JP2021055957A - 蒸発器、およびそれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

蒸発器、およびそれを備えた冷凍サイクル装置 Download PDF

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Abstract

【課題】非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器において、着霜耐力および熱交換性能の向上を図った蒸発器を提供する。【解決手段】切り欠きの開口側が空気流れの風上にある場合、空気温度と蒸発器表面の温度差を大きくとれるため、熱交性能は良くなるが着霜しやすくなる。逆に、切り欠きの開口側が風下にある場合、着霜耐力は上がるが熱交性能は低下する。特に、使用冷媒が非共沸混合冷媒であるので、温度勾配により蒸発器の入口側で冷媒温度が下がる傾向にあり着霜しやすい。しかし、切り欠きの開口側が空気の流れ方向の風下に位置する第1熱交換部23aが形成されているので、少なくとも蒸発器の入口側を第1熱交換部23aとすることによって、着霜耐力を上げることができる。【選択図】図5A

Description

非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器に関する。
冷凍サイクル装置の蒸発器として、複数の伝熱管の分布を伝熱フィンの中心に対して風上側および風下側のいずれか一方に多く偏らせた形態のものが存在する。例えば、特許文献1(WO2017/183180号)に記載の蒸発器は、フィンの幅方向に延びる長径を有する長孔が、フィンの幅方向および厚み方向と直交する方向に所定間隔で設けられ、各長孔に扁平管が挿入されている、積層型熱交換器である。
上記のような蒸発器において、扁平管群全体の幅方向の中心をフィンの幅方向の中心に対して空気の風上側へ配置すると空気温度と熱交換器表面の温度差を大きくとれるため、熱交換性能は良くなるが着霜しやすくなる。逆に、扁平管群全体の幅方向の中心をフィンの幅方向の中心に対して風下側に配置すると着霜耐力(着霜を抑制する能力)は上がるが熱交換性能は低下する、という傾向がある。
特に、非共沸混合冷媒では、液相、気相で組成が異なるため、蒸発器では入口の冷媒温度が出口に比べて低く、扁平管が風上側に偏ると着霜しやすくなる。
特許文献1では、扁平管とフィンの風上側縁部との距離を、凝縮水および融解水の排水性という観点から検討しているが、蒸発器に流れる冷媒を非共沸混合冷媒に特定した場合の着霜耐力(着霜を抑制する能力)および/又は熱交換性能の観点では検討されていない。
それゆえ、非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器において、着霜耐力および/又は熱交換性能の向上を図った蒸発器を提供する、という課題がある。
第1観点に係る蒸発器は、非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器であって、複数のフィンと、複数の伝熱管とを備えている。複数のフィンは、板厚方向に所定間隔で並んでいる。複数の伝熱管は、複数のフィンを板厚方向に貫通している。蒸発器には、第1熱交換部が形成されている。第1熱交換部は、複数の伝熱管を伝熱管群としてフィンの板厚方向から視たとき、空気の流れ方向における伝熱管群の分布中心が、空気の流れ方向におけるフィンの中心よりも風下に位置する。
この蒸発器では、封入冷媒が非共沸混合冷媒であるため、蒸発器入口の冷媒温度が出口に比べて低く着霜しやすい。しかしながら、例えば、冷媒入口側を第1熱交換部とすれば、伝熱管群の分布中心が空気の流れ方向におけるフィンの中心よりも風下に位置するので、伝熱管群の分布中心がフィンの中心よりも風上に位置する場合よりも着霜しにくくなる。
第2観点に係る蒸発器は、第1観点に係る蒸発器であって、第2熱交換部がさらに形成されている。第2熱交換部は、伝熱管群の分布中心が、空気の流れ方向におけるフィンの中心よりも風上に位置する。
この蒸発器では、非共沸混合冷媒は、蒸発器の入口から出口に向かって温度上昇するので、出口側では、むしろ、着霜耐力よりも熱交換性能を重視し、伝熱管群の分布中心が空気の流れ方向におけるフィンの中心よりも風上に位置することが好ましい。
それゆえ、第1観点の第1熱交換部に加えて、伝熱管群の分布中心が空気の流れ方向におけるフィンの中心よりも風上に位置する第2熱交換部が形成されることによって、例えば、蒸発器入口側に第1熱交換部を、蒸発器出口側に第2熱交換部を配置することができる。このように、蒸発器における冷媒温度に適した熱交換部の組合せを試みることができる。
第3観点に係る蒸発器は、第2観点に係る蒸発器であって、第3熱交換部がさらに形成されている。第3熱交換部は、伝熱管群の分布中心が、前記空気の流れ方向におけるフィンの中心とほぼ一致する。
この蒸発器では、例えば、蒸発器入口側に第1熱交換部を、蒸発器出口側に第2熱交換部を、第1熱交換部と第2熱交換部との間に第3熱交換部を配置することができる。このように、蒸発器における冷媒温度に適した熱交換部の組合せを試みることができる。
第4観点に係る蒸発器は、第2観点に係る蒸発器であって、第1熱交換部と、第2熱交換部とが一体化されている。
第5観点に係る蒸発器は、第3観点に係る蒸発器であって、第1熱交換部と、第2熱交換部および第3熱交換部の少なくともいずれか一方とが一体化されている。
第6観点に係る蒸発器は、非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器であって、複数のフィンと、複数の伝熱管とを備えている。複数のフィンは、板厚方向に所定間隔で並んでいる。複数の伝熱管は、複数のフィンを板厚方向に貫通する。蒸発器には、第1熱交換部と、第2熱交換部とが形成されている。第1熱交換部では、空気の流れ方向の最も風上に位置する伝熱管の風上側端部からフィンの風上側端部までの距離が第1寸法である。第2熱交換部では、空気の流れ方向の最も風上に位置する伝熱管の風上側端部からフィンの風上側端部までの距離が第1寸法よりも小さい第2寸法である。
