JP4266131B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷暖房運転の切換えが可能なヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成する空気調和機に係り、特に、室内熱交換器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般家庭用として、冷暖房運転の切換えが可能なヒートポンプ式の冷凍サイクルを備えた空気調和機では、室内機と室外機とから構成されるタイプのものが多用されている。上記室内機には室内熱交換器および室内送風機が配置され、室外機には圧縮機と、室外熱交換器および室外送風機他が配置される。室内機と室外機は冷媒管と電気配線を介して接続される。
【０００３】
上記室内熱交換器は、狭小の間隙を存して並設されるフィンに熱交換パイプが貫通して構成される。上記熱交換パイプの管径の設定は、室内熱交換器の熱交換効率に影響があり、かつ熱交換器としての外形サイズの設定にも影響がある。結局、現在のところ８ｍｍ以下の管径であれば熱交換効率の保持と外形サイズの拡大抑制に有利であるとの結論が得られている。
【０００４】
しかしながら、その一方で、システムとしての省エネルギー性の点から室外熱交換器の容積も大きくなり、それにともない冷媒量の増大傾向が避けられない。このことから、室外熱交換器を凝縮器とする冷房サイクルと、室内熱交換器を凝縮器とする暖房サイクルとでは、最高性能を引出すことができる冷媒量に差が生じている。
【０００５】
すなわち、冷房運転と暖房運転との最適冷媒量を比較すると、冷房運転時の方が冷媒量が多い。これは、暖房運転時の蒸発性能確保のために、室外熱交換器を室内熱交換器よりも大きくした成形したことによる。室外熱交換器が大きいので、室外熱交換器が凝縮器となる冷房運転時においてここに溜められる冷媒量が、暖房運転時に室内熱交換器に溜められる冷媒量より多くなる。
【０００６】
［特許文献１］には、ヒートポンプ式冷凍サイクルの主回路を備えた空気調和機において、この主回路中に冷媒中の水分を吸着するドライヤを備え、このドライヤの容積を乾燥剤が封入される以上の容積にしてドライヤ内部に空間を形成し、暖房運転時にドライヤ内部に形成した空間に一部の冷媒を溜める技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１３２９８７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、暖房運転時に気液分離装置およびドライヤ内を密度の高い液相冷媒が貫流する。そこで、ドライヤ内部に乾燥剤の封入部以上の空間を、また気液分離装置に必要以上の空間を設定し、この空間内に液相冷媒を溜められるようにして、冷房運転時および暖房運転時で冷媒量を調整する。空間の大きさを適当にすることによって運転状態に応じて冷媒量は適正に調整される、とある。
【０００９】
しかしながら、このような作用効果を得るためには、ドライヤと気液分離器を通常のものよりも大型化しなければならず、それにともないこれらドライヤと気液分離器を収容する室外機の筐体の大型化と、室外機据付けスペースの拡大化に繋がる。さらには、これら構成部品の製作コストに影響が出て、空気調和機自体のコストに影響を及ぼしてしまう。
【００１０】
従来においては、上述のようにドライヤと気液分離器を対象とするばかりではなく、たとえば電子膨張弁と室内熱交換器との間に、暖房時に循環する冷媒の一部を溜めて同様の作用効果を得る考えもある。この場合においても、別途、タンクを用意して取付ける手間がかかり、同様の不具合が発生してしまう。
【００１１】
