JP7370501B1 - 熱交換器及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

本開示に係る熱交換器は、複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管のそれぞれが接続される複数の接続部が長手方向に間隔を空けて設けられた外管と、外周部に複数の第１オリフィスが形成され、前記外管の内部に設けられた内管と、前記内管が挿入された第１貫通孔が形成され、前記外管の内部を主空間と第１空間とに仕切る第１仕切りと、を備え、前記主空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が連通する空間であり、前記第１空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が開口しておらず、前記内管の一方の端部である第１端部の開口部が連通する空間であり、前記第１空間に供給された冷媒が、前記内管の内部、前記複数の第１オリフィス、前記主空間及び前記複数の接続部を通って、前記複数の伝熱管に流入する構成となっている。

Description

本開示は、２重管構造の冷媒分配器を備えた熱交換器、及び該熱交換器を備えた空気調和装置に関する。

従来、２重管構造の冷媒分配器を備えた熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。従来の２重管構造の冷媒分配器は、外管と、該外管の内部に設けられた内管とを備えている。内管には、冷媒流出孔とも呼ばれるオリフィスが形成されている。また、外管には、複数の伝熱管が接続されている。従来の２重管構造の冷媒分配器が気液二相冷媒を各伝熱管に分配する際、まず、外部から二相冷媒が内管の内部に流入する。また、内管の内部に流入した気液二相冷媒は、オリフィスを通って、内管と外管との間の空間に流出する。そして、内管と外管との間の空間に流出した気液二相冷媒は、外管に接続された複数の伝熱管に分配される。このように、従来の２重管構造の冷媒分配器を備えた熱交換器においては、オリフィスを通して内管の内部に流入した気液二相冷媒を内管と外管との間の空間に流出させることにより、気液二相冷媒の液冷媒成分の各伝熱管への均一な分配を図り、熱交換器の熱交換性が低下することの抑制を図っている。

特開２０１２－２４７５号公報

しかしながら、従来の２重管構造の冷媒分配器を備えた熱交換器は、気液二相冷媒の液冷媒成分が内管の内部において偏って流れる場合等、内管の内部を流れる気液二相冷媒の状態によっては、未だ、気液二相冷媒の液冷媒成分の各伝熱管への分配が不均一となり、熱交換器の熱交換性が低下してしまうという課題があった。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、従来よりも気液二相冷媒の液冷媒成分の各伝熱管への均一な分配を可能とする熱交換器を提供することを、第１の目的とする。また、本開示は、このような熱交換器を備えた空気調和装置を提供することを、第２の目的とする。

本開示に係る熱交換器は、複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管のそれぞれが接続される複数の接続部が長手方向に間隔を空けて設けられた外管と、外周部に複数の第１オリフィスが形成され、前記外管の内部に設けられた内管と、前記内管が挿入された第１貫通孔が形成され、前記外管の内部を主空間と第１空間とに仕切る第１仕切りと、前記内管が挿入された第２貫通孔が形成され、前記外管の内部を前記主空間と第２空間とに仕切る第２仕切りと、を備え、前記主空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が連通する空間であり、前記第１空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が開口しておらず、前記内管の一方の端部である第１端部の開口部が連通する空間であり、前記第１空間に供給された冷媒が、前記内管の内部、前記複数の第１オリフィス、前記主空間及び前記複数の接続部を通って、前記複数の伝熱管に流入する構成であり、前記第２空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が開口しておらず、前記内管における前記第１端部とは反対側の端部である第２端部の開口部が連通する空間である。

また、本開示に係る空気調和装置は、本開示に係る熱交換器を備えている。

本開示に係る熱交換器においては、第１空間に流入した気液二相冷媒は、ガス冷媒成分と液冷媒成分とが該第１空間で混合される。そして、ガス冷媒成分と液冷媒成分とが混合された気液二相冷媒が、内管の内部を流れ、第１オリフィス、主空間、及び外管の接続部を通って、複数の伝熱管に分配される。このため、本開示に係る熱交換器は、従来と比べ、各伝熱管へ、気液二相冷媒の液冷媒成分を均一に分配できる。

本実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 本実施の形態１に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。 図２のＡ－Ａ断面において本実施の形態１に係る熱交換器の冷媒分配器周辺を観察した図である。 本実施の形態２に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。 比較例に係る冷媒分配器を示す断面図である。 本実施の形態２に係る冷媒分配器を示す断面図である。 本実施の形態２に係る冷媒分配器の別の一例を示す断面図である。 本実施の形態３に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。 本実施の形態３に係る熱交換器の冷媒分配器における第２空間周辺を示す断面図である。 本実施の形態３に係る熱交換器の一例の冷媒分配器周辺を観察した断面図である。 本実施の形態３に係る熱交換器の一例の冷媒分配器周辺を観察した断面図である。 本実施の形態４に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。 本実施の形態４に係る熱交換器の別の一例を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。 本実施の形態５に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。 本実施の形態６に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。

以下、図面を参照して、各実施の形態において、本開示に係る熱交換器の一例について説明する。また、以下、図面を参照して、実施の形態１において、本開示に係る空気調和装置の一例について説明する。なお、以下の図面では、同一の構成要素には同一符号を付して説明している。また、以下の各実施の形態では、重複説明は必要な場合にのみ行う。ここで、本開示に係る熱交換器及び空気調和装置は、以下の各実施の形態で説明する構成のうち、組み合わせ可能な構成のあらゆる組み合わせを含み得る。

実施の形態１．
［空気調和装置１００］
図１は、本実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路図である。
本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、本実施の形態１に係る熱交換器１を備えている。なお、図１では、熱交換器１を室外熱交換器として用いている空気調和装置１００を例示している。詳しくは、空気調和装置１００は、圧縮機１０１と、暖房運転時に凝縮器として機能する室内熱交換器１０５と、凝縮器から流出した冷媒を膨張させる膨張弁１０４と、暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器である熱交換器１と、を備えている。そして、圧縮機１０１、室内熱交換器１０５、膨張弁１０４、及び室外熱交換器である熱交換器１が冷媒配管で接続されて、冷媒が循環する冷媒回路が構成されている。なお、以下では、圧縮機１０１と熱交換器１とを接続する冷媒配管を冷媒配管１２２と称する。また、膨張弁１０４と熱交換器１とを接続する冷媒配管を冷媒配管１２１と称する。