この蒸発器では、非共沸混合冷媒は、蒸発器の入口から出口に向かって温度上昇するので、入口側では着霜耐力を重視し、出口側では熱交換性能を重視することが好ましい。
例えば、蒸発器入口側に第1熱交換部を、蒸発器出口側に第2熱交換部を配置することができる。このように、蒸発器における冷媒温度に適した組合せを試みることができる。
第7観点に係る蒸発器は、第6観点に係る蒸発器であって、第3熱交換部がさらに形成されている。第3熱交換部では、空気の流れ方向の最も風上に位置する伝熱管の風上側端部からフィンの風上側端部までの距離と、空気の流れ方向の最も風下に位置する伝熱管の風下側端部からフィンの風下側端部までの距離とが等しい。
この蒸発器では、例えば、蒸発器入口側に第1熱交換部を、蒸発器出口側に第2熱交換部を、第1熱交換部と第2熱交換部との間に第3熱交換部を配置することができる。このように、蒸発器における冷媒温度に適した熱交換部の組合せを試みることができる。
第8観点に係る蒸発器は、第6観点に係る蒸発器であって、第1熱交換部と、第2熱交換部とが一体化されている。
第9観点に係る蒸発器は、第7観点に係る蒸発器であって、第1熱交換部と、第2熱交換部および第3熱交換部の少なくともいずれか一方とが一体化されている。
第10観点に係る蒸発器は、非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器であって、複数のフィンと、複数の伝熱管とを備えている。複数のフィンは、板厚方向に所定間隔で並んでいる。複数の伝熱管は、複数のフィンを板厚方向に貫通する。フィンは、複数の切り欠きを有している。複数の切り欠きは、空気の流れ方向および板厚方向の双方と直交する方向に並んでいる。伝熱管は、切り欠きに差し込まれる扁平多穴管である。蒸発器には、第1熱交換部が形成されている。第1熱交換部では、切り欠きの開口側が空気の流れ方向の風下に位置している。
この蒸発器では、切り欠きの開口側が空気流れの風上にある場合、空気温度と蒸発器表面の温度差を大きくとれるため、熱交性能は良くなるが着霜しやすくなる。逆に、切り欠きの開口側が風下にある場合、着霜耐力は上がるが熱交性能は低下する。特に、使用冷媒が非共沸混合冷媒であるので、温度勾配により蒸発器の入口側で冷媒温度が下がる傾向にあり着霜しやすい。
しかし、切り欠きの開口側が空気の流れ方向の風下に位置する第1熱交換部が形成されているので、少なくとも蒸発器の入口側を第1熱交換部とすることによって、着霜耐力を上げることができる。
第11観点に係る蒸発器は、第10観点に係る蒸発器であって、第2熱交換部がさらに形成されている。第2熱交換部では、切り欠きの開口側が空気の流れ方向の風上に位置している。
この蒸発器では、例えば、蒸発器入口側に第1熱交換部を、蒸発器出口側に第2熱交換部を配置することができる。このように、蒸発器における冷媒温度に適した組合せを試みることができる。
第12観点に係る蒸発器は、第11観点に係る蒸発器であって、第1熱交換部と第2熱交換部とが一体化されている。
第13観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、HFC冷媒、HFO冷媒、CF3I、および自然冷媒のいずれかを含んでいる。
第14観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、R32、R1132(E)、R1234yf、R1234ze、CF3IおよびCO2のいずれかを含んでいる。
第15観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(E)、R32、R1234yfを含んでいる。
第16観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(E)、R1123およびR1234yfを含んでいる。
第17観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(E)およびR1234yfを含んでいる。
第18観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、少なくともR32、R1234yf、並びに、R1132aおよびR1114の少なくとも一種を含んでいる。
第19観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、少なくともR32、CO2、R125、R134a、およびR1234yfを含んでいる。
第20観点に係る冷凍サイクル装置は、第1観点から第12観点のいずれか1つに係る蒸発器を備えた冷凍サイクル装置である。非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(Z)およびR1234yfを含んでいる。
本開示の一実施形態にかかる冷凍装置としての空気調和装置の概略構成図。 室内熱交換器の概略正面図。 室外熱交換器の外観斜視図。 非共沸混合冷媒のPH線図。 第1実施形態に係る室外熱交換器の第1熱交換部の斜視図。 第1実施形態に係る室外熱交換器の第2熱交換部の斜視図。 第1熱交換部と第2熱交換部とを併用した室外熱交換器の概略斜視図。 第1熱交換部と第2熱交換部とを併用した他の室外熱交換器の概略斜視図。 第2実施形態に係る室外熱交換器の第1熱交換部の斜視図。 第2実施形態に係る室外熱交換器の第2熱交換部の斜視図。 第2実施形態の変形例に係る室外熱交換器の第3熱交換部の斜視図。 第3実施形態に係る室外熱交換器の第1熱交換部の斜視図。 第3実施形態に係る室外熱交換器の第2熱交換部の斜視図。 第3実施形態の変形例に係る室外熱交換器の第3熱交換部の斜視図。
<第1実施形態>
(1)空気調和装置1の構成
図1は、本開示の一実施形態に係る空気調和装置1の概略構成図である。図1において、空気調和装置1は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、冷房運転及び暖房運転を行う冷凍装置である。
空気調和装置1の冷媒回路10は、室外ユニット2と、室内ユニット4とが液冷媒連絡管5及びガス冷媒連絡管6を介して接続されることによって構成されている。
