JP6582373B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機等に用いられる熱交換器に関する。

空気調和機等に用いられる熱交換器では、高価格である銅材の削減及び伝熱効率を向上させる目的で、銅製である従来の円管熱交換器ユニットからアルミ製の扁平管熱交換器ユニットへの変更が検討されている（例えば、特許文献１参照）。扁平管熱交換器ユニットは、冷媒が流通する複数の扁平管と、複数の扁平管の両端に取り付けられ冷媒を分流させるヘッダと、扁平管に設けられる複数のフィンと、を備えている。

図６は、従来例に係る扁平管熱交換器ユニット２００を示しており、この扁平管熱交換器ユニット２００は、平板状のフィン２０１を備える。フィン２０１は、風上側に向く方向から扁平管２０２を差し込むための切欠き部２０１ａを有し、正面視において扁平管２０２の長さ方向と直交する方向に差し込んで配置される。そして、フィン２０１の空気流通方向の幅は、扁平管２０２及びヘッダ２０３よりも大きくなっている。したがって、フィン２０１は、側面視においてヘッダ２０３から空気が流通する風上方向及び風下方向に突出している。また、扁平管２０２は、空気流通方向（断面長手方向ともいう。）に延びた扁平な形状を有し、その内部には、空気流通方向に並ぶ複数の冷媒流路２０２ａが平行に形成されている。なお、冷媒流路２０２ａを有する扁平管２０２の断面を図６（ｅ）に示すが、その他の図における扁平管２０２の断面は、冷媒流路２０２ａを省略し、単なるハッチングとする。

近年、熱交換器の熱交換効率を向上させる目的で、複数の熱交換器を空気流通方向に多列配置することが提案されている。

このとき、ヘッダ２０３同士の間での熱交換を防止するために、上流側扁平管熱交換器ユニット２００のヘッダ２０３と下流側扁平管熱交換器ユニット２００のヘッダ２０３との間に所定の隙間Ｓ３を確保する必要がある。これは、ヘッダ２０３同士で熱交換してしまうと扁平管熱交換器ユニット２００を流れる冷媒と空気との熱交換量が減少してしまうためである。図６に示す従来例の扁平管熱交換器ユニット２００を多列配置する場合は、図７に示すように、上流側扁平管熱交換器ユニット２００のヘッダ２０３と下流側扁平管熱交換器ユニット２００のヘッダ２０３との間に所定の隙間Ｓ３を確保しつつ、上流側扁平管熱交換器ユニット２００と下流側扁平管熱交換器ユニット２００のフィン２０１同士を接触又は近接状態で配置することが可能である。しかし、フィン２０１の風上側の端部には切欠き部２０１ａによる隙間Ｓ４が存在するので、隙間Ｓ３から流入した空気Ａが、フィン２０１間の隙間Ｓ４を経由して下流側扁平管熱交換器ユニット２００に流れ込み、上流側扁平管熱交換器ユニット２００における通過空気量及び熱交換効率が低下してしまうという問題があった。

特開２０１３−１６４２３３号公報

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、扁平管熱交換器ユニットを多列配置するものでありながら、ヘッダ同士の間に隙間を確保しながら扁平管熱交換器ユニット間の隙間からの空気の流入を抑制し、上流側扁平管熱交換器ユニットにおける通過空気量の減少を抑え熱交換効率を向上させることができる熱交換器の提供を目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものである。

（１）本発明に係る１つの態様は、上下に配列され、内部に冷媒が流通する複数の扁平管と、前記扁平管に交差し空気を通過させるための隙間を設けて積層され、各前記扁平管の長さ方向と直交する方向から差し込むために一方向に開放する切欠き部を有する複数のフィンと、前記複数の扁平管の長さ方向の両端に取り付けられ内部で冷媒を分流・合流させる一対のヘッダとを備えた扁平管熱交換器ユニットを少なくとも２つ以上有する熱交換器であって、前記切欠き部が前記扁平管の断面長手方向の幅と同じ深さを有し、前記少なくとも２つの扁平管熱交換器ユニットが第１の扁平管熱交換器ユニットと第２の扁平管熱交換器ユニットとを含み、前記第１の扁平管熱交換器ユニットのフィンの風下側端部が前記第２の扁平管熱交換器ユニットのフィンの風上側端部に近接又は接触する状態で並べて配置され、前記ヘッダは、前記熱交換器を前記扁平管の長さ方向から見たとき、前記フィンの前記切欠き部を有する一方の端部から外側の前記ヘッダの一方の外郭線までを距離Ｌ１とし、かつ、前記フィンの他方の端部から内側の前記ヘッダの他方の外郭線までを距離Ｌ２とするように形成され、前記距離Ｌ２が前記距離Ｌ１よりも大きいことを特徴とする。

