二氧化碳熱泵式熱水供給裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具備能夠根據(jù)加熱能力使得性能最大化的蒸發(fā)器的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置。本發(fā)明的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的特征在于，蒸發(fā)器（103）是通過以大致直角地貫穿的方式固定作為空氣側的導熱面的翅片組（3）、和由在與空氣流正交的方向上排列的多個蒸發(fā)器制冷劑流路（4）構成的蒸發(fā)器制冷劑流路組，來在空氣與制冷劑之間進行熱交換的交叉翅片管式的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器（103）的所述蒸發(fā)器制冷劑流路（4）的內(nèi)徑為4.3mm～4.9mm，當將二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力設為Q、將所述蒸發(fā)器制冷劑流路（4）的流路分岔數(shù)設為P的情況下，滿足以下關系式（1）：P≤64/33×Q...（1）。
【專利說明】二氧化碳熱泵式熱水供給裝置

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及二氧化碳熱泵式熱水供給裝置。

【背景技術】
[0002]將二氧化碳用于工作制冷劑的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置具備利用空氣的熱將在制冷劑管內(nèi)部流動的液體制冷劑蒸發(fā)成氣體制冷劑的蒸發(fā)器。以往，以蒸發(fā)器的高性能化為目的進行了各種研究。例如，提出有以下裝置:在以其長度方向與空氣流正交的方式排列的制冷劑管大致呈直角地貫穿作為空氣側的導熱面的翅片組的、所謂交叉翅片管式的蒸發(fā)器中，將制冷劑管的外徑設置在4.6mm?6.0mm,將全體熱交換器排成三列(參照專利文獻I)。根據(jù)具備這樣的蒸發(fā)器的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，能夠在解決零件數(shù)量增加這一制造性等的問題的同時實現(xiàn)高性能化。
[0003]現(xiàn)有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:特開2006—194476號公報。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明所要解決的課題
[0007]但是，在具備以往的蒸發(fā)器(例如，參照專利文獻I)的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置中，雖然指定了使得該蒸發(fā)器性能最佳的合適的制冷劑管徑，但是沒有關于制冷劑流路的分岔數(shù)的記載。在此，當相比于本來所應具有的值過小地設定了蒸發(fā)器的流路分岔數(shù)時，蒸發(fā)器出入口之間的制冷劑側壓力損失增大。另一方面，當過大地設定了流路分岔數(shù)時，制冷劑管內(nèi)的流動方式不再是導熱率高的環(huán)狀流，而成為導熱率低的層狀流。也就是說，存在以下課題:在流路分岔數(shù)過小或者過大的任一種情況下都不能夠獲得充分的性能。此外，當裝入蒸發(fā)器的熱泵循環(huán)的加熱能力增強時，制冷劑管內(nèi)的流動方式成為層狀流的極限的流路分岔數(shù)發(fā)生變化，因此，還需要選擇與加熱能力對應的流路分岔數(shù)。
[0008]因此，本發(fā)明的課題在于，提供一種二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，所述二氧化碳熱泵式熱水供給裝置具備能夠根據(jù)加熱能力使性能最大化的蒸發(fā)器。
[0009]解決所述課題的本發(fā)明涉及一種二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，通過呈環(huán)狀地至少連接壓縮機、水制冷劑熱交換器、膨脹閥以及蒸發(fā)器等各要素并在流路內(nèi)部密封入二氧化碳制冷劑而構成，所述二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的特征在于，所述蒸發(fā)器是通過以大致直角地貫穿的方式固定作為空氣側的導熱面的翅片組、和由在與空氣流正交的方向上排列的多個蒸發(fā)器制冷劑流路構成的蒸發(fā)器制冷劑流路組，來在空氣與制冷劑之間進行熱交換的交叉翅片管式的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑為4.3mm?4.9mm,當將二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力設為Q、將所述蒸發(fā)器制冷劑流路的流路分岔數(shù)設為P的情況下，滿足以下關系式(I):P ( 64/33 XQ...(I)。
[0010]另外，優(yōu)選這樣的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置中具有以下構成:當將所述蒸發(fā)器制冷劑流路的所述流路分岔數(shù)設為P的情況下，滿足下式(2):
[0011]P ^ 4/3XQ...(2)(在所述(2)式中，Q是二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力)。
