JP6778851B2 - 熱交換器およびそれを用いた冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は熱交換器およびそれを用いた冷凍システムに関し、特に、冷媒が流れる板状のプレートフィンを積層して構成されたプレートフィン積層型の熱交換器とそれを用いた冷凍システムに関する。

一般に空気調和機や冷凍機等の冷凍システムは、圧縮機によって圧縮した冷媒を凝縮器や蒸発器等の熱交換器に循環させ第２流体と熱交換させて冷房もしくは暖房を行うが、前記熱交換器の熱交換効率によってシステムとしての性能や省エネ性が大きく左右される。従って、熱交換器は高効率化が強く求められている。

この熱交換器の高効率化は、その手法の一つとしては熱交換流体が流れる伝熱管の細径化があり、また他の手法の一つとしては各伝熱管へ分流する冷媒を例えば均一に分流することがある。

このような中にあって、冷凍システムの熱交換器は、一般的には、フィン群に伝熱管を貫通させて構成したフィンチューブ型熱交換器が用いられており、その伝熱管の細径化を図って熱交換効率の向上及び小型化が進められている（例えば、特許文献１参照）。

一方、熱交換効率向上のための熱交換流体の分流は、各伝熱管へ熱交換流体を案内するヘッダ流路に分流制御管を組み込んで各伝熱管への冷媒の分流を均一化し熱交換効率の向上を図っている（例えば、特許文献２参照）。

図１３は上記特許文献２記載の熱交換器を示し、この熱交換器１００は、フィン群１０１に伝熱管１０２を貫通させて構成してあって、その冷媒入口側ヘッダ管１０３に分流制御管１０４が設けてある。分流制御管１０４には複数の冷媒分流口１０５が列設してあり、冷媒分流口１０５の大きさを冷媒入口から離れるに従い小さくなるようにして、各伝熱管１０２に流れる冷媒を均一に分流させるようになっている。

この熱交換器は冷媒の分流を冷媒入口側で行っているので、圧力損失増による冷媒温度の上昇を抑制しつつ各伝熱管へと分流するようになり、各分流制御管へ例えば均等に分流することができ、蒸発器として使用する熱交換器の熱交換効率を向上させることができる、というものである（冷媒の分流を冷媒出口側で行うと、圧力損失（以下、圧損と略称する）が大きくなって冷媒温度が高くなり熱交換させる第２流体との温度差が少なくなって分流の均一化による熱交換効率の向上効果を相殺し逆に熱交換効率を低下させてしまうため冷媒入口側で冷媒を分流している）。

特開２０１０−７８２８９号公報 特開２０１２−２０７９１２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のフィンチューブ型熱交換器は、その伝熱管が管であるが故に細径化に限度があり、伝熱管の細径化による熱交換効率の向上は限界に近づきつつある。

しかしこの伝熱管は、プレートフィン積層型熱交換器であれば容易に細径化できる。すなわち、プレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィンに凹状溝をプレス成形して伝熱管に相当する流路を形成しているので、当該流路の断面積を小さくすることは容易であり、その流路はフィンチューブ型熱交換器の伝熱管に比べさらに小さくできる。

そこで出願人は流路を有するプレートフィンを積層して構成したプレートフィン積層型熱交換器に特許文献２に記載の分流制御管を組み合わせて熱交換効率の向上を図ることを検討した。

しかしながら、上記プレートフィン積層型熱交換器は蒸発器として使用しているときには冷媒入口側のヘッダ流路に分流制御管を組み込んでも分流制御管による分流効果が十分に発揮されず、分流による熱交換効率の向上に大きな課題があることを見いだした。

本発明はこのような点に鑑み鋭意検討して流路の細径化と分流効果による熱交換効率の向上を両立させたもので、蒸発器或いは凝縮器のいずれとして使用されても高効率な熱交換器及びそれを用いた高性能な冷凍システムの提供を目的としたものである。

