WO2022215193A1

WO2022215193A1 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2022215193A1
Application number: PCT/JP2021/014761
Authority: WO
Inventors: 昂仁彦根
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-10-13
Also published as: JPWO2022215193A1

Abstract

冷凍サイクル装置は、圧縮機、第１の熱交換器、膨張部及び第２の熱交換器が冷媒配管により接続され、冷媒が流れる冷媒回路と、第１の熱交換器に空気を送る送風機と、を備え、第１の熱交換器は、圧縮機から吐出された冷媒が流入する上流側流路が形成された上流側扁平管を有し、送風機から送られる空気の流れの風下側に配置された風下側熱交換器と、風下側熱交換器から流出した冷媒が流入する下流側流路が形成され、上流側扁平管より管軸方向断面における長軸方向の幅が短い下流側扁平管を有し、風下側熱交換器の空気の流れの風上側に配置された風上側熱交換器と、を有する。

Description

冷凍サイクル装置

　本開示は、冷媒が流れる冷媒回路を備える冷凍サイクル装置に関する。

　従来、水冷媒熱交換器において、冷媒と熱交換されることによって水を冷却又は加熱する冷凍サイクル装置が知られている。このような冷凍サイクル装置は、空冷式ヒートポンプチラーと呼称され、水を冷却又は加熱して、冷水又は温水を製造する。空冷式ヒートポンプチラーは、モジュールチラーとも呼称されるものであり、複数台が連結されて使用される。なお、複数台の空冷式ヒートポンプチラーが連結されて設置されると、単独で設置される場合に比べて、空気が流れる通風面積が減るため、空冷式ヒートポンプチラーに流れる風量が低下する。ここで、空冷式ヒートポンプチラーの熱交換器が、扁平管を有するものであり、且つ１列である場合、圧力損失は低いため、風量を十分に確保することができる。また、空冷式ヒートポンプチラーの熱交換器が、円管を有するものであり、且つ多列である場合も、圧力損失は低いため、風量を十分に確保することができる。

　ただ、扁平管を有し、且つ１列の熱交換器が採用される場合、空冷式ヒートポンプチラーの能力が不足する。そこで、２列以上の多列の熱交換器が採用されることが考えられるものの、空気側の圧力損失が大きくなって、風量が減少するため、やはり空冷式ヒートポンプチラーの能力が不足する。このように、空気は、２列分のフィンを通過することになるため、空気側の圧力損失が１列分よりも大きく、風量が減少する。このため、伝熱面積を減らして伝熱性能を犠牲にしても、２列の熱交換器のフィンのフィンピッチを大きくすることによって、空気側の圧力損失を減らす必要が生じる。

　特許文献１には、風上側に低性能の穴数が少ない扁平管で構成され、風下側に高性能の穴数が多い扁平管で構成された熱交換器が開示されている。特許文献２には、風上側の第１熱交換器と風下側の第２熱交換器とにおいて、第１熱交換器の冷媒側の圧力損失が、第２熱交換器の冷媒側の圧力損失よりも小さい熱交換器が開示されている。特許文献３には、蒸発器で使用される場合において、風上側の扁平管熱交換器の流路面積の合計が風下側の扁平管熱交換器の流路面積の合計よりも大きい熱交換器が開示されている。特許文献４には、風上側の扁平管と風下側の扁平管とにおいて、冷媒流路の列方向の流れと空気風路の流れとが対向流である熱交換器が開示されている。特許文献５には、凝縮器と蒸発器とのいずれにも使用される場合において、風上側が凝縮器として使用され、風下側が蒸発器として使用される熱交換器が開示されている。

特開２００５－５５１０８号公報国際公開第２０１６／１２１１２５号特開２０１５－５５４０７号公報国際公開第２０１４／１８１４００号特開２００８－７６０１３号公報

　しかしながら、特許文献１に開示された熱交換器は、冷媒側の圧力損失は変化するものの、空気側の圧力損失は変化しないため、空冷式ヒートポンプチラーが連結されて設置されたときに風量が低下することを抑制することが困難である。特許文献２に開示された熱交換器は、空気側の圧力損失について、何ら考慮されていない。特許文献３に開示された熱交換器は、蒸発器として作用する場合の技術であり、凝縮器として作用する場合の技術ではない。特許文献４及び特許文献５に開示された熱交換器は、空気側の圧力損失について、何ら考慮されていない。このように、従来技術では、伝熱性能を維持しつつ、空気側の圧力損失を低減することは、困難である。

