JP3864949B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明にかかるヒートポンプ装置は、蒸発器に氷の成長を可能な限り抑制するヒートポンプ運転を実現し、ヒートポンプ給湯機やヒートポンプ式空気調和器等への利用として有用である。

従来の技術として、ヒートポンプ式給湯装置は図１０に示すような圧縮機１１、放熱器
１２、減圧装置１３、蒸発器１４を環状に冷媒配管１５で接続して構成される。そして、放熱器１２を介して、貯湯槽１６、ポンプ１７が環状に水配管１８により接続されている。図１１は、従来のフィンチューブ熱交換器を示すものである。図１１より、プレートフィン１、伝熱管２、Ｕベント３−ａ、蒸発器入口管４−ａ、蒸発器出口管４−ｂから構成されている（例えば特許文献１参照）。
特公平３−１５９２号公報

ここで、蒸発器中央部で凝縮した水は、フィン表面をつたって蒸発器下部に到達し、室外基板へ滴下し、室外へ排出される。しかし、蒸発器の風速は、図３の風速分布より、風速は中央部より上下部の方が速くなるため、特に、冬期条件（室外７／６℃）以下になると風速の遅い部分（上下部）は、速い部分（中央部）より蒸発器温度が低下する（蒸発器下部温度約０℃）。したがって、連続運転を行うと熱交換器下部に氷が成長するため、蒸発器能力低下に伴う性能低下や蒸発器の霜取り時に除霜運転時間の増加が発生する課題があった。

上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明のヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器、減圧装置、大気より吸熱する蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器の風下側に設けられたファンとを備え、前記蒸発器は伝熱管とプレートフィンとを複数列有するフィンチューブ熱交換器で、前記複数列のうち、一方の列の前記プレートフィンの最下端を他の列の最下端より、高さ方向において上方に位置させるとともに、前記一方の列において前記蒸発器下部の前記伝熱管の段数を減じることで、前記蒸発器の下部の通風抵抗を減少させ、前記蒸発器を配設する基板から前記一方の列におけるプレートフィンの最下端までの高さが、前記基板から前記蒸発器の風下側抵抗物までの高さ以下となる構成としたことを特徴とする。

請求項２記載の本発明のヒートポンプ装置は、列数の少ない位置に、冷媒入口部を設けたことを特徴とする。

請求項３記載の本発明のヒートポンプ装置は、伝熱管を配しない伝熱管抜き部を有し、蒸発器の最下端に伝熱管抜き部を設けないことを特徴とする。

本発明のヒートポンプ装置は、熱交換器下端の風速が向上し、氷の発生も無く効率の良い運転が可能となる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧装置、大気より吸熱する蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器の風下側に設けられたファンとを備え、前記蒸発器は伝熱管とプレートフィンとを複数列有するフィンチューブ熱交換器で、前記複数列のうち、一方の列の前記プレートフィンの最下端を他の列の最下端より、高さ方向において上方に位置させるとともに、前記一方の列において前記蒸発器下部の前記伝熱管の段数を減じることで、前記蒸発器の下部の通風抵抗を減少させ、前記蒸発器を配設する基板から前記一方の列におけるプレートフィンの最下端までの高さが、前記基板から前記蒸発器の風下側抵抗物までの高さ以下となる構成としたことにより、熱交換器下端の風速が向上し、氷の発生も無く効率の良い運転が可能となるとともに、装置の基板から蒸発器の下部の最下端までの高さを、前記基板から前記蒸発器の風下側抵抗物までの高さ以下となる構成としたことにより、前記蒸発器１列部の下端より流れ落ちる凝縮水が前記風
下側抵抗物の上面に滞留せず、室外へ排出することが可能である。

第２の発明は、特に、第１の発明の蒸発器の列数の少ない位置に、冷媒入口部を設けたことにより、熱交換器下部の蒸発温度が上昇し、着氷を防止し効率の良い運転が可能となる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の蒸発器は伝熱管を配しない伝熱管抜き部を有し、蒸発器の最下端に伝熱管抜き部を設けないことにより、除霜運転時熱交換器最下端が伝熱管により温められ霜や氷の解け残りなく融解し、短時間で除霜運転を行うことが可能となり、ヒートポンプ運転時に効率の良い運転が可能となる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１及び図２は、第１の実施例におけるヒートポンプ装置を示したものである。図１の蒸発器１４−ａの風下側にファン１９、ファンモータ２０、ファンモータ取付台２１、放熱器１２、断熱材２５が設けられ、基板２２、前板２３、天板２４で構成されているヒートポンプ装置の断面図である（圧縮機１１、減圧装置は別の部位に構成されている）。図２は蒸発器１４−ａの詳細図であり、プレートフィン１と伝熱管２（銅管）から成る複数列を有するフィンチューブ式熱交換器換器である。蒸発器１４−ａの伝熱管２は、冷媒分岐管入口４−ａ、伝熱管Ｕベンド３−ａ、伝熱管特殊ベンド３−ｂ、冷媒分岐管出口４−ｂを溶接することにより、冷媒通路（以下パスと呼ぶ）を構成し、更に前記蒸発器１４−ａの風上側下部を１列としている。

