JP2011012844A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを増加させることなく、除霜運転中に内部熱交換器で熱を放熱することのない冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機２１、放熱器２２、減圧手段２３、蒸発器２４を順に接続して形成した冷媒回路と、前記蒸発器２４に空気を送風する送風手段２７と、前記放熱器２２から流出した冷媒が前記送風手段２７により送風される空気の少なくとも一部を加熱する補助熱交換器３１と備え、冷媒を前記圧縮機２１、前記放熱器２２、前記減圧手段２３、前記蒸発器２４の順に循環させ、かつ、前記送風手段２７の回転数を低減させた除霜運転動作を行うとともに、前記補助熱交換器３１により加熱された空気が、前記蒸発器２４出口部の冷媒を加熱するように構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温の流体を加熱して高温の流体を生成するヒートポンプ式給湯機、ヒートポンプ式温水暖房機などに利用される冷凍サイクル装置に関し、特に蒸発器の除霜を効率よく実施できる冷凍サイクル装置に関する。

ヒートポンプ式給湯機、ヒートポンプ式温水暖房機などに利用される冷凍サイクル装置において、内部熱交換器を設け、この内部熱交換器によって、放熱器から膨張弁に供給される冷媒と蒸発器から圧縮機に供給される冷媒との熱交換を行い、圧縮機に吸入される冷媒温度を高めることで、圧縮機の吐出温度を高め、その結果、放熱器で生成される被加熱流体（例えば、湯や不凍液）の温度を高めるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５に内部熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の概略図を示す。図５において、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３、及び蒸発器１４を配管で接続して冷凍サイクルが構成されている。内部熱交換器１５は、蒸発器１４から圧縮機１１に至る低圧側流路１５Ａを流れる低圧側冷媒と、放熱器１２から膨張弁１３に至る高圧側流路１５Ｂを流れる高圧冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。

このような冷凍サイクル装置において、低温の被加熱流体を高温に加熱する加熱運転を継続すると、外気温度が低い場合には蒸発器１４に着霜が生じ、加熱能力が低下することがある。

従来、蒸発器１４についた霜を除霜する方法として、放熱器１２に流体を搬送する搬送ポンプ１８を停止するとともに膨張弁１３の開度を通常運転時より大きくする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

これによれば、圧縮機１１より吐出された高温冷媒が放熱器１２で放熱する熱エネルギー量を少なくでき、かつ、膨張弁１３での減圧による温度低下を小さくできるために、圧縮機１１より吐出された高温冷媒が大きく温度低下することなく蒸発器１４まで到達して、除霜を行うことができるとされている。

また、別の従来の除霜方法として、放熱器１２を通さずに圧縮機１１の冷媒出口から蒸発器１４に高圧冷媒が流れるようにバイパス回路を構成し、さらにバイパス回路に電磁弁等の流量調整弁を配置し、除霜運転時にはこの流量調整弁を開とし、高温冷媒を蒸発器１４に導入させる除霜方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−１９３９５８号公報 特開２００１−８２８０２号公報 特開２００１−１０８２５６号公報

近年、省エネルギー化の観点から、除霜運転を短時間に効率よく実施することが求められている。内部熱交換器を有する冷凍サイクル装置において、特許文献２に記載の技術に
よる除霜運転を行えば、除霜運転時に、圧縮機から吐出された高温冷媒は、内部熱交換器内で蒸発器を出た低温の冷媒に熱を奪われてしまうために、蒸発器に与えられる熱量が減少し、除霜運転時間が長くなるという課題がある。

一方、特許文献３に記載の技術によれば、圧縮機から吐出された高温冷媒は、内部熱交換器を通ることなく、蒸発器に供給されるために、内部熱交換器内で熱を奪われることはないが、バイパス回路や電磁弁等を設置する必要があるため、製造コストが増加するという課題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、製造コストを増加させることなく、除霜運転中に内部熱交換器で熱を放熱することのない冷凍サイクル装置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、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続して形成した冷媒回路と、前記蒸発器に空気を送風する送風手段と、前記放熱器から流出した冷媒が前記送風手段により送風される空気の少なくとも一部を加熱する補助熱交換器と備え、冷媒を前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧手段、前記蒸発器の順に循環させ、かつ、前記送風手段の回転数を低減させた除霜運転動作を行うとともに、前記補助熱交換器により加熱された空気が、前記蒸発器出口部の冷媒を加熱するように構成したことを特徴とするもので、加熱運転時には、従来の内部熱交換器と同等の効果を得ることができ、かつ、除霜運転時には、ファンの回転数を低減することで、補助熱交換器に供給される空気量を低減し、補助熱交換器と蒸発器出口部の熱交換量が低減できるために、従来の内部熱交換器のように、蒸発器出口の低温の冷媒に熱を奪われることがなく、圧縮機から吐出された冷媒の熱を効果的に蒸発器に供給できるために、効率のよい除霜運転が行える。

