JP2018162901A - 熱交換器、および、それを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直のフィンに対して水平方向から挿入した伝熱管で構成する熱交換器では、ヘッダから複数の伝熱管への冷媒の流動に偏流が生じることよって熱交換器全体の伝熱面積を活かせないために、消費電力の低減が難しいという問題があった。【解決手段】流入側ヘッダと、流出側ヘッダと、両ヘッダ間を接続する複数の伝熱管と、伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えた熱交換機であって、流入側ヘッダは、入口管を介して気液二相冷媒が流入する気液混合部と、気液混合部の上方に配置され、仕切板によって上下方向に仕切られた複数のヘッダ内空間と、気液混合部と各ヘッダ内空間を直接連通する複数の連通流路と、を備え、各ヘッダ内空間には、少なくとも一つの伝熱管が接続されており、各連通流路は、気液混合部内に少なくとも一つの開口を有する熱交換器。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器を備えた空気調和機に関し、特に、ヘッダ間を繋ぐ複数の伝熱管の各々に流動させる気液二相冷媒の分配量を適正化することで熱交換器を有効に使い、消費電力の低減を図った空気調和機に関する。

冷暖房に対応した空気調和機の多くでは、現在、円形銅製伝熱管とアルミ製の短冊状のフィンで構成されるクロスフィンチューブ型熱交換器が用いられている。この熱交換器は、銅製伝熱管内にフロン系の冷媒を流動させることで、冷媒と空気の間で熱交換を行うものである。

一方、自動車用ラジエータや冷房専用エアコンでは、小型軽量化、高性能、低コスト化を目的として、パラレルフロー型の熱交換器が広く利用されている。この熱交換器は、外表面にアルミ製フィンをろう付けした複数の扁平伝熱管の両端開口部に二本のヘッダ管を設け、各扁平伝熱管を介して流入側のヘッダ管から流出側のヘッダ管に向けて冷媒を流動させる形態の熱交換器である。

パラレルフロー型熱交換器では、全部のフィンの面積を有効に作用させるには、上下に積層された複数の扁平伝熱管の各々へ、適正量の液冷媒を偏りなく流動させる必要がある。

しかしながら、熱交換器内では、冷媒が蒸発や凝縮の相変化しながら、気液二相状態の冷媒となって流動するため、冷媒の流速が小さく運動量が低い条件下では、垂直方向に立った流入側のヘッダ管内の液冷媒は重力の影響で下方に滞留するため、流入側のヘッダ管の上部に接続された扁平伝熱管に十分な液冷媒を供給しにくい傾向がある。

その結果、パラレルフロー型熱交換器を蒸発器として用いる場合、積層された扁平伝熱管のうち上方のものでは、供給される液冷媒の量が少なくなり、扁平伝熱管の上流で液冷媒が全て蒸発してしまうため、中流から下流では液冷媒の蒸発作用による熱吸収が発生しない。すなわち、上方の扁平伝熱管では、中流から下流にかけて、冷媒の液成分が少なく過熱度が大きくなり、その部分での伝熱面積が有効利用されないという問題が発生する。

一方、積層された扁平伝熱管のうち下方のものでは、供給される液冷媒の量が過大であるため、扁平伝熱管の出口に至っても液冷媒が残存している。すなわち、下方の扁平伝熱管からは、熱吸収の余力を残した液冷媒が流出しており、熱交換器全体としての効率悪化を招いているという問題が発生する。

加えて、下方の扁平伝熱管から熱交換器の下流の圧縮機に液冷媒が流入する「液戻り」が発生すると、その液冷媒が圧縮機の圧縮室を損傷する恐れがある。これを避けるには、熱交換器の上流の膨張弁を絞り蒸発圧力を下げるなどして、熱交換器の出口に至るまでに液冷媒を完全に蒸発させる必要があるが、この対策は熱交換器でのエネルギー消費量の増加を招くという問題がある。

このような問題を避けるため、パラレルフロー型熱交換器を蒸発器として用いる場合には、流出側のヘッダ管近傍のほぼ揃った位置で各扁平伝熱管内の液冷媒が完全に無くなるのが、熱交換器の性能を最大化する上で望ましい。特に、空気調和機の室外ユニットのように、熱交換器に等風速の空気を供給する場合には、各扁平伝熱管に偏流なく冷媒を等分配できる性質が求められる。

