JP2018059668A - 蒸発器及び冷媒回路 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の伝熱管を備えた構成において、冷媒の流出を抑制しつつ、ヘッダ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑える。【解決手段】熱交換器１０Ａは、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管１１と、前記鉛直方向に延びて複数の伝熱管１１の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部２０ｓから冷媒配管４が接続された上端部２０ｔに向かって冷媒が流通するヘッダ２０Ａと、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓと冷媒配管４とを連通するバイパス管３０と、を備える。バイパス管３０の長さは、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓから上端部２０ｔを通って冷媒配管４のバイパス管３０が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。【選択図】図１

Description

本発明は、蒸発器及び冷媒回路に関する。

冷凍システムや空調システムを構成する蒸発器は、伝熱管を流れる冷媒と、伝熱管の周囲の空気との間で熱交換が行われる。このような蒸発器として、例えば、鉛直方向に間隔を空けて配置された複数本の伝熱管を備えた構造がある。このような蒸発器では、上流側から流れてきた冷媒は、蒸発器入口側のヘッダを介して複数本の伝熱管に分岐して流れ込む。各伝熱管の終端は、鉛直方向に延びる蒸発器出口側のヘッダに接続されている。伝熱管で熱交換がなされた冷媒は、各伝熱管から蒸発器出口側のヘッダに流れ込んで合流する。蒸発器出口側のヘッダは、冷媒の流通方向の下流側に設けられた配管に接続されている。この配管を通して冷媒は、アキュムレータや圧縮機に送られる。

このような蒸発器を備えた冷凍システムや空調システムの冷媒回路では、冷媒とともに潤滑油が流れている。潤滑油は、冷媒とともに冷媒回路を循環し、圧縮機の軸受等を潤滑している。この潤滑油は、ヘッダの底部に、液冷媒とともに溜まることがある。そこで、特許文献１には、一端を冷媒戻り配管に連通させ、他端をヘッダ管内に溜まった潤滑油内に配置した油戻し管を設けた熱交換器が記載されている。このような熱交換器においては、冷媒戻り配管内で開口した油戻し管の一端の周辺（エジェクタ部）に、ガス冷媒が流れる際に局部的に低圧空間が形成される。これにより、ヘッダ管の底部に溜まった潤滑油が吸い上げられ、ガス冷媒とともに圧縮機に送られている。

実開昭６３−１４４５５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたような構成においては、油戻し管を介して潤滑油だけでなく、多くの冷媒も油戻し管を介して流れる可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の伝熱管を備えた構成において、冷媒の流出を抑制しつつ、ヘッダ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることが可能な蒸発器及び冷媒回路を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る蒸発器は、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部から冷媒配管が接続された上端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、前記ヘッダの前記下端部と前記冷媒配管とを連通するバイパス管と、を備え、前記バイパス管の長さは、前記ヘッダの前記下端部から前記上端部を通って前記冷媒配管の前記バイパス管が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。

このような構成によれば、ヘッダの下端部の潤滑油を、上端部を通すことなく下端部からバイパス管を通して、冷媒配管に冷媒を送ることができる。これによって、ヘッダの下端部に潤滑油が留まってしまうことを抑えることができる。加えて、ヘッダの上端部を通る流路長よりもバイパス管が長いことで、バイパス管内を流通する冷媒の流量は、ヘッダの上端部を流通する冷媒の流量よりも抑えられる。したがって、バイパス管を介してヘッダ内の液冷媒が過度に流出してしまうことを抑制できる。

また、本発明の第二態様に係る蒸発器では、第一態様において、前記バイパス管は、前記ヘッダの前記下端部における流路断面積よりも小さい流路断面積を有するようにしてもよい。

このように構成することで、ヘッダの下端部から上端部に向かう冷媒の流量よりも、バイパス管を通る冷媒の流量を抑えられる。したがって、バイパス管を介してヘッダ内の液冷媒が過度に流出してしまうことを効果的に抑制できる。

また、本発明の第三態様に係る蒸発器では、第一態様または第二態様において、前記バイパス管は、螺旋状に巻き回された螺旋状部を有するようにしてもよい。

このように構成することで、バイパス管の長さを確保しつつ、バイパス管の設置スペースを小さく抑えることができる。

また、本発明の第四態様に係る蒸発器では、第一態様から第三態様の何れか一つにおいて、前記バイパス管は、前記バイパス管内の前記冷媒の流通を制御する弁部材をさらに備えるようにしてもよい。

