JP2002286317A - 蒸気圧縮式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高いヒートポンプ効率を保って本来の運転を
安定的に継続しながら吸熱用熱交換器（蒸発器）での霜
付きや雪の付着堆積を効果的に防止できるヒートポンプ
を提供する。 【解決手段】 冷媒Ｒを圧縮機１―放熱用熱交換器２―
膨張機構５―吸熱用熱交換器３―圧縮機１の順に循環さ
せ、この冷媒循環で蒸発器として機能させる吸熱用熱交
換器３を外気ＯＡに対して吸熱作用させる蒸気圧縮式ヒ
ートポンプにおいて、冷媒循環路において放熱用熱交換
器２と膨張機構５との間に、外気ＯＡを冷却源とする過
冷却器９を介装し、この過冷却器９を外気通風路Ｆにお
いて吸熱用熱交換器３の風上側部分３Ａに隣接させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外気から吸熱させ
る蒸気圧縮式のヒートポンプに関し、詳しくは、冷媒を
圧縮機―放熱用熱交換器―膨張機構―吸熱用熱交換器―
圧縮機の順に循環させ、この冷媒循環で蒸発器として機
能させる吸熱用熱交換器を外気に対して吸熱作用させる
蒸気圧縮式ヒートポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の蒸気圧縮式ヒートポンプ
では、蒸発器として外気に対し吸熱作用している状態の
吸熱用熱交換器で外気中水分による霜付きや外気中の雪
の付着堆積などが生じたとき、その吸熱用熱交換器を凝
縮器として機能させる状態に冷媒の循環経路を切り換え
て凝縮器の発生熱で付着霜や付着雪を融解させる、ある
いは、その吸熱用熱交換器に付加装備の電気ヒータによ
り付着霜や付着雪を融解させるといった除霜除雪運転を
行なっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、吸熱用熱交換
器を凝縮器として機能させる状態に冷媒循環経路を切り
換える方式（いわゆるホットガス方式）の除霜除雪運転
では、次の（イ）〜（ハ）の問題があった。

【０００４】（イ）除雪除霜運転の実施期間中、吸熱用
熱交換器で外気から吸熱して放熱用熱交換器で熱発生さ
せる本来の運転を休止する必要がある。 （ロ）その本来の運転を極力長く継続するには、除霜除
雪運転の実施頻度を制限することが必要になって、付着
霜や付着雪により外気通風が阻害された状態の運転をあ
る程度まで強制的に継続実施することになり、そのこと
でヒートポンプ効率が大きく低下する。 （ハ）除雪除霜運転の実施期間中に付着霜や付着雪によ
る冷媒冷却で大量の凝縮液冷媒が吸熱用熱交換器に溜り
込み、この為、吸熱用熱交換器を蒸発器として機能させ
る状態に冷媒循環経路を戻して除霜除雪運転から本来の
運転に復帰したとき、圧縮機が液冷媒を吸入する所謂液
バックトラブルを生じ易い。

【０００５】一方、電気ヒータにより付着霜や付着雪を
融解させる方式の除霜除雪運転では、上記（イ）〜
（ハ）の如き問題を回避できるものの、電気ヒータの消
費電力が大きくて全体としてのエネルギ効率が低くな
り、運転コストが高く付く問題があった。

【０００６】この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、
合理的な冷媒回路構造により上記の如き問題を効果的に
解消する点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１に係る発
明は蒸気圧縮式ヒートポンプに係り、その特徴は、冷媒
を圧縮機―放熱用熱交換器―膨張機構―吸熱用熱交換器
―圧縮機の順に循環させ、この冷媒循環で蒸発器として
機能させる前記吸熱用熱交換器を外気に対して吸熱作用
させる構成において、冷媒循環路において前記放熱用熱
交換器と前記膨張機構との間に、外気を冷却源とする過
冷却器を介装し、この過冷却器を外気通風路において前
記吸熱用熱交換器の風上側部分に隣接させてある点にあ
る。

【０００８】つまり、霜付きや雪の付着堆積は吸熱用熱
交換器における外気通風方向の風上側部分で集中的に生
じることから、この吸熱用熱交換器の風上側部分に過冷
却器（所謂サブクーラ）を隣接させる上記構成によれ
ば、吸熱用熱交換器に及ぶ過冷却器の放出熱（すなわ
ち、凝縮器としての放熱用熱交換器から送出される凝縮
液冷媒から奪取した顕熱）により、吸熱用熱交換器での
霜付きや雪の付着堆積を効果的に防止することができ
る。

