JP6918258B1 - 空気調和機及び熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】交換のための冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合の熱交換性能を向上させることを目的とする。【解決手段】非共沸混合冷媒を用いる空気調和機であって、蒸発器及び凝縮器として動作可能な熱交換器を備え、熱交換器が蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、熱交換器が蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機及び熱交換器に関する。

空気調和機においては、地球温暖化防止のため、ＧＷＰ（Global Warming Potential：地球温暖化係数）が低い冷媒を使う必要がある。低ＧＷＰ冷媒として、非共沸混合冷媒が多く提案されている。非共沸混合冷媒は、単一冷媒と違い、組成成分それぞれの沸点の違いから温度勾配があるため、同じ圧力で乾き度が大きくなるにつれて、温度が上昇する。このため、凝縮器基準で冷媒と空気の流れを対向流にし、蒸発器として利用する場合には、空気と冷媒との温度差を取るのが難しい。これに対し、特許文献１には、熱交換器を蒸発器あるいは凝縮器として利用する場合に、空気流に対して冷媒の流れが並行流となる伝熱管と、対向流となる伝熱管とを備える技術が開示されている。

特開２００２−１９５６７５号公報

特許文献１の技術においては、熱交換器が蒸発器として動作する場合に、対向流となる区間では、風上側の熱交換器列に対し風下側の熱交換器列は、同じ蒸発圧力の場合に、冷媒温度が下がり、冷媒と空気に温度差があるため、熱交換性能の低下を抑制することができる。しかしながら、蒸発器として動作する場合に対向流となる区間は、熱交換器が凝縮器として動作する場合には並行流となる。このため、風上側の熱交換器列において冷媒ガスと熱交換した空気が、風下側の熱交換列を通過する際には、冷媒と空気の温度差が確保されない可能性がある。また、空気と風上側の熱交換列で２相冷媒と熱交換した後の空気が風下側の熱交換器列で低乾き度の冷媒と熱交換する際に温度が確保されず、単一冷媒相当の過冷却を達成できない可能性がある。これらのことから、熱交換性能が大幅に低下し、空気調和機の総合的な性能低下に繋がる可能性があるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、熱交換のための冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合の熱交換性能を向上させることを目的とする。

本発明は、非共沸混合冷媒を用いる空気調和機であって、蒸発器及び凝縮器として動作可能な熱交換器を備え、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように冷媒流路が形成され、前記蒸発器出口は、前記蒸発器入口よりも鉛直方向の上側に設けられる。
また、本発明の他の形態は、非共沸混合冷媒を用いる空気調和機であって、蒸発器及び凝縮器として動作可能な熱交換器を備え、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように冷媒流路が形成され、前記熱交換器は、前記複数列の伝熱管に対応した伝熱面積が、前記１列の伝熱管に対応した伝熱面積以下となるように形成される。

本発明の他の形態は、蒸発器及び凝縮器として動作可能で、かつ非共沸混合冷媒を用いる熱交換器であって、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように形成され、前記蒸発器出口は、前記蒸発器入口よりも鉛直方向の上側に設けられる。
また、本発明の他の形態は、蒸発器及び凝縮器として動作可能で、かつ非共沸混合冷媒を用いる熱交換器であって、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように形成され、前記複数列の伝熱管に対応した伝熱面積が、前記１列の伝熱管に対応した伝熱面積以下となるように形成される。

本発明によれば、熱交換のための冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合の熱交換性能を向上させることができる。

空気調和機の全体図である。 熱交換器を模式的に示す図である。 ｐ−ｈ線図を示す図である。 伝熱管内冷媒の温度変化を示す図である。 ２列部伝熱面積の割合と、効率増加率との関係を示すグラフを示す図である。 第２の変形例に係る熱交換器を模式的に示す図である。 第３の変形例に係る熱交換器を模式的に示す図である。 第３の変形例に係る熱交換器を模式的に示す図である。 扁平管を用いた熱交換器における流路面積の説明図である。 第６の変形例に係る熱交換器を模式的に示す図である。

