JP6573484B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒のパスが複数設けられた熱交換器に関する。

近年、エネルギ枯渇問題や地球温暖化問題が注目を浴びており、空気調和機や冷凍機の冷凍サイクルを高効率化することが望まれている。冷凍サイクルの構成要素の一つである熱交換器は、冷凍サイクルの性能に及ぼす影響が大きく高性能化が図られ続けられている。特に、近年は低負荷時での性能向上が年間の省エネルギに大きく寄与することが知られており、その方向に技術が注がれている。低負荷時では冷媒が低流量となるため多パスの凝縮器では液化した冷媒が重力の影響を受けて、下部パスが上部パスに比較して流れにくくなり、性能低下を引き起こす。例えば、特許文献１では、２パス限定の熱交換器を凝縮器として使う場合、熱交換器の下部に液冷媒が溜まらない構成とすることで性能向上を図っている。

特開２００３−１３０４９６号公報

ところで、熱交換器に使用される伝熱管は、通常細い管形状であるため、冷媒の流動抵抗を減らす目的で、多パスにして、それぞれのパスが熱交換器内部を往復する構成になっている。熱交換器が凝縮器として使用される場合には、熱交換器内に密度の小さい気体で流入し、熱交換器から密度の大きい液体で流出するため、重力方向下部のパスが重力の影響で流れにくくなる。

図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、冷媒流量で重力がどのように影響するかを説明するための図である。図１１（ａ）に示すように、蒸気冷媒（ガス冷媒）が、例えば、５パスに分割されて熱交換器内へ流入し、各パスが熱交換器内部を往復してその間に送風機により送り込まれた空気と熱交換して液化（凝縮）し、そして液体またはほぼ液体となって流出し合流することになる。ここで各パスの圧力は、流動による圧力降下（圧力変化）と重力によるヘッドの影響を受ける。このため、冷媒は、上部パスにおいて重力によって流れやすくなり、下部パスにおいて流れにくくなる。

図１１（ｂ）は、能力が必要な比較的冷媒流量が多い場合（高流量時）の上部パスと下部パスの圧力変化を示す模式図である。図１１（ｂ）において、左側は流動による圧力降下、右側は重力による影響を示している。パスの入口と出口は、１本につながっているため、冷媒の入口と出口での上部パスと下部パスは同じ圧力となる。この場合、各パスへの流量配分は流動抵抗によって決まるため重力の影響はあるが、全体的には流動抵抗の影響が大きく支配的であるため重力の影響は小さくなる。

一方、図１１（ｃ）は、低流量時の上部パスと下部パスの圧力変化を示す模式図である。この場合、当然、流動抵抗は小さくなるが（図中の直線の傾きが小さくなるが）重力の影響はほぼ形状（高さ）で決まるため、流量による差が出なくなる。その結果、下部パスは重力に対抗する流動抵抗がないため流れにくくなり、条件によっては流れない場合もある。

なお、図１１（ａ）は、液側（出口側）の集合部Ｐ１を熱交換器の上下方向の中心に配置した場合を記載しているが、上部パスと下部パスの相対的な影響であるので、この集合部Ｐ１の位置は本質的ではない。つまり、集合部Ｐ１を上側に配置しようが、下側に配置しようが、重力の影響を改善できるものではない。このような状況になると、熱交換器がうまく使えないばかりか、下部パスの冷媒は熱交換器に入ってすぐに液化してしまうため、冷媒が熱交換器の内部に溜まり、冷凍サイクル全体の冷媒不足から効率が低下してしまう。

この対策として、特許文献１に記載のものでは、２パスに限定して，下部パスに液冷媒がたまらない構成としている。しかしパス数が増えた場合対応できない。

本発明は、前記した従来の問題を解決するものであり、重力の影響を低減し、かつ、流動抵抗を低下させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、冷媒が通流する複数のパスと、前記冷媒と空気とを熱交換させる複数列のフィンプレートと、を含む熱交換部を備え、前記熱交換部が凝縮器として作用する際、ヘッダから前記複数のパスを介して前記熱交換部の上部から前記冷媒を流入させ、前記複数のパスは、前記冷媒を、少なくとも一の列の前記フィンプレートに通過させた後、前記熱交換部の下部の途中で２つの前記パスずつ合流させ、その後、他の列の前記フィンプレートを通過させて前記熱交換部の下部から流出させ、前記熱交換部は、当該熱交換部から導出される複数の前記パスのうち、鉛直方向において最も高いパスの高さと最も低いパスの高さとの差が、前記熱交換部の高さの半分以下となるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、重力の影響を低減し、かつ、流動抵抗を低下させることが可能な熱交換器を提供できる。

代表的な空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。 第１実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図である。 第１実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。 第２実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図である。 第２実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。 第３実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図である。 第３実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。 第４実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。 第５実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図である。 第５実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。 （ａ）は熱交換器を示す模式図、（ｂ）は高流量時における重力の影響を説明する冷媒圧力図、（ｂ）低流量時における重力の影響を説明する冷媒圧力図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。以下において冷凍サイクルと特に断りなく記載した場合、冷却または加熱、もしくはその両方で使用可能な冷凍サイクルを指すものとする。また、説明の便宜上、各図面で共通する部材には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。正面背面上下左右の方向軸については、各図の記載によるものとする。

