JP2013164246A - 熱交換器及び冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで、かつ流体の圧力損失が小さい高性能な熱交換器を得る。
【解決手段】熱交換器１０は、第１扁平管１と前記第２扁平管２とが、第１貫通穴１１を流れる第１流体と第２貫通穴２１を流れる第２流体とが直交するように、互いの扁平面を接触して積層配置されている。第１扁平管１は、第２扁平管２の短軸方向に少なくとも１層配置されており（以下、第１積層群の第１扁平管１という）、第１積層群の第１扁平管１は、第２扁平管２の第２貫通穴２１の形成方向に複数配置され、これら第１積層群を流れる第１流体の平均温度は、第２扁平管２の第２貫通穴２１を流れる第２流体の流れ方向の下流側から上流流側にかけて（１０１から１０３の順に）、当該熱交換器１０に流入する第２流体の温度に近づくように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温流体と高温流体とを熱交換させて高温流体から低温流体に熱を伝える熱交換器に関するものである。また、この熱交換器を用いた冷凍空調装置に関するものである。

低温流体と高温流体とを熱交換させる従来の熱交換器は、例えば、高温流体が流れる複数の貫通穴を有する扁平状の第１扁平管と、低温流体が流れる複数の貫通穴を有する扁平状の第２扁平管と、第１扁平管の両端に接続された第１ヘッダーと、第２扁平管の両端に接続された第２ヘッダーとを備え、第１の扁平管と第２の扁平管を互いに９０度位相をずらして、交互に折りたたみ、それぞれの扁平面同士を接触させて両者で熱交換させ、高い熱交換性能を得ている。また、この従来の熱交換器は、それぞれの扁平管を９０度位相をずらして積層しているので両端のヘッダーが干渉しあうことがない（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１７４０８３号公報（要約、図１）

上述した従来の熱交換器は、低温流体と高温流体が互いに直交して流れる直交流形式のものとなっている。このため、上述した従来の熱交換器は、低温流体と高温流体が互いに対向して流れる対向流形式の熱交換器と比べ、熱交換効率が低下してしまうという問題点があった。また、上述した従来の熱交換器は、それぞれの流体の流量や温度等の動作条件に合わせて、各流体が流れる流路断面積、並列流路数、流路長さを自由に変えて、流体の圧力損失を低く、かつ伝熱性能が高くなるように、性能が最大となる最適設計をすることが困難であった。また、上述した従来の熱交換器においてこのような最適設計を行おうとした場合、ヘッダー構造が複雑となり、組立も困難となっていた。さらに、上述した従来の熱交換器は、ヘッダーと扁平管との接合が困難で、その接合強度が低いという問題点もあった。

本発明は、上記のような問題点の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、コンパクトで、かつ流体の圧力損失が小さい高性能な熱交換器を得ることを第１の目的としている。
また、高性能でコンパクトな冷凍空調装置を得ることを第２の目的としている。

本発明に係る熱交換器は、第１流体が流れる第１貫通穴を有する扁平状の第１扁平管と、第２流体が流れる第２貫通穴を有する扁平状の第２扁平管と、を備え、前記第１扁平管と前記第２扁平管とが、前記第１貫通穴を流れる前記第１流体と前記第２貫通穴を流れる前記第２流体とが直交するように、互いの扁平面を接触して積層配置された熱交換器であって、前記第１扁平管は、前記第２扁平管の短軸方向に少なくとも１層配置されており（以下、当該第１扁平管を第１積層群の前記第１扁平管という）、前記第１積層群の前記第１扁平管は、前記第２扁平管の前記第２貫通穴の形成方向に複数配置され、これら第１積層群を流れる前記第１流体の平均温度は、前記第２扁平管の前記第２貫通穴を流れる前記第２流体の平均流れ方向の下流側から上流流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第２流体の温度に近づくように構成したものである。

