JP7726321B1

JP7726321B1 - 熱交換器および冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7726321B1
Application number: JP2024055423A
Authority: JP
Inventors: 政利渡辺; 伸幸土畠; 紘平柴田; 孝多郎岡; 奈穂田下
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2024-03-29
Filing date: 2024-03-29
Publication date: 2025-08-20
Anticipated expiration: 2044-03-29
Also published as: WO2025204761A1; JP2025153119A

Abstract

【課題】蒸発器として機能する熱交換器の蒸発性能を向上させる。
【解決手段】室外熱交換器１の膨張弁側ヘッダ２１は、ヘッダ長手方向２５における一端部４１の側から他端部４２の側へと冷媒を流す第１流路５７と、他端部４２の側から一端部４１の側へと冷媒を流す第２流路５８と、他端部４２の側において第１流路５７から第２流路５８へと冷媒を流す第１折返し流路５１と、一端部４１の側において第２流路５８から第１流路５７へと冷媒を流す第２折返し流路５２と、冷媒が流入する流入空間４３から第１流路５７の一端部４１の側に冷媒を流入させる流入口６１とを有し、第１流路５７は、複数の伝熱管２３を介して圧縮機側ヘッダ２２に連通し、第１流路５７は、室外熱交換器１が蒸発器として機能するときに、複数の伝熱管２３のうち流入空間４３から最も遠い位置にある伝熱管から圧縮機側ヘッダ２２に流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成されている。
【選択図】図２

Description

本開示の技術は、熱交換器および冷凍サイクル装置に関する。

空気と冷媒を熱交換する熱交換器として、気液二相冷媒を複数の伝熱管に分流させるヘッダを備える熱交換器が知られている（特許文献１）。ヘッダの内部では、複数の伝熱管の一端がそれぞれ配置される複数の差込空間に循環流路が連通されている。循環流路は、第１流路と、第２流路と、第１流路の上端を第２流路の上端に連通させる第１折返し流路と、第２流路の下端を第１流路の下端に連通させる第２折返し流路とを含んでいる。ヘッダに流入した気液二相冷媒は、第１流路を上昇し、第１折返し流路を介して第１流路の上端から第２流路の上端に流入し、第２流路を下降し、第２折返し流路を介して第２流路の下端から第１流路の下端に流入するように、循環流路を循環する。このような熱交換器は、ヘッダに流入した気液二相冷媒を循環流路に循環させることにより、第１流路の上部に冷媒が滞留することを防止することができ、複数の伝熱管にそれぞれ流れる冷媒の流量が互いに等しくなるように、気液二相冷媒を複数の伝熱管に適切に分流することができる。

特開２０１９－０５６５４４号公報

しかしながら、このような熱交換器では、気液二相冷媒が循環流路を循環する流量が小さいときに、液冷媒が第１流路を上昇できずに、複数の伝熱管のうちの上方の伝熱管に流入する液冷媒の割合が低下することがある。複数の伝熱管に流入する液冷媒の量にばらつきが生じている場合に、流れる液冷媒が少ない上方の伝熱管では、伝熱管を流れる途中で液冷媒の全部が蒸発してしまう。一方、流れる液冷媒が多い下方の伝熱管では、伝熱管を流れる間に液冷媒が全て蒸発せずに液冷媒が伝熱管から流出する。このように途中で全ての液冷媒が蒸発する伝熱管や蒸発しきらない液冷媒が流出する伝熱管がある状態では、蒸発器として熱交換器が機能する際の蒸発性能が低下するという問題がある。

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、蒸発器として機能する熱交換器の蒸発性能を向上させる熱交換器および冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様による熱交換器は、複数の伝熱管と、第１ヘッダと、第２ヘッダとを備え、前記第１ヘッダは、前記第１ヘッダの長手方向における一端部の側から他端部の側へと冷媒を流す第１流路と、前記他端部の側から前記一端部の側へと冷媒を流す第２流路と、前記他端部の側において前記第１流路から前記第２流路へと冷媒を流す第１折返し流路と、前記一端部の側において前記第２流路から前記第１流路へと冷媒を流す第２折返し流路と、冷媒が流入する流入空間と、前記流入空間から前記第１流路の前記一端部の側の端に冷媒を流入させる流入口とを有し、前記第１流路は、前記複数の伝熱管を介して前記第２ヘッダに連通している熱交換器であって、前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するときに前記複数の伝熱管のうち前記流入空間から最も遠い位置にある伝熱管から前記第２ヘッダに流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成され、前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するときに冷媒が前記流入空間から前記第１流路に単位時間あたりに流入する流量の最小値に基づいて、前記第１流路の流路断面積が決定されている。

開示の熱交換器および冷凍サイクル装置は、蒸発器として機能する熱交換器の蒸発性能を向上させることができる。

図１は、実施例の熱交換器が設けられている空気調和機を示す冷媒回路図である。図２は、実施例の熱交換器を示す正面図である。図３は、実施例の熱交換器を示す上面図である。図４は、実施例の熱交換器の伝熱管を示す断面図である。図５は、実施例の熱交換器の膨張弁側ヘッダの内部構造を示す分解斜視図である。

以下に、本願が開示する実施形態にかかる熱交換器および冷凍サイクル装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の記載により本開示の技術が限定されるものではない。また、以下の記載においては、同一の構成要素に同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。

実施例の熱交換器は、図１に示されているように、空気調和機１０に設けられている室外熱交換器１である。図１は、実施例の室外熱交換器１が設けられている空気調和機１０の冷媒回路図である。空気調和機１０は、室外機２と室内機３とを備えている。室外機２は、屋外に設置されている。室内機３は、屋内の部屋の内部に設置されている。

空気調和機１０は、冷媒回路４（冷凍サイクル装置）を備えている。冷媒回路４は、圧縮機５と四方弁６と室内熱交換器７と膨張弁８と室外熱交換器１を備えている。圧縮機５は、室外機２の内部に配置されている。圧縮機５には、吸入管１１と吐出管１２とが接続されている。圧縮機５は、吸入管１１に供給される冷媒を圧縮し、圧縮機回転数に対応する流量の冷媒を吐出管１２に吐出する。単位時間あたりに圧縮機５が吐出管１２に吐出する冷媒の流量は、圧縮機回転数が大きいほど大きい。

