JP2005083715A

JP2005083715A - 熱交換器

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Publication number: JP2005083715A
Application number: JP2003319346A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Onishi; 竜太大西; Kazuhisa Mishiro; 一寿三代
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JP4073850B2

Abstract

【課題】熱交換効率が高い熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明の熱交換器１０は、冷媒を流すための伝熱管２ａ〜２ｆを有する熱交換器であって、補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂの各々の直径Ｄ₁は、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の直径Ｄ₂よりも大きい。補助熱交換器１０ａは、熱交換器１０を凝縮器として使用した場合に下流側となる過冷却領域にある、主に液体の冷媒が流れる領域である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関し、より特定的には補助熱交換器と主熱交換器とを備えた熱交換器に関する。

近年、空気調和機の省エネルギ化の進行とともに、空気調和機に使用される熱交換器の高効率化が要求されている。熱交換器の高効率化を実現する構成として、過冷却用の補助熱交換器と主熱交換器とを備えた熱交換器がある。従来の補助熱交換器と主熱交換器とを備えた熱交換器が、たとえば特公昭６２−１３５７４号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示された熱交換器は、たとえば以下のような構成を備えている。

図１１は、従来の熱交換器の一の構成を示す側面図である。図１２は、従来の熱交換器の一の構成を示す斜視図である。

図１１および図１２を参照して、熱交換器１１０は、補助熱交換器１１０ａと主熱交換器１１０ｂとを備えている。そして、矢印で示された空気の流れ方向１０６から空気が熱交換器１１０に送り込まれる。空気の流れ方向１０６に対して、補助熱交換器１１０ａは上流側（図１１中左側）に、主熱交換器１１０ｂは下流側（図１１中右側）に、互いに並列して配置されている。補助熱交換器１１０ａは、伝熱管１０２ａと、放熱のための複数のフィン１０１ａとを有している。伝熱管１０２ａは、直線部分１０９を含む蛇行状に延びるように形成されている。複数のフィン１０１ａは、この伝熱管１０２ａの直線部分１０９とほぼ直角になるように接触して配置されている。主熱交換器１１０ｂは、伝熱管１０２ｂ、１０２ｃと、放熱のための複数のフィン１０１ｂとを有しており、補助熱交換器１１０ａとほぼ同様の構成となっている。ここで、伝熱管１０２ａの直径は、伝熱管１０２ｂ、１０２ｃの直径よりも小さい。

このような熱交換器１１０に空気が送り込まれると、この空気と、伝熱管１０２ａ〜１０２ｃを流れる冷媒との間で熱交換が行われる。たとえば高温の気体となっている冷媒を冷却することにより液化する場合（凝縮器として使用する場合）を考える。この場合には、冷媒よりも相対的に温度の低い空気が流れ方向１０６に送り込まれている状態で、高温の気体となっている冷媒が出入り口１０７より流入する。流入した冷媒は、分岐部分１０４で伝熱管１０２ｂと伝熱管１０２ｃとの２方向に分流し、空気と熱交換して徐々に液化する。伝熱管１０２ｂ、１０２ｃの各々を流れる冷媒が液化して気液２相状態（気体と液体とが混ざった状態）となっているときには、冷媒の温度および圧力は一定に保たれている。そして、気液２相状態の冷媒は、分岐部分１０３で合流し、補助熱交換器１１０ａの伝熱管１０２ａを流れながら圧力一定の下で過冷却される。その結果、低温の液体の冷媒が出入り口１０５から流出する。

図１１および図１２に示す従来の熱交換器１１０においては、補助熱交換器１１０ａと主熱交換器１１０ｂとが分離されている。このため、熱交換器１１０を凝縮器として使用したとき、低温の液体冷媒で満たされる補助熱交換器１１０ａは主熱交換器１１０ｂと分離されているため、主熱交換器１１０ｂを高い温度に保つことができる。その結果、空気と熱交換器との温度差が大きくなるので、補助熱交換器１１０ａの熱交換効率（凝縮効率および蒸発効率）が向上する。また、補助熱交換器１１０ａの伝熱管１０２ａが細管（直径の小さい伝熱管）で構成されている。これにより、伝熱管１０２ａを流れる液体の冷媒の流速が増加し、液体の冷媒が伝熱管１０２ａの内壁全体に貼りついた状態で流れるようになる。その結果、補助熱交換器１１０ａの凝縮効率が向上されている。このように、伝熱管が細管で構成された熱交換器が、たとえば特開２００２−２５７４８３号公報（特許文献２）にも開示されている。特許文献２に開示された熱交換器は、たとえば以下のような構成を備えている。

図１３は、従来の熱交換器の他の構成を示す側面図である。

図１３を参照して、熱交換器１２０は、補助熱交換器１１０ａと主熱交換器１１０ｂとを備えている。主熱交換器１１０ｂは伝熱管１０２ｄ、１０２ｅを有している。伝熱管１０２ｄ、１０２ｅの各々は、補助熱交換器１１０ａの伝熱管１０２ｂ、１０２ｃと同様に細管で構成されている。

