JP2015152209A

JP2015152209A - 熱交換器

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Publication number: JP2015152209A
Application number: JP2014025471A
Authority: JP
Inventors: 雅也本間; Masaya Honma; 欣公田積; Yoshitaka Tazumi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】凝縮水の排水性を向上させ、かつ、熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器１０は、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂと、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂのそれぞれに両端が接続された複数の扁平管１２と、複数の扁平管１２のうち隣り合う扁平管１２のそれぞれと接するフィン１３と、を備える。ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂのそれぞれには少なくとも１つの凹部１５が対向するように形成される。対向する凹部１５間には複数の扁平管１２のうち少なくとも１つが接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器に関する。

冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器は、凝縮器または蒸発器として作用する。熱交換器が凝縮器として作用する場合、冷媒配管内を流れる高温の冷媒と冷媒配管外を流れる流体（例えば、空気）とで熱交換が行われ、その流体は高温の冷媒により加熱される。また、熱交換器が蒸発器として作用する場合、冷媒配管内を流れる低温の冷媒と冷媒配管外を流れる流体（例えば、空気）とで熱交換が行われ、その流体は低温の冷媒により冷却される。冷却された流体からは、その湿り具合にもよるが、通常、冷却温度における飽和水蒸気圧を超える分の水が凝縮水として発生し、蒸発器の表面に結露する。この凝縮水は、蒸発器の熱交換性能の低下または通風抵抗の増加を招くため、効率良く排出されることが望まれる。例えば特許文献１には、凝縮水の排水性の向上させる蒸発器が開示されている。

特許文献１の蒸発器では、凝縮水の滞留位置付近におけるフィンピッチが疎に形成されている。これにより、凝縮水の滞留を抑制でき、その結果、熱交換効率を向上させることができるとしている。

特開２００４−１５０７１０号公報

しかしながら、特許文献１の蒸発器では、フィンピッチが疎に形成された部分において、空気の流速低下による熱伝達率の低下、フィンの枚数減少による伝熱面積の低下、および前縁効果の低下等が生じる。そのため、滞留した凝縮水を排水できるものの、熱交換効率を大きく向上させることができないという課題がある。

本発明の目的は、凝縮水の排水性を向上させ、かつ、熱交換効率を向上させることである。

本発明の一態様に係る熱交換器は、冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器であって、２つのヘッダ集合管と、前記２つのヘッダ集合管のそれぞれに両端が接続された複数の扁平管と、前記複数の扁平管のうち隣り合う扁平管のそれぞれと接するフィンと、を備え、前記２つのヘッダ集合管のそれぞれには少なくとも１つの凹部が対向するように形成され、前記対向する凹部間には前記複数の扁平管のうち少なくとも１つが接続される構成を採る。

本発明は、凝縮水の排水性を向上させ、かつ、熱交換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成の一例を示す正面図本発明の実施の形態２に係る熱交換器の構成の一例を示す正面図本発明の実施の形態３に係る熱交換器の構成の一例を示す正面図本発明の実施の形態４に係る熱交換器の構成の一例を示す正面図本発明の実施の形態５に係る扁平管と凹部との接続部近傍の一例を示す斜視図本発明の実施の形態５に係る扁平管と凹部との接続部近傍の一例を示す断面図本発明の実施の形態６に係る扁平管と凹部との接続部近傍の一例を示す斜視図本発明の実施の形態６に係る扁平管と凹部との接続部近傍の一例を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は一例であり、本発明はその実施の形態により限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の構成の一例を示す正面図である。この熱交換器１０は、凝縮器または蒸発器として作用する。なお、以下では、熱交換器１０は、ヒートポンプ装置に用いられるものとして説明するが、これに限定されない。

例えば、熱交換器１０が凝縮器として作用する場合、熱交換器１０には、ヒートポンプ装置の圧縮機（図示せず）により高温高圧に圧縮された冷媒が流入し、その冷媒と流体との間で熱交換が行われる。これによって、冷媒が凝縮し、流体が加熱される。冷媒としては、例えば、フロン系冷媒（Ｒ２２等）、代替フロン（Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等）、自然冷媒(二酸化炭素、炭化水素等)などが用いられる。流体としては、例えば、空気または水が挙げられるが、以下では流体が空気である場合を例に説明する。

また、例えば、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合、熱交換器１０には、冷凍・空調サイクル装置の減圧装置（図示せず）により減圧されて低温低圧となった冷媒が流入し、その冷媒と空気との間で熱交換が行われる。これによって、冷媒が蒸発し、空気が冷却される。

