JP5942248B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する熱交換器およびその熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関する。

蒸発器として機能する熱交換器としては、フィンチューブ式やマイクロチャネル式などの熱源ガスと冷媒とを熱交換させる熱交換器や、二重管式やプレート式などの液と冷媒とを熱交換させる熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、図５（ａ）に示すような蒸発器５００が開示されている。

図５（ａ）に示す蒸発器５００は、ＣＯ₂冷媒を対象としたものであり、内部に冷媒が流れる冷媒経路５５５を有している。また、蒸発器５００は、蒸発器５００での冷媒側の熱伝達係数を向上させることを目的とした回路構成に組み込まれており、蒸発器５００に供給される冷媒の一部が蒸発器５００の中間に注入される。具体的に、蒸発器５００の上流側には気液分離器５７０が配置されており、気液分離器５７０で分離されたガス冷媒がバイパス路５８０を通じて冷媒経路５５５の出口５５２に接続された流出路５９０に送られる。気液分離器５７０で分離された液冷媒は、冷媒経路５５５の入口５５１に接続された流入路５４０を通じて冷媒経路５５５に流入する。また、流入路５４０からは分岐路５６０が分岐しており、この分岐路５６０は冷媒経路５５５の途中につながっている。この構成により、図５（ｂ）に示すように冷媒経路５５５では乾き度が低い領域が拡大されており、その領域では熱伝達係数が高く維持される。

蒸発器５００の冷媒経路５５５は、図６に示すように、二列に配列された複数の扁平チューブ５５０で主に構成されている。扁平チューブ５５０の両側にはヘッダタンク（図示せず）が配置される。各扁平チューブ５５０の内部空間は、隔壁によって複数の小部屋に区切られている。

特開２００４−２９４０５４号公報

図５（ａ）に示す回路構成において、冷媒としてＲ４１０Ａを使用したときには、扁平チューブ５５０は平滑管に相当するために、蒸発器５００の性能を十分に発揮させることができない。その理由としては、循環する冷媒の一部がバイパス路５８０を通じて蒸発器５００の冷媒経路５５５全体をバイパスするため、冷媒経路５５５を流れる冷媒流量が低下し、冷媒経路５５５の全長に亘って熱伝達係数が低下するからである。しかも、冷媒経路５５５における分岐路５６０がつながる合流位置よりも上流側では、分岐路５６０に冷媒が流れる分さらに冷媒流量が低下するため、熱伝達係数が大きく低下する。

本発明は、蒸発器での冷媒側の熱伝達係数を高くすることができる冷凍サイクル装置、およびこの冷凍サイクル装置に蒸発器として好適に用いることができる熱交換器、を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張手段および蒸発器をこの順に通過するように冷媒を循環させる主回路を備え、前記蒸発器は、内周面に複数の螺旋状の溝が形成された溝付管で構成された冷媒経路であって冷媒を内部に流入させる入口および冷媒を内部から流出させる出口を有する冷媒経路を含み、前記放熱器と前記膨張手段の間または前記膨張手段と前記蒸発器の間で前記主回路から分岐して前記冷媒経路の途中につながる分岐路をさらに備える、ことを特徴とする。

また、本発明の熱交換器は、内周面に複数の螺旋状の溝が形成された溝付管で構成された冷媒経路であって冷媒を内部に流入させる第１開口および冷媒を内部から流出させる第２開口を有する冷媒経路を備え、前記冷媒経路の途中には、前記冷媒経路に流れる冷媒にさらなる冷媒を合流させる外部流入口が設けられている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、冷媒経路の合流位置よりも上流側で管内の熱伝達係数を向上させることができる。これにより、熱源との温度差が同じ場合は、冷媒経路の合流位置よりも上流側で管内の熱伝達係数が向上した分だけ熱交換量が増大し、多くの冷媒を蒸発させることができる。その結果、高性能な蒸発器を得ることができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図、（ｂ）は同冷凍サイクル装置の蒸発器での冷媒変化を示す図 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図、（ｂ）は同冷凍サイクル装置の蒸発器での冷媒変化を示す図 （ａ）は本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図、（ｂ）は同冷凍サイクル装置の蒸発器での冷媒変化を示す図 （ａ）は本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図、（ｂ）は同冷凍サイクル装置の蒸発器での冷媒変化を示す図 （ａ）は従来の熱交換器を含む回路構成を示す図、（ｂ）は同熱交換器における冷媒の変化を説明する図 従来の熱交換器の冷媒経路を構成する扁平チューブの斜視図 非特許文献１に記載された、蒸発管内の熱伝達係数（α）と質量速度（Ｇ）と冷媒乾き度（Ｘ）の関係を示すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の実施形態によって限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１（ａ）に、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ａを示す。この冷凍サイクル装置１Ａは、冷媒を循環させる主回路２と、主回路２の一部と並列な分岐路３と、制御装置５を備えている。冷媒としては、冷凍サイクルの高圧側で超臨界状態となるＣＯ₂を用いてもよいし、冷凍サイクルの高圧側で超臨界状態とならないもの（例えば、フロン系冷媒）を用いてもよい。

