JPH0461265B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主に高沸点冷媒と低沸点冷媒を混合
した非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプに利
用されるシエルチユーブ式のヒートポンプ用凝縮
器に関する。

（従来の技術） 一般に、冷媒に単一冷媒（例えばＲ−12或はＲ
−114）を使用するヒートポンプは、第４図に示
す如く、圧縮機３０、凝縮器３１、膨張弁３２及
び蒸発器３３等から構成されて居り、圧縮機３０
により圧縮されて高温、高圧となつた冷媒ガスＧ
は、凝縮器３１内で冷却剤３４（例えば水）によ
り冷却されて液化した後、膨張弁３２で減圧され
て蒸発器３３に入り、ここで外部より吸熱して蒸
発し、再び圧縮機３０により圧縮され、上述のサ
イクルを繰り返す。

尚、第４図に於いて、３５は凝縮器３１の本
体、３６は冷却剤用入口、３７は冷却剤用出口、
３８は管板、３９は伝熱管、４０は冷媒用入口、
４１は冷媒用出口、４２は通路、４３は熱媒であ
る。

一方、近年高沸点冷媒（例えばＲ−114）と低
沸点冷媒（例えばＲ−12）とを混合した非共沸混
合冷媒を使用するヒートポンプが提案されて居
り、これは単一冷媒を使用するものに比較して出
力、耐圧、サイクル効率を改善できることが知ら
れている。

而して、単一冷媒を使用したヒートポンプのサ
イクルと非共沸混合冷媒を使用したヒートポンプ
のサイクルを夫々TS線図（縦軸が絶対温度Ｔ、
横軸がエントロピＳ）で表わすと、第５図に示す
如くなる。

即ち、単一冷媒を使用するヒートポンプのサイ
クルはa′bc′d、又、非共沸混合冷媒を使用するヒ
ートポンプのサイクルはabcdとなり、後者の蒸
発及び凝縮工程は等圧下に於いて前者の等温変化
（点線bc′、da′）に対して実線bc、daの如く傾斜
して居り、凝縮に際しては高沸点冷媒から順次凝
縮を始め、冷却剤によつて冷却されながら通路の
終端部に於いて低沸点冷媒が凝縮を終了するよう
になつている。

一方、前記工程を温度組成平衡線図（縦軸が温
度、横軸が高沸点冷媒と低沸点冷媒の混合比）で
表わすと、第６図に示す如くなる。

今、高沸点冷媒がX_A％、低沸点冷媒がX_B％の
気相混合冷媒（温度T_O、状態）を冷却すれば、
T_Oより温度が降下し、気相線Ａとの交点に於
いて高沸点冷媒が凝縮を始め、気液混合相状態
を経て液相線Ｂとの交点に於いて低沸点冷媒の
凝縮を終了する。

従つて、混合冷媒の凝縮温度は、凝縮工程中、
第５図に於けるTbからT_c、第６図に於けるT₁か
らT₃のように変化し、冷媒ガスＧを冷却剤の流
れに対して対向流とすることによつて、冷却剤の
凝縮器内に於ける温度降下が第５図に示すように
efとなつて、熱交換温度差を小さくすることがで
きる。

而して、熱交換温度差を小さくする場合には、
第７図に示す如く、凝縮器３１の通路４２を、冷
媒ガスＧが冷却剤３４の流れに対して対向流とな
つて通過すべく複数枚の仕切板４４で仕切れば良
い。従つて、冷媒ガスＧは、一点鎖線で示すよう
に冷却剤３４の流れに対向する状態で通路４２内
を通過し、通路４２内で凝縮した冷媒液Ｌは、底
部側の仕切板４４に設けた切欠４５を通つて順次
出口４１側へ流れるようになつている。尚、第７
図に於いて、第４図に示す部材と同じ部材には同
じ符号を付している。

ところで、前記構造の凝縮器３１に於いても、
種々の不都合を生じることになる。

即ち、凝縮の最終工程に於いて、理論的には飽
和混合凝縮液（温度T₃）となるべきところ、非
共沸混合冷媒では低沸点冷媒が遊離し易く、冷媒
ガス（温度T₃′、状態′）と冷媒液（温度T₃′、
状態′）に分離することになる。この未凝縮ガ
スを処理するには凝縮器３１の伝熱面積を大きく
しなければならないと云う難点がある。

又、遊離した低沸点冷媒ガスは、通路４２に蓄
積されて不凝縮ガスの如く働き、凝縮器３１の能
力を低下させることになる。特に、通路４２の底
部に滞留する冷媒液Ｌの液面が高い場合には未凝
縮ガスを出口４１から配管へ吸引し難くなるの
で、未凝縮ガスが通路４２内に多量に滞留し、未
凝縮のガス量がより一層多くなる。