また、本実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路には、圧縮機１０１の吸入側に、余剰冷媒を貯留するアキュムレータ１０７も設けられている。また、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、冷房運転も可能となっている。このため、空気調和装置１００は、四方弁１０２を備えている。四方弁１０２は、圧縮機１０１の吐出口に接続される熱交換器を切り換え、圧縮機１０１の吸入口に接続される熱交換器を切り換えるものである。冷房運転時、室内熱交換器１０５は蒸発器として機能し、室外熱交換器である熱交換器１は凝縮器として機能する。

空気調和装置１００の冷媒回路の各構成は、室外機１１１又は室内機１１２に搭載される。具体的には、圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器である熱交換器１、アキュムレータ１０７が、室外機１１１に搭載されている。室内熱交換器１０５及び膨張弁１０４が、室内機１１２に搭載されている。また、室外機１１１には、室外熱交換器である熱交換器１に室外空気を供給するファン１０３も搭載されている。また、室内機１１２には、室内熱交換器１０５に室内空気を供給するファン１０６も搭載されている。なお、空気調和装置１００は、少なくとも１つの室内機１１２を備えている。図１には、３台の室内機１１２を備えた空気調和装置１００を例示している。空気調和装置１００が複数台の室内機１１２を備える場合、例えば、各室内機１１２は、室外機１１１に並列に接続される。

空気調和装置１００が暖房運転を行う際、冷媒は、図１の破線矢印に示すように循環する。具体的には、空気調和装置１００が暖房運転を行う際、四方弁１０２は、図１に破線で示す流路に切り換わる。これにより、圧縮機１０１の吐出口が室内熱交換器１０５と接続され、圧縮機１０１の吸入口が室外熱交換器である熱交換器１と接続される。すなわち、室内熱交換器１０５が凝縮器として機能する状態となり、室外熱交換器である熱交換器１が蒸発器として機能する状態となる。この状態において、圧縮機１０１で圧縮された高温で高圧なガス冷媒が該圧縮機１０１から吐出されると、この高温で高圧なガス冷媒は、室内熱交換器１０５に流入する。室内熱交換器１０５に流入した高温で高圧なガス冷媒は、ファン１０６から供給される室内空気に放熱しながら凝縮し、高圧な液冷媒となって室内熱交換器１０５から流出する。この際、室内空気が暖められることとなる。

室内熱交換器１０５から流出した高圧な液冷媒は、膨張弁１０４に流入する。そして、膨張弁１０４に流入した高圧な液冷媒は、膨張弁１０４で膨張して低温で低圧な気液二相冷媒となり、膨張弁１０４から流出する。膨張弁１０４から流出した低温で低圧な気液二相冷媒は、冷媒配管１２１を通って、室外熱交換器である熱交換器１へ流入する。室外熱交換器である熱交換器１へ流入した低温で低圧な気液二相冷媒は、ファン１０３から供給される室外空気から吸熱して蒸発し、低圧なガス冷媒として室外熱交換器である熱交換器１から流出する。室外熱交換器である熱交換器１から流出した低圧なガス冷媒は、冷媒配管１２２を通って圧縮機１０１に吸入される。そして、圧縮機１０１に吸入された低圧なガス冷媒は、圧縮機１０１で圧縮され、高温で高圧なガス冷媒となる。この高温で高圧なガス冷媒は、該圧縮機１０１から再び吐出される。

空気調和装置１００が冷房運転を行う際、冷媒は、図１の実線矢印に示すように循環する。具体的には、空気調和装置１００が冷房運転を行う際、四方弁１０２は、図１に実線で示す流路に切り換わる。これにより、圧縮機１０１の吐出口が室外熱交換器である熱交換器１と接続され、圧縮機１０１の吸入口が室内熱交換器１０５と接続される。すなわち、室外熱交換器である熱交換器１が凝縮器として機能する状態となり、室内熱交換器１０５が蒸発器として機能する状態となる。この状態において、圧縮機１０１で圧縮された高温で高圧なガス冷媒が該圧縮機１０１から吐出されると、この高温で高圧なガス冷媒は、冷媒配管１２２を通って、室外熱交換器である熱交換器１に流入する。室外熱交換器である熱交換器１に流入した高温で高圧なガス冷媒は、ファン１０３から供給される室外空気に放熱しながら凝縮し、高圧な液冷媒となって室外熱交換器である熱交換器１から流出する。

室外熱交換器である熱交換器１から流出した高圧な液冷媒は、冷媒配管１２１を通って、膨張弁１０４に流入する。そして、膨張弁１０４に流入した高圧な液冷媒は、膨張弁１０４で膨張して低温で低圧な気液二相冷媒となり、膨張弁１０４から流出する。膨張弁１０４から流出した低温で低圧な気液二相冷媒は、室内熱交換器１０５へ流入する。室内熱交換器１０５へ流入した低温で低圧な気液二相冷媒は、ファン１０６から供給される室内空気から吸熱して蒸発し、低圧なガス冷媒として室内熱交換器１０５から流出する。この際、室内空気が冷やされることとなる。室内熱交換器１０５から流出した低圧なガス冷媒は、圧縮機１０１に吸入される。そして、圧縮機１０１に吸入された低圧なガス冷媒は、圧縮機１０１で圧縮され、高温で高圧なガス冷媒となる。この高温で高圧なガス冷媒は、該圧縮機１０１から再び吐出される。

［熱交換器１］
図２は、本実施の形態１に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。また、図３は、図２のＡ－Ａ断面において本実施の形態１に係る熱交換器の冷媒分配器周辺を観察した図である。なお、図２以降の図に示されている先端黒塗りの矢印は、熱交換器１が蒸発器として用いられる際の、熱交換器１での冷媒の流れ方向を示している。

