JP2017053515A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】製造ばらつきによる冷媒分配への影響がなくなり、高効率且つ安定した高品質の空気調和機を提供する。
【解決手段】空気調和機であって、冷媒を減圧する膨張弁と、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換器とを備え、膨張弁と接続され鉛直方向に設けられた直線形状の第一配管と、第一配管と接続され冷媒流路を複数に分岐する分岐管と、分岐管と接続される複数の第二配管と、第二配管と接続され熱交換器への冷媒流路をさらに分岐する複数の分配器とを備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関する。

空気調和機に用いられる室外ユニットの一種として、上部に設置されたファンの回転によって、空気を背面と左右両側面から吸い込み、上方へ吹き出す、いわゆる上吹き型室外ユニットがある。

この種のものでは、ユニットのサイズを抑えつつ送風・熱交換性能を向上させるために、限られたスペースの中で熱交換器の前面面積、すなわち周長または高さを拡張することが望まれている。これを実現するには、例えば特開２０１１−１１２３０３号公報（特許文献１）に示したような方法がある。具体的には、ユニットの上部にファンを二つ並設するとともに、略コ字状に成形された二つの熱交換器をそれぞれのファンを囲むように配置する。そして、熱交換器の各冷媒経路に冷媒を分流させるヘッダ管を他方の熱交換器に近い方の端部に設けることで、前記ヘッダ管への冷媒配分をせずとも同じ熱交換性能を実現できると記載されている。

特開２０１１−１１２３０３号公報

ヘッダ管の設置姿勢は、製造上のばらつきで必ずしも同じとは限らない。すなわち、鉛直に設けられたものもあれば多少斜めに傾いたものもある。その一方で、気液二相流の場合、ヘッダ管による冷媒分配は重力の影響で、その設置姿勢に大きく左右されることが知られている。

従って、ヘッダ管が異なる姿勢で設けられた室外ユニットでは、熱交換器が蒸発器として機能する、すなわち冷媒が気液二相状態で各冷媒経路へ分流する時に、それぞれの熱交換器における冷媒分配状況が異なってしまう。よって、例えば、複数の熱交換器ではそれぞれの熱交換器が同じ熱交換性能を実現できなくなり、室外ユニットの効率が損なわれることになる。また、上述の理由から、室外ユニットの製品毎に性能が異なり、ばらつきが生じてしまう。

つまり、特許文献１に開示された従来技術では、室外ユニットの効率が製造ばらつきの影響を受けやすく、個体差が生じやすいという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、製造ばらつきが冷媒分配に与える影響をなくすことによって、空気調和機の高効率を実現するとともに、製品の品質を安定させることを目的とする。

本発明は、上記の課題を達成するために、その一例を挙げるならば、空気調和機であって、冷媒を減圧する膨張弁と、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換器とを備え、膨張弁と接続され鉛直方向に設けられた直線形状の第一配管と、第一配管と接続され冷媒流路を複数に分岐する分岐管と、分岐管と接続される複数の第二配管と、第二配管と接続され熱交換器への冷媒流路をさらに分岐する複数の分配器とを備える構成とする。

本発明によれば、製造ばらつきによる冷媒分配への影響がなくなり、高効率且つ安定した高品質の空気調和機を提供することができる。

実施例１における冷媒分配系を示す概略図である。 実施例１における空気調和機の冷凍サイクル構成を示す系統図である。 実施例１における室外ユニットの概略を示す正面図である。 実施例１における室外ユニットの概略を示す平面図である。 実施例１における熱交換器の概略を示す斜視図である。 実施例１における冷媒分配系の他の例を示す概略図である。 実施例２における冷媒分配系を示す概略図である。 実施例２における冷媒分配系の他の例を示す概略図である。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

まず、図２を用いて、本実施例に係る空気調和機について説明する。図２は、空気調和機１（例えば業務用空気調和機の例）の冷凍サイクル構成を示す系統図である。図２において、空気調和機１は、室外ユニット１０と、室内ユニット２０と、室外ユニット１０と室内ユニット２０とを接続する配管９０、９１から構成される。

室外ユニット１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１０１と、冷媒の流れ方向を切り替える四方弁１０２と、蒸発器で蒸発しきれなかった冷媒液を分離するアキュムレータ１０３と、冷媒を減圧する室外膨張弁１０４と、室外ファン（図示せず）から送られてきた外気と冷媒とを熱交換させる室外熱交換器１０５、１０６と、室外熱交換器１０５、１０６を流れる冷媒をそれぞれに分流または合流させるディストリビュータ（分配器）１０７、１０８およびヘッダ管１０９、１１０と、ディストリビュータ１０７、１０８を通る冷媒を分流または合流させる分岐管１１１と、ヘッダ管１０９、１１０を通る冷媒を分流または合流させる分岐管１１２と、配管９０との接続部１１３と、配管９１との接続部１１４と、からなる。

