JP7224535B1

JP7224535B1 - 熱交換器及び空気調和装置

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Publication number: JP7224535B1
Application number: JP2022512373A
Authority: JP
Inventors: 理人足立; 洋次尾中; 七海岸田; 哲二七種; 祐基中尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: JPWO2023062801A1; WO2023062801A1; DE112021008373T5; GB2625962A

Abstract

熱交換器は、鉛直方向を延伸方向とし、水平方向に間隔を空けて配列された複数の伝熱管と、複数の伝熱管の下端に設けられ、冷媒の出口を有し、冷媒を分配又は合流させる第１ヘッダと、複数の伝熱管の上端に設けられ、冷媒の入口を有し、冷媒を分配又は合流させる第２ヘッダとを有する第１熱交換器及び第２熱交換器と、第１熱交換器における第１ヘッダの出口と、第２熱交換器における第２ヘッダの入口とを接続する列間接続配管とを具備する。

Description

本開示は、鉛直方向に延伸する複数の伝熱管及び伝熱管を連通させるヘッダを備えた熱交換器及びこのような熱交換器を有する空気調和装置に関する。

除霜運転時に上部に位置する主熱交換領域と下方に位置する補助熱交換領域とに対し、主熱交換領域から先にホットガス冷媒を流して除霜を行う技術がある。この場合、各伝熱管の除霜によって生じる水の排水経路の下流側となる下流のフィンの霜の融解に時間がかかり、排水が妨げられる。これにより、除霜に多量の時間がかかったり、熱交換器の下部で根氷が発生したりして除霜性能の低下が引き起こされる。このような事項を背景とし、熱交換器の下部の霜が優先的に除霜されて、排水を促進する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第６５９５１２５号公報

除霜運転時においてホットガス冷媒が熱交換器の伝熱管を上昇流として流動する場合、霜との熱交換によって冷媒の一部が液化すると、ヘッド差の影響で冷媒が上昇することのできない伝熱管が発生する。冷媒が上昇できない部分においては、除霜が十分に行われない領域が発生し、除霜性能が大幅に低下する。また、伝熱管を通過するホットガス冷媒が上昇流である場合には、重力の影響で液膜速度が低下することで液膜が厚くなり、それによって熱伝達率が低下し、更なる除霜性能の低下を引き起こす課題があった。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、除霜性能が向上した熱交換器及びこのような熱交換器を有する空気調和装置を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器によれば、鉛直方向を延伸方向とし、水平方向に間隔を空けて配列された複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下端に設けられ、冷媒の出口を有し、前記冷媒を分配又は合流させる第１ヘッダと、前記複数の伝熱管の上端に設けられ、前記冷媒の入口を有し、前記冷媒を分配又は合流させる第２ヘッダとを有する第１熱交換器及び第２熱交換器と、前記第１熱交換器における前記第１ヘッダの前記出口と、前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記入口とを接続する列間接続配管とを具備し、上から見た場合に多角形の筐体の内部に、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器は、前記複数の伝熱管の間を通過する気流の方向に沿って並んで配置され、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダは、前記筐体の辺に沿った直線部分と前記筐体の辺と辺とをとつなぐ角付近に水平方向に曲がる曲がり部分を有し、それぞれの末端が前記筐体の別の角付近にあり、前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器よりも前記気流の風下側に配置され、前記第１熱交換器の前記第２ヘッダの前記入口は水平の長さ方向において一方側にある熱交手前領域に設けられ、前記第１熱交換器の前記第１ヘッダの前記出口と、前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記入口と前記列間接続配管とが水平の長さ方向において前記熱交手前領域から遠い他方側にある熱交終端領域に設けられ、前記熱交終端領域が前記筐体の別の角の近傍にある。

本開示によれば、第１熱交換器の第２ヘッダに冷媒が流入する。第２ヘッダに流入した冷媒は、第１熱交換器の複数の伝熱管を下降し、第１伝熱管の第１ヘッダに集合する。第１ヘッダに集合した冷媒は、第１ヘッダの出口から流出する。第１ヘッダの出口から流出した冷媒は、列間接続配管を通過して、第２熱交換器の第２ヘッダの入口に流入する。第２熱交換器の第２ヘッダの入口に流入した冷媒は、第２熱交換器の伝熱管を下降し、第１伝熱管の第１ヘッダに集合し、第１ヘッダの出口から流出する。従って、本開示の熱交換器によれば、除霜運転時に、冷媒が第１熱交換器の伝熱管及び第２熱交換器の伝熱管を下降することから、液滞留が抑制され、伝熱管の熱伝導率が向上し、除霜性能を向上できる。

