(57)【要約】【課題】本発明の課題は、ガスクーラの入口側の冷媒とガスクーラの出口側の冷媒とが互いに熱交換を行うことを防ぎ、ガスクーラの熱交換効率の向上を図ることにある。【解決手段】熱交換器１，１ａは、超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器であって、伝熱管２，２ａと複数の伝熱フィン３，３ａとを備える。伝熱管は、超臨界冷媒を流通可能である。複数の伝熱フィンは、伝熱管に接続され、第１流体と伝熱管内の超臨界冷媒とが熱交換を行うことを助長する。複数の伝熱フィンは、超臨界冷媒流れ方向Ｒ１に対して分離して配置される。【選択図】図４
2007333319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器（１，１ａ）であって、
前記超臨界冷媒を流通可能な伝熱管（２，２ａ）と、
前記伝熱管に接続され、前記伝熱管内の前記超臨界冷媒と第１流体とが熱交換することを助長する複数の伝熱フィン（３，３ａ）と、
を備え、
複数の前記伝熱フィンは、前記超臨界冷媒流れ方向（Ｒ１）に対して互いに分離して配置される、
熱交換器（１，１ａ）。
【請求項２】
前記伝熱管（２）は、略円柱形状の第１空間（Ｓ１）に対して複数回巻かれらせん状となる、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記超臨界冷媒は、らせん軌道を描きながら、前記第１空間の第１平面（Ａｓ１）から第２平面（Ａｓ２）の方向へ流れ、
前記第１流体は、前記伝熱管の外部の第１流体流路（Ｓ２）を前記第２平面から前記第１平面の方向へ流れる、
請求項２に記載の熱交換器（１ａ）。
【請求項４】
前記伝熱管は、複数の直管部（２３ａ）と少なくとも１以上の曲管部（２４ａ）とを有し、
複数の前記直管部は、互いに略平行に隣り合い、かつ、互いに間隔をあける形状である、
請求項１に記載の熱交換器（１ａ）。
【請求項５】
前記伝熱フィン（３）は、板状のフィンであり、前記伝熱管の外周面から放射状に外側に延びている、
請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器（１，１ａ）。
【請求項６】
前記伝熱フィン（３ａ）は、針状のフィンであり、前記伝熱管の外周面から放射状に外側に延びている、
請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器（１，１ａ）。
【請求項７】
前記伝熱フィン（３ａ）は、略Ｕ字状のフィンであり、その両端が前記伝熱管の外周面に接続されている、
請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器（１，１ａ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
超臨界冷媒を利用した冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＯ２冷媒などのような超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器には、例えば、クロスフィン式の熱交換器がある。このような、クロスフィン式の熱交換器では、冷媒の流通する１本の伝熱管をターンさせて複数のフィンと接触する部分を増やすことで、熱交換可能な面積を増加させ、熱交換の高効率化を図っている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−７７０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒を利用する熱交換器（ガスクーラ）では、超臨界冷媒は、熱交換器全体において、超臨界領域において作動するために凝縮せずに顕熱変化を伴って作動する。したがって、熱交換器がガスクーラとして機能する場合は、冷媒温度が大きく変化し、熱交換器における冷媒の入口側と出口側とでは大きな温度差が生じる。すなわち、冷媒の流れ方向における伝熱管の上流側と下流側とでは大きな温度差が生じる。特許文献１の技術では、冷媒の流れ方向における伝熱管の上流側と下流側とを伝熱フィンにより接続しているために、伝熱フィンにおいて伝熱管の上流側と下流側とで熱交換を行うこととなり、熱損失の量が大きくなる。
【０００４】
本発明の課題は、ガスクーラの入口側の冷媒とガスクーラの出口側の冷媒とが互いに熱交換を行うことを防ぎ、ガスクーラの熱交換効率の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１発明に係る熱交換器は、超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器であって、伝熱管と複数の伝熱フィンとを備える。伝熱管は、超臨界冷媒を流通可能である。複数の伝熱フィンは、伝熱管に接続され、第１流体と伝熱管内の超臨界冷媒とが熱交換を行うことを助長する。複数の伝熱フィンは、超臨界冷媒流れ方向に対して分離して配置される。
【０００６】
この熱交換器は、超臨界条件下のガスクーラであり、超臨界領域において作動する。このような熱交換器では、熱交換器全体において、冷媒は凝縮せずに顕熱変化を伴って作動する。したがって、熱交換器がガスクーラとして機能する場合に、冷媒温度は大きく変化し、冷媒流れ方向における伝熱管の上流側と下流側とでは大きな温度差が生じる。
