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技術 蒸発器

出願人 三洋電機株式会社
発明者 山本泰司宮村幸雄益川貴之上田雅文
出願日 1997年7月30日 (22年7ヶ月経過) 出願番号 1997-204715
公開日 1999年2月26日 (21年0ヶ月経過) 公開番号 1999-051511
状態 拒絶査定
技術分野 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部1 圧縮機、蒸発器、凝縮器、流体循環装置
主要キーワード 存在面 蒸発管路 熱伝達率α 冷媒液体 円筒内周面 環状流 熱流速 気相成分
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この項目の情報は公開日時点(1999年2月26日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (12)

課題

周平均の熱伝達率が向上されるように改良された蒸発管路を有する蒸発器を提供することを主要な目的とする。

解決手段

蒸発器は、その中を冷媒22が流れる蒸発管路12を備える。蒸発管路の底部は、実質的に平坦にされている。蒸発管路12の底部が平坦にされているので、冷媒の液体ぬれ境界角が大きくなり、特に分離流において、液相部と管壁との接触面積が大きくなる。ひいては、周平均の熱伝達率は向上する。

概要

背景

図7は、空調設備に利用されている、従来から一般に知られている冷凍回路の一例を示すブロック図である。

冷凍回路は、蒸発器10と、コンプレッサ圧縮器)20と、凝縮器30と、キャピラリチューブ減圧器)40とを含み、それぞれは、冷媒循環する管路によって接続されている。矢印の方向に冷媒が循環する。冷媒を、蒸発圧縮凝縮液化)→減圧→蒸発というように、ある状態から出発して連続的に状態変化させ、循環させて冷凍の作用を行なわせるサイクルを「冷凍サイクル」と称する。冷媒としては、たとえばジクロロジフルオロメタン(R−12)やクロロジフルオロメタン(R−22)等が用いられる。

次に、冷凍サイクルについて、簡単に説明しておく。図8は、冷凍サイクルを示す図である。このサイクルは、凝縮器、蒸発器、配管などで起こる冷媒の流れに対する圧力降下、配管や圧縮機などで出入りする熱を無視した理想的な状態が描かれたサイクルである。以下、この理想冷凍サイクルについて説明を加える。

蒸発圧力p0 ,蒸発器出口冷媒蒸気温度t1 のとき、圧縮機吸込蒸気の状態は、符号1で表わされる点にあり、この状態から、点2へ向かう曲線に沿って、圧縮機で凝縮圧力pk まで圧縮される。圧縮の過程では断熱圧縮(冷媒と外部との間に熱の出入りのない圧縮)され、圧力が上昇し、圧縮機出口での冷媒は点2で表わされる状態となり、その温度はt2 となる。

圧縮機を出た冷媒は圧力pk の状態で凝縮器に入り、冷却されてpk に対する飽和温度tk の飽和液となり、さらに温度t3 まで過冷却されるときは、冷媒は過冷却度(tk −t3 )の状態3で示される過冷却液となる。この冷媒液は、膨張弁へ流れるが、その間で周囲から熱の出入りがなく、また流れに対する抵抗もなく圧力降下がないとすると、膨張弁前の液の状態はやはり3のままである。

冷媒が膨張弁を通過するときは、熱の出入りがなく、仕事をすることもない。ただ圧力が高圧pk から低圧p0 へ降下する。このような冷媒の状態の変化を絞り膨張といい、そのときはエンタルピはほとんど変化しない。したがって、膨張弁出口のエンタルピは、点3の状態のエンタルピとほぼ同じである。膨張弁を出た冷媒が蒸発器へ流れるとき途中で熱の出入りがなく、また流れによる圧力降下もないとすると、蒸発器入口は点4に示す状態であり、この点の状態は膨張弁出口の状態とほぼ同じである。

点4の状態では、既に液相状態の冷媒の一部が蒸発して、液相の冷媒と気相の冷媒とが混合した状態となっており、その乾き度はx4 、温度はt0 になっている。

点4の状態で蒸発器に入った冷媒は、液の部分は、まわりからの熱によって蒸発し、点Bでは液相がなくなり、点B−点1の間でt0 からt1 まで過熱される。過熱度(t1 −t0 )の点1の状態で、冷媒は圧縮機に吸込まれ、サイクルが繰返される。

