JP4623083B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、ヒートポンプ給湯器、冷凍冷蔵機器などのヒートポンプ装置における熱交換器構造や制御等の技術に関するものである。

従来技術として、ヒートポンプ装置における所定の間隔で配置されたフィンに対して伝熱管を垂直に貫通することで構成された蒸発器において、着霜分布を均一化するために、風上側から風下側に向かってフィンピッチを粗から密にしたものが存在する。（例えば特許文献１参照）。

実開昭57-120887号（実用新案登録請求の範囲、第１図）

通常、ヒートポンプ装置における蒸発器への着霜は風上側に多く着くため、風上側の風路閉塞が早く起き、十分な能力を維持できる時間が短くなってしまい、除霜を頻繁に行わなければならないという問題がある。そこで、冷蔵庫などにおいては、風上側のフィンピッチを広く、風下側のフィンピッチを狭くして着霜分布を改善したものが存在する。しかしながら、どのような構造に対しても着霜が改善されるとは限らず、場合によっては、逆に、着霜分布が悪化するという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、着霜分布を均一化する蒸発器構造あるいは冷媒制御により、蒸発器への着霜現象が発生するような運転時に、能力低下を遅延させることを目的とする。また本発明はヒートポンプ装置に対し効率を改善することを目的とする。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器に設けられ所定の間隔で配置された複数のフィンを貫通し空気の流れ方向に対して複数列もしくは複数本配置された伝熱管と、前記伝熱管の複数列もしくは複数本のうちの風上側に設けられた伝熱管のフィンピッチを前記伝熱管の複数列もしくは複数本のうちの風下側に設けられた伝熱管のフィンピッチよりも広くするとともに冷媒の流れが風上側から風下側になるように配置した伝熱管冷媒流路と、を備えたものである。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器に設けられ所定の間隔で略等ピッチに配置された複数のフィンを貫通し空気の流れ方向に対して複数列もしくは複数本配置された伝熱管と、前記伝熱管の冷媒の流れが風下側から風上側になるように配置した伝熱管冷媒流路と、を備え、複数列もしくは複数本配置された内の風上側に設けられた伝熱管のフィンの着霜量と複数列もしくは複数本配置された内の風下側に設けられた伝熱管のフィンの着霜量との着霜分布の調整を前記蒸発器における冷媒過熱度を目標値になるように制御して行うものである。

本発明に係るヒートポンプ装置は、着霜分布を均一化する蒸発器構造および冷媒制御とすることで、蒸発器への着霜現象が発生する運転状況において、能力低下を遅延化することが可能となり、除霜回数の低減による省エネ性向上を得るものである。また本発明はヒートポンプ装置における熱交換器において異なるフィンピッチを使用して効率を改善するものである。

実施の形態１
本発明の実施の形態におけるヒートポンプ装置の冷媒回路構成図は、図１に示すとおりで、圧縮機１、凝縮器２、膨張手段３、蒸発器４が配管で順次接続され、凝縮器に送風を行う凝縮器用ファン５、蒸発器に送風を行う蒸発器用ファン６を備えている。冷媒は圧縮機１から高温高圧のガス冷媒として吐出され、凝縮器２で高温高圧の液冷媒に凝縮され外部の空気に温熱を放出し、膨張手段３によって低温低圧に減圧され、乾き度０．１〜０．３の気液二相冷媒として蒸発器４に流入し蒸発により外部空気から冷熱を吸収して低い温度の冷媒となり、高乾き度の冷媒、例えば、乾き度1の飽和ガス冷媒または過熱ガス冷媒として蒸発器４から流出し、圧縮機１へ戻る。凝縮器や蒸発器周囲の空気温度、蒸発器冷媒温度、冷媒圧力等必要に応じて計測する計測手段の計測結果に応じて、インバータ回路等を電源に有し周波数を変化させるなどにより回転数を変化させて冷媒を循環させる冷媒回路の能力調整が可能な圧縮機、冷媒回路を循環する冷媒の各機器での圧力や冷媒量を調整する開度調整が可能な膨張手段、冷媒の状態を変化させる凝縮器や蒸発器へ流す風量を調整可能なそれぞれのファンなど、図示しないが、ヒートポンプ装置の各操作手段を制御する制御装置は別途設けられている。

蒸発器は内部で冷媒を蒸発させ外部から空気の冷熱を吸収し、蒸発器４での冷媒と空気の熱交換においては、冷媒の温度が０℃以下で空気の露点温度以下である場合は、空気中に含まれる水分が蒸発器４へ付着し霜へと成長する着霜現象が発生する。言い換えると空気の絶対湿度と蒸発器冷媒管表面の絶対湿度との差に基づき空気中の水分が冷媒管表面およびであるフィン表面に付着して霜となる。この内容を図２３の空気線図にて説明する。図２３の空気線図の横軸が空気温度、縦軸が絶対温度を示すが、参考として蒸発器を通過する空気の温度と湿度の状態を相対湿度大から相対湿度小の状態に移行することを説明している。線図上における温度ta、絶対湿度xaの状態の空気が、相対湿度１00％の線であって、蒸発器の冷媒配管である伝熱管の表面およびフィン表面の状態である温度trの冷却面に接して、冷却面に着霜が起きる場合、冷却面への着霜速度（単位時間当たりの単位面積当たりの着霜重量）は、空気の絶対湿度xaと冷却面の絶対湿度（冷却面と同じ温度で相対湿度100%の空気の絶対湿度）xrとの差Δxに、ほぼ比例する。

