JP5188361B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は空気調和機に関し、特に暖房時における室外機の凍結を防止する技術に関する。

従来の空気調和機は、ヒートパイプの一端を圧縮機に密着させる一方、ヒートパイプの他端側を室外熱交換器の下端部に挿通し、暖房時、圧縮機の運転開始とともに、圧縮機で発生する熱をヒートパイプを介して室外熱交換器に伝達し、伝達された熱を利用して室外熱交換器の下端部を加熱することにより、着霜あるいは氷結を防止している（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−１０６６３５号公報（第１図）

しかしながら、特許文献１に記載の空気調和機にあっては、圧縮機で発生した熱を利用して着霜あるいは氷結を防止していることから、暖房効率が低下するという問題がある。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、暖房時、室外機の凍結を防止するとともに暖房効率の低下しない空気調和機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機と四方弁と室外熱交換器と減圧器とを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機を冷媒配管を介して接続して冷凍サイクルを構成し、暖房時に圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器の順で冷媒が流れるようにした空気調和機であって、室外機は室外熱交換器を載置する基板を有し、暖房時の冷媒流れ方向における室内熱交換器の下流側で減圧器の上流側に位置する冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、ヒートパイプの他端を室外熱交換器の下部近傍に配設している。

また、本発明の別の態様は、室外機は室外熱交換器を上方より覆う天板を有し、暖房時の冷媒流れ方向における室内熱交換器の下流側で減圧器の上流側に位置する冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、ヒートパイプの他端を室外熱交換器の上方に配設している。

本発明によれば、暖房時の冷媒流れ方向における室内熱交換器の下流側の冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、ヒートパイプの他端を室外熱交換器の下部近傍あるいは上方に配設したので、暖房効率を低下させることなく室外機の凍結を防止することができる。

第１の発明は、圧縮機と四方弁と室外熱交換器と減圧器とを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機を冷媒配管を介して接続して冷凍サイクルを構成し、暖房時に圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器の順で冷媒が流れるようにした空気調和機であって、前記室外機は前記室外熱交換器を載置する基板を有し、暖房時の冷媒流れ方向における前記室内熱交換器の下流側で前記減圧器の上流側に位置する冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、前記ヒートパイプの他端を前記室外熱交換器の下部近傍に配設したので、室内熱交換器を通過した冷媒の残熱を利用して基板の凍結を防止することができ、暖房効率が低下することもない。

第２の発明は、ヒートパイプの一端側を逆作動ヒートパイプで構成する一方、ヒートパイプの他端側を正作動ヒートパイプで構成し、ヒートパイプの一端をヒートパイプの他端より高い位置に配設するとともに、逆作動ヒートパイプと正作動ヒートパイプを互いに接触させるようにしたので、最も低い位置にある基板の凍結防止を効率的に行うことができる。

第３の発明は、ヒートパイプを基板上における室外熱交換器の下方に敷設し、室外熱交換器の下方に位置するヒートパイプを扁平形状としたので、室外熱交換器と基板間のスペースが狭くても、ヒートパイプを容易に敷設することができる。

第４の発明は、圧縮機と四方弁と室外熱交換器と減圧器とを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機を冷媒配管を介して接続して冷凍サイクルを構成し、暖房時に圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器の順で冷媒が流れるようにした空気調和機であって、前記室外機は前記室外熱交換器を上方より覆う天板を有し、暖房時の冷媒流れ方向における前記室内熱交換器の下流側で前記減圧器の上流側に位置する冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、前記ヒートパイプの他端を前記室外熱交換器の上方に配設したので、室内熱交換器を通過した冷媒の残熱を利用して天板の凍結を防止することができ、暖房効率が低下することもない。

第５の発明は、ヒートパイプを２本並設したので、凍結防止効果が向上する。

第６の発明は、ヒートパイプの一端を、ヒータにさらに接触させるようにしたので、ヒートパイプの内部に充填する作動液として水を使用した場合でも、水の凍結を防止することができる。

第７の発明は、冷媒配管に円筒状のヒートパイプ取付具を接合し、ヒートパイプの一端をヒートパイプ取付具に挿入したので、ヒートパイプの取付が容易である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るヒートポンプ式冷凍サイクルを有する空気調和機を示しており、室外機２と室内機４が冷媒配管を介して接続されている。

室外機２には、冷媒配管により順次接続された圧縮機６と、四方弁８と、室外熱交換器１０と、減圧器１２とが設けられる一方、室内機４には、室内熱交換器１４が設けられている。また、室外機２の高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管は、それぞれ開閉弁１６，１８で終端し、室内機４の高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管も同様に、それぞれ開閉弁２０，２２で終端しており、室外機２側の開閉弁１６と室内機４側の開閉弁２０を配管接続するとともに、室外機２側の開閉弁１８と室内機４側の開閉弁２２を配管接続することで、冷凍サイクルが構成されている。

