JP6403898B2 - 熱交換器及びそれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
たとえば、冬季などにおいて熱交換器が蒸発器として機能しているときに伝熱管の間に着霜が発生する場合があるが、伝熱管のピッチが小さくなると、霜によって隣同士の伝熱管の間の隙間が埋められやすくなる。
実施の形態.
図1は、本実施の形態に係る熱交換器100を備えた冷凍サイクル装置200の冷媒回路構成などを示す説明図である。図1を参照して冷凍サイクル装置200の構成などについて説明する。
本実施の形態に係る熱交換器100は、各熱交換部1Aの扁平管1aのピッチを小さくしなくても、熱交換性能を向上させることができる改良が加えられているものである。
冷凍サイクル装置200は、たとえば、空気調和装置の場合には、室外ユニット50と室内ユニット51とを備えている。そして、室外ユニット50と室内ユニット51とは、冷媒配管Pを介して接続されている。
室内ユニット51は、凝縮器(放熱器)として機能する室内熱交換器100Bと、室内熱交換器100Bに空気を供給する室内ファン38とを備えている。なお、室外熱交換器100A及び室内熱交換器100Bは、以下の説明において、熱交換器100とも称する。
熱交換器100は、冷媒が流れる冷媒流路が形成された扁平管を備えているものである。熱交換器100は、扁平管に直交するように接続されるフィンが設けられていない。すなわち、熱交換器100は、いわゆるフィンレス型熱交換器である。室内熱交換器100Bは一方が圧縮機33の吐出側に接続され、他方が絞り装置35に接続されている。室外熱交換器100Aは、一方が圧縮機33の吸入側に接続され、他方が絞り装置35に接続されている。熱交換器100の構成などは、後段の図2で説明する。
室外ファン37は、室外ユニット50内に強制的に空気を取り込み、室外熱交換器100Aに空気を供給するものである。室外ファン37は、取り込んだ空気と室内熱交換器100Bを通過する冷媒とを熱交換させるのに利用される。室外ファン37は、室外熱交換器100Aに付設されている。室内ファン38及び室外ファン37は、たとえば、シャフトが接続された電動機、この電動機によって回転駆動するボスと、このボスの外周部に接続されて設けられた複数の羽根などから構成することができる。
絞り装置35は、冷媒を減圧させるのに利用されるものである。絞り装置35は、たとえば、キャピラリーチューブでもよいし、開度を制御することができる電子式膨張弁であってもよい。
圧縮機33によって圧縮され吐出された気体冷媒は、室内熱交換器100Bへ流入する。この室内熱交換器100Bに流入した気体冷媒は、室内ファン38から供給される空気と熱交換を実施して凝縮し、室内熱交換器100Bから流出する。室内熱交換器100Bから流出した冷媒は、絞り装置35に流入し、この絞り装置35によって膨張され減圧される。減圧された冷媒は、室外熱交換器100Aに流入し、室外ファン37から供給される室外空気と熱交換が実施されて気化し、室外熱交換器100Aから流出する。この室外熱交換器100Aから流出した冷媒は、圧縮機33に吸引される。
図2は、本実施の形態に係る熱交換器100の説明図である。
図2(a)は熱交換器100の正面図であり、図2(b)は熱交換器100の側面図である。また、図2(c)は、図2(b)に示す熱交換部1AのA−A断面図である。図2(c)では、説明の便宜のために、図2(b)示す熱交換部1AのY方向の幅の縮尺を大きくしている。
図3は、本実施の形態に係る熱交換器100の熱交換部1Aの構成要素などについての説明図である。
図3(a)は熱交換部1A1の隣合う扁平管1a、及びこの扁平管1aに対応する熱交換部1A2の隣合う扁平管1aを示している。本実施の形態では、図3(a)に示すように、熱交換器100は、4つの扁平管1aが最小の構成要素である。なお、図3(a)では、熱交換部1A1のうちの2つの扁平管1aのみを示し、残りの4つの扁平管1aについては図示を省略している。熱交換部1A2についても同様に、残りの4つの扁平管1aについては図示を省略している。
図3(b)は、図2(c)に示す熱交換部1Aの一つの拡大図である。図2及び図3を参照して熱交換器100の構成について説明する。
