JP2022029568A - 空気調和機の室内機及び空気調和機用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器に流入する空気の風速分布を向上させ、より熱交換性能が高い熱交換器を備えた空気調和機の室内機及び空気調和機用熱交換器を提供する。【解決手段】空気調和機の室内機１００は、上部に吸込口２が形成され、前面部下側に吹出口３が形成されたケーシング１と、ケーシング１内の吸込口２の下流側に設けられた軸流型又は斜流型のファン２０と、ケーシング１内のファン２０の下流側であって、吹出口３の上流側に設けられ、ファン２０から吹き出された空気と冷媒とが熱交換する熱交換器５０と、を備える。熱交換器５０は、冷媒が流通する伝熱管５７と、伝熱管５７に熱的に接続されている複数のフィン５６と、を備え、複数のフィン５６の設置間隔がケーシング１の長手方向で変化している。【選択図】図４

Description

本開示は、空気調和機の室内機及び空気調和機用熱交換器に関する。

従来から、ファンと熱交換器とをケーシング内に収納した空気調和機が知られている。熱交換器の下流にファンを設ける構成の空気調和機には、ファンに流入する空気の流れの不安定性から風量の低下が引き起こされたり、熱交換器によって流れの乱された空気が流入することによってファンユニットが騒音源となったりするという問題点がある。

この問題点を解決する技術に関連して、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、ケーシング内の吸込口の下流側に設けられた複数の軸流型又は斜流型のファンと、ケーシング内のファンの下流側であって、吹出口の上流側に設けられた熱交換器、とを備え、複数のファンは、室内機のケーシングの長手方向に沿って併設されており、隣接するファンは、互いの回転方向が逆方向となっている、空気調和機の室内機が記載されている。

特許文献１の空気調和機の室内機は、熱交換器の上流に複数のファンを備えており、隣り合うファンの回転方向が逆方向となっている。これにより、隣接するファンから発生する旋回流の影響を低減でき、熱交換器に流入する空気の風速分布のバラツキを改善し、熱交換器の性能向上を図っている。

国際公開第２０１２／０１７４８１号

しかしながら、特許文献１に記載の空気調和機の室内機では、室内機の熱交換器に流入する空気の風速分布を考慮した構成として必ずしも十分とは言えない。そのため、熱交換器の更なる熱交換性能の向上に改善の余地を残している。

本開示は、上記事由に鑑みてなされたものであり、熱交換器に流入する空気の風速分布を向上させ、より熱交換性能が高い熱交換器を備えた空気調和機の室内機及び空気調和機用熱交換器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本開示の空気調和機の室内機は、上部に吸込口が形成され、前面部下側に吹出口が形成されたケーシングと、ケーシング内の吸込口の下流側に設けられた軸流型又は斜流型のファンと、ケーシング内のファンの下流側であって、吹出口の上流側に設けられ、ファンから吹き出された空気と冷媒とが熱交換する熱交換器と、を備え、熱交換器は、冷媒が流通する伝熱管と、伝熱管に熱的に接続されている複数のフィンと、を備え、複数のフィンの設置間隔がケーシングの長手方向で変化している。

本開示によれば、空気調和機の室内機の熱交換器は、冷媒が流通する伝熱管と、伝熱管に熱的に接続されている複数のフィンと、を備え、複数のフィンの設置間隔が筐体の長手方向で変化している。そのため、本開示によれば、熱交換器に流入する空気の風速分布を向上させ、より熱交換性能が高い熱交換器を備えた空気調和機の室内機及び空気調和機用熱交換器が得られる。

本開示の実施の形態１における空気調和機の室内機を示す外観斜視図 本開示の実施の形態１における空気調和機の室内機を示す縦断面図 本開示の実施の形態１における空気調和機の室内機を示す正面断面図 空気調和機の室内機のフィンの具体的構成を示す正面断面図 本開示の実施の形態２における空気調和機の室内機を示す正面断面図 空気調和機の室内機における暖房運転時の冷媒流路を模式的に示す図 空気調和機の室内機における暖房運転時の冷媒温度分布を模式的に示す図

以下、添付図面を参照しながら本開示に係る空気調和機の具体的な実施の形態について説明する。以下の各実施の形態では、壁掛け方の空気調和機の室内機を例に本開示を説明する。以下の説明では、図に示されたＸＹＺ軸の内、Ｙ軸矢印方向を前面側とし、Ｚ軸矢印方向を上側とする。また、各実施の形態で示す図では、各ユニット、又は各ユニットの構成部材の形状、大きさ等が一部異なる場合もある。なお、以下の実施の形態により、本開示が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、図１～図３を参照して、室内機１００の全体構成を説明する。

