JP2007285669A - 熱交換器および冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】内部を通過する液相流体を蒸発させる熱交換器の流体通過音を抑制する。
【解決手段】熱交換後の冷媒を流出管１７４に導く流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉのうち、最も上方に配置された流出用チューブ１７２ｆを、他の流出用チューブ１７２ｇ〜１７２ｉよりも、流出管１７４の流出口１７４ａに近い部位に接続する。これにより、最も上方に配置された流出用チューブ１７２ｆから流出管１７４へ導かれた気相冷媒が、他の流出用チューブ１７２ｇ〜１７２ｉから流出管１７４へ導かれた液相冷媒を追い越す際に発生する冷媒通過音を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度の異なる流体を間接的に接触させて両流体間で熱交換を行わせる熱交換器およびこの熱交換器を適用した冷凍サイクルに関するもので、例えば、ヒートポンプ式給湯器に用いて好適である。

従来、冷凍サイクルの低圧側に配置された空気熱交換器（冷媒蒸発器）にて大気から吸熱した熱量を、高圧側の水冷媒熱交換器にて放熱させて給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯器が知られている。この種のヒートポンプ式給湯器は、冬場などの外気温が低い環境下で作動させると室外機ユニットに搭載される空気熱交換器に着霜してしまうので、空気熱交換器に発生した霜を取り除くための除霜運転を行う必要がある。

例えば、特許文献１では、冷媒減圧手段および冷媒循環手段の役割を果たすエジェクタを備えることでサイクル効率（ＣＯＰ）を向上させたエジェクタ式冷凍サイクルを適用したヒートポンプ式給湯器が開示されている。このヒートポンプ式給湯器では、エジェクタ下流側に配置された気液分離器に貯めた液相冷媒を加熱し、加熱した液相冷媒を空気熱交換器内部へ導くことで空気熱交換器の除霜を行っている。
特開２００５−１８０８６９号公報

ところが、特許文献１のように、加熱した液相冷媒を空気熱交換器内部へ導くことで空気熱交換器の除霜を行うと、除霜運転時に冷媒が空気熱交換器内部を通過する音（冷媒通過音）が増大してしまうことがあった。

そこで、本発明者がその原因について調査したところ、除霜運転時に空気熱交換器内部を通過する液相冷媒の一部が蒸発して気相冷媒になっていることが原因であると判明した。その理由は、液相冷媒と気相冷媒とでは空気熱交換器内部を通過する速度が異なるため、液相冷媒と気相冷媒が混ざり合う部位において、速度の速い気相冷媒が速度の遅い液相冷媒の中を通過しながら追い越す際に冷媒通過音を増大させてしまうからである。

本発明は上記点に鑑み、熱交換器の流体通過音を抑制することを第１の目的とする。

また、本発明は、内部を通過する液相流体を蒸発させる熱交換器の流体通過音を抑制することを第２の目的とする。

また、本発明は、冷媒蒸発器における冷媒通過音を抑制した冷凍サイクルを提供することを第３の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、第１流体が通過する複数本のチューブ（１７２）と、チューブ（１７２）の外周に接合されて、第１流体とチューブ（１７２）の周りを流れる第２流体との熱交換を促進させるフィン（１７１）と、熱交換後の第１流体を流出させる流出口（１７４ａ）を有する流出管（１７４）とを備える熱交換器であって、複数本のチューブ（１７２）のうち予め定めた２本以上は、流出管（１７４）に接続されて、熱交換後の第１流体を流出管（１７４）に導く流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）になっており、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が最も高い流出用チューブ（１７２ｆ）は、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されている熱交換器を第１の特徴とする。

これによれば、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が最も高い流出用チューブ（１７２ｆ）が、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、流出管（１７４）の流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されているので、気相割合が最も高い流出用チューブ（１７２ｆ）から導かれた気相状態の第１流体を、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）から導かれた液相状態の第１流体よりも先に流出管（１７４）の流出口（１７４ａ）より流出させることができる。

その結果、流出管（１７４）において、気相割合が最も高い流出用チューブ（１７２ｆ）から導かれた気相状態の第１流体が、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）から導かれた液相状態の第１流体を追い越すことがないので、流出管（１７４）における冷媒通過音を抑制することができる。

例えば、上記の第１の特徴の熱交換器を、上述の特許文献１に記載されたヒートポンプ式給湯器において、内部を通過する液相の冷媒（第１流体）を蒸発させる空気熱交換器に適用すれば、除霜運転時の冷媒通過音（第１流体通過音）を効果的に抑制できる。

なお、本発明における気相割合とは、気相状態の第１流体と液相状態の第１流体との合計体積に対する気相状態の第１流体の体積の割合を意味する。もちろん、気相状態の第１流体と液相状態の第１流体との合計質量に対する気相状態の第１流体の質量の割合としてもよい。

