JP7006028B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、特に、複数の伝熱管の両端を一対のヘッダで接続した熱交換器に関する。

従来、室外機と室内機を有する空気調和機が知られている。室外機に設けられた室外熱交換器は、冷房運転時、凝縮器として機能する。その際、室外熱交換器（凝縮器）に流入する冷媒は、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒となる。ガス冷媒は、室外熱交換器（凝縮器）に流入後、室外空気と熱交換することで徐々に凝縮して液化する。このようにして生成された高圧の液冷媒は、室外熱交換器（凝縮器）内に滞留しないように、流路内を上から下へ（すなわち、重力に逆らわない方向へ）流れるようにしている。このとき、室外熱交換器は上下に並んだ複数の伝熱管の両端を一対のヘッダで接続し、ヘッダ内部に仕切板を設けて冷媒の流れの向きを変えて往復させる構造となっている。熱交換器の流路内を上から下へ流れるようにするため、冷媒の流入口は上側に位置する入口配管（図１及び図２では冷媒配管６２）となり冷媒の流出口は下側に位置する出口配管（図１及び図２では冷媒配管室外機液管６３）となる。一方、室外熱交換器は、暖房運転時、蒸発器として機能する。冷媒の流れは、暖房運転時、四方弁による流路の切替によって冷房運転時とは反対向きとなり、冷媒の流入口は下側に位置する出口配管となり、冷媒の流出口は上側に位置する入口配管となる。このとき、室外熱交換器（蒸発器）に流入する冷媒は、乾き度の低い気液二相冷媒（液リッチの冷媒）となる。

そうすると、ヘッダ内の空間の上部には密度の低いガス冷媒が存在し、下部には密度の高い液冷媒が存在する比率が高くなる。このため、ヘッダの上側に挿入された伝熱管（扁平管など）にはガス冷媒が多く流れ、下側に挿入された伝熱管には液冷媒が多く流れやすくなる。したがって、上下に並ぶ複数の伝熱管に流れる冷媒量、冷媒の液とガスの比率が、各々の伝熱管の間で不均等になることなどにより、各々の伝熱管の間での流量のバランスが悪くなり、室外熱交換器全体の性能が低下する。

これに対し、特許文献１は、ヘッダ内に仕切板とは別に整流板を設けることで、蒸発器として機能する時に冷媒の気相と液相の分布を均等にする室外熱交換器を開示している。しかしながら、ヘッダの長さが長くなると上側空間と下側空間での気相と液相の分布を均等にできなくなってしまうという問題があった。すなわち、蒸発器時に冷媒の流入口を上側にした場合、凝縮器時に冷媒流出口が上側となるため、液冷媒がヘッダ内に滞留し、冷媒の液とガスの比率が不均等になることなどにより、各々の伝熱管の間での流量のバランスが悪くなり、室外熱交換器全体の性能が低下する。また、このような状態では液相冷媒が一部の伝熱管にも滞留して室外熱交換器における液単相領域の占める割合が大きくなり、伝熱性能が低下する。

特開２０１６－５３４７３号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、凝縮器として利用する場合においてヘッダ内で液冷媒が滞留するのを防ぎ、蒸発器として利用する場合において各々の伝熱管の間で冷媒の液とガスの比率が不均等になるのを防ぐ熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成によって把握される。
（１）本発明の第１の観点は、上下方向に配列された複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の両端部が接続された一対のヘッダとを有し、前記伝熱管は、冷媒の流れ方向が異なる第１伝熱管と第２伝熱管を有し、前記ヘッダは、内部に前記第１伝熱管と前記第２伝熱管が上下に並んで接続される折返し空間を有し、前記折返し空間は、前記第１伝熱管が接続される折返し空間上段側と、前記第２伝熱管が接続される折返し空間下段側からなり、前記折返し空間下段側の下部と前記折返し空間上段側の上部を接続する第１流路と、前記折返し空間上段側の下部と前記折返し空間下段側の上部を接続する第２流路と、前記第２流路に設けられた開閉手段と、を備えることを特徴とする。

（２）上記（１）の構成において、前記第１流路が前記ヘッダの外部に位置し、前記第２流路が前記ヘッダの内部に位置する。

（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記折返し空間において、前記折返し空間上段側と前記折返し空間下段側を区画する隔壁を有し、前記第２流路は、前記隔壁に設けられた貫通孔であって、前記開閉手段は、前記折返し空間上段側において浮沈して前記貫通孔を開閉可能なフロートと、前記フロートを案内する枠体とを有する。

（４）上記（１）又は（２）の構成において、前記折返し空間において、前記折返し空間上段側と前記折返し空間下段側を区画する隔壁を有し、前記第２流路は、前記隔壁に設けられた貫通孔であって、前記開閉手段は、前記折返し空間上段側と前記折返し空間下段側との間で前記貫通孔を開く姿勢と閉じる姿勢との間で摺動する摺動部を有する。

（５）上記（４）の構成において、前記摺動部が前記ヘッダの内外圧力差によって動作する。

（６）上記（１）の構成において、前記第１流路が前記ヘッダ内部に設けられている。

本発明によれば、凝縮器として利用する場合においてヘッダ内で液冷媒が滞留するのを防ぎ、蒸発器として利用する場合において冷媒の液とガスの比率が、各々の伝熱管の間で不均等になるのを防ぐ熱交換器を提供することができる。

