(57)【要約】【課題】効率的な暖房運転を行うことのできる室外熱交換器及びこれを用いたヒートポンプシステムを提供する【解決手段】外部を通過する空気と内部を流れる低温の冷媒とを熱交換させて冷媒を蒸発させる暖房運転と、内部を高温の冷媒が流れる除霜運転とが可能な室外熱交換器５において、冷媒の流路となる伝熱管５２と、伝熱管５２と熱的に接触するよう配置された複数のフィン５１と、を備え、伝熱管５２の先端側端部に、水分を吸着するための吸着材５３が付着されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部を通過する空気と内部を流れる低温の冷媒とを熱交換させて冷媒を蒸発させる暖房運転と、内部を高温の冷媒が流れる除霜運転とが可能な熱交換器において、
冷媒の流路となる伝熱部材と、
前記伝熱部材と熱的に接触するよう配置された複数のフィンと、を備え、
前記伝熱部材及びフィンの少なくとも一方に、水分を吸着するための吸着材が付着されている、室外熱交換器。
【請求項２】
前記吸着材は、前記各フィンに付着されている、請求項１に記載の室外熱交換器。
【請求項３】
前記吸着材は、暖房運転時の空気流に対して上流側に付着されている、請求項１又は２に記載の室外熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱部材は、管状に構成され、前記各フィンを貫通するように延びるとともに、暖房運転時の空気流に対して上流側に配置される上流側伝熱部材列と、下流側に配置される下流側伝熱部材列との少なくとも二つの列を構成しており、
除霜運転時において、高温の冷媒が、前記上流側伝熱部材列を流れた後に、前記下流側伝熱部材列を流れる、請求項１から３のいずれかに記載の室外熱交換器。
【請求項５】
前記各フィンは、暖房運転時の空気流に対して上流側に位置する上流側フィン列と、下流側に位置する下流側フィン列とを構成し、
前記吸着材は、前記上流側フィン列及び当該上流側フィン列に熱的に接触する伝熱部材の少なくとも一方に付着されている、請求項１から４のいずれかに記載の室外熱交換器。
【請求項６】
前記各フィンは、暖房運転時の空気流に対して上流側の間隔が下流側の間隔よりも広くなるように構成された、請求項１から５のいずれかに記載の室外熱交換器。
【請求項７】
前記上流側フィン列の各フィンの間隔が、前記下流側フィン列の各フィンの間隔よりも広くなるよう構成されている、請求項５に記載の室外熱交換器。
【請求項８】
空気流を形成するためのファンをさらに備え、
前記ファンは、暖房運転と除霜運転とで、空気流を逆転させるよう構成されている、請求項１から７のいずれかに記載の室外熱交換器。
【請求項９】
前記吸着材は、ＡＦＩ型モレキュラーシーブである、請求項１から８のいずれかに記載の室外熱交換器。
【請求項１０】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機からの冷媒を凝縮可能な室内熱交換器と、
前記室内熱交換器からの冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁からの冷媒を蒸発可能な前記請求項１〜９のいずれかに記載の室外熱交換器と、
を備えた、ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室外熱交換器及びこれを用いたヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプシステムは、環境への負荷の低さや、エネルギー効率の高さなどから空気調和装置などに利用されている。このヒートポンプシステムを利用した空気調和装置で暖房運転を行う際、室外熱交換器は、蒸発器として機能し、室外熱交換器内を流れる冷媒が外気から熱を奪い外気を冷却するため、外気中の水分が室外熱交換器のフィンなどに結露して着霜を引き起こす。このように室外熱交換器のフィンなどに霜が付着した状態を放置しておくと、霜が成長して室外熱交換器のフィン間の目詰まりを引き起こし、室外熱交換器の機能が低下するなどといった問題が生じる。このため、空気調和装置は、室外熱交換器にある程度霜が付着したことを外気温や冷媒蒸発温度などから検知すると、室外熱交換器に高温の冷媒を送る除霜運転へと切り替えるように構成されている（例えば、特許文献１など）。
