JPWO2019008664A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

冷凍サイクル装置においては、複数組の空気熱交換器のそれぞれの組は、１以上の単体熱交換器を１組として構成され、単体熱交換器は、上部ヘッダ管と下部ヘッダ管と伝熱管とフィンとを有し、冷房運転時には、組ごとの空気熱交換器が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成され、直列冷媒流路では、全ての単体熱交換器が有する伝熱管に上から下に冷媒を流通させ、暖房運転時には、組ごとの空気熱交換器が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成され、並列冷媒流路では、全ての単体熱交換器が有する伝熱管に下から上に冷媒を流通させる。

Description

本発明は、並列に配置される多数の伝熱管を有する単体熱交換器で構成された空気熱交換器を備える冷凍サイクル装置に関する。
従来、冷凍サイクル装置の一例である空気調和装置において使用される熱交換器では、多数の伝熱管が水平方向に延びて並列に配置される構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示された熱交換器では、伝熱管の左右のどちらか一端部側に接続された垂直ヘッダ管内に仕切り板が配置される。これにより、垂直ヘッダ管内での上下に分ける冷媒流路の流路数が調整できる。この結果、熱交換器が凝縮器として機能する場合に、適切な冷媒流速が確保でき、熱交換性能が向上できる。
また、熱交換器では、多数の伝熱管が鉛直方向に延びて並列に配置される構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。
特許文献２に開示された熱交換器では、熱交換器の入口となる下部ヘッダ管内に絞り部が複数設けられる。これにより、下部ヘッダ管から上方に延びる伝熱管の全流路に冷媒が分配できる。この結果、熱交換器が蒸発器として機能する場合に、熱交換器の入口の２相冷媒が良好に分配でき、蒸発性能が向上できる。
特許第５６１７９３５号公報 特許第４３９１３４８号公報
しかしながら、特許文献１に開示された熱交換器が蒸発器として機能する場合には、垂直ヘッダ管にて各伝熱管の流路へ冷媒が均等に分配し難く、熱交換性能が低下する。
また、特許文献２に開示された熱交換器が凝縮器として機能する場合には、右側一端部から下部ヘッダ管に冷媒が流入する。このため、下部ヘッダ管にて全ての伝熱管の流路に冷媒が分配されると、下部ヘッダ管の左側他端部まで適切な冷媒流速が確保し難く、熱交換性能が低下する。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、空気熱交換器が凝縮器および蒸発器のどちらとして機能しても最適な伝熱性能を発揮し、熱交換性能が向上できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明に係る冷凍サイクル装置においては、冷媒を循環させる冷媒回路は、圧縮機と、四方弁と、複数組の空気熱交換器と、膨張弁と、負荷側熱交換器と、を備え、複数組の前記空気熱交換器のそれぞれの組は、１以上の単体熱交換器を１組として構成され、前記単体熱交換器は、上部ヘッダ管と、下部ヘッダ管と、前記上部ヘッダ管と前記下部ヘッダ管との間に鉛直方向に延びて並列に配置される多数の伝熱管と、前記伝熱管に直交する水平方向に延びて並列に配置される多数のフィンと、を有し、冷房運転時には、複数組の前記空気熱交換器のうち組ごとの前記空気熱交換器が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成され、前記直列冷媒流路では、複数組の前記空気熱交換器における全ての前記単体熱交換器が有する前記伝熱管に上から下に冷媒が流通し、暖房運転時には、複数組の前記空気熱交換器のうち組ごとの前記空気熱交換器が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成され、前記並列冷媒流路では、複数組の前記空気熱交換器における全ての前記単体熱交換器が有する前記伝熱管に下から上に冷媒が流通するものである。
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷房運転時には、複数組の空気熱交換器のうち組ごとの空気熱交換器が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成される。直列冷媒流路では、複数組の空気熱交換器における全ての単体熱交換器が有する伝熱管に上から下に冷媒が流通する。暖房運転時には、複数組の空気熱交換器のうち組ごとの空気熱交換器が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成される。並列冷媒流路では、複数組の空気熱交換器における全ての単体熱交換器が有する伝熱管に下から上に冷媒が流通する。したがって、空気熱交換器が凝縮器および蒸発器のどちらとして機能しても最適な伝熱性能を発揮し、熱交換性能が向上できる。
