JP2014142165A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】性能低下を低減することができる熱交換器の提供。
【解決手段】熱交換器１０は、熱交換中に相変化を起こす冷媒と、他の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器であって、冷媒ヘッダ５０と、複数の扁平多穴管４０と、複数の扁平管２０と、を備える。冷媒ヘッダ５０は、その内部を冷媒が流れる。扁平多穴管４０は、冷媒ヘッダ５０の長手方向に交差する方向に延びている。また、扁平多穴管４０には、その内部に冷媒が流れる複数の冷媒流路が形成されている。扁平管２０は、複数の扁平多穴管４０と交互に積層されている。また、扁平管２０は、その内部に他の熱媒体が流れる。さらに、冷媒ヘッダ５０は、水平方向に沿って延びるように配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来より、内部に複数の冷媒流路が形成されている複数の扁平多穴管と、内部に他の熱媒体が流れる複数の扁平管とが、交互に積層されて構成された熱交換器がある。このような熱交換器では、例えば、特許文献１（特開２００７−１７１３３号公報）に開示されているように、各扁平多穴管の端部が扁平多穴管の長手方向に交差する方向に延びるヘッダに接続されており、各扁平多穴管の冷媒流路がヘッダの内部空間を介して連通する構成となっている。

ところで、扁平多穴管の冷媒流路を流れる冷媒として、熱交換中に相変化を起こす冷媒が用いられる場合には、凝縮時に冷媒がガスから液に変化することで、ヘッダ内部に液冷媒が溜まることがある。このとき、ヘッダが鉛直方向に沿って延びるように配置されていると、ヘッダに接続されている複数の扁平多穴管のうち下部に位置する扁平多穴管に形成されている冷媒流路が液冷媒で埋没してしまう。そうすると、複数の扁平多穴管のうち下部に位置する扁平多穴管での熱交換量が低下することで、熱交換器全体の性能が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明の課題は、性能低下を低減することができる熱交換器を提供することにある。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、熱交換中に相変化を起こす冷媒と、他の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器であって、ヘッダと、複数の扁平多穴管と、複数の扁平管と、を備える。ヘッダは、その内部を冷媒が流れる。扁平多穴管は、ヘッダの長手方向に交差する方向に延びている。また、扁平多穴管には、その内部に冷媒が流れる複数の冷媒流路が形成されている。扁平管は、複数の扁平多穴管と交互に積層されている。また、扁平管は、その内部に他の熱媒体が流れる。さらに、ヘッダは、水平方向に沿って延びるように配置されている。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、ヘッダが水平方向に沿って延びるように配置されているため、同様の構成の熱交換器のヘッダが鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合と比較して、冷媒凝縮時に発生した液冷媒がヘッダ内部に溜まったとしても、溜まった液冷媒の液面高さを低くすることができる。このため、一部の扁平多穴管の冷媒流路が液冷媒で埋没するおそれを低減することができ、この結果、扁平多穴管における冷媒の偏流を抑制することができる。

これによって、熱交換器の性能低下を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１観点の熱交換器において、扁平多穴管は、水平方向に沿って延びるように配置されている。

ここで、扁平多穴管が、複数のパスに分かれており、かつ、鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合、凝縮した液冷媒を重力に逆らって上昇させる必要が生じる。

そこで、本発明の第２観点に係る熱交換器では、扁平多穴管を水平方向に沿って延びるように配置することで、扁平多穴管が鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合のように液冷媒を重力に逆らって上昇させる必要がなくなるため、扁平多穴管が鉛直方向に沿って延びるように配置されるよりも、扁平多穴管における冷媒の圧力損失の増加を抑制することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第２観点の熱交換器において、扁平多穴管に形成されている複数の冷媒流路は、鉛直方向に沿って並ぶように配置されている。このため、この熱交換器では、冷媒が凝縮して液冷媒が発生したとしても、液冷媒が鉛直方向に沿って並ぶ複数の冷媒流路のうち下方に配置される冷媒流路を流れるため、ヘッダ内部での液冷媒の滞留を抑制することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第３観点の熱交換器において、ヘッダに扁平多穴管が嵌め込まれた状態で、ヘッダ内部の下面と扁平多穴管の下端との間には、隙間がある。このため、この熱交換器では、ヘッダの下部に液冷媒を溜めるための空間を確保することができる。

本発明の第５観点に係る熱交換器は、第３観点又は第４観点の熱交換器において、複数の冷媒流路のうち最も下方に位置する最下段冷媒流路の流路断面は、最下段冷媒流路よりも上方に位置する上段冷媒流路の流路断面よりも大きい。このため、この熱交換器では、最下段冷媒流路における流路抵抗を小さくすることができる。これにより、ヘッダ内に溜まった液冷媒をスムーズに流すことができる。

本発明の第６観点に係る熱交換器は、第５観点の熱交換器において、上段冷媒流路を構成する面には、伝熱促進用の溝が形成されている。また、最下段冷媒流路を構成する面には、前記溝が形成されていない。このため、最下段冷媒流路を構成する面に溝が形成されている場合と比較して、最下段冷媒流路における流路抵抗を小さくすることができる。

本発明の第７観点に係る熱交換器は、第２観点から段６観点のいずれかの熱交換器において、ヘッダは、冷媒の入口部分と、冷媒の出口部分とを含む。複数の扁平管は、他の熱媒体の入口部分と他の熱媒体の出口部分とを含む連通部によって連通している。また、連通部は、ヘッダの延びる方向に沿って延びている。そして、ヘッダは、冷媒の出口部分側が冷媒の入口部分側よりも下方に位置するように配置されている。この熱交換器では、冷媒の出口部分側が冷媒の入口部分側よりも下方に位置するようにヘッダが配置されているため、凝縮時に冷媒がガスから液に変化しても出口部分から液冷媒が流出しやすくなる。

