JP6907427B2 - 熱交換器および冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を液化させる冷媒液化素子、それを用いた冷媒液化器、熱交換器および冷凍サイクルに関する。

従来、多数枚のフィンを平行に並べて、これらフィン間に蛇行式のチューブを貫通させて構成した、いわゆるフィンアンドチューブ形の凝縮器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一般に、凝縮器は、冷凍サイクルに組み込まれて使用される。
例えば凝縮器にあっては、過冷却器を組み込んで、冷凍サイクルの効率を向上させたものが提案されている。

特開２０１５−１３１７号公報

しかしながら、従来の凝縮器にあっては、冷凍サイクルの効率の向上が十分に図れていない、という課題があった。
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷凍サイクルの効率の向上と、小型化が図れる冷媒液化素子、それを用いた冷媒液化器、熱交換器および冷凍サイクルを提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、フィンと、複数のチューブと、出口側のチューブに挿入される冷媒液化素子と、を備え、この冷媒液化素子は、素子本体と、前記素子本体の外周部に設けられ冷媒を旋回させて流す螺旋溝部と、前記素子本体の内周部に設けられ冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構と、を備える、ことを特徴とする。
本発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおいて、前記凝縮器は出口側のチューブに挿入された冷媒液化素子を備え、この冷媒液化素子は、素子本体と、前記素子本体の外周部に設けられ冷媒を旋回させて流す螺旋溝部と、前記素子本体の内周部に設けられ冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構と、を備える、ことを特徴とする。
本発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおいて、前記凝縮器と前記減圧装置の間に接続される管体と、この管体に挿入される冷媒液化素子と、を備え、この冷媒液化素子は、素子本体と、前記素子本体の外周部に設けられ冷媒を旋回させて流す螺旋溝部と、前記素子本体の内周部に設けられ冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構と、を備える、ことを特徴とする。

これら本発明では、冷媒液化素子が外周部に冷媒を旋回させて流す螺旋溝部を備えるため、出口側のチューブ内の流れは旋回流となり、チューブ内壁面を通じた、フィンの放熱量が増す。また、内周部に冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構を備えたため、冷媒が減圧されて、低温化し本体が冷却され、冷媒の過冷却度が進む。

本発明では、冷媒液化素子が外周部に冷媒を旋回させて流す螺旋溝部を備えるため、出口側のチューブ内の流れは旋回流となり、チューブ内壁面を通じた、フィンの放熱量が増す。また、内周部に冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構を備えたため、冷媒が減圧されて、低温化し本体が冷却され、冷媒の過冷却度が進む。

図１は一実施形態による冷凍サイクルを示す図である。 図２は冷媒液化器の構造を示す図である。 図３は別実施形態による冷媒液化器を示す図である。 図４は別実施形態による冷凍サイクルを示す図である。 図５は凝縮器の出口側のチューブの構造を示す図である。

図１は、冷凍サイクルを示す。
符号１は圧縮機であり、圧縮機１の吐出口にはフィンアンドチューブ形の凝縮器２が接続されている。この凝縮器２には減圧装置３が接続され、減圧装置３にはフィンアンドチューブ形の蒸発器４が接続されている。
この蒸発器４は圧縮機１の吸込み口に接続されている。

凝縮器２は、複数本（本実施形態では５本）の真直なチューブ２１〜２５と、複数枚の放熱フィン２７、２７、２７…とを備えている。チューブ２１〜２５は、蛇行式のチューブであり、この蛇行式のチューブは入口側のチューブ２１と出口側のチューブ２５と中央部のチューブ２２〜２４とで構成される。入口側のチューブ２１は接続管２８に連結されている。チューブ２１の出口はベント５１を介してチューブ２２の入口に接続され、チューブ２２の出口はベント５２を介してチューブ２３の入口に接続されている。チューブ２３の出口はベント５３を介してチューブ２４の入口に接続され、チューブ２４の出口はベント５４を介してチューブ２５の入口に接続されている。チューブ２５の出口は接続管２９に連結されている。
符号８１は、凝縮器用ファンである。

