JP2001221580A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JP2001221580A
JP2001221580A JP2000030018A JP2000030018A JP2001221580A JP 2001221580 A JP2001221580 A JP 2001221580A JP 2000030018 A JP2000030018 A JP 2000030018A JP 2000030018 A JP2000030018 A JP 2000030018A JP 2001221580 A JP2001221580 A JP 2001221580A
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Seiichi Yamamoto
清一 山本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換器内での分流の偏りを無くすことがで
き効率を高めることができ、また、冷媒に含まれるオイ
ルによる影響を考慮した超臨界冷凍回路に使用される熱
交換器を提供することにある。 【解決手段】 CO冷凍回路を用いた高圧側が臨界圧
力で運転される蒸気圧縮型空気調和装置の熱交換器にお
いて、離間して配置された一対のヘッダーパイプと、前
記ヘッダーパイプとの間に渡された複数の扁平チューブ
とを備え、前記一対のヘッダーパイプの内の一方には、
冷媒用の入口が配置され、他方には、冷媒用の出口が配
置され、前記冷媒は、前記一対のヘッダーパイプ間を少
なくとも3パス移動するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、閉回路において高
圧側が超臨界条件下で作動する冷媒、例えば、二酸化炭
素等を利用する冷凍機、空調ユニット、及びヒートポン
プのような蒸気圧縮サイクルの装置の熱交換器に関し、
詳しくは、装置の能力向上を図ることができる臨界状態
で運転される場合に有利な熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の空気調和装置は、図18に示すよ
うに、夫々配管55a,55b,55c,55dによっ
て接続された圧縮機51、凝縮器52、絞り手段53、
及び蒸発器54を備えて構成されている。それらの要素
は、閉回路で連結され、そこに冷媒が循環されている。
【0003】通常、この装置は臨界圧力未満で運転さ
れ、冷媒にはR−12、R−134a、R−22等が用
いられている。ここで、このような冷凍回路の圧縮機5
1から絞り手段53に至る経路を高圧側、蒸発機から圧
縮機に至る経路を低圧側と呼ぶことにする。この高圧側
圧力は、10〜20kg/cm(0.98〜1.96
MPAに相当)である。
【0004】COサイクルは、原理的には、フロンを
用いた従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルと同じである。
【0005】しかし、COの臨界温度は、31℃と従
来のフロンの臨界温度(例えば、R12では、112
℃)と比べて低く、夏場等では放熱器側でのCO温度
がCO の臨界温度より高くなってしまう。つまり、高
圧側が超臨界状態で運転される。
【0006】超臨界運転では、これまでの凝縮器と言わ
れていた部分においては、超臨界ガス状態であり、凝縮
が起こらない。そこで、凝縮器は、放熱器(ガスクーラ
ー又はガス冷却器)と呼ばれる。この臨界温度に対応す
る圧力は、75.3kg/cmであり、外気の温度に
もよるが通常100kg/cm〜170kg/cm
(9.8〜16.7MPa)と高圧で運転される。
【0007】このガスクーラの形状としては、様々なタ
イプが提案されている。
【0008】この中で、マルチフロータイプ(または、
パラレルタイプ)などと呼ばれるものがある。図19は
このマルチフロータイプと呼ばれる熱交換器を示す斜視
図である。図20は図19の熱交換器の扁平チューブ6
3を示す斜視図である。図21は、図20の扁平チュー
ブ63の断面図である。
【0009】図19を参照すると、凝縮器52等の熱交
換器の構成部品は、直管状のチューブ63、ヘッダー6
1,62、及び空気と熱交換するための放熱フィン(図
示せず)とで構成される。両脇にあるヘッダー61,6
