JPWO2013160957A1 - 熱交換器、室内機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

所定の間隔で並べられ、その間を空気が流れる複数のプレートフィン１４０と、プレートフィン１４０の並び方向に沿って冷媒が管内を流れるようにプレートフィン１４０に挿入され、曲げ加工によりＬ字形成した複数の扁平管１５０とを有する熱交換ユニットを組み合わせて矩形状に形成し、実装面積を増やすことにより熱交換を効率よく行うことができるようにする。

Description

本発明は、例えば対象空間との空気調和を行う室内機等に関するものである。

従来、空調対象空間の天井に設置可能な四方向カセット型の室内機がある。このような室内機では、例えばターボファン等の送風機の外周部分（側方）を熱交換器で囲むように構成している。そして、送風機は下方から吸い込んだ空気を側方に送り出し、熱交換器を通過させて空気調和を行った空気を空調対象空間に吹き出している。そして、このような室内機の熱交換器において、上下にヘッダーを配置し、ヘッダー間に上下方向（垂直方向）に扁平管を複数並べ、扁平管の間にコルゲートフィンを配置したものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１４７１４４号公報（第４図）

このように四方向カセット型の室内機では、熱交換器による４辺を有する矩形状（四角形状）の囲いを形成している。しかしながら、上記の特許文献１の室内機のように、耐圧等の関係で強固な構成にしているヘッダーを上下に有していると、折り曲げる加工を行うことが困難である。

そこで、上記の特許文献１の室内機では、４つの熱交換器（熱交換ユニット）が各辺となり、４方向を囲んでいる。各ユニットにヘッダー等を備えることにより、熱交換器において、実際に熱交換に寄与する部分となる実装面積（空気との対向面積）が減少し、熱交換性能が低下してしまう。また、能力を確保するために、短い扁平管を多く配置することとなる。このため、冷媒の分岐数が多くなり、ヘッダーでの冷媒分配が難しくなってしまう。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、例えば複数方向の空気の流れに対応して配置する熱交換器において、熱交換を効率よく行うことができる熱交換器等を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、所定の間隔で並べられ、その間を空気が流れる複数のプレートフィンと、プレートフィンの並び方向に沿って冷媒が管内を流れるようにプレートフィンに挿入され、曲げ加工によりＬ字形成した複数の扁平管とを有する熱交換ユニットを組み合わせて矩形状に形成する。

本発明によれば、扁平管をＬ字状に曲げて構成した熱交換ユニットを組み合わせて矩形状の熱交換器を構成するようにしたので、例えば４カセット形の室内機において、４つの熱交換ユニットにより囲みを形成する熱交換器よりも実装面積を増やすことができる。また、Ｌ字状の熱交換ユニットを組み合わせて矩形状に形成することにより、流路を流れる冷媒の圧力損失を減らすことができる。このため、熱交換を効率よく行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る室内機を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器１００の構成を説明する模式図である。 本発明の実施の形態１に係るプレートフィン１４０と扁平管１５０との関係を表す図である。 本発明の実施の形態１に係る扁平管１５０における接続関係の部品を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る扁平管１５０における接続関係の部品を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成例を表す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る室内機を示す縦断面図である。本実施の形態では、天井に埋め込むことができる四方向カセット型の室内機について説明する。ここでは、図１における上方側（鉛直方向）を上側とし、下方側を下側として説明する。室内機は、冷媒配管により室外機と接続し、冷媒を循環して冷凍、空気調和等を行う冷媒回路を構成する。

図１に示すように、四方向カセット型の室内機２００は、部屋２１７に対し上方が天板２１０ａとなる向きに設置される。天板２１０ａの周りには側板２１０ｂが取り付けられ、部屋２１７に向け開口するように筐体２１０が設置される。室内機２００の下方には、平面視で略四角形状の化粧パネル２１１が取り付けられて部屋２１７に面している。化粧パネル２１１の中央付近には、室内機２００内への空気の吸込口となる吸込グリル２１１ａと、吸込グリル２１１ａ通過後の空気を除塵するフィルタ２１２とを備えている。また、化粧パネル２１１の各辺には、空気の吹出口となるパネル吹出口２１１ｂが、化粧パネル２１１の各辺に沿って形成されている。各パネル吹出口２１１ｂには、風向ベーン２１３を備えている。

また、室内機２００の下面中央部には、本体内に空気を流入させる吸込口となるユニット吸込口２１０ｃを有している。また、ユニット吸込口２１０ｃの周囲には、本体内から空気を流出させる吹出口となるユニット吹出口２１０ｄを有している。そして、吸込グリル２１１ａ、ユニット吸込口２１０ｃ、ユニット吹出口２１０ｄ、及び、パネル吹出口２１１ｂが連通している。

