JP2020079677A - 熱交換器及び熱交換器のデフロスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デフロスト運転による熱交換器の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が伝熱面に再付着するのを抑制可能なデフロスト手段を提案する。【解決手段】被冷却気体の流れ方向と直交する第１方向に沿って延在する複数の伝熱管１６と、前記複数の伝熱管のうちデフロスト対象管をデフロストするためのデフロストユニットを備え、伝熱管列が、前記流れ方向に複数並ぶように配列され、前記気体流路は、前記第２方向に並ぶ複数の流路領域を含み、前記複数の伝熱管は、前記複数の流路領域に夫々対応し、かつ、同一の前記流路領域内において前記流れ方向にて互いに隣接する２以上の前記伝熱管列に属する複数の前記伝熱管により形成される複数の伝熱管グループを含み、前記デフロストユニットは、１以上の前記伝熱管グループの前記伝熱管を前記デフロスト対象管として選択的にデフロストを行う【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換器及び熱交換器のデフロスト方法に関する。

冷凍庫やフリーザに設けられるエアクーラなどの熱交換器にフィンチューブ式熱交換器が用いられる。フィンチューブ式熱交換器は放熱フィンなどに霜が付きやすく、フィン間に形成された霜層によって空気流が閉塞されるため、頻繁にデフロスト運転が必要になる。そこで、本発明者等は、フィンや伝熱管に付着した霜を昇華して除去するデフロスト方法を提案している（特許文献１）。このデフロスト方法は、着霜を昇華させ空気流に乗って飛散させるため、融解水が発生しない。従って、融解水を熱交換器から取り除く作業が不要になると共に、エアクーラの運転を継続しながらデフロストできる利点がある。

国際公開第２０１７／１７５４１１号

しかし、上記昇華デフロスト方法は、霜が付着した付着面を０℃未満で被冷却空気より高い温度に加温する必要があるため、デフロスト時に加えられる熱量によって稼働中の熱交換器の熱効率が低下するという問題がある。また、一旦付着面から剥離した霜が空気流に乗って下流側の伝熱管やフィンに再付着してしまうという問題がある。
また、複数の区画ごとにデフロストを行なうにしても、熱交換器の被冷却気体の流れ方向において着霜量が異なるため、熱交換器全体の霜が完全に除去されるまでデフロスト運転を続ける必要がある。そのため、冷却装置の運転効率を悪くするという問題がある。

一実施形態は、デフロスト運転による熱交換器の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が下流側の伝熱面に再付着するのを抑制可能であって、さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能なデフロスト手段を提案することを目的とする。

（１）一実施形態に係る熱交換器は、
被冷却気体が流れる気体流路と、
前記気体流路内において、前記気体流路における前記被冷却気体の流れ方向と直交する第１方向に沿って延在する複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管のうちデフロスト対象管をデフロストするためのデフロストユニットと、
を備え、
前記複数の伝熱管は、前記流れ方向および前記第１方向に直交する第２方向に沿って配列された複数の前記伝熱管により形成される伝熱管列が、前記流れ方向に複数並ぶように配列され、
前記気体流路は、前記第２方向に並ぶ複数の流路領域を含み、
前記複数の伝熱管は、前記複数の流路領域に夫々対応し、かつ、同一の前記流路領域内において前記流れ方向にて互いに隣接する２以上の前記伝熱管列に属する複数の前記伝熱管により形成される複数の伝熱管グループを含み、
前記デフロストユニットは、前記複数の伝熱管グループのうち１以上の前記伝熱管グループの前記伝熱管を前記デフロスト対象管として選択的にデフロストを行うように構成される。

上記（１）の構成において、気体流路に設けられる複数の伝熱管は、複数の伝熱管グループで構成され、上記デフロストユニットによって、１以上の伝熱管グループを構成する伝熱管がデフロスト対象管として選択的にデフロストされる。伝熱管グループ毎に霜の付着及び成長の度合いは異なるため、成長した霜層によって気体流路が閉塞される時間は、伝熱管グループ毎に異なる。そこで、各伝熱管グループをデフロストする順序を適宜選択することで、伝熱管が形成する伝熱面における気体流路の閉塞を防止しながら、デフロスト運転による熱交換器の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が伝熱面に再付着するのを抑制できる。さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能となる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記デフロストユニットは、複数の前記伝熱管列のうち前記流れ方向最上流側の前記伝熱管列のみを前記デフロスト対象管として選択的にデフロストするように構成される。
流れ方向最上流側伝熱管の伝熱面は熱伝達率が高く、かつ被冷却気体に含まれるミスト（液体及び固体）が慣性力により最上流側伝熱管やフィンの先端部分に多く衝突するために、これらの部位に集中して着霜が生じ、かつ着霜の成長が早くなる現象が起こる。
上記（２）の構成によれば、被冷却気体の流れ方向最上流側の伝熱管列のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストすることで、最上流側伝熱管列を優先してデフロストでき、これによって、最上流側の伝熱管列の着霜の成長を抑制できる。

