JP6098951B2 - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器及びそれを備える空気調和機に関する。
従来の空気調和機としては、例えば、図７に示す構成のものが知られている（例えば、特開平８−１７８４４５号公報参照）。
図７に示すように、従来の空気調和機は、冷媒を圧縮する圧縮機１０１と、冷房暖房運転時の冷媒の経路を切り換える四方弁１０２と、冷媒と室内の空気の熱を交換する室内熱交換器１０３と、冷媒を減圧する減圧装置１０４と、冷媒と室外の空気の熱を交換する室外熱交換器１０５とを備えている。圧縮機１０１、四方弁１０２、室内熱交換器１０３、減圧装置１０４、室外熱交換器１０５は、冷媒配管によって環状に接続されることにより、冷凍サイクルを構成する。
また、従来の空気調和機は、室内熱交換器１０３の内部を流れる冷媒と室内の空気との熱交換を促進する室内ファン１０６と、室外熱交換器１０５の内部を流れる冷媒と室外の空気との熱交換を促進する室外ファン１０７と、を備えている。
従来の空気調和機において、暖房時は、図７の実線矢印で示すように、冷媒が圧縮機１０１、四方弁１０２、室内熱交換器１０３、減圧装置１０４、室外熱交換器１０５、四方弁１０２、圧縮機１０１の順に流れる。一方、冷房時は、図７の破線矢印で示すように、冷媒が圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器１０５、減圧装置１０４、室内熱交換器１０３、四方弁１０２、圧縮機１０１の順に流れる。
室外熱交換器１０５が室外ファン１０７から送風される空気（風）の流れ方向に対して複数列の管配列を有する場合、暖房時においては、室外熱交換器１０５に流れる冷媒の流れと室外ファン１０７から送風される空気の流れとが対向流になる。一方、冷房時においては、室外熱交換器１０５に流れる冷媒の流れと室外ファン１０７から送風される空気の流れとが並行流になる。
熱交換効率を向上させるためには、熱交換器の入口から出口にわたって冷媒と空気との温度差を大きく保つことが有効であることが知られている。冷媒の流れと空気の流れとが並行流である場合、通常、冷媒と空気との温度差は小さくなる。このため、従来の空気調和機においては、熱交換効率が低いという課題がある。
この課題を改善する技術が、例えば、特開平７−２８０３７５号公報に開示されている。
特開平７−２８０３７５号公報には、圧縮機の吐出側に第１の冷媒流路切り換え装置を接続するとともに、圧縮機の吸い込み側に第２の冷媒流路切り換え装置を接続し、冷媒の流れと空気の流れとが、暖房運転時、冷房運転時とも対向流となるようにした空気調和機が開示されている。
特開平８−１７８４４５号公報 特開平７−２８０３７５号公報
しかしながら、特開平７−２８０３７５号公報に記載の空気調和機では、高い熱交換効率を得ることができるものの、熱交換器の外部に複数の冷媒流路切り換え装置が必要になるなど、装置の小型化、低コスト化等が難しいという課題がある。
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、従来の構成とは異なる構成により、高い熱交換効率を得ることができる熱交換器及びそれを備えた空気調和機を提供することにある。
前記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、
複数列の管配列を有する熱交換器であって、
前記凝縮運転時においては、冷媒の流れ方向が前記冷媒と熱交換を行うために送風される空気の流れ方向と対向し、蒸発運転時においては、前記冷媒の流れ方向が前記空気の流れ方向と並行であるように構成された第１熱交換部と、
前記凝縮運転時と前記蒸発運転時の両時において、前記冷媒の流れ方向が前記空気の流れ方向と対向するように構成された第２熱交換部と、
を備え、
前記第１熱交換部は、前記蒸発運転時における冷媒の流れ方向に対して前記第２熱交換部よりも上流に配置されている。
本発明に係る熱交換器によれば、従来とは異なる構成により、高い熱交換効率を得ることができる。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気調和機の構成を模式的に示す説明図であり、 図２は、図１の空気調和機が備える室外熱交換器の構成を模式的に示す説明図であり、 図３は、図２の室外熱交換器の蒸発運転時の各冷媒流通管の温度変化の一例を示すグラフであり、 図４は、図２の室外熱交換器の凝縮運転時の各冷媒流通管の温度変化の一例を示すグラフであり、 図５は、本発明の第２実施形態に係る空気調和機が備える室外熱交換器の構成を模式的に示す説明図であり、 図６は、図５の室外熱交換器の蒸発運転時の各冷媒流通管の温度変化の一例を示すグラフであり、 図７は、従来の空気調和機の構成を模式的に示す説明図である。
本発明の熱交換器は、複数列の管配列を有する熱交換器であって、
