JP2003083639A - 冷凍或いは空調設備用の熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却効率が高く、エネルギの消耗をも抑えた冷
凍或いは空調用熱交換器を提供する。 【解決手段】縦向きに配列された放熱フィン１１０組間
に、複数の管を並列させて連結する方式による冷媒放熱
管１２０を横向きで穿設した熱交換器１０と、並びに該
フィン１１０の上下両側を延伸させて更に放熱面積を増
加し、また給水システム２０においては垂水箱２１０を
設けて無圧力状態で水流をフィン上に提供するように
し、貯水箱２２０で水を収集させた後、水管２３２を利
用することによって再び水が該垂水箱２１０中に導入さ
れるようにし、これを繰り返すと共に蒸発した分の水が
外部より自動に補充されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍或いは空調設備
用の熱交換器に係り、特に冷凍或いは空調設備の作動効
率を高める半空冷半水冷式の凝縮器（コンデンサー）構
造を具有するものに関わる。

【０００２】

【従来の技術】空調或いは冷凍設備中には、主に蒸発器
内において外部より導入した空気と、液体冷媒とで熱交
換を行うものである。この種の気体冷媒による方法で
は、凝縮器（コンデンサー）中の圧縮機で先に冷却を経
て圧縮されて高密度となった気体を、更に凝縮器で冷却
して液体冷媒とし、これを絶えず繰り返す方式となって
いる。冷却工程全体で消費される電力は凝縮器本体より
来るものであり、凝縮器の冷却放熱効率は高められて冷
媒の温度は大幅に下げられることになる。即ち、圧縮機
をシステム中で運転させるに当たって、最低限の臨界圧
力で凝縮を行うことにより、容易に優れた冷凍効果が提
供されるものであり、またそれによって圧縮機のモータ
出力は、エネルギ節約の目的も同時に達成している。

【０００３】また公知構造のフィン式凝縮器による冷凍
或いは空調設備においては、図１に示すように、凝縮器
にフィンが並列しており、これは冷媒管から横向きに穿
入して密集した構造を成しているものであり、一本の冷
媒管が迂回して並列し、一貫して最後部にまで至ってお
り、圧縮機により高圧気体に圧縮された冷媒は、各列の
冷媒管に導入されて上方から下方にスムーズに冷却され
て行き、冷却の過程においてはファンモータによってフ
ァンが回転し、外部の空気を導入して凝縮器内部冷媒管
間の空気通路を予冷し、空気と冷媒管及びフィンに対し
て熱交換を行い、凝縮器の冷媒液化により放出された熱
量が迅速に奪われるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述のような公
知構造の凝縮器には以下のような欠点がある。例えば単
一の管によって一貫して最後部にまで至るものであり、
また高圧気体の冷媒が上方より注入される方式を採用し
ていることより、冷媒が放熱管の後段（約1/6或いは1/
4）に至ったとき、既に殆ど液化した液体冷媒に対して
冷却効果が発揮できないばかりか、管が長過ぎることに
よって管壁との粘性抵抗による損失が増加してしまうこ
と、また管の湾曲個所が多すぎることによっても同様に
粘性抵抗による損失が累積増加してしまう。また空気の
対流を利用するのみの冷却効果を期待することでは、外
気温が高く、冷媒圧力が高くなると、冷却温度も上昇し
て放熱効果が比較的低下することより、伝熱面積と風量
の増加は必須となり、体積が比較的大きく、騒音も大き
く、当然消耗するエネルギも多くなってしまう。そこで
冷却効率が高く、エネルギの損失をも抑えた本発明の冷
凍或いは空調用熱交換器を提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】フィン式熱交換器及び給
水システムを採用する。該フィン式熱交換器は放熱フィ
ン組を縦向きに配列し、該放熱フィン組間には横向きに
冷媒放熱管を穿設しており、該冷媒放熱管は複数の管を
並列させて連結する方式により、冷媒放熱管間及び放熱
フィン間に空気の通路を形成する。該給水システムにお
いては、該放熱フィン片と冷媒放熱管上に水流を提供し
て熱交換を行って冷媒の液化を促進させ、吸熱して蒸発
した冷却水が更にファンによって生じる気流で迅速に奪
い取られるようにする。更に該フィン片の上下両側には
それぞれ外向きに延伸することで、該冷媒放熱区以外に
も二つの放熱区を設置し、放熱面積を増加して冷却効果
をここでも上げるようにする。

【０００６】

【発明実施の形態】図２に示すように、本発明は主に熱
交換器１０が圧縮機４０により高圧冷媒で液化した冷媒
が圧入されるのを受け、また給水システムを利用して液
化する更に機能を高め、ファンモータ３２によってファ
ン３４を連動させることにより、該熱交換器１０の空気
通路に気流を作る。即ち熱交換で冷媒の熱量と、熱交換
を経て蒸発する蒸気を同時に奪い去る効果が提供され
る。

