JP5229031B2 - 空調機 - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた空調機に関する。
高圧冷媒を利用して暖房運転を行う空調機として、例えば、高圧冷媒を輻射熱交換器に流す空調機が特許文献1(特開平7−55234号公報)に開示されている。特許文献1(特開平7−55234号公報)に記載の空調機では、暖房運転時に輻射熱交換器への高圧冷媒の流入を調節する弁が、輻射熱交換器の下流側に配置されており、輻射熱交換器の温度が上限値に達したとき、弁は流路を閉じて高圧冷媒が輻射熱交換器に流れないようにする。
しかしながら、上記の構成では、圧縮機の圧力によって高圧冷媒が輻射熱交換器に押し込まれる状態になり、冷媒および圧縮機油などが輻射熱交換器に滞留する。そのため、冷媒温度が下がり難く、輻射熱交換器の温度が下がって欲しいときに下がらないという状態が発生する。また、圧縮機への油戻りが減るので、圧縮機の信頼性を損なう可能性が高くなる。
そこで、出願人は、輻射熱交換器の上流側に、輻射熱交換器に向う高圧冷媒の流通路を遮断する開閉弁を設けて、高圧冷媒が輻射熱交換器に押し込まれることを防止した。但し、それだけでは、暖房運転中、輻射熱交換器で液化した冷媒が輻射熱交換器および開閉弁近傍に溜まるので、この状態で液冷媒が自然蒸発して内部圧力が上昇した場合、開閉弁が圧力に押されて開と閉を繰り返す現象、いわゆるチャタリングが発生する。
本発明の課題は、暖房運転中、輻射熱交換器で液化した冷媒が輻射熱交換器および開閉弁近傍に溜まっても開閉弁にチャタリングが発生しない空調機を提供することにある。
第1発明に係る空調機は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備え、少なくとも高圧冷媒を利用して暖房運転を行う空調機であって、冷媒回路が、対流熱交換器と、輻射熱交換器と、開閉弁と、逆止弁とを有している。対流熱交換器は、内側を流通する高圧冷媒と外側を対流する空気との間で熱交換を行わせる。輻射熱交換器は、内側を流通する高圧冷媒に所定部材を加熱させてその所定部材から輻射熱を発生させる。開閉弁は、暖房運転時の輻射熱交換器の上流側に設けられ、輻射熱交換器に向う高圧冷媒の流通路を遮断する。逆止弁は、輻射熱交換器と開閉弁との間に設けられる。
この空調機では、輻射熱交換器と開閉弁との間に逆止弁があり、開閉弁が閉じられているとき、開閉弁と逆止弁との間に存在する液冷媒は少なく、仮に、液冷媒が自然蒸発して内部圧力が上昇した場合でも、開閉弁を押し開けるほどの圧力に至らないので、チャタリングの発生は防止される。
第2発明に係る空調機は、第1発明に係る空調機であって、開閉弁が、流通路を遮断する機能と流通路の開度を調整する機能とを有する開度調整弁である。
この空調機では、輻射熱交換器の能力は冷媒の流通路の開度調整で増減され、輻射熱交換器の能力が設定値に達したとき、冷媒の流通路が遮断されるので、利便性および安全性が高い。
第3発明に係る空調機は、第1発明または第2発明に係る空調機であって、開閉弁が、所定部材の温度が許容温度の上限に達したときに流通路を遮断する。
この空調機では、輻射熱交換器を用いた暖房運転を実行中に、輻射熱交換器の所定部材の温度が許容温度の上限に達したとき、高圧冷媒が輻射熱交換器に流れなくなるので、輻射熱交換器内の冷媒の温度低下が速まる。その結果、所定部材の温度低下が速まり、空調機は、再び輻射熱交換器を用いた暖房運転に復帰することができる。
第1発明に係る空調機では、輻射熱交換器と逆止弁との間に存在する液冷媒が少なく、仮に、その液冷媒が自然蒸発して内部圧力が上昇した場合でも、開閉弁を開けるほどの圧力に至らないので、チャタリングの発生は防止される。
第2発明に係る空調機では、輻射熱交換器の能力は冷媒の流通路の開度調整で増減され、輻射熱交換器の能力が設定値に達したとき、冷媒の流通路が遮断されるので、利便性および安全性が高い。
第3発明に係る空調機では、輻射熱交換器を用いた暖房運転を実行中に、輻射熱交換器の所定部材の温度が許容温度の上限に達したとき、高圧冷媒が輻射熱交換器に流れなくなるので、輻射熱交換器内の冷媒の温度低下が速まる。その結果、所定部材の温度低下が速まり、空調機は、再び輻射熱交換器を用いた暖房運転に復帰することができる。
