JP4899655B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

超臨界冷媒を利用した冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器に関する。

従来、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器には、特許文献１のようなクロスフィン式の熱交換器がある。クロスフィン式の熱交換器は、冷媒の流通する１本の伝熱管をターンさせて複数の伝熱フィンと接触する部分を増やすことで、熱交換可能な面積を増加させ、熱交換の高効率化を図っている。特許文献１の技術では、伝熱管の外面に密着する伝熱フィンのピッチが空気と冷媒との温度差が最も小さくなった部分において密になっており、熱交換効率が高い。
特開２００４−７７０２１号公報

しかし、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒を利用する熱交換器（ガスクーラ）では、熱交換器全体において、冷媒は、超臨界領域において作動するために凝縮せずに顕熱変化を伴って作動する。したがって、熱交換器として機能する場合は、冷媒温度が大きく変化し、伝熱管の入口側と出口側とでは大きな温度差が生じる。特許文献１の技術では、伝熱管の入口側と伝熱管の出口側とを伝熱フィンにより接続しているために、伝熱管の入口側と伝熱管の出口側とで熱交換を行うこととなり、熱損失が生じる原因となっている。

本発明の課題は、熱交換器の入口側の冷媒と熱交換器の出口側の冷媒とが互いに熱交換することを抑え、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることにある。

第１発明に係る熱交換器は、互いに異なる冷媒経路である第１冷媒経路と第２冷媒経路を流れる超臨界冷媒を冷却するクロスフィン式の熱交換器であって、複数の伝熱フィンと、伝熱管とを備える。複数の伝熱フィンは、所定の間隔をあけて配列される板状部材からなる。伝熱管は、複数の伝熱フィンを略垂直に貫通し、少なくとも一回以上ターンして超臨界冷媒が流通する冷媒経路を構成する。伝熱管は、第１冷媒経路の入口に近い第１入口伝熱管部分と、第１冷媒経路の出口に近い第１出口伝熱管部分とを有し、複数の伝熱フィンは、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分との伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されている。伝熱管は、第２冷媒経路の入口に近い第２入口伝熱管部分と、第２冷媒経路の出口に近い第２出口伝熱管部分とを有し、複数の伝熱フィンは、第２入口伝熱管部分と第２出口伝熱管部分との伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されている。複数の伝熱フィンは、第１出口伝熱管部分と第２入口伝熱管部分との伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されている。

超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器（ガスクーラ）では、冷媒温度が、熱交換器の入口側と出口側とでは大きく変化するため、伝熱フィンにおける熱伝導損失が従来よりも大きくなり性能低下の恐れがある。

本発明では、熱交換器の入口側に近い伝熱管と出口側に近い伝熱管との伝熱フィンを介する熱交換を抑えるように伝熱フィンを形成している。これにより、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減することができ、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

また、この熱交換器は、冷媒経路が複数ある場合に、異なる冷媒経路であっても第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分との熱交換を妨げるように伝熱フィンを形成している。このように、温度差が大きくなる伝熱管同士が熱交換を行わないように伝熱フィンを形成するため、伝熱フィンによる熱伝導損失を低減することができ、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第２発明に係る熱交換器は、第１発明に係る熱交換器であって、複数の伝熱フィンは、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分との間、第２入口伝熱管部分と第２出口伝熱管部分との間、および、第１出口伝熱管部分と第２入口伝熱管部分との間に、それぞれ少なくとも一箇所以上のスリットを有する。

この熱交換器は、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分との間にスリットを設けることにより、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分との伝熱フィンを介する熱交換を妨げている。

このように、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分とを伝熱フィンにより接続しないため、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減することができる。このため、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第３発明に係る熱交換器は、第１発明または第２発明に係る熱交換器であって、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分とは、互いに隣り合うそれぞれ１本の直管部分である。第２入口伝熱管部分と第２出口伝熱管部分とは、互いに隣り合うそれぞれ１本の直管部分である。

この熱交換器では、入口に近い伝熱管の直管部１本と出口に近い伝熱管の直管部１本とが互いに隣り合っている。そして、伝熱フィンは、これらの伝熱管同士の伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されている。なお、ここにいう「第１入口伝熱管部分」とは、例えば、熱交換器における冷媒経路の入口管である。また、「第１出口伝熱管部分」とは、例えば、熱交換器における冷媒経路の出口管である。

