JP2011169493A - 蒸発器およびそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜に用いる熱エネルギをさらに低減できる蒸発器およびそれを用いた冷凍装置を提供する。
【解決手段】蒸発器において、材料変形温度を境にした温度変化によって変形する複数の温度変形部材４０を、フィン３２等の熱交換部の表面全域にわたって分散して配置する。そして、蒸発器の除霜運転時では、その材料変形温度を跨いで熱交換部の表面温度を変化させることで、温度変形部材４０を変形させ、氷とフィン３２の表面との間に歪みを形成することにより、熱交換部の表面から氷を剥がす。これによると、氷を溶かして除去するのではなく、氷の状態で除去するので、氷を溶かして除去する場合よりも、除霜に用いる熱エネルギをさらに低減できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、蒸発器およびそれを用いた冷凍装置に関するものである。

冷凍装置用の蒸発器に付着した霜、すなわち、氷を取り除きやすくする技術が特許文献１に開示されている。

この技術は、蒸発器のプレートフィンの表面に、低熱容量で氷が溶けやすい表面部分Ａと、撥水性で氷が付きにくい表面部分Ｂとを分散配置したものである。これによると、氷を取り除く除霜運転時には、表面全域の氷を溶かさなくても、表面部分Ａに接触する氷のみを溶かして氷を剥離させることで、表面部分Ｂに付着した氷も剥離させることができるので、除霜に要する熱エネルギが少なく済むというものである。

さらに、この技術では、プレートフィンの風上側端部に板状可動部材を設けている。この板状可動部材は、プレートフィンの表面温度が所定温度を超える範囲では、プレートフィンの表面に沿う形状であり、プレートフィンの表面温度が所定温度に低下したときに、板状可動部材の一部がプレートフィンの表面から離れるように変形するものである。この変形によって、氷に切れ目を生じさせて、風の力で氷をさらに剥離させやすくしている。

特許第４２６９６６０号公報

上述の従来技術は、板状可動部材がプレートフィンの表面全域ではなく一部のみに設置されていることから、板状可動部材は氷の剥離を補助するためのものであって、主に氷を溶かすことで、プレートフィンに付着した氷を除去する技術である。

このため、上述の従来技術では、プレートフィンに付着した氷が溶けて剥がれ落ちるように、氷が溶ける温度まで蒸発器の温度を上昇させ、氷が溶けるまでその温度に維持する必要があるため、結局のところ、除霜に用いる熱エネルギが多くなってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、除霜に用いる熱エネルギをさらに低減できる蒸発器およびそれを用いた冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、蒸発器において、所定温度を境にして変形する温度変形部材（４０）が、熱交換部（３１、３２）の表面の全域にわたって配置されており、
表面に氷が付着した場合に、前記所定温度を跨いだ温度変化によって、温度変形部材（４０）が変形して、氷と表面との間に歪みを形成するようになっていることを特徴としている。

これによると、熱交換部の表面に氷が付着した場合、表面全域にわたって配置した温度変形部材によって氷を剥がすことができる。

そして、本発明では、氷の状態のまま、氷を除去できるので、除霜の際では、蒸発器に対して、所定温度を跨いだ温度変化をさせることができる分の熱エネルギを投入すれば良い。このため、本発明によれば、氷を溶かして除去する従来技術のように、氷が溶ける温度まで上昇させる必要が無く、また、氷が溶ける温度まで上昇させても、氷が溶けるまで、その温度で長時間維持する必要も無い。よって、本発明によれば、従来技術と比較して、除霜に用いる熱エネルギを低減できる。

なお、本発明の対象である蒸発器には、蒸発器のみの用途に使用される熱交換器だけでなく、蒸発器と放熱器との間で切り替えて使用される熱交換器も含まれる。

請求項２に記載の発明では、前記所定温度は氷点よりも低いことを特徴としている。

これによると、氷点以下の温度範囲での温度変化によって温度変形部材を変形させることができるので、除霜の際では、氷点以下の温度範囲で温度変化させることができる分の熱エネルギを投入すれば良く、蒸発器の温度を氷が溶ける温度まで上昇させなくても良い。このため、本発明によれば、氷を溶かして除去する従来技術と比較して、除霜に用いる熱エネルギを低減できる。

請求項１、２に記載の発明においては、例えば、請求項３に記載の発明のように、温度変形部材（４０）が熱交換部の表面の全域に分散配置されている構成を採用できる。このとき、請求項４に記載の発明のように、分散配置されている温度変形部材（４０）は、空気流れ上流側での温度変形部材同士の間隔（Ｌ１）が、空気流れ下流側での温度変形部材同士の間隔（Ｌ２）よりも大きいことが好ましい。

また、請求項５に記載の発明のように、温度変形部材（４０）は、温度変形部材（４０）は、角部（４０ａ）を有する形状であることが好ましい。

また、請求項６に記載の発明のように、温度変形部材（４０）としては形状記憶合金で構成されたものを採用できる。

この場合、請求項７に記載の発明のように、温度変形部材（４０）は、形状記憶合金からなり、所定の変態温度を有する第１部材（４１）と、形状記憶合金からなり、第１部材の変態温度よりも低い変態温度を有する第２部材（４２）とを有し、
第１部材（４１）の変態温度よりも低い温度から高い温度へ温度上昇すると、第１部材（４１）が記憶形状になることで、第２部材（４２）が変形し、
第１部材（４１）の変態温度よりも高い温度から低い温度へ温度下降すると、第２部材（４２）の弾性力によって第１部材（４１）が変形する構成となっていることが好ましい。