（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記複数の伝熱管が貫通又は接触するように前記気体流路内にて前記流れ方向に沿って設けられる板状放熱部材を備える。
上記（３）の構成によれば、上記板状放熱部材を備えることで伝熱面積が増加するため、熱交換器の伝熱性能を向上できる。また、上記板状放熱部材は被冷却気体の流れ方向に沿って設けられるので、被冷却気体の乱れを抑制できる。被冷却気体の乱れが抑制された板状放熱部材の表面には、板状放熱部材の表面に近づくほど温度が徐々に低くなる温度境界層が形成される。この温度境界層の形成によって被冷却気体と板状放熱部材間の熱伝達率は抑制されるため、板状放熱部材の表面に形成される霜層の成長を抑制できる。逆に温度境界層を乱すような構成（例えばルーバーフィン等）とすると、熱伝達率が上昇し霜の成長が促進される。これを利用して、霜を成長させたい場所、させたくない場所、つまり各所の霜の成長量を，熱交換量やデフロスト間隔と関連させて最適に設計することができる。

（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記板状放熱部材は、前記流れ方向に沿って前記伝熱管グループ毎に互いに温度境界層を乱さない間隔を置いて複数並列に配置される。
上記（４）の構成によれば、複数の板状放熱部材が配置されるため、伝熱面積を増加でき伝熱性能を向上できる。また、板状放熱部材は被冷却気体の流れ方向に沿って並列配置されるため、被冷却気体の乱れを抑制でき、これによって、隣り合う伝熱管グループ同士の板状放熱部材間の空隙の温度境界層が維持され、その空隙に面する板状放熱部材の流れ方向上流側の端部の霜層の成長を抑制することで、着霜の集中を抑制し、部分閉塞を抑制できる。また、この構成によれば、デフロスト時に隣り合う伝熱管グループの温度差があっても、この空隙が断熱材の役割を果たすため、隣りの伝熱管グループへの影響を抑制し、熱交換効率の低下を抑制できる。

（５）一実施形態では、前記（３）又は（４）の構成において、
前記板状放熱部材は、前記流れ方向最上流側に設けられた前記伝熱管から前記流れ方向で前記伝熱管に隣接する１個以上の前記伝熱管まで延在する。
板状放熱部材の先端部分は、温度境界層の層厚が薄いため、被冷却気体と板状放熱部材間の熱伝達率が促進され、着霜の成長が早くなる。そこで板状放熱部材を下流側の伝熱管まで延在させることで、新たな先端部分の形成をなくし、先端部分以外の領域では温度境界層を存在させる。これによって、先端部分以外の領域で着霜の成長を抑制できる。

（６）一実施形態では、前記（３）〜（５）の何れかの構成において、
前記板状放熱部材は、前記流れ方向で２個以上の前記伝熱管グループに跨るように配置されると共に、前記伝熱管グループ間の領域に前記伝熱管グループ間の伝熱を抑制する断熱域を有する。
上記（６）の構成によれば、板状放熱部材は、伝熱管グループ間の領域に伝熱管グループ間の伝熱を抑制する断熱域を有するため、該断熱域の一方側の伝熱管グループが通常の冷却運転を継続し、他方側の伝熱管グループがデフロスト運転を行うとき、デフロスト運転で加えられる熱が冷却運転中の伝熱管グループに伝わって熱交換器の冷却効率を低下させるのを抑制できる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記デフロストユニットは、前記伝熱管グループ毎に前記伝熱管に霜の付着面温度を０℃未満でかつ前記被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を供給可能な一つ又は複数のデフロスト流体供給部を含む。
上記（７）の構成によれば、上記デフロスト流体供給部によって、デフロスト運転を行う伝熱管グループに対して、霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を供給することで、付着面に付着した霜を昇華させて除去する昇華デフロストが可能になる。なお、デフロスト流体供給部は必要に応じて複数設けてもよい。

（８）一実施形態に係る熱交換器のデフロスト方法は、
被冷却気体が流れる気体流路と、前記気体流路内において、前記気体流路における前記被冷却気体の流れ方向と直交する第１方向に沿って延在する複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管のうちデフロスト対象管をデフロストするためのデフロストユニットと、を備え、前記複数の伝熱管は、前記流れ方向および前記第１方向に直交する第２方向に沿って配列された複数の前記伝熱管により形成される伝熱管列が、前記被冷却気体の前記流れ方向に複数並ぶように配列され、前記気体流路は、前記第２方向に並ぶ複数の流路領域を含み、前記複数の伝熱管は、前記複数の流路領域に夫々対応し、かつ、同一の前記流路領域内において前記流れ方向にて互いに隣接する２以上の前記伝熱管列に属する複数の前記伝熱管により形成される複数の伝熱管グループを含む熱交換器のデフロスト方法であって、
前記複数の伝熱管グループのうち１以上の前記伝熱管グループをデフロスト対象管として選択し、該１以上の伝熱管グループ毎に順々に繰り返しデフロストするデフロストステップを備える。

