WO2018073994A1 - 放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクル - Google Patents

放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクル Download PDF

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WO2018073994A1
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vortex
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gas
flow path
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Inventor
篠崎 隆
Original Assignee
株式会社エコラ・テック
Ete株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02Subcoolers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

Definitions

  • the present invention relates to a radiator that is suitable as an eddy current radiating condenser or a supercooler, and that is suitable for use in a refrigeration cycle, a condenser unit using the radiator, and a refrigeration cycle.
  • a radiator in a refrigeration cycle such as an air conditioner, for example, an evaporator, a condenser, or the like has been proposed that improves heat dissipation efficiency and is downsized (see, for example, Patent Document 1). .
  • the heat dissipation efficiency is not sufficiently improved, and the heat dissipation efficiency is remarkably improved, and further miniaturization of an evaporator, a condenser, and the like is desired.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is suitable as an eddy current radiating type condenser or a supercooler.
  • a radiator, a condenser unit, and a refrigeration cycle that can improve heat radiation efficiency and can be reduced in size are provided. The purpose is to provide.
  • the present invention relates to a substantially cylindrical tube, and a vortex generator that is arranged on one end side of the in-tube flow path and generates a vortex in a gas medium flowing from one end side to the other end side of the in-tube flow path.
  • the gas medium that has passed through the vortex generator is caused to flow spirally along the inner wall surface of the tube to dissipate the heat of the gas medium from the outer wall surface of the tube.
  • the vortex forming body since the vortex forming body is provided on one end side of the flow path in the tube, the gas medium flows at high speed along the inner wall surface of the tube, the centrifugal force acts on the gas medium, and the temperature separation phenomenon occurs.
  • the temperature of the gas medium on the inner wall surface side of the tube can be increased. Thereby, the heat of the gas medium can be efficiently radiated from the outer wall surface of the tube.
  • the eddy current forming body is in the shape of a cap nut closed on the one end side of the flow path in the tube and closed on the downstream side, and a plurality of through holes are formed in the outer peripheral wall of the inflow portion. It extends in the tangential direction of the inner peripheral wall of the part, and the inflow part and the channel in the tube may be communicated.
  • the eddy current forming body may be provided with a spiral groove that is arranged on one end side of the flow path in the tube and that communicates the upstream and downstream of the vortex forming body to generate a vortex in the gas medium. Good. You may provide a helical fin part in the outer peripheral part of the said tube.
  • the present invention is characterized in that, in a condenser unit including a supercooler, the supercooler is a radiator according to any one of claims 1 to 4.
  • the present invention includes a compressor, a condenser unit, a decompression device, and an evaporator, wherein the condenser unit includes a supercooler, and the supercooler is any one of claims 1 to 4. It is the heat radiator as described in the item.
  • the gas medium flowing from one end side to the other end side of the flow path in the tube is provided with the eddy current forming body, the gas medium flows at high speed along the inner wall surface of the tube.
  • a centrifugal force acts on the medium a temperature separation phenomenon occurs, the temperature of the gas medium on the inner wall surface side of the tube becomes high, and the heat of the gas medium can be efficiently radiated from the outer wall surface of the tube. Can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a refrigeration cycle according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a PH diagram of the refrigeration cycle.
  • FIG. 3A is a view showing an embodiment of a radiator, and FIG. 3B is an end view of a vortex generator.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing another embodiment of the eddy current forming body, and the upper half is a cross-sectional view, and FIG. 4B is an end view of the vortex flow forming body.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a condenser unit according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a condenser unit according to another embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a condenser unit according to another embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a condenser unit according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a condenser unit according to another embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a condenser
  • FIG. 8 is a diagram showing a condenser unit according to another embodiment.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing another embodiment of the eddy current forming body
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 9A.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a refrigeration cycle.
  • This refrigeration cycle includes a compressor 1, a condenser 3, a supercooler (heat radiator) 5, a decompression device 7, and an evaporator 9.
  • the refrigerant (gas medium) discharged from the compressor 1 circulates counterclockwise in the figure.
  • a condenser unit 6 is configured including the condenser 3 and the subcooler 5.
  • the gas medium includes a gas-liquid two-phase gas-liquid medium.
  • FIG. 2 is a diagram drawn by combining the above-described refrigeration cycle and the PH diagram for convenience of explanation.
  • the compressor 1 compresses the gas refrigerant having the pressure P ⁇ b> 1 to form the gas refrigerant having the pressure P ⁇ b> 2
  • the gas refrigerant having the pressure P ⁇ b> 2 is sent to the condenser 3 to release heat in the condenser 3 to be condensed and liquefied.
  • complete liquefaction is difficult, and it contains a liquid refrigerant, is sent to the supercooler 5 in a gas-liquid two-phase state, and is almost completely liquefied in the subcooler 5.
  • the liquid refrigerant that has exited the subcooler 5 is squeezed and expanded by the decompression device 7, becomes a liquid refrigerant having a pressure P 1, and is sent to the evaporator 9.
  • the liquid refrigerant absorbs heat and evaporates to become a gas refrigerant and is returned to the compressor 1.
  • FIG. 3 shows a supercooler (heat radiator) 5 according to this embodiment.