さらに、室外機２には、室外熱交換器１０に空気を送る室外ファン２４が設けられる一方、室内機４には、室内熱交換器１４に空気を送る室内ファン２６が設けられている。

上記構成の本発明に係る空気調和機において、暖房運転時には、図１に示される実線矢印方向に冷媒が流れるように四方弁８は切り換えられ、圧縮機６、四方弁８、室内熱交換器１４、減圧器１２、室外熱交換器１０の順で冷媒は流れる一方、冷房あるいは除湿運転時には、破線矢印方向に冷媒が流れるように四方弁８は切り換えられ、圧縮機６、四方弁８、室外熱交換器１０、減圧器１２、室内熱交換器１４の順で冷媒は流れる。

なお、寒冷地では、暖房運転時、室外機２に設けられ室外熱交換器１０を載置する基板（後述）が凍結することがあり、基板が凍結すると、基板に形成されたドレン排水口を介して排水できず、氷が成長すると室外ファン２４がロックすることもあることから、本発明は、特に暖房運転時における基板の凍結防止に着目してなされたものである。寒冷地ではまた、暖房運転時、基板のみならず、室外熱交換器１０を上方より覆う天板（後述）が凍結することもあることから、本発明は、暖房運転時における天板の凍結防止にも着目している。

＜実施の形態１＞
本実施の形態においては、暖房運転時における基板の凍結防止のため、暖房時に凝縮器として作用する室内熱交換器１４と減圧器１２との間の冷媒配管２８にヒートパイプ取付具３０を介してヒートパイプ３２の一端を接触させ、ヒートパイプ３２を室外熱交換器１０に向かって配管し室外熱交換器１０に沿って配管している。

すなわち、暖房時においては、加熱された冷媒が室内熱交換器１４を通過することで、冷媒が持つ熱を室内熱交換器１４に放熱し、この放熱を利用して室内を暖房しているが、室内熱交換器１４を通過した冷媒にもまだ残熱があり、この残熱をヒートパイプ３２を介して基板３４に送ることにより基板３４の凍結を防止している。

ここで、ヒートパイプについて説明する。
ヒートパイプは、真空にした熱伝導性の良い密閉容器（例えば、鋼管、銅管等）内に水、メタノール等の飽和状態の作動液を充填したものであり、入熱部（ヒートパイプの一端）を加熱して作動液を気化させると、入熱部の蒸気圧が上昇し、蒸気が放熱部（ヒートパイプの他端）へ素早く移動し、放熱部に到達した蒸気は、容器（周囲環境温度）との温度差により液化して潜熱を放出する。放出された熱は、容器を伝わって周囲（外部）に放出されるので、この熱を融雪あるいは融氷に利用することができる。また、放熱部で凝縮した作動液は、容器の内面に沿って入熱部に戻り、このサイクルを繰り返すことで、連続的に熱を伝えることができる。

上述した性質を利用して、ヒートパイプは電子機器、パワーデバイス等の冷却手段として利用されているばかりでなく、融雪手段としても利用されている。

また、ヒートパイプには正作動のものと逆作動のものがあり、正作動ヒートパイプは水平あるいは入熱部より放熱部が高い位置にある場合に適しており、逆作動ヒートパイプは入熱部より放熱部が低い位置にある場合にも使用できるという性質がある。

図２は正作動ヒートパイプと逆作動ヒートパイプの最大熱伝達率を示しており、図２に示されるように、正作動ヒートパイプは角度が３０度を超える下り勾配では最大熱伝達率がゼロになり使用できないのに対し、逆作動ヒートパイプは、下り勾配の角度が大きくなるにつれて最大熱伝達率は減少するものの、９０度の下り勾配でも使用可能である。

図３は室外機２を背面から見た場合の一部を省略した概略斜視図であり、図３に示されるように、Ｌ字状に折曲された室外熱交換器１０は基板３４上に載置されており、室外熱交換器１０の側方には、基板３４から立設された取付板３６に減圧器１２が取り付けられている。取付板３６にはさらに、減圧器１２と室内熱交換器１４間の冷媒配管２８に設けられた三方弁３８（図１には図示せず）が取り付けられている。

室外熱交換器１０は、室外機２の枠体を構成する前板４０と側板４２、及び、圧縮機室４４と風回路４６間に設けられた防音板（隔壁）４８とで囲繞されており、室外熱交換器１０の下方あるいはその近傍の基板３４にはドレン排水口５０が形成されている。なお、防音板４８は、風が通過する経路を限定して室外熱交換器１０に風を効率的に送るためのものである。また、暖房時の冷媒流れ方向における室内熱交換器１４の下流側で減圧器１２の上流側の冷媒配管２８にはヒートパイプ取付具３０が接合されており、このヒートパイプ取付具３０にヒートパイプ３２は取り付けられている。