また、本発明に係る冷凍空調装置は、本発明の上記熱交換器を搭載したものである。

本発明に係る熱交換器は、第１扁平管が、第２扁平管の短軸方向に少なくとも１層配置されており（以下、当該第１扁平管を第１積層群の第１扁平管という）、第１積層群の第１扁平管は、第２扁平管の第２貫通穴の形成方向に複数配置されている。そして、第１積層群を流れる第１流体の平均温度は、第２扁平管の第２貫通穴を流れる第２流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、第２流体の流入温度に近づくように構成されている。つまり、第１流体の流れを巨視的に見ると、第１流体の流れは、第２流体の平均流れ方向に対して対向流となっている。このため、本発明に係る熱交換器は、上述した直交流形式の従来の熱交換器と比べ、熱交換効率が向上する。一方、本発明に係る熱交換器は、第１扁平管と第２扁平管とが互いに直交するように積層されている。このため、第１扁平管を冷凍サイクル回路に接続する接続配管と、第２扁平管を冷凍サイクル回路に接続する接続配管とが、干渉することがない。
このように、本発明に係る熱交換器は、第１扁平管の接続配管と第２扁平管の接続配管が干渉せずにコンパクトに構成できる直交流形式のメリットを活かしながら、直交流形式のデメリットである熱交換効率を向上させることができ、結果として、コンパクト性と性能向上を両立させることができる。

また、本発明に係る冷凍空調装置は、本発明の上記熱交換器を搭載しているので、コンパクトで高性能な冷凍空調装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１による熱交換器を示す図である。 図１に続く、本発明の実施の形態１による熱交換器を示す図である。 本発明の実施の形態１による熱交換器の別の一例を示す図である。 図３に続く、本発明の実施の形態１による熱交換器の別の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２による冷凍空調装置の別の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２による冷凍空調装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。

実施の形態１．
図１及び図２は本発明の実施の形態１による熱交換器１０を示す図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は水平断面図、図２（ｃ）は図１（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図、図２（ｄ）は図１（ａ）の矢印Ｂ方向から見た側面図である。なお、図１（ａ）では、熱交換器１０の理解を容易とするため、最前列に配置された第２扁平管２（図１（ｂ）〜図２（ｄ）において、紙面最上部に示された第２扁平管２）を透過して示している。

図１及び図２に示すように、第１扁平管１及び第２扁平管２は、それぞれ高温流体及び低温流体が流れる複数の貫通穴を有しており、扁平な面で互いに接触するように、かつそれぞれの長手方向が直交するように、交互に積層され、ロウ付け等で接合されている。ここで、第１扁平管１の長手方向とは、図１（ａ）に示すＬ１の方向である。この方向は、第１扁平管１の第１貫通穴１１の形成方向であり、高温流体が流れる方向である。また、第２扁平管２の長手方向とは、図１（ａ）に示すＬ２の方向である。この方向は、第２扁平管２の第２貫通穴２１の形成方向であり、低温流体が流れる方向である。

さらに詳しく熱交換器１０について説明すると、本実施の形態１に係る熱交換器１０は９本の第１扁平管１（第１扁平管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ）を備えている。なお以下では、各第１扁平管１を区別して記載する必要が有る場合、符号「１」の下にアルファベットを付して各第１扁平管１を示す。

第１扁平管１ａ，１ｂ，１ｃは、同一層内において、第２扁平管２の長手方向に沿って配置されている。第１扁平管１ｄ，１ｅ，１ｆ、及び第１扁平管１ｇ，１ｈ，１ｉも同様に、同一層内において、第２扁平管２の長手方向に沿って配置されている。また、第１扁平管１ａ，１ｄ，１ｇは、積層方向（第１扁平管１の短軸方向であり、図１（ａ）に示すＳ方向）に並んで配置されている。同様に、第１扁平管１ｂ，１ｅ，１ｈも積層方向に並んで配置されており、第１扁平管１ｃ，１ｆ，１ｉも積層方向に並んで配置されている。
つまり、第１扁平管１ａ，１ｄ，１ｇが本発明における同一の第１積層群となり、第１扁平管１ｂ，１ｅ，１ｈが本発明における同一の第１積層群となり、第１扁平管１ｃ，１ｆ，１ｉが本発明における同一の第１積層群となる。以下、図１及び図２に示す熱交換器１０の説明では、第１扁平管１ａ，１ｄ，１ｇを第１積層群１０１と称し、第１扁平管１ｂ，１ｅ，１ｈを第１積層群１０２と称し、第１扁平管１ｃ，１ｆ，１ｉを第１積層群１０３と称する。

また、各第１扁平管１の両端部には、流路形状を扁平形状から円形状に変換する変換継手３，４が接続されている。より詳しくは、図１（ａ）の紙面上側（つまり、図２（ｄ）の紙面手前側）となる第１扁平管１の端部には、変換継手３が接続されている。また、図１（ａ）の紙面下側（つまり、図２（ｃ）の紙面手前側）となる第１扁平管１の端部には、変換継手４が接続されている。これら、変換継手３，４は、一方の端部が第１扁平管１の端部に対応した扁平形状に形成され、他方の端部が円筒形状に形成されている。

