JP2012021682A - 熱交換器及びこの熱交換器を搭載したヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りを是正して熱交換性能の低下を防止することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１０は、第１冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第１伝熱管１と、複数の第１伝熱管の両端部に接続された一対の第１ヘッダー３と、を備え、少なくとも第１ヘッダー３の一方には、複数の第１伝熱管１の端部が第１ヘッダー３の内部に突出して接続され、第１伝熱管１を、第１ヘッダー３の冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第１伝熱管群、第２伝熱管群及び第３伝熱管群として複数の第１伝熱管１毎に分割した場合、第２伝熱管群に属する第１伝熱管１の突出長さ１ａの平均値は、第１伝熱管群に属する第１伝熱管１の突出長さ１ａの平均値及び第３伝熱管群に属する第１伝熱管１の突出長さ１ａの平均値よりも短いものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、第１冷媒と他の熱交換媒体とが熱交換を行う熱交換器に関するものである。また、この熱交換器を搭載したヒートポンプシステムに関するものである。

冷媒と他の熱交換媒体（例えば第２冷媒や空気等）とが熱交換を行う熱交換器として、冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の両端部に接続された一対のヘッダーと、を有するものがある。また、このような熱交換器には、ヘッダーから各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率の向上を図ったものが提案されており、例えば「ヘッダ１２は、円筒管で構成されて水平方向に配設される。冷媒管１３は、ヘッダ１２の下側に垂直方向に延在して平行に並べられ、その上端がヘッダ１２内に挿入されて取り付けられている。各冷媒管１３のヘッダ１２内への挿入量は、ヘッダ１２の冷媒の入口側では大きく、奥に向かって順次小さくなっている。そして、上記挿入量が所定値以上の冷媒管１３のヘッダ１２内に挿入されている管壁(挿入管壁)の最下部には、複数の液抜き孔を設けている。こうして、ヘッダ１２の冷媒入口側に位置する冷媒管１３ほど冷媒に対する挿入管壁による抵抗を大きくして分離される液冷媒の量を多くし、ガス冷媒が優先的に流れ込んでガス冷媒量／液冷媒量の値が高くなることを防止する。」（特許文献１参照）というものが提案されている。

特開平１０−１３２４２２号公報（要約、図１）

ヘッダー内へ例えば気液二相状態の冷媒が流入した場合、伝熱管へ流入しなかった（分配されなかった）液冷媒は、慣性力によってヘッダーの奥側へ滞留することとなる。このとき、特許文献１に記載の熱交換器は、奧にいくほどヘッダー内部への伝熱管の突出長さを短くし、伝熱管側壁によって冷媒が受ける抵抗がヘッダーの奥側へいく程小さくしているため、ヘッダーの奥側へ配置された伝熱管により多くの液冷媒が流入してしまう。したがって、特許文献１に記載の熱交換器では、依然として各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率に偏りが生じ、熱交換器の熱交換性能が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りを是正して熱交換性能の低下を防止することができる熱交換器、及びこの熱交換器を搭載したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、第１冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第１伝熱管と、複数の第１伝熱管の両端部に接続された一対の第１ヘッダーと、を備え、少なくとも第１ヘッダーの一方には、複数の第１伝熱管の端部が第１ヘッダーの内部に突出して接続され、第１伝熱管を、第１ヘッダーの冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第１伝熱管群、第２伝熱管群及び第３伝熱管群として複数の第１伝熱管毎に分割した場合、第２伝熱管群に属する第１伝熱管の第１ヘッダー内部への突出長さの平均値は、第１伝熱管群に属する第１伝熱管の第１ヘッダー内部への突出長さの平均値及び第３伝熱管群に属する第１伝熱管の第１ヘッダー内部への突出長さの平均値よりも短いものである。

また、本発明に係るヒートポンプシステムは、上記の熱交換器を搭載したものである。

ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、例えばヘッダー内に気液二相状態の冷媒が流入した場合、ヘッダーの冷媒流れ上流側（手前側）に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側（奥側）に配置された伝熱管に多くの液冷媒が流入していた。つまり、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、例えばヘッダー内に気液二相状態の冷媒が流入した場合、ヘッダーの冷媒流れ上流側（手前側）に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側（奥側）に配置された伝熱管に液比率の高い冷媒が流入し、その間の伝熱管には液比率の低い冷媒が流入していた。このため、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器は、各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率に偏りが生じていた。

