JP2010210103A - Heat exchanger for heat pump and heat pump device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、冷凍サイクルを利用したヒートポンプ装置の熱交換器に係り、特に霜取りや暖房などを目的として熱交換器を誘導加熱するヒートポンプ用熱交換器およびこれを用いたヒートポンプ装置に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger of a heat pump device using a refrigeration cycle, and more particularly to a heat pump heat exchanger for induction heating of a heat exchanger for the purpose of defrosting or heating, and a heat pump device using the heat exchanger.
冷凍サイクルを利用したヒートポンプ装置は、冷媒の蒸発および凝縮による潜熱変化を利用して一方の熱交換器から他方の熱交換器に熱を移動させる装置である。ヒートポンプ装置は、冷房や暖房を行う空気調和装置、空気の熱で湯を沸かすヒートポンプ式給湯装置や床暖房装置、あるいは食品などを冷凍冷蔵保存するための冷凍装置などに利用されている。これらは冷凍サイクル装置とも呼ばれ、一般にヒートポンプ装置という呼称は外部から熱を取り入れ、その熱を暖房などに積極的に利用する場合に用いられ、冷却を主目的とした冷凍装置をヒートポンプ装置と呼ぶことは稀であるが、ここでいうヒートポンプ装置には冷凍装置を含むこととする。 A heat pump device using a refrigeration cycle is a device that transfers heat from one heat exchanger to the other heat exchanger by utilizing latent heat change caused by evaporation and condensation of refrigerant. The heat pump device is used in an air conditioner that performs cooling or heating, a heat pump hot water supply device that heats water with the heat of air, a floor heating device, or a refrigeration device that stores food in a refrigerator. These are also referred to as refrigeration cycle devices. Generally, the term heat pump device is used when heat is taken in from the outside and the heat is actively used for heating or the like, and a refrigeration device mainly for cooling is called a heat pump device. Although it is rare, the heat pump apparatus here includes a refrigeration apparatus.
冷凍サイクルを利用したヒートポンプ装置において、ヒートポンプ装置の低温側熱交換器（蒸発器とも言う）は空気から熱を吸収するので、熱交換器の温度は空気温度より低くなる。このため、空気温度が氷点付近や氷点下では熱交換器の温度は氷点下となり、空気中の水分が霜や氷となって熱交換器に付着する着霜現象が発生する。着霜現象が発生すると、熱交換器の熱伝達率が低下し、熱交換器を通過する空気の量も減少するので冷凍サイクルによるヒートポンプ装置の加熱効率が低下する。従って、ヒートポンプ装置では定期的に低温側熱交換器を加熱して霜を溶かして取り除く除霜運転を行っている。 In a heat pump device using a refrigeration cycle, the low temperature side heat exchanger (also referred to as an evaporator) of the heat pump device absorbs heat from the air, so the temperature of the heat exchanger becomes lower than the air temperature. For this reason, when the air temperature is near or below the freezing point, the temperature of the heat exchanger is below the freezing point, and a frosting phenomenon occurs in which moisture in the air becomes frost or ice and adheres to the heat exchanger. When the frosting phenomenon occurs, the heat transfer rate of the heat exchanger decreases and the amount of air passing through the heat exchanger also decreases, so the heating efficiency of the heat pump device by the refrigeration cycle decreases. Therefore, in the heat pump device, a defrosting operation is periodically performed by heating the low temperature side heat exchanger to melt and remove the frost.
従来のヒートポンプ用熱交換器では、それ自体は従来周知の加熱手段である誘導加熱器が除霜手段として金属製の熱交換器に臨んで設置されている。この熱交換器は、多数の穴開きプレートに、内部を冷媒が通過する冷媒伝熱管が貫通した状態で装着された構造となっている。誘導加熱器によって効率の良い加熱が行われるように、冷媒伝熱管には鋼管が使用され、穴開きプレートには鋼板が使用されている。誘導加熱器は、熱交換器に臨んでその下側に設置されており、絶縁プレートの中に配置したコイルと、そのコイルに所要の周波数、例えば２０ｋＨｚ程度の電力を提供する電力提供手段とを備えて構成されている。コイルに所要の周波数の電力を供給し、電磁誘導によって金属製の熱交換器に渦電流を生じさせ、その抵抗発熱によって熱交換器を加熱し、熱交換器に着霜した霜を溶かしている（例えば、特許文献１）。 In a conventional heat exchanger for a heat pump, an induction heater, which is a conventionally known heating means, is installed facing a metal heat exchanger as a defrosting means. This heat exchanger has a structure in which a refrigerant heat transfer tube through which a refrigerant passes is inserted in a large number of perforated plates. A steel pipe is used for the refrigerant heat transfer tube and a steel plate is used for the perforated plate so that efficient heating is performed by the induction heater. The induction heater is installed on the lower side facing the heat exchanger, and includes a coil arranged in an insulating plate and a power providing means for providing the coil with a required frequency, for example, about 20 kHz. It is prepared for. Electric power of a required frequency is supplied to the coil, an eddy current is generated in the metal heat exchanger by electromagnetic induction, the heat exchanger is heated by the resistance heat generation, and the frost formed on the heat exchanger is melted. (For example, patent document 1).
また、誘導加熱器を熱交換器に臨んで配置する際に、熱交換器のフィンと誘導加熱器の加熱コイルとの間に鉄板のような発熱部材を配置したり、熱交換器のフィン面の形状にあわせ加熱コイルを円形から楕円形状等にしたり、フィンを低導電率（高抵抗）の材料にすることで加熱効率が良くなることが開示されている（例えば、特許文献２）。 In addition, when the induction heater is arranged facing the heat exchanger, a heating member such as an iron plate is arranged between the fin of the heat exchanger and the heating coil of the induction heater, or the fin surface of the heat exchanger It is disclosed that the heating efficiency is improved by changing the shape of the heating coil from a circular shape to an elliptical shape or the like, or using a fin having a low conductivity (high resistance) material (for example, Patent Document 2).
従来の誘導加熱器を用いたヒートポンプ用熱交換器は、冷媒管や穴開きプレートの材質として鋼あるいはフィンに低導電率の材料を用い、熱交換器に臨んでその下側に従来周知の誘導加熱器を設置した構造であった。一方、空気調和装置や冷凍機などのヒートポンプ装置に一般的に利用されている熱交換器では、穴開きプレートにアルミ、冷媒管に銅やアルミが用いられていた。このため、誘導加熱器を用いたヒートポンプ用熱交換器は、一般的に利用されている熱交換器とは材質が異なるため、熱交換器がコスト高となり、重量も重く、また鋼の熱伝導率が銅やアルミに比べて低いため、熱交換器の性能も低下するといった問題点があった。 A heat exchanger for a heat pump using a conventional induction heater uses a low-conductivity material for steel or fins as a material for a refrigerant tube or a perforated plate, and faces a heat exchanger with a conventionally known induction heat exchanger. The heater was installed. On the other hand, in a heat exchanger generally used for heat pump devices such as an air conditioner and a refrigerator, aluminum is used for the perforated plate and copper or aluminum is used for the refrigerant pipe. For this reason, heat exchangers for heat pumps using induction heaters are made of different materials from commonly used heat exchangers, so the heat exchangers are expensive, heavy, and heat conducting steel. Since the rate was lower than copper and aluminum, there was a problem that the performance of the heat exchanger was also lowered.
また、特許文献１に示された熱交換器では、穴開きプレートにアルミを用い、冷媒管に銅を用いた場合であっても、アルミ鍋を加熱するための誘導加熱調理器で用いられている特殊な方法によって誘導加熱器に高周波電流を供給することで熱交換器を加熱することが開示されている。しかしながら、このような特殊な方法で高周波電流（例えば６０ｋＨｚなど一般的な駆動周波数の整数倍の周波数の高周波電流）をコイルに供給するためには、コイルにも高周波特性の優れた特殊なコイルを用いる必要があり、高コストになるといった問題点があった。このように、従来の誘導加熱器を用いたヒートポンプ用熱交換器では、誘導加熱によって熱交換器を効率よく加熱することが容易にできず、このため、効率良く熱交換器の除霜を行ったり、吹出し空気の温度上昇の立ち上がりを早くしたりすることができなかった。
Moreover, in the heat exchanger shown by
さらに、従来のヒートポンプ用熱交換器では、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。しかしながら、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、特許文献１に記された従来周知の誘導加熱器や特許文献２に記載された銅線等が渦巻状に巻回された加熱コイルあるいは鉄製の板からなる発熱体を熱交換器に臨んで設置すると、これらの部材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。
Further, in the conventional heat exchanger for heat pump, air exchange is performed by flowing air along the longitudinal direction of the perforated plate. Therefore, even if an induction heater is installed on the lower side of the heat exchanger, the induction heater remains in the air. There is no problem of obstructing the flow. However, in a heat exchanger used in an air conditioner or the like, heat exchange is performed by flowing air in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the perforated plate. Therefore, the conventional well-known induction heater described in
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、誘導加熱によってヒートポンプ装置に用いられる熱交換器を効率よく加熱することができるヒートポンプ用熱交換器を得るものである。 This invention is made in order to solve the above subjects, and obtains the heat exchanger for heat pumps which can heat efficiently the heat exchanger used for a heat pump apparatus by induction heating.