2とチューブ63は垂直に接合され、内部は穴が連通し
ている。チューブ63は、平行に置かれ、冷媒はこの中
を通る。ヘッダー61,62は、仕切り板で仕切られ、
仕切り方によって、冷媒の流れ方が決まる。
【0010】図20及び図21を参照すると、偏平チュ
ーブ63は、その断面は両端が丸い細長い形状で、その
中に円形の貫通穴63aが一列に並んで形成されてい
る。
【0011】上述の通り、冷媒にCOを用いた場合、
高圧側では殆どの条件で凝縮することがない。つまり、
冷却作用により凝縮した液による放熱(伝熱)の阻害が
無い。このことは、これまでの冷媒よりも有利に働くこ
とを意味する。
【0012】COの比体積vは、フロン冷却媒体より
小さく同じ圧縮機を使う場合(ピストン押しのけ量q
v、体積効率ηvが同じ)冷媒循環量は、(G=(qv
*ηv)/vより)COが大きくなる(R12の約
5.5倍、R134aの約7倍)。
【0013】各冷媒の飽和蒸気圧体積(−10℃)は、
R12については0.0731m/kg、COにつ
いては0.01403m/kg、R134aについて
は0.09963m/kgである。
【0014】このため、COでR12やR134aと
同様の冷凍能力を得ようとすると、COの圧縮機のピ
ストン押しのけ量を少なくすることができる。即ち、シ
リンダー径やストロークを小さくできる。つまり、循環
量を減らすことができることになる。循環量が減ると配
管の圧力損失が少なくなり、配管径の断面積はこれまで
のフロンで用いられてきたものよりも小さくできる。理
論的には、R134aと同等の能力を得る場合、配管径
をフロンの1/4に細くすることが可能である。また、
凝縮しないことも配管圧損を発生させないという理由で
好都合である。
【0015】しかし、一方で従来の方法と同様に回路内
へ冷媒とともに、潤滑油を循環させて、再び圧縮機へ戻
す方法が取られる場合もあり、このような場合は、配管
圧損失が急激に上昇する。但し、装置によっては、オイ
ル分離器を設けて回路内へのオイル浸入を防いでいるも
のもあり、このような場合は、配管圧損は大きくならな
い。このように、配管径(が従来の1/4にすることが
できる反面、圧力が高いという不利な面もある。これは
耐圧性能を確保するのに必要な管の肉厚が多くなること
につながる。特に、COでは、高圧側は120kg/
cm(11.8MPa)、低圧側でも30kg/cm
(2.94MPa)になり、耐圧性能を満足する管の
肉厚は、従来と比較して多くなる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、熱交換器
にマルチフローを採用して実験をしたところ、チューブ
の本数が多くなると、冷媒の分流に偏りが発生した。こ
れは、冷媒の流れ方の影響と循環オイルの影響の疑いが
あることが推測される。
【0017】この欠点を解消するために、配管の孔径を
大きくすることも一つの解決策であるが、径を大きくす
ると耐圧確保のための肉厚も多くなる。また、配管径を
小さくできるというCOの有利な性質を十分生かしき
れなくなる。
【0018】そこで、本発明の第1の技術的課題は、熱
交換器内での分流の偏りを無くすことができ効率を高め
ることができる超臨界冷凍回路に使用される熱交換器を
提供することにある。
【0019】また、本発明の第2の技術的課題は、冷媒
に含まれるオイルによる影響を考慮した超臨界冷凍回路
に使用される熱交換器を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、CO
冷凍回路を用いた高圧側が臨界圧力で運転される蒸気圧
縮型空気調和装置の熱交換器において、離間して配置さ
れた一対のヘッダーパイプと、前記ヘッダーパイプとの
間に渡された複数の扁平チューブとを備え、前記一対の
ヘッダーパイプの内の一方には、冷媒用の入口が配置さ
れ、他方には、冷媒用の出口が配置され、前記冷媒は、
前記一対のヘッダーパイプ間を少なくとも3パス移動す
るように構成されていることを特徴とする熱交換器が得
られる。
【0021】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、前記扁平チューブの流体直径を0.0197イン
チ(1.0mm)〜0.119インチ(3mm)の範囲
にするように形成されていることを特徴とする熱交換器
