JP6664558B1 - 熱交換器、熱交換器を備えた空気調和装置、および熱交換器を備えた冷媒回路 - Google Patents

熱交換器、熱交換器を備えた空気調和装置、および熱交換器を備えた冷媒回路 Download PDF

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Abstract

熱交換器は、複数の伝熱管と、第１方向に間隔を空けて形成され、伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、冷媒分配器は、内部を伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と伝熱管の端部が差し込まれない側の第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、一側面に設けられ、第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、伝熱管は、第１空間において端部が第１仕切り板と間隔が空くように差込孔に差し込まれており、第１仕切り板には、隣り合う伝熱管の間のそれぞれに対応して、第１空間と前記第２空間とを連通させるオリフィスが設けられているものである。

Description

本発明は、冷媒分配器から複数の伝熱管へ気液二相冷媒を分配する熱交換器、熱交換器を備えた空気調和装置、および熱交換器を備えた冷媒回路に関するものである。
従来の空気調和装置において、室内機に搭載され凝縮器として機能する熱交換器で凝縮された液冷媒は、膨張弁によって減圧され、ガス冷媒と液冷媒とが混在する気液二相状態となる。そして、気液二相状態の冷媒は、室外機に搭載され蒸発器として機能する熱交換器に流入する。また、熱交換器を、伝熱管に扁平管を用いて、隣り合う扁平管の間にコルゲートフィンを設けた構成とすることで、高性能な熱交換器となるが、複数の扁平管に冷媒を均一に分配することができる冷媒分配器の開発が課題であった。
この冷媒分配性能を改善するため、冷媒分配器に二重管構造のヘッダーを用いて冷媒分配の改善を図った方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、熱交換器のヘッダーを二重管構造とし、二重管の内管にオリフィスを設け、オリフィスの位置を調整することで複数の扁平管に分配される冷媒を均一化し、冷媒分配器の冷媒分配性能を改善している。
特開２０１７−３２２４４号公報
しかしながら、特許文献１のような従来の熱交換器において、扁平管を二重管にロウ付け接合する場合には、十分なロウ付け代を確保する必要がある。このため、扁平管は幅方向の寸法が、従来の伝熱管が円管である場合に比べて大きくなり、二重管の外管が大径化するため、ヘッダー内部に溜まる冷媒量が大きくなってしまう。また、冷媒量を低減するために、二重管の外管および内管の細径管化を進めると流体抵抗が増加し、冷媒分配性能が悪化してしまうという課題があった。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、冷媒分配器の小容積化を図りつつ、冷媒分配性能を改善することのできる熱交換器、熱交換器を備えた空気調和装置、および熱交換器を備えた冷媒回路を提供することを目的としている。
本発明に係る熱交換器は、それぞれが扁平管である複数の伝熱管と、第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、前記冷媒分配器は、内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、前記第２空間を前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板と、一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、前記第２仕切り板によって仕切られた前記２つの冷媒流路のそれぞれにおいて冷媒が前記第２仕切り板の一方の端部を上流側として前記第１方向の同じ方向に流れるように構成され、前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、前記第１仕切り板には、前記第２方向から見て隣り合う前記伝熱管の前記第１方向の間の領域に前記第３方向に間隔を空けて複数のオリフィスが設けられ、前記複数のオリフィスが前記第１空間と前記第２空間の冷媒が同じ方向に流れる前記２つの冷媒流路とを連通させるものである。
また、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および、蒸発器が配管で接続され、冷媒が流れる冷媒回路を備え、前記凝縮器または前記蒸発器に上記の熱交換器を用いたものである。
本発明に係る熱交換器、熱交換器を備えた空気調和装置、および熱交換器を備えた冷媒回路によれば、冷媒分配器の内部が、第１仕切り板によって伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と伝熱管の端部が差し込まれない側の第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切られている。また、伝熱管は、第１空間において端部が第１仕切り板と間隔が空くように差込孔に差し込まれており、第１仕切り板には、隣り合う伝熱管の間のそれぞれに対応して、第１空間と第２空間とを連通させるオリフィスが設けられている。このような構造となっているため、第１空間と第２空間とに冷媒流路を分割することができ、冷媒分配器の内部を２つの空間に分割しない場合と比べて、伝熱管と冷媒分配器との接続部での流体抵抗を低減でき、冷媒分配器の小容量化が可能となる。さらには、第１空間は、第１方向に連通しており、隣り合う伝熱管とで形成される空間にオリフィスから噴出された気液二相冷媒が混合されるため、冷媒分配性能が改善され、熱交換器性能を改善することができる。
本発明の実施の形態１に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態１の変形例に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の縦断面の正面概略図の一例である。 冷媒流路が単層構造である従来の熱交換器の縦断面の正面概略図の一例である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の縦断面の正面概略図の一例である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の扁平管の流路断面の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２の第一変形例に係る熱交換器の扁平管の流路断面の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２の第二変形例に係る熱交換器の扁平管の流路断面の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２の第三変形例に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 図１２に示す冷媒分配器の内部の冷媒の流れを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器のＬ字形状に屈曲された冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 図１４に示す冷媒分配器の縦断面を説明する図である。 図１４に示す冷媒分配器の変形例の縦断面図を説明する図である。 本発明の実施の形態２の第四変形例に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態３の変形例に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の冷媒分配器の第１仕切り板による冷媒分配の特性模式図である。 本発明の実施の形態５に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態５に係る熱交換器の冷媒分配器による冷媒の分配特性を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態６の第一変形例に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態６の第二変形例に係る熱交換器の縦断面の正面概略図の一例である。 本発明の実施の形態７に係る熱交換器の冷媒分配器の横断面の平面概略図の一例である。 本発明の実施の形態７の変形例に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態８に係る熱交換器の縦断面の正面概略図の一例である。 本発明の実施の形態８の第一変形例に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態８の第二変形例に係る熱交換器の縦断面の側面概略図の一例である。 本発明の実施の形態９に係る熱交換器を搭載した空気調和装置が備える冷媒回路の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１０に係る熱交換器を搭載した空気調和装置が備える冷媒回路の一例を示す図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に示されている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。また、明細書全文においては、互いに直交する方向を第１方向、第２方向、第３方向とする。そして、その一例として、第１方向を水平方向、第２方向を鉛直方向、第３方向を冷媒分配器の幅方向とした場合について説明しているが、冷媒の流れの向きなどに限定されるものではない。