このように構成することで、バイパス管を介して冷媒配管へ送られる潤滑油や冷媒の液相（液冷媒）の量やタイミングを調整することができる。

また、本発明の第五態様に係る蒸発器では、第四態様において、前記弁部材を開閉制御するコントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記冷媒配管の下流側に設けられる圧縮機の起動からの経過時間、又は前記冷媒の過熱度に基づいて、前記弁部材の開閉を制御するようにしてもよい。

このように構成することで、例えば、圧縮機の起動からの経過時間が短い場合や、冷媒の過熱度が低い場合等、冷媒が液化しやすい状態のときには、液冷媒がバイパス管を通って圧縮機に到達しないよう、弁体を閉じてバイパス管の流通を遮断することができる。

また、本発明の第六態様に係る蒸発器では、第五態様において、前記コントローラは、前記圧縮機の起動時に前記弁部材を閉じ、前記バイパス管の流通を遮断させ、前記圧縮機を起動してから予め定めた一定時間が経過後、又は前記冷媒の過熱度が予め定めた基準値以上となった場合に、前記弁部材を開き、前記バイパス管の流通を開放させるようにしてもよい。

このように構成することで、圧縮機の起動直後の冷媒が液化しやすい状態のときには、液冷媒がバイパス管を通って圧縮機に到達しないよう、弁体を閉じてバイパス管を遮断することができる。

また、本発明の第七態様に係る蒸発器は、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、上端部から冷媒配管が接続された下端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、を備える。

このように、ヘッダを、上端部から冷媒配管が接続された下端部に向かって冷媒が流通する構成とすることで、ヘッダにおいては、冷媒が重力方向と同じ上方から下方に向かって流れる。また、ヘッダは、下端部において、複数の伝熱管から流れ込んだ冷媒が合流している。したがって、ヘッダの下端部では、冷媒の流速が高まる。これによって、ヘッダの下端部に重力によって溜まった潤滑油は、冷媒の流れとともに、ヘッダの下端部から冷媒配管を通って円滑に流れる。その結果、ヘッダの下端部に潤滑油が溜まることを抑えることができる。

本発明の第八態様に係る冷媒回路は、第一態様から第七態様のいずれか一つの蒸発器を備える。

本発明によれば、多複数の伝熱管を備えた構成において、冷媒が流れ込むことを抑えつつ、ヘッダ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。 上記蒸発器の第二実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。 上記蒸発器の第三実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。 上記蒸発器の第三実施形態に係るコントローラによる二方弁の開閉制御の流れを示す図である。 上記蒸発器の第四実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。 上記蒸発器の第五実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による蒸発器、冷媒回路を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態の冷媒回路１００Ａは、空調システム１の室外機（図示無し）に備えられている。空調システム１は、冷媒回路１００Ａを備えている。冷媒回路１００Ａは、熱交換器（蒸発器）１０Ａと、入口側配管２と、アキュムレータ３と、出口側配管（冷媒配管）４と、圧縮機５とを有している。

熱交換器１０Ａは、暖房運転時に蒸発器として機能する。熱交換器１０Ａは、冷媒の流通方向上流側である入口側に、室内機（図示無し）から送られてくる冷媒の流路となる入口側配管２が接続されている。熱交換器１０Ａは、冷媒の流通方向下流側である出口側に、アキュムレータ３を介して圧縮機５に冷媒を送り出す出口側配管（冷媒配管）４が接続されている。熱交換器１０Ａは、複数本（本実施形態では、例えば３本）の伝熱管１１と、ディストリビュータ１２と、複数本のキャピラリチューブ１３と、ヘッダ２０Ａと、油戻し管（バイパス管）３０と、を備えている。

複数の伝熱管１１は、入口側配管２にディストリビュータ１２及び複数のキャピラリチューブ１３を介してそれぞれ接続されている。言い換えると、入口側配管２を通して流れてくる冷媒の流路は、ディストリビュータ１２及び複数のキャピラリチューブ１３を介し、複数の伝熱管１１に分岐している。これにより、冷媒は、複数の伝熱管１１内を流通して熱交換される。複数の伝熱管１１は、熱交換器１０Ａにおいて、鉛直方向に間隔を空けて並設されている。伝熱管１１は、立ち上がり部１１１と、下部管部１１２と、屈曲部１１３と、上部管部１１４と、有している。伝熱管１１は、立ち上がり部１１１と、下部管部１１２と、屈曲部１１３と、上部管部１１４とが一体に形成された配管である。

立ち上がり部１１１は、ディストリビュータ１２側から鉛直方向の上方に向かって延びている。立ち上がり部１１１の端部（伝熱管１１の他方側の端部）は、キャピラリチューブ１３に接続されている。