空気調和機の概略構成図である。 室外熱交換器の構成と冷媒の流れ（暖房運転時）を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る室外熱交換器のヘッダを示す図である。 図３のヘッダの隔壁を拡大して示す図である。 図３のヘッダにおいて暖房運転時の動作を説明する図である。 図３のヘッダにおいて冷房運転時の動作を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る室外熱交換器のヘッダを示す図である。 図７のヘッダの隔壁を拡大して示す図であって、（ａ）は斜視図を、（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。 図７のヘッダにおいて暖房運転時の動作を説明する図である。 図７のヘッダにおいて冷房運転時の動作を説明する図である。 本発明の第３実施形態に係る室外熱交換器のヘッダを示す図である。 図１１のヘッダの隔壁を拡大して示す図であって、（ａ）は斜視図を、（ｂ）ボール弁が上昇したときの正面図、（ｃ）はボール弁が下降したときの正面図をそれぞれ示す。 図１１のヘッダにおいて暖房運転時の動作を説明する図であって、（ａ）は正面斜視図を、（ｂ）は下方斜視図をそれぞれ示す。 図１１のヘッダにおいて冷房運転時の動作を説明する図であって、（ａ）は正面斜視図を、（ｂ）は下方斜視図をそれぞれ示す。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、室外機と室内機が２本の冷媒配管で接続された空気調和機を例に挙げて説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

（第１実施形態）
（空気調和機の全体構成）
本実施形態に係る空気調和機１は、図１に示すように、屋外に設置される室外機２と、室内に設置され、室外機２に液管４及びガス管５で接続された室内機３を備えている。詳しくは、液管４は、一端が室外機２の閉鎖弁２５に、他端が室内機３の液管接続部３３に接続されている。また、ガス管５は、一端が室外機２の閉鎖弁２６に、他端が室内機３のガス管接続部３４に接続されている。以上により、空気調和機１の冷媒回路１０が構成されている。

（室外機）
まず、室外機２について説明する。室外機２は、圧縮機２１と、四方弁２２と、室外熱交換器２３と、室外ファン２４と、液管４の一端が接続された閉鎖弁２５と、ガス管５の一端が接続された閉鎖弁２６と、膨張弁２７とを備えている。そして、室外ファン２４を除くこれら各要素が以下に詳述する各冷媒配管で相互に接続され、冷媒回路１０の一部をなす室外機冷媒回路１０ａを構成している。

圧縮機２１は、図示しないインバータにより回転数が制御されることで、運転容量を変えることができる容量可変型圧縮機である。圧縮機２１の冷媒吐出側は、四方弁２２のポートａに吐出管６１で接続されている。また、圧縮機２１の冷媒吸入側は、四方弁２２のポートｃに吸入管６６で接続されている。

四方弁２２は、冷媒の流れる方向を切り換えるための弁であり、４つのポートａ，ｂ，ｃ，ｄを備えている。ポートａは、前述したように、圧縮機２１の冷媒吐出側と吐出管６１で接続されている。ポートｂは、室外熱交換器２３の一方の冷媒出入口と冷媒配管６２で接続されている。ポートｃは、前述したように、圧縮機２１の冷媒吸入側と吸入管６６で接続されている。そして、ポートｄは、閉鎖弁２６と室外機ガス管６４で接続されている。

室外熱交換器２３は、冷媒と、後述する室外ファン２４の回転により室外機２の内部に取り込まれた外気を熱交換させるものである。室外熱交換器２３の一方の冷媒出入口は、前述したように四方弁２２のポートｂと冷媒配管６２で接続され、他方の冷媒出入口は、閉鎖弁２５と室外機液管６３で接続されている。

膨張弁２７は、例えば電子膨張弁であって、その開度が調整されることで、後述する室内機３の室内熱交換器３１に流入する冷媒量を調節する。

室外ファン２４は、樹脂材で形成されており、室外熱交換器２３の近傍に配置されている。室外ファン２４は、図示しないファンモータによって回転することで室外機２の図示しない吸込口から室外機２の内部に外気を取り込み、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換した外気を室外機２の図示しない吹出口から室外機２の外部へ放出する。

（室内機）
次に、室内機３について説明する。室内機３は、室内熱交換器３１と、室内ファン３２と、液管４の他端が接続された液管接続部３３と、ガス管５の他端が接続されたガス管接続部３４とを備えている。そして、室内ファン３２を除くこれらの各要素が以下に詳述する各冷媒配管で相互に接続され、冷媒回路１０の一部をなす室内機冷媒回路１０ｂを構成している。

室内熱交換器３１は、冷媒と、後述する室内ファン３２の回転により室内機３の図示しない吸込口から室内機３の内部に取り込まれた室内空気を熱交換させるものである。室内熱交換器３１の一方の冷媒出入口は、液管接続部３３に室内機液管６７で接続され、他方の冷媒出入口は、ガス管接続部３４に室内機ガス管６８で接続されている。室内熱交換器３１は、室内機３が冷房運転を行う場合は蒸発器として機能し、室内機３が暖房運転を行う場合は凝縮器として機能する。なお、液管接続部３３やガス管接続部３４では、各冷媒配管が溶接やフレアナット等により接続されている。

