JP2017036900A - 放熱器およびそれを用いた超臨界圧冷凍サイクル - Google Patents

放熱器およびそれを用いた超臨界圧冷凍サイクル Download PDF

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猛志 竹田
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峰正 大村
仁宣 佐藤
Yoshinobu Sato
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Abstract

【課題】熱交換性能を高め、冷媒流路出口での冷媒温度をより低くすることができる放熱器およびそれを用いた超臨界圧冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【解決手段】多数のプレートフィン31と、多数の伝熱管群33により並列に形成される複数の冷媒流路34Aないし34Fとを備え、超臨界圧の冷媒を放熱する放熱器19であって、冷媒流路34Aないし34Fは、それぞれプレートフィン31の上方部に設けられる入口伝熱管40Aないし40Cと、プレートフィン31の下方部に設けられる出口伝熱管42A1,42A2と、入口伝熱管40Aないし40Cと出口伝熱管42A1,42A2との間に設けられる中間伝熱管41A1ないし41C1,41A2,41B2,41A3,41B3とを備え、各冷媒流路34Aないし34Fの流路断面積は、入口伝熱管40Aないし40Cから出口伝熱管42A1,42A2にかけて漸次減少されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、超臨界圧力に昇圧された冷媒を放熱させて冷却する放熱器およびその放熱器を用いた超臨界圧冷凍サイクルに関するものである。
冷媒にCO2(二酸化炭素)を用いた超臨界圧冷凍サイクルでは、そのCO2冷媒を超臨界圧力に昇圧する圧縮機と、該圧縮機から吐出されたCO2冷媒を放熱させて冷却する放熱器(ガスクーラ)とを備えている(例えば、特許文献1参照)。この種の超臨界圧冷凍サイクルに適用する放熱器としては、一般に所定のピッチで配置された多数のプレートフィンと、そのプレートフィンに挿通され、内部を冷媒が流れる複数本の伝熱管とを備えたフィンアンドチューブ式の熱交換器が用いられており、外気との熱交換の高効率化を図っている。
さらに、かかるフィンアンドチューブ式の熱交換器として、並列に形成された複数の冷媒流路を備え、冷却または加熱能力の向上を図ったものが知られている(例えば、特許文献2および3参照)。
特開2007−232365号公報 特開平7−208822号公報 特開平8−121915号公報
上記の如く、冷媒が超臨界圧力まで昇圧される構成の超臨界圧冷凍サイクルでは、冷媒は放熱器で冷却されても凝縮することはなく、顕熱変化がなされる超臨界圧状態のガス冷媒として放熱器を流通する。かかる構成の冷凍サイクルの成績係数(COP)を向上させるには、放熱器の熱交換性能を高め、各冷媒流路出口での冷媒温度をより低くすることが望ましい。
しかし、従来の放熱器の構成では、一の冷媒流路の出口伝熱管と自己または他の冷媒流路の入口伝熱管とが隣り合うように配置されているため、入口伝熱管を流れる高温の冷媒によって、冷媒の出口温度が上昇されるおそれがあった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、熱交換性能を高め、冷媒流路出口での冷媒温度をより低くすることができる放熱器およびそれを用いた超臨界圧冷凍サイクルを提供することを目的とする。
上記した課題を解決するため、本発明の放熱器およびそれを用いた超臨界圧冷凍サイクルは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる放熱器は、上下方向に延在し、所定のピッチで配置される多数のプレートフィンと、前記プレートフィンに多段に挿通される多数の伝熱管群により並列に形成される複数の冷媒流路と、を備え、超臨界圧力に昇圧された冷媒を放熱する放熱器であって、前記複数の冷媒流路は、それぞれ前記プレートフィンの上方部に設けられる入口伝熱管と、前記プレートフィンの下方部に設けられる出口伝熱管と、前記入口伝熱管と前記出口伝熱管との間に設けられる中間伝熱管とを備え、前記各冷媒流路の流路断面積は、前記入口伝熱管から前記出口伝熱管にかけて漸次減少されていることを特徴とする。
本発明によれば、複数の冷媒流路は、それぞれプレートフィンの上方部に入口伝熱管が設けられるととともに、プレートフィンの下方部に出口伝熱管が設けられるため、一の冷媒流路の出口伝熱管と自己または他の冷媒流路の入口伝熱管とを離間して配置することができる。また、入口伝熱管と出口伝熱管との間に中間伝熱管が設けられるため、入口伝熱管と出口伝熱管とが隣り合うことがなく、しかも各冷媒流路の流路断面積が入口伝熱管から出口伝熱管にかけて漸次減少されているため、冷却が進んで冷媒のガス密度(比重)が大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することができる。従って、入口伝熱管を流れる高温の冷媒で冷媒出口温度が上昇されることがなく、しかも放熱器の性能向上によって放熱器出口での冷媒温度をより低くでき、冷凍サイクルの成績係数(COP)を向上することができる。
さらに、本発明の放熱器は、上記の放熱器において、前記各冷媒流路の流路断面積は、前記入口伝熱管、前記中間伝熱管および前記出口伝熱管のサーキット数を漸次減らすことにより減少されていることを特徴とする。
本発明によれば、各冷媒流路の流路断面積が、入口伝熱管、中間伝熱管および出口伝熱管のサーキット数を漸次減らすことにより減少されているため、入口伝熱管から入った冷媒が中間伝熱管および出口伝熱管を流通する間に冷却が進み、冷媒のガス密度(比重)が大きくなったとしても、各冷媒流路の流路断面積が冷媒流れ方向に漸次減少されていることから、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することができる。従って、放熱器の熱交換性能を高め、冷媒出口温度をより低下することにより、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。
さらに、本発明の放熱器は、上記の放熱器において、前記各冷媒流路の流路断面積は、前記入口伝熱管、前記中間伝熱管および前記出口伝熱管の流路径を漸次小さくすることにより減少されていることを特徴とする。
本発明によれば、各冷媒流路の流路断面積が、入口伝熱管、中間伝熱管および出口伝熱管の流路径を漸次小さくすることにより減少されているため、入口伝熱管から入った冷媒が中間伝熱管および出口伝熱管を順次流通する間に冷却が進み、冷媒のガス密度(比重)が大きくなったとしても、各冷媒流路の流路断面積が冷媒流れ方向に漸次減少されていることから、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持上することができる。従って、放熱器の熱交換性能を高め、冷媒出口温度をより低くすることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。
さらに、本発明の放熱器は、上述のいずれかの放熱器において、前記各冷媒流路は、それぞれ前記冷媒を上段の前記入口伝熱管から下段の前記出口伝熱管へと流通する構成とされていることを特徴とする。
