CN101978236B

CN101978236B - 热交换器

Info

Publication number: CN101978236B
Application number: CN2009801097035A
Authority: CN
Inventors: 藤野宏和; 吉冈俊; 土井隆司; 北泽昌昭; 中田春男
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: WO2009116478A1; BRPI0908721A2; EP2267392A1; US20110011126A1; EP2267392A4; JP2009222360A; CN101978236A

Abstract

本发明提供一种热交换器，其应用于使用由分子式用C₃H_mF_n(其中，m＝1～5、n＝1～5，且m+n＝6)表示且分子结构中具有一个双键的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂的制冷剂回路。热交换器(10)中，铅直方向上相邻的传热管彼此的中心间距离S和传热管的外径D的关系为：2.5＜S/D＜3.5，制冷剂路径的长度L和传热管的外径D的关系为：0.28×D^1.17＜L＜1.10×D^1.17，室外热交换器(4)及室内热交换器(6)基于上述关系进行设计。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器，尤其涉及适用于使用低压制冷剂的制冷剂回路的热交换器。

背景技术

从保护地球环境的观点考虑，有关用于空调装置的制冷剂回路的制冷剂，谋求地球温暖化系数低、不破坏臭氧层的制冷剂，实际上，也开发有与其要求相对应的制冷剂(例如，参照专利文献1)。

专利文献1公开的制冷剂(C₃H_mF_n)具有理论上的COP比较高且地球温暖化系数低的特性。但是，本制冷剂的沸点比较高，为所谓的低压制冷剂，因此有可能因热交换器的压力损失而增大压缩机的输入，造成运转效率下降。

专利文献1：(日本)特开平4-110388号公报

发明内容

本发明的课题在于提供一种热交换器，其适用于使用由分子式用C₃H_mF_n(其中，m＝1～5、n＝1～5，且m+n＝6)表示且分子结构中具有一个双键的制冷剂形成的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂的制冷剂回路。

第一发明的热交换器，其制冷剂回路使用由分子式用C₃H_mF_n(其中，m＝1～5、n＝1～5，且m+n＝6)表示且分子结构中具有一个双键的有机化合物形成的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂，具备：多个传热管和多个板状的散热片。传热管形成用于使制冷剂流通的一个或多个制冷剂路径。板状的散热片以隔开规定的间隔重叠的方式排列，多个传热管大致垂直地贯穿其中。铅直方向上相邻的传热管彼此的中心间距离S和传热管的外径D的关系为：2.5＜S/D＜3.5，制冷剂路径的长度L和传热管的外径D的关系为：0.28×D^1.17＜L＜1.10×D^1.17。

由于所述制冷剂为低压制冷剂，所以容易受传热管内的压力损失的影响。将该热交换器中的制冷剂路径长度L、传热管的外径D及传热管的中心间距离S的关系设成所述关系式，由此能够将传热管内的制冷剂的压力损失的影响抑制到最小限。

第二发明的热交换器在第一发明的热交换器的基础上，所述制冷剂为由2，3，3，3-四氟-1-丙烯形成的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂。

由2，3，3，3-四氟-1-丙烯形成的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂为低压制冷剂，因此，容易受传热管内的压力损失的影响，但是，将该热交换器中的制冷剂路径长度L、传热管的外径D及传热管的中心间距离S的关系设成所述关系式，由此能够将传热管内的制冷剂的压力损失的影响抑制到最小限。

第三发明的热交换器在第一发明的热交换器的基础上，所述制冷剂为含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和二氟甲烷的混合制冷剂。

含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和二氟甲烷的混合制冷剂为低压制冷剂，因此，容易受传热管内的压力损失的影响，但是，将该热交换器中的制冷剂路径长度L、传热管的外径D及传热管的中心间距离S的关系设成所述关系式，由此能够将传热管内的制冷剂的压力损失的影响抑制到最小限。

第四方面发明的热交换器在第一发明的热交换器的基础上，所述制冷剂为含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和五氟乙烷的混合制冷剂。