なお、これ以外の構成は、図１１および図１２に示す従来の熱交換器の一の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１３に示す従来の熱交換器１２０においては、主熱交換器１１０ｂの伝熱管１０２ｄ、１０２ｅも細管で構成されている。これにより、伝熱管１０２ｄ、１０２ｅを流れる気液２相流の冷媒の流速が増加し、液体の冷媒が攪拌されながら流れるようになる。その結果、さらに主熱交換器１１０ｂの熱交換効率が向上する。
特公昭６２−１３５７４号公報特開２００２−２５７４８３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された熱交換器１１０および特許文献２に開示された熱交換器１２０においては、伝熱管１０２ａを流れる冷媒に生じる圧力損失が大きいという問題があった。ここで、圧力損失とは、流体が管内を流れる際に上流側と比較して下流側の圧力が低下するという現象である。圧力損失は、流体が流れる管の直径の大きさに反比例し、流体が流れる距離、すなわち流体が流れる管の長さに比例する。熱交換器１１０および熱交換器１２０において、補助熱交換器１１０ａの伝熱管１０２ａは１本の伝熱管により構成されており、分岐部分を有していない（小流路化している）。したがって、冷媒が流れる伝熱管の長さが長くなっている。また、補助熱交換器１１０ａの伝熱管１０２ａは細管であるので、管の直径が小さい。したがって、伝熱管１０２ａを流れる冷媒に生じる圧力損失は大きい。

伝熱管１０２ａを流れる冷媒に生じる圧力損失が大きいと、特に、熱交換器１１０および熱交換器１２０を蒸発器として使用する場合に問題が生じる。すなわち、伝熱管１０２ａを流れる冷媒に生じる圧力損失が大きいと、冷媒の流れにおける上流側の圧力が上昇する。その結果、熱交換器１１０の平均温度が上昇し、空気と熱交換器１１０との温度差が小さくなるため、熱交換器１１０の蒸発効率（熱交換効率）が低下するという問題があった。

したがって、本発明の目的は、熱交換効率が高い熱交換器を提供することである。

本発明の熱交換器は、冷媒を流すための伝熱管を有する熱交換器であって、熱交換器を凝縮器として使用した場合に、下流側となる過冷却領域にある主に液体の冷媒が流れる領域の伝熱管の直径は、前記熱交換器内の他の伝熱管の直径より大きい。

本発明の熱交換器によれば、過冷却領域にある主に液体の冷媒が流れる領域の伝熱管の直径が大きいので、過冷却領域にある主に液体の冷媒が流れる領域の伝熱管を流れる冷媒の圧力損失が抑止される。これにより、過冷却領域にある主に液体の冷媒が流れる領域の伝熱管および熱交換器内の他の伝熱管を流れる冷媒の圧力を一定に保つことができるので、熱交換器内の他の伝熱管における気液２層状態の冷媒が流れる部分の温度を一定に保つことができる。したがって、外気と、気液２層状態の冷媒が流れる伝熱管との温度差を大きく保つことができ、熱交換器を蒸発器として使用した場合の蒸発効率が高くなる。一方、熱交換器内の他の伝熱管の直径が小さいので、熱交換器を蒸発器および凝縮器として使用した場合に、熱交換器内の他の伝熱管を流れる気液２相状態の冷媒の流速が増加し、液体の冷媒が攪拌されながら流れるようになる。その結果、熱交換器内の他の伝熱管の蒸発効率および凝縮効率が高くなる。以上の理由により、熱交換器の熱交換効率が高くなる。

本発明の熱交換器は、補助熱交換器と主熱交換器とを備えた熱交換器であって、補助熱交換器は、冷媒を流すための第１の伝熱管を有している。主熱交換器は、第１の伝熱管と接続された第２の伝熱管を有している。第１の伝熱管の直径は、第２の伝熱管の直径よりも大きい。

これにより、第１の伝熱管の直径が大きいので、第１の伝熱管を流れる冷媒の圧力損失が抑止される。その結果、第１の伝熱管および第２の伝熱管を流れる冷媒の圧力を一定に保つことができるので、主熱交換器の温度を一定に保つことができる。したがって、外気と主熱交換器との温度差を大きく保つことができ、熱交換器を蒸発器として使用した場合の蒸発効率が高くなる。一方、第２の伝熱管の直径が小さいので、熱交換器を蒸発器および凝縮器として使用した場合に、第２の伝熱管を流れる気液２相状態の冷媒の流速が増加し、液体の冷媒が攪拌されながら流れるようになる。その結果、主熱交換器の蒸発効率および凝縮効率が高くなる。以上の理由により、熱交換器の熱交換効率が高くなる。

なお、本明細書中において「補助熱交換器」とは、熱交換器を凝縮器として使用した場合に、過冷却領域にある液体の冷媒が流れる部分の熱交換器を意味しており、「主熱交換器」とは、熱交換器を凝縮器として使用した場合に、気液２相状態の冷媒および気体の冷媒が流れる部分の熱交換器を意味している。

本発明の熱交換器において好ましくは、第１の伝熱管および第２の伝熱管の各々は、直線部分を含む蛇行状に延びるように形成され、第１の伝熱管における直線部分の各々の間隔は、第２の伝熱管における直線部分の各々の間隔よりも大きい。

これにより、第１の伝熱管の間隔が広くなるので、外気の流れ方向からの気流が蛇行した第１の伝熱管の隙間を通って第２の伝熱管に当たりやすくなる。すなわち、補助熱交換器の通風抵抗が減少する。したがって、主熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。

本発明の熱交換器において好ましくは、補助熱交換器は第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ主熱交換器は第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有している。第１のフィンの各々の間隔は、第２のフィンの各々の間隔よりも大きい。

これにより、複数の第１のフィンおよび複数の第２のフィンの各々により、第１の伝熱管および第２の伝熱管の各々の伝熱面積を大きくすることができる。したがって、熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。また、補助熱交換器の複数の第１のフィンの間隔が広くなるので、外気の流れ方向からの気流が補助熱交換器の複数の第１のフィンの隙間を通って主熱交換器の複数の第２のフィンに当たりやすくなる。すなわち、補助熱交換器の通風抵抗が減少する。したがって、主熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。