上記（８）の方法において、デフロストステップでは、複数の伝熱管グループのうち１以上の伝熱管グループをデフロスト対象管として選択し、該１以上の伝熱管グループ毎に順々に繰り返しデフロストする。そこで、各伝熱管グループをデフロストする順序を適宜選択することで、霜層による伝熱面周囲の被冷却気体の閉塞を防止しながら、デフロスト時に加えられる熱による熱交換器の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が下流側の伝熱面に再付着するのを抑制できる。さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能となる。

（９）一実施形態では、前記（８）の方法において、
前記デフロストユニットは、複数の前記伝熱管列のうち前記流れ方向最上流側の前記伝熱管列のみを前記デフロスト対象管として選択的にデフロストするように構成され、
前記デフロストステップは、前記流れ方向最上流側の前記伝熱管列のみを前記デフロスト対象管として選択的にデフロストするステップを含む。
上記（９）の方法によれば、デフロストステップにおいて、被冷却気体の流れ方向最上流側の伝熱管列のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストすることで、最上流側伝熱管列を優先してデフロストでき、最上流側伝熱管列の着霜の成長を抑制できる。

（１０）一実施形態では、前記（８）又は（９）の方法において、
前記デフロストステップにおいて、
前記伝熱管の少なくとも一部に付着する着霜量が許容値の上限に達する限界時間に合わせて、すべての前記伝熱管グループを１回デフロストするに要する１デフロスト時間を設定し、該１デフロスト時間から前記伝熱管グループの各々のデフロスト実施時間間隔を設定する。
上記（１０）の方法によれば、上記限界時間を被冷却気体の流れが閉塞しない上限値に設定することで、各伝熱管グループにおいて被冷却気体の閉塞が生じないようにデフロスト運転を実施できる。

（１１）一実施形態では、前記（１０）の方法において、
前記複数の伝熱管グループの各々の前記デフロスト実施時間間隔は、前記流れ方向下流側に配置された前記伝熱管グループほど長く設定される。
被冷却気体の流れ方向下流側ほど着霜の成長は遅くなる傾向にある。そこで、デフロスト実施時間間隔を着霜の成長が遅い流れ方向下流側の伝熱管グループほど長く設定することで、デフロスト運転の頻度を少なくでき、これによって、デフロスト運転による冷却効率の低下を抑制できる。

（１２）一実施形態では、前記（８）〜（１１）の何れかの方法において、
前記デフロストステップにおいて、
霜の付着面温度を０℃未満でかつ前記被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を前記伝熱管に供給し、該デフロスト流体の保有熱によって前記伝熱管に付着した霜を昇華させる。
上記（１２）の方法によれば、デフロスト運転を行う伝熱管に対して、霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を供給することで、付着面に付着した霜を昇華させて除去する昇華デフロストが可能になる。

（１３）一実施形態では、前記（１２）の方法において、
前記デフロストステップにおいて、
前記複数の伝熱管グループの各々において、前記流れ方向下流側に配置された前記伝熱管グループほど前記被冷却気体と前記デフロスト流体との温度差は小さく設定される。
被冷却気体とデフロスト流体との温度差が小さいほど、着霜の除去効果は減少するが、冷却運転中の熱交換器の熱効率の低下を抑制できる。従って、着霜の成長が遅い流れ方向下流側ほど上記温度差を小さくすることで、着霜による気体流路の閉塞を防止しながら、熱交換器の冷却効率の低下を抑制できる。

（１４）一実施形態では、前記（８）〜（１３）の何れかの方法において、
前記デフロストステップにおいて、
前記流れ方向上流側に配置された前記伝熱管グループがデフロスト対象となったとき、前記流れ方向を逆向きにする。
上記（１４）の方法によれば、流れ方向上流側に配置された伝熱管グループをデフロストするとき、被冷却気体の流れ方向を逆向きにすることで、付着面から剥離した霜が下流側の伝熱管に再付着するのを抑制できると共に、上流側で処理することを可能とする。また、先端部分に付着した霜を効率的に除去できる。さらに、デフロスト熱源によって昇温した被冷却気体が，一度上流側に戻り混合され、他の伝熱管グループに流入するため、熱交換器後流の温度むらを抑制できる。

幾つかの実施形態によれば、伝熱面における気体流路の閉塞を防止しながら、デフロスト運転による熱交換器の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が伝熱面に再付着するのを抑制できる。さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能となる。

一実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 一実施形態に係る冷凍ユニット及びデフロストユニットの系統図である。 一実施形態に係る熱交換器の平面図である。 一実施形態に係る板状放熱部材の平面図である。 一実施形態に係る板状放熱部材の平面図である。 一実施形態に係る熱交換器の平面視による模式図である。 一実施形態に係る熱交換器の平面視による模式図である。 一実施形態に係る熱交換器のデフロスト方法の工程図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る熱交換器を模式的に示す斜視図である。図１に示す熱交換器１０は、例えば冷凍庫やフリーザなどに設けられるエアクーラである。熱交換器１０のケーシング１２は、被冷却空気ａから流入する前面及び流出する後面は開放されており、例えば、ファン１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）などの稼働によってケーシング１２の前面から流入し後面から流出する被冷却空気ａの流路が形成される。この冷却空気流路中に、複数の伝熱管１６が設けられる。伝熱管１６は、冷却空気流路における被冷却空気ａの流れ方向（矢印ａ方向）と直交する幅方向（矢印ｂ方向）（第１方向）に沿って延在する。

