JP6273838B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に上吹き室外ユニットに搭載されるマイクロチャネル熱交換器に関する。

上吹き室外ユニットにおける熱交換器を通過する風の風速分布の不均一は、空気調和機の性能を低下させる要因である。特に、複数パスで構成された熱交換器を放熱器として使用する際、放熱器を通過する空気の速度分布に起因する出口温度分布が生じ、放熱器としての能力が低下する。

それゆえ、特許文献１（特開２００６―１８９１９６号公報）に記載の空気調和機の室外ユニットでは、風路内に熱交換器を通過する風の風速分布を制御する流体素子を設けて、風速分布を均一にするようにしている。

しかしながら、上記のような空気調和機では、流体素子、及びその流体素子を支持する周辺部材の配置による風速分布への影響を考慮しなければならない上に、室外ユニット内部の構造を複雑にし、コスト増大の要因にもなる。

本発明の課題は、上吹き室外ユニットに搭載される複数パスを有する熱交換器において、出口温度分布を一様にすることができる放熱器を提供することにある。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、冷凍装置の熱源ユニットに設けられ、放熱器として機能する熱交換器であって、入口ヘッダと、出口ヘッダと、複数の扁平管と、分流器と、第１分岐管と、第２分岐管とを備えている。入口ヘッダは、冷媒入口側に位置する。出口ヘッダは、冷媒出口側に位置し、内部が仕切板によって第１ヘッダ部と第２ヘッダ部とに仕切られている。複数の扁平管は、入口ヘッダと出口ヘッダとを結ぶ。分流器は、出口側の冷媒配管の端部に設けられている。第１分岐管は、分流器と第１ヘッダ部とを結ぶ。第２分岐管は、分流器と第２ヘッダ部とを結ぶ。仕切板は、第１ヘッダ部と第２ヘッダ部との大きさが異なるように配置されている。また、第１ヘッダ部に向かって流れる冷媒量と、第２ヘッダ部に向かって流れる冷媒量は異なる。そして、第１ヘッダ部、第２ヘッダ部、第１分岐管および第２分岐管の形状は、第１ヘッダ部および第１分岐管における冷媒圧力損失値と、第２ヘッダ部および第２分岐管における冷媒圧力損失値とが異なるように決定されている。

この熱交換器では、出口ヘッダを仕切板で第１ヘッダ部と第２ヘッダ部とに仕切ることによって、熱交換器を２つの熱交換部に分割することができる。また、仕切板による分割位置が適切に設定されることによって、入口ヘッダ〜第１ヘッダ部〜分流器の間の圧力損失値と、入口ヘッダ〜第２ヘッダ部〜分流器の間の圧力損失値とを同等にしつつ、入口ヘッダ〜第１ヘッダ部の間の冷媒循環量と、入口ヘッダ〜第２ヘッダ部の間の冷媒循環量とを異ならせることができる。

例えば、上吹き室外ユニットのような熱交換器の上下で風速分布が一様でないために上下で出口の温度分布も一様でない場合、出口ヘッダを風速の速い側の第１ヘッダ部と風速の遅い側の第２ヘッダ部とに分割することによって、第１ヘッダ部に向かって流れる冷媒量を風速の速い空気との熱交換に適した冷媒量となるように設定し、第２ヘッダ部に向かって流れる冷媒量を風速の遅い空気との熱交換に適した冷媒量となるように設定することができる。

その結果、第１ヘッダ部における冷媒の出口温度と第２ヘッダ部における冷媒の出口温度を等しくすることができ、熱交換器出口の温度分布が一様になる。

また、仕切板による熱交換器の分割だけでは熱交換器出口の温度分布が一様になり難い場合でも、第１ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第１分岐管および第２ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第２分岐管それぞれにおける圧力損失値を第１分岐管および第２分岐管それぞれの形状で調節することによって、入口ヘッダ〜第１ヘッダ部の間および入口ヘッダ〜第２ヘッダ部の間それぞれに流れる冷媒量が適切な値に維持される。その結果、熱交換器の圧力損失値を大きく増加させることなく、熱交換器出口の温度を一様にすることができ、性能低下を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器であって、入口ヘッダから第１ヘッダ部および第２ヘッダ部へのパス長さが同一である。

