JP6671491B2 - 熱交換器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器および冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル装置の一例として冷熱空調機器がある。一般的な冷熱空調機器は、圧縮機と、四方弁と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備えている。これらの構成部品は接続配管を介して連通され、冷凍サイクルを構成している。

このような冷熱空調機器では、四方弁の切り替えによって冷媒の流れが逆転され、暖房運転と冷房運転とが切り替えられる。暖房運転の場合、室内機熱交換器が凝縮器として用いられ、室外機熱交換器が蒸発器として用いられる。冷房運転の場合、室内機熱交換器が蒸発器として用いられ、室外機熱交換器が凝縮器として用いられる。

このように、冷房運転時および暖房運転時における、室外機および室内機の熱交換器の使われ方が異なる。つまり、室外機および室内機の熱交換器はそれぞれ凝縮器または蒸発器として用いられる。凝縮器と蒸発器では熱交換器内部を通過する冷媒の状態が異なる。凝縮器の場合、冷媒は、熱交換器入口では過熱ガスの状態で流入し、熱交換に伴って気液２相状態となり、熱交換器出口では過冷却液となる。一方、蒸発器の場合、冷媒は、熱交換器入口では液相または気液２相状態となり、熱交換に伴ってガス化し、熱交換器出口では飽和ガス状態となる。この冷媒の状態が液体状態であるか、または気体状態であるかによって熱交換器の伝熱管内部を流通する冷媒の流速が相違する。冷媒の流速によって熱交換器の性能が変化する。

したがって、熱交換器の性能を最大に高める最適な冷媒流速を得るためには、室外機熱交換器の冷媒流路の個数（パス数）または長さを調節しなければならない。しかしながら、従来、一般的な冷熱空調機器では、冷房運転時及び暖房運転時において、冷媒流路の個数または長さは一定である。このため、一般的な冷熱空調機器は、冷房運転時あるいは暖房運転時のうち、いずれか一方で最適な性能が得られるように設計されている。よって、一般的な冷熱空調機器においては、冷房運転時あるいは暖房運転時のうち、他方での性能が低下するという問題がある。

この問題を解決するための空気調和機が特開２０１５−１１７９３６号公報（特許文献１）に記載されている。この公報に記載された空気調和機では、冷房運転時に２つの単位流路が直列に連結され、暖房運転時に２つの単位流路が並列に連結される。また、室外機熱交換器において、２つの単位流路は、３つのバルブにより直列または並列に切り替えられる。

特開２０１５−１１７９３６号公報

しかしながら、上記公報に記載された空気調和機では、２つの単位流路の個数が等しい。つまり、２つの単位流路に熱交換器が等分されている。したがって、冷媒の液相が増える箇所の冷媒流路の個数（パス数）が多くなるため、冷媒の流速が遅くなる。したがって、この空気調和機がたとえば凝縮器として用いられた場合、２つの単位流路のうち、冷媒の液相が増える下流側の単位流路での伝熱性能が低下する。このため、熱交換器の性能が低下するという問題がある。

また、上記公報に記載された空気調和機では、室外機熱交換器は２つの単位流路を直列または並列に切り替えるために３つのバルブを有している。このため、熱交換器の小型化が困難であるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、性能を向上させ、かつ小型化できる熱交換器およびその熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供することである。

本発明の熱交換器は、第１熱交換部と、第２熱交換部と、切替弁とを備えている。第１熱交換部は、複数の第１冷媒流路と、第１冷媒流路に連通する第１接続口と、第１接続口と反対側で第１冷媒流路に連通する第２接続口とを有する。第２熱交換部は、少なくとも１つの第２冷媒流路と、第２冷媒流路に連通する第３接続口と、第３接続口と反対側で第２冷媒流路に連通する第４接続口とを有する。切替弁は、第１出入口と、第２出入口と、第３出入口と、第４出入口と、第１弁内流路と、第２弁内流路と、第３弁内流路とを有する。第１出入口は第１接続口に接続されている。第２出入口は第３接続口に接続されている。第３出入口は第２接続口に接続されている。第４出入口は第４接続口に接続されている。第１弁内流路は、第１出入口と第２出入口とを連通する。第２弁内流路は、第２出入口と第３出入口とを連通する。第３弁内流路は、第３出入口と第４出入口とを連通する。第１熱交換部の複数の第１冷媒流路の数は、第２熱交換部の少なくとも１つの第２冷媒流路の数よりも多い。切替弁は、第１弁内流路および第３弁内流路が閉じられるとともに第２弁内流路が開かれるか、第１弁内流路および第３弁内流路が開かれるとともに第２弁内流路が閉じられるかを切り替えるように構成されている。

