JPH06241502A - フィンチューブ式熱交換器の風速制御機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒートポンプ式空調機で用いる高性能なルー
バフィンが全季節を通じて本来の能力を発揮出来るよう
にし、熱交換器を小型化する熱交換器の風速制御機構を
提供すること。 【構成】ヒートポンプ式空調機において、熱交換器
（３）の前面にスリット状の多穴（４ｂ）付きの可動式
の整流板（４）を設け、冷媒の圧力等で該整流板を暖房
時に閉じ、冷房時に開き、前面風速を制御する機構（ベ
ローズ９等）と高性能フィン付き熱交換器で屋外ユニッ
トを構成した。また熱交換器を水平面よりわずかに傾け
屋外ユニットに取り付けた。 【効果】暖房時に該整流板を閉じ、局部的に高密度の霜
を成長させ、フィン先端が着霜して急速に目詰まりする
のを阻止して、デフロスト時に生じる融解水を速やかに
外部に放出することにより、暖房能力を高く維持でき
る。また冷房時に該整流板を開け、均一な流れを実現で
き、冷房能力を高く維持できる。高性能フィンが全季節
を通じて本来の能力を発揮出来、熱交換器の小型化を図
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空冷式のヒートポンプ
空調機の着霜防止に係り、特に積層したフィンに伝熱管
を嵌合して構成する高性能フィンチューブ式熱交換器の
耐霜性を高めるようにした熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ここでは、本発明と関連するヒートポン
プ空調機用クロスフィン付き熱交換器の従来例について
述べる。クロスフィン付き熱交換器は、実開昭５０ー２
２７４２号に示すように、積層したフィンに伝熱管を嵌
合して構成している。ヒートポンプ空調機用屋外熱交換
器は、冬季の暖房運転時に蒸発器として使われ、フィン
表面が露点温度以下になると、空気中の水分が霜とな
り、フィン面に付着する。

【０００３】クロスフィン付き熱交換器の霜は、空気と
フィンの湿度差が大きく、かつ性能が高いフィン先端に
付着し易い。着霜によりフィン先端が閉塞して、風量が
減少するため、暖房能力が低下する。暖房能力を維持す
るため、適度な時間間隔で、冷媒を逆方向に流し、一時
的に凝縮器の状態にして、凝縮潜熱で霜を溶かす逆サイ
クルデフロスト運転が行れている。

【０００４】しかしデフロスト周期が短いと快適な空調
が損なわれるので、着霜時にフィン間が閉塞するのを阻
止する様々なフイン形状が提案されている。大別して、
１）着霜量が多い上流のフィンピッチを粗く、着霜量が
少ない下流のフィンピッチを密にする方法、２）フィン
の前縁を延ばし、前縁温度を高くして前縁部に着霜が集
中しないようにする方法、３）伝熱管配列を粗にする、
伝熱管を細くするなど、フィン効率を低くしてフィン温
度を高くする方法、４）フィン先端のルーバを部分的に
除去する方法、などがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術は、フ
ィン面に多数の切り込みを入れたルーバを有する高性能
フィンでは、有効な着霜対策が見出せない難点があっ
た。ルーバは、フィン間の通風路を狭め、着霜速度を早
くする作用がある。このため高性能なルーバフィンは、
フィン先端に急速に着霜が進行し易く、前述のデフロス
ト周期を短くしなければならない。しかし、快適性が損
なわれる傾向が強まる。そこで従来の着霜対策は、ルー
バの一部を除去するなど、いずれも凝縮器として使われ
る夏季の性能を犠牲にすることが避けられないものであ
った。

【０００６】すなわち同一熱交換器が蒸発器としても使
われるヒートポンプ空調機では、従来に代わる有効な着
霜対策が見出せないと、高性能フィンが本来持つ能力を
発揮することができない矛盾があり、これを解決するこ
とが課題になっていた。

