JP2024047522A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が高い熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】熱媒循環路１を構成する熱媒流路１５を備える熱交換器１０であって、熱媒流路１５は、上流側の流下断面積２Ｓが下流側の流下断面積Ｓよりも大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、熱媒循環路に用いられる熱交換器に関する。

冷凍冷蔵・空調など様々な産業分野で熱媒循環路を循環する熱媒と外部流体とを熱交換させるために用いられる熱交換器が知られている。このような熱交換器は、熱媒が循環する熱媒循環路の一部を構成する機器として設けられており、圧縮機によって圧縮された高温高圧の熱媒を凝縮器またはガスクーラ内の熱交換器に通過させて、外部流体を加温することに使用され、あるいは膨張弁よって減圧された低温低圧の熱媒を蒸発器内の熱交換器に通過させて、外部流体を冷却することに使用されている。

このような熱交換器を通過する熱媒と外部流体との熱交換では、熱エネルギを移動させるにあたって、熱媒循環路を構成している熱媒流路の管内壁ばかりでなく、温度境界層または粘性底層を通過させる必要がある。これら温度境界層や粘性底層は、流速が速くなるほどその厚みが薄くなることから、熱媒流路内を流れる熱媒の流速を所定以上の流速に保つことが肝要である。

例えば、特許文献１に示される熱交換器は、熱媒循環路の上流側に接続されるヘッダと、下流側に接続されるヘッダが、並列されている複数の熱媒配管により接続されて構成されている。熱媒配管の流下断面積は、熱媒配管内を流れる熱媒の流速を所定以上に保てるように設計されている。これにより、各熱媒配管では外部流体と効率よく熱交換させることができる。

特開２００４－３１７０５６号公報（第２頁、第２図）

このように特許文献１のような熱交換器にあっては、上流側のヘッダに流入した熱媒が複数の熱媒配管によって分配されることから、同ヘッダに流入した所定質量当たりの熱媒の熱交換効率の向上が図られている。

しかしながら、熱交換器を通過する熱媒は、外部流体との熱交換による温度変化に応じて体積が変化すると管内を通過する流速も変化することから、熱交換器上流側の流速に合わせて熱媒配管の流下断面積を設計すると下流側の熱交換効率が低下し、または熱交換器下流側の流速に合わせて熱媒配管の流下断面積を設計すると上流側の熱交換効率が低下するため、さらなる改良の余地があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、熱交換効率が高い熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、
熱媒循環路を構成する熱媒流路を備える熱交換器であって、
前記熱媒流路は、上流側の流下断面積および下流側の流下断面積の一方が他方よりも大きいことを特徴としている。
この特徴によれば、熱交換器を通過する熱媒の体積変化に応じて流下断面積を変更されているため、熱媒の一定以上の流速を保持し、熱交換効率を高めることができる。

前記熱媒流路は、一の流路と、該一の流路から分岐される複数の分岐流路とを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、一の流路の流下断面積よりも、複数の分岐流路の流下断面積の合計値を大きくすることができる。このように、上流側の流下断面積および下流側の流下断面積の一方が他方よりも大きい熱媒流路を簡便に構成することができる。

前記一の流路は、１つであることを特徴としている。
この特徴によれば、熱媒を略均等に分流または合流させることができる。

前記一の流路および前記複数の分岐流路は、前記熱交換器と熱交換する外部流体が通過する方向に複数配置されている前記熱媒流路の列のうち、同じ列に配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、急激な温度変化が及びにくい場所で熱媒を分流または合流させることができる。

前記一の流路は、２つの前記分岐流路の間に配設されており、Ｔ字状若しくはＹ字状に接続されていることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の分岐流路同士が互いに影響を及ぼしにくい。

