JP2011158177A

JP2011158177A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2011158177A
Application number: JP2010020080A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Marumoto; 一彦丸本; Akira Fujitaka; 章藤高; Yoshikazu Kawabe; 義和川邉
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】Ｒ４１０Ａに比べて比体積の大きな冷媒を用いた場合にも冷凍能力を高めることができる冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】Ｒ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用い、蒸発器、凝縮器は内面に螺旋状に複数の溝３１が設けられた伝熱管３０を有し、溝３１は緩やかな谷斜面４１と谷部の頂面４２と急な斜面４３であることを特徴とする蒸発器、凝縮器より構成された冷凍サイクル装置であって、蒸発器では圧力損失が小さく、凝縮器の場合には圧力損失が大きくなる流れ方向に使用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関する。

フロンの使用によるオゾン層破壊が問題化した後は、代替冷媒としてＨＣＦＣが用いられ、現在ではＨＦＣ（Ｒ４１０Ａ）が多く用いられているが、Ｒ４１０Ａ冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は１７３０と大きく、地球温暖化防止の観点から問題がある。

そこで、地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰの小さな冷媒として、例えばＧＷＰ４のハイドロフルオロオレフィン（例えばＨＦＯ１２３４ｙｆ）が提案されているが、本冷媒はＲ４１０Ａ冷媒に比べて単位体積当たりの冷凍能力が小さな冷媒である。

ところで、従来の冷凍サイクル装置において、溝形状により流れ方向によって圧力損失の異なる伝熱管を用いた熱交換器を使用したものが提案されている。（例えば特許文献１）。

特開平８−６１８７６号公報

地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰ４の小さな冷媒としてＨＦＯ１２３４ｙｆを用いることが望まれるが、冷凍能力を高める必要がある。また、機器の信頼性の観点から代替冷媒に適合した冷凍機油の選定を行う必要がある。

一方、特許文献１で提案されている冷凍サイクルでは、非共沸混合冷媒を用いて、図７に示すように蒸発器では圧力損失が大きくなる流れ方向に、凝縮器では圧力損失が小さくなる流れ方向に熱交換器を使用することで温度滑りによる熱交換器性能の低下を緩和して冷凍能力の向上を図っている。しかしながら、Ｒ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用いた場合には、熱交換器性能が低下するという課題がある。

本発明は、従来冷媒であるＲ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用いた場合に、蒸発器では圧力損失が小さくなる流れ方向に、凝縮器では圧力損失が大きくなる流れ方向に熱交換器を使用して、熱交換器性能の低下を抑制する冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、Ｒ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用い、圧縮機、冷房運転時は凝縮器となり暖房運転時には蒸発器となる室外熱交換器、絞り装置、冷房運転時は蒸発器となり暖房運転時には凝縮器となる室内熱交換器を順次接続して環状の冷媒回路より成り、前記蒸発器、前記凝縮器は内面に螺旋状に複数の溝が設けられた伝熱管を有し、前記溝は緩やかな谷斜面と谷部の頂面と急な斜面であることを特徴とする前記蒸発器及び前記凝縮器より構成された冷凍サイクル装置であって、前記蒸発器では圧力損失が小さく、前記凝縮器の場合には圧力損失が大きくなる流れ方向に使用することを特徴とする。

請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記蒸発器及び前記凝縮器の内面に螺旋状に複数の溝が設けられた伝熱管を有し、前記溝はその断面が略直角三角形であり、緩やかな斜面と略垂直に切り立った急斜面であることを特徴とする。

請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記熱交換器で二相冷媒が流れると考えられる前記蒸発器及び前記凝縮器の流れの略中間部の前記溝の密度を密にした伝熱管を有することを特徴とする。

請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記冷媒として、ハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒又は、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンを基本成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンとの一方又は両方を、地球温暖化係数が５以上７５０以下、望ましくは５以上３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を用いたことを特徴とする。

請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類及びポリカーボネート類の含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油を用いることを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器では圧力損失を低減でき、凝縮器では管内の熱伝達率を向上できるので熱交換器性能を向上することができる。

本発明の一実施例による冷凍サイクル装置の構成図本発明の一実施例による凝縮器又は蒸発器の構成部品である伝熱管の断面図本発明の一実施例による凝縮器又は蒸発器の溝の要部斜視図（ａ）は本発明の一実施例による伝熱管の内面の平面展開図（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図本発明の他の実施例による凝縮器又は蒸発器の溝の要部斜視図（ａ）は本発明の他の実施例による伝熱管の内面の平面展開図（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面図（ａ）従来の伝熱管の内面の平面展開図（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ断面図

