JP4045247B2 - 一体型空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は一体型空気調和機に関するものである。

従来の一体型空気調和機の室内側は、ユニット前面の中央部分に室内熱交換器が配置され、この下流にシロッコ又はターボファン等の遠心ファンが配置され、吹き出し口が室内熱交換器の両側に配置されている。すなわち、特許文献１および特許文献２に記載されているように、一体型空気調和機の正面には、室内熱交換器に対向して空気吸込口が備えられ、空気吸込口から吸込まれた空気は、室内熱交換器を介して遠心ファンに吸込まれ、風路を経て、空気吸込口の両側に設けられた空気吹出口から吹出されるように構成されていた。

実開昭５３-１５７５４９号公報

特開平１１-３２５５０５号公報

上記従来技術に係る一体型空気調和機は、ユニット幅を広くすることができずもともと狭いにもかかわらず、室内側正面から見て正面に正方形状のくうき吸込口、この空気吸込口の左右に縦長の長方形状の空気吹出口を設けていた。このため、必要な熱交換量を確保する所定の風量を出すためには、熱交換器の圧力損失が大きいので高圧のファン（シロッコファン）を使わざるを得なかった。その結果、ファンの騒音が高いという問題、さらにファンモータの入力が高くユニット消費電力が増加してＣＯＰ（成績係数＝能力／電気入力）が悪いという問題があった。

これは、室内ファンとして、高風量・高圧を出力することができる羽根が回転方向に大きく傾斜して内径の大きな多翼ファンを用いていたため、ファン出口の吹き出し速度が高く吹き出し口での損失が大きくなり、ユニット前面の両側に設けられた吹き出し口を小さくすることができないことから、必然的に室内熱交換器の幅を大きくし得ないためであった。

また、この問題は、吹き出し口の吹き出し速度が遅いために、室内全体に冷風が届かずに、室内温度むら、所定の温度に達する時間が長いなどの問題を発生していた。

すなわち、室内熱交換器の熱交換性能を向上させるため室内熱交換器の幅を広げると空気吹出口の幅が縮小され騒音が増大し、反対に騒音を低減するために空気吹出口の幅を広げると室内熱交換器の幅が減少して熱交換性能が低下するといった問題があった。

本発明の目的は、ユニット正面に空気吸込口を、この空気吸込口の左右に空気吹出口を有する一体型空気調和機において、上記の相反する事象である騒音を低減しつつ熱交換性能を有する一体型空気調和機を提供することにある。

上記目的は、ユニット内に収納された圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器、室外ファンと、前記ユニットの正面に設けられた空気吸込口と、この空気吸込口の左右に設けられた空気吹出口を有する一体型空気調和機において、前記空気吸込口に対向して設けられ、両端にＵベンドを有しこれに挟まれる部分にフィンを有する前記室内熱交換器のフィン部分の幅を、前記ユニット幅の０.６０から０.７５とすることにより達成される。

また、上記目的は、ユニット内に収納された圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器、室外ファンと、前記ユニットの正面に設けられた空気吸込口と、この空気吸込口の左右に設けられた空気吹出口を有する一体型空気調和機において、前記空気吸込口に対向して設けられ、両端にＵベンドを有しこれに挟まれる部分にフィンを有する前記室内熱交換器の全幅を前記ユニット幅の０.７０から０.８５とすることにより達成される。

本発明によれば、ユニット正面に空気吸込口を、この空気吸込口の左右に空気吹出口を有する一体型空気調和機において、騒音を低減しつつ熱交換性能を有する一体型空気調和機を提供することができる。

図１に本発明の一実施例を示す。一体型空気調和機の構成要素を載置するユニットベース１、これら構成要素はキャビネット２によって覆われている。室外隔壁６は、吐出空間と吸込み空間を仕切るもので、室外用マウスリング３が吸込口として設けられている。吐出空間は、室外隔壁６と室外熱交換器５によって囲まれた空間であり、室外用マウスリング３の下流に設けられた室外ファン４からの空気が吐出空間に吐出される。室外ファン４の上流には、圧縮機８、吸込みタンク７、さらに室外ファン４及び室内ファン１２を両軸軸で駆動するためのファンモータ１１が配置されている。ファンモータ１１はファンモータ支持台１０によってユニットベース１に固定されている。室外ファン４が回転すると、圧縮機８のある部屋から空気が吸込まれ、室外ファン４の下流に設置された室外熱交換器５を通過することで、室外へ熱を放出する。

