JP2024034870A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能を向上させた空気調和機を提供する。【解決手段】本開示の空気調和機は、吸込口と吹出口とが形成された筐体と、筐体の内部に配置され、吸込口から前記吹出口への気流を形成するクロスフローファンと、クロスフローファンの吸込口側および前側に位置し、クロスフローファンの軸方向に沿って配置される複数のフィンと、複数のフィンを貫通し冷媒が流れる複数の伝熱管とを有する熱交換器と、を備え、複数の伝熱管は、複数の第１伝熱管と、クロスフローファンよりも吸込口側に配置され、複数の第１伝熱管よりも径の小さい複数の第２伝熱管と、を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、空気調和機に関する。

空気調和機の室内機に配置される熱交換器は、例えば、放熱および吸熱のための複数のフィンと、複数のフィンを冷却する冷媒の流路となる複数の伝熱管と、により構成される。

例えば、特許文献１に記載の熱交換器は、並列に配置される複数のフィンと、複数のフィンを貫通する複数の伝熱管とを有する。複数の伝熱管は、内部にて冷媒を流通させる複数の冷媒流路を形成し、複数の冷媒流路のそれぞれは、冷媒入口から冷媒出口まで独立した単一の流路に構成される。

国際公開第２０１９／０３０７９３号

特許文献１に記載の熱交換器では、熱交換性能の向上の点で、未だ改善の余地がある。

そこで、本開示は、熱交換性能を向上させた空気調和機を提供する。

本開示の一態様にかかる空気調和機は、
吸込口と吹出口とが形成された筐体と、
前記筐体の内部に配置され、前記吸込口から前記吹出口への気流を形成するクロスフローファンと、
前記クロスフローファンの前記吸込口側および前側に位置し、前記クロスフローファンの軸方向に沿って配置される複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通し冷媒が流れる複数の伝熱管とを有する熱交換器と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、複数の第１伝熱管と、前記クロスフローファンよりも前記吸込口側に配置され、前記複数の第１伝熱管よりも径の小さい複数の第２伝熱管と、を含む。

本開示によると、熱交換性能を向上させた空気調和機を提供することができる。

本開示の実施の形態１にかかる空気調和機の室内機を示す斜視図 図１のＡ－Ａ断面図 図１の室内機の内部に配置されたクロスフローファン、熱交換器、および冷媒配管を示す斜視図 熱交換器での冷媒流路の一例を示す概略図 第１伝熱管の間の空気の流れを示す模式図 第２伝熱管の間の空気の流れを示す模式図

（本開示に至った経緯）
空気調和機の室内機に配置される熱交換器の性能を向上させるために、熱交換器を通過する空気の風量を大きくすることが検討されている。例えば、冷媒の流れる伝熱管の径を小さくすることにより、通風抵抗を小さくして熱交換器を通過する空気の風量を大きくすることが考えられる。

一方で、伝熱管の径を小さくすることにより、低圧時に冷媒が気化しやすく、高圧時に冷媒が液化しやすくなり、熱交換の性能が低下してしまうという課題がある。

そこで、本発明者（ら）は、径の異なる複数の伝熱管の配置を工夫することで、熱交換器を通過する空気の風量を大きくしつつ、低圧時の冷媒の気化および高圧時の冷媒の液化を低減して、熱交換器の性能を向上させることを検討し、以下の発明に至った。

以下、本開示の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、本開示の実施の形態１にかかる空気調和機の室内機１０を示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。なお、各図において、Ｘ方向は室内機１０の前後方向、Ｙ方向は室内機１０の左右方向、およびＺ方向は室内機１０の上下方向をそれぞれ示す。

空気調和機は、空調対象の室内に配置される室内機１０と室外機（図示省略）とを有する構成である。室内機１０と室外機とは、冷媒配管５０（図３参照）により接続されており、室内機１０と室外機とにおいて、ヒートポンプが構成されている。室外機には、圧縮機、室外熱交換器、減圧装置、室外ファンなどのヒートポンプを構成する各種の機器が配置されている。また、室内機１０と室外機とは、制御配線により電気的に接続されており、それぞれに設けられた機器が室内機１０に設けられた操作部からの指令等に応じて制御される。

