JP2020094697A - 熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、伝熱管内の冷媒のスラグ流から環状流への遷移領域で発生するドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、冷媒を直線状に流す伝熱流路を有し、前記冷媒の熱交換を抑制する熱交換抑制領域を前記伝熱流路の流路方向の中間部に備える。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置及び冷却装置に関する。

非特許文献１には、伝熱管の径が小さいほど、同一乾き度（クオリティ）での蒸発熱伝達率が向上するが、熱伝達率が低下し始めるドライアウトの開始乾き度が低下し、高乾き度において熱伝達率が低下することが示されている。（非特許文献１のＦｉｇ．３を参照）
また、非特許文献２には、蒸発管の入口流動様式がスラグ流の場合、蒸発管の局所熱伝達率の低下し始めが、スラグ流と環状流の境界にほぼ一致することが示され、蒸発管の入口の流動様式と局所熱伝達の低下について、以下の考察を試みている。

“スラグ流、環状流はそれぞれ間欠流、連続流とみることができる。間欠流は液冷媒の不均一流動となり、液流量の小さい位相（気スラグの通過時）で蒸発管の内壁面上は液膜流と考えられる。クオリティの増加で気スラグ長は大きく液スラグ長は小さくなり、液スラグに対し気スラグの空間分布は大きくなる。蒸発管内の気液スラグの空間分布は、蒸発管のある点での時間分布として観察することができる。さらにクオリティが増加すると液スラグは環状噴霧流に変化すると推察される。環状流に変化しても、液れいばいの不均一は瞬時に解消されずに徐々に解消されると考えられる。冷媒の不均一性は気スラグの位相では管壁は乾きやすく、液スラグあるいは液スラグの崩壊による環状噴霧流の位相では管壁は乾きにくい。高クオリティ域では管壁が乾いている時間が長く濡れている時間が短いと考えることができ、高クオリティ域ほど局所熱伝達率の低下が起こりやすいといえよう。このように蒸発管入口の流動が間欠流の場合、熱伝達率の低下のあることを説明することができる。”（非特許文献２の４３頁を引用）
一方、特許文献１には、周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィンにより、噴霧流で流れている場合の冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくし、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える構成が記載されている。

特開２０１１−６４４４８号公報

S. Saitoh, H. Daiguji, and E. Hihara, Effect of tube diameter on boiling heat transfer of R-134a in horizontal small-diameter tubes, Int. J. Heat Mass Transfer, 48, pp. 4973-4984 (2005) 齋藤静雄、冷媒ＨＦＣ−１３４ａの水平平滑管内沸騰熱伝達における管径の影響、東京大学大学院新領域創成科学研究科学位請求論文、３９〜４６頁 (２００７-１１)

特許文献１には、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える構成が記載されているが、対象が噴霧流で、非特許文献２に述べているスラグ流と環状流の境界（スラグ流から環状流への遷移）に関連する蒸発伝熱性能の低下に対しては考慮されていない。

そこで、本発明は、伝熱管内の冷媒のスラグ流から環状流への遷移領域で発生するドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、冷媒を直線状に流す伝熱流路を有し、前記冷媒の熱交換を抑制する熱交換抑制領域を前記伝熱流路の流路方向の中間部に備える。

本発明によれば、伝熱管内の冷媒のスラグ流から環状流への遷移領域で発生するドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える熱交換器を提供することができる。

