JPWO2014125997A1

JPWO2014125997A1 - 熱交換装置およびこれを備えた冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JPWO2014125997A1
Application number: JP2015500210A
Authority: JP
Inventors: 相武李; 牧野　浩招; 浩招牧野; 早丸　靖英; 靖英早丸; 大輔杉山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: WO2014125603A1; JP6104357B2; WO2014125997A1

Abstract

気体の流れに対して上流側に配置された第１伝熱管２０Ａと、第１伝熱管２０Ａよりも下流側にこの第１伝熱管２０Ａと並んで配置された第２伝熱管２０Ｂとを少なくとも有し、第１伝熱管２０Ａ及び第２伝熱管２０Ｂは管内面に溝を有し、第１伝熱管２０Ａは、管軸に直交する平面における溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、第２伝熱管２０Ｂの管軸に直交する平面における溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成して、圧力損失を増加させずに、凝縮・蒸発の管内伝熱性能を高めることができるようにする。

Description

本発明は、管内面に溝を有する伝熱管を備えた熱交換装置に関する。

従来、冷凍装置、空気調和装置、又はヒートポンプに用いる熱交換器では、一般に、所定の間隔で複数並べたフィンに貫通穴が設けられ、貫通穴に伝熱管が貫通して配置されている。伝熱管は、気流方向に複数列配置され、内面に溝が形成されている。伝熱管は、冷凍サイクル装置における冷媒回路の一部となり、管内部を冷媒（流体）が流れるようにしている。

管内面の溝は、管軸方向と溝が延びる方向とが一定の角度をなすように螺旋状に加工されている。溝を形成することにより管内面に凹凸ができるが、ここでは、凹部の空間を溝部と称し、隣り合う溝の側壁によって形成される凸部分を山部と称する。

そして、このような伝熱管を流れる冷媒は、伝熱管外側を流れる流体（例えば空気）との熱交換により相変化（凝縮又は蒸発）する。そして、この相変化を効率よく行わせるために、管内の表面積増加、溝部による流体攪拌効果、溝部の毛細管作用に伴う溝部間の液冷媒保持効果を利用して、伝熱管の伝熱性能の改善を図っている（例えば、特許文献１）。

特開平５−３２２４７１号公報（図１）

ところで、前述のような熱交換器では、気流上流側の伝熱管の内面溝ピッチと溝リード角を、気流下流側の伝熱管の内面溝ピッチと溝リード角に比べて小さくすることで、溝の伝熱促進効果を高めるようにしている。しかしながら、このように気流上流側の伝熱管の溝ピッチと溝リード角を、気流下流側の伝熱管の内面溝ピッチと溝リード角に比べて小さくした熱交換器においては、液冷媒の保持量が小さくなり、気流上流側の伝熱管の管内熱伝達率が低下し、成績係数（ＣＯＰ）が低下するという難点があった。

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、熱交換器の管内熱伝熱率を向上させ、管内圧力損失を増加させずに、予め設定された伝熱性能を得ることができる熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換装置は、気体の流れに対して上流側に配置された第１伝熱管と、第１伝熱管よりも下流側にこの第１伝熱管と並んで配置された第２伝熱管とを少なくとも有する熱交換装置において、第１伝熱管及び第２伝熱管は管内面に溝を有し、第１伝熱管は、管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成されたものである。

本発明の熱交換装置によれば、気体の流れに対して上流側に配置された第１伝熱管と、第１伝熱管よりも下流側にこの第１伝熱管と並んで配置された第２伝熱管とを少なくとも有し、第１伝熱管及び第２伝熱管は管内面に溝を有し、第１伝熱管は、管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成されているので、溝部に保持される液冷媒が多くなる。このため、従来の伝熱管に比べて、圧力損失を増加させずに、凝縮・蒸発の管内伝熱性能を高めることができ、熱交換効率が良くなる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換装置の冷媒の流れを示す図である。本発明の実施の形態１に係る熱交換装置を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図である。本発明の実施の形態１に係る熱交換装置の１列目の伝熱管内の溝部の毛細管作用に伴う溝部間の液冷媒保持効果の説明図である。本発明の実施の形態２に係る空気調和機の冷媒回路図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換装置の冷媒の流れを示す図である。図１において、熱交換装置１は、冷凍装置または空気調和装置の蒸発器、凝縮器として広く利用されているフィンチューブ式の熱交換器である。