[0012]另外，優(yōu)選這樣的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置中具有以下構成:所述蒸發(fā)器制冷劑流路的所述流路分岔數(shù)P是滿足所述(2)式的自然數(shù)的最大值。
[0013]另外，優(yōu)選這樣的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置中具有以下結構:在所述蒸發(fā)器的制冷劑出口部，以接近的方式配置多個所述蒸發(fā)器制冷劑流路。
[0014]另外，優(yōu)選這樣的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置中具有以下構成:滿足下式(3):
[0015]Led/Ded°-28 < 0.169Q0.36...(3)
[0016](Led是從膨脹閥至分配器的分岔點的分岔前流路的長度，Ded是所述膨脹閥的下游側的分岔前流路的內(nèi)徑，Q是二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力)。
[0017]本發(fā)明的效果如下。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種具備能夠根據(jù)加熱能力使得性能最大化的蒸發(fā)器的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的實施方式的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的系統(tǒng)圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的實施方式的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的蒸發(fā)器的立體圖。
[0021]圖3是表示本發(fā)明的實施方式的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的膨脹閥的下游側的流動的示意圖。
[0022]圖4是表示形成二氧化碳制冷劑的噴霧流、氣泡流的氣液混合區(qū)域與形成二氧化碳制冷劑的環(huán)狀流的氣液分離區(qū)域的轉變點的測定結果的圖表。
[0023]圖5是針對二氧化碳制冷劑的流動方式線圖，橫軸是制冷劑干燥度，縱軸是質(zhì)量速度(kg/m2s)。
[0024]圖6是表示基于由分配器決定的分岔前流路的分岔數(shù)與蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑的關系而利用模擬試驗計算出蒸發(fā)器制冷劑流路內(nèi)的一部分成為環(huán)狀流的閾值的計算結果的圖表，橫軸是蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑(_)，縱軸是分岔前流路的由分配器決定的分岔數(shù)。
[0025]圖7是表示蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑(mm)與二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的APF(Annual Performance Factor:全年耗能效率)的關系的圖表,橫軸是蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑(mm)，縱軸是APF。
[0026]圖8是示意地表示從蒸發(fā)器制冷劑流路的入口至出口的二氧化碳制冷劑的制冷劑溫度分布的圖表，橫軸是蒸發(fā)器制冷劑流路的長度(_)，縱軸是制冷劑溫度rc )。
[0027]圖9 (a)是與圖8所示的二氧化碳制冷劑的溫度上升」T相對應地表示在圖2所示的第三分岔后流路及第四分岔后流路中、二氧化碳制冷劑在從蒸發(fā)器的制冷劑入口部流至制冷劑出口部時的二氧化碳制冷劑的溫度變化的示意圖。圖9 (b)是與圖8所示的二氧化碳制冷劑的溫度上升^ T相對應地表示在作為比較例的第三分岔后流路及第四分岔后流路中、二氧化碳制冷劑在從蒸發(fā)器的制冷劑入口部流至制冷劑出口部時的二氧化碳制冷劑的溫度變化的示意圖。
[0028]圖10是表示二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的加熱能力Q與由分配器決定的分岔前流路的最佳分岔數(shù)(流路分岔數(shù)P)的關系的圖表，橫軸是加熱能力Q (kw)，縱軸是流路分岔數(shù)P。
[0029]圖11是其他實施方式的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的蒸發(fā)器的立體圖。
[0030]圖中:
[0031]I一分配器，2—合流部，3—翅片組，4一蒸發(fā)器制冷劑流路，5—分岔前流路，6—第一分盆后流路，7一第二分盆后流路，8一第二分盆后流路，9一第四分盆后流路，10一第五分岔后流路，11 一第六分岔后流路，100—壓縮機，101—水制冷劑熱交換器，102—膨脹閥，103 一蒸發(fā)器，104 一熱水iil, 105 一循環(huán)泵。

【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明的實施方式的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置(CO2熱泵式熱水供給裝置)的主要特征在于，當將蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑設為4.3mm?4.9_、將熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力設為Q、將所述蒸發(fā)器制冷劑流路的流路分岔數(shù)設為P時，滿足以下關系式(I):