また、図２に示すように、複数の伝熱管１６のうちデフロスト対象管として選択された伝熱管１６をデフロストするためのデフロストユニット１８を備えている。複数の伝熱管１６は、被冷却空気ａの流れ方向及び矢印ｂ方向に直交する上下方向（矢印ｃ方向）に沿って配列された複数の伝熱管１６により形成される伝熱管列が、流れ方向に複数並ぶように配列されている。なお、図１において、伝熱管１６は、ケーシング１２内の上部領域のみ図示され、他の領域では伝熱管１６の図示は省略されているが、実際は他の領域のも伝熱管１６が配置され、上部領域と同様に、複数の伝熱管グループが存在する。

冷却空気流路は、矢印ｃ方向に並ぶ複数の流路領域Ｆａ、Ｆｂ及びＦｃを含む。複数の伝熱管１６は、複数の流路領域Ｆａ〜Ｆｃに夫々対応し、かつ同一の流路領域内において流れ方向にて互いに隣接する２以上の伝熱管列に属する複数の伝熱管１６により形成される複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ、・・・を含む。デフロストユニット１８は、複数の伝熱管グループのうち１つ以上の伝熱管グループの伝熱管１６をデフロスト対象管として選択的にデフロストを行うように構成される。

デフロストユニット１８によって、上記伝熱管グループＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ、・・・のうち１つ以上の伝熱管グループをデフロスト対象管として選択的にデフロストを行う。伝熱管グループ毎に霜の付着及び成長の度合いは異なるため、成長した霜層によって気体流路が閉塞される時間は、伝熱管グループ毎に異なる。そこで、各伝熱管グループをデフロストする順序を適宜選択することで、各伝熱管グループの伝熱面における空気流路の閉塞を防止しながら、デフロスト時加えられる熱による熱交換器１０の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が伝熱面に再付着するのを抑制できる。さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱（デフロスト流体が保有する熱によって伝熱管に加えられる加熱）を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能となる。

例えば、伝熱管グループ毎に伝熱面周囲の空気流路の着霜による閉塞時間を求めておき、各伝熱管グループで閉塞時間当たり少なくとも１回のデフロスト運転を行うようにする。これによって、各伝熱管グループの空気流路の閉塞を抑制できる。あるいは、同一流路領域においては、上流側伝熱管グループと下流側伝熱管グループとを同時にデフロスト運転するようにする。これによって、上流側伝熱管で剥離した霜が下流側伝熱管に再付着するのを抑制できる。あるいは、後述するように、着霜の成長が遅い下流側伝熱管グループほどデフロストの時間間隔を長くする。これによって、デフロストによる熱交換器の熱効率の低下を抑制できる。

図２は、熱交換器１０の冷却運転時に伝熱管１６に冷媒を供給して被冷却空気ａを冷却する冷凍機２０及びデフロスト運転時にデフロスト対象となる伝熱管グループにデフロスト流体を供給するデフロストユニット１８の構成の一実施形態を示す。冷媒回路２２を循環する冷媒は、ガス状で圧縮機２４に吸入され、圧縮機２４で加圧された後、コンデンサ２６で冷却されて液化する。コンデンサ２６で液化された冷媒液は一旦レシーバ２８に貯留された後、膨張弁３０を経て減圧される。膨張弁３０で減圧された冷媒は、熱交換器１０の各伝熱管グループＴａ、Ｔｂ及びＴｃに設けられた逆止弁３２を経て熱交換器１０の伝熱管１６に供給され、被冷却空気ａを所定の冷却温度に冷却する。被冷却空気ａの冷却に供された後の冷媒は冷媒回路２２に戻される。

デフロスト対象管となった伝熱管グループには、レシーバ２８内の高圧下の冷媒（ガス相部）がバッファタンク４４に貯留され、デフロスト流路３４を介して供給される。この高圧下の冷媒は温度、圧力等の状態を調整されてバッファタンク４４に貯留される。つまり圧力調整弁３６を経て減圧され、加熱部４６で加熱されることで温度、圧力等の状態を調整される。このデフロスト用冷媒ガスは、デフロスト対象管となった伝熱管グループに送られ、この伝熱管グループでデフロストに供される。冷媒ガスは伝熱管内部で凝縮液化した後、キャピラリチューブ３８を経て膨張減圧され、低圧冷媒ラインに合流する。その後、他の伝熱管グループを経て蒸発ガス化して冷媒回路２２に戻される。なお、このキャピラリチューブ３８は電磁弁や膨張弁でもよい。
一実施形態では、冷媒回路２２及びデフロスト流路３４には、開閉用の電磁弁４７及び４９が設けられている。

