JP2013234815A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】室内機で発生したドレン水をサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器である室外機側熱交換器の凝縮性能の向上に役立てる。
【解決手段】空気調和機は室外機と室内機を備える。室外機には２本の垂直方向ヘッダパイプ５２と、ヘッダパイプ５２を連結する複数の水平方向偏平チューブ５３を備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器５０が搭載される。室内機で発生したドレン水は、熱交換器５０のヘッダパイプ５２の上部に導かれ、ヘッダパイプ５２の表面伝いに流下する。ヘッダパイプ５２の上部には受水容器６０が形成され、受水容器６０にはヘッダパイプ５２の表面側に出口を有する導水路６２が形成されている。受水容器６０には室内機３０から延びたドレンホース３５が接続される。
【選択図】図６

Description

本発明はヒートポンプ方式の空気調和機に関する。

家屋用の空気調和機は、ヒートポンプ方式を採用し、また室外機と室内機に分かれるセパレート型としたものが主流となっている。このような空気調和機で冷房運転を行うと、室内機の側でドレン水が発生する。通常の場合、ドレン水は単に屋外に排水されるのみであるが、このドレン水を室外機側熱交換器の凝縮性能の向上に役立てようとする提案もなされている。その例を特許文献１に見ることができる。

特許文献１に記載された空気調和機では、室内機で発生したドレン水を室外機のバケットに溜め、所定量のドレン水が貯留された時点でバケットを貯留姿勢から放流姿勢に姿勢変更し、放流されたドレン水を一旦筐体に受けた後下方に流下させ、室外機側熱交換器の大気取り入れ面に沿ってドレン水を滴下させることにより、冷房時の運転エネルギー省力化を図っている。

特許第３８６１２１９号公報

室外機用熱交換器として、２本の垂直方向ヘッダパイプと、これらのヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が用いられることがある。本発明は、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の構造上の特徴を生かして、室内機で発生したドレン水を室外機側熱交換器の凝縮性能の向上に役立てようとするものである。

本発明に係る空気調和機は、室外機及び室内機を備えたセパレート型の空気調和機であって、前記室外機に、２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が搭載されるものであり、前記室内機で発生したドレン水は、前記熱交換器の前記２本のヘッダパイプのうち少なくとも一方の上部に導かれ、当該ヘッダパイプの表面伝いに流下することを特徴としている。

上記構成の空気調和機において、前記ドレン水が導かれる前記ヘッダパイプの上部には受水容器が形成され、前記受水容器には前記ヘッダパイプの表面側に出口を有する導水路が形成されていることが好ましい。

上記構成の空気調和機において、前記受水容器には前記室内機から延びたドレンホースが接続可能であることが好ましい。

上記構成の空気調和機において、前記受水容器は、少なくとも、前記２本のヘッダパイプのうち前記熱交換器が凝縮器として用いられる際に冷媒流入側となるヘッダパイプに形成されることが好ましい。

上記構成の空気調和機において、前記熱交換器の前記２本のヘッダパイプのうち少なくとも一方の上部に、前記室内機から延びたドレンホースが接続され、前記ドレンホースから流出するドレン水が当該ヘッダパイプの表面伝いに流下することが好ましい。

上記構成の空気調和機において、前記ドレンホースは、少なくとも、前記２本のヘッダパイプのうち前記熱交換器が凝縮器として用いられる際に冷媒流入側となるヘッダパイプに接続されることが好ましい。

本発明によると、冷房運転時に凝縮器として用いられているサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器のヘッダパイプの表面を伝わってドレン水が流下するから、ヘッダパイプは水で効率良く冷却され、凝縮圧力が大幅に低下し、凝縮性能が大幅に向上する。

本発明の実施形態に係る空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。 本発明の実施形態に係る空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明の実施形態に係る空気調和機の制御ブロック図である。 パラレルフロー型熱交換器の第１実施形態の概略構成図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 第１実施形態のパラレルフロー型熱交換器の部分拡大断面図である。 パラレルフロー型熱交換器の第２実施形態の概略構成図である。 図７のＶIII−ＶIII線に沿った断面図である。

