JP2011179718A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気の流れとの不適合の問題を発生させることなく、ＣＯＰの低下及び冷凍サイクルの理論効率の低下を防ぐことができる冷凍サイクル装置を得る。
【解決手段】冷媒圧縮機と第１熱交換器４と膨張装置と第２熱交換器とを冷媒配管で連通し、冷媒として非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、第１熱交換器４と第２熱交換器とは、冷媒配管に連通されて非共沸混合冷媒が流れるとともに空気と非共沸混合冷媒との間での熱交換が行なわれる伝熱管９を有し、第１熱交換器４と第２熱交換器との少なくとも一方は、少なくとも一部の伝熱管９内に非共沸混合冷媒が流れる２つ以上の冷媒流路１１を有し、隣合って位置する一方の冷媒流路１１と他方の冷媒流路１１内の冷媒流通方向とが互いに逆向きにし、それらの冷媒流路１１内を流れる非共沸混合冷媒間で熱交換を行なわせ、非共沸混合冷媒の温度グライドを緩和してＣＯＰの低下を防止する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置で使用される冷媒として、非共沸混合冷媒が知られている。非共沸混合冷媒の特徴としては、冷媒の相変化温度の変化、すなわち温度グライドの発生が挙げられる。温度グライドが生じる冷媒を用いる冷凍サイクル装置は、空気の流れ方向と冷媒（非共沸混合冷媒）の流れ方向とを対向する対向流とすることでＣＯＰ（熱交換効率）を改善することができる。

しかしながら、冷凍サイクル装置の一つである空気調和機においては、熱交換器（室内熱交換器、室外熱交換器）の形態などから、冷媒と空気とを完全に対向流とすることは難しく、しかも、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れ方向が逆方向となるので、冷房運転時と暖房運転時との双方において冷媒と空気とを対向流とすることはできない。

そして、空気と冷媒との流れ方向が対向流とは逆に同じ方向である並行流になると、温度グライドが発生しない冷媒を使用する場合よりもＣＯＰが大幅に低下する。

このような問題の対処策としては、特許文献１に記載されたように、冷房運転時と暖房運転時とのいずれの場合にも、一部において対向流となり他の一部において並行流となるようにした折衷案が提案されている。

また、特許文献２に記載されたように、冷媒の入口部、中間部、出口部で異なる管径の伝熱管を用い、圧力損失を意図的に生じさせて温度グライドをなくす方法が提案されている。

特開平１１−３０４２５９号公報 特開平０８−００５２６９号公報

しかし、特許文献１に記載された方法では、空気と冷媒とが並行流となる部分で冷媒の相変化温度が決定されるため、ＣＯＰの低下を防止することは難しい。

特許文献２に記載された方法では、蒸発部でしか利用することができず、凝縮部では温度グライドが増大する。また、圧力損失による温度グライドの消失は、ＣＯＰを改善させることができるものの、冷凍サイクルの理論効率を低下させため、必ずしも有効な手段とはならない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、対向流、並行流といった空気の流れとの不適合の問題を発生させることなく、ＣＯＰの低下及び冷凍サイクルの理論効率の低下を防ぐことができる冷凍サイクル装置を得ることである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、冷媒圧縮機と第１熱交換器と膨張装置と第２熱交換器とを冷媒配管で連通し、冷媒として非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とは、前記冷媒配管に連通されて前記非共沸混合冷媒が流れるとともに空気と前記非共沸混合冷媒との間での熱交換が行なわれる伝熱管を有し、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との少なくとも一方は、少なくとも一部の前記伝熱管内に前記非共沸混合冷媒が流れる２つ以上の冷媒流路を有し、隣合って位置する一方の前記冷媒流路内の冷媒流通方向と他方の前記冷媒流路内の冷媒流通方向とが互いに逆向きになっている、ことである。

本発明によれば、対向流、並行流といった空気の流れとの不適合の問題を発生させることなく、ＣＯＰの低下及び冷凍サイクルの理論効率の低下を防ぐことができ、冷凍サイクル装置の性能を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態の空気調和機を示す模式図である。 室外熱交換器の構造を示す断面図である。 室内熱交換器内の冷媒の温度の状態を説明するグラフである。 本発明の第２の実施の形態の空気調和機の室外熱交換器の構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を、図１ないし図３に基づいて説明する。冷凍サイクル装置である空気調和機１は、図１に示すように、冷媒圧縮機２と、四方弁３と、第１熱交換器である室外熱交換器４と、膨張装置５と、第２熱交換器である室内熱交換器６と、アキュムレータ７とを冷媒配管８で連通して形成されている。なお、この空気調和機１では、冷媒として非共沸混合冷媒が使用されている。