本発明の熱交換器において好ましくは、補助熱交換器は第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ主熱交換器は第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有している。第１のフィンの各々の厚さは、第２のフィンの各々の厚さよりも薄い。

これにより、複数の第１のフィンおよび複数の第２のフィンの各々により、第１の伝熱管および第２の伝熱管の各々の伝熱面積を大きくすることができる。したがって、熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。また、補助熱交換器の複数の第１のフィンの間隔を広くしやすくなるので、外気の流れ方向からの気流が補助熱交換器の複数の第１のフィンの隙間を通って主熱交換器の複数の第２のフィンに当たりやすくなる。すなわち、補助熱交換器の通風抵抗が減少する。したがって、主熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。

本発明の熱交換器において好ましくは、補助熱交換器は第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ主熱交換器は第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有している。第１のフィンの各々の幅は、第２のフィンの各々の幅よりも大きい。

これにより、複数の第１のフィンおよび複数の第２のフィンの各々により、第１の伝熱管および第２の伝熱管の各々の伝熱面積を大きくすることができる。したがって、熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。また、補助熱交換器における第１のフィンの伝熱面積が大きくなるので、より多くの外気と熱交換することができる。その結果、補助熱交換器の熱交換効率を改善することができる。特に熱交換器を凝縮器として使用する場合、補助熱交換器の第１の伝熱管には液体の冷媒が流れる。このため、補助熱交換器は、気液２相状態の冷媒が流れる主熱交換器と比較して、熱交換効率が低くなっている。したがって、特に熱交換器を凝縮器として使用する場合に、補助熱交換器の熱交換効率を大きく改善することができる。

本発明の熱交換器において好ましくは、第１の伝熱管を流れる冷媒が乱流化するように、第１の伝熱管は構成されている。

これにより、第１の伝熱管を流れる冷媒が攪拌され、冷媒の対流が促進される。したがって、補助熱交換器の熱交換効率が一層向上する。ここで、本実施の形態の熱交換器においては、第１の伝熱管の直径は第２の伝熱管の直径よりも大きいので、第１の伝熱管の直径を小さくし冷媒の流速を速くするという方法で、第１の伝熱管を流れる冷媒を攪拌することは難しい。したがって、冷媒の流速を速くするという方法の代わりに、第１の伝熱管を流れる冷媒が乱流化するように第１の伝熱管を構成することで、補助熱交換器の熱交換効率を高めることができる点で特に有効である。

本発明の熱交換器において好ましくは、補助熱交換器は第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有していて、かつ主熱交換器は第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有している。第１のフィンの各々および第２のフィンの各々には起伏部が設けられており、第１のフィンの各々における単位面積当たりの起伏部の数は、第２のフィンの各々における単位面積当たりの起伏部の数よりも多い。

これにより、第１のフィンにおける起伏部の数が多くなるので、第１のフィンの各々の表面を通過する外気の気流が起伏部で乱されるようになり、第１のフィンの各々の表面から離れた部分に存在する外気を巻き込みながら外気が流れるようになる。その結果、第１のフィンの各々の表面を通過する外気と、第１のフィンの各々との温度差をより大きく保つことができる。また、起伏部の数が多くなることで第１のフィンの伝熱面積が増加する。したがって、補助熱交換器の熱交換効率を一層向上することができる。

本発明の熱交換器において好ましくは、第１の伝熱管における冷媒が流れる経路の数は、第２の伝熱管における冷媒が流れる経路の数よりも少ない。

これにより、第１の伝熱管の分岐部分が少なくなるので、分岐した伝熱管ごとの冷媒の流量が不均一になる（偏流が生じる）ことが抑止される。なお、第１の伝熱管の分岐部分が少なくなれば、第１の伝熱管の長さが長くなるが、第１の伝熱管の直径は大きいので、第１の伝熱管を流れる冷媒の圧力損失は大きくならない。以上の理由から、第１の伝熱管における冷媒の圧力損失を抑止しながら、分岐した伝熱管ごとの冷媒の流量が不均一になることが抑止される。

以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の構成を示す正面図である。図２は本発明の実施の形態１における熱交換器の構成を示す斜視図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態における熱交換器１０は、補助熱交換器１０ａと主熱交換器１０ｂとを備えている。そして、矢印で示された空気の流れ方向６から空気が熱交換器１０に送り込まれる。空気の流れ方向６に対して、補助熱交換器１０ａは上流側（図１中左側）に、主熱交換器１０ｂは下流側（図１中右側）に、互いに並列して配置されている。

補助熱交換器１０ａは、伝熱管２ａ、２ｂ（第１の伝熱管）と、複数のフィン１ａ（第１のフィン）とを有している。伝熱管２ａ、２ｂの各々は直線部分１３ａ、１３ｂを含む蛇行状に延びるように形成されていて、複数のフィン１ａは等間隔に配置されている。伝熱管２ａ、２ｂの各々の直線部分が複数のフィン１ａを略直角に貫通することにより、伝熱管２ａ、２ｂと複数のフィン１ａとが接触している。伝熱管２ａ、２ｂは、分岐部分３ａで結合して出入り口５に接続されている。