熱交換器１は、冷媒分配器１０と、複数の伝熱管２と、複数のフィン３と、合流管４とを備えている。空気調和装置１００に熱交換器１が搭載された際、冷媒分配器１０は、例えば水平方向に配置される。複数の伝熱管２は、間隔を空けて並べられている。各伝熱管２の一方の端部は、冷媒分配器１０に接続されている。本実施の形態１では、各伝熱管２の下端が、冷媒分配器１０に接続されている。複数のフィン３は、隣接する２つの伝熱管２の間に設けられ、これらの伝熱管２と接続されている。合流管４は、各伝熱管２の他方の端部が接続されるものである。本実施の形態１では、各伝熱管２の上端が、合流管４に接続されている。

熱交換器１が蒸発器として用いられる場合、外部から熱交換器１に流入する冷媒は、まず、冷媒分配器１０に流入する。冷媒分配器１０に流入した冷媒は、各伝熱管２に分配され、各伝熱管２を流れる。各伝熱管２を流れる冷媒は、伝熱管２及びフィン３を介して、空気と熱交換する。そして、各伝熱管２から流出した冷媒は、合流管４で合流し、合流管４から熱交換器１の外部へ流出する。また、熱交換器１が凝縮器として用いられる場合、外部から熱交換器１に流入する冷媒は、合流管４に流入する。合流管４に流入した冷媒は、各伝熱管２に分配され、各伝熱管２を流れる。各伝熱管２を流れる冷媒は、伝熱管２及びフィン３を介して、空気と熱交換する。そして、各伝熱管２から流出した冷媒は、冷媒分配器１０で合流し、冷媒分配器１０から熱交換器１の外部へ流出する。このため、冷媒分配器１０には冷媒配管１２１が接続され、合流管４には冷媒配管１２２が接続されている。

［冷媒分配器１０］
上述のように、熱交換器１が蒸発器として用いられる場合、外部から冷媒分配器１０に流入した冷媒が、各伝熱管２に分配される。すなわち、冷媒分配器１０は、気液二相冷媒を各伝熱管２に分配することとなる。気液二相冷媒を各伝熱管２に分配する際、熱交換器１の熱交換性能が低下することを抑制するには、気液二相冷媒の液冷媒成分を各伝熱管２へ均一に分配することが重要となる。このため、本実施の形態１に係る熱交換器１においては、図２に示すように冷媒分配器１０が構成されている。具体的には、冷媒分配器１０は、２重管構造となっており、外管２０、内管３０及び第１仕切り１１を備えている。

外管２０は、両端部が閉塞された管状部材である。外管２０には、該外管２０の長手方向に間隔を空けて、複数の伝熱管２のそれぞれが接続される複数の接続部２１が設けられている。すなわち、複数の伝熱管２は、外管２０の長手方向に間隔を空けて並んでいる。ここで、外管２０の長手方向とは、外管２０の延びる方向であり、外管２０の管軸方向である。図２では、紙面左右方向が外管２０の長手方向となっている。なお、外管２０は、少なくとも一部が曲がっていてもよい。この場合、外管２０の任意の位置で長手方向を規定する場合、当該位置での管軸方向が長手方向となる。

内管３０は、一方の端部である第１端部３１が少なくとも開口した管状部材である。換言すると、内管３０は、少なくとも第１端部３１に開口部３１ａが形成された管状部材である。本実施の形態１では、内管３０は、両端部が開口した管状部材となっている。すなわち、本実施の形態１では、内管３０における第１端部３１とは反対側の端部である第２端部３２も開口している。換言すると、本実施の形態１では、内管３０の第２端部３２には、開口部３２ａが形成されている。また、内管３０は、外管２０の内部に設けられている。内管３０が外管２０の内部に設けられている状態において、第１端部３１の開口部３１ａは、外管２０の内部空間に連通している。また、内管３０が外管２０の内部に設けられている状態において、第２端部３２の開口部３２ａは、外管２０の端部で閉塞されている。また、内管３０の外周部には、冷媒流出孔とも呼ばれる複数の第１オリフィス３０ａが形成されている。複数の第１オリフィス３０ａは、内管３０の管軸方向に間隔を空けて形成されている。

詳細は後述するが、このように構成された冷媒分配器１０においては、内管３０の内部を流れる気液二相冷媒は、複数の第１オリフィス３０ａを通って、内管３０の外周面と外管２０の内周面との間の空間に流出する。そして、内管３０の外周面と外管２０の内周面との間の空間に流出した気液二相冷媒は、外管２０の各接続部２１を通って、各伝熱管２へ流入していく。

このように各伝熱管２へ気液二相冷媒を分配する場合、複数の第１オリフィス３０ａの形成位置は特に限定されないが、図２に示す位置に複数の第１オリフィス３０ａを形成するのが好ましい。詳しくは、各第１オリフィス３０ａは、内管３０の管軸方向において、隣接する２つの伝熱管２の間となる位置に形成されているのが好ましい。図２に示すように各第１オリフィス３０ａを形成することにより、伝熱管２の直下に第１オリフィス３０ａを形成した場合と比べ、内管３０の外周面と外管２０の内周面との間の空間に流出した気液二相冷媒のガス冷媒成分と液冷媒成分とが、該空間で混合された後に各伝熱管２へ流入しやすくなる。このため、図２に示すように各第１オリフィス３０ａを形成することにより、気液二相冷媒の液冷媒成分を各伝熱管２へより均一に分配することができる。

また、上述のように各伝熱管２へ気液二相冷媒を分配する場合、内管３０がたわんでいる場合等、外管２０の管軸に対する内管３０の管軸の傾きが大きくなっている場合、気液二相冷媒の液冷媒成分を各伝熱管２へ均一に分配することの効果が低減する。内管３０の内部において気液二相冷媒の液冷媒成分が偏って流れやすくなり、内管３０の外周面と外管２０の内周面との間の空間において気液二相冷媒の液冷媒成分が偏って流れやすくなるからである。このため、本実施の形態１に係る冷媒分配器１０においては、内管３０の両端部周辺を保持し、外管２０の管軸に対する内管３０の管軸の傾きが大きくなることを抑制している。これにより、気液二相冷媒の液冷媒成分を各伝熱管２へより均一に分配することができる。

