JP2008249326A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素を蒸発させる適した蒸発器の仕様を考案する。
【解決手段】チューブ４１１の入口から出口までの長さＬとチューブ４１１の相当直径ｄが、下記の数式を満たすように、各冷媒通路（チューブ４１１）の長さ及び相当直径ｄを選定する。
ｄ^1.0969×１０³≦Ｌ≦５×ｄ^1.0969×１０³
なお、チューブ４１１の入口及び出口とは、冷媒通路のうち熱交換に関与する部位における冷媒入口と冷媒出口とを言い、相当直径ｄとは、チューブ４１１の通路断面積を円に換算したときの内直径を言う。
【選択図】図９

Description

本発明は、二酸化炭素を蒸発させる蒸発器に関するもので、蒸気圧縮式冷凍サイクル（ヒートポンプも含む。）に適用して有効である。

蒸発器（熱交換器）においては、チューブとチューブ内を流通する流体との熱伝達率を増大させれば、熱交換能力（蒸発能力）を増大させることができる。

ここで、熱伝達率を増大させる手段として、チューブの通路断面積を小さくしてチューブ内を流通する流体の流速を増大させる手段が考えられるが、チューブの通路断面積を小さくすると、チューブ内を流体が流通する際に発生する圧力損失が増大するので、却って、流体の流速が低下し、熱伝達率が低下する。

本発明は、上記点に鑑み、二酸化炭素を蒸発させるために適した蒸発器の仕様を考案することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、二酸化炭素を蒸発させる蒸発器であって、二酸化炭素が流通するチューブ（４１１）の相当直径（ｄ）と、チューブ（４１１）の入口から出口までの長さ（Ｌ）とは、
ｄ^1.0969×１０³≦Ｌ≦５×ｄ^1.0969×１０³の関係を有するように選定されていることを特徴とする。

これにより、二酸化炭素を蒸発させる適した蒸発器を得ることができる。なお、長さ（Ｌ）及び相当直径（ｄ）の単位はミリメートルである。

因みに、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一例である。

本実施形態は、本発明に係る蒸発器を、電気式給湯器の室外熱交換器（吸熱器）に用いたもので、図１は電気式給湯器（二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式ヒートポンプサイクル）の模式図である。

図１中、１００は冷媒を吸入圧縮する電動式の圧縮機であり、２００は圧縮機１００から吐出する高温・高圧冷媒と給湯水とを熱交換し、給湯水を加熱する高圧側熱交換器（水−冷媒熱交換器）である。

３００は高圧側熱交換器２００から流出した冷媒を減圧させる減圧器であり、４００は減圧器３００にて減圧された冷媒と室外空気とを熱交換して、液相冷媒を蒸発させることにより室外空気から熱を奪う（吸熱する）蒸発器（室外熱交換器）であり、５００は蒸発器４００から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１００の吸入側に流出するとともに、サイクル中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータである。

なお、本実施形態では、アキュムレータ５００と蒸発器４００とは、後述するように一体化されている。

次に、蒸発器４００について述べる。

図２は蒸発器４００の正面図であり、図３は図２のＡ矢視図であり、図４は図２のＢ矢視図である。

図２〜４中、４１１は冷媒が流通する金属（本実施形態では、銅）製のチューブであり、このチューブ４１１は、引き抜き加工にて形成されたストレートパイプ部４１１ａと、隣り合うストレートパイプ部４１１ａを繋ぐＵ字状のＵパイプ４１１ｂとがろう付けされて、蛇行した冷媒通路を構成している。

なお、本実施形態では、冷媒通路（チューブ４１１）は４本設けられており、これら４本の冷媒通路（チューブ４１１）の冷媒入口側は、分配器（ディストリビュータ）４２１に接続され、一方、冷媒入口側は、アキュムレータ５００を兼ねるコンセントレータタンク（集合タンク）４２２に接続されている。

そして、チューブ４１１の入口から出口までの長さＬとチューブ４１１の相当直径ｄが、下記式Ｆ１を満たすように、各冷媒通路（チューブ４１１）の長さ及び相当直径ｄが選定されている。
ｄ^1.0969×１０³≦Ｌ≦５×ｄ^1.0969×１０³…（Ｆ１）
なお、長さＬ及び相当直径ｄの単位はミリメートルであり、チューブ４１１の入口及び出口とは、冷媒通路のうち熱交換に関与する部位における冷媒入口と冷媒出口とを言い、本実施形態では、冷媒入口とは、チューブ４１１と分配器４２１との接続部を言い、冷媒出口とは、チューブ４１１と集合タンク４２２との接続部を言う。

また、相当直径ｄとは、チューブ４１１の通路断面積を円に換算したときの内直径を言うもので、本実施形態では、チューブ４１１は円形であるので、相当直径Ｄはチューブ４１１の内直径となる。