図１は、代表的な空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。
図１に示すように、空気調和機１００は、圧縮機１、冷房と暖房で冷媒の流れる方向を切り替える四方弁２、フィンチューブ型の熱交換器３、熱交換器３へ空気を送り込む送風機４および室外機側減圧装置５を含む室外機１００Ａと、室内機側減圧装置６と、フィンチューブ型の熱交換器７および熱交換器７へ空気を送り込む送風機８を含む室内機１００Ｂと、室外機１００Ａと室内機１００Ｂとを接続する配管１００Ｌ，１００Ｖとを備えて構成されている。

接続配管１００Ｌは、液体またはほぼ液体となる冷媒が通流し、接続配管１００Ｖは、気体またはほぼ気体となる冷媒が通流する。四方弁２を切り替えると、室外機１００Ａの熱交換器３と室内機１００Ｂの熱交換器７は、凝縮器と蒸発器としての機能が切り替わる。

（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図である。なお、以下では、室外機１００Ａに設けられた熱交換器３０Ａ（３）を例に挙げて説明するが、室内機１００Ｂの熱交換器７０に適用することも可能である。また、図２では、熱交換器３０Ａの左右方向の一端側のみを図示している。また、図２の実線矢印は、熱交換器３０Ａが凝縮器として機能するときの冷媒の流れる方向を示し、破線矢印は、熱交換器３０Ａが蒸発器として機能するときの冷媒の流れる方向を示している。

図２に示すように、熱交換器３０Ａは、例えば、クロスフィンチューブ型の熱交換器であり、アルミニウム製のフィン１０を厚み方向に複数枚並べてなるフィンプレート１１Ａ，１１Ｂと、冷媒配管２０と、を備えて構成されている。

フィンプレート１１Ａ，１１Ｂは、空気の流れ方向に２列（複数列）に配置されている。なお、２列に限定されるものではなく、３列以上であってもよい。

冷媒配管２０は、冷媒が通流する流路を構成し、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの各フィン１０を貫く構造である。なお、冷媒配管２０は、ほぼ水平方向（鉛直方向に直交する方向、図１の左右方向）に延び、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂ内を蛇行（往復）するように配置されている。

また、冷媒配管２０は、４本の伝熱管２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａが接続されたヘッダ１２を備え、フィンプレート１１Ａの一端（図示左端）に接続されている。なお、ヘッダ１２は、熱交換器３０が凝縮器として機能する場合には、分配器として機能し、熱交換器３０が蒸発器として機能する場合には、合流器として機能する。

伝熱管２０ａは、フィンプレート１１Ａ（一の列のフィンプレート）を一端から他端まで貫通して、フィンプレート１１Ａの他端において、リターンベンド（Ｕ字管）３０ａの一端と接続されている。なお、リターンベンド３０ａは、フィンプレート１１Ａの他端側に設けられているものであるが、説明の便宜上、細い実線で示し、詳細な図示を省略している（その他のリターンベンドについても同様に図示している）。伝熱管２０ａの上方には、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂに跨るように配置された伝熱管２０ｂが設けられ、この伝熱管２０ｂの一方の端部がリターンベンド３０ａの他端と接続されている。伝熱管２０ｂの他方の端部は、フィンプレート１１Ｂ（他の列のフィンプレート）の他端（図２の右端）において、リターンベンド３０ｂの一端と接続されている。伝熱管２０ｂの下方には、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通する伝熱管２０ｃが設けられ、この伝熱管２０ｃがリターンベンド３０ｂの他端と接続されている。なお、リターンベンド３０ａ等をＵ字伝熱管とし、後記する伝熱管２４ｄ等をリターンベンドとして、図２における後方側（紙面奥側）につなぎ目（ベンド）がないように構成しても良い。

伝熱管２１ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３１ａの一端と接続されている。伝熱管２１ａの下方には、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂに跨るように配置された伝熱管２１ｂが設けられ、この伝熱管２１ｂの一方の端部がリターンベンド３１ａの他端と接続されている。伝熱管２１ｂの他方の端部は、フィンプレート１１Ｂの他端において、リターンベンド３１ｂの一端と接続されている。伝熱管２１ｂの上方には、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通する伝熱管２１ｃが設けられ、この伝熱管２１ｃがリターンベンド３１ｂの他端と接続されている。

伝熱管２２ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３２ａの一端と接続されている。伝熱管２２ａの上方には、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂに跨るように配置された伝熱管２２ｂが設けられ、この伝熱管２２ｂの一方の端部がリターンベンド３２ａの他端と接続されている。伝熱管２２ｂの他方の端部は、フィンプレート１１Ｂの他端において、リターンベンド３２ｂの一端と接続されている。伝熱管２２ｂの下方には、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通する伝熱管２２ｃが設けられ、この伝熱管２２ｃがリターンベンド３２ｂの他端と接続されている。