従って、空気の温度湿度が一定の場合、冷却面（熱交換器のフィンおよび伝熱管）の温度が同一であれば、一定時間後の単位面積当たりの着霜量および霜厚さは同じになる。一般的に、蒸発器の冷媒温度が全域で均一温度の場合、フィンピッチが、例えば、６ｍｍのように広いと風上側から風下側の着霜はほぼ均一になり、フィンピッチが、例えば１．５ｍｍのようにせまいと風上側の着霜量が風下側よりも多くなり、風上側のフィンピッチ間を覆い尽くしフィン閉塞が早く起きてしまう。すなわち等ピッチの場合風上を通過した空気の湿度が下降し風下を通過するときは空気の湿度が風上側より低いので風上の着霜が風下の着霜より多くなり、風上側で空気の流れが閉塞しやすい。

本実施の形態では、図２に示すように、等間隔で並べられたフィン４−ａに対して垂直に伝熱管４−ｂを貫通し、伝熱管４−ｂを空気の流れの方向に複数列配置した蒸発器とし、風上側から風下側に至るまでフィンピッチを等しく、且つ、冷媒の流れが風下側から風上側となるように、すなわち風向きと冷媒の向きが対向流となるように冷媒流路を構成する。これは冷媒の流れが風下側から風上側となるように伝熱管冷媒流路の入口を風下側に設け、出口側を風上側に設け、伝熱管の接続部分を一列目と二列目をそれぞれ独立させて配置する。

管内の熱伝達率は、乾き度がある点を超えると、急激に低下する。例えば、図３のように乾き度が０．８〜０．８５を超えた場合に、急激に低下する。また、管内熱伝達率が低い場合は、フィン効率が悪化し、フィン表面の平均温度が上昇し、着霜量は減ることになる。

そのため、冷媒流路が風下側から風上側に流れるように構成された場合は、乾き度が低い冷媒が風下側を流れ、乾き度が高い冷媒が風上側を流れるため、冷媒流路を風上側から風下側に流れるように構成した場合よりも、風上側の着霜量が減り、風下側の着霜量が増える。しかしながら、これだけでは、風下側と風上側の着霜量を比較すると、まだ風上側の着霜量のほうが多い場合がある。

そこで、乾き度が高く管内熱伝達率の低い冷媒出口が風上側にくるように、冷媒流路を風下側から風上側に流れるように構成するとともに、冷媒出口の冷媒過熱度を制御し、乾き度が高く管内熱伝達率の低い冷媒が蒸発器を占める割合を調節する。冷媒が飽和点を超えたガス状態となると乾き度が０．８５から１の二相状態よりもさらに管内熱伝達率が悪く、冷媒温度とフィン表面温度の温度差はさらに大きくなる。冷媒過熱度を制御し、乾き度が高く管内熱伝達率の低い冷媒が蒸発器を占める割合を増やすと、冷媒出口は風上側にあるので、風上側におけるフィン表面の平均温度が更に上昇し、風上側の着霜量を減らすことができる。このようにして、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。

過熱度（スーパーヒートＳＨ）を検出して着霜分布を均一にするような過熱度目標値を得る制御を図２４にて説明する。図２４はヒートポンプ装置に設けられた冷媒サイクルを制御する制御装置（図示せず）内のマイコンに設けられた制御のフローであって、ＳＴＡＲＴ（ステップ１）すると先ず蒸発器における冷媒の入口と出口の温度を計測（ステップ２）する。冷媒の温度は通常蒸発器冷媒配管の表面温度を計測して行うが、入口と出口に相当する部分を計測したり演算で求めても良い。冷媒の出口温度であるｔｒｏを温度検出手段で計測したデータとし、冷媒の入口温度または飽和温度ｔｒｉを冷媒配管から計測する、あるいは圧縮機の吸入側の圧力測定値から計算によって求めても良い。求められた温度から過熱度をＳＨ＝ｔｒｏ−ｔｒｉにて算出する（ステップ３）。過熱度目標値と過熱度算出値の偏差に基づき膨張手段である絞り手段の開口面積を調整し過熱度算出値が目標値に近づくように制御する（ステップ４）。ＳＨ*である過熱度目標値とＳＨである過熱度算出値との偏差ΔＳＨが一定範囲以内（＋δから―δ迄に入っているか）かどうかを判断する（ステップ５）。もし入っていなければステップ２に戻り開口面積を少しずつ変更する制御を温度を計測しながら繰返す。もし目標値を含む設定した範囲以内に到達していれば過熱度目標値に近づける制御を一旦完了させて設定された次の時間間隔の後で再度行うことになる。

ここで、図４に示すように、蒸発器吸込空気温度検出手段７を設け、蒸発器吸込空気温度検出手段７の検出値により、即ち蒸発器吸い込み温度がどの温度帯にあるかに応じて目標冷媒過熱度をあらかじめ設定された目標冷媒過熱度に変更する。この場合新たに設定された目標過熱度になるように過熱度が膨張手段により制御される。