本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る１組の空気熱交換器を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る単体熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る単体熱交換器を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る単体熱交換器の下部ヘッダ管を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時の冷媒流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の暖房運転時の冷媒流れを示す説明図である。 比較例に係る１組の空気熱交換器を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に示す構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
実施の形態１．
＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００を示す冷媒回路図である。冷凍サイクル装置１００は、チリングユニットである。
図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる１つの冷媒回路を備える。１つの冷媒回路は、圧縮機１ａ、１ｂと、四方弁２と、２組の空気熱交換器３、４と、膨張弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂと、負荷側熱交換器である水熱交換器７と、を備える。１つの冷媒回路は、アキュムレータ８と、送風機９ａ、９ｂと、逆止弁１０と、電磁弁１１と、開閉弁である電磁弁１２ａ、１２ｂと、を備える。
圧縮機１ａ、１ｂと四方弁２と２組の空気熱交換器３、４と膨張弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂと水熱交換器７とアキュムレータ８と逆止弁１０と電磁弁１１とは、冷媒回路の冷媒配管２０に繋がる。
１組の空気熱交換器３は、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂを１組として構成される。１組の空気熱交換器４は、２つの単体熱交換器４ａ、４ｂを１組として構成される。冷凍サイクル装置１００は、冷媒回路に、単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを４台接続する。なお、冷媒回路は、２組の空気熱交換器３、４を備えるだけでなく、複数組の空気熱交換器を備えても良い。また、複数組の空気熱交換器のそれぞれの組は、１以上の単体熱交換器を１組として構成されても良い。特に、複数組の空気熱交換器のそれぞれの組は、２以上の単体熱交換器を１組として構成されると良い。さらには、複数組の空気熱交換器のそれぞれの組は、偶数の単体熱交換器を１組として構成されるとより良い。
水熱交換器７は、冷媒回路を流通する冷媒と水回路の水とを熱交換し、水を冷却または加熱する。水熱交換器７にて冷却または加熱される水は、水回路を循環して対象室内の空気調和を行う。なお、実施の形態１において水熱交換器７を用いた負荷側熱交換器は、冷媒回路を流通する冷媒と対象室の空気と熱交換を行うものでも良い。
送風機９ａは、１組の空気熱交換器３の上方に配置される。送風機９ｂは、１組の空気熱交換器４の上方に配置される。
電磁弁１２ａ、１２ｂは、圧縮機１ａ、１ｂと２組の空気熱交換器３、４とを直接繋げる高温ガス冷媒配管１８に配置される。電磁弁１２ａ、１２ｂは、除霜運転時に圧縮機１ａ、１ｂから高温ガス冷媒を１組の空気熱交換器３、４ごとに流通させるか否かによって開閉させる開閉弁である。
高温ガス冷媒配管１８は、圧縮機１ａ、１ｂと２組の空気熱交換器３、４とを直接接続する。高温ガス冷媒配管１８は、主管１８ａと、第１分岐管１８ｂと、第２分岐管１８ｃと、を有する。主管１８ａは、圧縮機１ａ、１ｂから延びる。２本の第１分岐管１８ｂは、主管１８ａから１組の空気熱交換器３、４ごとに分岐する。電磁弁１２ａ、１２ｂは、２本の第１分岐管１８ｂにそれぞれ繋がる。一方の第２分岐管１８ｃは、第１分岐管１８ｂにおける電磁弁１２ａの１組の空気熱交換器３側にて単体熱交換器３ａ、３ｂごとに分岐する。もう一方の第２分岐管１８ｃは、第１分岐管１８ｂにおける電磁弁１２ｂの１組の空気熱交換器４側にて単体熱交換器４ａ、４ｂごとに分岐する。
＜空気熱交換器３、４の構成＞
図２は、本発明の実施の形態１に係る１組の空気熱交換器３を示す説明図である。１組の空気熱交換器３は、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂを１組として構成される。１組の空気熱交換器４は、１組の空気熱交換器３と同様に、２つの単体熱交換器４ａ、４ｂを１組として構成される。
図２に示すように、空気熱交換器３は、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂが左右に一対となって上部の間隔が下部の間隔よりも広いＶ字型となるように傾斜して配置される。また、図示しない空気熱交換器４は、空気熱交換器３と同様に、２つの単体熱交換器４ａ、４ｂが左右に一対となって上部の間隔が下部の間隔よりも広いＶ字型となるように傾斜して配置される。なお、偶数の単体熱交換器は、２つごとの単体熱交換器が一対となって上部の間隔が下部の間隔よりも広いＶ字型となるように傾斜させても良い。
