JPWO2014203500A1 - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室外送風機を有する室外機と室内熱交換器を有する室内機とを連環して冷媒を循環させ、蒸気圧縮式の冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成し、冷暖房を行う空気調和機であって、室外熱交換器と室外送風機との間に位置し、四方弁と室外熱交換器との間に接続される補助熱交換手段を備える。これにより、室外機の外形を大きくすることなく、室外熱交換器の能力を補助することができ、小型で性能の良い空気調和機を提供することができる。

Description

本発明は、冷媒を用いて冷凍・ヒートポンプサイクルを構成し冷暖房を行う空気調和機の性能向上のための技術に関するものである。

近年、地球温暖化が大きな問題となり、空気調和機の性能向上に対する要求が厳しくなってきている。また、温暖化係数の低い冷媒を使用しようという動きが顕著になっており、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）の代替冷媒として、自然冷媒や、炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）などの冷媒が注目されている。

しかし、冷媒にＨＦＯの一種であるＲ１２３４ｙｆを用いた場合は、圧力損失が大きいため、室内機と室外機が離れて設置されるセパレート型のエアコンには不向きである。冷媒にＲ１５２ａや炭化水素を用いた場合は、可燃性への対応が性能の低下やコスト増大をまねく。冷媒に二酸化炭素を用いた場合は、性能の低下が大きく実用的な性能を得るのが困難である。

そこで、早期に地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒に転換するために、セパレート型のエアコンではＲ３２が普及しつつある。

一般的な空気調和機は、基本的に圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を連環して、冷凍・ヒートポンプサイクルを構成している。送風ファンによって、室外の空気は室外熱交換器に、室内の空気は室内熱交換器にそれぞれ供給されて、冷房または暖房の空気調和を行う。

このような空気調和機の性能を向上させるため、圧縮機、送風機、および熱交換器の性能向上に対する様々な取組みが行われている。

このような取組みにおいて、室外サブクール熱交換器を設けて性能向上を図る空気調和機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に開示された従来の空気調和機の概略構成を示している。室内熱交換器２、室内送風機３を備えた室内機１と、圧縮機５、四方弁６、室外熱交換器７、膨張弁８、アキュムレータ９、室外送風機１０を備えた室外機４とが配管で連環されている。冷房運転では、冷媒は矢印１３の向きに流れるが、暖房運転では四方弁６が切替えられて冷媒は矢印１４の向きに流れる。

更にこの空気調和機は、室外熱交換器７と膨張弁８の間に、室外サブクール熱交換器２１が接続され、室外熱交換器７の風上側に配置されている。

特開２０００−２０５６７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている上記構成では、室外熱交換器７の外側に室外サブクール熱交換器２１を配置しないと効果がないので、室外サブクール熱交換器２１の分だけ外側に室外機４が大きくなる。室外熱交換器７と室外サブクール熱交換器２１とが一体に構成されている場合であっても室外機４が大きくなっていることに変わりはない。なお、最近の傾向では、室外熱交換器７に室外サブクール熱交換器２１が元々組込まれている場合が多く、室外サブクール熱交換器２１を新たに追加することは困難である。

また、空気調和機の性能向上のための他の取組みとして、熱交換器の投入量を増やすという方法が提案されている。「投入量を増やす」とは、熱交換器に使用している銅管やアルミフィンの量を増やすことを意味し、熱交換器の前面（開口）面積を大きくしたり、流れ方向における熱交換器の列数を増やすという仕様変更がなされることが多い。

しかしながら、熱交換器の前面（開口）面積を大きくする方法は、性能の向上は大きいが、装置自体が大きくなってしまう。熱交換器の列数を増やす方法は、投入量の増加の割に性能の向上は小さい。

これらの従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室外送風機を有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機とを連環して冷媒を循環させ、蒸気圧縮式の冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成し、冷暖房を行う空気調和機であって、室外熱交換器と室外送風機との間に位置し、かつ四方弁と室外熱交換器との間に接続される補助熱交換手段を備えた構成としてある。

これにより、室外熱交換器を大きくすることなく、室外熱交換器を大きくすることと同様の性能向上効果を得ることができる。すなわち、補助熱交換手段は四方弁と室外熱交換器との間に接続されているので、補助熱交換手段における冷媒は、冷房時においては室外熱交換器を流れる冷媒よりも温度が高く、暖房時においては室外熱交換器を流れる冷媒よりも温度が低い。これにより、室外熱交換器と室外送風機との間に補助熱交換手段が配置されても、補助熱交換手段は空気と熱交換することができる。

