JP6104378B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、熱交換器に冷媒を分配するための冷媒分配ユニット及びこれを用いた空気調和装置に関するものである。

ビルや商業施設などに設置される空気調和装置において、室外機及び室内機には冷房運転もしくは暖房運転に応じて凝縮器もしくは蒸発器として機能する熱交換器が配置されている。熱交換器内を流れる冷媒は、圧縮（高圧・高温）、冷却・液化（放熱）、膨張（低圧・低温）、気化（吸熱）の順の過程を繰り返し、ビルや商業施設内の空気と熱交換（放熱または吸熱）する。

熱交換器は、冷媒が移動する円管もしくは扁平管からなる複数の伝熱管と、伝熱管に接合され、伝熱管から伝わった熱を放熱する複数の放熱フィンとを有するものがある。このような熱交換器において、伝熱管同士が接続された冷媒流路が複数形成されている。このため、熱交換器には複数の冷媒流路に冷媒を分配して送るための分配器を有する配管類が接続されている。

熱交換器の配管類は、筐体内の限られた空間内に配置されており、主にガス状の冷媒が流れるガス側配管と液状の冷媒が流れる液側配管とに区別される。ガス側配管は主管に複数の分岐管が設けられた構成を有するというように、気体状になったガス冷媒を集めて回収するヘッダ形状の配管構造を有している。一方、液側配管において、液状の冷媒が流れる入口配管は熱交換器へ偏りなく均等に冷媒を分配することが熱交換器の性能に寄与することを考慮し、分配器を取り付ける構造が採用されている（例えば特許文献１−３参照）。

特許文献１には、複数の流路へ均等に冷媒を分配するため放射状に流路が設けられた非金属からなる分配器が開示されている。特許文献２には、液状の冷媒が流れる配管がヘッダ及びヘッダから分岐した複数の分岐管からなる分配器が開示されている。引用文献３には、冷媒が流入する流入管と、流入管から流入した冷媒を分岐して流出する複数の流出管とを備えた分配器が開示されている。

特開２０１２−２４４８号公報（図１） 特開２００８−２８６４８８号公報（図２） 特開平８−６１８０９号公報

しかしながら、特許文献１、３の分配器において、分岐数を多くしようとすると、分配器の大きさが大きくなり、配管スペースの省スペース化を図ることができない。一方、特許文献２のように液状の冷媒が流れる配管もガス状の冷媒が流れる配管と同様にヘッダ形状にして、省スペース化を実現することも考えられる。しかし、液体であるがゆえにヘッダ管の上部と下部で圧力差が生じ、熱交換器の上部と下部でも同様に圧力差が生じることで、均一に冷媒が流れないという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、配管スペースの省スペース化を図りながら均一に冷媒を分配することができる冷媒分配ユニット及びこれを用いた空気調和装置を提供することを目的とするものである。

本発明の空気調和装置は、室内側熱交換器を備えた室内機と、室外側熱交換器を備えた室外機とが冷媒の流れる配管により接続された空気調和装置において、室内側熱交換器または室外側熱交換器の熱交換器に設けられた複数のジョイント部に連結され、各ジョイント部に冷媒を分配する冷媒分配ユニットを有し、冷媒分配ユニットは、冷媒を複数の流路に分配する分配器と、分配器に接続されており、分配器により分配された冷媒流路を熱交換器の複数のジョイント部に分岐する分岐配管とを有し、分岐配管は、分配器に接続された第１配管と、第１配管に接続されているとともに、熱交換器の２つのジョイント部に接続された第２配管とを備え、第２配管は、両端の開口からそれぞれ直線状に延びる直線部を有するように屈曲した形状を有しており、一方の直線部は、他方の直線部に鉛直方向に延びる連結部を介して接続され、一方の直線部には、一方の直線部の壁面から曲面状に立ち上がる立ち上がり部が形成されており、第１配管は、立ち上がり部において第２配管の一方の直線部に接続されており、第１配管及び一方の直線部は、鉛直方向に対し垂直な面上に配置されているものである。

