(57)【要約】霜取りすべき熱交換器（蒸発器）（３）を越えて、一体閉回路を形成するように作動可能に導管によって接続された少なくとも１つの圧縮機（１）、第２熱交換器（凝縮器／熱除去器）（２）、および膨張器（６）を有する蒸気圧縮システム内の熱交換器（蒸発器）の霜取り方法。霜取りすべき熱交換器（３）は、圧縮機（１）の吐出圧力とほぼ同一の圧力を受け、そのため、圧縮機（１）から吐出された高圧ガスが熱交換器内を流れて、熱をその熱交換器（３）に放出するのに伴って、熱交換器（３）の霜取りが行われる。装置は、回路内に、第１弁（１６’）を有する第１バイパスループ（２３）が、膨張器（６）に接続して設けられており、また、霜取り中の熱交換器（３）の後に配置された第２弁（１６’’’）に対する第２バイパスループ内に、減圧器（６’）が設けられており、これによって、霜取りを行う時、第１弁（１６’）が開き、第２弁（１６’’’）が閉じることを特徴としている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
霜取りすべき熱交換器（蒸発器）（３）を越えて、一体閉回路を形成するように作動可能に導管によって接続された少なくとも１つの圧縮機（１）、第２熱交換器（熱除去器）（２）、および膨張器（６）を有する蒸気圧縮システム内の熱交換器（蒸発器）の霜取り方法であって、前記霜取りすべき熱交換器（３）が、前記圧縮機（１）の吐出圧力とほぼ同一の圧力を受け、そのため、前記圧縮機（１）から吐出される高圧ガスが前記熱交換器内を流れて、熱を前記熱交換器（３）に放出するのに伴って、前記熱交換器（３）の霜取りが行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
圧力レシーバ／アキュムレータ（７）内、または冷媒の経路に沿ったいずれかの場所で、加熱器（１０）によって熱を冷媒に加えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
霜取りサイクル中、圧縮機の仕事による圧縮熱および／または圧縮機モータからの熱が、加熱器として使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
霜取りサイクル中、前記熱除去器および／または貯蔵タンクおよび／またはシステムの他の部分に蓄積された熱が、加熱器としての機能を果たすことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
霜取りサイクル中、前記２つの熱交換器（２および３）が直列に接続され、また、前記圧縮機から吐出された高圧ガスが、最初に前記第１熱交換器（熱除去器）（２）を流れて、熱の一部を放出した後、前記第２熱交換器（３）を流れて、該熱交換器の霜取りを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
霜取りサイクル中、前記２つの熱交換器（２および３）が並列に接続され、また、前記圧縮機から吐出された高圧ガスが、制御可能な状態で同時に両熱交換器を流れてそれらに熱を放出することを特徴とする請求項１ないし４記載の方法。
【請求項７】
冷凍またはヒートポンプサイクルは、超臨界であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記霜取り処理は、超臨界であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
霜取りサイクル中に前記圧縮機の出口での冷媒の温度および比エンタルピーを変化（増加または減少）させるために、前記圧縮機（１）の吐出圧力を能動的に制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記冷媒は、前記回路内に設けられた圧力レシーバ／アキュムレータ（７）へ送られることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