本発明によれば、各冷媒流路が、それぞれ冷媒を上段の前記入口伝熱管から下段の出口伝熱管へと流通する構成とされているため、超臨界圧とされた冷媒は放熱器で冷却されても凝縮されることはなく、ガス密度(比重)は大きくなるものの、冷媒流路が上段の伝熱管から下段の伝熱管に冷媒を流す構成とされていることから、重力により放熱器内での冷媒の流通を促進することができる。従って、放熱器の熱交換効率を向上し、冷媒出口温度をより低下させることができる。
さらに、本発明の放熱器は、上述のいずれかの放熱器において、上下に区分けされた複数の熱交換部を備え、前記各冷媒流路は、それぞれ上方の熱交換部から下方の熱交換部に向けて前記冷媒を流す構成とされていることを特徴とする。
本発明によれば、上下に区分けされた複数の熱交換部を備え、各冷媒流路がそれぞれ上方の熱交換部から下方の熱交換部へ向けて冷媒を流す構成とされているため、上方の熱交換部から下方の熱交換部へ向けて漸次低下する温度勾配を形成することができる。これによって、放熱器内での温度むらを抑えて熱交換効率を向上し、冷媒出口温度をより低下させることができる。
さらに、本発明の放熱器は、上述のいずれかの放熱器において、前記各冷媒流路は、それぞれ前記入口伝熱管に連なる第1中間伝熱管と、前記出口伝熱管に連なる第2中間伝熱管もしくは第3中間伝熱管とを備え、前記各冷媒流路の前記第1中間伝熱管、前記第2中間伝熱管もしくは前記第3中間伝熱管がすべて接続される中間ヘッダを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、冷媒流路が、それぞれ入口伝熱管に連なる第1中間伝熱管と、出口伝熱管に連なる第2中間伝熱管もしくは第3中間伝熱管とを備え、各冷媒流路の第1中間伝熱管、第2中間伝熱管もしくは第3中間伝熱管がすべて接続される中間ヘッダを備えているため、冷媒流路の入口伝熱管での冷媒分配が不適当であった場合でも、冷媒が中間ヘッダにて一度集約された後、各冷媒流路に再分配されるため、冷媒の分配を適正化することができる。これによって、各冷媒流路への冷媒分配を適正化し、放熱器の熱交換性能を向上させ、冷媒出口温度をより低下させることができる。
さらに、本発明の放熱器は、上述のいずれかの放熱器において、前記伝熱管群は、前記プレートフィンに多列多段に挿通され、前記入口伝熱管は、前記出口伝熱管よりも風下側の列に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、伝熱管群が、プレートフィンに多列多段に挿通され、入口伝熱管が出口伝熱管よりも風下側の列に配置されているため、入口伝熱管を流れる高温の冷媒と熱交換して昇温した空気により出口伝熱管を流れる冷媒が加熱されるのを防止し、冷媒出口温度の上昇を抑制することができる。従って、放熱器の冷媒出口温度をより低くし、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。
さらに、本発明にかかる超臨界圧冷凍サイクルは、上述のいずれかの放熱器と、冷媒を超臨界圧力まで昇圧する圧縮機と、減圧装置と、負荷側熱交換器とを配管接続した閉サイクルの冷媒回路を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、超臨界圧冷凍サイクルが、上述のいずれかの放熱器と、冷媒を超臨界圧力まで昇圧する圧縮機と、減圧装置と、負荷側熱交換器とを配管接続した閉サイクルの冷媒回路を備えた構成とされているため、熱交換効率および熱交換性能を向上させた高性能の放熱器を組み込むことにより、冷媒の冷却効果を高め、放熱器出口での冷媒温度をより低くすることができる。従って、成績係数(COP)を一層高くした超臨界圧冷凍サイクルを提供することができる。
本発明の放熱器によると、一の冷媒流路の出口伝熱管と自己または他の冷媒流路の入口伝熱管とを離間して配置することができるとともに、入口伝熱管と出口伝熱管とが隣り合うことがなく、また冷却が進んで冷媒のガス密度(比重)が大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することができるため、入口伝熱管を流れる高温の冷媒で冷媒出口温度が上昇されることがなく、しかも放熱器の性能向上によって放熱器出口での冷媒温度をより低くでき、冷凍サイクルの成績係数(COP)を向上することができる。
本発明の超臨界圧冷凍サイクルによると、熱交換効率および熱交換性能を向上させた高性能の放熱器を組み込むことにより、冷媒の冷却効果を高め、放熱器出口での冷媒温度をより低くすることができるため、成績係数(COP)を一層高くした超臨界圧冷凍サイクルを提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る超臨界圧冷凍サイクルの構成図である。 上記超臨界圧冷凍サイクルのモリエル線図である。 上記超臨界圧冷凍サイクルに適用される放熱器の模式図である。 上記放熱器の他の実施形態(1)の模式図である。 上記放熱器の他の実施形態(2)の模式図である。 上記放熱器の他の実施形態(3)の模式図である。 上記放熱器の他の実施形態(4)の模式図である。 上記放熱器の他の実施形態(5)の模式図である。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1ないし図3を用いて説明する。
図1には、本発明の第1実施形態に係る超臨界圧冷凍サイクルの構成図が示され、図2には、そのモリエル線図、図3には、そのサイクルに適用される放熱器の模式図が示されている。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれることは云うまでもない。
本実施形態に係る超臨界圧冷凍サイクル10は、図1に示されるように、熱源ユニット11と負荷ユニット12とを備え、該熱源ユニット11および負荷ユニット12間を液冷媒配管13およびガス冷媒配管14により接続して閉サイクルの冷媒回路15を構成したものとされている。この閉サイクルの冷媒回路15内には、高圧側が超臨界圧力となる二酸化炭素冷媒(以下、CO2冷媒という。)が充填されている。CO2冷媒は、環境への負荷が小さく、毒性、可燃性がなく安全で安価であるという利点を有する冷媒である。
なお、冷媒としては、高圧側が超臨界圧力となるものであれば、他の冷媒を用いてもよいことはもちろんである。
熱源ユニット11は、冷媒を圧縮する圧縮機16を備えており、該圧縮機16の吐出側には、冷媒吐出管17を介してオイルセパレータ18、放熱器(ガスクーラ)19および膨張弁(減圧装置)20が順次接続されている。膨張弁20の出口側には、液化された冷媒が流通する熱源ユニット側液冷媒配管30が接続され、この熱源ユニット側液冷媒配管30は、上記液冷媒配管13に接続されている。また、圧縮機16の吸込側には、熱源ユニット側冷媒吸込管21が接続され、この熱源ユニット側冷媒吸込管21は、図示省略のアキュムレータ等を介して上記ガス冷媒配管14に接続されている。
上記圧縮機16は、密閉ハウジング22内に電動モータおよび圧縮要素23を備えたものであり、ここでの圧縮要素23は、低段圧縮要素と高段圧縮要素とを備えた2段圧縮可能なものとされ、冷媒吸込管21を通して吸い込んだ低圧の冷媒ガスを圧縮し、超臨界圧力まで昇圧した高温高圧の冷媒ガスを冷媒吐出管17に吐出するものとされている。圧縮要素23は、図示省略の電動モータにより駆動され、その電動モータの運転周波数を変更することにより、回転数が調整可能なものとされている。また、密閉ハウジング22の内部には、圧縮要素23の各部(軸受部や摺動部)を潤滑するためのオイルが収容されるとともに、密閉ハウジング22内のオイル量を検知するセンサ29が設けられている。
オイルセパレータ18は、圧縮機16から吐出された高圧冷媒ガス(超臨界圧力)中に含まれるオイルを冷媒から分離するものである。このオイルセパレータ18は、分離したオイルを圧縮機16の密閉ハウジング22に戻すオイル戻し管24を備え、該オイル戻し管24は、電磁弁25、キャピラリ管(絞り)26を介して、冷媒吸込管21に接続されている。本実施形態では、電磁弁25は、オイル量を検知する上記センサ29の信号に基づいて開閉されるようになっている。
