JP2009030962A - 熱交換器用伝熱管及び熱交換器用伝熱管を備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素を用いた冷凍装置において、冷凍機油に起因して生じる冷凍装置の性能低下を最小限に抑える。
【解決手段】二酸化炭素を用いた冷凍装置に搭載された放熱器の熱交換器用伝熱管（1）の溝のねじれ角（α）を０度以上で且つ１０度以下とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、二酸化炭素を用いた冷媒回路に適用される熱交換器用伝熱管、及び熱交換器用伝熱管を備えた冷凍装置に関するものである。

近年、地球温暖化防止の観点から、ＨＦＣ系冷媒に代わって二酸化炭素を冷媒とする冷凍装置の開発が行われている。この冷凍装置の開発において、性能を向上させるためには、熱交換器における熱交換能力の向上が必要である。そして、この熱交換能力を向上させるための伝熱促進技術のひとつとして、該熱交換器に用いられる内面溝付き管の溝形状の最適化が挙げられる。

特許文献１の内面溝付き管は、冷凍機又は空調機等の熱交換器に用いられる伝熱管であり、該伝熱管の内周面には多数の連続的な螺旋溝が形成されている。そして、上記溝が延びる方向と管軸方向とがなす角度を２５度以上４５度以下にしている。このような螺旋溝にすれば、管内を流れる冷媒がよく攪拌されるので、高い伝熱性能を得ることができるとしている。
特開２００３−１６６７９４号公報

しかしながら、本願発明者らは、上記内面溝付き管を二酸化炭素が封入された冷凍装置の放熱器に用いたとしても、該放熱器の熱交換能力が予測ほど向上しないことを性能評価試験により確認している。そして、その原因の一つは、上記冷凍装置の冷媒回路に二酸化炭素とともに封入される冷凍機油にあると考えている。

ところで、この冷凍機油は、上記冷媒回路に設けられた圧縮機の各摺動部を潤滑するために用いられるものであり、該圧縮機から吐出される二酸化炭素とともに冷媒回路を循環する。一般に、上記冷凍機油には、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が用いられている。このＰＡＧは、圧縮機の各摺動部に対しては良好な潤滑性を示すものの、二酸化炭素に対する相溶性は低い。このことから、上記冷媒回路を循環する二酸化炭素及び冷凍機油のうち、該二酸化炭素に溶けきれなかった冷凍機油は、上記冷媒回路の冷媒配管及び上記放熱器の内面溝付き管の内周面を伝うように流れる。ここで、内周面には多数の溝が形成されているため、この溝に上記冷凍機油が捕捉され易くなる。

そして、捕捉された冷凍機油が多ければ多いほど、内周面に形成される油膜は厚くなりやすい。油膜が厚くなると、二酸化炭素と内周面との間の熱抵抗が大きくなるので、結果として、上記内面溝付き管の伝熱性能は低下する。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素を用いた冷凍装置において、冷凍機油に起因して生じる冷凍装置の性能低下を最小限に抑えることが可能な熱交換器用伝熱管を提供することを目的としている。

第１の発明は、二酸化炭素が循環する冷媒回路（10）の熱交換器（20）に用いられるとともに、内周面（4）において連続する溝（2）を形成した熱交換器用伝熱管を前提としている。そして、上記熱交換器用伝熱管（1）の溝（2）は、軸方向に平行、もしくは上記溝（2）のねじれ角（α）が１０度以下である。

ここで、ねじれ角（α）とは、溝（2）が延びる方向と管軸方向とがなす角度のことであり、溝（2）が軸方向に平行もしくは上記溝（2）のねじれ角（α）が１０度以下とは、この角度が０度以上１０度以下と言い換えることができる。

第１の発明では、上記溝（2）に冷凍機油が捕捉されにくくなるように、ねじれ角（α）を最適化している。ここで、このねじれ角（α）を最適化するにあたり、本願発明者らは、ねじれ角（α）が放熱器（20）の熱交換能力に及ぼす影響について、冷凍機油を考慮したシミュレーションにより予測した。図４は、そのシミュレーションのモデル図である。この図は、上記放熱器（20）の伝熱管（1）の内部を二酸化炭素とともに冷凍機油が流動する様子をモデル化したものである。

図４において、上記二酸化炭素の圧力は所定の超臨界圧とし、該二酸化炭素は放熱を伴いながら一定速度（ｖ）で流れるものと仮定する。一方、上記冷凍機油は、流動する二酸化炭素に対して一定の質量比で一様に存在するものと仮定する。また、上記冷凍機油は、二酸化炭素に対する相溶性の割合に応じて二酸化炭素に溶け込むもの（Ｃ）と溶けきれないもの（Ｂ）とに分離し、溶けきれない冷凍機油（Ｂ）が上記伝熱管（1）の内周面（4）の全体に均一な厚さ（Ｔ）の油膜を形成するものと仮定する。

