JP2013044439A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、蒸発器として作用する熱交換器の熱交換効率を向上させることでより省エネを図ることを目的とする。
【解決手段】熱源側熱交換器１３０と利用側熱交換器２１０とのうち蒸発器として作用する熱交換器（冷房運転の場合の２１０）は、熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材が複数列設けられることで構成され、該複数列の熱交換部材のうち、熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材の長さを他の熱交換部材に対して短くするように構成したものである。さらに当該熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に流入する冷媒が上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材に流れる。
【選択図】 図４

Description

本発明は空気調和機に関するものである。

近年のエネルギー枯渇問題、地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和機や冷凍機で使用される冷媒に対しても、ＣＯＰが高く環境負荷がより小さいものが望まれている。特に地球温暖化問題に対する注目度は高く、冷媒が漏れることでの直接的影響すなわちＧＷＰが低く、間接的影響すなわち消費エネルギーが小さい冷媒が求められている。一方で人体に近いところで使用されることもあり、無毒性、低燃焼性等の安全面における配慮も重要となっている。

以上のことを考慮し、空気調和機に使われる冷媒の開発や選定が行われることになり、そのシステムにおける体積能力の確保やＣＯＰ値、安全性等が重要な選定項目となる。単独の冷媒で必要な性能、低環境負荷、安全性が得られない場合には冷媒を数種混合して、目的の特性を得ることがある。たとえばＣＯＰが高く直接的環境負荷も小さいが燃える冷媒とＣＯＰが低いが消化性のある冷媒を混合して、要求性能は確保し、燃焼性を低くすることが可能となる。

空気を熱源とするヒートポンプ機ではフィンチューブ熱交換器を多列で使用する場合が多く、凝縮器の時の空気と冷媒とが向流型となるように熱交換形態となるように設計した場合には、冷房運転と暖房運転とが切替わると冷媒の流れが逆になるため蒸発器では冷媒と空気は並流型となる。特許文献１においては、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた空気調和装置において、暖房時、冷房時とも列ごとの冷媒流れ方向が、熱交換を行う空気の風下側から風上側になるようにすることで、冷媒が周囲を流れる空気と温度差が保て、熱交換効率を上昇させることが記載されている。

特開平７−２８０３７５号公報

通常のフィンチューブ熱交換器では冷媒を多通路に分割する一方、空気の風速分布も存在するため、分流した冷媒の蒸発／凝縮に偏りを生じる。この偏りをなくすため、蒸発器として作用する場合の熱交換器入口に冷媒の流動抵抗を利用した分配器を設ける。しかしながら特許文献１のように冷媒の流れを一方向化すると凝縮器として作用する場合に抵抗の大きな気相冷媒がこの分配器を通るため、大きな圧力損失から、性能を低下させる要因となる。

そこで、本発明は冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、蒸発器として作用する熱交換器の熱交換効率を向上させることでより省エネを図ることができる空気調和機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、圧縮機１００、熱源側熱交換器１３０、減圧手段１４０及び利用側熱交換器２１０が冷媒配管（３２０、３１０）により順に接続され、該冷媒配管（３２０、３１０）内に非共沸混合冷媒を循環させてなる。そして、熱源側熱交換器１３０と利用側熱交換器２１０とのうち蒸発器として作用する熱交換器（冷房運転の場合の２１０）は、熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材が複数列設けられることで構成され、該複数列の熱交換部材のうち、熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材の長さを他の熱交換部材に対して短くするように構成したものである。さらに当該熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に流入する冷媒が上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材に流れることを特徴とする。

