JP6056268B2 - 熱交換器冷媒挙動評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷蔵庫や空気調和機等の熱交換器配管内部の冷媒挙動の可視化を行う熱交換器冷媒挙動評価装置に関するものである。

冷蔵庫や空気調和機等の開発において、製品相当の冷蔵庫や空気調和機を作製し、製品機能、例えば消費電力量測定等の各種試験を行う。その時、製品の省電力化の開発においては、各種運転条件に対して最適な冷凍サイクル機器の設計を行うために配管内の冷媒挙動を把握することが必要であり、特に、冷凍能力を左右する熱交換器の最適設計においては重要である。

従来、冷蔵庫や空気調和機等の冷凍サイクル装置内の冷媒の挙動を可視化するためには、一般的にアルミニウム、銅あるいは鉄で出来ている冷凍サイクル機器の配管の一部に透明な耐熱性ガラス製等の可視窓を取り付けた装置を作製し、配管内の冷媒を可視化していた。具体的には、熱交換器の入口側あるいは出口側に、冷媒流れ方向に沿って長い冷媒流路を有しかつこの冷媒流路に沿って横長の透明な耐熱性ガラスやプラスチック製の可視窓を設けることで冷媒の状態を可視化していた（例えば、特許文献１）。

特開平６−３１３６５６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、熱交換器の配管内全体の詳細な冷媒挙動を把握することができない。熱交換器の配管内では冷媒の状態が時々刻々と変化し、特に、冷凍サイクルにおける圧縮機が停止した状態での外部からの加熱による熱交換器除霜運転においては、冷媒の蒸発や凝縮により自励的な挙動を示すと考えられるため、熱交換器の入口側あるいは出口側のみの冷媒挙動の可視化では全体把握をすることができず、熱交換器除霜効率向上の技術指針を得ることが困難であった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器挙動評価装置は、配管内部の冷媒を可視化した熱交換器と、前記熱交換器を収納する収納室と、前記収納室と前記熱交換器の配管内部の冷媒を冷却する冷却ユニットとを備えたもので、前記熱交換器は透明配管を上下にサーペンタイン状に複数段積層した構成とし、前記熱交換器の近傍に加熱手段を備え、外部からの加熱による前記熱交換器除霜運転中の蒸発や凝縮による自励的な冷媒挙動の可視化を可能としたものである。

これにより、所定の収納室温度、冷媒温度条件において圧縮機が停止した状態での外部からの加熱による熱交換器除霜運転において、蒸発や凝縮により自励的な挙動を示すと考えられる冷媒の全体把握をすることができ、熱交換器除霜運転中の冷媒挙動を詳細に分析して、除霜効率向上の技術指針を得ることが出来る。

本発明の熱交換器挙動評価装置は、外部からの加熱による熱交換器除霜運転において、蒸発や凝縮により自励的な挙動を示すと考えられる冷媒の全体把握をすることで、熱交換器除霜運転中の冷媒挙動を詳細に分析して、除霜効率向上の技術指針を得ることが出来る。

本発明の実施の形態１における熱交換器挙動評価装置の縦断面図 本発明の実施の形態１における熱交換器挙動評価装置の要部断面図

第１の発明は、配管内部の冷媒を可視化した熱交換器と、前記熱交換器を収納する収納室と、前記収納室と前記熱交換器の配管内部の冷媒を冷却する冷却ユニットとを備えたもので、前記熱交換器は透明配管を上下にサーペンタイン状に複数段積層した構成とし、前記熱交換器の近傍に加熱手段を備え、外部からの加熱による前記熱交換器除霜運転中の蒸発や凝縮による自励的な冷媒挙動の可視化を可能としたものであり、これにより前記熱交換器の配管内部の冷媒の全体挙動を把握することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記熱交換器に冷気を流通する送風ファンを備えたものであり、これにより製品の実使用に則した条件において前記熱交換器の配管内部の冷媒の全体挙動を把握することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記熱交換器を収納する収納室の温度および湿度を調整可能としたものであり、これにより任意の収納室温度、前記熱交換器への着霜量を初期条件として、外部からの加熱による前記熱交換器除霜運転において、蒸発や凝縮により自励的な挙動を示すと考えられる冷媒の全体把握をすることができ、前記熱交換器除霜運転中の冷媒挙動を詳細に分析して、除霜効率向上の技術指針を得ることが出来る。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記熱交換器の配管内部の冷媒量を任意に調整可能としたものであり、これにより任意の冷媒量においても外部からの加熱による前記熱交換器除霜運転において、蒸発や凝縮により自励的な挙動を示すと考えられる冷媒の全体把握をすることができ、前記熱交換器除霜運転中の冷媒挙動を詳細に分析して、除霜効率向上の技術指針を得ることが出来る。

以下、本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器挙動評価装置の縦断面図である。図２は、本発明の実施の形態１における熱交換器挙動評価装置の要部断面図である。

