JP2002115993A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱交換器内を流れる冷媒のパス本数を、加熱器
と冷却器の両方で共通化し固定していた。そのため、ど
ちらかの条件の性能で設計した場合は最適なパス本数と
は異なっていた。 【解決手段】少なくとも１つの駆動部４０３によって摺
動する弁棒４０１を有する弁体４を熱交換器に備えるこ
とにより、冷却器と加熱器によりパス本数を最適な条件
に切り替え、パス本数を可変する弁体を備えることによ
り、冷却器として作用させる場合にも、また、加熱器と
して作用させる場合の両方に熱交換器の性能を最大限活
かすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば家庭用の冷
房暖房兼用ルームエアコン等の空気調和機用熱交換器に
おける伝熱管内冷媒の流し方の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のクロスフィンチューブ形熱交換器
はヒートポンプ等、管内冷媒の蒸発作用時（冷却器）と
管内冷媒の凝縮作用時（加熱器）の冷媒パス本数を共通
化し、熱交換器構造の簡素化を図っていた。この例とし
て、多くの場合は複数の銅製伝熱管へ、予め曲げ加工を
行った銅配管をロウ付けにすることにより冷媒の流通経
路（パス本数）を固定し冷却器，加熱器の両条件で使用
していた。

【０００３】また、特開平５−２６４１１１号公報に記
載の技術では、凝縮熱交換器（加熱器）の放熱能力を可
変させるため、加熱器内の伝熱管の上流と下流の両方に
電動弁を設ける。そして、冷媒が流れる有効な伝熱管本
数を個々の電動弁の開閉を行い伝熱管本数を切り替える
構造である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これまでの従来技術で
は、冷媒のパス本数が冷却器，凝縮器の両方で同一であ
るため、冷却器の性能を重視して設計した場合には、フ
ロン等の蒸発する冷媒の流動抵抗低減のためパス本数が
比較的多くなる。そのため、これを凝縮器として働かせ
る場合には、冷媒が流動する管内断面積が大きく、流速
が小さくなるため強制対流分の熱伝達率が低い。またこ
の逆に、加熱器の性能を重視して設計した場合には、パ
ス本数が比較的少なくなる。そのため、冷却器として働
かせる場合には冷媒の流動抵抗が大きく性能低下が著し
い問題があった。

【０００５】前述の特開平５−２６４１１１号公報に記
載の技術は、熱交換器を凝縮器（加熱器）に限り能力の
制御に用いる目的のものである。しかしながら、容量制
御のため電動弁を切り替えることにより、冷媒側伝熱面
積と共に、有効な空気側伝熱面積も増減してしまう。ま
た、冷媒の流れる伝熱管本数を個々の電動弁によって切
り替えるため、多くの電動弁が必要となり構造が複雑に
なる問題がある。

【０００６】以上のように、上記従来技術は、放熱量を
制御するためのものであり、本発明のように冷却器や加
熱器の両方の性能向上のため熱交換器能力を最大限に活
かすという目的とは異なる。

【０００７】そこで、本発明の目的によれば、冷媒の蒸
発作用により冷却器とした場合と、冷媒の凝縮作用によ
り加熱器とした場合の同一の熱交換器の各条件における
最適な冷媒のパス本数を簡便な弁構造で切り替える熱交
換器を提供できる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る空気調和機は、所定間隔をおいて複数
枚併設したフィンに、伝熱管を挿通設置し、フィン間に
空気を、伝熱管内に冷媒を流して熱交換させるクロスフ
ィンチューブ形の熱交換器で、同一熱交換器を管内の冷
媒の蒸発作用により冷却器，管内の冷媒の凝縮作用によ
り加熱器として作用させる熱交換器において、冷媒のパ
ス本数を可変できる弁体を備えるものである。

