JP6329786B2

JP6329786B2 - 空調機の熱交換器

Info

Publication number: JP6329786B2
Application number: JP2014050879A
Authority: JP
Inventors: 健二柏原; 佐藤　秀行; 秀行佐藤; 久人小田
Original assignee: Sinko Industries Ltd
Current assignee: Sinko Industries Ltd
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: JP2015175533A

Description

本発明は、空調機の空気を熱交換する熱交換器に関する。

従来、ヒートポンプ空調機の室内機の能力制御は、特許文献１の特開2007-278665号公報に示すように、冷房モードでは過熱度（スーパーヒート）制御、暖房モードでは過冷却度（アンダークール）により電子膨張弁開度で冷媒循環量をコントロールする。
しかしながら、冷媒コイルの管内流速は、圧縮機用に混入された油の返送が良くなるように最低流量が規定され、低負荷時でも一定以上冷媒循環量が確保される必要がある。また、低負荷時には冷媒循環量が少なくなり、熱交換器の上部と下部のヘッド差から、熱交換器の下部に液冷媒がたまったまま流れない、所謂冷媒寝込み状態になり、冷凍サイクルで有効に使用できる冷媒量が少なくなるため、封入冷媒の充填量を多めにする必要があった。

近年のヒートポンプ空調システムでは、インバーター圧縮機の採用や、室内温度の変化に対し冷媒流量をリニアに制御しているため、能力調整範囲は幅広くなってきているが、上述した油返送の最低流量の関係や、液バックが発生することで圧縮機(コンプレッサ)を止める制御などで、更に低負荷になった場合の対応が出来ない。
また、冷房時の低負荷時は、電子膨張弁を絞ることで蒸発温度が設定温度より下がり、吹出し温度が必要以上に低くなることによって、結露等の不具合が発生する場合もある。
なお、膨張弁に代えて、キャピラリーチューブを用いる空調用熱交換器も特許文献２等で公知である。

特開２００７−２７８６６５号公報特開２００１−３１１５７２号公報

従来の電子膨張弁に代えて、入力接続部材の独立した複数の熱交換主管のコイルの垂直方向を１群として、該１群のコイルの列毎に分配器（ディストリビューター）で分岐した複数の分配管に接続し、各分配器の上流又は下流に電磁弁等の制御用電磁弁を設けて、必要能力に応じて冷媒を可変列数の熱交換器に供給することができ、また、従来、この種の空調機では複数の熱交換器を配列していたが、１台の熱交換器だけを配置して、必要能力に応じた冷媒を供給し、細かく空調を制御できる熱交換器を提供することができる。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、入口接続部材から出口接続部材との間に冷媒を通過させて熱交換する複数の熱交換主管を架け渡し、該複数の熱交換主管は互いに独立して設けられた熱交換器において、入力接続部材の前記独立した複数の熱交換主管は垂直方向を列状に配置して１群とし、空調すべき空気の流れの上流から下流に向けて空気の流れ対して直交するように複数の群が配列され、かつ、各群の出口接続部材は、空気の流れの上流側に位置する群の入口部材に接続するとともに、前記各群の入口接続部材にはそれぞれ対応した分配器からの出力から分配管にそれぞれ接続され、該各群に対応した分配器の上流には冷媒の通過量を制御可能な制御用電磁弁を設け、該制御用電磁弁は所望の空調状態になるように熱交換器の分配器を選択することで熱交換主管群を制御するようにしたことを特徴とする空調機の熱交換器である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の空調機の熱交換器において、前記空気の流れに対して直交するように配列された熱交換主管群のうち、空気の流れの最上流の熱交換器群の冷媒の通過量を制御可能な制御用電磁弁を分配器の下流の分配管に設けたことを特徴とする。

本発明の空調機の熱交換器は、熱交換器内の熱交換主管(コイル）内での冷媒の流速を所望の流速に確保するために、熱交換器内で空気が接触する面積を可変とすることを基礎としたもので、電子膨張弁によるコイル全体の流量調整やキャピラリーチューブとは異なり、熱交換器の伝熱面積をほぼリニアに可変にすることで能力制御を行い、かつ、能力制御範囲を熱交換主管(２)の１本単位まで細かく小流量まで効率の良い流速範囲で制御が可能となる。
また、装置の観点からしても、空調機全体での能力制御に関しても、従来の空調機ではコイル単位での台数制御で能力調整を行っているものも知られているが、低負荷時に運転コイル台数を減らしていっても、最後の１台ではＯＮ／ＯＦＦ制御に近い動きとなってしまい限度があるが、これに対して、本実施例の熱交換器（コイル)ではコイル台数を細かく分割することなく、熱交換主管２単位で制御するので、比例制御に近いリニアな能力制御が可能となり、低負荷時での対応が可能となるとともに、コイル台数が少なくなることによる、コスト低減も期待できる。

