JP7275372B2

JP7275372B2 - 熱源側ユニットの熱交換器及び該熱交換器を備えたヒートポンプ装置

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Publication number: JP7275372B2
Application number: JP2022502686A
Authority: JP
Inventors: 一晃櫻井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: JPWO2021171446A1; US20230041168A1; CN115103987A; AU2020431093B2; DE112020006824T5; WO2021171446A1; AU2020431093A1

Description

本開示は、熱交換ユニットの最下部で凍結する氷の成長を抑制できる熱源側ユニットの熱交換器及び該熱交換器を備えたヒートポンプ装置に関するものである。

ヒートポンプ装置の熱源側ユニットは、空気と冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器を備えている。熱交換器は、多数の伝熱管で構成された熱交換ユニットを備えている。熱交ユニットは、風上側と風下側に配置して２列とした構成が一般的である。しかし、最近では、熱交換効率を高めるために、熱交ユニットを風路方向に３列以上並べた構成が利用されている。

そして、ヒートポンプ装置の熱源側ユニットは、蒸発器として使用される場合、冷媒の蒸発温度が周囲の空気温度に比べて低くなるため、空気中の水分がフィンの表面に結露し、その結露水がフィンを伝って熱交換器の下部及び筐体の底板上に滞留する。そして、滞留した結露水は、外気が氷点下となると凍結するおそれがある。凍結した氷は、時間を追うごとに成長し、熱交換器の下部を損傷させるおそれがある。そのため、熱源側ユニットでは、凍結した氷を解氷させ、氷の成長を抑制できる構成とすることが望ましい。

例えば特許文献１に開示された冷凍装置の熱源側ユニットの熱交換器は、多数のフィンと、上下方向に並び第１列を形成する複数の第１伝熱管と、上下方向に並び第２列を形成する複数の第２伝熱管と、上下方向に並び第３列を形成する複数の第３伝熱管と、液側接続管と、ガス側接続管と、冷媒を分流させる分流器と、を有する構成である。第１伝熱管は、外気の流れる風上側に位置する。第３伝熱管は、外気の流れる風下側に位置する。第２伝熱管は、第１伝熱管と第３伝熱管との間に位置している。

第１列の最下部に位置する第１伝熱管、第２列の最下部に位置する第２伝熱管、及び第３列の最下部に位置する第３伝熱管は、互いに接続されて第１流路を形成している。液側接続管は、第１列の最下部に位置する第１伝熱管に接続されている。分流器は、第３列の最下部に位置する第３伝熱管に接続されている。熱交換器が蒸発器として機能する場合、液側接続管から比較的高温の冷媒が第１伝熱管へ流入し、第２伝熱管、第３伝熱管を通って分流器へと流れる。分流器は、液側接続管から第１流路に流れ、第１流路を出た冷媒を４つの分岐管に分流させる。第１流路を形成する第１伝熱管、第２伝熱管及び第３伝熱管を除く、他の第１伝熱管、第２伝熱管及び第３伝熱管は、複数の分岐管からそれぞれ出た冷媒が流れる４つの分岐流路を形成している。４つの分岐流路から流れ出た冷媒は、ガス側ヘッダへ流入して合流した後、ガス側接続管へと流れ出る。

特開２０１５－１４１００９号公報

上記特許文献１の熱交換器では、各列の最下部に位置する第１伝熱管、第２伝熱管及び第３伝熱管が互いに接続されて１本の流路で構成されており、液側接続管から比較的高温の冷媒が第１伝熱管へ流入し、第２伝熱管、第３伝熱管を通って分流器へと流れる。一般に、熱交換器の最下部に位置する伝熱管を流れる冷媒の温度が０℃よりも高ければ、熱交換器の凍結を抑制することが可能である。しかし、この熱交換器では、液側接続管から流入する比較的高温の冷媒が、第１伝熱管から第３伝熱管へ流れる際に配管の圧損と熱交換とによって冷媒温度が低下するため、十分な解氷効果が得られないおそれがある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱交換器が蒸発器として機能した際に、熱交換ユニットの最下部で凍結する氷を解氷させ、氷の成長を抑制できる、熱源側ユニットの熱交換器及び該熱交換器を備えたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本開示に係る熱源側ユニットの熱交換器は、上下方向に並ぶ複数の伝熱管で構成された伝熱管群が風路方向に少なくとも３列以上設けられた熱交換ユニットと、液相又は気液二相の冷媒の出入口となる液側接続管と、前記熱交換ユニットを構成する複数の冷媒流路に冷媒を分配する分配器と、を有し、前記熱交換ユニットは、前記伝熱管群のうち少なくとも２列の伝熱管群において、該伝熱管群の最下部に位置する伝熱管の一端に前記液側接続管が接続され、他端に前記分配器が接続されているものである。