これにより、熱交換器内に液冷媒が溜まり込むおそれを低減することができる。

本発明の第８観点に係る熱交換器は、第７観点の熱交換器において、扁平管は、扁平多穴管と接触している伝熱部を含む。そして、連通部は、伝熱部よりも下方に配置されている。このため、連通部が伝熱部よりも上方に配置されている場合と比較して、伝熱部内に他の熱媒体が溜まり込み難くなり、熱交換器内に溜まった他の熱媒体を排出しやすくすることができる。

本発明の第９観点に係る熱交換器は、第１観点の熱交換器において、扁平多穴管は、鉛直方向に沿って延びるように配置されている。このため、ヘッダ内部に液冷媒が滞留したとしても、各扁平多穴管の入口と液冷媒の液面とが略平行になり、液冷媒が各扁平多穴管に均等に分配されやすくなる。

これによって、冷媒の偏流を抑制することができる。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、熱交換器の性能低下を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器では、扁平多穴管における冷媒の圧力損失の増加を抑制することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器では、ヘッダ内部での液冷媒の滞留を抑制することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器では、ヘッダの下部に液冷媒を溜めるための空間を確保することができる。

本発明の第５観点に係る熱交換器では、ヘッダ内に溜まった液冷媒をスムーズに流すことができる。

本発明の第６観点に係る熱交換器では、最下段冷媒流路における流路抵抗を小さくすることができる。

本発明の第７観点に係る熱交換器では、熱交換器内に液冷媒が溜まり込むおそれを低減することができる。

本発明の第８観点に係る熱交換器では、熱交換器内に溜まった他の熱媒体を排出しやすくすることができる。

本発明の第９観点に係る熱交換器では、複数の扁平多穴管における冷媒の偏流を抑制することができる。

熱交換器を備えるヒートポンプ式給湯装置を示す図。 冷凍装置の内部構造を示す図。 熱交換器の外観の一部を示す図。 熱交換器の概略構成図であって、本実施形態の設置手段で設置した状態を示す図。 熱交換器の断面図。 熱交換器の断面図。 冷媒ヘッダの断面図。 冷媒ヘッダ内部に液冷媒が溜まった状態を説明するための図。 冷媒ヘッダの断面図。 熱交換器の概略構成図であって、従来の設置手段で設置した状態を示す図。 冷媒ヘッダ内部に液冷媒が溜まった状態を説明するための図。 冷媒及び水の温度分布を示す図。 熱交換器の概略構成図であって、変形例Ａに係る設置手段で設置した状態を示す図。 上方に配置される冷媒ヘッダ内部に液冷媒が溜まった状態を説明するための図。 下方に配置される冷媒ヘッダ内部に液冷媒が溜まった状態を説明するための図。 変形例Ｂに係る熱交換器の備える冷媒ヘッダの断面図。 変形例Ｂに係る熱交換器の備える冷媒ヘッダの断面図。 変形例Ｂに係る熱交換器の備える冷媒ヘッダにおいて、（ａ）冷媒ヘッダの断面図、（ｂ）冷媒ヘッダから側板を取り除いた状態を示す図。 変形例Ｂに係る熱交換器の備える冷媒ヘッダの断面図。 変形例Ｃに係る熱交換器の備える扁平多穴管の断面図。 熱交換器の概略図であって、変形例Ｄに係る設置手段で設置した状態を示す図。 変形例Ｄに係る熱交換器の備える冷媒ヘッダの断面図。 変形例Ｄに係る熱交換器において、扁平管の伝熱部を説明するための図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明に係る熱交換器の実施形態は、以下に説明する実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

本発明に係る熱交換器１０は、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ及びＲ３２を含むＨＦＣ冷媒や、２，３，３，３−テトラフルオロ−１−プロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）を含むＨＦＯ冷媒等、熱交換中に相変化を起こす冷媒と、他の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器であって、使用される冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒を含まないものとする。なお、以下では、冷媒と熱交換を行う他の熱媒体として水が用いられる場合を例として記載しているが、当該他の熱媒体は水に限定されるものではない。

（１）ヒートポンプ式給湯装置の構成
ヒートポンプ式給湯装置９０は、図１に示すように、温水熱源装置である冷凍装置９１と、貯湯ユニット９２とを備える。

冷凍装置９１は、冷媒を圧縮する圧縮機９３と、冷媒と水との間で熱交換を行うための熱交換器１０と、冷媒の減圧手段としての膨張弁９４と、外気と冷媒との間で熱交換を行うための空気熱交換器９５とを有している。そして、冷凍装置９１側では、圧縮機９３と熱交換器１０と膨張弁９４と空気熱交換器９５とが接続されて、冷媒の循環する冷媒回路が構成されている。

貯湯ユニット９２は、貯湯タンク９６と、水循環ポンプ９７とを備える。そして、貯湯ユニット９２側では、熱交換器１０と貯湯タンク９６と水循環ポンプ９７とが接続されて、水の循環する水循環回路が構成されている。

図２は、冷凍装置９１の内部構造を示す模式図である。図２において、断熱壁９１ｃの右側区画が機械室９１ａであり、断熱壁９１ｃの左側区画が送風機室９１ｂである。機械室９１ａには、圧縮機９３や膨張弁９４が配置されている。送風機室９１ｂには、モータ（図示省略）によって駆動されるファン９８が配置されている。

