JP5538503B2 - 室外機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍サイクル装置に用いる室外機等に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置では、１つの空気熱交換器に対して、複数（例えば２つ）の送風機を上下方向に並べて設けた室外機がある。このような室外機では、少なくとも送風機のファン回転数（以下、回転数という）が高い領域において、上側に位置する送風機の回転数を、下側に位置する送風機の回転数よりも低く又は高く設定するかを切換え可能とする。そして、２つの送風機の回転数を異ならせることにより、２つの送風機が回転することで発生する騒音を低減するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４４３０２５８号公報（図１）

しかしながら、特許文献１のように、２つの送風機を上下に並べた室外機において、各送風機の回転数を異なる回転数で駆動すると、送風室内の圧力分布に偏りが生じてショートサイクル、渦等が発生する。このため、空気熱交換器を通過する空気の風速が不均一となり、熱交換器性能の低下、騒音の増大等が起きる可能性がある。

一方、例えば室外機内における機器の配置等により、送風機との距離が空気熱交換器全体で一律ではないことがある。したがって、各送風機を同一回転数にしても、例えば送風機から遠い位置にある領域に流入する空気の風量は少なくなり、空気熱交換器を通過する空気の風速にばらつきが発生して空気熱交換器の性能低下を招く可能性がある。

この発明は、上記の課題を解決しようとするもので、空気熱交換器を通過する空気における風速のばらつきを抑制することができる室外機等を得ることを目的とするものである。

この発明に係る室外機は、複数並べられたフィン及びフィンと複数箇所で交差して管内を通過する冷媒の熱を伝える伝熱管を有し、冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器で構成する室外空気熱交換器と、室外空気熱交換器を通過する空気の流れを形成する送風機とを備え、室外空気熱交換器は、フィンの間隔が異なる複数の空気熱交換器で構成されており、空気熱交換器は流入する空気の風量に基づいて空気の流入方向に直交する方向に並べて配置されている。

この発明の室外機によれば、送風機との位置関係により流入する空気の風量に基づく間隔で伝熱管がフィンと交差するようにしたので、室外空気熱交換器を通過する空気の風速のばらつきを抑えることができる。このため、冷凍サイクル装置の効率のよい運転、省エネルギー等をはかることができる。

この発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る室外機１１０内の配置の概略図である。 この発明の実施の形態１に係る室外空気熱交換器１０３の概略図である。 この発明の実施の形態１の効果に係る風速分布の概略を示す図である。 この発明の実施の形態１の効果に係る成績係数と風速ばらつきを示す図である。 この発明の実施の形態２に係る室外空気熱交換器１０３の概略図である。 この発明の実施の形態２に係る室外空気熱交換器１０３の別例の概略図である。 この発明の実施の形態３に係る室外空気熱交換器１０３の概略図である。 この発明の実施の形態３に係る室外空気熱交換器１０３の別例の概略図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態では、圧縮機１０１、四方弁１０２、室外空気熱交換器１０３、膨張弁１０４及び室内空気熱交換器１０５を冷媒配管で接続して冷媒回路を構成する。冷媒回路内には冷凍サイクル装置を作動させるための冷媒が封入されている。ここで、本実施の形態では、室外機１１０が圧縮機１０１、四方弁１０２及び室外空気熱交換器１０３を有している。また、室内機１２０が膨張弁１０４及び室内空気熱交換器１０５を有している。

圧縮機１０１は冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、本実施の形態の圧縮機１０１として、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するようにしてもよい。四方弁１０２は、例えば空気調和装置等において、冷房運転を行う場合と暖房運転を行う場合とで冷媒の流れを切り換えるための弁である。室外空気熱交換器１０３は、例えば凝縮器（放熱器）又は蒸発器（冷却器）として機能し、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。室外空気熱交換器１０３については後述する。

また、室内機１２０が有する、絞り装置（流量制御手段）等の膨張弁１０４は、冷媒を減圧して膨張させるものである。たとえば電子式膨張弁等で構成した場合には、制御手段（図示せず）等の指示に基づいて開度調整を行う。負荷熱交換器となる室内空気熱交換器１０５は、例えば空調対象となる空気（負荷）と冷媒との熱交換を行う。暖房運転時においては凝縮器（放熱器）として機能し、冷媒に放熱させて空気を加熱する。また、冷房運転時においては蒸発器（冷却器）として機能し、冷媒に吸熱させて空気を冷却する。

図２はこの発明の実施の形態１に係る室外空気熱交換器１０３を有する室外機１１０内の配置の概略を示す図である。本実施の形態の室外機１１０は、空気熱交換器２０１及び複数の送風機ファン２０２を筐体内に収容している。そして本実施の形態では、１つの空気熱交換器２０１を冷媒回路における室外空気熱交換器１０３として構成している。

