくして配列ピッチを小さくしても伝熱面積が不足し、熱交換性能が大幅に低下してしまうおそれがある。また、配列ピッチをさらに小さくして伝熱面積を増大しようとすると、配列ピッチを小さくし過ぎたことによる圧力損失の大幅な増加を招き、空気調和機への適用が難しくなる、という問題が生ずる。
【０００９】
本発明の目的は、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる空気調和機用フィンレス熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の目的を達成するために、本発明は、冷媒が流れる扁平の流路断面を有する複数の扁平管と、前記複数の扁平管の両端部に接続され当該各扁平管に冷媒を流出入させるヘッダタンクとを備え、送風機器により送られる空気の流れの中に配置される空気調和機用フィンレス熱交換器において、前記各扁平管はその管外径の短径寸法である管短外径が０．３１〜１．４０ｍｍの範囲で形成され、前記複数の扁平管は、当該各扁平管の長径方向を前記空気の流れに対してほぼ平行に配置すると共に、当該各扁平管を当該空気の流れの方向に対して交差する方向に１列に等間隔に並置し、前記各扁平管を管短外径をＡとし、各扁平管のピッチをＢと表す場合、Ａが０．３１ｍｍではＢ／Ａが２．５〜５．６、Ａが０．６３ｍｍではＢ／Ａが２．５〜３．１、Ａが１．００ｍｍではＢ／Ａが１．９〜２．１、Ａが１．２５ｍｍではＢ／Ａが１．８〜１．９、Ａが１．４０ｍｍではＢ／Ａが１．７４の範囲内となるように前記各扁平管を設置したものである。
【００１１】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記各扁平管は、その長径方向の両端壁面部が緩やかな曲面形状を有し、これらの両端壁面部を繋ぐ側壁面部がほぼ平坦な形状を有していること。
（２）前記ヘッダタンクは円筒状の管の両端部を閉鎖して形成されており、前記各扁平管は長手方向の両端を垂直に切断した同一長さに形成されて前記ヘッダタンク内に挿入して当該ヘッダタンクに接続されていること。
（３）前記扁平管は複数の円管を連続的に配置した円管群で構成されていること。
（４）前記扁平管はその内部にコルゲート状のフィンを挿入してロウ付けしたものであること。
【発明の効果】
【００１２】
係る本発明の空気調和機用フィンレス熱交換器によれば、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器を図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。
【００１５】
まず、本実施形態のフィンレス熱交換器１０の構成及びその基本的な機能を図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは本実施形態のフィンレス熱交換器１０の一部断面斜視図、図１Ｂは図１ＡのＣ−Ｃ線に沿って断面した扁平管１の配列の一部分を示す拡大図である。
【００１６】
フィンレス熱交換器１０は、冷媒が流れる扁平形状の流路断面を有する複数の扁平管１と、これらの扁平管１の両端部１ａに接続され、これらの扁平管１に冷媒を流出入させるヘッダタンク２とを備える。冷媒の流れは図１Ａの符号３で示す。
【００１７】
このフィンレス熱交換器１０は、空気調和機の室内機の内部における送風機器により送られる空気の流れ４の中に配置される。この空気調和機は室内機と室外機とからなる一般的な家庭用空気調和機であり、その空気の流れ４の速さは１ｍ／ｓ程度（具体的には、０．９〜１．１ｍ／ｓの範囲）である。そして、フィンレス熱交換器１０は空気調和機の冷凍サイクルの一部を構成するものである。
【００１８】
扁平管１は、その長径方向の両端壁面部１ｂが緩やかな曲面形状を有し、これらの両端壁面部１ｂを繋ぐ側壁面部１ｃがほぼ平坦な形状を有している。この扁平管１は、その管外径の短径寸法である管短外径Ａ（図１Ｂ参照）が０．３１〜１．５０ｍｍの範囲で用いられる。
【００１９】
複数の扁平管１は、各扁平管１の長径方向が空気の流れ４に対してほぼ平行に配置されると共に、各扁平管１が管短外径Ａの１．４〜５．６倍の範囲内のピッチＢ（図１Ｂ参照）を有して空気の流れ４の方向に対して交差する方向に１列に並置されている。
【００２０】
ヘッダタンク２は、円筒状の管の一側端部が完全に閉鎖され、他側端部が流通口を有して閉鎖された構造となっている。具体的には、各ヘッダタンク２の一側端部は流通口を有しないキャップが溶接されて閉鎖され、他側端部は流通口を有するキャップが溶接されて閉鎖されている。そして、各扁平管１は、長手方向の両端を垂直に切断した同一長さに形成され、ヘッダタンク２内に挿入してヘッダタンク２に接続されている。係る構造によれば、フィンレス熱交換器１０を安価に製作することができる。
【００２１】
冷凍サイクルを流れる冷媒３は、まず図面奥側のヘッダタンク２に流入され、このヘッダタンク２から複数の扁平管１に分配される。各扁平管１を流れる冷媒は、扁平管１の外部を流れる空気と熱交換される。ここで、フィンレス熱交換器１０が蒸発器として用いられる場合には、各扁平管１を流れる冷媒は扁平管１の外部を流れる空気と熱交換して蒸発され、フィンレス熱交換器１０が凝縮器として用いられる場合には、各扁平管１を流れる冷媒は扁平管１の外部を流れる空気と熱交換して凝縮される。扁平管１を通過した冷媒３は、図面手前側のヘッダタンク２に流入され、ヘッダタンク２の端部の流通口を通って流出される。
【００２２】