図１から図６に基づき本発明の実施形態に係る空気調和機１についての説明を行う。空気調和機１では、室外機用熱交換器としてサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が用いられる。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の基本構造を図４に示す。図４では紙面上側が熱交換器の上側、紙面下側が熱交換器の下側となる。パラレルフロー型熱交換器５０は、２本の垂直方向ヘッダパイプ５１、５２と、その間に配置される複数の水平方向偏平チューブ５３を備える。ヘッダパイプ５１、５２は水平方向に間隔を置いて平行に配置され、偏平チューブ５３は垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、熱交換器５０は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるから、本明細書における「垂直方向」「水平方向」は厳格に解釈されるべきものではない。単なる方向の目安として理解されるべきである。

偏平チューブ５３は金属を押出成型した細長い成型品であり、図５に示す通り、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５４が形成されている。偏平チューブ５３は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５４の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路４４は断面形状及び断面面積の等しいものが図５の左右方向に複数個並び、そのため偏平チューブ５３の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５４はヘッダパイプ５１、５２の内部に連通する。

偏平チューブ５３の偏平面にはフィン５５が取り付けられる。フィン５５として、ここではコルゲートフィンを用いているが、プレートフィンでも構わない。上下に並ぶフィン５５のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート５６が配置される。

ヘッダパイプ５１、５２、偏平チューブ５３、フィン５５、及びサイドプレート５６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ５３はヘッダパイプ５１、５２に対し、フィン５５は偏平チューブ５３に対し、サイドプレート５６はフィン５５に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

ヘッダパイプ５１の内部は、１個の仕切部Ｐ１により２個の区画Ｓ１、Ｓ２に仕切られている。仕切部Ｐ１は複数の偏平チューブ５３を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ１には合計２４本の偏平チューブ５３のうち１２本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ２にも１２本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続される。

ヘッダパイプ５２の内部は、２個の仕切部Ｐ２、Ｐ３により３個の区画Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５に仕切られている。仕切部Ｐ２、Ｐ３は複数の偏平チューブ５３を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ３には合計２４本の偏平チューブ５３のうち４本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ４には１５本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ５には５本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続される。

上記した偏平チューブ５３の総数、各ヘッダパイプ内部の仕切部の数とそれによって仕切られる区画の数、及び仕切部によって区分される偏平チューブグループ毎の偏平チューブ５３の数は、いずれも単なる例示であり、発明を限定するものではない。

区画Ｓ３には冷媒出入パイプ５７が接続される。区画Ｓ５には冷媒出入パイプ５８が接続される。

熱交換器５０の機能は次の通りである。熱交換器５０が凝縮器として用いられるとき、冷媒は冷媒出入パイプ５７を通じて区画Ｓ３に供給される。区画Ｓ３に入った冷媒は区画Ｓ３と区画Ｓ１を連結する４本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ１に向かう。この４本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＡを構成する。冷媒パスＡはブロック矢印で象徴されている。それ以外の冷媒パスもブロック矢印で象徴させる。

区画Ｓ１に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ１と区画Ｓ４を連結する８本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ４に向かう。この８本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＢを構成する。

区画Ｓ４に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ４と区画Ｓ２を連結する７本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ２に向かう。この７本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＣを構成する。

区画Ｓ２に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ２と区画Ｓ５を連結する５本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ３に向かう。この５本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＤを構成する。区画Ｓ５に入った冷媒は冷媒出入パイプ５８より流出する。

熱交換器５０が蒸発器として用いられるときは、冷媒は冷媒出入パイプ５８を通じて区画Ｓ５に供給される。それ以後の冷媒の流れは、熱交換器５０が凝縮器として用いられるときの冷媒パスを逆に辿る。すなわち冷媒パスＤ→冷媒パスＣ→冷媒パスＢ→冷媒パスＡのルートで冷媒は区画Ｓ１に入り、冷媒出入パイプ５７より流出する。

上記熱交換器５０をヒートポンプサイクルの構成要素として用いたセパレート型空気調和機１の概略構成を図１に示す。空気調和機１は室外機１０と室内機３０により構成される。

