JP5815128B2 - 熱交換器、及び空気調和機 - Google Patents
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Description
また、着霜耐力を向上し熱交換性能を向上することができる熱交換器およびこれを用いた空気調和機を得るものである。
また、フィンの剛性を向上することができる熱交換器およびこれを用いた空気調和機を得るものである。
図1は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器の構成図である。図1(a)は板状フィンと伝熱管との配置関係を示したものであり、図1(b)は(a)のA−A断面を示したものである。なお、図1においては、熱交換器の要部を模式的に示している。
図1に示すように、実施の形態1に係るフィンチューブ型の熱交換器は、板状フィン1と、伝熱管である扁平管2とを備えている。この熱交換器は、例えば空気調和機に搭載され、熱交換器を通過する空気等の流体(以下、気流ともいう)と扁平管2内を流通する冷媒(媒体)とを熱交換するものである。
また、板状フィン1の下流側の端部には、複数の扁平管2をそれぞれ挿入するための切り欠き10が形成され、この切り欠き10に扁平管2の気流上流側が挿入されて複数の扁平管2と接合されている。なお、板状フィン1の切り欠き10部分の気流上流側は、平らなフラット部となっている。
ワッフル形状11は、スリット形状12よりも気流の上流側に設けられている。このワッフル形状11は、板状フィン1の一部を折り曲げて積層方向に突出した断面山形状に形成され、山形の稜線が気流の流れ方向と略直交するように配置されている。また、ワッフル形状11は、扁平管2の上流側端部よりも上流側に配置されている。このようなワッフル形状11を設けることにより、気流に渦流を起こすことができ、板状フィン1と気流との熱交換を促進させることができる。
スリット形状12は、ワッフル形状11よりも気流の下流側に設けられている。スリット形状12は、板状フィン1の一部を切り起こして形成され、気流の流れに対向して開口するように配置されている。また、スリット形状12は、気流の流れ方向に沿って複数設けられている。また、スリット形状12は、扁平管2の上流側端部よりも下流側に配置されている。このようなスリット形状12を設けることにより、前縁効果により温度境界層が形成されて、板状フィン1と気流との熱交換を促進することができる。このスリット形状12における伝熱性能は、ワッフル形状11における伝熱性能より高いものである。
例えば金型プレス機で板状フィン1を成型するフィン抜き工程を実施する。その後、各扁平管2を、板状フィン1の切り欠き10に挿入し、板状フィン1と、扁平管2とを密着させる。扁平管2の断面形状は扁平形状または楔形形状としているので、扁平管2に板状フィン1とが隙間なく挿入され、板状フィン1と扁平管2との密着が良好となる。
次に、板状フィン1に、扁平管2をロウ付け接合する。ロウ材は扁平管2の幅より短い棒状のものを扁平管2の端部に1本、あるいは2本配置する。その後、ノコロック連続炉に投入し加熱接合を実施し、さらに板状フィン1の表面に親水処理コーティング材を塗布して完成する。もしくは、ロウ材を扁平管2に事前に塗布して、ロウ付け接合することも可能である。ロウ材を扁平管2に事前に塗布することにより、棒状のロウ材を扁平管2の上に配置する作業時間が短くなり生産効率が向上する。なお、予めロウ材を板状フィン1の両側または片側にクラッドされたクラッドフィンを用いてもよい。
図2に示すように、空気調和機は、圧縮機100と、四方弁101と、室外機に搭載された室外側熱交換器102と、膨張手段である膨張弁103と、室内機に搭載された室内側熱交換器104とが順次冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。
四方弁101は、冷媒回路内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う。なお、冷房専用または暖房専用の空気調和機とする場合には四方弁101を省略しても良い。
室外側熱交換器102は、上述したフィンチューブ型の熱交換器に相当するものであり、冷房運転時には、冷媒の熱により空気等を加熱する凝縮器として機能し、暖房運転時には、冷媒を蒸発させその際の気化熱により空気等を冷却する蒸発器として機能する。
室内側熱交換器104は、上述したフィンチューブ型の熱交換器に相当するものであり、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能する。
圧縮機100は、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する。
膨張弁103は、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する。
なお、室外側熱交換器102及び室内側熱交換器104の少なくとも一方に、上述したフィンチューブ型の熱交換器を用いるようにしても良い。
熱交換器が蒸発器として機能する場合、扁平管2内には低温の冷媒(例えば0℃以下)の冷媒が流通する。このとき、積層された板状フィン1の間を通過する空気中の水分(水蒸気)が凝縮して霜として付着(着霜)する。
