JP2008116135A

JP2008116135A - 熱交換器及び冷凍装置

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Publication number: JP2008116135A
Application number: JP2006300144A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Kasai; 一成笠井; Genei Kin; 鉉永金; Takashi Yoshioka; 俊吉岡
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路に設けられ、少なくとも蒸発器として機能する熱交換器において、該熱交換器内の冷凍機油の残留に起因して熱交換器の伝熱性能が低下するのを防止する。
【解決手段】蒸発器として機能する熱交換器（12,13）内部の冷媒の流路（26）は、冷媒が下方に向かって流れるように形成されている。冷媒の流路（36,46,56）は、少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分で冷媒が下方に向かって流れるように形成されていればよく、その他の部分では冷媒が上方に向かって流れていてもよい。特に、出口側の半分以上の範囲で冷媒が下方に向かって流れるように流路（56）を形成するのが好ましい。冷媒回路（10）内の冷媒の循環方向が変わっても上記熱交換器（12,13）に対して同じ方向に冷媒が流れるように、ブリッジ回路（60）を設けるのが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に適用される熱交換器に関し、特に伝熱促進対策に係るものである。

従来より、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空気調和装置や給湯器等に広く適用されている。

例えば特許文献１に開示されている空気調和装置は、圧縮機、室外熱交換器、膨張機、及び室内熱交換器が接続された冷媒回路を有している。この冷媒回路には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。

例えば上記空気調和装置の冷房運転では、圧縮機で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒が室外熱交換器を流れ、該室外熱交換器で冷媒と室外空気とが熱交換して、室外空気へ放熱する。そして、上記室外熱交換器で放熱した冷媒は、膨張機で減圧された後、室内熱交換器を流れ、該室内熱交換器で冷媒と室内空気とが熱交換して、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。これにより、室内に対して冷房が行われる。なお、上記室内熱交換器で蒸発した冷媒は、圧縮機に吸入されて再び圧縮される。

一方、上記空気調和装置の暖房運転では、圧縮機で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒が室内熱交換器を流れ、該室内熱交換器で冷媒と室内空気とが熱交換して、室内空気へ放熱する。そして、上記室内熱交換器で放熱した冷媒は、膨張機で減圧された後、室外熱交換器を流れ、該室外熱交換器で冷媒と室外空気とが熱交換して、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。なお、上記室外熱交換器で蒸発した冷媒は、圧縮機に吸入されて再び圧縮される。

このように、冷媒回路内の冷媒の循環方向は、冷房運転と暖房運転とで異なるが、熱交換器に対する冷媒の流れ方向は、一般的に、該冷媒回路における熱交換器の機能に応じて決められている。具体的には、図１０に示すように、上記熱交換器が蒸発器として機能する場合には実線矢印のように全体として上方に向かって冷媒が流れる一方、上記熱交換器がガスクーラーとして機能する場合には破線矢印のように全体として下方に向かって冷媒が流れるように構成されている。すなわち、上記熱交換器が蒸発器として機能する場合には、気化した冷媒が流れやすいように冷媒を上方に流し、上記熱交換器がガスクーラーとして機能する場合には、冷却された冷媒が流れやすいように冷媒を下方に流すようにしている。ここで、上記図１０において、符号121は平板状のフィンであり、122は伝熱管、122aはその直管部、122bは湾曲部をそれぞれ示している。
特開２００１−１１６３７１号公報

ところで、上述のような冷凍装置では、圧縮機の各摺動部を潤滑するために潤滑油（冷凍機油）が用いられており、この潤滑油は冷媒とともに冷媒回路内を流れている。そのため、冷媒が蒸発器やガスクーラー等の熱交換器を流れる際に、冷媒に溶けきれなかった油が伝熱管の内壁に付着し、この伝熱管の内壁の全周に亘って油膜が形成される場合がある。そうすると、油膜によって冷媒と空気との伝熱が阻害されて、熱交換器の伝熱性能が低下してしまうという問題があった。

