JP7061251B2 - 熱交換装置およびヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱媒体の管路を含む熱交換装置およびヒートポンプ装置に関する。

従来より、空調装置などの熱交換器として、フィンアンドチューブ熱交換器が提案されている（特許文献参照）。

特開２０１０－１７５１３１号公報 特開２０１２－１８１０１３号公報

本発明の目的は、熱交換効率が向上した熱交換装置およびヒートポンプ装置を提供することにある。

本願発明者らは、熱交換体と接する複数の熱媒体の管路の間において、ある熱媒体の管路からの熱が、隣の熱媒体の管路の近くの熱交換体の領域の熱交換効率に影響を与えることを見出した。

本発明の熱交換装置は、
熱媒体の管路と、前記熱媒体の管路との間で熱の授受がなされ、かつ、前記熱媒体の管路と交差する一つ又は複数の熱交換体とを含み、
前記熱交換体の少なくとも一つは、複数の箇所において、前記熱媒体の管路と接し、
前記熱交換体の少なくとも一つにおいて、前記熱媒体の管路と交差する箇所の間の少なくとも一つの間において、前記熱媒体の管路から他の熱媒体の管路に向かう熱の伝達を抑制する熱伝達抑制部が設けられている。

本発明において、前記熱媒体の管路は、屈曲部または湾曲部を有する折り返し構造とすることができる。

本発明において、前記熱伝達抑制部は、空間部により構成されていることができる。

本発明において、前記空間部に前記熱交換体よりも熱伝導率が低い材料が設けられていることができる。空間部が何らの材料で充填されていない場合に比べて、熱交換体の形状や強度を高めることができる。

本発明において、前記空間部に空気よりも熱伝導率が低い材料が設けられていることができる。これにより、熱伝達抑制部の熱伝達の抑制機能を高めることができる。

本発明において、前記空間部は、前記熱交換体の形状が変化しない程度の大きさであることができる。熱交換体の機能をより確実に発揮することができる。

本発明のヒートポンプ装置は、本発明の熱交換装置を凝縮器または蒸発器として含む。

本発明によれば、熱交換体と接する複数の熱媒体の管路の間の少なくとも一つにおいて、熱伝達抑制部があるため、熱交換効率が向上した熱交換効率が向上した熱交換装置およびヒートポンプ装置を実現することができる。

図１（Ａ）は熱交換装置を模式的に示す図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ１－Ａ１線に沿った断面を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係る熱交換装置の効果を説明するための図である。 実施の形態に係る熱交換装置の変形例を模式的に示す図である。 実施の形態に係る熱交換装置の管路を模式的に示す上面図である。 熱媒体の管路が２列の場合の熱伝達抑制部の構成例を模式的に示すである。 熱伝達抑制部の構成例を模式的に示すである。 熱媒体の管路の温度遷移を示す図である。 実施の形態に係るヒートポンプ装置を模式的に示す図である。 図９（Ａ）は、熱交換装置の参考例を模式的に示す図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ１－Ｂ１線に沿った断面を模式的に示す図である。 参考技術の問題点を説明するための図である。 参考技術の問題点を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

１．熱交換装置
熱交換装置１０は、図１に示すように、熱媒体の管路１２と、熱媒体の管路１２との間で熱の授受がなされ、かつ、熱媒体の管路１２と交差する一つ又は複数の熱交換体１４とを含む。

熱媒体の管路１２は、熱媒体が通る通路であり、熱交換体１４と接触する箇所において、熱の授受を行う。

熱交換体１４の少なくとも一つは、複数の箇所において、熱媒体の管路１２と接している。具体的には、熱媒体の管路１２は、屈曲部または湾曲部を有する折り返し構造（往復構造）であり、各熱交換体１４と交差していることができる。熱交換体１４は、一つまたは複数であることができる。熱媒体の管路１２は、単列（図１および図２参照）の折り返し構造や、複数列（図３および図４参照）の折り返し構造であってもよい。

熱交換体１４の少なくとも一つにおいて、熱媒体の管路１２と交差する箇所の間の少なくとも一つの間において、熱媒体の管路１２から他の熱媒体の管路１２に向かう熱の伝達を抑制する熱伝達抑制部１６が設けられている。

熱伝達抑制部１６は、空間部により構成されていることができる。空間部は、たとえば、スリットであることができる。

空間部に熱交換体１４よりも熱伝導率が低い材料を設けることができる。空間部に熱伝導率が低い材料、たとえば断熱材などからなる充填部１６ａ（図６参照）を設けることで、空間体が何らの材料により埋められていない場合に比べて、熱交換体１４の強度を高めることができる。また、空間部の幅を広くしても、熱交換体１４に求められる強度を確保しやすい。空間部に空気よりも熱伝導率が低い材料が設けられていることにより、空間部のみの場合に比べて、熱伝達抑制部１６の熱伝達抑制機能を高めることができる。空間部は、熱交換体１４自身の形状を維持できるような大きさや幅とすることができる。

