JP2001066017A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数流路の熱交換器において、凝縮器として作
用する場合の温度効率低下と、冷媒溜りによる各流路間
の冷媒流量のアンバランスによる交換熱量の低下、蒸発
器として作用する場合の冷媒の圧力損失のアンバランス
による冷媒分配不適正による交換熱量の低下を防止す
る。 【解決手段】伝熱管と伝熱管に直行するフィンにより構
成され、伝熱管の段数、列数、冷媒流路数がいずれも複
数の熱交換器において、凝縮器として作用する時に冷媒
が流入する伝熱管を風下側列で互いに隣接する伝熱管と
し、各流路での冷媒が流出する伝熱管を各流路内風上側
列で最下段とする。あるいは前記熱交換器において、凝
縮器として作用する時に流入後上段へ向かう流路の風下
側列の伝熱管本数が、風上側列の伝熱管本数より少な
く、凝縮時に流入後下段へ向かう流路の風下側の伝熱管
本数が風上側の伝熱管本数より多くする

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機に係
り、特に室外機内の熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】空気調和機は、省エネルギー化が叫ば
れ、同じ電気入力に対する能力（熱交換器の熱交換量）
を増大させる必要がある。従って、近年、電熱管やフィ
ンについては様々な改良が検討されているが、冷凍サイ
クルシステムとして熱交換性能を改良するには、更に検
討する必要がある。特に熱交換性能の損失となる冷媒液
の溜りや圧力損失による冷媒流量のアンバランスを改善
する必要がある。冷凍サイクル内の冷媒液溜りは、蒸発
すべき冷媒の不足によって冷却性能が低下するという問
題がある。

【０００３】従来の熱交換器は、伝熱管と前記伝熱管に
直行するフィンにより構成され、伝熱管の段数、列数、
冷媒流路数がいずれも複数の熱交換器となっている。例
えば「ＨＣＦＣ代替冷媒国際シンポジウム’９６」梗概
集Ｐ２９（日本冷凍空調工業会編）に記載されているよ
うに、凝縮器として作用する時に各流路に冷媒が流入す
る伝熱管は互いに隣接しない位置に設けられていた。あ
るいは凝縮時に冷媒が流出する伝熱管は、各流路の最下
段に設けられていないものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術では、凝
縮時は熱交換器の温度効率の低下と、冷媒溜りによる各
流路間の冷媒分配不適正による交換熱量の低下、蒸発時
の冷媒の圧力損失のアンバランスによる冷媒分配不適正
による交換熱量の低下が問題である。

【０００５】従来の熱交換器の問題点を詳説する。凝縮
時は高温の冷媒ガスが流入し、飽和域になり、さらに過
冷却される。このため一方の冷媒流路の冷媒入口部（高
温部）が他方の冷媒流路の飽和域部（中温部）と隣接し
ていると、一方の冷媒流路の飽和域周囲のフィンが熱伝
導により他方の冷媒流路の高温部周囲のフィン温度が低
下し、高温域で熱交換を行なう空気との温度差が小さく
なり、交換熱量が低下してしまうという問題がある。

【０００６】また凝縮が進行し、冷媒の乾き度が減少す
るほど、あるいは過冷却度が大きくなるほど冷媒の液密
度が大きくなるが、各流路での凝縮時の出口が最下段に
ない、すなわち出口部に至るまでの冷媒流路方向が、一
方の流路の出口付近で下段から上段へ冷媒が立上る流
れ、即ちヘアピンカーブ状になった形態では、冷媒自身
の重量によって液冷媒がヘアピンカーブ部分に溜まって
しまい、他の流路より冷媒流量が低下し、交換熱量が低
下するという問題がある。