この発明に係るヒートポンプ用熱交換器は、複数の金属プレート、および複数の金属プレートを貫通し、複数の金属プレートと略直交して設けられた複数の金属パイプを有し、複数の金属プレートと複数の金属パイプとが電気的に接続された熱交換器と、熱交換器を誘導加熱するコイルとを備え、コイルは、導線を周回して形成され、金属パイプの長手方向に沿って略平行部分を有するように周回されて、熱交換器と略平行に対向して配置されたものである。また、この発明に係るヒートポンプ装置は、前記ヒートポンプ用熱交換器を用いたものである。 A heat exchanger for a heat pump according to the present invention includes a plurality of metal plates and a plurality of metal pipes that penetrate the plurality of metal plates and are substantially orthogonal to the plurality of metal plates. A heat exchanger in which a plurality of metal pipes are electrically connected, and a coil for inductively heating the heat exchanger are provided. The coil is formed around the conducting wire and is substantially parallel to the longitudinal direction of the metal pipe. It is circulated so as to have a portion, and is arranged to face the heat exchanger substantially in parallel. The heat pump device according to the present invention uses the heat exchanger for heat pump.
この発明に係るヒートポンプ用熱交換器は、コイルが金属パイプの長手方向に沿って略平行部分を有するように周回されて、熱交換器と略平行に対向して配置されるので、コイルに供給した高周波電流によって渦電流が金属パイプに誘起され、金属パイプと金属プレートで形成されるループ状に大きな渦電流が流れるため、誘導加熱によって熱交換器を効率よく加熱することができる。また、この発明に係るヒートポンプ装置は、前記ヒートポンプ用熱交換器を用いたので、効率良く除霜ができ、また、吹出し空気の温度上昇の立ち上がりを早くすることができる。 The heat exchanger for a heat pump according to the present invention is arranged so that the coil has a substantially parallel portion along the longitudinal direction of the metal pipe and is disposed so as to face the heat exchanger substantially in parallel. Since the eddy current is induced in the metal pipe by the high frequency current and a large eddy current flows in a loop formed by the metal pipe and the metal plate, the heat exchanger can be efficiently heated by induction heating. In addition, since the heat pump device according to the present invention uses the heat exchanger for heat pump, it can efficiently defrost and can quickly increase the temperature rise of the blown air.
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。ヒートポンプ用熱交換器１は、熱交換器２と、熱交換器２に面して設けられ、交換器２を誘導加熱するためのコイル６とによって構成される。熱交換器２は、穴開き金属プレートからなるフィン３と、金属パイプである冷媒管４とによって構成される。本実施の形態では、フィン３はアルミ製で、厚さ０．１ｍｍ程度であり、冷媒管４は銅またはアルミ製である。冷媒管４は、冷媒管４の延伸方向に並べて配置（積層）された複数のフィン３を貫通し、複数のフィン３と略直交して設けられている。そして、複数のフィン３と冷媒管４は電気的に接続されている。このように、複数のフィン３は、複数の冷媒管４と略直交し、複数の冷媒管４とともに格子状のループを形成するように設けられている。図１では、熱交換器２およびコイル６の構成を分かりやすく示すために、熱交換器２から距離を設けてコイル６を示しているが、実際には、コイル６は熱交換器２に対して数ｃｍ以下程度に接近あるいは一部が接するように近接させて配置されている。なお、コイル６は、複数の冷媒管４を並べた面に略平行に対向して配置されている。
FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger for a heat pump in
熱交換器２の冷媒管４の端部５ａ、５ｂは、図示しない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、流出して冷凍サイクルが行われる。コイル６の端部７ａ、７ｂ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へ供給される。図２は、本実施の形態におけるヒートポンプ用熱交換器１のコイルの巻き方を示す図である。コイル６は、例えば、直径０．３ｍｍの被覆銅線を１９本撚った所謂リッツ線を図２に示すように長方形状に巻いたものである。つまり、コイル６は、導線であるリッツ線を周回して形成したものである。コイル６は、熱交換器２の冷媒管４と平行な方向にはリッツ線を複数本束ねてコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを形成し、冷媒管４と垂直な方向にはコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに繋がる導線が全て束ねられている。コイル６の外見は、複数のコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが所定の間隔を隔てて平行に設けられた形状となっている。また、冷媒管４の長手方向と各コイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとは平行になっている。このように、コイル６は、冷媒管４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、熱交換器２と略平行に対向して配置されている。
The ends 5a and 5b of the
なお、図１および図２において示したコイル６は、冷媒管４に対して平行なコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの数を４本として示したが、これに限るものではなく、コイル導線が２つであってもよいし、６つであってもよく、５つといった奇数であってもよく、すなわち２つ以上の任意であればよい。コイル導線の数が奇数の場合には、例えば図１および図２において、コイル導線６ｂと６ｃを束ねれば３つになる。また、コイル６の巻数も任意であってよく、例えば１０〜４０ターンであってよい。なお、図２において示したコイル６の巻数は６ターンである。
The
図３は、図１に示したヒートポンプ用熱交換器１の面Ａでの断面図である。図３では、コイル６と熱交換器２とが密着している場合について示しているが、コイル６と熱交換器２との間に間隔を設けてもよい。また、図３ではコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの断面形状を長方形として示しているが、円や楕円など任意の形状であってもよい。例えば、コイル６を直径０．３ｍｍの被覆導線を１９本束ねたリッツ線を用いて２０ターン巻いて形成したとすると、コイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの断面には直径０．３ｍｍの被覆導線が１９０本あることになるので、概ね任意の形状にコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの断面形状を整形することができる。
3 is a cross-sectional view of the heat
また、コイル６を形成した後に、リッツ線をエポキシ系接着剤などで硬化させればコイル６の形状を任意の形状に形成したまま、容易に形状を保持することができる。このようなコイル６の形成に適した導線として、リッツ線の周囲にエポキシ系接着剤を設けた自己融着導線が導線メーカ各社から市販されており容易に入手することができる。さらに、コイル６を形成した後に、図示しない樹脂などの絶縁物でコイル６の表面を覆ってコイル６を保護してもよい。
Further, if the litz wire is cured with an epoxy adhesive after the
図３に示すように、コイル６のコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの配置の間隔を、熱交換器２の冷媒管４の配置の間隔より広くすることによって、熱交換器２のフィン３と垂直方向（複数の冷媒管４を並べた面に対して垂直な方向）に空気流がある場合であっても空気流を妨げることがない。さらに、コイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと冷媒管４とが対向した位置に配置されれば、空気流の流れから見てコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは冷媒管４に重なっているので、実質的にコイル６によって空気流がほとんど妨げられず、熱交換器２の空気通過性能を低下させることがない。なお、図３では空気流はコイル６側から流入し熱交換器２を通過するように示しているが、空気流がコイル６側から流出してもよい。
