JP7165405B2

JP7165405B2 - 冷媒液化器および冷凍サイクル

Info

Publication number: JP7165405B2
Application number: JP2019188854A
Authority: JP
Inventors: 隆篠崎; 隆鈴木; 恭智小川
Original assignee: 株式会社オガワクリーンシステム
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: JP2021063618A; WO2021075068A1

Description

本発明は、冷媒を液化させる冷媒液化器および冷凍サイクルに関する。

従来、多数枚のフィンを平行に並べて、これらフィン間に蛇行式のチューブを貫通させて構成した、いわゆるフィンアンドチューブ形の凝縮器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一般に、凝縮器は、冷凍サイクルに組み込まれて使用される。このような凝縮器にあっては、例えば過冷却器を組み込んで、冷凍サイクルの効率を向上させたものが提案されている。

特開２０１５－１３１７号公報

一般の冷凍サイクルでは、圧縮機から吐出された冷媒が凝縮器に流入し、凝縮器で液化して膨張弁に流入する。凝縮器内では、ガスの状態で流入した冷媒が徐々に液化し、例えば過冷却器により液化が促進される。つまり、凝縮器にはガス冷媒が流入し、過冷却器には、ガス液二相の冷媒が流入する。
従来、例えば凝縮器の入側に接続されて、冷媒を、簡単な構成により液化させるような、装置は提案されていない。
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、効率向上と、小型化が図れる冷媒液化器および冷凍サイクルを提供することを目的とする。

本発明は、管の入側に渦流を形成する渦流発生子を設け、前記管の出側に渦流のストッパーを設け、前記ストッパーは、前記管の入側に延びる導出管を中心部に有し、前記導出管の周囲に渦流の回転を規制する規制部を備えた、ことを特徴とする。
前記規制部は、前記導出管の周囲に略十字状に配置されていてもよい。
これら発明では、冷媒の液化を促進できる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を有し、前記圧縮機と前記凝縮器の間に請求項１又は２に記載の冷媒液化器を備えた、ことを特徴とする。
この発明では、冷凍サイクルにおける効率向上と、小型化が図れる。

本発明では、管の入側に渦流を形成する渦流発生子を設けたため、ガス冷媒は管内を渦状に流れ、液化が促進される。また、管の出側に渦流のストッパーを設けたため、ストッパーの外周側では放熱し、ストッパーの中心部は冷却され、導出管を通して流出する冷媒の液化が促進される。

一実施形態による冷凍サイクルを示す図である。冷媒液化器の構造を示す図であり、図２（Ａ）は、冷媒液化器１００の部分断面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩＢ－ＩＩＢ線断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＩＩＣ－ＩＩＣ線断面図である。渦流発生子の斜視図である。渦流のストッパーの斜視図である。冷媒液化器の管体内の冷媒の流れを模式的に示す斜視図である。冷媒液化器の管体内の冷媒の流れを模式的に示す断面図である。

図１は、冷凍サイクルを示す。
符号１は圧縮機であり、圧縮機１の吐出口には、冷媒液化器１００を介して、フィンアンドチューブ形の凝縮器２が接続されている。この凝縮器２には減圧装置３が接続され、減圧装置３にはフィンアンドチューブ形の蒸発器４が接続されている。この蒸発器４は圧縮機１の吸込み口に接続されている。

圧縮機１の吐出口には、接続管２８が接続されている。接続管２８の出側には、冷媒液化器１００が接続されている。冷媒液化器１００の出側には、接続管２９が接続されている。接続管２９は、凝縮器２に接続されている。
符号８０は、冷媒液化器用ファンである。

凝縮器２は、複数本（本実施形態では５本）の真直なチューブ２１～２５と、複数枚の放熱フィン２７、２７、２７…とを備えている。チューブ２１～２５は、蛇行式のチューブであり、この蛇行式のチューブは入口側のチューブ２１と出口側のチューブ２５と中央部のチューブ２２～２４とで構成される。入口側のチューブ２１は接続管２８に連結されている。チューブ２１の出口はベント５１を介してチューブ２２の入口に接続され、チューブ２２の出口はベント５２を介してチューブ２３の入口に接続されている。チューブ２３の出口はベント５３を介してチューブ２４の入口に接続され、チューブ２４の出口はベント５４を介してチューブ２５の入口に接続されている。チューブ２５の出口は接続管３０に連結されている。
符号８１は、凝縮器用ファンである。

