(57)【要約】      （修正有）【課題】内部熱交換器の高圧側配管と高圧側冷媒との伝熱面積を増加させることで、熱交換性能に優れた内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、放熱器から減圧手段へと供給される高圧側冷媒と減圧手段により減圧された低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器とを備え、内部熱交換器において高圧側冷媒が流れる高圧側配管１３１は、内表面に凹凸部１３４を有する冷凍サイクル装置で、高圧側配管１３１と高圧側配管１３１の内部を流れる高圧側冷媒との伝熱面積が増加するとともに、凹凸部１３４によって乱流促進効果が生じるので、高圧側配管１３１と高圧側配管１３１の内部を流れる高圧側冷媒との熱伝達率が向上することで、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間の熱交換量を増加することができる。【選択図】図２
2014181870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、前記放熱器から前記減圧手段へと供給される高圧側冷媒と前記減圧手段により減圧された低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器とを備え、前記内部熱交換器において高圧側冷媒が流れる高圧側配管は、内表面に凹凸部を有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記蒸発器に付着した霜を溶かす除霜運転モードを備え、前記除霜運転モードにおいて、冷媒は、前記圧縮機、前記放熱器、前記内部熱交換器の高圧側配管、前記減圧手段、前記蒸発器、前記内部熱交換器の低圧側配管、前記圧縮機の順で循環することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記減圧手段を、前記放熱器よりも鉛直上方に配設したことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記内部熱交換器の低圧側冷媒は、前記蒸発器から前記圧縮機へと供給される冷媒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記内部熱交換器において低圧側冷媒が流れる低圧側配管の内表面は、平滑であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記内部熱交換器において低圧側冷媒が流れる低圧側配管は、前記高圧側配管と平行に接合され、前記低圧側配管の内径は、前記高圧側配管の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で環状に接続して形成した冷凍サイクル装置に、前記放熱器を流出した冷媒と、前記蒸発器を流出した冷媒とを熱交換する内部熱交換器が配設されている場合があり、この内部熱交換器の概略図を図４に示す。
【０００３】
図４において、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で環状に接続して形成した冷凍サイクル装置において、内部熱交換器は、前記蒸発器を流出した低圧側冷媒が流れる低圧側配管１３２と、前記放熱器を流出した高圧側冷媒が流れる高圧側配管１３１とを備え、前記低圧側冷媒と前記高圧側冷媒とが熱交換できるように一体化して形成し、その周囲を断熱材１３５にて包囲する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８５１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の先行技術文献には、高圧側配管と低圧側配管の接触面積を適切に設定することにより、内部熱交換器での熱交換量が決定されることは開示されているが、配管と配管内を流れる冷媒と伝熱面積が、熱交換量に影響を与える旨の技術的事項は一切開示されていない。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、内部熱交換器の高圧側配管と高圧側冷媒との伝熱面積を増加させることで、熱交換性能に優れた内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、前記放熱器から前記減圧手段へと供給される高圧側冷媒と前記減圧手段により減圧された低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器とを備え、前記内部熱交換器において高圧側冷媒が流れる高圧側配管は、内表面に凹凸部を有することを特徴とするものである。