As shown in FIG. 3, the
図４は、熱交換器２の一部を詳細に示した分解斜視図である。熱交換器２は、空気調和装置や冷凍機などのヒートポンプ装置において一般的に用いられているフィンチューブ型熱交換器であり、格別の特徴を有するものではないが、本発明の動作の本質において重要であるため説明する。従って、ここに示す熱交換器と同様の構成であり、同様の動作をするものであれば、本発明に用いられる熱交換器である。なお、以下に示す数値の具体例は一般家庭で用いられる空気調和装置の室外機用熱交換器の場合である。オフィスなどの施設で用いられる空気調和装置や冷凍機などの熱交換器の場合は、フィンの厚みがこれより厚く、フィンの間隔も広い場合もあるが、フィンチューブ型熱交換器の構造であれば一般家庭で用いられるものと同様に動作する。
FIG. 4 is an exploded perspective view showing a part of the
熱交換器２には、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９が設けられている。空気調和装置の場合には、カラー９の高さは１〜２ｍｍ程度であり、フィン３を所定の間隔を隔てて複数積層したときにカラー９がスペーサの役割をして、フィン３と他のフィン３との間で風路となる所定の間隔が設けられる。また、冷凍機の場合には、カラー９の高さは５ｍｍ程度であり、カラー９がフィン３の間隔を決めるスペーサの役割をすることもあるが、カラー９の高さよりもフィン３同士の間隔の方が広くなるとスペーサの役割をせずに、冷媒管４に固定されて保持の役目だけをする場合もある。
The
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、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４の端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、拡管によって管外径を広げられてフィン３に設けられたカラー９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へ、あるいは冷媒管４からフィン３への熱伝導が良い熱交換器２を得ることができる。
After the plurality of
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９によって圧接されることで、フィン３と冷媒管４は電気的にも接続される。また、通常、大気中に放置された金属表面には酸化膜などの絶縁体膜（絶縁層）を有するが、このような絶縁体膜は非常に薄いため熱抵抗としては無視し得るが、電気抵抗としては接触抵抗として現れる。しかしながら、本発明の熱交換器２は、フィン３と冷媒管４との間の接触面に接触抵抗があってもよく、むしろ接触抵抗がある方が望ましい。従って、故意に酸化膜や窒化膜などの絶縁体膜をフィン３および冷媒管４のうちの少なくともいずれか一方に形成してもよい。酸化膜を形成する場合には、酸素雰囲気または大気中で高温加熱することによって容易に酸化膜が得られる。また、窒化膜を形成する場合には、窒素雰囲気中で高温加熱することによって容易に窒化膜が得られる。このように、フィン３や冷媒管４を酸化させるなどの簡単な方法によって、フィン３と冷媒管４との間に電気抵抗体を得ることができる。
Further, since both the
さらに、フィン３や冷媒管４の材質がアルミである場合には、陽極酸化などの電気化学手法によって、低コストで酸化膜（いわゆるアルマイト）を形成することができる。また、アルミに窒化膜を形成する場合には、絶縁体膜は窒化アルミニウムとなるので、絶縁体膜の熱伝導率を高くすることができ、フィン３と冷媒管４との熱抵抗を極めて小さくすることができる。フィン３と冷媒管４との間に電気抵抗体を形成する方法はこれに限るものではなく、酸化膜や窒化膜以外の材質であってもよい。
Furthermore, when the material of the
次に、熱交換器２を誘導加熱する動作について説明する。図１に示したヒートポンプ用熱交換器１において、高周波電源８からコイル６に２０〜１００ｋＨｚ程度の高周波電流を流すと、コイル６の導線の周囲に高周波磁場が発生し、熱交換器２が誘導加熱される。図５は、熱交換器２が誘導加熱される現象を詳しく説明するための説明図であり、図１と同じヒートポンプ用熱交換器１のコイル６に高周波電流を流した時のコイル６に流れるコイル電流の様子、高周波磁場の磁束の様子、熱交換器２に流れる渦電流の様子を示したものである。なお、高周波電流は半周期ごとに極性が反転し、コイル電流の向きが変わるが、説明のために一方の向きにコイル電流が流れている時点について示している。
Next, the operation of induction heating the
高周波電源８を用いてコイル６に高周波電流を流すと、コイル６の導線の周囲に右ネジの法則に従う向きで高周波磁場が発生し、図５に示すように磁束が発生する。この磁束はコイル６に面した位置にある熱交換器２に鎖交し、熱交換器２に渦電流が流れる。熱交換器２に用いられたアルミ等の金属材料には通常電気抵抗があるため、金属に渦電流が流れると電気抵抗に比例したジュール熱が発生することによって、熱交換器２は誘導加熱されることになる。
When a high-frequency current is passed through the
図１および図３に示すように、コイル６は熱交換器２の冷媒管４に対向して複数のリッツ線を束ねたコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有するので、これらのコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに対向した冷媒管４に起電力が誘起される。熱交換器２は水平方向に長手方向を有する冷媒管４と垂直方向に長手方向を有するフィン３とが電気的に接続されているので、格子状の導電路を形成しているといえる。このため、冷媒管４に誘起された起電力によって、冷媒管４からフィン３を通って、他の冷媒管４を通って他のフィン３を通り、再び元の冷媒管４に達するといったループ状の電流経路が形成されて熱交換器２に渦電流が流れる。本実施の形態におけるヒートポンプ用熱交換器１では、コイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに近い冷媒管４が最も高温に誘導加熱されるが、フィン３と冷媒管４は熱的にも接続されているので、冷媒管４の発熱はフィン３や他の冷媒管４へも熱伝導し、熱交換器２が全体的に加熱される。また、フィン３と冷媒管４との間に接触抵抗などの電気抵抗体を有する場合には、この電気抵抗体が主たる発熱源となり、フィン３や冷媒管４は電気抵抗体への導電路のように働く。電気抵抗体は、フィン３と冷媒管４との交点に存在するため熱交換器２の全面に渡って存在するので、熱交換器２の誘導加熱する効率を向上させるとともに、熱交換器２を均一に誘導加熱するための働きもする。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
次に、実験結果を用いて熱交換器が誘導加熱されることについて、さらに詳しく説明する。図６は、実験に用いたヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。図７は、図６の面Ｂでの断面図に温度測定用熱電対の取付位置を示したものである。実験に用いた熱交換器２は、冷凍機用のフィンチューブ熱交換器であって、図６に示すように縦２０５ｍｍ、横３００ｍｍ、幅９０ｍｍ、フィン３の間隔６ｍｍの熱交換器２である。フィン３の厚みは０．５ｍｍで、フィン３の材質はアルミである。また、冷媒管４の材質は銅である。フィン３には幅５．５ｍｍのカラー９が設けられており、冷媒管４を拡管してカラー９に圧接することによってフィン３と冷媒管４とを固定するとともに熱伝導を良くしている。
Next, the fact that the heat exchanger is induction-heated using the experimental results will be described in more detail. FIG. 6 is a perspective view of a heat exchanger for heat pump used in the experiment. FIG. 7 is a sectional view taken along the plane B in FIG. 6 and shows the mounting position of the thermocouple for temperature measurement. The
コイル６は、図１および図２に示すような構造をしており、直径０．３ｍｍの被覆導線を１９本撚り線にしたリッツ線を用いて巻数２０ターンで作製した。コイル６のコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの断面形状は図７に示すように円形であり、コイル６を熱交換器２に接するように近接させて配置し、ヒートポンプ用熱交換器１を作製した。なお、コイル６は、熱交換器２に接するように近接させて配置されているが、接しているのはごく一部であり大部分は僅かに空間が空いているので熱コンタクトとしては良好な状態ではない。
The
図７において、黒点で示した箇所は温度測定用熱電対の取付位置である。また、図中に「冷媒管Ａ〜Ｅ」、「フィンＡ〜Ｃ」、「コイルＡ、Ｂ」などと記しているのは、熱電対の取付位置がそれぞれ冷媒管４、フィン３、コイル導線６ａ、６ｂであることを示している。「コイルＡ」は、コイル導線６ａの温度、「コイルＢ」は、コイル導線６ｂの温度を測定しているが、「冷媒管Ａ〜Ｅ」、「フィンＡ〜Ｃ」については、図７に示したような位置の冷媒管４、フィン３の温度を測定している。なお、冷媒管４は、表面がフィン３のカラー９によって覆われているので、厳密にはフィン３のカラー９の温度である。