本実施の形態１の熱交換装置１は、管内面に溝を有する複数の伝熱管２０を複数のフィン１０に挿通させてなる熱交換器を、複数のフィン１０の間を流れる気体の流れ方向に複数列設け、さらにこの複数列で構成される熱交換器の群を少なくとも２つ（主熱交換器１Ａと副熱交換器１Ｂ）備えている。そして、これら主熱交換器１Ａと副熱交換器１Ｂとの間が除湿弁３０を介して接続されている。なお、除湿弁３０は、除湿時（室内を加熱しながらの除湿）に、熱交換器の一部を凝縮器、他を蒸発器として用いるために設けられている。
伝熱管２０は、冷凍サイクル装置における冷媒回路の一部となり、管内部を冷媒が流れる。伝熱管２０は、内部を流れる冷媒の熱を、外部を流れる空気にフィン１０を介して伝えることで、空気との接触面となる伝熱面積を拡げ、冷媒と空気との間の熱交換を効率よく行う。

図２は本発明の実施の形態１に係る熱交換装置を側面側から見た鉛直方向断面の部分拡大図であり、伝熱管２０の管内面の形状と、溝ピッチを拡大して示している。図３は本発明の実施の形態１に係る熱交換装置の１列目の伝熱管内の溝部の毛細管作用に伴う溝部間の液冷媒保持効果の説明図である。冷房運転で冷媒入口から除湿弁３０に至る前までの区間、または暖房運転で除湿弁３０の後から冷媒出口までの区間で、図２に示す第１伝熱管である風上側から１列目の伝熱管２０Ａの管軸に直交する平面における溝部２１ａの面積Ａａ（以下、「伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａ」という）と外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）は、第２伝熱管である風上側から２列目以降の伝熱管２０Ｂの管軸に直交する平面における溝部２１ｂの面積Ａｂ（以下、「伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂ」という）と外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成されている。すなわち、風上側から１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの溝ピッチＰａを、風上側から２列目以降の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの溝ピッチＰｂより大きくすることで、これら伝熱管２０Ａ，２０Ｂの溝部２１，２１ｂの溝高さは変えずに、風上側から１列目の伝熱管２０Ａの前記比（Ａａ／Ｄｏ）を、風上側から２列目以降の伝熱管２０Ｂの前記比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きくしている。
風上側から１列目の伝熱管２０Ａでは、空気と冷媒との温度差が大きい。つまり、風上側から１列目の伝熱管２０Ａは、液冷媒が多く存在する領域である。このため、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ｂの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）を大きくすると、図３のように溝部２１ａの毛細管作用に伴い溝部間の山部２２ａにて保持される液冷媒４０が多くなり、隣り合う溝部２１ａの側壁によって形成される山部２２ａを通して熱交換効率が良くなる。
一方、風上側から２列目以降の伝熱管２０Ｂでは、空気と冷媒との温度差が小さく、液冷媒が少なく存在する領域であり、溝部２１ｂに保持される液冷媒４０（図３参照）が少なくなる。このため、２列目以降の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）を小さくすることで、溝部２１ｂの毛細管作用に伴い溝部間の山部２２ｂにて保持される液冷媒４０を相対的に多くすることができ、隣り合う溝部２１ｂの側壁によって形成される山部２２ｂを通して熱交換効率が良くなる。

本実施の形態１の熱交換装置１において、冷房運転で冷媒入口から除湿弁３０に至る前までの区間、または暖房運転で除湿弁３０の後から冷媒出口までの区間で、風上側から１列目の伝熱管２０Ａは、伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が０．００７５（ｍｍ^２／ｍｍ）から０．０１２５（ｍｍ^２／ｍｍ）の範囲となるように形成されている。また、風上側から２列目以降の伝熱管２０Ｂは、伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）が０．００２８（ｍｍ^２／ｍｍ）から０．００７４（ｍｍ^２／ｍｍ）の範囲となるように形成されている。

このように、熱交換装置１において、風上側から１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）を０．００７５（ｍｍ^２／ｍｍ）から０．０１２５（ｍｍ^２／ｍｍ）の範囲に設定したのは、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）を０．００７５（ｍｍ^２／ｍｍ）より小さくすると、溝部２１ａに保持される液冷媒が少なくなり、山部２２ａへの液膜厚さが厚くなり、管内伝熱性能が全体で見ると低下するからである。また、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）を０．０１２５（ｍｍ^２／ｍｍ）より大きくすると、液冷媒保持効果が低下し、管内伝熱性能が全体で見ると低下するからである。風上側から１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）を前述の範囲とすることで、図３のように１列目の伝熱管２０Ａ内の溝部２１ａの毛細管作用に伴う液冷媒保持効果を利用して、管内伝熱性能を向上させることができる。