冷媒回路10に封入されている冷媒は、非共沸混合冷媒である。非共沸混合冷媒は、HFC冷媒、HFO冷媒、CF3I、および自然冷媒のいずれかを含んでいる。
(1−1)室内ユニット4
室内ユニット4は、室内に設置されており、冷媒回路10の一部を構成している。室内ユニット4は、室内熱交換器41、室内ファン42、および室内側制御部44を含んでいる。
(1−1−1)室内熱交換器41
室内熱交換器41は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却する。また、室内熱交換器41は、暖房運転時には冷媒の放熱器として機能して室内空気を加熱する。冷房運転時における室内熱交換器41の冷媒の入口側は液冷媒連絡管5と接続されており、冷媒の出口側はガス冷媒連絡管6と接続されている。
図2は、室内熱交換器41の正面図である。図2において、室内熱交換器41はクロスフィン型熱交換器である。室内熱交換器は、伝熱フィン412と、伝熱管411とを有している。
伝熱フィン412は、薄いアルミニウム製の平板である。伝熱フィン412には、複数の貫通孔が形成されている。伝熱管411は、伝熱フィン412の貫通孔に挿入される直管411aと、隣り合う直管411aの端部同士を連結するU字管411b、411cとを有している。
直管411aは、伝熱フィン412の貫通孔に挿入された後に拡管加工されることによって、伝熱フィン412と密着する。直管411aと第1U字管411bとは一体に形成されている。第2U字管411cは、直管411aが伝熱フィン412の貫通孔に挿入され拡管加工された後に、溶接やろう付け等によって直管411aの端部に連結される。
(1−1−2)室内ファン42
室内ファン42は、室内ユニット4内に室内空気を吸入して、室内熱交換器41において冷媒と熱交換させた後に、その空気を室内に供給する。室内ファン42として、遠心ファンや多翼ファン等が採用される。室内ファン42は、室内ファンモータ43によって駆動される。
(1−1−3)室内側制御部44
室内側制御部44は、室内ユニット4を構成する各部の動作を制御する。室内側制御部44は、室内ユニット4の制御を行うためのマイクロコンピュータおよびメモリを有している。
室内側制御部44は、リモートコントローラ(図示せず)との間で制御信号等の送受信を行う。また、室内側制御部44は、室外ユニット2の室外側制御部38との間で伝送線8aを介した制御信号等の送受信を行う。
(1−2)室外ユニット2
室外ユニット2は、室外に設置されており、冷媒回路10の一部を構成している。室外ユニット2は、圧縮機21、四路切換弁22、室外熱交換器23、膨張弁26、液側閉鎖弁27、およびガス側閉鎖弁28を含んでいる。
(1−2−1)圧縮機21
圧縮機21は、冷凍サイクルの低圧の冷媒を圧縮する機器である。圧縮機21は、ロータリ式、スクロール式等の容積式の圧縮要素(図示せず)を圧縮機用モータ21aによって回転駆動する。
圧縮機21は、吸入側に吸入管31が接続されており、吐出側に吐出管32が接続されている。吸入管31は、圧縮機21の吸入側と四路切換弁22とを接続する冷媒管である。吐出管32は、圧縮機21の吐出側と四路切換弁22とを接続する冷媒管である。
吸入管31には、アキュムレータ29が接続されている。アキュムレータ29は、流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを圧縮機21の吸入側へ流す。
(1−2−2)四路切換弁22
四路切換弁22は、冷媒回路10における冷媒の流れの方向を切り換える。四路切換弁22は、冷房運転時には、室外熱交換器23を冷媒の放熱器として機能させ、かつ、室内熱交換器41を冷媒の蒸発器として機能させる。
四路切換弁22は、冷房運転時には、圧縮機21の吐出管32と室外熱交換器23の第1ガス冷媒管33とを接続し、さらに、圧縮機21の吸入管31と第2ガス冷媒管34とを接続する(図1の四路切換弁22の実線を参照)。
また、四路切換弁22は、暖房運転時には、室外熱交換器23を冷媒の蒸発器として機能させ、かつ、室内熱交換器41を冷媒の放熱器として機能させる暖房サイクル状態への切り換えを行う。
四路切換弁22は、暖房運転時には、圧縮機21の吐出管32と第2ガス冷媒管34とを接続し、さらに、圧縮機21の吸入管31と室外熱交換器23の第1ガス冷媒管33とを接続する(図1の四路切換弁22の破線を参照)。
ここで、第1ガス冷媒管33は、四路切換弁22と、室外熱交換器23の冷房運転時における冷媒入口とを接続する冷媒管である。また、第2ガス冷媒管34は、四路切換弁22とガス側閉鎖弁28とを接続する冷媒管である。
(1−2−3)室外熱交換器23
室外熱交換器23は、冷房運転時には冷媒の放熱器として機能する。また、室外熱交換器23は、暖房運転時には冷媒の蒸発器として機能する。室外熱交換器23の冷房運転時における冷媒出口には、液冷媒管35の一端が接続されている。液冷媒管35の他端は、膨張弁26に接続されている。
室外熱交換器23については、[(3)室外熱交換器23の詳細構造]の章で詳細を説明する。
(1−2−4)膨張弁26
膨張弁26は、電動膨張弁である。膨張弁26は、冷房運転時には、室外熱交換器23から送られてくる高圧の冷媒を低圧まで減圧する。また、膨張弁26は、暖房運転時には、室内熱交換器41から送られてくる高圧の冷媒を低圧まで減圧する。
(1−2−5)液側閉鎖弁27及びガス側閉鎖弁28
液側閉鎖弁27は、液冷媒連絡管5と接続される。ガス側閉鎖弁28は、ガス冷媒連絡管6と接続される。液側閉鎖弁27は、冷房運転時の冷媒循環方向における膨張弁26の下流に位置する。ガス側閉鎖弁28は、冷房運転時の冷媒循環方向における四路切換弁22の上流に位置する。
(1−2−6)室外ファン
室外ユニット2は、室外ファン36を含んでいる。室外ファン36は、室外ユニット2内に室外空気を吸入して、室外熱交換器23において冷媒と熱交換させた後に、その空気を外部に排出する。室外ファン36として、プロペラファン等が採用される。室外ファン36は、室外ファン用モータ37によって駆動される。
(1−2−7)室外側制御部38