室内機１００は、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用することで、室内の空調対象域に空調空気を供給するものである。室内機１００は、室内空気を内部に吸い込むための吸込口２及び空調空気を空調対象域に供給するための吹出口３が形成されているケーシング１を備える。また、室内機１００は、ケーシング１内に収納され、吸込口２から室内空気を吸い込み、吹出口３から空調空気を吹き出すファン２０を備える。

さらに、室内機１００は、ファン２０から吹出口３までの風路に配設され、冷媒と室内空気とで熱交換することで空調空気を作り出す熱交換器５０を備える。そして、これらの構成要素により、ケーシング１内において、図１の矢印Ｗで示す風路が形成されている。

熱交換器５０は、図２に示すように、ケーシング１内で３つの部分の熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃとして配置されている。熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれにおいて、後述する図３のフィン５６及び伝熱管５７が配置されている。

吸込口２は、ケーシング１の上部に開口して形成されている。吸込口２は、図１に示すように、３つの円形の吸込口２ａ、２ｂ、２ｃとして配置されている。

吹出口３は、ケーシング１の下部、より詳しくはケーシング１の前面部下側に開口形成されている。

ファン２０は、吸込口２の下流側で、かつ、熱交換器５０の上流側に配設されており、例えば軸流ファン又は斜流ファン等で構成されている。ファン２０は、図１に示すように、３つの円形の吸込口２ａ、２ｂ、２ｃに対応する位置のファン２０ａ、２０ｂ、２０ｃとして配置されている。ファン２０は、それぞれ図示しないモータに回転可能に接続されている。

吸込口２ａ及びファン２０ａ、吸込口２ｂ及びファン２０ｂ、並びに、吸込口２ｃ及びファン２０ｃは、ケーシング１の内側に設けられた仕切り板９０ａ、９０ｂにより、ケーシング１の長手方向に沿って３つの領域に区切られている。

さらに、室内機１００には、吹出口３において、気流の吹出方向を制御する機構である、図１及び図２に示す上下ベーン７０、及び、図３に示す左右ベーン８０が設けられている。

上下ベーン７０は、図２に示す上下ベーン７０ａ、７０ｂとして配置されている。上下ベーン７０ａ、７０ｂのそれぞれの前端部が、手動又は自動で上下に揺動する。すなわち、気流の吹出方向に沿った上下ベーン７０ａ、７０ｂの向きが上下に移動する。

左右ベーン８０は、図３に示す左右ベーン８０ａ、８０ｂ、８０ｃとして配置されている。左右ベーン８０ａ、８０ｂ、８０ｃのそれぞれの下端部が、手動又は自動で左右に揺動する。すなわち、気流の吹出方向に沿った左右ベーン８０ａ、８０ｂ、８０ｃの向きが左右に移動する。

また、室内機１００は、ファン２０の回転数、及び上下ベーン７０及び左右ベーン８０の向き等を制御する制御装置２８１を備えている。制御装置２８１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備える。制御装置２８１において、ＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出して、ＲＡＭをワークメモリとして用いながら、室内機１００全体の動作を制御する。

一般的に、空気調和機の室内機は、設置スペースに制約があるためにファンを大きくできないことが多い。このため、所望の風量を得るために、適度な大きさのファンを複数並列に配置する。本実施の形態１に係る室内機１００は、図１に示すように、ケーシング１の長手方向、換言すると吹出口３の長手方向、に沿って、３個のファン２０が並列に配置されている。現在の一般的な空気調和機の室内機の寸法において所望の熱交換能力を得るには、ファン２０が例えば２個～４個設けられる。本実施の形態１に係る室内機においては、ファン２０はすべて同一形状で構成される。

制御装置２８１がファン２０の動作回転数をすべて等しく制御することにより、全てのファン２０で均等な送風量を得ることができる。一方で、熱交換器５０の上流側に例えば軸流ファンであるファン２０を設ける室内機１００では、ファン２０の後方に旋回流が発生し、熱交換器５０に流入する風速の分布がより複雑となる。

また、複数のファン２０が回転することによって、室内機１００の内部に発生する気流は、室内機１００のケーシング１の長手方向に風速のバラツキをもっている。そこで、設置されるファン２０の個数又は形状等によって決まる、風速分布に適合した熱交換器設計が、空気調和機全体の省エネルギ性能向上に必要となる。

図３に示すように、室内機１００の熱交換器５０は、ファン２０の風下側に配置されている。熱交換器５０には、フィンチューブ型熱交換器を用い、熱交換器５０の小型化を図っている。より詳しくは、本実施の形態１に係る熱交換器５０は、所定の間隔を介して積層された複数のフィン５６と、これらフィン５６を貫通する伝熱管５７と、を備えている。

伝熱管５７は、屈曲して複数列に往復する直線部である平行部５７ｃを有する。伝熱管５７は、図示された他にも設けられており、複数の伝熱管５７のそれぞれの端部を接続して、冷媒の流路が形成される。