また、送風機室９１ｂの下方には、断熱壁９１ｄを隔てて熱交換器１０が配置されている。そして、熱交換器１０内にて、冷媒回路を循環する冷媒と、水循環回路を循環する水との間で熱交換が行われる。なお、図２において、空気熱交換器９５は、送風機室９１ｂの左側と背面側に配置されている。

（２）熱交換器の構成
図３は、熱交換器１０の外観の一部を示す図である。図４は、熱交換器１０の概略構成図である。図５は、図３のＶ−Ｖ断面図である。図６は、図４のVI−VI断面図である。

熱交換器１０は、冷媒と水とを熱交換させる積層型のプレート式水熱交換器であって、複数の扁平管２０と、複数の扁平多穴管４０と、各扁平多穴管４０の長手方向に交差する方向に延びる冷媒ヘッダ５０と、を含んで構成される（図３、図４及び図５参照）。また、各扁平管２０は、扁平管２０の両端部近傍に設けられており、冷媒ヘッダ５０の延びる方向に沿って延びる連通部３１，３２で連通している。なお、本実施形態の熱交換器１０は、１５本の扁平管２０と、１６本の扁平多穴管４０と、が交互に積層されている。ただし、これら積層される扁平管２０や扁平多穴管４０の数は、要求される性能などに応じて適宜選択されるものであり、扁平管２０や扁平多穴管４０の数が、本実施形態より多くてもよく、或いは、少なくてもよい。

そして、扁平管２０には水が流れ、扁平多穴管４０には高圧の冷媒が流れる。このため、扁平多穴管４０には、扁平管２０よりも高い耐圧が要求される。したがって、扁平多穴管４０の内部には、扁平多穴管４０の長手方向に延びる複数の細かい冷媒流路４１が設けられている。また、扁平多穴管４０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅合金、ステンレスなどで形成されている。なお、細い複数の冷媒流路４１を有する扁平多穴管４０の形成には、アルミニウム及びアルミニウム合金の引き抜き加工や押し出し加工が好適に用いられる。

一方で、内部に水が流れる扁平管２０には、高い耐食性が要求される。このため、扁平管２０は、ステンレス鋼や銅合金で形成されていることが好ましい。また、扁平管２０をアルミニウムやアルミニウム合金から作ることもできるが、この場合には、水の流路２１となる内面にアルマイト加工や樹脂加工コーティングなどの防食処理を施すことが好ましい。なお、１本の扁平管２０は、金属板（例えば、ステンレス鋼等）のプレス加工により成形された対となる金属プレートが重ね合わされて、その外周縁がロウ付け又は溶接によって接合されることで構成されている。また、扁平管２０を構成する金属プレートには、伝熱促進のためのディンプルやシェブロンが形成されていてもよい。

さらに、扁平管２０、扁平多穴管４０及び冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置された状態の熱交換器１０を示す図である図４において、熱交換器１０への水の入口部分３７を含む側の連通部３２は扁平管２０の右端部近傍に配置されており、熱交換器１０からの水の出口部分３８を含む側の連通部３１は扁平管２０の左端部近傍に配置されている。入口部分３７及び出口部分３８には、それぞれ入口側コック８０及び出口側コック８１が設けられている。また、連通部３１，３２の入口部分３７及び出口部分３８には、配管などと接続される出入口ポート３６が設けられている（図３参照）。

また、連通部３１，３２は、図４に示すように、仕切部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄによって、それぞれの内部空間が３つの空間に仕切られている。より詳しくは、連通部３１には、仕切部３３ａ，３３ｂが設けられており、仕切部３３ａ，３３ｂが、連通部３１を、第１空間３１ａ、第２空間３１ｂ及び第３空間３１ｃに仕切っている。また、連通部３２には、仕切部３３ｃ，３３ｄが設けられており、仕切部３３ｃ，３３ｄが、連通部３２を、第１空間３２ａ、第２空間３２ｂ及び第３空間３２ｃに仕切っている。このため、連通部３１は、第１空間３１ａを構成する第１部分３４ａ、第２空間３１ｂを構成する第２部分３４ｂ、及び、第３空間３１ｃを構成する第３部分３４ｃを含んでいることになる。また、連通部３２は、第１空間３２ａを構成する第１部分３５ａ、第２空間３２ｂを構成する第２部分３５ｂ、及び、第３空間３２ｃを構成する第３部分３５ｃを含んでいることになる。

このような構成により、図４において、扁平管２０の側では、水は、連通部３２の入口部分３７から第３部分３５ｃに入り、３本の扁平管２０に分岐してその中を右から左に向かって流れ、連通部３１の第３部分３４ｃで合流する。合流した水は、第３部分３４ｃから、３本の扁平管２０に分岐してその中を左から右に向かって流れ、連通部３２の第２部分３５ｂで合流する。そして、合流した水は、第２部分３５ｂから、３本の扁平管２０に分岐してその中を右から左に向かって流れ、連通部３１の第２部分３４ｂで合流する。合流した水は、第２部分３４ｂから、３本の扁平管２０に分岐してその中を左から右に向かって流れ、連通部３２の第１部分３５ａで合流する。そして、合流した水は、第１部分３５ａから、３本の扁平管２０に分岐してその中を右から左に向かって流れ、連通部３１の第１部分３４ａで合流して、連通部３２の出口部分３８を経て熱交換器１０から流出するようになっている。なお、水は、扁平管２０の中を流れる間に、扁平多穴管４０の冷媒から与えられる熱で加熱される。

また、冷媒ヘッダ５０は、直線状に延びる扁平多穴管４０の長手方向の両端部に配置されている。なお、以下より、扁平管２０、扁平多穴管４０及び冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置された状態の熱交換器１０を示す図４において、扁平多穴管４０の右端部に配置される冷媒ヘッダを符号５１で表し、左端部に配置される冷媒ヘッダを符号５２で表すものとする。

