JP6045695B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。

ビル用マルチエアコンに代表される空気調和装置は、個別運転される複数の室内機が室外機（熱源機）に対して並列に接続された冷媒回路（冷凍サイクル）を備えている。一般に、このような空気調和装置では、四方弁等を用いて冷媒回路の流路を切り替えることにより、冷房運転及び暖房運転を行うことが可能となっている。室内機は、冷媒回路を流通する冷媒と室内空気との熱交換を行う室内熱交換器（利用側熱交換器）を備えており、室外機は、冷媒回路を流通する冷媒と室外空気との熱交換を行う室外熱交換器（熱源側熱交換器）を備えている。冷房運転を行う場合には、室外熱交換器が凝縮器として機能し、室内熱交換器が蒸発器として機能する。一方、暖房運転を行う場合には、室内熱交換器が凝縮器として機能し、室外熱交換器が蒸発器として機能する。従来、凝縮器として機能する熱交換器では、各冷媒パス毎の下流部に液相部（凝縮した液相冷媒を過冷却させる部分）がそれぞれ設けられ、各冷媒パスから流出した液相冷媒が合流する合流部において、必要な液温度（必要なエンタルピ）が確保されるようになっている。

また、熱交換器の伝熱管としては、偏平管が用いられる場合がある。偏平管は、円管と比較して高い伝熱効率が得られるとともに、熱交換器に高密度で実装することが可能である。ただし、偏平管の内部流路は細管となるため、特に蒸発器として用いられる際の冷媒摩擦圧損が大きくなる。この回避策として、偏平管を用いた熱交換器では、円管を用いた熱交換器と比べて、互いに並列して設けられる冷媒パス数を多くしている。

特開２０１２−１４９８４５号公報

しかしながら、偏平管を用いた熱交換器では、部分負荷運転時（低負荷運転時）などにおいて冷媒流量が減少すると、各冷媒パスでの流速低下が著しくなる。加えて、偏平管は高密度で実装されかつ高効率であるため、偏平管を用いた熱交換器では熱交換容量（ＡＫ値）が大きくなる。これにより、各冷媒パスにおいて液相部の占める割合が増加することとなるため、結果的に熱交換効率が低下してしまうという問題点が生じる。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、熱交換効率を向上できる空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空気調和装置は、並列して配置された偏平形状の複数の伝熱管を有し、少なくとも冷凍サイクルの凝縮器として用いられる熱交換器と、前記熱交換器を所定の風速分布で通過する空気の流れを生成する送風機と、を備え、前記熱交換器は、前記伝熱管を流通する冷媒と前記空気との熱交換を行うものであり、前記熱交換器は、１つ又は複数の前記伝熱管によりそれぞれ構成された複数の冷媒パスを有しており、前記複数の冷媒パスは、ガス冷媒を流入させ、二相冷媒として流出させる複数の第１冷媒パスと、前記複数の第１冷媒パスから流出した二相冷媒を流入させ、過冷却液冷媒として流出させる複数の第２冷媒パスと、を含んでおり、前記複数の第２冷媒パスは、前記複数の第１冷媒パスよりも前記空気の風速が小さい領域に配置され、前記複数の第１冷媒パスのそれぞれは、前記空気の風速が互いに異なる領域に配置されており、前記複数の第２冷媒パスのそれぞれは、前記空気の風速が互いに異なる領域に配置されており、前記複数の第１冷媒パス及び前記複数の第２冷媒パスは、前記第１冷媒パスと前記第２冷媒パスの中でそれぞれ前記空気の風速が大きい領域に配置されたもの同士から順次対応付けられ、前記複数の第１冷媒パスの出口側は、それぞれ対応付けられた前記複数の第２冷媒パスの入口側に連結されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、風速が相対的に大きい領域に第１冷媒パスを配置し、風速が相対的に小さい領域に第２冷媒パスを配置することにより、伝熱管２０内における液相部の占める割合を減少させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３内における冷媒の乾き度と冷媒による熱伝達率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３の表面の風速分布の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３の管外熱伝達率αｏと風速との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３の単相部及び二相部を通過する空気の風量と熱通過率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３における風速分布と伝熱管内の冷媒状態との関係を示すイメージ図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３の冷媒パスパターンの例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置１００の熱源側熱交換器３における連結管２４ａと伝熱管２０との接続構造の一例を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る空気調和装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る空気調和装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図１に基づいて、冷凍サイクル装置の１つである空気調和装置１００の冷媒回路構成及び動作について説明する。この空気調和装置１００は、冷媒を循環させる冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用して、冷房運転又は暖房運転を行うものである。なお、図１では、実線矢印が冷房運転時における冷媒の流れを示しており、破線矢印が暖房運転時における冷媒の流れを示している。また、図１を含めた以下の図面では、各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