一方で、室内ユニット２０は、冷媒を減圧する室内膨張弁２０１と、室内ファン（図示せず）から送られてきた室内空気と冷媒とを熱交換させる室内熱交換器２０２と、室内熱交換器２０２を流れる冷媒を分流または合流させるディストリビュータ２０３およびヘッダ管２０４と、配管９０との接続部２０５と、配管９１との接続部２０６と、からなる。

暖房運転時に、室外熱交換器１０５、１０６は蒸発器、室内熱交換器２０２は凝縮器として機能する。冷媒は、実線矢印で示すように、圧縮機１０１によって圧縮され、高圧高温のガス状態で吐出された後、四方弁１０２と配管９０を経て、ヘッダ管２０４で五つに分流し、室内熱交換器２０２へ流れる。室内熱交換器２０２内で、冷媒は室内ファン（図示せず）から送られてきた室内空気に熱を放出し、高圧中温の液状態となってから、ディストリビュータ２０３で合流する。そして、冷媒は室内膨張弁２０１、配管９１、室外膨張弁１０４を通過し減圧され、低圧低温の気液二相状態に変化した後、分岐管１１１で二つ、さらに、ディストリビュータ１０７、１０８でそれぞれ五つに分流し、室外熱交換器１０５、１０６へ流れる。室外熱交換器１０５、１０６内で、冷媒は室外ファン（図示せず）から送られてきた外気から熱を奪い蒸発し、低圧低温のガス状態となってから、ヘッダ管１０９、１１０および分岐管１１２で合流し、四方弁１０２とアキュムレータ１０３を経て、再び圧縮機１０１に戻る。

その一方で、四方弁１０２によって冷媒の流れ方向を切り替えると、冷房運転となる。この場合、室外熱交換器１０５、１０６は凝縮器、室内熱交換器２０２は蒸発器として機能する。冷媒は、点線矢印で示すように、圧縮機１０１、四方弁１０２、分岐管１１２、ヘッダ管１０９、１１０、室外熱交換器１０５、１０６、ディストリビュータ１０７、１０８、分岐管１１１、室外膨張弁１０４、配管９１、室内膨張弁２０１、ディストリビュータ２０３、室内熱交換器２０２、ヘッダ管２０４、配管９０、四方弁１０２、アキュムレータ１０３、圧縮機１０１の順に状態変化をしながら空気調和機１内を循環し、室内空気から熱を吸収して外気へ放出する。

なおここで、１台の室外ユニットと１台の室内ユニットから構成される空気調和機について説明したが、１台の室外ユニットと複数台の室内ユニット、または複数台の室外ユニットと複数台の室内ユニットからなる空気調和機も本発明の対象である。また、室外熱交換器の台数や、分岐管、ディストリビュータ、ヘッダ管の分岐数は、限定されるものではなく、複数であればよい。

次に、図３と図４を用いて、本実施例に係る室外ユニットの例について説明する。図３は上吹き型の室外ユニット１０の正面図、図４は平面図である。ここで、１００は筐体、１０１は圧縮機、１０２は四方弁、１０３はアキュムレータ、１０４は室外膨張弁、１０５と１０６は室外熱交換器、１０７と１０８はディストリビュータ、１０９と１１０はヘッダ管、１１１と１１２は分岐管、１１３と１１４は室内ユニットと室外ユニットをつなぐ配管との接続部、１１５と１１６はプロペラファン、１１７と１１８はモータ、１１９と１２０はシャフト、１２１と１２２はベルマウスである。また、図中の太線は各構成要素を接続する配管を、矢印は空気の流れを示している。

筐体１００は、直方体の形状をなす。背面と左右両側面には、ほぼ全面にわたって空気を取り込むための開口部が設けられている。上面には、室外熱交換器１０５、１０６を通過した空気を外に排出するための開口部がある。また、前面には、取り外し可能なサービスパネルが備え付けられている。

