JP2012102992A - 室外機のパラレルフロー多段凝縮過冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】一般空調機・冷凍機にパラレルフロー型凝縮器、過冷却器を装着した室外機を提供し、既設空調機・冷凍機・自動車にも追加でパラレルフロー型過冷却器を提供する。
【解決手段】アルミ押出材で形成した多穴管チューブとアルミコルゲートフィンで構成するパラレルフロー型凝縮器をなし、この凝縮器内部の冷媒通路の配置を入口側通路郡と出口側通路郡との通路断面積の比が３対１以上取り、且つ出口側通路郡の通路断面積は出口管の径以上を確保した室外機の凝縮器、過冷却器及び追加過冷却器である。
【選択図】図６

Description

本発明は、空調機・冷凍機の室外機及に於ける凝縮器・過冷却器及び追加過冷却器に関する。

自動車のエアコンなどには冷媒としてＨＦＣ−１３４ａが使用され、その凝縮器に図４、図５に示すアルミ押出材でできたチューブやヘッダー管を組み合わせたパラレルフロー型凝縮器が使用されている。例えば特開昭６３−３４４６６号公報（特許文献１）、或いは特開平３−６７９６８号公報（特許文献２）に開示されている。

また、通常の空調機・冷凍機などで経年劣化したものには室外機に追加で凝縮器を取付けて機能を蘇らせるものも出ている。例えば特許第３２１８２８９号公報（特許文献３）、或いは特許第３４９２４２２号公報（特許文献４）に開示されている。

しかし、特許文献１や特許文献２のようなアルミ押出材でできたチューブやヘッダー管で構成したパラレルフロー型熱交換器は一般家庭用や業務用空調機、冷凍機などには殆ど使われていない。

図１に従来型の冷暖房を備えた空調機の冷凍サイクル図を示す。同図より実線矢印の冷房サイクルの冷媒の流れから、圧縮機３で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは四方弁４で実線矢印方向より従来型のプレートフィン型凝縮器６で構成された熱交換器５に入り、ファン７で吸い込んだ外気によって冷却されディストリビュータ８で集合して膨張弁９で減圧し室内機２へ送られるが、先に逆止弁１０で一方方向に冷媒の流れを調整した後、受液器１２で完全に凝縮しなかった冷媒ガスを分離し液状冷媒のみを室内機２へ送る。

室内機２では同じくプレートフィン型の蒸発器１６を備えた室内機熱交換器１４に室内の空気を送る室内機ブロア１５が風をあて、室内に冷気を噴出し室内温度を下げる。この後、蒸発した冷媒ガスは戻りの配管を通り先の四方弁４を通過して圧縮機３に戻る。

暖房時の冷媒の流れは上記実線矢印とは逆方向の破線矢印の暖房サイクルの流れで循環する。すなわち高温高圧の冷媒ガスは、まず最初に室内機熱交換器１４に入り放熱しながら冷媒ガスは凝縮液化されて逆止弁１０を通過後受液器１２でガスを分離した後、膨張弁９で減圧し、今度は熱交換器５で蒸発させて外気より熱を吸収し四方弁４を通過後、圧縮機３に戻る。

現在の空調機・冷凍機ではこのような仕組みで運転されているが、この室外機の凝縮器にはプレートフィン型が使用され自動車のようなパラレルフロー型は形状及び仕様が確立できないため使用できなかった。

また、特許文献３ではＨＦＣ−１３４ａを冷媒ガスとする空調機を対象とするが、現在の一般空調機や冷凍機ではこのＨＦＣ−１３４ａは全く使用されず、しかもここ１０年程の間で販売された空調機器や冷凍機は殆どインバーター仕様のものであり、この特許文献３が考える気液２相の飽和状態の冷媒を追加凝縮器を取り付けて完全凝縮する目的に対し、現在の空調機・冷凍機ではすでに完全に凝縮した状態で室外機の凝縮器から室内機に液化冷媒ガスが送られているという現状があり、追加凝縮器として装着してもなかなか効果が見出せないという課題があった。

同様に特許文献４でも、対象機器はＲ２２という冷媒に限定して空調機内部の冷媒ガスを全てＨＦＣ−１３４ａに入替え、追加凝縮器を用い冷媒を凝縮させようとするものである。これも現在の空調機や冷凍機ではＲ２２の冷媒はかなり古いもの以外はあまり見かけなくなってきており、しかも冷媒を入替えての効果を期待するため、本体製造メーカからの修理やメインテナンスを受けられない弊害が出ている。また、追加凝縮器も従来のプレートフィン型を使用するため冷却効率も良くないという課題があった。