四方弁６は、室外機２の内部に配置されている。四方弁６は、吸入管１１と吐出管１２とに接続され、冷媒配管１４を介して室外熱交換器１に接続され、冷媒配管１５を介して室内熱交換器７に接続されている。四方弁６は、冷媒回路４を暖房サイクルまたは冷房サイクルに切り替える。冷媒回路４が暖房サイクルに切り替えられているときは、吐出管１２は四方弁６を介して室内熱交換器７に接続され、吸入管１１は四方弁６を介して室外熱交換器１に接続される。冷媒回路４が冷房サイクルに切り替えられているときは、吐出管１２は四方弁６を介して室外熱交換器１に接続され、吸入管１１は四方弁６を介して室内熱交換器７に接続される。

室内熱交換器７は、室内機３の内部に配置されている。室内熱交換器７は、一方の冷媒出入口が冷媒配管１６を介して膨張弁８に接続され、他方の冷媒出入口が上述したように冷媒配管１５を介して四方弁６に接続されている。室内機３は、図示しないファンを回転させることで、室内機３が設置された部屋の空気を室内熱交換器７に通過させて冷媒と熱交換を行わせ、冷媒と熱交換した空気を部屋に吹き出す。膨張弁８は、室外機２の内部に配置されている。膨張弁８は、冷媒配管１７を介して室外熱交換器１に接続されている。空気調和機１０は、膨張弁８の開度を調整することで、室内機３で要求される空調能力に応じて室内熱交換器７を流れる冷媒量を調整する。

室外機２は、室外ファン１８を備えている。室外ファン１８は、室外機２の内部に配置されている。室外ファン１８は、室外機２の内部のうちの通風空間１９に空気が流れるように、屋外の空気を送風する。室外ファン１８により空気が流れる通風方向２０は、室外機２が適切に設置されているときに、概ね水平である。室外熱交換器１は、通風空間１９を流れる空気が室外熱交換器１を通過するように室外機２の内部に配置され、室外機２に固定されている。室外熱交換器１は、室外熱交換器１を流れる冷媒と、通風空間１９を流れる空気とを熱交換する。

図２は、実施例の室外熱交換器１を示す正面図である。室外熱交換器１は、膨張弁側ヘッダ２１（第１ヘッダ）と圧縮機側ヘッダ２２（第２ヘッダ）と複数の伝熱管２３と複数のフィン２４とを備えている。膨張弁側ヘッダ２１は柱体状に形成されており、膨張弁側ヘッダ２１の延在方向であるヘッダ長手方向２５（長手方向）が図示しない室外機２の底面に対し垂直となるように配置され、室外機２に固定されている。膨張弁側ヘッダ２１には、冷媒配管１７が接続され、冷媒配管１７を介して膨張弁８が接続されている。

圧縮機側ヘッダ２２は、柱体状に形成され、圧縮機側ヘッダ２２の延在方向がヘッダ長手方向２５に平行となるように配置され、室外機２に固定されている。圧縮機側ヘッダ２２の内部には、分流空間が形成されている。圧縮機側ヘッダ２２には、冷媒配管１４を介して四方弁６が分流空間に接続されるように、冷媒配管１４が接続されている。

複数の伝熱管２３は、図２および図３に示すように伝熱管の延在方向である伝熱管長手方向２６がヘッダ長手方向２５と直交するように配置され、ヘッダ長手方向２５に等間隔に並んでいる。複数の伝熱管２３のそれぞれの一端は、膨張弁側ヘッダ２１に接続されている。複数の伝熱管２３のそれぞれの他端は、圧縮機側ヘッダ２２に接続されている。複数の伝熱管２３は、複数の伝熱管２３の両端が膨張弁側ヘッダ２１と圧縮機側ヘッダ２２とにそれぞれ接続されることにより、膨張弁側ヘッダ２１と圧縮機側ヘッダ２２とに固定され、室外熱交換器１は膨張弁側ヘッダ２１と圧縮機側ヘッダ２２により室外機２に固定されている。

複数のフィン２４は、それぞれ、平板状に形成されている。図３は、実施例の室外熱交換器１を示す上面図である。複数のフィン２４は、伝熱管長手方向２６に垂直（通風方向２０に平行）となるように配置され、伝熱管長手方向２６に等間隔に並んでいる。複数のフィン２４は複数の伝熱管２３に熱的に接続されるように固定されている。

複数の伝熱管２３の各々は、図４に示されているように、扁平形状に形成されている。図４は、実施例の室外熱交換器１の伝熱管２３の断面図である。伝熱管２３の内部には、通風方向２０に並ぶ複数の流路３３が形成されている。複数の流路３３は、複数の伝熱管２３の他端が圧縮機側ヘッダ２２に接続されることにより、圧縮機側ヘッダ２２の分流空間に接続されている。

図５は、実施例の室外熱交換器１の膨張弁側ヘッダ２１の内部構造を示す分解斜視図である。膨張弁側ヘッダ２１は、形状が同じ長方形状とされた複数の板状部材７１～７６を備えている。複数の板状部材７１～７６は、積層されて互いに接合されており、積層方向は伝熱管長手方向２６に概ね平行である。複数の板状部材７１～７６は、冷媒配管側板状部材７１と伝熱管側板状部材７２と複数の循環流路用板状部材７３と複数の折返流路用板状部材７４と複数の差込空間用板状部材７５と導入孔用板状部材７６とを含んでいる。図５に示すように、各板状部材は導入方向４８（室外熱交換器１が蒸発器として機能する際に室外熱交換器１において冷媒が流れる方向）の上流側から下流側に向かって、冷媒配管側板状部材７１、複数の折返流路用板状部材７４、複数の循環流路用板状部材７３、導入孔用板状部材７６、複数の差込空間用板状部材７５、伝熱管側板状部材７２の順に重ねられている。なお、以下の説明では、複数の板状部材７１～７６で形成される複数の折返流路用板状部材７４と複数の循環流路用板状部材７３と複数の差込空間用板状部材７５について、複数の板状部材７１～７６が接合されたものを示す際は「複数の」を省略して記載する場合がある。