下部管部１１２は、立ち上がり部１１１と連続している。下部管部１１２は、熱交換器１０Ａ内で横方向に向かって水平に延びている。

屈曲部１１３は、下部管部１１２と連続している。屈曲部１１３は、Ｕ字状に屈曲している。

上部管部１１４は、屈曲部１１３と連続している。上部管部１１４は、横方向に向かって水平に延びている、上部管部１１４は、下部管部１１２に対して鉛直方向の上方に離間して位置している。上部管部１１４の終端（伝熱管１１の一方側の端部）１１５は、ヘッダ２０Ａに接続されている。

本実施形態の熱交換器１０Ａは、複数の伝熱管１１として、鉛直方向の下方から順に、第一伝熱管１１Ａと、第二伝熱管１１Ｂと、第三伝熱管１１Ｃとを備えている。第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃは、それぞれ鉛直方向に離れて配置されている。第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃは、同じ管径ｄ１を有する配管である。

キャピラリチューブ１３は、伝熱管１１と、ディストリビュータ１２との間に設けられている。キャピラリチューブ１３は、伝熱管１１よりも流路断面積が小さく、螺旋状をなしている。本実施形態では、複数のキャピラリチューブ１３として、第一伝熱管１１Ａとディストリビュータ１２とを接続する第一キャピラリチューブ１３Ａと、第二伝熱管１１Ｂとディストリビュータ１２とを接続する第二キャピラリチューブ１３Ｂと、第三伝熱管１１Ｃとディストリビュータ１２とを接続する第三キャピラリチューブ１３Ｃとを有している。

ヘッダ２０Ａは、複数の伝熱管１１の側方に配置されている。ヘッダ２０Ａは、鉛直方向の下方から上方に向かって延びている。ヘッダ２０Ａは、鉛直方向の下端部２０ｓから上端部２０ｔに向かって冷媒が流通する。ヘッダ２０Ａは、複数の伝熱管１１の終端１１５がそれぞれ鉛直方向に離間して接続されている。ヘッダ２０Ａの上端部２０ｔは、出口側配管４が接続されている。本実施形態のヘッダ２０Ａは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。ヘッダ２０Ａは、第一伝熱管１１Ａの管径ｄ１以上の管径Ｄ１０を有している（ｄ１≦Ｄ１０）。

出口側配管４は、一方の端部がヘッダ２０Ａの上端部２０ｔと接合されている。出口側配管４は、Ｕ字状に湾曲したリターン部２２を有する。出口側配管４は、ヘッダ２０Ａと接続されていない側である他方の端部が冷媒の液相（液冷媒）を回収するアキュムレータ３と接続されている。

油戻し管３０は、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓと、出口側配管４とを連通させている。油戻し管３０は、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓと、出口側配管４のリターン部２２よりも下流側であってアキュムレータ３と接続されている箇所よりも上流側の部分に接続されている。油戻し管３０は、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓにおける流路断面積よりも小さい流路断面積を有している。具体的には、本実施形態の油戻し管３０は、最下段の第一伝熱管１１Ａの管径ｄ１、及びヘッダ２０Ａの管径Ｄ１０よりも小さな管径ｄ３１を有している。油戻し管３０の長さは、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓから上端部２０ｔを通って出口側配管４の油戻し管３０が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。つまり、油戻し管３０は、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓから上端部２０ｔを経て出口側配管４の油戻し管３０の終端３０ｅが接続された部分までに至る流路長よりも、長い管長を有しているのが好ましい。このため、油戻し管３０は、螺旋状に巻き回された螺旋状部３０ｒを有したキャピラリチューブによって形成して長さを確保することが好ましい。

このような構成の熱交換器１０Ａを備えた空調システム１において、暖房運転を行うときには、室内機側から入口側配管２を通して冷媒が送られてくる。この際、冷媒には、圧縮機５の軸受等を潤滑する潤滑油が混在している。

潤滑油が混在した冷媒は、入口側配管２からディストリビュータ１２を介し、第一キャピラリチューブ１３Ａ、第二キャピラリチューブ１３Ｂ、及び第三キャピラリチューブ１３Ｃにそれぞれ分岐して流れ込む。第一キャピラリチューブ１３Ａに流れ込んだ冷媒は、気液混合の二相状態で、第一伝熱管１１Ａに流れ込む。同様に、第二キャピラリチューブ１３Ｂに流れ込んだ冷媒は第二伝熱管１１Ｂに、第三キャピラリチューブ１３Ｃに流れ込んだ冷媒は第三伝熱管１１Ｃに、それぞれ流れ込む。第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃのそれぞれにおいて、冷媒は、周囲の空気と熱交換することで、その少なくとも一部が気化（蒸発）する。第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃを流通して熱交換された冷媒は、それぞれの終端１１５からヘッダ２０Ａ内に流れ込み、ヘッダ２０Ａ内を上端部２０ｔに向かって流れる。