凝縮器２には接続管２９を介して冷媒液化器１００が接続され、冷媒液化器１００には接続管３０を介して減圧装置３が接続されている。冷媒液化器１００は液ラインに接続されている。減圧装置３には接続管３１を介して蒸発器４が接続されている。
蒸発器４は、複数本（本実施形態では５本）の真直なチューブ４１〜４５と、複数枚の放熱フィン４７、４７、４７…とを備えている。チューブ４１〜４５は、蛇行式のチューブであり、この蛇行式のチューブは入口側のチューブ４１と出口側のチューブ４５と中央部の複数のチューブ４２〜４４とで構成される。入口側のチューブ４１は接続管３１に連結されている。チューブ４１の出口はベント６１を介してチューブ４２の入口に接続され、チューブ４２の出口はベント６２を介してチューブ４３の入口に接続されている。チューブ４３の出口はベント６３を介してチューブ４４の入口に接続され、チューブ４４の出口はベント６４を介してチューブ４５の入口に接続されている。チューブ４５の出口は接続管３２を介して圧縮機１に連結されている。
符号８３は、蒸発器用ファンである。

図２Ａ、図２Ｂは、冷媒液化器１００を示す。
冷媒液化器１００は、円筒状の管体１１０を備え、管体１１０の両端には、連結具１０１、１０２が設けられている。連結具１０１は接続管２９に連結され、連結具１０２は接続管３０に連結されている。
管体１１０の内周には冷媒液化素子１０５が篏合されている。
冷媒液化素子１０５は中空状の素子本体１７２を備え、素子本体１７２の外周部には、冷媒を旋回させて流すための螺旋溝部１７３を備えている。螺旋溝部１７３は上流から下流に向けてほぼ等ピッチＰで、素子本体１７２のほぼ全域に亘って設けられている。素子本体１７２の下流側部分の、螺旋溝部１７３が形成されない部分には、図２Ｂに示すように、貫通孔１７９が形成されている。
冷媒液化素子１０５は、素子本体１７２のランド部１７４を管体１１０の内周面に密着して配置される。冷媒液化素子１０５が管体１１０の内周面に配置されると、ランド部１７４とランド部１７４との間に螺旋溝部１７３が形成される。この螺旋溝部１７３は断面が矩形状である。

素子本体１７２の内周部には、冷媒を減圧膨張させて流すための減圧膨張機構１７５を備えている。減圧膨張機構１７５は、素子本体１７２に設けた中空貫通孔である。冷媒は矢印Ｒの方向に流れる。中空貫通孔は、絞り孔１７６と、絞り孔１７６よりも内径が大きい膨張孔１７７とを備えている。中空貫通孔は、絞り孔１７６よりも内径が大きい入口孔１７８を備えている。

つぎに、本実施形態の作用、効果を説明する。
圧縮機１の駆動により、矢印Ｒで示す方向に冷媒が流れ、高温高圧のガス冷媒がフィンアンドチューブ形の凝縮器２に流入する。
このガス冷媒は凝縮器２により凝縮されて液化される。この凝縮器２から流出した液冷媒は、冷媒液化器１００に流れ込む。

本実施形態によれば、管体１１０に冷媒液化素子１７１が設けられる。そして、冷媒液化素子１７１が、素子本体１７２の外周部に冷媒を旋回させて流すための螺旋溝部１７３を備えるため、管体１１０の内壁面に接触する流れは旋回流となる。旋回流は、貫通孔１７９を通して、素子本体１７２の内周部に入り、減圧膨張機構１７５を経て減圧された冷媒と合流し、冷媒液化器１００から流出する。旋回流が、管体１１０の内壁面に接触して流れるため、管体１１０内壁面を通じた放熱量が増す。
冷媒液化素子１７１において、螺旋溝部１７３の冷媒の流れは、管体１１０内を上流から下流に向かう螺旋状の流れ（一次流れ）を生じる。また、螺旋溝部１７３の冷媒の流れは、螺旋溝部１７３の矩形の断面内を中心から辺に沿って互いに反対方向に回転する、一対の回転流れ（二次流れ）を生じる。
これにより管体１１０の内壁面を通じた、放熱フィン２７の放熱量が増し、冷媒が低温化して、冷媒の過冷却度が進む。

素子本体１７２の内周部には、冷媒を減圧膨張させて流すための減圧膨張機構１７５を備えている。したがって、冷媒が減圧されて、低温化し素子本体１７２を冷却して流れるため、これによって、冷媒の過冷却度が進む。
減圧膨張機構１７５が、冷媒液化素子１７１の素子本体１７２に設けた中空貫通孔であり、この中空貫通孔が、絞り孔１７６と、当該絞り孔１７６よりも内径が大きい膨張孔１７７とで構成されるため、簡単な構造により冷媒液化素子１７１を構成できる。
冷媒は、絞り孔１７６で絞られた後に、膨張孔１７７で膨張することにより、減圧膨張される。減圧膨張機構１７５の中空貫通孔は、上流に絞り孔１７６よりも内径が大きい入口孔１７８を備えている。
入口孔１７８の孔径の大きさを適宜に設定し、螺旋溝部１７３の溝幅の大きさに対する、入口孔１７８の大きさの比率を調整することにより、素子本体１７２の外周側の螺旋溝部１７３を流れる冷媒量と、素子本体１７２の内周側の減圧膨張機構１７５を流れる冷媒量とを調節でき、過冷却度を変更できる。

