| 【発明の名称】 |
熱交換器 |
| 【発明者】 |
【氏名】櫛谷 和夫
【氏名】足立 義治
【氏名】市川 正浩
【氏名】桂川 真治
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| 【要約】 |
【課題】高圧側で相変化を伴わない二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置で、ガスクーラ１２内の熱交換器の伝熱性能を向上することにより、ガスクーラ１２の出側１２ｂの冷媒の温度を下げて、蒸気圧縮式冷凍装置の性能を向上する。
【解決手段】複数列から構成される熱交換器で、各列の熱交換器１６、１７、１８を連通する冷媒パス１９、２０、２１、２２の数が、ガスクーラ１２の冷媒の入側１２ａから出側１２ｂに向かうほど少なくするようにし、また熱交換器１６、１７、１８の冷媒パスの出入口の数を変えることにより、冷媒の温度レベルに伴なう冷媒密度の増大に応じて、各々の熱交換器内を流動する冷媒を熱交換に適した流速に保つ。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通したガスクーラと、該ガスクーラからの冷媒を受け膨張させる膨張機構と、該膨張機構に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍装置において、前記ガスクーラ内の熱交換器が複数列から構成され、各列の熱交換器を連通する冷媒パスの数が、ガスクーラの冷媒の出側に近づくにつれて少なくなるようにしたことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置用の熱交換器。
【請求項２】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通したガスクーラと、該ガスクーラからの冷媒を受け膨張させる膨張機構と、該膨張機構に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍装置において、前記複数列の熱交換器を連通する冷媒パスで、前記冷媒パスから冷媒が流入する第２列熱交換器の入口の数が、前記冷媒パスへ冷媒が流入する前記ガスクーラの入側に配設された第１列熱交換器の出口の数より少なくするようにしたことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置用の熱交換器。
【請求項３】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通したガスクーラと、該ガスクーラからの冷媒を受け膨張させる膨張機構と、該膨張機構に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍装置において、前記ガスクーラ内の複数列から成る熱交換器で、各列の熱交換器を連通する冷媒パス数がガスクーラの冷媒の入側から出側にかけて減少し、且つ、前記複数列の熱交換器を連通する冷媒パスで、前記冷媒パスから冷媒が流入する第２列熱交換器の入口の数が、前記冷媒パスへ冷媒が流入する前記ガスクーラの入側に配設された第１列熱交換器の出口の数より少なくするようにしたことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍装置用の熱交換器。
【請求項４】 前記ガスクーラの熱交換器と熱交換を行う作動流体が、ガスクーラの出側から入側に向けて流動して、冷媒の流動と対向流に熱交換することを特徴とする請求項１乃至３記載の蒸気圧縮式冷凍装置用の熱交換器。
【請求項５】 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乃至４記載の蒸気圧縮式冷凍装置の熱交換器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮式冷凍装置用の熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の蒸気圧縮式冷凍装置としては、例えば特公平０７−０１８６０２号公報に開示されているように、図１０に示すような構成になっている。この装置は圧縮機３１、凝縮熱交換器３２、膨張弁３３、及び蒸発熱交換器３４から構成される。それらの要素は流動閉回路に連結され、そこに冷媒が循環している。
【０００３】蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機３１によって増大され、次いで、その冷媒蒸気が凝縮器３２に入り、そこで冷却及び凝縮され、熱が二次冷却材に与えられる。この後、高圧の液状冷媒は膨張弁３３により蒸発圧力及び温度に絞られる。蒸発器３４において、冷媒は気化し、その周辺から熱を吸収する。蒸発器３４の出口における蒸気は、圧縮機３１に吸い込まれ、サイクルが完了する。
