JPWO2016092655A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

冷凍サイクル装置は、冷媒が流通し、圧縮機、第１の熱交換器、膨張部及び第２の熱交換器が配管により接続された冷媒回路を備え、第１の熱交換器は、複数の主放熱フィンと、内部に冷媒が流通する主流路を有する複数の主管と、を有する主ユニットと、複数の副放熱フィンと、内部に冷媒が流通する副流路を有する複数の副管と、を有する副ユニットと、複数の主管に接続された吸入側ヘッダと、複数の主管と複数の副管とを接続する接続ユニットと、複数の副管に接続された吐出側ヘッダと、を備え、第１の熱交換器は、冷媒が、主ユニット、接続ユニット、及び副ユニットを順に介して吸入側ヘッダから吐出側ヘッダに流通するように構成されており、下記式（１）の関係を満たすように構成されている。
【数１】

Description

本発明は、空気と冷媒とを熱交換する熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置等に使用される熱交換器の一つとして、フィンチューブ型熱交換器が提案されている。フィンチューブ型熱交換器は、冷媒が流通するチューブが、間隔を空けて配置された複数の放熱フィンに挿通されている熱交換器である。このフィンチューブ型熱交換器においては、放熱フィン同士の間に空気が流通しており、空気とチューブ内に流通する冷媒とが熱交換する。

このようなフィンチューブ型熱交換器として、特許文献１には、複数の扁平管の一端に第１ヘッダ集合管が接続され、複数の扁平管の他端に第２ヘッダ集合管が接続され、第１ヘッダ集合管と第２ヘッダ集合管との間に、複数のフィンが設置された熱交換器が開示されている。この特許文献１の熱交換器は、上側熱交換領域と下側熱交換領域とに区画され、更に、上側熱交換領域及び下側熱交換領域が、夫々重力方向に分割されている。そして、熱交換器が凝縮器として作用する場合、上側熱交換領域における上方に流通する冷媒が、下側熱交換領域の下方に流入し、上側熱交換領域における下方に流通する冷媒が下側熱交換領域の上方に流入する。

また、特許文献２には、特許文献１と同様に、扁平管が使用された上側熱交換領域（主熱交換部）と、扁平管が使用された下側熱交換領域（補助熱交換部）とに区画された熱交換器が開示されている。特許文献２は、凝縮器として使用される場合、冷媒は主熱交換部から補助熱交換部の順に流通し、蒸発器として使用される場合、凝縮器とは逆に、冷媒は補助熱交換部から主熱交換部の順に流通する。この特許文献２の熱交換器は、補助熱交換部の割合が０〜３５％とされている。このように、特許文献１及び特許文献２は、いずれも扁平管が使用されている。

特開２０１２−１６３３２８号公報（請求項１） 特開２０１３−８３４１９号公報（請求項１）

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された熱交換器は、いずれも、使用されるチューブが扁平管である。このため、冷媒が流通する流路断面積が小さくなり、扁平管の本数を増やす必要がある。これにより、扁平管の総流路長さが長くなるため、扁平管内の圧力損失が増加してしまう。従って、冷媒を分岐する分岐数を増やし、冷媒の流路数（パス数）を増加させる必要がある。また、熱交換器が凝縮器として作用する場合、熱交換器において冷媒が過冷却液になった場合、冷媒の流路数が多いと、一つの流路における流速が小さくなる。このため、仮に主熱交換部と補助熱交換部との伝熱面積の割合を適正化しても、扁平管内の熱伝達率が低下し、熱交換効率が低下する。

本発明は、上記のような課題を背景としてなされたもので、圧力損失を低減しつつ熱交換効率を向上させる熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供するものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒が流通し、圧縮機、第１の熱交換器、膨張部及び第２の熱交換器が配管により接続された冷媒回路を備え、第１の熱交換器は、複数の主放熱フィンと、内部に冷媒が流通する主流路を有する複数の主管と、を有する主ユニットと、複数の副放熱フィンと、内部に冷媒が流通する副流路を有する複数の副管と、を有する副ユニットと、複数の主管に接続された吸入側ヘッダと、複数の主管と複数の副管とを接続する接続ユニットと、複数の副管に接続された吐出側ヘッダと、を備え、第１の熱交換器は、冷媒が、主ユニット、接続ユニット、及び副ユニットを順に介して吸入側ヘッダから吐出側ヘッダに流通するように構成されており、下記式（１）の関係を満たすように構成されている。

