JP5490160B2 - 加熱器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱器及び加熱器を搭載した冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の加熱器は、例えば内部にヒータ部と、その周囲を螺旋状に巻回させ内部を冷媒又は水が流動する配管とを持ち、且つ、ヒータ部と配管の周囲を金属で充填あるいは金属で覆い、配管とヒータ部が対向するように、配管の入口側をヒータ部の入口側とは反対側に位置するようにしたことを特徴とするものである。これにより、ヒータ部の熱収縮による破損を防ぐことができ、冷媒又は水がヒータの低温部より徐々に温められ、暖房能力を高めることに対して効果的である加熱域を効率良く得ることができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−５１８３７号公報（請求項３、第２５図）

従来の加熱器は、ヒータ及び冷媒配管周辺に、伝熱等のための余分な金属があり、その分体積が増える。このため、加熱器が大型化し、重くなるという課題があった。本発明は上記のような従来課題を解決するためになされたもので、よりコンパクトな加熱器等を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る加熱器は、規則的に配置した複数のヒータ挿入穴及び冷媒流路となる貫通穴を有する金属ブロックと、ヒータ挿入穴に挿入されるヒータと、ヒータの近傍に取り付けられて温度を検出する温度検出手段とを備え、複数のヒータ挿入穴を直線上に並べて形成した挿入穴板と、複数の冷媒流路となる貫通穴を直線上に並べて形成した冷媒流路板とを積層して金属ブロックを構成するものである。

本発明によれば、金属ブロックに、複数のヒータと冷媒流路とを一定の規則で配置することで、単位体積当たりのヒータ及び冷媒流路の充填率を高めることができる。このため、加熱性能を維持しつつ、容積効率を向上することができ、コンパクトな加熱器を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る加熱器１００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る金属ブロック５の製作工程等を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒流路２の断面と端部形状を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱器１００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る加熱器１００を搭載した冷凍サイクル装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る加熱器１００の構成を示す図である。本実施の形態の加熱器１００は、金属ブロック５内において、ヒータ１を挿入する穴（挿入穴）と冷媒流路２とが交互に積層するように形成した一体型の加熱器である。ヒータ１の周囲は、熱伝導性、電気絶縁性の高い接着剤３（例えば、伝熱セメント等）で固め、ヒータ１を金属ブロック５（加熱器１００本体）と密着させ、接触熱抵抗を低減する。ここで、本実施の形態では、加熱手段となるヒータ１は、例えば保護管を有するシーズヒータを用いるものとしている。そして、内面に接着剤３が塗布されたヒータ用の穴に挿入される。ここでは、挿入穴の内面に接着剤３を塗布している例を示したが、これに限るものではない。例えば、保護管の外面に接着剤３を塗布して挿入するようにしてもよい。また、保護管の外面にロウ材を塗布又はクラッドし、加熱しながら挿入・ロウ付けするようにしてもよい。また、接着剤３として、接着剤の中に微細な金属粒子を混入したフィラー入り接着剤を用いても良い。

図２は本発明の実施の形態１に係る金属ブロック５の製作工程等を説明するための図である。本実施の形態では、加熱器１００を通過する流体に、温水等のアルミニウムを含む材料に対して腐食性を有する流体を使用しないものとする。このため、金属ブロック５として、例えばアルミブロックを用いているものとする。金属ブロック５としてアルミブロックを用いると、さらに低コスト化、軽量化を図ることができる。

また、一般的に、金属ブロック５は押出方式で一体成形される。例えば、図２に示すように、ヒータ１が挿入される穴のみが側壁部分に設けられた、断面が長方形の板（挿入穴板）と冷媒流路２のみが側壁部分に設けられた、断面が長方形の板（冷媒流路板）とを、ロウ付け、半田付け等により接合して金属ブロック５を構成するようにして良い。また、金属ブロック５内に設けられる冷媒流路２を円形としたが、これに限るものではなく、扁平形状としても良い。さらに、ここでは、ヒータ１と冷媒流路２とを碁盤目状に形成している（同じ列上に配列する）例について示しているが、一定の規則に基づいて、配置されたヒータ１、冷媒流路２を積層されて繰り返される形状であれば、碁盤目状に限定するものではない。例えば押出方式で一体成形できる場合は千鳥配列としても良い。

