JP3758310B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は空気調和機に関し、より詳しくは、管内を流れる流体と管外を流れる流体との間の伝熱を促進するために、管の内壁に溝を有する伝熱管を要素として含む熱交換器を備え、この熱交換器に冷媒を流して、上記伝熱管の管外を流れる空気と管内を流れる冷媒との間で熱交換を行う空気調和機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気調和機の熱交換器などに用いられる伝熱管では、管内を流れる冷媒と管外を流れる空気との間の伝熱を促進するために、管の内壁に沿って管軸方向に螺旋状に延びる溝が形成されることが多い。これらの溝の存在により、管の内壁に生じた冷媒の液膜を薄くかつ均一化して、管の伝熱性能を高めるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、伝熱管を流れる冷媒の二相流において液流量が多い場合、管の内壁に生じた液膜を薄くかつ均一化するという効果が低下する。特に、管外を流れる空気によって管内を流れる冷媒を冷却して凝縮させる使用態様では、管の内壁に冷媒の液膜による伝熱抵抗が絶えず存在して、管の伝熱性能が低下する。
【０００４】
そこで、この発明の目的は、管の内壁に生じた冷媒の液膜による伝熱抵抗を低減して、伝熱性能を高めることができる伝熱管を要素として含む熱交換器を備えて、熱交換効率を高めることができる空気調和機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の空気調和機は、伝熱管を要素として含む熱交換器と、膨張機構と、圧縮機を備える空気調和機であって、
上記伝熱管は、管の内壁に溝を有し、
上記溝に堰が設けられ、
上記堰は、上記溝に沿った方向に関して上記溝の底面からこの底面に対して垂直に立ち上がる垂直面と、上記溝に沿った方向に関して上記溝の底面からこの底面に対して斜めに立ち上がる斜面とを持ち、
上記熱交換器を蒸発器として動作させるときの上流側となる堰の面の傾斜よりも、凝縮器として動作させるときの上流側となる堰の面の傾斜の方が急であることを特徴とする。
【０００６】
この発明の空気調和機では、上記伝熱管を要素として含む熱交換器を凝縮器として動作させるとき、上記伝熱管に冷媒を流す向きは、上記堰の上記垂直面が上流側、上記堰の上記斜面が下流側に設定される。この結果、上記堰の上記垂直面によって上記溝内を流れる冷媒の液流が効果的に飛散される。したがって、伝熱管の内壁に生じた冷媒の液膜が効果的に薄くかつ均一化されて、伝熱管の伝熱性能が高まり、上記熱交換器の熱交換効率が高まる。一方、上記熱交換器を蒸発器として動作させるとき、上記伝熱管に冷媒を流す向きは、上記堰の上記斜面が上流側、上記堰の上記垂直面が下流側となる向きに設定される。この結果、上記堰の上記斜面が上記溝内を流れる冷媒を主にその溝から溢れさせる。したがって、伝熱管の内壁に生じた冷媒の液膜が薄くかつ均一化されて伝熱管の伝熱性能が高まり、上記熱交換器の熱交換効率が高まる。これとともに、上記垂直面によって冷媒の液流を飛散させる場合に比して、上記熱交換器の伝熱管内を流れる冷媒の圧力損失が少なくなる。
【０００７】
別の局面では、この発明の空気調和機は、
伝熱管を要素として含む熱交換器と、膨張機構と、圧縮機を備える空気調和機であって、
上記伝熱管は、管の内壁に溝を有し、
上記溝に堰が設けられ、
上記堰は、上記溝に沿った方向に関して上記溝の底面からこの底面に対して斜めに立ち上がる一対の斜面を持ち、
上記堰の上記一対の斜面は、上記溝の底面となす角度が互いに異なる急斜面と緩斜面であり、
