JPH08152206A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非共沸混合冷媒の使用にあたり凝縮熱交換器
における冷媒の過冷却を十分にとることができ、冷凍能
力の低下を回避できる冷凍サイクルを提供する。 【構成】 凝縮熱交換器２の冷媒出口側の伝熱管を通る
非共沸混合冷媒の流速が速くなるように構成する。非共
沸混合冷媒の流速が速くなれば、非共沸混合冷媒の自身
の熱伝達率が高くなり、たとえ凝縮熱交換器２の冷媒出
口側の温度と空気温度との差が減少する状況であって
も、十分に過冷却をとることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非共沸混合冷媒を充
填した冷凍サイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】空気調和機などの冷凍サイクルに充填す
る冷媒として、従来、ＣＦＣ冷媒あるいはＨＣＦＣ冷媒
などのいわゆる単一冷媒が多く使用されている。これ
は、冷媒循環量および絞りの調節により、冷媒の過冷却
度および過熱度をそれぞれ望みの値に容易に設定するこ
とができる。

【０００３】しかしながら、ＣＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒
などの単一冷媒については、オゾン層破壊の懸念があ
る。この懸念に対処するべく、単一冷媒の代替候補とし
て、ＨＣＦＣ非共沸混合冷媒が有力視されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】非共沸混合冷媒の使用
にあたっては、凝縮熱交換器において必然的に温度勾配
が発生する。このため、凝縮熱交換器の冷媒出口側の温
度と空気温度との差が減少して過冷却をとりにくくな
り、冷凍能力が低下してしまう。

【０００５】また、非共沸混合冷媒の使用にあたり、単
一冷媒の使用時と同等の性能を得るべく、平均蒸発温度
が単一冷媒の使用時と同等になるように冷凍サイクルを
構成した場合には、蒸発熱交換器において必然的に温度
勾配が発生する。このため、蒸発熱交換器の冷媒入口側
の温度が単一冷媒の使用時より低くなり、そこに結露や
着霜が生じる。この結露や着霜は熱交換量を減少させ、
冷凍能力の低下を招いてしまう。

【０００６】この発明は上記事情を考慮したもので、第
１ないし第５の発明の冷凍サイクルは、非共沸混合冷媒
の使用にあたって凝縮熱交換器における冷媒の過冷却を
十分にとることができ、冷凍能力の低下を回避できる冷
凍サイクルを提供することを目的とする。

【０００７】第６の発明の冷凍サイクルは、非共沸混合
冷媒の使用にあたり、蒸発熱交換器における部分的な結
露や着霜による冷凍能力の低下を回避できる冷凍サイク
ルを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明の冷凍サイク
ルは、圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、および蒸発熱
交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填した冷凍サ
イクルであって、凝縮熱交換器の冷媒入口の数を冷媒出
口の数より多く設けた。

【０００９】第２の発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝
縮熱交換器、絞り手段、および蒸発熱交換器を順次連通
し、非共沸混合冷媒を充填した冷凍サイクルであって、
凝縮熱交換器の冷媒流路を同凝縮熱交換器を通過する風
の流れと直行する方向に配列するとともに、冷媒流路の
出口側を風の流れの上流側に配置した。

【００１０】第３の発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝
縮熱交換器、絞り手段、および蒸発熱交換器を順次連通
し、非共沸混合冷媒を充填した冷凍サイクルであって、
凝縮熱交換器の管の径を冷媒出口側で他の部分より細く
した。

【００１１】第４の発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝
縮熱交換器、絞り手段、および蒸発熱交換器を順次連通
し、非共沸混合冷媒を充填した冷凍サイクルであって、
凝縮熱交換器の管の内周面に溝を形成し、その溝の深さ
を冷媒出口側で他の部分より大きくした。

【００１２】第５の発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝
縮熱交換器、絞り手段、および蒸発熱交換器を順次連通
し、非共沸混合冷媒を充填した冷凍サイクルであって、
凝縮熱交換器の冷媒出口側の管に絞り手段を設けた。

【００１３】第６の発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝
縮熱交換器、絞り手段、および蒸発熱交換器を順次連通
し、非共沸混合冷媒を充填した冷凍サイクルであって、
蒸発熱交換器の各放熱フィンの相互間隔を冷媒入口側で
他の部分より大きくした。

【００１４】

【作用】第１の発明の冷凍サイクルでは、凝縮熱交換器
の冷媒出口側を通る非共沸混合冷媒の流速が速くなる。
非共沸混合冷媒の流速が速くなれば、非共沸混合冷媒の
自身の熱伝達率が高くなる。