前記凝縮運転時においては、冷媒の流れ方向が前記冷媒と熱交換を行うために送風される空気の流れ方向と対向し、蒸発運転時においては、前記冷媒の流れ方向が前記空気の流れ方向と並行であるように構成された第１熱交換部と、
前記凝縮運転時と前記蒸発運転時の両時において、前記冷媒の流れ方向が前記空気の流れ方向と対向するように構成された第２熱交換部と、
を備え、
前記第１熱交換部は、前記蒸発運転時における冷媒の流れ方向に対して前記第２熱交換部よりも上流に配置されている。
この構成によれば、凝縮運転時において、第１熱交換部における冷媒の流れと空気の流れとが対向流になっている。また、凝縮運転時と蒸発運転時の両時において、第２熱交換部における冷媒の流れと空気の流れとが対向流になっている。これにより、高い熱交換効率を得ることができる。
また、前記構成によれば、蒸発運転時において、第１熱交換部における冷媒の流れと空気の流れとが並行流になっているが、当該第１熱交換部における冷媒の流れと空気の流れとを対向流にしたときに近い熱交換効率を得ることができる。その理由は以下の通りである。
すなわち、蒸発運転時において、熱交換器（室外熱交換器）の入口には、冷媒として乾き度（二相冷媒中の気相と液相の和に対する気相の割合）の小さい気液二相冷媒が供給される。乾き度の小さい気液二相冷媒は、熱交換器内の冷媒流通管を通る際に生じる圧力損失が、気相や乾き度の大きい気液二相冷媒に比べて小さいという性質を有する。圧力損失が小さいと、冷媒流通管の温度低下は小さくなる。
前記構成によれば、第１熱交換部が、蒸発運転時における冷媒の流れ方向に対して第２熱交換部よりも上流に配置されている。すなわち、熱交換器内の冷媒流通管を通る冷媒が乾き度の小さい気液二相冷媒であるところに、第１熱交換部が配置されている。これにより、冷媒と空気との温度差を大きく保つことができ、熱交換効率の低下を抑えることができる。
また、前記構成によれば、特開平７−２８０３７５号公報に記載の空気調和機のように熱交換器の外部に複数の冷媒流路切り換え装置などを設けることなく、高い熱交換効率を得ることができるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
なお、前記第２熱交換部は、前記第１熱交換部よりも冷媒経路数が多いことが好ましい。この構成によれば、第２熱交換部の冷媒経路数が多いことにより、圧力損失を低下させることができる。また、第１熱交換部の冷媒経路数が少ないことにより、１つの冷媒経路に流れる冷媒の量を増やすことができる。これにより、冷媒の流速を上昇させて、熱交換を促進させることができる。
また、前記第１熱交換部は、前記凝縮運転時における冷媒の流れ方向に対して前記第２熱交換部よりも下流に配置されることが好ましい。この構成によれば、例えば、凝縮運転時に、冷媒経路数が多い第２熱交換部を通過する冷媒の温度にバラツキがあったとしても、冷媒経路数が少ない第１熱交換部によりそれらを合流させて均温化することができる。これにより、熱交換効率を向上させることができる。
また、前記第１熱交換部は、前記空気の流れ方向に対して風上に位置する風上側熱交換部と、前記空気の流れ方向に対して風下に位置し、前記風上側熱交換部よりも冷媒経路数が多い風下側熱交換部とを備えることが好ましい。この構成によれば、蒸発運転時においては、風上側熱交換部の冷媒経路数が少ないことにより、１つの冷媒経路に流れる気液二相冷媒の量を増やすことができる。これにより、気液二相冷媒の流速を速くして、熱交換を促進させることができる。また、風下側熱交換部の冷媒経路数が多いことにより、圧力損失を低減させることができる。これにより、冷媒と空気との温度差を大きく保つことが可能となり、熱交換効率を向上させることができる。
また、前記熱交換器は、前記冷媒を通す冷媒流通管と、前記冷媒の流れ方向を一方向に規制する逆止弁との組み合わせにより構成されることが好ましい。この構成によれば、簡易な部品で熱交換器が構成されるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
また、前記第１熱交換部は、前記第２熱交換部よりも下方に配置されることが好ましい。この構成によれば、例えば、凝縮運転時において、液相冷媒が重力に従って流れることが可能となり、第１熱交換部の冷媒流通管内に無駄な液相冷媒が溜まることを抑えることができる。また、本発明に係る熱交換器を室外熱交換器として使用する場合、凝縮運転時に比較的高温の冷媒が流れる第１熱交換部が、室外機の底部により近い位置に配置されることになる。これにより、熱交換器の底部と室外機の底部との間に発生した霜の溶け残りを抑えることができる。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気調和機の構成を模式的に示す説明図である。図１に示すように、本第１実施形態に係る空気調和機１は、室外に設置される室外機２と、室内に設置される室内機４とを備えている。
