JP2004085031A - 空冷式熱交換器及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】夏場などで外気温度が高い場合、また冬季などで外気温度が低い場合に熱交換能力の向上を図れる空冷式熱交換器及び空気調和装置を提供する。
【解決手段】内部に流体が流通し外気と熱交換を行う複数の伝熱管１２と、伝熱管１２に対して交差して配置されたフィン１１とを備え、伝熱管１２により一連の流体流通経路となる複数のパスが構成され、パスに冷媒が流通して冷房運転もしくは暖房運転に供される空冷式熱交換器において、複数のパスの内、一部のパスは、冷房運転時に冷媒より低温の流体が流通し、暖房運転時に冷媒より高温の流体が流通する経路となる。また空気調和装置は、該構成の空冷式熱交換器を備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空冷式熱交換器及び該空冷式熱交換器を備えた空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に外気と熱交換して冷却する空冷式熱交換器は、内部に流体が流通し外表面の外気と熱交換を行う複数の伝熱管と、該伝熱管に対して直交配置されたフィンとを備え、前記伝熱管により一連の流体流通経路となる複数のパスより構成され、また伝熱管には単一の流体を流通させ、熱交換器外表面を流れる外気（空気）と熱交換を行う構成になっている。
【０００３】
空気調和装置においては、前記空冷式熱交換器を採用するのが一般的であるが、該空冷式熱交換器を凝縮器として作用させる場合は、外気温度が高い場合や、冷媒温度、冷媒圧力が高い場合には熱交換性能が低下する。近年、特に都市部においては、夏期にヒートアイランド現象と呼ばれるきびしい暑熱が発生し、空気調和装置は冷房運転の負荷が増大する。例えば、ビルなどの建造物間の狭い隙間に空気調和装置が設置され、あるいは複数の空気調和装置を連ね近接配置されることで、空気調和装置周囲の外気温度が上昇し空冷式熱交換器における熱交換が良好に行われない場合がある。　このような場合は、冷房能力の低下による冷房不良や消費電力の増大のほか、場合によっては空気調和装置が停止して運転ができなくなるなどの不都合が生じる。このような実状に対応すべく、特開平１０−２１３３６１号公報や特開平１０−３２５５８７号公報には、空気調和装置が備える空冷式熱交換器のフィンに細かい粒状の水を間欠的に散布し、この散布された水の蒸発潜熱によりフィンを冷却することで空冷式熱交換器の熱交換性能を向上させる方法が記載されている（従来技術１）。
【０００４】
一方、ヒートポンプ式空気調和装置において、冬季などの暖房運転時で外気温度が低い場合には、屋外機の空冷式熱交換器の温度が低下して熱交換器表面へ着霜が発生し、このまま運転が継続されると熱交換性能が低下し空気調和装置の運転に支障をきたす。このため、周期的に空冷式熱交換器の温度を上昇させて霜を融解させる除霜運転が行なわれるのが一般的である。上記のほか、暖房運転時には外気温度の低下に伴って空気調和装置の暖房能力が低下するのが一般的である。
【０００５】
また、特開平４−３０９７９１号公報には、プレート形フィンの気体流出側の端縁部に位置する伝熱管に過熱蒸気または高温冷媒を流す熱交換器が記載されている（従来技術２）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術１に記載される方法において、空冷式熱交換器のフィンに噴霧する水量は調節され、フィン上で噴霧水がほぼ蒸発するようになっている。一方、工場などの産業用途に供される水は一般的に水道水や工業用水などであるが、これらの水には塩素成分などの不純物が含まれている。このため前記方法において、熱交換器のフィンに粒状の水が噴霧されフィン上で蒸発した場合、塩素成分などの不純物が析出してフィンに付着したままとなる。またフィンには、一般にアルミ合金材が使用されるが、アルミ合金材は塩素成分などにより腐食される。このためフィンが劣化し、また、フィン上に析出した不純物成分などによりフィンの通風路が塞がれ、熱交換器の能力が低下するが、これに対し配慮されていない。
【０００７】
またヒートポンプ式空気調和装置においては、冬季などの暖房運転時で外気温度が低い場合には、屋外機側の空冷式熱交換器の温度低下によって熱交換器表面に着霜が発生する。このまま運転を継続すると熱交換性能が低下し、空気調和装置の運転に支障をきたす。このため、周期的に熱交換器の温度を上昇させて霜を融解させる除霜運転が行なわれるのが一般的である。除霜運転時は、室内暖房用に供されるべき高圧高温の冷媒を屋外機側の空冷式熱交換器へ流通させて温度を上昇させることで霜を溶融する運転となる。この除霜運転時は、暖房対象の部屋の温度を上昇させることができず、また場合によっては屋内側熱交換器より冷風が吹出すことがあり、快適性が損なわれる。
