JPWO2021074950A1 - 熱交換器及び熱交換器を搭載した空気調和装置 - Google Patents

Abstract

本開示は、気液二相状態の冷媒の分離を抑制し、分配を改善することができる熱交換器を提供することを目的とする。本開示に係る熱交換器は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管（１）と、第１方向に長手であり、流入管（２）から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管（１）に分配する冷媒分配器（１００）と、を備え、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管（１）が接続された第１空間（６）と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間（６）に送る第２空間（７）とに仕切る仕切り板（４ａ）が配置され、仕切り板（４ａ）は、第１空間（６）と第２空間（７）を連通する開口部（５１ａ）と、開口部（５１ａ）の周縁部に第２空間（７）に向かって突き出すように設けられた突き出し部（５２ａ）と、を有するオリフィス部（５ａ）が、第１方向に間隔を空けて複数形成されている。

Description

本開示は、ヘッダ管から複数の伝熱管へ気液二相状態の冷媒を分配する冷媒分配器を有する熱交換器及び熱交換器を搭載した空気調和装置に関する。

空気調和装置において、室内機に搭載された凝縮器として機能する熱交換器で凝縮された液冷媒は、膨張弁によって減圧され、ガス冷媒と液冷媒とが混在する気液二相状態となる。そして、気液二相状態の冷媒は、室外機に搭載された蒸発器として機能する熱交換器に流入する。
伝熱管として用いた扁平管とフィンとを接合して生成した熱交換器の冷媒分配器では、熱交換器を通過する空気に接するように、複数の扁平管に気液二相状態の冷媒を分配することが困難であった。例えば、ビル用マルチエアコンの室外機には、室外機の上部にファンが設けられており、熱交換器を通過する空気はファンに近い熱交換器上部で大きくなる。この場合には、熱交換器上部ほど多く液冷媒を供給する必要があるが、重力の影響で熱交換器の上部に液冷媒を多く供給することは困難であった。

そこで、熱交換器の冷媒分配器内部に仕切板を設けて空間を２つに分けることで、気液二相状態の冷媒が上昇する空間の流路面積を減少させて冷媒の流速を増進させることにより、気液二相状態の冷媒の分配の偏りを抑制していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−１６９０６２号公報

しかしながら、このような従来技術では、重力の影響によってガス冷媒と液冷媒が分離してしまい、気液二相状態の冷媒の分配を十分に改善することができなかった。特に扁平管が配列される方向を鉛直方向として冷媒分配器を配置した場合には、気液二相状態の冷媒が冷媒分配器の内部を上昇流で流れ、重力の影響によるガス冷媒と液冷媒の分離が起こりやすかった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス冷媒と液冷媒の分離を抑制し、分配を改善することができる熱交換器を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備え、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管が接続された第１空間と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間に送る第２空間とに仕切る仕切り板が配置され、仕切り板は、第１空間と第２空間を連通する開口部と、開口部の周縁部に第２空間に向かって突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が、第１方向に間隔を空けて複数形成されている、ことを特徴とする。

本開示に係る空気調和装置は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備えた熱交換器が搭載され、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管が接続された第１空間と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間に送る第２空間とに仕切る仕切り板が配置され、仕切り板は、第１空間と第２空間を連通するスリット形状の開口部と、開口部の周縁部に第２空間に向かって突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が形成されている、ことを特徴とする。

本開示に係る熱交換器は、冷媒分配器の内部に配置された仕切り板に突き出し部を有するオリフィス部を設けることにより、気液二相状態の冷媒が攪拌されてガス冷媒と液冷媒の分離が抑制され、気液二相状態の冷媒の分配を改善することができる。

本開示に係る空気調和装置は、搭載された熱交換器が備えている冷媒分配器の内部に配置された仕切り板に突き出し部を有するオリフィス部を設けることにより、気液二相状態の冷媒が攪拌されてガス冷媒と液冷媒の分離が抑制されることで、気液二相状態の冷媒の分配が改善され、熱交換効率を向上させることができる。

