JP2000193389A - 空気調和機の室外ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 室外熱交換器のフィンに付く水滴を容易に除
去して耐着霜性を改善し暖房能力を向上させるヒートポ
ンプ形空気調和機用室外ユニットを提供する。 【解決手段】 本室外ユニットの室外熱交換器は、気流
３０に対向して横方向に延びる複数の伝熱管（図示な
し）を上下に配列し、伝熱管と直交して上下に延びる帯
板状の複数のフィン１０を横方向に配列したクロスフィ
ン形であって、フィン１０は、伝熱管を通すフィンカラ
ー１１周辺に環状平坦部１２を有し、かつフィンカラー
１１及び平坦部１２域を除いて、横断面が波形で波形の
頂部、谷部を平坦とする形状を有し、そしてフィン１１
全長にわたり真っ直ぐの稜線１３４を持つ波形を一つ以
上成形することにより、さらに隣り合う平坦部１２間の
表域中心部に波形フィンの平坦な谷部を通すことによ
り、水滴を流しやすくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ形空
気調和機用の室外ユニットにかかり、特に室外熱交換器
の伝熱管の管径を細くして冷媒封入量の低減を図るとと
もに暖房能力向上による省エネルギ化を図った室外ユニ
ットに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年地球環境保護を目的として空気調和
機では、例えばＲ４１０Ａ等のような塩素を含まないＨ
ＦＣ系の代替冷媒が用いられるようになり、環境への負
荷を軽減するためや、コスト低減のために冷媒封入量の
低減や省エネルギー化が強く求められている。

【０００３】空気調和機内の冷媒は、大部分が室内熱交
換器及び室外熱交換器内に保持されているが、室外熱交
換器は外形や管径が大きく、その内容積が室内熱交換器
の大略２倍と大きいため、冷媒封入量の低減には特に、
室外熱交換器の内容積低減が重要である。また、空気調
和機の省エネルギー化を図るためには特に、暖房運転時
室外熱交換器の耐着霜性能の改善が急務となっている。

【０００４】一方、ヒートポンプ形空気調和機用室外熱
交換器としては、平板フィンを多数並置し、複数の伝熱
管を支えるために各平板フィンに複数形成した環状のフ
ィンカラーを介して各平板フィンに直交してそれら伝熱
管を貫通させて構成した、クロスフィンチューブ形熱交
換器が多く用いられている。したがって、室外熱交換器
の内容積の低減には、伝熱管の細径化が有効であるが、
管径が細くなるとフィン表面積に占めるフィンカラー部
の割合が減少するため、全体としてフィンの剛性が低下
する。

【０００５】そこで、フィンの機械的剛性を高めるとと
もに、伝熱性能を改善する手段としてフィン面に気流方
向に沿った波形面を形成することが知られており、例え
ば特開平５−２２３４８５号公報に、フィン面に波形を
形成するとともに伝熱促進のためのいわゆるルーバを備
えたものが開示されている（従来例１）。特開平４−１
５８１９１号公報には、フィンカラーから波形稜線に連
なる形状を工夫して空気の乱れの促進と伝熱管後流域の
低減により伝熱性能を向上したものが開示されている
（従来例２）。また、特開平９−１１２９４２号公報に
は、フィンカラーの周囲に形成した平坦部を挟んで気流
方向に２個の山形を配置する構成によって通気抵抗の低
減と水切れを改善したものが開示されている（従来例
３）。また、特開平１−１０７０９６号公報には、フィ
ン面を波形に形成するとともに伝熱管の管径を３〜７．
５ｍｍに、フィン幅を管径の１．２〜１．８倍に設定
し、伝熱管後流の死水域を減らして伝熱性能を向上した
ものが開示されている（従来例４）。さらに、実開平４
−１３８５６８には、自動車のラジエータ用熱交換器の
フィンとして波形に折り曲げられたコルゲートフィンの
各折り曲げ部間の平面に、前記波形方向と直交する台形
状の波形壁面を形成したコルゲートフィンが開示されて
いる（従来例５）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例１
に示すクロスフィン熱交換器では、ヒートポンプ形空気
調和機の室外熱交換器として用いた場合には、暖房運転
時にルーバの前縁から着霜が生じて成長するためフィン
間が着霜で目詰まりして、通気抵抗が増大し風量が減っ
て暖房能力が大幅に低下するという問題がある。

【０００７】上記従来例２、３、４に示すクロスフィン
形熱交換器では、少なくとも山形頂部または谷部が所定
の角度で交差した２つの平面部から形成された、断面逆
Ｖ字形またはＶ字形の波形凹部を有する構成となってい
るため、波形にそって空気が流れるとき、波形凹部に気
流の滞留渦が形成される。このため滞留渦部での熱伝達
率は低いが、滞留渦の下流側に生じる流れの再付着点で
は熱伝達率が急激に回復して高い熱伝達率となるため、
空気流れ方向に沿って局所熱伝達率が大きく変化するこ
ととなる。局所熱伝達率が高いフィン面では熱交換作用
が促進されるため、フィン前縁部と同様に局所的に着霜
が生じる。着霜して霜層が成長するためフィン間が目詰
まりして通気抵抗が増大し、風量が減って暖房能力が大
幅に低下するという問題を生じる。また、滞留渦の生成
によって通気抵抗が増大して風量が低下し、暖房能力が
低下という問題もあった。