上記熱交換器を蒸発器として動作させるときの上流側となる堰の面の傾斜よりも、凝縮器として動作させるときの上流側となる堰の面の傾斜の方が急であることを特徴とする。
【０００８】
この発明の空気調和機では、上記伝熱管を要素として含む熱交換器を凝縮器として動作させるとき、上記伝熱管に冷媒を流す向きは、上記堰の上記急斜面が上流側、上記堰の上記緩斜面が下流側となる向きに設定される。この結果、上記堰の上記急斜面によって上記溝内を流れる冷媒の液流が効果的に飛散される。したがって、伝熱管の内壁に生じた冷媒の液膜が効果的に薄くかつ均一化されて、伝熱管の伝熱性能が高まり、上記熱交換器の熱交換効率が高まる。一方、上記熱交換器を蒸発器として動作させるとき、上記伝熱管に冷媒を流す向きは、上記堰の上記緩斜面が上流側、上記堰の上記急斜面が下流側となる向きに設定される。この結果、上記堰の上記緩斜面が上記溝内を流れる冷媒を主にその溝から溢れさせる。したがって、伝熱管の内壁に生じた冷媒の液膜が薄くかつ均一化されて伝熱管の伝熱性能が高まり、上記熱交換器の熱交換効率が高まる。これとともに、上記急斜面によって冷媒の液流を飛散させる場合に比して、上記熱交換器の伝熱管内を流れる冷媒の圧力損失が少なくなる。
【０００９】
なお、この発明の空気調和機は、上記いずれの局面でも、冷房または暖房専用（四路切換弁なし）、冷暖房兼用（四路切換弁あり）のいずれにも適用され得る。
【００１０】
一実施形態の空気調和機は、上記伝熱管に流す冷媒が非共沸混合冷媒であることを特徴とする。
【００１１】
この一実施形態の空気調和機では、上記伝熱管に流す冷媒が非共沸混合冷媒であるから、特に上記伝熱管の作用効果が顕著に現れる。すなわち、上記伝熱管は、単一冷媒（ＨＣＦＣ２２など）、擬似共沸混合冷媒（ＨＦＣ４１０Ａなど）、非共沸混合冷媒（ＨＦＣ４０７Ｃなど）のいずれを流す場合においても効果がある。しかし、非共沸混合冷媒では、沸点の低い冷媒が沸点の高い冷媒よりも先に液化するため、沸点の低い冷媒が管の内壁に厚い液膜として存在すると、沸点の高い冷媒の凝縮が妨げられて、熱交換器全体としての能力が単一冷媒や擬似共沸混合冷媒を流す場合よりも大きく低下する。したがって、上記伝熱管に流す冷媒が非共沸混合冷媒である場合は、溝に設けられた堰によって上記溝内を流れる冷媒の液流を飛散させ又はその溝から溢れさせることにより、上記熱交換器の熱交換効率を顕著に高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は一実施形態の空気調和機に用いられる伝熱管１０の一部を切り欠いて示している。この伝熱管１０は、管の内壁に生じた冷媒の液膜を導くように、管の内壁１３に沿って互いに並行に延びる複数の溝１４を有している。局所的に見ると、各溝１４は、平坦な底面１４ｂと、この底面１４ｂの両側から立ち上がり管の中心部に対して開いた側面１４ａ，１４ｃとで形成されている。管の外壁１１は、管の外径を規定する円筒面をなしている。
【００１４】
また、図３(a)は、この伝熱管１０を管軸方向Ｘに沿って割り、ＸＹ平面に展開した状態を示している。この図３(a)から分かるように、展開状態では各溝１４は管軸方向Ｘに対して一定の角度αだけ傾斜しており、完成状態では各溝１４は管軸方向Ｘに螺旋状になって延びる。したがって、各溝１４が管軸方向Ｘに直線状に延びる縦溝である場合に比して、管内を流れる冷媒の管軸方向Ｘの流速を遅くして、管の伝熱性能を高めることができる。
【００１５】
