JPWO2020178965A1 - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、複数の扁平管と、ガスヘッダと、を備える熱交換器であって、空間内にて互いに直交する方向がＸ方向及びＹ方向と定義されたとき、ガスヘッダは、Ｙ方向に長手に延出されてＹ方向に冷媒の流れ方向を形成し、複数の扁平管は、Ｙ方向に間隔をあけて並び、複数の扁平管の先端のそれぞれには、ガスヘッダにＸ方向から挿入する接続部が設けられ、複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成される。

Description

本発明は、複数の扁平管と、ガスヘッダと、を備える熱交換器及び冷凍サイクル装置に関する。

従来の空気調和装置の蒸発器となる熱交換器では、ガス冷媒と液冷媒とが混在する気液二相状態の冷媒が流入し、冷媒分配器によって複数の伝熱管に冷媒が分配される。そして、複数の伝熱管にて、冷媒が空気から吸熱してガスリッチ又はガス単相の状態となり、その後に冷媒がガスヘッダに流入して合流され、合流した冷媒が蒸発器の外へと冷媒配管を通って流出する。

近年のエネルギー消費性能の向上と冷媒量の削減とに対応するため、熱交換器に用いられる伝熱管の細径化と多パス化とが進められている。また、それに伴って伝熱管を従来の円管から細径の流路で構成された扁平管を用いることが多くなっている。

扁平管を用いる場合には、扁平管とガスヘッダとの接続部にて、ロウ付け性といった製造性能を確保するため、ガスヘッダに対して扁平管を内部に突き差した構造とする必要がある。扁平管がガスヘッダの内部に突き差された場合には、ガスヘッダ内部にて合流冷媒が扁平管の突き差し部を通過する際に、冷媒流路の拡大又は縮小によって圧力損失が増大し、エネルギー効率が低下するという課題がある。

このようなガスヘッダ内部の圧力損失を抑制するために、バイパス流路を設ける方法がある（特許文献１参照）。

特開２０１４−１２２７７０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、バイパス流路が設けられたことにより、ガスヘッダが大型化し、その分熱交換器の実装面積が減少する課題がある。また、バイパス流路が設けられたことにより、製造コストが増加する課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、簡素な構造が図られつつ、冷媒の圧力損失が低減できる熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、を備える熱交換器であって、空間内にて互いに直交する方向がＸ方向及びＹ方向と定義されたとき、前記ガスヘッダは、Ｙ方向に長手に延出されてＹ方向に冷媒の流れ方向を形成し、前記複数の扁平管は、Ｙ方向に間隔をあけて並び、前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにＸ方向から挿入する接続部が設けられ、前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成されるものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の熱交換器を備えるものである。

本発明に係る熱交換器及び冷凍サイクル装置によれば、複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成されている。これにより、ガスヘッダに接続された複数の扁平管の接続部のうちいずれかの複数の接続部が近接する。この近接部分では、隣接する接続部間の距離が短く、ガスヘッダ内部での隣接する接続部間の空間が安定した大きさになって冷媒の流れ方向に対する空間の拡大又は縮小が十分に伴わない。このため、空間の拡大又は縮小に伴う流体抵抗が小さくなって冷媒の渦領域が削減でき、ガスヘッダ内部での冷媒の圧力損失が低減でき、熱交換性能が向上できる。したがって、簡素な構造が図られつつ、冷媒の圧力損失が低減できる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係るガスヘッダにて２つの扁平管の接続部を図１のＡ−Ａ線の断面にて示す説明図である。 比較例での等間隔配置された扁平管のガスヘッダへの接続部における冷媒流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る近接配置された扁平管のガスヘッダへの接続部における冷媒流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係るガスヘッダの流路断面積をＡｉと定義して扁平管による閉塞面積をＡＬと定義したときの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る扁平管がＡＬ/Ａｉ≧０．１２となるときの圧力損失低減効果を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る扁平管のガスヘッダへの差し込み長さをｔｉｎと定義して狭い部分の複数の扁平管の間隔をｔｐと定義したときの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る扁平管のガスヘッダへの差し込み長さをｔｉｎと定義してガスヘッダの内径をＤｉと定義したときの渦領域が重なり合う冷媒流れの流線を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００となるときの渦厚さδを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係るガスヘッダの別の流路断面の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の別の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態４に係る扁平管の端部の曲げ部を示す拡大図である。 本発明の実施の形態５に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態５に係る扁平管の端部の曲げ部を示す拡大図である。 本発明の実施の形態６に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態７に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態７に係るガスヘッダの第２開口部と扁平管との関係を図１８のＣ−Ｃ線の断面にて示す説明図である。 本発明の実施の形態８に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態９に係る熱交換器を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態９に係る熱交換器の別の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１０に係る熱交換器を適用した冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態が説明されている。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が省略されている。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。

実施の形態１．
＜熱交換器１００の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。図１では、空間内にて互いに直交する方向がＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向と定義されている。なお、図中のＺ方向は、模式的にＸ方向及びＹ方向に対して斜上方向に表されている。