[0033]P ^ 64/33XQ...(I)
[0034]以下，參照合適的附圖詳細地說明本發(fā)明的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的實施方式。此外，以下說明中的前后上下方向以圖2所示的上下前后方向為基準，即，以垂直方向上方為上側，以流入蒸發(fā)器的空氣的上游側為前側。另外，以下的說明中的左右方向以圖2所示的左右方向為基準，即，以從空氣流的上游側觀察蒸發(fā)器的朝向下的右方為右側。
[0035]圖1是本發(fā)明的實施方式的熱泵式熱水供給裝置的系統(tǒng)圖。本實施方式的熱泵式熱水供給裝置(以下，有時簡稱作“熱泵熱水供給機”)具有熱泵循環(huán)和水側循環(huán)。
[0036]如圖1所示，熱泵循環(huán)為以下結構:在呈圓環(huán)狀(環(huán)狀)地連接壓縮機100、水制冷劑熱交換器101、膨脹閥102以及蒸發(fā)器103等各要素的流路內(nèi)密封入二氧化碳制冷劑(CO2制冷劑)。
[0037]另外，水側循環(huán)為以下結構:在呈圓環(huán)狀(環(huán)狀)地連接貯熱水罐104、循環(huán)泵105以及水制冷劑熱交換器101等各要素的流路內(nèi)充滿水。
[0038]蒸發(fā)器103為了將流路劃分為多個(在圖1中為六個流路)來進行熱交換，在與膨脹閥102之間配置有分配器1，在與壓縮機100之間配置有合流部2。
[0039]圖2是蒸發(fā)器103的立體圖，也具體地示出了圖1中的從膨脹閥102至合流部2的結構。
[0040]如圖2所示，蒸發(fā)器103是交叉翅片管式的蒸發(fā)器，具備作為空氣側的導熱面的翅片組3和多個蒸發(fā)器制冷劑流路4 (蒸發(fā)器制冷劑流路組)。具體而言，翅片組3由板狀的多個翅片構成，構成為翅片的板面以相隔預定間隙地相對的方式彼此重疊。并且，空氣在翅片組3的翅片的板面之間流動。
[0041]雖未圖示，但蒸發(fā)器制冷劑流路4大致正交地貫穿翅片組3的各翅片，從而固定于各翅片。具體而言，蒸發(fā)器制冷劑流路4在大致正交地貫穿了翅片組3的各翅片之后，折回而再次大致正交地貫穿翅片組3的各翅片。也就是說，貫穿翅片組3的多個蒸發(fā)器制冷劑流路4 (蒸發(fā)器制冷劑流路組)以蒸發(fā)器制冷劑流路4的長度方向在與空氣流正交的方向上排列的方式配置。構成本實施方式的蒸發(fā)器制冷劑流路4的導管的內(nèi)徑設定為4.6_，其外徑設定為5.0mm。
[0042]這樣的蒸發(fā)器103由空氣的入口側(前列側)與出口側(后列側)等共計兩列構成。
[0043]接下來，說明從膨脹閥102經(jīng)由蒸發(fā)器103至合流部2的流路的結構。
[0044]從膨脹閥102至分配器I的分岔點的形成分岔前流路5的導管的內(nèi)徑設定為4mm，形成分盆前流路5的導管的長度Led設定為60mm。
[0045]分岔前流路5通過分配器I分岔成第一分岔后流路6、第二分岔后流路7、第三分岔后流路8、第四分岔后流路9、第五分岔后流路10以及第六分岔后流路11等總計六條流路。
[0046]在已分岔的各分岔后流路6?11中，第一分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10與蒸發(fā)器103的后列左側連接，大致正交地貫穿翅片組3的各翅片并面向蒸發(fā)器103的后列右側。順便說明，貫穿翅片組3的第一分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10形成所述的蒸發(fā)器制冷劑流路4。
[0047]雖未圖示，但面向蒸發(fā)器103的后列右側的第一分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10在向上方延伸的途中向左側折回而再次貫穿翅片組3從而再次面向蒸發(fā)器103的后列左側。另外，第一分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10在蒸發(fā)器103的上方同樣再進行一次往返地貫穿翅片組3而再次面向蒸發(fā)器103的后列左側，然后，向前側延伸而與蒸發(fā)器的前列左側連接。
[0048]與蒸發(fā)器103的前列左側連接的第I分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10大致正交地貫穿翅片組3的各翅片并面向蒸發(fā)器I的前列右側。并且，雖未圖示，面向前列右側的第一分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10在向下方延伸的途中向左側折回而再次貫穿翅片組3從而再次面向蒸發(fā)器的前列左側。另外，第一分岔后流路6、第三分岔后流路8以及第五分岔后流路10在蒸發(fā)器103的下方同樣再進行一次往返地貫穿翅片組3并再次面向蒸發(fā)器103的前列左側，向前側的合流部2伸出。
[0049]另一方面，在已分岔的各分岔后流路6?11中，第二分岔后流路7在所述第一分岔后流路6的下方與之鄰接地與蒸發(fā)器103的后列左側連接。第四分岔后流路9在所述第三分岔后流路8的下方與之鄰接地與蒸發(fā)器103的后列左側連接。第六分岔后流路11在所述第五分岔后流路10的下方與之鄰接地與蒸發(fā)器103的后列左側連接。
[0050]與蒸發(fā)器的后列左側連接的第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11大致正交地貫穿翅片組3的各翅片并面向蒸發(fā)器103的后列右側。順便說明，貫穿翅片組3的第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11形成所述蒸發(fā)器制冷劑流路4。