熱媒体の管路１２は図１および図２に示すような単列であっても、図３および図４に示すような複数列であってもよい。熱媒体の管路１２が複数列の場合には、図５に示すように、縦で隣り合う熱媒体の管路１２の間、および、横で隣り合う熱媒体の管路１２の間の少なくとも一方に熱伝達抑制部１６を設けてもよい。図５において、破線（たとえば管路Ａと管路Ｄとを結ぶ線）は、奥行き側の端で管路１２同士が接続されていることを示し、実線（たとえば管路Ｄと管路Ｂとを結ぶ線）は、手前側の端で管路１２同士が接続されていることを示す。

熱媒体は、たとえば、炭化水素、ＣＯ_２、フロンなどを挙げることができる。

２．ヒートポンプ装置
実施の形態に係る熱交換装置１０は、ヒートポンプ装置１００の熱交換装置１０として適用することができる。ヒートポンプ装置１００は、たとえば、空調装置や冷凍装置、冷蔵装置を挙げることができる。

実施の形態に係る熱交換装置１０の適用例について、図８を参照しながら、空調装置を例に説明する。

空調装置は炭化水素混合ガスやフロン系ガスなどの熱媒体（熱媒体）が熱媒体管（管路１２）に適量に充填され、圧縮器２４によって熱媒体は高温高圧の気体になって凝縮器２０に供給される。

次に凝縮器２０内で熱媒体は冷却ファン３０によって空気で冷やされ液化する。液化した熱媒体は膨張弁２６で高圧で液化した熱媒体の圧力を急激に下げ、蒸発しやすい状態にして、蒸発器２２に供給され、空気中の熱を使い、液化した熱媒体を蒸発（気化）させて温度を下げる。

これによってシロッコファンなどの送風ファン２８で送った空気が冷やされ、冷気に変わることで、室内を快適な温度にすることができる。

実施の形態に係る熱交換装置１０が凝縮器２０として機能する場合には、熱交換体１４は放熱体として機能する。

実施の形態に係る熱交換装置１０が蒸発器２２して機能する場合には、熱交換体１４は吸熱体として機能する。

３．作用効果
（１）新規課題の発見
従来のフィンアンドチューブ熱交換器は、熱媒体の凝縮、蒸発潜熱を利用するため熱交換器の大部分を一定温度である凝縮、潜熱温度にて空気と熱交換をするため熱交換器の熱伝達率を向上させるためフィンを切り起こしたりなどして、熱伝達率の向上を図られてきた。

しかしながら、熱媒体のガス域、液域など温度変化する熱媒体に対応した施策はなされていなかった。本願発明者らは、温度変化を伴う顕熱域ではパイプ温度に差がある場合伝熱材であるフィンが伝熱を促進してしまい熱交換器全体で熱交換効率を落としていることを見出した。

図９を参照しながら、熱媒体が凝縮器で生じる現象を説明する。圧縮機から送られた高温の熱媒体は、凝縮器の熱媒体入力口７２ａから凝縮器に導入され、曲折した熱媒体管７２を通過して熱媒体出力口７２ｂから排出され、膨張弁に送られる。このときの熱媒体管７２の温度が入力時には温度Ｔ１とすると、熱媒体の熱が冷却ファンにより熱交換体（放熱板）７４を通じて放熱されながら、温度の関係がＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４の関係となるように熱媒体の温度が低下し、高温気体の熱媒体が液化する。

図１０を参照しながら、熱交換体での熱分布を説明する。単なる平坦な熱交換体７４の場合、凝縮器の入口付近の熱媒体管内の温度Ｔ１を有する熱媒体の熱は、主として熱交換体７４の領域Ｔ１ａまで広がる。隣の熱媒体管７４における温度Ｔ２を有する熱媒体の熱は、主として熱交換体７４の領域Ｔ２ａまで広がる。しかし、領域Ｔ２ａのうち、領域Ｔ１ａの重複範囲がある場合には、温度Ｔ１を有する熱媒体の熱が領域Ｔ２ａまでに達することになるため、領域Ｔ２ａの温度をその分だけ上げてしまうことになる。

同様に、Ｔ３の温度を有する熱媒体の熱は、領域Ｔ３ａまで広がるとした場合に、領域Ｔ２ａと領域Ｔ３ａの重複範囲があると、温度Ｔ２を有する熱媒体の熱が領域Ｔ３ａまでに達することになるため、領域Ｔ３ａの温度をその分だけ上げてしまうことになる。この熱伝導による熱交換が次々と影響し、熱交換体の伝熱効率が低下し、凝縮器全体の温度は下がりにくくなり、液化するエネルギー効率が悪くなってしまう。この凝縮器の熱交換体の伝熱効率が低下することによって、空調機などのヒートポンプ装置の性能に悪影響を及ぼすことになる。