上流側の流下断面積および下流側の流下断面積の一方は、他方の２倍であることを特徴としている。
この特徴によれば、過剰な流速変化を抑制することができる。

前記熱交換器は、熱媒である二酸化炭素を冷却させることを特徴としている。
この特徴によれば、温度低下と共に大きく減少する二酸化炭素の体積に応じて流下断面積を減少させることができる。これにより、温度低下により体積が減少した二酸化炭素の流速を高めて熱伝達率を大きくすることができる。

前記熱交換器は、熱媒である超臨界状態の二酸化炭素を冷却させることを特徴としている。
この特徴によれば、超臨界状態を保ったまま温度低下と共に大きく減少する二酸化炭素の体積に応じて流下断面積を減少させることができる。これにより、超臨界状態にある二酸化炭素の流速を高めて熱伝達率を大きくすることができる。

本発明に係る実施例１の熱交換器が適用された熱媒循環路を示す模式図である。 本発明に係る実施例１の熱交換器が適用されたガスクーラを示す概略図である。 本発明に係る実施例１の熱交換器を示す概略図である。 本発明に係る実施例１の熱交換器の要部を示す図である。 本発明に係る実施例１の熱交換器の要部を破断して示す図である。 本発明に係る実施例２の熱交換器の要部を破断して示す図である。

本発明に係る熱交換器を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る熱交換器につき、図１～図５を参照して説明する。以下、図２にて示す上下左右方向に加え、紙面手前側を前方向、紙面奥側を後方向として説明する。

図１に示されるように、本実施例の熱交換器１０は、熱媒循環路としての冷凍サイクル１の一部を構成しているガスクーラ３に適用されている。

冷凍サイクル１は、産業冷凍機に用いられるものであって、圧縮機２と、ガスクーラ３と、膨張弁４と、蒸発器５と、これらを連通接続して内部に熱媒を流通させる熱媒管８から主に構成されており、本実施例では熱媒として二酸化炭素を循環させている。図１において実線矢印で示すように、運転時において圧縮機２により圧縮された超臨界状態にある二酸化炭素は、ガスクーラ３、膨張弁４、蒸発器５の順に熱媒管８を介して通過され、再度圧縮機２より圧送されることで循環される。

図２に示されるように、ガスクーラ３は、筐体６と、筐体６の上部に設けられるファン７と、一対の熱交換器１０，１０から主に構成されており、いわゆる室外機として室外に配置されている。一対の熱交換器１０，１０は、下方から上方に向かって互いに離間するように傾斜して略Ｖ字状に対向配置されている。

ファン７が駆動されると、図２において白抜き矢印で示すように、筐体６の側方の開口部６ａから外部流体としての外気が吸引され、筐体６の上方の排出口６ｂから排出される。これにより、二方向から外気を吸引して一対の熱交換器１０，１０を通過させることができるため、ガスクーラ３は多量の熱媒を一度に冷却することが可能となっている。

図１に戻って、それぞれの熱交換器１０は、複数のフィン１１と、熱媒主管路１２から主に構成されている。

複数のフィン１１は、その面方向が、外気が通過する方向に沿った状態で、外気が通過する方向に対して略直交方向に並設されている。

熱媒主管路１２は、圧縮機２の下流側の熱媒管８と膨張弁４の上流側の熱媒管８に連通接続されている。

熱媒主管路１２について詳しくは、図３に示されるように、熱媒主管路１２は、上流側のヘッダ１３と、下流側のヘッダ１４と、熱媒流路としての８組の熱媒管路１５から主に構成されている。

上流側のヘッダ１３は、圧縮機２の下流側の熱媒管８に連通接続されている。

下流側のヘッダ１４は、膨張弁４の上流側の熱媒管８に連通接続されている。

熱媒管路１５は、８組のユニットＵ１～Ｕ８に１組ずつ設けられており、各々がヘッダ１３，１４それぞれに連通接続されている。これにより、上流側のヘッダ１３から下流側のヘッダ１４に至るまでの流路は、８つに分岐されている。なお、図３は、図２において右側に図示されている熱交換器１０を概略的に図示したものである。