本発明は、上記目的を達成するため、熱交換器は、第１流体が流れる流路を有するプレートフィン積層体の各プレートフィン積層間に第２流体を流して、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換する熱交換器であって、
前記プレートフィン積層体のプレートフィンは、ヘッダ領域のヘッダ流路Ａとヘッダ流路Ｂを設けたヘッダ領域と、このヘッダ領域のヘッダ流路Ａとヘッダ流路Ｂとの間に前記第１流体が並行に流れる複数の第１流体流路を有する流路領域と、を備えるとともに、前記流路領域の第１流体流路は前記プレートフィンに凹状溝を設けて形成し、
かつ、前記第１流体が蒸発する条件では第１流体の蒸発出口となり凝縮する条件では第１流体の入口となる前記ヘッダ流路Ａに分流制御管を設けるとともに、前記第１流体が凝縮する条件では当該凝縮条件の場合のみ前記ヘッダ流路Ａに連通して第１流体を供給する補助通路を更に設けて、前記蒸発条件ではヘッダ流路Ａから流出する第１流体が前記分流制御管により分流され、凝縮条件では分流制御管とともに補助通路からもヘッダ流路Ａに冷媒を供給する構成としてある。

これにより、この熱交換器は、第１流体流路の流路断面積の細径化を図って熱交換効率を向上することができるとともに、蒸発器として使用する際には分流制御管によって第１流体流路群へ設計通り確実に第１流体を分流させることができ、分流均一化による熱交換効率の向上が加わってその熱交換効率を高いものとすることができる。

すなわち、このプレートフィン積層型の熱交換器は、第１流体流路を細径化したことによって、蒸発器として使用する場合、第１流体の圧損が流入側となるヘッダ流路Ｂより出口側となるヘッダ流路Ａの方が数倍も大きくなる。一方、第１流体の分流は圧損の分布状況によって大きく影響される。そのため、このプレートフィン積層型熱交換器は既述したように、分流制御管を従来からの常識である入口側となるヘッダ流路Ｂに設けても出口側となるヘッダ流路Ａの圧損が数倍も高いため第１流体流路を流れる第１流体は出口側となるヘッダ流路Ａの圧損に依拠することになるので、設計通りに分流できなかった。しかしながら本発明では、前記入口側・出口側ヘッダ流路での圧損差の大きさ及び圧損分布状況の把握に基づき分流制御管を圧損が高い出口側となるヘッダ流路Ａに設けているので、分流に大きな影響を与える数倍も高いヘッダ流路Ａ内の圧損分布を制御して分流を均一化でき、分流均一化による熱交換効率の向上も達成することができる。

また、凝縮器として使用する際、冷媒は気相状態で入口側となるヘッダ流路Ａから流れ込むが、この気相状態の冷媒は分流制御管からヘッダ流路Ａに供給されると同時に前記分流制御管を介することなく補助通路からもヘッダ流路Ａに供給されるので、第１流体流路群へ略均等に冷媒を供給することができ、凝縮器として使用しているときの熱交換効率も向上させることができる。

すなわち、凝縮器として使用する際、冷媒は気相状態であって流速が極端に早いため冷媒入口側とは反対の分流制御管の終端部分側から偏ってヘッダ流路Ａに多く流れ込むが、これと同時にヘッダ流路Ａには補助通路からも冷媒が供給されるので、ヘッダ流路Ａ部分での冷媒の偏りは解消されて第１流体流路群へ分流するようになる。よって、分流制御管を設けたヘッダ流路Ａ内の冷媒が気相状態であるが故に生じる冷媒分流の偏りを抑制することができ、凝縮器として使用しているときにもその熱交換効率を向上させることができる。