伝熱管２３ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３３ａの一端と接続されている。伝熱管２３ａの下方には、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂに跨るように配置された伝熱管２３ｂが設けられ、この伝熱管２３ａの一方の端部がリターンベンド３３ａの他端と接続されている。伝熱管２３ｂの他方の端部は、フィンプレート１１Ｂの他端において、リターンベンド３３ｂの一端と接続されている。伝熱管２３ｂの上方には、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通する伝熱管２３ｃが設けられ、この伝熱管２３ｃがリターンベンド３３ｂの他端と接続されている。

このように、熱交換器３０Ａでは、ヘッダ１２を介して４つのパス（複数のパス）となるように構成されている。また、熱交換器３０Ａでは、伝熱管２０ａ〜２０ｃが熱交換器３０Ａの最も上部に位置し、伝熱管２１ａ〜２１ｃが伝熱管２０ａ〜２０ｃの下方に位置し、伝熱管２２ａ〜２２ｃが伝熱管２１ａ〜２１ｃの下方に位置し、伝熱管２３ａ〜２３ｃが伝熱管２２ａ〜２２ｃの下方に位置している。なお、図２に示すパスの本数は、あくまで一例であって、本実施形態に限定されるものではなく、４本を超えてもよい。

また、熱交換器３０Ａは、伝熱管２３ａ〜２３ｃの下方に、伝熱管２４ａ，２４ｂ、分岐合流管２４ｃ、伝熱管２４ｄ，２４ｅ、伝熱管２５ａ、２５ｂ、分岐合流管２５ｃ、伝熱管２５ｄ，２５ｅを備えている。

伝熱管２４ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３４ａの一端と接続されている。伝熱管２４ｂは、伝熱管２４ａの下方に位置し、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３４ｂの一端と接続されている。

分岐合流管２４ｃは、三叉形状であって伝熱管２４ａと伝熱管２４ｂとの間に位置し、凝縮器として作用する際、２本のパスを１本のパスに合流するものである。なお、分岐合流管２４ｃは、蒸発器として作用する際には、１本のパスを２本のパスに分岐するものである。また、分岐合流管２４ｃは、そのうちの２本がフィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３４ａ，３４ｂの他端と接続されている。また、分岐合流管２４ｃは、残りの１本がフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３４ｃの一端と接続されている。

また、分岐合流管２４ｃの上方には、Ｕ字形状の伝熱管２４ｄが設けられ、この伝熱管２４ｄがフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３４ｃの他端、リターンベンド３４ｄの一端と接続されている。伝熱管２４ｄの上方には、伝熱管２４ｅが設けられ、この伝熱管２４ｅがフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３４ｄの他端と接続されている。そして、伝熱管２４ｅは、分岐合流部材４１と接続されている。

伝熱管２５ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３５ａの一端と接続されている。伝熱管２５ｂは、伝熱管２５ａの下方に位置し、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３５ｂの一端と接続されている。

分岐合流管２５ｃは、三叉形状であって伝熱管２５ａと伝熱管２５ｂとの間に位置し、凝縮器として作用する際、２本のパスを１本のパスに合流するものである。なお、分岐合流管２５ｃは、蒸発器として作用する際には、１本のパスを２本のパスに分岐するものである。また、分岐合流管２５ｃは、そのうちの２本がフィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３５ａ，３５ｂの他端と接続されている。また、分岐合流管２５ｃは、残りの１本がフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３５ｃの一端と接続されている。

また、分岐合流管２５ｃの上方には、Ｕ字形状の伝熱管２５ｄが設けられ、この伝熱管２５ｄがフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３５ｃの他端、リターンベンド３５ｄの一端と接続されている。伝熱管２５ｄの上方には、伝熱管２５ｅが設けられ、この伝熱管２５ｅがフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド３５ｄの他端と接続されている。そして、伝熱管２５ｅは、分岐合流部材４１と接続されている。

また、伝熱管２０ｃと伝熱管２４ａとは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、つなぎ管３７ａ（図２の太い破線を参照）を介して接続されている。伝熱管２１ｃと伝熱管２４ｂとは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、つなぎ管３７ｂ（図２の太い破線を参照）を介して接続されている。伝熱管２２ｃと伝熱管２５ａとは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、つなぎ管３７ｃ（図２の太い破線を参照）を介して接続されている。伝熱管２３ｃと伝熱管２５ｂとは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、つなぎ管３７ｄ（図２の太い破線を参照）を介して接続されている。このように、つなぎ管３７ａ〜３７ｄは、鉛直方向（上下方向）の高さの順を維持して接続されている。つまり、フィンプレート１１Ｂ側の伝熱管２０ｃ，２１ｃ，２２ｃ，２３ｃのうち鉛直方向において最も高い伝熱管２０ｃと、フィンプレート１１Ａ側の伝熱管２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂのうち鉛直方向において最も高い伝熱管２４ａとが接続されている。同様に、鉛直方向において２番目に高い伝熱管２１ｃと２番目に高い伝熱管２４ｂとが接続され、３番目に高い伝熱管２２ｃと３番目に高い伝熱管２５ａとが接続され、最も低い伝熱管２３ｃと最も低い伝熱管２５ｂとが接続されている。

