JP2005201491A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】プレートフィンを貫通した偏平管を擁した熱交換器を蒸発器や凝縮器として利用した場合、最適で且つ高い熱交換性能を実現し、充分な熱交換量を得ることが可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】偏平管１において、風上側Ａより風下側Ｂに、冷通路穴９ａの数を少なくし、冷媒通路の断面積を大きくすることにより、風下側Ｂの方が、冷媒が偏平管１に密着したフィン２を介して空気側に熱伝達する性能が向上すると共に熱交換効量が多くなり、蒸発器または凝縮器として使用した場合であっても、熱交換器の風上側Ａおよび風下側Ｂの熱交換がバランス良く行われ、性能を最大限に引き出すことができるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式空気調和機に利用される熱交換器に関し、熱交換器全体を有効に利用し、効率良く冷媒と空気との熱交換が可能となる熱交換器に関するものである。

従来、この種の空気調和機の冷凍サイクルを構成しているフィンアンドチューブタイプの熱交換器は、熱交換能力が小さい場合には、冷媒の循環量が少なく、伝熱管内の圧力損失が小さい為、冷媒通路は単一で良いが、熱交換量が大きい場合には、冷媒の循環量が多く、伝熱管内の圧力損失が大きくなる為に複数の冷媒通路が必要となってくる。

ここで、図７において、熱交換効率の高い偏平管を使用したタイプの熱交換器を蒸発器に使用した場合について説明する。図７に示す従来例の場合、４は中空円筒状のヘッダー４で、下側は閉じてあり、蒸発器として使用される場合、冷媒が流入する接続管５が上側に接合されている。ヘッダー４に流入した冷媒は各ヘッダーに連通する各偏平管１の中を通過しながら、各偏平管１に密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、更にガス化した冷媒は中空円筒状であるヘッダー３の上側の接続管６から流出する。

また、この熱交換器を凝縮器として使用した場合は、冷凍サイクル中の四方弁の切換えにより冷媒の流れる方向が異なり、図７に示す従来例の場合、圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスがの接続管６よりヘッダー３に流入して各ヘッダーに連通する各偏平管１の中を通過しながら、各偏平管１に密着したフィン２を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化した冷媒は中空円筒状であるヘッダー４より凝縮器の接続管５から流出する。１は熱伝導性の良いアルミニウムや銅合金等の金属からなる偏平な断面外形を有する熱交換器用の偏平管で、内部に１本ないし数本の冷媒通路を有し、ヘッダー４とヘッダー３とを連通するように、それらのヘッダーを橋絡して水平に複数本取り付けられている。

従来このような空気調和機用の熱交換器の熱交換効率を良好にした構成例としては、１列の熱交換器で着霜運転時に空気の流入上流部と下流側のフィンの形状を変化させて熱交換器全体が効率良く運転可能となるようにさせた（例えば特許文献１参照）ものや、また、フィンアンドチューブタイプの熱交換器では、フィンの位置を１列目と２列目の熱交換器の間でずらしたものもがある（例えば特許文献２参照）。
特開平８―１７８３６６号公報（４頁、第１図） 特開平７―１９８１６６号公報（３頁、第１図）

一般的に、偏平管熱交換器を利用した場合に、従来のフィンアンドチューブタイプの熱交換器よりも熱交換性能が高いものとなっている。ただし、２列で構成したフィンアンドチューブの熱交換器が空気と冷媒の熱交換する過程は、風上に配置した１列目の熱交換器と風下の２列目の熱交換器の間を冷媒が容易に交差して効率よく空気と熱交換する構成を取ることが可能であることに対し、偏平管熱交換器の場合はフィンアンドチューブとは異なり、一本のチューブの中に複数の壁で仕切った冷媒流通路があり、その中を冷媒が流れるので、風上側と風下側の冷媒流通路を流れる冷媒を一本のチューブの中で交差して流すことは不可能である。空気側と冷媒側の熱交換の大部分が風上側で優先的に熱交換される為、風下側の熱交換器での空気側と冷媒の熱交換量は小さくなる。

