JP7279730B2 - 熱交換器、この熱交換器を備えた室外機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、空気調和機における上吹き型の室外機に用いられる熱交換器、および、この熱交換器を備えた室外機に関する。

空気調和機における上吹き型の室外機は、上部に送風ファンが設けられ、送風ファンの下方に縦長の熱交換器が設けられており、送風ファンによる外気の吸い込みよって、外気が熱交換器を通過して熱交換器を流れる冷媒と熱交換する。この場合、送風ファンが上部に設けられているため、送風ファンによる外気の吸い込みによって熱交換器を通過する風の風速は、送風ファンに近い上部側が速く、送風ファンから遠い下部側が遅くなり、熱交換器を通過する風の風速分布が不均一となる。この結果、熱交換器の能力を有効に利用することができず、熱交換量の低下や、送風性能の低下を招くという課題を有していた。

この課題を解決するために、特許文献１では、並列に配置された複数の伝熱管に冷媒を流す熱交換器と、この複数の伝熱管の一端に接続され、内部が仕切板により仕切られて上下方向に立てて設置されるヘッダと、仕切板により仕切られたヘッダ内の各部屋のそれぞれに冷媒を分配して流入させるディストリビュータと、ディストリビュータから各部屋のそれぞれに接続されるキャピラリチューブとを有する冷媒分配器を備え、熱交換器における風速分布に応じてキャピラリチューブの長さや内径を設定する発明が開示されている。

特許文献１に開示された熱交換器と冷媒分配器では、熱交換器における風速分布に応じてキャピラリチューブの長さや内径を設定するため、上吹き型の室外機において、熱交換器を通過する風の風速分布の不均一による熱交換量の低下を抑制することができるという点で有効である。

ＷＯ２０１３／１６０９５２号公報

しかし、特許文献１に開示された熱交換器と冷媒分配器は、熱交換器における風速分布に応じてキャピラリチューブの長さや内径を設定するが、キャピラリチューブにより流路抵抗を増加させて流量を調整しているため、圧力損失が増加して空調能力が低下してしまうという課題を有している。

また、熱交換器における風速分布に応じてキャピラリチューブの長さや内径を設定するが、キャピラリチューブを長くしたり、キャピラリチューブの内径を小さくしたりするため、熱交換器の仕様に合わせて、長さや内径の異なる複数種類のキャピラリチューブを準備しておかなければならず、コストアップの要因となってしまう問題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、風速分布の不均一による熱交換量の低下を抑制できる熱交換器を提供するものである。

本発明の第一態様は、冷媒入口側に位置するヘッダである入口ヘッダと、冷媒出口側に位置するヘッダである出口ヘッダと、入口ヘッダと出口ヘッダのどちらか一方のヘッダの内部に仕切板によって仕切られた複数の部屋が設けられ、入口ヘッダと出口ヘッダのどちらか一方に設けられた複数の部屋の各々と、入口ヘッダと出口ヘッダのどちらか他方のヘッダとの間に、並列に接続される複数の扁平管と、冷媒配管に設けられる分配器と、各部屋と分配器とに接続する複数の分岐管と、を備えた熱交換器において、熱交換器における風速分布に応じて、分岐管は部屋と分配器の間に分岐部が設けられ、風速が大きい部分に位置する扁平管が接続される部屋に接続する分岐管の分岐部の数は、風速が小さい部分を通過する扁平管が接続される部屋に接続する分岐管の前記分岐部の数よりも少ない熱交換器である。