本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、冷房運転時および暖房運転時で冷媒量を調整でき、コストに与える影響を最小限に抑制したうえで、空調性能の向上化を図った空気調和機を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明は、圧縮機と、四方切換え弁と、室外熱交換器と、減圧装置および室内熱交換器を冷媒管を介してヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成するよう連通する空気調和機において、
上記室内熱交換器は、それぞれが間隙を存して並設する複数枚のフィンと、これらフィンを貫通する熱交換パイプとから構成した主熱交換器および補助熱交換器との組み合わせからなり、主熱交換器は側面視で略逆Ｖ字状に形成される前側熱交換器部および後側熱交換器部からなり、補助熱交換器は吸込み口から吸込まれて吹出し口から吹出される室内空気流に対して主熱交換器よりも上流側の位置に主熱交換器とは熱的に遮断して配置され、さらに、補助熱交換器は冷房サイクルの冷媒導入側で、暖房サイクルの冷媒導出側に位置させ、かつ補助熱交換器を構成する熱交換パイプの管径Ａは、主熱交換器を構成する熱交換パイプの管径Ｂに対し、 Ａ／Ｂ＝１．０５〜１．１５ となるように設定した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は空気調和機の冷凍サイクル構成図、図２は空気調和機を構成する室内機の概略の断面図、図３は室内熱交換器の冷媒流路を説明する図である。
【００１４】
はじめに図１の冷凍サイクルから説明すると、圧縮機１と、四方切換え弁２と、室外熱交換器３と、減圧装置である電子膨張弁４および室内熱交換器５が冷媒管Ｐを介してヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成するよう連通されてなる。
【００１５】
上記室外熱交換器３は、２列のＬ型熱交換器部を並列に並べていて、上記四方切換え弁２から延出される冷媒管Ｐは室外熱交換器３の直前で２方向分岐管６の各分岐部に接続される。各分岐部は、室外熱交換器３を構成するそれぞれの熱交換器部の一方端に接続される。
【００１６】
また、上記熱交換器部の他方端にも分岐冷媒管が接続されていて、それぞれの分岐冷媒管は補助毛細管７を介して２方向分岐管８の分岐部に接続される。この２方向分岐管８の合流部は、上記電子膨張弁４を介して室内熱交換器５に連通する冷媒管Ｐに接続される。
【００１７】
上記室内熱交換器５と四方切換え弁２とを連通する冷媒管Ｐと、室内熱交換器５と電子膨張弁４とを連通する冷媒管Ｐのそれぞれにはパックドバルブ９が設けられる。このパックドバルブ９から一方側は室外機１Ａであり、他方側は室内機１Ｂである。室内熱交換器５は室内機１Ｂに収容され、圧縮機１、四方切換え弁２、室外熱交換器３、電子膨張弁４などは室外機１Ａに収容される。
【００１８】
図１において、実線矢印は冷房（または除湿）サイクルの冷媒の流れ方向を示し、破線矢印は暖房サイクルの冷媒の流れ方向を示している。すなわち、上記四方切換え弁２を切換えて冷媒の流れ方向を変更することにより、室内熱交換器５で冷媒が蒸発して室内空気から蒸発潜熱を奪う冷房（または除湿）運転と、室内熱交換器５で冷媒が凝縮して室内空気に凝縮熱を放出する暖房運転との切換えができるようになっている。
【００１９】
つぎに、上記室内機１Ｂについて説明する。室内機１Ｂは、前面パネル１０と後板１１とからなる筐体１２内に、側面視で略逆Ｖ字状に形成される上記室内熱交換器５を備えている。この室内熱交換器５は、主熱交換器１３と、補助熱交換器１４との組み合わせからなる。
【００２０】
上記主熱交換器１３は、略Ｖ字状の前面側にあり略円弧状断面に形成される前側熱交換器部１３Ａと、後面側にあり斜め直状に形成される後側熱交換器部１３Ｂを備えている。上記補助熱交換器１４は、斜め直状に形成され、後側熱交換器部１３Ｂの上部に所定の間隙を存して並行に沿う。このことにより、補助熱交換器１４と後側熱交換器部１３Ｂとは互いに熱的に遮断されている。
【００２１】