図１に示すように、空気調和装置１００は、１台の室外ユニットＡ（熱源機）と、この室外ユニットＡに並列に接続されている２台の室内ユニット（室内ユニットＢ１、室内ユニットＢ２）と、で構成されている。室外ユニットＡと、室内ユニットＢ１、Ｂ２とは、ガス配管及び液配管で構成される冷媒配管１５を介して接続されている。従って、空気調和装置１００は、室外ユニットＡと、室内ユニットＢ１、Ｂ２と、で冷媒回路を形成し、この冷媒回路に冷媒を循環させることによって、冷房運転又は暖房運転を行うことが可能になっている。なお、以下の説明において、室内ユニットＢ１と室内ユニットＢ２とをまとめて室内ユニットＢと称する場合がある。また、室外ユニットＡ及び室内ユニットＢの接続台数は、図１に示した台数には限定されない。

室外ユニットＡは、室内ユニットＢに冷熱を供給する機能を有している。この室外ユニットＡには、圧縮機１と、四方弁２と、熱源側熱交換器３（室外熱交換器）とが冷房運転時において直列となるように接続されて設けられている。

圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高圧・高温の状態にするものである。圧縮機１は、例えば容量制御可能なインバーター圧縮機などで構成されていてもよい。四方弁２は、冷媒の流れを切り替える流路切替装置として機能し、冷房運転時における冷媒の流れと、暖房運転時における冷媒の流れとを切り替えるものである。

熱源側熱交換器３は、室外送風機５０（図４参照）により送風される空気と、内部を流通する冷媒との間で熱交換を行うものである。熱源側熱交換器３は、冷房運転時には凝縮器（放熱器）として機能し、冷媒を凝縮液化（あるいは高密度な超臨界状態化）する。また熱源側熱交換器３は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷媒を蒸発ガス化する。

図２は、熱源側熱交換器３の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、熱源側熱交換器３は、クロスフィン型の熱交換器であり、互いに並列して設けられた矩形平板状の複数の伝熱フィン２１と、互いに並列して設けられかつ各伝熱フィン２１を貫通する複数の伝熱管２０と、を備えている。各伝熱管２０としては、偏平形状を有する偏平管（例えば、多孔偏平管）が用いられている。熱源側熱交換器３の周囲には、室外送風機５０により、側面から外気が吸い込まれ、熱源側熱交換器３を通過して上方に吹き出される空気の流れが生成されている（図２では、空気の流れ方向を太矢印で表している）。伝熱管２０は、熱源側熱交換器３の厚み方向（空気の流れ方向）に沿って３列に配列されている。空気流れの上流側から下流側に向かって第１列〜第３列とすると、第１列及び第２列にはそれぞれ１８本の伝熱管２０が配列されており、第３列には１２本の伝熱管２０が配列されている。以下、第１列の１８本の伝熱管２０のそれぞれを上から下に向かって伝熱管２０ａ１、２０ａ２、・・・、２０ａ１８という場合があり、第２列の１８本の伝熱管２０のそれぞれを上から下に向かって伝熱管２０ｂ１、２０ｂ２、・・・、２０ｂ１８という場合があり、第３列の１２本の伝熱管２０のそれぞれを上から下に向かって伝熱管２０ｃ１、２０ｃ２、・・・、２０ｃ１２という場合がある。

また、熱源側熱交換器３には、１つ又は複数の伝熱管２０により構成された冷媒パスが複数設けられている。１つの冷媒パスが複数の伝熱管２０により構成されている場合、これらの伝熱管２０の端部同士（図２の手前側の端部同士、又は奥側の端部同士）は不図示のＵ字管によって接続されている。Ｕ字管としては、偏平な断面形状を有する偏平管が用いられている。冷媒パスには、複数の二相化パス（第１冷媒パス）と、複数の液相化パス（第２冷媒パス）と、が含まれている。二相化パスは、熱源側熱交換器３が凝縮器として機能する場合に、ガス冷媒を流入させ、飽和液にまではならない気液二相冷媒（例えば、飽和液に近い低乾き度の二相冷媒）として流出させる冷媒パスである。液相化パスは、二相化パスから流出した気液二相冷媒を流入させ、過冷却液冷媒として流出させる冷媒パスである。熱源側熱交換器３の冷媒パスパターンの具体例については後述する。

図１に戻り、室内ユニットＢは、空調対象空間を有する部屋等に設置され、その空調対象空間に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給する機能を有している。室内ユニットＢには、利用側熱交換器１０１（室内熱交換器）と、絞り装置１０２と、が直列に接続されて設けられている。利用側熱交換器１０１は、不図示の室内送風機から供給される空気と、内部を流通する冷媒との間で熱交換を行うものである。利用側熱交換器１０１は、冷房運転時には蒸発器として機能し、空調対象空間に供給するための冷房空気を生成する。また利用側熱交換器１０１は、暖房運転時には凝縮器（放熱器）として機能し、空調対象空間に供給するための暖房空気を生成する。絞り装置１０２は、冷媒を減圧して膨張させ、利用側熱交換器１０１への冷媒分配を調節するものである。この絞り装置１０２は、例えば開度変更可能な電子膨張弁等で構成してもよい。