また、本発明の第二態様は、上部に送風ファンが設けられ、送風ファンの下方に本発明の第一態様である熱交換器が設けられた空気調和機の上吹き型の室外機である。

本発明は、上記課題に鑑み、風速分布の不均一による熱交換量の低下を抑制できる熱交換器を提供するものである。

本発明の実施形態における空気調和機の冷媒回路図である。 本発明の実施形態における空気調和機の室外機の縦断面図である。 本発明の実施形態における空気調和機の熱交換器の概略図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、の室内機が室外機に接続され、室内機で冷房運転あるいは暖房運転が行える空気調和機を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１を参照して、空気調和機１について説明する。図１は本発明の実施形態における空気調和機１の冷媒回路図を示す。空気調和機１は冷房運転と暖房運転が可能であり、室外に配置される室外機２と室内に配置される室内機３を備えている。室外機２は、冷媒配管１０で接続された圧縮機４、四方弁５、室外熱交換器９、室外機側膨張弁７を備え、室内機３は、冷媒配管１０で接続された室内機側膨張弁６、室内熱交換器８を備えて、圧縮機４、四方弁５、室外熱交換器９、室外機側膨張弁７、室内機側膨張弁６、室内熱交換器８とで冷媒回路１１を構成している。室外熱交換器９が本発明における熱交換器である。また、室外機２は、室外熱交換器１２に外気を送るための送風ファン１６を備え、室内機３は、室内熱交換器８に室内の空気を送るための図示しない室内ファンを備えている。四方弁５は圧縮機４の吐出側に接続され、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒回路１１を循環する冷媒の流れる向きを変える切換弁である。冷房運転時には、圧縮機４から吐出した冷媒が四方弁５を介して、室外熱交換器９、室外機側膨張弁７、室内機側膨張弁６、室内熱交換器８、四方弁５、圧縮機４の吸入側へと流れ、暖房運転時には、圧縮機４から吐出した冷媒が四方弁５を介して、室内熱交換器８、室内機側膨張弁６、室外機側膨張弁７、室外熱交換器９、四方弁５、圧縮機４の吸入側へと流れる。尚、図１において実線で示す矢印は暖房運転時の冷媒の流れを示し、破線で示す矢印は冷房運転時の冷媒の流れを示す。

暖房運転時の冷媒回路１１における冷媒の流れを説明する。暖房運転時において、圧縮機４で圧縮されて高温高圧になった冷媒は四方弁５を介して室内熱交換器８を流れる。室内熱交換器８を流れる高温高圧の冷媒は、室内ファンによって送風された室内の空気と熱交換することによって放熱し、高温高圧の冷媒と熱交換をした室内の空気は暖められる。室内熱交換器８を通過して放熱した冷媒は室内機側膨張弁６を通過した後、室外機側膨張弁７によって減圧され、ガス冷媒と液冷媒が混ざった２相冷媒の状態となる。２相冷媒の状態となった冷媒は室外熱交換器９を流れ、室外熱交換器９を通過する際に送風ファン１６によって送風された外気との熱交換によって吸熱しガス冷媒となる。吸熱してガス冷媒となった冷媒は四方弁５を介して圧縮機４に戻り、再び、高温高圧に圧縮される。

次に冷房運転時の冷媒回路１１における冷媒の流れを説明する。暖房運転から冷房運転への切り換えは、四方弁５により冷媒回路１１を循環する冷媒の流れの向きを換えることによって行われる。冷房運転時において、圧縮機４で圧縮されて高温高圧になった冷媒は四方弁５を介して室外熱交換器９を流れる。室外熱交換器９を流れる高温高圧の冷媒は、送風ファン１６によって送風された外気と熱交換することによって放熱し、外気と熱交換した冷媒は高温高圧の液冷媒となる。高温高圧の液冷媒は室外機側膨張弁７を通過した後、室内機側膨張弁６によって減圧され、ガス冷媒と液冷媒が混ざった２相冷媒の状態となる。２相冷媒の状態となった冷媒は室内熱交換器８を流れ、室内熱交換器８を通過する際に室内ファンによって送風された室内の空気との熱交換によって吸熱しガス冷媒となる。吸熱してガス冷媒となった冷媒は四方弁５を介して圧縮機４に戻り、再び、高温高圧に圧縮される。

次に図２を用いて室外機２について説明する。図２は室外機２の縦断面図であり、上部側が、室外機２が設置された状態における上方向、下部側が下方向を示す。室外機２は、いわゆる上吹き型の室外機であり、上部に通風口１８としての開口が設けられ、側面に吸入口１７としての開口が設けられた筐体１５を有する。筐体の内部には通風口１８に近接して送風ファン１６が設けられ、送風ファン１６の下方には吸入口１７に対向して縦長の室外熱交換器９が配置されている。送風ファン１６の駆動により、吸入口１７から外気が吸い込まれ、吸い込まれた外気は室外熱交換器９を通過して室外熱交換器９を通過する冷媒と熱交換し、室外熱交換器９を通過した外気は通風口１８から室外機２の外部へと吹き出される。尚、図２の矢印は風速の大きさを示しており、矢印が長い方が短い方より風速が大きい（速い）ことを示している。上吹き型である室外機２は、送風ファン１６が上部に設けられているため、送風ファン１６による外気の吸い込みによって室外熱交換器９を通過する風の風速は、図２おいて矢印が示すように、送風ファン１６に近い上部側が大きく（速く）、送風ファン１６から遠い下部側が小さく（遅く）なり、室外熱交換器９を通過する風の風速分布は不均一となる。

