WO2018168698A1 - 熱交換装置および熱交換方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a heat exchange device and a heat exchange method, and more particularly to a heat exchange device and a heat exchange method used in a refrigeration system.
- Refrigeration systems that transport heat by changing the state of refrigerant are widely used in air conditioning equipment and the like.
- An example of such a refrigeration system is described in Patent Document 1.
- the related refrigeration system described in Patent Document 1 is an application of a refrigeration cycle to an automotive air conditioner.
- the associated refrigeration system has a compressor, a condenser, a receiver, an internal heat exchanger, an expansion valve, an evaporator, and a control valve.
- the compressor compresses the refrigerant.
- the condenser condenses the compressed refrigerant by heat exchange with the outside air.
- the receiver separates the condensed refrigerant into gas and liquid and stores excess refrigerant in the refrigeration cycle.
- the expansion valve is a temperature type expansion valve, and expands and expands the liquid refrigerant separated into gas and liquid.
- an evaporator evaporates the expanded refrigerant
- the internal heat exchanger has a high-pressure passage through which high-temperature and high-pressure refrigerant flows to the expansion valve and a low-pressure passage through which low-pressure refrigerant flows to the compressor, and a high-temperature refrigerant flowing through the high-pressure passage and a low-temperature refrigerant flowing through the low-pressure passage. Heat exchange between them.
- the control valve adjusts the degree of superheat of the low-pressure refrigerant sent from the internal heat exchanger to the compressor.
- the double pipe connected between the expansion valve and the control valve functions as an internal heat exchanger.
- the outer pipe is concentrically arranged so as to surround the inner pipe.
- the control valve adjusts to reduce the degree of superheat of the low-pressure refrigerant sent from the internal heat exchanger to the compressor, so that the refrigerant compressed by the compressor can be reduced.
- the abnormal temperature rise can be suppressed.
- heat exchange is performed between a low-pressure, low-temperature gas-phase refrigerant and a high-pressure, high-temperature liquid-phase refrigerant.
- the enthalpy of the gas phase refrigerant can be increased.
- the efficiency of the compressor can be increased.
- the heat transfer coefficient between the liquid phase refrigerant and the wall surface becomes small.
- the wall surface in contact with the liquid phase refrigerant needs to have a complicated structure in which turbulent flow is generated even with a liquid phase refrigerant having a small flow rate.
- the object of the present invention is that the refrigeration system is enlarged when the efficiency of the refrigeration system is improved by performing heat exchange between the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant in the refrigeration system, which is the above-described problem. It is providing the heat exchange apparatus and heat exchange method which solve a subject.
- the heat exchange device includes a housing configured to form a part of a flow path in which a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant circulate in one circulation system, and the liquid-phase refrigerant and the gas-phase refrigerant.
- Heat exchange means configured to perform heat exchange, and the heat exchange means includes a gas phase refrigerant passage surface through which the gas phase refrigerant passes, and the gas phase refrigerant passage surface flows into the casing.
- the liquid phase refrigerant is caused to flow into the heat transfer tube in a part of the flow path in which the liquid phase refrigerant and the gas phase refrigerant circulate in one circulation system, and the gas phase refrigerant is supplied to the heat transfer tube.
- the gas-phase refrigerant passage surface which is configured to flow in contact with the heat transfer plate connected to the outer periphery and the heat transfer tubes and heat transfer plates are arranged in a plane, is orthogonal to the flow direction and the vertical direction of the gas-phase refrigerant. Rotating from a state perpendicular to the flow direction with a straight line as an axis.
- the efficiency of the refrigeration system can be improved and the refrigeration system can be downsized by exchanging heat between the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant. .
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat exchange device 100 according to the first embodiment of the present invention.
- the heat exchange device 100 according to the present embodiment includes a housing 110 and a heat exchanger (heat exchange means) 120.
- the housing 110 is configured to form part of a flow path in which a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant circulate in one circulation system.
- the heat exchanger 120 is configured to exchange heat between a liquid phase refrigerant and a gas phase refrigerant, and includes a gas phase refrigerant passage surface 121 through which the gas phase refrigerant passes.
- the heat exchanger 120 is in a state in which the gas-phase refrigerant passage surface 121 is perpendicular to the inflow direction F about the straight line X perpendicular to the inflow direction F and the vertical direction of the gas-phase refrigerant flowing into the housing 110. In the state rotated from P, it is located in the housing 110.
- the heat exchange device 100 includes the liquid phase refrigerant and the gas phase refrigerant in the casing 110 configured to form part of a flow path through which the liquid phase refrigerant and the gas phase refrigerant circulate in one circulation system.
- a heat exchanger 120 configured to exchange heat between the refrigerant and the gas-phase refrigerant is provided. Therefore, when the heat exchange device 100 according to the present embodiment is used in a refrigeration system in which a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant circulate in a single circulation system, the efficiency of the refrigeration system can be improved.
- the heat exchanger 120 is configured to be positioned in the housing 110 in a state where the gas-phase refrigerant passage surface 121 is rotated from the state P perpendicular to the inflow direction F of the gas-phase refrigerant. . Therefore, since the heat exchange apparatus 100 can be reduced in size, the whole refrigeration system using the heat exchange apparatus 100 can be reduced in size.