第1の扁平管P1と第3の扁平管P3とはY方向において対応関係を有し、第2の扁平管P2と第4の扁平管P4とはY方向において対応関係を有している。一方、第1の扁平管P1と第2の扁平管P2とはX方向において対応関係を有しており、第3の扁平管P3と第4の扁平管P4とはX方向において対応関係を有している。
ここでは、最小の構成要素を説明するために第1の扁平管P1、第2の扁平管P2、第3の扁平管P3及び第4の扁平管P4について説明をした。この第1の扁平管P1、第2の扁平管P2、第3の扁平管P3及び第4の扁平管P4と、図2等における各扁平管1aとは対応する構成である。
熱交換器100は、流体流路Fに直交する断面で見たときにおいて、凸部(山)と凹部(谷)が交互に形成された形状を備えている。なお、一方の表面側から見ると凸部となっている部分は、他方の表面側から見ると凹部となっている。
第2のヘッダー5は、X方向に延びる長尺状の筒状部材であり、内部に流体が流れる流体流路D2が形成されている。第2のヘッダー5には、各熱交換部1Aの上端が接続されている。図2に示すように、第2のヘッダー5は、第1のヘッダー4及び熱交換部1Aを経てきた流体が供給されるものであり、流出側ヘッダーである。第2のヘッダー5は、たとえば、水平方向に平行に配置される。
次に、扁平管1aが交差することについて説明する。熱交換部1A1に対して隣合う熱交換部1A2の各扁平管1aは、熱交換部1A1の対応する各扁平管1aに交差する方向に配置されている。具体的には、熱交換部1A1の扁平管1aの短手方向は、複数の流体流路Fの並ぶ方向に平行であるが、この熱交換部1A1の扁平管1aの短手方向と、熱交換部1A2の扁平管1aの短手方向とが交差しているということである。交差しているので、熱交換部1A1の扁平管1aの短手方向と熱交換部1A2の扁平管1aの短手方向とは平行とはなっていない。
各熱交換部1Aは、隣同士の扁平管1aが連結して一体的に構成されている。
図3(a)においては、第1の扁平管P1と第3の扁平管P3とが接続(連結)され、第2の扁平管P2と第4の扁平管P4とが接続(連結)されているということになる。
図2(c)においては、本実施の形態に係る熱交換器100の熱交換部1A1の扁平管1aの下流側の端部と熱交換部1A2の扁平管1aの上流側の端部とは接続(連結)されている。同様に、熱交換部1A2の扁平管1aの下流側の端部と熱交換部1A3の扁平管1aの上流側の端部とは接続(連結)されており、熱交換部1A3の扁平管1aの下流側の端部と熱交換部1A4の扁平管1aの上流側の端部とは接続(連結)されている。
本実施の形態に係る熱交換器100は、第1の扁平管P1及び第1の扁平管P1に平行に配置された第2の扁平管P2を含み、第1の扁平管P1と第2の扁平管P2との間を流体が通過する第1の熱交換部と、第3の扁平管P3及び第3の扁平管P3に平行に配置された第4の扁平管P4を含み、第3の扁平管P3と第4の扁平管P4との間を流体が通過する第2の熱交換部と、を備え、第2の熱交換部の第3の扁平管P3は、長手方向に直交する断面で見たときに、第1の熱交換部の第1の扁平管P1に交差する方向に配置され、第2の熱交換部の第4の扁平管P4は、長手方向に直交する断面で見たときに、第1の熱交換部の第2の扁平管P2に交差する方向に配置されている。
ここで、第1の熱交換部及び第2の熱交換部は、隣接する熱交換部同士を指している。すなわち、第1の熱交換部及び第2の熱交換部は、熱交換部1A1及び熱交換部1A2を指している。また、第1の熱交換部及び第2の熱交換部は、熱交換部1A2及び熱交換部1A3を指している。さらに、第1の熱交換部及び第2の熱交換部は、熱交換部1A3及び熱交換部1A4を指している。
このように、本実施の形態に係る熱交換器100は、第1の熱交換部及び第2の熱交換部を備えることで、熱交換部単体を備えている熱交換器よりも、熱交換部1Aを流れる流体と熱交換部1Aを通過する空気との熱交換面積を増大させることができる。
また、熱交換器100を流れる空気は、各熱交換部1Aの扁平管1aを通過する過程で蛇行することになり、熱交換部1Aを通過する過程で撹拌されるため熱伝達率が向上する。