このように、温度差が大きくなる伝熱管同士が熱交換を行わないように伝熱フィンを形成することにより、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減できる。このため、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第４発明に係る熱交換器は、第１発明から第３発明のいずれかに係る熱交換器であって、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分との温度差が３０℃以上である。第２入口伝熱管部分と第２出口伝熱管部分との温度差が３０℃以上である。

この熱交換器は、温度差が３０℃以上の伝熱管同士の熱交換を妨げるように伝熱フィンを形成している。このため、温度差が３０℃以上の伝熱管同士の熱交換を妨げることができ、伝熱フィンによる熱伝導損失を低減することができる。したがって、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第１発明に係る熱交換器では、熱交換器の入口側に近い伝熱管と出口側に近い伝熱管との伝熱フィンを介する熱交換を抑えるように伝熱フィンを形成している。これにより、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減することができ、熱交換器の性能低下を抑えることができる。また、温度差が大きくなる伝熱管同士が熱交換できないように伝熱フィンを形成するため、伝熱フィンによる熱伝導損失を低減することができ、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第２発明に係る熱交換器では、第１入口伝熱管部分と第１出口伝熱管部分とを伝熱フィンにより接続しないため、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減することができる。このため、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第３発明に係る熱交換器では、温度差が大きくなる伝熱管同士が熱交換しないように伝熱フィンを形成することにより、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減できる。このため、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

第４発明に係る熱交換器では、温度差が３０℃以上の伝熱管同士の熱交換を妨げることができ、伝熱フィンによる熱伝導損失を低減することができる。したがって、熱交換器の性能低下を抑えることができる。

以下、図面に基づいて、本発明に係るガスクーラ１２の実施形態について説明する。

＜超臨界冷凍サイクル＞
図１に、冷媒に超臨界冷媒であるＣＯ２冷媒を利用した冷凍回路１を示す。また、図２は、冷凍回路１を用いた超臨界条件下における冷凍サイクルをｐ−ｈ線図（モリエル線図）により示している。冷凍回路１は、圧縮機１１、ガスクーラ１２、膨張弁１３、および蒸発器１４から構成されている。図２のＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、図１におけるそれぞれの点に対応した冷媒の状態を表している。

この冷凍回路１では、冷媒は、圧縮機１１により圧縮されて高温高圧になる（Ａ→Ｂ）。このとき、冷媒であるＣＯ２は気体から超臨界状態となる。ここにいう「超臨界状態」とは、臨界点Ｋ以上の温度および圧力下における物質の状態であり、気体の拡散性と液体の溶解性とを併せ持っている状態のことである。超臨界状態とは、図２において、臨界温度等温線Ｔｋの右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以上の領域における冷媒の状態である。なお、冷媒（物質）が超臨界状態になると、気相と液相との区別が無くなる。なお、ここにいう「気相」とは、飽和蒸気線Ｓｖより右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以下の領域における冷媒の状態である。また、「液相」とは、飽和液線Ｓｌより左側で、かつ、臨界温度等温線Ｔｋよりも左側の領域における冷媒の状態である。そして、圧縮機１１により圧縮されて高温高圧の超臨界状態となった冷媒は、ガスクーラ１２により放熱されて高圧の冷媒となる（Ｂ→Ｃ）。このとき、冷媒は、超臨界状態にあるため、ガスクーラ１２内部において顕熱変化（温度変化）を伴って作動している。そして、ガスクーラ１２において放熱した冷媒は、膨張弁１３が開放されることにより膨張して、圧力がＰ１からＰ２へと減圧される（Ｃ→Ｄ）。そして、膨張弁１３により減圧された冷媒は、蒸発器１４において熱を吸収し、蒸発して圧縮機１１へ戻る（D→Ａ）。

