JPH10103886A - 非共沸混合冷媒用熱交換器、及び冷凍・空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非共沸混合冷媒では、平衡状態での気相と液
相の組成が異なるため、例えば３成分混合冷媒の蒸発時
には低沸点成分が高沸点成分よりも多く蒸発する。従っ
て熱交換器の気液界面の気相側には低沸点成分濃度の高
い相が、液相側には低沸点成分濃度の低い相が形成され
これが伝熱を阻害する抵抗となって同一物性値を持つ単
一冷媒に比べて熱伝達率が低下する。 【解決手段】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの
熱交換器に使用される伝熱管において、内面に非二等辺
三角形突起、または二円弧型突起、または切り起こしフ
ィン、又は縦渦発生フィンを設ける、又はＵ字型ベント
部に攪拌手段を備えた攪拌棒を固定し直管部まで挿入す
る、ことによって、液膜の攪拌作用を促進するととも
に、気液界面近傍に形成される濃度境界層を分断或いは
攪乱して非共沸冷媒の伝熱抵抗を低減することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍・空調装置、
及びそれに用いられる熱交換器に関するもので、特に冷
媒として非共沸混合冷媒を使用した蒸発器、凝縮器、あ
るいはそれらに用いられる伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＨＣＦＣ−２２などの単一冷媒を作動流
体とする従来のヒートポンプ式冷凍サイクルの熱交換器
に用いる伝熱管としては、図１７に示すような管の内面
に0.15mm程度の高さの小さい螺旋溝を設けた伝熱管が用
いられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来から用いられてき
た内面螺旋溝付管は、単一冷媒に対しては優れた伝熱性
能を示すが、ＨＣＦＣ−２２の代替冷媒として有力視さ
れているＨＦＣ系の２種あるいは３種の沸点の異なる冷
媒を混合した非共沸混合冷媒に対しては、単一冷媒を用
いたときほどの効果が得られない。図１８は、従来の内
面螺旋溝付管を用いた場合の平均蒸発熱伝達率の実験結
果であり、曲線ａが単一冷媒（ＨＣＦＣ−２２）であ
り、曲線ｂが非共沸混合冷媒（ＨＦＣ−３２／１２５／
１３４ａ（２３／２５／５２ｗｔ％））である。図１８
より、非共沸混合冷媒の熱伝達率は単一冷媒のそれより
明らかに低下しており、この傾向は凝縮の場合も同様で
ある。

【０００４】この熱伝達率の低下理由は、次のように説
明できる。非共沸混合冷媒では、平衡状態での気相と液
相の組成が異なるため、例えば前記３成分混合冷媒の蒸
発時には低沸点成分であるＨＦＣ−３２やＨＦＣ−１２
５が高沸点成分であるＨＦＣ−１３４ａよりも多く蒸発
する。従って、気液界面の気相側には低沸点成分濃度の
高い層が、液相側には低沸点成分濃度の低い層が形成さ
れ（以下、これらを濃度境界層という）、これが伝熱を
阻害する抵抗となって同一物性値をもつ単一冷媒に比べ
て熱伝達率が低下する。また、この傾向は蒸発の場合に
は全熱伝達率に占める沸騰熱伝達率の割合が比較的大き
くなる低乾き度域において顕著に見られる。

【０００５】本発明の目的は、非共沸混合冷媒を冷凍・
空調装置の作動流体として用いた場合に生じる前記濃度
境界層を破壊し、高い伝熱性能を有する熱交換器、ある
いは冷凍・空調装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の熱交換器は、非
共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの熱交換器におい
て、熱交換器の伝熱管内面に一辺の長さが他辺の長さよ
りも長く、かつ管内面底部からの先端高さが0.16mm以上
で管半径以内の非二等辺突起を管軸方向に対して連続又
は独立に捩って設けたものである。