特に、上記特許文献１に開示されているような、二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルを行う冷凍装置では、冷凍機油として、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）を用いるのが一般的であるが、この種の油は、二酸化炭素に対する相溶性が低いため、熱交換器の伝熱管内には、上述のような油膜が形成され易い。したがって、二酸化炭素を冷媒とする冷凍装置に適用される熱交換器では、油膜に起因する伝熱性能の低下が顕著となる。

また、上述のように、上記熱交換器は、冷媒回路内で冷媒を冷やすガスクーラーや冷媒を蒸発させる蒸発器として用いられるが、特に、冷媒が途中で気化し、全体として上方に向かって冷媒が流れるように流路が形成される蒸発器の場合には、内部に冷凍機油だけが残留しやすく、上述のような伝熱性能の低下が生じやすい。

本発明は、かかる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路に設けられ、少なくとも蒸発器として機能する熱交換器において、該熱交換器内の冷凍機油の残留に起因して熱交換器の伝熱性能が低下するのを防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱交換器（12,13,31,41,51）では、その内部に形成される流路（26,26',36,46,56）のうち少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分で冷媒が上から下へ流れるようにし、該熱交換器（12,13,31,41,51）内の冷凍機油が外部へ容易に排出されようにした。

具体的に、第１の発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）に設けられ、内部に形成された流路（26,26',36,46,56）内を冷媒が流れて少なくとも蒸発器として機能する熱交換器を前提としていて、上記流路（26,26',36,46,56）は、少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分で冷媒が下方へ向かって流れるように形成されているものとする。

この構成により、少なくとも蒸発器として機能する熱交換器（12,13,31,41,51）内の流路（26,26',36,46,56）のうち少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分で、冷媒は下方に向かって流れるため、ほとんどの冷媒が気化する該中間部分で冷凍機油が分離しても、その自重に加えて冷媒の流れによって冷凍機油は下方へ運ばれる。そうすると、上記中間部分に冷凍機油が付着して熱交換器内に残留するのを防止することができる。なお、気化した冷媒は比較的、流速が大きいため、上記流路のうちほとんどの冷媒が気化する上記中間部分よりも出口側では、冷凍機油は上記気化した冷媒によって熱交換器の外まで運ばれる。

上記流路（26,26',56）は、出口（28）側の半分以上の範囲で冷媒が下方へ向かって流れるように形成されているものとする（第２の発明）。こうすれば、冷媒が気化しても、該冷媒から分離した冷凍機油はその自重によって出口（28）に向かって流れるとともに、気化して比較的大きな流速を有する冷媒の流れによっても出口（28）側に運ばれる。したがって、熱交換器（12,13,51）内に冷凍機油が残留するのを確実に防止することができる。

以上の構成において、上記流路（26,26',36,46,56）は、出口（28）が入口（27）よりも下方に位置するように形成されているものとする（第３の発明）。こうすることで、熱交換器（12,13,31,41,51）内の冷凍機油は、入口（27）と出口（28）との高低差によってより確実に出口（28）側へ移動するため、該熱交換器（12,13,31,41,51）内に冷凍機油が残留するのをより確実に防止することができる。

また、上記流路（26',56）は、出口（28）が該流路（26',56）の下端に位置するように形成されているのが好ましい（第４の発明）。このように、熱交換器（12,13,51）の冷媒の出口（28）を流路（26',56）の下端に設けることで、さらに確実に冷凍機油を熱交換器（12,13,51）の外部へ排出することができ、該熱交換器（12,13,51）内に冷凍機油が残留するのをさらに確実に防止することができる。

第５の発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置を対象としていて、上記冷媒回路（10）は、請求項１から４のいずれか一つの熱交換器（12,13,31,41,51）と、上記熱交換器（12,13,31,41,51）をガスクーラーまたは蒸発器として機能させるように冷媒の循環方向を切り換える切換機構（15）と、を備え、上記熱交換器（12,13,31,41,51）内の流路（26,26',36,46,56）のうち少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分では、上記切換機構（15）によって冷媒の循環方向を切り換えても冷媒が常に下方に向かって流れるように構成されているものとする。