本開示に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、負荷側熱交換器、膨張機構、上記熱源側ユニットの熱交換器が、配管で順次に接続されて冷媒が循環する冷媒回路を備えたものである。

本開示の熱源側ユニットの熱交換器及び該熱交換器を備えたヒートポンプ装置によれば、少なくとも２列の伝熱管群において、該伝熱管群の少なくとも最下部に位置する伝熱管の一端に液側接続管が接続され、他端に分配器が接続されている。よって、熱交換器が蒸発器として機能した際に、液側接続管から流入する比較的高温の冷媒を、最下部に位置する各伝熱管に流入させることができるため、熱交換ユニットの最下部で凍結する氷の成長を抑制できる。

本実施の形態１に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図である。本実施の形態１に係るヒートポンプ装置の熱源側ユニットであって、構成要素を一部省略した状態で示した斜視図である。本実施の形態１に係るヒートポンプ装置の熱源側熱交換器を模式的に示した説明図である。本実施の形態２に係るヒートポンプ装置の熱源側熱交換器を模式的に示した説明図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、適宜変更することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図である。図２は、本実施の形態１に係るヒートポンプ装置の熱源側ユニットであって、構成要素を一部省略した状態で示した斜視図である。

本実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００は、図１に示すように、熱源側ユニット２００と、負荷側ユニット３００と、を備えており、例えば空調又は給湯等を行うものである。そして、ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１０、流路切替装置１１、熱源側熱交換器１２、膨張機構１３及び負荷側熱交換器１４が、ガス側配管１５と液側配管１６とにより順次に接続され、冷媒が循環する冷媒回路４００を有している。圧縮機１０、流路切替装置１１、熱源側熱交換器１２及び膨張機構１３は、熱源側ユニット２００に設けられている。負荷側熱交換器１４は、負荷側ユニット３００に設けられている。

熱源側ユニット２００は、図１及び図２に示すように、外郭を形成する筐体２０１の内部に、圧縮機１０、流路切替装置１１、熱源側熱交換器１２及び膨張機構１３が収容されている。圧縮機１０及び熱源側熱交換器１２は、筐体２０１の底板２０１ａの上面に設けられている。

圧縮機１０は、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の状態にして吐出するものである。圧縮機１０は、一例として、運転容量を可変させることが可能とした構成であり、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機である。

流路切替装置１１は、一例として四方弁であり、冷媒の流路を切り換える機能を有するものである。具体的には、流路切替装置１１は、熱源側熱交換器１２が凝縮器として機能する場合、圧縮機１０の冷媒吐出側と熱源側熱交換器１２のガス側とを接続するとともに、圧縮機１０の冷媒吸入側と負荷側熱交換器１４のガス側とを接続するように冷媒流路を切り換える。また、流路切替装置１１は、熱源側熱交換器１２が蒸発器として機能する場合、圧縮機１０の冷媒吐出側と負荷側熱交換器１４のガス側とを接続するとともに、圧縮機１０の冷媒吸入側と熱源側熱交換器１２のガス側とを接続するように冷媒流路を切り換える。なお、流路切替装置１１は、例えば二方弁又は三方弁を組み合わせて構成してもよい。

熱源側熱交換器１２は、例えば冷房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機１０から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、熱源側熱交換器１２は、例えば暖房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構１３から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。熱源側熱交換器１２は、送風機によって室外空気を吸い込み、冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する。

膨張機構１３は、冷媒回路内を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、一例として開度が可変に制御される電子膨張弁で構成される。

負荷側熱交換器１４は、例えば冷房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構１３から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、負荷側熱交換器１４は、例えば暖房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機１０から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。負荷側熱交換器１４は、送風機によって室内空気を吸い込み、冷媒との間で熱交換した空気を室内に供給する。

次に、図２を参照しつつ、図３に基づいて熱源側熱交換器１２の構成を説明する。図３は、本実施の形態１に係るヒートポンプ装置の熱源側熱交換器を模式的に示した説明図である。図３中に示す白抜き矢印は風路方向Ｘを示している。

