JP2000097519A

JP2000097519A - 空調装置及びそれに用いる凝縮器

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Publication number: JP2000097519A
Application number: JP10375397A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Yamauchi; 典之山内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: JP3218289B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】オゾン破壊係数の低い、温室効果の少ない冷
媒に入れ替えても、従来の圧縮機、その他をそのまま
で、又は、大幅な改造無しで使用出来る空調装置。【解決手段】冷房運転時は、冷媒の流れ方向に、第１段
凝縮器と第２段凝縮器の順に設ける。第２段凝縮器は、
第１段凝縮器の下流の冷媒の配管通路で、冷媒の種類及
び気相・液相の比容積に応じて、適当な場所の断面積を
減少させ、断面積減少部分に壁を設け、冷媒に対し凝縮
作用を促進する。又、配管通路の内壁に、突出部を備
え、冷媒の持つ気相の分離を促進する凝縮促進部４６を
設け、更に、下流に液相の冷媒の持つ熱を、効率良く放
出する複数の冷媒通路の凝縮器を持つ。凝縮器で熱を放
出するために、第１段凝縮器と第２段凝縮器とを、直交
流型に結合させて、凝縮器の冷却材は、最初第２段凝縮
器を通過、次に第２段凝縮器を通過する様に構成配置
し、冷暖房運転を効率良く行うことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調装置の凝縮器
に関するものであり、特に、環境に優しくなるように改
良された空調装置の凝縮器であり、また、その凝縮器を
用いる空調装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空調装置の凝縮器の熱交換を行う管路の
断面形状は一般的には円形、または楕円形であり、管路
のすべての部分において断面形状は同一の形状であっ
た。また、熱交換の効率を向上させるために、従来は、
管路の外側にフィンをはめ込み、または、ろう付けし
て、放熱面積を大きくしてきた。また、管路の内面に、
種々の連続した溝を設けたり、ウイックなどを設け、伝
熱効率の向上を目指していたが、いずれも限界にきてい
る。近年、オゾン層に有害な冷媒、例えばＲ１２、５０
２は全面的に廃止され、Ｒ２２、ＣＦＣ、ＨＣＦＣなど
は規制の対象になっている。それらを、オゾン破壊係数
の低い冷媒、例えばＨＦＣ−１３４ａ、４１０Ａなどに
置き換えたり、さらに温室効果（温暖効果）の少ない冷
媒、例えばアンモニアなどの自然界に存在する物質で作
られた冷媒に置き換えることが、環境対策上、要請され
ている。これについて、なかんずく密閉型空調装置にお
いて、冷媒と圧縮機の潤滑油との相性を考慮して、種々
の対策が考えられているが、従来の圧縮機及びその他の
改造を行わないで、上記の冷媒を使用すると、性能が出
ないばかりでなく、圧縮機に過負荷がかかり、停止に至
る不具合が生じる、という問題点があった。さらに、環
境の悪化で、例えばビルとビルの間に空調装置の凝縮器
を設置した場合、周囲の温度が夏季に異常上昇したと
き、また、冬季に凝縮器に霜付きが起きたとき、従来の
凝縮器では能力不足のため、運転不可能となっていた。
また、同じような凝縮器を追設しても、性能が出ないと
いう問題点、凝縮器を収納する室外機の構造面での問題
点、及び寸法面での問題点などが生じていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
の課題は、従来の問題のある冷媒を、オゾン破壊係数の
低い、かつ温室効果の少ない冷媒に取り替えても、従来
の圧縮機、その他の部品をそのまま用いることができる
空調装置を提供することにある。さらに、この発明の課
題は、従来の空調装置を大幅に改造することなく、圧縮
機の所要動力、すなわち、圧縮機を駆動する電動機の消
費電力、または、圧縮機を駆動する熱機関の燃費の増加
を抑えることができるように改良された空調装置を提供
することにある。また、この発明の他の課題は、凝縮器
の周囲の温度環境が過酷になっても、運転できるように
改良された空調装置を提供することにある。つまり、こ
の発明の課題は、圧縮機から出てきた高温・高圧ガスの
冷媒を効率良く凝縮できるように改良された空調装置を
提供するにあたり、上述のような課題を解決する空調装
置に用いられる、効率の良い凝縮器を提供することにあ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】それゆえに、凝縮器の機
能の向上が前記課題の解決手段となる。解決のための第
１の手段として、凝縮器の冷媒通路の断面積を減少させ
て、冷媒に対する凝縮作用を促進する凝縮促進部を備え
る。前記凝縮促進部に、前記断面積減少部分と、その上
流に位置する凝縮器の冷媒通路部分との間に、段差を形
成する壁を設ける。前記壁は、断面積減少部分と、その
上流の冷媒通路とを連続的に、かつ滑らかに接続される
ように考慮する。前記凝縮器促進部は、空調装置を冷房
に使用する場合、凝縮器の熱放出を行う冷媒通路内で、
かつ冷媒が湿って飽和蒸気の状態で存在している場所
の、断面積を減少させているので、その前後で、乱流が
多量に発生して、気相の分離が行われる。それと同時
に、気相・液相混合の冷媒が前記壁に衝突し、冷媒の流
体として有するエネルギの一部が、上流方向に反射し、
圧力が上昇し、上流の気相状態の冷媒に圧縮効果を与
え、その結果、冷媒の凝縮が促進される。また、下流方
向には、流れの束が縮小されて、さらに冷媒の凝縮作用
が促進され、ひいては気相を含まない液相の冷媒から、
管路への熱伝達率を向上させる。なお、空調装置を暖房
に使用する場合も上述と同様な手段で凝縮器の機能を向
上させることができる。

【０００５】次ぎに、凝縮器の全体の概要を述べる。凝
縮器は、上流側冷媒通路と下流側冷媒通路を備える。前
記上流側冷媒通路の下流に位置し、前記凝縮促進部を含
み、前記上流側冷媒通路よりも小さな断面積を有する上
流側断面積減少通路を設ける。前記下流側冷媒通路の上
流の位置に、前記凝縮促進部を含み、前記下流側冷媒通
路よりも小さな断面積を有する、下流側断面積減少通路
を設ける。凝縮をさらに促進させるために、第２の手段
として、前記上流側断面積減少通路と前記下流側断面積
減少通路との間に位置して、分岐した複数の分岐通路を
設ける。なお、該複数の分岐通路の合計断面積は、前記
上流側断面積減少通路、または、前記下流側断面積減少
通路の断面積と同じか、それよりも小さくする。また、
前記上流側及び下流側断面積減少通路の、上流側及び下
流側冷媒通路に対する断面積の減少率は、冷媒の種類及
び比容積などの状態により決める。

【０００６】次ぎに、前記凝縮促進部より上流側に位置
する前記上流側冷媒通路の凝縮器部分を第１段凝縮器と
呼称し、該第１段凝縮器の下流に位置して凝縮作用を行
う部分を第２段凝縮器と呼称することにする。また、暖
房運転の場合も第２段凝縮器は冷媒の凝縮作用を行う必
要があるので、前記下流側断面積減少通路の下流に、上
述の冷房運転の場合と同様な凝縮促進部を設ける。暖房
運転の場合は、冷房運転の場合と冷媒の流れ方向が逆と
なるが、冷房運転時と同様に、凝縮促進部の断面積減少
部分は、冷媒の流れに対し断面積減少となる方向に設け
られる。（したがって、冷房運転時は冷媒の流れに対し
て、断面積減少部分は断面積拡大の方向となる）