また、上述の第１の特徴の熱交換器において、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）は、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が高いものから順に、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されていてもよい。

これによれば、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が高いものから順に、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されているので、液相状態の第１流体を追い越す気相状態の第１流体の量を効果的に抑制することができる。その結果、より一層、効果的に冷媒通過音を抑制することができる。

また、本発明では、第１流体が通過する複数本のチューブ（１７２）と、チューブ（１７２）の外周に接合されて、第１流体とチューブ（１７２）の周りを流れる第２流体との熱交換を促進させるフィン（１７１）と、熱交換後の第１流体を流出させる流出口（１７４ａ）を有する流出管（１７４）とを備える熱交換器であって、チューブ（１７２）は、略水平方向に延びる形状に形成されており、さらに、複数本のチューブ（１７２）は、略鉛直方向に積層されるとともに、複数本のチューブ（１７２）のうち予め定めた２本以上は、流出管（１７４）に接続されて、熱交換後の第１流体を流出管（１７４）に導く流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）になっており、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、最も上方に配置された流出用チューブ（１７２ｆ）は、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されている熱交換器を第２の特徴とする。

ところで、本発明者の検討によれば、上述の特許文献１のように、加熱した液相流体を熱交換器内部へ導くことで熱交換器の除霜を行う場合、霜の溶け具合によってチューブ（１７２）を通過する冷媒の状態が変化することが判っている。

例えば、第２の特徴の熱交換器のように、チューブ（１７２）が略水平方向に延びる形状に形成されており、さらに、複数本のチューブ（１７２）が略鉛直方向に積層されている熱交換器において、除霜時に加熱した液相状態の第１流体を熱交換器内部へ導くと、溶けた霜が水となり、この水が重力によって上から下へと流れる。

そのため、熱交換器の上側のチューブ（１７２）を通過する第１流体は、霜および霜が溶けた水によって冷却されなくなり、さらに第２流体から吸熱して気化しやすい。一方、熱交換器の下側のチューブ（１７２）を通過する第１流体は、霜が溶けても上から流れてくる水（霜が溶けた水）によって冷却されるので気化しにくい。

このことは、上方に配置された流出用チューブ（１７２ｆ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合は、下方に配置された流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合に対して高くなることを意味する。

従って、第２の特徴の熱交換器では、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、最も上方に配置された流出用チューブ（１７２ｆ）が、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されているので、実質的に、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が最も高い流出用チューブ（１７２ｆ）が、他の流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、流出管（１７４）の流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されることになる。

その結果、第１の特徴の熱交換器と同様の冷媒通過音抑制効果を得ることができる。また、液相状態の第１流体を蒸発させる蒸発器として第２の特徴の熱交換器を用いることで、冷媒通過音を効果的に抑制できる。

なお、本発明における略水平方向に延びる形状とは、同一水平面上で直線上に延びる形状のみを意味するものではなく、同一水平面上であれば、いずれの方向に延びる形状であっても略水平方向に延びる形状に含まれる。

例えば、同一水平面上で蛇行しながら延びる形状や同一水平面上で折り曲がった形状も含まれる。また、完全に同一水平面上で延びる形状のみを意味するものではなく、加工・組付誤差等によって同一水平面上から微少にずれて延びる形状も含まれる。

さらに、本発明における略鉛直方向とは、完全に水平面に垂直な方向と一致する方向のみを意味するものではなく、加工・組付誤差等によって鉛直方向に対して微少な傾きを有する方向も含まれる意味である。また、略鉛直方向に積層されているとは、略鉛直方向に一列に積層されていることのみを意味するものではなく、複数列に積層されているものも含む意味である。

また、上述の第２の特徴の熱交換器において、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）は、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が高いものから順に、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されていてもよい。

これによれば、上述したように、実質的に、流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から流出管（１７４）に導かれる第１流体の気相割合が高いものから順に、流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されることになるので、液相状態の第１流体を追い越す気相状態の第１流体の量を効果的に抑制することができる。その結果、より一層、効果的に冷媒通過音を抑制することができる。

また、本発明では、上述の第１、２の特徴の熱交換器（１７）を冷媒蒸発器として用いた冷凍サイクルを第３の特徴とする。これによれば、第１、２の特徴の熱交換器（１７）の冷媒通過音抑制効果によって、冷媒蒸発器における冷媒通過音を抑制した冷凍サイクルを提供することができる。

また、第３の特徴の冷凍サイクルにおいて、高圧側冷媒圧力が超臨界圧力以上になるように構成されていてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１〜４により、本発明の熱交換器および冷凍サイクルをヒートポンプ式給湯器（以下給湯器と略称する。）に適用した例について説明する。図１は、本実施形態の給湯器の全体構成図である。この給湯器は、給湯水を貯留する貯湯タンク１０、給湯水を加熱するための冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）１１、および貯湯タンク１０内の給湯水を循環するための水循環通路１２を備えている。