ここで、図２２を用いて、暖房運転時を例に、ヒートポンプ式の空気調和機の冷凍サイクルを説明する。ここに示すように、空気調和機は、圧縮機８、四方弁９、室内熱交換器１０１、膨張弁１０３、室外熱交換器１０６等で構成される。

圧縮機８はガス冷媒を圧縮するものであり、圧縮機８で高温・高圧状態になった冷媒６０は、四方弁９を介して室内ユニット１００内の室内熱交換器１０１（凝縮器）に導かれる。そして、室内熱交換器１０１の扁平伝熱管内を流れる高温の冷媒が、送風機１０２から供給される室内空気に放熱することで、室内が暖められる。このとき、扁平伝熱管内では、熱を奪われたガス冷媒が次第に液化し、室内熱交換器１０１の出口からは、飽和温度よりも数℃低温の過冷却状態の液冷媒が流出する。

その後、室内ユニット１００から流出した液冷媒は、膨張弁１０３を通過する時の膨張作用により低温・低圧状態の気液二相冷媒となる。この低温・低圧の気液二相冷媒は、室外ユニット１０５内の室外熱交換器１０６（蒸発器）に導かれる。そして、室外熱交換器１０６の扁平伝熱管内を流れる低温の冷媒が、送風機１０７から供給される外気から吸熱することで、冷媒の乾き度（＝ガスの質量速度／（液の質量速度＋ガスの質量速度）が高まる。室外熱交換器１０６の出口では、冷媒はガス化して数℃の過熱度をとった状態で圧縮機８に戻る。以上で説明した、反時計回りに冷媒６０が循環する一連の冷凍サイクルによって、空気調和機の暖房運転が実現される。

一方、冷房動作時には、四方弁９を切り替えて、時計回りに冷媒６１が循環する冷凍サイクルを形成する。この場合、室内熱交換器１０１が蒸発器として作用し、室外熱交換器１０６が凝縮器として作用する。

次に、室内熱交換器１０１または室外熱交換器１０６が蒸発器として作用している場合に、その蒸発器内で発生する冷媒偏流の様子を図２１で説明する。図２１は蒸発器を平面的、かつ、模式的に示したものであり、扁平伝熱管の個別表示を省略するなど一部を簡略化している。

図２１（ａ）は液冷媒の偏流がある場合の説明図であり、図２１（ｂ）は液冷媒の偏流がない場合の説明図である。これらに示すように、熱交換器は、左右に略垂直なヘッダ３ａ、３ｂを設け、それらの間を上下方向に積層した多数の扁平伝熱管１で接続したものである。各扁平伝熱管１には、伝熱面積を拡大するためのフィンがロウ付けされているが、ここでは図示を省略している。また、扁平伝熱管１内において、ハッチング部分は気液二相冷媒が流通する二相域９０で、白抜き部分はガス冷媒が流通する過熱領域９１である。

図２１に示す、パラレルフロー型の蒸発器では、ヘッダ３ｂの下部から低温・低圧の気液二相冷媒が流入する。流入した冷媒は、流動方向を変えながら、領域（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）の順に扁平伝熱管１内を流れ、扁平伝熱管１間を通過する空気と熱交換（吸熱）した後、ヘッダ３ｂの上部から中温・低圧状態の冷媒となって排出される。

図２１（ｂ）のように、冷媒編流が生じない場合、すなわち、冷媒の流速が大きく、領域（Ｄ）の各扁平伝熱管１に略均等量の気液二相冷媒が供給される場合には、何れの高さの扁平伝熱管１でも、流入側から同程度の距離で二相域９０から過熱領域９１になるため、何れの扁平伝熱管１からも十分に吸熱したガス冷媒のみが流出している。

一方、図２１（ａ）のように、液冷媒の偏流が生じた場合、すなわち、流速の小さい気液二相冷媒にヘッダ３ａ内で重力が作用し、領域（Ｄ）上方の扁平伝熱管１に流入する液冷媒が少なく、下方の扁平伝熱管１に流入する液冷媒が多くなる場合、領域（Ｄ）の出口近傍では、下方が二相域９０、上方が過熱領域９１となる。

