JP2020079678A - 熱交換器及び熱交換器のデフロスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器内部の伝熱管の配置場所を考慮したデフロストを行うことで、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制する。【解決手段】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、同一の前記気体流路内に配置される複数の伝熱管グループと、前記複数の伝熱管グループに冷却媒体を供給するための冷却媒体入口流路と、前記冷却媒体入口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの入口に接続される入口分岐路と、前記複数の伝熱管グループから流出した前記冷却媒体を流すための冷却媒体出口流路と、前記冷却媒体出口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの出口に接続される出口分岐路と、前記複数の伝熱管グループに対してデフロスト流体を供給するためのデフロスト流路と、記デフロスト流路と連通し、各々の前記伝熱管グループの前記入口又は前記出口に接続されるデフロスト分岐路と、前記複数の伝熱管グループの前記デフロスト分岐路に夫々設けられた複数のデフロスト弁と、を備える。【選択図】図２

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。

食品などの冷凍に用いる冷凍装置の冷媒として、ＮＨ_３やＣＯ_２等の自然冷媒が見直されている。そこで、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ_３を一次冷媒とし、無毒及び無臭のＣＯ_２を二次冷媒とした冷凍装置が広く用いられている。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ＮＨ_３によって冷却されたＣＯ_２が送られ、冷凍庫内の空気を冷却する（特許文献１）。冷凍装置の運転中、エアクーラに設けられた伝熱管に霜が付着し、熱伝達率効率が低下するので、定期的に冷凍装置の運転を中断してデフロストを行う必要がある。
本発明者等は、先に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２）。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２０１５／０９３２３３号 国際公開第２０１７／１７５４１１号

特許文献１に開示されたデフロスト方法は、冷凍庫内に複数のエアクーラ（熱交換器）を並列に配置しておき、着霜した熱交換器のデフロストを実施し、他方、他の熱交換器の運転を継続するものである。しかし、熱交換器内部の伝熱管の位置によって着霜の程度は異なる。例えば、入口端側にある伝熱管には、熱伝達率が高いために着霜の成長は早まる。これは、空気中で析出したミスト（液体及び固体）が慣性力により入口側に衝突することによる堆積、積層が主な原因である。従って、熱交換器内における伝熱管の位置を考慮せずに、熱交換器毎に一律に順番にデフロストを行っていては、デフロストの実施による熱交換器の稼働率の低下は避けられない。

特許文献２には、熱交換器の伝熱管を複数の領域に分け、一部の領域でデフロストを実施しながら、他の領域で冷却運転を実施することで、冷却運転を継続しながらデフロストを可能にすることが記載されている。しかし、特許文献２には、一部の領域でデフロストを実施しながら、他の領域で冷却運転を実施するアイデアのみが開示されているだけであり、熱交換器内部の伝熱管の位置を考慮したデフロスト方法や、これを行うための流路や配管の構成は開示されていない。

一実施形態は、熱交換器内部の伝熱管の配置場所を考慮したデフロストを行うことで、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制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、
同一の前記気体流路内に配置される複数の伝熱管グループと、
前記複数の伝熱管グループに冷却媒体を供給するための冷却媒体入口流路と、
前記冷却媒体入口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの入口に接続される入口分岐路と、
前記複数の伝熱管グループから流出した前記冷却媒体を流すための冷却媒体出口流路と、
前記冷却媒体出口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの出口に接続される出口分岐路と、
前記複数の伝熱管グループに対してデフロスト流体を供給するためのデフロスト流路と、
前記デフロスト流路と連通し、各々の前記伝熱管グループの前記入口又は前記出口に接続されるデフロスト分岐路と、
前記複数の伝熱管グループの前記デフロスト分岐路にそれぞれ設けられた複数のデフロスト弁と、
を備え、
前記複数のデフロスト弁は、前記複数の伝熱管グループのうちの一部である第１伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を開き、前記複数の伝熱管グループのうち残りの第２伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を閉じることで、前記第２伝熱管グループへの前記冷却媒体の流通状態を維持したまま、前記第１伝熱管グループに対して選択的にデフロストを行うように構成される。