【０００８】また、上記の従来例４では、伝熱管の管径
を細くする点は、室外熱交換器の内容積を低減する上で
効果的であるが、一方、フィン幅Ｗを管径Ｄの１.２〜
１.８倍に設定しいるため、空気流れ方向に沿う管外周
からフィン先端までの距離(Ｗ−Ｄ)が０.２〜０.４Ｄと
管径に比例して小さくなり、したがって暖房運転時にフ
ィン先端温度が冷媒温度に近づき、フィン先端での着霜
現象が管径の細径化につれて顕著に促進されるという問
題がある。

【０００９】上記第５の従来例は、フィン幅が３２ｍｍ
の帯状のアルミフィンを略１０ｍｍピッチで波形にジグ
ザグに折り曲げて形成されたコルゲートフィンであっ
て、伝熱管を挿通するためのフィンカラーが形成されて
いないため、着霜条件下で使用されるヒートポンプ形空
気調和機のクロスフィン形室外熱交換器の暖房性能を改
善するためのフィン構造については何ら考慮されていな
い。

【００１０】上記したように、従来のクロスフィン形熱
交換器では、管径を細くしたときにフィン剛性を強化す
ることと、ヒートポンプ形空気調和機の室外熱交換器と
して用いたときの耐着霜性能を改善することの２つを同
時に満足するための、フィン構造については何ら考慮さ
れていない。

【００１１】本発明は、室外熱交換器を構成するフィン
を波形にしてフィンの剛性を強化するとともに、フィン
の耐着霜性を改善し、該改善により暖房能力を向上させ
る室外熱交換器を備える、空気調和機用室外ユニットを
提供することを第１の目的とする。

【００１２】また、本発明は、クロスフィン形熱交換器
の伝熱管に細径管を用いながらも、フィン先端部での着
霜を防止できる空気調和機用室外ユニットを提供するこ
とを第２の目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明は、空気調和機用で、室内ユニットと
の間で冷凍サイクルを形成する室外ユニットであって、
横方向に延びる複数の伝熱管を互いに並行にして上下方
向に配列し、該伝熱管と直交して上下に長手方向が延び
る帯板状の複数のフィンを互いに並行して横方向に配列
してなるクロスフィン形室外熱交換器と室外熱交換器に
送風する室外送風機とを備え、室外熱交換器のフィン
は、伝熱管を通す穴の縁から環状に突起するフィンカラ
ーとこのフィンカラー周辺に形成した環状の平坦部を有
し、かつフィンカラー及びこのフィンカラー周辺の平坦
部領域を除いて、横断面が波形でこの波形の頂部及び底
部を平坦とする形状を有し、そして、フィン全長にわた
って真っ直ぐに連続した稜線を持つ波形を少なくとも一
つ成形されていることを特徴とする。

【００１４】本発明の室外ユニットにおいては、上下に
隣り合うフィンカラー周辺の環状平坦部間の表領域に
は、その中心部に波形フィンのうちの平坦な谷部を通し
ていることが好ましい。また、フィンカラーをフィンの
幅中心より気流の下流側に偏移させることが好ましい。
また、伝熱管の外径Ｄを４〜６mmとし、フィンの幅Ｗを
（Ｄ＋８）〜（Ｄ＋１２）mmとするのがよい。

【００１５】上記のように構成した室外ユニットにおい
て、室外熱交換器が蒸発器として機能する暖房運転時
に、伝熱管を挿入したフィンカラー部に集まった水滴
は、波形フィンの山、谷で上下方向に形成される溝を排
水路部として流れ落ちるため、滞留水滴量が減少するの
で、通気抵抗の増大が抑えられ、風量が確保される。ま
た、フィンの波形頂部と谷部を平坦にしたので、フィン
面での熱交換量が均一化され着霜分布が均一になるた
め、通気抵抗の増大が抑えられ、風量が確保される。さ
らに、フィンを波形に成形したので、伝熱管径を細くし
てもフィンの剛性が確保される。

