JP6015229B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来から、特許文献１（特開２０１１−０９９６６４号公報）に示すように、複数の扁平管を利用した熱交換器が利用されている。熱交換器は、主として、複数の扁平管と、ヘッダーとによって構成される。ヘッダーは、各扁平管の端部を接続させる部材である。複数の扁平管は、ヘッダーの側面に形成された孔に挿し込まれることによりヘッダーに接続される。ヘッダーは、接続された複数の扁平管に冷媒を分流する機能を有する。ヘッダーは、耐圧強度に対する肉厚および製造性の観点から、円管が利用されることが多い。

ところで、熱交換器の熱交換性能を向上させるために、例えば、従来よりも幅寸法の大きい扁平管を採用することが考えられる。しかし、従来よりも幅寸法の大きい扁平管をヘッダーに接続させる場合、ヘッダーに挿し込まれる扁平管の量が制限されるため、ヘッダー内の冷媒の流速（ヘッダー内流速）の制御が困難である。

そこで、本発明の課題は、ヘッダー内流速の制御を可能にする熱交換器を提供することにある。

本発明の第１の観点に係る熱交換器は、複数の扁平管と、ヘッダーとを備える。複数の扁平管は、水平方向に沿って延びる。ヘッダーは、鉛直方向に沿って延び、各扁平管の端部が接続されて、各扁平管に二相冷媒を分流させる。ヘッダーは、第１円管部材と、第２円管部材とを有する。第１円管部材は、各扁平管の端部が接続される。第２円管部材は、第１円管部材の内径よりも小さな外径を有し、第１円管部材の内部空間で、鉛直方向に沿って延びる。

この熱交換器は、第１円管部材の内径よりも小さな外径を有する第２円管部材が、第１円管部材の内部空間に延びている。扁平管の端部は、第１円管部材に接続されている。これにより、ヘッダー内で冷媒が自由に通過する流路（自由通過流路）の断面積を小さくし、流速を上げることができる。

本発明の第２の観点に係る熱交換器は、第１の観点に係る熱交換器であって、ヘッダーは、誘導流路をさらに有する。誘導流路は、第１円管部材の内周面と、第２円管部材の外周面とによって形成される空間であって、二相冷媒を上方に向かって誘導する。ヘッダーは、誘導流路を流れた二相冷媒を複数の扁平管に分流する。

この熱交換器では、二相冷媒が、第１円管部材の内周面と、第２円管部材の外周面とによって形成される空間を流れて上方に誘導される。二相冷媒は、その後、複数の扁平管に分流される。これにより、第１円管部材の断面積に占める第２円管部材の断面積を大きくすることで、自由通過流路（誘導流路）の断面積を小さくすることができる。

本発明の第３の観点に係る熱交換器は、第１の観点に係る熱交換器であって、第２円管部材は、誘導流路と、複数の誘導孔とを有する。誘導流路は、第２円管部材の内部で二相冷媒を上方に向かって誘導する。複数の誘導孔は、第２円管部材の延びる方向に沿って配置されるように形成されている。ヘッダーは、形成空間をさらに有する。形成空間は、第１円管部材の内周面と、第２円管部材の外周面とによって形成される空間である。ヘッダーは、誘導流路を流れる二相冷媒を、複数の誘導孔から形成空間に噴出させた後、複数の扁平管に分流される。

この熱交換器では、二相冷媒が、第２円管部材の内部で上方に向かって誘導される。二相冷媒は、第２円管部材に形成された誘導孔から、第１円管部材の内周面と、第２円管部材の外周面とによって形成された空間に噴出される。二相冷媒は、その後、複数の扁平管に分流される。これにより、第２円管部材の断面積を小さくすることで、自由通過流路（誘導流路）の断面積を小さくすることができる。

本発明に係る第４の観点に係る熱交換器は、第２または第３の観点に係る熱交換器であって、扁平管の幅寸法は、第１円管部材の内径の８０％を超える。

この熱交換器では、扁平管の幅寸法が、第１円管部材の内径の８０％を超える。これにより、熱交換能力を向上させることができる。

本発明に係る第５の観点に係る熱交換器は、第２から第４の観点のいずれかに係る熱交換器であって、二相冷媒は、Ｒ３２冷媒である。

この熱交換器では、Ｒ３２冷媒を用いた場合であっても、二相冷媒をヘッダーの上方まで流すことができる。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、ヘッダー内で冷媒が自由に通過する流路（自由通過流路）の断面積を小さくし、流速を上げることができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器では、第１円管部材の断面積に占める第２円管部材の断面積を大きくすることで、自由通過流路（誘導流路）の断面積を小さくすることができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器では、第２円管部材の断面積を小さくすることで、自由通過流路（誘導流路）の断面積を小さくすることができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器では、熱交換能力を向上させることができる。

本発明の第５観点に係る熱交換器では、Ｒ３２冷媒を用いた場合であっても、二相冷媒をヘッダーの上方まで流すことができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の概略斜視図である。 冷媒回路に組み込まれた熱交換器の例を示す図である。 伝熱フィンの構成を示す部分拡大図である。 熱交換器の冷媒パスを示す図である。 第２ヘッダー内部の構成および第２ヘッダー内第４小空間から第２ヘッダー内第３小空間への冷媒の流れを示す図である。 第２ヘッダー内部の構成と、第２ヘッダー内第５小空間から第２ヘッダー内第２小空間への冷媒の流れおよび第２ヘッダー内第６小空間から第２ヘッダー内第１小空間への冷媒の流れとを示す図である。 第２ヘッダーの概略斜視図である。 図４のＩ−Ｉ断面のうち、第２ヘッダーの断面図である。 変形例Ａの熱交換器に関する第２ヘッダーの断面図である。 変形例Ｂに係る熱交換器の冷媒パスを示す図である。 変形例Ｂに係る第２ヘッダー内部の構成および第２ヘッダー内第４小空間から第２ヘッダー内第３小空間への冷媒の流れを示す図である。 変形例Ｂに係る第２ヘッダー内部の構成と、第２ヘッダー内第５小空間から第２ヘッダー内第２小空間への冷媒の流れおよび第２ヘッダー内第６小空間から第２ヘッダー内第１小空間への冷媒の流れとを示す図である。 変形例Ｂに係る第２ヘッダーの概略斜視図である。 図１０のＩＩ−ＩＩ断面のうち、第２ヘッダーの断面図である。 変形例Ｃの熱交換器に関する第２ヘッダーの断面図である。