このように、分配器(デストリビューター)と電磁弁８を使用することで、高価な電子膨張弁が不要となり、上述したように、１台の熱交換器(コイル)１で制御できるので複数の熱交換器（コイル)が不要となり、さらに台数制御も不要となり、複数台製作していたコイルが１台で済むのでコスト低減が図れる。
また、細い熱交換主管２の数本、或いは１本を稼働させるので、冷房低負荷時の蒸発温度低下が防げ、低吹出し温度による結露の危険性が減少する。実施例２においては、同時に、低負荷時でも管内流速が維持され易く、圧縮機に油戻りが容易になり、圧縮機が円滑に稼働することができる。
また、入口湿度が高い場合には、熱交換主管２が通常の稼働状態に維持されるので、低負荷時でも除湿量が確保され易い。
以上説明したように、能力制御幅を大きくすることが出来、制御のリニア性がアップする。

本発明の実施例１の空調機の熱交換器の全体の概略図、図１の熱交換器を側面からみた概略図、実施例２の空調機の熱交換器の全体の概略図、図３の分配器５１について熱交換器を側面からみた概略図である。

本発明の空調機の熱交換器は、各分配器の上流又は下流に電磁弁等の制御用電磁弁を設けて１台の熱交換器だけとし、必要能力に応じた熱交換器の冷媒を供給し、細かく空調を制御できる熱交換器を提供するもので、そのため空気が接触する面積を可変とすることを基礎としたものであり、本発明の実施例を図面に沿って説明する。

本発明の熱交換器１の実施例１の全体の概略を図１、図２で説明する。
図１に示すように、本実施例１の熱交換器１の概略は、流路管４４を介して圧縮機(コンプレッサー)７に供給し、流路管７１により凝縮器（熱交換器）６で熱交換した後に列数制御用分配器９から、分配管９１によってそれぞれの冷媒開閉機構である制御用電磁弁８(８１,８２,８３)を介在させ、対応する複数の分配器５(５１,５２,５３)から熱交換主管２(２１,２２,２３)に循環させている。この制御用電磁弁８(８１,８２,８３)はいずれか１台の制御用電磁弁のみが開口されるように選択制御されている。

蒸発器１である熱交換器１(コイル)は、多数の熱交換主管２で構成され、実施例１では、熱交換主管群(２)２３→２２→２１の順で冷媒が流れ冷房する。
これを、詳しく説明すると、第３熱交換主管群２３(２)はほぼ水平方向に第３入口接続部材３３の第３入口群３３１(・・３３ｎ)から第３出口接続部材４３の第３出口群４３１(・・４３ｎ)との間に１群のコイルが多列状に架け渡され、この管内には冷媒Ｂを通過させ、空調対象の空気Ａを蒸発器（蒸発器)１によって熱交換して冷房をしている。
同様に、図１、図２に示すように、第２熱交換主管群２２(２)も、ほぼ水平方向に第２入口接続部材３２の第２入口群３２１(・・３２ｎ)から第２出口接続部材４２の第２出口群４２１(・・４２ｎ)との間に１群のコイルが多列状に架け渡され、この管内には冷媒Ｂを通過させ、空調対象の空気Ａを蒸発器（蒸発器)１によって熱交換して冷房する
同様に、第１熱交換主管群２１(２)も、ほぼ水平方向に第１入口接続部材３１の第１入口群３１１(・・３１ｎ)から第１出口接続部材４１の第１出口群４１１(・・４１ｎ)との間に１群のコイルが多列状に架け渡され、この管内には冷媒Ｂを通過させ、空調対象の空気Ａを蒸発器（蒸発器)１によって熱交換して冷房する。
そして、各群の入口接続部材３(３１,３２,３３)へは、対応する複数の分配器５(５１,５２,５３)で分配された分配管５１１,５２１,５３１に接続されている。