図１に示すように、熱交換器１００は、ガスヘッダ４と、複数の扁平管３と、フィン６と、冷媒分配器２と、流入管１と、流出管５と、を備える。

ガスヘッダ４は、複数の扁平管３の一端部に接続されている。ガスヘッダ４では、複数の扁平管３から流出するガス冷媒が合流する。ガスヘッダ４は、Ｙ方向に長手に延出されてＹ方向に冷媒の流れ方向を形成する。ガスヘッダ４の流路断面は、円形状である。

冷媒分配器２は、扁平管３のガスヘッダ４が接続されてない他端部に接続されている。冷媒分配器２は、複数の扁平管３に気液二相状態の冷媒を分配する。

フィン６は、複数の扁平管３に複数接続されている。なお、ここでのフィン６は、プレートフィン又はコルゲートフィンなどといったフィンの種類に限定されるものではない。

複数の扁平管３では、外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる。複数の扁平管３は、Ｘ方向に直線状である。複数の扁平管３は、Ｙ方向に間隔をあけて並んでいる。複数の扁平管３の先端のそれぞれには、ガスヘッダ４に扁平管３をＸ方向から挿入する接続部が設けられている。複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成されている。複数の扁平管３には、フィン６がＸ方向に間隔をあけて複数設けられ、フィン６が扁平管３の外管表面にて接合されている。

ガスヘッダ４の端部には、流出管５が少なくとも１つ接続されている。冷媒分配器２の端部には、流入管１が少なくとも１つ接続されている。なお、冷媒の流出管５又は流入管１の位置又は本数は、限定されない。

図２は、本発明の実施の形態１に係るガスヘッダ４にて２つの扁平管３の接続部を図１のＡ−Ａ線の断面にて示す説明図である。図２中のＤｐは、扁平管３の段ピッチを表し、隣り合う扁平管３の短軸中心の距離である。

＜熱交換器１００内を流通する冷媒の流れ＞
図１の矢印は、熱交換器１００が蒸発器として機能する場合の冷媒の流れを表している。気液二相状態の冷媒は、流入管１を介し、冷媒分配器２に流入する。冷媒が冷媒分配器２に流入した後に、気液二相状態の冷媒が冷媒分配器２に接続された複数の扁平管３に流入管１から近い扁平管３へと順次分配されて行く。各扁平管３に分配された気液二相状態の冷媒は、フィン６を介して、周囲の空気と熱交換し、ガスリッチ又はガスの冷媒となり、ガスヘッダ４に流入する。ガスヘッダ４では、冷媒が複数の扁平管３から流入して合流する。冷媒は、ガスヘッダ４から流出管５を通り、熱交換器１００から流出する。

この際、図１に示すように、ガスヘッダ４には、隣り合う扁平管３の間隔が狭い部分と広い部分とが混在するように扁平管３が接続されている。これにより、ガスヘッダ４での冷媒流れにおいて発生する流体抵抗が抑制でき、ガスヘッダ４内での冷媒の圧力損失が低減できる。図１に示す隣り合う扁平管３の間隔がｔｐと定義される。この場合には、隣り合う扁平管３の最も間隔の狭い部分は、ｔｐ＜Ｄｐの関係を満たす。また、隣り合う扁平管３の最も間隔の広い部分は、ｔｐ＞２×Ｄｐの関係を満たす。

すなわち、最も狭い部分の間隔がｔｐ１、最も広い部分の間隔がｔｐ２、複数の扁平管３の段ピッチがＤｐと定義される。このとき、複数の扁平管３がガスヘッダ４に接続された接続部の間隔は、ｔｐ１＜Ｄｐかつｔｐ２＞２×Ｄｐが満たされる。

＜実施の形態１でのガスヘッダ４内での冷媒の圧力損失低減のメカニズム＞
図３は、比較例での等間隔配置された扁平管３のガスヘッダ４への接続部における冷媒流れを示す説明図である。図３の比較例は、実施の形態１の構成と対比するための構成である。図４は、本発明の実施の形態１に係る近接配置された扁平管３のガスヘッダ４への接続部における冷媒流れを示す説明図である。図３及び図４を用いて、発明者らの実験と解析とによって見出した圧力損失が低減するメカニズムを以下に説明する。図３及び図４中の矢印は、冷媒の流れを表している。なお、白矢印が冷媒の入力側を示し、黒矢印が冷媒の出力側を示す。また、図３及び図４中のハッチングの半円は、扁平管３の前後の渦領域１５を表している。

比較例の等間隔配置では、各扁平管３の上流と下流とに冷媒流れの拡大又は縮小が連続して発生する。これにより、渦領域１５が各扁平管３に連続して発生し、冷媒の圧力損失が増加する。

一方、実施の形態１の近接配置では、扁平管３と扁平管３との間の距離が近接して短い。このため、近接した間の空間は、冷媒流れの拡大又は縮小が十分に伴なわず安定化する。これにより、冷媒流れの拡大又は縮小に伴う流体抵抗が小さくなり、渦領域１５が削減できる。このように渦領域１５を削減することによって、ガスヘッダ４内の冷媒の圧力損失を低減できることが発明者らによって見出せた。したがって、隣り合う扁平管３の接続部の間隔が狭い部分と広い部分とが混在されると、隣り合う扁平管３の接続部の間隔が等間隔に配置されるよりも冷媒の圧力損失が小さくできる。

