JP2010145023A - 冷媒加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱効率を向上することが可能な冷媒加熱装置を提供する。
【解決手段】冷媒加熱装置４は、配管部１１と、ＩＨヒータ１２とを備えている。配管部１１では、冷媒が流通される。ＩＨヒータ１２は、配管部１１の外周面に配置される。ＩＨヒータ１２は、配管部１１を介して配管部１１の内部の冷媒を誘導加熱により加熱する。配管部１１は、面積拡大部１５を有する。面積拡大部１５は、配管部１１の内面において冷媒と接触する面積を拡大する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒回路を流れる冷媒を加熱するための冷媒加熱装置に関する。

空気調和機の冷媒回路を流れる液冷媒を加熱して暖房能力や除霜能力を向上させるために、特許文献１に記載されるように、誘導加熱ヒータを用いた冷媒加熱装置がある。冷媒加熱装置は、誘導加熱ヒータによって直管状の冷媒配管を誘導加熱することによって、その冷媒配管の内壁から冷媒配管内部を流れる液冷媒へ熱が伝わることにより、液冷媒を迅速かつ高温に加熱することが可能である。
特開２００１−１０８３３２号公報

しかし、特許文献１に記載されるような冷媒加熱装置では、通常、誘導加熱ヒータによって誘導加熱される冷媒配管が円筒管であるので、冷媒配管の内壁と液冷媒との接触面積を広く確保することができず、加熱効率の向上が困難であるという問題がある。

本発明の課題は、加熱効率を向上することが可能な冷媒加熱装置を提供することにある。

第１発明の冷媒加熱装置は、配管部と、ヒータとを備えている。配管部では、冷媒が流通される。ヒータは、配管部の外周面に配置される。ヒータは、配管部を介して配管部内部の冷媒を加熱する。配管部は、面積拡大部を有する。面積拡大部は、配管部の内面において冷媒と接触する面積を拡大する。

ここでは、ヒータの配管部の内面において冷媒と接触する面積を拡大する面積拡大部を有するので、配管部における冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることが可能である。

第２発明の冷媒加熱装置は、第１発明の冷媒加熱装置であって、面積拡大部は、配管部の内壁に設けられた凹部または凸部を有している。

ここでは、面積拡大部が配管部の内壁に設けられた凹部または凸部を有しているので、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることが可能である。

第３発明の冷媒加熱装置は、第１発明または第２発明の冷媒加熱装置であって、面積拡大部は、配管部の内壁において配管部の軸方向へ直線状に延びる溝を有している。

ここでは、面積拡大部が配管部の内壁において配管部の軸方向へ直線状に延びる溝を有しているので、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることが可能である。また、冷媒流れを整流することが可能である。

第４発明の冷媒加熱装置は、第１発明または第２発明の冷媒加熱装置であって、面積拡大部は、配管部の内壁において配管部の軸方向へ螺旋状に延びる溝を有している。

ここでは、面積拡大部が配管部の内壁において配管部の軸方向へ螺旋状に延びる溝を有しているので、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることが可能である。また、螺旋状に延びる溝により、冷媒流れを乱し、冷媒の平均流速を低下させるので、冷媒と接続管との接触時間が長くなり、加熱性能をさらに向上させることが可能である。

第５発明の冷媒加熱装置は、第１発明の冷媒加熱装置であって、面積拡大部は、配管部の内壁に設けられた複数の穴を有するメッシュまたは多孔管により構成されている。

ここでは、面積拡大部が配管部の内壁に設けられた複数の穴を有するメッシュまたは多孔管により構成されているので、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることが可能である。

第６発明の冷媒加熱装置は、第５発明の冷媒加熱装置であって、メッシュは、配管部の内部にロウ付けされている。

ここでは、メッシュが配管部の内部にロウ付けされているので、冷媒によってメッシュが流されるおそれがなく、メッシュを配管部の内部に確実に固定できる。

第７発明の冷媒加熱装置は、第１発明から第５発明のいずれかの冷媒加熱装置であって、面積拡大部は、配管部のうち、誘導加熱ヒータの配置している区間に部分的に設けられている。