これら各変換継手３は、第１扁平管１ｃに接続された変換継手３（以下、この変換継手を区別して示す場合、変換継手３ａという）を除き、流路断面が円形状となったベンド管等の接続継手３１，３２で接続されている。より詳しくは、接続継手３１は、積層方向（図１（ｂ）のＳ方向）に隣接する変換継手３の円筒状端部同士を接続するものである。本実施の形態１では、３つの接続継手３１ａ，３１ｂ，３１ｃを備えている。また、接続継手３２は、第２扁平管２の長手方向（図１（ａ）のＬ２方向）に隣接する変換継手３の円筒状端部同士を接続するものである。また、これら接続継手３１，３２が接続されていない変換継手３ａは、熱交換器１０から高温流体が流出する流出口となるものである。

また、各変換継手４は、第１扁平管１ｇに接続された変換継手４（以下、この変換継手を区別して示す場合、変換継手４ａという）を除き、流路断面が円形状となったベンド管等の接続継手４１，４２で接続されている。より詳しくは、接続継手４１は、積層方向（図１（ｂ）のＳ方向）に隣接する変換継手４の円筒状端部同士を接続するものである。本実施の形態１では、３つの接続継手４１ａ，４１ｂ，４１ｃを備えている。また、接続継手４２は、第２扁平管２の長手方向（図１（ａ）のＬ２方向）に隣接する変換継手４の円筒状端部同士を接続するものである。また、これら接続継手４１，４２が接続されていない変換継手４ａは、熱交換器１０へ高温流体が流入する流入口となるものである。

つまり、熱交換器１０の各第１扁平管１は、変換継手３，４及び接続継手３１，３２，４１，４２によって、次のように接続されている。第１扁平管１ｇの一方の端部（変換継手４ａが接続されていない側の端部）は、第１扁平管１ｄの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ｄの他方の端部は、第１扁平管１ａの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ａの他方の端部は、第１扁平管１ｂの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ｂの他方の端部は、第１扁平管１ｅの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ｅの他方の端部は、第１扁平管１ｈの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ｈの他方の端部は、第１扁平管１ｉの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ｉの他方の端部は、第１扁平管１ｆの一方の端部に接続されている。この第１扁平管１ｆの他方の端部は、第１扁平管１ｃの一方の端部（変換継手３ａが接続されていない側の端部）に接続されている。

一方、第２扁平管２は、３層に積層されている。そして、各同一層内において、３本の第２扁平管が第１扁平管１の長手方向（図１（ａ）に示すＬ１）に沿って配置されている。また、各第２扁平管２の両端部には、流路形状を扁平形状から円形状に変換する変換継手５，６が接続されている。より詳しくは、図１（ａ）の紙面右側となる第２扁平管２の端部には、変換継手５が接続されている。また、図１（ａ）の紙面左側となる第２扁平管２の端部には、変換継手６が接続されている。これら、変換継手５，６は、一方の端部が第２扁平管２の端部に対応した扁平形状に形成され、他方の端部が円筒形状に形成されている。

これら各変換継手５，６は、例えば図示しないヘッダー等に接続されている。つまり、本実施の形態１に係る第２扁平管２は並列流路を構成しており、変換継手５から各第２扁平管２に流入した低温流体は、変換継手６を介して熱交換器１０の外部へ流出することとなる。本実施の形態１に係る熱交換器１０は、全第２扁平管２へ一斉に低温流体を分配して流しているので、同一層内の第２扁平管２を１つの扁平管で構成することも可能である。

続いて、図１及び図２を用い、このように構成された熱交換器１０の流体流れについて説明する。なお、図１（ａ）に示すＦＣ（斜線地の矢印）は低温流体の流れを示し、図１（ａ）に示すＦＨ（ドット地の矢印）は高温流体の流れを示す。

まず、第２扁平管２を流れる低温流体の流れについて説明する。低温流体は、図示しないヘッダー等を介して、変換継手５から各第２扁平管２に流入する。各第２扁平管２に流入した低温流体は、第１扁平管１と第２扁平管２の接触面（扁平面）を介して、第１扁平管１を流れる高温流体に加熱され、変換継手６から第２扁平管２の外部へ流出する。つまり、低温流体は、図１（ａ）において、紙面右側から紙面左側の一方向に流れることとなる。