【０００７】第３の手段として、前記断面積減少部分の
壁の近傍に位置する、冷媒通路内壁面に、冷媒の流れを
乱す突出部を設ける場合には、冷媒の渦流、または、乱
流が発生し、冷媒内の気相と液相の分離がさらに促進さ
れる。前記突出部は、前記壁の上流に位置する上流突出
部と、前記壁の下流に位置する下流突出部とを含む。

【０００８】第４の手段として、前記第１段凝縮器と第
２段凝縮器を、熱交換対象物が、最初、前記第２段凝縮
器を通過し、次に前記第１段凝縮器を通過するように、
直交流型（冷媒のマクロ的に見た進行方向と冷却材の進
行方向が直交する）に結合させて次のような効果を奏す
る。すなわち、暖房運転においては冷媒の流れが、冷房
運転の場合と逆になる。この場合、室外機に設けている
前記第１段凝縮器は蒸発器（冷房運転では凝縮器とな
る）として、室内機は凝縮器（冷房運転では蒸発器とな
る）として作用し、また、前記室外機に設けている前記
第２段凝縮器は、凝縮器として作用する。そして、室内
機の凝縮作用が不十分な場合でも、前記凝縮促進部で、
冷媒の凝縮は促進される。更に、前記第２段凝縮器で冷
媒から奪った熱は、前記室外機に設けている第１段凝縮
器（実際は、暖房運転であるので蒸発器となる）に向か
って放出されて、該室外機の霜付が防止される。

【０００９】

【実施例１】最初に、空調装置を、冷房装置として運転
する場合について説明する。図１を参照して、空調装置
の冷房の基本サイクルは、次の通りである。低温・低圧
の湿り蒸気Ｇ４は、蒸発器１で外部から熱を吸収し、次
いで、蒸発器１を出て、低温・低圧過熱蒸気Ｇ１に変化
する。圧縮機２を経た冷媒は、高温・高圧ガスＧ２に変
化する。高温・高圧ガスＧ２は、蒸発器１の冷凍量と圧
縮仕事の熱当量の和の熱量を、凝縮器３より外部へ放出
し、常温・高圧液Ｇ３に変化する。その後、冷媒Ｇ３
は、膨脹弁４により、低温・低圧の湿り蒸気Ｇ４に変化
する。このような冷媒の循環により冷房は行われる。次
ぎに、凝縮器３の入口３１から出口３２までの間の、冷
媒の状態変化について説明する。圧縮機２から凝縮器３
に入る冷媒は、高温・高圧ガスＧ２の状態にある。該高
温・高圧ガスは、外部の空気または水などの冷却材で、
管路の外部から冷却されて凝縮され、液相に変化する。
しかし、蒸発器１の冷凍量と圧縮機２における圧縮仕事
の熱当量の和の熱量が、外部へ放出されない場合、図２
に示すように、凝縮器の管路の内壁面の近傍は、気相・
液相の混合流となる。図３は、この状態をミクロ的に見
たときの概念図である。図３を参照して、冷媒は、ガス
状から、気泡流、噴霧流、プラグ流、スラグ流、環状
流、波状流を経て、気相から層状流の液相になる過程を
辿る。通常、液相は、管路が水平状態にある場合には、
底部より中心部に向かって流れ、気相は、液相に押され
て管路の周辺部に広がるように流れる。冷却材の作用に
より、冷媒は、凝縮器３で、熱量を外部へ放出する。こ
のとき、新しい他の冷媒に入れ替えると、圧縮機２の能
力が、その冷媒の性能に対応できない場合に問題が生ず
る。また、冷却材の温度が高く、凝縮器の能力が不足し
ている場合に、また、問題が生じる。その問題とは、凝
縮器３の出口３２の前後で、冷媒は気相の残留度の高い
状態になる。この状態で、冷媒が膨脹弁４を経て蒸発器
１に至ると、冷房能力が低下するという問題である。さ
らに、圧縮機が過負荷となり停止したり、軸受の損傷な
どの不具合を起こし、空調装置の機能を失うという問題
が生じる。

【００１０】次ぎに、気相を含んだ冷媒を積極的に凝縮
する手段を説明する。図４は、本発明に関わる、凝縮器
の凝縮促進部の断面図である。凝縮促進部５は、冷媒通
路の断面積を減少させて、冷媒に対する凝縮作用を促進
する機能を備える。該凝縮促進部５は、冷媒の種類及び
冷却材を考慮して設計されている。すなわち、凝縮促進
部５は、断面積減少部分Ａ２と、その上流に位置する冷
媒通路部分Ａ１との間に、段差を形成する壁６を含む。
冷媒が、湿り飽和蒸気の状態で、壁６に衝突する。これ
によって、冷媒中に残存する気体が圧縮され、冷媒の凝
縮が促進される。図４を参照して、冷媒の流れ方向で、
断面積が変化する位置をゼロとする。−Ｘの方向からの
冷媒の入射波Ｆ１が、壁６に衝突し、一部はｆ１となっ
て反射する。反射波のエネルギが、−Ｘの方向に圧力上
昇をもたらし、冷媒を圧縮する。冷媒の有する残りのエ
ネルギはＦ２となって、Ｘの方向に進行し、流れの束が
縮められる過程で、冷媒中に残存する気体が凝縮する。
これらの現象により凝縮が促進される。上述の圧力変化
及び冷媒の凝縮効率は、冷媒の種類、冷却材ならびに冷
媒の比容積により異なる。上記の現象は、流体力学で説
明できる。すなわち、この現象は、管路の断面積の変化
のある場所の前後での、流体の有する圧力、速度及び位
置のエネルギ変化として、ベルヌーイの定理で説明でき
る。冷媒が気・液混合の状態から、液体の状態に急激に
変化する現象は、断面積減少部分の前後の、冷媒の比重
が大幅に不規則に変化する過渡現象である。そのため
に、冷媒の圧力及び速度が急激に変化するが、断面積が
変化する前後を除いて、冷凍サイクルの運転状態は極め
て円滑に行われる。

【００１１】次ぎに、凝縮された高温・高圧の液相にあ
る冷媒と冷却材の熱交換の能力を向上させる手段につい
て説明する。表１に、図４に示す凝縮促進部前後の管路
の内径、表面積、断面積、冷媒の流速の値をまとめる。
図４と表１を参照して、管路Ａ２は、管路Ａ１の断面積
を１／２にしたものである。管路Ａ２の表面積は、管路
Ａ１の３．１４に対して、２．２２である。冷媒の流速
は、管路Ａ２では、管路Ａ１の約２倍となる。管路にお
ける放熱量は、表面積と冷媒の速度の積に比例するの
で、管路Ａ２の放熱能力は、管路Ａ１の１．４１倍
（２．２２÷３．１４×２）となる。さらに、放熱能力
を上げる方法として、Ｘ軸の０点、または助走区間の後
に、４本の、それぞれ同じ断面積を有する管路Ａ３を設
ける。管路Ａ３の合計断面積が管路Ａ２の断面積に等し
くなるようにする。管路Ａ１の内径を１とすると、管路
Ａ１の表面積３．１４に対し、管路Ａ３の管路４本の表
面積の合計は４．４４となる。その倍率（Ａ３／Ａ１）
は、１．４１４（４．４４÷３．１４）となり、管路Ａ
３内の冷媒の流速は、管路Ａ１内の流速の約２倍にな
る。放熱量は表面積と冷媒の流速の積に比例するので、
管路Ａ３の４本分の放熱能力は、管路Ａ１の２．８２８
倍（４．４４÷３．１４×２）となる。なお、冷媒が完
全に液相になった場合の平均熱伝達率をＫ１、気・液混
合の場合の平均熱伝達率をＫ２とすれば、その比率Ｋ１
／Ｋ２は１よりはるかに大きくなり、また冷媒の種類と
比容積によっては、その比率が２桁となる場合もあり、
放熱能力は、その比率で増大する。