また、請求項８に記載の発明のように、温度変形部材（４０）としては、所定温度を境にした温度変化によって変形する有機材料もしくは錯体で構成されたものを採用できる。

また、請求項９に記載の発明のように、温度変形部材（４０）としては、バイメタル（４３）で構成されたものを採用できる。

請求項１０に記載の発明では、圧縮機（１１）と、放熱器（１２）と、減圧手段（１４）と、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸発器（１３）とを備える冷凍装置であって、
表面に氷が付着した場合に、熱交換部（３１、３２）の表面温度を、前記所定温度を跨いで繰り返し変化させる温度制御手段（１６）を備えることを特徴としている。

ここで、所定温度を跨いだ１回の温度変化では、温度変形部材が変形しようとしても氷によって変形せず、氷と熱交換部の表面との間に亀裂を生じさせることができない可能性がある。

これに対して、本発明では、複数回の温度変化によって、温度変形部材に対して繰り返し変形しようとする力を生じさせることで、氷に亀裂を生じさせることができ、確実に、氷を剥がすことができる。

また、本発明では、請求項１に記載の蒸発器を用いているので、請求項１に係る発明と同様に、従来よりも除霜に必要な熱エネルギを低減できる。

請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の発明において、温度制御手段（１６）は、圧縮機（１１）の冷媒吐出能力を変化させることで、表面温度を繰り返し変化させることを特徴としている。

また、請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載の発明において、温度制御手段（１６）は、冷凍サイクルの通常運転時に表面に氷が付着した場合、圧縮機（１１）の吐出能力が通常運転時よりも低い第１運転と、圧縮機（１１）の吐出能力が第１運転時よりも高い第２運転との切り替えを繰り返すことを特徴としている。

このように、請求項１０に記載の発明の具体的な構成としては、例えば、請求項１１、請求項１２に記載の発明を採用することができる。

ここで、従来の冷凍装置では、除霜運転として通常運転とは異なる冷凍サイクル運転やホットガス運転を行うため、除霜運転時に、通常運転と同じ冷凍サイクル運転をし続けることができなかった。例えば、冷凍装置を暖房用途に用いる場合では、暖房運転を停止しなければならなかった。

これに対して、本発明によれば、圧縮機の吐出能力を変化させることで除霜するので、除霜運転時でも、通常運転と同じ冷凍サイクル運転をし続けることができる。例えば、冷凍装置を暖房用途に用いる場合では、暖房運転をし続けながら除霜できる。

また、請求項１３に記載の発明では、請求項１０に記載の発明において、蒸発器（１３）に流入する冷媒よりも高温の冷媒の一部を、蒸発器（１３）に流入させるバイパス経路（１７）と、バイパス経路を開閉する開閉手段（１８）とを備え、
制御手段（１６）は、開閉手段（１８）の開閉を繰り返すことで、温度変化を繰り返すことを特徴としている。

また、請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載の発明において、バイパス経路（１７）は、蒸発器流出後であって圧縮機吸入前の冷媒の一部を蒸発器（１３）の流入側に戻す経路であることを特徴としている。

このように、請求項１０に記載の発明の具体的な構成として、例えば、請求項１３、請求項１４に記載の発明を採用することもできる。

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。

本発明の第１実施形態における冷凍装置の全体構成を示す図である。 図１中の室外熱交換器１３の熱交換部の拡大図である。 図２中の領域Ａ１の斜視図である。 図２中の領域Ａ１の部分断面図である。 第１実施形態における温度変形部材４０の断面図である。 第１実施形態におけるフィン３２の表面温度の変化を示すタイムチャートである。 従来の冷凍装置における室外熱交換器の温度変化を示すタイムチャートである。 第２実施形態におけるフィン３２の表面の斜視図である。 第３実施形態における温度変形部材４０の断面図である。 第４実施形態における温度変形部材４０の断面図である。 他の実施形態における冷凍装置の全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に本実施形態における冷凍装置の全体構成を示す。本実施形態の冷凍装置は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＶ）に搭載される車両用空調装置に本発明を適用したものである。

図１の車両用空調装置１は、冷房運転モードと暖房運転モードとが切り替え可能に構成された蒸気圧縮式の冷凍サイクル１０と、室内空調ユニット２０とを備えている。

冷凍サイクル１０は、圧縮機１１と、室内熱交換器１２と、室外熱交換器１３と、減圧装置１４と、四方弁１５と、制御装置（ＥＣＵ）１６とを備えている。

圧縮機１１は、冷凍サイクル１０において、吸入した冷媒を圧縮して吐出するものであり、吐出容量が固定された固定容量型圧縮機構を電動モータで駆動する電動圧縮機である。電動モータは、制御装置１６から出力される制御信号によって回転数が制御され、この回転数制御によって、圧縮機１１の冷媒吐出能力が変更される。したがって、この電動モータが圧縮機１１の吐出能力変更手段を構成する。

室内熱交換器１２は、車室内に向かって流れる空気と冷媒とを熱交換するものである。

室外熱交換器１３は、室外送風機１３ａによって送風される車室外の空気と冷媒とを熱交換するものである。減圧装置１４は、冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。