室外機２の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機６と、冷房暖房運転時の冷媒の経路を切り換える四方弁８と、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器１０と、冷媒を減圧する減圧装置の一例である膨張弁１２とが設けられている。
室内機４の内部には、冷媒と室内の空気の熱を交換する室内熱交換器１４が設けられている。圧縮弁６、四方弁８、室外熱交換器１０、膨張弁１２、及び室内熱交換器１４は、冷媒配管によって環状に接続されることにより、冷凍サイクルを構成する。
圧縮機６と室内熱交換器１４とは、冷媒配管１６を介して接続されている。この冷媒配管１６の中間部には、四方弁８が設けられている。また、室内熱交換器１４と膨張弁１２とは、冷媒配管１８を介して接続されている。冷媒配管１８には、膨張弁１２への異物侵入を防止するストレーナ２０が設けられている。
膨張弁１２と室外熱交換器１０とは、冷媒配管２２を介して接続されている。また、室外熱交換器１０と圧縮機６とは、冷媒配管２４を介して接続されている。冷媒配管２４の中間部には、四方弁８が設けられている。また、冷媒配管２４には、液相冷媒と気相冷媒とを分離するためのアキュームレータ２６が設けられている。アキュームレータ２６は、四方弁８と圧縮機６との間に配置されている。
また、室外機２の内部には、室外熱交換器１０の内部を流れる冷媒と室外の空気との熱交換を促進する室外ファン（図示せず）が設けられている。室内機４の内部には、室内熱交換器１４の内部を流れる冷媒と室内の空気との熱交換を促進する室内ファン（図示せず）が設けられている。室内熱交換器１４は、室内ファンにより室内機４の内部に吸込まれた室内の空気と、室内熱交換器１４の内部を流れる冷媒との熱交換を行い、暖房時には熱交換により暖められた空気を室内に吹き出す一方、冷房時には熱交換により冷却された空気を室内に吹き出す。
なお、室内機４の内部には、上下羽根（図示せず）と左右羽根（図示せず）が設けられている。上下羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて上下に変更するものである。左右羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて左右に変更するものである。
次に、本第１実施形態に係る空気調和機の暖房運転時の動作について説明する。図１において、実線矢印は、暖房運転時の冷媒の流れ方向を示している。
暖房運転が開始されると、圧縮機６が、冷媒を圧縮して高温高圧の気相冷媒を生成する。当該高温高圧の気相冷媒は、冷媒配管１６、四方弁８を通じて室内熱交換器１４に送られる。
室内熱交換器１４に送られた高温高圧の気相冷媒は、室内ファンによって吸い込まれた空気と熱交換されることにより放熱して凝縮し、高圧の液相冷媒となる。当該高圧の液相冷媒は、冷媒配管１８、ストレーナ１０を通じて膨張弁１２に送られる。一方、前記高温高圧の気相冷媒の熱を吸収し温度が上昇した空気は、室内ファンによって室内に吹き出され、室内を暖房する。
膨張弁１２に送られた高圧の液相冷媒は、膨張弁１２によって減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となる。当該気液二相冷媒は、冷媒配管２２を通じて室外熱交換器１０に送られる。室外熱交換器１０に送られた気液二相冷媒は、室外ファンによって吸い込まれた空気と熱交換されることにより蒸発して、気相冷媒となる。当該気相冷媒は、冷媒配管２４、四方弁８、アキュームレータ２６を通じて圧縮機６に戻る。
次に、本第１実施形態に係る空気調和機の冷房運転時の動作について説明する。図１において、破線矢印は、冷房運転時の冷媒の流れ方向を示している。
冷房運転が開始されると、圧縮機６が、冷媒を圧縮して高温高圧の気相冷媒を生成する。当該高温高圧の気相冷媒は、冷却配管２４及び四方弁８を通じて室外熱交換器１０に送られる。室外熱交換器１０に送られた高温高圧の気相冷媒は、室外ファンによって吸い込まれた空気と熱交換されることにより放熱し、高圧の液相冷媒となる。当該高圧の液相冷媒は、冷媒配管２２を通じて膨張弁１２に送られて減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。当該低温低圧の気液二相冷媒は、冷媒配管１８を通じて室内熱交換器１４に送られる。
室内熱交換器１４に送られた低温低圧の気液二相冷媒は、室内ファンによって吸い込まれた空気と熱交換されることにより吸熱して蒸発し、低圧の気相冷媒となる。当該低圧の気相冷媒は、冷媒配管１６、四方弁８、アキュームレータ２６を通じて圧縮機６に戻る。一方、低温低圧の気液二相冷媒に吸熱されることにより温度が低下した空気は、室内ファンによって室内に吹き出され、室内を冷房する。