【００１２】上記の実施例では、管路の説明を都合上、
その断面形状が円形である場合について行ったが、その
断面形状及び材料が熱交換に適したものであれば、例え
ば、矩形、楕円形など、どのような形状にしても、実施
例と同様な効果を奏する。なお、冷媒の種類、冷媒の比
容積によっては、ラッパ・円錐状の断面形状の方が、縮
流による効果については良い場合がある。

【００１３】また、凝縮器の能力を向上させるために、
凝縮器の管内の適切な複数の箇所に、上述の凝縮促進部
を設けるのが好ましい場合がある。なお、凝縮及び放熱
作用の促進により、冷媒が気相から急激に液相に変化し
て、その体積と圧力が減少するので、圧縮機の所要動力
は減少する。次ぎに、上記実施例では、空調装置を冷房
に使用する場合を説明したが、管路の経路を変更するこ
とにより、暖房に使用することもできる。また、上述の
凝縮促進部を蒸発器１内に設けることにより、蒸発器を
凝縮器として用いる場合（暖房運転）に、蒸発器の性能
を向上させることができる。

【００１４】次ぎに、前記断面積減少部分で断面が変化
する場所の、前後の管路内面に設けられた、冷媒の流れ
を乱す突出部、すなわち、渦流／乱流発生器について説
明する。図５は、渦流／乱流発生器を管路内に装着する
場合の、その位置を示す概念図である。図６は、管路の
内壁に渦流発生器を設けた場合の概念図である。図５と
６を参照して、管路の内壁に渦流を発生させる、突出部
７が設けられている。図７Ａ〜Ｃは、管路の内壁面に、
乱流を発生する乱流発生器を設けた概念図であり、管路
の内面に、乱流を発生させるための突出部８が設けられ
ている。図７Ａは、鋸刃状の突出部の例である。図７Ｂ
は、櫛状の突出部を示す。図７Ｃは、貫通穴が設けられ
た突出部を示す。このような乱流発生器は、図５を参照
して、断面積が減少する部分の近傍の前後に設けられ
る。これらの渦流／乱流発生器を装着するか否か、それ
らの形状及び寸法をどのように設定するか、断面積減少
部分の前後のいずれか、または、双方に設けるかについ
ては、冷媒の種類、断面積減少部分における冷媒の比容
積などが考慮される。

【００１５】

【実施例２】次ぎに、本発明を称した使用した空調装置
について説明する。最初、従来の装置を用いて、塩素を
含む冷媒Ｒ２２を、塩素を含まない冷媒ＨＦＣ−１３４
ａに入れ替えて、運転した場合の状況を説明する。既設
の空調装置から冷媒Ｒ２２を抜き取り、冷媒ＨＦＣ−１
３４ａを入れて運転した。すると、１時間程度経過して
も、冷媒ＨＦＣ−１３４ａは、凝縮器の出口で、ほとん
ど気相のままであり、凝縮がほとんど行われないこと
が、液面計で確認された。また、圧縮機の温度が異常に
上昇し、圧縮機の軸受が焼損した。これらの失敗を克服
するために本発明が生まれた。既設の空調装置の能力は
１２０００ｋＣＡＬ／ｈであり、圧縮機駆動電動機の定
格は、３相２２０Ｖ、６０Ｈｚ、出力３．７ｋＷであっ
た。説明の順序として、冷房、暖房の順に述べる。ま
た、本発明の説明を、冷媒にＲ２２を使用して、従来の
装置のまま運転した場合と、冷媒をＨＦＣ−１３４ａに
入れ替えて、本発明に関わる第２凝縮器を追設して運転
した場合について、それぞれの性能を比較しながら説明
する。図８は冷媒Ｒ２２を使用した、従来の冷房時にお
ける空調装置の概念図である。冷却材は大気で、大気の
温度が３３℃の場合、各部の温度の計測値は次ぎの通り
となった。Ｔｉが３３℃の場合、Ｔｅは３８℃、ｔ１は
３℃、ｔ２は８０℃、ｔ３は４８℃、Ｔ１は２７℃、Ｔ
２は１７℃、圧縮機の出口の圧力は２０ｋｇ／ｃｍ^２、
使用電力は４．１ｋＷであった。次ぎに、環境温度が上
昇して、冷却材である大気の温度Ｔｉが３８℃の場合、
Ｔｅは４２℃、ｔ１は０℃、ｔ２は８８℃、ｔ３は５５
℃、Ｔ１は３０℃、Ｔ２は２５℃、圧縮機の出口の圧力
は２４ｋｇ／ｃｍ^２、使用電力は４．８ｋＷであった。
以上の結果より、従来の装置では、高温環境下に凝縮器
３が設置された場合、凝縮器の能力低下により、室内の
冷房能力が不足するのみならず、冷媒のガス圧上昇で、
保護装置が動作して、圧縮機が停止したり、圧縮機の故
障や、圧縮機の寿命の低下を招く恐れがあった。

【００１６】これに対して、図９を参照して、本発明に
関わる空調装置においては、既設の凝縮器（第１段凝縮
器）３に、第２段凝縮器５を追設した。第１段凝縮器３
と第２段凝縮器５を、直交流型に結合させた。冷媒Ｒ２
２をＨＦＣ−１３４ａに入れ替えた。なお、第２段凝縮
器の熱交換の能力は、５０００ｋＣＡＬ／ｈのものを使
用した。図９に示す装置では、Ｔｉが３８℃の場合、Ｔ
ｍは４１℃、Ｔｏは４５℃、ｔ１は７℃、ｔ２は７０
℃、ｔ４は５５℃、ｔ３は４１℃、Ｔ１は２７℃、Ｔ２
は１３℃、圧縮機の出口の圧力は１２ｋｇ／ｃｍ^２、使
用電力は３．６ｋＷとなった。この結果より、第２段凝
縮器５を追設し、これを既設の凝縮器３と直交流型に結
合させることにより、冷媒ＨＦＣ−１３４ａが完全に凝
縮していることが、液面計で確認された。消費電力は、
図８でＴｉが３８℃の場合より２５％低下した。圧縮機
の運転圧力も低く、ガス漏れ、ガス圧上昇による圧縮機
の停止を招く恐れは全くなかった。なお、上述のよう
に、第２段凝縮器５の断面積減少部分４６で、冷媒は反
射波による断熱圧縮を受け、縮流による凝縮作用によ
り、その熱量が増加する。また、第１段凝縮器３では、
大気温度Ｔｉ３８℃より高い４１℃の加熱された大気
Ｔｍが通過するため、放熱効果は、既設の凝縮器（図
８）より低下する。しかし、第２段凝縮器５の凝縮促進
部４６における凝縮作用及び、第２段凝縮器５での熱放
出が十分に行われるので、上述の効果の低下は補償され
る。また、第２段凝縮器５の出口にも、凝縮促進部４６
が、後述する暖房運転時に凝縮促進のために設けられて
いる。冷房運転時に、液相の冷媒は、該凝縮促進部４６
で拡大するので膨脹して、冷房に対して負の効果を与え
るが、第２段凝縮器５と膨脹弁４までの距離が、従来と
同様な通常の距離であれば、液相の冷媒が過冷却の状態
にあるので、上述の膨脹作用は冷房効果にほとんど影響
しないことを確認した。なお、空調装置を冷房専用に使
用する場合は、出口側の凝縮促進部４６は設けなくても
良い。さらに、既設の空調装置で、膨脹弁４の代わりに
キャピラリを設けても、膨脹弁と同様な効果を奏する。