この構成により、冷媒回路（10）における冷媒の循環方向を切り換えることで熱交換器（12,13,31,41,51）をガスクーラー若しくは蒸発器として機能させる構成において、該熱交換器（12,13,31,41,51）の流路（26,26',36,46,56）のうち少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分では、冷媒が常に下方に向かって流れるため、分離した冷凍機油は自重及び上記冷媒の流れによって下方に運ばれる。これにより、冷媒回路（10）の冷媒の循環方向が切り換えられた場合でも、ほとんどの冷媒が気化する上記中間部分に冷凍機油が付着するのを防止することができる。したがって、上記熱交換機（12,13,31,41,51）内の流路（26,26',36,46,56）の壁面に冷凍機油が付着して残留するのを確実に防止することができる。

また、上記冷媒回路（10）には、上記切換機構（15）によって冷媒の循環方向が切り換わっても上記熱交換器（12,13,31,41,51）に対して常に一定の方向に冷媒が流れるように、該熱交換器（12,13,31,41,51）の入口（27）と出口（28）との間に４つの開閉弁（63,64,65,66）からなるブリッジ回路（60）が設けられているものとする（第６の発明）。

これにより、上記切換機構（15）によって冷媒の循環方向が切り換わっても熱交換器（12,13,31,41,51）に対して常に一定の方向に冷媒が流れるため、上記第５の発明の構成を実現することができる。

以上より、第１の発明に係る熱交換器（12,13,31,41,51）では、少なくとも入口（27９と出口（28）の中間部分では冷媒が下方へ向かって流れるように流路（26,26',36,46,56）が形成されるため、蒸発器においてほとんどの冷媒が気化する該中間部分で分離した冷凍機油は、その自重だけでなく冷媒の流れによっても下方へ移動する。これにより、当該部分の流路内壁に冷凍機油が付着して熱交換器内に残留するのを防止することができ、冷凍機油に起因する伝熱性能の低下を防止することができる。

また、第２の発明では、上記流路（26,26',56）は、出口（28）側の半分以上の範囲で冷媒が下方へ向かって流れるように形成されているため、冷媒から分離した冷凍機油を確実に下方へ移動させて出口から排出することができ、熱交換器（12,13,51）内に冷凍機油が残留するのを確実に防止することができる。

また、第３の発明では、上記流路（26,26',36,46,56）は、出口（28）が入口（27）よりも下方に位置するように形成されているため、冷媒は入口（27）と出口（28）との高低差によって出口（28）側に流れやすくなり、熱交換器（12,13,31,41,51）内に冷凍機油が残留するのをより確実に防止することができる。特に、第４の発明のように、出口（28）を流路（26',56）の下端に位置付けることで、熱交換器（12,13,51）内に冷凍機油が残留するのをさらに確実に防止できる。

第５の発明に係る冷凍装置（1）では、切換機構（15）によって冷媒回路（10）内の冷媒の循環方向を切り換えて、上記第１から第５のいずれか一つの熱交換器（12,13,31,41,51）をガスクーラーまたは蒸発器として機能させる構成において、少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分では常に冷媒が下方に向かって流れるように構成されているため、冷房運転と暖房運転とに切換可能な冷凍装置（1）の熱交換器（12,13,31,41,51）内に冷凍機油が残留するのを確実に防止することができる。

また、第６の発明では、上記熱交換器（12,13,31,41,51）の出入り口間に開閉弁（63,64,65,66）によるブリッジ回路（60）を設けたため、該熱交換器（12,13,31,41,51）に対して冷媒を常に一定の方向に流すことができ、上記第５の発明の構成を実現することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
本発明の実施形態１に係る熱交換器（12,13）は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置（1）に適用されるものである。この実施形態１の冷凍装置は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行う空気調和装置（1）を構成している。

−構成−
〈冷媒回路〉
図１に示すように、空気調和装置（1）は、冷媒としての二酸化炭素が充填される冷媒回路（10）を備えている。また、この空気調和装置（1）では、圧縮機（11）の各摺動部を潤滑するための潤滑油（冷凍機油）として、有極性の油であるポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられている。そして、このＰＡＧは、圧縮機（11）から吐出された冷媒と共に冷媒回路（10）へ流出することになる。したがって、上記冷媒回路（10）では、冷媒としての二酸化炭素と、冷凍機油としてのＰＡＧが循環する。また、この冷媒回路（10）では、二酸化炭素を臨界圧力以上まで圧縮する冷凍サイクル（いわゆる超臨界サイクル）が行われる。