また、発明者らの実験と計算とによると、ガスヘッダ４においては、冷媒の流入条件によって、ガスヘッダ４内の冷媒の圧力損失のうち、摩擦の流体抵抗よりも冷媒流れの縮小又は拡大による圧力損失が約５０％以上を占めることも見出せた。

＜ガスヘッダ４の流路断面積Ａｉと扁平管３による閉塞面積ＡＬとの関係＞
図５は、本発明の実施の形態１に係るガスヘッダ４の流路断面積をＡｉと定義して扁平管３による閉塞面積をＡＬと定義したときの関係を示す図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る扁平管３がＡＬ/Ａｉ≧０．１２となるときの圧力損失低減効果を示す図である。

図５に示すように、ガスヘッダ４の流路断面積がＡｉと定義される。扁平管３による閉塞面積がＡＬと定義される。図６に示すように、ＡＬ/Ａｉ≧０．１２となるときには、隣り合う扁平管３の接続部に狭い部分と広い部分とが混在することによるガスヘッダ４内の冷媒の圧力損失の低減効果が特に顕著となることが見出せた。

＜扁平管３のガスヘッダ４への差し込み長さｔｉｎと狭い部分の複数の扁平管３の間隔ｔｐとの関係＞
図７は、本発明の実施の形態１に係る扁平管３のガスヘッダ４への差し込み長さをｔｉｎと定義して狭い部分の複数の扁平管３の間隔をｔｐと定義したときの関係を示す図である。

図７に示すように、扁平管３のガスヘッダ４への差し込み長さがｔｉｎと定義される。隣り合う扁平管３の間隔が狭い部分であるときの隣り合う扁平管３の間隔がｔｐと定義される。このとき、ｔｐ＜２．０×ｔｉｎであると、隣り合う扁平管３の間に形成される渦領域１５のうち、一部が重なり合う。

すなわち、扁平管３の端部におけるガスヘッダ４への差し込み長さがｔｉｎ、狭い部分を形成した複数の接続部を有する扁平管３の距離がｔｐと定義される。このとき、複数の接続部のうち最も狭い部分に近接する２つの扁平管３の距離は、ｔｐ＜２．０×ｔｉｎが満たされる。

＜扁平管３のガスヘッダ４への差し込み長さｔｉｎとガスヘッダ４の内径Ｄｉとの関係＞
図８は、本発明の実施の形態１に係る扁平管３のガスヘッダ４への差し込み長さをｔｉｎと定義してガスヘッダ４の内径をＤｉと定義したときの渦領域１５が重なり合う冷媒流れの流線を示す図である。図９は、本発明の実施の形態１に係る０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００となるときの渦厚さδを示す図である。

図８に示すように、図示の旋回矢印で示された渦領域１５が重なり合って渦厚さδが形成されている。渦領域１５が重なることにより、冷媒が渦厚さδ分だけ冷媒流れが拡大又は縮小することがない。これにより、渦厚さδの分、冷媒流れの拡大又は縮小による冷媒の圧力損失が低減できる。図９に示すように、発明者らの実験と解析とによると、渦厚さδは、０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００の領域で急激に大きくなることが見出せた。一方、０≦δ＜０．３５の領域では、渦厚さδが小さいことも見出せた。したがって、０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００の範囲であると、ガスヘッダ４内の冷媒の圧力損失の低減効果が大きくなる。

すなわち、扁平管３のガスヘッダ４への差し込み長さがｔｉｎと定義される。ガスヘッダ４の冷媒流路に対する直交断面の内径がＤｉと定義される。このとき、０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００の関係が満たされる。

＜その他＞
冷媒の種類は、限定されない。しかし、ガスヘッダ４の内部を流れる冷媒は、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）などのオレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒（ＤＭＥ）などのような飽和圧力がＲ３２冷媒よりも低い低圧冷媒であるとより効果的である。また、これらは、当然、純冷媒のみに限定されない。ガスヘッダ４の内部を流れる冷媒は、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）などのオレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒（ＤＭＥ）の少なくとも１つを組成に含む混合冷媒でも良い。

＜実施の形態１の効果＞
実施の形態１によれば、熱交換器１００は、外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管３を備える。熱交換器１００は、複数の扁平管３の一端部に接続されて複数の扁平管３から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダ４を備える。熱交換器１００は、空間内にて互いに直交する方向がＸ方向及びＹ方向と定義される。ガスヘッダ４は、Ｙ方向に長手に延出されてＹ方向に冷媒の流れ方向を形成する。複数の扁平管３は、Ｙ方向に間隔をあけて並んでいる。複数の扁平管３の先端のそれぞれには、ガスヘッダ４にＸ方向から挿入する接続部が設けられている。複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成されている。