本発明によれば、製造コストを増大させることなく、効率のよい除霜運転が行えるために、効率よく流体を加熱できる冷凍サイクル装置を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の概略構成図 同除霜運転前後のタイムチャート 同蒸発器および補助熱交換器の概略正面図 同蒸発器および補助熱交換器の概略側面図 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続して形成した冷媒回路と、前記蒸発器に空気を送風する送風手段と、前記放熱器から流出した冷媒が前記送風手段により送風される空気の少なくとも一部を加熱する補助熱交換器と備え、冷媒を前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧手段、前記蒸発器の順に循環させ、かつ、前記送風手段の回転数を低減させた除霜運転動作を行うとともに、前記補助熱交換器により加熱された空気が、前記蒸発器出口部の冷媒を加熱するように構成したことを特徴とするもので、加熱運転時には、従来の内部熱交換器と同等の効果を得ることができ、かつ、除霜運転時には、ファンの回転数を低減することで、補助熱交換器に供給される空気量を低減し、補助熱交換器と蒸発器出口部の熱交換量が低減できるために、従来の内部熱交換器のように、蒸発器出口の低温の冷媒に熱を奪われることがなく、圧縮機から吐出された冷媒の熱を効果的に蒸発器に供給できるために、効率のよい除霜運転が行える。

第２の発明は、第１の発明において、補助熱交換器を、蒸発器と一体に形成したことを特徴とするもので、補助熱交換器を蒸発器と類似の部材で、構成できるために、製造コストを増大させることなく、効率のよい除霜運転が行える。

第３の発明は、第１または第２の発明において、補助熱交換器は、蒸発器と熱伝導による伝熱が生じないように構成したことを特徴とするもので、除霜運転時には、冷媒の熱が、補助熱交換器から蒸発器に熱伝導により移動することなく、圧縮機から吐出された冷媒の熱を効果的に蒸発器に供給できるために、効率のよい除霜運転が行える。

第４の発明は、第１または第２の発明において、補助熱交換器は、蒸発器の送風流路上流側に配設したことを特徴とするもので、除霜運転時には、ファンが完全に停止していない場合であっても、補助熱交換器を流れる空気は、蒸発器で冷却された空気ではなく、外気であるために、補助熱交換器において冷媒の熱が奪われる量を低減でき、圧縮機から吐出された冷媒の熱を効果的に蒸発器に供給できるために、効率のよい除霜運転が行える。

第５の発明は、第１または第２の発明において、補助熱交換器を、蒸発器の下方に配設するとともに、前記蒸発器の結露水が前記補助熱交換器に付着することを防止するための防止部材を設けたことを特徴とするもので、補助熱交換器において冷媒の熱が、ドレイン水に奪われることなく、圧縮機から吐出された冷媒の熱を効果的に蒸発器に供給できるために、効率のよい除霜運転が行える。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、こ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、本実施の形態にかかる冷凍サイクル装置の構成概略図である。冷凍サイクル装置２０は、冷媒を高温、高圧に圧縮する圧縮機２１と、圧縮機２１で圧縮された冷媒により低温の水を加熱する放熱器２２と、放熱器２２で冷却された冷媒を外気によりさらに冷却する補助熱交換器３１と、補助熱交換器３１を流出した冷媒を減圧する膨張弁２３と、膨張弁２３で減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器２４とを備えている。

圧縮機２１、放熱器２２、補助熱交換器３１、膨張弁２３および蒸発器２４は、この順番で冷媒が循環するように冷媒配管２６によって相互に接続され冷凍サイクル回路を構成している。冷凍サイクル回路には、二酸化炭素（Ｒ７４４）が冷媒として充填されている。蒸発器２４の近傍にはファン２７が設けられている。ファン２７は、蒸発器２４で冷媒と熱交換するべき空気を蒸発器２４に供給する。また、搬送ポンプ２８は、放熱器２２で冷媒と熱交換するべき被加熱流体（たとえば、水）を、被加熱流体配管２９を介して放熱器２２に供給する。

補助熱交換器３１は、蒸発器２４と同様に、フィンチューブ型熱交換器に代表される空気熱交換器である。補助熱交換器３１と蒸発器２４は、ファン２７により送風される送風回路３２の中に設置されており、補助熱交換器３１を通過する際に加熱された空気が、蒸発器２４の冷媒出口部２４ａを流れる冷媒を加熱するように構成されている。

