JPWO2017221400A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

空気調和装置（１）の室外熱交換器（１１）は、主熱交換部（１３）および補助熱交換部（１５）を備えている。室外熱交換器（１１）を蒸発器として作動する運転をさせる際には、室外熱交換器（１１）では、冷媒は、補助熱交換部（１５）から主熱交換部（１３）へ流れ、補助熱交換部（１５）では、補助熱交換部（１５ａ）の第１伝熱管（３３ａ）から、補助熱交換部（１５ｂ）の第２伝熱管（３３ｂ）へ流れる。冷媒出口温度が水の凝固点よりも低い場合において、補助熱交換部（１５）に流れ込む冷媒入り口温度が、外気温度よりも高く、かつ、補助熱交換部（１５）から送り出される冷媒出口温度が、外気温度よりも低くなるように運転される。

Description

本発明は、冷凍サイクル装置およびそれに用いられる室外熱交換器に関し、特に、主熱交換部および補助熱交換部を備えた室外熱交換器を含む冷凍サイクル装置と、そのような室外熱交換器とに関するものである。

冷凍サイクル装置の一例としての空気調和装置に使用されている室外熱交換器には、板状の複数のフィンを貫通するように、冷媒が流れる伝熱管を配置させた室外熱交換器がある。このような室外熱交換器は、フィンアンドチューブ型熱交換器と呼ばれている。この種の室外熱交換器には、熱交換が効率的に行われるように、伝熱管として、断面形状が扁平状の扁平型断面形状を有する扁平管が使用されている。

室外熱交換器には、凝縮用の主熱交換部と過冷却用の補助熱交換部とを備えたタイプがある。一般に、補助熱交換部の上に主熱交換部が配置されている。冷凍サイクル装置を冷房運転させる際には、室外熱交換器に流れ込んだ冷媒は、主熱交換部を流れる間に空気と熱交換が行われて凝縮し、液冷媒となる。その後、その液冷媒が補助熱交換部を流れることでさらに冷却されることになる。なお、この種の室外熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を開示した特許文献の例として、特許文献１がある。

特開２０１３−８３４１９号公報

しかしながら、上述した室外熱交換器を備えた空気調和装置では、次のような問題点があった。空気調和装置を、暖房運転させる際には、室外熱交換器は蒸発器として運転される。室外熱交換器が設置されている外気の温度が氷点下に近づくと、熱交換性能を維持するために、室外熱交換器の表面温度が氷点下よりも下がり、室外熱交換器には霜が付着することがある。

特に、補助熱交換部も蒸発器として空気調和装置を運転させる場合には、その補助熱交換部にも霜が付着することがある。室外熱交換器に霜が付着すると、通風抵抗が増大して熱交換性能が低下してしまう。霜の付着を防止するために、空気調和装置では、除霜運転が行われる。

室外熱交換器に霜が付着した状態で除霜運転を行うと、溶けた水は、室外熱交換器の上部から下部を流れて、室外熱交換器の下方にドレン水として落ちていく。このとき、伝熱管として扁平管を用いた熱交換器では、溶けた水が下方へ落ちにくくなり、下方に位置する補助熱交換部には、水が溜まりやすくなる。

このため、付着した霜を溶かすために除霜運転を行う時間が長くなるなどして、消費電力が増えることになる。一方、霜または水が残った状態で暖房運転が再開されると、残った水が、冷媒によって冷やされて凍りついてしまい、室外熱交換器を損傷させてしまうおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、補助熱交換部への霜の付着が防止される室外熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供することであり、他の目的は、そのような補助熱交換部を備えた室外熱交換器を提供することである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、室外熱交換器を備えた冷凍サイクル装置である。室外熱交換器は、第１熱交換部と、その第１熱交換部と並んで配置された第２熱交換部とを含む。第１熱交換部は、板状の複数のフィンと第１伝熱管と第２伝熱管と圧力損失機構とを備えている。第１伝熱管は、複数のフィンを貫通するように配置されている。第２伝熱管は、第１伝熱管が延在する方向と交差する方向に距離を隔てられる態様で、複数のフィンを貫通するように配置されている。圧力損失機構は、第１熱交換部を流れる冷媒の圧力を下げる。室外熱交換器が蒸発器として作動する運転時に、第１熱交換部から流出する冷媒の温度が水の凝固点よりも低くなる場合には、第１熱交換部に流入する冷媒の温度が外気温度よりも高く、かつ、第１熱交換部から流出する冷媒の温度が外気温度よりも低くなるように運転する。

本発明に係る室外熱交換器は、第１熱交換部およびその第１熱交換部と並んで配置された第２熱交換部を含む室外熱交換器である。第１熱交換部は、板状の複数のフィンと第１伝熱管と第２伝熱管と圧力損失部とを備えている。第１伝熱管は、複数のフィンを貫通するように配置されている。第２伝熱管は、第１伝熱管が延在する方向と交差する方向に距離を隔てられる態様で、複数のフィンを貫通するように配置されている。圧力損失部は、第１伝熱管と第２伝熱管との間に介在する。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転を行う際に、第１熱交換部から流出する冷媒の温度が水の凝固点よりも低くなる場合に、第１熱交換部に流入する冷媒の温度が外気温度よりも高く、かつ、第１熱交換部から流出する冷媒の温度が外気温度よりも低くなるように運転する。これにより、室外熱交換器の第１熱交換部に霜が付着するのを防止することができる。