室内機１０と室外機とを接続する冷媒配管５０には、熱交換を行うための冷媒が充填されている。冷媒が室内機１０と室外機との間を循環することにより、空気調和機は、室内機１０の配置された室内に対して、冷房運転または暖房運転を実施することができる。

図１および図２に示すように、室内機１０は、筐体２０と、クロスフローファン３０と、熱交換器４０と、を備える。室内機１０は、例えば、室内の壁面Ｗに取り付けられる。

筐体２０には、吸込口２１および吹出口２２が形成されている。吸込口２１から室内機１０の内部に導入された空気が、熱交換器４０を通過して吹出口２２から排出される。例えば、吸込口２１は筐体２０の上側に位置し、吹出口２２は筐体２０の下側に位置する。このような構成により、筐体２０の内部で、上側から下側に向かって空気の流れが形成される。

クロスフローファン３０は、筐体２０の左右方向（Ｙ方向）に延びる回転軸Ａｘ（図３参照）を回転の中心とする円筒形状のファンである。筐体２０の内部に配置されて、吸込口２１から吹出口２２への気流を形成する。すなわち、クロスフローファン３０の回転により、室内の空気が、吸込口２１から吸い込まれて吹出口２２から吹き出される。

熱交換器４０は、吸込口２１から吸い込んだ空気との熱交換を行う。熱交換器４０は、複数のフィン４１と、冷媒が流れる複数の伝熱管４２、４３と、を有する。本実施の形態では、複数の伝熱管４２、４３は、第１伝熱管４２と、第２伝熱管４３と、を含む。第２伝熱管４３は、第１伝熱管４２よりも径が小さく形成される。例えば、第２伝熱管４３の径は、第１伝熱管４２の径に対して、０．５倍以上０．９倍以下であるとよい。

図３は、図１の室内機１０の内部に配置されたクロスフローファン３０、熱交換器４０、および冷媒配管５０を示す斜視図である。

図２および図３に示すように、熱交換器４０の複数のフィン４１は、クロスフローファン３０の吸込口２１側および前側に位置し、クロスフローファン３０の回転軸Ａｘに沿って配置される。複数のフィン４１がクロスフローファン３０の吸込口２１側に配置されるため、クロスフローファン３０により吸込口２１から吸い込まれた空気は、複数のフィン４１の間を通り、吹出口２２へ向かう。

複数の伝熱管４２、４３は、熱交換器４０の内部で冷媒を流通させる冷媒流路を形成する。冷媒流路については、詳細を後述する。

複数の伝熱管４２、４３は、複数のフィン４１を貫通して配置される。本実施の形態では、複数の伝熱管４２、４３は、複数の第１伝熱管４２と、クロスフローファン３０よりも吸込口２１側に配置され、複数の第１伝熱管４２よりも径の小さい複数の第２伝熱管４３と、を含む。すなわち、熱交換器４０のクロスフローファン３０より吸込口２１側の部分には、主に第２伝熱管４３が配置される。クロスフローファン３０より吸込口２１側に、第１伝熱管４２よりも径の小さい第２伝熱管４３を配置することで、吸込口２１からクロスフローファン３０に向かう空気の通風抵抗を小さくして、熱交換の効率を向上することができる。

図４を参照して、冷房運転時の熱交換器４０の冷媒流路の一例を説明する。図４は、熱交換器４０での冷媒流路の一例を示す概略図である。

図４に示すように、本実施の形態では、フィン４１の形状に沿って、複数の伝熱管４２、４３が概ね３列に並んで配置されている。

空気調和機の冷房運転時、室外機で冷却および減圧されて低温の液体の状態となった冷媒が、冷媒配管５０から熱交換器４０の冷媒入口４４に流入する。熱交換器４０に流入した冷媒は、図５に示すように、（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６）→（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６）→（Ｅ１，Ｅ２）→（Ｆ１，Ｆ２）の順に流れる。その後、冷媒は、冷媒出口４５から熱交換器４０を出て、室外機に戻る。

