WO2010016615A1 - 熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

伝熱管の外径を小さくしても十分な熱交換能力を得ることのできる熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。伝熱管２の外径Ｄを５ｍｍ≦Ｄ≦６ｍｍの範囲内とし、伝熱管２の肉厚ｔを０．０５×Ｄ≦Ｔ≦０．０９×Ｄの範囲内とし、伝熱管２の上下方向のピッチＬ１を３×Ｄ≦Ｌ１≦４．２×Ｄの範囲内とし、伝熱管２の前後方向のピッチＬ２を２．６×Ｄ≦Ｌ２≦３．６４×Ｄの範囲内としたので、熱交換器の単位重量当たりの熱交換量を十分に高めることができる。特に、この構成において伝熱管２の外径Ｄを５ｍｍ≦Ｄ≦５．５ｍｍの範囲内としたとき、熱交換器の単位重量当たりの熱交換量は最大となる。これにより、熱交換器の熱交換量を十分に高めることができるとともに、熱交換器の小型化及び軽量化を図ることができる。

Description

交換器及びこれを用 たヒ トポ プ 術分野

本 、空調、冷凍、冷蔵、給 のために 空気 の で熱交換するための 交換 器に関し、特に二酸化炭素 用 る冷凍 路にお て、例えば して られる 交換器 及びこれを用 たヒ ト ンプ 置に関す も である。 来、 この種 ヒ トポンプ式 としてほ、 交換器に 熱した 用水を貯 タ クに 、 タンクの を浴槽 所に供給する にしたものが知られて る( 、 特許 。 。 このヒ トポンプ式 置の 、圧縮 、 、 膨張 、 水 交換 器 (ガスク ラ) らなり、 には二酸化炭素 用 られる。 、互 に 向に間隔 をお て上下方向及び 後方向に配列された 数の 、互 に の 向に間隔をお て 置された 数の フィ と らなり、 を流通する 外部 気 を ィンを介して 交換する にな て る。

年、 この種の熱交換器は、適用機器の 性能化及び 型化の 求に伴 、熱交換 の 加、小 型化及び 量化の 層の 良が要求されており、 このため、 この点を改良したフィンテ 交 換器が提案されて る ( 、特許 2 。 。 2の 交換器 、互 に 向に間隔 をお て上下方向及び 後方向に配列 れた 数の 、互 に の 向に間隔をお て 配置 れた 数の ィ と らなり、 の を 5 、 後方 向の ピッチ を2・ 5 3・ 4 、 の 下方向の ピッチ 2を3・

2 3・ 9 としたときに、 熱交換 の 加、 小型化及び 量化を達成できる して る。

０6 46877

2 2００5 9827 報 発明の

明が解決しよ とする課題

用の 交換器に用 られる 6 ～7 の鋼管が 般的であるが、この の に二酸 流通さ る場合、冷 の 圧力に対する を確保するために、 の 少な とも 0・ 4 ～ ・ 5 が必要であるとされて る。 しかしながら、 分な 交換 力を得るためにほ の も多 しなけれ ならず、その だけ の 量が増加し、 ストが高 なる。そこで、軽量化を図るために 小さ する必要があるが、

すると、十分な 交換 力を確保することができな なるおそれがある。 の 過度に小さ すると、 内を流れる の 非常に大き なるため、その 果、熱交 換 力が大幅に低下すると 題が生じる。 の 、 内径、 、 の 下方向と前後 方向それぞれの ピッチ、 インピッチ等は、熱交換器 交換 総重量を支配する主要な 子である。 このため、熱交換 力を充分に確保し 交換器の 量化を達成するために は、熱交換器の た の 交換 力を増大さ るよ に、 これら主要因子の値を適切に設定 する必要がある。

しか ながら、従来 術で泣、熱交換器の たりの 交換 力を増大さ ると 点 ら上記 要因子の値を適切に設定する みがなされてこな た。 、 特許 2の 、 上5 満に設定して るが、この 囲では 内を流れる の 急激に増大して 交換 力の 幅な 下を引き起こす 題が生じる。 らによる 関する数値 析結果 ( 3 ) によれ 、 内を流れる の 、二酸 使用する場合では 内径が4 より減少するのに伴 て指数 に増加し、従来の フ ン系 (R 4 ０ )を使用する場合でほ 内径が7 より減少するのに伴 て指数 に増加する。そして内径4 における二酸 の 失の 7 における 系 の 失の値に 当する。 て、特許 2の 明のよ に