次に、管短外径Ａの１．４〜５．６倍の範囲内のピッチＢを有して空気の流れ４の方向に対して交差する方向に各扁平管１を１列に並置した理由を、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは図１Ａに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ／管径と熱交換量比との関係を熱流体解析の結果で表す図、図２Ｂは図１Ａに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ／管径と圧力損失比との関係を熱流体解析の結果で表す図である。図２Ａの熱交換量比及び図２Ｂの圧力損失比は、熱交換器サイズ及びファン入力が同一の条件でのフィンアンドチューブ熱交換器に対する比較値である。
【００２３】
空気調和機の内部の限られたスペースに設置される、扁平管１を用いたフィンレス熱交換器１０では、扁平管１の管短外径Ａと、扁平管１の外部から流入する空気の流れ４の方向に対して垂直方向の配列ピッチＢとからなる２つの要素が性能を決定付ける非常に重要なパラメータであることを熱流体解析により見出した。
【００２４】
即ち、図２Ａから明らかなように、管短外径Ａが０．３１ｍｍではＢ／Ａが５．６以下、管短外径Ａが０．６３ｍｍではＢ／Ａが３．１以下、管短外径Ａが１．００ｍｍではＢ／Ａが２．１以下、管短外径Ａが１．２５ｍｍではＢ／Ａが１．９以下、管短外径Ａが１．４０ｍｍではＢ／Ａが１．７４以下、管短外径Ａが１．５０ｍｍではＢ／Ａが１．６５以下の範囲で、それぞれ熱交換量比が１以上となる。なお、短管外径Ａの０．３１ｍｍは生産性を考慮した下限値である。
【００２５】
また、図２Ｂから明らかなように、管短外径Ａが０．３１ｍｍではＢ／Ａが２．５以上、管短外径Ａが０．６３ｍｍではＢ／Ａが２．１以上、管短外径Ａが１．００ｍｍではＢ／Ａが１．９以上、管短外径Ａが１．２５ｍｍではＢ／Ａが１．８以上、管短外径Ａが１．４０ｍｍではＢ／Ａが１．７４以上、管短外径Ａが１．５０ｍｍではＢ／Ａが１．７５以上の範囲で、それぞれ圧力損失比が１以上となる。
【００２６】
従って、管短外径Ａが０．３１ｍｍではＢ／Ａが２．５〜５．６、管短外径Ａが０．６３ｍｍではＢ／Ａが２．１〜３．１、管短外径Ａが１．００ｍｍではＢ／Ａが１．９〜２．１、管短外径Ａが１．２５ｍｍではＢ／Ａが１．８〜１．９、管短外径Ａが１．４０ｍｍではＢ／Ａが１．７４の範囲となるように各扁平管を設置することにより、フィンアンドチューブ熱交換器に比較して、圧力損失の増大を招くことなく、コンパクト性を確保しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。なお、短管外径Ａが１．５０ｍｍではＢ／Ａが１以上となる範囲がなく、結局、短管外径Ａは１．４０ｍｍが上限値となる。
【００２７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。図３は本発明の第２実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管１の配列の一部分を示す断面図である。
【００２８】
この第２実施形態では、各扁平管１が複数の円管５を連続的に配置した円管群で構成されているが、その他の構成は第１実施形態と同じである。係る扁平管１においても、管短外径Ａ及び配列ピッチＢの寸法範囲を第１実施形態と同様に設定することにより、同様の熱交換量及び圧力損失の効果が得られることが熱流体解析により確認できた。この第２実施形態によれば、さらに、管内を流れる冷媒に対する伝熱面積の増加に伴う性能向上、および耐圧性の向上が期待できる。
【００２９】
なお、各扁平管１が複数の扁平管を連続的に配置した扁平管群で構成してもよい。この場合には、第２実施形態に比較して、伝熱面積の増加に伴う性能向上及び耐圧性の向上が抑制されるが、製作が容易となる。
【００３０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４を用いて説明する。図４は本発明の第３実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管１の配列の一部分を示す断面図である。
【００３１】
この第３実施形態では、各扁平管１の内部にコルゲート状のフィン６を挿入してロウ付けしたものであり、その他の構成は第１実施形態と同じである。この第３実施形態によれば、第１実施形態の扁平管１のみの場合に比べて、耐圧性向上についても期待できると共に、第２実施形態の円管群からなる扁平管１の場合に比べて、製造工程を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態のフィンレス熱交換器の一部断面斜視図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＣ−Ｃ線に沿って断面した扁平管の配列の一部分を示す拡大図である。
【図２Ａ】図１Ａに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ／管径と熱交換量比との関係を熱流体解析の結果で表す図である。
【図２Ｂ】図１Ａに示す構造のフィンレス熱交換器におけるピッチ／管径と圧力損失比との関係を熱流体解析の結果で表す図である。
【図３】本発明の第２実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管の配列の一部分を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の空気調和機用フィンレス熱交換器の扁平管の配列の一部分を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…扁平管、２…ヘッダタンク、３…冷媒の流れ、４…空気の流れ、５…円管、６…コルゲートフィン、１０…フィンレス熱交換器、Ａ…管短外径（管径）、Ｂ…配列ピッチ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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