本発明によれば、上記式（１）の関係を満たすため、圧力損失を低減しつつ熱交換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１における副ユニット１３を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係る第１の熱交換器１００を示す側面断面図である。

以下、本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２を示す模式図である。この図１に基づいて、冷凍サイクル装置２について説明する。図１に示すように、冷凍サイクル装置２は、例えば、冷媒が流通し、圧縮機４、流路切替部５、本発明の熱交換器に相当する第１の熱交換器１、膨張部６及び第２の熱交換器７が配管により接続された冷媒回路３を備えた空気調和機である。

（冷媒回路３）
冷媒回路３における圧縮機４は、冷媒を圧縮するものである。流路切替部５は、冷媒回路３における冷媒の流通方向を切り替えるものであり、例えば四方弁である。流路切替部５は、冷媒の流通方向を切り替えることにより、暖房運転又は冷房運転の切り替えを行う。なお、冷凍サイクル装置２が暖房専用機又は冷房専用機として使用される場合、流路切替部５を省略することができる。

第１の熱交換器１は、例えば室外に設置されるものであり、冷媒と熱媒体とを熱交換するものである。第１の熱交換器１は、暖房運転において蒸発器として作用し、冷房運転において凝縮器として作用する。そして、第１の熱交換器１の近傍には、第１のファン８が設けられている。第１のファン８は、熱媒体である室外空気１ａを第１の熱交換器１に送風するものである。膨張部６は、冷媒を減圧して膨張するものである。第２の熱交換器７は、例えば室内に設置されるものであり、冷媒と熱媒体とを熱交換するものである。第２の熱交換器７は、暖房運転において凝縮器として作用し、冷房運転において蒸発器として作用する。第２の熱交換器７の近傍に第２のファン９が設けられている。第２のファン９は、熱媒体である室内空気７ａを第２の熱交換器７に送風するものである。

（冷媒）
冷媒回路３に流通する冷媒としては、Ｒ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒が用いられるが、Ｒ３２又はＲ４１０Ａ等が用いられてもよい。

次に、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２の暖房運転及び冷房運転について説明する。

（暖房運転）
先ず、暖房運転における動作について説明する。暖房運転において、流路切替部５は、圧縮機４の吐出側と第２の熱交換器７とが接続され、圧縮機４の吸入側と第１の熱交換器１とが接続されるように切り替えられる（図１の実線）。圧縮機４は、冷媒を吸入し、冷媒を圧縮して高温高圧のガスの状態で吐出する。圧縮機４から吐出された冷媒は、流路切替部５を通過して、第２の熱交換器７に流入し、第２の熱交換器７において、室内空気７ａとの熱交換により凝縮して過冷却される。このとき、室内空気７ａが暖められ、暖房が実施される。過冷却された液冷媒は、膨張部６に流入し、膨張部６において減圧されて気液二相状態にされる。そして、気液二相冷媒は、第１の熱交換器１に流入し、第１の熱交換器１において、室外空気１ａとの熱交換により蒸発する。蒸発したガス冷媒は、流路切替部５を通過して、圧縮機４に吸入される。

（冷房運転）
次に、冷房運転における動作について説明する。冷房運転において、流路切替部５は、圧縮機４の吐出側と第１の熱交換器１とが接続され、圧縮機４の吸入側と第２の熱交換器７とが接続されるように切り替えられる（図１の破線）。圧縮機４は、冷媒を吸入し、冷媒を圧縮して高温高圧のガスの状態で吐出する。圧縮機４から吐出された冷媒は、流路切替部５を通過して、第１の熱交換器１に流入し、第１の熱交換器１において、室外空気１ａとの熱交換により凝縮して過冷却される。過冷却された液冷媒は、膨張部６に流入し、膨張部６において減圧されて気液二相状態にされる。そして、気液二相冷媒は、第２の熱交換器７に流入し、第２の熱交換器７において、室内空気７ａとの熱交換により蒸発する。このとき、室内空気７ａが冷やされ、冷房が実施される。蒸発したガス冷媒は、流路切替部５を通過して、圧縮機４に吸入される。