従って、室外機の外形を大きくすることなく、室外熱交換器の能力を補助することができ、小型で性能の良い空気調和機を提供することができる。

本発明は、室外機の外形を大きくすることなく、室外熱交換器の能力を補助することができるので、小型で性能の良い空気調和機を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１における空気調和機の構成図である。 図２は、同実施の形態１における室外補助熱交換器を説明するための斜視図である。 図３は、同実施の形態１における室外補助熱交換器の断面図である。 図４は、従来の空気調和機の構成図である。

第１の発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室外送風機を有する室外機と室内熱交換器を有する室内機とを連環して冷媒を循環させ、蒸気圧縮式の冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成し、冷暖房を行う空気調和機であって、室外熱交換器と室外送風機との間に位置し、四方弁と室外熱交換器との間に接続される補助熱交換手段を備えた構成としたものである。

この構成により、補助熱交換手段は四方弁と室外熱交換器との間に接続されているので、補助熱交換手段における冷媒は、冷房時は室外熱交換器を流れる冷媒よりも温度が高く、暖房時は室外熱交換器を流れる冷媒よりも温度が低い。これにより、室外熱交換器と室外送風機との間に補助熱交換手段が配置されても、補助熱交換手段は空気と熱交換することができる。

以上より、室外機の外形を大きくすることなく、室外熱交換器の能力を補助することができる。従って、小型で性能の良い空気調和機を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明において、補助熱交換手段が銅管で構成されているものである。

これにより、補助熱交換手段を安価に構成にすることができる。従って、安価な構成で目的を達成する空気調和機を提供することができる。

第３の発明は、第２の発明において、銅管の少なくとも一部にフィンを備えたものである。

これにより、補助熱交換手段の熱交換性能を向上させることができる。従って、さらに性能の良い空気調和機を提供することができる。

第４の発明は、第１の発明において、室外機は、暖房運転時に生じる凝縮水を排出するドレン排水口を備えた底板を有し、補助熱交換手段の少なくとも一部が、底板に接触するものである。

これにより、底板からの放熱あるいは吸熱を促進するとともに、暖房期に除霜運転を行う際、ドレン排水口を備えた底板を加熱することができる。従って、暖房期のドレン排水口における氷結を防ぎ、暖房性能の高い空気調和機を提供することができる。

第５の発明は、第４の発明において、膨張弁と室外熱交換器とを接続する配管は、室外熱交器の下部に配置されている伝熱管と接続されている構成である。

これにより、暖房あるいは冷房の通常運転時に、室外熱交換器と膨張弁とを接続する配管は相対的に外気温度に近く、補助熱交換手段に当る風が相対的に外気温度に近くなり、補助熱交換器の熱交換量を増加させることができる。従って、補助熱交換手段の性能を最大限に引き出すことができる。

第６の発明は、第１の発明において、冷媒にＲ３２を使用したものである。

Ｒ３２は、圧縮機の吐出温度が高いという物性を有しており、室外熱交換器の温度と補助熱交換手段の温度の温度差が、他の冷媒を用いた場合と比べて大きく放熱しやすい。従って、補助熱交換手段によって、容易に性能向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和機の構成図を示すものである。

図１に示すように、空気調和機は、室内熱交換器２、室内送風機３を備えた室内機１と、圧縮機５、四方弁６、室外熱交換器７、膨張弁８、アキュムレータ９、室外送風機１０、室外補助熱交換器１１を備えた室外機４とを配管で連環して空気調和機を構成している。より具体的には、この空気調和機は、室内機１と、室外機４とを備えている。室内機１は、室内熱交換器２、室内送風機３を備えている。室外機４は、圧縮機５、四方弁６、室外熱交換器７、膨張弁８、アキュムレータ９、室外送風機１０、室外補助熱交換器１１を備えている。そして、室内熱交換器２、圧縮機５、四方弁６、室外熱交換器７、膨張弁８、アキュムレータ９、室外補助熱交換器１１を配管で連環している。

このような冷凍サイクル回路において、四方弁６と室外熱交換器７との間に補助熱交換手段である室外補助熱交換器１１が備えられている。また、空気の流れに関し、室外補助熱交換器１１は、室外熱交換器７と室外送風機１０との間に設けられている。室外補助熱交換器１１は、室外熱交換器７に対して、空気流れ方向において下流側に設けられている。