（２）上記（１）の熱交換器において、前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差α（＝Ｌ２−Ｌ１）は、ヘッダの表面に生じた水滴が他方のヘッダの表面とブリッジしない程度の距離である所定の距離に設定されてもよい。

本発明によれば、扁平管熱交換器ユニットを多列配置する熱交換器において、扁平管熱交換器ユニット間の隙間から空気が流入することを抑制し、上流側扁平管熱交換器ユニットにおける通過空気量の減少を抑え熱交換効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器を含む空気調和機の構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器が備える扁平管熱交換器ユニットの図であり、（ａ）は扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は扁平管熱交換器ユニットの正面図、（ｃ）は扁平管熱交換器ユニットの側面図、（ｄ）は扁平管熱交換器ユニットの要部側面断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器が備える扁平管熱交換器ユニットの要部拡大側面断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器における扁平管熱交換器ユニットの第１配置例を示す図であり、（ａ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの要部側面断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器における扁平管熱交換器ユニットの第２配置例を示す図であり、（ａ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの要部側面断面図である。 従来例に係る扁平管熱交換器ユニットの図であり、（ａ）は扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は扁平管熱交換器ユニットの正面図、（ｃ）は扁平管熱交換器ユニットの側面図、（ｄ）は扁平管熱交換器ユニットの要部側面断面図、（ｅ）は扁平管の断面図である。 従来例２に係る扁平管熱交換器ユニットの配置例を示す図であり、（ａ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの要部側面断面図である。

以下、本発明に係る好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ要素には同じ符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器を含む空気調和機の構成を示す説明図である。図１に示すように、空気調和機１は、室内機２と室外機３とを備えて構成されている。室内機２には、後述する２つの扁平管熱交換器ユニット１０を空気流通方向に並べて配置して構成される室内熱交換器４が設けられ、室外機３には、任意の熱交換器ユニットを用いて構成される室外熱交換器５の他に、圧縮機６、膨張弁７及び四方弁８が設けられている。

暖房運転時には、室外機３の圧縮機６から吐出した高温高圧のガス冷媒が四方弁８を介して室内機２の室内熱交換器４に流入する。室内熱交換器４（凝縮器）で空気と熱交換した冷媒は凝縮し液化する。このように、室内熱交換器４が凝縮器として機能し、室内熱交換器４で冷媒と熱交換を行い加熱された室内空気が室内に吹き出されることによって、室内機２が設置された室内の暖房が行われる。その後、高圧の液冷媒は、室外機３の膨張弁７を通過することによって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり室外熱交換器５へ流入する。室外熱交換器５（蒸発器）で外気と熱交換した冷媒はガス化する。その後、低圧のガス冷媒は、四方弁８を介して圧縮機６に吸入される。

冷房運転時には、室外機３の圧縮機６から吐出した高温高圧のガス冷媒が四方弁８を介して室外熱交換器５に流入する。室外熱交換器５（凝縮器）で外気と熱交換した冷媒は凝縮し液化する。その後、高圧の液冷媒は、室外機３の膨張弁７を通過することによって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内機２の室内熱交換器４へ流入する。室内熱交換器４（蒸発器）で空気と熱交換した冷媒はガス化する。このように、室内熱交換器４が蒸発器として機能し、室内熱交換器４で冷媒と熱交換を行い冷却された室内空気が室内に吹き出されることによって、室内機２が設置された室内の冷房が行われる。その後、低圧のガス冷媒は、四方弁８を介して圧縮機６に吸入される。

図２は、本発明の実施形態に係る室内熱交換器が備える扁平管熱交換器ユニットの図であり、（ａ）は扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は扁平管熱交換器ユニットの正面図、（ｃ）は扁平管熱交換器ユニットの側面図、（ｄ）は（ｂ）の扁平管熱交換器ユニットの切断線Ｘにおける断面図、図３は、図２（ｂ）の扁平管熱交換器ユニットの切断線Ｘにおける拡大断面図である。図２及び図３に示すように、扁平管熱交換器ユニット１０は、冷媒が流通する複数の扁平管２０と、扁平管２０の両端に取り付けられる一対のヘッダ３０と、扁平管２０と交差し空気を通過させるための隙間を設けて積層された複数のフィン４０と、を備えて構成されたパラレルフロー型熱交換器である。なお、本実施形態の扁平管２０、ヘッダ３０及びフィン４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。

扁平管２０は、空気流通方向（断面長手方向ともいう。）に延びた扁平な形状を有し、その内部には、空気流通方向に並ぶ複数の冷媒流路２１が平行に形成されている。なお、冷媒流路２１を有する扁平管２０の断面を図３に示すが、その他の図における扁平管２０の断面は、冷媒流路２１を省略し、単なるハッチングとする。