【０００８】
これにより、高圧側配管と高圧側配管の内部を流れる高圧側冷媒との伝熱面積が増加するとともに、凹凸部によって乱流促進効果が生じるので、高圧側配管と高圧側配管の内部を流れる高圧側冷媒との熱伝達率が向上することで、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間の熱交換量を増加することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内部熱交換器の高圧側配管と高圧側冷媒との伝熱面積を増加させることで、熱交換性能に優れた内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の内部熱交換器の概要図
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図
【図３】本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置の回路構成図
【図４】従来の内部熱交換器の概要図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、前記放熱器から前記減圧手段へと供給される高圧側冷媒と前記減圧手段により減圧された低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器とを備え、前記内部熱交換器において高圧側冷媒が流れる高圧側配管は、内表面に凹凸部を有することを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１２】
これにより、高圧側配管と高圧側配管の内部を流れる高圧側冷媒との伝熱面積が増加するとともに、凹凸部によって乱流促進効果が生じるので、高圧側配管と高圧側配管の内部を流れる高圧側冷媒との熱伝達率が向上することで、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間の熱交換量を増加することができる。
【００１３】
また、高圧側配管の内表面に凹凸部を設けた、すなわち、内面溝付管にしたことにより、高圧側配管内を冷媒が流れたときには渦が発生し、エネルギー損失（圧力損失）が生じるが、高圧側冷媒は放熱器と減圧手段との間を流れるので、内部熱交換器にて高圧側冷媒に圧力損失が生じても、減圧手段における減圧量を変動させ調整すれば、冷凍サイクルにおける高低圧差は変動しないので、機器としての運転効率を低下させることはない。
【００１４】
これにより、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上しつつ、内部熱交換器における熱交換量も増加させることができる。
【００１５】
第２の発明は、前記蒸発器に付着した霜を溶かす除霜運転モードを備え、前記除霜運転モードにおいて、冷媒は、前記圧縮機、前記放熱器、前記内部熱交換器の高圧側配管、前記減圧手段、前記蒸発器、前記内部熱交換器の低圧側配管、前記圧縮機の順で循環することを特徴とするものである。
【００１６】
これにより、放熱器で水等を加熱する貯湯運転モードにおいては、内部熱交換器の熱交換量を増加させることができ、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できるとともに、除霜運転モードにおいては、冷媒は圧縮機で湿り圧縮され、圧縮機の潤滑油とともに圧縮機から吐出されるが、この潤滑油が内部熱交換器の高圧側配管の凹凸部（溝部）に付着することで、除霜運転時において、内部熱交換器での高圧側冷媒と低圧側冷媒の熱交換効率を低下させることができ、その結果、内部熱交換器での高圧側冷媒の放熱量が低減され、高圧側冷媒が有する熱を効率良く蒸発器に伝達でき、除霜に活用することができることで、除霜運転時間を短縮することができる。
【００１７】
第３の発明は、前記減圧手段を、前記放熱器よりも鉛直上方に配設したことを特徴とするものである。
【００１８】
これにより、放熱器で水等を加熱する貯湯運転モードにおいては、内部熱交換器の熱交換量を増加させることができ、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できるとともに除霜運転モードにおいては、冷媒は圧縮機で湿り圧縮され、圧縮機の潤滑油とともに圧縮機から吐出されるが、放熱器から内部熱交換器の高圧側配管、そして減圧手段へと冷媒が流れ、かつ、減圧手段が、放熱器よりも鉛直上方に配設されていることで、この潤滑油が内部熱交換器の高圧側配管の凹凸部（溝部）に付着し、かつ、重力作用によって、この凹凸部（溝部）に潤滑油残留しやすいことで、除霜運転時において、内部熱交換器での高圧側冷媒と低圧側冷媒の熱交換効率を低下させることができ、その結果、内部熱交換器での