具体的には、外管２０の内部には、第１仕切り１１が設けられている。また、第１仕切り１１には、第１貫通孔１１ａが形成されている。そして、内管３０の第１端部３１周辺は、第１仕切り１１の第１貫通孔１１ａに挿入されている。これにより、内管３０の第１端部３１周辺は、第１仕切り１１によって保持されている。また、内管３０の第２端部３２は、外管２０の端部に固定される等により、外管２０に保持されている。

また、図３に示すように、第１仕切り１１は、内管３０の外周面と外管２０の内周面との間を閉塞している。このため、図２に示すように、第１仕切り１１によって、外管２０の内部は、主空間４０と第１空間４１とに仕切られている。主空間４０は、複数の第１オリフィス３０ａ及び複数の接続部２１が連通する空間である。第１空間４１は、複数の第１オリフィス３０ａ及び複数の接続部２１が開口しておらず、内管３０の第１端部３１の開口部３１ａが連通する空間である。そして、本実施の形態１に係る冷媒分配器１０においては、外部から冷媒分配器１０に流入した冷媒は、一旦、第１空間４１に供給される構成となっている。すなわち、本実施の形態１に係る冷媒分配器１０においては、外部から第１空間４１に供給された冷媒が、内管３０の内部、複数の第１オリフィス３０ａ、主空間４０及び複数の接続部２１を通って、複数の伝熱管２に流入する構成となっている。

なお、本実施の形態１では、外管２０は、第１空間４１と連通する接続部２２を備えている。そして、当該接続部２２に、冷媒配管１２１が接続されている。これにより、熱交換器１が蒸発器として用いられる場合、冷媒配管１２１から冷媒分配器１０の第１空間４１に、気液二相冷媒が供給される。このように外管２０に冷媒配管１２１を接続する場合、図２に示すように、外管２０に冷媒配管１２１を接続するのが好ましい。具体的には、冷媒配管１２１は、伝熱管２の延伸方向に沿って配置され、外管２０に接続されるのが好ましい。このように外管２０に冷媒配管１２１を接続することにより、複数の伝熱管２の並び方向において、冷媒配管１２１の占有長さが小さくなる。このため、このように外管２０に冷媒配管１２１を接続することにより、空気調和装置１００における熱交換器１及び冷媒配管１２１の設置スペースにおいて、より多くの伝熱管２を並べることができる。したがって、このように外管２０に冷媒配管１２１を接続することにより、熱交換器１における伝熱管２の実装性を向上させることができる。

ここで、従来の熱交換器においても、気液二相冷媒の液冷媒成分の各伝熱管への均一な分配を目的として、２重管構造の冷媒分配器を備えたものが知られている。しかしながら、従来の２重管構造の冷媒分配器は、外管内に第１空間４１が形成されておらず、外部の冷媒が内管に直接流入する構成となっている。このため、従来の２重管構造の冷媒分配器を備えた熱交換器は、気液二相冷媒の液冷媒成分が内管の内部において偏って流れる場合等、内管の内部を流れる気液二相冷媒の状態によっては、未だ、気液二相冷媒の液冷媒成分の各伝熱管への分配が不均一となり、熱交換器の熱交換性が低下してしまう。

一方、本実施の形態１に係る熱交換器１においては、外部から冷媒分配器１０の第１空間４１に流入した気液二相冷媒は、ガス冷媒成分と液冷媒成分とが該第１空間４１で混合される。そして、ガス冷媒成分と液冷媒成分とが混合された気液二相冷媒が、内管３０の内部を流れ、第１オリフィス３０ａ、主空間４０、及び外管２０の接続部２１を通って、複数の伝熱管２に分配される。このため、本実施の形態１に係る熱交換器１においては、気液二相冷媒の液冷媒成分が内管３０の内部において偏って流れることを抑制でき、安定した状態の気液二相冷媒を内管３０に流動させることができる。したがって、本実施の形態１に係る熱交換器１は、従来と比べ、各伝熱管２へ、気液二相冷媒の液冷媒成分を均一に分配できる。

以上、本実施の形態１に係る熱交換器１は、複数の伝熱管２と、外管２０と、内管３０と、第１仕切り１１とを備えている。外管２０には、複数の伝熱管２のそれぞれが接続される複数の接続部２１が長手方向に間隔を空けて設けられている。内管３０には、外周部に複数の第１オリフィス３０ａが形成されている。内管３０は、外管２０の内部に設けられている。第１仕切り１１には、内管３０が挿入された第１貫通孔１１ａが形成されている。第１仕切り１１は、外管２０の内部を主空間４０と第１空間４１とに仕切っている。主空間４０は、複数の第１オリフィス３０ａ及び複数の接続部２１が連通する空間である。第１空間４１は、複数の第１オリフィス３０ａ及び複数の接続部２１が開口しておらず、内管３０の第１端部３１の開口部３１ａが連通する空間である。そして、本実施の形態１に係る冷媒分配器１０においては、第１空間４１に供給された冷媒が、内管３０の内部、複数の第１オリフィス３０ａ、主空間４０及び複数の接続部２１を通って、複数の伝熱管２に流入する構成となっている。

このように構成された熱交換器１においては、気液二相冷媒の液冷媒成分が内管３０の内部において偏って流れることを抑制でき、安定した状態の気液二相冷媒を内管３０に流動させることができる。したがって、本実施の形態１に係る熱交換器１は、従来と比べ、各伝熱管２へ、気液二相冷媒の液冷媒成分を均一に分配できる。

なお、本実施の形態１では、熱交換器１は、空気調和装置１００の室外熱交換器として用いられていた。これに限らず、熱交換器１は、空気調和装置１００の室内熱交換器１０５として用いられてもよい。また、例えば、空気調和装置１００の室外熱交換器及び室内熱交換器１０５の双方に、熱交換器１が用いられていてもよい。

