JP5128522B2

JP5128522B2 - 熱交換器、空気調和機

Info

Publication number: JP5128522B2
Application number: JP2009051904A
Authority: JP
Inventors: 知史清水
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Carrier Japan Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP2010203726A

Description

本発明は熱交換器及びこれを用いた空気調和機に係り、特に形状を改良した熱交換器及びこれを用いた空気調和機に関する。

従来、熱交換効率を向上させる目的で、空気抵抗を低減させる楕円管あるいは扁平管を用いる非円形管熱交換器が多く提案されている。

そして、従来の非円形管熱交換器には、複数の伝熱管をヘッダーに溶着する構造のものが用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００２−２３５９９４号公報特開２００３−１４８８８９号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載の熱交換器では、ヘッダー構造が複雑になり、ヘッダーと伝熱管の溶着に、大掛かりなロー付け設備を必要とする。また、このようなヘッダー方式は、分流が難しく、空気調和機用の木目細かい分流には対応できない問題がある。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、楕円形状または扁平円形状の伝熱管を用いるとともに、リターンベンドは内周面を伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成し、外周面を円形に形成することで、空気側圧力損失が小さくかつ、管内熱伝達率が高く、加工性、製造性がよい熱交換器を提供することを目的とする。

また、空気側圧力損失が小さくかつ、管内熱伝達率が高く、加工性、製造性がよい熱交換器を用いた空気調和機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、このフィンを貫通しかつ、フィンの長手方向に沿って配列され、内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管と、この伝熱管の端部同士を接続するＵ字状のリターンベンドとを具備した熱交換器において、前記伝熱管は、外周面が楕円形状または扁平円形状を有し、前記リターンベンドは、内周面が前記伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成されかつ、外周面が円形に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の他の態様によれば、本発明に係る空気調和機は、圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、膨張装置、室内熱交換器を冷媒配管で連結した冷凍サイクルを備えた空気調和機において、前記室外熱交換器および前記室内熱交換器の少なくともいずれか一方は、互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、このフィンを貫通しかつ、フィンの長手方向に沿って配列され、内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管と、この伝熱管の端部同士を接続するＵ字状のリターンベンドとを具備し、前記伝熱管の外周面が楕円形状または扁平円形状を有し、前記リターンベンドは内周面が前記伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成されかつ、外周面が円形に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る熱交換器によれば、楕円形状または扁平円形状の伝熱管を用いるとともに、リターンベンドは内周面を伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成し、外周面を円形に形成することで、空気側圧力損失が小さくかつ、管内熱伝達率が高く、加工性製造性がよい熱交換器を提供することができる。

また、本発明に係る空気調和機によれば、空気側圧力損失が小さくかつ、管内熱伝達率が高く、加工性製造性がよい熱交換器を用いた空気調和機を提供することができる。

本発明に係る熱交換器及びこれを用いた冷凍サイクル装置の概念図。本発明に係る熱交換器のリターンベンド取付け前の斜視図。本発明に係る熱交換器に用いる伝熱管の断面図。本発明に係る熱交換器に用いる他の伝熱管の断面図。本発明に係る熱交換器のリターンベンド取付け後の正面図。本発明に係る熱交換器に用いるリターンベンドの平面図。本発明に係る熱交換器の伝熱管とリターンベンドの接合部の横断面図。本発明に係る熱交換器の伝熱管とリターンベンドの接合部の縦断面図。本発明に係る熱交換器に用いる伝熱管の変形例の断面図。本発明に係る熱交換器に用いる伝熱管の変形例とフィンの嵌着時の嵌着部の横断面図。本発明に係る熱交換器に用いる伝熱管の変形例とフィンの嵌着時の嵌着部の縦断面図。本発明に係る熱交換器に用いる伝熱管の変形例とフィンの嵌着後の嵌着部の横断面図。本発明に係る熱交換器に用いる伝熱管の変形例の管内圧と短軸方向の変位の相関図。

本発明の一実施形態に係る熱交換器及びこれを用いた空気調和機に用いる冷凍サイクル装置について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明に係る空気調和機は室外機２２Ａと室内機２２Ｂを備え、室外機２２Ａには冷凍サイクル装置２１の一部を構成し、冷媒を圧縮する圧縮機２３と、冷房運転あるいは暖房運転に応じて冷媒の流れを切り換える四方弁２４、冷房運転時凝縮器として機能し、暖房運転時蒸発器として機能する本発明に係る熱交換器としての室外熱交換器１と、冷媒を減圧する膨張装置２５とが収容され、室内機２２Ｂには冷凍サイクル装置２１の一部を構成し、冷房運転時蒸発器として機能し、暖房運転時凝縮器として機能する室内熱交換器２６が収容される。