室内機２００の内部には、ターボファン２０１、ベルマウス２１４、ファンモーター２１５及び熱交換器１００を有している。ターボファン２０１は回転軸が鉛直方向に配置された遠心型の送風機である。ターボファン２０１は、吸込グリル２１１ａを介して吸い込んだ空気を側方（図１の左右方向）に送り出す空気の流れを形成する。ここでは送風機としてターボファン２０１を用いているが、本発明はこれに限るものではない。例えばシロッコファン、ラジアルファン等を用いてもよい。また、ベルマウス２１４はターボファン２０１の吸込風路を形成し、整流する。ファンモーター２１５は、ターボファン２０１を回転駆動させる。

フィンチューブ型の熱交換器１００は、ターボファン２０１の下流側に、ターボファン２０１を囲むように設置している。例えば空気調和装置に本実施の形態の室内機を適用する際、熱交換器１００は冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する。ここで、本実施の形態において、熱交換器１００を構成する部品は、すべてアルミニウム、アルミニウムを含む合金であるものとする。

図２は本発明の実施の形態１に係る熱交換器１００の構成を説明する模式図である。本実施の形態の熱交換器１００は、後述するように、二方向の空気の流れに対応するＬ字状の熱交換ユニットを２つ組み合わせて、略矩形状の囲いを形成して図１に示すようにターボファン２０１を囲んでいる。熱交換ユニットは、プレートフィン１４０と扁平管１５０を有している。そして、熱交換ユニット毎に、少なくともディストリビュータ（分配器）１１０、流量調整用毛細管１２０、ヘッダー１３０を有している。

ディストリビュータ１１０及び流量調整用毛細管１２０とヘッダー１３０とは、それぞれ扁平管１５０の冷媒流入出口と接続して冷媒を分岐、合流させる冷媒分岐合流手段となる。ディストリビュータ１１０は、熱交換器１００が蒸発器として機能する場合には、液側の冷媒配管から流入する気液二相冷媒（液状の冷媒も含む）を流量調整用毛細管１２０を介して扁平管１５０に分配する。また、熱交換器１００が凝縮器として機能する場合には、各扁平管１５０から流量調整用毛細管１２０を介して流入する液状の冷媒（気液二相冷媒も含む）を合流させて液側の冷媒配管に流出させる。流量調整用毛細管（キャピラリーチューブ）１２０は、それぞれディストリビュータ１１０と各扁平管１５０との間にある。流量調整用毛細管１２０は、ディストリビュータ１１０の分配に係る冷媒が各扁平管１５０に均一に流入するように流量調整を行う。ヘッダー１３０は、熱交換器１００が蒸発器として機能する場合には、扁平管１５０から流出するガス状の冷媒（気液二相冷媒も含む）を合流させてガス側の冷媒配管に流出させる。また、熱交換器１００が凝縮器として機能する場合には、ガス側の冷媒配管からのガス状の冷媒を、分岐して各扁平管１５０に流入させる。ここで、本実施の形態においては、例えば熱交換器１００が蒸発器として機能する場合における、扁平管１５０の冷媒の流入口とディストリビュータ１１０及び流量調整用毛細管１２０とを接続し、流出口とヘッダー１３０とを接続するようにした。しかし、本発明はこれに限定するものではなく、例えばヘッダーを流入口、流出口の両方に接続するようにしてもよい。また、本実施の形態では、熱交換ユニット毎に、少なくともディストリビュータ（分配器）１１０、流量調整用毛細管１２０、ヘッダー１３０を有しているが、これに限定するものではない。例えば１つのディストリビュータ１１０が複数の熱交換ユニットの各扁平管１５０に分配してもよい。また、１つのヘッダー１３０に複数の熱交換ユニットの冷媒を合流させるようにしてもよい。

図３は本発明の実施の形態１に係るプレートフィン１４０と扁平管１５０との関係を表す図である。図３（ａ）はターボファン２０１からの空気の流れる方向から見たときの図である。図３（ｂ）は折り返し部分を拡大した図である。また、図３（ｃ）はプレートフィン１４０と平行な面で切断したときの部分拡大図を表す。扁平管１５０は、断面の長辺部分が直線で、短辺部分が例えば半円状等の曲線とした扁平状の伝熱管である。そして、複数の扁平管１５０は、管内を流れる冷媒の流路方向とは直交する方向に、一定間隔をおいて平行に配列している。ここで、本実施の形態においては、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、扁平管１５０自身が折り返しによって冷媒の流入口と流出口とが熱交換ユニットにおいて同じ端部側に位置する構造（ヘアピン構造）となるように扁平管１５０を形成している。扁平管１５０内には、図３（ｃ）に示すように、複数の冷媒流路１５１が長辺方向に並んで設けられており、冷媒流路１５１内には例えばターボファン２０１からの空気と熱交換をさせるための冷媒が流れる。

