JP2007278676A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱交換器では、凝縮器と蒸発器の最適性能を両立が困難であるという課題があった。
【解決手段】本発明は、ガス側熱交換部１０２はガス側熱交換フィン１０４に、配管経路１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄのチューブが並列に配置された４パスで、液側熱交換部１０３は液側熱交換フィン１０６に、配管経路１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄのチューブが配置されている。また、液側熱交換部１０３の前後には逆止弁１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ，１０８ｅが配置され、熱交換器１０１を流れる冷媒の方向によってパス数が変化するよう構成されている。凝縮時の液相部の性能向上と、蒸発時の気相あるいは気液２相部の圧力損失抑制を両立させるもので、冷房暖房いずれの運転においてもより効率的な熱交換性能の熱交換器を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に空気調和機などに利用されるヒートポンプサイクルに関するもので、蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能する場合によってそれぞれに適したパスに変更し、いずれの場合でも高い熱交換性能を得ることのできる技術を提供するものである。

冷凍およびヒートポンプサイクルを用いて冷暖房を行う空気調和機においては、熱交換器は蒸発器および凝縮器の両方の機能を果たしている。冷媒は、蒸発器では気液２相状態から気相へ、凝縮器では気相から液相へ状態変化し、熱交換器を流れる冷媒の向きも蒸発器と凝縮器では逆になる。また、熱交換器の管内熱伝達性能は冷媒の流速が大きく影響し、流速が速いほど性能が良い。すなわち、冷媒が気相から液相へ変化して液相部で流速が大きく落ちる凝縮器では、パス数を減らし流速を上げたほうがシステムの効率を向上させることができる。一方、冷媒が気液２相状態から気相へ変化し、凝縮器に比べて流速が速く圧力損失が増加しやすい蒸発器では、パス数を減らし過ぎるとシステムの効率は低下する。

従来の技術では、この課題を解決する方法として、逆止弁を複数組み合わせて用い、熱交換器が凝縮器として機能する時は１パスで、凝縮器として機能する時は２パスで運転して、冷房暖房どちらも効率よく運転しようというものがある（例えば、特許文献１参照）。また別の方法として、逆止弁ではなく三方弁などの冷媒流路切換制御手段を用い、冷房暖房の運転切り替えだけではなく、空調負荷の大小にも対応して室内熱交換器と室外熱交換器のパス数を制御し、効率の良い運転を行うものがある（例えば、特許文献２参照）。

図２に特許文献１に示されたヒートポンプ式熱交換器を用いた冷暖房装置の冷房および暖房サイクルの構成図を、図３に特許文献２に示された空気調和機の構成図を示す。図２の冷房サイクル２０は、圧縮機２１、四方弁２５、室外熱交換器２３、減圧器２４、室内熱交換器２２等で構成されている。室内熱交換器２２には逆止弁４１，４２，４３が、室外熱交換器２３には逆止弁５１，５２，５３が備えられている。冷房運転時は、冷媒が実線矢印７１の方向に流れ、室外熱交換器２３はブロック６１からブロック６２を経る経路をたどる１パスで、室内熱交換器２２はブロック３１とブロック３２が並列となる２パスで運転を行う。暖房運転の場合は、冷媒が破線矢印７２の方向に流れ、室内熱交換器２２は１パス、室外熱交換器２３は２パスで運転を行う。

図３の空気調和機は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、減圧器４、室内熱交換器５等で構成されている。室外熱交換器３は冷媒流路３ａ，３ｂの２つのパスと切換制御可能な三方弁６ａ，６ｂを、室内熱交換器５は冷媒流路５ａ，５ｂの２つのパスと切換制御可能な三方弁７ａ，７ｂを備えている。冷房暖房の運転モードと空調負荷の大小に応じて、制御部８が三方弁６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂを制御し、室外熱交換器３と室内熱交換器５を１パスあるいは２パスで運転を行う。
実開平５−９０２６７号公報 特開平９−２６４６１４号公報