含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和五氟乙烷的混合制冷剂为低压制冷剂，因此，容易受传热管内的压力损失的影响，但是，将该热交换器中的制冷剂路径长度L、传热管的外径D及传热管的中心间距离S的关系设成所述关系式，由此能够将传热管内的制冷剂的压力损失的影响抑制到最小限。

将第一发明、第二发明、第三发明、第四发明的任一种的热交换器中的制冷剂路径长度L、传热管的外径D及传热管的中心间距离S的关系设成所述关系式，由此能够将传热管内的制冷剂的压力损失的影响抑制到最小限。

附图说明

图1是空调装置的制冷剂回路；

图2是本发明的实施方式的热交换器的正面图；

图3是沿图2的A-A线切断时的热交换器的剖面图；

图4是表示送风机动力为一定且D＝7mm时的S/D和热交换器性能的关系的曲线；

图5(a)是将图2的热交换器的制冷剂路径做成一个时的热交换器的概念图，(b)是将图2的热交换器的制冷剂路径做成两个时的热交换器的概念图，(c)是将图2的热交换器的制冷剂路径从中途形成两个时的热交换器的概念图；

图6是表示制冷剂路径长度和压力损失的关系的曲线图；

图7是表示D＝7mm时的制冷剂路径长度和制冷剂侧热传递率及压力损失的关系的曲线图；

图8是表示D＝7mm时的制冷剂路径长度和热交换器性能的曲线图；

图9是表示制冷剂路径长度L相对于传热管外径D的曲线图；

图10是在含有本实施方式的热交换器的制冷剂回路中使用的制冷剂的成分表。

符号说明

4室外热交换器

6室内热交换器

10热交换器

11板状散热片

12传热管

具体实施方式

<制冷剂回路>

图1是空调装置的制冷剂回路。空调装置1具有通过制冷剂配管将压缩机2、四路切换阀3、室外热交换器4、膨胀阀5及室内热交换器6连结起来的冷冻回路。图1中，实线和虚线的箭头表示制冷剂的流动方向，空调装置1通过四路切换阀3切换制冷剂的流动方向，由此能够切换暖气运转和冷气运转。在冷气运转时，室外热交换器4变成冷凝器，室内热交换器6变成蒸发器。另外，在暖气运转时，室外热交换器4变成蒸发器，室内热交换器6变成冷凝器。

在制冷剂回路中，填充有由HFO-1234yf(2，3，3，3-四氟-1-丙烯)和HFC-32(二氟甲烷)两种有机化合物形成的混合制冷剂。本实施方式中使用的制冷剂为由78.2质量％的HFO-1234yf和21.8质量％的HFC-32形成的混合制冷剂。另外，HFO-1234yf的化学式用CF₃CFCH₂表示，HFC-32的化学式用CH₂F₂表示。

<热交换器的结构>

图2是本发明的实施方式的热交换器的正面图。图2中，热交换器10为交叉翅片型的热交换器，是图1所示的室外热交换器4及室内热交换器6的基本模型。热交换器10具备散热片11和传热管12。散热片11为薄的铝制的平板，在一枚散热片11上形成有多个穿通孔。传热管12由插入散热片11的穿通孔的直管12a、连结相邻的直管12a的端部彼此的第一U字管12b及第二U字管12c构成。直管12a和第一U字管12b形成为一体，第二U字管12c在直管12a插入散热片11的穿通孔后，通过焊接等连结于直管12a的端部。

(传热管的管外径及中心间距离和热交换器性能的关系)

图3是沿图2的A-A线切断时的热交换器的剖面图。图3中，直管12a的管外径为D，铅直方向上相邻的传热管12的中心间距离为S。通常，中心间距离S越小，散热片效率越高，但通风阻力增大。反之，中心间距离S越大，散热片效率越低，但通风阻力也减小。另外，所谓散热片效率是指从散热片的全部传热面散发的实际散热量与假定散热片的全部传热面与制冷剂的温度相等时散发的散热量之比。

