JP5536420B2

JP5536420B2 - セパレート型空気調和機

Info

Publication number: JP5536420B2
Application number: JP2009256654A
Authority: JP
Inventors: 一寿三代
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP2011102650A

Description

本発明はセパレート型空気調和機に関する。

２本のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の複数の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器は、カーエアコンや建物用空気調和機に広く利用されている。この種の熱交換器の例を特許文献１、２に見ることができる。

パラレルフロー型熱交換器では、２本のヘッダパイプの一方にレシーバタンクが接続されることがある。レシーバタンクは、熱交換器内の冷媒量を調整するバッファとしての役割を持たせたり、冷媒の気液分離を行ったり、その中に挿入したフィルタ手段で冷媒中の水分や異物を除去したりするなどの目的で設けられる。レシーバタンクを備えたパラレルフロー型熱交換器の例を特許文献３〜６に見ることができる。

パラレルフロー型熱交換器では、複数の偏平チューブをいくつかのグループに分け、第１グループの偏平チューブを通じて第１のヘッダパイプから第２のヘッダパイプへ冷媒を流した後、第２グループの偏平チューブを通じて第２のヘッダパイプから第１のヘッダパイプに冷媒を戻し、第３グループの偏平チューブを通じて再び第１のヘッダパイプから第２のヘッダパイプへ冷媒を流すといった具合に、ジグザグの経路を辿る形で冷媒を流すことがしばしば行われる。第１のヘッダパイプと第２のヘッダパイプの間で冷媒が流れの方向を変える回数は、特許文献２に記載されているように、「ターン数」と呼称される。

特開昭６３−３４４６６号公報特開平６−２１３５３４号公報特開平１１−２７０９２７号公報特開２００１−３３６８６３号公報特開２００３−４２６０１号公報特開２００９−１６２４６８号公報

熱交換器を搭載した機器を移設する際、冷凍サイクル中の冷媒を全て特定の熱交換器に集中させる、いわゆるポンプダウン運転が必要になることがある。本発明は、ポンプダウン運転が熱交換器に悪影響を与えないようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプと、前記２本のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を搭載した室外機を有し、前記熱交換器を含む冷凍サイクル中の冷媒を前記室外機に集中させるポンプダウン運転時に、冷媒を前記熱交換器に高圧で送り込むセパレート型空気調和機において、前記熱交換器にレシーバタンクが接続され、前記レシーバタンクの容量が、当該熱交換器を含む冷凍サイクル中の全冷媒液量から、当該熱交換器の容量と、高圧側冷媒配管の容量を差し引いたものに設定されており、前記ポンプダウン運転が実施された際に、前記熱交換器と、前記レシーバタンクと、前記高圧側冷媒配管のそれぞれの容量を合わせた容量でもって、冷凍サイクル中の冷媒を全て、液体状態で受け入れることを特徴としている。

この構成によると、当該熱交換器側に冷媒を集中させるポンプダウン運転を行う際、冷媒を無理なく受け入れることができ、異常高圧の発生を懸念せずに済む。

上記構成の熱交換器において、前記レシーバタンクが、当該熱交換器を通過する空気流の流路に配置されていることが好ましい。

この構成によると、レシーバタンクと外部空気との間の熱交換が促進され、熱交換器の熱交換能力をさらに高めることができる。

上記構成の熱交換器において、当該熱交換器の過冷却領域が、定格能力時に必要とされる過冷却度を確保できる面積以上の面積に設定されていることが好ましい。

この構成によると、定格能力時、熱交換器の能力を確実に発揮させることができる。

上記構成の熱交換器において、前記複数の偏平チューブは１以上のターン数を構成するように編成されており、前記２本のヘッダパイプの一方は冷媒配管接続側であって、その両端近傍からは、冷媒流入側となる冷媒出入口と冷媒流出側となる冷媒出入口が横方向に突出しており、これらの冷媒出入口に挟まれる形でレシーバタンクが配置されるとともに、当該ヘッダパイプに対する前記レシーバタンクの接続箇所は、当該熱交換器を凝縮器として使用するとき、過冷却領域が１ターン以上後に続くこととなる箇所に設定されていることが好ましい。