四方弁１５は、冷房運転モード時の冷媒流路と、暖房運転モード時の冷媒流路とを切り替える流路切替手段である。四方弁１５は、圧縮機１１の冷媒吐出側に接続されており、制御装置１６から出力される制御信号によって冷媒流路を切り替える。

冷房運転モードでは、図１中の実線矢印で示すように、圧縮機１１→室外熱交換器１３→減圧装置１４→室内熱交換器１２→圧縮機１１の順に冷媒が循環する。これにより、圧縮機１１から吐出された冷媒が、室外熱交換器１３で空気へ放熱し、減圧装置１４で減圧された冷媒が、室内熱交換器１２で空気から吸熱して蒸発する。したがって、冷房運転モードのとき、室外熱交換器１３は放熱器として機能する。

暖房運転モードでは、図１中の破線矢印で示すように、圧縮機１１→室内熱交換器１２→減圧装置１４→室外熱交換器１３→圧縮機１１の順に冷媒が循環する。これにより、圧縮機１１から吐出された冷媒が、室内熱交換器１２で空気へ放熱し、減圧装置１４で減圧された冷媒が、室外熱交換器１３で空気から吸熱して蒸発する。したがって、暖房運転モードのとき、室外熱交換器１３は蒸発器として機能する。

室内空調ユニット２０は、車室内へ向かって流れる空気通路を形成する空調ケース２１を備え、この空調ケース２１に、空気流れを形成する送風機２２と、上述の室内熱交換器１２とが収容されている。

制御装置１６は、空調制御を行う制御手段であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。制御装置１６は、図示しない操作パネルから入力される操作信号や、各種センサ類から入力される車両環境状態を示す信号に基づいて、出力側に接続された圧縮機１１、四方弁１５、送風機２２、室外送風機１３ａ等の各種機器の作動を制御する。これにより、例えば、冷凍サイクル１０が暖房運転モードで作動し、圧縮機１１が所望の回転数で作動する。

なお、この制御装置１６が、本発明における所定温度を跨いで熱交換部の表面温度を繰り返し変化させる温度制御手段に相当する。また、制御装置１６は、圧縮機１１の吐出能力を制御する吐出能力制御手段を構成している。また、本例の制御装置１６は、吐出能力制御手段と、他の機器を制御する制御手段とが一体に構成されたものであるが、各種機器の制御手段をそれぞれ別体の構成としても良い。

図２に、室外熱交換器１３の熱交換部の一部を示す。図２に示すように、室外熱交換器１３は、空気と冷媒とを熱交換させる熱交換部としての複数のチューブ３１およびフィン３２を備えている。

チューブ３１は、一方向に延びた形状であって、内部に冷媒通路を形成するものであり、その両端に図示しないヘッダタンクがそれぞれ接続されている。これにより、一方のヘッダタンクから複数のチューブ３１に分配供給された冷媒は、他方のヘッダタンクに向かって、複数のチューブ３１の内部を流れ、他方のヘッダタンクで集合する。

フィン３２は、チューブ３１の外面に接合されており、チューブ３１の内部を流れる冷媒と、チューブ３１の外部を流れる空気との熱交換を促進させるものである。本実施形態のフィン３２は、波状に折れ曲がっているコルゲートフィンである。

図３、４に、図２中の領域Ａ１の斜視図、断面図をそれぞれ示す。図３、４は、フィン３２の表面を示している。なお、各図の（ａ）は所定温度よりも低い低温時を示しており、（ｂ）は所定温度よりも高い高温時を示している。

図３に示すように、フィン３２の表面には、全域にわたって、複数の温度変形部材４０が分散して配置されている。温度変形部材４０は、所定の材料変形温度（所定温度）を境にした温度変化によって変形する部材である。複数の温度変形部材４０は、本例では、すべて同じ大きさであり、等間隔で配置されている。

この温度変形部材４０は、例えば、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、材料変形温度よりも低い低温域では、フィン３２の表面に沿うような平らな形状であり、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、材料変形温度よりも高い高温域では、膨らんだ形状となる。このように、温度変形部材４０は、材料変形温度を境にして、フィン３２の表面に垂直な方向で膨張状態と収縮状態との間で変化する。

そして、温度変形部材４０が、図４（ａ）に示す形状と図４（ｂ）に示す形状との間で変形することで、フィン３２の表面に氷５０が付着した場合に、フィン３２の表面と氷５０との間の界面、すなわち、フィン３２の表面と氷５０との結合面に歪を形成して、フィン３２の表面から氷５０を剥がすことができるようになっている。

この温度変形部材４０をより詳細に説明する。図５（ａ）〜（ｃ）に温度変形部材４０の拡大図を示す。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、フィン３２の表面温度Ｔが、Ｔ＞−５℃、−３０℃＜Ｔ＜−５℃、Ｔ＞−５℃のときを示している。

温度変形部材４０は、変態温度が異なる２種類の形状記憶合金で構成される。具体的には、図５（ａ）に示すように、温度変形部材４０は、ともに形状記憶合金からなる第１部材４１と第２部材４２とを有する。第１部材の変態温度は、氷点よりも低く、室外熱交換器１３に着霜が生じるときの冷媒温度よりも高い。一方、第２部材の変態温度は、第１部材の変態温度よりも低く、室外熱交換器１３に着霜が生じるときの冷媒温度よりも低い。本例では、第１部材４１の変態温度は−５℃であり、第２部材の変態温度は−３０℃である。