本開示の実施の形態１に係る冷媒分配器の概略図。 図１で示されているＡ−Ａ断面図。 図２で示されているＢ領域の拡大図。 図２で示されているＣ−Ｃ断面図。 本開示の実施の形態１に係る冷媒分配器に接続する伝熱管を円管とした場合の冷媒分配器の概略図。 本開示の実施の形態１に係る冷媒分配器に接続する伝熱管として用いる扁平多孔管の例の図。 本開示の実施の形態１に係る冷媒分配器のヘッダ管の形状の他の例の図。 本開示の実施の形態１に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板の例の図。 第３方向に複数のオリフィス部が形成された仕切り板の例の図。 隣り合う扁平管の間の空間に冷媒を送るようにオリフィス部が形成された仕切り板の例の図。 隣り合う扁平管の間の空間に冷媒を送るように第３方向に複数のオリフィス部が形成された仕切り板の別の例の図。 本開示の実施の形態２に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板の例の図。 本開示の実施の形態２に係る冷媒分配器のＣ−Ｃ断面図。 本開示の実施の形態２に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板の別の例の図。 本開示の実施の形態３に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板の例の図。 本開示の実施の形態４に係る熱交換器の断面図の概略図。 本開示の実施の形態４に係る返油孔を設けた例の熱交換器の断面図の概略図。 コルゲートフィンを備えた本開示の実施の形態４に係る熱交換器の例の断面図の概略図。 フィンを設けない本開示の実施の形態４に係る熱交換器の例の断面図の概略図。 プロペラファンを備えた本開示の実施の形態５に係る熱交換器の例の断面図の概略図。 熱交換器の風量とプロペラファンとの距離との関係を示した図の例。 仕切り板に第１の連通部と第２の連通部が形成された冷媒分配器における液冷媒流量とプロペラファンとの距離との関係を示した図の例。 本開示の実施の形態６に係るオリフィス部が形成された冷媒分配器を備えた熱交換器における、冷媒分配器の液冷媒量とプロペラファンとの距離との関係を示した図の例。 本開示の実施の形態６に係る熱交換器を搭載した空気調和装置に関する冷媒回路の一例を示した図。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る冷媒分配器１００の概略図の一例である。図１に示すように、冷媒分配器１００は、流入管２、ヘッダ管３、仕切り板４ａ及びオリフィス部５ａから構成されており、伝熱管である扁平管１が接続されている。また、扁平管１は複数あり、扁平管１が間隔を空けて配列されている方向を第１方向、扁平管１がそれぞれ延びている方向を第２方向、並びに、第１方向及び第２方向のそれぞれに直交する方向を第３方向とする。また、図１の矢印Ｋは、流入管２から流入した気液二相状態の冷媒の流れを表している。

冷媒分配器１００は、第１方向に長手であり、ヘッダ管３は、第１方向から見ると円形状となっている。
ヘッダ管３の内部には、仕切り板４ａが配置されている。仕切り板４ａは、ヘッダ管３内部の空間を第２方向に仕切り、第１空間６及び第２空間７を形成している。第１空間６は、接続された扁平管１に気液二相状態の冷媒を分配する空間であり、第２空間７は、流入管２から流入された気液二相状態の冷媒を第１方向に流動させ、第１空間６に送る空間である。仕切り板４ａには、複数のオリフィス部５ａが第１方向に間隔を空けて形成されている。
複数の扁平管１は、等ピッチで、第１方向である冷媒分配器１００の長手方向に配列されている。複数の扁平管１の各々の管と管の間には、例えば、コルゲートフィンが挿入され、扁平管１の外側表面で接合されている。

図２は、図１で示されているＡ−Ａ断面図を示したものである。図２に示しているように、仕切り板４ａには、オリフィス部５ａが第２空間７に突き出すように形成されている。
図３は、図２で示されているＢ領域の拡大図である。図３に示しているように、オリフィス部５ａは、開口部５１ａ及び突き出し部５２ａで構成されている。第２空間７側を仕切り板４ａの主面とすると、開口部５１ａは、主面の一部に設けられ、第１空間６と第２空間７を連通させており、孔状になっている。突き出し部５２ａは、開口部５１ａの周縁部に第２空間７側に向かって突き出すように設けられている。つまり、オリフィス部５ａは、第２空間７に突出した環状の構造となっている。
また、第２空間７を流動する液冷媒９の液膜１０の厚さである、液膜１０の第２方向の長さδを表している。

次に、図２を用いて冷媒分配器１００の内部を流通する気液二相状態の冷媒の流れを説明する。
図２の矢印Ｋは気液二相状態の冷媒の流れを表している。気液二相状態の冷媒は、図２では、ガス冷媒８及び液冷媒９で表している。気液二相状態の冷媒は、流入管２から冷媒分配器１００内に流入し、第２空間７を第１方向に向かって流動する。流動する過程において、オリフィス部５ａの突き出し部５２ａは、第２空間７を流動するガス冷媒８と液冷媒９を攪拌して、第２空間７においてガス冷媒８と液冷媒９の分離を抑制し、液冷媒９を終端まで流動させやすくする。そして、気液二相状態の冷媒は、オリフィス部５ａの開口部５１ａを通って第２空間７から第１空間６に送られる。送られた気液二相状態の冷媒は、第１空間６内で攪拌されて均質となり、複数の扁平管１に分配される。その後、気液二相状態の冷媒は、扁平管１を流れる過程で外部空気と熱交換し、蒸発しながら流動する。
気液二相状態の冷媒が第２空間７から第１空間６へ流れる開口部５１ａの周縁部に突き出し部５２ａを設けることで、気液二相状態の冷媒が攪拌され、気液が混合した状態にことができる。

つづいて図３を用いて、オリフィス部５ａの構造について詳しく述べる。突き出し部５２ａの第２空間７への突き出し長さＬは、液膜１０を貫くように、液膜１０の第２方向の長さδよりも大きく構成すると、液冷媒９の攪拌効果が大きくなるため、なお良い。
また、第２空間７を流動する気液二相状態の冷媒の流動様式が、例えば、環状流又はチャーン流といった、第２空間７の中心部にガス冷媒８が多く流れ、第２空間７の壁面付近に液冷媒９が多く分布する流動様式であれば、液冷媒９をより攪拌するため、なお良い。

