JP6214670B2 - 熱交換器及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

熱交換器及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本発明は、被熱交換流体(例えば空気)の流通方向に対して冷媒の流通する伝熱管を複数列有する熱交換器に関するものである。
冷凍サイクル装置にはHFC系冷媒が使用されているが、HFC系冷媒は地球温暖化係数が高いという問題がある。したがって、冷凍サイクル装置から冷媒が漏洩した場合、地球温暖化への影響が強くなるため、冷凍サイクル装置内の冷媒封入量を減少させる技術が必要となる。
冷凍サイクル装置の運転中は、封入される冷媒の大半が熱交換器に滞留するため、熱交換器の伝熱管の容積を減少させることで冷媒量を減少することが重要となる。
従来の熱交換器には、複数列の伝熱管を扁平管や円管を組み合わせて構成し、熱交換効率の向上させたものがある(特許文献1を参照)。
特開2010−54060号公報(第1、9図等を参照)
従来の熱交換器は、風上側に容積の大きい円管の伝熱管を用い、風下側に容積の少ない扁平管を用いているため、凝縮器として利用する場合に空気と冷媒の流れが対向流となり、蒸発器として利用する場合に空気と冷媒の流れが並行流となると容積の大きな円管側に密度の大きな冷媒が滞留し冷媒量が多くなる問題がある。
また、冷媒量削減や高性能化を目的に扁平多穴管、もしくは細径円管を伝熱管として使用する場合、伝熱管内の圧力損失が増大し、冷凍サイクルの運転効率が低下するという問題がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、凝縮器及び蒸発器として利用される列方向に並んだ各伝熱管の流路容積や水力相当直径等を調整することで、伝熱管内に滞留する冷媒量を削減するとともに、熱交換器全体としての伝熱管の圧力損失を低減した熱交換器及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
本発明に係る熱交換器は、熱交換流体の上流側に配置した第1熱交換器と、前記熱交換流体の下流側に配置した第2熱交換器とを熱媒体が流通する流路にて直列に接続した熱交換器であって、蒸発器として機能する場合に、前記熱交換流体と並行流となるよう前記第1熱交換器から前記第2熱交換器に前記熱媒体が流通し、凝縮器として機能する場合に、前記熱交換流体と対向流となるよう前記第2熱交換器から前記第1熱交換器に前記熱媒体が流通し、前記第1熱交換器が備える第1伝熱管の流路容積の総和は、前記第2熱交換器が備える第2伝熱管の流路容積の総和よりも小さく、かつ、前記第1伝熱管の設置間隔は、前記第2伝熱管の設置間隔より短い長さであり、前記第1伝熱管の管内伝熱面積の総和は、前記第2伝熱管の管内伝熱面積の総和より広い面積であり、前記第1熱交換器のフィンのピッチを前記第2熱交換器のフィンのピッチよりも狭くすることで、前記第1熱交換器は前記第2熱交換器よりもフィンの枚数を多く備えていることを特徴とするものである。
本発明に係る熱交換器によれば、熱交換器の伝熱管内に滞留する冷媒量を削減するとともに、熱交換器全体としての伝熱管の圧力損失を低減することが可能となる。
実施の形態1に係る熱交換器を熱源機に実装し暖房運転を行う冷媒回路を示す図である。 実施の形態1に係る熱交換器の構成図である。 実施の形態1に係る熱源側熱交換器を蒸発器として利用した際に伝熱管内に滞留する積算冷媒量を示した図である。 実施の形態1に係る熱源側熱交換器を蒸発器として利用した際に伝熱管内で生じる圧力損失を示した図である。 実施の形態1に係る熱交換器を熱源機に実装し冷房運転を行う冷媒回路を示す図である。 実施の形態1に係る熱源側熱交換器を凝縮器として利用した際に伝熱管内に滞留する積算冷媒量を示した図である。 実施の形態1に係る熱源側熱交換器を凝縮器として利用した際に伝熱管内で生じる圧力損失を示した図である。 実施の形態2に係る熱交換器を室外機に適用した概要図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下で説明する構成等は、一例であり、本発明に係る熱交換器は、そのような構成等に限定されない。
また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。
また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る熱交換器を熱源機に実装し暖房運転を行う冷媒回路を示す図である。
図2は、実施の形態1に係る熱交換器の構成図である。
冷凍サイクル装置は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機201と、圧縮機201から吐出された冷媒の流路を切り替える四方弁202と、室内空気と冷媒とを熱交換する利用側熱交換器203と、冷媒を減圧する膨張弁204と、室外空気と冷媒とを熱交換する熱源側熱交換器101、102とを冷媒配管で接続したものである。
また、利用側熱交換器203には利用側送風機205が隣接して設置され、被熱交換流体である室内空気を利用側熱交換器203に対して送風する。熱源側熱交換器101、102にも熱源側送風機206が隣接して設置され、被熱交換流体である室外空気を熱源側熱交換器101、102に対して送風する。
