(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷房モード時又は暖房モード時に、熱交換器を蒸発器として、あるいは凝縮器として使用する非共沸混合冷媒を用いた空気調和装置において、凝縮器として使用する熱交換器は、熱交換器を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管と、対向流となる伝熱管とを備え、前記熱交換器の伝熱管の冷媒入口と冷媒出口とを、熱交換器を通過する空気流に対して風上側で、かつ、同一位置の配置構造としたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
冷房モード時又は暖房モード時に、熱交換器を蒸発器として、あるいは凝縮器として使用する非共沸混合冷媒を用いた空気調和装置において、蒸発器として使用する熱交換器は、熱交換器を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管と、対向流となる伝熱管とを備え、前記熱交換器の伝熱管の冷媒入口と冷媒出口とを、熱交換器を通過する空気流に対して風上側で、かつ、同一位置の配置構造としたことを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、冷媒に非共沸混合冷媒を用いた空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に空気調和装置にあっては、圧縮機と利用側熱交換器と減圧装置と熱源側熱交換器とにより構成され、冷房モード時には、利用側熱交換器を蒸発器として、熱源側熱交換器を凝縮器として使用する。また、暖房モード時には、利用側熱交換器を凝縮器として、熱源側熱交換器を蒸発器として使用する冷凍サイクルが構成され、サイクル内を冷媒が循環するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
冷凍サイクル内を循環する冷媒は、一般にフロンガスが用いられ、地球環境に悪影響を与える所から全廃される方向にあり、その代替用として、地球環境に優しい非共沸混合冷媒が有力視されている。
【０００４】
非共沸混合冷媒は、冷凍サイクルにおいて、各冷媒の沸点の違いにより、蒸発過程、凝縮過程において蒸発温度、凝縮温度が変化する現象がある。これを温度勾配という。
【０００５】
冷媒回路の蒸発器では、冷媒液は気液平衡を保ちながら冷媒蒸気となる。この間、蒸発温度は次第に上昇していく。凝縮器では全くこの逆で、凝縮温度は次第に低下していく。一方、空気は蒸発器では熱を奪われて低温となり、凝縮器では熱を得て高温となる。これらの温度関係をまとめると表ー１の如くとなる。
【０００６】
【表１】
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この非共沸混合冷媒の冷媒回路は、対向流方式の熱交換を行なうことにより、相変化の温度が濃度に依存する特性を利用して冷媒を冷気流体、あるいは加熱流体との熱交換損失を減少させ、成績係数を向上させることができる。対向流方式とは、空気流に対して、冷媒の入口が最も風下の列にあり、出口が最も風上の列にあって、冷媒の風下の列から順次風上の列に流れるように配置された場合をいう。これと逆の場合を並行流方式とよばれており、凝縮器として用いる時に、対向流とする特開昭５３−１０４４５６号公報や、冷房モード時、暖房モード時に対向流となるよう構成する特開昭５９−１１５９４５号公報及び特開昭６３−３０２２６４号公報のものが提案されている。
【０００７】
しかしながら、前者にあっては、利用側熱交換器を凝縮器として用いる時に、対向流として設定すると、蒸発器として用いる時は並行流となるため、冷房モード時での熱交換効率が低下する問題を招来する。
【０００８】
また、後者にあっては、冷媒の流れを制御する制御弁、回路等が増えて複雑化し、組付性、コスト性の面において望ましくなく、しかも複雑化することで、流動抵抗などによる効率損失が起こる問題がある。
【０００９】