室内ファン３２は、樹脂材で形成されており、室内熱交換器３１の近傍に配置されている。室内ファン３２は、図示しないファンモータによって回転することで室内機３の図示しない吸込口から室内機３の内部に室内空気を取り込み、室内熱交換器３１において冷媒と熱交換した室内空気を室内機３の図示しない吹出口から室内へ吹き出す。

（空気調和機の動作）
前述した空気調和機１の各要素を踏まえ、空気調和機１の空調運転時の冷媒回路１０における冷媒の流れ及び各部の動作について、図１を用いて説明する。なお、以下の説明では、室内機３が暖房運転を行う場合について説明し、冷房／除湿運転を行う場合についての詳細な説明を省略する。なお、図１における矢印は暖房運転時の冷媒の流れを示している。

室内機３が暖房運転を行う場合、四方弁２２を実線で示す状態、すなわち、四方弁２２のポートａとポートｄとが連通し、またポートｂとポートｃとが連通する状態に切り換える。これにより、冷媒回路１０において実線矢印で示す方向に冷媒が循環し、室外熱交換器２３が蒸発器として機能するとともに、室内熱交換器３１が凝縮器として機能する暖房サイクルとなる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、吐出管６１を流れて四方弁２２に流入し、四方弁２２から室外機ガス管６４を流れ、閉鎖弁２６を介してガス管５に流入する。ガス管５を流れる冷媒は、ガス管接続部３４を介して室内機３に流入する。

室内機３に流入した冷媒は、室内機ガス管６８を流れて室内熱交換器３１に流入し、室内ファン３２の回転により室内機３の内部に取り込まれた室内空気と熱交換を行って凝縮する。このように、室内熱交換器３１が凝縮器として機能し、室内熱交換器３１で冷媒と熱交換を行った室内空気が図示しない吹出口から室内に吹き出されることによって、室内機３が設置された室内の暖房が行われる。

室内熱交換器３１から流出した冷媒は、室内機液管６７を流れ、液管接続部３３を介して液管４に流入する。液管４を流れ閉鎖弁２５を介して室外機２に流入した冷媒は、室外機液管６３を流れて膨張弁２７を通過する際に減圧される。

膨張弁２７を通過して室外熱交換器２３に流入した冷媒は、室外ファン２４の回転により室外機２の内部に取り込まれた外気と熱交換を行って蒸発する。室外熱交換器２３から冷媒配管６２に流出した冷媒は、四方弁２２、吸入管６６を流れ、圧縮機２１に吸入されて再び圧縮される。

なお、室内機３が冷房運転を行う場合、四方弁２２を破線で示す状態、すなわち、四方弁２２のポートａとポートｂとが連通し、またポートｃとポートｄとが連通する状態に切り換える。これにより、冷媒回路１０は、室外熱交換器２３が凝縮器として機能するとともに、室内熱交換器３１が蒸発器として機能する冷房サイクルとなる。

（室外熱交換器）
図２を参照して、室外熱交換器２３について説明する。室外熱交換器２３は、上下方向に配列された複数の伝熱管１７０と、複数の伝熱管１７０の両端部が接続された一対のヘッダ１８０と、伝熱管１７０に接続されたフィン１９０とを備える。

伝熱管１７０は、例えば扁平管であり、金属を押出成型した成型品である。伝熱管１７０の内部には冷媒を流通させるために断面視において複数の冷媒通路（不図示）が並列して形成されており、伝熱管１７０及び内部の冷媒通路は室外機２据付時に水平となるように配置される。冷媒通路はヘッダ１８０の内部と連通する。フィン１９０は、上下に隣接する伝熱管１７０同士の間に配置されており、例えば平板状のフィンから構成される。

伝熱管１７０、ヘッダ１８０、フィン１９０は、いずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、伝熱管１７０はヘッダ１８０に対し、フィン１９０は伝熱管１７０に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

ここで、図２を参照して、冷媒の流れ（図中の黒矢印）について説明する。図２は、空気調和機１が暖房運転される際の室外熱交換器２３における冷媒の流れを示している。一対のヘッダ１８０のうち図中右側のヘッダ１８０ａには、その下部に室外機液管６３が、その上部には冷媒配管６２が連通している。暖房運転時、室外熱交換器２３は蒸発器として機能するが、室外機液管６３からヘッダ１８０ａに流入した冷媒は、伝熱管１７０を経由して図中左側のヘッダ１８０ｂとの間を複数回（図２では３回）折り返しつつ、気相又は気液二相の状態でヘッダ１８０ａの上部の冷媒配管６２から流出する。

より詳しく説明すると次のとおりである。図２では、図中右側のヘッダ１８０ａがその内部に設けられた２枚の仕切板Ｐ１，Ｐ３によって３つの空間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５に仕切られ、図中左側のヘッダ１８０ｂがその内部に設けられた１枚の仕切板Ｐ２によって２つの空間Ｓ２，Ｓ４に仕切られた例を示している。

ヘッダ１８０ａには伝熱管１７０の右端が接続されており、空間Ｓ１には３本の伝熱管１７０が、空間Ｓ２には７本の伝熱管１７０が、空間Ｓ３には５本の伝熱管１７０が、それぞれ接続されている。他方、ヘッダ１８０ｂには伝熱管１７０の左端が接続されており、空間Ｓ４には６本の伝熱管１７０が、空間Ｓ５には９本の伝熱管１７０が、それぞれ接続されている。なお、ここで示しているヘッダ１８０ａ，１８０ｂの内部の空間の数、伝熱管１７０の合計本数、ヘッダ１８０ａ，１８０ｂの各空間に接続する伝熱管１７０の本数などは、熱交換器２３に求められる性能に応じて適宜設定され得るものであり、図示されたものに限られない。