凝縮器２には、接続管３０を介して減圧装置３が接続されている。減圧装置３には接続管３１を介して蒸発器４が接続されている。

蒸発器４は、複数本（本実施形態では５本）の真直なチューブ４１～４５と、複数枚の放熱フィン４７、４７、４７…とを備えている。チューブ４１～４５は、蛇行式のチューブであり、この蛇行式のチューブは入口側のチューブ４１と出口側のチューブ４５と中央部の複数のチューブ４２～４４とで構成される。入口側のチューブ４１は接続管３１に連結されている。チューブ４１の出口はベント６１を介してチューブ４２の入口に接続され、チューブ４２の出口はベント６２を介してチューブ４３の入口に接続されている。チューブ４３の出口はベント６３を介してチューブ４４の入口に接続され、チューブ４４の出口はベント６４を介してチューブ４５の入口に接続されている。チューブ４５の出口は接続管３２を介して圧縮機１に連結されている。
符号８３は、蒸発器用ファンである。

図２は、冷媒液化器１００を示す。図２（Ａ）は、冷媒液化器１００の部分断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩＢ－ＩＩＢ線断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＩＩＣ－ＩＩＣ線断面図である。
冷媒液化器１００は、接続管２８に接続される入側のヘッダー２８Ａと、接続管２９に接続される出側のヘッダー２９Ａと、ヘッダー２８Ａ、２９Ａの間に接続される複数の管体１１０、１１０、１１０と、を備える。

管体１１０の両端には、連結具１０１、１０２が設けられている。連結具１０１はヘッダー２８Ａに連結され、連結具１０２はヘッダー２９Ａに連結されている。管体１１０の周囲には、複数枚の放熱フィン１１２、１１２、１１２…が配置されている。図１に示すように、本実施の形態では、冷媒液化器１００に冷媒液化器用ファン８０を設ける構成を説明する。しかし、冷媒液化器用ファン８０を省略してもよく、冷媒液化器１００と凝縮器２とで凝縮器用ファン８１を共用してもよい。

図３は、渦流発生子１２０の斜視図である。
図２、図３において、管体１１０の入側には、渦流を形成する渦流発生子１２０が設けられている。本実施の形態の渦流発生子１２０は連結具１０１と一体に形成される。本実施の形態の連結具１０１はヘッダー２８Ａに嵌合されて連結される。しかし、例えば、連結具１０１に雄ネジが形成されヘッダー２８Ａに雌ネジが形成され、連結具１０１がヘッダー２８Ａに締結されて連結される構成でもよい。すなわち、連結具１０１はヘッダー２８Ａに嵌合又は締結により連結される構成が可能である。
渦流発生子１２０は、内部が中空にされた回転体形状であり、管体１１０の入側端部に嵌合されている。

渦流発生子１２０は、円筒状の本体部１２１を備える。本体部１２１は管体１１０の内壁面に嵌合、支持される。本体部１２１の連結具１０１側にはフランジ部１２２が形成されている。フランジ部１２２は管体１１０の入側の開口端を受ける。本体部１２１の下流側（出側）には、本体部１２１よりも小径の吐出部１２３が形成されている。吐出部１２３は、管体１１０の内壁面との間に管体１１０内に連通する隙間１１０Ａを形成する。吐出部１２３の下流側には、円錐部１２４が形成されている。

渦流発生子１２０の内部には、冷媒が通過する軸孔状の流路１２６が形成されている。流路１２６は、入側の大径流路１２６Ａを備える。大径流路１２６Ａの下流側には、下流側に進むに連れて縮径する縮径流路１２６Ｂが形成されている。縮径流路１２６Ｂの下流側には、軸方向に延びる小径流路１２６Ｃが形成されている。小径流路１２６Ｃの先端には、円錐形状の先端部１２６Ｄが形成されている。

小径流路１２６Ｃの下流部には、小径流路１２６Ｃに交差する方向に延びる吐出孔１２７が形成されている。本実施の形態の吐出孔１２７は、小径流路１２６Ｃの外周接線方向に沿って直線状に延びる。吐出孔１２７は、吐出部１２３の外表面に開口して隙間１１０Ａに連通する。吐出孔１２７は、周方向に等間隔に形成されている。本実施の形態では、周方向に６つの吐出孔１２７が形成されている。吐出孔１２７は、図２（Ｂ）に示すように、小径流路１２６Ｃを入側から出側の方向を見る場合に、反時計回り方向の外周接線方向に延びている。
渦流発生子１２０では、流路１２６から流入した冷媒は、吐出孔１２７から外周方向に吐出される。

図４は、渦流のストッパー１３０の斜視図である。
図２、図４において、管体１１０の出側には、渦流のストッパー１３０が設けられている。ストッパー１３０は略円筒状に形成されている。ストッパー１３０は、連結具１０２に支持されて管体１１０の出側端部に嵌合されている。
ストッパー１３０は、円筒状のストッパー本体１３１と、ストッパー本体１３１の径方向中心に配置された導出管１３６とを備える。