そして、図１の破線に示すように、冷凍サイクル１１および水循環通路１２によって、給湯器の室外機を構成するヒートポンプユニット１００が構成されている。まず、貯湯タンク１０は、耐食性に優れた金属（例えば、ステンレス）製で、断熱構造を有し、高温の給湯水を長時間保温することができる。

また、貯湯タンク１０に貯留された給湯水は、貯湯タンク１０の上部に設けられた温水流出部１０ａから出湯され、図示しない温調弁において水道からの冷水と混合されて温度調節された後、台所や風呂等に給湯される。また、貯湯タンク１０内の下部に設けられた冷水流入部１０ｂから水道水が補給されるようになっている。

水循環通路１２には、給湯水を循環させる電動水ポンプ１３が配置されており、給湯水は、図１の矢印で示すように、貯湯タンク１０下部の給湯水出口１０ｃ→電動水ポンプ１３→水冷媒熱交換器１５の水通路１５ａ→貯湯タンク１０上部の給湯水入口１０ｄの順に循環する。

冷凍サイクル１１は、圧縮機１４、水冷媒熱交換器１５、エジェクタ１６、空気熱交換器１７、およびアキュムレータ１８を有して構成される。なお、本実施形態では、冷媒として、高圧圧力が臨界圧力以上（超臨界状態）となる二酸化炭素を使用しているので、冷凍サイクル１１は超臨界サイクル構成する。

圧縮機１４は、内蔵する電動モータ１４ａによって駆動される電動圧縮機であり、その吸入冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出するものである。なお、圧縮機１４の圧縮機構としては、ロータリー式、スクロール式、プランジャ式等、種々の形式を採用できる。また、エンジン駆動式の圧縮機を採用してもよい。

水冷媒熱交換器１５は、圧縮機１４の吐出冷媒（高温高圧冷媒）と水循環通路１２を流れる給湯水との間で熱交換を行って、給湯水を加熱するものである。この水冷媒熱交換器１５は、給湯水が流れる水通路１５ａと、圧縮機吐出冷媒が流れる冷媒通路１５ｂとを有し、水通路１５ａを流れる給湯水の流れ方向と冷媒通路１５ｂを流れる冷媒の流れ方向とが対向するように構成されている。

なお、本実施形態では、冷媒通路１５ｂを流れる冷媒（二酸化炭素）は、圧縮機１４で臨界圧力以上に圧縮されることにより超臨界状態のまま給湯水に放熱するので、水冷媒熱交換器１５において放熱しても凝縮することはない。

水冷媒熱交換器１５の下流側には内部熱交換器１９が接続されている。この内部熱交換器１９は、水冷媒熱交換器１５から流出した冷媒が通過する高圧側通路１９ａと圧縮機１４へ吸入される冷媒が通過する低圧側通路１９ｂとを有し、水冷媒熱交換器１５流出冷媒と圧縮機１４吸入冷媒とを熱交換させるものである。

そして、水冷媒熱交換器１５流出冷媒が、圧縮機１４吸入冷媒と熱交換して放熱することにより、後述する空気熱交換器１７における冷媒入口・出口間の冷媒のエンタルピ差を増大させて、サイクルの冷凍能力を増大させるようになっている。

内部熱交換器１９の高圧側通路１９ａ下流側には、エジェクタ１６が接続されている。エジェクタ１６は冷媒を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴出する冷媒流の吸引作用によって冷媒を吸引するポンプ手段の役割を兼ねるものである。このような作用を果たすエジェクタ１６は特許第３３２２２６３号公報等により公知である。

ここで、エジェクタ１６の概要を説明すると、エジェクタ１６は、内部熱交換器１９の高圧側通路１９ａから高圧冷媒が流入する高圧冷媒入口１６０、この高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部１６１、および、このノズル部１６１から噴射する高速度の冷媒流により空気熱交換器１７から流出した冷媒を吸引する冷媒吸引口１６２等を有して構成される。

ノズル部１６１の下流側には、高速度の噴射冷媒流と冷媒吸引口１６２からの吸引冷媒とを混合する混合部１６３が形成され、この混合部１６３の下流側に昇圧部をなすディフューザ部１６４が形成されている。このディフューザ部１６４は冷媒の通路面積を徐々に拡大する形状に形成されており、冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる作用、つまり、冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換する作用を果たす。

さらに、ノズル部１６１には電動アクチュエータ１６５により位置制御される可変ニードル１６６が配置され、この可変ニードル１６６の軸方向の位置制御によりノズル部１６１の冷媒通路面積を電気的に制御できるようになっている。

エジェクタ１６のディフューザ部１６４下流側には、アキュムレータ１８が接続されており、ディフューザ部１６４流出冷媒はアキュムレータ１８に流入する。アキュムレータ１８は、ディフューザ部１６４から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するとともに、サイクル中の余剰冷媒を液相冷媒として蓄える気液分離器である。