また、温度勾配のある冷媒を用いた際に、考慮しなければならない事項に、対向流または並行流による純伝熱現象的な熱交換率の変化以外に、空気を冷却する熱交換器（蒸発器）として用いる場合、被冷却空気中の水蒸気の結露による通風抵抗の増加を生じ、通風量の低下による熱交換量の低下を考慮しなければならない。蒸発器におけるフィンと入口空気温度の差が大きくなる並行流空気中の水蒸気は、フィン前端部表面に集中して結露し、フィン間の通路を狭くし、風量低下による熱交換量の低下も生じる。逆に小さくなる対向流ではフィン前端部への水蒸気結露量は前者より減少し中央から後端にかけてより平均的に結露することが知られている。
【００１０】
そこで、この発明は、簡単な構造によって、効率の良い冷房運転及び暖房運転ができるようにした空気調和装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明の請求項１にあっては、冷房モード時又は暖房モード時に、熱交換器を蒸発器として、あるいは凝縮器として使用する非共沸混合冷媒を用いた空気調和装置において、凝縮器として使用する熱交換器は、熱交換器を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管と、対向流となる伝熱管とを備え、前記熱交換器の伝熱管の冷媒入口と冷媒出口とを、熱交換器を通過する空気流に対して風上側で、かつ、同一位置の配置構造としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２にあっては、冷房モード時又は暖房モード時に、熱交換器を蒸発器として、あるいは凝縮器として使用する非共沸混合冷媒を用いた空気調和装置において、蒸発器として使用する熱交換器は、熱交換器を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管と、対向流となる伝熱管とを備え、前記熱交換器の伝熱管の冷媒入口と冷媒出口とを、熱交換器を通過する空気流に対して風上側で、かつ、同一位置の配置構造としたことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
かかる空気調和装置において、請求項１にあっては、凝縮器として使用する熱交換器は、並行流で熱交換効率が少し低下するが、対向流で凝縮液の過冷却が効率よくとれて熱交換効率が向上し、総合的に凝縮能力を確保し、簡単な構造で効率の高い冷房運転、暖房運転が行える。と同時に、伝熱管の冷媒入口と冷媒出口が、風上側の温度の低い空気と熱交換するため簡単な構造で過冷却が確実にとれるようになる。
【００１６】
また、請求項２にあっては、蒸発器として使用する熱交換器は、並行流で熱交換効率が少し低下するが、対向流で熱交換効率が向上し、総合的に蒸発能力を確保し、簡単な構造で効率の高い冷房運転、暖房運転が行える。と同時に、伝熱管の冷媒入口と冷媒出口が、風上側の温度の高い空気と熱交換するために適正な過熱度がとれ、湿り冷媒が圧縮機に戻ることによる効率低下および圧縮機の寿命低下等の問題を簡単な構造で解消できる。
【００１９】
【実施例】
以下、図面を参照しながらこの発明の実施例を詳細に説明する。
【００２０】
まず、図１と図２に基づき説明すると、図１は冷媒に、例えば、Ｒ３２とＲ１３４ａ等の非共沸混合冷媒が用いられたヒートポンプタイプの空気調和装置の配管図を示している。
【００２１】
空気調和装置は、圧縮機１と、利用側熱交換器３と、減圧装置５と、熱源側熱交換器７とを有し、冷・暖房モードに応じて四方弁９を操作することで、圧縮機１から吐出される冷媒は、点線矢印の如く利用側熱交換器３側へ、または、実線矢印の如く熱源側熱交換器７側へ向かう流れの冷凍サイクルを構成するようになり、運転モードに対応した切換制御が可能となっている。
【００２２】
利用側熱交換器３は、連続した伝熱管１１と所定のピッチで配置されたフィン１３とから成り、冷媒が実線矢印の如く回路１５内を流れることで、蒸発器として機能する一方、点線矢印の如く冷媒が流れることで、凝縮器として機能する。
【００２３】
空気流は横流ファン１７が回転することで矢印の如く流れ、フィン１３の間を通過するようになっており、ａ側が風上側、ｂ側が風下側となっている。
【００２４】