図３は、図２に記載した破線平面で切断したときの冷媒流路２の上面図である。金属ブロック５の冷媒流路２の一端は、Ｕベンド６で接続される。また、他端は配管７が出ており、図示しない入口合流管及び出口合流管と接続される。ここで、冷媒流路２は図３に記載したものに限るものではない。例えば、Ｕベンド６を用いずに、一方の端から片面から反対面へと一方向に流れる構成としても良い。この場合、冷媒の分岐数が図３の場合に比べて倍増し、本発明の熱交換器を蒸発器として用いる場合の冷媒圧力損失を従来例に比べて大幅に低減することができる。このため、特にＨＦＯ−１２３４ｙｆ等、蒸発に係る圧力が低い冷媒では性能を向上することができる。

また、ヒータ１による加熱器１００では、ヒータ制御の不具合による異常な温度上昇やそれに伴うヒータ１の断線を防止する必要がある。そこで、本実施の形態では、金属ブロック５の両端部分を、ヒータ１を有する列として配置する構造とし、加熱器１００の一端面に温度検出手段１０を備えている。温度検出手段１０は、加熱器１００の端面温度をセンシング（検出）する。例えば、冷凍サイクル装置の制御装置（図示せず）は温度検出手段１０の検出に係る温度に基づいて、異常な温度上昇が生じたものと判断すると、ヒータ１への通電を停止する。

以上のように構成した実施の形態１の加熱器１００においては、金属ブロック内にヒータ１、冷媒流路２を高密度に配置するようにしたので、単位体積当たりのヒータ１、冷媒流路２の充填率が高まり、性能及び容積効率を向上することができる。また、金属ブロック５としてアルミブロックを用いることで、低コスト化と軽量化を図ることができる。さらに、温度検出手段１０をヒータ１の近くに設置するようにしたので、ヒータ温度の上昇を遅滞なく検知でき、ヒータ１の過昇を抑制することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る加熱器１００の構成を示す図である。本実施の形態の加熱器１００は、金属ブロック５内の穴に挿入されたヒータ１、冷媒流路２、温水流路４を交互に積層した一体型の加熱器である。ここで、温水がアルミニウムを腐食させるため、本実施の形態では、金属ブロック５として銅（銅を含む材料も含む）などの腐食耐力のある材料を使用する。

また、温水によるアルミニウムの腐食は、穴間の厚み方向に進むため、冷媒流路２と温水流路４とが連通してしまう可能性がある。従って、アルミブロックを使用する場合は、腐食耐力のある銅配管などを金属ブロック５に形成した穴に挿入して温水流路４を形成し、たとえ銅が腐食しても銅配管に沿って進行するようにすれば良い。このような場合、銅配管の外表面と穴の内面との間には接触熱抵抗が発生する。そこで、実施の形態１と同様に、穴の内表面にロウ材を塗布して挿入する、銅配管の外表面にロウ材を塗布（又はクラッド）し、加熱しながら挿入・ロウ付けする等の方法で、銅配管と穴とを密着させて温水流路４を形成するようにしても良い。

ここで、複数穴を有する銅ブロックを押出方式で一体成形するには過大な押付力が必要となるため、図４に示すように、ヒータ１、冷媒流路２、温水流路４だけをそれぞれ形成した断面長方形の板を、拡散接合等により接合して構成するようにしてもよい。

本実施の形態の加熱器１００においては、金属ブロック５内にヒータ１、冷媒流路２、温水流路４を高密度に配置するようにしたので、単位体積当たりのヒータ１、冷媒流路２、温水流路４の充填率が高まり、性能及び容積効率を向上させることができる。また、金属ブロック５を銅ブロックとしているので、温水などヒータ以外の熱源を用いた場合にも腐食などの信頼性の低下が生じない加熱器１００を提供することができる。さらに、温度検出手段１０をヒータ１近くに設置したので、ヒータ温度の上昇を遅滞なく検知することができ、ヒータ１の過昇を抑制することができる。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係る空気調和装置の構成図である。本実施の形態では、上述した加熱器１００を備える冷凍サイクル装置の代表として空気調和装置について説明する。図５に示すように、本実施の形態における加熱器１００を用いた冷凍サイクル装置は、室外ユニット２００と２つの室内ユニット３００ａ及び３００ｂとを、液配管２１及びガス配管２２で接続して冷媒回路を構成するマルチ型の冷凍サイクル装置であるものとして説明する。