アキュムレータ１８の上部には、気相冷媒を流出させる気相冷媒出口１８ａが設けられ、この気相冷媒出口１８ａは前述の内部熱交換器１９の低圧側通路１９ｂを介して圧縮機１４の吸入側に接続される。

また、アキュムレータ１８の下部（底部）には液相冷媒を流出させる液相冷媒出口１８ｂが設けられ、この液相冷媒出口１８ｂは固定絞りからなる補助減圧器２０を介して空気熱交換器１７の流入管１７３の流入口１７３ａに接続される。この固定絞りとしてはキャピラリチューブ、オリフィス等を採用できる。

空気熱交換器１７は、内部を通過する低圧冷媒と室外空気とを熱交換させて、低圧冷媒を外気から吸熱させて蒸発させる蒸発器であり、空気熱交換器１７には電動室外ファン２１により外気が矢印Ａ方向に送風される。空気熱交換器１７の流出管１７４の流出口１７４ａは前述のエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に接続される。

従って、本実施形態において、本発明の熱交換器は空気熱交換器（冷媒蒸発器）として適用されており、さらに、第１流体は冷媒であり、第２流体は空気（電動室外ファン２１送風空気）である。

空気熱交換器１７の詳細については、図２〜４により説明する。図２は、空気熱交換器１７の模式的な全体斜視図を示す。なお、図２の上下・左右各矢印の各方向は、ヒートポンプユニットに搭載した状態における方向を示している。

また、図３は、図２におけるＢ矢視図であって、空気熱交換器１７の冷媒回路を説明するための模式的な側面図である。図４は、図２において空気熱交換器１７の冷媒回路（熱交換領域）を説明するための模式的な全体斜視図である。

空気熱交換器１７は、低圧冷媒と外気（電動室外ファン２１送風空気）との熱交換を促進させるプレート状のフィン１７１、内部を冷媒が通過するチューブ１７２、アキュムレータ１８から流出した液相冷媒を流入させる流入口１７３ａを有する流入管１７３、熱交換後の冷媒を流出させる流出口１７４ａを有する流出管１７４を有して構成される。

フィン１７１は、放熱性に優れる金属（本実施形態では、アルミニウム）で構成され、上下方向に細長く延びる平板状の形状になっている。フィン１７１は左右方向に多数枚積層されるとともに、左側端部において送風空気流れ方向Ａに多数枚積層されている。従って、上方から見ると、全体としてＬ字状に湾曲するように積層配置されている。

チューブ１７２は、積層された各フィン１７１の板面を串刺し状に貫通するように配置されている。このチューブ１７２は銅製の丸管によって構成されており、略水平方向に延びる形状になっている。具体的には、各フィン１７１を貫通するように、上方から見ると全体としてフィン１７１の積層形状に適合するＬ字状の形状になっている。従って、本実施形態の空気熱交換器１７は、フィンアンドチューブ型の熱交換器である。

なお、本実施形態のチューブ１７２の形状は、Ｌ字状に湾曲しているが、同一水平面上で折り曲げられた形状なので、略水平方向に延びる形状に含まれる。また、フィン１７１（アルミニウム）とチューブ１７２（銅）との接触部にはプレ・コーティングが施されているので、異金属の直接接触による電気化学的腐食（電食）は生じない。

また、チューブ１７２は、送風空気流れ方向Ａに対して２列に複数本積層配置されており、チューブ１７２の左側の空気流れ方向下流側端部はＵ字状に折り返され、さらに、右側端部では、所定のチューブ１７２同士が適宜Ｕベント管等によって連通するようになっている。

ここで、空気熱交換器１７内部の冷媒回路について、図３、４により説明する。複数本積層配置されたチューブ１７２のうち、空気熱交換器１７下方側に位置する２本の流入用チューブ１７２ａには、流入管１７３が接続されている。この流入管１７３は流入口１７３ａから流入した冷媒流れを２つに分岐して流入用チューブ１７２ａに流入させるものである。

流入用チューブ１７２ａに流入した冷媒流れは、さらに、空気熱交換器１７下方側に配置されたチューブ１７２を通過して分岐され、４つのチューブ１７２ｂ〜１７２ｅに流入する。そして、チューブ１７２ｂ〜１７２ｅに流入した冷媒は、流出管１７４に流入するまで互いに混ざり合うことなく独立に構成された冷媒回路を流れる。

具体的には、図３に示すように、チューブ１７２ｂに流入した冷媒は流出用チューブ１７２ｆから流出し、チューブ１７２ｃに流入した冷媒は流出用チューブ１７２ｇから流出し、チューブ１７２ｄに流入した冷媒は流出用チューブ１７２ｈから流出し、最下部に配置されたチューブ１７２ｅに流入した冷媒は流出用チューブ１７２ｉから流出する冷媒回路が構成される。