次に、第１扁平管１を流れる高温流体の流れについて説明する。各第１扁平管１を流れる高温流体は、第１扁平管１と第２扁平管２の接触面（扁平面）を介して、第２扁平管２を流れる低温流体に冷却されるが、各第１扁平管１内を次のような順序で流れる。つまり、変換継手４ａを介して第１扁平管１ｇに流入した高温流体は、第１扁平管１ｄ，１ａの順で、低温流体の流れ方向の最下流側となる第１積層群１０１を流れる。第１積層群１０１の第１扁平管１ａを流出した高温流体は、低温流体の流れ方向において第１積層群１０１よりも上流側となる第１積層群１０２の第１扁平管１ｂに流入する。第１積層群１０２の第１扁平管１ｂに流入した高温流体は、第１扁平管１ｅ，１ｈの順で、第１積層群１０２を流れる。第１積層群１０２の第１扁平管１ｈを流出した高温流体は、低温流体の流れ方向において第１積層群１０２よりも上流側となる第１積層群１０３の第１扁平管１ｉに流入する。第１積層群１０３の第１扁平管１ｉに流入した高温流体は、第１扁平管１ｆ，１ｃの順で第１積層群１０３を流れ、変換継手３ａから熱交換器１０の外部に流出する。

つまり、低温流体の流れ方向に沿って見ると、最下流側に配置された第１積層群１０１を流れる高温流体の温度が、第１積層群１０１よりも上流側となる第１積層群１０２を流れる高温流体の温度よりも高くなっている。また、第１積層群１０２を流れる高温流体の温度が、第１積層群１０２よりも上流側となる第１積層群１０３を流れる高温流体の温度よりも高くなっている。すなわち、高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側ほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側ほど温度が低くなっている。換言すると、高温流体は、低温流体の流れ方向の上流側ほど、熱交換器１０に流入する低温流体の温度に近づいている。つまり、本実施の形態１に係る熱交換器１０においては、高温流体の流れを巨視的にみると、低温流体の流れと対向流になっている。

このように、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、高温流体の流れを巨視的にみると、低温流体の流れと対向流になっている。このため、直交流形式の従来の熱交換器と比べ、熱交換効率を向上させることができる。一方、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、第１扁平管１及び第２扁平管２を、それぞれの長手方向が直交するように積層配置している。このため、第１扁平管１を接続する接続配管（変換継手３，４、及び接続継手３１，３２，４１，４２）と、第２扁平管２を接続する接続配管（変換継手５，６）とが、干渉しない。
したがって、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、第１扁平管１の接続配管と第２扁平管２の接続配管が干渉せずにコンパクトに構成できる直交流形式のメリットを活かしながら、直交流形式のデメリットである熱交換効率を向上させることができ、結果として、コンパクト性と性能向上を両立させることができる。

また、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、流路断面形状を扁平形状から円形状に変換する変換継手３，４を用いて、第１扁平管１の両端の流路断面形状を円形状にしている。このため、変換継手３，４を接続する接続継手として、ベンド管のような流路断面が円形状の接続継手３１，３２，４１，４２を使用することができる。また、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、上述のように第１扁平管１を接続する接続配管（変換継手３，４、及び接続継手３１，３２，４１，４２）と第２扁平管２を接続する接続配管（変換継手５，６）とが干渉しないため、変換継手３，４、及び接続継手３１，３２，４１，４２の組み立て（接合）も容易となる。このため、管の一端から流体を流入させ複数の側面から流出させるヘッダーのようなもので各第１扁平管１を接続する場合に比べて、接合部の接合強度を向上させることができる。

なお、変換継手３，４と接続継手３１，３２，４１，４２を一体で構成してもよい。さらに、一対の第１扁平管１、変換継手（変換継手３，４のうちの一方）、及び接続継手（接続継手３１，３２，４１，４２のいずれか）を一体で構成したヘアピン管を用いてもい。このように、複数の部品を一体で構成すれば、部品点数を削減でき、組立ての簡素化を図ることができる。

また、接続継手は、積層方向（図１（ｂ）のＳ方向）に隣接する変換継手３，４を接続する接続継手３１，４１や、同一層内で隣接する変換継手３，４を接続する３２，４２に限定されるものではない。例えば、図３及び図４に示すように、積層方向に隣接せず、同一層内でも隣接しない第１扁平管１を接続する接続継手を用いてもよい。

図３及び図４は本発明の実施の形態１による熱交換器１０の別の一例を示す図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は水平断面図、図４（ｃ）は図３（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図、図４（ｄ）は図３（ａ）の矢印Ｂ方向から見た側面図である。なお、図３（ａ）では、熱交換器１０の理解を容易とするため、最前列に配置された第２扁平管２（図３（ｂ）〜図４（ｄ）において、紙面最上部に示された第２扁平管２）を透過して示している。