特開昭６３−３４４６６号公報 特開平３−６７９６８号公報 特許第３２１８２８９号公報 特許第３４９２４２２号公報

したがって、従来の一般空調機・冷凍機に使用されているプレートフィン型凝縮器の形状では、複数本の丸い銅やアルミ管で形成されているため、必要な放熱量を確保するためには長い経路が必要となり、何回か折返しを設けてアルミフィンと連結するため装置が大型化する問題があった。
しかも、地球温暖化阻止の手段として従来のフロン系冷媒から脱フロン系冷媒であるＨＦＣ−１３４ａに移行するためには従来のプレートフィン型凝縮器では凝縮できないため、パラレルフロー型凝縮器が必要といわれていた。

またプレートフィン型凝縮器のチューブには従来より銅管が使用されコスト高になる傾向にあった。最近の凝縮器ではこの銅管チューブの替わりにアルミ管チューブを使ったものもある。しかし、アルミより銅の方が熱伝導率が高いため同じ熱交換量を確保するには新型の装置の凝縮器は大きくなる傾向にある。

本発明の目的は一般空調機・冷凍機に現在使用されているプレートフィン型凝縮器の代わりに、カーエアコンに使われる冷媒の凝縮効率の高いパラレルフロー型凝縮器を一般空調機・冷凍機の凝縮器に使用できるようにするため形状や機能の向上を図り、熱交換効率を上げスペースとコストの削減を目的とする。

また、経年劣化を起こした古い室外機や容量の足りない室外機に追加で取付ける熱交換器でも、従来の追加凝縮器のように凝縮だけを目的とせず、液化冷媒の凝縮及び過冷却として凝縮器と同様の形状のパラレルフロー型過冷却器を使用し熱交換効率を上げ、より冷媒温度を下げて使用電力の削減を図ることを目的とする。

本発明の室外機のパラレルフロー型多段凝縮器は、アルミ押出し材で形成した多穴管チューブとコルゲートフィンとが交互配置に積層されるとともに、多穴管チューブの両端にヘッダー管が連結されてなり、且つヘッダー内部に仕切板を設けることにより、前記多穴管チューブによって構成される冷媒通路が入口側通路郡と出口側通路郡とを含む少なくとも２つ以上の通路郡に区画されて、冷媒を少なくとも１回以上蛇行させて流通するように構成されるとともに、各通路郡の通路断面積が入口から出口に向かって減少されてなることを特徴とした凝縮器を空調機・冷凍機等の室外機に装着し冷媒の凝縮を行うものである。

しかも一般空調機・冷凍機に使用するには大量の冷媒の通過に対応するため、エントロピーの減少を防ぐ効果として上記凝縮器を２枚重ねて並列にし、内部通路郡の総断面積を増やすなどの対策を講じる。図３に示す様に熱容量確保に対しこの２枚並列の凝縮機を２段連結して下段を過冷却器として使用する場合も可能である。

また、上記パラレルフロー型凝縮器を、経年劣化や設置環境によって容量不足を起こした室外機に過冷却器として追加で設置することも可能である。このとき空調機の暖房時にはこの追加凝縮器に冷媒を通さないために１組の逆止弁２７、２８を組み込む。

本発明の室外機のパラレルフロー型多段凝縮器では、従来のプレートフィン型凝縮器と比べ冷媒の通過する放熱部の管の形状がアルミ押出材で形成した細いチューブを何列にも配置しているため、冷媒ガスが接触する面積が増大し放熱効果が高く、且つ凝縮器内部の冷媒通過経路に於いて膨張・圧縮を繰り返し通過冷媒自身でも冷却を誘発する構造を持たせることにより、より効率よく冷却凝縮を促進し装置の小型化・低価格化に寄与する。

また、このようなパラレルフロー型凝縮器を追加で過冷却器として既設の空調機・冷凍機の室外機に設置すれば、より凝縮冷媒の温度が下がり、ＣＯＰの向上から冷房効果が上がる。

また、同様に自動車のコンデンサーの前面にこのパラレルフロー型凝縮器を追加で過冷却器として取り付けることにより自動車のエアコンも能力が上がり燃費の節約に繋がる。

本発明の背景技術として一般的な空調機・冷凍機の冷凍サイクル図を示す。 同様にして背景技術となるプレートフィン型凝縮器の模式図である。 本発明の室外機のパラレルフロー型多段凝縮器、過冷却器を上下２段に接続した模試図である。 本発明のパラレルフロー型凝縮器の動作を示す断面図である。 本発明のパラレルフロー型凝縮器の構造を示す部分詳細図である。 本発明の室外機のパラレルフロー型多段凝縮器、過冷却器を構成した冷凍サイクル図である。 本発明のパラレルフロー型凝縮器の動作を示す部分断面図である。 本発明のパラレルフロー型凝縮器の冷凍サイクルとモリエル線図である。 既設の室外機に本発明の追加過冷却器を取付けた空調機・冷凍機の冷凍サイクル図を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基いて説明する。