一方、本発明に係る熱交換器は、液比率の高い冷媒が流入しやすい第１伝熱管群（第１ヘッダーの冷媒流れ上流側に配置される複数の第１伝熱管）及び第３伝熱管群（第１ヘッダーの冷媒流れ下流側に配置される複数の第１伝熱管）の突出長さに比べ、液比率の低い冷媒が流入しやすい第２伝熱管群（第１伝熱管群と第３伝熱管群との間に配置された複数の第１伝熱管）の突出長さを短くしている。このため、ヘッダー内を流れる冷媒は、第２伝熱管群と比べ、第１伝熱管群及び第３伝熱管群によって大きな抵抗を受ける。したがって、本発明に係る熱交換器は、液比率の低い冷媒が流入しやすい第２伝熱管群へ液冷媒が流入しやすくなるため、各第１伝熱管へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換性能の低下を防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の外観斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器における第１伝熱管と第１ヘッダーとの接続部近傍を示した要部断面図である。 図４のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の別の一例を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムの一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムの別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器を示す要部断面図である。 図１２のＤ−Ｄ断面図である。 本実施の形態５に係る熱交換器の一例を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態６に係る熱交換器を示す外観斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の外観斜視図である。また、図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。なお、図において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１及び図２に示すように、熱交換器１０は、複数の第１伝熱管１、複数の第２伝熱管２、一対の第１ヘッダー３及び一対の第２ヘッダー４を備えている。
各第１伝熱管１は、扁平管であり、その内部に第１冷媒が流れる流路が形成されている。図３に示すように、第１伝熱管１の断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっている。これら第１伝熱管１は、熱伝導性の良い材質（例えば、アルミ合金、銅及びステンレス等）で形成されている。例えば、第１伝熱管１は、平板をロール成形等で曲げた後、この平板の両端部である継ぎ目を電縫（溶接）して形成される。また例えば、第１伝熱管１は、円筒形状の材質をロール成形又はプレス成形することにより形成される。また例えば、第１伝熱管１は、押し出し成形又は引き抜き成形等によって形成される。

各第２伝熱管２は、扁平管であり、その内部に第２冷媒が流れる流路が形成されている。図３に示すように、第２伝熱管２の断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっている。これら第２伝熱管２は、熱伝導性の良い材質（例えば、アルミ合金、銅及びステンレス等）で形成されている。例えば、第２伝熱管２は、平板をロール成形等で曲げた後、この平板の両端部である継ぎ目を電縫（溶接）して形成される。また例えば、第２伝熱管２は、円筒形状の材質をロール成形又はプレス成形することにより形成される。また例えば、第２伝熱管２は、押し出し成形又は引き抜き成形等によって形成される。

また、図３に示すように、第１伝熱管１の扁平面と第２伝熱管２の扁平面とは、例えばアルミ−シリコン系等のろう材２１によるろう付け等によって接合されている。つまり、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、第１伝熱管１を流れる第１冷媒と第２伝熱管２を流れる第２冷媒とが熱交換する熱交換器である。

一対の第１ヘッダー３は、一方の端部が閉塞された円筒形状をしている。第１ヘッダー３の開口した側の端部は、後述するヒートポンプシステムの冷媒回路に接続される。これら第１ヘッダー３は、第１伝熱管１の両端部に接続されている。より詳しくは、第１ヘッダー３の側面部には複数の差込穴３ａが形成されており、これら差込穴３ａに第１伝熱管１を差し込んで、第１伝熱管１と第１ヘッダー３とを接続する。第１伝熱管１と第１ヘッダー３との接合は、例えばアルミ−シリコン系等のろう材２１によるろう付け等により行われる。第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続された状態においては、少なくとも一方の第１ヘッダー３内に第１伝熱管１の端部が突出するように、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続されている。また、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続された状態においては、第１伝熱管１の扁平面が第１ヘッダー３の管軸方向に沿うように、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続されている。なお、第１伝熱管１の第１ヘッダー３内への突出長さについては、後述する。

