JP2003262432A - 蒸気圧縮式冷凍機用の熱交換器 - Google Patents

蒸気圧縮式冷凍機用の熱交換器

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裕嗣 武内
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 蒸発器内に冷凍機油が滞留することを防止す
る。 【解決手段】 チューブ３１の内壁に撥油膜３１ａを形
成する。これにより、蒸発器３０に冷凍機油が滞留して
しまうことを抑制できるので、圧縮機に十分な量の冷凍
機油を戻すことができ、圧縮機の焼き付き等の不具合が
発生することを未然に防止できる。また、蒸発器３０に
冷凍機油が滞留してしまうことを抑制できるので、冷媒
とチューブ３１との間の熱伝達率が低下することを防止
しつつ、チューブ３１の実質的な冷媒通路断面積が縮小
することを防止して蒸発器３０における圧力損失が増大
することを防止でき、蒸発器３０での吸熱能力を向上さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温側の熱を高温
側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機用の蒸発器に関するも
ので、冷媒を減圧膨張させながら膨張エネルギーを圧力
エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるエジ
ェクタを有する蒸気圧縮式冷凍機に適用して有効であ
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】通常、
蒸気圧縮式冷凍機では、冷凍機油が混合された冷媒を循
環させることにより圧縮機内の摺動部を潤滑している。
【０００３】このため、蒸発器等の熱交換器には冷媒と
共に冷凍機油が流入するが、この流入した冷凍機油が熱
交換器内に滞留すると、以下のような問題が発生する。
【０００４】圧縮機に戻ってくる冷凍機油量が減少す
るので、圧縮機の潤滑が不足してしまい、圧縮機の焼き
付き等の不具合が発生する。
【０００５】熱交換器に滞留した冷凍機油は、チュー
ブの内壁に付着して実質的な冷媒通路断面積を縮小させ
て熱交換器での圧力損失（冷媒流通抵抗）を増大させる
とともに、冷媒とチューブとの間の熱伝達率を低下させ
るので、熱交換器の熱交換能力が低下する。
【０００６】本発明は、上記点に鑑み、上記した及び
の問題を解決することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、蒸気圧縮式
冷凍機に適用される熱交換器であって、冷媒通路を構成
するチューブ（３１）の内壁面には、撥油性を有する撥
油膜（３１ａ）が形成されていることを特徴とする。
【０００８】これにより、熱交換器（３０）に冷凍機油
が滞留してしまうことを抑制できるので、圧縮機に十分
な量の冷凍機油を戻すことができ、圧縮機の焼き付き等
の不具合が発生することを未然に防止できる。
【０００９】また、熱交換器（３０）に冷凍機油が滞留
してしまうことを抑制できるので、冷媒とチューブ（３
１）との間の熱伝達率が低下することを防止しつつ、チ
ューブ（３１）の実質的な冷媒通路断面積が縮小するこ
とを防止して熱交換器（３０）における圧力損失が増大
することを防止でき、熱交換器（３０）での熱交換能力
を向上させることができる。
【００１０】請求項２に記載の発明では、蒸気圧縮式冷
凍機の熱交換器のうち冷媒を蒸発させることにより冷凍
能力を発揮する蒸発器に適用され、冷媒通路を構成する
チューブ（３１）の内壁面には、撥油性を有する撥油膜
（３１ａ）が形成されていることを特徴とする。
【００１１】これにより、熱交換器（３０）に冷凍機油
が滞留してしまうことを抑制できるので、圧縮機に十分
な量の冷凍機油を戻すことができ、圧縮機の焼き付き等
の不具合が発生することを未然に防止できる。
【００１２】また、熱交換器（３０）に冷凍機油が滞留
してしまうことを抑制できるので、冷媒とチューブ（３
１）との間の熱伝達率が低下することを防止しつつ、チ
ューブ（３１）の実質的な冷媒通路断面積が縮小するこ
とを防止して熱交換器（３０）における圧力損失が増大
することを防止でき、熱交換器（３０）での吸熱能力を
向上させることができる。
【００１３】なお、撥油膜（３１ａ）を形成する材料の
表面張力は、請求項３に記載の発明のごとく、冷媒中に
混入される冷凍機油の表面張力より小さくすることが望
ましい。
【００１４】また、撥油膜（３１ａ）を形成する材料
は、請求項４に記載の発明のごとく、シリコン系樹脂又
はフッソ系樹脂とすることが望ましい。
【００１５】請求項５に記載の発明では、冷媒を吸入圧
縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出した
冷媒を冷却する放熱器（２０）と、請求項１ないし４の
いずれか１つに記載の熱交換器にて構成され、冷媒を蒸
発させて吸熱する蒸発器（３０）と、放熱器（２０）か
ら流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギー
に変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）、ノズ
ル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器
（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４
１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）から吸引した冷
媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギー
に変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４
３）を有するエジェクタ（４０）と、冷媒を気相冷媒と
液相冷媒とに分離するとともに、液相冷媒を蒸発器（３
０）に供給し、気相冷媒を圧縮機（１０）に供給する気
液分離器（５０）とを備えることを特徴とする。
【００１６】これにより、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率
を向上させることができる。
【００１７】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係るエジ
ェクタサイクルを車両用空調装置に適用したものであっ
て、図１はエジェクタサイクルの模式図である。
【００１９】図１中、圧縮機１０は走行用エンジンから
動力を得て冷媒を吸入圧縮する周知の可変容量型の圧縮
機であり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と