以下、本発明に係る熱交換器１０の実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態に係る熱交換器１０は、冷媒−空気熱交換器である。特に、本実施形態に係る熱交換器１０は、冷媒回路を循環する冷媒としてＲ３２の単独冷媒を使用する。なお、以下の実施形態は、本発明の１つの具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器１０の概略斜視図である。熱交換器１０は、積層型熱交換器である。熱交換器１０は、空気を加熱源として、冷媒の蒸発器として機能する。

図２に、冷凍装置の冷媒回路に組み込まれた熱交換器１０の例を示す。図示しない別の利用側熱交換器から送られる高圧の液冷媒は、膨張弁３３で減圧されて低圧の気液二相冷媒となる。気液二相冷媒は、分流器２９によって各細管５７，５８，５９に分流されて、その後、熱交換器１０に送られる。

熱交換器１０は、図１に示されるように、主として、扁平多穴管（扁平管）１１と、伝熱フィン１２と、ヘッダー１３，１４とを有している。以下、各部の構成について詳細に説明する。

（２）各部の構成
（２−１）扁平多穴管
扁平多穴管１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属素材を用いて、押し出し成形等により製造される。

扁平多穴管１１は、伝熱面となる平面部と、冷媒が流れる複数の内部流路１１ａ（図３参照）とを有する。平面部は、長尺かつ幅広である。平面部の幅寸法は、約２５ｍｍである。平面部は、内部流路１１ａの上下に位置する。各扁平多穴管１１は、平面部を上下に向けた状態で、後述するヘッダー１３，１４に接続される。

平面部は、幅方向の第１端部が、空気の流れ方向に対して上流側に位置し、第１端部の反対側の端部（第２端部）が、空気の流れ方向に対して下流側に位置するように配置される（図１および図３参照）。

内部流路１１ａは、扁平多穴管１１の長手方向を貫通する。すなわち、内部流路１１ａは、平面部の長手方向に延びる。内部流路１１ａは、扁平多穴管１１の幅方向に複数並ぶように形成される。本実施形態では、図４に示すように、扁平多穴管１１が、１５個の内部流路１１ａを有する。

複数の扁平多穴管１１は、ヘッダー１３，１４の間で、上下方向に間隔をあけて複数段配列されている。一の扁平多穴管１１と他の扁平多穴管１１との間に形成された空間が、空気が流れる通風空間となる。

（２−２）伝熱フィン
図３に、伝熱フィン１２の構成を示す部分拡大図を示す。伝熱フィン１２は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製のフィンである。伝熱フィン１２は、扁平多穴管１１に接している。伝熱フィン１２には、伝熱フィン１２の幅方向に沿って細長く延びる複数の切り欠き１２ａが形成されている。各切り欠き１２ａは、扁平多穴管１１の平面部が水平面に対して平行に差し込まれるように、伝熱フィン１２に形成されている。切り欠き１２ａの形状は、扁平多穴管１１の断面の外形にほぼ一致している。

（２−３）ヘッダー
ヘッダー１３，１４は、扁平多穴管１１を支持する機能と、冷媒を扁平多穴管１１の内部流路１１ａに導く機能と、内部流路１１ａから出た冷媒を集合させる機能とを有する管部材である。ここでは、図４における紙面左側のヘッダーを第１ヘッダー１３と呼び、紙面右側のヘッダーを第２ヘッダー１４と呼ぶ。

第１ヘッダー１３は、図４に示すように、主として、外側部材３１と、平板１３ａ〜１３ｃとからなる。一方、第２ヘッダー１４は、図４から図６に示すように、主として、外側部材４１と、平板１４ａ〜１４ｅと、仕切り部材４２とからなる。以下、外側部材３１，４１と、平板１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｅと、仕切り部材（第２円管部材）４２とについて詳細に説明する。

（２−３−１）外側部材
外側部材３１，４１は、上下方向に延びる円管状の部材である。外側部材３１，４１は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製である。外側部材３１，４１は、ヘッダー１３，１４の外形を構成する。外側部材３１，４１は、複数の連続する小空間１３１〜１３４，１４１〜１４６を有する。複数の小空間１３１〜１３４，１４１〜１４６は、それぞれ、上下方向に延びる空間である。複数の小空間１３１〜１３４，１４１〜１４６は、外側部材３１，４１と後述する平板１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｅとによって形成される。より具体的に、複数の小空間１３１〜１３４，１４１〜１４６は、外側部材３１，４１の内周面（内壁）と、平板１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｅの面とによって形成される空間である。外側部材３１，４１の内径ｄ１は、扁平多穴管１１の幅寸法と同程度の寸法であり、約２５ｍｍ〜約２７ｍｍである（図８参照）。外側部材３１，４１の厚み寸法ｔ１は、約３ｍｍ〜約４ｍｍである（図８参照）。