【０００７】また、空気調和機をヒートポンプによる暖
房運転を行った場合、冷媒の流路方向が反転し、室外側
熱交換器が蒸発器として作用した時は、各流路の冷媒流
出部（凝縮時の冷媒入口部分）の伝熱管が互いに隣接し
ていないので、冷媒出口部分から他の流路との冷媒合流
部までの配管長が異なる。蒸発器での冷媒出口部付近の
冷媒は高乾き度あるいは過熱ガスのため体積流量が大き
く圧力損失が大きい。このため、各流路出口配管長さが
異なると、各流路間の冷媒流量がアンバランスとなり、
交換熱量が低下するという問題がある。

【０００８】更に、近年、オゾン層を破壊しない冷媒と
して用いられているＲ４１０Ａは、従来冷媒Ｒ２２より
液密度が大きく体積流量が小さいため、従来の熱交換器
では液溜り現象は、顕著に現れるという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、冷媒不足による熱交換性
能低下を防止した空気調和機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、風の進行方
向にフィンを複数配置し、これらのフィンに複数列の伝
熱管を組合せ、この伝熱管に冷媒を導入するための分流
器を複数設けた熱交換器を備えた空気調和機において、
前記フィンの風下側中央部に設けられた第１の分流器
と、風上側フィン列の下段に設けられた第２の分流器と
を備え、この第２の分流器は、前記風上側フィン列の下
段と中央部の伝熱管に接続されてなる熱交換器を備える
ことにより達成される。

【００１１】また、凝縮時の前記伝熱管に冷媒が流入さ
れ上段へ向かう流路の風下側フィン列の伝熱管本数が、
風上側フィン列の伝熱管本数より少なく、下段へ向かう
流路の風下側の伝熱管本数が風上側の伝熱管本数より多
い熱交換器を備えることにより達成される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図１および図２
を用いて説明する。図２において、１は圧縮機、２は四
方弁、３は室外熱交換器、１１は減圧機構としての膨張
弁、１２は室内熱交換器、１０は室外送風ファン、１３
は室内送風ファンである。図１において、４は風上側フ
ィン、５は風下側フィンで両フィンは熱的に分離してい
る、７ａ〜７ｐは風下側伝熱管、８ａ〜８ｐは風上側伝
熱管、６は第一の分流器、９は第二の分流器である。室
外送風ファン１０により空気は図中右から左側に流れ
る。各伝熱管は図１に示すように接続されている。

【００１３】すなわち凝縮時の冷媒は第一の分流器６で
分流され、一方の流路は伝熱管７ｈから流入し、上方の
伝熱管７ｇ、７ｆ…７aに流れ、風上側の８ａに入り、
８ｂ、８ｃ…８ｇに流れ、最下段の８ｈから流出する。
他方の流路は伝熱管７ｉ、７ｊ…７ｐに流れ、風上側の
８ｉに入り、８ｊ、８ｋ…８ｏに流れ、最下段の８ｐか
ら流出するように構成されている。冷媒にはＲ４１０Ａ
が使用されている。

【００１４】以上のように構成された室外熱交換器３と
空気調和装置の動作を図２で説明する。まず室外熱交換
器３が凝縮器として作用する冷房時の動作について説明
する。圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、四
方弁２を通り、室外熱交換器３に流入し室外送風ファン
１０により送風される空気に放熱して凝縮し、膨張弁１
１で低温低圧に減圧され、室内熱交換器１２で室内送風
ファン１３により送風される空気から吸熱して蒸発し、
四方弁２を通り再び圧縮機１に戻る。この時、室外熱交
換器３で四方弁２から流入した冷媒は、第一の分流器６
で２つの流路に分流する。一方の流路は伝熱管７ｈから
流入し、凝縮しながら上方の伝熱管７ｇ、７ｆ…７ａに
流れ、風上側の８ａに入り、８ｂ、８ｃ…８ｇに流れ、
最下段の８ｈから流出する。他方の流路流路は、凝縮し
ながら伝熱管７ｉ、７ｊ…７ｐに流れ、風上側でこの流
路では風上側最上段である８ｉに入り、８ｊ、８ｋ…８
ｐに流れ、最下段の８ｐから流出する。凝縮が進行する
ほど冷媒の液成分が増加するが、出口付近の冷媒の段ご
との流れ方向は鉛直下方向で、出口部は各々の流路の風
上側最下段となっているので、液冷媒の自重が流路抵抗
になって冷媒が滞留することが無い。