次に、第１の熱交換器１について詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す斜視図である。図２に示すように、第１の熱交換器１は、複数の主放熱フィン１１ａと複数の主管２０とを有する主ユニット１２と、複数の副放熱フィン１１ｂと複数の副管３０とを有する副ユニット１３と、吸入側ヘッダ４０ａと、接続ユニット６０と、吐出側ヘッダ５０ｂとを有している。

（主放熱フィン１１ａ）
主放熱フィン１１ａは、複数設けられており、室外空気１ａの流通方向に対し垂直の方向（矢印Ｘ方向）に間隔を空けて配置されている。室外空気１ａは、主放熱フィン１１ａ同士の間を通過する。

（副放熱フィン１１ｂ）
副放熱フィン１１ｂは、複数設けられており、室外空気１ａの流通方向に対し垂直の方向（矢印Ｘ方向）に間隔を空けて配置されている。室外空気１ａは、副放熱フィン１１ｂ同士の間を通過する。

本実施の形態１において、複数の主放熱フィン１１ａ及び副放熱フィン１１ｂは、室外空気１ａの流通方向に平行の列方向（矢印Ｙ方向）に２列配置されているが、１列だけ配置されてもよいし、３列以上配置されてもよい。

図３は、本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す側面断面図であり、図２のＡ−Ａ断面図である。図３に示すように、複数の主放熱フィン１１ａ及び副放熱フィン１１ｂは、例えばアルミニウム製であり、一側部から板状フィン１１の幅方向（矢印Ｙ方向）に延びるように切り欠かれた開口部１１ｃを夫々有している。そして、主管２０は、主ユニット１２における開口部１１ｃに挿入されて主放熱フィン１１ａと接合され、副管３０は、副ユニット１３における開口部１１ｃに挿入されて副放熱フィン１１ｂと接合される。

（主管２０）
主管２０は、冷媒が流通し、主放熱フィン１１ａを厚み方向（矢印Ｘ方向）に貫くものであり、図３に示すように、内部に主流路２１を有している。主管２０は、例えば、断面が扁平形状のアルミニウム製の伝熱管であり、主管２０の内部が隔壁２０ａによって区分されて、主流路２１が６個設けられている。なお、主流路２１は、少なくとも１個設けられていればよい。また、主管２０は、長軸方向が室外空気１ａの流通方向と平行の列方向（矢印Ｙ方向）になるように、主放熱フィン１１ａを貫いている。

図２に示すように、主管２０は、重力方向に平行の段方向（矢印Ｚ方向）に複数配置されており、夫々主放熱フィン１１ａを厚み方向（矢印Ｘ方向）に貫いている。また、主管２０は、室外空気１ａの流通方向に平行の列方向（矢印Ｙ方向）にも２列配置されており、列方向に２列配置された複数の主放熱フィン１１ａを夫々厚み方向（矢印Ｘ方向）に貫いている。図２においては、主管２０が列方向に２列配置されている場合を例示しているが、１列だけ配置されてもよいし、３列以上配置されてもよい。

（副管３０）
副管３０は、冷媒が流通し、副放熱フィン１１ｂを厚み方向（矢印Ｘ方向）に貫くものであり、図３に示すように、内部に副流路３１を有している。副管３０は、例えば、断面が扁平形状のアルミニウム製の伝熱管であり、副管３０の内部が隔壁３０ａによって区分されて、副流路３１が６個設けられている。なお、副流路３１は、少なくとも１個設けられていればよい。また、副管３０は、長軸方向が室外空気１ａの流通方向と平行の列方向（矢印Ｙ方向）になるように、副放熱フィン１１ｂを貫いている。なお、本実施の形態１においては、主管２０及び副管３０は、同じ形状を有しているが、異なる形状を有していてもよい。