主熱交換器１０ｂは、伝熱管２ｃ〜２ｆ（第２の伝熱管）と、複数のフィン１ｂ（第２のフィン）とを有している。伝熱管２ｃ〜２ｆの各々は直線部分を含む蛇行状に延びるように形成されていて、複数のフィン１ｂは等間隔に配置されている。伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の直線部分が複数のフィン１ｂを略直角に貫通することにより、伝熱管２ｃ〜２ｆと複数のフィン１ｂとが接触している。伝熱管２ｃ、２ｄは、分岐部分３ｂで結合して伝熱管２ａと接続されている。また、伝熱管２ｃ、２ｄは、分岐部分４ａで結合して接続管９ａと接続されている。伝熱管２ｅ、２ｆは、分岐部分３ｃで結合して伝熱管２ｂと接続されている。また、伝熱管２ｅ、２ｆは、分岐部分４ｂで結合して接続管９ｂと接続されている。接続管９ａ、９ｂは、分岐部分４ｃで結合して出入り口７に接続されている。

本実施の形態の熱交換器１０においては、補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂの各々の直径Ｄ₁は、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の直径Ｄ₂よりも大きい。具体的には、伝熱管２ａ、２ｂの各々の直径Ｄ₁はたとえば７ｍｍであり、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の直径Ｄ₂はたとえば５ｍｍである。

続いて、本実施の形態の熱交換器１０における冷媒の流れについて説明する。

熱交換器１０が空気調和機の蒸発器として使用される場合には、まず、低温の液体の冷媒が出入り口５より流入し、分岐部分３ａで伝熱管２ａと伝熱管２ｂとの２方向に分流する。液体の冷媒は、伝熱管２ａ、２ｂの各々を流れながら、空気の流れ方向６から送り込まれる空気と熱交換を行なう。その結果、冷媒の温度が上昇し、冷媒は蒸発し始める。ここで、本実施の形態の伝熱管２ａ、２ｂの各々の直径Ｄ₁は大きいので、伝熱管２ａ、２ｂを流れる冷媒に生じる圧力損失は抑止される。次に、気液２相状態の冷媒が伝熱管２ａ、２ｂの各々を経て、主熱交換器１０ｂの分岐部分３ｂ、３ｃの各々へ流れ込む。伝熱管２ａを流れる冷媒は分岐部分３ｂでさらに２方向に分流し、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｃ、２ｄの各々を流れる。また、伝熱管２ｂを流れる冷媒は分岐部分３ｃでさらに２方向に分流し、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｅ、２ｆの各々を流れる。冷媒は、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々を流れながら、空気の流れ方向６から送り込まれる空気と熱交換を行ない、気体の割合を増加させる（乾き度を進行させる）。ここで、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々を流れる冷媒が気液２相状態となっているときには、冷媒の温度および圧力は一定に保たれている。その後、伝熱管２ｃ、２ｄを流れる冷媒は、主熱交換器１０ｂの分岐部分４ａで合流し、接続管９ａ内を流れる。また、伝熱管２ｅ、２ｆを流れる冷媒は、主熱交換器１０ｂの分岐部分４ｂで合流し、接続管９ｂ内を流れる。そして、接続管９ａ、９ｂの各々を流れる冷媒は、分岐部分４ｃで合流し、出入り口７から高温の気体となって流出する。

一方、熱交換器１０が空気調和機の凝縮器として使用される場合には、まず、高温の気体の冷媒が出入り口７より流入し、分岐部分４ｃで接続管９ａと接続管９ｂとの２方向に分流する。そして、冷媒は接続管９ａ、９ｂの各々を経て、主熱交換器１０ｂの分岐部分４ａ、４ｂの各々へ流れ込む。接続管９ａを流れる冷媒は、分岐部分４ａでさらに２方向に分流し、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｃ、２ｄの各々を流れる。また、接続管９ｂを流れる冷媒は、分岐部分４ｂでさらに２方向に分流し、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｅ、２ｆの各々を流れる。冷媒は、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々を流れながら、空気の流れ方向６から送り込まれる空気と熱交換を行なう。その結果、冷媒の温度が低下し、冷媒は徐々に液化する。ここで、冷媒が液化し始めてからが全て液化するまでの気液２相状態の間、冷媒の温度および圧力は一定に保たれている。また、伝熱管２ｃ〜２ｆの直径Ｄ₂は小さい（細管で構成されている）ので、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々を流れる冷媒の流速が増加し、液体の冷媒が攪拌されながら流れるようになる。その結果、主熱交換器１１０ｂの熱交換効率は高くなっている。その後、伝熱管２ｃ、２ｄの各々を流れる冷媒は、分岐部分３ｂで合流し、補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａへ流れ込む。また、伝熱管２ｅ、２ｆの各々を流れる冷媒は、分岐部分３ｃで合流し、補助熱交換器１０ａの伝熱管２ｂへ流れ込む。このとき、冷媒はほぼ液体となっている。補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂの各々を流れる冷媒は、空気の流れ方向６から送り込まれる空気と熱交換を行なうことにより過冷却される。そして、伝熱管２ａ、２ｂの各々を流れる冷媒は、分岐部分３ａで合流し、低温の液体の冷媒が出入り口５から流出する。

本実施の形態の熱交換器１０によれば、伝熱管２ａ、２ｂの直径Ｄ₁が大きいので、伝熱管２ａ、２ｂを流れる冷媒の圧力損失が抑止される。これにより、伝熱管２ａ、２ｂおよび伝熱管２ｃ〜２ｆを流れる冷媒の圧力を一定に保つことができるので、主熱交換器１０ｂの温度を一定に保つことができる。したがって、空気と主熱交換器１０ｂとの温度差を大きく保つことができ、熱交換器１０を蒸発器として使用した場合の蒸発効率が高くなる。一方、伝熱管２ｃ〜２ｆの直径Ｄ₂が小さいので、熱交換器１０を蒸発器および凝縮器として使用した場合に、伝熱管２ｃ〜２ｆを流れる気液２相流の冷媒の流速が増加し、液体の冷媒が攪拌されながら流れるようになる。その結果、主熱交換器１０ｂの蒸発効率および凝縮効率が高くなる。以上の理由により、熱交換器の熱交換効率が高くなる。