図9には、p−h線図上の冷媒の状態変化と、冷凍装置の冷媒の変化が対応させて描かれている。

点4の状態の乾き度x4 はp−h線図からも読取ることができるが、計算による場合は次の式を利用する。

概要

周平均の熱伝達率が向上されるように改良された蒸発管路を有する蒸発器を提供することを主要な目的とする。

蒸発器は、その中を冷媒22が流れる蒸発管路12を備える。蒸発管路の底部は、実質的に平坦にされている。蒸発管路12の底部が平坦にされているので、冷媒の液体ぬれ境界角が大きくなり、特に分離流において、液相部と管壁との接触面積が大きくなる。ひいては、周平均の熱伝達率は向上する。

目的

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、周平均の熱伝達率を十分に大きくさせることができるように改良された蒸発器を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

冷媒が流れる蒸発管路を備え、前記蒸発管路の底部は、該底部以外の前記蒸発管路の内周を構成する円筒内周面延長した円筒面よりも、前記蒸発管路の中心側へ凹むように形成されている蒸発器

請求項2

前記冷媒は、ジフルオロメタンペンタフルオロエタンとの混合冷媒を含む、請求項1に記載の蒸発器。

技術分野

0001

この発明は、一般に蒸発器に関するものであり、より特定的には、空調設備に使用される蒸発器に関する。

背景技術

0002

図7は、空調設備に利用されている、従来から一般に知られている冷凍回路の一例を示すブロック図である。

0003

冷凍回路は、蒸発器10と、コンプレッサ圧縮器)20と、凝縮器30と、キャピラリチューブ減圧器)40とを含み、それぞれは、冷媒循環する管路によって接続されている。矢印の方向に冷媒が循環する。冷媒を、蒸発圧縮凝縮液化)→減圧→蒸発というように、ある状態から出発して連続的に状態変化させ、循環させて冷凍の作用を行なわせるサイクルを「冷凍サイクル」と称する。冷媒としては、たとえばジクロロジフルオロメタン(R−12)やクロロジフルオロメタン(R−22)等が用いられる。

0004

次に、冷凍サイクルについて、簡単に説明しておく。図8は、冷凍サイクルを示す図である。このサイクルは、凝縮器、蒸発器、配管などで起こる冷媒の流れに対する圧力降下、配管や圧縮機などで出入りする熱を無視した理想的な状態が描かれたサイクルである。以下、この理想冷凍サイクルについて説明を加える。

0005

蒸発圧力p0 ,蒸発器出口冷媒蒸気温度t1 のとき、圧縮機吸込蒸気の状態は、符号1で表わされる点にあり、この状態から、点2へ向かう曲線に沿って、圧縮機で凝縮圧力pk まで圧縮される。圧縮の過程では断熱圧縮(冷媒と外部との間に熱の出入りのない圧縮)され、圧力が上昇し、圧縮機出口での冷媒は点2で表わされる状態となり、その温度はt2 となる。

0006

圧縮機を出た冷媒は圧力pk の状態で凝縮器に入り、冷却されてpk に対する飽和温度tk の飽和液となり、さらに温度t3 まで過冷却されるときは、冷媒は過冷却度(tk −t3 )の状態3で示される過冷却液となる。この冷媒液は、膨張弁へ流れるが、その間で周囲から熱の出入りがなく、また流れに対する抵抗もなく圧力降下がないとすると、膨張弁前の液の状態はやはり3のままである。

0007

冷媒が膨張弁を通過するときは、熱の出入りがなく、仕事をすることもない。ただ圧力が高圧pk から低圧p0 へ降下する。このような冷媒の状態の変化を絞り膨張といい、そのときはエンタルピはほとんど変化しない。したがって、膨張弁出口のエンタルピは、点3の状態のエンタルピとほぼ同じである。膨張弁を出た冷媒が蒸発器へ流れるとき途中で熱の出入りがなく、また流れによる圧力降下もないとすると、蒸発器入口は点4に示す状態であり、この点の状態は膨張弁出口の状態とほぼ同じである。

0008

点4の状態では、既に液相状態の冷媒の一部が蒸発して、液相の冷媒と気相の冷媒とが混合した状態となっており、その乾き度はx4 、温度はt0 になっている。

0009

点4の状態で蒸発器に入った冷媒は、液の部分は、まわりからの熱によって蒸発し、点Bでは液相がなくなり、点B−点1の間でt0 からt1 まで過熱される。過熱度(t1 −t0 )の点1の状態で、冷媒は圧縮機に吸込まれ、サイクルが繰返される。

