WO2016121103A1

WO2016121103A1 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: WO2016121103A1
Application number: PCT/JP2015/052689
Authority: WO
Inventors: 真哉東井上; 石橋　晃; 伊東　大輔; 裕樹宇賀神; 繁佳松井; 中村　伸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JPWO2016121103A1; EP3252400A4; EP3252400A1

Abstract

　冷凍サイクル装置１は、圧縮機５と、室外熱交換器１００と、膨張部７と、室内熱交換器９とを含む回路３を備えており、その室外熱交換器１００は、ファン１００ａと、風上列１０１と、風下列１０２とを備えており、風上列１０１は、第１伝熱管１１１と、第１伝熱管１１１に交差する複数の第１フィン１１３とを備えており、複数の第１フィンと、集合管１２７の分岐部１２５との間に、第１温度センサ１３１が配置されている。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

　冷凍サイクル装置を構成する熱交換器として、円形状の伝熱管を備えた熱交換器がある。しかし、熱交換器の高性能化を図る目的から、伝熱管の細径化が進み、近年では、扁平多穴管が伝熱管として使用されている熱交換器もある。

　細径円管（たとえば直径４ｍｍなど）もしくは扁平多穴管を伝熱管として使用した場合、細径円管もしくは扁平多穴管の流路断面積は、通常の円管の流路断面積よりも小さくなる。このため、通常の円管の伝熱管が用いられる態様と同等のパス数で熱交換器を構成した場合、伝熱管内の圧力損失が増大し、冷凍サイクルの運転効率が低下する。

　圧力損失の低減は、熱交換器のパス数を増やすことや、１パスの伝熱管長さを短縮させることで、実現可能である。しかし、後者の場合、多列の熱交換器では、熱交換器を流れる冷媒を空気と対向して流すことができず、熱交換器効率が低下する。さらに、風上側の列と風下側の列との熱交換量に差が発生すため、特に、外気が低温条件では風上側の列に着霜が顕著に現れる。室外熱交換器に付着した霜は、定期的に除霜運転することで霜を溶かす必要がある。

　除霜運転に関して、特開２００８－２２４１３５号公報に開示された技術では、室外機の冷媒温度検出手段で検出された室外器冷媒温度と、外気温度検出手段で検出された外気温度との温度差から室外熱交換器への着霜量を判断して、着霜量が少ないと判定された場合には、霜取り禁止時間を長く設定している。

特開２００８－２２４１３５号公報

　しかしながら、上述した特開２００８－２２４１３５号公報に開示された技術においては、冷媒の分配の悪化により熱負荷に分布があるような熱交換器では、霜の付き方に偏りが発生し、多く霜が付いたところは霜の溶け残りが発生する。そして、残霜することで、除霜運転後の暖房運転時に能力の低下が生じることが懸念される。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱負荷に分布があるような多列の熱交換器において残霜を低減することができる、冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

　上述した目的を達成するため、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張部と、室内熱交換器とを含む回路を備え、前記室外熱交換器は、ファンと、第１熱交換器と、前記ファンにより起こされる気流に対して前記第１熱交換器よりも風下に配置される第２熱交換器とを備えており、前記第１熱交換器は、第１伝熱管と、前記第１伝熱管に交差する複数の第１フィンとを備えており、前記第２熱交換器は、第２伝熱管を備えており、前記第１伝熱管は、第１ヘッダに接続されており、前記第２伝熱管は、第２ヘッダに接続されており、前記第１ヘッダと、前記第２ヘッダとは、分配管を介して、集合管の分岐部に接続されている、冷凍サイクル装置であって、前記複数の第１フィンと、前記集合管の分岐部との間に、第１温度センサを配置する。

　本発明によれば、熱負荷に分布があるような多列の熱交換器において残霜を低減することができる。

本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置の構成を示す図である。室外熱交換器の斜視図である。室外熱交換器の構成を説明するための平面図である。冷凍サイクルの動作において、室外熱交換器を通過する冷媒の温度と空気の温度との関係を示すグラフである。除霜運転中の室外熱交換器の冷媒の温度を示すグラフである。本発明の実施の形態２についての、図３と同態様の図である。本発明の実施の形態３についての、図３と同態様の図である。

　以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

　実施の形態１．
　図１は、本実施の形態１の冷凍サイクル装置の構成を示す図である。冷凍サイクル装置１は、冷媒が循環する回路３を備えている。回路３は、少なくとも、圧縮機５と、室外熱交換器１００と、膨張部７と、室内熱交換器９とを含んでいる。