実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す図である。実施の形態１に係る空気調和装置の冷房運転時の冷媒の流れ方向を示した冷媒回路構成を示す図である。実施の形態１に係る室外熱交換器を上から見た場合の第１室外熱交換及び第２室外熱交換における第１熱交換器及び第２熱交換器の配置を示す図である。図３の第１室外熱交換器及び第２室外熱交換器の筐体を水平方向から見た場合の第１熱交換器及び第２熱交換器の配置を示す図である。実施の形態１に係る室外熱交換器を上から見た場合の第１熱交換器及び第２熱交換器の配置の変形例を示す図である。実施の形態１に係る室外熱交換器を上から見た場合の室外熱交換器及び室外熱交換器の配置の変形例を示す図である。実施の形態１に係る室外熱交換器の筐体が水平横方向に空気を吹き出すサイドフロー筐体の場合における室外熱交換器及び室外送風機の配置を示す図である。実施の形態１に係る室外熱交換器の構成を示す図である。実施の形態１に係る室外熱交換器の扁平管内部を二相状態の冷媒が下降することによる伝熱性能向上メカニズムを模式的に示したものである。実施の形態１に係る室外熱交換器の扁平管内部を二相状態の冷媒が上昇することによる伝熱性能向上メカニズムを模式的に示したものである。実施の形態１に係る室外熱交換器の扁平管内部を通過する上昇流の冷媒及び下降流の冷媒の渇き度及び熱伝導率の関係を示す図である。冷媒が上昇流の場合の扁平管及びフィンの液滞留域を説明するための模式図である。冷媒が上昇流の場合の扁平管及びフィンの残霜領域を説明するための模式図である。実施の形態１に係る室外熱交換器の筐体が図７に示した横吹き式の筐体の場合に、図７に示した筐体の水平方向の長さに対する風量を示す図である。実施の形態２に係る室外熱交換器の構成を示す図である。実施の形態２に係る室外熱交換器の変形例の構成を示す図である。実施の形態３に係る室外熱交換器の構成を示す図である。実施の形態４に係る室外熱交換器の構成を示す図である。

以下、図面に基づいて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、同一の又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。また、断面図の図面においては、視認性に鑑みて適宜ハッチングを省略している。さらに、明細書全文に示す構成要素の形態は、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、各図に記載の構成について、その形状、大きさ及び配置は、実施の形態の要旨の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路構成を示す図である。図１において、矢印は、暖房運転時の冷媒の流れ方向を示す。

実施の形態１では、冷凍サイクル装置が空気調和装置１００として用いられている。空気調和装置１００は、圧縮機３３、室外熱交換器１０、絞り装置３１、室内熱交換器３０及び四方弁３４を有している。この例では、圧縮機３３、室外熱交換器１０、絞り装置３１及び四方弁３４が室外機に設けられ、室内熱交換器３０が室内機に設けられている。

圧縮機３３、室外熱交換器１０、絞り装置３１、室内熱交換器３０及び四方弁３４は、冷媒配管３５を介して互いに接続されることにより、冷媒が循環可能な冷媒回路を構成している。空気調和装置１００では、圧縮機３３が駆動することにより、圧縮機３３、室外熱交換器１０、絞り装置３１及び室内熱交換器３０を冷媒が相変化しながら循環する冷凍サイクルが行われる。

室外機には、室外熱交換器１０に室外の空気を強制的に通過させる室外送風機３６が設けられている。室外熱交換器１０は、室外送風機３６の動作によって生じた室外の空気の気流と冷媒との間で熱交換を行う。室内機には、室内熱交換器３０に室内の空気を強制的に通過させる室内送風機３７が設けられている。室内熱交換器３０は、室内送風機３７の動作によって生じた室内の空気の気流と冷媒との間で熱交換を行う。

空気調和装置１００の運転は、冷房運転と暖房運転との間で切り替え可能になっている。四方弁３４は、空気調和装置１００の冷房運転及び暖房運転の切り替えに応じて冷媒流路を切り替える電磁弁である。四方弁３４は、冷房運転時に、圧縮機３３からの冷媒を室外熱交換器１０へ導くとともに室内熱交換器３０からの冷媒を圧縮機３３へ導く。四方弁３４は、暖房運転時に、圧縮機３３からの冷媒を室内熱交換器３０へ導くとともに室外熱交換器１０からの冷媒を圧縮機３３へ導く。

制御装置３８は、空気調和装置１００全体の制御を司る。例えば、制御装置３８は、絞り装置３１、圧縮機３３、絞り装置３１、室外送風機３６及び室内送風機３７等を制御する。また、実施の形態５の図１８に示すように、室外熱交換器１０に流量調整弁１０２６が設けられている場合、制御装置３８は、除霜運転時及び冷房運転時に流量調整弁１０２６の制御を行なう。図１においては、制御装置３８が１つの場合を示したが、室内機側及び室外機側にそれぞれ設けても良い。

制御装置３８の処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路が実現する各機能部のそれぞれを、個別のハードウェアで実現してもよいし、各機能部が一つのハードウェアで実現されてもよい。制御装置３８の処理回路がＣＰＵの場合、処理回路が実行する各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、記憶部１０９に格納される。ＣＰＵは、記憶部１０９に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、処理回路の各機能を実現する。なお、処理回路の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

＜空気調和装置の暖房運転時の動作＞
図１に示すように、まず、低温低圧のガス冷媒が圧縮機３３によって吸引され、高温高圧のガス冷媒となる。高温高圧のガス冷媒は、圧縮機３３から吐出され、四方弁３４を通過した後、室内熱交換器３０に流入する。

室内熱交換器３０に流入した高温高圧のガス冷媒は、室内送風機３７から供給される空気と熱交換することによって放熱して凝縮し、高温高圧の液冷媒となって室内熱交換器３０から流出する。

室内熱交換器３０から流出した液冷媒は、絞り装置３１で膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室外熱交換器１０に流入する。

室外熱交換器１０に流入した気液二相冷媒は、室外送風機３６から供給される室外空気と熱交換することによって吸熱して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって室外熱交換器１０から流出する。

低温低圧のガス冷媒が再び圧縮機３３に吸引され、再び圧縮されて吐出される。以上のように冷媒の循環が繰り返し行われる。

＜空気調和装置１００の冷房運転時の動作＞
図２は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷房運転時の冷媒の流れ方向を示した冷媒回路構成を示す図である。図２において、矢印は、冷房運転時の冷媒の流れ方向を示す。