図４は、図２で示されているＣ−Ｃ断面図である。図４において、第１空間６の流路断面積Ａ１［ｍ^２］及び第２空間７の流路断面積Ａ２［ｍ^２］で表す。液膜１０の第２方向の長さδは、発明者らの実験と解析によると、流路断面積Ａ２を流動する冷媒の液見かけ速度Ｕ_LS［ｍ／ｓ］、冷媒の乾き度ｘ、冷媒流速Ｇ［ｋｇ／（ｍ^２ｓ）]、冷媒液密度ρ_L［ｋｇ／ｍ^３］、第２空間７の相当直径Ｄ［ｍ］とすると、δ＝G×（１−ｘ）×D／（４×ρ_L×Ｕ_LS）となり比較的、良く一致すること確認した。
ここで、第２空間７を流れる冷媒流量をＭ_R［ｋｇ／ｈ］と定義したとき、冷媒流速Ｇ［ｋｇ／（ｍ^２ｓ）］は、Ｇ＝Ｍ_R／（３６００×Ａ２）となり、液見かけ速度Ｕ_LS［ｍ／ｓ］は、Ｕ_LS＝Ｇ（１−ｘ）／ρ_Lで定義され、第２空間７の相当直径Ｄ［ｍ］は、Ｄ＝（４×Ａ２／π）^０．５と表すことができる。

また、図４で示すように、オリフィス部５ａが形成された仕切り板４ａと、仕切り板４ａに対向する第２空間７の面との最大距離をＨとする。ヘッダ管３の強度を保ち、気液二相状態の冷媒を攪拌させる効果を得るために、突き出し部５２ａの長さＬは、Ｈ／６＜Ｌ≦Ｈ／２とするとよい。
図４で表されている流路断面積Ａ２のように、第２空間７の断面が第３方向に幅広で、第２方向に短い扁平な形状である場合、幅広の面に形成される突き出し部５２ａの長さＬは、Ｈ／６＜Ｌ＜Ｈ／３とするとよりよい。液膜１０の第２方向の長さδが側面に比べて薄くなる傾向があるため、冷媒の潜熱を利用するヒートポンプ装置で使用される熱交換器においては、Ｈ／６＜Ｌ＜Ｈ／３とすることで、冷媒の攪拌効果がより良好になる。

オリフィス部５ａの有する突き出し部５２ａによって攪拌された気液二相状態の冷媒は、オリフィス部５ａの有する開口部５１ａによって第２空間７から第１空間６へと送られる。送られた冷媒は、隣り合う扁平管１の間に形成された空間で攪拌され、均質となり、複数の扁平管１に分配される。その後、扁平管１を流れる過程で外部空気と熱交換し、蒸発しながら流動する。

特に、図１で示すように、第１方向を鉛直方向とした場合、第２空間７を流れる気液二相状態の冷媒は、ヘッダ管３の中心付近にガス冷媒８が多く流れ、ヘッダ管３の壁面付近には液冷媒９が多く流れるような流動様式となり易い。また、重力の影響により、ガス冷媒８と液冷媒９が分離し易く、液冷媒９を冷媒分配器１００の上部に流すことが難しい。
そのため、第２空間７に突き出す突き出し部５２ａを有するオリフィス部５ａを構成することで、突き出し部５２ａで気液二相状態の冷媒を攪拌し、冷媒分配器１００の上部に液冷媒９を流動し易くなる。その結果、気液二相状態の冷媒の分配を改善することができる。

なお、図１〜図４では、冷媒分配器１００に扁平管１が接続されている場合を例に挙げて説明しているが、伝熱管の種類を限定するものではない。
図５は、本実施の形態に係る冷媒分配器に接続する伝熱管を円管とした場合の概略図である。例えば、図５に示すように、伝熱管は円管１１であっても良い。

また、図６は、本実施の形態に係る冷媒分配器１００に接続する伝熱管として用いる扁平多孔管１２の例の図である。伝熱管として扁平管１を用いた場合、図６に示すような冷媒流路１３を有する扁平多孔管１２を用いると、オリフィス部５ａを通過することで冷媒が第１空間６で混合されて均質になり、扁平多孔管１２の孔間分配も改善するため、なお良い。

また、図１〜６では、ヘッダ管３の形状が円形状であるものを例として説明しているが、これに限定するものではない。
図７は、本実施の形態に係る冷媒分配器１００のヘッダ管３の形状の他の例である。例えば、図７に示すような、円弧部１４と直線部１５を有するＤ型管を用いても良い。図７の場合、扁平管１を接続する際に、ロウ付け台を確保しやすいため、扁平管１の差し込み長さを抑制できる。扁平管１の差し込み長さを抑制することで、Ｄ型管の内容積を小さくすることができる分、冷媒量を削減することができるため、なお良い。
また、Ｄ型管の円弧部１４の面に扁平管１を差し込んでも良い。この場合、耐圧を向上させつつ、扁平管１の第３方向である幅方向にコンパクトな形状となる。特に、熱交換器を複数列配置するようなヘッダ管３を複数個並設する場合には、ヘッダ管３の干渉を緩和することができるため、なお好ましい。