また、複数の送風機ファン２０２については、垂直方向（上下方向）に並んで室外機１１０（筐体）内に設置されている。送風機ファン２０２は、室外空気熱交換器１０３を通過する空気の流れを形成し、室外空気熱交換器１０３における冷媒との熱交換を促す。ここで、送風機ファン２０２は、室外機１１０（筐体）内において上方に寄せて設置するようにする。そして、下方の空いた空間を下部スペース２０３とする。下部スペース２０３には、例えば、冷凍サイクル装置を制御する制御基板、圧縮機１０１などの冷凍サイクル装置を構成する要素部品等を設置している。

図３はこの発明の実施の形態１に係る室外空気熱交換器１０３の概略を示す図である。本実施の形態における室外空気熱交換器１０３は、前述したように、１つの空気熱交換器２０１で構成する。ここで、空気熱交換器２０１は、板状の面が平行になるように並設された複数のフィン３０２と、その並設方向に各フィン３０２を貫通する伝熱管３０１で構成されるフィンチューブ式の空気熱交換器である。伝熱管３０１は、管内を通過する冷媒の熱を、管外を通過する空気に伝える管である。端部で折り返し等することにより、各フィン３０２と複数箇所で交差している。本実施の形態の空気熱交換器２０１では、伝熱管３０１によるパス（流路）は複数に分割されている。空気熱交換器２０１に流入する前に、例えばディストリビュータ等により冷媒を分岐し、空気熱交換器２０１において、各パスに冷媒を通過させて空気との熱交換を行う。そして空気熱交換器２０１を通過した後で冷媒を合流させる。フィン３０２は、例えばアルミニウム等の材料で形成され、伝熱管３０１に接して、伝熱面積を増大させる。

ここで、本実施の形態の室外機１１０においては、垂直方向に伝熱管３０１が並ぶように室外空気熱交換器１０３（空気熱交換器２０１）を設置する。そして、本実施の形態の空気熱交換器２０１は、垂直方向における伝熱管３０１がフィン３０２と交差するピッチ（間隔）Ｄｐが、下方に向かうほど広がるように形成している。一方、本実施の形態では、フィン３０２のピッチＦｐは等間隔とする。

次に、冷凍サイクル装置の各構成機器における動作等を、冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、冷房運転を例に説明する。圧縮機１０１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は四方弁１０２を通って室外空気熱交換器１０３に流入する。室外空気熱交換器１０３は、送風機ファン２０２から供給される外気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒に放熱させて冷却させる。場合によっては冷媒を凝縮液化する。冷却した冷媒は膨張弁１０４を通過する。膨張弁１０４は、通過する冷媒を減圧する。減圧した冷媒は室内空気熱交換器１０５に流入する。室内空気熱交換器１０５は、例えば熱負荷（熱交換対象）となる室内の空気との熱交換により冷媒を加熱し、蒸発ガス化する。蒸発ガス化した冷媒を圧縮機１０１が吸入する。

さらに暖房運転について説明する。圧縮機１０１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は四方弁１０２を通って室内空気熱交換器１０５に流入する。室内空気熱交換器１０５は、室内の空気との熱交換により冷媒に放熱させて冷却させる。冷却した冷媒は膨張弁１０４を通過する。膨張弁１０４は、通過する冷媒を減圧する。減圧した冷媒は室外空気熱交換器１０３に流入する。室外空気熱交換器１０３は、送風機ファン２０２から供給される外気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を加熱し、蒸発ガス化する。蒸発ガス化した冷媒は四方弁１０２を通って圧縮機１０１が吸入する。

次に、室外空気熱交換器１０３の動作について説明する。前述したように、冷媒は室外空気熱交換器１０３に流入する前に分流して、室外空気熱交換器１０３の各パスに流入する。各パスに流入した冷媒は、複数の送風機ファン２０２の回転によって室外空気熱交換器１０３を通過する空気との強制対流熱伝達により熱交換される。ここで、複数の室外空気熱交換器１０３はすべて同じ回転数で駆動している。

他の条件が同じであれば、室外空気熱交換器１０３において通過する風量は通風抵抗により決まる。例えば、室外空気熱交換器１０３において通風抵抗が大きい領域では通過する風量は少なくなり、通風抵抗が小さい領域では通過する風量は大きくなる。ここで、例えば、本実施の形態の室外機１１０では、複数の送風機ファン２０２を上側に寄せて設置している。このため、送風機ファン２０２との距離が近い室外空気熱交換器１０３の上側領域に流入する風量よりも室外空気熱交換器１０３の下側領域に流入する風量は少なくなる。