したがって、例えば、（Ａ）第３制御用電磁弁８３の開が選択され(他の第２制御用電磁弁８２、第１制御用電磁弁８１は閉)、複数の第３入口接続部材３３の第３入口群３３１(・・３３ｎ)から冷媒が導入されると、第３熱交換主管群２３、第３出口群４３１(・・４３ｎ)、連結管４５、第２入口群３２１(・・３２ｎ)、第２熱交換主管群２２、第２出口群４２１(・・４２ｎ)、連結管３４、第１入口群３１１(・・３１ｎ)、第１熱交換主管群２１、第１出口群４１１(・・４１ｎ)及び流路管４４の順で流れる。
同様に、（Ｂ）第２制御用電磁弁８２の開が選択され(他の第３制御用電磁弁８３、第１制御用電磁弁８１は閉)、第２入口群３２１(・・３２ｎ)に冷媒が導入されると、第２熱交換主管群２２、第２出口群４２１(・・４２ｎ)、連結管４５、第１入口群３１１(・・３１ｎ)、第１熱交換主管群２１、第１出口群４１１(・・４１ｎ)及び流路管４４の順で流れる。
（Ｃ）第１制御用電磁弁８１の開が選択され(他の第３制御用電磁弁８３、第２制御用電磁弁８２は閉)、第１入口群３１１(・・３１ｎ)に冷媒が導入されると、第１熱交換主管群２１、第１出口群４１１(・・４１ｎ)及び流路管４４の順で流れる。
なお、第１出口群４１１(・・４１ｎ)は、独立していなくとも、一括合流する出力ヘッダ４としている。

前記凝縮器６は圧縮機(コンプレッサー)７によって、圧縮された冷媒Ｂを液化し、冷媒Ｂは前述した熱交換器１(コイル)の出力ヘッダ４から気化されて冷媒配管４４から排出され、圧縮機(コンプレッサー)７に供給される。
その結果、蒸発器（熱交換器）でコイルの冷房面積は、第１分配器５１の第１制御用電磁弁８１だけが開口している場合が小さく冷房能力も小さく、次に、第２分配器５２の第２制御用電磁弁８２が開口している場合が大きくなり冷房能力が大きくなり、更に、第３分配器５３の第３制御用電磁弁８３が開口している場合が更に大きくなり冷房能力も更に大きくなる。
言い換えれば、負荷が大きな場合は、第３制御用電磁弁８３を開き(他の制御用電磁弁は閉)、低負荷に移行した場合は、徐々に第２制御用電磁弁８２(他の制御用電磁弁は閉)、第１制御用電磁弁８１を開き(他の制御用電磁弁は閉)、の適宜の数の弁を閉めるように制御する。こうすることで、空気に接触するコイル総面積は小さくなり、開口している熱交換主管２だけが冷房に関与する。

ここで、冷媒Ｂの循環系を説明すると、圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒Ｂが流路管７１によって凝縮器６(熱交換器)に導入され、この凝縮器６で冷やされて高圧低温の液化冷媒とし、凝縮器６から配管６１によって分配器５に送られ、比較的大径の流路管６１の冷媒Ｂを比較的細径の分配管５１によって分配されるが、この大径の流路管６１中の低温高圧の冷媒Ｂが細径の分配管５１に解放排出されるので、細径の分配管５１は従来の膨張弁やキャピラリーチューブの機能を有し、更に低温低圧の冷媒になり蒸発器（熱交換器）１に導入され、この蒸発器（熱交換器)１では導入される空気を所望の空調状態になるようにする。

したがって、本発明の実施例の空調機の熱交換器は、電子膨張弁によるコイル全体の流量調整やキャピラリーチューブとは異なり、熱交換器の列数方向に有効な伝熱面積(総面積)をほぼリニアに可変にすることで能力制御を行い、かつ、能力制御範囲を熱交換主管(２)の１本単位まで細かく小流量まで効率の良い流速範囲で制御が可能となる。
また、装置の観点からしても、空調機全体での能力制御に関しても、従来の空調機ではコイル単位での台数制御で能力調整を行っているものも知られているが、低負荷時に運転コイル台数を減らしていっても、最後の１台ではＯＮ／ＯＦＦ制御に近い動きとなってしまい限度があるが、これに対して、本実施例の熱交換器（コイル)ではコイル台数を細かく分割することなく、熱交換主管２単位で制御するので、比例制御に近いリニアな能力制御が可能となり、低負荷時での対応が可能となるとともに、コイル台数が少なくなることによる、コスト低減も期待できる。