上5 満に設定した場合、その 囲の 半にお て、 内を流れる二酸化炭素 の

極端に増大し、 その 果、 熱交換 力が大幅に低下すると 題が生じる。

上記 題点に みてなされたものであ 、その 的とするところは、熱交換器 た の 交換 力を増大さ ることによ 、十分な 交換 力を得ることができ 小型化及び 量化が可能な 交換器及びこれを用 たヒ トポンプ 置を提供することにある。 題を解決するための

上記 的を達成するために、互 に 向に間隔をお て上下方向及び 後方向にそれ ぞれ 列された 数の 、互 に の 向に間隔をお て配置された 数の イン とを備え、 に二酸 流通する 交換器にお て、 の を5 6 の 囲内とし、

の 0・ 5X ０・ ０gX の 囲内とし、

の 下方向のピッチ を3X 4・ 2X の 囲内とし、

の 後方向のピッチ 2を2・ 6X 2 3・ 64X の 囲内 して る。

成にお て、 の は5 5・ 5 の 囲内とすることが好まし 。 こ れによ 交換器の た の 交換 を最大にすることができる。また、上記 成にお て、 の 後方向の を2 8の 囲内とし、熱交換器の 向の イ のピッチ を の 後方向の で除した ( 下、 インピッチ と 。) を0・ 5 ０・ g の 囲内とするこ が好まし 。 これによ 、熱交換器の

度差 た の 交換 を最大にすることができる。

また、 前記 的を達成するために、 ヒ トポンプ 置にお て、上記 交換器を冷凍 路の として て る。これによ 、ヒ トポンプ 置の た の 交換 力を高め、 ヒ ト ンプ 置の ( OP) を ベ よりも大幅に高めることができる。 明の

明によれば、熱交換器の たりの 交換 力を最大 最大に近 ベ まで高め ることができるので、十分な 交換 力を得ることができるとともに、熱交換器の

を図ることができる。 更に、 明の まし 実施 態によれば、熱交換器の

度差 たり 交換 を最大にするこ ができるので、熱交換 力を更に高めることができるとと もに、 熱交換器を更に一層 量化することができる。 面の 単な説明

交換器の 面図である。

2は熱交換器の 面図である。

3は の 面図である。

4は熱交換器 たりの 交換 の 後方向ピッチ 2

の ( 2 ) を示す図である。

5は熱交換器の た の 交換 と伝 の 下方向ピッチ の との ( を示す図である。

6は熱交換器の たりの 交換 イ の インピッチ との 係を示す 図である。

7 a)は の ィ 間を通過する風速 との 係を示す図であり、 7(b) は の ィン間を通過する風速 度差 たりの 交換 との 係 を示す図である。

8 の 下方向ピッチ 熱交換 の 係を示す図である。

の 後方向ピッチ 2 熱交換 との 係を示す図である。

０は熱交換器の 熱交換 との 係を示す図である。

は の ィ 間を通過する との 係を示す図である。

2 a) は の ィン間を通過する風速 との 係を示す図であり、2 b)は の ィ 間を通過する風速 度差 たりの 交換 と の 係を示す図である。

3 の 内を流れる との 係を示す図である。

4は 明の 交換器を用 たヒ トポンプ式 置の である。 号の

交換器

2

3 ィン

3 明を実施するための 良の

下に、 明を実施するための 態に て 面に基 て具体的に説明する。 2にお て、熱交換器 、互 に 向に間隔をお て上下方向及び 後方向にそ れぞれ れた 数の 2と、互 に 2の 向に間隔をお て配置された 数の フィン3とを備え、 2内を二酸化炭素 流れる。 2は熱交換器 の 向に延びる 管からなり、熱交換器 側で屈曲するよ に 行状に形成されて る。 ィン8は 板状のア ウム らな 、熱交換器 の 向に所定の ィンピッチ で配置されて る。