室外ユニット２００は圧縮機１１、四方弁２０、室外熱交換器１２、第１減圧装置１３、第２減圧装置１４、逆止弁１７及び加熱器１００を有している。また、室内ユニット３００ａ、３００ｂは、それぞれ室内熱交換器１６ａ、１６ｂ、第３減圧装置１５ａ、１５ｂを有している。以下、特に区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する。

室外ユニット２００において、圧縮機１１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機１１は、インバータ装置等を備え、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機１１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。四方弁２０は、制御装置（図示せず）からの指示に基づいて冷房運転及び除霜時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。冷房運転及び除霜時は、図５の実線で示すように、第１口２０ａと第２口２０ｂとの間及び第３口２０ｃと第４口２０ｄとの間を冷媒が流れるようにする。また、暖房運転時は、図５の破線で示すように、第１口２０ａと第４口２０ｄとの間及び第２口２０ｂと第３口２０ｃとの間を冷媒が流れるようにする。

室外熱交換器１２は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、液配管２１から流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁２０側から流入した圧縮機１１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。ここで、室外熱交換器１２における冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、図示しない室外ファン（例えば、プロペラファン）を設けている。また、第１減圧装置１３は、開度を変化させることで、例えば室外熱交換器１２を通過する冷媒の圧力、流量等を調整する、例えば電子膨張弁等の装置である。

本実施の形態では、加熱器１００と第２減圧装置１４とを直列にバイパス配管で接続する。そして、バイパス配管の一端を第１減圧装置１３と液配管２１との間に接続し、他端を四方弁２０と圧縮機１１の吸入部との間に接続してバイパス流路を形成する。本実施の形態における加熱器１００の構成は、実施の形態１、２の構成と同じである。また、第２減圧装置１４は、開度を変化させることで、加熱器１００を通過する冷媒の圧力、流量等を調整する、例えば電子膨張弁等の装置である。逆流防止手段となる逆止弁１７は、例えば、除霜時に加熱器１００から流れる冷媒の逆流を防止するための手段である。

一方、室内ユニット３００において、第３減圧装置１５は、開度を変化させることで、第３減圧装置１５を通過する冷媒の圧力、流量等を調整する、例えば電子膨張弁等の装置である。また、室内熱交換器１６は、冷媒と空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管２２から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させ、液配管２１側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、例えば第３減圧装置１５により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管２２側に流出させる。

以上のように構成した、加熱器１００を用いた冷凍サイクル装置の動作、効果等について説明する。

まず、暖房運転では、圧縮機１１は圧縮した冷媒を吐出する。冷媒は四方弁２０、ガス配管２２を通じて、室内ユニット３００の室内熱交換器１６に流入する。室内熱交換器１６において、冷媒は室内空気との熱交換により放熱し、凝縮液化する。そして、冷媒は、第３の減圧装置１５、液配管２１を通じて室外ユニット２００に流入する。

室外ユニット２００に流入した冷媒は、室外熱交換器１２で蒸発できる冷媒流量に応じ、一部の冷媒は第１減圧装置１３を通じて室外熱交換器１２に流入する。他の冷媒は第２減圧装置１４を通じて加熱器１００に流入する。ここで、外気温度が高いときには、室外熱交換器１２で十分に熱交換可能であるため、第１減圧装置１３を適切な開度に設定し、第２減圧装置１４を全閉にする。一方、外気温度が低いときには、室外熱交換器１２で冷媒と空気の十分な温度差が得られないため、第１減圧装置１３を全閉し、第２減圧装置１４を適切な開度に制御して加熱器１００を蒸発器とした暖房サイクルを行うようにする。例えばバイパス流路に冷媒を通過させるかどうかを判断する外気温度の閾値は、機器固有の値であり、機器ごとに決定される。

室外熱交換器１２に流入した冷媒は、図示しない空気（外気）から吸熱して蒸発・ガス化し、四方弁２０の第１口２０ａ及び第４口２０ｄ並びに逆止弁１７を通過して圧縮機１１に吸入される。一方、加熱器１００に流入した冷媒は、ヒータ１の熱で蒸発し、バイパス流路を通過して圧縮機１１に吸入される。このような冷媒循環（サイクル）を繰り返すことで暖房運転を行う。

ここで、暖房運転を行っていると、室外熱交換器１２に霜が付くため、暖房能力が低下する。そこで、室外熱交換器１２の着霜がある程度進行すると、除霜を行う。除霜を行うときには、前述したように、四方弁２０において、第１口２０ａと第２口２０ｂとの間及び第３口２０ｃと第４口２０ｄとの間を冷媒が流れるようにする。そして、加熱器１００を蒸発器として除霜を行う。このとき、第３減圧装置１５は全閉止又はほぼ閉止の開度にする。