図４は実施の形態１における室外空気熱交換器１０３を通過する空気の風速分布の概略を示す図である。本実施の形態では、室外空気熱交換器１０３の下側領域における伝熱管３０１のピッチＤｐを上側領域よりも広くなるように構成して通風抵抗が低くなるようにする。そして、室外空気熱交換器１０３の下側領域では、流入する風量に対して通過する風量が増大するようにする。このため、室外機１１０の垂直方向における風速のばらつきを抑えることができ、風速の均一化をはかることができる。風量と風速は、次式（１）で示すように比例関係にある。このため、風量を増やすと風速が増え、風量を減らすと風速が減ることになる。
風量（ｍ^３／ｓ）＝風速（ｍ／ｓ）×面積（ｍ^２） …（１）

ここで、特に限定するものではないが、本実施の形態の室外機１１０では、最も上側にある伝熱管３０１のピッチＤｐは、従来の伝熱管３０１におけるピッチと変わらないものとする。また、図４では連続的にピッチを広げるようにしているが、連続的であることに限定するものではない。さらに、本実施の形態では、室外空気熱交換器１０３と送風機ファン２０２との位置関係により、下側領域における伝熱管３０１のピッチＤｐを上側領域よりも広くなるようにしているが、例えば室外空気熱交換器１０３における風量に基づいてピッチＤｐを決めて構成するようにすればよい。また、送風機ファン２０２は１台でも３台以上でも適用可能である。

図５は本発明の実施の形態１に係る成績係数と空気熱交換器に流入する風速のばらつきを示す図である。成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）は、消費電力（入力）に対する能力の割合を示すものであり、冷凍サイクル装置における運転効率の指標を表す。次に本実施の形態の室外機１１０における効果について説明する。

図５に示すように、室外空気熱交換器１０３（空気熱交換器２０１）を通過する総風量が同じ場合でも、室外空気熱交換器１０３の各位置を通過する空気において風速のばらつきが発生すると、ＣＯＰは風速のばらつきの増大に伴って低下する。実施の形態１の室外機１１０では、室外空気熱交換器１０３において、伝熱管３０１のピッチＤｐを異ならせることで通風抵抗が異なるようにする。このとき、空気が流入する風量が少ない領域においては、通風抵抗を低くするように室外空気熱交換器１０３を構成することで、風速のばらつきを抑制し、ＣＯＰの維持をはかることができる。このため、冷凍サイクル装置を高効率で運転することができる。

実施の形態２．
前述した実施の形態１の室外機では、１つの空気熱交換器２０１で構成する室外空気熱交換器１０３において伝熱管３０１のピッチＤｐを下側に向かって連続的に広げるようにしたものであった。本実施の形態の室外機においては、複数の空気熱交換器２０１の伝熱管３０１を接続して室外空気熱交換器１０３を構成する（室外空気熱交換器１０３から見れば複数のブロックに分割して構成する）場合について説明する。

図６はこの発明の実施の形態２に係る室外空気熱交換器１０３の概略を示す図である。図６に示すように、本実施の形態の室外空気熱交換器１０３は、複数（図６では３つ）の空気熱交換器２０１を伝熱管３０１で接続して構成する。このため、室外空気熱交換器１０３としては、３つのブロックに分割している。ここで、各空気熱交換器２０１における伝熱管３０１間のピッチ（間隔）は異なっており、それぞれ上側の空気熱交換器２０１からＤｐ１、Ｄｐ２、Ｄｐ３とする。各ピッチは、Ｄｐ１＜Ｄｐ２＜Ｄｐ３の関係である。

このように、室外空気熱交換器１０３を構成する複数の空気熱交換器２０１のうち、上側にある空気熱交換器２０１の伝熱管３０１のピッチＤｐ１よりも下側にある空気熱交換器２０１の伝熱管３０１のピッチＤｐ２を広くする。また、上側にある空気熱交換器２０１の伝熱管３０１のピッチＤｐ２よりも下側にある空気熱交換器２０１の伝熱管３０１のピッチＤｐ３を広くする。

このため、下側の空気熱交換器２０１ほど通風抵抗を低くすることができ、室外空気熱交換器１０３の下側領域では、流入する風量に対して通過する風量が増大する。したがって、室外機１１０の垂直方向における風速のばらつきが少なくなり、風速分布の均一化をはかることができる。そして、ＣＯＰの維持をはかり、冷凍サイクル装置を高効率で運転することができる。

図７はこの発明の実施の形態２に係る室外空気熱交換器１０３の別例の概略を示す図である。前述した図６の室外空気熱交換器１０３（空気熱交換器２０１）は、伝熱管３０１として円管を用いた。図７は、扁平多穴管３０３を伝熱管として用いた室外空気熱交換器１０３を示している。このように、管の形状等に依らず、同様の効果を得ることができる。ここで、扁平多穴管３０３を実施の形態１の室外空気熱交換器１０３に用いるようにしてもよい。