2は 方向及び 後方向に隣 合 伝 2 士がその 心を結ぶ線によ て正三角形をな に配置されて る。このため 後方向に隣 2 の 2の の 2 の 下方向のピッチ し 。 て、 2の 後方向のピッチ 2は 2 X c o s e 3 。

０ の 係にある。

3にお て、 2は、その が5 6 、 その がO・ ０5X ・ ０ gX の 囲内となるよ に形成されて る。 3は、二酸化炭素 媒及び ン系 (R4 ０ ) を用 た冷凍 路にお て、 の 度を6・ 5 C ( 熱度5oC)、

度を ・ 5 Cとした場合の 内径 内を流れる の との 係を本 ら が数値 析した結果を示す図である。 3に示すよ に、 内を流れる の 、二 酸化炭素 使用する場合では 内径が4 よ 減少するのに伴 て指数 に増加し、 来のフ 系 (R4 ０ ) を使用する場合では 内径が7 よ 減少するのに伴 て 指数 に増加し、内径4 における二酸化炭素 の 失の値は内径7 における ン の 失の値に 当する。 て、二酸化炭素 使用する場合、 内径 上の 伝 を使用することが好まし 。 酸化炭素 用 る冷凍 路にお ては、回路内の

例え g Pa～ o Paとなる。 これは ン系 の 3 ～4倍に当たる高圧である。 のため、 2の はこの 圧に耐え得る でなければならな が、 必要以上に厚 な る 熱交換器の 量化を阻害することになる。 て、二酸化炭素 の 圧に十分 えることがで き 交換器 の を実現するために、 2の の5 9 下として る。 2の を5 6 の 囲内とし 2の をこの 囲に設定すれ 、 2の 4 上とするこ ができ、 の 失の 度な増大を回避するととも に、 熱交換器を軽量化することができる。

2は、 2の 下方向のピッチ が3x 4・ 2X の 囲内にあ 、 2の 後方向のピッチ 2が2・ 6 X 2 3・ 64X の 囲内にあるよ に配置さ れて る。 4 5に示すよ に、 2の 下方向 ピッチ が3 X 4・ 2X の 囲内にあ 、 2の 後方向のピッチ 2が2・ 6 X 2 3・ 64X の 内にあるときに、 2の を5 6 とした熱交換器の たりの 交換 、 を7 とした熱交換器 の たりの 交換 よりも大き なる。特に、 を5 としたときに、単位 たりの 交換 最大 なる。 って、 2の は5 5・ 5 の 囲内 することが最も好まし 。 の 後方向の は2 8の 囲内 することが好まし 。 の が 9 上の場 、熱交換器の

た の 交換 低下する。 フイ 3は、 インピッチ が ・ 5 O・ g の 囲内となるよ に配置することが好まし 。 6に示すよ に、 イ ピッチ がこの 囲内にあるときに、 2の を5 又は6 した熱交換器の た の 交換 、 を7 とした熱交換器の たりの 交換 よりも大き なる。

7 a) (b) にお て、横軸の ァンにより イ 8に送風するときの イン間 を通過する風の速度、縦 の の 横軸の 速で風が イン間を通過するときの 失、縦 の 度差 たりの 交換 横軸の 速で風がフィ 間を通過すると きの 交換 をそれぞれ して る。 7 a) 、 2の を5 、 を0・ 3 、 インピッチ をO・ 5 、 0・ 6 、 0・ 75 、 O・ g とした熱交換器 、

2の を7 、 を0・ 45 、 インピッ を0・ 75 とし た熱交換器 ( ) に て、送風 の 風速 の 線を示して る。 線と ファンPQ 線との 点により まる風速 熱交換器 の ィン間を通過する風の 速度と 失を示して る。 7 b) は、 7 (a) で定まる風速における 交換器

度差 たりの 交換 を示して る。 7 b) にお て Cは、 2の を5 、 0・ 3 とし、 インピ をO・ 5 、 0・ 6 、 0・ 7 5 、 O g 変化さ た きの 交換 の 化を示して る。 Cが示すよ に、 2の を5 とした熱交換器にお ては、 単位 度差 たりの 交換 、 ィンピッチ が0・ 6m で最大とな 、 がO・ 5 よ も ０・ 9 より大き なると急激に減少する。 て、 ィンピッチ O・ 5 ０・g の 囲内とするこ が好まし 。 また、 7 b) に示すよ に、 2の を5 し インピッチ を0 75 とした熱交換器 は、単位 度差 た の 交換 にお て、 を7 とし ィンピッチ を0・ 75 mとした熱交換器 ( ) 能を示す。 これは単位 度差 たりの 交換 能を略 等に 持 しながら 2の によ 交換器の ができることを示して る。