0010

図9には、p−h線図上の冷媒の状態変化と、冷凍装置の冷媒の変化が対応させて描かれている。

0011

点4の状態の乾き度x4 はp−h線図からも読取ることができるが、計算による場合は次の式を利用する。

0012

0013

図10は、従来の蒸発器の構造の概略を模式的に示す斜視図である。蒸発器10は、冷媒が流れる管路12とフィン11とを備える。冷媒は、入口12aから管路12内に入り、管路12内を通過し、その間に空気5から熱を奪って気化して、出口12bから出る。気化した冷媒は、コンプレッサ20内に再び送り込まれる。このようなサイクルが繰返されることにより、冷却動作が行なわれる。

0014

図11は、従来の蒸発器の中の蒸発管路の断面図である。図11おいては、蒸発回路12内に、溶解した冷凍機油を含む液相の冷媒22が流れている様子が描かれている。冷媒22は、蒸発管路12内を、蒸発しながら高速で流れている。流れている液相の冷媒22の液体の表面は、図のように、下に凹んでいる。

0015

蒸発管路12の径は、たとえば7mmであり、その肉厚は0.2〜0.3mmである。蒸発管路12の全長は、たとえば10mである。

発明が解決しようとする課題

0016

図11を参照して、従来の蒸発器では、冷媒が流れる蒸発管路として断面形状が円の円管(以下、円形伝熱管という)を用いていたので、液相部と管壁との接触面積が十分に大きくなく、周平均の熱伝達率が十分に大きくされていなかった。

0017

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、周平均の熱伝達率を十分に大きくさせることができるように改良された蒸発器を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0018

この発明に係る蒸発器は、冷媒が流れる蒸発管路を備える。この蒸発管路の底部は、実質的にこの底部以外の蒸発管路の内周を構成する円筒内周面延長した円筒面よりも、蒸発管路の中心側へ凹むように形成されている。

0019

蒸発管路の底部が実質的に平坦または該蒸発管路の中心に向かって凹むように形成されているので、液のぬれ境界角が大きくなる。

0020

実施の形態1
図1は、実施の形態1に係る蒸発器に用いられる蒸発管路の断面図である。図1を参照して、蒸発管路12の底部は平坦にされている。蒸発管路12の底部が平坦にされているので、溶解した冷凍機油を含む液相の冷媒22のぬれ境界角が大きくなり、特に分離流において、液相部と管壁との接触面積が大きくなる。ひいては、周平均の熱伝達率は向上する。

0021

図2は、実施の形態1に係る蒸発管路の断面図の詳細である。図2を参照して、実施の形態1に係る蒸発管路の底面は、厳密には、図のように、凹凸が存在するが、巨視的に見ると、平坦となっている。

0022

次に、実施の形態1に係る蒸発管路が、従来の蒸発管路に比べて、熱伝達率が向上することを定量的に説明する。

0023

図3に、従来の伝熱管と実施の形態1に係る蒸発管路(以下、D型伝熱管という)の断面における液相存在面積の求め方を示す。

0024

図中、Aは流路断面における液相存在面積、φ0 は従来の円形伝熱管における界面が水平な場合のぬれ境界角、φは従来の円形伝熱管におけるぬれ境界角、φb はD型伝熱管における平坦部角、φOmはD型伝熱管における界面が水平な場合のぬれ境界角、φm はD型伝熱管におけるぬれ境界角を表わしている。

0025

流す冷媒の流量を同じとすると、従来の伝熱管の液相存在面積AとD型伝熱管の液相存在面積は等しくなるので、次の式が成立する。

0026

0027

式(1)より、未知数のφOmが求められる。次に、φ0 とφとの比とφOmとφm との比が等しいとすると、次式が成立する。

0028

0029

式(1)と式(2)より、φm はφ/φ0 が求まると求められることになる。吉田ら(第27回日本伝熱シンポジウム講演論文集(1990.5))によると、ぬれ境界角φは、経験的に次式により求められる。

0030

0031

上式において、xは乾き度、ρg は冷媒蒸気密度、ρl は冷媒液体の密度、gは重力加速度、Dは内径、Gは冷媒質量速度(kg/m2 s)、Hνは蒸発潜熱(J/kg)、qは熱流速(w/m2 )を表わしている。