熱交換器１０は、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂ、扁平管１２、フィン１３を備える。

図１の例では、ヘッダ集合管１１ａとヘッダ集合管１１ｂは、平行に配置される。なお、ヘッダ集合管１１ａとヘッダ集合管１１ｂとは、平行な配置に限定されない。

また、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂには、それぞれ、凸部１４と凹部１５が交互に形成されている。ヘッダ集合管１１ａ側の凸部１４とヘッダ集合管１１ｂ側の凸部１４の間には、扁平管１２が接続されている。同様に、ヘッダ集合管１１ａ側の凹部１５とヘッダ集合管１１ｂ側の凹部１５の間にも、扁平管１２が接続されている。

ヘッダ集合管１１ａが冷媒の入口であり、ヘッダ集合管１１ｂが冷媒の出口である場合、冷媒の流れは次のようになる。すなわち、冷媒は、ヒートポンプ装置の冷媒管からヘッダ集合管１１ａへ流入し、各扁平管１２に分流し、ヘッダ集合管１１ｂにて集合し、ヘッダ集合管１１ｂからヒートポンプ装置の冷媒管へ流出する。

また、ヘッダ集合管１１ａが冷媒の出口であり、ヘッダ集合管１１ｂが冷媒の入口である場合、冷媒の流れは次のようになる。すなわち、冷媒は、ヒートポンプ装置の冷媒管からヘッダ集合管１１ｂへ流入し、各扁平管１１に分流し、ヘッダ集合管１１ａにて集合し、ヘッダ集合管１１ａからヒートポンプ装置の冷媒管へ流出する。

図１の例では、複数の扁平管１２は、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂに対して垂直に接続される。なお、複数の扁平管１２は、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂに対して垂直な配置に限定されない。

また、図１の例では、複数の扁平管１２は、一定間隔をおいて互いに平行に配置される。なお、複数の扁平管１２は、一定間隔をおいた互いに平行な配置に限定されない。

また、図１の例では、各扁平管１２の長さは全て同じである。また、対向する２つの凸部１４間に接続された扁平管１２は、両端がそれぞれヘッダ集合管１１ａ、１１ｂの内部に挿入されている（図中の点線部分参照）。一方、対向する２つの凹部１５間に接続された扁平管１２も、両端がそれぞれヘッダ集合管１１ａ、１１ｂの内部に挿入されている（図示略）。ただし、凹部１５間の扁平管１２は、凸部１４間の扁平管１２に比べて、管のほぼ全体（管の長手方向における表面の大部分）が外部に露出している。なお、複数の扁平管１２の長さは全て同じでなくてもよい。

また、各扁平管１２の内部には、冷媒が流れる複数の孔（図示せず）が設けられ、管の厚みが略一定となるよう形成されている。孔の断面形状は、例えば、四角形の４つの角に丸みを持たせた形、四角形、楕円形などが挙げられる。また、孔は、例えば、３ｍｍ以下の水力直径となるように形成されている。

フィン１３は、隣り合う扁平管１２のそれぞれに接するように設けられる板状の部材である。フィン１３は、例えば、金属などの熱伝導性の材料により形成される。フィン１３を設けることにより、空気側の伝熱面積を拡大することができ、熱交換効率を向上させることができる。

通常、蒸発器として作用する熱交換器を湿り空気が通過する際、扁平管またはフィンの表面に、冷却温度における飽和水蒸気量を超える水分が凝縮水として発生する。そこで、本実施の形態の熱交換器１０では、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂに凹部１５を形成し、対向する２つの凹部１５の間に扁平管１２を接続することを特徴とする。

これにより、熱交換器１０の最下部（端部）にあるフィン１３と、凹部１５において扁平管１２が接続されている面との間の距離ｄ１は、従来の構成における距離ｄ２よりも長くなる。距離ｄ２とは、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂに凸部１４および凹部１５が形成されていない従来の構成において、熱交換器１０の最下部にあるフィン１３と、ヘッダ集合管１１ｂの凸部１４において扁平管１２が接続されている面との間の距離である。よって、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合、熱交換器１０の最下部にあるフィン１３と、凹部１５において扁平管１２が接続されている面との間に凝縮水が架橋しなくなる。すなわち、凝縮水の滞留を防止でき、排水性が向上する。

また、凝縮水の滞留の防止により、本実施の形態では、フィンピッチまたはフィン面積を変更せずに、熱交換器１０の最下部にあるフィン１３の面と、凹部１５において扁平管１２が接続されている面との間の風路閉塞を防止することができる。したがって、本実施の形態では、凝縮水の排水性の向上を実現しつつ、熱交換器１０の基本的な伝熱性能を低下させることなく、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合の熱交換効率を向上させることができる。