本発明に係る室外熱交換器によれば、複数のフィンをそれぞれ貫通するように配置された第１伝熱管と第２伝熱管との間に、冷媒の圧力を下げる圧力損失部が設けられている。これにより、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転を行う際に、冷媒の温度を空気の温度との関係で制御することで、室外熱交換器の第１熱交換部に霜が付着するのを防止することができる。

実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路の一例を示す図である。 同実施の形態において、室外熱交換器を示す斜視図である。 同実施の形態において、伝熱管の冷媒通路の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、伝熱管の冷媒通路の他の例を示す断面図である。 同実施の形態において、室外熱交換器が凝縮器として作動する運転をさせる際の、または、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせる際の、室外熱交換器における冷媒の流れをそれぞれ示す図である。 同実施の形態において、室外熱交換器が凝縮器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における冷媒の流れを示す斜視図である。 同実施の形態において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における冷媒の流れを示す斜視図である。 第１比較例に係る空気調和装置において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における補助熱交換部を流れる冷媒の温度と空気の温度との関係を説明するための図である。 第２比較例に係る空気調和装置において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における補助熱交換部を流れる冷媒の温度と空気の温度との関係を説明するための図である。 同実施の形態において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における補助熱交換部を流れる冷媒の温度と空気の温度との関係を説明するための図である。 第３比較例に係る空気調和装置において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせる際の、室外熱交換器における冷媒の流れを示す図である。 第３比較例に係る空気調和装置において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における補助熱交換部を流れる冷媒の温度と空気の温度との関係を説明するための図である。 同実施の形態に係る、伝熱管を圧力損失部として適用した空気調和装置において、室外熱交換器が蒸発器として作動する運転をさせている場合の、室外熱交換器における補助熱交換部を流れる冷媒の温度と空気の温度との関係を説明するための図である。 同実施の形態において、圧力損失部の第１例としての絞り装置を取り付けた補助熱交換部を模式的に示す側面図である。 同実施の形態において、圧力損失部の第２例としての絞り装置を取り付けた補助熱交換部を模式的に示す側面図である。 同実施の形態において、圧力損失部の第３例としての列間ヘッダを取り付けた補助熱交換部を模式的に示す斜視図である。 同実施の形態において、図１６に示す断面線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩにおける断面図である。 同実施の形態において、図１６に示す断面線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩにおける断面図である。 同実施の形態において、図１６に示す断面線ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面図である。 同実施の形態において、圧力損失部の第４例としてのヘッダを取り付けた補助熱交換部を模式的に示す斜視図である。 同実施の形態において、圧力損失部の第５例としてのＵ字管を取り付けた補助熱交換部を模式的に示す斜視図である。

実施の形態１．
はじめに、冷凍サイクル装置の一例としての空気調和装置の全体の構成（冷媒回路）について説明する。図１に示すように、空気調和装置１は、圧縮機３、室内熱交換器５、室内ファン７、絞り装置９、室外熱交換器１１、室外ファン２１、四方弁２３および制御部５１を備えている。圧縮機３、室内熱交換器５、絞り装置９、室外熱交換器１１および四方弁２３が、冷媒配管によって繋がっている。

また、空気調和装置１には、室外熱交換器１１における冷媒の温度を検出する２つの温度センサ５３、５５と、外気の温度を検知する温度センサ５７とが設けられている。温度センサ５３、５５、５７は、制御部５１に電気的に接続されている。後述するように、空気調和装置１では、制御部５１は、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転をさせる際に、室外熱交換器１１に霜が付着しないように、外気（空気）の温度との関係で冷媒の温度を管理する。

次に、その室外熱交換器１１について説明する。図２に示すように、室外熱交換器１１は、主熱交換部１３および補助熱交換部１５を備えている。補助熱交換部１５の上に主熱交換部１３が配置されている。補助熱交換部１５では、互いに間隔を隔てて配置された板状の複数のフィン３１を貫通するように、複数の第１伝熱管３３ａと複数の第２伝熱管３３ｂとが配置されている。

第１伝熱管３３ａおよび第２伝熱管３３ｂとして、長径と短径を有する扁平断面形状の扁平管が使用されている。その扁平管の一例として、図３に、一つの冷媒通路３５が形成された扁平管を示す。扁平管の他の例として、図４に、複数の冷媒通路３５が形成された扁平管を示す。なお、第１伝熱管および第２伝熱管としては、扁平管に限られず、たとえば、断面形状が円形または楕円形等の伝熱管であってもよい。

複数の第１伝熱管３３ａのそれぞれは、短径の方向に互いに距離を隔てて配置されている。複数の第１伝熱管３３ａは第１列目に配置されている。第１列目は、補助熱交換部１５ａとなる。複数の第２伝熱管３３ｂのそれぞれは、短径の方向に互いに距離を隔てて配置されている。複数の第２伝熱管３３ｂは、第２列目に配置されている。第２列目は、補助熱交換部１５ｂとなる。後述するように、空気調和装置が動作する際には、補助熱交換部１５ａ（風上列）は風上側に位置し、補助熱交換部１５ｂ（風下列）は風下側に位置することになる。