各循環流路用板状部材７３は、形状が互いに等しくなるように（本実施例では、図５に示す３枚の循環流路用板状部材７３が同じ形状となるように）形成されている。折返流路用板状部材７４は、循環流路用板状部材７３と冷媒配管側板状部材７１との間に配置されている。各差込空間用板状部材７５は、形状が互いに等しくなるように（本実施例では、図５に示す３枚の差込空間用板状部材７５が同じ形状となるように）、形成されている。差込空間用板状部材７５は、導入孔用板状部材７６と伝熱管側板状部材７２との間に配置されている。導入孔用板状部材７６は、循環流路用板状部材７３と差込空間用板状部材７５の間に配置されている。

なお、以下の説明では、膨張弁側ヘッダ２１のうちのヘッダ長手方向２５における下端部の端面を一端部４１とし、膨張弁側ヘッダ２１のうちの一端部４１の反対側である上端部の端面を他端部４２とする。

以上に説明した各板状部材を導入方向４８の上流側から下流側に向かって、冷媒配管側板状部材７１、折返流路用板状部材７４、循環流路用板状部材７３、導入孔用板状部材７６、差込空間用板状部材７５、伝熱管側板状部材７２の順に積層して膨張弁側ヘッダ２１を形成することで、膨張弁側ヘッダ２１の内部に、流入空間４３と冷媒配管貫通孔４４と循環流路４５と流入口６１と複数の差込空間４６と複数の伝熱管貫通孔４７と複数の導入孔６２とが形成される。流入空間４３は、膨張弁側ヘッダ２１の内部のうちの一端部４１に近い領域に配置されている。流入空間４３は、各循環流路用板状部材７３に形成されている流入空間用孔８３から形成されている。

冷媒配管貫通孔４４は、冷媒配管側板状部材７１に形成される冷媒配管用孔７７と、折返流路用板状部材７４に形成される冷媒配管用孔７８とから形成されている。このため、冷媒配管貫通孔４４は、流入空間４３の導入方向４８の上流側に配置されている。冷媒配管１７は、冷媒配管貫通孔４４を貫通しており、流入空間４３が冷媒配管１７を介して膨張弁８に接続されている。

循環流路４５は循環流路用板状部材７３と折返流路用板状部材７４とで形成され、第１流路５７と第２流路５８と第１折返し流路５１と第２折返し流路５２とを備えている。第１流路５７は、複数の循環流路用板状部材７３に形成されている第１流路用孔８４から形成されている。第２流路５８は、複数の循環流路用板状部材７３に形成されている第２流路用孔８５から形成されている。このため、第１流路５７と第２流路５８とは、流入空間４３とヘッダ長手方向２５に並び、流入空間４３の上側に配置されている。第１流路５７は、ヘッダ長手方向２５に平行である直線に沿って形成されている。第２流路５８は、通風方向２０において第１流路５７の風上側に配置され、ヘッダ長手方向２５に平行である他の直線に沿って形成されている。

第１折返し流路５１は、複数の折返流路用板状部材７４に形成されている第１折返し流路用孔８１から形成されており、第１流路５７を流れる冷媒を第２流路５８へと折り返す、すなわち、第１折返し流路５１を冷媒が流れる方向は、導入方向４８に垂直であり、通風方向２０に平行である。第２折返し流路５２は、複数の折返流路用板状部材７４に形成されている第２折返し流路用孔８２から形成されており、第２流路５８を流れる冷媒を第１流路５７に折り返す、すなわち、第２折返し流路５２を冷媒が流れる方向は、導入方向４８に垂直であり、通風方向２０に平行である。このため、第１折返し流路５１と第２折返し流路５２とは、ヘッダ長手方向２５に並び、第１流路５７と第２流路５８との導入方向４８の上流側に配置されている。第１折返し流路５１は、他端部４２に近い領域に形成され、第１流路５７の上端部と第２流路５８の上端部とに接続されている。第２折返し流路５２は、一端部４１に近い下側領域に形成され、第１流路５７の下端部と第２流路５８の下端部とに接続されている。

流入口６１は、複数の循環流路用板状部材７３に形成されている流入口用孔８６から形成されている。このため、流入口６１は、流入空間４３と第１流路５７との間に配置されており、流入口６１に流入した冷媒が流入口６１を介して第１流路５７へと流れる。

複数の差込空間４６は、複数の差込空間用板状部材７５に形成される複数の差込空間用孔８７が連通されることで形成されている。このため、複数の差込空間４６は、流入空間４３と循環流路４５とが配置される領域から見て導入方向４８の下流側に配置され、ヘッダ長手方向２５に並んでいる。複数の差込空間４６の容積は、互いに概ね等しい。

複数の導入孔６２は、導入孔用板状部材７６に形成されている。このため、複数の導入孔６２は、ヘッダ長手方向２５に並び、第１流路５７と複数の差込空間４６との間にそれぞれ配置されている。複数の差込空間４６と第１流路５７とが複数の導入孔６２によって接続されている。

複数の伝熱管貫通孔４７は、伝熱管側板状部材７２に形成されている。このため、複数の伝熱管貫通孔４７は、複数の差込空間４６から見て導入方向４８の下流側に配置され、等間隔にヘッダ長手方向２５に並んでいる。複数の差込空間４６は、複数の伝熱管貫通孔４７をそれぞれ介して各伝熱管２３に接続されている。

膨張弁側ヘッダ２１は、流入空間側差込空間５３と流入空間側導入流路６４と流入空間側貫通孔５４とを有している。流入空間側差込空間５３は、各差込空間用板状部材７５のヘッダ長手方向２５における最下段に形成される最下段差込空間用孔から形成されている。このため、流入空間側差込空間５３は複数の差込空間４６のうちのヘッダ長手方向２５における最下段となり、かつ、導入方向４８における流入空間４３の下流側に配置される。流入空間側導入流路６４は、複数の導入孔６２のうちヘッダ長手方向２５における最下方に形成され、かつ、導入方向４８において流入空間４３と流入空間側差込空間５３との間に配置される。流入空間側差込空間５３と流入空間４３とは、流入空間側導入流路６４を介して連通している。流入空間側貫通孔５４は、複数の伝熱管貫通孔４７うちヘッダ長手方向２５における最下方に形成され、かつ、導入方向４８において流入空間側差込空間５３の下流側に配置されている。流入空間側差込空間５３は、流入空間側貫通孔５４に接続される伝熱管２３と連通している。