【０００７】また、非二等辺突起として中心と半径が異
なる２つの同方向円弧から構成された二円弧型突起を設
けたことを特徴とする。また、非共沸混合冷媒を用いた
冷凍サイクルの熱交換器において、非共沸混合冷媒の蒸
発・凝縮時に形成される濃度境界層を破壊するため、熱
交換器の伝熱管内面に、管内面底部からの切り起しの高
さが0.16mm以上で管半径以内の切り起しフィンを管周方
向に対して連続又は独立に、管軸方向に対して独立に設
けたものである。

【０００８】また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルの熱交換器において、非共沸混合冷媒の蒸発・凝縮時
に形成される濃度境界層を破壊するため、ほぼ四辺形状
の切り起こしを角度をもって熱交換器の伝熱管内面に設
け、この冷媒の流れ方向に対する後部を円弧状または直
線状に切り欠いた縦渦発生フィンを、冷媒の流れ方向に
対する前縁辺と管壁とのなす角度が90度〜145度で、管
周及び管軸方向に対して独立に設けたものである。

【０００９】また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルの熱交換器において、熱交換器のＵ字型ベンド部に非
共沸混合冷媒の蒸発・凝縮時に形成される濃度境界層を
破壊するための撹拌手段を備えた撹拌棒を固定し、前記
撹拌棒を直管部まで挿入して構成したものである。

【００１０】また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルに使用される熱交換器において、熱交換器の入口部に
おける液部を、複数本ある伝熱管の熱交換器の出口近傍
を除く伝熱管の出口部にバイパスするバイパス回路を設
けたものである。

【００１１】また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルに使用される熱交換器において、前記熱交換器の入口
部に気液分離器を設け、バイパス回路を設けたものであ
る。また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに使用
される熱交換器において、熱交換器の入口蒸気の一部を
複数本ある伝熱管の熱交換器の出口近傍を除く伝熱管の
出口部にバイパスするバイパス回路を設けたものであ
る。

【００１２】また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルに使用される熱交換器において、熱交換器の入口部と
複数本ある伝熱管の熱交換器の出口近傍を除く伝熱管の
出口部との間にバイパス回路を設け、バイパス回路に開
閉手段を設け、熱交換器が蒸発器または凝縮器として働
く場合前記バイパス回路を開路または閉路させるもので
ある。

【００１３】また、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルで構成した冷凍・空調装置において、冷凍サイクルを
構成する熱交換器を上述してある熱交換器で構成したも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の一実施形態の例につい
て図１から図８に基づいて説明する。図１は、この発明
の実施の形態を示すヒートポンプ式冷凍サイクルであ
り、圧縮機１と四方弁２と室外熱交換器３と膨張弁４と
室内熱交換器５から構成され、冷房運転時には室内熱交
換器５は蒸発器として働き、室外熱交換器３は凝縮器と
して働く。また、暖房運転時には、室内熱交換器５は凝
縮器として働き、室外熱交換器３は蒸発器として働く。
図２は前記室外熱交換器３および室内熱交換器５の構成
を示す熱交換器の正面図であり、図中で縦に複数枚配列
されたフィン８と、フィン８を貫通する複数の伝熱管６
と隣接する伝熱管６相互を結合するためのＵ字型ベンド
７から構成されている。伝熱管６とＵ字型ベンド７の内
部には高沸点冷媒と低沸点冷媒が混合された非共沸混合
冷媒が流れ、この非共沸混合冷媒は伝熱管６の外部を流
れる空気と熱交換し、蒸発あるいは凝縮という相変化を
する。

【００１５】室外熱交換器３あるいは室内熱交換器５に
用いられる伝熱管６の内面には、非共沸混合冷媒を作動
流体に用いた場合に気液界面付近に形成される濃度境界
層を破壊し、伝熱を促進する突起あるいはフィンが設け
られている。具体的には、図３〜図８に示すように内面
に非二等辺三角形突起９ａや二円弧型突起９ｂなどの
他、台形や多角形など一辺の長さが他辺の長さよりも長
い全体として見れば非二等辺状態を形成する突起を管軸
方向に対して連続又は独立に捩って設けたもの、あるい
は切り起しフィン１０を管周方向に対して連続又は独立
に、管軸方向に対して独立に設けたもの、あるいは空気
流中で流れ方向に対して縦方向の渦を発生する縦渦発生
フィン１１を管周及び管軸方向に対して独立に設けたも
のがある。

