JP2005098603A

JP2005098603A - 自然循環方式の空気調和機

Info

Publication number: JP2005098603A
Application number: JP2003332911A
Authority: JP
Inventors: Toshinari Yamada; 俊成山田; Keiji Nonami; 啓司野浪; Yasufumi Hatamura; 康文畑村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】熱交換器の液の流れ易さに関する不安要素を解消し、熱交換器の性能を向上させることができる自然循環方式の空気調和機を得る。
【解決手段】上部に位置する入口ヘッダー１２から下部に位置する出口ヘッダー１３に向かって、冷媒が伝熱管１４内を流れるように凝縮器４を設け、下部に位置する入口ヘッダー１６から上部に位置する出口ヘッダー１７に向かって、冷媒が伝熱管１８内を流れるように８を設けるとともに、凝縮器４の伝熱管１４内の冷媒通路を地面に対して垂直方向となるように配置する。また、蒸発器８の伝熱管１８内の冷媒通路を地面に対して垂直方向となるように配置する。
【選択図】図２

Description

この発明は、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機に関し、特に、自然循環方式の空気調和機に用いるうえで好適な熱交換器の構造に関する。

従来の空気調和機に用いられる熱交換器では、圧縮機を搭載した空気調和機および自然循環方式の空気調和機に関わらず、熱交換器の伝熱管を地面に対して平行方向とする構造が用いられている。
従来の自然循環方式の空気調和機は、凝縮器と蒸発器とそれらを接続する接続配管を備えており、凝縮器が上部に、蒸発器が下部に設置されている。また、冷媒流入部および冷媒吐出部は、蒸発器においては冷媒が蒸発器下部側から上部側に流れるように、凝縮器においては、冷媒が凝縮器上部側から下部側に流れるように配置されるのが一般的である。

また、例えば、ＣＯ_２を冷媒とする空気調和機においては、熱交換器の伝熱管の配置は、上記従来の自然循環方式の空気調和機と同様に、地面に対して平行方向とする構造であるが、蒸発器側の冷媒流入部および冷媒吐出部は、冷媒が上部側から下部側に流れるように配置されていることが特徴となっている空気調和機も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１５３４７６号公報

上記従来の液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機では、熱交換器の伝熱管の配置が地面に対して平行方向であるために、液の流れ易さに関する不安要素が残る。また、蒸発器における沸騰の性能の問題もある。このように、更なる熱交換器の性能向上を目指すうえで、従来の熱交換器の伝熱管の配置では限界があった。

また、近年、携帯電話をはじめとする移動体通信の普及により、移動体通信の電子機器を納めた通信基地局や電算機室に代表されるような電子機器からの発熱を抑える冷却装置として、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機が使用されているケースがあるが、設置面積やスペースが限定されるケースが多く、ファンの設置位置、熱交換器の大きさのバランス等々を総合的に考慮した熱交換器の性能向上の施策が必要となる。

この発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、熱交換器の液の流れ易さに関する不安要素を解消し、熱交換器の性能を向上させることができる自然循環方式の空気調和機を提供することを目的とする。

この発明の自然循環方式の空気調和機は、蒸発器と、凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを接続する接続配管と、室外機ファンと、室内機ファンとを備え、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機において、凝縮器は、上部に位置する入口ヘッダーから下部に位置する出口ヘッダーに向かって、冷媒が伝熱管内を流れるように設けられ、蒸発器は、下部に位置する入口ヘッダーから上部に位置する出口ヘッダーに向かって、冷媒が伝熱管内を流れるように設けられているとともに、凝縮器の伝熱管内の冷媒通路の少なくとも一部が地面に対して垂直方向となるように配置したものである。