【０００８】
また除霜運転毎に溶出する水分により、上記と同様にフィンの劣化、腐食が発生しやすく、またフィン上に析出した不純物成分などによりフィンの通風路が塞がれ、着霜や外気温度そのものの低下により熱交換性能が低下する場合などが起こり得る。
さらに上記従来技術２においても、暖房運転時の除霜技術が開示されているが、いずれも外気温度に応じて除霜されるものではなく、また冷房運転時については何ら配慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、夏場などで外気温度が高い場合、冷媒より低い温度の流体をパスの一部に流通させることで、熱交換能力の向上を図る空冷式熱交換器及び空気調和装置を提供することにある。
また、冬季などで外気温度が低い場合、冷媒より高い温度の流体をパスの一部に流通させることで熱交換能力の向上を図り、また着霜時には霜を融解させることで周期的な除霜運転を不要とする空冷式熱交換器及び空気調和装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による空冷式熱交換器は、内部に流体が流通し外気と熱交換を行う伝熱管群と、該伝熱管群に対して交差して配置されたフィンとを備え、該伝熱管により一連の流体流通経路となる複数のパスが構成され、該パスに冷媒が流通して冷房運転もしくは暖房運転に供される空冷式熱交換器において、前記複数のパスの内、一部のパスは、冷房運転時に前記冷媒より低温の流体が流通し、暖房運転時に前記冷媒より高温の流体が流通する経路となるものである。
【００１１】
より詳しくは、前記流通制御手段は、冷媒の圧力を検出する圧力検出器と冷媒温度を検出する温度検出器とを備え、冷房運転時に、所定値以上の冷媒圧力が前記圧力検出器によって検出された場合に前記冷媒より低温の水が前記一部のパスに流通し、該流通によって前記冷媒圧力が所定値以下に低下した場合に該低温水の流通が停止され、また暖房運転時に、所定値以下の冷媒温度が前記温度検出器によって検出された場合に前記冷媒より高温の流体が前記一部のパスを流通し、該流通によって前記冷媒温度が所定値以上になった場合に前記高温流体の流通が停止するように制御するものである。
【００１２】
上記目的を達成するため本発明による空気調和装置は、複数枚のフィンが平行配置されるフィン群と、該フィン群の各フィンと交差して貫通する伝熱管群とから構成される空冷式熱交換器が組み込まれた空気調和装置において、前記空冷式熱交換器は、前記伝熱管により一連の流体流通経路となる複数のパスが構成され、該パスに冷媒が流通して冷房運転もしくは暖房運転に供され、前記複数のパスの内、一部のパスは、冷房運転時に前記冷媒より低温の流体が流通し、暖房運転時に前記冷媒より高温の流体が流通する経路となるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００１４】
〔実施形態１〕
図１は、本発明の室外機側の空冷式熱交換器に係る実施形態１の模式外観図、図２は、空気調和装置の系統概要図である。
まず、図２によって空気調和装置の概要を説明する。空気調和装置は、作動流体としての冷媒を流す配管１と、該冷媒を圧縮する圧縮機２と、室外機３（鎖線で示す）の内部に配置される空冷式熱交換器４と、冷媒を膨張させるための膨張弁５と、室内機６（鎖線で示す）の内部に配置される空冷式熱交換器７とから構成されている。
【００１５】
空気流れ８は、直流電動機９で駆動されるファン１０によって吸引されて空冷式熱交換器４，７を矢印８方向に通過する。冷房運転時は配管１内を実線方向に流れ、暖房運転時は破線方向に流れる。冷媒の流れ方向は、四方弁１１で切り替えられる。室外機３側の空冷式熱交換器４は、冷房運転時は凝縮器として作用し、暖房運転時は蒸発器として作用する。反対に、室内機６側の空冷式熱交換器７は、冷房運転時は蒸発器として作用し、暖房運転時は凝縮器として作用する。
【００１６】
室外機３の空冷式熱交換器４についてさらに詳しく説明する。
空冷式熱交換器４は、複数枚のフィン４ａが所定の間隔で平行配置されるフィン群と、該フィン群の各フィン４ａをその板厚方向、すなわち交差する方向に貫通する伝熱管群１２とを備えて構成されている。該伝熱管群１２は、冷媒を流通させる伝熱管１２ａと、流体としての水を流通させる伝熱管１２ｂとで構成されている。また冷媒を流通させる伝熱管１２ａには、冷媒圧力を検出する圧力検出器１３、冷媒温度を検出する温度検出器１４が取り付けられている。また伝熱管１２ｂには、図示されない別途手段によって所定の温度状態となっている水を流通させる流通手段１５、及び圧力検出器１３，温度検出器１４からの信号により流通手段１５を作動・停止させる制御手段１６が接続されている。
