JPH0480572A - 冷媒蒸発，凝縮用熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えばヒートポンプ、冷凍機に適用する冷媒
蒸発、凝縮用熱交換器に関するものである。

（従来の技術） 従来、第６図に示すヒートポンプは公知である。

このヒートポンプは圧縮機１１と冷媒凝縮用熱交換器で
ある凝縮器１２と膨張弁１３と冷媒蒸発用熱交換器であ
る蒸発器１４とを含むクローズトループで構成されてい
る。

そして、圧縮機１１により冷媒を断熱圧縮して、高圧、
高温ガス状態で吐出し、凝縮器（向流型）１２により器
内を流通する水との間で熱交換を行わせている。すなわ
ち、冷房運転時には器内の水により冷媒を冷却し、暖房
運転時には冷媒により器内の水を昇温させ、いずれの運
転時においても冷媒自身は熱を奪われ、凝縮して、冷却
された後、高圧状態で膨張弁１３に至る。

さらに、この高圧液体状態の冷媒を膨張弁１３にて絞り
、膨張により降圧させて、低温ガス、液２相状態とし、
これを蒸発器（向流型）１４にて、器内を流通する水と
の間で熱交換させる。この場合は、上記とは逆に冷房運
転時には器内の水を冷媒により冷却し、暖房運転時には
器内の水により冷媒を蒸発させ、この蒸発した冷媒を圧
縮機１１に吸込ませ、以下、冷媒を循環させて上記同様
の繰返しとなる。

また、蒸発器】４の出側に冷媒温度検出可能に感温手段
１５が設けてあり、膨張弁１３の開度の調整をこの感温
手段１５からの信号に基づいて行い、蒸発器１４の出側
での冷媒がガス状態になるように形成しである。

（発明が解決しようとする課題） 上記装置では、設置場所、例えば機械室内スペースの高
さに制限があることが多く、凝縮器！２゜蒸発器１４と
して縦形のものを採用することができない。即ち、凝縮
器１２．蒸発器１４が縦形の場合は、必要とする凝縮、
蒸発能力を具備させようとすれば全高が過大となり、室
内の高さ制限に合わせれば上記能力が不十分となる。一
方、凝縮器１２．蒸発器１４が横形の場合には以下の問
題が生じる。

まず蒸発器１４では、冷媒が気液２相状態で流入し、器
内で冷媒が水により蒸発し、水は冷却される。また、蒸
発器１４の出口は膨張弁１３により過熱度０〜５℃の状
態になるように調整される。

第７図は蒸発器１４が横形の場合の一例を示し、冷媒入
口１６と冷媒出口Ｉ７との間に入口空間１８、出口空間
１９を介して熱源水用流通空間２０を形成する二つの仕
切板２１．２２間に多数の伝熱管２３が並設してあり、
流通空間２０の箇所には水を冷媒の流れとは逆方向に流
すように水入口２４、水出口２５が設けである。

第８図は、この蒸発器１４におけるクォリティ（冷媒中
のガスの重量比率）に対する局所境膜伝熱係数（Ｋｃａ
ｌ／ｍ”−ｈｒ　・”Ｃ）の変化を示し、実線による曲
線は冷媒の流速が大、−点鎖線による曲線は冷媒の流速
が小の場合の例であって、横軸上のＸ、Ｙ点は第７図中
の仕切板２１．２２の位置での冷媒の状態にそれぞれ対
応する。

図示するように、クォリティの低い気液２相状態におけ
る伝熱係数は大きいが、クォリティが１．０の状態（完
全に蒸発した状態）に近付くと伝熱係数は急激に低下し
て単相ガスにおける小さい値（第８図中Ｚ点で示す。）
となる。それでも冷媒の流速が大の場合は比較的高クォ
リティまで高い伝熱係数を維持しているが、流速が小の
場合は伝熱管２３の内壁面より冷媒液が剥離したドライ
アウトの状態になり易く、低クォリティの状態から伝熱
係数の低下現象が生じる。

また、蒸発器１４が横形の場合は、入口空間１８での冷
媒が気液２相の状態にあるため、各伝熱管２３への冷媒
の均等な分配は不可能で、分配が不均一になると上述し
たドライアウト現象による伝熱係数の減少、即ち熱交換
性能低下がさらに著しくなる。

次に、凝縮器１２について、冷媒として非共沸混合冷媒
（以下、混合冷媒という）を用いた場合における等圧下
での凝縮過程を第９図に示す気液平衡線図を用いて説明
する。

この第９図は、横軸に低沸点冷媒Ａに対する高沸点冷媒
Ｂの組成比（モル比）Ｘを、縦軸に温度Ｔを示し、曲線
Ｉは飽和ガス状態を示す気相線、曲線■は飽和液状態を
示す液相線で、混合冷媒の場合は、飽和ガス温度と飽和
液温度が異なるため、上記二曲線が存在することになる
。