図３におけるユニットＵ１に例示されるように、１組の熱媒管路１５は、２本の上流側の接続管１６，１６’と、直管１７，１７’，１８，１８’，１９，１９’，２０～３７と、複数本の曲管３８と、１本の連結管３９と、１本の下流側の接続管４０から構成されている。

上流側の接続管１６，１６’は、上流側のヘッダ１３に連通接続されている。

直管１７～３７は直線状に延びており、各フィン１１をその面方向に対して直交方向に貫通している。

曲管３８は、隣接する２本の直管の長手方向端部を連通接続している。

連結管３９は、３本の直管１９，１９’，２０の長手方向端部を連通接続している。

下流側の接続管４０は、下流側のヘッダ１４に連通接続されている。

各管１６～４０は、銅、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属等からなり、それぞれの流下断面は略円形状であって、各管１６～４０それぞれの流下断面積Ｓ（図５参照）は略同一となっている。以降、各管１６～４０の配置関係について説明する。

図３において実線で示される２本の上流側の接続管１６，１６’は、上流側の端部が上流側のヘッダ１３に溶接固定され、下流側の端部が直管１７，１７’のいずれかの前方側の端部に溶接固定されている。

直管１７～３７は、互いに略平行に配設されており、縦６列で各列４段に配列されている。詳しくは、上流側のヘッダ１３側から下流側のヘッダ１４に向かって熱媒が流れる順に、直管１７，１７’，１８，１８’が配置されている１列目と、直管１９，１９’，２０，２１が配置されている２列目と、直管２２，２３，２４，２５が配置されている３列目と、直管２６，２７，２８，２９が配置されている４列目と、直管３０，３１，３２，３３が配置されている５列目と、直管３４，３５，３６，３７が配置されている６列目があり、奇数列と偶数列で千鳥状に配置されている。

図３において曲管３８は、上流側の直管の下流側の端部と下流側の直管の上流側の端部とを連通接続するものであり、略Ｕ字状に形成されている。実線で示される曲管３８は、各直管において前方側の端部に溶接固定されており、破線で示される曲管３８は、各直管において後方側の端部に溶接固定されている。

図３において破線で示される連結管３９は、直管１９，１９’，２０，２１が配置されている２列目に沿って配置されており、直管１９，１９’，２０それぞれの後方側の端部に溶接固定されている。

連結管３９について詳しくは、図４に示されるように、連結管３９は、上流側の直管１９，１９’の下流側の端部１９ａ，１９ａ’と下流側の直管２０の上流側の端部２０ａとを連通接続するものであり、丸みを帯びた略Ｅ字状に形成されている。

連結管３９は、直管１９，１９’の端部１９ａ，１９ａ’と接続され直線状に延びている接続端部３９ａ，３９ａ’と、これら接続端部３９ａ，３９ａ’に連続して四分の一円弧状に湾曲して延びている曲線部３９ｂ，３９ｂ’と、これら曲線部３９ｂ，３９ｂ’それぞれに連続して直線状に延びている直線部３９ｃと、直線部３９ｃにおける軸方向中央に略直交して接続端部３９ａ，３９ａ’と略平行に延びている直交部３９ｄとを有している。また連結管３９の上述した各部の流下断面積Ｓ（図５参照）は略同一となっている。なお、図４，図５に示されるように、直管１９，１９’，２０と連結管３９とは、互いの端部同士が溶接部Ｗにて溶接されている。