また、以下の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語、例えば「上」、「下」、「右」、「左」、などを適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本願発明を限定するものではない。また、明細書全文においては、熱交換器１００を側面視した状態において、「上」、「下」、「右」、「左」、などを使用する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。図２は、本発明の実施の形態１の変形例に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。図３は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１００の縦断面の正面概略図の一例である。
図１および図３に示すように、本実施の形態１に係る熱交換器１００は、複数の扁平管１と、コルゲートフィン７と、冷媒分配器２００とを備えている。また、冷媒分配器２００は、ヘッダー外管底板２と、ヘッダー外管上板３と、第１仕切り板４と、上流側面フタ８と、下流側面フタ９と、流入管１０とを備えている。
冷媒分配器２００は、筒形状を有し、水平方向（図１の紙面直交方向）に延びて、鉛直方向（図１の上下方向）の断面が矩形形状を有している。また、第１仕切り板４には、オリフィス５が水平方向に沿って複数設けられている。なお、オリフィス５のそれぞれは、冷媒分配器２００の幅方向（図１の左右方向）にずれた位置に設けられた構成にしてもよい。このような構成とすることで、隣り合うオリフィス５において、上流側のオリフィス５が下流側のオリフィス５の流れを乱す影響を抑制することができ、冷媒分配性能を改善することができる。
また、図２に示すように、オリフィス５が冷媒分配器２００の幅方向に複数設けられた構成にしてもよい。このような構成とすることで、幅方向の分配性能を改善することができる。この効果は、本実施の形態１のように、伝熱管が冷媒分配器２００の幅方向に長い扁平管１で、冷媒分配器２００の内部流路の幅寸法が扁平管１よりも大きくなるような熱交換器１００において、特に顕著となる。ただし、当然ながら、伝熱管として扁平管１ではなく円管を用いてもよい。伝熱管が円管の場合であっても、冷媒分配器２００の小容積化が可能となる。
複数の扁平管１の端部は、ヘッダー外管上板３の長手方向に間隔を空けて形成された差込孔３ａに差し込まれており、等ピッチで冷媒分配器２００の長手方向に並んでいる。ここで、差込孔３ａは、第１方向よりも第３方向に長い形状を有している。この扁平管１は、ヘッダー外管上板３に対面する水平断面が扁平矩形形状である。また、隣り合う扁平管１の間には、コルゲートフィン７が設けられ、このコルゲートフィン７は、扁平管１の外管表面に接合されている。また、ヘッダー外管底板２、ヘッダー外管上板３、および、第１仕切り板４の端部には、上流側面フタ８および下流側面フタ９がそれぞれ接続されている。また、上流側面フタ８には、流入管１０が貫通するように接続されており、流入管１０は、第１仕切り板４で仕切られた冷媒分配器２００内の上下空間である第１空間３６および第２空間３７のうち、下側の第２空間３７に連通している。
なお、以下において、冷媒分配器２００の上流側面フタ８が設けられている側を上流側、下流側面フタ９が設けられている側を下流側とする。
次に、冷媒分配器２００の内部を流通する気液二相状態の冷媒の流れについて、図３を用いて説明する。なお、図３の矢印は、気液二相冷媒の流れを表わしている。
気液二相冷媒は、流入管１０から冷媒分配器２００に流入し、第１仕切り板４とヘッダー外管底板２とで形成される第２空間３７である冷媒流路を下流側面フタ９側に向かって流動する。そして、冷媒は、その過程において、オリフィス５にて順次、第１仕切り板４とヘッダー外管上板３とヘッダー外管底板２とで形成される第１空間３６に噴霧される。噴霧された冷媒は、隣り合う扁平管１の間に形成された空間で攪拌され、変形例の場合においては、左右のオリフィス５から噴霧された気液冷媒が均質となり、左右のオリフィス５の分配偏りが抑制された状態で、複数の扁平管１に分配される。その後、冷媒は、扁平管１を流れる過程で外部空気と熱交換し、蒸発しながら流動する。
このように冷媒分配器２００の内部の空間である冷媒流路を二層構造とすることで、扁平管１の冷媒分配器２００への差込部に発生する縮小流体抵抗と拡大流体抵抗とを抑制する事ができ、その分、冷媒分配器２００を薄型化することができる。
図４は、冷媒流路が単層構造である従来の熱交換器１０１の縦断面の正面概略図の一例である。
図４に示すように、冷媒流路が単層構造である場合、気液二相冷媒が扁平管１の差込孔３ａから冷媒分配器２００の内部に差し込まれた部分と衝突し、縮小した流路を冷媒が通過する過程において大きな流体抵抗が発生する。さらには、冷媒が扁平管１を通過する際には、流路が拡大するため、急拡大に伴う拡大流体抵抗が発生する。
発明者らの実験および計算によると、このような冷媒分配器２００においては、内部の流体抵抗のうち、流路面積に反比例する摩擦流体抵抗よりも、流路の縮小および拡大が要因の圧力損失が約５０％以上を占めることもあることが分かった。また、この効果は、扁平管１をヘッダー外管上板３に接続する際に、ロウ付け代を確保するために冷媒分配器２００内の流路高さに対して扁平管１を１／４以上、冷媒分配器２００の内部に差し込む場合に、特に顕著になることがわかった。
このため、図１および図３に示すように、冷媒分配器２００の内部に第１仕切り板４を設け、流路の縮小および拡大による流体抵抗を抑制する方が、結果として、冷媒分配器２００の薄型化が可能になる。さらには、流路断面積および容積を減らすことができ、冷媒量の削減を図りつつ、分配改善が図れることが分かった。
なお、本実施の形態１に係る冷媒分配器２００は、鉛直方向の断面が矩形形状を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、円形形状、楕円形状などでもよいが、ロウ付け代を確保するため、冷媒分配器２００の扁平管１との接続面が直線形状となるＤ型形状および矩形形状などの方が、最小ロウ付け代を確保しやすく、なおよい。
また、第１仕切り板４で仕切られた冷媒分配器２００内の空間のうち、扁平管１の端部が差し込まれる側の第１空間３６は、冷媒分配器２００の長手方向に連通している。また、オリフィス５は第１仕切り板４に設けられており、オリフィス５の中心は、隣り合う扁平管１の間に位置するように設けられている。このような構造とすることで、冷媒分配器２００の上流および下流の気液二相冷媒を扁平管１の第１空間３６で混合および攪拌することができ、冷媒分配性能を改善することができる。
また、冷媒分配性能を改善するためには、冷媒分配器２００の上流側面フタ８側（以下、一側面側とも称する）である上流と、下流側面フタ９側（以下、一側面に対向する側面側とも称する）である下流との圧力損失の差が小さいことが重要である。このため、第１仕切り板４で仕切られた冷媒分配器２００内の空間のうち、扁平管１の端部が差し込まれない側の第２空間３７を、第１空間３６に比べて容積が大きくなるようにする。そうすることで、冷媒分配器２００の上流と下流との圧力損失の差が小さくなり、冷媒分配性能が改善され、冷媒量の削減ができる。また、第２空間３７は、高さ方向よりも幅方向の方が長くなっている。そのため、冷媒分配器２００を薄型に形成することができ、その分、熱交換器１００の伝熱面積を拡大することができる。
また、冷媒分配器２００を流れる気液二相冷媒は、その種類が特に限定されるものではない。ただし、一般的に広く空調機の冷媒として使用されている、Ｒ４１０Ａ冷媒またはＲ３２冷媒よりも低圧冷媒を用いた場合には、ガス密度が小さく、特に第１仕切り板４による圧力損失の抑制効果を大きくすることができる。
また、一例として、冷媒分配器２００を流れる冷媒としては、オレフィン系冷媒(R1234yf、R1234ze(E)など)、プロパン、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、これらを成分の１つに加えた混合冷媒などの低圧の冷媒が挙げられる。そして、これらの冷媒は、ガス密度が小さく、第１仕切り板４による圧力損失の抑制効果を大きくすることができる。
また、冷媒分配器２００を流れる冷媒としては、沸点の異なる非共沸混合冷媒でもよく、この非共沸混合冷媒においては、オリフィス５によって気液が拡散される。そのため、冷媒分配改善によって、さらには組成分布も改善され、熱交換器性能の改善効果を大きくすることができる。
以上、本実施の形態１に係る熱交換器１００は、複数の伝熱管と、第１方向に間隔を空けて形成され、伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔３ａを有する筒形状の冷媒分配器２００と、を備えている。また、冷媒分配器２００は、内部を伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間３６と伝熱管の端部が差し込まれない側の第１空間３６よりも容積が大きい第２空間３７とに仕切る第１仕切り板４と、一側面に設けられ、第２空間３７に気液二相冷媒を流入させる流入管１０と、を備えている。そして、伝熱管は、第１空間３６において端部が第１仕切り板４と間隔が空くように差込孔３ａに差し込まれている。また、第１仕切り板４には、隣り合う伝熱管の間のそれぞれに対応して、第１空間３６と第２空間３７とを連通させるオリフィス５が設けられているものである。