【００１６】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の空気調和機用室外ユニットは、空気調和機用で
室内ユニットとの間で冷凍サイクルを形成する室外ユニ
ットにおいて、クロスフィン形室外熱交換器とこの室外
熱交換器に送風する室外送風機とを備えて、室外熱交換
器の伝熱管の外径Ｄを４〜６mmとし、フィンの幅Ｗを
（Ｄ＋８）〜（Ｄ＋１２）mmとしたことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら、詳細に説明する。図１
は、本発明にかかる室外熱交換器用フィンの平面図であ
り，図２には、図１のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面における
フィンの部分断面構造を示す。図３(a)には伝熱管の斜
視図、(b)に部分断面図を示す。図４に、空気調和機用
室外ユニットの内部構成を示す斜視図を示す。図５は室
外ユニットを含むヒ−トポンプ型空気調和機の冷凍サイ
クル構成図である。

【００１８】本発明の一実施の形態になる空気調和機用
室外ユニットの内部の構造を図４に示す。この室外ユニ
ット２0は、箱体２１内に配置された略コの字状に折り
曲げ成形された室外熱交換器２２、室外送風機としての
プロペラファン２３、圧縮機８０等を備えている。略コ
の字状に折り曲げ成形された室外熱交換器２２は、プロ
ペラファン２３の吸い込み側３０１に位置しており、プ
ロペラファン２３を風上側から覆うように、ユニットベ
ース２４の上に配置されている。ユニットベース２４に
は、室外熱交換器２２のフィン下端部２２１に対応して
露受け部２４１とドレン水を排水するための排水孔２４
２が設けられている。

【００１９】本実施の形態での室外熱交換器２２は、略
コの字状に曲げ成形されているが、熱交換器の全体形状
としては、真っ直ぐな形状でも、Ｌ字曲げ形状でもよ
い。

【００２０】室外熱交換器２２は、風上側列２２１と風
下側列２２２の２列の熱交換器を組み合わせて構成され
ており、各々の熱交換器は所定の間隔で並置された多数
の伝熱フィン１０に、内部を冷媒が流動する多数のヘア
ピン曲げされた伝熱管４０を挿入固着して構成されてい
る。フィン１０は帯板状で上下方向に長く延び、伝熱管
４０は横方向に延びている。風上側列２２１と風下側列
２２２のフィン１０は各々独立して形成されている。な
お、室外熱交換器は１列で構成することもあり得る。

【００２１】伝熱フィン１０の概略構造は、図１及び図
２に示すように、フィン１０の上下長手方向に沿って所
定のピッチＰで伝熱管挿入用フィンカラー１１を設け、
フィンカラー１１の周辺には平坦部１２を設けた構造と
なっている。このフィンカラー１１とその周辺の平坦部
１２を除くフィン面１０には、稜線が気流方向３０と直
交するように複数の山１３からなる波形面が形成されて
おり、これら山１３同士間にある谷によりフィン１０裏
表に上下方向に延びる溝を形成している。フィン１０の
横断面形状は、図２に示すように、波形の頂部１３１お
よび谷部１３２に平坦部１３３が設けられている。隣接
するフィンカラー１１の間に位置し、管列方向に延びる
波形稜線の両端部とフィンカラー１１周辺に設けられた
平坦部との間には接続平面部１４が設けられ、この接続
平面部１４を介して、フィンカラー１１周辺に形成され
た円状平坦部面１２と、隣接するフィンカラー間に管列
方向に延びる波形稜線を構成している平面部１３３とが
連接され、これによって、上下に隣接するフィンカラー
１１を連ねる排水路１５が構成されている。

【００２２】伝熱管挿入用フィンカラー１１は、空気流
方向３０にフィン端中心線に対して風下側に偏心して設
けられており、風上側のフィン長さＷ1が風下側Ｗ2に比
べて長くなるように設定されている。

【００２３】また、前記波形面を構成し風上側に位置す
る稜線１３４は、フィン全長にわたって長手方向に直線
的に形成されている。フィンカラー１１の内径は、伝熱
管４０の外径寸法ｄより大きく設定されており、伝熱管
挿入代が確保されている。伝熱管挿入代は０．２〜０．
４ｍｍである。伝熱管４０を挿入して組み立てた後、伝
熱管４０内に拡管ヘッドを挿入して外径を広げる方法で
拡管が行なわれ、伝熱管４０とフィンカラー１１が固着
されている。

【００２４】伝熱管４０は、図３に示すように内面に溝
加工４１を施した内面溝付き管であり、溝深さｈは大略
管径Ｄに比例するように設定されている。外径寸法Ｄは
４〜６mmに設定され、フィン幅Ｗは（Ｄ＋８）〜（Ｄ＋
１２）mmに設定されている。

【００２５】次に、室外ユニット２０を有する空気調和
機の冷凍サイクル構成について述べる。図５に示すよう
に、室外ユニット２０と室内ユニット５０は、配管ユニ
ット６０によって接続されている。