In FIG. 7, a black dot indicates a mounting position of the thermocouple for temperature measurement. Also, in the figure, “refrigerant tubes A to E”, “fins A to C”, “coils A and B”, etc. indicate that the attachment position of the thermocouple is the
図８および図９は、図６および図７に示した熱交換器２を誘導加熱した際の温度測定結果である。縦軸は冷媒管４、フィン３またはコイル６の温度上昇値、横軸は電力の供給開始からの経過時間である。図８は、コイル６に２８ｋＨｚの高周波電流を流して、ヒートポンプ用熱交換器１に２２０Ｗの高周波電力を供給した場合、図９は、コイル６に直流電流を流して、ヒートポンプ用熱交換器１に２２０Ｗの電力を供給した場合のそれぞれの温度測定用熱電対の取付位置での温度上昇を示したものである。
8 and 9 are temperature measurement results when the
図８および図９いずれの場合も、時間０（分）で２２０Ｗの電力を供給し、コイル温度が約８０Ｋ上昇した時点で電力の供給を停止した。ここで、図８および図９における冷媒管４およびフィン３の温度上昇の様子を比較する。その前に、コイル温度の上昇の違いについて説明する。電力供給開始後０．５分におけるコイル導線６ａ、６ｂの温度上昇は、図８の高周波電力を供給した場合には、それぞれ１３．８Ｋ、１４．０Ｋである。一方、図９の直流電力を供給した場合には、それぞれ５２．５Ｋ、５４．９Ｋである。直流電力を供給した方が高周波電力を供給した場合に比べて、それぞれ３．８倍、３．９倍温度上昇が大きくなっている。この理由は、直流電力を供給した場合には、供給した電力の１００％がコイルの電気抵抗によるジュール熱として消費されるが、高周波電力を供給した場合には、供給した電力の一部がコイルの電気抵抗によるジュール熱として消費され、残りの電力は熱交換器の誘導加熱によって消費されるためである。
In both cases of FIGS. 8 and 9, 220 W of power was supplied at time 0 (minutes), and the supply of power was stopped when the coil temperature increased by about 80K. Here, the state of the temperature rise of the
図８および図９の電力供給開始後０．５分のコイル導線６ａ、６ｂの温度上昇の比較から概略的な見積もりとして、高周波電力を供給した場合のコイルの電気抵抗による消費電力は、直流電力を供給した場合の約２５％であり、残りの約７５％が熱交換器の誘導加熱によって消費されていると推察される。なお、この見積もりはあくまでも概略的なものであって電力が消費される割合は厳密には正しくない。より厳密に測定するためには、直流電力を調整して高周波電力を供給した場合の温度上昇曲線とほぼ同一の温度上昇曲線が得られる直流電力を求め、この直流電力が高周波電力を供給した場合のコイルで消費される電力であると考えればよい。
As a rough estimate from a comparison of the temperature rise of the
次に、冷媒管４の温度上昇に着目して図８と図９とを比較する。図８の冷媒管４の温度上昇を見ると、冷媒管Ａの温度上昇が最大で、次いで冷媒管Ｂ、冷媒管Ｃ、冷媒管Ｄとなっており、冷媒管Ｅの温度上昇は最も小さくなっている。図７に示すように、冷媒管Ａはコイル導線６ａに対向した位置にあり、コイル導線との距離が最も近いが、冷媒管Ｂはコイル導線６ａと６ｂとの間にあり、冷媒管Ａに比べてコイルからの距離が大きくなっているため温度上昇が小さくなっている。また、冷媒管Ｃは冷媒管Ｂと同様に２本のコイル導線の間にあるが、コイル導線６ｂとコイル導線６ｃでは電流の向きが逆であるので、冷媒管Ｃの位置の磁束は冷媒管Ｂの位置の磁束より弱くなっている。このため、冷媒管Ｃの温度上昇は冷媒管Ｂの温度上昇より小さくなっていると考えられる。そして、冷媒管Ａ〜Ｃが、コイル６に対向する箇所に設けられているのに対して、冷媒管Ｄ、冷媒管Ｅは、コイル６から見て奥まった箇所に設けられている。このため、冷媒管Ｄ、冷媒管Ｅの温度上昇はさらに低くなっている。
Next, paying attention to the temperature rise of the
図８において、コイル６へ高周波電力の供給を停止した後（電力供給開始後約６分経過後）、冷媒管Ａ〜Ｃは高周波電力の供給停止と同時に温度低下しているが、冷媒管Ｄおよび冷媒管Ｅでは、高周波電力の供給停止と同時に温度低下が始まるという程ではない。これは、高周波電力を供給した場合の誘導加熱による熱交換器２の発熱源はコイル６に近い側が主であり、コイル６から遠くなるに従って誘導加熱によって温度上昇する割合は小さくなる。そして、熱交換器２内のコイル６から遠い側では、同じ熱交換器２内のコイル６に近い側の発熱源からの熱伝導によって温度上昇する割合が大きくなっているものと考えられる。
In FIG. 8, after the supply of high-frequency power to the
しかしながら、図８の高周波電力を供給した場合には、最も温度上昇が大きい冷媒管Ａの最大温度上昇が約２８Ｋであり、最も温度上昇が小さい冷媒管Ｅの温度上昇が約２２Ｋであることから、熱交換器全体が誘導加熱によって比較的均一に温度上昇していることが分かる。一方、図９の直流電力を供給した場合には、コイル６が電気ヒータの役割を行い、コイル６の発熱からの輻射や熱伝導によって熱交換器２が加熱される。このため、図９に示すように、コイル６への直流電力の供給を停止した後も冷媒管Ａ〜Ｅの温度は暫く上昇を続けている。そして、最もコイル６に近い冷媒管Ａの温度上昇は３Ｋであり、コイル６に高周波電力を供給したときの温度上昇に比べて極めて小さく、熱交換器２を加熱する効率は低いと言える。
However, when the high frequency power shown in FIG. 8 is supplied, the maximum temperature rise of the refrigerant pipe A having the largest temperature rise is about 28K, and the temperature rise of the refrigerant pipe E having the smallest temperature rise is about 22K. It can be seen that the temperature of the entire heat exchanger rises relatively uniformly due to induction heating. On the other hand, when the DC power shown in FIG. 9 is supplied, the
冷凍機では熱交換器に近接させて棒状の電気ヒータを配置し、デフロスト（霜取り）を行っている場合がある。しかしながら、このようなデフロスト方式は上記の実験結果からわかるように加熱効率が低いので、本発明のように誘導加熱によって熱交換器２を加熱してデフロストする方が、加熱効率が高いことが分かる。また、図８および図９に示すように、フィン３の温度上昇は冷媒管４の温度上昇とほぼ同じ傾向である。図８の高周波電力を供給した場合には、最も温度上昇が大きいフィンＡの最大温度上昇は約２７Ｋであり、冷媒管Ａの温度上昇よりも小さいが、最も温度上昇の小さいフィン３でも温度上昇は冷媒管Ｅの最大温度上昇と同じ約２２Ｋである。つまり、高周波電力を供給して熱交換器２を誘導加熱した場合には、熱交換器２が比較的均一に温度上昇していることが分かる。
In a refrigerator, a rod-shaped electric heater is disposed close to a heat exchanger to perform defrosting (defrosting). However, since such a defrost system has a low heating efficiency as can be seen from the above experimental results, it is understood that the heating efficiency is higher when the
次に、上記の実験に用いたヒートポンプ用熱交換器１において熱交換器２を誘導加熱する場合の加熱効率を見積もった。加熱効率はヒートポンプ用熱交換器１に入力した電力のうち熱交換器２に入力される電力の割合であり、電気抵抗の周波数測定の結果から見積もることができる。図１０は、本実施の形態のヒートポンプ用熱交換器１の等価回路を示したものである。単体で測定したときのコイル６の抵抗の周波数特性をＲｃ（ｆ）、熱交換器２に面してコイル６を配置したときのコイル６両端で測定したヒートポンプ用熱交換器１の抵抗の周波数特性をＲｔ（ｆ）、熱交換器２の抵抗の周波数特性をＲｈ（ｆ）（＝Ｒｔ（ｆ）-Ｒｃ（ｆ））、ヒートポンプ用熱交換器１のインダクタンスの周波数特性をＬ（ｆ）とする。ここで、コイル電流がＩのときのヒートポンプ用熱交換器１の消費電力はＩ２×Ｒｔ（ｆ）、熱交換器２の消費電力はＩ２×Ｒｈ（ｆ）であるので、加熱効率（入力電力のうち熱交換器に入力される電力の割合）の周波数特性η（ｆ）は式（１）よって見積もることができる。
η（ｆ）＝｛Ｉ２×Ｒｈ（ｆ）｝／｛Ｉ２×Ｒｔ（ｆ）｝×１００ （％）
＝Ｒｈ（ｆ）／Ｒｔ（ｆ）×１００ （％）
＝｛Ｒｔ（ｆ）−Ｒｃ（ｆ）｝／Ｒｔ（ｆ）×１００ （％） （１）
このように、加熱効率を、コイル６の抵抗とヒートポンプ用熱交換器１の抵抗によって求めることができる。
Next, the heating efficiency in the case where the
η (f) = {I 2 × Rh (f)} / {I 2 × Rt (f)} × 100 (%)
= Rh (f) / Rt (f) × 100 (%)
= {Rt (f) -Rc (f)} / Rt (f) × 100 (%) (1)
Thus, the heating efficiency can be obtained from the resistance of the