この空気調和機１において、冷房運転時には、冷媒圧縮機２から吐出された非共沸混合冷媒は、実線の矢印で示すように、四方弁３を介して室外熱交換器４に供給され、室外熱交換器４内で外気と熱交換して凝縮される。凝縮されて液体となった非共沸混合冷媒は、室外熱交換器４から流出して膨張装置５を介して室内熱交換器６内に流入し、室内熱交換器６内で室内空気と熱交換して蒸発して気体となり、室内空気を冷却する。室内熱交換器６から流出した気体の非共沸混合冷媒は、四方弁３及びアキュムレータ７を介して冷媒圧縮機２内に吸い込まれる。

一方、暖房運転時には、冷媒圧縮機２から吐出された非共沸混合冷媒は、破線の矢印で示すように、四方弁３を介して室内熱交換器６に供給され、室内熱交換器６内で室内空気と熱交換して凝縮され、室内空気を加熱する。凝縮されて液体となった非共沸混合冷媒は、室内熱交換器６から流出して膨張装置５を介して室外熱交換器４内に流入し、室外熱交換器４内で室外空気と熱交換して蒸発する。蒸発して気体となった非共沸混合冷媒は、室外熱交換器４から流出し、四方弁３及びアキュムレータ７を介して冷媒圧縮機２内に吸い込まれる。

以後、順次同様に冷媒が循環して空気調和機１の運転が継続される。

室外熱交換器４内には、図２に示すように、伝熱管９が配管されている。この伝熱管９内には、２系統の細管１０ａ，１０ｂが配管され、これらの細管１０ａ，１０ｂ内が非共沸混合冷媒が流れる冷媒流路１１とされている。なお、伝熱管９は、押し出し成型により、その内部に細径通路（細管）１０ａ、１０ｂを形成しても良いし、通常の管（大径管と小径管）を用い、例えば、大径の伝熱管９の内側と小径の細管１０ａ，１０ｂの外側との間に、伝熱性の良い物質、例えば金属を充填したりして製作しても良い。なお、室内熱交換器６も室外熱交換器４と同じ構造である。

一方の細管１０ａの一端には入口Ａが設けられ、細管１０ａの他端には出口Ａが設けられている。入口Ａから流入した非共沸混合冷媒は、矢印Ａで示すように細管１０ａ内を伝熱管９におけるＰ７、Ｐ８、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１０で示した箇所に沿って流れ、出口Ａから流出する。

他方の細管１０ｂの一端には入口Ｂが設けられ、細管１０ｂの他端には出口Ｂが設けられている。入口Ｂから流入した非共沸混合冷媒は、矢印Ｂで示すように細管１０ｂ内を伝熱管９におけるＰ７、Ｐ８、Ｐ６、Ｐ５、Ｐ４、Ｐ３、Ｐ２、Ｐ１、Ｐ９、Ｐ１０で示した箇所に沿って流れ、出口Ｂから流出する。

出口Ａから流出した非共沸混合冷媒と出口Ｂから流出した非共沸混合冷媒とは合流し、膨張装置５（冷房運転時）又は四方弁３（暖房運転時）に向けて流れる。

ここで、室外熱交換器４における破線で示した領域“Ｘ”内に位置するＰ１〜Ｐ６で示した伝熱管９内の細管１０ａ，１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒は２相状態で流れ、領域“Ｘ”外に位置するＰ７〜Ｐ８、Ｐ９〜Ｐ１０で示した伝熱管９の細管１０ａ，１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒は単相状態で流れる。

そして、領域“Ｘ”内に位置するＰ１〜Ｐ６で示した伝熱管９内において隣合っている細管１０ａ，１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒の流れ方向（冷媒流通方向）が、互いに逆向きとなっている。

このような構成において、空気調和機１を暖房運転する場合における室外熱交換器４内での非共沸混合冷媒の流れ方、非共沸混合冷媒の温度状態について説明する。

空気調和機１の冷媒配管８内を流れる非共沸混合冷媒は、液体の状態で室外熱交換器４の入口Ａと入口Ｂとに分岐して流入する。入口Ａから流入した非共沸混合冷媒は、細管１０ａ内を伝熱管９におけるＰ７、Ｐ８、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１０で示した箇所に沿って流れ、出口Ａから流出する。また、入口Ｂから流入した非共沸混合冷媒は、細管１０ｂ内を伝熱管９におけるＰ７、Ｐ８、Ｐ６、Ｐ５、Ｐ４、Ｐ３、Ｐ２、Ｐ１、Ｐ９、Ｐ１０で示した箇所に沿って流れ、出口Ｂから流出する。