図２に示すように、まず、低温低圧のガス冷媒が圧縮機３３によって吸引され、高温高圧のガス冷媒となる。高温高圧のガス冷媒は、圧縮機３３から吐出され、四方弁３４を通過した後、室外熱交換器１０に流入する。

室外熱交換器１０に流入した高温高圧のガス冷媒は、室外送風機３６から供給される空気と熱交換することによって放熱して凝縮し、高温高圧の液冷媒となって室外熱交換器１０から流出する。

室外熱交換器１０から流出した液冷媒は、絞り装置３１で膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内熱交換器３０に流入する。

室内熱交換器３０に流入した気液二相冷媒は、室内送風機３７から供給される室内空気と熱交換すること吸熱して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって室内熱交換器３０から流出する。

なお、室内熱交換器３０及び室外熱交換器１０の接続台数は図１及び図２に図示してある台数に限定するものではなく、冷凍サイクル装置が配置される対象に応じて台数を決定して良い。

＜空気調和装置１００の除霜運転時の動作＞
除霜運転時の冷媒の流れは、冷媒運転と同様なので図２を用いて説明する。図２に示すように、まず、低温低圧のガス冷媒が圧縮機３３によって吸引され、高温高圧のガス冷媒となる。高温高圧のガス冷媒は、圧縮機３３から吐出され、四方弁３４を通過した後、室外熱交換器１０に流入する。

室外熱交換器１０に流入した高温高圧のガス冷媒は、室外送風機３６から供給される空気及び室外熱交換器１０の外表面に付着した霜と熱交換することによって放熱して凝縮し、高温高圧の液冷媒となって室外熱交換器１０から流出する。

＜室外熱交換器１０の構成＞
図３は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０を上から見た場合の第１室外熱交換器１０ａ及び第２室外熱交換器１０ｂにおける第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂの配置を示す図である。図４は、図３の第１室外熱交換器１０ａ及び第２室外熱交換器１０ｂの筐体１１を水平方向から見た場合の第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂの配置を示す図である。

図５は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０を上から見た場合の第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂの配置の変形例を示す図である。

図６は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０を上から見た場合の第１室外熱交換器１０ａ及び第２室外熱交換器１０ｂの配置の変形例を示す図である。図３、図４、図５及び図６において、矢印は、気流の流れの方向及び冷媒の流れ方向を示す。

図３、図４、図５及び図６は筐体１１の鉛直上方向に空気を吹き出すトップフロー筐体における室外熱交換器１０及び室外送風機３６の配置を示している。図４に示すように、筐体１１の頂部に室外送風機３６を配置し、圧縮機３３などは筐体１１内の下部に配置される。

なお、以下で説明する室外熱交換器１０は、室内熱交換器３０に置き換えても良い。これらの室外熱交換器１０及び室内熱交換器３０は、単に熱交換器とも称する。

図３、図４、図５及び図６に示す室外熱交換器１０は、水平方向にＬ字型に曲がった構造を有している。室外機の筐体１１は、上から見た場合に多角形（図では四角形）とされる。室外熱交換器１０は上から見た場合に筐体１１の辺に沿った直線部分と、筐体１１の辺と辺とをつなぐ角付近に曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１が形成されている。一般に、曲がり部分は略円弧状とされる。

つまり、室外熱交換器１０は筐体１１の側面に沿った平面的な部分と、略円弧面の一部をなすように曲面的に配置された部分とで構成される。言い換えれば、室外熱交換器１０は、鉛直方向に延びる軸を囲むように曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１が曲がっている。

筐体１１がトップフロー筐体の場合、筐体１１の室外熱交換器１０と対向する面は開口されて、外部から室外熱交換器１０に向けて空気が取り込まれるようにされる。トップフロー筐体では室外熱交換器１０に対向する面から吸気した外気が筐体内に入ったのちに頂部の室外送風機３６から上方に排出される。

筐体１１の全面に室外熱交換器１０が対向するように室外熱交換器１０を配置してもよいし、筐体１１の一部の面に室外熱交換器１０が対向するように室外熱交換器１０を配置してもよい。図３に示した第１室外熱交換器１０ａ及び第２室外熱交換器１０ｂは、筐体１１の四角形の４面に対向する。図５に示した室外熱交換器１０は、筐体１１の四角形の３面に対向する。図６に示した室外熱交換器１０は、第１室外熱交換器１０ａ及び第２室外熱交換器１０ｂが２つの室外送風機３６が設けられた筐体１１の四角形の３面に対向する。

図３及び図６では室外熱交換器１０がＬ字状の曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１が１箇所の場合の構造を示し、図５ではＬ字状の曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１が２箇所の場合を示している。Ｌ字状の曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１は、３箇所以上でも良い。また、図３においては、Ｌ字形状の曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１を１箇所有する第１室外熱交換器１０ａと、Ｌ字形状の曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１を１箇所有する第２室外熱交換器１０ｂとを有する。第１室外熱交換器１０ａ及び第２室外熱交換器１０ｂにおける曲がり部分１００１ａ＿１及び曲がり部分１００１ｂ＿１の個数及び配置は変更しても良い。

図３、図４、図５及び図６に示す室外熱交換器１０は、室外送風機３６により発生させた気流の方向に沿って並べて配置した第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂによって構成される。図３、図４、図５及び図６に示すように、第１熱交換器１００１ａは第２熱交換器１００１ｂの風下側、つまり、筐体１１の内部側で第２熱交換器１００１ｂと重なり合うように並列する例を示している。

