JP2004077021A - ガスクーラー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンのピッチが空気と冷媒の温度差が最も小さくなった部分を密にすることによって、熱交換率を良くしたものである。したがって、超臨界領域で、温度勾配をもつ顕熱変化特有の冷媒温度状態を有する場合でも、効果的なガスクーラーを提供できる。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに関するものであり、空気調和装置に適用して有効なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、オゾン層破壊、地球温暖化など地球環境側面から特定フロンであるHCFC系の冷媒から、HFC系の代替冷媒がへの変更がなされている。しかし、これらの冷媒でも、地球温暖化係数が十分に小さいものでない為、近年、温暖化係数が小さく、工夫次第では成績係数も向上して期待が持たれる二酸化炭素が注目を浴びてきている。
【0003】
しかし、二酸化炭素においては、臨界温度が一般的に、約31.05℃といわれており、従来のHCFC系冷媒R22(臨界温度約96℃)やHFC系冷媒R410A(臨界温度約72℃)に対してかなり低い温度となっている。また、凝縮過程においては、従来のHFC系冷媒やHCFC系冷媒では顕熱と潜熱変化が混在していたが、二酸化炭素においては、凝縮過程に相当する過程において、熱力学的特性から既に臨界温度と臨界圧力を超えた超臨界領域で作動する流体となり、超臨界領域での顕熱変化だけ起こるという作動となる特徴がある。
【0004】
図16は、従来のHFC系冷媒等が熱交換器(ガスクーラー)における冷媒と空気の温度状態を簡易的に示したものであり、縦軸に冷媒と空気の温度T、横軸に冷媒のエンタルピーhを示し、実線が熱交換器内部の伝熱管を流れる冷媒の温度変化状態を示し、破線が空気の温度変化状態を示したものであり、冷媒と空気が対向流的な流れ方で熱交換した場合の状態を示したものである。ここでは、常に温度変化が小さく、熱伝達率の高い潜熱変化を有する気液二相領域が熱交換器の大部分を占めて支配的であり、空気側との熱交換性能を向上させる為には、性能向上効果が大きく、かつ顕熱変化を起こして冷媒側熱伝達率が低下する熱交換器出口(ガスクーラー出口)近傍に限定して熱交換性能を向上させる工夫がなされ、更に最も冷媒の温度差の大きい熱交換器出入り口の伝熱管が空気の流れに対して対向流的な流れになるように配置していた。
【0005】
次に、図17には、超臨界領域で動作する二酸化炭素が、熱交換器(放熱器)で放熱する場合の冷媒と空気の温度状態を簡易的に示す。この図17では、熱交換器の入口で空気と冷媒の温度差が最も大きかったが、冷媒と空気の熱交換が進むにつれて温度差が小さくなり、熱交換の途中であっても、空気と冷媒がお互いに顕熱変化を起こし温度差が最小になる領域が図16に示す従来のHFC系冷媒等を用いた場合よりも多く存在するため、二酸化炭素を冷媒として用いた場合は特開昭63−3188号公報や特開2000−304380号公報に示されように対向流的に冷媒と空気を流し、コストをかけて熱交換器全体の高性能化、特にフィンの形状や伝熱管のパス数等を減少させて改善することが行なわれていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二酸化炭素等を用いた冷凍サイクルにおいて、熱交換器の放熱過程において熱交換器の出入口で数十℃の最大温度差を発生しながら常に相変化を伴わないで超臨界領域で、温度勾配をもつ顕熱変化特有の冷媒温度状態を有する場合に、上記従来例に示すように熱交換器全体の改善をすると効果的な熱交換器の伝熱性能も向上が図れないばかりか、冷凍サイクル装置自身の性能が低下し、通風抵抗が増えることによる騒音の増大、熱交換器の巨大化、高コストになるという課題を有していた。
【0007】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、熱交換器内部で温度勾配を有し且つ超臨界領域で作動する冷媒を使用した場合でも、従来の冷媒を超臨界領域以下で使用した場合と同等以上に高性能化を図ることにより、効果的に低コストで熱交換効率の高い熱交換器を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項1記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンのピッチを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を密にしたことを特徴とする。
【0009】
また、請求項2記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンの切り起し数を空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を増加させたことを特徴とする。
【0010】
また、請求項3記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンの切り起こし高さを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を高くしたことを特徴とする。