- the liquid phase refrigerant is caused to flow into the heat transfer tube in a part of the flow path in which the liquid phase refrigerant and the gas phase refrigerant circulate in one circulation system. Further, the gas-phase refrigerant is caused to flow so as to come into contact with the heat transfer plate connected to the outer periphery of the heat transfer tube. Then, the gas-phase refrigerant passage surface formed by arranging the heat-transfer tubes and the heat-transfer plates in a planar shape is taken from a state perpendicular to the flow direction about a straight line perpendicular to the flow direction and the vertical direction of the gas-phase refrigerant. Rotate.
- the liquid phase refrigerant is caused to flow into the heat transfer tube, and the gas phase refrigerant is caused to flow so as to be in contact with the heat transfer plate connected to the outer periphery of the heat transfer tube.
- Heat exchange can be performed between the phase refrigerant and the gas phase refrigerant.
- the gas phase refrigerant passage surface is configured to rotate from a state perpendicular to the flow direction of the gas phase refrigerant, the height of the space occupied by the gas phase refrigerant passage surface can be reduced.
- the efficiency of the refrigeration system is improved by performing heat exchange between the gas phase refrigerant and the liquid phase refrigerant, and the refrigeration system. Can be miniaturized.
- FIG. 2 shows a configuration of a refrigeration system 1000 using the heat exchange device 100 according to the present embodiment as an internal heat exchanger 1200.
- the refrigeration system 1000 includes an evaporator 1100, a condenser 1300, a compressor 1400, and an expansion valve 1500.
- the liquid-phase refrigerant and the gas-phase refrigerant circulate through one circulation system.
- the gas-phase refrigerant circulating through the internal heat exchanger 1200 (heat exchange device 100) is a low-temperature and low-pressure gas-phase refrigerant before entering the compressor 1400.
- the liquid phase refrigerant circulating in the internal heat exchanger 1200 (heat exchange device 100) is a high-temperature and high-pressure liquid phase refrigerant before entering the expansion valve 1500.
- the refrigerant that has received heat from the object to be cooled evaporates and becomes a gas-phase refrigerant and flows into the internal heat exchanger 1200.
- the gas-phase refrigerant is heated by the high-temperature liquid-phase refrigerant flowing from the condenser 1300 in the internal heat exchanger 1200 and then supplied to the compressor 1400.
- the high-temperature and high-pressure gas-phase refrigerant compressed in the compressor 1400 is cooled in the condenser 1300 to be condensed and liquefied, and becomes a high-temperature and high-pressure liquid-phase refrigerant.
- This liquid refrigerant is further cooled in the internal heat exchanger 1200. Thereafter, the liquid phase refrigerant is decompressed by the expansion valve 1500 and then supplied to the evaporator 1100.
- the configuration using the internal heat exchanger 1200 improves the efficiency of the refrigeration system and reduces the size of the refrigeration system. Can be planned.
- FIG. 3 and 4 show a configuration of a heat exchange device 200 according to the second embodiment of the present invention.
- 3 is a perspective view
- FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the yz plane shown in FIG.
- the heat exchange device 200 includes a casing 210 and a heat exchanger (heat exchange means) 220.
- the housing 210 includes a gas phase refrigerant inflow portion 211 into which the gas phase refrigerant flows in and a gas phase refrigerant outflow portion 212 from which the gas phase refrigerant flows out.
- the inside of the housing 210 is divided into two regions by a heat exchanger 220, and a gas phase refrigerant inflow portion 211 and a gas phase refrigerant outflow portion 212 are provided in each region.
- 3 and 4 show a configuration in which the gas-phase refrigerant inflow portion 211 and the gas-phase refrigerant outflow portion 212 are respectively located on the opposing surfaces of the casing 210 with the heat exchanger 220 interposed therebetween.
- the gas-phase refrigerant inflow portion 211 and the gas-phase refrigerant outflow portion 212 may be positioned at substantially the same height in the vertical direction.
- a fin-and-tube heat exchanger is used as the heat exchanger 220.
- 5A and 5B show an example of the configuration of the fin-and-tube heat exchanger 220.
- FIG. 5A is a front view
- FIG. 5B is a partially enlarged view of FIG. 5A.
- the heat exchanger 220 includes a tube (heat transfer tube) 225 through which the liquid refrigerant flows, and a fin (heat transfer plate) 226 that is connected to the outer periphery of the tube 225 and contacts the gas-phase refrigerant. Can be configured.
- the fin-and-tube heat exchanger 220 is connected to the liquid-phase refrigerant flow path of the refrigeration system via a liquid-phase refrigerant inflow pipe 221 and a liquid-phase refrigerant outflow pipe 224 that are attached through the housing 210.
- the liquid-phase refrigerant that has flowed into the first header 222 from the liquid-phase refrigerant inflow pipe 221 branches into a plurality of tubes 225 and flows through the tubes 225. After that, they merge at the second header 223 and flow out from the liquid-phase refrigerant outflow pipe 224.
