JP4922669B2

JP4922669B2 - 空気調和機及び空気調和機の熱交換器

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Publication number: JP4922669B2
Application number: JP2006160425A
Authority: JP
Inventors: 永松信一郎; 遠藤剛; 石神達也; 伏見直之; 浦田和幹
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP2007327707A; CN101086352B; CN101086352A

Description

本発明は、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用する空気調和機に関し、コンパクト性と高効率性を両立し、限られた設置スペースで最大限の性能を図るものに好適である。

空気調和機において熱源側（室外機）の外径寸法を冷暖房能力に対して小型にすることは、輸送性、設置スペース上の制限、廃棄時のリサイクル性を良くする点からも望ましい。特に既設空調設備の更新時には近年のＯＡ機器の急速な普及により、対象となる空調負荷が更新前に比べ大幅に増大しており、既設の設置スペースでより大きな空調能力が要求される。外径寸法を小型化する手段としては、送風用ファンの性能を向上させることで、冷房標準能力が１４〜１６ｋＷで、正面側から見て幅となる外径寸法が６００〜７００ｍｍとされた室外ユニットと、冷房標準能力が２２〜２８ｋＷで、正面側から見て幅となる外径寸法が９００〜１２００ｍｍとされた室外ユニットを構成していることが特許文献１（特許第３４９１５００号公報）に記載されている。また室外機の小型化を実現する上では送風機のみならず熱交換器の高効率化も必要であり、風上側から風下側へ並列に設置される並列熱交換器の分配性について特許文献２（特許第３２１９５０６号公報）に記載されている。

特許第３４９１５００号公報特許第３２１９５０６号公報

コンパクトで高性能な室外機を実現するためには送風機性能のみならず熱源側熱交換器の高性能化が必要であり、同じ設置スペースにより多くの伝熱面積を確保することが重要である。

従来、主に店舗及びビル用空調機に使用される熱交換器ではＵ字の伝熱配管にフィンを組み合わせた、送風機空気流れに対して２列に並設されたフィンチューブ型熱交換器が一般的である。この場合、設置面積は送風機の形態と熱交換器の配置によって左右される為、送風機形態が変わらない場合、熱交換器として小型高性能化する手段は、並設された熱交換器の列数を増やす方法が容易である。

前記熱源側熱交換器において２列の熱交換器を３列にすることで、設置面積に影響の大きい熱交換器周囲の長さを変えずに１．５倍の伝熱面積を確保することができるため、空調機の小型化に寄与できる。ただし、熱源側の熱交換器を２列から３列に増やした場合、熱交換器に挿入される伝熱管の長さも１．５倍になるため、通路抵抗による圧力損失が増大する。これは暖房時、熱源側熱交換器を蒸発器とする場合、蒸発圧力低下により熱交換器のフィン表面温度が低下し、フィン表面に着霜現象を発生させ、熱交換器性能を大幅に低下させる。特に熱源側熱交換器の性能が冷房標準時に２０ｋＷを超える、主にビル用空調で使用される室外機の熱交換器では、着霜による性能低減が顕著に見られる。

また、送風機の空気流れの風上側から見て、熱交換器の1列目から２列目、３列目に空気が流れる際、それぞれ風上側の熱交換器との熱移動により空気温度が変動し、熱交換器性能は送風方向の風下側ほど低下する傾向にある。よって３列熱交換器の熱交性能を最大限活用するためには送風機の空気流れ方向も考慮しなければならない。

本発明の目的は上記従来技術の課題を解決し、限られた設置スペース内での熱交換器性能を最大限活用するための熱交換器を備えた空気調和機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一態様では、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、室外膨張装置、室外送風機を備えた室外機と、電動膨張弁、利用側熱交換器、室内送風機を備えた室内機とを液接続配管及びガス接続配管で接続した空気調和機において、熱源側熱交換器を列数が３列以上のフィンチューブ型熱交換器とし、熱源側熱交換器の配管内の冷媒の流れの向きが冷房時に送風機の風向きに対して対向し、かつ暖房時に前記配管を流れる冷媒の流れの向きが送風機の風向きに対して並行するように配管を配置したものとしている。