次に、室外熱交換器１０の構成について説明する。図２は、室外熱交換器の構成を模式的に示す説明図である。図２において、実線矢印は、室外熱交換器１０が蒸発器として使用される蒸発運転時（暖房運転時）の冷媒の流れ方向を示している。また、図２において、破線矢印は、室外熱交換器１０が凝縮器として使用される凝縮運転時（冷房運転時）の冷媒の流れ方向を示している。
図２に示すように、室外熱交換器１０は、室外ファンから送風された空気（風）の流れに対して、風上側、風下側の２列の管配列を有している。また、室外熱交換器１０は、第１熱交換部３０と、第２熱交換部３１とを備えている。また、第２熱交換部３１は第１熱交換部３０より伝熱面積が大きくなるように構成されている。
第１熱交換部３０は、凝縮運転時においては、冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向し、蒸発運転時においては、冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と並行であるように構成されている。第１熱交換部３０は、蒸発運転時における冷媒の流れ方向に対して、第２熱交換部３１よりも上流に配置されている。第２熱交換部３１は、凝縮運転時と蒸発運転時の両時において、冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向するように構成されている。より具体的には、第１熱交換部３０及び第２熱交換部３１は、以下のように構成されている。
第１熱交換部３０は、空気の流れ方向に対して風上に位置する第１風上側熱交換部３０ａと、空気の流れ方向に対して風下に位置する第１風下側熱交換部３０ｂとを備えている。第１風下側熱交換部３０ａは、冷媒流通管３２を備えている。冷媒流通管３２は、冷媒配管２２と接続されている。第１風下側熱交換部３０ｂは、冷媒流通管３３を備えている。冷媒流通管３３と冷媒流通管３２とが接続されることで、１つの冷媒流路が形成されている。
第２熱交換部３１は、空気の流れ方向に対して風上に位置する第２風上側熱交換部３１ａと、空気の流れ方向に対して風下に位置する第２風下側熱交換部３１ｂとを備えている。第２風上側熱交換部３１ａは、４つの冷媒流通管３５ａ〜３５ｄを備えている。第２風下側熱交換部３１ｂは、４つの冷媒流通管３４ａ〜３４ｄを備えている。冷媒流通管３４ａ〜３４ｄと冷媒流通管３５ａ〜３５ｄとがそれぞれ接続されることで、４つの冷媒流路が形成されている。
冷媒流通管３４ａ〜３４ｄには、冷媒流通管３６が接続されている。冷媒流通管３６は、冷媒配管２４と冷媒流通管３３とに接続されている。冷媒配管２４には、冷媒流通管３６を通る冷媒が冷媒配管２４側に流入しないように規制する逆止弁４０が設けられている。冷媒流通管３６には、冷媒流通管３６を通る冷媒が冷媒流通管３３側に流入しないように規制する逆止弁４１が設けられている。
冷媒流通管３５ａ〜３５ｄには、冷媒流通管３７と冷媒流通管３８とが接続されている。冷媒流通管３７は、冷媒配管２４に接続されている。冷媒流通管３７には、冷媒流通管３７を通る冷媒が冷媒流通管３５ａ〜３５ｄ側に流入しないように規制する逆止弁４２が設けられている。冷媒流通管３８は、冷媒流通管３６と接続されている。冷媒流通管３８には、冷媒流通管３８を通る冷媒が冷媒流通管３５ａ〜３５ｄ側に流入しないように規制する逆止弁４３が設けられている。
次に、室外熱交換器１０の蒸発運転時の動作について説明する。
蒸発運転が開始されると、冷媒配管２２を通じて、第１熱交換部３０に気液二相冷媒が送られる。この気液二相冷媒は、第１風上側熱交換部３０ａの冷媒流通管３２、第１風下側熱交換部３０ｂの冷媒流通管３３、逆止弁４１を通じて冷媒流通管３６に送られる。この過程で、気液二相冷媒と室外ファンから送風される空気との熱交換が行われる。
その後、気液二相冷媒は、第２熱交換部３１に送られる。この気液二相冷媒は、第２風下側熱交換部３１ｂの冷媒流通管３４ａ〜３４ｄに分配され、第２風上側熱交換部３１ａに送られる。その後、当該分配された気液二相冷媒は、第２風上側熱交換部３１ａの冷媒流通管３５ａ〜３５ｄを通じて冷媒流通管３７に送られる。この過程で、気液二相冷媒と室外ファンから送風される空気との熱交換が行われ、気液二相冷媒が蒸発して気相冷媒となる。当該気相冷媒は、冷媒流通管３７で合流し、逆止弁４２を通過して冷媒配管２４に送られる。
次に、室外熱交換器１０の蒸発運転時の各冷媒流通管３２，３３，３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄの温度変化について説明する。図３は、蒸発運転時の室外熱交換器の各冷媒流通管の温度変化の一例を示すグラフである。なお、図３に示すデータは、室内温度が２０℃、室外温度が７℃（湿球温度６℃）の条件下で測定されたものである。
