JP6469245B2 - 空気熱交換器及び室外機 - Google Patents

Description

本発明は、空気熱交換器及び室外機に関し、特に大型室外機に用いる空気熱交換器の構造に関するものである。

例えば、オフィスビルなどの建物に採用される冷温水供給システムにおいては、各部屋に熱負荷源として空気調和機が設けられ、冷温熱源機で生成した冷温水が供給されている。冷温熱源機は、ヒートポンプ式冷凍サイクルの空気熱交換器により外気と熱交換を行い、冷水または温水を生成するものである。冷温水供給システムの一例として、特許文献１には、冷温水を生成し、その冷温水により施設内の空気調和とプールの水温調節とを行う技術が開示されている。

空気熱交換器に用いられるフィンには、一般に、切り起こしなどが設けられ、乱流を起こさせることで熱交換効率を向上させている。また、例えば、特許文献２に開示されているように、フィンに形成された凹凸により水切り性を向上させ、付着した結露水による送風抵抗の上昇を抑制することも提案されている。

特開２００２−１３８３８号公報 特開昭５４−１５３３６６号公報

特許文献１の冷温水供給システムをオフィスビルなどの建物に採用する場合には、室外機が屋上などの狭いスペースに設置されるため、室外機に収容される空気熱交換器を屈曲させて小型化する必要がある。しかし、空気熱交換器を屈曲させると、屈曲の内側に配置されたフィン同士が近接するため、屈曲する角度に限度がある。フィン同士が近接すると、フィンに設けられた切り起こしが倒れたり接触したりしてしまい送風抵抗の上昇を招いてしまうからである。送風抵抗の上昇はファンの消費電力を上昇させるため、圧縮機の容量を抑制しながらエネルギー効率を向上させる対策がなされているオフィスビルなどに採用される冷温水供給システムでは、エネルギー効率を相対的に低下させてしまう。

特許文献２のような凹凸が形成されたフィンを採用した場合には、曲げたことでフィンに応力集中が生じ、フィンの強度が低下することが考えられる。その結果、フィンが意図せぬ方向に曲がり、フィンの間が塞がれて送風抵抗が上昇することになる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、小型化してもフィンの強度が維持され、且つ、送風抵抗が低減された空気熱交換器及び室外機を提供することを目的とする。

本発明に係る空気熱交換器は、複数の粗面フィン、及び、前記複数の粗面フィンに挿通され、冷媒が流通する伝熱管から成る複数の第１熱交換器と、複数の平滑フィンと複数の粗面フィンと、及び、前記複数の平滑フィンと前記複数の粗面フィンとに挿通され、前記冷媒が流通する伝熱管から成り、前記複数の第１熱交換器に隣接する第２熱交換器と、を備え、前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器側に屈曲され、前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器と同じ側に屈曲され、前記第１熱交換器には、前記粗面フィンのみが設けられており、前記第２熱交換器の屈曲している領域には、前記平滑フィンが設けられており、前記第２熱交換器の屈曲していない領域には、前記粗面フィンが設けられている。

本発明に係る空気熱交換器によれば、第１熱交換器及び第２熱交換器は、平滑フィンが設けられた第２熱交換器側に屈曲されるため、屈曲部において応力集中することがなく、急な屈曲により近接した平滑フィンが接触することもない。このため、空気熱交換器を小型化しても、フィンの強度の低下を防止し、ファンの消費電力を低減できる。また、第１熱交換器には、凹凸が形成された粗面フィンが設けられるため、熱交換の効率を良好に維持できる。