最下段の第一伝熱管１１Ａからヘッダ２０Ａ内に流れ込んだ冷媒は上端部２０ｔに向かって流れる。下から２段目の第二伝熱管１１Ｂからヘッダ２０Ａ内に流れ込んだ冷媒は、第一伝熱管１１Ａから流れ込んだ冷媒と合流する。さらに、最上段の第三伝熱管１１Ｃからヘッダ２０Ａ内に流れ込んだ冷媒は、第一伝熱管１１Ａ及び第二伝熱管１１Ｂから流れ込んだ冷媒と合流する。このようにしてヘッダ２０Ａ内で合流した冷媒は、上端部２０ｔから出口側配管４に送られる。その後、冷媒は、リターン部２２を経て、アキュムレータ３、圧縮機５へと順次送られる。

また、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓに重力によって溜まった潤滑油は、ヘッダ２０Ａの上端部２０ｔを通らず、油戻し管３０を通して、リターン部２２よりも下流側の出口側配管４の途中にバイパスされる。ここで、油戻し管３０では、ヘッダ２０Ａ側と、アキュムレータ３側との差圧によって、潤滑油が下端部２０ｓ側から出口側配管４側に向かって流れる。

上述したような熱交換器１０Ａ、冷媒回路１００Ａ、及び空調システム１によれば、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓの潤滑油を、油戻し管３０を通して、出口側配管４に送ることができる。したがって、潤滑油は、ヘッダ２０Ａの上端部２０ｔを通ることなく下端部２０ｓから油戻し管３０を介して出口側配管４に直接排出される。これによって、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓに潤滑油が留まってしまうことを抑えることができる。

また、油戻し管３０は、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓから上端部２０ｔを介して出口側配管４の油戻し管３０の終端３０ｅが接続された部分までに至る流路長よりも長く形成されている。そのため、油戻し管３０内を流通する冷媒及び潤滑油の流量は、ヘッダの上端部２０ｔを流通する冷媒及び潤滑油の流量よりも抑えられる。その結果、多くの冷媒の液相（液冷媒）や潤滑油が油戻し管３０を通ってアキュムレータ３に流れ込んでしまうことが抑えられる。したがって、油戻し管３０を介してヘッダ２０Ａ内の液冷媒が過度に流出してしまうことを抑制できる。これらにより、複数の伝熱管１１を備えた構成において、冷媒の流出を抑制しつつ、ヘッダ２０Ａ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることができる。

また、油戻し管３０は、最下段の第一伝熱管１１Ａの管径ｄ１、及びヘッダ２０Ａの管径Ｄ１０よりも小さな管径ｄ３１で形成されている。つまり、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓにおける流路断面積よりも小さい流路断面積で形成されている。そのため、ヘッダ２０Ａの下端部２０ｓから上端部２０ｔに向かう液冷媒や潤滑油の流量よりも、油戻し管３０を通る液冷媒や潤滑油の流量を抑えられる。したがって、油戻し管３０を介してヘッダ２０Ａ内の液冷媒が過度に流出してしまうことを効果的に抑制できる。

また、油戻し管３０は、螺旋状に巻き回された螺旋状部３０ｒを有する。そのため、油戻し管３０の長さを確保しつつ、油戻し管３０の設置スペースを小さく抑えることができる。

（第二実施形態）
次に、本発明に係る蒸発器、蒸発器の制御方法、冷媒回路の第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、バイパス管が弁部材を有する点で第一実施形態と異なっている。

図２は、上記蒸発器の第二実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図２に示すように、油戻し管３０には、油戻し管３０内の冷媒及び潤滑油の流通を制御する二方弁（弁部材）３２が設けられている。二方弁３２は、開閉されることで、油戻し管３０を通って潤滑油がヘッダ２０ＣをバイパスすることをＯＮ／ＯＦＦすることができる。したがって、二方弁３２は、適宜開閉されることで、油戻し管３０を通して液冷媒及び潤滑油をヘッダ２０Ａの下端部２０ｓからアキュムレータ３に向かって流すか否かを適宜切り換えることができる。

上述したような熱交換器１０Ｂ及び冷媒回路１００Ｂによれば、上記第一実施形態と同様の作用効果に加えて、油戻し管３０を介して潤滑油や冷媒の液相（液冷媒）の出口側配管４へのバイパスを二方弁３２によって切り替えることができる。そのため、油戻し管３０を介して出口側配管４へ送られる潤滑油や冷媒の液相（液冷媒）の量やタイミングを調整することができる。