　冷凍サイクル装置１は、暖房運転、および、冷房運転（除霜運転）の両方を行うことができ、回路３には、この運転の切り替えを行う四方弁１１が設けられている。また、図１、図３、図６、図７においては、冷房運転（除霜運転）時の冷媒の流れが、実線矢印で示されており、暖房運転時の冷媒の流れが、点線矢印で示されている。

　冷房運転時における冷媒の流れる向きを基準に回路３の構成要素を説明する。すなわち、本願明細書および本願請求の範囲では、冷房運転時における冷媒の流れる向きを基準に、入口および出口の文言を用いている。

　まず、圧縮機５の出口は、四方弁１１を介して、室外熱交換器１００の入口につながっている。室外熱交換器１００の出口は、膨張部７の入口につながっている。膨張部７は、例えば、膨張弁で構成されている。

　膨張部７の出口は、室内熱交換器９の入口につながっている。室内熱交換器９の出口は、四方弁１１を介して、圧縮機５の入口につながっている。

　四方弁１１には、制御部１４０が接続されており、後述するように、四方弁１１の流路を切り替え、すなわち、暖房運転と冷房運転（除霜運転）との間の切り替えを行う。また、制御部１４０は、圧縮機５に接続されており、暖房運転、冷房運転および除霜運転のそれぞれにおいて、圧縮機５の動作を適切に制御する。

　また、図中、矢印Ｗは、冷媒との熱交換を行う流体の流れを示している。具体的な例としては、矢印Ｗは、冷媒との熱交換を行う空気の流れを示している。

　室内熱交換器９の風上側には、ファン９ａが設けられている。このファン９ａによって、室内熱交換器９に対する空気の流れが積極的に生み出されている。これら室内熱交換器９およびファン９ａは、室内機１５のケース内に収容されており、室内機１５は、室内空間に配置されている。

　図１～図３に基づき、室外熱交換器１００の詳細について説明する。図２は、室外熱交換器の斜視図である。図３は、室外熱交換器の構成を説明するための平面図である。なお、図の明瞭性を優先し、図２には、後述するフィンが図示省略されており、図３には、後述する伝熱管が図示省略されている。

　室外熱交換器１００は、ファン１００ａと、第１熱交換器である風上列１０１と、第２熱交換器である風下列１０２とを備えている。風下列１０２は、ファン１００ａにより起こされる気流に対して風上列１０１よりも風下に配置されている。すなわち、ファン１００ａは、風上列１０１および風下列１０２よりも風上側に配置され、風上列１０１は、風下列１０２よりも風上側に配置されている。

　このファン１００ａによって、風上列１０１および風下列１０２に対する空気の流れが積極的に生み出されている。室外熱交換器１００（風上列１０１、風下列１０２、ファン１００ａ）、圧縮機５、膨張部７、四方弁１１、および、制御部１４０は、室外機１７のケース内に収容されている。

　風上列１０１は、複数の第１伝熱管である風上伝熱管１１１と、複数の風上伝熱管１１１に交差する複数の第１フィンである風上フィン１１３とを備えている。風下列１０２は、複数の第２伝熱管である風下伝熱管１１２と、複数の風下伝熱管１１２に交差する複数の第２フィンである風下フィン１１４とを備えている。複数の風上伝熱管１１１および複数の風下伝熱管１１２はそれぞれ、扁平管であるか、または、直径が４ｍｍ以下の円管である。

　風上列１０１と、風下列１０２とは、冷媒との熱交換を行う空気の流れＷに沿う方向すなわち整列方向Ｚに並んでいる。

　風上列１０１は、風下列１０２よりも、室外機１７のケースの空気取り入れ面１７ａに近い。別言すると、風下列１０２は、風上列１０１よりも、室外機１７のケースに設けられた空気排出面１７ｂに近い。

　風上列１０１において、複数の風上伝熱管１１１は、長手方向すなわち伝熱管内流れ方向Ｘと、整列方向Ｚとの双方に直交する上下方向Ｙに並んでいる。同様に、風下列１０２において、複数の風下伝熱管１１２も、長手方向すなわち伝熱管内流れ方向Ｘと、整列方向Ｚとの双方に直交する上下方向Ｙに並んでいる。なお、伝熱管内流れ方向Ｘは、整列方向Ｚと、上下方向Ｙとの双方と直交している。

　複数の風上フィン１１３は、平面視、複数の風上伝熱管１１１と交差している。より詳細には、複数の風上フィン１１３は、それぞれ、伝熱管内流れ方向Ｘに対して直交する整列方向Ｚに延びている。同様に、複数の風下フィン１１４は、平面視、複数の風下伝熱管１１２と交差している。より詳細には、複数の風下フィン１１４は、それぞれ、伝熱管内流れ方向Ｘに対して直交する整列方向Ｚに延びている。