また、内外隔壁９の室内側には、前面グリル１９、フィルタ１５、室内熱交換器２１が設けられている。この室内熱交換器２１からの空気を室内ファン１２に導流する室内ケーシング１７の一部を兼ねた吸込みケーシング２０があり、室内用マウスリング１３から吸込まれた空気は室内ファン１２、そのファンからの流れをユニットの両側に分流して流すためのノーズ２２、その下流には横風向板１６、縦風向板１８が装着されている。

室内ファンが回転すると、前面グリル１９、フィルタ１５を通して空気が吸込まれ、室内熱交換器２１で吸熱し、ファン下流の吹出し流れを決める複数のノーズ２２と室内ケーシング１７で分流し、室内熱交換器２２の両側にある吹出し口１４から、冷気が室内側に吹出す構造となっている。室内熱交換器２１は中央部に熱交換を主に行うフィンを有する部分と、冷媒を流すパイプで構成されていて、その両側はパイプがリターンするＵベンド部２３からなっている。フィン部の幅をWexf、フィン部とＵベンド部全体の幅をWexとする。一体型空気調和機では室内側正面の空気吸込口から吸込まれた空気は、室内熱交換器２１の全体の幅Wexのうち上記フィン部の幅Wexfを介して熱交換され、室内ファン１２に吸込まれる。そして、その室内熱交換器２１の外両側であってユニット正面の空気吸込口の両側に設けられた吹出し口１４から空気調和された空気を室内に吹出す構造となっている。

なお、図示しないが、室内熱交換器２１の下部には凝縮水を受ける露受けと、露受けの水をユニット１の室外側下部に導く導水路が設けられている。

上記したように、室内熱交換器の構造はフィンとこれと密接に接するパイプ、さらにフィンの両端にはそのパイプが幾重にもリターンするためのＵベンドで構成されている。このため、両端をＵベンドで挟まれたフィン部分が実質的な熱交換部分で、両端のＵベンド部分はフィン部分に比べほとんど熱交換に寄与しない部分である。多くの一体型空気調和機のユニット幅は４７０ｍｍ乃至６６０ｍｍ（冷房能力で異なる）で室内熱交換器のフィン部の幅は、前者は２７０ｍｍで後者は３７５ｍｍで、ユニット幅に対する実質的に熱交換する部分の比は、略０.５７である。

フィンの両側のＵベンドを含めた室内熱交換器全幅は上記フィン部の幅に両側Ｕベンド部長さを加えて、前者は３３０ｍｍ、後者は４３５ｍｍ（ユニット幅に対する比で、０.７〜０.６６）程度であった。

これは、室内熱交換器の前面実装面積を多くすることで、熱交換量を確保したいという要求と、熱交換器前面面積を幅方向で増加させるとユニット両側の吹き出し口が狭まることで、吹き出し速度が急激に増加するためのファンの必要圧力上昇が大きくなり、結果的に騒音、ファン入力増加による消費電力増加の懸念から決った寸法である。

しかし、この構造には、次の問題があった。ユニット幅がもともと小さいのにもかかわらず、室内熱交換器フィン部の前面面積がユニット幅に対して上記の如く０.５７と小さいために、熱交換量を確保する所定の風量を出すと、熱交換器の圧力損失が大きくこのため高圧のファン（シロッコファン）を使わざるを得ない。その結果、ファンの騒音が高いという問題、さらにファンモータの入力が高くユニット消費電力が増加してＣＯＰが悪いという問題があった。

図２は、本実施例のユニット正面図であり、ユニット幅Wuに対する、熱交換器の幅Wexf、Wex、さらに吹出し口の出口幅Bdとユニット高さ方向の関係を示している。本実施例では、ユニットを運転操作する電気部品２４はユニット下部に設けられている。ユニットは幅Wu、高さHUで、熱交換器は幅Wexf、Wex、高さHex、吹出し口は幅Bd,高さHdの矩形状で構成される。

したがって、熱交換器の圧力損失と、吹出し口の圧力損失（吹出すための動圧）のバランスを、ファンの特性を考えて決める必要がある。すなわち、室内熱交換器２２の幅Wexf、Wexを多くとって熱交換量を増加させようとすると、吹出し口１４からの速度が増して、その動圧が急激に増加し、ファンの圧力上昇以上の圧力が必要となり、空気が流れないということになる。

また、吹出し口の動圧、さらに風向板の損失を低減しようとして、吹出し口１４の出口幅Bdを増やすと室内熱交換器２２の幅が小さくなり、熱交換器の圧力損失の増加とともに、熱交換量を確保できないという問題が生じる。