上記伝熱管グループは、１つ又は複数の伝熱管で構成される。上記デフロスト弁の開閉操作を行うだけで、簡単にデフロスト流路を複数の伝熱管グループの１つまたは複数に選択的に切り替えることができる。これによって、伝熱管グループ毎に選択的にデフロストを行うことができる。例えば、熱交換器の内部で上流側の伝熱管グループは、他の伝熱管グループより着霜しやすいため、上流側の伝熱管グループのデフロスト頻度を増加できる。従って、着霜の成長の度合いに応じて伝熱管グループ毎にデフロスト頻度を選択できるので、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制できる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記デフロスト分岐路は、各々の前記伝熱管グループの前記出口に接続される。
上記（２）の構成によれば、デフロスト流体は伝熱管グループの出口側から伝熱管グループに供給できる。冷却運転時、伝熱管グループに供給される冷却媒体は液体又は液体と気体の二相流で供給され被冷却気体と熱交換して気体に相変化する。デフロスト時では、デフロスト流体は伝熱管グループに気体で供給され、伝熱管と熱交換して液体に相変化する。そこで、伝熱管を上下方向に配置し、冷却運転時冷却媒体を下方から供給し、冷却媒体は伝熱管との熱交換により蒸発して気体に相変化し、上方から流出するようにする。デフロスト時にデフロスト流体は上方から伝熱管に供給すれば伝熱管との熱交換により凝縮して液体に相変化し流下するようにする。こうして、冷却媒体及びデフロスト流体とも熱交換後の伝熱管からの排出が容易になる。

（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記デフロスト流路に設けられ前記デフロスト流体の状態を目的の状態に調節可能なデフロスト流体状態調節部を備える。
ここで「デフロスト流体状態調節部」とは、デフロスト流体を加熱や圧力制御弁等によって温度や圧力等を制御して目的の状態にするための調節部であり、目的の状態とは、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に供給する際に、霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度以上に維持することができる状態を言う。
上記（３）の構成によれば、上記デフロスト流体状態調節部によって各伝熱管グループに供給された際，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することができるように調節されたデフロスト流体を、伝熱管グループに供給してデフロストを行うことができる。これによって、融解水が発生しない昇華デフロストが可能になる。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、他の伝熱管グループで冷却運転を継続しながら、一部の伝熱管グループでデフロストを行うことができる。

（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記デフロスト流体状態調節部は、前記デフロスト流路に設けられた圧力制御弁を含む。
上記（４）の構成によれば、上記圧力制御弁によってデフロスト流体の圧力制御を行うことで、デフロスト流体の状態を制御し、デフロスト流体を供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持できるように調節できる。これによって、昇華デフロストが可能になる。

（５）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記デフロスト流体状態調節部は、前記デフロスト流路に設けられた加熱部を含む。
上記（５）の構成によれば、上記加熱部によってデフロスト流体の状態を制御し、デフロスト流体を供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に調節できる。これによって、昇華デフロストが可能になる。

（６）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記デフロスト流体状態調節部は、前記デフロスト流路に設けられ前記デフロスト流体を外部熱源と熱交換させる外部熱源熱交換器を含む。
上記（６）の構成によれば、上記外部熱源熱交換器によってデフロスト流体の状態を制御し、デフロスト流体を供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に調節できる。これによって、昇華デフロストが可能になる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記デフロスト分岐路は各々の前記伝熱管グループの前記入口及び前記出口に設けられ、前記入口に設けられた前記デフロスト分岐路は減圧部を備えると共に、前記冷却媒体入口流路又は前記冷却媒体出口流路に接続される。
上記（７）の構成によれば、デフロストを行う伝熱管グループでデフロストに供された後のデフロスト流体は、上記減圧部で減圧されて低圧の冷却媒体入口流路又は冷却媒体出口流路に戻すことができるので、冷却媒体入口流路又は冷却媒体出口流路の冷却媒体の流れを乱さずにデフロスト流体を冷却媒体流路に戻すことができる。そのため、他の伝熱管グループで冷却運転を安定して継続できる。

（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
冷媒が循環する冷媒回路と、
該冷媒回路に設けられた冷凍サイクル構成機器と、
を有する冷凍機を備え、
前記冷却媒体入口流路、前記冷却媒体出口流路及び前記デフロスト流路は、夫々前記冷媒回路に接続されている。
上記（８）の構成によれば、上記冷媒回路を循環する冷媒をデフロスト流体としてデフロスト流路に補給できる。

（９）一実施形態では、前記（８）の構成において、
前記冷凍サイクル構成機器は、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された前記冷媒を貯留するレシーバと、を含み、
前記デフロスト流路は前記レシーバのガス相に接続されている。
上記（９）の構成によれば、デフロスト流路がレシーバのガス相に接続されているので、デフロスト時にレシーバから凝縮器下流側の高温高圧の冷媒ガスを効率良く伝熱管グループに供給できる。

（１０）一実施形態では、前記（８）の構成において、
前記冷凍サイクル構成機器は、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された前記冷媒を貯留するレシーバと、を含み、
前記デフロスト流路は前記圧縮機の出口側に接続されている。
上記（１０）の構成によれば、圧縮機出口側の高温高圧な冷却ガスの保有熱をデフロスト熱源として利用できる。