また、板状のプレートフィン１４０は、冷媒の流路方向（扁平管１５０の並び方向と直交する方向）に沿って一定間隔に平行となるように配列させる。ここで、プレートフィン１４０は、長手方向（扁平管１５０の並び方向、図１において上下方向）に複数の挿入孔１４１を有している。各挿入孔１４１は各扁平管１５０に対応するため、例えば、扁平管１５０と同数かつ同間隔（両端を除く）で設けている。また、各挿入孔１４１の間にプレートフィン１４０の一部を切り起こして形成したスリット１４２を設けている。

ここで、室内機２００内において、ディストリビュータ１１０、流量調整用毛細管１２０及びヘッダー１３０をまとめて配置すると、内容積を有効に使うことができる。そこで、本実施の形態では、図２に示すように、室内機２００内において、各熱交換ユニットのディストリビュータ１１０、流量調整用毛細管１２０及びヘッダー１３０をそれぞれまとめた位置（図２においては手前側の位置）に設置し、冷媒配管と接続するように構成する。そして、このよう構成にするため、扁平管１５０における冷媒の流入口、流出口も同じ側に位置することが望ましい。これにより、室内機２００内における配管が複雑にならずにまとまる。また、以上のことから、配管の接合、取り付け等、製造に係る作業を簡単に行うことができる。

このとき、四方向カセット型の室内機の熱交換器において、略矩形状の囲みを形成して扁平管における冷媒の流入口、流出口を同じ側に位置させるには、１つの熱交換ユニットを３箇所で曲げ加工して形成することが考えられる。しかし、扁平管１５０を複数回曲げ加工しなければならない。ここで、一般に扁平管とプレートフィンはロウ付けで接合されており、曲げ加工が多いとフィンが座屈する可能性があるため、曲げ加工の回数は可能な限り少ない方がよい。そこで、本実施の形態の熱交換器１００では、１つの熱交換ユニットにおける扁平管１５０の曲げ加工を１回としたＬ字状の熱交換ユニットを２つ組み合わせて、略矩形状の囲いを形成してターボファン２０１を囲んでいる。そして、各熱交換ユニットにおいて、扁平管１５０における冷媒の流入口、流出口を同じ側に位置させるため、他端側（図２では奥側）をＵ字に曲げてヘアピン構造としている。ヘアピン構造とすることで、配管作業等、製造時における作業が熱交換ユニットの一端側だけですむ（両端に対して作業をする必要がない）。また、作業を行わないことから、その分、プレートフィン１４０を多く積層させる（並べる）ことができ、実装面積の割合を増やすことができる。そして、Ｌ字状の熱交換ユニットを組み合わせて矩形状に熱交換器を形成することで、１つの熱交換ユニットを矩形状に形成した熱交換器に比べ、全体として流路の長さが半分になり、冷媒の圧力損失を約半分に減らすことができる。

図４は本発明の実施の形態１に係る扁平管１５０における接続関係の部品を示す図である。図４（ａ）の円管ジョイント１６０は、扁平管１５０と円形状の配管を有する流量調整用毛細管１２０、ヘッダー１３０との間を繋ぐための継ぎ手となり、それぞれの形状に合わせた開口部を有している。
また、図４（ｂ）のＵベンド１７０は、例えば熱交換ユニットにおいて、冷媒の分配、合流することなく冷媒流路を１つにする場合に、図２の手前側において、上側の扁平管１５０の流出口と下側の扁平管１５０とを接続するためのものである（図４（ｃ）参照）。例えば最上部の扁平管１５０から流入した冷媒が、手前側と奥側とで折り返しを繰り返し、熱交換ユニット最下部の扁平管１５０から流出する。ここで、Ｕベンド１７０を用いて熱交換ユニット全体として冷媒の流入口、流出口がそれぞれ１つずつとなるようにした場合には、前述したディストリビュータ１１０、流量調整用毛細管１２０及びヘッダー１３０（分岐合流手段）を設置する必要はない。