【特許文献１】特開２００２−１４７９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記空気調和装置では、除霜運転を行う際は、室外熱交換器を凝縮器として機能させるとともに室内熱交換器を蒸発器として機能させているため、室内の暖房運転が一時的に中断されて室内は冷房される状態となり、この結果エネルギー的に非効率的な運転となってしまうといった問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、効率的な暖房運転を行うことのできる室外熱交換器及びこれを用いたヒートポンプシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る室外熱交換器は、上記課題を解決するためになされたものであり、外部を通過する空気と内部を流れる低温の冷媒とを熱交換させて冷媒を蒸発させる暖房運転と、内部を高温の冷媒が流れる除霜運転とが可能な熱交換器において、冷媒の流路となる伝熱部材と、前記伝熱部材と熱的に接触するよう配置された複数のフィンと、を備え、前記伝熱部材及びフィンの少なくとも一方に、水分を吸着するための吸着材が付着されている。
【０００６】
この構成によれば、伝熱部材及びフィンの少なくとも一方に吸着材が付着されている。この吸着材が付着された部分は、空気中の水分を吸着するが、吸着材はその表面に多数の細孔が形成されているため、その吸着された水分が飽和状態となるまでに長い時間を要する。霜が成長するのは、空気中の水分が吸着されて飽和状態に達した後であるため、吸着材を伝熱部材及びフィンのどちらか一方に付着させることによって、霜が成長する速度が抑えられる。この結果、除霜運転するまでの時間を長くすることができ、ひいては除霜運転を行う回数を少なくして効率的な暖房運転を行うことが可能となる。なお、水分を吸着した吸着材は、除霜運転時における高温の冷媒からの熱によって吸着した水分を脱着することができるため、再生が可能である。
【０００７】
上記室外熱交換器は種々の構成をとることができるが、例えば、上記吸着材は、各フィンに付着されていることが好ましい。
【０００８】
また、上記吸着材を、暖房運転時の空気流に対して上流側に付着しておくことが好ましい。暖房運転時において、通常、空気流の上流側に着霜が生じるので、吸着材を上流側に付着しておくことで、効率的に霜の成長速度を抑制することができる。
【０００９】
また、上記伝熱部材は、管状に構成され、前記各フィンを貫通するように延びるとともに、暖房運転時の空気流に対して上流側に配置される上流側伝熱部材列と下流側に配置される下流側伝熱部材列との少なくとも二つの列を構成しており、除霜運転時において、高温の冷媒が、上流側伝熱部材列を流れた後に、下流側伝熱部材列を流れるよう構成されていることが好ましい。上述したように、着霜は暖房運転時の空気流上流側において生じやすいため、高温の冷媒を上流側伝熱部材列から先に流すよう構成することで、霜を効率的に融かすことができる。
【００１０】
また、上記各フィンは、暖房運転時の空気流に対して、上流側に位置する上流側フィン列と、下流側に位置する下流側フィン列とを構成し、吸着材は、上流側フィン列及び当該上流側フィン列に熱的に接触する伝熱部材の少なくとも一方に付着されているように構成することもできる。この場合、上記上流側フィン列の各フィンの間隔が、下流側フィン列の各フィンの間隔よりも広くなるよう構成されていることが好ましい。このように、着霜が生じやすい上流側フィン列の各フィン間の間隔を広くすることで、着霜によるフィン間の目詰まりを抑制することができる。
【００１１】
また、上記各フィンは、暖房運転時の空気流に対して上流側の間隔が下流側の間隔よりも広くなるように構成されていることが好ましい。このように着霜しやすい上流側のフィンの間隔を広くすることで、着霜によるフィン間の目詰まりを抑制することができる。