また、図８は、本実施の形態に係る冷媒分配器１００の内部に配置された仕切り板４ａの例の図を示している。オリフィス部５ａの位置を分かりやすくするため、第２空間７から第１空間６に向かって仕切り板４ａを透視したときの、扁平管１の位置を仕切り板４ａ上に示している。本実施の形態では、図８のような仕切り板４ａを一例として説明しているが、オリフィス部５ａの位置、数及び形状については限定されるものではない。
図９〜図１１を用いて他の例について述べる。

図９は、第３方向に複数のオリフィス部５ａが形成された仕切り板４ａの例を示している。図９のように第３方向に複数のオリフィス部５ａを設ける場合、第３方向の冷媒の均質化が促進され、扁平管１同士の間の気液二相状態の冷媒分配が改善する。
図１０及び図１１は、第１空間６内の隣り合う扁平管１の間の空間に、第２空間７から冷媒を送るように複数のオリフィス部５ａが形成された仕切り板４ａを示している。図１０及び図１１では、第２空間７から第１空間６に向かって仕切り板４ａを透視したときの扁平管１の位置と重ならないように、第１方向にずらしてオリフィス部５ａ又はオリフィス部５ａ１及びオリフィス部５ａ２を配置している。その結果、気液二相状態の冷媒の攪拌空間を十分に確保することができるため、冷媒分配が改善する。

また、図８から図１１のように、オリフィス部５ａを第１方向に１列となるように複数設ける場合は、オリフィス部５ａが、第２空間７から第１空間６に向かって仕切り板４ａを透視したときの扁平管１の中心を第１方向につないだ線に含まれるようにするとよい。
図１１のように、第３方向に複数オリフィス部５ａ１及びオリフィス部５ａ２を設ける場合、オリフィス部５ａ１の位置は、第２空間７から第１空間６に向かって仕切り板４ａを透視したとき、オリフィス部５ａ１の側にある扁平管１の第３方向の端と仕切り板４ａの第３方向の端部との中間よりも、第３方向に沿って仕切り板４ａの中心を通る線側にあるとよい。同様に、オリフィス部５ａ２の位置は、オリフィス部５ａ２の側にある扁平管１の第３方向の端と仕切り板４ａの第３方向の端部との中間よりも、第３方向に沿って仕切り板４ａの中心を通る線側にあるとよい。
また、図１１に示すように扁平管１と熱交換する空気の流れ方向を矢印Ｍで示すとき、オリフィス部５ａは、風上側のオリフィス部５ａ１の径が風下側のオリフィス部５ａ２の径よりも大きい、つまり開口面積が大きい方が、熱負荷分布に適した冷媒分配の改善ができる。空気と冷媒の温度差が大きくなるため、風上側に冷媒を多く供給することができるためである。

また、冷媒分配を改善するためには、第１方向を鉛直方向とし、流入管２付近の端部を冷媒分配器１００の上流部、冷媒分配器１００の上流部と対向する位置の端部を下流部としたとき、冷媒分配器１００の上流部側と冷媒分配器１００の下流部側の圧力損失が、小さいことが重要である。したがって、扁平管１が接続されていない第１空間６の有効断面積Ａ１を、扁平管１が接続されている第２空間Ａ２よりも大きくすることで、冷媒分配器１００の上流側と下流側の圧力損失の差が小さくなり、冷媒分配を改善しつつ、冷媒量も削減することができ、なお良くなる。

また、冷媒分配器１００を流れる気液二相状態の冷媒は、種類を限定するものではない。ただし、一般的に広く空気調和装置の冷媒として使用されているＲ４１０Ａ冷媒及びＲ３２冷媒よりも、低圧冷媒を用いた場合の方が、ガス密度が小さくなり、特に仕切り板４ａによる圧力損失の抑制効果が大きくなるため、なお良い。
一例として、Ｒ１２３４ｙｆ及びＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）といったオレフィン系冷媒並びにプロパン及びジメチルエーテル（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ，ＤＭＥ）を成分の１つに加えた混合冷媒といった低圧冷媒は、ガス密度が小さく、仕切り板４ａによる圧力損失の抑制効果が大きいため、なお良い。
また、非共沸混合冷媒においては、オリフィス部５ａによって気液二相状態の冷媒が攪拌されて冷媒分配が改善されることによって、更には組成分布も改善され、熱交換器性能の改善効果が大きくなる。

突き出し部５２ａは、加工方法などを限定するものではないが、バーリング加工で成型すると、低コストで形成できると考えられる。

オリフィス部５ａの有する突き出し部５２ａによって攪拌され、分離が抑制された気液二相状態の冷媒は、オリフィス部５ａの有する開口部５１ａによって、第２空間７から第１空間６へと送られる。送られた冷媒は、隣り合う扁平管１の間に形成された空間で攪拌されて均質となり、複数の扁平管１に分配される。その後、扁平管１を流れる過程で外部空気と熱交換し、蒸発しながら流動する。