本発明は冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、蒸発器として作用する熱交換器の熱交換効率を向上させることでより省エネを図ることができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の一般的な冷凍サイクルを利用した空気調和機の構成を示す図である。 実施例１の非共沸混合冷媒を用いた暖房時のｐ−ｈ線図を示す。 フィンチューブ型の熱交換器を多列の熱交換部材で形成し、空気の流れが並流となるように構成した図を示す。 実施例１の熱交換器の構成について説明するための図である。 実施例２の熱交換器の構成について説明するための図である。 実施例３の熱交換器の構成について説明するための図である。 実施例４の熱交換器の構成について説明するための図である。 実施例５の熱交換器の構成について説明するための図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、一般的な冷凍サイクルを利用した空気調和機の構成を示す図である。冷房時は図中実線の矢印の方向に冷媒が流れ、圧縮機１００から出た冷媒は四方弁１２０を通り、凝縮器として作用する室外熱交換器１３０において室外ファン１５０から送り込まれる空気により冷媒が冷却されることで凝縮する。そして膨張弁１４０で圧力と温度を下げられる。また液接続配管３１０を経て、蒸発器として作用する室内熱交換器２１０において室内ファン２２０から送り込まれる空気を冷やし、冷媒自身は加熱されて蒸発し室内機から流れ出る。そしてガス接続配管３２０を経て室外機に戻り、四方弁１２０を通り、圧縮機１００に吸い込まれる。この圧縮機１００により冷媒が圧縮されることで冷媒が冷媒配管内を循環するものである。なお、暖房時は逆の動作となり、図中の破線で示される。

ここで、一例として冷媒としてプロパンとＣＯ₂の混合物を考える。プロパンはＣＯＰが高く、ＧＷＰも低い冷媒であるが燃焼性が高いため、不燃のＣＯ₂を混合することで燃焼性を下げることが可能である。ここでは質量分率で５０％：５０％とする。

図２はこの冷媒を用いた暖房時のｐ−ｈ線図を示す。図中Ａ〜Ｄの記号は図１のサイクル図の冷房時の位置を表している。この図では、蒸発器（室内熱交換器２１０）で蒸発した後の冷媒温度の高い図中Ａ点は１０℃程度、蒸発器（室内熱交換器２１０）に流入する前の冷媒温度の低いＤ点は−１０℃程度になる。ここで、蒸発器（室内熱交換器２１０）の形態に起因する空気の冷やされ方、冷媒の蒸発過程に生じる問題について説明する。

空気調和機で用いられる空気と冷媒の熱交換器はフィンチューブ式の熱交換器が広く使用される。この熱交換器が多列の熱交換部材で形成されるものを使用する場合は、凝縮器として作用する場合に向流となるよう設計した場合には、冷媒の流れが逆転する蒸発器では並流となる。

図３はフィンチューブ型の熱交換器を多列の熱交換部材で形成し、空気の流れが並流となるように構成した図を示すものである。すなわち、冷媒は空気の流れの上流側に配置された熱交換部材を流れた後に下流側に配置された熱交換部材を流れることで、それぞれの熱交換部材において熱交換が行われ冷媒が蒸発するものである。ここで冷媒温度が最も低いＤ点の冷媒により冷やされた空気が下流側の熱交換部材において熱交換が行われようとする。Ｄ点で冷やされた空気は大きく冷やされるため、冷媒温度の高いＡ点より温度が低くなると、Ａ点の冷媒は蒸発せず、凝縮してしまうことになる。すると熱交換量を大きく低下し、性能低下が起こる虞が生じる。この問題を解消するための本実施例の構成について説明する。

図４は本実施例の熱交換器の構成について説明するための図である。冷媒にはプロパンとＣＯ₂の混合冷媒を用いている。図４に示すように流出冷媒の空気流入側に熱交換器を設けていない。具体的に説明すると本実施例の空気調和機は、圧縮機１００、熱源側熱交換器１３０、減圧手段１４０及び利用側熱交換器２１０が冷媒配管（３２０、３１０）により順に接続され、該冷媒配管（３２０、３１０）内に非共沸混合冷媒を循環させてなる。そして、熱源側熱交換器１３０と利用側熱交換器２１０とのうち蒸発器として作用する熱交換器（冷房運転の場合の２１０）は、熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材が複数列設けられることで構成され、該複数列の熱交換部材のうち、熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材の長さを他の熱交換部材に対して短くするように構成したものである。さらに当該熱交換器（冷房運転の場合の２１０）に流入する冷媒が上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材に流れる。