また、利用側熱交換器３の伝熱管１１の風上ａ側の端末部１９は、四方弁９と、伝熱管１１の風下ｂ側の端末部２１は、減圧装置５とそれぞれ接続連通している。これにより、冷房モード時において、風下ｂ側の端末部２１は、冷媒の入口側、風上ａ側の端末部１９は出口側となる対向流となるよう設定され、暖房モード時には、風上ａ側の端末部１９は冷媒の入口側、風下ｂ側の端末部２１は出口側となる並行流となるよう設定されている。
【００２５】
熱源側熱交換器７は、連続した伝熱管２３と所定のピッチで配置されたフィン２５とから成り、冷媒が実線矢印の如く回路１５内を流れることで凝縮器として機能する一方、点線矢印の如く冷媒が流れることで、蒸発器として機能する。空気流はファン２７が回転することで矢印の如く流れ、フィン２５の間を通過するようになっており、ａ側が風上側、ｂ側が風下側となっている。
【００２６】
また、熱源側熱交換器７の伝熱管２３の風上ａ側の端末部２９は、四方弁９と、伝熱管２３の風下ｂ側の端末部３１は、減圧装置５とそれぞれ接続連通している。これにより冷房モード時において、風上ａ側の端末部２９は冷媒の入口側、風下側の端末部３１は出口側となる並行流となるよう設定され、暖房モード時には、風下ｂ側の端末部３１は冷媒の入口側、風上ａ側の端末部２９は出口側となる対向流となるよう設定されている。
【００２７】
このように構成された空気調和装置において、冷房モード時は、圧縮機１から吐出した高温・高圧の冷媒蒸気は、四方弁９を介して熱源側熱交換器７に入り、室外空気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は減圧装置５で減圧され低温・低圧となり利用側熱交換器３で室内空気から吸熱して気化する。気化した冷媒は圧縮機１に吸入され、再び高温・高圧の蒸気になって、冷凍サイクルを繰返すようになる。一方、ヒートポンプ暖房モード時は、圧縮機１から吐出した高温・高圧の冷媒蒸気は四方弁９を介してまず利用側熱交換器３に入り、室内空気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は減圧装置５で減圧され低温・低圧となり熱源側熱交換器７で室外空気から吸熱して気化する。気化した冷媒は圧縮機１に吸入され、再び高温・高圧の蒸気になって、暖房サイクルを繰返すようになる。
【００２８】
この冷房モード時及び暖房モード時において、利用側熱交換器３及び熱源側熱交換器７がいずれも蒸発器として使用する運転モード時にあっては、対向流になると共に、凝縮器として使用する場合は並行流となる。この場合、対向流となる蒸発器にあっては、入口側、出口側の温度差が小さいため、フィン前端部への水蒸気結露量は全体的に小さく抑えられ、通風量の減少は見られず、総合的に効率の高い冷・暖房運転が行なえるようになる。
【００２９】
その結果を、図２に示す。図２において凝縮器にあっては、構成上、並行流となりマイナスとなるが、これは、フィンの枚数を増やすことで、回復可能な値である。
【００３０】
一般には、フィンの枚数を増やすと、蒸発器として使用する時に、通風抵抗が増加し、性能の低下が認められるが、この発明にあっては、対向流とすることで、通風量の向上が図れるため、凝縮器として使用時の性能改善が十分達成できる。
【００３１】
図３は本発明に係る空気調和装置の配管図を示したもので、冷媒の冷媒入口と冷媒出口との配置構造に特徴をもたせたものである。
【００３２】
即ち、利用側熱交換器３の伝熱管１１の冷媒入口及び冷媒出口となる端末部１９，２１と、熱源側熱交換器７の伝熱管２３の冷媒入口及び冷媒出口となる端末部２９，３１とを、それぞれ風上ａ側に配置し、風上ａ側において、図面垂直軸線に対して同一位置で、しかも、近接した配置構造とするものである。
【００３３】
利用側熱交換器３の伝熱管１１において、一方の端末部１９は、四方弁を介して熱源側熱交換器７となる伝熱管２３の一方の端末部２９と、他方の端末部２１は、減圧装置５を介して熱源側熱交換器７となる伝熱管２３の他方の端末部３１とそれぞれ接続し、閉サイクルを構成している。
【００３４】