ここでは、面積拡大部が配管部のうち誘導加熱ヒータの配置している区間に部分的に設けられているので、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることが可能であるが、面積拡大部による冷媒の流れに対する影響を抑えることも可能である。

第８発明の冷媒加熱装置は、第１発明から第５発明のいずれかの冷媒加熱装置であって、面積拡大部は、冷媒の流れを乱す部分を有する。冷媒の流れを乱す部分は、配管部内部の冷媒の流れ方向に対して交差する。

ここでは、面積拡大部が、配管部内部の冷媒の流れ方向に対して交差し、冷媒の流れを乱す部分を有するので、冷媒の流れが乱され、冷媒の平均流速が低下する。これにより、冷媒と接続管との接触時間が長くなり、加熱性能をさらに向上させることが可能である。

第９発明の冷媒加熱装置は、第１発明から第８発明のいずれかの冷媒加熱装置であって、ヒータは、誘導加熱ヒータ（以下、ＩＨヒータという）である。

ここでは、ＩＨヒータを採用することにより、冷媒を迅速に加熱することが可能である。

第１発明によれば、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることができる。

第２発明によれば、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることができる。することができる。

第３発明によれば、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることができる。また、冷媒流れを整流することができる。

第４発明によれば、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることができる。また、螺旋状に延びる溝により、冷媒流れを乱し、冷媒の平均流速を低下させるので、冷媒と接続管との接触時間が長くなり、加熱性能をさらに向上させることが可能である。

第５発明によれば、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることができる。

第６発明によれば、冷媒によってメッシュが流されるおそれがなく、メッシュを配管部の内部に確実に固定できる。

第７発明によれば、冷媒と接触する面積を拡大し、加熱効率を向上させることができる。することができる。その一方で、面積拡大部による冷媒の流れに対する影響を抑えることもできる。

第８発明によれば、冷媒と接続管との接触時間が長くなり、加熱性能をさらに向上させることができる。

第９発明によれば、冷媒を迅速に加熱することができる。

つぎに、本発明の冷媒加熱装置の実施形態として、図面を参照しながら冷媒加熱装置４を備えた空気調和機１について説明する。

図１に示されるように、空気調和機１は、室外機２と、室内機３と、冷媒加熱装置４とを備えている。室外機２は、冷媒配管５および冷媒配管６を介して、室内空間Ｒの内部に設置された冷媒加熱装置４および室内機３に接続されている。冷媒配管５には、液体状態の冷媒が流れ、冷媒配管６には、ガス状態の冷媒が流れる。冷媒回路１０は、冷媒配管５および６と、室外機２（具体的には、電磁膨張弁２６、室外熱交換器２３、圧縮機２２および四路切換弁２５）と、室内機３（具体的には、室内熱交換器２７）と、冷媒加熱装置４（具体的には、接続管１１およびＩＨヒータ１２）とから構成される。図１には、暖房運転時の状態の冷媒回路１０が示されている。暖房運転の動作については、後段で詳述する。

なお、冷媒加熱装置４は、室外機２に内蔵してもよく、たとえば、室外機２内部の室外熱交換器２３と電磁膨張弁２６との間に配置することも可能である。

＜冷媒加熱装置４の構成＞
冷媒加熱装置４は、図２に示されるように、接続管１１と、ＩＨヒータ１２と、高周波電源１３とを備えている。

接続管１１は、冷媒回路１０の途中に接続されており、銅、ステンレスなどの熱伝導性の高い金属材料で製造される。具体的には、接続管１１は、冷媒配管５の途中にフレアナット等によって着脱自在に接続されている。接続管１１は、本発明における冷媒が流通する配管部に対応する。