本発明は、上記構成により、流路の細径化と分流均一化を両立させて、蒸発及び凝縮いずれの場合でも熱交換効率の高い熱交換器及びそれを用いた省エネ性の高い高性能な冷凍システムを提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器を分離した状態で示す分解斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層体を構成するプレートフィンの平面図 同プレートフィンの構成を一部を拡大して示す分解図 同プレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィン積層体の冷媒流路群部分を切断して示す斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 同プレートフィン積層型熱交換器を蒸発器として使用しているときの動作説明図 同プレートフィン積層型熱交換器を凝縮器として使用しているときの動作説明図 本発明の実施の形態２におけるプレートフィン積層型熱交換器を蒸発器として使用しているときの動作説明図 同プレートフィン積層型熱交換器を凝縮器として使用しているときの動作説明図 本発明のプレート積層型熱交換器を用いた実施の形態３における空気調和機の冷凍サイクル図 同空気調和機の概略断面図 従来の熱交換器の断面図

第１の発明は、熱交換機であり、この熱交換器は、第１流体が流れる流路を有するプレートフィン積層体の各プレートフィン積層間に第２流体を流して、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換する熱交換器であって、
前記プレートフィン積層体のプレートフィンは、ヘッダ領域のヘッダ流路Ｂとヘッダ流路Ａを設けたヘッダ領域と、このヘッダ領域のヘッダ流路Ｂとヘッダ流路Ａとの間に前記第１流体が並行に流れる複数の第１流体流路を有する流路領域と、を備えるとともに、前記流路領域の第１流体流路は前記プレートフィンに凹状溝を設けて形成し、
かつ、前記第１流体が蒸発する条件では第１流体の蒸発出口となり凝縮する条件では第１流体の入口となる前記ヘッダ流路Ａに分流制御管を設けるとともに、前記第１流体が凝縮する条件では当該凝縮条件の場合のみ前記ヘッダ流路Ａに連通して第１流体を供給する補助通路を更に設けて、前記蒸発条件ではヘッダ流路Ａから流出する第１流体が前記分流制御管により分流され、凝縮条件では分流制御管とともに補助通路からもヘッダ流路Ａに冷媒を供給する構成としてある。

これにより、この熱交換器は、第１流体流路の流路断面積の細径化を図って熱交換効率を向上することができるとともに、蒸発器として使用する際には分流制御管によって第１流体流路群へ設計通り確実に第１流体を分流させることができ、分流均一化による熱交換効率の向上が加わってその熱交換効率を高いものとすることができる。

すなわち、このプレートフィン積層型の熱交換器は、第１流体流路を細径化したことによって、蒸発器として使用する場合、第１流体の圧損が流入側となるヘッダ流路Ｂより出口側となるヘッダ流路Ａの方が数倍も大きくなる。一方、第１流体の分流は圧損の分布状況によって大きく影響される。そのため、このプレートフィン積層型熱交換器は既述したように、分流制御管を従来からの常識である入口側となるヘッダ流路Ｂに設けても出口側となるヘッダ流路Ａの圧損が数倍も高いため第１流体流路を流れる第１流体は出口側となるヘッダ流路Ａの圧損に依拠することになるので、設計通りに分流できなかった。しかしながら本発明では、前記入口側・出口側ヘッダ流路での圧損差の大きさ及び圧損分布状況の把握に基づき分流制御管を圧損が高い出口側となるヘッダ流路Ａに設けているので、分流に大きな影響を与える数倍も高いヘッダ流路Ａ内の圧損分布を制御して分流を均一化でき、分流均一化による熱交換効率の向上も達成することができる。

また、凝縮器として使用する際、冷媒は気相状態で入口側となるヘッダ流路Ａから流れ込むが、この気相状態の冷媒は分流制御管からヘッダ流路Ａに供給されると同時に前記分流制御管を介さない補助通路からもヘッダ流路Ａに供給されるので、第１流体流路群へ略均等に冷媒を供給することができ、凝縮器として使用しているときの熱交換効率も向上させることができる。