（１１）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
冷媒が循環する一次回路と、
該一次回路に設けられた蒸発器を含む冷凍サイクル構成機器と、
被冷却媒体が循環し、前記蒸発器で該被冷却媒体が前記冷媒と熱交換するように構成された二次回路と、
を含んで構成され、
前記冷却媒体入口流路、前記冷却媒体出口流路及び前記デフロスト流路は、前記二次回路に接続されている。
上記（１０）の構成によれば、上記二次回路を循環する冷媒をデフロスト流体としてデフロスト流路に補給できる。

（１２）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、
同一の前記気体流路内に配置される複数の伝熱管グループと、
前記複数の伝熱管グループに冷却媒体を供給するための冷却媒体入口流路と、
前記冷却媒体入口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの入口に接続される入口分岐路と、
前記複数の伝熱管グループから流出した前記冷却媒体を流すための冷却媒体出口流路と、
前記冷却媒体出口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの出口に接続される出口分岐路と、
前記複数の伝熱管グループに対してデフロスト流体を供給するためのデフロスト流路と、
各々の前記伝熱管グループの前記入口又は前記出口に接続されるデフロスト分岐路と、
前記複数の伝熱管グループの前記デフロスト分岐路にそれぞれ設けられた複数のデフロスト弁と、
を備え、
前記複数のデフロスト弁は、前記複数の伝熱管グループのうち一部である第１伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を開き、前記複数の伝熱管グループのうち残りの第２伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を閉じることで、前記第２伝熱管グループへの前記冷却媒体の流通状態を維持したまま、前記第１伝熱管グループに対して選択的にデフロストを行うように構成された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以上の前記伝熱管グループ毎にデフロストするデフロストステップを備える。

上記（１２）の方法によれば、上記デフロストステップにおいて、１以上の伝熱管グループ毎にデフロスト順序を適宜選択してデフロストを行うことができる。これによって、着霜が成長しやすい伝熱管グループのデフロスト頻度を増加し、着霜が成長しにくい伝熱管グループのデフロスト頻度を減少させることで、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制できる。

（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、
前記デフロスト対象管として選択された前記伝熱管グループに、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することができるように温度調節した前記デフロスト流体を供給する。
上記（１２）の方法によれば、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した際に、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することができる状態に調節したデフロスト流体を供給することで、昇華デフロストが可能になる。

幾つかの実施形態によれば、熱交換器を構成する複数の伝熱管グループの配置場所を考慮し、伝熱管グループ毎にデフロスト頻度を選択できるため、デフロストを効率的に行うことができ、これによって、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制できる。

一実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 一実施形態に係る熱交換器を含む冷凍機の系統図である。 一実施形態に係る熱交換器を含む冷凍機の系統図である。 一実施形態に係る熱交換器を含む冷凍機の系統図である。 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２〜図４は、幾つかの実施形態に係る熱交換器を含む冷凍機の系統図である。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、冷凍庫の庫内空間やフリーザのハウジング内空間を冷却するエアクーラである。熱交換器１０のケーシング１２の内部は、被冷却空気が流れる流路ａが形成される。例えば、図示のように、ケーシング１２の前面及び後面は開放されており、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の流路ａが形成される。この空気流路ａ中に、複数の伝熱管１６が設けられる。伝熱管１６は複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ、・・・にグループ分けされ、通常の冷却運転時に供給される冷却媒体と、デフロスト運転時に供給されるデフロスト流体は、伝熱管グループ毎に切り替え供給可能に構成されている。上記伝熱管グループは、１つ又は複数の伝熱管１６で構成され、複数の伝熱管グループが同一の空気流路ａに配置される。

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Ｆａのみ図示され、他の中部領域Ｔｂ及び下部領域Ｔｃでは伝熱管１６の図示は省略されているが、伝熱管１６は中部領域Ｔｂ及び下部領域Ｔｃにも配置され、上部領域Ｆａの伝熱管グループＴａ、Ｔｂ、Ｔｃと同様に、中部領域Ｔｂ及び下部領域Ｔｃにも複数の伝熱管グループが存在している。空気流路ａは、矢印ｃ方向に並ぶ複数の流路領域Ｆａ、Ｆｂ及びＦｃを含む。

図２〜図４に示す冷凍機２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）において、冷却運転時に冷却媒体を伝熱管グループに供給する流路系は、冷却媒体入口流路２２と、冷却媒体入口流路２２から分岐して各伝熱管グループの入口に接続される入口分岐路２４と、で構成される。冷却媒体は冷却媒体入口流路２２から各入口分岐路２４を介して各伝熱管グループに供給される。
各伝熱管グループから冷却媒体を排出する流路系は、冷却媒体出口流路２６と、冷却媒体出口流路から分岐して各伝熱管グループの出口に接続される出口分岐路２８と、で構成され、各伝熱管グループで被冷却空気を冷却した冷却媒体は、各伝熱管グループから排出され、各出口分岐路２８から冷却媒体出口流路２６に排出される。