なお、本実施の形態においては、熱交換器の構成が図１に示す構成である場合について示したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、補助熱交換器の第１の伝熱管の直径が主熱交換器の第２の熱交換器の直径よりも大きければよい。さらに、熱交換器を凝縮器として使用した場合に下流側となる過冷却領域にある主に液体の冷媒が流れる領域の伝熱管の直径が、熱交換器内の他の伝熱管の直径より大きければよい。すなわち、分岐部分の数や位置、伝熱管の管路やフィンの形状などについてはどのような構成であってもよい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における熱交換器の構成を示す正面図である。図４（ａ）は、本発明の実施の形態２における補助熱交換器の構成を示す側面図であり、図４（ｂ）は、本発明の実施の形態２における主熱交換器の構成を示す側面図である。

図３および図４（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態における熱交換器１０において、蛇行状に延びた伝熱管２ａ、２ｂの直線部分１３ａの各々は、距離Ｌ₁の間隔で配置されている。また、蛇行状に延びた伝熱管２ｃ〜２ｆの直線部分１３ｂの各々は、距離Ｌ₂の間隔で配置されている。ここで、直線部分１３ａ、１３ｂの各々の間隔（距離Ｌ₁および距離Ｌ₂）は、空気の流れ方向６に対して垂直な方向の距離で規定されている。すなわち、図４（ａ）、（ｂ）において、空気の流れ方向６は紙面に垂直な方向となっているので、直線部分１３ａの各々の間隔（距離Ｌ₁）および直線部分１３ｂの各々の間隔（距離Ｌ₂）は、直線部分１３ａおよび直線部分１３ｂの各々における紙面上での間隔で規定されている。直線部分１３ａの各々の間隔（距離Ｌ₁）は、直線部分１３ｂの各々の間隔（距離Ｌ₂）よりも大きい。すなわち、距離Ｌ₁はたとえば１９ｍｍであり、距離Ｌ₂はたとえば１７ｍｍである。

なお、これ以外の構成は、図１および図２に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の熱交換器１０において、伝熱管２ａ、２ｂおよび伝熱管２ｃ〜２ｆの各々は、直線部分１３ａ、１３ｂを含む蛇行状に延びるように形成されていて、伝熱管２ａ、２ｂにおける直線部分１３ａの各々の間隔（距離Ｌ₁）は、伝熱管２ｃ〜２ｆにおける直線部分１３ｂの各々の間隔（距離Ｌ₂）よりも大きい。

これにより、補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂの間隔が広くなるので、空気の流れ方向６からの気流が補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂの隙間を通って主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｃ〜２ｆに当たりやすくなる。すなわち、補助熱交換器１０ａの通風抵抗が減少する。したがって、主熱交換器１０ｂの熱交換効率を一層向上することができる。

なお、本実施の形態においては、伝熱管２ａ、２ｂの直線部分１３ａおよび伝熱管２ｃ〜２ｆの直線部分１３ｂが全て等間隔で配置されている場合について示した。しかしながら、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、直線部分１３ａおよび直線部分１３ｂの各々の間隔が部分的に異なっていてもよい。この場合には、直線部分１３ａの各々のうち最も間隔が狭い部分の距離Ｌ₁が、直線部分１３ｂの各々のうち最も間隔が広い部分の距離Ｌ₂よりも大きければよい。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における熱交換器の一部の構成を示す上部平面図である。図６（ａ）は、図５におけるＡ部の拡大図、図６（ｂ）は、図５におけるＢ部の拡大図である。

図５を参照して、補助熱交換器１０ａにおける複数のフィン１ａの各々は、距離Ｅ₁の間隔で等間隔に配置されている。主熱交換器１０ｂにおける複数のフィン１ｂの各々は、距離Ｅ₂の間隔で等間隔に配置されている。複数のフィン１ａの各々の間隔（距離Ｅ₁）は、複数のフィン１ｂの各々の間隔（距離Ｅ₂）よりも大きい。すなわち、距離Ｅ₁はたとえば１．４９ｍｍであり、距離Ｅ₂はたとえば１．１５ｍｍである。

また、補助熱交換器１０ａにおける複数のフィン１ａの各々は、幅Ｐ₁を有している。主熱交換器１０ｂにおける複数のフィン１ｂの各々は、幅Ｐ₂を有している。ここで、本明細書中において、複数のフィン１ａの幅（長さＰ₁）および複数のフィン１ｂの幅（長さＰ₂）は、伝熱管１本当たりが有するフィンの幅（図中縦方向の長さ）として規定されている。すなわち、複数のフィン１ｂの各々は、元々幅Ｐ₃を有している。また、複数のフィン１ｂにおいては、幅方向に２本の伝熱管が配置されている。以上のことから、複数のフィン１ｂにおいて、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々は幅Ｐ₃の２分の１の幅、すなわち幅Ｐ₂を有していると規定されている。複数のフィン１ａの各々の幅Ｐ₁は、複数のフィン１ｂの各々の幅Ｐ₂よりも長い。すなわち、幅Ｐ₁はたとえば１１ｍｍであり、幅Ｐ₂はたとえば１０ｍｍである。

図６（ａ）、（ｂ）を参照して、複数のフィン１ａの各々の厚さ（厚さＦ₁）は、複数のフィン１ｂの各々の厚さ（厚さＦ₂）よりも薄い。すなわち、厚さＦ₁はたとえば０．１ｍｍであり、厚さＦ₂はたとえば０．１１ｍｍである。