蒸発運転時において、室外熱交換器１０の入口となる冷媒配管２２には、冷媒として乾き度の小さい気液二相冷媒が供給される。当該気液二相冷媒は、冷媒流通管を通る際に生じる圧力損失が、気相や乾き度の大きい気液二相冷媒に比べて小さいという性質を有する。圧力損失が小さいと、冷媒流通管の温度低下は小さくなる。このため、乾き度の小さい気液二相冷媒が流れる第１熱交換部３０では圧力損失を大きくしても、冷媒と空気との温度差を保つことができる。加えて、本第１実施形態においては、比較的圧力損失が大きい乾き度の大きい気液二相冷媒が流れる第２熱交換部３１では、圧力損失の増加を抑制している。このために、室外熱交換器１０全体として高い熱交換効率を得ることができる。
また、本第１実施形態においては、冷媒流通管３３を通る気液二相冷媒が冷媒流通管３４ａ〜３４ｄに分配されるので、圧力損失が抑えられ、冷媒流通管の温度低下も抑えられる。さらに、第１熱交換部３０を通過後に、冷媒を冷媒流通管３４ａ〜３４ｄに分配しているため、分配する冷媒量のバラつきを小さくできる。これは、乾き度の低い気液二相冷媒を分配するより、乾き度の高い気液二相冷媒を分配する方が、冷媒量のバラつきを小さくできるためである。
また、気液二相冷媒は、冷媒流通３４ａ〜３４ｄを通る過程で、室外ファンから送風される空気と熱交換されて蒸発し、気相冷媒となる。本第１実施形態においては、第２熱交換部３１における冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向するように構成されているので、熱交換が促進され、気相冷媒の温度が大きく上昇する。これにより、室外熱交換器１０の出口側に位置する冷媒流通管３５ａ〜３５ｄで過熱度をとった場合においても、冷媒と空気との温度差を大きく保つことができ、高い熱交換効率を得ることができる。
次に、室外熱交換器１０の凝縮運転時の動作について説明する。
凝縮運転が開始されると、冷媒配管２４、逆止弁４０を通じて、第２熱交換部３１に気相冷媒が送られる。この気相冷媒は、第２風下側熱交換部３１ｂの冷媒流通管３４ａ〜３４ｄに分配され、第２風上側熱交換部３１ａの冷媒流通管３５ａ〜３５ｄに送られる。この過程で、気相冷媒と室外ファンから送風される空気との熱交換が行われ、気相冷媒が凝縮して気液二相冷媒となる。
その後、冷媒流通管３５ａ〜３５ｄを通る気液二相冷媒は、冷媒流通管３８にて合流し、逆止弁４３を通過して第１熱交換部３１に送られる。この気液二相冷媒は、第１風下側熱交換部３０ｂの冷媒流通管３３、第１風上側熱交換部３０ａの冷媒流通管３２を通じて冷媒配管２２に送られる。この過程で、気液二相冷媒と室外ファンから送風される空気との熱交換が行われ、気液二相冷媒が凝縮して液相冷媒となる。
次に、室外熱交換器１０の凝縮運転時の各冷媒流通管３２，３３，３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄの温度変化について説明する。図４は、室外熱交換器の凝縮運転時の各冷媒流通管の温度変化の一例を示すグラフである。なお、図４に示すデータは、室内温度が２７℃（湿球温度１９℃）、室外温度が３５℃の条件下で測定されたものである。
凝縮運転時において、室外熱交換器１０の入口となる冷媒配管２４には、冷媒として気相冷媒が供給される。この気相冷媒は、冷媒流通３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄを通る過程で、室外ファンから送風される空気と熱交換されて凝縮し、気液二相冷媒となる。本第１実施形態においては、第２熱交換部３１における冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向するように構成されているので、熱交換が促進され、冷媒の温度が大きく低下する。
また、気液二相冷媒は、冷媒流通３３〜３２を通る過程で、室外ファンから送風される空気と熱交換されて蒸発し、液相冷媒となる。本第１実施形態においては、第１熱交換部３０における冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向するように構成されているので、熱交換が促進され、液相冷媒の温度が大きく低下する。これにより、室外熱交換器１０の出口側に位置する冷媒流通管３２で過冷却度をとった場合においても、冷媒と空気との温度差を大きく保つことができ、高い熱交換効率を得ることができる。
本第１実施形態によれば、凝縮運転時において、第１熱交換部３０における冷媒の流れと空気の流れとが対向流になっている。また、凝縮運転時と蒸発運転時の両時において、第２熱交換部３１における冷媒の流れと空気の流れとが対向流になっている。これにより、高い熱交換効率を得ることができる。また、第２熱交換部３１は第１熱交換部３０より伝熱面積が大きくなるように構成されている。このため、凝縮運転時と蒸発運転時の両時において、室外熱交換器１０の大部分が冷媒の流れと空気の流れとが対向流になっている。これにより、高い熱交換効率を得ることができる。