室外熱交換器１０を構成する熱交換器の個数は２個に限定するわけではなく２個以上であれば何個でも良い。例えば３個の熱交換器で室外熱交換器１０を構成する場合には第１熱交換器１００１ａと第２熱交換器１００１ｂとに加えて、第３熱交換器を並べて構成すれば良い。

図７は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０の筐体１１が水平横方向に空気を吹き出すサイドフローの筐体１１の場合における室外熱交換器１０及び室外送風機３６の配置を示す図である。図７において、白矢印は、気流の流れの方向及び冷媒の流れ方向を示し、黒矢印は筐体１１の熱交手前領域１０１３から熱交終端領域１０１０までの水平方向の長さの測定の方向を示す。

図７に示すように、筐体１１の内部は、熱交終端領域１０１０、Ｌ曲げ領域１０１１、ボス領域１０１２及び熱交手前領域１０１３を有する。熱交終端領域１０１０は、第１熱交換器１００１ａにおける第１ヘッダ１００３ａの出口１００３ａ＿１及び第２熱交換器１００１ｂにおける第２ヘッダ１００４ｂの入口１００４ｂ＿１とが、気流の方向に並んで配置された領域である（図８参照）。Ｌ曲げ領域１０１１は、第１熱交換器１００１ａの曲がり部分１００１ａ＿１及び第２熱交換器１００１ｂの曲がり部分１００１ｂ＿１の領域である（図３～図７参照）。ボス領域１０１２は、室外送風機３６のボス３６０１及びボス３６０１に取り付けられた翼３６０２に水平方向に対向し、第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂの筐体１１の側面に沿った部分である。熱交手前領域１０１３は、第１熱交換器１００１ａにおける第２ヘッダ１００４ａの入口１００４ａ＿１及び第２熱交換器１００１ｂにおける第１ヘッダ１００３ｂの出口１００３ｂ＿１付近の領域である（図８参照）。

サイドフローの筐体１１では、筐体１１の側面の内部に配置された室外送風機３６から筐体１１内の風が吹き出すようにされる。第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂが筐体１１の側面に沿って平面的な箇所と、曲面的な部分とで構成される点は上記で述べたトップフローの筐体１１と同様である。一般に、サイドフローの筐体１１は図７に示すように上から見た場合に矩形形状とされ、側面１１ａによって区切られる筐体１１の一方の内部には圧縮機３３などが配置される。一方の内部と反対側の他方の筐体１１の内部には、室外送風機３６及び室外熱交換器１０が配置される。側面１１ａには、上から見た場合に、室外熱交換器１０の一部が配置される。

図７に示す室外熱交換器１０は、室外送風機３６により発生させた気流の方向に沿って並べて配置した第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂによって構成される。室外熱交換器１０の個数は２個に限定するわけではなく２個以上であれば何個でも良い。例えば３個の室外熱交換器１０で室外熱交換器１０を構成する場合には第１熱交換器１００１ａと第２熱交換器１００１ｂとに加えて、第３熱交換器１００１を並べて構成すれば良い。

図８は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０の構成を示す図である。図８において、白矢印は、除霜時の扁平管５０における冷媒の流れの方向を示す。黒矢印は、除霜時の第１ヘッダ１００３及び第２ヘッダ１００４における冷媒の流れ、気流及び重力の方向を示す。

室外熱交換器１０は、第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂを有する。第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂは、鉛直方向を延伸方向として水平方向に間隔を空けて配列された複数の扁平管５０（伝熱管）を有する。

第１熱交換器１００１ａの扁平管５０の下端には冷媒を分配又は合流させる第１ヘッダ１００３ａが接続され、上端には冷媒を分配又は合流させる第２ヘッダ１００４ａが接続されている。第２熱交換器１００１ｂの扁平管５０の下端には冷媒を分配又は合流させる第１ヘッダ１００３ｂが接続され、上端には冷媒を分配又は合流させる第２ヘッダ１００４ｂが接続されている。

なお、図８では間隔を空けて配置した扁平管５０の間にフィン５１が配置されている例を示しているが、フィン５１は無くても良い。

第２ヘッダ１００４ａは、室外熱交換器１０が凝縮器として動作する場合の冷媒の入口１００４ａ＿１を有する。第１熱交換器１００１ａの第１ヘッダ１００３ａは、室外熱交換器１０が凝縮器として動作する場合の冷媒の出口１００３ａ＿１を有する。

第２ヘッダ１００４ｂは、室外熱交換器１０が凝縮器として動作する場合の冷媒の入口１００４ｂ＿１を有する。第２室外熱交換器１０ｂの第１ヘッダ１００３ｂは、室外熱交換器１０が凝縮器として動作する場合の冷媒の出口１００３ｂ＿１を有する。

第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂは、室外送風機３６（図３等参照）により流通された扁平管５０の間を通過する気流の方向に沿って配置される。

第１熱交換器１００１ａは、第２熱交換器１００１ｂよりも気流の風下側に配置される。

列間接続配管６０は、第１熱交換器１００１ａにおける第１ヘッダ１００３ａの出口１００３ａ＿１と、第２熱交換器１００１ｂにおける第２ヘッダ１００４ｂの入口１００４ｂ＿１とを接続する。