この構成によれば、ガスヘッダ４に接続された複数の扁平管３の接続部のうちいずれかの複数の接続部が近接する。この近接部分では、隣接する接続部間の距離が短く、ガスヘッダ４内部での隣接する接続部間の空間が安定した大きさになって冷媒の流れ方向に対する空間の拡大又は縮小が十分に伴わない。このため、空間の拡大又は縮小に伴う流体抵抗が小さくなって冷媒の渦領域１５が削減でき、ガスヘッダ４内部での冷媒の圧力損失が低減でき、熱交換性能が向上できる。したがって、簡素な構造が図られつつ、冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態１によれば、熱交換器１００は、複数の扁平管３に接続されたフィン６を備える。複数の接続部の間隔は、最も狭い部分の間隔がｔｐ１、最も広い部分の間隔がｔｐ２、複数の扁平管３の段ピッチがＤｐと定義される。このとき、ｔｐ１＜Ｄｐかつｔｐ２＞２×Ｄｐが満たされる。

この構成によれば、冷媒の流れ方向に対する空間の拡大又は縮小に伴う流体抵抗がより小さくなって冷媒の渦領域１５が削減でき、ガスヘッダ４内部での冷媒の圧力損失がより低減でき、熱交換性能がより向上できる。

実施の形態１によれば、複数の扁平管３は、Ｘ方向に直線状である。

この構成によれば、複数の扁平管３が容易に製造でき、熱交換器１００が簡素な構造が図られつつ、冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態１によれば、扁平管３の端部におけるガスヘッダ４への差し込み長さがｔｉｎ、狭い部分を形成した複数の接続部を有する扁平管３の距離がｔｐと定義される。このとき、複数の接続部のうち最も狭い部分に近接する２つの扁平管３の距離は、ｔｐ＜２．０×ｔｉｎが満たされる。

この構成によれば、隣り合う扁平管３の接続部間に形成される渦領域１５のうち一部が重なり合う。このように渦領域１５が重なることにより、空間が渦厚さ分だけ冷媒の流れ方向に対して拡大又は縮小せずに安定した大きさとみなせ、その分空間の拡大又は縮小に影響されずに冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態１によれば、扁平管３の端部におけるガスヘッダ４への差し込み長さがｔｉｎ、ガスヘッダ４の冷媒流路に対する直交断面の内径がＤｉと定義される。このとき、０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００の関係が満たされる。

この構成によれば、空間の渦厚さが冷媒の流れ方向に対して大幅に大きくなり、空間が渦厚さ分だけ拡大又は縮小せずに安定した大きさとみなせ、その分空間の拡大又は縮小に影響されずに冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態１によれば、ガスヘッダ４内部を流れる冷媒は、オレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒のいずれかである。

この構成によれば、飽和圧力がＲ３２冷媒よりも低い低圧冷媒であるので、冷媒の圧力損失がより効果的に低減できる。

実施の形態１によれば、ガスヘッダ４内部を流れる冷媒は、オレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテルの少なくとも１つを組成に含む混合冷媒である。

この構成によれば、飽和圧力がＲ３２冷媒よりも低い低圧冷媒であるので、冷媒の圧力損失がより効果的に低減できる。

実施の形態１によれば、熱交換器１００は、複数の扁平管３の他端部に接続されて複数の扁平管３に気液二相状態の冷媒を分配する冷媒分配器２を備える。

この構成によれば、冷媒分配器２が複数の扁平管３に気液二相状態の冷媒を分配できる。

実施の形態２．
＜熱交換器１００の構成＞
図１０は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。実施の形態２は、上記実施の形態１と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図１０に示すように、ガスヘッダ４に接続された近接する２つの扁平管３は、仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を引いたとき、Ｂ−Ｂ線を挟んで対称な形状である。近接する２つの扁平管３は、冷媒分配器２に接続された端部をＢ−Ｂ線から離れるように折り曲げ部２０を有する。

複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが交互に形成されている。狭い部分を形成した複数の接続部は、複数の扁平管３のうち２つの扁平管３の群によって構成されている。複数の接続部間の間隔を狭い部分に形成した２つの扁平管３の群は、各群のＹ方向での中心である仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成されている。複数の扁平管３のうち複数の接続部以外のフィン６の配置された熱交換部分３ａは、Ｙ方向に等間隔に並んでいる。複数の接続部間の間隔を狭い部分に形成した２つの扁平管３は、冷媒分配器２に接続された端部を仮想の中心線であるＢ−Ｂ線から離れる方向に折り返す折り曲げ部２０を有する。

この構成であると、ガスヘッダ４に接続する２つの扁平管３を近接させられ、ガスヘッダ４内の冷媒の圧力損失が低減できる。

＜ガスヘッダ４の流路断面＞
なお、ここでガスヘッダ４の流路断面は、円形状である場合について説明した。しかし、ここでガスヘッダ４の流路断面は、後述のようにこれに限定するものではない。

図１１は、本発明の実施の形態２に係るガスヘッダ４の別の流路断面の一例を示す図である。図１１に示すように、ガスヘッダ４は、Ｄ型形状の流路断面である。Ｄ型形状の流路断面では、扁平管３とガスヘッダ４との接続部分が直線に形成されている。