上記前面パネル１０の前面側に前部吸込み口１５が設けられ、上面側に上部吸込み口１６が設けられていて、それぞれの吸込み口１５，１６にはグリルが嵌め込まれている。上記室内熱交換器５の主熱交換器１３を構成する前側熱交換器部１３Ａは前部吸込み口１５に対向し、前側熱交換器部１３Ａの一部と後側熱交換器部１３Ｂおよび補助熱交換器１４は上部吸込み口１６に対向している。
【００２２】
主熱交換器１３を構成する前側熱交換器部１３Ａと後側熱交換器部１３Ｂとの間には横流ファンＦが配置され、これら熱交換器部１３Ａ，１３Ｂで覆われる。上記横流ファンＦの一端部にファンモータが連結され、これらで室内送風機が構成される。上記前部吸込み口１５の下方部位で筐体１２の前面側下部にはルーバー１７を備えた吹出し口１８が設けられる。
【００２３】
このようにして構成される室内機１Ｂであって、横流ファンＦを回転駆動することにより前部吸込み口１５と上部吸込み口１６から室内空気が筐体１２内に吸込まれる。筐体１２内において室内空気は、前部吸込み口１５と対向する前側熱交換器部１３Ａを流通し、上部吸込み口１６と対向する前側熱交換器部１３Ａ一部と補助熱交換器１４および後側熱交換器部１３Ｂを流通する。
【００２４】
室内空気が前側熱交換器部１３Ａと後側熱交換器部１３Ｂおよび補助熱交換器１４をそれぞれ流通している間に、各熱交換器に導かれる冷媒と熱交換して、吹出し口１８から室内へ吹出される。熱交換空気が室内に導かれて、冷房（もしくは除湿）もしくは暖房作用を得られる。
【００２５】
なお、上記補助熱交換器１４は上部吸込み口１６に直接対向して配置されていて、補助熱交換器１４は室内空気流に対して主熱交換器１３を構成する後側熱交換器部１３Ｂよりも上流側に位置する。換言すれば、後側熱交換器部１３Ｂは主熱交換器１３を構成するから、補助熱交換器１４は室内空気流の最上流側に位置することになる。
【００２６】
さらに、室内熱交換器５について詳述する。この室内熱交換器５を構成する主熱交換器１３（前側熱交換器部１３Ａおよび後側熱交換器部１３Ｂ）と補助熱交換器１４ともに、所定の間隙を存して並設される複数枚のフィンｆと、これらフィンｆを貫通する熱交換パイプｐとから構成される。
【００２７】
上記室内熱交換器５は、主熱交換器１３を構成する前側熱交換器部１３Ａと後側熱交換器部１３Ｂおよび補助熱交換器１４の他に、除湿用絞り弁１９を備えている。図１では前側熱交換器部１３Ａと後側熱交換器部１３Ｂとの間に除湿用絞り弁１９が介在しているが、実際には図３で後述するような流路構成において用いられている。
【００２８】
そして、ここでは補助熱交換器１４に用いられる熱交換パイプｐ２の管径（約７ｍｍ）は、主熱交換器１３を構成する前側熱交換器部１３Ａおよび後側熱交換器部１３Ｂに用いられる熱交換パイプｐ１の管径（約φ６．３５ｍｍ）よりも大に形成されることを特徴の一つとしている。
【００２９】
室内熱交換器５における実際の流路構成を図３から説明する。冷房サイクルを基準にすると、傾斜した補助熱交換器１４の傾斜下端部が冷媒の導入部ａとなる。上記電子膨張弁４から導かれる液冷媒は補助熱交換器１４に導入され、この傾斜上端まで導かれてから導出される。補助熱交換器１４から出た冷媒は、前側熱交換器部１３Ａの前列（室内空気流の風上側）上部に設けられる２方向分岐管２０の合流部に導かれる。
【００３０】
この２方向分岐管２０において冷媒は２方向に分流され、その一方は前側熱交換器部１３Ａの上端を介して後側熱交換器部１３Ｂの上部側列（室内空気流の風上側）上端に分流される。さらに、この後側熱交換器部１３Ｂの下端まで導かれたあと、下部側列（室内空気流の風下側）の上端に導かれる。そして、後側熱交換器部１３Ｂから出て、外部に設けられる２方向分岐管２１の一方の分岐部に導かれる。
【００３１】
また、前側熱交換器部１３Ａの前列の２方向分岐管２０で分流される他方側の冷媒は、そのまま前側熱交換器部１３Ａの下部側へ導かれ、この下部側で後列（室内空気流の風下側）に移る。さらに、上端部まで行ってから外部に設けられる上記２方向分岐管２１の他方の分岐部に導かれる。
【００３２】