絶対湿度が低い温度帯と、絶対湿度が比較的高い温度帯では、着霜分布が異なる場合がある。例えば、図５に示すように、絶対湿度が比較的高い温度帯では、風上側から風下側に向かって徐々に着霜量が減っていくが、絶対湿度が低い温度帯では、風下側には全く着霜しないという場合がある。このような場合は、蒸発器吸込空気温度検出手段で検出された値により、目標冷媒過熱度を制御し冷媒の過熱領域を調整することで、様々な温度帯において、風上側の列と風下側の列とで着霜を均一に近づける制御が可能となる。例えば、蒸発器吸込空気温度が０℃のときは、着霜分布は風上側から風下側に向かって徐々に減っていくため、目標冷媒過熱度を1ｄｅｇで過熱領域を小さくすることで、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。また、蒸発器吸込空気温度が−２０℃のときは、風上側で空気中のほとんどの水分が取り除かれ、風下側には殆ど着霜しないので、目標冷媒過熱度を５ｄｅｇとし過熱領域を大きくすることで、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。

また、図６に示すように、圧縮機の通電量や回転数を計測する計測手段などにより圧縮機運転時間計測手段８を付け、圧縮機の運転時間により目標冷媒過熱度を変えても良い。

図7、図8は冷媒回路の運転時間に対する特性の関係状態を示す説明図であって、ある冷媒過熱度で運転を開始して、着霜が進んでいくと、着霜により熱交換量が減少する。この場合、同じ冷媒過熱度を維持しようとすると、膨張手段により蒸発器へと流れる冷媒流量が減らされ低圧が下がるため、図７に示すように蒸発温度が低下し、逆に着霜速度を速めてしまうことになる。このような場合は、図８に示すように運転開始時の目標冷媒過熱度よりも、ある一定時間運転後の目標冷媒過熱度を小さくすることで、蒸発温度低下による着霜速度を速めることなく、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。

既に説明してきているように、図１は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ装置の冷媒回路の概略構成図である。冷媒回路は、圧縮機１、凝縮器２、膨張手段３、蒸発器４が配管で順次接続され、凝縮器用ファン５、蒸発器用ファン６を備えている。冷媒は圧縮機１から高温高圧のガス冷媒として吐出され、凝縮器２で高温高圧の液冷媒となり、膨張手段３によって低温低圧に減圧され、乾き度０．１〜０．３の気液二相冷媒として蒸発器４に流入したあと、高乾き度の冷媒、例えば、乾き度1の飽和ガス冷媒または過熱ガス冷媒として蒸発器４から流出し、圧縮機１へ戻る。

蒸発器４での冷媒と空気の熱交換においては、冷媒の温度が０℃以下で空気の露点温度以下である場合は、空気中に含まれる水分が蒸発器４へ付着し霜へと成長する着霜現象が発生する。一般的に、蒸発器の冷媒温度が全域で均一温度の場合、フィンピッチが、広いと風上側から風下側の着霜はほぼ均一になり、フィンピッチが、狭いと空気が先に流れる風上側の着霜量が空気の温度が風上側より高くなる風下側よりも多くなり、風上側のフィン閉塞が早く起きてしまう。

これに対し本発明の次の例では、図９に示すように、等間隔に並べられたフィン４−ａに対して垂直に伝熱管４−ｂを貫通し、伝熱管４−ｂを空気の流れの方向に複数列配置した蒸発器とし、風上側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広く、かつ、冷媒の流れが風上側から風下側となるように冷媒流路を並向流として構成することでも良い。

冷媒の流れから蒸発器出口側の冷媒の乾き度が高くなると、既に説明した通り、出口側の管内熱伝達率が低くなり、フィン効率が悪化し、フィン表面の平均温度が高くなる。つまり、冷媒の乾き度が低いほうが、フィン表面の平均温度は低くなるため、冷媒流路が風上側から風下側に流れるように構成され、乾き度が低い冷媒が風上側を流れ、乾き度が高い冷媒が風下側を流れる場合は、風上側の着霜量が風下側の着霜量よりも多くなる。このようにすると、風上側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広くすることで、風上側の風路面積を増やして閉塞率を減らし、例え着霜量が低い温度となる風上側で増えたとしてもフィンピッチが大きいので空気の流路が確保され、且つ、風下側での着霜はピッチが狭くともなかなか増えずに結果的にフィン間全体への着霜を遅くして能力低下を引き伸ばすことが出来る。即ち着霜分布（閉塞率分布）を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。

逆に、冷媒流路が風下側から風上側に流れるように構成され、乾き度が低い冷媒が風下側を流れ、乾き度が高い冷媒が風上側を流れる場合は、冷媒流路が風上側から風下側に流れるように構成された場合よりも、冷えやすい風下側の着霜量が増え、風上側の着霜量が減る傾向にある。このような状態で、着霜分布（閉塞率分布）を均一化しようとして風上側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広くすると、予想に反してフィンピッチの狭い風下側のフィン閉塞が早まってしまうという問題が発生する。

そこで、本発明のように風上側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広くする場合は、冷媒流路を風上側から風下側に流れるように構成することが、着霜分布を均一化し着霜による能力低下を遅延化するためには重要となってくる。

図１０は本発明の効果を説明する図であって、縦軸に能力、横軸に運転時間を取る。例えば、空気の流れ方向に２列の伝熱管を有する蒸発器において、フィンピッチを風上側、風下側の両方とも１．５ｍｍとした等フィンピッチで、冷媒流路を風上側から風下側に流れるように構成したものと、同等の管外伝熱面積を有し、フィンピッチを風上側１．６ｍｍ、風下側１．３ｍｍにした異フィンピッチで、冷媒流路を風上側から風下側に流れるように構成したもので比較した場合、着霜分布（閉塞率分布）が均一化され、図１０に示すように着霜による能力低下がおこる時間が約２０％遅延化される。