本実施の形態１に係る熱交換器１００によれば、冷媒分配器２００の内部が、第１仕切り板４によって伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間３６と伝熱管の端部が差し込まれない側の第１空間３６よりも容積が大きい第２空間３７とに仕切られている。また、伝熱管は、第１空間３６において端部が第１仕切り板４と間隔が空くように差込孔３ａに差し込まれており、第１仕切り板４には、隣り合う伝熱管の間のそれぞれに対応して、第１空間３６と第２空間３７とを連通させるオリフィス５が設けられている。このような構造となっているため、第１空間３６と第２空間３７とに冷媒流路を分割することができ、冷媒分配器２００の内部を２つの空間に分割しない場合と比べて、伝熱管と冷媒分配器２００との接続部での流体抵抗を低減でき、冷媒分配器２００の小容量化が可能となる。さらには、第１空間３６は、第１方向に連通しており、隣り合う伝熱管とで形成される空間にオリフィス５から噴出された気液二相冷媒が混合されるため、冷媒分配性能が改善され、熱交換器性能を改善することができる。
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２について説明するが、実施の形態１と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図５は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。図６は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００の縦断面の正面概略図の一例である。
本実施の形態２に係る熱交換器１００では、図５および図６に示すように、冷媒分配器２００の上流側面フタ８側に、第１仕切り板４とヘッダー外管底板２とで形成される第２空間３７である冷媒流路を幅方向に仕切る第２仕切り板６が設けられている。
次に、冷媒分配器２００の内部を流通する気液二相状態の冷媒の流れについて説明する。なお、図６の矢印は、気液二相冷媒の流れを表わしている。
気液二相冷媒は、流入管１０から冷媒分配器２００に流入し、第１仕切り板４と第２仕切り板６とヘッダー外管底板２とで形成される第２空間３７である冷媒流路を下流側面フタ９側に向かって流動する。そして、冷媒は、その過程において、オリフィス５にて順次、第１仕切り板４とヘッダー外管上板３とヘッダー外管底板２とで形成される第１空間３６に噴霧される。噴霧された冷媒は、隣り合う扁平管１の間に形成された空間で攪拌され、左右のオリフィス５から噴霧された気液冷媒が均質となり、左右のオリフィス５の分配偏りが抑制された状態で、複数の扁平管１に分配される。その後、冷媒は、扁平管１を流れる過程で外部空気と熱交換し、蒸発しながら流動する。
図７は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００の扁平管１の流路断面の一例を示す概略図である。図８は、本発明の実施の形態２の第一変形例に係る熱交換器１００の扁平管１の流路断面の一例を示す概略図である。図９は、本発明の実施の形態２の第二変形例に係る熱交換器１００の扁平管１の流路断面の一例を示す概略図である。
次に、本実施の形態２に係る扁平管１の詳細について説明する。
扁平管１は、アルミ、銅、または、ステンレスなどの金属製の伝熱管であり、図７に示すように、流路断面が扁平矩形形状を有している。
なお、扁平管１は、図８に示すように、内部に仕切り柱１ａが複数設けられた扁平多孔管であってもよい。このような扁平管１とすることで、仕切り柱１ａによって耐圧を向上させることができ、扁平管１の肉厚を減らすことができる。
また、扁平管１は、図９に示すように、内部に仕切り柱１ａが複数設けられ、さらに隣り合う仕切り柱１ａの間に凸部１ｂが流路に沿って複数形成されている。このような扁平管１とすることで、扁平管１の肉厚を減らすことができるとともに、伝熱性能を向上させることができる。
図１０は、本発明の実施の形態２の第三変形例に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。
図１０に示すように、冷媒分配器２００の形状を、ヘッダー外管底板２がＲ形状を有する略Ｄ型の形状としてもよい。冷媒分配器２００の形状をこのような形状とすることで、矩形形状の場合よりも、ヘッダー外管底板２の耐圧が向上し、その分、ヘッダー外管底板２の肉厚を減らすことができる。また、ヘッダー外管上板３は直線部分を有するため、扁平管１のロウ付け性がよく、扁平管１の差し込み量を少なくすることができる。
また、ヘッダー外管上板３と第１仕切り板４とヘッダー外管底板２とで形成される有効断面積をＡとし、第１仕切り板４と第２仕切り板６とヘッダー外管底板２とで形成される有効断面積をＢ１、Ｂ２と定義するとき、Ｂ１＋Ｂ２＞Ａとするとよい。そうすることで、冷媒分配器２００の内部に形成されている流路の流路断面積のうち、下側に位置する左右の冷媒流路に多くの面積を割り振ることができ、その分、左右の冷媒流路で増加する圧力損失を抑制することができ、冷媒分配性能を改善することができる。
図１１は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。
図１１に示すように、冷媒分配器２００のヘッダー外管上板３の形状を、歪曲された半円形状としてもよい。ヘッダー外管上板３をこのような形状とすることで、直線形状の場合よりも耐圧が向上し、その分、ヘッダー外管上板３の肉厚を減らすことができる。そして、ヘッダー外管上板３の肉厚をヘッダー外管底板２の肉厚よりも小さくすることができるため、材料を減らすことができる。
なお、図１１においても、ヘッダー外管上板３と第１仕切り板４とで形成される有効断面積をＡとし、第１仕切り板４と第２仕切り板６とヘッダー外管底板２とで形成される有効断面積をＢ１、Ｂ２と定義するとき、Ｂ１＋Ｂ２＞Ａとするとよい。そうすることで、冷媒分配器２００の内部に形成されている流路の流路断面積のうち、下側に位置する左右の冷媒流路に多くの面積を割り振ることができ、その分、左右の冷媒流路で増加する圧力損失を抑制することができ、冷媒分配性能を改善することができる。
図１２は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。図１３は、図１２に示す冷媒分配器２００の内部の冷媒の流れを示す図である。
図１２に示すように、オリフィス５は、隣り合う扁平管１の間のそれぞれに設けられており、かつ、第２仕切り板６により仕切られた左右の冷媒流路上にそれぞれ設けられている。また、第２仕切り板６の上流側の端部は、流入管１０と間隔を空けて配置されており、流入管１０から冷媒分配器２００の内部に流入した冷媒が、二つの流路に分かれるようになっている。なお、第２仕切り板６と流入管１０とは距離Ｌだけ離れている。
次に、図１３を用いて冷媒分配器２００の内部の冷媒の流れについて説明する。
流入管１０を流動する気液二相冷媒は、第２仕切り板６の上流側の端部で左右の冷媒流路に分配される。そして、各冷媒流路の上部に設けられている複数のオリフィス５を通過し、噴霧および攪拌されて、ヘッダー外管上板３と第１仕切り板４とヘッダー外管底板２とで形成された第１空間３６に分配される。したがって、左右の冷媒流路を各々流れた冷媒は、ヘッダー外管上板３と第１仕切り板４とヘッダー外管底板２とで形成された第１空間３６で合流する。このとき、オリフィス５の中心位置は隣り合う扁平管１の間に設けられており、複数の扁平管１の間に設けられると、左右の冷媒流路の冷媒が第１空間３６で均質に混ざりやすく、冷媒分配性能の改善効果が大きい。このような構造とすることで、冷媒分配器２００の内部での左右の液冷媒の偏りを改善することができる。
また、第２仕切り板６を設けることで、第２空間３７の流路断面が正方形形状に近づくことによって、流動様式が、冷媒分配器２００の管中心付近にガス冷媒が多く流動する環状流またはチャーン流に遷移しやすくなる。これによって、オリフィス５の噴霧による冷媒分配性能を改善するのに効果的な冷媒の流量および乾き度範囲が拡大する。そのため、オリフィス５の噴霧による冷媒分配性能の改善可能な範囲が広くなる。
なお、本実施の形態２では、流入管１０の接続位置および距離を限定するものではないが、発明者らの実験によると、流入管１０の差込側の端部と第２仕切り板６との距離Ｌが、流入管１０の内径以上であると、圧力損失が比較的少なくなるためよい。
また、左右の冷媒流路の流路断面積が異なるように冷媒分配器２００を構成してもよい。そうすることで、流路断面積が大きい流路が風上側、流路断面積が小さい流路が風下側となるように冷媒分配器２００を配置することができる。さらに、冷媒と空気との温度差が大きく、熱交換量が大きくなる風上側に冷媒を多く分配でき、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２では、冷媒分配器２００に設けられている流入管１０が１本である場合について説明を行ったが、流入管１０は複数本設けられていてもよい。この場合、例えば、流入管１０の上流側にバルブまたは流動調整用のキャピラリーチューブなどを設けるとよい。そうすることで、冷媒分配器２００の内部の第２仕切り板６で冷媒を左右の冷媒流路に分配せずとも、冷媒を左右の冷媒流路に分配し、かつ、左右に流れる冷媒の流量の調整を行うことができるため、冷媒流れの制御性を向上させることができる。また、流入管１０には２分岐管を用いてもよく、そうすることで、低コストで冷媒を左右の冷媒流路に分配することができる。