【００１６】図４は図３（Ｃ）の丸印部の拡大したもの
であり、非二等辺三角形突起９ａは、図４（ａ）に示す
ように管壁接線からの二辺の角度α１、α２が異なるこ
とにより一辺の長さＬ１が他辺Ｌ２と長さが異なり、管
内径が７〜１３ｍｍの伝熱管では管内面底部からの先端
高さが0.16mm以上で管半径以内の山形であり、二円弧型
突起９ｂは図４（ｂ）に示すように中心Ｃ１、Ｃ２と半
径Ｒ１、Ｒ２が異なるため一方の円弧長Ｌ３が他方の円
弧長Ｌ４と円弧長が異なる２つの同方向円弧から構成さ
れ、かつ管内径が７〜１３ｍｍ程度の伝熱管では管内面
底部からの先端高さが0.16mm以上で管半径以内の山形で
あって、その先端が気液界面の気相側にまで突出してい
る。その結果、図４（ｃ）に示すように液膜９ｄが分断
され隣接する山形突起の先端部から冷媒の流れによって
液滴９ｃが飛散し気液界面へ液滴が補給されることによ
り気液界面の濃度分布が撹乱され伝熱性能が向上する。
なお突起の高さを管半径以内としたのは構造上、製造上
の限界を考えたためである。また０．１６ｍｍ以上とし
たのは従来から用いられてきた０．１５ｍｍ程度の螺旋
溝では攪乱効果があまり得られないためで、０．１６ｍ
ｍ以上で効果が現れ、特に０．２ｍｍ以上では一層現れ
る。

【００１７】ところで、熱交換器を蒸発器として使用す
る場合、冷媒入口側の低乾き度域では液冷媒流量が多い
ため液膜が厚く、蒸発の進行とともに液冷媒流量が少な
くなり液膜が薄くなる。従って、前記突起を入口側で高
く、出口側で低くなるように配置することにより蒸発器
の全乾き度域にわたって管内熱伝達率の向上が図れ、管
内圧力損失の増大も抑えられる。また、熱交換器を凝縮
器として使用する場合にも前記突起を入口側で低く、出
口側で高くなるように配置することにより同様の効果を
発揮する。

【００１８】また、図３は伝熱管内部の突起の配置の方
向を説明しており（ａ）は横から、（ｂ）は上から、
（ｃ）は軸方向から見た図であり、図３（ｃ）に示すよ
うに前記突起の先端部が管頂部に向かうように配置す
る、あるいは図３（ｂ）に示すように二種類の異方向連
続溝をその交叉凸部が管底面の冷媒流入側となるように
配置することにより、突起と突起の間に挟まれた液膜が
管頂部で保持されやすくなるとともに管底から管頂に向
かう旋回流が壁面に沿って左右両側に形成され管頂部で
衝突し、冷媒蒸気及び液の撹乱が促進され伝熱性能がさ
らに向上する。

【００１９】図５および図７は図３と同様に切り起こし
片１０や１１の突起の配置を説明する図である。図６は
図５の丸印部を拡大したものであり、切り起しフィン１
０は、図６に示すようにフィン長さＬ５が0.16〜2.5m
m、フィン厚みｔ１が0〜0.5mmの範囲にあるフィンを管
壁に対する切り起し角度α3が10〜60度で例えば管壁や
伝熱管に挿入したフィン管を切り起したもので、フィン
先端部を気液界面の気相側に突出させる。その結果、前
記と同様の効果を得ることができる。図８は図７の丸印
部を拡大したものであり、縦渦発生フィン１１は、図８
に示すように二辺の長さＬ６、Ｌ７が0.2〜2.5mmの範囲
にあり、厚みｔ２が0〜0.5mmなる平行四辺形板の冷媒の
流れ方向に対する後部を円弧状または直線状に切り欠い
たもので、冷媒の流れ方向に対する前縁辺と管壁とのな
す角度が90度〜145度で、冷媒の流れ方向に対する迎え
角α４が0〜30度の角度で設置したものであり、切り起
しの前縁辺では冷媒蒸気や液膜の流れが衝突することに
よって濃度境界層が分断あるいは撹乱されて薄くなると
ともに後流部では流れ方向に対する縦方向の旋回流が生
じ、気液界面付近の濃度境界層が旋回流により混合撹乱
されるため伝熱抵抗が低減し熱伝達率が向上する。