  • the supercooler 5 includes a substantially cylindrical tube 11, and connecting tubes 13 and 15 are connected to both ends of the tube 11.
  • Connected to the connection pipes 13 and 15 are pipes 17A and 17B for connecting the condenser 3 and the decompression device 7 and circulating the refrigerant.
  • the thickness of the conduits 17A and 17B is smaller than the thickness of the tube 11.
  • a spiral fin 11 ⁇ / b> A is formed on the outer periphery of the tube 11.
  • a vortex forming body 21 is disposed on one end side (upstream side of the gas refrigerant) of the in-tube flow path 11B of the tube 11.
  • the gas refrigerant (gas medium) entering the vortex forming body 21 is not a complete gas refrigerant but includes a liquid refrigerant and is in a gas-liquid two-phase (gas-liquid medium) state.
  • the eddy current forming body 21 is formed integrally with the body portion 21A and the body portion 21A arranged in close contact with the inner peripheral portion of the tube 11, and the tip is narrowed upstream of the gas refrigerant and extends in a substantially conical shape.
  • a guide portion 21 ⁇ / b> B for guiding the inflowing gas refrigerant to the inner wall surface side of the tube 11. As shown in FIG.
  • twelve spiral grooves 21 ⁇ / b> C formed so as to be equally divided into twelve portions in the circumferential direction are provided on the outer peripheral surface of the trunk portion 21 ⁇ / b> A.
  • the outer peripheral surface extends spirally from the upstream side toward the downstream side.
  • the vortex forming body 21 is arranged on one end side of the in-tube flow path 11B, and the upstream and downstream sides of the vortex forming body 21 are connected to the outer peripheral portion to generate vortex flow in the gas medium. Twelve spiral grooves 21C are provided.
  • the gas refrigerant (or gas-liquid refrigerant) that enters the in-tube flow path 11B from the pipe line 17A and reaches the vortex forming body 21 enters the 12 spiral grooves 21C and spirally extends from the upstream side toward the downstream side.
  • a large spiral gas refrigerant swirl X is formed on the downstream side of the swirl forming body 21 by flowing spirally in the spiral groove 21C. What is necessary is just to make the sum total of the cross-sectional area of the some spiral groove 21C below into the cross-sectional area of the flow path 11B in a tube.
  • the gas refrigerant that has become the spiral vortex X flows spirally along the inner wall surface of the tube 11, and the heat of the gas refrigerant radiates from the outer wall surface of the tube 11.
  • the gas refrigerant flows as a spiral vortex X
  • the gas refrigerant flows separately on the side near the inner wall surface of the tube 11 and the side near the center of the tube flow path 11B. is doing. It has been found that the gas refrigerant flows at a high speed on the side close to the inner wall surface of the tube 11 and becomes a large vortex X. That is, since the gas refrigerant (or gas liquid refrigerant) flows at a high speed along the inner wall surface of the tube 11, centrifugal force acts on the gas refrigerant, a temperature separation phenomenon occurs, and the inner wall surface side of the tube 11 becomes high temperature. The central part of the flow becomes cold. At the same time, gas-liquid separation progresses, and micro bubbles harmful to the refrigerant performance are eliminated. The heat of the gas refrigerant can be efficiently radiated from the outer wall surface of the tube 11 and the heat radiation effect can be improved.
  • the gas refrigerant that has become the spiral vortex X flows spirally along the inner wall surface of the tube 11, and the heat of the gas refrigerant radiates from the outer wall surface of the tube 11. Since the portion of the spiral flow close to the inner wall surface becomes a high temperature portion, the heat radiation efficiency from the outer wall surface of the tube 11 is remarkably improved.
  • the refrigeration cycle does not include the supercooler 5
  • the process of being squeezed and expanded by the decompression device 7 to become the liquid refrigerant at the pressure P ⁇ b> 1 follows the line indicated by the dotted line L ⁇ b> 1.
  • the process of being squeezed and expanded by the decompression device 7 to become the liquid refrigerant at the pressure P1 follows the line indicated by the solid line L2, and it has been found that the refrigeration efficiency is significantly improved. did.
  • This vortex forming body 121 is formed integrally with the body 121A and the body 121A, which are arranged in close contact with the inner periphery of the tube 11, and has a narrow tip upstream of the gas refrigerant, as in FIG. 3A. And extending in a substantially conical shape, and is configured to include a guide portion 121B for guiding the inflowing gas refrigerant to the inner wall surface side of the tube 11.
  • a single spiral groove 121C extending in series from the guide portion 121B side is provided on the outer peripheral surface of the trunk portion 121A.
  • the spiral groove 121C spirals the outer peripheral surface of the trunk portion 21A from the upstream side toward the downstream side. It extends in a shape.
  • the gas refrigerant that enters the in-tube flow path 11B from the pipe line 17A and reaches the vortex forming body 121 enters the single spiral groove 121C and spirals extending spirally from the upstream side toward the downstream side.
  • a large spiral gas refrigerant swirl X is formed on the downstream side of the swirl forming body 121 by flowing spirally in the groove 121C.
  • the gas refrigerant becomes a large vortex X and flows spirally along the inner wall surface of the tube 11. At this time, it has been found that the portion of the spiral flow near the inner wall surface of the tube 11 becomes high temperature, and the portion of the linear flow near the center portion of the in-tube flow path 11B becomes low temperature.