（実施の形態１）
図６に本発明に於ける室外機のパラレルフロー型多段凝縮器を組み込んだ冷凍サイクル図を示す。前記、図１のプレートフィン型凝縮器６に対しパラレルフロー型凝縮器３１及び過冷却器３２を組み換えたものである。冷凍サイクルは前記図１と同じく実線矢印の冷房サイクル、破線矢印が暖房サイクルの冷媒の流れを示す。

図２に従来のプレートフィン型熱交換器の模試図を示す。この図では入口管ＩＮから入った冷媒はパイプ状のチューブ２６及びディストリビュータ８を通過し出口管ＯＵＴまで流れる。その間このパイプ状のチューブ２６に熱伝導でフィン１７に熱が伝達され外気に放熱しパイプ内の冷媒を冷却する。この間、冷媒の通るパイプ状のチューブ２６の断面形状は入り口から出口の細管後ディストリビュータ８で合流する以外の途中の形状は変化しない。

これに対し図４で示すような本発明のパラレルフロー型凝縮器では、入口管２１より入った冷媒は出口管２３まで到達する過程で、図中Ａ層からＤ層までの経路を通過する。多穴管チューブ１８に各部の冷媒の流れ方向を示す矢印１１０を記入し冷媒の動きを説明している。

先ず入口管２１から冷媒はヘッダー管２４の最初の部屋２４ａ室に入る。図７に示す様にこの時入口管２１の断面積に対して２４ａ室の体積は１０倍以上になり、高速で流れる気体が急激に体積を膨張されるため圧力が低下し、断熱膨張を起こして冷媒ガスの温度を下げる。実測では３度位温度が下がる。

この断熱膨張した冷媒ガスはこの２４ａ室から今度は細い多穴管チューブ１８の入口側通路郡に押し込まれるため急激に圧力が上がりまた温度も若干上昇する。同図では矢印の様にＡ層としてヘッダー管２４の２４ａ室から右のヘッダー管２０の２０ａ室に冷媒ガスが移動する。

この多穴管チューブ１８の通路郡は上下にコルゲートフィン１９で挟まれるように交互に配置され、ファン７の送風による大気の通過によってチューブ通過の冷媒の温度を下げる。

この冷却された冷媒ガスはヘッダー管２０の２０ａ室に入るがこの２０ａ室も多穴管チューブ１８の通路郡の数倍の断面積を有し、ここでもガスの体積が急激に断熱膨張するため冷媒ガスの温度を下げる働きがある。

２０ａ室で冷媒ガスはそのまま下方に流れＢ層の穴管チューブ１８の通路郡に押し込まれる。このＢ層では先のＡ層に比べ本数を少なくするためＡ層よりも高速に冷媒ガスは流れる。Ａ層と同様、大気と熱交換し冷媒ガスの温度を下げる。

Ｂ層を通過した冷媒ガスは今度はヘッダー管２４の２４ｂ室に入るがここでも急激な体積膨張から冷媒ガスは温度を下げ下方に流れ、Ｃ層の多穴管チューブ１８の通路郡に押し込まれる。ここでもＢ層より木数を少なくした多穴管チューブ１８をより高速に冷媒ガスは流れる。

しかも、このＣ層あたりから冷媒ガスは液化が進み、気液二相の飽和状態の泡状態となって流れヘッダー管２０の２０ｂ室に入る。

この２０ｂ室からＤ層の多穴管チューブ１８の出口側通路郡に入るがこの本数を極端に減らし高速に流すことによって高圧となった冷媒は強制的に圧縮され完全に液化凝縮して２４ｃ室に押出され出口管２３を経て外部に出力される。

ここで、特に一般的なカーエアコンに使用されるコンデンサーとの相違点、或いは前述の背景技術に記載した特許文献１・２に見られる先願との相違点または有利な点は、Ｄ層の出口側通路郡のチューブ本数に対してＡ層の入口側通路郡の本数は３倍以上を確保することが好ましく、特に流れる冷媒量が格段に多いためＤ層の出口側通路郡のチューブ総断面積が配管径や出口管径以上を確保し、圧損を考慮しても１．３倍以上を確保することが実験により必要であることを発見した。