【０００９】そして、このように過冷却器の放出熱を利
用することから、吸熱用熱交換器で外気から吸熱して放
熱用熱交換器で熱発生させる本来の運転を休止すること
なく、吸熱用熱交換器での霜付きや雪の付着堆積を防止
することができ、また、そのことで付着霜や付着雪によ
り外気通風が阻害された状態の運転を強制的に継続する
といったことも不要になり、これにより、霜付きや雪の
付着堆積が生じ易い外気条件の下でも高いヒートポンプ
効率を保って本来の運転を安定的に継続することができ
る。

【００１０】また、吸熱用熱交換器を蒸発器として機能
させながら過冷却器の放出熱により霜付きや雪の付着堆
積を防止するから、付着霜や付着雪による冷媒冷却で凝
縮液冷媒が吸熱用熱交換器に溜り込むといったこともな
く、そのことで先述の如き液バックトラブルも効果的に
回避できる。

【００１１】しかも、電気ヒータの如き付加的なエネル
ギ消費装置も不要であるから、全体としてのエネルギ効
率も高く維持することができて、運転コストの上昇も回
避でき、さらには、外気を冷却源として放熱用熱交換器
からの送出凝縮冷媒を過冷却（サブクール）することに
よるヒートポンプ能力の向上も期待できる。

【００１２】ちなみに、本来の運転を継続しながら吸熱
用熱交換器での霜付きや雪の付着堆積を防止するのに、
凝縮器での発生熱（冷媒の凝縮潜熱）の一部を用いて霜
付きや雪の付着堆積を防止することも考えられるが、こ
の場合、凝縮器での発生熱の一部を霜付きや雪の付着堆
積の防止に消費するため実質的なヒートポンプ能力が低
下する問題が生じ、この点で、外気を冷却源とする過冷
却器の放出熱を利用する、また、過冷却によるヒートポ
ンプ能力の向上も期待できる上記構成の方が有利であ
る。

【００１３】〔２〕請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明の実施に好適な実施形態を特定するものであ
り、その特徴は、前記過冷却器及び前記吸熱用熱交換器
の夫々を風上側部分と風下側部分とに分割し、前記外気
通風路において、これら過冷却器の風上側部分と吸熱用
熱交換器の風上側部分と過冷却器の風下側部分と吸熱用
熱交換器の風下側部分とを、その順に風上側から並べた
状態で互いに隣接させてある点にある。

【００１４】つまり、この構成によれば、前述の如く吸
熱用熱交換器の風上側部分（特にその風上側部分の中で
も風上寄りの部分）で集中的に発生する霜付きや雪の付
着堆積を、吸熱用熱交換器の風上側部分に対して外気通
風方向の風上側から隣接する過冷却器風上側部分の放出
熱により効果的に防止することができる。

【００１５】そしてまた、吸着用熱交換器の外気通風方
向における寸法が大きい場合など、条件によっては、吸
熱用熱交換器の風上側部分で生じた霜や雪の融解水が通
風外気により風下側へ移動して吸熱用熱交換器の風下側
部分で再氷結するといった虞が生じることもあり得る
が、このような場合、上記構成によれば、そのような再
氷結も吸熱用熱交換器の風上側部分と風下側部分との間
に位置する過冷却器風下側部分の放出熱をもって効果的
に防止することができ、この点で、吸着用熱交換器での
霜付きや雪の付着堆積に対する防護性に一層優れたヒー
トポンプにすることができる。

【００１６】〔３〕請求項３に係る発明は、請求項１又
は２に係る発明の実施に好適な実施形態を特定するもの
であり、その特徴は、前記吸熱用熱交換器を構成する伝
熱管と前記過冷却器を構成する伝熱管とにわたる共通の
伝熱フィンを、それら伝熱管に多数設けてある点にあ
る。

【００１７】つまり、この構成によれば、過冷却器の放
出熱を上記の多数の共通伝熱フィンにより効率良く確実
に吸熱用熱交換器の側に伝熱することができ、これによ
り、過冷却器の放出熱を利用した前述の如き霜付き防止
や雪付着防止を一層効果的かつ確実なものにすることが
できる。