一実施形態では、デフロストユニット１８は、複数の伝熱管列のうち流れ方向最上流側の伝熱管列（この実施形態では伝熱管グループＴａに属する伝熱管列）のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストするように構成される。最上流側伝熱管列は熱伝達率が高く、かつ被冷却気体に含まれるミスト（液体及び固体）が慣性力により上流側先端部分に衝突するために、霜の堆積、積層が促進される。これによって、最上流側伝熱管列に集中して着霜が生じ、かつ着霜の成長が早くなる。従って、最上流側伝熱管列に集中してデフロスト運転を行うことが有効となる。
この実施形態によれば、被冷却空気ａの流れ方向最上流側の伝熱管列（伝熱管グループＴａ）のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストすることで、最上流側伝熱管列を優先してデフロスト頻度を増加できる。そのため、最上流側伝熱管列の着霜の成長を抑制できると共に、逆に下流側伝熱管グループのデフロスト頻度を控えることで省エネを達成できる。

一実施形態では、図３に示すように、複数の伝熱管１６が貫通又は接触するように冷却空気流路内にて流れ方向（矢印ａ方向）に沿って板状放熱部材４０が設けられる。板状放熱部材４０を設けることで、伝熱面積が増加するため、熱交換器１０の伝熱性能を向上できる。また、板状放熱部材４０は被冷却空気ａの流れ方向に沿って設けられるので、被冷却空気ａの乱れを抑制できる。図４Ａに示すように、被冷却空気ａの乱れが抑制された板状放熱部材４０の表面には、板状放熱部材４０の表面に近づくほど温度が徐々に低くなる温度境界層Ｂｔが形成される。この温度境界層の形成によって被冷却空気ａと板状放熱部材４０との熱伝達率が低下するので、板状放熱部材４０の表面に形成される霜層の成長を抑制できる。図４Ａに温度境界層Ｂｔの温度分布を模式的に示している。

温度境界層Ｂｔは上流側に行くほど薄くなる。そのため、上流側に行くほど被冷却空気ａと伝熱管１６内を流れる冷却媒体との熱伝達が促進される。従って、通常の冷却運転時に板状放熱部材４０の上流側先端部分４０ａに霜付着量が増えることが想定される。逆に、流れ方向下流側ではこの温度境界層Ｂｔの形成によって板状放熱部材４０の表面に形成される霜層の成長を抑制できる。

一実施形態では、図３示すように、板状放熱部材４０は、流れ方向に沿って伝熱管グループ毎に互いに温度境界層Ｂｔを乱さないような間隔を置いて複数並列に配置される。複数の板状放熱部材４０が配置されることで、伝熱面積が増加し、伝熱性能を向上できる。また、板状放熱部材４０が被冷却空気ａの流れ方向に沿って配置されているため、被冷却空気ａの乱れを抑制できる。また、複数の板状放熱部材４０は伝熱管グループ毎に互いに温度境界層Ｂｔを乱さないような間隔を置いて配置されているため、隣り合う伝熱管グループ同士の板状放熱部材間の空隙の温度境界層Ｂｔが維持され、その空隙に面する板状放熱部材の流れ方向上流側の端部の霜層の成長を抑制することで、着霜の集中を抑制し、部分閉塞を抑制できる。また、この構成によれば、デフロスト時に隣り合う伝熱管グループの温度差があっても、この空隙が断熱材の役割を果たすため、隣りの伝熱管グループへの影響を抑制し、熱交換効率の低下を抑制できる。
なお、板状放熱部材４０は、平板形状とすることで、被冷却空気ａの乱れを最大限に抑制できるが、平板状放熱部材に限られず、コルゲート形状、ルーバ形状又はウェーブ形状としてもよい。

一実施形態では、複数の伝熱管１６の配置は、被冷却空気ａの乱流を形成せずに霜層の成長を抑制し，慣性によるミストの付着に起因する着霜の集中を抑制するという観点から、被冷却空気ａの流れに対して千鳥配置とするより格子配置とするのが望ましい。また、伝熱促進の観点からは千鳥配置とするのが望ましく、交換熱量やデフロストサイクル時間の条件等に関連して適宜選択すると良い。

一実施形態では、図３に示すように、板状放熱部材４０は、被冷却空気ａの流れ方向最上流側に設けられた伝熱管１６（１６ａ）から流れ方向で伝熱管１６（１６ａ）に隣接する１個以上の伝熱管１６まで延在する。上述のように、板状放熱部材４０の上流側先端部分４０ａは温度境界層Ｂｔが薄いため着霜の成長が早くなる。そこで板状放熱部材４０を下流側の伝熱管１６まで延在させることで、第２の先端部分を形成させないようにする。こうして温度境界層Ｂｔを下流側まで連続して形成でき、温度境界層Ｂｔを下流側まで途絶えさせないことで、着霜の成長を抑制できる。

一実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、板状放熱部材４０は、被冷却空気ａの流れ方向で２個以上の伝熱管グループＴａ及びＴｂに跨るように配置されると共に、これら伝熱管グループ間の領域に伝熱管グループ間の伝熱を抑制する断熱域４２（４２ａ、４２ｂ）を有する。
この実施形態によれば、板状放熱部材４０の伝熱管グループ間の領域に断熱域４２を有するため、断熱域４２の一方側の伝熱管グループＴａが冷却運転を行い、他方側の伝熱管グループＴｂがデフロスト運転を行うとき、デフロスト時に加えられる熱が冷却運転中の伝熱管グループに伝わって熱交換器１０の冷却効率を低下させるのを抑制できる。