熱交換器（蒸発器）（３）を越えて、一体閉回路を形成するように作動可能に導管によって接続された少なくとも１つの圧縮機（１）、第２熱交換器（凝縮器／熱除去器）（２）、および膨張器（６）を有する蒸気圧縮システム内の熱交換器（蒸発器）の霜取りを行うための、加熱器（１０）によって冷媒に熱を加える装置であって、前記回路内に、第１弁（１６’）を有する第１バイパスループ（２３）が、前記膨張器（６）に接続して設けられており、また、霜取り中の熱交換器（３）の後に配置された第２弁（１６’’’）に対する第２バイパスループ内に、減圧器（６’）が設けられており、これによって、霜取りを行う時、第１弁（１６’）が開き、第２弁（１６’’’）が閉じることを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記第１弁（１６’）は、前記圧縮機（１）の出口を霜取りすべき熱交換器（蒸発器）（３）の入口に接続するバイパスループ（２０’）内に設けられていることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記回路内に、低圧または中圧アキュムレータ（７）が設けられていることを特徴とする請求項１２および１３記載の方法。
【請求項１５】
前記熱交換器（２、３）は、直列に接続されていることを特徴とする請求項１２ないし１４記載の装置。
【請求項１６】
前記熱交換器（２、３）は、並列に接続されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
冷媒を全体的または部分的にバイパス導管ループ（２０）で霜取りすべき熱交換器（３）に送るために、前記圧縮機の後に三方弁（２２）を設けていることを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記第２熱交換器（熱除去器）（２）を全体的または部分的に迂回するために、追加弁（１６）を有する導管ループ（２１）を設けていることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記回路は、内部熱交換器（９）を備えており、
該内部熱交換器（９）を迂回するために、追加弁（１６’）を有する導管ループ（２０）を設けていることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、第１熱交換器（蒸発器）を越えて、一体閉回路を形成するように作動可能に導管によって接続された少なくとも１つの圧縮機、第２熱交換器（凝縮器／熱除去器）、および膨張器を有する冷凍またはヒートポンプシステム内の熱交換器（蒸発器）の霜取りを行う方法および装置に関する。
【０００２】
［従来技術の説明］
空気源（ａｉｒ−ｓｏｕｒｃｅ）ヒートポンプまたは冷凍システム内の空気冷却器などの一部の用途では、周囲温度が水の凍結点付近か、それより低い時、（蒸発器として機能する）吸熱熱交換器に霜が付くであろう。霜の蓄積によって、熱交換器の熱伝達能力、および、その結果としてシステムの性能が低下するであろう。したがって、霜取り手段が必要である。最も一般的に霜取り方法は、電気式および高温ガス霜取りである。第１方法（電気式霜取り）は、簡単であるが効率的でないのに対して、高温ガス霜取り方法は、システムが２つ以上の蒸発器を有する時に最も適している。いずれの場合でも、ヒートポンプシステムでは、霜取りサイクル中の加熱需要を満たすために、補助加熱システムを作動させなければならない。
【０００３】
これに関連して、米国特許第５，８４５，５０２号は、外部熱交換器内の圧力および温度を、ヒートポンプを逆流させることなく、アキュムレータ内の冷媒用の加熱手段によって上昇させる霜取りサイクルを開示している。このシステムは、ヒートポンプを加熱モードに維持することによって、内部温度快適性を改善するが、霜取り処理にはやはり、吸い込み圧力および対応の飽和温度を水（霜）の凍結点より高く上昇させるために、加熱手段を十分に大きくすることが必要である。この側面は、実際上の理由から、この霜取り方法（放熱器システム）に使用できる加熱手段（エネルギ源）のタイプを制限するであろう。この特許によれば、霜取りサイクルは、可逆ヒートポンプのみで機能できることを意味する。この従来システムのさらに別の欠点として、アキュムレータ内の冷媒温度を０°Ｃより高くする必要があり、これは、アキュムレータへの熱伝達に使用可能な有効温度差を制限するであろう。