このように、本実施の形態に係る熱交換器100は、熱交換面積の増大及び熱伝達率が向上しているため、熱交換部1AのX方向に隣合う扁平管1aのピッチを小さくする等の手段をとらなくても、熱交換性能を向上させることができる。
暖房エネルギ効率=室内熱交換器100B(凝縮器)能力/全入力
冷房エネルギ効率=室内熱交換器100B(蒸発器)能力/全入力
図4は、本実施の形態に係る熱交換器100の変形例1である。図4に示すように、空気の流れ方向の上流側の部分と下流側の部分とで、隣接する熱交換部1B同士の交差角度を異ならせるとともに、各熱交換部1Bを構成する扁平管1aの短手方向の長さを異ならせてもよい。
熱交換体10Bは、複数の熱交換部1Bから構成され、本変形例1では、熱交換部1B1及び熱交換部1B2から構成されている。
熱交換体20Bは、複数の熱交換部1Bから構成され、本変形例1では、熱交換部1B3及び熱交換部1B4から構成されている。
熱交換体30Bは、複数の熱交換部1Bから構成され、本変形例1では、熱交換部1B5及び熱交換部1B6から構成されている。
なお、熱交換体10B及び熱交換体20Bが第1の熱交換体及び第2の熱交換体に対応する。同様に、熱交換体20B及び熱交換体30Bが第1の熱交換体及び第2の熱交換体に対応する。更に、熱交換体10B及び熱交換体30Bについても、第1の熱交換体及び第2の熱交換体に対応する。
変形例1に係る熱交換器100は、流体と熱交換する空気が流入する側(空気流れ方向の上流側)に位置する熱交換部1Bよりも、空気が流出する側(空気流れ方向の下流側)に位置する熱交換部1Bの方が、扁平管1aの短手方向の長さが長くなるように構成されている。
上流側熱交換部は、扁平管1aとY方向とのなす角度θ1が、下流側熱交換部の扁平管1aとY方向とのなす角度θ2よりも大きくなっている分、頂部Tの数を増え、熱交換部1Aと霜との接触面積を増大させている。これは、熱交換部1Bの中で特に着霜しやすい部分は、空気流れ方向の上流側の部分であるためである。
暖房運転を実施して熱交換器100を蒸発器として機能させ、熱交換器100に着霜した場合において、冷媒回路を流れる冷媒の向きを逆にして加熱された冷媒を熱交換器100に供給するデフロスト運転を実施すると、熱交換部1Bの空気流れ方向の上流側に付着した霜を効率的に除去することができる。
また、下流側熱交換部は、扁平管1aとY方向とのなす角度θ2が、上流側熱交換部の扁平管1aとY方向とのなす角度θ1よりも小さくなっている分、通風抵抗が増大してしまうことを回避することができる。すなわち、熱交換部1Bの数を増やし、熱交換器100の頂部Tの数を増大させると、熱交換面積を増大させることができるが、通風抵抗が増大する。そこで、変形例1に係る熱交換器100では、空気流れ方向の下流側の部分については、角度を小さく抑え、通風抵抗の増大を回避している。
このように、変形例1に係る熱交換器100は、霜の効率的な除去と通風抵抗の増大の回避とを両立することができるようになっている。
変形例1では、本実施の形態に係る熱交換器100の有する効果に加えて次の効果を有する。変形例1に係る熱交換器100の第2の熱交換体は、第1の扁平管P1及び第2の扁平管P2の短手方向の長さが、第1の熱交換体の第1の扁平管P1及び第2の扁平管P2よりも長く、第3の扁平管P3及び第4の扁平管P4の短手方向の長さが、第1の熱交換体の第3の扁平管P3及び第4の扁平管P4よりも長い。
更に、空気流れ方向の上流側の熱交換部1Bの各扁平管1aとY方向とのなす角度の方が、空気流れ方向の下流側の熱交換部1Bの各扁平管1aとY方向とのなす角度よりも大きくなっており、頂部Tの数が増大する構成となっている。
このため、変形例1に係る熱交換器100は、霜の効率的な除去と通風抵抗の増大の回避とを両立することができるようになっている。
図5は、本実施の形態に係る熱交換器100の変形例2である。図5に示すように、隣合う熱交換部1C同士は連結されておらず、各熱交換部1Cは別体となっている。すなわち、熱交換器100の最小の構成要素について言えば、第1の扁平管P1と第3の扁平管P3とは別体であるとともに、第2の扁平管P2と第4の扁平管P4とが別体であるということである。以下に変形例2について詳しく説明する。