高圧側冷媒の放熱量が低減され、高圧側冷媒が有する熱を効率良く蒸発器に伝達でき、除霜に活用することができることで、除霜運転時間を短縮することができる。
【００１９】
第４の発明は、前記内部熱交換器の低圧側冷媒は、前記蒸発器から前記圧縮機へと供給される冷媒であることを特徴とするものである。
【００２０】
これにより、蒸発器の略全域にわたって冷媒を湿り状態で動作させることができるので、蒸発器の熱交換効率を高めることができるとともに、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を十分に大きくすることができ、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できる。
【００２１】
第５の発明は、前記内部熱交換器において低圧側冷媒が流れる低圧側配管の内表面は、平滑であることを特徴とするものである。
【００２２】
これにより、低圧側配管に凹凸部（溝部）を設けた場合に比べ、低圧側冷媒と低圧側配管の接触面積が減り、低圧側冷媒の圧力損失が低減されるので、圧縮機の吸入圧力が上昇し、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できる。
【００２３】
第６の発明は、前記内部熱交換器において低圧側冷媒が流れる低圧側配管は、前記高圧側配管と平行に接合され、前記低圧側配管の内径は、前記高圧側配管の内径よりも大きいことを特徴とするものである。
【００２４】
これにより、低圧側配管の内表面積を比較的大きくすることができるので、低圧側冷媒と低圧側配管との熱抵抗と、高圧側冷媒と高圧側配管との熱抵抗を比較的均一にすることができ、内部熱交換器における熱交換効率を向上でき、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できる。
【００２５】
第７の発明は、前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴としたもので、不燃性冷媒であるため、発火や爆発の危険性を取り除くことが出来るという効果を奏する。
【００２６】
以下、本発明の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本発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態における内部熱交換器およびヒートポンプ給湯装置の構成について、以下、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態の内部熱交換器の概略図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。
【００２９】
図１および図２において、内部熱交換器１３の、高圧側配管１３１と低圧側配管１３２は、内部を流れる高圧側冷媒と低圧側冷媒が熱交換できるよう、外表面が接合部１３３にて接触し並列に配設されている。
【００３０】
ここで、高圧側配管１３１の内表面には、伝熱を促進するための溝なる凹凸部１３４を設ける加工を施しており、低圧側配管１３２の内表面は、圧力損失を低減するために平滑としている。
【００３１】
高圧側配管１３１と低圧側配管１３２との接合部１３３は、伝熱を促進するため、半田によって金属接合されており、低圧側配管の内径は、高圧側配管の内径よりも大きい。
【００３２】
なお、内部熱交換器１３の高圧側配管１３１の端部はそれぞれ、放熱器１２の出口側の冷媒配管と、減圧手段１４の入口側の冷媒配管に接続され、低圧側配管１３２の端部はそれぞれ、蒸発器１５の出口側の冷媒配管と、圧縮機１１の吸入側の冷媒配管と接続されている。
【００３３】
図３は実施の形態１の冷凍サイクル装置を備えたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。図３において、このヒートポンプ給湯装置は、冷凍サイクル装置１０と、貯湯装置２０から構成されている。
【００３４】
冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、減圧手段１４、蒸発器１５を順に冷媒配管で環状に接続して構成されている。ここで、減圧手段１４は、放熱器１２よりも鉛直上方に配設されている。なお、冷凍サイクル装置１０には、冷媒として二酸化炭素が封入されている。
【００３５】