  • FIG. 5 shows another embodiment.
  • the supercooler 5 is configured as a single unit, but the present invention is not limited to this, and the condenser unit may be an integrated structure of an evaporator and a supercooler as shown in FIG. 5.
  • This condenser unit 106 is a so-called vortex heat dissipation type condenser, and the condensing part excluding the below-described supercooler 151 has a tube 131 bent in a meandering manner and heat radiation fins 133 provided between the tubes 131. is doing.
  • a supercooler 151 is connected to the most downstream end of the tube 131, and the heat dissipating fin 133 is provided in the supercooler 151.
  • a gas refrigerant flows in the tube 131 in the direction indicated by the arrow A.
  • the subcooler 151 has substantially the same configuration as that of FIG.
  • the subcooler 151 includes a substantially cylindrical tube 111, and a vortex generator 153 is disposed on one end side (upstream side of the gas refrigerant) of the in-tube flow path 111B of the tube 111.
  • the gas refrigerant (gas medium) entering the vortex forming body 153 is not a complete gas refrigerant but includes a liquid refrigerant and is in a gas-liquid two-phase state. As in the configuration of FIG.
  • the vortex forming body 153 is formed integrally with the body 153 ⁇ / b> A and the body 153 ⁇ / b> A arranged in close contact with the inner periphery of the tube 111, and has a narrow tip on the upstream side of the gas refrigerant.
  • the guide portion 153B extends in a substantially conical shape and guides the inflowing gas refrigerant to the inner wall surface side of the tube 111.
  • the outer circumferential surface of the trunk portion 153A is provided with twelve spiral grooves formed so as to be equally divided into twelve portions in the circumferential direction. The spiral groove extends from the upstream side to the downstream side of the outer circumferential surface of the trunk portion 153A. It extends in a spiral toward the.
  • the condenser unit 106 is integrally provided with the supercooler 151, a condenser unit with good heat dissipation efficiency can be easily formed.
  • the subcooler 151 is connected to the most downstream end of the tube 131.
  • the present invention is not limited to this.
  • the tube 131 itself bent in a meandering shape is substantially cylindrical.
  • a so-called vortex generator 153 may be disposed in the tube 131 and the entire condenser unit 106 may be a so-called supercooler.
  • the condenser unit 106 is configured with a single pass, but is not limited thereto, and may be configured with multiple passes.
  • FIG. 6 shows another embodiment. This embodiment is suitable for a car air conditioner mounted on a car, for example.
  • the condenser unit 206 includes a pair of tanks 207 and 208. Partition plates 207A and 208A are provided inside the tanks 207 and 208, and three heat exchange portions N1 are provided between the tanks 207 and 208. ⁇ N3 is formed.
  • the three heat exchange units N1 to N3 flow gas refrigerant in the direction of the arrow, and heat exchange is performed between the gas refrigerant and air.
  • the two heat exchanging portions N1 and N2 are configured to include a tube connecting the tanks 207 and 208 and a heat radiation fin provided between the tubes.
  • the last-stage heat exchanging unit N3 is configured by the subcooler 210 of the present embodiment.
  • the subcooler 210 has substantially the same configuration as that shown in FIG.
  • the condenser unit 206 includes the supercooler 210 and is a so-called vortex heat dissipation type condenser.
  • the subcooler 210 includes a substantially cylindrical tube 211 and a heat radiating fin 215, and a vortex generator 253 is disposed on one end side (upstream side of the gas refrigerant) of the in-tube flow path 2111 ⁇ / b> B of the tube 211. Yes.
  • the gas refrigerant (gas medium) entering the vortex forming body 253 is not a complete gas refrigerant but includes a liquid refrigerant and is in a gas-liquid two-phase state.
  • the vortex forming body 253 is formed integrally with the body portion 253A and the body portion 253A, which are arranged in close contact with the inner peripheral portion of the tube 211, and has a tip on the upstream side of the gas refrigerant, as in the configuration of FIG.
  • the guide portion 253B is configured to be thin and extend in a substantially conical shape and guide the inflowing gas refrigerant to the inner wall surface side of the tube 211.
  • the outer circumferential surface of the trunk portion 253A is provided with twelve spiral grooves formed so as to be equally divided into twelve portions in the circumferential direction. The spiral groove extends from the upstream side to the downstream side of the outer circumferential surface of the trunk portion 253A. It extends in a spiral toward.
  • the condenser unit 206 is integrally provided with the supercooler 210, a small condenser unit with good heat dissipation efficiency can be easily formed.
  • the entire heat exchanger N3 in the last stage is a supercooler.
  • only one tube 211 of the heat exchanger N3 is substantially cylindrical, and the vortex generator 253 is placed in the tube 211.
  • a single tube 211 may be used as a supercooler.
  • FIG. 7 shows another embodiment.
  • the tubes 211 of all the heat exchange units N1 to N3 are the subcoolers 210.
  • the heat of the gas refrigerant can be efficiently radiated from the outer wall surface of the tube 211 and the heat radiation effect can be improved as compared with the conventional configuration. . That is, as in the above embodiment, since the gas refrigerant (or gas liquid refrigerant) flows along the inner wall surface of the tube 211 at a high speed, a centrifugal force acts on the gas refrigerant, and a temperature separation phenomenon occurs.