次に、図３を用いて室外熱交換器９について説明する。図３において、上部側が、室外熱交換器９が設置された状態における上方向、下部側が下方向を示す。室外熱交換器９は、入口ヘッダ２０と、出口ヘッダ２１と、複数の扁平管２２と、複数の伝熱フィン２３と、複数の同一径からなる分岐管２４ａ～２４ｃと、分配器２５とを備えている。尚、入口ヘッダ２０および出口ヘッダ２１は、暖房運転時の冷媒回路１１における冷媒の流れを基準にしており、暖房運転時は入口ヘッダ２０に冷媒が流入し、出口ヘッダ２１から冷媒が流出し、冷房運転時は出口ヘッダ２１に冷媒が流入し、入口ヘッダ２０から冷媒が流出する。本実施形態では、扁平管２２の数は便宜的に１４本としている。

複数の扁平管２２は、それぞれ、直線状の帯状に形成されている。複数の扁平管２２は、入口ヘッダ２０と出口ヘッダ２１との間に配置され、上下方向に所定の間隔をあけて積層されている。複数の扁平管２２の一方の端は、入口ヘッダ２０に接続され、複数の扁平管２２の他方の端は、出口ヘッダ２１に接続されている。尚、扁平管２２には一方の端から他方の端にわたって図示されない貫通孔が複数形成されており、この貫通孔を冷媒が流れる。図３においては、上方向にある扁平管２２ほどうける風速が大きく、下方に行くほど受ける風速が小さくなる。従って、扁平管２２を流れる冷媒と外気との熱交換量は、上方向にある扁平管２２ほど大きく、下方に行くほど小さくなる。

複数の伝熱フィン２３は、入口ヘッダ２０と出口ヘッダ２１との間に互いに間隔を空けて積層され、その間を空気が通過する板状フィンであり、伝熱フィン２３には複数の扁平管２２が貫通して熱的に接続している。

入口ヘッダ２０および出口ヘッダ２１は筒状に成形されて、出口ヘッダ２１には冷媒配管１０が接続され、入口ヘッダ２０には複数の分岐管２４ａ～２４ｃが接続されている。入口ヘッダ２０の内部は仕切板３０によって仕切られ、複数の部屋３１ａ～３１ｇが形成されている。仕切板３０の配置は、各部屋３１ａ～３１ｇの高さが同一高さになるように配置されおり、各部屋３１ａ～３１ｇの大きさは同一となっている。本実施形態では、入口ヘッダ２０の内部は６枚の仕切板３０によって仕切られ、上下に７個の部屋３１ａ～３１ｇが形成されている。入口ヘッダ２０に接続された複数の扁平管２２は、それぞれの部屋３１ａ～３１ｇに対して２本ずつ接続されている。

分配器２５は、室外機側膨張弁７から延びてくる冷媒配管１０と接続され、また、入口ヘッダ２０から延びてくる３本の分岐管２４ａ～２４ｃと接続される。分配器２５に接続される３本の分岐管２４ａ～２４ｃのうちの１本である分岐管２４ａは、室外熱交換器９の高さ方向において一番上の高さにある部屋３１ａに接続されている。３本の分岐管２４ａ～２４ｃのうちの１本である分岐管２４ｂは分岐部２７によって２本の分岐管２４ｂに分かれ、２本の分岐管２４ｂの一方は二番目の高さにある部屋３１ｂに接続され、他方は三番目の高さにある部屋３１ｃに接続される。従って、分配器２５に接続される１本の分岐管２４ｂは、１つの分岐部２７によって２本に分かれて２個の部屋３１ｂ、３１ｃそれぞれに接続される。３本の分岐管２４ａ～２４ｃのうちの１本である分岐管２４ｃは分岐部２７によって２本の分岐管２４ｃに分かれ、２本の分岐管２４ｃの一方は、さらに、分岐部２７によって２本の分岐管２４ｃに分かれ、２本の分岐管２４ｃの一方は四番目の高さにある部屋３１ｄに接続し、他方は五番目の高さにある部屋３１ｅに接続される。同様に、２本の分岐管２４ｃの他方も、さらに、分岐部２７によって２本の分岐管２４ｃに分かれ、２本の分岐管２４ｃの一方は六番目の高さにある部屋３１ｆに接続され、他方は七番目の高さにある部屋３１ｇに接続される。従って、分配器２５に接続される１本の分岐管２４ｃは、まず、最初の分岐部２７によって２本に分かれて、さらに２番目の分岐部２７によって２本に分かれて、部屋３１ｄから３１ｇのそれぞれに接続される。