このように、熱交換器３０Ａでは、伝熱管２０ａ、リターンベンド３０ａ、伝熱管２０ｂ、リターンベンド３０ｂ、伝熱管２０ｃ、つなぎ管３７ａ、伝熱管２４ａ、リターンベンド３４ａ、分岐合流管２４ｃ、リターンベンド３４ｃ、伝熱管２４ｄ、リターンベンド３４ｄおよび伝熱管２４ｅからなる一つ目のパスが構成されている（ＡＶ１−ＡＬ１−ａＶ１−ａＬ）。また、熱交換器３０Ａでは、伝熱管２１ａ、リターンベンド３１ａ、伝熱管２１ｂ、リターンベンド３１ｂ、伝熱管２１ｃ、つなぎ管３７ｂ、伝熱管２４ｂ、リターンベンド３４ｂ、分岐合流管２４ｃ、リターンベンド３４ｃ、伝熱管２４ｄ、リターンベンド３４ｄおよび伝熱管２４ｅからなる二つ目のパスが構成されている（ＡＶ２−ＡＬ２−ａＶ２−ａＬ）。また、熱交換器３０Ａでは、伝熱管２２ａ、リターンベンド３２ａ、伝熱管２２ｂ、リターンベンド３２ｂ、伝熱管２２ｃ、つなぎ管３７ｃ、伝熱管２５ａ、リターンベンド３５ａ、分岐合流管２５ｃ、リターンベンド３５ｃ、伝熱管２５ｄ、リターンベンド３５ｄおよび伝熱管２５ｅからなる三つ目のパスが構成されている（ＢＶ１−ＢＬ１−ｂＶ１−ｂＬ）。また、熱交換器３０Ａでは、伝熱管２３ａ、リターンベンド３３ａ、伝熱管２３ｂ、リターンベンド３３ｂ、伝熱管２３ｃ、つなぎ管３７ｄ、伝熱管２５ｂ、リターンベンド３５ｂ、分岐合流管２５ｃ、リターンベンド３５ｃ、伝熱管２５ｄ、リターンベンド３５ｄおよび伝熱管２５ｅからなる四つ目のパスが構成されている（ＢＶ２−ＢＬ２−ｂＶ２−ｂＬ）。

ここで、熱交換器３０Ａにおいて、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂと、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの左右両端から突出する伝熱管の部分を除いた熱交換に寄与する部分を熱交換部ＨＥとする。また、熱交換部ＨＥにおいて、つなぎ管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄより上流側の熱交換に寄与する部分を上部熱交換部ＨＥ１（図３の中間の太い破線で区切った上側）とし、下流側の熱交換に寄与する部分を下部熱交換部ＨＥ２（図３の中間の太い破線で区切った下側）とする。

このように構成された熱交換器３０Ａでは、凝縮器として作用する際、高温の気体冷媒が熱交換器３０Ａの上部（上部熱交換部ＨＥ１）に流れ熱交換する。そして、それぞれのパスの冷媒が熱交換器３０Ａの下部（下部熱交換部ＨＥ２）に流れる。熱交換器３０Ａの下部では、２パスずつ集合させる構成となっている。冷媒は、熱交換器３０Ａの内部において気体−気体の相変化を起こす。ところで、同じ質量流量でも液体と気体とでは密度が異なるため、気体の流速は、液体に比べて約１０倍以上になる。その結果、気体が支配的な領域では流速増加による圧力損失の増大によって効率の低下を引き起こし、液体が支配的な領域では流速低下による熱伝達率低下によって、効率の低下を引き起こす。そこで、第１実施形態では、蒸発器として作用する際、熱交換器３０Ａの下部（下部熱交換部ＨＥ２）の途中で、パスを分岐（凝縮器として作用する際は合流）させることで、気体が支配的な領域（上部熱交換部ＨＥ１側）の流速を落とし、圧力損失が大きくなるのを防止している。

図３において、このように構成されたパスで重力の影響を小さくする効果について説明する。図３は、本発明の第１実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。
図３に示すように、熱交換器３０Ａは仮想的に複数の領域に分割され、各パスは分割された熱交換部ＨＥの領域ごとに順番に流れるようにする。すなわち、各パスは、熱交換器３０Ａの上部（上部熱交換部ＨＥ１）に流した後に熱交換器３０Ａの下部（下部熱交換部ＨＥ２）に流している。冷媒は、気体密度ρＶで熱交換器３０Ａに流入し、液体密度ρＬで熱交換器３０Ａから流出する。なお、熱交換器を上下に分割しない場合（例えば、図１１（ａ）の場合）、次式（１）の重力による影響（圧力差）を、上部パスと下部パスの差として受けることになる。
Δｐ０＝（ρＬ−ρＶ）・ｇ・Ｈ （１）
（Ｈ≒熱交換器の高さ、ｇ：重力加速度）
通常の冷媒では、ρＶ＜＜ρＬであるため気体の密度を無視すると次式（２）となる。
Δｐ０＝ρＬ・ｇ・Ｈ （２）