【０００７】図３に示すように、熱交換器１０はフィン
式の設計になっており、冷媒管１２２を縦向きで配列さ
れたフィン１１０間に穿入して密集した構造を成してい
る。また該フィン１１０の上下各両側には外側に延伸し
て冷媒放熱区以外の場所で二つの放熱区２３０，２４０
が設計されており、放熱面積を増加させて冷却効果を高
めている。該冷媒管１２２は横向きに穿入する方式で各
層の冷媒放熱管１２０（図３参照）に設置されている。
各層の冷媒放熱管１２０の入り口は並列方式で冷媒導入
管１２４と相互に連結されており、圧縮機４０により圧
入される高圧高温の冷媒を下方より該導入管１２４に導
入し、各層の冷媒管にまで至らせる。よって複数の管中
の冷媒が同時に冷却され、単位時間内の冷却量が増す、
即ち圧力を上げなくとも冷却速度が加速してエネルギが
節約されるようになる。

【０００８】図４に示すように、冷媒管の列数は状況と
必要に応じて変化させられるが、実施例においては三列
の冷媒管を例としており、列の数が少ないことより適当
で且つ充分な長さで冷媒の液化が進行する。該上下両冷
媒管１２２が連結された後、横向きで隣接する冷媒管１
２２同士が連結され、よって三回転している状態を呈し
た各層の冷媒放熱管１２０が完成する。また列の数が増
加する場合など、必要に応じて直接横向きに各列の同層
の冷媒管を穿入してもよい。

【０００９】また図２に示すように、該熱交換器１０の
冷却効率を更に上げるべく、他に給水システム２０が設
けられている。図３、５に示すように、該給水システム
２０は垂水箱２１０，貯水箱２２０を有し、フィン１１
０上段には第一放熱区２３０が，また下段には第二放熱
区２４０が設けられている。該垂水箱２１０は先ず冷却
水を該熱交換器１０中に垂らした残りの冷却水に外部か
ら引き入れ、消耗した水量を補充する機構としている。
こうして熱交換によって余った冷却水は、該第二放熱区
２４０で先ず温度を下げ、また、該垂水箱２１０に導入
した冷却水を更に該第一放熱区２３０で予冷する。こう
することで従来の冷却水が冷媒の熱量を吸収せず貯留し
たまま温度が上昇することがなくなり、冷却及び放熱効
果をより安定したものにする。

【００１０】該垂水箱２１０は該フィン式熱交換器１０
の上端に位置し、冷却水を上方から下方へ流入させるよ
うにしており、冷却の過程ではファンモータ３２によっ
てファン３４が連動し、外部の空気を該熱交換器１０内
部空気通路に導入し、こうすることで空気が熱交換を行
って蒸発した水分を奪い取るようにする。また該圧縮機
４０の圧入する冷媒は下方より上方の方向で、各層の冷
媒放熱管１２０の分布管に進入する。パスカルの原理に
より、摩擦力の無い状況下では各層入り口の冷媒圧力Ｐ
１＝Ｐ２＝…＝Ｐnとなる。しかし管壁には摩擦力が存
在するため、実際にはＰ１＞Ｐ２＞…＞Ｐnとなり、差
異は大きくないが、エネルギ節約の面より考慮すると非
常に重要なポイントとなっている。また該垂水箱２１０
の冷却水は上方から下方に向かって流れるため、当然上
列の冷却水の温度は下列のそれよりやや低くなり、温度
が低いほど液化に必要な臨界圧が低くなり、また温度は
やや高ければ、臨界圧もやや高まることになる。つまり
冷媒が分布管に進入する方向は下方より上方である設計
であるのは、冷却水が上方から下方に垂れるのに合った
冷却方法であり、各組の並列する放熱管の冷媒は同様の
冷却効果を得られ、圧力を上げなくても後先を分ずに同
時冷却が行えるようになっている。

【００１１】該垂水箱２１０内部設計は図６に示すよう
に、底面より複数の排水孔２１２が穿設されており、ま
た中には隔離層水孔２１６を有する隔離層２１４が設け
られており、該隔離層水孔２１６と底面水孔２１２とは
相互の孔の位置が違えられている。こうすることで導入
される水圧を下げており、フィン１１０及び冷媒管１２
２上に緩やかに水滴が垂れるようになっている。水が該
フィン１１０の最上端に至った際、近距離から完全に圧
力が無い、或いは非常に小さな圧力の状態で水滴が落
ち、水は該フィン１１０上で重力が表面摩擦力に勝ると
きのみスムーズに流れ、水分が該フィン１１０上に留ま
る時間が長くなり、よって風が吹き付ける時間が充分な
ものとなり、常温で充分に蒸発が進行し、よって更に効
率的にフィン及び冷媒管の熱量が吸収されるようにな
る。実際の状況に応じて隔離層２１４の数量が増加した
場合、該各隔離層２１４の水孔２１６は相互に違えられ
て配置されているため、よって導入される水の圧力及び
衝撃は更に低いものとなる。