また、熱交換装置１において、風上側から２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）を０．００２８（ｍｍ^２／ｍｍ）から０．００７４（ｍｍ^２／ｍｍ）の範囲に設定したのは、風上側から２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）を０．００２８（ｍｍ^２／ｍｍ）より小さくすると、溝部２１ｂに保持される液冷媒が少なくなり、山部２２ｂへの液膜厚さが厚くなり、管内伝熱性能が全体で見ると低下するからである。また、風上側から２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）を０．００７４（ｍｍ^２／ｍｍ）より大きくすると、液冷媒保持効果が低下し、管内伝熱性能が全体で見ると低下するからである。風上側から２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）を前述の範囲とすることで、１列目の伝熱管２０Ａと同様に隣り合う溝部２１ｂの毛細管作用に伴う液冷媒４０の保持効果を利用して、管内伝熱性能を向上させることができる。

以上のように、本実施の形態１の熱交換装置１によれば、複数の伝熱管２０を複数のフィン１０に挿通させてなる２列以上の室内側熱交換器において、冷房運転で冷媒入口から除湿弁３０に至る前までの区間、または暖房運転で除湿弁３０の後から冷媒出口までの区間で、風上側から１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、風上側から２列目以降の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成されているので、管内伝熱性能を向上させることができ、熱交換率（伝熱管通過前後の熱量の比率）を高くすることができる。そのため、省エネルギ化を図ることができる。また、冷媒回路内の冷媒の減量、効率を維持しつつ、小型化を図ることもできる。

以下、実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。表１に示すように、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａ／外径Ｄｏが０．００７５、０．００９５、０．０１１５、０．０１２５（ｍｍ^２／ｍｍ）、２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂ／外径Ｄｏが０．００３５（ｍｍ^２／ｍｍ）である実施例１〜４の熱交換装置１を作製した（実施例１〜４）。また、比較例として、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａ／外径Ｄｏが０．００５、０．０３５（ｍｍ^２／ｍｍ）、２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂ／外径Ｄｏが０．００３５（ｍｍ^２／ｍｍ）である熱交換装置を作製した（比較例１，２）。

表１から明らかなように、実施例１〜４の熱交換装置１は、いずれも比較例１，２の熱交換器と比べて熱交換率が高く、管内伝熱性能が向上していた。

表２に示すように、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａ／外径Ｄｏが０．００９５（ｍｍ^２／ｍｍ）、２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂ／外径Ｄｏが０．００２８、０．００３５、０．００５、０．００７４（ｍｍ^２／ｍｍ）である実施例５〜８の熱交換装置１を作製した。また、比較例として、１列目の伝熱管２０Ａの溝部２１ａの面積Ａａ／外径Ｄｏが０．００９５（ｍｍ^２／ｍｍ）、２列目の伝熱管２０Ｂの溝部２１ｂの面積Ａｂ／外径Ｄｏが０．００２５、０．００８（ｍｍ^２／ｍｍ）である熱交換装置を作製した（比較例３，４）。

表２から明らかなように、実施例５〜８の熱交換装置１は、いずれも比較例３，４の熱交換器と比べて熱交換率が高く、管内伝熱性能が向上していた。

なお、主熱交換器１Ａと副熱交換器１Ｂを、いずれも複数列で構成される熱交換器の群で構成したもの、つまりフィン１０が気体の流れ方向に複数列に分割されているものを例に挙げて説明したが、これに限るものではない。例えば、フィン１０を気体の流れ方向で分割せず、これに伝熱管を気体の流れ方向に複数列挿通させる構成としてもよい。

実施の形態２.
図４は本発明の実施形態２に係る空気調和機の冷媒回路図を示すもので、前述の実施の形態１で説明した熱交換装置を室内熱交換器として用いたものである。
本実施の形態２の空気調和機は、圧縮機６１、四方弁６２、室外熱交換器６３、減圧器６４、及び室内熱交換器６５が、冷媒配管７０によって閉ループ状に接続され、室内機５０と室外機６０との間にガスバルブ６８と液バルブ６９が配置されている。また、室外熱交換器６３には室外送風機６６が併設され、室内熱交換器６５には室内送風機６７が併設されている。

本実施の形態２の空気調和機において、冷房運転時には低圧低温のガス冷媒は室外機６０の圧縮機６１により高温高圧のガス冷媒に圧縮され、四方弁６２に送られる。そして、四方弁６２から冷媒配管７０により室外熱交換器６３に導かれてガス冷媒が液化し、凝縮熱を室外に放出する（室外熱交換器６３が凝縮器として作用する）。室外熱交換器６３から出た高圧の液冷媒は、減圧器６４により低圧低温の気液二相冷媒となり、液バルブ６９を介して室内機５０の室内熱交換器６５に導かれる。ここで、室内の空気中の熱を吸収して冷媒が蒸発し、低圧低温のガス冷媒となり、冷房運転を行う（室内熱交換器６５が蒸発器として作用する）。そして、低圧低温のガス冷媒は、ガスバルブ６８、四方弁６２を経て圧縮機６１に導かれ、冷媒サイクル運転を行う。