本発明の熱交換器によれば、第１熱交換部の複数の第１冷媒流路の数は、第２熱交換部の少なくとも１つの第２冷媒流路の数よりも多い。このため、第２熱交換部を冷媒の液相が増える箇所になるように運転すれば、冷媒の液相が増える箇所の冷媒流路の数を少なくすることで冷媒の流速を速くすることができる。したがって、冷媒の液相が増える箇所での伝熱性能を向上させることができるため、熱交換器の性能を向上させることができる。また、切替弁は、第１弁内流路および第３弁内流路が閉じられるとともに第２弁内流路が開かれるか、第１弁内流路および３弁内流路が開かれるとともに第２弁内流路が閉じられるかを切り替えるように構成されている。このため、１つの切替弁により第１熱交換部と第２熱交換部とを直列または並列に切り替えることができる。したがって、熱交換器を小型化することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの冷房運転時の構造図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの暖房運転時の構造図である。 図１に示す室外機熱交換器の拡大図である。 図２に示す室外機熱交換器の拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの非共沸冷媒使用時の構造図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの冷房運転時の構造図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの暖房運転時の構造図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの冷房運転時の構造図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の凝縮器として用いられる熱交換器の構造図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の蒸発器として用いられる熱交換器の構造図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本発明の実施の形態では、冷凍サイクル装置の一例として、空気調和機について説明する。なお、冷凍サイクル装置は、空気調和機に限定されず、冷凍装置、チラーなどであってもよい。

実施の形態１．
図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１における空気調和機の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機の冷房運転時の冷凍サイクルの構造図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機の暖房運転時の冷凍サイクルの構造図である。

実施の形態１における空気調和機（冷凍サイクル装置）は、圧縮機１と、四方弁２と、室外機熱交換器３（第１室外機熱交換器３ａ、第２室外機熱交換器３ｂ、切替弁４）と、膨張弁５（第１膨張弁５ａ、第２膨張弁５ｂ）と、室内機熱交換器６とを備えている。

圧縮機１、四方弁２、室外機熱交換器３（第１室外機熱交換器３ａ、第２室外機熱交換器３ｂ、切替弁４）、膨張弁５および室内機熱交換器６が配管を介して連通されている。このようにして冷凍サイクル（冷媒回路）が構成される。

冷凍サイクルには冷媒が流れる。つまり、冷媒は、圧縮機１、四方弁２、第１室外機熱交換器（第１熱交換部）３ａ、第２室外機熱交換器（第２熱交換部）３ｂ、切替弁４、第１膨張弁５ａ、第２膨張弁５ｂおよび室内機熱交換器６を流れる。冷媒サイクルを流れる冷媒として、単一冷媒および共沸冷媒のいずれかを用いることが可能である。単一冷媒として、たとえばＲ３２を用いることが可能である。共沸冷媒として、たとえばＲ４１０ａを用いることが可能である。また、冷媒として、非共沸冷媒を用いることが可能である。非共沸冷媒として、たとえばＲ１２３４ｙｆを用いることが可能である。

また、空気調和機は、図示しない制御装置（コントローラー）を備えている。制御装置（コントローラー）は演算、指示等を行って冷凍サイクル装置の各手段、機器等を制御するように構成されている。具体的には、制御装置（コントローラー）は、たとえば、四方弁２および切替弁４の動作を制御するように構成されている。

図１では、圧縮機１と、四方弁２と、室外機熱交換器３（第１室外機熱交換器３ａ、第２室外機熱交換器３ｂ、切替弁４）と、膨張弁５（第１膨張弁５ａ、第２膨張弁５ｂ）とは図示しない室外機に設けられている。室内機熱交換器６は図示しない室内機に設けられている。

圧縮機１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。圧縮機１は、圧縮容量が一定の一定速圧縮機であってもよく、また圧縮容量が可変のインバーター圧縮機であってもよい。このインバーター圧縮機は、回転数を可変に制御可能に構成されている。具体的には、このインバーター圧縮機は、図示しない制御装置（コントローラー）からの指示に基づいて駆動周波数が変更されることにより、回転数が調整される。これにより、圧縮容量が変化する。この圧縮容量は単位時間あたりの冷媒を送り出す量である。

四方弁２は、圧縮機１と、室外機熱交換器３と、室内機熱交換器６とに接続されている。四方弁２は、冷房運転時と暖房運転時とによって、室外機熱交換器３および室内機熱交換器６への冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

室外機熱交換器３は、四方弁２と、膨張弁５とに接続されている。室外機熱交換器３は、冷房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。また、室外機熱交換器３は、暖房運転時、膨張弁５（絞り装置）により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。室外機熱交換器（熱交換器）３は、第１室外機熱交換器（第１熱交換部）３ａと、第２室外機熱交換器（第２熱交換部）３ｂと、切替弁４とを有している。第１室外機熱交換器３ａは、四方弁２と、切替弁４とに接続されている。第２室外機熱交換器３ｂは、切替弁４と、第１膨張弁５ａとに接続されている。室外機熱交換器３は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室外機熱交換器３、たとえばパイプ（伝熱管）とフィンとで構成されている。

切替弁４は、第１室外機熱交換器３ａと、第２室外機熱交換器３ｂとに接続されている。切替弁４は、第１室外機熱交換器３ａと、第２室外機熱交換器３ｂとを流れる冷媒の流路を切り替えるように構成されている。

膨張弁５は、室外機熱交換器３と、室内機熱交換器６とに接続されている。膨張弁５は、冷房運転時、室外機熱交換器（凝縮器）３により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。また、膨張弁５は、暖房運転時、室内機熱交換器（凝縮器）６により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。膨張弁５は、第１膨張弁５ａと、第２膨張弁５ｂとを有している。第１膨張弁５ａは、第２室外機熱交換器３ｂと、室内機熱交換器６とに接続されている。第１膨張弁５ａは弁開度を調整することにより冷媒を膨張（減圧）させるように構成されている。第１膨張弁５ａはたとえば電子膨張弁である。