　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、伝熱性能を維持しつつ、空気側の圧力損失を低減する冷凍サイクル装置を提供するものである。

　本開示に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、第１の熱交換器、膨張部及び第２の熱交換器が冷媒配管により接続され、冷媒が流れる冷媒回路と、第１の熱交換器に空気を送る送風機と、を備え、第１の熱交換器は、圧縮機から吐出された冷媒が流入する上流側流路が形成された上流側扁平管を有し、送風機から送られる空気の流れの風下側に配置された風下側熱交換器と、風下側熱交換器から流出した冷媒が流入する下流側流路が形成され、上流側扁平管より管軸方向断面における長軸方向の幅が短い下流側扁平管を有し、風下側熱交換器の空気の流れの風上側に配置された風上側熱交換器と、を有する。

　本開示によれば、風上側熱交換器の下流側扁平管は、風下側熱交換器の上流側扁平管より幅が短い。空気は、風上側熱交換器から風下側熱交換器に向かって流れる。下流側扁平管が上流側扁平管より幅が短いため、下流側扁平管及び上流側扁平管の幅が同じである場合よりも、空気側の圧力損失が低減する。また、冷媒は、上流側扁平管から下流側扁平管に向かって流れるに従って、徐々にガス状態から液状態に変化する。下流側扁平管が上流側扁平管より幅が短いため、液状態の冷媒の流速が上がる。このため、伝熱性能が向上する。即ち、伝熱性能を維持しつつ、空気側の圧力損失を低減することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を示す回路図である。実施の形態１に係る１台の熱源機を示す斜視図である。実施の形態１に係る複数台の熱源機を示す斜視図である。実施の形態１に係る第１の熱交換器を示す斜視図である。実施の形態１に係る第１の熱交換器を示す上面図である。実施の形態１に係る第１の熱交換器を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。実施の形態１に係る第１の熱交換器を示す側面図である。比較例１に係る熱交換器を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。比較例２に係る熱交換器を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。実施の形態２に係る第１の熱交換器を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。実施の形態３に係る第１の熱交換器を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。

　以下、本開示の冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の説明において、本開示の理解を容易にするために方向を表す用語を適宜用いるが、これは本開示を説明するためのものであって、これらの用語は本開示を限定するものではない。方向を表す用語としては、例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「前」又は「後」等が挙げられる。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１を示す回路図である。図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、例えば室内空間の空気を調整する空冷式ヒートポンプチラーであり、熱源機２と、室内機３とを備えている。熱源機２には、圧縮機１０、第１の熱交換器１１、送風機１２、膨張部１３、第２の熱交換器１４が設けられている。室内機３には、ポンプ１５、室内熱交換器１６及び室内送風機１７が設けられている。

　圧縮機１０、第１の熱交換器１１、膨張部１３及び第２の熱交換器１４が冷媒配管５により接続されて、冷媒が流れる冷媒回路４が構成されている。圧縮機１０は、低温且つ低圧の状態の冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮して高温且つ高圧の状態の冷媒にして吐出するものである。第１の熱交換器１１は、例えば室外空気と冷媒との間で熱交換する空気冷媒熱交換器である。第１の熱交換器１１は、凝縮器として作用する。送風機１２は、第１の熱交換器１１に室外空気を送る機器である。膨張部１３は、冷媒を減圧して膨張する減圧弁又は膨張弁である。膨張部１３は、例えば開度が調整される電子式膨張弁である。第２の熱交換器１４は、冷媒と水との間で熱交換する水冷媒熱交換器である。第２の熱交換器１４は、蒸発器として作用する。

　ポンプ１５、第２の水熱交換器及び室内熱交換器１６が水配管７により接続され、水が流れる水回路６が構成されている。ポンプ１５は、水を搬送するものである。室内熱交換器１６は、例えば室内空気と冷媒との間で熱交換するものである。室内送風機１７は、室内熱交換器１６に室内空気を送る機器である。なお、冷凍サイクル装置１は、圧縮機１０及び膨張部１３を制御するために必要な各センサ（図示せず）及び制御コントローラ（図示せず）を備えている。

