JP4738401B2 - 空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、管内溝付伝熱管を有する熱交換器を用いた空気調和機に関する。
従来より、一定間隔で配置されてその間を気体（空気）が流れるフィンと、内面に螺旋溝を有し各フィンへ直角に挿入されて内部に冷媒が流れる伝熱管と、から構成されるフィンチューブ型熱交換器を用いたヒートポンプ式の空気調和機は知られている。
空気調和機は、一般に、冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により空気及び水等を冷却する蒸発器と、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する圧縮機と、冷媒の熱により空気及び水等を加熱する凝縮器と、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する膨張弁と、冷凍サイクル内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う四方弁とを備えている。そして、伝熱管は、凝縮器や蒸発器に組み込まれ、その内部に冷凍機油を含有する冷媒が流されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１４７５３２号公報（図１，図１３）
ところで、前述のような空気調和機では、室外側熱交換器のパス数を室内側熱交換器のパス数より大きくすることで、暖房運転時における室外側熱交換器の管内圧力損失を低減するようにしている。しかしながら、このように室内側熱交換器の伝熱管よりも螺旋溝のリード角が大きい伝熱管を室外側熱交換器に用いたものにあっては、室外側熱交換器の管内熱伝達率の増大に伴って室外側熱交換器管内圧力損失が増大し、成績係数（ＣＯＰ）が低下するという難点があった。そして近年は、期間エネルギ消費効率（ＡＰＦ）に大きく寄与する暖房性能への改善が望まれている。
本発明は以上の点に鑑み、室外側熱交換器の管内圧力損失を増加させずに、室内側熱交換器の熱交換能力を増大させることのできる空気調和機を得ることを目的とする。
本発明に係る空気調和機は、リード角を３５度〜４５度とした螺旋溝を管内面に形成した複数の伝熱管を複数のフィンに挿通させてなる室内側熱交換器を搭載した室内機と、室内側熱交換器に用いる伝熱管の螺旋溝におけるリード角よりも小さいリード角とし、リード角を２５度〜３５度とした螺旋溝を管内面に形成した複数の伝熱管を複数のフィンに挿通させてなる室外側熱交換器を搭載した室外機とからなるものである。
本発明の空気調和機によれば、室外側熱交換器の伝熱管内面の螺旋溝のリード角を、２５度〜３５度の範囲内で、室内側熱交換器の伝熱管内面の螺旋溝のリード角３５度〜４５度よりも小さくしたので、室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝を乗り越えて流れるような流れが発生し難くなり、管内圧力損失が増加せずに、熱交換率を向上させることができる。また、結果として室内側熱交換器の伝熱管内面の螺旋溝のリード角を大きくして、室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の間に発生する液膜が薄くなるようにしているので、熱交換率を向上させることができ、高効率の空気調和機を得ることができる。
実施の形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室内側熱交換器を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図、図２はその室外側熱交換器を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図であり、いずれの図も隣り合う伝熱管の断面とその間のフィンを示している。
本実施形態の空気調和機は、図１及び図２のように、室内側熱交換器１０のフィン１１および室外側熱交換器２０のフィン２１が、いずれも伝熱性の良い銅または銅合金、アルミまたはアルミ合金等の金属材料からなり、またそれぞれのフィン１１，２１を貫通する伝熱管１２Ａ、２２Ａも伝熱性の良い銅または銅合金、アルミまたはアルミ合金等の金属材料から構成され、かつ各伝熱管１２Ａ、２２Ａの内面に互いにリード角Ｒａ，Ｒｂの異なる螺旋溝１３Ａ，２３Ａが形成されている。