上述したように、液冷媒を多く含む気液二相冷媒が圧縮機８に戻ると、「液戻り」によって圧縮室の損傷を招く。これを回避するには、図２１（ａ）の領域（Ｄ）の出口近傍において、液冷媒が完全にガス化しているように、蒸発器の上流の膨張弁１０３を絞り、蒸発圧力（温度）を下げる必要がある。しかしながら、蒸発圧力を下げると、圧縮仕事が増大し空気調和機の省エネ性が阻害されるという問題がある。

また、冷媒偏流が生じた場合、領域（Ｄ）上方の扁平伝熱管１内では、二相域９０が短く、過熱領域９１が長くなるため、空気からの吸熱に大きく寄与する二相域９０での伝熱面積が減少し、圧縮仕事が増加するという問題がある。

このような問題の原因となる冷媒偏流を改善する技術として、特許文献１に示す冷媒分流器がある。この冷媒分流器は、同文献の図１ａ等に示されるように、一本の冷媒流入配管と、複数本の冷媒流出配管を有するものである。そして、冷媒流入配管から冷媒分流器に入った気液二相冷媒は、冷媒分流器の下部の仕切板を乗り越える際にガス冷媒と液冷媒に分離され、冷媒分流器の上部に溜まったガス冷媒は冷媒流出配管の側面のガス冷媒流出開口から、冷媒分流器の下部に溜まった液冷媒は冷媒流出配管の下端の冷媒流出口から、冷媒流出配管に流入しガス冷媒と液冷媒が所望の比で合流した気液二相冷媒となって冷媒分流器の外部に流出する構造である。

特開２０１２−１３７２２３号公報

特許文献１では、冷媒流出配管の径、冷媒流出口やガス冷媒流出開口の設置位置、大きさ、数などが空気調和機の定格負荷条件に合わせて設計されており、定格の流量、乾き度条件下では適切な量の液冷媒を冷媒流出配管に導くことができる。しかしながら、空気調和機を中間負荷条件や最小負荷条件で運転するときには、ガス冷媒の流速が小さくなるため、液冷媒の吸い上げに必要な静圧を得ることができず、十分な量の液冷媒を持ち上げることができないという課題があった。

つまり、特許文献１の構成は、定格負荷条件下での性能向上に関しては有効であるが、近年の空気調和機で多用される、中間負荷条件、または、最小負荷条件下での性能向上に関しては同程度の効果が得られず、実運用時の年間消費電力量低減への影響が限定的という課題があった。

そこで、本発明では、中間負荷条件や最小負荷条件での運転時であっても、パラレルフロー型の蒸発器内の各扁平伝熱管への液冷媒供給量の偏りを単純な構造で抑制し、蒸発器としての性能を改善できる熱交換器を備えた空気調和機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の熱交換器は、流入側ヘッダと、流出側ヘッダと、両ヘッダ間を接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備え、前記流入側ヘッダは、入口管を介して気液二相冷媒が流入する気液混合部と、該気液混合部の上方に配置され、仕切板によって上下方向に仕切られた複数のヘッダ内空間と、前記気液混合部と各ヘッダ内空間を直接連通する複数の連通流路と、を備え、各ヘッダ内空間には、少なくとも一つの伝熱管が接続されており、各連通流路は、前記気液混合部内に少なくとも一つの開口を有する熱交換器とした。

本発明によれば、パラレルフロー型の熱交換器の各扁平伝熱管への冷媒分配を均一化し、熱交換器を効率的に作用させることで、空気調和機の省エネ性を改善することができる。

実施例１の熱交換器のヘッダの縦断面図 実施例１の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例１の熱交換器の連通管の正面図 実施例２の熱交換器のヘッダの縦断面図 実施例２の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例４の熱交換器の正面図 実施例４の熱交換器の上面図 実施例４の熱交換器の上面図 実施例５の熱交換器の正面図 実施例３の熱交換器のヘッダの縦断面図 実施例３の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例６の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例６の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例６の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例６の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例７の熱交換器のヘッダの縦断面図 実施例８の熱交換器のヘッダの分解斜視図 実施例８の熱交換器のヘッダの横断面図 実施例９の熱交換器のヘッダの縦断面図 実施例１０の熱交換器のヘッダの縦断面図 従来の熱交換器の過熱度を説明する図 実施例１の冷凍サイクルを説明する図

以下、本発明の空気調和機の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。以下の実施例で説明する空気調和機の概略は、図２２で説明したものと同様であるため、重複説明は省略し、相違点を中心に各実施例の説明を行う。