実施例１に係る空気調和機のサイクル構成図である。 実施例１に係る熱交換器の図で、風路をしゃへいする場合である。 実施例１に係る熱交換器の図で、風路をしゃへいしない場合である。 実施例１に係る熱交換器の伝熱管の断面図である。 実施例１に係る乾き度と蒸発熱伝達率との関係図である。 実施例２に係る機器冷却装置のサイクル構成図である。 実施例２に係る蒸発器の図である。 実施例２に係る蒸発器の内部断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本実施例に係るヒートポンプ装置としての空気調和機のサイクル構成図である。冷房運転時は、圧縮機３より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁４を介して凝縮器として働く室外熱交換器２に流入する。室外熱交換器２に流入した冷媒は、室外送風ファン２ｆによって送られる室外の空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁５を通過することで低温低圧の気液二相冷媒になり、蒸発器として働く室内熱交換器１に流入する。室内熱交換器１に流入した低温低圧の気液二相冷媒は、室内送風ファン１ｆによって送られる室内の空気と熱交換し蒸発する。このとき、室内熱交換器１に送られた室内の空気は、室内熱交換器１に流入した低温低圧の気液二相冷媒によって冷却され、吹出口から室内に吐出される。吹出口から室内に吐出される空気は、吸込口における空気の温度よりも低いため、室内の温度を下げることができる。室内熱交換器１で熱交換された冷媒は四方弁４を介して再び圧縮機３に戻る。圧縮機３と室外熱交換器２と室外送風ファン２ｆと膨張弁５は室外機に配置され、室内熱交換器１と室内送風ファン１ｆは室内機に配置されている。

図２は本実施例に係る室内熱交換器１の図である。室内熱交換器１は、長手方向を鉛直方向に配置された円筒状のヘッダ１０、２０と、水平方向に所定の間隔で配置されるとともに、ヘッダ１０、２０の鉛直方向の側壁に接続される複数の伝熱管３０と、鉛直方向に所定の間隔で配置され伝熱管３０と接合された複数のフィン４０とから構成されている。冷房運転時は、ヘッダ１０の下方より気液二相の冷媒が流入し、冷媒はヘッダ１０で各伝熱管３０に分配され蒸発し、ヘッダ２０で合流し、上方より冷媒が流出する。伝熱管３０は直線状で、図４に示すように、（ａ）円管、（ｂ）円形の多孔扁平管、（ｃ）矩形の多孔扁平管が用いられる。

熱交換器１の外側にはヘッダ１０とヘッダ２０の間に水平方向に所定の幅、風路をさえぎる風路しゃへい板５０が９０度回転可能に上下の回転軸５１を介して、パルスモータ５２と軸受５３とに支持されている。図２は風路をしゃへいする場合である。一方、図３は風路をしゃへいしない場合で、パルスモータ５２を９０度回転させ、風路しゃへい板５０の幅方向をフィン４０の幅方向と向きを合わせている。

伝熱管３０の両端の入口側のヘッダ１０と出口側のヘッダ２０の間に、風路しゃへい板５０を用いて風路をさえぎることにより、伝熱管３０の入口と出口の間に冷媒への非加熱域を設けている。または、他の領域と比べて熱交換を抑制する熱交換抑制領域を備えている。非加熱域を設ける位置は、スラグ流と環状流の境界（スラグ流から環状流への遷移域）である。スラグ流と環状流の境界は前述の非特許文献２に示すように、伝熱管の代わりにガラス管を観察する予備検討を行うことにより推定することができる。

図５に風路しゃへい（非加熱域）有り無しの乾き度と蒸発熱伝達率の関係図を示す。風路しゃへい（非加熱域）が無い場合、スラグ流と環状流の境界付近から、蒸発熱伝達率が低下し始め、乾き度0.5以上で大幅に低下する。これは背景技術で述べたように、スラグ流は液スラグと気スラグの間欠流で，気スラグの周囲に薄い液膜を形成している。蒸発による乾き度の増加に伴い，気スラグは長くなり，液スラグは短くなる。さらに乾き度が増加すると液スラグは環状流に変化すると考えられるが，流れ方向の液冷媒の不均一は瞬時には解消されない。したがって，元々気スラグを形成していた領域の管壁はドライアウトしやすく，熱伝達率の低下が起こっている。

一方、本発明の風路しゃへい（非加熱域）が有る場合、スラグ流と環状流の境界付近に非加熱域を設けて、スラグ流から環状流への完全な遷移を行わせ、流れ方向の液冷媒の不均一を解消し、管壁の液膜厚さの均一化を図ことにより、風路しゃへい（非加熱域）が無い場合のスラグ流と環状流の境界付近からの蒸発熱伝達率の低下を抑えている。乾き度０．７以上で熱伝達率が低下し始めドライアウトが開始するのは、環状流の壁面の液膜から液滴が飛散し、壁面から離れた液滴には熱が伝わり難くなることにより、蒸発伝熱性能が低下するためである。