図３に戻って、破線で示される下流側の接続管４０は、上流側の端部が直管３７の後方側の端部に溶接固定され、下流側の端部が下流側のヘッダ１４に溶接固定されている。

次に、熱媒管路１５における熱媒の流れについて説明する。なお、本説明では、熱媒の流れ順をより分かりやすくするべく、各曲管３８の記載を省略する。

図３に示されるように、圧縮機２から圧送されてヘッダ１３に流入した熱媒は、８組のユニットＵ１～Ｕ８それぞれの熱媒管路１５における合計１６本の上流側の接続管１６，１６’，…に分配される。すなわち１組の熱媒管路１５には、２本の上流側の接続管１６，１６’から直管１７，１７’に熱媒が流入する。各ユニットＵ１～Ｕ８それぞれの熱媒管路１５における熱媒の流れの態様は同一のため、以下ユニットＵ１の熱媒管路１５における熱媒の流れについて説明する。

図３～図５に示されるように、直管１７に流入した熱媒は、直管１８，１９を通過して連結管３９に流入する。同様に、直管１７’に流入した熱媒は、直管１８’，１９’を通過して連結管３９に流入する。そして、連結管３９より直管２０に流入し、以降の各管２１～３７，４０を通過して下流側のヘッダ１４に流入する。

これらのように、各管２０～３７，４０は本発明の一の流路であり、各管１６～１９および各管１６’～１９’は本発明の分岐流路である。以降、単に一の流路２０～３７，４０と記載し、２つの分岐流路１６～１９，１６’～１９’と記載する場合もある。

このように、２つの分岐流路１６～１９，１６’～１９’を一の流路２０～３７，４０に合流させる構成とすることで、上流側に位置する分岐流路１６～１９の流下断面積Ｓと、分岐流路１６’～１９’の流下断面積Ｓの合計値２Ｓ（２Ｓ＝Ｓ＋Ｓ）を、下流側に位置する一の流路２０～３７，４０の流下断面積Ｓの２倍とすることができる。すなわち、上流側の流下断面積の合計値２Ｓが下流側の流下断面積Ｓよりも大きい熱媒管路１５を簡便に構成することができる。

次に、２つの分岐流路１６～１９，１６’～１９’から一の流路２０～３７，４０に合流される際の熱媒の流れの変化について詳しく説明する。

まず、分岐流路１６～１９を流れる熱媒は、直管１９より連結管３９おける接続端部３９ａから曲線部３９ｂ（図５参照）に流入する。同様に、分岐流路１６～１９’を流れる熱媒は、直管１９’より連結管３９における接続端部３９ａ’から曲線部３９ｂ’（図５参照）に流入する。

図５にて細矢印で示すように、連結管３９に流入した熱媒は、曲線部３９ｂから直線部３９ｃに流入する。同様に、曲線部３９ｂ’に流入した熱媒も曲線部３９ｂ’から直線部３９ｃに流入する。

ここで、各管１６～１９における軸長と、各管１６’～１９’における軸長は略同一となっている。また、上述したように、各管１６～１９それぞれの流下断面積Ｓ（図５参照）と、各管１６’～１９’それぞれの流下断面積Ｓは略同一となっている。

さらに、直管１７，１８と直管１７’，１８’は同じ１列目に配置され、直管１９，１９’，２０，２１と連結管３９は同じ２列目に配置されている。図３にて白抜き矢印で示すように、外気は６列目から１列目に向かって熱交換器１０を通過するに伴い、順次、各列の直管内の熱媒と熱交換する。

そのため、同列である直管１９，１９’，２０，２１と連結管３９の周囲を通過する外気の温度は略同一である。また、同列である直管１７，１８と直管１７’，１８’の周囲を通過する外気の温度は略同一である。

これらにより、曲線部３９ｂから直線部３９ｃに流入する熱媒の所定重量に対する体積と、曲線部３９ｂ’から直線部３９ｃに流入する熱媒の所定重量に対する体積は略同一であり、また曲線部３９ｂから直線部３９ｃに流入する熱媒の流速と、曲線部３９ｂ’から直線部３９ｃに流入する熱媒の流速は略同一である。