【０００７】本発明の目的は、この矛盾を解決して、高
性能なルーバフィンが全季節を通じて本来の能力を発揮
出来るようにして、小型化を図れる熱交換器を提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明による解決手段は、伝熱フィンを積層し、こ
れに伝熱管を嵌合したフィンチューブ式熱交換器におい
て、熱交換器の空気入口側に設けた可動式の整流板と、
フィンに霜が生じる温度以下で、該整流板を閉じ、フィ
ン先端を局部的に高風速にし、またフィンに霜が生じな
い高い温度では、該整流板を開き、熱交換器の前面を均
一な風速にする、フィン表面温度により前記整流板を開
閉する駆動装置とを備えたことを特徴とする。

【０００９】また、伝熱フィンを積層し、これに伝熱管
を嵌合したフィンチューブ式熱交換器において、熱交換
器の空気入口側にフィン長手方向の端面から見て熱交換
器の外側にほぼ等しい隙間で、熱交換器の前面を全て覆
うように閉じた状態で、熱交換器の入口空気側から見
て、伝熱管の前縁付近が見える位置にスリット状等の多
穴が開けられた可動式の整流板と、着霜時には前記整流
板を閉じフィン先端を局部的に高風速にし、また着霜し
ない時には前記整流板を開き熱交換器の前面を均一な風
速にする、フィン表面温度により前記整流板を開閉する
駆動装置とを備えたことを特徴とする。

【００１０】また、伝熱フィンを積層し、これに伝熱管
を嵌合したフィンチューブ式熱交換器において、フィン
長手方向の端面から見て熱交換器の外側にほぼ等しい隙
間で離れ、熱交換器の前面を全て覆うように閉じる固定
式の整流板を設け、前記整流板に熱交換器の入口空気側
から見て、伝熱管の前縁付近が見える位置にスリット状
の多穴が開けられていることを特徴とする。

【００１１】また、伝熱フィンを積層し、これに複数の
伝熱管を嵌合したフィンチューブ式熱交換器において、
フィン長手方向の端面から見て熱交換器の外側にほぼ等
しい隙間で離れ、熱交換器の前面を全て覆うように閉じ
る固定式の整流板を設け、前記整流板に熱交換器の入口
空気側から見て、隣あう伝熱管の中央付近が見える位置
にスリット状の多穴が開けられていることを特徴とす
る。

【００１２】本発明による解決手段を概説すると、高性
能フィン付熱交換器の前面にフィン先端付近の風速分布
を制御する可動式の整流板を配置した。整流板には、フ
ィン先端の風速を局部的に高くするスリット状等の多数
の穴が開けられている。この整流板は、冷媒の圧力でベ
ローズを伸縮させるなどで開閉する。また整流板は、暖
房時のように空気が低温度で着霜が生じると全閉、冷房
時のように着霜が生じなければ全開する。また熱交換器
は、水平面よりわずかに傾け配置して、デフロスト時の
融解水を速やかに外部に放出するようにした。

【００１３】

【作用】暖房時の作用を述べる。屋外ユニットは蒸発器
として使われ、空気温度が下がり可動式の整流板が閉じ
ると、熱交換器前面の流れが絞られ、スリット状等の穴
に面した伝熱管付近は高風速になり、局部的に密度の大
きい霜が形成される。霜の密度が大きいと、霜の堆積に
よりフィン間の通風路が低下する割合を少なく出来る。
また局部的に風速が高いと熱伝達が十分行えない空気が
下流のフィン面に達する吹き抜けで、下流側のフィン面
の着霜量が増す。このため流れ方向のフィンの着霜量を
均一化出来る。いずれも着霜時の風量が低下するのを抑
える作用があり、暖房能力を高く維持できる。

【００１４】次に冷房時の作用を述べる。屋外ユニット
は凝縮器として使われ、着霜が生じないので、可動式の
整流板は全開する。フィン間通風路が着霜により閉塞す
る恐れが無いので、熱交換器の前面に均一な風速で流入
させ、凝縮器の性能を高く維持する。