【０００９】また、前記弁体は断面が円筒または矩形形
状で外周部より貫通穴と外周部に溝を備え、少なくとも
１つの駆動部を有するものである。

【００１０】さらに、前記弁体と弁体を内部に格納する
ケーシングとの位置関係により冷媒が流動する開口部が
異なるものである。

【００１１】さらに、ケーシングに対して弁体が回転摺
動または、直線摺動することにより開口部を変えるもの
である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して詳細に説明する。

【００１３】図１は、係る空気調和機用クロスフィンチ
ューブ形熱交換器の図である。熱交換器本体部１は、所
定の間隔をおいて複数枚併設されたアルミフィン２に、
所定の段ピッチ間隔で伝熱管３がヘアピン３２と称され
る１８０度曲げ加工を施し、フィンカラー部２１内に挿
入される、そして、管内を機械拡管または液圧拡管し、
個々のフィンのフィンカラー部２１と伝熱管外表面３１
が熱的また機械的に接触する。

【００１４】フィン２間に空気を流し、伝熱管３内に空
気よりも低温または高温のフロン等の相変化を利用でき
る冷媒を流すことにより空気と冷媒間で熱交換ができ
る。

【００１５】冷媒が蒸発作用の場合は空気から冷媒が吸
熱し冷媒が低温のため空気温度を下げる。また、冷媒が
凝縮作用の場合は冷媒から空気へ放熱し冷媒が高温のた
め空気温度を高めることができる。

【００１６】熱交換器本体１のヘアピン側の他方には、
本発明の特徴的なパス切り替えのための弁体４を備え
る。弁体４には、弁棒４０１と弁棒を包み込むケーシン
グ402,パルスモータ等の駆動部４０３と弁棒と駆動部を
連結するシャフト４０４を備える。ケーシング４０２内
を弁棒４０１が軸方向を中心として回転摺動し冷媒の流
れ方を制御する。ケーシング４０２の内面４０２ａには
回転摺動を妨げないよう摩擦係数が小さく、また摺動部
の機密性を保つために耐冷媒性に優れた材料を設けてい
ることが望ましい。

【００１７】なお図１には、冷却器の場合には２パス、
加熱器の場合には１パスになる構成で示す。

【００１８】ケーシング４０２には外周から弁体へ４箇
所の冷媒の入口４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ，４０５
ｄと４箇所の出口４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，４０
６ｄの開口部を軸対象位置に備える。冷媒の入口部及び
出口部には、１箇所の入口を２本に分岐させる分岐部４
０７ａ、他方に合流部４０７ｂを設ける。

【００１９】弁棒４０１には、外周方向から貫通穴４０
８ａ，４０８ｂ,４０８ｃ,４０８ｄと冷媒出口部の４０
６ｂと４０６ｃを連通できる溝４０９が彫り込まれてお
り、同貫通穴と溝内に冷媒を流すことができる。なお、
ケーシングの開口部４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，４
０６ｄと熱交換器本体の各伝熱管とを接続管４１０ａ，
４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄにより繋ぐ。この弁棒に
設けた貫通穴４０８，連通溝４０９とケーシング開口部
の冷媒入口４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ，４０５ｄと
冷媒出口４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，４０６ｄとの
相対位置を変えることにより熱交換器の冷媒パス本数を
任意に切り替えることができる。

【００２０】次に、図２（ａ)，(ｂ）を用いて冷媒のパ
スの切り替え方法を説明する。

【００２１】図２（ａ）において冷媒は、１パスで流れ
る場合を示し、図２（ｂ）は２パスで流れる場合を示
す。冷媒入口の分岐部から、入口開口部４０５ａを経て
弁体４内部に流入し、弁棒４０１内の貫通穴４０８ａを
通り出口部開口部４０６ａから弁体の外部に流出する。
そして、熱交換器本体１内の伝熱管３により連通する弁
体開口部４０６ｃに導かれ、再び弁棒４０１内の連通溝
部４０９を流れる。次に、開口部４０６ｂから４０６ｄ
を経て弁体貫通穴４０８ｄから、冷媒合流部に至る順路
で流れる。