なお、図３に示す各チューブ１７２間を結ぶ破線は、チューブ１７２左側の空気流れ方向下流側端部のＵ字状の折り返しによって接続されるチューブ１７２を示すものである。従って、図４に示すように、上から順にチューブ１７２ｂ→１７２ｆの冷媒回路によって熱交換領域Ｃ、チューブ１７２ｃ→１７２ｇの冷媒回路によって熱交換領域Ｄ、チューブ１７２ｃ→１７２ｇの冷媒回路によって熱交換領域Ｅ、チューブ１７２ｄ→１７２ｈの冷媒回路によって熱交換領域Ｆの４つの熱交換領域が構成される。

つまり、本実施形態の空気熱交換器１７は、流入管１７３から流入させた冷媒を４つの冷媒回路に分岐する、いわゆる４パスタイプの熱交換器である。このように４パスタイプの熱交換器を採用することで、流入管１７３から流入した液相冷媒が各冷媒回路を通過しながら蒸発して気相冷媒となって体積膨張しても、圧力損失が増大することを抑制している。

また、図３に示すように、各流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉは流出管１７４に接続されている。従って、各流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉは、熱交換後の冷媒を流出管１７４に導くものである。この流出管１７４は下側に湾曲部を有する略Ｕ字形状の管であり、一方の端部は閉塞され、他方の端部に冷媒を流出させる流出口１７４ａが配置されている。従って、流出口１７４ａは上方に向かって開口している。

そして、各熱交換領域Ｃ〜Ｆのうち最も上方に位置する熱交換領域Ｃを構成する流出用チューブ１７２ｆが他の流出用チューブ１７２ｇ〜１７２ｉよりも流出口１７４ａに近い部位に接続されている。すなわち、各流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉのうち、最も上方に配置された流出用チューブ１７２ｆが、他の流出用チューブ１７２ｇ〜１７２ｉよりも流出口１７４ａに近い部位に接続されている。

次に、本実施形態の電気制御部の概要を説明する。図１に示す制御装置２２はマイクロコンピュータおよびその周辺回路等により構成され、その出力側には、電動水ポンプ１３、圧縮機１４の電動モータ１４ａ、エジェクタ１６の電動アクチュエータ１６５、電動室外ファン２１等が接続され、これらの機器の作動を制御する。

また、制御装置２２の入力側には、圧縮機１４の吐出冷媒温度を検出する温度センサ２３、水冷媒熱交換器１５の出口冷媒圧力（高圧圧力）を検出する圧力センサ２４、空気熱交換器１７の出口冷媒温度を検出する温度センサ２５、水循環通路１２のうち、水冷媒熱交換器１５の水通路１５ａ入口側の給湯水温度を検出する温度センサ２６、外気温を検出する温度センサ２７等のセンサ群の検出信号が入力される。

さらに、給湯器の操作パネル２８から、給湯器の作動、停止の操作信号、給湯器の給湯水設定温度信号等が制御装置２２に入力される。なお、図１では、制御装置２２をヒートポンプユニット１００内部に配置しているが、操作パネル２８と一体に構成して、室内側に配置してもよい。

次に、上記の構成における本実施形態の給湯器の作動を説明する。ヒートポンプユニット１００に外部から電源が供給された状態で、操作パネル２８の給湯器作動信号が制御装置２２に入力されると、制御装置２２が給湯器の運転を開始する。なお、制御装置２２では、給湯器の運転中に温度センサ２５により検出される空気熱交換器１７の出口冷媒温度に基づいて空気熱交換器１７の除霜運転の必要有無を判定する。

このような除霜運転の必要有無判定は、例えば、空気熱交換器１７の出口冷媒温度が所定温度Ｔ１以下の場合は除霜運転の必要有りと判定し、空気熱交換器１７の出口冷媒温度が所定温度Ｔ１より高い場合は除霜運転の必要無しと判定すれば、容易に判定できる。

そして、制御装置２２が、除霜運転の必要無しと判定したときは、給湯器の通常運転がなされる。この通常運転は給湯水を加熱する「沸き上げ運転」とも呼ばれる。通常運転では、制御装置２２が電動水ポンプ１３、電動室外ファン２１、エジェクタの電動アクチュエータ１６５、圧縮機１４を作動させる。

まず、圧縮機１４は、通常運転時の制御特性により決まる所定回転数にて回転するように制御され、冷媒を吸引し圧縮して吐出する。圧縮機１４から吐出された高温高圧の冷媒は、水冷媒熱交換器１５の冷媒通路１５ｂに流入して、電動水ポンプ１３によって水通路１５ａに流入した給湯水と熱交換することで、冷媒が冷却され、給湯水が加熱される。加熱された給湯水は、貯湯タンク１０に貯留される。