【００２６】室外ユニット２０は、室外熱交換器２２お
よび室外送風機としてのファン２３を備えている。その
冷凍サイクルは、冷媒圧縮機８０から、四方弁６１、室
外熱交換器２２、減圧器６２を通り、さらには、冷媒配
管６３を介して室内熱交換器５２へ接続されて構成さ
れ、その内部を冷媒が循環するように構成されている。
なお、減圧器６２は図５では室外ユニット内に設置され
ているが、室内ユニットにある場合もある。冷媒として
は、オゾン層保護のため塩素を含まない冷媒Ｒ３２、Ｒ
１２５やＲ１３４ａ等の単一冷媒または前記冷媒を適宜
混合してなる混合冷媒が用いられる。さらに好ましくは
Ｒ３２とＲ１２５を質量比で１：１に混合してなる冷媒
Ｒ４１０Ａを用いるのが良い。各成分の冷媒の沸点がほ
とんど同じであるために、単一冷媒と同じ取り扱いがで
きる。

【００２７】なお、図５において、実線の矢印は暖房運
転時の冷媒流れ方向を，破線の矢印は冷房運転時の冷媒
の流れ方向を示す。また、図中の矢印３０は、室外ユニ
ット２０における気流を、そして、矢印７０は室内ユニ
ット５０における気流を示している。

【００２８】次に、上記に構成を説明したヒ−トポンプ
型空気調和機における冷凍サイクルの動作について述べ
る。暖房運転時には、室外ユニット２０の圧縮機８０か
ら吐出される高温・高圧の冷媒ガスは、実線の矢印で示
すように、四方弁６１および冷媒配管６０を通って、凝
縮器として作用する室内ユニット５０の室内熱交換器５
２へ送られ、室内送風機である貫流ファン５１によって
送風される空気によって冷やされて（空気と熱交換
し）、高圧・低温の液冷媒となる。

【００２９】この高圧・低温の液冷媒は、冷媒配管６３
を通って室外ユニット２０へ戻り、減圧器６２によって
減圧膨張され、これにより低圧・低温の冷媒となり、蒸
発器として作用する室外側熱交換器２２へ流入する。室
外側熱交換器２２へ流入した気液二相冷媒は外気温度よ
り低くなるように絞り機構６２によって制御されてお
り、室外ファン２３によって送風された空気と熱交換し
て外気から熱量を汲み上げて蒸発気化し冷媒に貯える。
外気から汲み上げた熱量を貯えて蒸発気化した冷媒は、
気相冷媒の割合を増しながら冷媒出口流路を経て四方弁
６１に至る。四方弁６１を出た冷媒は圧縮機８０に戻
る。室内熱交換器５２では、外気から汲み上げた熱量と
圧縮機８０による圧縮作用によって高温・高圧になった
冷媒ガスにより空気を加熱する。この加熱された空気を
被空調室内に放出して、室内の暖房を行うこととなる。

【００３０】上記したように暖房運転時には室外熱交換
器２２は、蒸発器として作用し外気を冷却するため、外
気に含まれる水分が除湿され、除湿水分は外気温度が低
い場合には霜となって室外熱交換器２２表面に付着し、
外気温度が高い場合には水滴となってフィン表面１０に
結露し付着する。

【００３１】フィン表面の結露水滴は大部分フィン面上
を流下し、熱交換器下部に設けられた露受け部２４１に
集まり、露受け部に設けられた排水孔２４２より外部に
排水されるが、一部は室外熱交換器２２の表面上に滞留
して残る。水滴の滞留は大部分伝熱管の下部で生じ、列
方向に隣接する伝熱管４０間の風路を狭める結果、通気
抵抗が増大し、風量が低下して暖房能力の低下をきた
す。

【００３２】しかし、本発明による室外熱交換器２２の
フィンは、図２のＢ−Ｂ断面で示すように、隣接するフ
ィンカラー１１間を連ねる３本の排水路部１５が設けら
れているため、伝熱管下部のフィンカラー部に集まった
水滴は排水路部１５を経由して順次流れ落ちる。そのた
め、従来とは違って伝熱管下部での滞留水滴量が大幅に
減少し、通気抵抗の増大が抑えられ、風量が確保される
ので、長い時間、暖房能力は低下しない。

【００３３】暖房運転時に室外熱交換器が外気から汲み
上げる熱量Ｑは、周知のように次式により表される。 Ｑ＝ＫＡΔＴ （１） ここで、Ｋ；熱通過率、Ａ；伝熱面積、ΔＴ；空気と冷
媒との平均温度差である。

【００３４】暖房能力が一定の場合にはＱも一定になる
ため、空気と冷媒との平均温度差ΔＴはほぼ一定とな
り、外気温度の低下に従って管内冷媒温度も低下し、管
内冷媒温度が０〜−２℃程度になると、熱交換器表面に
着霜を生じる。