【００１７】
なお図１の空冷式熱交換器４では、伝熱管群１２は横に２列の配置とし、図示左側１列全体を冷媒の流路とし、右側１列全体を水の流路としている。また冷媒、水の流通方向は、いずれも図示手前より奥行方向としているが、これらはいずれも本実施形態１の説明を容易化するための例を示したものである。従って、伝熱管の列数は１列以上の複数列でも良く、また冷媒及び水が流通する位置及び流通方向も実際の機器構成に見合った位置、方向とすれば良い。
【００１８】
図３は、空気調和装置が冷房運転を行う場合の動作フローの概略図である。
冷房運転中、外気温度の上昇などで圧力検出器１４によって所定値Ａ以上の圧力が検知された場合、制御手段１６によって流通手段１５より空冷式熱交換器４の伝熱管１２ｂに冷媒より低い温度の水を流通させて空冷式熱交換器４を冷却し、冷媒圧力を低下させる。その後、圧力検出器１３によって所定値Ｂ以下の圧力が検出された場合、流通手段１５及び制御手段１６によって水の流通が停止される。
【００１９】
以後、上記の動作が繰り返される。この動作により空気調和装置の冷房能力の向上と省エネルギー化とが図られるとともに、安定した冷房運転を継続することができる。また、フィンを直接冷却しないのでフィンの劣化、腐食を引き起こすことがないため、空気調和装置の点検、洗浄頻度を低減することができ、メンテナンス費用を削減することができる。
【００２０】
図４は、空気調和装置が暖房運転を行う場合の動作フローの概略図である。
暖房運転中、外気温度の低下などで温度検出器１４によって所定値Ｃ以下の冷媒温度が検出された場合、制御手段１６によって流通手段１５より空冷式熱交換器４の伝熱管１２ｂに冷媒より高い温度の水を流通させて空冷式熱交換器４を暖める。空冷式熱交換器４を暖めることによって空冷式熱交換器４への着霜が防止される。その後、温度検出器１４によって所定値Ｄ以上の温度が検出された場合、流通手段１５及び制御手段１６によって水の流通が停止される。
【００２１】
以後、上記の動作が繰り返される。この動作により空気調和装置によって、暖房能力の向上と省エネルギー化が図られるとともに、除霜運転を防止することで室内側の快適性を損なうことなく安定した暖房運転を継続することができる。また、除霜運転によるフィンの劣化、腐食を引き起こすことがないため、空気調和装置の点検、洗浄頻度を低減することができ、メンテナンス費用を削減することができる。
なお、室内機６側の空冷式熱交換器７には着霜という問題は起こらないが、着霜が起こる環境にあるのであれば上記と同様の構造にしてもよい。また着霜が起こらないように予め温度の高い流体を流通させておくことでも、前記除霜運転による問題を解消することができる。
【００２２】
〔実施形態２〕
図５は、空気調和装置が暖房運転を行う場合の動作フローの概略図である。実施形態２が前記実施形態１と異なる点は、伝熱管１２ｂに流通させる流体を蒸気としたものであり、その他は実施形態１と同様の構成である。
暖房運転中、外気温度の低下などで温度検出器１４によって所定値Ｅ以下の冷媒温度が検出された場合、制御手段１６によって流通手段１５より伝熱管１２ｂに冷媒より高い温度の蒸気を流通させ、空冷式熱交換器４を暖めることで空冷式熱交換器４への着霜が防止される。その後、温度検出器１４によって所定値Ｆ以上の冷媒温度が検出された場合、流通手段１５により蒸気の流通を停止させる。
【００２３】
以後、上記の動作が繰り返される。この動作により空気調和装置によって、暖房能力向上と省エネルギー化とが図られるとともに、除霜運転を防止することで室内側の快適性を損なうことなく安定した暖房運転を継続することができる。また除霜運転によるフィンの劣化、腐食を引き起こすことがないため、空気調和装置の点検、洗浄頻度を低減することができ、メンテナンス費用を削減することができる。
【００２４】
〔実施形態３〕
本実施形態３が前記実施形態１と異なる点は、伝熱管１２ｂに流通させる流体を水または蒸気のいずれかを選択することができるように流通制御手段を構成したものであり、その他は実施形態１と同様の構成である。冷媒より高温の水または蒸気を選択して伝熱管１２ｂに流通させることができる流通手段１５は、制御手段７からの信号を受けて水または蒸気のいずれかを選択して流通させる。
【００２５】
本実施形態３で空気調和装置が冷房運転を行う場合には、流通手段１５によって流体に水が選択される。動作フローは実施形態１に示した図３の動作フローと同様であり、また動作による効果も実施形態１にて説明の内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２６】