この構成であると、扁平管３の最小ロウ付け代が確保し易く、ロウ付け性が向上し、良い。また、円形状ではない、図１１のようなＤ型形状においても、Ｄｉが扁平管３の差し込みのない位置での流路断面積であるＡｉを用いた場合の等価代表直径を用いると、ＡｉがＡｉ＝（Ｄｉ／２）２×πと定義される。なお、ガスヘッダ４は、ここでは代表としてＤ型形状について説明を行った。しかし、ガスヘッダ４は、これらの形状に限定されるものではない。

＜熱交換器１００の構成＞
図１２は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器１００の別の一例を示す概略構成図である。冷媒分配器２は、ヘッダタイプのもの以外に、たとえば、図１２に示すようにディストリビュータ１６とキャピラリチューブ１７とを用いた衝突型などの冷媒分配器でも良く、更には、冷媒分配器２の種類を特に限定するものではない。
＜実施の形態２の効果＞
実施の形態２によれば、複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが交互に形成されている。

この構成によれば、狭い部分を形成する複数の接続部のいくつかによって、狭い部分を形成する複数の接続部間に形成される渦領域１５のうち一部が重なり合ってＹ方向に滑らかに広がる。このように渦領域１５がＹ方向に滑らかに広がることにより、空間が渦厚さ分だけ冷媒の流れ方向に対して拡大又は縮小せずに安定した大きさとみなせ、その分空間の拡大又は縮小に影響されずに冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態２によれば、狭い部分を形成した複数の接続部は、複数の扁平管３のうち２つの扁平管３の群によって構成されている。

この構成によれば、２つの扁平管３の群によって狭い部分を形成する複数の接続部が形成でき、狭い部分を形成する複数の接続部間に形成される渦領域１５のうち一部が重なり合ってＹ方向に滑らかに広がる。

実施の形態２によれば、２つの扁平管３の群は、各群のＹ方向での中心である仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成されている。

この構成によれば、Ｙ方向に滑らかに広がる渦領域１５が安定した大きさで形成でき、空間が渦領域１５の渦厚さ分だけ冷媒の流れ方向に対して拡大又は縮小せずに安定した大きさとみなせ、その分空間の拡大又は縮小に影響されずに冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態２によれば、複数の扁平管３のうち複数の接続部以外の熱交換部分３ａは、Ｙ方向に等間隔に並んでいる。

この構成によれば、複数の扁平管３の熱交換部分３ａがＹ方向に等間隔に並ぶので、熱交換器全体の通風抵抗が低減できるとともに各扁平管３の熱交換の偏りが抑制でき、熱交換効率が向上できる。

実施の形態２によれば、複数の接続部間の間隔を狭い部分に形成した１群を構成した２つの扁平管３は、冷媒分配器２に接続された他端部を仮想の中心線であるＢ−Ｂ線から離れる方向に折り返す折り曲げ部２０を有する。

この構成によれば、１つの扁平管３の熱交換部分３ａの距離が長く稼げ、熱交換効率が向上できる。

実施の形態３．
＜熱交換器１００の構成＞
図１３は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。実施の形態３は、上記実施の形態１及び実施の形態２と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図１３に示すように、近接する接続部を有する２つの扁平管３は、仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を引いたとき、Ｂ−Ｂ線を挟んで対称な形状である。近接する接続部を有する２つの扁平管３は、冷媒分配器２に接続された端部をそれぞれＢ−Ｂ線から離れるように折り曲げ部２０を有する。

扁平管３の折り曲げ部２０の数は、流出管５に近いものほど、多い。すなわち、折り曲げ部２０の数は、ガスヘッダ４の流出口である流出管５に近い扁平管３ほど多い。

この構成であると、ガスヘッダ４においてガスリッチ又はガスの冷媒が合流され、冷媒流量が大きくなる流出管５に近い位置での冷媒の圧力損失が扁平管３の近接配置によって低減できる。

＜実施の形態３の効果＞
実施の形態３によれば、折り曲げ部２０の数は、ガスヘッダ４の流出管５と繋がった流出口に近い扁平管３ほど多い。

この構成によれば、ガスヘッダ４の流出口に近い扁平管３ほど折り曲げ部２０の数が多いので、流出口がＹ方向において下方向である場合に、重力の影響によって流出管５に繋がった流出口に近い扁平管３ほど液冷媒が流入する。しかし、折り曲げ部２０の数が多い扁平管３ほど熱交換機会が多くなってガスリッチ又はガスの冷媒になる。したがって、熱交換器１００の熱交換効率が向上できる。

実施の形態４．
＜熱交換器１００の構成＞
図１４は、本発明の実施の形態４に係る扁平管３の端部の曲げ部を示す拡大図である。実施の形態４は、上記実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図１４に示すように、ガスヘッダ４に接続される扁平管３の端部が曲げ加工されている。これにより、隣り合う扁平管３が近接している。

複数の接続部は、複数の扁平管３のうちいずれかの扁平管３の端部を曲げて構成されている。仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成された１群は、２つの扁平管３によって構成されている。１群を構成した２つの扁平管３は、端部を仮想の中心線であるＢ−Ｂ線に近づける方向に曲げている。なお、複数の扁平管３のうち複数の接続部以外のフィン６の配置された熱交換部分３ａは、Ｙ方向に等間隔に並んでも良い。