本発明の一実施形態に係る空調機の冷媒回路図。 室内ユニットの内部構造を示す分解斜視図。 熱交換器組立体の側面図。 輻射熱交換器のパネルと伝熱管との取付構造を示す断面図。 暖房運転における第2温度センサの検出温度と開閉弁の動作との関係を示すグラフ。 パネルと伝熱管との第2の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図。 パネルと伝熱管との第3の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図。 パネルと伝熱管との第4の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図。 パネルと伝熱管との第5の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図。 パネルと伝熱管との第6の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図。
以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
<空調機1の冷媒回路10>
図1は、本発明の一実施形態に係る空調機の冷媒回路図である。図1において、空調機1は、主に室内に配置される室内ユニット2と、主に室外に配置される室外ユニット3とが冷媒連絡配管によって接続され、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路10が形成されている。
冷媒回路10では、圧縮機11、四路切換弁12、対流熱交換器13、膨張弁15、室外熱交換器16が順に接続されている。さらに、対流熱交換器13と並列に分岐管40が設けられている。分岐管40には、圧縮機11に近い側から順に、開閉弁41、第1逆止弁42、輻射熱交換器14及び第2逆止弁43が直列に接続されている。また、アキュームレータ20が四路切換弁12と圧縮機11の吸入口との間に接続されている。
四路切換弁12は、圧縮機11から出た冷媒を対流熱交換器13側又は室外熱交換器16側のいずれか一方に流す。たとえば、暖房運転時、制御部は四路切換弁12に図1の実線で示した流路を選択させて冷媒を対流熱交換器13側へ流す。一方、冷房運転時には、制御部は四路切換弁12に図1の点線で示した流路を選択させて冷媒を室外熱交換器16側へ流す。
対流熱交換器13は、複数のフィンと、それらフィンと直交する複数の伝熱管とからなる熱交換器であり、伝熱管内を流通する冷媒とフィン表面上を対流する空気との間で熱交換を行わせる。対流熱交換器13の近傍には、フィン表面に送風するファン23が配置されている。
輻射熱交換器14は、アルミ製の板(以下、パネルという)とそのパネルに固定される伝熱管とからなる熱交換器であり、伝熱管内を流通する高圧冷媒にパネルを加熱させてそのパネルから輻射熱を発生させる。
膨張弁15は、減圧機構としての電動膨脹弁であり、対流熱交換器13と室外熱交換器16との間に接続され、冷媒の流路を絞って冷媒を減圧する。室外熱交換器16は、複数のフィンと、それらフィンと直交する複数の伝熱管とからなる熱交換器であり、伝熱管内を流通する冷媒とフィン表面上を対流する空気との間で熱交換を行わせる。室外熱交換器16の近傍には、フィン表面に送風する室外ファン33が配置されている。アキュームレータ20は、余分な液冷媒を溜めて圧縮機11にガス冷媒だけを戻す。
圧縮機11の吐出口と四路切換弁12とを接続する吐出管には、吐出温度センサ111が取り付けられている。吐出温度センサ111は、圧縮機11から吐出される高圧冷媒の温度を検知する。
制御部は、輻射熱交換器14のパネルの温度を、吐出温度センサ111が検出する温度に基づいて制御する。しかし、開閉弁41と輻射熱交換器14とを接続する配管が長く、圧力損失によって吐出温度センサ111が検出する温度とパネルの温度とが異なる場合は、輻射熱交換器14の高圧冷媒入口の近傍に他の温度センサ(以下、第2温度センサ114という)が取り付けられる。本実施形態では、吐出温度センサ111および第2温度センサ114の両方が採用されている。
<室内ユニット2の内部構造>
図2は、室内ユニットの内部構造を示す分解斜視図である。図2において、室内ユニット2は、フレーム210とグリル240とによって外殻が形成されている。フレーム210は、四角形の開口部211の左端に左板212、右端に右板213、上端に上板214が固定される。フレーム210は、ファン室210aと電装品室210bとを有している。
グリル240は、上吹出口240a、下吹出口240b、開口部240c、左側吸込口240d、および右側吸込口240eを有している。上吹出口240aはグリル240の上部に位置し、下吹出口240bはグリル240の下部に位置する。開口部240cは、パネル14aを室内空間に露出させる。左側吸込口240dはグリル240の左側面に位置し、右側吸込口240eはグリル240の右側面に位置する。