この熱交換器ではパス長さが同一であるため圧力損失値の調節は容易ではない（例えば、クロスフィンの場合、キャピラリの径、長さ、伝熱管のターン数で圧力損失値の調節ができる）。しかし、第１ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第１分岐管、および第２ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第２分岐管を備えているので、第１分岐管および第２分岐管の形状によって圧力損失値を適切に調節することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器であって、圧力損失値が、第１分岐管および第２分岐管の流路断面積を異ならせることによって調整される。

この熱交換器では、仕切板による熱交換器の分割だけでは熱交換器出口の温度分布が一様になり難い場合でも、第１ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第１分岐管および第２ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第２分岐管それぞれにおける圧力損失値を第１分岐管および第２分岐管それぞれの流路断面積で調節することによって、入口ヘッダ〜第１ヘッダ部の間および入口ヘッダ〜第２ヘッダ部の間それぞれに流れる冷媒量が適切な値に維持される。その結果、熱交換器の圧力損失値を大きく増加させることなく、熱交換器の出口の温度を一様にすることができ、性能低下を抑制することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器であって、蒸発器として機能する。

この熱交換器では、蒸発器として使用する際も熱交換器の上下での風速分布があるため、冷房時と同様、上部の熱交換器の冷媒量を大きく、下部の熱交換器の冷媒量を少なくすることで熱交換器出口での冷媒状態（エンタルピー）をより均等にすることができる。

また、分流器より流入した冷媒は仕切板のある入口ヘッダに流入するので、第１ヘッダ部に流入した二相状態の冷媒の液は重力の影響で第２ヘッダ部まで落ちることがなく仕切板で保持さるので、冷媒をより均等に分布させることができる。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、出口ヘッダを風速の速い側の第１ヘッダ部と風速の遅い側の第２ヘッダ部とに分割することによって、第１ヘッダ部に向かって流れる冷媒量を風速の速い空気との熱交換に適した冷媒量となるように設定し、第２ヘッダ部に向かって流れる冷媒量を風速の遅い空気との熱交換に適した冷媒量となるように設定することができる。

その結果、第１ヘッダ部における冷媒の出口温度と第２ヘッダ部における冷媒の出口温度を等しくすることができ、熱交換器出口の温度分布が一様になる。

本発明の第２観点に係る熱交換器では、第１ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第１分岐管、および第２ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第２分岐管を備えているので、第１分岐管および第２分岐管の形状によって圧力損失値を適切に調節することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器では、仕切板による熱交換器の分割だけでは熱交換器出口の温度分布が一様になり難い場合でも、第１ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第１分岐管および第２ヘッダ部で合流した冷媒が流れる第２分岐管それぞれにおける圧力損失値を第１分岐管および第２分岐管それぞれの流路断面積で調節することによって、入口ヘッダ〜第１ヘッダ部の間および入口ヘッダ〜第２ヘッダ部の間それぞれに流れる冷媒量が適切な値に維持される。その結果、熱交換器の圧力損失値を大きく増加させることなく、出口の温度を一様にすることができ、性能低下を抑制することができる。

本発明の第４観点に係る熱交換器では、蒸発器として使用する際も熱交換器の上下での風速分布があるため、冷房時と同様、上部の熱交換器の冷媒量を大きく、下部の熱交換器の冷媒量を少なくすることで熱交換器出口での冷媒状態（エンタルピー）をより均等にすることができる。また、分流器より流入した冷媒は仕切板のある入口ヘッダに流入するので、第１ヘッダ部に流入した二相状態の冷媒の液は重力の影響で第２ヘッダ部まで落ちることがなく仕切板で保持されるので、冷媒をより均等に分布させることができる。

