本發(fā)明涉及具備扁平管的熱交換器以及具有該熱交換器的制冷循環(huán)裝置。

背景技術(shù)：

已知的是，在使用非共沸混合制冷劑的制冷循環(huán)裝置的熱交換器中，在傳熱管內(nèi)的管壁面會(huì)出現(xiàn)高沸點(diǎn)制冷劑濃的液膜，在蒸氣相與液膜之間會(huì)出現(xiàn)低沸點(diǎn)制冷劑濃的濃度分界層，該濃度分界層會(huì)成為各個(gè)成分蒸氣的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)，阻礙傳熱管內(nèi)的熱傳遞。

出于攪拌這樣的濃度分界層來降低物質(zhì)擴(kuò)散阻力r的目的，已知有如下的傳熱管的構(gòu)成：在傳熱管的內(nèi)表面形成多個(gè)突起，提高蒸氣側(cè)的物質(zhì)傳遞率βv，降低物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)，改進(jìn)傳熱管內(nèi)的熱傳遞率(管內(nèi)熱傳遞率k)(例如參照專利文獻(xiàn)1、2)。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開平08-075384號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開2002-081881號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

以往，對于專利文獻(xiàn)1、2所記載那樣的在傳熱管內(nèi)設(shè)置突起的熱交換器的構(gòu)成，雖然能夠降低非共沸混合制冷劑的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)來實(shí)現(xiàn)傳熱管內(nèi)的熱傳遞率(管內(nèi)熱傳遞率k)的提高，但卻存在制冷劑流通時(shí)管內(nèi)壓力損失增加這樣的問題。另外，在形成突起時(shí)可以采用各種成形方法，但存在當(dāng)像扁平管那樣以擠壓成形為前提的情況時(shí)難以形成突起的問題。

本發(fā)明是為了解決這樣的問題點(diǎn)而做出的，其目的在于，在具有扁平管的熱交換器中，當(dāng)采用作為非共沸混合制冷劑的hfo1123、r32和hfo1234yf的混合制冷劑時(shí)，降低扁平管的流路內(nèi)的濃度分界層的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)，實(shí)現(xiàn)傳熱管內(nèi)的熱傳遞率(管內(nèi)熱傳遞率k)的提高。

用于解決課題的方案

本發(fā)明所涉及的熱交換器具有扁平管，hfo1123、r32、hfo1234yf的混合制冷劑作為熱介質(zhì)在該扁平管中流通，其中，扁平管具有供熱介質(zhì)流通的多個(gè)流路，流路的截面由相向的短邊部、相向的長邊部以及圓弧部構(gòu)成為四角呈圓弧狀的矩形形狀，圓弧部形成在短邊部與長邊部交叉的四角上，長邊部間的距離d與圓弧部的半徑長度r之比r/d為0.005≤r/d≤0.8。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明所涉及的熱交換器以及使用該熱交換器的制冷循環(huán)裝置，當(dāng)采用作為非共沸混合制冷劑的hfo1123、r32和hfo1234yf的混合制冷劑時(shí)，能夠降低扁平管的流路內(nèi)的濃度分界層的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)，實(shí)現(xiàn)傳熱管內(nèi)的熱傳遞率(管內(nèi)熱傳遞率k)的提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的熱交換器中使用的扁平管的截面圖。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的扁平管的流路的截面放大圖。

圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的熱交換器的傳熱管內(nèi)的熱阻的說明圖。

圖4是表示在本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的流路內(nèi)部r/d(流路的長邊部2c間的距離為d，流路的圓弧部2b的半徑長度為r)的值小的情況下的液膜的狀態(tài)的圖。

圖5是表示在本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的流路內(nèi)部r/d(流路的長邊部2c間的距離為d，流路的圓弧部2b的半徑長度為r)的值大的情況下的液膜的狀態(tài)的圖。

圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的傳熱管中的非共沸混合制冷劑的氣液相平衡圖。

圖7是表示將本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的熱交換器用作冷凝器的情況下的扁平管1內(nèi)的流路截面中的長邊部2c間的距離d與圓弧部2b的半徑長度r之比r/d跟管內(nèi)熱傳遞率k的關(guān)系的曲線圖。

圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的扁平管的流路內(nèi)部的液膜的狀態(tài)的圖。

圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式1以及2所涉及的制冷循環(huán)裝置的制冷劑回路圖。

具體實(shí)施方式

以下，基于附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，本發(fā)明并不被以下所說明的實(shí)施方式所限定。

實(shí)施方式1.