室外熱交換器９の各部屋３１ａ～３１ｇに流入する冷媒量は、暖房運転時に室外機側膨張弁７から分配器２５に流れ込む冷媒量を１とした場合、同一径から成る３本の分岐管２４ａ～２４ｃが分配器２５に接続され、分岐管２４ａには分岐部２７が無いため、一番上の高さに位置する部屋３１ａには１／３の量の冷媒が流れ込む。分岐管２４ｂの途中には１個の分岐部２７があるため、二番目の高さと三番目の高さに位置する部屋３１ｂ、３１ｃには１／６の量の冷媒が流れ込む。同様に、分岐管２４ｃの途中には２個の分岐部２７があるため、部屋３１ｄ～３１ｇには１／１２の量の冷媒が流れ込む。従って、風速が大きい範囲に位置する扁平管２２が接続される部屋３１ａに流入する冷媒の配分量が多く、風速が中程度の範囲に位置する扁平管２２が接続する部屋３１ｂ、３１ｃに流入する冷媒の配分量は中程度で、風速が小さい範囲に位置する扁平管２２が接続される部屋３１ｄ～３１ｇ流入する冷媒の配分量は少なくなるように設けられるため、風量に合わせた冷媒流量とできるので、扁平管の出口側で冷媒の状態を均一にできる、熱交換器の能力を十分に発揮させることができる。すなわち、多くの熱交換量が期待できる上部に流れる冷媒量を多くし、熱交換量の少ない下部に流れる冷媒量を少なくしているため、熱交換器全体を無駄なく機能させることができる。

本発明の実施形態では、入口ヘッダ２０の上下方向に配置された各部屋３１ａ～３１ｇと２５分配器との間に接続する３本の分岐管２４ａ～２４ｃに、室外熱交換器９における風速分布に応じて分岐部２７が設けられている。つまり、風速が大きい範囲に位置する部屋３１ａと分配器２５とに接続する分岐管２４ａにおいて、分配器２５から部屋３１ａまでの間には分岐部２７は設けない。風速が中程度の範囲に位置する部屋３１ｂ～３１ｅと分配器２５とに接続する分岐管２４ｂにおいては、分配器２５から部屋３１ｂ～３１ｅまでの間には分岐部２７を１個設ける。風速が小さい範囲に位置する部屋３１ｄ～３１ｇと分配器２５とに接続する分岐管２４ｃにおいては、分配器２５から部屋３１ｂ～３１ｅまでの間に分岐部２７を２個設ける。これにより、分配器２５から各部屋３１へ至るまでの分岐部２７の数が多いほど部屋３１に流入する冷媒量は少なくなる。

本発明の実施形態では、入口ヘッダ２０の上下方向に配置された各部屋３１ａ～３１ｇと分配器２５との間に接続する３本の分岐管２４ａ～２４ｃに、室外熱交換器９における風速分布に応じて分岐部２７が設けられているため、実質的な熱交換量が室外熱交換器９の上下方向で略同じとなり、出口ヘッダ２１の冷媒状態を揃えることができる。従来のキャピラリチューブにより流路抵抗を増加させて流量を調整する場合と比較して、熱交換器を通過する冷媒の圧力損失を大きくすることなく出口ヘッダ２１の冷媒状態を揃えることができるため、圧力損失が増大することによる空気調和機の冷房・暖房能力の低下を抑制できる。また、本発明の実施形態では本効果と共に次の効果を有する。

入口ヘッダ２０の内部は仕切板３０によって仕切られ、仕切板３０の配置は、各部屋３１ａ～３１ｇの高さが同一高さになるように配置されおり、各部屋３１ａ～３１ｇの大きさ（容積）は同一となっている。従って、室外熱交換器９における風速分布や室外熱交換器の仕様に応じて、各部屋３１ａ～３１ｇの高さの調整する必要がないため、製造コストを抑えることができる。