また、フィンカラーにより、フィンピッチを決める場合は、フィン材を曲げたり伸ばしたりして製作するので、板厚が薄すぎるとフィンカラーが割れるなどの問題が発生する。このため製作が可能なフィンピッチはフィンの板厚によって決まってくるため、フィン板厚が薄いという理由で、風上側の必要フィンピッチが出せないといった問題が生じる。

そのような場合は、図１１に示すように、風上側のフィン板厚を厚くして風上側のフィンピッチを広くしても良い。このとき、風下側のフィン板厚については厚くすると、通風抵抗が増加するため、風上側のフィン板厚よりも薄くしたほうが良い。

本発明のヒートポンプ装置の次の例の冷媒回路構成図は、図１にて説明してきたように、圧縮機１、凝縮器２、膨張手段３、蒸発器４が配管で順次接続され、凝縮器用ファン５、蒸発器用ファン６を備えている。冷媒は圧縮機１から高温高圧のガス冷媒として吐出され、凝縮器２で高温高圧の液冷媒となり、膨張手段３によって低温低圧に減圧され、乾き度０．１〜０．３の気液二相冷媒として蒸発器４に流入したあと、高乾き度の冷媒、例えば、乾き度1の飽和ガス冷媒または過熱ガス冷媒としてとして蒸発器４から流出し、圧縮機１へ戻る。

蒸発器４での冷媒と空気の熱交換においては、冷媒の温度が０℃以下で空気の露点温度以下である場合は、空気中に含まれる水分が蒸発器４へ付着し霜へと成長する着霜現象が発生する。一般的に、蒸発器の冷媒温度が全域で均一温度の場合、フィンピッチが、例えば、６ｍｍのように広いと風上側から風下側の着霜はほぼ均一になり、フィンピッチが、例えば１．５ｍｍのようにせまいと風上側の着霜量が風下側よりも多くなり、風上側のフィン閉塞が早く起きてしまう。

本発明の次の例では、更に、図１２に示すように、等間隔で並べられたフィン４−ａに対して垂直に伝熱管４−ｂを貫通し、伝熱管４−ｂを空気の流れの方向に複数列配置した蒸発器とし、風下側のフィン板厚を風上側のフィン板厚よりも厚くする。

フィン表面で空気から奪った熱は、フィン内部を熱伝導という形でフィン根元まで伝わっていく。このとき、フィン板厚が厚いほうが、熱抵抗が少なくフィン根元までスムーズに熱が伝わる。つまり、フィン板厚を厚くしたほうが、フィン効率が上がり、フィン全体で空気から熱を効率よく奪うことができる。そこで、風下側のフィン板厚を風上側のフィン板厚よりも厚くすることにより、風下側の着霜量を増やすことができるので、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。このとき、板厚を厚くしすぎると通風抵抗が増加してしまうので、例えば板厚はフィンピッチの１／１０以内に抑えるなどの制限を設けたほうが良い。但し、この範囲外でも同様の効果が認められればこの限りではない。図９においては並向流であり冷えやすい風上側のフィンピッチを広げているが、図１２の場合は空気の流れの上流側で熱交換を行い温度が高くなった空気が風下にて風上側より低い温度のフィン表面にて熱交換量が多くなり風下での着霜量が増えるので風上と風下の着霜量をほぼ均一にして運転能力の低下を遅らせることができ、除霜の間隔を長くしてエネルギー消費を少なくすることができる。従って、冷媒の流れは図２のごとく風下から風上に流れていても良いし、あるいは、図９のごとく、風上から風下に流れていても熱伝達率を上下させる効果は板厚と乾き度による関係しだいで板厚の薄い風上に着霜量を増える様にすればよい。

本発明における蒸発器は、図１３に示すように室内側に配置されたヒートポンプ装置である。例えば、ユニットクーラや低温環境下で冷房を行うような空調機等が対象となる。

更にまた本発明における蒸発器は、図１４に示すように室外側に配置されたヒートポンプ装置である。例えば、暖房を行う空調機やヒートポンプ給湯器等が対象となる。

以上のように説明してきた蒸発器においては、図１５に示すように風下側のフィン形状を風上側のフィン形状よりも熱伝達係数の高いスリット形状やルーバー形状のものにしても良い。風下側のフィン形状を熱伝達係数の高いものにし、熱伝達率を向上させると、熱伝達と物質伝達は相関があるため、風下側の着霜量が増え、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。当然ながら風上側のフィンにスリット形状などを設け風上側のフィンに着霜を増やすことも出来る。即ちフィンの形状を風上と風下の熱交換器で変更して着霜量を調整することになる。

更に本発明の蒸発器においては、図１６に示すように風下側の段ピッチを風上側の段ピッチよりも狭くしたものでも良い。フィン表面の温度は伝熱管からの距離が長くなるほど高くなるため、伝熱管同士の距離が長いと、フィン効率は悪くなり、平均フィン温度が高くなる。逆に言うと、伝熱管の段ピッチを狭くすることで、フィン効率が良くなり、平均フィン温度を下げることが可能となる。そこで、風下側の段ピッチを狭くし、フィン効率を良くすることで、着霜量を増やし、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。もちろん場合によってはほかの条件次第では着霜を均一にするため風上側の段ピッチを狭くしても良いことは当然である。

また、このとき、図１７に示すように風下側の伝熱管外径を細くしても良い。最小段ピッチは伝熱管の外径により決まってくるので、より段ピッチを狭くしてフィン効率を改善したい場合は、風下側の伝熱管外径を細くすることで対応可能となる。また風上側の伝熱管を細径化して、すなわち風上と風下の熱交換器構造を異なるものにして着霜量を調整できる。