（第三実施形態）
次に、本発明に係る蒸発器及び冷媒回路の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第三実施形態においては、上記第一実施形態及び第二実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第三実施形態では、コントローラを有する点で第二実施形態と異なっている。

図３は、上記蒸発器の第三実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。図４は、上記蒸発器の第三実施形態に係るコントローラによる二方弁の開閉制御の流れを示す図である。

図３に示すように、第三実施形態の熱交換器１０Ｃは、二方弁３２を開閉制御するコントローラ３３をさらに備えている。

コントローラ３３は、出口側配管４の下流側に設けられる圧縮機５の起動からの経過時間、又は冷媒の過熱度に基づいて、二方弁３２の開閉を制御する。図４に示すように、本実施形態のコントローラ３３は、圧縮機５の起動時に二方弁を閉じた状態とする（ステップＳ１０１）。これにより、コントローラ３３は、油戻し管３０内の液冷媒及び潤滑油の流通を遮断させる。コントローラ３３は、圧縮機５を起動してから予め定めた一定時間が経過後に、二方弁を開かせる（ステップＳ１０２）。これにより、コントローラ３３は、油戻し管３０内の液冷媒及び潤滑油の流通を開放させる。

なお、二方弁３２を開くタイミングは、タイマーによって予め設定した一定時間をカウントして、本実施形態のように圧縮機５の起動から一定時間の経過後としてもよいが、これに限定されるものではない。二方弁３２を開くタイミングは、ヘッダ２０Ａ等に、サーミスタ、圧力センサ等を設けることによって、冷媒の過熱度を検出し、検出された過熱度に応じて、二方弁３２を開くタイミングを決定することもできる。この際、冷媒の過熱度が起動から一定時間の経過後に相当する予め定めた基準値以上となった場合に、二方弁３２を開くことが好ましい。

上述したような熱交換器１０Ｃ及び冷媒回路１００Ｃによれば、上記第二実施形態と同様の作用効果に加えて、油戻し管３０を介して出口側配管４へ送られる潤滑油や冷媒の液相（液冷媒）の量やタイミングをコントローラ３３によって圧縮機５の起動に合わせて調整することができる。したがって、圧縮機５の起動直後の冷媒が液化しやすい状態のときには、二方弁３２を閉じることによって油戻し管３０内の流通を遮断することができる。そのため、冷媒が液化しやすい状態となっている場合に多くの液冷媒が油戻し管３０を通ってアキュムレータ３から圧縮機５に到達してしまうことを防ぐことができる。そして、圧縮機５が起動して一定時間が経過後のように、ヘッダ２０Ａ内の冷媒の過熱度が高まって液冷媒がガス化した後に、油戻し管３０を介して潤滑油をアキュムレータ３に送ることができる。

（第四実施形態）
次に、本発明に係る蒸発器、蒸発器の制御方法、冷媒回路の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第四実施形態においては、上記第一実施形態から第三実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第四実施形態では、ヘッダの構造が第一実施形態と異なっている。

図５は、上記蒸発器の第四実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図５に示すように、第四実施形態のヘッダ２０Ｄは、上端部２０ｔにおける流路断面積よりも、複数の伝熱管１１のうち最下段に位置する第一伝熱管１１Ａが接続された部分の流路断面積が小さい。

本実施形態のヘッダ２０Ｄは、鉛直方向の下端部２０ｓから上端部２０ｔに向かって、接続される伝熱管１１の数が増加するにしたがって流路断面積が段階的に大きくなるよう形成されている。この実施形態では、ヘッダ２０Ｄは、下方から上方に向かって、管径（外径）及び内径が互いに異なる複数（本実施形態では３本）の配管部材３１を互いに接合することで構成されている。本実施形態では、鉛直方向の下端部２０ｓ側から順に、第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃを有している。本実施形態のヘッダ２０Ｄは、第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃは、互いにロウ付け、溶接等の接合手段によって互いに接合されて形成されている。

第一配管部材３１Ａは、最も鉛直方向の下方に位置している。第一配管部材３１Ａは、最下段の第一伝熱管１１Ａの終端１１５が接続されている。第一配管部材３１Ａは、ヘッダ２０Ｄの下端部２０ｓを形成するよう鉛直方向の下方の端部が閉塞された有底筒状の配管である。第一配管部材３１Ａは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。第一配管部材３１Ａは、伝熱管１１Ａの管径ｄ１と同径または同径以上の管径Ｄ１１を有している（ｄ１≦Ｄ１１）。第一配管部材３１Ａの管径Ｄ１１は、油戻し管３０の管径ｄ３１よりも大きい（ｄ３１＜Ｄ１１）。