入口ヘッダ２０の上下方向に配置された各部屋３１ａ～３１ｇと分配器２５との間に接続する３本の分岐管２４ａ～２４ｃは同一径からなる分岐管である。従って、室外熱交換器９における風速分布や室外熱交換器の仕様に応じて、各分岐管２４ａ～２４ｃの径を調整する必要がないため、製造コストを抑えることができる。また、室外熱交換器９における風速分布や室外熱交換器の仕様に応じて、分配器２５から各部屋３１へ至るまでの分岐部２７の数を設定するだけで、各部屋３１ａ～３１ｇに流入する冷媒量を調整することが出来るため、製造コストを抑えることができる。

尚、本実施形態では、暖房運転時の冷媒回路１１における冷媒の流れを基準にして、暖房運転時は入口ヘッダ２０に冷媒が流入し、出口ヘッダ２１から冷媒が流出する場合において、流入する側に分配器２５を配置し、流入する側の入口ヘッダ２０の内部を仕切板３０によって仕切って同一高さの部屋３１ａ～３１ｇを形成し、各部屋３１ａ～３１ｇと分配器２５との間に３本の分岐管２４ａ～２４ｃを接続し、室外熱交換器９における風速分布に応じて３本の分岐管２４ａ～２４ｃに分岐部２７が設けられたが、逆であっても構わない。すなわち、暖房運転時の冷媒回路１１における冷媒の流れを基準にして、暖房運転時は入口ヘッダ２０に冷媒が流入し、出口ヘッダ２１から冷媒が流出する場合において、流入する側の入口ヘッダ２０には室外機側膨張弁７を介して冷媒が流入し、流出する側に分配器２５を配置し、流出する側の出口ヘッダ２１の内部を仕切板３０によって仕切って同一高さの部屋３１ａ～３１ｇを形成し、各部屋３１ａ～３１ｇと分配器２５との間に３本の分岐管２４ａ～２４ｃを接続し、室外熱交換器９における風速分布に応じて３本の分岐管２４ａ～２４ｃに分岐部２７が設けられても構わない。この場合でも同一の効果を有することができる。また、本実施形態の空気調和機１は冷房運転と暖房運転が可能な空気調和機であるが、冷房運転と暖房運転のどちらか一方が可能な空気調和機であっても構わない。

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

１…空気調和機、２…室外機、３…室内機、４…圧縮機、５…四方弁、６…室内機側膨張弁、７…室外機側膨張弁、８…室内熱交換器、９…室外熱交換器、１０…冷媒配管、１１…冷媒回路、１５…筐体、１６…送風ファン、１７…吸入口、１８…通風口、２０…入口ヘッダ、２１…出口ヘッダ、２２…扁平管、２３…伝熱フィン、２４ａ～２４ｃ…分岐管、２５…分配器、２７…分岐部、３０…仕切板、３１ａ～３１ｇ…部屋

Claims (4)

1. 冷媒入口側に位置するヘッダである入口ヘッダと、
   冷媒出口側に位置するヘッダである出口ヘッダと、
   前記入口ヘッダと前記出口ヘッダのどちらか一方のヘッダの内部に仕切板によって仕切られた複数の部屋が設けられ、
   前記入口ヘッダと前記出口ヘッダのどちらか一方に設けられた複数の前記部屋の各々と、前記入口ヘッダと前記出口ヘッダのどちらか他方のヘッダとの間に、並列に接続される複数の扁平管と、
   冷媒配管に設けられる分配器と、
   前記各部屋と前記分配器とに接続する複数の分岐管と、を備えた熱交換器において、
   前記熱交換器における風速分布に応じて、前記分岐管は前記部屋と前記分配器の間に分岐部が設けられ、
   風速が大きい部分に位置する前記扁平管が接続される前記部屋に接続する前記分岐管の前記分岐部の数は、
   風速が小さい部分を通過する前記扁平管が接続される前記部屋に接続する前記分岐管の前記分岐部の数よりも少ないことを特徴とする熱交換器。
2. 並列に接続される前記扁平管が並ぶ方向における前記各部屋の長さは同一であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 一方の前記ヘッダは前記入口ヘッダであり、他方の前記ヘッダは出口ヘッダであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 上部に送風ファンが設けられ、前記送風ファンの下方に請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器が設けられ、前記熱交換器は、複数の前記扁平管の並列方向は上下方向であり、前記入口ヘッダと前記出口ヘッダが上下方向に立てて設置されたことを特徴とする空気調和機の上吹き型の室外機。
   

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