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WO2013094084A1 - 空気調和機 - Google Patents

空気調和機 Download PDF

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WO2013094084A1
WO2013094084A1 PCT/JP2012/003854 JP2012003854W WO2013094084A1 WO 2013094084 A1 WO2013094084 A1 WO 2013094084A1 JP 2012003854 W JP2012003854 W JP 2012003854W WO 2013094084 A1 WO2013094084 A1 WO 2013094084A1
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WO
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heat exchanger
heat transfer
tube
indoor
transfer tube
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/003854
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English (en)
French (fr)
Inventor
相武 李
光裕 石川
石橋 晃
拓也 松田
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
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Priority to US14/361,509 priority patent/US9506700B2/en
Priority to JP2013550053A priority patent/JP6053693B2/ja
Priority to ES12860552.4T priority patent/ES2624188T3/es
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F1/00Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
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    • F24F1/0063Indoor units, e.g. fan coil units characterised by heat exchangers by the mounting or arrangement of the heat exchangers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F1/00Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00Evaporators; Condensers

Definitions

  • the present invention relates to an air conditioner using a heat exchanger having a heat transfer tube with a groove in the tube made of a metal material such as aluminum or aluminum alloy.
  • a fin tube type that is composed of fins that are arranged at regular intervals and through which gas (air) flows and heat transfer tubes that have grooves on the inner surface of the tubes and that are inserted at right angles to the fins and into which refrigerant flows.
  • a heat pump type air conditioner using a heat exchanger is known.
  • an air conditioner is an evaporator that evaporates refrigerant and cools air, water, and the like by heat of vaporization at that time, and a compressor that compresses refrigerant discharged from the evaporator and supplies the refrigerant to a condenser at a high temperature And a condenser that heats air and water by the heat of the refrigerant, an expansion valve that expands the refrigerant discharged from the condenser and supplies the refrigerant to the evaporator at a low temperature, and switches the flow direction of the refrigerant in the refrigeration cycle
  • a four-way valve that switches between heating operation and cooling operation is provided.
  • a heat exchanger tube is built in a condenser and an evaporator, and the refrigerant containing refrigerating machine oil is poured in the inside.
  • the air conditioner is mounted on an indoor unit and a heat exchanger mounted on the indoor unit. If the same type of grooved tube is used for the heat exchanger, there is a problem that the performance of the air conditioner deteriorates. In addition, since the strength of the aluminum material is low, it is necessary to increase the thickness of the groove bottom of the heat transfer tube, which increases the in-tube pressure loss of the heat transfer tube.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an air conditioner using a heat exchanger in which a heat transfer tube formed of a metal material such as aluminum or an aluminum alloy is inserted through a plurality of fins.
  • a heat transfer tube formed of a metal material such as aluminum or an aluminum alloy is inserted through a plurality of fins.
  • An air conditioner includes an outdoor unit equipped with an outdoor heat exchanger in which a plurality of heat transfer tubes formed of a metal material such as aluminum or an aluminum alloy are inserted into a plurality of fins, and aluminum or an aluminum alloy.
  • a plurality of heat transfer tubes formed of a metal material such as an indoor unit with an indoor heat exchanger inserted through a plurality of fins, and the heat transfer tubes of the outdoor heat exchangers on the tube inner surface,
  • a plurality of straight grooves substantially parallel to the tube axis direction are formed, and the heat transfer tube of the indoor heat exchanger has a plurality of spiral grooves having a predetermined lead angle formed on the inner surface of the tube.
  • the straight groove is formed on the inner surface of the heat transfer tube of the outdoor heat exchanger, and the spiral groove is formed on the inner surface of the heat transfer tube of the indoor heat exchanger. Without increasing the heat exchange capacity of the indoor heat exchanger, the efficiency of the air conditioner can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an air conditioner is mounted on a compressor 5, a four-way valve 8, an outdoor heat exchanger 3 mounted on an outdoor unit, an expansion valve 7 that is an expansion means, and an indoor unit.
  • the indoor-side heat exchanger 2 is sequentially connected by a refrigerant pipe, and has a refrigeration cycle for circulating the refrigerant.
  • the four-way valve 8 switches between the heating operation and the cooling operation by switching the direction in which the refrigerant flows in the refrigeration cycle.
  • the four-way valve 8 may be omitted.
  • the outdoor heat exchanger 3 functions as a condenser that heats the air or the like with the heat of the refrigerant during the cooling operation, and functions as an evaporator that evaporates the refrigerant and cools the air or the like with the heat of vaporization during the heating operation.
  • the indoor heat exchanger 2 functions as a refrigerant evaporator during the cooling operation, and functions as a refrigerant condenser during the heating operation.
  • the compressor 5 compresses the refrigerant discharged from the evaporator and supplies it to the condenser at a high temperature.
  • the expansion valve 7 expands the refrigerant discharged from the condenser, and supplies it to the evaporator at a low temperature.
  • any one of HC single refrigerant, a mixed refrigerant containing HC, R32, R410A, R407C, and carbon dioxide is used. Since the strength of the aluminum material is low, the thickness of the groove bottom of the heat transfer tube is increased, so that the pressure loss in the tube of the heat transfer tube increases.
