JP5079857B2 - 空気調和機の室内機 - Google Patents

Description

本発明は空気調和機の室内機に関する。

熱交換器とファンは空気調和機の必須要素である。セパレート型空気調和機の室内機において、室内空気を循環させるファンとして通常用いられるのはクロスフローファンである。クロスフローファンの上流側に配置される熱交換器は、クロスフローファンを囲む形でクロスフローファンの上方を覆う複数の熱交換器であることが多い。このような構成を備えた空気調和機の室内機の例を特許文献１、２に見ることができる。

特許文献１には、気流方向に沿って並列に配置される複数のフィンと、フィンに対して直交する方向に配設され内部を冷媒が流動する複数の伝熱管群と、伝熱管群の端部にそれぞれ接続される第１ヘッダ及び第２ヘッダを備えた熱交換器を複数個、クロスフローファンを囲むように配置した空気調和機の室内機が記載されている。

特許文献２には、フィンアンドチューブ型熱交換器を水平方向に三分割し、上部二面が逆Ｖ字形になるように三つ折りにして、その中にクロスフローファンを配置した空気調和機の室内機が記載されている。

次のような構成の熱交換器も知られている。すなわち特許文献３には、ダウンフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を第１段熱交換器とし、フィンアンドチューブ型熱交換器を第２段熱交換器として、第２段熱交換器の上に第１段熱交換器を積み上げた構成の熱交換器が記載されている。

特開２００５−２６５２６３号公報 実開平４−６８９２１号公報 特開２０１０−４８４７３号公報

空気調和機の室内機には、フィンアンドチューブ型熱交換器が用いられることが多かった。フィンアンドチューブ型熱交換器は熱交換効率（Contact Factor：ＣＦ）が低いため、空気調和機全体の性能を高めることが難しかった。

通常、空気調和機で使用される風速の範囲内において、同じ風速で熱交換効率を比較した場合に、パラレルフロー型熱交換器はフィンアンドチューブ型熱交換器に比べ熱交換効率が高く、通風抵抗を低くすることができる。そのため空気調和機の性能を高めるという目的に適している。しかしながら室内機のクロスフローファンを囲む複数の熱交換器を全てパラレルフロー型熱交換器にしてしまうと、条件によっては冷媒の分流が悪くなり、性能低下を生じたり、冷たい空気で冷却されたクロスフローファンに十分に熱交換されていない空気が接触してクロスフローファンに結露が生じ、その結露水が吹き出し気流に混じって吹き出されたりするという問題が生じる。また、パラレルフロー型熱交換器は冷媒流路面積が小さいためチューブを複数本ずつ組み合わせて冷媒を流す必要があり、冷媒流路を細かく調整したり、分流を調整したりすることは本質的に容易ではなく、その困難さは、複数のパラレルフロー型熱交換器を連結することとすれば一層増す。

本発明は、室内空気を循環させるクロスフローファンの上方を複数の熱交換器で覆う空気調和機の室内機において、熱交換器の構成に工夫を加えることで熱交換効率を向上させることを目的とする。

本発明によれば、空気調和機の室内機は、室内空気を循環させるクロスフローファンと、前記クロスフローファンの上方を覆う複数の熱交換器からなる室内熱交換器を備え、前記室内熱交換器は、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器とフィンアンドチューブ型熱交換器とを逆Ｖ字形に配置して前記クロスフローファンを覆うものであり、前記パラレルフロー型熱交換器と前記フィンアンドチューブ型熱交換器は冷媒の流れにおいて直列接続され、前記パラレルフロー型熱交換器は当該室内熱交換器における冷媒の流れの前半部分となり、前記フィンアンドチューブ型熱交換器は前記冷媒の流れの後半部分となるものであり、前記サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を背面側に配置し、前記フィンアンドチューブ型熱交換器を正面側に配置したことを特徴としている。

また、上記構成の空気調和機の室内機において、前記サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が前記室内熱交換器において冷媒が最初に流入する第１段目の熱交換器であることが好ましい。

また、上記構成の空気調和機の室内機において、冷房時も暖房時も、前記パラレルフロー型熱交換器が前記室内熱交換器において冷媒が最初に流入する第１段目の熱交換器となるように、冷媒の流れを切り替える切替手段を有することが好ましい。

