JP5962045B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置の室内機等に設けられる熱交換装置に関する。

空気調和装置の室内機や室外機には、空気との間で熱交換を行う熱交換装置が内蔵されている。例えば、特許文献１に開示された空気調和装置の室内機には、水平方向に並設されるとともに、互いに逆向きに傾斜することによって正面視で略Ａ字状に配置された２つの熱交換器を有する熱交換装置が内蔵されている。また、特許文献２にも、特許文献１と同様に略Ａ字状に配置された２つの熱交換器を有する熱交換装置が開示されている。
室内機に設けられた上記熱交換装置は、冷房運転を行う際に蒸発器として機能し、膨張手段によって減圧された液状冷媒（気液二相冷媒）は、分流器により分流されることによって各熱交換器に供給される。

特開平１１−３１６０３９号公報 特表２００８−５２８９３５号公報

特許文献１及び２に記載の熱交換装置は、２つの熱交換器が水平方向に並設される縦向きの姿勢だけでなく、当該縦向きの姿勢から９０度回転させることによって２つの熱交換器が上下方向に並設される横向きの姿勢で使用される場合がある。
しかしながら、横向きの姿勢の熱交換装置が蒸発器として使用されると、重力により下側の熱交換器に偏ってより多くの冷媒が流入してしまい、各熱交換器における熱交換効率が低下してしまう可能性がある。

本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、２つの熱交換器が水平方向に並設される第１の姿勢と、上下方向に並設される第２の姿勢との２つの姿勢で使用可能な熱交換装置において、いずれの姿勢においても各熱交換器へ均等に冷媒を供給することを目的とする。

本発明は、２つの熱交換器と、これらの熱交換器が蒸発器として使用される場合に当該熱交換器に対して冷媒を供給する供給管とを備えており、前記２つの熱交換器が水平方向に並設される第１の姿勢と、この第１の姿勢における２つの熱交換器の並設方向を軸として、この軸に対して水平面上で直交する軸を中心として前記２つの熱交換器を前記第１の姿勢から回転させることによって前記２つの熱交換器が上下方向に並設される第２の姿勢との２つの姿勢で使用可能な熱交換装置であって、
前記供給管が、１本の主管と、この主管における冷媒流れ方向の下流端に接続され、当該主管に対して互いに同じ角度で逆向きに分岐して各熱交換器へ冷媒を分流する２本の枝管とを有し、
少なくとも前記主管と前記枝管との接続部分において、前記主管が、前記熱交換器を姿勢変更する際の回転中心に平行でかつ水平な仮想線に対して直交して配置され、前記２本の枝管が、前記仮想線を含む仮想面に沿って分岐していることを特徴とする。

本発明の熱交換装置は、第１の姿勢及び第２の姿勢のいずれにおいても、冷媒が重力の影響を受けて一方の枝管に偏って流れてしまうのを防止することができ、各熱交換器に略均等に冷媒を供給することができる。したがって、各熱交換器における熱交換効率の低下を抑制することができる。

前記主管は、前記枝管の近傍位置において流路面積が縮小されていることが好ましい。
このような構成によって、主管から各枝管へ分かれる直前の冷媒の流速を高めることができる。そのため、主管から各枝管に分かれる冷媒に対する重力の影響をより小さくすることができ、一方の枝管に冷媒が偏って流れてしまうのをより確実に防止することができる。

本発明の熱交換装置は、前記第２の姿勢において下側に配置される前記熱交換器に接続される一方の前記枝管が、上側に配置される前記熱交換器に接続される他方の前記枝管よりも長く形成されていることが好ましい。
熱交換装置が第２の姿勢とされているとき、下側の熱交換器に接続される一方の枝管は、主管から分岐した後に下方へ導かれ、上側の熱交換器に接続される他方の枝管は、主管から分岐した後の上方に導かれる。そのため、他方（上側）の枝管よりも一方（下側）の枝管の方が、重力の影響で冷媒がより流れやすくなる。したがって、上記構成のように、一方の枝管を他方の枝管よりも長くし、当該一方の枝管の流動抵抗を高めることによって、双方の枝管により均等に冷媒を流すことが可能となる。