本実施の形態1においては、ワッフル形状11を気流の上流側に設け、その下流側に、伝熱性能がワッフル形状11より高いスリット形状12を設けている。このため、空気中の絶対湿度量が多く着霜が生じ易い上流側では、伝熱性能が低いワッフル形状11により着霜量を少なくすることができる。また、ワッフル形状11の着霜により絶対湿度量が低下した空気が、伝熱性能が高いスリット形状12を通過するので、ワッフル形状11を設けない場合と比較して、スリット形状12の着霜量を少なくすることができる。従って、積層された板状フィン1の間を通過する空気中の水分が、ワッフル形状11とスリット形状12とに分散して着霜することとなり、着霜による板状フィン1の間の通風抵抗の増大を抑制でき、着霜耐力を向上することができる。
図3は、本発明の実施の形態1に係るワッフル形状の断面形状を模式的に示す図である。
図3に示すように、ワッフル形状11は、山形の上流側の傾斜長さL1が、下流側の傾斜長さL2より短く形成されている。
なお、ワッフル形状11を連続して複数形成する場合も、山形の上流側の傾斜長さL1が、下流側の傾斜長さL2より短く連続して順次に形成されることが好ましい。すなわち、板状フィン1のワッフル形状11が、気流の流れ方向に対して垂直方向における、谷部、山部、谷部、山部の順に連続する形成する場合も、山形の上流側の傾斜長さL1が、下流側の傾斜長さL2より短く連続順次に形成されることが好ましい。
このような形状による効果を図4及び図5により説明する。
図4(a)に示すように、ワッフル形状11の上流側に衝突した気流は、傾斜により乱流化されて渦流を生じさせる。この渦流は、傾斜長さが長い下流側の傾斜に沿って流れ、板状フィン1と気流との熱交換を促進させる。一方、図4(b)に示すように、上流側と下流側の傾斜長さが同じ場合、渦流が下流側の傾斜から剥離しやすくなり、ワッフル形状11の下流側を流れる気流と板状フィン1との熱交換が行われにくくなる。
ワッフル形状11の上流側の傾斜に衝突する気流は、空気中の絶対湿度量が多いため、ワッフル形状11の上流側の傾斜に着霜が生じ易い。図5(a)に示すように、本実施の形態1のワッフル形状11は、上流側の傾斜長さを短くしたため、図5(b)に示す上流側の傾斜が長い場合と比較して、より薄い霜が付着し、気流の流通抵抗が小さくすることができる。
図6は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器の凝縮水の排水挙動を説明する図である。
図6に示すように、熱交換器は、複数の扁平管2の配列方向(段方向)が重力方向を向くように、空気調和機に搭載される。
熱交換器が、当該熱交換器を流通する空気と扁平管2内を流通する冷媒とが熱交換を行う場合、板状フィン1及び扁平管2の表面には、空気中に含まれる水蒸気が結露し、水滴(凝縮水)が発生する。また、例えば除霜運転などにより、板状フィン1及び扁平管2に付着した霜が溶解して水滴が発生する。
本実施の形態における熱交換器は、板状フィン1の気流上流側(切り欠き10より気流の上流側)のフラット部が、凝縮水が流通する排水経路1aとして機能し、凝縮水の排水性を向上することができる。
図7は、本発明の実施の形態2に係る熱交換器の構成図である。図7(a)は板状フィンと伝熱管との配置関係を示したものであり、図7(b)は(a)のA−A断面を示したものである。なお、図7においては、熱交換器の要部を模式的に示している。
図7に示すように、本実施の形態2においては、板状フィン1の上流側の端部に、複数の扁平管2をそれぞれ挿入するための切り欠き10が形成されている。なお、板状フィン1の切り欠き10部分の気流下流側は、平らなフラット部となっている。
本実施の形態2においても、板状フィン1には、ワッフル形状11とスリット形状12とが形成されている。
ワッフル形状11は、スリット形状12よりも気流の上流側に設けられている。また、ワッフル形状11は、扁平管2の上流側端部よりも上流側に配置されている。
スリット形状12は、扁平管2の上流側端部よりも下流側に配置されている。また、スリット形状12は、扁平管2の下流側端部よりも上流側に形成されている。
なお、その他の構成は、上記実施の形態1と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。
また、扁平管2の上流側端部よりも上流側に、ワッフル形状11を配置している。このため、ワッフル形状11が補強リブとして機能し、板状フィン1の座屈強度を向上し、板状フィン1の剛性を向上することができる。
これにより、熱交換器を曲げ加工する際(例えばL曲げ時)など、板状フィン1にフィン倒れが生じやすい場合であっても、フィン倒れを抑制することができ、フィン倒れによる気流の通風抵抗の増大を抑制し、熱交換性能の低下を抑制できる。
図8は、本発明の実施の形態2に係る熱交換器の凝縮水の排水挙動を説明する図である。
図8に示すように、熱交換器は、複数の扁平管2の配列方向(段方向)が重力方向を向くように、空気調和機に搭載される。
本実施の形態2における熱交換器は、板状フィン1の気流下流側(切り欠き10より気流の下流側)のフラット部が、凝縮水が流通する排水経路1bとして機能し、凝縮水の排水性を向上することができる。
図9は、本発明の実施の形態3に係る熱交換器の構成図である。図9(a)は板状フィンと伝熱管との配置関係を示したものであり、図9(b)は(a)のA−A断面を示したものである。なお、図9においては、熱交換器の要部を模式的に示している。
図9に示すように、本実施の形態3においては、板状フィン1にスリット形状12が複数形成され、下流側のスリット形状12の開口幅が、上流側のスリット形状12の開口幅より大きく形成されている。すなわち、スリットの開口幅Wは、上流側から下流側に行くほど大きくなるように形成されている。