さらに、上記の構成において、熱源側熱交換器が暖房蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側からN列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐する分岐部を有し、Ｎ＋１列目の配管内を流れる冷媒の量を前記Ｎ＋２列目の配管に流れる冷媒の量よりも多くすることが望ましい。

さらに、上記の構成において、熱源側熱交換器が暖房蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側からＮ列目の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐する分岐部を有し、Ｎ＋１列目の配管に流れる冷媒の量を前記Ｎ列目の配管に流れる冷媒の量に対して０．５〜０．６とすることが望ましい。

さらに、上記の構成において、熱源側熱交換器が暖房蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側からＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐し、Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から分岐する構造とすることが望ましい。

さらに、上記の構成において、熱源側熱交換器が暖房蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側からN列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐し、Ｎ＋２列目の配管はＮ＋１列目の配管から分岐する構造とすることが望ましい。

さらに、Ｎ＋２列目の配管はＮ＋１列目の配管から６０度以上の角度をなして分岐することが望ましい。

さらに、Ｎ＋２列目の配管はＮ＋１列目の配管から垂直に分岐することが望ましい。

さらに、上記の構成において、配管内を流れる冷媒は、２種類以上の非塩素系フルオロカーボンを混合した混合冷媒とすることが望ましい。

さらに、上記の構成において、熱源側熱交換器が暖房蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側のＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口、Ｎ＋２列目の配管の入口に２又に分岐し、分岐主流側との分岐接合部穴径を調整することでＮ＋１列目の配管の入口、Ｎ＋２列目の配管入口のそれぞれの冷媒分配比を調整可能とすることが望ましい。

本発明によれば、限られた設置スペースの中で最大限の熱交換器性能を活用できるので、コンパクト性と高効率を両立した空調機を提案することができ、既設空調設備の更新時、空調能力を増強する上で好適である。

以下、図を参照して本発明による実施の形態を説明する。
図１において、室外機１３は運転周波数をインバータで可変して制御される容量可変式圧縮機１、容量固定式圧縮機２を有し、各圧縮機は四方弁３へ並列に接続されている。四方弁３は熱源側熱交換器４へ配管接続され、熱源側熱交換器４から室外膨張装置５を介して冷媒量調節器７へ接続されている。また、６は熱源側熱交換器４への流路を切換える電動弁、８は熱源側熱交換器４へ送風する室外送風機である。
さらに、９は電動膨脹弁、１０は利用側熱交換器、１１は室内送風機であり、室内機１２を構成し、室内機１２は液接続配管１４、ガス接続配管１５で室外機１３に連結され、容量可変式圧縮機１、容量固定式圧縮機２、室外機送風機８、室内送風機１１が運転されて空気と熱交換して室内の空気調和が行われる。

つぎに、本実施の形態の動作を説明する。

冷房運転の場合、冷媒は図で実線矢印の方向に流れ、容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２から吐出されたガス冷媒は四方弁３を通過し複数の冷媒通路で構成する熱源側機熱交換器４で凝縮する。凝縮された冷媒は冷媒量調節噐７に入り、冷媒量調節噐７より導出した液冷媒は、室外機１３と室内機１２を接続する液接続配管１４において、配管長に応じた圧力損失により気液二相流となって電動膨脹弁９に入る。
電動膨脹弁９は任意の絞り量設定可能な膨脹装置であり、電動膨脹弁９にて減圧された冷媒は蒸発器となる利用側熱交換器１０に送られ、蒸発し、室内空気が冷却される。蒸発した冷媒はガス接続配管１５を通過して、圧縮機１及び２の吸入側に戻る。

暖房運転の場合、四方弁３を切換えることにより、図で点線矢印の向きに冷媒が流れ、容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２から吐出された冷媒は四方弁３、ガス接続配管１５を通過し、利用側熱交換器１０で放熱して凝縮し、室内の暖房を行う。
凝縮液は電動膨脹弁９で絞られ膨脹し、液接続配管１４内を気液二相流として室外機１３へ搬送され、液接続配管１４の圧力損失によりさらに大きなかわき度になった冷媒は熱源側熱交換器４に送られる。熱源側熱交換器４に送られた冷媒は、蒸発してかわき度の大きな状態になり、四方弁３を通過して容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２に戻る。