外側部材３１，４１は、複数の扁平多穴管１１の長手方向先端を接合するための複数の接合部分３１ａ，４１ａを有する（図４および図７参照）。複数の接合部分３１ａ，４１ａは、外側部材の長手方向に沿って複数形成されている。具体的に、各接合部分３１ａ，４１ａは、扁平多穴管１１の先端部を挿し込むことが可能なように形成された幅広の挿し込み孔である（図７参照）。挿し込み孔３１ａ，４１ａは、外側部材４１の外面から内面に貫通するように形成されている。挿し込み孔３１ａ，４１ａに対し、ヘッダー１３，１４が延びる方向に交差するように扁平多穴管１１が挿入される（図４〜図６参照）。扁平多穴管１１の先端部が挿し込み孔３１ａ，４１ａに挿し込まれることで、ヘッダー１３，１４と扁平多穴管１１とが接続される。さらにロウ付け等によってヘッダー１３，１４に扁平多穴管１１が接合される。

図２および図４に示すように、外側部材３１，４１は、上下端が閉じられている。第１ヘッダー１３を構成する外側部材（第１ヘッダー外側部材）３１は、上部に、冷媒配管７１が接合される。また、第１ヘッダー外側部材３１は、下部に、分流器２９から延びる細管５７，５８，５９が接続されている。一方、第２ヘッダー１４を構成する外側部材（第２ヘッダー外側部材）４１には、第２ヘッダー１４の下方空間に送り込まれた冷媒を第２ヘッダー１４の上方空間に送り込むための連絡配管５４，５５が接合される。

（２−３−２）平板
平板１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｅは、図４〜図６に示すように、外側部材３１，４１の内部で縦に延びる空間を上下に仕切る部材である。言い換えると、平板１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｅは、外側部材３１，４１の内部空間を横切るように配置されている。具体的に、平板１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｅは、外側部材３１，４１が延びる方向に対して直交する方向に配置されロウ付けされている。

詳細には、平板１３ａ〜１３ｃは、第１ヘッダー外側部材３１の内部に、上下方向に並ぶ複数の小空間１３１〜１３４を形成する。より詳細には、平板１３ａ〜１３ｃは、第１ヘッダー外側部材３１の内部空間のうち下方空間を仕切ることによって、複数の小空間１３１〜１３４を形成する部材である。詳細には、図４に示すように、平板１３ａは、下から７段目の扁平多穴管１１と下から６段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。平板１３ｂは、下から５段目の扁平多穴管１１と下から４段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。平板１３ｃは、下から３段目の扁平多穴管１１と下から２段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。本実施形態では、平板１３ａ〜１３ｃによって、第１ヘッダー外側部材３１の内部には、４つの小空間１３１〜１３４が形成される。ここで、４つの小空間１３１〜１３４を、上方から順番に、第１ヘッダー内第１小空間１３１、第１ヘッダー内第２小空間１３２、第１ヘッダー内第３小空間１３３、および第１ヘッダー内第４小空間１３４とよぶ。

第１ヘッダー内第１小空間１３１は、上から１段目から２３段目までの２３の扁平多穴管１１と冷媒配管７１とを連通させる空間である。第１ヘッダー内第２小空間１３２は、上から２４段目および２５段目の２つの扁平多穴管１１と細管５７とを連通させる空間である。第１ヘッダー内第３小空間１３３は、上から２６段目および２７段目の２つの扁平多穴管１１と細管５８とを連通させる空間である。第１ヘッダー内第４小空間１３４は、上から２８段目および２９段目の２つの扁平多穴管１１と細管５９とを連通させる空間である。

一方、平板１４ａ〜１４ｅは、第２ヘッダー外側部材４１の内部で上下方向に並ぶ複数の小空間１４１〜１４６を形成する。詳細には、図４に示すように、平板１４ａは、上から８段目の扁平多穴管１１と上から９段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。平板１４ｂは、上から１５段目の扁平多穴管１１と上から１６段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。平板１４ｃは、上から２３段目の扁平多穴管１１と上から２４段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。平板１４ｄは、上から２５段目の扁平多穴管１１と上から２６段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。平板１４ｅは、上から２７段目の扁平多穴管１１と上から２８段目の扁平多穴管１１との間の位置に設けられる。本実施形態では、平板１４ａ〜１４ｅによって、第２ヘッダー外側部材４１の内部には、６つの小空間１４１〜１４６が形成される。ここで、６つの小空間１４１〜１４６を、上から順番に、第２ヘッダー内第１小空間１４１、第２ヘッダー内第２小空間１４２、第２ヘッダー内第３小空間１４３、第２ヘッダー内第４小空間１４４、第２ヘッダー内第５小空間１４５、および第２ヘッダー内第６小空間１４６とよぶ。

第２ヘッダー内第１小空間１４１は、上から１段目から８段目までの８つの扁平多穴管１１と連絡配管５４とを連通させる空間である。第２ヘッダー内第２小空間１４２は、上から９段目から１５段目までの７つの扁平多穴管１１と連絡配管５５とを連通させる空間である。第２ヘッダー内第５小空間１４５は、上から２６段目および２７段目の２つの扁平多穴管１１と、連絡配管５５とを連通させる空間である。第２ヘッダー内第６小空間１４６は、上から２８段目および２９段目の２つの扁平多穴管１１と、連絡配管５４とを連通させる空間である。

なお、平板１４ｃは、扁平多穴管１１に近い位置に連通孔が形成されている。連通孔は、第２ヘッダー内第３小空間１４３と、第２ヘッダー内第４小空間１４４とを連通させる孔である。すなわち、第２ヘッダー内第３小空間１４３と、第２ヘッダー内第４小空間１４４とは、平板１４ｃに形成された孔を介して連通する（図５参照）。