第２膨張弁５ｂは、第１膨張弁５ａと室内機熱交換器６との間と、四方弁２とに接続されている。第２膨張弁５ｂは弁開度を調整することにより冷媒を膨張（減圧）させるように構成されている。また、第２膨張弁５ｂは弁を閉じることにより冷媒回路を閉じるように構成されている。第２膨張弁５ｂはたとえば電子膨張弁である。

実施の形態１では、第１膨張弁５ａおよび第２膨張弁５ｂの２つの膨張弁が設けられている。これにより、第１室外機熱交換器３ａおよび第２室外機熱交換器３ｂが蒸発器として用いられる場合、１パス数あたりに流入する冷媒循環量を揃えるために、第１室外機熱交換器３ａおよび第２室外機熱交換器３ｂに流れる冷媒循環量を調節することができる。また、冷媒循環量を調節する際、第２室外機熱交換器３ｂに接続されている膨張弁は、第１室外機熱交換器３ａに接続されている膨張弁に比べて絞られた設定となる。

室内機熱交換器６は、第１膨張弁５ａと、四方弁２とに接続されている。室内機熱交換器６は、冷房運転時、絞り装置により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。また、室内機熱交換器６は、暖房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。室内機熱交換器６は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室内機熱交換器６は、たとえばパイプ（伝熱管）とフィンとで構成されている。

実施の形態１では、室外機熱交換器３の冷媒流路の個数（パス数）が可変の場合について説明するが、室内機熱交換器６の冷媒流路の個数（パス数）が可変であってもよく、また室外機熱交換器３および室内機熱交換器６の両方の冷媒流路の個数（パス数）が可変であってもよい。つまり、本実施の形態の熱交換器は、凝縮器および蒸発器の少なくともいずれかであればよい。

次に、図３および図４を参照して、本発明の実施の形態１における室外機熱交換器（熱交換器）３の構成について詳しく説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る室外機熱交換器３の冷房運転時の構造図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る室外機熱交換器３の暖房運転時の構造図である。

第１室外機熱交換器（第１熱交換部）３ａは、複数の第１冷媒流路ＲＦ１と、第１接続口Ｃ１と、第２接続口Ｃ２とを有している。冷房運転時には、第１接続口Ｃ１は冷媒入口であり、第２接続口Ｃ２は冷媒出口である。暖房運転時には、第１接続口Ｃ１は冷媒出口であり、第２接続口Ｃ２は冷媒入口である。第１接続口Ｃ１は第１冷媒流路ＲＦ１に連通する。第２接続口Ｃ２は第１接続口Ｃ１と反対側で第１冷媒流路ＲＦ１に連通する。複数の第１冷媒流路ＲＦ１は図示しないヘッダを介して第１接続口Ｃ１および第２接続口Ｃ２に連通することが可能である。

第２室外機熱交換器（第２熱交換部）３ｂは、少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２と、第３接続口Ｃ３と、第４接続口Ｃ４とを有している。冷房運転時には、第３接続口Ｃ３は冷媒入口であり、第４接続口Ｃ４は冷媒出口である。暖房運転時には、第３接続口Ｃ３は冷媒出口であり、第４接続口Ｃ４は冷媒入口である。第３接続口Ｃ３は第２冷媒流路ＲＦ２に連通する。第４接続口Ｃ４は第３接続口Ｃ３と反対側で第２冷媒流路ＲＦ２に連通する。少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２は図示しないヘッダを介して第３接続口Ｃ３および第４接続口Ｃ４に連通することが可能である。

第１室外機熱交換器（第１熱交換部）３ａの複数の第１冷媒流路ＲＦ１の数は、第２室外機熱交換器（第２熱交換部）３ｂの少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２の数よりも多い。本実施の形態では、複数の第１冷媒流路ＲＦ１の個数（パス数）は、たとえば４つである。また、少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２の個数（パス数）は、たとえば２つである。パス数は、第１室外機熱交換器３ａおよび第２室外機熱交換器３ｂの各々の冷媒流路の分割数を意味する。

切替弁４は、第１出入口Ｐ１と、第２出入口Ｐ２と、第３出入口Ｐ３と、第４出入口Ｐ４と、第１弁内流路ＶＦ１と、第２弁内流路ＶＦ２と、第３弁内流路ＶＦ３と、本体１０と、軸部１１と、第１弁座１２ａと、第２弁座１２ｂと、第３弁座１２ｃと、第１弁体１３ａと、第２弁体１３ｂと、第３弁体１３ｃと、駆動部１４とを有している。

切替弁４の本体１０には、冷媒が流入または流出する出入口が合計で４つ設けられている。切替弁４の第１出入口Ｐ１は第１室外機熱交換器３ａの第１接続口Ｃ１に接続されている。切替弁４の第２出入口Ｐ２は第２室外機熱交換器３ｂの第３接続口Ｃ３に接続されている。切替弁４の第３出入口Ｐ３は第１室外機熱交換器３ａの第２接続口Ｃ２に接続されている。切替弁４の第４出入口Ｐ４は第２室外機熱交換器３ｂの第４接続口Ｃ４に接続されている。

したがって、図３に示すように、第１出入口Ｐ１は第１室外機熱交換器３ａの冷房運転時冷媒入口側に接続される。第２出入口Ｐ２は第２室外機熱交換器３ｂの冷房運転時冷媒入口側に接続される。第３出入口Ｐ３は第１室外機熱交換器３ａの冷房運転時冷媒出口側に接続される。第４出入口Ｐ４は第２室外機熱交換器３ｂの冷房運転時冷媒出口側に接続される。