更に本発明における蒸発器においては、風下側の伝熱管の管内構造を風上側の伝熱管よりも管内熱伝達係数の高いものにしても良い。例えば、図１８に示すように風上側の伝熱管を熱伝達率の低い平滑管にし、風下側の伝熱管を熱伝達率の高い溝付管にすることで、風下側の着霜量を増やすことができ、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。凹凸や熱伝達促進具を取り付けるなどその他の形状であっても風上側の伝熱管の管内熱伝達率よりも風下側の伝熱管の管内熱伝達率が大きくなるような形状とすれば同様の効果を奏する。また場合によっては風上側の管内熱伝達率を大きくしても着霜量を調整できる。以上のように伝熱管冷媒流路を風上と風下で異なるものに調整してフィンに着く霜の量を調整することが出来る。

更にほかの例を追加すると、伝熱管のフィン形状を風下と風上を異ならせる例の一つとして、本発明における蒸発器においては、図１９に示すように風下側のフィン幅を風上側のフィン幅よりも狭くしたものでも良い。フィン幅を狭くすることにより、伝熱管からフィン先端までの距離が短くなるため、フィン効率が良くなる。つまり、風下側のフィン幅を狭くすることで、フィンの表面温度を下げ、風下側の着霜量を増やすことが可能となり、着霜分布を風上側の列と風下側の列とで均一に近づけ、着霜による能力低下を遅延化することが可能となる。以上の説明では風下側の熱伝達率を高くして風下側の着霜量を増やすためにフィンピッチを広げる代わりに、等フィンピッチで図１２、図１５−図１９の構造でも良いということである。しかしながら着霜量をできるだけ均一にして空気の流れを霜により閉塞しにくいようにする目的であるので、これらの技術を組み合わせたり、対向流と並向流を逆にしたりして実験的に熱交換器の性能を向上させた上に着霜量を均一にする構造を採用できる。例えば並向流とした風上側のフィンピッチを広げる図９の構造を採用した上で、風上側伝熱管を溝付管としさらに表面温度を下げて霜が着くようにし、フィンピッチをできるだけ狭くした風下側は平滑管のままとし、風上側は風下より広いフィンピッチにして霜が付いて閉塞しにくい構造とすることができ、この結果、従来の等ピッチ構造の熱交換器と比較しても霜の問題を解決しながら風上側、風下側の両方とも熱交換器としての伝熱性能を向上させることができる。例えば風上と風下の熱交換器の伝熱管を扁平管と丸管等異形管にしてもよい。

更に本発明のヒートポンプ装置については、図２０に示すように、圧縮機１、第一の熱交換器９、膨張手段３、第二の熱交換器１０、四方弁１１が配管で順次接続された冷凍サイクルからなるヒートポンプ装置でも良い。

四方弁により、図２１に示すように第二の熱交換器を蒸発器にするか、図２２に示すように第一の熱交換器を蒸発器にするか切り替え可能となっている。

ルームエアコンやパッケージエアコンにおいては、暖房時、室外に配置された第二の熱交換器を蒸発器とする。暖房時、外気温度が低い場合は、蒸発器に着霜が起きるため、本発明を適用すると、低外気時の暖房能力を向上させることができる。冷房時は室外に配置された第二の熱交換器は凝縮器となり着霜の問題は起こらない。また、設備用パッケージエアコンやユニットクーラ、ショーケース等においては、室内に配置された第一の熱交換器を蒸発器とし、室内を冷却する。室内の温度が低い場合は蒸発器に着霜するため、本発明の適用により冷却能力を向上させることができる。室内を暖房にする場合は室内に配置された第一の熱交換器は凝縮器となるため霜の問題はない。

エアコンを例に取ると、図２１の構成にて室外に配置された第二の熱交換器１０を蒸発器にする場合、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁にて室内に配置された第一の熱交換器９にて凝縮し高温高圧の２相冷媒となるとともに図示していない送風機にて送風される室内空気を加熱し暖房を行う。冷媒は膨張弁３にて膨張し低圧となり蒸発器１０にて室外空気から熱を吸収しガス冷媒となり圧縮機に吸入される。このとき蒸発器として使用される第二の熱交換器１０は本発明の構成、例えば図９に示す冷媒と空気の流れが並向流となるように配管接続され、かつ、風上側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広い構造の熱交換器とする。このような図２１の冷媒回路の構成で四方弁１１が切り替わり室内空気から熱を吸収する冷房に運転モードが変えられるとすると、今まで蒸発器であった第二の熱交換器は凝縮器となるが、室外ファンの位置は変わらないため送風方向は変わらずに風上側は広いフィンピッチであり風下側は狭いフィンピッチのままである。しかし四方弁１１にて切替えられて冷媒の流れる方向が逆になるため凝縮器となった第二の熱交換器の冷媒の入口出口の関係が逆となり、結局第二の熱交換器は対向流となるが高温の冷媒が流入するため霜の問題は存在しない。しかし、図１０にて説明したように、通常は空気の流れ方向に２列の伝熱管を有する蒸発器において、フィンピッチを風上側、風下側の両方とも１．５ｍｍとした等フィンピッチで、冷媒流路を風上側から風下側に流れるように構成したものと、同等の管外伝熱面積を有するが、着霜を均一にする対策を実施した熱交換器でありフィンピッチを風上側１．６ｍｍ、風下側１．３ｍｍにした異フィンピッチとしたまま、冷媒流路を風上側から風下側に流れるように構成したものが凝縮器に切り替わることになる。この場合でも凝縮器としての異ピッチフィンにより風上側と風下側でフィンが空気の流れを乱す関係でフィン表面からの熱交換量が多くなり等ピッチのものと比較して熱交換性能がよいデータが得られた。