これら熱媒は、直線部３９ｃにおける対向方向から直交部３９ｄが連通する直線部３９ｃにおける軸方向中央に向かって流入して合流し、直交部３９ｄに流入する。

これにより、熱媒が流れる領域の流下断面積は、直線部３９ｃにおける曲線部３９ｂ側の流下断面積Ｓと、直線部３９ｃにおける曲線部３９ｂ’側の流下断面積Ｓとの合計値２Ｓから、直交部３９ｄにおける流下断面積Ｓに変更される。すなわち、流下断面積は半分に減少する（２Ｓ→Ｓ）。

このことから、各曲線部３９ｂ，３９ｂ’から直線部３９ｃに流入した熱媒の流速よりも、直線部３９ｃから直交部３９ｄに流入した熱媒の流速を上昇させることができる。

ここで、流下断面積が半分に減少すると、曲線部３９ｂや曲線部３９ｂ’を通過する熱媒の流速に対して、直交部３９ｄを通過する熱媒の流速は理論上２倍となる。しかしながら、実際の管内の熱媒の流れでは後述するように僅かではあるが圧力損失が発生するため、曲線部３９ｂや曲線部３９ｂ’を通過する熱媒の流速に対して、直交部３９ｄを通過する熱媒の流速は２倍を僅かに超える適切な流速となる。

これについて詳しくは、一の流路である直管２０は、分岐流路である直管１９，１９’の間に配設されており、連結管３９における直線部３９ｃおよび直交部３９ｄによりＴ字状に接続されている。

これにより、分岐流路１６～１９から流入する熱媒と、分岐流路１６’～１９’から流入する熱媒が、直線部３９ｃにおける軸方向両端より同中央に向かって移動して衝突する、すなわち直線部３９ｃにおける軸方向中央にて正面衝突することで圧力損失が発生する。

そのため、直交部３９ｄに流入する直前に熱媒の流速は僅かに速まることとなる。このことから、曲線部３９ｂや曲線部３９ｂ’を熱媒が通過するときと比較すると、熱媒が流れる領域の流下断面積が半分に減少する一方で、熱媒の流速は２倍を僅かに超える適切な流速となる。

加えて、上述したように、分岐流路１６～１９を流れる熱媒の流速と、分岐流路１６’～１９’を流れる熱媒の流速は略同一であるため、例えば分岐流路１６～１９の熱媒の流速が分岐流路１６’～１９’の熱媒の流速よりも上昇している場合と比較して、直線部３９ｃにおける直交部３９ｄの軸心近傍で正面衝突させやすくなっている。

これらにより、２つの分岐流路１６～１９，１６’～１９’のうち一方の流路の熱媒が他方の流路に流入することや、一方の流路の熱媒が他方の流路の熱媒よりも優先的に直交部３９ｄに流入されにくくなるため、２つの分岐流路１６～１９，１６’～１９’から略均等に一の流路２０～３７，４０へ熱媒を流入させやすくなっている。すなわち、２つの分岐流路１６～１９，１６’～１９’が互いに影響を及ぼしにくくなっている。

ところで、直管１９から直線部３９ｃに流入する熱媒の所定重量に対する体積は、外気との熱交換により上流側の接続管１６における熱媒の所定重量に対する体積よりも小さくなっている。これは、直管１９’から直線部３９ｃ’に流入する熱媒についても同様である。すなわち、分岐流路１６～１９の下流側を流れる熱媒の流速も、分岐流路１６’～１９’の下流側を流れる熱媒の流速も共に低下している。

これら、分岐流路１６～１９または分岐流路１６’～１９’を通過する熱媒の体積変化に応じて、流下断面積Ｓが変更されて流速が上昇されるため、熱媒の流速を所定以上の流速よりも速い一定以上に保持することができる。これにより、熱交換器１０は熱交換効率を高めることができる。

また、上述したように、上流側の流下断面積Ｓの合計値２Ｓは、下流側の流下断面積Ｓの２倍であるため、過剰な流速変化を抑制することができる。

また、上述したように、同じ列に配置されている直管１９，１９’，２０，２１と連結管３９の周囲を通過する外気の温度は略同一であるため、急激な温度変化が及びにくい場所で熱媒を合流させることができる。