図１は、実施形態に係る空気調和機１の全体図である。空気調和機１は、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）で冷媒を循環させることによって、空調を行う。本実施形態の空気調和機１においては、熱交換のための冷媒として非共沸混合冷媒が用いられる。図１に示すように、空気調和機１は、屋外（室外）に設置される室外機１０と、室内（被空調空間）に設置される室内機２０と、を備えている。

室外機１０は、圧縮機１１と、四方弁１２と、アキュムレータ１３と、室外熱交換器１１４と、室外ファン１５と、室外膨張弁１６と、を有している。圧縮機１１は、低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する機器である。室外熱交換器１４において、冷凍サイクルを循環する冷媒と、室外ファン１５から送り込まれる外気と、の間で熱交換が行われる。室外熱交換器１４は、四方弁１２の切り替えにより凝縮器及び蒸発器として動作する。

室内機２０は、室内熱交換器２１と、室内ファン２２、を有している。室内熱交換器２１において、冷凍サイクルを循環する冷媒と、室内ファン２２から送り混まれる室内空気と、の間で熱交換が行われる。室内熱交換器２１は、四方弁１２の切り替えにより凝縮器及び蒸発器として動作する。なお、他の例としては、空気調和機１がビル用マルチエアコン等の場合には、室内機２０は、室内熱交換器２１から延びる冷媒管２及び室外膨張弁１６から延びる冷媒管２と接続する室内膨張弁２３をさらに備えてもよい。

冷房運転では、実線矢印で示すように、圧縮機１１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器１４に送られ、室外熱交換器１４に付設された室外ファン１５の駆動により室外空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒は、全開の室外膨張弁１６を通過し、冷媒管２を通じて室内機２０に送られる。そして、液冷媒は、室内熱交換器２１で、付設された室内ファン２２の駆動により室内空気と熱交換して低圧低温のガス冷媒となり、四方弁１２、アキュムレータ１３を通り圧縮機１１に戻る。

一方、暖房運転では、破線矢印で示すように、圧縮機１１で圧縮された高圧ガス冷媒が四方弁１２を通り、冷媒管２を通して、室内機２０の室内熱交換器２１に供給される。ガス冷媒は、室内熱交換器２１で室内空気を加熱しながら凝縮されて液冷媒となり、冷媒管２を通じて室外機１０に戻る。その後、冷媒は室外膨張弁１６を通り、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換をすることで蒸発してガス冷媒となり、四方弁１２、アキュムレータ１３を通り、圧縮機１１に戻る。

図２は、室外熱交換器１４及び室内熱交換器２１として用いられる熱交換器３０を模式的に示す図である。なお、図２に示す３次元座標におけるＸ軸方向（紙面の奥行方向）を熱交換器３０の横方向、Ｙ軸方向（紙面の縦方向）を熱交換器３０の上下方向（紙面上側が上方向）、Ｚ軸方向（紙面の横方向）を熱交換器３０の奥行方向とする。熱交換器３０は、室外機１０及び室内機２０が設置された状態において、熱交換器３０の上下方向が鉛直方向に沿うように設けられる。また、ファン（室外ファン１５、室内ファン２２）により空気の流れる方向を矢印Ａで示す。熱交換器３０のうち紙面において左側が風上側、右側が風下側となる。

熱交換器３０は、複数の伝熱管３１と、複数のフィン３２とを有している。フィン３２は、その面方向がＸ軸に垂直になるように設けられている。図２においては、１つのフィン３２のみを示しているが、複数のフィン３２が一定の間隔でＸ軸方向に配置されている。複数の伝熱管３１は、フィン３２を貫通するように設けられている。

さらに、熱交換器３０の下側の領域には、空気の流れる方向Ａに沿って２列の伝熱管３１が配設されている。また、熱交換器３０の上側の領域においては、空気の流れる方向Ａに沿って１列の伝熱管３１が配設されている。以下においては、２列の伝熱管が配設された領域を２列部３２２と称し、１列の伝熱管が配設された領域を１列部３２１と称する。また、２列部３２２のうち、風上側の列を風上列３３１と称し、風下側の列を風下列３３２と称する。１列部３２１の伝熱管３１には、その内側の断面積Ｍ１が、２列部３２２の伝熱管３１の内側の断面積Ｍ２よりも大きいものが用いられる。