デフロスト運転時にデフロスト流体を各伝熱管グループに供給する流路系は、デフロスト流路３２と、デフロスト流路３２と連通し、各伝熱管グループの入口又は出口に接続されるデフロスト分岐路３４と、で構成され、デフロスト流体は、デフロスト流路３２から各デフロスト分岐路３４を介して各伝熱管グループに供給される。
なお、各出口分岐路２８には冷却媒体弁３０が設けられ、各デフロスト分岐路３４にはデフロスト弁３６が設けられ、これら弁の開閉により伝熱管グループを通る冷却媒体又はデフロスト流体の流路が形成される。

デフロスト運転では、複数の伝熱管グループＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ、・・・のうちの一部である伝熱管グループ（例えば、図２及び図４ではＴａ、図３ではＴｃ）に対応するデフロスト弁３６（図３においては加えて対応する電磁弁５５）を開き、かつ対応する冷却媒体弁３０を閉じ、残りの伝熱管グループに対応するデフロスト弁３６（図３においては加えて対応する電磁弁５５）を閉じ、かつ対応する冷却媒体弁３０を開く。これによって、残りの伝熱管グループへの冷却媒体の流通状態を維持したまま、デフロスト対象とした伝熱管グループに対して選択的にデフロストを行うことができる。
図２〜図４に示す冷凍機２０（２０Ａ〜２０Ｃ）において、デフロスト流体は、冷却運転時に伝熱管１６に供給される冷却媒体である。

上記構成によれば、冷却媒体弁３０及びデフロスト弁３６（図３においては加えて電磁弁５５）の開閉操作を行うだけで、デフロスト流路３２及びデフロスト分岐路３４で構成されるデフロスト路を簡単に複数の伝熱管グループの１つ又は複数に選択的に切り替えることができる。これによって、伝熱管グループ毎に選択的にデフロストを行うことができる。例えば、熱交換器１０の内部で上流側の伝熱管グループは、他の伝熱管グループより着霜しやすいため、上流側の伝熱管グループのデフロスト頻度を増加できる。従って、着霜の成長の度合いに応じて伝熱管グループ毎にデフロスト頻度を選択できるので、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制できる。

一実施形態では、図１に示すように、熱交換器１０において、複数の伝熱管１６は、被冷却空気の流れ方向（以下、単に「流れ方向」とも言う。）と直交する方向（幅方向。矢印ｂ方向）に延在し、該流れ方向に互いに間隔を置いて複数列に配置され、かつ該流れ方向及び幅方向と直交する方向（上下方向。矢印ｃ方向）に複数段に配置される。
図１では、ファン１４はケーシング１２の流れ方向下流側に設けられているが、ケーシング１２の流れ方向上流側に設けて押出し型ファンとしてもよい。

一実施形態では、デフロスト分岐路３４は、各伝熱管グループの出口に接続される。これによって、デフロスト流体は伝熱管グループの出口側から伝熱管グループに供給できる。冷却運転時、伝熱管グループに供給される冷却媒体は液体又は液体と気体の二相流で供給され被冷却気体と熱交換して気体に相変化する。デフロスト時では、デフロスト流体は伝熱管グループに気体で供給され、伝熱管１６と熱交換して液体に相変化する。そこで、伝熱管１６を上下方向に配置し、冷却運転時冷却媒体を下方から供給すれば、冷却媒体は気体に相変化し、上方から流出するようにする。デフロスト時にデフロスト流体は上方から伝熱管に供給すれば液体に相変化し流下するようにする。こうして、冷却媒体及びデフロスト流体とも伝熱管１６での熱交換後伝熱管１６から容易に排出できる。

一実施形態では、図２に示すように、冷凍機２０（２０Ａ）は、冷媒が循環する冷媒回路４２と、冷媒回路４２に設けられた冷凍サイクル構成機器と、を備える。冷却媒体入口流路２２、冷却媒体出口流路２６及びデフロスト流路３２は、夫々冷媒回路４２に接続されている。
この実施形態によれば、冷媒回路４２を循環する冷媒をデフロスト流体としてデフロスト流路３２に補給できる。
一実施形態では、上記冷凍サイクル構成機器は、圧縮機４４、凝縮器４６及び膨張弁４８を含む。冷媒回路４２を循環する冷媒は、例えば、ＮＨ_３、Ｒ−４０４Ａ、ＣＯ_２であり、冷媒ガスが圧縮機４４で圧縮され、凝縮器４６で冷却媒体によって冷却されて液化する。液化した冷媒液は膨張弁４８を経て減圧された後、冷却媒体入口流路２２及び入口分岐路２４を経て熱交換器１０の伝熱管１６に供給され、熱交換器１０の伝熱管１６で被冷却空気を冷却し気化する。伝熱管１６で気化した冷媒ガスは出口分岐路２８及び冷却媒体出口流路２６を経て冷媒回路４２に戻る。