図２に比較例の熱源側熱交換器のモデルを示す。フィンと空気との伝熱量Ｑは、
Ｑ＝Ｕ×△Ｔｌｎ×Ａ
Ｑ：伝熱量[Ｗ]
Ｕ：熱伝達係数[Ｗ・ｍ^-2・Ｋ^-1]
Ａ：伝熱面積[ｍ²]
△Ｔｌｎ：対数平均温度差[Ｋ]；△Ｔｌｎ＝（△Ｔ1−△Ｔ２）/{ｌｎ（△Ｔ1/△Ｔ2）}
△Ｔ1、△Ｔ２：フィン表面温度と空気の温度差（図３に記載）
で表される。

図３に示すとおりフィン表面温度と空気の対数平均温度差△Ｔｌｎを最も大きくするために、冷房時凝縮対向流とし、暖房時蒸発並行流となるよう、送風機の空気流れに対して熱交換器の通路を配置する。

図２の場合、例えば熱交換量が冷房標準時２０ｋＷを超えるビル用室外機にする場合、１列当たりの熱交換器長さが１０００ｍｍを超える場合もあり、特に暖房時には熱交換器内での圧力損失による蒸発圧力が低下により、フィン表面温度から着霜を発生し、熱源側熱交換器の熱交換性能を大きく低下させる。

図４に本発明による３列熱交換器のモデルを示す。暖房時、熱交換器通路内での圧力損失を低減させるため、熱交換器1列目出口から２列目入口、３列目入口に並列に冷媒を流すようにすることで、図２に示す熱交換器モデルに対して暖房時の出口通路を２倍にすることができ、前記着霜による不具合から回避するうえで好適である。

また、冷房時には前記熱源側熱交換器は凝縮器となるために、熱交換器入口通路に対して出口通路の面積が１／２となるため、３列目を流れる冷媒流速が２倍になり、熱交換器伝熱管と冷媒との熱伝達率を向上できる。

また、前記熱源側熱交換器は、暖房時蒸発並行流れとなるために、熱交換器を通過する空気の温度は、風下である熱交換器２列目、３列目へと移動するに従い低下していく。このため、熱交換器２列目と３列目の熱交換量をそれぞれＱ２、Ｑ３とするとＱ２＞Ｑ３となる。よって、熱交換器３列目に対して熱交換量の大きい、熱交換器２列目により多くの冷媒を流すことで、熱交換器２列目出口での冷媒循環量不足による過熱領域の拡大を低減でき、熱交換器として最大限の性能を発揮できる。また過熱域の拡大は圧力損失による蒸発圧力低下を招き、熱交換器３列目の出口温度を低下させ、着霜にいたる恐れがあるため、着霜を回避する上でも好適である。

図５に本発明の実施形態による暖房時熱源側熱交換器２列目入口および３列目入口の冷媒循環量の比率を変化させたときの熱交換量の変化例を示す。全冷媒循環量に対する熱交換器２列目を流れる冷媒循環量の比率をｎとすると（ｎ＝熱交換器２列目の冷媒循環量／全冷媒循環量）、ｎ＝０．５〜０．６の領域で高い熱交換量となっており、この範囲内で２列目と３列目の冷媒循環量を分配する必要がある。

上記熱源側熱交換器の冷媒分配を実現するために二又に分岐した配管が必要であるが、図６のように通常のＹ型分岐形状では遠心力による影響で外側にある３列目に流れ易くなるため、性能低下を起こす。

図７に本発明における上記熱源側熱交換器の冷媒分岐を可能とする冷媒配管の形状を示す。分岐配管の主流直線部から垂直に分岐することで、遠心力による影響を避け理想的な分配が可能となる。また、冷媒分配比率の調整は主流側と分岐される配管との接合部の穴径を変更することで可能であり、安価で容易な構造で実現できる。図７の実施例では、分岐配管の主流部から３列目の配管が垂直に分岐する構成としているが、分岐主流の配管から分岐する配管の主流配管に対する角度が６０度以上１００度
以内とすれば、主流配管に流れる冷媒が分岐配管に流れる冷媒よりも多くなり、図６のY型配管を使用した場合と比較して熱交換性能を向上できると考えられる。