本発明の一実施形態である熱交換器が搭載された冷凍装置の冷媒回路図。 室外ユニットにおける風速分布を示す概念図。 室外熱交換器の正面図。 仕切板による分割位置と、第１パス及び［第１ヘッダ部＋第１分岐管］における圧力損失値を示すグラフ。 仕切板による分割位置と、第２パス及び［第２ヘッダ部＋第２分岐管］における圧力損失値を示すグラフ。 図４Ａの第１パス及び［第１ヘッダ部＋第１分岐管］における圧力損失値を合算した値を示すグラフ。 図４Ｂの第２パス及び［第２ヘッダ部＋第２分岐管］における圧力損失値を合算した値を示すグラフ。 図５Ａおよび図５Ｂのグラフを同時に表したグラフ。 第２分岐管の内径をパラメータとした第２熱交換部の圧力損失値の変動を表したグラフ。 本発明の熱交換器が適用される２段圧縮冷媒回路の冷媒回路図。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（１）冷凍装置１の構成
図１は、本発明の一実施形態である熱交換器３０が搭載された冷凍装置１の回路図である。冷凍装置１は、室内ユニット２と室外ユニット３とで構成される。この冷凍装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって建物内の冷暖房を行う。

冷凍装置１では、圧縮機２４、四路切換弁２８、室外熱交換器３０、膨張弁４４、室内熱交換器５０及びアキュムレータ２２などが冷媒配管１８で接続されることによって、冷媒回路１０が構成されている。

また、アキュムレータ２２には、アキュムレータ２２内から冷媒を抜き出して圧縮機２４の吸入側に戻すことが可能な吸入戻し管２２ｃが接続されている。この吸入戻し管２２ｃには、吸入戻し開閉弁２３が設けられている。吸入戻し開閉弁２３は、電磁弁である。

また、圧縮機２４の吸入側に向かう低圧の冷媒はキャピラリー２５で減圧された油分離器２６から分離した油と合流する。

冷凍装置１内にはＣＯ２冷媒が封入されており、冷媒が圧縮され、冷却され、減圧され、蒸発した後に、再び圧縮されるという冷凍サイクル運転が行われるようになっている。

冷房運転時は、四路切換弁２８が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機２４の吐出側が室外熱交換器３０のガス側に接続され、かつ、圧縮機２４の吸入側がアキュムレータ２２を介して室内熱交換器５０のガス側に接続された状態となっている。冷房運転では、冷凍装置１は、室外熱交換器３０を放熱器として、室内熱交換器５０を蒸発器として機能させる。

暖房運転時は、四路切換弁２８が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機２４の吐出側が室内熱交換器５０のガス側に接続され、かつ、圧縮機２４の吸入側がアキュムレータ２２を介して室外熱交換器３０のガス側に接続された状態となっている。暖房運転では、冷凍装置１は、室内熱交換器５０を放熱器として、かつ、室外熱交換器３０を蒸発器として機能させる。

（１−１）室内ユニット２
室内ユニット２は、室内の壁面に壁掛け等により、又は、ビル等の室内の天井に埋め込みや吊り下げ等により設置される。室内ユニット２は、室内熱交換器５０と、室内ファン６１とを有している。室内熱交換器５０は、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の放熱器として機能して室内空気を加熱する熱交換器である。

（１−２）室外ユニット３
室外ユニット３は、内部に圧縮機２４、四路切換弁２８、室外熱交換器３０、膨張弁４４、アキュムレータ２２及び室外ファン６３などを収納している。

図２は、室外ユニット３における風速分布を示す概念図である。図２において、室外ユニット３は側面から空気を吸込み天面から吹き出す、いわゆる上吹き室外ユニットであり、室外ファン６３が室外熱交換器３０の上方に配置されている。

図２に示すように、室外ユニット３に吸い込まれる空気の風速分布は、上部から下部にかけて風速が小さくなる。

（２）冷凍装置の動作
（２−１）冷房運転
冷房運転時は、四路切換弁２８が図１の実線で示される状態となっている。この冷媒回路において、圧縮機２４、室外ファン６３および室内ファン６１が運転されると、低圧のガス冷媒は、圧縮機２４で圧縮されて高圧のガス冷媒となる。

この高圧のガス冷媒は、油分離器２６、逆止弁２７及び四路切換弁２８を経由して室外熱交換器３０に送られる。その後、高圧のガス冷媒は、室外熱交換器３０において、室外ファン６３によって供給される室外空気と熱交換を行って放熱する。