冷媒は、熱交換器４０の冷媒入口４４から第１の冷媒流路「（Ａ）→（Ｂ）」を流れた後、６つの流路に分岐する。すなわち、第１の冷媒流路「（Ａ）→（Ｂ）」を流れた冷媒は、第２の冷媒流路「（Ｃ１）→（Ｄ１）」、第３の冷媒流路「（Ｃ２）→（Ｄ２）」、第４の冷媒流路「（Ｃ３）→（Ｄ３）」、第５の冷媒流路「（Ｃ４）→（Ｄ４）」、第６の冷媒流路「（Ｃ５）→（Ｄ５）」、および第７の冷媒流路「（Ｃ６）→（Ｄ６）」に分岐する。第２～第７の冷媒流路を通過した冷媒は再び合流し、第８の冷媒流路「（Ｅ１）→（Ｆ１）」および第９の冷媒流路「（Ｅ２）→（Ｆ２）」の２つの冷媒流路に分岐して、冷媒出口４５から冷媒配管５０を介して室外機に戻る。

室外機から冷媒配管５０を介して室内機１０に流れてきた冷媒は、冷媒入口４４から第１の冷媒流路に流入する。第１の冷媒流路は、複数の第１伝熱管４２により構成されている。本実施の形態では、図４に示すように、第１の冷媒流路は、クロスフローファン３０の前側で外側の列に配置された第１伝熱管４２により構成される。

第１の冷媒流路を通過した冷媒は、第２～第７の冷媒流路に分岐する。第２～第７の冷媒流路は、第１伝熱管４２よりも径の小さい複数の第２伝熱管４３により構成される。第２～第７の冷媒流路は、クロスフローファン３０の吸込口２１側に配置される。言い換えると、第２～第７の冷媒流路は、クロスフローファン３０に対して、空気の流れの上流側に配置されている。このため、クロスフローファン３０の吸込口２１側には、第１伝熱管４２と比較して径の小さい第２伝熱管４３が配置されることとなる。

図５Ａは、第１伝熱管４２の間の空気の流れを示す模式図である。図５Ｂは、第２伝熱管４３の間の空気の流れを示す模式図である。図５Ａに示すように、第１伝熱管４２は、比較的径が大きいため、隣接する第１伝熱管４２の間隔が小さくなる。このため矢印Ａ１に示す吸込口２１からの空気は、第１伝熱管４２により遮られ、矢印Ａ２に示すように熱交換器４０を通過すると空気の風量が小さくなってしまう。一方、図５Ｂに示すように、第２伝熱管４３は、第１伝熱管４２よりも径が小さく形成されている。このため、矢印Ａ３に示す吸込口２１からの空気は、矢印Ａ４に示すようにそれほど風量を小さくせずに熱交換器４０を通過することができる。

また、伝熱管の径が小さくなるほど、管内熱伝達率が向上し、冷媒と伝熱管との間の熱交換が促進される。したがって、空気の風量の大きいクロスフローファン３０の吸込口２１側に、第２伝熱管４３を配置することにより、熱交換の効率を向上させることができる。また、クロスフローファン３０に対して、空気の流れの上流側に第２伝熱管４３が配置されることにより、吸込口２１から吸い込んだ空気の通風抵抗を小さくすることもできる。

第２～第７の冷媒流路を通過した冷媒は、再び合流した後、第８の冷媒流路と第９の冷媒流路の２つの流路に分岐する。第８の冷媒流路と第９の冷媒流路とは、第１伝熱管４２により構成され、クロスフローファン３０の前側で、内側の列に配置されている。

上述したように、熱交換器４０へ冷媒が流入する冷媒入口４４には、第１伝熱管４２が配置され、熱交換器４０から冷媒が流出する冷媒出口４５にも、第１伝熱管４２が配置されるとよい。すなわち、複数の第１伝熱管４２は、熱交換器４０への冷媒の入口と、熱交換器からの冷媒の出口とに配置されるとよい。

