JP5744219B2 - 室外機 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、除霜機能を有する室外機に関するものである。
空気調和機の場合は、暖房運転時に室外熱交換器が蒸発器として動作し、給湯機の場合は、給湯運転時に空気熱交換器が蒸発器として動作する。これら熱交換器は熱交換を行う空気より温度が低くなることで、室外空気から熱を受け取り、室内熱交換器(給湯機の場合は水熱交換器)へと熱をくみ上げることで暖房運転(給湯運転)を行っている。
例えば、室外空気の温度が低い(例えば、JIS暖房低温条件では乾球温度2℃、湿球温度1℃)ときには、室外熱交換器(給湯機の場合は空気熱交換器)の表面温度は0℃以下となり、流入空気中の水分が室外熱交換器(空気熱交換器)の表面上で霜となって付着する「着霜現象」が生じる(以後、着霜現象が生じる外気空気温度条件を「低外気条件」という)。
前述した各熱交換器は着霜現象により、通風抵抗が増加して流入空気量が低下するため、空気調和機や給湯機の能力は低下する。そのため、その空気調和機(給湯機)は、付着した霜を取り除く除霜運転を行っている。除霜方式として、一般的には、空気調和機ではリバース方式、給湯機ではホットガス方式がある。しかし、除霜運転中、暖房運転(給湯運転)を休止するため、室内暖房の快適性が損なわれたり、貯湯温度が低下してしまい、低外気条件下では除霜回数を減らすことが課題となっている。
従来、その課題を解決するために、室外熱交換器の熱交換面(フィンの表面)に滑水性及び撥水性を大きくして着霜を抑制する着霜抑制層を熱交換面に設けることで、低外気条件下での室外熱交換器に発生する着霜を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、暖房運転時に生じる除霜融解水(ドレン水)を受けるドレンパンに、低外気条件下でのドレン水の凍結を防止するための冷媒配管を配設した技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−323298号公報(要約書) 特開昭60−60466号公報(第2頁、第3図)
しかしながら、特許文献1に記載の着霜抑制方法では、滑水または撥水処理した熱交換器とドレンパンとの間で発生する霜や氷を処理できないという課題がある。また、特許文献2に記載の技術では、ドレンパン内に配設した冷媒配管によりドレンパン内の凍結を防止することができるが、熱交換器から滴下する水の凍結を完全に融解することが困難であった。
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、熱交換器への通風量を減少させることなく、熱交換器とドレンパンの間に生じる霜や氷を確実に融解できる室外機を提供することを目的とする。
本発明に係る室外機は、少なくとも、熱交換面に滑水または撥水処理が施された第1の熱交換器、圧縮機及び膨張手段を有し、別途に設けられた第2の熱交換器を含めて構成した冷媒回路と、第1の熱交換器の下方に設置されたドレンパンと、第1の熱交換器とドレンパンの間であって、ドレンパンの上方に配置され、外観形状が扁平形の加熱手段と、第1の熱交換器の熱交換面に平行に室外空気を送風する送風手段とを備え、加熱手段は、第1の熱交換器が蒸発器として動作しているときに第1の熱交換器に流入する冷媒を取り込んで熱源とし、また、送風手段からの室外空気の流れ方向に径が長く、さらに、径の長い方向の幅が第1の熱交換器の室外空気の流れ方向の奥行きとほぼ同じ長さ又は奥行きより長く、内部に複数の冷媒流路が設けられた扁平管である。
本発明においては、熱交換器とドレンパンの間に外観形状が扁平形の加熱手段を配置しているので、熱交換器への通風量を減少させることなく、熱交換器の下部とドレンパンとの間に生じる霜や氷を確実に融解することができる。
一般的な空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 図1の室外機を示す概略構成図である。 図1の室外機に設けられた加熱手段の設置位置を示す概略構成図である。 加熱手段の設置により室外熱交換器とドレンパンの間に生じた空間の状態を示す室外機の概略構成図である。 2列の室外熱交換器の下部にそれぞれ加熱手段を設置したときに双方の間に生じた空間の状態を示す室外機の概略構成図である。 実施の形態1に係る室外機の概略構成図及び室外機に設けられた加熱手段の形状を示す断面図である。 実施の形態2に係る空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 実施の形態4に係る空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。