一実施形態では、図２に示すように、冷媒回路４２に凝縮器４６で凝縮された冷媒を貯留するレシーバ５０が設けられ、デフロスト流路３２はレシーバ５０のガス相に接続されている。この実施形態によれば、デフロスト流路３２がレシーバ５０のガス相に接続されているので、デフロスト時にレシーバ５０から凝縮器下流側の高温高圧の冷媒ガスを効率良く熱交換器１０の各伝熱管グループに供給できる。

一実施形態では、デフロスト流路３２は，圧縮機４４の出口側に接続される。例えば、図２に示すように、冷媒回路４２から分岐する分岐ライン１１４が設けられ、分岐ライン１１４はデフロスト流路３２に接続される。分岐ライン１１４に圧力制御弁１１６が設けられ、圧力制御弁９０及び１１６の開閉を切り替えることで、デフロスト時に圧縮機４４から吐出された高温高圧の冷媒をデフロスト流路３２に供給できる。これによって、圧縮機出口側の高温高圧な冷媒の保有熱をデフロスト熱源として利用できる。

一実施形態では、図３及び図４に示す冷凍機２０（２０Ｂ、２０Ｃ）は、冷媒が循環する一次回路６２と、一次回路６２に設けられた蒸発器７０を含む冷凍サイクル構成機器と、被冷却媒体が循環し、蒸発器７０で該被冷却媒体が冷媒と熱交換するように構成された二次回路７２と、を含んで構成されている。冷却媒体入口流路２２、冷却媒体出口流路２６及びデフロスト流路３２は、二次回路７２に接続されている。
この実施形態によれば、二次回路７２を循環する冷媒をデフロスト流体としてデフロスト流路３２に補給できる。
一実施形態では、一次回路６２には他の冷凍サイクル構成機器として、圧縮機６４、凝縮器６６、膨張弁６８が設けられる。一次回路６２を循環する冷媒はＮＨ_３であり、二次回路７２を循環する被冷却媒体はＣＯ_２であり、被冷却媒体は液ポンプ７６によって二次回路７２を循環する。

一実施形態では、二次回路７２に蒸発器７０で一次回路６２を循環する冷媒と熱交換して液化された被冷却媒体を貯留するレシーバ７４を備える。レシーバ７４を備えるため、二次回路７２を流れる被冷却媒体の循環量の自由度が広がり、伝熱管１６に供給する被冷却媒体又はデフロスト流体の流量調節が容易になる。

図３に示す実施形態では、デフロスト流路３２は冷却媒体入口流路２２及び冷却媒体出口流路２６を介してレシーバ７４に接続されている。この実施形態では、デフロスト流路３２はレシーバ７４を経由しない閉ループを形成できるので、デフロスト流体の循環量を節減できる。
図４に示す実施形態では、デフロスト流路３２の上流側端は蓄圧タンク９８に直接接続され、下流側端は伝熱管グループの下流側で冷却媒体入口流路２２に接続されている。従って、デフロストによってデフロスト流体が得た冷熱をデフロスト対象ではない伝熱管グループで有効に利用できる。

一実施形態では、図２〜図４に示すように、デフロスト流路３２にデフロスト流体の状態を調節可能なデフロスト流体状態調節部８０（８０ａ、８０ｂ、８０ｃ）を備える。デフロスト流体状態調節部８０によって各伝熱管グループに供給されるデフロスト流体を、各伝熱管グループに供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持することができる状態に調節した後、各伝熱管グループに供給してデフロストを行うことができる。これによって、融解水が発生しない昇華デフロストが可能になる。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、冷却媒体弁３０及びデフロスト弁３６（図３においては加えて電磁弁５５）の開閉操作によって他の伝熱管グループで冷却運転を継続しながら、一部の伝熱管グループでデフロストを行うことができる。

一実施形態では、図２及び図３に示すように、デフロスト流体状態調節部８０（８０ａ、８０ｂ）は、デフロスト流路３２に設けられた加熱部８２及び８４を含む。加熱部８２及び８４によってデフロスト流体の状態を制御し、デフロスト流体を、各伝熱管グループに供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持することができるように調節できる。これによって、昇華デフロストが可能になる。
一実施形態では、図２に示すように、バッファタンク８６がデフロスト流路３２に設けられ、加熱部８２はバッファタンク８６に設けられる。デフロスト流路３２から各伝熱管グループに供給されるデフロスト流体は、バッファタンク８６に一時貯留され、バッファタンク８６に設けられた加熱部８２によって昇華デフロストが可能な状態に調節される。