が得られる。
【0022】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、前記扁平チューブの貫通穴内部に溝又は突起部を
設けたことを特徴とする熱交換器が得られる。
【0023】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、前記ヘッダーパイプの上端部から冷媒を流入させ
る構造を備えていることを特徴とする熱交換器が得られ
る。
【0024】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、最初の1パス目は、ヘッダーの中央部から、前記
夫々の扁平チューブ内に冷媒を送り込むように構成され
ていることを特徴とする熱交換器が得られる。
【0025】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、同じパスの扁平チューブは、下部に設けられたも
のの穴径が上部に設けられたももの穴径よりも大きな穴
径を有するような少なくとも2種類の扁平チューブによ
って構成されていることを特徴とする熱交換器が得られ
る。
【0026】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、各パスにおける冷媒通路断面積が84mm以上
となるように形成されていることを特徴とする熱交換器
が得られる。
【0027】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、前記一対のヘッダーパイプの内の少なくとも一方
に挿入される扁平チューブの端部にきり欠きを備えてい
ることを特徴とする熱交換器が得られる。
【0028】また、本発明によれば、前記熱交換器にお
いて、1パス当たりの扁平チューブ本数が夫々互いに等
しく形成されていることを特徴とする熱交換器が得られ
る。
【0029】ここで、本発明において、流体直径(hydra
uric diameter)とは、流路の断面積に4を乗じ対応す
る流路の濡れ周囲長さで除したもの。管が四角の場合
は、長辺をa、短辺をbとすると、流体直径=4(a*
b)/{2(a+b)}で示される。
【0030】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【0031】図1は本発明の実施の形態による熱交換器
を示す斜視図である。図1に示すように、熱交換器10
は、COを冷媒とした超臨界冷凍回路のガス冷却器と
して用いられるもので、一対のヘッダーパイプ1,2
と、ヘッダーパイプ1,2間に渡って互いに平行に設け
られた複数の扁平チューブ3とを備えている。扁平チュ
ーブ間には、図示しない波形形状の放熱フィンが設けら
れている。
【0032】図2は図1の熱交換器の扁平チューブの切
断面を示す斜視図である。図2を参照すると、扁平チュ
ーブ3は、長さ方向に貫通するとともに幅方向に並んで
設けられた複数の貫通穴5を有している。
【0033】図3(a)及び(b)はこの種の熱交換器
をガス冷却器(ガスクーラ)として用いた時の表面温度
の測定についての説明に供せられる図であり、(a)は
図示のように、ガス冷却器の入り口6から出口7まで
に、ヘッダーパイプ間に3パス流れるようにした熱交換
器の各位置に通し番号を付した図であり、(b)は
(a)の通し番号の位置におけるガスクーラの表面温度
を示す図である。なお、四角の点と、三角の点は夫々圧
縮機を異なる回転数で駆動した時の値である。
【0034】図3(b)に示すように、最初の列での温
度降下が大きいことが判明した。従って、後に述べるよ
うに、温度分布の偏りは、殆ど通し番号1〜5の1パス
目において最も影響が大きいものと推測される。
【0035】図4は比較のために、夫々のヘッダーパイ
プの上下両端に冷媒の入り口6a及び出口7を夫々設け
た時の温度分布の概略を示す図である。
【0036】図5は本発明の第1の実施の形態による熱
交換器の温度分布の概略を示す図である。
【0037】図5に示すように、熱交換器は、一番上の
パスの入り口であるヘッダーパイプの中央部に冷媒の入
り口6bが設けられている点で、図4の熱交換器とは、
異なっている。尚、図4及び図5のような温度分布の測
定法については、後に詳しく説明する。
【0038】図4及び図5の比較から、本発明の第1の