凝縮器１２の入口冷媒温度は通常過熱ガス状態にある故
、第９図中ａ点の状態で凝縮器１２に流入し、凝縮時に
おける気液２相が同一温度にあるとした場合は、凝縮は
ｂ点にて開始し、０点にて終了する。

第１Ｏ図は、凝縮器１２が横形の場合の伝熱管２６内に
おける気液２相状態の冷媒の流動状況を示し、冷媒の流
速が小さい場合には、下部に冷媒液りが、上部に未凝縮
状態の冷媒ガスＧが存在する状態で流動する。この２相
に分離した状態では、第９図において冷媒ガスＧは低沸
点冷媒Ａの組成比が上記凝縮開始以前より増大した、い
わゆる低沸点リッチなｄ点の状態のガスに、冷媒液りは
高沸点冷媒Ｂの組成比が上記凝縮開始以前より増大した
、いわゆる高沸点リッチなｅ点の状態の液となっている
。そして、この低沸点リッチなガスを凝縮させるために
は、ｄ点から液相線■上のｆ点まで温度降下させる過程
が必要であり、この温度降下のために上記高沸点リッチ
な液はｅ点からｇ点の状態に至って過冷却され、凝縮器
１２の出口より、１２２点の状態の液が一緒になりｈ点
の状態となって過冷却液として流出する。

このように、凝縮した冷媒を過冷却する場合は、単相液
の場合の伝熱係数で伝熱が行われ、全体的に単相液の場
合の伝熱係数に近い値になる結果、混合冷媒を使用しな
い通常の凝縮伝熱の場合と比較すると過冷却のために大
巾に伝熱係数が小さくなり、熱交換性能が低下するとい
う問題がある。

本発明は、上記従来の問題点を課題としてなされたもの
で、熱交換性能の向上を可能とした冷媒蒸発、凝縮用熱
交換器を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、本発明は、冷媒の流れ方向
に対して上流側に位置させた横形部と、この横形部の下
流側に位置させて、冷媒中の気体重量比が増大する方向
に上向きになるように配置した縦形部とから形成した。

（作用） 上記のように形成することにより、蒸発器の場合には低
流速下でも高クォリティ域でのドライアウト現象がなく
なり、凝縮器の場合には凝縮が進行した状態でも過冷却
が抑制される。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第１図は、本発明に係る熱交換器の第１実施例である蒸
発器ｌを示し、冷媒の流れ方向に対して上流側に位置さ
せた横形部２と、この横形部２の下流側に冷媒流路３を
介して連続的に位置させた縦形部４とから形成しである
。また、第１図において、横形部２の左端部に冷媒入口
５を、縦形部４の上端部に冷媒出口６を設ける一方、熱
源水については縦形部４上部に設けた水入ロアより流入
させて下部より流出させ、横形部２に右方より流入させ
左方に設けた水出口８より流出させて、冷媒とは逆方向
に流すように形成しである。そして、気液２相の状態で
冷媒人口５より流入した冷媒を、横形部２から縦形部４
へと流す過程で蒸発させて冷媒出口６より流出させるよ
うになっており、縦形部４は冷媒中の気体重量比が増大
する方向に上向きの配置となっている。

斯る構成により、横形部２では、その出口でのクォリテ
ィを低くでき、低流速下でもドライアウト現象は生じる
ことはなく、高伝熱係数が得られ、また高クォリティ域
は縦形部４となっているため、横形にした場合の如く、
重力による上述した伝熱管壁からの冷媒液の剥離はなく
、ドライアウト現象が生じ難くなり、伝熱低下を抑制で
きるようになっている。従って、横形部２と縦形部４と
の組合せにより全体として伝熱係数は高くなる。

第２図は、蒸発器出口でのクォリティと横形蒸発器の総
括伝熱係数と関係の測定結果を縦形の蒸発器についての
測定値に対する比で示したもので、○印は第６図に示す
蒸発器１４と同様の横形のものの測定値で、曲線は○印
に沿って引いたものである。

この測定結果によれば、従来の横形蒸発器１４では出口
クォリティを０．９とした場合、総括伝熱係数比は約０
．６である。横形部２と縦形部４とを組合わせた本実施
例では、例えば横形部２の出口クォリティを０．７５と
すると、横形部２での総括伝熱係数比は約１．４となる
。この場合、横形部２と縦形部４の熱量割合は入口クォ
リティを０．１とすると約６５：１５となり、平均の総
括伝熱係数比は約１．３となり、従来の横形蒸発器１４
の場合に比して伝熱性能が約２倍向上する。