図１４は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００のＬ字形状に屈曲された冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。図１５は、図１４に示す冷媒分配器２００の縦断面を説明する図である。
図１４に示すように、冷媒分配器２００が第１方向から第３方向に向かってＬ字形状（厳密にＬ字形状でなくてもよい）に屈曲された場合において、冷媒分配器２００の内部に第２仕切り板６を設けることで、気液二相冷媒が屈曲部分を流動する際に、遠心力による液冷媒の偏りが抑制され、熱交換効率を改善することができる。また、図１５に示すように、冷媒分配器２００がＬ字形状に屈曲されていない場合においても、冷媒分配器２００の内部に第２仕切り板６を設けることで、冷媒流路を流れる冷媒の流動様式が環状流またはチャーン流に遷移しやすくなる。そのため、オリフィス５の噴霧による冷媒分配性能の改善可能な範囲が広くなる。なお、本実施の形態２では、冷媒の流動様式は一例として環状流またはチャーン流の場合について説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、スラグ流、層状流、または、気泡流などでもよい。
図１６は、図１４に示す冷媒分配器２００の変形例の縦断面図を説明する図である。図１７は、本発明の実施の形態２の第四変形例に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。
図１６に示すように、第１仕切り板４に設けられている複数のオリフィス５の中心を、左右の各冷媒流路の中心線（Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ）よりも図１６の矢印で示す遠心力が働く方向に対して反対の方向に偏心して配置するようにしてもよい。このような構造とすることで、屈曲部分での液冷媒が滞留した領域を避けることができ、液冷媒およびガス冷媒を安定してオリフィス５で噴出させることができるため、冷媒分配性能を改善することができる。
ここで、左右の各冷媒流路の中心線Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄに関して、図１７に示すように、第１仕切り板４の幅をＬ２と定義したとき、中心線Ｃ−Ｃとヘッダー外管底板２の風下側（左側）の内側面との距離Ｌ３は、１/４×Ｌ２を満たすものとする。また、中心線Ｄ−Ｄとヘッダー外管底板２の風下側（左側）の内側面との距離Ｌ４は、３/４×Ｌ２を満たすものとする。
図１７の黒矢印は扁平管１を通過する空気の流れ方向を表しており、このような場合、扁平管１の風上側の領域で空気と冷媒との温度差が大きくなり、熱交換量が大きくなる。このため、左右の冷媒流路のうち風上側、すなわち、図１７では右側の冷媒流路上のオリフィス５の内径を、風下側（左側）の冷媒流路上のオリフィス５の内径よりも大きくすると、空気と冷媒との温度差が大きい部分に液冷媒を多く分配することができる。
なお、本実施の形態２では、熱交換器１００のフィンをコルゲートフィン７として説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、プレートフィンなどのように別の種類のフィンであってもよい。
以上、本実施の形態２に係る熱交換器１００において、冷媒分配器２００は、第２空間３７を第３方向に仕切り、第２空間内３７に２つの流路を形成する第２仕切り板６を備えているものである。
本実施の形態２に係る熱交換器１００によれば、冷媒分配器２００の内部に第２仕切り板６が設けられている。そのため、流路を流れる冷媒の流動様式が環状流またはチャーン流に遷移しやすくなり、オリフィス５の噴霧による冷媒分配性能の改善可能な範囲が広くなる。
また、本実施の形態２に係る熱交換器１００において、流入管１０と第２仕切り板６とは間隔を空けて配置されている。本実施の形態２に係る熱交換器１００によれば、流入管１０から冷媒分配器２００の内部に流入した冷媒が、二つの流路に分かれるようになっている。
また、本実施の形態２に係る熱交換器１００において、流入管１０と第２仕切り板６との間隔は、流入管１０の内径以上である。本実施の形態２に係る熱交換器１００によれば、圧力損失が比較的少なくすることができる。
また、本実施の形態２に係る熱交換器１００において、冷媒分配器２００は、Ｌ字形状に屈曲されている。本実施の形態２に係る熱交換器１００によれば、冷媒分配器２００の内部に第２仕切り板６を設けることで、気液二相冷媒が屈曲部分を流動する際に、遠心力による液冷媒の偏りが抑制され、熱交換効率を改善することができる。
実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３について説明するが、実施の形態１および２と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１および２と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図１８は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
本実施の形態３に係る熱交換器１００では、図１８に示すように、冷媒分配器２００の第１仕切り板４には複数のオリフィス５が設けられており、隣り合う扁平管１の間のそれぞれにおいて、左右の冷媒流路のうち一方の冷媒流路上にのみ設けられている。具体的には、右側の冷媒流路上には、オリフィス５が上流側面フタ８側にのみ設けられており、左側の冷媒流路上には、オリフィス５が下流側面フタ９側にのみ設けられている。
このような構造とすることで、右側の冷媒流路では下流側に十分な空間を設けることができるため、冷媒が下流側面フタ９に衝突して乱される影響を緩和させることができる。
図１９は、本発明の実施の形態３の変形例に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
また、図１９に示すように、右側の冷媒流路の途中、具体的には右側の冷媒流路において最も下流側のオリフィス５よりも下流側となる位置に冷媒流路を塞ぐ流路閉塞板１２を設けてもよい。そうすることで、右側の冷媒流路の一部に冷媒が流れない封止空間１３を形成することができ、冷媒充填量を抑制することができる。
以上、本実施の形態３に係る熱交換器１００において、オリフィス５は、隣り合う伝熱管の間のそれぞれにおいて、２つの冷媒流路のうち一方の冷媒流路上にのみ設けられており、一方の冷媒流路上では一側面に対向する側面側にのみ、もう一方の冷媒流路上では一側面側のみ設けられている。
本実施の形態３に係る熱交換器１００によれば、一方の冷媒流路では下流側に十分な空間を設けることができるため、冷媒が下流側面フタ９に衝突して乱される影響を緩和させることができる。
また、本実施の形態３に係る熱交換器１００において、冷媒分配器２００は、２つの冷媒流路のうち一方の冷媒流路の途中に、該冷媒流路を塞ぐ流路閉塞板１２が設けられている。また、流路閉塞板１２は、最も一側面に対向する側面側のオリフィス５よりも一側面に対向する側面側となる位置に設けられている。
本実施の形態３に係る熱交換器１００によれば、右側の冷媒流路の一部に冷媒が流れない封止空間１３を形成することができ、冷媒充填量を抑制することができる。
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４について説明するが、実施の形態１〜３と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜３と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図２０は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
本実施の形態４に係る熱交換器１００では、図２０に示すように、第２仕切り板６が下流側の領域にのみ設けられている。このような構造とすることで、冷媒の流量が大きく、流動様式が環状流またはチャーン流に遷移しやすい上流側で仕切りを用いずに冷媒を分配することができる。また、冷媒の流量が小さく、流動様式がスラグ流または波状流といった分離流に遷移する領域で第２仕切り板６および流路閉塞板１２を設けることで、流路断面積が減り、冷媒の流速が上がる。そのため、流動様式を環状流またはチャーン流に遷移させやすく、かつ、維持しやすくすることができる。また、第２仕切り板６が存在する領域で冷媒分配器２００をＬ字形状に屈曲したとしても、屈曲による冷媒分配の悪化も抑制することができる。
図２１は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の第１仕切り板４による冷媒分配の特性模式図である。なお、図２１は、発明者らの実験に基づいて測定された、環状流および分離流のそれぞれにおける第１仕切り板４による冷媒分配の特性模式図を示している。また、図２１の点線で囲まれた範囲は、オリフィス５に分配される冷媒の領域を表している。図２２の括弧で囲まれた数字は、各オリフィス５とグラフとを対応させたものである。
