JP2009281659A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着霜条件下でも、高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することのない冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】圧縮機（図示せず）と、放熱器（図示せず）と、減圧機構（図示せず）と、蒸発器４とが順に環状に接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルをなし、蒸発器４は、多数のフィン３２に略直角に所定のピッチで挿入されるとともに冷媒が流動する伝熱管３１から構成され、最も風下側に配されるフィン３２は、風上側に配されるフィン３２よりも鉛直方向の長さが短く、かつ風下側のフィン３２の上端を、風上側のフィン３２の上端よりも鉛直方向下側に位置させたもので、着霜条件下において風下側のフィン３２下端への氷の成長を抑制し、蒸発器４の放熱性能の低下および風量の低下を抑制し、高いエネルギー効率で運転でき、かつ送風ファン（図示せず）が氷と接触することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するもので、特に、高圧側において超臨界となり得る物質を冷媒として用いる冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置は、図４に示すようなヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置として代表的に利用されている。したがって、以下では、ヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置を例にとって、その従来の構成と動作について説明する。

図４において、従来のヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置は、ヒートポンプユニット４１と、貯湯ユニット４２から構成され、ヒートポンプユニット４１は、圧縮機１と、放熱器となるガスクーラ２と、減圧機構である膨張弁３と、蒸発器４が順番に環状に接続されて構成された冷媒回路５を有している。なお、冷媒回路５中には、四方弁など冷媒の循環方向を逆転させる装置を備えていない。また、蒸発器４は、図５に示すような伝熱管３１とフィン３２からなるフィンアンドチューブ式の熱交換器であって、伝熱管３１は、大気流れ方向に沿って千鳥状に配され、フィン３２に対して垂直に挿入された構造を有する。風上側と風下側に配された２列からなるフィン３２はそれらの上端を揃えて配されるのが通常である。

一方、貯湯ユニット４２は、貯湯タンク５１と、積層ポンプ５２と、三方弁５３と、給湯混合弁５４と、貯湯タンク５１の底部から積層ポンプ５２、ガスクーラ２、三方弁５３を経て貯湯タンク５１の塔頂へ還流する沸き上げ回路５５を備えている。

次に、上記のような冷凍サイクル装置について、蒸発器４に霜が付着するような条件における加熱（もしくは冷却）運転時および除霜運転時の動作について説明する。

加熱運転においては、圧縮機１から吐出された高圧の冷媒は、ガスクーラ２において水と熱交換して放熱した後に、膨張弁３に供給され減圧される。膨張弁３において減圧されて低温低圧となった冷媒は、蒸発器４に供給されて大気より吸熱して再び圧縮機１に供給される。

このように冷媒を動作させて加熱運転を行う場合、蒸発器４を流通する冷媒の蒸発温度は、大気温度より７〜１０℃程度低く、冷媒の蒸発温度が−１℃〜−２℃程度より低くなると、蒸発器４のフィン３２とフィン３２に挟まれた大気流路３３に、大気中の水分が凝縮した結露水が凍結して霜となり付着する。霜の付着が始まると大気流路３３が閉塞し、ガスクーラ２において十分な加熱能力を得ることができなくなってしまうとともに、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができなくなってしまう。そのため、冷凍サイクル装置は、蒸発器４への霜の付着を検知すると、下記の除霜運転を行って霜を除去する。

除霜運転においては、加熱運転時と同様の順に冷媒回路５中に冷媒を循環させ、蒸発器４に比較的高温の冷媒を供給して、冷媒の有する熱エネルギーを用いて、蒸発器４のフィン３２に付着した霜を融かして除去する。このとき、ガスクーラ２において冷媒が極力放熱しないように水流量などを操作するのが通常である。

上記のような除霜運転を行う冷凍サイクル装置においては、四方弁などを用いて冷媒の循環方向を逆転させて除霜運転を行う冷凍サイクル装置に比べて、除霜運転に長い時間を
要したり、除霜運転後に融け残りを生じたりしやすく、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を低下せるという課題があった。