複数の第１伝熱管３３ａのそれぞれの一端（第１端部）は、分配器２５に繋がっている。補助熱交換部１５の分配器２５は、絞り装置９（図５参照）に繋がっている。その分配器２５の近傍の冷媒配管の部分に、冷媒の温度を検知する温度センサ５３が設けられている。複数の第１伝熱管３３ａのそれぞれの他端（第２端部）と、複数の第２伝熱管３３ｂのそれぞれの他端（第３端部）とは、冷媒の圧力を損失させる圧力損失部１７（圧力損失機構）を介して繋がっている。圧力損失部１７の具体的な構造については、後述する。

複数の第２伝熱管３３ｂのそれぞれの一端（第４端部）は、主熱交換部１３に繋がっている。第２伝熱管３３ｂの一端に繋がっている冷媒配管３７の部分に、冷媒の温度を検知する温度センサ５５が設けられている。なお、図２では、代表的に、一番下に配置されている第２伝熱管３３ｂの一端に繋がっている冷媒配管に温度センサ５５が設けられている場合を示すが、複数の第２伝熱管３３ｂの一端に繋がっているそれぞれの冷媒配管の部分に温度センサを設けてもよい。

主熱交換部１３では、互いに間隔を隔てて配置された板状の複数のフィン３１を貫通するように、複数の第３伝熱管３３ｃと複数の第４伝熱管３３ｄとが配置されている。第３伝熱管３３ｃおよび第４伝熱管３３ｄとして、第１伝熱管３３ａおよび第２伝熱管３３ｂと同様に、扁平管が使用されている。なお、図２では、図面の簡略化のために、一系統の第３伝熱管３３ｃと第４伝熱管３３ｄとが示されている。

複数の第３伝熱管３３ｃのそれぞれは、短径の方向に互いに距離を隔てて配置されている。複数の第３伝熱管３３ｃは、第１列目（風上列）に配置されている。第１列目は、主熱交換部１３ａとなる。複数の第４伝熱管３３ｄのそれぞれは、短径の方向に互いに距離を隔てて配置されている。複数の第４伝熱管３３ｄは、第２列目（風下列）に配置されている。第２列目は、主熱交換部１３ｂとなる。

複数の第４伝熱管３３ｄのそれぞれの一端は、分配器２９を介して、複数の第２伝熱管３３ｂのそれぞれの一端と繋がっている。複数の第４伝熱管３３ｄのそれぞれの他端は、複数の第３伝熱管３３ｃのうちの対応する他端に繋がっている。複数の第３伝熱管３３ｃのそれぞれの一端は、ヘッダ２７に繋がっている。ヘッダ２７は、四方弁２３（図５参照）に繋がっている。空気調和装置１の室外熱交換器１１は、上記のように構成される。

次に、上述した空気調和装置１の動作（冷媒の流れ）として、まず、室外熱交換器１１が凝縮器として作動する運転（冷房運転）の場合について説明する。

図５に示すように、圧縮機３を駆動させることによって、圧縮機３から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、点線矢印にしたがって冷媒が流れる。吐出した高温高圧のガス冷媒（単相）は、四方弁２３を介して室外熱交換器１１に流れ込む。室外熱交換器１１では、流れ込んだ冷媒と、室外ファン２１によって供給される空気との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒（単相）になる。

室外熱交換器１１から送り出された高圧の液冷媒は、絞り装置９によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室内熱交換器５に流れ込む。室内熱交換器５では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室内ファン７によって供給される空気との間で熱交換が行われて、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒（単相）になる。この熱交換によって、室内が冷却されることになる。室内熱交換器５から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２３を介して圧縮機３に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機３から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

ここで、室外熱交換器１１が凝縮器として作動する運転を行う場合の室外熱交換器１１における冷媒の流れについて説明する。図６に示すように、室外熱交換器１１では、冷媒は、まず、主熱交換部１３を流れ、次に、補助熱交換部１５を流れる。また、室外ファン２１（図１参照）によって、空気は、矢印に示すように、第１列目（風上列）の補助熱交換部１５ａおよび主熱交換部１３ａから第２列目（風下列）の補助熱交換部１５ｂおよび主熱交換部１３ｂへ向かって流れる。

圧縮機３から送られた冷媒は、ヘッダ２７に流れ込み、ヘッダ２７を経て、主熱交換部１３ａの第３伝熱管３３ｃを矢印に示す向きに流れる。第３伝熱管３３ｃを流れた冷媒は、次に、主熱交換部１３ｂの第４伝熱管３３ｄを矢印に示す向きに流れて、分配器２９に流れ込む。

分配器２９に流れ込んだ冷媒は、次に、補助熱交換部１５ｂの第２伝熱管３３ｂを矢印に示す向きに流れる。第２伝熱管３３ｂを流れた冷媒は、次に、補助熱交換部１５ａの第１伝熱管３３ａを矢印示す向きに流れる。第１伝熱管３３ａを流れた冷媒は、室外熱交換器１１の外へ送り出される。

次に、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転（暖房運転）の場合について説明する。図５に示すように、圧縮機３を駆動させることによって、圧縮機３から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、実線矢印にしたがって冷媒が流れる。

