JP2020016339A - 放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効率を向上し、小型化が図れる放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクルを提供する。【解決手段】略円筒状のチューブ１１と、チューブ内流路１１Ｂの一端側に配置され、チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体２１と、を備え、渦流形成体２１を通過したガス媒体をチューブ１１の内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱をチューブ１１の外壁面から放熱させる。【選択図】図３

Description

本発明は、渦流放熱式凝縮器や過冷却器として好適であり、冷凍サイクルに用いて好適な放熱器、この放熱器を用いた凝縮器ユニット、及び、冷凍サイクルに関する。

従来、空気調和装置などの冷凍サイクルにおける放熱器であって、例えば、蒸発器や凝縮器などでは、放熱効率を向上し、小型化を図るものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１３１７号公報

しかしながら、従来の技術では、放熱効率の向上が十分でなく、放熱効率を格段に向上し、蒸発器や凝縮器などのさらなる小型化が望まれている。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、渦流放熱式凝縮器や過冷却器として好適であり、放熱効率を向上し、小型化が図れる放熱器、凝縮器ユニット、冷凍サイクルを提供することを目的とする。

本発明は、略円筒状のチューブと、前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から放熱させる、ことを特徴とする。
この発明では、チューブ内流路の一端側に渦流形成体を備えているため、ガス媒体がチューブの内壁面に沿って高速で流れ、ガス媒体に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブの内壁面側のガス媒体の温度を高温にできる。これにより、ガス媒体の熱をチューブの外壁面から効率よく放熱できる。
前記渦流形成体の外周部にガス媒体に渦流を発生させる螺旋溝を設けてもよい。
前記チューブの外周部に螺旋状の小さいフィン部を設けてもよい。

本発明は、チューブと、放熱フィンと、を備える凝縮器ユニットにおいて、前記凝縮器ユニットが過冷却器を有し、前記過冷却器が、略円筒状のチューブと、前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から前記放熱フィンに伝熱させる、ことを特徴とする。

本発明は、圧縮機と、凝縮器ユニットと、減圧装置と、蒸発器とを備え、前記凝縮器ユニットが過冷却器を有し、前記過冷却器が、略円筒状のチューブと、前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から放熱させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体を備えるため、ガス媒体がチューブの内壁面に沿って高速で流れ、ガス媒体に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブの内壁面側のガス媒体の温度が高温になり、ガス媒体の熱をチューブの外壁面から効率よく放熱することができ、放熱効果を向上できる。

本実施形態に係る冷凍サイクルを示す図である。 冷凍サイクルのＰ−Ｈ線図である。 Ａは放熱器の一実施形態を示す図、Ｂは渦流形成体の端面図である。 Ａは渦流形成体の別実施形態を示す図、Ｂは渦流形成体の端面図であり、上半分を断面とする図である。 一実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。 別実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。 別実施形態に係る凝縮器ユニットを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、冷凍サイクルを示す回路図である。
この冷凍サイクルは、圧縮機１と、凝縮器３と、過冷却器（放熱器）５と、減圧装置７と、蒸発器９とを備えて構成されている。冷凍サイクル内では、圧縮機１から吐出された冷媒（ガス媒体）が、図中反時計回りに循環する。凝縮器３と、過冷却器５とを含んで、凝縮器ユニット６が構成されている。尚、本明細書において、ガス媒体には、気液二相のガス液媒体を含むものとする。

図２は、説明の便宜のために、上述した冷凍サイクルと、Ｐ−Ｈ線図とを組み合わせて描いた線図である。
図２において、圧縮機１は圧力Ｐ１のガス冷媒を圧縮し、圧力Ｐ２のガス冷媒とし、この圧力Ｐ２のガス冷媒は凝縮器３に送られ、凝縮器３内で放熱し凝縮液化する。
凝縮器３では完全液化が困難であり、液冷媒を含み、気液二相の状態で過冷却器５に送られ、過冷却器５内でほぼ完全液化する。過冷却器５を出た液冷媒は、減圧装置７で絞られ膨張し、圧力Ｐ１の液冷媒となり、蒸発器９に送られる。蒸発器９では、液冷媒が吸熱して蒸発し、ガス冷媒となって圧縮機１に戻される。