【００２２】図２（ｂ）において冷媒は、４０５ｃ，４
０５ｄの２本に分岐する。そして、熱交換器１内を２パ
スで流れ、４０５ａ，４０５ｂから流出して合流部で１
本に合流する。

【００２３】図２（ａ）と（ｂ）の各図において、上部
に（ａ）のＡ−Ａ，（ｂ）のＢ−Ｂ断面矢視図を示す。

【００２４】弁棒４０１に彫り込まれた貫通穴４０８と
連通溝４０９は、回転軸を中心として９０度交差する位
置に配置する。

【００２５】そして、ケーシング４０２に対して弁棒４
０１をパルスモータ等の駆動部403等により９０度回転
させるだけでパス本数の切り替えができる。さらに、順
次９０度の逆回転、または２７０度正回転させることに
より１パスと２パスの切り替えが容易にできる。

【００２６】なお、図２（ａ）と図２（ｂ）で冷媒の流
れ方向を変えて示しているのは、冷房暖房兼用のヒート
ポンプ式の空調機用熱交換器に本発明を適用した場合、
冷媒の流れ方向が逆になる様子を示している。この冷媒
の流れ方向が１パス，２パスの両方共に同一方向であっ
ても本発明の効果は達成される。

【００２７】また、図２では熱交換器本体１内の伝熱管
３を模式的に半円弧形状で示したが、これは１本のヘア
ピンに止まらず複数本のヘアピンを直列に構成しても本
発明の効果は達成され大型で伝熱管本数の多い熱交換器
に適用できる。

【００２８】図３は、図２に示した弁体４内の弁棒４０
１を斜視図で示す。軸方向に円筒形状であり外周部より
複数の貫通穴４０８と１つの連通溝４０９を備える。な
お、２つの貫通穴４０８ａと４０８ｄは、回転軸を中心
として９０度の交差角度で連通する。

【００２９】図４は、本発明の他の実施例を示す。図
１，図２の発明では、ケーシング402に対して弁棒４０
１が回転摺動することにより冷媒の開口部を変えて冷媒
の流れを制御したが、図４（ａ）においては、ケーシン
グ４０２′内で弁棒４０１′を軸方向に摺動させること
により目的を達成するもので、この場合直線移動用の駆
動部４０３′を有する。

【００３０】図４においては、弁棒４０１′を磁性材料
とし、ケーシング外周部４０２′の両端部より駆動部と
なる電磁石４０３′への通電箇所を適宜４０３′ａや40
3′bに切り替えることによって直線移動させる構成であ
る。

【００３１】なお、図４の直線移動型の摺動弁棒４０
１′の場合には円形断面である必要はなく矩形断面でも
良く、この場合摺動面の加工が容易になる。

【００３２】図５は、本発明を冷房暖房兼用の家庭用ル
ームエアコンの室内熱交換器に適用した場合を示す。図
５（ａ）では２パス、図５（ｂ）では４パスの場合のユ
ニット横断面で示す。ユニット５内に弁体を備えた熱交
換器１″と貫流ファン６を設ける。

【００３３】図６は、図５における家庭用ルームエアコ
ンの冷房能力２.８ｋＷ 機の室内熱交換器において、冷
媒パス本数を２から４まで変えた場合の風量一定の条件
における性能をエネルギ消費効率の割合の計算値で示
す。図の結果のように、図６（ａ）の冷房（冷却器）で
は４パスが最も性能が高く、図６（ｂ）の暖房（加熱
器）条件は２パスが最も性能低下が小さい。このよう
に、性能上最適なパス本数が異なる。従来は、この両方
の性能を勘案してパス本数を共通化して決定していた。
本発明によりパス本数を容易に切り替える、例えば図１
で示した構造の弁体２つを備えれば、冷房時図６（ａ）
の４パス，暖房時図６（ｂ）の２パスを同一の熱交換器
で実現でき、両方の条件で高性能化が図れる。

