JPH06307738A - 非共沸混合冷媒用凝縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍
サイクルでは、従来の凝縮器を用いると完全に液化する
ことができず、凝縮器が大きくなる、エネルギー効率が
低下する、膨張弁での冷媒音が大きくなるという課題を
解決することである。 【構成】冷媒ガスは冷媒入口５から入り、冷媒出口６か
ら液化して出る。凝縮器は、フィン２に伝熱管１を貫通
させたクロスフィンチューブ形熱交換器であり、冷媒出
口６付近に、高性能フィン３を用いて、非共沸混合冷媒
の凝縮完了を早め、凝縮器の大きさを従来の単一冷媒並
みとなるように構成している。 【効果】非共沸混合冷媒の凝縮完了点付近の凝縮促進を
図った結果、凝縮器の大きさを単一冷媒と同様にでき、
ＣＯＰの低下を防止し、膨張弁から発生する冷媒音を低
減させる効果を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２種類以上の冷媒を混
ぜ合わせた非共沸混合冷媒を作動媒体とする冷房専用空
調機の室外ユニット内に設置される凝縮器、あるいは冷
暖房兼用空調機の室内または室外に設置される熱交換器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在のルームエアコンやパッケージエア
コンに用いられているクロスフィンチューブ形熱交換器
の凝縮器に関して、非共沸混合冷媒を用いるために特別
に工夫した従来例は見られない。

【０００３】しかし、バイナリー発電システムに用いら
れるプレート式熱交換器に関しては、特開平４−２９８
６０６号公報に示されるような公知例がある。特開平４
−２９８６０６号公報に記載のプレート式熱交換器にお
いては、高沸点成分濃度の高い液を凝縮器入口より噴射
して、低沸点成分ガスの凝縮を促進させようとするもの
である。このような大きなシステムでは、噴射装置のよ
うな付加的機能をつけることもできるが、本発明で対象
としているエアコンでは、噴射装置を付けることは困難
である。

【０００４】さらに、特公平４−２９８４２号公報によ
れば、凝縮器で凝縮しきらなかった成分を気液分離器に
よって分離し、このガスをもう一度凝縮器の入口に戻す
ことが明らかにされている。しかしこれも、発電システ
ム中の凝縮器に関する工夫であって、これをそのまま空
調機用凝縮器に適用するのは難しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、特開
平４−２９８６０６号公報、特公平４−２９８４２号公
報に示される従来技術では、エアコン用の凝縮器に適用
することは困難なものであった。エアコン用の凝縮器に
おいては、非共沸混合冷媒の凝縮過程について次に述べ
るように、問題点があった。

【０００６】図６は、２成分系の気液平衡線図を示す図
であるが、あるモル成分比の蒸気は、温度が低下する
と、図６中に示される点Ａで凝縮を開始する。ところが
凝縮液の成分は、ＢＤを経過し、高沸点のモル成分比が
高くなっている。反対に蒸気で残る成分は、ＡＣを通る
ので、低沸点のモル成分比が高くなっている。つまり、
凝縮しにくい低沸点成分は、凝縮が進むにつれて、濃く
なり、ますます凝縮しにくくなることが分かる。

【０００７】さらに、凝縮開始点Ａと、凝縮完了点Ｄで
は温度差があり、凝縮温度が次第に低下していく。図７
は、凝縮器内の冷媒流れ方向を横軸にとり、縦軸に温度
をとって、冷媒温度の変化を表わした図である。混合冷
媒は、図７中にａで示されるように凝縮が進行すると、
温度が低下していく傾向がある。これに対し、単一冷媒
では、圧力が一定な限り凝縮完了点まで同一温度を保っ
ている。その結果、冷却空気温度をｃとすると、凝縮完
了点では、混合冷媒と冷却空気との温度差は、ΔＴａに
なるが、単一冷媒と冷却空気との温度差はΔＴｂであ
る。ΔＴａはΔＴｂより小さいので、混合冷媒の凝縮器
としての性能は低下し、必要な凝縮器の寸法が大きくな
るという第１の問題点がある。

【０００８】第２の問題点は、図８に示すように、凝縮
が進行するにつれて、潜熱が次第に大きくなっていくこ
とである。単一冷媒の潜熱は、凝縮開始から完了するま
で、一定（図８中に直線ｂで示す）である。これに対
し、混合冷媒では、凝縮する気相の成分がＡＣのように
変化し、それに伴って、潜熱が大きくなる方向に変化す
る。潜熱が大きくなるということは、より多くの熱を奪
わないと凝縮が進まないことを意味する。第１の問題で
述べたように、温度差が小さいところで、潜熱が大きく
なるので、なお必要な凝縮器寸法が大きくなる。