図３は、本実施形態に係る過冷却器（放熱器）５を示す。
この過冷却器５は、図３Ａに示すように、略円筒状のチューブ１１を有し、チューブ１１の両端に接続管１３、１５が接続されている。接続管１３、１５には、凝縮器３と、減圧装置７との間を接続して、冷媒を循環する管路１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。管路１７Ａ、１７Ｂの太さは、チューブ１１の太さに比べて細く形成されている。チューブ１１の外周には螺旋状のフィン１１Ａが形成されている。
チューブ１１のチューブ内流路１１Ｂの一端側（ガス冷媒の上流側）には渦流形成体２１が配置されている。渦流形成体２１に入るガス冷媒（ガス媒体）は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相（ガス液媒体）の状態である。
この渦流形成体２１は、チューブ１１の内周部に密着して配置される胴部２１Ａと、胴部２１Ａと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ１１の内壁面側に導くための案内部２１Ｂとを備えて構成されている。この胴部２１Ａの外周面には、図３Ｂに示すように、周方向に１２等分に配置するように形成された１２個の螺旋溝２１Ｃが設けられ、螺旋溝２１Ｃは、胴部２１Ａの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。

管路１７Ａからチューブ内流路１１Ｂに入って、渦流形成体２１に達するガス冷媒（またはガス液冷媒）は、１２個の螺旋溝２１Ｃに入り、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びる螺旋溝２１Ｃ内を螺旋状に流れて、渦流形成体２１の下流側に、大きな螺旋状のガス冷媒の渦流Ｘを形成する。複数の螺旋溝２１Ｃの断面積の合計を、チューブ内流路１１Ｂの断面積以下にすればよい。
螺旋状の渦流Ｘとなったガス冷媒は、チューブ１１の内壁面に沿って螺旋状に流れて、ガス冷媒の熱がチューブ１１の外壁面から放熱する。

ここで、ガス冷媒が螺旋状の渦流Ｘとなって流れる場合、ガス冷媒が、チューブ１１の内壁面に近い側と、チューブ内流路１１Ｂの中心に近い側とに分離して流れることが判明している。チューブ１１の内壁面に近い側では、ガス冷媒が高速で流れ、大きな渦流Ｘとなることが判明した。
即ち、ガス冷媒（またはガス液冷媒）がチューブ１１の内壁面に沿って高速で流れるため、ガス冷媒に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブ１１の内壁面側は高温になり、流れの中心部側は低温になる。同時に、気液分離が進み、冷媒性能として有害なマイクロバブルの解消になり、ガス冷媒の熱をチューブ１１の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。

上述のように、螺旋状の渦流Ｘとなったガス冷媒は、チューブ１１の内壁面に沿って螺旋状に流れ、ガス冷媒の熱がチューブ１１の外壁面から放熱するが、この際、チューブ１１の内壁面に近い螺旋状の流れの部分が高温部分となるため、チューブ１１の外壁面からの放熱効率が格段に向上する。図２において、仮に、過冷却器５が存在しない冷凍サイクルとすれば、減圧装置７で絞られて膨張し、圧力Ｐ１の液冷媒となる過程は、点線Ｌ１で示すラインをたどる。これに対し、本実施の形態では、減圧装置７で絞られて膨張し、圧力Ｐ１の液冷媒となる過程は、実線Ｌ２で示すラインをたどることとなり、冷凍効率が格段に向上することが判明した。

図４Ａ、図４Ｂは、渦流形成体の別の実施形態を示す。
この渦流形成体１２１は、図３Ａとほぼ同様に、チューブ１１の内周部に密着して配置される胴部１２１Ａと、胴部１２１Ａと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ１１の内壁面側に導くための案内部１２１Ｂとを備えて構成されている。この胴部１２１Ａの外周面には、案内部１２１Ｂ側から一連に延びる単一の螺旋溝１２１Ｃが設けられ、螺旋溝１２１Ｃは、胴部２１Ａの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。この螺旋溝１２１Ｃが、チューブ内流路１１Ｂに単相流を形成するとした場合、図３に示す螺旋溝２１Ｃは、チューブ内流路１１Ｂに複相流を形成している。