また、図４に示すように、第１出入口Ｐ１は第１室外機熱交換器３ａの暖房運転時冷媒出口側に接続される。第２出入口Ｐ２は第２室外機熱交換器３ｂの暖房運転時冷媒出口側に接続される。第３出入口Ｐ３は第１室外機熱交換器３ａの暖房運転時冷媒入口側に接続される。第４出入口Ｐ４は第２室外機熱交換器３ｂの冷房運転時冷媒入口側に接続される。

切替弁４の本体１０は円筒形状を有しており、切替弁４の本体１０内に第１弁内流路ＶＦ１、第２弁内流路ＶＦ２および第３弁内流路ＶＦ３が設けられている。

第１弁内流路ＶＦ１は、第１出入口Ｐ１と第２出入口Ｐ２とを連通する。第１弁座１２ａは第１弁内流路ＶＦ１内に配置されている。第１弁座１２ａは第１出入口Ｐ１と第２出入口Ｐ２との間に配置されている。第１弁体１３ａは第１弁座１２ａに接することで第１弁内流路ＶＦ１を閉じ、かつ第１弁座１２ａから離れることで第１弁内流路ＶＦ１を開くように構成されている。

第２弁内流路ＶＦ２は第２出入口Ｐ２と第３出入口Ｐ３とを連通する。第２弁座１２ｂは第２弁内流路ＶＦ２内に配置されている。第２弁座１２ｂは第２出入口Ｐ２と第３出入口Ｐ３との間に配置されている。第２弁体１３ｂは第２弁座１２ｂに接することで第２弁内流路ＶＦ２を閉じ、かつ第２弁座１２ｂから離れることで第２弁内流路ＶＦ２を開くように構成されている。

第３弁内流路ＶＦ３は、第３出入口Ｐ３と第４出入口Ｐ４とを連通する。第３弁座１２ｃは第３弁内流路ＶＦ３内に配置されている。第３弁座１２ｃは第３出入口Ｐ３と第４出入口Ｐ４との間に配置されている。第３弁体１３ｃは第３弁座１２ｃに接することで第３弁内流路ＶＦ３を閉じ、かつ第３弁座１２ｃから離れることで第３弁内流路ＶＦ３を開くように構成されている。

第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃは軸部１１に取り付けられている。第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃはそれぞれ平板形状を有している。第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃはそれぞれの平板形状の中心に軸部１１が貫通して軸部１１に取り付けられていてもよい。第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃは、軸部１１の軸方向に互いに離れて配置されている。

このように、切替弁４は、１軸で構成されているため、流路切替を同時に操作できる。暖房運転時、室外機熱交換器３に着霜するため、デフロスト運転を行う必要がある。デフロスト運転では四方弁２を暖房運転時の冷媒回路から冷房運転の冷媒回路に切り換え、除霜する。この除霜するために冷媒回路を切り換える時に、即座に流路切替を行うことができる。

駆動部１４は、軸部１１を軸方向に駆動させるように構成されている。駆動部１４は、可動部１４ａと、コイル１４ｂとを有している。可動部１４ａは軸部１１に取り付けられている。コイル１４ｂは可動部１４ａを取り囲むように配置されている。可動部１４ａは、図示しない制御装置（コントローラー）からの指示に基づいてコイル１４ｂが通電されることで発生した磁束により、軸部１１の軸方向に移動可能に構成されている。したがって、第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃは可動部１４ａの移動にともなって、軸部１１の軸方向に移動可能である。

また、切替弁４は１軸で構成されているため、駆動部１４は１つでよい。具体的には、切替弁４は、駆動部１４の可動部１４ａおよびコイル１４ｂをそれぞれ１つで構成することができる。このため、コストを抑えることができる。

切替弁４は、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が閉じられるとともに第２弁内流路ＶＦ２が開かれるか、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が開かれるとともに第２弁内流路ＶＦ２が閉じられるかを切り替えるように構成されている。第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が閉じられるとともに第２弁内流路ＶＦ２が開かれることで、第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとが直列に接続される。また、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が開かれるとともに第２弁内流路ＶＦ２が閉じられることで、第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとが並列に接続される。このようにして、切替弁４は、第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとが直列または並列に接続されるように切り替えることが可能である。

第２弁内流路ＶＦ２は、第１弁内流路ＶＦ１と第３弁内流路ＶＦ３とに挟まれている。したがって、切替弁４の中央部に配置された第２弁内流路ＶＦ２が開いた状態で、上下に配置された第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が閉じられる。一方、切替弁４の中央部に配置された第２弁内流路ＶＦ２が閉まる状態で、上下に配置された第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が開かれる。

次に、図１および図３を参照して、実施の形態１における冷房運転時の冷凍サイクル内の冷媒の流れを説明する。圧縮機１から吐出された高温高圧ガス冷媒は、四方弁２に流入する。冷房運転では冷媒が室外機熱交換器３に流入するように四方弁２が設定される。室外機熱交換器３では、空気との熱交換によって、高圧高温ガス冷媒が凝縮し液冷媒となる。この際、室外機熱交換器３を通過した空気は加熱される。