図２に示すように、送風機９ａは、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂが左右に一対となるときの線対称の対称軸上における上方に配置される。図示しない送風機９ｂは、送風機９ａと同様に、２つの単体熱交換器４ａ、４ｂが左右に一対となるときの線対称の対称軸上における上方に配置される。
＜単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの構成＞
図３は、本発明の実施の形態１に係る単体熱交換器３ａを示す正面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る単体熱交換器３ａを示す側面図である。ここでは、単体熱交換器３ａを例に挙げる。他の単体熱交換器３ｂ、４ａ、４ｂは、単体熱交換器３ａと同様な構成である。図３、図４に示すように、単体熱交換器３ａは、上部ヘッダ管１３と、下部ヘッダ管１４と、多数の伝熱管１５と、多数のコルゲートフィン１６と、を有する。
下部ヘッダ管１４には、高温ガス冷媒配管１８の第２分岐管１８ｃが高温ガス冷媒を圧縮機１ａ、１ｂから直接流入できるように接続される。
多数の伝熱管１５は、上部ヘッダ管１３と下部ヘッダ管１４との間に鉛直方向に延びて並列に配置される。多数の伝熱管１５は、上部ヘッダ管１３と下部ヘッダ管１４とに冷媒が流通できるように接続される。なお、伝熱管１５は、扁平管あるいは円管などを用いられる。
多数のコルゲートフィン１６は、多数の伝熱管１５に直交する水平方向に延びて並列に配置される。隣り合うコルゲートフィン１６の間には、送風機９ａに送風された空気が流通する。
＜下部ヘッダ管１４の構成＞
図５は、本発明の実施の形態１に係る単体熱交換器３ａの下部ヘッダ管１４を示す斜視図である。図５に示すように、下部ヘッダ管１４は、内管１４ａと、外管１４ｂと、を有する２重管構造である。
内管１４ａは、冷媒回路の冷媒配管２０に繋がり、冷媒を流通させる。内管１４ａは、一端部を冷媒配管２０と接続されるとともに、一端部の反対側の他端部を閉塞される。内管１４ａの周壁部には、外管１４ｂの内部を介して冷媒を伝熱管１５に流入出させる多数の孔部１４ａ１が設けられる。図４に示すように、内管１４ａの径は、上部ヘッダ管１３の径よりも小さい。
外管１４ｂには、内管１４ａを囲って高温ガス冷媒配管１８の１本の第２分岐管１８ｃが接続される。外管１４ｂは、水平方向に延びる管であり、両端部が閉塞される。外管１４ｂは、高温ガス冷媒配管１８の第２分岐管１８ｃを水平方向から接続する。外管１４ｂには、多数の伝熱管１５がそれぞれ接続される。外管１４ｂは、多数の伝熱管１５を上方向から接続する。図４に示すように、外管１４ｂの径は、上部ヘッダ管１３の径とほぼ等しい。
＜冷房運転の動作＞
図６は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の冷房運転時の冷媒流れを示す説明図である。冷房運転と暖房運転との切り替えは、図１に示す四方弁２での流路切り替えにより実施される。
図６に示すように、圧縮機１ａ、１ｂから四方弁２に流出した高温ガス冷媒は、まず逆止弁１０に遮断され、１組の空気熱交換器３を構成する２つの単体熱交換器３ａ、３ｂに流入して熱交換される。１組の空気熱交換器３に繋がる冷媒配管２０では、１組の空気熱交換器３を構成する２つの単体熱交換器３ａ、３ｂそれぞれが並列に冷媒を流通させる分岐冷媒流路が形成される。１組の空気熱交換器３では、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂが有する伝熱管１５に上から下に冷媒が流通する。
空気熱交換器３を流出した２相冷媒は、膨張弁５ａが閉弁するとともに電磁弁１１が開弁するため、電磁弁１１の配置された冷媒配管２０を流通し、１組の空気熱交換器４に至る。電磁弁１１の配置された冷媒配管２０は、２組の空気熱交換器３、４のうち組ごとの空気熱交換器３，４が直列に冷媒を流通させる直列冷媒配管である。このため、冷房運転時には、２組の空気熱交換器３、４のうち組ごとの空気熱交換器３，４が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成される。
そして２相冷媒は、１組の空気熱交換器４を構成する２つの単体熱交換器４ａ、４ｂに流入して熱交換される。１組の空気熱交換器４に繋がる冷媒配管２０では、１組の空気熱交換器４を構成する２つの単体熱交換器４ａ、４ｂそれぞれが並列に冷媒を流通させる分岐冷媒流路が形成される。１組の空気熱交換器４では、２つの単体熱交換器４ａ、４ｂが有する伝熱管１５に上から下に冷媒が流通する。
空気熱交換器４を流出した液冷媒は、開弁した膨張弁５ｂを通過し、膨張弁６ａ、６ｂにより膨張して２相冷媒になり、水熱交換器７に至る。２相冷媒は、水熱交換器７に流入して熱交換し、低温ガス冷媒になる。水熱交換器７では、２相冷媒と熱交換した水が冷却され、冷水が生成される。
以上のように、冷房運転の場合には、２組の空気熱交換器３、４に対して冷媒が直列に流れる直列冷媒流路が冷媒回路に形成される。これにより、空気熱交換器３、４を構成する単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの伝熱管１５は、細い流路が長く形成され、伝熱管１５の流路内にて冷媒流速と流路長さとを増加させられる。このため、空気熱交換器３、４が凝縮器として機能する場合に、熱交換性能が向上できる。