この発明の自然循環方式の空気調和機は以上説明したように、蒸発器と、凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを接続する接続配管と、室外機ファンと、室内機ファンとを備え、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機において、凝縮器は、上部に位置する入口ヘッダーから下部に位置する出口ヘッダーに向かって、冷媒が伝熱管内を流れるように設けられ、蒸発器は、下部に位置する入口ヘッダーから上部に位置する出口ヘッダーに向かって、冷媒が伝熱管内を流れるように設けられているとともに、凝縮器の伝熱管内の冷媒通路の少なくとも一部が地面に対して垂直方向となるように配置したので、熱交換器の液の流れ易さに関する不安要素を解決することができ、熱交換器の性能を向上させることができる。また、凝縮器における排熱促進による熱伝達率の向上の効果も得られる。

以下に図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の自然循環方式の空気調和機の概略構成を示す図である。
本実施形態１の自然循環方式の空気調和機の筐体１内は、隔壁により上下に仕切られており、筐体上部室２と筐体下部室３が形成されている。筐体上部室２には、凝縮器４が設置されている。室外側の筐体上部室２の側壁部には、外気吸込口５と外気排出口６が設けられている。外気排出口６には、凝縮器４に外気を送り込むための室外機ファン７が設置されている。一方、筐体下部室３には、蒸発器８が設置されている。室内側の筐体下部室３の側壁部には、室内空気吸込口９と室内空気排出口１０が設けられている。室内空気排出口１０には、蒸発器８に室内空気を送り込むための室内機ファン１１が設けられている。

室外機ファン７は、凝縮器４の吹出し空気側に設置されており、室内機ファン１１は、蒸発器８の吹出し空気側に設置されている。このため、図１中に矢印を付して示すように、外気吸込口５から筐体上部室２に取り込まれた外気は、凝縮器４と熱交換した後に室外機ファン７により外気排出口６から排出される。また、室内空気吸込口９から筐体下部室３に取り込まれた室内空気は、蒸発器８と熱交換した後に室内機ファン１１により室内空気排出口１０から排出される。

図２は、図１に示す熱交換器の構造を説明するための図である。
図２に示すように、凝縮器４は、上部に冷媒の入口となる入口ヘッダー１２が設けられており、下部に冷媒の出口となる出口ヘッダー１３が設けられている。入口ヘッダー１２と出口ヘッダー１３との間は、内部を冷媒が通過する伝熱管１４により接続されている。本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、伝熱管１４内の冷媒通路が地面に対して垂直方向となるように配置されている。このように、凝縮器４のすべての伝熱管１４を地面に対して垂直方向に配置することが理想的であるが、構造上の制約がある場合等はその限りではなく、凝縮器４の伝熱管１４の少なくとも一部が地面に対して垂直方向に配置されるように構成しても良い。また、凝縮器４には、伝熱管１４内での冷媒と外気との熱交換を促進させるためのフィン１５が設けられている。

一方、蒸発器８は、下部に冷媒の入口となる入口ヘッダー１６が設けられており、上部に冷媒の出口となる出口ヘッダー１７が設けられている。入口ヘッダー１６と出口ヘッダー１７との間は、内部を冷媒が通過する伝熱管１８により接続されている。本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、蒸発器８においても、伝熱管１８内の冷媒通路が地面に対して垂直方向となるように配置されている。このように、蒸発器８の伝熱管１８の配置は、出来る限りすべての伝熱管１８を地面に対して垂直方向となるように配置することが望ましいが、蒸発器８の伝熱管１８の少なくとも一部が地面に対して垂直方向に配置されるように構成しても良い。また、蒸発器８には、凝縮器４と同様に、伝熱管１８内での冷媒と室内空気との熱交換を促進させるためのフィン１９が設けられている。

上記のように、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、凝縮器４の伝熱管１４および蒸発器８の伝熱管１８を、地面に対して垂直方向となるように配置することとした。ここで、凝縮器や蒸発器といった熱交換器の構造を大幅に変更するにあたっては、熱交換器の凝縮水による水滴の落下の問題や、フィンの目詰まりへの対応等々、性能向上を目指すうえでの課題があった。このため、本実施形態１の構成のように、凝縮器や蒸発器の伝熱管の配置を地面に対して垂直方向とすることは、フィンが水平方向となるため、水切りが十分にできず、熱交換器の凝縮水による水滴の落下問題等々があり、技術的に困難であった。しかしながら、本実施形態１の空気調和機のように、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機は、室内側の吸込み空気温度が２０℃以上の特殊環境でのみで使用されるものである。従って、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機においては、凝縮水による水滴の落下が蒸発器側に落下することによる蒸発器における結露の不安がないため、熱交換器の伝熱管の配置を地面に対して垂直方向となるように配置することが可能となる。