切替弁４は、冷媒が第１室外機熱交換器３ａを通過した後、第２室外機熱交換器３ｂに流入するように設定される。具体的には、第１接続口Ｃ１から第１室外機熱交換器３ａに流入した冷媒は、第１室外機熱交換器３ａの複数の第１冷媒流路ＲＦ１で凝縮する。凝縮した冷媒は、第２接続口Ｃ２から流出し、第３出入口Ｐ３から切替弁４に流入する。第２弁座１２ｂから第２弁体１３ｂが離れることで第２弁内流路ＶＦ２は開かれている。このため、冷媒は、第２弁内流路ＶＦ２を通って第２出入口Ｐ２から流出する。第２出入口Ｐ２から流出した冷媒は、第３接続口Ｃ３から第２室外機熱交換器３ｂに流入する。第２室外機熱交換器３ｂに流入した冷媒は、第２室外機熱交換器３ｂの少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２で凝縮する。

なお、第１弁座１２ａに第１弁体１３ａが接することで第１弁内流路ＶＦ１が閉じられている。このため、切替弁４の第１出入口Ｐ１から流入した冷媒は、第１弁内流路ＶＦ１を通って第２出入口Ｐ２に流れない。また、第３弁座１２ｃに第３弁体１３ｃが接することで第３弁内流路ＶＦ３が閉じられている。このため、切替弁４の第３出入口Ｐ３から流入した冷媒は第３弁内流路ＶＦ３を通って第４出入口Ｐ４に流れない。

第２冷媒流路ＲＦ２で凝縮されて液相となった冷媒は第１膨張弁５ａへ流入し、第１膨張弁５ａの絞りによって低圧低温の気液２相の冷媒となる。低温低圧の冷媒は、室内機熱交換器６へ流入し、空気と熱交換する。この際、室内機熱交換器６を通過した空気は冷却される。周囲の空気によって加熱された冷媒は気液２相から気相へと変わり、その後、四方弁２を通過した後、圧縮機１に流入する。圧縮機１は吸入した冷媒を圧縮して再び吐出する。すなわち、冷房運転時には図１中の実線矢印で示すように冷媒が冷凍サイクル内を循環する。

冷房運転時には、中央に配置された第２弁内流路ＶＦ２が開くように流路が設定される。そのように流路が設定されることで、冷媒は第１室外機熱交換器３ａを通過した後、第２室外機熱交換器３ｂへと流入する。また第２室外機熱交換器３ｂのパス数は第１室外機熱交換器３ａに比べて少ないため、凝縮し液相が増加した冷媒が第２室外機熱交換器３ｂに流通しても流速を高められる。このため、管内熱伝達率を高めることができる。これにより、熱交換器性能を向上させることができる。

続いて、図２および図４を参照して、実施の形態１における暖房運転時の冷凍サイクル内の冷媒の流れを説明する。圧縮機１から吐出された高温高圧ガス冷媒は、四方弁２に流入する。暖房運転時では冷媒が室内機熱交換器６に流入するように四方弁２が設定される。室内機熱交換器６では、空気との熱交換によって、高圧高温ガス冷媒が凝縮し液冷媒となる。この際、室内機熱交換器６を通過した空気は加熱される。

次に、冷媒は第１膨張弁５ａおよび第２膨張弁５ｂへ流入し、冷媒は低圧低温な状態となる。その後、冷媒が室外機熱交換器３へ流入する際、切替弁４は、第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとに並列に流入するように設定される。具体的には、第１膨張弁５ａを通って第４接続口Ｃ４から第２室外機熱交換器３ｂに流入した冷媒は、第２室外機熱交換器３ｂの少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２で空気と熱交換し低圧低温ガス冷媒となる。低温低圧ガス冷媒は、第３接続口Ｃ３から流出し、第２出入口Ｐ２から切替弁４に流入する。第１弁座１２ａから第１弁体１３ａが離れることで第１弁内流路ＶＦ１は開かれている。このため、冷媒は、第１弁内流路ＶＦ１を通って第１出入口Ｐ１から流出する。第１出入口Ｐ１から流出した冷媒は四方弁２に流れる。

第２膨張弁５ｂを通って第４出入口Ｐ４から切替弁４に冷媒が流入する。第３弁座１２ｃから第３弁体１３ｃが離れることで第３弁内流路ＶＦ３は開かれている。このため、冷媒は、第３弁内流路ＶＦ３を通って第３出入口Ｐ３から流出し、第２接続口Ｃ２から第１室外機熱交換器３ａに流入する。第２接続口Ｃ２から第１室外機熱交換器３ａに流入した冷媒は、第１室外機熱交換器３ａの複数の第１冷媒流路ＲＦ１で空気と熱交換し低圧低温ガス冷媒となる。低温低圧ガス冷媒は第１接続口Ｃ１から流出し、四方弁２に流れる。

なお、第２弁座１２ｂに第２弁体１３ｂが接することで第２弁内流路ＶＦ２が閉じられている。このため、第２室外機熱交換器３ｂを通って切替弁４の第２出入口Ｐ２から流入した冷媒は第２弁内流路ＶＦ２を通って第３出入口Ｐ３に流れない。また、第２膨張弁５ｂを通って切替弁４の第４出入口Ｐ４から流入した冷媒は、第２弁内流路ＶＦ２を通って第２出入口Ｐ２に流れない。