＜暖房運転の動作＞
図７は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の暖房運転時の冷媒流れを示す説明図である。冷房運転と暖房運転との切り替えは、図１に示す四方弁２での流路切り替えにより実施される。
図７に示すように、圧縮機１ａ、１ｂから四方弁２に流出した高温ガス冷媒は、まず水熱交換器７に流入して水回路の水と熱交換する。この熱交換により、水熱交換器７では、温水が生成される。水熱交換器７を流出した液冷媒は、開弁した膨張弁６ａ、６ｂを通過し、開弁した膨張弁５ａ、５ｂを有する２つの冷媒配管２０にそれぞれ分配され、膨張弁５ａ、５ｂにて膨張し、２相冷媒となる。
暖房運転では、２つの膨張弁５ａ、５ｂが開弁するとともに電磁弁１１が閉弁するため、２相冷媒が２組の空気熱交換器３と空気熱交換器４とに並列に分配されて熱交換される。このように、暖房運転時には、２組の空気熱交換器３、４のうち組ごとの空気熱交換器３、４が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成される。
また、１組の空気熱交換器３、４を構成する単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂそれぞれが並列に冷媒を流通させる分岐冷媒流路が形成される。つまり、４つの単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂそれぞれが並列に冷媒を流通させる。
各単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの下部ヘッダ管１４には、図５に示す２相冷媒の分配機構である小径な多数の孔部１４ａ１を有する内管１４ａが外管１４ｂに囲まれ、外管１４ｂに接続される多数の伝熱管１５の全流路に対し、均等に冷媒が分配できる。そして、並列冷媒流路では、２組の空気熱交換器３、４における全ての単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが有する伝熱管１５に下から上に冷媒が流通する。
したがって、暖房運転の場合には、２組の空気熱交換器３、４を冷媒が並列に流れる。これにより、多数の伝熱管１５の全流路に対し、均等に冷媒が分配できる。このため、空気熱交換器３、４が蒸発器として機能する場合には、熱交換性能が向上できる。
このように、多数の伝熱管１５が鉛直に延びるように配置された２組の空気熱交換器３、４が凝縮器または蒸発器として機能する場合によって、空気熱交換器３、４を流れる冷媒の流れが変わることにより、２組の空気熱交換器３、４が凝縮器または蒸発器として機能するいずれの場合でも、最適な熱交換性能が得られる。
＜コルゲートフィン１６の作用＞
図８は、比較例に係る１組の空気熱交換器３を示す説明図である。比較例に係る１組の空気熱交換器３では、それぞれの単体熱交換器３ａ、３ｂにおいて上下方向に対して伝熱管１５が鉛直に延びるように配置される。つまり、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂが左右一対となって上部の間隔と下部の間隔とが等しい。比較例に係る１組の空気熱交換器３では、伝熱管が水平方向に延びるように配置される空気熱交換器に対して排水性が向上する。しかし、破線で囲まれた拡大図のように、コルゲートフィン１６には、暖房運転時の結露水、除霜運転時の氷融解水および散水運転時の水などの水滴１７が流れずに滞留する。
一方、図２に示す実施の形態１に係る１組の空気熱交換器３では、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂが左右一対となって上部の間隔が下部の間隔よりも広いＶ字型となるように傾斜して配置される。つまり、単体熱交換器３ａ、３ｂは、鉛直方向に対して傾斜して配置され、コルゲートフィン１６の板面を水平方向に対して傾斜して配置される。なお、１組の空気熱交換器４も、１組の空気熱交換器３と同様な構成である。この配置の場合には、破線で囲まれた拡大図に示すように、コルゲートフィン１６に生成した水滴１７は、重力の影響により傾斜面を下方に流れる。そのため、空気熱交換器３、４では、排水性が向上する。
したがって、暖房運転時にコルゲートフィン１６に結露水の水滴１７が発生した場合には、水滴１７の排出が促進される。このため、暖房性能の低下が抑制できる。また、除霜運転時にコルゲートフィン１６に氷融解水の水滴１７が発生した場合には、水滴１７の排出が促進される。このため、氷の融け残りが抑制できる。また、散水運転時に、コルゲートフィン１６に付着した水滴１７は、滞留することなくコルゲートフィン１６全体に行き渡せられる。このため、散水効果が十分に発揮できる。
＜分割除霜運転の動作＞
１組の空気熱交換器３、４ごとに除霜を実施する分割除霜運転中に、除霜用の高温ガス冷媒の流量を確保し、除霜性能が向上できる動作を説明する。つまり、暖房運転中に、暖房運転を行いながら、２組ある空気熱交換器３、４を１組ごとに個別に分割除霜する。