しかしながら、１つのパスを取り上げてみたときに、冷媒は気相、気液２相、液相と変化し、その変化につれて流速も大きく変化をしている。気相部はもともと流速が早く高い熱伝達性能を示すのに対し、液相部は流速が遅く気相部や気液２相部に比べ熱伝達性能が
低くなっている。

特許文献１および特許文献２に記載の従来の装置においては、熱交換器全体のパス数を切り替えているため、１パスあたりの冷媒循環量を気相部や乾き度の高い気液２相部の流速に合わせて設計すれば、液相部の熱伝達性能が十分上がらず、液相部の流速に合わせれば、気相部や気液２相部は、流速が上がりすぎ圧力損失が増大し、システムの性能を十分に引き出せないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、パス切り替えにより、より効率的な熱交換性能を得ることのできる熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能する場合とで液冷媒の比率が高い側のパス数を変更するパス数変更手段を備えるものである。これにより、冷媒の流速が低く管内の熱伝達性能が低い液相部の性能向上と気相あるいは気液２相部の圧力損失抑制を両立することができる。

本発明の熱交換器は、蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能する場合とで液冷媒の比率が高い側のパス数を変更するパス数変更手段を備え、液相部の性能向上と気相あるいは気液２相部の圧力損失抑制を両立させるもので、冷房暖房いずれの運転においてもより効率的な熱交換性能の熱交換器を提供することができる。

第１の発明は、蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能する場合とで液冷媒の比率が高い側のパス数を変更するパス数変更手段を備え、液相部の性能向上と気相あるいは気液２相部の圧力損失抑制を両立させるもので、冷房暖房いずれの運転においてもより効率的な熱交換性能を得ることができる。

第２の発明は、凝縮器として機能する場合の液冷媒の比率が高い側の流路断面積の和を、蒸発器として機能する場合の半分以下とするもので、管径が変化するような熱交換器でも容易に設計することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、パス数変更手段に逆止弁を用いるもので、小型で安価な構成を実現することができる。

第４の発明は、特に第３の発明において、凝縮器時の前記液冷媒の比率が高い側のパス数を蒸発器時の１／ｎにする場合、前記逆止弁の配置数は、ｎが奇数であれば（ｎ−１）×（凝縮時のパス数）個、ｎが偶数であれば（ｎ×（凝縮時のパス数）＋１）個から（ｎ−１）×（凝縮時のパス数）個とするもので、ｎが変わっても容易に本発明の熱交換器を構成することができる。

以下、本発明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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明における第１の実施の形態である熱交換器の構成図である。図１において、冷媒が気相あるいは気体の比率が高い気液２相状態にあるガス側熱交換部１０２と、液体の比率が高い気液２相あるいは液相の状態にある液側熱交換部１０３とから熱交換器１０１が構成され、ガス側熱交換部１０２と液側熱交換部１０３は、いずれも冷媒の流れ
るチューブと熱交換性能を向上させるためのフィンから構成されている。図１では便宜上２つの要素に分割しているが、実際には１つの熱交換器を分割して構成するのが合理的である。

ガス側熱交換部１０２は、ガス側熱交換フィン１０４に配管経路１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄのチューブが並列に配置され、合計４パスとなっている。液側熱交換部１０３は液側熱交換フィン１０６に、配管経路１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄのチューブが配置されている。フィンやチューブの仕様は、ガス側熱交換部１０２と同様である。また、液側熱交換部１０３の前後には逆止弁１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ，１０８ｅが配置され、熱交換器１０１を流れる冷媒の方向によってパス数が変化するよう構成されている。

図１において、熱交換器１０１を凝縮器として機能させる場合は、冷媒を矢印１１１，１１２の向き（図面上、右方向）に流すことで、逆止弁１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄが閉塞し、逆止弁１０８ｅのみ開口となって、ガス側熱交換部１０２において冷媒は配管経路１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄを矢印１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに沿った４パスで流れ、液側熱交換部１０３では配管経路１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄを矢印１１２ａに沿た１パスで流れる。