また、カーエアコン用コンデンサーの多穴管チューブの厚みは１ｍｍが通例であるが一般空調機・冷凍機では冷媒量が多いため同じく圧損を減らし且つ最大の冷却効果を達成するためチューブ厚を１．８ｍｍ以上３ｍｍ以内（図７では２ｍｍ）のものを使用することが好ましいことも実験により発見している。

（実施の形態２）
一般に空調機・冷凍機内の冷媒ガスは高圧状態では温度が５０度以下になると凝縮して液体の冷媒となる。この液化した冷媒を膨張弁を介して減圧し、室内機に送り室内機の蒸発器で蒸発させ冷媒を気化して冷風を室内に噴出す。

この液化冷媒の温度を５０度からさらに下げることにより、室内機の蒸発器から出る冷気は下がり、空調機の設定温度に到達しやすくなる。それゆえ早く圧縮機が停止し、インバーター制御の空調機であれば圧縮機の回転数を下げる制御が行われることが実験によってわかった。

図３では、上下２段の凝縮器を備え、上段では通常の凝縮作用を行い下段ではこの凝縮された冷媒をさらに過冷却器として冷却を行って液化冷媒の温度を下げ、最大で大気温度（２８度位〜３５度位）まで下げる。

また、一般の空調機・冷凍機では蒸発器出口の温度を検出して、５℃程度に設定した過熱度になるように膨張弁の開度を調整する。本発明のように完全凝縮液化冷媒ガスをさらに過冷却し蒸発器に入る冷媒の温度を下げることにより、蒸発器から出る気化した冷媒ガスの温度も下がり、早く適度な過熱度に到達することから、空調機・冷凍機では膨張弁を絞り必要以上の冷媒を流さないように圧縮機の回転数を自動的に下げる。

このため室内機の噴出し温度を下げてＣＯＰを上げると同時に、圧縮機の回転数を下げることにより電力消費量を下げる働きに繋がりＣＯ２削減に貢献する。

図８にこの過冷却部を備えた本発明の冷凍サイクルのモリエル線図を表す。この図では通常のサイクルではａ→ｂ→ｃ→ｄと状態が変化し図中の様に
冷房サイクル ＣＯＰ＝（ｈ１−ｈ４）／（ｈ２−ｈ１）
暖房サイクル ＣＯＰ＝（ｈ２−ｈ３）／（ｈ２−ｈ１）
としたＣＯＰの計算式が成り立つが、本発明による過冷却部を備えた凝縮器の場合ｄ→ｄ’、ａ→ａ’矢印１０１と、液相に入り尚且つ冷媒の冷却が進みＣＯＰ向上に貢献する。

本発明によれば、このＣＯＰの状況は同図より
冷房サイクル ＣＯＰ＝（ｈ１−ｈ４’）／（ｈ２−ｈ１）
暖房サイクル ＣＯＰ＝（ｈ２−ｈ３’）／（ｈ２−ｈ１）
と表せる。

このように、凝縮液化した冷媒の温度を極力下げることが望ましく、その方法として実施形態２では図３の様に凝縮器・過冷却器を２枚並列にして冷媒通路の圧力損失を下げ、凝縮器・過冷却器でのエントロピーの増大を抑制している。

同図８では凝縮器に於ける等エントロピー線の理想線１０３と実際線１０２を表す。上記冷媒通路の圧力損失が高くなると同図の実際線１０２の傾きが上がり理想線１０３との開きが出るほど圧縮機の損失が大きくなりｃ→ｃ’の点まで変化し圧縮機の電力損失が大きくなる。

このため本発明ではパラレルフロー凝縮器３１及び過冷却器３２を２枚並列にして冷媒通路の圧力損失を下げる工夫をしている。

また、この方法では図の下段の過冷却器３２では通過する冷媒は全て液化した冷媒であることから、上記Ｄ層の多穴管チューブ１８の総断面積は必ず出口管径の１．３倍以上を確保することが必要である。

（実施の形態３）
図９に於いて既設の空調機、冷凍機でプレートフィン型凝縮器６を通った冷媒は、通常では配管２５を経て膨張弁９にて減圧されるが、この配管２５部分で切断し追加の過冷却器である追設過冷却器３０ａ及び並列に動作する追設過冷却器３０ｂを室外機１の外部に設置することにより実施形態２と同様の効果を得ることが出来る。

外部に追加で設置するにはフレアナット１３の接続を介して、或いはろう付け溶接にて配管接続を行い、追加の過冷却器の冷却用に追設ファン２９を設置し独立したユニットとして形成することが出来、且つこの追設ファン２９を省略して追設過冷却器３０ａ及び並列に動作する追設過冷却器３０ｂを室外機１の外部のプレートフィン型凝縮器６の前面に貼り付けることも可能である。