本実施形態によれば、素子本体１７２の外周側の螺旋溝部１７３を流れる冷媒量と、素子本体１７２の内周側の減圧膨張機構１７５を流れる冷媒量とが、２対１の割合となるように設定されている。なお、Ｄ１は、絞り孔１７６の内径、Ｄ２は、膨張孔１７７の内径、Ｄ３は、入口孔１７８の内径である。
冷媒液化器１００を経た冷媒は、減圧装置３で減圧され、フィンアンドチューブ形の蒸発器４に流入する。蒸発器４に流入した液冷媒は蒸発器４によりガス化し、このガス冷媒が圧縮機１の吸込み口に吸い込まれる。

上記実施形態では、図２Ｂに示すように、素子本体１７２に貫通孔１７９が形成されている。貫通孔１７９は、素子本体１７２の外周部を流れる螺旋流れの冷媒と、減圧膨張機構１７５を流れて減圧した冷媒と、を合流させるための孔である。ただし、この構成に限定されるものではない。例えば、図３に示すように、素子本体１７２の長さを短く形成し、素子本体１７２の下流側に、螺旋流れの冷媒と、減圧した冷媒とを合流させる合流部１８０を設けてもよい。

図４は、別の実施形態を示す。なお、図４では、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
凝縮器２は、複数本（本実施形態では５本）の真直なチューブ２１〜２５と、複数枚の放熱フィン２７、２７、２７…とを備えている。チューブ２１〜２５は、蛇行式のチューブであり、この蛇行式のチューブは入口側のチューブ２１と出口側のチューブ２５と中央部のチューブ２２〜２４とで構成される。入口側のチューブ２１は接続管２８に連結されている。チューブ２１の出口はベント５１を介してチューブ２２の入口に接続され、チューブ２２の出口はベント５２を介してチューブ２３の入口に接続されている。チューブ２３の出口はベント５３を介してチューブ２４の入口に接続され、チューブ２４の出口はベント５４を介してチューブ２５の入口に接続されている。チューブ２５の出口は接続管２９に連結されている。

接続管２９には減圧装置３が接続され、減圧装置３にはフィンアンドチューブ形の蒸発器４が接続されている。

別の実施形態の凝縮器２の構造を説明する。
図５に示すように、凝縮器２の出口側のチューブ２５には冷媒液化素子（過冷却器）７１が配置されている。冷媒液化素子７１は、直線状に形成された出口側のチューブ２５の入口側に、配置されている。冷媒液化素子７１の長さは任意であるが、チューブ内の流路抵抗を考慮して、該チューブ２５の長さの半分以下が望ましい。

冷媒液化素子７１は中空状の素子本体７２を備え、素子本体７２の外周部には、冷媒を旋回させて流すための螺旋溝部７３を備えている。冷媒液化素子７１は、素子本体７２のランド部７４をチューブ２５の内周面に密着して配置される。冷媒液化素子７１がチューブ２５の内周面に配置されると、素子本体７２のランド部７４とランド部７４との間に螺旋溝部７３が形成されるが、この螺旋溝部７３は断面が矩形状である。素子本体７２の内周部には、冷媒を減圧膨張させて流すための減圧膨張機構７５を備える。減圧膨張機構７５は冷媒液化素子７１の素子本体７２に設けた中空貫通孔である。冷媒は矢印Ｒで示す方向に流れる。中空貫通孔は絞り孔７６と絞り孔７６よりも内径が大きい膨張孔７７とを備える。中空貫通孔は絞り孔７６よりも内径が大きい入口孔７８を備える。

つぎに、本実施形態の作用、効果を説明する。
圧縮機１の駆動により、矢印Ｒで示す方向に冷媒が流れ、高温高圧のガス冷媒がフィンアンドチューブ形の凝縮器２に流入する。
このガス冷媒は凝縮器２により凝縮されて液化される。この凝縮器２から流出した液冷媒は、減圧装置３に流れ、減圧装置３で減圧されて、フィンアンドチューブ形の蒸発器４に流入する。この蒸発器４に流入した液冷媒は蒸発器４によりガス化し、このガス冷媒が圧縮機１の吸込み口に吸い込まれる。