図４Ａに示す実施形態では、断熱域４２（４２ａ）は、被冷却空気ａの流れ方向で温度境界層Ｂｔが途切れずに維持可能な長さに形成された隙間で構成されている。この隙間に存在する空気は断熱性を有するので、該隙間を形成することで、断熱域を形成できる。また、この隙間は被冷却空気ａの流れ方向で温度境界層Ｂｔが途切れずに維持可能な長さに形成されているので、この隙間によって途切れた板状放熱部材４０の端部で着霜が抑制される。
図４Ｂに示す実施形態では、断熱域４２（４２ｂ）は、熱伝導率が小さい物質で構成された断熱域を構成している。この断熱域の表面は被冷却空気ａが乱れないように平滑に形成される。

一実施形態では、図２に示すように、デフロストユニット１８は、伝熱管グループ毎に伝熱管１６に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却空気ａの温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を供給可能なデフロスト流体供給部５０を備える。特許文献１に記載されているように、デフロスト時に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却空気ａの温度より高い温度に維持することで、付着面に付着した霜層を昇華させ、飛散させることができる。例えば、霜の付着面温度を−２℃〜−５℃に維持する。
この実施形態によれば、デフロスト流体供給部５０によって、デフロスト運転を行う伝熱管グループに対して、霜の付着面温度を上記温度範囲に維持可能なデフロスト流体を供給することで、伝熱面に付着した霜を昇華させて除去する昇華デフロストが可能になる。

一実施形態では、デフロスト流体供給部５０は、デフロスト流路３４に設けられたバッファタンク４４を含む。バッファタンク４４にはバッファタンク４４に貯留されたデフロスト流体を加熱するための加熱部４６を備え、制御部４８は、圧力調整弁３６の開度を制御すると共に、加熱部４６を制御することで、デフロスト運転時に伝熱管グループに供給される冷却媒体の温度、圧力等の状態が、霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却空気ａの温度より高い温度に維持可能な状態に制御する。

一実施形態では、図１に示すように、複数の伝熱管グループを被冷却空気ａの流れ方向に配置するようにしてもよい。例えば、被冷却空気ａの流れ方向で２つの伝熱管グループを配置してもよい。また、複数の伝熱管グループを上下方向に重ねて配置するようにしてもよい。
また、図５Ａに示すように、複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ及びＴｃをファン１４を中心としてファン１４を囲むように円弧状に形成してもよい。複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ及びＴｃはこの順序で被冷却空気ａの上流側から配置する。図５Ｂに示す実施形態は、伝熱管群を複数の流路領域Ｆａ、Ｆｂ及びＦｃに分け、各流路領域が複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ及びＴｃで構成される例である。さらには、ファン１４を複数の伝熱管グループの上流側に配置し、押込み型のファンとして稼働させてもよい。

一実施形態に係る熱交換器のデフロスト方法は、図１に示す熱交換器１０を用いたデフロスト方法に係る。即ち、熱交換器１０は、被冷却空気ａが流れる冷却空気流路と、この冷却空気流路内において、該冷却空気流路における被冷却空気ａの流れ方向と直交する方向（矢印ｂ方向／第１方向）に沿って延在する複数の伝熱管１６と、複数の伝熱管１６のうちデフロスト対象管をデフロストするためのデフロストユニット１８と、を備える。複数の伝熱管１６は、被冷却空気ａの流れ方向（矢印ａ方向）及びおよび矢印ｂ方向に直交する方向（矢印ｃ方向／第２方向）に沿って配列された複数の伝熱管１６により形成される伝熱管列が、被冷却空気ａの流れ方向に複数並ぶように配列される。冷却空気流路は、矢印ｃ方向に並ぶ複数の流路領域Ｆａ、Ｆｂ及びＦｃを含み、複数の伝熱管１６は、これら複数の流路領域に夫々対応し、かつ、同一の流路領域内において被冷却空気ａの流れ方向にて互いに隣接する２以上の伝熱管列に属する複数の伝熱管１６により形成される複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ及びＴｃを含む。

図６に示すように、このデフロスト方法は、複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ及びＴｃのうち１つ以上の伝熱管グループをデフロスト対象管として選択し、該１つ以上の伝熱管グループ毎に順々に繰り返しデフロストする（デフロストステップＳ１０）を備える。
上記方法によれば、複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ・・・のうち１つ以上の伝熱管グループ毎に順々に繰り返しデフロストすることで、各伝熱管１６の伝熱面における被冷却空気ａの閉塞を防止しながら、デフロスト運転による熱交換器１０の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が下流側の伝熱面に再付着するのを抑制できる。さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能となる。