熱源側熱交換器101、102は、フィンチューブ式の熱交換器であり、平行に配置された複数の伝熱管103、104に略垂直となるように板状のフィン105、106が伝熱可能に取り付けられている。そして、熱源側送風機206の送風方向で風上側に配置された第1熱源側熱交換器101と、風下側に配置された第2熱源側熱交換器102とに分割されている。第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の各伝熱管は、冷媒が直列に流通するように接続されている。
次に、第1熱源側熱交換器101と、第2熱源側熱交換器102の構成について詳述する。
実施の形態1に係る熱源側熱交換器101、102では、第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の流路容積の総和を、第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の流路容積の総和よりも小さい値としている。
また、第1熱源側熱交換器101を各伝熱管103の軸方向に垂直な方向で切った伝熱管103の流路断面積の総和を、第2熱源側熱交換器102を各伝熱管104の軸方向に垂直な方向で切った伝熱管104の流路断面積の総和よりも小さい値としている。
さらに、第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の水力相当直径(等価直径)の総和は、第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の水力相当直径(等価直径)の総和よりも小さい値となっている。
ここでの、水力相当直径(等価直径)(d)とは、伝熱管の流路の1本を円管に置き換えたときにどのくらいの長さの直径の円管と等価であるかを示す代表長さのことである。水力相当直径(等価直径)(d)は、以下の式で表される。
d=4A/L (ここでAは流路断面積、Lは濡れ縁長さ(流路断面における壁面の長さ)を示す)。
各伝熱管103、104の形状は、図2に示すように第1熱源側熱交換器101の伝熱管103は偏平多穴管を採用しており、第2熱源側熱交換器102の伝熱管104は円管を採用している。
このように第1熱源側熱交換器101の伝熱管103に偏平多穴管を採用することで、第1熱源側熱交換器101の熱交換効率を向上させ、メイン熱交換器として機能させることが可能となる。
なお、上記のような伝熱管の流路容積や水力相当直径の関係となっていれば、第1熱源側熱交換器101を円管としてもよく、また、第2熱源側熱交換器102を偏平多穴管としてもよい。また、各熱源側熱交換器101、102における伝熱管103、104の本数およびパス数は特段限定されない。
第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の各伝熱管103、104の断面配置は、被熱交換流体である空気の流通方向に平行に配置される碁盤目状の配置や、伝熱効率を向上させる千鳥状の配置などが採用可能である。
また、各伝熱管103、104の設置間隔であるピッチは、例えば第1熱源側熱交換器101の伝熱管103のピッチを狭くし、第2熱源側熱交換器102の伝熱管104のピッチを広くして伝熱管103の本数を伝熱管104の本数の2倍等とし、第1熱源側熱交換器101を容量の大きいメイン熱交換器として設計してもよい。
また、伝熱管103の内部表面積で規定される管内伝熱面積の総和を伝熱管104の管内伝熱面積の総和より大きくしてもよい。
第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の各フィン105、106は、例えば、第1熱源側熱交換器101のフィン105のピッチを狭くし、第2熱源側熱交換器102のフィン106のピッチを広くしてフィン105の枚数をフィン106の枚数の2倍等とし、第1熱源側熱交換器101を容量の大きいメイン熱交換器として設計してもよい。さらに各フィン105、106の表面積の総和に差をつけ第1熱源側熱交換器101のフィン105の表面積を第2熱源側熱交換器102のフィン106の表面積より大きく、もしくは同等以上としてもよい。
なお、以上のような伝熱管103、104やフィン105、106の構成を適宜組み合わせることにより、第1熱源側熱交換器101を伝熱管の流路容積は小さいが熱交換容量の大きいメイン熱交換器とし、第2熱源側熱交換器102をメイン熱交換器をアシストするサブ熱交換器として機能させることが可能となる。
次に、実施の形態1に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を暖房モードで運転した場合の動作について説明する。
圧縮機201から送出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁202を通過し、利用側熱交換器203へ流入する。
利用側熱交換器203へ流入した冷媒は室内空気との熱交換により冷却され凝縮したのち、膨張弁204へ流入し、減圧される。
減圧された低温の冷媒は第1熱源側熱交換器101、第2熱源側熱交換102の順に流れ、室外空気により加熱されてガス冷媒となり、四方弁202を通って圧縮機201へ吸入される。