この２方向分岐管２１の合流部には、中途部に上記除湿用絞り弁１９が設けられるジャンピング管２２の一端が接続されている。このジャンピング管２２の他端部にも２方向分岐管２３の合流部が接続されていて、一方の分岐部は前側熱交換器部１３Ａの下部前列から一端上部に行ってから後列に移る。そして、後列では一端下部側に移ってから後列に設けられる別の２方向分岐管２４の一方の分岐部に導かれる。
【００３３】
また、上記ジャンピング管２２他端部の２方向分岐管２３における他方の分岐部に導かれる冷媒は前側熱交換器部１３Ａの前列下端まで導かれてから、後列側に移る。ここから一旦上部側に行って、後列側に設けられる上記２方向分岐管２４の他方の分岐部に導かれる。この２方向分岐管２４の合流部に上記四方切換え弁２に連通する冷媒管Ｐが接続されていて、室内熱交換器５における冷媒導出部ｂとなる。
【００３４】
暖房サイクルでは、冷房サイクルとは逆サイクルとなっていて、前側熱交換器部１３Ａの後列下部に接続される２方向分岐管２４の合流部が冷媒導入部ｂとなり、補助熱交換器１４の傾斜下端の冷媒接続部が冷媒導出部ａとなる。
【００３５】
上記補助熱交換器１４を基準にしてみると、この補助熱交換器１４は冷房サイクルにおいて冷媒導入側となり、暖房サイクルにおいて冷媒導出側に位置する。そして、先に説明したように補助熱交換器１４を構成する熱交換パイプｐ２の管径を、主熱交換器１３を構成する前後側熱交換器部１３Ａ，１３Ｂの熱交換パイプｐ１の管径よりも大に設定している。
【００３６】
このようにして、冷房サイクルでは熱交換パイプｐ２の管径の大きい補助熱交換器１４が冷媒導入側となっているので、冷媒導入側において圧力損失の低減を得られ、冷房性能の向上に寄与する。暖房サイクルでは冷媒導出側に位置する補助熱交換器１４の熱交換パイプｐ２の管径が大きいので、ここに冷媒を溜められ、よって暖房性能の向上に寄与する。
【００３７】
すなわち、冷房サイクルと暖房サイクルとの最適冷媒量を比較すると、冷房サイクル時の方が冷媒量が多い。これは、暖房サイクル時の蒸発性能を確保するのに室外熱交換器３を室内熱交換器５よりも大型にしている。したがって、室外熱交換器３が凝縮器となる冷房サイクル時において室外熱交換器３に蓄えられる冷媒量が暖房サイクル時に室内熱交換器５に蓄えられる冷媒量よりも多くなる。
【００３８】
冷房運転と暖房運転ともに最適運転を行うために、各運転時に冷媒量を調整して暖房運転時の余分な液冷媒をサイクルの一部に溜めることにより性能が向上する。そこで、暖房運転時に補助熱交換器１４が冷媒導出側となり、密度の高い液相冷媒が導かれるのを利用し、上述の設定をなすことにより冷媒量を適正に調整でき暖房能力の向上を得る。
【００３９】
本発明では、従来のように暖房運転時に液冷媒を一旦溜めるタンクを備えたり、あるいは［特許文献１］にあるように必要以上の容積のドライヤや気液分離器を別途用意する必要がない。これらの技術と比較して、コストに与える影響が小さくてすむ。
【００４０】
また、補助熱交換器１４は、室内送風機（横流ファンＦ）の作動にともない前、上吸込み口１５ａ、１５ｂから吸込まれて吹出し口１８から吹出される室内空気流の最上部に配置されることになる。その一方で、補助熱交換器１４は暖房サイクルで冷媒導出側にあり、ここで効率よく熱交換して凝縮した冷媒が略過冷却状態になり、暖房性能の向上に繋げられる。
【００４１】
冷房サイクルでは補助熱交換器１４が冷媒導入側になるので、室内空気流の最上部にある補助熱交換器１４での熱交換効率が向上して圧力損失の低減が得られ、補助熱交換器１４から出て前側熱交換器部１３Ａの前列に設けられる２方向分岐管２０での分流が安定化する。
【００４２】
また、補助熱交換器１４は、主熱交換器１３を構成する前後側熱交換器部１３Ａ，１３Ｂのような前後２列の流路構成とは相違して１列の流路構成であり、１パスとなっている。したがって、補助熱交換器１４を製作するにあたって２列構成の熱交換器部１３Ａ，１３Ｂと比較して配管コストの低減を得られる。
【００４３】