【００２０】実施の形態２．次に、この発明の第二の実
施形態の例について図９により説明する。図９中の１２
ａ及び１２ｂは、濃度境界層を破壊するための撹拌手段
を備えた撹拌棒の例であり、撹拌棒根元部はＵ字型ベン
ド７に固定され、伝熱管６まで挿入されている。撹拌棒
の先端位置は、反対側のＵ字型ベンドまで達するもので
あっても、伝熱管６に若干入り込む程度のものであって
も撹拌効果を得ることができるが、濃度境界層が相変化
の進行に伴って発達するため熱交換器の全域に挿入する
必要がないこと及び撹拌棒の挿入により管内圧力損失が
増大することを考慮すれば、伝熱管６に若干入り込む程
度のものでも必要な撹拌効果が得られる。

【００２１】ところで、実用域の空調条件では、管内面
を流れる冷媒の流動状態は環状流あるいは環状噴霧流が
熱交換器の大部分を占めている。しかし、従来から使用
されてきた内面螺旋溝付管が非共沸混合冷媒に対して
は、単一冷媒ほどの伝熱促進効果を示さないことからも
わかるように、伝熱を阻害する気液界面の濃度境界層は
管内壁近傍ではなく管内壁から0.16〜2mm中心側に形成
されている。この領域を撹拌できる程度の突起を管内面
に設置すれば、通常圧力損失の増大を招き空気調和機と
しての性能が低下する。

【００２２】前記課題に対して本発明の撹拌棒は、撹拌
棒の直径を小さくして撹拌手段を設置することにより管
内壁から0.2〜2mm中心側を撹拌することができ、圧力損
失の増大も小さく抑えることができる。撹拌棒の具体例
としては、図９の１２ａに示すように撹拌棒にスプリン
グを密着したスプリング付撹拌棒、１２ｂのように外表
面に螺旋溝を設けた外面溝付撹拌棒、羽根車を固定ある
いは回転可能状態に設置した撹拌棒などでよい。これら
のスプリングや溝の高さが小さくとも十分に必要な領域
まで攪拌できる。また、撹拌棒が固定されるＵ字型ベン
ド７は通常熱交換器の片側のみであるが、図９に示すよ
うに伝熱管６の両側をＵ字型ベンドとして両側に撹拌棒
を固定してもよい。

【００２３】実施の形態３．図１０は、本発明の第３の
実施の形態の例を示す空気調和機に使用される熱交換器
の正面図である。この熱交換器も、前記図２の実施の形
態と同様に縦に複数枚配列されたフィン８と、フィン８
を貫通する複数の伝熱管６と隣接する伝熱管６相互を結
合するためのＵ字型ベンド７から構成されている。熱交
換器には、入口部から伝熱管の出口部に２つに分岐した
バイパス回路１３が設けられているが、このバイパス回
路１３は複数個に分岐するものであっても、独立した複
数個のものであってもよい。

【００２４】一般に、熱交換器を蒸発器として用いる場
合、図１１に示すように入口付近の低乾き度域では管内
の液冷媒流量が多いため液膜が厚くなって流動状態は波
状流あるいはスラグ流となり、液膜での熱抵抗が大きい
ため熱伝達率は比較的小さい。乾き度が大きくなり液膜
が薄くなると、流動状態は環状流から環状噴霧流へと遷
移し熱伝達率は最大となる。さらに、乾き度が大きくな
り蒸気単相に近い領域では流動状態は、蒸気中を液滴が
飛散する噴霧流へと遷移するため熱伝達率は急激に低下
する。