この構成であると、扁平管３は、フィン６の寸法制約に限定されることなく近接配置でき、冷媒の圧力損失が低減でき、良い。ここで、Ｄｐは、複数の扁平管３の熱交換部分３ａでの段ピッチを表す。そして、狭い部分の隣り合う扁平管３の接続部の間隔ｔｐは、ｔｐ＜Ｄｐを満足する。

＜実施の形態４の効果＞
実施の形態４によれば、複数の接続部は、複数の扁平管３のうちいずれかの扁平管３の端部を曲げて構成されている。

この構成によれば、扁平管３の端部を曲げるだけで複数の扁平管３が容易に製造でき、簡素な構造が図られつつ、冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態４によれば、仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成された１群は、２つの扁平管３によって構成されている。１群を構成した２つの扁平管３は、ガスヘッダ４に接続された端部を仮想の中心線であるＢ−Ｂ線に近づける方向に曲げている。

この構成によれば、ガスヘッダ４に接続された複数の扁平管３の接続部のうちいずれかの複数の接続部が近接できる。

実施の形態５．
＜熱交換器１００の構成＞
図１５は、本発明の実施の形態５に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。図１６は、本発明の実施の形態５に係る扁平管３の端部の曲げ部を示す拡大図である。実施の形態５は、上記実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３及び実施の形態４と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図１５及び図１６に示すように、仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成された１群は、３つの扁平管３によって構成されている。１群を構成した３つの扁平管３は、１群のうちＹ方向の両端側の扁平管３の端部を仮想の中心線であるＢ−Ｂ線に近づける方向に曲げている。なお、仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成された１群は、４以上の扁平管３によって構成されても良い。

＜実施の形態５の効果＞
実施の形態５によれば、仮想の中心線であるＢ−Ｂ線を挟んで対称な形状に構成された１群は、３以上の扁平管３によって構成されている。１群を構成した３以上の扁平管３は、１群のうち少なくともＹ方向の両端側の扁平管３の端部を仮想の中心線であるＢ−Ｂ線に近づける方向に曲げている。

この構成によれば、ガスヘッダ４に接続された複数の扁平管３の接続部のうちいずれかの複数の接続部が近接できる。

実施の形態６．
＜熱交換器１００の構成＞
図１７は、本発明の実施の形態６に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。実施の形態６は、上記実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、実施の形態４及び実施の形態５と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図１７に示すように、ガスヘッダ４の内部には、仕切り７が設けられている。仕切り７には、第１開口部１８と第２開口部８とが設けられている。

仕切り７は、ガスヘッダ４の内部に複数の扁平管３の接続部の挿入された冷媒流路とバイパス流路とを仕切る。バイパス流路の冷媒流路に対する第１開口部１８は、ガスヘッダ４に差し込まれた扁平管３の開口端部とＸ方向にて一部が重なっている。バイパス流路の冷媒流路に対する第２開口部８は、狭い部分を形成した複数の接続部の１組に対してＸ方向にて重なって設けられている。なお、第２開口部８は、複数設けられても良い。

この構成であると、複数の扁平管３の接続部を通過する冷媒の一部がガスヘッダ４内にてバイパスでき、ガスヘッダ４内の冷媒の圧力損失が低減でき、良い。仕切り７によってバイパス流路が形成されたガスヘッダ４であっても、複数の扁平管３が近接配置でき、冷媒の圧力損失が低減できる。また、流出管５が上部に設けられた場合には、重力によってガスヘッダ４の底部に溜まった圧縮機油が冷媒のバイパス流れによって冷凍サイクル装置１０１の圧縮機１０２へ返油でき、良い。

＜実施の形態６の効果＞
実施の形態６によれば、ガスヘッダ４内部には、仕切り７を有してバイパス流路が設けられている。

この構成によれば、複数の接続部の影響を受けないバイパス流路によってガスヘッダ４内部の圧力損失が抑制できる。

実施の形態６によれば、バイパス流路の冷媒流路に対する第１開口部１８は、ガスヘッダ４に差し込まれた扁平管３の開口端部とＸ方向にて一部が重なっている。

この構成によれば、第１開口部１８によってガスヘッダ４内部の冷媒流路からバイパス流路に冷媒がスムーズに流入し易くなる。これにより、ガスヘッダ４内部の圧力損失が抑制できる。

実施の形態６によれば、バイパス流路の冷媒流路に対する第２開口部８は、狭い部分を形成した複数の接続部の１組に対して少なくとも１つＸ方向にて重なって設けられている。

この構成によれば、第２開口部８によって狭い部分を形成した複数の接続部の少なくとも１組の冷媒がバイパスでき、ガスヘッダ４内部の冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態７．
＜熱交換器１００の構成＞
図１８は、本発明の実施の形態７に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。図１９は、本発明の実施の形態７に係るガスヘッダ４の第２開口部８と扁平管３との関係を図１８のＣ−Ｃ線の断面にて示す説明図である。実施の形態７は、上記実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、実施の形態４、実施の形態５及び実施の形態６と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図１８及び図１９に示すように、ガスヘッダ４には、複数の第２開口部８が設けられている。第２開口部８が多いほど、複数の扁平管３との接続部を通過する冷媒の流れが抑制でき、ガスヘッダ４内部の冷媒の圧力損失が低減でき、良い。