ガスクーラ19は、圧縮機16から吐出された高温高圧(超臨界圧力)の冷媒ガスを外気と熱交換させ、放熱して冷却するものである。ガスクーラ19は、後述のとおり、フィンアンドチューブ式の熱交換器により構成されており、その熱交換器に対して外気を送風する送風ファン(図示省略)が対向配設された構成されている。
また、膨張弁20は、ガスクーラ19により冷却されたガス冷媒を減圧(膨張)して液化させるものである。
一方、負荷ユニット12は、上記した液冷媒配管13およびガス冷媒配管14に接続される負荷ユニット側配管27と、この負荷ユニット側配管27に設けられている蒸発器(負荷側熱交換器)28とを備えたものであり、液冷媒配管13を経て供給された液冷媒を蒸発器28で蒸発させ、空気等の被冷却対象物を冷却する冷房用の室内機、あるいは各種冷凍・冷蔵用の冷却機器として使用されるものである。蒸発器28は、ガスクーラ19と同様にフィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されており、その熱交換器に対して被冷却空気を通風する送風ファン(図示省略)が配設された構成とされている。
蒸発器28は、被冷却空気から吸熱して液冷媒が蒸発させ、その空気を冷却することによって、冷房あるいは冷凍・冷蔵に供するものであり、蒸発器28で蒸発した低温低圧の冷媒ガスは、ガス冷媒配管14、アキュムレータ、冷媒吸込管21を経て圧縮機16に吸い込まれ、再度圧縮されるようになっている。なお、本実施形態で、負荷ユニット12を1台接続した例について説明したが、蒸発器28を有する負荷ユニット12を複数台並列に接続した構成としてもよい。この場合、各負荷ユニット側配管27における蒸発器28の入口側(液冷媒配管13側)にそれぞれ膨張弁20を設けることが望ましい。
上記した超臨界圧冷凍サイクル10では、冷媒が超臨界圧力まで昇圧されるため、この冷媒はガスクーラ19で冷却されても凝縮することはなく、顕熱変化がなされたガス冷媒としてガスクーラ19を通過する。図2には、超臨界圧力に昇圧した冷媒の超臨界圧冷凍サイクル10のモリエル線図が示されている。この図2において、点Aは圧縮機16の吸込側での冷媒の圧力とエンタルピを示す。同様に、点Bはガスクーラ19の入口側、点Cはガスクーラ19の出口側、点Dは蒸発器28の入口側における冷媒の圧力とエンタルピを示す。また、図2における破線は各等温線を示している。
上記のように、ガスクーラ19では冷却による顕熱変化がなされる。この場合、図2に示すように、120℃から100℃迄のエンタルピ量、100℃から80℃迄のエンタルピ量、80℃から60℃迄のエンタルピ量、60℃から約35℃迄のエンタルピ量をそれぞれa、b、c、dとすると、該エンタルピ量は、a<b<c<dとなり、特に、60℃から約35℃迄のエンタルピ量dは、他の温度帯のエンタルピ量に比べて大きい。このように、ガスクーラ19における冷媒出口温度をより低くすることにより、その分だけ冷却効果を大きくすることができ、成績係数(COP)を向上することができる。
以下に、冷媒出口温度をより低くすることができるガスクーラ(放熱器)19の構成について説明する。図3には、本実施形態に係るガスクーラ19の模式図が示されている。
ガスクーラ19は、図3に示されるように、上下方向に延在し、所定の間隔(ピッチ)で互いに平行に配設された多数の短冊状のプレートフィン31と、これら多数のプレートフィン31を貫通する複数本の伝熱管からなる伝熱管群33とを備え、紙面に直交する方向に空気が流れるようになっている。
伝熱管群33は、プレートフィン31の上下方向に1列多段(本実施形態では12段)に配置されており、その伝熱管群33により、入口側では複数(本実施形態では3つ)に分岐された冷媒流路34A,34B,34Cが並列に形成され、そこから出口側に向って冷媒流路数(サーキット数)が2つの冷媒流路34D,34E減少され、更に出口側において単一の冷媒流路34Fとされるように放熱器内冷媒流路が形成されている。
このように、入口側において冷媒流路を複数の冷媒流路34A,34B,34Cに分岐し、その冷媒流路数を入口から出口にかけて漸次減少させた放熱器内冷媒流路を形成することにより、冷媒が各冷媒流路34A,34B,34Cに分配されて流れるため、各冷媒流路34A,34B,34Cを流れる冷媒の流量を低減することができるとともに、そこから出口側の単一の冷媒流路34に至るまでの間の冷媒流路長を短くできるため、ガスクーラ19での冷媒の圧力損失を低減し、成績係数の向上を図ることができる。
また、ガスクーラ19内での冷媒流路数(サーキット数)を入口側から出口側にかけて漸次減少させ、それに伴って冷媒流路の流路断面積を漸次減少させることにより、ガスクーラ19で冷媒の冷却が進み、それに伴い冷媒のガス密度(比重)が次第に大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することにより、高い熱交換性能を得ることができる。
上記ガスクーラ19は、オイルセパレータ18を経た入口管35(冷媒吐出管17)に接続された入口ヘッダ36と、出口側ヘッダ38とを備え、この入口ヘッダ36と出口側ヘッダ38との間に、入口側の3つの冷媒流路34A,34B,34Cを、先ず2つの冷媒流路34D,34Eに減らし、更に出口側の単一の冷媒流路34Fに、3→2→1のパターンで冷媒流路数(サーキット数)を減少させた放熱器内冷媒流路を形成している。この放熱器内冷媒流路は、各々4本の伝熱管を接続して形成され、ガスクーラ19の高さ方向(上下方向)の上方から下方に向けて冷媒を流す構成とされ、最下段の出口伝熱管42Cが膨張弁20に至る出口管37(冷媒吐出管17)に接続された構成とされている。
入口側の冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ入口ヘッダ36に接続された入口伝熱管40A,40B,40Cを備えており、これら入口伝熱管40A,40B,40Cは、プレートフィン31の上部(1段、3段、5段)に配置されている。また、出口側において複数の冷媒流路34D,34Eを単一の冷媒流路34Fに合流する出口側ヘッダ38には、第3中間伝熱管41A3,41B3が接続・配置され、その下方に出口管37(冷媒吐出管17)に連なる出口伝熱管42A1,42A2が配置されている。これら第3中間伝熱管41A3,41B3および出口伝熱管42A1,42A2は、プレートフィン31の下部(8段、10段、11段および12段)に配置されている。
冷媒流路34Aは、入口伝熱管40AにU字管43を介して接続された第1中間伝熱管41A1を備えている。この冷媒流路34Aは、第3中間伝熱管41A3,41B3に対しU字管43を介して接続された第2中間伝熱管41A2,41B2を備えた冷媒流路34D,34Eの双方に中間ヘッダ44を介して連通されている。第1中間伝熱管41A1は、入口伝熱管40Aの1段下方に配置され、第2中間伝熱管41A2は、第3中間伝熱管41A3の1段上方に配置されている。また、第1中間伝熱管41A1と第2中間伝熱管41A2および41B2とは、中間ヘッダ44を介して連通されている。従って、冷媒流路34Aに流入した冷媒は、入口伝熱管40A、第1中間伝熱管41A1を経て、第2中間伝熱管41A2、第3中間伝熱管41A3または第2中間伝熱管41B2、第3中間伝熱管41B3の順に上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流れるようになる。
