JP6102724B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に係り、特に室外機内の熱交換器に関するものである。

空気調和機は、室内機と室外機を備え、各々には空気と冷媒を熱交換させる熱交換器を備えている。

室外機内にある熱交換器（以下、室外熱交換器と記載）は、伝熱管とこの伝熱管に直交するフィンを備えたフィンチューブ型熱交換器である。図５に示すように、従来のフィンチューブ型熱交換器では、冷媒配管は第１分流器２１０、第２分流器２２０を介して室外熱交換器２００に接続されている。冷房運転時は、第１分流器２１０で分流された冷媒のうち一方（上側の流路を流れる冷媒）は、室外熱交換器２００の風下側の中央部にある伝熱管２３０から流入し、室外熱交換器２００の上方に向かって最上段にある伝熱管２３９まで順次伝熱管（２３１〜２３８）を流通した後、風下側の上端にある伝熱管２３９から風上側の上端にある伝熱管２４０に流入し、風上側の中央部にある伝熱管２４９まで下方に向かって順次伝熱管（２４１〜２４８）を流通する。分流器２１０で分流された冷媒のうち残りの一方（下側の流路を流れる冷媒）は、室外熱交換器２００の風下側の中央部にある伝熱管２５０から流入し、室外熱交換器２００の下方に向かって最下段にある伝熱管２５９まで順次伝熱管（２５１〜２５８）を流通した後、風下側の下端にある伝熱管２５９から風上側の下端にある伝熱管２６０に流入し、風上側の中央部にある伝熱管２６９まで上方に向かって順次伝熱管（２６１〜２６８）を流通する。そして、両流路の冷媒は分流器２２０で合流し室外熱交換器から流出する。

冷房運転時に、室外熱交換器２００は凝縮器として機能するため、冷媒は空気と熱交換されるにつれ、液の割合が大きくなる。下側の流路の風上側にある伝熱管（２６０〜２６９）では冷媒が下から上に向かって流れるため、冷媒が溜まり易くなり、上側の流路と比較して下側の流路に流れる冷媒流量が低下し、熱交換量が少なくなる問題があった。

この問題を解決する方法として、特許文献１に開示されている技術がある。特許文献１では、図６に示すように、冷媒は下側の流路の風下側の流路に加えて風上側にある伝熱管（３６０〜３６９）でも上から下に向かって流れるように、風下側の下端にある伝熱管３５９と風上側の中央部にある伝熱管３６９が配管３７０で接続されている。これにより、冷媒の液の割合が大きくなっても、冷媒は上から下に向かって流れ落ちるため、冷媒が溜まり難くなっている。

特許第３８８８０００号公報

しかし、特許文献１に開示されている室外熱交換器３００では、暖房運転時、下側の流路上で風上側の最下端にある伝熱管３６０は低温冷媒が最初に流入する伝熱管であり、また、室外熱交換器３００の上側の流路などで生じた凝縮水が流れ落ちてくる為、他の伝熱管と比較して霜が付着し易くなる問題があった。また、除霜運転時、下側の流路上で風上側の最下端にある伝熱管３６０は霜が多く付着しているにも関わらず、高温の冷媒が流れ込むのが最後であるため、伝熱管３６０に付着した霜を除去するまでに時間がかかる問題もあった。

そこで、本発明は、冷房運転時に熱交換器内に冷媒が溜まりにくく、また、暖房運転時に室外熱交換器の下側の流路上で風上側の下部に霜を付着しにくくすると共に、除霜運転の時間を短くすることを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本発明は、所定の間隙をもって積層され、その間隙に空気を流通させる複数のフィンと、フィンを積層方向に貫通し、空気を流通させる方向に２列、空気を流通させる方向と交差する上下方向に複数段配置される伝熱管とを有し、伝熱管を順次接続して形成した冷媒流路に冷媒を流通させるフィンチューブ型熱交換器であって、熱交換器を凝縮器として使用した場合に、冷媒が流入する上側流入口と下側流入口が、空気を流通させる方向に対して風下側の列に上下に隣接して設けられ、冷媒が流出する上側流出口と下側流出口が空気を流通させる方向に対して風上側の列に設けられ、上側流入口から流入した冷媒が風下側の列の上方に向かって最上段の伝熱管まで順次伝熱管を流れた後風上側の列の最上段にある伝熱管に流入し風上側の列の下方に向かって順次伝熱管を流れ、上側流出口より流出する上側の流路と、下側流入口から流入した冷媒が風下側の列の下方に向かって最下段の伝熱管まで順次伝熱管を流れた後風上側の列の最下段にある伝熱管に流入し風上側の列の上方に向かって少なくとも２段の伝熱管を流れた後風上側の列の前記上側流出口の下隣にある伝熱管に流入し前記前記上側流出口の下隣にある伝熱管に流入する前に流れる伝熱管の上隣にある伝熱管まで下方に向かって順次伝熱管を流れ下側流出口より流出する下側の流路とを備える。

