(57)【要約】【課題】            従来知られている熱自己平衡熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルにあってもデフロスト作用には限界があり、より一層の完全、完璧なデフロスト効果を得ること、そして、冷凍効果と安全性を確保するには不十分であったという点である。【解決手段】        冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の工程を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルであって、一次側と二次側を一体に有し、その一次側と二次側が同一の伝熱面積と容量を持つ熱自己平衡熱交換器を組み込み、この熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒入口に膨張弁を備えている蒸気圧縮式冷凍システムにおいて、前記熱自己平衡熱交換器の冷媒が導入される一次側の冷媒入口にも一次膨張弁を備えていることとする。【選択図】          図１
2014156979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の工程を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルであって、一次側と二次側を一体に有し、その一次側と二次側が同一の伝熱面積と容量を持つ熱自己平衡熱交換器を組み込み、この熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒入口に膨張弁を備えている蒸気圧縮式冷凍システムにおいて、前記熱自己平衡熱交換器の冷媒が導入される一次側の冷媒入口にも一次膨張弁を備えていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍システム。
【請求項２】
前記した一次側の冷媒入口の一次膨張弁には、バイパスが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍システム。
【請求項３】
前記した熱自己平衡熱交換器は冷凍サイクル中の冷媒の流れで、凝縮器と蒸発器の間に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍システム。
【請求項４】
前記した熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒出口から冷媒が導入される蒸発器と、その冷媒が戻る圧縮機との間に永久磁石回転式誘導加熱器（マグネットヒーター）を介在させてあることを特徴とする請求項１から３のうち１項に記載の蒸気圧縮式冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気圧縮式冷凍システムに関し、冷媒ガスの圧縮、凝縮、膨張、蒸発の工程を有する冷凍サイクル中に熱自己平衡熱交換器を組み込み、ヒートポンプ暖房やホットガスデフロスト運転時における冷凍能力を一層向上させるとともに、圧縮機の過冷却や液バックを防ぎ、一層の安全運転を可能とした蒸気圧縮式冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒ガスを使用した冷凍サイクルにあって、その冷却あるいは暖房の効果を向上させる要素として、熱自己平衡熱交換器を組み込むことが特許文献１〜７に示すように知られている。これらの特許文献１〜７には、一次側と二次側とを一体とし、一次側へ導入させ、その一次側を通過した冷媒ガスを膨張弁を介して二次側へ送り込み、その一次側と二次側で伝熱プレートを介して相互の熱エネルギーが各々凝縮、蒸発の熱源とされ、その熱エネルギーは相乗効果で各々の機能を高め、経時変化で一次側と二次側は作用的に安定される熱交換器が記載されている。
【０００３】
また、特許文献７には冷凍サイクル中にタービン膨張機の回転力で回転する渦電流発熱機で圧縮機へ戻る冷媒の温度を高める技術が記載されている。
【０００４】
しかしながら、従来、上記した熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルにあっても、完全といえる状態のデフロストには限界があり、デフロストに過大な作業や費用がかけられている。特に、寒冷地にあっては暖房装置としても効率的に安全に作用するには限度があり、どうしてもデフロストは電気を使用するヒーターに頼るのが現実的となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１４７３１号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１０３３号公報