冷媒ヘッダ５１，５２には、図４に示すように、その内部空間を３つの空間に仕切る仕切板５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄが設けられている。より詳しくは、仕切板５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄは、冷媒ヘッダ５１，５２の延びる方向と交差する方向に延びている。そして、仕切板５３ｃ，５３ｄは、冷媒ヘッダ５１を、第１空間５１ａ、第２空間５１ｂ及び第３空間５１ｃに仕切っている。また、仕切板５３ａ，５３ｂは、冷媒ヘッダ５２を、第１空間５２ａ、第２空間５２ｂ及び第３空間５２ｃに仕切っている。このため、冷媒ヘッダ５１は、第１空間５１ａを構成する第１ヘッダ部５４ａ、第２空間５１ｂを構成する第２ヘッダ部５４ｂ、第３空間５１ｃを構成する第３ヘッダ部５４ｃを含んでいることになる。また、冷媒ヘッダ５２は、第１空間５２ａを構成する第１ヘッダ部５５ａ、第２空間５２ｂを構成する第２ヘッダ部５５ｂ、第３空間５２ｃを構成する第３ヘッダ部５５ｃを含んでいることになる。

このように、図４において、扁平多穴管４０の側では、冷媒は、冷媒ヘッダ５２の入口部分５７から第１ヘッダ部５５ａに入り、４本の扁平多穴管４０に分岐してその中を左から右に向かって流れ、冷媒ヘッダ５１の第１ヘッダ部５４ａで合流する。合流した冷媒は、第１ヘッダ部５４ａから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を右から左に向かって流れ、冷媒ヘッダ５２の第２ヘッダ部５５ｂで合流する。そして、合流した冷媒は、第２ヘッダ部５５ｂから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を左から右に向かって流れ、冷媒ヘッダ５１の第２ヘッダ部５４ｂで合流する。合流した冷媒は、第２ヘッダ部５４ｂから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を右から左に向かって流れ、冷媒ヘッダ５２の第３ヘッダ部５５ｃで合流する。そして、合流した冷媒は、第３ヘッダ部５５ｃから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を左から右に向かって流れ、冷媒ヘッダ５１の第３ヘッダ部５４ｃで合流して、冷媒ヘッダ５１の出口部分５８を経て熱交換器１０から流出するようになっている。なお、冷媒は、扁平多穴管４０の中を流れる間に、扁平管２０の水に熱を奪われて冷却される。

なお、ここでは、連通部３１，３２及び冷媒ヘッダ５１，５２が、それぞれ、３つの空間に仕切られているが、仕切られる空間の数はこれに限定されない。また、連通部３１，３２及び冷媒ヘッダ５１，５２の内部空間が仕切られていなくてもよい。

また、この熱交換器１０は、冷媒ヘッダ５０に複数の扁平多穴管４０が嵌め込まれてロウ付け又は溶接によって接合されて構成された扁平多穴管４０及び冷媒ヘッダ５０の組立体に、扁平管２０が積み重ねられながらロウ付け又は溶接によって接合されることで構成された扁平管２０の組立体が嵌め込まれ、扁平管２０と扁平多穴管４０とが交互に積層された状態で、扁平管２０と扁平多穴管４０との接合部分が、ロウ付け又は溶接によって接合されることによって構成されている。このとき、連通部３１，３２の仕切部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄについては、熱伝導率が低下しないように、ロウ付け等が行われないようにすることが好ましい。

（３）熱交換器の設置状態
図７は、熱交換器１０を冷媒ヘッダ５０及び扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置された状態で設置したときに、冷媒ヘッダ５０をその長手方向に沿って切断した場合の断面図である。図８Ａ（ａ）は、熱交換器１０を冷媒ヘッダ５０及び扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置された状態で設置したときに、冷媒ヘッダ５０をその長手方向に直交する方向に沿って切断した場合の断面図である。図８Ａ（ｂ）は、熱交換器１０を冷媒ヘッダ５０及び扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置された状態で設置したときに、冷媒ヘッダ５０をその長手方向に沿って切断した場合の断面図である。なお、ここでいう冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置されるとは、冷媒ヘッダ５０が、水平面に対して全く傾いていないものから水平面に対して±１５°程度傾いて配置されているものまで含まれる。

本実施形態では、熱交換器１０は、冷媒ヘッダ５０及び扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置された状態で（水平面に対して全く傾斜していない状態で）冷凍装置９１内に設置されている。すなわち、図４は、本実施形態の設置手段で設置した状態の熱交換器１０を上方から見た状態を示している。そして、冷媒ヘッダ５０及び扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置されることで、扁平多穴管４０に複数（本実施形態では、１２本）形成されている冷媒流路４１は、図７に示すように、鉛直方向に沿って並ぶように配置されることになる。なお、ここでいう冷媒流路４１が鉛直方向に沿って並ぶように配置されるとは、複数の冷媒流路４１が、鉛直面に対して全く傾いていないものから鉛直面に対して±１５°程度傾いて配置されているものまで含まれる。熱交換器１０をこのように設置することで、ガス冷媒が凝縮して液冷媒へと相変化して液冷媒が発生しても、液冷媒は、重力により、図８Ａに示すように、冷媒ヘッダ５０の下部に溜まるため、鉛直方向に沿って並ぶ冷媒流路４１のうち下部に位置する冷媒流路４１から輸送されることになり、冷媒ヘッダ５０内での液冷媒の滞留を抑制することができる。