非共沸混合冷媒は、細管１０ａ，１０ｂ内を流れる過程において外気中から熱を吸収し、次第に気化するとともに温度が上昇する。そして、伝熱管９におけるＰ１〜Ｐ６で示した領域“Ｘ”内では、細管１０ａ，１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒は液体と気体との２相状態で流れ、温度グライドが発生する。なお、伝熱管９におけるＰ７〜Ｐ８で示した領域内の細管１０ａ，１０ｂ内を流れている非共沸混合冷媒は液体の単相状態であり、伝熱管９におけるＰ９〜Ｐ１０で示した領域内の細管１０ａ，１０ｂ内を流れている非共沸混合冷媒は気体の単相状態である。

図３のグラフは、暖房運転時における細管１０ａ，１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒の温度変化状態、及び、伝熱管９の表面温度を示したものである。

図３のグラフにおける“ａ”は、細管１０ａ内を流れる非共沸混合冷媒の温度を示しており、非共沸混合冷媒の入口側である伝熱管９のＰ１の領域で最も温度が低く、非共沸混合冷媒の出口側である伝熱管９のＰ６の領域で最も高くなっている。また、図３のグラフにおける“ｂ”は、細管１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒の温度を示しており、非共沸混合冷媒の入口側である伝熱管９のＰ６の領域で最も温度が低く、非共沸混合冷媒の出口側である伝熱管９のＰ１の領域で最も高くなっている。

したがって、細管１０ａ内を流れる非共沸混合冷媒と細管１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒との間で熱交換が起こり、伝熱管９の表面温度は、図３のグラフにおいて“ｃ”で示すようにＰ１〜Ｐ６の領域で略一定となっている。

これにより、この室外熱交換器４によれば、領域“Ｘ”の範囲内では、非共沸混合冷媒の温度グライドが緩和されてＣＯＰの低下を防止することができ、さらに、非共沸混合冷媒の温度グライドを緩和させるために非共沸混合冷媒の圧力損失を生じさせるという構成ではないため、冷凍サイクルの理論効率の低下が起こらない。これにより、冷凍サイクル性能の良い空気調和機１を得ることができる。

ここで、例えば、暖房運転時の空気調和機１の高圧側の冷媒は、一般に過熱状態から過冷却状態まで変化し、過冷却度の増加が冷凍サイクル性能向上に寄与している。一方、空気調和機の低圧側では、２相状態から過熱状態まで変化し、過熱度が冷媒圧縮機の信頼性に寄与している。そのため、過熱域と過冷却域まで非共沸混合冷媒の冷媒流通方向を互いに逆向きとして熱交換器に流すと、高圧側の過熱域と高圧側の過冷却域とで熱交換が行われ、一方、低圧側でも、低圧側の過熱域と低圧側の２層域とで熱交換が行われるため、それぞれ過熱度、過冷却度がやや減少する。したがって、非共沸混合冷媒の冷媒流通方向を互いに逆向きとして熱交換を行なわせる範囲を熱交換器の伝熱管全体に適用しても冷凍サイクル装置の性能向上は図れるが、非共沸混合冷媒が２相状態で流れる範囲とすることにより、より冷凍サイクル性能の向上を図ることができ、好ましい。

なお、空気調和機１を冷房運転する場合には、空気調和機１の冷媒配管８内を流れる非共沸混合冷媒の流れ方向は暖房運転時とは逆向きとなり、室外熱交換器４の出口Ａと出口Ｂとから気体の非共沸混合冷媒が流入し、室外熱交換器４内で凝縮されて液体となり、入口Ａと入口Ｂとから流出する。この場合にも、細管１０ａ，１０ｂ内では非共沸混合冷媒が気体から液体になる過程で次第に温度が下がる。しかし、細管１０ａ内を流れる非共沸混合冷媒と細管１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒との冷媒流通方向が互いに逆向きとなる。このため、暖房運転時の場合と同様に、細管１０ａ内を流れる非共沸混合冷媒と細管１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒との間で熱交換が起こり、伝熱管９の表面温度は、Ｐ１〜Ｐ６の領域で略一定となる。

また、室内熱交換器６は室外熱交換器４と同じ構造であるので、室内熱交換器６においても室外熱交換器４と同様に、細管１０ａ内を流れる非共沸混合冷媒と細管１０ｂ内を流れる非共沸混合冷媒との間で熱交換が起こり、伝熱管９の表面温度は、Ｐ１〜Ｐ６の領域で略一定となる。