各溝１４の特定の箇所に、溝１４内を流れる冷媒の液流を飛散させ又はその溝１４から溢れさせる堰１５が設けられている。各溝１４の堰１５は隣り合って配置されて列をなしている。図３(a)の展開状態では堰１５の列は管軸方向Ｘに対して一定の角度βだけ傾斜し、溝１４が延びる方向ＡＡ′に対して角度（α＋β）をもって交差している。分かるように、完成状態では堰１５の列も管軸方向Ｘに螺旋状になって延びる。このようにした場合、堰１５が各溝１４にランダムに配置される場合に比して、管の内壁１３の形状パターンを単純化でき、伝熱管１０を容易に作製することができる。
【００１６】
図２(a)に示すように、各堰１５は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４に対して垂直に立ち上がる一対の垂直面１５ａ，１５ｃを持っている。図１に示すように、堰１５の上面１５ｂは、管の内壁１３とともに、管の内径を規定する円筒面の一部をなしている。
【００１７】
使用時には、例えばこの伝熱管１０の管外に空気が流され、管内に管軸方向Ｘ（図３(a)参照）に冷媒が流される。これにより、管外を流れる空気によって管内を流れる冷媒を冷却して凝縮させる。このとき、溝１４に設けられた堰１５が溝１４内を流れる冷媒の液流を主に飛散させるので、この堰１５が無い場合に比して、管の内壁に生じた冷媒の液膜を効果的に薄くかつ均一化できる。したがって、管の伝熱性能を高めることができる。
【００１８】
図２(b)，(c)は上述の堰１５に代わる別の堰１６，１７を示している。堰１６は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対してそれぞれ角度θ１，θ２で斜めに立ち上がる一対の斜面１６ａ，１６ｃを持っている。この例ではθ１＝θ２＝４５°である。堰１６の上面１６ｂは、管の内径を規定する円筒面の一部をなしている。また、堰１７は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対してそれぞれ角度θ１，θ２で斜めに立ち上がる一対の斜面１７ａ，１７ｃを持っている。この例ではθ１＝θ２＝４５°である。堰１７は上面を持たず、頂点１７ｂを持っている。
【００１９】
このような堰１６，１７を設けた場合、堰１６，１７の斜面１６ａ，１６ｃ；１７ａ，１７ｃが溝１４内を流れる冷媒の液流を主にその溝１４から溢れさせて隣の溝１４へ移す。したがって、管の内壁に生じた冷媒の液膜を効果的に薄くかつ均一化できる。したがって、管の伝熱性能を高めることができる。また、堰１５を設けた場合の如く垂直面１５ａ，１５ｂによって冷媒の液流を飛散させる場合に比して、管内を流れる冷媒の圧力損失を少なくすることができる。
【００２０】
図２(d)，(e)はさらに別の堰１８，１９を示している。堰１８は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対して垂直に立ち上がる垂直面１８ａと、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対して角度θ２で斜めに立ち上がる斜面１８ｃとの対を持っている。この例ではθ２＝４５°である。堰１８の上面１８ｂは、管の内径を規定する円筒面の一部をなしている。なお図３(b)は、この堰１８を有する伝熱管１０（区別のため、特に「１０Ｄ」と呼ぶ）を管軸方向Ｘに沿って割り、ＸＹ平面に展開した状態を示している。図２(e)に示す堰１９は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対して垂直に立ち上がる垂直面１９ａと、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対して斜めに立ち上がる斜面１９ｃとの対を持っている。この例ではθ２＝４５°である。堰１９は上面を持たず、頂点１９ｂを持っている。
【００２１】