【００１２】またもう一つの実施例では、フィン１１０
間の距離は13枚／インチとなっており、水滴は同時に2
枚のフィン１１０と接触してスムーズに垂れることにな
り、こうすることで水滴は両側のフィン１１０に対して
熱交換を行うことになり、ここでも更に高冷却効果を提
供するようになっている。図５に示すように、該第一，
第二放熱区２３０，２４０は長さを増長したフィン１１
０の上下段により構成される。該第一放熱区２３０はフ
ィン１１０の上段部にて該フィン１１０を貫通する水管
２３２を有し、この構造を利用し、冷却水の温度が下げ
られる目的を達成するべく、該フィン１１０と熱交換を
進行させるのと同時にファン３４の気流によって熱量を
奪うようにしている。各水管２３２は第一放熱区２３０
を貫通する方式により、図に示すような並列方式、或い
は一本の管による串型方式となっている。また第二放熱
区２４０はフィンの長さを増長し、下段部を保留するこ
とによって形成されており、その間には金属管２３２が
設置されており、同様にファンによって外部の空気との
熱交換を進行し、残った水で僅かではあるが冷却を行
う。

【００１３】冷却の始めの段階において、余りの水が更
に貯水箱２２０内に導入されるが、その導入方式は貯水
箱２２０で直接底部に接続される、或いは実施例中のよ
うに集水盆２２２を利用して水を収集させた後、該貯水
箱２２０中に導入されるようにし、該貯水箱２２０の一
端はまた進水管２２１と連結されており、外部より引水
して水量を補充するようにしている。またこの貯水箱２
２０はポンプ２２６を利用し、水を該第一放熱区２３０
中に導入している。該貯水箱２２０内には液面測定スイ
ッチ２２４が設けられており、これは浮子（フロート）
スイッチにより、液面の高さを検出して測定するもので
あり、また水温測定器２２８が設置されている。先ず該
貯水箱２２０の冷却水はフィン式熱交換器１０中で蒸発
して減少するため、水位が該液面測定スイッチ２２４に
よって下限の値が測定されると、スイッチが起動して進
水動作を開始し、該液面測定スイッチ２２４が一定の設
定値に至るまで水が補われるようになっている。こうし
て液面が一定の設定値に至ったら、該ポンプ２２６が起
動して該貯水箱２２０の冷却水を該第一放熱区２３０に
まで抽出する。その他該水温測定器２２８によって水温
値を測定することでは、熱交換器１０の冷却程度を知る
ことができ、水温が一定の値に達すると、該ポンプの動
作がストップする。

【００１４】応用として、第一，第二凝縮器１０，１
０' に分けてもよく、図７に示すように圧縮機の高圧気
体状冷媒が第一凝縮器１０に圧入され、冷却を経て更に
第二凝縮器１０' に送入され、冷却液化を持続させる。
熱交換器１０の各層冷媒放熱管１２０の冷媒導出方式
は、第一熱交換器１０のように各層の冷媒放熱管１２０
の出口が同時に冷媒導出管１２６と並列して連結されて
いることより、該各層の冷却液化を経た冷媒を収集及び
導出する方式、或いは第二熱交換器１０' のように、各
層の冷媒放熱管１２０' をそれぞれ組み分けし、各組の
冷媒放熱管１２０' の出口は先ず各組の冷媒導出管１２
６'と並列して連結することにより、該各組の冷媒導出
管１２６' が再収集して導出する方式となっている。

【００１５】

【発明の効果】本発明によると、従来の単一放熱管に取
って代わった多数の管中の冷媒が同時に冷却されること
により、単位時間内での冷却量が増加し、且つ圧縮機の
圧力を下げる方式以外による初のエネルギ節約の目的が
達成された。また高圧冷媒は下方から上方に各層分布管
へと進入し、また逆に上方より下方に給水されることを
合わせて、各組の並列する放熱管の冷媒は同様の冷却効
果が得られ、且つ後先なく同時に冷却が行われ、しかも
圧力を上げずに済むことより、ここでもエネルギ節約の
目的が達成された。