この暖房モードのときには、熱源側熱交換器101、102は蒸発器として使用され、冷媒は熱源側送風機206が送風する空気の流れ方向に対して第1熱源側熱交換器101から第2熱源側熱交換器102へ向けて並行して流れる。
次に熱源側熱交換器101、102内の冷媒状態について説明する。
図3は、実施の形態1に係る熱源側熱交換器を蒸発器として利用した際に伝熱管内に滞留する積算冷媒量を示した図である。
図4は、実施の形態1に係る熱源側熱交換器を蒸発器として利用した際に伝熱管内で生じる圧力損失を示した図である。
第1熱源側熱交換器101へ流入した冷媒は室外空気により加熱されるため、流れ方向に沿って乾き度が増大する。また、第2熱源側熱交換器102でも同様に、冷媒は流れ方向に沿って乾き度が増大する。よって、冷媒の密度は流れ方向に沿って徐々に小さくなる。
ここで、上記のように熱源側熱交換器101、102は、第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の流路容積の総和を、第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の流路容積の総和よりも小さい値としている。
よって、実施の形態1に係る熱源側熱交換器101、102を蒸発器として利用したときの熱交換器入口からの伝熱管103、104内の積算冷媒量は、図3の[3]の曲線に示すようになる。
第1熱源側熱交換器101に流入した冷媒は乾き度が小さく冷媒密度が大きいが、各伝熱管103の流路容積の総和が第2熱源側熱交換器102に比べて相対的に小さくなっているので、各伝熱管103に内に滞留する冷媒量を少なくすることができる。
また、第2熱源側熱交換器102に冷媒が流入し、各伝熱管104の流路容積の総和が第1熱源側熱交換器101に比べて相対的に大きくなっても、冷媒の乾き度が大きくなり冷媒密度が小さくなっているので、伝熱管104内に滞留する冷媒量の積算増加率を小さくすることができる。
したがって、熱源側熱交換器101、102内に滞留する冷媒量を全体として抑制することができる。
なお、図3の[1]の曲線は、第1熱源側熱交換器101の伝熱管103に第2熱源側熱交換器102の伝熱管104の構成を採用し、第1熱源側熱交換器101の伝熱管103の流路容積の総和を第2熱源側熱交換器102の伝熱管104と同等に大きい値とした場合の積算冷媒量である。
また、図3[2]の曲線は、第1熱源側熱交換器101の伝熱管103と第2熱源側熱交換器102の伝熱管104の構成を入れ替え、第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の流路容積の総和を、第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の流路容積の総和よりも小さい値とした場合の積算冷媒量である。
図3[4]の曲線は、第2熱源側熱交換器102の伝熱管104に第1熱源側熱交換器101の伝熱管103の構成を採用し、第2熱源側熱交換器102の伝熱管104の流路容積の総和を第1熱源側熱交換器101の伝熱管103と同等に小さい値とした場合の積算冷媒量である。
また、冷媒が流通する際の伝熱管内の圧力損失は、乾き度の増大に伴って増大するが、乾き度が大きくなる第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の水力相当直径(等価直径)の総和を第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の水力相当直径(等価直径)の総和よりも大きくしているため、図4の[3]の曲線に示すように影響の大きい第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104での圧力損失の増大を抑制することができる。
したがって、熱源側熱交換器101、102の各伝熱管103、104での冷媒の圧力損失を全体として抑制することができる。
なお、比較として記載した図4の[1]の曲線は、第1熱源側熱交換器101の伝熱管103に第2熱源側熱交換器102の伝熱管104の構成を採用し、第1熱源側熱交換器101の伝熱管103の水力相当直径の総和を第2熱源側熱交換器102の伝熱管104と同等に大きい値とした場合の圧力損失である。
また、図3[2]の曲線は、第1熱源側熱交換器101の伝熱管103と第2熱源側熱交換器102の伝熱管104の構成を入れ替え、第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の流路容積の総和を、第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の水力相当直径の総和よりも小さい値とした場合の圧力損失である。
図3[4]の曲線は、第2熱源側熱交換器102の伝熱管104に第1熱源側熱交換器101の伝熱管103の構成を採用し、第2熱源側熱交換器102の伝熱管104の水力相当直径の総和を第1熱源側熱交換器101の伝熱管103と同等に小さい値とした場合の圧力損失である。
また、第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の圧力損失を更に低減させたい場合は、第1熱源側熱交換器101の上流側に分配器を設けて複数の伝熱管103に分岐させて冷媒を流し伝熱管を多パス化して、伝熱管内を流れる冷媒速度を低下させるとよい。