更に、冷媒液Ｌは、仕切板４４の切欠４５を通
つて入口４０側から出口４１側へ流れるが、流路
抵抗により入口４０側に近い通路４２程液面が高
くなり、伝熱管３９が冷媒液Ｌに浸漬することに
なる。その結果、伝熱面積が減少して出力が低下
すると云う問題がある。

尚、未凝縮ガスを処理するには第７図に示すよ
うにヒートポンプの配管中に過冷却用熱交換器４
６を介設しても良い。このようにすると、凝縮器
３１を出た冷媒液Ｌの顕熱が蒸発器３３出口の冷
媒ガスＧに与えられ、凝縮器３１の冷媒液Ｌが冷
却されて冷媒液Ｌ中の未凝縮ガスが凝縮されるこ
とになる。

ところが、この場合には蒸発器３３を出た冷媒
ガス温度が上昇して圧縮機３０入口のガス過熱度
を高めその結果圧縮後の吐出ガス温度を高める
為、冷媒や潤滑油に悪影響を与えるので好ましく
ない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記の問題点を解消する為に創案さ
れたものであり、その目的は未凝縮ガスの凝縮及
び冷媒液の過冷却を良好且つ確実に行えると共に
冷媒液への伝熱管の浸漬や通路内への未凝縮ガス
の滞留を防止できて能力の向上を図れるヒートポ
ンプ用凝縮器を提供するにある。

（問題点を解決する為の手段） 本発明のヒートポンプ用凝縮器は、冷却剤用の
出入口及び冷媒用の出入口を備えた筒状の本体内
に、複数の伝熱管をその両端が冷却剤用の出入口
に連通すべく軸芯方向に沿つて配設し、本体内に
形成された通路を冷媒ガスが、又、伝熱管内を冷
却剤が通過して熱交換を行うようにしたシエルチ
ユーブ式の凝縮器に於いて、前記通路を冷媒ガス
が冷却剤の流れに対して対向流となつて通過すべ
く複数枚の仕切板で仕切り、該通路の終端部を水
密仕切壁で密封状に仕切つて過冷却兼液貯溜室を
形成し、前記過冷却兼液貯溜室を、本体底部から
最上方位置の伝熱管までの高さを有し且つ下部に
小孔を穿設した仕切壁で分割し、一方の室を逆止
弁を介して通路の終端部へ、又、他方の室を膨張
弁に至る配管に夫々接続したことに特徴がある。

（作用） 圧縮機を出た高温、高圧の冷媒ガスは、凝縮器
の通路に入り、該通路内を伝熱管内の冷却剤の流
れに対して対向流となつて通過し、冷却剤で冷却
されて凝縮する。

通路内で凝縮した冷媒液と凝縮しきれなかつた
未凝縮ガスは、通路の終端部から過冷却兼液貯溜
室に流入する。尚、通路内の圧力は、常用時過冷
却兼液貯溜室の圧力よりも高い為、通路内の冷媒
液は圧力差によつて確実に排出される。これによ
り、通路内の冷媒液の液面が低くなるので、通路
内の未凝縮ガスが過冷却兼液貯溜室へ吸引され易
くなる。その結果、冷媒液への伝熱管の浸漬や通
路内への未凝縮ガスの滞留を防止でき、能力低下
を来すこともない。

そして、過冷却兼液貯溜室に流入した冷媒液と
未凝縮ガスは、混合冷却されながら伝熱管に直交
して過冷却兼液貯溜室を通過し、外部へ排出され
る。尚、過冷却兼液貯溜室内の未凝縮ガスを含む
冷媒液は、入口側の低温の冷却剤で冷却される
為、未凝縮ガスの凝縮と冷媒液の過冷却が促進さ
れ、凝縮器の能力が向上する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図は本発明の実施例に係る凝縮器を使用し
たヒートポンプの概略系統図であつて、１は凝縮
器、２は膨張弁、３は蒸発器、４は圧縮機であ
る。尚、ヒートポンプの冷媒には高沸点冷媒（例
えばＲ−114）と低沸点冷媒（例えばＲ−12）を
混合した非共沸混合冷媒が使用されて居り、この
非共沸混合冷媒は単一冷媒（例えばＲ−12或はＲ
−114）と異なり、等圧蒸発及び等圧凝縮中に蒸
発、凝縮温度が変化し、気相及び液相中の冷媒の
組成が変化するものである。

前記凝縮器１は、本体５、管板６、伝熱管７、
通路８、仕切板９、過冷却兼液貯溜室１０、水密
仕切壁１１、仕切壁１２及び逆止弁１３等から構
成されている。

即ち、本体５は、頂部に冷媒用の入口１４を、
底部に冷媒用の出口１５を夫々備えた胴部１６
と、胴部１６の一端に固設されて冷却剤用の入口
１７を備えた入口側蓋部１８と、胴部１６の他端
に固設されて冷却剤用の出口１９を備えた出口側
蓋部２０とから成る。