この実施形態では、管路１７Ａからチューブ内流路１１Ｂに入って、渦流形成体１２１に達するガス冷媒は、単一の螺旋溝１２１Ｃに入り、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びる螺旋溝１２１Ｃ内を螺旋状に流れて、図３Ａに示すように、渦流形成体１２１の下流側に、大きな螺旋状のガス冷媒の渦流Ｘを形成する。
この場合にも、チューブ１１の内壁面に近い側では、ガス冷媒は、大きな渦流Ｘとなって、チューブ１１の内壁面に沿うように螺旋状に流れる。この際に、チューブ１１の内壁面に近い螺旋状の流れの部分は高温となり、チューブ内流路１１Ｂの中心部に近い直線状の流れの部分が低温となることが判明している。

図５は別の実施形態を示す。
図３の実施形態では、過冷却器５を単体で構成したが、これに限定されず、図５に示すように、凝縮器ユニットを、蒸発器と過冷却器の一体構造としてもよい。
この凝縮器ユニット１０６は、いわば渦流放熱式凝縮器であり、後述の過冷却器１５１を除いた凝縮部分は、蛇行状に曲げたチューブ１３１と、チューブ１３１間に設けた放熱フィン１３３とを有している。チューブ１３１の最下流の端部には、過冷却器１５１が接続され、過冷却器１５１には、上記放熱フィン１３３が設けられている。チューブ１３１内には矢印Ａで示す方向にガス冷媒が流れる。

過冷却器１５１は、図３の構成とほぼ同様の構成である。
過冷却器１５１は、略円筒状のチューブ１１１を有し、チューブ１１１のチューブ内流路１１１Ｂの一端側（ガス冷媒の上流側）には渦流形成体１５３が配置されている。渦流形成体１５３に入るガス冷媒（ガス媒体）は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相の状態である。
渦流形成体１５３は、図３の構成と同様に、チューブ１１１の内周部に密着して配置される胴部１５３Ａと、胴部１５３Ａと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ１１１の内壁面側に導くための案内部１５３Ｂとを備えて構成されている。この胴部１５３Ａの外周面には、周方向に１２等分に配置するように形成された１２個の螺旋溝が設けられ、螺旋溝は、胴部１５３Ａの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。

この実施形態では、凝縮器ユニット１０６が、過冷却器１５１を一体に備えるため、放熱効率のよい凝縮器ユニットを、簡単に形成できる。この実施形態では、チューブ１３１の最下流の端部に、過冷却器１５１を接続して構成したが、これに限定されるものではなく、例えば、蛇行状に曲げたチューブ１３１自体を、略円筒状のチューブ１３１とし、このチューブ１３１内に所謂渦流形成体１５３を配置し、凝縮器ユニット１０６全体を所謂過冷却器としてもよい。凝縮器ユニット１０６は、単パスで構成されているが、これに限定されず、多パスで構成してもよい。

図６は、別の実施形態を示す。
この実施形態は、例えば、自動車に載せたカーエアコンに好適である。
この凝縮器ユニット２０６は、一対のタンク２０７、２０８を有し、タンク２０７、２０８の内部には、仕切り板２０７Ａ、２０８Ａが設けられて、タンク２０７、２０８間には、３つの熱交換部Ｎ１〜Ｎ３が形成されている。３つの熱交換部Ｎ１〜Ｎ３は、矢印の方向にガス冷媒を流して、ガス冷媒と空気との間で熱交換が行われる。２つの熱交換部Ｎ１、Ｎ２は、図示は省略したが、タンク２０７、２０８間を連結するチューブと、チューブの間に設けられた放熱フィンとを備えて構成されている。

最後段の熱交換部Ｎ３は、本実施形態の過冷却器２１０で構成されている。過冷却器２１０は、図３の構成とほぼ同様の構成である。この凝縮器ユニット２０６は、過冷却器２１０を含んで、いわば渦流放熱式凝縮器である。
過冷却器２１０は、略円筒状のチューブ２１１と、放熱フィン２１５とを有し、チューブ２１１のチューブ内流路２１１１Ｂの一端側（ガス冷媒の上流側）には渦流形成体２５３が配置されている。渦流形成体２５３に入るガス冷媒（ガス媒体）は、完全なガス冷媒ではなく、液冷媒を含み、気液二相の状態である。