なお、接続管１１は、後述するＩＨヒータ１２による誘導加熱を良好に行うために、ステンレス管、好ましくは、空気調和機１の他の銅配管との溶接を容易に行うために、ステンレス管内部に銅管を嵌め込んだ二重管であるのが好ましい。

ＩＨヒータ１２は、接続管１１の内部を流れる冷媒を誘導加熱により迅速に加熱するヒータである。ＩＨヒータ１２は、コイル１２ａと、筒状部材１２ｂとを有している。コイル１２ａは、断熱材からなる筒状部材１２ｂの外表面に巻き付いて配置されている。ＩＨヒータ１２は、誘導加熱を利用して、接続管１１を加熱し、それにより、接続管１１の内部を流れる冷媒を加熱する。ＩＨヒータ１２は、冷媒を迅速に加熱することができ、暖房能力および除霜能力を向上させることができる。

交流電源１３は、ＩＨヒータ１２のための交流電源であり、インバータ制御を行う、いわゆるインバータ電源である。

接続管１１は、接続管１１の内面において冷媒と接触する面積を拡大する面積拡大部１５を有する。

面積拡大部１５は、接続管１１の内壁に設けられた凹部または凸部を有しており、例えば、図３〜５に示されるような接続管１１の内壁において接続管１１の軸方向へ直線状に延びる溝１５ａを等間隔に複数本有している。

この溝１５ａは、接続管１１の内壁の全周において等間隔に形成された断面Ｕ字状の溝である。互いに隣接する２本の溝１５ａの間は、山形の突条１５ｂによって仕切られている。溝１５ａにより、接続管１１の内周の表面積は大幅に拡大するので、接続管１１からその内部を流れる液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能を大幅に向上させることが可能である。

＜室外機２の構成＞
室外機２は、図１に示されるように、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、冷媒と室外空気との間の熱交換を行う室外熱交換器２３と、室外熱交換器２３を通過する空気流れを発生する室外ファン２４と、冷媒の循環方向を反転させる四路切換弁２５と、電磁膨張弁２６とを備えている。室外機２は、四路切換弁２５を切り換えることによって、冷媒回路１０の内部における冷媒の流れを反転させることができる。

＜室内機３の構成＞
室内機３は、図１に示されるように、室内熱交換器２７と、室内熱交換器２７を通過する空気流れを発生させるクロスフローファン２８とを有している。室内熱交換器２７は、四路切換弁２５によって冷媒回路１０の内部の冷媒の流れる方向を反転させることによって、冷媒の凝縮および蒸発の両方を行うことが可能である。これにより、室内熱交換器２７は、冷媒配管５、６を通して室外機２から供給される冷媒と室内空気との間で熱交換を行うことにより、暖房および冷房を行うことが可能である。

＜空気調和機１の暖房運転＞
暖房運転時は、四路切換弁２５が図１において実線で示す状態に保持され、冷媒は、図１に示される冷媒回路１０を反時計回りに循環する。まず、圧縮機２２によってガス冷媒を圧縮してから高温高圧の状態にする。ついで、高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁２５、第２接続管１６および冷媒配管６を介して、室内機３の室内熱交換器２７に流入し、室内空気と熱交換して凝縮・液化する。このとき、冷媒の凝縮によって加熱された室内空気は、クロスフローファン２８によって室内空間Ｒへと吹き出され、室内空間Ｒを暖房する。ついで、室内熱交換器２７において液化した冷媒は、冷媒配管５を通って冷媒加熱装置４の接続管１１へ流入し、ＩＨヒータ１２によって加熱される。ＩＨヒータ１２によって加熱された冷媒は、室外機２の電磁膨張弁２６を通過することによって膨張し、所定の低圧まで減圧される。そののち、室外機２の室外熱交換器２３において、膨張した冷媒は、室外空気と熱交換して蒸発する。このとき、室外ファン２４よって室外熱交換器２３を通過する空気流れが発生している。そして、室外熱交換器２３で蒸発して気化した冷媒は、四路切換弁２５を介して圧縮機２２に吸入される。