また、図８Ｂに示すように、本実施形態では、熱交換器１０が設置された状態において、冷媒ヘッダ５０内部の下面５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間には、隙間Ｓがある。このように、冷媒ヘッダ５０に扁平多穴管４０が嵌め込まれた状態で、冷媒ヘッダ５０内部の下面５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間に隙間Ｓを設けることで、冷媒ヘッダ５０の下部に液冷媒を溜めるための空間を確保することができる。したがって、該空間に液冷媒が溜まり、液面が上昇すると、鉛直方向に沿って並ぶ冷媒流路４１のうちの最下部に位置する冷媒流路４１から液冷媒を排除することができる。

（４）特徴
（４−１）
図９は、本実施形態の熱交換器１０と同様の構成の熱交換器を、冷媒ヘッダ５０が鉛直方向（上下方向）に沿って延びるように配置され、扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置された状態で設置した状態を示す図である。図１０は、図９に示す状態に設置された熱交換器において、ガス冷媒が凝縮して液冷媒が生じた場合に、冷媒ヘッダ５０内部に液冷媒が溜まっている状態を示す図である。図１１は、図９に示す状態に設置された熱交換器の各地点（Ａ−Ｆ）における冷媒及び水の温度分布を予測した図である。なお、以下では、図９に示す状態、すなわち、冷媒ヘッダ５０が鉛直方向に沿って延びるように配置されており、扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置された状態で設置された熱交換器を、符号５１０で表している。また、図１１において、Ａ地点とは、図９における第１ヘッダ部５５ａ、第１部分３４ａのことであり、Ｂ地点とは、図９における第１ヘッダ部５４ａ、第１部分３５ａのことであり、Ｃ地点とは、図９における第２ヘッダ部５５ｂ、第２部分３４ｂのことであり、Ｄ地点とは、図９における第２ヘッダ部５４ｂ、第２部分３５ｂのことであり、Ｅ地点とは、図９における第３ヘッダ部５５ｃ、第３部分３４ｃのことであり、Ｆ地点とは、図９における第３ヘッダ部５４ｃ、第３部分３５ｃのことである。

複数の扁平多穴管４０と複数の扁平管２０とが交互に積層されて構成された熱交換器５１０において、扁平多穴管４０の冷媒流路４１を流れる冷媒として熱交換中に相変化を起こす冷媒が用いられる場合、図９に示すように、冷媒ヘッダ５１，５２が鉛直方向に沿って延びるように配置されていると、凝縮時に発生した液冷媒は、重力により、冷媒ヘッダ５１，５２に設けられている第１空間５１ａ，５２ａ、第２空間５１ｂ，５２ｂ及び第３空間５１ｃ，５２ｃの下部にそれぞれ滞留する（図１０参照）。そうすると、冷媒ヘッダ５０に接続されている複数の扁平多穴管４０のうち各空間５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂ，５１ｃ，５２ｃの下部に位置する扁平多穴管４０の全ての冷媒流路４１が、液冷媒で埋没してしまう。この場合、当該扁平多穴管４０での熱交換量が低下することで、熱交換器５１０全体の性能が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、熱交換器１０が冷凍装置９１に設置されたとき、冷媒ヘッダ５０は、水平方向に沿って延びるように配置されている。このため、図９に示されるように、冷媒ヘッダが鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合と比較して、冷媒凝縮時に発生した液冷媒が冷媒ヘッダ５０内部に溜まったとしても、溜まった液冷媒の液面高さを低くすることができる。したがって、この熱交換器１０では、図１０に示されるように、所定の扁平多穴管４０の全ての冷媒流路４１が液冷媒で埋没するおそれを低減することができ、この結果、扁平多穴管４０における冷媒の偏流を抑制することができる。

これによって、熱交換器１０の性能低下を抑制することができている。

（４−２）
ところで、本実施形態と同様の構成の熱交換器が冷凍装置に設置されたときに、扁平多穴管が鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合、凝縮した液冷媒を重力に逆らって上昇させる必要が生じる。

本実施形態では、熱交換器１０が冷凍装置９１内に設置されたとき、扁平多穴管４０が、水平方向に沿って延びるように配置されている。このように、扁平多穴管４０を水平方向に沿って延びるように配置することで、扁平多穴管が鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合のように液冷媒を重力に逆らって上昇させる必要がなくなるため、扁平多穴管が鉛直方向に沿って延びるように配置されるよりも、圧力損失の増加を抑制することができている。

（４−３）
本実施形態では、熱交換器１０が冷凍装置９１内に設置されたとき、扁平多穴管４０に形成されている複数の冷媒流路４１は、鉛直方向に沿って並ぶように配置されている。このため、ガス冷媒が凝縮して液冷媒が発生しても、当該液冷媒は、鉛直方向に沿って並ぶ複数の冷媒流路４１のうち下方に位置する冷媒流路４１から輸送されることになる。

これによって、冷媒ヘッダ５０内部での液冷媒の滞留を抑制することができている。

ところで、鉛直方向に沿って並ぶ複数の冷媒流路４１のうち下方に位置する冷媒流路４１を液冷媒が流れる場合であっても、液冷媒と水との温度差は小さくなるが、扁平多穴管４０の母材として熱伝導性の高いアルミニウムを用いることで、当該温度差減少の軽減を図ることができるため、熱交換量の低下に与える影響を小さくすることができる。