吐出した高温高圧のガス冷媒（単相）は、四方弁２３を介して室内熱交換器５に流れ込む。室内熱交換器５では、流れ込んだガス冷媒と、室内ファン７によって供給される空気との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒（単相）になる。この熱交換によって、室内が暖房されることになる。室内熱交換器５から送り出された高圧の液冷媒は、絞り装置９によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。

二相状態の冷媒は、室外熱交換器１１に流れ込む。室外熱交換器１１では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室外ファン２１によって供給される空気との間で熱交換が行われて、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒（単相）になる。室外熱交換器１１から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２３を介して圧縮機３に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機３から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

ここで、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行う場合の室外熱交換器１１における冷媒の流れについて説明する。図７に示すように、室外熱交換器１１では、冷媒は、まず、補助熱交換部１５を流れ、次に、主熱交換部１３を流れる。また、室外ファン２１（図１参照）によって、空気は、矢印に示すように、第１列目（風上列）の補助熱交換部１５ａおよび主熱交換部１３ａから第２列目（風下列）の補助熱交換部１５ｂおよび主熱交換部１３ｂへ向かって流れる。

絞り装置９から送られた冷媒は、補助熱交換部１５の分配器２５へ流れ込み、分配器２５を経て、補助熱交換部１５ａの第１伝熱管３３ａを矢印に示す向きに流れる。第１伝熱管３３ａを流れた冷媒は、次に、補助熱交換部１５ｂの第２伝熱管３３ｂを矢印に示す向きに流れる。

第２伝熱管３３ｂを流れた冷媒は、次に、主熱交換部１３の分配器２９に流れ込む。分配器２９に流れ込んだ冷媒は、次に、主熱交換部１３ｂの第４伝熱管３３ｄを矢印に示す向きに流れる。第４伝熱管３３ｄを流れた冷媒は、次に、主熱交換部１３ａの第３伝熱管３３ｃを矢印に示す向きに流れる。第３伝熱管３３ｃを流れた冷媒は、ヘッダ２７に流れ込み、ヘッダ２７を経て、室外熱交換器１１の外へ送り出される。

上述した空気調和装置１の室外熱交換器１１では、補助熱交換部１５に流れ込む冷媒の温度（冷媒入り口温度）、補助熱交換部１５から送り出される冷媒の温度（冷媒出口温度）および外気の温度がそれぞれ検知されて、冷媒の温度が外気の温度と所定の温度関係になるように、空気調和装置１を運転することで、補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。このことについて、説明する。

まず、室外熱交換器への霜の付着に関する一般論について述べる。室外熱交換器に霜が付着する条件の一例として、空気乾球温度が２℃、空気湿球温度が１℃の場合について述べる。この条件では、空気の露点温度が約−０．４℃であるため、室外熱交換器は蒸発器として機能する。空気乾球温度が露点温度を下回ると、室外熱交換器に水分が凝縮する。このとき、空気乾球温度が氷点下を下回っているため、凝縮した水分は霜として付着することになる。そうすると、室外熱交換器では、通風抵抗が上がり、室外熱交換器を通過する風量が低下して熱交換性能が低下する。

ここで、室内熱交換器の空調能力を確保しようとすると、室外熱交換器を流れる冷媒の温度と空気の温度との温度差をより大きくする必要がある。このため、室外熱交換器を流れる冷媒の温度が低下して、室外熱交換器に霜がさらに付着することになる。室外熱交換器に霜が付着すると、付着した霜を溶かす除霜運転を行い、空調能力を確保した後に、通常の運転が行われる。外気の温度が低温時の場合には、この運転を繰り返すのが一般的である。

次に、外気の温度が上記条件より高い場合の一例として、空気乾球温度が５℃、空気湿球温度が４℃の場合について述べる。この条件では、空気の露点温度が約２．８℃であり、冷媒との熱交換によって、空気乾球温度が露点温度を下回ると、空気中の水分が凝縮し、室外熱交換器に水滴として付着する。このとき、室外熱交換器を通り抜けようとする空気は、露点温度よりも低い温度で室外熱交換器の風下側へ流れる。そのため、冷媒温度が水の凝固点（たとえば、０℃）を下回る場合は、空気乾球温度および露点温度も、冷媒温度に近い温度になる可能性がある。そうすると、露点温度が水の凝固点（たとえば、０℃）を下回る場合には、室外熱交換器に霜が付着してしまうおそれがある。

次に、室外熱交換器の補助熱交換部への霜の付着について具体的に説明する。ここでは、運転条件の一例として、空気乾球温度を２℃、空気湿球温度を１℃、露点温度を−０．４℃とする。

はじめに、比較例に係る空気調和装置の室外熱交換器１１として、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行う際に、主熱交換部１３と補助熱交換部１５との双方を蒸発器として使用する場合について説明する（第１比較例）。図８に、冷媒の流れ方向に対する補助熱交換部１５を流れる冷媒温度の推移を示すグラフ（破線）と、空気の流れ方向に対する空気乾球温度の推移を示すグラフ（実線）と、空気の流れ方向に対する露点温度の推移を示すグラフ（点線）とを示す。