本実施の形態１では、室内機１００のケーシング１の長手方向に、フィン５６が積層されている。つまり、伝熱管５７の平行部５７ｃは、室内機１００のケーシング１の長手方向に沿って、フィン５６を貫通している。この状態で、複数のフィン５６は、伝熱管５７に熱的に接続されている。

また、直径が例えば３ｍｍ～７ｍｍ程度の細い円管で伝熱管５７を構成し、伝熱管５７を流れる冷媒をＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbons）冷媒であるＲ３２とすることにより、熱交換器５０の小型化を図っている。冷媒は、室内機１００及びこの室内機１００を備えた空気調和機に用いられる。

Ｒ３２は他のＨＦＣ冷媒、例えばＲ４１０Ａと比べ、同一温度における蒸発潜熱が大きく、より少ない冷媒循環量で同一能力を発揮できる。このため、Ｒ３２を冷媒に使用することにより、冷媒使用量の削減が可能となり、また、直径が細い円管であっても、圧力損失を低減することができる。したがって、伝熱管５７を細い円管で構成し、冷媒としてＲ３２を用いることにより、熱交換器５０を小型化することができる。

次に、図３に示したフィン５６の構成、及び、について、図４を参照してより具体的に説明する。

本実施の形態１では、熱交換器５０を構成するフィン５６の設置間隔が室内機筐体の長手方向に変化している。従来の室内機では、複数のフィンが室内機のケーシングの長手方向に、等しい間隔を空けて設置されていた。

しかし、本実施の形態１に係る室内機１００では、熱交換器５０の上流側に、複数の軸流ファン又は斜流ファン等のファン２０が設置されている。そして、ファン２０の後方の旋回流の影響により、室内機１００のケーシング１の長手方向に、複雑な風速分布が発生する。熱交換器５０に流入する空気の風速分布の不均一性は、熱交換性能の低減、又は、空気側風路抵抗の増大の要因となる。

さらに、熱交換器５０へ流入する空気の風速が大きい箇所と小さい個所とでは温度効率が異なることにより、ケーシング１の長手方向に対して熱交換器出口の空気温度に差異が生まれる。これにより、吹出口３の近傍に設置されている上下ベーン７０及び左右ベーン８０に対し、結露が発生する。したがって、熱交換器５０に流入する空気の風速分布を均一化することは、空気調和機全体の省エネルギ性能及び品質を向上させることとなる。

そこで、本実施の形態１では、室内機１００の熱交換器５０を構成するフィン５６の設置間隔が、室内機のケーシング１の長手方向に対し変化させる。図４に、本実施の形態１に係る室内機１００の正面断面図を示す。

本実施の形態１に係る室内機１００では、ファン２０によって発生した気流が熱交換器５０に到達するときの、図４の左右方向であるケーシング１の長手方向での風速のばらつきに応じて、フィンの設置間隔が変化している。より詳しくは、熱交換器５０に流入する空気の風速が比較的大きい箇所のフィン群５６ａと比較的小さい箇所のフィン群５６ｂとで、その設置間隔が変化している。

風速の比較的大きい箇所は、ファン２０の外周近傍であり、風速の小さい箇所は、ファン２０の回転軸の、及び仕切り板９０ａ、９０ｂの延長線上にある箇所である。風速の大きい箇所であるフィン群５６ａの設置間隔を狭く、風速の小さい箇所であるフィン群５６ｂの設置間隔を広くすることにより、フィン間を空気が流れる際の通風抵抗を調整することができ、熱交換器５０に流入する風速分布を均一化することができる。これにより、熱交換器５０の熱交換性能を向上させることができる。

また、吹出口３の近傍に設置されている上下ベーン７０及び左右ベーン８０における結露発生を抑制することができる。

さらに、吹出口３から流出する空気の、ケーシング１の長手方向に対する風速分布も均一化されることから、室内空間の温度ムラが低減され、居住者の快適性を向上させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、室内機１００の熱交換器５０を構成するフィン５６の設置間隔が室内機筐体の長手方向に変化している他の例を説明する。

図５は、実施の形態２に係る室内機１００の正面断面図である。図６は、本開示の空気調和機の室内機１００における暖房運転時の冷媒流路を模式的に示す図である。また、図７は、本開示の空気調和機の室内機１００における暖房運転時の冷媒温度分布を模式的に示す図である。

本実施の形態２に係る室内機１００では、図５に示すように、図５の左右方向である室内機のケーシング１の長手方向に対し、冷媒入口及び冷媒出口側の近傍に設置されたフィン群５６ｃの設置間隔が広くなっている。また、冷媒入口及び冷媒出口側の近傍以外に設置されたフィン群５６ｄの設置間隔が狭くなっている。