上記冷媒回路（10）には、圧縮機（11）と室外熱交換器（12）と室内熱交換器（13）と膨張弁（14）とが設けられている。

上記圧縮機（11）は、例えばスクロール型の圧縮機で構成されている。この圧縮機（11）には、該圧縮機（11）から吐出冷媒を流出させるための吐出管（11a）と、該圧縮機（11）に吸入冷媒を流入させるための吸入管（11b）とが接続されている。

上記室外熱交換器（12）は、室外空間に配置されている。この室外熱交換器（12）では、その内部を流れる冷媒と室外空気とが熱交換する。一方、上記室内熱交換器（13）は、室内空間に配置されている。この室内熱交換器（13）では、その内部を流れる冷媒と室内空気とが熱交換する。上記室外熱交換器（12）及び室内熱交換器（13）は、本発明に係る熱交換器であって、後述するようにクロスフィン式の熱交換器を構成している。

上記膨張弁（14）は、室外熱交換器（12）と室内熱交換器（13）との間に設けられている。この膨張弁（14）は、例えば電子膨張弁によって構成されている。

また、上記冷媒回路（10）には、四路切換弁（15）が設けられている。この四路切換弁（15）は、第１から第４までの４つのポートを備えていて、第１ポートが室外熱交換器（12）と繋がり、第２ポートが圧縮機（11）の吸入側と繋がり、第３ポートが圧縮機（11）の吐出側と繋がり、第４ポートが室内熱交換器（13）と繋がっている。そして、上記四路切換弁（15）は、第１ポートと第３ポートとを連通させると同時に第２ポートと第４ポートとを連通させる第１状態（図１の実線の状態）と、第１ポートと第２ポートとを連通させると同時に第３ポートと第４ポートとを連通させる第２状態（図１の破線の状態）とに切換可能となっている。

〈熱交換器〉
図２及び図３に示すように、各熱交換器（12,13）は、複数のフィン（21,21,…）と伝熱管（22）とを備えている。該複数のフィン（21,21,…）は、アルミニウム製の板部材であって、長方形状に形成されている。各フィン（21）は、所定の間隔で互いに平行に配置されている。

上記伝熱管（22）は、銅管によって構成されていて、複数の直管部（22a,22a,…）と、直管部（22a,22a,…）同士を繋ぐ湾曲部（22b,22b,…）とを有している。各直管部（22a）は、各フィン（21）の配列方向に真っ直ぐ延びており、各フィン（21）を貫通している。上記湾曲部（22b,22b,…）は、複数のフィン（21,21,…）のうち、最前列及び最後列のフィン（21,21）に取り付けられており、２本の直管部（22a,22a）の端部同士を接続するように湾曲している。

そして、図４にも模式的に示すように、上記各熱交換器（12,13）は、蒸発器として機能する場合に、全体として上記伝熱管（22）内を冷媒が下方に向かって流れるように且つ出口（28）が入口（27）よりも下方に位置するように構成されている。すなわち、上記各熱交換器（12,13）には、入口（27）から流入した冷媒が直管部（22a）内を流れた後、湾曲部（22b）を介してより下方に位置する直管部（22a）内を流れて出口（28）から排出されるように、複数の直管部（22a,22a,…）及び湾曲部（22b,22b,…）によって冷媒の流路（26）が構成されている。

これにより、冷凍機油は、その自重及び冷媒の流れによって、上記各熱交換器（12,13）内を出口（28）側に移動し、該各熱交換器（12,13）内に残留するのを防止することができる。

なお、上記図４では、上記各熱交換器（12,13）は、一方の湾曲部（22b,22b,…）で冷媒がほぼ真下に流れるように流路（26）が形成されているが、この限りではなく、図５に示すように、両方の湾曲部（22b,22b,…）で冷媒が斜め下方に流れるように流路（26'）を形成してもよい。

