(57)【要約】【課題】ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用しても、熱交換量が向上し、着霜がしにくい冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】本冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用い、蒸発器の冷媒流路に圧力損失を増大させる圧力損失増大手段を設ける。【選択図】  図１
2007155192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置において、
冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用するとともに、
前記蒸発器の冷媒流路に圧力損失を増大させる圧力損失増大手段を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記圧力損失増大手段は絞り手段であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記蒸発器は所定のフィンピッチを存して並設される複数枚の板状フィンに冷媒流路を形成する伝熱管を貫通させたフィンチューブ型熱交換器であり、
前記伝熱管を空気の主流方向に複数列設け、前記絞り手段によって分割された各蒸発器部分の冷媒入口を風下側に設けるとともに、
冷媒出口を風上側に設けたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記蒸発器は所定のフィンピッチを存して並設される複数枚の板状フィンと、
前記板状フィンを貫通して設けられたＵ字状伝熱管と、
前記Ｕ字状伝熱管の開口端同士を接続するリターンベンドとを備え、
前記絞り手段は、前記リターンベンドの管径をＵ字状伝熱管の管径よりも小さくして形成されることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記圧力損失増大手段は、前記蒸発器の冷媒流路内に設けられ冷媒流路の断面積を減少するインナースペーサであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記インナースペーサは、断面積の異なる複数種類のものを使用したことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記圧力損失増大手段は、前記蒸発器の冷媒流路パス数を冷媒入口側より出口側で減少させたものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍サイクル装置に係り、特にジメチルエーテルと二酸化炭素からなる混合冷媒の使用に適する冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヒートポンプ式給湯機等の冷凍サイクル装置の冷媒としてＨＣＦＣ冷媒であるＲ２２冷媒が一般に用いられていたが、近年、自然冷媒であるＣＯ２（二酸化炭素）冷媒が使用されている。
【０００３】
このＣＯ２は高圧であるため、高圧に対する安全性確保のために耐圧の強化などの対策が必要である。使用圧力を低下させ、高効率な冷凍サイクル装置の実現を期待されるジメチルエーテル（ＤＭＥという。）とＣＯ２の混合冷媒は、非共沸混合冷媒であり、同一圧力下において乾き度が大きくなるにつれ、蒸発温度が上昇する特性を持つ。
【０００４】
このようなＤＭＥとＣＯ２の混合冷媒を用い、図１２に示すように、圧縮機６２、凝縮器６３、膨張装置６４、図１３に示す１個の蒸発器６５からなる冷凍サイクル装置６１では、図１４に示すモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）になる。
【０００５】
このモリエル線図に示す（７１）から（７４）の各点は、図１２に記載する冷凍サイクル装置の（７１）から（７４）の各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わす。
【０００６】
図１２（図中矢印で示す）及び図１４に示すように、圧縮機６２から吐出され（図中点（７１））、凝縮器６３で凝縮された後（図中点（７２））、膨張装置６４で減圧され（図中点（７３）、蒸発器６５に流入し蒸発する（図中点（７４）。
【０００７】
図１４に示すように、蒸発器６５内で等圧に近いと蒸発過程で等温線を何本も横切ることになる。このため、蒸発器６５の管内（冷媒側）圧力損失が小さいと蒸発器６５内の温度分布が大きくなり、また、蒸発器６５の冷媒出口側では空気との温度差が小さくなり、あるいは逆転するなどで熱交換が行われ難くなる不具合が生じる。また、冬期などの低温下では、蒸発器６５内に温度分布（温度差）があると蒸発器６５の冷媒入口近傍に着霜する問題が発生する。
【０００８】
なお、ＣＯ２冷媒を使用したヒートポンプ式給湯機として特開２００１−２０１１７７号公報（例えば、特許文献１参照）のヒートポンプ式給湯機が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２０１１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用しても、熱交換量が向上し、着霜がしにくい冷凍サイクル装置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】
【００１０】
上述した目的を達成するため、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用するとともに、前記蒸発器の冷媒流路に圧力損失を増大させる圧力損失増大手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用しても、熱交換量が向上し、着霜がしにくい冷凍サイクル装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置について添付図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