【０００９】第３の問題点は、図９に示すように、凝縮
完了点近傍で熱伝達率が急激に低下することである。特
に液域になってからの熱伝達率は著しく小さく、サブク
ール（以下、過冷却度ともいう）をとるために、必要な
凝縮器寸法は、かなり大きくなる。しかも、液の中に残
った低沸点成分の蒸気はなかなか消えず、いつまでも気
泡まじりの液となっていることが多い。これがそのまま
膨張弁に到ると、大きな冷媒音を発生する原因となる。

【００１０】以上述べてきたように、温度差が小さい、
潜熱が大きい、熱伝達率が小さいという３つの原因によ
って、非共沸混合冷媒の凝縮器では、なかなか凝縮が完
了せず、凝縮を完了させて、ある程度のサブクールをつ
けるためには、単一冷媒に比べて約１０％程度の凝縮器
の寸法増大が必要であると試算されている。

【００１１】本発明の目的は、非共沸混合冷媒を用いた
場合でもクロスフィンチューブ形熱交換器の凝縮器に適
用することのできる非共沸混合冷媒用凝縮器を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の非共沸混合冷媒用凝縮器は、２種類以上の
冷媒を混ぜ合わせた非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイク
ルの凝縮器であって、乾き度の高い冷媒上流側のフィン
より、乾き度の低い冷媒下流側のフィンを高性能のフィ
ンで構成したことを特徴とするものである。

【００１３】又、２種類以上の冷媒を混ぜ合わせた非共
沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器であって、乾
き度の高い冷媒上流側の伝熱管より、乾き度の低い冷媒
下流側の伝熱管をより直径の小さな伝熱管で構成したこ
とを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】上記のように構成しているので、非共沸混合冷
媒凝縮器の凝縮完了点付近で、低沸点冷媒の凝縮がなか
なか完了せず、いつまでも気泡として残ってしまうとい
う従来の課題に対して、第１の手段では、凝縮器の冷媒
下流側、すなわち凝縮完了点付近のフィンを高性能フィ
ン３として、凝縮完了を促進させているので、冷却空気
との温度差が小さくなっても、十分な交換熱量を確保す
ることができ、凝縮完了点を早めることができる。その
結果、単一冷媒の場合と同じ大きさの凝縮器で凝縮を完
了させることができる。

【００１５】又、第２の手段では、凝縮器の冷媒下流
側、すなわち凝縮完了点付近の冷媒側熱伝達率を向上さ
せるために、細径伝熱管４を凝縮完了点付近に使用し、
凝縮完了を促進させているので、流速が大きくなるため
に、図９に示した凝縮熱伝達率αｓおよび液の熱伝達率
αｌが向上して、凝縮完了点が早くなり、残り易い低沸
点成分の気泡も、細径管によって生じる高流速と撹拌作
用によって、早く凝縮液となることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の非共沸混合冷媒凝縮器をルー
ムエアコン、あるいはパッケージエアコンに適用した場
合を一例にとり、本発明の実施例ついて説明する。

【００１７】本発明の第１の実施例を図１により説明す
る。図１は、本実施例の非共沸混合冷媒凝縮器正面図で
ある。

【００１８】図１に示すように、非共沸混合冷媒のガス
は、フィン２を設けられた伝熱管１内を冷媒入口５から
流入し、液化して冷媒出口６から流出する。これに対し
冷却空気はほぼフィン２に沿うように、すなわち、伝熱
管１に垂直に流れている（図示せず）。冷媒入口５から
流入した過熱ガスは、フィン２の間を流れる冷却空気に
より次第に冷却され、飽和域に到る。飽和域では、非共
沸混合冷媒であるため、図７のａで示すように次第に温
度が低下しながら凝縮が進行していく。凝縮完了時の冷
却空気との温度差は、単一冷媒の場合ΔＴｂであるが、
非共沸混合冷媒の場合は、ΔＴａに減ってしまう。

【００１９】さらに図８に示すように、凝縮が進行する
につれて、潜熱が増加する傾向がある。単一冷媒の場合
には、凝縮開始点から、凝縮完了点までは潜熱は一定
（図８中にｂで示す）であるが、非共沸混合冷媒の場合
には、ａで示すように潜熱が次第に大きくなる。この原
因は、図６に示すように、凝縮が進行するにつれて、気
相のモル成分比がＡＣの上、すなわち曲線ｇの上のよう
に変化するからである。

【００２０】さらに図９に示すように、冷媒側の熱伝達
率の低下が考えられる。凝縮が進行するにつれ、液量が
多くなり、流速が小さくなるため、凝縮域でも熱伝達率
はαｓのように低下するが、凝縮が完了し液域になると
さらに熱伝達率はαｌまで低下する。

【００２１】このような３つの要因により、非共沸混合
冷媒は、単一冷媒より凝縮しにくく、凝縮完了点が冷媒
流れ方向の下流側にずれる傾向がある。図１０は、横軸
に凝縮部伝熱管長さ、縦軸に乾き度をとって、非共沸混
合冷媒（図１０中にａで示す）と単一冷媒（図１０中に
ｂで示す）の変化を示す。非共沸混合冷媒の方が、乾き
度０となるまでに必要な伝熱管長が長くなっている。す
なわち必要な凝縮器の寸法は大きくなってしまう。