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的熱交換器中使用的扁平管的截面圖。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的扁平管的流路的截面放大圖。圖1所示的熱交換器的傳熱管即扁平管1被使用于翅管式熱交換器等。扁平管1通過鋁等的擠壓成形來進(jìn)行制造。在扁平管1的內(nèi)部開設(shè)有供熱介質(zhì)即制冷劑等流通的多個(gè)流路2。流路2如圖2所示那樣具有大致矩形的截面形狀，以制冷劑在扁平管1內(nèi)并行地流通的方式排列配置在一個(gè)方向上。

流路2的截面如圖2所示那樣，由一對平行的短邊部2a、一對平行的長邊部2c以及形成在短邊部2a與長邊部2c交叉的四角上的半徑長度r的圓弧部2b構(gòu)成。即，流路2的截面形狀形成為矩形四角的角呈圓弧狀的矩形形狀(圓角長方形)。

圓弧部2b為1/4圓形，其兩端部與短邊部2a和長邊部2c相接地圓滑連接。

在實(shí)施方式1所涉及的熱交換器中，作為制冷劑采用非共沸混合制冷劑，例如使用hfo1123、r32、hfo1234yf三種混合的制冷劑。

圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的熱交換器的傳熱管內(nèi)的熱阻的說明圖。

傳熱管內(nèi)的熱的傳遞難易度由管內(nèi)熱傳遞率k[w/m²·k]的值表示。管內(nèi)熱傳遞率k表示在傳熱管的內(nèi)部流動(dòng)的制冷劑與傳熱管內(nèi)表面之間的熱傳遞率，是表示熱交換器的熱交換性能的一個(gè)指標(biāo)。管內(nèi)熱傳遞率k的值越大，則傳熱管內(nèi)的熱阻越小，表示作為熱交換器的熱交換性能越高。

管內(nèi)熱傳遞率k根據(jù)傳熱管流路內(nèi)的制冷劑的狀態(tài)而有所變動(dòng)。

當(dāng)氣體制冷劑在傳熱管內(nèi)流通而冷凝時(shí)，在傳熱管的中心有蒸氣相4(蒸氣膨脹體)流過，并且在管壁3形成液膜5，同時(shí)使得傳熱作用進(jìn)展。

管內(nèi)熱傳遞率k由蒸氣相4與氣液界面6之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)和液膜5的熱傳遞率αl的函數(shù)來確定。

首先，就蒸氣相4與氣液界面6之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)進(jìn)行說明。

蒸氣相4與氣液界面6之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)是蒸氣相4與氣液界面6之間的物質(zhì)傳遞率βv的函數(shù)，若物質(zhì)傳遞率βv變大，則物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變成小的值。

制冷劑的蒸氣相4與氣液界面6的溫度變化因蒸氣相4與氣液界面6之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)而產(chǎn)生。若物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變大，則熱阻增加，制冷劑的蒸氣相4與氣液界面6的溫度差(非共沸混合制冷劑的濃度差)變大。

流路2內(nèi)的蒸氣相4的溫度即蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度tvb和氣液界面6的溫度ti因物質(zhì)傳遞率βv和相關(guān)氣液界面的紊亂φv以及制冷劑的冷凝量m而有所變動(dòng)。

在此，具有βv(物質(zhì)傳遞率)∽φv(相間氣液界面的紊亂)·m(制冷劑的冷凝量)的關(guān)系，φv(相間氣液界面的紊亂)·m(制冷劑的冷凝量)的值越大，則βv(物質(zhì)傳遞率)也越大。