- the liquid-phase refrigerant passing through the tube 225 of the fin-and-tube heat exchanger 220 exchanges heat with the gas-phase refrigerant flowing in the housing 210 via the fins 226. It becomes possible.
- the heat exchange device 200 When the heat exchange device 200 according to the present embodiment described above is used as the internal heat exchanger 1200 of the refrigeration system 1000 shown in FIG. 2, the heat exchange device 200 is supplied with a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant in one circulation system. Is done. Since the refrigerant flows in a circulating manner, the same mass flow rate flows between the liquid-phase refrigerant and the gas-phase refrigerant from the law of conservation of mass. However, since the density of the gas-phase refrigerant is several hundredths of the density of the liquid-phase refrigerant, the volume flow rate of the gas-phase refrigerant is several hundred times larger than that of the liquid-phase refrigerant.
- the flow rate of the gas-phase refrigerant is larger than that of the liquid-phase refrigerant, causing a large pressure loss in the gas-phase refrigerant.
- a liquid phase refrigerant has a lower volume flow rate than a gas phase refrigerant, and therefore has a low flow rate, and therefore has a low heat transfer coefficient.
- the cross-sectional area of the tube 225 is several tens of the cross-sectional area between the fins 226 through which the gas-phase refrigerant passes. Less than 1 or less.
- the flow rate of the liquid refrigerant having a small volume flow rate can be increased.
- the heat transfer coefficient on the liquid phase refrigerant side increases.
- the heat transfer area can be expanded by the fins 226. Therefore, it is possible to realize a high heat transfer rate while reducing the pressure loss by reducing the flow velocity.
- the fin-and-tube heat exchanger is used as the heat exchanger 220, so that heat transfer is performed on both the liquid-phase refrigerant side and the gas-phase refrigerant side.
- the rate can be improved.
- the length L in the longitudinal direction of the fin-and-tube heat exchanger 220 is larger than the inner diameter of the gas-phase refrigerant pipe, that is, the inner diameter D of the gas-phase refrigerant inflow portion 211 and the gas-phase refrigerant outflow portion 212.
- the heat exchange device becomes large.
- the heat exchanging apparatus 200 has a configuration in which the fin-and-tube heat exchanger 220 is positioned in the housing 210 in a tilted state, as shown in FIG. That is, the normal N of the normal line of the gas-phase refrigerant passage surface 227 of the heat exchanger 220 toward the side where the gas-phase refrigerant flows out of the casing 210 and the inflow direction F of the gas-phase refrigerant flowing into the casing are The formed angle ⁇ is greater than zero degrees and 90 degrees or less.
- the angle ⁇ is an angle formed between the inflow direction F of the gas-phase refrigerant and the longitudinal direction of the fin-and-tube heat exchanger 220.
- the length in the longitudinal direction of the fin-and-tube heat exchanger 220 is L and the height of the casing 210 is H, the following equation is established.
- H L ⁇ sin ⁇ (1)
- the height H of the housing 210 can be reduced by reducing the angle ⁇ .
- the heat exchange device 200 can be downsized.
- the heat exchange device 200 is the smallest.
- the housing 210 can be configured to be part of a pipe through which the gas-phase refrigerant flows.
- FIG. 6 shows the relationship between the angle ⁇ and the heat exchange capability of the heat exchange device.
- the efficiency of the refrigeration system is improved by exchanging heat between the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant, and the refrigeration system is reduced in size. Can be planned.
- FIG. 7 and 8 show a configuration of a heat exchange device 300 according to the third embodiment of the present invention.
- 7 is a perspective view
- FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the yz plane shown in FIG.
- the heat exchange device 300 includes a housing 310 and a heat exchanger (heat exchange means) 320.
- the heat exchanger 320 is configured to be positioned in the housing 310 with the gas-phase refrigerant passage surface 327 being horizontal.
- the heat exchange apparatus 200 according to the second embodiment shown in FIG. 4 corresponds to a configuration in which the angle ⁇ is substantially zero degrees (0 °).
- a fin-and-tube heat exchanger can be typically used as the heat exchanger 320.
- the fin-and-tube heat exchanger 320 is connected to the liquid-phase refrigerant flow path of the refrigeration system via a liquid-phase refrigerant inflow pipe 321 and a liquid-phase refrigerant outflow pipe 324 that are attached through the housing 310. .
- the housing 310 includes a gas-phase refrigerant inflow portion 311 into which the gas-phase refrigerant flows and a gas-phase refrigerant outflow portion 312 from which the gas-phase refrigerant flows out.
- the gas-phase refrigerant inflow portion 311 and the gas-phase refrigerant outflow portion 312 are respectively located on the opposing surfaces of the housing 310 with the heat exchanger 320 interposed therebetween, and in the vertical direction. It was set as the structure located in different height. That is, the gas-phase refrigerant inflow portion 311 and the gas-phase refrigerant outflow portion 312 are configured to have a step in the y direction in FIG.