本発明によると、パラレルフロー型熱交換器とフィンアンドチューブ型熱交換器を組み合わせて用いることにより、室内熱交換器の熱交換効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る空気調和機の室内機の概略断面図である。 図１の室内機に搭載される熱交換器の模式的垂直断面図である。 本発明の実施形態に係る空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。 本発明の実施形態に係る空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 熱交換器の熱交換効率について説明するグラフである。 本発明を実施しない空気調和機の室内機の概略断面図である。

最初に、冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成を図３及び図４に基づき説明する。ヒートポンプサイクル１は、圧縮機２、四方弁３、室外側の室外熱交換器４、減圧膨張装置５、及び室内側の室内熱交換器６をループ状に接続したものである。

圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、及び減圧膨張装置５は室外機１０の筐体に収容され、室内熱交換器６は室内機２０の筐体に収容される。室外熱交換器４には室外側の送風機１１が組み合わせられ、室内熱交換器６には室内側の送風機２１が組み合わせられる。送風機１１のファンはプロペラファン１２であり、送風機２１のファンはクロスフローファン２２である。送風機１１も送風機２１も、それらが生成する気流に関し、室外熱交換器４あるいは室内熱交換器６よりも下流側に配置されている。

図３は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の室外熱交換器４に入ってそこで放熱し、凝縮する。室外熱交換器４を出た冷媒は減圧膨張装置５から室内側の室内熱交換器６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機２に戻る。室外側の送風機１１によって生成された気流が室外熱交換器４からの放熱を促進し、室内側の送風機２１によって生成された気流が室内熱交換器６の吸熱を促進する。

図４は暖房時の状態を示す。この時は四方弁３が切り換えられて冷房運転時あるいは除霜運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の室内熱交換器６に入ってそこで放熱し、凝縮する。室内熱交換器６を出た冷媒は減圧膨張装置５から室外側の室外熱交換器４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機２に戻る。室内側の送風機２１によって生成された気流が室内熱交換器６からの放熱を促進し、室外側の送風機１１によって生成された気流が室外熱交換器４の吸熱を促進する。

室内機２０の構造を図１に基づき説明する。室内機２０は紙面の奥行き方向に延びる細長い筐体２３を有し、その中に、筐体２３の長手方向に軸線を一致させる形でクロスフローファン２２が配置されている。筐体２３は図１の左側が正面側、右側が背面側となり、背面側を壁面に押し当てる形で壁面に取り付けられる。

筐体２３の天面と正面には室内空気を吸い込む吸込口２４、２５が形成され、正面下方には温度調整後の空気を吹き出す吹出口２６が形成される。吹出口２６にはクロスフローファン２２から吹き出される空気を導く導風路２７が接続されている。吹出口２６には電動式のルーバー２８が配置される。ルーバー２８は、室内機２０が停止状態にある時は図１のように吹出口２６を閉ざしているが、室内機２０の運転が開始されると垂直面内で回動して吹出口２６を開く。ルーバー２８は吹出口２６から吹き出す風の向きを変更する役割も担う。

クロスフローファン２２が回転すると、室内空気が吸込口２４、２５から吸い込まれて吹出口２６から吹き出される結果、室内に循環気流が生じる。室内熱交換器６に低温の冷媒を流せば吹出口２６から冷風が吹き出し、室内熱交換器６に高温の冷媒を流せば吹出口２６から温風が吹き出す。

室内熱交換器６は、クロスフローファン２２のほぼ上半分を囲み、クロスフローファン２２の上方を覆う形で配置された複数の熱交換器により構成される。本実施形態では、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器３０、第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、及び第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０が冷媒の流れにおいて直列接続され、室内熱交換器６を構成する。パラレルフロー型熱交換器３０と第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０は逆Ｖ字形に配置されて屋根のようにクロスフローファン２２を覆い、第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０は第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０の下端につながる形でクロスフローファン２２の正面をカバーしている。

筐体２３の内部には、室内熱交換器６から滴下する結露水や除霜水を受ける水受け部が形成される。パラレルフロー型熱交換器３０に対し水受け部６０が設けられ、第１と第２のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、５０に対し水受け部６１が設けられる。水受け部６０、６１はいずれも樋のような形状をしており、それらが受けた水は図示しない排水管を通じて室外に排水される。