また、４１２はチューブ４１１（ストレートパイプ部４１１ａ）の長手方向と直交する平面を有して集合タンク４２２の長手方向に延びる帯状のプレートフィン（以下、フィンと略す。）であり、このフィン４１２は、フィン４１２に形成されたチューブ挿入穴（図示せず。）にチューブ４１１を挿入した状態でチューブ４１１の外形寸法を拡大するようにチューブ４１１を塑性変形（拡管）させることにより、チューブ４１１と機械的に結合されている。

なお、チューブ挿入穴には、図５に示すように、バーリング加工によりその外縁部が隣り合うフィン４１２側に突出するベルマウス状のカーリング部４１２ａが形成されており、このカーリング部４１２ａを隣り合うフィン４１２に接触させることにより、隣り合うフィン４１２間の寸法（フィンピッチ）ｆｐを確保している。

次に、本実施形態の特徴（作用効果）を述べる。

図６は二酸化炭素を冷媒とするときの熱伝達率αと冷媒の質量流速Ｇｓとの関係を示す数値シミレーション結果であり、図７はチューブ４１１で発生する圧力損失ΔＰと冷媒の質量流速Ｇｓとの関係を示す数値シミレーション結果であり、これらからも明らかなように、質量流速Ｇｓを大きくすると、熱伝達率αは増大するものの、圧力損失ΔＰも増大するので、熱伝達率α及び圧力損失ΔＰの関数である熱交換能力（性能ｋＷ）は、質量流速Ｇｓに対して極大値を有する。

また、図８は蒸発器４００の体格（≒蒸発器４００の伝熱面積）を一定としたときの、チューブ４１１の長さＬ（蒸発距離）と熱交換能力（性能ｋＷ）との関係を示す数値シミレーション結果であり、このグラフからも明らかなように、熱交換能力（性能ｋＷ）は、チューブ４１１の長さＬに対して極大値を有している。

このとき、蒸発器４００の体格（≒蒸発器４００の伝熱面積）を一定としてチューブ４１１の長さＬを変化させているので、チューブ４１１の長さＬが長くなるほど、チューブ４１１の通路断面積（相当直径ｄ）が小さくなり、質量流速Ｇｓが大きくなる。したがって、所定の熱交換能力以上の性能を有する場合の相当直径ｄと蒸発距離（チューブ４１１の長さＬ）との関係を示せば、図９に示すようになる。

そこで、本実施形態では、チューブ４１１の入口から出口までの長さＬとチューブ４１１の相当直径ｄが、上記の数式１を満たすように、各冷媒通路（チューブ４１１）の長さ及び相当直径ｄを選定した。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、給湯器の室外熱交換器に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、家庭用空調装置等の据え置き型の空調装置や車両用空調装置等のその他の蒸気圧縮式冷凍サイクル（ヒートポンプサイクルを含む。）にも適用することができる。

また、上述の実施形態では、フィン４１２とチューブ４１１とを拡管により機械的に結合したが、フィン４１２とチューブ４１１との間で熱移動可能であればよく、例えばろう付け結合（接合）等であってもよい。

また、チューブ４１１の内周面に、チューブ４１１の長手方向に延びる突条（溝）を設ける等して、冷媒とチューブ４１１との熱伝達率αをさらに向上させるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、プレートフィン４１２を採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コルゲートフィン、平板フィン、オフセットフィンやピンフィン、又はルーバフィン、スリットフィン、スーパスリットフィン、ワッフルスリットフィン等のその他フィン形状であってもよい。

本発明の実施形態に係る給湯器の模式図である。 本発明の実施形態に係る蒸発器の正面図である。 図２のＡ矢視図である。 図２のＢ矢視図である。 本発明の実施形態に係る蒸発器におけるフィンとチューブとの接合部分を示す拡大図である。 熱伝達率αと冷媒の質量流速Ｇｓとの関係を示すグラフである。 圧力損失ΔＰと冷媒の質量流速Ｇｓとの関係を示すグラフである。 チューブの長さＬ（蒸発距離）と熱交換能力（性能ｋＷ）との関係を示すグラフである。 相当直径ｄと蒸発距離（チューブ４１１の長さＬ）ととの関係を示すグラフである。

符号の説明

４１１ チューブ
４１２ プレートフィン

Claims (1)

1. 二酸化炭素を蒸発させる蒸発器であって、
   二酸化炭素が流通するチューブ（４１１）の相当直径（ｄ）と、前記チューブ（４１１）の入口から出口までの長さ（Ｌ）とは、
   ｄ^1.0969×１０³≦Ｌ≦５×ｄ^1.0969×１０³の関係を有するように選定されていることを特徴とする蒸発器。

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