熱源側熱交換器１２は、図３に示すように、上下方向に並ぶ複数の伝熱管３で構成された伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）が風路方向Ｘに３列設けられた熱交換ユニット１と、熱交換ユニット１を構成する複数の冷媒流路（４ａ～４ｃ）に冷媒を分配する分配器５と、液相又は気液二相の冷媒の出入口となる液側接続管６と、を有している。

熱交換ユニット１は、図２及び図３に示すように、複数枚のフィン２と、上下方向に並ぶ複数の伝熱管３で構成された伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）と、を備えたフィンチューブ型（クロスフィン型）である。フィン２は、例えばアルミニウム合金等の金属材で形成されており、伝熱管３に接して伝熱面積を増大させるものである。フィン２は、板状の面が略平行となるように風路方向Ｘと略直交する方向に間隔をあけて並列に配置されている。

伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）は、風下側から順に配置された第１列伝熱管群３Ａ、第２列伝熱管群３Ｂ及び第３列伝熱管群３Ｃを有し、風路方向Ｘに沿って３列で構成されている。第１列伝熱管群３Ａは、上下方向に並ぶ複数の伝熱管（３０ａ～３０ｅ）で構成されている。第２列伝熱管群３Ｂは、上下方向に並ぶ複数の伝熱管（３１ａ～３１ｅ）で構成されている。第３列伝熱管群３Ｃは、上下方向に並ぶ複数の伝熱管（３２ａ～３２ｅ）で構成されている。なお、伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）は、風路方向Ｘに３列以上設けてもよい。また、図示の便宜上、各列の伝熱管を５つのみ記載したが、実際には５つ以上の伝熱管で構成されている。

伝熱管３は、例えばアルミニウム合金等の金属材で形成されており、内部に冷媒を通す流路が形成されている。伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）は、第１列伝熱管群３Ａと第３列伝熱管群３Ｃの最下部に位置する伝熱管３０ａ及び３２ａの一端に液側接続管６が接続され、他端に分配器５が接続されている。図示例では、第１列伝熱管群３Ａの最下部に位置する伝熱管３０ａと、第２列伝熱管群３Ｂの最下部に位置する伝熱管３１ａとが接続されており、伝熱管３０ａに液側接続管６が接続され、伝熱管３１ａに分配器５が接続されている。第３列伝熱管群３Ｃの最下部に位置する伝熱管３２ａは、一端に液側接続管６が接続され、他端に分配器５が接続されている。

熱交換ユニット１では、伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）の最下部に位置する伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）を除き、風路方向Ｘにおいて隣り合う各列の伝熱管が互いに接続されており、上下方向に複数の冷媒流路（４ａ～４ｃ）を形成している。各冷媒流路（４ａ～４ｃ）は、第３列伝熱管群３Ｃの各伝熱管（３２ｂ～３２ｅ）が、分配器５にそれぞれ接続されており、第１列伝熱管群３Ａの各伝熱管（３０ｂ～３０ｅ）がガス側配管１５にそれぞれ接続されている。なお、第１列伝熱管群３Ａの各伝熱管（３０ｂ～３０ｅ）と、ガス側配管１５とは、ガス接続管を介して接続してもよい。

なお、熱交換ユニット１は、２列の伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）において、伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）の少なくとも最下部に位置する伝熱管（３０ａ～３２ａ）の一端に液側接続管６が接続され、他端に分配器５が接続されていればよく、図示した構成に限定されない。図示することは省略したが、例えば、熱交換ユニット１は、第１列伝熱管群３Ａの最下部に位置する伝熱管３０ａの一端と、第２列伝熱管群３Ｂの最下部に位置する伝熱管３０ｂの一端に、液側接続管６が接続され、該伝熱管３０ａの他端と、該伝熱管３０ｂの他端に、分配器５が接続された構成でもよい。また、第１列伝熱管群３Ａの最下部に位置する伝熱管３０ａは、第２列伝熱管群３Ｂの最下部に位置する伝熱管３１ａと必ずしも接続する必要はなく、一端に液側接続管６が接続され、他端に分配器５が接続された構成としてもよい。