【０００４】蒸気圧縮式冷凍装置の冷媒に二酸化炭素を使用する場合、二酸化炭素は可燃性、毒性が無いことに加え、地球温暖化係数も小さく、フロンの代替冷媒と目されている。
【０００５】二酸化炭素を使用した蒸気圧縮式冷凍装置は、空調、冷凍用として使用する場合、従来のフロンを冷媒として用いた蒸気圧縮式冷凍装置に比べて、冷媒圧力が高く、高圧側の圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上の圧力（超臨界圧力）となる。
【０００６】つまり、従来のフロンを冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、圧縮機から吐出したガス状のフロン冷媒は、ガスクーラの熱交換器で凝縮液化するが、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、超臨界圧力のため熱交換器内で凝縮せず、相変化を伴わずに放熱により徐々に温度が低下する。
【０００７】図９に従来の蒸気圧縮式サイクルの凝縮器の熱交換器を示す。従来のフロン冷媒の蒸気圧縮式冷凍装置に使用する熱交換器では、各パスに別れた冷媒は、第１列目を流れた後、同数の冷媒パスで第２列目を流れ、凝縮器出側で合流し膨張弁へ送られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、冷媒の圧力がフロンを冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置と比べて高いため、従来の熱交換器をそのままでは強度不足で使用できない。
【０００９】また、性能面でも熱交換器で相変化を伴わない温度勾配のある熱交換を行うため、従来のフロンを冷媒とした熱交換器で相変化を伴なう蒸気圧縮式冷凍装置と同様の熱交換器では、十分な熱交換能力が得られない。そのため熱交換器の大型化や消費エネルギーの増大を招くという問題がある。
【００１０】また、二酸化炭素冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍装置を暖房用ヒートポンプとして利用する場合、四方切換弁により冷媒が回路内を逆に流動するため、冷房時の蒸発器が暖房時の凝縮器となるが、ガスクーラに従来と同様の熱交換器を使用した場合、暖房のための空気吹き出し温度を確保するためには、熱交換器入口の冷媒圧力を高くする必要があり、圧縮機吐出圧力の上昇による効率低下の原因となる。
【００１１】本発明は上記欠点を除くことを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通したガスクーラと、該ガスクーラからの冷媒を受け膨張させる膨張機構と、該膨張機構に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍装置において、前記ガスクーラ内の熱交換器が複数列から構成され、各列の熱交換器を連通する冷媒パスの数が、ガスクーラの冷媒の出側に近づくにつれて少なくなるようにしたことを特徴とする。
【００１３】請求項１の発明では、複数列から成る熱交換器で、各列の熱交換器を連通するパス数がガスクーラの冷媒の入側から出側に向かうほど少なくすることにより、冷媒出側の温度を下げることができる。
【００１４】二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、例えば熱交換器の入側冷媒の密度は約１５０ｋｇ／ｍ３から約２８０ｋｇ／ｍ３であり、ガスクーラ出側の冷媒の密度は約６００ｋｇ／ｍ３である。そのためガスクーラの入側と出側の冷媒密度の比は約２倍から約４倍程度となる。
【００１５】従来のフロンを冷媒とする熱交換器では、冷媒は相変化するため熱交換器の入側と出側の冷媒の密度の違いは問題とならないが、相変化しない二酸化炭素を冷媒とする熱交換器では、熱交換効率の低下を招いてしまう。
【００１６】そこで熱交換器内を流動する冷媒のパス数が冷媒の入側から出側に向かうほど少なくすることにより、冷媒密度の増大による熱交換器内を流動する冷媒の流速の低下を防ぐことができ、熱交換器での作動流体との熱交換が良好に保たれ、ガスクーラの出側の冷媒の温度を下げることができる。
【００１７】請求項２の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通したガスクーラと、該ガスクーラからの冷媒を受け膨張させる膨張機構と、該膨張機構に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍装置において、前記複数列の熱交換器を連通する冷媒パスで、前記冷媒パスから冷媒が流入する第２列熱交換器の入口の数が、前記冷媒パスへ冷媒が流入する前記ガスクーラの入側に配設された第１列熱交換器の出口の数より少なくするようにしたことを特徴とする請求項２の発明では、前記冷媒パスから冷媒が流入する第２列熱交換器の入口の数を、第１列熱交換器の出口の数より少なくすることで、第２列熱交換器内を流れる冷媒密度の増大による冷媒の流速の低下を防ぐことができ、熱交換器での熱交換が良好に保たれ、冷媒出側温度を下げることができる。