図２１に示すように、環状流（またはチャーン流）のように、冷媒流路の中心付近にガス冷媒が多く流れ、冷媒流路の壁面付近に液冷媒が多く流れるような流れでは、液膜が比較的安定しているため、液冷媒を均等に近い形で分配できることが分かる。一方、分離流においては、冷媒流路の上下に液冷媒とガス冷媒とが分離するため、オリフィス５での分配が不均一となる。
そこで、環状流またはチャーン流の流動様式の判定は、例えば、修正Ｂａｋｅｒ線図に基づき行う。そして、第２仕切り板６による流路断面積は、冷媒流路を狭める領域の入口が、環状流またはチャーン流などのガス冷媒が冷媒流路の中心付近に多く流れる冷媒の流動様式になるように決定する。
以上、本実施の形態４に係る熱交換器１００において、第２仕切り板６は、一側面に対向する側面側の領域にのみ設けられている。本実施の形態４に係る熱交換器１００によれば、冷媒の流量が大きく、流動様式が環状流またはチャーン流に遷移しやすい上流側で仕切りを用いずに冷媒を分配することができる。
実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５について説明するが、実施の形態１〜４と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜４と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図２２は、本発明の実施の形態５に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
本実施の形態５に係る熱交換器１００では、図２２に示すように、右側の冷媒流路の途中、具体的には右側の冷媒流路において最も上流側のオリフィス５よりも上流側となる位置に冷媒流路を塞ぐ流路閉塞板１２が設けられている。また、第２仕切り板６と下流側面フタ９との間に隙間が設けられており、冷媒分配器２００の第２仕切り板６で仕切られた左右の冷媒流路が下流側で直列に接続されている。そして、図中の矢印で示すように下流側で気液二相冷媒が左側の冷媒流路から右側の冷媒流路へ折り返して流れるようになっている。このような構造とすることで、冷媒が下流側で下流側面フタ９に衝突することによる冷媒分配の悪化、および、流動様式が分離流となった場合の冷媒分配の悪化を抑制できる。
図２３は、本発明の実施の形態５に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００による冷媒の分配特性を説明する図である。なお、図２３の括弧で囲まれた数字は、例えば分離流の流動様式での液冷媒分配比の大まかな特性を分かりやすく数字で表したものの一例である。
図２３に示すように、分離流領域では、液冷媒が下流側に偏りやすい傾向があり、左側の冷媒流路の上流から１：２：３の比で液冷媒が分配される。次に、第２仕切り板６で液冷媒が右側の冷媒流路に折り返す構造になっているため、右側の冷媒流路の下流から３：４：５の比で液冷媒が分配される。このような冷媒流路においては、各冷媒流路上のオリフィス５の分配比は不均等であっても、流路断面で見ると液冷媒分配比の和が等しくなり、分配の不均等分配を改善することができ、さらには、冷媒分配性能の改善可能な範囲を拡大することができる。
なお、本実施の形態５では、分離流の流動様式のある流動条件を例に説明したが、これに限定されるものではなく、環状流およびチャーン流など、どのような流動様式および流動条件においても分配改善の効果が期待できる。
以上、本実施の形態５に係る熱交換器１００において、流路閉塞板１２は、最も一側面側のオリフィス５よりも一側面側となる位置に設けられており、第２仕切り板６と一側面に対向する側面との間には隙間が設けられている。
本実施の形態５に係る熱交換器１００によれば、冷媒が下流側で下流側面フタ９に衝突することによる冷媒分配の悪化、および、流動様式が分離流となった場合の冷媒分配の悪化を抑制できる。また、各冷媒流路上のオリフィス５の分配比は不均等であっても、流路断面で見ると液冷媒分配比の和が等しくなり、分配の不均等分配を改善することができ、さらには、冷媒分配性能の改善可能な範囲を拡大することができる。
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６について説明するが、実施の形態１〜５と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜５と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図２４は、本発明の実施の形態６に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
本実施の形態６に係る熱交換器１００では、図２４に示すように、第２仕切り板６が２枚の板で構成されている。具体的には、冷媒分配器２００の上流側の領域に、冷媒流路を幅方向に仕切る上流側第２仕切り板６ａ（以下、第１板とも称する）が設けられている。また、冷媒分配器２００の下流側の領域に、冷媒流路を幅方向に仕切る下流側第２仕切り板６ｂ（以下、第２板とも称する）が設けられている。また、右側の冷媒流路の一部、具体的には右側の冷媒流路において上流側第２仕切り板６ａと下流側第２仕切り板６ｂとの間には、それらと間隔を空けて流路閉塞板１２が設けられている。そして、上流側第２仕切り板６ａおよび下流側第２仕切り板６ｂと流路閉塞板１２との間に設けられた隙間を冷媒が流れるため、図２４の矢印で示すように冷媒が上流側と下流側とで左右の冷媒流路を循環するようになっている。
このような構造とすることで、冷媒の流量が大きい場合に循環流を引き起こすことができ、衝突部などでの液冷媒の偏りを抑制することができる。また、冷媒分配器２００をＬ字形状に屈曲したとしても、屈曲による冷媒分配の悪化も抑制することができる。
図２５は、本発明の実施の形態６の第一変形例に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
なお、図２５に示すように、第２仕切り板６は、２枚の板ではなく１枚の板で構成されていてもよい。この場合、流路閉塞板１２は設けない。また、第２仕切り板６と上流側面フタ８との間、および、第２仕切り板６と下流側面フタ９との間に、それぞれ隙間が設けられている。なお、循環流を安定させるために、第２仕切り板６と上流側面フタ８との間の隙間Ｌ５と、第２仕切り板６と下流側面フタ９との間の隙間Ｌ６との関係は、Ｌ５＜Ｌ６であることが好ましい。
図２６は、本発明の実施の形態６の第二変形例に係る熱交換器１００の熱交換器１００の縦断面の正面概略図の一例である。
なお、本実施の形態６では、循環流路を隙間で形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば図２６に示すように、隙間の代わりに第２仕切り板６の一部が開口した第１左右貫通孔１６と第２左右貫通孔１７とで循環流路を形成してもよい。
以上、本実施の形態６に係る熱交換器１００において、第２仕切り板６は、一側面側に配置された第１板と一側面に対向する側面側に配置された第２板とで構成されている。そして、第１板と第２板との間、一側面と第１板との間、および、一側面に対向する側面と第２板との間に、それぞれ隙間が設けられている。また、流路閉塞板１２は、第１板と第２板との間の隙間に、それらと間隔を設けて配置されている。
本実施の形態６に係る熱交換器１００によれば、冷媒の流量が大きい場合に循環流を引き起こすことができ、衝突部などでの液冷媒の偏りを抑制することができる。また、冷媒分配器２００をＬ字形状に屈曲したとしても、屈曲による冷媒分配の悪化も抑制することができる。
また、本実施の形態６に係る熱交換器１００において、第２仕切り板６は、一側面との間、および、一側面に対向する側面との間に、それぞれ隙間が設けられている。そして、第２仕切り板６と一側面に対向する側面との間の隙間は、第２仕切り板６と一側面との間の隙間よりも大きい。
または、本実施の形態６に係る熱交換器１００において、第２仕切り板６は、一側面から一側面に対向する側面にかけて設けられており、第２仕切り板６の一側面側および一側面に対向する側面側には、それぞれ冷媒が通過する開口が形成されている。そして、一側面に対向する側面側に形成された開口は、一側面側に形成された前記開口よりも大きい。
本実施の形態６に係る熱交換器１００によれば、循環流を安定させることができる。
実施の形態７．
以下、本発明の実施の形態７について説明するが、実施の形態１〜６と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜６と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図２７は、本発明の実施の形態７に係る熱交換器１００の冷媒分配器２００の横断面の平面概略図の一例である。
本実施の形態７に係る熱交換器１００では、図２７に示すように、第１仕切り板４では、オリフィス５がスリット２０で形成されており、スリット２０は、左右の冷媒流路上それぞれに形成されている。そして、流入管１０を流動する気液二相冷媒は、第２仕切り板６の上流側の端部で左右の流路に分配される。そして、各流路の上部に設けられているスリット２０を通過し、噴霧される。
図２８は、本発明の実施の形態７の変形例に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。
なお、本実施の形態７では、スリット２０の大きさ、形状、および、位置などを限定するものではないが、スリット２０を第１仕切り板４の両端に至るように形成する。そうすると、図２８に示すように、押し出し材で部品点数を少なく、冷媒分配器２００を形成することができるため、製造時のコストを低減できる。また、これらの第１仕切り板４、ヘッダー外管上板３、とヘッダー外管底板２、上流側面フタ８、および、下流側面フタ９をクラッド材で形成することで、一体でロウ付けが可能となる。