したがって、利用側熱交換器３と熱源側熱交換器７は、冷房モード時あるいは、暖房モード時に、圧縮機１から吐出された冷媒が四方弁９を介して実線矢印、あるいは、点線矢印のように流れることで、蒸発器として、あるいは、凝縮器としてそれぞれ機能するようになっている。
【００３５】
この点について、まず、利用側熱交換器３について具体的に説明する。
【００３６】
冷房モード時には冷媒が実線矢印の如く流れることで、蒸発器として機能し、伝熱管１１の端末部２１は冷媒入口、端末部１９は冷媒出口となる。この時の伝熱管１１についてみると、図において冷媒入口となる端末部２１を含む平行に配置された伝熱管１１の下半部が、熱交換器３を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管領域となっている。また、冷媒出口となる端末部１９を含む平行に配置された伝熱管１１の上半部が、熱交換器３を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が対向流となる伝熱管領域となっている。
【００３７】
一方、暖房モード時に、圧縮機１から吐出された冷媒が点線矢印のように流れることで、利用側熱交換器３は凝縮器として機能し、伝熱管１１の端末部１９は冷媒入口、端末部２１は冷媒出口となる。この時の伝熱管１１についてみると、図において、冷媒入口となる端末部１９を含む平行に配置された上半部が、熱交換器３を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管領域となっている。また、冷媒出口となる端末部２１を含む平行に配置された下半部が、熱交換器３を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が対向流となる伝熱管領域となっている。
【００３８】
次に、熱源側熱交換器７について具体的に説明する。
【００３９】
冷房モード時には冷媒が実線矢印の如く流れることで、凝縮器として機能し、伝熱管２３の端末部２９は冷媒入口、端末部３１は冷媒出口となる。この時の伝熱管２３についてみると、図において冷媒入口となる端末部２９を含む平行に配置された伝熱管２３の上半部が、熱交換器７を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管領域となっている。また、冷媒出口となる端末部３１を含む平行に配置された伝熱管２３の下半部が、熱交換器７を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が対向流となる伝熱管領域となっている。
【００４０】
一方、暖房モード時に、圧縮機１から吐出された冷媒が点線矢印のように流れることで、熱源側熱交換器７は蒸発器として機能し、伝熱管２３の端末部３１は冷媒入口、端末部２９は冷媒出口となる。この時の伝熱管２３についてみると、図において、冷媒入口となる端末部３１を含む平行に配置された下半部が、熱交換器７を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が並行流となる伝熱管領域となっている。また、冷媒出口となる端末部２９を含む平行に配置された上半部が熱交換器７を通過する空気流に対して冷媒の流れ方向が対向流となる伝熱管領域となっている。
【００４１】
したがって、熱交換器３又は７を凝縮器として使用する時に、並行流となる伝熱管１１，２３により、熱交換効率が少し低下するが、対向流で凝縮液の過冷却が効率よくとれて熱交換効率が向上し、総合的に凝縮能力を確保し、簡単な構造で効率の高い冷房運転、暖房運転が行えるようになる。
【００４２】
また、熱交換器３又は７を蒸発器として使用する時に並行流となる伝熱管１１，２３により、熱交換効率が少し低下するが、対向流で熱交換効率が向上し、総合的に蒸発能力を確保し、簡単な構造で効率の高い冷房運転、暖房運転が行えるようになる。
【００４３】
一方、例えば、利用側熱交換器３の伝熱管１１の冷媒入口と冷媒出口とを熱交換器３を通過する空気流に対して風上ａ側で、かつ、同一位置としたので、凝縮器として使用するときには、伝熱管１１の冷媒入口１９と冷媒出口２１が、風上ａ側の温度の低い空気と熱交換するため簡単な構造で過冷却が確実にとれるようになる。蒸発器として使用するときには、伝熱管１１の冷媒入口２１と冷媒出口１９が、風上ａ側の温度の高い空気と熱交換するために適正な過熱度がとれ、湿り冷媒が圧縮機１に戻ることによる効率低下および圧縮機１の寿命低下等の問題を簡単な構造で解消できる。