以下、本発明に係る室外機の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施の形態1を説明する前に、一般的な空気調和機の冷凍サイクル装置及びその冷凍サイクル装置に使用されている室外機について説明する。
図1は一般的な空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。
一般的な空気調和機は、図1に示すように、室内機11と、室内機11とで冷媒回路を構成する室外機12とを備えている。室内機11は、室内熱交換器22、室内用送風ファン23等を備えている。室外機12は、圧縮機21、冷房運転/暖房運転を切り替えるための四方弁27、室外熱交換器25、室外用送風ファン26、第1の膨張手段24、第2の膨張手段28等を備えている。冷房運転の場合、室内熱交換器22は蒸発器として動作し、室外熱交換器25は凝縮器として動作する。また、暖房運転の場合、室内熱交換器22は凝縮器として動作し、室外熱交換器25は蒸発器として動作する。なお、室外熱交換器25の熱交換面(フィンの表面)には、滑水または撥水処理が施されている。
第1の膨張手段24は、暖房運転時に室内機11から流入する高圧の液冷媒を中圧の気液二相の冷媒にする例えば膨張弁からなっている。第2の膨張手段28は、暖房運転時に第1の膨張手段24を介して流入する中圧の気液二相の冷媒を均一に分配すると共に、その冷媒を低圧にして室外熱交換器25に送り込む例えばキャピラリーチューブからなっている。なお、前述の第2の膨張手段28は、冷媒液を貯えるレシーバを備えた冷凍サイクル装置の場合、第1の膨張手段24と同等の膨張弁が使用される。
前記のように構成された空気調和機において、暖房運転を行った場合、冷凍サイクル装置内の冷媒は、圧縮機21で圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって室内熱交換器22へと流れ込む。そのガス冷媒は、室内熱交換器22で室内用送風ファン23にて送り込まれる室内空気と熱交換(放熱)し高圧の液冷媒となる。その後、その液冷媒は、第1の膨張手段24と第2の膨張手段28により所定の圧力まで膨張されて低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器25に流入する。室外熱交換器25に流入した気液二相の冷媒は、室外用送風ファン26により送り込まれる室外空気と熱交換(吸熱)し、低温低圧のガス冷媒となって圧縮機21へと戻る。
次に、図1に示す空気調和機の室外機の構成について説明する。
図2は図1の室外機を示す概略構成図である。なお、図2(a)は室外機の内部を背面から見て示す背面図、同図(b)は室外機の内部を左側から見て示す左側面図、同図(c)は室外機の内部を右側から見て示す右側面図、同図(d)は室外機の底部を上方から見て示す平面図である。
室外機12には、前述した圧縮機21、四方弁27、室外熱交換器25、室外用送風ファン26、第1の膨張手段24、第2の膨張手段28等の冷媒回路の各部品がユニットケース31内に配置されている。また、その各部品に加えて、ユニットケース31の底部にはドレンパン32が設けられている。ドレンパン32は、室外熱交換器25で発生するドレン水を受けるために皿状に形成され、ドレン水をユニットケース31の外へ排水するドレン穴33が設けられている。ドレン穴33は、一般的には室外熱交換器25の下方に1箇若しくは2箇、あるいはそれ以上設けられている。
このように構成された室外機12の室外熱交換器25を滑水または撥水処理することで、低外気条件下で生じる室外熱交換器25の着霜を抑制している。具体的には、低外気条件下で室外熱交換器25を蒸発器として動作させた場合、室外熱交換器25上に発生する凝縮水(水滴)が凝固して着霜するに前に、その水滴を滑水または撥水処理により室外熱交換器25の上方から下方に向けて落下させる。これにより、室外熱交換器25に付着する水滴(氷滴)の量が減少し、着霜量が低減する。
しかしながら、低外気条件下において、滑水または撥水処理した室外熱交換器25の着霜・除霜の様子を観察すると、滑水または撥水処理による水滴の滴下により、室外熱交換器25の下部とドレンパン32との間に霜が発生し、これが成長して氷になることを確認した。その霜や氷が融解されずに除霜運転を終了して暖房運転を行った場合、その霜や氷が室外熱交換器25の下部から成長し、室外熱交換器25の通風量が減少する。つまり、滑水または撥水処理が施された室外熱交換器25において、霜や氷を確実に融解させて、ドレンパン32のドレン穴33から排出できれば、滑水または撥水処理による着霜量を低減でき、低外気条件下での冷凍サイクル装置の性能向上を図ることが可能となる。