　（運転モード、冷房運転）
　次に、冷凍サイクル装置１の運転モードについて説明する。本実施の形態１では、冷凍サイクル装置１は、冷房運転のみを実行する。冷媒回路４において、圧縮機１０に吸入された冷媒は、圧縮機１０によって圧縮されて高温且つ高圧のガス状態で吐出する。圧縮機１０から吐出された高温且つ高圧のガス状態の冷媒は、凝縮器として作用する第１の熱交換器１１に流入し、第１の熱交換器１１において、送風機１２によって送られる室外空気と熱交換されて凝縮して液化する。凝縮された液状態の冷媒は、膨張部１３に流入し、膨張部１３において膨張及び減圧されて低温且つ低圧の気液二相状態の冷媒となる。そして、気液二相状態の冷媒は、蒸発器として作用する第２の熱交換器１４に流入し、第２の熱交換器１４において、水回路６に流れる水と熱交換されて蒸発してガス化する。そして、蒸発した低温且つ低圧のガス状態の冷媒は、圧縮機１０に吸入される。

　水回路６において、ポンプ１５に搬送された水は、第２の熱交換器１４に流入し、第２の熱交換器１４において、冷媒回路４に流れる冷媒と熱交換されて冷却される。そして、冷却された水は、室内熱交換器１６に流入し、室内熱交換器１６において、室内送風機１７によって送られる室内空気と熱交換される。このとき、室内空気が冷やされ、室内において冷房が実施される。室内熱交換器１６から流出した水は、ポンプ１５に吸入される。

　（熱源機２）
　図２は、実施の形態１に係る１台の熱源機２を示す斜視図であり、図３は、実施の形態１に係る複数台の熱源機２を示す斜視図である。熱源機２は、前述の如く、空冷式ヒートポンプチラーである。熱源機２は、圧縮機１０等が収容され、床に載置される機械室１８と、機械室１８の上部に設けられた第１の熱交換器１１と、第１の熱交換器１１の上方に設けられた送風機１２とを有している。空冷式ヒートポンプチラーは、モジュールチラーとも呼称されるものであり、図２に示すように、１台で使用されてもよいし、図３に示すように、複数台が連結されて使用されてもよい。

　（第１の熱交換器１１）
　図４は、実施の形態１に係る第１の熱交換器１１を示す斜視図であり、図５は、実施の形態１に係る第１の熱交換器１１を示す上面図である。図４及び図５に示すように、第１の熱交換器１１は、第１の風下側ヘッダ２１と、第２の風下側ヘッダ２２と、第１の風上側ヘッダ３１と、第２の風上側ヘッダ３２と、風下側熱交換器２０と、風上側熱交換器３０とを有している。以下、空気の流れをＡと図示し、冷媒の流れをＢと図示する。

　（第１の風下側ヘッダ２１）
　第１の風下側ヘッダ２１は、圧縮機１０から吐出された冷媒が流入し、流入した冷媒を分配して、風下側熱交換器２０に流出させるものである。第１の風下側ヘッダ２１は、上下方向に延びるように設けられており、冷媒は、下方から上方に向かって流れる。

　（第２の風下側ヘッダ２２）
　第２の風下側ヘッダ２２は、風下側熱交換器２０から流出した冷媒を合流させて、第２の風上側ヘッダ３２に流出させる。第２の風下側ヘッダ２２は、上下方向に延びるように設けられており、冷媒は、下方から上方に向かって流れる。

　（第１の風上側ヘッダ３１）
　第１の風上側ヘッダ３１は、風上側熱交換器３０から流出した冷媒を合流させて、膨張部１３に流出させる。第１の風上側ヘッダ３１は、上下方向に延びるように設けられており、冷媒は、上方から下方に向かって流れる。

　（第２の風上側ヘッダ３２）
　第２の風上側ヘッダ３２は、第２の風下側ヘッダ２２から流出した冷媒が流入し、流入した冷媒を分配して、風上側熱交換器３０に流出させるものである。第２の風上側ヘッダ３２は、上下方向に延びるように設けられており、冷媒は、上方から下方に向かって流れる。