図２に示すように、副管３０は、重力方向に平行の段方向（矢印Ｚ方向）に複数配置されており、夫々副放熱フィン１１ｂを厚み方向（矢印Ｘ方向）に貫いている。また、副管３０は、室外空気１ａの流通方向に平行の列方向（矢印Ｙ方向）にも２列配置されており、列方向に２列配置された複数の副放熱フィン１１ｂを夫々厚み方向（矢印Ｘ方向）に貫いている。図２においては、副管３０が列方向に２列配置されている場合を例示しているが、１列だけ配置されてもよいし、３列以上配置されてもよい。

図３に示すように、主管２０における主流路２１及び副管３０における副流路３１は、断面が矩形状をなしている。主管２０及び副管３０の短軸方向（矢印Ｚ方向）の幅をａ、主管２０及び副管３０の長軸方向（矢印Ｙ方向）の幅をｂとすると、主流路２１及び副流路３１の相当直径Ｄｅは、下記式（２）のように、流路面積（＝４ａｂ）を濡れ縁長さ（＝２（ａ＋ｂ））で除算した値で示される。

（主ユニット１２）
図２に示すように、主ユニット１２は、複数の主管２０に流通する冷媒と複数の主放熱フィン１１ａの間に流通する室外空気１ａとを熱交換するものである。

（副ユニット１３）
図２に示すように、副ユニット１３は、複数の副管３０に流通する冷媒と複数の副放熱フィン１１ｂの間に流通する室外空気１ａとを熱交換するものである。副ユニット１３においては、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に主ユニット１２よりも下流側に位置して冷媒が過冷却される。また、副ユニット１３は主ユニット１２よりも熱交換領域が狭い。主ユニット１２及び副ユニット１３においては、夫々異なる主放熱フィン１１ａ及び副放熱フィン１１ｂが使用されるが、主放熱フィン１１ａと副放熱フィン１１ｂとは、一体的に形成されてもよい。

（吸入側ヘッダ４０ａ）
図２に示すように、吸入側ヘッダ４０ａは、主管２０の端部に接続され、複数の主管２０に冷媒を分岐して流通させるものである。吸入側ヘッダ４０ａには、圧縮機４及び流路切替部５に接続されたガス管６１が設けられており、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、ガス管６１から高温高圧のガス冷媒が流入するものである。そして、吸入側ヘッダ４０ａは、複数の主管２０に冷媒を分岐して流通させる。

（接続ユニット６０）
図２に示すように、接続ユニット６０は、複数の主管２０と複数の副管３０とを接続して冷媒を分岐するものである。接続ユニット６０は、主管側ユニット４０ｂと、主副接続管６３と、副管側ユニット５０ａとを有している。

（主管側ユニット４０ｂ）
主管側ユニット４０ｂは、主管２０に接続されており、吸入側ヘッダ４０ａと共に、室外空気１ａの流通方向に平行の列方向（矢印Ｙ方向）に配置されている。主管側ユニット４０ｂは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、吸入側ヘッダ４０ａから複数の主管２０に流入して凝縮された気液二相冷媒が合流するものである。

（主副接続管６３）
主副接続管６３は、主管側ユニット４０ｂと副管側ユニット５０ａとを接続する管であり、主管側ユニット４０ｂにおいて合流した冷媒を、副管側ユニット５０ａに供給するものである。

（副管側ユニット５０ａ）
副管側ユニット５０ａは、副管３０に接続されており、吐出側ヘッダ５０ｂと共に、室外空気１ａの流通方向に平行の列方向（矢印Ｙ方向）に配置されている。副管側ユニット５０ａは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、複数の副管３０に冷媒を分岐して流通させる。

なお、主管２０は、図２に示すように、主ユニット１２の端部において折り返している。本実施の形態１では、主管２０自体をＵ字状に曲げている場合を例示しているが、主管２０同士がベンド管を介して接続されてもよい。