−運転動作−
次に、実施形態１に係る空気調和装置（1）の運転動作について説明する。空気調和装置（1）の冷媒回路（10）では、上記四路切換弁（15）の設定に応じて、冷媒の循環方向が切り換わる。具体的には、冷房運転において、上記四路切換弁（15）は図１に実線で示す状態となる。その結果、冷房運転では、室外熱交換器（12）がガスクーラー（放熱器）となり、室内熱交換器（13）が蒸発器となる冷凍サイクルが行われる。一方、暖房運転において、上記四路切換弁（15）は図１に破線で示す状態となる。その結果、暖房運転では、室外熱交換器（12）が蒸発器となり、室内熱交換器（13）がガスクーラーとなる冷凍サイクルが行われる。以下で、このような空気調和装置（1）の運転動作の一例として冷房運転について説明する。

図１に示す冷媒回路（10）において、圧縮機（11）で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒は、吐出管（11a）から吐出される。なお、この圧縮機（11）からは、各摺動部の潤滑に利用された油が高圧冷媒とともに吐出される。その後、冷媒は室外熱交換器（12）を流れる。この室外熱交換器（12）では、高圧冷媒が室外空気へ放熱し、該室外熱交換器（12）で放熱した後の高圧冷媒は、膨張弁（14）を通過する際に減圧されて、低圧冷媒となる。その後、冷媒は室内熱交換器（13）を流れて、室内空気から冷媒が吸熱して蒸発する。その結果、室内の冷房が行われる。室内熱交換器（13）で蒸発した冷媒は、吸入管（11b）を流れて圧縮機（11）に吸入され、再び圧縮される。

ところで、上述した冷房運転などの運転動作において、室外熱交換器（12）や室内熱交換器（13）内を冷媒が流通する際には、冷媒に溶けきれない油が、冷媒と分離して伝熱管（22）の内周壁を覆うことがある。このため、従来の熱交換器では、伝熱管の内周壁の全域に油膜が形成され、冷媒と空気との伝熱性能が低下してしまうという問題が生じていた。特に、本実施形態のように、冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍機油としてＰＡＧを用いる場合、二酸化炭素に対するＰＡＧの相溶性が低いため、冷媒と油とが分離し易く、上述のような油膜が形成され易い。その結果、各熱交換器の伝熱性能が著しく低下し、空気調和装置の冷房能力や暖房能力も低下してしまうという問題があった。

また、一般的に、熱交換器をガスクーラーとして用いる場合には冷媒を上から下へ流す一方、蒸発器として用いる場合には冷媒を下から上へ流すことで、冷媒が該熱交換器の流路内を出口に向かって流れやすくなるようにしているが、冷媒が途中で気化して冷凍機油が分離しやすい蒸発器の場合には、伝熱管の内周壁に多くの冷凍機油が付着して、上述のような問題が顕在化しやすい。

そこで、本実施形態の熱交換器（12,13）では、蒸発器として用いる場合に、上述のように冷媒を下方に流すように構成することで、冷媒と分離した冷凍機油が自重だけでなく冷媒の流れによっても下方に移動するようにして、伝熱管の内周壁への付着を防止するようにしている。これにより、熱交換器（12,13）内の冷凍機油は、冷媒とともに出口（28）から流出して、上記圧縮機（11）に吸い込まれることになる。

ここで、一般的に、熱交換器が蒸発器として機能する場合、ほとんどの冷媒は該熱交換器内の流路の中間部分で気化するため、該中間部分で冷媒と冷凍機油とが分離して、当該部分に冷凍機油が付着しやすい。そのため、上述のように、少なくとも上記中間部分で冷媒が下方に流れるような流路（26）を形成すれば、分離した冷凍機油が自重に加えて冷媒の流れによっても下方へ移動し、これにより、上記中間部分の伝熱管の内周壁に冷凍機油が付着するのを確実に防止することができる。

なお、運転の切換によって冷媒の循環方向が逆になっても上記熱交換器（12,13）に対して常に一定の方向に冷媒が流れるように、後述する実施形態２のような冷媒回路（10）を構成することで、蒸発器として機能する熱交換器だけでなく、ガスクーラーとして機能する熱交換器でも、内部に冷凍機油が残留するのを確実に防止することができ、熱交換器の伝熱性能の低下を確実に防止することができる。