空気は、ファン23の稼動によって左側吸込口240d及び右側吸込口240eから吸い込まれ、パネル14aの断熱された背面と吸込通路形成板115,116の間を通り、対流熱交換器13の上流に配置されたフィルタ218を通過する。フィルタ218を通過した空気は、対流熱交換器13に導かれ対流熱交換器13で熱交換をした後、ベルマウス216の円穴216aを通過してファン23に入る。ファン23から吹き出された空気は、上吹出口240aおよび下吹出口240bに向ってファン室210a内に進み、上吹出口240aおよび下吹出口240bから吹き出される。
ベルマウス216の円穴216aは、ファン23の羽根内径より少し小さめで、円穴216aを通過した空気はファン23の羽根の内側に入り、羽根で昇圧されてファン23の外周方向に吹き出される。
モータ支持板215は、ファン室210aの上部と下部との間に固定され、ファン23の駆動モータ23aを支える。駆動モータ23aは、ネジ23bによってモータ支持板215にネジ止めされる。そして、ベルマウス216がファン室210aを閉じる。電装品箱24は、電装品室210bに保持される。電装品箱24の中には、CPUやメモリなどが搭載された制御部が収納されている。
熱交換器組立体220は、対流熱交換器13と輻射熱交換器14とが合体した構造である。対流熱交換器13の下方には、ドレンパン組立体217が配置されている。例えば、冷房運転時に、空気が対流熱交換器13を通過するとき、空気中に含まれる水分が対流熱交換器13表面で結露する。ドレンパン組立体217は、対流熱交換器13から落下してくる結露水を受ける。
なお、上吹出口240aには、吹出口組立体250が取り付けられている。吹出口組立体250は、空気の吹出方向を変えるルーバーを有している。グリル240の開口部240cの左端、右端および上端それぞれには、左枠241、右枠242および上枠243が取り付けられる。
図3は、熱交換器組立体の側面図である。図3において、熱交換器組立体220では、対流熱交換器13と輻射熱交換器14とが取付板221によって固定されている。取付板221は、輻射熱交換器14の枠14cからパネル14aと反対の方向に延びる板金部材であり、貫通穴221aが形成されている。
対流熱交換器13は、各伝熱管13bの両端近傍に管板13cを有している。管板13cには、取付板221の貫通穴221aに対応するネジ穴が形成されている。対流熱交換器13と取付板221とは、貫通穴221aを介してネジ止めされる。
図4は、輻射熱交換器のパネルと伝熱管との取付構造を示す断面図である。図4において、取付金具14eは、伝熱管14bを挟んでパネル14aと対向し、予めパネル14aに固定されている取付部14dに、取付ネジ14fによってネジ止めされる。取付部14dは、取付ネジ14fが螺合するネジ穴14daを有している。取付金具14eは、平板部14eaと***部14ebとフランジ部14ecとを有している。平板部14eaは、パネル14aの輻射面の裏面に密着する。***部14ebは、平板部14eaから***し、伝熱管14bが嵌まり込むU字溝が形成されている。フランジ部14ecは、平板部14eaの端から***し取付部14dに固定される。フランジ部14ecには、取付部14dのネジ穴14daに対応する貫通穴14edが形成されている。
伝熱管14bがパネル14aの裏面に配置されたのち、取付金具14eの貫通穴14edが取付部14dのネジ穴14daに対向するように配置され、取付ネジ14fによってフランジ部14ecが取付部14dにネジ止めされる。その結果、取付金具14eと伝熱管14bとはパネル14aに押付けられ、取付金具14eと伝熱管14bとからパネル14aへの伝熱性が確保される。
<空調機1の動作>
空調機1は、四路切換弁12で冷媒の流路を変更し、冷房運転と暖房運転とを切り替える。先ず、冷媒回路が暖房運転用の回路になっている場合について説明する。
(暖房運転)
暖房運転時、四路切換弁12では図1の実線で示す流路が選択され、圧縮機11から吐出された高圧のガス冷媒が分岐管40及び対流熱交換器13へ分かれて流れる。その分岐点をA点とよぶ。A点から分岐管40に入ったガス冷媒は、開閉弁41、第1逆止弁42、輻射熱交換器14および第2逆止弁43の順に流れ、対流熱交換器13側から流れてくる冷媒と合流する。その合流点をB点とよぶ。
取付金具14eと伝熱管14bとはパネル14aに密着しているので(図4参照)、ガス冷媒の熱が伝熱管14bを介してパネル14aに伝導し、パネル14aの温度が上昇する。温度上昇したパネル14aからは輻射熱が発せられるので、パネル14a前方の空気や物体が暖められる。輻射熱交換器14では、ガス冷媒はパネル14aとの熱交換によって一部が凝縮し、液冷媒とガス冷媒が混合した状態となる。
A点から対流熱交換器13に入ったガス冷媒は、対流熱交換器13の外側を対流する空気と熱交換して凝縮する。対流熱交換器13で温度上昇した空気は、室内へ吹き出され室内を暖める。