【0011】
また、請求項4記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管のピッチを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を密にしたことを特徴とする。
【0012】
また、請求項5記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の直径とピッチを、空気と冷媒の温度差が小さくなった部分において、直径を小さくし、ピッチを密にしたことを特徴とする。
【0013】
また、請求項6記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の内面フィンを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を高しくたことを特徴とする。
【0014】
また、請求項7記載の発明は、臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の内面フィンのピッチを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を密にしたことを特徴とする。
【0015】
また、請求項8記載の発明は、請求項1〜7記載のガスクーラーにおいて、併せてガスクーラーの出入口部も変化させたことを特徴とする。
【0016】
また、請求項9記載の発明は、前記空気と冷媒が対向流的に熱交換を行うことを特徴とする。
【0017】
また、請求項10記載の発明は、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0019】
(実施の形態1)
図1、図2においては、例えば、超臨界領域で動作する二酸化炭素等の冷媒と空気が熱交換を行なう室内ユニット1と室外ユニット5の構成概略を側面側から見た図であり、空気と冷媒の熱交換を行なう為に、図1の室内ユニット1では室内送風ファン2と冷媒が通過する伝熱管4が組み合わさった室内熱交換器で構成され、図2の室外ユニット4は室外送風ファン7と室外熱交換器6で構成される。
【0020】
また、本発明第1の実施の形態では冷房運転時の室外熱交換器6が、暖房運転時の室内熱交換器3と同じように冷媒を放熱する役目をするので、室外熱交換器6の作用については割愛し、以下にはガスクーラーとして作用する室内熱交換器3を中心に説明する。
【0021】
図4は、室内ユニット1での室内熱交換器3を長手方向となる正面側から見た図であり、図5は、図4に示す室内熱交換器3のア−アの線で示した矢視断面図である。
【0022】
また、図7は、図4における室内熱交換器3のフィン群AのX−X´線を結ぶ拡大概略図であり、フィンピッチがα1(例えば3mm)であり、図8は、同じく図4に示すフィン群BのY−Y´線を結ぶ拡大概略図であり、フィンピッチはα1よりも小さいα2(例えば1.5mm)となり、密になっている。
【0023】
図3は、図4または図5で放熱される二酸化炭素の冷媒が、暖房運転時に室内ユニット1の室内熱交換器3で放熱する場合の冷媒と空気の温度状態を簡易的に示したものである。
【0024】
図3では、縦軸に冷媒と空気の温度T、横軸に冷媒のエンタルピーhを示す。
実線が室内熱交換器3内部の伝熱管4を流れる冷媒の温度変化状態を示し、破線が空気の温度変化状態を示したものであり、対向流的な流れ方で熱交換した場合の状態を示したものである。また、伝熱管4に密着して空気側との熱交換を促進させる放熱フィン7(フィンピッチの広いフィン群Aとフィンピッチの狭いフィン群Bに分けて構成)により空気側に放熱されるが、まず、点A(4a)は室内熱交換器3の入口の伝熱管4aの冷媒温度Ta(例えば100℃)であり、点B(4b)から点C(4c)は、伝熱管4bから4cの伝熱管までの冷媒の温度Tb(例えば60℃)とTc(例えば55℃)である。この伝熱管4bから4cまでを冷媒が流れながら空気側と熱交換する際に、図3にハッチングして示すように、空気側との温度差が最も小さくなる最小温度差ΔT(例えば5deg)領域部分であると同時に冷媒と空気の熱交換性能が最も低下する領域が大きく存在する。この領域を通過した冷媒は図5に示す空気側の風上になる伝熱管4を通過し、点D(4d)は室内熱交換器3の出口である伝熱管4dの冷媒の温度Td(例えば25℃)を示す点である。
【0025】
尚、以下に説明する伝熱管4は、室内熱交換器3の冷媒入口に挿入されている最初の伝熱管を4a、空気と冷媒の温度差が最小となり、室内熱交換器3の熱交換性能が低下する領域を示すフィンに挿入されている最初の伝熱管4を伝熱管4b、領域の終りを伝熱管4cと呼び、室内熱交換器3の冷媒出口の伝熱管を4dとし、それ以外は総称して伝熱管4と呼ぶ。
【0026】
従来のHFC系等の冷媒よりも大きく生じた場合でも、空気とフィンの接触する伝熱面積が大きくなり熱交換率が向上する。図3に示すように、ここでは熱交換器の入口で空気と冷媒の温度差が最も大きかったが、熱交換が進むにつれて小さくなり、放熱過程の途中、部分的に空気と冷媒の温度差が取れにくい状態が発生し、ここでは熱交換効率が低下してしまう領域があり、従来の潜熱変化を起していたHFC系等の冷媒よりもその領域は大きくなる。