この仮定に基づいて、まず、二酸化炭素に溶けきれずに内周面（4）を伝うように流れる冷凍機油（Ｂ）の油量を計算する。次に、溝（2）の形状を考慮して、内周面（4）の全体に形成される油膜の厚さ（Ｔ）を求める。そして、この油膜の厚さ（Ｔ）を熱抵抗として捉え、放熱器能力（Ｑ）を算出する。尚、上記冷凍機油は、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）とする。

図５は、そのシミュレーションの結果を示すグラフであり、条数が２０、４０、６０の場合において、ねじれ角（α）が放熱器能力（Ｑ）に及ぼす影響について示している。尚、グラフの縦軸の放熱器能力比とは、上記放熱器（20）を平滑管で構成した場合の放熱器能力を１００％とした時の上記放熱器能力（Ｑ）の割合を示すものである。また、図中の丸印は、現行のＨＦＣ系冷媒用熱交換器に用いられる伝熱管（以下、現行伝熱管と言う。）の溝形状における放熱器能力比を示している。

図５に示すように、ねじれ角（α）が２０度以下の領域において、条数が２０、４０、６０の場合、ねじれ角（α）が大きくなるほど放熱器能力比が低下する傾向にある。これは、ねじれ角（α）が大きくなるほど内周面（4）を伝うように流れる冷凍機油（Ｂ）の流動抵抗が増加し、上記冷凍機油が溝（2）に捕捉されやすくなるためと思われる。例えば、上記現行伝熱管のようにねじれ角（α）が１８度である場合、図５の丸印で示すように、放熱器能力比は９０％以下になると予測される。

したがって、上記熱交換器用伝熱管（1）において、ねじれ角（α）を第１の発明のように、現行伝熱管よりも小さな領域で最適化することにより、上記冷凍機油が溝（2）に捕捉されにくくなるので、該冷凍機油をスムーズに該熱交換器用伝熱管（1）から排出することができ、内周面（4）の油膜を薄くすることができる。尚、図５によれば、ねじれ角（α）を第１の発明のように最適化した場合、放熱器能力比が９０％よりも大きな値を確保できる。

一方、図６は、熱交換器（20）を蒸発器として用いた場合の蒸発器能力比とねじれ角（α）との特性を示している。尚、図１１の縦軸の蒸発器能力比とは、蒸発器を平滑管で構成した場合の蒸発器能力を１００％とした時、冷媒（二酸化炭素）に５％の冷凍機油を含む場合の蒸発器能力の割合を示すものである。この蒸発器能力比は、ねじれ角（α）が大きくなるほど蒸発器能力比が低下する傾向にあるものの、ねじれ角（α）が１０度以下であればさほど変化しない。

そこで、上記熱交換器（20）を放熱器として用いた場合、上記熱交換器（20）を蒸発器として用いた場合の蒸発器能力比をも考慮してねじれ角（α）を１０度以下に設定している。

第２の発明は、圧縮機（11）と放熱器（20）と膨張機構（14）と蒸発器（13）とが冷媒配管で接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置を前提としている。

そして、上記冷凍装置の放熱器（20）が、第１の発明に記載の熱交換器用伝熱管（1）により構成されていることを特徴としている。

第２の発明では、第１の発明記載の熱交換器用伝熱管（1）を上記冷凍装置の放熱器（20）に用いることにより、放熱器（20）内の冷凍機油をスムーズに流動させることができる。これにより、放熱器（20）の伝熱管に形成される油膜を薄くすることができる。

本発明によれば、上記溝（2）のねじれ角（α）を現行伝熱管よりも小さくすることにより、上記二酸化炭素に溶けきれなかった冷凍機油をスムーズに流すことができる。これにより、上記現行伝熱管に比べて、上記溝（2）に形成される油膜を薄くすることができる。この油膜が薄くなると、二酸化炭素と上記内周面（4）との間の熱抵抗が小さくなるので、冷凍機油に起因して生じる伝熱管の伝熱性能の低下を最小限に抑えることができる。したがって、二酸化炭素を用いた冷凍装置において、上記熱交換器用伝熱管（1）を用いることにより、冷凍機油に起因して生じる冷凍装置の性能低下を最小限に抑えることが可能となる。

また、第２の発明によれば、上記冷凍装置に、第１の発明に記載の熱交換器用伝熱管（1）により構成された放熱器（20）を設けることにより、該放熱器（20）が熱交換器用伝熱管（1）により構成されていない場合に比べて、上記放熱器（20）に形成される冷凍機油の油膜を薄くすることができる。これにより、放熱器の伝熱性能の低下が最小限に抑えられるので、放熱器の放熱量も確保され、上記冷凍装置における冷凍機油の影響を最小限にすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態の熱交換器用伝熱管（1）（以下、伝熱管と言う。）は、二酸化炭素が封入された冷凍装置の放熱器（20）に用いるものである。