上述のように、本実施の形態では、冷媒分配器１００を蒸発器として用いた場合、仕切り板４ａに、開口部５１ａの周縁部に第２空間７に突き出すように突き出し部５２ａを有するオリフィス部５ａを形成することで、第２空間７を流動するガス冷媒８と液冷媒９を攪拌して、第２空間７においてガス冷媒８と液冷媒９の分離を抑制し、液冷媒９を終端まで流動させた気液二相状態の冷媒を第１空間６へ送ることができ、扁平管１への冷媒の分配の改善をすることができる。

また、仕切り板４ａを設けることで、仕切り板４ａを設けない場合に比べ、冷媒分配器の内部の冷媒の流路面積が狭くなり、流入する冷媒量を削減することができる。
本実施の形態では、図１及び図２で示すように、第１方向を鉛直方向とした場合に、より効果が得られるが、これに限るものではなく、例えば、第２方向を鉛直方向としても効果は得られる。

実施の形態２．
実施の形態１に係る冷媒分配器と実施の形態２に係る冷媒分配器との相違点は、内部に配置する仕切り板に形成されたオリフィス部の形状の違いである。
実施の形態１では、オリフィス部の開口部は、孔の形状となっている。一方、実施の形態２では、オリフィス部の開口部は、スリット形状となっている。
なお、以下では、実施の形態１と実施の形態２との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１との同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図１２は、本実施の形態に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板４ｂの例である。図８〜図１１と同様に、分かりやすいように第２方向から透視したときの扁平管１の位置を示している。図１２に示すように、本実施の形態の仕切り板４ｂには、第２空間７に突き出したスリット形状のオリフィス部５ｂが形成されている。図１２では、第２空間７側から仕切り板４ｂを見た際に、スリット形状のオリフィス部５ｂは、扁平管１と重なるように形成される。
図１３は、図４と同様に、本実施の形態の仕切り板４ｂを搭載した冷媒分配器のＣ−Ｃ断面図である。本実施の形態の冷媒分配器は、押し出し部材１６及び流出管１７を備え、仕切り板４ｂ上のスリット形状のオリフィス部５ｂは、少なくとも１つの押し出し部材１６によって第２空間７に突き出すように形成されている。また、矢印Ｋで示しているように、気液二相状態の冷媒は、第２空間７から第１空間６に送られる。

図１４は、本実施の形態に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板４ｂの別の例である。矢印Ｍは、空気の流れを示している。図１４に示すように、スリット形状のオリフィス部は、オリフィス部５ｂ１及びオリフィス部５ｂ２といったように複数形成してもよい。また、図１４に示すように、第２空間７に突き出したオリフィス部５ｂ１及びオリフィス部５ｂ２は、仕切り板４ｂの第１方向の両端に至るように形成してもよい。

複数のスリット形状のオリフィス部５ｂを形成する場合は、図１４の矢印Ｍで示す空気の流れの風上側に形成されたオリフィス部５ｂ２の方が、風下側に形成されたオリフィス部５ｂ１よりも、開口している幅が大きい、つまり開口面積が大きいように形成する。その結果、扁平管１の管外を通過する空気と扁平管１の管内を通過する冷媒との温度差が大きくなる風上側に、冷媒を多く分配することができ、熱交換器性能の改善効果が大きくなる。

また、例えば、仕切り板４ｂ上に第１方向の半分の長さの位置に実施の形態２で述べたスリット形状のオリフィス部５ｂを形成し、残り半分の長さの位置に仕切り板４ｂ上に実施の形態１で述べたオリフィス部５ａを形成してもよい。

上述のように、本実施の形態では、突き出し部５２ａを有するスリット形状のオリフィス部５ｂが形成された仕切り板４ｂを冷媒分配器１００に搭載するため、第２空間７を流れる気液二相状態の冷媒を攪拌することができ、ガス冷媒８と液冷媒９の分離が抑制された気液二相状態の冷媒全体の扁平管１への分配を改善することができる。
また、オリフィス部５ｂはスリット形状であるため、低コストで容易にプレス成型して形成することができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２と、実施の形態３が異なる点は、仕切り板上のスリット形状のオリフィス部の設け方の違いである。
本実施の形態では、第２空間に突き出したオリフィス部５ｃ１及びオリフィス部５ｃ２が、第２方向側から仕切り板を透視したときの扁平管１の位置と重ならないように形成されている。
なお、以下では、実施の形態１及び実施の形態２との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１及び実施の形態２と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図１５は、本実施の形態に係る冷媒分配器の内部に配置された仕切り板４ｃの例である。分かりやすいように、第２空間７から第１空間６に向かって仕切り板４ａを透視したときの扁平管１の位置を示している。矢印Ｍは、図１５と同様に、風の流れを示している。
上述のように、本実施の形態では、扁平管１とオリフィス部５ｃ１及びオリフィス部５ｃ２を重ならないように形成することで、気液二相状態の冷媒を十分に混合させ、扁平管１に冷媒を分配することができるため、熱交換器性能の改善効果が大きくなる。