本実施の形態の熱交換器１０において、補助熱交換器１０ａは複数のフィン１ａをさらに有していて、かつ主熱交換器１０ｂは複数のフィン１ｂをさらに有している。複数のフィン１ａの各々の間隔（距離Ｅ₁）は、フィン１ｂの各々の間隔（距離Ｅ₂）よりも大きい。

これにより、複数のフィン１ａおよび複数のフィン１ｂの各々により、伝熱管２ａ、２ｂおよび伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の伝熱面積を大きくすることができる。したがって、熱交換器１０の熱交換効率を一層向上することができる。また、補助熱交換器１０ａの複数のフィン１ａの間隔が広くなるので、空気の流れ方向６からの気流が補助熱交換器１０ａの複数のフィン１ａの隙間を通って主熱交換器１０ｂの複数のフィンに当たりやすくなる。すなわち、補助熱交換器１０ａの通風抵抗が減少する。したがって、主熱交換器１０ｂの熱交換効率を一層向上することができる。

本実施の形態の熱交換器１０において、複数のフィン１ａの各々の厚さＦ₁は、フィン１ｂの各々の厚さＦ₂よりも薄い。

これにより、補助熱交換器１０ａの複数のフィン１ａの間隔を広くしやすくなるので、空気の流れ方向６からの気流が補助熱交換器１０ａの複数のフィン１ａの隙間を通って主熱交換器１０ｂの複数のフィンに当たりやすくなる。すなわち、補助熱交換器１０ａの通風抵抗が減少する。したがって、主熱交換器１０ｂの熱交換効率を一層向上することができる。

本実施の形態の熱交換器１０において、複数のフィン１ａの各々の幅Ｐ₁は、フィン１ｂの各々の幅Ｐ₂よりも長い。

これにより、補助熱交換器１０ａにおけるフィン１ａの伝熱面積が大きくなるので、より多くの空気と熱交換することができる。その結果、補助熱交換器１０ａの熱交換効率を改善することができる。特に熱交換器１０を凝縮器として使用する場合、補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂには液体の冷媒が流れる。このため、補助熱交換器１０ａは、気液二相状態の冷媒が流れる主熱交換器１０ｂと比較して、熱交換効率が低くなっている。したがって、特に熱交換器１０を凝縮器として使用する場合に、補助熱交換器１０ａの熱交換効率を大きく改善することができる。

（実施の形態４）
図７（ａ）は、本発明の実施の形態４における補助熱交換器の伝熱管の断面図である。図７（ｂ）は、本発明の実施の形態４における主熱交換器の伝熱管の断面図である。

図７（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態の熱交換器１０において、伝熱管２ａ、２ｂの各々の管内には複数の溝８ａが形成されている。溝８ａは深さＨ₁を有している。また、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の管内には複数の溝８ｂが形成されている。溝８ｂは深さＨ₂を有している。深さＨ₁はたとえば０．２５ｍｍであり、深さＨ₂はたとえば０．１５ｍｍである。また、溝８ａは円周方向にたとえば１８個形成されており、溝８ａは円周方向にたとえば９個形成されている。以上のように、伝熱管２ａ〜２ｆの各々の管内に適当な深さ、数および形状を有する溝８ａ、８ｂを設けると、溝８ａ、８ｂの各々によって冷媒の流れが乱され、伝熱管２ａ、２ｂおよび伝熱管２ｃ〜２ｆの各々を流れる冷媒は乱流化される。

これにより、伝熱管２ａ、２ｃを流れる冷媒が攪拌され、冷媒の対流が促進される。したがって、補助熱交換器１０ａの熱交換効率が一層向上する。ここで、本実施の形態の熱交換器においては、伝熱管２ａ、２ｂの直径Ｄ₁は伝熱管２ｃ〜２ｆの直径Ｄ₂よりも大きいので、伝熱管２ａ、２ｂの直径Ｄ₁を小さくし冷媒の流速を速くするという方法で、伝熱管２ａ、２ｂを流れる冷媒を攪拌することは難しい。したがって、冷媒の流速を速くするという方法の代わりに、伝熱管２ａ、２ｂを流れる冷媒が乱流化するように伝熱管２ａ、２ｂを構成することで、補助熱交換器１０ａの熱交換効率を高めることができる点で特に有効である。

なお、本実施の形態の熱交換器１０においては、溝８ａの深さＨ₁、数、および形状の一例が示されたが、本発明はこのような溝の深さ、数および形状に限定されるものではなく、伝熱管２ａ、２ｂを流れる冷媒が乱流化されるように伝熱管２ａ、２ｂが構成されていればよい。したがって、溝８ａはたとえば三角形や半円形などの断面形状でもよい。また、伝熱管２ｃ〜２ｆを流れる冷媒は乱流化していなくてもよい。

（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５におけるフィンの構成を模式的に示す正面拡大図である。図９は図８のＩＸ−ＩＸの線に沿った断面図である。なお、図９においては複数のフィンのうち、１枚のフィンのみを示している。

図８および図９を参照して、補助熱交換器１０ａの複数のフィン１ａの各々には、矩形に近い平面形状の凸部１１および凹部１２（起伏部）が形成されている。凸部１１および凹部１２は、伝熱管２ａ、２ｂの各々の周囲を取り囲むように、フィン１ａの幅方向（図８中横方向）に４つ並んで形成されている。また、主熱交換器１０ｂの複数のフィン１ｂの各々にも、凸部１１および凹部１２が形成されている。凸部１１および凹部１２は、伝熱管２ｃ〜２ｆの各々の周囲を取り囲むように、フィン１ｂの幅方向（図８中横方向）に４つ並んで形成されている。フィン１ａの各々における単位面積当たりの凸部１１および凹部１２の数は、フィン１ｂの各々における単位面積当たりの凸部１１および凹部１２の数の数よりも多くなっている。