- the fin-and-tube heat exchanger 320 With such a configuration, it becomes possible to arrange the fin-and-tube heat exchanger 320 at an angle smaller than the angle ⁇ determined by the above equation (2). In this case, the flow rate of the gas phase refrigerant can be made uniform over the entire surface of the gas phase refrigerant passage surface 327. Therefore, according to the heat exchange device 300 of the present embodiment, the heat exchange capability can be further improved than the heat exchange capability of the heat exchange device 200 according to the second embodiment. Thereby, the efficiency of the refrigerating system using the heat exchange device 300 of the present embodiment can be further improved.
- the height of the housing 310 can be significantly reduced compared to the height when the heat exchanger 320 is accommodated in the housing 310 without being inclined, that is, the length L in the longitudinal direction of the heat exchanger 320. it can. Therefore, it is possible to reduce the size of the refrigeration system using the heat exchange device 300 of the present embodiment.
- the efficiency of the refrigeration system is improved by exchanging heat between the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant, and the refrigeration system is reduced in size. Can be planned.
- Heat exchange device 110 100, 200, 300 Heat exchange device 110, 210, 310 Housing 120, 220, 320 Heat exchanger 121, 227, 327 Gas phase refrigerant passage surface 211, 311 Gas phase refrigerant inflow portion 212, 312 Gas phase refrigerant outflow portion 221 , 321 Liquid phase refrigerant inflow pipe 222 First header 223 Second header 224, 324 Liquid phase refrigerant outflow pipe 225 Tube 226 Fin 1000 Refrigeration system 1100 Evaporator 1200 Internal heat exchanger 1300 Condenser 1400 Compressor 1500 Expansion valve
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Abstract
冷凍システムにおいて、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させると、冷凍システムが大型化するため、本発明の熱交換装置は、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部をなすように構成された筐体と、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うように構成された熱交換手段、とを有し、熱交換手段は、気相冷媒が通過する気相冷媒通過面を備え、気相冷媒通過面が、筐体に流入する気相冷媒の流入方向と鉛直方向とに直交する直線を軸として、流入方向に垂直な状態から回転した状態で、筐体内に位置している。
Description
本発明は、熱交換装置および熱交換方法に関し、特に、冷凍システムに用いられる熱交換装置および熱交換方法に関する。
冷媒の状態変化によって熱を輸送する冷凍システムが、空調設備等に広く用いられている。このような冷凍システムの一例が特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載された関連する冷凍システムは、冷凍サイクルを自動車用空調装置に適用したものである。関連する冷凍システムは、圧縮機、凝縮器、レシーバ、内部熱交換器、膨張弁、蒸発器、および制御弁を有する。
ここで、圧縮機は冷媒を圧縮する。凝縮器は、圧縮された冷媒を外気との熱交換により凝縮させる。レシーバは、凝縮された冷媒を気液に分離するとともに冷凍サイクル内の余剰冷媒を蓄えておく。膨張弁は温度式の膨張弁であり、気液分離された液冷媒を絞り膨張させる。そして、蒸発器は、膨張された冷媒を車室内の空気との熱交換により蒸発させる。
内部熱交換器は、膨張弁へ高温・高圧の冷媒を流す高圧通路と圧縮機へ低圧冷媒を流す低圧通路とを有し、高圧通路を流れる高温の冷媒と低圧通路を流れる低温の冷媒との間で熱交換を行う。これにより、高圧通路を流れる冷媒は、低圧通路の冷媒によって過冷却され、低圧通路を流れる冷媒は、高圧通路の冷媒によって過熱されることになるため、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。そして制御弁は、内部熱交換器から圧縮機に送られる低圧冷媒の過熱度を調整する。
