CN103765131A - 热交换器和具备该热交换器的空气调节机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热交换器，是使用可燃性制冷剂，具有两列以上的多列多层管排列的翅片管型热交换器，在热交换器作为蒸发器发挥作用的情况下也能够抑制供暖交换器性能的降低，所以在同列中配置具有相同配管内径的传热管，所述热交换器作为蒸发器发挥作用时，将流过干燥度小的制冷剂的传热管的配管内径设定为比流过干燥度大的可燃性制冷剂的传热管的配管内径小，以使得饱和温度的变化量与使用R410A作为可燃性制冷剂的情况大致同等。

Description

热交换器和具备该热交换器的空气调节机

技术领域

本发明涉及使用可燃性制冷剂的热交换器和具备该热交换器的空气调节机。

背景技术

近年来，作为HCFC（氟氯烃）类制冷剂的替代制冷剂，HFC（氢氟烃）类制冷剂已被用于热交换器。但是，该HFC类制冷剂具有促进全球变暖现象的性质。因此，最近，开始研究使用不会给臭氧层的破坏或全球变暖现象带来大的影响的低GWP的制冷剂。

GWP（全球变暖系数）小的制冷剂可举出R32、R290、R1234yf等。但是，这些制冷剂是可燃性或弱燃性，泄漏时存在起火或爆炸的危险性。

为了提高安全性和进一步减小GWP，一般认为有效的是减少热交换器使用的制冷剂量。但是，若减少热交换器使用的制冷剂量，通常，热交换器的性能就会降低。

作为实现热交换器使用的制冷剂量的减少的现有技术，例如，专利文献1（日本特许第4209860号）中公开的技术是公知的。在专利文献1中，公开了如下技术，即，通过逐渐缩小用作冷凝器的热交换器的液体侧的传热管的配管内径，以使沿着饱和液线的温度变化，不损失热交换器的能力而实现少制冷剂化。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4209860号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，所述现有技术是适合热交换器作为冷凝器发挥作用的情况的细管化技术，但在热交换器作为蒸发器发挥作用的情况下，通过逐渐缩小传热管的配管内径，以使沿着饱和液线的温度变化，由此，压力损失增大，存在热交换器的性能降低的问题。

本发明的目的在于，提供即使在热交换器作为蒸发器发挥作用的情况下，也能够抑制供暖交换器的性能下降的热交换器和具备该热交换器的空气调节机。

用于解决课题的方法

为了解决上述问题，本发明提供一种翅片管型热交换器，其构成为，使用可燃性制冷剂，具有两列以上的多列多级管排列，

在同列中配置具有相同配管内径的传热管，所述热交换器作为蒸发器发挥作用时，将流过干燥度小的可燃性制冷剂的传热管的配管内径，设定为比流过干燥度大的可燃性制冷剂的传热管的配管内径小，以使饱和温度的变化量与使用R410A作为所述可燃性制冷剂的情况大致同等。

发明效果

根据本发明的热交换器，能够不使热交换器的性能降低，就减少热交换器使用的制冷剂量。

附图说明

本发明的这些和其他目的的特征，根据与附上的附图的优选的实施方式相关的下面的述说变得明确。该附图中，

图1是本发明实施方式的空气调节机的概略结构图。

图2是表示图1的空气调节机具备的翅片管型热交换器的概略结构的图。

图3是表示使用R410A作为制冷剂时的室外热交换器内的制冷剂的温度变化特性的图。

图4是表示表2所示的各制冷剂的配管内径、干燥度和标准沸点的关系的图。

具体实施方式

本发明的热交换器是使用可燃性制冷剂，具有两列以上的多列多层的管排列的翅片管型热交换器，

在同列中配置具有相同配管内径的传热管，上述热交换器作为蒸发器发挥作用时，做成流过干燥度小的可燃性制冷剂的传热管的配管内径比流过干燥度大的可燃性制冷剂的传热管的配管内径小的结构，以使得饱和温度的变化量与使用R410A作为上述可燃性制冷剂的情况大致相等。由此，热交换器作为蒸发器发挥作用的情况下，也不会使热交换器的性能降低，能够减少热交换器使用的制冷剂量。

另外，优选流过干燥度小的可燃性制冷剂的传热管配置于该可燃性制冷剂的入口侧，流过干燥度大的可燃性制冷剂的传热管配置于该可燃性制冷剂的出口侧。

另外，优选上述热交换器在该热交换器作为蒸发器发挥作用时，在该热交换器中流动的可燃性制冷剂流与空气流相对。由此，不会使热交换器的性能降低，能够进一步减少使用的制冷剂量。