先ず、実施例１の空気調和機で用いられる熱交換器の構造を説明する。本実施例の熱交換器は、上流側と下流側に略垂直に配置された二つの略円筒状のヘッダ３と、それらの間を接続する複数の扁平伝熱管１と、扁平伝熱管１の伝熱面積を拡大する複数のフィン２から構成されたものである。

図１は、上流側のヘッダ３近傍の部分断面図であり、ここに示すように、複数の略水平な扁平伝熱管１が、上下方向に所定の間隙（段ピッチＰｄ）で積層されており、複数の板状のフィン２が、左右方向に所定の間隙（フィンピッチＰｆ）で配置され、各扁平伝熱管１とフィン２が伝熱可能にろう付けされている。また、各扁平伝熱管１はヘッダ３に挿入されており、ヘッダ３を介して供給される冷媒が各扁平伝熱管１に流入する構成となっている。

ヘッダ３、扁平伝熱管１、フィン２をより具体的に説明する。ヘッダ３の側面には、扁平伝熱管１を挿入するための複数の穴が予め段ピッチで空けられている。扁平伝熱管１は、アルミ製であり、扁平断面内に複数の多穴流路を押出加工で形成したものである。フィン２は、アルミ製であり、上下の長手方向の端部に等間隔で切り込みを入れ、その切り込みに扁平伝熱管１を差し込むか、フィン自体に貫通穴を空け扁平伝熱管１を差し込むかして、扁平伝熱管１と一体に形成されるものである。これらを組み合わせた熱交換器の製造時には、先ず、各扁平伝熱管１の端部をヘッダ３の穴に差し込み、さらに、扁平伝熱管１にフィン２を取り付けた仮組状態で、炉中で一括ろう付けして熱交換器を製造しても良いし、部分的にトーチでろう付けして熱交換器を製造しても良い。

ここで、扁平伝熱管１とフィン２との接合は、前述のろう付けに代え、多穴流路内を液圧やガス圧で加圧することで扁平伝熱管１に塑性変形を発生させ密着する方式を採っても良い。また、図１のような板状のフィン２に代え、自動車用空気調和機の凝縮器で現在主流となっているコルゲート状（波型）のフィンを、扁平伝熱管１間に差し込む構成としても良い。

次に、本実施例の熱交換器の特徴的な部位を説明する。図１に示すように、本実施例の熱交換器では、気液混合部４がヘッダ３の下方に一体形成されており、ヘッダ３の内部は、四枚の仕切板３１によって、ヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄ、および、混合室４１の五区画に仕切られている。混合室４１の下部側方には冷媒の流入口となる入口管３６が接続されており、ヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄの各々には複数本（図１では四本）の扁平伝熱管１が接続されている。また、混合室４１とヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄの各々を直接繋ぐ四本の連通管５が設けられている。なお、図１は、複数の連通管５がそれぞれ異なる空間と連通していることを模式的に示す図であり、各連通管５の配置を正確に示したものではない。

入口管３６から気液二相冷媒が混合室４１に供給されると、混合室４１内ではガス冷媒と気液二相冷媒の境界である気液界面４２が形成される。混合室４１の下部に溜まった液冷媒は、ガス冷媒とともに連通管５を通ってヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄの各々に直接供給され、最終的には、各ヘッダ内空間に接続された扁平伝熱管１から流出する。このとき、ヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄの各々に供給される液冷媒の量は略均等であるため、各ヘッダ内空間に接続された各扁平伝熱管１にも略均等な量の液冷媒が供給される。

図２は、図１のＡＡ部における混合室４１の横断面であり、混合室４１内における連通管５の配置をより正確に示すものである。図２において、５１は連通管５の下端に設けられた下部穴である。つまり、図２は、入口管３６の出口と連通管５の入口が略等しい高さに設置されていること、および、四本の連通管５が入口管３６と略垂直な直線状に配置されていることを示している。

図３は、連通管５の詳細構造を例示する側面図である。ここに示すように、連通管５の側面には、混合室４１の高さに相当する高さに、複数または単数の開口を有している。例えば、図３（ａ）では、縦方向に所定の間隙で側面丸穴５２ａが設けられており、図３（ｂ）では、細幅の側面長穴５２ｂが設けられている。また、図３（ｃ）では、図３（ｂ）の側面長穴５２ｂに加え、連通管５の下部穴５１を塞ぐ栓５３が取付られている。