＜空気調和機１の冷房運転＞
一方、冷房運転時は、四路切換弁２５が図１において破線で示す状態に保持され、冷媒は、図１に示される冷媒回路１０を時計回りに循環する。圧縮機２２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁２５を介して室外熱交換器２３に流入し、室外ファン２４によって室外熱交換器２３に強制的に送られた室外空気と熱交換して凝縮・液化する。液化した冷媒は、電磁膨張弁２６で所定の低圧に減圧され、液冷媒側の冷媒配管５を通って室内機３に流入する。室内機３において、冷媒は、室内熱交換器２７で室内空気と熱交換して蒸発する。そして、冷媒の蒸発によって冷却された室内空気は、クロスフローファン２８によって室内空間Ｒへと吹き出され、室内空間Ｒを冷房する。また、室内熱交換器２７で蒸発して気化した冷媒は、ガス冷媒側の冷媒配管６を通って室外機２に戻り、圧縮機２２に吸入される。

＜空気調和機１の逆サイクルデフロスト運転＞
室外空気が０℃未満の気温の場合、室外機２の室外熱交換器２３の外表面に霜が付くことがある。このような場合、空気調和機１は、除霜のために逆サイクルデフロスト運転を行う。逆サイクルデフロスト運転時には、基本的には、上記の冷房運転と同様に、四路切換弁２５が図１において破線で示す状態に保持され、冷媒は、図１に示される冷媒回路１０を時計回りに循環する。圧縮機２２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁２５を介して室外熱交換器２３に流入し、凝縮・液化する。

この逆サイクルデフロスト運転時では、冷媒の凝縮熱によって、室外熱交換器２３の外表面に付着する霜を溶かすことが可能である。このとき、室外ファン２４は停止している。一方、室内機３側では、クロスフローファン２８を停止した状態で、室内熱交換器２７によって冷媒を蒸発させる。室内熱交換器２７で蒸発して気化した冷媒は、ガス冷媒側の冷媒配管６を通って室外機２に戻り、圧縮機２２に吸入される。

このとき、冷媒加熱装置４では、冷媒配管５に接続された接続管１１を流れる液冷媒を、ＩＨヒータ１２によって加熱することによって、除霜能力を向上させ、デフロスト時間を短縮することが可能になる。

＜空気調和機１の正サイクルデフロスト運転＞
室外空気が０℃以上の気温の場合、空気調和機１は、除霜をしながら室内空間Ｒの暖房を行なう正サイクルデフロスト運転を行う。正サイクルデフロスト運転時には、基本的には、上記の暖房運転と同様に、四路切換弁２５が図１において実線で示す状態に保持され、冷媒は、図１に示される冷媒回路１０を反時計回りに循環する。

正サイクルデフロスト運転では、圧縮機２２は、能力を小さくして運転される。圧縮機２２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁２５を介して室内熱交換器２７に流入し、凝縮・液化しながら、クロスフローファン２８を作動することにより、室内空間Ｒの暖房を行なう。

凝縮・液化された冷媒は、冷媒加熱装置４のＩＨヒータ１２により加熱された後、室外熱交換器２３に流れる。加熱された冷媒が室外熱交換器２３に流入することによって、室外熱交換器２３の外表面に付着する霜を溶かすことが可能である。このとき、室外ファン２４は運転している。

＜特徴＞
（１）
実施形態の冷媒加熱装置４では、接続管１１が接続管１１の内面において冷媒と接触する面積を拡大する面積拡大部１５を有するので、接続管１１の内周の表面積は拡大するので、接続管１１からその内部を流れる液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能を向上させることが可能である。

（２）
とくに、実施形態の冷媒加熱装置４では、面積拡大部１５が接続管１１の内壁において接続管１１の軸方向へ直線状に延びる複数本の溝１５ａを有しているので、接続管１１の内周の表面積は大幅に拡大するので、接続管１１からその内部を流れる液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能を大幅に向上させることが可能である。