第１熱交換器１００１ａの第１ヘッダ１００３ａ及び第２ヘッダ１００４ａは、水平方向に延び、水平面内で曲がった管状の部材からなる。図３、図５、図６及び図７に示すように、上から見て第１ヘッダ１００３ａ及び第２ヘッダ１００４ａは直線部分の間に途中で曲がり部分１００１ａ＿１、１００１ｂ＿１が形成されている。

第２熱交換器１００１ｂの第１ヘッダ１００３ｂ及び第２ヘッダ１００４ｂは、水平方向に延び、水平面内で曲がった管状の部材からなる。図３、図５、図６及び図７に示すように、上から見て第１ヘッダ１００３ｂ及び第２ヘッダ１００４ｂは直線部分の間に途中で曲がり部分１００１ａ＿１、１００１ｂ＿１が形成されている。

典型的には、第１ヘッダ１００３ａ及び第２ヘッダ１００４ｂの末端は筐体１１の角（隅）近傍に配置される。列間接続配管６０は、室外熱交換器１０が凝縮器として使用される場合のガス冷媒の入口１００４ａ＿１及び液冷媒の出口１００３ｂ＿１から遠い側の筐体１１内の角（隅）付近に位置するようにされる。

＜室外熱交換器１０の凝縮器としての動作＞
次に、室外熱交換器１０が凝縮器として動作する場合を例として室外熱交換器１０の作用を説明する。なお、室外熱交換器１０は、蒸発器として動作していても良い。また、室外熱交換器１０が蒸発器として動作する場合には、冷媒の流通方向が逆になる。

室外熱交換器１０が凝縮器として動作する場合、高温ガスの冷媒はまず第１熱交換器１００１ａの第２ヘッダ１００４ａの入口１００４ａ＿１から第２ヘッダ１００４ａに流入し、複数の扁平管５０に分配される。

冷媒は空気と熱の授受を行いながら凝縮液化しつつ第１ヘッダ１００３ａへ集合し、第１ヘッダ１００３ａの出口１００３ｂ＿１から流出する。第１熱交換器１００１ａの出口１００３ｂ＿１から流出した冷媒は、第１ヘッダ１００３ａと第２ヘッダ１００４ｂとの間を接続する列間接続配管６０を通過して、第２熱交換器１００１ｂの第２ヘッダ１００４ｂの入口１００４ｂ＿１から第２ヘッダ１００４ｂへ流入する。第２ヘッダ１００４ｂに流入した冷媒は複数の扁平管５０に分配され、空気と熱の授受を行いながら凝縮液化しつつ第１ヘッダ１００３ｂへ集合し、第１ヘッダ１００３ｂの出口１００３ｂ＿１から流出する。

＜室外熱交換器１０の効果＞
実施の形態１に係る室外熱交換器１０によれば、凝縮液化する冷媒は常に扁平管５０内部を下降するため伝熱性能が向上する。

図９は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０の扁平管５０内部を二相状態の冷媒が下降することによる伝熱性能向上メカニズムを模式的に示したものである。図１０は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０の扁平管５０内部を二相状態の冷媒が上昇することによる伝熱性能低下メカニズムを模式的に示したものである。図９及び図１０において、白矢印は、ホットガス冷媒の流れの方向を示す。図１１は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０の扁平管５０内部を通過する上昇流の冷媒及び下降流の冷媒の渇き度及び熱伝導率の関係を示す図である。

図１０ではホットガス冷媒が凝縮液化しつつ扁平管５０内部を流れる場合について、上昇流の場合には重力の影響により液膜速度が低下することで液膜が厚くなることを示している。図９に示す二相状態の冷媒が下降する場合の液膜厚さδｄｗは、図１０に示す二相状態の冷媒が上昇する場合の液膜厚さδｕｐよりも薄くなる。図１１に示すように、冷媒が下降流ｄのほうが上昇流ｕの場合よりも管内熱伝達率が２０～８０％向上する。

従って、本実施の形態によれば、凝縮液化するときには冷媒は室外熱交換器１０の扁平管５０を下降するので、冷房運転時の熱交換器性能の向上及び除霜運転時の除霜性能の向上の効果が得られる。特に、除霜運転時の除霜性能が向上することにより、扁平管５０及びフィン５１の表面に付着した霜を高速で溶かすことができる。そのため、除霜運転から暖房運転への復帰をより早くすることが可能となり、暖房能力が向上する。

実施の形態１の室外熱交換器１０のように、除霜運転時に上側に位置する第２ヘッダ１００４から冷媒を流入させるのではなく、下側に位置する第１ヘッダ１００３から冷媒を流入させる場合の構造について説明する。

第１ヘッダ１００３から複数の扁平管５０へ分配された冷媒は、扁平管５０及びフィン５１表面の霜と熱の授受を行い凝縮液化しながら上昇する。冷媒は鉛直下方向にはたらく重力に逆らって扁平管５０内部を上昇することになる。そのため、一部の扁平管５０内部では液化し高密度となった液冷媒が上昇することができず滞留するという現象が発生する。このような液滞留が発生している扁平管５０では冷媒と霜との間の熱の授受がほとんど行われず、霜が溶けずに残ってしまう。

図１２は、冷媒が上昇流の場合の扁平管５０及びフィン５１の液滞留域を説明するための模式図である。図１３は、冷媒が上昇流の場合の扁平管５０及びフィン５１の残霜領域１０１６を説明するための模式図である。図１２において、１０１４は液滞留域、１０１５はホットガス流動域を示す。図１３において、１０１６は残霜領域を示す。図１２及び図１３に示すように、液滞留域１０１４は熱交換能力が低いために残霜領域１０１６になることから、液滞留域１０１４が存在すると、除霜時間が長くなり暖房能力の低下及び霜が溶け残ることによる品質問題が発生することになる。