【０００７】
本発明では、熱交換器の冷媒流れ方向における伝熱管の上流側と下流側とを伝熱フィンにより接続しないように、冷媒流れ方向に対して伝熱フィンを分離している。これにより、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【０００８】
第２発明に係る熱交換器は、第１発明に係る熱交換器であって、伝熱管は、略円柱形状の第１空間に対して複数回巻かれらせん状となる。
【０００９】
この熱交換器では、伝熱管がらせん状に複数回巻かれている。そして、一巻きの伝熱管の伝熱フィンが、隣り合う別の一巻きの伝熱管の伝熱フィンに接触しないように形成される。
【００１０】
これにより、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００１１】
第３発明に係る熱交換器は、第２発明に係る熱交換器であって、超臨界冷媒は、らせん軌道を描きながら、第１空間の第１平面から第２平面の方向へ流れる。第１流体は、伝熱管の外部の第１流体流路を第２平面から第１平面の方向へ流れる。
【００１２】
この熱交換器は、冷媒の流れ方向が第１流体の流れ方向と対向している。したがって、熱交換器全体において、冷媒と第１流体との温度差を大きく維持することができ、熱交換器の高効率化を図ることができる。
【００１３】
第４発明に係る熱交換器は、第１発明に係る熱交換器であって、伝熱管は、複数の直管部と少なくとも１つ以上の曲管部とを有する。複数の直管部は、互いに略平行に隣り合い、かつ、互いに間隔をあける形状である。
【００１４】
この熱交換器は、伝熱管がターンしており、伝熱管の直管部同士が略平行に隣り合い、かつ、互いに間隔を開けて形成されている。そして、１本の直管部に接続される伝熱フィンは、隣り合う別の１本の直管部に接続される伝熱フィンに接触しないように配置される。
【００１５】
これにより、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００１６】
第５発明に係る熱交換器は、第１発明から第４発明のいずれかに係る熱交換器であって、伝熱フィンは、板状のフィンであり、伝熱管の外周面から放射状に外側に延びている。
【００１７】
この伝熱フィンは、板状の一端で伝熱管と接続されており、１箇所で接続されている。すなわち、伝熱フィンは、伝熱管において、伝熱フィンが接続されている接続箇所よりも上流側または下流側とは接触しないように形成される。
【００１８】
したがって、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００１９】
第６発明に係る熱交換器は、第１発明から第４発明のいずれかに係る熱交換器であって、伝熱フィンは、針状のフィンであり、伝熱管の外周面から放射状に外側に延びている。
【００２０】
この伝熱フィンは、針状の一端で伝熱管と接続されており、１箇所で接続されている。すなわち、伝熱フィンは、伝熱管において、伝熱フィンが接続されている接続箇所よりも上流側または下流側とは接触しないように形成される。
【００２１】
したがって、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００２２】
第７発明に係る熱交換器は、第１発明から第４発明のいずれかに係る熱交換器であって、伝熱フィンは、略Ｕ字状のフィンであり、その両端が伝熱管の外周面に接続されている。
【００２３】
この熱交換器は、伝熱フィンが略Ｕ字状のフィンであり、伝熱管の外周面にその両端が接続されている。すなわち、伝熱フィンは、伝熱管において、伝熱フィンが接続されている接続箇所よりも上流側または下流側とは接触していない。
【００２４】
したがって、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
第１発明に係る熱交換器では、熱交換器の冷媒流れ方向における伝熱管の上流側と下流側とを伝熱フィンにより接続しないように、冷媒流れ方向に対して伝熱フィンを分離している。これにより、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００２６】
第２発明に係る熱交換器では、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００２７】
第３発明に係る熱交換器では、冷媒の流れ方向が第１流体の流れ方向と対向している。したがって、熱交換器全体において、冷媒と第１流体との温度差を大きく維持することができ、熱交換器の高効率化を図ることができる。
【００２８】
第４発明に係る熱交換器では、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００２９】
第５発明に係る熱交換器では、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００３０】
第６発明に係る熱交換器では、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００３１】