【００１８】請求項３の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の出側に連通したガスクーラと、該ガスクーラからの冷媒を受け膨張させる膨張機構と、該膨張機構に連通し前記圧縮機の入側に接続された蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍装置において、前記ガスクーラ内の複数列から成る熱交換器で、各列の熱交換器を連通する冷媒パス数がガスクーラの冷媒の入側から出側にかけて減少し、且つ、前記複数列の熱交換器を連通する冷媒パスで、前記冷媒パスから冷媒が流入する第２列熱交換器の入口の数が、前記冷媒パスへ冷媒が流入する前記ガスクーラの入側に配設された第１列熱交換器の出口の数より少なくするようにしたことを特徴とする。
【００１９】請求項３の発明では、ガスクーラの入側からガスクーラの出側に向かって複数列の熱交換器内を流動する冷媒の密度に応じて、熱交換器内の冷媒の流速を細かく設定することができ、効率良く冷媒を冷却することができる。
【００２０】請求項４の発明は、前記ガスクーラの熱交換器と熱交換を行う作動流体が、ガスクーラの出側から入側に向けて流動し、冷媒の流動と対向流に熱交換することを特徴とする。
【００２１】請求項４の発明では、冷媒と熱交換する作動流体を、ガスクーラの冷媒の出側から入側に向けて流動させることにより、冷媒と作動流体が対向流の熱交換となるため、冷媒と作動流体の温度効率を高めることができ、冷媒出側の温度を下げることができる。
【００２２】請求項５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。
【００２３】請求項５の発明では、蒸気圧縮式冷凍装置の冷媒に二酸化炭素を用いることにより、フロンで指摘されているオゾン層の破壊、地球温暖化といった問題が無くなり、また、可燃性や毒性も無いことから、取り扱う上での危険もない。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下本発明に係わる蒸気圧縮式冷凍装置用ガスクーラの熱交換器を具体的な実施例により説明する。
【００２５】本発明の二酸化炭素冷媒の蒸気圧縮式冷凍装置を図２に示す。蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機１１、ガスクーラ１２、膨張機構１３、蒸発器１４の順に配設された閉回路から構成される。
【００２６】本装置を冷暖房空調装置として使用する場合、図３の四方切換弁１５を用いた構成となる。冷房時は、圧縮機１１で臨界圧力以上の高圧、高温に圧縮された二酸化炭素冷媒は、ガスクーラ１２で空気により冷却され（放熱、暖房）、膨張機構１３で断熱膨張し、蒸発器１４で蒸発（吸熱、冷房）する。暖房時は、四方切換弁１５により、冷媒の流れを冷房時とは反対に切り換えて、冷房時に蒸発器１４として使用していた熱交換器が暖房時にはガスクーラとして機能し、放熱して暖房する。
【００２７】図１は、第１実施例であるガスクーラ１２内に配設された熱交換器の構成を示したもので、第１列熱交換器１６、第２列熱交換器１７、第３列熱交換器１８の３列から構成される。各々の熱交換器は、冷媒が流動する複数の冷媒パス１９、２０、２１、２２により連通される。
【００２８】ガスクーラ１２のチューブ２３とフィン２４は、チューブ２３の拡管またはロー付けにより接合されていて、フィン２４には空気との伝熱性能を向上させるためのスリットやルーバー、あるいはウエイブが設けられている。
【００２９】圧縮機１１から吐出された高温、高圧の二酸化炭素冷媒は、ガスクーラ１２の冷媒の入側１２ａから流入して各パスに分流し、第１列熱交換器１６に流入する。第１列熱交換器１６で作動流体である空気と熱交換した冷媒は、８本の冷媒パス２０を通じて第２列熱交換器１７に流入する。
【００３０】第２列熱交換器１７に流入した冷媒は、第１列熱交換器１６で作動流体の空気と熱交換を行い放熱しているため、冷媒の温度低下により密度が大きくなっている。したがって第１列熱交換器１６と同様に冷媒を流動させると、第２列熱交換器１７内を流動する冷媒の流速は遅くなってしまう。冷媒の流速が遅くなると、熱交換性能は低下してしまう。
【００３１】そこで冷媒温度の低下に伴なう密度の増大による熱交換器内の冷媒の流速が低下しないように、冷媒パス２０から冷媒が流入する第２列熱交換器１７の入口の数が１個に対して、第１列熱交換器１６の出口の数を２個とする。このように構成することで、第２列熱交換器１７内を流れる冷媒の流速の低下を防ぐことができる。
