JP6363033B2 - 空気調和機の室内機およびこれを備えた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機の室内機およびこれを備えた空気調和機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１１−１２９３７号公報（特許文献１）がある。特許文献１に記載の空気調和機の室内ユニットにおいては請求項１に示すように、熱交換器のファンに対向する側にファンから送付された空気を熱交換器の下部に向けて導くガイド部材を備えることが開示されている。

特開２０１１−１２９３７

室内機に搭載された熱交換器は、熱交換効率の向上や圧力損失の低減を目的として大型化されている。熱交換器の高さは、遠心ファンの吐出し口高さに比べて大きくなっていることに加えて、室内機の限られたスペースに遠心ファンを搭載しようとすると、遠心ファンは熱交換器上部に搭載されることなる。このような状況から、熱交換器内部の流速分布にバラつきが生じてしまう。そのため、従来の特許文献１の構成のように、ファンに対向する側に、ファンから送付された空気を熱交換器の下部に向けて導くガイド部材を備えることで、熱交換器内部で生じる流速分布のバラつきを抑えることが可能となる。

しかし、遠心ファンの周囲にガイド部材を取り付ける手段は熱交換器内で生じる流速分布のバラつきを抑えることはできるが、バラつきの発生自体を抑えるものではなく、さらなる効率および省エネの向上を達成するためには不十分であった。

そこで本発明は、熱交換器内部で生じる流速分布のバラつきを抑制し、省エネ性の向上を図る空気調和機の室内機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明においては、筐体内に空気を吸い込む吸込口と、吸い込んだ空気を周囲へ送風する遠心ファンと、遠心ファンの送風方向に設けられて空気と内部を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器と、を備え、前記遠心ファンの外径をＤ，前記遠心ファンと前記熱交換器が最接近する距離をＬとしたとき、０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９となるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器内部で生じる流速分布のバラつきを抑制でき、熱交換器の圧力損失低減および熱交換効率向上による省エネ性の向上を図る空気調和機の室内機を提供することが可能となる。
本発明のその他の課題、構成、作用、効果については以下の実施例において詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る空気調和機の室内機の斜視図である。 本発明の実施形態に係る空気調和機の室内機の遠心ファン回転軸に対して垂直な断面図である。 図２に示す空気調和機の室内機のＡ−Ａ断面である。 横軸をＬ／Ｄ、縦軸を熱交換器内部で生じた流速分布の標準偏差としたグラフである。 横軸をｂ２／Ｈ、縦軸を熱交換器内部で生じた流速分布の標準偏差としたグラフである。 遠心ファンと熱交換器の間の領域を示した図である。 図３におけるフィルタ、ベルマウス、遠心ファンを拡大した断面図である。 従来のフィルタ、ベルマウス、遠心ファンの断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る空気調和機の室内機の斜視図を示す。図１の室内機は図示しない室外機と冷媒配管を介して接続され、空気調和機を構成する。室外機には圧縮機が搭載されており、この圧縮機により冷媒が圧縮され、冷媒配管内を循環することで冷凍サイクルが形成される。室内機は、天井内に配置される筐体１と筐体１の室内側に取り付けられるパネル２から構成されている。パネル２には室内の空気を取り入れるグリル３と、グリル３から吸い込まれた空気を室内に吹出すための吹出し口４が４箇所に設けられている。吹出し口５にはそれぞれルーバー４が図示しないルーバー用モータにより回転駆動可能に取り付けられており、これで空気の吹出し方向を調整する。

図２は、図１の室内機をファン回転軸Ｚ（図３）に対して垂直に見た断面図を示す図である。図２に示すように、本実施例の室内機は、室内機の中央部に配置され空気を周方向に吐き出す後向き羽根を有する遠心ファン１０と、遠心ファン１０の送風方向に遠心ファン１０を取り囲むように配置され遠心ファン１０からの空気と内部を流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器１１を有する。