熱交換器３０は、２列部３２２と、１列部３２１のすべての伝熱管３１とフィン３２が一体に形成されたものとする。ただし、他の例としては、１列部３２１のユニットと、風上列３３１のユニットと、風下列３３２のユニット、というように、複数のユニットを組み合わせることで熱交換器３０が形成されてもよい。

伝熱管３１の第１冷媒出入口３１１は、風上側に設けられ、冷媒管２を介して膨張弁（室外膨張弁１６）に接続する。伝熱管３１の第２冷媒出入口３１２は、1列部３２１の上側に設けられ、四方弁１２及びアキュムレータ１３を介して圧縮機１１に接続する。熱交換器３０において、伝熱管３１の第１冷媒出入口３１１及び第２冷媒出入口３１２は、それぞれ、熱交換器３０が蒸発器として動作する場合に、冷媒入口及び冷媒出口となる。以下、蒸発器として動作する場合の冷媒入口及び冷媒出口をそれぞれ蒸発器入口及び蒸発器出口と称する。

熱交換器３０が蒸発器として動作する場合に、蒸発器入口（第１冷媒出入口３１１）から風下に向かい、２列部３２２の端部３１３から、１列部３２１の下側の端部３１４へ入り、１列部３２１を経由して、蒸発器出口（第２冷媒出入口３１２）へ向かう冷媒経路が形成されている。なお、熱交換器３０が凝縮器として動作する場合には、この冷媒流路を熱交換器３０が蒸発器として動作する場合と逆向きに冷媒が流れる。

このような冷媒流路においては、熱交換器３０が凝縮器として動作する場合に、蒸発器入口側、すなわち２列部３２２において、冷媒の流れが空気の流れに対して対向流となる。したがって、凝縮器として動作する場合の熱交換効率を向上させることができる。また、従来例のように、熱交換器３０を蒸発器として動作させた場合に、蒸発器出口側が対向流となるようにした場合には、熱交換器３０を凝縮器として動作させた場合に、蒸発器出口側の冷媒の流れが並行流となり、熱交換効率が低下してしまう。これに対し、本実施形態においては、蒸発器出口側を１列の伝熱管とすることで、凝縮器としての性能が低下するのを防ぐことができる。

さらに、熱交換器３０においては、蒸発器としての性能の低下を防ぐため、圧力損失による温度低下が非共沸混合冷媒の温度勾配による温度上昇に比べて優勢になるように、２列部３２２の伝熱管３１の断面積Ｍ２が設計されている。ここで、温度勾配とは、熱交換器での蒸発又は凝縮における開始温度と終了温度が異なることである。圧力損失が大きくなると、圧力損失による温度低下が温度勾配による温度上昇に比べて優勢となる。このように圧力損失が優勢となる結果、蒸発器入口から伝熱管を流れるにつれて冷媒の温度が徐々に低下する。すなわち、蒸発器入口から、空気の流れに沿って、冷媒の温度が低下する。これにより、風上から風下に向かう方向において、空気と冷媒の温度差を同程度とすることができる。このため、風上側及び風下側の伝熱管がいずれも熱交換に有効に利用され、熱交換の効率を向上させることができる。

さらに、１列部３２１の伝熱管として、その断面積Ｍ１が２列部３２２の断面積Ｍ２よりも大きいものが用いられる。すなわち、１列部３２１の流路面積は、２列部３２２の流路面積よりも大きくなる。これにより、１列部３２１において冷媒の流速が遅くなり、圧力損失が小さくなる。したがって、２列部３２１においては、非共沸混合冷媒の温度勾配による温度上昇が圧力損失による温度上昇に比べて優勢になり、１列部３２１において圧力損失が増加することによる、蒸発器としての熱交換性能の低下を防ぐことができる。