図４は、ヒートパイプ３２の一端を示しており、ヒートパイプ取付具３０は略円筒状を呈している。ヒートパイプ取付具３０は、その長手方向の軸線に平行な外周面が冷媒配管２８に接合され、ヒートパイプ取付具３０の内部にヒートパイプ３２の一端を挿入した後、接合部とは反対側の部位をカシメることによりヒートパイプ３２の一端は、ヒートパイプ取付具３０に固定される。

ヒートパイプ取付具３０は、冷媒配管２８の立ち上がり部（垂直に延びる部位）に接合されていることから、一端がヒートパイプ取付具３０に固定されたヒートパイプ３２は、下方に延びて基板３４の近傍で折曲され、基板３４上を水平に延びて室外熱交換器１０の下方に敷設され、さらにドレン排水口５０の近傍を通過し、室外熱交換器１０と同様にＬ字状に折曲されて終端している。

また、ヒートパイプ３２は、逆作動ヒートパイプ３２ａと正作動ヒートパイプ３２ｂとで構成されており、入熱部は垂直に延在していることから逆作動ヒートパイプ３２ａで形成される一方、放熱部は水平に延在していることから正作動ヒートパイプ３２ｂで形成されている。

図５に示されるように、逆作動ヒートパイプ３２ａと正作動ヒートパイプ３２ｂの端部同士は互いに接触し、接触部には円筒状パイプコネクタ５２が設けられ、逆作動ヒートパイプ３２ａと正作動ヒートパイプ３２ｂの端部をパイプコネクタ５２に挿入することで、逆作動ヒートパイプ３２ａと正作動ヒートパイプ３２ｂの接触を維持している。

なお、上記実施の形態において、ヒートパイプ取付具３０を冷媒配管２８の立ち上がり部に接合するようにしたが、冷媒配管２８の水平に延びる部位にヒートパイプ取付具３０を接合し、ヒートパイプ取付具３０から見たヒートパイプ３２の俯角が所定の角度（例えば、３０度）未満となるように設定すると、ヒートパイプ３２として正作動ヒートパイプのみを使用することもできる。

また、室外熱交換器１０の下方に位置するヒートパイプ３２を扁平形状にすると、基板３４に対向するヒートパイプ３２の放熱面を広くすることができるばかりでなく、室外熱交換器１０と基板３４間のスペースが狭くても、ヒートパイプ３２を容易に敷設することができる。

さらに、室外熱交換器１０は、厚みが約５０ｍｍ程あり、ドレン排水口５０の位置等を考慮して、ヒートパイプ３２を２本並設するようにしてもよい。この場合、図３に示されるヒートパイプ３２を全体的に前板４０側にずらし、別のヒートパイプをヒートパイプ３２の後方あるいは側方を平行に延びるように敷設すればよい。

図６は上記実施の形態の変形例を示しており、ヒートパイプ３２の一端（入熱部）にヒータ５４を取り付けたものである。

さらに詳述すると、ヒートパイプ３２の一端は、取付板３６等に取り付けられたヒートパイプ取付具３０に挿入されており、ヒートパイプ取付具３０にはヒータ５４が取り付けられている。ヒータ５４は、室外機２の給電装置（図示せず）から給電され、ヒータ５４によりヒートパイプ３２の一端を加熱することで、作動液が受熱する構成である。

図４の構成は、冷凍サイクルの運転開始時には、冷媒からヒートパイプ３２内の作動液への放熱はなく、冷凍サイクルの運転後、時間の経過とともに冷媒からの放熱量が徐々に増大するのに対し、図６の構成は、冷凍サイクルの運転開始と同時にヒータ５４は放熱を開始し、ヒートパイプ３２内の作動液が受熱することで、基板３４の凍結防止は即座に開始される。

また、ヒートパイプ３２内の作動液として水を使用した場合、氷点下の温度で水は凍結するが、室外温度センサを設け、室外温度センサが検知した温度に応じて室外機２の制御装置によりヒータ５４を制御すると、作動液としての水が氷結しないばかりでなく、基板３４が凍結することもない。

さらに、図４の構成と図６の構成を併用することも可能で、ヒートパイプ３２の一端を冷媒配管２８及びヒータ５４の両方に接触する構成にすると、ヒータ５４からの放熱と空気調和機運転後の冷媒からの放熱の両方を基板３４の凍結防止に利用することができる。

＜実施の形態２＞
図７は、暖房運転時に、室外熱交換器１０を上方より覆う天板５６の凍結防止を行うための構成を示しており、冷媒配管２８に取り付けられたヒートパイプ取付具３０にヒートパイプ３２の一端が固定され、ヒートパイプ３２は上方に延びて天板５６の近傍で折曲され、室外熱交換器１０上を水平に延びて室外熱交換器１０と天板５６間に敷設され、さらに室外熱交換器１０と同様にＬ字状に折曲されて終端している。