ここで、膨張弁と制御弁との間に接続される二重管が内部熱交換器として機能する。二重管は、内管を囲うように外管が同心状に配置されたものである。内管に高圧冷媒を流し、外管と内管との間に低圧冷媒を流すことにより、内管を介して高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱交換が行われる。
関連する冷凍システムによれば、冷凍負荷が高いときに、制御弁が内部熱交換器から圧縮機に送られる低圧冷媒の過熱度を低減するよう調整することで、圧縮機によって圧縮された冷媒の異常昇温を抑制することができる、としている。
また、関連技術としては、特許文献2および3に記載された技術がある。
上述した関連する冷凍システムのように、蒸発器、凝縮器、圧縮機、膨張弁によって構成される冷凍システムにおいては、低圧で低温の気相冷媒と高圧で高温の液相冷媒を熱交換することによって、気相冷媒のエンタルピーを増大させることができる。これにより、圧縮機の効率を上昇させることが可能である。
このとき、気相冷媒と液相冷媒が壁面を介して熱交換する熱交換器により、液相冷媒から気相冷媒に熱が伝えられる。ここで、気相冷媒は液相冷媒と比べて密度が小さいので、気相冷媒と液相冷媒の流速が等しい場合、気相冷媒と壁面との間の熱伝達率は小さくなる。一方、液相冷媒は気相冷媒よりも密度が大きいので、気相冷媒と液相冷媒の質量流量が等しい場合、流速は小さくなる。そのため、液相冷媒と壁面との間の熱伝達率は小さくなる。それぞれの熱伝達率を増大させるためには、気相冷媒と壁面との接触面積を拡大するか、あるいは、伝熱面を乱流が発生するような複雑な構造とする必要がある。また、液相冷媒と接する壁面も、流量が小さい液相冷媒でも乱流が発生する複雑な構造にする必要がある。
しかし、冷凍システムにおいては、気相冷媒の圧力損失が大きくなると、圧縮機によって圧力降下分の圧力をさらに付加する必要が生じる。すなわち、熱交換性能を向上させるために熱交換器の構造を複雑にすると、乱流などの発生により大きな圧力損失が生じ、かえって冷凍システムの効率を低下させることになる。
したがって、冷凍サイクルにおいて、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させるためには、内部熱交換器の気相冷媒側の伝熱面積を大きくする必要がある。しかし、この場合、内部熱交換器のサイズが大きくなるので、冷凍システムが大型化してしまう。
このように、冷凍システムにおいて、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させると、冷凍システムが大型化する、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、冷凍システムにおいて、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させると、冷凍システムが大型化する、という課題を解決する熱交換装置および熱交換方法を提供することにある。
本発明の熱交換装置は、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部をなすように構成された筐体と、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うように構成された熱交換手段、とを有し、熱交換手段は、気相冷媒が通過する気相冷媒通過面を備え、気相冷媒通過面が、筐体に流入する気相冷媒の流入方向と鉛直方向とに直交する直線を軸として、流入方向に垂直な状態から回転した状態で、筐体内に位置している。
本発明の熱交換方法は、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部において、液相冷媒を、伝熱管内に流動させ、気相冷媒を、伝熱管の外周に接続した伝熱板と接触するように流動させ、伝熱管と伝熱板が平面状に配列して構成された気相冷媒通過面を、気相冷媒の流動方向と鉛直方向とに直交する直線を軸として、流動方向に垂直な状態から回転した状態とする。
本発明の熱交換装置および熱交換方法によれば、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させるとともに、冷凍システムの小型化を図ることができる。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係る熱交換装置100の構成を示す断面図である。本実施形態による熱交換装置100は、筐体110と熱交換器(熱交換手段)120を有する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る熱交換装置100の構成を示す断面図である。本実施形態による熱交換装置100は、筐体110と熱交換器(熱交換手段)120を有する。
筐体110は、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部をなすように構成されている。
熱交換器120は、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うように構成されており、気相冷媒が通過する気相冷媒通過面121を備える。そして、熱交換器120は、この気相冷媒通過面121が、筐体110に流入する気相冷媒の流入方向Fと鉛直方向とに直交する直線Xを軸として、流入方向Fに垂直な状態Pから回転した状態で、筐体110内に位置している。
このように、本実施形態に係る熱交換装置100は、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部をなすように構成された筐体110内に、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うように構成された熱交換器120を備えている。そのため、本実施形態による熱交換装置100を、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する冷凍システムに用いた場合、冷凍システムの効率を向上させることができる。
また、熱交換装置100においては、熱交換器120は、気相冷媒通過面121が気相冷媒の流入方向Fに垂直な状態Pから回転した状態で、筐体110内に位置する構成としている。そのため、熱交換装置100を小型化することができるので、熱交換装置100を用いる冷凍システム全体を小型化することが可能になる。
次に、本実施形態による熱交換方法について説明する。