[0051]雖未圖示，但面向蒸發(fā)器103的后列右側的第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11在向下方延伸的途中向左側折回而貫穿翅片組3從而再次面向蒸發(fā)器103的后列左側。另外，第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11在蒸發(fā)器103的下方同樣再進行一次往返地貫穿翅片組3而再次面向蒸發(fā)器103的后列左偵牝然后，向前側延伸而與蒸發(fā)器103的前列左側連接。
[0052]與蒸發(fā)器103的前列左側連接的第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11大致正交地貫穿翅片組3的各翅片并面向蒸發(fā)器103的前列右側。并且，雖未圖示，但面向前列右側的第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11在向上方延伸的途中向左側折回而再次貫穿翅片組3從而再次面向蒸發(fā)器103的前列左側。另夕卜，第二分岔后流路7、第四分岔后流路9以及第六分岔后流路11在蒸發(fā)器103的上方同樣再進行一次往返地貫穿翅片組3而再次面向蒸發(fā)器103的前列左側，向前側的合流部2伸出。
[0053]此外，向合流部2伸出的第一分岔后流路6及第二分岔后流路7彼此、第三分岔后流路8及第四分岔后流路9彼此、以及第五分岔后流路10及第六分岔后流路11彼此配置為在蒸發(fā)器103的前列左側分別鄰接。
[0054]并且，各分岔后流路6?11從蒸發(fā)器103開始與合流部2連接，再次成為一條流路。
[0055]接下來，參照圖1和圖2對本實施方式的二氧化碳熱泵熱水供給裝置的動作進行說明。
[0056]二氧化碳制冷劑被壓縮機100壓縮而成為高溫、高壓狀態(tài)。該高溫、高壓的二氧化碳制冷劑通過水制冷劑熱交換器101與從忙熱水罐104通過循環(huán)泵105輸送來的水進行熱交換，將水煮沸成開水而失去熱量。此時的從二氧化碳制冷劑向水的每單位時間的熱移動量成為加熱能力Q。該加熱能力Q相當于權利要求書中所述的“加熱能力”，在本實施方式中，假設設定為4.5kw。
[0057]接下來，二氧化碳制冷劑在膨脹閥102通過縮流部(省略圖示)而成為低溫、低壓狀態(tài)的氣液混合狀態(tài)(氣液二相流)。并且，二氧化碳制冷劑通過分配器I分流至分岔后流路6?11中。并且，二氧化碳制冷劑在流經(jīng)分成分岔后流路6?11地分別貫穿翅片組3的蒸發(fā)器制冷劑流路4時，由于從空氣接受熱而蒸發(fā)。接著，從蒸發(fā)器103流出的制冷劑在合流部2合流而返回到一條流路之后，返回壓縮機100，再次被壓縮而送出到熱泵循環(huán)中。
[0058]接下來，更詳細地說明從膨脹閥102至分配器I的二氧化碳制冷劑的動作。圖3是表示膨脹閥102的下游側的流動狀態(tài)的示意圖。
[0059]如圖3所示，從膨脹閥102流出的二氧化碳制冷劑由于壓力的下降而成為氣體與制冷劑的二相狀態(tài)。具體而言，二氧化碳制冷劑在膨脹閥102附近成為作為連續(xù)相的氣體制冷劑中混合有液體制冷劑的噴霧流(或者作為連續(xù)相的液體制冷劑中混合有氣體制冷劑的氣泡流(未圖示))，在離開膨脹閥102的區(qū)域形成以液體制冷劑覆蓋流路的內(nèi)周壁的方式流動的環(huán)狀流。
[0060]流路的內(nèi)徑越大，制冷劑流量越大，從噴霧流(或者氣泡流(省略圖示))向環(huán)狀流的轉變點距離膨脹閥102的制冷劑出口部越遠。另外，如若考慮到針對蒸發(fā)器103的制冷劑分配，則在環(huán)狀流中存在以下情況:由分配器I的傾斜導致的氣液的偏離、二氧化碳制冷劑自身的偏流會引起分配不均勻，結果，不能獲得本應獲得的蒸發(fā)器性能。與此相對，在噴霧流中，能夠不受這些影響地進行穩(wěn)定且均勻的分配。
[0061]因此，當如分岔后流路6?11那樣利用多分岔的流路形成蒸發(fā)器制冷劑流路4的情況下，在環(huán)狀流與噴霧流的比較中，利用噴霧流進行分配對于防止性能的下降尤為重要。
[0062]接下來所參照的圖4是表示形成二氧化碳制冷劑的噴霧流、氣泡流的氣液混合區(qū)域與形成二氧化碳制冷劑的環(huán)狀流的氣液分離區(qū)域的轉變點的測定結果的圖表，橫軸表示加熱能力Q (kw)，縱軸表示x/Ded°_28 (X是圖3所示的距離膨脹閥102的流路長度(m)，Ded是圖2所示的膨脹閥102的下游側的分岔前流路5的內(nèi)徑(m))。
[0063]順便說明，圖4所示的氣液混合區(qū)域與氣液分離區(qū)域的轉變點通過在加熱能力
4.5kw的熱泵熱水供給機的性能顯示所需要的試驗條件中的、二氧化碳制冷劑的流量實現(xiàn)最小的結霜期條件下進行模擬試驗求得。
[0064]如圖4所示，滿足x/Ded°_28=0.169Q°_36這一關系式的曲線表示氣液混合區(qū)域與氣液分離區(qū)域的轉變點，比該曲線靠上方的區(qū)域(x/Ded°_28大的區(qū)域)是氣液分離區(qū)域，即形成環(huán)狀流的區(qū)域，比該曲線靠下方的區(qū)域(x/Ded°_28小的區(qū)域)是氣液混合區(qū)域，即形成噴霧流或者氣泡流的區(qū)域。
[0065]因此，在本實施方式中，為了向分配器I分配噴霧流或者氣泡流的二氧化碳制冷齊U，希望滿足在后面進行具體說明的下式(3):
[0066]Led/Ded0.28 < 0.169Q0.36...(3)
[0067](其中，Led是圖2所示的從膨脹閥102至分配器I的分岔點的分岔前流路5的長度(mm)，Ded是圖2所示的膨脹閥102的下游側的分岔前流路5的內(nèi)徑(mm)，Q是加熱能力(kw))。