実施の形態２．
本実施の形態２に示すように、冷媒分配器１０の外管２０の内部に第２空間４２をさらに形成することにより、各伝熱管２へ、気液二相冷媒の液冷媒成分をさらに均一に分配することが可能となる。なお、本実施の形態２において言及されていない事項は、実施の形態１と同様とする。

図４は、本実施の形態２に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。
本実施の形態２に係る熱交換器１は、実施の形態１の構成に加え、冷媒分配器１０に第２仕切り１２を備えている。第２仕切り１２は、外管２０の内部に設けられている。また、第２仕切り１２には、第２貫通孔１２ａが形成されている。そして、内管３０の第２端部３２周辺は、第２仕切り１２の第２貫通孔１２ａに挿入されている。これにより、内管３０の第２端部３２周辺は、第２仕切り１２によって保持されている。

また、第２仕切り１２は、内管３０の外周面と外管２０の内周面との間を閉塞している。このため、第２仕切り１２によって、外管２０の内部は、主空間４０と第２空間４２とに仕切られている。主空間４０は、実施の形態１で説明したように、複数の第１オリフィス３０ａ及び複数の接続部２１が連通する空間である。第２空間４２は、複数の第１オリフィス３０ａ及び複数の接続部２１が開口しておらず、内管３０の第２端部３２の開口部３２ａが連通する空間である。

第２空間４２は、内管３０の内部空間よりも、内管３０の管軸に垂直な方向の断面が大きい空間である。第２空間４２が形成された冷媒分配器１０においては、内管３０を流れる気液二相冷媒は、第２端部３２の開口部３２ａから第２空間４２に流入し、外管２０の端部に衝突する。このとき、第２空間４２に、気液二相冷媒の液冷媒成分が集められることとなる。このため、冷媒分配器１０の外管２０の内部に第２空間４２を形成することにより、複数の第１オリフィス３０ａのうち、第２端部３２付近の第１オリフィス３０ａに気液二相冷媒の液冷媒成分が多く分配されてしまうことを抑制できる。したがって、冷媒分配器１０の外管２０の内部に第２空間４２を形成することにより、各伝熱管２へ、気液二相冷媒の液冷媒成分をさらに均一に分配することが可能となる。

発明者らは、外管２０の内部に第２空間４２を形成することによる上述の冷媒分配改善効果のメカニズムを、冷媒分配器１０を流れる気液二相冷媒の流動挙動の可視化実験によって解明した。以下、発明者らが解明した上述の冷媒分配改善効果のメカニズムを、図５及び図６を用いて説明する。

図５は、比較例に係る冷媒分配器を示す断面図である。また、図６は、本実施の形態２に係る冷媒分配器を示す断面図である。なお、比較例に係る冷媒分配器２１０を説明する際、本実施の形態２に係る冷媒分配器１０の構成と同一の構成には、本実施の形態２に係る冷媒分配器１０の構成と同一の符号を付すこととする。
比較例に係る冷媒分配器２１０は、外管２０の内部に第２空間４２が形成されていない。このため、比較例に係る冷媒分配器２１０においては、内管３０の第２端部３２の開口部３２ａは、外管２０の端部で閉塞されている。比較例に係る冷媒分配器２１０のこれ以外の構成は、本実施の形態２に係る冷媒分配器１０と同じである。

内管３０内の気液二相冷媒の流速が高く、内管３０を流れる気液二相冷媒に作用する慣性力が大きい場合等、内管３０の第２端部３２に、気液二相冷媒の液冷媒成分が過剰に流れ込む場合がある。内管３０の第２端部３２に気液二相冷媒の液冷媒成分が過剰に流れ込む場合、第２空間４２が形成されていない比較例に係る冷媒分配器２１０においては、内管３０の第２端部３２に流れてきた気液二相冷媒の液冷媒成分は、外管２０の端部に衝突した後、第２端部３２付近の第１オリフィス３０ａから主空間４０へ流出する。このため、内管３０の第２端部３２に気液二相冷媒の液冷媒成分が過剰に流れ込む場合、比較例に係る冷媒分配器２１０においては、複数の第１オリフィス３０ａのうち、第２端部３２付近の第１オリフィス３０ａに気液二相冷媒の液冷媒成分が多く分配されてしまう。

一方、第２空間４２が形成されている本実施の形態２に係る冷媒分配器１０においては、内管３０の第２端部３２に流れてきた気液二相冷媒の液冷媒成分は、第２端部３２の開口部３２ａから第２空間４２に流入し、外管２０の端部に衝突する。そして、第２空間４２に流入した気液二相冷媒の液冷媒成分は、第２空間４２に溜まる。すなわち、第２空間４２が気液二相冷媒の液冷媒成分を集める淀み空間として機能する。淀み空間は、バッファタンクと表現することもできる。また、内管３０を流れる気液二相冷媒は脈動しているため、ある時間がたつと、第２空間４２に溜まった液冷媒成分の一部は、逆流して上流側の内管３０の第１オリフィス３０ａへと流れていく。したがって、時間平均でみると、冷媒分配器１０の外管２０の内部に第２空間４２を形成することにより、各伝熱管２へ、気液二相冷媒の液冷媒成分をさらに均一に分配することが可能となる。

ここで、本実施の形態２のように外管２０の内部に第１空間４１及び第２空間４２を形成する場合、第１空間４１及び第２空間４２の大きさは、次のような関係になっていることが好ましい。詳しくは、図４に示すように、第１空間４１における外管２０の長手方向の長さを、長さＬ１と定義する。また、第２空間４２における外管２０の長手方向の長さを、長さＬ２と定義する。このように長さＬ１及び長さＬ２を定義した場合、長さＬ１は長さＬ２よりも長いことが好ましい。なぜならば、第２空間４２は、外管２０の内部に形成されていることが重要であって、長さＬ２が小さくても上述の効果を得ることができる。また、長さＬ２を小さくすることにより、空気調和装置１００における熱交換器１の設置スペースにおいて、より多くの伝熱管２を並べることができる。このため、長さＬ２を小さくすることにより、熱交換器１における伝熱管２の実装性を向上させることができる。したがって、長さＬ１は長さＬ２よりも長いことが好ましい。