図８に本発明による４列及び５列熱交換器のモデルを示す。４列熱交換器時の場合、図7に示した分岐配管を３列目と４列目の分岐に使用することで、暖房時の熱交換器通路内での圧力損失を低減でき、図４に示す熱交換器モデルと同様の改善効果を得ることが出来る。また５列熱交換器の場合、暖房時の熱交換器入口をディストリビュータ等の分配器で１列目及び３列目に分配することで２列熱交換器と３列熱交換器熱交換器の組み合わせとなり、図４に示す熱交換器モデルと同様の改善効果を得ることが出来る。よって３列以上の複数列熱交換器において本発明による分岐配管を使用することで、熱交換器として最大限の性能を発揮できる。また、熱交換器内の圧力損失による蒸発圧力低下を防ぎ、熱交換器出口温度の低下を防止できる構造とすることで、着霜を回避する上でも好適である。

図９に本発明の実施形態における熱源側熱交換器に、図７に示した分岐配管の実装例を、図１０に本発明の実施形態における前記熱源側熱交換器と送風機を配置した空調機の外形図を示す。

図１０において図９に示した熱源側熱交換器は送風機周囲を囲うように構成されており、空気の流れが効率よく熱交換器を通過するよう配置されている。また前記熱源側熱交換器の配管接続は片側に集約することが可能であるため、空調機筐体内冷媒配管をコンパクトに纏めることができる。

図１１に前記室外機を複数組み合わせた場合を示す。前記空調機を外部配管にて連結することで、1つの冷媒系統でより大容量の空調設備を実現できる。この場合、前記熱源側熱交換器を備えた空調機を使用することで、限られたスペース内により多くの台数の空調機を配置することができ、既設空調設備の更新時、空調設備能力の増強に対応できる。また1つの室外機単位が小さくできるため、運搬性、リサイクル性で優位な構成である。

図１２に異なる形状の前記熱源側熱交換器を複数使用することでより大容量な熱交換器として使用した場合の図を示す。この場合、図１０の場合と異なり、外部で室外機同士の接続工事をする必要がなく、工期短縮が可能であり、安全面の上で優位な構成である。

上記本発明の実施例によれば、暖房時の熱源側熱交換器に着霜しにくくし、除霜による快適性の低下の抑制や、除霜の為の逆サイクル運転による冷媒変動を抑制し、信頼性の確保を図ることができる。暖房時の着霜は、特に冷媒として２種類以上の非塩素系フルオロカーボンを混合した混合冷媒を使用した場合に大きな問題となるため、本発明は特に非塩素系フルオロカーボンの混合冷媒を使用した空調機に好適である。

本発明による一実施の形態を示す冷凍サイクルのブロック図。比較例の３列熱交換器モデルを示す図。本発明の一実施形態による温度分布を示す図。本発明の一実施の形態による熱交換器モデルを示す図。冷媒分配比による熱交性能比較図。比較例の分岐配管の構造を示す図。本発明の一実施の形態による分岐配管の構造を図。本発明による４列及び５列熱交換器モデルを示す図。本発明の一実施の形態による熱交換器の外形を示す図。本発明の一実施の形態による空調機の外形を示す図。本発明の一実施の形態による外部接続型空調機の外形を示す図。本発明の一実施の形態による一体型空調機機内配管外形を示す図。