次に、本実施例の作用を説明する。図３は、本実施例と従来技術における蒸発器における風速分布を示したものである。これによれば、本実施例の蒸発器１４−ａは、熱交換器下部の通風抵抗を減少させることにより、蒸発器中央部に近い風速が得られる。特に、冬期条件（室外７／６℃）以下において、従来技術の例での蒸発器１４−ｂでは熱交換器下端の風速が低い為に氷が成長し、ヒートポンプ運転時の給湯（暖房）能力が減少し、更に氷を融解させるために長時間の除霜運転が必要となり積算能力としても減少するが、本実施例の蒸発器１４−ａでは、熱交換器下端の風速が向上し、氷の発生も無く効率の良い運転が可能となる。

（実施の形態２）
図４は、第２の実施例におけるヒートポンプ装置の蒸発器を示したものである。図４は、蒸発器１４−ａの１列部に蒸発器入口管４−ａを設け、Ｕベンド３−ａにより順次伝熱管２に接続している。

次に、本実施例の作用について説明する。図５は、蒸発器入口から出口までの温度分布を示したものである。これによれば、非共沸混合冷媒以外の冷媒においては、蒸発器温度は、入口の方が出口より高くなる。したがって、風速の低い前記蒸発器１４−ａの１列部に伝熱管入口を設けることにより、冬期条件（室外７／６℃）以下における熱交換器下部着氷を防止することが可能となり、効率の良い運転が可能となる。

（第１の参考例）
図６は、ヒートポンプ装置の蒸発器の伝熱管に関する参考例１を示したものである。図６（ａ）は、伝熱管を等間隔に配した場合、蒸発器１４−ａにおける伝熱管を配しない伝熱管抜き部（銅管無し）２−ｂを段方向（高さ方向）に連続して設けず、伝熱管Ｕベンド３−ｂによる冷媒通路を構成している。

次に、本参考例における作用について説明する。蒸発器１４−ａは、吸込温度が低下（約２℃以下）になると熱交換器に霜が成長し、定期的に除霜運転を行い霜を解かす必要がある。図６（ｂ）のように伝熱管抜き部２−ｃを段方向（高さ方向）に連続すれば伝熱管抜き部の霜が解け残り、霜や氷の成長が発生する為、蒸発器能力低下に伴う性能低下や蒸発器の霜取り時に除霜運転時間の増加が発生する課題があるが、図６（ａ）は、蒸発器１４−ａにおける伝熱管抜き部（銅管無し）２−ｂを段方向（高さ方向）に連続して設けていないため、上下伝熱管の熱伝達により伝熱管抜き部２−ｂの霜は、除霜運転により完全に解かす事が可能となり、除霜運転後に前記蒸発器の霜や氷の解け残りを防止し、ヒートポンプ運転時に効率の良い運転が可能となる。

（参考例２）
図７（ａ）は、ヒートポンプ装置の蒸発器の伝熱管に関する参考例２を示したものである。図７は、蒸発器１４−ａの伝熱管２が、風上と風下で銅管の抜き位置が重ならないことを特徴とする。具体的には、風上側の伝熱管抜き部２−ｂの上下の各々の伝熱管２の中心距離をαとした場合、風下側の冷媒抜き部２−ｂの中心線Ｘ（Ｘ方向）がα間に重ならないことである。図７（ｂ）は、α間にＸが重なる悪い実施例である。

次に、本参考例における作用について説明する。図７（ｂ）に示すように伝熱管抜き部２−ｂが風上と風下で重なる場合、Ｘ方向に通過する吸熱量がほとんど無いのに対し、図７（ａ）のように伝熱管抜き部２−ｂが風上と風下で重ならないため、蒸発器１４−ａの吸込み口のどの部位でも伝熱管２が風上または風下に存在する為、蒸発器吸熱量の損失が少なく効率の良い運転が可能となり、更に銅管の抜き本数分をコストダウンできる。