従って、例えば蒸発器においては、風上側の熱交換器は過熱度が大きく取れ、風下側は
逆に熱交換量が減って過熱度が小さくなり、冷媒の循環量によっては、風上側と風下側の熱交換量が大きく異なってバランスを崩し、熱交換器全体を有効に利用することができず、冷凍サイクルの性能まで低下させる場合がある。

つまり、マイクロチューブ熱交換器を２列で構成したとしても、１列目と２列目の熱交換器を流れている冷媒をフィンアンドチューブのように途中で交差させるような構成は困難であり、仮に実現しようとしても装置が巨大化するだけで無く、複雑になってコストが上がり、更には冷媒分流が崩れるなど熱交換器の性能が大きく低下してしまうという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、偏平管熱交換器を蒸発器や凝縮器として利用した場合でも、最適で且つ高い熱交換性能を実現し、充分な熱交換量を得ることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、所定の距離を置いて延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間には内部に冷媒が流通する複数の冷媒流通穴が形成された偏平管と、前記偏平管に略直行し密着している、同一ピッチで複数配置されたプレートフィンと、前記偏平管が前記プレートフィンを貫通した構成を備えた熱交換器において、前記偏平管の流通路を風上側に低性能タイプ、風下側には高性能タイプの形状を配置したものである。この熱交換器の形状によって、熱交換器全体が効率良く熱交換を行ない、熱交換器の性能を最大限に引出すことを目的としている。

本発明の熱交換器は、蒸発器または凝縮器として使用した場合、風上側および風下側の熱交換器が有効に熱交換利用されるので、複雑な構成を必要とせずに熱交換性能を最大限に引き出すことが可能となると共に、また、熱交換器を暖房低温用の蒸発器とした場合、風上側の集中的な着霜による熱交換器の性能低下に伴って発生する急激な目詰まりを抑え、着霜による目詰まりに到るまでの時間を長くすることが可能となり、暖房低温の運転効率を向上させて、高い高効率運転を実現する熱交換器を提供することができる。

第１の発明は、所定の距離を置いて延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間には内部に冷媒が流通する複数の冷媒流通穴が形成された偏平管と、前記偏平管に略直行し密着している、同一ピッチで複数配置されたプレートフィンと、前記偏平管が前記プレートフィンを貫通した構成とを備えた熱交換器であって、前記偏平管の流通路を風上側に低性能タイプ、風下側には高性能タイプを配置することにより、風上側より熱交換量の少ない風下側であっても、効率の高い熱交換を行なうことができる。

第２の発明は、所定の距離を置いて延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間には内部に冷媒が流通する複数の冷媒流通穴が形成された偏平管と、前記偏平管に略直行し密着している、同一ピッチで複数配置されたプレートフィンと、前記偏平管が前記プレートフィンを貫通した構成とを備えた熱交換器であって、前記偏平管の流通路を風上側から風下側にかけて漸次低性能タイプから高性能タイプを配置することにより、熱交換量の高い風上側から熱交換量の低い風下側に漸次効率良く、効果的に冷媒と空気が熱交換を行なうことができる。

第３発明は、前記偏平管の風下側の冷媒流通穴の内部にフィンを施すことにより、風上側より熱交換量の少ない風下側であっても、冷媒が空気に伝える熱伝達性能も向上するので、効率の高い熱交換を行なうことができる。

第４発明は、前記偏平管の風下側の冷媒流通穴の内部のフィンは、風上側より多く施さすことにより、風上側より熱交換量の少ない風下側であっても、冷媒が空気に伝える熱伝達性能も向上するので、効率の高い熱交換を行なうことができる。

第５発明は、前記偏平管の風上側から風下側にかけて冷媒流通穴の内部にはフィンが漸次多くなるように施こすことにより、熱交換量の高い風上側から熱交換量の低い風下側かけて、冷媒流速の上昇と共に熱伝達性能も漸次向上するので、効果的に冷媒と空気が熱交換を行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる熱交換器の一部を示す斜視図であり、図２は図１の矢印イの方向から見た本発明の実施の形態１にかかる熱交換器の断面図である。