【００４４】
また、熱交換器３又は７を、例えば、蒸発器として使用する時に、伝熱管１１の冷媒入口及び冷媒出口となる端末部１９，２１と端末部２９，３１とをそれぞれ近接させたので、冷媒入口及び冷媒出口相互に熱交換が行なわれ、低温度運転時に発生する着霜、凍結現象、あるいは結露現象が解消される結果、簡単な構造で効率のよい通風量が確保できるようになる。
【００４５】
この場合、図４及び図５に示す手段を採用することで、さらに能力の向上が図れる。即ち、伝熱管１１，２３の各端末部１９・２１，２９・３１を風上ａ側に配置し、伝熱管１１側にあっては、各端末部１９，２１を離して配置し、一方の端末部２１を、風上ａ側の伝熱管１１に隣設させる。また、他方の伝熱管２３側にあっては、各端末部２９，３１を離して配置し、一方の端末部３１を、風上ａ側の伝熱管２３に隣設し、利用側、熱源側熱交換器３，７を蒸発器として使用する際に、空気流に対し、冷媒の入口側を風上に設けた並行流にすると共に、冷媒の出口側が風上ａ側に配置され、一部出口側領域を対向流とするものである。
【００４６】
なお、他の構成要件は、前記実施例と同一であり、同一符号を符して説明は省略する。
【００４７】
この実施例によれば、図３の実施例の効果に加えて、入口側のもっとも低い伝熱管に近接して蒸発器出口側が配設されるため、入口側からの熱の影響がなくなり、冷却能力の損失が小さく抑えられる。したがって、図６に示す実線の如く、入口側のフィン温度が上昇し、出口側のフィン温度が低下することにより効率よくフィン温度の平均化が図れるメリットがある。
【００４８】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明の請求項１によれば、熱交換器を凝縮器として使用する際に、並行流で熱交換効率が少し低下するが、対向流で凝縮液の過冷却が効率よくとれて熱交換効率が向上し、総合的に凝縮能力を確保し、簡単な構造で効率の高い冷房運転、暖房運転を行なうことができる。また、伝熱管の冷媒入口と冷媒出口が、風上側の温度の低い空気と熱交換するため簡単な構造で過冷却が確実にとれるようになる。
【００４９】
また、この発明の請求項２によれば、熱交換器を蒸発器として使用する際に、並行流で熱交換効率が少し低下するが、対向流で熱交換効率が向上し、総合的に蒸発能力を確保し、簡単な構造で効率の高い冷房運転、暖房運転を行なうことができる。また、伝熱管の冷媒入口と冷媒出口が、風上側の温度の高い空気と熱交換するために適正な過熱度がとれ、湿り冷媒が圧縮機に戻ることによる効率低下および圧縮機の寿命低下等の問題を簡単な構造で解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気調和装置の一実施形態を示した配管図の概要説明図。
【図２】対向流及び並行流とした時の蒸発器と凝縮器の温度勾配のみによる効率変化と、通風抵抗による効率変化を示した説明図。
【図３】この発明にかかる空気調和装置の配管図を示した概要説明図。
【図４】冷媒の入口側と出口側の変形例を示した図３と同様の説明図。
【図５】図４のさらに別の変形例を示した一部分の熱交換器の説明図。
【図６】伝熱管の入口側と出口側の温度を示した説明図。
【符号の説明】
１  コンプレッサ
３  利用側熱交換器
５  減圧装置
７  熱源側熱交換器
９  四方弁
１１，２３  伝熱管
１９，２１  一方の伝熱管側の冷媒入口又は冷媒出口となる端末部
２９，３１  他方の伝熱管側の冷媒入口又は冷媒出口となる端末部
ａ  風上
ｂ  風下
【図１】
0003650358.tif 000003
【図２】
0003650358.tif 000004
【図３】
0003650358.tif 000005
【図４】
0003650358.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003650358.tif 000008