扁平管２０は、空気が通過するための隙間を設けて平行に配置され、その両端部が一対のヘッダ３０に接続される。例えば、図２の（ｂ）に示す扁平管熱交換器ユニット１０では、左右方向に伸びる複数の扁平管２０が一対のヘッダ３０を接続している。

ヘッダ３０は、円筒形状を有しており、その内部には、ヘッダに接続される図示しない一方の接続管から流入する冷媒を複数の扁平管２０に分流させたり、複数の扁平管２０から流出する冷媒を合流させてヘッダに接続される図示しない他方の接続管に流出させるための冷媒流路（不図示）が形成されている。

つまり、一方のヘッダ３０に流入した冷媒は、複数の扁平管２０に分流される。そして、扁平管２０に流入した冷媒は、内部の冷媒流路２１を流れて他方のヘッダ３０で合流する。このとき、扁平管２０においては、複数の扁平管２０を流れる冷媒と、各々の扁平管２０の間の隙間を通過する空気との間で熱交換が行われる。

フィン４０は、平板形状（板状ともいう。）を有しており、空気が通過するための隙間を設けて平行に配置されている。例えば、図２の（ｂ）に示す扁平管熱交換器ユニット１０では、上下方向に沿う複数のフィン４０を左右方向に所定の隙間を設けて配置されている。

図２の（ｄ）及び図３に示すように、フィン４０は、風上側の端部に扁平管２０を差し込むために一方向（ここでは風上側であるが、風の流れが逆の場合には風下側となる。）に開放する複数の切欠き部４１を有しており、これらの切欠き部４１に扁平管２０を差し込んだ状態でろう付けすることにより、フィン４０と扁平管２０とが一体的に接合される。

図３に示すように、フィン４０の切欠き部４１の深さＬ３は、扁平管２０の空気流通方向の幅Ｌ４と実質的に同じ（Ｌ３≒Ｌ４）であり、フィン４０と扁平管２０とが一体的に接合された状態では、フィン４０の風上側端部位置と扁平管２０の風上側端部位置とが略一致する。

図３に示すように、フィン４０は、扁平管熱交換器ユニット１０の側面視において、その風上側端部４２がヘッダ３０の風上側外郭線３１よりも距離Ｌ１をもって風下側に位置し、かつ、その風下側端部４３がヘッダ３０の風下側外郭線３２よりも距離Ｌ２をもって風下側に位置するように形成される。換言すれば、ヘッダ３０は、フィン４０の切欠き部４１を有する端部よりも外側に一方の外郭線を有し、フィン４０の他方の端部よりも内側に他方の外郭線を有する。距離Ｌ２は、距離Ｌ１よりも大きくなるように設定されており、例えば、所定の距離αを距離Ｌ１に加えて距離Ｌ２とする。そして、所定の距離αは、扁平管熱交換器ユニット１０を空気流通方向に複数並べて配置する際に、上流側扁平管熱交換器ユニット１０（第１の扁平管熱交換器ユニット）のヘッダ３０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０（第２の扁平管熱交換器ユニット）のヘッダ３０との間に確保される隙間の寸法にもとづいて設定することができ、例えば、双方のヘッダ３０同士が熱交換しない程度の距離（所定の距離）として、少なくとも一方のヘッダ３０の表面に生じた水滴が他方のヘッダ３０の表面とブリッジしない程度の距離に設定することができる。

つぎに、上記のように構成された扁平管熱交換器ユニット１０を多列配置する場合の配置例について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る室内熱交換器における扁平管熱交換器ユニットの第１配置例を示す図であり、（ａ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの切断線Ｘにおける断面図である。図４に示す室内熱交換器４Ａでは、同じ方向を向く２つの扁平管熱交換器ユニット１０を空気流通方向に並べて配置して構成されている。このとき、上流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０の風下側端部４３は、下流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０の風上側端部４２に近接又は接触する状態とする。

このように２つの扁平管熱交換器ユニット１０を並べて配置して構成される室内熱交換器４Ａにおいては、上流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０との間に所定の距離α（α＝Ｌ２−Ｌ１）の隙間を確保しつつ、上流側扁平管熱交換器ユニット１０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０同士を接触又は近接状態で配置することができるだけでなく、図７（ｂ）に記載されている従来の扁平管熱交換器ユニット２００で発生していた隙間Ｓ４が生じることもない。そのため、ヘッダ３０同士の熱交換を防止するために、上流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０との間に隙間を確保しても、この隙間から流入しようとする空気は、扁平管熱交換器ユニット１０の両側端に位置するフィン４０によって流入が阻止される。これにより、ユニット１０間の隙間から空気が流入することを抑制し、上流側扁平管熱交換器ユニット１０における通過空気量の減少を抑え熱交換効率を向上させることができる。さらに、フィン４０が風下側において上下方向に連通しているので、下流側扁平管熱交換器ユニット１０であっても、凝縮水の排水性を向上させることができる。特にこの点は、コルゲートフィンを用いた扁平管熱交換器に比べてより顕著な効果である。