図３は、ｐ−ｈ線図を示す図である。グラフの横軸及び縦軸は、それぞれ比エンタルピー及び圧力を示す。実線は、本実施形態の冷凍サイクルを模式的に示している。またＴ１、Ｔ２は、等温線の一部である。図中の冷凍サイクルでの各状態を説明する。図中においてＨ１は圧縮機吸入、Ｈ２は圧縮機吐出および凝縮器入口、Ｈ３は凝縮器出口、Ｈ４は蒸発器入口、Ｈ５は蒸発器入口部と蒸発器出口の中間部を示している。このような順序で冷媒状態が変化し冷凍サイクルが形成される。熱交換のための冷媒として非共沸混合冷媒を用いることから、圧力が一定の場合、冷媒蒸発時に温度が上昇する。しかしながら、前述の通り、蒸発器入口側では、非共沸混合冷媒の温度勾配に対し圧力損失が優勢となることに起因して、温度が低下する。図３におけるＳ１の範囲は、この圧力損失に起因して、冷媒の温度が徐々に低下する蒸発器入口側の領域である。Ｓ１の範囲は、熱交換器３０が蒸発器として動作する場合に並行流となる、２列部３２２の伝熱管３１に対応する。また、Ｓ２の範囲は、圧力損失よりも非共沸混合冷媒の温度勾配が優勢となり、冷媒の温度が徐々に上昇する蒸発器出口側の領域である。Ｓ２の範囲は、１列部３２１の伝熱管３１に対応する。

図４は、冷媒の流れによる、伝熱管内の冷媒の温度変化を示す図である。図４に示すグラフの横軸及び縦軸はそれぞれ、伝熱管長及び伝熱管内冷媒温度を示す。ここで、伝熱管長は、蒸発器入口からの冷媒流路の距離である。図４に示すように、２列部３２２に対応する範囲（Ｓ１）においては、圧力損失に起因して伝熱管内冷媒温度は、蒸発器入口における冷媒温度Ｔ１１から徐々に低下する。その後、非共沸混合冷媒の温度勾配が優勢になり、伝熱管内冷媒温度は低下から上昇に切り替わり、１列部３２１に対応する範囲（Ｓ２）においては、２列部３２２における最低温度Ｔ１２から蒸発器出口における冷媒温度Ｔ１３まで伝熱管内冷媒温度は徐々に上昇する。

すなわち、前述の通り、１列部３２１においては、風上側から風下側に向けて空気の温度が低下するため、伝熱管内の冷媒の温度変化を空気の温度変化と同様にすることができる。これにより、熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、図４に示すように、蒸発器出口における冷媒温度Ｔ１３が、１列部３２１と２列部３２２の切り替え点の冷媒温度Ｔ１２よりも高く、かつ空気の温度Ｔａよりも低くなるように、伝熱管３１（伝熱管３１の流路面積）が設計されているものとする。このように、１列部３２１の冷媒温度Ｔ１２よりも高くように設計されることで、１列部３２１における圧力損失を減らし、吸い込み圧力を下げ過ぎないようにすることができる。また、１列部３２１の冷媒温度を空気の温度Ｔａよりも低い温度とすることで、熱交換効率が低下するのを防ぐことができる。なお、空気の温度は、熱交換器３０により熱交換される空気の温度であり、熱交換される空気の温度は、天候等により変動する。そこで、実際には、空気調和機１が設置される地域において取り得るすべての温度条件において、空気の温度ＴａとＴ１２の温度差が、Ｔ１３とＴ１２の温度差よりも大きくなるように設計れればよい。

さらに、熱交換器３０は、蒸発器入口と蒸発器出口の温度が等しくなるように設計されるのが好ましい。１列部３２１と２列部３２２の伝熱管の流路面積等を設計することにより、蒸発器入口と蒸発器出口の温度を等しくすることができる。このように、蒸発器入口と蒸発器出口の温度を等しくすることにより、熱交換器３０の全体の熱交換効率を向上させることができる。