図１９に示すように、複数の第２開口部８のそれぞれは、複数の扁平管３の開口端部と少なくとも一部が重なるように設けられている。これにより、仕切り７に冷媒が衝突することによる冷媒の圧力損失が低減でき、良い。

実施の形態８.
＜熱交換器１００の構成＞
図２０は、本発明の実施の形態８に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。実施の形態８は、上記実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、実施の形態４、実施の形態５、実施の形態６及び実施の形態７と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図２０に示すように、複数の第２開口部８が設けられたガスヘッダ４は、ガスヘッダ４内部に仕切り７を有する。

これに加えて、ガスヘッダ４は、ガスヘッダ４内部の複数の扁平管３の接続部付近に、少なくとも１つの区画仕切り１９を有する。ここでは、近接する２つの扁平管３の接続部ごとにそれぞれ区画仕切り１９が設けられている。すなわち、ガスヘッダ４は、狭い部分を形成した複数の接続部それぞれのうち少なくとも１つの領域にて区画して仕切られている。

この構成であると、複数の扁平管３の接続部を通過する冷媒の流れが減少し、ガスヘッダ４内部での冷媒の圧力損失が低減でき、良い。

＜実施の形態８の効果＞
実施の形態８によれば、ガスヘッダ４は、狭い部分を形成した複数の接続部それぞれのうち少なくとも１つの領域にて区画して仕切られている。

この構成によれば、区画して仕切られたガスヘッダ４では、狭い部分を形成した複数の接続部の冷媒が分割でき、ガスヘッダ４内部の冷媒の圧力損失が低減できる。

実施の形態９．
＜熱交換器１００の構成＞
図２１は、本発明の実施の形態９に係る熱交換器１００を示す概略構成図である。実施の形態９は、上記実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、実施の形態４、実施の形態５、実施の形態６、実施の形態７及び実施の形態８と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。

図２１に示すように、ガスヘッダ４内部は、狭い部分を形成した複数の接続部のいくつかで分割されている。複数の流出管９、流出管１０及び流出管１１は、ガスヘッダ４内部のそれぞれの分割された流路に設けられている。

この構成であると、近接する複数の扁平管３を通過する冷媒の流れが減少でき、これによってガスヘッダ４内部での冷媒の圧力損失が低減でき、良い。

＜他の熱交換器１００の構成＞
図２２は、本発明の実施の形態９に係る熱交換器１００の別の一例を示す概略構成図である。図２１では、ガスヘッダ４が内部にて３つに分割されていた。しかし、図２２に示すように、分割領域を単に複数のガスヘッダ４が構成しても良い。

実施の形態１０．
＜冷凍サイクル装置１０１＞
図２３は、本発明の実施の形態１０に係る熱交換器１００を適用した冷凍サイクル装置１０１を示す冷媒回路図である。

図２３に示すように、冷凍サイクル装置１０１は、圧縮機１０２、凝縮器１０３、膨張弁１０４及び蒸発器としての熱交換器１００を備える。これら圧縮機１０２、凝縮器１０３、膨張弁１０４及び熱交換器１００が冷媒配管で接続されて冷凍サイクル回路を形成している。そして、熱交換器１００から流出した冷媒は、圧縮機１０２に吸入されて高温高圧となる。高温高圧となった冷媒は、凝縮器１０３において凝縮されて液体になる。液体となった冷媒は、膨張弁１０４で減圧膨張されて低温低圧の気液二相となり、気液二相の冷媒が熱交換器１００において熱交換される。

実施の形態１〜９の熱交換器１００は、このような冷凍サイクル装置１０１に適用できる。なお、冷凍サイクル装置１０１としては、たとえば空気調和装置、冷凍装置又は給湯器などが挙げられる。

＜実施の形態１０の効果＞
実施の形態１０によれば、冷凍サイクル装置１０１は、上記の熱交換器１００を備える。

この構成によれば、冷凍サイクル装置１０１は、熱交換器１００を備えるので、簡素な構造が図られつつ、冷媒の圧力損失が低減できる。

なお、本発明の実施の形態１〜１０は、組み合わされても良いし、他の部分に適用しても良い。

１ 流入管、２ 冷媒分配器、３ 扁平管、３ａ 熱交換部分、４ ガスヘッダ、５ 流出管、６ フィン、７ 仕切り、８ 第２開口部、９ 流出管、１０ 流出管、１１ 流出管、１５ 渦領域、１６ ディストリビュータ、１７ キャピラリチューブ、１８ 第１開口部、１９ 区画仕切り、２０ 折り曲げ部、１００ 熱交換器、１０１ 冷凍サイクル装置、１０２ 圧縮機、１０３ 凝縮器、１０４ 膨張弁。