即，若物質(zhì)傳遞率βv變大，則物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變小，管內(nèi)熱傳遞率k提高。其結(jié)果，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度tvb與氣液界面6的溫度ti的溫度差變小。

接著，對液膜的熱傳遞率αl進(jìn)行說明。

氣液界面的溫度ti和流路2的壁面溫度tw因液相部的熱傳遞而有所變動(dòng)，成為液膜的熱傳遞率αl∽λ(熱傳遞率)/δ(液膜厚度)的關(guān)系。

即，若液膜厚度δ變小而熱傳遞率αl變大，則管內(nèi)熱傳遞率k提高。

因而，為了使管內(nèi)熱傳遞率k提高，需要探究蒸氣相4與氣液界面6之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r和液膜的熱傳遞率αl的函數(shù)的極大值。

圖4是表示在本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的流路內(nèi)部r/d(流路的長邊部2c間的距離為d，流路的圓弧部2b的半徑長度為r)的值小的情況下的液膜的狀態(tài)的圖。

圖5表示在本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的流路內(nèi)部r/d(流路的長邊部2c間的距離為d，流路的圓弧部2b的半徑長度為r)的值大的情況下的液膜的狀態(tài)的圖。

當(dāng)氣體制冷劑在傳熱管內(nèi)流通而冷凝時(shí)，如圖4、圖5所示那樣，在傳熱管的中心有氣體制冷劑(蒸氣膨脹體)流動(dòng)，而且在管壁3形成液膜5，同時(shí)使得傳熱作用進(jìn)展。在圖4所示的r/d(流路2的長邊部2c間的距離為d，流路2的圓弧部2b的半徑長度為r)是小的值的情況下的流路2的內(nèi)部，液膜集中在四角，邊部的液膜厚度δ變薄。另外，由于液膜厚度δ薄，所以邊部的氣液界面的紊亂φv變小，四角的氣液界面的紊亂φv變大。

另外，如圖5所示那樣，在與圖4的流路2相比r/d是大的值的情況下，液膜厚度δ形成得大致均勻，與圖4的狀態(tài)相比，在各邊部的整個(gè)區(qū)域確保了液膜厚度δ，氣液界面的紊亂變大。

圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的傳熱管中的非共沸混合制冷劑的氣液相平衡圖。

實(shí)施方式1所涉及的非共沸混合制冷劑是成為低沸點(diǎn)制冷劑的hfo1123+r32與成為高沸點(diǎn)制冷劑的hfo1234yf的混合制冷劑。

在圖6中，該非共沸混合制冷劑的蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)以黑圓表示，在飽和蒸氣線上移動(dòng)。此時(shí)，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度為tvb，氣液界面成為氣液平衡狀態(tài)且為溫度ti，進(jìn)而液相以及壁面溫度tw存在于過冷卻區(qū)域。

對于熱交換器中的冷凝作用，在制冷劑組成yb的非共沸混合制冷劑的情況下，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)從過熱蒸氣變成點(diǎn)a的狀態(tài)，開始冷凝。點(diǎn)a的蒸氣膨脹體冷凝而成為點(diǎn)a’的狀態(tài)的飽和液。

當(dāng)冷凝進(jìn)展時(shí)，作為高沸點(diǎn)制冷劑的hfo1234yf的組成比高的混合制冷劑最先冷凝，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度tvb逐漸降低。此時(shí)，氣液界面的溫度ti也同時(shí)降低。

然后，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度tvb最終降低到點(diǎn)b的冷凝溫度，成為點(diǎn)b’的制冷劑組成yb的飽和液。

當(dāng)成為高沸點(diǎn)制冷劑的hfo1234yf的投入組成處在非共沸混合制冷劑整體的50～90％之間時(shí)，蒸氣膨脹體相與氣液界面6之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變大。于是，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度tvb與氣液界面的溫度ti的溫度差(非共沸混合制冷劑的濃度差)變大。在該狀態(tài)下，為了使管內(nèi)熱傳遞率k提高，有效的是產(chǎn)生如圖5所示那樣的氣液界面的紊亂φv，使得物質(zhì)傳遞率βv變大，減小物質(zhì)擴(kuò)散阻力r。