図３及び図４に示すように、積層方向に隣接せず、同一層内でも隣接しない第１扁平管１同士（例えば、第１扁平管１ａと第１扁平管１ｅ）が、変換継手４を介して、斜めに配置された接続継手４３により接続されている。

このように構成された熱交換器１０では、高温流体は次のように流れる。なお、低温流体の流れは、図１及び図２に示した熱交換器１０と同じとなるため、説明を省略する。

変換継手４ａを介して第１扁平管１ｇに流入した高温流体は、第１扁平管１ｈに流入する。第１扁平管１ｈから流出した高温流体は、接続継手４３を介して第１扁平管１ｄに流入し、その後、第１扁平管１ｅに流入する。第１扁平管１ｅから流出した高温流体は、接続継手４３を介して第１扁平管１ａに流入し、その後、第１扁平管１ｂに流入する。第１扁平管１ｂから流出した高温流体は、第１扁平管１ｃ，１ｃｃの順で流れる。第１扁平管１ｃｃから流出した高温流体は、接続継手４３を介して第１扁平管１ｆに流入し、その後、第１扁平管１ｆｆに流入する。第１扁平管１ｆｆから流出した高温流体は、接続継手４３を介して第１扁平管１ｉに流入し、その後、第１扁平管１ｉｉに流入する。第１扁平管１ｉｉに流入した高温流体は、変換継手３ａから熱交換器１０の外部に流出する。

つまり、図３及び図４に示す熱交換器１０においては、高温流体は、隣接する第１積層群に跨がりながら、第１扁平管１を流れている。しかしながら、同一層内の第１扁平管１を流れる高温流体の流れを見ると、低温流体の流れ方向の下流側ほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側ほど温度が低くなっている。つまり、低温流体の流れ方向に沿って見ると、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第１積層群を流れる高温流体の平均温度は、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第１積層群を流れる高温流体の平均温度よりも高くなっている。つまり、図３及び図４に示す熱交換器１０においても、高温流体の流れを巨視的にみると、低温流体の流れと対向流になっている。

したがって、図３及び図４に示す熱交換器１０においても、第１扁平管１の接続配管と第２扁平管２の接続配管が干渉せずにコンパクトに構成できる直交流形式のメリットを活かしながら、直交流形式のデメリットである熱交換効率を向上させることができ、結果として、コンパクト性と性能向上を両立させることができる。
また、接続継手４３を用いて第１扁平管同士を接続することにより、接続する第１扁平管１の端部間の距離を長くすることができる。このため、接続継手４３の曲率半径を比較的大きくすることができ、曲げ加工が比較的容易となる。

以上、図１〜図４の熱交換器１０で示した配管構成は、あくまでも本発明を実施するための一例である。つまり、図１及び図２に示した熱交換器１０においては、第１扁平管１を流れる高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第１積層群を流れるものほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第１積層群を流れるものほど温度が低くなっていた。かつ、図１及び図２に示した熱交換器１０においては、同一層内に配置された第１扁平管１内を流れる高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第１扁平管１を流れるものほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第１扁平管１を流れるものほど温度が低くなっていた。また、図３及び図４に示した熱交換器１０においては、同一層内に配置された第１扁平管１内を流れる高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第１扁平管１を流れるものほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第１扁平管１を流れるものほど温度が低くなっていた。しかしながら、これに限らず、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第１積層群を流れる高温流体の平均温度が、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第１積層群を流れる高温流体の平均温度よりも高くなっていればよい。つまり、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第１積層群を流れる高温流体の平均温度が、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第１積層群を流れる高温流体の平均温度よりも、熱交換器１０に流入する低温流体の温度に近づいていればよい。このように高温流体が流れるように各第１扁平管１を接続することにより、巨視的な高温流体の流れは、低温流体の流れと対向流になる。

また、図１〜図４で示した熱交換器１０は、第１扁平管１に流れる第１流体を高温流体とし、第２扁平管２に流れる第２流体を低温流体とした。しかしながら、これに限らず、第１扁平管１に流れる第１流体を低温流体とし、第２扁平管２に流れる第２流体を高温流体としてもよい。この場合、高温流体の流れ方向の上流側に配置された第１積層群を流れる低温流体の平均温度が、高温流体の流れ方向の下流側に配置された第１積層群を流れる低温流体の平均温度よりも高くなっていればよい。つまり、高温流体の流れ方向の上流側に配置された第１積層群を流れる低温流体の平均温度が、高温流体の流れ方向の下流側に配置された第１積層群を流れる低温流体の平均温度よりも、熱交換器１０に流入する高温流体の温度に近づいていればよい。このように低温流体が流れるように各第１扁平管１を接続することにより、巨視的な低温流体の流れは、高温流体の流れと対向流になる。