第1の熱交換体10Cは、複数の熱交換部1Cから構成され、本変形例2では、熱交換部1C1及び熱交換部1C2から構成されている。
第2の熱交換体20Cは、複数の熱交換部1Cから構成され、本変形例2では、熱交換部1C3及び熱交換部1C4から構成されている。
隣り合う熱交換部1C同士は、予め設定された間隔をもって配置されている。すなわち、熱交換部1C同士には、空気が通過する隙間が形成されているということである。具体的には、Y方向に隣合う扁平管1a同士は、予め設定された間隔をもって配置されている。すなわち、熱交換部1C1の扁平管1aと熱交換部1C2の扁平管1aとの間には、隙間S1が形成されている。熱交換部1C2の扁平管1aと熱交換部1C3の扁平管1aとの間には、隙間S2が形成されている。熱交換部1C3の扁平管1aと熱交換部1C4の扁平管1aとの間には、隙間S3が形成されている。
以下の説明において、隙間S1、隙間S2及び隙間S3を単に隙間Sと称することもある。
なお、本変形例2では、隙間S1<隙間S2<隙間S3の関係にある場合を一例に説明したが、それに限定されるものではない。空気が流入する側の間隔の方が、空気が流出する側の間隔よりも大きければよいので、たとえば、隙間S1=隙間S2<隙間S3の関係であってもよい。
変形例2では、本実施の形態に係る熱交換器100の有する効果に加えて次の効果を有する。変形例2に係る熱交換器100は、熱交換体は、隙間S1を含む第1の熱交換体10Cと、第1の熱交換体10Cの隙間S1よりも大きい隙間S3を含み、第1の熱交換体10Cの流体の流れ方向の下流側に配置された第2の熱交換体20Cとを含むものである。そして、第1の熱交換体10Cと第2の熱交換体20Cとの間には、隙間S1よりも大きく、隙間S3よりも小さい隙間S2が形成されている。これにより、熱交換器100内に取り込まれる空気の流入部分を増加させることができ、熱交換効率を向上させることができる。
たとえば、熱交換部1C3及び熱交換部1C4を例に説明すると、熱交換部1C4の扁平管1aの空気流れ方向の上流側の端部が、熱交換部1C3における2つの隣合う扁平管1aの空気流れ方向の下流側の端部の間に位置することになる。
このように、熱交換部1C4の扁平管1aは、空気流れ方向の上流側の端部が、空気の流れの速度が大きい位置に配置されることになるので、その分、空気と熱交換部1C4の扁平管1aを流れる流体との熱交換効率が向上する。このことは、熱交換部1C1の扁平管1aと熱交換部1C2の扁平管1aとの関係においても、熱交換部1C2の扁平管1aと熱交換部1C3の扁平管1aとの関係においてもいうことができ、同様に、熱交換器100の熱交換効率が向上する。このようにして、変形例3に係る熱交換器100は、熱交換効率を向上させることができる。
図6は、本実施の形態に係る熱交換器100の変形例3である。変形例3では、本実施の形態の態様と変形例2の態様とを組み合わせた態様である。
第1の熱交換体10Dは、複数の熱交換部1Dから構成され、本変形例3では、熱交換部1D1及び熱交換部1D2から構成されている。
第2の熱交換体20Dは、複数の熱交換部1Dから構成され、本変形例3では、熱交換部1D3及び熱交換部1D4から構成されている。
なお、第1の熱交換体10Dは、2つの扁平管1a(2つの熱交換部1D)が連結されて構成されることに限定されるものではなく、3つ以上の扁平管1a(3つ以上の熱交換部1D)が連結されて構成されるものであってもよい。
変形例3に係る熱交換器100は、第1の扁平管P1と第3の扁平管P3とが連結するとともに、第3の扁平管P3と第4の扁平管P4とが連結している第1の熱交換体10Dと、第1の扁平管P1と第3の扁平管P3とが別体となっているとともに、第3の扁平管P3と第4の扁平管P4とが別体となっており、第1の熱交換体10Dの流体の流れ方向の下流側に配置された第2の熱交換体20Dとを含むものである。これにより、本実施の形態に係る熱交換器100の有する効果及び変形例2に係る熱交換器100の有する効果を有する。
ここで、第1の熱交換体10Dと第2の熱交換体20Dとの間には隙間S2が形成され、第2の熱交換体20Dの熱交換部1D3と熱交換部1D4との間には隙間S2よりも大きい隙間S3が形成されていてもよい。これにより、空気流れ方向の下流側の通風抵抗を抑制することができる。