図３に示す何れの連通管５を用いるかは、冷媒の流量、乾き度条件に応じて決定され、複数の同じ形状の連通管５を気液混合部４に連通させる構成としても良いし、異なる形状の連通管５を組み合わせて気液混合部４に連通させる構成としても良い。例えば、側面丸穴５２ａ、側面長穴５２ｂの寸法を連通管５毎に変えることで、高さの異なる連通管５の冷媒量の微調整が可能となる。また、栓５３の有無によっても連通管５の下端から吸い込む液冷媒量と、側面孔から吸い込むガス冷媒量を変えることができ、気液二相冷媒中のガ

ス冷媒と液冷媒の比率の微調整が可能である。

図１でも示したように、混合室４１内の連通管５は、略上半分が気液界面４２より上方に位置し、略下半分が気液界面４２より下方に位置するため、図３の側面丸穴５２ａ、側面長穴５２ｂのうち、上方のものからはガス冷媒を吸い上げることができ、下方のものからは気液二相冷媒を吸い上げることができる。なお、空気調和機の環境条件や、負荷の大小の動作状況によって気液界面４２の高さが変化するが、側面丸穴５２ａや側面長穴５２ｂは、混合室４１の全高に亘り設けられているため、気液界面４２の高さが変化した場合であっても、連通管５は気液二相冷媒を適切に吸い上げることができる。

次に、本実施例の蒸発器の作用の詳細を図１を用いて説明する。先ず、気液二相冷媒が入口管３６から気液混合部４内に流入する。気液二相冷媒は、混合室４１という比較的広い空間で、ガス冷媒の一部を放出する。ガス冷媒の放出により液冷媒の比率が高まった気液二相冷媒は、重力の作用により混合室４１の下部に溜まる一方、気液二相冷媒から分離したガス冷媒は、混合室４１の上方に移動する。この結果、ガス冷媒と気液二相冷媒の間には気液界面４２が形成される。

混合室４１上部のガス冷媒は、気液界面４２より上側の開口（側面丸穴５２ａ、側面長穴５２ｂ）から連通管５内に高速で流入する。この際、連通管５内を流れる高速のガス冷媒によって負圧が発生し、気液界面４２より下側の開口（下部穴５１、側面丸穴５２ａ、側面長穴５２ｂ）から、混合室４１の下部に溜まった気液二相冷媒が吸い上げられるため、連通管５内でガス冷媒と気液二相冷媒が所定の比率で混合することになる。これは、高さの異なる四本の連通管５の何れの内部でも同様に発生する現象であるため、連通管５が吸い上げる気液二相冷媒中のガス冷媒と液冷媒の比率は、四本の連通管５の何れにおいても略均質となる。

その後、連通管５が吸い上げた気液二相冷媒は、ヘッダ３内に積層配置されたヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄの各々に直接供給される。そして、ヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄに入った冷媒は、各ヘッダ内空間に接続された四本の扁平伝熱管１の各々に流入する。

ヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄに供給される略均質の気液二相冷媒はガス冷媒を多く含んでおり、見かけの密度が小さいため、各ヘッダ内空間の内部を略均等に満たすことができる。この結果、各ヘッダ内空間に接続された扁平伝熱管１の高さ位置の相違に伴う液ヘッド差の影響が小さくなり、異なる高さの扁平伝熱管１の各々に略均質の気液二相冷媒を供給することができる。

以上のように、本実施例の構成によれば、ヘッダ内の高さの異なる複数のヘッダ内空間に略均質の気液二相冷媒を供給し、さらに、各ヘッダ内空間に接続された複数の扁平伝熱管に略均質の気液二相冷媒を供給することができるので、高さのある熱交換器においても高さによる偏流の影響を抑制することができる。

本実施例の最後に、本実施例の熱交換器を凝縮器として作用させる状況を簡単に説明する。凝縮器として用いる場合、冷媒は、図１に示した矢印とは逆方向に流動する。すなわち、冷媒は、先ず、各扁平伝熱管１からヘッダ３内のヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄに流入し、その後、各ヘッダ内空間から連通管５を介して混合室４１に流入する。最後に、混合室４１の下部に接続された入口管３６を介して熱交換器から流出する。このように、凝縮器内の冷媒は、ヘッダ３内を高所から低所に順次移動するため、液冷媒が重力に逆らって移動することはなく、圧力損失の増大がなく安定した冷媒の流動を維持することができる。