実施の形態による熱交換器は、1パス目の温度分布が均
一であることが判明した。
【0039】図5の結果においても、温度均一になる効
果は、最初の列しか得られない。
【0040】けれども、図3に示したガスクーラの温度
降下を見ると、最初の一段目が大きな温度降下が得られ
るため、大きい温度降下が得られている最初の段のみ改
善になっても、充分能力改善効果が得られることが分か
る。
【0041】図6は本発明の第2の実施の形態による熱
交換器を示す図である。図6に示すように、本発明の第
2の実施の形態による熱交換器20は、第1の実施の形
態によるものとほぼ同様な用途及び構成を備えている
が、入り口側のヘッダーパイプ12の上端に入り口8が
設けられており、上方から冷媒が導入される構成を有し
ている点で、第1の実施の形態とは異なっている。な
お、符号9は、ヘッダーパイプ12内に設けられた仕切
り板を示している。この熱交換器20も第1の実施の形
態と同様に3パスを備えた構成である。このように冷媒
を上方から流し込むことによって、1パスの温度分布の
偏りを是正することができる。
【0042】図7(a)は図6の扁平チューブの形状を
説明するための図であり、図7(b)は図7(a)の扁
平チューブの端部を示す斜視図である。
【0043】図7(a)に示すように、扁平チューブ3
の端部を斜めに線4で示す方向に切り欠いて、図7
(b)に示すように、扁平チューブ3に切り欠き部とし
てのテーパ面13を形成する。
【0044】図8は図7(a)及び(b)の扁平チュー
ブの熱交換器のヘッダーパイプへの取り付け部を示す断
面図である。図8に示すように、図7(b)の扁平チュ
ーブ3のテーパ面13を上方に向けて、取り付けられて
いる。このように扁平チューブの口径を大きくすること
によって、冷媒がチューブ内に流入する口径を大きくし
て、冷媒がチューブ内に進入しやすく且つながれやすく
し、温度分布の偏りをなくすことができる。
【0045】また、図示しないが扁平チューブの穴径の
異なるものを二種類用意し、冷媒の流れにくい場所に穴
径の大きいものを用いることによって、温度分布の偏り
を直すことができる。
【0046】但し、扁平チューブの穴径は、大きければ
大きいほど良いが、耐圧性能を考えると、同じ150k
g/cm(14.7MPa)を持たせようとしても、
穴径が大きくなると、肉厚が必要となり重量増加につな
がる。また、外側空気の通路抵抗にもつながるので、後
に述べるような口径が適当である。
【0047】図9は本発明の第3の実施の形態による扁
平チューブ3の断面図である。
【0048】図9に示すように、扁平チューブ3は、断
面円形の貫通穴を複数有しているが、夫々の貫通孔内に
十字形状となるように内壁面から穴部内に突出して突起
部5aが夫々形成されている。扁平チューブ3の穴内に
は、冷媒とともにオイルが流れている。このオイルが冷
媒の流れに悪影響を与えるために,オイルよけの突起部
5aを形成することによって、オイルがこの突起部の根
元部分に流れ込み,冷媒通路が確保され、従って,伝熱
性能を上げることができる。
【0049】図10は本発明の第4の実施の形態による
扁平チューブを示す断面図である。
【0050】図10を参照すると、本発明の第4の実施
の形態による扁平チューブ3は、外形に添うような形状
で、貫通孔が複数並んで形成されている。即ち、中心の
3つの貫通穴5cは角の丸い四角形の貫通穴5cが形成
され両端の2つの貫通穴5bは、内側の一辺を除いて、
丸くなるように、形成されている。このような構成の扁
平チューブ3にオイルを含む冷媒が流れ込むときに、冷
媒中のオイルは、扁平チューブの直線部の持つ張力によ
って、オイルが突起部の根元の曲線部に流れ込み、冷媒
通路が確保され、伝熱性能を上げることができる。
【0051】図11は本発明の第5の実施の形態による
扁平チューブを示す断面図である。
【0052】図11に示すように、本発明の第5の実施
の形態による扁平チューブ3は、外観状は、図10に示
す第3の実施の形態による扁平チューブ3と同じであ
る。しかしながら、貫通穴に壁面から穴内部に突出した
突起部5eが両端の貫通穴に関しては,断面において、
内側の辺に二箇所、丸い辺に対向するように二箇所設け
られている点及び内側の断面四角の貫通穴に関しては、
対向辺に夫々二箇所で合計8個所設けられている点で図