【００１５】第２の発明の冷凍サイクルでは、凝縮熱交
換器を通る風が冷媒流路に均等に当たり、また冷媒流路
の出口側に入口側よりも先に風に当たる。第３の発明の
冷凍サイクルでは、凝縮熱交換器の冷媒出口側を通る非
共沸混合冷媒の流速が速くなる。非共沸混合冷媒の流速
が速くなれば、非共沸混合冷媒の自身の熱伝達率が高く
なる。

【００１６】第４の発明の冷凍サイクルでは、凝縮熱交
換器の冷媒出口側の伝熱性が向上するとともに、凝縮熱
交換器の冷媒出口側を通る非共沸混合冷媒の流速が速く
なる。非共沸混合冷媒の流速が速くなれば、非共沸混合
冷媒の自身の熱伝達率が高くなる。

【００１７】第５の発明の冷凍サイクルでは、絞り手段
によって冷媒の混合が促進され、非共沸混合冷媒の自身
の熱伝達率が高くなる。第６の発明の冷凍サイクルで
は、蒸発熱交換器の冷媒入口側における各放熱フィンの
相互間に、水分の表面張力に基づくブリッジ状の結露や
着霜が生じなくなる。

【００１８】

【実施例】

［１］以下、第１実施例について図面を参照して説明す
る。この第１実施例は、第１の発明（請求項１）に対応
する。図１に示すように、圧縮機１の吐出口に凝縮熱交
換器２が配管接続され、その凝縮熱交換器２に絞り手段
たとえば膨張弁３を介して蒸発熱交換器４が配管接続さ
れる。そして、蒸発熱交換器４に圧縮機１の吸込口が配
管接続され、冷凍サイクルが形成される。

【００１９】この冷凍サイクルに、非共沸混合冷媒が充
填される。非共沸混合冷媒は、互いに沸点の異なる冷媒
を混合したものである。凝縮熱交換器２はたとえば室外
熱交換器であり、近傍に凝縮用ファン（室外ファン）５
が設けられる。蒸発熱交換器４はたとえば室内熱交換器
であり、近傍に蒸発熱交換器用ファン（室内ファン）６
が設けられる。

【００２０】一般に、非共沸混合冷媒が熱交換器の伝熱
管を通るとき、非共沸混合冷媒の自身の熱伝達率は、非
共沸混合冷媒の流速により大きく変化する。この流速と
熱伝達率の関係を図２に示しており、流速が速いほど熱
伝達率が高くなる。

【００２１】この現象に着目し、凝縮熱交換器２が図３
のように構成される。凝縮熱交換器２は、二つの冷媒入
口１１，１２および一つの冷媒出口１３を有している。
冷媒入口１１から冷媒出口１３にかけて伝熱管１４によ
る第１冷媒流路が設けられ、冷媒入口１２から冷媒出口
１３にかけて伝熱管１５による第２冷媒流路が設けられ
る。伝熱管１４，１５のそれぞれ出口側は一本の伝熱管
にまとめられて冷媒出口１３に接続される。

【００２２】伝熱管１４，１５に多数枚の放熱フィン１
６が設けられる。凝縮用ファン５の運転によって凝縮熱
交換器２に送られる風は、各放熱フィン１６を通して伝
熱管１４，１５内の非共沸混合冷媒と熱交換する。この
熱交換により、非共沸混合冷媒が凝縮する。

【００２３】このように、凝縮熱交換器２の入口パス数
を出口パス数よりも多くすることにより、冷媒出口１３
側の伝熱管を通る非共沸混合冷媒の流速が速くなる。非
共沸混合冷媒の流速が速くなれば、非共沸混合冷媒の自
身の熱伝達率を高くすることができる。

【００２４】非共沸混合冷媒の使用にあたっては、前記
したように、凝縮熱交換器２において必然的に温度勾配
が発生するため、凝縮熱交換器２の冷媒出口側の温度と
空気温度との差が減少し、過冷却をとりにくくなる傾向
がある。しかしながら、上記のように、凝縮熱交換器２
の冷媒出口側において非共沸混合冷媒の熱伝達率が高く
なるので、たとえ凝縮熱交換器２の冷媒出口側の温度と
空気温度との差が減少する状況であっても、十分に過冷
却をとることができる。

【００２５】こうして、十分に過冷却がとれることによ
り、冷凍能力の低下が回避され、単一冷媒の使用時と同
等の冷凍能力が得られる。 ［２］第２実施例について説明する。この第２実施例は
第２の発明（請求項２）に対応する。