本発明の冷媒分配ユニットによれば、分配器により分配された冷媒はさらに分岐配管により各ジョイント部へ分配されることにより、分配器自体のサイズを大きくすることなく分岐数を増加させることができるため、分配器の小型化を図りながら均一な冷媒の分配を行うことができる。

本発明の実施形態１の冷媒分配ユニットを搭載した室外機を示す斜視図である。 図１の室外機に収容された熱交換器の一例を示す斜視図である。 図２の熱交換器における配管部分を示す上面図である。 図３の熱交換器の液側配管及びガス側配管を示す斜視図である。 図４の分配器の一例を示す斜視図である。 図４の分配器の一例を示す上面図である。 図４の分岐配管の一例を示す斜視図である。 図４の分岐配管の一例を示す正面図である。 図４の分岐配管の一例を示す断面図である。 本発明の冷媒分配ユニットを用いた空気調和装置を示す冷媒回路図である。

実施形態１．
以下、図面を参照しながら本発明の冷媒分配ユニットの実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態１の冷媒分配ユニットを搭載した室外機を示す斜視図であり、図１を参照して室外機１について説明する。室外機１は、冷房運転及び暖房運転の双方に対応したものであって、筐体２、ファン６、熱交換器１０を備えている。

筐体２は、大型で縦長な箱形状を有し、前面には内部をメンテナンスする際に開閉可能なパネル３が設けられている。また、筐体２の側面及び背面には、内部に空気を取り込むための空気吸込口４が設けられており、空気吸込口４に熱交換器１０が配置されている。筐体２内の上部にはファンガード５及びファン６が設けられており、ファン６が駆動することにより、空気吸込口４に沿って配置された熱交換器１０を経た空気が筐体２の内部に吸い込まれ、ファンガード５を介して筐体２の上部から排気される。

図２は、図１の室外機に収容された熱交換器の一例を示す斜視図、図３は、図２の熱交換器における配管部分を示す上面図である。図２に示すように、熱交換器１０は、略コの字状に形成されており、筐体２の３つの側面に対向するように配置されている。なお、図２において、熱交換器１０は略コの字状に形成されている場合について例示しているが、いわゆるＬ字状に形成されたものであってもよいし、平板状に形成されたものであってもよい。

熱交換器１０は、フィンチューブ式の熱交換器であって、伝熱管１１、ベンド管１２、放熱フィン１３を有している。なお、伝熱管１１は扁平形状であってもよいし円形状であってもよい。複数の放熱フィン１３は、複数の伝熱管１１に接合した板状の部材であって、伝熱管１１から伝導した熱を大気中へ放熱するものである。

ここで、図２に示すように、熱交換器１０の一端側１０Ａにおいては伝熱管１１が軸方向の端部側でＵ字形状に曲げられた形状を有している。一方、熱交換器１０の他端側１０Ｂにおいては、複数の伝熱管１１を連結する複数のベンド管１２が配置されているとともに、伝熱管１１へ冷媒を流入もしくは流出するためのジョイント部１０Ｊが配置されている。また、熱交換器１０の他端側１０Ｂには、熱交換器１０へ冷媒を流入及び流出させるためにジョイント部１０Ｊに接続される配管類が配置された配管スペースＰＳ（図３参照）が形成されている。

図４は図２の熱交換器１０に接続された配管類の一例を示す斜視図である。図３及び図４の配管類は、主として熱交換器１０からガス状の冷媒が流通する分配配管２０と、主として熱交換器１０へ液状の冷媒が流通する冷媒分配ユニット３０とに区別される。分配配管２０は、ヘッダ管２１と、ヘッダ管２１に接続された複数の枝管２２とを有している。ヘッダ管２１は、図示しない室内機等に接続されており、室内機との間で冷媒の流通が行われるものである。また、複数の枝管２２は、熱交換器１０のガス側のジョイント部１０Ｊに連結されている。そして、冷房運転時にはヘッダ管２１に流れ込んだガス冷媒が複数の枝管２２を介して熱交換器１０へ流入し、暖房運転時には熱交換器１０から流出した冷媒が枝管２２及びヘッダ管２１を介して室内機側に流出する（図１０参照）。