その他の構成は、上記実施の形態1又は2と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。なお、図9の例では、下流側に切り欠き10を形成した場合を示すが、上記実施の形態2のように上流側に切り欠き10を形成する構成でも良い。
図10は、本発明の実施の形態4に係る熱交換器の構成図である。図10(a)は板状フィンと伝熱管との配置関係を示したものであり、図10(b)は(a)のA−A断面を示したものである。
図10に示すように、本実施の形態4における板状フィン1は、ワッフル形状11と、その下流側のスリット形状12に加え、スリット形状12よりも下流側に第2のワッフル形状13が形成されている。
その他の構成は、上記実施の形態1〜3の何れかと同様であり、同一部分には同一の符号を付する。
また、扁平管2の下流側端部よりも下流側(切り欠き10より気流の下流側)に、第2のワッフル形状13を配置している。このため、第2のワッフル形状13が補強リブとして機能し、板状フィン1の座屈強度を向上し、板状フィン1の剛性を向上することができる。
これにより、熱交換器を曲げ加工する際(例えばL曲げ時)など、板状フィン1にフィン倒れが生じやすい場合であっても、フィン倒れを抑制することができ、フィン倒れによる気流の通風抵抗の増大を抑制し、熱交換性能の低下を抑制できる。
図11は、本発明の実施の形態4に係る熱交換器の凝縮水の排水挙動を説明する図である。
図11に示すように、熱交換器は、複数の扁平管2の配列方向(段方向)が重力方向を向くように、空気調和機に搭載される。
本実施の形態4における熱交換器は、板状フィン1の気流下流側(切り欠き10より気流の下流側)のフラット部が、凝縮水が流通する排水経路1cとして機能し、凝縮水の排水性を向上することができる。
例えば、図13に示すように、上記実施の形態1で説明した構成における扁平管2に代えて円管20を用いても良い。また、切り欠き10を省略し、複数の板状フィン1に円形の開口を形成して円管20を挿入しても良い。
Claims (10)
- 間隔を空けて積層されてその間を流体が流れる複数の板状フィンと、
前記板状フィンに挿入され前記流体と熱交換をする媒体が流れる複数の伝熱管と、
を備え、
前記板状フィンは、
当該板状フィンの一部に形成され、前記流体の流れに対向して開口したスリット形状と、
当該板状フィンの平面における流体の流れ方向上流側部分のうちの一部分であって、前記スリット形状の上流側を折り曲げて該板状フィンの積層方向に突出し、前記流体の流れの上流側の傾斜と下流側の傾斜とを有する突出形状と、
を有し、
前記突出形状は、
前記スリット形状よりも前記流体の流れの上流側に設けられ、
前記突出形状は、
断面山形状であり、該山形状の稜線が前記流体の流れ方向と直交し、前記流体の流れの上流側の傾斜長さが下流側の傾斜長さより短い
熱交換器。 - 前記複数の板状フィンは、切り欠き部が複数形成され、
前記複数の伝熱管は、扁平管によって構成され、前記複数の板状フィンの前記切り欠き部に挿入された
ことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記流体の流れの下流側の端部に前記切り欠き部が形成された
ことを特徴とする請求項2記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記流体の流れの上流側の端部に前記切り欠き部が形成された
ことを特徴とする請求項2記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記突出形状が、前記伝熱管よりも前記流体の流れの上流側に形成された
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記スリット形状が、前記伝熱管の下流側端部よりも上流側に形成された
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記スリット形状が、前記伝熱管の上流側端部よりも下流側に形成された
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記流体の流れ方向に前記スリット形状が複数形成され、
下流側の前記スリット形状の開口幅が、上流側の前記スリット形状の開口幅より大きい
ことを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記板状フィンは、
前記スリット形状よりも前記流体の流れの下流側に、
当該板状フィンの一部を折り曲げて該板状フィンの積層方向に突出し、前記流体の流れの上流側の傾斜と下流側の傾斜とを有する第2の突出形状を有する
ことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の熱交換器。 - 圧縮機、凝縮器、膨張手段、および蒸発器を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備え、
前記凝縮器および前記蒸発器の少なくとも一方に、請求項1〜9の何れか一項に記載の熱交換器を用い、
前記熱交換器は、前記複数の伝熱管の配列方向が重力方向を向くように設置された
ことを特徴とする空気調和機。
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