図１１は、上記の実験に用いたヒートポンプ用熱交換器１の抵抗Ｒｔ（ｆ）と、このヒートポンプ用熱交換器１に用いたコイル６単体の抵抗Ｒｃ（ｆ）とをインピーダンスアナライザで測定した結果の一例を示す図であり、ヒートポンプ用熱交換器１の周波数に対する抵抗の変化とコイル６単体の周波数に対する抵抗の変化とを示した図である。このように測定したヒートポンプ用熱交換器１の抵抗Ｒｔ（ｆ）の周波数特性とコイル６単体の抵抗Ｒｃ（ｆ）の周波数特性とを用いて、式（１）によって誘導加熱の効率の周波数特性η（ｆ）を求めることができる。図１２は、図１１で得られた各抵抗の周波数特性の測定結果を式（１）に代入して計算したヒートポンプ用熱交換器の誘導加熱の効率の周波数特性を示したものである。図１２より、２３〜４９ｋＨｚの周波数帯域において誘導加熱の効率は８０％以上であり、上記実験でコイル６に流した高周波電流の周波数２８ｋＨｚでの効率は約８０％である。すなわち、上記実験では供給した高周波電力のうち約８０％が熱交換器２の誘導加熱に利用されたものと見積もることができる。
In FIG. 11, the resistance Rt (f) of the heat
次に、本実施の形態におけるヒートポンプ用熱交換器１の誘導加熱の効率を向上させるための検討を行った。ここでは、２種類のフィンチューブ熱交換器を作製し、図１に示すように熱交換器２に面してコイル６を配置し、ヒートポンプ用熱交換器１とし、インピーダンスアナライザによる抵抗測定結果から誘導加熱の効率を見積もった。作製した２種類のフィンチューブ熱交換器のうち、一方の熱交換器Ａは通常の空気調和装置の室外機に用いられる熱交換器であって、フィン３は、材質がアルミで厚みが約０．１ｍｍ、フィン３の間隔は１．３ｍｍであり、冷媒管４は、直径約７ｍｍの銅管である。他方の熱交換器Ｂはフィン３の材質、厚み、間隔は熱交換器Ａと同じであり、冷媒管４も直径約７ｍｍの銅管であることは同じであるが、銅管の外周をバーナーで炙って加熱して銅管の外側に酸化膜を形成したものである。酸化膜の厚みは測定していないので不明であるが銅管の外周は茶褐色に変色しており、熱交換器Ａの光沢のある銅色の銅管とは明らかに変質している。
Next, examination for improving the efficiency of induction heating of the
図１３は、上記２種類の熱交換器Ａと熱交換器Ｂとの誘導加熱の効率の周波数特性を示したものである。最大効率は熱交換器Ａが約８２％であるのに対して、熱交換器Ｂが約８９％となっている。このように、誘導加熱の効率が異なる理由は、熱交換器Ｂは冷媒管４の外周に酸化膜が形成されたことによって、この酸化膜がフィン３と冷媒管４との接触抵抗すなわち電気抵抗体として働き、図１０に示した熱交換器２の抵抗Ｒｈ（ｆ）が増加したため、誘導加熱の効率が向上したと考えられる。熱交換器２の抵抗Ｒｈ（ｆ）を増加させるためには、フィン３を薄くしたり冷媒管４の肉厚を薄くしたり、さらにはフィン３や冷媒管４に体積抵抗率の大きな材質を使用することも考えられるが、フィン３や冷媒管４を薄くすると熱交換器２の機械的強度に対する信頼性が低下し、また体積抵抗率の大きな材質を使用すると熱交換器２の伝熱特性が劣化するという問題点がある。
FIG. 13 shows the frequency characteristics of the efficiency of induction heating between the two types of heat exchangers A and B. The maximum efficiency of heat exchanger A is about 82%, while heat exchanger B is about 89%. As described above, the reason why the efficiency of induction heating is different is that the heat exchanger B has an oxide film formed on the outer periphery of the
一方、フィン３のカラー９と冷媒管４との間に電気抵抗体を形成する手段が、例えば酸化膜の場合、酸化膜の厚みが極薄であっても電気抵抗を増大させることができる。しかも、熱抵抗を無視し得る程に小さくすることができるので、伝熱特性を劣化させずに熱交換器２の電気抵抗を増大させて誘導加熱の効率を向上させることができる。また、冷媒管４にアルミを用いた場合には、陽極酸化法などによってアルミの冷媒管４の外周に酸化アルミであるアルマイトを形成してもよいし、窒素雰囲気中での熱処理によって窒化アルミ膜を形成してもよい。特に、窒化アルミは熱伝導率が金属に匹敵するほど高いので、フィン３と冷媒管４との間に電気抵抗体を形成しても伝熱特性の劣化が全く問題にならない。なお、電気抵抗体は上記に限るものでなくてもよく、他の材質のものであってもよい。また、上記では電気抵抗体を冷媒管４の外周に形成する場合について述べたが、フィン３のカラー９に形成してもよい。また、フィン３と冷媒管４がアルミや銅以外の材質であっても、フィン３と冷媒管４との間に電気抵抗体を形成することによって、上記と同様に誘導加熱の効率を向上できる。さらに、冷媒管４の拡管の度合いを小さくして、フィン３と冷媒管４との接触抵抗を増大することによって電気抵抗体を形成してもよい。
On the other hand, when the means for forming the electrical resistor between the
図１４は、本実施の形態における別のヒートポンプ用熱交換器であって、図１に示したヒートポンプ用熱交換器１の面Ａでの断面図である。コイル６と熱交換器２との間の熱導電性を高めるためにコイル６の配置を変えたものである。これまでは、図３に示したようにコイル６を熱交換器２に対して数ｃｍ以下程度に接近あるいは一部が接するように近接させて配置した場合について説明したが、ここでは、コイル６が熱交換器２と接触し、コイル６からの発熱を熱伝導によって熱交換器２へ伝熱する場合について説明する。
FIG. 14 is another heat pump heat exchanger according to the present embodiment, and is a cross-sectional view of the heat
熱交換器２は、コイル６に流す高周波電流によって誘導加熱されるため、コイル６と熱交換器２は非接触であってよいが、図８に示した実験結果のように、コイル６に高周波電力を供給した場合であっても、コイル６は自身の電気抵抗によるジュール熱で発熱する。このため、このコイル６自身の発熱をより確実に熱交換器２に伝えることは、熱エネルギーの有効利用のために有益である。また、コイル６自身の電気抵抗によるジュール熱を熱交換器２に速やかに伝熱することができ、コイル６自身の温度が高温になることを防止することができる。そこで、図１４のヒートポンプ用熱交換器１は、コイル６と熱交換器２との接触面積を増大させて熱伝導性を高めたものである。より具体的には、例えばコイル導線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの外周の概略半周がフィン３に埋め込まれるように接触するようにしている。
Since the
図１５は、図１４に示した熱交換器２の分解斜視図である。フィン３のコイル６と接触する部分には、コイル６とフィン３との熱導電性を高めるためのカラー１０が設けられている。このようなフィン３を積層して作製したフィンチューブ熱交換器では、カラー１０によってコイル６との接触面が形成される。このため、カラー１０の部分にコイル６を挿入してヒートポンプ用熱交換器１とすることによって、コイル６から熱交換器２への熱伝導性を高めることができる。さらに、コイル６とカラー１０が接する部分に、例えばシリコーン系接着剤などを塗布することによって、コイル６と熱交換器２との接触をより確実にして熱伝導性も高めることができる。コイル６とカラー１０との間に設ける部材はシリコーン系接着剤に限らず、エポキシ系接着剤など他の接着剤であってもよく、接着性のないゴムなどの柔らかい樹脂系材料であってもよい。すなわち、コイル６とカラー１０との間に、空気よりも熱伝導率の高い材質が存在すればよい。このように、コイル６が熱交換器２と接触しているので、誘導加熱に加えてコイル６自身の発熱を利用して熱交換器２を加熱することができる。また、電気抵抗によるジュール熱で発熱したコイル６を冷却することもできる。
FIG. 15 is an exploded perspective view of the
次に、本発明のヒートポンプ用熱交換器を使用したヒートポンプ装置について説明する。ヒートポンプ装置は、蒸発器、圧縮機、および凝縮機を備えており、ヒートポンプ装置を暖房装置として使用する場合、蒸発器で低温の空気を取り込み、圧縮機で低温の空気を圧縮して高温・高圧化し、凝縮機で温熱を排出する。図１６は、空気調和装置、給湯装置、床暖房装置などのヒートポンプ装置の蒸発器である室外機に、本発明のヒートポンプ用熱交換器を用いた場合のヒートポンプ装置の室外機を示す斜視図である。 Next, a heat pump device using the heat exchanger for heat pump of the present invention will be described. The heat pump device includes an evaporator, a compressor, and a condenser. When the heat pump device is used as a heating device, the evaporator takes in low-temperature air, and the compressor compresses low-temperature air to generate high-temperature and high-pressure. And heat is discharged with a condenser. FIG. 16 is a perspective view showing an outdoor unit of a heat pump apparatus when the heat exchanger for heat pump of the present invention is used as an outdoor unit that is an evaporator of a heat pump apparatus such as an air conditioner, a hot water supply apparatus, or a floor heating apparatus. is there.