冷媒分配ユニット３０は、熱交換器１０の各ジョイント部１０Ｊへ冷媒を均一に分配するものであって、主管３１、分配器３２、分岐配管４０を有している。ここで、図５は図３及び図４の分配器の一例を示す斜視図、図６は図３及び図４の分配器の一例を示す上面図を示している。図５及び図６の分配器３２は、外形略円錐状に形成されており、下部において主管３１に接続されている。また、分配器３２の上部には主管３１から流入した冷媒を均一に分配する複数の分岐部３２ａが放射状に設けられている。各分岐部３２ａは、それぞれ毛細管３３を介して分岐配管４０に接続されており、各分岐部３２ａと各分岐配管４０との間で冷媒が流通するようになっている。

図７は図３及び図４の分岐配管の一例を示す斜視図、図８は図３及び図４の分岐配管の一例を示す平面図、図９は図８の分岐配管４０のＩＸ−ＩＸ断面を示す断面図である。図７の分岐配管４０は、分配器３２により分配された冷媒をさらに分岐するものであって、第１配管４１及び第２配管４２を備えている。

第１配管４１は、例えば直線状に形成されており、一端側が毛細管３３を介して分配器３２の分岐部３２ａに接続されており、他端側が第２配管４２に固定されている。一方、第２配管４２は、両端の開口４２Ｘから直線状に延びる２つの直線部４２ａを有するように屈曲した形状（コの字状）を有しており、各直線部４２ａ同士は連結部４２ｂにより連結されている。そして、両端の開口４２Ｘが熱交換器１０のジョイント部１０Ｊに連結される。

ここで、図９に示すように、第２配管４２の一方の直線部４２ａには、直線部４２ａの壁面から曲面状のコーナー部分を有するように曲面加工された立ち上がり部４２Ｊが形成されている。なお、立ち上がり部４２Ｊの形成は、例えばバルジ加工（ハイドロフォーミング）、バーリング加工等の公知の技術を用いることができる。そして、立ち上がり部４２Ｊにおいて第１配管４１は第２配管４２に溶接等により接続されている。尚、立ち上がり部４２Ｊの位置は直線部４２ａのいずれかの位置に設けられていればよい。

このように、立ち上がり部４２Ｊが滑らかな曲面形状が形成されているため、第１配管４１から第２配管４２へ流入する冷媒の流れを妨げることなく、スムーズな流れを作ることができ、圧力損失を軽減した構造にすることができる。さらに、第１配管４１は第２配管４２の配管途中を立ち上げて接続する加工を施すことにより、従来のように３つの配管をジョイント等に連結し溶接した場合に比べて、溶接箇所を３箇所から１箇所に削減することができる。

さらに、第１配管４１及び第１配管４１に接続された第２配管４２の直線部４２ａは、鉛直方向（矢印Ｚ方向）に対し垂直な面（ＸＹ平面）上に配置されている。つまり、第１配管４１から第２配管４２へ流入した冷媒は左右の流路に流れて重力の影響を受けることなく、均一な冷媒の流れを形成している。また、冷媒が直線部４２ａにおいて分岐した後に鉛直方向下側に流れるため、冷媒の逆流を防止し、圧力損失をなくすことができる。

以上のように、冷媒分配ユニット３０が、分配器３２及び分岐配管４０を有することにより、放射状に分岐した分岐部３２ａの数を増やすことなく必要な数の冷媒の分岐を行うことができるため、分配器３２の直径が大きくなることにより配管スペースＰＳが圧迫されるのを防止することができる。すなわち、従来のように、分配器ですべての分配を行う場合には、レーザー加工を施すなど小型化を実現する方法はあるが分岐部の数が増えるにつれ分配器のサイズが大きくなってしまう。一方、上述したように、分配器３２から分配されたのち、さらに分岐配管４０が配置されるため、熱交換器１０への分岐数は最大で分配器３２の分岐数ｎに対し、分岐配管４０においてさらに２つに分岐されるため、分岐数ｎ×２の分岐が可能となる。

また、分岐配管４０において、第１配管４１が第２配管４２の曲面形状を有する立ち上がり部４２Ｊに接続されていることにより、従来のように切削加工等による合流部分の直角部分で冷媒流の圧力損失が発生するのを防止することができる。