同様に、冷媒流路34Bは、入口伝熱管40BにU字管43を介して接続される第1中間伝熱管41B1を備えている。該冷媒流路34Bは、第3中間伝熱管41A3,41B3にU字管43を介して接続された第2中間伝熱管41A2,41B2を備えた冷媒流路34D,34Eの双方に中間ヘッダ44を介して連通されている。第1中間伝熱管41B1は、入口伝熱管40Bの1段下方に配置され、第2中間伝熱管41B2は、第3中間伝熱管41B3の1段上方に配置されている。また、第1中間伝熱管41B1と第2中間伝熱管41A2および41B2とは、中間ヘッダ44を介して連通されている。従って、冷媒流路34Bに流入した冷媒は、入口伝熱管40B、第1中間伝熱管41B1を経て、第2中間伝熱管41A2、第3中間伝熱管41A3または第2中間伝熱管41B2、第3中間伝熱管41B3の順に上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流れるようになる。
更に、冷媒流路34Cは、入口伝熱管40CにU字管43を介して接続される第1中間伝熱管41C1を備えている。この冷媒流路34Cは、第3中間伝熱管41A3,41B3にU字管43を介して接続された第2中間伝熱管41A2,41B2を備えた冷媒流路34D,34Eの双方に中間ヘッダ44を介して連通されている。第1中間伝熱管41C1は、入口伝熱管40Cの1段下方に配置されている。また、第1中間伝熱管41C1と第2中間伝熱管41A2および41B2とは、上記した中間ヘッダ44を介して連通されている。これによって、冷媒流路34Cに流入した冷媒は、入口伝熱管40C、第1中間伝熱管41C1を経て、第2中間伝熱管41A2、第3中間伝熱管41A3または第2中間伝熱管41B2、第3中間伝熱管41B3の順に上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流れるようになっている。
つまり、3つの冷媒流路34A,34B,34Cに分配されてガスクーラ19に流入した冷媒は、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1および中間ヘッダ44を経て第2中間伝熱管41A2,41B2および第3中間伝熱管41A3,41B3によって形成される2つの冷媒流路34D,34Eに流入するようになっており、この間に冷媒流路数(サーキット数)が3から2に減少され、流路断面積が3分の2に減少されるようになっている。
さらに、出口側ヘッダ38には、第3中間伝熱管41B3の1段下方において出口伝熱管42A1が接続・配置され、この出口伝熱管42A1の1段下方に、出口管37(冷媒吐出管17)に接続されている出口伝熱管42A2がU字管43を介して接続・配置されている。この出口側ヘッダ38は、第2中間伝熱管41A2,41B2および第3中間伝熱管41A3,41B3により形成される2つの冷媒流路34D,34Eを流通した冷媒を合流し、出口伝熱管42A1,42A2により形成される単一の冷媒流路34Fへと流すためのものであり、ここで冷媒流路数(サーキット数)が2から1に減少され、流路断面積が更に2分の1に減少されるようになっている。
また、ガスクーラ19は、高さ方向(上下方向)に複数(本実施形態では2つ)に区分された上部熱交換部45と下部熱交換部46とを備えている。ここで、入口側の冷媒流路34A,34B,34Cは、上部熱交換部45側に形成されている。具体的には、冷媒流路34A,34B,34Cを構成する入口伝熱管40A,40B,40Cおよび第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1が上部熱交換部45に設けられ、これに中間ヘッダ44を介して下流側の冷媒流路34D,34Eおよび34Fを形成する第2中間伝熱管41A2,41B2、第3中間伝熱管41A3,41B3および出口伝熱管42A1,42A2が接続され、下部熱交換部46が設けられた構成とされている。
このように、本構成によると、入口側の冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれプレートフィン31の上部側に入口伝熱管40A,40B,40Cおよび第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1が配設されるととともに、プレートフィン31の下部側に下流側の単一の冷媒流路34Fを形成する出口伝熱管42A1,42A2が配設された構成とされているため、冷媒流路34Fを構成する出口伝熱管42A1,42A2を自己または他の冷媒流路を形成する入口伝熱管40A,40B,40Cから離間して配置することができる。
さらに、入口側の冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ入口伝熱管40A,40B,40Cと、出口伝熱管42A1,42A2との間に第1中間伝熱管(中間伝熱管)41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管(中間伝熱管)41A2,41B2並びに第3中間伝熱管(中間伝熱管)41A3,41B3が配設されているため、入口伝熱管40A,40B,40Cと出口伝熱管42A1,42A2とが隣り合うこともない。
従って、入口伝熱管40A,40B,40Cを流れる高温(例えば100〜120℃)の冷媒によって、出口伝熱管42A1,42A2を流れる冷媒の温度上昇を抑制することができるため、冷凍サイクルの成績係数(COP)を向上することができる。
また、ガスクーラ19内の冷媒流路34A,34B,34C,34D,34E,34Fにおいて、冷媒は、入口伝熱管40A,40B,40C、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2、第3中間伝熱管41A3,41B3および出口伝熱管42A1,42A2の順に、上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流通する。この間、超臨界圧力まで昇圧された冷媒は、ガスクーラ19で凝縮することはないものの、冷却に伴い冷媒ガスの密度(比重)が大きくなる。このため、冷媒を上段の伝熱管から下段の伝熱管に流すように放熱器内冷媒流路を構成することにより、重力によって冷媒の流通を促進し、熱交換効率の向上を図ることができる。
また、上記した放熱器内冷媒流路において、冷媒は上段の伝熱管から下段の伝熱管へと徐々に冷却されるため、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差を所定温度以下にすることができ、隣り合った伝熱管の間での熱移動を抑えることができる。図2に示すモリエル線図を参照すると、本実施形態では、ガスクーラ19の出入口温度差が85℃となっているため、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差を20℃〜25℃程度に抑えることができる。また、一般的にガスクーラ19の出入口温度差は60℃程度であるため、この場合には、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差を15℃程度に抑えることができる。
さらに、ガスクーラ19は、上下に区分けされた上部熱交換部45と下部熱交換部46とを備え、放熱器内冷媒流路を形成する冷媒流路34A,34B,34C,34D,34E,34Fは、それぞれ上部熱交換部45から下部熱交換部46に向けて順次冷媒が流れる構成となっているため、上部熱交換部45から下部熱交換部46に向けて温度が低下する温度勾配が形成される。従って、ガスクーラ19の温度むらを抑えることができる。