一実施形態では、図２に示すように、圧縮機４４から吐出される高温高圧の冷媒ガスが冷媒供給路８８を通って加熱部８２に供給される。冷媒供給路８８を介して供給される高温高圧の冷媒ガスによってデフロスト流体は加熱され、昇華デフロストが可能な状態に調節される。
一実施形態では、図３に示す冷凍機２０（２０Ｂ）において、冷却媒体弁３０とデフロスト弁３６および電磁弁５５の開閉によってデフロスト対象となった伝熱管グループを含むデフロスト流路３２は閉回路を形成し、加熱部８４は加熱用熱交換器で構成される。デフロスト流路３２においてデフロスト流体はサーモサイフォン作用によって自然循環する。

一実施形態では、図２、図３及び図４に示すように、デフロスト流体状態調節部８０（８０ａ、８０ｂ、８０ｃ）は、デフロスト流路３２に設けられた圧力制御弁９０及び１０２を含む。圧力制御弁９０又は１０２によってデフロスト流体の圧力制御を行うことで、デフロスト流体の状態を制御し、デフロスト流体を、各伝熱管グループに供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持することができるように調節できる。これによって、昇華デフロストが可能になる。
一実施形態では、図２に示すように、デフロスト流路３２の圧力制御弁９０の下流側に圧力センサ９２が設けられる。制御部９４は、各伝熱管グループの伝熱管１６に供給されるデフロスト流体の状態が昇華デフロストが可能な状態になるように、圧力センサ９２の検出値に応じて圧力制御弁９０の開度を制御する。これによって、伝熱管１６に供給されるデフロスト流体の状態を昇華デフロストが可能な状態に精度良く制御できる。

一実施形態では、図４に示すように、デフロスト流体状態調節部８０（８０ｃ）は、デフロスト流路３２に設けられた外部熱源熱交換器９６を含む。外部熱源熱交換器９６でデフロスト流体は外部熱源と熱交換される。外部熱源熱交換器９６によってデフロスト流体の状態を制御し、デフロスト流体を、各伝熱管グループに供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却気体の温度より高い温度に維持することができるように調節できる。これによって、昇華デフロストが可能になる。この実施形態では、デフロスト流体の状態調節に外部熱源を用いることができるため、熱源の選択の自由度が高い。
外部熱源熱交換器９６の熱源は、例えば外気であってもよく、あるいは他の熱源でもよい。例えば、凝縮器６６で冷媒を冷却した冷却媒体の保有熱を熱源としてもよい。

霜の付着面温度を調節する際に、冷却媒体の凝縮を利用して付着面を加熱する場合、目的とする温度から求められる凝縮圧力を主として制御の基準パラメータとする。この理由は、デフロスト流体の温度で制御する場合、冷却媒体の過熱（飽和状態から外れる状態）などの変動要素が加わることと、温度分布があるためどこの温度を計測して制御するか等の問題があるため、温度を基準パラメータとしにくいからである。

一実施形態では、図２及び図４に示すように、デフロスト分岐路３４（３４ａ、３４ｂ）は各伝熱管グループの入口及び出口に設けられ、入口に設けられたデフロスト分岐路３４（３４ｂ）は減圧部５４を備えると共に、冷却媒体入口流路２２又は冷却媒体出口流路２６に接続される。
この実施形態によれば、デフロストを行う伝熱管グループでデフロストに供された後のデフロスト流体は、減圧部５４で減圧されて低圧の冷却媒体入口流路２２又は冷却媒体出口流路２６に戻すことができるので、冷却媒体入口流路２２又は冷却媒体出口流路２６の冷却媒体の流れを乱さずに、デフロスト流体をこれら冷却媒体流路に戻すことができる。そのため、他の伝熱管グループで冷却運転を安定して継続できる。
図２に示す実施形態では、入口側デフロスト分岐路３４（３４ｂ）は、冷却媒体入口流路２２に接続されている。
一実施形態では、入口分岐路２４に冷却媒体が各伝熱管グループから冷却媒体入口流路２２に逆流するのを防止する逆止弁５２が設けられている。

図２及び図４に示す実施形態では、減圧部５４は出口側デフロスト分岐路３４（３４ｂ）に設けられ、デフロスト分岐路３４（３４ｂ）は冷却媒体入口流路２２に接続されている。減圧部５４は、図２に示すようにキャピラリチューブであってもよいし、図４に示すように減圧弁であってもよい。なお、図３に示す実施形態では、デフロスト流体はデフロスト流路３２をサーモサイフォン作用によって自然循環するため、デフロスト分岐路３４（３４ｂ）に減圧弁でなく電磁弁５５が設けられる。