図２に示すように、凝縮器４の出口ヘッダー１３と蒸発器８の入口ヘッダー１６との間は、凝縮器４から蒸発器８へ液冷媒が流れる接続配管２０により接続されており、蒸発器８の出口ヘッダー１７と凝縮器４の入口ヘッダー１２との間は、蒸発器８から凝縮器４へガス冷媒が流れる接続配管２１により接続されている。より具体的には、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機は、４サイクルの冷媒通路で構成されている。すなわち、凝縮器４は、４本の入口ヘッダー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと４本の出口ヘッダー１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを備えており、蒸発器８は、４本の入口ヘッダー１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと４本の出口ヘッダー１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを備えている。そして、凝縮器４の出口ヘッダー１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと蒸発器８の入口ヘッダー１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとの間は、それぞれ接続配管２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにより接続されており、蒸発器８の出口ヘッダー１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと凝縮器４の入口ヘッダー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとの間は、接続配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄにより接続されている。尚、サイクル数は、機種の構造、冷媒の種類等により異なるものである。また、複数の冷媒サイクルからなる熱交換器の場合には、各サイクルに用いる冷媒量を変化させることもありうる。

以上のように構成された本実施形態１の自然循環方式の空気調和機の動作について、図１および図２とともに、図３を参照して説明する。
図３は、図２に示す凝縮器４と蒸発器８との間での冷媒の流れを説明するための図である。尚、図３は、図２中の１サイクルでの冷媒の流れを例に挙げて示す。

本実施形態１の自然循環方式の空気調和機は、建物の壁に設置された室内・室外機一体型の装置構成を有しており、室内空気温度が室外温度よりも高い環境で使用される。このため、冷媒は、室外機ファン７により室外から吸い込んだ空気を利用して凝縮器４内で凝縮し、室内機ファン１１により室内から吸い込んだ空気を利用して蒸発器８内で蒸発する。接続配管２１ａを上昇するガス冷媒は、接続配管２１ａから凝縮器４の上部に設けられた入口ヘッダー１２ａに入り、凝縮器４の伝熱管１４の中を通り凝縮する。この凝縮された液冷媒は、凝縮器４の下部に設けられた出口ヘッダー１３ａを通り、接続配管２０ａに入る。そして、液冷媒は、接続配管２０ａを重力により下降し、蒸発器８の下部に設けられた入口ヘッダー１６ａに入り、蒸発器８の伝熱管１８の中を通り蒸発してガス冷媒となる。この気化したガス冷媒は、蒸発器８の上部に設けられた出口ヘッダー１７ａを通り、接続配管２１ａを上昇し、冷媒サイクルを完結する。

図４は、図２に示す熱交換器において、凝縮器４と蒸発器８との接続方法を説明するための図である。尚、説明の便宜上、図４では、図２に示す熱交換器のサイクル数を１サイクル分省略したものとしている。
図４中に符号２２を付して示す矢印は、凝縮器４の吸込み空気の風の流れを示し、符号２３を付した矢印は、蒸発器８の吹出し空気の風の流れを示している。このような風向きを空気の対向流化と呼ぶが、図４に示すように、凝縮器４の吸い込み空気の風の流れと蒸発器８の吹出し空気の風の流れが反対方向になることにより、空気の対向流化となる構造である。