空気調和装置１００の冷房運転時の冷媒の流れ（図１中の実線矢印）について説明する。空気調和装置１００が冷房運転を実行する場合、圧縮機１からの吐出冷媒が熱源側熱交換器３に流入するように四方弁２が切り替えられ、圧縮機１が駆動される。圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高圧・高温のガス状態となって吐出され、四方弁２を経由して熱源側熱交換器３に流入する。この熱源側熱交換器３に流入した冷媒は、室外送風機５０から供給される空気との熱交換により冷却され、高圧・高温の液冷媒となって熱源側熱交換器３から流出する。

熱源側熱交換器３から流出した液冷媒は、室内ユニットＢに流入する。室内ユニットＢに流入した冷媒は、絞り装置１０２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、利用側熱交換器１０１に流入し、室内送風機から供給される空気から吸熱することで蒸発、ガス化する。このとき、冷媒に吸熱されて冷却された空気は、冷房空気として室内等の空調対象空間に供給される。これにより、空調対象空間の冷房運転が実現される。利用側熱交換器１０１から流出した冷媒は、室内ユニットＢから流出して室外ユニットＡに流入する。室外ユニットＡに流入した冷媒は、四方弁２を経由して圧縮機１に再度吸入される。

次に、空気調和装置１００の暖房運転時の冷媒の流れ（図１中の破線矢印）について説明する。空気調和装置１００が暖房運転を実行する場合、圧縮機１からの吐出冷媒が利用側熱交換器１０１に流入するように四方弁２が切り替えられ、圧縮機１が駆動される。圧縮機１に吸入された冷媒は、圧縮機１で高圧・高温のガス状態となって吐出され、四方弁２を経由して利用側熱交換器１０１に流入する。この利用側熱交換器１０１に流入した冷媒は、室内送風機から供給される空気との熱交換により冷却され、低圧・高温の液冷媒となる。このとき、冷媒から放熱されて加熱された空気は、暖房空気として室内の空調対象空間に供給される。これにより、空調対象空間の暖房運転が実現される。

利用側熱交換器１０１から流出した液冷媒は、絞り装置１０２で減圧され、低圧の気液二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、室内ユニットＢから流出して室外ユニットＡに流入する。室外ユニットＡに流入した低圧二相冷媒は、熱源側熱交換器３に流入し、室外送風機５０から供給される空気から吸熱することで蒸発、ガス化する。この低圧ガス冷媒は、熱源側熱交換器３から流出し、四方弁２を経由して圧縮機１に再度吸入される。

ところで、冷房運転時において、圧縮機１から吐出され、四方弁２を介して熱源側熱交換器３に流入した高圧・高温のガス状態の冷媒は、まず熱源側熱交換器３内に互いに並列に設けられた複数の二相化パスのうちいずれか１つの二相化パスに流入する。二相化パスに流入したガス冷媒は、空気との熱交換によって冷却され、飽和液にまではならない気液二相状態で一旦熱源側熱交換器３（二相化パス）から流出する。熱源側熱交換器３の二相化パスから流出した気液二相冷媒は、熱源側熱交換器３内に互いに並列に設けられた複数の液相化パスのうち、流出した二相化パスに対応する液相化パスに流入する。液相化パスに流入した気液二相冷媒は、空気との熱交換によって冷却され、二相状態から飽和液となり、さらに過冷却液となって液相化パスから流出する。当該液相化パスから流出した過冷却液冷媒は、他の液相化パスで同様に過冷却液となった冷媒と合流して高圧・高温の液冷媒となり、熱源側熱交換器３から流出する。熱源側熱交換器３から流出した液冷媒は、室内ユニットＢに流入する。

ここで、冷房運転時の熱源側熱交換器３内における冷媒の乾き度と冷媒による熱伝達率との関係を図３を用いて説明する。図３は、熱源側熱交換器３内における冷媒の乾き度と冷媒による熱伝達率との関係を示すグラフである。熱源側熱交換器３の冷媒流路の入口端（本例では、二相化パスの入口端）には高温高圧の過熱ガス冷媒が流入する。そして、熱源側熱交換器３の冷媒流路を通過する過程で、管外側の空気へ放熱することにより、凝縮して二相冷媒となり、最終的には、冷媒流路の出口端（本例では、液相化パスの出口端）において、過冷却液冷媒の状態で流出する。ここで、図３に示すように、伝熱管の管内側における熱伝達率は冷媒の乾き度によって異なるため、熱源側熱交換器３の複数の伝熱管は単相の冷媒（過熱ガス冷媒又は過冷却液冷媒）が通過する部分（単相部）と、単相部以外の二相冷媒が通過する部分（二相部）とに分かれる。本例の熱源側熱交換器３では、ガス冷媒を低乾き度の二相冷媒にする二相化パスは、単相部（ガス相部）とその下流側の大部分を占める二相部とにより構成される。また、低乾き度の二相冷媒を過冷却液冷媒にする液相化パスは、二相部とその下流側の大部分を占める単相部（液相部）とにより構成される。