その後、冷媒は四方弁２を通り、圧縮機１へ流入する。圧縮機１は吸入した冷媒を圧縮して再び吐出する。すなわち、暖房運転時には図２中の実線矢印で示すように冷媒が冷凍サイクル内を循環する。

暖房運転時には、中央に配置された第２弁内流路ＶＦ２が閉まり、上下に配置された第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が開くように流路が設定される。そのように流路が設定されることで、冷媒は第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを並列に通過する。第１室外機熱交換器３ａおよび第２室外機熱交換器３ｂが蒸発器として用いられる場合、気液２相の冷媒が流入するが、並列に流入するので、圧力損失が少なく、かつ、管内熱伝達率も確保できる。これにより、熱交換器の性能を高めることができる。

切替弁４と第２室外機熱交換器３ｂとの接続において、第２室外機熱交換器３ｂの入口側が室外機熱交換器３の空気吸込側の箇所に接続される。これは、たとえばＲ４１０ａなどの共沸冷媒およびＲ３２などの単一冷媒で圧力損失が少ない冷媒で、かつ、室外機熱交換器３を凝縮器として用いる場合、すべての室外機熱交換器３を対向流として用いることで熱交換器の性能を高めることができる。一方、Ｒ１２３４ｙｆなどの混合冷媒であって非共沸冷媒を用いる場合で、室外機熱交換器を凝縮器として用いる場合、図５を参照して、第２室外機熱交換器３ｂの冷媒入口が風上側に設置される。これにより、室外機熱交換器３を凝縮器として使用する場合、過冷却度を取りやすくなり、熱交換器性能を高めることができる。これは非共沸冷媒を用いる際、高圧側でも圧力損失が生じやすいためである。

次に、実施の形態１の作用効果について説明する。
本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、切替弁４により第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを直列または並列に切り替えることができる。このため、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒流路の個数（パス数）を変化させることができる。これにより、室外機熱交換器３の性能を高めることができる。

本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、第１室外機熱交換器３ａの複数の第１冷媒流路ＲＦ１の数は、第２室外機熱交換器３ｂの少なくとも１つの第２冷媒流路ＲＦ２の数よりも多い。このため、第２室外機熱交換器３ｂを冷媒の液相が増える箇所になるように運転すれば、冷媒の液相が増える箇所の冷媒流路の数を少なくすることで冷媒の流速を速くすることができる。したがって、冷媒の液相が増える箇所での伝熱性能を向上させることができるため、室外機熱交換器３の性能を向上させることができる。また、切替弁４は、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が閉じられるとともに第２弁内流路ＶＦ２が開かれるか、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が開かれるとともに第２弁内流路ＶＦ２が閉じられるかを切り替えるように構成されている。このため、１つの切替弁４により第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを直列または並列に切り替えることができる。したがって、室外機熱交換器３を小型化することができる。また、従来のように、３つのバルブにより第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを切り替える場合、３つのバルブは合計で６つの出入口を有する。本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、出入口は４つであるため、この点からも室外機熱交換器３を小型化することができる。

本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、切替弁４は、第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃが取り付けられた軸部１１を軸方向に駆動させることにより、第１弁内流路ＶＦ１、第２弁内流路ＶＦ２および第３弁内流路ＶＦ３の各々を開閉することができる。このため、第１弁内流路ＶＦ１、第２弁内流路ＶＦ２および第３弁内流路ＶＦ３の各々を同時に制御することができる。また、第１弁体、第２弁体および第３弁体の操作性が優れている。また、第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃが取り付けられた軸部１１を駆動させる駆動部１４は１つでよいため、コストを抑えることができる。

本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、第２弁内流路ＶＦ２は、第１弁内流路ＶＦ１と第３弁内流路ＶＦ３とに挟まれている。このため、第１弁体１３ａ、第２弁体１３ｂおよび第３弁体１３ｃが取り付けられた軸部１１が軸方向に駆動されることで、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が閉じられるとともに第２弁内流路ＶＦ２が開かれるか、第１弁内流路ＶＦ１および第３弁内流路ＶＦ３が開かれるとともに第２弁内流路ＶＦ２が閉じられるかを切り替えることができる。

本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、第１室外機熱交換器３ａ、第２室外機熱交換器３ｂおよび切替弁４を流れる冷媒は、単一冷媒および共沸冷媒のいずれかである。したがって、冷媒として単一冷媒および共沸冷媒を用いることができる。

本実施の形態の室外機熱交換器３によれば、第１室外機熱交換器３ａ、第２室外機熱交換器３ｂおよび切替弁４を流れる冷媒は、非共沸冷媒であってもよい。したがって、冷媒として非共沸冷媒を用いることができる。

本実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、上記の室外機熱交換器３と、膨張弁５と、室内機熱交換器６とを備えている。また、本実施の形態の熱交換器は、室外機熱交換器３および室内機熱交換器６のいずれにも適用することが可能である。つまり、本実施の形態の熱交換器は、凝縮器および蒸発器の少なくともいずれかであればよい。このため、性能を向上させ、かつ小型化できる室外機熱交換器３および室内機熱交換器６の少なくともいずれかを備えた冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態２．
以下、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。なお、これについては、下記の実施の形態３および実施の形態４についても同様である。