前記主管と前記枝管との接続部分は、三股形状の管継手によって構成されていてもよい。
このような構成によって、主管と枝管とを直接的に接続する場合に比べて、供給管の製造（組立）を容易に行うことができる。また、管継手よりも上流側の主管の一部分と、管継手に形成される主管の一部分との間で流路面積を相違させることが可能となるので、上記のように、主管の流路面積を枝管の近傍位置において縮小させるという構成も容易に実現することができる。

上記の供給管において、前記２本の枝管は一直線状に配置され、当該枝管と前記主管とはＴ字状に交差していてもよい。
これにより、主管を流れる冷媒を２本の枝管の分岐部分に衝突させて略均等に各枝管へ冷媒を分流させることができる。

上記熱交換装置における前記２つの熱交換器は、第１の姿勢において鉛直方向の対称軸を中心に互いに逆向き傾斜した状態で線対称に配置されていてもよい。ただし、２つの熱交換器は、互いに平行に配置されていてもよいし、互いに非対称な姿勢で配置されていてもよい。

本発明によれば、２つの熱交換器が水平方向に並設される第１の姿勢と、上下方向に並設される第２の姿勢との２つの姿勢で使用可能な熱交換装置において、いずれの姿勢においても各熱交換器へ略均等に冷媒を供給することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱交換装置（室内側熱交換装置）を適用した空気調和装置の冷媒回路を示す図である。 室内側熱交換装置を備えた室内機の概略的な正面図である。 室内側熱交換装置を備えた室内機の概略的な側面図である。 室内側熱交換装置の正面図である。 室内側熱交換装置の一部の平面図である。 供給管の一部を拡大して示す断面図である。 （ａ）は、第１の姿勢のときの供給管の一部を示す斜視図、（ｂ）は、第２の姿勢における供給管の一部を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態における供給管の一部を示す平面図である。 （ａ）は、第１の姿勢のときの供給管の一部を示す斜視図、（ｂ）は、第２の姿勢における供給管の一部を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態における供給管の一部を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換装置を適用した空気調和装置の冷媒回路を示す図である。
空気調和装置１０は、ヒートポンプ式の冷媒回路１１を備えている。冷媒回路１１は、冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒を生成する圧縮機１２と、室外の空気との間で熱交換を行う室外側熱交換装置１３と、冷媒を減圧する電磁膨張弁（膨張手段）１４と、室内の空気との間で熱交換を行う室内側熱交換装置（本発明の熱交換装置）１５と、これらを順次接続する冷媒配管１６とを備えている。また、室内側熱交換装置１５と室外側熱交換装置１３とのそれぞれに対応して送風ファン１７ａ，１７ｂが設けられている。

冷媒配管１６には四路切換弁（切換手段）１９が設けられ、この四路切換弁１９を切り換えることによって冷媒の流れを反転させ、圧縮機１２から吐出される冷媒を室外側熱交換装置１３と室内側熱交換装置１５とに切り換えて供給し、冷房運転と暖房運転とを切り換えることが可能となっている。

すなわち、冷房運転時には、四路切換弁１９を実線のように切り換えることによって冷媒を実線矢印で示す方向に流し、圧縮機１２から吐出された冷媒を室外側熱交換装置１３に供給し、膨張弁１４を通過した冷媒を室内側熱交換装置１５に供給する。これにより、室外側熱交換装置１３を凝縮器として機能させて高温高圧のガス状冷媒を凝縮・液化し、室内側熱交換装置１５を蒸発器として機能させて低温低圧の液状冷媒（気液二相冷媒）を蒸発・気化させる。そして、室内側熱交換装置１５と熱交換することによって冷やされた空気を室内に送り込むことによって冷房を行う。