第二配管部材３１Ｂは、第一配管部材３１Ａの鉛直方向の上方に配置されている。第二配管部材３１Ｂは、下から２段目の第二伝熱管１１Ｂの終端１１５が接続されている。第二配管部材３１Ｂは、両端が開口した筒状の配管である。第二配管部材３１Ｂは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。第二配管部材３１Ｂの鉛直方向の下方の端部は、第一配管部材３１Ａの鉛直方向の上方の端部と接合されている。本実施形態では、第二配管部材３１Ｂの鉛直方向の下方の端部の内周面と第一配管部材３１Ａの上方の端部の外周面とが摺接するように嵌まり込んで接合されている。第二配管部材３１Ｂは、直下の第一配管部材３１Ａの管径Ｄ１１以上の管径Ｄ１２を有している（Ｄ１１＜Ｄ１２）。

第三配管部材３１Ｃは、第二配管部材３１Ｂの鉛直方向の上方に配置されている。第三配管部材３１Ｃは、下から３段目の第三伝熱管１１Ｃの終端１１５が接続されている。第三配管部材３１Ｃは、両端が開口した筒状の配管である。第三配管部材３１Ｃは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。第三配管部材３１Ｃの下方の端部は、第二配管部材３１Ｂの鉛直方向の上方の端部と接合されている。本実施形態では、第三配管部材３１Ｃの鉛直方向の下方の端部の内周面と第二配管部材３１Ｂの上方の端部の外周面とが摺接するように嵌まり込んで接合されている。第三配管部材３１Ｃの上方の端部は、出口側配管４の端部と接合されている。第三配管部材３１Ｃは、直下の第二配管部材３１Ｂの管径Ｄ１２以上の管径Ｄ１３を有している（Ｄ１２＜Ｄ１３）。したがって、ヘッダ２０Ｄは、下端部２０ｓを形成する第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、上端部２０ｔを形成する第三配管部材３１Ｃの順で段階的に管径が大きくなっている。

ここで、複数の伝熱管１１と複数の配管部材３１とのそれぞれに対する鉛直方向の接合位置については本実施形態によって何ら限定するものではないが、本実施形態では複数の伝熱管１１の終端１１５は、鉛直方向に隣接する配管部材３１同士の接合部に対して鉛直方向に間隔をあけた位置で配管部材３１に接合されている。つまり、配管部材３１同士の接合部に対し、鉛直方向に離間した位置に配管部材３１との接合部が形成されることが好ましい。

上述したような熱交換器１０Ｄ及び冷媒回路１００Ｄによれば、第一配管部材３１Ａの管径Ｄ１１が上段側の第二配管部材３１Ｂの管径Ｄ１２及び第三配管部材３１Ｃの管径Ｄ１３よりも小さく、ヘッダ２０Ｄの中で流路断面積が最も小さい。つまり、最下段の第一伝熱管１１Ａが接続されている第一配管部材３１Ａの流路断面積がヘッダ２０Ｄの上端部２０ｔに対して最も小さくされている。そのため、上述した第一実施形態と同様の作用効果に加えて、ヘッダ２０Ｄの下端部２０ｓにおける冷媒の流速を、流路断面積を小さくしなかった場合に比べて高めることができる。そのため、最下段の第一伝熱管１１Ａからしか冷媒が流れこまず、内部を流通する冷媒の流量が少ない第一配管部材３１Ａ内において、流速が遅くなり過ぎてしまうことが抑えられる。その結果、第一配管部材３１Ａ内の冷媒及び潤滑油が上端部２０ｔ側に向かって流される。これによって、冷媒に含まれる潤滑油がヘッダ２０Ｄの下端部２０ｓに溜まることを抑えることができる。その結果、複数の伝熱管１１を備えた熱交換器１０Ａにおいて、ヘッダ２０Ｄ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることができる。

また、上端部２０ｔにおける流路断面積よりも、第一伝熱管１１Ａが接続された部分の流路断面積が大きくなるようにヘッダ２０Ａを構成することで、ヘッダ２０Ｄに潤滑油を案内するためのガイドや溝を形成することなく、潤滑油が溜まることを抑えることができる。したがって、内部に潤滑油が溜まってしまうことを抑えたヘッダ２０Ｄを簡易且つ低コストに製造することが可能となる。