次に、実施の形態１における熱交換器１００での冷媒の流れについて説明する。ここでは、熱交換器１００が蒸発器として機能する場合について説明する。ディストリビュータ１１０に流入した気液二相冷媒は、流量調整用毛細管１２０における流動抵抗により各分岐流路の流量が調整された後、円管ジョイント１６０で接続した扁平管１５０に流入する。扁平管１５０に流入した冷媒は冷媒流路１５１を流れる。そして、他端（図２の奥側）の曲げ部分で折り返して流入側と同じ側でヘッダー１３０に流入する。ここで、冷媒流路１５１を流れている間に、ターボファン２０１によって熱交換器１００を通過する空気との熱交換により、冷媒は蒸発してガス状（気体状）に態変化する。そして、ヘッダー１３０において合流しガス側の冷媒配管に流出する。

以上のように、実施の形態１の室内機２００によれば、扁平管１５０をＬ字状に曲げて構成した２つの熱交換ユニットを組み合わせて熱交換器１００を構成するようにしたので、熱交換器による囲みを４つの熱交換ユニットにより形成する場合に比べて、熱交換に寄与する実装面積の割合を増やすことができる。また、１つの熱交換ユニットを複数回曲げて矩形状に形成した熱交換器に比べて、全体として流路の長さが約半分となり冷媒の圧力損失を約半減させることができる。このため、空気調和の性能を高めることができる。

実施の形態２．
上述の実施の形態１においては、１列構成の熱交換ユニットを例として説明したが、例えば２列以上の構成の熱交換ユニットについても適用することができる。

図５は本発明の実施の形態２に係る扁平管１５０における接続関係の部品を示す図である。例えば、各列の扁平管を接続するため、図５（ａ）に示す斜めＵベンド１８０により、図２の手前側において、列を跨いで接合する（図５（ｂ）参照）。図５（ｂ）に示す矢印は冷媒の流れを示す。

実施の形態３．
上述の実施の形態においては、ヘアピン構造の扁平管１５０を用いて熱交換器１００（熱交換ユニット）を構成したが、これに限定するものではない。例えば２つの扁平管をＵベンドで接合して、扁平管の冷媒流入口と流出口とが同じ側に位置するようにしてもよい。また、扁平管を円管に変換するジョイントを扁平管に取り付け、円管のＵベンドで接続する構成としてもよい。

また、２つの扁平管をヘッダーで接続して扁平管の冷媒流入口と流出口とが同じ側に位置するようにしてもよい。このとき、蒸発又は凝縮中の気液二相冷媒がヘッダーを通過することになる。そこで、ヘッダー内を仕切って各扁平管を通過する冷媒が混合しないようにすることが望ましい。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成例を表す図である。ここで、図６では冷凍サイクル装置として空気調和装置を示している。図６において、図１等において説明したものについては、同様の動作を行うものとする。図６の空気調和装置は、室外機（室外ユニット）３００と室内機（室内ユニット）２００とをガス冷媒配管４００、液冷媒配管５００により配管接続する。室外機３００は、圧縮機３１１、四方弁３１２、室外熱交換器３１３及び膨張弁３１４を有している。また、室内機２００は、実施の形態１で説明した熱交換器１００である室内熱交換器１０１、ディストリビュータ１１０及び流量調整用毛細管１２０を有している。

圧縮機３１１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、特に限定するものではないが、圧縮機３１１はたとえばインバータ回路等により、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機３１１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を変化させることができるようにしてもよい。四方弁３１２は、たとえば冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換えるための弁である。

本実施の形態における室外熱交換器３１３は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。

絞り装置（流量制御手段）等の膨張弁３１４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。室内熱交換器１０１は、例えば空調対象となる空気と冷媒との熱交換を行う。暖房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。また、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。

最初に、冷凍サイクル装置における冷房運転について冷媒の流れに基づいて説明する。冷房運転においては、実線で示す接続関係となるように四方弁３１２を切り替える。圧縮機３１１により圧縮されて吐出した高温、高圧のガス冷媒は、四方弁３１２を通過し、室外熱交換器３１３に流入する。そして、室外熱交換器３１３内を通過して、室外の空気と熱交換することで凝縮、液化した冷媒（液冷媒）は、膨張弁３１４へ流入する。膨張弁３１４で減圧されて気液二相状態となった冷媒は室外機３００から流出する。

室外機３００を流出した気液二相冷媒は、液冷媒配管５００を通過して室内機２００に流入する。そして、ディストリビュータ１１０と流量調整用毛細管１２０とにより分配され、室内熱交換器１０１に流入する。前述したように室内熱交換器１０１内の扁平管１５０を通過して、例えば空調対象の空気と熱交換することで蒸発、ガス化した冷媒（ガス冷媒）は、室内機２００から流出する。