熱交換器１１の形状は、遠心ファン１０の回転軸Ｚに対して垂直な断面図で見た時に角部が曲率を有する多角形となるもので、一部の角部が開放した略四角形となっている。図２では、熱交換器１１は３箇所の角部と４辺の直線部で遠心ファン１０を囲う形状としている。また、一つの角部は、他の直線部よりも短い直線形状を有しており、他の角部よりも遠心ファン１０の外周部との距離が近い形状となっている。図示しないが、この一つの角部と筐体１との間に設けられたスペースには、冷房運転時に熱交換器１１で発生する結露水（ドレン水）を排出するドレンポンプを配置する。

図３は、図２中のＡ−Ａ断面を示した図である。遠心ファン１０に接続されたモータ２０によって回転軸Ｚを中心に遠心ファン１０を回転させることで、グリル３に取り付けられたフィルタ６を通って空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は遠心ファン１０に向かって徐々に開口部が狭くなるベルマウス１２を通り、遠心ファン１０によって遠心ファン１０の径方向（周方向）に吹き出される。吹き出された空気は熱交換器１１を通り、熱交換器１１から流出した後、吹出し口５から室内に吐き出されることで図３に示す気流５０が形成される。気流５０に示す空気が吹出し口５から室内へ吹出されるとき、パネル２に取り付けられたルーバー４によって風向きが調整される。

暖房運転時または冷房運転時には熱交換器１１において空気と熱交換器１１の内部を流れる冷媒とで熱交換が行われることで、室内の空気の暖房または冷房が行われる。フィルタ６とベルマウス１２の間には室内機の挙動を制御するための図示しない制御基盤が収められた電気品箱７がベルマウス１２の下部に取り付けられている。

次に本実施例における遠心ファン１０と熱交換器１１との寸法関係を説明する。遠心ファン１０の外径をＤとし、遠心ファン１０の回転軸Ｚに対して垂直な断面において、遠心ファン１０と熱交換器１１が最接近する距離をＬ（図２参照）と定義し、Ｌ／Ｄという比を用いると、遠心ファン１０と熱交換器１１が最接近する距離Ｌが小さくなるほどＬ／Ｄが小さくなることを意味する。なお、熱交換器１１は４辺の直線部を有するが、各直線部と遠心ファン１０における距離Ｌは、略同一となっている。

従来、遠心ファン１０を可能な限り大径化することにより、同一流量における遠心ファン１０の軸動力を低減するように設計していたが、本発明では単に大径化を図るのではなく、熱交換器１１の内部を通過する空気の流速のバラつきを小さくすることによる、熱交換器１１の圧力損失低減および熱交換サイクルの性能向上を目的として遠心ファン１０の外径Ｄと、遠心ファン１０と熱交換器１１との距離Ｌの関係Ｌ／Ｄに着目した。

図４は横軸をＬ／Ｄ、縦軸を熱交換器１１の内部を通過する空気の流速のバラつきを示す標準偏差としたグラフである。図３で図示する遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２を変化させ、異なるｂ２におけるＬ／Ｄに対する標準偏差の変化を実線と破線で示す。標準偏差が小さくなると、熱交換器１１の内部を通過する空気の流速のバラつきが小さくなり、流速分布が均一に近づくことを意味する。流速分布が均一に近づくと、熱交換器１１の圧力損失が低減し、熱交換効率が向上する効果を得ることができる。従来機では、例えばＬ＝５４ｍｍ，Ｄ＝４９０ｍｍ，Ｌ／Ｄ＝０．１１となっていたが、このグラフから標準偏差が小さくなるＬ／Ｄの領域は０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９のときであることがわかった。

