JPH11223361A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】機外側の熱交換器表面温度が低くかつ熱交換器
を通過する空気の風速の遅い部分での結露水の氷結によ
る熱交換効率低下を防止した空気調和機を得る。 【解決手段】圧縮機１、熱交換器１９、膨脹弁、送風機
８を備えた冷凍サイクルを有する空気調和機において、
熱交換器１９が水平方向に対し垂直に配置され、送風機
が空気調和機の上方に配置される構造を有し、かつ熱交
換器１９の伝熱管内を通る冷媒の流れ方向が送風機８に
よって作り出される空気の流れ方向と並向する流路と、
熱交換器の伝熱管内を通る冷媒の流れ方向が送風機８に
よって作り出される空気の流れ方向と相対する流路とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空気調和機の熱交換
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気調和機の熱交換器は一般的にフィン
とパイプで構成されており、パイプ同士を接続して冷媒
の流路を形成している。該熱交換器の伝熱管内を通る冷
媒の流れ方向と送風機により作り出される空気の流れ方
向を相対するいわゆる対向流とすると、熱交換効率が向
上することが知られている。

【０００３】また、空気調和機の冷媒としてフロン類と
呼ばれるハロゲン化炭化水素が使用されており、中でも
単一のフロン類で構成されたＲ−２２と呼ばれるものが
広く用いられているが、フロンによる成層圏オゾン破壊
防止等の地球環境保護などの理由から、成層圏オゾン破
壊能力を低くするように塩素を含まない複数種類のフロ
ン類を混合した非共沸混合冷媒と呼ばれる冷媒が用いら
れる傾向にある。

【０００４】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルで
は、単一の冷媒を用いた冷凍サイクルに比べ凝縮圧力が
高くなることが一般的に知られている。凝縮圧力の上昇
を抑える手段として凝縮器を通過する空気の量を増加さ
せる等が考えられるが、該空気調和機の入力を増加させ
るという不具合を招くため、凝縮器の性能改善が必要と
なる。

【０００５】非共沸混合冷媒は沸点の異なる複数のフロ
ン類から構成されるため、冷媒の蒸発時，凝縮時に組成
の変化が起こる。このため、特に室内機と室外機との接
続配管が長くなる傾向にある複数台の室内機，室外機が
接続されるマルチ冷凍サイクルでは、配管内の圧力損失
による冷媒の組成変化により室内機間で供給される冷媒
組成に偏りが生じ、室内機間で能力差が発生するといっ
た問題がある。

【０００６】この現象を防止する手段としては、冷媒を
過冷却して配管内の圧力損失による状態変化を起こりに
くくする等が考えられるが、この手段を用いるためにも
凝縮器の性能向上が必須課題となっている。

【０００７】さらに非共沸混合冷媒を用いた場合、従来
と同条件の運転を行なうには熱交換器の伝熱面積を従来
に比べ大きく確保する必要がある。小形化を図った空気
調和機においては、筺体寸法の小形化と熱交換器伝熱面
積の増大化は相反する問題であり、この点からも熱交換
器の性能向上が必須課題となっている。

【０００８】また、単一冷媒を圧力一定のもとで状態変
化させた場合状態変化中は冷媒温度は一定だが、非共沸
混合冷媒は状態変化中に組成の変化が起こるため状態変
化中も冷媒温度が変化する。この性質より、非共沸冷媒
を圧力一定のもとで蒸発器中を通過させた場合は蒸発時
の組成変化により蒸発器通過後の冷媒温度は蒸発器通過
前の冷媒温度より上昇し、非共沸冷媒を圧力一定のもと
で凝縮器中を通過させた場合は凝縮時の組成変化により
凝縮器通過後の冷媒温度は凝縮器通過前の冷媒温度より
低下することが知られている。

【０００９】図１は特願平９−２７０８４８号公報で記
載される従来の熱交換器の一例を示すものである。熱交
換器１８を流れる冷媒はディストリビュータ等（図示省
略）を介して分配され、熱交換器１８を蒸発器として使
用した場合熱交換器１８内の伝熱管１７の入口部１７ａ
から流入して熱交換がおこなわれ、出口部１７ｂから流
出する。

【００１０】空気は機外側から機内側へ流れる流れとな
り、冷媒の流れと空気の流れが並向する並向流と、冷媒
の流れと空気の流れが相対する対向流の流路の両方より
構成されている。

【００１１】図2は空気調和機の断面構造図である。熱
交換器３が水平方向に対し垂直に配置され、送風機８が
空気調和機の上方に配置される構造となっている。この
ような構造を有した空気調和機の熱交換器３を通過する
空気の風速は、図3に示すような偏りを持った分布とな
る。