このように、分配器(ディストリビューター)５と電磁弁８を使用することで、高価な電子膨張弁が不要となり、上述したように、１台の熱交換器(コイル)１で制御できるので複数の熱交換器（コイル)ですみ、台数制御が不要となり、複数台製作していたコイルが１台で済みのでコスト低減が図れる。
また、細い熱交換主管２の数本、或いは１本を稼働させるので、冷房低負荷時の蒸発温度低下が防げ、低吹出し温度による結露の危険性が減少する。
以上説明したように、能力制御幅を大きくすることが出来、制御のリニア性がアップする。

次に、実施例２を図３、図４に基づいて説明する。
実施例２は、実施例１の空気の流れに対して直交するように配列されコイル群のうち、空気の流れの最上流の一群のコイル群２１への冷媒の通過量を、実施例１では制御用電磁弁８１(図１参照)を用いて（第１）分配器５１’の上流から下流に設けていたものを、かつ、実施例２では分配器（第１）５１’からの出力にはそれぞれの（第１）分配管５１１におのおの複数の第４制御用電磁弁８５を設けたものである。
すなわち、図４に示すように、熱交換主管２は流入する冷媒Ｂが独立して流量が制御可能なように冷媒開閉機構である第４制御用電磁弁８５が設けられるが、複数の第１入口接続部材３１(・・３ｎ)はそれぞれの熱交換主管２に対応してそれぞれに入口群３１１(・・３１ｎ)が設けられ、他方の熱交換器(６)である凝縮器６からの液体の冷媒Ｂが（第１）分配器(ディストリビューター)５１’及び(第１）分配管５１１によって、前記の熱交換主管２の対応本数に分配される。
この凝縮器６は圧縮機(コンプレッサー)７によって、圧縮された冷媒Ｂを液化し、冷媒Ｂは前述した熱交換器１(コイル)の出力ヘッダ４から気化されて冷媒配管４４から排出され、前述の圧縮機(コンプレッサー)７に供給される。

本発明の実施例２の特徴の１つは、分配器(デストリビューター)５１と各第１熱交換主管群２１の複数の第１入口接続部材３１入口群３１１・・３１ｎとの間の（第１）分配管５１１には、冷媒開閉機構である第４制御用電磁弁８５が介在されている。
そして、この場合も負荷が大きな場合は、全部の第４制御用電磁弁８５を開き、低負荷に移行した場合は、徐々に多段の第４制御用電磁弁８５の適宜の数の弁を閉めるように制御する。こうすることで、閉めた第４制御用電磁弁８５には冷媒Ｂの流れは無いので、それだけ空気に接触する面積は小さくなるが、開口している第１熱交換主管群２１だけが冷房に関与する。

したがって、大きな負荷を必要とする場合は、第２分配器５２、第３分配器５３を第２制御用電磁弁８２、第３制御用電磁弁８３で選択し、少ない負荷での稼働の場合は、第２分配器５２の下流に設けた複数の第４制御用電磁弁８５で細かく無負荷の近くまで制御できるようにし、それだけ空気に接触する面積は小さくなるが、開口している第１熱交換主管群２１だけが冷房に関与する。
このため、実施例２においては、冷房低負荷時での圧縮機７に油戻りが容易になる等の作用が確保できる。実施例２では、３分割した熱交換主管群２１、２２，２３としたが、２分割でも３分割以上にして、対応する分配器を設けるようにしてもよい。

以上のように、本実施例に空調機の熱交換器によれば、熱交換器内の熱交換主管(コイル）内での冷媒の流速を所望の流速に確保するために、熱交換器内で空気が接触する面積を可変とすることを基礎としたもので、電子膨張弁によるコイル全体の流量調整やキャピラリーチューブとは異なり、熱交換器の伝熱面積をほぼリニアに可変にすることで能力制御を行い、かつ、能力制御範囲を熱交換主管２の１本単位まで細かく小流量まで効率の良い流速範囲で制御が可能となる。
また、装置の観点からしても、空調機全体での能力制御に関しても、従来の空調機ではコイル単位での台数制御で能力調整を行っているものも知られているが、低負荷時に運転コイル台数を減らしていっても、最後の１台ではＯＮ／ＯＦＦ制御に近い動きとなってしまい限度があるが、これに対して、本実施例の熱交換器（コイル)ではコイル台数を細かく分割することなく、熱交換主管２単位で制御するので、比例制御に近いリニアな能力制御が可能となり、低負荷時での対応が可能となるとともに、コイル台数が少なくなることによる、コスト低減も期待できる。