本発明に係る熱交換器は、図１におけるガスクーラ１２であり、冷媒の状態を図２におけるＢ→Ｃのように変化させる。このガスクーラ１２は、冷媒に例えばＨＦＣ系のフロン冷媒を用いた冷凍サイクルにおける凝縮器の役割を担っている。このガスクーラ１２は、冷媒に超臨界条件下で作動するＣＯ２を用いているため、凝縮器とは異なり、冷媒が顕熱変化を伴って作動し、冷媒が流入してくる冷媒入口部２３と冷媒が流出する冷媒出口部２４とでは大きな温度差が生じる。

＜ガスクーラの構成＞
次に、本発明に係るガスクーラ１２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器の概略図である。

ガスクーラ１２は、正面視が矩形平板状の外観形状であるクロスフィン式の熱交換器である。このガスクーラ１２は、主に、伝熱管２と複数の伝熱フィン３とで形成されている。伝熱管２は、略平行に２列に配置された複数の直管部２１（図３の破線および一点鎖線）と、複数の直管部２１の端部を交互に連結している曲管部２２とを有しており、１本の冷媒経路を形成している。この伝熱管２は、図３の正面視において、直管部２１と曲管部２２との組み合わせにより蛇行した形状のものが２列並んで形成されている。図３では、１列目（手前側）の直管部２１である第１列伝熱管群Ｇ１を破線で表し、２列目（奥側）の直管部２１である第２列伝熱管群Ｇ２を一点鎖線で表している。

図４にこのガスクーラ１２の側面図を示す。ガスクーラ１２は、正面視において、上部の手前側に冷媒入口部２３を設け、上部の奥側に冷媒出口部２４を設けている。冷媒は、冷媒入口部２３からガスクーラ１２に流入し（図３および図４に示す矢印Ｒ１参照）、第１列伝熱管群Ｇ１内に沿って蛇行しながら下部まで流通する。そして、最下部に到達した冷媒は、曲管部２２の１つであるＵ字管２７で折り返して第２列伝熱管群Ｇ２へ移行し（図４の矢印Ｒ２参照）、第２列伝熱管群Ｇ２内に沿って蛇行しながら上部方向へ流れ、冷媒出口部２４から流出する（図３および図４の矢印Ｒ３参照）。

伝熱管２は、その直管部２１が伝熱フィン３を板厚方向に貫通している。そして、伝熱フィン３は、伝熱管２の外面と密着している。また、伝熱フィン３は、伝熱管２の直管部２１の長手方向に所定の間隔をあけて配置されている。すなわち、複数の伝熱フィン３は、伝熱管２の直管部２１と略垂直に配置されており、伝熱管２の直管部２１と密着している。伝熱フィン３は、伝熱管２が外部空気と触れる面積を大きくすることにより、伝熱管２内部に流入してくる高温高圧の超臨界冷媒とガスクーラ１２を通り抜ける外部空気との熱交換を行っている。このように、伝熱フィン３は、高温高圧のＣＯ２冷媒の熱を外部空気に放出し、ＣＯ２冷媒の冷却を行っている。

本実施例においては、冷媒入口部２３から延びている入口直管部２５と冷媒出口部２４から延びている出口直管部２６とが隣り合うように配置されている。そして、伝熱フィン３は、入口直管部２５と出口直管部２６との間にスリット３１が設けられている。本発明のガスクーラ１２では、冷媒に超臨界条件下で作動するＣＯ２冷媒を利用しているために、ガスクーラ１２全体において冷媒の温度が一定ではなく、入口直管部２５と出口直管部２６とでは３０℃以上の大きな温度差が生じる。このスリット３１を設けることで入口直管部２５と出口直管部２６との伝熱フィン３を介する熱交換を妨げている。

＜特徴＞
このガスクーラ１２では、超臨界条件下で作動するＣＯ２冷媒を用いている。このため、ガスクーラ１２内の冷媒は、冷媒の入り口付近と出口付近とでは大きな温度差を生じている。

ガスクーラ１２では、伝熱フィン３において、入口直管部２５と出口直管部２６との間にスリット３１を設けている。このため、冷媒温度差が大きい入口直管部２５と出口直管部２６とが熱交換を行うことを妨げることができる。したがって、伝熱フィン３における熱伝導損失を低減することができる。このため、ガスクーラ１２の性能低下を抑えることができる。