また、熱交換効率が向上することにより、本実施の形態では、熱交換器１０の小型化および低コスト化、ランニングコストの低減を実現することができる。

また、本実施の形態では、ヘッダ集合管１１ａとヘッダ集合管１１ｂとの間隔を広げることなく、熱交換器１０の最下部にあるフィン１３と、凹部１５において扁平管１２が接続されている面との間の距離ｄ１を確保できる。よって、熱交換器１０の小型化を実現することができる。

なお、図１において、熱交換器１０を正面から見たときの凸部１４および凹部１５の形状は、四角形、三角形、それらの形状の角に丸みを持たせた形状、または、略半円形状などでもよい（後述の各実施の形態も同様）。

また、熱交換器１０の製造には、材料として例えばアルミニウムが用いられ、各部は炉中ロウ付けにより一体成形される。これにより、軽量・小容積の熱交換器１０を低コストで製造することができる（後述の各実施の形態も同様）。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０の構成の一例を示す正面図である。なお、図２において、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図２における図１との違いは、凸部１４において扁平管１２が接続されている面の幅が、扁平管１２の厚みとほぼ同じである点である。

これにより、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合、凸部１４において扁平管１２が接続されている面には、凝縮水が滞留する場所がほぼ無くなる。そのため、熱交換器１０の最下部にあるフィン１３の面と、凸部１４において扁平管１２が接続されている面との間に凝縮水が架橋しなくなる。また、凝縮水が凸部１４付近の扁平管１２を覆うことがなくなる。すなわち、凝縮水の滞留を防止でき、排水性が向上する。

また、本実施の形態では、上述した実施の形態１の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。すなわち、本実施の形態では、凝縮水の滞留の防止により、フィンピッチまたはフィン面積を変更せずに、熱交換器１０の最下部にあるフィン１３の面と、凸部１４において扁平管１２が接続されている面との間の風路閉塞を防止することができる。したがって、本実施の形態では、熱交換器１０の基本的な伝熱性能を低下させることなく、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合の熱交換効率をさらに向上させることができる。

また、本実施の形態では、凸部１４よりも凹部１５の幅が広く形成されている。これにより、気流が凹部１５へ流入する際の抵抗が小さくなるため、凹部１５へ気流が流れやすくなる。したがって、本実施の形態では、凝縮水の排水性の向上を実現しつつ、熱交換器１０が蒸発器として作用する場合の熱交換効率をさらに向上させることができる。

なお、凸部１４において扁平管１２が接続されている面の幅は、図２に示す幅（凸部１４の頂部から底部に向かって広くなる構成）に限定されない。例えば、凸部１４の頂部から底部に向かって幅が狭くなってもよいし、凸部１４の頂部から底部に向かって幅が一定であってもよい。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０の構成の一例を示す正面図である。なお、図３において、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図３における図１、２との違いは、各扁平管１２が凹部１５にのみ接続されている点である。

ヘッダ集合部１１ａ、１１ｂに凸部１４および凹部１５が形成されていない従来の構成では、扁平管１２は、ヘッダ集合部１１ａ、１１ｂのそれぞれに所定の長さ挿入されて接続される。

これに対し、図３に示す本実施の形態の熱交換器１０では、全ての扁平管１２が、対向する２つの凹部１５間にのみ接続されているため、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂの内部に挿入されている部分が存在しない。すなわち、全ての扁平管１２は、管全体が露出した状態となっている。よって、本実施の形態では、各扁平管１２の全ての部分がヘッダ集合管１１ａ、１１ｂの外側を流れる空気と熱交換できる。これにより、扁平管１２の伝熱面を有効に利用できる。

よって、本実施の形態では、上述した実施の形態１、２の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。すなわち、本実施の形態では、従来の構成においてヘッダ集合管１１ａ、１１ｂの外側を流れる空気と熱交換できなかった扁平管１２の一部が、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂの外側を流れる空気と熱交換することができる。したがって、本実施の形態では、熱交換に寄与する有効な伝熱面積が増加し、熱交換効率をさらに向上させることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る熱交換器１０について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器１０の構成の一例を示す正面図である。なお、図４において、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図４における図１〜３との違いは、ヘッダ集合管１１ａ、１１ｂのそれぞれに１つの凹部１５が形成され、その対向する２つの凹部１５間に複数の扁平管１２が接続されている点である。