室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器
である。
【００２０】因みに、本実施形態では、冷媒としてフロ
ンを採用しているので、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒
の臨界圧力以下であり、冷媒は放熱器２０にて凝縮す
る。
【００２１】また、蒸発器３０は室内に吹き出す空気と
液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることに
より冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却する低
圧側熱交換器である。
【００２２】なお、蒸発器３０は、図２（ａ）に示すよ
うに、冷媒通路を構成する複数本のチューブ３１を蛇行
させるととともに、チューブ３１の外表面に空気との伝
熱面積を増大させる薄板状のフィン３２を接合して構成
したものである。
【００２３】そして、チューブ３１の内壁面には、図２
（ｂ）に示すように、撥油性を有する撥油膜３１ａが形
成されており、この撥油膜３１ａは、冷凍機油の表面張
力より小さい表面張力を有する材料からなるもので、本
実施形態では、シリコン系樹脂又はフッソ系樹脂にて撥
油膜３１ａを形成している。
【００２４】なお、冷凍機油とは、冷媒中に混入されて
圧縮機１０内の摺動部等を潤滑する油であり、シリコン
系樹脂はＣＨ3基を有する樹脂であり、フッソ系樹脂は
ＣＦ3又はＣＦ2基を有する樹脂である。
【００２５】因みに、本実施形態では、チューブ３１を
脱リン酸系の銅合金製とし、撥油膜３１ａを厚み０．１
〜３μｍのシリコン系樹脂製とするとともに、撥油膜３
１ａの材料が溶けた溶液中にチューブ３１を浸漬するこ
とにより撥油膜３１ａを形成している。
【００２６】また、図１中、エジェクタ４０は冷媒を減
圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引す
るとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換し
て圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。
【００２７】なお、エジェクタ４０は、図３に示すよう
に、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギ
ーに変換して冷媒を等エントロピー的に減圧膨張させる
ノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流
により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しなが
ら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部
４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０か
ら吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧
力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフ
ューザ４３等からなるものである。
【００２８】因みに、本実施形態では、ノズル４１から
噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通
路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバール
ノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用して
いる。
【００２９】なお、混合部４２においては、ノズル４１
から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェ
クタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存され
るように混合するので、混合部４２においても冷媒の静
圧が上昇する。一方、ディフューザ４３においては、通
路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静
圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部
４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧す
る。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称し
て昇圧部と呼ぶ。
【００３０】また、図１中、気液分離器５０はエジェク
タ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入
した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄え
る気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出
口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は
蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００３１】なお、図４はエジェクタサイクルの全体の
マクロ的作動を示すｐ−ｈ線図であり、そのマクロ的作
動は周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実
施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の
説明は省略する。因みに、図４の●で示される符号は、
図１に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を
示すものである。
【００３２】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００３３】本実施形態では、チューブ３１の内壁に撥
油膜３１ａが形成されているので、蒸発器３０に冷凍機
油が滞留してしまうことを抑制できる。したがって、圧
縮機１０に十分な量の冷凍機油を戻すことができるの
で、圧縮機１０が焼き付き等の不具合が発生することを
未然に防止できる。
【００３４】また、蒸発器３０に冷凍機油が滞留してし
まうことを抑制できるので、冷媒とチューブ３１との間
の熱伝達率が低下することを防止しつつ、チューブ３１
の実質的な冷媒通路断面積が縮小することを防止して蒸
発器３０における圧力損失が増大することを防止でき、
蒸発器３０での吸熱能力を向上させることができる。
【００３５】ところで、膨張弁等の減圧手段により等エ
ンタルピ的に冷媒を減圧する蒸気圧縮式冷凍機（以下、