冷媒は、室内機３から膨張弁２７を介して室外機液管６３へ流れた（図１参照）後、図２に示したヘッダ１８０ａの空間Ｓ１に流入する。空間Ｓ１に流入した冷媒は、仕切板Ｐ１によって上方への流れが遮断されているため、３本の伝熱管１７０の冷媒通路を図中右側から左側に向かって流れる。空間Ｓ１から３本の伝熱管１７０を流れた冷媒は、ヘッダ１８０ｂの空間Ｓ２の下段側に入るとそこで折り返し、仕切板Ｐ２によって上方への流れが遮断されるため、空間Ｓ２の上段側に設けられている別の３本の伝熱管１７０の冷媒通路を図中左側から右側に向かって流れる。

空間Ｓ２から３本の伝熱管１７０を流れた冷媒は、ヘッダ１８０ａの空間Ｓ３の下段側に入るとそこで折り返し、仕切板Ｐ３によって上方への流れが遮断されるため、空間Ｓ３の上段側に設けられている別の４本の伝熱管１７０の冷媒通路を図中右側から左側に向かって流れる。空間Ｓ３から４本の伝熱管１７０を流れた冷媒は、ヘッダ１８０ｂの空間Ｓ４の下段側に入るとそこで折り返し、ヘッダ１８０ｂの上端によって上方への流れが遮断されるため、空間Ｓ４の上段側に設けられている別の５本の伝熱管１７０の冷媒通路を図中左側から右側に向かって流れる。そして、空間Ｓ４から５本の伝熱管１７０を流れた冷媒は、ヘッダ１８０ａの空間Ｓ５を介して冷媒配管６２を通じて室外熱交換器２３から流出する。

空間Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、このように、それぞれ冷媒が折り返す空間を構成するが（以下、折返し空間Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４という）、図２では、冷媒の流れが左右反転する上段側の伝熱管１７０（第１の伝熱管）と下段側の伝熱管１７０（第２の伝熱管）同士の間の位置を、折返し空間Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対応してそれぞれ、折返し位置Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４として破線で示している。結果として、暖房運転時において室外熱交換器２３が蒸発器として機能する場合、冷媒は、室外機液管６３から流入し、空間Ｓ１、折返し空間Ｓ２の下段側、折返し位置Ｗ２、折返し空間Ｓ２の上段側、折返し空間Ｓ３の下段側、折返し位置Ｗ３、折返し空間Ｓ４の下段側、折返し位置Ｗ４、折返し空間Ｓ４の上段側、空間Ｓ５を経由して、冷媒配管６２より流出する。

以上の折り返しの過程において、背景技術の項でも説明したように、上段側の伝熱管１７０（第１の伝熱管）のうち更に上段側の伝熱管１７０には下段側の伝熱管１７０に比べて密度の低い気相の冷媒が流れ易くなることから乾き度が高くなる。図２で示した室外熱交換器２３では、折返し空間Ｓ３から流出した冷媒が流れる上段側２本の伝熱管１７０（領域Ａ１）及び折返し空間Ｓ４から流出した冷媒が流れる上段側３本の伝熱管１７０（領域Ａ２）において、下段側に比べて相対的に乾き度が高くなる。

冷房運転時に室外熱交換器２３が凝縮器として機能する場合は、冷媒は逆の流れ、すなわち、冷媒配管６２から流入し、空間Ｓ５、折返し空間Ｓ４の上段側、折返し位置Ｗ４、折返し空間Ｓ４の下段側、折返し空間Ｓ３の上段側、折返し位置Ｗ３、折返し空間Ｓ３の下段側、折返し空間Ｓ２の上段側、折返し位置Ｗ２、折返し空間Ｓ２の下段側、空間Ｓ１を経由して、室外機液管６３より流出する。

（ヘッダ）
さて、第１実施形態に係るヘッダ１８０について、図３から図６を参照して説明する。暖房運転時に冷媒は室外熱交換器２３の内部を図２で示したように流れるが、ヘッダ１８０の折返し空間Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、流出していく複数の伝熱管１７０に均等に冷媒を分流させることが求められる。そこで、室外熱交換器２３は、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部と折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部を接続する第１流路１８１と、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部と折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部を接続する第２流路１８２と、第２流路１８２に設けられた後述する開閉手段を備えている。また、室外熱交換器２３は、折返し空間下段側Ｓ３Ｌの下部と折返し空間上段側Ｓ３Ｕの上部を接続する第１流路１８１と、折返し空間上段側Ｓ３Ｕの下部と折返し空間下段側Ｓ３Ｌの上部を接続する第２流路１８２と、第２流路１８２に設けられた後述する開閉手段を備えている。また、室外熱交換器２３は、折返し空間下段側Ｓ２Ｌの下部と折返し空間上段側Ｓ２Ｕの上部を接続する第１流路１８１と、折返し空間上段側Ｓ２Ｕの下部と折返し空間下段側Ｓ２Ｌの上部を接続する第２流路１８２と、第２流路１８２に設けられた後述する開閉手段を備えている。各折返し空間とも同様の態様であるので、以下では折返し空間Ｓ４に代表させて説明する。また、折返し空間を上段下段に分けて説明するときには、下段側に“Ｌ”、上段側に“Ｕ”を付す。