図４、図５は、実施例２で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、実施例１と同等の構成については、重複説明を省略する。図４は、本実施例における上流側のヘッダ３近傍の部分断面図であり、図５は、図４のＡＡ部における混合室４１の横断面であり、入口管３６の接続方向を示すため、異なる高さにある入口管３６も合わせて表示している。

本実施例では、図１の連通管５の側面丸穴５２ａや側面長穴５２ｂに代え、孔あき板４３を混合室４１内に備えている。この孔あき板４３は、図４に示すように、入口管３６と対向する上方には孔を設けておらず、中央から下方に亘り複数の孔を空けている。入口管３６から流入した気液二相冷媒は、孔あき板４３の平面部分に衝突し、含有するガス冷媒の一部を放出しながら下方に流れる。これにより、冷媒の主流の向きが大きく変更されるので、以後の冷媒の流れへの主流の影響が抑制される。その後、液冷媒の比率が高まった気液二相冷媒は、孔あき板４３の下方の孔を通過する際に含有するガス冷媒の泡が更に細分化され、また、気液二相冷媒から分離したガス冷媒は、中央の孔を通過して、気液界面４２の上方に移動する。

連通管５がガス冷媒を高速で吸い上げる際に発生する負圧によって、混合室４１上部ではガス冷媒と気液二相冷媒が混ぜ合わさり、各連通管５の下部穴５１からヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄの各々に略均質な気液二相冷媒が供給される。このような連通管５を簡素化した構成によっても、図１に略等しい効果を得ることができる。

図１０、図１１は、実施例３で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

本実施例のヘッダ３は、図１０に示すように、気液混合部４の下方から冷媒が流入するように、入口管３６を混合室４１の下面に接続したものである。図１１の平面図に、混合室４１内における入口管３６と各連通管５の配置を示すが、断面円形のヘッダ３の中心に配置した入口管３６を囲むよう連通管５を配置することで、入口管３６から各連通管５の距離を等しくできるため、実施例１のような入口管３６から各連通管５までの距離が異なる構成に比べ、各連通管５が吸い上げる冷媒の偏流をさらに抑制することができる。

図６〜図８は、実施例４で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

本実施例の熱交換器は、縦方向に二分割したものであり、下段熱交換器２０１と上段熱交換器２０２の間に、上述した実施例の冷媒分配構造を用いたヘッダ３ａを設けた構造である。

本実施例では、図６に示すように、熱交換器のフィン２で発生する凝縮水の排水性を良くするため、下段熱交換器２０１と上段熱交換器２０２を上下に積層して設置し、下段熱交換器２０１のヘッダ３ｂの下流に配置された、上段熱交換器２０２のヘッダ３ａの下部に気液混合部４を設けている。ヘッダ３ａは、気液混合部４を設けた分だけ、下方に突出するため、上段のヘッダ３ａは下段のヘッダ３ｂより所定距離Ｄだけ外側にずらして配置されている。なお、図６の熱交換器をろう付け方式で製造する場合、炉が小さい場合には、熱交換器全体を一度にろう付けすることができないこともあるが、その場合は、上段熱交換器２０２と下段熱交換器２０１を別々にろう付けした後、それらを合体させて本実施例の熱交換器を製造すれば良い。

図７は、図６を上方から観察した上視図であり、ヘッダ３ａをヘッダ３ｂの外側にずらして配置することで、気液混合部４を搭載している構成を示している。

また、図８は、図７の変形例である。図７では平面状の熱交換器におけるヘッダ３ａ、３ｂの位置関係を示したが、図８では、曲率ＲでＬ字曲げした熱交換器におけるヘッダ３ａ、３ｂの位置関係を示す。空気調和機の室外ユニットに用いられる熱交換器等、小型化が求められる熱交換器では、図８のような構成によって、同一ユニット寸法内で前面面積をより大きく確保できるため、効率の良い冷媒分配構造を実現することができる。

図９は、実施例５で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

図９では熱交換器を、三つの熱交換器に分割した場合で示している。この構成によって、上述した実施例の冷媒分配構造を複数搭載することができる。具体的には、中段熱交換器の上流側のヘッダ３の下部に気液混合部４ａを設けるとともに、上段熱交換器の上流側のヘッダ３の下部に気液混合部４ｂを設けている。