また、暖房運転時には、四路切換弁１９を点線のように切り換えることによって、冷媒の流れを反転させ、点線矢印で示す方向に冷媒を流すことによって室内側熱交換装置１５を凝縮器として機能させ、室外側熱交換装置１３を蒸発器として機能させる。そして、室内側熱交換装置１５と熱交換することによって暖められた空気を室内に送り込むことによって暖房を行う。なお、空気調和装置１０が冷房専用として構成されている場合には、四路切換弁１９を省略し、冷媒の流れを一方向に固定することができる。

室内側熱交換装置１５は、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂを備えている。また、冷媒配管１６は、冷房運転の際に膨張弁１４を通過した液状冷媒を分流して各熱交換器２３ａ，２３ｂに供給する供給管２４を備えている。供給管２４は、上流側の主管２５と、主管２５の下流側端部に接続された２本の枝管２６ａ，２６ｂとを有し、各枝管２６ａ，２６ｂが各熱交換器２３ａ，２３ｂに接続されている。また、主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとの接続部分は管継手２７によって構成されている。また、各熱交換器２３ａ，２３ｂから流出した冷媒は、管継手２２を介して合流した後に４路切換弁１９に送られる。

図２は、室内側熱交換装置１５を備えた室内機２８の概略的な正面図、図３は、同側面図である。空気調和装置１０の室内機２８は、ケーシング２９内の下段部に室内側熱交換装置１５を備え、中段部に送風ファン１７ａを備えている。ケーシング２９の上段部には空気の排出口３０が形成され、ケーシング２９の下面には空気の取入口３１が形成されている。そして、送風ファン１７ａを作動させると、取入口３１からケーシング２９内に室内の空気が取り入れられ、この空気が室内側熱交換装置１５を通過する過程で冷媒と熱交換され、温度や湿度が調整された空気が排出口３０から室内に排出される。また、本実施の形態の室内機２８の排出口３０の近傍には、電気によって発熱するヒータ３２が設けられている。このヒータ３２は、暖房運転の際に排出口３０から排出される空気をさらに加熱する。

図４は、室内側熱交換装置１５の正面図、図５は、室内側熱交換装置１５の一部の平面図である。室内側熱交換装置１５を構成する２つの熱交換器２３ａ，２３ｂは、例えば、所定間隔で並べられた多数のフィンと、このフィンを貫通するように設けられた伝熱管とを含むクロスフィン型のフィンアンドチューブ式熱交換器とされている。２つの熱交換器２３ａ，２３ｂは、図４に示されるように、対称軸Ｃを中心に線対称に配置されている。より具体的には、各熱交換器２３ａ，２３ｂは、上端部が対称軸Ｃに接近し、下端部が対称軸Ｃから離反するように配置され、その結果、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂが正面視で略Ａ字状（逆Ｖ字状）に配置されている。
なお、以下の説明においては、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂの並設方向をＸ軸方向、このＸ軸方向に直交する他の２方向をそれぞれＹ軸方向、Ｚ軸方向という場合がある。

室内側熱交換装置１５は、図４に示される姿勢、すなわち、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂが水平方向に並設される第１の姿勢と、この第１の姿勢からＹ軸に平行な仮想の回転中心回りに室内側熱交換装置１５を９０度回転させることによって、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂが上下方向に並設される第２の姿勢とのいずれかの姿勢を選択して使用される。例えば、室内機２８が図２に示される態様で使用されるとき、室内側熱交換装置１５は第１の姿勢となり、図２の室内機２８が左右方向に９０度回転させた態様で使用されるとき、室内側熱交換装置１５は第２の姿勢となる。

図４には、室内側熱交換装置１５が第１の姿勢とされたときの上側を「Ｔ１」、下側を「Ｂ１」で示し、第２の姿勢とされたときの上側を「Ｔ２」、下側を「Ｂ２」で示している。また、図５には、室内側熱交換装置１５が第２の姿勢とされたときの上側を「Ｔ２」、下側を「Ｂ２」で示している。