第１実施形態に係るヘッダ１８０ｂは、図３に示すように、折返し空間Ｓ４に相当するヘッダ１８０ｂの外部に、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部と折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部を連通させる第１流路１８１を備えるとともに、折返し空間Ｓ４に相当するヘッダ１８０ｂの内部に、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部と折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部とを連通させる第２流路１８２を備えている。なお、図３、図５及び図６は、ヘッダ１８０ｂの外観斜視図だが、便宜上ヘッダ１８０ｂの内部に配置された第２流路１８２（隔壁１８３の貫通孔１８４）も示している。

第１流路１８１は、ヘッダ１８０ｂの外部に併設された連通管によって構成されており、４本の伝熱管１７０を経由して折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に流入して滞留する液相の冷媒を折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に直接的に流通させる。これにより、気液二相冷媒が４本の伝熱管１７０から折返し空間下段側Ｓ４Ｌへ流入して折返し空間下段側Ｓ４Ｌで液相の冷媒と気相の冷媒に分離しても、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に流入して滞留する液相の冷媒をガス相の冷媒と共に第１流路１８１から折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入させることができる。その結果、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入した液相の冷媒は接続されている５本の伝熱管１７０へ流出する際に上から下に重力に逆らわない方向に流れる。そのため、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに接続されている５本の伝熱管１７０に対し、気液二相の冷媒を均等に分配することが可能となる。

第２流路１８２には、開閉手段が備えられており、第２流路１８２（貫通孔）を開く姿勢と閉じる姿勢に相互に切り替えることができる。第２流路１８２は、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に滞留する液相の冷媒を折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部に流通させる機能を有する。隔壁１８３は、冷媒の流れ方向が反転する第１の伝熱管１７０と第２の伝熱管１７０の間、すなわち折返し空間Ｓ４の折返し位置Ｗ４（図２参照）に設けられている。

隔壁１８３は、図４に拡大して示すように、貫通孔１８４を有する隔壁板１８５と、開閉手段（折返し空間上段側Ｓ４Ｕにおいて上下方向（図中の白抜き矢印）に浮沈して貫通孔１８４を開閉可能なフロート１８６と、フロート１８６の動きを規制する枠体１８７）を有する。フロート１８６は、気相の冷媒よりも密度が大きく、液相の冷媒よりも密度が小さいように構成されており、重力によって貫通孔１８４を塞いでいる（第２流路１８２を閉じる姿勢）。折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部すなわち隔壁板１８５の上方に液相の冷媒が滞留すると、フロート１８６は枠体１８７に案内されつつ浮遊し、貫通孔１８４を開放する（第２流路１８２を開く姿勢）。このように、開閉手段は、液相の冷媒が折返し空間上段側Ｓ４Ｕから折返し空間下段側Ｓ４Ｌの方向にのみ流れるようにしている。なお、ここではフロート１８６を球体状に図示しているが、形状はこれに限られる必要はなく、例えばニードル状の形状としてもよい。

図５及び図６は、フロート１８６の動作と冷媒の流れを示している。図５は、暖房運転時の状態を示しており、冷媒が下側４本の伝熱管１７０を経由して折返し空間下段側Ｓ４Ｌに流入する。このとき、フロート１８６は重力によって下方向（図中の白抜き矢印）に沈降して隔壁板１８５の貫通孔１８４を閉鎖しており、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に滞留した冷媒は、連通管である第１流路１８１を経由して、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入する。そして、冷媒は、折返し空間上段側Ｓ４Ｕから上側５本の伝熱管１７０を経由してヘッダ１８０ａの空間Ｓ５（図２参照）へ流出する。このように、 暖房運転時に折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に滞留した液冷媒を、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに接続されている５本の伝熱管１７０へ流出する際に重力に逆らわない方向に流れるように第１流路を介して折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入させているので、上段側の伝熱管１７０（第１の伝熱管）のうち更に上段側の伝熱管１７０にも密度の高い液冷媒を流入させることができるため、複数の伝熱管１７０の間で冷媒の液とガスの比率が不均等になるのを防ぐことができる。

図６は、冷房運転時の状態を示しており、冷媒が上側５本の伝熱管１７０を経由して折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入する。このとき、冷媒配管６２から室外熱交換器２３に流入する冷媒は高圧のガス冷媒であり、ガス冷媒は伝熱管１７０を通過する際に空気と熱交換することで凝縮して液化し、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入する時には気液二相状態となっている。折返し空間上段側Ｓ４Ｕに気液二相冷媒が流入すると、密度の高い液相の冷媒は重力によって折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に滞留するため、フロート１８６は上方向（図中の白抜き矢印）に浮遊して隔壁板１８５の貫通孔１８４を開放し、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に滞留した液冷媒は、貫通孔１８４（第２流路１８２）を経由して、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部に流入する。また、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入した気液二相冷媒のうち、ガス相の冷媒は第１流路１８１を介して折返し空間下段側Ｓ４Ｌに流入し、液冷媒と合流して再び気液二相冷媒となる。そして、冷媒は、折返し空間下段側Ｓ４Ｌから下側４本の伝熱管１７０を経由してヘッダ１８０ａの空間Ｓ３（図２参照）へ流出する。このように、冷房運転時に折返し空間上段側Ｓ４Ｕの第１流路１８１の接続位置が折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に位置して液冷媒を第１流路１８１に流しにくく、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に液冷媒が滞留しやすい形状であったとしても、第２流路が設けられていることで液冷媒を折返し空間下段側Ｓ４Ｌに流すことができるので、ヘッダ１８０内で液冷媒が滞留するのを防ぐことができる。