図２には、室内熱交換器６を構成する各熱交換器の構造が模式的に示されており、以下それについて説明する。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器３０は、２本の垂直なヘッダパイプ３１、３２を水平方向に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ３１、３２の間に複数の水平な偏平チューブ３３を垂直方向に所定ピッチで配置している。偏平チューブ３３は金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路３４が形成されている。偏平チューブ３３は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路３４の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路３４は断面形状及び断面面積の等しいものが図２の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ３３の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路３４はヘッダパイプ３１、３２の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ３３同士の間にはコルゲートフィン３５が配置される。なお、実際に機器に搭載する段階では、パラレルフロー型熱交換器３０は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるものであり、厳密な「垂直」「水平」が当てはまらなくなるケースが多いことは言うまでもない。

複数のものが１列に並んだ偏平チューブ３３の中で、最も外側に位置する偏平チューブ３３の、外側に向いた偏平面には、コルゲートフィン３５とサイドプレート３６の組み合わせが配置される。

ヘッダパイプ３１、３２、偏平チューブ３３、コルゲートフィン３５、及びサイドプレート３６は、いずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属により形成される。偏平チューブ３３はヘッダパイプ３１、３２に対し、コルゲートフィン３５は偏平チューブ３３に対し、サイドプレート３６はコルゲートフィン３５に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

パラレルフロー型熱交換器３０はサイドフロー方式であり、ヘッダパイプ３１にのみ冷媒出入口３７、３８が設けられている。すなわちヘッダパイプ３１が冷媒配管接続側のヘッダパイプである。ヘッダパイプ３１の内部には、冷媒出入口３７、３８の中間の高さのところに仕切板３９が設けられている。仕切板３９が存在することにより、冷媒出入口３７からヘッダパイプ３１に流入した冷媒は、図２において仕切板３９より上に位置する偏平チューブ３３を通ってヘッダパイプ３２に流入し、仕切板３９より下に位置する偏平チューブ３３を通ってヘッダパイプ３１に帰還する。

図２に示すパラレルフロー型熱交換器３０の冷媒流路は、ヘッダパイプ３１からヘッダパイプ３２に向かい、ヘッダパイプ３２で折り返してヘッダパイプ３１に戻るだけの単純な形のものとされているが、ヘッダパイプ３２の内部にも仕切板を設け、その位置をヘッダパイプ３１側の仕切板の位置とくい違わせることにより、ヘッダパイプ３１、３２間を冷媒がジグザグに往復する、より複雑な冷媒流路を形成することができる。

第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０は、多数のフィン４１と１本の蛇行するチューブ４２を備える。個々のフィン４１は垂直方向を長手方向とする短冊形状であり、それが多数、互いの間に所定の隙間を置いて水平方向に並んでいる。このフィン４１の集団をチューブ４２が、蛇行して縫うように貫通する。チューブ４２の内部は冷媒を流通させる冷媒通路４３となる。フィン４１とチューブ４２はアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、例えば、ロウ付け、溶着やチューブの拡管により固定される。

第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０も第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０と同様の構造であって、短冊形状の多数のフィン５１を、１本のチューブ５２が蛇行して縫うように貫通する。チューブ５２の内部は冷媒を流通させる冷媒通路５３となる。

第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０と第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０には、空気調和機で一般的に用いられている、アルミニウム製フィンと銅製チューブの組み合わせからなるものを使用することができる。

パラレルフロー型熱交換器３０、第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、及び第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０は、パラレルフロー型熱交換器３０が冷媒が最初に流入する第１段目の熱交換器となり、第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０が第２段目の熱交換器となり、第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０が第３段目の熱交換器となるように直列接続される。すなわちパラレルフロー型熱交換器３０の冷媒出入口３８は第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０の一方の冷媒出入口４４に接続され、第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０の他方の冷媒出入口４５は第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０の一方の冷媒出入口５４に接続される。パラレルフロー型熱交換器３０の冷媒出入口３７から流入した冷媒は、パラレルフロー型熱交換器３０、第１のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、及び第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０のすべてを通り抜けた後、第２のフィンアンドチューブ型熱交換器５０の冷媒出入口５５から流出する。