【００１６】フィン片組は冷媒管区にまで延伸している
以外に、上下二つの放熱区を余分に設けていることによ
り、放熱面積が増加して冷却効果が高められる目的が達
成された。また垂水箱中には水孔の構造で下方に水を補
給しており、水が放熱片上方に至った際完全に圧力がな
くとも、または極僅かな圧力により近距離で水滴が落ち
るため、また水が放熱片上にて僅かな重力が表面摩擦力
に勝る際にのみ下方に流れるため、水分が放熱片上で留
まる時間が増加して充分に常温で蒸発が成され、よって
フィン片及び冷媒管の熱量が効果的に吸収されて、大幅
に冷媒の温度が下げられて冷却効果が増大した。更に蒸
発水を冷却する際、先ず予冷として温度を下げ、残った
水を予冷する設計としていることで、従来の直接給水す
る方式とは異なり、第二放熱区で先に残りの水の温度を
下げ、更にフィン片熱交換器に入る前に更に第一放熱区
で温度を下げた後、比較的低い温度の冷却水で該フィン
片と冷媒管などに対して熱交換が行われるようになり、
循環して繰り返し水を使用することによる温度の累積問
題も解決され、同時に安定した冷却効果が提供される目
的が達成された。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知構造におけるフィン式凝縮器の説明図であ
る。

【図２】本発明における熱交換器のシステム説明図であ
る。

【図３】本発明における熱交換器の実施例説明図であ
る。

【図４】図３における単層冷媒放熱管の説明図である。

【図５】本発明における熱交換器の正面図である。

【図６】本発明における熱交換器中、垂水箱の立体分解
説明図である。

【図７】本発明における熱交換器のもう一つの実施例説
明図である。

【符号の説明】

１０ 熱交換器 １１０ フィン １２０ 冷媒放熱管 １２２ 冷媒管 １２４ 冷媒導入管 １２６ 冷媒導出管 ２０ 給水システム ２１０ 垂水箱 ２１２ 底面水孔 ２１４ 隔離層 ２１６ 隔離層水孔 ２２０ 貯水箱 ２２１ 進水管 ２２２ 集水盆 ２２４ 液面測定スイッチ ２２６ ポンプ ２２８ 水温測定器 ２３０ 第一放熱区 ２３２ 水管 ２４０ 第二放熱区 ２４２ 金属管 ３２ ファンモータ ３４ ファン ４０ 圧縮機

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィン式熱交換器及び給水システムを含
   み、該熱交換器は複数の放熱用フィン及び複数層の横向
   きで該フィン間に穿設された冷媒放熱管を有し、該冷媒
   放熱管及びフィン間には空気の通路が形成されており、 冷媒放熱管は多数の管が並列して連結されている方式に
   より、圧縮機により圧入される高圧冷媒を導入し、並び
   に該給水システムでは重力によって熱交換器上に垂れる
   水を給水し、よって該フィン及び冷媒管が更なる熱交換
   を行って、熱交換により蒸発する蒸気はファンによって
   生ずる気流で該熱交換器の空気通路を通過して、熱源を
   迅速に奪い取ることを特徴とする冷凍或いは空調設備用
   の熱交換器。
2. 【請求項２】該給水システムには垂水箱が設けられてお
   り、該垂水箱底面には複数の水孔が設けられており、該
   垂水箱の一端と水管の一端とが連結して該箱中に水を導
   入するようになっており、また該垂水箱中には水孔を有
   する隔離層が一枚以上あり、該隔離層上の水孔と該底面
   水孔とが位置を相互に違えて開設されていることを特徴
   とする請求項１記載の冷凍或いは空調設備用の熱交換
   器。
3. 【請求項３】該給水システムには貯水箱を含み、該貯水
   箱の水を用いて冷却水とし、該貯水箱で該熱交換を経て
   余った冷却水を収集させて、並びに外部より水量を給水
   補充することを特徴とする請求項１記載の冷凍或いは空
   調設備用の熱交換器。
4. 【請求項４】該給水システムは第一放熱区を含み、該第
   一放熱区はフィン上段に穿設された水管より形成されて
   水温を予冷として下げることを特徴とする請求項１記載
   の冷凍或いは空調設備用の熱交換器。
5. 【請求項５】該給水システムには第二放熱区を含み、熱
   交換を経た後に余った冷却水を利用して予冷として温度
   を下げることを特徴とする請求項１記載の冷凍或いは空
   調設備用の熱交換器。
6. 【請求項６】該給水システムの第二放熱区は、該フィン
   下段より穿設されて定位及び支えの構造を提供するべく
   金属管で構成されており、該余った冷却水を該フィン末
   端にまで至らせた時、該ファンによって導入される空気
   と熱交換を行って温度を下げることを特徴とする請求項
   １記載の冷凍或いは空調設備用の熱交換器。
7. 【請求項７】該フィン式熱交換機は同時に二組以上のフ
   ィン式熱交換器を設置する時、各組の該フィン式熱交換
   機の冷媒放熱管は同時に同一冷媒導入管及び冷媒導出管
   に連結されることを特徴とする請求項１記載の冷凍或い
   は空調設備用の熱交換器。