室外側制御部38は、室外ユニット2を構成する各部の動作を制御する。室外側制御部38は、室外ユニット2の制御を行うためのマイクロコンピュータおよびメモリを有している。
室外側制御部38は、室内ユニット4の室内側制御部44との間で伝送線8aを介した制御信号等の送受信を行う。
(1−3)冷媒連絡管5、6
冷媒連絡管5、6は、空気調和装置1を建物等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管である。冷媒連絡管5、6は、設置場所や室外ユニット2と室内ユニット4との組み合わせ等の設置条件に応じて、適切な長さおよび径の管が採用される。
(2)空気調和装置の基本動作
次に、図1を用いて、空気調和装置1の基本動作について説明する。空気調和装置1は、基本動作として、冷房運転及び暖房運転を行うことができる。
(2−1)冷房運転
冷房運転時には、四路切換弁22が冷房サイクル状態(図1の実線で示される状態)に切り換えられる。冷媒回路10において、冷凍サイクルの低圧のガス冷媒は、圧縮機21に吸入され、圧縮された後に吐出される。
圧縮機21から吐出された高圧のガス冷媒は、四路切換弁22を介して、室外熱交換器23に送られる。
室外熱交換器23に送られた高圧のガス冷媒は、放熱器として機能する室外熱交換器23において、室外ファン36から供給される室外空気と熱交換を行って放熱して、高圧の液冷媒になる。高圧の液冷媒は、膨張弁26に送られる。
膨張弁26に送られた高圧の液冷媒は、膨張弁26によって冷凍サイクルの低圧まで減圧されて、低圧の気液二相状態の冷媒になる。膨張弁26で減圧された低圧の気液二相状態の冷媒は、液側閉鎖弁27及び液冷媒連絡管5を介して、室内熱交換器41に送られる。
室内熱交換器41に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器41において、室内ファン42から供給される室内空気と熱交換を行って蒸発する。これにより、室内空気は冷却され、その後に、その冷却された空気が室内に供給されることによって室内の冷房が行われる。
室内熱交換器41において蒸発した低圧のガス冷媒は、ガス冷媒連絡管6、ガス側閉鎖弁28及び四路切換弁22を介して、再び、圧縮機21に吸入される。
(2−2)暖房運転
暖房運転時には、四路切換弁22が暖房サイクル状態(図1の破線で示される状態)に切り換えられる。冷媒回路10において、冷凍サイクルの低圧のガス冷媒は、圧縮機21に吸入され、圧縮された後に吐出される。
圧縮機21から吐出された高圧のガス冷媒は、四路切換弁22、ガス側閉鎖弁28及びガス冷媒連絡管6を介して、室内熱交換器41に送られる。
室内熱交換器41に送られた高圧のガス冷媒は、室内熱交換器41において、室内ファン42から供給される室内空気と熱交換を行って放熱して、高圧の液冷媒になる。これにより、室内空気は加熱され、その後に、その加熱された空気が室内に供給されることによって室内の暖房が行われる。
室内熱交換器41で放熱した高圧の液冷媒は、液冷媒連絡管5及び液側閉鎖弁27を介して、膨張弁26に送られる。
膨張弁26に送られた高圧の液冷媒は、膨張弁26によって冷凍サイクルの低圧まで減圧されて、低圧の気液二相状態の冷媒になる。膨張弁26で減圧された低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器23に送られる。
室外熱交換器23に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器23において、室外ファン36から供給される室外空気と熱交換を行って蒸発して、低圧のガス冷媒になる。
室外熱交換器23で蒸発した低圧の冷媒は、四路切換弁22を通じて、再び、圧縮機21に吸入される。
(3)室外熱交換器23の詳細説明
(3−1)構造
図3は、室外熱交換器23の外観斜視図である。図3において、室外熱交換器23は、積層型熱交換器である。室外熱交換器23は、複数の扁平管231と複数の伝熱フィン232とを含んでいる。
(3−1−1)扁平管231
扁平管231は、多穴管である。扁平管231は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で成形されており、伝熱面となる平面部231aと、冷媒が流れる複数の内部流路231bを有している。
扁平管231は、平面部231aを上下に向けた状態で間隔(通風空間)を空けて積み重なるように複数段配列されている。
(3−1−2)伝熱フィン232
伝熱フィン232は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製のフィンである。伝熱フィン232は、上下に隣接する扁平管231に挟まれた通風空間に配置され、扁平管231の平面部231aと接触している。
伝熱フィン232は、扁平管231が差し込まれる切り欠き232c(図5Aおよび図5B参照)が形成されている。扁平管231は、伝熱フィン232の切り欠き232cに差し込まれた後、伝熱フィン232と扁平管231の平面部231aとがロウ付け等によって接合されている。
(3−1−3)ヘッダ233a、233b
ヘッダ233a、233bは、上下方向に複数段配列された扁平管231の両端に連結されている。ヘッダ233a、233bは、扁平管231を支持する機能と、冷媒を扁平管231の内部流路に導く機能と、内部流路から出てきた冷媒を集合させる機能とを有している。
室外熱交換器23が冷媒の蒸発器として機能する場合、冷媒は第1ヘッダ233aに流入する。第1ヘッダ233aに流入した冷媒は、各段の扁平管231の各内部流路へほぼ均等に分配され、第2ヘッダ233bに向って流れる。各段の扁平管231の各内部流路を流れる冷媒は、伝熱フィン232を介して通風空間を流れる空気流から吸熱する。各段の扁平管231の各内部流路を流れた冷媒は、第2ヘッダ233bで集合し、第2ヘッダ233bから流出する。