【００２６】冷凍サイクルの全体の構成は図１と同じ
で、凝縮熱交換器２の構成が第１実施例と異なる。図４
に示すように、凝縮熱交換器２は冷媒入口１１および冷
媒出口１３を有する。

【００２７】伝熱管１４に多数枚の放熱フィン１６が設
けられる。凝縮用ファン５の運転によって凝縮熱交換器
２に送られる風は、各放熱フィン１６を通して伝熱管１
４内の非共沸混合冷媒と熱交換する。この熱交換によ
り、非共沸混合冷媒が凝縮する。

【００２８】また、伝熱管１４は、当該凝縮熱交換器２
を通過する風（凝縮用ファン５の運転による）の流れと
直行する方向に配列される。さらに、伝熱管１４は、出
口側伝熱管１４ｂが風の流れの上流側に配置される。

【００２９】このように、出口側伝熱管１４ｂが風上側
にあって入口側伝熱管１４ａよりも先に風に当たるの
で、出口側を流れる非共沸混合冷媒は効率良く冷却され
る。したがって、非共沸混合冷媒の使用にあたって凝縮
熱交換器２の冷媒出口側の温度と空気温度との差が減少
する状況であっても、十分に過冷却をとることができ
る。

【００３０】十分に過冷却がとれることにより、冷凍能
力の低下が回避され、単一冷媒の使用時と同等の冷凍能
力が得られる。 ［３］第３実施例について説明する。この第３実施例は
第３の発明（請求項３）に対応する。

【００３１】冷凍サイクルの全体の構成は図１と同じ
で、凝縮熱交換器２の構成が第１および第２実施例と異
なる。図５に示すように、凝縮熱交換器２は冷媒入口２
１および冷媒出口２２を有する。冷媒入口２１から冷媒
出口２２にかけて伝熱管２３が設けられ、その伝熱管２
３に多数枚の放熱フィン２４が設けられる。凝縮用ファ
ン５の運転によって凝縮熱交換器２に送られる風は、各
放熱フィン１６を通して伝熱管２３内の非共沸混合冷媒
と熱交換する。この熱交換により、非共沸混合冷媒が凝
縮する。

【００３２】伝熱管２３は、いわゆる異径伝熱管であ
り、冷媒出口側部分２３ａの径が他の部分の径より細く
なっている。このように、冷媒出口側部分２３ａの径を
細くすることにより、その冷媒出口側部分２３ａを通る
非共沸混合冷媒の流速が速くなる。非共沸混合冷媒の流
速が速ければ、非共沸混合冷媒の自身の熱伝達率を高く
することができる。

【００３３】非共沸混合冷媒の使用にあたって凝縮熱交
換器２の冷媒出口側の温度と空気温度との差が減少する
状況であっても、上記のように熱伝達率が高ければ、十
分に過冷却をとることができる。

【００３４】十分に過冷却がとれることにより、冷凍能
力の低下が回避され、単一冷媒の使用時と同等の冷凍能
力が得られる。 ［４］第４実施例について説明する。この第４実施例は
第４の発明（請求項４）に対応する。

【００３５】冷凍サイクルの全体の構成は図１と同じ
で、凝縮熱交換器２の構成が第１、第２、および第３実
施例と異なる。図６に示すように、凝縮熱交換器２の冷
媒入口２１から冷媒出口２２にかけて伝熱管２３が設け
られ、その伝熱管２３に多数枚の放熱フィン２４が設け
られる。

【００３６】そして、図７および図８に示すように、伝
熱管２３の内周面に、管軸方向に沿う多数の溝２５が形
成される。これら溝２５は、冷媒出口側部分２３ａを除
く部分で深さＬ₁ を有し（図７）、図８に示すように冷
媒出口側部分２３ａで深さＬ₂ （＞Ｌ₁ ）を有する（図
８）。

【００３７】この場合、冷媒出口側部分２３ａとそれ以
外の部分で溝２５の深さを異ならせるのに伴い、伝熱管
２３の管璧の厚さが冷媒出口側部分２３ａとそれ以外の
部分とで異なっている。

【００３８】すなわち、伝熱管２３の管璧は、冷媒出口
側部分２３ａを除く部分で厚さｄ₁を有し（図７）、冷
媒出口側部分２３ａで厚さｄ₂ （＞ｄ₁ ）を有する（図
８）。換言すると、伝熱管２３の内径は、冷媒出口側部
分２３ａを除く部分で広く、冷媒出口側部分２３ａで狭
くなっている。