以上、本実施の形態７に係る熱交換器１００において、オリフィス５がスリット２０で形成されているものである。
本実施の形態７に係る熱交換器１００によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態７に係る熱交換器１００において、スリット２０は、第１仕切り板４の両端に至るように形成されている。本実施の形態７に係る熱交換器１００によれば、製造時のコストを低減できる。
実施の形態８．
以下、本発明の実施の形態８について説明するが、実施の形態１〜７と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜７と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図２９は、本発明の実施の形態８に係る熱交換器１００の縦断面の正面概略図の一例である。
本実施の形態８に係る熱交換器１００では、図２９に示すように、複数の扁平管１の一方の端部が冷媒分配器２００に対して鉛直方向に接続されており、もう一方の端部がガスヘッダー３００に対して鉛直方向に接続されている。そして、冷媒分配器２００は扁平管１の下側に配置され、ガスヘッダー３００は扁平管１の上側に配置されており、冷媒の流れに対して冷媒分配器２００は上流側、ガスヘッダー３００は下流側となる。
また、隣り合う扁平管１の間には、コルゲートフィン７が設けられ、扁平管１の外管表面で接合されている。なお、本実施の形態８では、熱交換器１００のフィンをコルゲートフィン７として説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、プレートフィンなどのように別の種類のフィンであってもよい。
また、ガスヘッダー３００のヘッダー部２１の一方の端部には、冷媒が流出する流出管２２が貫通するように接続されている。なお、流出管２２は、流入管１０と反対側の遠くなる位置に設ける方が、圧力損失のバランスが均等に近づき、冷媒分配性能が改善されやすい。
ガスヘッダー３００においては、各扁平管１で熱交換された冷媒がヘッダー部２１で合流し、流出管２２から流出する。
図３０は、本発明の実施の形態８の第一変形例に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。なお、図３０の白矢印は熱交換器１００を通過する風の流れを示し、黒矢印は冷媒の流れを示している。
図２９では、ガスヘッダー３００が扁平管１の上側、冷媒分配器２００が扁平管１の下側となるように配置されているが、図３０に示すように、ガスヘッダー３００も冷媒分配器２００と同様に扁平管１の下側となるように配置してもよい。この場合、扁平管１の上側には列渡しヘッダー３０１が配置される。また、扁平管１が熱交換器１００の幅方向に２つ並べて配置される。そして、幅方向に並んだ２列の扁平管１の両方は、一方の端部が列渡しヘッダー３０１に接続されている。また、２列の扁平管１のうち風下側の扁平管１は、もう一方の端部が冷媒分配器２００に接続されており、風上側の扁平管１は、もう一方の端部がガスヘッダー３００に接続されている。そして、風下側に配置された扁平管１を流れる冷媒は、列渡しヘッダー３０１で折り返され、風上側に配置された扁平管１を流れるようになっている。
このような構造とすることで、扁平管１を流れる流路が長くなり、冷媒分配器２００での圧力損失が相対的に小さくなるため、冷媒分配を改善することができる。また、熱交換器１００において、扁平管１が幅方向に複数列配置された構成を有している場合、冷媒分配器２００を風下側に配置し、ガスヘッダー３００を風上側に配置する。そうすることで、対向流の効果によって、空気と冷媒との温度差がとりやすくなるため、熱交換効率を向上させることができる。
なお、本発明の実施の形態８では、図３０に示すようにガスヘッダー３００の外管形状が円管形状を有しているが、これに限定されるものではない。ただし、ガスヘッダー３００の外管形状が円管形状を有している場合は、扁平管１のロウ付け性の問題で、扁平管１のガスヘッダー３００への差し込み長さが、扁平管１の冷媒分配器２００への差し込み長さよりも長くなる傾向がある。このため、ガスヘッダー３００側の流路での圧力損失が扁平管１の差し込み長さの影響によって増加するため、それを抑制する方がよい。
そこで、冷媒分配器２００の左側流路の有効流路断面積をＢ１、右側流路の有効流路断面積をＢ２、ガスヘッダー３００の有効流路断面積をＣと定義するとき、Ｂ１＋Ｂ２≦Ｃの関係を満足するようにする。そうすることで、ガスヘッダー３００での圧力損失を抑制することができる。
図３１は、本発明の実施の形態８の第二変形例に係る熱交換器１００の縦断面の側面概略図の一例である。なお、図３２の白矢印は熱交換器１００を通過する風の流れを示し、黒矢印は冷媒の流れを示している。
なお、図３１に示すように、ガスヘッダー３００の外管形状を冷媒分配器２００と同様の形状とし、ガスヘッダー３００の高さも冷媒分配器２００と同じ高さにしてもよい。このような構造とすることで、熱交換器１００を通過する空気がガスヘッダー３００または冷媒分配器２００に衝突する箇所が少なくなるため、空気抵抗の増大を抑制することができる。また、ガスヘッダー３００の外管形状を冷媒分配器２００と同じ形状とすることで、部品を共通化することができる。
以上、本実施の形態８に係る熱交換器１００は、伝熱管で熱交換した冷媒が合流するガスヘッダー３００と、冷媒分配器２００とガスヘッダー３００との中継を行う列渡しヘッダー３０１とを備え、伝熱管が冷媒分配器２００の幅方向に２列に配置されている。また、２列の伝熱管の両方は、上側の端部が列渡しヘッダー３０１に接続されており、２列の伝熱管のうち一方は、下側の端部が冷媒分配器２００に接続されており、もう一方は、下側の端部がガスヘッダー３００に接続されている。
本実施の形態８に係る熱交換器１００によれば、扁平管１を流れる流路が長くなり、冷媒分配器２００での圧力損失が相対的に小さくなるため、冷媒分配を改善することができる。また、熱交換器１００において、扁平管１が幅方向に複数列配置された構成を有している場合、冷媒分配器２００を風下側に配置し、ガスヘッダー３００を風上側に配置する。そうすることで、対向流の効果によって、空気と冷媒との温度差がとりやすくなるため、熱交換効率を向上させることができる。
実施の形態９．
以下、本発明の実施の形態９について説明するが、実施の形態１〜８と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜８と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図３２は、本発明の実施の形態９に係る熱交換器１００を搭載した空気調和装置が備える冷媒回路の一例を示す図である。なお、図３２の実線矢印は暖房運転時の冷媒の流れを示しており、破線矢印は冷房運転時の冷媒の流れを示している。
本実施の形態９に係る空気調和装置では、実施の形態１〜８で説明した熱交換器１００は室内機に搭載されている。また、空気調和装置が備える冷媒回路は、図３２に示すように、圧縮機２６、ファン２７および熱交換器４００を備える室内機、膨張弁２８、ファン３２および熱交換器１００を備える室外機、アキュムレータ３３が順次配管２９、３０、３１、３４、３５で接続されて構成されている。
冷媒回路を流れる冷媒としては、例えば、オレフィン系冷媒(Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）など)、プロパン、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、これらを成分の１つに加えた混合冷媒などの低圧の冷媒が挙げられる。また、沸点の異なる非共沸混合冷媒が挙げられる。冷媒回路を流れる冷媒を上記とすることで、実施の形態１に記載されている効果が得られる。
次に、空気調和装置が暖房運転時である場合の冷媒の流れについて、図３２を用いて説明する。
冷媒は圧縮機２６によって高温高圧のガス冷媒となる。その後、ガス冷媒は、熱交換器４００に流入する。ガス冷媒は、凝縮器として機能する熱交換器４００で、ファン２７によって供給された空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒はその後、膨張弁２８によって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、冷媒分配器２００を備える熱交換器１００に流入する。
気液二相冷媒は、蒸発器として機能する熱交換器１００で、冷媒分配器２００によって適切に分配され、ファン３２によって供給された空気と熱交換して蒸発し、ガス冷媒となる。このとき、冷媒は熱交換器１００を垂直上昇流として流動する。このように、冷媒が熱交換器１００を垂直上昇流として流動することで、冷媒分配器２００内部の気液二相冷媒の流れを重力の影響を受けにくい水平流にすることができ、冷媒分配を改善することができる。
その後、ガス冷媒は、アキュムレータ３３を介して再び圧縮機２６に流入する。なお、膨張弁２８の開度、冷媒充填量、および、圧縮機２６の回転数を調整するとよい。そうすることにより、冷媒分配器２００を流れる冷媒の流動状態を、ガス冷媒が管中心付近に多く流れる冷媒の流動状態、例えば環状流またはチャーン流にすることができ、冷媒分配の改善範囲を広くすることができる。このためには、冷媒分配器２００の入口乾き度を０．１０〜０．２０、好ましくは０．１５〜０．３０の範囲で制御するとよい。