　複数の風上伝熱管１１１の入口端は、共通の風上入口ヘッダ１０３に接続されており、複数の風上伝熱管１１１の出口端は、共通の風上出口ヘッダ１０５に接続されている。また、複数の風下伝熱管１１２の入口端は、共通の風下入口ヘッダ１０４に接続されており、複数の風下伝熱管の１１２出口端は、共通の風下出口ヘッダ１０６に接続されている。

　風上入口ヘッダ１０３と、風下入口ヘッダ１０４とは、複数の（本実施の形態１では２本の）入口分配管１２１を介して、入口集合管１２３の分岐部１２３ａに接続されている。また、風上出口ヘッダ１０５と、風下出口ヘッダ１０６とは、複数の（本実施の形態１では２本の）出口分配管１２５を介して、出口集合管１２７の分岐部１２７ａに接続されている。

　冷凍サイクル装置１は、さらに、第１温度センサ１３１を備える。第１温度センサ１３１は、出口集合管１２７の分岐部１２７ａに最も近い風上フィン１１３ａと、出口集合管１２７との間に配置されている。具体的一例として、本実施の形態１では、風上出口ヘッダ１０５と、出口集合管１２７の分岐部１２７ａとの間において、風上側の出口分配管１２５に設けられている。換言すれば、冷房運転時の冷媒の流れる向きに関して、風上出口ヘッダ１０５の下流部であって出口集合管１２７の分岐部１２７ａの上流部となる位置に設けられている。制御部１４０は、この第１温度センサ１３１の検出温度に基づいて除霜運転の終了を決定する。

　次に、上述した本実施の形態１の冷凍サイクル装置の動作について説明する。まず、暖房運転について説明する。暖房運転時は、図中、点線矢印で示したように冷媒が流れる。圧縮機５から送出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１１を通過し、室内熱交換器９へ流入する。室内熱交換器９へ流入した冷媒は、室内空気との熱交換により冷却されたのち、膨張部７へ流入し、減圧される。減圧された低温の冷媒は、室外熱交換器１００へ流入する。

　室外熱交換器１００へ流入した冷媒は、図３に示す出口集合管１２７、分岐部１２７ａを経て、風上出口ヘッダ１０５および風下出口ヘッダ１０６に流入する。風上出口ヘッダ１０５および風下出口ヘッダ１０６に流入した冷媒は、それぞれ、複数の風上伝熱管１１１および複数の風下伝熱管１１２に分かれて流れる。そして、冷媒は、風上伝熱管１１１および風下伝熱管１１２を流れる間、ファン１００ａにより送出された空気により加熱されて蒸発する。

　その後、蒸発した冷媒は、風上入口ヘッダ１０３および風下入口ヘッダ１０４で合流し、さらに、分岐部１２３ａを経て、入口集合管１２３で合流する。室外熱交換器１００を流出した冷媒は、四方弁１１を通って、圧縮機５へ戻る。すなわち、本実施の形態１における室外熱交換器１００は、冷媒と熱交換する流体（空気）の流れとほぼ平行な方向（整列方向Ｚ）に複数の列を有し、冷媒と熱交換する流体（空気）の流れとほぼ直交する方向（伝熱管内流れ方向Ｘ）に関して、複数の列にわたって、全ての伝熱管内の冷媒の流れが同一方向に設定されている。つまり、室外熱交換器１００は、多列直行流タイプの熱交換器である。

　ここで、上記冷凍サイクルの動作において、室外熱交換器を通過する冷媒の温度と空気の温度との関係を、図４に示す。図４の横軸は、図２および図３に示す整列方向Ｚを示し、縦軸は温度ｔを示す。

　図４に示されているように、風上列１０１と風下列１０２とを流れる冷媒の温度は概ね同じである。これは、熱交換器を流れる冷媒が飽和状態で流れているためである。

　一方、空気温度ｔａは、風上列１０１を通過する際に冷媒との熱交換により冷却され、温度が低下する。また、熱交換器のフィンもしくは伝熱管表面の温度が空気の露点温度以下となるとフィン表面もしくは伝熱管表面に露が発生し、空気の湿度も低下する。したがって、風下列１０２を流入する空気の温度及び湿度は、風上列１０１を流入する空気の温度及び湿度よりも低くなる。