この構成によると、ヘッダパイプの両端近傍に、当該ヘッダパイプの軸線と直角をなすように接続された冷媒配管の間の空き空間にレシーバタンクが配置されるから、レシーバタンクを設けることにより余分な空間が必要になるということがなく、当該熱交換器を搭載する機器内の有効スペースが侵食されない。また、ヘッダパイプに対するレシーバタンクの接続箇所が、当該熱交換器を凝縮器として使用するとき、過冷却領域が１ターン以上後に続くこととなる箇所に設定されているから、冷媒を確実に過冷却状態とすることができる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室外機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、熱交換器側に冷媒を集中させるポンプダウン運転を行う際、冷媒を無理なく受け入れることができ、異常高圧の発生を懸念せずに済む空気調和機を提供することができる。

本発明では、レシーバタンクの容量が、熱交換器を含む冷凍サイクル中の全冷媒液量から、熱交換器の容量と、高圧側冷媒配管の容量を差し引いたものに設定されているから、ポンプダウン運転の際に、熱交換器と、レシーバタンクと、高圧側冷媒配管のそれぞれの容量を合わせた容量でもって、冷凍サイクル中の冷媒を全て、液体状態で受け入れることができるので、熱交換器に異常高圧が発生することを懸念せずに済む。

本発明の第１実施形態である熱交換器の模式的正面図である。図１の熱交換器を搭載した空気調和機の室外機の模式的水平断面図である。本発明の第２実施形態である熱交換器の模式的正面図である。サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の構造例を説明する模式的垂直断面図である。

本発明の実施形態の基礎をなすパラレルフロー型の熱交換器の構造例を、図４を参照しながら説明する。図４では、紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側となる。また、紙面左側が左右方向の左側、紙面右側が左右方向の右側となる。

熱交換器１は、サイドフロー方式で用いられるものであり、２本の垂直なヘッダパイプ２、３を水平方向に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に複数の水平な偏平チューブ４を垂直方向に所定ピッチで配置している。偏平チューブ４は金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図４の奥行き方向に複数個並び、そのため、偏平チューブ４の垂直断面はハーモニカ状を呈する。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。

複数のものが並列に並んだ偏平チューブ４の中で、最も外側に位置する偏平チューブ４の、外側に向いた偏平面には、最外側コルゲートフィン６ａが配置される。最外側コルゲートフィン６ａの外側にはサイドプレート１０が配置される。

ヘッダパイプ２と３、偏平チューブ４、コルゲートフィン６、最外側コルゲートフィン６ａ、及びサイドプレート１０は、いずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、コルゲートフィン６と最外側コルゲートフィン６ａは偏平チューブ４に対し、サイドプレート１０は最外側コルゲートフィン６ａに対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

冷媒出入口７、８はヘッダパイプ３の側にのみ設けられている。すなわちヘッダパイプ３が冷媒配管接続側のヘッダパイプとなる。冷媒出入口７はヘッダパイプ３の上端近傍から、冷媒出入口８はヘッダパイプ３の下端近傍から、それぞれ横方向に突出している。実施形態の構造では、冷媒出入口７、８は互いに平行且つヘッダパイプ３の軸線に対し直角をなすように突出しているが、この構造を厳守する必要はない。正面から見て、冷媒出入口７、８の一方または双方がヘッダパイプ３の軸線に対し多少傾いていてもよい。また、正面または上面から見て、冷媒出入口７、８が平行を保っていなかったとしても問題はない。冷媒出入口７、８はヘッダパイプ３にロウ付けまたは溶着で固定される。

ヘッダパイプ３の内部には上下方向に間隔を置いて２枚の仕切板９ａ、９ｃが設けられており、ヘッダパイプ２の内部には仕切板９ａ、９ｃの中間の高さのところに仕切板９ｂが設けられている。

熱交換器１を凝縮器として使用する場合、冷媒は図４に実線矢印で示すように上側の冷媒出入口７から流入する。冷媒出入口７から入った冷媒は、仕切板９ａでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かう。これが１回目のターンであり、ターン後の冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は仕切板９ｃでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かう。これが２回目のターンであり、ターン後の冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かう。これが３回目のターンであり、ターン後の冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。冷媒は、最終的には冷媒出入口８から流出する。