【０００４】
最後に、このシステムの別の欠点として、霜取りすべき熱交換器内の冷媒温度が比較的低く、霜を溶かすために霜取り時間を長くしなければならない。
【０００５】
［発明の概要］
本発明は、冷凍またはヒートポンプシステムの蒸発器の霜取りを行うための、改良された新規で簡単かつ有効な方法および装置を提供することによって、上記システムの欠点を解決する。
【０００６】
本方法は、併記の独立請求項１に定義されているように、霜取りすべき熱交換器が、圧縮機の吐出圧力とほぼ同一の圧力を受け、そのため、圧縮機から吐出される高圧ガスが熱交換器内を流れて、熱をその熱交換器に放出するのに伴って、熱交換器の霜取りが行われることを特徴とする。
【０００７】
装置はさらに、併記の独立請求項１１に定義されているように、回路内に、第１弁を有する第１バイパスループが、膨張器に接続して設けられており、また、霜取り中の熱交換器３の後に配置された第２弁に対する第２バイパスループ内に、減圧器が設けられており、これによって、霜取りを行う時、第１弁が開き、第２弁が閉じることを特徴とする。
【０００８】
従属請求項２〜１１および１３〜１９は、本発明の好適な実施形態を定義する。
【０００９】
以下の図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１０】
［発明の詳細な説明］
本発明は、包括的には、冷媒としていずれの流体でもよいが、特に二酸化炭素を用いている霜の付いた熱交換器、特に蒸発器の霜取りをするために、限定的ではないが特に超臨界処理で作動する冷凍およびヒートポンプシステムに関する。
【００１１】
本発明は、好ましくは圧力レシーバ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）／アキュムレータを有するいずれの冷凍またはヒートポンプシステムにも使用することができる。必要ならば、本発明は、ヒートポンプシステムでの従来形霜取り方法に伴う霜取りサイクル中の低温内部通風をなくすこともできる。これは、電気抵抗、または（たとえば、車の放熱器冷却システムからの）廃熱、またはレシーバ／アキュムレータに組み込むことができる他の適当な手段、または回路内の冷媒経路に沿った接続配管などの外部熱源によって達成される。熱は、貯蔵ユニットから供給することもできる。本発明は、臨界未満および超臨界の両方のレシーバ／アキュムレータ付き冷凍およびヒートポンプシステムに使用することができる。本発明は、１つの蒸発器だけを有する冷凍およびヒートポンプシステムで実施することもできる。
【００１２】
以下の本発明に従った霜取りサイクル作動の方法を、図１および図２を参照しながら説明するが、それらは、ヒートポンプシステムまたは冷凍（冷却）システムのいずれにすることもできる。本システムは、圧縮機１と、霜取りすべき熱交換器３と、熱交換器９と、２つの膨張器、すなわち、第１膨張器６および第２膨張器６’と、第２熱交換器２（熱除去器）と、弁１６’および１６’’’と、レシーバ／アキュムレータ７と、加熱器１０とを備えている。第２膨張器６’は、熱交換器（蒸発器）３の後に配置された弁１６’’’に対するバイパス導管ループ内に設けられている。加熱器による熱の追加と、弁１６’’’を迂回する第２膨張器６’および第１膨張器６を迂回する弁１６’の設置が、本発明の主たる新規な特徴を表しており、熱交換器内の圧力を圧縮機（１）の吐出圧力とほぼ同一に維持し、そのため、圧縮機１から吐出された高圧ガスが熱交換器内を流れて、熱を熱交換器３に放出するのに伴って、熱交換器３の霜取りが行われるようにして、熱交換器３の霜取りを行うことができるようにする。加熱器１０は、好ましくはレシーバ／アキュムレータ７を介して冷媒に熱を加えるが、代わりに、または追加して、霜取りサイクル中にシステム内の冷媒経路に沿ったいずれかの場所で冷媒に熱を加えることもできる。
【００１３】
通常作動（図１）：