Claims (8)
- 第1の扁平管及び前記第1の扁平管に平行に配置された第2の扁平管を含み、前記第1の扁平管と前記第2の扁平管との間を流体が通過する第1の熱交換部と、
第3の扁平管及び前記第3の扁平管に平行に配置された第4の扁平管を含み、前記第3の扁平管と前記第4の扁平管との間を流体が通過する第2の熱交換部と、
を含む複数の熱交換体を備え、
前記複数の熱交換体は、
第1の熱交換体と、
前記第1の熱交換体の前記流体の流れ方向の下流側に配置された第2の熱交換体とを含み、
前記第1の熱交換体及び前記第2の熱交換体は、
前記第2の熱交換部の前記第3の扁平管が、長手方向に直交する断面で見たときに、前記第1の熱交換部の前記第1の扁平管に交差する方向に配置され、
前記第2の熱交換部の前記第4の扁平管が、長手方向に直交する断面で見たときに、前記第1の熱交換部の前記第2の扁平管に交差する方向に配置され、
前記第2の熱交換体は、
前記第1の扁平管及び前記第2の扁平管の短手方向の長さが、前記第1の熱交換体の前記第1の扁平管及び前記第2の扁平管よりも長く、
前記第1の扁平管及び前記第2の扁平管と前記流体の流れ方向とのなす角度が、前記第1の熱交換体の前記第1の扁平管及び前記第2の扁平管と前記流体の流れ方向とのなす角度よりも大きく、
前記第3の扁平管及び前記第4の扁平管の短手方向の長さが、前記第1の熱交換体の前記第3の扁平管及び前記第4の扁平管よりも長く、
前記第3の扁平管及び前記第4の扁平管と前記流体の流れ方向とのなす角度が、前記第1の熱交換体の前記第3の扁平管及び前記第4の扁平管と前記流体の流れ方向とのなす角度よりも大きい
熱交換器。 - 前記第1の熱交換体及び前記第2の熱交換体は、
前記第1の扁平管と前記第3の扁平管とが連結するとともに、前記第2の扁平管と前記第4の扁平管とが連結している
請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第1の熱交換体及び前記第2の熱交換体は、
前記第1の扁平管と前記第3の扁平管とは別体であるとともに、前記第2の扁平管と前記第4の扁平管とは別体である
請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第1の熱交換体は、
前記第1の扁平管と前記第3の扁平管との間、及び、前記第2の扁平管と前記第4の扁平管との間に第1の隙間が形成されるように配置され、
前記第2の熱交換体は、
前記第1の扁平管と前記第3の扁平管との間、及び、前記第2の扁平管と前記第4の扁平管との間に第2の隙間が形成されるように配置されている
請求項3に記載の熱交換器。 - 前記第1の熱交換体の前記第3の扁平管と前記第2の熱交換体の前記第1の扁平管との間、及び、前記第1の熱交換体の前記第4の扁平管と前記第2の熱交換体の前記第2の扁平管との間に第3の隙間が形成され、
前記第1の隙間、前記第3の隙間及び前記第2の隙間の順番に大きい
請求項4に記載の熱交換器。 - 前記第1の熱交換体は、
前記第1の扁平管と前記第3の扁平管とが連結するとともに、前記第2の扁平管と前記第4の扁平管とが連結し、
前記第2の熱交換体は、
前記第1の扁平管と前記第3の扁平管とが別体となっているとともに、前記第2の扁平管と前記第4の扁平管とが別体となっている
請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第1の熱交換体及び前記第2の熱交換体は、
前記第1の扁平管、前記第2の扁平管、前記第3の扁平管及び前記第4の扁平管に、フィンが設けられていない
請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱交換器。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱交換器を備え、
熱交換部が、重力方向に平行になるように配置されている
冷凍サイクル装置。
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