【００１８】〔４〕請求項４に係る発明は、請求項１〜
３のいずれか１項に係る発明の実施に好適な実施形態を
特定するものであり、その特徴は、前記過冷却器に循環
冷媒を通過させる状態とその過冷却器に対するバイパス
路に循環冷媒を通過させる状態とに冷媒の循環経路を切
り換える切換弁を設けてある点にある。

【００１９】つまり、この構成によれば、過冷却器に対
するバイパス路に循環冷媒を通過させる状態（すなわ
ち、過冷却器を迂回させて冷媒循環させる状態）への切
り換えを行なえることで、過冷却器を必要としない運転
や例えば圧力損失の低減の面などで逆に過冷却器を用い
ない方が有利になる運転などに対して対応できるように
なり、この点で機能性に一層優れたヒートポンプにな
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１はヒートポンプの冷媒回路を
示し、１は圧縮機、２は放熱用熱交換器、３は吸熱用熱
交換器、４は四方弁、５は膨張機構、６は四つの逆止弁
６ａ〜６ｄをブリッジ回路状に組み合わせた冷媒案内回
路、７は受液器である。そして、このヒートポンプで
は、四方弁４による冷媒循環経路の切り換えにより基本
的に次の順方向運転と逆方向運転とを択一的に実施す
る。

【００２１】すなわち、順方向運転では、図中実線の矢
印で示す如く、冷媒Ｒを圧縮機１―四方弁４−放熱用熱
交換器２−冷媒案内回路６−受液器７−膨張機構５−冷
媒案内回路６−吸熱用熱交換器３―四方弁４−圧縮機１
の順に循環させ、これにより、吸熱用熱交換器３を蒸発
器として機能させて吸熱用熱交換器３をファン８による
通風外気ＯＡに対し吸熱作用させ、これに対し、放熱用
熱交換器２を凝縮器として機能させて放熱用熱交換器２
で高温熱を発生させる。

【００２２】また、逆方向運転では、図中破線の矢印に
示す如く、冷媒Ｒを逆に圧縮機１―四方弁４−吸熱用熱
交換器３−冷媒案内回路６−受液器７−膨張機構５−冷
媒案内回路６−放熱用熱交換器２―四方弁４−圧縮機１
の順に循環させ、これにより、放熱用熱交換器２を蒸発
器として機能させて放熱用熱交換器２を順方向運転時の
熱付与対象に対し吸熱作用させ、これに対し、吸熱用熱
交換器３を凝縮器として機能させて吸熱用熱交換器３で
高温熱を発生させる。

【００２３】９は冷媒循環路において放熱用熱交換器２
と膨張機構５との間（具体的には受液器７との間）に介
装した過冷却器であり、この過冷却器９は外気ＯＡを冷
却源とする。

【００２４】１０は過冷却器９に対するバイパス路であ
り、１１は順方向運転及び逆方向運転の夫々において過
冷却器９に循環冷媒Ｒを通過させる状態とバイパス路１
０に循環冷媒Ｒを通過させる（すなわち、過冷却器９を
迂回させる）状態とに冷媒Ｒの循環経路を切り換える切
換弁である。

【００２５】吸熱用熱交換器３及び過冷却器９は図２に
示す如きフィンチューブコイル構造Ｕにしてあり、吸熱
用熱交換器３については、吸熱用熱交換器３を構成する
並列伝熱管３ａ（チューブ）の夫々を蛇行させて４列の
伝熱管列３Ａ〜３Ｄを形成し、これら４列の伝熱管列３
Ａ〜３Ｄを外気ＯＡの通風方向に並置して、それら４列
の伝熱管列３Ａ〜３Ｄにわたる伝熱フィン１２を、各伝
熱フィン１２に対し多数の伝熱管３ａを貫通させた状態
で伝熱管列３Ａ〜３Ｄに所定ピッチで多数付設した構造
にしてある。

【００２６】また、過冷却器９については、過冷却器９
を構成する並列伝熱管９ａ（チューブ）の夫々を蛇行さ
せて２列の伝熱管列９Ａ，９Ｂを形成し、これら２列の
伝熱管列９Ａ，９Ｂのうちの一方を、吸熱用熱交換器３
の伝熱管列３Ａ〜３Ｄのうち外気通風方向で最も風上側
に位置する伝熱管列３Ａの風上側に隣接させて配置する
とともに、他方を吸熱用熱交換器３の伝熱管列３Ａ〜３
Ｄのうち外気通風方向で３列目の伝熱管列３Ｃと４列目
の伝熱管列３Ｄとの間に両伝熱管列３Ｃ，３Ｄに対する
隣接状態で配置し、そして、前記の伝熱フィン１２を吸
熱用熱交換器３と過冷却器９との共通の伝熱フィンとし
て、過冷却器９の伝熱管列９Ａ，９Ｂを形成する伝熱管
９ａを吸熱用熱交換器３の各伝熱管列３Ａ〜３Ｄを形成
する伝熱管３ａとともに各伝熱フィン１２に対し貫通さ
せた構造にしてある。