室外熱交換器23が冷媒の放熱器として機能する場合、冷媒は第2ヘッダ233bに流入する。第2ヘッダ233bに流入した冷媒は、各段の扁平管231の各内部流路へほぼ均等に分配され、第1ヘッダ233aに向って流れる。各段の扁平管231の各内部流路を流れる冷媒は、伝熱フィン232を介して通風空間を流れる空気流に放熱する。各段の扁平管231の各内部流路を流れた冷媒は、第1ヘッダ233aで集合し、第1ヘッダ233aから流出する。
(3−2)着霜の抑制
図4は、非共沸混合冷媒のPH線図である。図4において、蒸発器出口に向かって冷媒温度が上昇している。非共沸混合冷媒は、液相、気相では組成が異なるため、蒸発器での蒸発開始温度と終了温度が異なるという「温度勾配」がある。この温度勾配により、蒸発器では入口温度が下がりやすく、暖房運転時に着霜しやすい。
図5Aは、第1実施形態に係る室外熱交換器23の第1熱交換部23aの斜視図である。図5Aにおいて、第1熱交換部23aでは、切り欠き232cの開口側が空気の流れ方向の風下に位置している。
図5Bは、第1実施形態に係る室外熱交換器23の第2熱交換部23bの斜視図である。図5Bにおいて、切り欠き232cの開口側が空気の流れ方向の風上に位置している。
図5Bに示す第2熱交換部23bは、切り欠き232cの開口が空気の流れ方向の風上に位置しているので、空気温度と熱交換器表面との温度差が大きく、熱交換性能は向上するが、着霜しやすいという特徴を有している。
一方、図5Aに示す第1熱交換部23aは、切り欠き232cの開口が空気の流れ方向の風下に位置しているので、第2熱交換部23bと比べて、空気温度と熱交換器表面との温度差が小さいので、着霜が抑制される。
それゆえ、本実施形態では、蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部23aが形成されている。
(3−3)熱交換性能の向上
上記の通り、第1熱交換部23aでは、第2熱交換部23bと比べて、空気温度と熱交換器表面との温度差が小さいので、熱交換性能は低下する。それゆえ、室外熱交換器23の全体を第1熱交換部23aで構成することは、性能上、好ましくない。
そこで、本実施形態では、第1熱交換部23aと第2熱交換部23bとを併用して、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図っている。
図6Aは、第1熱交換部23aと第2熱交換部23bとを併用した室外熱交換器23の概略斜視図である。また、図6Bは、第1熱交換部23a’と第2熱交換部23b’とを併用した他の室外熱交換器23’の概略斜視図である。
図6Aにおいて、室外熱交換器23が冷媒の蒸発器として機能しているとき、第1ヘッダ233aに流入した冷媒は、各段の扁平管231の各内部流路231bへほぼ均等に分配され、第2ヘッダ233bに向って流れる。非共沸混合冷媒は、蒸発器入口における温度が低下しやすく、着霜しやすい。それゆえ、第1ヘッダ233aから第2ヘッダ233bへ向かう一定区間は、第1熱交換部23aで構成し、着霜を抑制している。
一方、非共沸混合冷媒は、蒸発器出口に向かって温度が上昇するので、熱交換性能を高めるため、第1熱交換部23aと第2ヘッダ233bとの間の部分を第2熱交換部23bで構成する。
このように、蒸発器入口側に第1熱交換部23aを、蒸発器出口側に第2熱交換部23bを配置することによって、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
また、図6Bにおいては、室外熱交換器23’が冷媒の蒸発器として機能しているとき、第1ヘッダ233a’の下段に流入した冷媒は、下段各段の扁平管231の各内部流路231b’へほぼ均等に分配され、第2ヘッダ233b’に向って流れる。
第2ヘッダ233b’の下段に到達した冷媒は、一旦は集合し、曲がり管234を経て、第2ヘッダ233b’の上段に流入する。その後、冷媒は上段各段の扁平管231の各内部流路231bへほぼ均等に分配され、第2ヘッダ233b’に向って流れる。
非共沸混合冷媒は、蒸発器入口における温度が低下しやすく、着霜しやすい。それゆえ、第1ヘッダ233a’の下段から第2ヘッダ233b’の下段へ向かう区間は、第1熱交換部23a’で構成し、着霜を抑制している。
一方、非共沸混合冷媒は、蒸発器出口に向かって温度が上昇するので、熱交換性能を高めるため、第1ヘッダ233b’の上段から第1ヘッダ233a’の上段へ向かう区間を第2熱交換部23b’で構成する。
このように、蒸発器入口側に第1熱交換部23a’を、蒸発器出口側に第2熱交換部23b’を配置することによって、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
(4)特徴
(4−1)
室外熱交換器23の第1熱交換部23aでは、伝熱フィン232の切り欠き232cの開口側が空気の流れ方向の風下に位置している。室外熱交換器23が蒸発器として機能する際、非共沸混合冷媒の入口側が第1熱交換部23aとなるように配置することによって、着霜耐力(着霜を抑制する能力)を上げることができる。
(4−2)
また、非共沸混合冷媒の入口側に第1熱交換部23aを配置し、切り欠き232cの開口が空気の流れ方向の風上に位置している第2熱交換部23bを出口側に配置することによって、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
(4−3)
第1熱交換部23aと、第2熱交換部23bとが一体化されている。
(5)変形例
蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部23aを配置し、出口側に第2熱交換部23bを配置し、第1熱交換部23aと第2熱交換部23bとの間に第3熱交換部23cを配置してもよい。
第3熱交換部23cは、扁平管231の幅方向の分布中心が、空気の流れ方向における伝熱フィン232の中心と一致している。
この変形例の技術的意義は、蒸発器として機能する室外熱交換器23における冷媒温度に適した熱交換部の組合せを試みることができることであり、その結果として着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
なお、第1熱交換部23aと、第2熱交換部23bおよび第3熱交換部23cの少なくともいずれか一方とが一体化されてもよい。