ここで、形状記憶合金は、変態温度を境にして温度変化すると、結晶構造がオーステナイト相とマルテンサイト相との間で変態し、変態温度よりも高い温度域では、オーステナイト相となり、変態温度よりも低い温度域では、マルテンサイト相となる。形状記憶合金は、オーステナイト相のときに弾性を有するが、マルテンサイト相のときに弾性を失う。このため、形状記憶合金は、変態温度よりも高い温度域では、外力に対して弾性が働くため、外力による変形が生じにくい状態となり、記憶形状が維持されるが、変態温度よりも低い温度域では、外力によって変形されやすい状態となる。

形状記憶合金としては、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系合金、Ｃｕ―Ｚｎ―Ａｌ系合金等の一般的なものを採用することができる。ちなみに、形状記憶合金の変態温度は、合金組成、加工方法、熱処理条件等によって決まるので、本例に示す変態温度の形状記憶合金を選択すれば良い。また、形状記憶合金としては、ヒステリシス幅が小さなものを採用することが好ましい。ヒステリシス幅が小さい程、小さな温度変化幅で変形が可能となるからである。

本例において、第１部材４１は、第１部材４１の変態温度（−５℃）よりも高い温度域では、波状に折れ曲がった板形状となるものであり、第２部材４２は、第２部材４２の変態温度（−３０℃）よりも高い温度域では、平板形状となるものである。また、第１部材４１、第２部材４２の両方の変態温度よりも高い温度域では、第１部材４１の方が第２部材４２よりも形状を維持する力が強い関係となっている。

このため、図５（ａ）に示すように、フィン３２の表面温度Ｔが−５℃よりも高い場合、第１部材４１と第２部材４２の両方の変態温度よりも高いので、第１部材４１はオーステナイト相となって記憶形状である波板形状となり、第２部材４１は、第１部材４１によって弾性変形し、平板が波状に折れ曲がった状態となる。このとき、第１部材４１には、第２部材４１が折れ曲がった形状から平らな形状に伸びようとする力が作用した状態となる。

そして、フィン３２が冷却されて、図５（ｂ）に示すように、フィン３２の表面温度Ｔが−５℃よりも低く、−３０℃よりも高い温度になると、第１部材４１の変態温度よりも低いので、第１部材４１はマルテンサイト相に移行し外力によって変形し易い状態となり、第２部材４２の変態温度よりも高いので、記憶形状に戻ろうとする。このため、第２部材４２の折れ曲がった形状から平らな形状に伸びようとする弾性力により、第１部材４１がフィン３２の表面に平行な方向に引っ張られて変形する。この結果、温度変形部材４０全体としては、フィン３２の表面に平行な方向で伸びた状態となり、フィン３２の表面に垂直な方向で収縮した状態となる。

また、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）のときから昇温して、フィン３２の表面温度Ｔが−５℃よりも高い温度になると、第１部材４１の変態温度よりも高いので、第１部材４１はオーステナイト相に移行し、記憶形状である波板形状に戻る。この結果、温度変形部材４０全体としては、フィン３２の表面に平行な方向で収縮した状態となり、フィン３２の表面に垂直な方向で膨張した状態となる。

このように、第１部材４１の変態温度が温度変形部材４０の材料変形温度であり、第１部材４１の変態温度を跨いで温度変化すると、温度変形部材４０は、フィン３２の表面に垂直な方向での長さが変わり、その方向で膨張や収縮する。

なお、第１部材４１と第２部材４２とは、両者の接触部分で固定されており、第２部材４２の中央部４２ａがフィン３２の表面に固定されている。この第２部材４２の中央部４２ａは、変態温度を跨いで温度変化しても、平らな形状が維持される部分であり、フィン３２の表面に良好に固定される。本例では、第２部材４２の中央部４２ａをフィン３２の表面に固定しているが、一部が固定されていれば、端部等の他の箇所を固定しても良い。

次に、制御装置１６が実行する空調制御について説明する。

制御装置１６は、暖房時に、冷凍サイクル１０を暖房運転モードで作動させる。このとき、制御装置１６は、通常運転時に凝縮水が凍結して室外熱交換器１３に着霜が生じた場合、除霜運転に切り替え、除霜運転の終了後、通常運転に戻る制御を実行する。

ちなみに、通常運転は、車室内暖房を目的とした空調熱負荷に基づく冷凍サイクルの運転であり、操作パネルから入力される操作信号や、各種センサ類から入力される車両環境状態を示す信号に基づいて、制御目標を決定し、この制御目標に応じて圧縮機１１等の各種機器を作動させる運転である。

通常運転時において、制御装置１６は、室外熱交換器１３に着霜が生じたか否かを判定する着霜判定を行う。本例では、室外熱交換器１３の冷媒出口から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサの検出結果に基づいて着霜判定を行い、冷媒温度が着霜判定温度以下で所定時間経過した場合に着霜が生じたと判定する。例えば、着霜判定温度が−１０℃に設定されている場合、冷媒温度が−１０℃で所定時間経過したときに、着霜が生じたと判定する。