実施の形態４．
図１６は、仕切り板を備えた冷媒分配器を搭載した、本実施の形態４に係る熱交換器２００の断面図の概略図である。本実施の形態４に係る熱交換器２００は、冷媒分配器１００、扁平管１、複数のフィン２０、ガスヘッダ３００を備えている。ガスヘッダ３００は、流出管１８及びガスヘッダ主管１９を有する。なお、以下では、実施の形態１から実施の形態３との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１から実施の形態３と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

熱交換器２００が、蒸発器として機能する場合の気液二相状態の冷媒の流れについて説明する。
蒸発器においては、気液二相状態の冷媒は、冷媒分配器１００に流入し、冷媒分配器１００によって複数の扁平管１に適切に分配される。そして、複数のフィン２０を介して、周囲の空気によって加熱され、高乾き度の気液二相状態の冷媒又はガス単相になり、ガスヘッダ３００のガスヘッダ主管１９にて、複数の扁平管１を流れる冷媒は合流し、流出管１８より排出される。
この際、冷媒分配器１００を備えることによって、熱交換器２００が蒸発器として機能する場合に、気液二相状態の冷媒分配を改善することができる。その結果、熱交換器性能を改善することができる。

熱交換器２００が、凝縮器として機能する場合の気液二相状態の冷媒の流れについて説明する。
凝縮器においては、冷媒は高温高圧のガス状態で流出管１８よりガスヘッダ３００に流入する。そして、ガス冷媒は、ガスヘッダ３００にて複数の扁平管１に分配され、複数のフィン２０を介して、周囲の空気に放熱し、低乾き度の気液二相状態の冷媒又は液単相になり、冷媒分配器１００に流入する。複数の扁平管１を流れる冷媒は、冷媒分配器１００にて合流し、流入管２から流出する。

図１７は、本実施の形態に係る熱交換器２００の別の例の断面図の概略図を示したものである。
図１７の例では、流入管２に最も近い位置に配置されている扁平管１の位置及びオリフィス部５ａの位置との間の仕切り板４ａに、返油孔２２を設けている。

熱交換器２００が、蒸発器として機能する場合の気液二相状態の冷媒の流れについて述べる。第１方向を鉛直方向とし、流入管２付近の端部を冷媒分配器１００の上流部、冷媒分配器１００の上流部と対向する位置の端部を下流部とする。
冷媒分配器１００の下流部に設けられた流入管２を通過して、気液二相状態の冷媒が上昇流として流動する。その際に図１７に示す矢印ｇの向きに重力がはたらく場合、冷媒分配器１００を通過する気液二相状態の冷媒に加え、圧縮機油が第１空間６の最下端に滞留する場合がある。

本実施の形態では、流入管２に最も近いオリフィス部５ａの位置及び扁平管１の位置との間の仕切り板４ａに返油孔２２を備えることによって、圧縮機油の滞留を抑制することができ、信頼性の高い熱交換器２００を提供することができる。

また、熱交換器２００が凝縮器として機能する場合には、液冷媒９がヘッド差の影響により、下流部に位置する扁平管１と第２空間７の下部に滞留し易いが、返油孔２２を備えることによって、凝縮器の性能改善も図ることができ、なお良い。

また、本実施の形態では、仕切り板４ａにオリフィス部５ａが備わっている場合について説明したが、例えば、実施の形態２で説明したように、スリット形状のオリフィス部５ｂを備えた場合、仕切り板４ａの第１方向の途中までオリフィス部５ｂを備え、流入管２に最も近いオリフィス部５ｂの位置及び扁平管１との間の仕切り板４ａに返油孔２２を備えてもよい。

また、例えば、実施の形態２で説明したように、仕切り板４ｂの端部に至るように形成されたスリット形状のオリフィス部５ｂを備えていても良い。仕切り板４ｂの端部に至るようにオリフィス部５ｂを設ける場合、オリフィス部５ｂが、返油孔２２の代わりを担うことができ、低コストで返油効果と凝縮器の性能改善効果を得ることができる。

また、図１７では、複数のフィン２０としてプレートフィンを代表例として図示しているが、フィン２０の種類を限定するものではない。他のフィンの例を用いた熱交換器２００を図１８及び図１９で示す。
例えば、図１８は、フィンとしてコルゲートフィン２１を備えた本実施の形態に係る熱交換器２００の断面図の概略図を示している。
また、例えば、図１９は、フィンを設けない本実施の形態に係る熱交換器２００の断面図の概略図を示している。

実施の形態５．
図２０は、本実施の形態に係る熱交換器２００の例の断面図の概略図を示したものである。第１方向を冷媒分配器の長手方向とし、流入管付近の端部側を熱交換器の下部、及び、熱交換器の下部と対向する端部側を熱交換器の上部とする。図２０では、熱交換器２００の上部にプロペラファン２３が備わっている。
図２１は、熱交換器２００の風量とプロペラファン２３との距離との関係を示した図である。
なお、以下では、実施の形態１から実施の形態４との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１から実施の形態４と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