このように、冷媒はターンを繰り返しつつジグザグの経路を辿って上から下に流れる。ここでは仕切板の数が３の場合を示したが、これは一例であり、仕切板の数と、その結果としてもたらされるターンの回数は、必要に応じ任意の数を設定することができる。

図４の構成では、冷媒出入口７と仕切板９ａの間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４が一つのまとまった流路を構成し、仕切板９ａと仕切板９ｂの間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４が別のまとまった流路を構成し、仕切板９ｂと仕切板９ｃの間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４がさらに別のまとまった流路を構成し、仕切板９ｃと冷媒出入口８の間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４がさらに別のまとまった流路を構成する。これらのまとまった流路を、説明した順序に従って第１流路１１、第２流路１２、第３流路１３、第４流路１４と呼ぶことにする。図４ではブロック矢印の中に流路の別を示す符号が入れられている。

熱交換器１を蒸発器として使用する場合は、冷媒の流れが逆になる。すなわち冷媒は図４に点線矢印で示すように冷媒出入口８からヘッダパイプ３に入り、仕切板９ｃでせき止められて第４流路１４経由でヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２では仕切板９ｂでせき止められて第３流路１３経由でヘッダパイプ３に向かい、ヘッダパイプ３では仕切板９ａでせき止められて第２流路１２経由で再びヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２で折り返して第１流路１１経由で再びヘッダパイプ３に向かい、冷媒出入口７から点線矢印のように流出する。

本発明の第１実施形態では、上記のような構成の熱交換器１に、図１に示す形でレシーバタンク２０を配置する。図１の熱交換器１は、第１から第４までの各流路の上下方向の幅を比べた場合、第１流路１１が最も広く、第２流路１２がそれに次ぎ、第３流路１３は一段と狭く、第４流路１４はさらに狭いといった具合に、低位置の流路ほど上下方向の幅が狭くなるように設定されている。言うまでもないが、幅の広い流路はそれだけ多くの偏平チューブ４を含み、幅の狭い流路は少ない数の偏平チューブ４しか含まない。

レシーバタンク２０が取り付けられるのは、冷媒配管接続側ヘッダパイプとされたヘッダパイプ３である。レシーバタンク２０は、冷媒出入口７、８に挟まれる形で、ヘッダパイプ３と平行に、且つヘッダパイプ３から少し距離を置いて配置され、上下方向に間隔を置いて並んだ１対の冷媒出入管２１、２２によりヘッダパイプ３に接続される。

ヘッダパイプ３の内部には、冷媒出入管２１、２２の接続箇所の間に仕切板９ｄが設けられる。仕切板９ｄは、仕切板９ｂと同じく、第２流路１２と第３流路１３を仕切るものである。

レシーバタンク２０及び冷媒出入管２１、２２はヘッダパイプ３と同材質であり、冷媒出入管２１、２２はレシーバタンク２０とヘッダパイプ３に対し、ロウ付けまたは溶着で固定される。冷媒出入管２１、２２は、冷媒の通り道であるとともに、レシーバタンク２０をヘッダパイプ３に固定する固定部材としても機能する。

冷媒出入管２１は第２流路１２の下の方の部分に対面し、冷媒出入管２２は第３流路１３の中程の部分に対面する。熱交換器１を凝縮器として使用する場合、冷媒出入管２１の前に第１流路１１と第２流路１２が存在する。すなわち、冷媒出入管２１の前で、流路は１ターンを数えることになる。同じく熱交換器１を凝縮器として使用する場合、冷媒出入管２２の後に第３流路１３と第４流路１４が存在する。すなわち、冷媒出入管２２の後で、流路は１ターンを数えることになる。

熱交換器１を凝縮器として使用するとき、冷媒出入口７から気体の、すなわち過熱状態の冷媒が、ヘッダパイプ３に流入する。過熱状態の冷媒は、第１流路１１を右から左に通り抜け、ターンして第２流路１２を左から右に通り抜けてヘッダパイプ３に戻る。この往復の間に過熱状態の冷媒は放熱し、液化が進む。