【００１２】図1に示した従来の熱交換器を図2の構造を
有した空気調和機の熱交換器として使用し、該熱交換器
を蒸発器として使用するとき、冷媒は液体の状態で伝熱
管１７の入口部１７ａより流入し、熱交換されて気体の
状態で冷媒出口部１７ｂより流出する。この空気調和機
においては、送風機８が上方に配置されているため熱交
換器１８を通過する空気の風速に偏りが発生し、送風機
８に近い上方で風速が速くなり、送風機８から遠ざかる
につれて風速は遅くなる。

【００１３】空気調和機の熱交換器１８に非共沸混合冷
媒を通過させた場合、蒸発時の組成変化により入口部１
７ａの冷媒温度は出口部１７ｂの冷媒温度より低く、冷
媒の流れと空気の流れが並向する並向流の流路を構成し
た部分では、機外側の熱交換器表面温度が低くなる。

【００１４】一方、送風機８が作動することによりこの
空気調和機の熱交換器を通過する空気は、熱交換器１８
の伝熱管１７内を通過する非共沸混合冷媒の状態変化に
よって熱を奪われ、熱交換器通過前後でその温度が低下
する。この時、熱交換器１８部を通過するために要した
時間が長い程、つまり熱交換器１８を通過する空気の風
速が遅い程熱交換量が増加し、空気温度低下の割合が大
きくなる。

【００１５】上記の二つの現象が重なって発生する部
分、機外側の熱交換器表面温度が低くかつ熱交換器１８
を通過する空気の風速が遅い部分では、該熱交換器１８
の他の部分に比べ熱交換器を通過する空気温度が低下し
やすく、空気温度が露点に達することによる熱交換器１
８表面での結露が発生しやすい。特に非共沸混合冷媒は
単一冷媒に比べて蒸発温度が氷点下となりやすいため、
非共沸混合冷媒を作動冷媒とする空気調和機の熱交換器
表面では氷結が発生し、熱交換効率の低下が著しい。ま
た、前記の空気調和機製品寸法小形化による熱交換器伝
熱面積の減少が熱交換能力の低下をまねき、熱交換器表
面での氷結を助長する要因ともなっており、以上のよう
な熱交換効率の低下が問題となっていた。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、上述の図1のような従来の空気調和機の熱交換器を
図２のような空気調和機の熱交換器として使用した場合
において、機外側の熱交換器表面温度が低くかつ熱交換
器を通過する空気の風速が遅い部分では該熱交換器の他
の部分に比べ熱交換器を通過する空気温度が低下しやす
く空気温度が露点に達するため、熱交換器表面に付着し
た結露水が氷結し熱交換効率を低下させてしまう問題が
る。

【００１７】本発明の目的は、上記従来技術の問題を解
決し、機外側の熱交換器表面温度が低くかつ熱交換器を
通過する空気の風速の遅い部分での結露水の氷結による
熱交換効率低下を防止した空気調和機を提供することに
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として本発明では、該熱交換器を蒸発器として使
用したときに、該熱交換器の鉛直方向上方に伝熱管内を
通る冷媒の流れ方向が送風機によって作り出された空気
の流れ方向と並向するいわゆる並向流となるよう構成さ
れた流路と、該熱交換器の鉛直方向下方に伝熱管内を通
る冷媒の流れ方向が送風機によって作り出された空気の
流れ方向と対向するいわゆる対向流となるよう構成され
た流路とが、送風機によって作り出された空気の流れが
該熱交換器を通過する際の風速の最も速い部分の65〜75
%となる部分を境として配置されるように流路配列を構
成する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に示
し、詳細に説明する。◆まず、図５を用いて空気調和機
について説明する。

【００２０】一般に空気調和機における冷凍サイクルは
圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器
と気液分離器等で構成されており、これらを配管で接続
し、このサイクル中に冷媒を循環させることにより成立
している。また、サイクル中で冷媒は気体、気体と液体
が混在した状態（気液二相）、そして液体と状態変化し
ている。

【００２１】冷房運転の場合、空気調和機は圧縮機１で
圧縮された高温高圧のガス冷媒が四方弁２を経由して室
外熱交換器３へ至る。ここで送風ファン８により送られ
た風により高温高圧の冷媒は熱を奪われ凝縮し、低温高
圧の液冷媒になる。室外機熱交換器４から室内膨張弁５
に至った冷媒はここで減圧され低温低圧の気液二相の冷
媒となり室内熱交換器６へと流れ込みここで熱を奪い、
つまり室内空気の温度を下げ再び圧縮機１へと戻ってゆ
く。これが冷房運転の簡単な説明である。また、暖房運
転では四方弁を切替えることにより冷房運転時とは反対
に冷媒を循環させることにより、室内熱交換器が凝縮器
となり室内を暖めることとなる。