また、溝１５ａが接続管１１の軸方向Ｄへ直線状に延びるので、接続管１１の内部の冷媒の流れを整流させることも可能である。

＜変形例＞
（Ａ）
上記の実施形態では、面積拡大部１５が接続管１１の内壁において接続管１１の軸方向へ直線状に延びる溝１５ａを有しているのが、本発明はこれに限定されるものではない。

変形例として、図６に示されるように、接続管１１内部の冷媒の流れ方向に対して交差して冷媒の流れを乱す部分として接続管１１の内壁において接続管１１の軸方向へ螺旋状に延びる螺旋溝１６ａを有する面積拡大部１６であってもよい。この場合も接続管１１の内周の表面積は大幅に拡大するので、接続管１１からその内部を流れる液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能を大幅に向上させることが可能である。

また、螺旋溝１６が接続管１１の軸方向Ｄへ螺旋状に延びるので、接続管１１の内部を軸方向Ｄへ流れようとする冷媒と螺旋溝１６が交差するので、冷媒の流れが乱される。その結果、冷媒の平均流速が低下することにより、冷媒と接続管１１との接触時間が長くなり、加熱性能をさらに向上させることが可能である。

なお、面積拡大部１５の接続管１１内部の冷媒の流れ方向に対して交差して冷媒の流れを乱す部分は、螺旋状の溝以外にも、種々の形状のもの、例えば、接続管１１の内壁から突出する突起またはフィンなどを採用してもよい。

（Ｂ）
また、他の変形例として、上記の直線状の溝１５ａまたは螺旋溝１６ａ以外の凹部または凸部、例えば、図７に示されるように、接続管１１の内壁に設けられた点在する複数の凹部または凸部１７ａを有する面積拡大部１７の場合であっても、接続管１１の内周の表面積は拡大するので、接続管１１からその内部を流れる液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能を向上させることが可能である。

なお、点在する複数の凹部または凸部１７は、上記の直線状の溝１５ａまたは螺旋溝１６ａとともに、接続管１１の内壁に形成してもよく、この場合も、接続管１１から液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能をさらに向上させることが可能である。

また、接続管１１の内部を軸方向Ｄへ流れようとする冷媒と点在する複数の凹部または凸部１７（とくに凸部）が交差するので、冷媒の流れが乱され、冷媒の平均流速が低下することにより、冷媒と接続管１１との接触時間が長くなり、加熱性能をさらに向上させることが可能である。

（Ｃ）
また、面積拡大部の他の変形例として、図８に示されるように、面積拡大部１８は、接続管１１の内壁に設けられた複数の穴を有するメッシュ１８ａにより構成されていてもよく、この場合も、接続管１１内を流れる液冷媒との接触面積を増加させるので、接続管１１から液冷媒へ伝熱しやすくなり、冷媒の加熱性能をさらに向上させることが可能である。

メッシュ１８ａは、接続管１１と同じ材料で、たとえば銅などの材料で製造された格子状の部材である。メッシュ１８ａは、接続管１１の内部にロウ付け等の方法によって固定されているので、液冷媒によってメッシュ１８ａが流されるおそれがなく、確実に固定できる。メッシュ１８ａは、接続管１１からの熱を受けて、液冷媒を加熱することが可能である。

また、格子状のメッシュ１８ａを接続管１１の内部に設けることにより、液冷媒の流速が速い場合でも、液冷媒に確実に接触して加熱することが可能である。

なお、メッシュ１８ａの代わりに、多孔管を採用しても上記と同様の作用を奏することが可能である。

（Ｄ）
また、変形例として、図９に示されるように、上記実施形態の面積拡大部１５は、接続管１１のうち、ＩＨヒータ１２の配置している区間に部分的に設けられていてもよく、この場合、面積拡大部１５による冷媒の流れに対する影響を抑えながら、冷媒の加熱性能を向上させることが可能である。