次に、実施の形態1に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を冷房モードで運転した場合の動作について説明する。
図5は、実施の形態1に係る熱交換器を熱源機に実装し冷房運転を行う冷媒回路を示す図である。
圧縮機201から送出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁202を通過し、熱源側熱交換器101、102へ流入する。
熱源側熱交換器101、102へ流入した冷媒は室外空気との熱交換により冷却され凝縮したのち、膨張弁204へ流入し、減圧される。
減圧された低温の冷媒は利用側熱交換器203に流入し、室内空気により加熱されてガス冷媒となり、四方弁202を通って圧縮機201へ吸入される。
この冷房モードのときには、熱源側熱交換器101、102は凝縮器として使用され、冷媒は熱源側送風機206が送風する空気の流れ方向に対して第2熱源側熱交換器102から第1熱源側熱交換器101へ向けて対向して流れる。
次に熱源側熱交換器101、102内の冷媒状態について説明する。
図6は、実施の形態1に係る熱源側熱交換器を凝縮器として利用した際に伝熱管内に滞留する積算冷媒量を示した図である。
図7は、実施の形態1に係る熱源側熱交換器を凝縮器として利用した際に伝熱管内で生じる圧力損失を示した図である。
第2熱源側熱交換器102へ流入した冷媒は室外空気により冷却されるため、流れ方向に沿って乾き度が減少する。また、第1熱源側熱交換器101でも同様に、冷媒は流れ方向に沿って乾き度が減少する。よって、冷媒の密度は流れ方向に沿って徐々に大きくなる。
ここで、上記のように熱源側熱交換器101、102は、第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の流路容積の総和を、第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の流路容積の総和よりも小さい値としている。
よって、実施の形態1に係る熱源側熱交換器101、102を凝縮器として利用したときの熱交換器入口からの伝熱管103、104内の積算冷媒量は、図6の[3]の曲線に示すようになる。
第2熱源側熱交換器102に流入した冷媒は、冷媒の乾き度が大きく冷媒密度が小さいため、各伝熱管104の流路容積の総和が第1熱源側熱交換器101に比べて相対的に大きくなっても、伝熱管104内に滞留する冷媒量を小さくすることができる。
その後第1熱源側熱交換器101に流入した冷媒は乾き度が小さくなり冷媒密度が大きくなっているが、各伝熱管103の流路容積の総和が第2熱源側熱交換器102に比べて相対的に小さくなっているので、各伝熱管103に内に滞留する冷媒量を少なくすることができる。
したがって、熱源側熱交換器101、102内に滞留する冷媒量を全体として抑制することができる。
なお、図6における[1]、[2]、[4]の曲線は、図3の説明で記載した熱源側熱交換器101、102の各伝熱管103、104と同様の構成で、比較のために示したものである。
また、冷媒が流通する際の伝熱管内の圧力損失は、乾き度の増大に伴って増大するが、乾き度が大きくなる第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104の水力相当直径(等価直径)の総和を第1熱源側熱交換器101の各伝熱管103の水力相当直径(等価直径)の総和よりも大きくしているため、図7の[3]の曲線に示すように影響の大きい第2熱源側熱交換器102の各伝熱管104での圧力損失の増大を抑制することができる。
したがって、熱源側熱交換器101、102の各伝熱管103、104での冷媒の圧力損失を全体として抑制することができる。
なお、図7における[1]、[2]、[4]の曲線は、図4の説明で記載した熱源側熱交換器101、102の各伝熱管103、104と同様の構成で、比較のために示したものである。
また、第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の圧力損失を更に低減させたい場合は、第2熱源側熱交換器102の上流側に分配器を設けて複数の伝熱管104に分岐させて冷媒を流し伝熱管を多パス化して、伝熱管内を流れる冷媒速度を低下させるとよい。
なお、第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102と利用側熱交換器203を構成する伝熱管103、104及びフィン105、106の材質をともにアルミニウム製、もしくはアルミニウム合金製とすることで、異種金属間で発生する腐食を抑えることができ、また、軽量化を図ることができる。
また、実施の形態1の例では熱源側熱交換器101、102に第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の2列の熱交換器の構成を適用したが、利用側熱交換器203にこの2列の熱交換器の構成を採用することが可能である。
実施の形態1に係る熱源側熱交換器101、102は、上記のような伝熱管の構成を採用したため、伝熱管内に滞留する冷媒量を削減するとともに、熱交換器全体としての伝熱管の圧力損失を低減することが可能となる。
実施の形態2.