【００３５】この着霜は、図６に示すフィン１０の横断
面図において、フィン前縁部１０１等のような表面熱伝
達率の高いところで顕著であるが、フィン１０表面を波
形に成形しフィン剛性を強化した従来のフィン（図６
(a))の場合には、断面Ｖ字形または逆Ｖ字形の波形凹部
を有する構成となっているため、波形凹部にはフィン間
の空気流れ３１による滞留渦３２を形成し、滞留渦３２
の下流側に生じる流れの再付着点３３での熱伝達率が非
常に高くなる。このためフィン前縁部101と同様に波形
凹部下流には局所的に着霜が生じ、ここでの霜層が成長
するためフィン間が目詰まりして通気抵抗が増大し、風
量が減って暖房能力が大幅に低下するという問題を生じ
ていた。

【００３６】しかし、図６(b)に示す本発明による室外
熱交換器のフィン１０は、波形の頂部１３１および谷部
１３２に平胆部１３３を有する構造としているので、気
流３０方向に沿うフィン表面熱伝達率の変化が緩和され
て着霜が均一化される。着霜の均一化により、着霜によ
るフィン１０間の目詰まりまでの時間が延長できるので
暖房感が大幅に改善される。

【００３７】また、暖房運転を継続すると、フィン１０
面に着霜した霜層が成長してフィン１０間が目詰まりを
生じて熱交換できなくなり暖房能力が大幅に低下するた
め、一定運転時間ごとに除霜運転を行う必要がある。除
霜運転は、冷房運転と同じように、圧縮機８０から吐出
される高温冷媒を、室外熱交換器２２の伝熱管に供給し
て室外熱交換器２２全体を温め霜を解かすようにして行
なわれる。除霜運転によって霜が解けて生じるドレン水
は、大部分室外熱交換器２２表面を流下して外部に排水
されるが、一部は、室外熱交換器２２のフィン面１０に
付着したまま滞留し、暖房運転を再開したときに通気抵
抗を増加させるとともに、結氷して霜の核となり、着霜
を促進させる要因になっている。

【００３８】しかし、本発明による室外熱交換器のフィ
ンは、前記したように隣接するフィンカラー間を連ねる
排水路部が設けられているため、伝熱管下部のフィンカ
ラー部に集まった水滴は排水路部を経由して順次流れ落
ちるため、従来とは違って伝熱管下部での滞留水滴量が
大幅に減少するので、通気抵抗の増大が抑えられ、風量
が確保されるので暖房能力の低下が抑えられる。

【００３９】＜フィン形状による効果＞次に、本発明の
熱交換器を構成するフィンの効果について更に詳しく説
明する。即ち、風上側に位置する稜線は、フィン全長に
わたって長手方向に直線的に形成されているので、空気
上流側フィンの剛性が強化されるとともに、フィン面に
結露した水滴の排水性が改善される。また、フィンの先
端側の剛性を強化することによって、風上側先端部での
フィン間隔が一定に保たれるので、着霜によるフィン先
端部での目詰まりが均一になり風量の低下を軽減でき
る。

【００４０】フィンカラー周辺に形成された円状平坦部
面と、隣接カラー間に管列方向に延びる波形稜線を構成
している平面部とが接続平面を介して連接されているの
で、上下に隣接するフィンカラーを連接してなる排水路
が構成されるので、結露水滴の排水性が改善される。

【００４１】フィン表面を波形に成形しフィン剛性を強
化した従来のフィンの場合には、波形の頂部および波形
の谷部には平坦部が設けられていないため、断面Ｖ字形
または逆Ｖ字形の波形凹部を有する構成となっている。
このため、波形凹部には滞留渦を形成し、滞留渦の下流
側に生じる流れの再付着点での熱伝達率が非常に高くな
る。このため、空気流れ方向に沿ってフィン面での局所
熱伝達率が大きく変化することとなり、局所熱伝達率が
高い部分にはフィン前縁部と同様に、波形凹部下流には
局所的に着霜が生じ、ここでの霜層が成長するためフィ
ン間が目詰まりして通気抵抗が増大し、風量が減って暖
房能力が大幅に低下するという問題を生じていた。

【００４２】しかし、本発明による室外熱交換器のフィ
ンは、波形の頂部および谷部には平坦部が設けられてい
るので、気流方向に沿うフィン表面熱伝達率の変化が緩
和されるため、着霜が均一化される。着霜の均一化によ
り、着霜によるフィン間の目詰まりまでの時間が延長で
きるので暖房感が大幅に改善される。

【００４３】＜管径の効果＞次に、前記した本発明のフ
ィン構造による効果をさらに発揮するためには、好まし
くは管径を４〜６ｍｍに設定するのが良い。その理由に
ついて以下に説明する。室外用クロスフィン型熱交換器
は、従来、管径を細くすると暖房運転時の凝縮水の付着
による通気抵抗の増大や除霜後の保水による着霜時目詰
まりの促進などの悪影響が予想されるため、８〜１０Φ
程度の管径が一般に採用されており、伝熱管の段ピッチ
は２０〜２５ｍｍに設定されている。