ここで、吸入側ヘッダ４０ａ、主ユニット１２及び主管側ユニット４０ｂにおける冷媒の流通について説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す上面図、図５は、本発明の実施の形態１に係る第１の熱交換器１を示す側面断面図であり、図４のＢ−Ｂ断面図である。図４、図５に示すように、吸入側ヘッダ４０ａ及び主管側ユニット４０ｂは、ジョイント６４によって、主管２０に接続されている。ジョイント６４は、吸入側ヘッダ４０ａ側の端面６４ａが断面円状をなしており、吸入側ヘッダ４０ａに接続管６６を介して接続されている。また、ジョイント６４は、主管２０側の端面６４ｂが断面扁平円状をなしている。ジョイント６４は、重力方向に平行の段方向（矢印Ｚ方向）において複数配置されており、一つおきにＵ字ベンド管６５に接続され、Ｕ字ベンド管６５に接続されたジョイント６４は、吸入側ヘッダ４０ａ及び主管側ユニット４０ｂには接続されていない。なお、図５に示すように、列方向に２列配置された主管２０は、段方向に互い違いに配置されている。従って、Ｕ字ベンド管６５は、主ユニット１２に対し水平の方向（矢印Ｙ方向）から傾斜している。

吸入側ヘッダ４０ａは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、冷媒を先ずジョイント６４に流入させる。そして、冷媒は、ジョイント６４から主管２０の複数の主流路２１に分岐する。主管２０に流入した冷媒は、主ユニット１２の端部において折り返し、上段のジョイント６４に流入する。ジョイント６４に流入した冷媒は、Ｕ字ベンド管６５を通って、隣の列に設置された上段のジョイント６４に流入する。冷媒は、ジョイント６４によって主管２０の複数の主流路２１に分岐し、主ユニット１２の端部において折り返し、ジョイント６４に流入する。そして、冷媒は、ジョイント６４から主管側ユニット４０ｂに流入して合流し、主副接続管６３を通って副管側ユニット５０ａに至る。

このように、本実施の形態１は、冷媒が吸入側ヘッダ４０ａから主管側ユニット４０ｂに至るまでに主管２０を４回通過する４パス構成をなしている。また、本実施の形態１は、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、Ｕ字ベンド管６５に流通する冷媒は室外空気１ａの流通方向と対向している。このように、主管２０が列方向（矢印Ｙ方向）に複数配置されている場合、列方向に流通する冷媒と室外空気１ａとは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合における流通方向が対向流となるように、冷媒の流路が形成される。

（吐出側ヘッダ５０ｂ）
図２に示すように、吐出側ヘッダ５０ｂは、副管３０の端部に接続され、複数の副管３０から流入する冷媒が合流するものである。

吐出側ヘッダ５０ｂは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、副管側ユニット５０ａから複数の副管３０に流入して過冷却された冷媒が合流するものである。吐出側ヘッダ５０ｂには、膨張部６に接続された液管６２が設けられており、合流した冷媒は、液管６２を通って膨張部６に流通する。なお、吐出側ヘッダ５０ｂは、ディストリビュータとしてもよい。

なお、副管３０は、図２に示すように、副ユニット１３の端部において折り返している。本実施の形態１では、副管３０自体をＵ字状に曲げている場合を例示しているが、副管３０同士がベンド管を介して接続されてもよい。

ここで、吐出側ヘッダ５０ｂ、副ユニット１３、及び副管側ユニット５０ａにおける冷媒の流通について説明する。図６は、本発明の実施の形態１における副ユニット１３を示す上面図である。図５、図６に示すように、副管側ユニット５０ａ及び吐出側ヘッダ５０ｂは、ジョイント６４によって、副管３０に接続されている。ジョイント６４は、副管側ユニット５０ａ側の端面６４ａが断面円状をなしており、副管側ユニット５０ａに接続管６６を介して接続されている。また、ジョイント６４は、副管３０側の端面６４ｂが断面扁平円状をなしている。また、ジョイント６４は、重力方向に平行の段方向（矢印Ｚ方向）において複数配置されており、一つおきにＵ字ベンド管６５に接続され、Ｕ字ベンド管６５に接続されたジョイント６４は、副管側ユニット５０ａ及び吐出側ヘッダ５０ｂには接続されていない。なお、図５に示すように、列方向に２列配置された副管３０は、段方向に互い違いに配置されている。従って、Ｕ字ベンド管６５は、副ユニット１３に対し水平の方向（矢印Ｙ方向）から傾斜している。