  • HC single refrigerant with low pressure loss in the pipe, or mixed refrigerant containing HC, R32, R410A, R407C, or carbon dioxide can increase the heat transfer performance of the evaporation pipe without increasing the pressure loss. Therefore, a highly efficient heat exchanger can be provided.
  • the indoor heat exchanger 2 and the outdoor heat exchanger 3 are not distinguished from each other, they are referred to as a heat exchanger 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a heat exchanger according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a heat exchanger 1 is a fin tube type heat exchanger widely used as an evaporator or condenser such as a refrigeration apparatus or an air conditioner.
  • FIG. 2A shows a perspective view when the heat exchanger 1 is cut in the vertical direction
  • FIG. 2B shows a part of a cross section of the heat exchanger 1 seen from the side.
  • the heat exchanger 1 includes a plurality of heat exchanger fins 10 and heat transfer tubes 20. Heat transfer tubes 20 are provided so as to penetrate through holes provided in the fins 10 with respect to the fins 10 arranged at a predetermined interval.
  • the heat transfer tube 20 becomes a part of the refrigerant circuit in the refrigeration cycle, and the refrigerant flows inside the tube.
  • the heat transfer area serving as a contact surface with the air is expanded, and heat exchange between the refrigerant and the air can be performed efficiently.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of a vertical cross section of the heat exchanger according to Embodiment 1 of the present invention as viewed from the front side.
  • FIG. 3A is a partially enlarged view of a vertical section when the indoor heat exchanger 2 is viewed from the front side
  • FIG. 3B is a partially enlarged view of the vertical section when the outdoor heat exchanger 3 is viewed from the front side. It is a figure and each figure has shown the cross section of the adjacent heat exchanger tube, and the fin between them.
  • the fins 11 of the indoor heat exchanger 2 are formed of a metal material such as aluminum or aluminum alloy having good heat conductivity. Further, the heat transfer tube 21 penetrating the fin 11 is formed of a metal material such as aluminum or aluminum alloy having good heat conductivity. In the heat transfer tube 21 of the indoor heat exchanger 2, a plurality of spiral grooves 22 having a predetermined lead angle Ra are formed on the inner surface of the tube. As shown in FIG. 3B, the fins 12 of the outdoor heat exchanger 3 are formed of a metal material such as aluminum or aluminum alloy having good heat conductivity. Further, the heat transfer tube 23 penetrating the fins 12 is formed of a metal material such as aluminum or aluminum alloy having good heat conductivity. The heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3 has a plurality of straight grooves 24 substantially parallel to the tube axis direction on the tube inner surface.
  • FIG. 4 is a diagram showing a heating coefficient of performance (COP) ratio when a plurality of types of heat transfer tubes are used in combination for the indoor heat exchanger and the outdoor heat exchanger.
  • COP heating coefficient of performance
  • both indoor units and outdoor units have aluminum bears or aluminum straight grooves.
  • the heat exchange rate of the heat exchanger is improved and the heating performance is further improved.
  • copper heat transfer tubes copper spiral grooved tubes with spiral grooves formed on the inner surface of the tube are used for both indoor units and outdoor units.
  • the heating performance is degraded. This is because the strength of aluminum is lower than that of the copper material and the thickness of the groove bottom of the heat transfer tube has to be increased, so that the pressure loss of in-pipe evaporation of the outdoor heat exchanger 3 increases.
  • an aluminum heat transfer tube (a tube with an aluminum spiral groove) in which a spiral groove 22 is formed in the heat transfer tube 21 of the indoor heat exchanger 2 of the indoor unit is used, and the outdoor side of the outdoor unit
  • a copper spiral grooved tube is used for both the indoor unit and the outdoor unit. Heating performance is improved in both indoor and outdoor units compared to aluminum spiral grooved tubes.
  • the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3 is a straight grooved tube with a small pressure loss inside the tube, so that a flow that flows over the groove of the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3 flows. This is because the heat exchange rate can be improved without increasing the pressure loss in the pipe.
  • the heating efficiency can be improved, and a highly efficient air conditioner can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cooling coefficient of performance (COP) ratio when a plurality of types of heat transfer tubes are used in combination in an indoor heat exchanger and an outdoor heat exchanger.
  • COP cooling coefficient of performance
  • an aluminum heat transfer tube (a tube with an aluminum spiral groove) in which a spiral groove 22 is formed in the heat transfer tube 21 of the indoor heat exchanger 2 of the indoor unit is used, and the outdoor side of the outdoor unit
  • a copper spiral grooved tube is used for both the indoor unit and the outdoor unit. Cooling performance is improved in both indoor and outdoor units compared to aluminum spiral grooved tubes.
  • the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3 uses a straight grooved tube with a small pressure loss in the tube, thereby generating a flow that flows over the groove of the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3. This is because the heat exchange rate can be improved without increasing the pressure loss in the pipe.
  • the cooling efficiency can be improved, and a highly efficient air conditioner can be obtained.
  • the heat exchanger of the present embodiment is used as an evaporator or a condenser in a refrigeration cycle in which a compressor, a condenser, a throttle device, and an evaporator are sequentially connected by piping and a refrigerant is used as a working fluid.
  • a compressor, a condenser, a throttle device, and an evaporator are sequentially connected by piping and a refrigerant is used as a working fluid.