また、熱交換器３０は、２列部３２２に対応した伝熱面積が、１列部３２１に対応した伝熱面積以下となるように形成される。ここで、２列部３２２の伝熱面積は、２列部３２２におけるフィン３２の表面積であり、２列部３２１の伝熱面積は、１列部３２１におけるフィン３２の表面積である。以下、この伝熱面積の関係について説明する。図５は、２列部伝熱面積の割合と、効率増加率との関係を示すグラフを示す図である。横軸は、２列部伝熱面積の割合を示し、縦軸は、効率増加率を示す。ここで、２列部伝熱面積とは、熱交換器３０の全体の伝熱面積に対する、２列部に対応した伝熱面積の割合である。また、効率増加率は、蒸発器入口側及び蒸発器出口側がいずれも対向流となる熱交換器を基準とした場合の、本実施形態に示すように蒸発器入口側が並行流となる熱交換器におけるエネルギー効率の増加率である。なお、冷媒としては、同一の非共沸混合冷媒を用いた。エネルギー効率としては、ＡＰＦ（Annual Performance Factor：通年エネルギー消費効率）の値を用いた。

図５に示す線Ｑは、シミュレーションにより求めた、ある非共沸混合冷媒を用いた場合の効率増加率の変化を示している。同様に、温度勾配の異なる複数の非共沸混合冷媒を用いて、シミュレーション及び実験を行った。これらのシミュレーション及び実験の結果、明らかな効率増加がみられるのは、２列部伝熱面積の割合が１０％〜５０％の範囲であることが分かった。さらに、効率増加率が最高値を取る範囲は、２列部伝熱面積の割合が２０％〜３５％の範囲であることがわかった。

以上のことから、熱交換器３０は、２列部３２２の伝熱面積が１列部３２１の伝熱面積以下となるように形成されるのが好ましい。さらに、２列部伝熱面積の割合が１０％以上５０％以下の範囲Ｐ１となるように形成されるのが好ましい。また、熱交換器３０は、２列部伝熱面積の割合が１５％以上４０％以下の範囲Ｐ２となるように形成されるのがさらに好ましい。なお、１５％以上４０％以下の範囲は、効率増加率が最高値を取る範囲にマージンを含めた範囲である。

なお、フィン３２の幅方向の長さが、フィン３２の上下方向の位置によらず一定の場合には、上記伝熱面積の割合は、フィン３２の高さ方向の割合と等しくなる。ここで、幅方向とは、空気の流れる方向Ａに対応した方向である。

さらに、１列部３２１におけるフィン３２の幅と、２列部３２２におけるフィン３２の幅とが、等しくなるように形成されるのが好ましい。ここで、フィン３２の横幅とは、空気の流れる方向Ａに沿ったフィン３２の幅（長さ）である。このように、１列部３２１におけるフィン３２の幅を２列部３２２におけるフィン３２の幅と等しくすることで、所定の高さに含まれる伝熱管３１の数が１列部３２１の方が２列部３２２に比べて少ないことによる、１列部３２１の熱交換効率の低下を補うことができる。

なお、例えば、１列部３２１のフィン３２の幅が２列部３２２のフィン３２の幅よりも小さい場合には、１列部３２１における熱交換性能が低下する。一方で、１列部３２１のフィン３２の幅が２列部３２２のフィン３２の幅よりも大きい場合には、１列部３２１のフィン３２のうち、２列部３２２のフィン３２よりも長い部分に霜が付き、除霜できず、熱交換器３０の破損に繋がる可能性がある。したがって、１列部３２１のフィン３２と２列部３２２のフィンの幅は、両フィンの幅の差が、熱交換性能の低下や及び着霜が起こらない程度に等しければよい。

なお、２列部３２２の風上列３３１と風下列３３２とが別のユニットとして形成されている場合には、風上列３３１のフィンの幅と風下列のフィンの幅の合計値を２列部３２２のフィンの幅とし、２列部３２２のフィンの幅と１列部のフィンの幅が等しいものとする。なお、複数列の伝熱管が複数のユニットで形成されている場合には、各ユニットのフィンの幅の合計値を複数列の伝熱管におけるフィンの幅とする。