另外，中心间距离S为一定时，管外径D越大，散热片效率越高，通风阻力增大。反之，管外径D越小，散热片效率越低，通风阻力也减小。即，在管外径D和中心间距离S之间存在用于提高热交换器性能的最佳条件。

图4是表示送风机动力为一定且D＝7mm时的S/D和热交换器性能的关系的曲线图。图4中，热交换器性能表示在2.5＜S/D＜3.5范围高的值，在其范围之外，热交换器性能下降。即，图4表示在外径D和中心间距离S的关系为2.5＜S/D＜3.5时，使用HFO-1234yf和HFC-32的混合制冷剂的制冷剂回路的室外热交换器4及室内热交换器6得到最佳的热交换器性能。

(热交换器的制冷剂路径长度和热交换器性能的关系)

图5(a)是将图2的热交换器的制冷剂路径做成一个时的热交换器的概念图，(b)是将图2的热交换器的制冷剂路径做成两个时的热交换器的概念图，(c)是将图2的热交换器的制冷剂路径从中途分成两个时的热交换器的概念图。

在图5(a)中，由于热交换器10具有一个制冷剂路径，所以称作一路径热交换器101。假如热交换器10具有六个传热管，一个传热管12的长度为H时，一路径热交换器101的制冷剂路径长度大约为6H。

图5(b)中，热交换器10通过分流器90形成两个制冷剂路径，因此称作二路径热交换器102。二路径热交换器102的制冷剂路径长度大约为一路径热交换器101的一半，约相当于3H。

图5(c)中，将热交换器10的一个制冷剂路径从中途经由分流器90分成为两个制冷剂路径，因此称作一-二路径热交换器103。一-二路径热交换器103由于存在公共的制冷剂路径和独立的制冷剂路径，所以不能简单地计算制冷剂路径长度。于是，求一-二路径热交换器103实际的压力损失，假设为一个制冷剂路径，则求相当于多长的制冷剂路径的压力损失，其值就为制冷剂路径长度。

图6是制冷剂路径长度和压力损失的关系的曲线图。例如，图5(c)的一-二路径热交换器103的制冷剂的压力损失为p时，由曲线可知，制冷剂路径长度为3.6H。这样，由一个基本的热交换器10就能够制造制冷剂路径长度不同的、一路径热交换器101、二路径热交换器10及一-二路径热交换器103。换言之，制冷剂路径长度通过变更制冷剂路径的数量而能够设定。

接着，对制冷剂路径长度和热交换器性能的关系进行说明。即，热交换器性能Q利用热还流率K、传热面积A、及空气和制冷剂的温度差dT，用Q＝KA×dT的式子表示。热还流率K为空气侧热阻力和制冷剂侧热阻力的合成阻力的倒数。合成阻力1/K利用空气侧热传递率ha、制冷剂侧热传递率hr、及内外传热面积比R，用1/K＝1/ha+R/hr的式子表示。

减少制冷剂路径的数量、增长制冷剂路径长度时，流过一个制冷剂路径的制冷剂量增加，制冷剂侧热传递率hr提高，但由于压力损失的增加，热交换器入口的蒸发温度升高，因此空气和制冷剂的温度差dT减小，热交换器性能Q下降。

另一方面，在增加制冷剂路径的数量、缩短制冷剂路径长度时，压力损失减小，热交换器入口的蒸发温度下降，空气和制冷剂的温度差dT增大，流过一个制冷剂路径的制冷剂量减少，因此制冷剂侧热传递率hr下降，热交换器性能Q下降。

即，使用HFO-1234yf和HFC-32的混合制冷剂的制冷剂回路的室外热交换器4及室内热交换器6不能用与目前制冷剂(例如，410A制冷剂)对应的室外热交换器及室内热交换器代替，而为了能够实现最佳的热交换器性能，必须在明确了传热管外径D和制冷剂路径长度L的关系的基础上进行设计。