一対の第２ヘッダー４は、一方の端部が閉塞された円筒形状をしている。第２ヘッダー４の開口した側の端部は、後述するヒートポンプシステムの冷媒回路に接続される。これら第２ヘッダー４は、第２伝熱管２の両端部に接続されている。より詳しくは、第２ヘッダー４の側面部には複数の差込穴４ａが形成されており、これら差込穴４ａに第２伝熱管２を差し込んで、第２伝熱管２と第２ヘッダー４とを接続する。第２伝熱管２と第２ヘッダー４との接合は、例えばアルミ−シリコン系等のろう材２１によるろう付け等により行われる。なお、第２伝熱管２が第２ヘッダー４に接続された際、第２伝熱管２の第２ヘッダー４内への突出長さは任意である。例えば、第１伝熱管１と同じように、端部を第２ヘッダー４の内部へ突出させて、第２伝熱管２と第２ヘッダー４とを接続してもよい。例えば、第２伝熱管２の端部が第２ヘッダー４の内部に突出しないように、第２伝熱管２と第２ヘッダー４とを接続してもよい。

また、本実施の形態１に示す熱交換器１０では、第１伝熱管１の長さと第２伝熱管２の長さを略同等にしている。このため、第１ヘッダー３と第２ヘッダー４が干渉しないように、第１伝熱管１の端部近傍が折り曲がっている。

次に、第１伝熱管１の第１ヘッダー３内への突出長さの詳細について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器における第１伝熱管と第１ヘッダーとの接続部近傍を示した要部断面図である。また、図５は、図４のＣ−Ｃ断面図である。なお、図４に示す矢印６１は、第１ヘッダー３内を流れる冷媒の流れ方向を示す。

図４に示すように、第１伝熱管１の第１ヘッダー３内への突出長さ１ａは、第１ヘッダー３内を流れる冷媒の流れ方向上流側から下流側にかけて見た場合、第１伝熱管１の設置範囲において、流れ方向上流側から略中央部にかけて突出長さ１ａが徐々に短くなっており、略中央部から流れ方向下流側にかけて突出長さ１ａが徐々に長くなっている。

図５に示すように、第１ヘッダー３内に気液二相状態の冷媒が環状流となって流れる場合、液冷媒６２は第１ヘッダー３の内周面を覆うように流れ、ガス冷媒６３は液冷媒６２よりも第１ヘッダー３の管軸側を流れる。このとき、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、ヘッダーの冷媒流れ上流側に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側に配置された伝熱管に多くの液冷媒が流入していた。つまり、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、ヘッダーの冷媒流れ上流側に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側に配置された伝熱管に液比率の高い冷媒が流入し、その間の伝熱管には液比率の低い冷媒が流入していた。このため、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器は、各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率に偏りが生じていた。

一方、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、上述のように、第１ヘッダー３内を流れる冷媒の流れ方向上流側から第１伝熱管１の設置範囲における略中央部にかけて突出長さ１ａが徐々に短くなっており、この略中央部から流れ方向下流側にかけて突出長さ１ａが徐々に長くなっている。つまり、第１ヘッダー３内を流れる冷媒は、突出長さ１ａに応じた抵抗を受ける。そして、第１ヘッダー３内を流れる冷媒は、受ける抵抗が大きくなるとガス冷媒６３が第１伝熱管１へ流入しやすくなり、受ける抵抗が小さくなると液冷媒６２が第１伝熱管１へ流入しやすくなる。このため、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換性能の低下を防止することができる。

ここで、第１ヘッダー３内を流れる気液二相状態の冷媒が環状流の場合、ヒートポンプシステムに搭載された際の熱交換器１０の設置姿勢は、特に限定されるものではない。液冷媒６２が第１ヘッダー３の内周面を覆うように流れるため、熱交換器１０がいずれの設置姿勢となっていても上述のように各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。つまり、第１伝熱管１が垂直方向に第１ヘッダー３へ接続されている状態（図４及び図５に示す状態）となるように熱交換器１０が設置される場合に限らず、第１伝熱管１が垂直方向から傾くように第１ヘッダー３へ接続されている状態に熱交換器１０が設置される場合でも、上述のように各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。

