JP2009281673A - ヒートポンプ用熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 所定の間隔を隔てて積層した複数の金属プレートと、金属プレートと略直交して設けた複数の金属パイプとからなり、金属プレートと金属パイプが電気的に接続された熱交換器と、導線を周回して形成したコイルとを有し、コイルは熱交換器と略平行に配置され、コイルの導線の一部が金属プレートに沿って略平行に配置され、コイルに高周波電流を流す。この熱交換器を搭載することで、速やかな温風の吹き出し、あるいは除霜が容易なヒートポンプ装置を提供可能となる。
【選択図】図1
Description
さらに、従来のヒートポンプ用熱交換器にあっては、穴開きプレートの長手方向に沿って空気を流して熱交換を行うので、熱交換器の下側に誘導加熱器を設置しても誘導加熱器が空気の流れを妨げるといった問題はないが、空気調和装置などで用いられる熱交換器では穴開きプレートの長手方向と垂直に空気を流して熱交換を行うので、熱交換器に臨んで特許文献1に記された従来周知の誘導加熱器を設置すると、誘導加熱器が空気の流れを妨げるため熱交換が行えないという問題点もあった。
図1は、本発明の実施の形態1によるヒートポンプ用熱交換器を示す斜視図である。ヒートポンプ用熱交換器1は、厚さ0.1mm程度のアルミ製穴開きプレートからなるフィン3と銅またはアルミ製の冷媒管4からなる熱交換器2に面してコイル6を設けて構成される。熱交換器2の冷媒管4の端部4a、4bはヒートポンプ装置の冷媒回路に接続され、冷媒が冷媒管4の内部を流入、流出し冷凍サイクルが行われる。コイル6の端部6a、6bは高周波電源8に電気的に接続され、高周波電源8より高周波電流がコイル6に供給される。コイル6は樹脂などで被覆された導線を、短冊状のフィン3の長手方向と平行な方向では所定の間隔、例えば10mm、20mmあるいは40mm離してフィン3に沿って設け、フィン3の長手方向と垂直な方向では導線を密接させて設け、一方向に巻いて矩形状のコイルをなすように周回して形成される。導線を巻いて矩形状に形成したコイル6の面が熱交換器2の面とほぼ平行になるように配置される。またコイル6の導線と熱交換器2の間は導線の裏側のフィン3にも空気が通るように数mm〜十数mm程度の間隔を設けている。なお、空気はヒートポンプ用熱交換器1のコイル6側から流入しても、流出してもどちらでもよい。
熱交換器2は厚さ0.1mm程度の短冊状のアルミなどの金属シートからなるフィン3に複数の穴が設けられており、穴の周囲にはフィン3と一体となったカラー3aが設けられている。カラー3aの高さは1〜2mm程度であり、フィン3を積層したときにカラー3aがスペーサの役割をして、隣り合うフィン3との間に風路となる所定の間隔が設けられる。複数のフィン3を積層した後、フィン3の穴に銅やアルミなどの金属からなるU字型の冷媒管4を挿入してフィン3と冷媒管4は一体に形成される。フィン3には複数の穴が設けられているので、U字型の冷媒管4を複数挿入し、各U字型の冷媒管の短部を接続することで図1に示すような熱交換器2が形成される。冷媒管4はフィン3に設けられたカラー3aに圧接されるので、フィン3と冷媒管4との熱抵抗は小さくなり、フィン3から冷媒管4あるいはその逆の熱伝導が良い熱交換器2を得ることができる。またフィン3も冷媒管4も金属であるため、冷媒管4がフィン3に設けられたカラー3aにより圧接されることで、フィン3と冷媒管4は電気的にも接続される。
実験に用いたコイルの導線本数(導線本数はコイルターン数の2倍)は便宜上導線ピッチにより異なっており、導線ピッチ9mmは21本(10.5ターン)、導線ピッチ18mmは22本(11ターン)、導線ピッチ36mmは11本(5.5ターン)である。後述するようにコイルターン数は、効率(コイルに入力した電力のうちフィンに入力される電力の割合)に関係するが、ここでの目的はフィンの位置による温度上昇に差があるかどうかを調べるものであり、目的とは直接関係ない。しかし図7〜図9の実験結果でフィンと導線の温度上昇の比率が異なることの原因の一つが実験に用いたコイルのターン数が異なるためと理解されたい。図7〜図9を見て分かるように4個のフィンの温度上昇にほとんど差は無く、特に図9(a)、(b)からわかるように導線とフィンの位置関係に関わらず、コイルに面した部分のフィンがほぼ均一に加熱されていることが確認できる。