図１４は、実施の形態１に係る室外熱交換器１０の筐体１１が図７に示した横吹き式の筐体１１の場合に、図７に示した筐体１１の水平方向の長さに対する風量分布を示す図である。

図７に示すように、室外送風機３６が横吹きの場合には、室外熱交換器１０を通過する空気の風量は図１４に示すような分布となる。熱交終端領域１０１０及び熱交手前領域１０１３では風量が小さくなる。従って、熱交終端領域１０１０及び熱交手前領域１０１３においては、熱交換器性能が低くなる。

実施の形態１では、図７に示すように、室外送風機３６が横吹きの場合に、第１熱交換器１００１ａと第２熱交換器１００１ｂを接続する列間接続配管６０を熱交終端領域１０１０に設ける。本来であれば列間接続配管６０を配置することで室外熱交換器１０の横幅（すなわち、第１ヘッダ１００３及び第２ヘッダ１００４の水平方向の長さ）が小さくなるため熱交換器性能が低下することになるが、局所的に風量が小さくなる熱交終端領域１０１０に列間接続配管６０を設けることにより熱交換器性能の低下を最小限にすることができる。そのため熱交換器サイズの減少によるコスト低減効果が熱交換器性能低下を上回り、コストパフォーマンスが向上する。

実施の形態２．
以下、実施の形態２について説明する。実施の形態２では、実施の形態１と重複するものについては説明を省略し、同じ部分又は相当する部分には同じ符号を付すものとする。

図１５は、実施の形態２に係る室外熱交換器１０の構成を示す図である。図１５において、白矢印は、冷媒の流れの方向を示す。黒矢印は、除霜時の冷媒の流れ、気流及び重力の方向を示す。

実施の形態２に係る室外熱交換器１０は、図１５に示すように、第１熱交換器１００１ａの第２ヘッダ１００４ａは第１仕切り１０２０ａにより左右に仕切られ、第１ヘッダ１００３ａは第２仕切り１０２１ａにより左右に仕切られている。また、第１ヘッダ１００３ａの第２仕切り１０２１ａの左側空間と第２ヘッダ１００４ａの第１仕切り１０２０ａの右側空間とを接続する上下接続配管１０２２ａが設けられている。すなわち、第１ヘッダ１００３ａの上流側の空間（左側空間）と、第２ヘッダ１００４ａの下流側の空間（右側空間）とが、上下接続配管１０２２ａで接続されている。

第２熱交換器１００１ｂの第２ヘッダ１００４ｂは第１仕切り１０２０ｂにより左右に仕切られ、第１ヘッダ１００３ｂは第２仕切り１０２１ｂにより左右に仕切られている。第１ヘッダ１００３ｂの第２仕切り１０２１ｂの左側空間と第２ヘッダ１００４ｂの第１仕切り１０２０ｂの右側空間とを接続する上下接続配管１０２２ｂが設けられている。すなわち、第１ヘッダ１００３ｂの上流側の空間（左側空間）と、第２ヘッダ１００４ｂの下流側の空間（右側空間）とが、上下接続配管１０２２ｂで接続されている。

第２ヘッダ１００４ａに流入した冷媒は扁平管５０に分配され、第１ヘッダ１００３ａに集合し、上下接続配管１０２２ａを流通して再び第２ヘッダ１００４ａに流れる。そして扁平管５０に分配され、第１ヘッダ１００３ａに再び集合し第１ヘッダ１００３ａから流出する。

第１ヘッダ１００３ａから流出した冷媒は列間接続配管６０を通過して第２ヘッダ１００４ｂに流入する。列間接続配管６０を介して第２熱交換器１００１ｂの第２ヘッダ１００４ｂに流入した冷媒は、第１室外熱交換器１０ａと同様に、第２ヘッダ１００４ｂ、扁平管５０、第１ヘッダ１００３ｂ、上下接続配管１０２２ｂ、第２ヘッダ１００４ｂ、扁平管５０及び第１ヘッダ１００３ｂの順番に流通して、第２熱交換器１００１ｂから出力する。

実施の形態２に係る室外熱交換器１０によれば、第１ヘッダ１００３ａ、１００３ｂを複数の空間に分け、第２ヘッダ１００４ａ、１００４ｂを複数の空間に分けたので、扁平管５０内部を流れる冷媒の流速が向上するため熱伝達率がより向上する。従って、冷房運転時の熱交換器性能の向上及び除霜運転時の除霜性能の向上の効果が得られる。特に、除霜運転時の除霜性能が向上することにより、扁平管５０及びフィン５１の表面に付着した霜が高速で溶かすことができるため、除霜運転から暖房運転への復帰をより早くすることが可能となり、暖房能力が向上する。

図１６は、実施の形態２に係る室外熱交換器１０の変形例の構成を示す図である。

図１６に示すように、第１熱交換器１００１ａの第２ヘッダ１００４ａは第１仕切り１０２０ａにより左右に仕切られ、第１ヘッダ１００３ａは第２仕切り１０２１ａにより左右に仕切られている。また、第１ヘッダ１００３ａの第２仕切り１０２１ａの左側空間と第２ヘッダ１００４ａの第１仕切り１０２０ａの右側空間とを接続する上下接続配管１０２２ａが設けられている。すなわち、第１ヘッダ１００３ａの上流側の空間（左側空間）と、第２ヘッダ１００４ａの下流側の空間（右側空間）とが、上下接続配管１０２２ａで接続されている。