そして、室外熱交換器３０において冷却された高圧の冷媒は、室外熱交換器３０から膨張弁４４に送られ、膨張弁４４によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態となった冷媒は、室内熱交換器５０に送られ、室内熱交換器５０において室内ファン６１によって供給される室内空気と熱交換を行って蒸発して低圧のガス冷媒となる。

この低圧のガス冷媒は、四路切換弁２８を経由して、再び圧縮機２４に吸入される。なお、圧縮機２４の吸入側に向かう低圧の冷媒はキャピラリー２５で減圧された油分離器２６から分離した油と合流する。このようにして、冷房運転が行われる。

（２−２）暖房運転
暖房運転時は、四路切換弁２８が図１の破線で示される状態となっている。この冷媒回路において、圧縮機２４、室外ファン６３および室内ファン６１が運転されると、低圧のガス冷媒は、圧縮機２４で圧縮されて高圧のガス冷媒となる。

この高圧のガス冷媒は、油分離器２６、逆止弁２７及び四路切換弁２８を経由して室内熱交換器５０に送られる。その後、高圧のガス冷媒は、室内熱交換器５０において、室内ファン６１によって供給される室内空気と熱交換を行って放熱する。

そして、室内熱交換器５０において冷却された高圧の冷媒は、室内熱交換器５０から膨張弁４４に送られ、膨張弁４４によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態となった冷媒は、室外熱交換器３０に送られ、室外熱交換器３０において室外ファン６３によって供給される室外空気と熱交換を行って蒸発して低圧のガス冷媒となる。

この低圧のガス冷媒は、四路切換弁２８を経由して、再び圧縮機２４に吸入される。なお、圧縮機２４の吸入側に向かう低圧の冷媒はキャピラリー２５で減圧された油分離器２６から分離した油と合流する。このようにして、冷房運転が行われる。

（３）室外熱交換器３０の詳細構成
図３は、室外熱交換器３０の正面図である。図３において、室外熱交換器３０は、入口ヘッダ３１と、出口ヘッダ３３と、複数の扁平管３５と、伝熱フィン３７と、第１分岐管４１と、第２分岐管４２とを備えている。

なお、入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３３の「入口」および「出口」は、冷房運転時の冷媒流れを基準にしており、冷房運転時は入口ヘッダ３１に冷媒が流入し、出口ヘッダ３３から冷媒が流出する。

（３−１）扁平管３５
扁平管３５は複数の流路穴を有する伝熱管であって、扁平管３５自身の表面および伝熱フィン３７を介して、室外空気と扁平管３５内部を流れる冷媒との間で熱交換を行う。扁平管３５は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属部材を押し出し成形することによって形成される。複数の扁平管３５それぞれの一端は入口ヘッダ３１に接続され、他端は出口ヘッダ３３に接続されている。本実施形態の室外熱交換器３０は、４５段の扁平管３５を備えている。

（３−２）伝熱フィン３７
伝熱フィン３７は、扁平管３５の間に設けられる。言い換えると、伝熱フィン３７は、上下に隣接する２つの扁平管３５に挟まれた空間に配置されている。伝熱フィン３７は、室外ファン６３によって供給された空気と熱交換を行う。

（３−３）入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３３
入口ヘッダ３１および出口ヘッダ３３は筒状に成形されている。入口ヘッダ３１には冷媒配管１８が接続され、出口ヘッダ３３には第１分岐管４１および第２分岐管４２が接続されている。

また、出口ヘッダ３３の内部は仕切板３３３によって仕切られ、第１ヘッダ部３３１と第２ヘッダ部３３２とが形成されている。入口ヘッダ３１から延びる複数の扁平管３５のうちの幾つかの扁平管３５は第１ヘッダ部３３１に接続され、他は第２ヘッダ部３３２に接続されている。

説明の便宜上、第１ヘッダ部３３１に接続されている扁平管３５のグループを第１パス３０ａ、第２ヘッダ部３３２に接続されている扁平管３５のグループを第２パス３０ｂとする。