冷房運転時（蒸発器として利用する場合に、室内熱交換器６において、冷媒の流れにおける前半部分に熱交換効率の高いパラレルフロー型熱交換器３０を使用することにより、室内機２０の熱交換効率を高めることができる。また、分流が上手くいきにくい後半部分にフィンアンドチューブ型熱交換器（実施形態では第１と第２のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、５０の組み合わせ）を用いることにより、フィンアンドチューブ型熱交換器の部分においては冷媒の分流の設計に頭を悩ます必要がなく、分流をうまく行えなかったためにクロスフローファン２２に結露が生じるといった問題を引き起こさずに済む。

室内熱交換器６の前半部分がパラレルフロー型熱交換器３０であり、後半部分がフィンアンドチューブ型熱交換器（第１と第２のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、５０の組み合わせ）であるという構成は、暖房時にもメリットを生む。すなわち、暖房時にパラレルフロー型熱交換器３０が過熱ガス部の領域となり、パラレルフロー型熱交換器３０は第１と第２のフィンアンドチューブ型熱交換器４０、５０よりも熱交換効率（ＣＦ）が高いことから、室内熱交換器６全体で熱交換効率（ＣＦ）が向上する。

暖房時における室内熱交換器６の熱交換効率の向上は、次のような実験で確かめることができた。すなわち図６に示すように、パラレルフロー型熱交換器３０をフィンアンドチューブ型熱交換器７０で置き換えた、実験用の熱交換器６Ａを製作し、実施形態の室内熱交換器６との暖房運転時の性能を比較した。その結果を図５に示す。

図５において、横軸は暖房能力、縦軸は成績係数（Coefficient of Performance：ＣＯＰ）である。暖房能力が変化すると成績係数も変化するが、暖房能力がいずれの値をとろうと、パラレルフロー型熱交換器とフィンアンドチューブ型熱交換器を組み合わせたものの方が、フィンアンドチューブ型熱交換器ばかりを組み合わせたものより高い成績係数を示した。

上記のことからして、冷房時にも暖房時にも、パラレルフロー型熱交換器３０が第１段目の熱交換器となることが望ましい。これは、図３及び図４に見られるように、室内機２０の側に冷媒の流れの方向を反転する切替弁８０を設けることにより実現できる。切替弁８０を切り替えることにより、図３の冷房運転時における減圧膨張装置５からの冷媒と、図４の暖房運転時における圧縮機２からの冷媒を、いずれも最初にパラレルフロー型熱交換器３０の冷媒出入口３７に流入させることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。例えば、上記実施形態では、フィンアンドチューブ型熱交換器４０、５０は冷媒通路が１本であるが、複数のチューブに冷媒を分配することとして、冷媒通路を複数設ける構成であってもよい。

本発明は空気調和機の室内機に広く利用可能である。

１ ヒートポンプサイクル
２ 圧縮機
３ 四方弁
４ 室外熱交換器
５ 減圧膨張装置
６ 室内熱交換器
１０ 室外機
１１ 室外側の送風機
１２ プロペラファン
２０ 室内機
１１ 室内側の送風機
２２ クロスフローファン
２３ 筐体
２４、２５ 吸込口
２６ 吹出口
３０ パラレルフロー型熱交換器
４０ 第１のフィンアンドチューブ型熱交換器
５０ 第２のフィンアンドチューブ型熱交換器

Claims (3)

1. 室内空気を循環させるクロスフローファンと、前記クロスフローファンの上方を覆う複数の熱交換器からなる室内熱交換器を備えた空気調和機の室内機において、
   前記室内熱交換器は、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器とフィンアンドチューブ型熱交換器とを逆Ｖ字形に配置して前記クロスフローファンを覆うものであり、前記パラレルフロー型熱交換器と前記フィンアンドチューブ型熱交換器は冷媒の流れにおいて直列接続され、前記パラレルフロー型熱交換器は当該室内熱交換器における冷媒の流れの前半部分となり、前記フィンアンドチューブ型熱交換器は前記冷媒の流れの後半部分となるものであり、前記サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を背面側に配置し、前記フィンアンドチューブ型熱交換器を正面側に配置したことを特徴とする空気調和機の室内機。
2. 前記サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が前記室内熱交換器において冷媒が最初に流入する第１段目の熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の室内機。
3. 冷房時も暖房時も、前記パラレルフロー型熱交換器が前記室内熱交換器において冷媒が最初に流入する第１段目の熱交換器となるように、冷媒の流れを切り替える切替手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機の室内機。

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