本実施の形態における熱交換器１０においては、フィン１ａの各々およびフィン１ｂの各々には凸部１１および凹部１２が設けられており、フィン１ａの各々における単位面積当たりの凸部１１および凹部１２の数は、フィン１ｂの各々における単位面積当たりの凸部１１および凹部１２の数よりも多い。

これにより、フィン１ａの各々における凸部１１および凹部１２の数が多くなるので、フィン１ａの各々の表面を通過する外気の気流が凸部１１および凹部１２で乱されるようになり、フィン１ａの各々の表面から離れた部分に存在する外気を巻き込みながら外気が流れるようになる。その結果、フィン１ａの各々の表面を通過する外気とフィン１ａの各々との温度差をより大きく保つことができる。また、凸部１１および凹部１２の数が多くなることでフィン１ａの伝熱面積が増加する。したがって、補助熱交換器１０ａの熱交換効率を一層向上することができる。

なお、本実施の形態においては、起伏部が図８および図９に示す凸部１１および凹部１２のような形状である場合について示したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、第１のフィンおよび第２のフィンに設けられた起伏部であればよい。

（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６における熱交換器の構成を示す側面図である。

図１０を参照して、本実施の形態における熱交換器３０は、補助熱交換器３０ａと主熱交換器１０ｂとを備えている。本実施の形態においては、補助熱交換器３０ａの構成が、実施の形態１の補助熱交換器１０ａの構成と異なっている。すなわち、補助熱交換器３０ａは、伝熱管３２（第１の伝熱管）と、複数のフィン１ａとを有している。伝熱管３２は直線部分を含む蛇行状に延びるように形成されている。伝熱管３２の直線部分が複数のフィン１ａを略直角に貫通することにより、伝熱管３２と複数のフィン１ａとが接触している。伝熱管３２は分岐部分を有しておらず、伝熱管３２の一端は出入り口５に接続されており、伝熱管３２の他端は分岐部分３３に接続されている。また、補助熱交換器３０ａと主熱交換器１０ｂとは接続管９ｃ、９ｄにより接続されている。接続管９ｃは、分岐部分３３と主熱交換器１０ｂの分岐部分３ｂとに接続されている。接続管９ｄは、分岐部分３３と主熱交換器１０ｂの分岐部分３ｃとに接続されている。

続いて、本実施の形態の熱交換器３０における冷媒の流れについて説明する。

熱交換器３０が空気調和機の蒸発器として使用される場合には、まず、低温の液体もしくは気液２層状態の冷媒が出入り口５より流入し、伝熱管３２を流れる。伝熱管３２は分岐部分を有していないので、冷媒は分流することなく１つの経路を流れる。冷媒は伝熱管３２を流れながら、空気の流れ方向６から送り込まれる空気と熱交換を行なう。その結果、冷媒の温度が上昇し、冷媒は蒸発し始める。そして、気液２相状態の冷媒が伝熱管３２を経て分岐部分３３へ流れ込む。冷媒は分岐部分３ｂでさらに２方向に分流し、接続管９ｃ、９ｄの各々を介して主熱交換器１０ｂ内の分岐部分３ｂ、３ｃへ流れ込む。その後、冷媒は主熱交換器１０ｂ内において、伝熱管２ｃ〜２ｆの４つの経路を流れる。そして、低温の気体もしくは気液２層状態の冷媒が出入り口７から流出する。

一方、熱交換器１０が空気調和機の凝縮器として使用される場合には、まず、高温の気体の冷媒が出入り口７より流入する。流入した冷媒は、主熱交換器１０ｂ内の伝熱管２ｃ〜２ｆの４つの経路を介して、分岐部分３ｂ、３ｃの各々で合流する。このとき、冷媒はほぼ液体となっている。分岐部分３ｂで合流した冷媒は接続管９ｃを流れ、分岐部分３ｃで合流した冷媒は接続管９ｄを流れる。そして、接続管９ｃ、９ｄの各々を流れる冷媒は、分岐部分３３で合流し、補助熱交換器１０ａの伝熱管３２を流れる。伝熱管３２を流れる冷媒は、空気の流れ方向６から送り込まれる空気と熱交換を行なうことにより過冷却される。その後、過冷却された冷媒は出入り口５から流出する。

本実施の形態においては、補助熱交換器３０ａの伝熱管３２における冷媒の流れる経路は１つとなっている。一方、実施の形態１の補助熱交換器１０ａの伝熱管２ａ、２ｂは、分岐部分３ａで伝熱管２ａおよび伝熱管２ｂに分岐しているため、冷媒の流れる経路は２つとなっている。このように、冷媒の流れる経路の数が減少すれば、冷媒が流れる伝熱管の長さ（冷媒が流れる距離）が長くなる。しかしながら、本実施の形態の熱交換器３０においては、伝熱管３２の直径Ｄ₁が伝熱管２ｃ〜２ｆの直径Ｄ₂よりも大きいので、圧力損失は大きくならない。一方、冷媒の流れる経路の数が減少するということは、分岐部分が減少ということである。分岐部分が減少すれば、冷媒が分岐部分で分流する際に、分岐した冷媒の流量が不均一になることが抑止される。ここで、分岐した冷媒の流量を均一にするために分流器を用いる方法も考えられる。しかしながら、分流器を用いれば、装置構成が複雑するという問題が生じる。また、分流器を冷媒が流れる際に冷媒に圧力損失が生じるという問題も生じる。