通常作動状態では、弁１６’’’に対するバイパスループに設けられた第２膨張器６’、および第１膨張器６に対するバイパスループに設けられた弁１６”が閉じる一方、弁１６’’’が開く。第２膨張器６’は、技術的に言えば「閉じる」ことはないが、通常作動中には実際的に冷媒流がない毛細管または同様な装置にすることができることも、理解されるであろう。循環している冷媒は、外部熱交換器３内で蒸発する。冷媒は、レシーバ／アキュムレータ７に流入した後、内部熱交換器９を通り、そこで過熱される。過熱された冷媒蒸気が、圧縮機１によって引き出される。次に、蒸気の圧力および温度が圧縮機１によって高められた後、蒸気は第２熱交換器（熱除去器）２に流入する。圧力に応じて、冷媒蒸気は、熱除去によって（臨界未満の圧力で）凝縮されるか、（超臨界圧力で）冷却される。次に、高圧の冷媒が内部熱交換器９を通過した後、膨張器６によって蒸発圧力まで減圧されて、１サイクルが完了する。
【００１４】
霜取りサイクル：
図１を参照すると、霜取りサイクルの開始時に、弁１６’が開き、弁１６’’’が閉じる。本発明によれば、第２熱交換器（熱除去器）２および第１熱交換器（蒸発器）３は直列または並列に接続され、前述したように、圧縮機の吐出圧力とほぼ同一の圧力を受ける。必要ならば、熱交換器２も迂回することができる。これは、霜取りサイクル中に熱交換器による熱除去の必要がない冷凍システムの場合であろう（図２）。
【００１５】
冷媒蒸気の温度および圧力は、圧縮機１で高められてから、熱交換器２に流入する。霜取りサイクル中に熱を出力する必要があるヒートポンプ作動の場合、冷媒蒸気は、熱をヒートシンク（空気システムの場合は内部空気）に放出することによって冷却される。高圧冷媒は、内部熱交換器９を通過するか、あるいは（図１に示されているように）弁１６’を通って迂回してから、霜取りすべき熱交換器（蒸発器）３に流入することができる。次に、熱交換器３の出口の冷却冷媒は次に、膨張弁６’を通過し、そこでレシーバ／アキュムレータ７内の圧力まで減圧される。レシーバ／アキュムレータ７に流入する液体冷媒を蒸発させるために、好ましくはレシーバ／アキュムレータ７内の冷媒に熱を加える。
【００１６】
用途のタイプおよびその要件によって、加熱器のタイプおよび霜取り処理を実施するために必要な熱量が決定される。たとえば、吸い込みガス冷却モータ（ｓｕｃｔｉｏｎ ｇａｓ ｃｏｏｌｅｄ ｍｏｔｏｒ）を有する圧縮機を使用した場合、最小量のエネルギ入力で霜取りサイクル中に冷媒に熱を加えるために、モータによって放出された熱および／または圧縮熱を「熱源」として利用することができる。図１４は、圧縮熱および圧縮機モータによって放出された熱を「熱源」として利用した吸い込みガス冷却圧縮機を使用した幾つかの実験結果を示す。あるいは、温水器ヒートポンプシステムの場合、熱除去器および／または温水貯蔵タンク内の水に蓄積された熱を「熱源」として利用することができる。
【００１７】
超臨界熱除去圧力を使用すると、本発明にさらなる融通性を加える「自由度」が追加される。臨界未満システムでは、凝縮器すなわち熱交換器２内の圧力（および飽和温度）が、その熱交換器（熱除去器）での熱伝達処理の釣り合いによって自動的に決定されるのに対して、超臨界圧力は、処理および熱伝達性能を最適化できるように能動的に制御することができる。
【００１８】
図４は、熱交換器２および３が三方弁２２によって並列に接続されている本発明のさらなる実施形態を示し、霜取りの所望速度および加熱効率に応じて、圧縮機から出る冷媒の一部が、バイパスループ２２を通って熱交換器３に送られる。熱交換器２から出た冷媒は、本例の場合、第２バイパスループ内の弁１６”を開くことによって、熱交換器３を迂回する。
【００１９】
さらに、図５は、三方弁２２を使用して、別の導管ループ２１を通って熱交換器２（熱除去器）を部分的または全体的に迂回できるようにした別の実施形態を示す。この実施形態は、迅速な霜取りが望ましい場合に有用である。
【００２０】
本発明によれば、図５に示された霜取りサイクル中で、超臨界圧力を能動的に制御することによって、圧縮機１の後の冷媒の温度および比エンタルピーを増加させることができる。圧縮機１の後（図面の点ｂ）で冷媒の比エンタルピーが高くなるのは、吐出圧力が増加した時の圧縮仕事量の増加の結果である。これに関連して言うと、圧縮仕事量の増加の可能性は、霜取り方法のための「予備加熱器」と見なすことができる。一例として、ヒートポンプシステムにおいて、加熱需要が高い霜取りサイクル中に、内部温度快適要件を満たすために、本発明のこの特徴を利用することができる。また、霜取りサイクル中に、第２熱交換器（凝縮器）２および霜取りすべき第１熱交換器（蒸発器）３を直列ではなく、並列に作動させて霜取りを行うことも可能である。