【００１７】

【実施例３】図１０は、暖房運転時における既設の空調
装置の概念図である。冷却材は大気でる。大気の温度Ｔ
ｉが５℃の場合、Ｔｅは０℃、ｔ１は５５℃、ｔ２は５
℃、ｔ３は４０℃、Ｔ１は１７℃、Ｔ２は３０℃、圧縮
機の出口の圧力は１６ｋｇ／ｃｍ^２、使用電力は４．０
ｋＷとなった。暖房運転の場合、既設の凝縮器３は外気
より熱を吸収する蒸発器として作用し、蒸発器１は熱を
放出する凝縮器として作用している。外気の温度が低く
なると、低温環境に設置された凝縮器３の吸熱量が減少
するので、暖房能力が低下する。また、凝縮器３に霜が
付着して、外気より吸熱を行う能力が低下するという問
題を生じる。

【００１８】図１１は、同じ空調装置の既設の凝縮器
（第１段凝縮器）３に本発明に関わる第２段凝縮器５を
追設し、これらを直交流型に結合した。図１１に示す装
置では、Ｔｉが５℃の場合、Ｔｍは１０℃、Ｔ０は５
℃、ｔ１は６０℃、ｔ２は３℃、ｔ４は７℃、ｔ３は４
２℃、Ｔ１は１７℃、Ｔ２は３５℃、圧縮機の出口の圧
力は１０ｋｇ／ｃｍ^２、使用電力は３．１ｋＷとなっ
た。この第１段及び第２段凝縮器の直交流型結合の特徴
は、暖房時に第１段凝縮器３は蒸発器として作用し、第
２段凝縮器５は暖房の場合でも、凝縮器として作用する
ことである。つまり、第１段凝縮器３での凝縮作用が不
十分な場合に、第２段凝縮器５の凝縮促進部４６で、気
相が混合している冷媒の凝縮作用が行われる。さらに、
第２段凝縮器５で冷媒から奪った熱は放出されて、第１
段凝縮器３に与えられ、第１段凝縮器３の霜付きが防止
される。次ぎに、冷媒は第２段凝縮器５の凝縮促進部４
６において膨脹し、第１段凝縮器３に送られて蒸発し、
圧縮機２に送られる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、既設の空調装置の外部に
設けられ、かつ、大気吸い込み側に、凝縮器の性能、構
造及び寸法と整合する第２段凝縮器を追設することによ
り、空調装置が過酷な環境に対応できるようになる。ま
た、温度環境がさらに悪化した場合は、同様な方法で第
２凝縮器をさらに追設することにより、冷暖房の機能の
低下を防止することができる。また、第１段凝縮器と第
２段凝縮器とを、直交流型に結合させることにより、冷
媒の種類により異なるが、第１凝縮器では、冷媒をある
程度の量まで液相にすればよい。したがって、両方の凝
縮器に機能を分担させることにより、凝縮器全体の最適
設計が可能となる。ひいては、最初から、２段凝縮器を
組み込んだ空調装置を提供できる。以上の説明のとお
り、この発明によれば、Ｒ２２、ＣＦＣ、ＨＣＦＣなど
オゾン破壊係数の高い塩素系冷媒を、ＨＦＣ−１３４
ａ、４１０Ａなどの、オゾン破壊係数の低い冷媒に入れ
替えても、圧縮機その他の機器をそのままで、または、
大幅に改造することなく、圧縮機の所要動力（圧縮機駆
動用電動機の消費電力、または、熱機関の燃費）の増加
を抑えて、環境に優しい空調装置を提供することができ
る。また、本発明を既設の凝縮器と組み合わせて、既設
の空調装置の改善を行い、環境を改善させながら、従来
と同様の運転を行うことができる。なお、空調装置の最
適設計・製作手法の選択肢が増加するので、空調装置の
発展に貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】空調装置の冷房運転時の基本サイクルを示す図
である。