また、第１ヘッダー３内を流れる気液二相状態の冷媒がスラグ流の場合等、第１ヘッダー３内を流れる冷媒の流速が速い場合も、液冷媒６２が第１ヘッダー３の内周面を覆うように流れるため、熱交換器１０がいずれの設置姿勢となっていても上述のように各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。

また、第１ヘッダー３内を流れる冷媒の流速が遅い場合、第１ヘッダー３内を流れる気液二相状態の冷媒は、ガス冷媒６３と液冷媒６２が上下に分離した流れとなる。このような場合でも、第１伝熱管１が垂直方向に第１ヘッダー３へ接続されている状態（図４及び図５に示す状態）となるように熱交換器１０を設置することにより、上述のように各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。なお、第１ヘッダー３内をガス冷媒６３と液冷媒６２が上下に分離して流れる状態であっても、液冷媒６２が流入しにくい第１伝熱管１（例えば第１伝熱管１の設置範囲における略中央部近傍の第１伝熱管１）の第１ヘッダー３内への突出部が液冷媒６２に浸っている状態であれば、第１伝熱管１の第１ヘッダー３への接続方向を垂直方向から傾けてもよい。発明者らが鋭意検討したところ、第１ヘッダー３内をガス冷媒６３と液冷媒６２が上下に分離して流れる状態であっても、第１伝熱管１の管周方向に沿って垂直方向から約±３０℃傾けて第１伝熱管１を第１ヘッダー３へ接続しても、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できた。

なお、本発明を実施するための突出長さ１ａの調整は、図４に示す構成に限られるものではない。例えば以下のように突出長さ１ａを調整しても、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の別の一例を示す要部断面図である。この図６は、第１伝熱管１と第１ヘッダー３との接続部近傍を示した要部断面図である。
図４では、第１伝熱管１の設置範囲の両端に配置された第１伝熱管１は、突出長さ１ａが同じ長さとなっていた。これに限らず、第１伝熱管１の設置範囲の両端に配置された第１伝熱管１の突出長さ１ａを異ならせてもよい。また、突出長さ１ａが最も短くなる第１伝熱管１を、第１伝熱管１の設置範囲の略中央部からずらして配置してもよい。

図６（ａ）に示す熱交換器１０は、冷媒の流れ方向下流側に配置された第１伝熱管の突出長さ１ａが最も長くなっており、突出長さ１ａが最も短くなる第１伝熱管１を冷媒の流れ方向上流側へずらして配置している。また、図６（ｂ）に示す熱交換器１０は、突出長さ１ａが最も短くなる第１伝熱管１を冷媒の流れ方向上流側へずらして配置している。第１ヘッダー３の奥側（冷媒の流れ方向下流側）に液冷媒６２が溜まりやすい場合、図６（ａ）や図６（ｂ）に示すように熱交換器１０を構成することで、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。

また例えば、第１伝熱管１の突出長さ１ａを徐々に異ならせていく必要は、必ずしもない。例えば、第１ヘッダー３を流れる冷媒の流れ方向に沿って見たとき、流れ方向上流側に配置された第１伝熱管１の方が突出長さ１ａが大きくなっている範囲において、流れ方向下流側に配置されている第１伝熱管１の突出長さ１ａよりも突出長さ１ａが短くなっている第１伝熱管１があってもよい。

つまり、第１伝熱管１を、第１ヘッダー３の冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第１伝熱管群、第２伝熱管群及び第３伝熱管群として複数の第１伝熱管１毎に分割した場合、第２伝熱管群に属する第１伝熱管１の突出長さ１ａの平均値が、第１伝熱管群に属する第１伝熱管１の突出長さ１ａの平均値及び第３伝熱管群に属する第１伝熱管１の突出長さ１ａの平均値よりも短ければよい。このように熱交換器１０を構成することにより、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換性能の低下を防止することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１で示した熱交換器１０を搭載したヒートポンプシステムの一例について示す。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とする。