【００２７】すなわち、吸熱用熱交換器３については、
各伝熱管列３Ａ〜３Ｄの伝熱管３ａに冷媒Ｒを通過させ
ることにより、順方向運転ではその管内通過過程で冷媒
Ｒを外気ＯＡからの吸熱により蒸発させ、逆方向運転で
はその管内通過過程で冷媒Ｒを凝縮させて熱発生させ
る。また、過冷却器９については、順方向運転において
凝縮器としての放熱用熱交換器２から送出される凝縮液
冷媒Ｒを各伝熱管列９Ａ，９Ｂの伝熱管９ａに通過させ
ることにより、その凝縮液冷媒Ｒを管内通過過程で外気
ＯＡにより冷却（外気による過冷却）する。

【００２８】そして、吸熱用熱交換器３及び過冷却器９
を構成するのに上記のフィンチューブコイル構造Ｕを採
ることにより、吸熱用熱交換器３と過冷却器９との夫々
を風上側部分３Ａ〜３Ｃ，９Ａと風下側部分３Ｄ，９Ｂ
とに分割して、それら過冷却器の風上側部分９Ａと、吸
熱用熱交換器３の風上側部分３Ａ〜３Ｃと、過冷却器９
の風下側部分９Ｂと、吸熱用熱交換器３の風下側部分３
Ｄとを、その順に風上側から並べた状態で互いに隣接さ
せてファン８による外気通風路Ｆに配置した構成にして
ある。

【００２９】つまり、吸熱用熱交換器３を蒸発器として
外気ＯＡに対し吸熱作用させる順方向運転では、外気条
件によって吸熱用熱交換器３の風上側部分３Ａ〜３Ｃ
（特にその風上側部分３Ａ〜３Ｃの中でも風上寄りの部
分３Ａ）で外気中水分による霜付きや外気中の雪の付着
堆積が生じる虞があるが、上記構成を採ることにより、
これら吸熱用熱交換器３の風上側部分３Ａでの霜付きや
雪の付着堆積を過冷却器９の風上側部分９Ａの放出熱に
より防止する。

【００３０】また、条件によって、過冷却器風上側部分
９Ａの放出熱で融解させた霜や雪の融解水が通風外気Ｏ
Ａにより風下側へ移動して吸熱用熱交換器３の風下側部
分３Ｄ（ないし３Ｃ，３Ｄ）で再氷結する虞があること
に対し、そのような風下側での再氷結を過冷却器９の風
下側部分９Ｂの放出熱により確実に防止する。

【００３１】なお、順方向運転では、切換弁１１を閉弁
状態に保って放熱用熱交換器２からの送出液冷媒Ｒを過
冷却器９により常に過冷却する運転形態（換言すれば、
過冷却器９の放出熱による霜付き防止や雪付着防止を常
に行なう運転形態）、あるいは、外気状態の検出や霜付
き・雪付着の検出に基づいて霜付き防止や雪付着防止の
必要時にのみ切換弁１１を閉じて過冷却器９を機能させ
る運転形態のいずれを採用してもよい。

【００３２】また、逆方向運転は、放熱用熱交換器２で
の冷熱発生ないし吸熱用熱交換器３での外気加熱を目的
として実施する他、順方向運転時において過冷却器９の
放出熱では吸熱用熱交換器３での霜付きや雪の付着堆積
を防止し切れなくなったときの除霜除雪を目的として一
時的に実施するが、これら逆方向運転は切換弁１１を開
弁状態に保って過冷却器９を機能停止させた状態で実施
する。

【００３３】〔別実施形態〕次に本発明の別の実施形態
を列記する。

【００３４】前述の実施形態では、過冷却器９を風上側
部分９Ａと風下側部分９Ｂとに分割して、過冷却器９の
風上側部分９Ａと吸熱用熱交換器３の風上側部分３Ａ〜
３Ｃと過冷却器９の風下側部分９Ｂと吸熱用熱交換器３
の風下側部分３Ｄとを、その順に風上側から並べた状態
で互いに隣接させる構成を示したが、これに代え、過冷
却器９の分割を行なわずに過冷却器９を外気通風路Ｆに
おいて吸熱用熱交換器３の風上側部分に対し風上側から
隣接（場合によっては風下側から隣接）させる構成にし
てもよい。