（５）変形例
（５−１）変形例Ａ
図１２は、熱交換器を、冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置され、扁平多穴管４０が鉛直方向に沿って延びるように配置された状態で設置した状態を示す図である。図１３（ａ）は、図１２に示す状態の熱交換器の冷媒ヘッダ５２を、その長手方向に直交する方向に沿って切断した場合の断面図である。図１３（ｂ）は、図１２に示す状態の熱交換器の冷媒ヘッダ５２をその長手方向に沿って切断した場合の断面図である。図１４（ａ）は、図１２に示す状態の熱交換器の冷媒ヘッダ５１を、その長手方向に直交する方向に沿って切断した場合の断面図である。図１４（ｂ）は、図１２に示す状態の熱交換器の冷媒ヘッダ５１を、その長手方向に沿って切断した場合の断面図である。

上記実施形態では、熱交換器１０が冷凍装置９１内に設置されたときには、冷媒ヘッダ５０及び扁平多穴管４０が水平方向に沿って延びるように配置されている。

これに代えて、熱交換器が冷凍装置内に設置されたときに、冷媒ヘッダが水平方向に沿って延びるように配置されているのであれば、扁平多穴管は水平方向に沿って延びるように配置されていなくてもよい。

例えば、図１２に示すように、熱交換器が冷凍装置内に設置されたときに、冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置されており、扁平多穴管４０が鉛直方向に沿って延びるように配置されていてもよい。なお、以下の説明では、図１２に示す状態、すなわち、冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置されており、扁平多穴管４０が鉛直方向に沿って延びるように配置された状態で設置された熱交換器を、符号１１０で表している。また、図１２に示す熱交換器１１０は、上記実施形態の熱交換器１０と同様の構成であるため、熱交換器１１０を構成する各部品については、上記実施形態と同様の符号を付すとともに、その説明を省略する。

熱交換器１１０では、冷媒ヘッダ５０のうち、冷媒ヘッダ５２が上方に配置され、冷媒ヘッダ５１が下方に配置されることになる。そして、上記実施形態と同様に複数のパスに分かれている扁平多穴管４０の側では、冷媒は、冷媒ヘッダ５２の第１ヘッダ部５５ａに入り、４本の扁平多穴管４０に分岐してその中を上から下に向かって流れ、冷媒ヘッダ５１の第１ヘッダ部５４ａで合流する。合流した冷媒は、第１ヘッダ部５４ａから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を下から上に向かって流れ、冷媒ヘッダ５２の第２ヘッダ部５５ｂで合流する。そして、合流した冷媒は、第２ヘッダ部５５ｂから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を上から下に向かって流れ、冷媒ヘッダ５１の第２ヘッダ部５４ｂで合流する。合流した冷媒は、第２ヘッダ部５４ｂから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を下から上に向かって流れ、冷媒ヘッダ５２の第３ヘッダ部５５ｃで合流する。そして、合流した冷媒は、第３ヘッダ部５５ｃから、３本の扁平多穴管４０に分岐してその中を上から下に向かって流れ、冷媒ヘッダ５１の第３ヘッダ部５４ｃで合流して、熱交換器１１０から流出する。

このような構成により、この熱交換器１１０では、冷媒ヘッダ５０が水平方向に沿って延びるように配置されているため、図９に示されるように、冷媒ヘッダ５０が鉛直方向に沿って延びるように配置されている場合と比較して、ガス冷媒が凝縮して液冷媒が冷媒ヘッダ５０内部に溜まったとしても、溜まった液冷媒の液面高さを低くすることができる。このため、所定の扁平多穴管４０の全ての冷媒流路４１が液冷媒で埋没するおそれを低減することができ、この結果、扁平多穴管４０における冷媒の偏流を抑制することができる。

これによって、熱交換器１１０の性能低下を抑制することができている。

また、扁平多穴管４０が鉛直方向に沿って延びるように配置されることで、図１２に示すように、各扁平多穴管４０の高さが均等になる。このため、図１３に示されるように、冷媒ヘッダ５２内部に液冷媒が滞留しても、各扁平多穴管４０の入口（冷媒流路４１端面）と液冷媒の液面とが略平行になり、液冷媒が各扁平多穴管４０に均等に分配されやすくなる。この結果、冷媒の偏流を抑制することができる。

ただし、扁平多穴管４０が鉛直方向に沿って延びるように配置されていることで、凝縮した液冷媒は重力に逆らって上昇する必要があり、上昇時における冷媒の圧力損失が増大する。そうすると、凝縮温度が低下して、冷媒と水との温度差が小さくなることで、熱交換量が小さくなってしまう。また、図１４に示すように、下方に配置される冷媒ヘッダ５１内に液冷媒が滞留することで、充填する冷媒量が増える可能性がある。したがって、熱交換器が冷凍装置に設置される際には、扁平多穴管４０が、鉛直方向に沿って延びるように配置されるより、水平方向に沿って延びるように配置されるほうが好ましい。

（５−２）変形例Ｂ
上記実施形態では、図８Ｂに示すように、冷媒ヘッダ５０はその長手方向に直交する方向に切断した断面が楕円形状を呈しており、熱交換器１０が設置された状態において冷媒ヘッダ５０内部の下面５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間には隙間Ｓができるように、扁平多穴管４０が冷媒ヘッダ５０に嵌め込まれている。

しかしながら、熱交換器１０が設置された状態において、冷媒ヘッダ５０内部の下面５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間に隙間Ｓを設けることができるのであれば、冷媒ヘッダ５０の形状はこれに限定されない。

例えば、冷媒ヘッダが、その長手方向に直交する方向に切断した断面が半円形状を呈していてもよい。具体的には、図１５に示すように、冷媒ヘッダ１５０が、扁平多穴管４０の嵌め込まれる方向に向かって突出するように湾曲していてもよく、図１６に示すように、冷媒ヘッダ２５０が、扁平多穴管４０の嵌め込まれる方向とは反対方向に向かって突出するように湾曲していてもよい。このように、その長手方向に直交する方向に切断した断面が半円形状を呈する冷媒ヘッダ１５０，２５０であっても、冷媒ヘッダ１５０，２５０内部の下面１５０ａ，２５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間に隙間Ｓを設けることで、冷媒ヘッダ１５０，２５０の下部空間に液冷媒を溜めることができる。