実施の形態１で示した熱交換器１０は、例えば温熱や冷熱を利用するヒートポンプシステムに搭載される。温熱を利用する場合、冷媒回路から供給される高温の第１冷媒を一方の第１ヘッダー３を通じて第１伝熱管１に供給し、他方の第１ヘッダー３を通じて冷媒回路に戻す。一方、第２冷媒は、一方の第２ヘッダー４を通じて第２伝熱管２に供給される。第２伝熱管２を流れる第２冷媒は、第１伝熱管１を流れる高温の第１冷媒によって加熱され、他方の第２ヘッダー４を通じて利用側の負荷へ供給される。利用側の負荷へ供給された第２冷媒は、例えば暖房等に用いられる。第２冷媒として水を使用する場合、給湯に用いてもよい。第１伝熱管１を流れる第１冷媒の流れ方向と第２伝熱管２を流れる第２冷媒の流れ方向とは、対向流又は平行流となっている。

なお、熱交換器１０をヒートポンプシステムに搭載する際、第１伝熱管１及び第２伝熱管２の冷媒流路面積は、使用冷媒の種類や動作環境等に応じて適宜決定すればよい。より詳しくは、第１冷媒と第２冷媒との間において比熱や密度等の熱物性値が異なる場合、第１伝熱管１を流れる第１冷媒の流量と第２伝熱管２を流れる冷媒の流量が異なる場合、第１伝熱管１を流れる第１冷媒の圧力条件と第２伝熱管２を流れる冷媒の圧力条件が異なる場合、又は第１伝熱管１を流れる第１冷媒と第２伝熱管２を流れる冷媒の性状度が異なる場合等、第１伝熱管１の冷媒流路面積と第２伝熱管２の冷媒流路面積とを異ならせればよい。例えば、第１冷媒に二酸化炭素やフロン系の冷媒を用いて、第２冷媒に十分に水質管理されていない水道水等を用いる場合、熱交換性能を向上させるためや、冷媒流路内面へのスケール付着による圧力損失の増大を抑制するために、第１伝熱管１の冷媒流路面積よりも第２伝熱管２の冷媒流路面積を大きくするとよい。

以下、図面を用いて、実施の形態１で示した熱交換器１０を搭載したヒートポンプシステムの一例の構成について示す。

図７は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムの一例を示す構成図である。
図７に示すヒートポンプシステム１００は、第１冷媒が流れる第１冷媒回路、第２冷媒が流れる第２冷媒回路、及び第１冷媒と第２冷媒とが熱交換を行う熱交換器１０を有する。なお、図７に示すヒートポンプシステム１００は、第１冷媒としてＲ４１０Ａを用い、第２冷媒として水を用いている。第１冷媒回路は、圧縮機３１、膨張弁３３、室外熱交換器３４及びファン３９を有している。第２冷媒回路は、利用側熱交換器３５及びポンプ３６を有している。

第１冷媒回路においては、圧縮機３１で高温高圧となった第１冷媒は、熱交換器１０で第２冷媒と熱交換して凝縮される。熱交換器１０で凝縮した第１冷媒は、膨張弁３３で減圧され、室外熱交換器３４へ流入する。室外熱交換器３４へ流入した第１冷媒は、ファン３９から供給された空気と熱交換して蒸発し、圧縮機３１に戻る。一方、第２冷媒回路においては、熱交換器１０で加熱された第２冷媒は、ポンプ３６で利用側熱交換器３５に供給されて放熱する。利用側熱交換器３５として例えばラジエーターや床暖房ヒーター等を適用し、暖房を行う。なお、第２冷媒として水を用いる場合、第２伝熱管２及び第２ヘッダー４を耐食性材で形成する等、熱交換器１０の水の接液する部分は水に対する耐食性を有するように構成した方が望ましい。

図８は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムの別の一例を示す構成図である。
図８に示すヒートポンプシステム１０１は、利用側熱交換器３５をタンク３８内に設置したものであり、タンク内に供給された水を加熱して取り出す給湯システムとして使用したものである。なお、その他の構成及び機能は、図７に示したヒートポンプシステム１００と同様である。

図７及び図８に示すように、利用側熱交換器３５において暖房又は給湯する際にヒートポンプシステムを用いることにより、従来のボイラーを熱源とした暖房システムや給湯システムに比べて、省エネルギー化を図ることができる。また、これらヒートポンプシステムに実施の形態１で示した熱交換器１０を搭載することにより、各第１伝熱管１へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りに起因する熱交換性能の低下を防止することができる。このため、利用側熱交換器３５において暖房又は給湯する際、これらヒートポンプシステムに実施の形態１で示した熱交換器１０を搭載することにより、従来の熱交換器を搭載したヒートポンプシステムよりもさらに省エネルギー化を図ることができる。