  • the inner wall surface side becomes high temperature, and the center side of the flow becomes low temperature.
  • gas-liquid separation progresses, microbubbles harmful to the refrigerant performance are eliminated, the heat of the gas refrigerant can be efficiently radiated from the outer wall surface of the tube 211, and the heat radiation effect can be improved. Therefore, the eddy current heat dissipation type condenser (condenser unit 206) can be significantly reduced in size as compared with the conventional configuration, and is suitable as a condenser for a car air conditioner.
  • the gas refrigerant has been described as the gas medium.
  • the gas medium is not limited to the gas refrigerant, and includes a medium in an arbitrary gas state.
  • a vortex forming body that generates a vortex in the gas medium flowing from one end side to the other end side of the flow path in the tube is provided, and the gas medium that has passed through the vortex forming body is moved along the inner wall surface of the tube.
  • the gas refrigerant becomes a large vortex X and flows spirally along the inner wall surface of the tube.
  • the portion of the spiral flow close to the inner wall surface of the tube becomes a high temperature portion, and in this embodiment, the heat of the gas medium can be effectively radiated from the outer wall surface of the tube, improving the heat radiation efficiency. Can be reduced in size.
  • FIG. 8 shows another embodiment.
  • the condenser unit 306 is configured by arranging five (plural) supercoolers (heat radiators) 351 substantially in parallel.
  • the plurality of subcoolers 351 all have the same shape.
  • Each of the plurality of subcoolers 351 includes a substantially cylindrical tube 311, and an in-tube flow path 311 ⁇ / b> B is provided inside the tube 311.
  • a spiral fin 311 ⁇ / b> A is formed on the outer periphery of the tube 311.
  • the fin 311A is formed on the outer periphery of all the tubes 311.
  • a vortex forming body 321 is connected to the upstream side of the tube 311, and a connecting pipe 313 is connected to the downstream side.
  • connection pipe 313 of one supercooler 351 and the vortex forming body 321 of the other supercooler 351 are connected by a U-shaped vent pipe 352.
  • Reference numeral 361 denotes an inlet pipe
  • 362 denotes an outlet pipe.
  • the structure of the eddy current forming body 321 is different. As shown in FIG. 9A, the eddy current forming body 321 is fitted to the inner peripheral portion of the tube 311.
  • the swirl forming body 321 is arranged on one end side of the in-tube flow path 311B, the downstream side is closed like a dome, has a cap nut shape, and has an inflow portion 321A inside.
  • the outer peripheral wall of the inflow portion 321 ⁇ / b> A has a large diameter portion 321 ⁇ / b> X and a small diameter portion 321.
  • the large diameter portion 321 ⁇ / b> X is fitted to the inner peripheral portion of the tube 311, and a gap ⁇ is formed between the outer peripheral portion of the small diameter portion 321 and the inner peripheral portion of the tube 311.
  • six through holes 321 ⁇ / b> C are formed in the small diameter portion 321.
  • the through hole 321C extends in the tangential direction of the inner peripheral wall 321D of the inflow portion 321A, and connects the inflow portion 321A and the in-tube flow path 311B.
  • the gas refrigerant (gas medium) entering the vortex forming body 321 is not a complete gas refrigerant but includes a liquid refrigerant and is in a gas-liquid two-phase (gas-liquid medium) state.
  • the gas-liquid two-phase medium flows from the inlet pipe 361 to the inflow portion 321A of the first vortex forming body 321 and is indicated by an arrow R (FIG. 9B) from the six through holes 321C provided in the small diameter portion 321. As shown, it flows into the inner periphery of the tube 311.
  • the medium that has flowed into the inner peripheral portion of the tube 311 spirally flows from the upstream side toward the downstream side of the tube 311, and a large spiral gas refrigerant vortex flows downstream of the vortex forming body 321.
  • X is formed.
  • the formation body 321, the fourth vortex formation body 321, and the most downstream vortex formation body 321 flow in order, and the vortex flow X is formed inside each tube 311.
  • the gas refrigerant that has become the spiral vortex X flows spirally along the inner wall surface of the tube 311, and the heat of the gas refrigerant radiates from the outer wall surface of the tube 311.
  • the gas refrigerant flows as a spiral vortex X, as described above, the gas refrigerant is separated into a side closer to the inner wall surface of the tube 311 and a side closer to the center of the tube flow path 311B (FIG. 8).
  • the gas refrigerant flows at a high speed on the side close to the inner wall surface of the tube 311 and becomes a large vortex X. That is, since the gas refrigerant (or gas liquid refrigerant) flows at a high speed along the inner wall surface of the tube 311, a centrifugal force acts on the gas refrigerant, a temperature separation phenomenon occurs, and the inner wall surface side of the tube 11 becomes hot. The central part of the flow becomes cold.
  • the configuration of the vortex generator 121 shown in FIG. 4 and the configuration of the vortex generator 321 shown in FIG. 9 have been described.
  • the present invention is not limited to this. What is necessary is just to be able to form the spiral vortex X toward the downstream. 4 is applied to the condenser unit 306 shown in FIG. 8, or the configuration of the vortex former 321 shown in FIG. 9 is applied to the supercooler (heat radiator) shown in FIG. It is naturally possible to apply this to 5). It is naturally possible to apply the configuration of the vortex generator 321 shown in FIG. 9 to the condenser units 106 and 206 shown in FIGS.