<第2実施形態>
第1実施形態では、室外熱交換器23として、伝熱フィン232に設けられた切り欠き232cに扁平管231が差し込まれた積層型熱交換器を採用した。
第2実施形態では、室外熱交換器23として、伝熱フィンに設けられた長穴に扁平管を貫通させた積層型熱交換器を採用する。
(1)着霜の抑制
図7Aは、第2実施形態に係る室外熱交換器23の第1熱交換部123aの斜視図である。図7Aにおいて、第1熱交換部123aでは、空気の流れ方向の最も風上に位置する扁平管231Mの風上側端部から伝熱フィン232Mの風上側端部までの距離が第1寸法D1である。
図7Bは、第2実施形態に係る室外熱交換器23の第2熱交換部123bの斜視図である。図7Bにおいて、第2熱交換部123bでは、空気の流れ方向の最も風上に位置する扁平管231Mの風上側端部から伝熱フィン232Mの風上側端部までの距離が第1寸法D1よりも小さい第2寸法D2である。
図7Bに示す第2熱交換部123bは、空気の流れ方向の最も風上に位置する扁平管231Mの風上側端部から伝熱フィン232Mの風上側端部までの距離(第2寸法D2)が、第1熱交換部123aにおける当該距離(第1寸法D1)よりも小さいので、空気温度と熱交換器表面との温度差が大きく、熱交換性能は向上するが、着霜しやすいという特徴を有している。
一方、図7Aに示す第1熱交換部123aは、空気の流れ方向の最も風上に位置する扁平管231Mの風上側端部から伝熱フィン232Mの風上側端部までの距離が第2熱交換部123bにおける当該距離(第2寸法D2)よりも大きいので、第2熱交換部123bと比べて、空気温度と熱交換器表面との温度差が小さく、着霜が抑制される。
それゆえ、第2実施形態では、蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部123aが形成されている。
(2)熱交換性能の向上
上記の通り、第1熱交換部123aでは、第2熱交換部123bと比べて、空気温度と熱交換器表面との温度差が小さいので、熱交換性能は低下する。それゆえ、室外熱交換器23の全体を第1熱交換部123aで構成することは、性能上、好ましくない。
そこで、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、第1熱交換部123aと第2熱交換部123bとを併用して、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図っている。図6Aおよび図6Bは、第1実施形態の第1熱交換部23aを「第1熱交換部123a」に置き換え、第1実施形態の第2熱交換部23bを「第2熱交換部123b」に置き換えることによって、第2実施形態でも適用される。
図6Aにおいて、室外熱交換器23が冷媒の蒸発器として機能しているとき、第1ヘッダ233aに流入した冷媒は、各段の扁平管の各内部流路へほぼ均等に分配され、第2ヘッダ233bに向って流れる。非共沸混合冷媒は、蒸発器入口における温度が低下しやすく、着霜しやすい。それゆえ、第1ヘッダ233aから第2ヘッダ233bへ向かう一定区間は、第1熱交換部123aで構成し、着霜を抑制する。
一方、非共沸混合冷媒は、蒸発器出口に向かって温度が上昇するので、熱交換性能を高めるため、第1熱交換部123aと第2ヘッダ233bとの間の部分を第2熱交換部123bで構成する。
このように、蒸発器入口側に第1熱交換部123aを、蒸発器出口側に第2熱交換部123bを配置することによって、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
(3)第2実施形態の特徴
(3−1)
非共沸混合冷媒は、蒸発器の入口から出口に向かって温度上昇するので、入口側では着霜耐力(着霜を抑制する能力)を重視し、出口側では熱交換性能を重視することが好ましい。
それゆえ、蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部123aを配置し、出口側に第2熱交換部123bを配置するという、蒸発器における冷媒温度に適した組合せを試みることができる。
(3−2)
第1熱交換部123aと、第2熱交換部123bとが一体化されている。
(4)変形例
蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部123aを配置し、出口側に第2熱交換部123bを配置し、第1熱交換部123aと第2熱交換部123bとの間に第3熱交換部を配置してもよい。
図7Cは、第2実施形態の変形例に係る室外熱交換器23の第3熱交換部123cの斜視図である。図7Cにおいて、第3熱交換部123cは、空気の流れ方向の最も風上に位置する扁平管231Mの風上側端部から伝熱フィン232Mの風上側端部までの距離D3と、空気の流れ方向の最も風下に位置する扁平管231Mの風下側端部から伝熱フィン232Mの風下側端部までの距離とが等しい。
この変形例の技術的意義は、蒸発器として機能する室外熱交換器23における冷媒温度に適した熱交換部の組合せを試みることができることであり、その結果として着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
なお、第1熱交換部123aと、第2熱交換部123bおよび第3熱交換部123cの少なくともいずれか一方とが一体化されてもよい。
<第3実施形態>
第1実施形態および第2実施形態では、室外熱交換器23として、積層型熱交換器を採用した。第3実施形態では、室外熱交換器23として、クロスフィン型熱交換器を採用する。
(1)着霜の抑制
図8Aは、第3実施形態に係る室外熱交換器23の第1熱交換部223aの斜視図である。図8Aにおいて、第1熱交換部223aでは、複数の伝熱管231Nを伝熱管群として伝熱フィン232Nの板厚方向から視たとき、空気の流れ方向における伝熱管群の分布中心が、空気の流れ方向における伝熱フィン232Nの中心よりも風下に位置している。
図8Bは、第3実施形態に係る室外熱交換器23の第2熱交換部223bの斜視図である。図8Bにおいて、第2熱交換部223bでは、空気の流れ方向における伝熱管群の分布中心が、空気の流れ方向における伝熱フィン232Nの中心よりも風上に位置している。