本実施形態に係る空気調和機１において利用される非共沸混合冷媒は、熱交換時の温度勾配が２℃以上の冷媒であることが好ましい。温度勾配が２℃以上の非共沸混合冷媒を用いることで、蒸発器として動作する場合に温度勾配が圧力損失に比べて優勢になる領域においても、効率的に熱交換を行うことができる。さらに、非共沸混合冷媒は、熱交換時の温度勾配が７℃以下の冷媒であることが好ましい。温度勾配が７℃を超えると、熱交換時の冷媒温度の低下により熱交換器３０に霜が付く可能性が高くなるためである。すなわち、温度勾配が７℃以下の非共沸混合冷媒を用いることにより、霜の付着を防ぐことができる。非共沸混合冷媒としては、Ｒ３２やＲ１２５など熱交換のための性能を確保するための冷媒と、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）、ＨＦＯ-１１２３、ＨＦＯ１１３２ａ、ＨＦＯ−１１３２（Ｅ）Ｒ７４４、Ｒ２９０、Ｒ６００ａ、ＣＦ_３Ｉ（トリフルオロヨードメタン）のようにＧＷＰが比較的低い冷媒の混合冷媒が挙げられる。これらの冷媒の混合冷媒において、上記温度勾配の範囲になるように、混合割合などが調整されるものとする。

また、図２に示すように、室外機１０及び室内機２０が設置された状態において、熱交換器３０の蒸発器出口は、蒸発器入口よりも鉛直方向の上側に設けられている。熱交換器３０においては、フィン３２に霜が付くことがある。この場合に、熱交換器３０を凝縮器として動作させることで除霜を行う。除霜を行う場合に、凝縮入口側（蒸発器出口側）は冷媒が流れにくく、霜が溶けにくい。一方、凝縮出口側（蒸発器入口側）は流速が速く、冷媒が流れやすいため、霜が溶けやすい。本実施形態の熱交換器３０においては、蒸発器入口側の流速が蒸発器出口側の流速に比べて速いため、上記の通り、蒸発器出口側を蒸発器入口側よりも鉛直方向上側に設けられるようにした。これにより、熱交換器３０の下側において徐霜において霜が溶け切らずに残ってしまうのを防ぐことができる。さらには、熱交換器３０の下側にはドレン水を受けるためのドレンパン（不図示）やドレン水の排出口（不図示）において氷が成長し、徐霜により生じた水を排出できなくなるのを防ぐことができる。

以上のように、本実施形態に係る空気調和機１の室外熱交換器１４及び室内熱交換器２１として利用される熱交換器３０においては、蒸発器入口側に１列の伝熱管が設けられ、蒸発器出口側に２列の伝熱管が設けられている。さらに、熱交換器３０は、蒸発器として動作する場合に、蒸発器入口側の冷媒の流れが並行流になるように形成され、２列部の流路面積が１列部の流路面積よりも大きくなるように形成されている。これにより、熱交換器３０は、蒸発器として動作する場合も凝縮器として動作する場合も、熱交換性能が低下するのを防ぐことができる。すなわち、熱交換のための冷媒として、非共沸混合冷媒を用いた場合の熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。

第１の変形例としては、本実施形態においては、室外熱交換器１４及び室内熱交換器２１として熱交換器３０が用いられることとしたが、室外熱交換器１４及び室内熱交換器２１の少なくとも一方に熱交換器３０が用いられればよい。

次に第２の変形例としては、１列部３２１の伝熱管３１の流路面積が２列部３２２の流路面積よりも大きくなるように設計されていればよく、そのための具体的な構成は実施形態に限定されるものではない。例えば、１列部３２１における冷媒流路（パス）の数が２列部３２２におけるパスの数よりも多くなるように設計されてもよい。図６は、第２の変形例に係る熱交換器４０を模式的に示す図である。熱交換器４０においては、１列部３２１と２列部３２２において、内側の断面積の等しい伝熱管３１が用いられる。そして、熱交換器４０においては、１列部３２１の端部３１３から２つの冷媒経路（２パス）に分岐する。これら２つの冷媒流路のうち一方は、１列部３２１において、上側の端部３１４ａから第２冷媒出入口３１２ａまで下方向に流れ、他方は、１列部３２１において、下側の端部３１４ｂから冷媒出口３１２ｂまで上方向に流れる。このように、１列部３２１と２列部３２２において断面積の等しい伝熱管を用いた上で、１列部３２１のパスの数を増やすことで、１列部３２１の流路面積を２列部３２２の流路面積よりも大きくしてもよい。