図１６において、室外機１１は、図示しない圧縮機、コイル６に高周波電流を供給する高周波電源や圧縮機を運転させる駆動回路を含む電気回路、冷媒配管などとともに、本実施の形態のヒートポンプ用熱交換器１とファン１２とを有する。ヒートポンプ用熱交換器１はＬ字型に折り曲がっているが、図１に示したものと同じ構造のコイル６を熱交換器２の形状に合わせてＬ字型に折り曲げたものである。また、Ｌ字型の熱交換器２の２面に対して図１に示したコイル６と同様のコイルをそれぞれ個別に設けてもよい。ヒートポンプ用熱交換器１は、熱交換器２に面して、熱交換器２とファン１２との間にコイル６が配置されて構成される。なお、コイル６を熱交換器２とファン１２との間に配置するのではなく、コイル６を熱交換器２の外側に配置してもよいが、その場合はコイル６が充電部となるので、コイル６が室外機１１の筐体に触れることがないように保護カバーなどを設けるとよい。
In FIG. 16, the outdoor unit 11 includes a compressor (not shown), a high-frequency power source for supplying a high-frequency current to the
図１６に示したように、コイル６を熱交換器２とファン１２との間、すなわち熱交換器２の内側に設けることによって、コイル６が室外機１１の外部から触れることがないので、コイル６に対して保護カバーなどを設ける必要が無いといった利点がある。また、大型のヒートポンプ装置の室外機では熱交換器２を２段あるいは３段に重ねて用いることがあるが、その場合には複数の室外機２でコイル６を共有することもできる。例えば、熱交換器２と隣り合う熱交換器２との間にコイル６を設けることもできる。
As shown in FIG. 16, the
冬季など、室外機１１が設置された周囲の空気温度が低い場合には、室外機１１が空気から熱を吸収するため、室外機１１の熱交換器２の温度は、周囲の空気温度より低くなる。このため、熱交換器２の温度が氷点下になると空気中の水分が熱交換器２に氷や霜となって付着する（着霜）。熱交換器２に着霜すると、氷や霜は熱伝導率が低いため熱交換器２の加熱効率が低下するなどの性能が低下し、空気から十分な熱を吸収できなくなるので、熱交換器２に付着する氷や霜を溶かす（除霜）必要がある。
When the temperature of the ambient air where the outdoor unit 11 is installed is low, such as in winter, the outdoor unit 11 absorbs heat from the air, so the temperature of the
そこで、本実施の形態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、熱交換器２に着霜が発生しても、例えば室外機１１の圧縮機を停止し、ヒートポンプ用熱交換器１のコイル６に高周波電流を供給することによって熱交換器２を誘導加熱し、熱交換器２を除霜することができる。また、周囲の空気温度が氷点以上の場合には、圧縮機を停止させずに冷凍サイクルの状態のまま、コイル６に高周波電流を供給して熱交換器２の温度を氷点以上まで上昇させて、熱交換器２を除霜することもできる。
Therefore, in the heat pump apparatus using the heat exchanger for heat pump of the present embodiment, even if frost formation occurs in the
一般的なヒートポンプ装置では、冷凍サイクルを逆サイクル運転して、室外機の熱交換器に熱い冷媒を送り、熱交換器を加熱して氷や霜を溶かす除霜運転を行うものが多い。しかしながら、逆サイクルによる除霜運転においては、通常サイクルでは高温であった冷媒配管や凝縮器を低温にし、低温であった冷媒配管や蒸発器を高温にするため、冷媒配管、凝縮器、および蒸発器の大きな熱容量によって除霜開始までに長い時間を要し、除霜後に逆サイクルから通常サイクルに復帰する際にも長い時間を要する。このため、頻繁に除霜運転を行うことができず、ある程度着霜してから、まとめて除霜を行うので、着霜して加熱効率が低下した熱交換器で長く運転しなければならないし、着霜した氷や霜が大きくなって溶けにくくなった状態で除霜しなければならないため、除霜のために多くのエネルギーを要する。 In general heat pump devices, a refrigeration cycle is operated in a reverse cycle, hot refrigerant is sent to a heat exchanger of an outdoor unit, and the heat exchanger is heated to perform a defrosting operation to melt ice and frost. However, in the defrosting operation by the reverse cycle, the refrigerant pipe and the condenser that are hot in the normal cycle are made low temperature, and the refrigerant pipe and the evaporator that are low temperature are made high. It takes a long time to start defrosting due to the large heat capacity of the vessel, and it also takes a long time to return from the reverse cycle to the normal cycle after defrosting. For this reason, frequent defrosting operation cannot be performed, and after frosting to a certain extent, defrosting is performed collectively, it must be operated for a long time with a heat exchanger that has been frosted and has reduced heating efficiency. Since the frosted ice or frost must be defrosted in a state where it has become difficult to melt, much energy is required for defrosting.
また、圧縮機によって高温にされた冷媒は熱交換器の冷媒管の上流から下流に流れるため、例えば熱交換器の上方から下方に流れるといった流れ方をし、冷媒管を通る間に冷媒の熱は熱交換器に奪われて冷媒管の下流では冷媒の温度が低下する。このため、熱交換器の上方では除霜がすでに完了し、熱交換器も高温の状態になっているのに、熱交換器の下方では未だ除霜が行われていないといった現象が生じる。さらに、インバータで圧縮機を運転し、圧縮機で冷媒を圧縮して冷媒を高温にして、冷媒配管によって熱い冷媒を熱交換器に送るので、インバータの損失、圧縮機の損失、冷媒配管での損失が存在するため、入力した電力のうち熱交換器に入力されるエネルギーは大きく目減りしたものになる。 In addition, since the refrigerant heated to a high temperature by the compressor flows from the upstream to the downstream of the refrigerant pipe of the heat exchanger, the refrigerant flows, for example, from the upper side to the lower side of the heat exchanger. Is taken away by the heat exchanger, and the temperature of the refrigerant decreases downstream of the refrigerant pipe. For this reason, although the defrosting has already been completed above the heat exchanger and the heat exchanger is also in a high temperature state, the phenomenon that the defrosting has not yet been performed below the heat exchanger occurs. In addition, since the compressor is operated by the inverter, the refrigerant is compressed by the compressor, the refrigerant is heated to a high temperature, and the hot refrigerant is sent to the heat exchanger by the refrigerant pipe, so that the inverter loss, compressor loss, refrigerant pipe Since there is a loss, the energy input to the heat exchanger out of the input power is greatly reduced.
このように、従来の一般的な逆サイクルによる除霜運転では、エネルギーの消費に多くの無駄があり、さらなる省エネルギーが要求されるヒートポンプ装置にあっては解決すべき課題であった。これに対して、本発明のヒートポンプ用熱交換器１を用いたヒートポンプ装置では、コイル６に高周波電流を供給するだけで、着霜した熱交換器２を直接加熱することができるため、エネルギーの消費の無駄がなく、省エネルギーに有利である。すなわち、使用する電力のうち除霜に使用されない電力は、コイル６に高周波電流を供給するための高周波電源のインバータの損失だけであり、上述の実験結果を基に試算すればコイル６に入力した電力のうち８０％以上は熱交換器２に直接入力され、残り２０％以下がコイル導線の発熱となる。
As described above, in the conventional defrosting operation by the general reverse cycle, there is a lot of waste in energy consumption, which is a problem to be solved in a heat pump device that requires further energy saving. On the other hand, in the heat pump apparatus using the
コイル導線の発熱も熱伝達によって約半分はフィン３の加熱に利用されるとし、インバータの損失を１０％とすれば、除霜に使用する電力のうち約８０％（０．９×８０％＋０．５×２０％＝８２％）が熱交換器２のフィン３に入力される。上述したように熱交換器２のフィン３と冷媒管４との間に、電気抵抗体を形成するなどの構成にすれば、除霜に使用される電力の割合はさらに増加する。これは一般的なサイクル運転による除霜運転のエネルギー利用効率に比べ十分に高いものと考えられる。
About half of the heat generated by the coil conductor is also used for heating the
また、本発明のヒートポンプ用熱交換器１を用いたヒートポンプ装置では、コイル６に高周波電流を供給するだけで除霜を行うことができ、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２を長く使用する必要がない。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る。このため、ヒートポンプ装置のエネルギー利用効率を向上させることができる。さらに、本発明のヒートポンプ用熱交換器１を用いたヒートポンプ装置では熱交換器２の全体に渡ってほぼ均一に加熱されるため、逆サイクルによる除霜運転を行う場合のように熱交換器の上方では除霜が完了しているのに下方では未だ除霜が行われておらず、熱交換器の上方が必要以上に高温になり、エネルギーの無駄が生じるといった問題がない。なお、ここでは室外機を有する空気調和装置、給湯装置、床暖房装置などのヒートポンプ装置について述べたが、熱交換器が配置された庫内を冷凍する冷凍庫や冷蔵庫などの除霜にも本発明のヒートポンプ用熱交換器１を同様に適用することができる。
Further, in the heat pump device using the