堰１８を設けた場合について言うと、管外を流れる空気によって管内を流れる冷媒を冷却して凝縮させる使用態様では、堰の垂直面１８ａが上流側、堰の斜面１８ｃが下流側となる向きに冷媒が流される。このとき、堰の垂直面１８ａによって溝１４内を流れる冷媒の液流が効果的に飛散される。したがって、管の内壁に生じた冷媒の液膜を効果的に薄くかつ均一化して、管の伝熱性能を高めることができる。逆に、管外を流れる空気によって管内を流れる冷媒を加熱して蒸発させる使用態様では、堰の斜面１８ｃが上流側、堰の垂直面１８ａが下流側となる向きに冷媒が流される。このとき、堰の斜面１８ｃが溝１４内を流れる冷媒を主にその溝から溢れさせるので、管の内壁に生じた冷媒の液膜を薄くかつ均一化して管の伝熱性能を高めるとともに、垂直面によって冷媒の液流を飛散させる場合に比して管内を流れる冷媒の圧力損失を少なくすることができる。
【００２２】
また、堰１９を設けた場合も、堰１８を設けた場合と全く同様の作用効果を奏することができる。
【００２３】
図２(d)，(e)はさらに別の堰２０，２１を示している。堰２０は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対してそれぞれ角度θ１，θ２で斜めに立ち上がる一対の斜面２０ａ，２０ｃを持っている。この例ではθ１＝６０°、θ２＝３０°である。堰２０の上面２０ｂは、管の内径を規定する円筒面の一部をなしている。また、堰２１は、溝１４に沿った方向ＡＡ′に関して溝１４の底面１４ｂからこの底面１４ｂに対してそれぞれ角度θ１，θ２で斜めに立ち上がる一対の斜面２１ａ，２１ｃを持っている。この例ではθ１＝６０°、θ２＝３０°である。堰２１は上面を持たず、頂点２１ｂを持っている。
【００２４】
堰２０を設けた場合について言うと、管外を流れる空気によって管内を流れる冷媒を冷却して凝縮させる使用態様では、堰の垂直面２０ａが上流側、堰の斜面２０ｃが下流側となる向きに冷媒が流される。このとき、堰の垂直面２０ａによって溝１４内を流れる冷媒の液流が効果的に飛散される。したがって、管の内壁に生じた冷媒の液膜を効果的に薄くかつ均一化して、管の伝熱性能を高めることができる。逆に、管外を流れる空気によって管内を流れる冷媒を加熱して蒸発させる使用態様では、堰の斜面２０ｃが上流側、堰の垂直面２０ａが下流側となる向きに冷媒が流される。このとき、堰の斜面２０ｃが溝１４内を流れる冷媒を主にその溝から溢れさせるので、管の内壁に生じた冷媒の液膜を薄くかつ均一化して管の伝熱性能を高めるとともに、垂直面によって冷媒の液流を飛散させる場合に比して管内を流れる冷媒の圧力損失を少なくすることができる。
【００２５】
また、堰２１を設けた場合も、堰２０を設けた場合と全く同様の作用効果を奏することができる。
【００２６】
なお、溝１４は、螺旋状の溝の他、管軸方向Ｘに直線状に延びる縦溝であっても良い。
【００２７】
また、図２(a)，(b)，(d)，(f)の伝熱管１５，１６，１８，２０では、上記堰の上面１５ｂ，１６ｂ，１８ｂ，２０ｂは管の内径を規定する円筒面の一部をなすものとしたが、これに限られるものではない。各堰１５，１６，１８，２０の上面のレベルが管の内壁１３と溝の底面１４ｂとの間に位置していても良い。このようにした場合、各堰の上面のレベルが管の内壁のレベルと一致する場合に比して、液膜の排除性は若干劣るが、管内を流れる冷媒の圧力損失を少なくすることができる。
【００２８】
図４は上述の伝熱管１０Ｄ（堰１８を設けたもの）を要素として含む室外熱交換器３，室内熱交換器５を備えた空気調和機の冷媒回路１を示している。
【００２９】
