JP5646257B2

JP5646257B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP5646257B2
Application number: JP2010200533A
Authority: JP
Inventors: 敦史馬場; 山口　広一; 山口　　広一
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: JP2012057849A

Description

本発明の実施の形態は、伝熱管と伝熱管を備えた熱交換器及びこの熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関する。

一般的に、熱交換器には作動冷媒が流動するための伝熱管が備えられている。熱交換器が蒸発器として機能する場合は、この伝熱管の管内では、作動冷媒が気液２相の状態から気体へ相変化しつつ流動し、蒸発熱を吸収する。また、熱交換器が凝縮器として機能する場合は作動冷媒は気体から液体へと相変化しながら流動し、凝縮熱を放出する。
ここで、従来の熱交換器には伝熱管内面に螺旋状の溝が形成されたものがあり、平滑管を用いる場合に対して伝熱管内の表面積が増大し熱伝達率が高くなることが知られている。このため、螺旋状の溝が形成された伝熱管を使用することで熱伝達率の高い熱交換器となり、この熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の性能を向上することができる。

特開平１１−２６４６３０号公報

しかし、管内に螺旋状の溝が形成された伝熱管を用いた場合、作動冷媒の圧力損失が増大する。特に、熱交換器が蒸発器として機能し、伝熱管内の作動冷媒が液体から気体へ相変化する際に圧力損失が大きくなり、冷凍サイクル装置の運転効率が低下する。
このため、伝熱管内の伝熱面積を確保しつつ、管内の圧力損失の増大を抑制する必要がある。

冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機に接続され冷媒の流れを切換える四方弁と、膨張装置と、第１の熱交換器と、第２の熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、第１の熱交換器又は第２の熱交換器の少なくとも一方は、伝熱管内面に、管軸方向に並設された複数の管内フィンを有する伝熱管を有している。

管内フィンは管軸方向の一方の面と他方の面を有しており、一方の面の立ち上がり角が鈍角で、前記他方の面の立ち上がり角が鋭角に形成されている。

管内フィンを有する伝熱管を備えた熱交換器が蒸発器として機能する場合には、管内フィンの一方の面側から他方の面側へ向かう方向へ冷媒が流動し、熱交換器が凝縮器として機能する場合には、伝熱管の管内フィンの他方の面側から一方の面側へ向かう方向へ冷媒が流動する。

本発明の第１の実施形態に係る伝熱管の断面図。本発明の第２の実施形態に係る熱交換機の斜視図。本発明の第３の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略図。本発明の第３の実施形態に係る冷凍サイクル装置の作動冷媒の流れ方向を示す図。本発明の第３の実施形態に係る冷凍サイクル装置の作動冷媒の流れ方向を示す図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１を用いて説明する。

図１に本実施形態の伝熱管１の断面図を示す。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の伝熱管１の内部表面には、管軸を中心として内側に立ち上がる複数の管内フィン２が管軸方向に並設されている。また、管内フィン２は、管軸方向に対して一定の傾斜角を有した螺旋状に形成されている。管内フィン２は、図１（ｂ）に拡大して示すように、管軸方向の一方側に面する一方の面２ａと、他方側に面する他方の面２ｂを有しており、一方の面２ａと管内壁面とのなす立ち上がり角αは鈍角（α＞９０°）に形成され、他方の面２ｂと管内壁面のなす立ち上がり角βは鋭角（β＜９０°）に形成されている。

ここで、管内フィン２は、螺旋状に限らず、管軸方向に直交して形成されていても、管軸方向に対して一定の傾斜角を有したクロス状、ヘリンボーン状に形成されていてもよい。
また、螺旋状などのように管内フィン２を管内流れ方向に対して傾斜させて設けた場合は、伝熱管内の断面積が管軸方向に一定となるため、圧力損失の増大を抑制することができる。

管内フィン２を設けることにより、平滑な管内面と比較して管内表面積を増大させることができ、熱伝達効率を増大させることができる。
以下、本実施形態では管内フィン２が螺旋状に形成された場合について説明する。

伝熱管１内を流れる冷媒の流れ方向が、管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａが上流側となり、立ち上がり角が鋭角である他方の面２ｂが下流側となる場合、冷媒の流れ方向に対して上流側である一方の面２ａだけでなく、下流側である他方の面２ｂも後退角となり、摩擦損失抵抗の増大化を抑制することができる。

これにより、管内表面積を増大させ熱伝達率を増大させるとともに、管内フィン２による圧力損失を抑制することができる。

伝熱管１内を流れる冷媒の流れ方向が、管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａが下流側となり、立ち上がり角が鋭角である他方の面２ｂが上流側となる場合、上流側である他方の面２ｂが流れ方向に対して前進角となるため、摩擦損失抵抗が大きく、冷媒の流れが乱流状態となり管内の圧力損失は増加し、管内を流れる冷媒が攪拌される。