また、複数の第２伝熱管４３は、熱交換器４０への冷媒の入口に配置された複数の第１伝熱管４２と、熱交換器からの冷媒の出口に配置された複数の第１伝熱管４２との間に配置される。言い換えると、第１伝熱管４２で構成された第１の冷媒流路と、第１伝熱管４２で構成された第８～第９の冷媒流路との間に、第２伝熱管４３で構成された第２～第７の冷媒流路が配置される。伝熱管４２、４３がこのように配置されることにより、冷媒配管５０から熱交換器４０に流入した冷媒は、径の太い第１伝熱管４２を通り、次に径の細い第２伝熱管４３を通過して、再び径の太い第１伝熱管４２を通って、冷媒配管５０に戻る。

クロスフローファン３０の吸込口２１側に径の細い第２伝熱管４３を配置して、熱交換器４０を通過する空気の風量を大きくしつつ、クロスフローファン３０の前側に径の太い第１伝熱管４２を配置して、低圧時の冷媒の気化および高圧時の冷媒の液化を抑制することができる。このため、圧力損失を低減して、熱交換の効率を向上させることができる。

第２～第７流路を構成する複数の第２伝熱管４３の数は、複数の伝熱管４２、４３の総数の０．５倍以上０．９倍以下であるとよい。第２伝熱管４３の数が伝熱管４２、４３の総数の０．５倍以上配置されることで、熱交換器４０を通過する空気の通風抵抗を小さくして、熱交換の効率を向上させることができる。

［効果］
上述した実施の形態によると、以下の効果を奏することができる。

空気調和機は、筐体２０と、クロスフローファン３０と、熱交換器４０と、を備える。筐体２０には、吸込口２１と吹出口２２とが形成されている。クロスフローファン３０は、筐体２０の内部に配置され、吸込口２１から吹出口２２への気流を形成する。熱交換器４０は、複数のフィン４１と、複数の伝熱管４２、４３と、を有する。複数のフィンは、クロスフローファン３０の吸込口２１側および前側に位置し、クロスフローファン３０の軸方向Ａｘに沿って配置される。複数の伝熱管４２、４３は、複数のフィン４１を貫通し冷媒が流れる。複数の伝熱管は、複数の第１伝熱管４２と、クロスフローファン３０よりも吸込口２１側に配置され、複数の第１伝熱管４２よりも径の小さい複数の第２伝熱管４３と、を含む。

このような構成により、熱交換の効率を向上させた空気調和機を提供することができる。

複数の第２伝熱管４３の数は、複数の伝熱管の総数の０．５倍以上０．９倍以下であってもよい。

このような構成により、熱交換器４０を通過する空気の風量を大きくすることができ、熱交換の効率を向上させることができる。

複数の第１伝熱管４２は、熱交換器４０の冷媒の入口と、熱交換器からの冷媒の出口とに配置される。複数の第２伝熱管４３は、熱交換器への冷媒の入口に配置された複数の第１伝熱管４２と、熱交換器からの冷媒の出口に配置された複数の第１伝熱管４２との間に配置される。

このような構成により、低圧時の冷媒の気化および高圧時の冷媒の液化を低減して、圧力損失を抑制することができる。

複数の第２伝熱管４３の径は、複数の第１伝熱管４２の径に対して０．５倍以上０．９倍以下であってもよい。

このような構成により、熱交換器４０を通過する空気の風量を大きくしつつ、管内熱伝達率を向上させ、熱交換の効率をより向上させることができる。

なお、上述した実施の形態では、第１伝熱管４２および第２伝熱管４３が、略等しい間隔で配置されている例について説明したが、これに限定されない。隣接する第２伝熱管４３の間隔が、隣接する第１伝熱管４２の間隔よりも小さくなるよう、伝熱管４２、４３が配置されていてもよい。第２伝熱管４３は、第１伝熱管４２よりも径が小さいため、配置間隔を小さくして、より多くの伝熱管４３を配置することができる。

また、上述した実施の形態では、複数の伝熱管が、複数の第１伝熱管４２と、複数の第１伝熱管４２よりも径の小さい複数の第２伝熱管４３と、を含む例について説明したが、これに限定されない。例えば、複数の伝熱管は、さらに、第１伝熱管４２と第２伝熱管４３との間に配置され、第１伝熱管４２よりも径が小さく、第２伝熱管４３よりも径の大きい第３伝熱管を含んでもよい。冷媒流路を構成する伝熱管の径を段階的に変化させることで、圧力損失を低減して熱交換の効率を向上することができる。