図１では、四方弁６は冷房運転時の状態（除霜運転時の状態も含む）を示している。上記構成において、冷媒は圧縮機５で高温高圧に圧縮され、四方弁６を経て室外補助熱交換器１１を通り、室外熱交換器７を通る間に室外送風機１０によって運ばれる外気と熱交換して凝縮し液冷媒となる。そして、室外機４からは加熱された排気１２が排出される。

液状態となった冷媒は膨張弁８において減圧膨張し、気液二相状態で室内機１へ送られる。冷媒は、室内熱交換器２で蒸発し、室内送風機３によって運ばれる室内空気を冷却する。そして、冷えた空気が室内へ排出されることで、室内が冷房される。

室外補助熱交換器１１は、四方弁６と室外熱交換器７の間に接続されているので、室外サブクール熱交換器２１が凝縮した冷媒を冷却する従来の構成（図４参照）と違い、圧縮機５から吐出された過熱域の冷媒を冷却する。

このため、室外補助熱交換器１１における冷媒の温度は、室外熱交換器７における冷媒の凝縮温度よりも高く、室外熱交換器７と室外送風機１０の間に室外補助熱交換器１１が配置されても放熱することが可能である。

従って、室外機４の外形を大きくすることなく、室外熱交換器７の能力を補助することができ、小型で性能の良い空気調和機を提供することができる。

冷房運転では、冷媒は矢印１３の方向に流れるが、暖房運転では四方弁６が切替えられて冷媒は矢印１４の方向に流れる。

暖房運転では、室内熱交換器２が凝縮器、室外熱交換器７が蒸発器となる。そして、室外補助熱交換器１１における冷媒の温度は、室外熱交換器７における冷媒の蒸発温度よりも低く、室外熱交換器７と室外送風機１０の間に配置されても吸熱することが可能である。

従って、暖房運転時においても、小型で性能の良い空気調和機を提供することができる。

図２は、室外補助熱交換器１１の構造および配置の例を示す斜視図である。室外熱交換器７は、平板状のフィン７ａと、フィン７ａを貫通する伝熱管７ｂとを備えた、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。

図２に示すように、室外補助熱交換器１１は、フィン１１ａを備えた上部銅管１６と、室外機４の底板１８と接触するように配置された下部銅管１７で構成されている。下部銅管１７は、上部銅管１６の鉛直下方に配置され、フィン１１ａを備えていない銅管である。フィン１１ａは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。

上部銅管１６の一端と、下部銅管１７の一端は、Ｕ字状の銅管で接続されている。上部銅管１６の他端は、四方弁６に配管で接続されている。下部銅管１７の他端は、室外熱交換器７に接続されている。

なお、室外補助熱交換器１１は、室外熱交換器７の下方でかつ室外送風機１０が設けられた側に、室外熱交換器７と所定の間隔を有し近接して設けることが好ましい。室外補助熱交換器１１と室外熱交換器７との間に所定の隙間を有し、室外補助熱交換器１１と室外熱交換器７とを接続する配管以外では、室外補助熱交換器１１と室外熱交換器７とを接触させない。これにより、室外補助熱交換器１１と室外熱交換器７との間の熱交換を防止できる。

室外機４の外殻の底面は、底板１８で形成されている。室外熱交換器７の直下には、暖房運転時に室外熱交換器７で結露した凝縮水や、除霜によって発生した水を排水するためのドレン排水口２２が底板１８に設けられている。

図２において、冷房時には、冷房運転の際、冷媒は矢印１９のように四方弁６から室外補助熱交換器１１に流れ込む。そして、冷媒は矢印２０のように流れて、室外補助熱交換器１１から室外熱交換器７に流れる。

室外補助熱交換器１１は、主に銅管で構成されており、安価に構成することができる。

また、室外補助熱交換器１１は、フィン１１ａを備えることで、空気との熱交換性能を向上させることができる。フィンの仕様は要求される性能に応じて設計すれば良いが、フィンの枚数を増やしすぎると通風抵抗が増し、逆に性能が悪化する可能性があるので、十分検討して最適な仕様を決めることが重要である。

なお、室外補助熱交換器１１に設けられたフィン１１ａの隣接するフィン同士の間隔は、室外熱交換器７に設けられたフィン７ａの隣接するフィン同士の間隔と比較して、大きくなるようにすることが好ましい。これにより、室外補助熱交換器１１によって、通風抵抗を増加させることがなく、従って室外熱交換器７の熱交換性能を悪化させることがない。