（第２実施形態）
本発明に係る第２実施形態について、図７から図１０を参照して説明する。ヘッダ２８０ｂ以外の事項については第１実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。

（ヘッダ）
第２実施形態に係るヘッダ２８０ｂは、図７に示すように、第１流路２８１がヘッダ２８０ｂの外部に位置する点、第２流路２８２がヘッダ２８０ｂの内部に位置する点については、第１実施形態に係るヘッダ１８０ｂと同様である。第２実施形態に係るヘッダ２８０ｂが第１実施形態と異なる点は、開閉手段が折返し空間上段側Ｓ４Ｕと折返し空間下段側Ｓ４Ｌとの間で、貫通孔２８４を開く姿勢と閉じる姿勢との間で摺動する摺動部を有する点である。なお、図７、図９及び図１０は、ヘッダ２８０ｂの外観斜視図だが、便宜上ヘッダ２８０ｂの内部に配置された第２流路２８２（貫通孔２８４）も示している。

隔壁２８３は、図８（ａ）及び図８（ｂ）に拡大して示すように、第１貫通孔２８４ａを有する上側の第１隔壁板２８５ａと、第２貫通孔２８４ｂを有する下側の第２隔壁板２８５ｂと、第１隔壁板２８５ａと第２隔壁板２８５ｂの間で左右方向（図中の白抜き矢印）に摺動して第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂを同時に開閉可能な開閉手段（摺動部２８６と、摺動部２８６の動きを規制する一対の枠体２８７）を有する。

摺動部２８６の始端側（図中では左側）のヘッダ２８０ｂにはキャピラリ２９０の一端が接続されており、後述するように、キャピラリ２９０によってもたらされるヘッダ２８０ｂの内外圧力差によって、摺動部２８６は、第１隔壁板２８５ａと第２隔壁板２８５ｂの間を摺動する。一対の枠体２８７は、第１隔壁板２８５ａと第２隔壁板２８５ｂの間で径方向に沿って第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂを挟むように設けられている。始端側と反対（図中右寄り）の第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂの縁部には、摺動部２８６を停止させるストッパ２８８が設けられている。

摺動部２８６は、前述のようにヘッダ１８０ｂの内外圧力差によって動作する。キャピラリ２９０の他端は、四方弁２２近傍において室外機ガス管６４（図１参照）に接続されており、暖房運転時には高圧、冷房運転時には低圧の気相の冷媒が流れる。一方、ヘッダ２８０ｂの内部は、キャピラリ２９０とは逆に、暖房運転時（室外熱交換器２３は蒸発器として機能）には低圧、冷房運転時（室外熱交換器２３は凝縮器として機能）には高圧となる。これにより、摺動部２８６は、暖房運転時には第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂを閉鎖し、冷房運転時には第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂを開放する。なお、第２隔壁板２８５ｂには、ストッパ２８８の反対側（図中では右側）に小孔２８９が設けられており、第１隔壁板２８５ａと第２隔壁板２８５ｂの間の圧力がヘッダ２８０ｂ（折返し空間下段側Ｓ４Ｌ）と同じになる。

図９及び図１０は、摺動部２８６の動作と冷媒の流れを示している。図９は、暖房運転時の状態を示しており、冷媒が下側４本の伝熱管１７０を経由して折返し空間下段側Ｓ４Ｌに流入する。このとき、摺動部２８６は右方向（図中の白抜き矢印）に摺動して第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂを閉鎖しており、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に滞留した冷媒は、連通管である第１流路２８１を経由して、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入する。そして、冷媒は、折返し空間上段側Ｓ４Ｕから５本の伝熱管１７０を経由してヘッダ１８０ａの空間Ｓ５（図２参照）へ流出する。このように、暖房運転時に折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に滞留した液冷媒を、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに接続されている５本の伝熱管１７０へ流出する際に重力に逆らわない方向に流れるように第１流路を介して折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入させているので、上段側の伝熱管１７０（第１の伝熱管）のうち更に上段側の伝熱管１７０にも密度の高い液冷媒を流入させることができるため、複数の伝熱管１７０の間で冷媒の液とガスの比率が不均等になるのを防ぐことができる。

図１０は、冷房運転時の状態を示しており、冷媒が上側５本の伝熱管１７０を経由して折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入する。このとき、冷媒配管６２から室外熱交換器２３に流入する冷媒は高圧のガス冷媒であり、ガス冷媒は伝熱管１７０を通過する際に空気と熱交換することで凝縮して液化し、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入する時には気液二相状態となっている。折返し空間上段側Ｓ４Ｕに気液二相冷媒が流入すると、密度の高い液相の冷媒は重力によって折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に滞留する。摺動部２８６は左方向（図中の白抜き矢印）に摺動して第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂを開放しており、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に滞留した液冷媒は、第１貫通孔２８４ａと第２貫通孔２８４ｂ（第２流路２８２）を経由して、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部に流入する。また、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入した気液二相冷媒のうち、ガス相の冷媒は第１流路１８１を介して折返し空間下段側Ｓ４Ｌに流入し、液冷媒と合流して再び気液二相冷媒となる。そして、冷媒は、折返し空間下段側Ｓ４Ｌから４本の伝熱管１７０を経由してヘッダ１８０ａの空間Ｓ３（図２参照）へ流出する。