熱交換器の圧力損失を低減させるには、パス数を増加させることによる効果よりも、管内面の螺旋溝１３Ａ，２３Ａのリード角Ｒａ，Ｒｂを調整することによる効果のほうがより大きい効果を期待できる。そこで、ここでは管内面に３５度〜４５度のリード角Ｒａを持つ螺旋溝１３Ａを有する伝熱管１２Ａを用いた室内側熱交換器１０を搭載した室内機と、伝熱管１２Ａよりもリード角Ｒｂが小さい（２５度〜３５度）螺旋溝２３Ａを持つ伝熱管２２Ａを用いた室外側熱交換器２０を搭載した室外機とから構成する。
本実施形態の空気調和機において、室外側熱交換器２０の伝熱管２２Ａの螺旋溝２３Ａのリード角Ｒｂを２５度〜３５度の範囲に設定したのは、螺旋溝２３Ａのリード角Ｒｂの下限を２５度以下にすると、熱交換率の低下が顕著になるからであり、また螺旋溝２３Ａのリード角Ｒｂの上限を３５度以上にすると、管内圧力損失が増加するからである。これにより、螺旋溝２３Ａを乗り越えて流れるような流れが発生し難くなり、管内圧力損失が増加せずに、熱交換率を向上させることができ、高効率の空気調和機が得られる。
一方、室内側熱交換器１０の伝熱管１２Ａの螺旋溝１３Ａのリード角の下限を３５度にしたのは、管内伝熱性能をより向上させるためであり、また螺旋溝１３Ａのリード角Ｒａの上限を４５度としたのは、それ以上にすると、管内圧力損失の増加が顕著になるからである。これにより、室内側熱交換器１０の管内伝熱性能をより向上させることができ、高効率の熱交換器を得ることができる。
このように本実施形態の空気調和機においては、室内側熱交換器１０の伝熱管１２Ａ内面の螺旋溝１３Ａのリード角Ｒａを大きくして、螺旋溝１３Ａの間に発生する液膜が薄くなるようにしているので、熱交換率を向上させることができ、高効率の空気調和機を得ることができる。
そして、本実施形態の熱交換器は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管で接続し、作動流体として冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、蒸発器または凝縮器として使用され、成績係数（ＣＯＰ）の向上に寄与する。また、冷媒としてはHC単一冷媒、又はHCを含む混合冷媒、R32、R410A、R407C、二酸化炭素のいずれかが用いられるが、これら冷媒と空気との熱交換効率が向上する。
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２に係る空気調和機の室内側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図、図４はその室外側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図であり、各図中、前述の実施形態１と同一部分には同一符号を付してある。
本実施形態の空気調和機も伝熱管１２Ｂ、２２Ｂが、前述の実施形態１と同様に伝熱性の良い銅または銅合金、アルミまたはアルミ合金等の金属材料からなり、冷凍機油を含有する冷媒を使用する熱交換器の凝縮器あるいは蒸発器用の伝熱管として用いられるものである。
これを更に詳述すると、室内側熱交換器の伝熱管１２Ｂと室外側熱交換器の伝熱管２２Ｂの内面には、それぞれ螺旋溝１３Ｂ，２３Ｂが形成されているとともに、室外側熱交換器の伝熱管２２Ｂの螺旋溝２３Ｂの深さＨｂ（図４）が室内側熱交換器の伝熱管１２Ｂの螺旋溝１３Ｂの深さＨａ（図３）よりも大きく（Ｈｂ＞Ｈａ）なるように設定されている。
本実施形態の空気調和機において、室外側熱交換器の螺旋溝２３Ｂの深さＨｂは０．１mm〜０．２５mmであることが好ましい。これにより、管内圧力損失が増加せず、伝熱性能をより向上させることができる。しかし、溝深さを０．２５mm以上にすると、管内圧力損失が増加する。
一方、室内側熱交換器の伝熱管１２Ｂの螺旋溝２３Ｂの深さＨａは０．０８mm〜０．２mmであることが好ましい。これにより、管内圧力損失を低減することができる。
このように、室外側熱交換器の螺旋溝２３Ｂの深さＨｂを室内側熱交換器の伝熱管１２Ｂの螺旋溝２３Ｂの深さＨａよりも大きくすることにより、室外側熱交換器の管内伝熱性能をより向上させることができ、高効率の空気調和機が得られる。
なお、本実施形態の螺旋溝１３Ｂ，２３Ｂの構成は、そのまま前述の実施形態１に適用することができ、その場合には、前述の実施形態１の螺旋溝のリード角調整による効果と本実施形態の螺旋溝の深さ調整による効果との相乗効果が得られるので、設計的自由度が拡大する。
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係る空気調和機の室内側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図、図６はその室外側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図であり、各図中、前述の実施形態１と同一部分には同一符号を付してある。