また、図示することは省略したが、熱交換ユニット１は、最下部の伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）と、該最下部から２番目に位置する伝熱管（３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ）又は該最下部から３番目に位置する伝熱管（３０ｃ、３１ｃ、３２ｃ）のそれぞれに、液側接続管６と分配器５を接続した構成でもよい。或いは、熱交換ユニット１は、最下部から３番目までのすべての伝熱管（３０ａ～３０ｃ、３１ａ～３１ｃ、３２ａ～３２ｃ）のそれぞれに、液側接続管６と分配器５を接続した構成としてもよい。この場合、伝熱管ごとに、液側接続管６と分配器５を接続した構成でもよいし、上下方向又は風路方向Ｘに隣り合う伝熱管同士を接続し、接続した組の伝熱管に液側接続管６と分配器５を接続した構成でもよい。なお、最下部から２番目及び３番目に位置する伝熱管について説明したが、最下部から４番目以上に位置する伝熱管でも同様に実施できる。

液側接続管６は、液側配管１６と伝熱管（３０ａ、３２ａ）とを接続するものである。液側接続管６は、例えば２分岐管で構成されている。なお、液側接続管６は、液側配管１６の一部として構成してもよいし、液側配管１６とは別部材として構成してもよい。

分配器５は、分配器本体５０と、分配器本体５０と伝熱管（３０ａ、３２ａ）とを接続する流入管５１と、分配器本体５０にそれぞれ接続された複数本の細管５２と、を有している。細管５２は、例えばキャピラリーチューブで構成されている。細管５２は、第３列伝熱管群３Ｃの伝熱管（３２ａ～３２ｅ）のうち、最下部を除く伝熱管（３２ｂ～３２ｅ）の一端にそれぞれ接続されている。流入管５１を介して分配器本体５０に流入した冷媒は、分配器本体５０で各細管５２に分配され、細管５２で減圧された後、各冷媒経路（４ａ～４ｃ）に流入する。なお、分配器５は、図示した構成に限定されず、熱交換ユニット１を構成する複数の冷媒流路（４ａ～４ｃ）に冷媒を分配することができれば、他の形態でもよい。

ここで、ヒートポンプ装置１００の熱源側ユニット２００は、蒸発器として使用される場合、冷媒の蒸発温度が周囲の空気温度に比べて低くなるため、空気中の水分がフィン２の表面に結露し、その結露水がフィン２を伝って熱交換器１２の下部及び筐体２０１の底板２０１ａの上面に滞留する。そして、滞留した結露水は、外気が氷点下となると凍結するおそれがある。凍結した氷は、時間を追うごとに成長し、熱交換器１２の下部を損傷させるおそれがある。

そこで、本実施の形態１に係る熱源側ユニット２００の熱交換器１２では、上下方向に並ぶ複数の伝熱管３で構成された伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）が風路方向Ｘに少なくとも３列以上設けられた熱交換ユニット１と、液相又は気液二相の冷媒の出入口となる液側接続管６と、熱交換ユニット１を構成する複数の冷媒流路（４ａ～４ｃ）に冷媒を分配する分配器５と、を有している。熱交換ユニット１は、伝熱管群（３Ａ～３Ｃ）のうち少なくとも２列の伝熱管群（３Ａ、３Ｃ）において、該伝熱管群（３Ａ、３Ｃ）の少なくとも最下部に位置する伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）の一端に液側接続管６が接続され、他端に分配器５が接続されている。

つまり、本実施の形態１に係る熱源側ユニット２００の熱交換器１２では、蒸発器として機能した際に、液側接続管６から流れる比較的高温の冷媒が、分配器５に流入して細管５２で減圧される前に、熱交換ユニット１の最下部の伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）に流入させることができる。よって、本実施の形態１に係る熱源側ユニット２００の熱交換器１２では、氷点下以下の外気条件において、液側接続管６から流入する比較的高温の冷媒を、最下部に位置する伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）に流入させることができるため、解氷を促すことができ、熱交換ユニット１の最下部で凍結する氷の成長を抑制できる。

また、本実施の形態１に係る熱源側ユニット２００の熱交換器１２では、凝縮器として機能した際に、ガス側配管１５から各冷媒流路（４ａ～４ｃ）を通過した冷媒が、分配器５を介して最下部に位置する伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）を通過して液側配管１６に流入するので、過冷却域を小さくすることができ、能力の低下を抑制することもできる。

実施の形態２．
次に、本実施の形態２に係る熱源側ユニット２００の熱交換器１２を図４に基づいて説明する。図４は、本実施の形態２に係るヒートポンプ装置の熱源側熱交換器を模式的に示した説明図である。図４中に示す白抜き矢印は風路方向Ｘを示している。なお、実施の形態１で説明した熱源側ユニット２００の熱交換器１２と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を適宜省略する。