次に、第３図は本発明に係る熱交換器の第２実施例であ
る凝縮器１ａを示し、第１図に示す蒸発器ｌと同様に横
形部２ａ、冷媒流路３ａ、縦形部４ａ。

冷媒人口５ａ、冷媒出口６ａ、冷水入ロアａ、および冷
水出口８ａが設けである。但し、本実施例では、蒸発器
１とは逆に冷媒人口５ａより流入した冷媒を、横形部２
ａから縦形部４ａへと流す過程で凝縮させて、冷媒出口
６ａより流出させるものであり、冷媒中の気体重量比が
増大する方向に上向きの配置とするために、縦形部４ａ
は冷媒の流れ方向に対して下向きとなっている。

そして、斯る構成により、横形部２ａの出口での冷媒は
未凝縮ガスを多く残した状態にあり、上述の如く過冷却
による伝熱低下は僅かとなる。

一方、縦形部４ａでは第４図に示すように、伝熱管９内
の冷媒液りは重力で落下するため、冷媒液りと冷媒ガス
Ｇとが混合しながら下方に流れるようになり、このため
上述の如く過冷却は殆ど生じることはなく、高クォリテ
ィ域における横形部２ａと同等の高い伝熱性能が保たれ
る。

このように、全体として過冷却が生じない理想的状態に
近い凝縮を行わせることにより凝縮器ｌａの伝熱性能は
高いものとなる。

第５図は上記凝縮器１ａと第１θ図に示す伝熱管２６を
用いた横形の凝縮器とについて冷媒の質量速度ｃＲ＝５
９（ｋｇ／ａ″・Ｓ）の場合における凝縮器出口過冷却
（’Ｃ）と凝縮器境膜伝熱係数との関係の測定結果を出
口過冷却が０℃の場合との比として示す。

この結果によれば、従来の横形凝縮器の場合には出口部
に過冷却が生じる故に急激に伝熱性能の低下を示し、１
．５℃程度の過冷却でほぼ一定値となる。この一定値は
、単相の液として求めた伝熱性能とほぼ一致する。これ
に対して、第３図に示す凝縮器１ａの場合は出口部に過
冷却は殆ど生じないため、横形部、縦形部ともに過冷却
θ℃での性能レベル以上の性能が得られ、従来のものに
比して約５０％の性能向上となる。

なお、第１．第２実施例では横形部２．２ａと縦形部４
．４ａとを別個に形成したものを示したが、本発明はこ
れに限るものでなく、第１図、第３図中２点鎖線で示す
ように一体的に形成した熱交換器も含むものである。

また、本発明はチューブ式、プレート式、プレートフィ
ン式のいずれかの形式かは問わない。

さらに、以上の説明は熱交換器内にて冷媒と水が対向流
のものについて行っているが、本発明は対向流や並行流
等冷媒と水との流れ方向に拘らず適用されるものである
。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明によれば、冷媒
の流れ方向に対して上流側に位置させた横形部と、この
横形部の下流側に位置させて、冷媒中の気体重量比が増
大する方向に上向きになるように配置した縦形部とから
形成しである。

このため、本発明を蒸発器に適用した場合には、高クォ
リティ域でも伝熱面からの冷媒液の剥離をなくし、ドラ
イアウト現象の発生を防ぎ、また凝縮器に適用した場合
には、全体にわたって過冷却を殆ど生じなくなり、いず
れにおいても高い伝熱性能を得ることができるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る蒸発器の正面図、第
２図は総括伝熱係数の測定結果を示す図、第３図は本発
明の第２実施例に係る凝縮器の正面図、第４図は縦形部
の伝熱管の部分断面図、第５図は伝熱係数の測定結果を
示す図、第６図はヒートポンプの全体構成図、第７図は
横形蒸発器の断面図、第８図はクォリティと伝熱係数の
関係を示す図、第９図は混合冷媒の気液平衡線図、第１
θ図は横形凝縮器の伝熱管の断面図である。 １・・・蒸発器、ｌａ・・・凝縮器、２，２ａ・・・横
形部、３．３８・・・冷媒流路、４，４ａ・・・縦形部
。 特許出願人　スーパーヒートポンプ・エネルギー集積シ
ステム技術研究組合 代　理　人　弁理士　青　山　　葆　はか１名第２図 ０８　　　　　　ｏ９ 星ｔＵ出ロクオリティ 襖３図 ′、疑縮縮型ロ邊冷蝉Ｔ’Ｃ） 第６図 第７図 クオリティ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷媒の流れ方向に対して上流側に位置させた横形
   部と、この横形部の下流側に位置させて、冷媒中の気体
   重量比が増大する方向に上向きになるように配置した縦
   形部とから形成したことを特徴とする冷媒蒸発、凝縮用
   熱交換器。