設備用パッケージエアコンなどのように、図２２の構成にて室内に配置された第一の熱交換器９を蒸発器にする場合、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁にて室外に配置された第二の熱交換器１０にて凝縮し高温高圧の２相冷媒となるとともに図示していない送風機にて室外空気と熱交換して低温となった冷媒は膨張弁３にて膨張し低圧となり蒸発器９にて室内空気から熱を奪い室内を冷却する。この後低温のガス冷媒は圧縮機に吸入される。このとき蒸発器として使用される第一の熱交換器９は本発明の構成、例えば冷媒と空気の流れが対向流となるように配管接続され、かつ、風下側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広い構造の熱交換器とする。このような図２２の冷媒回路の構成で四方弁１１が切り替わり室内空気を加熱する暖房に運転モードが変えられるとすると、今まで蒸発器であった第一の熱交換器は凝縮器となるが、室内ファンの位置は変わらないため送風方向は変わらずに風下側は広いフィンピッチであり風上側は狭いフィンピッチのままである。しかし四方弁１１にて切替えられて冷媒の流れる方向が逆になるため凝縮器となった第一の熱交換器の冷媒の入口出口の関係が逆となり、結局第一の熱交換器は並向流となるが高温の冷媒が流入するため霜の問題は存在しない。また凝縮器の場合の第一の熱交換器の能力はフィンピッチを風上と風下にて異ならせることで従来品と比べてよくなることは上記説明と同じである。しかも、さらに本発明の熱伝達率を高くする別の構造、例えば溝付管等をフィンピッチが広い側の伝熱管に組み合わせることで、あるいはフィンピッチが広い側のフィンにスリットなどを設けるなどで、すなわちピッチの広い側をさらに冷やす構造を採用し、ピッチの狭い側のピッチを可能な範囲で狭く取ることにより、蒸発器として使用する、凝縮器として使用するに係わらず、熱交換器として等ピッチフィン使用時より高い能力が得られ、装置としての効率がよくなる。

なお、本発明の冷凍サイクル内を循環する冷媒は、どんなものでもよく、二酸化炭素、炭化水素、ヘリウム、アンモニア、空気のような自然冷媒、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ４０７Ｃなどの代替冷媒など塩素を含まない冷媒、もしくは既存の製品に使用されているＲ２２、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒のいずれでもよい。

また、圧縮機１１は、レシプロ、ロータリー、スクロール、スクリューなどの各種タイプ、あるいは密閉型、半密閉型、開放型などの構造のいずれのものを用いてもよく、駆動装置としても誘導機、希土類磁石開示を有するDCブラシレスなど、またインバータによる回転数可変可能のものでも、回転数固定のものでも構わない。

以上説明したように、冷媒が風下側から風上側へ流れる対向流とした場合、冷媒の出口側である風上側の列のフィンの温度が冷媒の入口側である風下側の列のフィン温度よりも高くなり、空気の絶対湿度xaと冷却面の絶対湿度xrとの差Δxが小さくなるため、風上側のフィンへの着霜量が少なくなる。冷媒入口側のフィン温度に対し、冷媒出口側のフィン温度は例えば１℃くらい高い温度になる。この構成により風上側のフィンに霜が着いて閉塞せずに風下まで空気が流れて能力低下に時間が掛かることになる。更に風上側のフィン板厚を風下側よりも厚くして風下側の着霜量を増やすことが出来、着霜量の均一化により能力低下をさらに遅らせることも出来る。また、冷媒が風上側から風下側へ流れる並向流とした場合、冷媒の出口側である風下側の列のフィンの温度が冷媒の入口側である風上側の列のフィン温度よりも高くなるため、風下側のフィンへの着霜量が少なくなる。また、風上側の列のフィンにて着霜した分、風下側の列のフィンに至る空気の絶対湿度も低くなり、風下側での着霜量はさらに減る。冷媒が風上側から風下側へ流れる並向流とし、風上側の列のフィンピッチを広く、風下側の列のフィンピッチを狭くした場合は、風上側と風下側とでフィンピッチが等しい場合と、風上側の列の冷却面（熱交換器のフィンおよび配管）の温度は同一であり、着霜速度、すなわち一定時間後の単位面積当たりの着霜量および霜厚さ、はどちらの場合も等しくなる。しかし、風上側の列のフィンピッチが広いと、霜厚さが同じであれば、フィンとフィンの間の隙間が広くなり、すなわち閉塞率が小さくなり、風路抵抗が少なくなって、風量がフィンピッチ配列が広い側のフィンを有する伝熱管における冷媒から空気までの熱伝達率を、フィンピッチ配列が狭い側のフィンを有する伝熱管における冷媒から空気までの熱伝達率よりも高くするように並向流として説明しているが、これは主たる流れの意味であって、例えば主たる流れが並向流であって部分的に対向流があってもかまわない。