本実施形態の空気調和機も伝熱管１２Ｃ，２２Ｃが、前述の実施形態１と同様に伝熱性の良い銅または銅合金、アルミまたはアルミ合金等の金属材料からなり、冷凍機油を含有する冷媒を使用する熱交換器の凝縮器あるいは蒸発器用の伝熱管として用いられるものである。
これを更に詳述すると、室内側熱交換器の伝熱管１２Ｃと室外側熱交換器の伝熱管２２Ｃの内面には、それぞれ螺旋溝１３Ｃ，２３Ｃが形成されているとともに、室外側熱交換器の伝熱管２２Ｃの螺旋溝２３Ｃの条数が、室内側熱交換器の伝熱管１２Ｃの螺旋溝１３Ｃの条数よりも多くなるように設定されている。
本実施形態の空気調和機において、室外側熱交換器の伝熱管２２Ｃの螺旋溝２３Ｃの条数は６０〜８０であることが好ましい。これにより、管内圧力損失が増加せず、伝熱性能をより向上させることができる。しかし、溝条数を８０以上にすると、管内圧力損失が増加する。
一方、室内側熱交換器の伝熱管１２Ｃの螺旋溝１３Ｃの条数は４０〜６０であることが好ましい。これにより、管内圧力損失を低減することができる。
このように、室外側熱交換器の伝熱管２２Ｃの螺旋溝２３Ｃの条数を室内側熱交換器の伝熱管１２Ｃの螺旋溝１３Ｃの条数よりも多くすることにより、室外側熱交換器の管内伝熱性能をより向上させることができ、高効率の空気調和機が得られる。
なお、本実施形態の螺旋溝１３Ｃ，２３Ｃの構成は、そのまま前述の実施形態１，２に適用することができ、その場合には、前述の実施形態１の螺旋溝のリード角調整による効果と実施形態２の螺旋溝の深さ調整による効果と本実施形態の螺旋溝の条数調整による効果のトリプル効果が得られるので、設計的自由度がさらに拡大する。
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４に係る空気調和機の熱交換器の製作手順を示す正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図であり、図中、前述の実施形態１と同一部分には同一符号を付してある。なお、室内側熱交換器および室外側熱交換器は、いずれも同様の手順により製作されるため、ここでは室内側熱交換器を例に挙げて説明する。
本実施形態の空気調和機は、熱交換器が図７のような手順により製作される。まず、各伝熱管１２Ｄを、それぞれ長手中央部で所定の曲げピッチでヘアピン状に曲げ加工し、複数のヘアピン管を製作する。次いで、これらヘアピン管を、所定の間隔をおいて相互に平行に配置した複数枚のフィン１１に挿通した後、ヘアピン管内に拡管玉３０をロッド３１により押し込む機械拡管方式、あるいはヘアピン管内に拡管玉３０を流体３２の液圧により押し込む液圧拡管方式により、ヘアピン管を拡管して、各フィン１１とヘアピン管すなわち伝熱管１２Ｄとを接合する。
このように、本実施形態の空気調和機においては、熱交換器の構成部材であるヘアピン管を、機械拡管方式あるいは液圧拡管方式により拡管するだけで、多数のフィン１１とヘアピン管（伝熱管１２Ｄ）が接合されるので、熱交換器の製作が容易となる。
実施の形態５．
前述の実施形態４においては、ヘアピン管の拡管のみによってフィン１１とヘアピン管（伝熱管１２Ｄ）とを接合しているが、拡管率を規定しなければ製品にばらつきが発生する。したがって、この実施の形態５では室内側熱交換器の伝熱管の拡管率を規定する。
すなわち、本実施形態では、ヘアピン管を機械拡管方式あるいは液圧拡管方式により拡管する際の拡管率を、室内側熱交換器の伝熱管で１０５．５％〜１０６．５％とする。これにより、室内側熱交換器の伝熱管とフィンとの密着性を改善して、高効率の空気調和機を得ることができる。しかし、室内側熱交換器の伝熱管の拡管率が１０６．５％以上になると、既述したように室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数は、室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数よりに比し少ないため、螺旋溝の頂部での潰れが発生し、伝熱管とフィンの密着性が悪化する。
実施の形態６．
前述の実施形態４においては、ヘアピン管の拡管のみによってフィン１１とヘアピン管（伝熱管１２Ｄ）とを接合しているが、拡管率を規定しなければ製品にばらつきが発生する。したがって、この実施の形態６では室外側熱交換器の伝熱管の拡管率を規定する。