符号の説明

1…容量可変式圧縮機、2…容量固定式圧縮機、3…四方弁、4…熱源側熱交換器、5…室外膨張装置、6…電動弁、7…冷媒量調節器、8…室外送風機、9…電動膨張弁、10…利用側熱交換器、11…室内送風機、12…室内機、13…室外機、14…液接続配管、15…ガス接続配管、16…熱源側熱交換器伝熱配管、17…熱源側熱交換器フィン、18…熱源側熱交換器伝熱配管、19…熱源側熱交換器フィン、20…熱源側熱交換器分岐配管部、21…分岐配管冷媒分配調整穴部、22…熱源側熱交換器、23…分岐配管、24…室外送風機、25…熱源側熱交換器、26…圧縮機、27…室外機、28…液接続配管、29…ガス接続配管、30…熱源側熱交換器、31…圧縮機。

Claims

圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、室外膨張装置、室外送風機を備えた室外機と、電動膨張弁、利用側熱交換器、室内送風機を備えた室内機とを液接続配管及びガス接続配管で接続した空気調和機において、
前記熱源側熱交換器を列数が３列以上のフィンチューブ型熱交換器とし、前記熱源側熱交換器の配管内の冷媒の流れの向きが冷房時に前記室外送風機の風向きに対して対向するように前記配管が配置され、かつ暖房時に前記配管を流れる冷媒の流れの向きが前記室外送風機の風向きに対して並行するように前記配管が配置され、
前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒の流れ方向の上流側からＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐する分岐部を有し、前記Ｎ＋１列目の配管内を流れる冷媒の量を前記Ｎ＋２列目の配管に流れる冷媒の量よりも多くすることを特徴とする空気調和機。
請求項１において、前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側からＮ列目の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐する分岐部を有し、前記Ｎ＋１列目の配管に流れる冷媒の量を前記Ｎ列目の配管に流れる冷媒の量に対して０．５〜０．６とすることを特徴とする空気調和機。
請求項１において、前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒の流れ方向の上流側からＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐し、前記Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から分岐する構造とすることを特徴とする空気調和機。
請求項３において、前記Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から６０度以上１１０度以下の角度をなして分岐することを特徴とする空気調和機。
請求項４において、前記Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から略垂直に分岐することを特徴とする空気調和機。
請求項２において、前記配管内を流れる冷媒は、２種類以上の非塩素系フルオロカーボンを混合した混合冷媒であることを特徴とする空気調和機。
請求項１において、前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒流れ方向の上流側のＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口、Ｎ＋２列目の配管の入口に２又に分岐し、分岐主流側との分岐接合部穴径を調整することで前記Ｎ＋１列目の配管の入口、前記Ｎ＋２列目の配管入口のそれぞれの冷媒分配比を調整可能とすることを特徴とする空気調和機。
熱交換器の列数が３列以上の構造とし、前記熱交換器の配管内の冷媒の流れの向きが冷房時に前記室外送風機の風向きに対して対向し、かつ暖房時に前記配管を流れる冷媒の流れの向きが前記室外送風機の風向きに対して並行するように前記配管を配置し、
前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒の流れ方向の上流側からＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐する分岐部を有し、前記Ｎ＋１列目の配管内を流れる冷媒の量を前記Ｎ＋２列目の配管に流れる冷媒の量よりも多くすることを特徴とする空気調和機の熱交換器。
請求項８において、前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒の流れ方向の上流側からＮ列目の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐する分岐部を有し、前記Ｎ＋１列目の配管に流れる冷媒の量を前記Ｎ列目の配管に流れる冷媒の量に対して０．５〜０．６とする特徴とする空気調和機の熱交換器。
請求項８において、前記熱源側熱交換器が暖房時に蒸発器として使用される場合の、冷媒の流れ方向の上流側からＮ列目の配管の出口（Ｎ≧1）からＮ＋１列目の配管の入口及びＮ＋２列目の配管の入口に２又に分岐し、前記Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から分岐する構造とすることを特徴とする空気調和機の熱交換器。
請求項１０において、前記Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から６０度以上１１０度以下の角度をなして分岐することを特徴とする空気調和機の熱交換器。
請求項１０において、前記Ｎ＋２列目の配管は前記Ｎ＋１列目の配管から垂直に分岐することを特徴とする空気調和機の熱交換器。
請求項８において、前記配管内を流れる冷媒は、２種類以上の非塩素系フルオロカーボンを混合した混合冷媒であることを特徴とする空気調和機の熱交換器。