図４に示すように、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、凝縮器４の各出口ヘッダー１３ａ、１３ｂ、１３ｃと蒸発器８の各入口ヘッダー１６ａ、１６ｂ、１６ｃとは、接続配管２０ａ、２０ｂ、２０ｃを用いて、１３ａと１６ａ、１３ｂと１６ｂ、１３ｃと１６ｃという順番で、各接続配管が交差することのないように接続されている。また、蒸発器８の各出口ヘッダー１７ａ、１７ｂ、１７ｃと凝縮器４の各入口ヘッダー１２ａ、１２ｂ、１２ｃとは、接続配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃを用いて、１７ａと１２ａ、１７ｂと１２ｂ、１７ｃと１２ｃという順番で、各接続配管が交差することのないように接続されている。すなわち、凝縮器４側の冷媒出入口と蒸発器８側の冷媒出入口とを接続する順番は、凝縮器４側は、凝縮器４に導かれる空気の上流側からとし、蒸発器８側は、蒸発器８に導かれる空気の下流側からとなるようにされている。

本実施形態１の自然循環方式の空気調和機が上記のように構成されていることで得られる効果を、以下に図５を参照して示す。
図５は、図４に示す熱交換器において、空気温度に最適な冷媒温度分布を示す図である。図５において、２４は温風側（室内）の従来の冷媒温度２５との温度差、２６は冷風側（室外）の従来の冷媒温度２５との温度差を示している。２７は本実施形態１の自然循環方式の空気調和機による冷媒温度の温度分布を示している。

既述した通り、空気調和機のサイクル数は、機種の構造、冷媒の種類等により異なる場合がある。例えば、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機であり、図２に示すような各列接続配管が４サイクル構造を有し、Ｒ４１０ＡまたはＣＯ_２を冷媒に用いた場合では、図２中の手前側から前２列のサイクルの熱交換量が全熱交換量の８０％を超える結果となる。

本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、上記のように構成されているため、空気の対向流化の効果が増すことになる。このため、従来の熱交換器の場合の温度分布２５に比べて、温度分布２７上の熱交換器の各列サイクル（図４：２０ａ・２０ｂ・２０ｃ）に示すように均一温度差２８を実現でき、空気温度に最適な冷媒温度を得ることが可能となる。このように、空気の対向流化の効果が増すため、従来の熱交換器を用いた場合に比べて、性能向上が見込める。

液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機において、冷却性能への寄与は、蒸発器側性能に比べて凝縮器側性能が大きくなる。また、凝縮器においては、室外側からのゴミ、虫の進入によるフィンの目詰まり等々の対応から、熱交換器のフィンピッチを大きくする必要があり、また、低騒音の観点から室外側の騒音を低く抑える必要がある。このため、凝縮器は蒸発器に比べて大きくすることが望ましい。次に、蒸発器においては、凝縮器に見られる不安要素が小さいため、できる限り小さい寸法で規定の寸法を得る構造とすることが望ましい。そこで、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機は、熱交換器の凝縮器と蒸発器に関して、凝縮器の体積を、蒸発器のそれよりも大きくする構造としたことを特徴とする。

以上説明した通り、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、凝縮器４の伝熱管１４の冷媒通路を地面に対して垂直方向となるように配置し、上部に位置する入口ヘッダー１２から下部に位置する出口ヘッダー１３に向かって冷媒が伝熱管１４内を流れるようにしたことで、凝縮器４における排熱促進による熱伝達率の向上の効果が得られる。また、蒸発器８においても、蒸発器８の伝熱管１８の冷媒通路を地面に対して垂直方向となるように配置し、下部に位置する入口ヘッダー１６から上部に位置する出口ヘッダー１７に向かって、冷媒が伝熱管１８内を流れるようにしたことで、沸騰の促進による伝熱性向上の効果が得られる。このため、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機によれば、熱交換器の液の流れ易さに関する不安要素を解決することができ、熱交換器の性能を向上させることができる。

また、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、凝縮器４側の冷媒出入口と蒸発器８側の冷媒出入口とを接続する順番を、凝縮器４側は凝縮器４に導かれる空気の上流側からとし、蒸発器８側は蒸発器８に導かれる空気の下流側からとした。このため、空気温度に最適な冷媒温度を得ることが可能となり、空気の対向流化の効果が増すため、従来の自然循環方式の空気調和機と比べて、性能の向上が見込める。