これについて説明すると、遠心ファン１０と熱交換器１１とが接近し過ぎている（Ｌ／Ｄが小さい）場合、遠心ファン１０と熱交換器１１との最近接部の風速が局所的に高くなり、流速分布にバラつきが生じる。一方、遠心ファン１０と熱交換器１１とが離れ過ぎている（Ｌ／Ｄが大きい）場合、熱交換器１１に対して遠心ファン１０の外径Ｄが小さくなるため、熱交換器１１内に同じ風量を送るには遠心ファン１０の回転数を増加させる必要がある。回転数の増加に伴い、周方向速度が増加するため、遠心ファン１０からの送風角度は、熱交換器１１の流入面に対し、平行に近くなり、流速分布が悪化する。これを考慮して図４に基き本実施例では、０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９となるように遠心ファン１０および熱交換器１１を構成している。さらに望ましくは、０．１７≦Ｌ／Ｄ≦０．１８とするのが良い。これにより、流速分布を大きく改善することができ、熱交換効率を向上することができる。

また、Ｌ／Ｄを変化させる場合（例えばＬ／Ｄを増加させる場合）、遠心ファン１０の外径を小さくする手段と、熱交換器１１を拡張する手段があるが、熱交換器１１を拡張する場合には、筐体１と熱交換器１１との間の吹出し口５が狭まり圧力損失が増大し送風効率が低下してしまう。一方、吹出し口５の開口面積を維持するために、熱交換器１１の拡張に伴い筐体１も大型化させる手段がある。しかし、室内機の設置スペース（特に天井埋め込み型）は、施工上変更されないことが望ましく、従来の筐体寸法の略８４０ｍｍを変えないことが望ましい。したがって、０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９の規定を満たした上で、筐体１の外寸Ｗは８３０ｍｍ≦Ｗ≦８５０ｍｍで設計すると良い。また、熱交換器１１および吹出し口５の寸法に影響を及ぼさないように、ファンの外径Ｄは４４０ｍｍ≦Ｄ≦４７０ｍｍとするのが良い。
［第２の実施形態］
図３に遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２、熱交換器１１の高さＨの定義を示す。この時、遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２と熱交換器１１の高さＨの比をｂ２／Ｈとすると、ｂ２／Ｈを適切な値とすることで、上記第１の実施形態を適用し、遠心ファン１０の効率をさらに高めることができる。

まず、熱交換器１１の高さＨを一定として、遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２を変化させる場合について説明する。遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２を小さくし、ｂ２／Ｈを小さくしていくと、遠心ファン１０のハブ面１０１とシュラウド面１０２で構成される流路幅が減少し、遠心ファン１０内部での摩擦損失が増大することで、遠心ファン１０の効率が低下する。

一方、遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２を大きくし、ｂ２／Ｈを大きくしていくと、ハブ面１０１とシュラウド面１０２で構成される流路幅が増加し、摩擦損失は低下する。遠心ファン１０は図３の下方から回転軸Ｚ方向に空気を吸込み、回転軸Ｚに対して垂直またはそれに近い角度で送風するという特徴を持つ。そのため、遠心ファン１０が吸い込んだ空気がシュラウド面１０２に沿って流れることが望ましい。しかし、ハブ面１０１とシュラウド面１０２で構成される流路幅が増加していくと、遠心ファン１０が吸い込んだ空気はシュラウド面１０２からはく離してしまい、遠心ファン１０の効率の低下を招いてしまう。

次に、遠心ファン１０の吐出し口高さｂ２を一定として、熱交換器１１の高さＨを変化させる場合について説明する。熱交換器１１の高さＨを小さくし、ｂ２／Ｈを大きくしていくと、熱交換器１１の伝熱面積が減少し、熱交換効率の低下を招いてしまう。

一方、熱交換器１１の高さＨを大きくし、ｂ２／Ｈを小さくしていくと、熱交換器１１の伝熱面積は増加し、熱交換効率は向上するが、熱交換器１１の高さＨが過大となるため、遠心ファン１０からの送風が偏ってしまう。その結果、熱交換器１１の内部を通過する空気の流速分布にバラつきが生じてしまい、熱交換効率の低下を招いてしまう。

図５は横軸をｂ２／Ｈ、縦軸を熱交換器１１の内部を通過する空気の流速のバラつきを示す標準偏差としたグラフである。図４と同様に、標準偏差が小さくなると、熱交換器１１の内部を通過する空気の流速のバラつきが小さくなり、流速分布が均一に近づくことを意味する。このグラフから標準偏差が小さくなるｂ２／Ｈの領域は０．３≦ｂ２／Ｈ≦０．５のときであることがわかる。