【００２５】本発明では、図１０のバイパス回路を用い
ることによって図１２に示すように低乾き度域の厚い液
膜が高乾き度域にバイパスされるため、冷媒の流動状態
が波状流あるいはスラグ流であった領域や噴霧流であっ
た領域が常に環状流あるいは環状噴霧流となり熱交換器
全域にわたって高い熱伝達率が得られる。また、バイパ
スすることによって合流部までの熱交換器前半部の冷媒
流量が減少するが、例えば内面螺旋溝付管では冷媒流量
の減少に伴う熱伝達率の低下が、乾き度の減少に伴う熱
伝達率の低下よりも小さいため伝熱促進効果が得られ
る。

【００２６】また、低乾き度域の波状流あるいはスラグ
流の領域では、水平管の場合重力の影響のため管底部で
液膜が厚くなり、高乾き度域では同様の効果により管頂
部からドライアウトが生じる。従って、低乾き度域の液
膜を管底部から高乾き度域の管頂部へバイパスするバイ
パス回路を設けることによって熱交換器全域にわたって
高い熱伝達率が得られる。すなわち熱交換器の入り口部
もしくは入り口に近い液の多い部分から伝熱管の出口部
であって次の伝熱管の入り口に相当する部分にバイパス
を設ければよい。

【００２７】また、非共沸混合冷媒では、液及び蒸気組
成が低乾き度と高乾き度では異なるため、低乾き度の液
を高乾き度側へバイパスすることにより、液滴混入に伴
う組成分布の強制混合が行われ濃度境界層が破壊され
る。このことを図１３に示すＨＦＣ−３２／ＨＦＣ−１
３４ａ系２成分混合冷媒の気液平衡線図を用いて定性的
に説明する。図１３中で横軸がＨＦＣ−３２の濃度、縦
軸が温度、イが露点曲線、ロが沸点曲線、Ｖが気相域、
Ｌが液相域、Ｖ＋Ｌが二相域を表わしている。例えば、
蒸発器内を流れる冷媒全体の組成をＥとすれば、低乾き
度域での液の組成はＢ、蒸気の組成はＤ、その時の温度
はＴ１となり、高乾き度域での液の組成はＡ、蒸気の組
成はＣ、その時の温度はＴ２となる。従って、Ａ１の状
態にある低乾き度の液を、液がＢ１、蒸気がＢ２の状態
にある高乾き度側にバイパスすることにより組成の異な
る液滴の混合に伴って濃度境界層が強制的に撹乱されて
伝熱が促進される。

【００２８】また、図１３からわかるように非共沸混合
冷媒は、例えば蒸発の場合には蒸発の進行に伴って温度
が上昇する。従って、蒸発器として空気と熱交換する場
合には、冷媒温度の上昇とともに空気温度が低下するた
め蒸発器の下流側において冷媒と空気との温度差が小さ
くなって充分な熱交換量が得られない。しかし、この場
合にも低乾き度の液を高乾き度側へバイパスすることに
より、バイパス液の混入による温度の低下が生じて蒸発
器の下流側においても冷媒と空気との温度差が確保され
る。

【００２９】以上は、蒸発器について述べたが、凝縮器
入口から凝縮器の途中に冷媒蒸気を分配するバイパス回
路を設けた場合も図１０と同じ構成となる。非共沸混合
冷媒の凝縮では、伝熱抵抗は凝縮した液膜の熱抵抗と高
沸点成分が低沸点成分よりも多く凝縮することによって
形成される濃度境界層による抵抗の２つがある。バイパ
ス回路１３を経由せず直接凝縮器へ流入する冷媒蒸気は
凝縮の進行とともに液膜が形成されるが、バイパス回路
１３との合流部でバイパス回路１３からの蒸気が吹き込
まれることにより、液膜が管壁より剥離するため伝熱面
が露出し熱伝達率が促進される。また、管壁からの液膜
の剥離が生じない場合でも蒸気の混入により液膜が薄く
なり伝熱が促進される。