膨張弁サイクルと呼ぶ。）では、膨張弁を流出した冷媒
が蒸発器に流れ込むのに対して、エジェクタサイクルで
は、図１に示すように、エジェクタ４０を流出した冷媒
は気液分離器５０に流入し、気液分離器５０にて分離さ
れた液相冷媒が蒸発器３０に供給され、気液分離器５０
にて分離された気相冷媒が圧縮機１０に吸入される。
【００３６】つまり、膨張弁サイクルでは、冷媒が圧縮
機→放熱器→膨張弁→蒸発器→圧縮機の順に循環する１
つの冷媒流れとなるのに対して、エジェクタサイクルで
は、圧縮機１０→放熱器２０→エジェクタ４０→気液分
離器５０→圧縮機１０の順に循環する冷媒流れ（以下、
この流れを駆動流と呼ぶ。）と、気液分離器５０→蒸発
器３０→エジェクタ４０→気液分離器５０の順に循環す
る冷媒流れ（以下、この流れを吸引流と呼ぶ。）とが存
在する。
【００３７】このとき、駆動流は圧縮機１０により循環
させられるのに対して、吸引流１０はエジェクタ４０で
発生する昇圧量、すなわちエジェクタ４０の冷媒出口と
気相冷媒吸入口との圧力差をポンプ駆動源として循環さ
せられるので、駆動流の流量が小さくなってエジェクタ
４０で発生する昇圧量が小さくなると、吸引流の冷媒流
量が減少し、液相冷媒と共に蒸発器３０に流入した冷凍
機油が蒸発器３０内に滞留し易くなる。
【００３８】これに対して、膨張弁サイクルでは、直
接、圧縮機にて蒸発器内の冷媒を吸引するので、熱負荷
が小さくなったときであっても、エジェクタサイクルに
比べて蒸発器内に冷凍機油が滞留し難い。したがって、
本発明は、エジェクタサイクルの蒸発器３０に適用する
と、特に、効果的である。
【００３９】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、本発明をエジェクタサイクルの蒸発器に適用した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、膨脹弁サ
イクルの蒸発器にも適用することができる。
【００４０】また、蒸発器３０は、チューブ３１を蛇行
させたいわゆるサーペンタイン型の熱交換器、又は複数
本のチューブとヘッダタンク等からなるいわゆるマルチ
フロー型の熱交換器等、その形式は問わない。
【００４１】また、上述の実施形態では、本発明に係る
エジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍機を車両用空調装置
に適用したが、本発明の適用はこれに限定されるもので
ない。
【００４２】また、上述の実施形態では、蒸発器に本発
明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、放熱器２０等の高圧側熱交換器にも適用することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの
模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施形態に係るエジェクタサ
イクルに適用される蒸発器の斜視図であり、（ｂ）はチ
ューブの断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図で
ある。
【図４】ｐ−ｈ線図である。
【符号の説明】
３０…蒸発器、３１…チューブ、３１ａ…撥油膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 1/00 ３８９ Ｆ２５Ｂ 1/00 ３８９Ａ 39/02 39/02 Ｖ // Ｆ２８Ｆ 13/18 Ｆ２８Ｆ 13/18 Ａ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸気圧縮式冷凍機に適用される熱交換器
    であって、 冷媒通路を構成するチューブ（３１）の内壁面には、撥
    油性を有する撥油膜（３１ａ）が形成されていることを
    特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項２】 蒸気圧縮式冷凍機の熱交換器のうち冷媒
    を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する蒸発器に適
    用され、 冷媒通路を構成するチューブ（３１）の内壁面には、撥
    油性を有する撥油膜（３１ａ）が形成されていることを
    特徴とする熱交換器。
  3. 【請求項３】 前記撥油膜（３１ａ）を形成する材料の
    表面張力は、冷媒中に混入される冷凍機油の表面張力よ
    り小さいことを特徴とする請求項１又はに記載の蒸発
    器。
  4. 【請求項４】 前記撥油膜（３１ａ）を形成する材料
    は、シリコン系樹脂又はフッソ系樹脂であることを特徴
    とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蒸発
    器。
  5. 【請求項５】 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、 前記圧縮機（１０）から吐出した冷媒を冷却する放熱器
    （２０）と、 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器にて
    構成され、冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（３０）
    と、 前記放熱器（２０）から流出した高圧冷媒の圧力エネル
    ギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させる
    ノズル（４１）、前記ノズル（４１）から噴射する高い
    速度の冷媒流により前記蒸発器（３０）にて蒸発した気
    相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１）から噴射する冷媒
    と前記蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させな
    がら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の
    圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）を有するエジェ
    クタ（４０）と、 冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するとともに、液相
    冷媒を前記蒸発器（３０）に供給し、気相冷媒を前記圧
    縮機（１０）に供給する気液分離器（５０）とを備える
    ことを特徴とするエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍
    機。
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