図９は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。
図９に示すヒートポンプシステム１０２は、圧縮機３１の冷媒吐出方向が図７で示したヒートポンプシステム１００と異なる。なお、その他の構成は、図７で示したヒートポンプシステム１００と同様である。図９に示すヒートポンプシステム１０２においても、第１冷媒としてＲ４１０Ａを用い、第２冷媒として水を用いている。

第１冷媒回路においては、圧縮機３１で高温高圧となった第１冷媒は、室外熱交換器３４に流入し、ファン３９から供給された空気と熱交換して凝縮される。室外熱交換器３４で凝縮された第１冷媒は、膨張弁３３で減圧され、熱交換器１０へ流入する。熱交換器１０へ流入した第１冷媒は、第２冷媒と熱交換して蒸発し、圧縮機３１に戻る。一方、第２冷媒回路においては、熱交換器１０で冷却された第２冷媒は、ポンプ３６で利用側熱交換器３５に供給されて吸熱する。利用側熱交換器３５として例えば空気熱交換器等を適用し、冷房を行う。なお、利用側熱交換器３５として冷水パネル等を適用し、ヒートポンプシステム１０２を輻射冷房システムとして使用しても勿論よい。

ヒートポンプシステムに実施の形態１で示した熱交換器１０を搭載したヒートポンプシステム１０２においては、各第１伝熱管１へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りに起因する熱交換性能の低下を防止することができる。このため、利用側熱交換器３５において冷房する際、従来の熱交換器を搭載したヒートポンプよりも省エネルギー化を図ることができる。

なお、図８のヒートポンプシステム１０１（給湯システム）においても、図９で示したヒートポンプシステム１０２のように圧縮機３１の冷媒吐出方向を変更してもよい。このようにヒートポンプシステムを構成することにより、冷水を供給することが可能となる。

図１０は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。
図７で示したヒートポンプシステム１００及び図９で示したヒートポンプシステム１０２は、それぞれ温熱又は冷熱を専用に利用するものであった。これに対し、図１０に示すヒートポンプシステム１０３のように四方弁３２を設けることにより、温熱と冷熱を切り替えて利用できる。
なお、図８のヒートポンプシステム１０１（給湯システム）においても、図１０で示したヒートポンプシステム１０３のように四方弁３２を設けてもよい。このようにヒートポンプシステムを構成することにより、湯と冷水を切り替えて供給することが可能となる。

ここで、上述のように、本実施の形態２で示したヒートポンプシステムは、第１冷媒としてＲ４１０Ａを用い、第２冷媒として水を用いた。冷媒の種類はこれに限らず、本実施の形態２で示したヒートポンプシステムは、第１冷媒及び第２冷媒として種々の冷媒を用いることが可能である。例えば、第１冷媒として、他のフロン系冷媒、二酸化炭素や炭化水素等の自然冷媒を用いてもよい。また例えば、第２冷媒として、フロン系冷媒、二酸化炭素や炭化水素等の自然冷媒、水道水や蒸留水やブライン等の水を用いてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１に係る熱交換器１０を例えば以下のように構成してもよい。そして、以下のように構成した熱交換器１０を、例えば実施の形態２で示したようなヒートポンプシステムに搭載してもよい。なお、本実施の形態３において、特に記述しない項目については実施の形態１又は実施の形態２と同様とする。

図１１は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す要部断面図である。この図１１は、第１伝熱管１と第１ヘッダー３との接続部近傍を示した要部断面図である。
図１１に示すように、本実施の形態３に係る熱交換器１０は、第１ヘッダー３の冷媒流れ上流側から下流側にかけて反らせるように、第１ヘッダー３が形成されている。このため、各第１伝熱管１の端部の位置を揃えても、第１ヘッダー３の反り量によって第１伝熱管１の突出長さ１ａを調整することができる。
このように構成された熱交換器１０においては、第１伝熱管１の突出長さ１ａを容易に調整することができる。