一方、除霜運転は、室外熱交換器１３の熱交換部に付着した霜（氷）を除去する運転である。

ここで、本実施形態の除霜運転について図６を用いて説明する。図６は、フィン３２の表面温度の変化を示すタイムチャートである。この除霜運転では、図６に示すように、フィン３２の表面温度を、温度変形部材４０の材料変形温度Ｔｃを跨いで繰り返し変化させる運転を行う。本例では、温度変形部材４０の材料変形温度Ｔｃが着霜時の表面温度である第１温度Ｔ１よりも高いので、除霜運転では、材料変形温度Ｔｃよりも低い第１温度Ｔ１から材料変形温度Ｔｃよりも高い第２温度Ｔ２まで上昇させて所定時間保持した後、第２温度Ｔ２から第１温度Ｔ１へ下降させて所定時間保持し、再び、第２温度Ｔ２まで上昇させた後、第１温度Ｔ１まで下降させる。このように、材料変形温度Ｔｃを跨いだ温度上昇および温度下降を繰り返させる。なお、本例では、材料変形温度Ｔｃは第１部材４１の変態温度である−５℃であり、第１温度Ｔ１は−１０℃であり、第２温度Ｔ２を−３℃としている。

そして、このような温度制御を実現するために、本例では、制御装置１６は、冷凍サイクル１０を暖房運転モードで作動させたまま、圧縮機１１の冷媒吐出能力を変化させる制御を実行する。すなわち、制御装置１６は、圧縮機１１の冷媒吐出能力が通常運転時よりも低い第１運転と、圧縮機１１の吐出能力が通常運転時と同じ第２運転との切り替えを繰り返す制御を実行する。

より具体的には、通常運転から除霜運転に切り替えたとき、制御装置１６は、暖房運転モードのまま、圧縮機１１の回転数を通常運転時の目標回転数よりも低く設定した第１運転を行う。このときの圧縮機１１の回転数は、冷媒温度が第２温度Ｔ２（本例では−３℃）まで上昇するように、室外熱交換器１３の冷媒出口温度を検出する冷媒温度センサの検出温度に基づいて設定される。これにより、フィン３２の表面温度は、冷媒温度と同様に、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２、すなわち、−１０℃から―３℃となる。

そして、制御装置１６は、第１運転を行った後、圧縮機１１の回転数を通常運転時の目標回転数に戻して第２運転を行う。これにより、フィン３２の表面温度は、冷媒温度と同様に、第２温度Ｔ２から第１温度Ｔ１、すなわち、−３℃から―１０℃となる。

なお、第１運転、第２運転の運転時間は、温度変形部材４０が変形可能な時間に設定され、形状記憶合金の温度ヒステリシス幅等を考慮して設定される。また、温度変化の回数は氷の剥離が可能となるように任意に設定される。

このように、制御装置１６が除霜運転を実行させると、フィン３２の表面温度が、第１部材４１の変態温度である−５℃を跨いで、−１０℃と−３℃との間で繰り返し変化する。このため、温度変形部材４０は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、フィン３２の表面に垂直な方向で、膨張と収縮との間の変形を繰り返すこととなる。

これにより、フィン３２の表面に付着した氷５０とフィン３２の表面との間に歪みが形成されて氷５０に亀裂が生じ、亀裂が少しずつ進展することで、氷５０が剥離する。

次に、本実施形態の主な特徴について説明する。

（１）暖房運転モードのときに蒸発器として機能する室外熱交換器１３において、材料変形温度を境にした温度変化によって変形する複数の温度変形部材４０を、フィン３２の表面の全域にわたって分散して配置している。

これにより、フィン３２の表面に氷が付着した場合に、その材料変形温度を跨いで、フィン３２の表面温度を変化させることで、温度変形部材４０の変形によって、氷とフィン３２の表面との間に歪みを形成して、フィン３２の表面から氷を剥がすことができる。すなわち、本実施形態によると、フィン３２の表面に付着した氷を、溶かして除去するのではなく、氷の状態で除去することができる。

（２）温度変形部材４０の材料変形温度は、第１部材４１の変態温度である−５℃であり、氷点よりも低い温度である。

そして、図６に示すように、除霜運転時では、フィン３２の表面温度を第１温度Ｔ１（本例では−１０℃）から第２温度Ｔ２（本例では−３℃）まで上昇させることで、温度変形部材４０を変形させている。この第２温度Ｔ２は材料変形温度Ｔｃよりも数℃高く、氷点よりも低い温度である。

ここで、図７に、従来の除霜運転における室外熱交換器の温度変化を示す。従来の除霜運転は、氷を溶かして除去するために、冷凍サイクルを冷房運転モードとして、圧縮機１１から吐出された高温冷媒を室外熱交換器に流入させていた。このため、図７に示すように、除霜運転時では、室外熱交換器の温度が０℃よりも高い温度まで上昇して、氷が溶けるまで上昇後の温度が維持されており、除霜に多くの熱エネルギが用いられていた。

これに対して、本実施形態によれば、除霜運転時に、フィン３２の表面温度を材料変形温度Ｔｃよりも数℃でも高い温度に上昇させれば良く、氷点よりも高い温度まで上昇させる必要が無いので、従来よりも除霜に用いる熱エネルギを低減できる。

（３）制御装置１６は、暖房運転モードでの通常運転時に、フィン３２の表面に氷が付着した場合、除霜運転として、圧縮機１１の回転数が通常運転時の目標回転数よりも低い第１運転と、圧縮機１１の回転数が通常運転時の目標回転数と同じ第２運転とを切り替えるようになっている。

ここで、従来の冷凍装置では、除霜運転として冷凍サイクルを冷房運転モードで運転したり、圧縮機１１から吐出された高温冷媒を室外熱交換器に直接導入するホットガス運転を行ったりするので、除霜運転時に、暖房運転モードでの冷凍サイクル運転をし続けることができなかった。