【００３４】また、家庭用ルームエアコンにおいては定
格能力時の半分の能力条件である中間能力時では、冷媒
循環量が定格能力時の約半分になる。そのため、冷媒の
流動抵抗による性能低下は定格能力時に比べて小さい。
そこで、中間能力時の冷却器の場合においても、比較的
少ないパス本数の方が性能向上する。以上のように、冷
却器，加熱器の切り替えのみならず、能力が変化する条
件においてもパス本数を切り替える弁体により熱交換器
として高性能化が図れる。

【００３５】図７は、冷房暖房兼用のヒートポンプ式空
気調和機用熱交換器において本発明を適用したサイクル
構成図を示す。

【００３６】図７（ａ）の冷房条件では、弁体４１″に
より室内熱交換器１０１″のパス本数を多めに、弁体４
２″により室外熱交換器１０２″のパス本数を少なめに
設定する。

【００３７】図７（ｂ）の暖房条件では、弁体４１″に
より室内熱交換器１０１″のパス本数を少なめに設定
し、反対に弁体４２″を用いて室外熱交換器１０２″の
パス本数を多めに設定する。このように、室内室外の両
方の熱交換器で同時にパス本数を最適な本数に可変する
ことにより、従来のようにパス本数を固定した熱交換器
よりも高性能化が実現できる。

【００３８】

【発明の効果】本発明のように、パス本数を可変する弁
体を備えることにより、冷却器として作用させる場合に
は、冷媒の流動抵抗が性能低下を生じないようパス本数
を多めに、また、加熱器として作用させる場合には、冷
媒の流動抵抗がそれほど性能低下を招かないため、冷媒
の流速と高めることにより伝熱管内の熱伝達率を高め
る。以上のように、両方条件において熱交換器の性能を
最大限活かすことができる。

【００３９】また、冷却器加熱器の切り替えに止まら
ず、定格能力時以外の例えば中間能力等の冷媒循環量が
減少する条件においてもパス本数を少なめに設定し、冷
媒流速を高め両方の条件で高性能化を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の弁体を備えた空気調和機用熱交換器の
図。

【図２】本発明の空気調和機用熱交換器のパス本数を切
り替えた図。

【図３】本発明の弁棒の斜視図。

【図４】本発明の他の実施例の弁体の図。

【図５】本発明を用いた空気調和機用室内熱交換器の横
断面図。

【図６】本発明の図６の効果を説明する図。

【図７】本発明の空気調和機用熱交換器を室内外熱交換
器の両方に用いたサイクル構成図。

【符号の説明】

１…熱交換器本体部、２…フィン、２１…フィンカラー
部、３…伝熱管、３１…伝熱管表面、４…弁体、４０１
…弁棒、４０２…ケーシング、４０３…駆動部、４０４
…シャフト、４０５…冷媒入口部、４０６…冷媒出口
部、４０７…冷媒合流分岐部、４０８…貫通穴、４０９
…連通溝、４１０…接続管、５…ユニット、６…貫流フ
ァン、７…圧縮機、８…四方弁、９…膨張弁。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定間隔をおいて複数枚併設したフィン
   に、伝熱管を挿通しフィン間に空気を、伝熱管内に冷媒
   を流して熱交換させるクロスフィンチューブ形であり、
   同一熱交換器を管内の冷媒の蒸発作用により冷却器とし
   て、また、管内の冷媒の凝縮作用により加熱器として作
   用させる熱交換器において、少なくとも１つの駆動部に
   より摺動し、冷媒のパス本数を可変できる弁体を備えた
   ことを特徴とする熱交換器の空気調和機。
2. 【請求項２】前記弁体は、断面が円筒または矩形形状で
   外周部より貫通穴と外周部で連通する溝を同一弁体に備
   えたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 【請求項３】前記弁体と、弁体を内部に格納するケーシ
   ングとの位置関係により冷媒が流動する開口部が異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
4. 【請求項４】前記ケーシングに対して弁体が回転摺動、
   または、直線摺動することにより開口部を変えることが
   できる請求項３に記載の空気調和機。