図４及び図５に示されるように、冷房運転の際に室内側熱交換装置１５に液状冷媒を供給するための供給管２４は、前述したように１本の主管２５と２本の枝管２６ａ，２６ｂとを備えている。主管２５は、室内側熱交換装置１５の外側から上部に引き回され、その下流端は、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂのほぼ中間に配置されている。そして、２本の枝管２６ａ，２６ｂは、主管２５の下流端から互いに同じ角度で逆向きに分岐している。具体的に、２本の枝管２６ａ，２６ｂは、互いに９０度の角度で逆向きに分岐し、互いに一直線状に配置されている。そのため、主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとの接続部分はＴ字形状を呈している。

また、主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとの接続部分において、主管２５は、２つの熱交換器２３ａ，２３ｂの並設方向であるＸ軸方向と平行に配置され、枝管２６ａ，２６ｂはＹ軸方向と平行に配置されている。主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとの接続部分は、Ｔ字形状（三股形状）の管継手２７によって構成されている。

図５に示されるように、主管２５から分岐した後、一方の枝管２６ａは、Ｙ軸方向に沿って図における下方へ伸び、その後、Ｘ軸方向に沿って左方向へ屈曲し、再びＹ軸方向に沿って下方に屈曲している。また、他方の枝管２６ｂは、Ｙ軸方向に沿って図における上方へ伸び、その後、Ｘ軸方向に沿って右方向へ屈曲した後、Ｙ軸方向に沿って下方に屈曲している。各枝管２６ａ，２６ｂの下流端には分流器３５が接続され、各分流器３５から伸びる複数本のキャピラリチューブ３６が、各熱交換器２３ａ，２３ｂに接続されている。

室内側熱交換装置１５は、Ｙ軸と平行な仮想の回転中心回りに回転させることによって、第１の姿勢と第２の姿勢との何れかの姿勢をとるが、少なくとも主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとの接続部分においては、主管２５は２つの熱交換器２３ａ，２３ｂの並設方向（Ｘ軸方向）に沿って配置されているため、この回転中心に平行な仮想線Ｋ（図５及び図７に示す）に対して直交した関係となる。一方、枝管２６ａ，２６ｂは、主管２５から仮想線Ｋを含む仮想面Ｐ（図７に示す）に沿った方向に分岐している。したがって、主管２５は、室内側熱交換装置１５が第１の姿勢のときに水平方向に配置され（図７（ａ）参照）、第２の姿勢のときに上下方向に配置される（図７（ｂ）参照）。また、枝管２６ａ，２６ｂは、室内側熱交換装置１５が第１の姿勢のときも第２の姿勢のときもＹ軸に沿った水平方向に配置される。

したがって、室内側熱交換装置１５が第１の姿勢及び第２の姿勢のいずれにあるかに拘わらず、冷媒は、主管２５から各枝管２６ａ，２６ｂへ水平方向に分流される。そのため、重力の影響で一方の枝管に偏って多くの冷媒が流れてしまうことはほとんど無い。すなわち、室内側熱交換装置１５を第２の姿勢にすると、一方の熱交換器２３ａが上側に配置され、他方の熱交換器２３ｂが下側に配置される。そして、主管２５から各枝管２６ａ，２６ｂへの分流の方向性を配慮しなければ、下側の熱交換器２３ｂへ偏って多くの冷媒が流れ、各熱交換器２３ａ，２３ｂにおける熱交換効率が低下するという問題が生じる。しかし、本実施の形態の室内側熱交換装置１５においては、主管２５と枝管２６ａ，２６ｂの方向性を適切に設定することによって、このような冷媒の偏流を防止し、各熱交換器２３ａ，２３ｂへ略均等に冷媒を供給することができる。

図５に示されるように、第２の姿勢において、下側（「Ｂ２」側）の熱交換器２３ｂに接続される一方の枝管２６ｂは、上側（「Ｔ２」側）の熱交換器２３ａに接続される他方の枝管２６ａよりも寸法Ｌだけ長く形成されている。そのため、主管２５から分岐して各熱交換器２３ａ，２３ｂに到るまでの冷媒の流動抵抗が、上側の枝管２６ａよりも下側の枝管２６ｂ側で大きくなっている。その結果、下側の枝管２６ｂ側への冷媒の偏流がより確実に防止され、各熱交換器２３ａ，２３ｂに対してより均等に冷媒を供給することができる。