【００１５】これにより、一方の流路の冷媒溜りによる
熱交換量の低下を防ぐことができる。また流入部の伝熱
管７ｈと７ｉは互いに隣接する伝熱管であり、飽和域の
伝熱管と熱的に接近していないので、飽和域周囲のフィ
ンが、高温である流入部の周囲のフィン温度を熱伝導に
より低下させることがなく、高温部でのフィンと空気の
温度差を確保でき、フィン温度低下による熱交換量低下
を防止できる。

【００１６】さらに各々の流路入口は風下側列、流路出
口が風上側列に配置しているので、列毎の冷媒の流れ方
向が熱交換を行なう空気の流れ方向に対して対向流とな
っているため熱交換効率が良い。対向流の熱交換効率が
良いのは、対向流は風上側で熱交換をして温度が上昇し
た空気が風下側に流入しても、高温域である冷媒入口部
が風下側となるので、どちらの列でも空気との温度差が
確保できるので、温度効率が向上するからである。

【００１７】次に室外熱交換器３が蒸発器として作用す
る暖房時の動作について説明する。暖房時は四方弁２が
切り換り、室内熱交換器１２が凝縮器、室外熱交換器３
が蒸発器として作用する。室外熱交換器３には膨張弁１
１で低温低圧に減圧された冷媒が第二の分流器９で分岐
され、一方の流路は風上側の伝熱管８ｈから流入し、室
外送風ファン１０に送風される空気から吸熱して蒸発し
ながら上方の伝熱管８ｇ、８ｆ…８ａに流れ、風下側の
７ａに入り、７ｂ、７ｃ…７ｇに流れ、最下段の７ｈか
ら流出する。他方の流路流路は蒸発しながら伝熱管８
ｐ、８ｏ…８ｉに流れ、風下側の７ｐに入り、７ｏ、７
ｈ…７ｊに流れ、７ｉから流出する。伝熱管７ｉは７ｈ
と隣接している。そして両流路の冷媒は第１の分流器６
で合流し、室外熱交換器３から流出する。

【００１８】このとき各々の流路出口である伝熱管７ｈ
と７ｉは互いに隣接する伝熱管であるので、伝熱管７
ｈ、７ｉから第１の分流器６までの配管は同一長さでか
つ両伝熱管が隣接しない場合より短くできる。蒸発器出
口付近での冷媒は高乾き度あるいは過熱ガスであるの
で、体積流量が大きく配管内での圧力損失が大きいが、
本実施例ではこの部分の配管を短くかつ同一の長さにで
きるので、両流路間の圧力損失差がなく、圧力損失差に
より生じる冷媒流量のアンバランスがなく、アンバラン
スによる熱交換量の低下を防ぐことができる。