室外機１０は、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される筐体１１の内部に、圧縮機１２、切替弁１３、室外側熱交換器１４、膨張弁１５、室外側送風機１６などを収納している。切替弁１３は四方弁である。室外側熱交換器１４として熱交換器５０が用いられる。膨張弁１５には開度制御の可能なものが用いられる。室外側送風機はモータにプロペラファンを組み合わせたものである。

室外機１０は２本の冷媒配管１７、１８で室内機３０に接続される。冷媒配管１７は冷房運転時には液体冷媒が流れ、冷媒配管１８に比較して細い管が用いられている。そのため冷媒配管１７は「液管」「細管」などと称されることがある。冷媒配管１８には冷房運転時、気体冷媒が流れ、冷媒配管１７に比較して太い管が用いられている。そのため冷媒配管１８は「ガス管」「太管」などと称されることがある。冷媒には例えばＨＦＣ系のＨ４１０ＡやＲ３２等が用いられる。

室外機１０の内部の冷媒配管で、冷媒配管１７に接続される冷媒配管には二方弁１９が設けられ、冷媒配管１８に接続される冷媒配管には三方弁２０が設けられる。二方弁１９と三方弁２０は、室外機１０から冷媒配管１７、１８が取り外されるときに閉じられ、室外機１０から外部に冷媒が漏れることを防ぐ。室外機１０から、あるいは室内機３０を含めた冷凍サイクル全体から、冷媒を回収する必要があるときは、三方弁２０を通じて回収が行われる。

室内機３０は、合成樹脂製部品により構成される筐体３１の内部に、室内側熱交換器３２、室内側送風機３３などを収納している。室内側熱交換器３２は、３個の熱交換器３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを、室内側送風機３３を覆う屋根のように組み合わせたものである。熱交換器３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのいずれかまたは全部を熱交換器５０で構成することも可能である。室内側送風機３３はモータにクロスフローファンを組み合わせたものである。

空気調和機１の運転制御を行う上で、各所の温度を知ることが不可欠である。この目的のため、室外機１０と室内機３０に温度検出器が配置される。室外機１０においては、室外側熱交換器１４に温度検出器２１が配置され、圧縮機１２の吐出部となる吐出管１２ａに温度検出器２２が配置され、圧縮機１２の吸入部となる吸入管１２ｂに温度検出器２３が配置され、膨張弁１５と二方弁１９の間の冷媒配管に温度検出器２４が配置され、筐体１１の内部の所定箇所に外気温測定用の温度検出器２５が配置される。室内機３０においては、室内側熱交換器３２に温度検出器３４が配置される。温度検出器２１、２２、２３、２４、２５、３４はいずれもサーミスタにより構成される。

空気調和機１の全体制御を司るのは図３に示す制御部４０である。制御部４０は
室内温度が使用者によって設定された目標値に達するように制御を行う。

制御部４０は圧縮機１２、切替弁１３、膨張弁１５、室外側送風機１６、及び室内側送風機３３に対し動作指令を発する。また制御部４０は温度検出器２１〜２５、及び温度検出器３４からそれぞれの検出温度の出力信号を受け取る。制御部４０は温度検出器２１〜２５及び温度検出器３４からの出力信号を参照しつつ、圧縮機１２、室外側送風機１６、及び室内側送風機３３に対し運転指令を発し、切替弁１３と膨張弁１５に対しては状態切り替えの指令を発する。

図１は空気調和機１が冷房運転あるいは除霜運転を行っている状態を示す。この時圧縮機１２は冷房時循環、すなわち圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室外側熱交換器１４に入る循環様式で冷媒を循環させる。

圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側熱交換器１４に入り、そこで室外空気との熱交換が行われる。冷媒は室外空気に対し放熱を行い、凝縮する。凝縮して液状となった冷媒は室外側熱交換器１４から膨張弁１５に入り、そこで減圧される。減圧後の冷媒は室内側熱交換器３２に送られ、膨張して低温低圧となり、室内側熱交換器３２の表面温度を下げる。表面温度の下がった室内側熱交換器３２は室内空気から吸熱し、これにより室内空気は冷やされる。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４からの放熱を促進し、室内側送風機３３によって生成された気流が室内側熱交換器３２の吸熱を促進する。