【００３９】このように、冷媒出口側部分２３ａにおい
て溝２５の深さを大きくすることにより、冷媒出口側部
分２３ａの伝熱性が向上する。また、冷媒出口側部分２
３ａの内径が狭いことから冷媒出口側部分２３ａを通る
非共沸混合冷媒の流速が速くなり、非共沸混合冷媒の自
身の熱伝達率が高くなる。

【００４０】非共沸混合冷媒の使用にあたって凝縮熱交
換器２の冷媒出口側の温度と空気温度との差が減少する
状況であっても、上記のように伝熱性が向上しかつ熱伝
達率が高くなることで、十分に過冷却をとることができ
る。

【００４１】十分に過冷却がとれることにより、冷凍能
力の低下が回避され、単一冷媒の使用時と同等の冷凍能
力が得られる。 ［５］第５実施例について説明する。この第５実施例は
第５の発明（請求項５）に対応する。

【００４２】冷凍サイクルの全体の構成は図１と同じ
で、凝縮熱交換器２の構成が第１ないし第４実施例と異
なる。図９に示すように、凝縮熱交換器２の冷媒入口２
１から冷媒出口２２にかけて伝熱管２３が設けられ、そ
の伝熱管２３に多数枚の放熱フィン２４が設けられる。
そして、伝熱管２３の冷媒出口側部分２３ａに絞り手段
３１が設けられる。なお、絞り手段３１が設けられる凝
縮熱交換器２の具体的な構成を図10に示している。

【００４３】非共沸混合冷媒の自身の熱伝達率は、相変
化時の組成変化により単一成分より低くなる傾向を持つ
が、冷媒の混合を別途手段により促進することで向上さ
せることが可能である。

【００４４】すなわち、伝熱管２３の冷媒出口側部分２
３ａに絞り手段３１を設けることにより、冷媒の混合が
促進され、非共沸混合冷媒の自身の熱伝達率が高くな
る。非共沸混合冷媒の使用にあたって凝縮熱交換器２の
冷媒出口側の温度と空気温度との差が減少する状況であ
っても、上記のように熱伝達率が高くなることで、十分
に過冷却をとることができる。

【００４５】十分に過冷却がとれることにより、冷凍能
力の低下が回避され、単一冷媒の使用時と同等の冷凍能
力が得られる。なお、絞り手段３１に代えてインナーフ
ィンやコイルを冷媒出口側部分２３ａの内部に設ける構
成としても、同様の効果が得られる。

【００４６】［６］第６実施例について説明する。冷凍
サイクルの全体の構成は図１と同じで、蒸発熱交換器４
の構成が第１ないし第５実施例と異なる。

【００４７】図11に示すように、蒸発熱交換器４は、冷
媒入口４１から冷媒出口４２にかけて伝熱管４３を設
け、その伝熱管４３に多数枚の放熱フィン４４を設けて
いる。蒸発用ファン６の運転によって蒸発熱交換器４に
送られる風は、各放熱フィン４４を通して伝熱管４３内
の非共沸混合冷媒と熱交換する。この熱交換により、非
共沸混合冷媒が蒸発する。

【００４８】とくに、伝熱管４３は、いわゆる異径伝熱
管であり、冷媒入口側部分４３ａの径が他の部分の径よ
り細くなっている。このように、冷媒入口側部分４３ａ
の径を細くすることにより、図12のモリエル線図に示し
ているように、蒸発熱交換器４において発生する温度勾
配が低減される。この温度勾配の低減により、蒸発熱交
換器４の冷媒入口側の温度が下がり過ぎる事態が解消さ
れる。

【００４９】したがって、非共沸混合冷媒を使用して
も、蒸発熱交換器４の冷媒入口側に結露や着霜が生じ
ず、熱交換量の減少ひいては冷凍能力の低下が回避され
る。 ［７］第７実施例について説明する。この第７実施例は
第６の発明（請求項６）に対応する。

【００５０】冷凍サイクルの全体の構成は図１と同じ
で、蒸発熱交換器４の構成が第１ないし第６実施例と異
なる。図13に示すように、蒸発熱交換器４は、冷媒入口
４１から冷媒出口４２にかけて伝熱管４３を設け、その
伝熱管４３に多数枚の放熱フィン４４ａ，４４ｂを設け
ている。蒸発用ファン６の運転によって蒸発熱交換器４
に送られる風は、各放熱フィン４４ａ，４４ｂを通して
伝熱管４３内の非共沸混合冷媒と熱交換する。この熱交
換により、非共沸混合冷媒が蒸発する。

【００５１】放熱フィン４４ａと放熱フィン４４ｂは交
互に配列される。また、放熱フィン４４ａは冷媒入口４
１から冷媒出口４２にかけての伝熱管４３の全体に取り
付けられ、放熱フィン４４ｂは伝熱管４３の冷媒入口側
部分４３ａを除く部分に取り付けられている。