另外，优选作为上述可燃性制冷剂，使用单一制冷剂或混合了两种成分或者混合了三种成分得到的制冷剂，以使得全球变暖系数为3以上750以下。由此，能够对防止全球变暖做出贡献。

另外，本发明的空气调节机具备压缩所述可燃性制冷剂的压缩机，优选作为上述压缩机使用的冷冻机油，使用以聚氧化亚烷基二醇类、聚乙烯醚类、聚（氧化）亚烷基二醇或其单醚和聚乙烯醚的共聚物、多元醇酯类和聚碳酸酯类中的任一种含氧化合物为主成分的合成油、以烷基苯类或α烯烃类为主成分的合成油、或矿物油。由此，能够对防止温暖化做出贡献，并且对提高空气调节机的可靠性做出贡献。

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，本发明并不限于该实施方式。

（实施方式）

首先，利用图1对本发明的空气调节机的一个例子进行说明。图1是本发明实施方式的空气调节机的概略结构图。

本实施方式的空气调节机是使用可燃性制冷剂作为制冷剂的空气调节机。在本实施方式中，作为可燃性制冷剂，例如，除了R290等自然制冷剂以外，可以使用HFO1234yf、HFO-1234ze、HFO-1243zf、R32、或它们的混合制冷剂等弱燃性、微燃性的制冷剂。

本实施方式的空气调节机包括设置于屋内的室内机21和设置于屋外的室外机22。室内机21和室外机22通过液体侧连接管23和气体侧连接管24连接。

在室外机22中设有：压缩制冷剂的压缩机1；切换供冷供暖运转时的制冷剂回路（制冷剂的路径）的四通阀2；使制冷剂与外部空气的热进行交换的室外热交换器3；对通过室外热交换器3后的制冷剂进行减压的节流装置4。在本实施方式中，室外热交换器3是翅片管型热交换器。

在室内机21中，设有使制冷剂与室内空气的热进行交换的室内热交换器5。压缩机1、四通阀2、室外热交换器3、节流装置4、室内热交换器5连接成环状。

另外，在室内机21中，设有促进在室内热交换器5内流动的制冷剂与室内空气的热交换的室内风扇7。在室外机22中，设有促进在室外热交换器3内流动的制冷剂与外部空气的热交换的室外风扇8。

接着，对本实施方式的空气调节机在供冷运转时的动作进行说明。

首先，压缩机1将制冷剂压缩生成高温高压的制冷剂。该高温高压的制冷剂通过四通阀2送至室外热交换器3，通过室外风扇8促进其与外部空气的热交换，由此而散热，成为高压的液体制冷剂。该液体制冷剂送至节流装置4被减压，成为低温低压的二相制冷剂。该二相制冷剂通过液体连接管23被送到室内热交换器5内。

被送到室内热交换器5内的二相制冷剂，与通过室内风扇7吸进室内热交换器5内的室内空气进行热交换，吸收室内空气的热，由此，蒸发气化而成为低温的气体制冷剂。该气体制冷剂通过气体侧连接管24、四通阀2返回压缩机1。另一方面，因被二相制冷剂吸热而温度降低的室内空气，通过室内风扇7吹出到室内，对室内进行供冷。

接着，对本实施方式的空气调节机供暖运转时的动作进行说明。

首先，压缩机1将制冷剂压缩生成高温高压的制冷剂。该高温高压的制冷剂通过四通阀2、气体连接管24送到室内热交换器5，通过与由室内风扇7吸进的室内空气进行热交换而散热、冷凝，成为高压液体制冷剂。该液体制冷剂通过液体连接管23送到节流装置4。另一方面，吸收所述高温高压的制冷剂的热而温度上升的室内空气，通过室内风扇7吹出到室内，对室内进行供暖。

送到节流装置4的液体制冷剂由节流装置4减压，成为低温低压的二相制冷剂。该二相制冷剂被送到室外热交换器3，通过室外风扇8促进其与外部空气的热交换，由此蒸发气化，通过四通阀2返回压缩机1。

接着，利用图3对室外热交换器3作为蒸发器发挥作用的供暖运转时的制冷剂的温度分布进行说明。图3是表示使用R410A作为制冷剂的情况下的温度特性的图。

如图3所示，在供暖运转时，制冷剂温度随着向制冷剂的流动方向的下游侧而降低。此时，制冷剂在室外热交换器3内蒸发，干燥度增大。另外，此时，室外热交换器3内除出口附近以外成为饱和状态。即，制冷剂温度随着向制冷剂的流动方向的下游侧而降低的情况，表示室外热交换器3内的压力因压力损失而降低。