【００１２】
また、空気流を形成するためのファンをさらに備え、ファンは、暖房運転と除霜運転とで、空気流を逆転させるよう構成されていることが好ましい。このように構成することで、除霜運転時に伝熱部材内を流れる高温の冷媒によって加熱された外気が、暖房運転時に上流側だった方向に流れる。このため、暖房運転時において上流側に付着された霜を効率的に融かすことができる。なお、このときファンの回転速度を低下させて風量を減少させることがより好ましい。このように風量を減少させることで、より高温の空気を流して効率的に霜を融かすことが可能となる。
【００１３】
また、上記吸着材は、ＡＦＩ型モレキュラーシーブであることが好ましい。この吸着材は、脱着吸着を行う再生温度が３０℃以下でも可能であるため、一般的にヒートポンプの除霜運転時の冷媒を利用した温度レベルで再生が可能となる。
【００１４】
本発明に係るヒートポンプシステムは、上記課題を解決するためになされたものであり、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒を凝縮可能な室内熱交換器と、前記室内熱交換器からの冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁からの冷媒を蒸発可能な上記いずれかに記載の室外熱交換器と、を備えている。
【００１５】
この構成によれば、伝熱部材及びフィンの少なくとも一方に吸着材が付着された室外熱交換器を使用している。室外熱交換器の吸着材が付着された部分は、吸着材の表面に形成された多数の細孔のために、当該部分に水分が飽和するまで時間がかかり、霜の成長速度を抑制することができる。このため、除霜運転するまでの時間を長くすることができ、ひいては除霜運転を行う回数を少なくして効率的な暖房運転を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、効率的な暖房運転を行うことのできる室外熱交換器及びこれを用いたヒートポンプシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る室外熱交換器及びこれを用いたヒートポンプシステムの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るヒートポンプシステムの暖房運転時における冷媒回路図、図２は、本実施形態に係るヒートポンプシステムの除霜運転時における冷媒回路図である。なお、以下ではヒートポンプシステムを空気調和装置として用いた場合について説明する。
【００１８】
図１及び図２に示すように、ヒートポンプシステム１０は、圧縮機１、四方切換弁２，室内熱交換器３、膨張弁４，室外熱交換器５を備えており、これらが冷媒配管Ｐによって接続されている。暖房運転時においては、図１に示すように、ヒートポンプシステム１０は、圧縮機１，四方切換弁２，室内熱交換器３、膨張弁４，室外熱交換器５、四方切換弁２の順で冷媒が循環するよう接続されている。また、ヒートポンプシステム１０は、除霜運転時においては、図２に示すように、四方切換弁２によって冷媒配管Ｐの接続を変更し、圧縮機１、四方切換弁２，室外熱交換器５，膨張弁４，室内熱交換器３、四方切換弁２の順で冷媒が循環するように接続されている。
【００１９】
上記ヒートポンプシステム１０を構成する各機器について以下説明する。なお、以下では暖房運転時の冷媒の流れを基準に説明するが、除霜運転時では、冷媒の流れは以下の暖房運転時の流れとは逆になる。
【００２０】
まず、圧縮機１は、駆動装置（図示省略）によって駆動され、吸引した冷媒を内部で圧縮して高圧・高温とし、四方切換弁２へと吐出するように構成されている。四方切換弁２は、冷媒の流路を切り替えることができる弁として構成されており、圧縮機１から送られてきた冷媒を、暖房運転時は室内熱交換器３に送り、除霜運転時は室外熱交換器５に送るように切り替えることができる。室内熱交換器３は、冷媒を凝縮する凝縮器として機能することができる熱交換器であって、凝縮した冷媒を膨張弁４に送るように構成されている。膨張弁４は、上記室内熱交換器３からの冷媒を減圧して低圧・低温とするように構成されている。