上記の課題を解決する冷凍サイクル装置として、例えば、特許文献１に記載されたような冷凍サイクル装置が提案されている。この冷凍サイクル装置は、四方弁などの冷媒の循環方向を逆転させる手段を備えずとも、図５に示すように、蒸発器４を、風上側に配した風上フィン１１と、風下側に配した風下フィン１２で構成し、風上フィン１１、風下フィン１２のそれぞれを、フィン３２と、フィン３２に挿入された伝熱管３１で形成し、風上フィン１１の伝熱管３１から、風下フィン１２の伝熱管３１に向けて順に冷媒が流通するようにし、除霜運転時に霜の付着量の多い風上フィン１１に挿入された伝熱管３１から風下フィン１２に挿入された伝熱管３１の順に熱い冷媒を供給することによって除霜性能を向上させるようにしたものがある。
特開２００６−２３００５号公報

しかしながら、従来の冷凍サイクル装置の構成によれば、図６に示すように風下フィン１２が風上フィン１１よりも鉛直方向の長さが短く、かつ風下フィン１２の下端が風上フィン１１の下端よりも鉛直方向で上側にある蒸発器４を搭載する冷凍サイクル装置においては、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置のように、風上側から風下側に向かって順に冷媒が流れるように伝熱管３１を構成すると、風下フィン１２の下端に、除霜運転によって融かされた霜が水滴となって表面張力により残存し、また、風下フィン１２の下端周囲を流れる大気の風量が大きいため、加熱運転再開時に残存する水滴が冷却されて再凍結し、蒸発器４の放熱性能が低下し、冷凍サイクル装置の運転におけるエネルギー効率が低下するだけでなく、氷がより大きく成長すると送風ファン（図示せず）と接触して、冷凍サイクル装置が正常に運転できなくなるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、風下側のフィンの放熱性能の低下および風量の低下を抑制し、着霜条件下においても、高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機と、放熱器と、減圧機構と、蒸発器とが順に環状に接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルをなし、前記蒸発器は、一定のピッチで平行に積層されるとともにその間を空気などの気体が流動する多数の平板状のフィンと、前記フィンに略直角に所定のピッチで挿入されるとともに前記フィンに密着接合され内部を冷媒が流動する伝熱管とから構成され、前記伝熱管は、風上側と風下側とに少なくとも２列以上配され、最も風下側に配される前記フィンは、風上側に配される前記フィンよりも鉛直方向の長さが短いフィンアンドチューブ式の熱交換器であり、前記気体の主流方向すなわち列方向を水平方向に、前記気体の主流方向に直角方向すなわち段方向を鉛直方向に設置され、風下側の前記フィンの上端は、風上側の前記フィンの上端よりも鉛直方向下側に位置させたもので、着霜条件下において蒸発器の風下側のフィン下端への氷の成長を抑制し、蒸発器の放熱性能の低下および風量の低下を抑制して、着霜条件下においても冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、風下側のフィンが風上側のフィンより鉛直方向の長さが短く、かつ風下側のフィンの下端が風上側のフィンの下端よりも鉛直方向上側にある蒸発
器を搭載する冷凍サイクル装置において、着霜条件下での風下側のフィン下端への氷の成長を抑制することにより、風下側のフィンの放熱性能の低下および風量の低下を抑制し、着霜条件下においても、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができるという効果を得ることができる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機と、放熱器と、減圧機構と、蒸発器とが順に環状に接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルをなし、前記蒸発器は、一定のピッチで平行に積層されるとともにその間を空気などの気体が流動する多数の平板状のフィンと、前記フィンに略直角に所定のピッチで挿入されるとともに前記フィンに密着接合され内部を冷媒が流動する伝熱管とから構成され、前記伝熱管は、風上側と風下側とに少なくとも２列以上配され、最も風下側に配される前記フィンは、風上側に配される前記フィンよりも鉛直方向の長さが短いフィンアンドチューブ式の熱交換器であり、前記気体の主流方向すなわち列方向を水平方向に、前記気体の主流方向に直角方向すなわち段方向を鉛直方向に設置され、風下側の前記フィンの上端は、風上側の前記フィンの上端よりも鉛直方向下側に位置させたもので、着霜条件下において蒸発器の風下側のフィン下端への氷の成長を抑制し、蒸発器の放熱性能の低下および風量の低下を抑制して、着霜条件下においても冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の風下側のフィンの下端は、風上側のフィンの下端よりも鉛直方向上側にあり、前記風下側の前記フィンの下端と風上側の前記フィンの下端の鉛直方向距離は、風下側の前記フィンの上端と、風上側の前記フィンの上端の鉛直方向距離よりも小さいもので、着霜条件下において蒸発器の風下側のフィン下端への氷の成長を抑制し、蒸発器の放熱性能の低下および風量の低下を抑制して、着霜条件下においても冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の蒸発器に気体を導入する回転式送風手段を備え、前記蒸発器の重心は、前記回転式送風手段の回転中心よりも鉛直方向下側にあるもので、着霜条件下において蒸発器の風下側のフィン下端への氷の成長を抑制し、蒸発器の放熱性能の低下および風量の低下を抑制して、着霜条件下においても冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の蒸発器よりも風下側の風回路中に躯体を配し、前記躯体の上端は前記蒸発器の最も風下側の列の最下段に配される伝熱管よりも鉛直方向下側にあるもので、蒸発器の鉛直方向上側の風量を増加させて風下側のフィン下端への氷の成長を抑制し、蒸発器の放熱性能の低下および風量の低下を抑制して、着霜条件下においても冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の伝熱管は、風下側から風上側へ順に冷媒が流通するように構成されているもので、風下側のフィンに付着した霜が除霜運転中早期に融かされて除去されるため、融け残りが生じにくく、氷の成長を抑制し、蒸発器の放熱性能の低下および風量の低下を抑制して、着霜条件下においても冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の冷凍サイクル装置において、除霜運転時に、圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器の順に冷媒が循環するもので、四方弁などの冷媒循環方向を逆転させる手段を備えない冷凍サイクル装置においても、少ないエネルギーで融け残りなく除霜運転を行うことができ、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第７の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の冷凍サイクル装置において、除霜運転時に、圧縮機から吐出される冷媒が、少なくとも放熱器をバイパスして蒸発器に供給されるもので、放熱器などにおける冷媒の放熱を抑制し、少ないエネルギーで融け残りなく除霜運転を行うことができ、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか一つの発明の冷媒として、高圧側で超臨界状態となり得る物質を用いるもので、高圧側冷媒温度を高くすることができ、放熱器受熱流体を効率よく加熱することができる。