また、各冷媒流路34A,34B,34C,34D,34E,34Fは、入口伝熱管40A,40B,40Cに連なる第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1と、出口伝熱管42A1,42A2に連なる第2中間伝熱管41A2,41B2および第3中間伝熱管41A3,41B3とを備え、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2および第3中間伝熱管41A3,41B3がすべて接続される中間ヘッダ44を備えるため、入口側の冷媒流路34A,34B,34Cの入口伝熱管40A,40B,40Cでの冷媒の分配が不適当であったとしても、冷媒は中間ヘッダ44に一度集約された後、冷媒流路34D,34Eに流れる際に再分配されるため、分配を適正化することができる。このため、ガスクーラ19での冷媒分配を均一化し熱交換を十分行わせることができる。
さらに、本実施形態においては、ガスクーラ19内の冷媒流路の流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させている。つまり、入口側の冷媒流路34A,34B,34Cに対して、その下流に連なる冷媒流路34D,34Eおよび冷媒流路34Fの冷媒流路数(サーキット数)を3→2→1と漸次減少させ、放熱器内冷媒流路の流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させた構成としている。このため、ガスクーラ19で冷媒の冷却が進み、それに伴い冷媒のガス密度(比重)が次第に大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することによって、高い熱交換性能を得ることができ、ガスクーラ19を高性能化することができる。
次に、本発明の他の実施形態(1)ないし(5)ついて、図4ないし図8を用いて説明する。
[他の実施形態(1)]
図4には、他の実施形態(1)に係るガスクーラの模式図が示されている。
この実施形態は、冷媒流路数(サーキット数)を漸次減少させることによって、ガスクーラ50内の冷媒流路の流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させたものではなく、冷媒流路を形成する伝熱管の流路径を変えることにより放熱器内冷媒流路の流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させたものである。
本実施形態において、伝熱管群33は、プレートフィン31の上下方向に1列多段(本実施形態では12段)に配置され、その伝熱管群33により複数(本実施形態では3つ)の冷媒流路34A,34B,34Cが並列に形成されている。
このように、冷媒流路34A,34B,34Cを複数形成(サーキット数3)することにより、冷媒が各冷媒流路34A,34B,34Cに分配されて流れるため、各冷媒流路34A,34B,34Cを流れる冷媒の流量を低減することができるとともに、各冷媒流路34A,34B,34Cの流路長を短くできるため、ガスクーラ50での冷媒の圧力損失を低減し、成績係数の向上を図ることができる。
ガスクーラ50は、オイルセパレータ18を経た入口管35(冷媒吐出管17)に接続された入口ヘッダ36と、膨張弁20に至る出口管37(冷媒吐出管17)に接続された出口側ヘッダ38とを備え、これら入口ヘッダ36と出口側ヘッダ38との間に、入口から出口にかけて3つの冷媒流路34A,34B,34Cが形成されている。この冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ4本の伝熱管を接続して形成され、ガスクーラ50の高さ方向(上下方向)の上方から下方に向けて冷媒が流れるようになっている。
冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ入口ヘッダ36に接続された入口伝熱管40A,40B,40Cを備えている。各入口伝熱管40A,40B,40Cは、プレートフィン31の上部(1段、3段、5段)に配置されている。また、冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ出口側ヘッダ38に接続された出口伝熱管42A,42B,42Cを備えている。これら出口伝熱管42A,42B,42Cは、プレートフィン31の下部(8段、10段、12段)に配置されている。
冷媒流路34Aは、入口伝熱管40AにU字管43を介して接続された第1中間伝熱管41A1と、出口伝熱管42AにU字管43を介して接続された第2中間伝熱管41A2とを備えている。第1中間伝熱管41A1は、入口伝熱管40Aの1段下方に配置され、第2中間伝熱管41A2は、出口伝熱管42Aの1段上方に配置されている。また、第1中間伝熱管41A1と第2中間伝熱管41A2とは、中間ヘッダ44を介して連通されている。これにより、冷媒流路34Aは、入口伝熱管40A、第1中間伝熱管41A1、第2中間伝熱管41A2、出口伝熱管42Aの順に、上段の伝熱管から下段の伝熱管に冷媒が流れるようになっている。
同様に、冷媒流路34Bは、入口伝熱管40BにU字管43を介して接続された第1中間伝熱管41B1と、出口伝熱管42BにU字管43を介して接続された第2中間伝熱管41B2とを備えている。第1中間伝熱管41B1は、入口伝熱管40Bの1段下方に配置され、第2中間伝熱管41B2は、出口伝熱管42Bの1段上方に配置されている。また、第1中間伝熱管41B1と第2中間伝熱管41B2とは、上記した中間ヘッダ44を介して連通されている。これにより、冷媒流路34Bは、入口伝熱管40B、第1中間伝熱管41B1、第2中間伝熱管41B2、出口伝熱管42Bの順に、上段の伝熱管から下段の伝熱管に冷媒が流れるようになっている。
さらに、冷媒流路34Cは、入口伝熱管40CにU字管43を介して接続された第1中間伝熱管41C1と、出口伝熱管42CにU字管43を介して接続された第2中間伝熱管41C2とを備えている。第1中間伝熱管41C1は、入口伝熱管40Cの1段下方に配置され、第2中間伝熱管41C2は、出口伝熱管42Cの1段上方に配置されている。また、第1中間伝熱管41C1と第2中間伝熱管41C2とは、上記した中間ヘッダ44を介して連通されている。これにより、冷媒流路34Cは、入口伝熱管40C、第1中間伝熱管41C1、第2中間伝熱管41C2、出口伝熱管42Cの順に、上段の伝熱管から下段の伝熱管に冷媒が流れるようになっている。
ここで、各冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれの流路を形成している4本の伝熱管、すなわち入口伝熱管40A,40B,40C、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2および出口伝熱管42A,42B,42Cの流路径が、入口伝熱管>第1中間伝熱管>第2中間伝熱管>出口伝熱管の関係を満たす流路径とされている。これによって、各冷媒流路34A,34B,34Cの流路断面積が入口側から出口側にかけて漸次減少されるように設定されている。なお、ここでの各管の流路径は、円形管の内径を表したものであるが、円形管以外の管の場合は、その直径換算値である流体直径を意味するものであり、円形管以外の管を用いたものも本発明に含まれるものとする。
また、ガスクーラ50は、高さ方向(上下方向)に複数(本実施形態では2つ)に区分けされた上部熱交換部45と下部熱交換部46とを備えている。上記冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ上部熱交換部45および下部熱交換部46を順次流通するように形成されている。具体的には、冷媒流路34Aは、入口伝熱管40Aおよび第1中間伝熱管41A1が上部熱交換部45に設けられ、中間ヘッダ44を介して、第2中間伝熱管41A2および出口伝熱管42Aが下部熱交換部46に設けられている。