【００２２】図４は、本発明に記載の構造を有する熱交
換器１９を示したものである。

【００２３】図中の記号１７は伝熱管、１７ａは熱交換
器１９を蒸発器として使用した場合の冷媒入口部、１７
ｂは熱交換器１９を蒸発器として使用した場合の冷媒出
口部を示す。熱交換器１９を凝縮器として使用した場合
には、上記入口と出口は逆転する。

【００２４】熱交換器１９は、図２に示す空気調和機の
熱交換器として使用した場合に熱交換器１９の伝熱管１
７内を通る冷媒の流れ方向が送風機８によって作り出さ
れる空気の流れ方向と並向するいわゆる並向流となるよ
う構成された流路と、熱交換器１９の伝熱管１７内を通
る冷媒の流れ方向が送風機８によって作り出される空気
の流れ方向と相対するいわゆる対向流となるよう構成さ
れた流路との両方を有する構造となっている。さらに熱
交換器１９はそれを蒸発器として使用した場合に、図３
に示した、図２に示す空気調和機の熱交換器を通過する
空気の風速分布において風速の最も速い部分の70％とな
る部分を境として、それより上方に熱交換器１９の伝熱
管１７内を通る冷媒の流れ方向が送風機８によって作り
出される空気の流れ方向と並向するいわゆる並向流とな
るよう構成された流路、それより下方に熱交換器１９の
伝熱管１７内を通る冷媒の流れ方向が送風機８によって
作り出される空気の流れ方向と相対するいわゆる対向流
となるよう構成された流路を配置する構造となってい
る。

【００２５】熱交換器１９を蒸発器として使用する場合
において、熱交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の
流れ方向が送風機８によって作り出される空気の流れ方
向と並向するいわゆる並向流となるよう構成された流路
と、熱交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の流れ方
向が送風機８によって作り出される空気の流れ方向と相
対するいわゆる対向流となるよう構成された流路との配
置の境となる部分を、図３に示した、図２に示す空気調
和機の熱交換器を通過する空気の風速分布において風速
の最も速い部分の75％以上としてそれより上方に熱交換
器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の流れ方向が送風機
８によって作り出される空気の流れ方向と並向するいわ
ゆる並向流となるよう構成された流路、それより下方に
熱交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の流れ方向が
送風機８によって作り出される空気の流れ方向と相対す
るいわゆる対向流となるよう構成された流路を配置する
と、熱交換器１９を凝縮器として使用した場合の熱交換
器１９の伝熱管内１７を流れる冷媒の流れ方向が送風機
８によって作り出される空気の流れ方向と対向するいわ
ゆる対向流となるよう構成された流路の領域が少なくな
り凝縮器性能が低下するため、現在課題となっている凝
縮器性能の向上が実現できない。

【００２６】また熱交換器１９を蒸発器として使用する
場合において、熱交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷
媒の流れ方向が送風機８によって作り出される空気の流
れ方向と並向するいわゆる並向流となるよう構成された
流路と、熱交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の流
れ方向が送風機８によって作り出される空気の流れ方向
と相対するいわゆる対向流となるよう構成された流路と
の配置の境となる部分を、図３に示した、図２に示す空
気調和機の熱交換器を通過する空気の風速分布において
風速の最も速い部分の65％以下としてそれより上方に熱
交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の流れ方向が送
風機８によって作り出される空気の流れ方向と並向する
いわゆる並向流となるよう構成された流路、それより下
方に熱交換器１９の伝熱管１７内を流れる冷媒の流れ方
向が送風機８によって作り出される空気の流れ方向と相
対するいわゆる対向流となるよう構成された流路を配置
すると、熱交換器１９を通過する空気の風速が遅く空気
温度が低下しやすい領域に熱交換器１９の伝熱管１７内
を流れる冷媒の流れ方向が送風機８によって作り出され
る空気の流れ方向と並向するいわゆる並向流となるよう
構成された流路が配置されるため、熱交換器１９表面で
の熱交換器１９を通過する空気の結露水が氷結し、現在
課題となっている熱交換効率低下の問題を改善できな
い。