すなわち、凝縮器として使用する際、冷媒は気相状態であって流速が極端に早いため冷媒入口側とは反対の分流制御管の終端部分側から偏ってヘッダ流路Ａに多く流れ込むが、これと同時にヘッダ流路Ａには補助通路からも冷媒が供給されるので、ヘッダ流路Ａ部分での冷媒の偏りは解消されて第１流体流路群へ分流するようになる。よって、分流制御管を設けたヘッダ流路Ａ内の冷媒が気相状態であるが故に生じる冷媒分流の偏りを抑制することができ、凝縮器として使用しているときにもその熱交換効率を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記補助通路には、蒸発条件では閉じ、凝縮条件では開く弁機構を設けた構成としてある。

これにより、蒸発条件時には第１流体流路群からヘッダ流路Ａに流出する冷媒を分流制御管のみから流入させ、凝縮条件時にはヘッダ流路Ａへの冷媒を分流制御管とともに補助通路からも流入させることができ、確実に冷媒の流れを分流制御することができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記弁機構を逆止弁とした構成としてある。

これにより、冷媒の流れ方向によって蒸発条件の時には自動的に冷媒を止め、凝縮条件の時には冷媒を流すことができ、弁機構をコントロールする手段を別途必要とせず安価に提供できるとともに、コンパクト化することもできる。

第４の発明は冷凍システムであり、この冷凍システムは冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１〜第３のいずれかの発明に記載の熱交換器としたものである。

これにより、この冷凍システムは、熱交換器を凝縮器、蒸発器のいずれで使用しても熱交換効率が高いので、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

なお、本開示の熱交換器は、以下の実施形態に記載したプレートフィン積層型熱交換器の構成に限定されるものではなく、以下の実施形態において説明する技術的思想と同等の熱交換器の構成を含むものである。

また、以下で説明する実施形態は、本発明の一例を示すものであって、実施形態において示される構成、機能、動作などは、例示であり、本開示を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態のプレートフィン積層型熱交換器（以下、単に熱交換器と称する）の外観を示す斜視図、図２はプレートフィン積層型熱交換器を分離した状態で示す分解斜視図、図３はプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層体を構成するプレートフィンの平面図、図４はプレートフィンの構成を一部を拡大して示す分解斜視図、図５はプレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィン積層体の冷媒流路群部分を切断して示す斜視図、図６は図１のＡ−Ａ断面図、図７はプレートフィン積層型熱交換器を蒸発器として使用しているときの動作説明図、図８はプレートフィン積層型熱交換器を凝縮器として使用しているときの動作説明図である。

図１〜図８に示すように、本実施の形態の熱交換器１は、長方形の板状である複数のプレートフィン２ａを積層して構成されたプレートフィン積層体２と、蒸発器として用いる場合には入口となり凝縮器として用いる場合は出口となる管５及びその逆となる管４（図２参照）とを有している。

また、プレートフィン積層体２の積層方向の両側（図１では左側及び右側）には、プレートフィン２ａと平面視が略同一形状のエンドプレート３ａ、３ｂが設けられている。エンドプレート３ａ、３ｂは、剛性を有する板材で形成されており、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材を研削により金属加工して形成されている。

なお、上記エンドプレート３ａ、３ｂ、複数のプレートフィン２ａは積層された状態でロウ付け接合されて一体化している。

また、本実施の形態では、上記プレートフィン積層体２の両側のエンドプレート３ａ、３ｂは、ボルト・ナット若しくはカシメピン軸等の連結手段９によってその長手方向両端部が連結固定されている。すなわち、プレートフィン積層体両側のエンドプレート３ａ、３ｂはプレートフィン積層体２を挟持した形でプレートフィン積層体２を機械的に連結固定した形となっている。

また、上記プレートフィン２ａは、後述するように、内部に第１流体である冷媒が流れる複数の並行した冷媒流路群を有しており、この第１流体流路群は略Ｕ字状に形成されていて、これと繋がる前記管４、管５は、プレートフィン積層体２の一方側（図１では左側）のエンドプレート３ａの一端部側に纏めて配置されている。