【００３５】過冷却器９の風上側部分９Ａと吸熱用熱交
換器３の風上側部分３Ａ〜３Ｃと過冷却器９の風下側部
分９Ｂと吸熱用熱交換器３の風下側部分３Ｄとを、その
順に風上側から並べた状態で互いに隣接させる場合、そ
れら各部分の容量比（前述の実施形態で言えば各部分に
おける伝熱管列の列数比）は、前述の実施形態で示した
容量比に限定されるものではなく、また、過冷却器９及
び吸熱用熱交換器３の各々について、それらの風上側部
分９Ａ，３Ａ〜３Ｃと風下側部分９Ｂ，３Ｄとは、冷媒
経路上において並列のもの、あるいは直列のもののいず
れであってもよい。

【００３６】外気通風路Ｆにおいて、過冷却器９の風上
側部分９Ａと吸熱用熱交換器３の風上側部分３Ａ〜３Ｃ
と過冷却器９の風下側部分９Ｂと吸熱用熱交換器３の風
下側部分３Ｄとを、その順に風上側から並べた状態で互
いに隣接させる場合、あるいは、過冷却器９の分割を行
なわずに過冷却器９を吸熱用熱交換器３の風上側部分に
対し隣接させる場合、その具体的な隣接構造は前述の実
施形態の如き伝熱管列どうしの隣接構造に限らず、種々
の構成変更が可能であり、また、前述の実施形態では、
過冷却器９と吸熱用熱交換器３とを共通の伝熱フィン１
２により連結する構造を示したが、場合によっては、過
冷却器９と吸熱用熱交換器３とを分離状態で隣接させる
構成にしてもよい。

【００３７】本発明による蒸気圧縮式ヒートポンプは、
空調や融雪あるいは給湯や物品加熱など各種分野におい
て種々の用途に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷媒回路図

【図２】吸熱用熱交換器及び過冷却器の構造を示す切欠
斜視図

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 放熱用熱交換器 ３ 吸熱用熱交換器 ３ａ 伝熱管 ３Ａ〜３Ｃ 吸熱用熱交換器の風上側部分 ３Ｄ 吸熱用熱交換器の風下側部分 ５ 膨張機構 ９ 過冷却器 ９ａ 伝熱管 ９Ａ 過冷却器の風上側部分 ９Ｂ 過冷却器の風下側部分 １０ バイパス路 １１ 切換弁 １２ 伝熱フィン ＯＡ 外気 Ｒ 冷媒

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を圧縮機―放熱用熱交換器―膨張機
   構―吸熱用熱交換器―圧縮機の順に循環させ、この冷媒
   循環で蒸発器として機能させる前記吸熱用熱交換器を外
   気に対して吸熱作用させる蒸気圧縮式ヒートポンプであ
   って、 冷媒循環路において前記放熱用熱交換器と前記膨張機構
   との間に、外気を冷却源とする過冷却器を介装し、 この過冷却器を外気通風路において前記吸熱用熱交換器
   の風上側部分に隣接させてある蒸気圧縮式ヒートポン
   プ。
2. 【請求項２】 前記過冷却器及び前記吸熱用熱交換器の
   夫々を風上側部分と風下側部分とに分割し、 前記外気通風路において、これら過冷却器の風上側部分
   と吸熱用熱交換器の風上側部分と過冷却器の風下側部分
   と吸熱用熱交換器の風下側部分とを、その順に風上側か
   ら並べた状態で互いに隣接させてある請求項１記載の蒸
   気圧縮式ヒートポンプ。
3. 【請求項３】 前記吸熱用熱交換器を構成する伝熱管と
   前記過冷却器を構成する伝熱管とにわたる共通の伝熱フ
   ィンを、それら伝熱管に多数設けてある請求項１又は２
   記載の蒸気圧縮式ヒートポンプ。
4. 【請求項４】 前記過冷却器に循環冷媒を通過させる状
   態とその過冷却器に対するバイパス路に循環冷媒を通過
   させる状態とに冷媒の循環経路を切り換える切換弁を設
   けてある請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気圧縮
   式ヒートポンプ。