内部熱交換器１３は、放熱器１２と減圧手段１４との間に配設された高圧側配管１３１を流れる高圧側冷媒と、蒸発器１５と圧縮機１１との間に配設された低圧側配管１３２を流れる低圧側冷媒との間で熱交換を行う。
【００３６】
放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧側冷媒と、貯湯タンク２１から水用配管１８を介して供給される貯湯水との間で熱交換を行い、温水を生成する。蒸発用ファン１７は、蒸発器１５に送風するための送風装置である。
【００３７】
貯湯装置２０は、貯湯タンク２１を備え、貯湯タンク２１の底部の水供給用配管２２は、水道管等の配管に接続されている。
【００３８】
また、貯湯装置２０は、沸き上げ往き配管２３から、送水ポンプ２４、水用配管１８、放熱器１２、沸き上げ戻り配管１９、三方切替弁２５を経て貯湯タンク２１へ戻す沸き上げ回路を有している。
【００３９】
給湯混合弁２８は、水供給用配管２２と貯湯タンク２１から出る出湯管２９の混合部に設けられ、給湯混合弁２８にて設定温度に調節されたお湯が、給湯配管４０を流れる構成となっている。また、各動作部品への運転指示は、制御装置（図示せず）にて行われている。
【００４０】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下、その貯湯運転動作について説明する。
【００４１】
貯湯運転時、冷凍サイクル装置１０に封入された冷媒は、低圧のガス状態で圧縮機１１に吸入され、高温高圧の超臨界状態にまで圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器１２に搬送されて、貯湯タンク２１から搬送された水と熱交換した後、内部熱交換器１３にて、低圧側冷媒に放熱して、自身は低温高圧冷媒となる。
【００４２】
その後、冷媒は、膨張弁等の減圧手段１４で低温低圧状態に膨張した気液二相冷媒となり、蒸発器１５で、蒸発用ファン１７により送風された外気から吸熱した後、内部熱交換器１３で高圧側冷媒から吸熱して低圧のガス冷媒となり、圧縮機１１に吸入されるという動作を繰り返す。
【００４３】
一方、貯湯タンク２１の底部の水は、送水ポンプ２４により沸き上げ往き管２３、水用配管１８を介して放熱器１２に搬送され、前記冷凍サイクル装置１０の冷媒と熱交換して自身は加熱されて温水となる。
【００４４】
その後、加熱された温水は、沸き上げ戻り管１９、三方切替弁２５を介し、貯湯タンク２１の上部または底部に戻される。
【００４５】
放熱器１２の出口温水の温度は、冷凍サイクル装置１０を起動してすぐに目標沸き上げ温度に到達する訳ではなく、所定時間を要する。
【００４６】
出湯温度検知手段１９１で検出した温度（以下、検出温度と呼ぶ）が目標沸き上げ温度に対して低い間（例えば、目標沸き上げ温度と検出温度との温度差が所定値以上の場合）は、沸き上げ戻り管１９の温水は、三方切替弁２５により、沸き上げバイパス管２６を介して貯湯タンク２１の底部に戻される。
【００４７】
その後、検出温度が目標沸き上げ温度に近づいた場合（例えば、目標沸き上げ温度と検出温度との温度差が所定値未満になった場合）に、三方切替弁２５を切り替えて沸き上げ戻り管１９の温水を沸き上げ配管２７を介して貯湯タンク２１の上部に戻す。
【００４８】
以上の動作により、冷凍サイクル装置１０で加熱された高温の温が貯湯タンク２１内に貯湯される。
【００４９】
次に、ヒートポンプ給湯装置の除霜運転動作について説明する。
【００５０】
外気温が低い状態で貯湯運転動作を行うと、蒸発器１５に霜が付き、蒸発器１５の吸熱能力が大幅に低下してしまう。
【００５１】
ここで、蒸発器１５に付着した霜を除霜する除霜運転動作を行う。蒸発器１５に霜が付着したと、蒸発器１５近傍に配設された温度センサ（図示せず）からの情報により、制御装置（図示せず）が判断した場合に、除霜運転動作は開始される。
【００５２】
まず、送水ポンプ２４と蒸発用ファン１７が停止し、減圧手段１４の弁の開度が開かれる。そして、圧縮機１１で圧縮された高温の冷媒は放熱器１２、内部熱交換器１３の高圧側配管１３１、減圧手段１４を流れ、蒸発器１５に流入し、冷媒の有する熱で除霜を行い、内部熱交換器１３の低圧側配管１３２を流れた後、圧縮機１１に吸入される。
【００５３】
なお、蒸発器１５に付着していた霜が溶けたと、蒸発器１５近傍に配設された温度センサ（図示せず）からの情報により、制御装置（図示せず）が判断した場合には、除霜運転動作は終了され、次に貯湯運転が行われる。
【００５４】
ここで、本実施の形態１によれば、上記構成により、高圧側配管１３１の内表面に溝なる凹凸部１３４を設ける加工を有したことにより、高圧側配管１３１と高圧側配管１３１の内部を流れる高圧側冷媒との伝熱面積が増加するとともに、凹凸部１３４（溝）による乱流促進効果によって、高圧側冷媒と高圧側配管１３１の熱伝達率が向上するので、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間の熱交換量が増加するという効果を奏する。