主回路２は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３および蒸発器１４を含む。これらの構成要素１１〜１４は第１〜第４流路２１〜２４によってこの順に接続されており、主回路２を循環する冷媒は構成要素１１〜１４をこの順に通過する。第１〜第４流路２１〜２４は、それぞれ、冷媒配管で構成されている。

例えば、冷凍サイクル装置１Ａが空調機の場合、主回路２には暖房運転と冷房運転とで冷媒の流れ方向を切り替える四方弁が設けられる。暖房運転時には、室内熱交換器が放熱器（空調機では凝縮器）１２として機能し、室外熱交換器が蒸発器１４として機能する。冷房運転時には、室外熱交換器が放熱器１２として機能し、室内熱交換器が蒸発器１４として機能する。空調機では、室内熱交換器と室外熱交換器のどちらか一方のみが分岐路３を通じて冷媒が注入されるように構成されてもよい。以下では、冷凍サイクル装置１Ａが空調機であることを前提にして説明する。ただし、冷凍サイクル装置１Ａは必ずしも空調機である必要はなく、冷凍機、暖房機、給湯機等であってもよい。

膨張弁１３は、本発明の膨張手段の一例である。本発明の膨張手段としては、膨張弁１３以外にも、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機を採用することができる。

蒸発器１４は、気液二相状態の冷媒を内部に流入させる入口（第１開口）４１および蒸発した冷媒を内部から流出させる出口（第２開口）４２を有する冷媒経路４を含む。すなわち、入口４１は第３流路２３により膨張弁１３とつながれ、出口４２は第４流路２４により圧縮機１１とつながれている。なお、冷媒経路４にディストリビューターが設けられる場合は、液相の冷媒が入口４１から冷媒経路４に流入することもある。

冷媒経路４は、内周面に複数の螺旋状の溝が形成された溝付管で構成されている。例えば、蒸発器１４がフィンチューブ式熱交換器である場合は、所定の間隔で並ぶフィンを貫通する複数のヘアピン管と、２つのヘアピン管の端部同士を連結するベンド管と、３つ以上のヘアピン管の端部同士を連結する分配管とで、複数の並列なパスが形成されるように冷媒経路４が構成される。この場合、少なくともヘアピン管が溝付管であればよい。

分岐路３は、本実施形態では膨張弁１３と蒸発器１４の間の第３流路２３から分岐して、冷媒経路４の途中につながっている。冷媒経路４の途中には、冷媒経路４に流れる冷媒にさらなる冷媒を合流させる外部流入口４３が設けられている。分岐路３の上流端は第３流路２３に接続されており、分岐路３の下流端は冷媒経路４の外部流入口４３に接続されている。分岐路３には、分岐路３を流れる冷媒の流量を調整する流量制御弁３１が設けられている。

例えば、上述したように冷媒経路４が複数の並列なパスが形成されるように構成される場合、それらのパスを途中で集合させて上流側パス群と下流側パス群との間に集合路を形成し、その集合路に外部流入口４３を設けてもよい。あるいは、各パスの途中に外部流入口４３を設け、分岐路３の下流端を複数に分岐させてもよい。

制御装置５は、入口４１から冷媒経路４に流入した冷媒の乾き度が、分岐路３が冷媒経路４につながる合流位置Ｍで所定値以下となるように、流量制御弁３１の開度を制御する。具体的に、制御装置５は、圧縮機１１と放熱器１２の間の第１流路２１を構成する吐出配管に取り付けられた吐出温度センサ５１と、合流位置Ｍよりも下流側で冷媒経路４を構成する溝付管に取り付けられた蒸発温度センサ５２とに接続されており、これらの温度センサ５１，５２で検出された温度に基づいて流量制御弁３１の開度を制御する。冷媒経路４における冷媒の乾き度が０．９近くになると、溝付管内の冷媒が環状流状態を維持できなくなり、溝付管の内壁面が乾いた状態になって急激に管内の熱伝達係数が低下する。そのため、合流位置Ｍに至るまでに冷媒経路４を流れる冷媒の乾き度が０．９を超えないように、分岐路３に流れる冷媒の流量を流量制御弁３１で規制することが好ましい。