【００３０】また、蒸発器の場合と同様に非共沸混合冷
媒では、平衡状態での液及び蒸気組成と冷媒回路内を循
環する全体の組成は異なるため、過熱蒸気を凝縮器の途
中へバイパスすることにより、組成分布の異なる蒸気の
混入による組成分布の強制混合が行われ濃度境界層が破
壊される。また、非共沸混合冷媒では凝縮の進行ととも
に冷媒温度が低下するため、凝縮器として空気と熱交換
する場合には、冷媒温度の低下とともに空気温度が上昇
するため凝縮器の下流側において冷媒と空気との温度差
が小さくなって充分な熱交換量が得られない。しかし、
この場合にも温度の高い冷媒蒸気を温度の低い低乾き度
側へバイパスすることにより、バイパス蒸気による冷媒
温度の上昇が生じて凝縮器の下流側においても冷媒と空
気との温度差が確保される。このようなバイパス回路を
実施の形態の１や２の例の伝熱管と組み合わせることに
より一層の効果が得られることは言うまでもない。なお
熱交換器から外部の冷媒配管に接続される出口管へはバ
イパス配管を接続しない。これは完全に熱交換器をバイ
パスさせてしまうからである。

【００３１】実施の形態４．図１４は、本発明の第４の
実施の形態の例を示す空気調和機に使用される蒸発器の
正面図である。この蒸発器も、前記図２の実施の形態と
同様に縦に複数枚配列されたフィン８と、フィン８を貫
通する複数の伝熱管６と隣接する伝熱管６相互を結合す
るためのＵ字型ベンド７から構成されている。蒸発器入
口には気液分離器１４ａが設置され、その下部には分離
された液を蒸発器の途中に分配する液分配バイパス回路
１４ｂが設けられている。

【００３２】気液二相状態で気液分離器１４ａに流入し
た冷媒は、蒸気と液に分離する。この液のみを気液分離
器下部に設けられた液分配バイパス回路１４ｂにより蒸
発器途中に分配する。一方、蒸発器へは気液分離器流入
時よりも乾き度の高い状態で冷媒が流入する。従って、
前記バイパス回路１４ｂの管径及び長さを適切に調節す
ることにより前実施例と同様に熱交換器全域にわたって
高い熱伝達率が得られる。

【００３３】実施の形態５．図１５は、本発明の第５の
実施の形態の例を示す前記実施の形態の熱交換器を適用
したヒートポンプ式冷凍サイクルの構成を示した図であ
り、室内熱交換器５、室外熱交換器３の両方にバイパス
回路を適用した例である。室内熱交換器５、室外熱交換
器３の冷媒入口部が冷房時及び暖房時ともバイパス回路
１３を設置した側となるように図１と比較して２つの四
方弁２が追加設置されており、この構造により室内熱交
換器５、室外熱交換器３が蒸発器として働く場合にも、
凝縮器として働く場合にもバイパス回路が作動する。ま
た、四方弁２を用いる代りに熱交換器を中心としたブリ
ッジ回路を用いても同じ作用をもつ冷媒回路を構成する
ことができる。

【００３４】図１６は、室内熱交換器５、室外熱交換器
３とも蒸発器として働く場合のみバイパス回路を作動さ
せる冷媒回路構成を示した図である。冷房運転時には室
内熱交換器５は蒸発器として働き、室外熱交換器３は凝
縮器として働く。また、暖房運転時には、室内熱交換器
５は凝縮器として働き、室外熱交換器３は蒸発器として
働く。図１６の冷媒回路の場合、バイパス回路１３には
逆止弁１５が取り付けられ、室内熱交換器５あるいは室
外熱交換器３が蒸発器として働く場合にのみ冷媒が流れ
る構造となっている。また、同様にしてバイパス回路を
図１６とは異なる反対側の位置に設けることにより、室
内熱交換器５、室外熱交換器３とも凝縮器として働く場
合のみバイパス回路を作動させる、すなわち開路する冷
媒回路構成も容易に導出できる。また、逆止弁の代りに
電磁弁や開閉バルブなどを用いても良い。