図２は空気調和機１が暖房運転を行っている状態を示す。この時は切替弁１３が切り替えられて冷房運転時と冷媒の流れが逆になる。圧縮機１２は暖房時循環、すなわち圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室内側熱交換器３２に入る循環様式で冷媒を循環させる。

圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側熱交換器３２に入り、そこで室内空気との熱交換が行われる。冷媒は室内空気に対し放熱を行い、室内空気は暖められる。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は室内側熱交換器３２から膨張弁１５に入り、そこで減圧される。減圧後の冷媒は室外側熱交換器１４に送られ、膨張して低温低圧となり、室外側熱交換器１４の表面温度を下げる。表面温度の下がった室外側熱交換器１４は室外空気から吸熱する。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室内側送風機３３によって生成された気流が室内側熱交換器３２からの放熱を促進し、室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４による吸熱を促進する。

冷房運転時、室内側熱交換器３２からドレン水が発生する。このドレン水を、凝縮器としての機能を果たしている室外側熱交換器１４に導く。室外側熱交換器１４として用いられている熱交換器５０には、図６に示す工夫が施されている。

構造上の工夫というのは、ヘッダパイプ５２の上部に設けられた受水容器６０である。受水容器６０は、ヘッダパイプ５２の上端を閉ざすのに用いられているプラグ６１を深さのあるカップ形状とすることで形成される。プラグ６１はヘッダパイプ５２と同材質であり、ヘッダパイプ５２にロウ付けまたは溶着で固定される。

受水容器６０には室内機３０から延びたドレンホース３５が接続される。ドレンホース３５の先端は、受水容器６０の内側に嵌合可能な形状とされている。

受水容器６０の周壁には複数の貫通孔が所定の角度間隔で形成される。この貫通孔が、ヘッダパイプ５２の表面側に出口を有する導水路６２となる。貫通孔の形状は円形でもよいが、上下方向に長いスリット形状も取りうる。貫通孔が上下方向に長いスリット形状であると、受水容器６０内に大量のドレン水が流入しても受水容器６０から噴き出そうとする水圧が分散され、受水容器６０から飛び出すような勢いで噴き出すことがない。このため、ドレン水を確実にヘッダパイプ５２の表面に伝わらせることができる。当然のことながら、ドレン水が飛び出さないような大きさであれば、貫通孔は円形であってもよい。

図６では貫通孔は受水容器６０の周壁に同じ高さで設けられているが、貫通孔によって高さを変えてもよい。例えば、ヘッダパイプ５２の中でも偏平チューブ５３とフィン５５
が存在する側の貫通孔は低い位置に置き、冷媒出入パイプ５７が存在する側の貫通孔は高い位置に置くことができる。このようにすると、水圧の差により、偏平チューブ５３とフィン５５が存在する側の貫通孔からのドレン水流出量を多くすることができる。

冷房運転時、室内側熱交換器３２で発生したドレン水はドレンホース３５を経由して受水容器６０に入り、導水路６２を通じてヘッダパイプ５２の表面へと流れ出す。ドレン水はヘッダパイプ５２の表面を伝わって流下し、気化熱でヘッダパイプ５２を効率良く冷却する。これにより、冷房運転時に凝縮器として機能している熱交換器５０の凝縮圧力が大幅に低下し、凝縮性能が大幅に向上する。

受水容器６０が設けられているのが、熱交換器５０が凝縮器として用いられる際に冷媒流入側となるヘッダパイプ５２であるから、凝縮性能の向上は一層顕著なものとなる。

ヘッダパイプ５２の表面を伝って流下するドレン水が、ヘッダパイプ５２の下端に達する前に全部蒸発するのが望ましいが、ヘッダパイプ５２の下端まで液体の形を保ち、ヘッダパイプ５２の下端から滴下するドレン水も存在する。そのようなドレン水を受け止めるドレンパンを室外機１０の筐体１１の内部に配置し、受け止めたドレン水を適宜外部に廃棄できるようにしておくのがよい。

本実施形態ではプラグ６１の形状を変えることで受水容器６０を形成したが、他のやり方で受水容器を形成することもできる。例えばヘッダパイプ５２を上方に延長し、プラグ６１はこれまでと変わらない高さに設置することにより、プラグ６１の上に空間を確保し、その空間を受水容器として利用することもできる。あるいは、ヘッダパイプ５２の上に別体の受水容器を固定することとしてもよい。