【００２１】
膨張弁４によって低圧・低温となった冷媒は、室外熱交換器５に送られる。室外熱交換器５は、ファン５４を有しており、ファン５４を回転させることによって外気を室外熱交換器５内に送り込むように構成されている。そして、室外熱交換器５は、ファン５４を回転させることによって送り込まれた外気と、室外熱交換器５の内部を流れる冷媒とを熱交換させることによって冷媒を蒸発する蒸発器として機能するよう構成されている。この室外熱交換器５について、図３〜図５を参照しつつより詳細に説明する。図３は、室外熱交換器５の斜視図、図４はフィンの正面拡大図、図５は吸着材の表面を拡大した模式図である。なお、図３では、ファン５４の記載を省略しているが、前面側にファン５４が設置されているものとし、暖房運転時にファン５４によって送風される空気流の方向を矢印Ｙで示している。また、図３では、フィン５１が右端の３枚及び左端の３枚しか記載おらず、その中間に位置する各フィン５１の記載を省略しているが、その中間にも同じ要領でフィン５１が配列されているものとする。
【００２２】
図３に示すように、室外熱交換器５は、板状の複数のフィン５１と、各フィン５１と熱的に接触する伝熱管５２とから構成されている。板状の各フィン５１は、所定間隔をあけて横方向に配列されている。各フィン５１の材質として、伝熱の観点からアルミニウムなどを挙げることができる。このように構成された各フィン５１の前面側端部（空気流上流側）には、吸着材５３が付着している。吸着材５３は、図４に示すように、各フィン５１の前面側端部の両面に付着されている。この吸着材５３は、図５に示すように、その表面に多数の細孔５３１を有している。なお、図中の符号Ｗは、水分子を示している。このような吸着材５３は、例えば、吸着した水分を脱着する再生温度が３０℃以下であるＡＦＩ型モレキュラーシーブを好ましく使用することができる。なお、吸着材５３を各フィン５１へ付着する方法は、種々の方法をとることができるが、例えば、吸着材、バインダー、水などの溶剤からなる水系分散液を各フィン５１に塗布したり、又は、上記水系分散液中に各フィン５１を浸漬することによって、吸着材５３を各フィン５１へ付着させることができる。
【００２３】
このように構成された各フィン５１を貫通するよう伝熱管５２が蛇行状に延びている。より詳細には、図３に示すように、伝熱管５２は、まず左端側のフィン５１から右端側のフィン５１まで各フィン５１を貫通するよう水平方向に延び、右端側のフィン５１を貫通したところで折り返して所定間隔をあけて下方へ下がり、そこからまた、右端側のフィン５１から左端側のフィン５１まで各フィン５１を貫通するように水平方向に延びる。これを繰り返して、伝熱管５２が各フィン５１の下部まで到達したものを上流側伝熱管列５２ａと称する。そして、上流側伝熱管列５２ａと同様の構成のものが空気流の下流側にも形成されており、これを下流側伝熱管列５２ｂと称する。なお、上流側伝熱管列５２ａと下流側伝熱管列５２ｂとは、それぞれの最下部同士が左端側のフィン５１の外側で接続されており、全体として一本の伝熱管５２となっている。また、下流側伝熱管列５２ｂの最上部は膨張弁４からの冷媒配管Ｐと接続されており、上流側伝熱管列５２ａの最上部は、四方切換弁２を経由して圧縮機１へと冷媒配管Ｐを介して接続されている。このように構成された伝熱管５２を流れる冷媒は、暖房運転時において、まず下流側伝熱管列５２ｂの上部から下部へと流れ、次に上流側伝熱管列５２ａの下部へと送られて、上流側伝熱管列５２ａの下部から上部へと流れる。
【００２４】
次に、このように構成されたヒートポンプシステム１０による暖房運転及び除霜運転について図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
まず、室内を暖房する暖房運転について図１を参照しつつ説明する。暖房運転時においては、四方切換弁２は、圧縮機１から吐出された冷媒が室内熱交換器３へと流れるように冷媒配管Ｐを接続している。