図４は、熱源側熱交換器３の表面の風速分布の一例を示す説明図である。図４では、熱源側熱交換器３に送風する室外送風機５０を併せて図示している。室外ユニットＡが、例えば側面から外気を吸い込み、熱源側熱交換器３を通過した空気を上方へ吹き出すような構成を有する場合、熱源側熱交換器３の表面には、図４に示すように、室外送風機５０に近い上部ほど風速が大きくなり、室外送風機５０から遠い下部ほど風速が小さくなる風速分布が生じる。このような風速分布が生成されることによって、風速の小さい下部（図４のＣ部）では、熱源側熱交換器３全体の放熱量に対しての寄与率が低くなる。しかしながら、風速の小さい下部においても、飽和液に近い二相冷媒を過冷却液にするには十分な放熱量がある。

次に、熱源側熱交換器３における熱交換量Ｑについて説明する。熱交換量Ｑ［Ｗ］は、熱通過率Ｋ［Ｗ／ｍ^２Ｋ］、冷媒と空気の温度差Δｔ［Ｋ］、及び管外伝熱面積Ａｏ［ｍ^２］を用いて次式（１）で表される。

このため、熱源側熱交換器３の管外伝熱面積Ａｏ、及び冷媒と空気の温度差Δｔが同じである場合、熱通過率Ｋが大きいほど熱交換量Ｑが大きく、性能の高い熱交換器ということになる。そして、熱通過率Ｋは次式（２）で表される。ここで、αｏは管外（空気側）熱伝達率、Ｒｔは管肉厚部の熱抵抗、αｉは管内（冷媒側）熱伝達率、Ａｏは管外伝熱面積、Ａｉは管内伝熱面積である。

図５は、管外熱伝達率αｏと風速との関係を示すグラフである。図５に示すように、一般に管外熱伝達率αｏは、風速に対して、べき関数的に変化し、風速が大きくなるほど高くなる。

図６は、熱源側熱交換器３の単相部及び二相部を通過する空気の風量と熱通過率との関係を示すグラフである。図６では、室外送風機５０から熱源側熱交換器３への風量を同一とし、二相部と単相部とにおける風量割合（風速比率）を変化させたときの、単相部及び二相部の熱通過率及びそれらを平均した平均熱通過率を表している。図６に示すように、二相部と単相部への風速分布が均等である状態（二相部の風量割合が５０％である状態）と比較すると、二相部の風量割合が約７６％（単相部の風量割合が約２４％）であるときが最も平均熱通過率が高くなることが分かる。これは、単相部の管内熱伝達率αｉよりも二相部の管内熱伝達率αｉの方が高いため、二相部に対する風量割合を大きくした方が平均熱通過率を最大化できることを表している。

したがって、熱源側熱交換器３と室外送風機５０との配置関係は、風速の小さい空気が通過する領域に単相部の伝熱管が配置されるようにすることが望ましい。これにより、二相部の伝熱管外には、概ね風速の大きい空気が通過することとなる。図３に示したように、乾き度０．４〜０．９の二相冷媒は特に熱伝達率が高いため、乾き度０．４〜０．９の冷媒が通過する伝熱管をより風速の大きい空気が通過する領域に配置することが望ましい。ここで、風速が大きい又は小さいというのは、例えば、室外送風機５０による熱源側熱交換器３表面の平均風速を基準とする。ただし、基準は特に限定するものではない。

図７は、熱源側熱交換器３における風速分布と伝熱管内の冷媒状態との関係を示すイメージ図である。図７に示すように、本例の室外送風機５０は、熱源側熱交換器３の中央部で風速が大きく、両端部で風速が小さくなる風速分布を形成するものとする。この場合、管内熱伝達率が低い単相部（例えば、入口側のガス相部、出口側の液相部）は、風速が小さく管外熱伝達率（対流熱伝達率）の低い領域（この例では熱源側熱交換器３の両端部）に配置する。管内熱伝達率が高い二相部は、風速が大きく管外熱伝達率の高い領域（この例では熱源側熱交換器３の中央部）に配置する。これにより、熱源側熱交換器３の全体として熱通過率を高くすることができ、効率のよい熱交換を行うことができる。また、二相部については、管内熱伝達率が高い部分（例えば、二相冷媒の乾き度が０．４〜０．９の部分）を、より管外熱伝達率の高い空気が流れる領域に配置することによって、さらに効率良く熱交換を行うことができ、省エネルギー化を図ることができる。

本実施の形態の二相化パスの大部分は二相部で占められ、液相化パスの大部分は単相部（液相部）で占められている。したがって、本実施の形態では、二相化パスを風速の大きい領域に配置し、液相化パスを風速の小さい領域に配置する。これにより、熱源側熱交換器３の全体として熱通過率を高くすることができ、効率のよい熱交換を行うことができる。