一実施形態では、図３及び図４に示すように、加熱部８４又は外部熱源熱交換器９６の下流側のデフロスト流路３２に蓄圧タンク９８が設けられている。これにより、デフロスト流体が各伝熱管グループに供給された際に温度及び圧力が急激に低下することを緩和できる。
一実施形態では、図２〜図４に示すように、デフロスト流路３２とレシーバ７４とを接続する圧力調整路１００が設けられる。デフロスト流路３２が異常高圧となったとき、圧力調整路１００に設けられた圧力制御弁１０２によって、一部のデフロスト流体を、図２に示す実施形態では低圧側冷媒回路４２に逃し、図３及び図４に示す実施形態ではレシーバ７４に逃すことで圧力調整が可能になる。

一実施形態では、図４に示すように、デフロスト流路３２に高圧ポンプ１０４が設けられ、レシーバ７４内の被冷却媒体ガスは高圧ポンプ１０４によってデフロスト流体としてデフロスト流路３２に供給される。レシーバ７４と高圧ポンプ１０４下流側のデフロスト流路３２とに接続される圧力調整路１０６が設けられ、圧力調整路１０６に圧力制御弁１０８、圧力センサ１１０が設けられ、デフロスト流路３２に逆止弁１１２が設けられている。圧力センサ１１０の検出値に基づき圧力制御弁１０８の開度を制御することで、高圧ポンプ１０４下流側のデフロスト流体の圧力を制御する。

一実施形態に係るデフロスト方法は、図５に示すように、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以上の前記伝熱管グループ毎にデフロストする（デフロストステップＳ１０）。
上記方法によれば、１以上の伝熱管グループ毎にデフロスト順序を適宜選択してデフロストを行うことができるため、着霜が成長しやすい伝熱管グループのデフロスト頻度を増加し、着霜が成長しにくい伝熱管グループのデフロスト頻度を減少させることで、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制できる。

一実施形態では、デフロストステップＳ１０において、デフロスト対象管として選択された伝熱管グループに、供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却空気の温度より高い温度に維持することができる状態に調節したデフロスト流体を供給する（デフロスト流体状態調節ステップＳ１０ａ）。この実施形態によれば、デフロスト対象となる伝熱管グループに、供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却空気の温度より高い温度に維持することができる状態に調節したデフロスト流体を供給することで、昇華デフロストが可能になる。

通常の冷却運転では、すべての伝熱管グループの伝熱管１６に冷却媒体入口流路２２から冷却媒体が供給され、冷却媒体によって空気流路ａを流れる被冷却空気が設定された低温に冷却される。デフロスト運転時には、複数の伝熱管グループのひとつを選択し、選択された伝熱管グループにデフロスト流路３２からデフロスト流体を供給する（デフロストステップＳ１０）。デフロスト流体はデフロスト流体状態調節部８０で、各伝熱管グループに供給した際に霜の付着面温度を０℃未満でかつ被冷却空気より高い温度に維持することができるように調節され（デフロスト流体状態調節ステップＳ１０ａ）、その後、選択された伝熱管グループに供給される。デフロスト流体が供給された伝熱管グループでは、伝熱管内を流れるデフロスト流体の熱により伝熱面に付着した霜を昇華させ除去することができる。これを別な伝熱管グループに順々に行っていくことで、熱交換器１０の稼働中に全伝熱管のデフロストが可能になると共に、各伝熱管グループでデフロストを行う順序を適宜選択することでデフロストを効率良く行うことができる。

伝熱管が配置される位置によって、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や各伝熱管グループのデフロスト頻度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ａ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被冷却空気の流れ方向下流側の伝熱面に再付着するのを抑制できる。

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、上流側と下流側とで同時にデフロスト運転を行うことで、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、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とで、デフロスト頻度を低減し、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。

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、熱交換器内部の伝熱管の配置場所を考慮した効率的なデフロストを行うことで、デフロスト実施による熱交換器の稼働率低下を抑制できる。

１０ 熱交換器
１２ ケーシング
１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ） ファン
１６ 伝熱管
２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ） 冷凍機
２２ 冷却媒体入口流路
２４ 入口分岐路
２６ 冷却媒体出口流路
２８ 出口分岐路
３０ 冷却媒体弁
３２ デフロスト流路
３４（３４ａ、３４ｂ） デフロスト分岐路
３６ デフロスト弁
４２ 冷媒回路
４４、６４ 圧縮機
４６、６６ 凝縮器
４８、６８ 膨張弁
５０、７４ レシーバ
５２、１１２ 逆止弁
５４ 減圧部
５５ 電磁弁
６２ 一次回路
７０ 蒸発器
７２ 二次回路
７６ 液ポンプ
８０（８０ａ、８０ｂ、８０ｃ） デフロスト流体状態調節部
８２、８４ 加熱部
８６ バッファタンク
８８ 冷媒供給路
９０、１０２、１０８，１１６ 圧力制御弁
９２、１１０ 圧力センサ
９４ 制御部
９６ 外部熱源熱交換器
９８ 蓄圧タンク
１００、１０６ 圧力調整路
１０４ 高圧ポンプ
１１４ 分岐ライン
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ 流路領域
Ｆａ 上部領域
Ｆｂ 中部領域
Ｆｃ 下部領域
Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ 伝熱管グループ
ａ 空気流路