【図２】凝縮器の配管通路における冷媒の状態を示す概
念図である。

【図３】気・液混合流のミクロ的な観察図である。

【図４】凝縮促進部の断面図である。

【図５】渦流／乱流発生器の装着位置を示す概念図であ
る。

【図６】渦流発生器の概念図である。

【図７Ａ〜Ｃ】乱流発生器の具体例を示す図である。

【図８】従来の、冷房運転時における空調装置の概念図
である。

【図９】本発明を使用した、冷房運転時における空調装
置の概念図である。

【図１０】従来の、暖房運転時における空調装置の概念
図である。

【図１１】本発明を使用した、暖房運転時における空調
装置の概念図である。

【符号の説明】

１蒸発器２圧縮機３凝縮器４膨脹弁３１冷媒の凝縮器入口３２冷媒の凝縮器出口Ｇ１低温・低圧過熱蒸気Ｇ２高温・高圧ガスＧ３常温・高圧の液Ｇ４低温・低圧の湿り蒸気５凝縮促進部６冷媒通路Ａ１とＡ２との間の段差を形成する壁７渦流を発生させる突出部８乱流を発生させる突出部Ｔｉ冷却材の凝縮器入口温度Ｔｅ冷却材の凝縮器出口温度Ｔｍ冷却材の第２段凝縮器出口温度Ｔｏ冷却材の第１段凝縮器出口温度ｔ１蒸発器と圧縮機の間の冷媒温度ｔ２圧縮機と凝縮器入口の間の冷媒温度ｔ３凝縮器出口と膨脹弁の間の冷媒温度ｔ４第１段凝縮器と第２段凝縮器の間の冷媒温度Ｔ１蒸発器の吸い込み大気温度Ｔ２蒸発器の吹き出し大気温度４６凝縮促進部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月２９日（１９９９．７．２
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月２９日（１９９９．７．２
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】空調装置の凝縮器の形状は種々のものが
あり、熱交換の効率を向上させるために、従来は、管路
の外側にフィンをはめ込み、または、ろう付けして、放
熱面積を大きくしてきた。また、管路の内面に、種々の
連続した溝を設けたり、ウイックなどを設け、伝熱効率
の向上を目指していたが、いずれも限界にきている。近
年、オゾン層に有害な冷媒、例えばＲ１２、５０２は全
面的に廃止され、Ｒ２２、ＣＦＣ、ＨＣＦＣなどは規制
の対象になっている。それらを、オゾン破壊係数の低い
冷媒、例えばＨＦＣ−１３４ａ、４１０Ａなどに置き換
えたり、さらに温室効果（温暖効果）の少ない冷媒、例
えばアンモニアなどの自然界に存在する物質で作られた
冷媒に置き換えることが、環境対策上、要請されてい
る。これについて、なかんずく密閉型空調装置におい
て、冷媒と圧縮機の潤滑油との相性を考慮して、種々の
対策が考えられているが、従来の圧縮機及びその他の改
造を行わないで、上記の冷媒を使用すると、性能が出な
いばかりでなく、圧縮機に過負荷がかかり、停止に至る
不具合が生じる、という問題があった。さらに、環境の
悪化で、例えばビルとビルの間に空調装置の凝縮器を設
置した場合、周囲の温度が夏季に異常上昇したとき、ま
た、冬季に凝縮器に霜付きが起きたとき、従来の凝縮器
では能力不足のため、運転不可能となっていた。また、
同じような凝縮器を追設しても、性能が出ないという問
題、凝縮器を収納する室外機の構造面及び寸法面での問
題などが生じていた。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【課題を解決するための手段】それゆえに、凝縮器の機
能の向上が課題の解決手段となる。解決のための第１の
手段として、従来の凝縮器の下流に、凝縮促進部（以
下、上流側凝縮促進部という）を設ける。上流側凝縮促
進部は、従来の凝縮器の出口に接続される冷媒通路（以
下、上流側冷媒通路という）の下流に、上流側冷媒通路
より断面積を減少させた、断面積減少通路（以下、上流
側断面積減少通路という）を設け、さらに上流側冷媒通
路と上流側断面積減少通路との間に、段差を形成する壁
を設けて構成される。この壁は、上流側冷媒通路と上流
側断面積減少通路とを連続的に、かつ滑らかに接続する
ように考慮する。上流側凝縮促進部は、冷房運転時に、
上流側冷媒通路から上流側断面積減少通路の方向に通過
する冷媒の、凝縮促進作用を行う。冷媒通路の管路内
で、冷媒が湿って飽和蒸気の状態で存在している場所
の、断面積を減少させているので、その前後で、乱流が
多量に発生して、気相の分離が行われる。それと同時
に、気相・液相混合の冷媒が前記壁に衝突し、冷媒の流
体として有するエネルギーの一部が、上流方向に反射
し、圧力が上昇し、上流の気相状態の冷媒に圧縮効果を
与え、その結果、冷媒の凝縮が促進される。また、下流
方向には、流れの束が縮小されて、さらに冷媒の凝縮作
用が促進される。なお、上流側断面積減少通路の、上流
側冷媒通路に対する断面積の減少率は、冷媒の種類及び
比容積などの状態により決める。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】次に、第２の手段として、上流側断面積減
少通路の下流に、複数の分岐通路を設ける。分岐通路の
合計断面積は、上流側断面積減少通路の断面積と同じ
か、それよりも小さくする。分岐通路は、上流側凝縮促
進部で液相に凝縮された冷媒及び残存している気相の状
態の冷媒から、保有している熱を外部に放出する熱交換
の作用を行い、冷媒は液相の状態に凝縮される。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】次に、分岐通路の下流に、下流側凝縮促進
部を設ける。下流側凝縮促進部は、分岐通路を集合し
て、分岐通路の合計断面積と同じか、それより大きい断
面積を有する通路（以下、下流側断面積減少通路とい
う）を設け、その下流に下流側断面積減少通路より大き
い断面積を有する冷媒通路（以下、下流側冷媒通路とい
う）を設け、下流側冷媒通路と下流側断面積減少通路の
間に、段差を形成する壁を設けて構成される。この壁
は、下流側冷媒通路と下流側断面積減少通路とを連続的
に、かつ滑らかに接続するように考慮する。下流側凝縮
促進部は、暖房運転時に、下流側冷媒通路から下流側断
面積減少通路の方向に通過する冷媒の、凝縮作用を促進
する。なお、下流側凝縮促進部の凝縮促進作用は、上流
側凝縮促進部と同様に行われるので、作用の説明を割愛
する。また、下流側断面積減少通路の下流側冷媒通路に
対する断面積の減少率は、冷媒の種類及び比容積などの
状態により決める。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】第３の手段として、上流側及び下流側凝縮
促進部の壁の前後に位置する、冷媒通路内壁面に、冷媒
の流れを乱す突出部を設ける。その場合、冷媒に渦流、
または、乱流が発生し、冷媒内の気相と液相の分離がさ
らに促進される。突出部は、壁の上流に位置する上流側
突出部と、壁の下流に位置する下流側突出部で構成され
る。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】第４の手段として、従来の凝縮器（以下、
第１段凝縮器という）と、その下流の上流側凝縮促進
部、分岐通路及び下流側凝縮促進部より構成される凝縮
器（以下、第２段凝縮器という）を直交流型（冷媒のマ
クロ的に見た進行方向と熱交換対象物の進行方向が直交
する）に結合させ、熱交換対象物（以下、冷却材とい
う）が、最初第２段凝縮器を通過し、次に第１段凝縮器
を通過するように配置構成する。この配置構成により、
暖房運転時に次の効果を奏する。暖房運転においては冷
媒の流れが、冷房運転の場合と逆になる。この場合、室
内機に設けている蒸発器は凝縮器として、室外機に設け
ている第２段凝縮器は、凝縮器として作用し、また、室
外機に設けている第１段凝縮器は蒸発器として作用す
る。したがって、室内機の蒸発器の凝縮作用が不十分
で、冷媒に気相の残存がある場合、第２段凝縮器は冷媒