相反，當(dāng)hfo1234yf的投入組成為非共沸混合制冷劑整體的50％以下時(shí)，蒸氣相4與氣液界面6間之間的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變小，接近單一制冷劑的特性。于是，蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度tvb與氣液界面的溫度ti的溫度差(非共沸混合制冷劑的濃度差)變小。因而，氣液界面的紊亂φv對于管內(nèi)熱傳遞率k提高的貢獻(xiàn)度變小。

另外，成為低沸點(diǎn)制冷劑的hfo1123和r32的組成比為50:50至40:60左右，形成近共沸制冷劑。因而，hfo1123和r32的混合制冷劑可大體視作單一制冷劑的特性。

根據(jù)以上內(nèi)容，基于圖7，對將本實(shí)施方式1所涉及的熱交換器用作冷凝器的情況下的扁平管1內(nèi)的流路2的截面中的長邊部2c間的距離d與圓弧部2b的半徑長度r之比r/d跟管內(nèi)熱傳遞率k的關(guān)系進(jìn)行說明。

圖7是表示將本實(shí)施方式1所涉及的熱交換器用作冷凝器的情況下的扁平管1內(nèi)的流路截面中的長邊部2c間的距離d與圓弧部2b的半徑長度r之比r/d跟管內(nèi)熱傳遞率k的關(guān)系的曲線圖。

在此，將制冷劑的流路2內(nèi)的質(zhì)量速度gr設(shè)為一般的熱交換器的條件所使用的gr＝200[kg/m²·s]，將流路2的截面中的長邊部2c間的距離d與圓弧部2b的半徑長度r之比r/d設(shè)為0.005≤r/d≤0.8的范圍，此時(shí)，管內(nèi)熱傳遞率k[w/m²·k]在相對其最大值的10％以內(nèi)形成極大值范圍，成為效率方面的最佳值。

另一方面，在使用作為近共沸混合制冷劑的r410a的情況下，r/d越小，則管內(nèi)熱傳遞率k[w/m²·k]越增加。

以下進(jìn)行說明。

在圖7中，若r/d變小，則液膜5集中在流路2的四角，長邊部2c以及短邊部2a的液膜5形成得薄，因而氣液界面6與傳熱管的傳熱壁面之間的液膜厚度δ變薄，液膜5的熱傳遞率αl變高，管內(nèi)熱傳遞率k提高。

但是，在0.005>r/d的區(qū)域，長邊部2c以及短邊部2a的有效傳熱部的氣液界面的紊亂φv變小，從而因蒸氣側(cè)的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r的增大而使得管內(nèi)熱傳遞率k大幅降低。若增添這些相反的效果，則總計(jì)的管內(nèi)熱傳遞率k降低。

另外，在圓弧部2b的液膜部，雖在氣液界面產(chǎn)生紊亂φv，但制冷劑的冷凝量m小，因而物質(zhì)傳遞率βv變小，物質(zhì)擴(kuò)散阻力r增大，管內(nèi)熱傳遞率k降低。另外，液膜厚度δ變厚，液膜5的熱傳遞率αl變小，因而管內(nèi)熱傳遞率k依舊會(huì)降低。

在0.005≤r/d≤0.8的區(qū)域，液膜5向四角的集中變?nèi)?，長邊部2c以及短邊部2a的液膜厚度δ形成得比0.005>r/d的區(qū)域厚，因而液膜5的熱傳遞率αl變低，管內(nèi)熱傳遞率k降低。

但是，氣液界面的紊亂φv增加了與液膜厚度δ厚的程度相當(dāng)?shù)牧?，物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變小，總計(jì)的管內(nèi)熱傳遞率k相比0.005>r/d的區(qū)域更高。

在0.8<r/d的區(qū)域，幾乎看不到液膜5朝四角的集中，與長邊部2c以及短邊部2a的液膜厚度δ為0.005≤r/d≤0.8的區(qū)域相比形成得更厚，因而，液膜5的熱傳遞率αl變低，總計(jì)的管內(nèi)熱傳遞率k比0.005≤r/d≤0.8的區(qū)域更低。