【００１４】
図１に示すように、本第１実施形態の冷凍サイクル装置１は、圧縮機２、放熱器としての凝縮器３、膨張装置４、蒸発器５、この蒸発器５の冷媒流路に設けられ圧力損失を増大させる圧力損失増大手段、例えばキャピラリチューブ６を備え、冷媒としてＤＭＥとＣＯ２の混合冷媒を使用する。
【００１５】
図２に示すように、蒸発器５は、所定のフィンピッチを存して並設される複数枚の板状フィン５ａに冷媒流路を形成するＵ字状伝熱管５ｂを貫通させ、上記Ｕ字状伝熱管５ｂの開口端同士をリターンベンド１６で接続したフィンチューブ型熱交換器であり、蒸発器５の配管の途中に圧力損失を増大させるキャピラリチューブ６（６ａ、６ｂ）を設け、蒸発器５を例えば３領域に分割し、それぞれの蒸発器部分５Ａ、５Ｂ、５Ｃに圧力差をつける。
【００１６】
図３は本第１実施形態の冷凍サイクル装置の動作を説明するためのモリエル線図であり、この図３に示す（１１）から（１６）の各点は、図１に記載する冷凍サイクル装置の（１１）から（１６）の各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わす。
【００１７】
図１及び図３に示すように、上記のような構成を有する本第１実施形態の冷凍サイクル装置によれば、図中矢印で示すように、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒の蒸気は最も高い圧力とエンタルピを有し（図中点（１１））、凝縮器３で凝縮された後（図中点（１２））、膨張装置４で減圧され（図中点（１３）、蒸発器部分５Ａに流入し蒸発し、キャピラリチューブ６ａにより減圧され（図中点（１４）、蒸発器部分５Ｂに流入し蒸発し、さらに、キャピラリチューブ６ｂにより減圧され（図中点（１５）、蒸発器部分６Ｃに流入し蒸発する。
【００１８】
一般に非共沸混合冷媒であるＣＯ２とＤＭＥの混合冷媒は、蒸発器内の温度分布が大きくなる問題があるが、本実施形態のように、蒸発器５の冷媒流路に圧力損失増大手段としてのキャピラリチューブ６ａ、６ｂを設けることにより、蒸発器部分５Ａ、５Ｂ、５Ｃに３分割することにより、蒸発器５内の冷媒の状態は、図３に示すような状態線図になり、図１２及び図１４に示す従来の圧力損失増大手段を有しない蒸発器で冷媒を蒸発させるのに比べて、蒸発過程の冷媒の状態を等温線に沿わせるように変化させる図４に示す理想状態に近づけることができる。
【００１９】
従って、上記非共沸混合冷媒を用いても、略等温線に沿って蒸発させることができ、蒸発温度の上昇を抑制し、熱交換相手である空気との温度差を大きくとれ、熱交換量を増大させることができ、また局部的に低温になるのを防いで、着霜をしにくくできる。
【００２０】
また、図２に示すように、各蒸発器部分５Ａ、５Ｂ、５Ｃの冷媒の流れは、風下側の伝熱管５ｂ１を入口、風上側の伝熱管５ｂ２を出口とする対向流的にすることが好ましい。すなわち、空気は蒸発器５内では、熱交換によって風上から風下に向かって温度が低下する。一方、図３に示すように各蒸発器部分５Ａ、５Ｂ、５Ｃ内においては冷媒側の乾き度の上昇に伴い、冷媒の温度が上昇する。したがって、風下側の伝熱管５ｂ１を入口、風上側の伝熱管５ｂ１を出口にし、冷媒の特性に合わせて熱交換させることにより、熱交換相手である空気との温度差を大きくとれ、熱交換量を向上させることができる。
【００２１】
なお、圧力損失増大手段としては、キャピラリチューブの他に細径管、膨張弁等が適し、膨張弁を用いれば、使用条件に合わせて、圧力を適切に制御することも可能である。また、蒸発器は本第１実施形態のように、物理的に分割せず、配管の途中に圧力損失増大手段を設け実質的に分割する例で説明するが、蒸発器を物理的に分割してもよい。
【００２２】
上記のように本第１実施形態の冷凍サイクル装置によれば、ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用しても、熱交換量が向上し、着霜がしにくい冷凍サイクル装置が実現される。
【００２３】
なお、圧力損失手段の数（蒸発器の分割数）を多くすれば、図４に示すように、等温線に沿い蒸発器内の温度分布をより均一にし、理想状態に近づけることができる。
【００２４】
次に第２実施形態に係る冷凍サイクル装置に付いて説明する。
【００２５】
本第２実施形態は、第１実施形態が蒸発器の冷媒流路に２つのキャピラリチューブを設けたものあるのに対して、Ｕ字状伝熱管の開口端同士を接続するリターンベンドの管径をＵ字状伝熱管の管径よりも小さくしたものである。
【００２６】
例えば、図５に示すように、第２実施形態の冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器２５は、そのＵ字状伝熱管５ｂの開口端同士を接続するリターンベンド２６を全てキャピラリチューブで形成する。これにより、Ｕ字状伝熱管１本毎に圧力を下げることができるため、蒸発器内の温度分布をより小さくすることができる。なお、リターンベンド２６はキャピラリチューブに限らず、Ｕ字状伝熱管５ｂの管径よりも径の小さなものであれば良い。
【００２７】
他の構成は図２に示す蒸発器と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。
【００２８】
また、第３実施形態に係る冷凍サイクル装置に付いて説明する。
【００２９】
本第３実施形態は、第２実施形態がリターンベンドを全て短いキャピラリチューブで繋ぐのに対して、一部に長いキャピラリチューブを設けたものである。
【００３０】