【００４４】しかし、前記省冷媒化の目的を達成するた
めには、室外熱交換器の内容積を大幅に低減する必要が
あり、管径が従来のまま内容積を減らすには伝熱管の段
ピッチを現状の２倍程度に広げて伝熱管本数を減らすこ
ととなるが、段ピッチを大きくするとフィン効率が低下
するとともに、管内面積が減少して熱通過率Ｋが小さく
なり熱交換量Ｑが大幅に減少するので、暖房能力が低下
する。

【００４５】暖房能力が同じ場合すなわち熱交換量Ｑが
同じ場合には、空気と管内冷媒との温度差ΔＴが大きく
なり蒸発温度が低下する。このため、外気温度が高い場
合でも着霜が生じるようになり、除霜運転を行う必要が
ある。このためエネルギー効率が悪くなるとともに、暖
房感が悪化するという問題があった。そこで、本発明者
等は、室外熱交換器の管径を細くすることにより空気調
和機の省冷媒化を図るのに好適な熱交換器構造について
鋭意検討した結果、暖房運転時の除湿水分の付着を防止
することにより大幅に暖房能力を改善できることが判明
した。

【００４６】伝熱管径を種々に変えた場合に熱交換器に
滞留している水滴の保水量を測定した結果を図７に示
す。保水量の測定は小型のモデル熱交換器を、室外暖房
運転条件のもとで、所定時間運転を行った後熱交換器の
重量増加量から水分量を求める方法で行った。この測定
結果から伝熱管が従来のように１０mm程度と太い領域で
の保水量は管径が小さくなるにしたがってわずかに減少
する傾向を示しているが、伝熱管径が６ｍｍ以下程度に
細くなると保水量が急激に減少するのがわかる。この結
果から管径が従来のように１０mm程度と太い場合には以
下に述べる理論計算から予想されるように保水量はほぼ
一定の値を示すが、管径が６mm以下と小さい場合には急
激に減少することが判明した。管径を小さくした場合の
保水量が管径６ｍｍ程度を境に急激に減少する理由は以
下のように説明できる。

【００４７】＜理論＞暖房運転時の凝縮水や除霜運転を
行って霜を解かしたあとの除霜水は大部分フィン面上を
落下して外部に排出されるが、一部の残留水滴が熱交換
器へ保水される。保水されている残留水滴は大部分伝熱
管の下部のフィン間にブリッジして滞留しているのが観
察される。伝熱管下部のフィン間にブリッジして保持さ
れている水滴の保水量Ｗｇは、水滴の重さが水滴に働く
表面張力によって支えられているという関係をもちい
て、次式であらわされる。

【００４８】力の平衡式から、 ｇ（ρＤＬ）Ｌｔ＝ ２σＬｔ （２） （水滴の重さ） （表面張力による引張り力） が成立する。したがって、保水量 Ｗｇは Ｗｇ＝ρＤＬ＝２σ／g （３） となる。ここで、 Ｌ；水滴の伝熱管下端部から測定した垂れ下がり長さ、 Ｄ；伝熱管の直径をＤ、 Ｌｔ；伝熱管の全長 ｇ；重力加速度、 σ；水滴の表面張力 である。

【００４９】式（３）から従来予想されたことは、保水
量Ｗｇは表面表面張力にのみ依存することとなり、伝熱
管の直径によらず、管径が変化しても一定の値となる。
また、伝熱管下部の水滴の垂れさがり長さＬは、上式か
ら Ｌ＝２σ／（ｇρＤ） （４） であらわされ、管径Ｄが細くなるほど管径に逆比例して
水滴の垂れ下がり長さＬが長くなる傾向となるのがわか
る。

【００５０】したがって、従来の考えでは伝熱管の直径
Ｄが小さくなると（４）式に従って水滴の垂れ下り長さ
Ｌが長くなるという評価になるため、上下に隣接する伝
熱管の間が下垂水滴によって閉塞される割合が増えるこ
ととなり、暖房運転時の通気抵抗の増大、着霜による目
詰まり促進等による性能低下等の問題が懸念されるの
で、従来は室外熱交換器では伝熱管として直径が７〜１
０mm程度以下のものは使われていなかった。

【００５１】今回、本発明者等は伝熱管の直径を種々変
えた場合の水滴付着状況を鋭意観察した結果、クロスフ
ィン形熱交換器での水滴の保水現象について伝熱管径が
細くなると、従来とは異なる水滴付着現象を呈すること
が判明し、従来より細い伝熱管からなる室外熱交換器を
用いた暖房能力に優れた空気調和機を発明するに至っ
た。

【００５２】即ち、管径が６mm以下に細くなってくると
従来とは異なり、下向き水平平板から水滴が落下すると
きと同じように伝熱管下部の垂れ下り水滴が根元からく
びれて落下し、水滴の垂れ下がり長さは長くならないと
いう現象を生じることを明らかにし本発明に至った。