図８は、図２に示した熱源側熱交換器３の冷媒パスパターンの例を示している。図８中の各直線矢印は、熱源側熱交換器３が凝縮器として機能する際の冷媒の流れ方向を表している。熱源側熱交換器３が蒸発器として機能する際には、冷媒の流れ方向は逆になる。図８では、側面（例えば、両側面及び背面の３面）から外気が吸い込まれて上面から吹き出される空気流れ構成を有する室外ユニットＡ（熱源機）において、側面に配置される熱源側熱交換器３の風速分布に応じて設計された冷媒パスパターンを示している。このような熱源側熱交換器３では、図４に示したように、上部ほど風速が大きくなり下部ほど風速が小さくなる風速分布が生じる。したがって、図８に示す熱源側熱交換器３では、風速の大きい上部領域３ａに複数の二相化パスをまとめて配置し、風速の小さい下部領域３ｂに複数の液相化パスをまとめて配置している。本例では、二相化パスのパス数は６つであり、液相化パスのパス数は３つである。なお、二相化パス及び液相化パスのパス数は、図８に示したパス数に限定されない。また、本例では２つの二相化パスが後述する合流部２３ａ、２３ｂ、２３ｃで合流しているため、各二相化パスは２つの入口と１つの出口を備えており、二相化パスのパス数は液相化パスのパス数と同じく３つであると考えることもできる。

以下、本例の冷媒パスパターンについて具体的に説明する。ガス側ヘッダ部２２は、熱源側熱交換器３が凝縮器として機能する際に熱源側熱交換器３の入口側に位置している。ガス側ヘッダ部２２は、伝熱管２０ｃ１、２０ｃ３、２０ｃ５、２０ｃ７、２０ｃ９、２０ｃ１１のそれぞれ一端部（例えば、手前側の端部）に接続されている。

伝熱管２０ｃ１の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｃ２の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｃ２の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ２の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ２の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ１の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ａ１の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ２の奥側の端部に接続されている。６つの伝熱管２０ｃ１、２０ｃ２、２０ｂ２、２０ｂ１、２０ａ１、２０ａ２は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの二相化パスを構成している。この二相化パスの出口側（伝熱管２０ａ２の手前側の端部）は、合流部２３ａに接続されている。

伝熱管２０ｃ３の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｃ４の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｃ４の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ４の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ４の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ３の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ３の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ３の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ａ３の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ４の奥側の端部に接続されている。６つの伝熱管２０ｃ３、２０ｃ４、２０ｂ４、２０ｂ３、２０ａ３、２０ａ４は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの二相化パスを構成している。この二相化パスの出口側（伝熱管２０ａ４の手前側の端部）は、合流部２３ａに接続されている。

同様に、６つの伝熱管２０ｃ５、２０ｃ６、２０ｂ６、２０ｂ５、２０ａ５、２０ａ６は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの二相化パスを構成している。６つの伝熱管２０ｃ７、２０ｃ８、２０ｂ８、２０ｂ７、２０ａ７、２０ａ８は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの二相化パスを構成している。これらの二相化パスの出口側（伝熱管２０ａ６の手前側の端部、及び伝熱管２０ａ８の手前側の端部）は、いずれも合流部２３ｂに接続されている。

また、６つの伝熱管２０ｃ９、２０ｃ１０、２０ｂ１０、２０ｂ９、２０ａ９、２０ａ１０は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの二相化パスを構成している。６つの伝熱管２０ｃ１１、２０ｃ１２、２０ｂ１２、２０ｂ１１、２０ａ１１、２０ａ１２は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの二相化パスを構成している。これらの二相化パスの出口側（伝熱管２０ａ１０の手前側の端部、及び伝熱管２０ａ１２の手前側の端部）は、いずれも合流部２３ｃに接続されている。

合流部２３ａは、連結管２４ａを介して伝熱管２０ｂ１４の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１４の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ１３の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１３の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１３の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ａ１３の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１４の奥側の端部に接続されている。４つの伝熱管２０ｂ１４、２０ｂ１３、２０ａ１３、２０ａ１４は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの液相化パスを構成している。この液相化パスの出口側（伝熱管２０ａ１４の手前側の端部）は、キャピラリ２５ａを介して分配器２６に接続されている。

合流部２３ｂは、連結管２４ｂを介して伝熱管２０ｂ１６の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１６の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ１５の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１５の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１５の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ａ１５の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１６の奥側の端部に接続されている。４つの伝熱管２０ｂ１６、２０ｂ１５、２０ａ１５、２０ａ１６は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの液相化パスを構成している。この液相化パスの出口側（伝熱管２０ａ１６の手前側の端部）は、キャピラリ２５ｂを介して分配器２６に接続されている。

合流部２３ｃは、連結管２４ｃを介して伝熱管２０ｂ１８の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１８の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ｂ１７の奥側の端部に接続されている。伝熱管２０ｂ１７の手前側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１７の手前側の端部に接続されている。伝熱管２０ａ１７の奥側の端部は、Ｕ字管を介して伝熱管２０ａ１８の奥側の端部に接続されている。４つの伝熱管２０ｂ１８、２０ｂ１７、２０ａ１７、２０ａ１８は、これらの端部同士を接続するＵ字管等と共に、１つの液相化パスを構成している。この液相化パスの出口側（伝熱管２０ａ１８の手前側の端部）は、キャピラリ２５ｃを介して分配器２６に接続されている。