次に実施の形態2に係る熱交換器ついて図8を用いて説明する。
実施の形態2に係る熱交換器の構成は、基本的に実施の形態1に係る第1熱源側熱交換器101と第2熱源側熱交換器102の伝熱管103、104の構成を備えているため、相違点のみを説明する。
図8は実施の形態2に係る熱交換器を室外機に適用した概要図である。
実施の形態2では、熱交換器を被熱交換流体の流通方向に3列設置した場合を示し、第1熱源側熱交換器101を2列とするとともにL型形状とし、第2熱源側熱交換器102を1列とするとともに平面形状としている。また、第2熱源側熱交換器102の幅寸法を第1熱源側熱交換器101の直線部分の幅寸法よりも小さくしている。なお、第2熱源側熱交換器102の高さ寸法を第1熱源側熱交換器101の高さ幅寸法よりも小さくしても良い。
この構成によれば、第2熱源側熱交換器102を平面形状としているため、伝熱管の曲げによる加工費を削減することができる。
また実施の形態1と同様に熱源側熱交換器101、102は、上記のような伝熱管の構成を採用したため、伝熱管内に滞留する冷媒量を削減するとともに、熱交換器全体としての伝熱管の圧力損失を低減することが可能となる。
以上、実施の形態1及び実施の形態2について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されない。例えば、各実施の形態の全て又は一部を組み合わせることも可能である。
101 第1熱源側熱交換器、102 第2熱源側熱交換器、103 伝熱管、104 伝熱管、105 フィン、106 フィン 201 圧縮機、202 四方弁、203 利用側熱交換器、204 膨張弁、205 利用側送風機、206 熱源側送風機。

Claims (9)

  1. 熱交換流体の上流側に配置した第1熱交換器と、前記熱交換流体の下流側に配置した第2熱交換器とを熱媒体が流通する流路にて直列に接続した熱交換器であって、
    蒸発器として機能する場合に、前記熱交換流体と並行流となるよう前記第1熱交換器から前記第2熱交換器に前記熱媒体が流通し、
    凝縮器として機能する場合に、前記熱交換流体と対向流となるよう前記第2熱交換器から前記第1熱交換器に前記熱媒体が流通し、
    前記第1熱交換器が備える第1伝熱管の流路容積の総和は、前記第2熱交換器が備える第2伝熱管の流路容積の総和よりも小さく、かつ、前記第1伝熱管の設置間隔は、前記第2伝熱管の設置間隔より短い長さであり、前記第1伝熱管の管内伝熱面積の総和は、前記第2伝熱管の管内伝熱面積の総和より広い面積であり、
    前記第1熱交換器のフィンのピッチを前記第2熱交換器のフィンのピッチよりも狭くすることで、前記第1熱交換器は前記第2熱交換器よりもフィンの枚数を多く備えている熱交換器。
  2. 前記第1熱交換器が備える第1伝熱管の断面積の総和は、前記第2熱交換器が備える第2伝熱管の断面積の総和よりも小さい請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記第1熱交換器が備える第1伝熱管の水力相当直径の総和は、前記第2熱交換器が備える第2伝熱管の水力相当直径の総和よりも小さい請求項1に記載の熱交換器。
  4. 前記第1伝熱管は扁平多穴管であり、前記第2伝熱管は円管である請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
  5. 前記第1熱交換器の備えるフィンの表面積は、前記第2熱交換器の備えるフィンの表面積より広い面積である請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱交換器。
  6. 前記第1伝熱管及び前記第2伝熱管の断面配置は、前記熱交換流体の流通方向に対して重ならないように千鳥状となっている請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換器。
  7. 前記第1熱交換器をL形断面形状とし、前記第2熱交換器を平面形状として、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器とを前記熱交換流体の流通方向に対して重ねて配置した請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換器。
  8. 前記第1熱交換器と前記第2熱交換器とが備えるフィン及び前記第1伝熱管と前記第2伝熱管の材質をともにアルミニウム製とした請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換器。
  9. 少なくとも利用側熱交換器と熱源側熱交換器との一方に請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換器を使用した冷凍サイクル装置。
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