例えば直管１９，１９’とは異なる列に配置されている直管２５にて熱媒が合流される構成では、外気の流れ方向における上流側であるため、より低温の外気によって熱媒が冷却されることになる。合流により熱媒の流れが乱れている状態で急激な温度変化が及ぶことにより、さらに熱媒の流れが乱れる虞がある。これに対して、本実施例の熱媒管路１５は、合流させた熱媒の流れを安定させやすくなっている。

さらに、連結管３９にて合流された熱媒は、同じ列に配置されている２つの直管２０，２１を通過して隣の列にある直管２２に流入するため、外気の温度変化が生じるまでに流れが安定されやすくなっている。

以上のように、本実施例の熱交換器１０は、熱媒の流速を一定以上に保つことができるため、熱媒管路１５における上流側から下流側に亘って温度境界層や粘性底層の厚みを十分に薄くすることができる。これにより、熱交換効率が高められている。

また、一の流路２０～３７，４０は１つであるため、熱媒を略均等に合流させることができる。

また、一の流路２０～３７，４０における直管２０は、分岐流路１６～１９における直管１９と分岐流路１６’～１９’における直管１９’との間に配設されているため、直管１９と直管２０の間の距離と、直管１９’と直管２０の間の距離を略同一かつ短くすることができる。

また、熱交換器１０は、上流側のヘッダ１３に流入した熱媒が、８組のユニットＵ１～Ｕ８それぞれの熱媒管路１５に分配され、各組のユニットＵ１～Ｕ８それぞれで熱交換することになり、すなわち熱交換がなされる領域の表面積が大きくなるため、ヘッダ１３に流入した所定質量当たりの熱媒の熱交換効率の向上が図られている。

また、熱交換器１０は、熱媒である超臨界状態の二酸化炭素を冷却させるものであり、超臨界状態を保ったまま温度低下と共に大きく減少する二酸化炭素の体積に応じて流下断面積を減少させることができる。これにより、流下断面積が一定である熱交換器よりも、温度低下により体積が減少した二酸化炭素の流速を高めて熱伝達率を大きくすることができる。

また、本実施例の熱媒は超臨界状態にある熱媒であるため、熱交換器１０を通過するにあたり、液化することが防止されている。これにより、熱媒管路１５が上下方向に複数回往復する構成であっても、熱媒が停滞することが防止されている。そのため、熱媒管路１５の軸長を確保することが可能であり、熱媒効率を高めることができる。

また、本実施例の熱媒は超臨界状態にある熱媒であり、熱交換器１０を通過するに当たり状態変化、すなわち相変化が生じないため、同じ列にて熱媒を合流させることが容易である。本実施例の場合、超臨界状態が生じ得る配管長さ領域における中間部等の適切な箇所にて、複数の分岐流路を一の流路に合流させるように配管を設計することが好ましい。

なお、相変化が生じる熱媒を利用する場合であっても、熱媒の相変化が生じ得る配管長さ領域における中間部等の適切な箇所にて、複数の分岐流路を一の流路に合流させるように配管を設計することが好ましい。このことから、超臨界状態若しくは相変化など、極端に大きな体積変化が生じ得る配管長さ領域における中間部等の適切な箇所にて、複数の分岐流路を一の流路に合流させるように配管を設計するとよい。そのため、同じ列に配置されているのであれば、熱媒の体積変化を考慮して適宜の列にて複数の分岐流路が一の流路に合流されていてもよい。

また、本実施例では、一つの一の流路から、２つの分岐流路に分岐される構成として説明したが、これに限られず、体積変化に応じて、一の流路の数と、分岐流路の数は適宜変更されてもよい。

次に、実施例２に係る熱交換器につき、図６を参照して説明する。なお、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