すなわち、本実施形態では、ヘアピン管を機械拡管方式あるいは液圧拡管方式により拡管する際の拡管率を、室外側熱交換器の伝熱管で１０６％〜１０７．５％とする。これにより、室外側熱交換器の伝熱管とフィンの密着性を改善して、高効率の空気調和機を得ることができる。このとき、室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数は、既述したように室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数に比し多く、したがって螺旋溝の頂部での潰れが発生しない。また、室外側熱交換器の伝熱管の拡管率が大きくなることで、伝熱管の内径が大きくなり、管内圧力損失が低減される。
なお、前述の実施形態４〜６においては、伝熱管の拡管のみによってフィン１１とヘアピン管（伝熱管１２Ｄ）とを接合するようにしているが、拡管によるフィン１１とヘアピン管（伝熱管１２Ｄ）の接合後、さらにロウ付けによって伝熱管１２Ｄとフィン１１を完全接着するようにしてもよく、これにより信頼性をより高めることができる。
以下、本発明の実施例について本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝のリード角（以下、「室内側リード角」という）４５度と室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝のリード角（以下、「室外側リード角」という）３５度、室内側リード角３５度と室外側リード角２５度である実施例１及び実施例２の熱交換器を作製した。また、比較例として、室内側リード角４５度と室外側リード角４５度、室内側リード角３５度と室外側リード角３５度、室内側リード角２５度と室外側リード角２５度である比較例１〜比較例３の熱交換器を作製した。下記表１に実施例１及び実施例２並びに比較例１〜比較例３の熱交換器を用いた冷凍サイクルの暖房性能および冷房性能の成績係数（ＣＯＰ＝熱交換器能力／圧縮機入力）を示す。
Figure 0004738401
表１から明らかなように、実施例１及び実施例２の熱交換器は、いずれも比較例１〜比較例３と比し成績係数（ＣＯＰ）が高く、管内伝熱性能が向上していた。
次に、室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の深さ（以下、「室内側溝深さ」という）０．０８mmと室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の深さ（以下、「室外側溝深さ」という）０．１mm、室内側溝深さ０．２mmと室外側溝深さ０．２５mmである実施例３及び実施例４の熱交換器を作製した。また、比較例として、室内側溝深さ０．０８mmと室外側溝深さ０．０８mm、室内側溝深さ０．２mmと室外側溝深さ０．２mm、室内側溝深さ０．２５mmと室外側溝深さ０．２５mmである比較例４〜比較例６の熱交換器を作製した。下記表２に実施例３及び実施例４並びに比較例４〜比較例６の熱交換器を用いた冷凍サイクルの暖房性能および冷房性能の成績係数（ＣＯＰ＝熱交換器能力／圧縮機入力）を示す。
Figure 0004738401
表２から明らかなように、実施例３及び実施例４の熱交換器は、いずれも比較例４〜比較例６と比し成績係数（ＣＯＰ）が高く、管内伝熱性能が向上していた。
次に、室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数（以下、「室内側溝条数」という）４０と室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数（以下、「室外側溝条数」という）６０、室内側溝条数６０と室外側溝条数８０である実施例５及び実施例６の熱交換器を作製した。また、比較例として、室内側溝条数４０と室外側溝条数４０、室内側溝条数６０と室外側溝条数６０、室内側溝条数８０と室外側溝条数８０である比較例７〜比較例９の熱交換器を作製した。下記表３に実施例５及び実施例６並びに比較例７〜比較例９の熱交換器を用いた冷凍サイクルの暖房性能および冷房性能の成績係数（ＣＯＰ＝熱交換器能力／圧縮機入力）を示す。
Figure 0004738401
表３から明らかなように、実施例５及び実施例６の熱交換器は、いずれも比較例７〜比較例９と比し成績係数（ＣＯＰ）が高く、管内伝熱性能が向上していた。