このとき液側熱交換部１０３は、冷媒は液体状態となるようなサイズ、冷媒量あるいは制御にて運転するのが効率的である。冷媒が例えばＲ４１０Ａの場合、４０℃〜５０℃における液体状態では気体状態に比べ密度が１０倍程度高く、液側熱交換部１０３をガス側熱交換部１０２と同様に４パスで構成すると液側熱交換部１０３における冷媒の熱伝達が大幅に低下するので、図１のように矢印１１２ａに沿った１パスとすることで液側熱交換部１０３の熱交換性能を向上させることができる。

一方、熱交換器１０１を蒸発器として機能させる場合は、冷媒を矢印１１３，１１４の向きに流すことで、逆止弁１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄが開口し、逆止弁１０８ｅのみ閉塞となって、液側熱交換部１０３において冷媒は配管経路１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄを矢印１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに沿った４パスで流れ、ガス側熱交換部１０２では配管経路１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄを矢印１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄに沿った４パスの流れとなる。

このとき液側熱交換部１０３は気液２相状態で流れに沿って蒸発が進み、例えばＲ４１０Ａの場合、０℃〜２０℃においては液体気体の密度比は２０倍以上で、平均流速は１０倍〜２０倍も上昇していく。パスが凝縮器のときと同じ１パスでは、流速が速いことから圧力損失が増加し、液側熱交換部１０３出口の冷媒の状態を同一としたときに液側熱交換部１０３の平均温度が上昇し熱交換性能が低下する。図１では、矢印１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄに沿った４パスの流れとすることで圧力損失の増加を抑えることで、液側熱交換部１０３の熱交換性能を向上させることができる。

ガス側熱交換部１０２では、凝縮器（４０℃〜５０℃）の場合の冷媒密度は、蒸発器（０℃〜２０℃）の場合と比べ、例えばＲ４１０Ａでは大きくても５倍以下であるので、凝縮で調整したパス数を蒸発で変更しても液側熱交換部１０３ほどの効果は得られない。

液側熱交換部１０３のパス数変更に関して、実験の結果では、凝縮時のパス数を蒸発時の１／２とすると顕著な効果が見られ、１／３，１／４程度が性能的にもガス側熱交換部と液側熱交換部の構成比的にもバランスよく構成でき、１／５を下回るとガス側熱交換部と液側熱交換部の構成比においてバランスが悪化し好ましくなかった。

なお、図１においてはガス側熱交換部１０２と液側熱交換部１０３とは同仕様のチューブを用いているため、上記において「凝縮時のパス数を蒸発時の半分以下」という記述を用いたが、異なる仕様のチューブを使用する場合には、凝縮時の流路断面積が蒸発時の半分以下という記述になる。

また、実際の応用に際して、液側熱交換部の凝縮時のパス数と蒸発時のパス数の比は整数比になるため、熱交換器の仕様によって一義に決定することは困難であり、実仕様とつき合わせて決定する必要がある。凝縮時のパス数を蒸発時の１／ｎにする時の逆止弁の配置数はｎが奇数であれば、（ｎ−１）×（凝縮時のパス数）個、ｎが偶数であれば（ｎ×（凝縮時のパス数）＋１）個から（ｎ＋１）×（凝縮時のパス数）個となる。

配置の規則としては、凝縮時のパス数分のブロックに分割し、各ブロックにおいて次のように逆止弁を配置していく。まず、蒸発器として使用した場合に、液側熱交換部の冷媒入り口側で２つのパスを連結し、その連結位置に逆止弁から冷媒が流れ込むように１個の逆止弁を配置する。図１で言えば配管経路１０７ａと１０７ｂの連結部に逆止弁１０８ｃを配置する。このように、蒸発器入り口側の全てのパスに対して２パスに１個の逆止弁を配置していくと、ｎが偶数の場合には図１と同様に全てに配置ができる。ｎが奇数の場合パスが１個余るので、これを凝縮器出口となるよう確保する。こうして配置した蒸発器入り口側の逆止弁の入り口側は全て１つにまとめて連結し装置に接続する。