なお、圧縮機２１には、スクロール式、レシプロ式、ロータリ式などの容積式の流体機構を採用できる。放熱器２２には、二重管式、プレート式などの熱交換器が採用できる。膨張弁２３には電動膨張弁が採用できる。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。まず、通常の冷凍サイクル装置２０の運転状態である、低温の被加熱流体を高温に加熱する加熱運転
について説明する。

圧縮機２１により圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器２２の冷媒流路２２ａを流れる際に、放熱器２２の被加熱流体流路２２ｂを流れる水に放熱し冷却される。放熱器２２を流出した冷媒は補助熱交換器３１に供給される。補助熱交換器３１で、冷媒はファン２７によって送り込まれる空気により、さらに冷却される。

一方、ファン２７によって送り込まれる空気は、補助熱交換器３１を流れる冷媒により加熱され、蒸発器冷媒出口部２４ａに供給される。その後、冷媒は膨張弁２３で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器２４に供給される。蒸発器２４で、冷媒はファン２７によって送り込まれる空気によって加熱され、気液二相またはガス状態となる。また、蒸発器冷媒出口部２４ａでは、補助熱交換器３１を通過する際に加熱された空気により、冷媒はさらに加熱される。その後、蒸発器２４を流出した冷媒は、再び、圧縮機２１に吸入される。

一方、被加熱流体である水は、搬送ポンプ２８により放熱器２２の被加熱流体流路２２ｂへ送り込まれ、放熱器２２の冷媒流路２２ａを流れる冷媒により加熱され、高温のお湯となる。これらのお湯は、図示しない機器に供給され、給湯、暖房などに利用される。

ここで、補助熱交換器３１の効果について述べる。補助熱交換器３１は、供給される空気を介して、放熱器２２から膨張弁２３に供給される冷媒と蒸発器２４から圧縮機２１に供給される冷媒との熱交換を行うものであり、従来の内部熱交換器と同等の効果を有する。

すなわち、圧縮機２１に吸入される冷媒の温度を高めることで、圧縮機２１の吐出温度を高め、その結果、放熱器２２で生成される被加熱流体である湯の温度を高めることができるために、冷凍サイクル装置を効率よく運転することができる。

次に、除霜運転について説明する。冷凍サイクル装置２０は、加熱運転を継続すると、外気温度が低い場合には蒸発器２４に着霜が生じ、加熱能力が低下することがある。除霜運転とは、そのような場合に、蒸発器２４の霜を融解する運転である。

外気温度を検知する外気温度検知手段（図示せず）や蒸発器温度検知手段（図示せず）などの信号により、電子制御手段（図示せず）が蒸発器２４の除霜が必要と判断した場合には、加熱運転から除霜運転に切り換えられ、ファン２７、搬送ポンプ２８、膨張弁２３などに制御信号が送られる。

ファン２７、搬送ポンプ２８、膨張弁２３の動作について、図２を用いて説明する。除霜運転に切り換わると、ファン２７の回転数（Ｆｒｐｍ２）を、加熱運転時の平均的な回転数（Ｆｒｐｍ１）より小さくするとともに、搬送ポンプ２８の回転数（Ｐｒｐｍ２）を、加熱運転時の平均的な回転数（Ｐｒｐｍ１）より小さくする。また、膨張弁２３の開度を加熱運転時の平均的な開度（ｐｌｓ１）より大きい所定開度（ｐｌｓ２）に変更する。

この結果、除霜運転中には、圧縮機２１を出た高温の冷媒は、放熱器２２、補助熱交換器３１、膨張弁２３を流れて、蒸発器２４に供給される。蒸発器２４で、高温の冷媒の熱により霜を融かす。そして、蒸発器２４を流出した冷媒は、再び、圧縮機２１に吸入される。

本実施の形態では、ファン２７の回転数を低減することで、補助熱交換器３１に供給される空気の量が少なくなる。このために、圧縮機２１より吐出された高温の冷媒は、補助
熱交換器３１で空気に熱を奪われることなく、蒸発器２４に供給される。したがって、高温の冷媒を、蒸発器２４に供給でき、除霜運転を短時間で行うことが可能である。