10とは異なっている。この突起部5eは、図9で説明
したものと同様に,オイルがこの突起部の根元部分に流
れ込むので、オイルによってチューブの貫通穴内壁表面
が覆われることを防ぎ、冷媒通路を確保して伝熱性能を
向上させることができる。
【0053】上記第3及び第5の実施の形態において
は、扁平チューブ3の貫通穴内部に突起を設けたが、貫
通穴内壁部に溝を設けても同様な効果が得られる。
【0054】図12は配管径と圧損との関係を示す図、
図13は圧損とCO冷凍サイクルの成績係数(CO
P)の関係を示す図である。チューブ(配管)の穴径
は、0.0197インチ(0.5mm)〜0.119イ
ンチ(3mm)の範囲が好ましいが、特に、1.0mm
以上〜3mmの範囲で圧損が急激に小さくなり、COP
がより高くなることがわかる。
【0055】これは、穴径が小さすぎても本発明の効果
が得られないし、大きすぎると耐圧等の関係で、肉厚が
大きくなり重量が嵩み好ましくないからである。
【0056】図14及び図15は、熱交換器への冷媒の
流し方を示す図である。熱交換器はヘッダーパイプに設
けられた仕切り板9によって、流路長さが変化する。図
14に示す熱交換器15は、流路長さが5パスの場合で
あり、ヘッダーパイプに仕切り板9が二枚ずつ挿入され
ている。
【0057】図15に示す熱交換器16は、流路長さが
3パスの場合であり、ヘッダーパイプに夫々1枚の仕切
り板9が挿入されている。
【0058】図16及び図17は図14及び図15に示
した熱交換器内の温度分布の概略を示す図である。
【0059】図16及び図17において、温度分布をデ
ィプレイ上に表示した模写した図である。図17に示す
5パスの場合は、温度分布に偏りが見られないが、図1
6に示す3パスの場合には、温度分布の偏りが見られ
る。即ち本発明者の実験では、3パスで温度分布の片寄
りが生じた。このときの冷媒通路断面積を求めると、約
84mmであった。一方、図17に示すように、5パ
スにすると、断面積は小さくなる。そして、温度分布の
片寄りが無くなっていることが判明した。つまり、温度
の片寄りを無くす本発明では、冷媒通路断面積が84m
で有効になることが判明した。
【0060】このことから、冷媒通路断面積は、1パス
にチューブ3本の断面積よりも大きい断面積である84
mmより大きい冷媒通路断面積で有効であることを示
している。ガスの温度分布の偏りは、前述した図5によ
って説明した構成である。
【0061】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
1パス目の温度分布の偏りをなくし、能力向上させるこ
とができる超臨界冷凍回路における熱交換器を提供する
ことができる。
【0062】また、本発明によれば、扁平チューブ内の
オイルの膜がなくなるので、伝熱性能の向上を図ること
ができる超臨界冷凍回路における熱交換器を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施の形態による熱交換器を示
す斜視図である。
【図2】図1の熱交換器の扁平チューブの切断面を示す
斜視図である。
【図3】(a)及び(b)はこの種の熱交換器をガス冷
却器(ガスクーラ)として用いた時の表面温度の測定に
ついての説明に供せられる図であり、(a)は図示のよ
うに、ガス冷却器の入り口6から出口7までに、ヘッダ
ーパイプ間に3パス流れるようにした熱交換器の各位置
に通し番号を付した図であり、(b)は(a)の通し番
号の位置におけるガスクーラの表面温度を示す図であ
る。
【図4】比較のために、夫々のヘッダーパイプの上下両
端に冷媒の入り口6a及び出口7を夫々設けた時の温度
分布の概略を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態による熱交換器の温
度分布の概略を示す図である。
【図6】図6は本発明の第2の実施の形態による熱交換
器を示す図である。
【図7】(a)は図6の扁平チューブの形状を説明する
ための図である。(b)は(a)の扁平チューブの端部
を示す斜視図である。
【図8】図7(a)及び(b)の扁平チューブの熱交換
器のヘッダーパイプへの取り付け部を示す断面図であ
る。
【図9】本発明の第3の実施の形態による扁平チューブ
3の断面図である。
【図10】本発明の第4の実施の形態による扁平チュー