图3中表示了使用R410A作为制冷剂的例子，但压力损失是根据制冷剂的物性而变化的。另外，因制冷剂的种类不同，饱和温度和饱和压力的关系也不同。即，即使压力损失相同，因制冷剂的物性或种类不同，饱和温度的变化也不同。因此，因使用的制冷剂不同，相应合适的热交换器的结构也不同。

另外，空气温度和制冷剂温度的差是决定热交换器的性能的主要因素之一。可以认为，即使是使用R410A以外的制冷剂的情况，要得到与使用R410A的情况同等的热交换器的性能，只要使使用R410A以外的制冷剂时的制冷剂温度的分布与使用R410A时的制冷剂温度的分布为同程度即可。换言之，可以认为，即使是使用R410A以外的制冷剂的情况，通过以饱和温度的分布与使用R410A的情况同等的方式构成热交换器，即可得到与使用R410A的情况同等的性能。

接着，为了研究与使用的制冷剂相适应的热交换器的结构，首先，推算热交换器内的压力损失。

各制冷剂的压力损失可以用范宁（Fanning）公式表示。摩擦系数λ的计算使用用式2表示的布拉修斯（Blasius）公式。

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{\λ}\×\frac{L}{D}\×\mathrm{\ρ}\×\frac{V^2}{2}$ （式1）

其中， $\mathrm{\λ}=0.3164\×{\mathrm{Re}}^{1/4}=0.3164\×{\left(\frac{D\×V}{V}\right)}^{1/4}$ （式2）

Re：雷诺数

ΔP：压力损失、γ：配管摩擦系数、L：配管长度、ν：运动粘度

D：配管内径、ρ：管内制冷剂密度、V：管内流速

另外，管内流速V可以用式3表示。

$V=\frac{4\×W}{\mathrm{\π}\×D^2\×\mathrm{\γ}\×\mathrm{\Δh}}$ （式3）

W：蒸发器能力、Δh：冷冻效果

另外，二相状态下的管内制冷剂密度ρ、运动粘度ν，可以用式4、式5表示。另外，X表示干燥度。

ρ=(1-X)×ρ_liq＋X×ρ_vap（式4）

ν=(1-X)×ν_liq＋X×ν_vap（式5）

（下标lip：饱和液、vap：饱和气体）

另外，如上所述，压力损失因制冷剂的物性不同而变化，因制冷剂的种类不同，饱和温度和饱和压力的关系也不同。因此，要使各制冷剂的饱和温度的分布和R410A的饱和温度的分布为同程度，就需要知道各制冷剂的压力变化时的饱和温度的变化。

将各制冷剂的压力变化时的饱和温度变化（ΔTREF）表示于表1。表1表示蒸发温度附近的压力变化时的饱和温度变化（ΔTREF）。在本实施方式中，蒸发温度设定为1.5℃。

[表1]

各制冷剂压力变化时的饱和温度变化

制冷剂	R32	R1234yf	R290	R1234ze（E）	R600a
						ΔTREF（K/kPa）	0.0370	0.0898	0.0667	0.1202	0.1727

另外，设压力变化（压力损失）为ΔP时的各制冷剂的饱和温度的变化量（ΔTsat），可以用式6表示。

ΔTsat＝ΔTREF×ΔP     （式6）

另外，根据使用R410A作为制冷剂时的实验结果，热交换器内的饱和温度的变化量（ΔTR410A）可以如式7那样，能够表示为干燥度的函数。

ΔTR410A＝﹣0.0322X＋0.0566    （式7）

在此，ΔTR410A表示使用R410A作为制冷剂时的热交换器内的饱和温度的变化量。X表示干燥度。

要想使各制冷剂的饱和温度的分布和R410A的饱和温度的分布为同程度，只要构成为各制冷剂的ΔTsat与用式7表示的饱和温度的变化量（ΔTR410A）成为同程度即可。

图2是表示具备本发明实施方式的空气调节机的翅片管型热交换器30的概略结构的图。热交换器30可以用作室外热交换器3，也可以用作室内热交换器5。

热交换器30具备多个翅片28。多个翅片28以一定间隔大致平行排列，以使空气在它们之间流动的方式设置。在多个翅片28中插入多个传热管（也叫配管）29。在本实施方式中，多个传热管29排成3列。即，热交换器30具有2列以上的多列多层的管排列。