  • the vortex generator 321 is connected to all the tubes 311, but for example, the vortex generator 321 is connected only to the inlet of the most downstream tube 311 without being connected to the upstream tube 311. Also good. As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to these embodiment.

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Abstract

放熱器(5)は、略円筒状のチューブ(11)と、チューブ内流路(11B)の一端側に配置され、チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体(21)と、を備え、渦流形成体(21)を通過したガス媒体をチューブ(11)の内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱をチューブ(11)の外壁面から放熱させる。

Description

放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクル
 本発明は、渦流放熱式凝縮器や過冷却器として好適であり、冷凍サイクルに用いて好適な放熱器、この放熱器を用いた凝縮器ユニット、及び、冷凍サイクルに関する。
 従来、空気調和装置などの冷凍サイクルにおける放熱器であって、例えば、蒸発器や凝縮器などでは、放熱効率を向上し、小型化を図るものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2015−1317号公報
 しかしながら、従来の技術では、放熱効率の向上が十分でなく、放熱効率を格段に向上し、蒸発器や凝縮器などのさらなる小型化が望まれている。
 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、渦流放熱式凝縮器や過冷却器として好適であり、放熱効率を向上し、小型化が図れる放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクルを提供することを目的とする。
 本発明は、略円筒状のチューブと、前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から放熱させる、ことを特徴とする。
 この発明では、チューブ内流路の一端側に渦流形成体を備えているため、ガス媒体がチューブの内壁面に沿って高速で流れ、ガス媒体に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブの内壁面側のガス媒体の温度を高温にできる。これにより、ガス媒体の熱をチューブの外壁面から効率よく放熱できる。
 前記渦流形成体は前記チューブ内流路の一端側に配置された状態で、下流側が閉じた袋ナット状であり、流入部の外周壁には複数の通孔が形成され、前記通孔は流入部の内周壁の接線方向に延びて、前記流入部と前記チューブ内流路とを連通してもよい。
 前記渦流形成体は前記チューブ内流路の一端側に配置された状態で、外周部に、前記渦流形成体の上流及び下流を連通して、ガス媒体に渦流を発生させる螺旋溝を備えてもよい。
 前記チューブの外周部に螺旋状のフィン部を設けてもよい。
 本発明は、過冷却器を備える凝縮器ユニットにおいて、前記過冷却器が、請求項1乃至4の何れか一項に記載の放熱器である、ことを特徴とする。
 本発明は、圧縮機と、凝縮器ユニットと、減圧装置と、蒸発器とを備え、前記凝縮器ユニットが過冷却器を有し、前記過冷却器が、請求項1乃至4の何れか一項に記載の放熱器である、ことを特徴とする。
 本発明によれば、チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体を備えるため、ガス媒体がチューブの内壁面に沿って高速で流れ、ガス媒体に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブの内壁面側のガス媒体の温度が高温になり、ガス媒体の熱をチューブの外壁面から効率よく放熱することができ、放熱効果を向上できる。
図1は本実施形態に係る冷凍サイクルを示す図である。 図2は冷凍サイクルのP−H線図である。 図3Aは放熱器の一実施形態を示す図、図3Bは渦流形成体の端面図である。 図4Aは渦流形成体の別実施形態を示す断面図であり、上半分を断面とする図、図4Bは渦流形成体の端面図である。 図5は一実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。 図6は別実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。 図7は別実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。 図8は別実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。 図9Aは渦流形成体の別実施形態を示す断面図、図9Bは図9AのB−B断面図である。
 以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
 図1は、冷凍サイクルを示す回路図である。
 この冷凍サイクルは、圧縮機1と、凝縮器3と、過冷却器(放熱器)5と、減圧装置7と、蒸発器9とを備えて構成されている。冷凍サイクル内では、圧縮機1から吐出された冷媒(ガス媒体)が、図中反時計回りに循環する。凝縮器3と、過冷却器5とを含んで、凝縮器ユニット6が構成されている。尚、本明細書において、ガス媒体には、気液二相のガス液媒体を含むものとする。
 図2は、説明の便宜のために、上述した冷凍サイクルと、P−H線図とを組み合わせて描いた線図である。
 図2において、圧縮機1は圧力P1のガス冷媒を圧縮し、圧力P2のガス冷媒とし、この圧力P2のガス冷媒は凝縮器3に送られ、凝縮器3内で放熱し凝縮液化する。