（２−３−３）仕切り部材
仕切り部材４２は、第２ヘッダー外側部材４１が有する内部空間のうち、冷媒が自由に通過する流路（自由通過流路）４４の断面積を小さくするために用いられる部材である。ここで、断面積とは、第２ヘッダー１４が延びる方向に対して直交する方向に切断した横断面の面積である。本実施形態では、特に、上下方向に延びる自由通過流路を、扁平多穴管１１と仕切り部材４２とが存在する高さ位置で切断した部分の面積を自由通過流路の断面積とよぶ。より具体的には、自由通過流路４４の断面積は、図８に示す断面図のうち、仕切り部材４２の外周面と、外側部材４１の内周面と、扁平多穴管１１の端面とによって囲まれる部分から、仕切り部材４２を除いた部分（点でハッチングした部分）である。

仕切り部材４２は、図４〜図８に示すように、外側部材４１の内部空間で、鉛直方向に沿って延びる円管状の部材である。すなわち、仕切り部材４２は、垂直方向に沿って延び、軸ｃ１周りに湾曲する外周面を有する（図７参照）。仕切り部材４２の下端部は、図４に示すように、連絡配管５４，５５の外壁、もしくは、平板１４ｃの上に載置された状態でロウ付けされている。

仕切り部材４２は、外側部材４１の内部空間のうち、扁平多穴管１１の端面から離れた位置に配置される。仕切り部材４２によって、外側部材４１の内部空間に、仕切り部材４２の外周面（外壁）と外側部材４１の内周面（内壁）とによって囲われた空間（形成空間）４４が形成される。本実施形態では、冷媒は形成空間４４を流れる。すなわち、当該形成空間４４は、自由通過流路４４となる。冷媒は、自由通過流路４４を通って上方へと誘導される。すなわち、自由通過流路４４は、冷媒を上方に誘導する流路（誘導流路）４４である。

仕切り部材４２は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製である。図８に示すように、仕切り部材４２は、外側部材４１の内径ｄ１よりも小さな外径ｄ２を有する。仕切り部材４２の外径ｄ２は、ヘッダー１４内の冷媒（自由通過流路４４を流れる冷媒）が、小空間１４１〜１４３の上方まで流れるような流速となるように設計される。具体的に、仕切り部材４２の外径ｄ２は、扁平多穴管１１が第２ヘッダー１４の中点Ｘまたは中点Ｘの近傍まで挿し込まれている状態で、第２ヘッダー外側部材４１の内周面によって形成される内部空間を、約半分程度に狭めるように設計される。

より具体的に、仕切り部材４２の外径ｄ２は、外側部材４１の内径ｄ１の半径ｄ１′よりも小さく、半径ｄ１′の１／２の寸法よりも大きい（１／２×ｄ１′＜ｄ２＜ｄ１′）。本実施形態では、仕切り部材４２の外径ｄ２は、約６ｍｍ〜約１３ｍｍである。仕切り部材の厚み寸法ｔ２は、約１ｍｍ〜２ｍｍである。

（２−４）冷媒の流れ
膨張弁３３で減圧されて低圧となった冷媒は、上述したように、分流器２９によって各細管５７，５８，５９に分流されて、その後、第１ヘッダー１３の下３つの内部空間１３２，１３３，１３４に送られる（図２および図４参照）。具体的には、細管５７に分流された冷媒は、第１ヘッダー内第２小空間１３２へと流れ込み、細管５８に分流された冷媒は、第１ヘッダー内第３小空間１３３へ流れ込み、細管５９に分流された冷媒は、第１ヘッダー内第４小空間１３４へと流れ込む。

第１ヘッダー内第２小空間１３２に流れ込んだ冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれて第２ヘッダー内第４小空間１４４に流れ込む。第２ヘッダー内第４小空間１４４に流れ込んだ冷媒（気液二相冷媒）は、その後、図５に示すように、平板１４ｃに形成された連通孔を通って第２ヘッダー内第３小空間１４３へと流れ込む。第２ヘッダー内第３小空間１４３へと流れ込んだ冷媒は、その後、外側部材４１の内壁と仕切り部材４２の内壁とによって囲われた空間（形成空間）４４を通って上方へ向けて流れると共に、複数の扁平多穴管１１に分流される。具体的に、形成空間４４を上方に向けて流れる冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれる（図５の矢印参照）。扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれた冷媒は、その後、第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合する。

また、第１ヘッダー内第３小空間１３３に流れ込んだ冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれて第２ヘッダー内第５小空間１４５に流れ込む。第２ヘッダー内第５小空間１４５に流れ込んだ冷媒（気液二相冷媒）は、その後、連絡配管５５を通って第２ヘッダー内第２小空間１４２に流れ込む（図６参照）。第２ヘッダー内第２小空間１４２に流れ込んだ冷媒は、形成空間４４を通って上方に向けて流れると共に、複数の扁平多穴管１１に分流される。具体的に、形成空間４４を上方に向けて流れる冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれる（図６の矢印参照）。扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれた冷媒は、その後、第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合する。

第１ヘッダー内第４小空間１３４に流れ込んだ冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれて第２ヘッダー内第６小空間１４６に流れ込む。第２ヘッダー内第６小空間１４６に流れ込んだ冷媒（気液二相冷媒）は、その後、連絡配管５４を通って第２ヘッダー内第１小空間１４１に流れ込む（図６参照）。第２ヘッダー内第１小空間１４１に流れ込んだ冷媒は、第２ヘッダー内第２小空間１４２に流れ込んだ冷媒と同様、形成空間４４を通って上方に向けて流れると共に、複数の扁平多穴管１１に分流される。具体的に、形成空間４４を上方に向けて流れる冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれる（図６の矢印参照）。扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれた冷媒は、その後、第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合する。