図９のような構成を採った場合、熱交換によって、下流に向かうほど、気液二相冷媒中の液成分が次第に少なくなるため、上流側の気液混合部４ａに比べ、下流側の気液混合部４ｂに溜まる液冷媒が少なくなる。このため、本実施例では、下流側の気液混合部４ｂの容積を上流側の気液混合部４ａの容積より小さく（あるいは、上流側の気液混合部４ａの容積を下流側の気液混合部４ｂの容積より大きく）することによって、下流側のヘッダ３を相対的に小型化している。

図１２から図１５は、実施例６で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

図１２から図１４は、気液混合部４の側面に入口管３６が接続された実施例１、実施例２の変形例である。また、図１５は下方に入口管が接続された実施例３の変形例である。

図１２の構造は、連通管５の側面開口５２ｄを入口管と逆方向に設けるものである。このような構成により入口管の主流の影響を防ぐことができ、各連通管５に略均等量の冷媒を供給することができる。なお、側面開口５２ｄの形状としては、前述の側面丸穴５２ａを採用しても良いし、側面長穴５２ｂを採用しても良い。

図１３の構造は、入口管３６と連通管５との間に仕切板３７を設けるものである。すなわち、実施例２の孔あき板４３から孔あき部を省略したものである。このような構成によっても、実施例２と同様に、入口管からの冷媒主流の影響を抑制することができる。

図１４の構造は、入口管３６をヘッダ３内面の接線方向に設けるとともに、４本の連通管５を中心部に集めて配置したものである。このような構成によって、入口管３６からの早い流れがヘッダ３内で旋回流となり、流速が遅くなった中心領域から連通管５が冷媒を吸い上げるものである。この構成でも、入口管３６からの主流の影響を抑制することができる。

図１５は、下方に接続管を設けた図１１の変形例で、入口管３６と連通管５との間に水平な仕切板３８を設け、入口管３６から流入する冷媒の主流の速度を緩和するものである。

以上、図１２から図１５に示した構成によっても、入口管３６から流入する高速の冷媒が連通管５へ及ぼす影響を抑制し、各連通管５は略均質な気液二相冷媒を吸い上げて各ヘッダ内空間に分配することができるため、各ヘッダ内空間に接続された扁平伝熱管１にも略均質な気液二相冷媒を供給することができる。

図１６は、実施例７で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

図１から図１５では、各ヘッダ内空間に四本の扁平伝熱管１を接続した構成、すなわち、一本の連通管５から供給された冷媒が四本の扁平伝熱管１に分岐する構成であったが、本実施例では、各ヘッダ内空間に一本の扁平伝熱管１を接続した構成、すなわち、一本の連通管５から一本の扁平伝熱管１に冷媒が流れる構成としている。この構成であっても、各扁平伝熱管１に略均質の冷媒を供給するという本発明の効果を得ることができ、さらに、連通管５の開口穴径等で調整することでも複数の扁平伝熱管へより均質な分配を行うことも可能となる。

図１７、図１８は、実施例８で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

図１から図１６では連通管５をパイプ状の中空管で構成したが、本実施例では円溝状のヘッダ３内に挿入する略円柱状の中子５ａによって複数の連通管５を形成する形態を採っている。図１７に示すように、中子５ａには、外周部の扁平伝熱管１側に、仕切られたヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄが設けられており、その反対側に、冷媒を吸い上げる溝５ｂが設けられている。また、各々の溝５ｂには、ヘッダ内空間３２ａ〜３２ｄと連通する、図中網掛けで示した開口が設けられている。この中子５ａとヘッダ３を同質材料で構成し、両者をろう付けすることで、実施例１等と同等の作用を得ることができる冷媒流路を形成できる。このような構成を採用することでも、比較的簡単に上述の儒一指令と同等の効果を得ることができる。

図１９は、実施例９で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

図１から図１８は、ヘッダ３の下部に気液混合部４を内蔵する構成であったが、本実施例では、両者を別体構造とし、複数の連通管５を用いて両者を接続する。このような分離構成を用いれば、気液混合部４のみを重力方向に垂直に設置し、ヘッダ３を重力方向から傾斜させた構造とすることもでき、熱交換器の設計自由度が大幅に高まるため、空気調和機の室内ユニットに用いられる熱交換器のように、省スペース性が求められる熱交換器に対しても、上述した実施例と同等の効果を持たせることができる。