第１パス３０ａと第２パス３０ｂは共にパス長さが扁平管３５の長さに相当し同等であるが、第１パス３０ａおよび第２パス３０ｂそれぞれを流れる冷媒量を左右するのは各パスに属する扁平管３５の数であって、その数は仕切板３３３をどの位置に設けるかによって異なる。

（３−４）第１分岐管４１及び第２分岐管４２
第１分岐管４１の一端は第１ヘッダ部３３１に接続され、他端は分流器３９に接続されている。第２分岐管４２の一端は第２ヘッダ部３３２に接続され、他端は分流器３９に接続されている。

冷房運転において、入口ヘッダ３１から第１パス３０ａに入った冷媒は、第１パス３０ａを構成する各扁平管３５を流れ、第１ヘッダ部３３１で集合し、第１分岐管４１を通って分流器３９に至る。

同様に、入口ヘッダ３１から第２パス３０ｂに入った冷媒は、第２パス３０ｂを構成する各扁平管３５を流れ、第２ヘッダ部３３２で集合し、第２分岐管４２を通って分流器３９に至る。

以上にように、第１パス３０ａおよび第２パス３０ｂそれぞれに入った冷媒は、最終的に分流器３９で合流して、冷媒配管１８を通って膨張弁４４に送られる。

（４）室外熱交換器３０の性能
図２に示したように、室外ユニット３は、室外ファン６３が室外熱交換器３０の上方に配置されている、いわゆる上吹きの室外ユニットであって、室外ユニット３に吸い込まれる空気の風速分布は、上部から下部にかけて風速が小さくなっている。それゆえ、第１パス３０ａに属する扁平管３５の数と第２パス３０ｂに属する扁平管３５の数とのバランスが適切でない場合は、第１ヘッダ部３３１から出る冷媒温度と、第２ヘッダ部３３２から出る冷媒温度との差が大きくなり室外熱交換器３０の性能低下という問題を招来する。

そこで、本実施形態に係る室外熱交換器３０では、上記問題に鑑みて、第１ヘッダ部３３１、第２ヘッダ部３３２、第１分岐管４１及び第２分岐管４２の形状が、第１ヘッダ部３３１および第１分岐管４１における冷媒圧力損失値と、第２ヘッダ部３３２および第２分岐管４２における冷媒圧力損失値とが異なるように決定されている。

ここで、第１ヘッダ部３３１および第２ヘッダ部３３２の形状の決定とは、具体的には扁平管３５が接続される数の決定であり、仕切板３３３の位置によって決定される。

また、第１分岐管４１及び第２分岐管４２の形状の決定とは、具体的には第１分岐管４１及び第２分岐管４２の流路断面積の決定であり、第１分岐管４１及び第２分岐管４２の内径によって決定される。

（４−１）各部の圧力損失値について
図４Ａは、仕切板３３３による分割位置と、第１パス３０ａ及び［第１ヘッダ部３３１＋第１分岐管４１］における圧力損失値を示すグラフである。また、図４Ｂは、仕切板３３３による分割位置と、第２パス３０ｂ及び［第２ヘッダ部３３２＋第２分岐管４２］における圧力損失値を示すグラフである。

図４Ａ，図４Ｂにおいて、横軸は圧力損失値、縦軸は分割位置を示す。なお、分割位置とは、仕切板３３３が出口ヘッダ３３内部を分割している位置であり、例えば分割位置がＹの場合は、出口ヘッダ３３内部において、下から［Ｙ］段目の扁平管３５と［Ｙ＋１］段目の扁平管３５との間に相当する位置に仕切板３３３が配置されていることを意味する。

すなわち、本実施形態の室外熱交換器３０は４５段の扁平管３５を備えているので、分割位置が３０の場合、第２ヘッダ部３３２には［１〜３０］段目の扁平管３５が接続され、第１ヘッダ部３３１には［３１〜４５］段目の扁平管３５が接続されていることを意味する。

図４Ａに示すように、分割位置の数字が大きくなるほど、第１パス３０ａ（の扁平管３５）における圧力損失値は大きくなる傾向にある。これは、分割位置の数字が大きくなるほど第１パス３０ａに属する扁平管３５の数が少なくなるので、所定の流量を流そうとした場合に扁平管３５一本当たりに流れる冷媒量が増大し、その結果、圧力損失値が増加するからである。