−実施形態１の効果−
以上より、この実施形態１では、蒸発器として機能する熱交換器（12,13）において、内部に形成された冷媒の流路（26,26'）は、全体として冷媒が下方へ流れるように形成されているため、ガス冷媒から分離した冷凍機油が、その自重に加えて冷媒の流れによっても下方へ運ばれる。これにより、熱交換器（12,13）の流路（26,26'）の内周壁に冷凍機油が付着するのを防止することができ、上記熱交換器（12,13）内に冷凍機油が残留するのを防止することができる。したがって、冷凍機油によって該熱交換器（12,13）の伝熱性能が著しく低下し、空気調和装置（1）の冷房能力や暖房能力が低下するのを防止することができる。

特に、上記熱交換器（12,13）は、内部の流路（26,26'）のうち、ほとんどの冷媒が気化する出口（28）と入口（27）との中間部分では冷媒が下方に向かって流れるように構成されているため、該中間部分に冷凍機油が付着するのを確実に防止することができる。

また、上記熱交換器（12,13）内の流路（26,26'）の出口（28）は、入口（27）よりも下方に位置付けられているため、その高低差によって該熱交換器（12,13）内の冷凍機油は下方により確実に移動して、出口（28）から熱交換器（12,13）外部へより確実に排出される。したがって、熱交換器（12,13）内に冷凍機油が残留するのをより確実に防止することができる。特に、上記図５のように、熱交換器（12,13）の流路（26'）の出口（28）を該流路（26'）の下端に位置付けるようにすれば、冷凍機油を該出口（28）から熱交換器（12,13）の外へさらに確実に排出することが可能になる。

−実施形態１の変形例１−
この変形例１に係る熱交換器（31）は、伝熱管のうち出口（28）側（下側）の２段分の直管部では冷媒が上方へ流れるように構成されている点が上記実施形態１と異なる。

具体的には、図６に示すように、上記熱交換器（31）は、下から３段目の直管部（23）と一番下の直管部（25）とが繋がっていて、該一番下の直管部（25）と下から２段目の直管部（24）とが繋がるように構成されている。これにより、熱交換器（31）内を流れる冷媒は、下から３段目の直管部（23）まで下方に向かって流れた後、一番下の直管部（25）へ流れ、その後、下から２段目の直管部（24）に流れる。すなわち、上記熱交換器（31）は、出口（28）側の最後の２段で冷媒が上方に向かって流れるように流路（36）が構成されている。

上述のように、出口（28）側の最後の２段の直管部（24,25）で冷媒が上方に向かって流れるように構成しても、その最後の２段までの間に熱交換器（31）内の流路（36）は十分な高低差を有しているため、冷凍機油はその高低差によって冷媒とともに出口（28）から外部へ排出され、該熱交換器（31）内にはほとんど残留しない。

−実施形態１の変形例２−
この変形例２に係る熱交換器（41）は、入口（27）及び出口（28）付近で冷媒が上方に流れるように構成されている点が上記実施形態１と異なる。

具体的には、図７に示すように、熱交換器（41）内の冷媒の流路（46）のうち、入口（27）と出口（28）との中間部分（図の例では、入口（27）から２段目と出口（28）から２段目との間の部分）では、冷媒が下方に向かって流れるように構成されていて、該入口（27）及び出口（28）側の周辺（図の例では、入口（27）から２段目まで、出口（28）から２段目まで）では、冷媒が上方に向かって流れるように構成されている。

上述のように、熱交換器が蒸発器として機能する場合、ほとんどの冷媒は該熱交換器内の流路の中間部分で気化し、該中間部分に冷媒と分離した冷凍機油が付着しやすいが、上述のように、上記中間部分で冷媒が下方に流れるように流路（46）を形成することで、分離した冷凍機油が自重に加えて冷媒の流れによっても下方へ移動し、これにより、上記中間部分における伝熱管の内周壁に冷凍機油が付着するのを防止することができる。