（第３実施形態）
本発明に係る第３実施形態について、図１１から図１４を参照して説明する。ヘッダ３８０ｂ以外の事項については第１及び第２実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。

（ヘッダ）
第３実施形態に係るヘッダ３８０ｂは、図１１に示すように、第２流路３８２がヘッダ３８０ｂの内部に位置する点については、第１及び第２実施形態に係るヘッダ１８０ｂ，２８０ｂと同様である。第３実施形態に係るヘッダ３８０ｂが第１及び第２実施形態と異なる点は、第１流路３８１がヘッダ３８０ｂの内部に位置する点、第２流路３８２を構成する隔壁３８３が逆止弁を基にした開閉機構となっている点である。なお、図１１、図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、ヘッダ３８０ｂの外観斜視図だが、便宜上ヘッダ３８０ｂの内部に配置された第１流路３８１（第１貫通孔２８４ａ）及び第２流路３８２（第２貫通孔３８４ｂ）も示している。

第３実施形態に係るヘッダ３８０ｂは、部分的に複層構造となっており、一対の長手仕切板３８１ａ、３８１ｂによって長手方向に外側の層と内側の層に仕切られている。外側の層は、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部と折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部を連通させる第１流路３８１を構成するとともに、内側の層は、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部と折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部とを連通させる第２流路３８２を形成する。伝熱管１７０は、第２流路３８２と連通するようにヘッダ３８０ｂに接続されている。

第１流路３８１は、４本の伝熱管１７０を経由して折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に流入して滞留する液相の冷媒を折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に直接的に流通させる。これにより、折返し空間上段側Ｓ４Ｕに接続されている５本の伝熱管１７０に対し、気液二相の冷媒を均等に分配することが可能となる。

第２流路３８２を構成する隔壁３８３は、図１２（ａ）から図１２（ｃ）に拡大して示すように、折返し空間Ｓ４を折返し空間上段側Ｓ４Ｕと折返し空間下段側Ｓ４Ｌとに区画する隔壁板３８５を備える。隔壁板３８５は、一対の長手仕切板３８１ａ、３８１ｂによって仕切られた外側の層に対応する位置に設けられた第１貫通孔３８４と、内側の層に対応する位置に設けられた第２貫通孔を有する。更に、隔壁３８３は、折返し空間下段側Ｓ４Ｌにおいて上下方向（図中の白抜き矢印）に浮沈して第２貫通孔３８４ｂを開閉可能な開閉手段（ボール弁体３８６と、ボール弁体３８６の動きを規制する枠体３８７（上部枠体３８７ａ，下部枠体３８７ｂ））を有する。

ボール弁体３８６は、図１２（ｂ）に示すように、上部枠体３８７ａに当接することで第２貫通孔３８４ｂを閉鎖することができる。折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部すなわち隔壁板３８５の上方に液相の冷媒が滞留すると、ボール弁体３８６は下部枠体３８７ｂに案内されつつ沈降し、第２貫通孔３８４ｂを開放する（第２貫通孔３８４ｂを開く姿勢）。上部枠体３８７ａと下部枠体３８７ｂは、冷媒が流通可能なように第２流路３８２に対応する第２貫通孔３８４ｂを形成する。

図１３及び図１４は、ボール弁体３８６の動作と冷媒の流れを示している。図１３（ａ）は、暖房運転時の状態を示しており、冷媒が下側４本の伝熱管１７０を経由して折返し空間下段側Ｓ４Ｌに流入する。このとき、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの冷媒の圧力は、第１流路３８１を通過したときの圧力損失の影響で折返し空間下段側Ｓ４Ｌの冷媒の圧力より低い。この圧力差によって、ボール弁体３８６は上方向（図中の白抜き矢印）に浮遊して隔壁板３８５の第２貫通孔３８４ｂを閉鎖する。折返し空間下段側Ｓ４Ｌの下部に滞留した冷媒は、隔壁板３８５の第１貫通孔３８４ａと連通するヘッダ３８０ｂの外層である第１流路３８１を経由して、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの上部に流入する。そして、冷媒は、折返し空間上段側Ｓ４Ｕから上側５本の伝熱管１７０を経由してヘッダ１８０ａの空間Ｓ５（図２参照）へ流出する。図１３（ｂ）は、冷媒の流れをヘッダ３８０ｂの下方から見た図である。

図１４（ａ）は、冷房運転時の状態を示しており、冷媒が上側５本の伝熱管１７０を経由して折返し空間上段側Ｓ４Ｕに流入する。このとき、ボール弁体３８６は下方向（図中の白抜き矢印）に沈降して隔壁板３８５の第２貫通孔３８４ｂを開放しており、折返し空間上段側Ｓ４Ｕの下部に滞留した冷媒は、第２貫通孔３８４ｂ（第２流路３８２）を経由して、折返し空間下段側Ｓ４Ｌの上部に流入する。そして、冷媒は、折返し空間下段側Ｓ４Ｌから下側４本の伝熱管１７０を経由してヘッダ１８０ａの空間Ｓ３（図２参照）へ流出する。図１４（ｂ）は、冷媒の流れをヘッダ３８０ｂの下方から見た図である。