本実施形態では、出口側のチューブ２５に冷媒液化素子７１が設けられ、この冷媒液化素子７１が、素子本体７２の外周部に冷媒を旋回させて流すための螺旋溝部７３を備えるため、出口側のチューブ２５内の流れは旋回流となり、チューブ２５内壁面を通じた、放熱フィン２７の放熱量が増す。
冷媒液化素子７１において、チューブ２５内の冷媒の流れは、チューブ２５内を上流から下流に向かう螺旋状の流れ（一次流れ）とともに、螺旋溝部７３の矩形の断面内を中心から辺に沿って互いに反対方向に回転する、一対の回転流れ（二次流れ）を生じ、これによりチューブ２５内壁面を通じた、放熱フィン２７の放熱量が増し、冷媒が低温化して、冷媒の過冷却度が進む。
また、素子本体７２の内周部には、冷媒を減圧膨張させて流すための減圧膨張機構７５を備えている。したがって、減圧膨張機構７５により冷媒が減圧され、低温化し素子本体７２が冷却され、冷媒の過冷却度が進む。

減圧膨張機構７５の中空貫通孔は、上流に絞り孔７６よりも内径が大きい入口孔７８を備えている。入口孔７８の孔径の大きさを適宜に設定し、螺旋溝部７３の溝幅の大きさに対する、入口孔７８の大きさの比率を調整することにより、素子本体７２の外周側の螺旋溝部７３を流れる冷媒量と、素子本体７２の内周側の減圧膨張機構７５を流れる冷媒量とを調節できる。この調節により、過冷却度を変更できる。本実施形態では、素子本体７２の外周側の螺旋溝部７３を流れる冷媒量と、素子本体７２の内周側の減圧膨張機構７５を流れる冷媒量とを、２対１の割合に設定されている。Ｄ１は、絞り孔７６の内径、Ｄ２は、膨張孔７７の内径、Ｄ３は、入口孔７８の内径である。

以上、一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。
上記実施形態では、図５において、チューブ２５内の素子本体７２は、入口孔７８を上流に向けて配置したが、入口孔７８を下流に向けて、逆組で配置してもよい。この場合には、矢印Ｒと逆の方向に冷媒が流れることとなる。膨張孔７７に入った冷媒は、絞り孔７６で減圧されて、入口孔７８で膨張する。
チューブ２５内の流れは螺旋溝部７３内で旋回流となるため、チューブ２５内壁面を通じた放熱量が増す。また、膨張孔７７に入った冷媒は、絞り孔７６で減圧されて、入口孔７８で膨張して流れるため、冷媒が減圧され、低温化し素子本体７２が冷却されて、冷媒の過冷却度が進むこととなる。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 減圧装置
４ 蒸発器
２１〜２５ 凝縮器のチューブ
４１ 蒸発器の入口側のチューブ
４２〜４４ 中央部のチューブ
４５ 出口側のチューブ
７１、１０５ 冷媒液化素子
７２、１７２ 素子本体
７３、１７３ 螺旋溝部
７５、１７５ 減圧膨張機構
７６、１７６ 絞り孔
７７、１７７ 膨張孔
７８、１７８ 入口孔
８１ 凝縮器用ファン
８３ 蒸発器用ファン
１００ 冷媒液化器
１１０ 管体

Claims (3)

1. フィンと、複数のチューブと、出口側のチューブに挿入される冷媒液化素子と、を備え、
   前記冷媒液化素子は、
   素子本体と、
   前記素子本体の外周部に設けられ冷媒を旋回させて流す螺旋溝部と、
   前記素子本体の内周部に設けられ冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構と、を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおいて、
   前記凝縮器は出口側のチューブに挿入された冷媒液化素子を備え、
   この冷媒液化素子は、素子本体と、前記素子本体の外周部に設けられ冷媒を旋回させて流す螺旋溝部と、前記素子本体の内周部に設けられ冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構と、を備える、
   ことを特徴とする冷凍サイクル。
3. 圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおいて、
   前記凝縮器と前記減圧装置の間に接続される管体と、この管体に挿入される冷媒液化素子と、を備え、この冷媒液化素子は、素子本体と、前記素子本体の外周部に設けられ冷媒を旋回させて流す螺旋溝部と、前記素子本体の内周部に設けられ冷媒を減圧膨張させて流す減圧膨張機構と、を備える、
   ことを特徴とする冷凍サイクル。

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