本実施の形態の熱交換器３０においては、伝熱管３２における冷媒が流れる経路の数は、伝熱管２ｃ〜２ｆにおける冷媒が流れる経路の数よりも少ない。

これにより、伝熱管３２の分岐部分がなくなるので、分岐した伝熱管ごとの冷媒の流量が不均一になる（偏流が生じる）ことが防止される。なお、伝熱管３２の分岐部分がなくなれば、伝熱管３２の長さが長くなるが、伝熱管３２の直径Ｄ₁は大きいので、伝熱管３２を流れる冷媒の圧力損失は大きくならない。以上の理由から、伝熱管３２における冷媒の圧力損失を抑止しながら、伝熱管３２の冷媒の流量が不均一になることが抑止される。

なお、本実施の形態においては、補助熱交換器３０ａの伝熱管３２における冷媒が流れる経路が１本であり、主熱交換器１０ｂの伝熱管２ｃ〜２ｆにおける冷媒が流れる経路が４本である場合について示したが、本実施の形態はこのような場合に限定されるものではなく、補助熱交換器の第１の伝熱管における冷媒が流れる経路の数が主熱交換器の第２の伝熱管における冷媒が流れる経路の数よりも少なければよい。

また、本実施の形態においては、１本の伝熱管３２から分岐部分３３で接続管９ｃ、９ｄに分岐し、さらに接続管９ｃ、９ｄから分岐部分３ｂ、３ｃで４本の伝熱管２ｃ〜２ｆに分岐する場合について示した。しかしながら、本実施の形態はこのような場合の他、たとえば１本の伝熱管３２から１つの分岐部分によって４本の伝熱管２ｃ〜２ｆに分岐してもよい。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構成を示す正面図である。本発明の実施の形態１における熱交換器の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態２における熱交換器の構成を示す正面図である。（ａ）本発明の実施の形態２における補助熱交換器の構成を示す側面図である。（ｂ）本発明の実施の形態２における主熱交換器の構成を示す側面図である。本発明の実施の形態３における熱交換器の一部の構成を示す上部平面図である。（ａ）図５におけるＡ部の拡大図である。（ｂ）図５におけるＢ部の拡大図である。（ａ）本発明の実施の形態４における補助熱交換器の伝熱管の断面図である。（ｂ）本発明の実施の形態４における主熱交換器の伝熱管の断面図である。本発明の実施の形態５におけるフィンの構成を模式的に示す正面拡大図である。図８のＩＸ−ＩＸの線に沿った断面図である。本発明の実施の形態６における熱交換器の構成を示す側面図である。従来の熱交換器の一の構成を示す側面図である。従来の熱交換器の一の構成を示す斜視図である。従来の熱交換器の他の構成を示す側面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１０１ａ，１０１ｂフィン、２ａ〜２ｆ，３２，１０２ａ〜１０２ｅ伝熱管、３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃ，３３，１０３，１０４分岐部分、５，７，１０５，１０７出入り口、６，１０６流れ方向、８ａ，８ｂ溝、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ接続管、１０，３０，１１０，１２０熱交換器、１０ａ，３０ａ，１１０ａ補助熱交換器、１０ｂ，１１０ｂ主熱交換器、１１凸部、１２凹部、１３ａ，１３ｂ，１０９直線部分。

Claims

冷媒を流すための伝熱管を有する熱交換器であって、
前記熱交換器を凝縮器として使用した場合に、下流側となる過冷却領域にある主に液体の前記冷媒が流れる領域の伝熱管の直径は、前記熱交換器内の他の伝熱管の直径より大きい、熱交換器。
補助熱交換器と主熱交換器とを備え、
前記補助熱交換器は、前記冷媒を流すための第１の伝熱管を有し、
前記主熱交換器は、前記第１の伝熱管と接続された第２の伝熱管を有し、
前記第１の伝熱管の直径は、前記第２の伝熱管の直径よりも大きい、請求項１に記載の熱交換器。
前記第１の伝熱管および前記第２の伝熱管の各々は、直線部分を含む蛇行状に延びるように形成され、
前記第１の伝熱管における前記直線部分の各々の間隔は、前記第２の伝熱管における前記直線部分の各々の間隔よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換器。
前記補助熱交換器は前記第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ前記主熱交換器は前記第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有し、
前記第１のフィンの各々の間隔は、前記第２のフィンの各々の間隔よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
前記補助熱交換器は前記第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ前記主熱交換器は前記第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有し、
前記第１のフィンの各々の厚さは、前記第２のフィンの各々の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
前記補助熱交換器は前記第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ前記主熱交換器は前記第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有し、
前記第１のフィンの各々の幅は、前記第２のフィンの各々の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
前記第１の伝熱管を流れる前記冷媒が乱流化するように、前記第１の伝熱管は構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の熱交換器。
前記補助熱交換器は前記第１の伝熱管と接触する複数の第１のフィンをさらに有し、かつ前記主熱交換器は前記第２の伝熱管と接触する複数の第２のフィンをさらに有し、
前記第１のフィンの各々および前記第２のフィンの各々には起伏部が設けられており、前記第１のフィンの各々における単位面積当たりの前記起伏部の数は、前記第２のフィンの各々における単位面積当たりの前記起伏部の数よりも多いことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器。
前記第１の伝熱管における前記冷媒が流れる経路の数は、前記第２の伝熱管における前記冷媒が流れる経路の数よりも少ないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器。