本発明の蒸発器の構造として、熱交換器を複数列組み合わせた構造として風と冷媒の流れにて説明したが、一列の熱交換器であっても段方向に複数本の伝熱管が設けられても良い。例えば上下方向に複数本の伝熱管が一列に設けられ、冷媒が上下方向に直列に流れ、且つ上下方向に風を流す冷蔵庫の蒸発器のようなものであっても同一の効果を奏する。即ち、風上風下の風の流れ方向と、冷媒の上下に設けた出入り口からの冷媒流れ方向の関係が対向流や並向流であり、且つ、既に説明したようなフィン構造、伝熱管冷媒流露構造、過熱度制御などなど本発明の構成を満足することにより同様な効果が得られる。なお、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通される構造を説明してきたが、フィン構造がコルゲートフィンのような屈曲したフィン形状でも接触する伝熱管から低温冷媒にてフィンが冷やされて空気中の水分がフィンに付着する状況に対し、本発明の構造を適用することができ、本発明の効果が得られることは当然である。また本発明の伝熱管は扁平管でも丸管でも２重管でもよい。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置において、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通され、その伝熱管は空気の流れ方向に複数列配置され、風上側のフィンピッチを風下側のフィンピッチよりも広くし、且つ、冷媒の流れが風上側から風下側となるように冷媒流路を構成したので、蒸発器風路の霜による閉塞を遅らせることができ、省エネルギー運転が可能になる。また並向流でなく対向流の場合は、フィン表面などがより冷える部分である風上側のフィンピッチを風下側より広げれば同一の効果が得られる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置において、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通され、その伝熱管は空気の流れ方向に複数列配置され、風上側のフィン板厚を風下側のフィン板厚よりも厚くすることで、風下側のフィンピッチを風上側のフィンピッチよりも広くしたので、フィンピッチを広くしてもフィンカラーが割れるなどの不具合を防止できる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置において、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通され、その伝熱管は空気の流れ方向に複数列配置され、風上側から風下側に至るまでのフィンピッチを等しくし、冷媒の流れが風下側から風上側となるように冷媒流路を構成したので、簡単に製造できる構造で着霜量を均一に近づけることが出来る。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置において、蒸発器吸込空気検出手段を備え、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通され、その伝熱管は空気の流れ方向に複数列配置され、風上側から風下側に至るまでのフィンピッチを等しくし、冷媒の流れが風下側から風上側となるように冷媒流路を構成し、蒸発器吸込空気温度検出手段により検出した温度により、蒸発器出口における目標冷媒過熱度を変更したので、どのような製品、設置場所などに係わり無くエネルギー消費を抑えた装置が得られる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置において、圧縮機運転時間計測手段を備え、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通され、その伝熱管は空気の流れ方向に複数列配置され、風上側から風下側に至るまでのフィンピッチを等しくし、冷媒の流れが風下側から風上側となるように冷媒流路を構成し、圧縮機運転時間計測手段による計測値により、目標冷媒過熱度を変更したので、簡単な制御でエネルギー消費を抑えた装置が得られる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路を有するヒートポンプ装置において、蒸発器は、等間隔に置かれた複数枚のフィンに、伝熱管が垂直に貫通され、その伝熱管は空気の流れ方向に複数列配置され、風下側のフィン板厚を風上側のフィン板厚よりも厚くすることで、フィン効率を上げたので、省エネルギー装置が得られる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、着霜分布を均一化する蒸発器構造および冷媒制御とすることで、蒸発器への着霜現象が発生する運転状況において、能力低下を遅延化することが可能となり、除霜回数の低減による省エネ性向上、冷凍冷蔵機器などにおいては除霜時の庫内温度上昇の抑制による品質向上、空調機器やヒートポンプ給湯器においては除霜時の室内温度低下や湯温低下の抑制により高負荷価値化が可能となる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を吐出する圧縮機、冷媒の流れを切り替える四方弁、第一の熱交換器、膨張手段、第二の熱交換器が接続され冷媒を循環させる冷媒回路と、第一の熱交換器または第二の熱交換器に設けられ所定の間隔で配置された複数のフィンを貫通し空気の流れ方向に対して複数列もしくは複数本配置された伝熱管と、伝熱管の複数列もしくは複数本のうちの風上側もしくは風下側に設けられた伝熱管のフィンピッチを伝熱管の複数列もしくは複数本のうちの風下側もしくは風上側に設けられた伝熱管のフィンピッチよりも広くするフィンピッチ配列と、フィンピッチ配列が広い側のフィンを有する伝熱管における冷媒から空気までの熱伝達率を、フィンピッチ配列が狭い側のフィンを有する伝熱管における冷媒から空気までの熱伝達率よりも高くするようにフィンピッチ配列が広い側のフィンを有する伝熱管に設けられた熱交換促進手段と、を備えたので、四方弁により冷媒の流れが切り替えられ第一の熱交換器または第二の熱交換器が蒸発器になろうと、凝縮器になろうと、常に効率の良いヒートポンプ装置が得られる。当然ながらフィンピッチ配列が広い側のフィンを有する伝熱管の列における冷媒から空気までの熱伝達率を、フィンピッチ配列が狭い側のフィンを有する伝熱管の列における冷媒から空気までの熱伝達率よりも高くするように、冷媒の熱交換器への流入流出口の位置を決めてもよい。