一方、水冷媒熱交換器１５で放熱した高圧冷媒はエジェクタ１６の高圧冷媒入口１６０へ流入する。高圧冷媒入口１６０に流入した冷媒はノズル部１６１において減圧膨張される。この減圧膨張時に冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されるので、冷媒はノズル部１６１の先端から高速度となって噴出する。

そして、ノズル部１６１からの高速度の冷媒流の冷媒吸引作用により、冷媒吸引口１６２から空気熱交換器１７通過後の冷媒を吸引する。ノズル部１６１から噴出した冷媒と冷媒吸引口１６２から吸引された冷媒は、ノズル部１６１下流側の混合部１６３で混合してディフューザ部１６４に流入する。このディフューザ部１６４では通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されるため冷媒の圧力が上昇する。

なお、本実施形態では、水冷媒熱交換器１５で冷却された高圧冷媒の圧力が圧力センサ２４により検出され、この高圧冷媒の圧力が目標高圧となるようにエジェクタ１６のノズル部１６１の冷媒通路面積を制御する。すなわち、エジェクタ１６の電動アクチュエータ１６５により可変ニードル１６６の軸方向位置を制御して、実際の高圧圧力が目標高圧となるようにノズル部１６１の冷媒通路面積を制御する。

この目標高圧は温度センサ２７により検出される外気温、温度センサ２６により検出される水冷媒熱交換器１５の入口側給湯水温度、および目標沸き上げ温度に基づいて算出される。なお、目標沸き上げ温度は使用者の設定する給湯水設定温度、あるいは貯湯タンク１０内の給湯水温度等に基づいて算出される温度である。

エジェクタ１６のディフューザ部１６４から流出した冷媒はアキュムレータ１８に流入する。アキュムレータ１８で分離された気相冷媒は、気相冷媒出口１８ａから流出して、内部熱交換器１９の低圧側通路１９ｂを介して再び圧縮機１４に吸入される。一方、アキュムレータ１８で分離された液相冷媒は、液相冷媒出口１８ｂから流出して、補助減圧機２０で減圧膨張され、流入管１７３の流入口１７３ａから空気熱交換器１７に流入する。

空気熱交換器１７に流入した冷媒は、前述の４つの冷媒回路に分岐され、熱交換領域Ｃ〜Ｆを通過する際に、電動室外ファン２１の送風空気から吸熱して蒸発し、流出管１７４の流出口１７４ａを介してエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２から吸引されて、ノズル部１６１から噴出した冷媒と混合される。

従って、本実施形態では、エジェクタ１６を採用して冷凍サイクル１１を構成しているので、ノズル部１６１による減圧直後の最も低い圧力を冷媒吸引口１６２から空気熱交換器１７に作用させることができ、圧縮機１４の吸入側にはディフューザ部１６４による昇圧後の圧力を作用させることができる。

その結果、空気熱交換器１７の蒸発圧力よりも圧縮機１４の吸入圧力を高くすることができ、その分だけ圧縮機１４の駆動動力を低減させて、サイクル効率（ＣＯＰ）を向上させることができる。つまり、給湯水の加熱効率を向上させることができる。

一方、制御装置２２が除霜運転の必要有りと判定したときは、空気熱交換器１７の除霜運転がなされる。除霜運転では、制御装置２２が電動水ポンプ１３および電動室外ファン２１の作動を停止し、エジェクタ１６のノズル部１６１の冷媒通路面積を電動アクチュエータ１６５により所定値まで増加させ、また、圧縮機１４を所定回転数で作動させる。

ここで、除霜運転時におけるエジェクタ１６のノズル部１６１冷媒通路面積の所定値は、通常運転時の同一高圧条件における冷媒通路面積も大きい値であり、圧縮機１４の除霜運転時の所定回転数は、通常運転時の所定回転数よりも大きい値である。

これにより、電動水ポンプ１３の作動を停止したまま冷凍サイクル１１を作動させることにより、圧縮機１４の高温吐出冷媒が水冷媒熱交換器１５にて給湯水側に放熱することを抑制できる。しかも、エジェクタ１６のノズル部１６１の冷媒通路面積増加によりエジェクタ１６での減圧による冷媒温度の低下も抑制できる。

そして、圧縮機１４吐出冷媒は、温度低下が抑制された状態で、水冷媒熱交換器１５→内部熱交換器１９→エジェクタ１６を通過して、アキュムレータ１８で気液分離されるので、アキュムレータ１８に蓄えられた液相冷媒の温度が上昇する。

温度上昇したアキュムレータ１８の液相冷媒は、流入口１７３ａから空気熱交換器１７に流入して、空気熱交換器１７の熱交換領域Ｃ〜Ｆを通過する際に放熱して、熱交換領域Ｃ〜Ｆの外表面に発生した霜を溶かし、流出管１７４の流出口１７４ａを介してエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２から吸引される。これにより空気熱交換器１７の除霜がなされる。