图7是表示D＝7mm时的制冷剂路径长度和制冷剂侧热传递率及压力损失的关系的曲线图，图8是表示D＝7mm时的制冷剂路径长度和热交换器性能的曲线图。如图7所示，制冷剂路径长度越短，压力损失越少，但制冷剂侧热传递率也下降。其结果是，如图8所示，由于制冷剂侧热传递率的下降，热交换器性能也下降。另一方面，当逐渐增长制冷剂路径长度时，热交换器性能碰到峰值后下降。即，图8表示存在适合于传热管外径的制冷剂路径长度。

图9是表示制冷剂路径长度L相对于传热管外径D的曲线图。图9中，四角形的黑点表示相对于传热管外径的最佳制冷剂路径长度，相对于传热管外径的制冷剂路径长度的下限值位于y＝0.28x^1.17的直线上，上限值位于y＝1.10x^1.17的直线上。即，表示使用HFO-1234yf和HFC-32的混合制冷剂的制冷剂回路的室外热交换器4及室内热交换器6的制冷剂路径长度L设定在0.28×D^1.17＜L＜1.10×D^1.17的范围，由此能够得到最佳的热交换器性能。

<制冷剂回路中使用的制冷剂>

(单一制冷剂)

在上述实施方式中，作为制冷剂使用由HFO-1234yf和HFC-32两种有机化合物形成的混合制冷剂，但并不仅限于此。例如，图10是在含有本实施方式的热交换器的制冷剂回路中使用的制冷剂的成分表，也可以使用如HFO-1234yf的分子式用C₃H_mF_n(其中，m＝1～5、n＝1～5，且m+n＝6)表示且分子结构中具有一个双键的有机化合物形成的单一制冷剂。

具体地说，可以举出图10的上段所示的HFO-1225ye(1，2，3，3，3-五氟丙烯、化学式：CF₃-CF＝CHF)、HFO-1234ze(1，3，3，3四氟-1-丙烯、化学式：CF₃-CH＝CHF)、HFO-1234ye(1，2，3，3四氟-1-丙烯、化学式：CHF₂-CF＝CHF)、HFO-1234zf(3，3，3三氟-1-丙烯、化学式：CF₃-CH＝CH₂)、1，2，2三氟-1-丙烯(化学式：CH₃-CF＝CF₂)、2-四氟-1-丙烯(化学式：CH₃-CF＝CH₂)等。另外，为了说明上的方便，将这些单一制冷剂作为基本制冷剂加以区分。

(混合制冷剂)

另外，也可以使用由上述基本制冷剂的任一种和图10所示的第二成分的任一种形成的混合制冷剂。例如为与22质量％的HFC-32的混合制冷剂。另外，只要HFC-32的比例为6质量％以上30质量％以下即可，优选为13质量％以上23质量％以下，更优选为21质量％以上23质量％以下。

另外，也可以是上述基本制冷剂的任一种和10质量％以上的HFC-125(五氟乙烷、CF₃-CHF₂)的混合制冷剂，另外，HFC-125的比例优选为10质量％以上20质量％以下。

另外，也可以是上述基本制冷剂的任一种和HFC-134(1，1，2，2-四氟乙烷、CHF₂-CHF₂)、HFC-134a(1，1，2，2-四氟乙烷、CH₂F-CF₃)、HFC-143a(1，1，1-三氟乙烷、CH₃CF₃)、HFC-152a(1，1-二氟乙烷、CHF₂-CF₃)、HFC-161(氟代乙烷、CH₃-CH₂F)、HFC-227ea(1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷、CF₃-CHF-CF₃)、HFC-236ea(1，1，1，2，3，3-六氟丙烷、CF₃-CHF-CHF₂)、HFC-236fa(1，1，1，3，3，3-六氟乙烷、CF₃-CH₂-CF₃)及HFC-365mfc(1，1，1，3，3-五氟丁烷、CF₃-CH₂CF₂-CH₃)的任一种混合制冷剂。