これに対し、図４Ｂに示すように、分割位置の数字が大きくなるほど、第２パス３０ｂ（の扁平管３５）における圧力損失値は徐々に大きくなる傾向にあるものの、図４Ａの第１パス３０ａに比べてその増加量は小さい。これは、分割位置の数字が大きくなるほど第２パス３０ｂに属する扁平管３５の数が多くなるので、扁平管３５一本当たりに流れる冷媒量は増大せず、扁平管３５が増加した分だけの圧力損失値が積算されるに過ぎないからである。

他方、図４Ａに示すように、分割位置の数字が大きくなるほど［第１ヘッダ部３３１＋第１分岐管４１］における圧力損失値は減少している。これは、分割位置の数字が大きくなるほど第１パス３０ａに属する扁平管３５の数が少なくなり、第１パス３０ａに流れる冷媒量が制限されるので、第１ヘッダ部３３１および第１分岐管４１を流れる冷媒量が減少し、その分だけ圧力損失値が減少する。

これに対し、図４Ｂに示すように、分割位置の数字が大きくなるほど、［第２ヘッダ部３３２＋第２分岐管４２］における圧力損失値は大きくなる傾向にある。これは、分割位置の数字が大きくなるほど第２パス３０ｂに属する扁平管３５の数が多くなり、第２ヘッダ部３３２に集合する冷媒量が増大し、同じく第２分岐管４２を流れる冷媒量も増大し、その分だけ圧力損失値が減少する。

とりわけ、第１分岐管４１及び第２分岐管４２の内径が同じ場合には、第２分岐管４２を流れる冷媒量は第１分岐管４１よりも多いので圧力損失値の増加は顕著である。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおける第１分岐管４１及び第２分岐管４２の内径は共にφ７である。

（４−２）全体の圧力損失値について
図５Ａは、図４Ａの第１パス３０ａ及び［第１ヘッダ部３３１＋第１分岐管４１］における圧力損失値を合算した値を示すグラフである。ここで、説明の便宜上、第１パス３０ａ及び［第１ヘッダ部３３１＋第１分岐管４１］を第１熱交換部とよぶ。

図５Ａにおいて、第１熱交換部の圧力損失値は、仕切板３３３の分割位置が３０段以上になるとほとんど圧力損失値が変動していない。これは、図４Ａに示すように、第１パス３０ａにおける圧力損失値の増大を［第１ヘッダ部３３１＋第１分岐管４１］における圧力損失値の減少で相殺しているからである。

図５Ｂは、図４Ｂの第２パス３０ｂ及び［第２ヘッダ部３３２＋第２分岐管４２］における圧力損失値を合算した値を示すグラフである。ここで、説明の便宜上、第２パス３０ｂ及び［第２ヘッダ部３３２＋第２分岐管４２］を第２熱交換部とよぶ。

図５Ｂにおいて、第２熱交換部の圧力損失値は、仕切板３３３の分割位置が上昇するほど圧力損失値が増大している。これは、図４Ｂに示すように、仕切板３３３の位置が上昇するほど第２パス３０ｂにおける圧力損失値、および［第２ヘッダ部３３２＋第２分岐管４２］における圧力損失値が増大しているからである。

（４−３）仕切板３３３による最適分割位置の設定
図６Ａは、図５Ａおよび図５Ｂのグラフを同時に表したグラフである。図６Ａにおいて、分割位置［３８］のとき、第１熱交換部および第２熱交換部における圧力損失値は同じである。つまり、第１ヘッダ部３３１に［３９〜４５］段の扁平管３５が接続された第１熱交換部における圧力損失値と第２ヘッダ部３３２に［１〜３８］段の扁平管３５が接続された第２熱交換部における圧力損失値が同じである。

室外熱交換器３０の特徴は、第１ヘッダ部３３１および第１分岐管４１における冷媒圧力損失値と、第２ヘッダ部３３２および第２分岐管４２における冷媒圧力損失値とが異なるように決定されているにもかかわらず、第１熱交換部および第２熱交換部における冷媒圧力損失値がほぼ同じになることである。