【0027】
よって、図4および図5に示す点Bから点Cの間、即ち、伝熱管4bから4cの間の伝熱管4に密着するフィン7のピッチを図7に示すようにピッチを部分的にα2(例えば1.5mm)に小さくすることにより、フィンの伝熱面積が大きくなるので図3に示す放熱過程において、部分的に空気と冷媒の温度差が取れにくい状態で熱交換効率が低下してしまう領域が大きく存在しても、この実施の形態によれば、部分的にフィンピッチを密にすることにより、フィンの投入量を増加させるだけで効果的に低コストで簡単に室内熱交換器の熱交換率を向上させ、超臨界で温度変化する二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、高性能の室内熱交換器を提供できる。
【0028】
なお、上記室内熱交換器のフィンピッチを密にする部分は、図4に示すような形態を問わず、部分的に熱交換器の1箇所だけでなく、冷媒と空気の温度差が小さくなる室内熱交換器の出口も合わせて2箇所以上のフィンピッチを密にして熱交換効率を向上させても構わない。さらに、2箇所以上のフィンピッチは各々、同じ値でなくても構わない。
【0029】
また、フィンピッチを密にする部分は製造上困難で、コストがかさむ場合や、その他の不具合が生じる場合は低コスト化等のメリットが図れるように、冷媒と空気の温度差が取れている領域まで広がっても構わず、必ずしも図4,5の形態をとる熱交換器でなくても良い。
【0030】
(実施の形態2)
本発明第2の実施の形態では、図8には、図4、5に示すようにフィン群A,Bのフィン7の切り起こし形状と数を拡大した概略図であり、台形ルーバ7bが切り起こされており、空気側と積極的に熱交換するようにしている。図4、5では、空気側との温度差が最も小さくなり熱交換性能が低下するフィン群Bに相当するところに、空気側の熱交換性能を向上させる為に、図9に示すように台形ルーバ7bの数を増大させたフィン7aを用いることで、図3での放熱過程の途中、空気と冷媒の温度差が取れにくい状態で熱交換効率が低下してしまう領域が、従来のHFC系等の冷媒よりも大きく生じた場合でも、この実施の形態によれば空気と台形ルーバ7bの数を増大させることにより、フィンと空気が接触する伝熱面積が大きくなり熱交換効率が向上する。
【0031】
従って、簡単に室内熱交換器の熱交換効率を向上させ、超臨界で温度変化する二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、高性能の室内熱交換器を提供できる。
【0032】
また、図10は図8に示すフィン7のイ−イの線で示した矢視断面図である。
図10に示すように、熱交換器が部分的に熱交換性能が低下するフィン群72に相当するところにフィン7の台形ルーバ7bの切り起し高さを従来よりの所定高さh(例えば0.7mm)よりΔh(0.3mm)高い、フィン高さβ(例えば1.0mm)にしてフィンピッチを密にすることで同様に図3に示すように、放熱過程の途中、部分的に空気と冷媒の温度差が取れにくい状態で熱交換効率が低下してしまう領域が、従来のHFC系等の冷媒よりも大きく生じた場合でも、この実施の形態によればにより、フィン7の台形ルーバ7bの切り起し高さを従来よりの所定高くすることによりフィンと空気が接触する伝熱面積が大きくなり熱交換率が向上し、更に高性能の室内熱交換器を提供できる。
【0033】
よって、本発明第2の実施の形態と同様に、熱交換性能が低下する領域においてフィンの切り起こし数および高さを高くすることにより、空気と冷媒の温度差が取れにくい状態で熱交換効率が低下してしまう領域において、空気と台形ルーバ7bの切り起し数と高さを大きくして伝熱面積を増大させることにより、フィンと空気が接触する伝熱面積が大きくなり熱交換効率が向上する。
【0034】
また、効果的に低コストで簡単に室内熱交換器の熱交換効率を向上させ、超臨界で温度変化する二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、高性能の室内熱交換器を提供できる。
【0035】
また、高性能化を図ることができれば、フィンの形状を変えたり、フィンの高さや数等は、上記実施の形態にこだわらず変えても構わない。
【0036】
さらに、高性能化を図ることができればフィンの形状や高さや、数を変えるだけで、フィン群Aとフィン群Bは同ピッチのままでも構わない。
【0037】
(実施の形態3)