また本実施形態ではヘッダパイプ５２のみに受水容器６０を形成したが、同じような受水容器をヘッダパイプ５１の側に形成してもよい。その場合、ヘッダパイプ５２の受水容器６０からヘッダパイプ５１の受水容器へ、連通管を通じてドレン水を流すこととしてもよく、あるいはドレンホース３５の先端を二股に分岐させ、二股の先端をヘッダパイプ５２の受水容器６０とヘッダパイプ５１の受水容器に接続することとしてもよい。

受水容器６０を用いることなく、ヘッダパイプ５２の表面伝いにドレン水を流下させる構成も可能である。その例を図７及び図８に示す。

図７に示すヘッダパイプ５２は、上部に受水容器６０が設けられていない。その代わり、ヘッダパイプ５２自体が上方に延長されている。このヘッダパイプ５２の延長部にドレンホース３５を被せ、ドレンホース３５とヘッダパイプ５２の間からドレン水が流出するようにする。

ドレンホース３５とヘッダパイプ５２の間からドレン水を流出させる仕組みとして、図７、８の構造例ではドレンホース３５の側に工夫をこらしている。すなわちドレンホース３５の内面に軸線方向のリブ３５ａを複数個、所定の角度間隔で形成し、リブ３５ａの間の隙間からドレン水が流出できるようにしている。流出したドレン水はそのままヘッダパイプ５２の表面伝いに流下する。

ヘッダパイプ５２の上部のドレンホース３５が被さる部分を、細く絞っておいてもよい。このようにすれば、細いドレンホース３５を使用することができる。

ドレン水が流出する隙間を形成するためのリブを、ドレンホース３５の内面でなく、ヘッダパイプ５２の外面に形成してもよい。あるいは、ヘッダパイプ５２の外面に上下方向の溝を形成し、その溝からドレン水が流出するようにしてもよい。

リブや溝といった手段によらず、ドレンホース３５に貫通孔を明け、そこからドレン水が流出するようにしてもよい。貫通孔の位置はドレンホース３５がヘッダパイプ５２に被さっている部分の少し上とする。

ヘッダパイプ５２ばかりでなく、ヘッダパイプ５１の上部も上方に延長し、二股に分岐したドレンホース３５をヘッダパイプ５１、５２の両方に被せる構成も可能である。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はヒートポンプ方式の空気調和機に広く利用可能である。

１ 空気調和機
１０ 室外機
１１ 筐体
１２ 圧縮機
１３ 切替弁
１４ 室外側熱交換器
１５ 膨張弁
１６ 室外側送風機
３０ 室内機
３１ 筐体
３２ 室内側熱交換器
３３ 室内側送風機
３５ ドレンホース
４０ 制御部
５０ 熱交換器
５１、５２ ヘッダパイプ
５３ 偏平チューブ
５５ フィン
６０ 受水容器
６２ 導水路

Claims (6)

1. 室外機及び室内機を備えたセパレート型の空気調和機であって、
   前記室外機に、２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が搭載されるものであり、
   前記室内機で発生したドレン水は、前記熱交換器の前記２本のヘッダパイプのうち少なくとも一方の上部に導かれ、当該ヘッダパイプの表面伝いに流下することを特徴とする空気調和機。
2. 前記ドレン水が導かれる前記ヘッダパイプの上部には受水容器が形成され、前記受水容器には前記ヘッダパイプの表面側に出口を有する導水路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記受水容器には前記室内機から延びたドレンホースが接続可能であることを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記受水容器は、少なくとも、前記２本のヘッダパイプのうち前記熱交換器が凝縮器として用いられる際に冷媒流入側となるヘッダパイプに形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の空気調和機。
5. 前記熱交換器の前記２本のヘッダパイプのうち少なくとも一方の上部に、前記室内機から延びたドレンホースが接続され、前記ドレンホースから流出するドレン水が当該ヘッダパイプの表面伝いに流下することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
6. 前記ドレンホースは、少なくとも、前記２本のヘッダパイプのうち前記熱交換器が凝縮器として用いられる際に冷媒流入側となるヘッダパイプに接続されることを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。

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