複数の板状部材７１～７６は各々の表面にロウ材が塗布されており、各板状部材を重ね、炉中で加熱されることによりロウ材が溶融して互いに接合され、膨張弁側ヘッダ２１が形成される。このように膨張弁側ヘッダ２１は、複数の板状部材７１～７６が外周部を揃えて重ねられて膨張弁側ヘッダ２１が形成されるため、例えば、板状部材とコの字形状の部材を組み合わせて箱状に形成されるヘッダと比べて、膨張弁側ヘッダ２１の強度と耐久性とを向上させることができる。さらには、複数の板状部材７１～７６が重ねられて膨張弁側ヘッダ２１が形成されることにより、膨張弁側ヘッダ２１における冷媒の流路の変更や接合する伝熱管２３の本数変更に対して、いずれかの板状部材を変更するのみで対応できる。このため、膨張弁側ヘッダ２１を含めた室外熱交換器１の設計自由度の向上や開発・製造コストを低減することができる。

複数の伝熱管２３は、複数の伝熱管貫通孔４７と流入空間側貫通孔５４とをそれぞれ貫通し、膨張弁側ヘッダ２１に接合されている。具体的には、複数の伝熱管２３のうちの最も下側に配置される流入空間側伝熱管は、流入空間側貫通孔５４を貫通し、膨張弁側ヘッダ２１に接合されている。また、複数の伝熱管２３のうちの流入空間側伝熱管と異なる残りの伝熱管は、複数の伝熱管貫通孔４７をそれぞれ貫通し、膨張弁側ヘッダ２１に接合されている。

空気調和機１０は、以下に説明する暖房運転と冷房運転とが行える。
［暖房運転］
暖房運転は、たとえば、空気調和機１０がユーザにより暖房運転を実行するように操作されたときに実行される。四方弁６は、空気調和機１０が暖房運転を実行するときに、冷媒回路４を暖房サイクルに切り替える。圧縮機５は、四方弁６から吸入管１１に流入する低圧気相冷媒を圧縮する。低圧気相冷媒は、圧縮機５により圧縮され、高圧気相冷媒になる。圧縮機５は、高圧気相冷媒を吐出管１２に吐出する。吐出管１２に吐出された高圧気相冷媒は、冷媒回路４が暖房サイクルに切り替えられていることにより、四方弁６を介して室内熱交換器７に流入する。

室内機３は、室内機３が設置された部屋の空気を室内熱交換器７に通過させる。室内熱交換器７は、室内熱交換器７に流入した高圧気相冷媒と、室内熱交換器７を通過する空気とを熱交換し、室内熱交換器７に流入した高圧気相冷媒を冷却し、室内熱交換器７を通過する空気を加熱する。室内機３は、室内熱交換器７により加熱された空気を、室内機３が設置されている部屋に吹き出し、その部屋を暖房する。高圧気相冷媒は、室内熱交換器７で冷却されて凝縮し、過冷却状態の高圧液相冷媒になる。すなわち、室内熱交換器７は、空気調和機１０が暖房運転を実行するときに、凝縮器として機能する。高圧液相冷媒は、室内熱交換器７から流出し、膨張弁８に流入する。

膨張弁８は、膨張弁８に流入した高圧液相冷媒を減圧する。高圧液相冷媒は、膨張弁８により減圧され、低圧気液二相冷媒になる。低圧気液二相冷媒は、膨張弁８から流出し、冷媒配管１７に流入する。室外ファン１８は、通風空間１９に屋外の空気を流す。

冷媒配管１７を流れる低圧気液二相冷媒は、冷媒配管貫通孔４４を介して膨張弁側ヘッダ２１の流入空間４３に流入する。流入空間４３に流入した低圧気液二相冷媒は、さらに、流入口６１を介して第１流路５７の下端領域５９に流入する。流入口６１を介して下端領域５９に流入した低圧気液二相冷媒は、ヘッダ長手方向２５の他端部４２に向かって第１流路５７を流れる。このとき、第１流路５７から各導入孔６２へと冷媒が分流する。第１流路５７を流れて第１流路５７の上端領域６０に到達した残り（各導入孔６２へ分流したもの以外）の気液二相冷媒は、第１折返し流路５１を介して第２流路５８に流入する。第２流路５８に流入した低圧気液二相冷媒は、第２流路５８を一端部４１の側へと流れる。第２流路５８を流れる低圧気液二相冷媒は、第２流路５８から第２折返し流路５２を介して第１流路５７の下端領域５９に流入して第１流路５７を他端部４２に向かって流れる。このように、膨張弁側ヘッダ２１は、第１流路５７→第１折返し流路５１→第２流路５８→第２折返し流路５２→第１流路５７と循環流路４５に低圧気液二相冷媒を循環させつつ各導入孔６２へと冷媒を分流させる。

冷媒回路４を循環する冷媒量が少なくて膨張弁側ヘッダ２１に流入する気液二相冷媒の量が少ないときは、第１流路５７を流れる気液二相冷媒の流速が遅くなる。このとき、ガス冷媒と比べて比重の大きい（ためにガス冷媒と比べて重い）液冷媒が上端領域６０まで到達できない、あるいは、到達する液冷媒の量が少なくなり、上方の伝熱管２３に流れる液冷媒量が下方の伝熱管２３に流れる液冷媒量よりも少なくなる。このように、複数の伝熱管２３に流入する液冷媒の量にばらつきが生じている場合に、流れる液冷媒が少ない上方の伝熱管２３では、当該伝熱管の途中で液冷媒の全部が潜熱変化により蒸発しこれ以降伝熱管２３の冷媒出口側（圧縮機側ヘッダ２２との接続部）まではガス冷媒が加熱されて顕熱変化により過熱ガスとなる。つまり、流れる液冷媒が少ない上方の伝熱管２３では、ガス冷媒が過熱されている領域でまだ液冷媒を蒸発させることができるにも関わらず液冷媒量が少ないことによって上記領域が有効に使えていない。一方、流れる液冷媒が多い下方の伝熱管２３では、当該伝熱管を流れる間に潜熱変化によって液冷媒を全て蒸発させることができずに液冷媒が伝熱管から流出する。室外熱交換器１が蒸発器として機能する際は、各伝熱管２３において冷媒出口側で液冷媒が全て蒸発すると蒸発性能が十分に発揮される状態であるが、上記のように途中で全ての液冷媒が蒸発する伝熱管２３や蒸発しきらない液冷媒が流出する伝熱管２３がある状態では、室外熱交換器１の蒸発性能が低下するという問題がある。