[0068]在本實施方式中，如上所述，將流路內(nèi)徑Ded設為4mm、將加熱能力Q設為4.5kw,因此，為了在計算出APF (Annual Performance Factor:全年耗能效率，以下統(tǒng)一寫作APF)所需要的全部試驗條件下將噴霧流或者氣泡流的二氧化碳制冷劑分配至分配器1，圖3所示的距離膨脹閥102的流路長度(m)必須小于61.9mm (x < 61.9mm)。
[0069]由于上述原因，在本實施方式中，將從膨脹閥102至分配器I的分岔點的分岔前流路5的長度Led (參照圖2)設定為60mm。
[0070]接下來，針對本實施方式的二氧化碳熱泵熱水供給裝置中的、由分配器I決定的分岔前流路5的分岔數(shù)與蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑的關系進行說明。
[0071]接下來所參照的圖5是針對二氧化碳制冷劑的流動方式線圖，橫軸是制冷劑干燥度，縱軸是質(zhì)量速度(kg/m2s)。
[0072]如圖5所示，被線ABCD包圍的區(qū)域表示形成層狀流的區(qū)域，在所述層狀流中，氣體制冷劑和液體制冷劑在導管內(nèi)發(fā)生偏離而分成兩層流動。
[0073]另外，在線A與線C之間速度質(zhì)量大于線D的區(qū)域表示氣體制冷劑和液體制冷劑在導管內(nèi)形成所述環(huán)狀流的區(qū)域。如果從導熱率的觀點評價層狀流與環(huán)狀流，則環(huán)狀流由于在整個管壁產(chǎn)生沸騰蒸發(fā)和對流蒸發(fā)而能夠獲得高的導熱率。與此相對，在層狀流中，導管的內(nèi)周面的一部分與氣體制冷劑接觸，因此，在該部分不產(chǎn)生沸騰蒸發(fā)，與環(huán)狀流相比導熱率變低。因此，為了利用相同的導熱面積獲得更高的導熱性能，需要在流路內(nèi)形成環(huán)狀流。
[0074]并且，在本實施方式中，基于圖5所示的速度質(zhì)量與干燥度的關系，利用模擬試驗計算出蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的一部分成為環(huán)狀流的閾值。在圖6中示出該結果。圖6是表示基于由分配器I決定的分岔前流路5的分岔數(shù)與蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑的關系而利用模擬試驗計算出的蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的一部分成為環(huán)狀流的閾值的計算結果的圖表，橫軸是蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑(_)，縱軸是由分配器I決定的分岔前流路5的分岔數(shù)，在圖6中，分別記作“蒸發(fā)器制冷劑流路內(nèi)徑(mm)”及“流路分岔數(shù)”。順便說明，從層狀流成為環(huán)狀流的轉變點通過在加熱能力4.5kw的熱泵熱水供給機的性能顯示所需要的試驗條件中的、二氧化碳制冷劑的流量實現(xiàn)最小的結霜期條件下計算求得。
[0075]在圖6中，以直線連結了黑圓圈“?”的線是產(chǎn)生層狀流與環(huán)狀流相互間的轉變的閾值。比該線流路分岔數(shù)大的區(qū)域表示導熱率低的層狀流的區(qū)域，比該線流路分岔數(shù)小的區(qū)域表示導熱率高的環(huán)狀流的區(qū)域。此外，圖6中的縱軸的流路分岔數(shù)是自然數(shù)刻度，因此，能夠在縱軸上的表示預定分岔數(shù)的位置相互并列的兩個黑圓圈“.”的彼此之間所規(guī)定的蒸發(fā)器制冷劑流路內(nèi)徑(_)的范圍內(nèi)決定最佳的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑。具體而言，例如在圖6中，當流路分岔數(shù)為6時，成為環(huán)狀流的閾值是蒸發(fā)器制冷劑流路內(nèi)徑(mm)在4.4mm?4.7mm的范圍內(nèi)。
[0076]接下來，針對本實施方式的熱泵式熱水供給裝置的蒸發(fā)器103的規(guī)格與性能的關系進行說明。圖7是表示蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑(mm)與表示熱泵式熱水供給機的性能的APF的關系的計算結果的圖表，橫軸是蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑(蒸發(fā)器制冷劑流路內(nèi)徑mm)，縱軸是APF。
[0077]此外，此處的與蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑相對應的、由分配器I決定的分岔前流路5的分岔數(shù)(流路分岔數(shù))應用圖6所示的閾值。其目的在于，因為流路分岔數(shù)越大蒸發(fā)器出入口間的壓力損失越小，所以通過兼顧高導熱率與低壓力損失來獲得最佳的性能。另夕卜，APF的計算以使得作為蒸發(fā)器103的空氣側導熱面的翅片材料價格與作為蒸發(fā)器制冷劑流路4的制冷劑管價格的總和固定的方式進行。
[0078]如圖7所示可知:蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑(在圖7中，為橫軸的蒸發(fā)器制冷劑流路內(nèi)徑(mm))越小，APF越大，從而熱泵式熱水供給裝置的性能提高。這被認為是因為:為了保證一定大小的制冷劑流路的導熱面積，蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑越細，流路的數(shù)量越增加，同時流路彼此間的間隔越減小。也就是說，這被認為是因為:熱均勻地傳導至翅片組3從而翅片效率提聞。但是可知:伴隨著蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑減小的性能提聞率以內(nèi)徑4.6mm為界而減慢。該原因使用接下來的圖8、9進行說明。