  • COP coefficient
  • the efficiency of heat exchange between the refrigerant and air is improved. Therefore, improvement of period energy consumption efficiency (APF) can be expected.
  • the lead angle Ra of the spiral groove 22 will be described.
  • the lead angle Ra of the spiral groove 22 of the heat transfer tube 21 of the indoor heat exchanger 2 is set to be 5 to 30 degrees larger than the lead angle of the straight groove 24 of the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3. is doing. This is because when the lead angle Ra of the spiral groove 22 of the heat transfer tube 21 of the indoor heat exchanger 2 is set to 5 degrees or less, the heat exchange rate is significantly reduced. Further, when the lead angle Ra of the spiral groove 22 of the heat transfer tube 21 of the indoor heat exchanger 2 is set to 30 degrees or more, the increase in the pressure loss in the tube becomes remarkable. By setting the lead angle Ra of the spiral groove 22 as described above, the heat transfer performance in the pipe of the indoor heat exchanger 2 can be further improved, and the highly efficient indoor heat exchanger 2 can be obtained. .
  • grooves 26 when the spiral groove 22 and the straight groove 24 are not distinguished, they are referred to as grooves 26.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of a cross section in the vertical direction when the heat exchanger according to Embodiment 1 of the present invention is viewed from the side surface side.
  • the partial enlarged view of FIG. 6 corresponds to the portion A of FIG.
  • the heat transfer tubes 20 and the fins 10 are joined by expanding the heat transfer tubes 20 by a mechanical tube expansion method (described later).
  • the peak portion of the peak 25 formed between the grooves 26 of the heat transfer tube 20 has a trapezoidal tip shape after tube expansion, and the tip width W is in the range of 0.20 mm to 0.35 mm. It is set as follows.
  • the tip width W of the crest after expansion of the heat transfer tube 20 is 0.20 mm or more. By doing so, the crushing amount of the peak 25 of the groove 26 and the collapse of the peak 25 of the groove 26 can be reduced.
  • the tip width W exceeds 0.35 mm, the groove cross-sectional area becomes small, and the refrigerant liquid film overflows from the groove 26 and is covered by the refrigerant liquid film up to the peak of the mountain 25, so that the heat transfer coefficient decreases. To do. Therefore, with the configuration as described above, the adhesiveness between the heat transfer tubes 20 and the fins 10 of the heat exchanger 1 can be improved, and the highly efficient heat exchanger 1 can be obtained.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another configuration example of the indoor-side heat exchanger of the air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the indoor heat exchanger 2 includes a first indoor heat exchanger 2 a and a second indoor heat exchanger 2 b and is connected by a heat transfer tube 21.
  • the fins 11 and the heat transfer tubes 21 of the first indoor heat exchanger 2a and the second indoor heat exchanger 2b are made of a metal material such as aluminum or aluminum alloy having good heat transfer.
  • a straight groove 24 substantially parallel to the tube axis direction is formed on the inner surface of the heat transfer tube 21.
  • a spiral groove 22 having a predetermined lead angle Ra is formed on the inner surface of the heat transfer tube 21.
  • the length of the heat transfer tube 21 passing through the first indoor heat exchanger 2a and the length of the heat transfer tube 21 passing through the second indoor heat exchanger 2b are set to, for example, substantially the same length.
  • the substantially half length from the cooling inlet is a straight groove and the almost half length from the cooling outlet.
  • a spiral groove is formed.
  • FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating the shape of the inner surface of the heat transfer tube of the outdoor heat exchanger according to the second embodiment.
  • FIG. 8A shows a state before the pipe expansion
  • FIG. 8B shows a state after the pipe expansion.
  • the tube inner surface of the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3 in the present embodiment has a groove portion 28 and a ridge portion 27 by groove formation.
  • the mountain part 27 is comprised by two types of mountains, the high mountain 27A and the low mountain 27B.
  • the high mountain 27A has a trapezoidal shape in which the peak portion is formed in a plane before the expansion, and has a trapezoidal shape in which the peak portion is formed in a plane even after the expansion.
  • the tip shape of the peak is a curved surface shape (R1).
  • the height of the low peak 27B is formed lower than the height of the high peak 27A after the pipe expansion.
  • the configuration of the indoor heat exchanger 2 is the same as that of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a state of pipe expansion by the machine pipe expansion method.
  • the heat exchanger 1 is first bent into a hairpin shape at a predetermined bending pitch at the center in the longitudinal direction, and a plurality of hairpin tubes to be the heat transfer tubes 23 are manufactured. After allowing the hairpin tube to pass through the through hole of the fin 12, the hairpin tube is expanded by a mechanical expansion method, and the heat transfer tube 23 is brought into close contact with the fin 12 and joined.
  • the mechanical tube expansion method is a method in which a rod 31 having a tube ball 30 having a diameter slightly larger than the inner diameter of the heat transfer tube 23 is passed through the tube of the heat transfer tube 23 and the outer diameter of the heat transfer tube 23 is increased. It is the method of sticking.
  • the expanded ball 30 comes into contact with the high mountain 27A, the top of the mountain is crushed, flattened and the height of the mountain lowered.
  • the low mountain 27 ⁇ / b> B has no deformation because the summit portion is lower than the crushed height.