【特許文献３】特開２００５−９８８１７号公報
【特許文献４】特開２００５−１１４２６７号公報
【特許文献５】特開２００６−６４３３１号公報
【特許文献６】特開２００９−１５６５６３号公報
【特許文献７】特開２０１１−５８６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする問題点は、従来知られている熱自己平衡熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルにあってもデフロスト作用には限界があり、より一層の完全、完璧なデフロスト効果を得ること、そして、冷凍効果と安全性を確保するには不十分であったという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この問題点を解決するために、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍システムは冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の工程を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルであって、一次側と二次側を一体に有し、その一次側と二次側が同一の伝熱面積と容量を持つ熱自己平衡熱交換器を組み込み、この熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒入口に膨張弁を備えている蒸気圧縮式冷凍システムにおいて、前記熱自己平衡熱交換器の冷媒が導入される一次側の冷媒入口にも一次膨張弁を備えていることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍システムは前記した一次側の冷媒入口の一次膨張弁には、バイパスが設けられていることを特徴とし、前記した熱自己平衡熱交換器は冷凍サイクル中の冷媒の流れで、凝縮器と蒸発器の間に設けられていることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍システムは前記した熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒出口から冷媒が導入される蒸発器と、その冷媒が戻る圧縮機との間に永久磁石回転式誘導加熱器（マグネットヒーター）を介在させてあることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る蒸気圧縮式冷凍システムは上記のように構成されている。そのため、本発明における熱自己平衡熱交換器によると、新規な一次膨張弁を通過して高圧冷媒液が中間圧冷媒となり、この中間圧冷媒は二次膨張弁を通過して蒸発し、低圧低温の低圧冷媒となる。この二段式の蒸発によって圧力の降下された蒸発冷媒となって外気熱との温度差を生じ吸熱量を増加させる。つまり、凝縮潜熱の増大につながり、冷凍能力を向上させる。
【００１１】
外気と接して熱交換器には着霜が多くなるが、一次膨張弁をバイパスして二次膨張弁のみを作動させると、作動の圧力が高く蒸発温度も高く、高温の冷媒ガスを送り出すこととなり、冷凍サイクルを作動させながら、着霜を融解することができ、そのデフロストの際に加熱工程を停止することなく暖房を継続できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を実施した蒸気圧縮式冷凍システムを示す回路図である。
【図２】永久磁石回転式誘導加熱器を組み込んだ例を示す回路図である。
【図３】冷媒のＰ‐ｈ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。
【実施例１】
【００１４】
次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。図に示す回路は暖房運転時の場合を想定しており、図１にあって１は圧縮機を示し、この圧縮機１から、高温高圧の冷媒が吐出される（Ｔ２）。この圧縮機１から吐出された冷媒は凝縮器２へ送り込まれる。この凝縮器２は室内熱交換器となり、その凝縮熱を室内へ放熱することで暖房作用を行なう。
【００１５】
凝縮器２から吐出された高圧冷媒液は熱自己平衡熱交換器３へ送り込まれる（Ｔ３）。この熱自己平衡熱交換器３は一次側と二次側を一体とし、その一次側４と二次側５が同一の伝熱面積と容量を持つ構成となっており、その一次側の入口に一次膨張弁６が設けられ、この一次膨張弁６を通過して減圧低温の状態（Ｔ４）で一次側４に導入される。尚、この一次膨張弁６には切替弁９を設けたバイパス１０が跨設されている。