【００２６】
冷媒回路内を循環する冷媒は、圧縮機１に吸引され、圧縮機１内で圧縮されて高圧にされることで温度が上昇する。高温・高圧にされて圧縮機１から吐出された冷媒は、四方切換弁２を経由して室内熱交換器３へと送られる。室内熱交換器３へと送られた冷媒は、室内の空気と熱交換して凝縮することで温度が低下する。冷媒が凝縮するときは熱を放出するので、この放出された熱によって、室内の空気が暖められる。このように室内の空気と熱交換して凝縮された冷媒は、次に膨張弁４へと送られる。膨張弁４へと送られた冷媒は、膨張弁４によって急激に圧力が下げられることで温度が低下し、低温・低圧となって、室外熱交換器５へと送られる。
【００２７】
室外熱交換器５へと送られてきた冷媒は、図３に示すように、まず、下流側の伝熱管列５２ｂへと送られる。そして、下流側伝熱管列５２ｂを上から下まで流れた冷媒は、次に上流側伝熱管列５２ａへと送られ、上流側伝熱管列５２ａを下から上へと流れる。このように室外熱交換器５の伝熱管５２内を流れる過程で、冷媒はファン５４によって送り込まれた空気と熱交換することで蒸発し、外部を流れる空気から熱を奪う。蒸発した冷媒は、再度圧縮機１に吸引されて、上述したサイクルを繰り返すことによって、室内の空気を暖める。
【００２８】
以上のように暖房運転を一定時間行うと、室外熱交換器５のフィン５１の吸着材５３が付着された部分に外気中の水分が付着する。この吸着材５３に吸着された水分が飽和状態に達すると、霜が発生する。この霜が成長してある程度の高さに達すると、各フィン５１間を流れる外気の抵抗となるため、室外熱交換器５内を流れる冷媒の蒸発温度（蒸発圧力）が低下する。この蒸発温度の低下を温度センサ（図示省略）によって検知すると、フィン５１間にて成長した霜を融かすための除霜運転が開始される。以下、除霜運転時におけるヒートポンプシステム１０の動作について、図２を参照しつつ説明する。
【００２９】
図２に示すように、除霜運転時では、四方切換弁２は、圧縮機１からの冷媒が室外熱交換器５へと流れるように冷媒回路を接続する。このように接続された冷媒回路内を循環する冷媒は、圧縮機１に吸引されて圧縮され、高温高圧の冷媒となる。高温高圧となった冷媒は、四方切換弁２を経由して室外熱交換器５へと送られる。
【００３０】
室外熱交換器５へと送られた冷媒は、図３に示すように、まず、上流側伝熱管列５２ａを上から下へと流れ、その後、下流側伝熱管列５２ｂへと送られる。下流側伝熱管列５２ｂへと送られた冷媒は、下流側伝熱管列５２ｂを下から上へと流れる。このように、高温の冷媒が伝熱管５２内を流れることによって、冷媒の熱が、伝熱管５２及び各フィン５１を介して、吸着材５３で成長した霜を融かす。また、着霜している吸着材５３側の上流側伝熱管列５２ａに圧縮機１からの高温の冷媒を先に流すため、効率的に霜を融かすことができる。
【００３１】
そして、図２に戻って説明を続けると、室外熱交換器５において外気と熱交換して凝縮した冷媒は、膨張弁４に送られる。膨張弁４に送られた冷媒は、膨張弁４によって急激に減圧されて温度が低下し低温・低圧となる。低温・定圧となった冷媒は、さらに室内熱交換器３へと送られて、室内熱交換器３にて蒸発し気体となって四方切換弁２を経由し、再度圧縮機１に吸引されて上記のサイクルを繰り返す。
【００３２】
以上のように本実施形態によれば、吸着材５３が室外熱交換器５における各フィン５１の上流側端部に付着されている。この吸着材５３はその表面に多数の細孔を有しているため、吸着材５３が付着されたフィン５１の上流側端部の表面積が大きくなり、フィン５１の上流側端部に吸着された水分が飽和状態に達するまでの時間が長くなる。この結果、霜が成長する速度も抑制されるため、除霜運転を行う回数を減らすことができ、ひいては、効率的な暖房運転を行うことが可能となる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、フィンチューブ式の室外熱交換器５としているが、特にこのタイプの室外熱交換器５に限定されるものではなく、その他のタイプの室外熱交換器５にも使用することができる。