次に、霜や氷を融解するための加熱手段について説明する。
図3は図1の室外機に設けられた加熱手段の設置位置を示す概略構成図である。なお、図3(a)は室外機の内部を前面から見て示す正面図、同図(b)は室外機の内部を左側から見て示す左側面図、同図(c)は室外機の底部を上方から見て示す平面図である。
加熱手段41は、図3に示すように円形の冷媒配管よりなっている。その加熱手段41の設置位置は、前述した知見から、霜や氷が室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に生じることから、室外熱交換器25の下部とドレンパン32との間であって、ドレンパン32の上方が望ましいことがわかる。
しかしながら、加熱手段41を室外熱交換器25の下部とドレンパン32との間に設置した際、図4に示すように、室外熱交換器25とドレンパン32との間に空間51が必要になる。この空間51により、室外用送風ファン26から室外熱交換器25に送風される室外空気の一部が空間51を通過することとなる。そのため、室外熱交換器25への通風量が減少し、室外熱交換器25の熱交換量が減少する。
また、室外熱交換器25が2列または3列の熱交換器である場合、各列の直下に加熱手段41が必要となる。その場合、図5に示すように加熱手段41の間に空間52ができ、空間52の下部に霜や氷が発生し融解できない。また、複数列の熱交換器に対して1つの加熱手段41で対処しようとすると、加熱手段41の径が大きくなり、これに伴い室外熱交換器25とドレンパン32との間の空間51も大きくなる。
また、加熱手段41の径を大きくすると、室外機12の高さが制限されている場合、室外熱交換器25の高さが縮小され、熱交換器の面積が減少する。その場合、同等の面積を確保するためには、室外機12のユニットケース31の幅を広げなければならず、室外機12のコンパクト化を図ることができない。
実施の形態1.
ここで、以上の観点から除霜に最適な加熱手段を備えた室外機12の実施の形態について説明する。
図6は実施の形態1に係る室外機の概略構成図及び室外機に設けられた加熱手段の形状を示す断面図である。図6(a)は室外機の内部を前面から見て示す正面図、同図(b)は室外機の内部を左側から見て示す左側面図である。また、同図(c)は加熱手段の断面を示し、同図(d)は加熱手段の変形例を示す。
実施の形態1における室外機12は、図2と同様にユニットケース31内に、圧縮機21、四方弁27、室外熱交換器25(第1の熱交換器)、室外用送風ファン26、第1の膨張手段24、第2の膨張手段28等の冷媒回路の各部品と加熱手段61が設けられている。ユニットケース31の底部には、ドレン穴33を有するドレンパン32が設けられている。加熱手段61は、室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間であって、ドレンパン32の上方に配置されている。
加熱手段61は、室外熱交換器25に対して直交する室外用送風ファン26からの空気流の方向に径の長い扁平管からなっている。その扁平管の径の長い方向を幅Dとして、室外熱交換器25の空気流の方向の奥行きとほぼ同じ長さになっている。その扁平管を用いることで、幅Dに対して高さHを低く抑えることができ、空間51の発生を無くすことができる。また、扁平管の扁平方向を空気流と平行にすることで通風抵抗を抑制することが可能である。加熱手段の熱源として、中圧の気液二相の冷媒、高圧の液冷媒、高温高圧のガス冷媒の何れかが使用されている。
加熱手段61に扁平管を用いることで、複数の円管と同等の管外面積を達成しうる高さを抑制でき、室外熱交換器25の奥行きを長くする必要はない。また、2列3列の室外熱交換器25に対しては、扁平管の扁平率(幅Dと高さHの比率)や、図6(d)に示すように、内部に複数の冷媒流路を有する扁平管とすることで、室外熱交換器25の列数の増加に対しても同等の加熱が可能である。
実施の形態1においては、室外熱交換器25の下部とドレンパン32との間に加熱手段61を設置し、冷媒によって室外熱交換器25の下部とドレンパン32との間の周囲温度を0℃以上に維持することで、室外熱交換器25への通風量を減少させることなく、低外気条件下であっても室外熱交換器25の下部とドレンパン32との間に生じる霜や氷を融解させることができる。
なお、扁平管の幅Dを、室外熱交換器25の奥行きと同等にすることが望ましいが、それ以上となっても前述した効果は十分に得られる。
実施の形態2.