このようにｂ２／Ｈは大きすぎても小さすぎても遠心ファン１０の効率や、熱交換器１１の熱交換効率の低下を招いてしまうため、０．３≦ｂ２／Ｈ≦０．５とすることが望ましい。また、より望ましくは０．３５≦ｂ２／Ｈ≦０．４５とするのが良い。
［第３の実施形態］
図６は遠心ファンと熱交換器の間の領域を示した図である。遠心ファン１０の回転軸Ｚに対して垂直な断面において、遠心ファン１０の外周と、熱交換器１１の流入面と、熱交換器１１の周方向端点と遠心ファン１０の回転中心をつないだ直線と、で囲まれる領域を図６に灰色で示した領域Ｘとする。

遠心ファン１０の外径Ｄおよび熱交換器１１の高さＨが同じである場合、その周方向距離が長くなる、つまり領域Ｘの面積Ａが拡大すると、熱交換器１１の流入面積が拡大する。流入面積の拡大によって、熱交換器１１の伝熱面積が拡大することで熱交換効率が向上する。また、熱交換器１１の圧力損失は、内部を通過する空気の流速によって変化する。そのため、流入面積の拡大によって、熱交換器１１の内部を通過する空気の平均流速が減少することで、熱交換器１１の圧力損失が低減し、遠心ファン１０の軸動力が低減する。

上記第１の実施形態によれば、０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９とすることで、熱交換器１１の内部を通過する空気の流速分布のバラつきを小さくすることができる。それによって、熱交換器１１の熱交換効率の向上と圧力損失の低減が望めるが、領域Ｘの面積Ａを拡大する、つまり筐体１の外寸Ｗから算出される面積と、領域Ｘの面積Ａとの比であるＡ／Ｗ²を大きくすると更に熱交換効率の向上と圧力損失の低減を望める。

しかしながら、０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９として、Ａ／Ｗ²を大きくしていくと、次第に熱交換器１１が外側へ向かって拡大することとなる。その場合、吹出し口５の開口面積や吹出し口流路８の幅を十分に確保できなくなり、これらの圧力損失が増大してしまうと共に、室内の空気を調和するという空調機本来の役割を果たさなくなってしまう。そのため、０．２１≦Ａ／Ｗ²≦０．２７とすることが望ましい。
［第４の実施形態］
上記第１の実施形態を適用し、さらに効果を得ることができる第４の実施形態について説明する。

上記第１の実施形態によれば０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９とすることで、熱交換器１１の内部を通過する空気の流速分布のバラつきを小さくすることができる。しかしながら、Ｌ／Ｄが同一となるように遠心ファン１０の外径Ｄを変化させない場合、熱交換器１１の寸法を変化させることとなる。

遠心ファン１０の外径Ｄと筐体１の外寸Ｗとの比をＤ／Ｗとしたとき、Ｄ／Ｗを小さくするとＤ＋２Ｌで定義される熱交換器１１の寸法は小さくなる。同時に熱交換器１１の周長が短くなるため、伝熱面積が減少し、熱交換効率が悪化してしまう。

一方、Ｄ／Ｗを大きくすると、上記で定義した熱交換器１１の寸法は大きくなり、伝熱面積が増加する。それによって熱交換効率は向上するものの、吹出し口流路８の流路幅が減少し、吹出し口５の面積を十分に取ることができなくなることで、吹出し口５の圧力損失が増加してしまう。