なお、このように、断面積の等しい伝熱管３１を用いる場合において、１列部３２１におけるパスの数は、３以上でもよい。また、他の例としては、１列部３２１における伝熱管３１の断面積が２列部３２２における伝熱管３１の断面積よりも大きく、かつ２列部３２２におけるパスの数を１列部のパスの数よりも多い、というように、目標の圧力損失となるように伝熱管の断面積及びパスの数の両方をパラメータとして設計してもよい。

第３の変形例としては、伝熱管の形状は、図２に示すように断面が円形となる丸管に限定されるものではない。例えば、断面が扁平な扁平管が伝熱管として用いられてもよい。また、他の例としては、内面溝付管のように、内側に溝が形成されていてもよい。図７は、扁平管を備えた熱交換器４１を示す図である。伝熱管４０１として扁平管を用いることにより、同一の高さにおいて、流路面積が扁平管と等しい丸管を用いた場合よりも、多い数の伝熱管を配列することができる。さらに、扁平管を用いることで、伝熱管からフィン４０２の風上側及び風下側の端４０２ａ，４０２ｂまでの距離を短くすることができるため、丸管に比べて熱交換効率を向上させることができる。なお、この場合、１列の扁平多孔管を２つ固定することで２列部が形成されてもよく、２列の扁平管が２列部として一体に形成されてもよい。また、１列部のユニットと２列部のユニットが上下方向に固定されることで熱交換器４１が形成されてもよく、１列部と２列部とが熱交換器４１として一体に形成されてもよい。

さらに、扁平管など丸管以外の場合においては、１列部３２１の伝熱管の管幅が２列部３２２の伝熱管の管幅に比べて長くなるように伝熱管が形成されてもよい。ここで、管幅とは、空気の流れる方向Ａに沿った方向における伝熱管の幅である。図７の例では、１列部３２１の伝熱管４０１の管幅はＮ１であり、２列部３２２の伝熱管４０１の管幅はＮ２である。このように、１列部３２１の管幅が２列部３２２の管幅に比べて長くなるように伝熱管を形成することで、１列部３２１において、伝熱管４０１からフィン４０２の端４０２ａ、４０２ｂまでの距離が遠くなることによる熱交換効率の低下を防ぐことができる。

さらに、扁平管を用いた熱交換器においては、目標の圧力損失に対応した流路面積になるように、伝熱管の断面積と、分岐パスの数とをパラメータとして設計されてもよい。図８に示すように、熱交換器４２において、扁平管を用い、分岐ヘッダ４２１ａ、４２１ｂを使うことで流路面積を調整することができる。扁平多孔管を使用した熱交換器４２では扁平管４２２とフィン４２３が一体に形成され、さらにこの両端に分岐ヘッダ４２１ａ、４２１ｂが配置される。そして、熱交換器４２においては、分岐ヘッダ４２１ａ、４２１ｂを用いて一度に複数本の冷媒管（扁平管）へ冷媒を分岐させることができる。このように使用する伝熱管の断面積のみではなく分岐本数の調節によっても、合計の流路面積、すなわち圧力損失が目標値になるよう設計することができる。蒸発器出口側において蒸発器入口部側に比べて分岐させる伝熱管の数を増やしていくことで伝熱管内の流速を低下させ、圧力損失を低下させることができる。また蒸発器出口側において、順次伝熱管の本数を増加させることでも同様に圧力損失を低下させることができる。

第４の変形例としては、熱交換器の下側の伝熱管の列の数は複数であればよく、２列に限定されるものではない。他の例としては、熱交換器は、例えば、３列の伝熱管を備えてもよい。図９は、３列の伝熱管４３１を備えた熱交換器４３を示す図である。図９には、伝熱管が扁平管の例を示している。この場合も、冷媒流路は、蒸発器入口から風上、中央、風下の冷媒管を順に経由して、１列の伝熱管に繋がる。これにより、蒸発器入口側における冷媒の流れる方向を空気の流れに対して並行流とすることができる。

第５の変形例としては、蒸発器出口は、蒸発器入口よりも鉛直方向の上側に設けられていればよく、蒸発器出口と蒸発器入口のＸ軸方向及びＺ軸方向の位置関係は、実施形態に限定されるものではない。例えば、熱交換器３０の上部側が風上側に傾いた状態に設けられ、蒸発器出口は、蒸発器入口よりも風上側に設けられていてもよい。