また、風量を確保するにはファンの回転数を高める必要が出てこれは騒音の大幅な増加、さらにファンモータ入力の急激な増加による消費電力の増加に繋がり省電力の面で好ましくない。

すなわち、一体型空気調和機では室内熱交換器の幅Wexf又はWexと吹出し口の幅の間には、風量を最大にして熱交換量を最大にできる最適値が存在することになる。

図３は、本実施例における効果を示す図であり、ユニット騒音を従来値として、ユニット幅(Wu)に対して熱交換器フィン部幅(Wex)を変えた場合に、風量が変化し、これがユニット能力に対するエネルギ消費効率（一般的にはＣＯＰと呼称）にいかなる変化を及ぼすかを調べたものである（記載値は、特に１.５HP機種以上の場合で能力を一定とした場合）。具体的には、実験とシミュレーションを行うことで数値を導出した。熱交換器フィン部幅の従来最大値はWexf/Wu=０.５７程度であり、この点におけるＣＯＰをＣＯＰ=１.０として示してある。ファンには、シロッコファンに比べて羽根車出口の絶対速度が小さい（羽根車出口角が概ねβ２=１３０以内）遠心ファン（ターボファン）を用いている。

この結果、熱交換器幅は従来の最大値より大きいWexf/Wu=０.６０以上で、能力向上が増加し、０.７５以上で急激に低下する。Wexf/Wuが０.７５以上で能力が急激に低下するのは、Wexf/Wuが大きくなると相対的に吹き出し口が狭くなり、吹き出し風速が高まるための動圧、風向板損失の増加によるものである。Wexf/Wu=１.０では理論的には、吹き出し面積が全くなくなり、風量が全く出ないことからＣＯＰ=０となる。

またWexf/Wuが小さい方は熱交換器の伝熱面積の低下、熱交換器の圧力損失の急激な増加により能力低下とファンモータ入力増加が著しい。Wexf=０では風量が０になるためにＣＯＰは０となる。

以上のことから、従来のＣＯＰ比１以上を確保できる条件はユニット幅(Wu)に対する熱交換器フィン部幅(Wexf)はWexf/Wu=０.６０〜０.７５の範囲であることが判る。

空気調和機では、ＣＯＰを１％以上向上することは重要なことであり、また、ファンの性能と熱交換器の実装状態だけでのＣＯＰ向上であることから、大きなコスト上昇要因にならないこの結果は省電力化に重要である。その意味で、現状よりＣＯＰを１％以上向上できる最適なWexf/Wuとして、０.６２５から０.７としてもよく、また究極的な最適値として０.６５から０.７と考えてもよい。

以上の効果は、熱交換器とファンの伝熱面積と騒音一定時のファン風量のみで得ることができることから、コストの大幅上昇要因にはならず、また、開発期間の短縮も図れるものである。

したがって、一体型空気調和機では、熱交換器フィン部の幅(Wexf)はユニット幅に対して０.６０〜０.７５の範囲又は上述の如くよりより最適な範囲にすべきことが騒音面、ユニットサイクル効率面、さらには、従来より吹き出し口の幅(Bd)が小さくできることで吹き出し風速が増して室内全体に冷風が行き渡り快適性が増すこと等の効果が期待できる。

以上説明したように、本実施例によれば、一体型空気調和機において、限定されたユニット幅内での熱交換器の実装幅を、吹き出し口の出口での吹き出し動圧との関係で最適化を図ることで、従来より１０％以上大きくすることで、同一騒音時に高風量化を実現して、室内熱交換量を増加させて少電力化を実現することができる。また、上記の結果として吹き出し口の出口幅を狭めることで吹き出し速度を増加させ、室内全体に冷風が届くようにして、運転開始からの室内温度が所定の値になるようにでき、この結果室内全体に温度むらが生じないようにすることができる。

上記は、熱交換器フィン部の幅(Wexf)の最適値を提示したが、実際の熱交換器は、図１に示すように、フィン部の両側にパイプのＵベンド部２３が存在して、その部分は熱交換効果はほとんどないが、実装する上で必要な部分である。吹き出し口の幅(Bd)もフィン部の幅(Wex)と両側のＵベンド部の幅(Bd)を足した寸法で決まる。上記した実際の数値から、このＵベンド部の幅はフィン部の幅(Wexf)の２２％から１６％、ユニット幅の１３％から９％程度であることから、熱交換器の全幅(Wex)の最適値は、上述の最適値に対して若干高い値となり、Wex/Wu=０.７０〜０.８５となる。すなわち、図３の横軸を、上記熱交換器全幅で考えた場合には、従来範囲より交換熱量を向上できる幅比をWex/Wu=０.７０〜０.８５と考えてよいことになる。