レシーバタンク２０の固定部材である冷媒出入管２１が現れるのは第１流路１１から第２流路１２へのターンが終わった後であり、その時点では過熱状態から気液二相状態となり、冷媒温度がかなり低下しているので、冷媒出入管２１を介してレシーバタンク２０に伝わる熱量は少なく、過冷却領域に流れようとしているレシーバタンク２０内の冷媒に無用の熱を与えない。

冷媒出入管２１、２２によるレシーバタンク２０の固定を補強するため、ステーやブラケット等の固定部材を追加することもあるが、そのような追加固定部材の配置場所も、熱交換器１を凝縮器として使用するときの冷媒流入側から１ターン以上離れた箇所に設定することとして、レシーバタンク２０への熱伝導を抑制することが望ましい。

第２流路１２からヘッダパイプ３に入った冷媒は、仕切板９ｄでせき止められてレシーバタンク２０に入る。レシーバタンク２０は、熱交換器１内の冷媒量を調整するバッファ手段、冷媒の気液分離手段として機能する。

レシーバタンク２０の容量（冷媒を受け入れることができる内部空間の容積。他の構成要素についても同じ意味で用いる）は、熱交換器１を含む冷凍サイクル中の全冷媒液量（想定最大封入量の冷媒が全て液冷媒となったときの量）から、熱交換器１の容量と、高圧側冷媒配管（後述する圧縮機から吐出された高圧の冷媒を熱交換器１に送り込む配管）の容量を差し引いたもの以上に設定する。これは、後述するポンプダウン運転の際に重要な意味を持つ。

第２流路１２からヘッダパイプ３に入った冷媒は、一旦レシーバタンク２０に入った後に、過冷却領域となる第３流路１３に入る。そして第３流路１３を右から左に通り抜け、ターンして、同じく過冷却領域である第４流路１４を左から右に通り抜け、ヘッダパイプ３に戻る。第３流路１３と第４流路１４を通る間に熱交換が進み凝縮し、冷媒は過冷却状態になって行く。冷媒出入管２２の後に過冷却領域が１ターン以上続くので、冷媒を確実に過冷却状態とすることができる。

第３流路１３と第４流路１４を含む過冷却領域の面積は、定格能力時に、つまり定格として設定されている能力を発揮させる運転を行う時に、必要とされる過冷却度を確保できる面積以上の面積に設定する。

仮に、第３流路１３と第４流路１４を含む過冷却領域の面積が、必要とされる過冷却度を確保できる面積以下の面積に設定されていたとすると、レシーバタンク２０が液冷媒で満液状態になるまで冷媒を追加しなければ、それ以上の過冷却度を確保できなくなり、無駄に冷媒を消費することになる。

図２に示すように、熱交換器１は、ヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の室外機に搭載することができる。図２の室外機３０は平面形状略矩形の板金製筐体３０ａを備え、筐体３０ａの長辺側を正面３０Ｆ及び背面３０Ｂとし、短辺側を左側面３０Ｌ及び右側面３０Ｒとしている。正面３０Ｆには排気口３１が形成され、背面３０Ｂには背面吸気口３２が形成され、左側面３０Ｌには側面吸気口３３が形成される。排気口３１は複数の水平なスリット状開口の集合からなり、背面吸気口３２と側面吸気口３３は格子状の開口からなる。正面３０Ｆ、背面３０Ｂ、左側面３０Ｌ、右側面３０Ｒの４面の板金部材に図示しない天板と底板が加わって六面体形状の筐体３０ａが形成される。

筐体３０ａの内部には、背面吸気口３２及び側面吸気口３３のすぐ内側に平面形状Ｌ字形の熱交換器１が配置される。熱交換器１と外部空気との間で強制的に熱交換を行わせるため、熱交換器１と排気口３１の間に送風機３４が配置される。送風機３４は電動機３４ａにプロペラファン３４ｂを組み合わせたものである。