これにより、本実施の形態では、上述した実施の形態１〜３の効果を得ることができる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５について図５および図６を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態５に係る扁平管１２と凹部１５との接続部近傍の一例を示す斜視図である。図６は、図５に示す接続部近傍の一例を示す断面図（図１中のＡ−Ａ断面を示す図）である。なお、図５および図６において、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施の形態では、図５および図６に示すように、扁平管１２と凹部１５とが接続された面（以下、接続面という）を所定の角度θ（３０°＜θ＜６０°）だけ扁平管１２の幅方向（換言すれば、気流方向Ｂ）から傾斜させる。これにより、凹部１５に滞留する凝縮水が傾斜面を流れて排水される。

よって、本実施の形態では、熱抵抗になっていた扁平管１２周りの凝縮水の量をさらに減らすことができるため、熱交換効率をさらに向上させることができる。

また、凝縮水の排水性がさらに向上することにより、本実施の形態では、材料の信頼性および耐久性が向上するとともに、暖房運転時に着霜しにくくなり、暖房性能を向上させることができる。

なお、上述した接続面を傾斜させる構成は、上記実施の形態１〜４における熱交換器１０に適用できる。また、上記説明では、凹部１５における接続面の傾斜について説明したが、凸部１４と扁平管１２との接続面も上記同様に傾斜させてもよい。

また、接続面は、気流方向Ｂに対して所定角度θ傾斜してもよいし（図５、図６に示す傾斜）、または、気流方向Ｂと逆方向に対して所定角度θ傾斜してもよいが、排水性をより向上させるためには、気流方向Ｂに対して所定角度θ傾斜する方が好ましい。あるいは、接続面は、気流方向Ｂに対する所定角度θの傾斜と、気流方向Ｂと逆方向に対する所定角度θの傾斜との両方を備えた形状であってもよい。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６について図７および図８を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態６に係る扁平管１２と凹部１５との接続部近傍の一例を示す斜視図である。図８は、図７に示す接続部近傍の一例を示す断面図（図１中のＡ−Ａ断面を示す図）である。なお、図７および図８において、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施の形態では、図７および図８に示すように、扁平管１２と凹部１５とが接続された面、すなわち接続面を、所定の曲率を有する形状にする。これにより、気流は、湾曲した接続面に沿って流れる。

よって、本実施の形態では、凹部１５を流れる気流の剥離を抑制できるため、気流の通風抵抗を低減させることができる。

また、通風抵抗の増加を抑制できることにより、本実施の形態では、ファン入力が低下するため、経済性の向上または低環境負荷を実現できる。

また、通風抵抗の増加を抑制できることにより、本実施の形態では、低騒音化を実現することができる。

なお、上述した接続面を湾曲させる構成は、上記実施の形態１〜４における熱交換器１０に適用できる。また、上記説明では、凹部１５における接続面の湾曲について説明したが、凸部１４と扁平管１２との接続面も上記同様に湾曲させてもよい。

また、接続面の形状は、風下側が風上側より曲率半径が小さくなるような翼形状が好適であるが、その形状に限定されない。

本発明に係る熱交換器は、ヒートポンプ装置の熱交換器の他に、例えば、排熱または未利用熱を利用した発電装置の蒸発器、冷水を循環させて冷房等を行うシステムの熱交換器等に適用できる。

１０熱交換器
１１ａ、１１ｂヘッダ集合管
１２扁平管
１３フィン
１４凸部
１５凹部

Claims

冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器であって、
２つのヘッダ集合管と、
前記２つのヘッダ集合管のそれぞれに両端が接続された複数の扁平管と、
前記複数の扁平管のうち隣り合う扁平管のそれぞれと接するフィンと、を備え、
前記２つのヘッダ集合管のそれぞれには少なくとも１つの凹部が対向するように形成され、
前記対向する凹部間には前記複数の扁平管のうち少なくとも１つが接続される、
熱交換器。
前記凹部間に接続された扁平管の略全体が外部に露出する、
請求項１に記載の熱交換器。
前記凹部において前記扁平管が接続された面は、前記扁平管の幅方向に対して所定の角度傾斜している、
請求項１または２に記載の熱交換器。
前記凹部において前記扁平管が接続された面は、所定の曲率を有する、
請求項１または２に記載の熱交換器。
前記２つのヘッダ集合管のそれぞれには前記凹部に隣接する少なくとも１つの凸部が対向するように形成される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記対向する凸部間には前記複数の扁平管のうち少なくとも１つが接続される、
請求項５に記載の熱交換器。
前記凸部において前記扁平管が接続された面は、前記扁平管の幅方向に所定の角度傾斜している、
請求項５または６に記載の熱交換器。
前記凸部において前記扁平管が接続された面は、所定の曲率を有する、
請求項５または６に記載の熱交換器。