なお、除霜運転中の搬送ポンプ２８の回転数を低減することで、被加熱流体流路２２ｂに供給される水の量が少なくなり、圧縮機２１より吐出された高温の冷媒が、放熱器２２で熱を奪われることがないこと、また、膨張弁２３の開度を増加させることで、圧縮機２１より吐出された高温の冷媒が、膨張弁２３での減圧による温度低下することを低減できること、さらに、ファン２７の回転数を低減することで、蒸発器２４で冷媒と空気が熱交換することを低減でき、蒸発器２４に付着した霜へ冷媒の熱を効率よく伝えることができることについては、従来の技術と同様である。

以上述べたように、本実施の形態では、放熱器２２から膨張弁２３に供給される冷媒と蒸発器２４から圧縮機２１に供給される冷媒との熱交換を行う内部熱交換器を廃止し、補助熱交換器３１により加熱された空気が、蒸発器出口部２４ａの冷媒を加熱するように構成することで、加熱運転時には、従来の内部熱交換器と同等の効果を得ることができ、かつ、除霜運転時には、ファン２７の回転数を低減し、補助熱交換器３１に供給される空気量を低減することで、補助熱交換器３１と蒸発器出口部２４ａの熱交換量が低減できるために、従来の内部熱交換器のように、蒸発器２４出口の低温の冷媒に熱を奪われて、除霜運転が長時間化する課題を解決できる。さらに、バイパス回路や電磁弁等を設置する必要がないから、製造コストが低減できる。

次に、本実施の形態の特徴である補助熱交換器３１について、さらに詳しく述べる。図３は、蒸発器２４と一体に形成された補助熱交換器３１の概略正面図であり、図４は、その概略側面図である。図３および図４において、白抜きの矢印は蒸発器２４および補助熱交換器３１における空気の流れ方向を、実線の矢印は蒸発器２４における冷媒の流れ方向を、破線の矢印は補助熱交換器３１における冷媒の流れ方向を、それぞれ示している。

蒸発器２４は、伝熱管４１と複数枚のフィン４２（一部のフィンは図の記載を省略）とで構成されたフィンチューブ型熱交換器であり、空気の流れ方向の風上側の列である第１列２４１と風下側の列である第２列２４２で構成された２列の空気熱交換器である。

補助熱交換器３１は、蒸発器２４と同様に、伝熱管５１と複数枚のフィン５２（一部のフィンは図の記載を省略）とで構成されたフィンチューブ型熱交換器の空気熱交換器である。補助熱交換器３１は、蒸発器２４の第１列２４１と略並列で、第１列２４１の下部であって、蒸発器２４の第２列２４２に設けられた冷媒出口管５１ｂ近傍、すなわち、蒸発器冷媒出口部２４ａを、補助熱交換器３１から流出した空気が加熱できる位置に設置されている。

さらに、補助熱交換器３１の複数枚のフィン５２と、蒸発器２４の複数枚のフィン４２との間には、スリット６０が設けられており、補助熱交換器３１と蒸発器２４とは、熱伝導による伝熱が生じないように構成されている。また、補助熱交換器３１の複数枚のフィン５２の上部には、ドレイン水ガイド板６１が備えられている。ドレイン水ガイド板６１は、蒸発器２４の第２列２４２側に向かって下がっていく勾配を有しており、蒸発器２４のドレイン水が補助熱交換器３１に達することを防止する
次に、蒸発器２４、および、補助熱交換器３１の動作について説明する。まず、加熱運転の場合を説明する。

圧縮機２１により圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器２２の冷媒流路２２ａを流れる際に、放熱器２２の被加熱流体流路２２ｂを流れる水に放熱し冷却される。放熱器２２を流出した冷媒は補助熱交換器３１に供給される。補助熱交換器３１において、
冷媒は冷媒入口管５１ａから流入し、伝熱管５１を流れる際に、複数枚のフィン５２の間を流れる空気により冷却されたのち、冷媒出口管５１ｂから流出する。一方、複数枚のフィン５２の間を流れる空気は、伝熱管５１を流れる冷媒により加熱される。

その後、冷媒は膨張弁２３で減圧され低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器２４に供給される。蒸発器２４において、冷媒は第１列２４１に設けられた冷媒入口管４１ａから流入し、伝熱管４１を流れる際に、複数枚のフィン４２の間を流れる空気により加熱される。加えて、蒸発器冷媒出口部２４ａでは、複数枚のフィン５２の間を流れて加熱された空気により、冷媒はさらに加熱される。その後、蒸発器２４を流出した冷媒は、再び、圧縮機２１に吸入される。

つまり、補助熱交換器３１は、供給される空気を介して、放熱器２２から膨張弁２３に供給される冷媒と蒸発器２４から圧縮機２１に供給される冷媒との熱交換を行うものであり、従来の内部熱交換器と同等の効果を有する。すなわち、圧縮機２１に吸入される冷媒の温度を高めることで、圧縮機２１の吐出温度を高め、その結果、放熱器２２で生成される被加熱流体である湯の温度を高めることができるために、冷凍サイクル装置を効率よく運転することができる。