この冷媒回路１には、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２と、冷媒の流れの向きを切り換える切換手段としての四路切換弁９と、室外熱交換器３と、膨張機構としての膨張弁４と、室内熱交換器５と、冷媒を蓄積するアキュムレータ８が設けられている。
【００３０】
室外熱交換器３と室内熱交換器５は、それぞれ蛇行した形状の伝熱管１０Ｄに図示しない多数のフィンを取り付けて構成されている。室外熱交換器３の伝熱管１０Ｄは、図３(b)における管軸方向の（＋Ｘ）側がポート３ａ側、管軸方向の（−Ｘ）側がポート３ｂ側となる向きに配置されている。また、室内熱交換器５の伝熱管１０Ｄは、図３(b)における管軸方向の（＋Ｘ）側がポート５ａ側、管軸方向の（−Ｘ）側がポート３ｂ側となる向きに配置されている。室外熱交換器３と室内熱交換器５は、伝熱管１０Ｄの管外を流れる空気と管内を流れる冷媒との間で熱交換を行う。
【００３１】
ここで、冷媒回路１に流す冷媒は非共沸混合冷媒（ＨＦＣ４０７Ｃなど）であるものとする。これは、既に述べたように、非共沸混合冷媒では、単一冷媒や擬似共沸混合冷媒を流す場合に比して、溝１４内を流れる冷媒の液流を飛散等させて熱交換器の熱交換効率を高める必要性が大きいからである。
【００３２】
冷房運転時は、四路切換弁９の切り換えによって、図４中に実線で示す矢印Ｃの向きに冷媒が流される。これにより、室外熱交換器３が凝縮器、室内熱交換器５が蒸発器として働いて冷凍サイクルが実行される。このとき、凝縮器として動作する室外熱交換器３の伝熱管１０には、図３(b)における堰１８の垂直面１８ａが上流側、堰１８の斜面１８ｃが下流側となる向きに冷媒が流れる。この結果、堰１８の垂直面１８ａによって溝１４内を流れる冷媒の液流が効果的に飛散される。したがって、伝熱管１０Ｄの内壁に生じた冷媒の液膜を効果的に薄くかつ均一化して、伝熱管１０Ｄの伝熱性能を高めることができ、室外熱交換器３の熱交換効率を高めることができる。一方、蒸発器として動作する室内熱交換器５には、堰１８の斜面１８ｃが上流側、堰１８の垂直面１８ａが下流側となる向きに冷媒が流れる。この結果、堰１８の斜面１８ｃが溝１４内を流れる冷媒を主にその溝から溢れさせる。したがって、伝熱管１０Ｄの内壁に生じた冷媒の液膜を薄くかつ均一化して、伝熱管１０Ｄの伝熱性能を高めることができ、室内熱交換器５の熱交換効率を高めることができる。これとともに、垂直面１８ａによって冷媒の液流を飛散させる場合に比して、室内熱交換器５の伝熱管１０Ｄ内を流れる冷媒の圧力損失を少なくすることができる。
【００３３】
一方、暖房運転時は、四路切換弁９の切り換えによって、図４中に破線で示す矢印Ｗの向きに冷媒が流される。このとき、室内熱交換器５が凝縮器、室外熱交換器３が蒸発器として働いて暖房サイクルが実行される。このとき、凝縮器として動作する室内熱交換器５の伝熱管１０には、図３(b)における堰１８の垂直面１８ａが上流側、堰１８の斜面１８ｃが下流側となる向きに冷媒が流れる。この結果、堰１８の垂直面１８ａによって溝１４内を流れる冷媒の液流が効果的に飛散される。したがって、伝熱管１０Ｄの内壁に生じた冷媒の液膜を効果的に薄くかつ均一化して、伝熱管１０Ｄの伝熱性能を高めることができ、室内熱交換器５の熱交換効率を高めることができる。一方、蒸発器として動作する室外熱交換器３には、堰１８の斜面１８ｃが上流側、堰１８の垂直面１８ａが下流側となる向きに冷媒が流れる。この結果、堰１８の斜面１８ｃが溝１４内を流れる冷媒を主にその溝から溢れさせる。したがって、伝熱管１０Ｄの内壁に生じた冷媒の液膜が薄くかつ均一化して伝熱管１０Ｄの伝熱性能を高めることができ、室外熱交換器３の熱交換効率を高めることができる。これとともに、垂直面１８ａによって冷媒の液流を飛散させる場合に比して、室外熱交換器３の伝熱管１０Ｄ内を流れる冷媒の圧力損失を少なくすることができる。