また、本実施の形態２のように外管２０の内部に第１空間４１及び第２空間４２を形成する場合、求められる効果に応じて、第１仕切り１１に対する内管３０の第１端部３１の挿入状態、及び、第２仕切り１２に対する内管３０の第２端部３２の挿入状態を、つぎのように決定すればよい。

例えば、冷媒分配器１０の組立の容易性が要求される場合、図４に示すように、内管３０の第１端部３１は第１空間４１に突出しており、内管３０の第２端部３２は第２空間４２に突出しているのがよい。これにより、冷媒分配器１０を組み立てる際、第１仕切り１１及び第２仕切り１２から内管３０がはずれてしまうことを抑制できる。また、これにより、冷媒分配器１０を組み立てた際、外管２０の管軸に対する内管３０の管軸の傾きが大きくなることを抑制できる。

このとき、内管３０の第１端部３１の第１空間４１への突出長さ、及び、内管３０の第２端部３２の第２空間４２への突出長さは、例えば、次のようになっているのが好ましい。詳しくは、図４に示すように、内管３０の第１空間４１へ突出している長さを、突出長さｔ１と定義する。また、内管３０の第２空間４２へ突出している長さを、突出長さｔ２と定義する。このように突出長さｔ１及び突出長さｔ２を定義した場合、突出長さｔ１は、突出長さｔ２よりも短いことが好ましい。突出長さｔ１を突出長さｔ２よりも短くすることにより、各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分を均一に分配するために空間容積が大きい方が好ましい第１空間４１を、大きく形成できる。また、突出長さｔ１を突出長さｔ２よりも短くする場合、冷媒分配器１０の組立時、外管２０における第１空間４１が形成される側の端部から、内管３０を外管２０へ挿入する構成とすることが好ましい。第１仕切り１１及び第２仕切り１２のうち、組立時に奥側となる第２仕切りに内管３０を挿入することが容易となり、冷媒分配器１０の組立がより容易となるからである。

また、各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分をさらに均一に分配したい場合には、第１仕切り１１に対する内管３０の第１端部３１の挿入状態、及び、第２仕切り１２に対する内管３０の第２端部３２の挿入状態を、図７に示すようにするとよい。

図７は、本実施の形態２に係る冷媒分配器の別の一例を示す断面図である。
図７に示す冷媒分配器１０においては、内管３０の第１端部３１は、第１仕切り１１の第１貫通孔１１ａの内部に配置されている。換言すると、内管３０の第１端部３１は、第１空間４１に突出していない。同様に、図７に示す冷媒分配器１０においては、内管３０の第２端部３２は、第２仕切り１２の第２貫通孔１２ａの内部に配置されている。換言すると、内管３０の第２端部３２は、第２空間４２に突出していない。

このように冷媒分配器１０を構成することにより、第１空間４１及び第２空間４２に内管３０が突出している場合と比べ、第１空間４１及び第２空間４２を大きく形成することができる。このため、このように冷媒分配器１０を構成することにより、各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分をさらに均一に分配することができる。なお、実施の形態１で示した熱交換器１においても、図７で示すように、第１仕切り１１で内管３０を保持してもよい。これにより、第１空間４１に内管３０が突出している場合と比べ、第１空間４１を大きく形成することができ、各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分をさらに均一に分配することができる。

実施の形態３．
熱交換器１が第２仕切り１２を備えている場合、本実施の形態３のように、第２仕切り１２に第２オリフィス１２ｂを形成してもよい。なお、本実施の形態３において言及されていない事項は、実施の形態１又は実施の形態２と同様とする。

図８は、本実施の形態３に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。図９は、本実施の形態３に係る熱交換器の冷媒分配器における第２空間周辺を示す断面図である。
本実施の形態３に係る熱交換器１は、実施の形態２で示した熱交換器１と同様に第２仕切り１２を備え、外管２０の内部に第２空間４２が形成されている。さらに、本実施の形態３に係る熱交換器１においては、第２仕切り１２には、主空間４０と第２空間４２とを連通させる少なくとも１つの第２オリフィス１２ｂが形成されている。

実施の形態２で説明したように、外管２０の内部に第２空間４２が形成されていることにより、内管３０の第２端部３２に気液二相冷媒の液冷媒成分が過剰に流れ込む場合、気液二相冷媒の液冷媒成分を第２空間４２に溜めることで、各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分を均一に分配することができる。この際、実施の形態２で示した熱交換器１においては、内管３０を流れる気液二相冷媒の脈動により、第２空間４２に溜まった液冷媒成分の一部が逆流して、内管３０に戻る。本実施の形態３に係る熱交換器１においては、第２空間４２に溜まった液冷媒成分の一部は、さらに、第２オリフィス１２ｂを通って、主空間４０に流入することができる。このため、第２仕切り１２に第２オリフィス１２ｂを形成することにより、第２空間４２を形成して各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分を均一に分配する際、各伝熱管２へ、より多くの液冷媒成分を分配することができる。このため、第２仕切り１２に第２オリフィス１２ｂを形成することにより、熱交換器１の熱交換性能の低下をさらに抑制できる。

なお、上述のように、第２仕切り１２には、少なくとも１つの第２オリフィス１２ｂが形成されていればよい。すなわち、第２仕切り１２には、１つの第２オリフィス１２ｂが形成されていてもよいし、複数の第２オリフィス１２ｂが形成されていてもよい。ここで、第２仕切り１２に第２オリフィス１２ｂを形成する場合、次のような位置に第２オリフィス１２ｂを形成するとよい。以下に、第２オリフィス１２ｂの好適な形成位置を、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１０及び図１１は、本実施の形態３に係る熱交換器の一例の冷媒分配器周辺を観察した断面図である。これらの図１０及び図１１は、外管２０の長手方向と垂直な断面において、本実施の形態３に係る熱交換器の一例の冷媒分配器周辺を観察した図となっている。さらに詳しくは、これらの図１０及び図１１は、図８に示すＢ－Ｂ断面において、本実施の形態３に係る熱交換器の一例の冷媒分配器周辺を観察した図となっている。