  • the pressure of inserting the expanded ball 30 is not applied to all the crests in the pipe as in the prior art, but the pressure is applied to the portion of the high crest 27A to perform the expansion, the outer surface of the heat transfer tube is processed into a polygon. Will be. And the spring back of a heat exchanger tube can be suppressed. Thereby, the adhesiveness of the heat exchanger tube 23 and the fin 12 improves, and the efficiency which concerns on heat exchange can be improved.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the number of high ridges and the heat exchange rate.
  • high ridges 27A are formed with the number of strips in the range of 12 or more and 18 or less.
  • the low mountain 27B is formed between the high mountain 27A and the high mountain 27A with the number of strips in the range of 3 or more and 6 or less.
  • the high peak 27A of the heat transfer tube 23 is set in the range of 12 to 18 when expanding the tube, the expanded ball 30 comes into contact with the high peak 27A and the peak portion Is flattened and the height of the mountain is reduced, but when the number of the high mountain 27A of the heat transfer tube 23 is made smaller than 12, the peak portion of the low mountain 27B is also flattened and becomes flat as shown in FIG. This is because the heat transfer performance in the tube is reduced. In addition, if the number of high ridges is larger than 18, the number of low ridges 27B is reduced, and the heat transfer performance in the pipe is lowered.
  • the heat transfer tube 23 of the outdoor heat exchanger 3 has the ridges 27 formed between the grooves of the straight grooves 24 with the number of ridges in the range of 12 or more and 18 or less. It is composed of the formed high mountain 27A and the low mountain 27B formed between the high mountain 27A and the number of strips in the range of 3 or more and 6 or less, and the height of the low mountain 27B is the high mountain after the expansion. It is formed lower than 27A. For this reason, the heat exchange rate can be improved without increasing the pressure loss in the pipe, and a highly efficient air conditioner can be obtained.
  • the present invention is not limited to an air conditioner, and may be applied to other refrigeration cycle apparatuses having a heat exchanger that constitutes a refrigerant circuit, such as a refrigeration apparatus and a heat pump apparatus, and has an evaporator and a condenser. Can do.

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Abstract

 室外側熱交換器の管内圧力損失を増加させずに、室内側熱交換器の熱交換能力を増大させ、空気調和機の効率を向上させることができる熱交換器を提供する。 アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した複数の伝熱管23を、複数のフィン12に挿通させてなる室外側熱交換器3を搭載した室外機と、アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した複数の伝熱管21を、複数のフィン11に挿通させてなる室内側熱交換器2を搭載した室内機とを備え、室外側熱交換器3の伝熱管23は、管内面に、管軸方向に対して略平行なストレート溝24が複数形成され、室内側熱交換器2の伝熱管21は、管内面に、所定のリード角を有するらせん溝22が複数形成されたものである。

Description

空気調和機
 本発明は、アルミまたはアルミ合金等の金属材料からなる管内溝付伝熱管を有する熱交換器を用いた空気調和機に関する。
 従来、一定間隔で配置されてその間を気体(空気)が流れるフィンと、管内面に溝を有し各フィンへ直角に挿入されて内部に冷媒が流れる伝熱管と、から構成されるフィンチューブ型熱交換器を用いたヒートポンプ式の空気調和機が知られている。
 空気調和機は、一般に、冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により空気及び水等を冷却する蒸発器と、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する圧縮機と、冷媒の熱により空気及び水等を加熱する凝縮器と、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する膨張弁と、冷凍サイクル内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う四方弁とを備えている。そして、伝熱管は、凝縮器や蒸発器に組み込まれ、その内部に冷凍機油を含有する冷媒が流されるようになっている。
 近年、銅高騰やリサイクル性等を考慮して、凝縮器と蒸発器の伝熱管の材料としてアルミまたはアルミ合金等の金属材料が用いられている。また、熱交換器の高性能化のため、管内面にストレート溝を形成した溝付管を、伝熱管として使用するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このようなストレート溝付管はベア管よりも高い伝熱性能を有するため、室外機および室内機に搭載する熱交換器に用いると空気調和機の性能を向上することができる。
 また近年、管内面にらせん状に溝を形成したらせん溝付管が開発されている。このようならせん溝付管を用いると、ストレート溝付管より熱交換率が向上し、空気調和機の性能をさらに向上することができる。
特開2001-289585号公報(図1)
 しかしながら、前述のようなアルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した溝付管を熱交換器の伝熱管として用いた空気調和機では、室内機に搭載される熱交換器と室外機に搭載される熱交換器とに同じ種類の溝付管を用いると、かえって空気調和機の性能が低下してしまう、という問題点があった。
 また、アルミニウム材の強度が低いため、伝熱管の溝底の板厚を厚くしなければならず、このため、伝熱管の管内圧力損失が増加してしまうという問題点があった。
 本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した伝熱管を複数のフィンに挿通させてなる熱交換器を用いた空気調和機において、効率を向上することができる空気調和機を得るものである。
 本発明に係る空気調和機は、アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した複数の伝熱管を、複数のフィンに挿通させてなる室外側熱交換器を搭載した室外機と、アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した複数の伝熱管を、複数のフィンに挿通させてなる室内側熱交換器を搭載した室内機とを備え、前記室外側熱交換器の伝熱管は、管内面に、管軸方向に対して略平行なストレート溝が複数形成され、前記室内側熱交換器の伝熱管は、管内面に、所定のリード角を有するらせん溝が複数形成されたものである。
 本発明は、室外側熱交換器の伝熱管の管内面にストレート溝を形成し、室内側熱交換器の伝熱管の管内面にらせん溝を形成したので、室外側熱交換器の管内圧力損失を増加させずに、室内側熱交換器の熱交換能力を増大させることができ、空気調和機の効率を向上することができる。
本発明の実施の形態1に係る空気調和機の構成を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 室内側熱交換器と室外側熱交換器とに複数の種類の伝熱管を組み合わせて用いた場合の暖房成績係数(COP)比を示す図である。 室内側熱交換器と室外側熱交換器とに複数の種類の伝熱管を組み合わせて用いた場合の冷房成績係数(COP)比を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内側熱交換器の他の構成例を示す図である。 実施の形態2に係る室外側熱交換器の伝熱管の管内面の形状を示す図である。 機械拡管方式による拡管の状況を示す図である。 高い山の条数と熱交換率との関係を示す図である。
実施の形態1.