 凝縮器3では完全液化が困難であり、液冷媒を含み、気液二相の状態で過冷却器5に送られ、過冷却器5内でほぼ完全液化する。過冷却器5を出た液冷媒は、減圧装置7で絞られ膨張し、圧力P1の液冷媒となり、蒸発器9に送られる。蒸発器9では、液冷媒が吸熱して蒸発し、ガス冷媒となって圧縮機1に戻される。
 図3は、本実施形態に係る過冷却器(放熱器)5を示す。
 この過冷却器5は、図3Aに示すように、略円筒状のチューブ11を有し、チューブ11の両端に接続管13、15が接続されている。接続管13、15には、凝縮器3と、減圧装置7との間を接続して、冷媒を循環する管路17A、17Bがそれぞれ接続されている。管路17A、17Bの太さは、チューブ11の太さに比べて細く形成されている。チューブ11の外周には螺旋状のフィン11Aが形成されている。
 チューブ11のチューブ内流路11Bの一端側(ガス冷媒の上流側)には渦流形成体21が配置されている。渦流形成体21に入るガス冷媒(ガス媒体)は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相(ガス液媒体)の状態である。
 この渦流形成体21は、チューブ11の内周部に密着して配置される胴部21Aと、胴部21Aと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ11の内壁面側に導くための案内部21Bとを備えて構成されている。この胴部21Aの外周面には、図3Bに示すように、周方向に12等分に配置するように形成された12個の螺旋溝21Cが設けられ、螺旋溝21Cは、胴部21Aの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。
 本実施形態では、渦流形成体21は、チューブ内流路11Bの一端側に配置された状態で、外周部に、渦流形成体21の上流及び下流を連通して、ガス媒体に渦流を発生させる12個の螺旋溝21Cを備えて構成されている。
 管路17Aからチューブ内流路11Bに入って、渦流形成体21に達するガス冷媒(またはガス液冷媒)は、12個の螺旋溝21Cに入り、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びる螺旋溝21C内を螺旋状に流れて、渦流形成体21の下流側に、大きな螺旋状のガス冷媒の渦流Xを形成する。複数の螺旋溝21Cの断面積の合計を、チューブ内流路11Bの断面積以下にすればよい。
 螺旋状の渦流Xとなったガス冷媒は、チューブ11の内壁面に沿って螺旋状に流れて、ガス冷媒の熱がチューブ11の外壁面から放熱する。
 ここで、ガス冷媒が螺旋状の渦流Xとなって流れる場合、ガス冷媒が、チューブ11の内壁面に近い側と、チューブ内流路11Bの中心に近い側とに分離して流れることが判明している。チューブ11の内壁面に近い側では、ガス冷媒が高速で流れ、大きな渦流Xとなることが判明した。
 即ち、ガス冷媒(またはガス液冷媒)がチューブ11の内壁面に沿って高速で流れるため、ガス冷媒に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブ11の内壁面側は高温になり、流れの中心部側は低温になる。同時に、気液分離が進み、冷媒性能として有害なマイクロバブルの解消になり、ガス冷媒の熱をチューブ11の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。
 上述のように、螺旋状の渦流Xとなったガス冷媒は、チューブ11の内壁面に沿って螺旋状に流れ、ガス冷媒の熱がチューブ11の外壁面から放熱するが、この際、チューブ11の内壁面に近い螺旋状の流れの部分が高温部分となるため、チューブ11の外壁面からの放熱効率が格段に向上する。図2において、仮に、過冷却器5が存在しない冷凍サイクルとすれば、減圧装置7で絞られて膨張し、圧力P1の液冷媒となる過程は、点線L1で示すラインをたどる。これに対し、本実施の形態では、減圧装置7で絞られて膨張し、圧力P1の液冷媒となる過程は、実線L2で示すラインをたどることとなり、冷凍効率が格段に向上することが判明した。
 図4A、図4Bは、渦流形成体の別の実施形態を示す。
 この渦流形成体121は、図3Aとほぼ同様に、チューブ11の内周部に密着して配置される胴部121Aと、胴部121Aと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ11の内壁面側に導くための案内部121Bとを備えて構成されている。この胴部121Aの外周面には、案内部121B側から一連に延びる単一の螺旋溝121Cが設けられ、螺旋溝121Cは、胴部21Aの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。この螺旋溝121Cが、チューブ内流路11Bに単相流を形成するとした場合、図3に示す螺旋溝21Cは、チューブ内流路11Bに複相流を形成している。
 この実施形態では、管路17Aからチューブ内流路11Bに入って、渦流形成体121に達するガス冷媒は、単一の螺旋溝121Cに入り、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びる螺旋溝121C内を螺旋状に流れて、図3Aに示すように、渦流形成体121の下流側に、大きな螺旋状のガス冷媒の渦流Xを形成する。
 この場合にも、チューブ11の内壁面に近い側では、ガス冷媒は、大きな渦流Xとなって、チューブ11の内壁面に沿うように螺旋状に流れる。この際に、チューブ11の内壁面に近い螺旋状の流れの部分は高温となり、チューブ内流路11Bの中心部に近い直線状の流れの部分が低温となることが判明している。
 図5は別の実施形態を示す。
 図3の実施形態では、過冷却器5を単体で構成したが、これに限定されず、図5に示すように、凝縮器ユニットを、蒸発器と過冷却器の一体構造としてもよい。
 この凝縮器ユニット106は、いわば渦流放熱式凝縮器であり、後述の過冷却器151を除いた凝縮部分は、蛇行状に曲げたチューブ131と、チューブ131間に設けた放熱フィン133とを有している。チューブ131の最下流の端部には、過冷却器151が接続され、過冷却器151には、上記放熱フィン133が設けられている。チューブ131内には矢印Aで示す方向にガス冷媒が流れる。