第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合した冷媒は、高圧のガス冷媒となって冷媒配管７１を介して図示しない圧縮機に流れる。

（３）特徴
（３−１）
上記実施形態では、冷媒の蒸発器として機能する熱交換器１０が、外側部材（第１円管部材）４１と、仕切り部材（第２円管部材）４２とからなる第２ヘッダー１４を備える。仕切り部材４２は、外側部材４１の内径ｄ１よりも小さな外径ｄ２を有し、外側部材４１の内部空間で、鉛直方向に沿って延びる。

近年、空調機（特に、業務用空調機）に扁平多穴管を利用した熱交換器が利用されるようになってきた。また、熱交換器のコンパクト化や低コスト化を実現するため、従来の扁平多穴管よりも幅寸法の大きい扁平多穴管の利用の要望が高まった。ところで、熱交換器の熱交換能力を上げるためには、ヘッダーに接続されている全ての扁平多穴管に適量の冷媒を送る必要がある。上記実施形態に係る熱交換器には、冷媒としてＲ３２が用いられている。Ｒ３２冷媒は、液密度とガス密度との比が大きいため、ヘッダーの上端付近に接続されている扁平多穴管に十分な量の冷媒を流すためには、ヘッダー内の冷媒の流速を上げる必要がある。ヘッダー内を流れる冷媒の流速は、冷媒循環量と、自由通過流路の断面積とによって求められる（ヘッダー内の冷媒の流速＝冷媒循環量／自由通過流路の断面積）。ここで、自由通過流路とは、ヘッダー内で冷媒が自由に通過する流路である。また、自由通過流路の断面積とは、特に、扁平多穴管が挿し込まれたヘッダーの部分の断面積を意味する。すなわち、扁平多穴管が挿し込まれたヘッダーの部分の断面積は、ヘッダーに挿し込む扁平多穴管の量（挿し込み量）に応じて変化する。したがって、従来は、ヘッダーに挿し込む扁平多穴管の量を増やしてヘッダー内の冷媒の流速を上げていた。

しかし、従来と同じ内径を有するヘッダーに対して幅寸法の大きい扁平多穴管を接続させた場合、扁平多穴管をヘッダーの奥行き方向に動かすことが困難であり、自由通過流路の断面積を制御することが困難である。一方、従来と同様に扁平多穴管の挿し込み量を変動可能にするために、ヘッダーの内径を大きく設計すると、コンパクト化や低コスト化を実現することができない。

そこで、上記実施形態に係る熱交換器１０では、ヘッダー１４が外側部材４１と仕切り部材４２とからなり、仕切り部材４２によって、ヘッダー内で冷媒が自由に通過する流路（自由通過流路）の断面積を小さくしている。これにより、例えば、幅寸法の大きい扁平多穴管１１をヘッダーに挿し込む場合であっても、冷媒の流速を適宜調整することができる。

（３−２）
上記実施形態に係る熱交換器１０では、二相冷媒が、外側部材４１の内周面および仕切り部材４２の外周面によって形成される空間（誘導流路）４４を通って上方に向かって誘導される。ヘッダー１４は、誘導流路４４を流れた冷媒を複数の扁平管１１に分流する。これにより、外側部材４１の断面積に占める仕切り部材４２の断面積を大きくすることで、自由通過流路（誘導流路）４４の断面積を小さくすることができる。

（３−３）
上記実施形態に係る熱交換器１０は、外側部材４１の内径の８０％を超える幅寸法を有する扁平多穴管１１を備える。熱交換器１０は、扁平多穴管１１の幅方向が、空気の流れ方向に一致するように配置されるため、熱交換器１０の熱交換能力を向上させることができる。

（４）変形例
（４−１）変形例Ａ
上記実施形態では、外側部材４１によって形成される内部空間に配置する仕切り部材４２として、外径ｄ２が約６ｍｍ〜約１３ｍｍの一つの円筒部材を用いた。ここで、上記実施形態に記載の仕切り部材４２に代えて、仕切り部材４２よりも小さい外径ｄ２′を有する仕切り部材５２を複数用いてもよい。具体的に、図９に示すように、外側部材４１の内部空間に、複数の仕切り部材５２を配置する。複数の仕切り部材５２は、互いの間に隙間が形成されないように並べて配置される。より具体的に、各仕切り部材５２は、部分的に、外側部材４１の内壁および他の仕切り部材５２と接触するように配置される。これにより、図９に示すように、複数の仕切り部材５２の外壁と外側部材４１の内壁とよって形成空間４４が形成される。二相冷媒は、この形成空間４４を通って上方へと流れる。ここでは、図９に示す断面図のうち、仕切り部材５２の外周面と、外側部材４１の内周面と、扁平多穴管１１の端面とによって囲まれる部分から、仕切り部材４２および仕切り部材４２と外側部材４１の内周面によって囲まれる部分を除いた部分（点でハッチングした部分）が、自由通過流路４４の断面積となる。このような構成を用いた場合には、上記実施形態に係る熱交換器１００と比較して、自由通過流路４４の断面積をより細かく制御することができる。

（４−２）変形例Ｂ
上記実施形態に係る熱交換器１０は、外側部材４１によって形成される内部空間に仕切り部材４２を配置し、外側部材４１の内周面（内壁）と仕切り部材４２の外周面（外壁）との間に形成される空間４４で冷媒を誘導した。

ここで、熱交換器は、冷媒が仕切り部材４２の内部空間を上方向に誘導されるように構成されていてもよい。以下、上記実施形態と異なる態様を有する構成について具体的に説明する。

図１０に、変形例Ｂに係る熱交換器１００の冷媒パスを示す。熱交換器１００は、上記実施形態に係る熱交換器１０と同様、図２に示すような、冷凍装置の冷媒回路に組み込まれている。熱交換器１００は、上記実施形態に係る第２ヘッダー１４に代えて、第２ヘッダー１６を備える。

