JP5916330B2 - 過冷却器用伝熱管およびこれを用いた過冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機の冷凍サイクルに組み込まれる二重管式過冷却器に係り、特にその二重管式過冷却器の内管に用いられる過冷却器用伝熱管およびこれを用いた過冷却器に関するものである。

空気調和機、特にビル用マルチエアコンは、建物全体の空調を１台の室外ユニットで賄うため、各室内ユニットにつなぐ冷媒配管が１００ｍ以上と長くなる場合がある。冷媒配管が長いほど、その中を流れる冷媒液の圧力も下がる。その圧力での冷媒の飽和温度が冷媒液の温度以下になる圧力まで下がると、冷媒液は冷媒配管の途中にもかかわらず、自身の熱で気化してしまう。このような状態になってしまうと、エアコンが正常に運転できなくなってしまう。これを防ぐには、室外ユニットから出る冷媒液の温度を低くするのが有効である。このために、室外ユニットには、冷媒液を冷却するための二重管式過冷却器を設置するようにしている（特許文献１）。

図７は、特許文献１に示された室外ユニットに二重管式過冷却器を設置した空気調和機を示したものである。

この空気調和機の冷媒回路３０は、圧縮機３１の吐出側から圧縮機３１の吸込側のアキュムレータ３２にかけて、冷暖房を切り換える四方弁３３を介して、凝縮器３４、二重管式過冷却器３５、主膨張機構３６、蒸発器３７が順に接続された主回路３８と、凝縮器３４と二重管式過冷却器３５の間の分岐点３９とアキュムレータ３２の合流点４０を結んで、凝縮器３４の冷媒の一部をバイパス膨張機構４１にて減圧して二重管式過冷却器３５に流すバイパス回路４２が接続されて構成される。

圧縮機３１、アキュムレータ３２、四方弁３３、凝縮器３４、二重管式過冷却器３５、主膨張機構３６、バイパス膨張機構４１は、室外ユニット４３に収容され、蒸発器３７が室内ユニット４４に収容され、室外ユニット４３と室内ユニット４４が冷媒配管４５、４６で接続される。

冷房時には、圧縮機３１からの圧縮冷媒ガスが四方弁３３から凝縮器３４に流れて凝縮され、二重管式過冷却器３５の外管３５ｏ内を通り、主膨張機構３６で減圧され、蒸発器３７で蒸発し、四方弁３３からアキュムレータ３２を介して圧縮機３１に戻されて循環する。

この際、凝縮器３４で凝縮した冷媒の一部は、分岐点３９からバイパス回路４２に流れ、バイパス膨張機構４１で減圧されて、二重管式過冷却器３５の内管３５ｉに流して圧縮機３１の吸込側に戻す。これにより二重管式過冷却器３５の内管３５ｉを通る冷媒で、外側の外管３５ｏ内を通る凝縮冷媒が冷却されて過冷却状態となり、冷媒配管４５を通る間の冷媒液の圧力低下を防止し、蒸発器３７での冷凍能力の向上を図っている。

なお、暖房時は、四方弁３３の切換にて、圧縮機３１からの冷媒が、室内熱交換器（蒸発器３７）から主膨張機構３６、二重管式過冷却器３５、室外熱交換器（凝縮器３４）、四方弁３３からアキュムレータ３２を介して圧縮機３１に戻るように循環される。

二重管式過冷却器３５は、図６に示したように、内管３５ｉと、この内管３５ｉを覆うように同心状に設けられた外管３５ｏとから構成されており、冷房時は、内管３５ｉを流れるバイパス流冷媒と、外管３５ｏを流れる主流冷媒とが、伝熱性を持つ内管３５ｉの管壁を挟んで反対向きに流れる対向流型熱交換器として構成されている。

特開平１０−０５４６１６号公報

ところで、この二重管式過冷却器における内管には、伝熱管として平滑管が使われている。内管の外面が平滑なので伝熱面積が小さく、また内管の外側を流れる主流冷媒の攪拌もしない。そのため、主流冷媒と内管の管壁外面との間の伝熱性能が低い問題がある。

よって、所定の熱交換を得るためには、二重管式過冷却器を大きくしなければならないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、所定の熱交換が可能で、しかも小型化できる過冷却器用伝熱管およびこれを用いた過冷却器を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、圧縮機、凝縮器、主膨張機構、蒸発器を順次接続した主回路を構成し、その凝縮器と主膨張機構間に二重管式過冷却器を接続し、凝縮器と二重管式過冷却器との間と、圧縮機の吸込側とを結んでバイパス膨張機構が接続されたバイパス回路を接続して冷媒回路を構成し、前記二重管式過冷却器が内管と外管で構成され、内管と外管間の環状の隙間に凝縮器から主膨張機構に至る主流冷媒を流し、内管の内側に、前記凝縮器からバイパス回路のバイパス膨張機構で減圧されたバイパス流冷媒を前記主流冷媒と対向流で流すようにした二重管式過冷却器において、前記内管の外面にらせん状のフィンを設け、前記内管の内面にらせん状の溝を設け、前記内管の外径が８〜１２ｍｍ、前記内管の外面のらせん状のフィンの高さが０．５〜０．９ｍｍ、らせんピッチが０．４〜０．８ｍｍ、内面のらせん状の溝の深さが０．１〜０．２ｍｍ、ねじれ角が１２〜２０°に形成され、前記外管の外径が１４〜１８ｍｍに形成されたことを特徴とする過冷却器用伝熱管である。