【００５３】本形状のフィンにより管径が６ｍｍ以下程
度まで細くなると保水量が急激に減少するメカニズムに
ついて、更に詳しく以下に説明する。

【００５４】上式にしたがって、管径に逆比例して下垂
長Ｌが長くなるものと仮定した場合には、下垂水滴内部
では重力の作用によって、重力方向に圧力分布を生じ、
下垂長Ｌが長くなるほど顕著となる。その圧力分布は、
下垂水滴の伝熱下端での圧力が最も低く、下方にしたが
って、水滴の重みが増すため水滴内部圧力が高くなり、
下端部で内部圧力が最大になる。

【００５５】このため、水滴の垂れ下がり長さＬが長く
なると圧力が最も低くなる伝熱管下端部では、内圧の低
下に従って、水滴の形状が内側に向かって窪むように、
くびれて細くなる。ここで、フィン形状を前記したよう
に排水性がよくなるように工夫したことにより、伝熱管
下端部付け根がくびれて細くなると水滴のバランスがく
ずれて水滴が落下するようになる。即ち、下垂長Ｌが長
い状態は不安定状態であり、伝熱管の直径が小さい場合
には水滴垂れ下がり長さＬは一定の長さ以上には長くな
らないという現象が生じる。

【００５６】管径が１０ｍｍ程度の太い伝熱管を用る従
来の熱交換器では、除霜運転後、暖房運転を再開すると
伝熱管の下部に保水されている大量の除霜水がパイプに
よって冷却されて氷結するため、これが核となって着霜
が促進されフィンの目詰まりによる風量低下によって暖
房能力の大幅な低下をきたしていた。ところが本発明に
よる室外熱交換器はパイプ径が細いのでパイプの下部に
おける保水量が少ないので、氷結してできる氷の核も少
なく、着霜が抑えられる。暖房運転時の熱交換器での保
水量が少ないので、熱交換器表面へ水滴が付着すること
による通気抵抗の増加も少なく抑えられるので、暖房運
転時の風量が十分確保できる。このため、暖房能力が大
幅に向上する。

【００５７】暖房運転時には、前記したように室外熱交
換器は蒸発器として作用し、管内熱伝達率は管径が小さ
くなるに従って管内の冷媒流動様式が環状となり易いた
め管径に逆比例すつように改善される傾向をもってい
る。しかし、管径が４mm程度以下になると一方では圧力
損失の増加が顕著になるため管内に設けられている溝の
深さを小さくせねばならず、管径が４mm程度を境に蒸発
熱伝達率が急激に低下するようになる。

【００５８】こうした蒸発熱伝達率の低下によって、管
径が６mm以下で保水量が急激に減少し暖房能力が改善さ
れるにもかかわらず、管径が４mm以下にまで細くなる
と、図８に示すように、暖房運転時の管内冷媒蒸発温度
Ｔｅが低下するようになってしまう。なお、Ｔｅ温度測
定時は、外気温度６℃、相対湿度８５％であった。管内
冷媒温度が低下すると着霜に対しては不利となるので、
管径の下限値としては４mm程度に設定するのが好まし
い。

【００５９】＜フィン幅の効果＞次に、前記した本発明
のフィン構造による効果をさらに発揮するためには、好
ましくはフィン幅Ｗを、Ｄ：伝熱管外径として、（Ｄ＋
８）〜（Ｄ＋１２）ｍｍに設定するのが良い。その理由
についてさらに説明する。暖房運転時には外気温度の低
下に従って管内冷媒の蒸発温度が低下し、蒸発温度が０
〜ー２℃以下にまで低下するとフィンには着霜を生じ
る。このときのフィン温度は、伝熱管中心部から風上側
フィン端に向かって空気温度に近づくように徐々に上昇
している。したがって、伝熱管中心部から風上側フィン
端までの距離が大きいほどフィン温度が高くなりフィン
先端での着霜が改善されるので、フィン幅としては広い
ほど着霜による目詰まりに対して有利となる。

【００６０】しかし、フィン幅が広くなると一方ではフ
ィン効率が悪くなり、通気抵抗も増大するため、空気側
の伝熱性能の低下とファン風量の低下を招くこととな
り、暖房能力が低下するようになる。したがって、本発
明による室外熱交換器として、フィン幅Ｗは、着霜によ
る目詰まりと暖房能力との兼ね合いから、（Ｄ＋８）〜
（Ｄ＋１２）mmに設定するのが好ましい。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
空気調和機用室外ユニットにおいて室外熱交換器が蒸発
器として機能する暖房運転時に、伝熱管を挿入したフィ
ンカラー部に集まった水滴は、波形フィンの山、谷で上
下方向に形成される溝を排水路部として順次流れ落ちる
ため、伝熱管下部での滞留水滴量が大幅に減少するの
で、通気抵抗の増大が抑えられ、風量が確保され、した
がって暖房能力の低下が抑制される。また、フィンの波
形形状を波形頂部と谷部を平坦にして、Ｖ字のような鋭
角部分をなくしたので、フィン面での熱交換量が均一化
され着霜分布が均一になるため、通気抵抗の増大が抑え
られ、風量が確保できるので暖房能力が大幅に改善でき
る。さらに、フィンを波形に成形したので、伝熱管径を
細くしてもフィンの剛性が確保されるため、生産性が上
がりコストが低く、高性能な熱交換器を提供できる。