暖房運転を行う場合は、四方弁６２を切り換えて冷媒の流れを冷房運転の場合と逆方向にすることにより、室内熱交換器６５が凝縮機、室外熱交換器６３が蒸発器として作用する。それ以外は冷房運転の場合と同様である。

本実施の形態２によれば、室内熱交換器６５として前述の実施の形態１の熱交換装置１を用いているので、室内熱交換器６５の管内伝熱性能を向上させることができ、熱交換率（伝熱管通過前後の熱量の比率）を高くすることができる。そのため、省エネルギ化を図ることができる。また、室内熱交換器６５の冷媒回路内の冷媒の減量、効率を維持しつつ、小型化を図ることもできる。

なお、前述した実施の形態１，２では、本発明に係る熱交換装置に関し、冷凍装置または空気調和装置への適用について説明したが、本発明はこれらの装置に限定されるものではない。例えば、本発明は、ヒートポンプ装置のように、冷媒回路を構成し、蒸発器、凝縮器となる熱交換器を有する他の冷凍サイクル装置にも適用することができる。

１熱交換装置、１Ａ主熱交換器、１Ｂ副熱交換器、１０フィン、２０伝熱管、２０Ａ１列目の伝熱管（第１伝熱管）、２０Ｂ２列目以降の伝熱管（第２伝熱管）、２１ａ、２１ｂ溝部、２２ａ，２２ｂ山部、３０除湿弁、４０液冷媒、５０室内機、６０室外機、６１圧縮機、６２四方弁、６３室外熱交換器、６４減圧器、６５室内熱交換器、６６室外送風機、６７室内送風機、６８ガスバルブ、６９液バルブ、７０冷媒配管、Ａａ１列目の伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積、Ａｂ２列目以降の伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積、Ｄｏ外径、Ｐａ１列目の伝熱管の溝部の溝ピッチ、Ｐｂ２列目の伝熱管の溝部の溝ピッチ。

本発明に係る熱交換装置は、気体の流れに対して上流側に配置された第１伝熱管と、前記第１伝熱管よりも下流側に前記第１伝熱管と並んで配置された第２伝熱管とを少なくとも有する熱交換装置において、前記第１伝熱管及び前記第２伝熱管は管内面に溝を有し、前記第１伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の溝ピッチを、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の溝ピッチより大きくすることで、前記第１伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成されたものである。

本発明に係る熱交換装置は、気体の流れに対して上流側に配置された第１伝熱管と、前記第１伝熱管よりも下流側に前記第１伝熱管と並んで配置された第２伝熱管とを少なくとも有する熱交換装置において、前記第１伝熱管及び前記第２伝熱管は管内面に溝部を有し、前記第１伝熱管の前記溝部の溝高さと前記第２伝熱管の前記溝部の溝高さとが同じであり、前記第１伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の溝ピッチを、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の溝ピッチより大きくすることで、前記第１伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成されたものである。

Claims

気体の流れに対して上流側に配置された第１伝熱管と、前記第１伝熱管よりも下流側に前記第１伝熱管と並んで配置された第２伝熱管とを少なくとも有する熱交換装置において、
前記第１伝熱管及び前記第２伝熱管は管内面に溝を有し、
前記第１伝熱管は、管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）が、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成された熱交換装置。
前記熱交換装置は複数の熱交換器を備え、前記複数の熱交換器の間が除湿弁を介して接続されており、
冷房運転で冷媒入口から前記除湿弁の前までの区間、または暖房運転で前記除湿弁の後から冷媒出口までの区間で、前記第１伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）は、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成された請求項１記載の熱交換装置。
前記第１伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａａと外径Ｄｏとの比（Ａａ／Ｄｏ）は０．００７５（ｍｍ^２／ｍｍ）から０．０１２５（ｍｍ^２／ｍｍ）の範囲、前記第２伝熱管の管軸に直交する平面における溝部の面積Ａｂと外径Ｄｏとの比（Ａｂ／Ｄｏ）は０．００２８（ｍｍ^２／ｍｍ）から０．００７４（ｍｍ^２／ｍｍ）の範囲で形成された請求項１又は２記載の熱交換装置。
前記第１伝熱管及び前記第１伝熱管の前記溝部の溝高さは変えずに、前記第１伝熱管の前記溝部の溝ピッチを、前記第２伝熱管の前記溝部の溝ピッチより大きくすることで、前記第１伝熱管の前記比（Ａａ／Ｄｏ）が前記第２伝熱管の前記比（Ａｂ／Ｄｏ）より大きく形成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換装置。
少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧器、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管によって閉ループ状に接続された冷凍サイクル装置であって、
前記凝縮器又は前記蒸発器として請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換装置を用いた冷凍サイクル装置。