このように、分配器(デストリビューター)５と電磁弁８を使用することで、高価な電子膨張弁が不要となり、上述したように、１台の熱交換器(コイル)１で制御できるので複数の熱交換器（コイル)で済み、台数制御が不要となり、複数台製作していたコイルが１台で済みのでコスト低減が図れる。
また、細い熱交換主管２の数本、或いは１本を稼働させるので、冷房低負荷時の蒸発温度低下が防げ、低吹出し温度による結露の危険性が減少する。同時に、低負荷時でも管内流速が維持され易く、圧縮機７に油戻りが容易になり、圧縮機７が円滑に稼働することができる。
さらに、冷媒循環量の少ない低負荷時に、熱交換器の上部と下部のヘッドの一部だけが冷媒が流れるので、熱交換器の上部と下部のヘッド差から、熱交換器下部に液冷媒がたまったまま流れない（冷媒寝込み）状態になりにくく、封入冷媒の充填量を削減できる。
また、入口湿度が高い場合には、熱交換主管２が通常の稼働状態に維持されるので、低負荷時でも除湿量が確保され易く、更に、能力制御幅を大きくすることが出来、制御のリニア性がアップし、広範囲の冷房能力がえられる。

なお、本発明は、熱交換器を使用する冷凍機等にも適用できる。また、本発明の特徴を損うものでなければ、上記の各実施例に限定されるものでないことは勿論である。

１・・蒸発器（熱交換器）、
２・・熱交換主管、２１・・第１熱交換主管群、２２・・第２熱交換主管群、
２３・・第３熱交換主管群
３・・入口接続部材、
３１・・第１入口接続部材、３１１、３１n・・第１入口群、
３２・・第２入口接続部材、３２１、３２n・・第２入口群、
３３・・第３入口接続部材、３３１、３３n・・第３入口群、
３４・・連結管
４・・出口接続部材(出力ヘッダ)、
４１・・第１出口接続部材、４１１、４１ｎ・・第１出口群、
４２・・第２出口接続部材、４２１、４２ｎ・・第２出口群、
４３・・第３出口接続部材、４３１、４３ｎ・・第３出口群、
４４・・流路管、
５・・分配器、
５１,５１'・・第１分配器(ディストリビューター)、５１１・・（第１）分配管、
５２・・第２分配器、５２１・・第２分配管、
５３・・第３分配器、５３１・・第３分配管、
６・・凝縮器（熱交換器）、６１・・流路管、
７・・圧縮機(コンプレッサー)、７１・・流路管
８・・制御用電磁弁(冷媒開閉機構)、８１・・第１制御用電磁弁、
８２・・第２制御用電磁弁、８３・・第３制御用電磁弁、
８５・・第４制御用電磁弁、
９・・列数制御用分配器、９１・・分配管

Claims

入口接続部材から出口接続部材との間に冷媒を通過させて熱交換する複数の熱交換主管を架け渡し、該複数の熱交換主管は互いに独立して設けられた熱交換器において、
入口接続部材の前記独立した複数の熱交換主管を空気の流れ方向に対して垂直方向に列状に配置して１群とし、該熱交換主管群は空気の流れ方向に上流から下流に向けて複数配列され、
かつ、各群の出口接続部材は、空気の流れの上流側に位置する群の入口接続部材に接続するとともに、前記各熱交換主管群の入口接続部材にはそれぞれ対応した分配器からの出力から分配管にそれぞれ接続され、
該各熱交換主管群に対応した分配器の上流には冷媒の通過量を制御可能な制御用電磁弁を設け、
該制御用電磁弁は所望の空調状態になるように熱交換器主管群を制御するための分配器を選択するようにしたことを特徴とする空調機の熱交換器。
前記独立した熱交換主管群のうち空気の流れに対して最上流に配置された熱交換主管群の各熱交換主管に冷媒の通過量を制御するための制御用電磁弁を分配器出口からのそれぞれの分配管に接続し、分配管に接続された制御用電磁弁は熱交換主管群のそれぞれの熱交換主管を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の空調機の熱交換器。