図１０及び図１１に示すように、外管２０の長手方向と垂直な断面において、第２オリフィス１２ｂは、内管３０に形成された第１オリフィス３０ａと干渉しない位置に形成されているのが好ましい。外管２０の長手方向と垂直な断面において第１オリフィス３０ａと干渉しない位置とは、第１オリフィス３０ａの軸心３０ｂの延長線上でない位置である。このような位置に第２オリフィス１２ｂを形成することにより、第２オリフィス１２ｂから主空間４０に流入する冷媒の流れと、第１オリフィス３０ａから主空間４０に流入する冷媒の流れとが干渉することを、抑制できる。この結果、主空間４０内での冷媒の流れが安定し、各伝熱管２へ気液二相冷媒の液冷媒成分をより均一に分配することができる。

また、第２オリフィス１２ｂは、大きく形成されているほど、第２空間４２に溜まった液冷媒成分の多くを、第２オリフィス１２ｂから主空間４０に流入させることができる。このため、第２オリフィス１２ｂは、例えば、以下のような大きさであることが好ましい。詳しくは、複数の第１オリフィス３０ａのうちの１つの開口面積を、開口面積Ｓ１と定義する。また、全ての第２オリフィス１２ｂの開口面積の総和を、開口面積Ｓ２と定義する。このように開口面積Ｓ１及び開口面積Ｓ２を定義した場合、開口面積Ｓ２は、開口面積Ｓ１よりも大きいことが好ましい。すなわち、全ての第２オリフィス１２ｂの冷媒の流量の総和が、第１オリフィス３０ａ１つ当たりの冷媒の流量よりも大きくなることが好ましい。

実施の形態４．
熱交換器１は、本実施の形態４のように、中間仕切り１３を備えていてもよい。なお、本実施の形態４において言及されていない事項は、実施の形態１～実施の形態３のいずれかと同様とする。

図１２は、本実施の形態４に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。
本実施の形態４に係る熱交換器１は、少なくとも１つの中間仕切り１３を備えている。中間仕切り１３は、外管２０の内部において、第１仕切り１１と第２仕切り１２との間に設けられている。また、中間仕切り１３には、中間仕切り貫通孔１３ａが形成されている。そして、内管３０の途中部は、中間仕切り１３の中間仕切り貫通孔１３ａに挿入されている。すなわち、中間仕切り１３は、内管３０の途中部を保持すると共に、主空間４０を複数の空間に仕切っている。以下、これらの空間を主空間部分４０ａと称する。

中間仕切り１３を備えることにより、内管３０が長い場合でも、内管３０のたわみ等によって外管２０の管軸に対する内管３０の管軸の傾きが大きくなることを抑制できる。このため、中間仕切り１３を備えることにより、内管３０が長い場合でも、気液二相冷媒の液冷媒成分を各伝熱管２へ均一に分配することができる。

図１３は、本実施の形態４に係る熱交換器の別の一例を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。
本実施の形態４に係る熱交換器１においては、図１３に示すように中間仕切り１３に少なくとも１つの中間仕切りオリフィス１３ｂが形成されていてもよいし、図１２に示すように中間仕切り１３に中間仕切りオリフィス１３ｂが形成されていなくてもよい。なお、中間仕切りオリフィス１３ｂは、隣接する主空間部分４０ａを連通させる貫通孔である。

中間仕切り１３に中間仕切りオリフィス１３ｂが形成されているか否かによって、それぞれ異なる効果を得ることができる。例えば、図１２に示すように、中間仕切り１３に中間仕切りオリフィス１３ｂが形成されていない場合、内管３０に形成された複数の第１オリフィス３０ａによる流体抵抗の調整効果が向上する。この結果、気液二相冷媒の液冷媒成分を各伝熱管２へより均一に分配することができる。一方、実施の形態１の空気調和装置１００で説明したように、熱交換器１を凝縮器としても使用する場合には、冷媒分配器１０は、各伝熱管２から冷媒分配器１０へ流出した冷媒を合流させる合流管として機能する。このような場合、図１３に示すように、中間仕切り１３に少なくとも１つの中間仕切りオリフィス１３ｂが形成されていることで、冷媒分配器１０の流体抵抗を低減することができる。

実施の形態５．
熱交換器１が第２仕切り１２を備えている場合、本実施の形態５のように熱交換器１を構成してもよい。なお、本実施の形態５において言及されていない事項は、実施の形態１～実施の形態４のいずれかと同様とする。

図１４は、本実施の形態５に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。
本実施の形態５に係る熱交換器１においては、第１空間４１に加え、第２空間４２にも気液二相冷媒が供給される構成となっている。このため、本実施の形態５に係る熱交換器１においては、第１空間４１に供給された冷媒、及びら第２空間４２に供給された冷媒が、内管３０の内部、複数の第１オリフィス３０ａ、主空間４０及び複数の接続部２１を通って、複数の伝熱管２に流入する構成となっている。

なお、本実施の形態５では、外管２０は、第２空間４２と連通する接続部２３を備えている。そして、当該接続部２３に、冷媒配管１２１が接続されている。これにより、熱交換器１が蒸発器として用いられる場合、冷媒配管１２１から冷媒分配器１０の第２空間４２に、気液二相冷媒が供給される。