＜変形例＞
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）
上記実施例におけるガスクーラ１２では、入口直管部２５と出口直管部２６との１組の直管部２１の間のみにスリット３１を設けているが、これに限らず、冷媒温度差が３０℃以上ある複数組の直管部２１の間全てにスリット３１ａを設けてもよい。

図５に、この場合のガスクーラ１２ａを示す。ガスクーラ１２ａは、入口直管部２５から３本目の直管部までの第１伝熱管部分Ｘ１と出口直管部２６から３本目の直管部までの第２伝熱管部分Ｘ２との冷媒温度差が３０℃以上あり、４本目以降では冷媒温度差が３０℃未満の熱交換器である。このため、スリット３１ａは、伝熱フィン３ａにおいて第１伝熱管部分Ｘ１と第２伝熱管部分Ｘ２との間に設けられている。

このガスクーラ１２ａでは、冷媒の温度差が３０℃以上の伝熱管同士を伝熱フィン３ａにより直接接続しないため、より熱交換損失が起こることを防ぐことができる。

（２）
上記実施例におけるガスクーラ１２では、伝熱管２は、入口直管部２５が第１列伝熱管群Ｇ１に含まれ、出口直管部２６が第２列伝熱管群Ｇ２に含まれる形状となっている。このため、ガスクーラ１２の側面視において、伝熱フィン３に第１列伝熱管群Ｇ１（第２列伝熱管群Ｇ２）の列方向に対して略平行にスリット３１を設けている。しかし、これに限らずに、伝熱管２ａは、入口直管部２５ａと出口直管部２６ａとが両方とも第１列伝熱管群Ｇ１または第２列伝熱管群Ｇ２のいずれか１方に含まれる形状であってもよい。

図６に、この場合のガスクーラ１２ｂを示す。伝熱フィン３ｂは、ガスクーラ１２ｂの側面視において第１列伝熱管群Ｇ１（第２列伝熱管群Ｇ２）の列方向に対して垂直にスリット３１ｂを設けるような形状となる。このガスクーラ１２ｂでは、冷媒は、冷媒入口部２３ａからガスクーラ１２ｂに流入し（図６に示す矢印Ｒ４参照）第２列伝熱管群Ｇ２内の入口直管部２５ａを流れる。そして、この冷媒は、入口直管部２５ａから第１列伝熱管群Ｇ１へ移行し、第１列伝熱管群Ｇ１内に沿って蛇行しながら下部まで流通する。そして、最下部に到達した冷媒は、Ｕ字管２７ａで折り返して第２列伝熱管群Ｇ２へ移行し（図６の矢印Ｒ５参照）、第２列伝熱管群Ｇ２内に沿って蛇行しながら上部方向へ流れ、冷媒出口部２４ａから流出する（図６の矢印Ｒ６参照）。

（３）
上記実施例におけるガスクーラ１２では、冷媒経路が１系統であり、入口直管部２５と出口直管部２６との間にスリット３１を設けているが、冷媒経路は１系統に限らず、２系統であっても良い。

この場合のガスクーラ１２ｃを図７に示す。ガスクーラ１２ｃでは、第１冷媒経路Ｙ１が伝熱管２ｂにより形成され、第２冷媒経路Ｙ２が伝熱管２ｃにより形成されている。スリット３１ｃは、第１冷媒経路Ｙ１における入口直管部２５ｂと出口直管部２６ｂとの間および第２冷媒経路Ｙ２における入口直管部２５ｃと出口直管部２６ｃとの間だけでなく、出口直管部２６ｂと入口直管部２５ｃとの間にも設けられている。この場合に、第１冷媒経路Ｙ１では、冷媒は、冷媒入口部２３ｂから流入し（図７に示す矢印Ｒ７参照）、冷媒出口部２４ｂから流出する（図７の矢印Ｒ８参照）。また、第２冷媒経路Ｙ２では、冷媒は、冷媒入口部２３ｃから流入し（図７に示す矢印Ｒ９参照）、冷媒出口部２４ｃから流出する（図７の矢印Ｒ１０参照）。