の凝縮作用を行い、また、第２段凝縮器での凝縮過程
で、冷媒から奪った冷却材の熱は、第１段凝縮器に向か
って放出されて、暖房機能は向上し、また、第１段凝縮
器の霜付きが防止される。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、冷媒の凝縮促進のため
に、熱力学の理論に流体力学の理論を重畳して具象化し
ているので、まず冷房の基本サイクルから説明し、次
に、実施例の説明を行う。図１を参照して、空調装置の
冷房の基本サイクルは、次の通りである。低温・低圧の
湿り蒸気Ｇ４は、蒸発器１で外部から熱を吸収し、次い
で、蒸発器１を出て、低温・低圧過熱蒸気Ｇ１に変化す
る。圧縮機２を経た冷媒は、高温・高圧ガスＧ２に変化
する。高温・高圧ガスＧ２は、蒸発器１の冷凍量と圧縮
仕事の熱当量の和の熱量を、凝縮器３より外部へ放出
し、常温・高圧液Ｇ３に変化する。その後、膨脹弁４に
より、低温・低圧の湿り蒸気Ｇ４に変化する。このよう
な冷媒の循環により冷房は行われる。次に、凝縮器３の
入口３１から出口３２までの間の、冷媒の状態変化につ
いて説明する。圧縮機２から凝縮器３に入る冷媒は、高
温・高圧ガスＧ２の状態にある。高温・高圧ガスは、外
部の空気または水などの冷却材で、管路の外部から冷却
されて凝縮し、液相に変化する。しかし、蒸発器１の冷
凍量と圧縮機２における圧縮仕事の熱当量の和の熱量
が、凝縮器３において十分に外部へ放出されない場合、
図２に示すように、凝縮器の管路の内壁面の近傍は、気
相・液相の混合流となる。図３は、水平管でこの状態を
ミクロ的に見たとき、推定される流動状態の線図の一例
である。図３に示すように、一般に凝縮器の水平管内の
冷媒は、気泡流、噴霧流、プラグ流、スラグ流、環状
流、波状流及び層状流の気相及び液相を含む状態にある
と推定されている。通常、液相は、管路が水平状態にあ
る場合には、中心部に向かって流れ、気相は、液相に押
されて管路の周辺部に広がるように流れると推定され
る。冷却材の作用により、冷媒は、凝縮器３で、保有し
ている熱を外部へ放出する。このとき、例えば、従来の
冷媒Ｒ２２をＨＦＣ−１３４ａなどの新しい冷媒に入れ
替えると、圧縮機２の能力が、その冷媒の性能に対応で
きない場合に問題が生じる。また、冷却材の温度が高
く、凝縮器の能力が不足している場合にも問題が生じ
る。その問題とは、凝縮器３の出口３２の前後で、冷媒
は気相の残存度の高い状態になり、この状態で、冷媒が
膨脹弁４を経て蒸発器１に至ると、冷房能力が低下する
という問題である。さらに、圧縮機が過負荷となり停止
したり、軸受の損傷などの不具合を起こし、空調装置の
機能を失うという問題が生じる。具体例として、次のよ
うな問題が発生した。圧縮機及び駆動用電動機が同一密
閉容器に収納され、凝縮器などと室外機に組み込まれて
いる密閉型の空調装置では、圧縮機及び駆動用電動機の
冷却は、冷房運転の場合、室内機の蒸発器から気相の状
態で室外機に戻ってきた冷媒を、圧縮機で断熱圧縮した
後、凝縮器で凝縮した液相の冷媒で行い、また、軸受の
潤滑は、潤滑油が液相の冷媒に溶解した状態で行われ
る。また、暖房運転では室内機の蒸発器で放熱されて液
相に凝縮された冷媒が、室外機に戻ってきて、圧縮機及
び駆動用電動機の冷却と軸受の潤滑を行う。したがっ
て、冷暖房運転時に室外機で液相の冷媒が得られず、冷
媒の気相分がある割合を越えると、冷却及び潤滑の機能
が低下して、圧縮機、駆動用電動機及び軸受に不具合を
生じるという問題である。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】次に、上流側及び下流側凝縮促進部の作用
を説明する。上流側及び下流側の凝縮促進部は、形状、
寸法などが同一、または、異なる場合がある。実施例で
は、上流側及び下流側の凝縮促進部の形状は円形で、寸
法は同一のものを使用した。図４は、凝縮促進部の断面
図である。凝縮促進部５は、冷媒通路の断面積を減少さ
せて、冷媒に対する凝縮作用を促進する機能を備える。
凝縮促進部５は、冷媒の種類及び冷却材を考慮して設計
されている。すなわち、湿り飽和蒸気の冷媒が、上流の
冷媒通路Ａ１と断面積減少通路Ａ２の間の段差を形成す
る壁６に衝突して、残存する気相分が圧縮及び縮流作用
を受けて、冷媒の凝縮が促進される機構である。図４を
参照して、冷媒の流れ方向で、断面積が変化する位置を
ゼロとする。−Ｘの方向からの冷媒の入射波Ｆ１が、壁
６に衝突し、一部は反射波ｆ１となって反射する。反射
波ｆ１のエネルギーが、−Ｘの方向に圧力上昇をもたら
し、冷媒を圧縮する。冷媒の有する残りのエネルギーは
進行波Ｆ２となって、Ｘの方向に進行し、流れの束が縮
められる過程で、冷媒に残存する気相の状態の冷媒の凝
縮作用が促進される。凝縮促進部５内部での冷媒の圧力
変化及び凝縮効率は、冷媒の種類、冷却材ならびに冷媒
の比容積により異なる。上記の現象は、流体力学で説明
できる。すなわち、この現象は、管路の断面積の変化の
ある場所の前後での、流体の有する圧力、速度及び位置
のエネルギー変化として、ベルヌーイの定理で説明でき
る。冷媒が気・液混合の状態から、液相の状態に急激に
変化する現象は、断面積減少通路の前後の、冷媒の比重
が大幅に不規則に変化する過渡現象である。そのため
に、断面積が変化する壁６の前後では、冷媒の圧力及び
速度が急激に変化するが、空調装置全体の冷凍サイクル
は極めて円滑に行われる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】次に、分岐通路での、冷媒と冷却材の熱交
換の能力を向上させる実施例について説明する。表１
に、図４に示す凝縮促進部前後の冷媒通路を形成する管
路の内径、表面積、断面積及び冷媒の流速の値をまとめ
る。図４と表１を参照して、断面積減少通路Ａ２は、冷
媒通路Ａ１の断面積を１／２にしたものである。断面積
減少通路Ａ２の表面積は、冷媒通路Ａ１の３．１４に対
して、２．２２である。冷媒の流速は、断面積減少通路
Ａ２では、冷媒通路Ａ１の約２倍となる。管路における
放熱量は、表面積と冷媒の速度の積に比例するので、断
面積減少通路Ａ２の放熱能力は、冷媒通路Ａ１の１．４
１倍（２．２２÷３．１４×２）となる。さらに、放熱
能力を上げる方法として、Ｘ軸の０点、または助走区間
の後に、４本の、それぞれ同じ断面積を有する分岐通路
Ａ３を設ける。分岐通路Ａ３の合計断面積が断面積減少
通路Ａ２の断面積に等しくなるようにする。冷媒通路Ａ
１の内径を１とすると、冷媒通路Ａ１の表面積３．１４
に対し、分岐通路Ａ３の管路４本の表面積の合計は４．
４４となる。その倍率（Ａ３／Ａ１）は、１．４１４
（４．４４÷３．１４）となり、分岐通路Ａ３内の冷媒
の流速は、冷媒通路Ａ１内の流速の約２倍になる。放熱
量は表面積と冷媒の流速の積に比例するので、分岐通路
Ａ３の４本分の放熱能力は、冷媒通路Ａ１の２．８２８
倍（４．４４÷３．１４×２）となる。なお、冷媒が完
全に液相になった場合の平均熱伝達率をＫ１、気・液混
合の場合の平均熱伝達率をＫ２とすれば、その比率Ｋ１
／Ｋ２は１よりはるかに大きくなり、また冷媒の種類と
比容積によっては、その比率が２桁となる場合もあり、
放熱能力は、その比率で増大する。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】冷媒に残存する気相の状態の冷媒が、凝縮
及び放熱作用により、急激に液相の状態に変化して、そ
の結果、冷媒の体積と圧力が減少するので、圧縮機の所
要動力は低減する。なお、第２段凝縮器で、冷媒が通過
の際に生じる全損失ヘッドに起因する、所要動力の増加
は極めて小さく、上述の所要動力の低減と比較して無視
できる。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】次に、凝縮促進部の壁６の、前後の管路内