一実施形態では、図２に示すように、デフロストユニット１８は、複数の伝熱管列のうち流れ方向最上流側の伝熱管列（この実施形態では伝熱管グループＴａに属する伝熱管列）のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストするように構成され、デフロストステップＳ１０は、被冷却空気ａの流れ方向最上流側の伝熱管列（伝熱管グループＴａ）のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストする（ステップＳ１０ａ）。
このように、被冷却空気ａの流れ方向最上流側伝熱管列のみをデフロスト対象管として選択的にデフロストすることで、最上流側伝熱管列の着霜の成長を抑制できる。

一実施形態では、デフロストステップＳ１０において、伝熱管１６の少なくとも一部に付着する着霜量が許容値の上限に達する限界時間に合わせて、すべての伝熱管グループを１回デフロストするに要する１デフロスト時間を設定し、この１デフロスト時間から伝熱管グループの各々のデフロスト実施時間間隔を設定する。
この実施形態によれば、上記限界時間を被冷却空気ａの流れが板状放熱部材４０間などの隙間を閉塞しない上限値に設定することで、各伝熱管グループにおいて板状放熱部材４０間の被冷却空気ａの流路の閉塞が生じないようにデフロスト運転を実施できる。

一実施形態では、複数の伝熱管グループの各々のデフロスト実施時間間隔は、流れ方向下流側に配置された伝熱管グループほど長く設定される。被冷却空気ａの流れ方向下流側の伝熱管グループほど着霜の成長は遅くなる傾向にある。
この実施形態によれば、デフロスト実施時間間隔を被冷却空気ａの流れ方向下流側の伝熱管グループほど長く設定することで、デフロスト運転の頻度を少なくでき、これによって、デフロスト運転実施中の熱交換器１０の冷却効率の低下を抑制できる。

一実施形態では、デフロストステップＳ１０において、霜の付着面温度を０℃未満でかつ前記被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体をデフロスト対象となった伝熱管グループの伝熱管１６に供給し、該デフロスト流体の保有熱によって伝熱管１６に付着した霜を昇華させる（昇華デフロストステップＳ１０ｂ）。上記デフロスト流体は、例えば、冷凍機２０の圧縮機吐出側の高温の冷媒ガスを用いる。
この実施形態によれば、デフロスト運転を行う伝熱管１６に対して、霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を供給することで、付着面に付着した霜を昇華させて除去する昇華デフロストが可能になる。

一実施形態では、デフロストステップＳ１０において、複数の伝熱管グループの各々において、被冷却空気ａの流れ方向下流側に配置された伝熱管グループほど被冷却空気ａとデフロスト流体との温度差は小さく設定される。被冷却気体とデフロスト流体との温度差が小さいほど、着霜の除去効果は減少するが、後流側ほど霜層の成長が遅い。従って、着霜の成長が遅い流れ方向下流側ほど上記温度差を小さくすることで、着霜除去効果を維持しながら、熱交換器１０の冷却効率の低下を抑制できる。

一実施形態では、デフロストステップＳ１０において、デフロスト対象となる伝熱管グループが被冷却空気ａの流れ方向上流側に配置されているとき、ファン１４を逆回転させ、流れ方向を逆向きにする（逆流ステップＳ１０ｃ）。なお、図１に示すように、流路領域Ｆａ、Ｆｂ及びＦｃ毎にファン１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）を設けることで、デフロスト対象となる伝熱管グループのみ被冷却空気ａの流れを逆流できる。
この実施形態によれば、デフロスト運転時に被冷却空気ａの流れ方向を逆向きにすることで、付着面から剥離した霜が下流側の伝熱管１６に再付着するのを抑制できると共に、上流側で処理することを可能とする。また、先端部分に付着した霜を効率的に除去できる。さらに、デフロスト熱源によって昇温した被冷却空気ａが、一度上流側に戻り混合され、他の伝熱管グループに流入するため，熱交換器１０の下流側の温度むらを抑制できる。

幾つかの実施形態によれば、冷凍庫やフリーザ等に設けられたエアクーラなどの熱交換器において、伝熱面における被冷却気体の閉塞を防止しながら、デフロスト運転による熱交換器の熱効率の低下を抑制し、かつデフロスト時に付着面から剥離した霜が伝熱面に再付着するのを抑制可能である。さらには、熱交換器の無駄なデフロスト加熱を抑えながら効率的な冷却装置の運転が可能なデフロスト手段を実現できる。

１０ 熱交換器
１２ ケーシング
１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ） ファン
１６ 伝熱管
１８ デフロストユニット
２０ 冷凍機
２２ 冷媒回路
２４ 圧縮機
２６ コンデンサ
２８ レシーバ
３０ 膨張弁
３２ 逆止弁
３４ デフロスト流路
３６ 圧力調整弁
３８ キャピラリチューブ
４０ 板状放熱部材
４０ａ 先端部分
４２（４２ａ、４２ｂ） 断熱域
４４ バッファタンク
４６ 加熱部
４７、４９ 電磁弁
４８ 制御部
５０ デフロスト流体供給部
Ｂｔ 温度境界層
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ 流路領域
Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ 伝熱管グループ
ａ 被冷却空気

Claims (14)