上記の問題点を解決するために、本実施形態では、第１流路５７の形状を調整することで、冷媒回路４を循環する冷媒量が少ない場合であっても膨張弁側ヘッダ２１に流入した低圧気液二相冷媒のうちの液冷媒が、第１流路５７の上端領域６０まで到達するようにしている。具体的には、第１流路５７の流路断面積を調整することで、第１流路５７を流れる液冷媒の流速が上端領域６０に到達するのに十分な流速となるように、第１流路５７の形状とする。

上記のように第１流路５７の形状を調整することによって、冷媒回路４における冷媒循環量が少ない場合であっても、第１流路５７を流れる液冷媒の流速を確保することによって液冷媒を上端領域６０まで到達させることができるので、上方の伝熱管２３における液冷媒の流量の減少を抑制できる。なお、伝熱管２３の本数が多い、つまり、膨張弁側ヘッダ２１の高さ寸法が大きいことにより、第１流路５７の形状を調整しても液冷媒を上端領域６０まで到達させることができる液冷媒の流速を確保できない場合が考えられる。このような場合は、流入口６１の口径を調整して第１流路５７の下端領域５９における液冷媒の初速を大きくすればよい。初速が大きくなることで第１流路５７を流れる液冷媒の流速を確保でき、液冷媒を第１流路５７の上端領域６０まで到達させることができる。

冷媒回路４を循環する冷媒量が多くて膨張弁側ヘッダ２１に流入する気液二相冷媒の量が多いときは、冷媒循環量が少なく膨張弁側ヘッダ２１に流入する冷媒量が少ないときと比べて第１流路５７を流れる低圧気液二相冷媒の量が多くなる。このとき、第１流路５７を流れる低圧気液二相冷媒の流速は、冷媒回路４を循環する冷媒量が多い場合の方が少ない場合と比べて圧縮機５の回転数が高いことに起因して速くなる。このとき、低圧気液二相冷媒のうちの液冷媒は、ガス冷媒と比べて密度が高く単位体積あたりの質量が大きいため、液冷媒の流速が単位体積あたりの質量が軽いガス冷媒の流速より遅くなる。このため、ガス冷媒の流れによって液冷媒が第１流路５７の上端領域６０に押しやられて滞留しやすくなる。このように、第１流路５７の上端領域６０に液冷媒が滞留すると、第１流路５７の上端領域６０から伝熱管２３に流れる液冷媒の量が、第１流路５７の上端領域６０より下方から伝熱管２３に流れる液冷媒の量より多くなり、伝熱管２３の間で液冷媒の流量に偏りが生じる。

上記の問題を解決するため、本実施形態では、第１流路５７に沿って上方へと流れる気液二相冷媒を第２流路５８へと流して再び第１流路５７に戻す循環流路４５を設けている。循環流路４５を設けることで、第１流路５７の上端領域６０に滞留する液冷媒を第２流路５８を介して第１流路５７に戻すことができる。液冷媒が上端領域６０に滞留していると上方の伝熱管２３における液冷媒の流量が他の伝熱管２３と比べて多くなるが、上端領域６０に滞留する液冷媒を循環流路４５に回流させることによって上端領域６０における液冷媒の滞留量が減少しその減少分が各差込空間４６に分流するので、各伝熱管２３における液冷媒量の偏りを抑制することができる。

流入空間４３に流入した低圧気液二相冷媒は、流入口６１を介して第１流路５７へと流れるとともに、流入空間４３に対して導入方向４８で隣り合う流入空間側差込空間５３に流入空間側導入流路６４を介して流れる。流入口６１から第１流路５７へと気液二相冷媒が流れる際は、流れる方向が流入空間４３において水平方向から鉛直方向に直角に曲がるとともに、鉛直方向となった後は重力に逆らって上方へと流れる。一方で、流入口６１から流入空間側導入流路６４を介して流入空間側差込空間５３へと気液二相冷媒が流れる際は、流れる方向が水平方向のままであり、重力に逆らって流れることもない。以上のことから、流入空間側差込空間５３へと流れる気液二相冷媒が受ける抵抗（流入空間４３と流入空間側導入流路６４と流入空間側差込空間５３の各々における圧力損失のみ。以降、第１流路抵抗と記載する）は、第１流路５７へと流れる気液二相冷媒が受ける抵抗（流入空間４３と流入口６１と第１流路５７の各々における圧力損失、流路が曲がることによる圧力損失、および重力の影響。以降、第２流路抵抗と記載する）より小さい。このように、第１流路抵抗が第２流路抵抗より小さいと、流入空間４３に流入した気液二相冷媒のうちの液冷媒の多くが流入空間側差込空間５３へと流れる反面、第１流路５７へと流れる液冷媒量が少なくなるため、流入空間側差込空間５３に接続されている伝熱管２３に流れる液冷媒量が、他の伝熱管２３（第１流路５７と連通する複数の差込空間４６に接続される伝熱管）の各々に流れる液冷媒量より多くなってしまう。

上記の問題を解決するため、本実施形態では、流入空間側差込空間５３の形状を調整することで、第１流路抵抗を調整して流入空間側差込空間５３に接続されている伝熱管２３に流れる液冷媒量を減少させて、他の伝熱管２３における液冷媒の流量とのばらつきを抑制している。具体的には、第１流路５７から液冷媒が分流する伝熱管２３の本数を第１流路抵抗に乗じた値が第２流路抵抗と等しくなるように、流入空間側差込空間５３の形状（大きさや断面積）を調整する。例えば、流入空間側差込空間５３に接続されている伝熱管２３が１本あり、第１流路５７から液冷媒が分流する伝熱管２３が８本あり、全ての伝熱管２３に等しい量Ａの液冷媒を流したい場合、第１流路抵抗に第１流路５７から液冷媒が分流する伝熱管２３の本数：８本を乗じた値が第２流路抵抗と等しくなるように、流入空間側差込空間５３の形状を調整する。これにより、伝熱管２３の１本当たりの流路抵抗が等しくなるので、各伝熱管２３に流れる液冷媒量の偏りを是正できる。