請求項２の発明は、前記二重管式過冷却器が縦型に配置され、バイパス流冷媒が内管の下から上に流れ、主流冷媒が内管と外管間の環状の隙間の上から下に流れるようにした請求項１記載の過冷却器用伝熱管である。

請求項３の発明は、請求項１又は２のいずれかに記載の過冷却器用伝熱管を用いたことを特徴とする過冷却器である。

本発明は、内管の外面にらせん状のフィンを設け、内管の内面にらせん状の溝を設けることで、二重管式過冷却器の熱交換性能を向上できるという優れた効果を発揮する。

本発明の過冷却器用伝熱管の一実施の形態を示す詳細断面図である。 図１の過冷却器用伝熱管を用いた二重管式過冷却器の一実施の形態を示す断面図である。 本発明において、二重管式過冷却器の伝熱性能を試験するための二重管式過冷却器の概略図である。 本発明において、二重管式過冷却器の伝熱性能を試験するための配管図である。 本発明と従来例と比較例の二重管式過冷却器の伝熱性能を試験した結果を示す図である。 従来の二重管式過冷却器の断面図である。 二重管式過冷却器が組み込まれた冷媒回路を示す図である。 二重管式過冷却器の伝熱性能を試験したときに用いた比較例としての伝熱管の外観を示す図である。 図８に示した比較例としての伝熱管の各種寸法を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の過冷却器用伝熱管の断面図を示したもので、図１（ａ）は拡大正断面図、図１（ｂ）は要部の拡大横断面図を示し、図２は過冷却器用伝熱管を用いた二重管式過冷却器の断面図である。

図１、図２において、内管１２の外周を覆うように、内管１２とは同心円状に外管１３が設けられて二重管式過冷却器１０が構成される。

この内管１２と外管１３との間には環状の隙間１４が形成されている。内管１２の外面にはらせん状のフィン１５が設けられている。内管１２の内面にはらせん状の溝１６が設けられている。

内管１２の外径は８〜１２ｍｍ、内管１２の外面のらせん状のフィンの高さは０．５〜０．９ｍｍ、らせんピッチは０．４〜０．８ｍｍ、内面のらせん状の溝１６の深さは０．１〜０．２ｍｍ、ねじれ角は１２〜２０°に形成され、外管１３の外径は１４〜１８ｍｍに形成される。

この二重管式過冷却器１０は、図７で説明した冷媒回路３０の二重管式過冷却器３５と同様の位置に接続されると共に室外ユニット４３内に縦型に配置される。

この二重管式過冷却器１０において、バイパス流冷媒２６は、凝縮器で凝縮され、主膨張機構に至る主流冷媒２５から分岐してバイパス回路に流れ、バイパス膨張機構で減圧された後、内管１２の内側を図示の矢印のように下から上に流れて蒸発し、その蒸発したバイパス流冷媒２６が、蒸発器で蒸発された主流冷媒２５と共にアキュムレータを介して圧縮機の吸込側に流れる。

主流冷媒２５は、凝縮器で凝縮され、上部の入口１７から環状の隙間１４に流入し、環状の隙間１４の上から下に流れて、内管１２の管壁を介してバイパス流冷媒２６との熱交換によって過冷却冷媒とされ、出口１８から主膨張機構に流れる。また上述のようにバイパス流冷媒２６は、内管１２の管壁を介して、主流冷媒２５との熱交換によって蒸発される。

この主流冷媒２５とバイパス流冷媒２６との熱交換は、内管１２の外面のらせん状のフィン１５により伝熱面積が大きくなり、主流冷媒２５がフィン１５を乗り越えて流れると攪拌され、主流冷媒２５と内管１２の管壁外面との間の伝熱性能を高くできる。また内管１２内には溝１６が形成されているため、バイパス流冷媒２６と内管１２の管壁内面との間の伝熱性能を高くできる。