送風効率向上のため、筐体３０ａの正面３０Ｆの内面にはプロペラファン３４ｂを囲むベルマウス３５が取り付けられる。筐体３０ａの右側面３０Ｒの内側の空間は背面吸気口３２から排気口３１へと流れる空気流から隔壁３６で隔離されており、ここに圧縮機３７が収容されている。レシーバタンク２０は隔壁３６よりも左側にあり、その背後まで背面吸気口３２が延長されている。

送風機３４を運転すると、背面吸気口３２及び側面吸気口３３から筐体３０ａ内に外部空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は熱交換器１を通過し、熱交換器１との間で熱交換を行う。熱交換後の空気はプロペラファン３４ｂに吸い込まれ、排気口３１より筐体３０ａ外に排出される。

レシーバタンク２０は、熱交換器１を通過する空気流の流路に位置しており、背面吸気口３２から吸い込まれた空気の一部がレシーバタンク２０の外側を通り抜ける。これにより、レシーバタンク２０と外部空気との間の熱交換が促進され、熱交換器１の熱交換能力をさらに高めることができる。

室外機３０を含むセパレート型空気調和機を移設する際は、熱交換器１を含む冷凍サイクル中の冷媒を全て室外機３０側に集中させるポンプダウン運転が実施される。これは、熱交換器１の冷媒出口を閉め切った状態で圧縮機３７を運転し、冷媒の全量を高圧で熱交換器１に送り込むという作業である。パラレルフロー型である熱交換器１は熱交換能力に比較して容量が小さく、従来のものでは、ポンプダウン運転を行うと熱交換器１内部の圧力が異常に上昇し、圧力限界を超えて、製品の信頼性を損なうことがある。

実施形態の構成では、前述の通り、レシーバタンク２０の容量が、熱交換器１を含む冷凍サイクル中の全冷媒液量から、熱交換器１の容量と、高圧側冷媒配管の容量を差し引いたもの以上に設定されているから、熱交換器１と、レシーバタンク２０と、高圧側冷媒配管のそれぞれの容量を合わせた容量でもって、冷凍サイクル中の冷媒を全て、液体状態で受け入れることができる。このため、熱交換器１に異常高圧が発生することを懸念せずに済む。

図３に本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１流路１１、第２流路１２、第３流路１３、及び第４流路１４が、上から下にではなく、下から上に並んでいることである。熱交換器１を凝縮器として使用するときは、冷媒は下側の冷媒出入口７から流入し、上側の冷媒出入口８から流出する。熱交換器１を蒸発器として使用するときは、冷媒は上側の冷媒出入口８から流入し、下側の冷媒出入口７から流出する。

レシーバタンク２０は、第２流路１２の上の方の部分に対面する冷媒出入管２１と、第３流路１３の中程の部分に対面する冷媒出入管２２によりヘッダパイプ３に接続され、また固定されている。第１実施形態と同様、流路は冷媒出入管２１の前で１ターンを数え、冷媒出入管２２の後でも１ターンを数えることになる。追加固定部材を用いるときは、熱交換器１を凝縮器として使用するときの冷媒流入側から１ターン以上離れた箇所にそれを配置するといった配慮も第１実施形態と同様である。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１熱交換器
２、３ヘッダパイプ
４偏平チューブ
５冷媒通路
６コルゲートフィン
７、８冷媒出入口
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ仕切板
１１第１流路
１２第２流路
１３第３流路
１４第４流路
２０レシーバタンク
２１、２２冷媒出入管
３０室外機
３４送風機
３７圧縮機

Claims

間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプと、前記２本のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を搭載した室外機を有し、前記熱交換器を含む冷凍サイクル中の冷媒を前記室外機に集中させるポンプダウン運転時に、冷媒を前記熱交換器に高圧で送り込むセパレート型空気調和機において、
前記熱交換器にレシーバタンクが接続され、前記レシーバタンクの容量が、当該熱交換器を含む冷凍サイクル中の全冷媒液量から、当該熱交換器の容量と、高圧側冷媒配管の容量を差し引いたものに設定されており、
前記ポンプダウン運転が実施された際に、前記熱交換器と、前記レシーバタンクと、前記高圧側冷媒配管のそれぞれの容量を合わせた容量でもって、冷凍サイクル中の冷媒を全て、液体状態で受け入れることを特徴とするセパレート型空気調和機。