 過冷却器151は、図3の構成とほぼ同様の構成である。
 過冷却器151は、略円筒状のチューブ111を有し、チューブ111のチューブ内流路111Bの一端側(ガス冷媒の上流側)には渦流形成体153が配置されている。渦流形成体153に入るガス冷媒(ガス媒体)は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相の状態である。
 渦流形成体153は、図3の構成と同様に、チューブ111の内周部に密着して配置される胴部153Aと、胴部153Aと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ111の内壁面側に導くための案内部153Bとを備えて構成されている。この胴部153Aの外周面には、周方向に12等分に配置するように形成された12個の螺旋溝が設けられ、螺旋溝は、胴部153Aの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。
 この実施形態では、凝縮器ユニット106が、過冷却器151を一体に備えるため、放熱効率のよい凝縮器ユニットを、簡単に形成できる。この実施形態では、チューブ131の最下流の端部に、過冷却器151を接続して構成したが、これに限定されるものではなく、例えば、蛇行状に曲げたチューブ131自体を、略円筒状のチューブ131とし、このチューブ131内に所謂渦流形成体153を配置し、凝縮器ユニット106全体を所謂過冷却器としてもよい。凝縮器ユニット106は、単パスで構成されているが、これに限定されず、多パスで構成してもよい。
 図6は、別の実施形態を示す。
 この実施形態は、例えば、自動車に載せたカーエアコンに好適である。
 この凝縮器ユニット206は、一対のタンク207、208を有し、タンク207、208の内部には、仕切り板207A、208Aが設けられて、タンク207、208間には、3つの熱交換部N1~N3が形成されている。3つの熱交換部N1~N3は、矢印の方向にガス冷媒を流して、ガス冷媒と空気との間で熱交換が行われる。2つの熱交換部N1、N2は、図示は省略したが、タンク207、208間を連結するチューブと、チューブの間に設けられた放熱フィンとを備えて構成されている。
 最後段の熱交換部N3は、本実施形態の過冷却器210で構成されている。過冷却器210は、図3の構成とほぼ同様の構成である。この凝縮器ユニット206は、過冷却器210を含んで、いわば渦流放熱式凝縮器である。
 過冷却器210は、略円筒状のチューブ211と、放熱フィン215とを有し、チューブ211のチューブ内流路2111Bの一端側(ガス冷媒の上流側)には渦流形成体253が配置されている。渦流形成体253に入るガス冷媒(ガス媒体)は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相の状態である。
 渦流形成体253は、図3の構成とほぼ同様に、チューブ211の内周部に密着して配置される胴部253Aと、胴部253Aと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ211の内壁面側に導くための案内部253Bとを備えて構成されている。
 胴部253Aの外周面には、周方向に12等分に配置するように形成された12個の螺旋溝が設けられ、螺旋溝は、胴部253Aの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。
 この実施形態では、凝縮器ユニット206が、過冷却器210を一体に備えるため、放熱効率のよい小型の凝縮器ユニットを、簡単に形成できる。
 この実施形態では、最後段の熱交換部N3全体を過冷却器としたが、例えば、熱交換部N3の一本のチューブ211のみを略円筒状とし、このチューブ211内に渦流形成体253を配置し、一つのチューブ211を過冷却器としてもよい。
 図7は、別の実施形態を示す。
 この実施形態では、図7に示すように、すべての熱交換部N1~N3のチューブ211が過冷却器210とされている。この実施形態では、すべての熱交換部N1~N3が過冷却器210となるため、従来構成と比較して、ガス冷媒の熱をチューブ211の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。
 即ち、上記実施形態と同様に、ガス冷媒(またはガス液冷媒)をチューブ211の内壁面に沿って高速で流すため、ガス冷媒に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブ211の内壁面側は高温になり、流れの中心部側は低温になる。同時に、気液分離が進み、冷媒性能として有害なマイクロバブルの解消になり、ガス冷媒の熱をチューブ211の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。従って、渦流放熱式凝縮器(凝縮器ユニット206)を、従来構成と比較して、大幅に小型化することができ、カーエアコンの凝縮器として好適である。
 上述した実施形態では、ガス媒体としてガス冷媒で説明したが、ガス媒体はガス冷媒に限定されず、任意のガス状態の媒体を含む。
 本実施形態では、チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体、を備え、渦流形成体を通過したガス媒体をチューブの内壁面に沿って螺旋状に流すため、チューブの内壁面に近い側では、ガス冷媒は、大きな渦流Xとなって、チューブの内壁面に沿うように螺旋状に流れる。
 これにより、チューブの内壁面に近い螺旋状の流れの部分が高温部分となるため、本実施形態では、ガス媒体の熱を効果的にチューブの外壁面から放熱することができ、放熱効率を向上でき、小型化が図れる。
 図8は別の実施形態を示す。
 この凝縮器ユニット306は、5本(複数)の過冷却器(放熱器)351を、略平行に並べて構成されている。複数の過冷却器351は、すべて同一形状である。
 複数の過冷却器351は、それぞれ略円筒状のチューブ311を有し、チューブ311の内部にはチューブ内流路311Bが設けられている。チューブ311の外周には螺旋状のフィン311Aが形成されている。フィン311Aは、すべてのチューブ311の外周に形成されている。チューブ311の上流側には渦流形成体321が接続され、下流側には接続管313が接続されている。