1. 被冷却気体が流れる気体流路と、
   前記気体流路内において、前記気体流路における前記被冷却気体の流れ方向と直交する第１方向に沿って延在する複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管のうちデフロスト対象管をデフロストするためのデフロストユニットと、
   を備え、
   前記複数の伝熱管は、前記流れ方向および前記第１方向に直交する第２方向に沿って配列された複数の前記伝熱管により形成される伝熱管列が、前記流れ方向に複数並ぶように配列され、
   前記気体流路は、前記第２方向に並ぶ複数の流路領域を含み、
   前記複数の伝熱管は、前記複数の流路領域に夫々対応し、かつ、同一の前記流路領域内において前記流れ方向にて互いに隣接する２以上の前記伝熱管列に属する複数の前記伝熱管により形成される複数の伝熱管グループを含み、
   前記デフロストユニットは、前記複数の伝熱管グループのうち１以上の前記伝熱管グループの前記伝熱管を前記デフロスト対象管として選択的にデフロストを行うように構成されたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記デフロストユニットは、複数の前記伝熱管列のうち前記流れ方向最上流側の前記伝熱管列のみを前記デフロスト対象管として選択的にデフロストするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の伝熱管が貫通又は接触するように前記気体流路内にて前記流れ方向に沿って設けられる板状放熱部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記板状放熱部材は、前記流れ方向に沿って前記伝熱管グループ毎に互いに温度境界層を乱さない間隔を置いて複数並列に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記板状放熱部材は、前記流れ方向最上流側に設けられた前記伝熱管から前記流れ方向で前記伝熱管に隣接する１個以上の前記伝熱管まで延在することを特徴とする請求項３又は４に記載の熱交換器。
6. 前記板状放熱部材は、前記流れ方向で２個以上の前記伝熱管グループに跨るように配置されると共に、前記伝熱管グループ間の領域に前記伝熱管グループ間の伝熱を抑制する断熱域を有することを特徴とする請求項３乃至５の何れか一項に記載の熱交換器。
7. 前記デフロストユニットは、前記伝熱管グループ毎に前記伝熱管に霜の付着面温度を０℃未満でかつ前記被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を供給可能な一つ又は複数のデフロスト流体供給部を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の熱交換器。
8. 被冷却気体が流れる気体流路と、前記気体流路内において、前記気体流路における前記被冷却気体の流れ方向と直交する第１方向に沿って延在する複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管のうちデフロスト対象管をデフロストするためのデフロストユニットと、を備え、前記複数の伝熱管は、前記流れ方向および前記第１方向に直交する第２方向に沿って配列された複数の前記伝熱管により形成される伝熱管列が、前記被冷却気体の前記流れ方向に複数並ぶように配列され、前記気体流路は、前記第２方向に並ぶ複数の流路領域を含み、前記複数の伝熱管は、前記複数の流路領域に夫々対応し、かつ、同一の前記流路領域内において前記流れ方向にて互いに隣接する２以上の前記伝熱管列に属する複数の前記伝熱管により形成される複数の伝熱管グループを含む熱交換器のデフロスト方法であって、
   前記複数の伝熱管グループのうち１以上の前記伝熱管グループをデフロスト対象管として選択し、該１以上の伝熱管グループ毎に順々に繰り返しデフロストするデフロストステップを備えることを特徴とする熱交換器のデフロスト方法。
9. 前記デフロストユニットは、複数の前記伝熱管列のうち前記流れ方向最上流側の前記伝熱管列のみを前記デフロスト対象管として選択的にデフロストするように構成され、
   前記デフロストステップは、前記流れ方向最上流側の前記伝熱管列のみを前記デフロスト対象管として選択的にデフロストするステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の熱交換器のデフロスト方法。
10. 前記デフロストステップにおいて、
    前記伝熱管の少なくとも一部に付着する着霜量が許容値の上限に達する限界時間に合わせて、すべての前記伝熱管グループを１回デフロストするに要する１デフロスト時間を設定し、該１デフロスト時間から前記伝熱管グループの各々のデフロスト実施時間間隔を設定することを特徴とする請求項８又は９に記載の熱交換器のデフロスト方法。
11. 前記複数の伝熱管グループの各々の前記デフロスト実施時間間隔は、前記流れ方向下流側に配置された前記伝熱管グループほど長く設定されることを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器のデフロスト方法。
12. 前記デフロストステップにおいて、
    霜の付着面温度を０℃未満でかつ前記被冷却気体の温度より高い温度に維持可能なデフロスト流体を前記伝熱管に供給し、該デフロスト流体の保有熱によって前記伝熱管に付着した霜を昇華させることを特徴とする請求項８乃至１１の何れか一項に記載の熱交換器のデフロスト方法。
13. 前記デフロストステップにおいて、
    前記複数の伝熱管グループの各々において、前記流れ方向下流側に配置された前記伝熱管グループほど前記被冷却気体と前記デフロスト流体との温度差は小さく設定されることを特徴とする請求項１２に記載の熱交換器のデフロスト方法。
14. 前記デフロストステップにおいて、
    前記流れ方向上流側に配置された前記伝熱管グループがデフロスト対象となったとき、前記流れ方向を逆向きにすることを特徴とする請求項８乃至１３の何れか一項に記載の熱交換器のデフロスト方法。

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