実施形態２．
図１０は本発明の冷媒分配ユニットを用いた空気調和装置を示す冷媒回路図であり、図１０を参照にして空気調和装置１００について説明する。なお、図１０において図１〜図９の室外機と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１０の空気調和装置１００は、冷房運転と暖房運転の双方を行うものであって、室外機１と室内機１１０とを有している。

室外機１は、上述した室外側熱交換器１０の他に圧縮機１０１、流路切替器１０２、アキュムレータ１０３を備えている。圧縮機１０１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出するものである。この圧縮機１０１は、吐出側が流路切替器１０２に接続され、吸入側がアキュムレータ１０３に接続されている。流路切替器１０２は、冷房運転もしくは暖房運転の運転モードの切替に応じて暖房流路と冷房流路との切替を行うものであって、例えば四方弁からなっている。冷房運転時において、流路切替器１０２は、室外側熱交換器１０とアキュムレータ１０３とを接続させるとともに、圧縮機１０１の吐出側と室内側熱交換器１１１とを接続させる。一方、暖房運転時において、流路切替器１０２は、室内側熱交換器１１１とアキュムレータ１０３とを接続させるとともに、圧縮機１０１の吐出側と室外側熱交換器１０とを接続させる。なお、室外側熱交換器１０は、冷房運転時には凝縮器（放熱器）として機能し、暖房運転時には蒸発器（吸熱器）として機能する。

室内機１１０は、室内側熱交換器１１１及び膨張弁１１２を備えている。室内側熱交換器１１１は、冷房運転時には蒸発器（吸熱器）として機能し、暖房運転時には凝縮器（放熱器）として機能する。そして、室内側熱交換器１１１は、空気と冷媒との間で熱交換を行い、室内空間の冷房及び暖房を行う。膨張弁１１２は、減圧弁や膨張弁として機能し、室内側熱交換器１１１に直列的に接続されている。膨張弁１１２は、室内側熱交換器１１１を通過する冷媒の圧力を調整するものであって、開度を変化させることができる電子式膨張弁等で構成されている。

図１０を参照して空気調和装置１００の冷房運転時の動作例について説明する。なお、流路切替器１０２において、圧縮機１０１の吐出側と室外側熱交換器１０とが接続され、室内機１１０とアキュムレータ１０３とが接続されるように流路の切替が行われる。まず、低圧ガスの冷媒が圧縮機１０１において圧縮され高圧ガスとなる。高圧ガス状態の冷媒は、室外側熱交換器（凝縮器）１０において外気と熱交換され、冷媒のエネルギーを熱源（空気や水）に伝達することで凝縮し高圧液冷媒となる。この際、冷媒は分配配管２０から熱交換器１０へ流入され、熱交換器１０から冷媒分配ユニット３０（分岐配管４０及び分配器３２）を介して室内機１１０側へ流出することになる（図３、図４参照）。

その後、冷媒は、膨張弁１１２で減圧され低圧二相となり室内側熱交換器１１１に入る。室内側熱交換器（蒸発器）１１１において、冷媒は蒸発し低圧ガスとなり、このとき冷媒と熱交換された水または空気等は冷却される。その後、室内側熱交換器１１１から流出した冷媒はアキュムレータ１０３に入り、再び圧縮機１０１に吸入される。

次に、図１を参照して空気調和装置１００の暖房運転時の動作例について説明する。なお、流路切替器１０２において、圧縮機１０１の吐出側と室内側熱交換器１１１とが接続され、室外側熱交換器１０とアキュムレータ１０３とが接続されるように流路の切替が行われる。まず、圧縮機１０１に冷媒は低圧ガスで入り、圧縮されて高圧ガスとなる。その後、高圧ガス状態の冷媒は室内側熱交換器１１１に流入する。室内側熱交換器１１１は凝縮器として機能し、冷媒は複数のパスを有する室内側熱交換器１１１内の経路を通過するに従い、冷媒のエネルギーが負荷側の水または空気等に伝達される。この際、冷媒は凝縮して高圧液冷媒となるとともに、熱交換された水や室内空気は加熱される。

