JP2006105525A - 超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】 超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器において冷媒側伝熱性能を向上する。
【解決手段】 超臨界状態にある冷媒（二酸化炭素）は、低粘度で、かつ、高熱伝導率であるという点に着目して、高圧側冷媒放熱器の冷媒側流路を内面に螺旋状溝１０ｂを形成したグルーブ管１０で構成する。また グルーブ管は非加熱流体を構成する箱体の外面上に巻回して接合されていて、この箱体の内部にヒートポンプ給湯器の給温水が流れる構成とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる、つまり、超臨界域で作動する超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器の伝熱性能向上に関するもので、ヒートポンプ給湯器における水加熱用熱交換器として好適なものである。

本発明者らは先に特許文献１においてこの種の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器を提案している。この特許文献１の高圧側冷媒放熱器は、水側流路を構成する薄型の箱体の外面上に、冷媒側流路を構成する断面丸形状のチューブを螺旋状に巻回して接合した構成になっている。

そして、薄型の箱体内部に波形に成形したコルゲート板を配置することにより、箱体内部の水側流路を多数の折り返し部を有する蛇行状の流路に形成し、水側の伝熱面積を飛躍的に増大し、これにより、高圧側冷媒放熱器の伝熱性能の向上を図っている。
特開２００３−３１４９７５号公報

上記従来技術は上記のごとく箱体内部の水側流路の形態を工夫して高圧側冷媒放熱器の伝熱性能を向上させているものであって、冷媒側流路を構成するチューブとしては内面が平滑面となっている断面丸形状の一般的な平滑管を用いているだけである。すなわち、上記従来技術では冷媒側の伝熱性能向上については特に考慮していない。

本発明は、上記点に鑑み、超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器において冷媒側伝熱性能を向上することを目的とする。

本発明では、超臨界状態にある冷媒の特徴に着目して上記目的を達成するための手段を案出している。

図８は超臨界式冷凍サイクルの冷媒として用いる二酸化炭素の気相状態、超臨界状態および液相状態における物性値を比較して示す。気相状態では図９（ａ）に示すように分子間距離が大きいので、熱伝導率が低いとともに、粘度も低い。

これに反し、液相状態では図９（ｃ）に示すように分子間距離が小さいので、熱伝導率が高いとともに、粘度も高くなる。

一方、超臨界状態は気相と液相の境界がなくなった状態を言う。この超臨界状態の特徴は、密度および粘度が気相状態に近似した低い値であるにもかかわらず、熱伝導率が気相状態の２倍以上の高い値を示すことにある。すなわち、超臨界状態では図９（ｂ）に示すように分子間距離が小さい部分が存在するため、熱伝導率が気相状態の２倍以上の高い値を示す。

このように超臨界状態にある二酸化炭素（冷媒）は、低粘度で、かつ、高熱伝導率であるという点に着目して、請求項１に記載の発明では、高圧側冷媒放熱器の冷媒側流路を内面に螺旋状溝（１０ｂ）を形成したグルーブ管（１０）で構成することを特徴としている。

冷媒側流路をグルーブ管で構成した場合の伝熱促進メカニズムを説明すると、グルーブ管内面に螺旋状溝（１０ｂ）を形成することにより、螺旋状溝（１０ｂ）の山谷の凹凸形状が冷媒流れに対して斜めに交差するので、超臨界状態の冷媒流れに積極的に乱れを形成できる。

ここで、冷媒がもし気相状態にあると、図９（ａ）に示すように分子間距離が大きくて熱伝導率が低いため、冷媒流れの乱れによる伝熱促進の効果が小さい。

これに反し、超臨界状態にある冷媒では熱伝導率が気相状態の２倍以上の高い値になるので、冷媒流れの乱れによる伝熱促進の効果が気相状態に比較して大幅に増大する。しかも、超臨界状態の冷媒粘度は気相状態と同等の低い値であるから、管内面の溝形状によって冷媒流れを積極的に乱しても冷媒側流路の圧力損失の上昇を僅少に抑制できる。

従って、超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器（１）において、超臨界状態にある高圧側冷媒の特徴を有効活用して、冷媒流れの乱れによる伝熱性能の大幅な向上と圧力損失の抑制とを巧く両立できる。

なお、グルーブ管（１０）が耐圧性確保のために厚肉構造であっても、螺旋状溝（１０ｂ）は転造加工等により容易に成形できる。

請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器において、前記グルーブ管（１０）は具体的には、断面円形の円管で構成すればよい。