【００３４】
なお、伝熱管１０Ｄ（堰１８を設けたもの）に代えて、図２(e)，(f)または(g)に示した伝熱管を含む室外熱交換器３，室内熱交換器５に同じ向きに配置した場合も、同様の作用効果を奏することができる。
【００３５】
また、ここでは冷暖房兼用（四路切換弁あり）の空気調和機について説明したが、当然ながら、この発明は冷房または暖房専用（四路切換弁なし）の空気調和機にも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の空気調和機によれば、熱交換器の要素として含まれる伝熱管の内壁に生じた冷媒の液膜による伝熱抵抗を低減して、伝熱性能を高めることができるので、熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態の空気調和機に用いられる伝熱管の一部を示す斜視図である。
【図２】 上記伝熱管の溝に設けられる各種の堰の、上記溝に沿った方向の断面を示す図である。
【図３】 上記伝熱管を管軸方向に沿って割り、展開した状態を示す図である。
【図４】 この発明の一実施形態の空気調和機の冷媒回路を示す図である。
【符号の説明】
１ 冷媒回路
３ 室外熱交換器
５ 室内熱交換器
１０ 伝熱管
１４ 溝
１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１ 堰

Claims (3)

1. 伝熱管（１０）を要素として含む熱交換器（３，５）と、膨張機構（４）と、圧縮機（２）を備える空気調和機であって、
   上記伝熱管（１０）は、管の内壁（１３）に溝（１４）を有し、
   上記溝（１４）に堰（１８，１９）が設けられ、
   上記堰（１８，１９）は、上記溝に沿った方向（ＡＡ′）に関して上記溝の底面（１４ｂ）からこの底面（１４ｂ）に対して垂直に立ち上がる垂直面（１８ａ，１９ａ）と、上記溝に沿った方向（ＡＡ′）に関して上記溝の底面（１４ｂ）からこの底面（１４ｂ）に対して斜めに立ち上がる斜面（１８ｃ，１９ｃ）とを持ち、
   上記熱交換器（３，５）を蒸発器として動作させるときの上流側となる堰の面（１８ｃ，１９ｃ）の傾斜よりも、凝縮器として動作させるときの上流側となる堰の面（１８ａ，１９ａ）の傾斜の方が急であることを特徴とする空気調和機。
2. 伝熱管（１０）を要素として含む熱交換器（３，５）と、膨張機構（４）と、圧縮機（２）を備える空気調和機であって、
   上記伝熱管（１０）は、管の内壁（１３）に溝（１４）を有し、
   上記溝（１４）に堰（２０，２１）が設けられ、
   上記堰（２０，２１）は、上記溝に沿った方向（ＡＡ′）に関して上記溝（１４）の底面（１４ｂ）からこの底面（１４ｂ）に対して斜めに立ち上がる一対の斜面（２０ａ，２０ｃ；２１ａ，２１ｃ）を持ち、
   上記堰（２０，２１）の上記一対の斜面は、上記溝の底面（１４ｂ）となす角度が互いに異なる急斜面（２０ａ，２１ａ）と緩斜面（２０ｃ，２１ｃ）であり、
   上記熱交換器（３，５）を蒸発器として動作させるときの上流側となる堰の面（２０ｃ，２１ｃ）の傾斜よりも、凝縮器として動作させるときの上流側となる堰の面（２０ａ，２１ａ）の傾斜の方が急であることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１または２に記載の空気調和機において、
   上記伝熱管（１０）に流す冷媒が非共沸混合冷媒であることを特徴とする空気調和機。

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