以上のような冷媒パスパターンを有する熱源側熱交換器３において、二相化パスの中で最も風速の大きい領域に配置された二相化パス（伝熱管２０ｃ１、２０ｃ２、２０ｂ２、２０ｂ１、２０ａ１、２０ａ２で構成される二相化パス、及び伝熱管２０ｃ３、２０ｃ４、２０ｂ４、２０ｂ３、２０ａ３、２０ａ４で構成される二相化パス）と、液相化パスの中で最も風速の大きい領域に配置された液相化パス（伝熱管２０ｂ１４、２０ｂ１３、２０ａ１３、２０ａ１４で構成される液相化パス）とが、連結管２４ａを介して直列に連結されている。また、二相化パスの中で次に風速の大きい領域に配置された二相化パス（伝熱管２０ｃ５、２０ｃ６、２０ｂ６、２０ｂ５、２０ａ５、２０ａ６で構成される二相化パス、及び伝熱管２０ｃ７、２０ｃ８、２０ｂ８、２０ｂ７、２０ａ７、２０ａ８で構成される二相化パス）と、液相化パスの中で次に風速の大きい領域に配置された液相化パス（伝熱管２０ｂ１６、２０ｂ１５、２０ａ１５、２０ａ１６で構成される液相化パス）とが、連結管２４ｂを介して直列に連結されている。すなわち、二相化パスと液相化パスとは、それぞれ風速の大きい領域に配置されたもの同士から順次連結されている。

風速の大きい領域に配置された二相化パスほど能力を出しやすいため、そのような二相化パスには他の二相化パスよりも冷媒流量を多く分配すべきである。冷媒流量の多い二相化パスに接続される液相化パスは、必要な過冷却を得るために、他の液相化パスよりも高い能力が必要となる。したがって、上述のように二相化パスと液相化パスとは、それぞれ風速の大きい領域に配置されたもの同士から順次連結されるのが望ましい。

また、二相化パスと液相化パスとを連結する連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃとしては、伝熱管２０と同じ偏平管ではなく、円管が用いられている。図９は、連結管２４ａと伝熱管２０との接続構造の一例を示している。なお、連結管２４ａは、実際には曲管状（例えば、略Ｕ字管状）の形状を有しているが、図９では伝熱管２０との接続部分近傍の直管部分のみを示している。図９に示すように、連結管２４ａと伝熱管２０とは、ジョイント３０を介して接続されている。ジョイント３０は、連結管２４ａに接続可能な円管形状の一端部３０ａと、伝熱管２０に接続可能な偏平管形状の他端部３０ｂと、を有している。

一般に、伝熱管内を二相冷媒が流れる場合、ガス相が中心部を流れ、液相が環状流となって管内壁面を剥離しないように流れると熱交換効率が高くなる。しかし、本実施の形態のように伝熱管２０に偏平管（例えば、多孔偏平管）が用いられる場合、管断面における各孔の冷媒状態をミクロに見ると、空気流れの１次側（上流側）ほど冷媒は飽和液に近い状態（乾き度が低い状態）となり、空気流れの２次側（下流側）ほど冷媒はガス相の割合が多い状態（乾き度が高い状態）となる。すなわち、伝熱管２０内を流れる二相冷媒の乾き度にはばらつきが生じる。したがって、二相化パスと液相化パスとの間を偏平管を用いて接続した場合、二相化パスから流出した二相冷媒は、乾き度のばらつきが解消されないまま液相化パスに流入することになる。このため、液相化パスの伝熱管２０において、空気流れの１次側では冷媒が飽和液に近いため熱交換効率が低くなってしまい、空気流れの２次側ではガス相冷媒の温度効率が低いことにより熱交換効率が低くなってしまう。これにより、液相化パスにおいて必要な過冷却を十分に得ることができないおそれがある。

そこで、本実施の形態では、連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃに円管を用いている。連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃに円管を用いることによって、二相化パスの伝熱管２０の各孔から流出してきた二相冷媒を連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃ内で合流（混流）させ、二相冷媒の乾き度のばらつきを消失させてから液相化パスに流入させることができる。したがって、液相化パスの伝熱管２０内において、空気流れの１次側の孔内の冷媒の乾き度を上昇させ、空気流れの１次側から２次側までの乾き度のばらつきを抑制することができるため、液相化パスにおける熱交換効率を向上させることができ、必要な過冷却を得ることができる。