以上のような熱交換器によれば、熱交換器の風上側の下部に霜を付着しにくくすると共に、除霜運転に掛かる時間を短くすることが出来る。

第１の実施例の室外熱交換器を示す断面図である。 第１の実施例の冷凍サイクルを示す図である。 第２の実施例の室外熱交換器を示す断面図である。 第３の実施例の室外熱交換器を示す断面図である。 従来の室外熱交換器を示す断面図である。 特許文献１の室外熱交換器を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明による熱交換器を、空気調和機に用いた場合の実施例に基づいて説明する。

本発明の第１の実施例について、図１および図２を用いて説明する。本実施例による空気調和機は図２に示すように、圧縮機１０と、四方弁２０と、室外熱交換器１００と、膨張弁３０と、室内熱交換器４０とを冷媒配管で順次接続することで冷凍サイクル１を構成し、冷媒を循環させている。冷房運転時は、室外熱交換器１００が凝縮器として機能し、室内熱交換器４０が蒸発器として機能する。一方、暖房運転時は、室外熱交換器１００が蒸発器として機能し、室内熱交換器４０が凝縮器として機能する。

室外熱交換器１００について以下に詳述する。
室外熱交換器１００は、フィンチューブ型熱交換器である。この室外熱交換器１００は、所定の間隙をもって積層され、その間隙に空気を流通させる複数のフィンを有する。また、フィンの積層方向に貫通し、空気を流通させる方向に２列、空気を流通させる方向と交差する上下方向に複数段配置される伝熱管とを有し、伝熱管を順次接続して形成した冷媒流路に冷媒を流通させている。室外熱交換器１００が凝縮器として機能する場合、図１に示すように、冷媒は室外熱交換器１００に流入する前に第１分流器１１０で上側の流路と下側の流路に分流される。分流された上側の流路の冷媒は、風下側の列で室外熱交換器１００の中央部にある上側流入口となる伝熱管１３０に流入し、伝熱管１３０から流出する冷媒は風下側の列で上側の流路での最上段にある伝熱管１３９まで順次伝熱管（１３１〜１３８）を流通し、風下側の列で上側の流路での最上段にある伝熱管１３９から流出する冷媒は風上側の列で上側の流路での最上段にある伝熱管１４０に流入し、伝熱管１４０から流出する冷媒は風上側の列で室外熱交換器１００の中央部にある伝熱管１４９まで順次伝熱管（１４１〜１４８）を流通した後、室外熱交換器１００から流出し、第２分流器１２０に流入している。

一方、分流された下側の流路の冷媒は、風下側の列で室外熱交換器１００の中央部にある伝熱管１３０の下方に隣接する下側流入口となる伝熱管１５０に流入し、伝熱管１５０から風下側の列で下側の流路での最下段にある伝熱管１５９まで順次伝熱管（１５１〜１５８）を流通し、風下側の列で下側の流路での最下段にある伝熱管１５９から流出する冷媒は風上側の列で下側の流路での最下段にある伝熱管１６０に流入し、伝熱管１６０から流出する冷媒は伝熱管１６０の上方隣にある伝熱管１６１を流通し、配管１７０を通過して風上側の列で室外熱交換器１００の中央部にある伝熱管１６９に流入し、伝熱管１６９から流出する冷媒は下方に向かって順次伝熱管（１６８〜１６２）を流通した後、室外熱交換器１００から流出し、第２分流器１２０に流入し、上側の流路の冷媒と合流する。

以上のように構成された室外熱交換器１００を用いた冷凍サイクル１の動作について以下に説明する。
初めに、室外熱交換器１００が凝縮器として作用する冷房運転時の動作について説明する。圧縮機１０で高圧に圧縮された冷媒は、四方弁２０を通り、室外熱交換器１００に流入して室外空気に放熱して凝縮し、膨張弁３０で低圧に減圧され、室内熱交換器４０で室内空気から吸熱して蒸発し、四方弁２０を通り圧縮機１０に戻る。一般的な室外熱交換器１００では、流入したガス冷媒が凝縮し２相冷媒となる。冷媒の凝縮が進行するほど２相冷媒中の液冷媒の割合が増加する。本発明による室外熱交換器１００の流出口付近では、冷媒は下方に向かって伝熱管（１６９〜１６２）を順次流通しているため、液冷媒の自重が流路抵抗となって冷媒が滞留することが無い。