【００２１】
たとえば、米国特許第５，８４５，５０２号に示された解決法と比べて、本発明の霜取り効果が増加すること（仕事量の増加による比エンタルピー）が、さらに図７に示されている。右側の図は、本発明の処理を示し、左側の図は、米国特許の処理を示す。図面から明らかなように、本発明では霜取り温度がはるかに高い。
【００２２】
ヒートポンプまたは熱回収システム以外の用途では、主目的が、霜取りサイクルをできるだけ迅速かつ効率的に完了することである。これらの場合、霜取りサイクル中は、図２に示されているように、熱交換器２（熱除去器）を迂回することができ、図２では、弁１６を有するバイパス導管ループが設けられて、この場合には弁が開いている。したがって、霜取りサイクルを先行の場合より迅速に行うことができる。同様に、図１に示されているように、弁１６’を有する導管ループによって内部熱交換器９を迂回することができる。
【００２３】
併記の特許請求項に定義された発明は、以上の実施形態に制限されることはない。したがって、本発明によれば、霜取りサイクルを、レシーバ／アキュムレータを有するいずれの冷凍およびヒートポンプシステムにも使用することができる。これが、図７〜図９に示されており、これらの図面では、ヒートポンプから冷却モード作動に迅速に変化させるために、サブ処理回路ＡおよびＢ内に、たとえば、それぞれ逆流装置４および５を設けたさまざまな実施形態で、同じ霜取りサイクルが実施される。図１０は、中圧レシーバを使用した時の、本発明に従った基本的な霜取り原理を示す。この図面は、霜取りサイクル中に熱交換器２によって熱除去を行う必要がなく、また、圧縮熱が加熱器として使用されるシステム用の霜取りサイクルを示す。霜取りサイクル中、弁１６’および１６”が開き、弁１６’’’は閉じているであろう。その結果、圧縮機から出る高圧高温ガスが、弁１６’を通ってから、霜取りすべき熱交換器３に流入する。次に、冷却された冷媒は、膨張器弁６’’’によって中圧レシーバ７の圧力まで減圧される。このレシーバは、弁１６’’’を設けたバイパスループによって圧縮機の吸い込み側と直接につながっているので、このレシーバ内の圧力は、圧縮機の吸い込み圧力と基本的に同じである。吸い込みガスを圧縮機によって高圧高温に圧縮するのに伴って、圧縮熱が冷媒に加えられる。システム内に外部加熱器が存在しないので、圧縮機の吸い込み圧力および圧力レシーバ７の圧力が、平衡圧力に達するまで減少するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った霜取りサイクル作動の原理の概略図を示す。
【図２】本発明に従った霜取りサイクル作動の原理の概略図を示す。
【図３】図１および図２に示された本発明の実施形態の概略図を示す。
【図４】図１および図２に示された本発明の実施形態の概略図を示す。
【図５】図１に従った霜取り方法を使用した処理のＴ−Ｓダイアグラムを示す。
【図６】ＣＯ２およびＲ１２における加熱処理の比較を温度／エントロピー（Ｔ−Ｓ）ダイアグラムで示しており、Ｒ１２に対する霜取り処理は、米国特許第５、８４５、５０２号に従った処理に対応する。
【図７】本発明に従った霜取りサイクルをさらに異なった実施形態に適用した場合の概略図を示す。
【図８】本発明に従った霜取りサイクルをさらに異なった実施形態に適用した場合の概略図を示す。
【図９】本発明に従った霜取りサイクルをさらに異なった実施形態に適用した場合の概略図を示す。
【図１０】本発明に従った霜取りサイクルをさらに異なった実施形態に適用した場合の概略図を示す。
【図１１】本発明の請求項４に対応した霜取りサイクルを実施して得られた実験結果を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004507707.tif 000036
2004507707.tif 000037
2004507707.tif 000038