0032

式(3)と式(2)よりφmが求められる。次に、図4に示す環状流の場合の熱伝達率αと、図5に示す分離流の場合の熱伝達率αは経験的に次式により求められる(山本ら、第34回日本伝熱シンポジウム講演論文集(1997.5))。なお、図4および図5において、12は管を表わし、22は管12を流れる冷媒を表わしている。

0033

0034

上式で、C1 、C2 、C3 、C4 、C5 、C6 は定数、Χttはロックハートマルチネリパラメータ、αlOは液相のみが管を満たす場合の熱伝達率、αgOは気相のみが管を満たす場合の熱伝達率、μg は冷媒蒸気の粘度(PaS)、μlは冷媒液体の粘度、qは熱流速(w/m2 )、Gは冷媒質量速度(kg/m2 s)、Hνは蒸発潜熱(J/kg)を表わしている。

0035

以上の式を用いて、熱伝達率を求めた結果を表1に示す。

0036

0037

表1のデータを取得したときの実験条件は次のとおりである。
冷媒R410A
冷媒質量流速200kg/m2 s
乾き度(x) 0.3
蒸発温度5℃
熱流速5kW/m2
供試伝熱管仕様
外径9.5mm
平滑銅管
二重管による水熱交方式
表1中、GPospはボイリング数、Xttspはロックハート・マルチネリパラメータ、Alrlspは液相成分のみが管内を流れると仮定した場合の冷媒熱伝達率、Alrgspは気相成分のみが管内を流れると仮定した場合の冷媒熱伝達率、αorgは円形伝熱管の場合の冷媒熱伝達率、αmはD型伝熱管の場合の冷媒熱伝達率(分離流の場合)、αm(0.9以上)はD型伝熱管の場合の冷媒熱伝達率(環状流の場合)を表わしている。

0038

表1より明らかなように、αmとαm(0.9以上)とαorgの値を比較して、実施の形態1の場合は、従来の円形伝熱管に比べて、熱伝達率が向上していることがわかる。

0039

なお、実施の形態1において、冷媒としてジフルオロメタンペンタフルオロエタンとの混合冷媒であるR410Aを用いると、圧力損失の増大が少なくなるという効果を奏する。

0040

実施の形態2
図6(a)は、実施の形態2に係る蒸発器に用いられる蒸発管路の断面図である。

0041

蒸発管路12の底部は、該蒸発管路12の中心に向かって凹むように形成されている。このように構成しても、液相部と管壁との接触面積が大きくなるので、周平均の熱伝達率が、実施の形態1の場合と同様に、向上する。

0042

なお、上述した実施の形態1および2においては、蒸発管路12の底部が、平坦または該蒸発管路12の中心に向かって突き出すように凹む形状に形成された場合について示したが、必ずしもそれらに限られるものではない。すなわち、蒸発管路12の底部が、図6(b)に示すように、該底部以外を構成する円筒内周面を延長した円筒面から、蒸発管路12の中心側に凹む形状であれば、中心に向かって突き出すように凹む形状ではなくても、図11に示した従来の場合に比べて、液のぬれ境界角が大きくなり、周平均の熱伝達率を向上させることができる。

発明の効果

0043

以上説明したとおり、この発明に係る蒸発器によれば、その中を冷媒が流れる蒸発管路を備え、該蒸発回路の底部は、平坦または、該蒸発管路の中心に向かって凹むように形成されているので、液相部と管壁との接触面積が大きくなる。その結果、周平均の熱伝達率が向上するという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0044

図1実施の形態1に係る蒸発器に用いられる蒸発管路の断面図である。
図2実施の形態1に係る蒸発器に用いられる蒸発管路の断面図の詳細を示す図である。
図3従来の伝熱管と本発明に係るD型伝熱管の液相存在面積を求めるための図である。
図4冷媒が環状流の形で管路内を流れている様子を示す図である。
図5冷媒が分離流の状態で管路内を流れている様子を示す図である。
図6(a)は、実施の形態2に係る蒸発器に用いられる蒸発管路の断面図、(b)はその変形例を示す断面図である。
図7冷凍回路の概念図である。
図8冷凍サイクルを示す図である。
図9冷媒の状態変化とp−h線図を示す図である。
図10従来の蒸発器の構造の概略を模式的に示す斜視図である。
図11従来の蒸発器に用いられている蒸発管路の断面図である。

--

0045

12蒸発管路
22 液相の冷媒(溶解した冷凍機油を含む)

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