図１において、冷蔵庫の貯蔵室を模擬した熱交換器挙動評価装置１００の収納室１０１は、透明のアクリルなどの樹脂製の内箱１０２で形成され、その外周は例えば硬質発泡ウレタンなどの断熱材１０３で覆われており、周囲と断熱されている。

収納室１０１には、模擬ケース１０４が設けられており、模擬ケース１０４の下部に収納室１０１内の空気を冷却するための空気冷却ユニット１０５における冷却器１０６が備えられている。この冷却器１０６は、外部に設置した恒温循環水槽１０７と断熱チューブによって接続されており、空気冷却ユニット１０５を構成している。

また、収納室１０１の背面側には仕切壁を隔てて、配管内部の冷媒を可視化できる熱交換器１０８（構成は後述）が設けられており、その上部には冷却器１０６で生成された冷
気を収納室１０１内に循環させ、冷気吸込口１０９を通って熱交換器１０８へと通風するための送風ファン１１０が設置されている。そして、熱交換器１０８の下部には熱交換器１０８を加熱するための加熱ヒータ１１１が構成されている。

また、外部より収納室１０１内の熱交換器１０８を観察することができるように断熱材１０３に着脱可能部１０３ａを設けている。

さらに、水蒸気を収納室１０１内へ供給するために、外部に設置された水蒸気発生装置１１２と収納室１０１とが配管接続されている。

図２において、熱交換器１０８はアルミニウムなどの金属性のフィン１２１を備え、耐熱・耐圧製のあるガラスや透明な樹脂などで作製された透明配管１２２を上下にサーペンタイン状に複数段積層した構成となっている。また、透明配管１２２の上下先端にはＴ字継手１２３、１２４がＴの字が天地逆さまになるように取り付けられており、Ｔ字の一方（鉛直方向）は、熱交換器１０８の上部に設けられた冷媒液溜１２６へと接続され、もう一方（水平方向）は透明配管１２２内の冷媒の温度や圧力を測定するための計測器を取り付けることが可能な構成になっている。さらに、Ｔ字継手１２４と冷媒液溜１２６は開閉バルブ１２５を介して接続されている。

冷媒液溜１２６の内部には開閉バルブ１２８を介して冷媒ボンベ１２７から充填したガス冷媒を冷却して液化するための冷媒冷却ユニット１３１における冷却器１３０を設置している。この冷却器１３０は、外部に設置した恒温循環水槽１２９と断熱チューブによって接続されており、冷媒冷却ユニット１３１を構成している。

以上のように構成された熱交換器挙動評価装置１００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、収納室１０１内の空気の冷却について説明する。送風ファン１１０によって送風された空気は、図中の矢印のように内箱１０２と模擬ケース１０４との隙間を通って冷却器１０６へ到達し、冷却器１０６内を通過する。この時、冷却器１０７は恒温循環水槽１０７によって低温の不凍溶液を空気冷却ユニット１０５内に循環させることで低温となっている。したがって、空気が冷却器１０７内を通過する際に熱交換して冷却される。そして、冷気吸込口１０９から再び送風ファンへ１１０と戻る循環風路となっており、収納室１０１内の空気を所定の温度に冷却している。さらに、恒温循環水槽１０７によって循環させている不凍溶液の温度を変更することで、収納室１０１内の空気の温度を任意の温度に設定することが可能となる。

次に、冷媒の冷却について説明する。開閉バルブ１２８を開けて、冷媒ボンベ１２７よりガス冷媒を冷媒液溜１２６へ封入する。この時、冷却器１３０は恒温循環水槽１２９によって低温の不凍溶液を冷媒冷却ユニット１３１内に循環させることで低温となっている。したがって、封入されたガス冷媒は冷却器１３０によって冷却されて液化し、自重により透明配管１２２へと流れ落ちて行き、透明配管１２２内を所定の温度の所定量の液冷媒で満たされることになる。さらに、恒温循環水槽１２９によって循環させている不凍溶液の温度を変更し、なおかつ冷媒ボンベ１２７より封入するガス冷媒量を変更することで、透明配管１２２内に任意の温度・量の液冷媒を充填することが可能になる。