また、前述した図６、図７では、３つの空気熱交換器２０１で室外空気熱交換器１０３を構成したが、２つ又は４つ以上の空気熱交換器２０１で室外空気熱交換器１０３を構成するようにしても同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
前述した実施の形態１及び実施の形態２では、室外空気熱交換器１０３において伝熱管３０１のピッチＤｐを下側に向かって広げるようにしたものであった。本実施の形態の室外機１１０は、室外空気熱交換器１０３（空気熱交換器２０１）を構成するフィン３０２のピッチを変化させるようにするものである。

図８はこの発明の実施の形態３に係る室外空気熱交換器１０３の概略を示す図である。図８に示すように、本実施の形態の室外空気熱交換器１０３は、複数（図８では３つ）の空気熱交換器２０１を伝熱管３０１で接続して構成する。ここで各空気熱交換器２０１におけるフィン３０２のピッチは異なっており、それぞれ上側に位置する空気熱交換器２０１からＦｐ１、Ｆｐ２、Ｆｐ３とする。ここで、Ｆｐ１＜Ｆｐ２＜Ｆｐ３の関係である。

このように、室外空気熱交換器１０３を構成する複数の空気熱交換器２０１のうち、上側にある空気熱交換器２０１のフィン３０２のピッチＦｐ１よりも下側にある空気熱交換器２０１のフィン３０２のピッチＦｐ２を広くする。また、上側にある空気熱交換器２０１のフィン３０２のピッチＦｐ２よりも下側にある空気熱交換器２０１のフィン３０２のピッチＦｐ３を広くする。

このため、下側の空気熱交換器２０１ほど通風抵抗を低くすることができ、室外空気熱交換器１０３の下側領域では、流入する風量に対して通過する風量が増大する。したがって、室外機１１０の垂直方向における風速のばらつきが少なくなり、風速分布の均一化をはかることができる。そして、ＣＯＰの維持をはかり、冷凍サイクル装置を高効率で運転することができる。

また、実施の形態３の室外機１１０では、室外空気熱交換器１０３において、フィン３０２のピッチＦｐが通常よりも広がっている部分ではフィン３０２の枚数は通常より少なくてすむ。このため、フィン枚数を減らすことができ、製造コストを低減することができる。

図９はこの発明の実施の形態３に係る室外空気熱交換器１０３の別例の概略を示す図である。前述した図８の空気熱交換器２０１は、伝熱管３０１として円管を用いた。図９は、扁平多穴管３０３を伝熱管として用いたものを示している。このように、管の形状等に依らず、同様の効果を得ることができる。

また、前述した図８、図９では、３つの空気熱交換器２０１で室外空気熱交換器１０３を構成したが、２つ又は４つ以上の空気熱交換器２０１で室外空気熱交換器１０３を構成するようにしても同様の効果を得ることができる。

この発明の活用例として、例えば室外空気熱交換器１０３と送風機ファン２０２とを備える室外機１１０に適用可能である。この発明を活用することで、空気熱交換器全体の風速のばらつきを抑えることで、冷凍サイクルの高効率化を図ることができる。

前述の実施の形態１等において説明した冷凍サイクル装置は、空気調和装置、冷凍装置、給湯器、チラー等の冷凍サイクル装置に利用可能である。本発明に係る室外機を利用することで、これらの装置を高効率での運転を実現することができる。

１０１ 圧縮機、１０２ 四方弁、１０３ 室外空気熱交換器、１０４ 膨張弁、１０５ 室内空気熱交換器、１１０ 室外機、１２０ 室内機、２０１ 空気熱交換器、２０２ 送風機ファン、２０３ 下部スペース、３０１ 伝熱管、３０２ フィン、３０３ 扁平多穴管。

Claims (5)

1. 複数並べられたフィン及び該フィンと複数箇所で交差して管内を通過する冷媒の熱を伝える伝熱管を有し、前記冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器で構成する室外空気熱交換器と、
   該室外空気熱交換器を通過する前記空気の流れを形成する送風機と
   を備え、
   前記室外空気熱交換器は、前記フィンの間隔が異なる複数の空気熱交換器で構成されており、前記空気熱交換器は流入する空気の風量に基づいて空気の流入方向に直交する方向に並べて配置されていることを特徴とする室外機。
2. 複数の前記送風機を、垂直方向に並べて筐体の上側寄りに設置し、
   前記室外空気熱交換器は、前記垂直方向において上側から下側に向かって、前記フィンの間隔が広がるように構成することを特徴とする請求項１に記載の室外機。
3. 前記伝熱管を扁平伝熱管で構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の室外機。
4. 前記複数の送風機を同じ回転数で駆動させることを特徴とする請求項２に記載の室外機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の室外機と、
   少なくとも負荷熱交換器を有する室内機と
   を配管接続して冷媒回路を構成することを特徴とする冷凍サイクル装置。

Images