これにより、冷房運転時に伝熱管内に冷媒が滞留することによる熱交換量の低下を防ぐことができる。また、第１分流器１１０で分流した後の２つの冷媒流路のうち熱交換部分はほぼ同一の長さになっているため、冷媒流路間の圧力損失差がなく、圧力損失差によって生じる冷媒流量のアンバランスがなく、熱交換量の低下を防いでいる。

次に、室外熱交換器１００が蒸発器として作用する暖房運転時の動作について説明する。圧縮機１０で高圧に圧縮された冷媒は、四方弁２０を通り、室内熱交換器４０に流入して室内空気に放熱して凝縮し、膨張弁３０で低圧に減圧され、第２分流器１２０で分流した後、室外熱交換器１００に流入し、室外熱交換器１００で室外空気から吸熱して蒸発し、室外熱交換器１００を流出した後、第１分流器１１０で合流し、四方弁２０を通り圧縮機１０に戻る。室外熱交換器１００では、冷媒の蒸発が進行するほど室外熱交換器１００の温度が下がり凝縮水が発生する。発生した凝縮水は自重によってフィンを伝って下方に滑り落ちる。しかし、伝熱管１６２を流通する冷媒よりも温度の低い冷媒は下側の流路での風上側の最下段にある伝熱管１６０に流入しない。これにより、凝縮水が室外熱交換器１００の下部で冷却され、霜に変化する量を少なくすることが出来る。

続いて、除霜運転時の動作について説明する。圧縮機１０で高温高圧に圧縮された冷媒は、四方弁２０を通り、室外熱交換器１００に流入して室外熱交換器１００に付着した霜を溶かし、膨張弁３０と室内熱交換器４０を経由して、四方弁２０を通り圧縮機１０に戻る。室外熱交換器１００では、高温高圧の冷媒が流入することで、室外熱交換器１００に付着した霜や氷を解かす。特に下側の流路での風上側の最下段にある伝熱管１６０には、風下側の伝熱管（１５０〜１５９）を流通した後の冷媒が流入するため、特許文献１のように風下側の伝熱管（３５０〜３５９）を流通した後の冷媒が風上側の伝熱管３６９から下方に向かって伝熱管３６０まで流れるよりも冷媒の温度が高いため、付着した霜などを早く除去することが出来る。

以上より、冷房運転時に風上側の列の下側の流路に液冷媒が溜まりにくくなる。また、暖房運転時では、下側の流路での冷媒の流出口を最下段よりも上方にある伝熱管にした。これにより、下側の流路での風上側の列の下部に霜を付着しにくくする。さらに、除霜運転時では、下側の流路での冷媒の流出口となる伝熱管と下方向で隣接する伝熱管に高温の冷媒を早めに流すことで除霜運転に掛かる時間を短くすることが出来る。

次に、本発明の第２の実施例について図３を用いて説明する。本実施例では、第１の実施例で説明した熱交換器における最下段となる伝熱管（１５９、１６０）の下方に過冷却部を設けた熱交換器である。冷房運転時、上側の流路と下側の流路を流れた冷媒が室外熱交換器４００の風下側の列の下部にある伝熱管４７３で合流し、合流した後の冷媒は配管４８３を介して風上側の列にある伝熱管４７５に流入し、伝熱管４７５から流出する冷媒は伝熱管４７８まで順次伝熱管（４７６〜４７７）を通過し、伝熱管４７８から流出する冷媒は室外熱交換器４００から流出される。暖房運転時では、下側の流路に分流された冷媒が最初に流入する伝熱管４６０を下側の流路上での最下段にある伝熱管４５８よりも上方にすることで下側の流路での風上側の列の下部に霜を付着しにくくした。また、除霜運転時では伝熱管４６０と下方向で隣接する伝熱管４５９に風下側の列の伝熱管（４５０〜４５７）を流通し、風上側の列の伝熱管４５８を流通した後に高温の冷媒が流れるため、伝熱管４６０も加熱されて霜を除去し易くなり、除霜運転に掛かる時間を短くすることが出来る。このように、室外熱交換器４００における最下段となる伝熱管（４５７、４５８）の下部に過冷却部を設けた場合でも、過冷却部の効果も得られると共に、第１の実施例と同様の効果も得ることができる。