本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、Ｒ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用い、内面に螺旋状に複数の溝が設けられた伝熱管を有し、その溝は緩やかな谷斜面と谷部の頂面と急な斜面であることを特徴とする蒸発器と凝縮器とより構成された冷凍サイクル装置で、蒸発器では圧力損失が小さく、凝縮器の場合には圧力損失が大きくなる流れ方向に使用する様にしたので、蒸発器では圧力損失を低減でき、凝縮器では管内の熱伝達率を向上できるので熱交換器性能を向上することができる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、蒸発器及び凝縮器の内面に螺旋状に複数の溝が設けられた伝熱管を有し、溝はその断面が略直角三角形であり、緩やかな斜面と略垂直に切り立った急斜面としたもので、蒸発器では圧力損失を低減でき、凝縮器では管内の熱伝達率をさらに向上できるので熱交換器性能を
向上することができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、二相冷媒が流れると考えられる蒸発器及び凝縮器の流れの略中間部の溝の密度を密にした伝熱管した、これにより蒸発器及び凝縮器を通る冷媒の状態の多くを占める二相状態部において、蒸発器では圧力損失を低減でき、凝縮器では管内の熱伝達率をさらに向上できるので熱交換器性能を向上することができる。

本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷媒として、ハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒又は、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンを基本成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンとの一方又は両方を、地球温暖化係数が５以上７５０以下、望ましくは５以上３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を用いたものである。本実施の形態によれば、地球温暖化係数の小さな冷媒を用いることで、回収されない冷媒が大気に放出されても地球温暖化に対してその影響を極少に保つことができる。

本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油を用いるものである。本実施の形態によれば、冷凍機油の変質を長年に亘って抑制できるので、Ｒ４１０Ａと同等の圧縮機信頼性を得ることができる。

（実施の形態１）
以下に、本発明の冷凍サイクル装置の一実施例について説明する。図１は実施の形態１による冷凍サイクル装置の構成図である。

実施の形態１による冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁２、冷媒と外気の熱を交換し冷房運転時は凝縮器となり暖房運転時には蒸発器となる室外熱交換器３、冷媒を減圧する絞り装置４、冷媒と室内空気の熱を交換し冷房運転時は蒸発器となり暖房運転時には凝縮器となる室内熱交換器５で構成される。圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、絞り装置４、及び室内熱交換器５は接続管で環状に接続されている。

室外ユニット１０には、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、絞り装置４を有し、室内ユニット１１には気液分離器５、室内熱交換器６、冷媒流量調整弁７を有している。そして室外ユニット１０と室内ユニット１１とは、液接続管２１とガス接続管２２とで接続されている。

冷房運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁２を通って室外熱交換器３に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり絞り装置４に送られる。絞り装置４では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、液接続管２１を通って室内熱交換器５に入り、室内空気と熱交換して吸熱して蒸発気化して低温のガス冷媒となる。このように、冷房運転時には室外熱交換器３は凝縮器となり、室内熱交換器５は蒸発器となる。

暖房運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁２を通ってガス接続管２２に送られる。そして、室内熱交換器５に入り室内空気と熱交換して放熱し、冷却されて高圧の液冷媒となる。このとき室内空気は加熱されて室内を暖房す
る。その後、冷媒は液接続管２１を通って絞り装置４に送られ、絞り装置４において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器３に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁２を経由して圧縮機１へ戻される。このように、暖房運転時には室外熱交換器３は蒸発器となり、室内熱交換器５は凝縮器となる。冷暖房運転での冷媒の流れとは異なり、蒸発器と凝縮器が逆になる。

また、本実施の形態１では冷媒としてハイドロフルオロオレフィンを基本成分としている。すなわち、Ｒ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用いており、蒸発器や凝縮器内の冷媒速度が増加することにより圧力損失が大きくなり熱交換器性能が低下することになる。特に冷媒圧力の低い蒸発器は冷媒流速の増加が大きく、圧力損失も大きくなる。従って、蒸発器では圧力損失の抑制を向上し、凝縮器では熱伝達率を向上することにより熱交換器の性能低下を抑制することになる。

次に、本発明の冷凍サイクル装置の凝縮器、蒸発器の詳細について説明する。図２は凝縮器又は蒸発器の構成部品である伝熱管３０の断面図である。伝熱管３０内面には冷媒との接触面積を増加させて性能向上をはかるため螺旋状の溝３１を形成している。

図３に示すように、溝３１はその螺旋状の中心線に対して垂直な断面２０の形状が台形の突起を示し、山部の頂面２１と山部の側面２２と谷部に底面２３で形成されており、台形状の突起の間に緩やかな谷斜面４１、谷部の頂面４２、頂面と急な斜面４３からなる堰４４を形成した。