本実施形態３で空気調和装置が暖房運転を行う場合には、流通手段１５では流体に蒸気を選択する。動作フローは実施形態２に示した図５の動作フローと同様であり、また動作による効果も実施形態２にて説明の内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２７】
この動作によれば、伝熱管１２ｂに流通させる流体は、冷房運転時は水を選択し、暖房運転時は蒸気を選択することとなる。一般的に工場などでは年間を通してボイラーなどにより高温の蒸気が作られている場合が多いため、暖房運転時にはこの高温蒸気を利用するのが省エネルギー化の点から有効である。一方、上記のケースなど工場で得られる蒸気は１００℃程度であるのが一般的であり、冷房運転時にこの蒸気を使用することはできないため、冷房運転時に伝熱管１２ｂに流通させる流体は、実施形態１と同様に水を流通させるものとする。
【００２８】
以上より、空気調和装置の運転モードにより伝熱管１２ｂに流通させる流体を変えることで、実施形態１、実施形態２に述べた効果に加え、年間を通してさらに省エネルギー化を図ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の空冷式熱交換器及び空気調和装置によれば、次の効果が得られる。
夏場などで外気温度が高い場合、冷媒より低い温度の流体をパスの一部に流通させることで、熱交換能力の向上を図ることができる。
【００３０】
また、冬季などで外気温度が低い場合、冷媒より高い温度の流体をパスの一部に流通させることで熱交換能力の向上を図り、また着霜時には霜を融解させることで周期的な除霜運転を不要とすることができる。
【００３１】
さらに高温水もしくは蒸気などは、暖房運転時に冷媒温度に応じて流通させるので省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る室外機側の空冷式熱交換器の模式外観図である（実施形態１）。
【図２】空気調和装置の系統概要図である。
【図３】空気調和装置が冷房運転を行う場合の動作フローの概略図である（実施形態１）。
【図４】空気調和装置が暖房運転を行う場合の動作フローの概略図である（実施形態２）。
【図５】空気調和装置が暖房運転を行う場合の動作フローの概略図である（実施形態３）。
【符号の説明】
１…配管、２…圧縮機、３…室外機、４，７…空冷式熱交換器、５…膨張弁、６…室内機、８…空気流れ、９…直流電動機、１０…ファン、１１…四方弁、１２，１２ａ，１２ｂ…伝熱管群、１３…圧力検出器、１４…温度検出器、１５…水または蒸気の流通手段、１６…制御手段。

Claims (5)

1. 内部に流体が流通し外気と熱交換を行う伝熱管群と、該伝熱管群に対して交差して配置されたフィンとを備え、該伝熱管群により一連の流体流通経路となる複数のパスが構成され、該パスに冷媒が流通して冷房運転もしくは暖房運転に供される空冷式熱交換器において、
   前記複数のパスの内、一部のパスは、冷房運転時に前記冷媒より低温の流体が流通し、暖房運転時に前記冷媒より高温の流体が流通する経路となることを特徴とする空冷式熱交換器。
2. 前記冷媒より低温の流体は水であり、前記冷媒より高温の流体は水もしくは蒸気であることを特徴とする請求項１記載の空冷式熱交換器。
3. 前記冷媒より低温の流体もしくは前記冷媒より高温の流体のいずれかを流通させる流通制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の空冷式熱交換器。
4. 前記流通制御手段は、冷媒の圧力を検出する圧力検出器と冷媒温度を検出する温度検出器とを備え、
   冷房運転時に、所定値以上の冷媒圧力が前記圧力検出器によって検出された場合に前記冷媒より低温の水が前記一部のパスに流通し、該流通によって前記冷媒圧力が所定値以下に低下した場合に該低温水の流通が停止され、
   また暖房運転時に、所定値以下の冷媒温度が前記温度検出器によって検出された場合に前記冷媒より高温の流体が前記一部のパスを流通し、該流通によって前記冷媒温度が所定値以上になった場合に前記高温流体の流通が停止するように制御することを特徴とする請求項３記載の空冷式熱交換器。
5. 複数枚のフィンが平行配置されるフィン群と、該フィン群の各フィンと交差して貫通する伝熱管群とから構成される空冷式熱交換器を備えた空気調和装置において、
   前記空冷式熱交換器は、前記伝熱管群により一連の流体流通経路となる複数のパスが構成され、該パスに冷媒が流通して冷房運転もしくは暖房運転に供され、前記複数のパスの内、一部のパスは、冷房運転時に前記冷媒より低温の流体が流通し、暖房運転時に前記冷媒より高温の流体が流通する経路となることを特徴とする空気調和装置。

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