このＵベンドも含めた、熱交換器全幅の最適値も熱交換器フィン部の幅(Wexf)の最適値のように、エネルギ消費効率(ＣＯＰ)のより高くなる最適な範囲が存在することは明らかである。

上述のように、ユニット幅に対する熱交換器の幅を最適範囲にすると、吹き出し口からの風速も増加し、室内温度分布、所定温度到達時間も短縮できる。本実施例は、その効果をさらに高めるためのものである。

従来の吹き出し口はユニット前面にあり、冷気はユニット前面に吹き出される構造のものであった、これに対し図４に示す吹出口の変形例は、ユニット側面側にも吹出口１４を拡大したものであり、風向板１８のスイングに伴って、ユニット両側側にも冷気を吹き出す構造とした。吹出口１４をユニット両側側に拡大すると、吹出口１４の風速が緩和され、一層の高風量化により能力向上が実現できる。通常、前面の化粧枠は湾曲しているため、拡大に供する寸法(Dd)を吹出口の幅(Bd)の２０％以上とするのが望ましい。

これにより室内温度分布に関して以下の効果が出る。すなわち、ユニット側面にも吹き出し口を拡大して、風向板で、両側面側に冷気を吹き出すと、吹出口が従来より大きいために、風向板の損失が増加することなく、冷気を部屋全体、又は壁を冷やすことが可能となり、定常時に輻射冷房の効果も生まれる。

図１を用いて室内ファン１２の形状について説明する。室内ファン１２として心板（シュラウド）２６の外径が側板（ハブ）２５の内径より小さく、かつ羽根（ブレード）２４の外径を、側板２５側から心板２６側にかけて漸減させている。ファンモータ入力を羽根２４の径が軸方向に一定の場合に比べて、１０％以上低減できる。上述の室内熱交換器の実装形態、また吹出口の例を採用すれば、図３に示すエネルギ消費効率(ＣＯＰ)はさらに向上する。

なお、上記実施例では、室内熱交換器の左右に吹出口を有する一体型空気調和機について説明したが、これら吹出口の他に吹出口があっても効果を奏する。

以上本実施例によれば、限られたユニット幅の中で、熱交換器の実装面積を最大限に実装できることから、能力一定の場合、消費電力の低減、高風量化による、冷房感の向上が可能となる。また、ファンモータの入力低減による資源の最小化、コスト低減、軽量化を実現できる効果がある。

本発明の一実施例である一体型空気調和機の平面断面図。 図１に係る一体型空気調和機の正面図。 室内ファンの幅とＣＯＰの関係を示す図。 一体型空気調和機の空気吹出口の変形例を示す図。

符号の説明

１…ユニットベース、２…キャビネット、３…室外用マウスリング、４…室外ファン、５…室外熱交換器、６…室外隔壁、７…Ｓタンク、８…圧縮機、９…内外隔壁、１０…ファンモータ支持台、１１…ファンモータ、１２…室内ファン、１３…室内用マウスリング、１４…吹き出し口、１５…フィルタ、１６…横風向板、１７…室内ケーシング、１８…縦風向板、１９…前面グリル、２０…吸い込みケーシング、２１…室内熱交換器、２２…ノーズ、２３…運転操作部、２４…羽根、２５…側板、２６…心板。

Claims (4)

1. ユニット内に収納された圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器、室外ファンと、前記ユニットの正面に設けられた空気吸込口と、この空気吸込口の左右に設けられた空気吹出口を有する一体型空気調和機において、前記空気吸込口に対向して設けられ、両端にＵベンドを有しこれに挟まれる部分にフィンを有する前記室内熱交換器のフィン部分の幅を、前記ユニット幅の０.６０から０.７５とした一体型空気調和機。
2. 請求項１において、前記ユニット前側面に吹出口を拡大した一体型空気調和機。
3. ユニット内に収納された圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器、室外ファンと、前記ユニットの正面に設けられた空気吸込口と、この空気吸込口の左右に設けられた空気吹出口を有する一体型空気調和機において、前記空気吸込口に対向して設けられ、両端にＵベンドを有しこれに挟まれる部分にフィンを有する前記室内熱交換器の全幅を前記ユニット幅の０.７０から０.８５とした一体型空気調和機。
4. 請求項３において、前記ユニット前側面に吹出口を拡大した一体型空気調和機。
   

Images