図４において（ａ）は伝熱管３０の内面を平面に展開した図であり（ｂ）はＸ−Ｘ断面図である。溝３１部の堰４４は緩やかな谷斜面４１と谷部の頂面４２と谷部の頂面と急な斜面４３からなる。この構成により蒸発器流れの時には流れの抵抗が減少するため圧力損失が低減され、凝縮器流れの時には堰４４への接触抵抗が増加するため熱伝達率が増加する。

また、図５に示すように溝３１はその螺旋状の中心線に対して垂直な断面２０の形状が台形の突起を示し、山部の頂面２１と山部の側面２２と谷部に底面２３で形成されており、台形状の突起の間に緩やかな斜面５０、略垂直に切り立った急斜面５１で堰４４を形成した。

図６は本発明の冷凍サイクル装置の他の実施例での溝形状である。（ａ）は伝熱管３０の内面を平面に展開した図であり（ｂ）はＹ−Ｙ断面図である。溝３１部の堰４４はその断面が略直角三角形であり、緩やかな斜面５０と略垂直に切り立った急斜面５１からなる。この構成により蒸発器流れの時には流れの抵抗が減少するため圧力損失が低減され、凝縮器流れの時には堰４４への接触抵抗が増加熱するため熱伝達率が増加する。また、二相冷媒が流れると考えられる蒸発器及び凝縮器の流れの略中間部の前述の溝３１の密度を密にすることで熱交換器性能をさらに向上することができる。

前述したように、本実施の形態１による冷凍サイクル装置を構成する冷媒回路にはＲ４１０Ａ冷媒に比べて比体積の大きな冷媒を封入している。この冷媒は、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）を基本成分とし、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）とペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）とのいずれか一方又は両方を、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が５以上７５０以下、望ましくは５以上３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合したものである。または、ハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒（ＧＷＰ＝４）でも良い。

なお、Ｒ４１０Ａ冷媒に比べて比体積が大きい冷媒で、地球温暖化係数が５以上７５０
以下となる冷媒としては、例えば、ＨＦＣ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆとを混合することで得ることができる。なお、ＨＦＣ３２のＧＷＰは６７５でありＨＦＯ１２３４ｙｆのＧＷＰは４であるので、混合割合に関わらずその混合物のＧＷＰは６７５以下となる。ＨＦＣ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆを混合した場合の混合割合の範囲は、ＨＦＯ１２３４ｙｆが８．４ｗｔ％以下（ＨＦＣ３２が９１．６ｗｔ％以上）であればＧＷＰが３００以下となり、より好ましい。

また、圧縮機１に用いる冷凍機油は、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油である。これらの冷凍機油を用いることにより、冷凍機油の変質を長年に亘って抑制できるので、Ｒ４１０Ａと同等の圧縮機信頼性を得ることができる。

本発明によれば、例えばＧＷＰ４のＨＦＯ１２３４ｙｆをはじめとする、ＧＷＰの小さな冷媒を利用することができる。

１圧縮機
２四方弁
３室外熱交換器
４絞り装置
５室内熱交換器
３０伝熱管
３１溝
４１緩やかな谷斜面
４２谷部の頂面
４３頂面と急な斜面
５０緩やかな斜面
５１略垂直に切り立った急斜面

Claims

Ｒ４１０Ａより比体積の大きな冷媒を用い、圧縮機、冷房運転時は凝縮器となり暖房運転時には蒸発器となる室外熱交換器、絞り装置、冷房運転時は蒸発器となり暖房運転時には凝縮器となる室内熱交換器を順次接続して環状の冷媒回路より成り、前記蒸発器、前記凝縮器は内面に螺旋状に複数の溝が設けられた伝熱管を有し、前記溝は緩やかな谷斜面と谷部の頂面と急な斜面であることを特徴とする前記蒸発器、前記凝縮器より構成された冷凍サイクル装置であって、前記蒸発器では圧力損失が小さく、前記凝縮器の場合には圧力損失が大きくなる流れ方向に使用することを特徴とする冷凍サイクル装置。
蒸発器及び凝縮器は内面に螺旋状に複数の溝が設けられた伝熱管を有し、前記溝はその断面が略直角三角形であり、緩やかな斜面と略垂直に切り立った急斜面であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
二相冷媒が流れると考えられる蒸発器及び凝縮器の流れの略中間部の溝の密度を密にした伝熱管を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒として、ハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒、またはハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンを基本成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンとのいずれか一方又は両方を、地球温暖化係数が５以上７５０以下、望ましくは５以上３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を用いたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。