副管側ユニット５０ａは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、冷媒を先ずジョイント６４に流入させる。そして、冷媒は、ジョイント６４から副管３０の複数の副流路３１に分岐する。副管３０に流入した冷媒は、副ユニット１３の端部において折り返し、上段のジョイント６４に流入する。ジョイント６４に流入した冷媒は、Ｕ字ベンド管６５を通って、隣の列に設置された上段のジョイント６４に流入する。冷媒は、ジョイント６４によって副管３０の複数の副流路３１に分岐し、副ユニット１３の端部において折り返し、ジョイント６４に流入する。そして、冷媒は、ジョイント６４から吐出側ヘッダ５０ｂに流入して合流し、液管６２を通って膨張部６に至る。

このように、本実施の形態１は、冷媒が副管側ユニット５０ａから吐出側ヘッダ５０ｂに至るまでに副管３０を４回通過する４パス構成をなしている。また、本実施の形態１は、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合に、Ｕ字ベンド管６５に流通する冷媒は室外空気１ａの流通方向と対向している。このように、副管３０が列方向（矢印Ｙ方向）に複数配置されている場合、列方向に流通する冷媒と室外空気１ａとは、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合における流通方向が対向流となるように、冷媒の流路が形成される。

なお、主ユニット１２及び副ユニット１３が蒸発器として作用する場合、冷媒は、膨張部６から液管６２を通って吐出側ヘッダ５０ｂに流入し、吐出側ヘッダ５０ｂは、複数の副管３０に冷媒を分岐して流通させる。そして、副ユニット１３において蒸発された冷媒は、副管側ユニット５０ａに至り、主副接続管６３を通って主管側ユニット４０ｂに流通する。主管側ユニット４０ｂは、複数の主管２０に冷媒を分岐して流通させ、主管２０に流通する冷媒は、主ユニット１２において更に蒸発され、吸入側ヘッダ４０ａに流通する。そして、冷媒は、ガス管６１を通って流路切替部５及び圧縮機４に流入する。

次に、第１の熱交換器１における各パラメータについて説明する。冷媒等の流体について規定する指標として、レイノルズ数が知られている。レイノルズ数は、流体力学において慣性力と粘性力との比で定義される無次元数である。第１の熱交換器１において、主ユニット１２におけるレイノルズ数は、下記式（３）から算出される。

また、第１の熱交換器１において、副ユニット１３におけるレイノルズ数は、下記式（４）から算出される。

第１の熱交換器１の副ユニット１３において、レイノルズ数が小さくなると、冷媒の液単相流の熱伝達率が低下して熱交換効率が低下する。本実施の形態１は、液単相で冷媒が流通する副ユニット１３のレイノルズ数を、少なくとも主ユニット１２のレイノルズ数以下とし、液単相流の熱伝達率低下を抑制して熱交換効率を確保している。また、これにより、主ユニット１２における圧力損失の上昇を抑制している。このように、本実施の形態１において、第１の熱交換器１は、下記式（１）の関係を満たすように構成されている。なお、下記式（１）において、いずれのパラメータを調整してもよい。

ここで、第１の熱交換器１の主ユニット１２において、主管２０は、断面が扁平形状をなしており、冷媒を分岐させて冷媒の流速を小さくすることによって、冷媒の圧力損失を小さくして熱交換効率が高められている。また、主ユニット１２における圧力損失を小さくすることによって、冷凍サイクル装置２における圧縮機４の吐出温度が上昇することが抑制される。そして、主ユニット１２における主管２０の主流路２１を流通する冷媒が層流である場合、流速が小さいため、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。

そこで、本実施の形態１において、第１の熱交換器１は、主ユニット１２における冷媒の分岐数、主ユニット１２に設置される主管２０の相当直径、主管２０の主流路２１の数が、冷媒が層流となるレイノルズ数となるように構成されている。ここで、層流から乱流に遷移する臨界レイノルズ数は、２０００〜３０００であることが知られている。主ユニット１２におけるレイノルズ数は、下記式（５）を満たすように構成されている。