本実施の形態５のように冷媒分配器１０の両端側から気液二相冷媒が流入する構成とすることにより、冷媒分配器１０の片側から気液二相冷媒が流入する構成と比べ、以下のような効果が得られる。外管２０の管軸に対する内管３０の管軸が傾くことに起因する気液二相冷媒の液冷媒成の偏った流れを抑制でき、熱交換器１の熱交換性能の低下を抑制できる。内管３０を流れる気液二相冷媒の流れ方向において下流端周辺に位置する第１オリフィス３０ａに、慣性力の影響によって気液二相冷媒の液冷媒成が偏って分配されることを抑制することができ、熱交換器１の熱交換性能の低下を抑制できる。上述のように、熱交換器１が凝縮器として用いられる場合、冷媒分配器１０は、各伝熱管２から冷媒分配器１０へ流出した冷媒を合流させる合流管として機能する。このような場合、冷媒分配器１０の流体抵抗を大幅に低減することができる。また、本実施の形態５に係る冷媒分配器１０は、第２空間４２が形成されているので、冷媒分配器１０の両端側から気液二相冷媒が流入する構成とする際に、冷媒分配器１０の両端への冷媒配管１２１の接続が容易となる。

実施の形態６．
熱交換器１は、本実施の形態６に示すようにフィンレス熱交換器であってもよい。なお、本実施の形態６において言及されていない事項は、実施の形態１～実施の形態５のいずれかと同様とする。

図１５は、本実施の形態６に係る熱交換器を側方から観察した模式図であり、一部を断面とした図である。
本実施の形態６に係る熱交換器１は、フィン３が設けられていない、フィンレス熱交換器となっている。具体的には、本実施の形態６に係る熱交換器１は、実施の形態１～実施の形態５のいずれかで示した熱交換器１からフィン３が取り外された構成となっている。なお、図１５は、実施の形態５で示した熱交換器１からフィン３が取り外されている例を示している。

フィンレス熱交換器では、伝熱面積を増加させるため、伝熱管の高密度実装が重要となる。このため、フィンレス熱交換器は、フィンを備えた熱交換器と比べ、伝熱管の本数が増加する。このため、フィンレス熱交換器の冷媒分配器として、気液二相冷媒の液冷媒成分を従来よりも均一に各伝熱管２へ分配できる実施の形態１～実施の形態５のいずれかで示した冷媒分配器１０は、好適である。

１ 熱交換器、２ 伝熱管、３ フィン、４ 合流管、１０ 冷媒分配器、１１ 第１仕切り、１１ａ 第１貫通孔、１２ 第２仕切り、１２ａ 第２貫通孔、１２ｂ 第２オリフィス、１３ 中間仕切り、１３ａ 中間仕切り貫通孔、１３ｂ 中間仕切りオリフィス、２０ 外管、２１ 接続部、２２ 接続部、２３ 接続部、３０ 内管、３０ａ 第１オリフィス、３０ｂ 軸心、３１ 第１端部、３１ａ 開口部、３２ 第２端部、３２ａ 開口部、４０ 主空間、４０ａ 主空間部分、４１ 第１空間、４２ 第２空間、１００ 空気調和装置、１０１ 圧縮機、１０２ 四方弁、１０３ ファン、１０４ 膨張弁、１０５ 室内熱交換器、１０６ ファン、１０７ アキュムレータ、１１１ 室外機、１１２ 室内機、１２１ 冷媒配管、１２２ 冷媒配管、２１０ 冷媒分配器（比較例）。

Claims (12)

1. 複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管のそれぞれが接続される複数の接続部が長手方向に間隔を空けて設けられた外管と、
   外周部に複数の第１オリフィスが形成され、前記外管の内部に設けられた内管と、
   前記内管が挿入された第１貫通孔が形成され、前記外管の内部を主空間と第１空間とに仕切る第１仕切りと、
   前記内管が挿入された第２貫通孔が形成され、前記外管の内部を前記主空間と第２空間とに仕切る第２仕切りと、
   を備え、
   前記主空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が連通する空間であり、
   前記第１空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が開口しておらず、前記内管の一方の端部である第１端部の開口部が連通する空間であり、
   前記第１空間に供給された冷媒が、前記内管の内部、前記複数の第１オリフィス、前記主空間及び前記複数の接続部を通って、前記複数の伝熱管に流入する構成であり、
   前記第２空間は、前記複数の第１オリフィス及び前記複数の接続部が開口しておらず、前記内管における前記第１端部とは反対側の端部である第２端部の開口部が連通する空間である
   熱交換器。
2. 前記第１空間の前記長手方向の長さを長さＬ１とし、前記第２空間の前記長手方向の長さを長さＬ２としたとき、
   前記長さＬ１は、前記長さＬ２よりも長い
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１仕切りと前記第２仕切りとの間に設けられ、前記主空間を複数の主空間部分に仕切る中間仕切りを備えている
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記中間仕切りには、隣接する前記主空間部分を連通させる少なくとも１つの中間仕切りオリフィスが形成されている
   請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第２仕切りには、前記主空間と前記第２空間とを連通させる少なくとも１つの第２オリフィスが形成されている
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記複数の第１オリフィスのうちの１つの開口面積を開口面積Ｓ１とし、
   全ての前記第２オリフィスの開口面積の総和を開口面積Ｓ２としたとき、
   前記開口面積Ｓ２は、前記開口面積Ｓ１よりも大きい
   請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１空間に供給された冷媒、及び前記第２空間に供給された冷媒が、前記内管の内部、前記複数の第１オリフィス、前記主空間及び前記複数の接続部を通って、前記複数の伝熱管に流入する構成である
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
8. 前記内管の前記第１端部は、前記第１空間に突出しており、
   前記内管の前記第２端部は、前記第２空間に突出している
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
9. 前記内管の前記第１空間へ突出している長さを突出長さｔ１とし、
   前記内管の前記第２空間へ突出している長さを突出長さｔ２としたとき、
   前記突出長さｔ１は、前記突出長さｔ２よりも短い
   請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記内管の前記第２端部は、前記第２仕切りの前記第２貫通孔の内部に配置されている
    請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
11. 前記内管の前記第１端部は、前記第１仕切りの前記第１貫通孔の内部に配置されている
    請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
12. 請求項１又は請求項２に記載の熱交換器を備えている
    空気調和装置。

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