本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室内側熱交換器を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室外側熱交換器を正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和機の室内側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和機の室外側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態３に係る空気調和機の室内側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態３に係る空気調和機の室外側熱交換器を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。 本発明の実施の形態４に係る空気調和機の熱交換器の製作手順を示す正面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。
符号の説明
Ｒａ，Ｒｂ リード角、１０ 室内側熱交換器、１１，２１ フィン、１２Ａ〜１２Ｃ、２２Ａ〜２２Ｃ 伝熱管、１３Ａ〜１３Ｃ、２３Ａ〜２３Ｃ 螺旋溝、２０ 室外側熱交換器、Ｈａ，Ｈｂ 螺旋溝の深さ、３０ 拡管玉、３１ ロッド、３２ 流体。

Claims (11)

  1. リード角を３５度〜４５度とした螺旋溝を管内面に形成した複数の伝熱管を複数のフィンに挿通させてなる室内側熱交換器を搭載した室内機と、
    前記室内側熱交換器に用いる伝熱管の螺旋溝におけるリード角よりも小さいリード角とし、該リード角を２５度〜３５度とした螺旋溝を管内面に形成した複数の伝熱管を複数のフィンに挿通させてなる室外側熱交換器を搭載した室外機とからなる空気調和機。
  2. 前記室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の深さを、前記室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の深さよりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
  3. 前記室外側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数を、前記室内側熱交換器の伝熱管の螺旋溝の条数よりも多くしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空気調和機。
  4. 前記室内側熱交換器の伝熱管は、さらに前記螺旋溝の深さを０．０８mm〜０．２mm及び条数を４０〜６０とし、
    前記室外側熱交換器の伝熱管は、さらに前記螺旋溝の深さを０．１mm〜０．２５mm及び条数を６０〜８０とすることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。
  5. 前記室内側熱交換器または室外側熱交換器は、機械拡管方式または液圧拡管方式により前記伝熱管を拡管させることで、該伝熱管と前記フィンとが接合されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の空気調和機。
  6. 前記機械拡管方式または液圧拡管方式により前記伝熱管を拡管させる際の拡管率が前記室内側熱交換器の伝熱管の場合で１０５．５％〜１０６．５％であることを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。
  7. 前記機械拡管方式または液圧拡管方式により前記伝熱管を拡管させる際の拡管率が前記室外側熱交換器の伝熱管の場合で１０６〜１０７．５％であることを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。
  8. 前記拡管により接合された前記伝熱管と前記フィンは、さらにロウ付けによって接着されてなることを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。
  9. 前記伝熱管を、銅又は銅合金、アルミ又はアルミ合金等の金属材料により形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の空気調和機。
  10. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次配管で接続し、作動流体として冷媒を用いるとともに、前記熱交換器を前記蒸発器または前記凝縮器として用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の空気調和機。
  11. 冷媒としてHC単一冷媒、またはHCを含む混合冷媒、R32、R410A、R407C、二酸化炭素のいずれかを用いることを特徴とする請求項１０に記載の空気調和機。
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