図２に示すように、本発明に係る熱交換器である室外熱交換器１は、フィンチューブ型であり、互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚のアルミニウム製板状のフィン２を、非円形の伝熱管３がフィン２に穿設され、周囲にカラー部２ｂが突設された多数の貫通孔２ａを伝熱的に貫通している。

伝熱管３はフィン２の長手方向に沿って複数配列され、内部に熱交換媒体が流れる流路が設けられる。

図３に示すように、伝熱管３の断面は非円形例えば楕円形状をなし、管外周面３ａ及び管内周面３ｂは楕円状をなしている。さらに、伝熱管３内に多数の流路３ｃ、３ｃ、３ｃを設けるために、伝熱管３内には、内部を略３分割するように平行な２個の仕切壁３ｄ、３ｄが設けられている。

なお、図４に示すように、伝熱管は断面を非円形例えば扁平円形状に形成し、内部を平行な２個の仕切壁３ｄ、３ｄによって仕切るようにした伝熱管３Ａであってもよい。

図５に示すように、フィン２を伝熱的に貫通する伝熱管３、３Ａの両端部には、この伝熱管３、３Ａの端部３ｅ同士を接続するリターンベンド４が溶着される。

リターンベンド４は、図６に示すように、Ｕ字状をなし、図７及び図８に示すように、ベンド外周面４ａは円形をなし、ベント内周面４ｂは伝熱管３、３Ａの管外周面３ａの形状と同一の楕円形状又は扁平円形状に形成される。

リターンベンド４は、アルミ合金の押出し製法により製造されるが、ベント外周面４ａが円形をなすことと内周面の短軸方向の肉厚が大きいことにより、曲げ加工時の管潰れを防止でき、Ｕ字状に加工し易い。

また、伝熱管３、３Ａはアルミ合金の押出し管製法により製造されるが、この伝熱管３、３Ａは強度確保のため、内側に直線あるいは曲線形状の仕切壁３ｄ（図３、図４）を設ける。

フィン２は長手方向が垂直方向に設置され、伝熱管３、３Ａは長軸方向を水平方向にして設置されている。機械拡管あるいは液圧拡管により、フィン２と管外周面３ａが伝熱的に密着結合される。

図５に示すように、熱交換器１の組立時、リターンベンド４により、伝熱管３、３Ａの端部３ｅをリターンベンド４に挿入して接合（ロー付）することができ、伝熱管３、３Ａの内部構造がどんな形状でもリターンベンド４と接合できる。また、伝熱管３、３Ａの接続に、ヘッダーを用いることなく、リターンベンド４を用いるので、ヘッダー方式の分流の不具合を生じることもない。

さらに、図３あるいは図４に示すように、伝熱管３、３Ａの内部を多流路化することも容易にでき、また、伝熱管３、３Ａの耐圧強度が向上し、高圧冷媒下での室外熱交換器１の使用も可能になる。

また、本発明に係る熱交換器としての室外熱交換器１に用いる伝熱管の変形例について説明する。

上記実施形態における伝熱管が連続する仕切壁によって仕切られるのに対して、本変形例は仕切壁が上下に２分割される。

例えば、図９に示すように、伝熱管３Ｂの断面は非円形例えば楕円形状をなし、内部に４個の流路３１ｃ、３１ｃ、３１ｃ、３１ｃが形成されるように、管内周面３１ｂから突出する平行な３対の仕切壁３１ｄ、３１ｄ、３１ｄが設けられている。

仕切壁３１ｄは管内周面３１ｂの上部から下方に向かって突出するＬ字形状の上仕切壁３１ｄ_１と、管内周面３１ｂの下部から上方に向かって突出するＬ字形状の下仕切壁３１ｄ_２からなり、上Ｌ字先端部３１ｄ_３が下Ｌ字先端部３１ｄ_４の下方に位置するとともに、上Ｌ字先端部３１ｄ_３と下Ｌ字先端部３１ｄ_４が間隔δを有して互いに対向するように設けられている。

伝熱管３Ｂは、アルミ合金材にて押出しにより製造され、仕切壁３１ｄは伝熱管（管体）３Ｂと一体構造である。隙間δは短軸径の５〜１５％程度に設定する。

図１０及び図１１は、本熱交換器１の製造時における伝熱管３Ｂのフィン２への貫通状態を示し、フィン２の貫通孔２ａと伝熱管３Ｂの管外周面３ａ間には間隙ｇが設けられ、上Ｌ字先端部３１ｄ_３、下Ｌ字先端部３１ｄ_４間には、間隔δが設けられる。