暖房運転中に、１組の空気熱交換器３の除霜を実施する場合には、該当する送風機９ａの運転を停止し、膨張弁５ａを閉弁し、除霜用の電磁弁１２ａを開弁することにより、１組の空気熱交換器３に高温ガス冷媒の一部が高温ガス冷媒配管１８を流通させて供給される。これにより、高温ガス冷媒は、１組の空気熱交換器３に付着した氷を融かす。その一方で、もう１組の空気熱交換器４は、暖房運転を継続的に実施する。このため、分割除霜中に水熱交換器７にて熱交換が停止してしまうことが防止され、熱交換による温水温度の低下が抑制される。１組の空気熱交換器３の分割除霜の運転の完了後には、送風機９ａの運転を開始し、膨張弁５ａを通常の暖房運転用に動作させ、除霜用の電磁弁１２ａを閉弁することにより、１組の空気熱交換器３が通常の暖房運転に復帰される。
続いて、１組の空気熱交換器４の除霜を実施する場合には、該当する送風機９ｂの運転を停止し、膨張弁５ｂを閉弁し、除霜用の電磁弁１２ｂを開弁することにより、１組の空気熱交換器４に高温ガス冷媒の一部が高温ガス冷媒配管１８を流通させて供給される。これにより、高温ガス冷媒は、１組の空気熱交換器４に付着した氷を融かす。その一方で、もう１組の空気熱交換器３は、暖房運転を継続的に実施する。このため、分割除霜中に水熱交換器７にて熱交換が停止してしまうことが防止され、熱交換による温水温度の低下が抑制される。１組の空気熱交換器４の分割除霜の運転の完了後には、送風機９ｂの運転を開始し、膨張弁５ｂを通常の暖房運転用に動作させ、除霜用の電磁弁１２ｂを閉弁することにより、１組の空気熱交換器４が通常の暖房運転に復帰される。
＜高温ガス冷媒配管１８の動作＞
除霜用の高温ガス冷媒配管１８が単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの冷媒配管２０に接続される従来構成の場合には、高温ガス冷媒が下部ヘッダ管１４の内管１４ａを通過して単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに流入する。このため、圧力損失が増加し、除霜用高温ガス冷媒の流量が低下し、除霜性能が低下する問題がある。しかし、実施の形態１では、図４、図５に示すように、除霜用の高温ガス冷媒配管１８の第２分岐管１８ｃは、下部ヘッダ管１４の内管１４ａに至らず外管１４ｂに接続される。このため、除霜用の高温ガス冷媒配管１８からの高温ガス冷媒が内管１４ａを通過せずに外管１４ｂ内から単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに直接流入する。このため、高温ガス冷媒配管１８からの高温ガス冷媒が冷媒配管２０の冷媒と混合されない。その結果、圧力損失の増加が抑制でき、除霜用高温ガス冷媒の流量の低下が抑制でき、除霜性能が向上できる。
＜実施の形態１の効果＞
冷媒を循環させる冷媒回路は、圧縮機１ａ、１ｂと、四方弁２と、２組の空気熱交換器３、４と、膨張弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂと、水熱交換器７と、を備える。２組の空気熱交換器３、４のそれぞれの組は、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを１組として構成される。単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、上部ヘッダ管１３と、下部ヘッダ管１４と、上部ヘッダ管１３と下部ヘッダ管１４との間に鉛直方向に延びて並列に配置される多数の伝熱管１５と、伝熱管１５に直交する水平方向に延びて並列に配置される多数のコルゲートフィン１６と、を有する。冷房運転時には、２組の空気熱交換器３、４のうち組ごとの空気熱交換器３、４が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成される。直列冷媒流路では、２組の空気熱交換器３、４における全ての単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが有する伝熱管１５に上から下に冷媒が流通する。暖房運転時には、２組の空気熱交換器３、４のうち組ごとの空気熱交換器３、４が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成される。並列冷媒流路では、２組の空気熱交換器３、４における全ての単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが有する伝熱管１５に下から上に冷媒が流通する。
この構成によれば、ガス冷媒と液冷媒との密度差を考慮すると、冷房運転時には、冷媒を凝縮させるために伝熱管１５に上から下に冷媒が流通するので、空気熱交換器３、４が凝縮器として最適な伝熱性能を発揮する。このとき、直列冷媒流路が形成されるので、２組の空気熱交換器３、４での伝熱管１５の冷媒流速および流路長さが増加でき、凝縮器としての性能が更に向上できる。また、ガス冷媒と液冷媒との密度差を考慮すると、暖房運転時には、冷媒を蒸発させるために伝熱管１５に下から上に冷媒が流通するので、空気熱交換器３、４が蒸発器として最適な伝熱性能を発揮する。このとき、並列冷媒流路が形成されるので、２組の空気熱交換器３、４では、全ての伝熱管１５の流路に対して冷媒が均等に分配でき、蒸発器としての性能が更に向上できる。したがって、空気熱交換器３、４が凝縮器および蒸発器のどちらとして機能しても最適な伝熱性能を発揮し、熱交換性能が向上できる。