本実施例２の熱交換器は、冷凍庫内に連通して冷気を循環させる冷気循環路の途中に設けられている蒸発器５（図１参照）に適用されている。また、本実施例の熱交換器は、前記実施例１の熱交換器１０（図３参照）と同一構成である一方、直接の図示は省略するが外気の流れ方向と、図６に示されるように、熱媒の流れ方向が逆転している点で異なっている。

これにより、本実施例の熱媒管路１１５では、一の流路４０，３７～２０（図３参照）から連結管３９における直交部３９ｄに熱媒が流入して、２つの分岐流路１９～１６，１９’～１６’（図３参照）に分流される。

これにより、熱媒が流れる領域の流下断面積は、直交部３９ｄにおける流下断面積Ｓから、直線部３９ｃにおける曲線部３９ｂ側の流下断面積Ｓと、直線部３９ｃにおける曲線部３９ｂ’側の流下断面積Ｓとの合計値２Ｓに変更される。すなわち、流下断面積は２倍に増加する（Ｓ→２Ｓ）。

そのため、一の流路４０，３７～２０から直交部３９ｄに流入した熱媒の流速よりも、直交部３９ｄから直線部３９ｃにおける曲線部３９ｂ側または曲線部３９ｂ’側に流入した熱媒の流速を低下させることができる。

また、一の流路４０，３７～２０は、連結管３９における直交部３９ｄと直線部３９ｃにより、２つの分岐流路１９～１６，１９’～１６’とＴ字状に接続されているため、直交部３９ｄから直線部３９ｃに流入した熱媒は、直交部３９ｄの軸心に対して略直交している直線部３９ｃの管内壁３９ｅに衝突する。これにより圧力損失が発生する。

加えて、分岐流路１９～１６における軸長および流下断面積、すなわち流路内の容積と、分岐流路１９’～１６’における容積は略同一であるため、直線部３９ｃにおける直交部３９ｄの軸心近傍にて分岐流路１９～１６側に向かって作用する圧力と、分岐流路１９’～１６’向かって作用する圧力を略同一とすることができる。

これらにより、直線部３９ｃにおける直交部３９ｄの軸心近傍より、２つの分岐流路１９～１６，１９’～１６’のうち一方の流路に偏って熱媒が流入されにくくなるため、一の流路４０，３７～２０から２つの分岐流路１９～１６，１９’～１６’へ略均等に熱媒を分流させやすくなっている。すなわち、２つの分岐流路１９～１６，１９’～１６’が互いに影響を及ぼしにくくなっている。

ところで、一の流路４０，３７～２０から直交部３９ｄに流入する熱媒の所定重量に対する体積は、冷気との熱交換により上流側の接続管４０における熱媒の所定重量に対する体積よりも大きくなっている。すなわち、一の流路４０，３７～２０の熱媒の流速は上昇している。

このように、一の流路４０，３７～２０を通過する熱媒の体積変化に応じて、流下断面積Ｓが変更されるため、熱媒の一定以上の流速を保持しつつ、直交部３９ｄよりも下流側における各管３９～１６の表面積の合計値を増加させて熱交換効率を高めることができる。

また、一の流路２０～３７，４０は１つであるため、熱媒を略均等に分流させることができる。

また、上述したように、同じ列に配置されている直管１９，１９’，２０，２１と連結管３９の周囲を通過する冷気の温度は略同一であるため、急激な温度変化が及びにくい場所で熱媒を分流させることができる。