次に、実施の形態1で述べた室外機12を備えた空気調和機について説明する。
図7は実施の形態2に係る空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。
実施の形態2に係る空気調和機は、図1と同様に、室内機11と、室内機11とで冷媒回路を構成する室外機12とを備えている。室内機11は、室内熱交換器22(第2の熱交換器)、室内用送風ファン23等を備えている。室外機12は、圧縮機21、冷房運転/暖房運転を切り替えるための四方弁27、室外熱交換器25(第1の熱交換器)、室外用送風ファン26、第1の膨張手段24、第2の膨張手段28、加熱手段61等を備えている。
加熱手段61は、図6(c)に示すように扁平管より構成され、同図(a)、(b)に示すように室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に設置されている。加熱手段61は、第1の膨張手段24と第2の膨張手段28の間の冷媒配管に挿入されている。この接続により、暖房運転時に、加熱手段61に中圧の気液二相の冷媒が流れる。
前記のように構成された空気調和機において、暖房運転時に、室内熱交換器22を流出する高圧の液冷媒は、第1の膨張手段24により中圧の気液二相の冷媒となり、加熱手段61を通過して第2の膨張手段28により低圧の気液二相の冷媒となる。そして、その冷媒は室外熱交換器25に流入して低温低圧のガス冷媒となり、四方弁27を介して圧縮機21へと戻る。一方、加熱手段61は、中圧の気液二相の冷媒を熱源として、周囲温度を0℃以上とし、室外熱交換器25に生じる霜や氷を融解し、その状態を維持する。
以上のように実施の形態2においては、室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に扁平管の加熱手段61を設置しているので、室外熱交換器25への通風量を減少させることなく、室外熱交換器25に生じる霜や氷を確実に融解し、その状態を維持することができる。そのため、低外気条件下での暖房運転を停止することなく運転を続けることができ、室内暖房の快適性が向上する。また、除霜時間の短縮も可能になり、これに伴い消費電力を低減できる。
実施の形態3.
図8は実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。なお、本実施の形態においては、実施の形態2と異なる室外機12について説明する。
実施の形態3における室外機12は、圧縮機21、四方弁27、室外熱交換器25(第1の熱交換器)、室外用送風ファン26、1つの第1の膨張手段24(膨張弁)、2つの逆止弁71a、71b、加熱手段61等を備えている。
室内熱交換器22(第2の熱交換器)と室外熱交換器25を接続する冷媒配管に第1の膨張手段24と逆止弁71aが接続されている。加熱手段61は、前述したように扁平管より構成され、室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に設置されている。加熱手段61の一端が第1の膨張手段24と逆止弁71aの間の冷媒配管に管路を介して接続され、他端が室内熱交換器22と第1の膨張手段24の間の冷媒配管から分岐する管路と接続されている。その管路には逆止弁71bが接続されている。前述の逆止弁71aは、暖房運転時に室内熱交換器22から流入する高圧の液冷媒を阻止する。また、逆止弁71bは、冷房運転時に第1の膨張手段24から加熱手段61へ低圧の気液二相の冷媒が流れないようにしている。
前記のように構成された空気調和機において、暖房運転時に、室内熱交換器22を流出する高圧の液冷媒は、逆止弁71aによってもう一方の逆止弁71bに流入し、加熱手段61を通って第1の膨張手段24により低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器25に流入する。そして、その冷媒は室外熱交換器25に流入して低温低圧のガス冷媒となり、四方弁27を介して圧縮機21へと戻る。一方、加熱手段61は、高圧の液冷媒を熱源として、周囲温度を0℃以上とし、室外熱交換器25に生じる霜や氷を融解し、その状態を維持する。
以上のように実施の形態3においては、室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に扁平管の加熱手段61を設置しているので、室外熱交換器25への通風量を減少させることなく、室外熱交換器25に生じる霜や氷を確実に融解し、その状態を維持することができる。そのため、低外気条件下での暖房運転を停止することなく運転を続けることができ、室内暖房の快適性が向上する。また、除霜時間の短縮も可能になり、これに伴い消費電力を低減できる。
実施の形態4.