本実施の形態に係る室外機が収容する冷凍サイクル装置を示す図である。 図１の室外機の空気熱交換器の概略上面図である。 図２の空気熱交換器、及び、図２の空気熱交換器を矢印で示す方向から見た拡大側面図である。 図２の空気熱交換器、及び、図２の空気熱交換器を矢印で示す方向から見た拡大側面図である。 変形例に係る熱交換器の直線部を矢印の方向から見た拡大側面図である。 変形例に係る熱交換器の屈曲部を矢印の方向から見た拡大側面図である。 本実施の形態に係る空気熱交換器の性能評価の結果を示す散布図である。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る室外機１００が収容する冷凍サイクル装置を示す図である。図１に示すように、室外機１００は、圧縮機１、空気熱交換器２、膨張弁４、及び、蒸発器５が冷媒配管７により接続されて構成された冷凍サイクル装置が、例えば、角柱形状の筐体８に収容されたものである。空気熱交換器２は、ファン３とともに筐体８の上部に配置されている。室外機１００は、トップフロー形式の形態のものであり、例えば、建物の屋上などに設置される。

空気熱交換器２は、筐体８の内側に、筐体８の内側面に沿って配置されており、内部を流通する冷媒と通過する空気との熱交換を行う。ファン３は、空気を筐体８の側面から吸い込み、空気熱交換器２を通過させながら上方から排気するように送風する。蒸発器５は、冷温熱源機を構成するものであり、空気熱交換器２において熱交換した冷媒が流入し、蒸発器５に近接して配置された入口水配管６ａ及び出口水配管６ｂを流通する水と熱交換を行う。入口水配管６ａ及び出口水配管６ｂを流通する水は熱交換により冷温水となって施設内を循環する。

図２は、図１の室外機１００の空気熱交換器２の概略上面図である。図２に示すように、空気熱交換器２は、４列空気熱交と呼ばれる形態のものであり、室外機１００の筐体８の内側面に沿った形状に形成されている。具体的には、３列の互いに隣接する第１熱交換器２０と、第１熱交換器２０に隣接する第２熱交換器２５とから構成され、第２熱交換器２５の方向に屈曲し、筐体８の内側面に沿う直線部２ａと、筐体８の角に沿う屈曲部２ｂとを備えている。なお、空気熱交換器２の屈曲部２ｂの数は、空気熱交換器２の形状に応じて適宜選定すればよい。例えば、空気熱交換器２が筐体８の２つの側面に沿う形状とする場合は、屈曲部２ｂを１つ形成すればよく、空気熱交換器２が筐体８の３側面に沿う形状である場合は、屈曲部２ｂを２つ形成すればよい。また、図２において、屈曲部２ｂの角度を直角に示しているが、屈曲部２ｂの角度は限定されず、筐体８の形状などに合わせて適宜選定すればよい。

伝熱管は、１本の管が複数回折り返されて側面視において複数の段状に形成され、筐体８の側面から流入する空気が接触しやすい形状になっている。なお、図２においては、第１熱交換器２０として、伝熱管と、粗面フィンとを一体的に図示し、第２熱交換器２５として、伝熱管と、平滑フィンとを一体的に図示し、個別の図示を省略している。

図３（ａ）は、図２の空気熱交換器２の概略図であり、図３（ｂ）は、図２の空気熱交換器２を矢印で示す方向から見た拡大側面図である。図３（ａ）において、便宜上、図２の空気熱交換器２を左右反転させた状態で図示している。図３（ｂ）に示すように、空気熱交換器２の屈曲部２ｂの外側には、第１熱交換器２０が、例えば、３列などの層状に配置されている。第１熱交換器２０は、伝熱管２１と、伝熱管２１が貫通する複数の粗面フィン２２と、から構成される。粗面フィン２２は、凹凸が形成されたフィンである。粗面フィン２２の切り起こし２２ａにより粗面フィン２２同士の間を流通する空気を乱流にし、熱交換を促す。粗面フィン２２は、例えば、切り起こし２２ａが複数形成されたクロスフィンなどである。

図４（ａ）は、図２の空気熱交換器２の概略図であり、図４（ｂ）は、図２の空気熱交換器２を矢印で示す方向から見た第２熱交換器２５の拡大側面図である。図４に示すように、空気熱交換器２の屈曲部２ｂの内側には、複数の第１熱交換器２０に隣接する第２熱交換器２５が配置されている。第２熱交換器２５は、伝熱管２１と、伝熱管２１が挿通された複数の平滑フィン２７とから構成されている。平滑フィン２７は、平板状のフィンであり、間を流通する空気の抵抗が粗面フィン２２の間を流通する場合よりも小さい。平滑フィン２７は、例えば、表面に切り起こしなどの凹凸がないリングフィンなどである。