なお、導線ピッチが大きくなるほど、フィンの温度上昇に対する導線の温度上昇の比率が大きくなっているのは、単位面積当たりのフィンの個数は変化しないが、導線の本数はピッチが大きいほど少なくなっているので、導線1本あたりの電力密度が増えるためである。すなわちフィンを所定の温度上昇させる渦電流の大きさをIEとすると、この渦電流を誘起させるために必要な磁束の大きさはΦであるから、コイル電流ICによって磁束Φを作る必要がある。磁束の大きさはこれと鎖交する電流の大きさと鎖交数の積に比例するから、導線ピッチが増大すると差交数が減少するので、その分コイル電流ICを大きくする必要がある。導線の単位長あたりの発熱は導線の単位長あたりの抵抗と電流ICの2乗の積であるから、導線のピッチが大きくなるほど、導線1本あたりの電力密度が増えることになる。コイル6に高周波電流を供給すると、導線も自己発熱により温度が上昇するが、導線は樹脂で被覆された被覆導線であるので、樹脂の熱膨張係数は金属より小さいため、エナメル線などを用いた場合と違って導線が伸びて弛むといったことがないので都合がよい。
コイル電流がICのときのヒートポンプ用熱交換器の消費電力をIC 2・Rt(f)、熱交換器の消費電力をIC 2・Rh(f)とすると、入力電力のうち熱交換器に入力される電力の割合(効率)は
η(f)={IC 2・Rh(f)}/{IC 2・Rt(f)}=Rh(f)/Rt(f)={Rt(f)-Rc(f)}/Rt(f)
上記パラメータは全て周波数に依存するから、上記を換言すれば、コイル単体で測定したときの抵抗の周波数特性をRc(f)、熱交換器に面してコイルを配置したときのコイル両端で測定した抵抗の周波数特性をRt(f)とすると、効率の周波数特性η(f)は
η(f)={Rt(f)−Rc(f)}/Rt(f) ×100 (%)
と見積もることができるということになる。
図10中(b)は導線ピッチ18mmのときのヒートポンプ用熱交換器の抵抗Rh(f)と、このヒートポンプ用熱交換器に用いたコイルの抵抗Rc(f)をインピーダンスアナライザで測定した一例を示す図である。このように測定したヒートポンプ用熱交換器の抵抗Rh(f)とコイルの抵抗Rc(f)の周波数特性を用いて上式により効率の周波数特性η(f)を求めることができる。
図13は図2に示した構成のコイル6でコイル支持体9に樹脂を用いた場合とアルミを用いた場合の効率の周波数特性を示したものである。導線ピッチは18mmとし導線本数は15本すなわち7.5ターンとした。図13から分かるようにアルミ枠は樹脂枠より効率が低くなっており、100kHzでは樹脂枠が72%、アルミ枠が47%である。図14はアルミ枠のとき効率が低くなる理由について説明する図である。図1に示すようにコイル6の導線は熱交換器2のフィン3と平行になるように一方向に巻かれて形成されるが、コイル6の上下部分ではフィンと垂直になる導線が存在する。このフィンと垂直になる導線はフィン3を誘導加熱するには有効に働かず、単なる電気配線として働く。しかしコイル支持体9がアルミの場合、フィンと垂直になる導線によって発生する高周波磁場を打ち消す向きに、アルミ枠内に渦電流IE-Alが誘起される。そしてコイル支持体9の全体がアルミで構成されている場合、図14に示すように外枠10a、外枠11a、外枠10b、外枠11bを通るループ状の渦電流IE-Alの経路が形成され大きな渦電流IE-Alが流れる。このためアルミ枠が誘導加熱され、そこで消費される電力の分だけ、熱交換器に入力される電力の割合すなわち効率が低下する。従って、コイル支持体に金属を用いる場合は、フィン3と垂直に配置される導線によって誘起される渦電流IE-Alが大きく流れるようなループ状の経路を作らないようにすればよい。
また本発明のヒートポンプ用熱交換器を用いたヒートポンプ装置ではコイルに高周波電流を供給するだけで除霜が行え、冷媒回路の各部の温度変化を待つ必要がないため、頻繁に除霜を行うことができる。従って、着霜して性能が低下した状態の熱交換器を長く使用する必要がなく、また溶けやすい小さな氷や霜を溶かすので、短時間に除霜を終了することができ、ヒートポンプ装置のエネルギー効率を良くすることができる。