蒸発器時、液側熱交換部出口側への逆止弁の配置は、まず凝縮器時に冷媒入り口となるパスを１個決め、これに各パスが一繋がりとなるよう２つずつパスを連結し、その連結位置に、蒸発器時に逆止弁に冷媒が流れ込むように１個の逆止弁を配置する。図１で言えば配管経路１０７ａを凝縮器時の冷媒入り口として確保し、配管経路１０７ｂと１０７ｃの連結部に逆止弁１０８ａを配置する。

このように、液側熱交換部出口側の残り全てのパスに対して２パスに１個の逆止弁を配置していくと、ｎが偶数の場合には図１の配管経路１０７ｄと同様に１個パスが残るので、逆止弁１０８ｂのように蒸発器時に逆止弁に冷媒が流れ込むように１個の逆止弁を配置し、逆止弁１０８ｅのように液側熱交換部出口すぐで分岐して蒸発器入り口へ戻る逆止弁１個を配した経路を設ける。ブロックつまり凝縮時のパス数が複数ある場合、この経路は合流して設けても良いので、この経路の数は１から凝縮時のパス数個までで適切な数を選べばよい。ｎが奇数の場合には、パスを余すことなく逆止弁を配置していくことができるが、先に凝縮器時の冷媒出口として確保したパスが凝縮器出口となるよう注意し、凝縮器出口を蒸発器入り口側の逆止弁と同様に連結する。

この規則に従えば、ｎが変わっても容易に本発明の熱交換器を構成することができる。また、図１において、パス切り替えは安価な逆止弁を用いて構成され、流れの方向に応じて自動的に行われるので、安価で簡単に実現することができる。

本発明の熱交換器は、蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能する場合とで液冷媒の比率が高い側のパス数を変更するパス数変更手段を備え、液相部の性能向上と気相あるいは気液２相部の圧力損失抑制を両立させ、冷房暖房いずれの運転においても理想的な熱交換性能の熱交換器を提供するものであって、空気調和機などの室内室外の熱交換器として特に有効なものであるが、冷却あるいは加熱対象が空気や水その他流体および固体であって、冷凍サイクルとヒートポンプサイクルを可逆的に構成するシステムの熱交換器として適用できる。また、冷媒の種類を問わず効果を有するものである。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構成図 特許文献１に記載の従来の技術の熱交換器を用いた装置の構成図 特許文献２に記載の従来の技術の熱交換器を用いた装置の構成図

符号の説明

１０１ 熱交換器
１０２ ガス側熱交換部
１０３ 液側熱交換部
１０４ ガス側熱交換フィン
１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ 配管経路
１０６ 液側熱交換フィン
１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ 配管経路
１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ，１０８ｅ 逆止弁

Claims (4)

1. 冷媒の循環方向を順逆切り替えて冷凍サイクルとヒートポンプサイクルを可逆的に構成するシステムの蒸発器および凝縮器として機能し、前記蒸発器として機能する場合と前記凝縮器として機能する場合とで液冷媒の比率が高い側のパス数を変更するパス数変更手段を備えたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記凝縮器として機能する場合の前記液冷媒の比率が高い側の流路断面積の和が、前記蒸発器として機能する場合の２０％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記パス数変更手段が逆止弁を用いて構成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 凝縮器時の前記液冷媒の比率が高い側のパス数を蒸発器時の１／ｎにする場合、前記逆止弁の配置数は、ｎが奇数であれば（ｎ−１）×（凝縮時のパス数）個、ｎが偶数であれば（ｎ×（凝縮時のパス数）＋１）個から（ｎ−１）×（凝縮時のパス数）個であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。