また、本第１実施形態によれば、蒸発運転時において、第１熱交換部３０における冷媒の流れと空気の流れとが並行流になっている。しかしながら、蒸発運転時において、室外熱交換器１０の入口に供給される気液二相冷媒は、流速が遅く、熱交換器内の冷媒流通管を通る際に生じる圧力損失が小さいという性質を有するので、冷媒流通管の温度低下を抑えることができる。これにより、冷媒と空気との温度差を大きく保つことができ、熱交換効率の低下を抑えることができる。当該温度低下を抑えることにより、冷媒流通管３２の温度を低くすることができる。これにより、冷媒と空気との温度差を大きく保つことができ、高い熱交換効率を得ることができる。
また、本第１実施形態によれば、室外熱交換器１０の外部に複数の冷媒流路切り換え装置を設けることなく、高い熱交換効率を得ることができるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
また、本第１実施形態によれば、室外熱交換器１０が、比較的簡易な部品である冷媒流通管と逆止弁との組み合わせにより構成されているので、小型化、低コスト化を図ることができる。
また、本第１実施形態によれば、第２熱交換部３１の冷媒経路数が多いので、圧力損失を低下させることができる。また、第１熱交換部３０の冷媒経路数が少ないことにより、１つの冷媒経路に流れる気液二相冷媒の量を増やすことができる。これにより、気液二相冷媒の流速を速くして、熱交換を促進させることができる。
なお、第２熱交換部３１のように冷媒経路数を多くした場合、冷媒の分配や空気の速度分布にバラツキが生じ、熱交換効率が大きく低下してしまうことが起こり得る。
これに対して、本第１実施形態によれば、冷媒経路数が少ない第１熱交換部３０が、凝縮運転時における冷媒の流れ方向に対して、第２熱交換部３１よりも下流に配置されるので、冷媒流通管３５ａ〜３５ｄを通過した冷媒を第１熱交換部３０により合流させて均温化することができる。すなわち、本第１実施形態によれば、冷媒の分配や空気の速度分布にバラツキが生じたとしても、熱交換効率が低下することを抑えることができる。
なお、第１熱交換部３０は、図２に示すように、第２熱交換部３１よりも下方に配置されることが好ましい。この構成によれば、例えば、凝縮運転時において、液相冷媒が重力に従って流れることが可能となり、第１熱交換部３０の冷媒流通管３２，３３内に無駄な液相冷媒が溜まることを抑えることができる。
また、室外熱交換器１０の底部と室外機２の底部との間には、霜の溶け残りが発生しやすい。これに対して、第１熱交換部３０が第２熱交換部３１よりも下方に配置されることで、凝縮運転時に比較的高温の冷媒が流れる第１熱交換部３０が室外機２の底部により近い位置に配置されることになるので、室外熱交換器１０の底部と室外機２の底部との間に発生した霜の溶け残りを抑えることができる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る空気調和機が備える室外熱交換器の構成を模式的に示す説明図である。本第２実施形態に係る空気調和機が前記第１実施形態に係る空気調和機と異なる点は、室外熱交換器１０Ａが、室外ファンから送風される空気の流れに対して、風上側、中央、風下側の３列の管配列を有し、第１熱交換部の冷媒流路が風上側よりも風下側の方が多くなっている点である。なお、図５において、実線矢印は、室外熱交換器１０Ａが蒸発器として使用される蒸発運転時（暖房運転時）の冷媒の流れ方向を示している。また、図５において、破線矢印は、室外熱交換器１０Ａが凝縮器として使用される凝縮運転時（冷房運転時）の冷媒の流れ方向を示している。
図５に示すように、室外熱交換器１０Ａは、第１熱交換部５０と、第２熱交換部５１とを備えている。また、第２熱交換部５１は第１熱交換部５０より伝熱面積が大きくなるように構成されている。
第１熱交換部５０は、凝縮運転時においては、冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向し、蒸発運転時においては、冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と並行であるように構成されている。第１熱交換部５０は、蒸発運転時における冷媒の流れ方向に対して、第２熱交換部５１よりも上流に配置されている。第２熱交換部５１は、凝縮運転時と蒸発運転時の両時において、冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向するように構成されている。より具体的には、第１熱交換部５０及び第２熱交換部５１は、以下のように構成されている。