このような構成とすることにより上流側の熱交換部材において温度の低い流入冷媒による空気の温度低下を制限することができるため、温度の高い流出冷媒（Ａ点の冷媒）を凝縮させることがないため、性能向上を図ることができる。また、全体的な伝熱面積を減らさなければ、凝縮器時の性能も確保することが可能である。以上に説明したように本実施例においては、非共沸混合冷媒を用いた空気調和機で、蒸発器流入部で大きく冷やされた空気で温度の高い蒸発器流出部の冷媒を凝縮させないため、省エネルギーが実現できる。

図５は本発明の第２の実施例の熱交換器である。実施例１では熱交換器に入る冷媒の分流数と伝熱管の段数が同一の場合であるが、ここでは、一般的によくある、分流数の少ない場合の熱交換器を採用した場合のものである。この場合、冷媒は熱交換器内を上下に蛇行することになり、温度の高い部分が広範囲に分布してしまう。そのため図５では冷媒の流出列を分割し、流出部だけになる熱交換器ｃを設けている。

具体的に説明すると熱源側熱交換器１３０と利用側熱交換器２１０とのうち蒸発器として作用する熱交換器（冷房運転時は２１０）は、熱交換器（冷房運転時は２１０）に対して送風される空気の方向と交差する方向に同一形状の熱交換部材（ａ、ｂ）が複数列設けられることで構成される。そして複数列の熱交換部材（ａ、ｂ）のうち熱交換器（冷房運転時は２１０）に対して送風される空気の最も下流側に配置される熱交換部材ｂから流れる冷媒を蒸発させる熱交換部材ｃをさらに備え、熱交換器ｃに流入する冷媒が上流側に配置される熱交換部材ａ内を流れた後に最も下流側に配置される熱交換部材ｂに流れるものである。

このような構成にすることで、温度の高い部分を集中させている。また。気相の割合が多い冷媒流出部の分流数を増やせば、抵抗減のため性能が向上する。一方液相の多い熱交換器ａ、ｂではもともと流速が小さく抵抗が小さいため、分流数を少なくし、流速増加させ熱伝達率向上から性能向上が図れる。

図６は本発明の第３の実施例の熱交換器である。実施例１と２ではフィンチューブ熱交換器の伝熱管方向に熱交換部を設けない方法であったのに対して、この図は段方向に実現したものである。実施例２では冷媒流出側の熱交換器を分割する必要があり、その部分がサイズ的に無駄になるのに加え、空気が流れないようにする必要があるが、この実施例ではその必要がない。さらに温度の高い部分を下部に持ってきたことで、暖房時に室外熱交換器に付着する霜が下部に停留してしまう現象を緩和できる。

図７は本発明の第４の実施例の熱交換器である。実施例１〜３では熱交換器部を設けないことで実現していたが、この実施例では蒸発器に冷媒が流れない部分を作ることで同じ効果を実現している。具体的には熱交換器（冷房運転時の２１０）に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材（ａ、ｂ、ｃ、ｘ）が複数列設けられることで構成され、複数列の熱交換部材（ａ、ｂ、ｃ、ｘ）のうち熱交換器（冷房運転時の２１０）に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材（ａ、ｘ）は、熱交換部材（ａ、ｘ）内の流路の一部ｘをバイパス回路によりバイパスして冷媒が流れるように構成されている。さらに、熱交換器（冷房運転時の２１０）に流入する冷媒が上流側に配置される熱交換部材ａ内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材（ｂ、ｃ）に流れるものである。

また、冷房運転から暖房運転に切替わり、蒸発器として作用していた熱交換器２１０が凝縮器として作用する場合には、熱交換器（暖房運転時の２１０）は、バイパス回路によりバイパスすることなく冷媒が流れるようにする。これにより凝縮器における熱交換効率が向上し省エネが図れるだけでなく、さらに凝縮器ではその熱交換器部に冷媒が流れるため全ての伝熱面積を有効に利用できる。