なお、流入空間側差込空間５３は伝熱管２３を接続する都合上、形状の調整に限界がある。例えば、流入空間側差込空間５３の通風方向２０における寸法は、挿入される伝熱管２３の通風方向２０における寸法に応じた寸法とする必要があり、例えば伝熱管２３の通風方向２０における寸法より小さくすることはできない。また、流入空間側差込空間５３の導入方向４８における寸法は、流入空間側差込空間５３の先端部と流入空間側導入流路６４との距離を一定寸法離す必要がある（流入空間側差込空間５３の先端部と流入空間側導入流路６４とが近すぎると、流入空間側導入流路６４に近い流路３３に多くの冷媒が流れる）。これらの制約を満たしつつ形状を調整しても、第１流路５７から液冷媒が分流する伝熱管２３の本数を第１流路抵抗に乗じた値が第２流路抵抗と等しくなる第１流路抵抗とできない場合がある。

上記のように流入空間側差込空間５３の形状調整のみで第１流路抵抗を調整できない場合は、流入空間側導入流路６４の口径を調整することで第１流路抵抗を調整してもよく、また、流入空間４３において冷媒配管貫通孔４４に差し込まれている冷媒配管１７の先端部と流入空間側導入流路６４の間に冷媒の流れを妨げる構造物、例えば、三角柱や四角柱のような構造物を配置して第１流路抵抗を調整してもよい。なお、上記の流入空間側導入流路６４や冷媒の流れを妨げる構造物が、本発明の抵抗調整器に相当する。

複数の差込空間４６と流入空間側差込空間５３とに流入した低圧気液二相冷媒は、複数の伝熱管２３の内部に形成される複数の流路３３に流入して圧縮機側ヘッダ２２へと向かって流れる。このとき、ここまでに説明した第１流路５７の形状調整や流入空間側差込空間５３の形状調整によって、複数の流路３３を流れる液冷媒の流量の偏りは抑制されている、すなわち、複数の伝熱管２３への液冷媒の分流性は向上されている。複数の伝熱管２３を流れる液冷媒は、通風空間１９を流れる空気と熱交換を行って蒸発して低圧気相（ガス）冷媒になり、複数の伝熱管２３から圧縮機側ヘッダ２２に流出する。

上述したように、各伝熱管２３における液冷媒の偏流が抑制されていることから、複数の伝熱管２３には過不足のない量の液冷媒が流れている。このとき、各伝熱管２３における冷媒出口側、つまり、圧縮機側ヘッダ２２に各伝熱管２３が接続されている箇所における冷媒の状態は、当該箇所でちょうど液冷媒が蒸発しきりガス冷媒となる、もしくは、ガス冷媒に蒸発しきらなかった液冷媒が混ざっている状態となり、室外熱交換器１の熱交換性能が十分に発揮される状態となっている。なお、各伝熱管２３における冷媒出口側においてちょうど液冷媒が蒸発しきりガス冷媒となる、もしくは、ガス冷媒に蒸発しきらなかった液冷媒が混ざっている状態であれば、当該箇所における冷媒過熱度が０度となるこのため本発明の効果を検証する際は、各伝熱管２３における冷媒出口側における冷媒過熱度を検出してその値を確認すればよい。例えば、冷媒回路４における冷媒循環量が最小値であるときに、最上段の伝熱管２３の冷媒出口側の冷媒過熱度を確認しこの値が０度であれば、冷媒循環量が最小であるときに液冷媒が一番流れにくい最上段の伝熱管２３において十分な量の液冷媒が流れていることが確認でき、これ以外の伝熱管２３には少なくとも最上段の伝熱管２３を流れる液冷媒と同等以上の冷媒が流れていると考えられるため、全ての伝熱管２３に液冷媒が過不足なく流れていて室外熱交換器１の熱交換性能が十分に発揮される状態であると考えられる。

複数の伝熱管２３から流出した低圧気相冷媒は、圧縮機側ヘッダ２２で合流し、圧縮機側ヘッダ２２から流出する。圧縮機側ヘッダ２２から流出した低圧気相冷媒は、冷媒配管１４を介して四方弁６に流入し、冷媒回路４が暖房サイクルに切り替えられていることにより、四方弁６を介して圧縮機５の吸入管１１に流入する。

［冷房運転］
空気調和機１０がユーザにより冷房運転を実行するように操作されると、四方弁６は、冷媒回路４が冷房サイクルとなるように切り替えられる。圧縮機５は、四方弁６から吸入管１１を介して吸入した低圧気相冷媒を圧縮する。低圧気相冷媒は、圧縮機５により圧縮されて高圧気相冷媒となり吐出管１２に吐出される。吐出管１２に吐出された高圧気相冷媒は、冷媒回路４が冷房サイクルに切り替えられていることにより、四方弁６および冷媒配管１４を介して室外熱交換器１に流入する。

室外熱交換器１に流入した高圧気相冷媒は、圧縮機側ヘッダ２２に流入して複数の伝熱管２３に分流する。複数の伝熱管２３に分流した高圧気相冷媒は、室外ファン１８の回転によって通風空間１９を流れる空気と熱交換されて凝縮し、過冷却状態の高圧液相冷媒となる。すなわち、室外熱交換器１は、空気調和機１０が冷房運転を実行するときに、凝縮器として機能する。高圧液相冷媒は、複数の伝熱管２３から流出して膨張弁側ヘッダ２１の複数の差込空間４６と流入空間側差込空間５３とに流入する。複数の差込空間４６に流入した高圧液相冷媒は、複数の導入孔６２を介して循環流路４５の第１流路５７に流入して合流する。第１流路５７で合流した高圧液相冷媒は、流入口６１を介して流入空間４３に流入する。流入空間側差込空間５３に流入した高圧液相冷媒は、複数の導入孔６２を介して循環流路４５の第１流路５７に流入し、流入口６１を介して流入空間４３に流入した高圧液相冷媒と流入空間４３で合流する。流入空間４３で合流した高圧液相冷媒は、冷媒配管貫通孔４４を介して冷媒配管１７に流入し、冷媒配管１７を流れて膨張弁８に流入する。