図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２における空気調和機においては、切替弁４の構造が実施の形態１と異なる。実施の形態２では、軸部１１に取り付けられた弁体１５は、弁体１５の内部にＵ字形の流路１５ａを有している。流路１５ａは、第１出入口Ｐ１および第２出入口Ｐ２、第２出入口Ｐ２および第３出入口Ｐ３、第３出入口Ｐ３および第４出入口をそれぞれ連通可能に構成されている。弁体１５は、駆動部１４により軸部１１が軸方向に駆動されることにより、第１出入口Ｐ１と第２出入口Ｐ２とを連通させるか、第２出入口Ｐ２と第３出入口Ｐ３とを連通させるか、第３出入口Ｐ３と第４出入口Ｐ４とを連通させるかを切り替えるように構成されている。

図６を参照して、冷房運転時には、弁体１５は、切替弁４の中央に配置される。そして、弁体１５の流路１５ａにより第２弁内流路ＶＦ２が開かれる。つまり、弁体１５は、冷媒が弁体１５の流路１５ａを通って第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを直列に流れるように配置される。具体的には、第１室外機熱交換器３ａの第２接続口Ｃ２から流出した冷媒は、第３出入口Ｐ３から切替弁４に流入し、弁体１５の流路１５ａを通って第２出入口Ｐ２から流出し、第３接続口Ｃ３から第２室外機熱交換器３ｂに流入する。

図７を参照して、暖房運転時には、弁体１５は、切替弁４の上部に配置される。そして、弁体１５の流路１５ａにより第１弁内流路ＶＦ１が開かれる。つまり、弁体１５は、冷媒が弁体１５の流路１５ａを通って第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを並列に流れるように配置される。具体的には、第２室外機熱交換器３ｂの第３接続口Ｃ３から流出した冷媒は、第２出入口Ｐ２から切替弁４に流入し、弁体１５の流路１５ａを通って第１出入口Ｐ１から流出し、図２に示す四方弁２に流入する。また、第４出入口Ｐ４から切替弁４に流入した冷媒は、第３弁内流路ＶＦ３を通って第３出入口Ｐ３から流出し、第２接続口Ｃ２から第１室外機熱交換器３ａに流入する。第１室外機熱交換器３ａに流入した冷媒は第１接続口Ｃ１から流出し、図２に示す四方弁２に流入する。

また、暖房運転時には、弁体１５は切替弁４の下部に配置され、弁体１５の流路１５ａにより第３弁内流路ＶＦ３が開かれてもよい。

なお、弁体１５は電磁弁により軸部１１の軸方向に移動されてもよいが、これに限定されず、たとえば冷媒圧力により軸部１１の軸方向に移動されてもよい。

実施の形態３．
図８を参照して、本発明の実施の形態３における空気調和機では、室外機熱交換器３および室内機熱交換器６のいずれも本発明の熱交換器が搭載されている。つまり、凝縮器および蒸発器のいずれもが本発明の熱交換器である。したがって、実施の形態３における空気調和機では、室外機熱交換器３および室内機熱交換器６の両方の冷媒流路の個数（パス数）が可変である。

室外機熱交換器３が凝縮器として機能する際、室内機熱交換器６は蒸発器として作用するので、切替弁４の動作は逆になる。室外機熱交換器３の切替弁４（４ａ）が第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとが直列に配置されるように切り替えられる場合、室内機熱交換器６の切替弁４（４ｂ）は第１室内機熱交換器６ａと第２室内機熱交換器６ｂとが並列に配置されるように切り替えられる。

また、室内機熱交換器６が凝縮器として機能する際、室外機熱交換器３は蒸発器として作用するので、切替弁４の動作は逆になる。室内機熱交換器６の切替弁４（４ｂ）が第１室内機熱交換器６ａと第２室内機熱交換器６ｂとが直列に配置されるように切り替えられる場合、室外機熱交換器３の切替弁４（４ａ）は第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとが並列に配置されるように切り替えられる。

実施の形態４．
図９および図１０を参照して、本発明の実施の形態４における空気調和機においては、切替弁４の構造が実施の形態１と異なる。実施の形態４では、切替弁４は、円形状のロータリー弁である。

切替弁４は、本体１０と、軸部１１と、平板状の弁座１２と、弁体１３とを備えている。本体１０は円筒形状を有している。軸部１１は図示しないモータに接続されている。弁座１２は平板形状を有している。弁体１３は円柱形状を有している。円筒形状の本体１０内に平板形状の弁座１２および円柱形状の弁体１３が配置されている。弁座１２には、第１出入口Ｐ１、第２出入口Ｐ２、第３出入口Ｐ３および第４出入口Ｐ４が設けられている。

弁体１３は弁座１２の一方面に摺動可能に構成されている。弁体１３は第１流路１３１と第２流路１３２とを有している。弁体１３の中心に軸部１１が接続されている。軸部１１が図示しないモータの駆動力により回転することで、円柱形状の弁体１３が図中円弧矢印で示すように周方向に回転する。

弁体１３は、軸部１１の回転によって周方向に回転することで、第１流路１３１が第１出入口Ｐ１と第２出入口Ｐ２とを連通するか、第２流路１３２が第２出入口Ｐ２と第３出入口Ｐ３とを連通するかを切り替えるように構成されている。