前記管板６は、冷媒用の出入口１５，１４と冷
却剤用の出入口１９，１７とを不連通状態にすべ
く本体５の胴部１６と各蓋部１８，２０との間に
介設されている。これにより、胴部１６内に冷媒
通過用の通路８が形成される。

前記伝熱管７、管板６に貫通支持されて居り、
本体５内にその軸芯方向に沿つて複数本配設され
ている。又、各伝熱管７の両端開口は、本体５の
冷却剤用の入口１４及び出口１５に夫々連通され
ている。

前記通路８は、該通路８内を冷媒ガスＧが伝熱
管７内の冷却剤２１の流れに対して対向流となつ
て通過するように複数枚の仕切板９により仕切ら
れている。本実施例では、仕切板９は、胴部１６
の長手方向で且つ胴部１６の頂部及び底部に交互
に配設されて居り、底部側の仕切板９には冷媒液
Ｌ通過用の切欠２２が形成されている。

前記過冷却兼液貯溜室１０は、通路８の終端部
に形成されて居り、第１過冷却兼液貯溜室１０ａ
と第２過冷却兼液貯溜室１０ｂとに二分割されて
いる。

即ち、本実施例では、過冷却兼液貯溜室１０
は、通路８の終端部で且つ胴部１６内周壁に水密
仕切壁１１を密着して配設することにより形成さ
れて居り、該過冷却兼液貯溜室１０は第２図に示
す如く、その内部が伝熱管７の軸芯に沿つて配設
された仕切壁１２により第１過冷却兼液貯溜室１
０ａと第２過冷却兼液貯溜室１０ｂとに二分割さ
れている。この仕切壁１２は、本体５底部から最
上方位置の伝熱管７までの高さを有し且つ下部に
小孔２３が穿設されている。又、第１過冷却兼液
貯溜室１０ａの底部は弁２４及び逆止弁１３を介
設した配管２５により胴部１６の出口１５へ接続
され、第２過冷却兼液貯溜室１０ｂの底部は配管
２６により膨張弁２に接続されている。

而して、圧縮機４により圧縮されて高温、高圧
となつた冷媒ガスＧは、冷媒用の入口１４から凝
縮器１の通路８内に入り、該通路８内を伝熱管７
内の冷却剤２１の流れに対して対向流となつて通
過し、冷却剤２１で冷却されて凝縮する。

通路８内で凝縮した冷媒液Ｌと凝縮しきれなか
つた未凝縮ガスは、冷媒用の出口１５から配管２
５及び入口２７を経て第１過冷却兼液貯溜室１０
ａに流入する。尚、通路８内の圧力は、常用時過
冷却兼液貯溜室１０の圧力よりも高い為、通路８
底部の冷媒液Ｌは圧力差によつて第１過冷却兼液
貯溜室１０ａ側へ良好且つ確実に排出される。
又、配管２５には逆止弁１３を介設している為、
第１過冷却兼液貯溜室１０ａから通路８への冷媒
液Ｌの逆流が防止される。その結果、通路８の底
部には冷媒液Ｌがあまり溜らず、冷媒液Ｌの液面
が低くなる為、伝熱管７が冷媒液Ｌへ浸漬するこ
ともなく、能力低下を防止できる。然も、冷媒液
Ｌの液面が低くなると、通路８内の未凝縮ガスも
配管２５中へ吸引され易くなり、通路８内の未凝
縮ガスの滞留が少なくなつて凝縮が活発になる。

そして、第１過冷却兼液貯溜室１０ａの下部に
流入した冷媒液Ｌと未凝縮ガスは、混合冷却され
ながら伝熱管７に直交して上向きに流れ、仕切壁
１２をオーバーフローして第２過冷却兼液貯溜室
１０ｂに入り、ここを下向きに流れて出口２８か
ら配管２６を経て膨張弁２に至る。尚、過冷却兼
液貯溜室１０内の未凝縮ガスを含む冷媒液Ｌは、
入口１７側の低温の冷却剤２１で冷却される為、
未凝縮ガスの凝縮と冷媒液Ｌの過冷却が促進さ
れ、凝縮器の能力が向上する。又、未凝縮ガスを
含む冷媒液Ｌの一部は、仕切壁１２の小孔２３を
バイパスするが、大部分の冷媒液Ｌは上述の如く
流れる為、全体の流れが阻害されることもない。
更に、過冷却兼液貯溜室１０に於いて、標準運転
時には仕切壁１２の頂部が液面となり、負荷変化
により冷媒液Ｌが増えたときには過冷却兼液貯溜
室１０の気相部が圧縮されて液貯溜効果を持ち、
冷媒液Ｌが減少したときには第２過冷却兼液貯溜
室１０ｂより液面が下がるが、仕切壁１２の小孔
２３から除去に第１過冷却兼液貯溜室１０ａから
第２過冷却兼液貯溜室１０ｂへ冷媒液Ｌが流入
し、両者は同一液面になる。