詳述すると、上記プレートフィン２ａは、図３に示すように、複数の並行した第１流体流路（以下、冷媒流路と称す）１１とこれに繋がるヘッダ流路Ａ８およびヘッダ流路Ｂ１０を形成した一対の板状部材６ａ、６ｂ（図４参照）を向い合せにロウ付け接合して構成してあり、複数の冷媒流路１１は略Ｕ字状に形成されていてこれに繋がるヘッダ流路Ａ８とヘッダ流路Ｂ１０とが一端部側に纏まった形となっている。

そして、上記構成のプレートフィン２ａは、図５に示すように多数積層して熱交換器の主体をなすプレートフィン積層体２を構成しており、各プレートフィン２ａ同士の間には当該プレートフィン２ａの長辺両端部及び冷媒流路１１間に適宜設けた複数の突起１２（図３参照）によって第２流体である空気が流れる隙間を形成している。

なお、冷媒流路１１は板状部材６ａ、６ｂに凹状溝によって形成してあり、容易に細径化できるようになっている。

また、冷媒流路１１のうちヘッダ流路Ａに繋がるヘッダ流路Ａ側冷媒流路１１ａとヘッダ流路Ｂ１０に繋がるヘッダ流路Ｂ側冷媒流路１１ｂとの間にはこれら両者間の熱移動を防止すべくスリット溝１５が形成してある。

さらにこの例では、上記ヘッダ流路Ａ側冷媒流路１１ａは本数を多くし図４に示すようにヘッダ流路Ａの通路部１４と対向する部分は冷媒流路のない無孔部１６としてヘッダ流路８から各ヘッダ流路８側冷媒流路１１ａへと流れる冷媒が無孔部１６の壁部１６ａに衝突して各ヘッダ流路８側冷媒流路１１ａへ均等に流れるように構成してある。

上記のように構成された本実施形態の熱交換器１は、冷媒がプレートフィン積層体２の各プレートフィン２ａの内部の冷媒流路１１群を長手方向に並行に流れＵターンして折り返しヘッダ流路Ａ８或いはヘッダ流路Ｂ１０から管Ａ４あるいは管Ｂ５を通して排出される。一方、第２流体である空気は、プレートフィン積層体２を構成するプレートフィン２ａの積層間に形成された隙間を通り抜ける。これにより第１流体である冷媒と第２流体である空気との熱交換が行われる。

ここで、上記構成のプレートフィン積層体２を主体としたこの熱交換器は、図６〜図８に示すように、蒸発器として用いる場合には出口側となるヘッダ流路Ａ８に冷媒の分流制御管２０が設けられている。

この分流制御管２０は、ヘッダ流路Ａ８内に挿設してあり、その先端部は閉塞した状態となっている。そして、上記分流制御管２０はヘッダ流路Ａ８の内径より小径の管で構成されていてヘッダ流路内面との間に冷媒流通用間隙２１を形成しており、その長手方向に複数の分流口２２が略等間隔に形成してある。

上記複数の分流口２２は蒸発器として使用されるとき、すなわち蒸発条件の時には冷媒が流れる方向、すなわち蒸発出口側に行くにしたがってその孔径が小さくなるように形成されている。

また、上記分流制御管２０を挿設したヘッダ流路Ａ８には凝縮器として使用しているときには冷凍システムからの配管２３より分岐した補助通路管２４が管Ａ４を介して連通させてある。

そして、上記補助通路管２４にはこの熱交換器１を蒸発器として使用するときには閉じ、凝縮器として使用するときには開く弁機構２５が設けてある。この実施の形態では、上記弁機構２５は、蒸発器として使用する場合と凝縮器として使用する場合の冷媒の流れ方
向が逆になることを利用して開閉する逆止弁としており、以下弁機構２５を逆止弁２５と称す。

なお、上記逆止弁２５は、熱交換器１を蒸発器として使用するときには閉じ、凝縮器として使用するときには開くものであれば逆止弁でなくてもよく、例えば本体制御部等からの信号に基づき蒸発器として使用するときには閉じ、凝縮器として使用するときには開く電動弁等であってもよく、特に限定されるものではない。