また、熱交換器１０が設置された状態において、冷媒ヘッダ５０の長手方向に直交する方向に切断した断面形状が、その上下方向において異なる形状であってもよい。例えば、図１７に示すように、冷媒ヘッダ３５０が、接着板３５１と、スペーサ３５２と、側板３５３と、を有する積層型ヘッダである場合には、側板３５３の一部が外方へ突出するように構成されていてもよい。冷媒ヘッダ３５０において側板３５３の突出している部分３５３ａが下方に位置するように熱交換器１０が設置されることで、液冷媒を溜めるための空間を大きくとることができる。

さらに、図１８に示すように、冷媒ヘッダ５０の長手方向に直交する方向に切断した断面形状が上下対称であっても、冷媒ヘッダ５０内部の下面５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間の隙間Ｓが大きくなるように、扁平多穴管４０が冷媒ヘッダ５０に対して偏芯して嵌め込まれていてもよい。

このように、冷媒ヘッダ５０，１５０，２５０，３５０内部の下面５０ａ，１５０ａ，２５０ａ，３５０ａと扁平多穴管４０の下端４０ａとの間に隙間Ｓが形成されるように扁平多穴管４０を冷媒ヘッダ５０，１５０，２５０，３５０に嵌め込むことで、冷媒ヘッダ５０，１５０，２５０，３５０内に液冷媒を溜めるための空間を確保することができる。このように、冷媒ヘッダ５０，１５０，２５０，３５０内に液冷媒を溜めるための空間があることで、熱交換器１０の動作時には該空間に液冷媒が溜まっていき、液面が鉛直方向に沿って並ぶ冷媒流路４１のうちの最下部に位置する冷媒流路４１に達することで、最下部に位置する冷媒流路４１から液冷媒を排除することができる。

（５−３）変形例Ｃ
上記実施形態及び各変形例では、扁平多穴管４０に形成されている複数の冷媒流路４１は、全て同一である。このため、各冷媒流路４１の流路断面の面積は、全て同一である。

これに代えて、図１９に示すように、扁平多穴管４４０に形成されている複数の冷媒流路４４１において、端部に位置する冷媒流路４４１ａ，４４１ｃの流路断面が、他の冷媒流路４４１ｂの流路断面よりも大きくなるように設けられていてもよい。この場合、熱交換器１０を設置したときに、鉛直方向（重力方向）に並ぶ複数の冷媒流路４４１のうち最も下方に位置する最下段冷媒流路４４１ａの流路断面の面積が、最下段冷媒流路４４１ａよりも上方に位置する上段冷媒流路４４１ｂの流路断面の面積よりも大きくなるため、各冷媒流路４４１の流路断面の面積が全て同一である場合と比較して、最下段冷媒流路４４１ａにおける流路抵抗を小さくすることができ、この結果、冷媒ヘッダ３５０内に溜まった液冷媒をスムーズに流すことができる。この結果、熱交換器１０における熱交換効率を向上させることができる。

さらに、図１９に示すように、扁平多穴管４４０に形成されている複数の冷媒流路４４１において、端部に位置する冷媒流路４４１ａ，４４１ｃ以外の冷媒流路４４１ｂを構成する面に、伝熱促進用の溝４４２が形成されていてもよい。すなわち、扁平多穴管４４０に形成されている複数の冷媒流路４４１において、端部に位置する冷媒流路４４１ａ，４４１ｃを構成する面にのみ、伝熱促進用の溝４４２が形成されていなくてもよい。これにより、端部に位置する冷媒流路４４１ａ，４４１ｃを構成する面にも伝熱促進用の溝４４２が形成されている場合と比較して、最下段冷媒流路４４１ａにおける流路抵抗を小さくすることができるため、冷媒ヘッダ３５０内に溜まった液冷媒をスムーズに流すことができる。この結果、熱交換器１０における熱交換効率を向上させることができる。

なお、本変形例の扁平多穴管４４０は、上記実施形態だけでなく、他の変形例に係る熱交換器に対しても適用することができる。また、本変形例の扁平多穴管４４０は、上記変形例Ｂのように液冷媒を溜めるための空間が大きくなるように構成された冷媒ヘッダに適用されることで、熱交換器１０における熱交換効率をさらに向上させることができる。

（５−４）変形例Ｄ
図２０は、変形例Ｄに係る熱交換器１０の設置状態を説明するための概略図であって、熱交換器１０を冷媒ヘッダ５１側から見た図である。図２１は、図２０に示す状態の冷媒ヘッダ５１の断面図である。図２２は、変形例Ｄに係る熱交換器１０の設置状態を説明するための概略図である。なお、図２２の斜線部分は、伝熱部３９を示している。

冷凍装置９１のメンテナンスを行う場合や、冬期において冷凍装置９１を長期間使用しない場合には、凍結防止のために、熱交換器１０の水抜きをすることが好ましい。なお、熱交換器１０の水抜きとは、具体的には、扁平管２０の連通部３１，３２の入口部分３７に設けられている入口側コック８０と、出口部分３８に設けられている出口側コック８１とを開き、熱交換器１０内の水を外へ排出する作業を意味している。

ここで、熱交換器１０の水抜きを行う場合、入口部分３７側、又は出口部分３８側のいずれか一方が、他方よりも下方、すなわち低い位置にあるほうが、熱交換機１０内の水を外へ排出しやすい。