本発明に係る熱交換器は、外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、を備える熱交換器であって、空間内にて互いに直交する方向がＸ方向及びＹ方向と定義されたとき、前記ガスヘッダは、Ｙ方向に長手に延出されてＹ方向に冷媒の流れ方向を形成し、前記複数の扁平管は、Ｙ方向に間隔をあけて並び、前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにＸ方向から挿入する接続部が設けられ、前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成され、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部は、前記複数の扁平管のうちＹ方向の仮想の中心線を挟んで対称な形状の２以上の前記扁平管の群によって構成され、前記仮想の中心線を挟んで対称な形状の２以上の扁平管の群のそれぞれの前記扁平管は、前記仮想の中心線から離れる方向に折り返す折り曲げ部を有するものである。

Claims (22)

1. 外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、
   前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、
   を備える熱交換器であって、
   空間内にて互いに直交する方向がＸ方向及びＹ方向と定義されたとき、
   前記ガスヘッダは、Ｙ方向に長手に延出されてＹ方向に冷媒の流れ方向を形成し、
   前記複数の扁平管は、Ｙ方向に間隔をあけて並び、
   前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにＸ方向から挿入する接続部が設けられ、
   前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成される熱交換器。
2. 前記複数の接続部間の間隔は、前記狭い部分と前記広い部分とが交互に形成される請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の扁平管に接続された複数のフィンを備え、
   前記複数の接続部の間隔は、最も狭い部分の間隔がｔｐ１、最も広い部分の間隔がｔｐ２、前記複数の接続部の段ピッチがＤｐと定義されたとき、
   ｔｐ１＜Ｄｐかつｔｐ２＞２×Ｄｐが満たされる請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記狭い部分を形成した前記複数の接続部は、前記複数の扁平管のうち２以上の前記扁平管の群によって構成される請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記２以上の扁平管の群は、各群のＹ方向での中心である仮想の中心線を挟んで対称な形状に構成される請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記複数の扁平管は、Ｘ方向に直線状である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記複数の接続部は、前記複数の扁平管のうちいずれかの前記扁平管の端部をＹ方向に曲げて構成される請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 前記仮想の中心線を挟んで対称な形状に構成された１群は、２つの前記扁平管によって構成され、
   １群を構成した前記２つの扁平管は、前記端部をＹ方向の前記仮想の中心線に近づける方向に曲げる請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記仮想の中心線を挟んで対称な形状に構成された１群は、３以上の前記扁平管によって構成され、
   １群を構成した前記３以上の扁平管は、前記１群のうち少なくともＹ方向の両端側の前記扁平管の前記端部を前記仮想の中心線に近づける方向に曲げる請求項７に記載の熱交換器。
10. １群を構成した前記扁平管は、前記扁平管の他端部をＹ方向にて前記仮想の中心線から離れる方向に折り返す折り曲げ部を有する請求項５又は請求項５に従属する請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 前記折り曲げ部の数は、前記ガスヘッダの流出口に近い前記扁平管ほど多い請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記複数の扁平管のうち前記複数の接続部以外の熱交換部分は、Ｙ方向に等間隔に並ぶ請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の熱交換器。
13. 前記扁平管の前記端部における前記ガスヘッダへの差し込み長さがｔｉｎ、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部を有する前記扁平管の距離がｔｐと定義されたとき、
    前記複数の接続部のうち最も狭い部分に近接する２つの前記扁平管の距離は、ｔｐ＜２．０×ｔｉｎが満たされる請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の熱交換器。
14. 前記扁平管の前記端部における前記ガスヘッダへの差し込み長さがｔｉｎ、前記ガスヘッダの冷媒流路に対する直交断面の内径がＤｉと定義されたとき、
    ０．３５≦ｔｉｎ／Ｄｉ＜１．００の関係が満たされる請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の熱交換器。
15. 前記ガスヘッダの内部には、仕切りを有してバイパス流路が設けられる請求項１〜１４のいずれか１項に記載の熱交換器。
16. 前記バイパス流路の冷媒流路に対する第１開口部は、前記ガスヘッダに差し込まれた前記扁平管の開口端部とＸ方向にて一部が重なる請求項１５に記載の熱交換器。
17. 前記バイパス流路の冷媒流路に対する第２開口部は、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部の１組に対して少なくとも１つＸ方向にて重なって設けられる請求項１５又は請求項１６に記載の熱交換器。
18. 前記ガスヘッダの内部を流れる冷媒は、オレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒のいずれかである請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載の熱交換器。
19. 前記ガスヘッダの内部を流れる冷媒は、オレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテルの少なくとも１つを組成に含む混合冷媒である請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載の熱交換器。
20. 前記複数の扁平管の他端部に接続されて前記複数の扁平管に気液二相状態の冷媒を分配する冷媒分配器を備える請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載の熱交換器。
21. 前記ガスヘッダは、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部それぞれのうち少なくとも１つの領域にて区画して仕切られる請求項１〜請求項２０のいずれか１項に記載の熱交換器。
22. 請求項１〜請求項２１のいずれか１項に記載の熱交換器を備える冷凍サイクル装置。

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