また、補助熱交換器１４は、後側熱交換器部１３Ｂと所定の間隙を存して並行して設けられているので、互いに熱的に遮断されている。このことから、冷媒導入側もしくは冷媒導出側にある補助熱交換器１４と、冷媒導通の途中にある後側熱交換器部１３Ｂとの間に熱交換がなく、先に説明した補助熱交換器１４の作用とその効果を確保できる。
【００４４】
また、補助熱交換器１４と後側熱交換器部１３Ｂとを熱的に遮断するには、必ずしも別体構造とする必要はなく、一体フィンでありながら、相互間にスリット（切欠部）を入れて略別体構造としてもよい。
【００４５】
また、上記補助熱交換器１４はそれ自体、単体構造としたが、これに限定されるものではなく、複数個の別体化された補助熱交換器部の集合体としても適用できる。この場合は、さらに性能改善効果を高められる。
【００４６】
また、補助熱交換器１４は主熱交換器１３と比較して伝熱特性が劣る構成にして、さらにコストの抑制を図ることができる。すなわち、補助熱交換器１４は暖房サイクルにおいて冷媒導出側であり、冷凍サイクル的にアンダークール域として熱伝達特性が低下する領域である。したがって、補助熱交換器１４を構成するフィンｆの枚数を少なくしてコストの低減を図り、フィンｆ相互間隔を広げて伝熱特性の低下を図っても、性能への影響が少なくてすむ。
【００４７】
また、補助熱交換器１４の熱交換パイプｐ２の管径をＡとし、主熱交換器１３を構成する前後側熱交換器部１３Ａ，１３Ｂの熱交換パイプｐ１の管径をＢとしたとき、
Ａ ／ Ｂ ＝ １．０５ 〜 １．１５
となるように設定する。種々の実験と経験から、これ以下の値では先に述べた効果が得られない。これ以上の値では、先に述べた補助熱交換器１４からの分流の効果が得られないとともに、コストへ与える影響があり、室内機１Ｂの筐体寸法の拡大に繋がってしまう。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、暖房運転時の余分な液冷媒を室内熱交換器を構成する補助熱交換器に溜めることにより、冷房運転時および暖房運転時で冷媒量を調整でき、コストに与える影響を最小限に抑制したうえで、空調性能の向上化を得る等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る、空気調和機の冷凍サイクル構成図。
【図２】 同実施の形態に係る、空気調和機を構成する室内機の縦断面図。
【図３】 同実施の形態に係る、室内熱交換器の流路構成の説明図。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…四方切換え弁、３…室外熱交換器、４…電子膨張弁、５…室内熱交換器、１３…主熱交換器、１４…補助熱交換器、ｐ２…（補助熱交換器の）熱交換パイプ、ｐ１…（主熱交換器の）熱交換パイプ、１６…上部吸込み口、１８…吹出し口、Ｆ…横流ファン（室内送風機）。

Claims (1)

1. 圧縮機と、四方切換え弁と、室外熱交換器と、減圧装置および室内熱交換器を冷媒管を介してヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成するように連通する空気調和機において、
   上記室内熱交換器は、それぞれが間隙を存して並設する複数枚のフィンと、これらフィンを貫通する熱交換パイプとから構成した主熱交換器および補助熱交換器との組み合わせからなり、
   上記主熱交換器は、側面視で略逆Ｖ字状に形成される前側熱交換器部および後側熱交換器部からなり、
   上記補助熱交換器は、上記吸込み口から吸込まれて上記吹出し口から吹出される室内空気流に対して上記主熱交換器よりも上流側の位置に、主熱交換器とは熱的に遮断して配置され、
   さらに、上記補助熱交換器は、冷房サイクルの冷媒導入側で、暖房サイクルの冷媒導出側に位置させ、かつ上記補助熱交換器を構成する熱交換パイプの管径Ａは、上記主熱交換器を構成する熱交換パイプの管径Ｂに対し、 Ａ／Ｂ＝１．０５〜１．１５ となるように設定した
   ことを特徴とする空気調和機。

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