図１２は、本熱交換器１における伝熱管３Ｂのフィン２への伝熱的貫通（嵌着）状態を示し、伝熱管３Ｂの拡管後の状態である。

拡管時、図１０に示す状態から、伝熱管３Ｂ内を加圧すると、長軸に対して直角方向に外壁が伸びる。このように、圧力により、伝熱管３Ｂの外形を拡げ、フィン２との密着を容易にできる。

伝熱管３Ｂの拡管（管体の伸び）につれ仕切壁３１ｄが上下に移動し、上Ｌ字先端部３１ｄ_３と下Ｌ字先端部３１ｄ_４間の隙間δが減少する。さらに圧力を上げると、上Ｌ字先端部３１ｄ_３と下Ｌ字先端部３１ｄ_４が噛合う状態が発生する。

内圧が上記圧力より大きくなると、仕切壁３１ｄが補強壁となり、変形しにくくなる。

この状態を具体的に説明すると、図１３に示すように、拡管域すなわち上Ｌ字先端部３１ｄ_３と下Ｌ字先端部３１ｄ_４が噛合う迄は、伝熱管３Ｂの短軸方向は変位する（伸びる）。

上Ｌ字先端部３１ｄ_３と下Ｌ字先端部３１ｄ_４の噛合い後は、設計圧力の３〜４倍の圧力がかかっても、伝熱管３Ｂの短軸方向は変位を抑えることができる。さらに、伝熱管３Ｂの耐圧向上により、高圧冷媒下での熱交換器１の使用も可能になる。

このように、熱交換器１の製造時における楕円形状の伝熱管３Ｂの管強度を大幅に向上させることができ、拡管が可能な熱交換器用楕円管を提供できる。

また、伝熱管３Ｂの強度が向上するとともに、楕円形状をなすことにより、空気調和機に用いた場合、熱交換器３Ｂを通過する空気抵抗が減少し、熱交換率が向上する。さらに、フィンカラー部に溜まるドレン水を排水し易く、また、室外機の熱交換器として用いた場合、フィンに付いた霜を除霜するのが容易である。

なお、本冷凍サイクル装置の室外熱交換器に、本発明に係る熱交換器を用いる例で説明したが、室内熱交換器のみに、あるいは室外熱交換器と室内熱交換器の両熱交換器に本発明に係る熱交換器を用いることもできる。

上記のように、本実施形態の熱交換器によれば、楕円形状または扁平円形状の伝熱管を用いるとともに、リターンベンドは内周面を伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成し、外周面を円形に形成することで、空気側圧力損失が小さくかつ、管内熱伝達率が高く、加工性製造性がよい熱交換器が実現する。

また、本実施形態の熱交換器を用いた空気調和機によれば、空気側圧力損失が小さくかつ、管内熱伝達率が高く、加工性製造性がよい熱交換器を用いた空気調和機が実現する。

１…室外熱交換器、２…フィン、２ａ…貫通孔、２ｂ…カラー部、３…伝熱管、３ａ…管外周面、３ｂ…管内周面、３ｃ…流路、３ｄ…仕切壁、３ｅ…端部、４…リターンベンド、４ａ…ベンド外周面、４ｂ…ベント内周面、２１…冷凍サイクル装置、２２Ａ…室外機、２２Ｂ…室内機、２３…圧縮機、２４…四方弁、２５…膨張装置、２６…室内熱交換器。

Claims

互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、
このフィンを貫通しかつ、フィンの長手方向に沿って配列され、内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管と、
この伝熱管の端部同士を接続するＵ字状のリターンベンドとを具備した熱交換器において、
前記伝熱管は、外周面が楕円形状または扁平円形状を有し、
前記リターンベンドは、内周面が前記伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成されかつ、外周面が円形に形成されたことを特徴とする熱交換器。
前記伝熱管には、管内に仕切壁を設けて、多流路化されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、膨張装置、室内熱交換器を冷媒配管で連結した冷凍サイクルを備えた空気調和機において、
前記室外熱交換器および前記室内熱交換器の少なくともいずれか一方は、
互いに所定間隔を存して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚のフィンと、
このフィンを貫通しかつ、フィンの長手方向に沿って配列され、内部に熱交換媒体を導通させる流路を形成する伝熱管と、
この伝熱管の端部同士を接続するＵ字状のリターンベンドとを具備し、
前記伝熱管の外周面が楕円形状または扁平円形状を有し、
前記リターンベンドは内周面が前記伝熱管の外周面の形状と同一形状に形成されかつ、外周面が円形に形成されたことを特徴とする空気調和機。