２組の空気熱交換器３、４のそれぞれの組は、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを１組として構成される。冷媒回路には、１組の空気熱交換器３、４を構成する単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂそれぞれが並列に冷媒を流通させる分岐冷媒流路が形成される。
この構成によれば、空気熱交換器３、４は、２つに分離した単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂで構成され、１つの大きな空気熱交換器を用いる場合に比して小型化できるとともに設計上の配置変更が容易になる。また、分岐冷媒流路が形成されて単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂそれぞれが並列に冷媒を流通させるので、２組の空気熱交換器３、４での全ての伝熱管１５の流路に対して冷媒が均等に分配でき、蒸発器としての性能が更に向上できる。
単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、鉛直方向に対して傾斜して配置され、コルゲートフィン１６の板面を水平方向に対して傾斜して配置される。
この構成によれば、暖房運転時の結露水と、除霜運転時の氷融解水と、散水運転時の水と、の水滴１７がコルゲートフィン１６上から排水し易くなる。また、単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが鉛直方向に対して傾斜して配置され、搭載装置の高さが抑えられる。
２組の空気熱交換器３、４のそれぞれの組は、偶数の単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを１組として構成される。偶数の単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、２つごとの単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが一対となって上部の間隔が下部の間隔よりも広いＶ字型となるように傾斜して配置される。
この構成によれば、暖房運転時の結露水と、除霜運転時の氷融解水と、散水運転時の水と、の水滴１７がコルゲートフィン１６上から排水し易くなる。また、単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが鉛直方向に対して傾斜して配置され、搭載装置の高さが抑えられる。さらに、隣り合う冷凍サイクル装置１００同士の間の下方部分に隙間が形成でき、作業者がメンテナンスし易くなる。加えて、上吹き出し型の冷凍サイクル装置１００では、空気流れがスムーズになり、圧力損失が低減できる。
単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの下部ヘッダ管１４には、圧縮機１ａ、１ｂと繋がる高温ガス冷媒配管１８が接続される。
この構成によれば、除霜運転時に圧縮機１ａ、１ｂからの高温ガス冷媒が下部ヘッダ管１４に供給できる。そして、高温ガス冷媒は、下部ヘッダ管１４から伝熱管１５を通って上部ヘッダ管１３に至る。これにより、除霜運転時に単体熱交換器に対する除霜が効果的に行える。
単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの下部ヘッダ管１４は、冷媒を流通させる内管１４ａと、内管１４ａを囲って高温ガス冷媒配管１８が接続される外管１４ｂと、を有する。外管１４ｂには、伝熱管１５が接続される。内管１４ａには、外管１４ｂの内部を介して冷媒を伝熱管１５に流入出させる孔部１４ａ１が設けられる。
この構成によれば、下部ヘッダ管１４は、多数の伝熱管１５に供給される冷媒を流出入させる冷媒配管２０と、下部ヘッダ管１４に１本で接続される高温ガス冷媒配管１８と、を効率良く接続できる。そして、下部ヘッダ管１４は、外管１４ｂに囲まれて上部ヘッダ管１３よりも細い内管１４ａに孔部１４ａ１を多数空けて冷媒を下部ヘッダ管１４内に分配するので、下部ヘッダ管１４の冷媒配管２０に対する接続側とは反対側の端部まで適切な冷媒流速が確保し易い。このため、単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの全ての伝熱管１５に冷媒が均等に分配でき、蒸発器としての性能が更に向上できる。
高温ガス冷媒配管１８は、圧縮機１ａ、１ｂと繋がった主管１８ａから１組の空気熱交換器３、４ごとに分岐する第１分岐管１８ｂを有する。第１分岐管１８ｂには、除霜運転時に圧縮機１ａ、１ｂから高温ガス冷媒を１組の空気熱交換器３、４ごとに流通させるか否かによって開閉させる電磁弁１２ａ、１２ｂが設けられる。高温ガス冷媒配管１８は、第１分岐管１８ｂにおける電磁弁１２ａ、１２ｂの１組の空気熱交換器３、４側にて単体熱交換器３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂごとに分岐する第２分岐管１８ｃを有する。
この構成によれば、高温ガス冷媒配管１８は、主管１８ａと第１分岐管１８ｂと電磁弁１２ａ、１２ｂと第２分岐管１８ｃとによって除霜運転時に１組の空気熱交換器３、４ごとに圧縮機１ａ、１ｂから高温ガス冷媒を流通させられる。これにより、除霜運転時に他の組の空気熱交換器３、４が暖房運転を継続し、暖房能力の低下が抑えられる。
負荷側熱交換器は、水と冷媒回路の冷媒とを熱交換する水熱交換器７である。