また、図１〜図４で示した熱交換器１０は、第２扁平管２を流れる第２流体の流れ方向を一方向としたが、第２扁平管２を流れる第２流体も巨視的に第１扁平管１を流れる第１流体と対向流となるように、各第２扁平管２を接続してもよい。このとき、各第１扁平管１を流れる第１流体の向きは第１扁平管１毎に異なっている。このため、第１扁平管１の一方の端部から他方の端部へ流れる第１流体の流量と、第１扁平管１の他方の端部から一方の端部へ流れる第１流体の流量とを比較し、流量の多いほうの流れを「第１扁平管１を流れる第１流体の平均流れ方向」とすればよい。例えば、図１及び図２に示した熱交換器１０では、５本の第１扁平管１（第１扁平管１ａ，１ｃ，１ｅ，１ｇ，１ｉ）の第１流体の流れ方向が、図１（ａ）において紙面上方向となっている。また、４本の第１扁平管１（第１扁平管１ｂ，１ｄ，１ｆ，１ｈ）の第１流体の流れ方向が、図１（ａ）において紙面下方向となっている。このため、図１及び図２に示した熱交換器１０では、図１（ａ）における紙面上方向を、「第１扁平管１を流れる第１流体の平均流れ方向」とすればよい。

そして、積層方向に並んで配置された各第２扁平管２を同一の第２積層群とした場合、「第１扁平管１を流れる第１流体の平均流れ方向」の上流側に配置された第２積層群を流れる第２流体の平均温度が、「第１扁平管１を流れる第１流体の平均流れ方向」の下流側に配置された第２積層群を流れる第２流体の平均温度よりも、熱交換器１０に流入する第１流体の温度に近づいていればよい。このように各第２扁平管２を接続することにより、第２扁平管２を流れる第２流体の巨視的な流れは、「第１扁平管１を流れる第１流体の平均流れ方向」に対して対向流になる。

また、図１〜図４で示した熱交換器１０は、第１扁平管１及び第２扁平管２を積層方向に複数配置したが、積層方向に配置する第１扁平管１及び第２扁平管２は、それぞれ少なくとも１つあればよい。

実施の形態２．
実施の形態１の熱交換器１０は、例えば空気調和装置、貯湯装置及び冷凍機等の冷凍空調装置に搭載される。以下に、実施の形態１の熱交換器１０を搭載した冷凍空調装置の一例について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２による冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。
図５に示す冷凍空調装置は、第１圧縮機５０、第１放熱器５１、第１減圧装置５２、第１冷却器５３が順に配管で接続された第１冷媒回路を有している。第１冷媒回路は、高温流体である第１冷媒が循環し、蒸気圧縮式冷凍サイクルで動作するように構成されている。また、第１冷媒回路の第１放熱器５１と第１減圧装置５２との間に熱交換器１０が配置されており、第１扁平管１の変換継手４ａは第１放熱器５１と接続され、第１扁平管１の変換継手３ａは第１減圧装置５２と接続されている。

また、この冷凍空調装置は、熱交換器１０、第２圧縮機６０、第２放熱器６１、第２減圧装置６２が順に配管で接続された第２冷媒回路を有している。第２扁平管２の変換継手６は第２圧縮機６０と接続され、第２扁平管２の変換継手５は第２減圧装置６２と接続されている。第２冷媒回路は、低温流体である第２冷媒が循環し、蒸気圧縮式冷凍サイクルで動作するように構成されている。第１冷媒、第２冷媒ともに、二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒、アンモニア等の冷媒が用いられる。本実施の形態２では、第１冷媒に二酸化炭素が用いられている。

第１冷媒は、第１圧縮機５０によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。高温高圧の超臨界流体となった第１冷媒は、第１放熱器５１に送られ、第１放熱器５１で空気等と熱交換して温度が低下し、高圧の超臨界流体になる。高圧の超臨界流体となった第１冷媒は、熱交換器１０によって冷却されて温度が低下した後、第１減圧装置５２に流入して減圧され、低温低圧の気液二相流状態に変化し、第１冷却器５３に送られる。低温低圧の気液二相流状態となった第１冷媒は、第１冷却器５３で空気等と熱交換して蒸発し、第１圧縮機５０に戻る。