図9は実施の形態4に係る空気調和機の冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。なお、本実施の形態においては、実施の形態2、3と異なる室外機12について説明する。 実施の形態4における室外機12は、圧縮機21、四方弁27、室外熱交換器25(第1の熱交換器)、室外用送風ファン26、1つの第1の膨張手段24(膨張弁)、開閉弁81、加熱手段61等を備えている。
加熱手段61は、前述したように扁平管より構成され、室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に設置されている。加熱手段61の一端が室内熱交換器22(第2の熱交換器)と第1の膨張手段24の間の冷媒配管から分岐する管路と接続され、他端が管路を介してホットガスバイパス管82に接続されている。ホットガスバイパス管82は、開閉弁81を有し、圧縮機21の吐出口側に接続されている。開閉弁81は、暖房運転時に弁を開放する。その開閉弁81の開閉は、図9には示していないが、空気調和機の制御回路の制御により行われる。
前記のように構成された空気調和機において、暖房運転時に、圧縮機から吐出される一部の高温高圧のガス冷媒は、ホットガスバイパス管82に流入し、加熱手段61を通って第1の膨張手段24により低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器25に流入する。そして、その冷媒は室外熱交換器25に流入して低温低圧のガス冷媒となり、四方弁27を介して圧縮機21へと戻る。一方、加熱手段61は、高温高圧のガス冷媒を熱源として、周囲温度を0℃以上とし、室外熱交換器25に生じる霜や氷を融解し、その状態を維持する。
以上のように実施の形態4においては、室外熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に扁平管の加熱手段61を設置しているので、室外熱交換器25への通風量を減少させることなく、室外熱交換器25に生じる霜や氷を確実に融解し、その状態を維持することができる。そのため、低外気条件下での暖房運転を停止することなく運転を続けることができ、室内暖房の快適性が向上する。また、除霜時間の短縮も可能になり、これに伴い消費電力を低減できる。
なお、一般的に空気調和機の冷媒にはR410Aが使用されているが、実施の形態1〜4では、R410Aよりもガス比熱比の高いR32を冷媒として用いている。このように、R410Aよりもガス比熱比の高い冷媒を用いることにより、冷媒をホットガスとして利用したときの加熱能力を高めることができ、室外熱交換器25に生じた霜や氷を確実に融解することができる。なお、上記のような効果は、冷媒としてR32を用いたときだけのものではなく、例えばR410Aよりもガス比熱比が高くなるR32とHFO123yfの混合冷媒を用いた場合でも、同様に冷媒をホットガスとして利用したときの加熱能力を高めることができ、室外熱交換器25に生じた霜や氷を確実に融解することができる。
実施の形態5.