図７は、非特許文献（大石克己、外３名、「Ｒ４１０Ａの水平ら旋溝付蒸発管内熱伝達」、日本機械学会講演論文集、２００４年３月１９日、Ｎｏ．０４８−１、ｐ．１２３−１２４）に記載された、外径が５ｍｍまたは７ｍｍの水平に配置された蒸発管内に冷媒としてＲ４１０Ａを流したときの、蒸発管内の熱伝達係数（α）と冷媒循環量を表す質量速度（Ｇ）と冷媒乾き度（Ｘ）の関係を示すグラフである。蒸発管としては、内周面が平滑な平滑管（Ｓｍｏｏｔｈ）と、内周面に複数の螺旋状の溝が形成された溝付管（Ｇｒｏｏｖｅｄ）が用いられている。平滑管を使用した場合、熱伝達係数は、冷媒乾き度には依存しないで、冷媒循環量に比例する。一方、溝付管を使用した場合、冷媒循環量よりも冷媒乾き度に影響されて冷媒乾き度が高くなるほど熱伝達係数が上昇する。例えば、冷媒乾き度が０．１５のときに冷媒循環量が１／５に減少すると、平滑管では熱伝達係数が約７０％低下するのに対し、溝付管では熱伝達係数の低下が約３０％と小さい。

本実施形態の冷凍サイクル装置１Ａでは、蒸発器１４の冷媒経路４が溝付管で構成されている。冷媒経路４の入口４１から冷媒経路４に流入する冷媒の流量は、分岐路３が設けられていない場合に比べて減少する。しかしながら、図７に示すように、溝付管を使用した場合には冷媒流量の減少によって管内の熱伝達係数がさほど低下しないため、蒸発器１４で熱源と熱交換する単位配管長さ当たりの加熱量はほとんど変わらない。そのため、冷媒経路４の合流位置Ｍよりも上流側では、分岐路３が設けられていない場合と同程度の蒸気が発生する。冷媒流量が減少した条件下で発生蒸気量が同じであるため、単位配管長さ当たりの冷媒乾き度の増加が速くなり、冷媒経路４を進むにつれて管内の熱伝達係数が大きく上昇する。これは、図７に示すように溝付管を使用した場合には、冷媒乾き度が上昇すると管内の熱伝達係数も上昇するからである。しかも、図５（ａ）に示す従来の蒸発器５００とは異なり、冷媒経路４の入口４１での冷媒乾き度は０よりも大きいために、冷媒経路４の入口４１でも比較的に大きな熱伝達係数が得られる。冷媒経路４を流れる主流に分岐路３からの冷媒が合流した後は、冷媒流量および冷媒乾き度が、分岐路３が設けられていない場合と同程度になるため、管内の熱伝達係数も分岐路が設けられていない場合と同程度になる。

次に、図１（ｂ）も参照して、冷凍サイクル装置１Ａの動作を説明する。なお、図１（ｂ）中の太い破線は分岐路３が設けられていない場合を表し、太い実線は本実施形態の冷凍サイクル装置１Ａの作用を表す。

流量制御弁３１は、圧縮機１１の始動前に全閉とされる。その後、圧縮機１１が始動すると、圧縮機１１は、第４流路２４を通じて低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮する。高圧のガス冷媒は、第１流路２１を通じて放熱器１２へと導かれる。放熱器１２において、冷媒は冷却され、凝縮する。高圧の液冷媒は、第２流路２２を通じて放熱器１２から膨張弁１３に導かれ、膨張弁１３の働きによって減圧される。制御装置５は、圧縮機１１の吸入冷媒がガス冷媒となるように膨張弁１３の開度を調整する。減圧によって気液二相状態となった冷媒は、第３流路２３を通じて膨張弁１３から蒸発器１４に導かれ、蒸発器１４で加熱され、蒸発する。ガス冷媒は、第４流路２４を通じて圧縮機１１に再び吸入される。膨張弁１３の働きにより圧縮機１１の吸入冷媒の過熱度が任意の値となった後、冷凍サイクル装置１Ａが安定運転に移行する。