因而，通過將流路2的截面中的短邊部2a的長度d與圓弧部2b的半徑r之比r/d設(shè)定成0.005≤r/d≤0.8的范圍，當(dāng)采用作為非共沸混合制冷劑的hfo1123、r32和hfo1234yf的混合制冷劑時(shí)，能夠減小扁平管的流路內(nèi)的濃度分界層的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r(熱阻)，能夠使管內(nèi)熱傳遞率k[w/m²·k]成為效率方面的最佳值。

另外，雖然對實(shí)施方式1所涉及的熱交換器作為冷凝器發(fā)揮功能的情況進(jìn)行了說明，但在作為蒸發(fā)器發(fā)揮功能的情況下針對管內(nèi)熱傳遞率k[w/m²·k]也能獲得同樣的效果。

實(shí)施方式2.

在實(shí)施方式1中，將扁平管1內(nèi)的流路2形成為大致矩形的截面形狀，而在實(shí)施方式2中，不同的方面是在實(shí)施方式1所涉及的流路2的形狀的基礎(chǔ)上還在流路2的截面的長邊部2c設(shè)置突起形狀的凸帶部2d。

圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的扁平管的流路內(nèi)部的液膜5的狀態(tài)的圖。

液膜5在流路2的內(nèi)周上大致均等地形成。這是因?yàn)椋后w分散到圓弧部2b和凸帶部2d周圍這雙方，故而液膜5的厚的部分難以在局部集中。

其結(jié)果，在有效傳熱部均勻地確保了液膜厚度δ的厚度，氣液界面的紊亂φv變大。因而，蒸氣側(cè)的物質(zhì)擴(kuò)散阻力r變小，管內(nèi)熱傳遞率k得到提高。另外，由于管內(nèi)傳熱面積增加，所以能夠提高熱交換器效率。

圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式1以及2所涉及的制冷循環(huán)裝置的制冷劑回路圖。

圖9所示的制冷劑回路圖由壓縮機(jī)10、冷凝熱交換器11、節(jié)流裝置12、蒸發(fā)熱交換器13、送風(fēng)機(jī)14、15構(gòu)成。

通過將本發(fā)明的實(shí)施方式1以及2所涉及的具備扁平管1的熱交換器適用于冷凝熱交換器11或蒸發(fā)熱交換器13或是其雙方，能夠?qū)崿F(xiàn)能效高的制冷循環(huán)裝置。

在此，能效由下式構(gòu)成。

制熱能效＝室內(nèi)熱交換器(冷凝器)能力/能量的總輸入。

制冷能效＝室內(nèi)熱交換器(蒸發(fā)器)能力/能量的總輸入。

另外，對于上述的實(shí)施方式1所述的熱交換器以及使用它的制冷循環(huán)裝置，即使采用礦物系、烷基苯油系、酯油系、醚油系、氟油系等任意種類的冷凍機(jī)油，無論油相對制冷劑的溶解度如何，都能夠達(dá)成上述效果。

附圖標(biāo)記的說明

1扁平管，2流路，2a短邊部，2b圓弧部，2c長邊部，2d凸帶部，3管壁，4蒸氣相，5液膜，6氣液界面，10壓縮機(jī)，11冷凝熱交換器，12節(jié)流裝置，13蒸發(fā)熱交換器，14送風(fēng)機(jī)，15送風(fēng)機(jī)，k管內(nèi)熱傳遞率，r物質(zhì)擴(kuò)散阻力，ti氣液界面溫度，tvb蒸氣膨脹體的狀態(tài)點(diǎn)的溫度，tw壁面溫度，m冷凝量，r圓弧部的半徑長度，d長邊部間的距離，yb制冷劑組成，αl液膜的熱傳遞率，βv蒸氣側(cè)的物質(zhì)傳遞率，λ液膜的熱傳遞率，δ液膜厚度，氣液界面的紊亂。