[0079]圖8是示意地表示從蒸發(fā)器制冷劑流路4的入口至出口的制冷劑溫度分布的圖表，橫軸是蒸發(fā)器制冷劑流路的長度(_)，縱軸是制冷劑溫度(°C )。
[0080]蒸發(fā)器103 (參照圖2)在將液體制冷劑蒸發(fā)成氣體制冷劑的特性上，如圖8所示，在蒸發(fā)器103的出口側附近，蒸發(fā)完全結束，制冷劑的溫度上升」T (0C)0
[0081]接下來所參照的圖9 Ca)是與圖8所示的二氧化碳制冷劑的溫度上升」T相對應地表示在圖2所示的第三分岔后流路及第四分岔后流路中、二氧化碳制冷劑在從蒸發(fā)器103的制冷劑入口部流至制冷劑出口部時的二氧化碳制冷劑的溫度變化的示意圖。圖9(b)是與圖8所示的二氧化碳制冷劑的溫度上升ZT相對應地表示在作為比較例的第三分岔后流路及第四分岔后流路中、二氧化碳制冷劑在從蒸發(fā)器的制冷劑入口部流至制冷劑出口部時的二氧化碳制冷劑的溫度變化的示意圖。
[0082]如圖9 Ca)所示，所述實施方式的第三分岔后流路8及第四分岔后流路9如上述那樣在從分配器I (參照圖2)延伸的第三分岔后流路8及第四分岔后流路9彼此相互鄰接的位置與翅片組3連接而構成蒸發(fā)器103的制冷劑入口部。另外，從蒸發(fā)器103朝向合流部2 (參照圖2)的第三分岔后流路8及第四分岔后流路9如上述那樣在相互鄰接的位置形成蒸發(fā)器103的制冷劑出口部。
[0083]與此相對，圖9 (b)所示的比較例的第三分岔后流路8及第四分岔后流路9與圖9 (a)所示的第三分岔后流路8及第四分岔后流路9不同，蒸發(fā)器103的制冷劑入口部及制冷劑出口部以經(jīng)由配置在翅片組3的上下方向上的分成三段的蒸發(fā)器制冷劑流路4而相互遠離的方式形成。
[0084]并且，如圖9 (a)及圖9 (b)所示，貫穿翅片組3的蒸發(fā)器制冷劑流路4利用經(jīng)由翅片組3的翅片而相互相鄰的流路如空心箭頭所示的那樣進行熱交換。與假設不存在通過翅片組3進行的熱交換的情況相比，當進行上述的熱交換時，一般情況下，高溫側的蒸發(fā)器制冷劑流路4被冷卻從而熱泵熱水供給機的性能下降。
[0085]另外，蒸發(fā)器制冷劑流路4之間的間隔越小，通過熱傳導進行的熱移動量越大。因此，越使蒸發(fā)器制冷劑流路4細小而提高流路密度，熱泵熱水供給機的性能越由于熱傳導的影響而難以提高。此外，蒸發(fā)器103的出口的制冷劑過熱度越高，翅片組3的翅片的熱傳導導致的熱泵熱水供給機的性能下降越明顯。另外，熱泵循環(huán)內(nèi)不具備制冷劑量調(diào)整功能的熱泵熱水供給機具有大氣溫度越高制冷劑過熱度越上升的特性。
[0086]另外，圖9 (b)所示的比較例中的“蒸發(fā)器103的制冷劑出口部”的蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的二氧化碳制冷劑即在圖9 (b)中以“高溫”表示的二氧化碳制冷劑與在其下方鄰接的蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的以“低溫”表示的二氧化碳制冷劑進行熱交換。因此，在圖9 (b)所示的比較例中，熱傳導導致的熱泵熱水供給機的性能下降量大。與此相對，在圖9(a)所示的本實施方式中，“蒸發(fā)器103的制冷劑出口部”的蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的以“高溫”表示的二氧化碳制冷劑與和其鄰接的蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的以“中溫”表示的二氧化碳制冷劑進行熱交換。
[0087]因此，在圖9 Ca)所示的實施方式中，通過“蒸發(fā)器103的制冷劑出口部”的蒸發(fā)器制冷劑流路4 (圖9 (a)的第三分岔后流路8及第四分岔后流路9)彼此相互鄰接，能夠提高熱泵熱水供給機的性能。
[0088]如以上對圖4至圖9進行的說明所述，4.6mm適合作為蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑，此外，通過使用圖9 (a)所示的流路結構，能夠緩解熱傳導導致的性能下降。并且，考慮到制造的偏差等，還需要規(guī)定能夠允許的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑的范圍。
[0089]如已利用圖6進行的說明所述，選擇4.6mm作為蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑時的流路分岔數(shù)為6，但是，即使在流路內(nèi)徑由于制造的偏差等而從4.6mm發(fā)生偏離的情況下，只要圖6的橫軸所示的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑在4.4mm?4.7mm的范圍內(nèi)，則能夠?qū)?設定)最佳的流路分岔數(shù)P。