 隣接する過冷却器351において、一方の過冷却器351の接続管313と、他方の過冷却器351の渦流形成体321とは、U字状のベント管352により接続されている。361は入口管、362は出口管である。
 本実施形態では、渦流形成体321の構成が異なる。この渦流形成体321は、図9Aに示すように、チューブ311の内周部に嵌合されている。この渦流形成体321は、チューブ内流路311Bの一端側に配置された状態で、下流側がドーム状に閉じており、袋ナット状で、内部に流入部321Aを有している。
 流入部321Aの外周壁は、大径部321X及び小径部321を有している。大径部321Xはチューブ311の内周部に嵌合され、小径部321の外周部とチューブ311の内周部との間には隙間δが形成されている。
 小径部321には、図9Bに示すように、6個の通孔321Cが形成されている。通孔321Cは、流入部321Aの内周壁321Dの接線方向に延びて、流入部321Aとチューブ内流路311Bとを連通している。
 渦流形成体321に入るガス冷媒(ガス媒体)は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相(ガス液媒体)の状態である。
 この気液二相の媒体は、入口管361から一つ目の渦流形成体321の流入部321Aに流入し、小径部321に設けた6個の通孔321Cから、矢印R(図9B)で示すように、チューブ311の内周部に流入する。チューブ311の内周部に流入した媒体は、チューブ311の内周を、上流側から下流側に向けて螺旋状に流れて、渦流形成体321の下流側に、大きな螺旋状のガス冷媒の渦流Xを形成する。
 一つ目の渦流形成体321から二つ目の渦流形成体321、二つ目の渦流形成体321から三つ目の渦流形成体321、三つ目の渦流形成体321から四つ目の渦流形成体321、四つ目の渦流形成体321から最下流の渦流形成体321、と順に流れて、各チューブ311の内部において、渦流Xを形成する。
 螺旋状の渦流Xとなったガス冷媒は、チューブ311の内壁面に沿って螺旋状に流れて、ガス冷媒の熱がチューブ311の外壁面から放熱する。
 ガス冷媒が螺旋状の渦流Xとなって流れる場合、上述したように、ガス冷媒がチューブ311の内壁面に近い側と、チューブ内流路311B(図8)の中心に近い側とに分離して流れることが判明している。チューブ311の内壁面に近い側では、ガス冷媒が高速で流れ、大きな渦流Xとなることが判明した。
 即ち、ガス冷媒(またはガス液冷媒)がチューブ311の内壁面に沿って高速で流れるため、ガス冷媒に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブ11の内壁面側は高温になり、流れの中心部側は低温になる。同時に、気液分離が進み、冷媒性能として有害なマイクロバブルの解消になり、ガス冷媒の熱をチューブ311の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。
 この実施形態では、凝縮器ユニット306が、過冷却器351を一体に備えるため、放熱効率のよい凝縮器ユニットを、簡単に形成できる。
 以上の実施形態では、図4に示す渦流形成体121の構成と、図9に示す渦流形成体321の構成を説明したが、これに限定されず、渦流形成体は、チューブの内部に上流から下流に向けて螺旋状の渦流Xを形成できればよい。また、図4に示す渦流形成体121の構成を、図8に示す凝縮器ユニット306に適用し、或いは、図9に示す渦流形成体321の構成を、図3に示す過冷却器(放熱器)5に適用することは当然に可能である。図9に示す渦流形成体321の構成を、図5~図7に示す凝縮器ユニット106,206に適用することも当然に可能である。
 この実施形態では、すべてのチューブ311に対し渦流形成体321を接続したが、例えば、上流のチューブ311には接続せず、最下流のチューブ311の入口だけに、渦流形成体321を接続してもよい。
 以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。
 1 圧縮機
 3 凝縮器
 5 過冷却器(放熱器)
 6、106、206、306 凝縮器ユニット
 7 減圧装置
 9 蒸発器
 11、111、211、311 チューブ
 11B、111B、211B、311B チューブ内流路
 21、153、253、321 渦流形成体

Claims (6)

  1.  略円筒状のチューブと、
     前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、
     前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から放熱させる、
     ことを特徴とする放熱器。
  2.  前記渦流形成体は前記チューブ内流路の一端側に配置された状態で、下流側が閉じた状態であり、流入部の外周壁には複数の通孔が形成され、前記通孔は流入部の内周壁の接線方向に延びて、前記流入部と前記チューブ内流路とを連通する、ことを特徴とする請求項1に記載の放熱器。
  3.  前記渦流形成体は前記チューブ内流路の一端側に配置された状態で、外周部に、前記渦流形成体の上流及び下流を連通して、ガス媒体に渦流を発生させる螺旋溝を備えた、ことを特徴とする請求項1に記載の放熱器。
  4.  前記チューブの外周部に螺旋状のフィン部を設けた、ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の放熱器。
  5.  過冷却器を備える凝縮器ユニットにおいて、
     前記過冷却器が、請求項1乃至4の何れか一項に記載の放熱器である、ことを特徴とする凝縮器ユニット。
  6.  圧縮機と、凝縮器ユニットと、減圧装置と、蒸発器とを備え、
     前記凝縮器ユニットが過冷却器を有し、
     前記過冷却器が、請求項1乃至4の何れか一項に記載の放熱器である、ことを特徴とする冷凍サイクル。
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