そのため、上記第１の実施形態を適用し、さらに効果を得るためには０．５２≦Ｄ／Ｗ≦０．５６とすることが望ましい。
［第５の実施形態］
図８は本実施例を適用しない場合のフィルタ６、ベルマウス１２ａ、遠心ファン１０の断面図である。ベルマウス１２ａは遠心ファン１０に空気を導くために、入口径Ｄ_b1から出口径Ｄ_b2に向けて徐々に開口面積が狭くなるような構造となっている。図８に示したような、フィルタ６とベルマウス１２ａが平行となる面１３と、ベルマウス１２ａの開口部の接続が、１円弧で構成される場合、ベルマウス１２ａの高さＨ_bを十分に高くしないと、ベルマウス１２ａの入口径Ｄ_b1が小さくなり、面１３の面積が拡大する。フィルタ６と面１３の距離は、他の箇所に比べて狭いため、面１３と重なるフィルタ６の領域を通過する空気の流量は、フィルタ６の中央を通過する空気の流量よりも少なくなる。そのため、面１３の面積が拡大するほど、図８に示した流れ場５１のように、フィルタ６を通過する空気の流量は、フィルタ６の中央に多く偏ってしまう傾向にある。

図７は本実施例を適用した場合のフィルタ６、ベルマウス１２ｂ、遠心ファン１０の断面図である。フィルタ６とベルマウス１２ｂが平行となる面１３と、ベルマウス１２ａの開口部の接続に傾斜面を用いる、つまりベルマウス１２ｂの開口部をすり鉢状とすることで、ベルマウス１２ａの高さＨ_bが十分に取れなくとも、ベルマウス１２ｂの入口径をＤ_b1からＤ_b1’まで拡大することができ、同時に面１３の面積を縮小することができる。その結果、図７に示した流れ場５２のように、フィルタ６の端部を通過する空気の流量を増やすことができ、フィルタ６を通過する空気の流量はフィルタ６全体で均一に近づけられるため、フィルタ６の圧力損失を低減することが可能となる。

１ 筐体
５ 吹出し口
６ フィルタ
８ 吹出し口流路
１０ 遠心ファン
１１ 熱交換器
１２ ベルマウス
１２ａ ベルマウス（従来）
１２ｂ ベルマウス（第５の実施形態）
５１ 流れ場（従来）
５２ 流れ場
１０１ ハブ面
１０２ シュラウド面

Claims (7)

1. 筐体内に空気を吸い込む吸込口と、吸い込んだ空気を周囲へ送風する遠心ファンと、遠心ファンの送風方向に設けられて空気と内部を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器と、を備え、
   前記遠心ファンの外径をＤ，前記遠心ファンと前記熱交換器が最接近する距離をＬとしたとき、
   ０．１６≦Ｌ／Ｄ≦０．１９であり、
   前記筐体の外寸をＷとし、
   前記遠心ファンの回転軸に対して垂直な断面における、前記遠心ファンの外周線と、前記熱交換器に空気が流入する面の内周線と、前記熱交換器の周方向端点と前記遠心ファンの回転中心をつないだ直線と、で囲まれた領域の面積をＡとしたとき、
   Ａ／Ｗ ^２ ≧０．２１である、空気調和機の室内機。
2. 前記筐体の外寸をＷとしたとき、
   ８３５ｍｍ≦Ｗ≦８４５ｍｍである請求項１に記載の空気調和機の室内機。
3. 前記遠心ファンの外径Ｄが、
   ４４０ｍｍ≦Ｄ≦４７０ｍｍである請求項１または２に記載の空気調和機の室内機。
4. 前記遠心ファンの吐出し口高さをｂ２，前記熱交換器の高さをＨとしたとき、
   ０．３≦ｂ２／Ｈ≦０．５である請求項１に記載の空気調和機の室内機。
5. 前記筐体の外寸をＷとし、
   ０．５２≦Ｄ／Ｗ≦０．５６である請求項１に記載の空気調和機の室内機。
6. 前記吸込口から流入した空気を前記遠心ファンへ導くベルマウスを備え、
   前記ベルマウスは、前記吸込口へ向かって開口面積が広がる方向に曲がった曲面部と、曲面部からさらに開口面積が広がる方向に傾斜する傾斜面と、を有する形状である請求項１に記載の空気調和機の室内機。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の室内機を備える空気調和機。