[0090]再次參照圖7，當流路分岔數(shù)由于制冷劑流量的選擇而是7(參照圖7的上側橫軸)時，允許的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑范圍在4.4mm?4.7mm,當流路分盆數(shù)是6(參照圖7的上側橫軸)時，允許的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑范圍在4.6mm?4.9mm。也就是說，即使考慮到制造的偏差等導致的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑從4.6mm偏離，只要圖7所示的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑在4.3mm?4.9mm的范圍內(nèi)，則能夠?qū)?設定)最佳的流路分岔數(shù)P。順便說明，與圖7的上側橫軸的流路分岔數(shù)(6或7)對應的蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑范圍作為在結霜期等低制冷劑流量條件下允許層狀流的范圍通過模擬試驗計算求得。
[0091]接下來，針對熱泵熱水供給機的加熱能力Q (kW)與由分配器I決定的分岔前流路5的最佳分岔數(shù)(流路分岔數(shù)P)的關系進行說明。圖10是表示熱泵熱水供給裝置的加熱能力Q與由分配器決定的分岔前流路的最佳分岔數(shù)(流路分岔數(shù)P)的關系的圖表，橫軸是加熱能力Q (kw)，縱軸是流路分岔數(shù)P。也就是說，圖10所示的圖表如上所述地在蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑為4.6mm的情況下、通過利用模擬試驗計算蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的二氧化碳制冷劑成為環(huán)狀流的加熱能力Q與流路分岔數(shù)P的關系求得。在圖10中，以虛線表示計算APF的條件中的制冷劑流量最小的結霜期條件的結果，以實線表示計算APF的條件中的制冷劑流量最大的夏天條件的結果。
[0092]如圖10所示，針對結霜期條件的閾值以P = 4/3XQ表示，針對夏天條件的閾值以P = 64/33XQ表示。并且，流路分岔數(shù)P小于各自的閾值的區(qū)域是蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的二氧化碳制冷劑成為環(huán)狀流的區(qū)域。
[0093]因此，在夏天條件基準下，通過設定滿足所述式(I):
[0094]P ^ 64/33XQ...(I)
[0095]這一關系式的加熱能力Q (kw)及流路分岔數(shù)P能夠使得蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的二氧化碳制冷劑成為環(huán)狀流。
[0096]另外，在結霜期條件基準下，如果滿足式(2):
[0097]P ^ 4/3XQ...(2)
[0098]這一關系式，則能夠在計算APF所需要的全部條件下，使得蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)的二氧化碳制冷劑成為環(huán)狀流。在本實施方式中，為了在全部條件下確保高性能，在式(2):P彡4/3XQ中，假設加熱能力Q為所述4.5kw的情況、流路分岔數(shù)P為6。
[0099]此外，在本實施方式中，對加熱能力Q為4.5kw的情況進行了記載，但是只要不妨礙本發(fā)明的課題，可以適當?shù)卦O定加熱能力Q。
[0100]根據(jù)具備上述蒸發(fā)器103的本實施方式的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，通過使蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑在4.3mm至4.9mm的范圍內(nèi)、使流路分盆數(shù)P與加熱能力Q的關系滿足所述式(I):P ( 64/33XQ，蒸發(fā)器制冷劑流路4內(nèi)部的流動方式能夠在表示二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的性能的APF的計算所需要的試驗條件中的、制冷劑流量成為最大的條件下，成為導熱率高的環(huán)狀流，因此，能夠獲得高性能。
[0101]另外，根據(jù)該二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，通過將流路分岔數(shù)P設為所述式(2 ):P < 4/3 X Q的范圍內(nèi)的值，能夠在計算APF所需要的全部試驗條件下，使得蒸發(fā)器制冷劑流路4的流動方式成為導熱率高的環(huán)狀流，因此，能夠在全部條件下獲得高性能。
[0102]另外，根據(jù)該二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，通過將流路分岔數(shù)P設為滿足所述式(2):P < 4/3 X Q這一關系的P的自然數(shù)的最大值(例如，本實施方式中的所述流路分岔數(shù)P = 6)，不僅提高導熱率，還能夠獲得減少制冷劑側壓力損失的效果，因此能夠獲得更佳的性能。
[0103]另外，根據(jù)該二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，通過相互接近地配置多個蒸發(fā)器制冷劑流路4的制冷劑出口部，與多個蒸發(fā)器制冷劑流路4的制冷劑出口部不接近的情況相t匕，能夠防止經(jīng)由翅片組3的熱傳導的影響導致的性能下降，顯著提高蒸發(fā)器103的性能。
[0104]另外，根據(jù)該二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，蒸發(fā)器103必然會具有多個分岔，因此，為了充分發(fā)揮性能需要進行二氧化碳制冷劑的均勻分配，通過選擇滿足下式(3):
[0105]Led/Ded°-28 < 0.169Q0.36...(3)