実施の形態４．
また、実施の形態１又は実施の形態３に係る熱交換器１０を例えば以下のように構成してもよい。そして、以下のように構成した熱交換器１０を、例えば実施の形態２で示したようなヒートポンプシステムに搭載してもよい。なお、本実施の形態４において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態３と同様とする。

図１２は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器を示す要部断面図である。また、図１３は、図１２のＤ−Ｄ断面図である。なお、図１２は、第１伝熱管１と第１ヘッダー３との接続部近傍を示した要部断面図である。
図１２及び図１３に示すように、本実施の形態４に係る熱交換器１０は、第１ヘッダー３の内部に突出した第１伝熱管１の端部に傾斜部１ｂが形成されている。より詳しくは、第１ヘッダー３の内部に突出した第１伝熱管１の端部には、第１伝熱管１の管軸方向と垂直な面に対して所定角度αだけ傾斜するように、開口部が形成されている。そして、この開口部は、第１ヘッダー３の冷媒流れ上流側に向かって開口している。

このように構成された熱交換器１０においては、従来の熱交換器においてはガス冷媒が流入しやすかった第１伝熱管１（例えば、実施の形態１で示した第２伝熱管群の第１伝熱管１）により液冷媒が流入しやすくなり、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りをより是正できる。

実施の形態５．
実施の形態１〜実施の形態４で示した第１伝熱管１においては、第１伝熱管１の形状に限らず、その他の形状の第１伝熱管１においても本発明を実施することができる。なお、本実施の形態５において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態４と同様とする。

図１４は、本実施の形態５に係る熱交換器の一例を示す要部断面図である。この図１４は、第１伝熱管１の管軸方向が紙面直交方向となるように切断した要部断面図である。
実施の形態１〜実施の形態４で示した熱交換器１０の第１伝熱管１においては、図１４（ａ）に示すように、第１伝熱管１の管軸方向と垂直な面で切断した断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっていた。そして、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続された状態においては、第１伝熱管１の扁平面が第１ヘッダー３の管軸方向に沿うように、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続されていた。

しかしながら、例えば図１４（ｂ）のように、第１伝熱管１の形状を形成してもよい。図１４（ｂ）で示した第１伝熱管１においては、第１伝熱管１の管軸方向と垂直な面で切断した断面形状は、略長方形状となっている。そして、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続された状態においては、第１伝熱管１の扁平面が第１ヘッダー３の管軸方向に沿うように、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続されている。

このように第１伝熱管１を構成しても、実施の形態１〜実施の形態４で示したように第１伝熱管１の突出長さ１ａを調整することにより、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換器１０の熱交換性能の低下を防止することができる。

また例えば、図１４（ｃ）のように、第１伝熱管１の形状を形成してもよい。図１４（ｃ）で示した第１伝熱管１においては、図１４（ａ）と同様に、第１伝熱管１の管軸方向と垂直な面で切断した断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっている。そして、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続された状態においては、第１伝熱管１の扁平面が第１ヘッダー３の管軸方向に沿うように、第１伝熱管１が第１ヘッダー３に接続されている。さらに、図１４（ｃ）で示した第１伝熱管１は、第１冷媒の流路が第１ヘッダー３の管軸方向に沿って複数の流路に分割されている。なお、図１４（ｂ）で示した第１伝熱管１の流路を、第１ヘッダー３の管軸方向に沿って複数の流路に分割しても勿論よい。

このように第１伝熱管１を構成しても、実施の形態１〜実施の形態４で示したように第１伝熱管１の突出長さ１ａを調整することにより、各第１伝熱管１の冷媒流路（微小流路）へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換器１０の熱交換性能の低下を防止することができる。また、第１冷媒の流路を複数に分割することにより、第１冷媒の伝熱面積が拡大するので、熱交換器１０の熱交換性能を向上することや熱交換器１０を小型化することも可能となる。

なお、本実施の形態５では第１伝熱管１の形状に着目して示したが、第２伝熱管２の形状も、本実施の形態５で示した第１伝熱管１と同様の形状にしてもよい。

実施の形態６．
実施の形態１〜実施の形態５では、第１冷媒と第２冷媒とが熱交換する熱交換器１０について説明した。これに限らず、第１冷媒と空気とが熱交換する熱交換器においても本発明を実施することができる。なお、本実施の形態６において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態５と同様とする。