ストッパー本体１３１の入側には、内径が出側よりも小さく形成され、内周側に突出した肉厚円筒状の先端部１３２が形成されている。先端部１３２には導出管１３６が嵌合される。先端部１３２の入側の端面１３２Ａには、管体１１０の入側（上流側）に突出する複数の規制部１３３が形成され、各規制部１３３の間に、渦流を案内する案内溝部１３４が設けられている。規制部１３３は、径方向に延びる平板状に形成されており、管体１１０の周方向に直交する面を備える。端面１３２Ａには、複数の規制部１３３が周方向に等間隔に形成されている。
本実施の形態では、規制部１３３は、軸中心に対して十字状に配置されている。規制部１３３の数は、４つに限定されず、十字状の配置に限定されない。
例えば、規制部１３３は１つや、２つ、３つでもよい。また、規制部１３３は、５つ以上設けても良いが多過ぎると、旋回流が、規制部１３３の周方向に直交する面に衝突し難くなるため、１～４つが好適である。

ストッパー本体１３１の径方向中心には、導出管１３６が配置される。導出管１３６は、規制部１３３よりも管体１１０の入側に延びた状態で配置される。導出管１３６は、先端部１３２および規制部１３３に支持される。導出管１３６の出側は、連結具１０２の流路に連通している。

図２（Ｃ）に示すように、導出管１３６の外径Ｒ１は、管体１１０の内径Ｒ２の半分以上に形成されている。これにより、導出管１３６の内側に、流れＡ２による低温のガス冷媒が進入し易くなると共に、管体１１０の内壁面と導出管１３６の外壁面との間に、流れＡ１による高温のガス冷媒のみが進入し易くなる。
図２（Ａ）に示すように、管体１１０の軸方向において、導出管１３６の長さＬ１は、ストッパー本体１３１の長さＬ２の２倍以上に設定されている。導出管１３６を規制部１３３よりも十分に入側に突出させることができる。よって、例えば、導出管１３６の外壁面に沿って冷媒を十分に移動させることができる。
規制部１３３の軸方向における長さＬ１１は、旋回流のピッチＰに応じた長さに形成される。すなわち、規制部１３３の軸方向における長さＬ１１は、外周部の旋回流が、いずれかの規制部１３３に衝突するような長さに形成される。
本実施形態では、４つの規制部１３３が設けられるため、長さＬ１１は、外周部の旋回流のピッチＰの４分の１以上の長さが好適である。なお、Ｎ数の規制部がある場合には、外周部の旋回流のピッチＰのＮ分の１以上の長さが好適である。

つぎに、本実施形態の作用、効果を説明する。
圧縮機１の駆動により、矢印Ｒで示す方向に冷媒が流れ、接続管２８、ヘッダー２８Ａを介して、高温高圧のガス冷媒が冷媒液化器１００に流入する。
本実施の形態によれば、ガス冷媒が冷媒液化器１００に流入すると、渦流発生子１２０の流路１２６を通過して吐出孔１２７から管体１１０内に吐出される。吐出孔１２７は流路１２６の外周接線方向に延びるため、吐出孔１２７に沿って移動したガス冷媒は、管体１１０の内壁面に沿う速度を持って吐出され、管体１１０の軸回りに渦流を形成する。

渦流を形成するガス冷媒は、吐出孔１２７から吐出される後続のガス冷媒により管体１１０の出側に移動し、管体１１０内には、軸回りに回転しながら管体１１０の軸方向に移動する旋回流が形成される。旋回流が形成されると、ボルテックス効果により、管体１１０内の外周側では、高速で回転し運動エネルギーが大きくて温度が高いガス冷媒による流れＡ１と、管体１１０内の中心側では、低速で回転し運動エネルギーが小さく温度の低いガス冷媒による流れＡ２が形成され、管体１１０内では、高温のガス冷媒と低温のガス冷媒に分かれる。

外周側の流れＡ１により、高温のガス冷媒は、管体１１０の内壁面に接触して流れるため、管体１１０の内壁面を通じた放熱量が増す。よって、管体１１０の内壁面を通じて放熱フィン１１２、１１２、１１２…の放熱量が増す。
中心側の流れＡ２により、低温のガス冷媒は、管体１１０の中心部を軸方向に沿って出側に移動する。

高温のガス冷媒が軸方向に移動してストッパー１３０に到達すると、ストッパー１３０の案内溝部１３４に入り、規制部１３３により、ガス冷媒は軸回りに移動することが規制される。すなわち、規制部１３３により、高温のガス冷媒の渦流が規制される。このため、高温のガス冷媒は、回転方向の速度成分に基づく運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて更に高温となり、熱エネルギーが管体１１０の外側に放出される。一方、外周側でエネルギーが変換されて放出されると、内周側では温度が低下する。