【００６２】また、本発明によれば、空気調和機の室外
ユニット用として、クロスフィン形の室外熱交換器にお
いて、伝熱管径Ｄを４〜６ｍｍと細くして伝熱管に付着
する水滴量を減少させ、フィンの幅を(Ｄ＋８)〜(Ｄ＋
１２)ｍｍとすることにより、耐着霜性に優れた熱交換
器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態となる室外ユニット用熱
交換器のフィン形状を示す平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面とＢ−Ｂ断面を示す図。

【図３】室外ユニット用熱交換器の伝熱管の斜視図。

【図４】室外ユニットの構成を示す配置図。

【図５】ヒ−トポンプ型空気調和機の冷凍サイクル構成
図。

【図６】本発明と従来技術を比較してフィン間での空気
流れを説明する図。

【図７】空気調和機の蒸発器として機能する熱交換器に
おける伝熱管直径と該熱交換器に付着する水滴の保水量
の関係を示す図。

【図８】空気調和機の蒸発器として機能する熱交換器に
おける伝熱管直径と該管内の冷媒温度との関係を示す
図。

【符号の説明】

１０…熱交換器フィン １１…フィンカラー １２…フィンカラー周り平坦部 １３…波形フィンの山部 １４…接続平坦部 １５…排水路 ２０…室外ユニット ２１…室外ユニット箱体 ２２…室外熱交換器 ２３…プロペラファン ２４…ユニットベース ３０…空気流 ３１…フィン間を流れる空気流 ３２…気流の滞留渦 ３３…気流の再付着点 ４０…伝熱管 ５０…室内ユニット ５１…貫流ファン ５２…室内熱交換器 ６０…冷媒配管 ６１…四方弁 ６２…減圧器 ６３…冷媒配管 ８０…圧縮機 １３１…波形の頂部 １３２…波形の谷部 １３３…波形の平坦部 １３４…稜線

フロントページの続き (72)発明者 内田 麻理 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 小暮 博志 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 藤林 一朗 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 大塚 厚 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 稲垣 信夫 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 島田 明 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気調和機用で室内ユニットとの間で冷
   凍サイクルを形成する室外ユニットにおいて、横方向に
   延びる複数の伝熱管を互いに並行にして上下方向に配列
   し、該伝熱管と直交して上下に長手方向が延びる帯板状
   の複数のフィンを互いに並行して横方向に配列してなる
   クロスフィン形室外熱交換器と該室外熱交換器に送風す
   る室外送風機とを備え、前記室外熱交換器のフィンは、
   前記伝熱管を通す穴の縁から表側に環状に突起するフィ
   ンカラーと該フィンカラー周辺に形成した環状の平坦部
   を有し、かつ前記フィンカラー及び該フィンカラー周辺
   の平坦部領域を除いて、横断面が波形で該波形の頂部及
   び谷部を平坦とする形状を有し、そして、前記フィン全
   長にわたって真っ直ぐに連続した稜線を持つ波形を少な
   くとも一つ成形されていることを特徴とする空気調和機
   用室外ユニット。
2. 【請求項２】 上下に隣り合う前記フィンカラー周辺の
   環状平坦部間の表領域には、その中心部に波形フィンの
   うちの平坦な谷部を通していることを特徴とする請求項
   １記載の空気調和機用室外ユニット。
3. 【請求項３】 前記フィンカラーを前記フィンの幅中心
   より前記気流の下流側に偏移させたことを特徴とする請
   求項１または２に記載の空気調和機用室外ユニット。
4. 【請求項４】 前記伝熱管の外径Ｄを４〜６mmとし、前
   記フィンの幅Ｗを（Ｄ＋８）〜（Ｄ＋１２）mmとしたこ
   とを特徴とする請求項１、２または３いずれかに記載の
   空気調和機用室外ユニット。
5. 【請求項５】 空気調和機用で室内ユニットとの間で冷
   凍サイクルを形成する室外ユニットにおいて、クロスフ
   ィン形室外熱交換器と該室外熱交換器に送風する室外送
   風機とを備え、前記室外熱交換器の伝熱管の外径Ｄを４
   〜６mmとし、前記フィンの幅Ｗを（Ｄ＋８）〜（Ｄ＋１
   ２）mmとしたことを特徴とする空気調和機用室外ユニッ
   ト。