冷凍サイクル装置１Ａの安定運転移行後に、制御装置５は、流量制御弁３１を任意の開度まで開く。すると、蒸発器１４の上流側で気液二相状態の冷媒の一部が分岐路３に流入する。分岐路３に冷媒が流れることにより、蒸発器１４の冷媒経路４に入口４１から流入する冷媒流量が減少する。分岐路３に流れた冷媒は、冷媒経路４に外部流入口４３から流入する。分岐路３によって冷媒経路４の合流位置Ｍより上流側で冷媒流量が減少することの影響として、冷媒側の熱伝達係数の低下が懸念されるが、図７に示されているように溝付管では冷媒流量による管内の熱伝達係数への影響がわずかである。従って、主に空気側の熱伝達係数に支配されて、単位長さあたりの冷媒蒸発量は分岐路３が設けられていない場合とほぼ等しくなる。その結果、従来よりも冷媒流量が減っているため、冷媒乾き度の上昇速度が大きくなる。図７に示されているように溝付管では冷媒乾き度による熱伝達係数への影響が大きく、冷媒乾き度が高くなると、熱伝達係数が上昇する。よって、合流位置Ｍより上流の冷媒経路４では、冷媒側の熱伝達係数が従来よりも高くなるため、熱源と冷媒との温度差が従来と同じ場合は、より多くの冷媒を蒸発させることができる。

膨張弁１３と圧縮機１１が安定した状態にある安全運転では、蒸発器１４の熱交換性能が向上した分だけ蒸発器１４の早い段階で冷媒がガス状態になるため、圧縮機１１に吸入される冷媒の過熱度が上昇する。この変化を、圧縮機１１から吐出された冷媒が流れる上述した吐出配管の温度によって検出することができる。流量制御弁３１の開度を順次開いていくと、吐出配管の温度がピークに達してその後低下を始める。流量制御弁３１を開き過ぎて、合流位置Ｍより上流の冷媒経路４において冷媒乾き度が０．８〜０．９以上に達すると、溝付管の内壁面上に液膜が保持できず急激に熱伝達係数が低下する。これに伴って、熱交換性能が低下し、圧縮機１１に吸入される冷媒の過熱度が低下する。よって、流量制御弁３１の開度を、吐出配管の温度がピークに達する点に設定することで蒸発器１４の熱交換性能を最大源引き出すことができる。その後、膨張弁１３を用いて、圧縮機１１に吸入される冷媒の過熱度を任意の目標値に調整することで、高い成績係数（ＣＯＰ）の冷凍サイクル装置１Ａを実現できる。

＜変形例＞
前記実施形態では分岐路３に流量制御弁３１が設けられていたが、分岐路３には流量制御弁３１が必ずしも設けられている必要はない。例えば、流量制御弁３１を省略して、分岐路３をどのような条件下でも合流位置Ｍでの冷媒の乾き度が例えば０．９未満となるように構成することも可能である。例えば、分岐路３の下流端を細管で構成してもよい。

（第２実施形態）
次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｂを説明する。以下、先の実施形態と後の実施形態とで共通する構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、膨張手段１３と蒸発器１４の間の第３流路２３に、気液二相状態の冷媒から液冷媒の一部を分離する気液分離器６が設けられている。気液分離器６には、分離された液冷媒が分岐路３に導入されるように分岐路３が接続されている。そして、液冷媒の一部が取り除かれた気液二相状態の冷媒が気液分離器６から蒸発器１４に導かれる。

気液分離器６により分岐路３には液冷媒が供給される。この構成により、流量制御弁３１を通過する冷媒が液単相になるので、流量制御弁３１の開度に応じた冷媒流量が安定する効果が得られる。さらに、第３流路２３から液冷媒のみを抜き出すことで、蒸発器１４に流入する冷媒の冷媒乾き度が上昇するため、蒸発器１４での冷媒側の熱伝達係数を冷媒経路４の入口４１から上昇させることができる。その結果、蒸発器１４の熱交換性能が向上し、高い成績係数（ＣＯＰ）の冷凍サイクル装置１Ｂを実現できる。

（第３実施形態）
次に、図３（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｃを説明する。この冷凍サイクル装置１Ｃは、分岐路３の上流端が放熱器１２と膨張弁１３の間の第２流路２２に接続されている点で第１実施形態の冷凍サイクル装置１Ｂと相違する。

第２流路２２には、通常、放熱器１２で凝縮した過冷却状態の液冷媒が流れる。そのため、分岐路３には液冷媒が供給される。流量制御弁３１を通過する冷媒が液単相になるので、第２実施形態と同様に、流量制御弁３１の開度に応じた冷媒流量が安定する効果が得られる。すなわち、分岐路３を流れる冷媒の流量を安定して望ましい範囲に設定できるため、高い成績係数（ＣＯＰ）の冷凍サイクル装置１Ｃを実現できる。