なお、主ユニット１２におけるレイノルズ数は、更に、下記式（６）を満たすように構成されていることが好ましい。

一方、第１の熱交換器１の副ユニット１３に流通する冷媒が乱流である場合、流速が大きいため、熱伝達率を向上させ、熱交換効率を向上させることができる。そこで、本実施の形態１において、第１の熱交換器１は、副ユニット１３における冷媒の分岐数、副ユニット１３に設置される副管３０の相当直径、副管３０の副流路３１の数が、冷媒が乱流となるレイノルズ数となるように構成されている。ここで、層流から乱流に遷移する臨界レイノルズ数は、２０００〜３０００であることが知られている。副ユニット１３におけるレイノルズ数は、下記式（７）を満たすように構成されている。

なお、副ユニット１３におけるレイノルズ数は、更に、下記式（８）を満たすように構成されていることが好ましい。

次に、本実施の形態１に係る第１の熱交換器１の作用について説明する。第１の熱交換器１は、上記式（１）の関係を満たすため、主ユニット１２における圧力損失を低減しつつ、副ユニット１３における熱伝達率の低下を抑制して熱交換効率を向上させることができる。また、第１の熱交換器１は、上記式（５）又は式（６）を満たすため、主ユニット１２に流通する冷媒が層流となる。このため、主ユニット１２において、圧力損失を更に低減させることができる。このように、主管２０の主流路２１に流通する冷媒は、層流であるように上記式（１）の閾値を満たす。

また、第１の熱交換器１は、上記式（７）又は式（８）を満たすため、副ユニット１３に流通する冷媒が乱流となる。このため、副ユニット１３において、熱伝達率の低下を更に抑制することができる。また、第１の熱交換器１は、圧力損失を低下させつつ熱伝達率の低下を抑制しているため、冷凍サイクル装置２における圧縮機４の吐出圧力及び吐出温度を下げることができる。このため、冷凍サイクル装置２の運転効率を向上させることができる。このように、副管３０の副流路３１に流通する冷媒は、乱流であるように上記式（１）の閾値を満たす。

また、第１の熱交換器１は、列方向に流通する冷媒と室外空気１ａとが、主ユニット１２が凝縮器として作用する場合における流通方向が対向流となるように、冷媒の流路が形成される。これにより、冷媒と室外空気１ａとの温度差を広げることができる。このため、第１の熱交換器１における凝縮能力を高めることができる。

更に、本実施の形態１は、主管２０及び副管３０が、扁平管である。伝熱管として扁平管が用いられる場合、空気の通風抵抗が小さくなり、伝熱管の配列ピッチを狭めることによって伝熱管を高密度に設置することができる。

更にまた、本実施の形態１は、Ｒ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒である。冷凍サイクル装置２の冷媒としてＲ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒が用いられる場合、従来から空気調和機等に用いられているＲ３２、Ｒ４１０Ａと比べて潜熱量が大きい。このため、Ｒ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒は、冷凍サイクル装置２を循環する循環量が、Ｒ３２に比べて１０〜２０％程度少ない。従って、冷媒を過冷却する上での熱伝達率が低下し易い。本実施の形態１は、上記のとおり、副ユニット１３における熱伝達率の低下を抑制することができるため、Ｒ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒が使用された冷凍サイクル装置２において、より高い効果が得られる。