【００２２】これを解決するために本実施例の非共沸混
合冷媒用凝縮器では、図１に示すように、冷媒上流側で
は通常のフィン２を用い、冷媒下流側では高性能フィン
３を用いている。すべてのフィンを高性能フィン３で構
成することも考えられるが、高性能フィンは通常通風抵
抗も増大し、その結果騒音も大きくなるという欠点があ
る。また、この凝縮器を、ヒートポンプの室外熱交換器
として用いた場合、冬期の暖房運転時には、フィンに着
霜することがある。高性能フィンには、霜が付着し易
く、霜による目詰りが起こり易いという欠点があるため
組み合わせるのが好ましい。以上のことから、本実施例
では、図１に示すように高性能フィン３を用いる範囲を
冷媒下流側の必要最小限度の領域に限定している。

【００２３】本発明の第２の実施例を図２から図４によ
り説明する。図２は、本実施例の非共沸混合冷媒凝縮器
正面図、図３、図４はそれぞれ伝熱管の横断面図であ
る。

【００２４】本実施例の非共沸混合冷媒用凝縮器におい
ては、図２に示すように、冷媒入口側は、通常の径の伝
熱管１とし、冷媒出口付近のみ、細径管４を用いたこと
を特徴としている。これらの伝熱管は、平滑管でも良い
が、図３、図４に示すような内面溝付管を用いることが
望ましい。図３、図４において、１が通常の径の内面溝
付管であり、４がそれよりも細径の細径内面溝付管であ
る。

【００２５】その理由を図９を用いて説明する。凝縮開
始点近傍では、ガスの占める割合が多く流速が高いた
め、細径管にすると圧力損失が増大するので、通常の伝
熱管１とし、凝縮完了点付近になると液の占める割合が
増大し、流速も小さくなるので、細径管４にすることに
より、凝縮熱伝達率αｓ、液域の単相流熱伝達率αｌを
向上させることができる。液域に近い領域では、細径管
にしてもまだ流速が低いので、圧力損失が増大すること
を気にする必要はない。

【００２６】以上述べたように、第１の実施例、第２の
実施例のように構成することにより、非共沸混合冷媒の
凝縮器の性能が向上し、単一冷媒とほぼ同一の大きさの
凝縮器で、所定のサブクールを得ることができる。

【００２７】図５は、本発明の第３の実施例であり、パ
イプ列を２列に配管して凝縮器を構成してもよく、上記
した実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、非
共沸混合冷媒の凝縮過程において、凝縮完了点近傍での
凝縮性能を改善でき、単一冷媒とほぼ同一の体積で所定
のサブクールを得ることができるようになった。

【００２９】その結果、主として、凝縮器の体積を単一
冷媒の場合と同じに押えることができるので、ユニット
の寸法を大きくしないで済む効果がある、サイクル全体
の効率（ＣＯＰともいう）を低下させないで済む効果が
挙げられる。

【００３０】さらに二次的効果としては、膨張弁前で十
分なサブクール（過冷却度）を得ることができるので、
膨張弁で発生する冷媒音を小さくできるという利点を得
ることができる効果がある。

【００３１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である非共沸混合冷媒用
凝縮器の正面図である。

【図２】本発明の第２の実施例である非共沸混合冷媒用
凝縮器の正面図である。

【図３】図２に示す伝熱管１の横断面図である。

【図４】図２に示す細径伝熱管４の横断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例である非共沸混合冷媒用
凝縮器の側面図である。

【図６】非共沸混合冷媒の気液平衡線図である。

【図７】凝縮器内冷媒流れ方向の冷媒温度変化を示す図
である。

【図８】凝縮部長さに沿った冷媒の潜熱の変化を示す図
である。

【図９】凝縮部長さに沿った冷媒熱伝達率の変化を示す
図である。

【図１０】凝縮部伝熱管長さに沿った乾き度の変化を示
す図である。

【符号の説明】

１…伝熱管、２…フィン、３…高性能フィン、４…細径
伝熱管、５…冷媒ガス入口、６…冷媒液出口、７…冷却
空気入口、８…冷却空気出口。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２５Ｂ 1/00 ３９５ Ａ 8919−3Ｌ (72)発明者 松嶋 弘章 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２種類以上の冷媒を混ぜ合わせた非共沸混
   合冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器であって、乾き度
   の高い冷媒上流側のフィンより、乾き度の低い冷媒下流
   側のフィンを高性能のフィンで構成したことを特徴とす
   る非共沸混合冷媒用凝縮器。
2. 【請求項２】２種類以上の冷媒を混ぜ合わせた非共沸混
   合冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器であって、乾き度
   の高い冷媒上流側の伝熱管より、乾き度の低い冷媒下流
   側の伝熱管をより直径の小さな伝熱管で構成したことを
   特徴とする非共沸混合冷媒用凝縮器。