本発明第3の実施の形態では、図11には、図4、5に示すように空気側との温度差が最も小さくなり室内熱交換器が部分的に熱交換性能が低下するフィン群Bに相当するところ、即ち伝熱管4bから4cが挿入されている部分のブロックを中心に拡大した概略図であり、図11に示すように図5の伝熱管4bから4cの間の伝熱管4を2本増やして、伝熱管4のピッチを風上の上流側の伝熱管4のピッチγ1(例えば15mm)より小さいγ2(例えば10mm)に密にすることにより、伝熱管の本数が増加したことにより管内の伝熱面積が増大し、熱交換器の熱交換効率を向上させることが可能となる。また、同様に図12に示すように、図11の伝熱管4bから4c間の伝熱管の間に伝熱管4の直径D1(例えば7.5mm)を小さくした直径D2(例えば4mm)の細管伝熱管41を挿入して、細管電伝熱管41のピッチをγ3(例えば7mm)にして密にすることにより、同一フィン群Bに挿入されている細管伝熱管41の本数も増えて管内伝熱面積が増えると共に、伝熱管4の直径を小さくして断面積を縮小したことで冷媒の流速が増して冷媒の熱伝達率も向上し、二酸化炭素のような低圧力損失の特徴を持つ冷媒を用いることで、冷凍サイクル装置の性能を低下させることなく、効果的に冷媒側の熱交換率が向上する。
【0038】
よって、超臨界で温度変化する二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、図3に示すように、放熱過程の途中で、部分的に空気と冷媒の温度差が取れにくい状態で熱交換効率が低下してしまう領域が、従来のHFC系等の冷媒よりも大きく生じた場合でも、伝熱管のピッチを小さくし、細管伝熱管を挿入させることにより、管内の伝熱面積が大きくなると共に、冷媒側の熱伝達率も上がり、熱交換率が向上する。
【0039】
また、高性能化を図ることができれば、伝熱管の本数や管直径およびピッチ等は上記実施の形態にこだわらない、さらに、伝熱管に密着するフィンは上記実施の形態2のフィンを組合せても構わない。
【0040】
(実施の形態4)
図13には、図4、5に示す伝熱管4の内面フィン8の形状を拡大したものであり、図14は更に、図13の内面フィン8の部分を拡大しものである。図15におけるフィン8の山高さh1(例えば0.3mm)とフィンのピッチp1(例えば0.2mm)を示すものであるが、図4、5に示すように空気側との温度差が最も小さくなり室内熱交換器が部分的に熱交換性能が低下するフィン群Bに相当するところに、特に図5に示す伝熱管4bから4cが挿入されている部分に、図15に示すような、フィン8の山高さh2(例えば0.5mm)とフィンのピッチp2(例えば0.1mm)にすることにより、伝熱管内のフィンの伝熱面積が大きくなるので図3に示すように、放熱過程において、部分的に空気と冷媒の温度差が取れにくい状態で熱交換効率が低下してしまう領域が大きく存在しても、本実施の形態によれば、管内フィンのピッチを小さくし、管内フィンの山高さを高くすることにより、管内フィンと冷媒が接触する面積が大きくなると共に、冷媒側の熱伝達率も上がり、熱交換率が向上し、超臨界で温度変化する二酸化炭素を冷媒に用いた場合でも、高性能の室内熱交換器を提供できる。
【0041】
また、高性能化を図ることができれば、伝熱管の内面フィンの高さやピッチ、および、伝熱管の本数や管直径およびピッチ等に関係なく、変更しても構わない。
【0042】
また、内面フィンの形状や内面フィンの高さが部分的に変化したり、上記実施の形態と、異なっても構わない。
【0043】
【発明の効果】
上記から明らかなように、請求項1に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分のフィンピッチを密にすることにより、超臨界で温度変化するを冷媒に用いた場合でも、的確に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0044】
請求項2に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分のフィン切り起こし数を多くすることにより、超臨界で温度変化する冷媒を用いた場合でも、低コストで容易に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0045】
請求項3に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分のフィンの高さを高くすることにより、空気側の伝熱面積が増大し、超臨界で温度変化する冷媒を用いた場合でも、低コストで容易に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0046】
請求項4に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分の室内伝熱管のピッチを密にして、本数を増やしたことで冷媒側の伝熱面積が増大し、超臨界で温度変化する冷媒を用いた場合でも、フィンの変更を伴うことなく低コストで容易に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0047】
請求項5に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分の室内伝熱管との管直径を小さくしたことで、冷媒の流速向上に伴う冷媒熱伝達性能も向上し、ピッチを密にして数を増やしたことにより、フィンの変更を伴うことなく低コストで容易に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0048】