図６は、供給管２４の一部を拡大して示す断面図である。管継手２７は、主管２５の一部（下流側端部）を構成する流入管部３９と、各枝管２６ａ，２６ｂの一部（上流側端部）を構成する流出管部４０ａ，４０ｂとを備えており、流入管部３９の筒内には、主管２５の他の一部４１が挿入され、流出管部４０ａ，４０ｂには、枝管２６ａ，２６ｂの他の一部４２ａ，４２ｂが挿入され、それぞれロウ付けによって固定されている。

主管２５の他の一部４１は所謂３分管（３／８インチ）とされており、その内径ｄ１は、流入管部３９の内径ｄ２よりも大きい寸法とされている。このため、主管２５の他の一部４１の下流端は絞り加工された状態で流入管部３９に挿入されている。また、各枝管２６ａ，２６ｂは所謂２分管（２／８インチ）とされており、流入管部３９の内径ｄ２と同一の内径ｄ２を有している。

以上より、主管２５は、各枝管２６ａ，２６ｂに分岐される直前で流路面積が縮小されている。そのため、主管２５を流れる冷媒は、各枝管２６ａ，２６ｂに分流される前に流速が高められ、各枝管２６ａ，２６ｂの境界である壁部２７ａに強く衝突する。これにより、主管２５から各枝管２６ａ，２６ｂに分流される冷媒に対する重力の影響をより小さくすることができ、一方の枝管２６ｂに冷媒が偏って多く流れてしまうのをより確実に防止することが可能となっている。

室内側熱交換装置１５における２つの熱交換器２３ａ，２３ｂは、キャピラリチューブ３６、分流器３５、枝管２６ａ，２６ｂ等を互いに一体化する状態までは個別に製造され、冷媒の流通状態等の検査を行った後に、管継手２７を介して接続され、一つの略Ａ字状の室内側熱交換装置１５に組み立てられる。したがって、略Ａ字状の室内側熱交換装置を当初より一体的に製造する専用の製造ラインを備えていなくても、平面型の熱交換器を製造する製造ラインを利用して、略Ａ字状の室内側熱交換装置１５を容易に製造することが可能となっている。

図８は、本発明の第２の実施の形態における供給管２４の一部（管継手部分）の平面図であり、図９（ａ）は、第１の姿勢のときの供給管２４の一部（管継手部分）を示す斜視図、図９（ｂ）は、第２の姿勢における供給管２４の一部（管継手部分）を示す斜視図である。
本実施の形態では、供給管２４の主管２５から互いに同じ角度で逆向きに斜めに分岐した後に、湾曲しながら主管２５と略平行な方向に変向することによって、２本の枝管２６ａ，２６ｂが略Ｕ字状に形成されたものとなっている。そして、図９に示されるように、主管２５が、室内側熱交換装置１５の姿勢を変更する際の回転中心に平行な（Ｙ軸に平行な）仮想線Ｋに対して直交した関係となり、２本の枝管２６ａ，２６ｂは、仮想線Ｋを含む仮想面Ｐに沿って分岐している。したがって、室内側熱交換装置１５が第１及び第２の姿勢のいずれの姿勢にあっても、主管２５から枝管２６ａ，２６ｂに分流される冷媒は、重力の影響をほとんど受けることはない。