なお、本実施の形態では、伝熱管９内に２本の細管１０ａ，１０ｂを配管した場合を例に挙げて説明したが、伝熱管９内に配管される細管の数は２本とは限らず、３本以上の細管を配管してもよい。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

第２の実施の形態の基本的な構成は第１の実施の形態と同じであり、異なる点は、室外熱交換器４内の冷媒流路１２ａ，１２ｂの構成である。なお、第２の実施の形態においても、室外熱交換器４と室内熱交換器６とは同じ構造である。

室外熱交換器４内に配管された伝熱管９の一部には、その内部に仕切板１３が設けられ、伝熱管９の一部には仕切板１３により仕切られた２つの冷媒流路１２ａ，１２ｂが形成されている。なお、伝熱管９内に仕切板１３により仕切られた冷媒流路１２ａ，１２ｂが形成されている領域“Ｙ”は、伝熱管９内を流れる非共沸混合冷媒が気体と液体との２相状態で流れる領域である。

室外熱交換器４内を流れる非共沸混合冷媒の一部は、入口ａから伝熱管９内に流入した後、実線の矢印で示すように冷媒流路１２ａ内を流れ、出口ａから流出する。また、室外熱交換器４内を流れる非共沸混合冷媒の他の一部は、入口ｂから伝熱管９内に流入した後、破線の矢印で示すように冷媒流路１２ｂ内を流れ、出口ｂから流出する。

ここで、冷媒流路１２ａ内を流れる非共沸混合冷媒の流れ方向（冷媒流通方向）と、冷媒流路１２ｂ内を流れる非共沸混合冷媒の流れ方向（冷媒流通方向）とが互いに逆向きとなっている。

このような構成において、室外熱交換器４を含む空気調和機を暖房運転する場合には、液体状態の非共沸混合冷媒が入口ａ，入口ｂから流入し、伝熱管９の冷媒流路１２ａ，１２ｂ内を蒸発しながら流れ、気体となった状態で出口ａ，出口ｂから流出する。

非共沸混合冷媒が冷媒流路１２ａ，１２ｂ内を流れる場合、冷媒流路１２ａ内を流れる非共沸混合冷媒の冷媒流通方向と冷媒流路１２ｂ内を流れる非共沸混合冷媒との冷媒流通方向とが互いに逆向きとなるため、冷媒流路１２ａ内を流れる非共沸混合冷媒と冷媒流路１２ｂ内を流れる非共沸混合冷媒との間で熱交換が起こり、伝熱管９の表面温度は領域“Ｙ”の範囲内で略一定となっている。

これにより、この室外熱交換器４によれば、領域“Ｙ”の範囲内では、非共沸混合冷媒の温度グライドが緩和されてＣＯＰの低下を防止することができ、さらに、非共沸混合冷媒の温度グライドを緩和させるために非共沸混合冷媒の圧力損失を生じさせるという構成ではないため、冷凍サイクルの理論効率の低下が起こらない。これにより、冷凍サイクル性能の良い空気調和機１を得ることができる。

１…冷凍サイクル装置（空気調和機）、２…冷媒圧縮機、４…第１熱交換器（室外熱交換器）、５…膨張装置、６…第２熱交換器（室内熱交換器）、８…冷媒配管、９…伝熱管、１０ａ，１０ｂ…細管、１１…冷媒流路、１２ａ，１２ｂ…冷媒流路、１３…仕切板

Claims (4)

1. 冷媒圧縮機と第１熱交換器と膨張装置と第２熱交換器とを冷媒配管で連通し、冷媒として非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、
   前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とは、前記冷媒配管に連通されて前記非共沸混合冷媒が流れるとともに空気と前記非共沸混合冷媒との間での熱交換が行なわれる伝熱管を有し、
   前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との少なくとも一方は、少なくとも一部の前記伝熱管内に前記非共沸混合冷媒が流れる２つ以上の冷媒流路を有し、
   隣合って位置する一方の前記冷媒流路内の冷媒流通方向と他方の前記冷媒流路内の冷媒流通方向とが互いに逆向きになっている、
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 隣合って位置する一方の前記冷媒流路内の冷媒流通方向と他方の前記冷媒流路内の冷媒流通方向とが互いに逆向きになっている領域は、前記非共沸混合冷媒が２相状態で流れる領域であることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷媒流路は、前記伝熱管内に設けられた細管内に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒流路は、前記伝熱管内を仕切板により仕切ることにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。

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