第２熱交換器１００１ｂの第２ヘッダ１００４ｂは第１仕切り１０２０ｂにより左右に仕切られ、第１ヘッダ１００３ｂは第２仕切り１０２１ｂにより左右に仕切られている。また、第１ヘッダ１００３ｂの第２仕切り１０２１ｂの左側空間と第２ヘッダ１００４ｂの第１仕切り１０２０ｂの右側空間とを接続する上下接続配管１０２２ｂが設けられている。すなわち、第１ヘッダ１００３ｂの上流側の空間（左側空間）と、第２ヘッダ１００４ｂの下流側の空間（右側空間）とが、上下接続配管１０２２ｂで接続されている。

図１６に示すように、上下接続配管１０２２ａの一部は、第１ヘッダ１００３ａに沿って配置される。上下接続配管１０２２ａは、第１ヘッダ１００３ａの第２仕切り１０２１ａの左側空間と第２ヘッダ１００４ａの第１仕切り１０２０ａの右側空間とを接続する。

上下接続配管１０２２ｂの一部は、第１ヘッダ１００３ｂに沿って配置される。上下接続配管１０２２ｂは、第１ヘッダ１００３ｂの第２仕切り１０２１ｂの左側空間と第２ヘッダ１００４ｂの第１仕切り１０２０ｂの右側空間とを接続する。

本実施の形態では、上下接続配管１０２２ａ及び上下接続配管１０２２ｂは、扁平管５０と交差するように配置されない。このため、上下接続配管１０２２ａ及び上下接続配管１０２２ｂは通風を妨げることがなくなるため熱交換器性能が向上する。

実施の形態３．
以下、実施の形態３について説明する。実施の形態３では、実施の形態１から実施の形態２と重複するものについては説明を省略し、同じ部分又は相当する部分には同じ符号を付すものとする。

図１７は、実施の形態３に係る室外熱交換器１０の構成を示す図である。

実施の形態３に係る室外熱交換器１０では、風上側に位置する第２熱交換器１００１ｂの第１ヘッダ１００３ｂ及び第２ヘッダ１００４ｂの間に上下接続配管１０２２ｂ＿１及び上下接続配管１０２２ｂ＿２が設けられる。また、風下側に位置する第１熱交換器１００１ａの第１ヘッダ１００３ａ及び第２ヘッダ１００４ａの間に上下接続配管１０２２ａが設けられる。

実施の形態３に係る室外熱交換器１０においては、図１７に示すように、風上側に位置する第２熱交換器１００１ｂの上下接続配管１０２２ｂの数が、第１熱交換器１００１ａよりも多い。

これにより、風上側にある第２熱交換器１００１ｂの扁平管５０内部を流れる液冷媒の流速が大きくなり熱伝達率が向上する。従って、冷房運転時の熱交換器性能の向上、除霜運転時の除霜性能の向上の効果が得られる。特に、除霜運転時の除霜性能が向上することにより、扁平管５０及びフィン５１の表面に付着した霜を高速で溶かすことができるため、除霜運転から暖房運転への復帰をより早くすることが可能となり、暖房能力が向上する。

実施の形態４．
以下、実施の形態４について説明する。実施の形態４では、実施の形態１から実施の形態３と重複するものについては説明を省略し、同じ部分又は相当する部分には同じ符号を付すものとする。

図１８は、実施の形態４に係る室外熱交換器１０の構成を示す図である。

実施の形態４においては、第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂに供給される冷媒の流量を調整する流量調整弁１０２６が設けられる。

図１８に示すように、流量調整弁１０２６は、第１熱交換器１００１ａにおける第２ヘッダ１００４ａの冷媒の入口１００４ａ＿１よりも上流側の配管１２０１に設けられ、第２ヘッダ１００４ａの冷媒の入口１００４ａ＿１に流入する冷媒の流量を調整する。

また、第２熱交換器１００１ｂにおける第２ヘッダ１００４ｂの冷媒の入口１００４ｂ＿１は、流量調整弁１０２６よりも上流側の配管１２０１から分岐した分岐配管１２０２に接続される。図１８に示すように、冷媒は第１熱交換器１００１ａと第２熱交換器１００１ｂとの上流側で分岐しそれぞれの第１熱交換器１００１ａ及び第２熱交換器１００１ｂに並列に流れる。

流量調整弁１０２６は、制御装置３８（図１参照）により制御される。制御装置３８は、除霜時又は冷房運転時に、第１熱交換器１００１ａにおける第２ヘッダ１００４ａの冷媒の入口１００４ａ＿１に流入する冷媒の流量を第２熱交換器１００１ｂにおける第２ヘッダ１００４ｂの冷媒の入口１００４ｂ＿１に流入する冷媒の流量よりも少なくなるように流量調整弁１０２６を制御する。

実施の形態４に係る室外熱交換器１０によれば、風下側に位置する第１熱交換器１００１ａの冷媒流量を小さくし、風上側に位置する第２熱交換器１００１ｂの冷媒流量を大きくすることができる。霜は風上側に位置する第２熱交換器１００１ｂの扁平管５０及びフィン５１表面により多く付着する。そのため、霜がより多く付着した第２熱交換器１００１ｂにより多量の冷媒を流通させることでより早く除霜を完了させることができ、暖房能力の向上が可能となる。