一方、第２冷媒は、第２圧縮機６０によって圧縮され、高温高圧の蒸気となって吐出される。高温高圧の蒸気となった第２冷媒は、第２放熱器６１に送られ、第２放熱器６１で空気等と熱交換して温度が低下し、高圧の液体になる。高圧の液体となった第２冷媒は、第２減圧装置６２で減圧され、低温の気液二相流状態に変化し、熱交換器１０に送られる。低温の気液二相流状態となった第２冷媒は、熱交換器１０で加熱され蒸気となり、第２圧縮機６０に戻る。

このように構成された冷凍空調装置においては、第１放熱器５１を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することができ、冷凍空調装置の効率を大幅に向上することができる。
なお、第１冷媒回路を流れる第１冷媒として、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒又はアンモニアを用いた場合においても、第１放熱器５１を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することで、冷凍空調装置の効率が向上する。第１冷媒回路の第１冷媒が二酸化炭素であって、臨界点以上で放熱する場合、冷凍空調装置の効率が特に向上する。
なお、本実施の形態２では、第２冷媒回路は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの場合を示したが、第２冷媒を水やエチレングリコール水溶液等のブライン（不凍液）、第２圧縮機６０をポンプで構成してもよい。

図６は、本発明の実施の形態２による冷凍空調装置の別の一例を示す冷媒回路図である。
図６に示す冷凍空調装置は、図５に示す冷凍空調装置の構成から第１放熱器５１を省略し、第１圧縮機５０から吐出された高温高圧の蒸気である第１冷媒を全て熱交換器１０で冷却している。つまり、図６に示す冷凍空調装置は、いわゆる二次ループ形冷凍空調装置となっている。この場合、熱交換器１０は第１放熱器５１として用いられる。図６に示す冷凍空調装置では、熱交換器１０において必要熱交換量が大きくなり、冷凍空調装置全体に占める容積割合が第１放熱器５１を設けた場合よりも大きくなる。熱交換器１０がコンパクトとなることによって、冷凍空調装置全体がコンパクトとなる効果が一層高まる。

図７は、本発明の実施の形態２による冷凍空調装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。
図７に示す冷凍空調装置は、第１圧縮機５０、第１放熱器５１、第１減圧装置５２及び第１冷却器５３が順に接続された冷媒回路を備えている。また、図７に示す冷凍空調装置は、バイパス配管７２を備えている。バイパス配管７２は、一端が第１放熱器５１と第１減圧装置５２との間に接続され、他端が第１圧縮機５０における冷媒の圧縮工程の途中に設けられたインジェクションポート７３、又はここでは図示しないが圧縮機３０と第１冷却器５３との間に接続されている。

熱交換器１０は、冷媒回路における第１放熱器５１と第１減圧装置５２との間であり、バイパス配管７２の途中となる位置に配置されている。熱交換器１０は、第１扁平管１の変換継手４ａと第１放熱器５１とが接続され、第１扁平管１の変換継手３ａと第１減圧装置５２とが接続されている。また、熱交換器１０は、第２扁平管２の変換継手５とバイパス減圧装置７１とが接続され、第２扁平管２の変換継手６とインジェクションポート７３、又はここでは図示しないが圧縮機３０と第１冷却器５３との間とが接続されている。

バイパス減圧装置７１で減圧された冷媒（低温流体）は、低温の気液二相流状態に変化し、熱交換器１０で第１放熱器５１から流出した冷媒（高温流体）と熱交換し、第１圧縮機５０のインジェクションポート７３に送られる。なお、図７に示す冷凍空調装置においては、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ冷媒、ＨＦＯ系冷媒、アンモニア、二酸化炭素等の冷媒が用いられる。

このように構成された冷凍空調装置においても、第１放熱器５１を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することができ、冷凍空調装置の効率を大幅に向上することができる。

また、図７に示す冷凍空調装置においては、熱交換器１０からインジェクションポート７３に流入する低温流体の飽和温度（気液平衡温度）が高いほど、第１圧縮機５０の効率が高くなり、所要動力も小さくできる。図７に示すように第１放熱器５１の出口を冷却すると、特に外気温度が高く第１放熱器５１出口における高温流体の温度が比較的高い場合、熱交換器１０において高温流体と低温流体との温度差を十分大きくとれる。このため、インジェクションポート７３に流入する低温流体の温度を高めに維持でき、第１圧縮機５０の高い効率を確保することができる。