 図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の構成を示す図である。
 図1に示すように、空気調和機は、圧縮機5と、四方弁8と、室外機に搭載された室外側熱交換器3と、膨張手段である膨張弁7と、室内機に搭載された室内側熱交換器2とが順次冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを備えている。
 四方弁8は、冷凍サイクル内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う。なお、冷房専用または暖房専用の空気調和機とする場合には四方弁8を省略しても良い。室外側熱交換器3は、冷房運転時には、冷媒の熱により空気等を加熱する凝縮器として機能し、暖房運転時には、冷媒を蒸発させその際の気化熱により空気等を冷却する蒸発器として機能する。室内側熱交換器2は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能する。圧縮機5は、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する。膨張弁7は、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する。冷媒としては、HC単一冷媒、又はHCを含む混合冷媒、R32、R410A、R407C、二酸化炭素のいずれかが用いられる。アルミニウム材の強度が低いため、伝熱管の溝底の板厚を厚くするため、伝熱管の管内圧力損失が増加してしまう。管内圧力損失が小さいHC単一冷媒、又はHCを含む混合冷媒、R32、R410A、R407C、二酸化炭素のいずれかを用いると圧力損失を増加させずに、蒸発の管内伝熱性能を高めることができ、そのため、高効率の熱交換機を提供できる。
 なお、以下の説明において、室内側熱交換器2と室外側熱交換器3とを区別しないときは、熱交換器1と称する。
 図2は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器を示す図である。
 図2において、熱交換器1は、冷凍装置、空気調和装置等の蒸発器、凝縮器として広く利用されているフィンチューブ式の熱交換器である。図2(a)は熱交換器1を鉛直方向で切断したときの斜視図を示し、図2(b)は熱交換器1を側面側からみた断面の一部を示している。
 熱交換器1は、複数の熱交換器用のフィン10と伝熱管20とで構成している。所定の間隔で複数並べたフィン10に対して、各フィン10に設けた貫通穴を貫通するように、伝熱管20が設けられている。伝熱管20は冷凍サイクルにおける冷媒回路の一部となり、管内部を冷媒が流れる。伝熱管20内部を流れる冷媒と外部を流れる空気との熱をフィン10を介して伝えることで空気との接触面となる伝熱面積が拡がり、冷媒と空気との間の熱交換を効率よく行える。
 図3は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。図3(a)は室内側熱交換器2を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図、図3(b)は室外側熱交換器3を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図であり、いずれの図も隣り合う伝熱管の断面とその間のフィンを示している。
 図3(a)に示すように、室内側熱交換器2のフィン11は、伝熱性の良いアルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成されている。また、フィン11を貫通する伝熱管21は、伝熱性の良いアルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成されている。室内側熱交換器2の伝熱管21は、管内面に、所定のリード角Raを有するらせん溝22が複数形成されている。
 図3(b)に示すように、室外側熱交換器3のフィン12は、伝熱性の良いアルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成されている。また、フィン12を貫通する伝熱管23は、伝熱性の良いアルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成されている。室外側熱交換器3の伝熱管23は、管内面に、管軸方向に対して略平行なストレート溝24が複数形成されている。
 ここで、室内側熱交換器2と室外側熱交換器3の伝熱管に同じ種類の伝熱管を用いた場合と、本実施の形態における伝熱管21および23を用いた場合とにおける暖房性能および冷房性能を比較して説明する。