図１１は、熱媒体管が２列構造の凝縮器を示すが、上記の単列構造（１列構造）の凝縮器と同様の問題が発生する。熱媒体管が１列構造の場合には、縦で隣り合う熱媒体管の熱の問題を考慮すればよいが、２列構造の場合は、縦で隣り合うもののみではなく横で隣り合うものの熱の問題を考慮する必要がある。

（２）具体的な作用効果
本実施の形態では、熱交換体１４において、熱媒体の管路１２間に熱伝達抑制部１６を設けている。これにより、本願発明者らが発見した課題に係る隣り合う熱媒体の管路１２間における伝熱による影響を抑えることができる。具体的には、この熱伝達抑制部１６によって、図２に示す構造を例にとると、隣り合う放熱領域間で熱伝達を抑制することができる。また、図５に示す構造を例にとると、第１～第６の放熱領域において、隣り合う放熱領域間で熱伝達が抑制されるため、エネルギー効率が低下するのを抑えることができる。熱交換装置１０を凝縮器２０として適用した場合には、熱媒体の温度低下の効率を高めることができる。熱交換装置１０を蒸発器２２として適用した場合には、熱媒体の温度上昇の効率を高めることができる。

熱媒体が、ＣＯ_２、Ｒ７４４の場合などは、超臨界サイクルになり凝縮器２０に潜熱状態は発生せず一様に温度変化する。この場合、従来の熱交換器を使用すると各伝熱パイプ（熱媒体の管路１２）間で熱交換を行ってしまうため効率を著しく低下させてしまう。本実施の形態の熱交換装置１０を使用した場合、熱媒体の管路１２間での熱交換を抑えることができるため、超臨界サイクルに係る熱媒体を用いた凝縮器２０（ガスクーラー）であっても良好な効率性を実現することができる。

図７は、熱媒体の管路１２の温度遷移を示す。熱交換体１４に熱伝達抑制部１６を入れることにより、パイプの顕熱の移動を抑えることが出来るため、熱媒体のガス域、液域での熱交換性能を向上することができる。

本実施の形態は、本発明の範囲内において種々の変形が可能である。

１０ 熱交換装置
１２ 熱媒体の管路
１４ 熱交換体
１６ 熱伝達抑制部
１６ａ 充填部
２０ 凝縮器
２２ 蒸発器
２４ 圧縮器
２６ 膨張弁
２８ 送風ファン
３０ 冷却ファン
１００ ヒートポンプ装置

Claims (4)

1. 熱媒体の管路と、前記熱媒体の管路との間で熱の授受がなされ、かつ、前記熱媒体の管路と交差する一つ又は複数の熱交換体とを含み、
   前記熱媒体の管路は、複数列構造を有し、
   前記熱交換体の少なくとも一つは、複数の箇所において、前記熱媒体の管路と接し、
   前記熱交換体の少なくとも一つにおいて、前記熱媒体の管路から他の熱媒体の管路に向かう熱の伝達を抑制する第１の熱伝達抑制部および第２の熱伝達抑制部が設けられ、
   前記第１の熱伝達抑制部は、前記熱交換体と前記熱媒体の管路とが交差する箇所のうち、前記熱交換体に流れ込む風向きに対して垂直方向で隣り合う当該箇所同士の間に設けられ、前記風向きの垂直方向で隣合う管路間の熱伝達が抑制され、
   前記第２の熱伝達抑制部は、前記熱交換体と前記熱媒体の管路とが交差する箇所のうち、前記熱交換体に流れ込む風向きに対して平行方向または斜め方向に隣り合う箇所同士の間に設けられており、前記風向きの風上側の熱媒体の管路と風下側の熱媒体の管路との間の熱伝達が抑制されており、
   前記熱交換体に流れ込む風向きに対して平行方向に隣り合う第１の熱伝達抑制部が連続しており、
   前記熱媒体は、炭化水素、ＣＯ _２ または炭化水素混合ガスであるヒートポンプ用の熱交換装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の熱伝達抑制部および前記第２の熱伝達抑制部により、
   前記熱交換体とガス域における前記熱媒体の管路とが交差する箇所と、前記熱交換体と二層域における前記熱媒体の管路とが交差する箇所とのすべての間で熱伝達が抑制されている、ヒートポンプ用の熱交換装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第１の熱伝達抑制部および前記第２の熱伝達抑制部により、
   前記熱交換体と液域における前記熱媒体の管路とが交差する箇所と、前記熱交換体と二層域における前記熱媒体の管路とが交差する箇所とのすべての間で熱伝達が抑制されている、ヒートポンプ用の熱交換装置。
4. 請求項１～３のいずれかに記載のヒートポンプ用の熱交換装置を凝縮器または蒸発器として含むヒートポンプ装置。

Images