【００３２】第２列で作動流体である空気と熱交換した冷媒は、４本の冷媒パス２１を通じて第３列熱交換器１８に流入する。第３列熱交換器１８も第２列熱交換器１７と同様に冷媒の流速の低下を防ぎ、熱交換効率を良好に保つことができる。冷媒は第３列熱交換器１８を流動して、ガスクーラ１２の出側１２ｂを経て膨張機構１３へと送られる。
【００３３】このように複数列から成る熱交換器では、冷媒パス１９、２０、２１、２２の数と、熱交換器１６、１７、１８の出入口の数を変えることにより、冷媒の温度レベルに伴なう冷媒密度の増大に応じて、各々の熱交換器内を流動する冷媒を熱交換に適した流速に保つことが可能で、熱交換効率を良好にできる。
【００３４】二酸化炭素冷媒は、前述したようにガスクーラ１２内で凝縮せず、温度勾配をもって放熱するため、作動流体である空気をガスクーラ１２の出側１２ｂからガスクーラ１２の入側１２ａに向けて流動させることにより、熱交換器内を流動する冷媒と対向流となり、冷媒と空気の温度効率を高くすることができ、熱交換器を大きくすることなく出側１２ｂの冷媒の温度を低くすることができる。また、作動流体である空気の出側（冷媒の入側１２ａ）では、高温冷媒と熱交換を行うため、熱交換器を大きくすることなく空気の温度を高くすることができる。
【００３５】ここで二酸化炭素を冷媒とするサイクルにおけるガスクーラ１２の出側１２ｂの冷媒の温度と、冷房ＣＯＰの関係を図４に示す。図４に示すようにガスクーラ１２の出側１２ｂの冷媒の温度がＣＯＰに及ぼす影響は大きく、ガスクーラ１２の出側１２ｂの温度を極力低くすることが効率を向上するうえで重要である。
【００３６】また、暖房時には、図３の四方切換弁１５により、冷媒は冷房時とは反対に回路内を流動するため、ガスクーラ１２は室内熱交換器に相当する。従来の蒸気圧縮式冷凍装置では、吹き出し温度を高く保つため凝縮圧力（≒圧縮機吐出圧力）を高くする必要があったが、本発明では圧縮機１１の吐出圧力を高くすることなく、熱交換器の温度効率を良好にすることにより、暖房時吹き出し温度を高くすることができる。
【００３７】図５に高圧側で相変化しない二酸化炭素冷媒の蒸気圧縮式冷凍サイクルのｔ―ｓ線図を示す。このｔ−ｓ線図に示すように、放熱過程は大きな温度勾配をもっている。冷媒と作動流体を対向流に熱交換することにより、熱交換器の入口から出口まで冷媒と作動流体の空気の温度をほぼ一定の温度差で熱交換することができ、熱交換効率を向上できる。
【００３８】また、図６に従来の蒸気圧縮式サイクルのｔ―ｓ線図を示す。従来の蒸気圧縮式サイクルでは、凝縮温度での熱交換が大部分を占めるため、作動流体と冷媒を対向流の熱交換にしても、十分な効果は得られない。
【００３９】二酸化炭素冷媒の蒸気圧縮式冷凍装置のガスクーラ１２の入側１２ａの冷媒密度は、約１５０ｋｇ／ｍ３から２８０ｋｇ／ｍ３であり、ガスクーラ１２の出側１２ｂの冷媒密度は、約６００ｋｇ／ｍ３である。そのためガスクーラ１２の入側１２ａと出側１２ｂの冷媒密度の比は２倍から４倍程度となる。
【００４０】第２実施例を図７に示す。第２実施例は２列の熱交換器から構成され、冷媒パス２０から冷媒が流入する第２列熱交換器１７の入口の数が１個に対して、第１列熱交換器１６の出口の数を２個としてある。このように構成することで第２列熱交換器１７内を流れる冷媒の流速の低下を防ぐことができる。第２列熱交換器１７を流出した冷媒はガスクーラ１２の出側１２ｂで合流し、膨張機構１３へ送られる。
【００４１】第３実施例を図８に示す。図８は４列の熱交換器から構成され、その効果は、図３の第１実施例と同様である。
【００４２】
【発明の効果】地球温暖化係数の小さい二酸化炭素を冷媒として使用し、地球温暖化抑制に貢献するとともに、熱交換器を大きくすることなくガスクーラ出側の冷媒温度を低くし、蒸気圧縮式冷凍装置の効率を向上させ、機器の小型化を図ることができる。
【００４３】また、暖房時には、熱交換器を大きくしたり、圧縮機吐出圧力を高めたりすることなく、高い温度を確保することができ、機器の小型化や省エネルギー化を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００００１１
【氏名又は名称】アイシン精機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月２２日（１９９９．４．２２） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３０４３８０（Ｐ２０００−３０４３８０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２日（２０００．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１１５２１８ |
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