このガスクーラ１２ｃは、冷媒経路が２系統ある場合に、異なる冷媒経路である第１冷媒経路Ｙ１の出口直管部２６ｂと第２冷媒経路Ｙ２の入口直管部２５ｃとの熱交換を妨げるように伝熱フィン３ｃを形成している。このように、温度差が大きくなる伝熱管同士が熱交換できないように伝熱フィン３ｃを形成するため、伝熱フィン３ｃによる熱伝導損失を低減することができ、ガスクーラ１２ｃの性能低下を抑えることができる。

本発明に係る熱交換器は、伝熱フィンにおける熱伝導損失を低減することにより熱交換器の性能低下を抑えることができ、超臨界冷媒を利用した冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器等として有用である。

本発明の一実施形態に係る超臨界冷媒を用いた冷凍回路図。 超臨界冷媒を利用した冷凍サイクルのｐ−ｈ線図（モリエル線図）。 ガスクーラの正面図。 ガスクーラの側面図。 変形例（１）に係るガスクーラの側面図。 変形例（２）に係るガスクーラの側面図。 変形例（３）に係るガスクーラの側面図。

２〜２ｂ 伝熱管
３〜３ｃ 伝熱フィン
１２〜１２ｃ ガスクーラ（熱交換器）
２５〜２５ｃ，Ｘ１ 入口直管部、第１伝熱管部分
２６〜２６ｃ，Ｘ２ 出口直管部、第２伝熱管部分
３１〜３１ｃ スリット
Ｙ１ 第１冷媒経路
Ｙ２ 第２冷媒経路

Claims (4)

1. 互いに異なる冷媒経路である第１冷媒経路と第２冷媒経路を流れる超臨界冷媒を冷却するクロスフィン式の熱交換器であって、
   所定の間隔をあけて配列される板状部材からなる複数の伝熱フィン（３ｃ）と、
   前記複数の伝熱フィンを略垂直に貫通し、少なくとも一回以上ターンして前記超臨界冷媒が流通する冷媒経路を構成する伝熱管（２ｂ，２ｃ）と、
   を備え、
   前記伝熱管は、前記第１冷媒経路の入口に近い第１入口伝熱管部分（２３ｂ）と、前記第１冷媒経路の出口に近い第１出口伝熱管部分（２４ｂ）とを有し、
   前記複数の伝熱フィンは、前記第１入口伝熱管部分と前記第１出口伝熱管部分との前記伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されており、
   前記伝熱管は、前記第２冷媒経路の入口に近い第２入口伝熱管部分（２３ｃ）と、前記第２冷媒経路の出口に近い第２出口伝熱管部分（２４ｃ）とを有し、
   前記複数の伝熱フィンは、前記第２入口伝熱管部分と前記第２出口伝熱管部分との前記伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されており、かつ、
   前記複数の伝熱フィンは、前記第１出口伝熱管部分（２４ｂ）と前記第２入口伝熱管部分（２３ｃ）との前記伝熱フィンを介する熱交換を妨げるように形成されている、
   熱交換器（１２ｃ）。
2. 前記複数の伝熱フィンは、前記第１入口伝熱管部分と前記第１出口伝熱管部分との間、前記第２入口伝熱管部分と前記第２出口伝熱管部分との間、および、前記第１出口伝熱管部分（２４ｂ）と前記第２入口伝熱管部分（２３ｃ）との間に、それぞれ少なくとも一箇所以上のスリットを有する、
   請求項１に記載の熱交換器（１２ｃ）。
3. 前記第１入口伝熱管部分（２３ｂ）と前記第１出口伝熱管部分（２４ｂ）とは、互いに隣り合うそれぞれ１本の直管部分であり、
   前記第２入口伝熱管部分（２３ｃ）と前記第２出口伝熱管部分（２４ｃ）とは、互いに隣り合うそれぞれ１本の直管部分である、
   請求項１または２に記載の熱交換器（１２ｃ）。
4. 前記第１入口伝熱管部分（２３ｂ）と前記第１出口伝熱管部分（２４ｂ）との温度差が３０℃以上になり、
   前記第２入口伝熱管部分（２３ｃ）と前記第２出口伝熱管部分（２４ｃ）との温度差が３０℃以上になる、
   請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器（１２ｃ）。

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