図２において、風上に近い偏平管１の風上側Ａ１には四角形の冷媒通路穴９ａ（例えば断面積３ｍｍ²）が３個、風下側Ｂ１にも同様にＡ１の冷媒通路穴９ａの断面積の半分となる四角形の冷媒通路穴９ｂ（例えば断面積１．５ｍｍ²）が６個設けられている。よって、偏平管１の１本当りの冷媒通路穴の全断面積は風上側Ａ１および風下側Ｂ１共に（例えば断面積９ｍｍ²）同等であるが、風下側Ｂ１の方が風上側Ａ１よりも冷媒が流れる冷媒通路穴９ｂの流通路内表面積の方が大きくなるので、冷媒が偏平管１を介してフィン１０から空気に熱伝達する表面積が大きくなる為に、熱交換効率も高くなる。

従って、通常であれば風上Ａから流入した空気と熱交換器の風上側Ａ１が先に熱交換した後に、風下側Ｂ１と熱交換するので、風下側Ｂ１では空気側と冷媒の温度差が小さい状態で熱交換が行なわれる為に熱交換量も風下側Ｂ１の方が小さくなる。よって、本実施の形態１の構成であれば風下側Ｂ１の伝熱性能が向上するので、熱交換器全体が空気側と熱交換することが可能となる。

また、風下側Ｂ１に風上側Ａ１よりも熱交換効率の高い偏平管１の形状にしたことにより、着霜が発生する低外気温の暖房運転時においても、図７および図２の風上側Ａ１のフィン１０に集中的に霜が付着して目詰まりを起こす事無く、熱交換器全体に霜が均一に付着し易くなるので、長時間に渡って暖房運転を持続させることが可能となる。なお、所定の距離を置いて延在する一対のヘッダーは、説明の為に垂直方向に配置したが、水平方向に配置した場合でも、同様な効果を奏する。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２にかかるパラレルフロー型熱交換器を、図７の矢印ロ方向から見た断面図である。上記実施の形態と重複する内容と原理は省き、同一機能を示すものであれば同一番号にて以下に説明する。

図３において、熱交換器の風上側Ａ１から風下側Ｂ１にかけて、冷媒流速が次第に早くなるように流すことにより、風上側Ａ１から風下側Ｂ１にかけての熱交換器出口の乾き度を等しくすることができる。その為には、図３に示すように、偏平管１の風上側Ａ１を流れる冷媒通路穴９ｃの断面積を、風下側Ｂ１に向かって、漸次小さくし、９ｃ（例えば８ｍｍ²）＞９ｄ（例えば６ｍｍ²）＞９ｅ（例えば５ｍｍ²）＞９ｆ（例えば４ｍｍ²）＞９ｇ（例えば３ｍｍ²）＞９ｈ（例えば２ｍｍ²）＞９ｉ（例えば１ｍｍ²）となるような断面積に配置することにより、風上側Ａ１の熱交換器の出口だけが極端に乾き度が高くなる
こと無く、空気と冷媒の熱交換を効率良くすることが可能となり、熱交換器性能を最大限に引出すことができる。

従って、通常であれば風上側Ａから流入した空気と熱交換器の風上側Ａ１が先に熱交換した後に、熱交換器の風下側Ｂ１と熱交換するので、熱交換器Ｂ１では空気側と冷媒の温度差が小さい状態で熱交換が行なわれる為に熱交換量も風上側Ａ１の方が大きくなり、風上側Ａ１の方が熱交換器出口での乾き度が大きくなって、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器性能を充分に引出すことができないが、本実施の形態２の構成であれば風上側Ａ１から順次風下側Ｂ１にかけて冷媒流速が漸次的に増加するので、冷媒が空気に伝える伝熱性能も漸次的に高くなり、熱交換器全体が空気側とバランス良く熱交換することが可能となる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３にかかるパラレルフロー型熱交換器を、図７の矢印ロ方向から見た断面図である。上記実施の形態と重複する内容と原理は省き、同一機能を示すものであれば同一番号にて以下に説明する。