これに対して、本実施形態によれば、圧縮機１１の回転数を低下させて、冷媒温度を上昇させることで除霜するので、除霜運転時でも暖房運転モードでの冷凍サイクル運転をし続けることができる。

（４）また、制御装置１６は、除霜運転時に、第１運転と第２運転との切り替えを繰り返すことで、フィン３２の表面温度を、材料変形温度Ｔｃを跨いで繰り返し変化させている。

ここで、材料変形温度Ｔｃを跨いだ１回の温度変化では、温度変形部材４０が変形しようとしても氷によって変形が抑制され、氷とフィン３２の表面との間に亀裂を生じさせることができない可能性がある。

これに対して、本実施形態では、複数回の温度変化によって温度変形部材４０に対して繰り返し変形しようとする力を生じさせるので、氷とフィン３２の表面との間に歪みを作って氷に亀裂を生じさせることができ、確実に、氷を剥がすことができる。

（５）本実施形態では、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、温度変形部材４０の形状を、山と谷とが交互に位置するように、複数回折れ曲がっている形状としており、角部４０ａを有する形状となっている。これにより、この角部４０ａによって、フィン３２の表面に付着した氷を割れやすくできる。

（第２実施形態）
図８に、本実施形態におけるフィン３２の表面の斜視図を示す。

図８に示すように、本実施形態では、分散配置されている複数の温度変形部材４０において、空気流れ上流側での温度変形部材同士の間隔Ｌ１が、空気流れ下流側での温度変形部材４０同士の間隔Ｌ２よりも大きくなっている。

また、空気流れ上流側に設置されている温度変形部材４０の大きさが、空気流れ下流側に設定されている温度変形部材４０よりも大きくなっている。なお、温度変形部材４０の大きさとは、フィン３２の表面を占める面積のことである。

本実施形態によると、温度変形部材４０が変形したときに、フィン３２の表面から剥がれる氷５０は、空気流れ上流側では大きな氷片５０となり、空気流れ下流側では小さな氷片５０となる。

ここで、氷片が大きいほど、風圧を受ける面積が大きく、氷を剥がす力が大きくなるので、空気流れ上流側の氷片５０が剥がれ易くなる。そして、空気流れ上流側の大きな氷片５０が風圧を受けて、その氷片が剥がれて空気流れ下流側に移動する際に、空気流れ下流側の小さな氷片を掃い除くことができる。

なお、本実施形態では、空気流れ上流側の間隔Ｌ１が大きく、かつ、空気流れ上流側の温度変形部材４０が大きいという２つの要件を満たす構成を採用したが、少なくとも一方の要件を満たせば、程度の差があっても、本実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図９（ａ）、（ｂ）に、本実施形態における温度変形部材４０の断面図を示す。

本実施形態では、温度変形部材４０としてバイメタル４３を用いる。このバイメタル４３は、２種類の膨張率が異なる金属を貼り合わせたものであり、フィン３２の表面に設置した状態での外側に熱膨張率が低い金属４３ａが位置し、フィン３２の表面側に熱膨張率が高い金属４３ｂが位置するように、フィン３２の表面に設置されている。

これにより、図９（ａ）に示すように、フィン３２の表面温度が材料変形温度よりも低い温度域では、バイメタル４３はフィン３２の表面に沿って平らな形状となる。一方、図９（ｂ）に示すように、フィン３２の表面温度が材料変形温度よりも高い温度域では、バイメタル４３は、フィン３２の表面から離れた側に反った形状となる。

なお、バイメタル４３としては、一般的なものが採用でき、−２０℃〜０℃の氷点以下の範囲で温度変化したときに、図９（ａ）、（ｂ）に示す形状に変形が生じるものを採用すれば良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、温度変形部材４０として、所定の材料変形温度（所定温度）を境にして変形が生じる有機材料を用いる。

このような有機材料としては、例えば、サーモクロミック材料が挙げられる。このサーモクロミック材料は、所定温度を境にして分子構造が変わることで色が変わる有機材料であるが、分子構造が変わることで変形も生じる。

本実施形態では、熱交換部であるフィンやチューブの表面に、この有機材料を塗布することで、熱交換部の表面に変形部材を設置する。

また、温度変形部材４０としては、上述の有機材料の代わりに、所定温度を境にして分子構造が変わることで変形が生じる錯体を用いることもできる。

なお、温度変形部材４０を有機材料や錯体で構成する場合においても、図１０に示すように、温度変形部材４０が角部４０ａを有する形状であることが好ましい。この角部によって、氷が割れやすくなるからである。
（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、温度変形部材４０として、材料変形温度Ｔｃが−５℃のものを用いたが、他の温度のものを用いても良い。

ただし、材料変形温度Ｔｃは、冷凍サイクルの通常運転で下げ得る冷媒の最低温度、例えば−２０℃よりも高く、氷点よりも低いことが好ましい。材料変形温度Ｔｃが氷点よりも低いものを温度変形部材４０として用いることで、第１実施形態と同様に、除霜運転時に氷点以下の温度範囲で温度変化させることができ、除霜に用いる熱エネルギを低減できるからである。

また、材料変形温度Ｔｃは、着霜温度付近であることがより好ましい。着霜時の表面温度に対してわずかに温度変化させることで、温度変形部材４０が変形可能となるからである。