【００１５】

【実施例】以下本発明の一実施例のヒートポンプ式空調
機について、図面を参照しながら説明する。図１は本発
明の一実施例におけるヒートポンプ式空調機の屋外熱交
換器の構成を表す模式図である。同図において、屋外ユ
ニット１は、外壁２内に水平に置いた高性能熱交換器
３、好適にはスリット状の穴を有する可動式の整流板
４、冷媒の圧力で整流板を開閉する一連の伝達機構、フ
ィルター５、仕切板６、ファン７で構成する。伝達機構
は、冷媒配管８と連結したベローズ９、複数の滑車１
０、整流板を回動自在に支持するヒンジ１１、前記ベロ
ーズ９の作動を整流板４に伝えるワイヤ１２などで構成
する。整流板４は、冷媒の圧力でベローズ９を伸縮させ
生じる力を、例えば整流板の中央付近４ａに伝達して、
中央付近４ａを力点、ヒンジ１１を支点とする円弧状の
回転を行い、熱交換器３に入る空気の流路を開閉する。

【００１６】図１は、ベローズ９が収縮して入口流路が
閉じている状態を示す。また図２は、ベローズ９が膨張
して伸び、入口空気流路が開いている状態を示す。なお
図２の一台の熱交換器を取り出した斜視図である図３に
おいて、上述の伝達機構は、冷媒配管８を分岐したベロ
ーズ９により、動作させる。整流板を開く力が不足する
場合、図３のように枝管８ａ、８ｂａの端に複数箇所設
けたベローズ９ａ、９ｂにより、動作させる。

【００１７】図３及び図４は、整流板４に開けたスリッ
ト状の穴４ｂと伝熱管１３の位置関係を示す。ここで図
４は、図１の熱交換器３及び整流板４の一部分を、Ιー
Ι方向から見た断面図である。整流板４は、閉じた状態
で、空気入口側のフィン１４の先端より一定の隙間を設
け、熱交換器の前面全てを覆う。またスリット穴４ｂ
は、熱交換器の入口空気側から見て、伝熱管の前縁付近
が見える位置に開けられている。１５はルーバを示す。

【００１８】次に、以上のように構成されたヒートポン
プ空調機屋外ユニットの動作を説明する。暖房時の動作
について図１を参照して述べる。同図において、屋外ユ
ニットは蒸発器として使われる。なおベローズの伸縮
は、あらかじめ霜が生じる条件を考慮して、冷媒の圧力
が、所定値以下になると整流板が閉じるように、調整し
ているものとする。空気温度が下がりフィン面に着霜が
生じると、冷媒の圧力が低下し、ベローズ９が収縮し
て、整流板４が閉じる。

【００１９】これに伴い、熱交換器前面の流れが絞ら
れ、スリット状の穴に面した伝熱管付近は高風速にな
る。高風速下では、霜の密度が大きくなることが知られ
ている。従って伝熱管付近に局部的に密度の大きい霜が
形成される。霜の密度が大きいと、霜の堆積によりフィ
ン間の通風路が低下する割合を少なく出来る。また局部
的に風速が高いと熱伝達が十分行えない空気が下流のフ
ィン面に達する吹き抜けで、下流側のフィン面の着霜量
が増す。このため流れ方向のフィンの着霜量を均一化出
来る。

【００２０】また隣あう伝熱管の中央の（図４ではルー
バ１５部分）のフィン先端には多量の空気は流れず、こ
の部分の霜の成長速度は遅い。したがって高性能フィン
で見られるフィン先端に霜が急速に成長して、目詰りす
る現象は生じない。いずれも着霜によるフィン間通風路
の閉塞で、風量が低下するのを抑える作用がある。

【００２１】以上に述べた考え方が正しいかを、実験的
に調べた。その結果を、図５に示す。横軸は、着霜開始
からの時間、縦軸は、交換熱量を表す。破線の伝熱管先
端付近に風を吹き込んだ場合の交換熱量は、実線の均一
な流れの場合より、着霜開始から長時間高く維持してい
る。また管先端吹き込みは、フィン先端が霜で目詰まり
する割合が小さいことを、観察で確認している。これよ
り前述の考え方は、ほぼ妥当で、熱交換器の前面風速を
局部的に制御することにより、着霜時の暖房能力を高く
維持できる。