次に、本発明の第３の実施例について図４を用いて説明する。本実施例では、第２の実施例で説明した熱交換器における最上段となる伝熱管（４３７、４３８）の上方に第１の実施例で説明した熱交換器と同じ流路を備えた熱交換部を設けた熱交換器である。本実施例の熱交換器を蒸発器として用いる場合、熱交換器の効率を良くするために、冷媒を多数に分岐させることで、それぞれの冷媒流路を長くしないようにしている。本実施例では、冷媒を４つに分岐させて熱交換器に冷媒を流入させた場合について説明する。冷媒は第１分流器５１０と第２分流器５１１の夫々で、上側の流路と下側の流路に分流され、上下方向に隣接する伝熱管（５３０と５４０、５５０と５６０）に流入される。上側の流路に流れる冷媒は、冷房運転時、風下側の列にある伝熱管（５３０、５５０）から上側の流路上で風下側の列での最上段にある伝熱管（５３３、５５３）まで順次伝熱管（５３１〜５３２、５５１〜５５２）を流入し、伝熱管（５３３、５５３）から流出する冷媒は風上側の列の最上段にある伝熱管（５３４、５５４）に流入した後、下方に向かって順次伝熱管（５３５〜５３７、５５５〜５５７）を流れる。一方、下側の流路に流れる冷媒は、冷房運転時、風下側の列にある伝熱管（５４０、５６０）から下側の流路上で風下側の列の最下段にある伝熱管（５４３、５６３）まで順次伝熱管（５４１〜５４２、５６１〜５６２）を流入し、伝熱管（５４３、５６３）から流出する冷媒は下側の流路上で風上側の列の最下段にある伝熱管（５４４、５６４）に流入した後、伝熱管（５４４、５６４）よりも１段上にある伝熱管（５４５、５６５）に流入し、伝熱管（５４５、５６５）から流出する冷媒はさらに２段上にある伝熱管（５４７、５６７）に配管を介して流入した後、下方に向かって伝熱管（５４６、５６６）を流れる。暖房運転時では、下側の流路に流れる冷媒が最初に流入する伝熱管（５４６、５６６）を下側の流路での最下段にある伝熱管（５４４、５６４）よりも上方にしたことで下側の流路での風上側の列の下部に霜を付着しにくくした。また、除霜運転時に冷媒の流出口となる伝熱管（５４６、５６６）と下方向で隣接する伝熱管（５４５、５６５）に風下側にある伝熱管（５４０〜５４３、５６０〜５６３）を流通し、風上側の列の下側の流路での最下段にある伝熱管（５４４、５６４）を通過した後に冷媒を流すことで除霜運転に掛かる時間を短くすることが出来る。このように熱交換器に流入する冷媒を分流して熱交換器内の冷媒流路を長くしないようにすることで圧力損失を少なくしている。本実施例の熱交換器のように室外熱交換器５００に流入する伝熱管が４本ある場合でも、第１の実施例と同様の効果を得ることが出来る。なお、本発明では室外熱交換器５００に流入する伝熱管を２本や４本に限定したものではなく、分流器で分流された上側の流路と下側の流路が上下方向で隣接する伝熱管に流入するものが複数あっても良い。

１ 冷凍サイクル
１０ 圧縮機
２０ 四方弁
３０ 膨張弁
４０ 室内熱交換器
１００ 室外熱交換器

Claims (1)

1. 所定の間隙をもって積層され、その間隙に空気を流通させる複数のフィンと、
   前記フィンを積層方向に貫通し、空気を流通させる方向に２列、空気を流通させる方向と交差する上下方向に複数段配置される伝熱管とを有し、
   前記伝熱管を順次接続して形成した冷媒流路に冷媒を流通させるフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記熱交換器を凝縮器として使用した場合に、冷媒が流入する上側流入口と下側流入口が空気を流通させる方向に対して風下側の列に上下に隣接して設けられ、冷媒が流出する上側流出口と下側流出口が空気を流通させる方向に対して風上側の列に設けられ、
   前記上側流入口から流入した冷媒が風下側の列の上方に向かって最上段の伝熱管まで順次伝熱管を流れた後風上側の列にある最上段の伝熱管に流入し風上側の列の下方に向かって順次伝熱管を流れ、前記上側流出口より流出する上側の流路と、
   前記下側流入口から流入した冷媒が風下側の列の下方に向かって最下段の伝熱管まで順次伝熱管を流れた後風上側の列にある最下段の伝熱管に流入し風上側の列の上方に向かって少なくとも２段の伝熱管を流れた後風上側の列の前記上側流出口の下隣にある伝熱管に流入し前記上側流出口の下隣にある伝熱管に流入する前に流れる伝熱管の上隣にある伝熱管まで下方に向かって順次伝熱管を流れ前記下側流出口より流出する下側の流路とを備えることを特徴とする熱交換器。

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