（４−２−１）第２ヘッダー
第２ヘッダー１６は、図１０から図１２に示すように、主として、外側部材６１と、平板１６ａ〜１６ｅと、仕切り部材６２ａ〜６２ｃとからなる。

外側部材６１は、複数の扁平多穴管１１の長手方向先端を接合するための複数の接合部分６１ａを有する（図１３参照）。複数の接合部分６１ａは、外側部材６１の長手方向に沿って複数形成されている。接合部分６１ａは、上記実施形態に係る接合部分４１ａと同様の構成を有する。なお、外側部材６１のその他の構成も、上記実施形態に係る外側部材４１の構成と同様であるので、説明は省略する。

平板１６ａ〜１６ｅは、第２ヘッダー外側部材６１の内部に、上下方向に連続する複数の小空間１６１〜１６６を形成する。各平板１６ａ〜１６ｅは、上記実施形態に係る平板１４ａ〜１４ｅに対応する位置に設けられる。本実施形態では、平板１６ａ〜１６ｅによって、第２ヘッダー外側部材６１の内部に、６つの小空間１６１〜１６６が形成される。ここで、６つの小空間１６１〜１６６を、上から順番に、第２ヘッダー内第１小空間１６１、第２ヘッダー内第２小空間１６２、第２ヘッダー内第３小空間１６３、第２ヘッダー内第４小空間１６４、第２ヘッダー内第５小空間１６５、および第２ヘッダー内第６小空間１６６とよぶ。

第２ヘッダー内第１小空間１６１は、上から１段目から８段目までの８つの扁平多穴管１１と連絡配管５４とを連通させる空間である。第２ヘッダー内第２小空間１６２は、上から９段目から１５段目までの７つの扁平多穴管１１と連絡配管５５とを連通させる空間である。第２ヘッダー内第５小空間１６５は、上から２６段目および２７段目の２つの扁平多穴管１１と、連絡配管５５とを連通させる空間である。第２ヘッダー内第６小空間１６６は、上から２８段目および２９段目の２つの扁平多穴管１１と、連絡配管５４とを連通させる空間である。

なお、平板１６ｃは、扁平多穴管１１から遠い位置に連通孔が形成されている。また、連通孔には、仕切り部材６２ａの下端部が挿し込まれる。連通孔は、第２ヘッダー内第３小空間１６３と、第２ヘッダー内第４小空間１６４とを連通させる孔である。すなわち、第２ヘッダー内第３小空間１６３と、第２ヘッダー内第４小空間１６４とは、平板１６ｃに形成された連通孔を介して連通する（図１１参照）。

（４−２−２）仕切り部材
仕切り部材６２ａ〜６２ｃもまた、第２ヘッダー外側部材６１が有する内部空間のうち、冷媒が自由に通過する流路（自由通過流路）６４の断面積を小さくするために用いられる部材である。ここで、断面積とは、第２ヘッダー１６が延びる方向に対して直交する方向に切断した面（横断面）の面積であり、自由通過流路６４の断面積とは、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの内部空間の断面積である。より具体的には、自由通過流路６４の断面積とは、図１４のうち、点でハッチングした部分である。

図１０〜図１２に示すように、仕切り部材６２ａ〜６２ｃもまた、外側部材６１の内部空間のうち、扁平多穴管１１の端面から離れた位置に配置され、鉛直方向に沿って延びる円管状の部材である。

仕切り部材６２ａ〜６２ｃは、連続面６３ａを有する。連続面６３ａは、図１３に示すように、中心軸ｃ１周りに湾曲し、水平面に対して鉛直方向に連続して延びる面である。すなわち、連続面６３ａは、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの内周面および外周面を構成する。連続面６３ａは、外側部材６１の内部空間の高さ寸法と同程度の寸法を有する。したがって、連続面６３ａは、外側部材６１の内部で連続する空間を、連続面６３ａに囲われる空間と、連続面６３ａの外側の空間とに仕切る。

具体的に、連続面６３ａは、外側部材６１内部に連続する空間を、縦に延びる２つの空間に仕切る。２つの空間には、二相冷媒を上方に誘導する誘導空間６４と、二相冷媒を扁平多穴管１１に分配する分配空間６５とが含まれる。誘導空間６４は、２つの空間のうち、扁平多穴管１１から遠い位置に形成された空間である。誘導空間６４は、冷媒が自由に通過する流路（自由通過流路）である。言い換えると、誘導空間６４は、冷媒が上方へと誘導される誘導流路である。誘導空間６４は、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの内周面（内壁）、すなわち、連続面６３ａによって囲まれる空間である。一方、分配空間６５は、２つの空間のうち、扁平多穴管１１に隣接する領域を含む空間である。分配空間６５は、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの外周面（外壁）と外側部材６１の内周面（内壁）とによって形成される空間（形成空間）である。言い換えると、分配空間６５は、連続面６３ａと外側部材６１の内壁とによって囲まれる空間である。

仕切り部材６２ａ，６２ｂの下端部は、連絡配管５４，５５の上端部と接合される。すなわち、仕切り部材６２ａ，６２ｂの下端部は、連絡配管５４，５５を通って送られた冷媒が仕切り部材６２ａ，６２ｂの内部空間６４に流れ込むように、連絡配管５４，５５の上端部と連結されている。また、仕切り部材６２ｃの下端部は、平板１６ｃに形成された孔に挿し込まれた状態でロウ付けされている。すなわち、仕切り部材６２ｃの下端部は、第２ヘッダー内第４小空間１６４で集合した冷媒を、第２ヘッダー内第３小空間１６３へと誘導するように、平板１６ｃに形成された孔に挿し込まれている。