ところで、上述の如く、温度上昇した液相冷媒を空気熱交換器１７へ導いて空気熱交換器１７の除霜を行う場合、溶けた霜が水となり、この水が重力によって上から下へと流れる。そのため、上方に位置する熱交換領域Ｃを通過する冷媒は、霜および霜が溶けた水によって冷却されなくなり気化しやすい。

一方、熱交換領域Ｃよりも下方に位置する熱交換領域Ｄ〜Ｆを通過する冷媒は、霜が溶けても上から流れてくる水（霜が溶けた水）によって冷却されるので気化しにくい。つまり、下方に位置する熱交換領域程、通過する冷媒が気化しにくくなる。具体的には、熱交換領域Ｆ→Ｅ→Ｄの順で気化しにくくなる。

これは、上方に配置された流出用チューブ１７２ｂから流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合（乾き度）が、下方に配置された流出用チューブ１７２ｃ〜１７２ｅから流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合に対して高くなることを意味する。

本実施形態の空気熱交換器１７では、流出用チューブ１７２ｃ〜１７２ｅのうち、最も上方に配置された流出用チューブ１７２ｂが、他の流出用チューブ１７２ｃ〜１７２ｅよりも、流出口１７４ａに近い部位に接続されている。

そのため、各流出用チューブ１７２ｂ〜１７２ｅから流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合が最も高い流出用チューブ１７２ｂが、他の流出用チューブ１７２ｃ〜１７２ｅよりも、流出管１７４の流出口１７４ａに近い部位に接続されることになる。

これにより、気相割合が最も高い流出用チューブ１７２ｂから導かれた気相冷媒を、他の流出用チューブ１７２ｃ〜１７２ｅから導かれた液相冷媒よりも先に流出管１７４の流出口１７４ａより流出させることができる。

その結果、流出管１７４において、流出用チューブ１７２ｂから導かれた気相冷媒が、他の流出用チューブ１７２ｃ〜１７２ｅから導かれた液相冷媒を追い越すことがないので、除霜運転時に流出管１７４における冷媒通過音が増大することを抑制できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、各流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉのうち、最も上方に配置された流出用チューブ１７２ｆを、流出管１７４のうち流出口１７４ａに最も近い部位に接続しているが、本実施形態では、図５に示すように、さらに流出用チューブ１７２ｆの次に上方に配置された流出用チューブ１７２ｇを、流出用チューブ１７２ｆの次に流出口１７４ａに近い部位に接続している。その他の構成は第１実施形態と同様である。

これによれば、流出用チューブ１７２ｈ、１７２ｉよりも流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合（乾き度）が高い流出用チューブ１７２ｇを、流出用チューブ１７２ｈ、１７２ｉよりも流出管１７４の流出口１７４ａに近い部位に接続しているので、より一層、液相冷媒を追い越す気相冷媒の量を抑制して、冷媒通過音を抑制することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第２実施形態に対して、さらに流出用チューブ１７２ｇの次に上方に配置された流出用チューブ１７２ｈを、図６に示すように、流出用チューブ１７２ｇの次に流出口１７４ａに近い部位に接続している。

つまり、本実施形態では、流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉから流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合（乾き度）が高いものから順に、流出口１７４ａに近い部位に接続されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

これによれば、流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉから流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合（乾き度）が高いものから順に、流出口１７４ａに近い部位に接続されることになるので、液相冷媒を追い越す気相冷媒の量を効果的に抑制することができ、より一層、効果的に冷媒通過音を抑制することができる。

（第４実施形態）
上述の各実施形態では、流出管１７４を下側に湾曲部を有する略Ｕ字形状の管で構成し、流出口１７４ａは上方に向かって開口するようにしているが、本実施形態では、図７に示すように、流出管１７４を上側に湾曲部を有する略Ｕ字形状の管で構成し、流出口１７４ａを下方に向かって開口するように構成している。

さらに、各流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉは、流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合（乾き度）が高いものから順に、流出口１７４ａに近い部位に接続されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。従って、本実施形態においても第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、流出管１７４を上側に湾曲部を有する略Ｕ字形状の管で構成しているので、各流出用チューブ１７２ｆ〜１７２ｉのうち、上方に配置されるものから順に容易に流出口１７４ａに近づけるように接続することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、空気熱交換器１７として、いわゆる４パスタイプの熱交換器を採用しているが、空気熱交換器１７の構成はこれに限定されない。つまり、少なくとも２本以上の流出用チューブを有する熱交換器であって、流出管１７４に導かれる冷媒の気相割合（乾き度）が高い流出用チューブを、他の流出用チューブよりも流出管１７４の流出口１７４ａに近い部位に接続すれば、本発明の効果を得ることができる。