（実施形態の効果）
上記のように、ヘッダ１８０ｂ，２８０ｂ，３８０ｂの折返し空間Ｓ４において、第１流路１８１，２８１，３８１と第２流路１８２，２８２，３８２を設けたことから、本実施形態は、凝縮器として利用する場合においてヘッダ１８０ｂ，２８０ｂ，３８０ｂ内で液冷媒が滞留するのを防ぎ、蒸発器として利用する場合において冷媒の液とガスの比率が、各々の伝熱管の間で不均等になるのを防ぐ熱交換器を提供できるという効果を奏する。なお、前述したとおり、本実施形態は、折返し空間Ｓ４のみならず、他の折返し空間Ｓ２，Ｓ３にも適用できる。また、第３実施形態の様に第１流路３８１をヘッダ３８０ｂ内部に設けることで、熱交換器を大型化することなく、同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、上述した実施形態では本発明の熱交換器を室外機２の室外熱交換器２３に適用しているが、室内機３の室内熱交換器３１にも適用できる。

１…空気調和機
１０…冷媒回路
１０ａ…室外機冷媒回路
１０ｂ…室内機冷媒回路
２…室外機
２１…圧縮機
２２…四方弁
ａ～ｄ…ポート（四方弁の）
２３…室外熱交換器
２４…室外ファン
２５…閉鎖弁
２６…閉鎖弁
２７…膨張弁
３…室内機
３１…室内熱交換器
３２…室内ファン
３３…液管接続部
３４…ガス管接続部
４…液管
５…ガス管
６１…吐出管（室外機２の）
６２…冷媒配管（室外機２の）
６３…室外機液管（室外機２の）
６４…室外機ガス管（室外機２の）
６６…吸入管（室外機２の）
６７…室内機液管（室内機３の）
６８…室内機ガス管（室内機３の）
１７０…伝熱管
１８０，１８０ａ，１８０ｂ…ヘッダ（第１実施形態の）
１８１…第１流路（ヘッダ外部の連通管）
１８２…第２流路（ヘッダ内部）
１８３…隔壁
１８４…貫通孔
１８５…隔壁板
１８６…フロート
１８７…枠体
１９０…フィン
２８０ｂ…ヘッダ（第２実施形態の）
２８１…第１流路（ヘッダ外部の連通管）
２８２…第２流路（ヘッダ内部）
２８３…隔壁
２８４ａ，２８４ｂ…第１貫通孔，第２貫通孔
２８５ａ，２８５ｂ…第１隔壁板、第２隔壁板
２８６…摺動部
２８７…枠体
２８８…ストッパ
２８９…小孔
２９０…キャピラリ
３８０ｂ…ヘッダ（第３実施形態の）
３８１…第１流路（ヘッダ内部の外層）
３８１ａ，３８１ｂ…長手仕切板
３８２…第２流路（ヘッダ内部の内層）
３８３…隔壁
３８４ａ，３８４ｂ…第１貫通孔，第２貫通孔
３８５…隔壁板
３８６…ボール弁
３８７…枠体
３８７ａ，３８７ｂ…上部枠体，下部枠体
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…仕切板
Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…折返し空間
Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４…折返し位置
Ｓ４Ｕ，Ｓ４Ｌ…折返し空間上段側，折返し空間下段側

Claims (6)

1. 上下方向に配列された複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管の両端部が接続された一対のヘッダとを有し、
   前記伝熱管は、冷媒の流れ方向が異なる第１伝熱管と第２伝熱管を有し、
   前記ヘッダは、内部に前記第１伝熱管と前記第２伝熱管が上下に並んで接続される折返し空間を有し、
   前記折返し空間は、前記第１伝熱管が接続される折返し空間上段側と、前記第２伝熱管が接続される折返し空間下段側を有し、
   前記折返し空間下段側の下部と前記折返し空間上段側の上部を接続する第１流路と、
   前記折返し空間上段側の下部と前記折返し空間下段側の上部を接続する第２流路と、
   前記第２流路に設けられた開閉手段と、
   を備えることを特徴とする室外熱交換器。
2. 前記第１流路が前記ヘッダの外部に位置し、前記第２流路が前記ヘッダの内部に位置することを特徴とする請求項１に記載の室外熱交換器。
3. 前記折返し空間は、前記折返し空間上段側と前記折返し空間下段側を区画する隔壁を有し、
   前記第２流路は、前記隔壁に設けられた貫通孔であって、
   前記開閉手段は、前記折返し空間上段側において浮沈して前記貫通孔を開閉可能なフロートと、前記フロートを案内する枠体とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の室外熱交換器。
4. 前記折返し空間は、前記折返し空間上段側と前記折返し空間下段側を区画する隔壁を有し、
   前記第２流路は、前記隔壁に設けられた貫通孔であって、
   前記開閉手段は、前記折返し空間上段側と前記折返し空間下段側との間で前記貫通孔を開く姿勢と閉じる姿勢との間で摺動する摺動部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の室外熱交換器。
5. 前記摺動部が前記ヘッダの内外圧力差によって動作する ことを特徴とする請求項４に記載の室外熱交換器。
6. 前記第１流路は前記ヘッダ内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の室外熱交換器。

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