Claims (13)

1. 被冷却気体が流れる気体流路と、
   同一の前記気体流路内に配置される複数の伝熱管グループと、
   前記複数の伝熱管グループに冷却媒体を供給するための冷却媒体入口流路と、
   前記冷却媒体入口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの入口に接続される入口分岐路と、
   前記複数の伝熱管グループから流出した前記冷却媒体を流すための冷却媒体出口流路と、
   前記冷却媒体出口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの出口に接続される出口分岐路と、
   前記複数の伝熱管グループに対してデフロスト流体を供給するためのデフロスト流路と、
   前記デフロスト流路と連通し、各々の前記伝熱管グループの前記入口又は前記出口に接続されるデフロスト分岐路と、
   前記複数の伝熱管グループの前記デフロスト分岐路にそれぞれ設けられた複数のデフロスト弁と、
   を備え、
   前記複数のデフロスト弁は、前記複数の伝熱管グループのうち一部である第１伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を開き、前記複数の伝熱管グループのうち残りの第２伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を閉じることで、前記第２伝熱管グループへの前記冷却媒体の流通状態を維持したまま、前記第１伝熱管グループに対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. 前記デフロスト分岐路は、各々の前記伝熱管グループの前記出口に接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記デフロスト流路に設けられ前記デフロスト流体の状態を調節可能なデフロスト流体状態調節部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. 前記デフロスト流体状態調節部は、前記デフロスト流路に設けられた圧力制御弁を含むことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記デフロスト流体状態調節部は、前記デフロスト流路に設けられた加熱部を含むことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記デフロスト流体状態調節部は、前記デフロスト流路に設けられ前記デフロスト流体を外部熱源と熱交換させる外部熱源熱交換器を含むことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
7. 前記デフロスト分岐路は、各々の前記伝熱管グループの前記入口及び前記出口に設けられ、
   前記入口に設けられた前記デフロスト分岐路は減圧部を備えると共に、前記冷却媒体入口流路又は前記冷却媒体出口流路に接続される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. 冷媒が循環する冷媒回路と、
   該冷媒回路に設けられた冷凍サイクル構成機器と、
   を有する冷凍機を備え、
   前記冷却媒体入口流路、前記冷却媒体出口流路及び前記デフロスト流路は、夫々前記冷媒回路に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の熱交換器。
9. 前記冷凍サイクル構成機器は、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された前記冷媒を貯留するレシーバと、を含み、
   前記デフロスト流路は前記レシーバのガス相に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記冷凍サイクル構成機器は、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された前記冷媒を貯留するレシーバと、を含み、
    前記デフロスト流路は前記圧縮機の出口側に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
11. 冷媒が循環する一次回路と、
    該一次回路に設けられた蒸発器を含む冷凍サイクル構成機器と、
    被冷却媒体が循環し、前記蒸発器で該被冷却媒体が前記冷媒と熱交換するように構成された二次回路と、
    を含んで構成され、
    前記冷却媒体入口流路、前記冷却媒体出口流路及び前記デフロスト流路は、前記二次回路に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の熱交換器。
12. 被冷却気体が流れる気体流路と、
    同一の前記気体流路内に配置される複数の伝熱管グループと、
    前記複数の伝熱管グループに冷却媒体を供給するための冷却媒体入口流路と、
    前記冷却媒体入口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの入口に接続される入口分岐路と、
    前記複数の伝熱管グループから流出した前記冷却媒体を流すための冷却媒体出口流路と、
    前記冷却媒体出口流路から分岐して各々の前記伝熱管グループの出口に接続される出口分岐路と、
    前記複数の伝熱管グループに対してデフロスト流体を供給するためのデフロスト流路と、
    各々の前記伝熱管グループの前記入口又は前記出口に接続されるデフロスト分岐路と、
    前記複数の伝熱管グループの前記デフロスト分岐路にそれぞれ設けられた複数のデフロスト弁と、
    を備え、
    前記複数のデフロスト弁は、前記複数の伝熱管グループのうち一部である第１伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を開き、前記複数の伝熱管グループのうち残りの第２伝熱管グループに対応する前記デフロスト弁を閉じることで、前記第２伝熱管グループへの前記冷却媒体の流通状態を維持したまま、前記第１伝熱管グループに対して選択的にデフロストを行うように構成された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以上の前記伝熱管グループ毎に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。
13. 前記デフロストステップにおいて、
    前記デフロスト対象管として選択された前記伝熱管グループに、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することができるように状態を調節した前記デフロスト流体を供給す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。

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