配置成同列的传热管29具有相同配管内径。另外，热交换器30构成为，在热交换器30作为蒸发器发挥作用时，制冷剂流与空气流相对，即，成为相对流。

另外，热交换器30作为蒸发器发挥作用时位于制冷剂的入口侧的干燥度小的第1列传热管的配管内径d1，构成为比干燥度大于第1列传热管的第2列传热管的配管内径d2小。另外，第2列传热管的配管内径d2构成为比干燥度大于第2列传热管的第3列传热管的配管内径d3小。

接着，说明在如上所述构成的翅片管型热交换器30中，按每种制冷剂，计算得到和使用R410A的情况同等的热交换器的性能的配管内径d1、d2、d3，验证配管内径d1、d2、d3的大小和干燥度的关系的结果。

在此，将每一通路的配管内径d1、d2、d3的各长度设定为3.5m，将翅片管型热交换器30的能力设定为4000W。将这些计算条件中的每种制冷剂的配管内径d1、d2、d3的计算结果示于表2。

[表2]

各制冷剂的配管内径和干燥度的关系     配管内径（mm）

干燥度	0.1	0.3	0.7	1.0
					R32	4.1	4.4	5.4	9.4
R1234yf	6.3	6.8	8.2	15.0
					R290	5.0	5.3	6.5	11.3
R1234ze	6.4	6.9	8.4	16.6
					R600a	6.5	7.0	8.5	17.0

如表2所示，可知不管哪种制冷剂，干燥度越增大，越要增大配管内径。即可知，各制冷剂的配管内径大小的关系优选为d1≤d2≤d3。

接着，说明在翅片管型热交换器中，将干燥度越减小越将传热管的配管内径设定为小的内径（细管化）时的制冷剂量和将所有传热管的配管内径设定为相同内径时的制冷剂量进行比较的结果。

通常，在作为蒸发器发挥作用的翅片管型热交换器中，制冷剂的入口的干燥度约为0.1，制冷剂的出口的干燥度为1.0。因此，在此，将热交换器的传热管的配管内径设定为相同内径的情况下，使用成为与制冷剂的出口的干燥度和制冷剂的入口的干燥度的平均即干燥度为0.55时的饱和温度的变化量（ΔTR410A）同等的配管内径的传热管。例如，在制冷剂使用R32的情况下，使用在表2中与干燥度为0.55的时对应的4.9mm的配管内径的传热。

另一方面，如图2所示，在设有3列传热管的翅片管型热交换器中，假定第1列传热管的干燥度为0.1～0.3程度、第2列传热管的干燥度为0.3～0.7程度、第3列传热管的干燥度为0.7～1.0程度。因此，在此，干燥度越小越减小热交换器的传热管的配管内径的情况下，使用与各列的平均干燥度时的饱和温度的变化量（ΔTR410A）达到同等的配管内径的配管。例如，在使用R32作为制冷剂的情况下，由于干燥度为0.1～0.3时对应的配管内径为4.1mm～4.4mm，所以第1列传热管使用配管内径为其平均即4.25mm的传热管。另外，由于干燥度为0.3～0.7时对应的配管内径为4.4mm～5.4mm，所以第2列传热管使用配管内径为其平均即4.9mm的传热管。由于干燥度为0.7～1.0时对应的配管内径为5.4mm～9.4mm，所以第3列传热管使用配管内径为其平均即7.4mm的传热管。

如上所述，对使用的每种制冷剂设定传热管的配管内径，对将所有传热管的配管内径设定为相同的情况下的制冷剂量和干燥度越小越减小传热管的配管内径的情况下的制冷剂量进行比较，将结果表示于表3。

[表3]

细管化时的制冷剂量比（相同配管径下的制冷剂量：100%）

制冷剂	R32	R1234yf	R290	R1234ze（E）	R600a
						配管径（mm）	4.9	7.6	6.0	7.7	7.8
制冷剂量比（%）	86.4%	85.1%	86.1%	84.5%	84.4%

在表3中，干燥度越小越减小传热管的配管内径（细管化）的情况下的制冷剂量相对于将所有传热管的配管内径设定为相同的情况下的制冷剂量的比例，作为制冷剂量比而表示。另外，在表3中，将配管内径简记为“配管径”。

