JP7208769B2 - 熱交換器及び熱交換器のデフロスト方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、NH3、R-404A、CO2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。
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NH3であり、二次回路72を循環する被冷却媒体はCO2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (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、
冷凍サイクル構成機器としての膨張弁の下流側に設けられ、前記膨張弁によって減圧された冷却媒体を前記複数の伝熱管グループに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、
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に接続され、
前記第1伝熱管グループから流出した前記デフロスト流体は、前記デフロスト分岐路の前記減圧部を通過した後、前記膨張弁の下流側の前記冷却媒体入口流路に流入して前記冷却媒体入口流路内の前記冷却媒体に合流し、前記第2伝熱管グループに向かって流れるように構成された
ことを特徴とする熱交換器。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 冷媒が循環する冷媒回路と、
該冷媒回路に設けられた前記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6の何れか一項に記載の熱交換器。 - 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7に記載の熱交換器。 - 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7に記載の熱交換器。 - 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6の何れか一項に記載の熱交換器。 - 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、
冷凍サイクル構成機器としての膨張弁の下流側に設けられ、前記膨張弁によって減圧された冷却媒体を前記複数の伝熱管グループに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、
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に接続され、
前記第1伝熱管グループから流出した前記デフロスト流体は、前記デフロスト分岐路の前記減圧部を通過した後、前記膨張弁の下流側の前記冷却媒体入口流路に流入して前記冷却媒体入口流路内の前記冷却媒体に合流し、前記第2伝熱管グループに向かって流れる
ことを特徴とする熱交換器のデフロスト方法。 - 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11に記載の熱交換器のデフロスト方法。
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