【００３５】以上の第一から第五に示した実施の形態で
は非共沸混合冷媒を作動流体として用いた場合について
述べたが、本発明の形態では単一冷媒を作動流体として
用いた場合にも高性能な伝熱管、熱交換器、冷凍・空調
機を提供することができる。

【００３６】また、本発明によれば、冷媒側の熱伝達率
を高く維持することができるので、高い伝熱性能を有す
る熱交換器を提供することができる。また、蒸発器の場
合には熱伝達率が比較的小さな低乾き度域の液冷媒を蒸
発器途中やドライアウトの生じる高乾き度側へバイパス
することにより、蒸発器全体を高乾き度に維持すること
ができるとともに非共沸混合冷媒の濃度境界層を撹拌す
ることができるため蒸発器全域にわたって高い伝熱性能
を有する蒸発器を提供することができる。

【００３７】また、凝縮器の場合には入口蒸気の一部を
低乾き度の出口部へバイパスすることにより管壁からの
液膜の剥離や薄膜化が生じるとともに組成分布の強制混
合が行われ濃度境界層が撹拌されるため凝縮器全域にわ
たって高い伝熱性能を有する凝縮器を提供することがで
きる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、非
共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの熱交換器に使用さ
れる伝熱管において、内面に非二等辺三角形突起、また
は二円弧型突起、または切り起しフィン、または縦渦発
生フィンを設ける、またはＵ字型ベンド部に撹拌手段を
備えた撹拌棒を固定し直管部まで挿入する、ことによっ
て、液膜の撹拌作用を促進するとともに、気液界面近傍
に形成される濃度境界層を分断あるいは撹乱して非共沸
混合冷媒の伝熱抵抗を低減することができる。その結
果、非共沸混合冷媒を用いた場合でも高い伝熱性能を有
する伝熱管を有する熱交換器を得ることができる。

【００３９】また、本発明によれば、熱交換器に入り口
部からのバイパス回路を設けることにより、冷媒側の熱
伝達率を高く維持することができるので、高い伝熱性能
を有する熱交換器を提供することができる。特に非共沸
混合冷媒の濃度境界層を撹拌することができるため熱交
換器のほぼ全域にわたって高い伝熱性能を有する装置を
提供することができる。また熱交換器が蒸発器として働
く場合のみまたは凝縮器として働く場合のみにバイパス
回路を開路させることにより簡単な回路構成で高い伝熱
性能を有する装置が得られる。

【００４０】また、本発明の熱交換器を用いることによ
り高性能な冷凍機・空調機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一実施形態に使用されるヒートポ
ンプ式冷凍サイクルの系統図である。