このように、乱流により冷媒が攪拌されるため一方の面２ａを上流側とする場合よりも熱伝達効率は向上する。なお、他方の面２ｂと管内壁面のなす立ち上がり角βは、鋭角に限らず、直角又は一方の面２ａと管内壁面とのなす立ち上がり角αより小さい鈍角でも良いが、鋭角にした方が、管内を流れる冷媒が攪拌される効果が大きく、熱伝達効率の向上効果が大きい。

管内フィン２の内部にはＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃなどの冷凍サイクルの作動冷媒が流動するようになっている。

（第２の実施形態）
上述した伝熱管１は、ヒートポンプとして用いられる冷凍サイクル装置の熱交換器に備えられる。伝熱管１の備えられた熱交換器は、冷凍サイクル装置の用途に応じてプレートフィンチューブ型熱交換器や多管式熱交換器など種々の形態を用いてよい。
ここで、本実施形態では熱交換器の例としてプレートフィンチューブ型熱交換器について、図２を用いて説明する。

熱交換器３は、熱交換面を形成する多数枚のプレートフィン４と、内部を冷媒が流通する上記第１の実施形態の伝熱管１を有している。
プレートフィン４は、長手方向が上下方向となるよう配置され、矢印で示す空気流通方向に直交する方向に、互いに間隔をあけ多数枚並設されたフィン列を形成している。
フィン列にはプレートフィン４の長手方向に沿って等間隔に配置された伝熱管１がプレートフィンを貫通するように設けられている。

このプレートフィンチューブ型熱交換器３は、図示しない送風機などで伝熱管１及びプレートフィン４に直交する方向に送風され、伝熱管１内を流動する作動冷媒と空気の熱交換を行う。プレートフィンチューブ型熱交換器３は、凝縮器又は蒸発器として空気調和機に用いられる。

熱交換器３が凝縮器として機能する場合は、伝熱管１の管内フィン２の立ち上がり角が鋭角である他方の面２ｂ側から高温高圧ガス状態の作動冷媒が流入し、凝縮過程で相変化しながら伝熱管内を移動する。伝熱管１内では、管内フィン２の上流側である他方の面２ｂで乱流となり、作動冷媒が攪拌されるため熱伝達率が増大する。また、凝縮過程では乱流による圧力損失は小さく、流量損失も小さい。

また、熱交換器３が蒸発器として機能する場合は、伝熱管１の管内フィン２の一方の面２ａ側から低圧液体状態の作動冷媒が流入し、蒸発過程で相変化しながら伝熱管内を移動する。伝熱管１内では、管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａ側が上流側となるため、管内摩擦抵抗が低減される。
このため、一般的に圧力損失の起こりやすいとされる蒸発過程においても圧力損失の増大を抑制し、熱伝達率を増大させることができる。

（第３の実施形態）
次に、伝熱管１を備えた熱交換器を有する冷凍サイクル装置について、図３乃至図５を用いて詳述する。

図３に示すように、冷凍サイクル装置である空気調和機１００には、圧縮機１０と、四方弁１１と、第１の熱交換器である室外熱交換器１２と、膨張装置１３と、第２の熱交換器である室内熱交換器１４が備えられている。ここで、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１３は、上記第１の実施形態の伝熱管１を備えている。

圧縮機１０の吐出管１０ａと吸込み管１０ｂは四方弁１１に接続されており、さらに四方弁１１は、冷媒配管１５ａにより室外熱交換器１２と室内熱交換器１４に接続されている。また、室外熱交換器１２と膨張装置１３と室内熱交換器１４は順次、冷媒配管１５ｂにより接続されている。
このように、圧縮機１０と接続された四方弁１１と、室外熱交換器１２と、膨張装置１３と室内熱交換器１４は冷媒配管１５ａ、１５ｂによって閉ループ状に接続されている。

ここで、冷媒配管１５ａは、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４の伝熱管１の一方向側に接続されており、冷媒配管１５ｂは、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４の伝熱管１の他方向側に接続されている。
これにより、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４の伝熱管１の管内フィン２は、立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａ側が、膨張装置１３に接続された冷媒配管１５ｂ側に面し、他方の面２ｂ側が、四方弁１１に接続された冷媒配管１５ｂ側に面するように配置される。

上述のように構成された冷凍サイクル装置１００の作動冷媒の流れについて図４と図５を用いて説明する。
まず、室外熱交換器１２が凝縮器として機能し、室内熱交換器１４が蒸発器として機能する場合について、図４を用いて説明する。

圧縮機１０で圧縮された高温高圧ガスの作動冷媒は、四方弁１１を介して室外熱交換器１２の伝熱管１へ流入する。流入した高温高圧の作動冷媒は、管内フィン２の立ち上がり角が鋭角である他方の面２ｂ側から一方の面２ａ側に向かって凝縮熱を奪われながら流れて行き、高圧の液冷媒となり冷媒配管１５へ吐出される。高圧の液冷媒は膨張装置１３により減圧され、室内熱交換器１４の伝熱管１へ流入する。流入した液冷媒は、管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａ側から他方の面２ｂ側へ向かって蒸発熱を吸収しながら蒸発し低温低圧のガスとなり冷媒配管１５と四方弁１１を介して圧縮機１０へ流入する。
例えば、空気調和機が冷房運転を行う場合に上述のように冷凍サイクル装置１００の運転が行われる。