（Ｅ）
上記実施形態では、接続管１１として、銅またはステンレスなどからなる一重管を例にあげて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩＨヒータ１２による誘導加熱の点と他の銅配管に対する溶接を容易に行う点を考慮して、ステンレス管内部に銅管を嵌め込んだ二重管を採用してもよい。

（Ｆ）
上記実施形態では、ヒータとして、誘導加熱によって冷媒を迅速に加熱することができるＩＨヒータ１２を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、接続管１１内部の冷媒を加熱するヒータ、例えば、電気ヒータやガスヒータ等を用いてもよい。

本発明は、空気調和機の冷媒を加熱するための冷媒加熱装置に適用することが可能である。

本発明の実施形態のである冷媒加熱装置を備えた空気調和機の冷媒回路を示す図。 図１の冷媒加熱装置の構成図。 図１の接続管の拡大図。 図１の接続管内部の面積拡大部の溝と山形の突条の配置を示す拡大図。 図１の接続管の長手方向に沿った断面図。 本発明の変形例である接続管の長手方向に沿った断面図。 本発明の他の変形例である接続管の長手方向に沿った断面図。 本発明のさらに他の変形例である接続管の拡大図。 本発明のさらに他の変形例である冷媒加熱装置の構成図。

符号の説明

１ 空気調和機
２ 室外機
３ 室内機
４ 冷媒加熱装置
５ 冷媒配管
６ 冷媒配管
１０ 冷媒回路
１１ 接続管（配管部）
１２ ＩＨヒータ（誘導加熱ヒータ）
１５、１６、１７、１８ 面積拡大部

Claims (9)

1. 冷媒が流通される配管部（１１）と、
   前記配管部（１１）の外周面に配置され、前記配管部（１１）を介して前記配管部（１１）内部の冷媒を加熱するヒータ（１２）と
   を備えている冷媒加熱装置であって、
   前記配管部（１１）は、前記配管部（１１）の内面において冷媒と接触する面積を拡大する面積拡大部（１５、１６、１７、１８）を有する、
   冷媒加熱装置。
2. 前記面積拡大部（１５、１６、１７）は、前記配管部（１１）の内壁に設けられた凹部または凸部（１５ａ、１６ａ、１７ａ）を有している、
   請求項１に記載の冷媒加熱装置。
3. 前記面積拡大部（１５）は、前記配管部（１１）の内壁において前記配管部（１１）の軸方向へ直線状に延びる溝（１５ａ）を有している、
   請求項１または２に記載の冷媒加熱装置。
4. 前記面積拡大部（１６）は、前記配管部（１１）の内壁において前記配管部（１１）の軸方向へ螺旋状に延びる溝（１６ａ）を有している、
   請求項１または２に記載の冷媒加熱装置。
5. 前記面積拡大部（１８）は、前記配管部（１１）の内壁に設けられた複数の穴を有するメッシュ（１８ａ）または多孔管により構成されている、
   請求項１に記載の冷媒加熱装置。
6. 前記メッシュ（１８ａ）は、前記配管部（１１）の内部にロウ付けされている、
   請求項５に記載の冷媒加熱装置。
7. 前記面積拡大部（１５、１６、１７、１８）は、前記配管部（１１）のうち、前記誘導加熱ヒータ（１２）の配置している区間に部分的に設けられている、
   請求項１から５のいずれかに記載の冷媒加熱装置。
8. 前記面積拡大部（１６、１７）は、前記配管部（１１）内部の前記冷媒の流れ方向に対して交差し、前記冷媒の流れを乱す部分（１６ａ、１７ａ）を有する、
   請求項１から５のいずれかに記載の冷媒加熱装置。
9. 前記ヒータは、誘導加熱ヒータである、
   請求項１から８のいずれかに記載の冷媒加熱装置。

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