連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃの内径については、大きすぎると冷媒の流動様式（液とガスの混流状態）を変えるだけの流速が得られなくなってしまい、小さすぎると圧損が増大することにより冷媒が二相化パス内で液相となってしまう。このため、連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、冷媒の混流のために必要な流速が得られ、かつ圧損を低減できる内径を有するのが好ましい。本例では、連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃの内径は、伝熱管２０の流路断面積と同等の流路断面積が得られる内径としたが、上記のような冷媒の混流及び低圧損を実現できれば、連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃの内径はこれに限られない。

また、連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃに円管を用いることにより、二相化パスと液相化パスとを連結する経路において３次元で複雑に変形させることが容易になるため、構造的な実装面でも有利であり、加工もしやすくなり、かつ安価に実現できる。

各液相化パスの出口側には、キャピラリ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び分配器２６が設けられている。本実施の形態の構成において、二相化パスでは冷媒を過冷却せずに二相状態のまま流出させ、液相化パスでは必要な過冷却を得るという２つの条件を満たすためには、各二相化パス及び各液相化パスにおける伝熱管２０の圧損、並びに各連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃの圧損を、風速分布に応じて適切に設定することが必要となる。しかしながら、伝熱管２０及び連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃの圧損調整だけでは、調整できる範囲が段階的でかつ限られているため、連続的に変化（例えば、リニアに変化）している風速分布に応じて圧損を適切に設定することは非常に難しい。そこで、本実施の形態では、大まかな調整は各二相化パス及び各液相化パスにおける伝熱管２０、並びに連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃの圧損調整によって行い、最終的な微調整は各パスのキャピラリ２５ａ、２５ｂ、２５ｃで行う。これにより、風速分布に応じた適正な冷媒分配を実現することができる。

また、熱源側熱交換器３が蒸発器として用いられる場合における伝熱管２０の圧損を低減させるために、各二相化パスにおいて途中に分岐部を設け、流路を２つに分岐させるようにしてもよい。すなわち、熱源側熱交換器３が蒸発器として用いられる場合（図８中の矢印とは逆方向に冷媒が流れる場合）、各二相化パスは、冷媒を流入させる１つの入口（例えば、連結管２４ａと合流部２３ａとの接続部）と、流入した冷媒の流路を２つに分岐させる分岐部（例えば、合流部２３ａ）と、流路の分岐した冷媒をそれぞれ流出させる２つの出口（例えば、伝熱管２０ｃ１、２０ｃ３とガス側ヘッダ部２２との接続部）と、をそれぞれ備えた１−２パス構成となっている。言い換えれば、熱源側熱交換器３が凝縮器として用いられる場合には、各二相化パスは、冷媒を流入させる２つの入口と、２つの入口から流入した冷媒を合流させる合流部と、合流した冷媒を流出させる１つの出口と、をそれぞれ備えている。この構成によれば、冷媒分配のための圧損調整によって過剰についてしまった圧損を低減でき、熱源側熱交換器３が蒸発器として用いられる場合の能力低下を抑制でき、蒸発器としても高効率な熱源側熱交換器３を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、並列して配置された偏平形状の複数の伝熱管２０を有し、少なくとも冷凍サイクルの凝縮器として用いられる熱源側熱交換器３と、熱源側熱交換器３を所定の風速分布で通過する空気の流れを生成する室外送風機５０と、を備え、熱源側熱交換器３は、伝熱管２０を流通する冷媒と空気との熱交換を行うものであり、熱源側熱交換器３は、１つ又は複数の伝熱管２０によりそれぞれ構成された複数の冷媒パスを有しており、複数の冷媒パスは、ガス冷媒を流入させ、二相冷媒として流出させる複数の二相化パスと、複数の二相化パスから流出した二相冷媒を流入させ、過冷却液冷媒として流出させる複数の液相化パスと、を含んでおり、複数の液相化パスは、複数の二相化パスよりも空気の風速が小さい領域に配置されることを特徴とするものである。

この構成によれば、風速が相対的に大きく管外熱伝達率の高い領域に二相化パスを配置し、風速が相対的に小さく管外熱伝達率の低い領域に液相化パスを配置することによって、伝熱管２０内における液相部の占める割合を減少させることができ、熱源側熱交換器３の熱交換効率を向上できる。また、凝縮圧力の上昇（ＣＯＰ低下）、冷媒量の増加、ヘッドの影響による下部パスへの冷媒の寝込み（分配悪化）等を防ぐことができる。したがって、空気調和装置１００の性能を向上でき、エネルギー効率の高い空気調和装置１００を得ることができる。

また、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、複数の二相化パスのそれぞれは、空気の風速が互いに異なる領域に配置されており、複数の液相化パスのそれぞれは、空気の風速が互いに異なる領域に配置されており、複数の二相化パス及び複数の液相化パスは、二相化パスと液相化パスの中でそれぞれ空気の風速が大きい領域に配置されたもの同士から順次対応付けられ、複数の二相化パスの出口側は、それぞれ対応付けられた複数の液相化パスの入口側に連結されていることを特徴とするものである。この構成によれば、能力の高い二相化パスと能力の高い液相化パスとを連結することができるため、熱源側熱交換器３の全体として熱交換効率を向上でき、空気調和装置１００の性能を向上できる。