次に、例えば冷蔵庫のように、圧縮機が停止した状態での外部からの加熱による熱交換器除霜運転中の蒸発や凝縮による自励的な冷媒挙動の可視化について説明する。

まず、恒温循環水槽１０７、１２９を運転し、冷却器１０６、１３０を冷却する。次に
、送風ファン１１０を運転して収納室１０１内の空気を冷却するとともに、開閉バルブ１２８を開けて、冷媒ボンベ１２７よりガス冷媒を冷媒液溜１２６へ封入する。所定量（例えば、透明配管１２２の半分程度の配管内が満たされる程度の量）の封入が終わると開閉バルブ１２８を閉める。その後、収納室１０１内の空気が所定の温度（例えば、冷凍温度域の−２０℃）になり、かつ透明配管１２２内に所定温度（例えば、冷媒の蒸発温度相当の−２５℃）の液冷媒で充填された時点で恒温循環水槽１０７および１２９の不凍溶液の循環を停止する。同時に、収納室１０１内の送風ファン１１０を停止する。さらに、冷媒の自励挙動によって実際の冷蔵庫では起こりえない冷媒液溜１３０と透明配管１２２との循環および透明配管１２２の下部配管への逆流を防止するために（閉空間になっているために）開閉バルブ１２５を閉じる。これによって、収納室１０１内の空気と透明配管１２２内の冷媒は停止した状態となり、冷蔵庫の熱交換器除霜運転開始時を再現できる。そして、外部より透明配管１２２内の冷媒挙動を可視化するために断熱材１０３の着脱可能部１０３ａを取り外し、加熱ヒータ１１１に通電して除霜運転を開始する。こうすることにより、冷蔵庫のように、圧縮機が停止した状態での外部からの加熱による熱交換器除霜運転中の下部での蒸発によるガス化した冷媒の上昇や上部に上昇したガス冷媒の再凝縮による下降などの自励的な冷媒挙動を可視化することができ、熱交換器除霜運転中の冷媒挙動を詳細に分析して、除霜効率向上の技術指針を得ることが出来る。

さらに、可視化と同時に透明配管１２２内の冷媒の温度や圧力を直接測定することで、より詳細にかつ定量的に冷媒挙動を分析することができる。

さらに同時に、透明配管１２２の表面温度や透明配管１２２周辺の空気温度変化を測定することで、より詳細にかつ定量的に冷媒挙動を分析することができる。

また、上記ではより詳細に外部からの加熱による冷媒挙動を可視化するための方法として、熱交換器１０８へは着霜させていない例を説明したが、水蒸気発生装置１１２から収納室１０１へ水蒸気を供給することで液冷媒によって低温となった熱交換器１０８のフィン１２１へ冷蔵庫の実使用同様に着霜させることが可能となり、本来の除霜運転中の冷媒挙動を可視化することができる。さらに、水蒸気発生装置１１２から水蒸気供給量を調整することで熱交換器１０８への着霜量を変更することが可能になり、着霜量の変化による冷媒挙動の変化も分析することができる。

また、加熱ヒータ１１１の出力を変更することで、熱交換器１０８へ加熱量による冷媒挙動の変化も分析することができる。

また、冷却器１０６と１３０の配管を直列もしくは並列に接続することで１つの恒温循環水槽で冷却器１０６と１３０を冷却でき、収納室１０１内の空気と冷媒を同時に冷却することができる。これによって、装置作成コストを抑制することができる。

また、Ｔ次継手１２４と冷媒液溜１３０の間に冷媒量調節用液溜を設置することで、除霜運転開始時の透明配管１２２へ充填する量を実験毎に自在に変更することができる。

以上のように、本実施の形態においては、配管内部の冷媒を可視化した熱交換器１０８と、前記熱交換器１０８を収納する収納室１０１と、前記収納室１０１と前記熱交換器１０８の配管内部の冷媒を冷却する冷却ユニットと１０５、１３１を備えた熱交換器挙動評価装置１００において、前記熱交換器１０８の下部に加熱ヒータ１１１を、前記熱交換器１０８の上方に送風ファン１１０を設けることで、冷蔵庫のように、圧縮機が停止した状態での外部からの加熱による熱交換器除霜運転中の蒸発や凝縮による自励的な冷媒挙動の可視化することができ、熱交換器除霜運転中の冷媒挙動を詳細に分析して、除霜効率向上の技術指針を得ることが出来る。

なお、本実施の形態で示した各温度や冷媒量は一例であり、本発明はこれに限られるものではない。

以上のように、本発明にかかる熱交換器挙動評価装置は、家庭用又は業務用冷蔵庫もしくは野菜専用庫、ショーケースの除霜効率向上の技術指針取得に対しても適用できる。

１００ 熱交換器挙動評価装置
１０１ 収納室
１０５ 空気冷却ユニット
１０８ 熱交換器
１１０ 送風ファン
１１１ 加熱ヒータ
１２２ 透明配管
１３１ 冷媒冷却ユニット

Claims (4)

1. 配管内部の冷媒を可視化した熱交換器と、前記熱交換器を収納する収納室と、前記収納室と前記熱交換器の配管内部の冷媒を冷却する冷却ユニットとを備えたもので、前記熱交換器は透明配管を上下にサーペンタイン状に複数段積層した構成とし、前記熱交換器の近傍に加熱手段を備え、外部からの加熱による前記熱交換器除霜運転中の蒸発や凝縮による自励的な冷媒挙動の可視化を可能としたことを特徴とする熱交換器冷媒挙動評価装置。
2. 前記熱交換器に冷気を流通する送風ファンを備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器冷媒挙動評価装置。
3. 前記熱交換器を収納する収納室の温度および湿度を調整可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器冷媒挙動評価装置。
4. 前記熱交換器の配管内部の冷媒量を任意に調整可能としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器冷媒挙動評価装置。