空気調和機の暖房運転時は、熱交換器１が凝縮器として働き、風路をしゃへいする必要がないので、風路しゃへい板５０は前述の図３のようになる。

本実施例では、ヒートポンプ装置としての空気調和機において、伝熱管内の冷媒のスラグ流から環状流への遷移領域で発生するドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える熱交換器を提供することができる。

第１実施例と異なる部分について説明し、第１実施例と重複する部分については説明を省略する。図５は、本実施例２に係る機器冷却装置のサイクル構成図である。圧縮機３より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、凝縮器８に流入する。凝縮器８に流入した冷媒は、凝縮器ファン８ｆによって送られる空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁５を通過することで低温低圧の気液二相冷媒になり、蒸発器６０に流入する。蒸発器６０に流入した低温低圧の気液二相冷媒は、蒸発器６０と接合されている発熱体である機器７０と熱交換し蒸発する。このとき、機器７０は、蒸発器６０に流入した低温低圧の気液二相冷媒によって冷却され、機器７０の温度を下げることができる。蒸発器６０で熱交換された冷媒は圧縮機３に戻る。

図７は実施例２に係る蒸発器６０の図、図８はその内部断面図である。蒸発器６０は伝熱流路を形成する部材６１、カバー部材６２、冷媒配管６３ａ、６３ｂを接合して構成されている。部材６１には矩形の溝が加工され、ヘッダ部６１ａ、６１ｂ及び複数の直線状の伝熱流路６１ｃを形成している。低温低圧の気液二相冷媒は冷媒配管６３ａを介して、ヘッダ６１ａの下方より流入し、ヘッダ６１ａで各伝熱流路６１ｃに分配され蒸発し、ヘッダ６１ｂで合流し、下方の冷媒配管６３ｂを介して流出する。

蒸発器６０の部材６１の外側の、伝熱流路６1ｃの両端の入口側のヘッダ６１ａと出口側のヘッダ６１ｂの間に、伝熱流路の流れ方向に所定の幅、機器７０との熱的接触面を無くした凹部６４が設けられている。これは、伝熱流路６１ｃの入口と出口の間の冷媒の非加熱域となる。または、他の領域と比べて熱交換を抑制する熱交換抑制領域を備えている。非加熱域を設ける位置は、スラグ流と環状流の境界（スラグ流から環状流への遷移域）である。スラグ流と環状流の境界は 例えば、蒸発器６０のカバー部材６２をガラス板で製作し、観察する予備検討を行うことにより推定することができる。

本実施例でも、図５の風路しゃへいを凹部と置き換えることにより、凹部（非加熱域）有り無しの乾き度と蒸発熱伝達率の関係を得ることができる。凹部（非加熱域）が無い場合と有る場合の説明は実施例１と同じため、説明を省略する。

本実施例では、ヒートポンプ装置としての機器冷却器において、伝熱管内の冷媒のスラグ流から環状流への遷移領域で発生するドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑える熱交換器を提供することができる。

また、本実施例ではヒートポンプ装置を対象としたが、圧縮機を用いず、液冷媒をポンプで循環させ、蒸発と凝縮を行わせる冷却装置の蒸発器に適用しても同様な効果が得られる。

１ 室内熱交換器
１０，２０，６１ａ，６１ｂ ヘッダ
３０ 伝熱管
５０ 風路しゃへい板
６０ 蒸発器
６１ｃ 伝熱流路
６４ 凹部

Claims (5)

1. 冷媒を直線状に流す伝熱流路を有し、
   前記冷媒の熱交換を抑制する熱交換抑制領域を前記伝熱流路の流路方向の中間部に備える熱交換器。
2. 熱交換抑制領域を風路をしゃへいすることにより形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 熱交換抑制領域を発熱体機器との熱的接触面を無くすことにより形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 請求項１乃至３に記載の熱交換器を用いたヒートポンプ装置。
5. 請求項１乃至３に記載の熱交換器を用いた冷却装置。

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