対流熱交換器13を出た液冷媒は、B点で輻射熱交換器14を出た冷媒と合流し室外熱交換器16に向い、途中、膨張弁15で減圧されて室外熱交換器16に入る。冷媒は、室外熱交換器16の外側を対流する空気と熱交換して蒸発しガス冷媒となる。
室外熱交換器16を出たガス冷媒は、四路切換弁12、アキュームレータ20を通って圧縮機11に戻る。以上のように、空調機1では、輻射熱交換器14と対流熱交換器13とによる暖房運転が行われる。
図5は、暖房運転における第2温度センサの検出温度と開閉弁の動作との関係を示すグラフである。図5において、第2温度センサ114の検出温度が所定温度(この場合は70℃)を超えた時点で、開閉弁41は、流路を開から閉に切り換える。つまり、開閉弁41は、輻射熱交換器14に冷媒が流れている状態から、冷媒が輻射熱交換器14に流れず対流熱交換器14のみに流れる状態に切り換える。
そして、予め設定されている切り換え時間T1が経過したとき、開閉弁41は流路を再び閉から開に切り換え、それによって、輻射熱交換器14による暖房運転が復帰する。
対流熱交換器13だけによる暖房運転が行われている間、開閉弁41とB点との間に液冷媒とガス冷媒が滞留したままとなる。その状態で、液冷媒が自然蒸発した場合、開閉弁41とB点との間の内部圧力が上昇する。しかし、本実施形態では、輻射熱交換器14と開閉弁41との間に第1逆止弁42があるので、仮に、液冷媒が自然蒸発して内部圧力が上昇した場合でも、輻射熱交換器14内の圧力は開閉弁41には及ばない。また、開閉弁41と第1逆止弁42との間に存在する液冷媒が少ないので、それが自然蒸発して内部圧力が上昇した場合でも、開閉弁41を押し開けるほどの圧力に至らず、チャタリングの発生は防止される。
対流熱交換器13だけによる暖房運転が行われている間に、輻射熱交換器14のパネル14aの温度が十分に低下したとき、分岐管40が開閉弁41によって開けられ、再び輻射熱交換器14と対流熱交換器13とによる暖房運転が行われる。
(冷房運転)
次に、冷媒回路が冷房運転用の回路になった場合について説明する。冷房運転時、四路切換弁12では図1の点線で示す流路が選択され、圧縮機11から吐出された高圧のガス冷媒が室外熱交換器16に向う。ガス冷媒は、室外熱交換器16の外側を対流する空気と熱交換して凝縮する。室外熱交換器16から出た液冷媒は、対流熱交換器13へ向う途中、膨張弁15で減圧され対流熱交換器13に入る。なお、液ガス冷媒は対流熱交換器13に入る前にB点で分岐管40へ流れようとするが、第2逆止弁43に阻まれる。
対流熱交換器13に入った液冷媒は、対流熱交換器13の外側を対流する空気と熱交換して蒸発しガス冷媒となる。対流熱交換器13で温度低下した空気は、室内へ吹き出され室内を冷却する。対流熱交換器13から出たガス冷媒は、A点を通過して四路切換弁12に向い、四路切換弁12、アキュームレータ20を通過して圧縮機11に戻る。
<特徴>
以上のように、空調機1では、輻射熱交換器14を用いた暖房運転を実行中に、輻射熱交換器14のパネル14aの温度が許容温度の上限に達したとき、開閉弁41が分岐管40を閉じて高圧冷媒は輻射熱交換器14に流れなくなる。その結果、輻射熱交換器14内の冷媒の温度低下が速まり、パネル14aの温度低下が速まるので、空調機1は、再び輻射熱交換器14を用いた暖房運転に復帰することができる。
さらに、輻射熱交換器14と開閉弁41との間に第1逆止弁42があるので、開閉弁41が閉じられているとき開閉弁41と第1逆止弁42との間に存在する液冷媒が少なく、仮に、液冷媒が自然蒸発して内部圧力が上昇した場合でも、開閉弁41を押し開けるほどの圧力に至らず、チャタリングの発生が防止される。
<変形例>
上記実施形態では、分岐管40を開閉するために開閉弁41が採用されているが、開閉弁41に替えて、分岐管40の流通路を遮断する機能と分岐管40の流通路の開度を調整する機能とを有する開度調整弁が採用されてもよい。
なぜなら、輻射熱交換器14のパネル14aの温度が流通路の開度調整で増減され、パネル14aの温度が上限値に達したとき冷媒の流通路が遮断されるので、利便性および安全性が高くなる。
<その他の変形例>
輻射熱交換器14のパネル14aと伝熱管14bとの取付構造は、図4に示す形態に限定されるものではない。以下、図6から図10を用いて他の取付構造について説明する。なお、説明の便宜上、パネル14aの輻射面と反対側の面を裏面という。