また、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、複数の二相化パスのそれぞれの出口側と、複数の液相化パスのそれぞれの入口側とを連結する連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃを有し、連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃとして円管が用いられていることを特徴とするものである。この構成によれば、二相化パスから流出した二相冷媒の乾き度のばらつきを連結管２４ａ、２４ｂ、２４ｃ内で消失させることができるため、液相化パスにおいて空気流れの１次側を流れる冷媒の乾き度を上昇させ、空気流れの１次側から２次側までの乾き度のばらつきを抑制することができる。したがって、熱源側熱交換器３のうち特に液相化パスにおける熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、複数の液相化パスのそれぞれの下流側にはキャピラリ２５ａ、２５ｂ、２５ｃが設けられており、キャピラリ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの下流側は１つの分配器２６に接続されていることを特徴とするものである。この構成によれば、より風速分布に応じた冷媒分配を実現できるため、熱源側熱交換器３の熱交換効率を向上できる。

また、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、熱源側熱交換器３は、冷凍サイクルの蒸発器としても用いられ、熱源側熱交換器３が蒸発器として用いられる場合、複数の二相化パスは、冷媒を流入させる１つの入口と、入口から流入した冷媒の流路を分岐させる分岐部と、分岐部で流路が分岐した冷媒をそれぞれ流出させる２つの出口と、を有することを特徴とするものである。この構成によれば、熱源側熱交換器３が蒸発器として用いられる場合の能力低下を抑制でき、蒸発器としても高効率な熱源側熱交換器３を得ることができる。

その他の実施の形態．
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では熱源側熱交換器３を例に挙げたが、本発明は利用側熱交換器１０１にも適用可能である。

また、上記の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 熱源側熱交換器、３ａ 上部領域、３ｂ 下部領域、１５ 冷媒配管、２０、２０ａ１〜２０ａ１８、２０ｂ１〜２０ｂ１８、２０ｃ１〜２０ｃ１２ 伝熱管、２１ 伝熱フィン、２２ ガス側ヘッダ部、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 合流部、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 連結管、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ キャピラリ、２６ 分配器、３０ ジョイント、３０ａ 一端部、３０ｂ 他端部、５０ 室外送風機、１００ 空気調和装置、１０１ 利用側熱交換器、１０２ 絞り装置、Ａ 室外ユニット、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２ 室内ユニット。

Claims (5)

1. 並列して配置された偏平形状の複数の伝熱管を有し、少なくとも冷凍サイクルの凝縮器として用いられる熱交換器と、
   前記熱交換器を所定の風速分布で通過する空気の流れを生成する送風機と、を備え、
   前記熱交換器は、前記伝熱管を流通する冷媒と前記空気との熱交換を行うものであり、
   前記熱交換器は、１つ又は複数の前記伝熱管によりそれぞれ構成された複数の冷媒パスを有しており、
   前記複数の冷媒パスは、
   ガス冷媒を流入させ、二相冷媒として流出させる複数の第１冷媒パスと、
   前記複数の第１冷媒パスから流出した二相冷媒を流入させ、過冷却液冷媒として流出させる複数の第２冷媒パスと、を含んでおり、
   前記複数の第２冷媒パスは、前記複数の第１冷媒パスよりも前記空気の風速が小さい領域に配置され、
   前記複数の第１冷媒パスのそれぞれは、前記空気の風速が互いに異なる領域に配置されており、
   前記複数の第２冷媒パスのそれぞれは、前記空気の風速が互いに異なる領域に配置されており、
   前記複数の第１冷媒パス及び前記複数の第２冷媒パスは、前記第１冷媒パスと前記第２冷媒パスの中でそれぞれ前記空気の風速が大きい領域に配置されたもの同士から順次対応付けられ、
   前記複数の第１冷媒パスの出口側は、それぞれ対応付けられた前記複数の第２冷媒パスの入口側に連結されていること
   を特徴とする空気調和装置。
2. 前記複数の第１冷媒パスのそれぞれの出口側と、前記複数の第２冷媒パスのそれぞれの入口側とを連結する連結管を有し、
   前記連結管として円管が用いられていること
   を特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記連結管に接続される円管形状の一端部と、前記伝熱管に接続される他端部とを有するジョイントを備え、
   前記連結管と前記伝熱管は、前記ジョイントを介して接続されることを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
4. 前記複数の第２冷媒パスのそれぞれの下流側にはキャピラリが設けられており、
   前記キャピラリの下流側は１つの分配器に接続されていること
   を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
5. 前記熱交換器は、前記冷凍サイクルの蒸発器としても用いられ、
   前記熱交換器が前記蒸発器として用いられる場合、前記複数の第１冷媒パスは、冷媒を流入させる１つの入口と、前記入口から流入した冷媒の流路を分岐させる分岐部と、前記分岐部で流路が分岐した冷媒をそれぞれ流出させる２つの出口と、を有すること
   を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の空気調和装置。

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