一方、第１実施形態では、熱交換器３０Ａの下部（下部熱交換部ＨＥ２）に冷媒の出口を集中させることで、重力によって影響する高さを小さくしている。次式（３）の重力による影響（圧力差）Δｐ１は、上部パスと下部パスの差として受けることになる。
Δｐ１＝ρＬ・ｇ・ｈ （３）
なお、式（３）におけるｈは、鉛直方向において最も高いパス（伝熱管２４ｅ）と最も低いパスの高さ（伝熱管２５ｅ）との差で表すことができる。この差ｈは、熱交換器３０Ａの高さＨ（実際には、熱交換器３０Ａよりも少し低い高さ）の半分以下（二分の一以下）に設定される。よって、（２）式と（３）式の関係は、以下の（４）式となる。
Δｐ１≦Δｐ０／２ （４）
このように、第１実施形態では、重力の影響を半分以下にすることが可能になる。また、前記したように、下部熱交換部ＨＥ２の途中で、パスを分岐させることで、蒸発器として機能している場合、気体が支配的な領域の流速を落とし、圧力損失が大きくなるのを防止している。さらに、凝縮器として機能している場合はパス数が減っていく構成となるため、冷媒の出口を集中させたときに、鉛直方向において最も高いパスと最も低いパスの差ｈをより小さく構成できる。ガス側における冷媒の入口の最も高いパスと最も低いパスの差に対して上記差ｈを半分以下とすることもできる。

また、第１実施形態では、上部熱交換部ＨＥ１と下部熱交換部ＨＥ２とをつなぐ複数のつなぎ管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄが鉛直方向において高さを維持して接続されているので、つまり、つなぎ管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ同士が交差することがないので、熱交換器３０Ａの製造が容易になる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図、図５は、本発明の第２実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する（その他の実施形態についても同様）。

図４に示すように、第２実施形態の熱交換器３０Ｂは、第１実施形態のつなぎ管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄに替えて、つなぎ管３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄとした構成である。

つなぎ管３８ａは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、伝熱管２０ｃと伝熱管２５ｂとを接続している。つなぎ管３８ｂは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、伝熱管２１ｃと伝熱管２５ａとを接続している。つなぎ管３８ｃは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、伝熱管２２ｃと伝熱管２４ｂとを接続している。つなぎ管３８ｄは、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂの外側において、伝熱管２３ｃと伝熱管２４ａとを接続している。このように、第２実施形態では、つなぎ管３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄが鉛直方向における高さの順を入れ替えるようにして接続されている。

図５に示すように、第２実施形態では、つなぎ管３８ａが、上部熱交換部ＨＥ１において最も高い位置のパス（伝熱管２０ｃ）を、下部熱交換部ＨＥ２において最も低い位置のパス（伝熱管２５ｂ）にする構成である。なお、第２実施形態における流出側での重力の影響は、第１実施形態と同じであるが、つなぎ側（つなぎ管３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄが接続される側）では、上部熱交換部ＨＥ１における上部パス（伝熱管２０ａ）において冷媒が流れ易く、一方流出側では下部熱交換部ＨＥ２における下部パス（伝熱管２５ｅ）が流れにくいため、お互いの影響を相殺する方向に力が働く。つなぎ部（つなぎ管３８ａ）では、上部パスと下部パスの鉛直方向における差は、約Ｈであるが、冷媒が気液二相状態であるため、影響する密度は、液体の密度よりも小さくなる。

気体の体積専有比率であるボイド率αを用いると、つなぎ管３８ａの上部パスと下部パスの重力による影響は、以下の式（５）となる。
Δｐｃ＝ρＬ・（１−α）・ｇ・Ｈ＋ρＶ・α・ｇ・Ｈ （５）
気体密度についは液体密度に比べて十分に小さいので、気体密度を省略すると、以下の式（６）となる。
Δｐｃ＝ρＬ・（１−α）・ｇ・Ｈ （６）
ここで、つなぎ部の気液の質量流量比率であるかわき度は、ボイド率と相関関係があり、０．２〜０．５となることから、ボイド率αは、０．５〜０．７程度となる。その結果、重力の影響は、流出部（第１実施形態）との差で以下の式（７）となる。
Δｐ２＝Δｐ１−Δｐｃ＝ρＬ・ｇ・｛ｈ−（１−α）・Ｈ｝ （７）
ここで、ｈ≒Ｈ／２、α＝０．５〜０．７であるため、Δｐ２は、Δｐ０に比べて小さくなる。仮に、ｈ＝Ｈ／２、α＝０．６を代入すると、以下の式（８）となる。
Δｐ２´＝０．１・ρＬ・ｇ・Ｈ＝０．１Δｐ０ （８）
このように、従来方法（Δｐ０）の１０％程度になる。