　（風下側熱交換器２０）
　図６は、実施の形態１に係る第１の熱交換器１１を示す斜視図及びフィンピッチを示す図であり、実施の形態１に係る第１の熱交換器１１を示す側面図である。図６及び図７に示すように、風下側熱交換器２０は、送風機１２から送られる空気の流れの風下側に配置されており、上流側扁平管２３と、風下側フィン２４とを有している。上流側扁平管２３は、複数設けられており、第１の風下側ヘッダ２１から第２の風下側ヘッダ２２に向かって延びる扁平状の管である。上流側扁平管２３には、内部を貫く複数の上流側流路２３ａが形成されており、上流側流路２３ａには、圧縮機１０から吐出されて第１の風下側ヘッダ２１を通った冷媒が流入する。風下側フィン２４は、複数の上流側扁平管２３の間に配置され、上流側扁平管２３に流れる冷媒の熱伝導を促進するものである。風下側フィン２４は、例えばコルゲートフィンであり、上流側扁平管２３の幅と同じ幅を有している。風下側フィン２４のフィンピッチＰは、所定の値となっている。

　（風上側熱交換器３０）
　風上側熱交換器３０は、風下側熱交換器２０の空気の流れの風上側に配置されており、下流側扁平管３３と、風上側フィン３４とを有している。下流側扁平管３３は、複数設けられており、第２の風上側ヘッダ３２から第２の風上側ヘッダ３２に向かって延びる扁平状の管である。下流側扁平管３３には、内部を貫く複数の下流側流路３３ａが形成されており、下流側流路３３ａには、風下側熱交換器２０から流出して、第２の風下側ヘッダ２２及び第２の風上側ヘッダ３２を通った冷媒が流入する。風上側フィン３４は、複数の下流側扁平管３３の間に配置され、下流側扁平管３３に流れる冷媒の熱伝導を促進するものである。風上側フィン３４は、例えばコルゲートフィンであり、下流側扁平管３３の幅と同じ幅を有している。風上側フィン３４のフィンピッチＰは、所定の値となっており、風下側フィン２４のフィンピッチＰと同じである。

　ここで、図５に示すように、下流側扁平管３３の幅Ｗｕｐは、上流側扁平管２３の幅Ｗｕｎより短い。ここで、上流側扁平管２３の幅Ｗｕｎは、例えば２５．４ｍｍである。これに伴い、風上側フィン３４は、風下側フィン２４より幅が狭い。ここで、下流側扁平管３３の幅Ｗｕｐ及び上流側扁平管２３の幅Ｗｕｎとは、下流側扁平管３３及び上流側扁平管２３の管軸方向断面における長軸方向の長さをいう。

　本実施の形態１によれば、風上側熱交換器３０の下流側扁平管３３は、風下側熱交換器２０の上流側扁平管２３より幅が短い。空気は、風上側熱交換器３０から風下側熱交換器２０に向かって流れる。下流側扁平管３３が上流側扁平管２３より幅が短いため、下流側扁平管３３及び上流側扁平管２３の幅が同じである場合よりも、送風機１２の回転数が同じでも、空気側の圧力損失が低減する。また、冷媒は、上流側扁平管２３から下流側扁平管３３に向かって流れるに従って、徐々にガス状態から液状態に変化する。下流側扁平管３３が上流側扁平管２３より幅が短いため、液状態の冷媒の流速が上がる。このため、伝熱性能が向上する。即ち、伝熱性能を維持しつつ、空気側の圧力損失を低減することができる。

　（比較例１）
　図８は、比較例１に係る熱交換器１１１を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。図８に示すように、比較例１は、１列の扁平管１２３及びフィン１２４からなる熱交換器１１１である。この場合、空気は、１列分のフィン１２４を通過するのみであるため、空気側の圧力損失は低いものの、熱交換面積が少ないため、熱交換性能は低い。

　（比較例２）
　図９は、比較例２に係る熱交換器１１１を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。図９に示すように、比較例２は、２列の扁平管１２３及びフィン１２４からなる熱交換器１１１である。この場合、空気側の圧力損失が大きくなって、風量が減少する。このため、熱交換面積が多くても、熱交換性能は低い。

　これに対し、本実施の形態１の第１の熱交換器１１は、圧縮機１０から吐出された冷媒が流入する上流側流路２３ａが形成された上流側扁平管２３を有し、送風機１２から送られる空気の流れの風下側に配置された風下側熱交換器２０を有する。更に、第１の熱交換器１１は、風下側熱交換器２０から流出した冷媒が流入する下流側流路３３ａが形成され、上流側扁平管２３より幅が短い下流側扁平管３３を有し、風下側熱交換器２０の空気の流れの風上側に配置された風上側熱交換器３０を有する。このため、伝熱性能を維持しつつ、空気側の圧力損失を低減することができる。