図４において、熱交換器の偏平管１の風下側Ｂ１を流れる冷媒が、風上側Ａ１よりも空気に伝える伝熱性能が大きくなるようにすることにより、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器出口の乾き度を等しくすることができる。その為には、図３に示すように、風上側Ａ１の偏平管１の冷媒流通穴９ｊには内部フィンを配置せず、風下側Ｂ１の冷媒流通穴９ｋに内部フィン１１を配置することにより、風上側Ａ１の熱交換器の出口だけが極端に乾き度が高くなること無く、空気と冷媒の熱交換を効率良くすることが可能となり、熱交換器性能を最大限に引出すことができる。

従って、通常であれば風上側Ａから流入した空気と熱交換器の風上側Ａ１が先に熱交換した後に、熱交換器の風下側Ｂ１と熱交換するので、風下側Ｂ１では空気側と冷媒の温度差が小さい状態で熱交換が行なわれる為に熱交換量も風上側Ａ１の方が大きくなり、風上側Ａ１の方が熱交換器出口での乾き度が大きくなって、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器性能を充分に引出すことができないが、本実施の形態３の構成であれば、風下側Ｂ１の冷媒側の熱伝達性能が向上するので、バランス良く熱交換器全体が空気側と熱交換することが可能となる。

（実施の形態４）
図５、本発明の実施の形態４にかかるパラレルフロー型熱交換器を、図７矢印ロ方向から見た断面図である。上記実施の形態と重複する内容と原理は省き、同一機能を示すものであれば同一番号にて以下に説明する。

図５において、熱交換器の偏平管１の風下側Ｂ１を流れる冷媒が、風上側Ａ１よりも空気に伝える伝熱性能が大きくなるようにすることにより、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器出口の乾き度を等しくすることができる。その為には、図４に示すように、偏平管１の冷媒が流れる冷媒流通穴９ｌ、９ｍに内部フィン１１を配置し、この内部フィン１１の数を上流側Ａ１より風下側Ｂの方を多くし、内部フィン１１の数が９ｌ（例えば２）＜９ｍ（例えば５）となるように配置することにより、風上側Ａ１の熱交換器の出口だけが極端に乾き度が高くなること無く、空気と冷媒の熱交換を効率良くすることが可能となり、熱交換器性能を最大限に引出すことができる。

従って、通常であれば風上側Ａから流入した空気と熱交換器の風上側Ａ１が先に熱交換した後に、熱交換器の風下側Ｂ１と熱交換するので、風下側Ｂ１では空気側と冷媒の温度差が小さい状態で熱交換が行なわれる為に熱交換量も風上側Ａ１の方が大きくなり、風上
側Ａ１の方が熱交換器出口での乾き度が大きくなって、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器性能を充分に引出すことができないが、本実施の形態４の構成であれば風下側Ｂ１の冷媒側の熱伝達性能が向上するので、バランス良く熱交換器全体が気側と熱交換することが可能となる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５にかかるパラレルフロー型熱交換器を、図７の矢印ロ方向から見た断面図である。上記実施の形態と重複する内容と原理は省き、同一機能を示すものであれば同一番号にて以下に説明する。

図６において、熱交換器の風上側Ａ１から風下側Ｂ１にかけて、偏平管１における冷媒が空気に伝える伝熱性能を漸次向上するようにすることで、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器出口の乾き度を等しくすることができる。その為には、図５に示すように、偏平管の冷媒が流れる冷媒流通穴９ｎ〜９ｓに内部フィン１１を配置し、この内部フィン１１の数を上流側Ａ１から風下側Ｂにかけて漸次多くし、内部フィン１１の数が９ｎ（例えば１）＜９ｏ（例えば２）＜９ｐ（例えば３）＜９ｑ（例えば５）＜９ｒ（例えば１２）＜９ｓ（例えば２４）となるように配置することにより、風上側Ａ１の熱交換器の出口だけが極端に乾き度が高くなること無く、空気と冷媒の熱交換を効率良くすることが可能となり、熱交換器性能を最大限に引出すことができる。