面に設けられた、冷媒の流れを乱す突出部の説明を行
う。実施例として、渦流／乱流発生器について説明す
る。図５は、渦流／乱流発生器を管路内に装着する場合
の、その位置を示す概念図である。図６は、管路の内壁
に渦流発生器を設けて自由渦を発生させる場合の概念図
である。管路の内壁に、渦流を発生させる突出部７が設
けられている。図７Ａ〜Ｃは、管路の内壁面に設けた、
乱流発生器の断面の具体例を示す概念図であり、管路の
内面に、乱流を発生させるための突出部８が設けられて
いる。図７Ａは、鋸刃状の突出部の例である。図７Ｂ
は、櫛状の突出部を示す。図７Ｃは、貫通穴が設けられ
た突出部を示す。このような乱流発生器は、図５を参照
して、断面積が減少する管路内の壁６の前後に設けられ
る。これらの渦流／乱流発生器を装着するか否か、それ
らの形状及び寸法をどのように設定するか、断面積減少
通路の前後のいずれか、または、双方に設けるかについ
ては、冷媒の種類及び冷媒の比容積などが考慮される。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】次に、本発明を使用した空調装置について
説明する。実施に当たっては、凝縮器の凝縮作用及び不
具合発生箇所などを見極めるために、圧縮機駆動用電動
機の過負荷保護装置及び冷媒の圧力保護装置などの保護
機能を除外して、冷暖房運転を行った。最初、従来の空
調装置から冷媒Ｒ２２を抜き取り、冷媒ＨＦＣ−１３４
ａを入れて冷房運転した。すると、１時間程度経過して
も、冷媒ＨＦＣ−１３４ａは、ほとんど気相のままであ
り、凝縮がほとんど行われていないことが、凝縮器３の
出口に設けている液面計（図示なし）で確認された。ま
た、圧縮機駆動用電動機及び軸受の温度が異常に上昇し
て、焼損するという不具合が発生した。従来の空調装置
の能力は１２０００ｋＣＡＬ／ｈであり、圧縮機駆動用
電動機の定格は、３相２２０Ｖ、６０Ｈｚ、出力３．７
ｋＷであった。説明の順序として、冷房運転、暖房運転
の順に述べる。また、本発明の説明を、冷媒にＲ２２を
使用して、従来の装置のまま運転した場合と、冷媒をＨ
ＦＣ−１３４ａに入れ替えて、本発明に関わる第２段凝
縮器を追設して運転した場合について、それぞれの性能
を比較しながら説明する。図８は冷媒Ｒ２２を使用し
た、従来の冷房運転時における空調装置の主要機器・配
管系統図である。冷却材は大気で、大気の温度が３３℃
の場合、各部の温度の計測値は次の通りとなった。Ｔｉ
が３３℃の場合、Ｔｅは３８℃、ｔ１は３℃、ｔ２は８
０℃、ｔ３は４８℃、Ｔ１は２７℃、Ｔ２は１７℃、圧
縮機の出口の圧力は１８ｋｇ／ｃｍ^２、消費電力は４．
１ｋＷであった。次に、環境温度が上昇して、大気の温
度Ｔｉが３８℃の場合、Ｔｅは４２℃、ｔ１は０℃、ｔ
２は８８℃、ｔ３は５５℃、Ｔ１は３０℃、Ｔ２は２５
℃、圧縮機の出口の圧力は２３ｋｇ／ｃｍ^２、使用電力
は４．８ｋＷであった。以上の結果より、冷却材の大気
温度が３３℃より３８℃に上昇すると、蒸発器の吹き出
し大気温度Ｔ２が１７℃から２５℃に上昇して、冷房能
力が低下することが確認された。また、消費電力は約１
７％増加した。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】次に、図９を参照して、従来の凝縮器（第
１段凝縮器）３に、第２段凝縮器５５を追設し、第１段
凝縮器３と直交流型に結合させた。冷媒Ｒ２２をＨＦＣ
−１３４ａに入れ替えた。なお、第２段凝縮器５５の熱
交換の能力は、５０００ｋＣＡＬ／ｈのものを使用し
た。図９で、Ｔｉが３８℃の場合、Ｔｍは４１℃、Ｔｏ
は４５℃、ｔ１は７℃、ｔ２は７０℃、ｔ４は５５℃、
ｔ３は４１℃、Ｔ１は２７℃、Ｔ２は１３℃、圧縮機の
出口の圧力は１５ｋｇ／ｃｍ^２、消費電力は３．６ｋＷ
となった。この結果、冷媒をＲ２２からＨＦＣ−１３４
ａに入れ替えた場合、大気温度Ｔｉが３８℃の場合、蒸
発器１の大気吹き出し温度Ｔ２が２５℃から１３℃に低
下し、冷房能力が大幅に向上することが確認された。ま
た、消費電力は、図８でＴｉが３８℃の場合より２５％
低減した。また、第１段凝縮器３の出口に設けている液
面計（図示なし）では、気相分の多い冷媒ＨＦＣ−１３
４ａが観察されたが、第２段凝縮器５５の出口に設けて
いる液面計（図示なし）では、液相の状態に凝縮されて
いることが確認された。圧縮機の出口圧力は低く、ガス
漏れ、ガス圧上昇による圧縮機の停止を招く恐れはな
く、圧縮機駆動用電動機の温度上昇も低く、軸受の潤滑
も正常に行われた。なお、第１段凝縮器３から出た気相
を含む冷媒は、第２段凝縮器５５の上流側凝縮促進部４
６１における、圧縮及び縮流による凝縮作用により、そ
の保有熱量が増加する。さらに、第１段凝縮器３では大
気温度Ｔｉ３８℃より高いＴｍ４１℃の大気が通過する
ため、放熱効果は低下する。しかし、第２段凝縮器５５
での熱放出が十分に行われるので、放熱効果の低下は補
償される。図８でＴｉが３８℃、Ｔｅ４２℃、すなわ
ち、大気（冷却材）の温度上昇が４℃に対し、図９で
は、Ｔｉ３８℃、Ｔｏ４５℃、すなわち、大気（冷却
材）の温度上昇は７℃となった。このデータは、第２段
凝縮器の追設により熱交換の能力が向上したことを明白
に示している。また、第２段凝縮器５５に、下流側凝縮
促進部４６２が設けられている。冷房運転時に、液相の
冷媒は、下流側凝縮促進部４６２で拡大するので膨脹し
て、冷房に対して負の効果を与えると予想されたが、第
２段凝縮器５５と膨脹弁４までの距離が、従来と同様な
通常の距離であれば、液相の冷媒が過冷却の状態にある
ので、上述の膨脹作用は冷房効果にほとんど影響しない
ことを確認した。なお、空調装置を冷房運転専用に使用
する場合は、下流側凝縮促進部４６２は設けない方が良
い場合がある。また、従来の空調装置は、膨脹弁４の代
わりにキャピラリを設けているが、膨脹弁と同様な効果
を奏し、蒸発器１などに何等支障のないことを確認し
た。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】図１０は、従来の空調装置に冷媒Ｒ２２を
使用した暖房運転時の主要機器・配管系統図である。冷
却材は大気で、Ｔｉが５℃の場合、Ｔｅは０℃、ｔ１は
５５℃、ｔ２は５℃、ｔ３は４０℃、Ｔ１は１７℃、Ｔ
２は３０℃、圧縮機の出口の圧力は１５ｋｇ／ｃｍ^２、
消費電力は４．０ｋＷとなった。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】次に、図１１を参照して、同じ空調装置の
凝縮器（第１段凝縮器）３に第２段凝縮器５５を追設
し、直交流型に結合させた。冷媒Ｒ２２をＨＦＣ−１３
４ａに入れ替えた。なお、第２段凝縮器５５の熱交換の
能力は５０００ｋＣＡＬ／ｈであった。図１１で、Ｔｉ
が５℃の場合、Ｔｍは１０℃、Ｔ０は５℃、ｔ１は６０
℃、ｔ２は３℃、ｔ４は２０℃、ｔ３は４２℃、Ｔ１は
１７℃、Ｔ２は３５℃、圧縮機の出口圧力は１１ｋｇ／
ｃｍ^２、消費電力は３．１ｋＷとなった。この結果、冷
媒をＲ２２からＨＦＣ−１３４ａに入れ替えた場合、蒸
発器１の大気吹き出し温度Ｔ２が３０℃から３５℃に上
昇し、暖房効果の向上が確認された。消費電力は図１０
の場合より約２２％低減した。冷媒ＨＦＣ−１３４ａが
液相の状態に凝縮していることが、第２段凝縮器５５の
出口に設けている液面計（図示なし）で確認された。圧
縮機の出口圧力は低く、ガス漏れ、ガス圧上昇による圧
縮機の停止を招く恐れはなく、圧縮機駆動用電動機の温
度上昇も低く、軸受の潤滑も正常に行われた。なお、図
１０で凝縮器３の出口の大気温度Ｔｅが０℃となって、
凝縮器３に霜付きの発生が見受けられた。それに対し、
図１１の第２段凝縮器５５の出口温度Ｔｍ及び第１段凝
縮器３の出口温度Ｔ０はそれぞれ、１０℃及び５℃であ
る。このデータは、第１段凝縮器３に霜付きが発生しな
いことを明白に示し、暖房機能は向上する。