また、熱交換器１０は、熱媒である二酸化炭素を主に蒸発させるものであり、蒸発と共に大きく増加する体積に応じて流下断面積を増加させることができる。これにより、流下断面積が一定である熱交換器よりも、二酸化炭素の流速を一定以上に保ちつつ熱交換効率を大きくすることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例１，２では、熱媒循環路は冷凍機に適用される冷凍サイクルであるとして説明したが、これに限られず、空気調和機に適用されるヒートポンプであってもよく、適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒は二酸化炭素であるとして説明したが、これに限られず、周知の熱媒に適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、外部流体は外気または冷気であるとして説明したが、これに限られず、他の気体、水等の液体であってもよく、適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、熱交換器は、フィンを有するいわゆるプレート式であるとして説明したが、これに限られず、フィンチューブ式であってもよく、適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、熱媒の流れを合流または分流可能な８組のユニットから構成されているとして説明したが、これに限られず、１組以上であればよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、一の配管に対して２つの分岐配管が接続されていることで、上流側の面積と下流側の面積が変更される構成として説明したが、これに限られず、流下断面積の大きい流路と流下断面積の小さい流路が接続されることで流下断面積が変更される構成であってもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、一の配管に対して２つの分岐配管が連通接続されている構成として説明したが、これに限られず、３つ以上の分岐配管が連通接続されていてもよい。また、２つ以上の一の配管に対して、一の配管よりも多数の分岐配管が連通接続されていてもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、各ユニットにおいて一回だけ流下断面積が変更される構成として説明したが、これに限られず、複数回流下断面積が変更される構成であってもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、一の配管に対して２つの分岐配管がＴ字状に連通接続されている構成として説明したが、これに限られず、例えばＹ字状であってもよい。このような構成であれば、例えば実施例１のように熱媒が合流する際に、熱媒同士が正面衝突することを避け、互いに傾斜した状態で衝突するため、圧力損失を抑制することができる。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、２列目にて合流または分流されている構成として説明したが、これに限られず、同じ列に配置されているのであれば、熱媒の大きな体積変化が生じ得る配管長さ領域における中間部等の適切な箇所を考慮して適宜の列に配置されていてもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路を構成する各管は、流下断面積が同一であるとして説明したが、これについて詳しくは、流下断面積の平均値が同一であればよい。具体的には、上述したように、単一の流下断面積を有し、平坦状に内周面が連続する構成に限られず、内周面が軸方向に向かって一部に凹凸を有する形状であってもよい。すなわち、流下断面積の平均値が同一であれば、熱媒流路の断面形状は適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、直管は、縦６列で各列４段に配列されている構成として説明したが、これに限られず、直管の配列は適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、熱媒流路は、その上流側がヘッダに接続されている構成として説明したが、これに限られず、ディストリビュータであってもよく、適宜変更されてもよい。

１ 冷凍サイクル（熱媒循環路）
２ 圧縮機
３ ガスクーラ
４ 膨張弁
５ 蒸発器
１０ 熱交換器
１１ フィン
１２ 熱媒主管路
１５ 熱媒管路（熱媒流路）
１６～１９ 直管（分岐流路）
１６’～１９’ 直管（分岐流路）
２０～３７，４０ 直管（一の流路）
３９ 連結管
３９ａ，３９ａ’ 接続端部
３９ｂ，３９ｂ’ 曲線部
３９ｃ 直線部
３９ｄ 直交部
１１５ 熱媒管路
Ｓ 流下断面積
２Ｓ 流下断面積の合計値
Ｕ１～Ｕ８ ユニット

Claims (8)

1. 熱媒循環路を構成する熱媒流路を備える熱交換器であって、
   前記熱媒流路は、上流側の流下断面積および下流側の流下断面積の一方が他方よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱媒流路は、一の流路と、該一の流路から分岐される複数の分岐流路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記一の流路は、１つであることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記一の流路および前記複数の分岐流路は、前記熱交換器と熱交換する外部流体が通過する方向に複数配置されている前記熱媒流路の列のうち、同じ列に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記一の流路は、２つの前記分岐流路の間に配設されており、Ｔ字状若しくはＹ字状に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 上流側の流下断面積および下流側の流下断面積の一方は、他方の２倍であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記熱交換器は、熱媒である二酸化炭素を冷却させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記熱交換器は、熱媒である超臨界状態の二酸化炭素を冷却させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。

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