本実施形態の熱交換方法においては、まず、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部において、液相冷媒を伝熱管内に流動させる。また、気相冷媒を伝熱管の外周に接続した伝熱板と接触するように流動させる。そして、伝熱管と伝熱板が平面状に配列して構成された気相冷媒通過面を、気相冷媒の流動方向と鉛直方向とに直交する直線を軸として、流動方向に垂直な状態から回転した状態とする。
このように、本実施形態の熱交換方法においては、液相冷媒を伝熱管内に流動させ、気相冷媒を伝熱管の外周に接続した伝熱板と接触するように流動させることにより、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うことができる。また、気相冷媒通過面を、気相冷媒の流動方向に垂直な状態から回転した状態とする構成としているので、気相冷媒通過面が占める空間の高さを低減することができる。
以上説明したように、本実施形態の熱交換装置100および熱交換方法によれば、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させるとともに、冷凍システムの小型化を図ることができる。
図2に、本実施形態による熱交換装置100を内部熱交換器1200として用いた冷凍システム1000の構成を示す。冷凍システム1000は内部熱交換器1200に加えて、蒸発器1100、凝縮器1300、圧縮機1400、および膨張弁1500を備える。
冷凍システム1000において、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系を循環する。ここで、内部熱交換器1200(熱交換装置100)を循環する気相冷媒は、圧縮機1400に入る前の低温かつ低圧の気相冷媒である。また、内部熱交換器1200(熱交換装置100)を循環する液相冷媒は、膨張弁1500に入る前の高温かつ高圧の液相冷媒である。
次に、本実施形態による冷凍システム1000の動作について説明する。
蒸発器1100において、冷却対象から受熱した冷媒は気化して気相冷媒となって内部熱交換器1200に流入する。この気相冷媒は、内部熱交換器1200において凝縮器1300から流入する高温の液相冷媒によって加熱され、その後に圧縮機1400に供給される。圧縮機1400において圧縮された高温かつ高圧の気相冷媒は、凝縮器1300において冷却されて凝縮液化し、高温かつ高圧の液相冷媒となる。この液相冷媒は、内部熱交換器1200においてさらに冷却される。その後、液相冷媒は膨張弁1500によって減圧されたのち、蒸発器1100に供給される。
上述したように、冷凍システム1000においては、本実施形態による内部熱交換器1200(熱交換装置100)を用いた構成とすることにより、冷凍システムの効率を向上させるとともに、冷凍システムの小型化を図ることができる。
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図3および図4に、本発明の第2の実施形態に係る熱交換装置200の構成を示す。図3は斜視図であり、図4は図3中に示したyz面で切った断面図である。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図3および図4に、本発明の第2の実施形態に係る熱交換装置200の構成を示す。図3は斜視図であり、図4は図3中に示したyz面で切った断面図である。
本実施形態による熱交換装置200は、筐体210と熱交換器(熱交換手段)220を有する。
筐体210は、気相冷媒が流入する気相冷媒流入部211と、気相冷媒が流出する気相冷媒流出部212を備える。図4に示すように、筐体210の内部は熱交換器220によって2つの領域に区分されており、それぞれの領域に気相冷媒流入部211と気相冷媒流出部212が設けられている。図3および図4には、気相冷媒流入部211と気相冷媒流出部212が、熱交換器220を挟んで筐体210の対向する面にそれぞれ位置している構成を示す。なお、気相冷媒流入部211と気相冷媒流出部212が、鉛直方向の略同一高さに位置している構成としてもよい。
本実施形態においては、熱交換器220として、フィンアンドチューブ型熱交換器を用いた。図5Aおよび5Bに、フィンアンドチューブ型の熱交換器220の構成の一例を示す。図5Aは正面図であり、図5Bは図5Aの部分拡大図である。熱交換器220は図5Bに示すように、液相冷媒が流動するチューブ(伝熱管)225と、チューブ225の外周に接続し、気相冷媒と接触するフィン(伝熱板)226とを備えた構成とすることができる。
フィンアンドチューブ型の熱交換器220は、筐体210を貫通して取り付けられる液相冷媒流入管221と液相冷媒流出管224を介して、冷凍システムの液相冷媒の流路に接続される。液相冷媒流入管221から第1のヘッダ222に流入した液相冷媒は、複数のチューブ225に分岐して各チューブ225内を流動する。その後、第2のヘッダ223において合流し、液相冷媒流出管224から流出する。
このような構成とすることにより、フィンアンドチューブ型の熱交換器220のチューブ225の内部を通過する液相冷媒は、フィン226を介して筐体210内を流動する気相冷媒と熱交換することが可能になる。
上述した本実施形態による熱交換装置200を、図2に示した冷凍システム1000の内部熱交換器1200として用いる場合、熱交換装置200には液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で供給される。冷媒は循環して流れるため、質量保存則から液相冷媒と気相冷媒は同じ質量流量が流れる。しかし、気相冷媒の密度は液相冷媒の密度の数100分の1であるため、体積流量は気相冷媒の方が液相冷媒よりも数100倍大きい。そのため、気相冷媒の流速は液相冷媒の流速よりも大きく、気相冷媒に大きな圧力損失を生じさせる。一方、液相冷媒は、気相冷媒よりも体積流量が小さいので流速が遅く、そのため熱伝達率が小さい。
ここで、本実施形態による熱交換装置200が備えるフィンアンドチューブ型の熱交換器220においては、チューブ225の断面積は、気相冷媒が通過するフィン226の間の断面積の数十分の一以下と小さい。このことにより、体積流量が小さい液相冷媒の流速を大きくすることができる。その結果、液相冷媒側の熱伝達率が大きくなる。一方、気相冷媒に対しては、フィン226によって伝熱面積を拡大することができる。そのため、流速を小さくすることによって圧力損失を低減しつつ、高い熱伝達率を実現することができる。このように、本実施形態による熱交換装置200においては、熱交換器220としてフィンアンドチューブ型の熱交換器を用いた構成としているので、液相冷媒と気相冷媒の両方の側において熱伝達率を向上させることができる。