尚、前記過冷却兼液貯溜室１０は、過冷却と液
溜め作用を兼ねる。又、過冷却兼液貯溜室１０
は、過冷却冷却面の大きさでその容積が決定され
るので、冷媒液Ｌの貯溜能力が不足する場合には
配管２６中に液溜め２９を介設するようにしても
良い。

（発明の効果） 上述の通り、本発明のヒートポンプ用凝縮器
は、冷媒ガスが通過する通路の終端部を水密仕切
壁で仕切つて過冷却兼液貯溜室を形成し、該過冷
却兼液貯溜室を仕切壁で二分割し、一方ほ室を通
路の終端部へ、又、他方の室を膨張弁に至る配管
に接続する構成とした為、通路内の冷媒液と未凝
縮ガスとは一旦過冷却兼液貯溜室へ導入されて混
合され、ここで低温の冷却剤で冷却されることに
なる。その結果、未凝縮ガスの凝縮と冷媒液の過
冷却が促進され、良好且つ確実な凝縮を行えるう
え、従来の凝縮器では完全な凝縮が不可能な非共
沸混合冷媒に於ける低沸点冷媒ガスを過冷却され
た高沸点冷媒液と混合冷却させて凝縮することが
できる。

又、過冷却兼液貯溜室を形成し、ここへ冷媒液
を流入させている為、通路内には冷媒液があまり
溜ることがない。その結果、通路内の冷媒液の液
面が低くなつて伝熱管が冷媒液に浸漬すると云う
こともなく、能力低下を防止できる。然も、冷媒
液の液面が低くなると、通路内の未凝縮ガスが過
冷却兼液貯溜室へ吸引され易くなり、通路内の未
凝縮ガスの滞留が少なくなつて凝縮が活発にな
る。

更に、過冷却兼液貯溜室内の冷媒液を冷却剤で
冷却する為、従来のように凝縮器からの冷媒液を
蒸発器から出た冷媒ガスで冷却する場合に比較し
て圧縮機からの吐出ガスを低温に保つことがで
き、冷媒や潤滑油の高温化による悪影響が生じな
い。

加えて、凝縮器内に過冷却用の過冷却兼液貯溜
室を設けた為、従来のように過冷却用の熱交換器
を使用する場合に比較して装置自身の構造や配管
が簡単になり、メンテナンスも容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る凝縮器を使用し
たヒートポンプの概略系統図、第２図は第１図の
−線断面図、第３図は第１図の−線断面
図、第４図は単一冷媒と従来の凝縮器を使用した
ヒートポンプの概略系統図、第５図は単一冷媒を
使用したヒートポンプのサイクルと非共沸混合冷
媒を使用したヒートポンプのサイクルのTS線図、
第６図は非共沸混合冷媒に於ける温度組成平衡線
図、第７図は非共沸混合冷媒と従来の凝縮器を使
用したヒートポンプの概略系統図である。 １は凝縮器、２は膨張弁、５は本体、７は伝熱
管、８は通路、９は仕切板、１０は過冷却兼液貯
溜室、１１は水密仕切壁、１２は仕切壁、１３は
逆止弁、１４は冷媒用の入口、１５は冷媒用の出
口、１７は冷却剤用の入口、１９は冷却剤用の出
口、２１は冷却剤、２６は配管、Ｇは冷媒ガス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 冷却剤用の出入口１９，１７及び冷媒用の出
   入口１５，１４を備えた筒状の本体５内に、複数
   の伝熱管７をその両端が冷却剤用の出入口１９，
   １７に連通すべく軸芯方向に沿つて配設し、本体
   ５内に形成された通路８を冷媒ガスＧが、又、伝
   熱管７内を冷却剤２１が通過して熱交換を行うよ
   うにしたシエルチユーブ式の凝縮器に於いて、前
   記通路８を冷媒ガスＧが冷却剤２１の流れに対し
   て対向流となつて通過すべく複数枚の仕切板９で
   仕切り、該通路８の終端部を水密仕切壁１１で密
   閉状に仕切つて過冷却兼液貯溜室１０を形成し、
   前記過冷却兼液貯溜室１０を、本体５底部から最
   上方位置の伝熱管７までの高さを有し且つ下部に
   小孔２３を穿設した仕切壁１２で二分割し、一方
   の室を逆上弁１３を介して通路８の終端部へ、
   又、他方の室を膨張弁２に至る配管２６に夫々接
   続したことを特徴とするヒートポンプ用凝縮器。