本実施の形態は、一般的にビル用マルチエアコンの室外機等で採用されている。本実施の形態のようにプロペラファン２３を備えた熱交換器２００を通過する空気の風量は、プロペラファン２３に近いものほど多く、図２１の様な風量分布となる。
図２２は、第１連通部及び第２連通部を設けた仕切り板がヘッダの内部に配置された冷媒分配器の場合における、液冷媒流量とプロペラファン２３との距離との関係を示した図の例である。

第１連通部及び第２連通部を設けた仕切り板がヘッダの内部に配置された冷媒分配器が設けられた熱交換器において、第１方向を冷媒分配器の長手方向とし、流入管付近の端部側を熱交換器の下部、及び、熱交換器の下部と対向する端部側を熱交換器の上部とする。プロペラファン２３から離れる方向に加わる重力の影響により、熱交換器の上部に液冷媒を分配することが難しくなる。その結果、図２２で示すように、プロペラファン２３との距離が近いほど、液冷媒流量が少なくなる。
つまり、熱交換器の上部にプロペラファン２３を設けると、空気が多く流れる部分に液冷媒を供給することができないため、熱交換性能の低下が大きくなる。

図２３は、第２空間７へのオリフィス部５ａが形成された冷媒分配器１００を備えた熱交換器２００における、冷媒分配器１００の液冷媒量とプロペラファン２３との距離との関係を示している。図２３より、プロペラファン２３との距離によって液冷媒流量に大きな差は見られないことがわかる。つまり、本実施の形態では、熱交換器２００の上部にプロペラファン２３を設けた場合であっても、オリフィス部５ａによって液冷媒９を飛散させるため、熱交換器２００の上部に多くの液冷媒９を分配することができる。

本実施の形態では、オリフィス部５ａが気液二相状態の冷媒を飛散させるため、液冷媒流量を風量分布に近い冷媒分配を行うことができ、プロペラファン２３が備えられた熱交換器２００の熱交換器性能をより改善することができる。

実施の形態６．
図２４は、本実施の形態に係る熱交換器２００を搭載した空気調和装置に関する冷媒回路の一例を示した図である。
なお、以下では、実施の形態１から実施の形態５との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１から実施の形態５と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図２４の空気調和装置は、圧縮機２４、室内熱交換器４００、膨張弁２５、室内ファン２６、室外熱交換器５００、及び室外ファン２７で構成されている。例として、図２４では、室内熱交換器４００に、実施の形態１から５のいずれかの冷媒分配器１００が液ヘッダとして搭載されているとする。
図２４は、暖房運転に使用される空気調和装置を表している。暖房運転時の気液二相状態の冷媒の流れについて説明する。

気液二相状態の冷媒は圧縮機２４によって高温高圧の過熱蒸気となる。その後、冷媒分配器１００が搭載された室内熱交換器４００を流入し、室内ファン２６によって供給された空気によって冷却され、高圧の液冷媒９に状態が変化する。冷媒はその後、膨張弁２５によって減圧され、低温及び低圧の気液二相状態の冷媒状態へと変化し、液ヘッダとして冷媒分配器１００が搭載された室外熱交換器５００へと流入する。
ここで、気液二相状態の冷媒は、冷媒分配器１００によって適切に分配され、室外ファン２７によって供給される空気と熱交換して蒸発し、圧縮機２４に流入する。

膨張弁２５の開度調整、冷媒充填量及び圧縮機回転数の調整によって、冷媒分配器１００を流れる気液二相状態の冷媒の流動状態は、ガス冷媒８が管中心付近に多く流れる冷媒の流動状態、例えば、環状流又はチャーン流とすると、冷媒分配の改善範囲が広くなるため、なお良い。このためには、冷媒分配器１００の入口乾き度を０．１０〜０．２０、好ましくは０．１５〜０．３０の範囲で制御すると良い。

また、空気調和装置は、冷房運転に使用されるものとしてもよい。
冷房運転時は、気液二相状態の冷媒の流れは、上記で述べた暖房運転時と逆となる。
その場合、冷媒分配器１００及び熱交換器２００が室内熱交換器４００に搭載されるようにすることで気液二相状態の冷媒の分配性能が向上し、高効率の空調が実現できる。空気調和装置は、例えば四方弁を用いて、気液二相状態の冷媒の流れる方向を反転可能に構成して冷房及び暖房を切替えられるようにしても良い。

熱交換器２００を搭載した本実施の形態の空気調和装置は、冷媒分配器１００によって気液二相状態の冷媒の分配が改善され、熱交換効率が向上した空気調和装置とすることができる。

１ 扁平管
２ 流入管
３ ヘッダ管
４ａ、４ｂ、４ｃ 仕切り板
５ａ、５ａ１、５ａ２、５ｂ、５ｂ１、５ｂ２ オリフィス部
５１ａ 開口部
５２ａ 突き出し部
６ 第１空間
７ 第２空間
８ ガス冷媒
９ 液冷媒
１０ 液膜
２２ 返油孔
２３ プロペラファン
１００ 冷媒分配器
２００ 熱交換器
４００ 室内熱交換器
５００ 室外熱交換器