（実施の形態の概要）
（１）本開示の空気調和機は、吸込口と吹出口とが形成された筐体と、筐体の内部に配置され、吸込口から吹出口への気流を形成するクロスフローファンと、クロスフローファンの吸込口側および前側に位置し、クロスフローファンの軸方向に沿って配置される複数のフィンと、複数のフィンを貫通し冷媒が流れる複数の伝熱管とを有する熱交換器と、を備え、複数の伝熱管は、複数の第１伝熱管と、クロスフローファンよりも吸込口側に配置され、複数の第１伝熱管よりも径の小さい複数の第２伝熱管と、を含む。

（２）（１）の空気調和機において、複数の第２伝熱管の数は、複数の伝熱管の総数の０．５倍以上０．９倍以下であってもよい。

（３）（１）または（２）の空気調和機において、複数の第１伝熱管は、熱交換器への冷媒の入口と熱交換器からの冷媒の出口とに配置され、複数の第２伝熱管は、熱交換器への冷媒の入口に配置された複数の第１伝熱管と、熱交換器からの冷媒の出口に配置された複数の第１伝熱管との間に配置されてもよい。

（４）（１）から（３）のいずれか１つの空気調和機において、複数の伝熱管は、複数の第１伝熱管と複数の第２伝熱管との間に配置され、第１伝熱管よりも径が小さく、第２伝熱管よりも径が大きい第３伝熱管を含んでもよい。

（５）（１）から（４）のいずれか１つの空気調和機において、複数の第２伝熱管の径は、複数の第１伝熱管の径に対して、０．５倍以上０．９倍以下であってもよい。
（６）（１）から（５）のいずれか１つの空気調和機において、隣接する第２伝熱管の間隔は、隣接する第１伝熱管の間隔よりも小さくてもよい。

本開示は、室内機と室外機を備える空気調和機であれば適用可能である。

１０ 室内機
２０ 筐体
２１ 吸込口
２２ 吹出口
３０ クロスフローファン
４０ 熱交換器
４１ フィン
４２ 第１伝熱管
４３ 第２伝熱管
４４ 冷媒入口
４５ 冷媒出口
５０ 冷媒配管
Ａｘ 回転軸

Claims (6)

1. 吸込口と吹出口とが形成された筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、前記吸込口から前記吹出口への気流を形成するクロスフローファンと、
   前記クロスフローファンの前記吸込口側および前側に位置し、前記クロスフローファンの軸方向に沿って配置される複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通し冷媒が流れる複数の伝熱管とを有する熱交換器と、
   を備え、
   前記複数の伝熱管は、複数の第１伝熱管と、前記クロスフローファンよりも前記吸込口側に配置され、前記複数の第１伝熱管よりも径の小さい複数の第２伝熱管と、を含む、
   空気調和機。
2. 前記複数の第２伝熱管の数は、前記複数の伝熱管の総数の０．５倍以上０．９倍以下である、
   請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記複数の第１伝熱管は、前記熱交換器への前記冷媒の入口と前記熱交換器からの前記冷媒の出口とに配置され、
   前記複数の第２伝熱管は、前記熱交換器への前記冷媒の入口に配置された前記複数の第１伝熱管と、前記熱交換器からの前記冷媒の出口に配置された前記複数の第１伝熱管との間に配置される、
   請求項１に記載の空気調和機。
4. 前記複数の伝熱管は、前記複数の第１伝熱管と前記複数の第２伝熱管との間に配置され、前記第１伝熱管よりも径が小さく、前記第２伝熱管よりも径が大きい第３伝熱管を含む、
   請求項１に記載の空気調和機。
5. 前記複数の第２伝熱管の径は、前記複数の第１伝熱管の径に対して、０．５倍以上０．９倍以下である、
   請求項１に記載の空気調和機。
6. 隣接する前記第２伝熱管の間隔は、隣接する前記第１伝熱管の間隔よりも小さい、
   請求項１に記載の空気調和機。

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