図１０は、本発明の第３の実施の形態における供給管２４の一部（管継手部分）の平面図である。
本実施の形態においても、上記第２の実施の形態と同様に、主管２５から互いに同じ角度で逆向きに斜めに分岐しているが、湾曲することなくそのまま真っ直ぐに延伸している。したがって、主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとの接続部分は略Ｙ字形状を呈している。その他の構成は、第２の実施の形態と同様であり、同様の作用効果を奏する。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更することができる。
例えば、上記各実施の形態では、主管２５及び枝管２６ａ，２６ｂの接続部分が管継手２７によって構成されているが、主管２５及び枝管２６ａ，２６ｂが直接的に溶接等によって接続されていてもよい。ただし、主管２５及び枝管２６ａ，２６ｂの接続部分が管継手２７によって構成されることで、供給管２４の製造、組立が容易になるとともに、管継手２７の流入管部３９の内径ｄ２を主管２５の他の部分４１の流路面積よりも小さくすることによって、主管２５の流路面積を枝管２６ａ，２６ｂに分岐する直前で縮小させるという構造を容易に実現することができる。

また、上記実施の形態では、図７及び図９に示されるように、主管２５と枝管２６ａ，２６ｂとは、いずれも同一の仮想面Ｐに沿う方向に形成されているが、互いに異なる面に沿って形成されていてもよい。

また、熱交換装置１５における２つの熱交換器２３ａ，２３ｂは、略Ａ字状に配置されるに限らず、互いに平行に配置されていてもよいし、互いに非対称に配置されていてもよい。
また、本発明の熱交換装置は、図２及び図３に示される室内機に限らず、姿勢を変更して使用することができるあらゆる室内機に適用することができる。また、本発明の熱交換装置は、室外機に内蔵されるものであってもよい。

１０ 空気調和装置
１５ 室内側熱交換装置
２３ａ 熱交換器
２３ｂ 熱交換器
２４ 供給管
２５ 主管
２６ａ 枝管
２６ｂ 枝管
２７ 管継手

Claims (6)

1. ２つの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）と、これらの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）が蒸発器として使用される場合に当該熱交換器（２３ａ，２３ｂ）に対して冷媒を供給するための供給管（２４）とを備えており、前記２つの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）が水平方向に並設される第１の姿勢と、この第１の姿勢における２つの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）の並設方向を軸（Ｘ）として、この軸（Ｘ）に対して水平面上で直交する軸（Ｙ）を中心として前記２つの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）を前記第１の姿勢から回転させることによって前記２つの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）が上下方向に並設される第２の姿勢との２つの姿勢で使用可能な熱交換装置であって、
   前記供給管（２４）が、１本の主管（２５）と、この主管（２５）における冷媒流れ方向の下流端に接続され、当該主管に対して互いに同じ角度で逆向きに分岐して各熱交換器（２３ａ，２３ｂ）へ冷媒を分流する２本の枝管（２６ａ，２６ｂ）とを有し、
   少なくとも前記主管（２５）と前記枝管（２６ａ，２６ｂ）との接続部分において、前記主管（２５）が、前記熱交換器（２３ａ，２３ｂ）を姿勢変更する際の回転中心に平行でかつ水平な仮想線（Ｋ）に対して直交して配置され、前記２本の枝管（２６ａ，２６ｂ）が、前記仮想線（Ｋ）を含む仮想面（Ｐ）に沿って分岐していることを特徴とする熱交換装置。
2. 前記主管（２５）は、前記枝管（２６ａ，２６ｂ）の近傍位置において流路面積が縮小されている、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記第２の姿勢において下側に配置される前記熱交換器（２３ｂ）に接続される一方の前記枝管（２６ｂ）が、上側に配置される前記熱交換器（２３ａ）に接続される他方の前記枝管（２６ａ）よりも長く形成されている、請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 前記主管（２５）と前記枝管（２６ａ，２６ｂ）との接続部分は、三股形状の管継手（２７）によって構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
5. 前記２本の枝管（２６ａ，２６ｂ）が一直線状に配置され、当該枝管（２６ａ，２６ｂ）と前記主管（２５）とがＴ字状に交差している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
6. 前記２つの熱交換器（２３ａ，２３ｂ）は、前記第１の姿勢において鉛直方向の対称軸（Ｃ）を中心に互いに逆向き傾斜した状態で線対称に配置されている、請求項１〜４の何れかに１項に記載の熱交換装置。

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