 図4は、室内側熱交換器と室外側熱交換器とに複数の種類の伝熱管を組み合わせて用いた場合の暖房成績係数(COP)比を示す図である。
 図4に示すように、室内機及び室外機の両方に、管内面にストレート溝を形成したアルミ製の伝熱管(アルミストレート溝付管)を用いると、室内機及び室外機の両方に、アルミ製のベア管(アルミベア)を用いた場合に比べ、熱交換器の熱交換率が向上し、暖房性能(暖房成績係数比)が向上する。また、室内機及び室外機の両方に、管内面にらせん溝を形成したアルミ製の伝熱管(アルミらせん溝付管)を用いると、室内機及び室外機の両方に、アルミベアやアルミストレート溝付管を用いた場合に比べ、熱交換器の熱交換率が向上し、暖房性能がさらに向上する。
 しかし、室内機及び室外機の両方にアルミらせん溝付管を用いた場合、室内機及び室外機の両方に、管内面にらせん溝を形成した銅製の伝熱管(銅らせん溝付管)を用いた場合に比べ、暖房性能が低下している。これは、銅材に比べてアルミニウムの強度が低く、伝熱管の溝底の板厚を厚くしなければならないので、室外側熱交換器3の管内蒸発の圧力損失が増加するからである。
 一方、本実施の形態のように、室内機の室内側熱交換器2の伝熱管21にらせん溝22を形成したアルミ製の伝熱管(アルミらせん溝付管)を用い、室外機の室外側熱交換器3の伝熱管23にストレート溝24を形成したアルミ製の伝熱管(アルミストレート溝付管)を用いた場合、室内機及び室外機の両方に銅らせん溝付管を用いた場合や、室内機及び室外機の両方にアルミらせん溝付管に比べ、暖房性能が向上している。
 これは、室外側熱交換器3の伝熱管23には、管内圧力損失が小さいストレート溝付管を用いることで、室外側熱交換器3の伝熱管23の溝を乗り越えて流れるような流れが発生し難くなり、管内圧力損失が増加せずに、熱交換率を向上させることができるからである。このように、本実施の形態の構成により、暖房効率を向上させることができ、高効率の空気調和機を得ることができる。
 図5は、室内側熱交換器と室外側熱交換器とに複数の種類の伝熱管を組み合わせて用いた場合の冷房成績係数(COP)比を示す図である。
 図5に示すように、室内機及び室外機の両方にアルミストレート溝付管を用いると、室内機及び室外機の両方にアルミベアを用いた場合に比べ、熱交換器の熱交換率が向上し、冷房性能(冷房成績係数比)が向上する。
 しかし、室内機及び室外機の両方にアルミストレート溝付管を用いた場合、室内機及び室外機の両方にアルミらせん溝付管を用いた場合に比べ、冷房性能が低下する。これは、冷媒流量が大きい冷房定格運転の場合、管内中心部の蒸気冷媒流速が速くなり、壁面近傍の液膜が剥がれ、室内側熱交換器2の管内熱伝達率が低下して、蒸発性能が低下するためである。
 また、室内機及び室外機の両方にアルミらせん溝付管を用いた場合、室内機及び室外機の両方に銅らせん溝付管を用いた場合に比べ、冷房性能が低下している。これは、銅材に比べてアルミニウムの強度が低く、伝熱管の溝底の板厚を厚くしなければならないので、室外側熱交換器3の管内の圧力損失が増加するからである。また、室外側熱交換器3は、室内側熱交換器2より大型であるため、伝熱管が長くなり、室外側熱交換器3の管内の圧力損失が増加するからである。
 一方、本実施の形態のように、室内機の室内側熱交換器2の伝熱管21にらせん溝22を形成したアルミ製の伝熱管(アルミらせん溝付管)を用い、室外機の室外側熱交換器3の伝熱管23にストレート溝24を形成したアルミ製の伝熱管(アルミストレート溝付管)を用いた場合、室内機及び室外機の両方に銅らせん溝付管を用いた場合や、室内機及び室外機の両方にアルミらせん溝付管に比べ、冷房性能が向上している。
 これは、室内側熱交換器2の伝熱管21には、熱伝達率が高いらせん溝付管を用いることで、冷媒流量が大きい冷房定格運転の場合に、管内中心部の蒸気冷媒流速が速くなっても、壁面近傍の液膜の剥がれが抑制され、室内側熱交換器2の管内熱伝達率の低下を抑制でき、蒸発性能の低下を抑制できるためである。
 また、室外側熱交換器3の伝熱管23には、管内圧力損失が小さいストレート溝付管を用いることで、室外側熱交換器3の伝熱管23の溝を乗り越えて流れるような流れが発生し難くなり、管内圧力損失が増加せずに、熱交換率を向上させることができるからである。このように、本実施の形態の構成により、冷房効率を向上させることができ、高効率の空気調和機を得ることができる。
 これにより、冷房および暖房の何れの運転においても、高効率の空気調和機を得ることができる。