請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器において、被加熱流体の流路を構成する箱体（２０）を有し、
前記グルーブ管（１０）は前記箱体（２０）の外面上に巻回して接合すればよい。

請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器において、前記箱体（２０）の内部に、前記被加熱流体の流路としてヒートポンプ給湯器の給湯水が流れる水側流路を構成すれば、ヒートポンプ給湯器における、伝熱性能に優れた水加熱用熱交換器を提供できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本実施形態によるヒートポンプ給湯器の水加熱用の高圧側冷媒放熱器１を示すもので、ヒートポンプ給湯器は冷凍サイクルの圧縮機４０から吐出された高温の高圧側冷媒により給湯水（水道水）を加熱し高温（例えば、８５℃〜９０℃程度）の温水を生成する。

なお、ヒートポンプ給湯器を構成する冷凍サイクルは、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界式冷凍サイクルとなっている。このような超臨界式冷凍サイクルは冷媒として例えば二酸化炭素を用いることにより構成できる。二酸化炭素以外に、エチレン、エタン、酸化窒素等を用いて超臨界式冷凍サイクルを構成することもできる。

水加熱用の高圧側冷媒放熱器１の基本構成は図１〜図３に示す通り前述の特許文献１と同じでよいので、簡単に説明する。高圧側冷媒放熱器１は、冷媒側流路を構成する冷媒チューブ１０と水側流路（被加熱流体の流路）を構成する薄型の箱体２０とにより構成される。

薄型の箱体２０は、矩形状のカップ形状（凹形状）にプレス成形された２枚の凹状板部材２１、２２を有し、この２枚の凹板部材２１、２２の周縁部を最中状に接合することにより形成される。この２枚の凹状板部材２１、２２の内部空間に波形にプレス成形されたコルゲート板３０を配置している。

このコルゲート板３０は水側の伝熱面積を増大するインナーフィンの役割を果たすと同時に、図４に示すように箱体２０の内部に蛇行状に屈折した水側流路を仕切る役割を果たす。２枚の凹状板部材２１、２２およびコルゲート板３０は熱伝導性に優れた金属である銅または銅合金にて構成される。

なお、図１に示すように、箱体２０の一端側（図示の上端側）に水側流路の入口２３が形成され、箱体２０の他端側（図示の下端側）に水側流路の出口２４が形成される。入口２３には図示しない電動水ポンプにより水道水が供給される。出口２４は図示しない貯湯タンクに接続され、高圧側冷媒放熱器１にて加熱された高温の温水（給湯水）が貯湯タンクに導入されて貯えられる。

冷媒チューブ１０は、本実施形態では図１、図３に示すように２本のチューブを１組として予め長円状の螺旋巻回形状に成形しておき、この長円状の螺旋巻回形状に成形された冷媒チューブ１０を矩形状の薄型箱体２０の外面上に装着し接合する。冷媒チューブ１０も熱伝導性に優れた金属である銅または銅合金にて構成される。

図５に示すように冷媒チューブ１０は断面円形の円管の内面に微細な溝１０ｂを形成したグルーブ管（溝付き管）により構成される。具体的には、冷媒チューブ１０の内面の全周にわたって断面三角状に尖った山部１０ａにより微細な溝１０ｂを形成してある。この溝１０ｂは、円管長手方向と斜めに交差する螺旋状溝である。このような微細な螺旋状溝１０ｂは、冷媒チューブ１０の内面に転造加工を施すことにより成形できる。

図１に示すように、冷媒チューブ１０の入口１１は箱体２０のうち水出口２４側の端部（図示の下端側）に配置され、冷媒チューブ１０の出口１２は箱体２０のうち水入口２３側の端部（図示の上端側）に配置される。これにより、高圧側冷媒放熱器１は、水流れ方向と冷媒流れ方向が反対方向となる対向流の熱交換器を構成することができる。

なお、冷媒チューブ１０の入口１１は２本のチューブの入口を１つの冷媒流路に合流して、圧縮機４０の吐出側に接続される。圧縮機４０はモータにより駆動される密閉型電動圧縮機である。

また、冷媒チューブ１０の出口１２は２本のチューブの出口を１つの冷媒流路に合流して、電気式膨張弁により構成される減圧装置５０の入口側に接続される。減圧装置５０の出口側は、室外空気から吸熱して冷媒が蒸発する蒸発器６０およびアキュムレータ７０を介して圧縮機４０の吸入側に接続される。