また、ヘッダ２０Ｄの上端部２０ｔに対し、最下段の第一伝熱管１１Ａが接続された部分の流路断面積を小さくするには、例えばヘッダ２０Ｄの下端部２０ｓから上端部２０ｔに向かって流路断面積が漸次大きくなるようにテーパ状に形成することもできる。これに対し、第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃを設けて接続される伝熱管の数が増える度にヘッダ２０Ｄの流路断面積が段階的に大きくされている。そのため、ヘッダ２０Ｄ内を流通する冷媒及び潤滑油の流量の増加に伴って生じる流速の変化を抑えることができる。そのため、下端部２０ｓから上端部２０ｔに向かう間の流速の変化を抑え、流速の変化によりヘッダ２０Ｄ内の流れが乱れてしまうことを抑えられる。これにより、ヘッダ２０Ｄ内から潤滑油を排出することが可能な流速を下端部２０ｓから上端部２０ｔにわたって確保できる。

さらに、ヘッダ２０Ｄは、内径が互いに異なる第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃを鉛直方向に並べて接合されることで構成されている。これにより、三本の配管部材３１を繋げるだけで、下端部２０ｓから上端部２０ｔに向かって流路断面積が段階的に大きくなるヘッダ２０Ｄを簡易かつ低コストに製作することができる。

また、第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃ同士の接合部と、第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃと第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃとの接合部とがそれぞれ鉛直方向に離れている。そのため、複数の配管部材３１同士の接合作業（ロウ付け、溶接等）と、各配管部材３１と伝熱管１１との接合作業（ロウ付け、溶接等）とを行うためのスペースをそれぞれ確保できる。これにより、ヘッダを製造する際の接合作業を容易に行うことができる。

さらに、第一配管部材３１Ａの管径Ｄ１１が第一伝熱管１１Ａの管径ｄ１と同じとされている。これにより、第一伝熱管１１Ａから第一配管部材３１Ａに冷媒及び潤滑油が流れ込んだ際に、流速が低下してしまうことが抑えられる。これによって、潤滑油を排出することが可能な流速を第一配管部材３１Ａでより確保し易くなる。

なお、ヘッダ２０Ｄが備える配管部材３１の数は、本実施形態のように第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃの三つであることに限られるものではない。配管部材３１は、二つ以上であればよく、例えば四つであってもよい。

また、一つ配管部材３１に一つの伝熱管１１が接続されることに限定されるものではない。例えば、ヘッダ２０Ｄを構成する第一配管部材３１Ａ、第二配管部材３１Ｂ、及び第三配管部材３１Ｃには、二本以上の伝熱管１１が接合されていてもよい。

（第五実施形態）
次に、本発明に係る蒸発器及び冷媒回路の第五実施形態について説明する。なお、以下に説明する第五実施形態においては、上記第一実施形態から第四実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。

図６は、上記蒸発器の第五実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図６に示すように、空調システム１を構成する熱交換器１０Ｅでは、ヘッダ２０Ｅは、鉛直方向の上端部２０ｔから下端部２０ｓに向かって冷媒を流通させる。ヘッダ２０Ｅは、複数の伝熱管１１の終端１１５がそれぞれ鉛直方向に離間して接続されている。ヘッダ２０Ｅの下端部２０ｓは、出口側配管４Ｅが接続されている。第五実施形態のヘッダ２０Ｅの上端部２０ｔは、閉塞されている。ヘッダ２０Ｅは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。ヘッダ２０Ｅは、伝熱管１１Ａの管径ｄ１以上の管径Ｄ１０を有している（ｄ１≦Ｄ１０）。

第五実施形態の出口側配管４Ｅは、一方の端部がヘッダ２０Ｅの下端部２０ｓと接合されている。第五実施形態の出口側配管４Ｅは、二段回にわたってＵ字状に湾曲したリターン部２２Ｅを有する。出口側配管４Ｅは、ヘッダ２０Ｅと接続されていない側の端部が冷媒の液相（液冷媒）を回収するアキュムレータ３と接続されている。

このような構成の熱交換器１０Ｅを備えた空調システム１において、暖房運転を行うときには、第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃのそれぞれにおいて、冷媒は、周囲の空気と熱交換することで、その少なくとも一部が気化（蒸発）する。第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃを流通して熱交換された冷媒は、それぞれの終端１１５からヘッダ２０Ｅ内に流れ込み、ヘッダ２０Ｅ内を下端部２０ｓに向かって流れる。

最上段の第三伝熱管１１Ｃからヘッダ２０Ｅ内に流れ込んだ冷媒は下端部２０ｓに向かって流れる。上から２段目の第二伝熱管１１Ｂからヘッダ２０Ｅ内に流れ込んだ冷媒は、第三伝熱管１１Ｃから流れ込んだ冷媒と合流する。さらに、最下段の第一伝熱管１１Ａからヘッダ２０Ｅ内に流れ込んだ冷媒は、第三伝熱管１１Ｃ及び第二伝熱管１１Ｂから流れ込んだ冷媒と合流する。このようにしてヘッダ２０Ｅ内で合流した冷媒は、下端部２０ｓから出口側配管４Ｅに送られる。その後、冷媒は、リターン部２２Ｅを経て、アキュムレータ３、圧縮機５へと順次送られる。