なお、天板５６の凍結は、天板５６の後部（斜線部）で発生しやすいことから、ヒートパイプ３２は室外熱交換器１０の上面の長手方向中心線より後方に配置するのが好ましい。

本実施の形態においては、図７に示されるように、ヒートパイプ３２の入熱部より放熱部の方が高い位置に配設されるので、上述した逆作動ヒートパイプを採用する必要はない。

また、本実施の形態においても、ヒータ５４を採用してもよく、ヒートパイプ３２の一端を冷媒配管２８及びヒータ５４の両方に接触する構成も採用可能である。

さらに、本実施の形態においても、ヒートパイプ３２を２本並設し、図７に示されるヒートパイプ３２を全体的に前板４０側にずらし、別のヒートパイプをヒートパイプ３２の後方あるいは側方を平行に延びるように敷設することもできる。

また、本実施の形態のヒートパイプ３２に加えて、別のヒートパイプを図３に示されるように配設すると、室外機２の基板３４と天板５６の凍結を同時に防止することができる。

本発明に係る空気調和機は、暖房効率を低下させることなく室外機の基板あるいは天板の凍結を防止することができるので、特に寒冷地で使用される空気調和機として有用である。

本発明に係る空気調和機の冷凍サイクル図 正作動ヒートパイプと逆作動ヒートパイプの最大熱伝達率を示すグラフ 本発明の第１の実施の形態に係る空気調和機の室外機を背面から見た場合の一部を省略した概略斜視図 ヒートパイプの一端を示す斜視図 逆作動ヒートパイプと正作動ヒートパイプの接触部を示す部分断面図 ヒートパイプの一端にヒータを取り付けた場合の斜視図 本発明の第２の実施の形態に係る空気調和機の室外機を背面から見た場合の一部を省略した概略斜視図

符号の説明

２ 室外機、 ４ 室内機、 ６ 圧縮機、 ８ 四方弁、 １０ 室外熱交換器、
１２ 減圧器、 １４ 室内熱交換器、 １６，１８ 室外機側開閉弁、
２０，２２ 室内機側開閉弁、 ２４ 室外ファン、 ２６ 室内ファン、
２８ 冷媒配管、 ３０ ヒートパイプ取付具、 ３２ ヒートパイプ、
３２ａ 逆作動ヒートパイプ、 ３２ｂ 正作動ヒートパイプ、 ３４ 基板、
３６ 取付板、 ３８ 三方弁、 ４０ 前板、 ４２ 側板、 ４４ 圧縮機室、
４６ 風回路、 ４８ 防音板、 ５０ ドレン排水口、 ５２ パイプコネクタ、
５４ ヒータ、 ５６ 天板。

Claims (7)

1. 圧縮機と四方弁と室外熱交換器と減圧器とを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機を冷媒配管を介して接続して冷凍サイクルを構成し、暖房時に圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器の順で冷媒が流れるようにした空気調和機であって、
   前記室外機は前記室外熱交換器を載置する基板を有し、暖房時の冷媒流れ方向における前記室内熱交換器の下流側で前記減圧器の上流側に位置する冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、前記ヒートパイプの他端を前記室外熱交換器の下部近傍に配設したことを特徴とする空気調和機。
2. 前記ヒートパイプを正作動ヒートパイプと逆作動ヒートパイプで構成し、前記ヒートパイプの一端側を前記逆作動ヒートパイプで構成する一方、前記ヒートパイプの他端側を前記正作動ヒートパイプで構成し、前記ヒートパイプの一端を前記ヒートパイプの他端より高い位置に配設するとともに、前記逆作動ヒートパイプと前記正作動ヒートパイプを互いに接触させたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記ヒートパイプを前記基板上における前記室外熱交換器の下方に敷設し、前記室外熱交換器の下方に位置する前記ヒートパイプを扁平形状としたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の空気調和機。
4. 圧縮機と四方弁と室外熱交換器と減圧器とを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機を冷媒配管を介して接続して冷凍サイクルを構成し、暖房時に圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器の順で冷媒が流れるようにした空気調和機であって、
   前記室外機は前記室外熱交換器を上方より覆う天板を有し、暖房時の冷媒流れ方向における前記室内熱交換器の下流側で前記減圧器の上流側に位置する冷媒配管にヒートパイプの一端を接触させるとともに、前記ヒートパイプの他端を前記室外熱交換器の上方に配設したことを特徴とする空気調和機。
5. 前記ヒートパイプを２本並設したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の空気調和機。
6. 前記ヒートパイプの一端を、ヒータにさらに接触させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空気調和機。
7. 前記冷媒配管に円筒状のヒートパイプ取付具を接合し、前記ヒートパイプの一端を前記ヒートパイプ取付具に挿入したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の空気調和機。

Images