例えば、図７に示すように、第３実施形態の冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器３５は、蒸発器部分５Ａと蒸発器部分５Ｂを長いキャピラリチューブ６ａで、蒸発器部分５Ｂと蒸発器部分５Ｃを長いキャピラリチューブ６ｂで繋ぎ、蒸発器５のＵ字状伝熱管５ｂを全てリターンベンドをなすキャピラリチューブ３６で繋ぐ。これにより、図６に示すような状態線図にすることができ、図４に示すような理想的な状態線図に近づけることが可能となる。
【００３１】
また、第４実施形態に係る冷凍サイクル装置に付いて説明する。
【００３２】
本第４実施形態は、第１実施形態が圧力損失増大手段としてキャピラリチューブを用いるのに対して、インナースペーサ挿入管を用いる。
【００３３】
例えば、図８に示すように、第４実施形態の冷凍サイクル装置における圧力損失増大手段としてのインナースペーサ挿入管４６は、内面溝付伝熱管４６ａにインナースペーサ（棒状部材）４６ｂを挿入して形成される。このように伝熱管４６ａの流路をインナースペーサ４６ｂの挿入によって狭くすることで、空気側と接する管外表面積を減少させることなく、冷媒速度が高まり圧力損失を増加させることができ、伝熱性能も流速の増加によって向上する。図９は本第４実施形態の状態線図であり、伝熱管内の圧力損失を上昇させることによって、図４の理想的な圧力変化により近づけることができる。
【００３４】
なお、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、断面積（直径）の異なるインナースペーサ４６ｂを複数用意し（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３）、蒸発器における伝熱管の位置に応じて、断面積の異なるインナースペーサ４６ｂを使用することにより、圧力損失を最適化することができる。
【００３５】
また、第５実施形態に係る冷凍サイクル装置に付いて説明する。
【００３６】
本第５実施形態は、圧力損失増大手段として、蒸発器の冷媒流路パス数を冷媒入口側より出口側で減少させたものである。
【００３７】
例えば、図１１に示すように、蒸発器５０は、所定のフィンピッチを存して並設される複数枚の板状フィン５０ａに冷媒流路を形成するＵ字状伝熱管５０ｂを貫通させ、上記Ｕ字状伝熱管５０ｂの開口端同士をリターンベンド５１で接続したフィンチューブ型熱交換器であり、蒸発器５０の冷媒入口側（図１１では風下側の冷媒流路）では冷媒流路パス数が２であり、冷媒出口側（図１１では風上側の冷媒流路）では冷媒流路パス数が１に減少されている。
【００３８】
このように、冷媒流路パス数を冷媒入口側より出口側で減少させる、すなわち、冷媒流路パス数を冷媒流れ方向に沿って減少させることにより、冷媒流量に対する流路断面積が減少し、圧力損失を増大させることができ、上記第１ないし第４実施態様と同様な効果を得ることができる。また、冷媒流路を形成するＵ字状伝熱管５０ｂの開口端同士の接続を変えるだけで、冷媒流路パス数の調整を容易に行うことができる。
【００３９】
なお、上記各実施形態においては、圧縮機から吐出された高圧側の冷媒が放熱器としての凝縮器により凝縮される例で説明したが、本発明は高圧側の冷媒が凝縮状態となるものに限らず、より高い圧力で超臨界状態、すなわち、圧縮機からの吐出冷媒の状態がモリエル線図上における飽和液線と飽和蒸気線との交点における圧力と温度以上となるものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器の側面図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の圧力−エンタルピ線図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の理想的な圧力−エンタルピ線図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器の側面図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の圧力−エンタルピ線図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器の側面図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器のインナースペーサ挿入管の縦断面図。
【図９】本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置の圧力−エンタルピ線図。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は本発明の冷凍サイクル装置に用いられるインナースペーサ挿入管の他の実施形態の縦断面図。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る冷凍サイクル装置の蒸発器の冷媒流路パス数の説明図。
【図１２】従来の冷凍サイクル装置の構成図。
【図１３】従来の冷凍サイクル装置に用いられる蒸発器の斜視図。
【図１４】従来の冷凍サイクル装置の圧力−エンタルピ線図。
【符号の説明】
【００４１】
１…冷凍サイクル装置、２…圧縮機、３…凝縮器、４…膨張装置、５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）…蒸発器、６（６ａ、６ｂ）…キャピラリチューブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007155192.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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