この運転条件は、補助熱交換部１５に流れ込む冷媒入り口温度（Ｔｒｅｆ−ｉｎ）が、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））より低い条件である。この場合には、空気乾球温度がすぐに露点温度とほぼ同じ温度になる。露点温度は水の凝固点（たとえば、０℃）よりも低いため、補助熱交換部１５を含む室外熱交換器１１のほとんどの部分に霜が付着してしまう。

室外熱交換器１１に付着した霜を除去する除霜運転を行った場合、霜が融解した水（ドレン水）は、重力によって、室外熱交換器１１の下部に向かって流れて、室外熱交換器１１から排出されることになる。ところが、伝熱管として扁平管を使用した室外熱交換器１１では、ドレン水が流れ落ちる速度が下がり、主熱交換部１３の下に配置された補助熱交換部１５に対して、上方からドレン水が流れ落ちてくる状態が続いてしまう。このため、補助熱交換部１５の除霜に余分な熱量が必要になることがある。また、除霜運転に時間を要することがある。

また、除霜運転は、一般的に、室外熱交換器が凝縮器として作動する運転と同じ運転モードとされており、冷媒の流れる方向は、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転時の冷媒の流れる方向とは逆向きになり、冷媒は、主熱交換部１３を流れた後に補助熱交換部１５を流れることになる（図６参照）。その補助熱交換部１５は、主熱交換部１３の下方に配置されている。このため、冷媒の熱量が、冷媒の流れの上流側の主熱交換部１３において奪われてしまい、下流側の補助熱交換部１５では、付着した霜の除霜能力が低下し、除霜時間が長くなることがある。そうすると、室内の温度が徐々に下がってくる等、快適な状態を保つことができなくなることがある。

また、霜が残った状態で除霜運転が終了して、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転が再開された場合には、霜がさらに成長して、補助熱交換部１５等を損傷させることがあり、たとえば、伝熱管が損傷して冷媒が漏れる等の重大な問題に発展することが想定される。

次に、比較例に係る他の空気調和装置の室外熱交換器１１として、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行う際に、主熱交換部１３を蒸発器として使用し、補助熱交換部１５を凝縮器として使用する場合について説明する（第２比較例）。図９に、冷媒の流れ方向に対する補助熱交換部１５を流れる冷媒温度の推移を示すグラフ（破線）と、空気の流れ方向に対する空気乾球温度の推移を示すグラフ（実線）と、空気の流れ方向に対する露点温度の推移を示すグラフ（点線）とを示す。

この運転条件は、補助熱交換部１５から送り出される冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））より高い条件である。この場合には、補助熱交換部１５に霜は付着せず、補助熱交換部１５が損傷を受けることはなく、補助熱交換部１５としての信頼性は確保される。

ところが、この運転条件の場合、凝縮器として使用する補助熱交換部１５では、冷媒は液化する方向に変化するため、蒸発器として使用する主熱交換部１３では、液化した冷媒を蒸発させるために、主熱交換部１３における熱交換の負荷が増えてしまう。このため、熱交換性能が大幅に低下することになる。

第１比較例および第２比較例に対して、実施の形態に係る空気調和装置１の室外熱交換器１１では、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行う際に、主熱交換部１３を蒸発器として使用し、補助熱交換部１５を凝縮器および蒸発器として使用する。図１０は、冷媒の流れ方向に対する補助熱交換部１５を流れる冷媒温度の推移を示すグラフ（破線）と、空気の流れ方向に対する空気乾球温度の推移を示すグラフ（実線）と、空気の流れ方向に対する露点温度の推移を示すグラフ（点線）とを示す。

この室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転は、冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が水の凝固点（たとえば、０℃）よりも低い場合において、補助熱交換部１５に流れ込む冷媒入り口温度（Ｔｒｅｆ−ｉｎ）が、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））よりも高く、補助熱交換部１５から送り出される冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））よりも低い条件である。

補助熱交換部１５を流れる冷媒は、液冷媒とガス冷媒との二相状態の冷媒であるため、補助熱交換部１５における冷媒の圧力損失を調整することは、冷媒温度を調整することと同じことを意味する。この補助熱交換部１５では、第１列目に位置する補助熱交換部１５ａと第２列目に位置する補助熱交換部１５ｂとの間に圧力損失部１７を設けることで、補助熱交換部１５ａを凝縮器として機能させ、補助熱交換部１５ｂを蒸発器として機能させている。

風上列に位置する補助熱交換部１５ａを、凝縮器として機能させることで、空気の温度が上昇し、風下列に位置する補助熱交換部１５ｂを、蒸発器として機能させても、空気の温度は露点温度を下回りにくくなる。これにより、補助熱交換部１５の全体としては、冷媒の温度を下げて蒸発器として機能させることができるとともに、補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。補助熱交換部１５に霜が付着するのを確実に防止するには、補助熱交換部１５から送り出される冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が、露点温度よりも高くなるように運転させればよい。

ところで、上述した実施の形態に係る空気調和装置１の室外熱交換器１１では、冷媒は、風上側に位置する補助熱交換部１５ａを流れた後、風下側に位置する補助熱交換部１５ｂを流れている。すなわち、冷媒は、空気の流れと同様に風上側から風下側へ流れていることになり、このような冷媒の流れは、並行流と呼ばれている。並行流に対して、風下側から風上側へ冷媒が流れる場合は、対向流と呼ばれている。