ここで、本実施の形態２の作用効果について、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７に示すように、本実施の形態２の室内機１００の熱交換器５０が凝縮器として動作する場合は暖房運転時である。このとき、熱交換器内を流れる冷媒の状態は、過熱ガスの領域、気液二相の領域、過冷却液の領域に分けられ、この順に変化する。

この内、冷媒が単相状態である過熱ガス及び過冷却液の領域は、気液二相状態に対し、管内側である冷媒側の熱伝達率が低下する。このため、熱交換器の性能向上には、過熱ガス及び過冷却液の領域をより狭くすることが重要である。

一方で、図７に示すように、過熱ガス及び過冷却液では、互いの冷媒の温度差が大きくなる。特に、冷媒としてＲ３２を使用する際には、その物性に起因して、熱交換器内の過熱ガス及び過冷却液の温度差が大きくなる傾向にある。これらの温度差が、冷媒と空気との温度差を上回る場合には、フィンを通じて冷媒同士が熱交換するフィン内熱伝導が起こる。これにより、熱交換器の性能を低下させてしまう。

上記の問題に対して、本実施の形態２のように、図５の左右方向である室内機１００のケーシング１の長手方向に対し、伝熱管５７の冷媒入口５７ａ及び冷媒出口５７ｂとなる側に設置されたフィン群５６ｃの設置間隔を、その他のフィン群５６ｄの設置間隔より広くする。ここで、冷媒入口５７ａ及び冷媒出口５７ｂとなる側は、過熱ガス及び過冷却液の領域である。

フィン群５６ｃ及びフィン群５６ｄにより、過熱ガス及び過冷却液の領域の空気の通風抵抗が小さくなり、本領域に流入する風量の増加、及び本領域における空気側の熱伝達率向上が期待できる。これにより、冷媒側の熱伝達率低下を補い、熱交換器５０全体の性能を向上させることができる。

また、本実施の形態２では、過熱ガス及び過冷却液に設置されるフィン群５６ｃの枚数が少なくなることで、過熱ガス及び過冷却液の冷媒温度差に起因して発生するフィン内熱伝導の影響を低減することができる。

以上、本開示について実施の形態に基づいて説明したが、本開示は前記した実施の形態及び変形例に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

例えば、実施の形態１の構成と実施の形態２の構成とを組み合わせることも可能である。

また、上記実施の形態では空気調和機の室内機に本開示を適用した場合について説明したが、例えば室外機に適用することも可能である。

１ ケーシング、２、２ａ、２ｂ、２ｃ 吸込口、３ 吹出口、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ ファン、５０ 熱交換器、５６ フィン、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ フィン群、５７ 伝熱管、５７ａ 冷媒入口、５７ｂ 冷媒出口、５７ｃ 平行部、７０、７０ａ、７０ｂ 上下ベーン、８０、８０ａ，８０ｂ、８０ｃ 左右ベーン、９０ａ、９０ｂ 仕切り板、１００ 室内機、２８１ 制御装置。

Claims (6)

1. 上部に吸込口が形成され、前面部下側に吹出口が形成されたケーシングと、
   前記ケーシング内の前記吸込口の下流側に設けられた軸流型又は斜流型のファンと、
   前記ケーシング内の前記ファンの下流側であって、前記吹出口の上流側に設けられ、前記ファンから吹き出された空気と冷媒とが熱交換する熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、前記冷媒が流通する伝熱管と、前記伝熱管に熱的に接続されている複数のフィンと、を備え、
   前記複数のフィンの設置間隔が前記ケーシングの長手方向で変化している、
   空気調和機の室内機。
2. 前記複数のフィンの設置間隔が、前記空気の風速が大きい前記ファンの外周部付近で狭く、前記空気の風速が小さい前記ファンの回転軸付近で広い、
   請求項１に記載の空気調和機の室内機。
3. 前記伝熱管の冷媒入口及び冷媒出口付近を含んで設置された前記複数のフィンの設置間隔が、その他の前記複数のフィンの設置間隔より広い、
   請求項１に記載の空気調和機の室内機。
4. 前記伝熱管は、屈曲して複数列に往復する平行部を有し、
   前記平行部は、前記複数のフィンを貫通する、
   請求項２又は３に記載の空気調和機の室内機。
5. 空気調和機用熱交換器であって、
   冷媒が流通する伝熱管と、前記伝熱管に熱的に接続されている複数のフィンと、を備え、
   複数のフィンの設置間隔が、フィン間を通過する空気の風速が大きい領域で狭く、前記空気の流速が小さい領域で広い、
   空気調和機用熱交換器。
6. 空気調和機用熱交換器であって、
   冷媒が流通する伝熱管と、前記伝熱管に熱的に接続されている複数のフィンと、を備え、
   前記伝熱管の冷媒入口及び冷媒出口付近を含んで設置された前記複数のフィンの設置間隔が、その他の前記複数のフィンの設置間隔より広い、
   空気調和機用熱交換器。

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