【００２７】そのため本発明に記載の構造では上記二つ
の問題を改善できるように、熱交換器１９を蒸発器とし
て使用した場合に、図３に示した、図２に示す空気調和
機の熱交換器を通過する空気の風速分布において風速の
最も速い部分の70％となる部分を境として、それより上
方に熱交換器１９の伝熱管１７内を通る冷媒の流れ方向
が送風機８によって作り出される空気の流れ方向と並向
するいわゆる並向流となるよう構成された流路、それよ
り下方に熱交換器１９の伝熱管１７内を通る冷媒の流れ
方向が送風機８によって作り出される空気の流れ方向と
相対するいわゆる対向流となるよう構成された流路を配
置する構造となっている。

【００２８】本実施の形態では、図３に示した、図２に
示す空気調和機の熱交換器を通過する空気の風速分布に
おいて風速の最も速い部分の70％となる部分を境とし
て、それより上方に熱交換器１９の伝熱管１７内を通る
冷媒の流れ方向が送風機８によって作り出される空気の
流れ方向と並向するいわゆる並向流となるよう構成され
た流路、それより下方に熱交換器１９の伝熱管１７内を
通る冷媒の流れ方向が送風機８によって作り出される空
気の流れ方向と相対するいわゆる対向流となるよう構成
された流路を配置する構造について説明しているが、流
路の境となる部分を風速の最も速い部分の65〜75％とし
ても同様の効果を得られることは言うまでもない。

【００２９】また本実施の形態では列数２の熱交換器に
ついて説明しているが、その他の列数の熱交換器にも本
発明が適用できることは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、空気調和機の熱交換器
内を流れる冷媒の流れ方向と熱交換器を通過する空気の
風速との関係により熱交換器内の流路を構成することに
より、空気調和機の機外側の熱交換器表面温度が低くか
つ熱交換器を通過する空気の風速の遅い部分での結露水
の氷結による熱交換効率低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の空気調和機の熱交換器の一例を示す平
面及び側面図。

【図２】 空気調和機の断面構造を示す側面図。

【図３】 図2に示した空気調和機の熱交換器を通過す
る空気の風速分布を示すグラフ線図。

【図４】 本発明の空気調和機の熱交換器を示す平面及
び側面図。

【図５】 空気調和機の冷凍サイクルを示すブロック
図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外機熱交換器、４…室
外機膨張弁、５…室内機膨張弁、６…室内機熱交換器、
Ｐｓ…圧縮機の吸入圧力、Ｔｓ…圧縮機の吸入温度、Ｐ
ｄ…圧縮機の吐出圧力、Ｔｄ…圧縮機の吐出温度、Ｔｅ
１…室外機熱交換器の入口温度、Ｔｅ２…室外機熱交換
器の出口温度、Ｔｒ１…室内機熱交換器の入口温度、Ｔ
ｅ２…室内機熱交換器の出口温度、Ｔａｏ…外気温度、
Ｔａ１…室内機における吸込温度、Ｔａ２…室内機にお
ける吹出温度、１７…伝熱管、１７ａ…冷媒入口部、１
７ｂ…冷媒出口部、１８…熱交換器、１９…熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安田 弘 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所空調システム事業部内 (72)発明者 松村 賢治 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所空調システム事業部内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機、熱交換器、膨脹弁、送風機を備
   えた冷凍サイクルを有する空気調和機において、熱交換
   器が水平方向に対し垂直に配置され、送風機が空気調和
   機の上方に配置される構造を有し、かつ熱交換器の伝熱
   管内を通る冷媒の流れ方向が送風機によって作り出され
   る空気の流れ方向と並向する流路と、熱交換器の伝熱管
   内を通る冷媒の流れ方向が送風機によって作り出される
   空気の流れ方向と相対する流路とを備えたことを特徴と
   する空気調和機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載されたものにおいて、前
   記熱交換器を蒸発器として使用したときに、該熱交換器
   の鉛直方向上方に伝熱管内を通る冷媒の流れ方向が送風
   機によって作り出された空気の流れ方向と並向する流路
   を有し、該熱交換器の鉛直方向下方に伝熱管内を通る冷
   媒の流れ方向が送風機によって作り出された空気の流れ
   方向と対向する流路を備えたことを特徴とする空気調和
   機。
3. 【請求項３】 請求項２に記載されたものにおいて、前
   記熱交換器を蒸発器として使用したときに、該熱交換器
   の鉛直方向上方に伝熱管内を通る冷媒の流れ方向が送風
   機によって作り出された空気の流れ方向と並向する流路
   と、該熱交換器の鉛直方向下方に伝熱管内を通る冷媒の
   流れ方向が送風機によって作り出された空気の流れ方向
   と対向する流路とが、送風機によって作り出された空気
   の流れが該熱交換器を通過する際の風速の最も速い部分
   の65〜75%となる部分を境として配置されることを特徴
   とする空気調和機。