【００２２】冷房時の動作について図２を参照して述べ
る。屋外ユニットは凝縮器として使われる。冷媒の圧力
が高いので、ベローズ９は膨張して伸び、可動式の整流
板４が全開する。整流板４が全開すると、熱交換器の前
面に均一な風速の空気を供給できる。ここで図６に実験
例を示すように、一般に空気側熱伝達率は、熱交換器に
均一に空気を流した方が、高い値が得られる。

【００２３】フィン間の流れが不均一な場合、部分的に
流れが停滞する、前述の吹き抜けが生じるなどのため、
性能が低下すると考えられる。従って霜によって通風路
が閉塞する心配が無い凝縮器では、整流板４を全開にし
て、前面に均一な空気を供給することにより、高い性能
が得られる。

【００２４】次に本発明の他の実施例を、図７を参照し
て述べる。図７は、図１の整流板４が閉じた状態で、Ι
ーΙ方向から見た断面図である。図７において整流板４
は、空気入口側のフィン１４の先端より一定の隙間を設
け、熱交換器の前面を閉じている。また前記整流板４に
は、熱交換器の入口空気側から見て、隣あう伝熱管の中
央付近が見える位置に例えばスリット状の多穴４ｂが開
けられており、フィンに霜が生じる温度以下で、前記整
流板を閉じ、前記スリット状穴から空気を吹き込み、隣
あう伝熱管の中央のフィン先端付近が局部的に高風速に
なるようにした。

【００２５】この実施例は、フィン面にルーバが無いプ
レートフィン、隣あう伝熱管の間隔が大きいルーバフィ
ンなど、着霜が少ないフィンにおいて、フィン先端の着
霜によりフィン間の通風路が閉塞するのを阻止できる効
果が有る。

【００２６】第３の実施例を、図８、図９を参照して述
べる。これらの実施例は、熱交換器の姿勢が垂直又は鉛
直である場合に関する。すなわち図８の床面に対してフ
ィン長手方向の端面１４ａを垂直になるように熱交換器
３を配置した場合に関する。図８は、空気入口側に配置
した可動式の整流板４を冷媒の圧力で開く伝達機構が、
これまでの水平置きの熱交換器と同様の考え方を垂直置
きに適用した例である。当該実施例では、融解水が容易
に落下排除しやすい利点がある。しかしこの例は、滑車
１０およびワイヤ１２で構成される伝達部分が仕切り板
６と交差するなど構造がやや複雑になる可能性がある。

【００２７】しかし上記の可能性は、上記の伝達部分を
図９に示す実施例で解決される。図９において、熱交換
器３は、ファン７の左右にフィン長手方向の端面が床面
に垂直になるように配置する。また整流板４は、熱交換
器の頂上部のフィン片面に取り付けたヒンジ１１で回転
させ、開閉する。なおヒンジ１１は、左側の熱交換器３
ａでは熱交換器の左肩，右側の熱交換器３ｂでは熱交換
器の右肩と、互いに逆の向きの位置に取付ける。すなわ
ち熱交換器３ａに取り付けた整流板４ａは、ヒンジ１１
ａを起点に時計方向に回転して開くのに対して、熱交換
器３ｂに取り付けた整流板４ｂは、反時計方向に回転し
て開く構成とした。さらに冷媒の圧力で膨張及び収縮す
るベローズ９と整流板４は剛性のあるロッド１６で連結
して力を伝達する構成にした。