【００１９】次に本発明の第二の実施例について図３を
用いて説明する。図３は室外熱交換器である。前実施例
とは熱交換器の段数と流路形態が異なる。

【００２０】図３において、１４は風下側フィン、１５
は風上側フィン、１６ａ〜１６ｚは風下側伝熱管、１７
ａ〜１７ｚは風上側伝熱管である。１８は第３の分流
器、１９は第４の分流器、２０は第５の分流器、２１は
第６の分流器、２２は第７の分流器、２３は第８の分流
器である。凝縮時は第３の分流器１８で２つの流路に別
れ、そして各々の流路が第４の分流器１９および第５の
分流器２０でさらに２つの流路に別れる。例えば第４の
分流器１９で分流した流路は、一方は風下側の伝熱管１
６ｄから流入し、１６ｃ、１６ｂ、１６ａを通り、風上
側に移動し、１７ａ、１７ｂ…１７ｅを通り、その流路
では最下段の１７ｆから流出する。他方の流路では風下
側で１６ｄに隣接する伝熱管１６ｅから流入し、１６
ｆ、１６ｇ…１６ｊを通り、風上側で本流路内では最上
段の１７ｇに移動し、１７ｈ、１７ｉを通り、その流路
では最下段の１７ｊから流出する。第５の分流器２０で
分流した流路も同様の形態となっており、各々の流路は
第６の分流器２１あるいは第７の分流器２２で合流後、
各流路最下段の伝熱管１７ｚあるいは１６ｚから流出す
る。すなわち凝縮時に第４の分流器１９あるいは第５の
分流器２０で分流した流路は、いずれも風下側から流入
し、流入後上段へ向かう流路（１６ｄ、１６ｃ…、ある
いは１６ｎ、１６ｍ…）である風下側列の伝熱管本数
が、風上側列の伝熱管本数より少なく、凝縮時に流入後
下段へ向かう流路（１６ｅ、１６ｆ…、あるいは１６
ｏ、１６ｐ）である風下側の伝熱管本数が風上側の伝熱
管本数より多い。

【００２１】これにより前実施例と同様、本熱交換器は
凝縮器として用いた場合、凝縮が進行するほど冷媒の液
成分が増加する凝縮器でも、出口付近の冷媒の段ごとの
流れ方向は鉛直下方向で、出口部は各々の流路の風上に
最下段となっているので、液冷媒の自重が流路抵抗にな
って冷媒が滞留することが無い。これにより一方の流路
の冷媒溜りによる熱交換量の低下を防ぐことができる。
また流入部の伝熱管１６ｄと１６ｅ、あるいは１６ｎと
１６ｏは互いに隣接する伝熱管であり、飽和域の伝熱管
と熱的に接近していないので、飽和域周囲のフィンが高
温である流入部のフィンを介して温度が上昇することが
無く、フィンと空気の温度差を確保でき、前実施例同様
フィン温度上昇による熱交換量低下を防止できる。

【００２２】また蒸発時は第８の分流器２３で２つの流
路に分流され、各々の流路は第６の分流器２１あるい
は、第７の分流器２２でさらに２つの流路に分流され
る。ここで分流された流路は、いずれも各々の流路出口
である伝熱管１６ｄと１６ｅ、あるいは１６ｎと１６ｏ
は互いに隣接する伝熱管であるので、伝熱管１６ｄ、１
６ｅから第４の分流器１９までの配管、および伝熱管１
６ｎ、１６ｏから第５の分流器２０までは同一長さにで
きる。さらに第４の分流器１９、第５の分流器２０から
第３の分流器１８間の配管もほぼ同一長さにできる。

【００２３】蒸発器出口での冷媒は高乾き度あるいは過
熱ガスであるので、体積流量が大きく配管内での圧力損
失が大きいが、本実施例ではこの部分の配管をほぼ同一
の長さにできるので、両流路間の圧力損失差が小さい、
すなわち両流路間の圧力損失差が小さいので、圧力損失
差により生じる冷媒流量のアンバランスが小さく、アン
バランスによる熱交換量の低下を低減できる。

【００２４】また第６の分流器２１で分流され、伝熱管
１７ｆから流入し、風下側では１６ｂ、１６ｃと下段方
向に流れ、１６ｄから流出する流路の風上側の伝熱管本
数（６本：１７ａ〜１７ｆ）が風下側の伝熱管本数（４
本：１６ａ〜１６ｄ）より多く、同時に第６の分流器２
１で分流され、伝熱管１７ｊから流入し、風下側では１
６ｆ、１６ｅと上段方向に流れて流出する流路の風上側
の伝熱管本数（４本：１７ｊ〜１７ｇ）が風下側の伝熱
管本数（６本：１６ｊ〜１６ｅ）より少ないので、後者
流路の風上側と風下側間（１７ｇと１６ｊ間）の配管
を、流路出口付近ではない位置で、かつ長さを本流路の
風上側と風下側の伝熱管本数が同じ場合より短くするこ
とができる。