第６の変形例としては、図１０に示す熱交換器４４のように、１列部３２１と２列部３２２の伝熱管の断面積は等しくてもよい。この場合も、蒸発器出口側を１列の伝熱管とすることで、凝縮器としての性能が低下するのを防ぐことができる。

本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、例えばある実施形態の変形例を他の実施形態に適用するなど、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 空気調和機
１０ 室外機
１１ 圧縮機
１２ 四方弁
１３ アキュムレータ
１４ 室外熱交換器
１５ 室外ファン
１６ 室外膨張弁
２０ 室内機
２１ 室内熱交換器
２２ 室内ファン
２３ 室内膨張弁
３０、４０、４１、４２、４３、４４ 熱交換器
３１ 伝熱管
３２ フィン
３１１ 第１冷媒出入口
３１２ 第２冷媒出入口

Claims (12)

1. 非共沸混合冷媒を用いる空気調和機であって、
   蒸発器及び凝縮器として動作可能な熱交換器を備え、
   前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、
   前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、
   前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように冷媒流路が形成され、
   前記蒸発器出口は、前記蒸発器入口よりも鉛直方向の上側に設けられる、空気調和機。
2. 非共沸混合冷媒を用いる空気調和機であって、
   蒸発器及び凝縮器として動作可能な熱交換器を備え、
   前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、
   前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、
   前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように冷媒流路が形成され、
   前記熱交換器は、前記複数列の伝熱管に対応した伝熱面積が、前記１列の伝熱管に対応した伝熱面積以下となるように形成される、空気調和機。
3. 前記熱交換器は、前記１列の伝熱管の流路面積が前記複数列の伝熱管の流路面積よりも大きくなるように形成される、請求項１又は２に記載の空気調和機。
4. 前記複数列の伝熱管よりも断面積の大きい伝熱管が前記１列の伝熱管として用いられる、請求項３に記載の空気調和機。
5. 前記１列の伝熱管及び前記複数列の伝熱管として、断面積の等しい伝熱管が用いられ、
   前記１列の伝熱管における冷媒流路の数は、前記複数列の伝熱管における冷媒流路の数よりも多い、請求項３に記載の空気調和機。
6. 前記１列の伝熱管に対応したフィンの幅と前記複数列の伝熱管に対応したフィンの幅が等しい、請求項１乃至５の何れか１項に記載の空気調和機。
7. 前記蒸発器出口の前記非共沸混合冷媒の温度が前記１列の伝熱管における最低温度よりも高く、前記非共沸混合冷媒と熱交換される空気の温度よりも低くなるように伝熱管が形成される、請求項１に記載の空気調和機。
8. 前記１列の前記伝熱管の、前記空気の流れる方向における管幅が前記複数列の前記伝熱管の前記管幅よりも大きい、請求項１乃至７の何れか1項に記載の空気調和機。
9. 前記１列の前記伝熱管は、扁平管である、請求項１乃至８の何れか１項に記載の空気調和機。
10. 前記複数列の前記伝熱管は、扁平管である、請求項１乃至９の何れか１項に記載の空気調和機。
11. 蒸発器及び凝縮器として動作可能で、かつ非共沸混合冷媒を用いる熱交換器であって、
    前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、
    前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、
    前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように形成され、
    前記蒸発器出口は、前記蒸発器入口よりも鉛直方向の上側に設けられる、熱交換器。
12. 蒸発器及び凝縮器として動作可能で、かつ非共沸混合冷媒を用いる熱交換器であって、
    前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒入口側である蒸発器入口側には、空気の流れる方向に複数列の伝熱管が形成され、
    前記熱交換器が前記蒸発器として動作する場合の冷媒出口側である蒸発器出口側には、空気の流れる方向に１列の伝熱管が形成され、
    前記蒸発器入口側における冷媒の流れる方向が空気の流れに対して並行流となるように形成され、
    前記複数列の伝熱管に対応した伝熱面積が、前記１列の伝熱管に対応した伝熱面積以下となるように形成される、熱交換器。

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