前述した実施の形態2〜4では、実施の形態1の室外機12を空気調和機に用いたことを述べたが、本実施の形態は、その室外機12を給湯機(ヒートポンプ式給湯機)に適用したものである。
例えば図7の冷凍サイクル装置を給湯機として用いる場合、四方弁27を撤去し、室内機11の室内熱交換器22を水熱交換器22とし、圧縮機21の吐出口側と接続する。また、室外機12の室外熱交換器25(空気熱交換器25)を圧縮機の流入口側と接続する。給湯運転時には、水管路を流れる冷水を水熱交換器22とで熱交換して高温水とし、貯湯タンク(図示せず)に高温水を貯える。
前記のように構成された給湯機において、給湯運転時に、水熱交換器22を流出する高圧の液冷媒は、第1の膨張手段24により中圧の気液二相の冷媒となり、加熱手段61を通過して第2の膨張手段28により低圧の気液二相の冷媒となる。そして、その冷媒は空気熱交換器25に流入して低温低圧のガス冷媒となり、圧縮機21へと戻る。一方、空気熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に設置された扁平管の加熱手段61は、中圧の気液二相の冷媒を熱源とし、周囲温度を0℃以上とし、空気熱交換器25に生じる霜や氷を融解し、その状態を維持する。
以上のように実施の形態5においては、空気熱交換器25の下部(最下段のフィン)とドレンパン32との間に扁平管の加熱手段61を設置しているので、空気熱交換器25への通風量を減少させることなく、空気熱交換器25に生じる霜や氷を確実に融解し、その状態を維持することができる。そのため、低外気条件下での給湯運転を停止することなく運転を続けることができ、安定した貯湯を得ることができる。また、除霜時間の短縮も可能になり、これに伴い消費電力を低減できる。
なお、実施の形態5では、図7の冷凍サイクル装置を給湯機に適用して説明したが、図8及び図9に示す冷凍サイクル装置を給湯機として用いることも可能である。
また、実施の形態1乃至5では、室外熱交換器(空気熱交換器)25に流入する冷媒を熱源とする加熱手段61について述べたが、これに代えて、室外熱交換器(空気熱交換器)25の下部とドレンパン32との間であって、ドレンパン32の上方に電気ヒーターを配置するようにしても良い。
11 室内機、12 室外機、21 圧縮機、22 室内熱交換器(水熱交換器)、23 室内用送風ファン、24 第1の膨張手段、25 室外熱交換器(空気熱交換器)、26 室外用送風ファン、27 四方弁、28 第2の膨張手段、31 ユニットケース、32 ドレンパン、33 ドレン穴、41 加熱手段、51 空間、52 加熱手段の間の空間、61 加熱手段、71a、71b 逆止弁、81 開閉弁、82 ホットガスバイパス管。

Claims (6)

  1. 少なくとも、熱交換面に滑水または撥水処理が施された第1の熱交換器、圧縮機及び膨張手段を有し、別途に設けられた第2の熱交換器を含めて構成した冷媒回路と、
    前記第1の熱交換器の下方に設置されたドレンパンと、
    前記第1の熱交換器と前記ドレンパンの間であって、該ドレンパンの上方に配置され、外観形状が扁平形の加熱手段と、
    前記第1の熱交換器の熱交換面に平行に室外空気を送風する送風手段とを備え、
    前記加熱手段は、前記第1の熱交換器が蒸発器として動作しているときに当該第1の熱交換器に流入する冷媒を取り込んで熱源とし、また、前記送風手段からの室外空気の流れ方向に径が長く、さらに、前記径の長い方向の幅が前記第1の熱交換器の室外空気の流れ方向の奥行きとほぼ同じ長さ又は奥行きより長く、内部に複数の冷媒流路が設けられた扁平管であることを特徴とする室外機。
  2. 前記加熱手段の熱源は、気液二相の冷媒であることを特徴とする請求項1記載の室外機。
  3. 前記加熱手段の熱源は、液冷媒であることを特徴とする請求項1記載の室外機。
  4. 前記加熱手段の熱源は、ガス冷媒であることを特徴とする請求項1記載の室外機。
  5. 前記冷媒は、R32冷媒を使用することを特徴とする請求項1記載の室外機。
  6. 前記冷媒は、R32とHFO1234yfの混合冷媒を使用することを特徴とする請求項1記載の室外機。
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