ここで、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行う際に、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に対して、対向流となるように冷媒を流した場合について説明する（第３比較例）。図１１に示すように、室外熱交換器１１では、冷媒は、まず、補助熱交換部１５を流れ、次に、主熱交換部１３を流れる。このとき、補助熱交換部１５では、はじめに、補助熱交換部１５ｂの第２伝熱管３３ｂを矢印に示す向きに流れる。第２伝熱管３３ｂを流れた冷媒は、次に、補助熱交換部１５ａの第１伝熱管３３ａを矢印に示す向きに流れる。補助熱交換部１５ａを流れた冷媒は、図７に示す場合と同様に、主熱交換部１３を流れた後、室外熱交換器１１から送り出される。

図１２は、冷媒の流れが対向流の場合の、冷媒の流れ方向に対する補助熱交換部１５を流れる冷媒温度の推移を示すグラフ（破線）と、空気の流れ方向に対する空気乾球温度の推移を示すグラフ（実線）と、空気の流れ方向に対する露点温度の推移を示すグラフ（点線）とを示す。

この場合には、冷媒の圧力を下げる圧力損失部１７を介在させても、風上側に位置する補助熱交換部１５ａを流れる冷媒の温度が、風下側に位置する補助熱交換部１５ｂを流れる冷媒の温度よりも低くなってしまう。このとき、空気の温度が露点温度を下回ると、補助熱交換部１５ａに霜が付着するおそれがある。

ここで、風上側に位置する補助熱交換部１５ａを流れる冷媒の温度を、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））よりも高くすると、風下側に位置する補助熱交換部１５ｂを流れる冷媒の温度も外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））よりも高くなる。このため、補助熱交換部１５の全体が凝縮器として機能することになり、図９について説明したように、熱交換性が低下することになる。したがって、補助熱交換部１５に霜を付着させないように、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行うには、冷媒の流れとしては、空気の流れに沿った並行流になるように運転することが望ましい。

（圧力損失部（圧力損失機構）のバリエーション）
（第１例）
上述した空気調和装置１の室外熱交換器１１では、補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間に、圧力損失部１７を介在させた場合について説明した。圧力損失部としては、たとえば、第１伝熱管３３ａおよび第２伝熱管３３ｂ等の伝熱管内の摩擦損失を利用してもよい。

図１３は、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転時の冷媒の流れ方向に対する補助熱交換部１５を流れる冷媒温度の推移を示すグラフ（破線）と、空気の流れ方向に対する空気乾球温度の推移を示すグラフ（実線）と、空気の流れ方向に対する露点温度の推移を示すグラフ（点線）とを示す。

図１３に示すように、冷媒が伝熱管（第１伝熱管３３ａおよび第２伝熱管３３ｂ）を流れるにしたがって、伝熱管内の摩擦損失によって冷媒の温度は徐々に下がる。伝熱管内の摩擦損失は、冷媒の流速、伝熱管の管内形状、伝熱管の長さによって決まる。このため、空気調和装置における冷媒の循環量、室外熱交換器内の伝熱管の寸法、伝熱管のパス数等を、設計に基づいてそれぞれ所定の値に設定し、冷媒の温度が所定の温度関係となる条件のもとで、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転を行うことで、補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。

すなわち、冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が水の凝固点（たとえば、０℃）よりも低い場合において、冷媒入り口温度（Ｔｒｅｆ−ｉｎ）が、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））よりも高く、冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が、外気温度（空気入口温度（Ｔａｉｒ−ｉｎ））よりも低くなるように運転することで、補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。さらに、補助熱交換部１５から送り出される冷媒出口温度（Ｔｒｅｆ−ｏｕｔ）が、露点温度よりも高くなるように運転することで、補助熱交換部１５に霜が付着するのを確実に防止することができる。

（第２例）
補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間に介在させる圧力損失部１７として、たとえば、絞り装置を用いてもよい。

図１４に、補助熱交換部１５ａに配置されている複数の第１伝熱管３３ａと、補助熱交換部１５ｂに配置されている複数の第２伝熱管３３ｂとに対して、第１伝熱管３３ａから第２伝熱管３３ｂに至る一つの経路（パス）ごとに設けられた絞り装置３９を示す。図１５に、複数の第１伝熱管３３ａのそれぞれを流れてきた冷媒を絞り装置の上流側で合流させ、絞り装置の下流側で再び分岐（分配）させて、複数の第２伝熱管３３ｂのそれぞれに送り出す態様で設けられた絞り装置３９を示す。

補助熱交換部１５では、絞り装置３９の上流側の冷媒の温度に対して、絞り装置３９の開度を調整することによって、絞り装置３９の下流側の冷媒の温度を調整することができる。すなわち、補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間（列間）に絞り装置３９を設置することで、風上側に位置する補助熱交換部１５ａを流れる冷媒の温度と、風下側に位置する補助熱交換部１５ｂを流れる冷媒の温度とを分けて調整することができる。

これにより、風上側に位置する補助熱交換部１５ａをすべて凝縮器として機能させ、風下側位置する補助熱交換部１５ｂをすべて蒸発器として機能させることができる。その結果、実施の形態１において説明したように、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転時において、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。

（第３例）
補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間に介在させる圧力損失部１７として、たとえば、ヘッダ（列間ヘッダ）を用いてもよい。