図１〜図３は、上記伝熱管（1）に形成される溝（2）の形状を示す図であり、図１は横断面図、図２は図１におけるＡ部の拡大図、図３は縦断面図である。

上記伝熱管（1）の内周面（4）には、図１に示すように複数の溝（2）と、各溝（2）の間に隣接するフィン（3）とが設けられている。この溝（2）及びフィン（3）は、図２に示すように、上記溝（2）の断面が逆台形状に形成され、上記フィン（3）の断面が先細の山形に形成されている。具体的には、上記溝（2）の底部には底部平坦部（2a）が形成され、該底部平坦部（2a）の両端には底部角部（2b）が形成されている。一方、上記フィン（3）は、先端部（3a）が円弧状に形成され、その両側には該先端部（3a）に連続する直線状の傾斜部（3b）がそれぞれ形成されている。そして、上記溝（2）と溝（2）との間にフィン（3）が隣接して配置されるように、上記底部角部（2b）と傾斜部（3b）とが連続している。

また、上記溝（2）と溝（2）との間の底部幅δは、傾斜部（3b）の延長線と底部平坦部（2a）の延長線との交点を結んだ距離で示される。フィン高さｈは、底部平坦部（2a）とフィン（3）の先細との間の長さである。

また、図３に示すように、これら溝（2）及びフィン（3）の延びる方向は、管軸方向に対して所定の角度（以下、ねじれ角（α）と言う。）をなす。ここで、本実施形態の伝熱管（1）は、このねじれ角（α）を０度以上１０度以下に最適化したものであり、この最適化した溝（２）が本発明の特徴である。

−実施形態の伝熱管を備えた冷凍装置の構成−
冷凍装置は、図７に示すように、圧縮機（11）と放熱器（20）と膨張弁（膨張機構）（14）と蒸発器（13）が冷媒配管で接続されてなる冷媒回路（10）を備えている。上記冷媒回路（10）には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。また、この冷凍装置（1）では、圧縮機（11）の各摺動部を潤滑するための冷凍機油として、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられている。そして、このＰＡＧは、圧縮機（11）から吐出された冷媒と共に冷媒回路（10）へ流出することになる。尚、上記冷媒回路（10）では、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクル（いわゆる超臨界サイクル）が行われる。

上記圧縮機（11）は、例えばスクロール型の圧縮機で構成されている。圧縮機（11）には、該圧縮機（11）の吐出冷媒が流出する吐出管（11a）と、該圧縮機（11）の吸入冷媒が流入する吸入管（11b）とがそれぞれ接続されている。

上記放熱器（20）は、室外空間に配置されており、その内部を流れる二酸化炭素と室外空気とが熱交換する。

上記蒸発器（13）は、室内空間に配置されている。蒸発器（13）では、その内部を流れる冷媒と室内空気とが熱交換する。また、上記膨張弁（14）は、放熱器（20）と蒸発器（13）との間に接続されている。上記膨張弁（14）は、例えば電子膨張弁で構成されている。

ここで、上記放熱器（20）の構成について説明する。上記放熱器（20）は、図８に示すように、クロスフィン型熱交換器（20）で構成されており、複数の平板状の伝熱フィン（21）を有する伝熱フィン群（22）と、複数の伝熱管（1）及び複数のＵ字管（23）を有する伝熱管群（28）とを備えている。特に、上記伝熱管（1）には、図１〜図３に示す伝熱管（1）が用いられている。ここで、複数の伝熱管（1）のうち、入口側端部（26）が形成された伝熱管（1）と出口側端部（27）が形成された伝熱管（1）とを除く伝熱管（1）の端部同士を上記Ｕ字管（23）で、図８のように接続することにより、該伝熱管群（28）に冷媒流路が形成される。そして、上記冷媒流路を超臨界圧の二酸化炭素が流れ、この二酸化炭素の流れと直交するように上記伝熱フィン群（22）の伝熱フィン（21）の間を空気が流れることにより、両者が熱交換を行う。

−運転動作−
次に、本実施形態に係る冷凍装置（1）における冷却運転の動作について説明する。図７に示す冷媒回路（10）において、圧縮機（11）で臨界圧力以上まで圧縮された二酸化炭素は、吐出管（11a）から吐出される。なお、圧縮機（11）からは、各摺動部の潤滑に利用されたＰＡＧが、この超臨界圧の二酸化炭素とともに吐出される。そして、吐出された二酸化炭素及びＰＡＧは放熱器（20）に流入する。