以上のように構成した熱交換器について、以下その作用効果について説明する。

まず、熱交換器を蒸発器として使用している場合の冷媒の流れとその作用について図７を用い説明する。

冷媒は、プレートフィン積層体２の一端部側に接続されている管Ｂ５から流入し、ヘッダ流路Ｂ１０を介して液相状態で各プレートフィン２ａの冷媒流路１１群へ流れる。各プレートフィン２ａの冷媒流路１１群に流れた冷媒はヘッダ流路Ａ８を介して気相状態で管Ａ４より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。

そして、上記冷媒流路１１を流れる際に冷媒は前記プレートフィン積層体２のプレートフィン２ａ積層間を通り抜ける空気と熱交換する。

ここで、上記熱交換器は、入口側となるヘッダ流路Ｂ１０から冷媒流路１１群を介して出口側となるヘッダ流路Ａ８に流れてきた冷媒ガスは、図７の矢印に示すようにヘッダ流路Ａ８内の冷媒流通用間隙２１から分流制御管２０の管壁に形成された複数の分流口２２を経て分流制御管２０内へと流れ、出口側の管Ａ４から冷凍システムに繋がる配管２３へと流出する。

この時、上記冷媒流通用間隙２１を流れる冷媒は補助通路管２４から冷凍システムに繋がる配管２３へとバイパスしようとするが、逆止弁２５が冷媒の流れに対し閉じた状態となっているので上記のようにバイパスすることはなく、冷媒流路１１群からの冷媒は分流制御管２０による分流制御を受けることになる。そして、上記分流制御管２０に設けた分流口２２は、出口側に行くにしたがってその孔径が小さくなるように形成されているから、冷媒流路１１群の各流路を流れる冷媒量を均等化するようになる。

詳述すると、この熱交換器は、冷媒流路１１を細径化したことによって冷媒の圧損が入口側となるヘッダ流路Ｂ１０より出口側となるヘッダ流路Ａ８の方が数倍も大きくなっている。一方、冷媒の分流は圧損の分布状況によって大きく影響される。よって、この熱交換器は、分流制御管２０を従来からの常識である入口側のヘッダ流路Ｂ１０に設けても出口側のヘッダ流路Ａ８の圧損が数倍も高いため冷媒流路１１を流れる冷媒は出口側のヘッダ流路Ａ８の圧損に依拠することになるので、設計通りに分流できない。

しかしながら、本実施形態の熱交換器では、上記分流制御管２０を圧損が高い出口側のヘッダ流路Ａ８に設けてあり、これにより分流に大きな影響を与える数倍も高い出口側のヘッダ流路Ａ８内の軸線方向の圧損分布が均一になるように制御することができる。よって、冷媒流路１１群の各流路を流れる冷媒分流量を均一化できるのである。

より詳細に説明すると、圧損が高い出口側のヘッダ流路Ａ８は、管Ａ４から遠い方のプレートフィンの冷媒流路１１（図７で、より右に近いプレートフィンの冷媒流路）の方より、管Ａ４に近い方のプレートフィンの冷媒流路１１（図７で、より左に近いプレートフィンの冷媒流路）の方が冷媒が流れやすい。換言すれば、冷媒の流量に偏りが生じる可能
性がある。

しかしながら、上記出口側のヘッダ流路Ａ８に分流制御管２０を挿設し、その分流制御管２０の最も出口側の分流口２２ａの開口面積を、図７に示すように、分流制御管２０の反出口側（図７で、より右側に近い部分）より小径にして分流口を通る冷媒の圧損を増加させているので、前記のような冷媒流量の偏流を生じず、各プレートフィンの内部の第１流体流路１１の冷媒量を均等化できるのである。