このように、第２実施形態によれば、重力の影響を第１実施形態に比べて小さく、また従来方法（図１１（ａ））に比べて１０％程度にすることができる。また、第１実施形態と同様に、下部熱交換部ＨＥ２の途中で、パスを分岐（分岐合流管２４ｃ，２５ｃ）させることで、圧力損失が大きくなるのを防止できる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図、図７は、本発明の第３実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。なお、第３実施形態の熱交換器３０Ｃは、第１実施形態の熱交換器３０Ａのように下部熱交換部ＨＥ２に分岐合流管２４ｃ，２５ｃを設ける構成に替えて、上部熱交換部ＨＥ１に分岐合流管４４ａ，４４ｂを設けた構成である。

図６に示すように、熱交換器３０Ｃは、４本の伝熱管４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａが接続されたヘッダ１２を備え、フィンプレート１１Ａの一端（図示左端）に接続されている。なお、ヘッダ１２は、熱交換器３０Ｃが凝縮器として機能する場合には、分配器として作用し、熱交換器３０Ｃが蒸発器として機能する場合には、合流器として作用する。

熱交換器３０Ｃは、伝熱管４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ、分岐合流管４４ａ，４４ｂ、伝熱管４５ａ，４５ｂ、４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ，４９ａ，４９ｂを備えている。

伝熱管４０ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５１ａの一端と接続されている。伝熱管４１ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５１ｂの一端と接続されている。

分岐合流管４４ａは、三叉形状であって伝熱管４０ａと伝熱管４１ａとの間に位置し、そのうちの２本がフィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド５１ａ，５１ｂの他端と接続されている。また、分岐合流管４４ａは、残りの１本がフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド５１ｃの一端と接続されている。

伝熱管４５ａは、Ｕ字形状であり、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５１ｃの他端と接続され、リターンベンド５１ｄの一端と接続されている。伝熱管４６ａは、フィンプレート１１Ｂの一端から他端まで貫通し、リターンベンド５１ｄの他端と接続されている。

伝熱管４２ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５２ａの一端と接続されている。伝熱管４３ａは、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５２ｂの一端と接続されている。

分岐合流管４４ｂは、三叉形状であって伝熱管４２ａと伝熱管４３ａとの間に位置し、そのうちの２本がフィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通して、リターンベンド５２ａ，５２ｂの他端と接続されている。また、分岐合流管４４ｂは、残りの１本がフィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通して、リターンベンド５２ｃの一端と接続されている。

伝熱管４５ｂは、Ｕ字形状であり、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５２ｃの他端と接続され、リターンベンド５２ｄの一端と接続されている。伝熱管４６ｂは、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５２ｄの他端と接続されている。

伝熱管４７ａは、伝熱管４３ａの下方に位置し、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５３ａの一端と接続されている。伝熱管４８ａは、伝熱管４７ａの上方に位置し、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂに跨って配置され、一方の端部がリターンベンド５３ａの他端と接続され、他方の端部がリターンベンド５３ｃの一端と接続されている。伝熱管４９ａは、伝熱管４８ａの下方に位置し、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５３ｃの他端と接続されている。

伝熱管４７ｂは、伝熱管４７ａの下方に位置し、フィンプレート１１Ａを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５３ｂの一端と接続されている。伝熱管４８ｂは、伝熱管４７ｂの下方に位置し、フィンプレート１１Ａ，１１Ｂに跨って配置され、一方の端部がリターンベンド５３ｂの他端と接続され、他方の端部がリターンベンド５３ｄの一端と接続されている。伝熱管４９ｂは、伝熱管４８ｂの上方に位置し、フィンプレート１１Ｂを一端から他端まで貫通し、リターンベンド５３ｄの他端と接続されている。

また、伝熱管４６ａと伝熱管４７ａとは、つなぎ管５０ａを介して接続されている。伝熱管４６ｂと伝熱管４７ｂとは、つなぎ管５０ｂを介して接続されている。

図７に示すように、上部熱交換部ＨＥ１（つなぎ管５０ａの上流側）において、分岐合流管４４ａ，４４ｂが配置されている。このように熱交換器３０Ｃでは、凝縮器として機能する場合、入口側で４パス、つなぎ側（つなぎ管５０ａ，５０ｂ）の上流側で２パス、下部熱交換部ＨＥ２（つなぎ側の下流）において２パス、流出側で２パスとなっている。このように、熱交換器３０Ｃでは、２パスが支配的になっている。