ここで、気相冷媒と液相冷媒の間で十分な熱交換量を得るためには、フィンアンドチューブ型の熱交換器220のサイズを大きくすることが望ましい。この場合、フィンアンドチューブ型の熱交換器220の長手方向の長さLが、気相冷媒の配管の内径、すなわち気相冷媒流入部211および気相冷媒流出部212の内径Dよりも大きくなり、熱交換装置が大型化してしまう。
しかし、本実施形態による熱交換装置200は、図4に示すように、フィンアンドチューブ型の熱交換器220が傾いた状態で筐体210内に位置している構成としている。すなわち、熱交換器220の気相冷媒通過面227の法線のうち気相冷媒が筐体210から流出する側に向かう法線Nと、筐体に流入する気相冷媒の流入方向Fとがなす角度αが、ゼロ度よりも大きく90度以下である構成としている。
ここで、角度αの余角をθとすると、θ=90°-αであり、角度θは気相冷媒の流入方向Fとフィンアンドチューブ型の熱交換器220の長手方向とのなす角度になる。フィンアンドチューブ型の熱交換器220の長手方向の長さをL、筐体210の高さをHとすると次式が成り立つ。
H=L×sinθ (1)
式(1)からわかるように、角度θを小さくすることによって筐体210の高さHを低減することができる。その結果、熱交換装置200の小型化が可能になる。筐体210の高さHが、気相冷媒の配管の内径、すなわち気相冷媒流入部211および気相冷媒流出部212の内径Dと等しい構成としたとき、熱交換装置200は最も小型になる。すなわち、筐体210が、気相冷媒が流動する配管の一部となるように構成することができる。この場合は、次式を満たすように角度θを設定すればよい。
H=D=L×sinθ (2)
また、角度θを小さくすることにより、気相冷媒が通過する気相冷媒通過面の面積を大きくすることができる。その結果、気相冷媒の流速を、フィンアンドチューブ型の熱交換器220の面内方向に対して均一にすることができる。これにより、フィンアンドチューブ型の熱交換器220の気相冷媒通過面を均等に伝熱面として使用することが可能になるので、熱交換装置全体の熱交換能力を向上させることができる。図6に、角度θと熱交換装置の熱交換能力との関係を示す。
H=L×sinθ (1)
式(1)からわかるように、角度θを小さくすることによって筐体210の高さHを低減することができる。その結果、熱交換装置200の小型化が可能になる。筐体210の高さHが、気相冷媒の配管の内径、すなわち気相冷媒流入部211および気相冷媒流出部212の内径Dと等しい構成としたとき、熱交換装置200は最も小型になる。すなわち、筐体210が、気相冷媒が流動する配管の一部となるように構成することができる。この場合は、次式を満たすように角度θを設定すればよい。
H=D=L×sinθ (2)
また、角度θを小さくすることにより、気相冷媒が通過する気相冷媒通過面の面積を大きくすることができる。その結果、気相冷媒の流速を、フィンアンドチューブ型の熱交換器220の面内方向に対して均一にすることができる。これにより、フィンアンドチューブ型の熱交換器220の気相冷媒通過面を均等に伝熱面として使用することが可能になるので、熱交換装置全体の熱交換能力を向上させることができる。図6に、角度θと熱交換装置の熱交換能力との関係を示す。
以上説明したように、本実施形態の熱交換装置200によれば、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させるとともに、冷凍システムの小型化を図ることができる。
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図7および図8に、本発明の第3の実施形態に係る熱交換装置300の構成を示す。図7は斜視図であり、図8は図7中に示したyz面で切った断面図である。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図7および図8に、本発明の第3の実施形態に係る熱交換装置300の構成を示す。図7は斜視図であり、図8は図7中に示したyz面で切った断面図である。
本実施形態による熱交換装置300は、筐体310と熱交換器(熱交換手段)320を有する。本実施形態の熱交換装置300においては、図8に示すように、熱交換器320は気相冷媒通過面327が水平となる状態で、筐体310内に位置している構成とした。すなわち、図4に示した第2の実施形態による熱交換装置200において、角度θを略ゼロ度(0°)とした構成に対応する。
熱交換器320として、典型的にはフィンアンドチューブ型の熱交換器を用いることができる。フィンアンドチューブ型の熱交換器320は、筐体310を貫通して取り付けられる液相冷媒流入管321と液相冷媒流出管324を介して、冷凍システムの液相冷媒の流路に接続される。
ここで、筐体310は、気相冷媒が流入する気相冷媒流入部311と、気相冷媒が流出する気相冷媒流出部312を備える。そして、図7および図8に示すように、気相冷媒流入部311と気相冷媒流出部312が、熱交換器320を挟んで筐体310の対向する面にそれぞれ位置するとともに、鉛直方向の異なる高さに位置している構成とした。すなわち、気相冷媒流入部311と気相冷媒流出部312は、図7中のy方向に段差をもって取り付けられた構成とした。
このような構成とすることにより、上記式(2)により定まる角度θよりも小さい角度でフィンアンドチューブ型の熱交換器320を配置することが可能になる。この場合、気相冷媒通過面327の全面にわたって気相冷媒の流速を均一にすることができる。したがって、本実施形態の熱交換装置300によれば、熱交換能力を第2の実施形態による熱交換装置200の熱交換能力よりもさらに向上させることが可能である。これにより、本実施形態の熱交換装置300を用いた冷凍システムの効率をさらに向上させることができる。
このとき、筐体310の高さHと、気相冷媒の配管の内径、すなわち気相冷媒流入部311および気相冷媒流出部312の内径Dとの関係は、下式のようになる。
H>2×D (3)
したがって、筐体310の高さHは、第2の実施形態の熱交換装置200における最小高さ(=D)よりは大きくなる。しかしながら、熱交換器320を傾けないで筐体310内に収容した場合の高さ、すなわち熱交換器320の長手方向の長さLに比べて、筐体310の高さを著しく低減することができる。したがって、本実施形態の熱交換装置300を用いた冷凍システムの小型化を図ることができる。
H>2×D (3)