另外，上述的混合制冷剂为上述基本制冷剂的任一种和HFC系制冷剂的混合制冷剂，但并不仅限于此，也可以是上述基本制冷剂的任一种和碳化氢系制冷剂的混合制冷剂。

具体地说，为上述基本制冷剂的任一种和甲烷(CH₄)、乙烷(CH₃-CH₃)、丙烷(CH₃-CH₂-CH₃)、丙烯(CH₃-CH＝CH₃)、丁烷(CH₃-CH₂-CH₂-CH₃)、异丁烷(CH₃-CH(CH₃)-CH₃)、戊烷(CH₃-CH₂-CH₂-CH₃)、2-甲基丁烷、及环戊烷(cyclo-C5H₁₀)的任一种的混合制冷剂。

另外，也可以是上述基本制冷剂的任一种和二甲醚(CH₃-O-CH₃)、二(三氟甲基)硫醚(CH₃-S-CH₃)、二氧化碳(CO₂)及氦(He)的任一种的混合物。

另外，在上述实施方式中，作为制冷剂使用由HFO-1234yf和HFC-32两种制冷剂形成的混合制冷剂，但也可以使用上述基本制冷剂的任一种和上述第二成分的任两种形成的混合制冷剂。例如，优选由52质量％的HFO-1234yf、23质量％的HFC-32、25质量％的HFC-125形成的混合制冷剂。

<特征>

使用热交换器10，作为使用由分子式用C₃H_mF_n(其中，m＝1～5、n＝1～5，且m+n＝6)表示且分子结构中具有一个双键的有机化合物形成的单一制冷剂或含有上述单冷剂的混合制冷剂的制冷剂回路的热交换器。热交换器10具备多个传热管12和多个板状的散热片11。传热管12形成用于使制冷剂流通的一个或多个制冷剂路径。板状的散热片11配置成与空气的流动方向大致平行且多个传热管大致垂直地穿通其中。铅直方向上相邻的传热管彼此的中心间距离S和传热管的外径D的关系为2.5＜S/D＜3.5，制冷剂回路的长度L和传热管的外径D的关系为0.28×D^1.17＜L＜1.10×D^1.17。其结果是，能够将传热管内的制冷剂的压力损失的影响抑制到最小限。另外，所使用的具体的制冷剂为由2，3，3，3-四氟-1-丙烯形成的单一制冷剂或含有上述单一制冷剂的混合制冷剂，或者含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和二氟甲烷的混合制冷剂，或者含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和五氟乙烷的混合制冷剂。

产业上的利用可能性

如上所述，本发明应用于使用低压制冷剂的制冷剂回路的热交换器。

Claims

1.一种热交换器(4、6、10)，其为制冷剂回路的热交换器，该热交换器(4、6、10)的特征在于：

所述制冷剂回路的热交换器使用由分子式用C₃H_mF_n表示且分子结构中具有一个双键的有机化合物形成的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂，其中，m＝1～5、n＝1～5，且m+n＝6，

所述制冷剂回路的热交换器具备：多个传热管(12)，其形成用于使所述制冷剂流通的一个或多个制冷剂路径；和

多个板状的散热片(11)，其配置成与空气的流动方向大致平行，且以隔开规定的间隔地重叠的方式排列，

所述单一制冷剂或所述混合制冷剂所通过的所述传热管(12)，大致垂直地贯穿多个散热片(11)，且具有满足如下关系的外径D：与铅直方向上相邻的所述传热管(12)彼此的中心间距离S之间满足2.5＜S/D＜3.5的关系，且与所述制冷剂路径的长度L之间满足0.28×D^1.17＜L＜1.10×D^1.17的关系。

2.如权利要求1所述的热交换器(4、6、10)，其中，所述制冷剂为由2，3，3，3-四氟-1-丙烯形成的单一制冷剂或含有所述单一制冷剂的混合制冷剂。

3.如权利要求1所述的热交换器(4、6、10)，其中，所述制冷剂为含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和二氟甲烷的混合制冷剂。

4.如权利要求1所述的热交换器(4、6、10)，其中，所述制冷剂为含有2，3，3，3-四氟-1-丙烯和五氟乙烷的混合制冷剂。