ここで、上記放熱器（20）の伝熱管（1）に流入するＰＡＧのうち、該二酸化炭素に溶けきれないＰＡＧは、二酸化炭素と分離して伝熱管（1）の内周面（4）を伝うように流れる。上述したように、二酸化炭素とＰＡＧとは相溶性が低いため、溶けきれないＰＡＧの油量は、二酸化炭素とＰＡＧとの相溶性が高い場合に比べて多い。したがって、例えば、上記伝熱管（1）が現行伝熱管で構成された場合、内周面（4）の全域に油膜が厚く形成され易くなる。しかしながら、上記伝熱管（1）は、現行伝熱管で規定した溝（2）よりもねじれ角（α）が小さい。したがって、内周面（4）を伝うように流れるＰＡＧの流動抵抗は減少する。流動抵抗が減少すると、ＰＡＧがスムーズに伝熱管（1）内を流動するため、ＰＡＧが溝（2）に捕捉されにくくなり、現行伝熱管で規定された溝（2）に比べて薄い油膜を形成する。

このように薄い油膜が形成された伝熱管（1）内を、二酸化炭素が室外空気へ放熱しながら通過する。そして、放熱器（20）を通過した二酸化炭素は、膨張弁（14）に流入する。膨張弁（14）に流入した二酸化炭素は、所定の圧力に減圧されて、低圧の二酸化炭素となる。そして、低圧の二酸化炭素は蒸発器（13）に流入し、室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内空気は冷却される。蒸発器（13）で蒸発した二酸化炭素は、吸入管（11b）から圧縮機（11）に吸入され、臨界圧力以上まで圧縮される。そして、超臨界圧の二酸化炭素は、再び吐出管（11a）より吐出される。このように二酸化炭素が冷媒回路（10）を循環することにより、室内が冷却される。

−実施形態の効果−
上記実施形態では、上記伝熱管（1）のねじれ角（α）を０度以上で１０度以下に最適化することにより、現行伝熱管で規定された溝（2）に比べて、内周面（4）に形成される油膜を薄くすることができる。この油膜が薄くなると、二酸化炭素と上記伝熱管（1）の内周面（4）との間の熱抵抗が小さくなるので、冷凍機油に起因する伝熱性能の低下を最小限に抑えることができる。したがって、二酸化炭素を用いた冷凍装置において、二酸化炭素と相溶性の低いＰＡＧを用いた場合であっても、実施形態の伝熱管（1）を用いることにより、そのＰＡＧに起因する冷凍装置の性能低下を最小限に抑えることが可能となる。

特に、図６に示すように、蒸発器（13）に図１〜図３に示す伝熱管（1）を用いた場合、ねじれ角（α）が１０度まで蒸発器能力比がほぼ同じであるので、放熱器（20）と蒸発器（13）の何れに適用しても所定の能力を発揮させることができる。

したがって、上記冷媒回路（10）が四路切換弁を備え、例えば、冷凍装置が冷暖房運転を切り換えて行うようにした場合、蒸発器能力と放熱器能力とが何れも所定値を発揮ｓることとなる。

〈その他の実施形態〉
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記冷凍装置は、冷房専用の空気調和装置に構成したが、冷暖房運転が可能な装置であってもよく、また、空気調和装置に限られず、冷蔵庫などの各種の冷凍装置に適用することができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、二酸化炭素を用いた冷媒回路に適用される熱交換器用伝熱管、及び熱交換器用伝熱管を備えた冷凍装置について有用である。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器用伝熱管の横断面図である。 図２は、図１のＡ部の拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係る熱交換器用伝熱管の縦断面図である。 図４は、放熱器の熱交換能力を予測するシミュレーションのモデル図である。 図５は、溝のねじれ角が放熱器能力比に及ぼす影響を示すグラフである。 図６は、溝のねじれ角が蒸発器能力比に及ぼす影響を示すグラフである。 図７は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 図８は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の放熱器の概略図である。

符号の説明

1 熱交換器用伝熱管
2 溝
2a 底部平坦部
2b 底部角部
3 フィン
3a 先端部
3b 傾斜部
10 冷媒回路
11 圧縮機
13 蒸発器
14 膨張機構（膨張弁）
20 放熱器

Claims (2)

1. 二酸化炭素が循環する冷媒回路（10）の熱交換器（20）に用いられるとともに、内周面（4）において連続する溝（2）を形成した熱交換器用伝熱管であって、
   上記溝（2）は、軸方向に平行又はねじれ角（α）が１０度以下である
   ことを特徴とする熱交換器用伝熱管。
2. 圧縮機（11）と放熱器（20）と膨張機構（14）と蒸発器（13）とが冷媒配管で接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置であって、
   上記放熱器（20）が、請求項１に記載の熱交換器用伝熱管により構成されている
   ことを特徴とする冷凍装置。

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