また、Ｒ１１２３は、圧力又は温度が高くなると、自己分解反応（不均化反応）を起こすことが知られている。本実施の形態１は、副ユニット１３における熱伝達率の低下を抑制することができるため、冷凍サイクル装置２における圧縮機４の吐出圧力の上昇及び吐出温度の上昇を抑制することができる。このため、Ｒ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒が使用された冷凍サイクル装置２において、不均化反応を抑制することができる。なお、Ｒ１１２３は、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａと比べて地球温暖化係数（ＧＷＰ）が小さいため、環境負荷を低減することができる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る第１の熱交換器１００を示す側面断面図である。本実施の形態２は、副管１３０が円管である点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図７に示すように、第１の熱交換器１００において、副管１３０が円管であり、主管２０が扁平管である。このように、主管２０及び副管１３０のうち少なくとも一方が扁平管であってもよいが、主管２０及び副管１３０のいずれをも円管としてもよい。このように、副管１３０が円管であっても、それ以外の構成を実施の形態１と同様にすることによって、実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態１、２においては、第１の熱交換器１について例示したが、第２の熱交換器７を上記の構成としてもよいし、第１の熱交換器１及び第２の熱交換器７のいずれをも上記の構成としてもよい。また、上記実施の形態１、２においては、冷凍サイクル装置２として空気調和機を例示したが、これに限らず、冷媒回路３を構成し、蒸発器、凝縮器として作用する熱交換器を有する冷凍装置、ヒートポンプ装置等に適用することもできる。

１ 熱交換器、第１の熱交換器、１ａ 室外空気、２ 冷凍サイクル装置、３ 冷媒回路、４ 圧縮機、５ 流路切替部、６ 膨張部、７ 第２の熱交換器、７ａ 室内空気、８ 第１のファン、９ 第２のファン、１１ａ 主放熱フィン、１１ｂ 副放熱フィン、１１ｃ 開口部、１２ 主ユニット、１３ 副ユニット、２０ 主管、２０ａ 隔壁、２１ 主流路、３０ 副管、３０ａ 隔壁、３１ 副流路、４０ａ 吸入側ヘッダ、４０ｂ 主管側ユニット、５０ａ 副管側ユニット、５０ｂ 吐出側ヘッダ、６０ 接続ユニット、６１ ガス管、６２ 液管、６３ 主副接続管、６４ ジョイント、６４ａ、６４ｂ 端面、６５ Ｕ字ベンド管、６６ 接続管、１００ 第１の熱交換器、１３０ 副管。

Claims (11)

1. 冷媒が流通し、圧縮機、第１の熱交換器、膨張部及び第２の熱交換器が配管により接続された冷媒回路を備え、
   前記第１の熱交換器は、
   複数の主放熱フィンと、内部に前記冷媒が流通する主流路を有する複数の主管と、を有する主ユニットと、
   複数の副放熱フィンと、内部に前記冷媒が流通する副流路を有する複数の副管と、を有する副ユニットと、
   前記複数の主管に接続された吸入側ヘッダと、
   前記複数の主管と前記複数の副管とを接続する接続ユニットと、
   前記複数の副管に接続された吐出側ヘッダと、を備え、
   前記第１の熱交換器は、
   前記冷媒が、前記主ユニット、前記接続ユニット、及び前記副ユニットを順に介して前記吸入側ヘッダから前記吐出側ヘッダに流通するように構成されており、
   下記式（１）の関係を満たすように構成されている冷凍サイクル装置。
   

   
2. 前記主管の前記主流路に流通する冷媒は、層流であるように上記式（１）の閾値を満たす請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記副管の前記副流路に流通する冷媒は、乱流であるように上記式（１）の閾値を満たす請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
4. 下記式（５）の関係を満たすように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
   

   
5. 下記式（６）の関係を満たすように構成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
   

   
6. 下記式（７）の関係を満たすように構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
   

   
7. 下記式（８）の関係を満たすように構成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
   

   
8. 前記主管と前記副管とは、異なる形状を有しており、
   前記主管及び前記副管のうち少なくとも一方は、扁平管である請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 複数の前記主放熱フィン及び複数の前記副放熱フィンは、
   空気の流通方向に平行の列方向に複数配置されており、
   複数の前記主管及び複数の前記副管は、
   前記空気の流通方向に平行の方向に配置された複数の前記主放熱フィン及び複数の前記副放熱フィンを夫々貫いており、
   前記列方向に流通する前記冷媒と前記空気とは、流通方向が対向流である請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記主放熱フィンと前記副放熱フィンとは、一体的に形成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記冷媒は、Ｒ１１２３又はＲ１１２３を含む混合冷媒である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

Images