圧縮機１１から吐出された冷媒は、室外熱交換器１２で凝縮する。そして、第１減圧装置１３、第２減圧装置１４を通過して加熱器１００で蒸発し、冷媒流路を通過して圧縮機１１に吸入される。このとき、加熱器１００が蒸発させることができる冷媒流量となる周波数で圧縮機１１を駆動する。そして、除霜終了と共に、室外熱交換器１２を蒸発器とした暖房運転に戻り、通常の暖房運転を行う。除霜の終了については、例えば、室外熱交換器１２において、最も着霜量が多くなる部分（例えば、最下段のパスの冷媒入口部）に設けた図示しない温度検出手段等の検出に基づいて、図示しない制御装置が判定処理を行う。

次に冷房運転について説明する。冷房運転を行う際には、第１減圧装置１３を全開、第２減圧装置１４を全閉とし、第３減圧装置１５を適切な開度に制御する。そして、圧縮機１１が冷媒を圧縮して吐出する。吐出した冷媒が、四方弁２０の第２口２０ｂ、第１口２０ａを通って室外熱交換器１２に流入する。室外熱交換器１２において、冷媒は空気（外気）へ放熱して凝縮・液化する。室外熱交換器１２を流出した液冷媒は、第１減圧装置１３、液配管２１を通過して室内ユニット３００に流入する。

室内ユニット３００に流入した冷媒は、第３減圧装置１５を通過して室内熱交換器１６に流入する。室内熱交換器１６に流入した冷媒は室内空気との熱交換により蒸発ガス化し、ガス配管２２を通じて室外ユニット２００に流入する。室外ユニット２００に流入した冷媒は、四方弁２０の第３口２０ｃ、第４口２０ｄ、逆止弁１７を通って圧縮機１１に吸入される。このような冷媒循環（サイクル）を繰り返すことで冷房運転を行う。

以上のように、実施の形態３においては、冷凍サイクル装置に加熱器１００を蒸発器として利用するようにしたので、例えば、外気温度が低い場合でも室外熱交換器１２の代わりに暖房能力を確保することができる。また、除霜能力を増大することができる。また、本実施の形態の加熱器１００は、単位体積当たりのヒータ１、冷媒流路２の充填率が高まるので、性能及び容積効率を向上できる。また、温度検出手段１０をヒータ１近くに設置したので、遅滞なくヒータの異常上昇を抑制できる。

１ ヒータ、２ 冷媒流路、３ 接着剤、４ 温水流路、５ 金属ブロック、６ Ｕベンド、７ 配管、１０ 温度検出手段、１１ 圧縮機、１２ 室外熱交換器、１３ 第１減圧装置、１４ 第２減圧装置、１５，１５ａ、１５ｂ 第３減圧装置、１６，１６a、１６ｂ 室内熱交換器、２０ 四方弁、２０ａ 第１口、２０ｂ 第２口、２０ｃ 第３口、２０ｄ 第４口、２１ 液配管、２２ ガス配管、１００ 加熱器、２００ 室外ユニット、３００，３００ａ、３００ｂ 室内ユニット。

Claims (6)

1. 規則的に配置した複数のヒータ挿入穴及び複数の冷媒流路となる貫通穴を有する金属ブロックと、
   前記ヒータ挿入穴に挿入された加熱手段と、
   前記加熱手段の近傍に取り付けられて温度を検出する温度検出手段と
   を備え、
   前記複数のヒータ挿入穴を直線上に並べて形成した挿入穴板と、前記複数の冷媒流路となる貫通穴を直線上に並べて形成した冷媒流路板とを積層して前記金属ブロックを構成することを特徴とする加熱器。
2. 前記金属ブロックは、さらに、規則的に配置した複数の温水流路となる貫通穴を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱器。
3. 前記金属ブロックは、アルミニウムを含む材料で構成することを特徴とする請求項１に記載の加熱器。
4. 前記金属ブロックは、アルミニウムを含む材料で構成し、
   前記温水流路となる貫通穴に銅配管を挿入することを特徴とする請求項２に記載の加熱器。
5. 前記金属ブロックは、銅を含む材料で構成することを特徴とする請求項２に記載の加熱器。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の加熱器を蒸発器として備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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