図19は本発明の実施の形態2のヒートポンプ用熱交換器を示す斜視図である。本実施の形態2のヒートポンプ用熱交換器1は、1個の熱交換器2に複数のコイル61、62を面して配置して構成される。図19ではコイルの数を2個としたが2個に限らず3個、4個など任意の数を用いることができる。コイル61には高周波電源81が接続され、コイル62には高周波電源82が接続され、それぞれ個別に高周波電流を供給することができる。コイル61は熱交換器2の左半分に面しており、コイル62は熱交換器2の右半分に面している。このようなヒートポンプ用熱交換器1であっても、コイルに高周波電流を供給することで熱交換器を誘導加熱することができることは実施の形態1と同様である。
上記実施の形態1、2では熱交換器に面してコイルが固定して配置された場合について述べたが、本発明の実施の形態3では熱交換器の一部に面して配置されたコイルが、熱交換器の面に沿って移動する場合について述べる。
4 冷媒管、 4a、4b 冷媒管の端部、 5 熱電対、
6、61、62、63 コイル、 6a、6b コイルの端部、 7 導線、
8、81、82、83 高周波電源、 9 コイル支持体、
10a、10b、11a、11b 外枠、 12 中枠、
13 ヒートポンプ装置の室外機、14 ファン、15 ヒートポンプ装置の室内機、 16a、16b レール、17 ブラシ。
Claims (13)
- 所定の間隔を隔てて積層された短冊状の複数の金属プレートと、該金属プレートを貫通し、該金属プレートと略直交して設けられた金属パイプとを備え、前記金属プレートと金属パイプとが電気的に接続された熱交換器および、
導線を周回して形成されたコイルを有し、
前記コイルは前記金属プレートの長手方向に沿って略平行部分を有するように矩形状に周回されて、前記熱交換器と略平行に対向して配置されることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 - 熱交換器の金属プレートと金属パイプとの間に電気抵抗体を備えたことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- 電気抵抗体は金属プレートと金属パイプとの接触抵抗であることを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- 電気抵抗体は金属プレートと金属パイプとの間に形成された絶縁層であることを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- コイルは矩形の枠状支持部材により保持されることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- 枠状支持部材は絶縁部材からなることを特徴とする請求項5に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- 枠状支持部材は金属材料からなり、その枠部が絶縁物により電気的に絶縁されることを特徴とする請求項5に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- 金属プレートの長手方向に沿って略平行部分をなすコイルの導線は所定の間隔で配置されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- コイルは熱交換器の複数の領域に対向するように分割して複数設けたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- コイルは対向する熱交換器より小さく、可搬手段によって熱交換器に沿って移動することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のヒートポンプ用熱交換器。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載のヒートポンプ用熱交換器を用いたことを特徴とするヒートポンプ装置。
- 蒸発器側熱交換器に設置されたコイルに高周波電流を供給して熱交換器の除霜を行うことを特徴とする請求項11に記載のヒートポンプ装置。
- 凝縮器側熱交換器に設置されたコイルに高周波電流を供給して温風を発生させることを特徴とする請求項11に記載のヒートポンプ装置。
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