　熱交換器における熱交換量の大きさは、冷媒の温度と、空気の温度もしくは湿度との差で決まるため、風下列１０２よりも風上列１０１の方が熱交換量は多くなる。

　さらに、空気の温度が低下すると、冷媒の温度も低下し、フィンもしくは伝熱管の温度が０度を下回る場合は空気中の水蒸気が霜として熱交換器に付着する。したがって、何らの対策もしない場合、霜は、熱交交換量の多い風上列１０１により多く付着し、風上列１０１と、風下列１０２とで霜量が不均一になる。

　そこで、本実施の形態１では、次のような態様により除霜運転を行う。除霜運転では、図３における四方弁１１を切替え、高温高圧の冷媒を、室外熱交換器１００に流すことで実施する。すなわち、冷媒の流れは暖房運転時とは逆方向となる。

　図５は、除霜運転中の室外熱交換器１００の冷媒の温度を示す。図５の横軸は、時間Ｓを示し、縦軸は、冷媒温度Ｔを示す。また、図５における実線は、除霜運転時における、第１温度センサ１３１によって検出された温度ＴＡ１であり、図５における点線は、風下列１０２の風下伝熱管１１２の出口温度ＴＢを示す。

　除霜運転を開始（時間ＳＳの時点）すると、高温冷媒の供給により、室外熱交換器１００の温度は上昇し、０度付近で、霜の融解が始まり、融解中しばらくは潜熱の影響により、温度は０度に止まる。そして、霜の融解がほぼ終了すると、再び、温度上昇が生じ、設定された霜取終了温度Ｔｆにおいて、除霜運転を終了する。

　しかしながら、ここで、着霜量が多い風上列１０１の温度は、風下列１０２の温度よりも上昇がしにくい。よって、風下列１０２の温度が十分に上昇した時、例えば、風下列１０２の出口温度ＴＢが霜取終了温度Ｔｆを超えた時（時間ＳＢの時点）に、除霜運転を終了してしまった場合、風上列１０１の温度は未だ十分に上昇してなく、風上列１０１における霜が適切に除去しきれていない恐れがある。

　そこで、本実施の形態１では、出口集合管１２７の分岐部１２７ａに最も近い風上フィン１１３ａと、出口集合管１２７との間に配置した第１温度センサ１３１により検出された温度ＴＡ１が霜取終了温度Ｔｆを超えた時（時間ＳＡの時点）に、除霜運転を終了する。換言すると、第１温度センサ１３１により検出された温度ＴＡ１が霜取終了温度Ｔｆを超えるまでは、除霜運転を継続する。このように、本実施の形態１では、制御部１４０は、第１温度センサ１３１の検出温度に基づいて除霜運転を終了する。これにより、風上列１０１および風下列１０２の双方において、霜が十分に溶けた状態を得ることができる。

　なお、霜取終了温度Ｔｆは、室外熱交換器の構成条件や使用環境条件に応じて個別に適切に設定するのが好適であり、０度より大きく２０度よりも小さい温度範囲の中から設定することができるが、好ましくは、５度より大きく２０度よりも小さい温度範囲の中から設定するとよい。

　以上に説明した本実施の形態１の冷凍サイクル装置によれば、熱負荷に分布があるような多列の熱交換器において残霜を低減することができる。

　実施の形態２．
　次に、図６に基づいて、本発明の実施の形態２について説明する。図６は、本実施の形態２についての、図３と同態様の図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

　本実施の形態２では、第２温度センサ２３１が設けられている。第２温度センサ２３１は、出口集合管１２７の分岐部１２７ａに最も近い風下フィン１１４ａと、出口集合管１２７との間に配置されている。具体的一例としては、風下出口ヘッダ１０６と、出口集合管１２７の分岐部１２７ａとの間において、風下側の出口分配管１２５に設けられている。第２温度センサ２３１もまた、制御部１４０に接続されている。

　本実施の形態２では、除霜運転時、第２温度センサ２３１により検出された温度ＴＡ２（なお、温度ＴＡ２は、上述した温度ＴＢと同じである）と、第１温度センサ１３１により検出された温度ＴＡ１との双方が、設定した霜取終了温度Ｔｆを超えた時に、制御部１４０は、除霜運転を終了する。つまり、温度ＴＡ２＞霜取終了温度Ｔｆ、且つ、温度ＴＡ１＞霜取終了温度Ｔｆが満たされたときに、除霜運転が終了される。

　以上に説明した本実施の形態２の冷凍サイクル装置によっても、熱負荷に分布があるような多列の熱交換器において残霜を低減することができ、風下側の冷媒温度も検出することで、より確実に熱交換器の霜を溶かすことができる。