図8Bに示す第2熱交換部223bは、伝熱管群の分布中心が空気の流れ方向における伝熱フィン232Nの中心よりも風上に位置しているので、空気の流れ方向の最も風上に位置する伝熱管231Nの風上側端部から伝熱フィン232Nの風上側端部までの距離が、第1熱交換部223aにおける当該距離よりも小さくなり、その結果として、空気温度と熱交換器表面との温度差が大きく、熱交換性能は向上するが、着霜しやすいという特徴を有している。
一方、図8Aに示す第1熱交換部223aは、空気の流れ方向における伝熱管群の分布中心が、空気の流れ方向における伝熱フィン232Nの中心よりも風下に位置しているので、空気の流れ方向の最も風上に位置する伝熱管231Nの風上側端部から伝熱フィン232Nの風上側端部までの距離が第2熱交換部223bにおける当該距離よりも大きくなり、その結果として、第2熱交換部223bと比べて、空気温度と熱交換器表面との温度差が小さく、着霜が抑制される。
それゆえ、第3実施形態では、蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部223aが形成されている。
(2)熱交換性能の向上
上記の通り、第1熱交換部223aでは、第2熱交換部223bと比べて、空気温度と熱交換器表面との温度差が小さいので、熱交換性能は低下する。それゆえ、室外熱交換器23の全体を第1熱交換部223aで構成することは、性能上、好ましくない。
そこで、第3実施形態では、第1実施形態および第2実施形態と同様に、第1熱交換部223aと第2熱交換部223bとを併用して、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図っている。図6Aおよび図6Bは、第1実施形態の第1熱交換部23aを「第1熱交換部223a」に置き換え、第1実施形態の第2熱交換部23bを「第2熱交換部223b」に置き換えることによって、第3実施形態でも適用される。
図6Aにおいて、室外熱交換器23が冷媒の蒸発器として機能しているとき、第1ヘッダ233aに流入した冷媒は、各段の伝熱管へほぼ均等に分配され、第2ヘッダ233bに向って流れる。非共沸混合冷媒は、蒸発器入口における温度が低下しやすく、着霜しやすい。それゆえ、第1ヘッダ233aから第2ヘッダ233bへ向かう一定区間は、第1熱交換部223aで構成し、着霜を抑制する。
一方、非共沸混合冷媒は、蒸発器出口に向かって温度が上昇するので、熱交換性能を高めるため、第1熱交換部223aと第2ヘッダ233bとの間の部分を第2熱交換部223bで構成する。
このように、蒸発器入口側に第1熱交換部223aを、蒸発器出口側に第2熱交換部223bを配置することによって、着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
(3)第3実施形態の特徴
(3−1)
非共沸混合冷媒は、蒸発器の入口から出口に向かって温度上昇するので、入口側では着霜耐力(着霜を抑制する能力)を重視し、出口側では熱交換性能を重視することが好ましい。
それゆえ、蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部223aを配置し、出口側に第2熱交換部223bを配置するという、蒸発器における冷媒温度に適した組合せを試みることができる。
(3−2)
第1熱交換部223aと、第2熱交換部223bとが一体化されている。
(4)変形例
蒸発器として機能する室外熱交換器23の入口側に第1熱交換部23aを配置し、出口側に第2熱交換部23bを配置し、第1熱交換部223aと第2熱交換部223bとの間に第3熱交換部を配置してもよい。
図8Cは、第3実施形態の変形例に係る室外熱交換器23の第3熱交換部223cの斜視図である。図8Cにおいて、第3熱交換部223cは、空気の流れ方向における伝熱管群の分布中心が空気の流れ方向における前記フィンの中心と一致する。
この変形例の技術的意義は、蒸発器として機能する室外熱交換器23における冷媒温度に適した熱交換部の組合せを試みることができることであり、その結果として着霜を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図ることができる。
なお、第1熱交換部223aと、第2熱交換部223bおよび第3熱交換部223cの少なくともいずれか一方とが一体化されてもよい。
<その他>
上記の各実施形態では、非共沸混合冷媒はHFC冷媒、HFO冷媒、CF3I、および自然冷媒のいずれかを含むと述べたが、より詳細に言えば、以下の(A)〜(G)のいずれかに該当する非共沸混合冷媒が望ましい。
(A)
R32、R1132(E)、R1234yf、R1234ze、CF3IおよびCO2のいずれかを含む非共沸混合冷媒。
(B)
少なくともR1132(E)、R32、R1234yfを含む非共沸混合冷媒。
(C)
少なくともR1132(E)、R1123およびR1234yfを含む非共沸混合冷媒。
(D)
少なくともR1132(E)およびR1234yfを含む非共沸混合冷媒。
(E)
少なくともR32、R1234yf、並びに、R1132aおよびR1114の少なくとも一種を含む非共沸混合冷媒。
(F)
少なくともR32、CO2、R125、R134a、およびR1234yfを含む非共沸混合冷媒。
(G)
少なくともR1132(Z)およびR1234yfを含む非共沸混合冷媒。
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
本開示は、冷却運転及び加熱運転を行うことが可能な冷凍装置に対して、広く適用可能である。
1 空気調和装置(冷凍装置)
23 室外熱交換器(蒸発器)
23a 第1熱交換部
23b 第2熱交換部
23c 第3熱交換部
123a 第1熱交換部
123b 第2熱交換部
123c 第3熱交換部
223a 第1熱交換部
223b 第2熱交換部
223c 第3熱交換部
231 扁平管(伝熱管)
231M 扁平管(伝熱管)
231N 伝熱管
232 伝熱フィン
232c 切り欠き
232M 伝熱フィン