2

記の 例及び の 交換器に て 交換 能の 験により以下の 果が得ら れる。 この 験では、 実施例及び とも、 2の を5m 、 を0・ 3 、 2の 後方向の を2 し、 イ 3の イ ピッチ を0・ 75 し、 二酸化炭素 使用される。 この と比較 、 2の 下方向ピッチ 後方向 ピッチ 2にお て異なる。 の 交換器

この の 交換器 2の 2が異なる5個の熱交換器である。 交換器 の 8に示される 5 2 の 囲内にある5個のドット 値であ 交換器 2 9に示される 3 2 8・ 2 の 囲内にある5個の 2値である。 応する 2が となるよ に 2が配置されて る。

の 交換器

この の 交換器 2 2が異なる3個の熱交換器である。 交換器 は 8に示される 5 r、 2 の 囲内にある3個のドットの であ 、 交換器 2は 9に示される 2 3 2 8 2 の 囲内にある3個のドットの 2値である。 応する と 2が となるよ に 2が配置されて る。

8 9に示すよ に、 が 5 2 の 囲内にあ 2が 3 2 8 2 の 囲内にある実施 の 交換器 、 3・ W 上の高 交換 力を 発揮する。 これに対し、 に示すよ に、 5 2 の 囲内にあり 2が 2 3 2 8 2 の 囲内にある の 交換器 、実施 のものより も熱交換 力が低下する。 例及び では 2の は5 である ら、実施 5 2 は3X 4・ 2X に相当し、 3 2 8 2 は2・ 6X 2 3・ 64X に相当する。 方、 比較 5 2 の 3x ・ 2X の にあり、 2 3 2 8 2 の 2・ 6X 2 3・ 64X の にある。

3

記の 例及び の 交換器 に て 交換 能の 験により以下の 果が得 られる。 この 験では、 実施例及び とも、 2の 下方向ピッチ は2 、前後方 向ピッ 2は 8 2 であ 、二酸化炭素 使用 れる。 この と比較 、 2 、 フィンピッチ にお て異なる。

の 交換器

この の 交換器 、 2の Dを5 、 を0・ 3 、 2の 後方 向の を2 し、 フィン3のフィ ピッチ を0・ 6 、 0・ 75 とし た熱交換器である。

の 交換器

この の 交換器 、 2の を7 、 を ・ 45 、 2の 向 を2 し、 フィ 3の ィンピッチ を ・ 75 とした熱交換器であ る。

０に示すよ に、 フィ ピッチ を0・ 75 とした実施 の 交換器 、 2 が比較 のものよりも2 さ のにも わらず、同一 での 交換 力に お て、 比較 のものと 等である。 方、 図 に示すよ に、 フィンピッチ P を0・ 7 5 とした実施 の 交換器 、 送風 の にお て、 比較 も 等であるが、 ィ ピッチ を0・ 6 とした実施 の 交換器 は、比較 のものよりも の 大き な て る。 し し、 2 (a) (b) に示すとおり、 インピッチ をO・ 6 とした実施 の 交換器 は、送風 の 大き ても、熱交換器の

度差 たりの 交換 にお て、比較 のものと 能を示す。 これは単位

度差 たりの 交換 能を略 等に 持しながら 2の により 交換器の 量化 ができることを示して る。

4

4に示すヒ トポンプ式 明の 交換器を冷凍 路の として たも である。 4にお て、 ヒ トポンプ式 、 流通する冷凍 ０と、 給湯 水 を流通する 2 、 用水を流通する 2の 3０と、 水を流通する 浴槽 4０と、冷凍 ０の 2 の 水とを熱交換する

交換器5０と、 2の 3０の 水と浴槽 4０の 水とを熱交換する 2の 交換器6０とを備えて る。

０は、圧縮 、膨張 2、 3 交換器5０を接続してな 、圧縮 、 交換器5 、膨張 2、 3、圧縮 の順に冷 流通さ るよ にな ており、 3は 明の 交換器を備えて る。 、 この で使用 される 二酸化炭素 である。