【００２８】図９の実線で示すベローズと整流板の位置
関係は、フィン表面に霜が生じる冷媒の圧力が低く、整
流板が閉じている状態を表わす。また一点鎖線で示す位
置関係は、フィン表面に霜が生じない程度に冷媒温度が
上昇して、その圧力でベローズ９が膨張し、連結棒１６
が水平方向に移動して、整流板が開いている状態を表わ
す。この実施例は、滑車、ワイヤなどが不要で、伝達機
構を簡素化できる効果がある。回動運動する整流板４
ａ、４ｂと直線運動するロッド１６間は、ピンと長穴等
により、円滑に動力が伝達するようにする。

【００２９】次に本発明の第４の実施例を、図１０を参
照して述べる。図１０は、図９の整流板４が閉じた状態
で、ΙーΙ方向から見た断面図である。この実施例は、
空気流れ方向の伝熱管の列数が３列以上の所要伝熱面積
が大きい熱交換器に本発明を適用した場合の、好適な条
件を示す。空気上流側から整流板４、幅の短いフィンブ
ロック１４ａ、幅の長いフィンブロック１４ｂの順で熱
交換器を構成している。

【００３０】また、フィンの分割は、１列目で行い、幅
の短いフィン１４ａを上流側に、幅の長いフィン１４ｂ
を下流側に配置して、幅の短いフィン１４ａと幅の長い
フィン１４ｂには、隣あうフィンブロック間で水滴が連
結しない、５ｍｍないし１０ｍｍの隙間を設けるのが望
ましい。

【００３１】次に第５の実施例を、図３、図４、図７を
援用して説明する。これまでの実施例は、可動式の風速
制御機構の適用例について述べた。しかし高性能フィン
を用いたフィンチューブ式熱交換器の用途は多様化して
おり、一例としてパッケージ形空調機では、運転条件に
より、室内熱交換器のフィン面が着霜することがある。
室内熱交換器のように設置スペースが限らる熱交換器の
着霜対策としては、固定式の風速制御機構が有効であ
る。すなわち図３、図４、図７に形状を示した整流板４
を、図４に位置関係を示す熱交換器の空気入口側に固定
することにより、省スペース化できる。整流板４を固定
すると、霜が生じない時の伝熱性能が低下することが懸
念されるが、整流板４を通過する風速を速くして、スリ
ット穴による気流の乱れを大きくして伝熱を促進するな
どの容易な手段で、伝熱性能を確保できる。

【００３２】なお、以上の実施例において、穴４ｂは主
に一方が極めて長径の長穴すなわちスリットとして説明
したが、必ずしも長い穴とせず、短径の穴の連続したも
のとしてもよい。また、整流板の駆動は、冷媒の圧力又
は温度を検知手段により検知しと、該検知手段からの信
号に基づき、マイコンにより、公知のアクチエータによ
り作動するようにしてもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ヒート
ポンプ式空調機において、熱交換器の前面にスリット状
の多穴付きの可動式の整流板を設け、冷媒の圧力等で該
整流板を暖房時及び冷房時により開閉する機構と高性能
フィン付き熱交換器で屋外ユニットを構成し、また熱交
換器は、水平面からわずかに傾け、屋外ユニットに取り
付けたので、暖房時に該整流板を閉じ、フィン先端付近
の風速を局部的に高くする風速制御により、高性能フィ
ンの課題であった、霜によるフィン先端の急速な目詰ま
りを阻止できる。これらから着霜及び水滴の再凍結によ
り暖房時に著しく通風抵抗が増して通風量が低下する現
象を緩和でき、暖房能力を高く維持できる。また冷房時
に該整流板を開け、熱交換器の前面風速を均一に制御す
ることにより、高性能フィンが能力を発揮しやすい均一
な流れ場で熱伝達が行われ、冷房能力を高く維持でき
る。以上から高性能なルーバフィンが全季節を通じて本
来の能力を発揮するようになり、熱交換器を小型化する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係るヒートポンプ式空調機
用屋外ユニットの部品構成及び暖房時の動作図