図８は本発明の第５の実施例の熱交換器である。実施例１〜４では熱交換器部を設けないまたは流さないことで実現していたが、この実施例では蒸発器流入部である熱交換器ｘの圧力を副膨張弁で上昇させることで温度を上昇させ、大きな空気の冷却を防止するものである。また、室内熱交換器においては再熱運転時にこの熱交換器ｘを高圧にし、室外機からの温度の高い冷媒を導入すれば、空気加熱源として働き、再熱除湿運転を実現できる。凝縮器の場合は副膨張弁を全開で使用すれば、熱交換器を有効に使える。

具体的に説明すると熱源側熱交換器１３０と利用側熱交換器２１０とのうち蒸発器として作用する熱交換器（冷房運転時の２１０）は、熱交換器（冷房運転時の２１０）に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材（ａ、ｂ、ｃ、ｘ）が複数列設けられることで構成される。そして複数列の熱交換部材（ａ、ｂ、ｃ、ｘ）のうち熱交換器（冷房運転時の２１０）に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材ａの冷媒流入側に備えられた膨張弁により熱交換器ａに流入する冷媒圧力を上昇させ、さらに熱交換器（冷房運転時の２１０）に流入する冷媒が上流側に配置される熱交換部材ａ内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材（ｂ、ｃ）に流れるものである。

１００ 圧縮機
１２０ 四方弁
１３０ 室外熱交換器
１４０ 室外膨張弁
１５０ 室外ファン
２１０ 室内熱交換器
２２０ 室内ファン
３１０ 液接続配管
３２０ ガス接続配管

Claims (6)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、減圧手段及び利用側熱交換器が冷媒配管により順に接続され、該冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、
   前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器とのうち蒸発器として作用する熱交換器は、該熱交換器に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材が複数列設けられることで構成され、
   該複数列の熱交換部材のうち、前記熱交換器に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材の長さが他の熱交換部材に対して短くなるように構成され、さらに
   当該熱交換器に流入する冷媒は前記上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材に流れることを特徴とする空気調和機。
2. 圧縮機、熱源側熱交換器、減圧手段及び利用側熱交換器が冷媒配管により順に接続され、該冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、
   前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器とのうち蒸発器として作用する熱交換器は、
   該熱交換器に対して送風される空気の方向と交差する方向に同一形状の熱交換部材が複数列設けられることで構成され、
   該複数列の熱交換部材のうち前記熱交換器に対して送風される空気の最も下流側に配置される熱交換部材から流れる冷媒を蒸発させる熱交換部材をさらに備え、
   当該熱交換器に流入する冷媒は前記上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に前記最も下流側に配置される熱交換部材に流れることを特徴とする空気調和機。
3. 圧縮機、熱源側熱交換器、減圧手段及び利用側熱交換器が冷媒配管により順に接続され、該冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、
   前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器とのうち蒸発器として作用する熱交換器は、該熱交換器に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材が複数列設けられることで構成され、
   該複数列の熱交換部材のうち前記熱交換器に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材は、該熱交換部材内の流路の一部をバイパス回路によりバイパスして冷媒が流れるように構成され、さらに
   当該熱交換器に流入する冷媒は前記上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材に流れることを特徴とする空気調和機。
4. 請求項３に記載の空気調和機において、
   前記蒸発器として作用する熱交換器が凝縮器として作用する場合、
   当該熱交換器は、前記バイパス回路によりバイパスすることなく冷媒が流れることを特徴とする空気調和機。
5. 圧縮機、熱源側熱交換器、減圧手段及び利用側熱交換器が冷媒配管により順に接続され、該冷媒配管内に非共沸混合冷媒を循環させてなる空気調和機において、
   前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器とのうち蒸発器として作用する熱交換器は、該熱交換器に対して送風される空気の方向と交差する方向に熱交換部材が複数列設けられることで構成され、
   該複数列の熱交換部材のうち前記熱交換器に対して送風される空気の上流側に配置される熱交換部材の冷媒流入側に備えられた膨張弁により該熱交換器に流入する冷媒圧力を上昇させ、さらに
   当該熱交換器に流入する冷媒は前記上流側に配置される熱交換部材内を流れた後に下流側に配置される熱交換部材に流れることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の空気調和機において、
   前記蒸発器として作用する熱交換器は、フィンチューブ型の熱交換器であることを特徴とする空気調和機。