図１６に、補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間に配置させた列間ヘッダ４１を示す。図１７、図１８および図１９に示すように、列間ヘッダ４１内には、第１伝熱管３３ａから第２伝熱管３３ｂに至る一つの経路（パス）ごとに、冷媒が流れる流路が設けられている。その流路の途中には、流路の断面積が他の流路の断面積よりも狭められた絞り部４３が形成されている。

その絞り部４３の幅および絞り部４３の流路の長さを調整することによって、列間ヘッダ４１の前後において圧力損失を調整することができ、補助熱交換部１５ａを流れる冷媒の温度と、補助熱交換部１５ｂを流れる冷媒の温度とを分けて調整することができる。これにより、補助熱交換部１５ａを凝縮器として機能させ、補助熱交換部１５ｂを蒸発器として機能させることができ、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転時において、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。

（第４例）
補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間に介在させる圧力損失部１７として、たとえば、補助熱交換部１５ａに繋がれるヘッダと補助熱交換部１５ｂに繋がれるヘッダとの２つのヘッダを用いてもよい。

図２０に、ヘッダ４５ａ、ヘッダ４５ｂおよびヘッダ接続管４７を備えたヘッダを示す。ヘッダ４５ａは、補助熱交換部１５ａの第１伝熱管３３ａに繋がれている。ヘッダ４５ｂは、補助熱交換部１５ｂの第２伝熱管３３ｂに繋がれている。ヘッダ接続管４７は、ヘッダ４５ａとヘッダ４５ｂとの間を繋いでいる。

この場合には、たとえば、ヘッダ接続管４７を絞り部４３としてその内径等を調整することで、補助熱交換部１５ａを流れる冷媒の温度と、補助熱交換部１５ｂを流れる冷媒の温度とを分けて調整することができ、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転時において、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。また、ヘッダ４５ａ、４５ｂの流路内に、摩擦損失を生じる流路を別途設けて、その流路の形状を調整することで圧力損失を調整するようにしても、霜の付着を防止することができる。

（第５例）
補助熱交換部１５ａと補助熱交換部１５ｂとの間に介在させる圧力損失部１７として、ヘッダ以外に、たとえば、Ｕ字管を用いてもよい。

図２１に示すように、第１伝熱管３３ａから第２伝熱管３３ｂに至る一つの経路（パス）ごとに、Ｕ字管４９が接続されている。この場合、Ｕ字管４９の内径を調整することで、補助熱交換部１５ａを流れる冷媒の温度と、補助熱交換部１５ｂを流れる冷媒の温度とを分けて調整することができ、室外熱交換器１１が蒸発器として作動する運転時において、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。

上述した実施の形態において説明した空気調和装置１に用いる冷媒としては、冷媒Ｒ４１０Ａ、冷媒Ｒ４０７Ｃ、冷媒Ｒ３２、冷媒Ｒ５０７Ａ、冷媒ＨＦＯ１２３４ｙｆ等、どのような冷媒を用いても、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。

冷媒Ｒ４１０Ａおよび冷媒Ｒ４０７Ｃは、混合冷媒であり、特に、非共沸混合冷媒と呼ばれている。非共沸混合冷媒は、湿り蒸気の状態において気相と液相とで組成が異なり、圧力一定のもとでガス冷媒と液冷媒との二相での組成変換と温度変化を伴いながら蒸発または凝縮の相変化を生じるという性質を有する。その非共沸混合冷媒のうち、冷媒Ｒ４０７Ｃ等は、相変化の際の温度変化が極めて小さく、特に、疑似共沸混合冷媒と呼ばれている。

冷媒Ｒ３２および冷媒ＨＦＯ１２３４ｙｆは、単一成分の冷媒である。冷媒Ｒ５０７Ａは混合冷媒であり、共沸混合冷媒と呼ばれている。共沸混合冷媒は、ある成分比において湿り蒸気の気相と液相の組成が等しく、単一成分の冷媒と同様に、圧力一定のもとで温度一定のままで蒸発または凝縮の相変化が生じるという性質を有する。

このような非共沸混合冷媒、疑似共沸混合冷媒、単一性成分の冷媒または共沸混合冷媒を用いた場合でも、冷媒出口温度が水の凝固点（たとえば、０℃）よりも低い場合において、冷媒入り口温度が、外気温度よりも高く、冷媒出口温度が、外気温度よりも低くなるように運転することで、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。さらに、補助熱交換部１５から送り出される冷媒出口温度が、露点温度よりも高くなるように運転させることで、補助熱交換部１５に霜が付着するのを確実に防止することができる。

また、空気調和装置に用いる冷凍機油としては、適用される冷媒との相互溶解性を考慮して適合性を有する冷凍機油が使用される。たとえば、冷媒Ｒ４１０Ａ等のフルオロカーボン系冷媒では、アルキルベンゼン油系、エステル油系またはエーテル油系の冷凍機油が使用される。これらの他に、鉱油系またはフッ素油系等の冷凍機油を用いてもよい。

これらの冷凍機油を用いた場合でも、冷媒出口温度が水の凝固点（たとえば、０℃）よりも低い場合において、冷媒入り口温度が、外気温度よりも高く、冷媒出口温度が、外気温度よりも低くなるように運転することで、室外熱交換器１１の補助熱交換部１５に霜が付着するのを防止することができる。