なお、材料変形温度Ｔｃが０℃よりも高いものを温度変形部材４０として用いても良い。この場合、除霜運転時に、氷が溶ける温度まで室外熱交換器１３の温度を上昇させるが、氷が溶けるまで維持する必要が無いので、温度上昇させた後、短時間で、熱交換器の温度を下降させることができる。これにより、従来技術のように、氷が溶けるまで維持する場合と比較して、除霜運転時に用いる熱エネルギを低減できる。

（２）第１実施形態では、図６に示すように、除霜運転時の最初の表面温度変化として、第１運転によって通常運転時よりも表面温度を上昇させたが、これとは反対に、通常運転時よりも表面温度を下降させても良い。

例えば、暖房運転モード時の冷凍サイクルに要求される能力が小さく、室外熱交換器１３に流入する冷媒温度が比較的高い場合、除霜運転時では、冷凍サイクルの能力を増大させて、室外熱交換器１３に流入する冷媒温度を低下させることができる。

そこで、材料変形温度Ｔｃが着霜時の表面温度Ｔ１よりも低い温度変形部材４０を用い、着霜が生じたら、圧縮機１１の回転数を増大させて冷媒吐出能力を増大させ、室外熱交換器１３に流入する冷媒温度を材料変形温度Ｔｃよりも低くする。そして、このように冷媒温度を低下させた後、圧縮機１１の回転数を戻すことで、室外熱交換器１３に流入する冷媒温度を上昇させて材料変形温度Ｔｃよりも高い温度にすることもできる。

（３）第１〜第３実施形態では、フィン３２の表面に温度変形部材４０を設置したが、チューブ３１の表面に温度変形部材４０を設置しても良い。要するに、熱交換部の表面、すなわち、伝熱面に温度変形部材４０を設置すれば良い。

（４）上述の各実施形態では、複数の温度変形部材４０を熱交換部の表面の全域にわたって分散して配置したが、分散ではなく連続した形状の温度変形部材４０を配置しても良い。このとき、温度変形部材４０を、熱交換部の表面全域を完全に覆うように配置したり、表面全域に対して一部を除く広範囲を覆うように配置したりしても良い。要するに、温度変形部材４０は、熱交換部の表面に付着した氷を除去できるように、熱交換部の表面全域にわたって広範囲に配置されていれば良い。

（５）第１実施形態では、温度変形部材４０として、２種類の形状記憶合金を用いたが、１種類の形状記憶合金を用いても良い。例えば、第１実施形態で説明した第１部材４１、第２部材４２において、第１部材４１は変更せず、第２部材を形状記憶合金以外の弾性材料に変更しても良い。

また、フィン３２自体を第２部材４２の代わりとしても良い。この場合、フィン３２が有する弾性を利用して、通常運転時ではフィン３２が伸びた状態となり、昇温して第１部材４１の変態温度を超えると、第１部材４１が縮む構成としても良い。

（６）第１実施形態では、除霜運転の第１運転時の圧縮機１１の回転数を、冷媒温度センサの検出温度を基準に設定したが、冷媒温度と圧縮機１１の回転数との関係から第２温度Ｔ２となるときの回転数として予め定められたものに設定しても良い。

また、第１実施形態では、除霜運転時の第２運転時の圧縮機１１の回転数を、通常運転時の目標回転数に設定したが、第１運転時よりも高い回転数であって、材料変形温度Ｔｃよりも冷媒温度を下げることができれば、他の回転数に設定しても良い。

要するに、除霜運転時では、材料変形温度Ｔｃよりも低い第１温度Ｔ１と材料変形温度Ｔｃよりも高い第２温度Ｔ２との間で、冷媒温度が変化するように、圧縮機１１の冷媒吐出能力を制御すれば良い。

（７）第１実施形態では、圧縮機１１として、固定容量型圧縮機構を備えるものを用いたので、制御装置１６は、電動モータの回転数を制御することによって、圧縮機１１の冷媒吐出能力を制御したが、圧縮機１１として、変動容量型圧縮機構を備えるものを用いる場合は、冷媒吐出容量を制御することによって、冷媒吐出能力を制御することができる。

（８）第１実施形態では、除霜運転時に、圧縮機１１の冷媒吐出能力を低下させて、冷媒温度を上昇させていたが（第１運転）、冷凍サイクルの運転モードを変更せずに暖房運転モードを維持しつつ、室外熱交換器１３に流入する冷媒よりも高温の冷媒の一部を、室外熱交換器１３に流入させることで、冷媒温度を上昇させても良い。

図１１に本実施形態における冷凍装置の全体構成を示す。図１１に示すように、図１に示す冷凍サイクル１０に対して、室外熱交換器１３流出後であって、圧縮機１１吸入前の冷媒の一部を、室外熱交換器１３に流入側へ戻すバイパス経路１７と、そのバイパス経路１７を開閉する開閉手段としての開閉弁１８を設ける。また、バイパス経路１７に逆止弁１９を設ける。そして、制御装置１６は、通常運転時では、開閉弁１８を閉じる制御を行い、除霜運転時では、開閉弁１８の開閉を繰り返す制御を行う。

室外熱交換器１３で熱交換後の冷媒は、室外熱交換器１３に流入する冷媒よりも温度が高いので、このように開閉弁１８の開閉を繰り返すことで、冷媒温度を変化させることができる。