筐体１００の上には、ユニット外へ排出される空気の流れをスムーズにするためのベルマウス１２１、１２２が並設されている。ベルマウス１２１の内側には、プロペラファン１１５と、プロペラファン１１５の下方に設けられプロペラファン１１５を駆動するためのモータ１１７と、プロペラファン１１５とモータ１１７を接続するシャフト１１９が、ベルマウス１２１と同軸に配置されている。また、ベルマウス１２２の内側には、プロペラファン１１６と、プロペラファン１１６の下方に設けられプロペラファン１１６を駆動するためのモータ１１８と、プロペラファン１１６とモータ１１８を接続するシャフト１２０が、ベルマウス１２２と同軸に配置されている。なお、ここで図示していないが、モータ１１７、１１８はクランプによって、室外熱交換器１０５、１０６または筐体１００に固定されている。

プロペラファン１１５、１１６がモータ１１７、１１８の駆動で回転すると、空気は、図中の矢印で示すように、筐体の背面と左右両側面の開口部より、ユニット内に取り込まれる。そして、室外熱交換器１０５、１０６を通過した後、プロペラファン１１５、１１６で昇圧され、ベルマウス１２１、１２２よりユニット外に送り出される。

筐体１００の中には、筐体１００とほぼ同じ高さを有し、略コ字状に成形された室外熱交換器１０５、１０６が、筐体１００の両側面および背面に沿って、それぞれプロペラファン１１５、１１６を囲むように左右対称に配置されている。なお、室外熱交換器１０５、１０６の折り曲げ部分は、図４に示すように、筐体側面側のほうが長くなっている。

室外熱交換器１０５、１０６は、例えば図５に示すクロスフィンチューブ型熱交換器である。この種の熱交換器は、互いに平行に置かれた複数のＵ字型伝熱管５２と、伝熱管５２の軸方向に沿ってほぼ一定の間隔で配列された多数の薄板状のフィン５１と、伝熱管５２同士を連結する複数のリターンベンド５３からなる。伝熱管５２はフィン５１を貫通し、拡管加工によってフィン５１に密着している。よって、フィン５１と伝熱管５２の壁面を介して、伝熱管５２内を流れる冷媒と、フィン５１相互間の隙間を流れる空気との間で熱交換が行われる。

図３に戻って、筐体１００の中央に位置する室外熱交換器１０５、１０６の端部付近には、分岐管１１１およびディストリビュータ１０７、１０８から構成される冷媒分配系Ａと、分岐管１１２およびヘッダ管１０９、１１０から構成される冷媒分配系Ｂが設置されている。

冷媒分配系Ａは、室外熱交換器１０５、１０６が蒸発器として機能する暖房運転時に、室外膨張弁１０４を通過した気液二相状態の冷媒を分流させる一方、室外熱交換器１０５、１０６が凝縮器として機能する冷房運転時には、室外熱交換器１０５、１０６で凝縮した冷媒液を合流させる役割を果たす。

冷媒分配系Ｂは、室外熱交換器１０５、１０６が蒸発器として機能する暖房運転時に、室外熱交換器１０５、１０６で蒸発した冷媒ガスを合流させる一方、室外熱交換器１０５、１０６が凝縮器として機能する冷房運転時には、圧縮機１０１からの冷媒ガスを分流させる役割を果たす。

なお、圧縮機１０１と、アキュムレータ１０３は、室外熱交換器１０６の内側に収容され、筐体１００の底板に固定されている。

次に、室外膨張弁１０４と冷媒分配系Ａについて説明する。図１は、本実施例における冷媒分配系を示す概略図である。図１において、１０４は室外膨張弁、１１１は分岐管、１０７、１０８はディストリビュータ、１２３は室外膨張弁１０４への異物の侵入を防ぐためのストレーナ、１３０、１３１、１３２、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８、１４９、１５０は配管である。また、図中の矢印は室外熱交換器１０５、１０６が蒸発器として機能する暖房運転時の冷媒の流れを示している。なおこの場合は、分岐管１１１およびディストリビュータ１０７、１０８で、冷媒が気液二相状態で分流する。

室外膨張弁１０４は、弁本体４１と、２本の接続管４２、４３からなる。弁本体４１の中には、ここで図示していないが、弁孔と、駆動装置によって上下方向に移動できるニードルが内蔵されている。そして、弁孔とニードルとの間には、ドーナツ状の冷媒流路が形成されている。この冷媒流路の面積は、ニードルを動かすことによって調節できる。

室外膨張弁１０４の下方に設けられ、接続管４３に結合したストレーナ１２３は、ほぼ円筒状のケーシング３１と、ケーシング３１に内蔵され、冷媒から異物を取り除くためのメッシュ部材３２からなる。メッシュ部材３２は、例えばかしめ加工によってケーシング３１に取り付けられている。