請求項6に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分の室内伝熱管の内面フィンの高さを高くして冷媒側の熱伝達性能を高いものにすることで、フィンの変更を伴うことなく、さらに伝熱管の使用本数を抑えることで、さらなる低コストで容易に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0049】
請求項7に記載の発明は、冷媒と空気が最小温度差となり熱交換性能が低下する部分の室内伝熱管の内面フィンのピッチを密にして冷媒側の熱伝達性能を高いものにすることで、フィンの変更を伴うことなく、さらに伝熱管の使用本数を抑えるとともに、工法上、加工しやすくなる為に、さらなる低コストで容易に高性能のガスクーラーを提供できる。
【0050】
請求項8に記載の発明は、ガスクーラーの出入口も変化することにより、超臨界で温度変化する冷媒に用いた場合でも、更に効果的に高性能化の室内熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す室内ユニットの概略断面図
【図2】本発明の一実施例を示す室外ユニットの概略断面図
【図3】本発明の一実施例を示す熱交換器での二酸化炭素と空気の温度状態図
【図4】本発明の一実施例を示す室内熱交換器の正面概略図
【図5】本発明の一実施例を示す室内熱交換器の概略断面図
【図6】本発明の一実施例を示す図4のX−X´の矢視断面図
【図7】本発明の一実施例を示す図4のY−Y´の矢視断面図
【図8】本発明の一実施例を示す室内熱交換器ルーバフィンの拡大概略図
【図9】本発明の一実施例を示す室内熱交換器の台形ルーバを増加したフィンの拡大概略図
【図10】本発明の一実施例を示す図8のイ−イ矢視断面図
【図11】本発明の一実施例を示す室内熱交換器フィン群Bの伝熱管ピッチの関係を示した概略断面図
【図12】本発明の一実施例を示す室内熱交換器フィン群Bの伝熱管ピッチと管径を示した概略断面図
【図13】本発明の一実施例を示す図4,5の伝熱管の内面フィンの拡大断面図
【図14】本発明の一実施例を示す図13の伝熱管の内面フィンの拡大詳細図
【図15】本発明の一実施例を示す図13の伝熱管内面フィンの山高さを高くして、ピッチを密にした拡大詳細図
【図16】従来のHFC系冷媒と空気の温度状態図
【図17】二酸化炭素冷媒と空気の温度状態図
【符号の説明】
1 室内ユニット
2 室内送風ファン
3 室内熱交換器
4 伝熱管
41 細管伝熱管
4a 伝熱管
4b 伝熱管
4c 伝熱管
4d 伝熱管
5 室外ユニット
6 室外熱交換器
7、7a フィン
7b 台形ルーバ
8 伝熱管内面フィン
Claims (10)
- 臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンのピッチを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を密にしたことを特徴とするガスクーラー。
- 臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンの切り起し数を空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を増加させたことを特徴とするガスクーラー。
- 臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の外面に密着するフィンの切り起こし高さを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を高くしたことを特徴とするガスクーラー。
- 臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管のピッチを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を密にしたことを特徴とするガスクーラー。
- 臨界圧力以上となる冷媒流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の直径とピッチを、空気と冷媒の温度差が小さくなった部分において、直径を小さくし、ピッチを密にしたことを特徴とするガスクーラー。
- 臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の内面フィンを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を高くしたことを特徴とするガスクーラー。
- 臨界圧力以上となる冷媒が流通するガスクーラーであって、前記ガスクーラーの伝熱管の内面フィンのピッチを空気と冷媒の温度差が小さくなった部分を密にしたことを特徴とするガスクーラー。
- 請求項1〜7記載のガスクーラーにおいて、併せてガスクーラーの出入口部も変化させたことを特徴とするガスクーラー。
- 前記空気と冷媒が対向流的に熱交換を行うことを特徴とする請求項1〜8いずれか1項記載のガスクーラー。
- 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項1〜9いずれか1項記載のガスクーラー。
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