なお、バイパス配管７２の他端が第１圧縮機５０と第１冷却器５３との間に接続される場合、熱交換器１０を用いない場合に比べ、冷凍効果を低下させることなく、第１冷却器５３を流れる冷媒流量を低下させることができる。特に、第１圧縮機５０と第１冷却器５３の間の配管長が長い場合、圧力損失の増加に伴う性能の低下を抑制することができ、有用である。

以上のように、コンパクトで高性能な熱交換器１０を搭載することにより、上述のような効果を有しつつ、コンパクトな冷凍空調装置を得ることができる。

１（１ａ〜１ｉｉ） 第１扁平管、１１ 第１貫通穴、１０１〜１０３ 第１積層群、２ 第２扁平管、２１ 第２貫通穴、３ 変換継手、３１，３２ 接続継手、４ 変換継手、４１〜４３ 接続継手、５ 変換継手、６ 変換継手、１０ 熱交換器、５０ 第１圧縮機、５１ 第１放熱器、５２ 第１減圧装置、５３ 第１冷却器、６０ 第２圧縮機、６１ 第２放熱器、６２ 第２減圧装置、７１ バイパス減圧装置、７２ バイパス配管、７３ インジェクションポート。

Claims (11)

1. 第１流体が流れる第１貫通穴を有する扁平状の第１扁平管と、
   第２流体が流れる第２貫通穴を有する扁平状の第２扁平管と、
   を備え、
   前記第１扁平管と前記第２扁平管とが、前記第１貫通穴を流れる前記第１流体と前記第２貫通穴を流れる前記第２流体とが直交するように、互いの扁平面を接触して積層配置された熱交換器であって、
   前記第１扁平管は、前記第２扁平管の短軸方向に少なくとも１層配置されており（以下、当該第１扁平管を第１積層群の前記第１扁平管という）、
   前記第１積層群の前記第１扁平管は、前記第２扁平管の前記第２貫通穴の形成方向に複数配置され、
   これら第１積層群を流れる前記第１流体の平均温度は、前記第２扁平管の前記第２貫通穴を流れる前記第２流体の平均流れ方向の下流側から上流流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第２流体の温度に近づくことを特徴とする熱交換器。
2. 同一層に配置された前記第１扁平管は、前記第２扁平管の前記第２貫通穴を流れる前記第２流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、前記第１流体が流れることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第２扁平管の前記第２貫通穴を流れる前記第２流体の平均流れ方向の下流側に配置された前記第１積層群の前記第１扁平管から、前記第２扁平管の前記第２貫通穴を流れる前記第２流体の平均流れ方向の上流側に配置された前記第１積層群の前記第１扁平管にかけて、前記第１流体が流れ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. 前記第２扁平管は、前記第１扁平管の短軸方向に少なくとも１層配置されており（以下、当該第２扁平管を第２積層群の前記第２扁平管という）、
   前記第２積層群の前記第２扁平管は、前記第１扁平管の前記第１貫通穴の形成方向に複数配置され、
   これら第２積層群を流れる前記第２流体の平均温度は、前記第１扁平管の前記第１貫通穴を流れる前記第１流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第１流体の温度に近づくことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 同一層に配置された前記第２扁平管は、前記第１扁平管の前記第１貫通穴を流れる前記第１流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、前記第２流体が流れることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記第１扁平管の前記第１貫通穴を流れる前記第１流体の平均流れ方向の下流側に配置された前記第２積層群の前記第２扁平管から、前記第１扁平管の前記第１貫通穴を流れる前記第１流体の平均流れ方向の上流側に配置された前記第２積層群の前記第２扁平管にかけて、前記第２流体が流れることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１扁平管及び前記第２扁平管のうちで複数設けられた扁平管は、接続される扁平管同士の端部が接続配管で接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記接続配管は、
   一方の端部が前記複数設けられた扁平管の端部に対応した扁平形状に形成され、他方の端部が円筒形状に形成された複数の変換継手と、
   複数の前記変換継手の円筒形状の端部同士を接続する、流路断面が円形状の接続継手と、
   で構成されたことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記変換継手と前記接続継手が一体で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記複数設けられた扁平管は、積層方向に隣接せず、同一層内でも隣接していない扁平管同士が前記接続配管で接続されていることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の熱交換器。
11. 請求項１〜請求項１０のいず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冷凍空調装置。

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