ところで、高圧側冷媒放熱器１の各部材相互間はろう付けにより一体に接合される。具体的には、２枚の凹状板部材２１、２２の周縁部相互間、２枚の凹状板部材２１、２２とコルゲート板３０との間、および２枚の凹状板部材２１、２２と冷媒チューブ１０との間の各接合部に箔状または棒状のろう材を挿入して放熱器１の仮組付体を組み付ける。ここで、ろう材としては例えば、リン銅ろうを用いる。

この仮組付体をろう付け加熱炉内に搬入し、仮組付体を還元性雰囲気にてろう材の融点以上に加熱して、放熱器１の各部材相互間を一体ろう付けする。

次に、上記構成において本実施形態の作動を説明する。圧縮機４０を作動させて圧縮機４０の吐出圧力を冷媒（二酸化炭素）の臨界圧力以上に制御することにより、圧縮機４０の吐出冷媒、すなわち、高圧側冷媒は臨界状態となって、高圧側冷媒放熱器１の冷媒チューブ１０の入口１１に流入する。

この臨界状態の高圧側冷媒は、冷媒チューブ１０内を入口１１から出口１２へ向かって図１の下側から上側へと流れる。この臨界状態の高圧側冷媒の入口温度（入口１１での冷媒温度）は例えば、冬期の高温水が必要な場合には１２０℃程度に高める。

これに対し、給湯水（水道水）は冬期であれば７℃程度の低温になっており、この低温給湯水は箱体２０の水入口２３から箱体２０内部の蛇行状の水側流路（図４）を通過して水出口２４へ向かって図１の上側から下側へと流れる。

これにより、高圧側冷媒放熱器１では、冷媒チューブ１０の管壁と箱体２０の凹状板部材２１、２２およびコルゲート板３０とを介して冷媒チューブ１０内部の高温冷媒と箱体２０内部の低温の給湯水との間で熱交換を行って、低温の給湯水を加熱し高温の温水にすることができる。

また、高圧側冷媒放熱器１では、冷媒と水の流れ方向が反対方向となって、対向流の熱交換器を構成するので、冷媒流路の上流側から下流側に至る全域にわたって冷媒と水との温度差を所定値以上に維持でき、効率のよい熱交換を実現できる。

更に、本実施形態では、冷媒チューブ１０を、その内面に微細な螺旋状溝１０ｂを成形したグルーブ管により構成しているから、「課題を解決するための手段」の欄で既述したメカニズムにて臨界状態にある高圧側冷媒の特徴を有効活用して、冷媒流路の圧力損失の上昇を僅少に抑制しつつ、微細な螺旋状溝１０ｂで冷媒流れを乱して冷媒側伝熱性能を大幅に向上できる。

図６（ａ）は平滑管（内面が平滑な円形面である管）により冷媒チューブ１０を構成した従来技術による冷媒側熱伝達率αを示し、図７（ａ）は本発明によるグルーブ管により冷媒チューブ１０を構成した場合の冷媒側熱伝達率αを示す。

図６（ａ）、図７（ａ）の横軸は冷媒チューブ１０を流れる高圧側冷媒の温度Ｔｂを示す。ここで、臨界状態にある高圧側冷媒の温度Ｔｂは、水側への放熱によって冷媒チューブ１０の入口側からで出口側へ向かって次第に低下していく。

このため、図６（ａ）、図７（ａ）の冷媒温度Ｔｂ＝７０℃は冷媒チューブ１０の入口側の冷媒温度であり、冷媒温度Ｔｂ＝２０℃は冷媒チューブ１０の出口側の冷媒温度である。従って、図６（ａ）、図７（ａ）の冷媒側熱伝達率αは、各冷媒温度Ｔｂの部位における局所熱伝達率の変化を示している。

図６（ａ）の従来技術による平滑管は、外径ｄｏ：４ｍｍ、内径ｄｉ：２．５６ｍｍの円管である。一方、図７（ａ）の本発明によるグルーブ管（冷媒チューブ１０）は、図５に示す外径ｄｏ：４ｍｍ、内径ｄｉ：２．５６ｍｍである。ここで、内径ｄｉは螺旋状溝１０ｂの谷底部の内径である。

螺旋状溝１０ｂの間隔であるピッチＰ：０．２９ｍｍ、螺旋状溝１０ｂの断面三角状山部１０ａの高さｈ：０．１５ｍｍ、断面三角状山部１０ａの頂角θ：５０°である。

冷媒チューブ１０の入口冷媒圧力Ｐｉｎは、図６（ａ）、図７（ａ）のいずれも１０ＭＰａである。また、図６（ａ）、図７（ａ）においてＧｒは冷媒チューブ１０を流れる冷媒の質量速度（単位時間、単位断面積当たり流れる冷媒の質量）を示す。