以上のように、コイル６が金属パイプである冷媒管４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、熱交換器２と略平行に対向して配置されるので、誘導加熱による渦電流が、冷媒管４と金属プレートであるフィン３とによって形成されるループで流れるため熱交換器２を効率よく誘導加熱することができ、コイル６と熱交換器２を通過して空気を流すことができる。また、フィン３が所定の間隔を隔てて複数積層されているので、フィン３と冷媒管４とによってループが形成され、熱交換器２を効率よく誘導加熱することができる。さらに、本発明のヒートポンプ用熱交換器１をヒートポンプ装置に用いることによって、効率良く除霜を行うことができる。
As described above, the
実施の形態２．
実施の形態１においては、本発明のヒートポンプ用熱交換器を空気調和装置の室外機に使用して除霜を行う場合について説明したが、本実施の形態２においては、実施の形態１で詳細に述べたヒートポンプ用熱交換器を空気調和装置の凝縮機である室内機に使用する場合について説明する。図１７は、この発明を実施するための実施の形態２におけるヒートポンプ用熱交換器を用いたヒートポンプ装置である空気調和装置の室内機の斜視図である。また、図１８は、図１７の面Ｃでの断面図である。
In
図１７において、ヒートポンプ装置である空気調和装置の室内機１３は、フィンチューブ型の熱交換器２２と、樹脂などで形成されたラインフローファン１４と、室内機１３から空気を排出するための風路であるリアケーシング１５と、熱交換器２２を保護するためのカバー１６とによって構成される。図１７においては、熱交換器２２の裏側の様子を分かり易くするために熱交換器２２の一部を切り裂いて示している。本発明の空気調和装置の室内機１３では、熱交換器２２の一部または全部が本発明のヒートポンプ用熱交換器２１となっている。なお、図１７および図１８では、本発明とは直接関係ないが空気調和装置の室内機として本来備わっているフラップ、ルーバー、フィルター、制御回路などは省略して示している。また、図１７において、熱交換器２２は簡略して示したが、実施の形態１で述べたものと同様のフィンチューブ熱交換器であり、アルミなどの金属材料からなる厚さ０．１ｍｍ程度の穴あき短冊状プレートであるフィンを複数積層して、穴の中に短冊状プレートと直交するように銅やアルミなどからなる金属パイプである冷媒管を挿入した構造である。
In FIG. 17, an indoor unit 13 of an air conditioner that is a heat pump device includes a finned
空気調和装置の室内機１３には、少なくとも１個の熱交換器２２があり、図１７および図１８では、ラインフローファン１４を三方から囲むように熱交換器２２が３個ある場合について示している。これらの熱交換器２２のうちの少なくとも１個に面してコイル２６が設けられている。図１７および図１８では、コイル２６が１個の熱交換器２２の内側に設けられている場合について示しているが、複数の熱交換器に対してそれぞれ個別のコイルを設けてもよく、複数の熱交換器に対して１個のコイルを設ける場合であっても任意の熱交換器に面してコイルを設けてもよい。さらに、１個の熱交換器に面して複数のコイルを設けてもよい。また、コイル２６を熱交換器２２の外側に設けてもよい。
The indoor unit 13 of the air conditioner has at least one
コイル２６は、実施の形態１で述べたものと同様のコイルである。図１７および図１８では、リッツ線を長方形状のリング状に巻いて、長方形状の長辺に相当するコイル導線２６ａ、２６ｂが冷媒管４に対向して平行となるような構造とした。従って、熱交換器２２に面してコイル２６を配置しても気流通過に対する妨げとならず、熱交換器２２の性能を劣化させることがない。
The
次に、熱交換器２２を誘導加熱する動作について説明する。高周波電源８からコイル２６へ高周波電力が供給されると、コイル２６に面した熱交換器２２が誘導加熱されて温度上昇する。ラインフローファン１４が回転すると、室内機１３の外側の空気が熱交換器２２を通過して室内機１３の中に吸入される。そして、空気はリアケーシング１５によって形成される風路より排出される。このとき、コイル２６に供給した高周波電力によって誘導加熱された熱交換器２２を通過した空気は熱交換器２２から熱を奪い温風となって排出される。
Next, the operation of induction heating the
図１９は、ヒートポンプ装置である空気調和装置の室内機１３から排出される吹出し空気の温度上昇を示した実験結果である。図１７および図１８に示した構造の室内機１３において、空気の吹出し口での風速が３ｍ／ｓになるように予めラインフローファン１４を回転させておき、コイル２６に１．５ｋＷの高周波電力をいきなり供給した後の吹出し空気の温度上昇を測定したものである。図１９において、横軸は高周波電力の供給開始からの経過時間、縦軸は吹出し空気の温度上昇である。
FIG. 19 shows the experimental results showing the temperature rise of the blown air discharged from the indoor unit 13 of the air conditioner that is a heat pump device. In the indoor unit 13 having the structure shown in FIGS. 17 and 18, the
コイル２６に高周波電力を供給してから６分後の吹出し空気の温度上昇は、ほぼ飽和しており、約２３Ｋになっている。高周波電力を供給してから１分後の吹出し空気の温度上昇は、約１４Ｋであり、飽和時の約６０％の温度上昇が得られている。従来の冷凍サイクルを利用した空気調和装置を暖房運転する場合には、空気調和装置の電源を入れた直後に圧縮機を高回転で回転させることができないため、空気調和装置から温風が吹出すまでに数分間の時間を要するといった問題点がある。また、定期的に冷凍サイクルを逆回転させるなどして室外機熱交換器の除霜を行う必要があり、そのときに暖房が停止して室内温度が低下するといった問題点がある。
The temperature rise of the blown
本発明のヒートポンプ用熱交換器２１を熱交換器２２として用いた空気調和装置の室内機１３にあっては、電源を入れてから圧縮機が高回転になるまでの間、誘導加熱によって加熱した熱交換器２２によって温風を得ることができるため、従来の冷凍サイクルによるヒートポンプのみで温風を得る空気調和装置に比べて、温風を得るまでの時間が短いため使用者に不快感を与えないといった効果がある。また、除霜のために冷凍サイクルによるヒートポンプで温風が得られない場合でも、誘導加熱によって加熱した熱交換器２２によって温風を得ることができるため室温の低下を防ぎ使用者に不快感を与えないといった効果がある。
In the indoor unit 13 of the air conditioner using the
なお、図１９の実験結果は予めラインフローファン１４を回転させておき空気が吹出す状態で高周波電力を供給して吹出し空気の温度上昇を測定したため、高周波電力を供給してから１分後の吹出し空気の温度上昇が飽和時の約６０％であった。しかしながら、始めはラインフローファン１４を停止させておき、コイル２６に高周波電力を供給してコイル２６によって誘導加熱される熱交換器２２が十分高温になってからラインフローファン１４を回転させることによって、高周波電力を供給してから約１分後に温度飽和時と同等の吹出し空気の温度上昇を得ることも可能である。また、本実施の形態では温風を得る場合について述べたが、室内機１３の熱交換器を誘導加熱して高温にすることによって殺菌や防カビを行うといった使用方法も可能である。
In addition, since the experimental result of FIG. 19 rotated the
以上のように、本発明のヒートポンプ用熱交換器２１をヒートポンプ装置に用いることによって、吹出し空気の温度上昇の立ち上げ時間を早くすることができる。
As described above, by using the heat
実施の形態３．
図２０は、この発明を実施するための実施の形態３におけるヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。本実施の形態３のヒートポンプ用熱交換器３１は、１個の熱交換器２の複数の領域に対向するように、コイル３６、３７がフィンの長手方向に分割されて配置される。図２０では、コイルの数を２個としたが、２個に限らず３個、４個など任意の数のコイルを用いることができる。コイル３６には高周波電源３８が接続され、コイル３７には別の高周波電源３９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３６は熱交換器２の上半分に面しており、コイル３７は熱交換器２の下半分に面している。このようなヒートポンプ用熱交換器３１であっても、コイル３６、３７に高周波電流を供給することで熱交換器２を誘導加熱できることは実施の形態１と同様である。
FIG. 20 is a perspective view of a heat pump heat exchanger according to
このような熱交換器２を複数に分割するように個別のコイル３６，３７を面して配置したヒートポンプ用熱交換器３１にあっては、除霜運転を行う使用形態において格別の効果が得られる。冷凍サイクルを運転させたままの状態で、上半分のコイル３６に高周波電源３８から高周波電流を供給すると、コイル３６に面した熱交換器２の上半分は誘導加熱され、除霜が行われる。一方、下半分のコイル３７には高周波電流を供給していないので、熱交換器２の下半分は空気から熱を吸収して冷凍サイクルによるヒートポンプ動作が行われ続ける。そして、熱交換器２の上半分の除霜が完了すると、上半分のコイル３６への高周波電流の供給を停止して、下半分のコイル３７に高周波電源３９から高周波電流を供給して熱交換器２の下半分を除霜しつつ、除霜が完了した熱交換器２の上半分から熱を吸収して冷凍サイクルによるヒートポンプ動作を行わせ続ける。
In the
このように熱交換器２に複数のコイルを面して配置して、熱交換器２を分割して除霜することによって冷凍サイクルを停止させずにヒートポンプ動作を続けながら除霜を行うことができる。また、除霜のために熱交換器２を加熱したエネルギーもヒートポンプ動作に利用されるので、エネルギーが無駄にならなくて済むといった利点もある。なお、ここでは熱交換器２を２分割した場合について述べたが、コイルの数を多くして熱交換器２を細かく分割して除霜を行う方が、小さな電力で熱交換器２の温度を局部的に大きく上昇させることができるので、省エネルギーに適している。また、図２１に示すヒートポンプ用熱交換器４１のように熱交換器２を左右方向に複数に分割するようにコイル４６、４７を配置し、コイル４６、４７にそれぞれ個別に高周波電源４８、４９を接続し、冷凍サイクルを運転させながら除霜してもよい。
In this way, the
以上のように、１個の熱交換器２の複数の領域に対向するように、コイルを分割して配置し、順次除霜を行うことによって、冷凍サイクルを運転させたまま除霜を行うことができるので、例えば空気調和装置に用いた場合には連続した暖房運転が行え、使用者を常に快適な状態にすることができる。
As described above, the coils are divided and arranged so as to face a plurality of regions of one
実施の形態４．
実施の形態１〜３においては、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説明したが、本実施の形態４においては、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説明する。図２２は、この発明を実施するための発明の実施の形態４のヒートポンプ用熱交換器を示す斜視図である。図２２に示すヒートポンプ用熱交換器５１において、熱交換器２は実施の形態１で示したものと同様のものである。コイル６６自体は実施の形態１で示したものと原理的に同様であり、本実施の形態ではリッツ線を長方形状に巻いたリング状のコイルとした。
In the first to third embodiments, the case where the coil is fixed and arranged facing the heat exchanger has been described. In the fourth embodiment, the coil is arranged facing a part of the heat exchanger. A case where the coil moves along the surface of the heat exchanger will be described. FIG. 22 is a perspective view showing a heat exchanger for a heat pump according to a fourth embodiment of the invention for carrying out the present invention. In the heat pump heat exchanger 51 shown in FIG. 22, the