そこで、連通部３１，３２において入口部分３７側又は出口部分３８側のいずれか一方の端部が他方の端部よりも下方になるように、熱交換器１０を水平面に対して所定角度（０°〜±１５°の範囲内）だけ傾斜させて、冷凍装置９１内に設置してもよい。

例えば、入口部分３７がある側の連通部３１，３２のそれぞれの端部が、出口部分３８がある側の連通部３１，３２のそれぞれの端部よりも下方に位置するように、熱交換器１０を水平面に対して１０°傾けて設置した場合（図２０参照）、連通部３１，３２が水平面に対して全く傾斜していない状態で熱交換器１０を設置しているよりも、入口側コック８０側から熱交換器１０内の水を排出しやすくすることができる。

また、入口部分３７がある側の連通部３１，３２のそれぞれの端部が、出口部分３８がある側の連通部３１，３２のそれぞれの端部よりも下方に位置するように、熱交換器１０を水平面に対して１０°傾けて設置した場合、出口部分５８がある側の冷媒ヘッダ５１，５２のそれぞれの端部が、入口部分５７がある側の冷媒ヘッダ５１，５２のそれぞれの端部よりも下方に位置することになる（図２０及び図２１参照）。ここで、熱交換器１０が凝縮器として機能する場合、入口部分５７から入ったガス冷媒は、熱交換によってガス冷媒から液冷媒に相変化し、出口部分５８からは主に液冷媒が流出することになる。このように、凝縮器として機能する熱交換器１０において、出口部分５８がある側の冷媒ヘッダ５１，５２のそれぞれの端部が、入口部分５７がある側の冷媒ヘッダ５１，５２のそれぞれの端部よりも下方に位置するように熱交換器１０が設置されることで、冷媒ヘッダ５１，５２が水平面に対して全く傾斜していない状態で熱交換器１０が設置されているよりも、出口部分５８から液冷媒が流出しやすくなるため、熱交換器１０内に液冷媒が溜まり込むおそれを低減することができる。

さらに、図２２に示すように、扁平管２０において連通部３１，３２以外の部分であって扁平多穴管４０と接触している部分３９（以下、伝熱部という）が連通部３１，３２よりも上方に配置されるように、熱交換器１０が設置されている場合には、伝熱部３９が連通部３１，３２よりも下方に配置されるように熱交換器１０が設置されている場合と比較して、伝熱部３９に水が溜まり込み難くなるため、熱交換器１０内に溜まった水が排出されやすくなる。これにより、熱交換器１０の水抜き作業を簡易にすることができる。

（５−５）変形例Ｅ
上記実施形態及び上記変形例では、熱交換器が凝縮器としてのみ機能している場合を例として説明しているが、これに限定されず、本発明の熱交換器が凝縮器及び蒸発器として機能してもよい。

本発明は、性能低下を低減することができる熱交換器に係る発明であり、複数の扁平管と複数の扁平多穴管とが交互に積層されており、扁平多穴管の長手方向に交差する方向に延びるヘッダを備える熱交換器への適用が有効である。

１０ 熱交換器
２０ 扁平管
３１ 連通部
３２ 連通部
３７ 入口部分
３８ 出口部分
３９ 伝熱部
４０ 扁平多穴管
４１ 冷媒流路
５０ 冷媒ヘッダ（ヘッダ）
５７ 入口部分
５８ 出口部分

特開２００７−１７１３３号公報

Claims (9)

1. 熱交換中に相変化を起こす冷媒と、他の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   内部を前記冷媒が流れるヘッダ（５０）と、
   前記ヘッダの長手方向に交差する方向に延びており、内部に前記冷媒が流れる複数の冷媒流路（４１）が形成されている複数の扁平多穴管（４０）と、
   複数の前記扁平多穴管と交互に積層されており、内部に前記他の熱媒体が流れる複数の扁平管（３０）と、
   を備え、
   前記ヘッダは、水平方向に沿って延びるように配置されている、
   熱交換器（１０）。
2. 前記扁平多穴管は、水平方向に沿って延びるように配置されている、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記扁平多穴管に形成されている複数の前記冷媒流路は、鉛直方向に沿って並ぶように配置されている、
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記ヘッダに前記扁平多穴管が嵌め込まれた状態で、前記ヘッダ内部の下面と前記扁平多穴管の下端との間には、隙間がある、
   請求項３に記載の熱交換器。
5. 複数の前記冷媒流路のうち最も下方に位置する最下段冷媒流路の流路断面は、前記最下段冷媒流路よりも上方に位置する上段冷媒流路の流路断面よりも大きい、
   請求項３又は４に記載の熱交換器。
6. 前記上段冷媒流路を構成する面には、伝熱促進用の溝が形成されており、
   前記最下段冷媒流路を構成する面には、前記溝が形成されていない、
   請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記ヘッダは、前記冷媒の入口部分（５７）と、前記冷媒の出口部分（５８）と、を含み、
   複数の前記扁平管は、前記他の熱媒体の入口部分（３７）と前記他の熱媒体の出口部分（３８）とを含む連通部（３１，３２）によって連通しており、
   前記連通部は、前記ヘッダの延びる方向に沿って延びており、
   前記ヘッダは、前記冷媒の出口部分側が前記冷媒の入口部分側よりも下方に位置するように配置されている、
   請求項２から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 前記扁平管は、前記扁平多穴管と接触している伝熱部（３９）、を含み、
   前記連通部は、前記伝熱部よりも下方に配置されている、
   請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記扁平多穴管は、鉛直方向に沿って延びるように配置されている、
   請求項１に記載の熱交換器。

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