次に、除霜運転の場合を説明する。外気温度を検知する外気温度検知手段（図示せず）や蒸発器温度検知手段（図示せず）などの信号により、電子制御手段（図示せず）が蒸発器２４の除霜が必要と判断した場合には、加熱運転から除霜運転に切り換えられ、ファン２７、搬送ポンプ２８、膨張弁２３などに制御信号が送られる。除霜運転に切り換わると、ファン２７の回転数を、加熱運転時の平均的な回転数より小さくするとともに、搬送ポンプ２８の回転数を、加熱運転時の平均的な回転数より小さくする。

また、膨張弁２３の開度を加熱運転時の平均的な開度より大きい所定開度に変更する。この結果、除霜運転中には、圧縮機２１を出た高温の冷媒は、放熱器２２、補助熱交換器３１、膨張弁２３を流れて、蒸発器２４に供給される。蒸発器２４で、高温の冷媒の熱により霜を融かす。そして、蒸発器２４を流出した冷媒は、再び、圧縮機２１に吸入される。

一方、蒸発器２４において、霜が融けてできた水であるドレイン水は、フィン４２の間を滴下し、ドレイン水ガイド板６１に集められ、ドレイン水ガイド６１に設けられた勾配により、蒸発器２４の第２列２４２側に排出される。

本実施の形態では、ファン２７の回転数を低減することで、補助熱交換器３１の複数枚のフィン５２の間を流れる空気の量が少なくなる。このために、圧縮機２１より吐出された高温の冷媒は、補助熱交換器３１で空気に熱を奪われることなく、蒸発器１４に供給される。したがって、高温の冷媒を、蒸発器２４に供給でき、除霜運転を短時間で行うことが可能である。

つまり、放熱器２２から膨張弁２３に供給される冷媒と蒸発器２４から圧縮機２１に供給される冷媒との熱交換を行う内部熱交換器を廃止し、補助熱交換器３１により加熱された空気が、蒸発器出口部２４ａの冷媒を加熱するように構成し、補助熱交換器３１と蒸発器２４との間に、スリット６０を設けたこと、補助熱交換器３１を蒸発器２４の風上側に設けたこと、蒸発器２４のドレイン水が補助熱交換器３１に達することを防止するドレイン水ガイド６１を設けたことにより、加熱運転時には、従来の内部熱交換器と同等の効果を得ることができ、かつ、除霜運転時には、補助熱交換器３１の熱が、蒸発器２４に熱伝導により移動することなく、ファン２７が完全に停止していない場合であっても、補助熱交換器３１を流れる空気は、蒸発器２４で冷却された空気ではなく、外気であるために、
補助熱交換器３１において冷媒の熱が奪われる量を低減し、補助熱交換器３１において冷媒の熱が、ドレイン水に奪われることなく、圧縮機２１から吐出された冷媒の熱を効果的に発器２４に供給できる。

さらに、バイパス回路や電磁弁等を設置する必要がないこと、蒸発器２４と類似の部材で、蒸発器２４と一体に形成できることから、製造コストが低減できる。このために、除霜運転が長時間化する課題を、製造コストをあまり増加させることなく解決できる。

本発明の冷凍サイクル装置は、低温の流体を加熱して高温の流体を生成するヒートポンプ式給湯機、ヒートポンプ式温水暖房機など、家庭用、業務用を問わず広い用途に適用することができる。

２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 減圧手段（膨張弁）
２４ 蒸発器
２７ 送風手段（ファン）
３１ 補助熱交換器

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続して形成した冷媒回路と、前記蒸発器に空気を送風する送風手段と、前記放熱器から流出した冷媒が前記送風手段により送風される空気の少なくとも一部を加熱する補助熱交換器と備え、冷媒を前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧手段、前記蒸発器の順に循環させ、かつ、前記送風手段の回転数を低減させた除霜運転動作を行うとともに、前記補助熱交換器により加熱された空気が、前記蒸発器出口部の冷媒を加熱するように構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 補助熱交換器を、蒸発器と一体に形成した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. 補助熱交換器は、蒸発器と熱伝導による伝熱が生じないように構成した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. 補助熱交換器は、蒸発器の送風流路上流側に配設した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。
5. 補助熱交換器を、蒸発器の下方に配設するとともに、前記蒸発器の結露水が前記補助熱交換器に付着することを防止するための防止部材を設けた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。