外周側の高温のガス冷媒が軸方向の端面１３２Ａに到達すると、矢印Ａ３で示すように、端面１３２Ａにより押し返されて内周側に移動する。内周側では温度が低下しており、ガス冷媒の一部は液化し、導出管１３６を冷却しながら導出管１３６の外壁面に沿って逆流する。このとき、本実施の形態では、導出管１３６の長さＬ１は、ストッパー本体１３１の長さＬ２の２倍以上なので、導出管１３６を十分に冷却し易くなっている。逆流した冷媒が導出管１３６の入側に到達すると、矢印Ａ４で示すように、中心部のガス冷媒の流れＡ２と共に、導出管１３６内に流入する。

導出管１３６内では、冷媒は、矢印Ａ５で示すように通過し、出側のヘッダー２９Ａに導出される。この際に、導出管１３６は冷却されているため、ガス冷媒がさらに液化して導出される。よって、本実施の形態の冷媒液化器１００では、冷媒の液化が促進される。冷媒液化器１００では、ガス冷媒がガス液二相の冷媒とされる。

冷媒液化器１００から流出したガス液二相の冷媒はフィンアンドチューブ形の凝縮器２に流入する。
このガス液二相の冷媒は凝縮器２により凝縮されて液化される。凝縮器２では、ガス冷媒が流入して液化される場合に比べて、効率良く冷媒を液化することができる。すなわち、冷媒液化器１００および凝縮器２の方が、冷媒液化器１００を用いない場合に比べて、ガス冷媒を効率よく液化することが可能であり、省エネルギー化が可能である。また、効率よく液化することが可能であるため、冷媒液化器１００および凝縮器２を小型化にすることが可能となる。

この凝縮器２から流出した液冷媒は、減圧装置３に流れ込み、減圧装置３で減圧され、フィンアンドチューブ形の蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した液冷媒は蒸発器４によりガス化し、このガス冷媒が圧縮機１の吸込み口に吸い込まれる。このようにして、本実施の形態における冷凍サイクルが一巡する。

図５は、冷媒液化器１００の管体１１０内の冷媒の流れを模式的に示す斜視図である。図６は、冷媒液化器１００の管体１１０内の冷媒の流れを模式的に示す断面図である。なお、図６では、線の色が濃いほど流速が速いことを示し、線の色が薄いほど流速が遅いことを示している。
図５、図６には、ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）の解析結果により得られた冷媒液化器１００の管体１１０の冷媒の流れを示す。
上述の実施の形態における冷媒液化器１００の管体１１０内では、渦流発生子１２０の径方向中心の流路１２６から冷媒が管体１１０の内壁面の接線方向に吐出されて冷媒が渦流を形成する構成を説明した。しかし、ＣＦＤの解析では、計算を容易にするため、矢印Ａ１０のように管体１１０の外側から管体１１０の内壁面の接線方向に冷媒が流れる設定とし、渦流の流れＡ１１を形成した。

図５に示すように、管体１１０内で周方向に回転するガス冷媒の流れＡ１１があることにより、管体１１０内ではガス冷媒が軸方向に流れる旋回流Ａ１２が形成されることが確認される。また、図６に示すように、旋回流の外周部の流れＡ１３は、速度が速くて運動エネルギーが大きく、旋回流の中心部の流れＡ１４は、速度が遅くて運動エネルギーが小さいことも確認される。ここで、図５に示すように、ストッパー１３０は、渦流発生子１２０に対して旋回流が形成されている軸方向に離れた位置に配置される。すなわち、ストッパー１３０の規制部１３３が高温のガス冷媒の渦流に衝突して、回転方向の速度成分に基づく運動エネルギーが熱エネルギーに変換する位置に配置される。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、図１、図２において、冷媒液化器１００は複数の管体１１０、渦流発生子１２０、および、ストッパー１３０を備え、それらが並列に接続された構成を説明した。しかし、管体１１０、渦流発生子１２０、および、ストッパー１３０が複数設けられず、管体１１０、渦流発生子１２０、および、ストッパー１３０が単独の構成でもよい。

１圧縮機
２凝縮器
３減圧装置
４蒸発器
１１０管体（管）
１２０渦流発生子
１３０ストッパー
１３６導出管
１３３規制部
１００冷媒液化器。

Claims

管の入側に渦流を形成する渦流発生子を設け、
前記管の出側に渦流のストッパーを設け、
前記ストッパーは、前記管の入側に延びる導出管を中心部に有し、前記導出管の周囲に渦流の回転を規制する規制部を備えた、
ことを特徴とする冷媒液化器。
前記規制部は、前記導出管の周囲に略十字状に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の冷媒液化器。
圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を有し、
前記圧縮機と前記凝縮器の間に請求項１又は２に記載の冷媒液化器を備えた、ことを特徴とする冷凍サイクル。