232N 伝熱フィン
WO2017/183180号

Claims (20)

  1. 非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器であって、
    板厚方向に所定間隔で並ぶ複数のフィン(232)と、
    前記複数のフィンを板厚方向に貫通する複数の伝熱管(231)と、
    を備え、
    前記複数の伝熱管を伝熱管群として前記フィンの板厚方向から視たとき、空気の流れ方向における前記伝熱管群の分布中心が、前記空気の流れ方向における前記フィンの中心よりも風下に位置する、第1熱交換部(23a)が形成されている、
    蒸発器。
  2. 前記伝熱管群の分布中心が、前記空気の流れ方向における前記フィンの中心よりも風上に位置する、第2熱交換部(23b)がさらに形成されている、
    請求項1に記載の蒸発器。
  3. 前記伝熱管群の分布中心が、前記空気の流れ方向における前記フィンの中心と一致するする、第3熱交換部がさらに形成されている、
    請求項2に記載の蒸発器。
  4. 前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが一体化されている、
    請求項2に記載の蒸発器。
  5. 前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部および前記第3熱交換部の少なくともいずれか一方とが一体化されている。
    請求項3に記載の蒸発器。
  6. 非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器であって、
    板厚方向に所定間隔で並ぶ複数のフィン(232)と、
    前記複数のフィンを板厚方向に貫通する複数の伝熱管(231)と、
    を備え、
    空気の流れ方向の最も風上に位置する前記伝熱管の風上側端部から前記フィンの風上側端部までの距離が第1寸法である第1熱交換部(23a)と、
    空気の流れ方向の最も風上に位置する前記伝熱管の風上側端部から前記フィンの風上側端部までの距離が第1寸法よりも小さい第2寸法である第2熱交換部(23b)と、
    が形成されている、
    蒸発器。
  7. 空気の流れ方向の最も風上に位置する前記伝熱管の風上側端部から前記フィンの風上側端部までの距離と、
    空気の流れ方向の最も風下に位置する前記伝熱管の風下側端部から前記フィンの風下側端部までの距離と、
    が等しい、第3熱交換部がさらに形成されている、
    請求項6に記載の蒸発器。
  8. 前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが一体化されている、
    請求項6に記載の蒸発器。
  9. 前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部および前記第3熱交換部の少なくともいずれか一方とが一体化されている。
    請求項7に記載の蒸発器。
  10. 非共沸混合冷媒が封入される冷凍サイクル装置の蒸発器であって、
    板厚方向に所定間隔で並ぶ複数のフィン(232)と、
    前記複数のフィンを板厚方向に貫通する複数の伝熱管(231)と、
    を備え、
    前記フィンは、空気の流れ方向および前記板厚方向の双方と直交する方向に並ぶ複数の切り欠き(232c)を有し、
    前記伝熱管は、前記切り欠きに差し込まれる扁平多穴管であり、
    前記切り欠きの開口側が前記空気の流れ方向の風下に位置する、第1熱交換部(23a)が形成されている、
    蒸発器。
  11. 前記切り欠きの開口側が前記空気の流れ方向の風上に位置する、第2熱交換部(23b)がさらに形成されている、
    請求項10に記載の蒸発器。
  12. 前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが一体化されている、
    請求項11に記載の蒸発器。
  13. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、HFC冷媒、HFO冷媒、CF3I、および自然冷媒のいずれかを含む、
    冷凍サイクル装置。
  14. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、R32、R1132(E)、R1234yf、R1234ze、CF3IおよびCO2のいずれかを含む、
    冷凍サイクル装置。
  15. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(E)、R32、R1234yfを含む、
    冷凍サイクル装置。
  16. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(E)、R1123およびR1234yfを含む、
    冷凍サイクル装置。
  17. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(E)およびR1234yfを含む、
    冷凍サイクル装置。
  18. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、少なくともR32、R1234yf、並びに、R1132aおよびR1114の少なくとも一種を含む、
    冷凍サイクル装置。
  19. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、少なくともR32、CO2、R125、R134a、およびR1234yfを含む、
    冷凍サイクル装置。
  20. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の蒸発器を備え、
    前記非共沸混合冷媒は、少なくともR1132(Z)およびR1234yfを含む、
    冷凍サイクル装置。
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