【００５５】
一方、高圧側配管１３１の内面に凹凸部１３４（溝）を設ける内面溝付管にしたことにより、高圧側配管１３１の内部において渦が発生し、エネルギー損失（圧力損失）を生じることになるが、高圧側冷媒は放熱器１２と減圧手段１４との間を流れるので、内部熱交換器１３にて高圧側冷媒に圧力損失が生じても、減圧手段１４における減圧量を変動させ調整すれば、冷凍サイクルにおける高低圧差は変動しないので、機器としての運転効率を低下させることはない。
【００５６】
これにより、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上しつつ、内部熱交換器１３における熱交換量も増加させることができる。
【００５７】
また、蒸発器１５に付着した霜を溶かす除霜運転モードにおいて、冷媒は、圧縮機１１、放熱器１２、内部熱交換器１３の高圧側配管１３１、減圧手段１４、蒸発器１５、内部熱交換器１３の低圧側配管１３２、圧縮機１１の順で循環することで、前記貯湯運転モードにおいては、内部熱交換器１３の熱交換量を増加させることができ、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できるとともに、除霜運転においては、冷媒は圧縮機１１で湿り圧縮され、圧縮機１１の潤滑油とともに圧縮機１１から吐出されるが、この潤滑油が内部熱交換器１３の高圧側配管１３１の凹凸部１３４（溝部）に付着することで、除霜運転時において、内部熱交換器１３での高圧側冷媒と低圧側冷媒の熱交換効率を低下させることができ、その結果、内部熱交換器１３での高圧側冷媒の放熱量が低減され、高圧側冷媒が有する熱を効率良く蒸発器１５に伝達でき、除霜に活用することができることで、除霜運転時間を短縮することができる。
【００５８】
また、除霜運転においては、放熱器１２から内部熱交換器１３の高圧側配管１３１、そして減圧手段１４へと冷媒が流れ、かつ、減圧手段１４が、放熱器１２よりも鉛直方向において上方側に配設されていることで、内部熱交換器１３の高圧側配管１３１の凹凸部１３４（溝部）に付着した潤滑油が重力作用によって、この凹凸部１３４（溝部）に潤滑油残留しやすいことで、除霜運転時において、内部熱交換器１３での高圧側冷媒と低圧側冷媒の熱交換効率を低下させることができ、その結果、内部熱交換器１３での高圧側冷媒の放熱量が低減され、高圧側冷媒が有する熱を効率良く蒸発器１５に伝達でき、除霜に活用することができることで、除霜運転時間を短縮することができる。
【００５９】
また、内部熱交換器１３において低圧側冷媒が流れる低圧側配管１３２の内表面が、平滑であることで、低圧側配管に凹凸部（溝部）を設けた場合に比べ、低圧側冷媒と低圧側配管の接触面積が減り、低圧側冷媒の圧力損失が低減されるので、圧縮機１１の吸入圧力が上昇し、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できる。
【００６０】
また、内部熱交換器１３において低圧側冷媒が流れる低圧側配管１３２は、高圧側配管１３１と平行に接合され、低圧側配管１３２の内径は、高圧側配管１３１の内径よりも大きいことで、低圧側配管１３２の内表面積を比較的大きくすることができ、低圧側冷媒と低圧側配管との熱抵抗と、高圧側冷媒と高圧側配管１３１との熱抵抗を比較的均一にすることができ、内部熱交換器１３における熱交換効率を向上でき、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、内部熱交換器の高圧側配管と高圧側冷媒との伝熱面積を増加させることで、熱交換性能に優れた内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供できるので、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に適用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  冷凍サイクル装置
１１  圧縮機
１２  放熱器
１３  内部熱交換器
１４  減圧手段
１５  蒸発器
１３１  高圧側配管
１３２  低圧側配管
１３３  接合部
１３４  凹凸部（溝部）
【図３】
2014181870.tif 000003
【図１】
2014181870.tif 000004
【図２】
2014181870.tif 000005
【図４】
2014181870.tif 000006