次に、空気調和装置が冷房運転時である場合の冷媒の流れについて、図３２を用いて説明する。
冷媒は圧縮機２６によって高温高圧のガス冷媒となる。その後、ガス冷媒は、冷媒分配器２００を備える熱交換器１００に流入する。ガス冷媒は、凝縮器として機能する熱交換器１００で、ファン２７によって供給された空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒はその後、膨張弁２８によって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、熱交換器４００に流入する。気液二相冷媒は、蒸発器として機能する熱交換器４００で、ファン２７によって供給された空気と熱交換して蒸発し、ガス冷媒となってアキュムレータ３３を介して再び圧縮機２６に流入する。
なお、本実施の形態９では、冷房運転と暖房運転の切り替えを、冷媒流れを逆とすることで簡略化して説明をしたが、例えば四方弁などを用いて冷房運転と暖房運転の切り替えを行ってもよい。
以上、本実施の形態９に係る空気調和装置は、圧縮機２６、凝縮器、膨張弁２８、および、蒸発器が配管２９、３０、３１、３４、３５で接続され、冷媒が流れる冷媒回路を備え、凝縮器または蒸発器に実施の形態１〜８で説明した熱交換器１００のいずれかが搭載されている。本実施の形態９に係る空気調和装置によれば、実施の形態１〜８と同様の効果が得られる。
実施の形態１０．
以下、本発明の実施の形態１０について説明するが、実施の形態１〜９と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１〜９と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図３３は、本発明の実施の形態１０に係る熱交換器１００を搭載した空気調和装置が備える冷媒回路の一例を示す図である。なお、図３３の実線矢印は暖房運転時の冷媒の流れを示しており、破線矢印は冷房運転時の冷媒の流れを示している。
本実施の形態１０に係る空気調和装置では、実施の形態１〜８で説明した熱交換器１００は室内機に搭載されている。また、空気調和装置が備える冷媒回路は、図３３に示すように、圧縮機２６、ファン２７および熱交換器４００を備える室内機、膨張弁２８、ファン３２、熱交換器１００、および、サブクール熱交換器５００を備える室外機、アキュムレータ３３が順次配管２９、３０、３１、３４、３５で接続されて構成されている。
つまり、本実施の形態１０では、冷房運転時の冷媒流れ方向において、熱交換器１００の下流側にサブクール熱交換器５００が設けられている。サブクール熱交換器５００を設けることで、冷房運転時に熱交換器１００でガス冷媒が冷却され、低乾き度の状態となり、流速が小さくなった冷媒の伝熱を改善することができるため、冷房性能を向上させることができる。
なお、サブクール熱交換器５００の扁平管の本数は、熱交換器１００よりも少なくすることが好ましく、このようにすることで冷媒の流速を増加させ、冷房性能を向上させることができる。
また、暖房運転時には、サブクール熱交換器５００を、暖房１００％負荷運転、暖房５０％負荷運転、暖房２５％負荷運転における冷媒分配器２００の入口乾き度を、それぞれｘ１、ｘ２、ｘ３と定義する。そうしたとき、ｘ１＞ｘ２＞ｘ３となるように扁平管の本数を熱交換器１００よりも少なくなるようにすることで、冷媒の流量が少ない条件で乾き度が大きくなり、幅広い流動範囲において冷媒分配を改善することができる。
以上、本実施の形態１０に係る空気調和装置は、冷房運転時の冷媒流れ方向において、熱交換器１００の下流側にサブクール熱交換器５００が設けられている。本実施の形態１０に係る空気調和装置によれば、冷房運転時に熱交換器１００でガス冷媒が冷却され、低乾き度の状態となり、流速が小さくなった冷媒の伝熱を改善することができるため、冷房性能を向上させることができる。
１ 扁平管、１ａ 仕切り柱、１ｂ 凸部、２ ヘッダー外管底板、３ ヘッダー外管上板、３ａ 差込孔、４ 第１仕切り板、５ オリフィス、６ 第２仕切り板、６ａ 第２仕切り板、７ コルゲートフィン、８ 上流側面フタ、９ 下流側面フタ、１０ 流入管、１２ 流路閉塞板、１３ 封止空間、１４ 上流側第２仕切り板、１５ 下流側第２仕切り板、１６ 第１左右貫通孔、１７ 第２左右貫通孔、２０ スリット、２１ ヘッダー部、２２ 流出管、２６ 圧縮機、２７ ファン、２８ 膨張弁、２９ 配管、３０ 配管、３１ 配管、３２ ファン、３３ アキュムレータ、３４ 配管、３５ 配管、３６ 第１空間、３７ 第２空間、１００ 熱交換器、１０１ 熱交換器、２００ 冷媒分配器、３００ ガスヘッダー、３０１ 列渡しヘッダー、４００ 熱交換器、５００ サブクール熱交換器。

Claims (29)

  1. それぞれが扁平管である複数の伝熱管と、
    第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、
    前記冷媒分配器は、
    内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、
    前記第２空間を前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板と、
    一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、
    前記第２仕切り板によって仕切られた前記２つの冷媒流路のそれぞれにおいて冷媒が前記第２仕切り板の一方の端部を上流側として前記第１方向の同じ方向に流れるように構成され、
    前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、
    前記第１仕切り板には、前記第２方向から見て隣り合う前記伝熱管の前記第１方向の間の領域に前記第３方向に間隔を空けて複数のオリフィスが設けられ、前記複数のオリフィスが前記第１空間と前記第２空間の冷媒が同じ方向に流れる前記２つの冷媒流路とを連通させる
    熱交換器。
  2. 複数の伝熱管と、
    第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、
    前記冷媒分配器は、
    内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、
    一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、
    前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、
    前記第１仕切り板には、隣り合う前記伝熱管の間のそれぞれに対応して、前記第１空間と前記第２空間とを連通させるオリフィスが設けられており、
    前記オリフィスは、スリットで構成されており、前記第１仕切り板の両端に至るように形成されている
    熱交換器。
  3. 前記第１方向、前記第２方向、および、第３方向は、それぞれ互いに直交している
    請求項２に記載の熱交換器。
  4. 複数の伝熱管と、
    第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、
    前記冷媒分配器は、
    内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、
    一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、
    前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、
    前記第１仕切り板には、隣り合う前記伝熱管の間のそれぞれに対応して、前記第１空間と前記第２空間とを連通させるオリフィスが設けられており、
    前記第１方向、前記第２方向、および、第３方向は、それぞれ互いに直交しており、
    前記冷媒分配器は、
    前記第２空間を前記第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板を備えており、２つの前記冷媒流路のうち一方の前記冷媒流路の途中に、該冷媒流路を塞ぐ流路閉塞板が設けられており、
    前記第２仕切り板は、前記一側面側に配置された第１板と前記一側面に対向する側面側に配置された第２板とで構成されており、前記第１板と前記第２板との間、前記一側面と前記第１板との間、および、前記一側面に対向する側面と前記第２板との間に、それぞれ隙間が設けられており、
    前記流路閉塞板は、前記第１板と前記第２板との間の隙間に、それらと間隔を設けて配置されている
    熱交換器。
  5. 複数の伝熱管と、
    第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、
    前記冷媒分配器は、
    内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、
    一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、
    前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、
    前記第１仕切り板には、隣り合う前記伝熱管の間のそれぞれに対応して、前記第１空間と前記第２空間とを連通させるオリフィスが設けられており、
    前記第１方向、前記第２方向、および、第３方向は、それぞれ互いに直交しており、