本開示に係る熱交換器は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備え、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管が接続された第１空間と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間に送る第２空間とに仕切る仕切り板が配置され、仕切り板の主面の一部に、第１空間と第２空間を連通する開口部と、開口部の周縁部に第２空間に向かって突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が形成されており、冷媒が通過するオリフィス部は、仕切り板の主面から第２空間に向けて突き出している、ことを特徴とする

本開示に係る空気調和装置は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備えた熱交換器が搭載され、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管が接続された第１空間と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間に送る第２空間とに仕切る仕切り板が配置され、仕切り板の主面の一部に、第１空間と第２空間を連通する開口部と、開口部の周縁部に第２空間に向かって突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が形成されており、冷媒が通過するオリフィス部は、仕切り板の主面から第２空間に向けて突き出している、ことを特徴とする。

次に、図２を用いて冷媒分配器１００の内部を流通する気液二相状態の冷媒の流れを説明する。
図２の矢印Ｋは気液二相状態の冷媒の流れを表している。気液二相状態の冷媒は、図２では、ガス冷媒８及び液冷媒９で表している。気液二相状態の冷媒は、流入管２から冷媒分配器１００内に流入し、第２空間７を第１方向に向かって流動する。流動する過程において、オリフィス部５ａの突き出し部５２ａは、第２空間７を流動するガス冷媒８と液冷媒９を攪拌して、第２空間７においてガス冷媒８と液冷媒９の分離を抑制し、液冷媒９を終端まで流動させやすくする。そして、気液二相状態の冷媒は、オリフィス部５ａの開口部５１ａを通って第２空間７から第１空間６に送られる。送られた気液二相状態の冷媒は、第１空間６内で攪拌されて均質となり、複数の扁平管１に分配される。その後、気液二相状態の冷媒は、扁平管１を流れる過程で外部空気と熱交換し、蒸発しながら流動する。
気液二相状態の冷媒が第２空間７から第１空間６へ流れる開口部５１ａの周縁部に突き出し部５２ａを設けることで、気液二相状態の冷媒が攪拌され、気液が混合し状態にできる。

この発明に係る熱交換器は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備え、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管が接続された第１空間と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間に送る第２空間とに仕切る仕切り板が配置され、仕切り板の主面の一部に、第１空間と第２空間を連通する開口部と、開口部の周縁部全体から立ち上り第２空間側のみに突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が形成されており、冷媒が通過するオリフィス部は、仕切り板の主面から第２空間に向け突き出している、ことを特徴とする。

この発明に係る空気調和装置は、第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備えた熱交換器が搭載され、冷媒分配器は、内部の空間を、複数の伝熱管が接続された第１空間と、冷媒を第１方向に流動させ、第１空間に送る第２空間とに仕切る仕切り板が配置され、仕切り板の主面の一部に、第１空間と第２空間を連通する開口部と、開口部の周縁部全体から立ち上り第２空間側のみに突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が形成されており、冷媒が通過するオリフィス部は、仕切り板の主面から第２空間に向けて突き出している、ことを特徴とする。

Claims (11)

1. 第１方向に間隔を空けて配列され、それぞれが第２方向に延びている複数の伝熱管と、
   前記第１方向に長手であり、流入管から流入する気液二相状態の冷媒を前記複数の伝熱管に分配する冷媒分配器と、を備え、
   前記冷媒分配器は、内部の空間を、前記複数の伝熱管が接続された第１空間と、前記冷媒を前記第１方向に流動させ、前記第１空間に送る第２空間と、に仕切る仕切り板が配置され、
   前記仕切り板は、前記第１空間と前記第２空間を連通する開口部と、前記開口部の周縁部に前記第２空間に向かって突き出すように設けられた突き出し部と、を有するオリフィス部が形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第２空間への前記突き出し部の突き出している前記第２方向の長さＬは、前記仕切り板の面に形成される液膜の前記第２方向の長さδよりも長い
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記突き出し部の長さＬは、
   前記仕切り板と、前記仕切り板に対向する前記第２空間の面との最大距離Ｈとすると、
   Ｈ／６＜Ｌ≦Ｈ／２とする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記オリフィス部の有する前記開口部は、スリット形状である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記開口部が前記スリット形状である前記オリフィス部は、
   前記仕切り板の前記第１方向の両端に至るように形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記第１方向及び前記第２方向のそれぞれに直交する方向を第３方向とする場合、
   前記オリフィス部は、前記第３方向に複数形成されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記第３方向に複数形成されている前記オリフィス部は、
   風上側に形成されるものほど開口面積が大きい、
   ことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記オリフィス部は、
   前記第２空間から前記第１空間に向かって前記仕切り板を透視したときの前記伝熱管の位置と重ならないように形成される
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 前記仕切り板には、
   前記流入管に最も近い位置に配置されている前記オリフィス部の位置と、
   前記流入管に最も近い位置に配置されている前記伝熱管の位置との間に、
   返油孔が設けられている
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. プロペラファンを備える
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱交換器が搭載された
    ことを特徴とする空気調和装置。

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