なお、上記中間部分から下方へ移動した冷凍機油は、出口（28）付近の流速の大きいガス冷媒によって出口（28）から熱交換器外部へと排出されることになる。

実施形態１の変形例３−
この変形例３に係る熱交換器（51）は、内部の流路（56）のうち入口（27）側では冷媒が上方に向かって流れ、出口（28）側の半分以上の範囲では冷媒が下方に向かって流れるように構成されている点が上記実施形態１と異なる。

具体的には、図８に示すように、上記熱交換器（51）は、その内部に形成された流路（56）のうち、入口（27）側の半分では冷媒が上方に向かって流れる一方、出口（28）側の半分では冷媒が下方に向かって流れるように構成されている。すなわち、上記図８に示すように例えば伝熱管が６段の直管部によって構成されている場合、入口（27）側の３段では冷媒が上方に向かって流れる一方、出口（28）側の３段では冷媒が下方に向かって流れるように構成されている。

なお、上記図８の例では、流路（56）全体を上方に向かって冷媒の流れる範囲と下方に向かって冷媒の流れる範囲との半分に分けているが、この限りではなく、出口側の半分以上の範囲で冷媒が下方に流れるように流路を形成してもよい。また、上記図８では、上記熱交換器（51）の流路（56）の出口（28）は、入口（27）よりも下方に設けられているが、この限りではなく、入口を出口よりも下方に設けるようにしてもよい。

上述のとおり、熱交換器を蒸発器として機能させた場合、内部を流れるほとんどの冷媒は流路の中間部分で気化するため、その気化する部分よりも出口（28）側では、冷媒を下方に流すことで、分離した冷凍機油が自重に加えてガス冷媒の速い流れによって下方へ移動し、出口（28）から外部へ排出されることになる。

したがって、上述のように、出口（28）側の半分以上の領域で冷媒が下方に向かって流れるように流路（56）を形成することで、冷凍機油が熱交換器内に残留するのを確実に防止することができ、該熱交換器の伝熱性能が冷凍機油によって低下するのを防止することができる。

《実施形態２》
本発明の実施形態２に係る熱交換器（12,13）は、上記実施形態１のものと同じ構成を有しているが、その出入り口間に電磁弁（63,64,65,66）によるブリッジ回路（60）が設けられている点が上記実施形態１とは異なる。そのため、同じ部分には同一の符号を付し、異なる部分についてのみ以下で説明する。

具体的には、図９に示すように、熱交換器（12,13）の流路（26）の入口（27）側及び出口（28）側に、それぞれ電磁弁（63,64）を設けるとともに、一方の電磁弁（63,64）の上流側と他方の電磁弁（63,64）の下流側とを連絡通路（61,62）によって繋いで、その通路（61,62）上にもそれぞれ電磁弁（65,66）を設ける。これにより、これらの４つの電磁弁（63,64,65,66）によってブリッジ回路（60）が構成される。

そして、例えば、上記熱交換器（12,13）がガスクーラーとして機能する場合（図９において冷媒が実線矢印方向に流れる場合）には、上記電磁弁（63,64）を開状態にすることで、該熱交換器（12,13）に対し上から下へ冷媒を流すように構成されている。一方、上記熱交換器（12,13）が蒸発器として機能する場合（図９において冷媒が破線矢印方向に流れる場合）には、上記電磁弁（65,66）を開状態にすることで、該熱交換器（12,13）に対し上から下へ冷媒を流すように構成されている。

すなわち、上述のようなブリッジ回路（60）を設けることで、冷媒回路（10）内の冷媒の循環方向が変化しても、上記熱交換器（12,13）に対して常に同じ方向（下方）に冷媒を流すことができる。したがって、上記熱交換器（12,13）がガスクーラーとして機能する場合だけでなく、蒸発器として機能する場合でも、冷凍機油はその自重に加えて冷媒の流れによっても下方へ移動することになり、上記熱交換器（12,13）の伝熱管（22）内周壁に冷凍機油が付着して該熱交換器（12,13）内に残留するのを防止することができる。