第７発明に係る熱交換器では、伝熱管の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面に基づいて、本発明に係るガスクーラ１２の実施形態について説明する。
【００３３】
＜超臨界冷凍サイクル＞
図１に、冷媒に超臨界冷媒であるＣＯ２を利用した冷凍回路１を示す。また、図２は、冷凍回路１を用いた超臨界条件下における冷凍サイクルをｐ−ｈ線図（モリエル線図）により示している。冷凍回路１は、圧縮機１１、ガスクーラ１２、膨張弁１３、および蒸発器１４から構成されている。図２のＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、図１におけるそれぞれの点に対応した冷媒の状態を表している。
【００３４】
この冷凍回路１では、冷媒は、圧縮機１１により圧縮されて高温高圧になる（Ａ→Ｂ）。このとき、冷媒であるＣＯ２は気体から超臨界状態となる。ここにいう「超臨界状態」とは、臨界点Ｋ以上の温度および圧力下における物質の状態であり、気体の拡散性と液体の溶解性とを併せ持っている状態のことである。超臨界状態とは、図２において、臨界温度等温線Ｔｋの右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以上の領域における冷媒の状態である。なお、冷媒（物質）が超臨界状態になると、気相と液相との区別が無くなる。なお、ここにいう「気相」とは、飽和蒸気線Ｓｖより右側で、かつ、臨界圧力Ｐｋ以下の領域における冷媒の状態である。また、「液相」とは、飽和液線Ｓｌより左側で、かつ、臨界温度等温線Ｔｋよりも左側の領域における冷媒の状態である。そして、圧縮機１１により圧縮されて高温高圧の超臨界状態となった冷媒は、ガスクーラ１２により放熱されて高圧の冷媒となる（Ｂ→Ｃ）。このとき、冷媒は、超臨界状態にあるため、ガスクーラ１２内部において顕熱変化（温度変化）を伴って作動している。そして、ガスクーラ１２において放熱した冷媒は、膨張弁１３が開放されることにより膨張して、圧力がＰ１からＰ２へと減圧される（Ｃ→Ｄ）。そして、膨張弁１３により減圧された冷媒は、蒸発器１４において熱を吸収し、蒸発して圧縮機１１へ戻る（D→Ａ）。
【００３５】
本発明に係る熱交換器は、図１におけるガスクーラ１２であり、冷媒の状態を図２におけるＢ→Ｃのように変化させる。このガスクーラ１２は、冷媒に例えばＨＦＣ系のフロン冷媒を用いた冷凍サイクルにおける凝縮器の役割を担っている。このガスクーラ１２は、冷媒に超臨界条件下で作動するＣＯ２を用いているため、凝縮器とは異なり、冷媒が顕熱変化を伴って作動し、冷媒が流入してくる冷媒入口部２１と冷媒が流出する冷媒出口部２２とでは大きな温度差が生じる。
【００３６】
＜ガスクーラの構成＞
図３は、本発明の一実施形態に係るガスクーラ１２の概略図である。ガスクーラ１２は、空気調和装置、ヒートポンプ給湯機などの冷媒回路に組み込まれる装置の一つで、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒を冷却するガスクーラである。ガスクーラ１２は、主として、伝熱管２と伝熱フィン３とから構成されている。
【００３７】
伝熱管２は、略円柱形状の第１空間Ｓ１を中心にして巻くようならせん状の形状となっている。そして、伝熱管２内部を、圧縮機１１により圧縮されて高温高圧になった超臨界冷媒が流通している。この高温高圧の超臨界冷媒は、冷媒入口部２１より流入し、冷媒出口部２２より流出しており、図３および図４に示す白抜き矢印Ｒ１の方向へ流れている。
【００３８】
伝熱フィン３は、図４のように板状の形状となっており、複数枚が伝熱管２の外周面から外側へ延びるように放射状に接続されている。この伝熱フィン３は、伝熱管２内部へ流入してくる高温高圧の超臨界冷媒の熱を伝熱管２外部の外部空気に放出させている。
【００３９】
ガスクーラ１２は、第１円筒パイプ４と第２円筒パイプ５とをさらに有している。伝熱管２は、第１円筒パイプ４を複数回巻いておりらせん状となっている。第２円筒パイプ５は、第１円筒パイプ４よりも管径が大きく伝熱管２の外側を覆うように形成されている。このようにして、第１円筒パイプ４と第２円筒パイプ５との間には、外部空気が流通する第２空間Ｓ２が形成されている。ここで、第１円筒パイプ４と第２円筒パイプ５とは、ともに金属製である。この第２空間Ｓ２に流入した外部空気が、伝熱管２内を流れる超臨界冷媒と熱交換を行い、伝熱管２内の超臨界冷媒の冷却を行っている。
【００４０】
また、ガスクーラ１２では、超臨界冷媒が伝熱管２内部を第１空間Ｓ１の第１平面Ａｓ１から第２平面Ａｓ２の方向（図３の矢印Ｒ１ａ参照）に流れており、外部空気がその逆方向（図３および図４の白抜き矢印Ａ１参照）に流れている。このように、ガスクーラ１２では、超臨界冷媒の流れ方向Ｒ１ａと外部空気の流れ方向Ａ１とが対向している。このため、ガスクーラ１２全体において、超臨界冷媒と外部空気との温度差を大きく維持することができ、ガスクーラ１２の高効率化を図ることができる。
【００４１】
＜特徴＞
（１）