その結果、この熱交換器は、冷媒流路１１群部分での熱交換効率が向上し、更に熱効率の高い熱交換器とすることができる。

次に熱交換器を凝縮器として使用している場合の冷媒の流れとその作用について図８を用い説明する。

冷媒は、冷凍システムの配管２３からプレートフィン積層体２の一端部側に接続されている管Ａ４を経て流入側となるヘッダ流路Ａ８内に設けている分流制御管２０を通ってその分流口２２により分流され、冷媒流通用間隙２１から各プレートフィン２ａの冷媒流路１１群へと流れる。各プレートフィン２ａの冷媒流路１１群に流れた冷媒は出口側となるヘッダ流路Ｂ１０を介し管Ｂ５より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。

そして、上記冷媒流路１１を流れる際に冷媒は前記プレートフィン積層体２のプレートフィン２ａ積層間を通り抜ける空気と熱交換する。

ここで、上記分流制御管２０を流れる冷媒は気相状態のためその流速は液相状態の場合に比べ極めて早く、入口側とは反対側の分流口２２（図８で、より右側に近い部分の分流口）側程多くなる。しかも、上記分流口２２は入口側とは反対側ほど大きくなっている。したがって、冷媒は冷媒流路１１群の入口側とは反対側ほど多く流れるようになり、均等に流れなくなる。つまり、蒸発器として使用する場合に均等に分散させるために用いた分流制御管２０が凝縮器として使用しているときには冷媒流路１１群に対し分流バラツキを助長するような形となってしまう。

しかしながら、この熱交換器では上記冷媒流路１１群に冷媒を流すヘッダ流路Ａ８の冷媒流通用間隙２１には冷凍システムの配管２３から分岐した補助通路管２４が連通していて、当該補助通路管２４に設けた逆止弁２５が冷媒の流れに対し開いた状態となるので、前記冷媒流通用間隙２１の出口側部分に冷凍システムの配管２３からの冷媒をバイパスすることになる。

その結果、冷媒流路１１群の出口側部分（図８で、左側に近い部分）にも十分に冷媒を流すことができるようになる。すなわち、前記分流制御管２０による分流バラツキを相殺するようになる。

これによって、この熱交換器は、凝縮器として使用しているときにも冷媒流路１１群部分での熱交換効率が向上し、蒸発器として使用しているときと同様に熱効率の高い熱交換器とすることができる。

また、この実施の形態では、上記した分流制御管２０による冷媒分流の均一化構成は分流制御管２０に分流口２２を穿孔するだけであるから、構成が簡単で、安価に提供することができる。

なお、本実施の形態の熱交換器では冷媒流路１１群がＵターンするものを想定している
が、これはＵターンさせることなく直線状のものとしてヘッダ流路Ａとヘッダ流路Ｂをプレートフィンの左右端部に分けて設けたものであってもよい。そしてこのように構成した熱交換器も、冷媒流路１１群をＵ字状にしたことによる効果、すなわち、プレートフィンの全長を短くコンパクトなものとしつつ冷媒流路を長くして熱交換効率を高める効果を除き細部の構成、効果を含め前記実施の形態で説明した場合と同様であり、前記実施の形態と同一の機能を有する部分には同一番号を附記して説明は省略する。

（実施の形態２）
図９は本発明の実施の形態２におけるプレートフィン積層型熱交換器を蒸発器として使用しているときの動作説明図、図１０は同プレートフィン積層型熱交換器を凝縮器として使用しているときの動作説明図である。

この実施の形態２は蒸発器として用いる場合には入口側となり凝縮器として用いる場合は出口側となるヘッダ流路Ｂ１０にも図９、図１０の破線で示すように凝縮用分流制御管３０を設けたものである。

この凝縮用分流制御管３０は熱交換器を凝縮器として使用しているときにはその凝縮器用分流口３１による分流作用が機能して、実施の形態１で説明した補助通路管２４による分流均一化作用にこの凝縮器用分流口３１による分流作用が加わり、冷媒流路１１群に流れる冷媒をより効率よく均一化できる。よって、凝縮器として使用しているときの冷媒流路１１群部分での熱交換効率が一段と向上し、熱効率の高い熱交換器とすることができる。