１０室外熱交換器、１０ａ第１室外熱交換器、１０ｂ第２室外熱交換器、１１筐体、１１ａ側面、３０室内熱交換器、３１絞り装置、３３圧縮機、３４四方弁、３５冷媒配管、３６室外送風機、３７室内送風機、３８制御装置、５０扁平管、５１フィン、６０列間接続配管、１００空気調和装置、１００１ａ第１熱交換器、１００１ｂ第２熱交換器、１００１ａ＿１、１００１ｂ＿１曲がり部分、１００３、１００３ａ、１００３ｂ第１ヘッダ、１００３ａ＿１、１００３ｂ＿１出口、１００４、１００４ａ、１００４ｂ第２ヘッダ、１００４ａ＿１、１００４ｂ＿１入口、１０１０熱交終端領域、１０１１Ｌ曲げ領域、１０１２ボス領域、１０１３熱交手前領域、１０１４液滞留域、１０１５ホットガス流動域、１０１６残霜領域、１０２０ａ、１０２０ｂ第１仕切り、１０２１ａ、１０２１ｂ第２仕切り、１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｂ＿１、１０２２ｂ＿２上下接続配管、１０２３ｂ第３仕切り、１０２４ｂ第４仕切り、１０２６流量調整弁、１２０１上流側の配管、１２０２分岐配管、３６０１ボス、３６０２翼、ｌ液体、ａ気体、ｄ下降流、ｕ上昇流。

Claims

鉛直方向を延伸方向とし、水平方向に間隔を空けて配列された複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管の下端に設けられ、冷媒の出口を有し、前記冷媒を分配又は合流させる第１ヘッダと、
前記複数の伝熱管の上端に設けられ、前記冷媒の入口を有し、前記冷媒を分配又は合流させる第２ヘッダとを有する第１熱交換器及び第２熱交換器と、
前記第１熱交換器における前記第１ヘッダの前記出口と、前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記入口とを接続する列間接続配管と
を具備し、
上から見た場合に多角形の筐体の内部に、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器は、前記複数の伝熱管の間を通過する気流の方向に沿って並んで配置され、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダは、前記筐体の辺に沿った直線部分と前記筐体の辺と辺とをとつなぐ角付近に水平方向に曲がる曲がり部分を有し、それぞれの末端が前記筐体の別の角付近にあり、
前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器よりも前記気流の風下側に配置され、
前記第１熱交換器の前記第２ヘッダの前記入口は水平の長さ方向において一方側にある熱交手前領域に設けられ、
前記第１熱交換器の前記第１ヘッダの前記出口と、前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記入口と前記列間接続配管とが水平の長さ方向において前記熱交手前領域から遠い他方側にある熱交終端領域に設けられ、前記熱交終端領域が前記筐体の別の角の近傍にある熱交換器。
前記第１ヘッダを左右に仕切る第１仕切りと、
前記第２ヘッダを左右に仕切る第２仕切りと、
前記第１仕切りによって仕切られた前記第１ヘッダの上流側の空間と、前記第２仕切りによって仕切られた前記第２ヘッダの下流側の空間とを接続する上下接続配管と
を具備する請求項１に記載の熱交換器。
前記上下接続配管は、その一部が前記第１ヘッダ又は前記第２ヘッダに沿って配置され、上下方向にのびる部位が、通風方向に見た場合に前記伝熱管と交差しない位置に設置される請求項２に記載の熱交換器。
前記第２熱交換器における前記上下接続配管の数は、前記第１熱交換器における前記上下接続配管の数よりも多い請求項２又は３に記載の熱交換器。
鉛直方向を延伸方向とし、水平方向に間隔を空けて配列された複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管の下端に設けられ、冷媒の出口を有し、前記冷媒を分配又は合流させる第１ヘッダと、
前記複数の伝熱管の上端に設けられ、前記冷媒の入口を有し、前記冷媒を分配又は合流させる第２ヘッダとを有する第１熱交換器及び第２熱交換器と、
を具備し、
上から見た場合に多角形の筐体の内部に、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器は、前記複数の伝熱管の間を通過する気流の方向に沿って並んで配置され、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダは、前記筐体の辺に沿った直線部分と前記筐体の辺と辺とをとつなぐ角付近に水平方向に曲がる曲がり部分を有し、それぞれの末端が前記筐体の別の角付近にあり、
前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器よりも前記気流の風下側に配置され、
前記第１熱交換器の前記第２ヘッダの前記入口は水平の長さ方向において一方側にある熱交手前領域に設けられ、
前記第１熱交換器の前記第１ヘッダの前記出口と、前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記入口が水平の長さ方向において前記熱交手前領域から遠い他方側にある熱交終端領域に設けられ、前記熱交終端領域が前記筐体の別の角の近傍にある熱交換器と、
前記第１熱交換器における前記第２ヘッダの前記冷媒の前記入口よりも上流側の配管に設けられ、前記第１熱交換器における前記第２ヘッダの前記冷媒の前記入口に流入する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と
を具備し、
前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記冷媒の前記入口は、前記流量調整弁よりも上流側の前記配管から分岐した分岐配管に接続され、
除霜時に、前記第１熱交換器における前記第２ヘッダの前記冷媒の前記入口に流入する前記冷媒の流量を前記第２熱交換器における前記第２ヘッダの前記冷媒の前記入口に流入する前記冷媒の流量よりも少なくなるように前記流量調整弁を制御する制御装置
を具備する空気調和装置。