【図２】 図１のヒートポンプ式冷凍サイクルに使用さ
れる熱交換器の正面図である。

【図３】 本発明の第一の実施形態に使用される伝熱管
の断面図である。

【図４】 図３の内面形状の要部を示す説明図である。

【図５】 図３の変形例を示す伝熱管の断面図である。

【図６】 図５の内面形状の要部を示す説明図である。

【図７】 図３の他の変形例を示す伝熱管の断面図であ
る。

【図８】 図７の内面形状の要部を示す説明図である。

【図９】 本発明の第二の実施形態に使用される熱交換
器の要部を示す説明図である。

【図１０】 本発明の第三の実施形態に使用される熱交
換器の正面図である。

【図１１】 蒸発管内の冷媒流動様式と熱伝達率の関係
を示す図である。

【図１２】 バイパス回路を用いた場合の蒸発管内の冷
媒流動様式と熱伝達率の関係を示す図である。

【図１３】 非共沸混合冷媒の気液平衡線図である。

【図１４】 本発明の第四の実施形態に使用される熱交
換器の正面図である。

【図１５】 本発明の第五の実施形態に使用されるヒー
トポンプ式冷凍サイクルの系統図である。

【図１６】 図１５の変形例を示すヒートポンプ式冷凍
サイクルの系統図である。

【図１７】 従来の内面溝付管の内面形状を示す断面図
である。

【図１８】 従来内面溝付管での単一冷媒と非共沸混合
冷媒での熱伝達率比較図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 凝縮器、４ 膨張弁、５
蒸発器、６ 伝熱管、７ Ｕ字型ベンド、８ フィ
ン、９ａ 非二等辺三角形突起、９ｂ 二円弧型突起、
９ｃ 液滴、９ｄ 液膜、１０ 切り起しフィン、１１
縦渦発生フィン、１２ａ スプリング付撹拌棒、１２
ｂ 外面溝付撹拌棒、１３ バイパス回路、１４ａ 気
液分離器、１４ｂ 液分配バイパス回路、１５ 逆止
弁。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの
   熱交換器において、熱交換器の伝熱管内面に一辺の長さ
   が他辺の長さよりも長く、かつ管内面底部からの先端高
   さが0.16mm以上で管半径以内の非二等辺突起を管軸方向
   に対して連続又は独立に捩って設けたことを特徴とする
   非共沸混合冷媒用熱交換器。
2. 【請求項２】 非二等辺突起として中心と半径が異なる
   ２つの同方向円弧から構成された二円弧型突起を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の非共沸混合冷媒用熱交
   換器。
3. 【請求項３】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの
   熱交換器において、熱交換器の伝熱管内面に、管内面底
   部からの切り起しの高さが0.16mm以上で管半径以内の切
   り起しフィンを管周方向に対して連続又は独立に、管軸
   方向に対して独立に設けたことを特徴とする非共沸混合
   冷媒用熱交換器。
4. 【請求項４】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの
   熱交換器において、ほぼ四辺形状の切り起こし片を軸方
   向に角度をもって熱交換器の伝熱管内面に設け、この冷
   媒の流れ方向に対する後部を円弧状または直線状に切り
   欠いた縦渦発生フィンを、冷媒の流れ方向に対する前縁
   辺と管壁とのなす角度が90度〜145度で、管周及び管軸
   方向に対して独立に設けたことを特徴とする非共沸混合
   冷媒用熱交換器。
5. 【請求項５】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの
   熱交換器において、熱交換器のＵ字型ベンド部に撹拌手
   段を備えた撹拌棒を固定し、前記撹拌棒を直管部まで挿
   入して構成したことを特徴とする非共沸混合冷媒用熱交
   換器。
6. 【請求項６】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに
   使用される熱交換器において、前記熱交換器の入口部に
   おける液部を、複数本ある伝熱管の熱交換器出口近傍を
   除く伝熱管の出口部にバイパスするバイパス回路を設け
   たことを特徴とする非共沸混合冷媒用熱交換器。
7. 【請求項７】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに
   使用される熱交換器において、前記熱交換器の入口部に
   気液分離器を設けたことを特徴とする請求項６記載の非
   共沸混合冷媒用熱交換器。
8. 【請求項８】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに
   使用される熱交換器において、前記熱交換器の入口蒸気
   の一部を複数本ある伝熱管の熱交換器出口近傍を除く伝
   熱管の出口部にバイパスするバイパス回路を設けたこと
   を特徴とする非共沸混合冷媒用熱交換器。
9. 【請求項９】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに
   使用される熱交換器において、前記熱交換器の入口部と
   複数本ある伝熱管の熱交換器出口近傍を除く伝熱管の出
   口部との間をバイパスするバイパス回路と、前記バイパ
   ス回路に設けられ前記バイパス回路を開閉する開閉手段
   と、を備え、前記熱交換器が蒸発器として働く場合のみ
   または凝縮器として働く場合のみに前記バイパス回路を
   開路させることを特徴とする非共沸混合冷媒用熱交換
   器。
10. 【請求項１０】 非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル
    で構成した冷凍・空調装置において、前記冷凍サイクル
    を構成する熱交換器を請求項１ないし請求項９の内の少
    なくとも１項に記載の非共沸混合冷媒用熱交換器で構成
    したことを特徴とする冷凍・空調装置。