（第４実施形態）
次に、図４（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｄを説明する。この冷凍サイクル装置１Ｄは、第２流路２２と第３流路２３とに跨って内部熱交換器７が設けられ、分岐路３の上流端が内部熱交換器７の下流側で第２流路２２に接続されている点で第３実施形態の冷凍サイクル装置１Ｃと相違する。すなわち、内部熱交換器７は、放熱器１２から分岐路３が分岐する位置までを流れる冷媒と膨張弁１３から蒸発器１４までを流れる冷媒とを熱交換させる。

第３流路２３を流れる冷媒は、膨張弁１３を通過して減圧されているために、第２流路２２を流れる冷媒よりも低温になる。そのため、内部熱交換器７での熱交換により、第２流路２２を流れる冷媒が冷却されてその過冷却度が大きくなる。これにより、分岐路３を流れる冷媒のエンタルピーが内部熱交換器７を設けない場合（第３実施形態）よりも低くなり、流量制御弁３１を通過する冷媒のエンタルピーがさらに低下する。よって、流量制御弁３１を通過する冷媒が過冷却度が大きな液単相になるので、流量制御弁３１の開度に応じた冷媒流量がより安定する効果が得られる。

分岐路３が設けられていない場合、第２流路２２を流れる冷媒の流量と第３流路２３を流れる冷媒の流量は等しいために、内部熱交換器７が有っても無くても冷媒経路４の入口４１での冷媒の乾き度は変化しない。これに対し、本実施形態では、第３流路２３を流れる冷媒の流量が第２流路２２を流れる冷媒の流量よりも少なくなっているので、内部熱交換器７を設けない場合と比較して冷媒経路４の入口４１での冷媒の乾き度が上昇する。そのため、蒸発器１４での冷媒側の熱伝達係数を冷媒経路４の入口４１から上昇させることができる。その結果、蒸発器１４の熱交換性能が第３実施形態よりもさらに向上し、より高い成績係数（ＣＯＰ）の冷凍サイクル装置１Ｄを実現できる。

１Ａ〜１Ｄ 冷凍サイクル装置
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 膨張弁（膨張手段）
１４ 放熱器
２ 主回路
３ 分岐路
３１ 流量制御弁
４ 冷媒経路
４１ 入口（第１開口）
４２ 出口（第２開口）
４３ 外部流入口
６ 気液分離器
７ 内部熱交換器

Claims (6)

1. 圧縮機、放熱器、膨張手段および蒸発器をこの順に通過するように冷媒を循環させる主回路を備え、
   前記蒸発器は、内周面に複数の螺旋状の溝が形成された溝付管で構成された冷媒経路であって冷媒を内部に流入させる入口および冷媒を内部から流出させる出口を有する冷媒経路を含み、
   前記放熱器と前記膨張手段の間または前記膨張手段と前記蒸発器の間で前記主回路から分岐して前記冷媒経路の途中につながる分岐路と、
   前記分岐路に設けられ、前記分岐路を流れる冷媒の流量を調整する流量制御弁と、
   をさらに備え、
   前記圧縮機の吐出温度が最大となるように前記流量制御弁の開度が制御される、冷凍サイクル装置。
2. 前記流量制御弁は、前記入口から前記冷媒経路に流入した冷媒の乾き度が、前記分岐路が前記冷媒経路につながる合流位置で所定値以下となるように、前記分岐路を流れる冷媒の流量を調整する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記主回路には、前記膨張手段と前記蒸発器の間に、気液二相状態の冷媒から液冷媒の一部を分離する気液分離器が設けられており、
   前記分岐路は分離された液冷媒が当該分岐路に導入されるように前記気液分離器に接続され、液冷媒の一部が取り除かれた気液二相状態の冷媒が前記気液分離器から前記蒸発器に導かれる、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記分岐路は、前記放熱器と前記膨張手段の間で前記主回路から分岐している、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記主回路には、前記放熱器から前記分岐路が分岐する位置までを流れる冷媒と前記膨張手段から前記蒸発器までを流れる冷媒とを熱交換させる内部熱交換器が設けられている、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記圧縮機の吐出冷媒の温度を検出する吐出温度センサと、
   前記合流位置よりも下流側において前記冷媒経路を流れる冷媒の温度を検出する蒸発温度センサと、
   をさらに備え、
   前記吐出温度センサで検出された温度および前記蒸発温度センサで検出された温度に基づき、前記入口から前記冷媒経路に流入した冷媒の乾き度が、前記分岐路が前記冷媒経路につながる合流位置で０．９以下となるように前記流量制御弁の開度が制御される、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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