第１熱交換部５０は、空気の流れ方向に対して風上に位置する第１風上側熱交換部５０ａと、空気の流れ方向に対して風下に位置し、第１風上側熱交換部５０ａよりも冷媒経路数が多い第１風下側熱交換部５０ｃと、第１風上側熱交換部５０ａと第１風下側熱交換部５０ｃとの間に位置する第１中央熱交換部５０ｂとを備えている。第１風下側熱交換部５０ａは、冷媒流通管５２を備えている。冷媒流通管５２は、冷媒配管２２と接続されている。第１風下側熱交換部５０ｃは、冷媒流通管５３ａ，５３ｂを備えている。第１中央熱交換部５０ｂは、冷媒流通管５２から分岐され、冷媒流通管５３ａ，５３ｂと接続される冷媒流通管を備えている。
第２熱交換部５１は、空気の流れ方向に対して風上に位置する第２風上側熱交換部５１ａと、空気の流れ方向に対して風下に位置する第２風下側熱交換部５１ｃと、第２風上側熱交換部５１ａと第２風下側熱交換部５１ｃとの間に位置する第２中央熱交換部５１ｂとを備えている。第２風上側熱交換部５１ａは、６つの冷媒流通管５５ａ〜５５ｆを備えている。第２風下側熱交換部５１ｃは、６つの冷媒流通管５４ａ〜５４ｆを備えている。冷媒流通管５４ａ〜５４ｆと冷媒流通管５５ａ〜５５ｆとがそれぞれ接続されることで、６つの冷媒流路が形成されている。
冷媒流通管５４ａ〜５４ｆには、冷媒流通管３６が接続されている。冷媒流通管３６は、冷媒配管２４と冷媒流通管５３ａ，５３ｂとに接続されている。冷媒流通管５５ａ〜５５ｆには、冷媒流通管３７と冷媒流通管３８とが接続されている。
本第２実施形態によれば、凝縮運転時においては、第１風上側熱交換部５０ａの冷媒経路数が少ないことにより、１つの冷媒経路に流れる気液二相冷媒の量を増やすことができる。これにより、気液二相冷媒の流速を速くして、熱交換を促進させることができる。また、蒸発運転時においては、第１風下側熱交換部５０ｃ及び第１中央熱交換部５０ｂの冷媒経路数が多いことにより、圧力損失を低減させることができる。これにより、冷媒と空気との温度差を大きく保つことが可能となり、熱交換効率を向上させることができる。
次に、室外熱交換器１０Ａの蒸発運転時の動作について説明する。
蒸発運転が開始されると、冷媒配管２２を通じて、第１熱交換部５０に気液二相冷媒が送られる。この気液二相冷媒は、第１風上側熱交換部５０ａの冷媒流通管５２、第１風下側熱交換部５０ｃの冷媒流通管５３ａ、５３ｂを通じて冷媒流通管３６に送られる。この過程で、気液二相冷媒と室外ファンから送風される空気との熱交換が行われる。
その後、気液二相冷媒は、逆止弁４１を通過して第２熱交換部５１に送られる。この気液二相冷媒は、第２風下側熱交換部５１ｃの冷媒流通管５４ａ〜５４ｆに分配され、中央熱交換部５１ｂを介して第２風上側熱交換部５１ａに送られる。その後、当該分配された気液二相冷媒は、第２風上側熱交換部５１ａの冷媒流通管５５ａ〜５５ｆを通じて冷媒流通管３７に送られる。この過程で、気液二相冷媒と室外ファンから送風される空気との熱交換が行われ、気液二相冷媒が蒸発して気相冷媒となる。当該気相冷媒は、冷媒流通管３７で合流し、逆止弁４２を通過して冷媒配管２４に送られる。
次に、室外熱交換器１０Ａの蒸発運転時の各冷媒流通管５２，５３ａ，５３ｂ，５４ａ〜５４ｆ，５５ａ〜５５ｆの温度変化について説明する。図６は、蒸発運転時の室外熱交換器の各冷媒流通管の温度変化の一例を示すグラフである。なお、図６に示すデータは、室内温度が２０℃、室外温度が７℃（湿球温度６℃）の条件下で測定されたものである。
蒸発運転時において、室外熱交換器１０Ａの入口となる冷媒配管２２には、冷媒として乾き度の小さい気液二相冷媒が供給される。当該気液二相冷媒は、冷媒流通管（伝熱管ともいう）を通る際に生じる圧力損失が、気相や乾き度の大きい気液二相冷媒に比べて小さいという性質を有する。圧力損失が小さいと、冷媒流通管の温度低下は小さくなる。このため、乾き度の小さい気液二相冷媒が流れる第１熱交換部５０では圧力損失を大きくしても、冷媒と空気との温度差を保つことができる。加えて、本第２実施形態においては、比較的圧力損失が大きい乾き度の大きい気液二相冷媒が流れる第２熱交換部５１では、圧力損失の増加を抑制している。このために、室外熱交換器１０全体として高い熱交換効率を得ることができる。このために、室外熱交換器１０Ａ全体として高い熱交換効率を得ることができる。
また、本第２実施形態においては、冷媒流通管５２を通る気液二相冷媒が冷媒流通管５３ａ，５３ｂに分配されるので、圧力損失が抑えられ、冷媒流通管の温度低下も抑えられる。
また、本第２実施形態においては、冷媒流通管３６を通る気液二相冷媒が冷媒流通管５４ａ〜５４ｆに分配されるので、圧力損失がより一層抑えられ、冷媒流通管の温度低下もより一層抑えられる。さらに、第１熱交換部５０を通過後に、冷媒を冷媒流通管５４ａ〜５４ｆに分配しているため、分配する冷媒量のバラつきを小さくできる。これは、乾き度の低い気液二相冷媒を分配するより、乾き度の高い気液二相冷媒を分配する方が、冷媒量のバラつきを小さくできるためである。