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】

【発明の効果】以上の説明のように、従来の空調装置の
外部に設けられ、かつ、大気吸い込み側に、従来の凝縮
器の性能、構造及び寸法と整合する第２段凝縮器を追設
することにより、空調装置が過酷な温度環境に対応でき
るようになる。また、温度環境がさらに悪化した場合
は、同様な方法で第２段凝縮器と同様な凝縮器をさらに
追設することにより、冷暖房の機能の低下を防止するこ
とができる。また、従来の塩素を含む冷媒Ｒ２２を使用
している空調装置で、塩素を含まない冷媒ＨＦＣ−１３
４ａに入れ替えて運転した場合、運転不可能であった
が、第２段凝縮器の追設で不具合なく運転できるように
なった。今後、新たに、環境に優しい冷媒が提供される
とき、本発明により、従来の空調装置をそのまま、また
は、僅かな改造で使用できることが期待される。なお、
空調能力の向上、圧縮機出口の冷媒の圧力低下及び消費
電力の低減は、空調装置の寿命を延ばし、省エネルギー
・省資源及び環境に優しい空調装置を提供することにな
る。空調装置の新規の設計・製作では、冷媒の種類に応
じて、冷暖房運転の性能向上を計る必要があるので、第
１段凝縮器と第２段凝縮器の機能分担を行い、圧縮機、
蒸発器及び膨脹弁などと整合のとれた、最適設計を行う
ことができる。また、第１段凝縮器と第２段凝縮器を室
外機に組み込んだ空調装置を提供できる。したがって、
空調装置の最適設計・製作手法の選択肢が増加するの
で、空調装置のみならず、同様な手法により冷凍装置の
発展に貢献する。

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図３】気・液混合流の流動状態の一例を示す状態線図
である。

【図４】凝縮促進部の断面図である。

【図６】渦流発生器の概念図である。

【図７Ａ〜Ｃ】乱流発生器の具体例を示す概念図であ
る。

【図８】従来の、冷房運転における空調装置の主要機器
・配管系統図である。

【図９】本発明を使用した、冷房運転における空調装置
の主要機器・配管系統図である。

【図１０】従来の、暖房運転における空調装置の主要機
器・配管系統図である。

【図１１】本発明を使用した、暖房運転における空調装
置の主要機器・配管系統図である。

【符号の説明】１蒸発器２圧縮機３凝縮器４膨脹弁３１冷媒の凝縮器入口３２冷媒の凝縮器出口Ｇ１低温・低圧過熱蒸気Ｇ２高温・高圧ガスＧ３常温・高圧の液Ｇ４低温・低圧の湿り蒸気Ａ１冷媒通路Ａ２断面積減少通路Ａ３分岐通路５凝縮促進部６冷媒通路Ａ１と断面積減少通路Ａ２の間の段差
を形成する壁Ｆ１冷媒の入射波ｆ１冷媒の反射波Ｆ２冷媒の入射波Ｆ１のエネルギーと反射波ｆ１の
エネルギーの差のエネルギーにより発生する進行波７渦流を発生させる突出部８乱流を発生させる突出部５５第２段凝縮器４６１上流側凝縮促進部４６２下流側凝縮促進部Ｔｉ冷却材の凝縮器入口温度Ｔｅ冷却材の凝縮器出口温度Ｔｍ冷却材の第２段凝縮器出口温度Ｔ０冷却材の第１段凝縮器出口温度ｔ１蒸発器と圧縮機の間の冷媒温度ｔ２圧縮機と凝縮器の間の冷媒温度ｔ３凝縮器と膨脹弁の間の冷媒温度ｔ４第１段凝縮器と第２段凝縮器の間の冷媒温度Ｔ１蒸発器の吸い込み大気温度Ｔ２蒸発器の吹き出し大気温度 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１０月１５日（１９９９．１０．
１５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【図５】

【図７Ａ】

【図１】

【図３】

【図４】

【図６】

【図７Ｂ】

【図７Ｃ】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空調装置に用いる凝縮器の熱交換を行
う、冷媒の配管通路において、冷媒の種類、管内の気相
・液相（比容積）の変化に応じて、上流に位置する冷媒
通路より冷媒通路の断面積を減少させ、断面積減少部分
と前記上流側冷媒通路部分との間に、段差を形成する壁
を設けて、通過する冷媒の凝縮作用を促進する、前記上
流側冷媒通路と前記断面積減少部分の下流に位置する、
断面積減少通路より構成される凝縮器。
【請求項２】請求項１の前記断面積減少通路の下流に
位置して分岐した複数の分岐通路で、該複数の分岐通路
の合計断面積は、該分岐通路の上流側断面積減少通路の
断面積と同じか、それより小さい合計断面積を備える空
調装置の凝縮器。
【請求項３】凝縮を促進させるために、請求項１の冷
媒通路の前記断面積減少部分の壁の近傍の前後に位置
し、通過する冷媒の流れを乱す突出部を配管通路の内面
に備える空調装置の凝縮器。
【請求項４】請求項１の断面積減少部分より上流側に
位置する冷媒通路よりなる凝縮器（第１段凝縮器）と、
請求項１及び請求項２を含み、請求項２の前記複数分岐
通路の下流に位置する、前記上流側断面積減少通路と同
様な下流側断面積減少通路を設けて、該下流側断面積減
少通路の下流に、暖房運転の場合に必要とする、請求項
１及び請求項３と同様な請求事項を備える凝縮器（第２
段凝縮器）とを、直交流型に結合させ、前記第１段凝縮
器と前記第２段凝縮器は、熱交換対象物が、最初、前記
第２段凝縮器を通過し、次に、第１段凝縮器を通過する
ように配置構成された空調装置。