 そして、本実施の形態の熱交換器は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管で接続し、作動流体として冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、蒸発器または凝縮器として使用され、成績係数(COP)の向上に寄与する。また、冷媒と空気との熱交換効率が向上する。したがって、期間エネルギ消費効率(APF)の改善が期待できる。
 なお、熱交換器の圧力損失を低減させるには、パス数を増加させることや、伝熱管の管径を大きくすることも考えられる。しかし、パス数の増加では熱交換器の製造コストが増加する。また、伝熱管の管径の増加では冷媒充填量の増加あるいは空気側性能低下につながる。そのため、室内側熱交換器2の伝熱管21と室外側熱交換器3の伝熱管23とに異なる種類の伝熱管を用いることによる効果のほうがより大きい効果が期待できる。
 次に、らせん溝22のリード角Raについて説明する。
 本実施の形態における室内側熱交換器2の伝熱管21のらせん溝22のリード角Raは、室外側熱交換器3の伝熱管23のストレート溝24のリード角より5度~30度大きく設定している。
 これは、室内側熱交換器2の伝熱管21のらせん溝22のリード角Raを5度以下にすると、熱交換率の低下が顕著になるからである。また、室内側熱交換器2の伝熱管21のらせん溝22のリード角Raを30度以上にすると、管内圧力損失の増加が顕著になるからである。以上のようにらせん溝22のリード角Raを設定することにより、室内側熱交換器2の管内伝熱性能をより向上させることができ、高効率の室内側熱交換器2を得ることができる。
 次に、らせん溝22およびストレート溝24の形状について説明する。
 なお、以下の説明において、らせん溝22とストレート溝24とを区別しないときは、溝26と称する。
 図6は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。図6の部分拡大図は図2(b)のA部分に対応している。
 本実施の形態における熱交換器1は、機械拡管方式(後述)により伝熱管20を拡管させることで、該伝熱管20とフィン10とが接合される。
 図6に示すように、伝熱管20の溝26間に形成された山25の山頂部は、拡管後の先端形状が台形であり、先端幅Wが0.20mm~0.35mmの範囲となるように設定している。
 これは、アルミニウムは銅に比べて変形抵抗が低く変形しやすくなり、山25の山頂部の潰れ及び倒れが大きくなるので、伝熱管20の拡管後の山頂部の先端幅Wを0.20mm以上にすることにより、溝26の山25の潰れ量及び溝26の山25の倒れを少なくすることができる。一方、先端幅Wが0.35mmを超えると、溝部断面積が小さくなり、溝26から冷媒液膜が溢れて山25の山頂部まで冷媒液膜に覆われてしまうため、熱伝達率が低下する。
 したがって、以上のような構成により、熱交換器1の伝熱管20とフィン10との密着性を改善して、高効率の熱交換器1を得ることができる。
 なお、上記の説明では、アルミらせん溝付管を用いた熱交換器を室内機に搭載した場合を説明したが、アルミらせん溝付管を用いた熱交換器とアルミストレート溝付管を用いた熱交換器とを室内機に搭載するようにしても良い。
 図7は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内側熱交換器の他の構成例を示す図である。
 図7において、室内側熱交換器2は、第1室内側熱交換器2aと第2室内側熱交換器2bとにより構成され、伝熱管21により接続されている。この第1室内側熱交換器2a及び第2室内側熱交換器2bのフィン11及び伝熱管21は、伝熱性の良いアルミまたはアルミ合金等の金属材料から構成されている。
 第1室内側熱交換器2aは伝熱管21の管内面に管軸方向に対して略平行なストレート溝24が形成されている。第2室内側熱交換器2bは伝熱管21の管内面に所定のリード角Raを有するらせん溝22が形成されている。また、第1室内側熱交換器2aを通過する伝熱管21の長さと、第2室内側熱交換器2bを通過する伝熱管21の長さは、例えば略同じ長さに設定されている。そして、室内側熱交換器2を蒸発器として用いる場合、冷媒が第1室内側熱交換器2aを流出した後、第2室内側熱交換器2bに流入するように冷媒流路が接続されている。
 即ち、第1室内側熱交換器2a及び第2室内側熱交換器2bを貫通する伝熱管21の全長において、冷房入口から略半分の長さはストレート溝で、冷房出口から略半分の長さはらせん溝が形成されている。
 これにより、第1室内側熱交換器2aではストレート溝24により管内圧力損失が増加せずに、管内中心部の蒸気冷媒流速が速くなる。また、第2室内側熱交換器2bのらせん溝22により、壁面近傍の液膜の剥がれが抑制され、蒸発性能の低下を防止する。よって、室内側熱交換器2の管内伝熱性能をより向上させることができ、高効率の熱交換器を得ることができる。
実施の形態2.