その後、冷媒は、膨張弁１１２で減圧され低圧二相となり、室外側熱交換器１０に至る。室外側熱交換器１０は蒸発器として機能し、冷媒は外気の水や空気のエネルギーを吸収して蒸発し、低圧ガスとなる。この際、室外側熱交換器１０には冷媒分配ユニット３０（分配器３２及び分岐配管４０）から冷媒が均一に分配された状態で流入し、分配配管２０からアキュムレータ１０３へ流出する。その後、冷媒はアキュムレータ１０３を介して圧縮機１０１に吸引される。

このような空気調和装置１００においても、冷媒分配ユニット３０が、分配器３２及び分岐配管４０を有することにより、放射状に分岐した分岐部を多数配置する必要がなく、分配器３２の直径が大きくなることにより配管スペースＰＳが圧迫されるのを防止することができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されない。たとえば、図５及び図６において、分配器３２が円柱形状を有する場合について例示しているが、分配配管２０の構造と同様に、ヘッダ管に分岐管が接続された構造を有するものであってもよい。この場合であっても分岐配管４０により冷媒を均一に分配することができる。また、図５に記載の分配器は円柱形をしているが、必ずしも円柱形である必要はなく、四角形状等公知の形状を採用することができる。

さらに、図７〜図９において、分岐配管４０が２つの冷媒流路に分配する場合について例示しているが、３つ以上の複数の冷媒流路に分配するものであってもよい。この場合、連結部４２ｂに水平方向（ＸＹ平面上）に延びて形成された別途直線部４２ａが接続されることになる。また、実施形態１、２において、室外機１側の熱交換器１０に分配器３２及び分岐配管４０を用いた場合について例示しているが、図１０に示す室内機１１０側の室内側熱交換器１１１に上述した冷媒分配ユニット３０を用いてもよい。

１ 室外機、２ 筐体、３ パネル、４ 空気吸込口、５ ファンガード、６ ファン、１０ 熱交換器（室外側熱交換器）、１０Ａ 一端側、１０Ｂ 他端側、１０Ｊ ジョイント部、１１ 伝熱管、１２ ベンド管、１３ 放熱フィン、２０ 分配配管、２１ ヘッダ管、２２ 枝管、３０ 冷媒分配ユニット、３１ 主管、３２ 分配器、３２ａ 分岐部、３３ 毛細管、４０ 分岐配管、４１ 第１配管、４２ 第２配管、４２Ｊ 立ち上がり部、４２Ｘ 開口、４２ａ 直線部、４２ｂ 連結部、１００ 空気調和装置、１０１ 圧縮機、１０２ 流路切替器、１０３ アキュムレータ、１１０ 室内機、１１１ 室内側熱交換器、１１２ 膨張弁、ＰＳ 配管スペース。

Claims (1)

1. 室内側熱交換器を備えた室内機と、室外側熱交換器を備えた室外機とが冷媒の流れる配管により接続された空気調和装置において、
   前記室内側熱交換器または前記室外側熱交換器の熱交換器に設けられた複数のジョイント部に連結され、各ジョイント部に冷媒を分配する冷媒分配ユニットを有し、
   前記冷媒分配ユニットは、
   冷媒を複数の流路に分配する分配器と、
   前記分配器に接続されており、前記分配器により分配された冷媒流路を前記熱交換器の前記複数のジョイント部に分岐する分岐配管と
   を有し、
   前記分岐配管は、
   前記分配器に接続された第１配管と、
   前記第１配管に接続されているとともに、前記熱交換器の２つのジョイント部に接続された第２配管と
   を備え、
   前記第２配管は、両端の開口からそれぞれ直線状に延びる直線部を有するように屈曲した形状を有しており、
   一方の前記直線部は、他方の前記直線部に鉛直方向に延びる連結部を介して接続され、
   前記一方の直線部には、該一方の直線部の壁面から曲面状に立ち上がる立ち上がり部が形成されており、
   前記第１配管は、前記立ち上がり部において前記第２配管の前記一方の直線部に接続されており、
   前記第１配管及び前記一方の直線部は、前記鉛直方向に対し垂直な面上に配置されていることを特徴とする空気調和装置。

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