（実施の形態３）
図８（ａ）は、第３の実施例におけるヒートポンプ装置の蒸発器を示したものである。図８（ａ）は、蒸発器の最下端に伝熱管抜き部２−ｂを設けないことを特徴とする。

次に、本実施例における作用について説明する。蒸発器１４−ａにおける最下端は、ヒートポンプ運転及び除霜運転時共に熱交換器上部で発生した凝縮水が必ず通過する部位である。特に、図８（ｂ）に示すように熱交換器最下端を伝熱管抜き部２−ｃを構成すれば、除霜運転時、前記伝熱管抜き部２−ｃのフィン温度が上昇しないため、霜の解け残りが発生し氷の成長が発生、ファンロックや異常振動の発生要因となる。一方、図８（ａ）に示す蒸発器の最下端に伝熱管抜き部２−ｂを設けない為、除霜運転時熱交換器最下端が伝熱管により温められ霜や氷の解け残りなく融解し、短時間で除霜運転を行うことが可能となり、ヒートポンプ運転時に効率の良い運転が可能となる。

（実施の形態４）
図９は、第４の実施例におけるヒートポンプ装置を示したものである。図９より、蒸発器１４−ａの風下側１列部の最下端から基板までの高さ（Ｌ）が風下側抵抗物から基板までの高さ（Ｈ）より低い（Ｈ＞Ｌ）構成となる。

次に、本実施例における作用について説明する。前記蒸発器は、運転時凝縮水を発生し、熱交換器下端から流下するが、本発明によれば前記蒸発器１列部の下端より流れ落ちる凝縮水が前記風下側抵抗物２５の上面に滞留せず、最悪でも前記風下側抵抗物の側面に到達し流れ落ち、室外へ排出することが可能である。凝縮水が風下側抵抗物の上面に滞留すると、低外気温時（約２℃以下）において氷となって成長し、ファンをブロックさせ、異常音異常振動の発生や吸熱能力の減少に伴う性能悪化、圧縮機信頼性の悪化を生じるため、本発明はこの問題を解決する有効である。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、複数列を有するフィンチューブ式熱交換器である蒸発器の蒸発器の下部の列数を減じたことにより熱交換器下部の風速が向上し、氷の発生も無く効率の良い運転が可能となるため、ヒートポンプ給湯機及び空気調和機等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の横断面図 本発明の実施の形態１における蒸発器の横断面図 本発明の実施の形態１における蒸発器温度分布の説明図 本発明の実施の形態２における蒸発器の横断面図 本発明の実施の形態２における蒸発器温度分布の説明図 本発明の参考例１における蒸発器の横断面図 本発明の参考例２における蒸発器の横断面図 本発明の実施の形態３における蒸発器の横断面図 本発明の実施の形態４における蒸発器の横断面図 従来の実施例におけるヒートポンプ装置の冷凍サイクル図 従来の実施例における蒸発器の横断面図

符号の説明

１ プレートフィン
２ 伝熱管（銅管）
３ 伝熱管（銅管ベンド）
３−ａ Ｕベンド
３−ｂ 特殊ベンド
４ 冷媒分岐管
４−ａ 蒸発器入口管
４−ｂ 蒸発器出口管
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 減圧装置
１４ 蒸発器
１４−ａ 蒸発器（下端のみ１列）
１４−ｂ 蒸発器（全２列）
１５ 冷媒配管
１６ 貯湯槽
１７ ポンプ（ウォータポンプ）
１８ 水配管
１９ ファンモータ
２０ ファン
２１ ファンモータ取付台
２２ 基板
２３ 前板
２４ 天板
２５ 断熱材
１５−ｃ 気相（過熱）域の冷媒状態

Claims (3)

1. 圧縮機、放熱器、減圧装置、大気より吸熱する蒸発器を冷媒配管によって環状に接続して構成された冷媒回路と、前記蒸発器の風下側に設けられたファンとを備え、前記蒸発器は伝熱管とプレートフィンとを複数列有するフィンチューブ熱交換器で、前記複数列のうち、一方の列の前記プレートフィンの最下端を他の列の最下端より、高さ方向において上方に位置させるとともに、前記一方の列において前記蒸発器下部の前記伝熱管の段数を減じることで、前記蒸発器の下部の通風抵抗を減少させ、前記蒸発器を配設する基板から前記一方の列におけるプレートフィンの最下端までの高さが、前記基板から前記蒸発器の風下側抵抗物までの高さ以下となる構成としたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 列数の少ない位置に、冷媒入口部を設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 伝熱管を配しない伝熱管抜き部を有し、蒸発器の最下端に伝熱管抜き部を設けないことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ装置。

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