（２）上述の実施形態では、エジェクタ式冷凍サイクルによって構成された給湯器の例を説明しているが、本発明はエジェクタを用いない通常の冷凍サイクルにも適用できる。例えば、圧縮機１４吸入側にアキュムレータ１８が配置される通常の冷凍サイクルであっても、アキュムレータ１８で分離された液相冷媒を空気熱交換器１７に導くことで除霜運転を行う場合は、本発明の熱交換器を適用することで冷媒通過音を抑制できる。

（３）上述の実施形態では、超臨界サイクルを構成する冷凍サイクルを適用した給湯機の例を説明しているが、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界サイクルを構成する冷凍サイクルを適用した給湯器であってもよい。

（４）上述の実施形態では、除霜運転時にエジェクタ１６のノズル部１６１の冷媒通路面積の制御と圧縮機１４の回転数制御の両方を実行して、圧縮機１４吐出冷媒の温度低下を抑制しているが、ノズル部の１６１の冷媒通路面積の制御と圧縮機１４の回転数制御のいずれか一方のみを実行して、除霜運転時の圧縮機１４吐出冷媒の温度低下を抑制するようにしてもよい。

また、除霜運転時に水ポンプ１３を停止して水冷媒熱交換器１５における冷媒放熱量を減少させているが、水ポンプ１３を完全に停止せず、水ポンプ１３を低回転による低速作動させて、水冷媒熱交換器１５における冷媒放熱量を減少させるようにしてもよい。

（５）上述の実施形態の冷凍サイクルでは、内部熱交換器１９を備えているが、内部熱交換器１９を備えていない冷凍サイクルに本発明を適用してもよい。

（６）上述の実施形態では、給湯器の空気熱交換器１７として本発明の熱交換器を適用しているが、給湯器に限定されず、暖房機、冷房機用の冷媒蒸発用熱交換器に本発明の熱交換器を適用してもよい。さらに、熱交換器内部を通過する流体に吸熱させて蒸発させる機能を有する熱交換器であって、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであれば、上述の実施形態に限定されず、種々な用途に適用できる。

第１実施形態のヒートポンプ式給湯器の全体構成図である。 第１実施形態の空気熱交換器の全体斜視図である。 第１実施形態の空気熱交換器における図２のＢ方向から見た模式的な側面図である。 第１実施形態の空気熱交換器の熱交換領域を説明するための全体斜視図である。 第２実施形態の空気熱交換器における図２のＢ方向から見た模式的な側面図である。 第３実施形態の空気熱交換器における図２のＢ方向から見た模式的な側面図である。 第４実施形態の空気熱交換器における図２のＢ方向から見た模式的な側面図である。

符号の説明

１７…熱交換器、１７１…フィン、１７２…チューブ、
１７２ｆ〜１７２ｉ…流出用チューブ、１７４…流出管、１７４ａ…流出口。

Claims (6)

1. 第１流体が通過する複数本のチューブ（１７２）と、
   前記チューブ（１７２）の外周に接合されて、前記第１流体と前記チューブ（１７２）の周りを流れる第２流体との熱交換を促進させるフィン（１７１）と、
   熱交換後の前記第１流体を流出させる流出口（１７４ａ）を有する流出管（１７４）とを備える熱交換器であって、
   前記複数本のチューブ（１７２）のうち予め定めた２本以上は、前記流出管（１７４）に接続されて、前記熱交換後の前記第１流体を前記流出管（１７４）に導く流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）になっており、
   前記流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、前記流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から前記流出管（１７４）に導かれる前記第１流体の気相割合が最も高い前記流出用チューブ（１７２ｆ）は、他の前記流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、前記流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）は、前記流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）から前記流出管（１７４）に導かれる前記第１流体の気相割合が高いものから順に、前記流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 第１流体が通過する複数本のチューブ（１７２）と、
   前記チューブ（１７２）の外周に接合されて、前記第１流体と前記チューブ（１７２）の周りを流れる第２流体との熱交換を促進させるフィン（１７１）と、
   熱交換後の前記第１流体を流出させる流出口（１７４ａ）を有する流出管（１７４）とを備える熱交換器であって、
   前記チューブ（１７２）は、略水平方向に延びる形状に形成されており、
   さらに、前記複数本のチューブ（１７２）は、略鉛直方向に積層されるとともに、前記複数本のチューブ（１７２）のうち予め定めた２本以上は、前記流出管（１７４）に接続されて、前記熱交換後の前記第１流体を前記流出管（１７４）に導く流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）になっており、
   前記流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）のうち、最も上方に配置された前記流出用チューブ（１７２ｆ）は、他の前記流出用チューブ（１７２ｇ〜１７２ｉ）よりも、前記流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されていることを特徴とする熱交換器。
4. 前記流出用チューブ（１７２ｆ〜１７２ｉ）は、鉛直上方に配置されたものから順に、前記流出口（１７４ａ）に近い部位に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載された熱交換器（１７）を冷媒蒸発器として用いたことを特徴とする冷凍サイクル。
6. 高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上になることを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル。

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