仕切り部材６２ａ〜６２ｃは、複数の誘導孔６３ｂを有する。複数の誘導孔６３ｂは、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの長手方向に沿って配置されるように連続面６３ａに形成されている。誘導孔６３ｂは、誘導空間６４と分配空間６５とを連通させる。誘導孔６３ｂは、分配空間６５において空気の流れ方向上流側に向けて冷媒が噴き出されるように、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの連続面６３ａのうち、空気の流れ方向上流側に形成されている。

仕切り部材６２ａ〜６２ｃもまた、上記実施形態に係る仕切り部材４２と同様、アルミニウム製またはアルミニウム合金製である。仕切り部材６２ａ〜６２ｃは、図１４に示すように、外側部材６１の内径ｄ１よりも小さな外径ｄ２を有する。仕切り部材６２ａ〜６２ｃの外径ｄ２は、ヘッダー１６内の冷媒が、小空間１６１〜１６３の上方まで流れるような流速となるように設計される。仕切り部材６２ａ〜６２ｃの外径ｄ２は、約６ｍｍ〜約１３ｍｍである。仕切り部材の厚み寸法ｔ２は、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。

（４−２−３）冷媒の流れ
膨張弁３３で減圧されて低圧となった冷媒は、上記実施形態に係る熱交換器と同様、分流器２９によって各細管５７，５８，５９に分流されて、その後、第１ヘッダー１３の下３つの内部空間１３２，１３３，１３４に送られる（図２および図１０参照）。

第１ヘッダー内第２小空間１３２に流れ込んだ冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれて第２ヘッダー内第４小空間１６４に流れ込む。第２ヘッダー内第４小空間１６４に流れ込んだ冷媒（気液二相冷媒）は、その後、図１１に示すように、平板１６ｃに挿し込まれた仕切り部材６２ｃの内部空間６４に吸い込まれ、第２ヘッダー内第３小空間１４３へと流れ込む。第２ヘッダー内第３小空間１４３へと流れ込んだ冷媒は、上方へ向けて流れると共に、誘導孔６３ｂから分配空間（形成空間）６５に向けて噴き出される。このとき、冷媒は、扁平多穴管１１の風上側端部に近い位置に向けて噴き出される。分配空間６５に噴き出された冷媒は、噴き出された高さ位置の近傍に配置された扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれる（図１１の矢印参照）。扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれた冷媒は、その後、第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合する。

また、第１ヘッダー内第３小空間１３３に流れ込んだ冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれて第２ヘッダー内第５小空間１６５に流れ込む。第２ヘッダー内第５小空間１６５に流れ込んだ冷媒（気液二相冷媒）は、その後、連絡配管５５を通って第２ヘッダー内第２小空間１６２に配置された仕切り部材６２ｂに流れ込む（図１２参照）。第２ヘッダー内第２小空間１６２の仕切り部材６２ｂに流れ込んだ冷媒は、上方へ向けて流れると共に、誘導孔６３ｂから分配空間６５に向けて噴き出される。ここでも、冷媒は、扁平多穴管１１の風上側端部に近い位置に向けて噴き出される。分配空間６５に噴き出された冷媒は、噴き出された高さ位置の近傍に配置された扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれる（図１２の矢印参照）。扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれた冷媒は、その後、第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合する。

第１ヘッダー内第４小空間１３４に流れ込んだ冷媒は、扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれて第２ヘッダー内第６小空間１６６に流れ込む。第２ヘッダー内第６小空間１６６に流れ込んだ冷媒（気液二相冷媒）は、その後、連絡配管５４を通って第２ヘッダー内第１小空間１６１に配置された仕切り部材６２ｂに流れ込む（図１２参照）。第２ヘッダー内第２小空間１６２の仕切り部材６２ａに流れ込んだ冷媒は、第２ヘッダー内第２小空間１６２の仕切り部材６２ｂに流れ込んだ冷媒と同様、上方へ向けて流れると共に、誘導孔６３ｂから分配空間６５に向けて噴き出される。ここでも、冷媒は、扁平多穴管１１の風上側端部に近い位置に向けて噴き出される。分配空間６５に噴き出された冷媒は、噴き出された高さ位置の近傍に配置された扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれる（図１２の矢印参照）。扁平多穴管１１の内部流路１１ａに吸い込まれた冷媒は、その後、第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合する。

第１ヘッダー内第１小空間１３１に流れ込んで集合した冷媒は、高圧のガス冷媒となって冷媒配管７１を介して図示しない圧縮機に流れる。

（４−２−４）特徴
上記実施形態に係る熱交換器１００は、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの内部空間が冷媒を上方へと誘導する誘導流路（誘導空間）６４となる。また、仕切り部材６２ａ〜６２ｃに誘導孔６３ｂを形成し、誘導流路６４を流れる冷媒が誘導孔６３ｂから、分配空間６５に噴き出される。誘導孔６３ｂから分配空間６５に噴き出された冷媒は、噴き出し位置の近傍に配置された扁平多穴管１１に分流される。接合部分６１ａを有する外側部材６１とは別の、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの内部空間６４を冷媒が流れるため、外側部材６１の内径に関係なく、自由通過流路（誘導流路）６４の断面積を小さくすることができる。これにより、幅寸法の大きい扁平多穴管１１を外側部材６１に接続した場合であっても、ヘッダー内を流れる冷媒の流速を調整することが可能になる。