【図２】図１に示すヒートポンプ式空調機用屋外ユニッ
トの冷房時の動作図

【図３】可動板と伝熱管の位置関係を示す斜視図

【図４】可動板と伝熱管の位置関係を示す断面図

【図５】着霜時の風速制御の効果を示す説明図

【図６】風速の偏りと熱伝達率の関係を示す説明図

【図７】本発明の他の実施例を示す図

【図８】本発明のさらに他の実施例を示す図

【図９】本発明のもう一つの実施例を示す図

【図１０】本発明のさらにもう一つの実施例を示す図

【符号の説明】

１…屋外ユニット ２…外壁 ３…熱交換器 ４…整流板 ４ａ…整流板中央の力点 ４ｂ…スリット穴 ５…フィルター ６…仕切板 ７…ファン ８…冷媒配管 ８ａ、８ｂ…冷媒枝管 ９、９ａ、９ｂ…
ベローズ １０…滑車 １１…ヒンジ １２…ワイヤ １３…伝熱管 １４…フィン １５…ルーバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝又直登 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所清水工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱フィンを積層し、これに伝熱管を嵌
   合したフィンチューブ式熱交換器において、 熱交換器の空気入口側に設けた可動式の穴開き整流板
   と、フィンに霜が生じる温度以下で、該整流板を閉じ、
   フィン先端を局部的に高風速にし、またフィンに霜が生
   じない高い温度では、該整流板を開き、熱交換器の前面
   を均一な風速にする、フィン表面温度により前記整流板
   を開閉する駆動装置とを備えたことを特徴とするフィン
   チューブ式熱交換器の風速制御機構。
2. 【請求項２】 前記整流板は、フィン長手方向の端面か
   ら見て熱交換器の外側にほぼ等しい隙間で離れ、熱交換
   器の前面を全て覆うように閉じる、また前記整流板に
   は、閉じた状態で、熱交換器の入口空気側から見て、伝
   熱管の前縁付近が見える位置にスリット状等の多穴が開
   けられており、フィンに霜が生じる温度以下で、前記整
   流板を閉じ、前記スリット状等の穴から空気を吹き込
   み、伝熱管の前縁付近が局部的に高風速になるように構
   成したことを特徴とする請求項１に記載のフィンチュー
   ブ式熱交換器の風速制御機構。
3. 【請求項３】 伝熱フィンを積層し、これに伝熱管を嵌
   合したフィンチューブ式熱交換器において、 熱交換器の空気入口側にフィン長手方向の端面から見て
   熱交換器の外側にほぼ等しい隙間で、熱交換器の前面を
   全て覆うように閉じた状態で、熱交換器の入口空気側か
   ら見て、隣あう伝熱管の中央付近が見える位置にスリッ
   ト状等の多穴が開けられた可動式の整流板と、着霜時に
   は前記整流板を閉じフィン先端を局部的に高風速にし、
   また着霜しない時には前記整流板を開き熱交換器の前面
   を均一な風速にする、フィン表面温度により前記整流板
   を開閉する駆動装置とを備えたことを特徴とするフィン
   チューブ式熱交換器の風速制御機構。
4. 【請求項４】 伝熱フィンを積層し、これに伝熱管を嵌
   合したフィンチューブ式熱交換器において、 フィン長手方向の端面から見て熱交換器の外側にほぼ等
   しい隙間で離れ、熱交換器の前面を全て覆うように閉じ
   る固定式の整流板を設け、前記整流板に熱交換器の入口
   空気側から見て、伝熱管の前縁付近が見える位置にスリ
   ット状等の多穴が開けられていることを特徴とするフィ
   ンチューブ式熱交換器の風速制御機構。
5. 【請求項５】 伝熱フィンを積層し、これに伝熱管を嵌
   合したフィンチューブ式熱交換器において、 フィン長手方向の端面から見て熱交換器の外側にほぼ等
   しい隙間で離れ、熱交換器の前面を全て覆うように閉じ
   る固定式の整流板を設け、前記整流板に熱交換器の入口
   空気側から見て、隣あう伝熱管の中央付近が見える位置
   にスリット状等の多穴が開けられていることを特徴とす
   るフィンチューブ式熱交換器の風速制御機構。