上述したような熱交換器１０Ｅ及び冷媒回路１００Ｅによれば、ヘッダ２０Ｅ内においては、冷媒が上方から下方に向かって流れ、ヘッダ２０Ｅの下端部２０ｓに出口側配管４Ｅを構成するリターン部２２Ｅが接続されている。このようなヘッダ２０Ｅにおいては、冷媒が重力方向と同じ上方から下方に向かって流れる。また、下端部２０ｓにおいては、第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃから流れ込んだ冷媒が合流しており、冷媒の流速が高まっている。これによって、ヘッダ２０Ｅの下端部２０ｓに重力によって溜まった潤滑油は、冷媒の流れとともに、ヘッダ２０Ｅからリターン部２２Ｅを通ってアキュムレータ３側に向かって円滑に流れる。その結果、ヘッダ２０Ｅの下端部２０ｓに潤滑油が溜まることを抑えることができる。

また、このようなヘッダ２０Ｅは、第一実施形態から第四実施形態で示したヘッダ２０Ａ及びヘッダ２０Ｄを、鉛直方向の上下を変えて逆に設ければよいので、簡易且つ低コストで製造することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、熱交換器１０Ａ〜１０Ｅが備える伝熱管１１の数は、本実施形態のように第一伝熱管１１Ａ、第二伝熱管１１Ｂ、及び第三伝熱管１１Ｃの三つであることに限られるものではない。例えば、伝熱管１１は、二つだけあってもよく、あるいは四つ以上設けられていてもよい。

さらに、一例として、冷媒回路を備える空調システム１を例示したが、これに限らず、冷媒回路を備える冷凍システムにおいても同様の構成を適用できる。

１ 空調システム
２ 入口側配管
３ アキュムレータ
４、４Ｅ 出口側配管（冷媒配管）
５ 圧縮機
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 熱交換器（蒸発器）
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ 冷媒回路
１１ 伝熱管
１１Ａ 第一伝熱管
１１Ｂ 第二伝熱管
１１Ｃ 第三伝熱管
１１１ 立ち上がり部
１１２ 下部管部
１１３ 屈曲部
１１４ 上部管部
１１５ 終端（一方側の端部）
１２ ディストリビュータ
１３ キャピラリチューブ
１３Ａ 第一キャピラリチューブ
１３Ｂ 第二キャピラリチューブ
１３Ｃ 第三キャピラリチューブ
２０Ａ、２０Ｄ、２０Ｅ ヘッダ
２０ｓ 下端部
２０ｔ 上端部
２２、２２Ｅ リターン部
３０ 油戻し管（バイパス管）
３０ｅ 終端
３０ｒ 螺旋状部
３１ 配管部材
３１Ａ 第一配管部材
３１Ｂ 第二配管部材
３１Ｃ 第三配管部材
３２ 二方弁（弁部材）
３３ コントローラ

Claims (8)

1. 鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、
   前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部から冷媒配管が接続された上端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、
   前記ヘッダの前記下端部と前記冷媒配管とを連通するバイパス管と、
   を備え、
   前記バイパス管の長さは、前記ヘッダの前記下端部から前記上端部を通って前記冷媒配管の前記バイパス管が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている蒸発器。
2. 前記バイパス管は、前記ヘッダの前記下端部における流路断面積よりも小さい流路断面積を有する請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記バイパス管は、螺旋状に巻き回された螺旋状部を有する請求項１または２に記載の蒸発器。
4. 前記バイパス管は、前記バイパス管内の前記冷媒の流通を制御する弁部材をさらに備える請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸発器。
5. 前記弁部材を開閉制御するコントローラをさらに備え、
   前記コントローラは、前記冷媒配管の下流側に設けられる圧縮機の起動からの経過時間、又は前記冷媒の過熱度に基づいて、前記弁部材の開閉を制御する請求項４に記載の蒸発器。
6. 前記コントローラは、前記圧縮機の起動時に前記弁部材を閉じ、前記バイパス管の流通を遮断させ、
   前記圧縮機を起動してから予め定めた一定時間が経過後、又は前記冷媒の過熱度が予め定めた基準値以上となった場合に、前記弁部材を開き、前記バイパス管の流通を開放させる請求項５に記載の蒸発器。
7. 鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、
   前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、上端部から冷媒配管が接続された下端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、
   を備える蒸発器。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の蒸発器を備える冷媒回路。

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