ストレーナ１２３の下方に設けられ、配管１３０でストレーナ１２３に接続した分岐管１１１は、逆Ｔ字形をしており、配管１３０に対向するストレート部の両端には下向きに曲がるＬ字形状の配管１３１、１３２がそれぞれに取り付けられている。そして、配管１３１、１３２のもう一方の端には、冷媒を五つに分流させるディストリビュータ１０７、１０８が設置されており、それぞれに配管１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、または、配管１４６、１４７、１４８、１４９、１５０が接続されている。

なお、配管１３０、１３１、１３２は、ストレーナ１２３、ディストリビュータ１０７、１０８の接続部と整合するように拡管加工されている。

以下、図中の矢印を用いて冷媒の流れと、本実施例の効果について説明する。

暖房運転時に、冷媒分配系Ａは、気液二相状態の冷媒を分流させる役割を果たす。具体的には、室内ユニット２０で凝縮し、液状態となった冷媒は、ストレーナ（図示せず）を経て、室外膨張弁の接続管４２より室外膨張弁１０４に流入する。そして、室外膨張弁１０４の中に形成されたドーナツ状の冷媒流路を通過する際に、冷媒は減圧され、噴霧流、すなわち細かな液滴が冷媒ガスに同伴し、気相と液相がよく混合した状態になる。その後、冷媒は、ストレーナ１２３と配管１３０を経て、分岐管１１１のストレート部の壁面に衝突し、左右に分かれてから、それぞれが配管１３１または１３２を通過し、噴霧流状態を保ったままディストリビュータ１０７、１０８で五つに分流し、配管１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８、１４９、１５０より室外熱交換器１０５、１０６へ流れる。

本実施例では、室外膨張弁１０４と分岐管１１１との間に配置する配管１３０を直線形状にするとともに鉛直方向に配置し、分岐管１１１とディストリビュータ１０７、１０８との間に配置する配管１３１、１３２をＬ字形状にする。これにより、室外膨張弁１０４からディストリビュータ１０７、１０８に至るまでの流路長さをできるだけ短くすることができるので、冷媒中の気相と液相との分離が起こる前に、すなわち噴霧流状態のまま冷媒を分流させることが可能となる。よって、たとえ製造ばらつきが発生しても、噴霧流の分配特性がディストリビュータの設置姿勢にほとんど影響を受けないので、室外熱交換器１０５、１０６への冷媒分配状況が変わることなく、所定の熱交換性能を実現できる。また、ディストリビュータ１０７、１０８が鉛直配置であるので、ディストリビュータ中の冷媒流路が鉛直方向であり、重力による冷媒分配への影響を回避できる。さらに、配管１３０、１３１、１３２がシンプルな形状でありながら短いので、製造コストを削減できる。

また、分岐管１１１はＴ字形状（逆Ｔ字形状）である。これにより、分岐管１１１で分流した後の冷媒の流れ方向は、分流する前の流れ方向に対して同じ角度、すなわち９０°をなすので、慣性力による冷媒分配への影響を回避できる。そして、分岐管１１１のストレート部で生じる冷媒の壁面への衝突は、気相と液相との分離を防ぐのに貢献できる。なお、分岐管１１１は、同じ角度をなす形状として、Ｙ字形状（逆Ｙ字形状）でも良いし、Ｕ字形状（逆Ｕ字形状）でも良い。また、配管１３１、１３２はＬ字形状でなくても良い。

また、冷房運転時には、冷媒が図中の矢印の逆方向に流れる。つまり、室外熱交換器１０５、１０６で凝縮し、液状態となった冷媒は、ディストリビュータ１０７、１０８、そして、分岐管１１１で合流した後、ストレーナ１２３、室外膨張弁１０４を通る。万が一冷媒に異物が同伴したら、ストレーナ１２３に内蔵されたメッシュ部材３２によって異物は除去されるので、異物の侵入に起因する室外膨張弁の故障を防止することができる。

以上、ディストリビュータ１０７、１０８が下向きに設置された場合について説明したが、図６に示すように上向きに設置してもよい。また、室外膨張弁１０４の接続管４２は、図１に示したように分岐管１１１のストレート部に平行に配置してもよいが、図６に示したように垂直に、または斜めにしてもよい。さらに、熱交換器の数に応じて、分岐管１１１の分岐数を変えてもよい。この場合、分流した後の冷媒の流れ方向は分流する前の流れ方向に対して同じ角度をなすことが望ましい。もちろん、ディストリビュータの分岐数は、熱交換器の冷媒経路数に応じて変えてもよい。ディストリビュータの形状については、冷媒流路を分岐できればよい。