膨張弁８に流入した高圧液相冷媒は減圧されて低圧気液二相冷媒になり、膨張弁８から流出し冷媒配管１６を流れて室内熱交換器７に流入する。室内熱交換器７に流入した低圧気液二相冷媒は、図示しない室内ファンの回転によって室内機３の内部に取り込まれた部屋の空気と熱交換する。これにより、室内熱交換器７に流入した低圧気液二相冷媒によって室内熱交換器７を通過する空気が冷却され、冷却された空気を室内機３が設置されている部屋に吹き出そことで部屋を冷房する。一方、室内熱交換器７に流入した低圧気液二相冷媒は、室内熱交換器７で加熱されて蒸発して低圧気相冷媒になる。すなわち、室内熱交換器７は、空気調和機１０が冷房運転を実行するときに、蒸発器として機能する。室内熱交換器７から流出した低圧気相冷媒は、冷媒配管１５、四方弁６、吸入管１１の順に流れて圧縮機５に吸入されて再び圧縮される。

［実施例の熱交換器の効果］
実施例の熱交換器は、複数の伝熱管２３と膨張弁側ヘッダ２１と圧縮機側ヘッダ２２とを備えている。膨張弁側ヘッダ２１は、第１流路５７と第２流路５８と第１折返し流路５１と第２折返し流路５２と流入空間４３と流入口６１とを有している。第１流路５７は、膨張弁側ヘッダ２１のヘッダ長手方向２５における一端部４１の側から他端部４２の側へと冷媒を流す。第２流路５８は、他端部４２の側から一端部４１の側へと冷媒を流す。第１折返し流路５１は、他端部４２の側において第１流路５７から第２流路５８へと冷媒を流す。第２折返し流路５２は、一端部４１の側において第２流路５８から第１流路５７へと冷媒を流す。流入空間４３には、冷媒が流入する。流入口６１は、流入空間４３から第１流路５７の一端部４１の側の端に冷媒を流入させる。第１流路５７は、複数の伝熱管２３を介して圧縮機側ヘッダ２２に連通している。第１流路５７は、実施例の熱交換器が蒸発器として機能するときに、複数の伝熱管２３のうち流入空間４３から最も遠い位置にある最上段伝熱管から圧縮機側ヘッダ２２に流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成されている。

すなわち、実施例の熱交換器は、最上段の伝熱管２３に液冷媒が最も流れにくい状態であっても、第１流路５７の形状を調整することで、当該伝熱管２３の冷媒出口側における冷媒過熱度が０度となるように、つまり、冷媒出口側まで液冷媒が到達する程度に液冷媒が流れるようにできる。このため、実施例の熱交換器は、複数の伝熱管２３への液冷媒の偏流が抑制できるので、蒸発器として機能するときの蒸発性能を向上させることができる。

また、実施例の熱交換器の第１流路５７の形状は、実施例の熱交換器が蒸発器として機能するときに、冷媒が流入空間４３から第１流路５７に単位時間あたりに流入する流量の最小値に基づいて形成される。冷媒回路４において冷媒循環量が最小量であるときに、上記のように第１流路５７に流入する冷媒量が最小値となるが、このような場合を想定して第１流路５７の形状を調整するので、冷媒回路４を循環する冷媒の循環量が最小であるときでも、複数の伝熱管２３への液冷媒の偏流が抑制でき、蒸発器として機能するときの蒸発性能を向上させることができる。

また、実施例の熱交換器の複数の伝熱管２３は、第１流路抵抗が他の伝熱管２３の本数を乗じた値が第２流路抵抗と等しくなるように流入空間側差込空間５３の形状を調整することによって、流入空間側差込空間５３に接続されている伝熱管２３に流れる液冷媒量が他の伝熱管２３に流れる液冷媒量と比べて多くならないようにしている。これにより、各伝熱管２３への液冷媒の偏流が抑制でき、蒸発器として機能するときの蒸発性能を向上させることができる。

ところで、既述の実施例の熱交換器において、流入空間側差込空間５３は伝熱管２３を接続する都合上、形状の調整に限界があり、可能な範囲で形状を調整しても第１流路抵抗が他の伝熱管２３の本数を乗じた値が第２流路抵抗と等しくならない場合（例えば、他の伝熱管２３の本数が多くて第２流路抵抗が大きな値となる場合）がある。このような場合は、膨張弁側ヘッダ２１に第１流路抵抗を調整する抵抗調整部がさらに設けられてもよい。たとえば、流入空間側導入流路６４の口径を調整することで第１流路抵抗を調整してもよく、また、流入空間４３において冷媒配管貫通孔４４に差し込まれている冷媒配管１７の先端部と流入空間側導入流路６４の間に冷媒の流れを妨げる構造物、例えば、三角柱や四角柱のような構造物を配置して第１流路抵抗を調整してもよい。

以上、実施例を説明したが、前述した内容により実施例が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施例の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。

１：室外熱交換器（熱交換器）
４：冷媒回路（冷凍サイクル装置）
５：圧縮機
２１：膨張弁側ヘッダ（第１ヘッダ）
２２：圧縮機側ヘッダ（第２ヘッダ）
２３：複数の伝熱管
２５：ヘッダ長手方向（長手方向）
４１：一端部
４２：他端部
４３：流入空間
４４：冷媒配管貫通孔
４６：差込空間
４７：複数の伝熱管貫通孔
４８：導入方向
５１：第１折返し流路
５２：第２折返し流路
５３：流入空間側差込空間
５４：流入空間側貫通孔
５７：第１流路
５８：第２流路
６１：流入口
６２：導入孔
６４：流入空間側導入流路