ブを示す断面図である。
【図11】本発明の第5の実施の形態による扁平チュー
ブを示す断面図である。
【図12】配管径と圧損との関係を示す図である。
【図13】圧損とCOPの関係を示す図である。
【図14】熱交換器への冷媒の流し方を示す図である。
【図15】熱交換器への冷媒の流し方を示す図である。
【図16】図14に示した熱交換器内の温度分布の概略
を示す図である。
【図17】図15に示した熱交換器内の温度分布の概略
を示す図である。
【図18】従来技術による空気調和装置の冷凍回路を概
略的に示す図でる。
【図19】図19はこのマルチフロータイプと呼ばれる
熱交換器を示す斜視図である。
【図20】図19の熱交換器の扁平チューブ63を示す
斜視図である。
【図21】図20の扁平チューブ63の断面図である。
【符号の説明】 1,2,12 ヘッダーパイプ 3 扁平チューブ 4 線 5a 突起部(突条) 5、5b、5c 貫通穴 5e 突起部(突条) 6、6a,6b,8 入り口 7 出口 9 仕切り板 10,15,16,20 熱交換器 13 テーパ面 51 圧縮機 52 凝縮器 53 絞り手段(絞り弁) 54 蒸発器 55a,55b,55c,55d 配管 61,62 ヘッダー 63 チューブ 63a 貫通穴

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CO冷凍回路を用いた高圧側が臨界圧
    力で運転される蒸気圧縮型空気調和装置の熱交換器にお
    いて、離間して配置された一対のヘッダーパイプと、前
    記ヘッダーパイプとの間に渡された複数の扁平チューブ
    とを備え、前記一対のヘッダーパイプの内の一方には、
    冷媒用の入口が配置され、他方には、冷媒用の出口が配
    置され、前記冷媒は、前記一対のヘッダーパイプ間を少
    なくとも3パス移動するように構成されていることを特
    徴とする熱交換器。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の熱交換器において、前記
    扁平チューブの流体直径を0.0197インチ(1.0
    mm)〜0.119インチ(3mm)の範囲にするよう
    に形成されていることを特徴とする熱交換器。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の熱交換器において、前記
    扁平チューブの貫通穴内部に溝又は突起部を設けたこと
    を特徴とする熱交換器。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の熱交換器において、前記
    ヘッダーパイプの上端部から冷媒を流入させる構造を備
    えていることを特徴とする熱交換器。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の熱交換器において、最初
    の1パス目は、ヘッダーの中央部から、前記夫々の扁平
    チューブ内に冷媒を送り込むように構成されていること
    を特徴とする熱交換器。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の熱交換器において、同じ
    パスの扁平チューブは、下部に設けられたものの穴径が
    上部に設けられたももの穴径よりも大きな穴径を有する
    ような少なくとも2種類の扁平チューブによって構成さ
    れていることを特徴とする熱交換器。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の熱交換器において、各パ
    スにおける冷媒通路断面積が84mm2以上となるよう
    に形成されていることを特徴とする熱交換器。
  8. 【請求項8】 請求項1記載の熱交換器において、前記
    一対のヘッダーパイプの内の少なくとも一方に挿入され
    る扁平チューブの端部にきり欠きを備えていることを特
    徴とする熱交換器。
  9. 【請求項9】 請求項1記載の熱交換器において、1パ
    ス当たりの扁平チューブ本数が夫々互いに等しく形成さ
    れていることを特徴とする熱交換器。
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