従来のように、空気熱交換器２に粗面フィン２２が配列された第１熱交換器２０のみを配置した場合には、屈曲部２ｂの内側にも粗面フィン２２が設けられた第１熱交換器２０が配置されるため、粗面フィン２２同士が近接することになる。これでは、空気の流通が妨げられ、切り起こし２２ａにより送風効率が低下し、結果的に熱交換効率を低下させる原因となる。粗面フィン２２の形状を維持すべく屈曲部２ｂを緩やかにすると、室外機全体が大型化し、占有面積が増大し好ましくない。

これに対し、本実施の形態の構成では、屈曲部２ｂの内側には、平滑フィン２７が設けられた第２熱交換器２５が配置される。平滑フィン２７には、切り欠きや凹凸が形成されていないため、屈曲部２ｂにおいて平滑フィン２７が近接しても空気の流通を過度に妨げることがない。また、屈曲部２ｂの角度が急であっても、平滑フィン２７同士が接触しにくい上に、平滑フィン２７の局所的な応力集中が抑制されるため平滑フィン２７の強度が高く保たれる。そのため、空気熱交換器２が折り曲げて、筐体８に収容する場合であっても、熱交換性能を保ったまま、良好な送風効率を得ることができる。そして、このような空気熱交換器２が収容された室外機１００は、室外機１００の占有面積が小さく抑制される。

［変形例］
図５（ａ）は、変形例に係る空気熱交換器３０の概略図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の空気熱交換器３０の直線部３０ａを矢印で示す方向から見た拡大側面図である。また、図６（ａ）は、変形例に係る空気熱交換器３０の概略図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の空気熱交換器３０の屈曲部３０ｂを矢印で示す方向から見た拡大側面図である。図５、及び、図６に示すように、この変形例において、空気熱交換器３０は、３列配置された第１熱交換器３１と、その内側に配置された第２熱交換器３５とにより構成されている。そのうち、第１熱交換器３１の直線部３０ａには、粗面フィン２２が設けられている。また、第２熱交換器３５においては、屈曲部３０ｂに平滑フィン２７が設けられ、直線部３０ａに粗面フィン２２が設けられている。

第２熱交換器３５は、屈曲部３０ｂに平滑フィン２７が設けられており、平滑フィン２７の隣接による送風抵抗の上昇が抑制される。また、第２熱交換器３５のうち、直線部３０ａには、粗面フィン２２が設けられており、空気に乱流を起こして熱交換が促される。このように、送風抵抗の上昇が懸念される領域にのみ平滑フィン２７を用い、その他の領域に粗面フィン２２を用いることで、平滑フィン２７により送風抵抗を低減しながら、粗面フィン２２により熱交換効率を高く維持することが可能になる。

なお、上記の構成以外にも、例えば、第２熱交換器２５の段方向に異なる種類のフィンを配置した構成としてもよい。また、粗面フィン２２に形成する凹凸も、切り起こし２２ａに限定されず、例えば、小突起を貼り付けた形態などであってもよい。

［性能評価］
性能評価においては、ＩＰＬＶと略称されるＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐａｒｔ Ｌｏａｄ Ｖａｌｕｅにおいて規定された指標に基づき評価を行った。ＩＰＬＶは、指標として異なる４点の負荷における冷凍機の成績係数を定義し、それぞれの負荷での稼働割合に基づいて機器のエネルギー効率を評価するものである。評価対象として、従来例の空気熱交換器には、第１熱交換器２０が４列配列され、屈曲されたものを採用した。また、本実施の形態に係る空気熱交換器２には、第１熱交換器２０が３列と、第２熱交換器２５が１列とが配列され、第２熱交換器２５側に屈曲されたものを採用した。