このように、パス数を少なくすることにより、冷媒の流速を速めることができ、流速が速くなることで、冷媒の熱伝達率が上昇し、伝熱性能が向上する。また、熱交換器３０Ｃの上部パスと下部パスとをつなぐ配管（つなぎ管５０ａ，５０ｂ）の数が少なくなるため、熱交換器３０Ｃの製造が容易になる。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。なお、第４実施形態では、図２，４，６に対応する図面を省略する。第４実施形態の熱交換器３０Ｄは、第１実施形態ないし第３実施形態を組み合わせた構成である。
図８に示すように、熱交換器３０Ｄは、１２本の伝熱管６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ，６１ｇ，６１ｈ，６１ｉ，６１ｊ，６１ｋ，６１ｌが接続されたヘッダ１２Ａを備え、フィンプレート１１Ａの一端に接続されている。なお、図８では、熱交換器３０Ｄが凝縮器として機能する場合の冷媒の流れを示している。

また、熱交換器３０Ｄは、上部熱交換部ＨＥ１において、分岐合流部７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ（図６の分岐合流管４４ａ、４４ｂに対応）によって、熱交換器３０Ｄが蒸発器として機能する場合、６本のパスが１２本のパスに分岐するように構成されている。上部熱交換部ＨＥ１と下部熱交換部ＨＥ２とは、つなぎ管６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆを介して接続されている。また、熱交換器３０Ｄは、下部熱交換部ＨＥ２において、分岐合流部７２ａ，７２ｂ，７２ｃ（図２の分岐合流管２４ｃ，２５ｃに対応）によって、蒸発器として機能する場合、３本のパスから６本のパスに分岐するように構成されている。

また、熱交換器３０Ｄは、下部熱交換部ＨＥ２から流出する複数のパス（伝熱管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）のうち、鉛直方向において最も高いパス（伝熱管６３ａ）と最も低いパス（伝熱管６３ｃ）との差ｈが、熱交換部ＨＥの高さＨの半分以下となるように設定されている。これによれば、第１実施形態および第３実施形態と同様な効果が得られる。

また、熱交換器３０Ｄでは、上部熱交換部ＨＥ１と下部熱交換部ＨＥ２の双方に分岐合流管７１ａ〜７１ｆ，７２ａ〜７２ｃを設けたので、第３実施形態で説明した分岐合流部の分岐の効果を２倍にできる。つまり、凝縮器として機能する場合、冷媒は、ヘッダ１２Ａから気体（ガス）で入って、伝熱管６３ａ，６３ｂ，６３ｃから液体で出ていくが、気体の方が、流速が速いので、抵抗が大きくなる。これを防ぐために、分岐合流管７１ａ〜７１ｆ，７２ａ〜７２ｃによって分岐させることで、ガス側の抵抗を小さくできる。逆に、液体側（凝縮器として機能する場合の流出側）は、抵抗が小さくなるので、流速を上げて熱伝達率を上げることが望ましい。液体側は、できるだけ分岐の数を少なくし、気体側は、できるだけ分岐の数を多くすることが望ましい。第３実施形態では（図７の太実線参照）、液体側（伝熱管４９ａ）が１パスに対して、気体側（伝熱管４２ａ，４３ａ）が２パスであるのに対して、第４実施形態では（図８の太実線参照）、液体側（伝熱管６３ｃ）が１パスに対して、気体側（伝熱管６１ａ〜６１ｄ）が４パスになる。

このように、上部熱交換部ＨＥ１と下部熱交換部ＨＥ２の途中で、それぞれパスを分岐（分岐合流管７１ａ〜７１ｆ，７２ａ〜７２ｃ）させることで、熱交換器３０Ｄを蒸発器として使用する場合、圧力損失が大きくなるのを第３実施形態に比べて確実に防止できる。また、熱交換器３０Ｄを凝縮器として使用する場合、パス数を少なくすることにより、冷媒（液体）の流速を速めることができ、流速が速くなることで、冷媒の熱伝達率が上昇し、伝熱性能が向上する。また、他の実施形態よりもパス数がより減る構成となるため、冷媒が流出するパス高さの差ｈをより小さく構成できる。

（第５実施形態）
図９は、第５実施形態の熱交換器における冷媒の流れ図、図１０は、第５実施形態の熱交換器のパスを示す模式図である。第５実施形態の熱交換器３０Ｅは、第１実施形態の熱交換器３０Ａに対して冷媒の導入側と導出側とを上下逆にした構成である。

図９に示すように、熱交換器３０Ｅは、該熱交換器３０Ｅの下部に、ヘッダ１２、伝熱管２０ａ〜２０ｃ，２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ，２３ａ〜２３ｃ，を備え、該熱交換器３０Ｅの上部に、伝熱管２４ａ，２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、分岐合流管２４ｃ，２５ｃ、伝熱管２４ｄ，２４ｅ，２５ｄ，２５ｅを備えて構成されている。

また、伝熱管２０ｃと伝熱管２４ａとは、つなぎ管３７ｅによって接続されている。伝熱管２１ｃと伝熱管２４ｂとは、つなぎ管３７ｆによって接続されている。伝熱管２２ｃと伝熱管２５ａとは、つなぎ管３７ｇによって接続されている。伝熱管２３ｃと伝熱管２５ｂとは、つなぎ管３７ｈによって接続されている。