【００１６】
この一次膨張弁６で減圧低温化され一次側４に導入された冷媒は中間圧冷媒となって、この一次側４から吐出される（Ｔ５）。この一次側４から吐出された中間圧冷媒は、二次側５の入口に設けられた二次膨張弁７を通過して、蒸発し、前記した中間圧冷媒（Ｔ５）よりも低圧低温の低圧冷媒（Ｔ６）となって二次側５に導入される。そして、二次側を通過した冷媒はさらに降圧された蒸発冷媒（Ｔ７）となって、外気熱との大きな温度差を生じ、吸熱量を増加させる。
【００１７】
即ち、この発明の実施例における熱自己平衡熱交換器３は一次膨張弁６を設けたことで二段階で蒸発、減圧する構成となり、従来の熱自己平衡熱交換器と比べ、はるかに大きな効果を得ることができる。また、この二次側５を通過した蒸発冷媒は蒸発器（屋外吸熱機）８を通過して吸熱して（Ｔ１）圧縮機１へ循環して戻ることになる。
【００１８】
冷媒ガスが熱自己平衡熱交換器３の一次膨張弁６を通過して、一次側４にある時、不完全蒸発の中間圧冷媒となっている。この一次側４の中間圧冷媒は二次膨張弁７を通過して蒸発し、二次側５の中でより低温の蒸発冷媒となる。そして、この二次側５にある低温の蒸発冷媒は、一次側４と二次側５を仕切る伝熱面を介して、一次側４の中間圧冷媒を冷却して過冷却冷媒液にする。一次側４の中でより過冷却冷媒液となると、二次膨張弁７の通過時により低温冷媒ガスとなり冷凍効果を向上させる。
【００１９】
この熱自己平衡熱交換器３内の冷媒は、一次側４と二次側５に順次相互に作用して熱交換し、経時変化ののち、一次側４の中間圧冷媒を過冷却冷媒液とし、より完全な冷媒液とし、冷媒の気液相変化による熱交換能力を発揮する。
【００２０】
ここで、前記した回路にあって、蒸発器８のデフロストについて説明する。二次膨張弁７を通過して二次側５に導入された冷媒は、より低温の蒸発冷媒ガスとなり、吸熱する外気温度により、より低温となって温度差を拡大して、外気よりの吸熱量が大きくなって凝縮潜熱の増大に繋がる。
【００２１】
二次膨張弁７よりの減圧冷媒温度が低温であるため、外気と接して、蒸発器８に着霜の量が多くなり、この除霜方法として、一次膨張弁６を閉塞して切替弁９を開けバイパス１０に冷媒を通して、減圧工程を省略して、二次膨張弁７のみを作動させると、一次膨張弁６、二次膨張弁７を同時に作用させるよりも、二次膨張弁７のみの作動圧力が高く蒸発温度も高く、高温の冷媒ガスを送り出すことになり、冷凍サイクルを作動しながら、着霜を融解することができる。デフロストのため加熱工程を停止することなく暖房を継続することができる。つまり、バイパス１０を用いることで出願人が既得の特許第４３９８６８７号のシステムと同等の効果が得られる。
【００２２】
次いで、圧縮機１に過冷却液冷媒を戻さない（液バックさせない）システムについて、熱自己平衡熱交換器３と凝縮、蒸発、潜熱の移行メカニズムを説明する。図３として示すＰ‐ｈ線図にあって、Ｒ２、Ｒ３は高圧冷媒液を示し、Ｒ４、Ｒ５は中間圧冷媒を、Ｒ６、Ｒ７は低圧冷媒ガスを示している。ｈ１は圧縮機１の仕事入力で凝縮潜熱として放熱される。
【００２３】
ｈ２、ｈ３は熱自己平衡熱交換器３の一次側４、二次側５の同一伝熱面と接しているので、一次側４の凝縮潜熱が二次側５の蒸発熱源となり、この二次側５の蒸発潜熱が一次側４の凝縮熱源となり、相互の潜熱を熱交換してＲ１の圧縮機１への吸引冷媒は蒸発潜熱「０」となり、圧縮機１への液冷媒（蒸発潜熱）は消耗されている。
【００２４】
さらに、熱自己平衡熱交換器３の作用について説明すると、ヒートポンプシステムは外部の空気熱より低温の冷媒に熱を吸引して、外部空気熱に高温冷媒として放熱する冷凍サイクルであるから、蒸発潜熱ｈ２において、低温の外部熱源から吸熱すれば相対する凝縮潜熱となり、放熱能力となる。冷凍サイクル系外部からの蒸発熱源取得及び外部への凝縮熱源放熱が優先して、放熱、冷却が行なわれる。
【００２５】
本来、蒸発潜熱、凝縮潜熱は相互に熱交換して潜熱「０」の状態にあるため、外部からの潜熱は十分に受け入れられる状態となっている。外部熱源増減量により合わせ一次側４、二次側５の熱交換容量を平衡に保ち、冷凍サイクルを安定持続させることができる。
【００２６】
また、図３を参照すると、凝縮器２から導入される高圧冷媒液は一次膨張弁６を通過して、一次側４で蒸発し、中間圧冷媒Ｒ４、Ｒ５となり、一次側４から吐出された冷媒は二次膨張弁７を通過して二次側５に導入され、低圧冷媒Ｒ６、Ｒ７、Ｒ１となる。一次側４の中間圧冷媒はより低温の二次側５の冷媒で冷却され過冷却冷媒となる。一次側４のＲ４、Ｒ５の状態で奪われた同量の蒸発潜熱を連成するＲ７、Ｒ１で吸熱し、同期して凝縮潜熱となる凝縮、蒸発の潜熱の不足熱量は一次側４、二次側５でバーター熱交換して熱平衡を維持するということになる。