本実施の形態２に係る熱源側ユニット２００の熱交換器１２では、第１列伝熱管群３Ａ、第２列伝熱管群３Ｂ及び第３列伝熱管群３Ｃの最下部に位置する伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）のそれぞれの一端に液側接続管６が接続され、それぞれの他端に分配器５が接続されている。なお、液側接続管６は、液側配管１６と伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）とを接続する３分岐管で構成されている。

つまり、この熱源側熱交換器１２では、最下部に位置する伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）のすべてに、液側接続管６を流れる比較的高温の冷媒を直接流入させることができるので、均一に且つ広範囲に亘って解氷を促すことができ、熱交換ユニット１の凍結を抑制できる。

なお、図示することは省略したが、熱交換ユニット１は、最下部の伝熱管（３０ａ、３１ａ、３２ａ）と、該最下部から２番目に位置する伝熱管（３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ）又は該最下部から３番目に位置する伝熱管（３０ｃ、３１ｃ、３２ｃ）のそれぞれに、液側接続管６と分配器５を接続した構成でもよい。或いは、熱交換ユニット１は、最下部から３番目までのすべての伝熱管（３０ａ～３０ｃ、３１ａ～３１ｃ、３２ａ～３２ｃ）のそれぞれに、液側接続管６と分配器５を接続した構成としてもよい。この場合、伝熱管ごとに、液側接続管６と分配器５を接続した構成でもよいし、上下方向又は風路方向Ｘに隣り合う伝熱管同士を接続し、接続した組の伝熱管に液側接続管６と分配器５を接続した構成でもよい。なお、最下部から２番目及び３番目に位置する伝熱管について説明したが、最下部から４番目以上に位置する伝熱管でも同様に実施できる。

以上に、熱源側ユニット２００の熱交換器１２及び該熱交換器１２を備えたヒートポンプ装置１００を実施の形態１及び２に基づいて説明したが、熱源側ユニット２００の熱交換器１２及びヒートポンプ装置１００は、上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば熱源側ユニット２００の熱交換器１２及びヒートポンプ装置１００は、上述した構成要素に限定されるものではなく、他の構成要素を含んでもよい。また、熱交換ユニット１は、図示したフィンチューブ型（クロスフィン型）の構成に限定されず、他の形態でもよい。要するに、熱源側ユニット２００の熱交換器１２及びヒートポンプ装置１００は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更及び応用のバリエーションの範囲を含むものである。

１熱交換ユニット、２フィン、３伝熱管、３Ａ第１列伝熱管群、３Ｂ第２列伝熱管群、３Ｃ第３列伝熱管群、４ａ、４ｂ、４ｃ冷媒流路、５分配器、６液側接続管、１０圧縮機、１１流路切替装置、１２熱源側熱交換器、１３膨張機構、１４負荷側熱交換器、１５ガス側配管、１６液側配管、３０ａ～３０ｅ伝熱管、３１ａ～３１ｅ伝熱管、３２ａ～３２ｅ伝熱管、５０分配器本体、５１流入管、５２細管、１００ヒートポンプ装置、２００熱源側ユニット、２０１筐体、２０１ａ底板、３００負荷側ユニット、４００冷媒回路。

Claims

上下方向に並ぶ複数の伝熱管で構成された伝熱管群が風路方向に少なくとも３列以上設けられた熱交換ユニットと、
液相又は気液二相の冷媒の出入口となる液側接続管と、
前記熱交換ユニットを構成する複数の冷媒流路に冷媒を分配する分配器と、を有し、
前記熱交換ユニットは、前記伝熱管群のうち少なくとも２列の伝熱管群において、該伝熱管群の最下部に位置する伝熱管の一端に前記液側接続管が接続され、他端に前記分配器が接続されている、熱源側ユニットの熱交換器。
前記伝熱管群は、風下側から順に第１列伝熱管群、第２列伝熱管群、第３列伝熱管群とされた３列で構成されており、
前記第１列伝熱管群、前記第２列伝熱管群及び前記第３列伝熱管群の最下部に位置する伝熱管に、前記液側接続管が接続されている、請求項１に記載の熱源側ユニットの熱交換器。
前記分配器は、前記熱交換ユニットを構成する複数の冷媒流路と接続される細管を有している、請求項１又は２に記載の熱源側ユニットの熱交換器。
圧縮機、負荷側熱交換器、膨張機構、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱源側ユニットの熱交換器が、配管で順次に接続されて冷媒が循環する冷媒回路を備えた、ヒートポンプ装置。