同様に、冷媒流路34Bは、入口伝熱管40Bおよび第1中間伝熱管41B1が上部熱交換部45に設けられ、第2中間伝熱管41B2および出口伝熱管42Bが下部熱交換部46に設けられている。また、冷媒流路34Cは、入口伝熱管40Cおよび第1中間伝熱管41C1が上部熱交換部45に設けられ、第2中間伝熱管41C2および出口伝熱管42Cが下部熱交換部46に設けられている。
このように、本実施形態では、冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれプレートフィン31の上部側に入口伝熱管40A,40B,40Cが設けられるととともに、プレートフィン31の下部側に出口伝熱管42A,42B,42Cが設けられているため、各冷媒流路34A,34B,34Cの出口伝熱管42A,42B,42Cを自己または他の冷媒流路34A,34B,34Cの入口伝熱管40A,40B,40Cから離間して配置することができる。
更に、冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ入口伝熱管40A,40B,40Cと、出口伝熱管42A,42B,42Cとの間に第1中間伝熱管(中間伝熱管)41A1,41B1,41C1および第2中間伝熱管(中間伝熱管)41A2,41B2,41C2が設けられているため、入口伝熱管40A,40B,40Cと出口伝熱管42A,42B,42Cとが隣り合うこともない。従って、入口伝熱管40A,40B,40Cを流れる高温(例えば100〜120℃)の冷媒によって、冷媒の出口温度が上昇するのを抑制することができるため、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。
また、冷媒流路34A,34B,34Cは、入口伝熱管40A,40B,40C、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2、出口伝熱管42A,42B,42Cの順に、上段の伝熱管から下段の伝熱管に冷媒が流れるようになっている。超臨界圧冷凍サイクル10において、圧縮機16により超臨界圧力まで昇圧された冷媒は、ガスクーラ50で凝縮することはないものの、冷却に伴い冷媒ガスの密度(比重)が大きくなる。このため、冷媒を上段の伝熱管から下段の伝熱管に流すように冷媒流路34A,34B,34Cを構成することにより、重力によって冷媒の流通が促進され、熱交換効率の向上を図ることができる。
また、冷媒流路34A,34B,34Cは、上段の伝熱管から下段の伝熱管へと徐々に冷媒が冷却されるため、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差を所定温度以下にすることができ、隣り合った伝熱管の間での熱移動を抑えることができる。図2のモリエル線図を参照すると、本実施形態では、ガスクーラ50の出入口での冷媒温度差が85℃となっているため、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差を20℃〜25℃程度に抑えることができる。また、通常、ガスクーラ50の出入口温度差は60℃程度であるため、この場合には、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差を15℃程度に抑えることができる。
さらに、ガスクーラ50は、上下に区分けされた上部熱交換部45と下部熱交換部46とを備え、冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ上部熱交換部45から下部熱交換部46に向けて順次冷媒が流れる構成となっているため、上部熱交換部45から下部熱交換部46に向けて温度が低下する温度勾配が形成され、ガスクーラ50の温度むらを抑えることができる。
また、冷媒流路34A,34B,34Cは、入口伝熱管40A,40B,40Cに連なる第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1と、出口伝熱管42A,42B,42Cに連なる第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2とを備え、各冷媒流路34A,34B,34Cの第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1および第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2がすべて接続される中間ヘッダ44を備えているため、冷媒流路34A,34B,34Cの入口伝熱管40A,40B,40Cでの冷媒の分配が不適当であったとしても、冷媒は中間ヘッダ44に一度集約された後、各冷媒流路34A,34B,34Cに再分配されるため、分配を適正化することができる。従って、ガスクーラ50での熱交換を十分に行わせることができる。
また、ガスクーラ50内の冷媒流路の流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させている。つまり、各冷媒流路34A,34B,34Cを形成している入口伝熱管40A,40B,40C、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2および出口伝熱管42A,42B,42Cの流路径(内径)を、入口伝熱管>第1中間伝熱管>第2中間伝熱管>出口伝熱管の関係を満たす大きさに設定し、各冷媒流路34A,34B,34Cの流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させるようにしている。このため、ガスクーラ50冷媒の冷却が進み、それに伴い冷媒のガス密度(比重)が次第に大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することにより高い熱交換性能を得ることができる。
[他の実施形態(2)]
図5には、他の実施形態(2)に係るガスクーラの模式図が示されている。
このガスクーラ50において、上記したガスクーラ50と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態のガスクーラ50では、各冷媒流路34A,34B,34Cは、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1と第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2とがそれぞれ連結管47A,47B,47Cを介して接続されている。この構成では、中間ヘッダ44が不要となるため、ガスクーラ50の小型化を実現できる。
なお、本実施形態において、各冷媒流路34A,34B,34Cを形成している入口伝熱管40A,40B,40C、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2および出口伝熱管42A,42B,42Cの流路径が、入口伝熱管>第1中間伝熱管>第2中間伝熱管>出口伝熱管の関係を満たす大きさとされていることは云うまでもない。
また、上記した他の実施形態(1),(2)では、冷媒流路34A,34B,34Cは、中間伝熱管として、それぞれ第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1と第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2の2本ずつを備える構成としたが、冷媒流量やプレートプレート31の大きさに応じて本数を適宜変更しても良い。中間伝熱管は少なくとも1本設ければよく、冷媒流路を入口伝熱管、中間伝熱管、出口伝熱管の3本により1往復半して流れる最少構成としても良い。この構成では、冷媒の出口は、伝熱管の延びる方向における冷媒の入口とは反対側に位置する。