また、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機では、限られた筐体寸法において熱交換器の性能向上を得るため、室外機ファン７と室内機ファン１１とをそれぞれ吹出し空気側に設置することとした。このため、機内の圧損を低減し、熱交換器の面に対して均一な空気の流れを得ることが可能となる。

また、本実施形態１の自然循環方式の空気調和機によれば、凝縮器４の体積を、蒸発器８の体積より大きくしたことにより、熱交換器の性能に関する各種課題の解決を総合的に図り、全体としてバランスの取れた性能向上が見込める。
実施の形態２．

上記実施の形態１のような構成を有する自然循環方式の空気調和機において、製造時に冷媒を封入する際には、Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等のフルオロカーボンとＣＯ_２等の自然冷媒等では注意すべき点が異なる。例えば、ＣＯ_２の場合には封入作業を行う場所の温度管理が重要であり、ＣＯ_２の圧力挙動の観点からオーバーチャージを認めない誤差管理が必要となる。また、封入冷媒量の誤差に関しては、各種冷媒の違いによって性能への影響が異なり、各種冷媒の特性と設備投資コストを考慮した充填装置の選択が必要である。

そこで、本実施形態２の自然循環方式の空気調和機では、凝縮器４と蒸発器８とを接続配管２０、２１でつながった状態で熱交換器組立工場から製品組立工場に輸送することとしたので、マテハン性の向上、および熱交換器組立工場・製品組立工場での気密試験の２重実施を回避することができる。

また、特に、ＣＯ_２冷媒のように圧力が非常に高い冷媒を用いる場合には、高圧に対する作業となり、作業性の悪化が懸念される。本実施形態２の自然循環方式の空気調和機では、凝縮器４と蒸発器８とを接続配管２０、２１でつながった状態で熱交換器組立工場から製品組立工場に輸送するようにしたので、作業性の悪化を回避でき、生産性の向上が可能となる。

この発明の実施の形態１の自然循環方式の空気調和機の概略構成を示す図である。図１に示す熱交換器の構造を説明するための図である。図２に示す凝縮器と蒸発器との間での冷媒の流れを説明するための図である。図２に示す熱交換器において、凝縮器と蒸発器との接続方法を説明するための図である。図４に示す熱交換器において、空気温度に最適な冷媒温度分布を示す図である。

符号の説明

１筐体、４凝縮器、７室外機ファン、１１室内機ファン、１２、１６入口ヘッダー、１３、１７出口ヘッダー、１４、１８伝熱管、２０、２１接続配管。

Claims

蒸発器と、凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する接続配管と、室外機ファンと、室内機ファンとを備え、液とガスの密度差を冷媒移動の推進力とする自然循環方式の空気調和機において、
前記凝縮器は、上部に位置する入口ヘッダーから下部に位置する出口ヘッダーに向かって、冷媒が伝熱管内を流れるように設けられ、前記蒸発器は、下部に位置する入口ヘッダーから上部に位置する出口ヘッダーに向かって、冷媒が伝熱管内を流れるように設けられているとともに、
前記凝縮器の伝熱管内の冷媒通路の少なくとも一部が地面に対して垂直方向となるように配置したことを特徴とする自然循環方式の空気調和機。
前記蒸発器は、伝熱管内の冷媒通路の少なくとも一部が地面に対して垂直方向となるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の自然循環方式の空気調和機。
前記凝縮器と前記蒸発器との間の冷媒通路は、独立した複数の冷媒通路で構成されており、かつ、前記凝縮器側の冷媒出入口と前記蒸発器側の冷媒出入口とを接続する順番を、前記凝縮器側は前記凝縮器に導かれる空気の上流側からとし、前記蒸発器側は前記蒸発器に導かれる空気の下流側からとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の自然循環方式の空気調和機。
前記室外機ファンは、前記凝縮器の吹出し空気側に設置され、
前記室内機ファンは、前記蒸発器の吹出し空気側に設置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自然循環方式の空気調和機。
前記凝縮器の体積を、前記蒸発器の体積より大きくしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自然循環方式の空気調和機。