[0106](Led、Ded以及Q與上述意義相同)的值，從膨脹閥102流出的制冷劑流能夠維持氣液混合狀態(tài)地流入流路分岔部，不論流路分岔數(shù)P如何都以均勻的流量及干燥度進行分配。
[0107]根據(jù)上述的本實施方式，能夠針對任意的加熱能力Q選擇考慮了制造的偏差的最佳蒸發(fā)器制冷劑流路4的內(nèi)徑范圍與流路分岔數(shù)P，因此，能夠提供具備能夠根據(jù)加熱能力Q使性能最大化的蒸發(fā)器103的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置用蒸發(fā)器。
[0108]以上，針對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但是本發(fā)明并不限定于所述實施方式，而是能夠以各種形態(tài)實施。在以下說明的其他實施方式中，針對與所述實施方式相同的構成要素標注相同的符號而省略其詳細說明。
[0109]接下來所參照的圖11是其他實施方式的二氧化碳熱泵熱水供給裝置的蒸發(fā)器的立體圖。在圖11中，符號I表不分配器，符號2表不合流部,符號3表不翅片組,符號5表示分岔前流路，符號6表示第一分岔后流路，符號7表示第二分岔后流路，符號8表示第三分岔后流路，符號9表示第四分岔后流路，符號10表示第五分岔后流路，符號11表示第六分岔后流路，符號102表示膨脹閥，符號103表示蒸發(fā)器。
[0110]如圖11所示，與圖2所示的所述實施方式的蒸發(fā)器103相比，其他實施方式的二氧化碳熱泵熱水供給裝置的蒸發(fā)器103成為翅片組3的列數(shù)增加一列而總計三列的構成，因此流路結構不同。此外，假設具備圖11所示的蒸發(fā)器103的熱泵熱水供給機的加熱能力Q 為 6.0kff0
[0111]與圖2所示的裝置相比，圖11所示的蒸發(fā)器103由于翅片組3的列數(shù)增加而蒸發(fā)器制冷劑流路4增長。因此，成為蒸發(fā)器103的制冷劑出入口間的壓力損失大的規(guī)格。
[0112]另一方面，在圖10所示的算式中，因為壓力損失的項目不存在，所以可應用與所述實施方式相同的理論。
[0113]也就是說，當在式(2):P ( 4/3XQ中將加熱能力Q設為6kw時，P ( 8，因此，從減少壓力損失的觀點出發(fā)適合使流路分岔數(shù)P為作為最大值的“8”。但是，從量產(chǎn)性的觀點出發(fā)，優(yōu)選流路分岔數(shù)P在輸出功率4.5kw與輸出功率6.0kw的機體中一致，因此將流路分岔數(shù)設為“6”，選擇針對多個加熱能力Q能夠發(fā)揮高性能的規(guī)格。
[0114]另外，在所述實施方式中，對圖1所示的具有壓縮機100、水制冷劑熱交換器101、膨脹閥12以及蒸發(fā)器103的熱泵循環(huán)進行了說明，但是，本發(fā)明也能夠適用于還包含制冷劑量調(diào)整機構、內(nèi)部熱交換器等的熱泵循環(huán)，所述內(nèi)部熱交換器使高壓側與低壓側的制冷劑進行熱交換。
【權利要求】
1.一種二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，通過呈環(huán)狀地至少連接壓縮機、水制冷劑熱交換器、膨脹閥以及蒸發(fā)器等各要素并在流路內(nèi)部密封入二氧化碳制冷劑而構成，所述二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的特征在于， 所述蒸發(fā)器是通過以大致直角地貫穿的方式固定作為空氣側的導熱面的翅片組、和由在與空氣流正交的方向上排列的多個蒸發(fā)器制冷劑流路構成的蒸發(fā)器制冷劑流路組，來在空氣與制冷劑之間進行熱交換的交叉翅片管式的蒸發(fā)器， 所述蒸發(fā)器的所述蒸發(fā)器制冷劑流路的內(nèi)徑為4.3mm?4.9mm, 當將二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力設為Q、將所述蒸發(fā)器制冷劑流路的流路分岔數(shù)設為P的情況下，滿足下式(I):
P ^ 64/33XQ...(I)。
2.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，其特征在于， 當將所述蒸發(fā)器制冷劑流路的所述流路分岔數(shù)設為P的情況下，滿足下式(2):
P ^ 4/3XQ...(2) 在所述(2)式中，Q是二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力。
3.根據(jù)權利要求2所述的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，其特征在于， 所述蒸發(fā)器制冷劑流路的所述流路分岔數(shù)P是滿足所述(2)式的自然數(shù)的最大值。
4.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，其特征在于， 在所述蒸發(fā)器的制冷劑出口部，以接近的方式配置多個所述蒸發(fā)器制冷劑流路。
5.根據(jù)權利要求1所述的二氧化碳熱泵式熱水供給裝置，其特征在于， 滿足下式(3):
Led/Ded0'28 < 0.169Q0.36...(3) Led是從膨脹閥至分配器的分岔點的分岔前流路的長度，Ded是所述膨脹閥的下游側的分岔前流路的內(nèi)徑，Q是二氧化碳熱泵式熱水供給裝置的針對水的加熱能力。
【文檔編號】F24H4/02GK104165458SQ201310370079
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權日:2013年5月16日
【發(fā)明者】渡部道治, 渡邊宏太朗, 北村哲也 申請人:日立空調(diào)·家用電器株式會社