コイル６６は、対向する熱交換器２より対向する側から見て小さく、直方体状のコイルケース５２に保持され固定されている。コイルケース５２は、樹脂などの絶縁体材料が望ましく、少なくともコイル６６と熱交換器２との間の面には絶縁体が用いられる。コイルケース５２は、熱交換器２の幅よりも広い間隔で設置されたレール５３ａ，５３ｂに支持されている。コイルケース５２は、コイル６６を保持したまま図示しない機械的な可搬手段によって、レール５３ａ，５３ｂをガイドとして熱交換器２に沿って上下方向に移動することができる。なお、コイルケース５２は必ずしも必要ではなく、コイル６６が熱交換器２に面したまま、熱交換器２に沿って移動するような構造であればよい。
The
次に、ヒートポンプ用熱交換器５１の動作について説明する。ヒートポンプ用熱交換器５１が冷凍サイクルによる通常のヒートポンプ動作を行っているとき、コイルケース５２に保持されたコイル６６は熱交換器２の上下いずれか一方の端の熱交換器２の外側にて停止している。このとき、コイル６６には高周波電流は供給されていない。ヒートポンプ動作を継続し、熱交換器２に着霜が発生すると、コイル６６に高周波電源８から高周波電流が供給され、コイルケース５２に保持されたコイル６６はレール５３ａ，５３ｂに沿って、熱交換器２の一端から他端に向かって移動する。そして、コイル６６が熱交換器２の一部に面することになるが、このとき熱交換器２のコイル６６に面した部分は誘導加熱され除霜が行われる。しかしながら、コイル６６によって誘導加熱されている部分は熱交換器２の一部であるので、熱交換器２のその他の部分では冷凍サイクルによって空気から熱を吸収してヒートポンプ動作を持続している。すなわち、除霜中であっても冷凍サイクルを停止させなくてもよい。そして、コイルケース５２に保持されたコイル６６はレール５３ａ，５３ｂに沿って熱交換器２に沿って一端から他端に移動するので、最終的には熱交換器２の全体が除霜される。
Next, operation | movement of the heat exchanger 51 for heat pumps is demonstrated. When the heat pump heat exchanger 51 is performing a normal heat pump operation by a refrigeration cycle, the
以上のように、コイル６６を可動にしてコイル６６を熱交換器２に沿って移動させて除霜することによって、実施の形態３と同様に冷凍サイクルを運転させたまま除霜を行うことができる。また、実施の形態３とは異なり、コイル６６や高周波電源８を複数設ける必要がなく、低コスト化が図れる。さらに、除霜が不要な場合には、コイル６６を熱交換器２の外側に配置することができるので、コイル６６によって熱交換器２への気流の通過が全く妨げられないといった利点がある。また、コイルケース５２を気流が通り抜けない構造とすることによって、除霜中に誘導加熱されている熱交換器２の部分を気流が通り抜けないため、誘導加熱による発熱を空気に伝熱せず、熱交換器２に付着した氷や霜に効率良く伝熱することができるといった利点がある。なお、ここではコイル６６が熱交換器２の上下方向に移動する場合について述べたが、左右方向に移動する場合であっても同様の効果が得られる。
As described above, defrosting can be performed while operating the refrigeration cycle in the same manner as in the third embodiment by moving
実施の形態５．
図２３は、この発明を実施するための実施の形態５におけるヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。本実施の形態５のヒートポンプ用熱交換器６１は、家庭用冷凍冷蔵庫などの冷凍機に好適なフィンチューブ型熱交換器である。図２３において、構造を分かりやすくするために図１と同様にコイル６と熱交換器６２とを離して示しているが、実施の形態１で説明したように、コイル６と熱交換器６２との距離は数ｃｍ以下あるいは近接している。
FIG. 23 is a perspective view of a heat pump heat exchanger according to the fifth embodiment for carrying out the present invention. The heat exchanger 61 for heat pump according to the fifth embodiment is a finned tube heat exchanger suitable for a refrigerator such as a domestic refrigerator-freezer. In FIG. 23, the
一般に、家庭用の冷凍冷蔵庫にフィンチューブ型熱交換器を用いる場合には、図２３に示すように熱交換器６２の縦方向に気流を流して空気を冷却する場合が多い。家庭用の冷凍冷蔵庫では１個の熱交換器で冷蔵と冷凍とを兼用する必要があり、熱交換器と流入空気との温度差が大きくなり、熱交換器の入り口側に着霜しやすい。従って、図２３に示す熱交換器６２のように気流の入口側ではフィン６３同士の間隔が広く、気流の出口側ではフィン６３同士の間隔を狭くした方が都合良い場合が多い。図２３に示したようなフィンチューブ型熱交換器にあっては、実施の形態１で説明したようなフィン３と冷媒管４との格子状の渦電流のループを形成することができず、このままでは冷媒管４と平行にコイル導線が形成されたコイル６を熱交換器６２に面して配置しても、効率良く熱交換器６２を誘導加熱することができない。
In general, when a finned tube heat exchanger is used in a domestic refrigerator-freezer, the air is often cooled by flowing an airflow in the vertical direction of the heat exchanger 62 as shown in FIG. In a domestic refrigerator-freezer, it is necessary to use both refrigeration and freezing with a single heat exchanger, and the temperature difference between the heat exchanger and the inflowing air becomes large, and frosting tends to occur on the entrance side of the heat exchanger. Therefore, as in the heat exchanger 62 shown in FIG. 23, it is often convenient that the gap between the fins 63 is wide on the airflow inlet side and that the gap between the fins 63 is narrowed on the airflow outlet side. In the fin tube type heat exchanger as shown in FIG. 23, it is impossible to form a lattice-like eddy current loop between the
そこで、本実施の形態５では図２３に示すように積層されたフィン６３の両外側にアルミなどの金属からなる導電プレート６４ａ，６４ｂを配置している。導電プレート６４ａ，６４ｂは冷媒管４に圧接などの方法で電気的に接続されている。
Therefore, in the fifth embodiment, as shown in FIG. 23, conductive plates 64a and 64b made of metal such as aluminum are arranged on both outer sides of the laminated fins 63. The conductive plates 64a and 64b are electrically connected to the
熱交換器６２を誘導加熱する動作について説明する。高周波電源８よりコイル６に高周波電流が供給されると、コイル６によって生じる磁束によって熱交換器６２に渦電流が誘起される。渦電流は冷媒管４と導電プレート６４ａ，６４ｂとによって形成されるループ状の電流経路を通って流れるため、熱交換器６２の冷媒管４が誘導加熱される。冷媒管４が誘導加熱されると温度が上昇するため冷媒管４に付着した霜が溶かされ、またフィン６３が冷媒管４からの熱伝導によって加熱され、フィン６３に付着した霜が溶かされる。このようにして熱交換器６２の除霜が行われる。
The operation of induction heating the heat exchanger 62 will be described. When a high frequency current is supplied from the high
以上のように、フィン６３と冷媒管４とによってループ状の渦電流経路を形成しない構造のフィンチューブ熱交換器であっても、導電プレート６４ａ，６４ｂのような導電部材を用いて冷媒管４と導電部材とを通るループ状の渦電流の経路を形成したので、効率良く熱交換器６２を誘導加熱することができる。
As described above, even if the finned tube heat exchanger has a structure in which a loop-like eddy current path is not formed by the fins 63 and the
１，２１，３１，４１，５１，６１ ヒートポンプ用熱交換器、２，２２，６２ 熱交換器、３，６３ フィン、４ 冷媒管、６，２６，３６，３７，４６，４７，６６ コイル、６ａ〜６ｄ コイル導線、８，３８，３９，４８，４９ 高周波電源、９，１０ カラー、１１室外機、１２ ファン、１３ 室内機、１４ ラインフローファン、１５ リアケーシング、１６ カバー、５２ コイルケース、５３ａ、５３ｂ レール、６４ａ，６４ｂ 導電プレート。 1, 21, 31, 41, 51, 61 heat pump heat exchanger, 2, 22, 62 heat exchanger, 3, 63 fins, 4 refrigerant pipes, 6, 26, 36, 37, 46, 47, 66 coils, 6a to 6d coil conductor, 8, 38, 39, 48, 49 high frequency power supply, 9, 10 color, 11 outdoor unit, 12 fan, 13 indoor unit, 14 line flow fan, 15 rear casing, 16 cover, 52 coil case, 53a, 53b rail, 64a, 64b conductive plate.
Claims (12)
前記熱交換器を誘導加熱するコイルとを備え、
前記コイルは、導線を周回して形成され、前記金属パイプの長手方向に沿って略平行部分を有するように周回されて、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。 A plurality of metal plates, and a plurality of metal pipes penetrating the plurality of metal plates and provided substantially orthogonal to the plurality of metal plates, wherein the plurality of metal plates and the plurality of metal pipes are electrically Connected heat exchangers,
A coil for induction heating the heat exchanger,
The coil is formed by circling a conducting wire, and is circulated so as to have a substantially parallel portion along a longitudinal direction of the metal pipe, and is disposed to face the heat exchanger substantially in parallel. Heat pump heat exchanger.
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