渦流形成体２５３は、図３の構成とほぼ同様に、チューブ２１１の内周部に密着して配置される胴部２５３Ａと、胴部２５３Ａと一体に形成され、ガス冷媒の上流側に先端が細くなって略円錐状に延び、流入するガス冷媒をチューブ２１１の内壁面側に導くための案内部２５３Ｂとを備えて構成されている。
胴部２５３Ａの外周面には、周方向に１２等分に配置するように形成された１２個の螺旋溝が設けられ、螺旋溝は、胴部２５３Ａの外周面を、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びている。

この実施形態では、凝縮器ユニット２０６が、過冷却器２１０を一体に備えるため、放熱効率のよい小型の凝縮器ユニットを、簡単に形成できる。
この実施形態では、最後段の熱交換部Ｎ３全体を過冷却器としたが、例えば、熱交換部Ｎ３の一本のチューブ２１１のみを略円筒状とし、このチューブ２１１内に渦流形成体２５３を配置し、一つのチューブ２１１を過冷却器としてもよい。

図７は、別の実施形態を示す。
この実施形態では、図７に示すように、すべての熱交換部Ｎ１〜Ｎ３のチューブ２１１が過冷却器２１０とされている。この実施形態では、すべての熱交換部Ｎ１〜Ｎ３が過冷却器２１０となるため、従来構成と比較して、ガス冷媒の熱をチューブ２１１の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。
即ち、上記実施形態と同様に、ガス冷媒（またはガス液冷媒）をチューブ２１１の内壁面に沿って高速で流すため、ガス冷媒に遠心力が作用し、温度分離現象が発生し、チューブ２１１の内壁面側は高温になり、流れの中心部側は低温になる。同時に、気液分離が進み、冷媒性能として有害なマイクロバブルの解消になり、ガス冷媒の熱をチューブ２１１の外壁面から効率よく放熱でき、放熱効果を向上できる。従って、渦流放熱式凝縮器(凝縮器ユニット２０６)を、従来構成と比較して、大幅に小型化することができ、カーエアコンの凝縮器として好適である。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。
上述した実施形態では、ガス媒体としてガス冷媒で説明したが、ガス媒体はガス冷媒に限定されず、任意のガス状態の媒体を含む。
本実施形態では、チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体、を備え、渦流形成体を通過したガス媒体をチューブの内壁面に沿って螺旋状に流すため、チューブの内壁面に近い側では、ガス冷媒は、大きな渦流Ｘとなって、チューブの内壁面に沿うように螺旋状に流れる。
これにより、チューブの内壁面に近い螺旋状の流れの部分が高温部分となるため、本実施形態では、ガス媒体の熱を効果的にチューブの外壁面から放熱することができ、放熱効率を向上でき、小型化が図れる。

１ 圧縮機
３ 凝縮器
５ 過冷却器（放熱器）
６、１０６、２０６ 凝縮器ユニット
７ 減圧装置
９ 蒸発器
１１、１１１、２１１ チューブ
１１Ｂ、１１１Ｂ、２１１Ｂ チューブ内流路
２１、１５３、２５３ 渦流形成体

Claims (5)

1. 略円筒状のチューブと、
   前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、
   前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から放熱させる、
   ことを特徴とする放熱器。
2. 前記渦流形成体の外周部にガス媒体に渦流を発生させる螺旋溝を設けた、ことを特徴とする請求項１に記載の放熱器。
3. 前記チューブの外周部に螺旋状の小さいフィン部を設けた、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱器。
4. チューブと、放熱フィンと、を備える凝縮器ユニットにおいて、
   前記凝縮器ユニットが過冷却器を有し、
   前記過冷却器が、
   略円筒状のチューブと、
   前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、
   前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から前記放熱フィンに伝熱させる、
   ことを特徴とする凝縮器ユニット。
5. 圧縮機と、凝縮器ユニットと、減圧装置と、蒸発器とを備え、
   前記凝縮器ユニットが過冷却器を有し、
   前記過冷却器が、
   略円筒状のチューブと、
   前記チューブ内流路の一端側に配置され、前記チューブ内流路の一端側から他端側に向けて流れるガス媒体に渦流を発生させる渦流形成体と、を備え、
   前記渦流形成体を通過したガス媒体を前記チューブの内壁面に沿って螺旋状に流してガス媒体の熱を前記チューブの外壁面から放熱させる、
   ことを特徴とする冷凍サイクル。

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