【００２５】前述したように蒸発器の流路後半では乾き
度が大きい、あるいは過熱ガス域のため体積流量が大き
いため圧力損失が大きいが、本実施例では後者流路の風
上側と風下側間（１７ｇと１６ｊ間）の配管がこの状態
域とならず、この部分での冷媒の圧力損失を最小限に抑
えられる。よって両流路間の圧力損失差が無い。すなわ
ち両流路間の圧力損失差がないので、圧力損失差により
生じる冷媒流量のアンバランスがなく、アンバランスに
よる熱交換量の低下を防ぐことができる。

【００２６】以上のように、室外熱交換器を凝縮器とし
て用いた場合、液冷媒の自重の流動抵抗により冷媒が伝
熱管内に滞留し、熱交換量が低下することを防ぐことが
できる。また高温域の伝熱管と飽和域の伝熱管が熱的に
接近していないので、飽和域周囲のフィンが高温の流入
部フィンにより温度上昇させられることによる熱交換量
の低下を防止できる。さらに冷媒の流れ方向が反転する
蒸発器として用いた場合、両流路の出口が隣接している
ので、両流路の混合部までの配管を短く、かつ同一長さ
にできるので、両流路間で同等の圧力損失にでき、冷媒
流量のアンバランスによる交換熱量低下を防止できる。

【００２７】また、凝縮器として作用する時に、流入後
上段へ向かう流路の風下側列の伝熱管本数が、風上側列
の伝熱管本数より少なく、凝縮時に流入後下段へ向かう
流路の風下側の伝熱管本数が風上側の伝熱管本数より多
いので、冷媒流れ方向が反転する蒸発器として作用する
場合に、下段の流路で風上側から風下側への配管長さを
短くできるので、両流路間で同等の圧力損失にでき、流
路管の冷媒流量のアンバランスによる交換熱量低下を防
止できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、冷媒溜りがなく、熱交
換性能を向上できる空気調和機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の室外熱交換器の説明図

【図２】本発明の第一実施例の空気調和装置の説明図

【図３】本発明の第二実施例の室外熱交換器の説明図

【符号の説明】

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…風上
側列フィン、５…風下側列フィン、６…第一の分流器、
７ａ〜７ｐ…風下側列伝熱管、８ａ〜８ｐ…風上側列伝
熱管、９…第二の分流器、１０…室外送風ファン、１１
…膨張弁、１２…室内熱交換器、１３…室内送風ファ
ン、１４…風下側列フィン、１５風上側列フィン、１６
ａ〜１６ｚ…風下側列伝熱管、１７ａ〜１７ｚ…風上側
列伝熱管、１８…第３の分配器、１９…第４の分配器、
２０…第５の分配器、２１…第６の分配器、２２…第７
の分配器、２３…第８の分配器。

フロントページの続き (72)発明者 中村 啓夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 森本 素生 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 高久 昭二 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】風の進行方向にフィンを複数配置し、これ
   らのフィンに複数列の伝熱管を組合せ、この伝熱管に冷
   媒を導入するための分流器を複数設けた熱交換器を備え
   た空気調和機において、前記フィンの風下側中央部に設
   けられた第１の分流器と、風上側フィン列の下段に設け
   られた第２の分流器とを備え、この第２の分流器は、前
   記風上側フィン列の下段と中央部の伝熱管に接続されて
   なる熱交換器を備えた空気調和機。
2. 【請求項２】請求項１記載の空気調和機において、凝縮
   時の前記伝熱管に冷媒が流入され上段へ向かう流路の風
   下側フィン列の伝熱管本数が、風上側フィン列の伝熱管
   本数より少なく、下段へ向かう流路の風下側の伝熱管本
   数が風上側の伝熱管本数より多い熱交換器を備えた空気
   調和機。