このように、各冷媒流路34A,34B,34Cを3パスで構成した場合、ガスクーラ50の出入口での冷媒温度差は85℃となる(図2参照)ため、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差は、25℃〜30℃程度に抑えることができる。この構成では、上記冷媒流路を4本の伝熱管(4パス)で形成したものに比べ、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差が高くなり、30℃程度になることも考えられる。また、通常、ガスクーラ19の出入口温度差は60℃程度であるため、この場合、隣り合った伝熱管を流れる冷媒の温度差は、20℃程度に抑えることができる。
また、上記した各実施形態では、伝熱管の配置する間隔(ピッチ)を同一にしたが、例えば、上部熱交換部45と下部熱交換部46との間、冷媒流路34Cの第1中間伝熱管41C1と、冷媒流路34Aの第2中間伝熱管41A2との間を、1本分余計に間隔を広げても良い。この構成では、上部熱交換部45と下部熱交換部46との熱伝達が抑制されるため、冷媒出口温度の上昇をより抑えることができる。
[他の実施形態(3)]
図6には、他の実施形態(3)に係るガスクーラの模式図が示されている。
上記した各実施形態では、ガスクーラ19,50は、1列の伝熱管群33を備えた構成としているが、この実施形態では、複数列の伝熱管群33を備えた構成としている点が相違している。上記したガスクーラ19,50と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のガスクーラ60は、図6に示すように、多列多段(この実施形態では2列6段)の伝熱管によって形成される伝熱管群33を備える。伝熱管群33は、各列の伝熱管の高さ位置を異ならせて形成され、風下側の列の伝熱管の方が風上側の列の伝熱管よりもわずかに上方に配置されている。また、ガスクーラ60は、伝熱管群33により並列に形成された入口側の3つの冷媒流路34A,34B,34C、それに順次接続される2つの冷媒流路34D,34E、単一の冷媒流路34Fを備えている。
入口側の冷媒流路34A,34B,34Cは、入口ヘッダ36に接続される入口伝熱管40A,40B,40Cを備えている。これら入口伝熱管40A,40B,40Cは、プレートフィン31の風下側の列の上部(1段、2段、3段)に配置されている。また、出口側の冷媒流路34Fは、出口側ヘッダ38に接続される出口伝熱管42A1,42A2を備えている。これら出口伝熱管42A1,42A2は、プレートフィン31の風下側および風上側の列の最下部(6段)に配置されている。
冷媒流路34Aは、入口伝熱管40AにU字管(図示省略)を介して接続される第1中間伝熱管41A1を備えている。この冷媒流路34Aは、第3中間伝熱管41A3,41B3にU字管(図示省略)を介して接続される第2中間伝熱管41A2,41B2を備えた冷媒流路34D,34Eの双方に中間ヘッダ44を介して連通されている。第1中間伝熱管41A1は、入口伝熱管40Aの隣の列(風上側の列)の最上段に配置され、第2中間伝熱管41A2は、第3中間伝熱管41A3の隣の列(風下側の列)の下部(4段)に配置されている。また、第1中間伝熱管41A1と第2中間伝熱管41A2とは、中間ヘッダ44を介して連結されている。これにより、冷媒流路34Aに流入した冷媒は、入口伝熱管40A、第1中間伝熱管41A1を経て、第2中間伝熱管41A2、3中間伝熱管41A3または第2中間伝熱管41B2、3中間伝熱管41B3の順に、上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流れるようになっている。
同様に、冷媒流路34Bは、入口伝熱管40BにU字管を介して接続される第1中間伝熱管41B1を備えている。冷媒流路34Bは、第3中間伝熱管41A3,41B3にU字管を介して接続された第2中間伝熱管41A2,41B2を備えた冷媒流路34D,34Eの双方に中間ヘッダ44を介して連通されている。第1中間伝熱管41B1は、入口伝熱管40Bの隣の列(風上側の列)の上部(2段)に配置され、第2中間伝熱管41B2は、第3中間伝熱管41B3の隣の列(風下側の列)の下部(5段)に配置されている。また、第1中間伝熱管41B1と第2中間伝熱管41A2および41B2とは、中間ヘッダ44を介して連通されている。これにより、冷媒流路34Bに流入した冷媒は、入口伝熱管40B、第1中間伝熱管41B1を経て、第2中間伝熱管41A2、第3中間伝熱管41A3または第2中間伝熱管41B2、第3中間伝熱管41B3の順に上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流れるようになっている。
更に、冷媒流路34Cは、入口伝熱管40CにU字管を介して接続される第1中間伝熱管41C1を備えている。該冷媒流路34Cは、第3中間伝熱管41A3,41B3にU字管を介して接続された第2中間伝熱管41A2,41B2を備えた冷媒流路34D,34Eの双方に中間ヘッダ44を介して連通されている。第1中間伝熱管41C1は、入口伝熱管40Cの隣の列(風上側の列)の上部(3段)に配置されている。これにより、冷媒流路34Cに流入した冷媒は、入口伝熱管40C、第1中間伝熱管41C1を経て、第2中間伝熱管41A2、第3中間伝熱管41A3または第2中間伝熱管41B2、第3中間伝熱管41B3の順に上段の伝熱管から下段の伝熱管へと流れるようになっている。
つまり、3つの冷媒流路34A,34B,34Cに分配されてガスクーラ60に流入した冷媒は、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1および中間ヘッダ44を経て第2中間伝熱管41A2,41B2および第3中間伝熱管41A3,41B3によって形成される2つの冷媒流路34D,34Eに流入するようになっており、この間に冷媒流路数(サーキット数)が3から2に減少され、流路断面積が3分の2に減少されるようになっている。
さらに、出口側ヘッダ38には、第3中間伝熱管41B3の隣の列(風下側の列)の最下部(6段)位置に出口伝熱管42A1が接続・配置され、この出口伝熱管42A1の隣の列(風上側の列)の最下部(6段)位置に、出口管37(冷媒吐出管17)に接続されている出口伝熱管42A2がU字管43を介して接続・配置されている。この出口側ヘッダ38は、第2中間伝熱管41A2,41B2および第3中間伝熱管41A3,41B3により形成される2つの冷媒流路34D,34Eを流通した冷媒を合流し、出口伝熱管42A1,42A2により形成される単一の冷媒流路34Fへと流すためのものであり、ここで冷媒流路数(サーキット数)が2から1に減少され、流路断面積が更に2分の1に減少されるようになっている。
また、ガスクーラ60は、高さ方向(上下方向)に2つに区分けされた上部熱交換部45と下部熱交換部46とを備える。そして、入口側の3つの冷媒流路34A,34B,34Cは、それぞれ上部熱交換部45に設けられ、中間の2つの冷媒流路34D,34Eおよび出口側の単一の冷媒流路34Fは、中間ヘッダ44を介して、それぞれ下部熱交換部46に設けられ、冷媒が上部熱交換部45から下部熱交換部46へと順次流通されるようになっている。
この実施形態では、伝熱管群33は、プレートフィン31に2列6段に挿通され、入口側の各冷媒流路34A,34B,34Cの入口伝熱管40A,40B,40Cは、冷媒出口側の第3中間伝熱管41A3,41B3および出口伝熱管42A1,42A2の上部の離れた位置であって、かつ風下側の列に配置されるため、入口伝熱管40A,40B,40Cを流れる高温の冷媒と熱交換した空気が有する熱の影響を抑制し、冷媒の出口温度の上昇を抑えることできる。