2０は、 タンク2 、 ポンプ22 交換器5０を接続し てなり、 タンク2 、 22、 交換器5０、 タ ク2 の順に給湯 水を流通さ るよ になって る。 タンク2 には、給水管23 2の 3０が接続 され、給水管23 ら供給 れた タンク2 を介して 2０を流通する よ にな て る。 タンク2 浴槽4 とは、 2のポンプ24が げられた 25を介し て 続され、 2のポンプ24によ て タ ク2 内の給 水が浴槽4 に供給されるよ に な て る。 2の 3０ 、 タ ク2 、 3の 3 2の 交換器6０を接続し てなり、 タ ク2 、 2の 交換器6０、 3のホ プ3 、 タンク2 の順に給 水を流通さ るよ にな て る。

4０は、 4 、 4のホンプ42 2の 交換器6０を接続してな 、 4 、 4のホンプ42、 2の 交換器6０、 4 の順に浴槽 水を流通させるよ にな て る。

交換器5 、冷凍 ０ 2 に接続され、冷凍 ０を流 通する 体 しての 2０を流通する 2の 体としての 用水 とを熱交換さ るよ にな て る。

2の 交換器6０ 、 2の 3０ 4０に接続され、 2の

3０の 水と浴槽 4０の くとを熱交換さ るよ にな て る。

また、前記 、冷凍 交換器5０が配置された加熱 ット 7０ と、 タンク2 、 ポンプ22、 2のホンプ24、 2の 3０、 4のホ プ4 2 2 交換器6 が配置されたタンク ット8 とを備え、加熱 ット7 タンク ット8０ ほ 2０を介して 続されて る。

上のよ に構成された 置にお ては、冷凍 ０の 2０の 水とが 交換器5０によ て 交換 れ、 の 交換器5 で加熱された 水が タンク2 される。 タンク2 の 2の 交換器6０によ て 4 の 水と熱交換され、 2の 交換器6０で加熱された 水が浴槽4 に供給 される

、前記 態でほ、 明の 交換器をヒ トポンプ式 置の 3に用 たもの を示したが、 例え 動販売機の 、 他の熱交換器 して るこ ができる。 上の利用 能性

、熱交換器の 交換 能を高めるとともに、熱交換器の 型化及び 量化を図るこ が できるので、 空調、冷凍、冷蔵、 給湯 のための 交換器 して広 用でき、特に二酸 炭素 用 るヒ トポンプ式 置や自動販売機の 路の として利用するこ ができる。

Claims

0

・ に 向に間隔をお て上下方向及び 後方向にそれぞれ 列された 数の 、互 に の 向に間隔をお て配置された 数の ィ とを備え、 に二酸化炭素 媒を流通する 交換器にお て、

の を5 6 の 囲内 し、

の 0・ 5X 0・ gX の 囲内とし、

の 下方向のピッチ を3X 4・ 2X の 囲内 し、

の 後方向のピッチ 2を2 6X 2 3・ 64X の 囲内 した

ことを特徴とする 交換器。

に 向に間隔をお て上下方向及び 後方向にそれぞれ 列された 数の 、互 に の 向に間隔をお て配置された 数の フイ とを備え、 に二酸化炭素 流通する 交換器にお て、

の を5 6・ の 囲内とし、

の 0・ 5X ０・ gx の 囲内とし、

の 下方向のピッチ を3X 4・ 2X の 囲内とし、

の 後方向のピッチ 2を2・ 6X 2 3・ 64X の 囲内 し、

の 後方向の を2 8の 囲内とし、

ィンのピッチ を の 後方向の で除した を ・ 5

0・ g の 囲内 した

こ を特徴 する 交換器。

・ の を5 5・ 5 の 囲内としたことを特徴とする 2に記 載の 交換器。

・ 下方向及び 後方向に隣 がその を結ぶ線によ て正三角形をなす

を配置したことを特徴とする 3の ずれ 項に記載の 交換器。

・ 4の ずれか 項に記載の 交換器を冷凍 路の として たことを特徴と するヒ トポンプ 。