室内機２００から流出したガス冷媒はガス冷媒配管４００を通過して室外機３００に流入する。そして、四方弁３１２を通過して再度圧縮機３１１に吸入される。以上のようにして空気調和装置の冷媒が循環し、空気調和（冷房）を行う。

次に暖房運転について冷媒の流れに基づいて説明する。暖房運転においては、点線で示す接続関係となるように四方弁３１２を切り替える。圧縮機３１１により圧縮されて吐出した高温、高圧のガス冷媒は、四方弁３１２を通過して室外機３００から流出する。室外機３００を流出したガス冷媒は、ガス冷媒配管４００を通過して室内機２００に流入する。

室内熱交換器１０１内の扁平管１５０を通過して、例えば空調対象の空気と熱交換することで凝縮、液化した冷媒は、ディストリビュータ１１０と流量調整用毛細管１２０とを通過して室内機２００から流出する。

室内機２００から流出した冷媒は液冷媒配管５００を通過して室外機３００に流入する。そして、膨張弁３１４で減圧されて気液二相状態となった冷媒は室外熱交換器３１３に流入する。そして、室外熱交換器３１３内を通過して、室外の空気と熱交換することで蒸発、ガス化した冷媒（液冷媒）は、四方弁３１２を通過して再度圧縮機３１１に吸入される。以上のようにして空気調和装置の冷媒が循環し、空気調和（暖房）を行う。

以上のように、実施の形態４の空気調和装置（冷凍サイクル装置）においては、上述の室内機２００を用いて構成することで、熱交換効率が高い空気調和装置を得ることができる。このため、省エネルギーをはかることができる。また、室内機２００小型化をはかることができる。このため、製造等のコストを低減することができる。

上述の実施の形態では、四方向の空気の流れに対応する熱交換器について説明したが、例えば、二方向、三方向の空気の流れに対応する熱交換器についても適用することができる。また、室内機だけではなく、室外機に配置する熱交換器にも適用することができる。

１００ 熱交換器、１０１ 室内熱交換器、１１０ ディストリビュータ、１２０ 流量調整用毛細管、１３０ ヘッダー、１４０ プレートフィン、１４１ 挿入孔、１４２ スリット、１５０ 扁平管、１５１ 冷媒流路、１６０ 円管ジョイント、１７０ Ｕベンド、１８０ 斜めＵベンド、２００ 室内機、２０１ ターボファン、２１０ 筐体、２１０ａ 天板、２１０ｂ 側板、２１０ｃ ユニット吸込口、２１０ｄ ユニット吹出口、２１１ 化粧パネル、２１１ａ 吸込グリル、２１１ｂ パネル吹出口、２１２ フィルタ、２１３ 風向ベーン、２１４ ベルマウス、２１５ ファンモーター、２１７ 部屋、３００ 室外機、３１１ 圧縮機、３１２ 四方弁、３１３ 室外熱交換器、３１４ 膨張弁、４００ ガス冷媒配管、５００ 液冷媒配管。

本発明に係る熱交換器は、間隔をあけて並べられ、その間を空気が流れる複数のプレートフィンと、プレートフィンの並び方向に沿って冷媒が管内を流れるようにプレートフィンに挿入され、Ｌ字形成した複数の扁平管とを有する熱交換ユニットを組み合わせて矩形状に形成する。

Claims (9)

1. 所定の間隔で並べられ、その間を空気が流れる複数のプレートフィンと、
   前記プレートフィンの並び方向に沿った冷媒流路となるように各プレートフィンと接合した、Ｌ字状に形成された複数の扁平管と
   を有する熱交換ユニットを組み合わせて矩形状に形成する熱交換器。
2. 前記扁平管の冷媒流入口と冷媒流出口とが前記熱交換ユニットの同じ端部側に位置するように前記扁平管をヘアピン形状に形成する請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の扁平管において、ある扁平管の冷媒流出口と別の扁平管の冷媒流入口とをＵベンドでつないだ請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記空気が流れる方向に前記熱交換ユニットを複数列に並べた構成の熱交換器において、
   ある列の扁平管の冷媒流出口と別の列の扁平管の冷媒流入口とを斜めＵベンドでつないだ請求項２又は３に記載の熱交換器。
5. 前記扁平管と円管とを円管ジョイントでつないだ請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記扁平管に流入出する冷媒を分岐合流させる冷媒分岐合流手段をさらに備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. アルミニウム又はアルミニウムを有する材料で各部品を構成した請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器と、
   前記熱交換器の内側に配置され、吸い込んだ空気を放射状に送り出して前記熱交換器を通過させる送風機と
   を備えた室内機。
9. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、
   前記蒸発器、前記凝縮器の少なくとも一方を請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器とした冷凍サイクル装置。

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