このガスクーラ１２では、冷媒流れ方向における伝熱管２の上流側と下流側とを伝熱フィン３により接続しないように、冷媒流れ方向に対して伝熱フィン３を分離している。これにより、伝熱管２の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、ガスクーラ１２における熱交換効率の向上を図ることができる。
【００４２】
（２）
このガスクーラ１２では、伝熱管２が複数回巻かれてらせん状になっている。さらに、このガスクーラ１２は、伝熱フィン３が板状のフィンであり、伝熱管２の外周面から放射状に外側に延びている。この伝熱フィン３は、板状の一端で伝熱管２と接続されており、接続箇所がその１箇所である。すなわち、伝熱フィン３は、伝熱管２において、伝熱フィン３が接続されている接続箇所よりも上流側または下流側とは接触していない。
【００４３】
これにより、伝熱管２の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、ガスクーラ１２の熱交換効率の向上を図ることができる。さらに、ガスクーラ１２全体において、冷媒と第１流体との温度差を大きく維持することができ、ガスクーラ１２の高効率化を図ることができる。
【００４４】
＜変形例＞
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００４５】
（１）
上記実施例において、伝熱管２を複数回巻いてらせん状にしているが、これに限らず、１本の伝熱管２ａを複数回ターンさせた形状であっても良い。図５は、伝熱管２ａを複数回ターンさせた場合のガスクーラ１２ａの概略図である。このガスクーラ１２では、伝熱管２ａは、略平行に配置された複数の直管部２３ａと、複数の直管部２３ａの端部を交互に連結している曲管部２４ａとを有しており、１本の冷媒経路を形成している。そして、１本の直管部２３ａに接続される伝熱フィン３は、隣り合う別の１本の直管部２３ａに接続される伝熱フィン３に接触しないように配置されている。
【００４６】
ここで、高温高圧の超臨界冷媒は、上部の冷媒入口部２１ａより流入し、下部の冷媒出口部２２ａより流出しており、図５に示す白抜き矢印Ｒ２，Ｒ３の方向へ流れている。また、外部空気は、伝熱管２ａの直管部２３ａと垂直の方向（図５に示す白抜き矢印Ａ２の方向）に流れている。
【００４７】
これにより、伝熱管２ａの上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、ガスクーラ１２の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００４８】
（２）
上記実施例において、伝熱フィン３は板状のフィンであったが、これに限らず、針状、棒状などのフィンであっても良い。この伝熱フィンは、針状または棒状の一端で伝熱管２と接続されており、１箇所で接続される。
【００４９】
また、両端が接続されるような略Ｕ字状の伝熱フィン３ａであっても良い（図６参照）。伝熱フィン３ａは、その両端の２箇所で接続されるが、形状が略Ｕ字であるために２つの接続箇所は比較的近い位置となる。すなわち、伝熱フィン３ａは、接続箇所の上流側または下流側とは接触しないため、接続箇所の上流側または下流側との熱交換をほとんど行わない。なお、この変形例では、上記実施例とは伝熱フィンの形状が違うのみであり、伝熱管２、冷媒流れ方向Ｒ１、および外部空気の流れ方向Ａ１は全て同じである。
【００５０】
したがって、伝熱管２の上流側と下流側とが熱交換を行うことを防ぐことができ、大きな熱損失を低減することができる。このため、ガスクーラ１２の熱交換効率の向上を図ることができる。
【００５１】
（３）
上記実施例において、第１円筒パイプおよび第２円筒パイプは金属製であったが、これに限らず、樹脂製などであっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る熱交換器は、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができ、超臨界条件の冷凍サイクルにおいて機能する熱交換器等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る超臨界冷媒を用いた冷凍回路図。
【図２】超臨界冷媒を利用した冷凍サイクルのｐ−ｈ線図（モリエル線図）。
【図３】ガスクーラの斜視図。
【図４】伝熱管に接続される伝熱フィン（板状）の拡大図。
【図５】変形例（１）に係るガスクーラの斜視図。
【図６】変形例（２）に係る伝熱フィン（略Ｕ字状）の拡大図。
【符号の説明】
【００５４】
２，２ａ          伝熱管
３，３ａ          伝熱フィン
１２，１２ａ      ガスクーラ（熱交換器）
２３ａ          直管部（直線部）
２４ａ          曲管部（曲げ部）
Ｓ１          第１空間
Ｓ２          第２空間（第１流体流路）
Ａｓ１          第１平面
Ａｓ２          第２平面
【図１】
2007333319.tif 000003
【図２】
2007333319.tif 000004
【図３】
2007333319.tif 000005
【図４】
2007333319.tif 000006
【図５】
2007333319.tif 000007
【図６】
2007333319.tif 000008