次に、四方弁１１が切替わり、室外熱交換器１２が蒸発器として機能し、室内熱交換１４が凝縮器として機能する場合には、図５に示すように、圧縮機１０で圧縮された高温高圧ガス状態の作動冷媒は、四方弁１１を介して室内熱交換器１４の伝熱管１へ流入する。流入した高温高圧ガス状態の作動冷媒は、管内フィン２の立ち上がり角が鋭角である他方の面２ｂ側から一方の面２ａ側に向かって凝縮熱を奪われながら流れて行き、高圧の液冷媒となり冷媒配管１５へ吐出される。高圧の液冷媒は膨張装置１３により減圧され、室外熱交換器１２の伝熱管１へ流入する。流入した液冷媒は、管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａ側から他方の面２ｂ側へ向かって蒸発熱を吸収しながら蒸発し低温低圧のガスとなり冷媒配管１５と四方弁１１を介して圧縮機１０へ流入する。
例えば、空気調和機が暖房運転を行う場合に上述のように冷凍サイクル装置１００の運転が行われる。

上述のように、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４が凝縮器として機能するときには、伝熱管１の管内フィン２の立ち上がり角が鋭角である他方の面２ｂ側から高温高圧ガス状態の作動冷媒が流入し、凝縮過程で相変化しながら伝熱管１内を移動する。伝熱管１内では、管内フィン２の上流側である他方の面２ｂで乱流となり作動冷媒が攪拌されるため熱伝達率が増大する。また、凝縮過程では乱流による圧力損失は小さく、流量損失も小さい。

また、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４が蒸発器として機能するときには、伝熱管１の管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａ側から低圧液体状態の作動冷媒が流入し、蒸発過程で相変化しながら伝熱管１内を移動する。伝熱管１内では、管内フィン２の立ち上がり角が鈍角である一方の面２ａ側が上流側となり管内摩擦抵抗が低減される。
このため、一般的に圧力損失の起こりやすいとされる蒸発過程においても圧力損失の増大を抑制し、熱伝達率を増大させることができる。

第１の実施形態の伝熱管１を用いることで、蒸発器側では、管内における蒸発圧力損失の増大に伴うＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）の低下が著しい作動冷媒に対しても、蒸発圧力損失の増大を抑制することができる。また、凝縮器側では管内フィン２で発生する乱流により気液２相の作動冷媒が攪拌され、相変化中に温度傾斜がある非共沸混合冷媒を使用した場合に起こる、温度傾斜による凝縮熱伝達性能の低下を抑制することができる。

第３の実施形態のように伝熱管１の向きを設定し、冷凍サイクル装置１００の運転を行うことによって、四方弁１１の切替えによって冷凍サイクル装置１００の運転が切替わっても、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４の伝熱管１内では、凝縮過程において管内フィン２の一方の面２ａ側が作動冷媒の上流、他方の面２ｂ側が下流となり、蒸発過程において管内フィン２の一方の面２ａ側が作動冷媒の下流、他方の面２ｂ側が上流となる。
これにより、例えば空気調和機の冷房運転と暖房運転の切替えのように、冷凍サイクル装置１００の運転を切替えた場合でも、凝縮器として機能する熱交換器の伝熱管１での熱伝達率を増大し、蒸発器として機能する熱交換器の伝熱管１内の圧力損失の低下を抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されない。
例えば、第１の実施形態で説明を行った冷凍サイクル装置である空気調和機以外でも、ヒートポンプ給湯機や冷凍機や冷蔵庫などの冷凍サイクル装置に用いてよい。
さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…伝熱管、２…管内フィン、２ａ…一方の面、２ｂ…他方の面、１０…圧縮機、１１…四方弁、１２…室外熱交換器、１３…膨張装置、１４…室内熱交換器、１５ａ、１５ｂ…冷媒配管

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機に接続され冷媒の流れを切換える四方弁と、
膨張装置と、
冷媒が流動する伝熱管を有する第１の熱交換器と、
冷媒が流動する伝熱管を有する第２の熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、
前記第１の熱交換器又は前記第２の熱交換器の少なくとも一方は、伝熱管内面に、管軸方向に並設された複数の管内フィンを有する伝熱管を有しており、前記管内フィンは管軸方向の一方の面と他方の面を有し、前記一方の面の立ち上がり角が鈍角で、前記他方の面の立ち上がり角が鋭角に形成されており、
前記伝熱管を備えた熱交換器が蒸発器として機能する場合には、前記伝熱管の管内フィンの一方の面側から他方の面側へ向かう方向へ前記伝熱管の管内を冷媒が流動し、
前記熱交換器が凝縮器として機能する場合には、前記伝熱管の管内フィンの他方の面側から一方の面側へ向かう方向へ前記伝熱管の管内を冷媒が流動することを特徴とする冷凍サイクル装置。