したがって、筐体310の高さHは、第2の実施形態の熱交換装置200における最小高さ(=D)よりは大きくなる。しかしながら、熱交換器320を傾けないで筐体310内に収容した場合の高さ、すなわち熱交換器320の長手方向の長さLに比べて、筐体310の高さを著しく低減することができる。したがって、本実施形態の熱交換装置300を用いた冷凍システムの小型化を図ることができる。
以上説明したように、本実施形態の熱交換装置300によれば、気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行うことにより冷凍システムの効率を向上させるとともに、冷凍システムの小型化を図ることができる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2017年3月14日に出願された日本出願特願2017-048121を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
100、200、300 熱交換装置
110、210、310 筐体
120、220、320 熱交換器
121、227、327 気相冷媒通過面
211、311 気相冷媒流入部
212、312 気相冷媒流出部
221、321 液相冷媒流入管
222 第1のヘッダ
223 第2のヘッダ
224、324 液相冷媒流出管
225 チューブ
226 フィン
1000 冷凍システム
1100 蒸発器
1200 内部熱交換器
1300 凝縮器
1400 圧縮機
1500 膨張弁
110、210、310 筐体
120、220、320 熱交換器
121、227、327 気相冷媒通過面
211、311 気相冷媒流入部
212、312 気相冷媒流出部
221、321 液相冷媒流入管
222 第1のヘッダ
223 第2のヘッダ
224、324 液相冷媒流出管
225 チューブ
226 フィン
1000 冷凍システム
1100 蒸発器
1200 内部熱交換器
1300 凝縮器
1400 圧縮機
1500 膨張弁
Claims (10)
- 液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部をなすように構成された筐体と、
前記液相冷媒と前記気相冷媒との間で熱交換を行うように構成された熱交換手段、とを有し、
前記熱交換手段は、
前記気相冷媒が通過する気相冷媒通過面を備え、
前記気相冷媒通過面が、前記筐体に流入する前記気相冷媒の流入方向と鉛直方向とに直交する直線を軸として、前記流入方向に垂直な状態から回転した状態で、前記筐体内に位置している
熱交換装置。 - 請求項1に記載した熱交換装置において、
前記熱交換手段は、
前記液相冷媒が流動する伝熱管と、
前記伝熱管の外周に接続し、前記気相冷媒と接触する伝熱板、とを備える
熱交換装置。 - 請求項1または2に記載した熱交換装置において、
前記気相冷媒通過面の法線のうち前記気相冷媒が前記筐体から流出する側に向かう法線と、前記筐体に流入する前記気相冷媒の流入方向とがなす角度が、ゼロ度よりも大きく90度以下である
熱交換装置。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載した熱交換装置において、
前記筐体は、気相冷媒が流入する気相冷媒流入部と、前記気相冷媒が流出する気相冷媒流出部を備え、
前記気相冷媒流入部と前記気相冷媒流出部は、前記熱交換手段を挟んで前記筐体の対向する面にそれぞれ位置している
熱交換装置。 - 請求項4に記載した熱交換装置において、
前記気相冷媒流入部と前記気相冷媒流出部が、鉛直方向の略同一高さに位置している
熱交換装置。 - 請求項4に記載した熱交換装置において、
前記気相冷媒流入部と前記気相冷媒流出部が、鉛直方向の異なる高さに位置している
熱交換装置。 - 請求項6に記載した熱交換装置において、
前記熱交換手段は、前記気相冷媒通過面が水平となる状態で、前記筐体内に位置している
熱交換装置。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載した熱交換装置において、
前記筐体は、前記気相冷媒が流動する配管の一部となるように構成されている
熱交換装置。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載した熱交換装置において、
前記液相冷媒と前記気相冷媒は、圧縮機および膨張弁を備えた冷凍システムの一の循環系を循環し、
前記気相冷媒は、前記圧縮機に入る前の低温かつ低圧の気相冷媒であり、
前記液相冷媒は、前記膨張弁に入る前の高温かつ高圧の液相冷媒である
熱交換装置。 - 液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で循環する流路の一部において、
前記液相冷媒を、伝熱管内に流動させ、
前記気相冷媒を、前記伝熱管の外周に接続した伝熱板と接触するように流動させ、
前記伝熱管と前記伝熱板が平面状に配列して構成された気相冷媒通過面を、前記気相冷媒の流動方向と鉛直方向とに直交する直線を軸として、前記流動方向に垂直な状態から回転した状態とする
熱交換方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017-048121 | 2017-03-14 | ||
JP2017048121 | 2017-03-14 |
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---|---|
WO2018168698A1 true WO2018168698A1 (ja) | 2018-09-20 |
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Family Applications (1)
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PCT/JP2018/009246 WO2018168698A1 (ja) | 2017-03-14 | 2018-03-09 | 熱交換装置および熱交換方法 |
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---|---|
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2018-03-09 WO PCT/JP2018/009246 patent/WO2018168698A1/ja active Application Filing
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