従って、所定の熱交換をする二重管式過冷却器１０を小型化できる。

次に、本発明の実施例と従来例と比較例の二重管式過冷却器の冷却性能を試験したときの、内管と外管の供試管の仕様を表１に示す。

なお、表１において、伝熱部の長さは、図３に示す主流冷媒の入口１７と出口１８の中心間の距離とした。

表１における従来例の伝熱管としての内管は平滑管とし、比較例の伝熱管としての内管は、図８に示したものを使用した。この伝熱管は、管の外周面にはらせん状の凹部を、対応する内周面には螺旋状の凸部が形成されている形状（すなわち、コルゲート形状）に加え、さらに、外周面に、本発明と同様のフィン形状が形成されている形状となっている。

このコルゲート形状にフィンを設けた比較例について、その断面構成を図９に示すと共に、図９で、表１に示した各種寸法を示した。この比較例の内管は外径が１４ｍｍであるため、本発明と従来例の内管より寸法が大のため、実施例と従来例の外管の外径１５．８８ｍｍに対して、外管は１９．０５ｍｍのものを用いた。

表１に示した供試管を用い、図３に示すように、内管１２と外管１３とを縦型に配置し、内管１２の下部からバイパス流冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒の湿り蒸気を、内管１２と外管１３の環状の隙間１４の上から下に主流冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒の冷媒液を流した。また従来例も同様の状態で流した。またそのときの各冷媒の温度、圧力、流量は、図４に示すように各配管に接続した温度計Ｔ、圧力計Ｐ、流量計Ｆで測定した。

内管の内側には、所定の温度、圧力、およびクオリティに調節された低温低圧の冷媒湿り蒸気を流した。所定の出口過熱度（５Ｋ）になるように膨張弁２７で流量を調節した。環状の隙間には、所定の温度（４４．９℃）に調節された高温高圧の冷媒液を流した。

表２に実験条件を示す。

ビル用マルチエアコンの過冷却器の試験条件に規格等は無いが、エアコンのサイクルから考えると一般的と考えられる。環状の隙間の流量３６３ｋｇ／ｈの条件は過冷却器の定格運転状態を想定している。

図５は、冷媒の流量を変えて冷媒流量と熱交換量を測定したときの冷媒流量と熱交換量の関係を示したもので、図５において黒丸が実施例、黒四角が従来例、白四角が比較例である。

ただし、実施例の場合は、能力が実験装置の測定可能範囲を超えてしまうので、環状の隙間の流量を２８８ｋｇ／ｈ以下とした。

図５に示すように、従来例では、冷媒流量を変化させても熱交換量は０．５ｋＷ以下であるが、実施例においては冷媒流量が増加すると熱交換量も増大することが確かめられた。また、比較例は、コルゲート形状にフィンを設けたものであるが、実施例の方が熱交換量が高い結果が得られた。これは内管の内面にらせん状の溝を形成することで、コルゲート形状よりも熱交換性能が向上できたものと考えられる。

実施例の外管は、比較例の外径よりも小さいが、これは、本発明の性能に疑義を与えるものではない。なぜなら、軽量化して細くしようとした場合、まず同一流量では、耐圧要求は小さくなるので、肉厚を薄くすることが可能であるが、断面における単位面積あたりの性能が同じ場合、細径の伝熱管の方が総断面積が小さくなるので、性能が落ちるのが、通常であるからである。

実施例は、細径にもかかわらず、流量を同一にした条件下で、性能が上がっており、本発明の効果は明らかである。

１０ 二重管式過冷却器
１２ 内管
１３ 外管
１４ 環状の隙間
１５ フィン
１６ 溝

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、主膨張機構、蒸発器を順次接続した主回路を構成し、その凝縮器と主膨張機構間に二重管式過冷却器を接続し、凝縮器と二重管式過冷却器との間と、圧縮機の吸込側とを結んでバイパス膨張機構が接続されたバイパス回路を接続して冷媒回路を構成し、前記二重管式過冷却器が内管と外管で構成され、内管と外管間の環状の隙間に凝縮器から主膨張機構に至る主流冷媒を流し、内管の内側に、前記凝縮器からバイパス回路のバイパス膨張機構で減圧されたバイパス流冷媒を前記主流冷媒と対向流で流すようにした二重管式過冷却器において、前記内管の外面にらせん状のフィンを設け、前記内管の内面にらせん状の溝を設け、前記内管の外径が８〜１２ｍｍ、前記内管の外面のらせん状のフィンの高さが０．５〜０．９ｍｍ、らせんピッチが０．４〜０．８ｍｍ、内面のらせん状の溝の深さが０．１〜０．２ｍｍ、ねじれ角が１２〜２０°に形成され、前記外管の外径が１４〜１８ｍｍに形成されたことを特徴とする過冷却器用伝熱管。
2. 前記二重管式過冷却器が縦型に配置され、バイパス流冷媒が内管の下から上に流れ、主流冷媒が内管と外管間の環状の隙間の上から下に流れるようにした請求項１記載の過冷却器用伝熱管。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の過冷却器用伝熱管を用いたことを特徴とする過冷却器。