また、気液二相冷媒は、冷媒流通５４ａ〜５４ｆを通る過程で、室外ファンから送風される空気と熱交換されて蒸発し、気相冷媒となる。本第２実施形態においては、第２熱交換部５１における冷媒の流れ方向が空気の流れ方向と対向するように構成されているので、熱交換が促進され、気相冷媒の温度が大きく上昇する。これにより、室外熱交換器１０Ａの出口側に位置する冷媒流通管５５ａ〜５５ｆで過熱度をとった場合においても、冷媒と空気との温度差を大きく保つことができ、高い熱交換効率を得ることができる。
本第２実施形態によれば、第１風下側熱交換部５０ｃの冷媒経路数が第１風上側熱交換部５０ａの冷媒経路数よりも多くなっているので、冷媒と空気との温度差を一層大きく保つことができ、より高い熱交換効率を得ることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、室外熱交換器１０の構成について説明したが、当該構成は室内熱交換器１４に適用されてもよい。
また、前記では、冷媒流通管と逆止弁との組合せにより室外熱交換器１０を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、逆止弁に代えて二方弁を用いてもよい。この場合でも、熱交換器の外部に複数の冷媒流路切り換え装置などを設けることなく、高い熱交換効率を得ることができるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
２０１２年６月１８日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１２−１３６５９６号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
本発明に係る熱交換器は、従来の構成とは異なる構成により、高い熱交換効率を得ることができるので、小型化、低コスト化が求められる熱交換器、及びそれを備える空気調和機に有用である。
２ 室外機
４ 室内機
６ 圧縮機
８ 四方弁
１０，１０Ａ 室外熱交換器（熱交換器）
１２ 膨張弁（減圧装置）
１４ 室内熱交換器（熱交換器）
１６，１８，２２，２４ 冷媒配管
２０ ストレーナ
２６ アキュームレータ
３０，５０ 第１熱交換部
３０ａ，５０ａ 第１風上側熱交換部
３０ｂ，５０ｃ 第１風下側熱交換部
３１，５１ 第２熱交換部
３１ａ，５１ａ 第２風上側熱交換部
３１ｂ，５１ｃ 第２風下側熱交換部
３２，３３，３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄ，３６，３７，３８，５３ａ，５３ｂ，５４ａ〜５４ｆ，５５ａ〜５５ｆ 冷媒流通管
５０ｂ 第１中央熱交換部
５１ｂ 第２中央熱交換部
４０〜４３ 逆止弁

Claims (7)

  1. 複数列の管配列を有する熱交換器であって、
    凝縮運転時においては、冷媒の流れ方向が前記冷媒と熱交換を行うために送風される空気の流れ方向と対向し、蒸発運転時においては、前記冷媒の流れ方向が前記空気の流れ方向と並行であるように構成された第１熱交換部と、
    前記凝縮運転時と前記蒸発運転時の両時において、前記冷媒の流れ方向が前記空気の流れ方向と対向するように構成された第２熱交換部と、
    を備え、
    前記第１熱交換部は、前記蒸発運転時における前記冷媒の流れ方向に対して前記第２熱交換部よりも上流に配置されている、熱交換器。
  2. 前記第２熱交換部は、前記第１熱交換部よりも冷媒経路数が多い、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記第１熱交換部は、前記凝縮運転時における冷媒の流れ方向に対して前記第２熱交換部よりも下流に配置されている、請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記第１熱交換部は、前記空気の流れ方向に対して風上に位置する風上側熱交換部と、前記空気の流れ方向に対して風下に位置し、前記風上側熱交換部よりも冷媒経路数が多い風下側熱交換部とを備える、請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱交換器。
  5. 前記熱交換器は、前記冷媒を通す冷媒流通管と、前記冷媒の流れ方向を一方向に規制する逆止弁との組合せにより構成されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱交換器。
  6. 前記第１熱交換部は、前記第２熱交換部よりも下方に配置されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱交換器。
  7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の熱交換器を備える空気調和機。
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