図１０に示すように、熱交換器３０Ｅが凝縮器として作用する際に、冷媒の流出側において、鉛直方向の最も高いパス（伝熱管２４ｅ）の高さと最も低いパス（伝熱管２５ｅ）の高さとの差ｈは、熱交換器３０Ｅの高さＨ（実際には、熱交換器３０Ｅよりも少し低い高さ）の半分以下（二分の一以下）に設定される。

このように、第５実施形態では、第１実施形態と同様に、重力の影響を半分以下にすることが可能になる。また、前記したように、上部熱交換部ＨＥ１の途中で、蒸発器として機能している場合、パスを分岐させることで、気体が支配的な領域（下部熱交換部ＨＥ２側）の流速を落とし、圧力損失が大きくなるのを防止している。

また、第５実施形態では、下部熱交換部ＨＥ２と上部熱交換部ＨＥ１とをつなぐ複数のつなぎ管３７ｅ，３７ｆ，３７ｇ，３７ｈが鉛直方向において高さを維持して接続されているので、つまり、つなぎ管３７ｅ，３７ｆ，３７ｇ，３７ｈ同士が交差することがないので、熱交換器３０Ａの製造が容易になる。

ところで、熱交換器を室外機に使用する場合、条件により暖房運転中（熱交換器が蒸発器）に熱交換器に霜が付着する。このような霜を溶かす運転を、通常は冷房のサイクルに切り替えて熱交換器を凝縮器として運転し、高温の冷媒を熱交換器に導入することにより霜を溶かしている。この場合、熱交換器の下部の霜は、融解水の排出の妨げになるため、早く溶かすことが望ましい。そこで、第５実施形態では、除霜時に、蒸発器から凝縮器に切り替えて、熱交換器３０Ｅの下部（下部熱交換部ＨＥ２）から冷媒を導入することにより、熱い冷媒が熱交換器３０Ｅの下部に先に流れるため、熱交換器３０Ｅの下部の霜を上部よりも先に溶かすことができ、融解水の妨げになるのを防止できる。

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々変更できる。例えば、第１実施形態ないし第５実施形態の複数を適宜組み合わせて適用してもよい。

１０ フィン
１１Ａ フィンプレート（一の列のフィンプレート）
１１Ｂ フィンプレート（他の列のフィンプレート）
１２，１２Ａ ヘッダ
２０ａ〜２０ｃ，２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ，２３ａ〜２３ｃ，２４ａ〜２４ｅ，２５ａ〜２５ｅ，４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ，４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ，４９ａ，４９ｂ 伝熱管
２４ｃ，２５ｃ，４４ａ，４４ｂ，７１ａ〜７１ｆ，７２ａ〜７２ｃ 分岐合流管
３７ａ〜３７ｈ，３８ａ〜３８ｄ，５０ａ，５０ｂ，６２ａ〜６２ｆ つなぎ管
３，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ 熱交換器
１００ 空気調和機
１００Ａ 室外機
１００Ｂ 室内機
ＨＥ 熱交換部
ＨＥ１ 上部熱交換部（領域）
ＨＥ２ 下部熱交換部（領域）

Claims (4)

1. 冷媒が通流する複数のパスと、前記冷媒と空気とを熱交換させる複数列のフィンプレートと、を含む熱交換部を備え、
   前記熱交換部が凝縮器として作用する際、
   ヘッダから前記複数のパスを介して前記熱交換部の上部から前記冷媒を流入させ、
   前記複数のパスは、前記冷媒を、少なくとも一の列の前記フィンプレートに通過させた後、前記熱交換部の下部の途中で２つの前記パスずつ合流させ、その後、他の列の前記フィンプレートを通過させて前記熱交換部の下部から流出させ、
   前記熱交換部は、当該熱交換部から導出される複数の前記パスのうち、鉛直方向において最も高いパスの高さと最も低いパスの高さとの差が、前記熱交換部の高さの半分以下となるように構成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数のパスは、前記他の列の前記フィンプレートから流出した鉛直方向における高さの順を維持して、前記一の列の前記フィンプレートに流入することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数のパスは、前記他の列の前記フィンプレートから流出した鉛直方向における高さの順を入れ替えて、前記一の列の前記フィンプレートに流入することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 冷媒が通流する複数のパスと、前記冷媒と空気とを熱交換させる複数列のフィンプレートと、を含む熱交換部を備え、
   前記熱交換部が凝縮器として作用する際、
   ヘッダから前記複数のパスを介して前記熱交換部の下部から前記冷媒を流入させ、
   前記複数のパスは、前記冷媒を、少なくとも一の列の前記フィンプレートに通過させた後、前記熱交換部の上部の途中で２つの前記パスずつ合流させ、その後、他の列の前記フィンプレートを通過させて前記熱交換部の上部から流出させ、
   前記熱交換部は、当該熱交換部から導出される複数の前記パスのうち、鉛直方向において最も高いパスの高さと最も低いパスの高さとの差が、前記熱交換部の高さの半分以下となるように構成したことを特徴とする熱交換器。

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