なお、上記凝縮用分流制御管３０は既述しているように蒸発器として使用している場合にはこれを設けてもヘッダ流路Ｂ５の圧損が少なくて分流作用がほとんど発揮しないので、この熱交換器ではヘッダ流路Ａ８に設けてある分流制御管２０による分流作用によって実施の形態１で説明したように分流し熱交換効率を向上させている。

（実施の形態３）
この実施の形態３は、先に示した実施の形態１、２におけるいずれかの熱交換器を用いて構成した冷凍システムである。

本実施の形態では冷凍システムの一例として空気調和機を説明する。図１１は空気調和機の冷凍サイクル図、図１２は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

図１１、図１２において、この空気調和装置は、室外機５１と、室外機５１に接続された室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６、室外送風機５９が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

本実施形態による冷媒回路には、テトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンまたはペンタフルオロエタンまたはテトラフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３５０以下、さらに望ましくは１５０以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を使用している。

上記空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器
５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

上記のように構成された空気調和機は、その室外熱交換器５５或いは室内熱交換器５７の一方もしくは双方に前記各実施の形態で示した熱交換器を使用することにより、蒸発及び凝縮いずれの場合も高い熱交換効率を発揮することになり、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以上、本発明に係る熱交換器およびそれを用いた冷凍システムについて、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。つまり、今回開示し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り、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及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。

本発明は、流路の細径化と分流均一化を両立させて、蒸発及び凝縮いずれの場合も熱交換効率の高い熱交換器及びそれを用いた省エネ性の高い高性能な冷凍システムを提供することができる。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３、３ａ、３ｂ エンドプレート
４ 管Ａ
５ 管Ｂ
６ａ 第１板状部材
６ｂ 第２板状部材
８ ヘッダ流路Ａ
９ 連結手段
１０ ヘッダ流路Ｂ
１１ 冷媒流路（第１流体流路）
１１ａ ヘッダ流路Ａ側冷媒流路
１１ｂ ヘッダ流路Ｂ側冷媒流路

１２ 突起
１４ 通路部
１５ スリット溝
１６ 無孔部
１６ａ 壁部
２０ 分流制御管
２１ 冷媒流通用間隙
２２、２２ａ 分流口
２３ 配管
２４ 補助通路（補助通路管）
２５ 弁機構（逆止弁）
３０ 凝縮用分流制御管
３１ 凝縮器用分流口

Claims (4)

1. 第１流体が流れる流路を有するプレートフィン積層体の各プレートフィン積層間に第２流体を流して、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換する熱交換器であって、前記プレートフィン積層体のプレートフィンは、ヘッダ領域のヘッダ流路Ａとヘッダ流路Ｂを設けたヘッダ領域と、このヘッダ領域のヘッダ流路Ａとヘッダ流路Ｂとの間に前記第１流体が並行に流れる複数の第１流体流路を有する流路領域と、を備えるとともに、前記流路領域の第１流体流路は前記プレートフィンに凹状溝を設けて形成し、かつ、前記第１流体が蒸発する条件では第１流体の蒸発出口となり凝縮する条件では第１流体の入口となる前記ヘッダ流路Ａに分流制御管を設けるとともに、前記第１流体が凝縮する条件では当該凝縮条件の場合のみ前記ヘッダ流路Ａに連通して第１流体を供給する補助通路を更に設けて、前記蒸発条件ではヘッダ流路Ａから流出する第１流体が前記分流制御管により分流され、凝縮条件では分流制御管とともに補助通路からもヘッダ流路Ａに冷媒を供給する構成とした熱交換器。
2. 補助通路には、蒸発条件では閉じ、凝縮条件では開く弁機構を設けた請求項１に記載の熱交換器。
3. 弁機構を逆止弁とした請求項２に記載の熱交換器。
4. 冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１項〜第３項のいずれか一項に記載の熱交換器とした冷凍システム。

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