また、下部銅管１７が室外機４の底板１８と接触するよう配置固定されている。これにより、底板１８からの放熱、吸熱が可能となり、さらに熱交換性能を向上させることができる。

加えて、暖房期に除霜運転を行う際は、最初に室外補助熱交換器１１に高温の冷媒が流れ、下部銅管１７周辺の底板１８が加熱される。このため、室外熱交換器７から滴下した凝縮水が氷結し、ドレン排水口２２を閉塞することを防止できる。これによって、ドレン排水口２２からの排水を確保することができ、暖房性能の向上を図ることができる。

図３は、図２と同様、室外補助熱交換器１１の構造および配置の例を示す側断面図である。図３の矢印２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６、２７、２８、２９、３０は冷房（除霜）運転時の冷媒の流れを示している。暖房運転時の冷媒の流れはその逆である。

室外熱交換器７には外気３１が導かれる。室外熱交換器７と外気３１との熱交換により外気３１は排気１２となって、室外機４から排出される。室外熱交換器７の下部、つまり底板１８の近傍にて、膨張弁８に接続する配管４０が伝熱管７ｂと接続されている。すなわち、室外熱交換器７の下部、つまり底板１８の近傍に液冷媒が多く流れる配管４０が配置されている。

また、室外補助熱交換器１１は、室外熱交換器７の伝熱管７ｂと、室外熱交換器７と膨張弁８とを結ぶ配管４０との接続部分に対して、空気の流れ方向における下流側に設けることが好ましい。つまり、配管４０は、室外熱交換器７が備える伝熱管７ｂのうち、室外補助熱交換器１１における上部銅管１６より下方で、下部銅管１７より上方に設けられた伝熱管７ｂに接続することが好ましい。

配管４０に接続された伝熱管７ｂにおける冷媒の温度は、冷房運転では室外熱交換器７の中で一番低く、暖房運転では一番高くなる。一方、室外補助熱交換器１１の温度は室外熱交換器７よりも、冷房運転では高く、暖房運転では低くなる。

このため、室外熱交換器７と室外補助熱交換器１１との温度差が大きくなる。その結果、室外補助熱交換器１１の熱交換効率をさらに高めることができる。

また、本実施形態において使用する冷媒は、現在、セパレート型のエアコンなどで使用されているＲ４１０Ａなどでも十分な効果を発揮するが、Ｒ３２（ジフオロメタン）を使用すると、冷房運転時に室外補助熱交換器１１の放熱量を大きくすることが可能である。つまり本発明においては、Ｒ３２を使用した場合に、冷房運転でより大きな効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる空気調和機は、コストの増大やサイズの拡大をまねくことなく、性能を向上させることができる環境負荷の小さな装置を提供することができる。従って、空気調和機だけに止まらず、セパレート型のショーケースや、冷蔵庫などに広く適用することができる。

１ 室内機
２ 室内熱交換器
３ 室内送風機
４ 室外機
５ 圧縮機
６ 四方弁
７ 室外熱交換器
７ａ フィン
７ｂ 伝熱管
８ 膨張弁
９ アキュムレータ
１０ 室外送風機
１１ 室外補助熱交換器
１１ａ フィン
１６ 上部銅管
１７ 下部銅管
１８ 底板
２２ ドレン排水口
４０ 配管

Claims (6)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室外送風機を有する室外機と室内熱交換器を有する室内機とを連環して冷媒を循環させ、蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルあるいは冷凍サイクルを構成し、冷暖房を行う空気調和機であって、前記室外熱交換器と前記室外送風機との間に位置し、前記四方弁と前記室外熱交換器との間に接続される室外補助熱交換手段を備えた空気調和機。
2. 前記室外補助熱交換手段が銅管で構成されている請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記銅管の少なくとも一部にフィンを備えた請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記室外機は、暖房運転時に生じる凝縮水を排出するドレン排水口を備えた底板を有し、前記室外補助熱交換手段の少なくとも一部が、前記底板に接触する請求項１に記載の空気調和機。
5. 前記膨張弁と前記室外熱交換器とを接続する配管は、前記室外熱交換器の下部に配置されている伝熱管に接続されている請求項４に記載の空気調和機。
6. 冷媒としてＲ３２を使用した請求項１に記載の空気調和機。

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