また、本実施形態によっても、入口側の冷媒流路34A,34B,34Cに対して、その下流に連なる冷媒流路34D,34Eおよび冷媒流路34Fの冷媒流路数(サーキット数)を3→2→1と漸次減少させ、放熱器内冷媒流路の流路断面積を入口側から出口側にかけて漸次減少させた構成とすることができる。従って、ガスクーラ19で冷媒の冷却が進み、それに伴い冷媒のガス密度(比重)が次第に大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することによって、高い熱交換性能を得ることができ、ガスクーラ19を高性能化することができる。
[他の実施形態(4),(5)]
図7および図8には、他の実施形態(4)および(5)に係るガスクーラの模式図が示されている。
これら実施形態は、図5に示した他の実施形態(2)と同様に、中間ヘッダ44を省略化したものであって、かつ伝熱管群33を図6に示した他の実施形態(3)の如く、多列多段(この実施形態では2列6段)に配設したものである。
これらガスクーラ65,70において、上記したガスクーラ19,60と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。ガスクーラ65は、図7に示すように、冷媒流路34A,34B,34Cは、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1と第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2とがそれぞれ連結管51A,51B,51Cを介して接続されている。この構成では、中間ヘッダ44が不要となるため、ガスクーラ65の小型化を実現できる。
また、入口伝熱管40A,40B,40Cと出口伝熱管42A,42B,42Cとが隣り合わず、各冷媒流路34A,34B,34がそれぞれ冷媒を上段の伝熱管から下段の伝熱管に流すように構成されている限りにおいて、各伝熱管の配置構成は適宜変更することが可能である。例えば、ガスクーラ70では、図8に示すように、入口伝熱管40A,40B,40Cが、すべて風下側の列に設けられるわけではなく、1本の入口伝熱管40Bを風上側の列の最上段に設けてもよい。また、出口伝熱管42A,42B,42Cについても、すべて風上側の列に設ける必要はなく、1本の出口伝熱管42Bを風下側の列の最下段に設けてもよい。
この変形例に係るガスクーラ70は、上記したガスクーラ65と同様、中間ヘッダ44を設けることなく、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1と第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2とが連結管52A,52B,52Cを介して接続されている。この構成においても、連結管52A,52B,52Cの代わりに中間ヘッダ44を設けても良い。
さらに、上記ガスクーラ65,70にあって、それぞれの冷媒流路34A,34B,34Cの流路断面積が、冷媒入口側から出口側にかけて漸次減少されるように、入口伝熱管40A,40B,40C、第1中間伝熱管41A1,41B1,41C1、第2中間伝熱管41A2,41B2,41C2および出口伝熱管42A,42B,42Cの流路径(内径)が、入口伝熱管>第1中間伝熱管>第2中間伝熱管>出口伝熱管の関係を満たす大きさとされていることは云うまでもなく、従って、ガスクーラ19で冷媒の冷却が進み、それに伴い冷媒のガス密度(比重)が次第に大きくなったとしても、冷媒の流速低下を防止し、熱交換効率を維持することにより、高い熱交換性能を得ることができることは、上記した実施形態と同様である。
なお、上記した実施形態では、各冷媒流路34Aないし34Fの流路断面積を、入口側から出口側にかけて漸次減少されるため、各冷媒流路のサーキット数を漸次減少させるようにしたものと、伝熱管の流路径(内径)を漸次減少させるようにしたものとを複数例ずつ例示したが、サーキット数を漸次減少させると同時に伝熱管の流路径(内径)を漸次減少させるようにしてもよいことはもちろんである。
10 超臨界圧冷凍サイクル
15 冷媒回路
16 圧縮機
19、50、60、65,70 ガスクーラ(放熱器)
20 膨張弁(減圧装置)
28 蒸発器(負荷側熱交換器)
31 プレートフィン
33 伝熱管群
34A、34B、34C,34D,34E,34F 冷媒流路
36 入口ヘッダ
38 出口側ヘッダ
40A、40B、40C 入口伝熱管
41A1、41B1、41C1 第1中間伝熱管(中間伝熱管)
41A2、41B2、41C2 第2中間伝熱管(中間伝熱管)
41A3,41B3 第3中間伝熱管(中間伝熱管)
42A1,42A2,42A、42B、42C 出口伝熱管
44 中間ヘッダ
45 上部熱交換部(熱交換部)
46 下部熱交換部(熱交換部)

Claims (8)

  1. 上下方向に延在し、所定のピッチで配置される多数のプレートフィンと、
    前記プレートフィンに多段に挿通される多数の伝熱管群により並列に形成される複数の冷媒流路と、を備え、
    超臨界圧力に昇圧された冷媒を放熱する放熱器であって、
    前記複数の冷媒流路は、それぞれ前記プレートフィンの上方部に設けられる入口伝熱管と、前記プレートフィンの下方部に設けられる出口伝熱管と、前記入口伝熱管と前記出口伝熱管との間に設けられる中間伝熱管とを備え、
    前記各冷媒流路の流路断面積は、前記入口伝熱管から前記出口伝熱管にかけて漸次減少されていることを特徴とする放熱器。
  2. 前記各冷媒流路の流路断面積は、前記入口伝熱管、前記中間伝熱管および前記出口伝熱管のサーキット数を漸次減らすことにより減少されていることを特徴とする請求項1に記載の放熱器。
  3. 前記各冷媒流路の流路断面積は、前記入口伝熱管、前記中間伝熱管および前記出口伝熱管の流路径を漸次小さくすることにより減少されていることを特徴とする請求項1に記載の放熱器。
  4. 前記各冷媒流路は、それぞれ前記冷媒を上段の前記入口伝熱管から下段の前記出口伝熱管へと流通する構成とされていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の放熱器。
  5. 上下に区分けされた複数の熱交換部を備え、
    前記各冷媒流路は、それぞれ上方の熱交換部から下方の熱交換部に向けて前記冷媒を流す構成とされていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の放熱器。
  6. 前記各冷媒流路は、それぞれ前記入口伝熱管に連なる第1中間伝熱管と、前記出口伝熱管に連なる第2中間伝熱管もしくは第3中間伝熱管とを備え、前記各冷媒流路の前記第1中間伝熱管、前記第2中間伝熱管もしくは前記第3中間伝熱管がすべて接続される中間ヘッダを備えていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の放熱器。
  7. 前記伝熱管群は、前記プレートフィンに多列多段に挿通され、前記入口伝熱管は、前記出口伝熱管よりも風下側の列に配置されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の放熱器。
  8. 請求項1ないし7のいずれかに記載の放熱器と、冷媒を超臨界圧力まで昇圧する圧縮機と、減圧装置と、負荷側熱交換器とを配管接続した閉サイクルの冷媒回路を備えていることを特徴とする超臨界圧冷凍サイクル。
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