【００３４】
また、上記実施形態では、室外熱交換器５のファン５４による送風方向は暖房運転時、除霜運転時に関係なく一定方向であるが、暖房運転時と除霜運転時とで、その送風方向が変わるように構成することもできる。すなわち、図３において、暖房運転時は、外気が上流から下流側へ向かって矢印Ｙの方向で流れるが、除霜運転時は、ファン５４の回転方向を逆転させるなどして、外気が下流側から上流側へ矢印Ｙとは反対方向へと流れるようにすることもできる。このように構成することで、以下のような効果を得ることができる。すなわち、除霜運転時は、伝熱管５２に高温の冷媒が流れるため、フィン５１の吸着材５３が付着した部分より下流側の空気が加熱される。このため、フィン５１の下流側から上流側へと送風することによって、フィン５１の吸着材５３が付着した部分に、高温の冷媒によって加熱された空気を送って、吸着材５３にて成長した霜を効率的に融かすことが可能となる。なお、この除霜運転時において、ファン５４の回転数を減少させて風量を低下させることによって、空気をより高温の状態でフィン５１の吸着材５３が付着した部分に送ることができ、霜をより効率的に融かすことが可能となる。
【００３５】
また、上記実施形態では、吸着材５３は、フィン５１の上流側端部にのみ付着させているが、吸着材５３の付着場所はこれに限定されるものではなく、例えば、フィン５１の全体に付着させたり、伝熱管５２に付着させたりすることもできる。
【００３６】
また、上記実施形態では、フィン５１は水平方向に並んだ一列だけであったが、これを図６に示すように、暖房運転時の空気流の上流側に並んだ上流側フィン列５１ａと、下流側に並んだ下流側フィン列５１ｂとの２列の構成とすることもできる。この実施形態では、吸着材５３は、上流側フィン列５１ａのみに付着させている。なお、この場合、上流側フィン列５１ａの各フィン５１の間隔を、下流側フィン列５１ｂの各フィン５１の間隔よりも大きくすることもでき、これによって、着霜による各フィン５１間の目詰まりを低減することができる。
【００３７】
また、上記実施形態では、各フィン５は隣り合うフィン５１との間隔が上流側と下流側とで同じ距離を取っているが、フィン５１間の距離を上流側に行くほど大きくしてもよい。このようにフィン５１の着霜しやすい上流側部分の間隔を大きくすることで、着霜による各フィン５１間の目詰まりを低減することができる。また、その他にも、例えば、図７に示すように、幅の広いフィン５１と、幅の狭いフィン５１とを交互に配列することによって、上流側のフィン５１のピッチを粗くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るヒートポンプシステムの一実施形態を示す暖房運転時の冷媒回路である。
【図２】本発明に係るヒートポンプシステムの一実施形態を示す除霜運転時の冷媒回路である。
【図３】本発明に係る室外熱交換器の一実施形態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係るフィンの拡大正面断面図である。
【図５】本実施形態に係る吸着材の表面を示す拡大図である。
【図６】本発明に係る室外熱交換器の他の実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る室外熱交換器のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  圧縮機
３  室内熱交換器
４  膨張弁
５  室外熱交換器
５１  フィン
５１ａ  上流側フィン列
５１ｂ  下流側フィン列
５２  伝熱管（伝熱部材）
５２ａ  上流側伝熱管列（上流側伝熱部材列）
５２ｂ  下流側伝熱管列（下流側伝熱部材列）
５３  吸着材
１０  ヒートポンプシステム
【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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