この構成によれば、水熱交換器７は、冷媒回路の空気熱交換器３、４で効率良く熱交換された冷媒と水とを熱交換できる。
冷凍サイクル装置としての冷凍サイクル装置１００は、水熱交換器７が熱交換した水を空気調和に用いる。
この構成によれば、冷媒回路の空気熱交換器３、４で効率良く熱交換された冷媒を用いて空気調和が実施できる。
実施の形態２．
＜冷凍サイクル装置１００の構成＞
図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００を示す冷媒回路図である。冷凍サイクル装置１００は、チリングユニットである。冷凍サイクル装置１００は、１つの筐体内に、２つの冷媒回路を備える。実施の形態２では、特徴部分のみを説明し、実施の形態１と同様な構成および動作は説明を省略する。
図９に示すように、第１の冷媒回路は、圧縮機１ａ、１ｂと、四方弁２ａと、２組の空気熱交換器３、４と、膨張弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂと、負荷側熱交換器である水熱交換器７ａと、を備える。第１の冷媒回路は、アキュムレータ８ａと、送風機９ａ、９ｂと、逆止弁１０ａと、電磁弁１１ａと、開閉弁である電磁弁１２ａ、１２ｂと、を備える。１組の空気熱交換器３は、２つの単体熱交換器３ａ、３ｂを１組として構成される。１組の空気熱交換器４は、２つの単体熱交換器４ａ、４ｂを１組として構成される。
第２の冷媒回路は、圧縮機１ｃ、１ｄと、四方弁２ｂと、２組の空気熱交換器３、４と、膨張弁５ｃ、５ｄ、６ｃ、６ｄと、負荷側熱交換器である水熱交換器７ｂと、を備える。第２の冷媒回路は、アキュムレータ８ｂと、送風機９ｃ、９ｄと、逆止弁１０ｂと、電磁弁１１ｂと、開閉弁である電磁弁１２ｃ、１２ｄと、を備える。１組の空気熱交換器３は、２つの単体熱交換器３ｃ、３ｄを１組として構成される。１組の空気熱交換器４は、２つの単体熱交換器４ｃ、４ｄを１組として構成される。
以上のように、２つの冷媒回路には、４組の空気熱交換器３、４が接続される。２つの冷媒回路は、それぞれの水熱交換器７ａ、７ｂを水回路に直列に接続される。
＜分割除霜運転の動作＞
実施の形態２では、実施の形態１と同様に、１組の空気熱交換器３、４ごとに除霜を実施する分割除霜運転中に、除霜用の高温ガス冷媒の流量を確保し、除霜性能がより向上できる。つまり、暖房運転中に、暖房運転を行いながら、４組ある空気熱交換器３、４を１組ごとに個別に分割除霜する。これにより、全体の空気熱交換器３、４の４分の１ずつ分割除霜が行われる。このため、分割除霜中の温水低下が更に抑制できる。
＜実施の形態２の効果＞
冷媒回路が２つ設けられる。除霜運転時には、２つの冷媒回路のうちいずれか１組の空気熱交換器３、４ごとに電磁弁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを開弁させる。
この構成によれば、高温ガス冷媒配管１８は、電磁弁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって除霜運転時に２つの冷媒回路のうちいずれか１組の空気熱交換器３、４ごとに圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから高温ガス冷媒を流通させられる。これにより、除霜運転時に２つの冷媒回路における全ての組の空気熱交換器３、４のうち割合の多い他の組の空気熱交換器３、４が暖房運転を継続し、暖房能力の低下が極力抑えられる。
＜その他＞
上記説明は、チリングユニットを用いた冷凍サイクル装置１００についての説明である。しかし、その他の直膨式の冷凍装置あるいは空気調和装置などの冷凍サイクル装置にも利用できる。また、複数組の空気熱交換器の説明として２組の空気熱交換器３、４の使用を例に挙げている。しかし、複数組の空気熱交換器は、３組以上の空気熱交換器を備える装置にも応用できる。また、冷媒回路の説明として１つまたは２つの冷媒回路を備えるものを例に挙げている。しかし、その他３つ以上の冷媒回路を備える冷凍サイクル装置にも応用できる。
１ａ 圧縮機、１ｂ 圧縮機、１ｃ 圧縮機、１ｄ 圧縮機、２ 四方弁、２ａ 四方弁、２ｂ 四方弁、３ 空気熱交換器、３ａ 単体熱交換器、３ｂ 単体熱交換器、３ｃ 単体熱交換器、３ｄ 単体熱交換器、４ 空気熱交換器、４ａ 単体熱交換器、４ｂ 単体熱交換器、４ｃ 単体熱交換器、４ｄ 単体熱交換器、５ａ 膨張弁、５ｂ 膨張弁、５ｃ 膨張弁、５ｄ 膨張弁、６ａ 膨張弁、６ｂ 膨張弁、６ｃ 膨張弁、６ｄ 膨張弁、７ 水熱交換器、７ａ 水熱交換器、７ｂ 水熱交換器、８ アキュムレータ、８ａ アキュムレータ、８ｂ アキュムレータ、９ａ 送風機、９ｂ 送風機、９ｃ 送風機、９ｄ 送風機、１０ 逆止弁、１０ａ 逆止弁、１０ｂ 逆止弁、１１ 電磁弁、１１ａ 電磁弁、１１ｂ 電磁弁、１２ａ 電磁弁、１２ｂ 電磁弁、１２ｃ 電磁弁、１２ｄ 電磁弁、１３ 上部ヘッダ管、１４ 下部ヘッダ管、１４ａ 内管、１４ａ１ 孔部、１４ｂ 外管、１５ 伝熱管、１６ コルゲートフィン、１７ 水滴、１８ 高温ガス冷媒配管、１８ａ 主管、１８ｂ 第１分岐管、１８ｃ 第２分岐管、２０ 冷媒配管、１００ 冷凍サイクル装置。