また、誘導孔６３ｂが、空気の流れ方向上流側に向けて冷媒が噴き出されるように、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの外壁のうち、空気の流れ方向上流側に形成されている。幅寸法の大きい扁平多穴管１１を用いた場合、扁平多穴管１１は、空気の流れ方向上流側と空気の流れ方向下流側とで、熱交換の負荷が大きく異なる。そのため、誘導孔６３ｂを空気の流れ方向上流側の外壁に形成し、空気の流れ方向上流側から冷媒を吹き出すことにより、熱交換器１００の熱交換効率を向上させることができる。

（４−３）変形例Ｃ
変形例Ｂに係る熱交換器１００は、仕切り部材６２ａ〜６２ｃに複数の誘導孔６３ｂが形成されており、誘導空間（誘導流路）６４を流れる冷媒は、複数の誘導孔６３ｂから分配空間６５に噴き出された。また、複数の誘導孔６３ｂは、分配空間６５において空気の流れ方向上流側に向けて冷媒が噴き出されるように、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの連続面６３ａのうち、空気の流れ方向上流側の部分に形成されていた。ここで、誘導孔６３ｂは、仕切り部材６２ａ〜６２ｃの連続面６３ａのうち、空気の流れ方向上流側に加えて、空気の流れ方向下流側にも形成されてもよい。このとき、空気の流れ方向上流側の連続面６３ａの部分に形成された誘導孔６３ｂの径が、空気の流れ方向下流側の連続面６３ａの部分に形成された誘導孔６３ｂの径よりも大きいことが好ましい。これにより、扁平多穴管１１の空気の流れ方向上流側の内部流路１１ａに多くの冷媒を送ることができる。

幅寸法の大きい扁平多穴管１１では、扁平多穴管１１は、空気の流れ方向上流側と空気の流れ方向下流側とで熱交換の負荷が大きく異なる。そのため、空気の流れ方向下流側の連続面６３ａの部分に形成された誘導孔６３ｂよりも、空気の流れ方向上流側の連続面６３ａの部分に形成された誘導孔６３ｂから噴き出される冷媒の量を多くすることにより、熱交換器１００の熱交換効率を一層向上させることができる。

（４−４）変形例Ｄ
上記実施形態に係る熱交換器１０は、扁平多穴管１１の断面の形状にほぼ一致した切り欠き１２ａを有し、扁平多穴管１１の平面部が水平面に対して平行に差し込まれて用いられる伝熱フィン１２を備えた（図４参照）。ここで、伝熱フィンは、上記実施形態で用いた伝熱フィンに代えて、波形フィンであってもよい。波形フィンは、板状素材が扁平多穴管１１の長手方向に沿って波形に折り曲げられることによって構成されたフィンである。波形フィンは、山折りの部分が扁平多穴管１１の平面部の下面にロウ付け等によって接合され、谷折りの部分が扁平多穴管１１の平面部の上面にロウ付け等によって接合される。

１０，１００ 熱交換器（室外熱交換器）
１１ 扁平多穴管（扁平管）
１２ 伝熱フィン
１３ 第１ヘッダー（ヘッダー）
１３ａ〜１３ｃ 平板
１４，１６ 第２ヘッダー（ヘッダー）
１４ａ〜１４ｅ，１６ａ〜１６ｅ 平板
３１ 外側部材、第１ヘッダー外側部材
４１ 外側部材、第２ヘッダー外側部材（第１円管部材）
４２，５２ 仕切り部材（第２円管部材）
４４ 自由通過流路（誘導流路）（形成空間）
６１ 外側部材、第２ヘッダー外側部材（第１円管部材）
６２ａ〜６２ｃ 仕切り部材（第２円管部材）
６３ａ 連続面
６３ｂ 誘導孔
６４ 誘導空間、自由通過流路（誘導流路）
６５ 分配空間（形成空間）
１３１〜１３４，１４１〜１４６，１６１〜１６６ 小空間

特開２０１１−０９９６６４号公報

Claims (6)

1. 水平方向に沿って延びる複数の扁平管（１１）と、
   鉛直方向に沿って延び、各扁平管の端部が接続されて、前記各扁平管に二相冷媒を分流させるヘッダー（１４，１６）と、
   を備え、
   前記ヘッダーは、
   前記各扁平管の端部が接続される第１円管部材（４１，６１）と、
   前記第１円管部材の内径よりも小さな外径を有し、前記第１円管部材の内部空間で、鉛直方向に沿って延び、前記鉛直方向に延びる接触部において前記第１円管部材の内壁と接触する第２円管部材（４２，５２，６２ａ〜６２ｃ）と、
   前記第１円管部材の前記内部空間に設けられ、前記第１円管部材の前記内部空間の断面積よりも小さな断面積を有し、前記二相冷媒を上方に向かって誘導する誘導流路（４４，６４）と、
   を有する、
   熱交換器。
2. 前記誘導流路（４４）は、前記第１円管部材の内周面と、前記第２円管部材（４２）の外周面とによって形成される空間であり、
   前記ヘッダーは、前記誘導流路を流れた前記二相冷媒を前記複数の扁平管に分流する、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記誘導流路（６４）は、前記第２円管部材の内部空間であり、
   前記第２円管部材（６２ａ〜６２ｃ）は、前記第２円管部材の延びる方向に沿って配置されるように形成された複数の誘導孔（６３ｂ）を有し、
   前記ヘッダーは、
   前記第１円管部材の内周面と、前記第２円管部材の外周面とによって形成される形成空間（６５）、
   をさらに有し、
   前記ヘッダーは、前記誘導流路を流れる前記二相冷媒を、前記複数の誘導孔から前記形成空間に噴出させた後、前記複数の扁平管に分流する、
   請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記扁平管の幅寸法は、前記第１円管部材の内径の８０％を超える、
   請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記二相冷媒は、Ｒ３２冷媒である、
   請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記複数の扁平管の幅は２５ｍｍ以上である、
   請求項１から５のいずれかに記載の熱交換器。

Images