第９の発明は、特に、第８の発明の冷媒として、二酸化炭素を用いるもので、冷媒の発火や爆発の危険性を取り除くことができる。

以下、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置について図面を参照しながら述べる。なお、実施の形態は、ヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置を一例として用いて説明するが、本発明の実施の形態は、ヒートポンプ給湯機に限定されるものでなく、空気調和機や車両用空調装置などであってもよい。なお、下記の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の蒸発器の斜視図、図２は、同冷凍サイクル装置のヒートポンプユニットの正面図である。尚、上記従来の冷凍サイクル装置と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

なお、冷媒回路５中には、二酸化炭素が冷媒として循環し、四方弁などの冷媒循環方向を逆転させる手段を備えない。

本実施の形態における冷凍サイクル装置（ここでは、ヒートポンプ給湯機に搭載の冷凍サイクル装置）は、上記冷媒回路５と沸き上げ回路５５から構成される。

図１、２において、１３は冷媒流入管、１４は冷媒流出管であり、図２において、１６は、回転式送風手段である送風ファン、１７は、ガスクーラ２を覆う躯体であるガスクーラカバー、１８は、電源ボックスである。

図１に示すように、蒸発器４は、風下フィン１２は、風上フィン１１よりも鉛直方向のフィン３２の長さが短く、風下フィン１２の下端と風上フィン１１の下端の鉛直方向距離Ｌ２が風下フィン１２の上端と風上フィン１１の上端の鉛直方向距離Ｌ１よりも小さくなる（Ｌ１＞Ｌ２）ように配されて構成されている。

また、ガスクーラカバー１７は、風回路中に配され、風下フィン１２の最下段に挿入された冷媒流入管１３は、ガスクーラカバー１７の上端よりも鉛直方向上側になるように配される。送風ファン１６は、蒸発器４の重心がその回転中心よりも鉛直方向下側になるように配される。また、図１に示すように、風下フィン１２の最下段に冷媒流入管１３が挿
入されて配され、風上フィン１１に、冷媒流出管１４が挿入されて配されるように構成されている。