 図8は、実施の形態2に係る室外側熱交換器の伝熱管の管内面の形状を示す図である。図8(a)は拡管前の状態を表し、図8(b)は拡管後の状態を表す。なお、図8の部分拡大図は図2(b)のA部分に対応している。
 本実施の形態における室外側熱交換器3の伝熱管23の管内面は、溝形成により溝部28と山部27とを有している。そして、山部27は、高い山27Aと低い山27Bとの2種類の山により構成している。ここで、高い山27Aは、拡管前に山頂部が平面で形成された台形形状で、拡管後も山頂部が平面で形成された台形形状である。低い山27Bは山頂部の先端形状が曲面形状(R1)である。また、低い山27Bの高さは、拡管後の高い山27Aの高さより低く形成されている。
 なお、室内側熱交換器2の構成は上記実施の形態1と同様である。
 ここで、機械拡管方式による拡管について説明する。
 図9は、機械拡管方式による拡管の状況を示す図である。熱交換器1は、まず、長手方向の中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工し、伝熱管23となる複数のヘアピン管を製作する。フィン12の貫通穴に、ヘアピン管を通過させた後、機械拡管方式によりヘアピン管を拡管して、伝熱管23をフィン12と密着させ、接合する。機械拡管方式とは、伝熱管23の内径よりやや直径の大きな拡管玉30を先端に有するロッド31を、伝熱管23の管内部に通し、伝熱管23の外径を拡げることで、フィン12と密着させる方法である。
 機械拡管方式により拡管する際、拡管玉30が接触することで、高い山27Aは山頂部分が潰されて、平坦となって山の高さが低くなる。一方、低い山27Bは、潰される高さよりも山頂部分が低いため、変形が無い。そして、従来のように、管内のすべての山部に拡管玉30挿入の圧力が加わるのではなく、高い山27Aの部分に圧力が加わって拡管を行うため、伝熱管の外面は多角形に加工されることになる。そして、伝熱管のスプリングバックを抑えることができる。これにより、伝熱管23とフィン12との密着性が改善し、熱交換に係る効率を高めることができる。
 図10は、高い山の条数と熱交換率との関係を示す図である。
 本実施の形態における伝熱管23の管内面には、高い山27Aが12条以上18条以下の範囲の条数で形成されている。また、低い山27Bが、高い山27Aと高い山27Aとの間に3条以上6条以下の範囲の条数で形成されている。
 このように、室外側熱交換器3において、伝熱管23の高い山27Aを12条~18条の範囲に設定したのは、拡管する際、拡管玉30が高い山27Aに接触し、山頂部分が潰され、平坦となって山の高さが低くなるが、伝熱管23の高い山27Aの条数を12より小さくすると、低い山27Bの山頂部分も潰されて平坦となり、図10に示すように、管内伝熱性能が低下するからである。また、高い山の条数を18より大きくすると、低い山27Bの条数が減り、管内伝熱性能が低下するからである。
 以上のように本実施の形態においては、室外側熱交換器3の伝熱管23は、ストレート溝24の溝間に形成された山部27が、12条以上18条以下の範囲の条数で形成された高い山27Aと、高い山27Aの間に3条以上6条以下の範囲の条数で形成された低い山27Bとにより構成され、低い山27Bの高さが、拡管後の高い山27Aより低く形成されている。このため、管内圧力損失が増加せずに、熱交換率を向上させることができ、高効率の空気調和機を得ることができる。
 本発明は、空気調和機に限定することなく、例えば、冷凍装置、ヒートポンプ装置等、冷媒回路を構成し、蒸発器、凝縮器となる熱交換器を有する他の冷凍サイクル装置にも適用することができる。
 1 熱交換器、2 室内側熱交換器、3 室外側熱交換器、5 圧縮機、7 膨張弁、8 四方弁、10 フィン、11 フィン、12 フィン、20 伝熱管、21 伝熱管、22 らせん溝、23 伝熱管、24 ストレート溝、25 山、26 溝、27 山部、27A 高い山、27B 低い山、28 溝部、30 拡管玉、31 ロッド。

Claims (6)

  1.  アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した複数の伝熱管を、複数のフィンに挿通させてなる室外側熱交換器を搭載した室外機と、
     アルミまたはアルミ合金等の金属材料により形成した複数の伝熱管を、複数のフィンに挿通させてなる室内側熱交換器を搭載した室内機と
    を備え、
     前記室外側熱交換器の伝熱管は、管内面に、管軸方向に対して略平行なストレート溝が複数形成され、
     前記室内側熱交換器の伝熱管は、管内面に、所定のリード角を有するらせん溝が複数形成された
    ことを特徴とする空気調和機。
  2.  前記室内側熱交換器の伝熱管の前記らせん溝のリード角は、
     前記室外側熱交換器の伝熱管の前記ストレート溝のリード角より5度~30度大きい
    ことを特徴とする請求項1記載の空気調和機。
  3.  前記室内側熱交換器および前記室外側熱交換器は、機械拡管方式により前記伝熱管が拡管されることで、該伝熱管と前記フィンとが接合され、
     前記らせん溝および前記ストレート溝は、溝間に形成された山の山頂部の、拡管後の先端形状が台形であり、先端幅が0.20mm~0.35mmである
    ことを特徴とする請求項1または2記載の空気調和機。
  4.  前記室外側熱交換器は、機械拡管方式により前記伝熱管が拡管されることで、該伝熱管と前記フィンとが接合され、
     前記室外側熱交換器の伝熱管は、
     前記ストレート溝の溝間に形成された山が、12条以上18条以下の範囲の条数で形成された高い山と、該高い山の間に3条以上6条以下の範囲の条数で形成された低い山とにより構成され、
     前記低い山の高さが、拡管後の前記高い山より低い
    ことを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載の空気調和機。
  5.  圧縮機、前記室外側熱交換器、膨張手段、および前記室内側熱交換器を冷媒配管で接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、
     前記室内側熱交換器は、
     伝熱管の管内面に管軸方向に対して略平行なストレート溝が形成された第1室内側熱交換器と、
     伝熱管の管内面に所定のリード角を有するらせん溝が形成された第2室内側熱交換器とを備え、
     前記室内側熱交換器を蒸発器として用いる場合、前記冷媒が前記第1室内側熱交換器を流出した後、前記第2室内側熱交換器に流入する
    ことを特徴とする請求項1~4の何れか一項に記載の空気調和機。
  6.  冷媒としてHC単一冷媒、またはHCを含む混合冷媒、R32、R410A、R407C、二酸化炭素のいずれかを用いる
    ことを特徴とする請求項1~5の何れか一項に記載の空気調和機。
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