【実施例２】
【００２７】
また、図２を参照して、本発明の第二実施例を説明する。この第二実施例にあって、第一実施例と共通する部分は同一の符号を付して詳細な説明は省略する。この第二実施例にあっては、蒸発器８と冷媒が戻る圧縮機１の間に永久磁石回転式誘導加熱器１１が組み込まれており、この第二実施例における永久磁石回転式誘導加熱器１１はモータ１２を駆動源としている。
【００２８】
この永久磁石回転式誘導加熱器１１は、特に寒冷地における外気熱利用の非効率を補完してより完全な加熱を発生させる目的で使用される。従って蒸発器８を通過して圧縮機１に吸入される前に、冷媒の配管内に、この汎用モータ１２による永久磁石回転式誘導加熱器１１を内蔵して直接、低圧冷媒ガスを加熱する。
【００２９】
この永久回転式誘導加熱器１１は、電流の流れや導電体の近傍で磁界を変化する時、導電体にジュール熱が発生し、昇温する。モータ１２によって回転する回転盤に永久磁石をＳ極、Ｎ極交互に取り付け、導電体と平行配置して回転させると導電体が発熱体となり、通過する冷媒を加熱することができ、過冷却の状態で圧縮機１へ冷媒を戻すことはなくなる。
【００３０】
本実施例に係る蒸気圧縮式冷凍システムは上記のように構成されている。熱自己平衡熱交換器３の一次側４に冷媒が導入されるに先立って、一次膨張弁６を通過させることで、その冷媒は蒸発して中間圧冷媒となり、この中間圧冷媒を二次膨張弁７を通して二次側５へ導入するので、より低温の蒸発冷媒となって、過冷却冷媒液となり冷凍効果を向上させ、冷媒の気液相変化による熱交換能力を発揮させる。
【００３１】
また、一次膨張弁６にはバイパス１０が設けられ、この一次膨張弁６の不使用状態では、出願人が権利取得済のデフロストシステムと同等の構成となり、冷凍サイクルを停止することなく、運転しながらデフロストを行なえ、デフロストのための加熱による運転停止をすることなく暖房を継続することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    圧縮機
２    凝縮器
３    熱自己平衡熱交換器
４    一次側
５    二次側
６    一次膨張弁
７    二次膨張弁
８    蒸発器
９    切替弁
１０  バイパス
１１  永久磁石回転式誘導加熱器
１２  モータ
【図１】
2014156979.tif 000003
【図２】
2014156979.tif 000004
【図３】
2014156979.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の工程を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルであって、一次側とその一次側を通過した冷媒が流入する二次側を一体に有し、その一次側と二次側が同一の伝熱面積と容量を持つ熱自己平衡熱交換器を凝縮器と蒸発器の間に組み込み、この熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒入口に膨張弁を備え、前記熱自己平衡熱交換器の冷媒が導入される一次側の冷媒入口にも一次膨張弁を備えている蒸気圧縮式冷凍システムにおいて、前記した一次側の冷媒入口の一次膨張弁には、バイパスが設けられていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この問題点を解決するために、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍システムは冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の工程を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルであって、一次側とその一次側を通過した冷媒が流入する二次側を一体に有し、その一次側と二次側が同一の伝熱面積と容量を持つ熱自己平衡熱交換器を凝縮器と蒸発器の間に組み込み、この熱自己平衡熱交換器の二次側の冷媒入口に膨張弁を備え、前記熱自己平衡熱交換器の冷媒が導入される一次側の冷媒入口にも一次膨張弁を備えている蒸気圧縮式冷凍システムにおいて、前記した一次側の冷媒入口の一次膨張弁には、バイパスが設けられていることを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】