　実施の形態３．
　次に、図７に基づいて、本発明の実施の形態２について説明する。図７は、本実施の形態３についての、図３と同態様の図である。なお、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

　本実施の形態３では、第３温度センサ３３１が設けられている。第３温度センサ３３１は、出口集合管１２７に配置されている。

　以上に説明した本実施の形態３の冷凍サイクル装置によっても、熱負荷に分布があるような多列の熱交換器において残霜を低減することができる。また、冷房運転時、出口分配管１２５の合流部で温度を検出できるため、冷凍サイクルにおいて適切な過冷却制御を行うことができる。

　以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

　上述した実施の形態では、空気調和機である冷凍サイクル装置として説明してきたが、本発明は、これに限定されるものではなく、圧縮機、膨張部、室内熱交換器、室外熱交換器を含む冷凍回路を備えた冷凍サイクル装置に広く適用することができる。よって、例えば、本発明は、給湯器である冷凍サイクル装置として実施することも可能である。

　また、上述した実施の形態においては、室外熱交換器は２列の熱交換器として説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、３列以上の熱交換器に適用することも可能である。その場合、本発明は、上記の風上列が、３列以上の熱交換器における最も風上側の列であるものとして、実施される。

　第１温度センサは、出口集合管の分岐部に最も近い風上フィンと、出口集合管との間に配置されていればよく、上述した実施の形態は、その一例である。よって、他の例として、第１温度センサは、風上出口ヘッダに取り付けられていてもよい。あるいは、第１温度センサは、出口集合管の分岐部に最も近い風上フィンと、風上出口ヘッダとの間で、風上伝熱管に取り付けられていてもよい。また、その場合、第１温度センサは、より下に位置する風上伝熱管に取り付けられている方が好ましく、最も下に位置する風上伝熱管に取り付けられていると最適である。

　１　冷凍サイクル装置、３　回路、５　圧縮機、７　膨張部、９　室内熱交換器、１００　室外熱交換器、１００ａ　ファン、１０１　風上列、１０２　風下列、１０３　風上入口ヘッダ、１０４　風下入口ヘッダ、１０５　風上出口ヘッダ、１０６　風下出口ヘッダ、１１１　風上伝熱管、１１２　風下伝熱管、１１３　風上フィン、１１４　風下フィン、１２１　入口分配管、１２３　入口集合管、１２３ａ、１２７ａ　分岐部、１２５　出口分配管、１２７　出口集合管、１３１　第１温度センサ、２３１　第２温度センサ、３３１　第３温度センサ。

Claims

　圧縮機と、室外熱交換器と、膨張部と、室内熱交換器とを含む回路を備え、
　前記室外熱交換器は、ファンと、第１熱交換器と、前記ファンにより起こされる気流に対して前記第１熱交換器よりも風下に配置される第２熱交換器とを備えており、
　前記第１熱交換器は、第１伝熱管と、前記第１伝熱管に交差する複数の第１フィンとを備えており、
　前記第２熱交換器は、第２伝熱管を備えており、
　前記第１伝熱管は、第１ヘッダに接続されており、
　前記第２伝熱管は、第２ヘッダに接続されており、
　前記第１ヘッダと、前記第２ヘッダとは、分配管を介して、集合管の分岐部に接続されている、冷凍サイクル装置であって、
　前記複数の第１フィンと、前記集合管の分岐部との間に、第１温度センサを配置した、
冷凍サイクル装置。
　前記冷凍サイクル装置は、制御部とを備え、
　前記制御部は、前記第１温度センサと接続され、前記第１温度センサの検出温度に基づいて除霜運転の終了を決定する、
請求項１の冷凍サイクル装置。
　前記第１温度センサは、前記第１ヘッダと前記集合管の分岐部との間において、前記分配管に設けられている、
請求項１または２の冷凍サイクル装置。
　前記冷凍サイクル装置は、前記第２伝熱管に交差する複数の第２フィンと、第２温度センサとを備え、
　前記第２温度センサは、前記集合管の分岐部に最も近い前記複数の第２フィンと、前記集合管の分岐部との間に、配置されている、
請求項１～３の冷凍サイクル装置。
　前記冷凍サイクル装置は、第３温度センサを備え、
　前記第３温度センサは、前記集合管に配置されている、
請求項１～３の冷凍サイクル装置。
　前記第１伝熱管および前記第２伝熱管はそれぞれ、扁平管であるか、または、直径が４ｍｍ以下の円管である、
請求項１～５の何れか一項の冷凍サイクル装置。