本発明に係る冷凍サイクル装置においては、冷媒を循環させる冷媒回路は、圧縮機と、四方弁と、複数組の空気熱交換器と、膨張弁と、負荷側熱交換器と、を備え、複数組の前記空気熱交換器のそれぞれの組は、１以上の単体熱交換器を１組として構成され、前記単体熱交換器は、上部ヘッダ管と、下部ヘッダ管と、前記上部ヘッダ管と前記下部ヘッダ管との間に鉛直方向に延びて並列に配置される多数の伝熱管と、前記伝熱管に直交する水平方向に延びて並列に配置される多数のフィンと、を有し、冷房運転時には、複数組の前記空気熱交換器のうち組ごとの前記空気熱交換器が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成され、前記直列冷媒流路では、複数組の前記空気熱交換器における全ての前記単体熱交換器が有する前記伝熱管に上から下に冷媒が流通し、暖房運転時には、複数組の前記空気熱交換器のうち組ごとの前記空気熱交換器が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成され、前記並列冷媒流路では、複数組の前記空気熱交換器における全ての前記単体熱交換器が有する前記伝熱管に下から上に冷媒が流通し、複数組の前記空気熱交換器のそれぞれの組は、２以上の前記単体熱交換器を１組として構成され、前記冷媒回路には、１組の前記空気熱交換器を構成する前記単体熱交換器それぞれが並列に冷媒を流通させる分岐冷媒流路が形成されるものである。

Claims (10)

  1. 冷媒を循環させる冷媒回路は、圧縮機と、四方弁と、複数組の空気熱交換器と、膨張弁と、負荷側熱交換器と、を備え、
    複数組の前記空気熱交換器のそれぞれの組は、１以上の単体熱交換器を１組として構成され、
    前記単体熱交換器は、上部ヘッダ管と、下部ヘッダ管と、前記上部ヘッダ管と前記下部ヘッダ管との間に鉛直方向に延びて並列に配置される多数の伝熱管と、前記伝熱管に直交する水平方向に延びて並列に配置される多数のフィンと、を有し、
    冷房運転時には、複数組の前記空気熱交換器のうち組ごとの前記空気熱交換器が直列に冷媒を流通させる直列冷媒流路が形成され、
    前記直列冷媒流路では、複数組の前記空気熱交換器における全ての前記単体熱交換器が有する前記伝熱管に上から下に冷媒が流通し、
    暖房運転時には、複数組の前記空気熱交換器のうち組ごとの前記空気熱交換器が並列に冷媒を流通させる並列冷媒流路が形成され、
    前記並列冷媒流路では、複数組の前記空気熱交換器における全ての前記単体熱交換器が有する前記伝熱管に下から上に冷媒が流通する冷凍サイクル装置。
  2. 複数組の前記空気熱交換器のそれぞれの組は、２以上の前記単体熱交換器を１組として構成され、
    前記冷媒回路には、１組の前記空気熱交換器を構成する前記単体熱交換器それぞれが並列に冷媒を流通させる分岐冷媒流路が形成される請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記単体熱交換器は、鉛直方向に対して傾斜して配置され、前記フィンの板面を水平方向に対して傾斜して配置される請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 複数組の前記空気熱交換器のそれぞれの組は、偶数の前記単体熱交換器を１組として構成され、
    偶数の前記単体熱交換器は、２つごとの前記単体熱交換器が一対となって上部の間隔が下部の間隔よりも広いＶ字型となるように傾斜して配置される請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記単体熱交換器の前記下部ヘッダ管には、前記圧縮機と繋がる高温ガス冷媒配管が接続される請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記単体熱交換器の前記下部ヘッダ管は、冷媒を流通させる内管と、前記内管を囲って前記高温ガス冷媒配管が接続される外管と、を有し、
    前記外管には、前記伝熱管が接続され、
    前記内管の周壁部には、前記外管の内部を介して冷媒を前記伝熱管に流入出させる孔部が設けられる請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記高温ガス冷媒配管は、前記圧縮機と繋がった主管から１組の前記空気熱交換器ごとに分岐する第１分岐管を有し、
    前記第１分岐管には、除霜運転時に前記圧縮機から高温ガス冷媒を１組の前記空気熱交換器ごとに流通させるか否かによって開閉させる開閉弁が設けられ、
    前記高温ガス冷媒配管は、前記第１分岐管における前記開閉弁の１組の前記空気熱交換器側にて前記単体熱交換器ごとに分岐する第２分岐管を有する請求項５または６に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 前記冷媒回路が複数設けられ、
    除霜運転時には、複数の前記冷媒回路のうちいずれか１組の前記空気熱交換器ごとに前記開閉弁を開弁させる請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
  9. 前記負荷側熱交換器は、水と前記冷媒回路の冷媒とを熱交換する水熱交換器である請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 前記水熱交換器が熱交換した水を空気調和に用いる請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
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