図6は、パネルと伝熱管との第2の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図である。図6において、取付パネル141は、パネル14aの裏面に接合される平板部141aと、平板部141aから***する***部141bとを有している。***部141bは、伝熱管14bの直径より高く***し、伝熱管14bが嵌まり込むU字溝141cが形成されている。伝熱管14bがU字溝141cに嵌め込まれた後、U字溝141cの開口端が伝熱管14bの外周面を押えるようにカシメ加工される。
図7は、パネルと伝熱管との第3の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図である。図7において、パネル14aと伝熱管14bとがロウ付けによって接合される。パネル14aと伝熱管14bとの接触部に形成されるコーナーにロウ140が行き渡るので、伝熱管14bからパネル14aへの熱伝導性が高い。
図8は、パネルと伝熱管との第4の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図である。図8において、第1取付金具341は、パネル14aの裏面に接合される平板部341aと、平板部341aから***する***部341bとを有している。平板部341aは、スポット溶接あるいはロウ付け溶接によってパネル14aの裏面に密着するように接合される。***部341bは、伝熱管14bの直径寸法程度に***し、伝熱管14bが嵌まり込むU字溝341cが形成されている。また、U字溝341cの両側にネジ穴341dが形成されている。
第2取付金具342は、第1取付金具341のネジ穴341dに対応する貫通穴342aを有している。第2取付金具342は、U字溝341cに嵌め込まれた伝熱管14bを覆うように、第1取付金具341にネジ343によってネジ止めされる。伝熱管14bはU字溝341cから僅かに突出しているので、第2取付金具342が第1取付金具341にネジ止めされたとき、伝熱管14bは圧迫されU字溝341cに密着する。
図9は、パネルと伝熱管との第5の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図である。図9において、押え金具441は、パネル14aの裏面に接合される平板部441aと、パネル14aの裏面とによって伝熱管14bを挟み込むU字溝441bとを有している。伝熱管14bがパネル14aの裏面に配置された後、押え金具441のU字溝441bが伝熱管14bを覆う。その状態で、平板部441aとパネル14aの裏面とがスポット溶接、或はロウ付け溶接によって接合される。
図10は、パネルと伝熱管との第6の取付構造を示す輻射熱交換器の断面図である。図10において、パネル14aは、裏面の伝熱管14bの配置位置と対応する部分に***部541を有している。***部541には、伝熱管14bが嵌まり込むU字溝541aが形成されている。U字溝541aは、伝熱管14bが嵌まり込んだとき、伝熱管14bの外周面が僅かに突出する程度の深さである。U字溝541aの両側にはネジ穴541bが形成されている。
押え金具542は、***部541のネジ穴541bに対応する貫通穴542aを有している。押え金具542は、***部541から僅かに突出した伝熱管14bの外周面を覆うように、ネジ543によって***部541にネジ止めされる。
以上のように、本発明によれば、輻射熱交換器を用いた暖房機器に有用である。
1 空調機
10 冷媒回路
13 対流熱交換器
14 輻射熱交換器
41 開閉弁
42 第1逆止弁
特開平7−55234号公報

Claims (3)

  1. 蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路(10)を備え、少なくとも高圧冷媒を利用して暖房運転を行う空調機であって、
    前記冷媒回路(10)が、
    内側を流通する前記高圧冷媒と外側を対流する空気との間で熱交換を行わせる対流熱交換器(13)と、
    内側を流通する前記高圧冷媒に所定部材を加熱させて前記所定部材から輻射熱を発生させる輻射熱交換器(14)と、
    前記暖房運転時の前記輻射熱交換器(14)の上流側に設けられ、前記輻射熱交換器(14)に向う前記高圧冷媒の流通路を遮断する開閉弁(41)と、
    前記輻射熱交換器(14)と前記開閉弁(41)との間に設けられる逆止弁(42)と、
    を有している、
    空調機(1)。
  2. 前記開閉弁(41)は、前記流通路を遮断する機能と前記流通路の開度を調整する機能とを有する開度調整弁である、
    請求項1に記載の空調機(1)。
  3. 前記開閉弁(41)は、前記所定部材の温度が許容温度の上限に達したとき前記流通路を遮断する、
    請求項1又は請求項2に記載の空調機(1)。
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