次に、上記のように構成された本実施の形態における冷凍サイクル装置の動作および作用について述べる。加熱運転時の基本動作については、従来の冷凍サイクル装置と同じであるので、本発明における特徴的な動作および作用について説明する。

蒸発器４に付着した霜を融かして除去する除霜運転を中心に述べる。加熱運転により蒸発器４への着霜が進行すると、付着した霜を除去する除霜運転を開始する。除霜運転の開始は、例えば、蒸発器４における冷媒の蒸発温度により判断される。除霜運転を開始すると、冷媒回路５内の冷媒の循環方向は変えずに、圧縮機１、膨張弁３および積層ポンプ５２を予め定められた除霜運転時の設定で動作させる。

とくに、積層ポンプ５２については、沸き上げ回路５５を循環する水流量を抑制するように操作し、ガスクーラ２における冷媒の放熱を抑制させる。除霜運転が開始されて蒸発器４に、温度が０℃以上の冷媒が供給されると、冷媒の熱エネルギーによって霜が融かされ、蒸発器４のフィン３２を伝ってドレンパン（図示せず）に水となって滴下する。このとき、蒸発器４の風下フィン１２に挿入された冷媒流入管１３の周囲に付着した霜から順次融解し、最後に冷媒流出管１４の周囲に付着した霜が融かされる。なお、除霜運転の終了は、例えば、蒸発器４における冷媒の蒸発温度により判断される。除霜運転の終了が判定されると、圧縮機１、膨張弁３および積層ポンプ５２を通常の加熱運転時の動作状態に戻して、加熱運転を再開する。

加熱運転を再開すると、風下フィン１２下端のフィン３２とフィン３２に挟まれた大気流路３３に表面張力により残存している水滴は冷却されて再度凍結するが、風下フィン１２を、風上フィン１１に対して比較的下方に配し、さらに風回路中の下方にガスクーラカバー１７を配することによって、風下フィン１２の下端周辺よりも風下フィン１２の上側を流れる大気の風速の方が大きくなるため、水滴が氷へと成長するのを抑制することができる。さらに、送風ファン１６が蒸発器４の重心よりも上方に配されることにより、風下フィン１２の上側を流れる大気の風速が大きくなる。

また、蒸発器４の冷媒流入管１３を、風下フィン１２の最下端に配し、冷媒流出管１４を風上フィン１１に挿入するような構成にすることによって、除霜運転開始後、早期に風下フィン１２に付着した霜が融けるため、加熱運転再開までの時間を長く有し、フィン３２の上部より滴下してくる水滴が、大気流路３３に残存しにくい。

上記のように蒸発器４とガスクーラカバー１７を構成することによって、着霜条件下での風下フィン１２下端における氷の成長を抑制することができるため、蒸発器４の放熱性能の低下、および通過する風量の低下を抑制することができる。

このようにすることによって、風下フィン１２の下端への氷柱成長による蒸発器４の性能の低下を防止して、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファン１６が氷と接触することなく正常に運転を継続することができる。

本実施の形態によれば、上記の通り、風下フィン１２が風上フィン１１よりも鉛直方向の長さが短く、かつ風下フィン１２の下端が風上フィン１１の下端よりも上部にある冷凍サイクル装置においても、風下フィン１２の下端と風上フィン１１の下端との距離Ｌ２を風下フィン１２の上端と風上フィン１１の上端との距離Ｌ１よりも小さくし（Ｌ１＞Ｌ２）、除霜運転時に、風下側から風上側へ冷媒が流れるように伝熱管３１を構成することによって、着霜条件下においても、蒸発器４への霜の融け残りやフィン３２下端への氷の成
長を抑制することができるため、冷凍サイクル装置を高いエネルギー効率で運転することができ、かつ送風ファン１６が氷と接触することなく正常に運転を継続することができるという効果を奏する。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置の構成図である。尚、上記第１の実施の形態における冷凍サイクル装置と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態における冷凍サイクル装置は、図３に示すように、圧縮機１の吐出側と蒸発器４に接続された冷媒流入管１３との間を、途中にバイパス弁２１を有するバイパス回路２２でバイパスしたもので、蒸発器４の構成は、上記第１の実施の形態と同一である。