なお、圧縮機１１から吐出された冷媒の一部を室外熱交換器１３に流入させるようにしても良い。

（９）除霜運転時における冷媒温度を上昇させる手段として、従来の除霜運転を採用しても良い。例えば、冷房運転モードでの冷凍サイクル運転や、ホットガス運転を行っても良い。

また、熱交換部の表面温度を変化させる手段として、冷媒温度を制御する手段の代わりに、冷媒以外の加熱手段、例えば、電気ヒータ等を採用しても良い。

これらの場合においても、除霜運転時に、温度変形部材４０を変形させるために、温度上昇と温度下降とを繰り返すことが好ましい。

また、除霜運転時に、氷が溶ける温度まで室外熱交換器１３の温度を上昇させるが、氷が溶けるまで維持する必要が無いので、温度上昇させた後、短時間で、熱交換器の温度を下降させることができる。これにより、従来技術のように、氷が溶けるまで維持する場合と比較して、除霜運転時に用いる熱エネルギを低減できる。

（１０）上述の各実施形態では、本発明の蒸発器および冷凍装置を、車両用空調装置に適用したが、家庭用の空調装置や、ヒートポンプサイクルを用いた給湯機や、冷凍車の冷凍機に適用することもできる。

（１１）上述の各実施形態を実施可能な範囲で組み合わせても良い。

１ 車両用空調装置
１０ 冷凍サイクル
１１ 圧縮機
１２ 室内熱交換器（放熱器）
１３ 室外熱交換器（蒸発器）
１４ 減圧装置（減圧手段）
１６ 制御装置（温度制御手段）
３１ チューブ（熱交換部）
３２ フィン（熱交換部）
４０ 温度変形部材
４１ 第１部材
４２ 第２部材
４３ バイメタル

Claims (14)

1. 冷凍装置に用いられ、空気と冷媒とを熱交換させる熱交換部（３１、３２）を有し、空気との熱交換によって冷媒を蒸発させる蒸発器（１３）において、
   所定温度を境にして変形する温度変形部材（４０）が、前記熱交換部（３１、３２）の表面の全域にわたって配置されており、
   前記表面に氷が付着した場合に、前記所定温度を跨いだ温度変化によって、前記温度変形部材（４０）が変形して、前記氷と前記表面との間に歪みを形成するようになっていることを特徴とする蒸発器。
2. 前記所定温度は、氷点よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記温度変形部材（４０）は、前記表面の全域に分散配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発器。
4. 分散配置されている前記温度変形部材（４０）は、空気流れ上流側での前記温度変形部材同士の間隔（Ｌ１）が、空気流れ下流側での前記温度変形部材同士の間隔（Ｌ２）よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の蒸発器。
5. 前記温度変形部材（４０）は、角部（４０ａ）を有する形状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸発器。
6. 前記温度変形部材（４０）は、形状記憶合金で構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸発器。
7. 前記温度変形部材（４０）は、
   形状記憶合金からなり、所定の変態温度を有する第１部材（４１）と、
   形状記憶合金からなり、第１部材の変態温度よりも低い変態温度を有する第２部材（４２）とを有し、
   前記第１部材（４１）の変態温度よりも低い温度から高い温度へ温度上昇すると、前記第１部材（４１）が記憶形状になることで、前記第２部材（４２）が変形し、
   前記第１部材（４１）の変態温度よりも高い温度から低い温度へ温度下降すると、前記第２部材（４２）の弾性力によって前記第１部材（４１）が変形する構成となっていることを特徴とする請求項６に記載の蒸発器。
8. 前記温度変形部材（４０）は、前記所定温度を境にした温度変化によって変形する有機材料もしくは錯体で構成されることを特徴する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸発器。
9. 前記温度変形部材（４０）は、バイメタル（４３）で構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸発器。
10. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、
    前記圧縮機（１１）から吐出された冷媒を放熱させる放熱器（１２）と、
    前記放熱器（１２）から流出した冷媒を減圧させる減圧手段（１４）と、
    前記減圧手段（１４）から流出した冷媒を蒸発させる請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸発器（１３）とを備える冷凍装置であって、
    前記表面に氷が付着した場合に、前記熱交換部（３１、３２）の表面温度を、前記所定温度を跨いで繰り返し変化させる温度制御手段（１６）を備えることを特徴とする冷凍装置。
11. 前記温度制御手段（１６）は、前記圧縮機（１１）の冷媒吐出能力を変化させることで、前記表面温度を繰り返し変化させることを特徴とする請求項１０に記載の冷凍装置。
12. 前記温度制御手段（１６）は、冷凍サイクルの通常運転時に前記表面に氷が付着した場合、前記圧縮機（１１）の吐出能力が前記通常運転時よりも低い第１運転と、前記圧縮機（１１）の吐出能力が前記第１運転時よりも高い第２運転との切り替えを繰り返すことを特徴とする請求項１１に記載の冷凍装置。
13. 前記蒸発器（１３）に流入する冷媒よりも高温の冷媒の一部を、前記蒸発器（１３）に流入させるバイパス経路（１７）と、前記バイパス経路を開閉する開閉手段（１８）とを備え、
    前記制御手段（１６）は、前記開閉手段（１８）の開閉を繰り返すことで、前記温度変化を繰り返すことを特徴とする請求項１０に記載の冷凍装置。
14. 前記バイパス経路（１７）は、前記蒸発器流出後であって前記圧縮機吸入前の冷媒の一部を前記蒸発器（１３）の流入側に戻す経路であることを特徴とする請求項１３に記載の冷凍装置。
    

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