この場合、追設過冷却器３０ａ・３０ｂから放出される熱がプレートフィン型凝縮器６を通過するため若干プレートフィン型凝縮器６の効率は落ちるが、全体として熱交換容量が増すことから影響は無い。

同図では実線矢印は冷房サイクルであるが、この追設過冷却器３０ａ・３０ｂには逆止弁２７及び逆止弁２８を設置し、冷房時のみこの追設過冷却器３０ａ・３０ｂに冷媒を通し、暖房時は逆止弁２７で冷媒の通過を阻止し追設過冷却器３０ａ・３０ｂに冷媒を通さず、逆止弁２８で通過させることにより、冬季で追設過冷却器３０ａ・３０ｂの凍結を防止することが出来る。

この実施の形態３では、前述の背景技術に記載した特許文献３・４に見られる先願特許による、飽和状態の冷媒を完全に凝縮する目的とは異なり飽くまで冷媒の熱を放出し、より冷媒を冷却するものである。

前述の如く室外機から出てくる冷媒は事実上飽和状態のものは殆ど無く、すべて液化した冷媒であり先願特許では現実とはかけ離れた状態を想定している。従って、特許文献３・４では目的が異なるためこの熱交換効率が低く使用電力削減にはあまり効果は期待できなかった。

実際には高圧状態の冷媒を５０度以下に冷却すれば必ず凝縮液化が行われる。本特許ではこの冷媒の温度を極力下げる方法として追加で過冷却器を設置するものであり、どれだけ省スペースで効率を上げるかがポイントとなり、冷媒の冷却効率を上げることを目標としている。

（実施の形態４）
上記、実施の形態３で示した追設過冷却器３０ａ・３０ｂの容量を小さくして自動車用凝縮器の前面に装着することにより、自動車の空調にも実施の形態３と同様の効果が期待できる。自動車では室内用空調機と違って夏の直射日光を受けるなど過酷な環境下でも対応しなければならない。

一般には室内用空調機の８畳用（３０ｍ^３）の倍の能力のものを車内（３ｍ^３）で必要とされる。このような大きな能力を要求される自動車では、要求通りの能力を満たすには限られたスペースでの凝縮器の設置では容量不足になりがちである。

実施の形態３と同様に追加で過冷却器を凝縮器後の配管経路に直列に設置することにより、より冷媒ガスの凝縮が促進され且つ冷媒温度も下げられることから、より効率良く車内を冷やすことができＣＯＰが上がり圧縮機の負荷が減ることから燃費の節約につながる。

上記実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１室外機、２室内機、３圧縮機、４四方弁、５熱交換器、６プレートフィン型凝縮器、７ファン、８ディストリビュータ、９膨張弁、１０逆止弁、１１電磁弁、１２受液器、１３フレアナット、１４室内機熱交換器、１５室内機ブロア、１６蒸発器、１７フィン、１８多穴管チューブ、１９コルゲートフィン、２０ヘッダー管、２１入口管、２２仕切板、２３出口管、２４ヘッダー管、２５配管、２６チューブ、２７逆止弁、２８逆止弁、２９追設ファン、３０ａ・３０ｂ追設過冷却器、３１パラレルフロー凝縮器、３２過冷却器

Claims (3)

1. アルミ押出し材で形成した多穴管チューブとコルゲートフィンとが交互配置に積層されるとともに、多穴管チューブの両端にヘッダーが連結されてなり、且つヘッダー内部に仕切板を設けることにより、前記多穴管チューブによって構成される冷媒通路が入口側通路郡と出口側通路郡とを含む少なくとも２つ以上の通路郡に区画されて、冷媒を少なくとも１回以上蛇行させて流通するように構成されるとともに、各通路郡の通路断面積が入口から出口に向かって減少されてなることを特徴とし、この減少比率に於いて入口側通路郡と出口側通路郡の通路断面積が３対１以上の比率をなし、且つ出口側通路郡の通路断面積は出口管の径以上の断面積を確保することを特徴とするパラレルフロー型凝縮器・過冷却器を使用した空調機・冷凍機等の室外機。
2. 請求項１に記載した同じ形状を特徴とする過冷却器であって、既設の空調機・冷凍機の室外機に追加で設置し、室外機の凝縮器の出口管より直列配管にて接続し配管内部を通す凝縮液化冷媒ガスをさらに大気温度近くまで冷却させ、且つ暖房時は逆止弁を使いこの追加凝縮器に冷媒を通さない構造を成す過冷却器。
3. 請求項２で示した追加過冷却器であり、カーエアコンの凝縮器に追加する自動車用過冷却器である。

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