従って、通常であれば風上側Ａから流入した空気と熱交換器の風上側Ａ１が先に熱交換した後に、熱交換器の風下側Ｂ１と熱交換するので、風下側Ｂ１では空気側と冷媒の温度差が小さい状態で熱交換が行なわれる為に熱交換量も風上側Ａ１の方が大きくなり、風上側Ａ１の方が熱交換器出口での乾き度が大きくなって、風上側Ａ１と風下側Ｂ１の熱交換器性能を充分に引出すことができないが、本実施の形態５の構成であれば風上側Ａ１から風下側Ｂ１にかけて漸次、冷媒側の熱伝達性能が向上するので、バランス良く熱交換器全体が空気側と熱交換することが可能となる。なお、上記実施の形態では、内部フィン１１を設置して熱伝熱量を調整したが、内部フィン１１の高さや位置、内部フィンの形状を変えても同じ意味をなすものである。

また、上記実施の形態３〜５に示すように内部フィン１１を最適化することにより、着霜が発生する低外気温の暖房運転時においても、熱交換器の性能低下に伴う蒸発器温度の低下によって、集中的に霜が付着して目詰まりを起こす事無く、冷媒循環量の最適化により、風上、風下に関係無く、熱交換器全体に霜が均一に付着し易くなるので、長時間に渡って暖房運転を持続させることが可能となる。なお、上記構成において、サーペンタインタイプの熱交換器においても同様の効果が得られるものであり、熱交換器の偏平管やヘッダーの向きや、形状、上下、水平方向を問わず構成されたものも含む。

以上のように、本発明にかかる熱交換器の風上側および風下側が有効に熱交換利用され、更には複雑な構成を必要とせずに熱交換性能を最大限に引き出すことが可能となるので、ヒートポンプ式空気調和機やカーエアコン等の熱交換器にも適用できる。

本発明の実施の形態１にかかる熱交換器の部分斜視図 図１の矢印イの方向から見た本発明の実施の形態１にかかる熱交換器の断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の一部分を示し、図７における矢印ロ方向から見た部分拡大横断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の一部分を示し、図７における矢印ロ方向から見た部分拡大横断面図 本発明の実施の形態４における熱交換器の一部分を示し、図７における矢印ロ方向から見た部分拡大横断面図 本発明の実施の形態５における熱交換器の一部分を示し、図７における矢印ロ方向から見た部分拡大横断面図 従来の偏平管熱交換器の全体斜視図

符号の説明

１ 偏平管
２ フィン
３ ヘッダー
４ ヘッダー
５、６ 接続管
７、８ ヘッダー
９、９ａ〜９ｓ 冷媒流通穴
１０ ルーバ
１１ 内部フィン

Claims (5)

1. 所定の距離を置いて延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間には内部に冷媒が流通する、冷媒流通穴が形成された偏平管と、前記偏平管に略直行し密着している同一ピッチで複数配置されたプレートフィンと、前記偏平管が前記プレートフィンを貫通した構成を備えた熱交換器であって、前記偏平管の流通路を風上側に低性能タイプ、風下側には高性能タイプの形状としたことを特徴とする熱交換器。
2. 所定の距離を置いて延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間には内部に冷媒が流通する複数の冷媒流通穴が形成された偏平管と、前記偏平管に略直行し密着している同一ピッチで複数配置されたプレートフィンと、前記偏平管が前記プレートフィンを貫通した構成を備えた熱交換器であって、前記偏平管の流通路を風上側から下流側にかけて漸次低性能タイプから高性能タイプの形状としたことを特徴とする熱交換器。
3. 前記偏平管の風下側の冷媒流通穴の内部にのみフィンが施されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 前記偏平管の風下側の冷媒流通穴の内部のフィンは、風上側より多く施されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器
5. 前記偏平管の風上側から風下側にかけて冷媒流通穴の内部にはフィンが漸次多く施されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。

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