図５は、本発明の実施形態に係る室内熱交換器における扁平管熱交換器ユニットの第２配置例を示す図であり、（ａ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの平面図、（ｂ）は多列配置された扁平管熱交換器ユニットの要部側面断面図である。図５に示す室内熱交換器４Ｂでは、２つの扁平管熱交換器ユニット１０を背中合わせの状態で空気流通方向に並べて配置して構成されている。このとき、上流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０の風下側端部４３は、下流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０の風上側端部４３（標準配置時の風下側端部）に近接又は接触する状態とする。

このように２つの扁平管熱交換器ユニット１０を空気流通方向に並べて配置して構成される室内熱交換器４Ｂにおいても、上流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０との間に隙間（Ｌ２＋Ｌ２）を確保しつつ、上流側扁平管熱交換器ユニット１０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０同士を接触又は近接状態で配置してフィン全体の表面積を増加させることができるだけでなく、フィン４０同士の間に切欠き部４１による隙間が生じることを回避できる。

以上に述べた本発明の実施形態によれば、室内熱交換器４は、上下に配列され、内部に冷媒が流通する複数の扁平管２０と、扁平管２０に交差し空気を通過させるための隙間を設けて積層され、各扁平管２０の長さ方向と直交する方向から差し込むために一方向に開放する切欠き部４１を有する複数のフィン４０と、複数の扁平管２０の長さ方向の両端に取り付けられ内部で冷媒を分流・合流させる一対のヘッダ３０とを備えた扁平管熱交換器ユニット１０を少なくとも２つ以上有し、切欠き部４１が扁平管２０の断面長手方向の幅と同じ深さを有し、ヘッダ３０は、室内熱交換器４を扁平管２０の長さ方向から見たとき、フィン４０の切欠き部４１を有する一方の端部から外側のヘッダ３０の一方の外郭線までを距離Ｌ１とし、かつ、フィン４０の他方の端部から内側のヘッダ３０の他方の外郭線までを距離Ｌ２とするように形成され、距離Ｌ２が距離Ｌ１よりも大きいので、室内熱交換器４において扁平管熱交換器ユニット１０を多列配置する場合に、上流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のヘッダ３０との間に所定の隙間を確保してヘッダ３０同士間での熱交換を防ぎつつ、上流側扁平管熱交換器ユニット１０と下流側扁平管熱交換器ユニット１０のフィン４０同士を接触又は近接状態で配置してフィン全体の表面積を増加させることができるだけでなく、フィン４０同士の間に切欠き部４１による隙間が生じることも回避でき、その結果、ユニット１０間の隙間から空気が流入することを抑制し、上流側扁平管熱交換器ユニット１０における通過空気量の減少を抑え熱交換効率を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、扁平管熱交換器ユニットを２列に配置した室内熱交換器を示したが、３以上の扁平管熱交換器ユニットを多列配置するようにしてもよい。また、本実施形態では室内熱交換器を例に示したが、室外熱交換器においても本発明は適用できる。さらに、本実施形態は風上側及び風下側を逆とした場合でも適用できる。

１…空気調和機、２…室内機、３…室外機、４…室内熱交換器、５…室外熱交換器、６…圧縮機、７…膨張弁、８…四方弁、１０…扁平管熱交換器ユニット、２０…扁平管、２１…冷媒流路、３０…ヘッダ、４０…フィン、４１…切欠き部

Claims (1)

1. 上下に配列され、内部に冷媒が流通する複数の扁平管と、前記扁平管に交差し空気を通過させるための隙間を設けて積層され、各前記扁平管の長さ方向と直交する方向から差し込むために一方向に開放する切欠き部を有する複数のフィンと、前記複数の扁平管の長さ方向の両端に取り付けられ内部で冷媒を分流・合流させる一対のヘッダとを備えた扁平管熱交換器ユニットを少なくとも２つ以上有する熱交換器であって、
   前記切欠き部が前記扁平管の断面長手方向の幅と同じ深さを有し、
   前記少なくとも２つの扁平管熱交換器ユニットが第１の扁平管熱交換器ユニットと第２の扁平管熱交換器ユニットとを含み、前記第１の扁平管熱交換器ユニットのフィンの風下側端部が前記第２の扁平管熱交換器ユニットのフィンの風上側端部に近接又は接触する状態で並べて配置され、
   前記ヘッダは、前記熱交換器を前記扁平管の長さ方向から見たとき、前記フィンの前記切欠き部を有する一方の端部から外側の前記ヘッダの一方の外郭線までを距離Ｌ１とし、かつ、前記フィンの他方の端部から内側の前記ヘッダの他方の外郭線までを距離Ｌ２とするように形成され、
   前記距離Ｌ２が前記距離Ｌ１よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
   

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