図１５は、本発明の実施の形態６に係る熱交換器を示す外観斜視図である。
本実施の形態６に係る熱交換器１０は、第２伝熱管２及び第２ヘッダー４に替えて、フィン７１が設けられている。つまり、第１伝熱管１を流れる第１冷媒は、フィン７１を介して、フィン７１の周囲の空気と熱交換する。

このように構成された熱交換器１０においても、実施の形態１〜実施の形態５で示したように第１伝熱管１の突出長さ１ａを調整することにより、各第１伝熱管１へ流入する（分配される）冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換器１０の熱交換性能の低下を防止することができる。

１ 第１伝熱管、１ａ 突出長さ（第１伝熱管）、１ｂ 傾斜部、２ 第２伝熱管、３ 第１ヘッダー、３ａ 差込穴、４ 第２ヘッダー、４ａ 差込穴、１０ 熱交換器、２１ ろう材、３１ 圧縮機、３２ 四方弁、３３ 膨張弁、３４ 室外熱交換器、３５ 利用側熱交換器、３６ ポンプ、３８ タンク、３９ ファン、６１ 矢印（冷媒流れ方向）、６２ 液冷媒、６３ ガス冷媒、７１ フィン、１００〜１０３ ヒートポンプシステム。

Claims (11)

1. 第１冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第１伝熱管と、
   複数の前記第１伝熱管の両端部に接続された一対の第１ヘッダーと、
   を備え、
   少なくとも前記第１ヘッダーの一方には、複数の前記第１伝熱管の端部が前記第１ヘッダーの内部に突出して接続され、
   前記第１伝熱管を、前記第１ヘッダーの冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第１伝熱管群、第２伝熱管群及び第３伝熱管群として複数の前記第１伝熱管毎に分割した場合、
   前記第２伝熱管群に属する前記第１伝熱管の前記第１ヘッダー内部への突出長さの平均値は、前記第１伝熱管群に属する前記第１伝熱管の前記第１ヘッダー内部への突出長さの平均値及び前記第３伝熱管群に属する前記第１伝熱管の前記第１ヘッダー内部への突出長さの平均値よりも短いことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１伝熱管の前記第１ヘッダー内部への突出長さは、
   前記第１ヘッダーの冷媒流れ上流側から所定の箇所にかけて徐々に短くなり、前記第１ヘッダーの該所定の箇所から冷媒流れ下流側にかけて徐々に長くなっていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 複数の前記第１伝熱管の端部が内部に突出して接続された前記第１ヘッダーは、
   当該第１ヘッダーの冷媒流れ方向上流側から下流側にかけて反っていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 複数の前記第１伝熱管は、
   前記第１ヘッダー内部へ突出した側の端部の開口部が当該第１伝熱管の管軸と垂直な面に対して傾斜して形成されており、かつ、当該開口部が前記第１ヘッダーの冷媒流れ方向上流側に向かって開口していることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の熱交換器。
5. 前記第１伝熱管は扁平管であり、
   前記第１伝熱管は、前記第１伝熱管の扁平面が前記第１ヘッダーの管軸方向に沿うように設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第１伝熱管は、前記第１ヘッダーの管軸方向に沿って、複数の冷媒流路が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 第２冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第２伝熱管と、
   複数の前記第２伝熱管の両端部に接続された一対の第２ヘッダーと、
   を備え、
   複数の前記第２伝熱管は扁平管であり、
   前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とは、互いの扁平面が接合して設けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の熱交換器。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の熱交換器を搭載したことを特徴とするヒートポンプシステム。
9. 複数の前記第１伝熱管は、これら前記第１伝熱管の端部が内部に突出された側の前記第１ヘッダーに対して、垂直方向から傾いた方向に接続されていることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプシステム。
10. 複数の前記第１伝熱管の端部が内部に突出された側の前記第１ヘッダーに流れる冷媒は、気液二相状態で流れる場合、環状流又はスラグ流として流れることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のヒートポンプシステム。
11. 複数の前記第１伝熱管は、これら前記第１伝熱管の端部が内部に突出された側の前記第１ヘッダーに対して、垂直方向に接続されていることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプシステム。

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