以上のように、本実施例は、空気調和機であって、冷媒を減圧する室外膨張弁１０４と、冷媒と空気とを熱交換させる室外熱交換器１０５，１０６とを備え、膨張弁と接続され鉛直方向に設けられた直線形状の第一配管１３０と、第一配管と接続され冷媒流路を複数に分岐する分岐管１１１と、分岐管と接続される複数の第二配管１３１，１３２と、第二配管と接続され熱交換器への冷媒流路をさらに分岐する複数の分配器１０７，１０８とを備える構成とする。

これにより、製造ばらつきによる冷媒分配への影響がなくなり、高効率且つ安定した高品質の空気調和機を提供することができる。

本実施例は、各熱交換器の熱交換能力に応じて冷媒配分を調節できる例について説明する。

図７は、本実施例における冷媒分配系を示す概略図である。図７において、実施例１と同じ構成要素には同一の符号を付けて説明を省略し、実施例１との相違点を中心に述べる。

本実施例では、図７に示すように、分岐管１１１ｂのストレート部の右側下壁面に窪み１１を設ける。これによって、流路面積が部分的に小さくなり、流動抵抗が増加する。それで、右側へ流れる冷媒の流量を減らすことが可能となる。

室外ユニットでは、圧縮機などの構成要素の配置によって、各熱交換器を通る空気の流量は必ずしも同じとは限らない。例えば、図３に示した室外ユニット１０の場合では、室外熱交換器１０６の内側に置かれた圧縮機１０１とアキュムレータ１０３は空気の流れを阻害するので、室外熱交換器１０６を通る空気の流量が室外熱交換器１０５より少なくなるにつれて、熱交換能力が低くなる。そのため、室外熱交換器１０６を効率よく利用するには、流れる冷媒の流量を減らす必要がある。

図７に示した本実施例によれば、各熱交換器の熱交換能力に応じて冷媒配分を調節できるので、上記の課題は解決される。また、窪み１１の設置は冷媒中の気相と液相との分離をもたらすことがないので、冷媒を噴霧流状態で分流させ、製造ばらつきの影響を回避できる。

なお、冷媒配分を調節する他の例として、図８に示すように、分岐管１１１とディストリビュータ１０８を接続する配管１３２ｂの太さを変えて細くしても良い。また、ディストリビュータ１０８の中にオリフィスを設けても良い。

また、以上は、空気調和機の上吹き型室外ユニットを例に説明したが、本発明は他のタイプの室外ユニットや室内ユニット、または、冷凍サイクルを利用した他の機器にも適用できる。

また、熱交換器を１つとして、上記した冷媒分配系を適用しても良い。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１…空気調和機、１０…室外ユニット、１１…窪み、２０…室内ユニット、１０１…圧縮機、１０２…四方弁、１０３…アキュムレータ、１０４…室外膨張弁，２０１…室内膨張弁、１０５，１０６…室外熱交換器、２０２…室内熱交換器、１０７，１０８，２０３…ディストリビュータ（分配器）、１０９，１１０，２０４…ヘッダ管、１１１，１１１ｂ，１１２…分岐管、１１５，１１６…プロペラファン、１２１，１２２…ベルマウス、１２３…ストレーナ、９０，９１，１３０，１３１，１３２，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４７，１４８，１４９，１５０…配管

Claims (9)

1. 冷媒を減圧する膨張弁と、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換器とを備え、
   前記膨張弁と接続され鉛直方向に設けられた直線形状の第一配管と、
   前記第一配管と接続され冷媒流路を複数に分岐する分岐管と、
   前記分岐管と接続される複数の第二配管と、
   前記第二配管と接続され前記熱交換器への冷媒流路をさらに分岐する複数の分配器と
   を備えることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記分岐管で分岐した冷媒流路のそれぞれは、分岐する前の冷媒流路とのなす角度が同じであることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記分岐管はＴ字形状をなし、前記第二配管はＬ字形状をなすことを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記分岐管は分岐した冷媒流路の流動抵抗を調整する機能を備えていることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記分岐管から前記分配器までの冷媒流路における前記複数の第二配管の流動抵抗が異なることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記膨張弁と前記第一配管との間にストレーナが設けられていることを特徴とする空気調和機。
7. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記分配器の中の冷媒流路が鉛直方向であることを特徴とする空気調和機。
8. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記分配器が下向きに設置されていることを特徴とする空気調和機。
9. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記熱交換器は複数であることを特徴とする空気調和機。

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