次に、上記のように構成された本実施の形態における冷凍サイクル装置の動作および作用について述べる。

本実施の形態においては、除霜運転の開始が判断されると、バイパス弁２１を開いてバイパス回路２２を通じて、圧縮機１から吐出された冷媒は、ガスクーラ２を経ずに蒸発器４に供給される。そして、除霜運転の終了が判定されると、バイパス弁２１を閉じて通常の加熱運転を再開する。

上記のようにバイパス弁２１を操作して動作させることによって、蒸発器４の風下フィン１２の最下段に挿入された冷媒流入管１３に高温の冷媒を供給することができるため、風下フィン１２の下端への氷の成長を抑制することができる。なお、本実施の形態により得ることができる効果は、上記第１の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、高いエネルギー効率で運転を行うことができ、かつ送風ファンが氷と接触することなく正常に運転を継続することができるという効果を有し、ヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置や空気調和機搭載の冷凍サイクル装置など、高圧側において超臨界状態となり得る冷媒を用いる冷凍サイクル装置一般に対して有用である。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の蒸発器の斜視図 同冷凍サイクル装置のヒートポンプユニットの正面図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯機搭載の冷凍サイクル装置の構成図 同冷凍サイクル装置の蒸発器の斜視図 他の蒸発器の例を示す斜視図

符号の説明

１ 圧縮機
２ ガスクーラ（放熱器）
３ 膨張弁（減圧機構）
４ 蒸発器
５ 冷媒回路
１１ 風上フィン
１２ 風下フィン
１３ 冷媒流入管
１４ 冷媒流出管
１５、３３ 大気流路
１６ 送風ファン（回転式送風手段）
１７ ガスクーラカバー（躯体）
１８ 電源ボックス
２１ バイパス弁
２２ バイパス回路
３１ 伝熱管
３２ フィン
４１ ヒートポンプユニット
４２ 貯湯ユニット
５１ 貯湯タンク
５２ 積層ポンプ
５３ 三方弁
５４ 混合弁
５５ 沸き上げ回路

Claims (9)

1. 少なくとも圧縮機と、放熱器と、減圧機構と、蒸発器とが順に環状に接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルをなし、前記蒸発器は、一定のピッチで平行に積層されるとともにその間を空気などの気体が流動する多数の平板状のフィンと、前記フィンに略直角に所定のピッチで挿入されるとともに前記フィンに密着接合され内部を冷媒が流動する伝熱管とから構成され、前記伝熱管は、風上側と風下側とに少なくとも２列以上配され、最も風下側に配される前記フィンは、風上側に配される前記フィンよりも鉛直方向の長さが短いフィンアンドチューブ式の熱交換器であり、前記気体の主流方向すなわち列方向を水平方向に、前記気体の主流方向に直角方向すなわち段方向を鉛直方向に設置され、風下側の前記フィンの上端は、風上側の前記フィンの上端よりも鉛直方向下側に位置させたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 風下側のフィンの下端は、風上側のフィンの下端よりも鉛直方向上側にあり、前記風下側の前記フィンの下端と風上側の前記フィンの下端の鉛直方向距離は、風下側の前記フィンの上端と、風上側の前記フィンの上端の鉛直方向距離よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 蒸発器に気体を導入する回転式送風手段を備え、前記蒸発器の重心は、前記回転式送風手段の回転中心よりも鉛直方向下側にあることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 蒸発器よりも風下側の風回路中に躯体を配し、前記躯体の上端は前記蒸発器の最も風下側の列の最下段に配される伝熱管よりも鉛直方向下側にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 伝熱管は、風下側から風上側へ順に冷媒が流通するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 除霜運転時に、圧縮機、放熱器、減圧機構、蒸発器の順に冷媒が循環することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 除霜運転時に、圧縮機から吐出される冷媒が、少なくとも放熱器をバイパスして蒸発器に供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 冷媒として、高圧側で超臨界状態となり得る物質を用いることを特長とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。

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