Claims

複数の伝熱管と、
第１ヘッダと、
第２ヘッダとを備え、
前記第１ヘッダは、
前記第１ヘッダの長手方向における一端部の側から他端部の側へと冷媒を流す第１流路と、
前記他端部の側から前記一端部の側へと冷媒を流す第２流路と、
前記他端部の側において前記第１流路から前記第２流路へと冷媒を流す第１折返し流路と、
前記一端部の側において前記第２流路から前記第１流路へと冷媒を流す第２折返し流路と、
冷媒が流入する流入空間と、
前記流入空間から前記第１流路の前記一端部の側の端に冷媒を流入させる流入口とを有し、
前記第１流路は、前記複数の伝熱管を介して前記第２ヘッダに連通している熱交換器であって、
前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するときに前記複数の伝熱管のうち前記流入空間から最も遠い位置にある伝熱管から前記第２ヘッダに流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成され、
前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するときに冷媒が前記流入空間から前記第１流路に単位時間あたりに流入する流量の最小値に基づいて、前記第１流路の流路断面積が決定される
熱交換器。
複数の伝熱管と、
第１ヘッダと、
第２ヘッダとを備え、
前記第１ヘッダは、
前記第１ヘッダの長手方向における一端部の側から他端部の側へと冷媒を流す第１流路と、
前記他端部の側から前記一端部の側へと冷媒を流す第２流路と、
前記他端部の側において前記第１流路から前記第２流路へと冷媒を流す第１折返し流路と、
前記一端部の側において前記第２流路から前記第１流路へと冷媒を流す第２折返し流路と、
冷媒が流入する流入空間と、
前記流入空間から前記第１流路の前記一端部の側の端に冷媒を流入させる流入口とを有し、
前記第１流路は、前記複数の伝熱管を介して前記第２ヘッダに連通している熱交換器であって、
前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するときに前記複数の伝熱管のうち前記流入空間から最も遠い位置にある伝熱管から前記第２ヘッダに流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成され、
前記複数の伝熱管より前記流入空間に近い位置にある流入空間側伝熱管をさらに備え、
前記第１ヘッダは、
前記流入空間側伝熱管の一端が配置される流入空間側差込空間と、
前記流入空間を前記流入空間側差込空間に連通させる流入空間側導入流路とをさらに有し、
前記流入空間から前記流入空間側導入流路を介して前記流入空間側差込空間に流入した冷媒は、前記流入空間側伝熱管を介して前記第２ヘッダに流れ、
前記流入空間側差込空間は、前記流入空間側差込空間を流れる冷媒が前記流入空間側差込空間から受ける第１流路抵抗に前記複数の伝熱管の本数を乗算して算出される目標抵抗に、前記第１流路を流れる冷媒が前記第１流路から受ける第２流路抵抗が等しくなるように、形成される
熱交換器。
前記第１流路抵抗を調整する抵抗調整部
をさらに備える請求項２に記載の熱交換器。
熱交換器により熱交換された冷媒を圧縮機が圧縮することにより冷媒回路に冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であり、
前記熱交換器は、
複数の伝熱管と、
第１ヘッダと、
第２ヘッダとを備え、
前記第１ヘッダは、
前記第１ヘッダの長手方向における一端部の側から他端部の側へと冷媒を流す第１流路と、
前記他端部の側から前記一端部の側へと冷媒を流す第２流路と、
前記他端部の側において前記第１流路から前記第２流路へと冷媒を流す第１折返し流路と、
前記一端部の側において前記第２流路から前記第１流路へと冷媒を流す第２折返し流路と、
冷媒が流入する流入空間と、
前記流入空間から前記第１流路の前記一端部の側の端に冷媒を流入させる流入口とを有し、
前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するとき、かつ、前記冷媒回路を流れる冷媒量が最小量であるときに、前記複数の伝熱管のうちの前記流入空間から最も遠い位置にある伝熱管から前記第２ヘッダに流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成され、
前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するときに冷媒が前記流入空間から前記第１流路に単位時間あたりに流入する流量の最小値に基づいて、前記第１流路の流路断面積が決定される
冷凍サイクル装置。
熱交換器により熱交換された冷媒を圧縮機が圧縮することにより冷媒回路に冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であり、
前記熱交換器は、
複数の伝熱管と、
第１ヘッダと、
第２ヘッダとを備え、
前記第１ヘッダは、
前記第１ヘッダの長手方向における一端部の側から他端部の側へと冷媒を流す第１流路と、
前記他端部の側から前記一端部の側へと冷媒を流す第２流路と、
前記他端部の側において前記第１流路から前記第２流路へと冷媒を流す第１折返し流路と、
前記一端部の側において前記第２流路から前記第１流路へと冷媒を流す第２折返し流路と、
冷媒が流入する流入空間と、
前記流入空間から前記第１流路の前記一端部の側の端に冷媒を流入させる流入口とを有し、
前記第１流路は、前記熱交換器が蒸発器として機能するとき、かつ、前記冷媒回路を流れる冷媒量が最小量であるときに、前記複数の伝熱管のうちの前記流入空間から最も遠い位置にある伝熱管から前記第２ヘッダに流入する冷媒の過熱度が０度になるように、形成され、
前記熱交換器は、前記複数の伝熱管より前記流入空間に近い位置にある流入空間側伝熱管をさらに備え、
前記第１ヘッダは、
前記流入空間側伝熱管の一端が配置される流入空間側差込空間と、
前記流入空間を前記流入空間側差込空間に連通させる流入空間側導入流路とをさらに有し、
前記流入空間から前記流入空間側導入流路を介して前記流入空間側差込空間に流入した冷媒は、前記流入空間側伝熱管を介して前記第２ヘッダに流れ、
前記流入空間側差込空間は、前記流入空間側差込空間を流れる冷媒が前記流入空間側差込空間から受ける第１流路抵抗に前記複数の伝熱管の本数を乗算して算出される目標抵抗に、前記第１流路を流れる冷媒が前記第１流路から受ける第２流路抵抗が等しくなるように、形成される
冷凍サイクル装置。
前記圧縮機は、圧縮機回転数に対応する流量の冷媒を前記冷媒回路に循環させ、
前記第１流路は、前記圧縮機回転数が最小回転数であるときに前記過熱度が０度になるように、形成される
請求項４または請求項５に記載の冷凍サイクル装置。