由表3可知，干燥度越小越减小传热管的配管内径的情况，与所有传热管的配管内径设定为相同的情况相比，所有制冷剂均能够减少制冷剂量。

图4是表示表2所示的各制冷剂的配管内径、干燥度和标准沸点的关系的坐标图。由图4可知，随着标准沸点变低，配管内径小的传热管更适宜。

根据本实施方式的空气调节机，干燥度越小越减小热交换器的传热管的配管内径，根据这种结构，在热交换器作为蒸发器发挥作用的情况下，也不会降低热交换器的性能，且能够减少热交换器使用的制冷剂量。另外，能够提供更安全且可使用低GWP的可燃性制冷剂的热交换器。

另外，根据本实施方式的空气调节机，热交换器30的构成为，热交换器30作为蒸发器发挥作用时，制冷剂流与空气流相对，所以不会降低热交换器的性能，能够进一步减少使用的制冷剂量。另外，能够提供更安全且可使用低GWP的可燃性制冷剂的热交换器。

另外，使用低GWP的可燃性制冷剂的情况下，优选将上述可燃性制冷剂的成分中的两种成分混合或将三种成分混合制成可燃性制冷剂，以使得GWP成为3以上750以下。由此，万一未被回收的制冷剂放出到外部空气中，也能够极大地减小其对全球变暖的影响。

另外，作为压缩机1所用的冷冻机油，能够使用以聚氧化亚烷基二醇类、聚乙烯醚类、聚（氧化）亚烷基二醇或其单醚和聚乙烯醚的共聚物、多元醇酯类和聚碳酸酯类中的任一种含氧化合物为主成分的合成油、以烷基苯类或α烯烃类为主成分的合成油、或矿物油。另外，作为压缩机1所用的冷冻机油，也可以用以烷基苯类或α烯烃类为主成分的合成油。另外，作为压缩机1所用的冷冻机油，也可以使用矿物油。由此，能够对空气调节机的可靠性的改善做出贡献。

本发明中，参照附图充分对优选的实施方式进行了说明，但是对本领域技术人员很明确，能过对其作出各种变形和修正。这样的变形、修正，只要不超出附加的权利要求的范围所表现的本发明的范围，就应被理解为包含在其中。

参照了2011年12月8日提出的日本专利申请No.2011-268848号的说明书、附图和权利要求的公开内容的全部，并在本说明书中引用其内容。

产业上的利用可能性

根据本发明，能够减少热交换器使用的可燃性制冷剂（例如，R290等自然制冷剂、R1234yf、R32等弱燃性、微燃性的制冷剂）的量，能够提供更加安全且可使用低GWP的制冷剂的热交换器。

附图符号说明

30 翅片管型热交换器

31 空气

32 可燃性制冷剂

d1 第1列传热管的配管内径

d2 第2列传热管的配管内径

d3 第3列传热管的配管内径

Claims (5)

1.一种热交换器，其为使用可燃性制冷剂、具有两列以上的多列多层的管排列的翅片管型的热交换器，所述热交换器的特征在于：

在同列中配置具有相同配管内径的传热管，所述热交换器作为蒸发器发挥作用时，做成流过干燥度小的可燃性制冷剂的传热管的配管内径比流过干燥度大的可燃性制冷剂的传热管的配管内径小的结构，以使得饱和温度的变化量与使用R410A作为所述可燃性制冷剂的情况大致相等。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：

流过干燥度小的可燃性制冷剂的传热管配置于该可燃性制冷剂的入口侧，流过干燥度大的可燃性制冷剂的传热管配置于该可燃性制冷剂的出口侧。

3.一种空气调节机，其包括权利要求1或2所述的热交换器，所述空气调节机的特征在于：

所述热交换器在该热交换器作为蒸发器发挥作用时，在该热交换器中流动的可燃性制冷剂流与空气流相对。

4.如权利要求3所述的空气调节机，其特征在于：

作为所述可燃性制冷剂，使用单一制冷剂或混合了两种成分或者混合了三种成分得到的制冷剂，以使得全球变暖系数为3以上750以下。

5.如权利要求3或4所述的空气调节机，其特征在于：

所述空气调节机包括压缩所述可燃性制冷剂的压缩机，

作为所述压缩机使用的冷冻机油，使用以聚氧化亚烷基二醇类、聚乙烯醚类、聚（氧化）亚烷基二醇或其单醚和聚乙烯醚的共聚物、多元醇酯类和聚碳酸酯类中的任一种含氧化合物为主成分的合成油、以烷基苯类或α烯烃类为主成分的合成油、或矿物油。

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