本発明に係るヒートポンプ装置の、フィンピッチ配列が広い側のフィンを有する伝熱管に設けられた熱交換促進手段は、フィン表面に設けられたスリットなどの凹凸であるので、簡単な構造で蒸発器になろうと凝縮器になろうと簡単な構造で常に効率の良いヒートポンプ装置が得られる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、前記フィンピッチ配列が広い側のフィンを有する伝熱管に設けられた熱交換促進手段は、伝熱管内部に設けられた凹凸構造であるので、簡単な構造で蒸発器になろうと凝縮器になろうと簡単な構造で常に効率の良いヒートポンプ装置が得られる。

この発明の実施の形態１における、ヒートポンプ装置の冷媒回路概略構成図。 この発明の実施の形態１における蒸発器概略構成図。 この発明の乾き度と管内の熱伝達係数の関係説明図。 この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の冷媒回路概略構成図。 この発明の温度帯による着霜分布比較説明図。 この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の冷媒回路概略構成図。 この発明のＳＨと冷媒流量と蒸発温度の関係説明図。 この発明のＳＨと冷媒流暢と蒸発温度の関係説明図。 この発明の実施の形態１における蒸発器概略構成図。 この発明の能力の時間変化を示す関係説明図。 この発明の実施の形態１における蒸発器概略構成図。 この発明の実施の形態１における蒸発器概略構成図。 この発明の実施の形態１における蒸発器が室内側に配置された説明図。 この発明の実施の形態１における蒸発器が室外側に配置された説明図。 この発明の実施の形態１において、風下側のフィン形状をスリット形状にした説明図。 この発明の実施の形態１において、風下側の伝熱管段ピッチを狭くした説明図。 この発明の実施の形態１において、風下側の伝熱管の外径を小さくした説明図。 この発明の実施の形態１において、風下側の伝熱管を熱伝達係数の高い伝熱管にした説明図。 この発明の実施の形態１において、風下側のフィン幅を狭くした説明図。 この発明の実施の形態１のヒートポンプ装置において、四方弁を備えた冷媒回路概略構成図。 この発明の実施の形態１の四方弁を備えた冷凍サイクルにおいて第二の熱交換器が蒸発器となる場合の説明図。 この発明の実施の形態１の四方弁を備えた冷凍サイクルにおいて第一の熱交換器が蒸発器となる場合の説明図。 この発明の実施の形態１の特性を示す空気線図。 この発明の実施の形態１の制御内容を説明するフローチャート。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 膨張弁、４ 蒸発器、４−ａ 蒸発器フィン、４−ｂ 蒸発器電熱管、５ 蒸発器用ファン、６ 凝縮器用ファン、７ 蒸発器吸込空気温度検出手段、８ 圧縮機運転時間計測手段、９ 第一の熱交換器、１０ 第二の熱交換器、１１ 四方弁、２０ 霜。

Claims (8)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器に設けられ所定の間隔で配置された複数のフィンを貫通し空気の流れ方向に対して複数列もしくは複数本配置された伝熱管と、前記伝熱管の複数列もしくは複数本のうちの風上側に設けられた伝熱管のフィンピッチを前記伝熱管の複数列もしくは複数本のうちの風下側に設けられた伝熱管のフィンピッチよりも広くするとともに冷媒の流れが風上側から風下側になるように配置した伝熱管冷媒流路と、
   蒸発器の吸込み温度帯を検出する蒸発器吸込温度検出手段と、
   前記蒸発器における目標冷媒過熱度を制御する冷媒過熱度制御手段と、
   を備え、前記蒸発器吸込温度検出手段によって求められた前記温度帯に対応するそれぞれの絶対湿度から、前記絶対湿度の高低に応じた前記目標冷媒過熱度をあらかじめ設定した
   ことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記蒸発器は風上側のフィン板厚を風下側のフィン板厚よりも厚くすることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。
3. 圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路と、前記蒸発器に設けられ所定の間隔で略等ピッチに配置された複数のフィンを貫通し空気の流れ方向に対して複数列もしくは複数本配置された伝熱管と、前記伝熱管の冷媒の流れが風下側から風上側になるように配置した伝熱管冷媒流路と、
   蒸発器の吸込み温度帯を検出する蒸発器吸込温度検出手段と、
   前記蒸発器における目標冷媒過熱度を制御する冷媒過熱度制御手段と、
   を備え、複数列もしくは複数本配置された内の風上側に設けられた伝熱管のフィンの着霜量と複数列もしくは複数本配置された内の風下側に設けられた伝熱管のフィンの着霜量との着霜分布の調整を、前記蒸発器吸込温度検出手段によって求められた絶対湿度の高い時には前記目標冷媒過熱度を小さくし、前記絶対湿度の低い時には前記目標冷媒過熱度を大きくしたことを特徴とするヒートポンプ装置。
4. 前記蒸発器が室外側もしくは室内側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記蒸発器の複数列もしくは複数本配置された伝熱管の内の風上側に配置された伝熱管のフィン形状と風下側に配置された伝熱管のフィン形状を異なったものとすることを特徴とした請求項1乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記蒸発器の複数列もしくは複数本配置された伝熱管の内の風下側に配置された伝熱管の段ピッチを風上側に配置された伝熱管の段ピッチよりも狭くしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
7. 前記蒸発器の複数列もしくは複数本配置された伝熱管の風下側に配置された伝熱管の外径を風上側に配置された伝熱管の外径よりも細くしたことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記蒸発器の複数列もしくは複数本配置された伝熱管の風下側に配置された伝熱管管内熱伝達率を風上側に配置された伝熱管管内熱伝達率よりも高くするように風下側に配置された伝熱管の管内構造を風上側に配置された伝熱管の管内構造と異なるようにしたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のヒートポンプ装置。

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