【００５２】つまり、冷媒入口側部分４３ａを除く部分
でのフィン間隔Ｄ₁ に対し、冷媒入口側部分４３ａでの
フィン間隔はＤ₂ （＞Ｄ₁ ）と大きくなる。非共沸混合
冷媒の使用にあたっては、伝熱管４３の冷媒入口側部分
４３ａが冷え易くなってそこに結露や着霜が生じる傾向
がある。とくに、水分の表面張力により、各放熱フィン
の相互間にブリッジ状の結露や着霜が生じる傾向があ
る。

【００５３】上記のように冷媒入口側部分４３ａにおい
て各放熱フィンの相互間隔が大きくなれば、結露や着霜
を完全に防ぐことはできないまでも、各放熱フィンの相
互間にブリッジ状の結露や着霜が生じる最悪の事態は解
消される。

【００５４】ブリッジ状の結露や着霜は通風を妨げるも
のであり、それが無くなることにより、冷媒入口側部分
４３ａでの熱交換量の減少ひいては冷凍能力の低下が回
避される。なお、この第７実施例と第６実施例を組み合
わせることも可能であり、その場合は蒸発熱交換器４の
性能向上をさらに高めることができる。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、第１ないし第５の発
明の冷凍サイクルは、非共沸混合冷媒の使用にあたって
凝縮熱交換器における冷媒の過冷却を十分にとることが
でき、冷凍能力の低下を回避できる。第６の発明の冷凍
サイクルは、非共沸混合冷媒の使用にあたり、蒸発熱交
換器における部分的な結露や着霜による冷凍能力の低下
を回避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各実施例の冷凍サイクルの構成図。

【図２】各実施例における非共沸混合冷媒の流速と熱伝
達率の関係を示す図。

【図３】第１実施例における凝縮熱交換器の構成図。

【図４】第２実施例における凝縮熱交換器の構成図。

【図５】第３実施例における凝縮熱交換器の構成図。

【図６】第４実施例における凝縮熱交換器の構成図。

【図７】第４実施例における凝縮熱交換器の伝熱管の冷
媒出口側以外の断面図。

【図８】第４実施例における凝縮熱交換器の伝熱管の冷
媒出口側の断面図。

【図９】第５実施例における凝縮熱交換器の構成図。

【図１０】第５実施例における凝縮熱交換器の外観斜視
図。

【図１１】第６実施例における蒸発熱交換器の構成図。

【図１２】第６実施例における冷媒のモリエル線図。

【図１３】第７実施例における蒸発熱交換器の構成図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…凝縮熱交換器、３…膨張弁（絞り手
段）、４…蒸発熱交換器、１１，１２…冷媒入口、１３
…冷媒出口、１４…伝熱管（第１流路）、１５…伝熱管
（第２流路）、１６…放熱フィン。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、およ
   び蒸発熱交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填し
   た冷凍サイクルにおいて、 前記凝縮熱交換器の冷媒入口の数を冷媒出口の数より多
   く設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 【請求項２】 圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、およ
   び蒸発熱交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填し
   た冷凍サイクルにおいて、 前記凝縮熱交換器の冷媒流路を同凝縮熱交換器を通過す
   る風の流れと直行する方向に配列するとともに、冷媒流
   路の出口側を風の流れの上流側に配置したことを特徴と
   する冷凍サイクル。
3. 【請求項３】 圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、およ
   び蒸発熱交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填し
   た冷凍サイクルにおいて、 前記凝縮熱交換器の管の径を冷媒出口側で他の部分より
   細くしたことを特徴とする冷凍サイクル。
4. 【請求項４】 圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、およ
   び蒸発熱交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填し
   た冷凍サイクルにおいて、 前記凝縮熱交換器の管の内周面に溝を形成し、その溝の
   深さを冷媒出口側で他の部分より大きくしたことを特徴
   とする冷凍サイクル。
5. 【請求項５】 圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、およ
   び蒸発熱交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填し
   た冷凍サイクルにおいて、 前記凝縮熱交換器の冷媒出口側の管に絞り手段を設けた
   ことを特徴とする冷凍サイクル。
6. 【請求項６】 圧縮機、凝縮熱交換器、絞り手段、およ
   び蒸発熱交換器を順次連通し、非共沸混合冷媒を充填し
   た冷凍サイクルにおいて、 前記蒸発熱交換器の各放熱フィンの相互間隔を冷媒入口
   側で他の部分より大きくしたことを特徴とする冷凍サイ
   クル。