    前記冷媒分配器は、
    前記第２空間を前記第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板を備えており、
    前記第２仕切り板は、前記一側面との間、および、前記一側面に対向する側面との間に、それぞれ隙間が設けられており、
    前記第２仕切り板と前記一側面に対向する側面との間の隙間は、前記第２仕切り板と前記一側面との間の隙間よりも大きい
    熱交換器。
  6. 複数の伝熱管と、
    第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えた熱交換器であって、
    前記冷媒分配器は、
    内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、
    一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、
    前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、
    前記第１仕切り板には、隣り合う前記伝熱管の間のそれぞれに対応して、前記第１空間と前記第２空間とを連通させるオリフィスが設けられており、
    前記第１方向、前記第２方向、および、第３方向は、それぞれ互いに直交しており、
    前記冷媒分配器は、
    前記第２空間を前記第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板を備えており、
    前記第２仕切り板は、前記一側面から前記一側面に対向する側面にかけて設けられており、
    前記第２仕切り板の前記一側面側および前記一側面に対向する側面側には、それぞれ冷媒が通過する開口が形成されており、
    前記一側面に対向する側面側に形成された前記開口は、前記一側面側に形成された前記開口よりも大きい
    熱交換器。
  7. 前記オリフィスは、隣り合う前記伝熱管の間のそれぞれに対応して、前記オリフィスが前記第３方向に間隔を空けて複数設けられている
    請求項３〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
  8. 前記冷媒分配器は、
    前記第２空間を前記第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板を備えている
    請求項３に記載の熱交換器。
  9. 前記冷媒分配器は、
    ２つの前記冷媒流路のうち一方の前記冷媒流路の途中に、該冷媒流路を塞ぐ流路閉塞板が設けられている
    請求項４〜６、８のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７に記載の熱交換器。
  10. 前記オリフィスは、隣り合う前記伝熱管の間のそれぞれにおいて、２つの前記冷媒流路のうち一方の前記冷媒流路上にのみ設けられており、一方の前記冷媒流路上では前記一側面に対向する側面側にのみ、もう一方の冷媒流路上では前記一側面側にのみ設けられている
    請求項４〜６、８、９のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７に記載の熱交換器。
  11. 前記流路閉塞板は、最も前記一側面に対向する側面側の前記オリフィスよりも前記一側面に対向する側面側となる位置に設けられている
    請求項９に従属する請求項１０に記載の熱交換器。
  12. 前記第２仕切り板は、前記一側面に対向する側面側の領域にのみ設けられている
    請求項４〜６、８〜１１のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７に記載の熱交換器。
  13. 前記流路閉塞板は、最も前記一側面側の前記オリフィスよりも前記一側面側となる位置に設けられており、
    前記第２仕切り板と前記一側面に対向する側面との間には隙間が設けられている
    請求項９に記載の熱交換器。
  14. 前記流入管と前記第２仕切り板とは間隔を空けて配置されている
    請求項４〜６、８〜１３のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７に記載の熱交換器。
  15. 前記流入管と前記第２仕切り板との間隔は、前記流入管の内径以上である
    請求項４〜６、８〜１４のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７に記載の熱交換器。
  16. 前記冷媒分配器は、Ｌ字形状に屈曲されている
    請求項４〜６、８〜１５のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７に記載の熱交換器。
  17. 前記冷媒分配器の前記第２空間は、前記第２方向よりも前記第３方向の方が長くなっている
    請求項３〜１６のいずれか一項に記載の熱交換器。
  18. 前記第１方向は水平方向、前記第２方向は鉛直方向であり、前記第３方向は前記冷媒分配器の幅方向である請求項３〜１７のいずれか一項に記載の熱交換器。
  19. 前記差込孔は、前記第１方向よりも前記第３方向に長い形状を有している
    請求項３〜１８のいずれか一項に記載の熱交換器。
  20. 前記伝熱管で熱交換した冷媒が合流するガスヘッダーと、
    前記冷媒分配器と前記ガスヘッダーとの中継を行う列渡しヘッダーとを備え、
    前記伝熱管が前記冷媒分配器の幅方向に２列に配置されており、
    ２列の前記伝熱管の両方は、上側の端部が前記列渡しヘッダーに接続されており、
    ２列の前記伝熱管のうち一方は、下側の端部が前記冷媒分配器に接続されており、もう一方は、下側の端部が前記ガスヘッダーに接続されている
    請求項１〜１９のいずれか一項に記載の熱交換器。
  21. 前記オリフィスは、スリットで構成されている
    請求項１〜２０のいずれか一項に記載の熱交換器。
  22. 前記伝熱管は扁平管であり、隣り合う前記伝熱管の間にはコルゲートフィンが設けられている
    請求項１〜２１のいずれか一項に記載の熱交換器。
  23. 前記冷媒分配器の前記第２空間の２つの冷媒流路のうち、一方の流路断面積の方がもう一方の流路断面積よりも大きい
    請求項４〜６、８〜１６のいずれか一項、あるいは請求項４〜６のいずれか一項に従属する請求項７、１７〜２２のいずれか一項に記載の熱交換器。
  24. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、および、蒸発器が配管で接続され、冷媒が流れる冷媒回路を備え、
    前記凝縮器または前記蒸発器に請求項１〜２３のいずれか一項に記載の熱交換器を用いた
    空気調和装置。
  25. 前記伝熱管を冷媒が垂直上昇流として流動する
    請求項２４に記載の空気調和装置。
  26. 冷房運転を行う空気調和装置であって、
    冷房運転時の冷媒流れ方向において、前記熱交換器の下流側にサブクール熱交換器が設けられている
    請求項２４または２５に記載の空気調和装置。
  27. 前記冷媒回路を流れる冷媒として、沸点の異なる非共沸混合冷媒が用いられている
    請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の空気調和装置。
  28. 前記冷媒回路を流れる冷媒として、オレフィン系冷媒、プロパン、ＤＭＥ、または、これらを成分の１つに加えた混合冷媒が用いられている
    請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の空気調和装置。
  29. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、および、蒸発器が配管で接続され、冷媒が流れる冷媒回路であって、
    前記凝縮器または前記蒸発器に用いられる熱交換器は、
    それぞれが扁平管である複数の伝熱管と、
    第１方向に間隔を空けて形成され、前記伝熱管の端部が第２方向から差し込まれる差込孔を有する筒形状の冷媒分配器と、を備えたものであって、
    前記冷媒分配器は、
    内部を前記伝熱管の端部が差し込まれる側の第１空間と前記伝熱管の端部が差し込まれない側の前記第１空間よりも容積が大きい第２空間とに仕切る第１仕切り板と、
    前記第２空間を前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に仕切り、前記第２空間内に２つの冷媒流路を形成する第２仕切り板と、
    一側面に設けられ、前記第２空間に気液二相冷媒を流入させる流入管と、を備え、
    前記第２仕切り板によって仕切られた前記２つの冷媒流路のそれぞれにおいて冷媒が前記第２仕切り板の一方の端部を上流側として前記第１方向の同じ方向に流れるように構成され、
    前記伝熱管は、前記第１空間において端部が前記第１仕切り板と間隔が空くように前記差込孔に差し込まれており、
    前記第１仕切り板には、隣り合う前記伝熱管の間の領域に前記第３方向に間隔を空けて複数のオリフィスが設けられ、前記複数のオリフィスが前記第１空間と前記第２空間の冷媒が同じ方向に流れる前記２つの冷媒流路とを連通させ、
    前記２つの冷媒流路を流れる冷媒の流れが環状流またはチャーン流となるように構成されている
    冷媒回路。
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