図６（ａ）と図７（ａ）の比較から明らかなようにいずれの質量速度Ｇｒにおいても、本発明によるグルーブ管での冷媒側熱伝達率αを、従来技術による平滑管よりも大幅に向上できることを確認できた。

なお、冷媒温度Ｔｂの中間部位において冷媒側熱伝達率αが急上昇するのは、超臨界状態にある高圧側冷媒の比熱（定圧比熱）が冷媒温度Ｔｂの中間部位にて急上昇するからである。ここで、超臨界状態にある高圧側冷媒の比熱が冷媒温度Ｔｂの中間部位にて急上昇するのは次の理由からであると考えられる。

つまり、未臨界状態では冷媒の気液２相状態が存在し、この気液２相状態では潜熱が存在するのであるが、冷媒のモリエル線図から理解されるように冷媒の圧力が上昇するに従って気液２相状態の幅が狭くなり、臨界点ではこの気液２相状態（潜熱の存在する領域）が１点に集中して比熱に置き換わる。このため、超臨界状態の冷媒の中間温度部位にて比熱が急上昇すると考えられる。

図６（ｂ）は従来技術による平滑管での冷媒側圧力損失ΔＰを示し、図７（ｂ）は本発明によるグルーブ管での冷媒側圧力損失ΔＰを示す。

図６（ｂ）、図７（ｂ）の横軸は平滑管およびグルーブ管の冷媒入口側からの長さＬを示す。図６（ｂ）と図７（ｂ）の比較から明らかなように、本発明によるグルーブ管ではその冷媒側圧力損失ΔＰを従来技術による平滑管よりも僅かに上昇する程度に抑制できる。これは、超臨界状態の冷媒粘度が気相状態と同等の低い値であるためである。

（他の実施形態）
なお、上述の一実施形態では、冷媒チューブ１０を図５に示す断面円形の円管のまま箱体２０の凹状板部材２１、２２の外面に接合しているが、冷媒チューブ１０を図５に示す断面円形の円管の状態から断面長円状の扁平管に変形させ、この断面長円状の扁平管の状態で冷媒チューブ１０を凹状板部材２１、２２の外面に接合するようにしてもよい。このようにすれば、冷媒チューブ１０と箱体２０との間の伝熱面積を増大できる。

また、上述の一実施形態では、冷媒チューブ１０を２本１組として箱体２０に巻回して接合した例を示したが、冷媒チューブ１０の本数は３本以上を１組として箱体２０に巻回して接合してもよい。

また、上述の一実施形態では、超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器１をヒートポンプ給湯器の水加熱用の熱交換器として適用する例について説明したが、本発明の高圧側冷媒放熱器１は、ヒートポンプ給湯器の水加熱用以外の他の用途の流体加熱器として使用してもよい。例えば、本発明の高圧側冷媒放熱器１によって空気を加熱するようにしてもよい。

本発明の一実施形態による高圧側冷媒放熱器を有する超臨界式冷凍サイクルの構成図である。 図１の高圧側冷媒放熱器の正面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図１の高圧側冷媒放熱器の水側流路を例示する模式図である。 図１の高圧側冷媒放熱器の冷媒側流路を構成する冷媒チューブの断面図である。 従来技術による平滑管での冷媒側熱伝達率および冷媒側圧力損失の評価結果を示すグラフである。 本発明によるグルーブ管での冷媒側熱伝達率および冷媒側圧力損失の評価結果を示すグラフである。 超臨界式冷凍サイクルの冷媒である二酸化炭素の物性値を示す図表である。 超臨界式冷凍サイクルの冷媒である二酸化炭素の相変化による挙動説明図である。

符号の説明

１…高圧側冷媒放熱器、１０…冷媒チューブ（グルーブ管）、１０ｂ…螺旋状溝、
２０…箱体。

Claims (4)

1. 高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器であって、冷媒側流路を内面に螺旋状溝（１０ｂ）を形成したグルーブ管（１０）で構成することを特徴とする超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器。
2. 前記グルーブ管（１０）は断面円形の円管であることを特徴とする請求項１に記載の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器。
3. 被加熱流体の流路を構成する箱体（２０）を有し、
   前記グルーブ管（１０）は前記箱体（２０）の外面上に巻回して接合されることを特徴とする請求項１または２に記載の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器。
4. 前記箱体（２０）の内部に、前記被加熱流体の流路としてヒートポンプ給湯器の給湯水が流れる水側流路を構成することを特徴とする請求項３に記載の超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器。

Images