図９を参照して、室外機熱交換器３が凝縮器として使用される場合（冷房運転時）について説明する。切替弁４の流路が第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとに冷媒が直列に流通するように設定される。つまり、弁体１３は、冷媒が第２流路１３２を通って第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを直列に流れるように配置される。具体的には、図中直線矢印で示すように、第１室外機熱交換器３ａの第２接続口Ｃ２から流出した冷媒は、第３出入口Ｐ３から第２流路１３２に流入し、第２流路１３２を通って第２出入口Ｐ２から流出し、第３接続口Ｃ３から第２室外機熱交換器３ｂに流入する。

図１０を参照して、室外機熱交換器３が蒸発器として使用される場合（暖房運転時）について説明する。図９の状態から弁体１３が回転すると、図１０に示す回路となる。切替弁４の流路が第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとに冷媒が並列に流通するように設定される。つまり、弁体１３は、冷媒が第１流路１３１および第２流路１３２を通って第１室外機熱交換器３ａと第２室外機熱交換器３ｂとを並列に流れるように配置される。具体的には、図中直線矢印で示すように、第２室外機熱交換器３ｂの第３接続口Ｃ３から流出した冷媒は、第２出入口Ｐ２から第１流路１３１に流入し、第１流路１３１を通って第１出入口Ｐ１から流出し、図２に示す四方弁２に流入する。また、第４出入口Ｐ４から第２流路１３２に流入した冷媒は、第２流路１３２を通って第３出入口Ｐ３から流出し、第２接続口Ｃ２から第１室外機熱交換器３ａに流入する。

本実施の形態の熱交換器によれば、実施の形態１と同様に熱交換器の性能を高めることができる。したがって、性能を向上させ、かつ小型化できる熱交換器およびその熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供することができる。

上記の各実施の形態は適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 室外機熱交換器、３ａ 第１室外機熱交換器、３ｂ 第２室外機熱交換器、４ 切替弁、５ 膨張弁、５ａ 第１膨張弁、５ｂ 第２膨張弁、６ 室内機熱交換器、６ａ 第１室内機熱交換器、６ｂ 第２室内機熱交換器、１０ 本体、１１ 軸部、１２ 弁座、１２ａ 第１弁座、１２ｂ 第２弁座、１２ｃ 第３弁座、１３ 弁体、１３ａ 第１弁体、１３ｂ 第２弁体、１３ｃ 第３弁体、１４ 駆動部、１４ａ 可動部、１４ｂ コイル、１５ 弁体、１５ａ 流路、Ｃ１ 第１接続口、Ｃ２ 第２接続口、Ｃ３ 第３接続口、Ｃ４ 第４接続口、Ｐ１ 第１出入口、Ｐ２ 第２出入口、Ｐ３ 第３出入口、Ｐ４ 第４出入口、ＲＦ１ 第１冷媒流路、ＲＦ２ 第２冷媒流路、ＶＦ１ 第１弁内流路、ＶＦ２ 第２弁内流路、ＶＦ３ 第３弁内流路。

Claims (6)

1. 複数の第１冷媒流路と、前記第１冷媒流路に連通する第１接続口と、前記第１接続口と反対側で前記第１冷媒流路に連通する第２接続口とを有する第１熱交換部と、
   少なくとも１つの第２冷媒流路と、前記第２冷媒流路に連通する第３接続口と、前記第３接続口と反対側で前記第２冷媒流路に連通する第４接続口とを有する第２熱交換部と、
   前記第１接続口に接続された第１出入口と、前記第３接続口に接続された第２出入口と、前記第２接続口に接続された第３出入口と、前記第４接続口に接続された第４出入口と、前記第１出入口と前記第２出入口とを連通する第１弁内流路と、前記第２出入口と前記第３出入口とを連通する第２弁内流路と、前記第３出入口と前記第４出入口とを連通する第３弁内流路とを有する切替弁とを備え、
   前記第１熱交換部の前記複数の第１冷媒流路の数は、前記第２熱交換部の前記少なくとも１つの第２冷媒流路の数よりも多く、
   前記切替弁は、前記第１弁内流路および前記第３弁内流路が閉じられるとともに前記第２弁内流路が開かれるか、前記第１弁内流路および前記第３弁内流路が開かれるとともに前記第２弁内流路が閉じられるかを切り替えるように構成されている、熱交換器。
2. 前記切替弁は、
   前記第１弁内流路内に配置された第１弁座と、
   前記第１弁座に接することで前記第１弁内流路を閉じ、かつ前記第１弁座から離れることで前記第１弁内流路を開く第１弁体と、
   前記第２弁内流路内に配置された第２弁座と、
   前記第２弁座に接することで前記第２弁内流路を閉じ、かつ前記第２弁座から離れることで前記第２弁内流路を開く第２弁体と、
   前記第３弁内流路内に配置された第３弁座と、
   前記第３弁座に接することで前記第３弁内流路を閉じ、かつ前記第３弁座から離れることで前記第３弁内流路を開く第３弁体と、
   前記第１弁体、前記第２弁体および前記第３弁体が取り付けられた軸部と、
   前記軸部を軸方向に駆動させる駆動部とを有する、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第２弁内流路は、前記第１弁内流路と前記第３弁内流路とに挟まれている、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記第１熱交換部、前記第２熱交換部および前記切替弁を流れる冷媒は、単一冷媒および共沸冷媒のいずれかである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記第１熱交換部、前記第２熱交換部および前記切替弁を流れる冷媒は、非共沸冷媒である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置と、前記絞り装置により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置であって、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器は、前記凝縮器および前記蒸発器のいずれかである、冷凍サイクル装置。

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