図２０は、実施例１０で用いられる熱交換器を説明する図である。なお、上述の実施例と同等の構成については、重複説明を省略する。

図１から図１９までの発明ではヘッダ３内に仕切板３１を設けていたが、図２０では仕切り３１を除去するとともに、連通管５の上部開口をそれぞれ異なる高さに配置している。このような構成であっても、ヘッダ３の様々な高さに略均質な気液二相冷媒を導くことができるため、ヘッダ３に接続された何れの高さの扁平伝熱管１に対しても略均質な気液二相冷媒を供給することができる。

なお、本発明は以上述べた実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１…扁平伝熱管、
２…フィン、
３、３ａ、３ｂ…ヘッダ、
３１、３７、３８…仕切板、
３２、３２ａ〜３２ｄ…ヘッダ内空間
３６…入口管、
４、４ａ、４ｂ…気液混合部、
４１…混合室、
４２…気液界面、
４３…孔あき板
５…連通管、
５ａ…中子、
５ｂ…溝、
５１…下部穴、
５２ａ…側面丸穴、
５２ｂ…側面長穴、
５２ｄ…側面開口、
５３…栓、
６０、６１…冷媒流れ方向、
７…圧縮機、
８…圧縮機、
９…四方弁、
９０…二相（液）域、
９１…過熱（ガス）域、
１０…膨張弁、
１００…室内ユニット、
１０１…室内熱交換器、
１０２…室内用送風機、
１０３…膨張弁、
１０５…室外ユニット、
１０６…室外熱交換器、
１０７…室外送風機、
２０１…下段熱交換器、
２０２…上段熱交換器

Claims (11)

1. 流入側ヘッダと、流出側ヘッダと、両ヘッダ間を接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えた熱交換器であって、
   前記流入側ヘッダは、
   入口管を介して気液二相冷媒が流入する気液混合部と、
   該気液混合部の上方に配置され、仕切板によって上下方向に仕切られた複数のヘッダ内空間と、
   前記気液混合部と各ヘッダ内空間を直接連通する複数の連通流路と、を備え、
   各ヘッダ内空間には、少なくとも一つの伝熱管が接続されており、
   各連通流路は、前記気液混合部内に少なくとも一つの開口を有することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記連通流路が前記気液混合部内に有する開口は、
   該連通流路の側面に設けた複数の側面丸穴、若しくは、側面長穴、
   または、該連通流路の下端に設けた下部穴であることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記気液混合部には、前記入口管と前記連通流路の間に、前記入口管と対向する上方に孔を設けず、それより下方に複数の孔を設けた孔あき板を設けたことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記熱交換器は、上段熱交換器と下段熱交換器に分割されており、
   前記気液混合部を有する上段熱交換器の流入側ヘッダは、前記気液混合部を有さない下段熱交換器の流出側ヘッダよりも外側に配置されることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記熱交換器は、複数の熱交換器に分割されており、
   上流側の熱交換器の流入側に設けた気液混合部の容積は、下流側の熱交換器の流入側に設けた気液混合部の容積よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記入口管は、前記気液混合部の下方から気液二相冷媒が流入するように接続されたことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記気液混合部内における前記連通流路の開口は、前記入口管の開口と対向しない向きに設けられることを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記複数の連通流路は、略円管状の前記流入側ヘッダに挿入された、略円柱状の中子の外周に形成された複数の溝によって構成されることを特徴とする熱交換器。
9. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記気液混合部と、前記複数のヘッダ内空間を、別体構造とし、両者を前記連通流路で接続したことを特徴とする熱交換器。
10. 流入側ヘッダと、流出側ヘッダと、両ヘッダ間を接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えた熱交換器であって、
    前記流入側ヘッダは、
    入口管を介して気液二相冷媒が流入する気液混合部と、
    該気液混合部の上方に配置されたヘッダ内空間と、
    前記気液混合部と前記ヘッダ内空間を直接連通する複数の連通流路と、を備え、
    前記複数の連通流路の各々は、
    前記気液混合部内に少なくとも一つの下部開口を有するとともに、
    前記ヘッダ内空間内の各々異なる高さに上部開口を有することを特徴とする熱交換器。
11. 室外熱交換器と、室内熱交換器と、圧縮機と、膨張弁を備えた空気調和機であって、
    前記何れかの熱交換器は、請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の熱交換器であることを特徴とする空気調和機。

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