　なお、上流側流路２３ａの数は、下流側流路３３ａの数よりも多くなるように構成されてもよい。ここで、上流側流路２３ａの数は、例えば２６個である。また、上流側流路２３ａの断面積は、下流側流路３３ａの断面積よりも大きくなるように構成されてもよい。

実施の形態２．
　図１０は、実施の形態２に係る第１の熱交換器１１を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。本実施の形態２は、風下側フィン２４と風上側フィン３４とのフィンピッチが異なる点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

　図１０に示すように、風下側フィン２４のフィンピッチＰは、風上側フィン３４のフィンピッチＰよりも短い。ここで、風下側フィン２４のフィンピッチＰは、例えば１．４ｍｍである。本実施の形態２のように、風上側フィン３４のフィンピッチＰを風下側フィン２４のフィンピッチＰより長くすることによって、空気側の圧力損失を低減させることができる。

実施の形態３．
　図１１は、実施の形態３に係る第１の熱交換器１１を示す斜視図及びフィンピッチを示す図である。本実施の形態３は、風下側フィン２４と風上側フィン３４とのフィンピッチが異なる点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

　図１１に示すように、風下側フィン２４のフィンピッチＰは、風上側フィン３４のフィンピッチＰよりも長い。ここで、風上側フィン３４のフィンピッチＰは、例えば１．４ｍｍである。本実施の形態３のように、風下側フィン２４のフィンピッチＰを風上側フィン３４のフィンピッチＰより長くすることによって、空気側の圧力損失を低減させることができる。

　１　冷凍サイクル装置、２　熱源機、３　室内機、４　冷媒回路、５　冷媒配管、６　水回路、７　水配管、１０　圧縮機、１１　第１の熱交換器、１２　送風機、１３　膨張部、１４　第２の熱交換器、１５　ポンプ、１６　室内熱交換器、１７　室内送風機、１８　機械室、２０　風下側熱交換器、２１　第１の風下側ヘッダ、２２　第２の風下側ヘッダ、２３　上流側扁平管、２３ａ　上流側流路、２４　風下側フィン、３０　風上側熱交換器、３１　第１の風上側ヘッダ、３２　第２の風上側ヘッダ、３３　下流側扁平管、３３ａ　下流側流路、３４　風上側フィン、１１１　熱交換器、１２３　扁平管、１２４　フィン、Ａ　空気の流れ、Ｂ　冷媒の流れ、Ｐ　フィンピッチ、Ｗｕｎ　幅、Ｗｕｐ　幅。

Claims

　圧縮機、第１の熱交換器、膨張部及び第２の熱交換器が冷媒配管により接続され、冷媒が流れる冷媒回路と、
　前記第１の熱交換器に空気を送る送風機と、を備え、
　前記第１の熱交換器は、
　前記圧縮機から吐出された冷媒が流入する上流側流路が形成された上流側扁平管を有し、前記送風機から送られる空気の流れの風下側に配置された風下側熱交換器と、
　前記風下側熱交換器から流出した冷媒が流入する下流側流路が形成され、前記上流側扁平管より管軸方向断面における長軸方向の幅が短い下流側扁平管を有し、前記風下側熱交換器の空気の流れの風上側に配置された風上側熱交換器と、を有する
　冷凍サイクル装置。
　前記風下側熱交換器は、
　複数の前記上流側扁平管の間に配置され、前記上流側扁平管に流れる冷媒の熱伝導を促進する風下側フィンを有し、
　前記風上側熱交換器は、
　複数の前記下流側扁平管の間に配置され、前記下流側扁平管に流れる冷媒の熱伝導を促進する風上側フィンを有する
　請求項１記載の冷凍サイクル装置。
　前記風下側フィンのフィンピッチは、前記風上側フィンのフィンピッチよりも短い
　請求項２記載の冷凍サイクル装置。
　前記風下側フィンのフィンピッチは、前記風上側フィンのフィンピッチよりも長い
　請求項２記載の冷凍サイクル装置。
　前記上流側流路の数は、前記下流側流路の数よりも多い
　請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
　前記上流側流路の断面積は、前記下流側流路の断面積よりも大きい
　請求項１～５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。