図７は、本実施の形態に係る空気熱交換器２の性能評価の結果を示す散布図である。横軸は、圧縮機容量を示し、縦軸は、ユニット効率を示す。ここで、ユニット効率とは、空気熱交換器のエネルギー効率を示す。また、図７において、菱形は、従来例の空気熱交換器により得られた結果を示し、四角は、本実施の形態に係る空気熱交換器２により得られた結果を示している。

図７に示すように、本実施の形態、従来例ともに、部分負荷率を低下させると、ユニット効率が上昇した。これは、低い部分負荷率で稼働する割合が高いほど、エネルギー効率が向上し、高い部分負荷率で稼働する割合が高いほど、エネルギー効率が低下することを意味している。そして、部分負荷率の低い５０％及び２５％においては、本実施の形態に係る空気熱交換器２のユニット効率が、従来例の空気熱交換器よりも高い値を示していた。これは、第２熱交換器に平滑フィンを採用することで送風抵抗が低下したため、ファンの消費電力が低下し、エネルギー効率が上昇したためと考えられる。以上より、本実施の形態に係る空気熱交換器２は、屈曲の内側の第２熱交換器に平滑フィンを設けることで良好なエネルギー効率を得られることが示された。特に、低負荷による稼働が予想される場合では、本実施の形態の構造が有用であった。

以上説明した本発明の空気熱交換器２によれば、屈曲部２ｂの内側に平板状の平滑フィン２７を備えた第２熱交換器２５が配置される。これにより、屈曲部２ｂにおいて、平滑フィン２７に局所的な応力集中が生じず、平滑フィン２７が近接しても接触することがない。このため、占有面積を小型化しながら、局所的な応力集中による強度の低下を防止し、且つ、ファン３の消費電力を低減し熱交換効率を向上させることができる。

また、第２熱交換器２５の屈曲部２ｂ以外の領域には、粗面フィン２２を設けることで、空気の流れに乱流が起き、熱交換効率を向上させることができる。

特に、粗面フィン２２として切り起こし２２ａが形成されたものを用いた場合であっても、良好な熱交換効率と送風効率とが維持される。

１ 圧縮機、２、３０ 空気熱交換器、２ａ、３０ａ 直線部、２ｂ、３０ｂ 屈曲部、３ ファン、４ 膨張弁、５ 蒸発器、６ａ 入口水配管、６ｂ 出口水配管、７ 冷媒配管、８ 筐体、２０、３１ 第１熱交換器、２１ 伝熱管、２２ 粗面フィン、２２ａ 切り起こし、２５、３５ 第２熱交換器、２７ 平滑フィン、１００ 室外機。

Claims (3)

1. 複数の粗面フィン、及び、前記複数の粗面フィンに挿通され、冷媒が流通する伝熱管から成る複数の第１熱交換器と、
   複数の平滑フィンと複数の粗面フィンと、及び、前記複数の平滑フィンと前記複数の粗面フィンとに挿通され、前記冷媒が流通する伝熱管から成り、前記複数の第１熱交換器に隣接する第２熱交換器と、
   を備え、
   前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器側に屈曲され、
   前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器と同じ側に屈曲され、
   前記第１熱交換器には、前記粗面フィンのみが設けられており、
   前記第２熱交換器の屈曲している領域には、前記平滑フィンが設けられており、
   前記第２熱交換器の屈曲していない領域には、前記粗面フィンが設けられている、
   空気熱交換器。
2. 前記粗面フィンは、
   切り起こし、又は、凹凸が形成された、
   請求項１に記載の空気熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の空気熱交換器、冷媒ガスを圧縮する圧縮機、前記空気熱交換器に風を送るファン、冷媒量を制御する膨張弁、及び、水と前記冷媒との熱交換を行う水熱交換器、を収容する筐体を備え、
   前記空気熱交換器は、前記筐体の内面の隣接する２面に沿って設けられた、
   室外機。

Images