なお、上記熱交換器（12,13）の構成は、上記実施形態１と同じものに限らず、上記実施形態１の各変形例のような構成であってもよい。

−実施形態２の効果−
以上より、この実施形態によれば、ガスクーラーまたは蒸発器として機能する熱交換器（12,13）に対して冷媒が常に同じ方向に流れるように、該熱交換器（12,13）の出入り口に４つの電磁弁（63,64,65,66）を用いてブリッジ回路（60）を形成したため、運転状態が切り換わった場合でもそれぞれガスクーラー及び蒸発器として機能する熱交換器（12,13）内に冷凍機油が残留するのを確実に防止することができ、該熱交換器（12,13）の伝熱特性が冷凍機油によって悪化するのを防止することができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記各実施形態では、四路切換弁（15）によって冷媒の循環方向を切り換えることで暖房運転と冷房運転とを切り換えて行うようにしたが、該四路切換弁（15）を設けずに冷房運転のみを行う冷房専用機であってもよい。

また、上記各実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍機油としてＰＡＧを用いる冷凍装置について、本発明に係る熱交換器（12,13）を適用しているが、これ以外の種類の冷媒や冷凍機油を用いる冷凍装置について、この熱交換器（12,13）を適用しても良い。具体的には、冷媒としては、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０ａ、Ｒ４０７ｃ、Ｒ３２等が挙げられる一方、冷凍機油としていは、ポリ−α−オレフィン、Ｐ０６、フッ素系の油等が挙げられる。

以上説明したように、熱交換器が蒸発器として機能する場合、少なくとも入口と出口との中間部分では冷媒が下方に向かって流れるように流路を形成することで、該熱交換器内に冷凍機油が残留するのを防止できるため、本発明は、冷凍サイクルを行う冷凍装置に用いられる熱交換器に特に有用である。

本発明の実施形態１に係る冷凍装置の冷媒回路の概略構成を示す配管系統図である。熱交換器の概略構成を示す斜視図である。熱交換器の概略構成を示す正面図である。熱交換器内の流路を示す模式図である。冷媒が斜め下方に流れる場合の図４相当図である。変形例１に係る熱交換器の図４相当図である。変形例２に係る熱交換器の図４相当図である。変形例３に係る熱交換器の図４相当図である。実施形態２に係る冷媒回路の一部を示す配管系統図である。従来の熱交換器内の冷媒の流れを示す模式図である。

符号の説明

1 空気調和装置（冷凍装置）
10 冷媒回路
12 室内熱交換器（熱交換器）
13 室外熱交換器（熱交換器）
15 四路切換弁（切換機構）
22 伝熱管
26,26',36,46,56 流路
27 入口
28 出口
31,41,51 熱交換器
60 ブリッジ回路
63,64,65,66 電磁弁（開閉弁）

Claims

蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）に設けられ、内部に形成された流路（26,26',36,46,56）内を冷媒が流れて少なくとも蒸発器として機能する熱交換器であって、
上記流路（26,26',36,46,56）は、少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分で冷媒が下方へ向かって流れるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１において、
上記流路（26,26',56）は、出口（28）側の半分以上の範囲で冷媒が下方へ向かって流れるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１または２において、
上記流路（26,26',36,46,56）は、出口（28）が入口（27）よりも下方に位置するように形成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項３において、
上記流路（26',56）は、出口（28）が該流路（26',56）の下端に位置するように形成されていることを特徴とする熱交換器。
蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置であって、
上記冷媒回路（10）は、
請求項１から４のいずれか一つの熱交換器（12,13,31,41,51）と、
上記熱交換器（12,13,31,41,51）をガスクーラーまたは蒸発器として機能させるように冷媒の循環方向を切り換える切換機構（15）と、を備え、
上記熱交換器（12,13,31,41,51）内の流路（26,26',36,46,56）のうち少なくとも入口（27）と出口（28）との中間部分では、上記切換機構（15）によって冷媒の循環方向を切り換えても冷媒が常に下方に向かって流れるように構成されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項５において、
上記冷媒回路（10）には、上記切換機構（15）によって冷媒の循環方向が切り換わっても上記熱交換器（12,13,31,41,51）に対して常に一定の方向に冷媒が流れるように、該熱交換器（12,13,31,41,51）の入口（27）と出口（28）との間に４つの開閉弁（63,64,65,66）からなるブリッジ回路（60）が設けられていることを特徴とする冷凍装置。