なお、上述した実施の形態では、冷凍サイクル装置として、空気調和装置を例に挙げて説明した。冷凍サイクル装置としては、空気調和装置に限られるものではなく、たとえば、ヒートポンプ給湯器等の室外熱交換器が空気と熱交換する装置にも適用することができる。また、実施の形態において説明した室外熱交換器を備えた冷凍サイクル装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、主熱交換部および補助熱交換部を備えた室外熱交換器を有する空気調和装置等の冷凍サイクル装置に有効に利用される。

１ 空気調和装置、３ 圧縮機、５ 室内熱交換器、７ 室内ファン、９ 絞り装置、１１ 室外熱交換器、１３ 主熱交換部、１３ａ、１３ｂ 主熱交換部、１５ 補助熱交換部、１５ａ、１５ｂ 補助熱交換部、１７ 圧力損失部、２１ 室外ファン、２３ 四方弁、２５ 分配器、２７ ヘッダ、２９ 分配器、３１ フィン、３３ａ 第１伝熱管、３３ｂ 第２伝熱管、３３ｃ 第３伝熱管、３３ｄ 第４伝熱管、３５ 冷媒通路、３７ 冷媒配管、３９ 絞り装置、４１ 列間ヘッダ、４３ 絞り部、４５ａ、４５ｂ ヘッダ、４７ ヘッダ接続管、４９ Ｕ字管、５１ 制御部、５３、５５、５７ 温度センサ。

本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に、主熱交換部および補助熱交換部を備えた室外熱交換器を含む冷凍サイクル装置に関するものである。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、補助熱交換部への霜の付着が防止される室外熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供することである。

Claims (12)

1. 室外熱交換器を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記室外熱交換器は、
   第１熱交換部と、
   前記第１熱交換部と並んで配置された第２熱交換部と
   を含み、
   前記第１熱交換部は、
   板状の複数のフィンと、
   前記複数のフィンを貫通するように配置された第１伝熱管と、
   前記第１伝熱管が延在する方向と交差する方向に距離を隔てられる態様で、前記複数のフィンを貫通するように配置された第２伝熱管と、
   前記第１熱交換部を流れる冷媒の圧力を下げる圧力損失機構と
   を備え、
   前記室外熱交換器が蒸発器として作動する運転時に、前記第１熱交換部から流出する冷媒の温度が水の凝固点よりも低くなる場合には、前記第１熱交換部に流入する冷媒の温度が外気温度よりも高く、かつ、前記第１熱交換部から流出する冷媒の温度が前記外気温度よりも低くなるように運転する、冷凍サイクル装置。
2. 前記運転時には、前記第１熱交換部から流出する冷媒の温度が露点温度よりも高くなるように運転する、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１伝熱管は、第１端部と第２端部とを有し、
   前記第２伝熱管は、第３端部と第４端部とを有し、
   前記第２伝熱管の前記第３端部は、前記第１伝熱管の前記第２端部と繋げられ、
   前記第２伝熱管の前記第４端部は、前記第２熱交換部と繋げられた、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧力損失機構は、前記第１伝熱管の前記第２端部と前記第２伝熱管の前記第３端部との間に介在させた絞り部を含み、
   前記絞り部は、
   第１断面積を有する第１流路と、
   前記第１断面積よりも小さい第２断面積を有する第２流路と
   を含む、請求項３記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記絞り部は、前記第２流路の前記第２断面積を調整する絞り調整部を含む、請求項４記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記圧力損失機構は、前記第１伝熱管および前記第２伝熱管を含む、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１伝熱管は、長径と短径を有する扁平型断面形状を有する第１扁平管であり、
   前記第２伝熱管は、前記扁平型断面形状を有し、前記第１扁平管に対して前記長径の方向に距離を隔てられた第２扁平管である、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記第１伝熱管が配置されている側から前記第２伝熱管が配置されている側へ向かって空気を流す送風部を備え、
   冷媒は、前記第１伝熱管から前記第２伝熱管へ流れる、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
9. 第１熱交換部および前記第１熱交換部と並んで配置された第２熱交換部を含む室外熱交換器であって、
   前記第１熱交換部は、
   板状の複数のフィンと、
   前記複数のフィンを貫通するように配置された第１伝熱管と、
   前記第１伝熱管が延在する方向と交差する方向に距離を隔てられる態様で、前記複数のフィンを貫通するように配置された第２伝熱管と、
   前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間に介在させた、冷媒の圧力を下げる圧力損失部と
   を備えた、室外熱交換器。
10. 前記圧力損失部は絞り部を含み、
    前記絞り部は、
    第１断面積を有する第１流路と、
    前記第１断面積よりも小さい第２断面積を有する第２流路と
    を含む、請求項９記載の室外熱交換器。
11. 前記絞り部は、前記第２流路の前記第２断面積を調整する絞り調整部を含む、請求項１０記載の室外熱交換器。
12. 前記第１伝熱管は、長径と短径を有する扁平型断面形状を有する第１扁平管であり、
    前記第２伝熱管は、前記扁平型断面形状を有し、前記第１扁平管に対して前記長径の方向に距離を隔てられた第２扁平管である、請求項９記載の室外熱交換器。

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