仮に、図６Ａに示す分割位置［３８］で第１ヘッダ部３３１に向かって流れる冷媒量が風速の速い空気との熱交換に適した冷媒量となり、第２ヘッダ部３３２に向かって流れる冷媒量が風速の遅い空気との熱交換に適した冷媒量となっているならば、第１ヘッダ部３３１における冷媒の出口温度と第２ヘッダ部３３２における冷媒の出口温度を等しくすることができ、室外熱交換器３０の出口の温度分布が一様になる。

逆に、分割位置［３８］でも室外熱交換器３０の出口の温度分布が一様になっていない場合は、分割位置を変更する必要がある。

しかしながら、図６Ａによれば、第１熱交換部については分割位置［３０］以上の範囲では圧力損失値に変動はないが、分割位置［３０］未満では圧力損失値が増大する。第２熱交換部については分割位置の上昇にともなって圧力損失値が増大する。室外熱交換器３０の性能低下を抑制するという観点からすれば、第１熱交換部及び第２熱交換部の圧力損失値は等しく低く抑えられることが好ましい。

そこで、分割位置［３０］以上の範囲において第１熱交換部の圧力損失値がほとんど一定であることを利用して、その範囲内での分割位置の変更と、第２分岐管４２の内径の変更を同時に行いながら第１熱交換部及び第２熱交換部の圧力損失値が一致する分割位置を求めた。

図６Ｂは、第２分岐管４２の内径をパラメータとした第２熱交換部の圧力損失値の変動を表したグラフである。図６Ｂにおいて、第１熱交換部の圧力損失値が一定に保たる分割位置の下限である［３０］において、第２熱交換部の第２分岐管４２の内径をφ５とすることで、第１熱交換部および第２熱交換部の圧力損失値が一致していることが分かる。

出願人の研究によれば、分割位置［３０］、第１分岐管４１の内径がφ７、第２分岐管４２の内径がφ５において、第１ヘッダ部３３１に向かって流れる冷媒量が風速の速い空気との熱交換に適した冷媒量となり、第２ヘッダ部３３２に向かって流れる冷媒量が風速の遅い空気との熱交換に適した冷媒量となって、第１ヘッダ部３３１における冷媒の出口温度と第２ヘッダ部３３２における冷媒の出口温度を等しくすることができ、室外熱交換器３０の出口の温度分布が一様になることが確認されている。

（５）特徴
（５−１）
室外熱交換器３０では、出口ヘッダ３３を仕切板３３３で第１ヘッダ部３３１と第２ヘッダ部３３２とに仕切ることによって、室外熱交換器３０を第１熱交換部と第２熱交換部とに分割することができる。また、仕切板３３３による分割位置が適切に設定されることによって、入口ヘッダ３１〜第１ヘッダ部３３１〜分流器３９の間の圧力損失値と、入口ヘッダ３１〜第２ヘッダ部３３２〜分流器３９の間の圧力損失値とを同等にしつつ、入口ヘッダ３１〜第１ヘッダ部３３１の間の冷媒循環量と、入口ヘッダ３１〜第２ヘッダ部３３２の間の冷媒循環量とを異ならせることができる。その結果、第１ヘッダ部３３１における冷媒の出口温度と第２ヘッダ部３３２における冷媒の出口温度を等しくすることができ、熱交換器出口の温度分布が一様になる。

（５−２）
また、仕切板３３３による室外熱交換器３０の分割だけでは室外熱交換器３０の出口の温度分布が一様になり難い場合でも、第１ヘッダ部３３１で合流した冷媒が流れる第１分岐管４１および第２ヘッダ部３３２で合流した冷媒が流れる第２分岐管４２それぞれにおける圧力損失値を第１分岐管４１および第２分岐管４２それぞれの形状（流路断面積）で調節することによって、入口ヘッダ３１〜第１ヘッダ部３３１の間および入口ヘッダ３１〜第２ヘッダ部３３２の間それぞれに流れる冷媒量が適切な値に維持される。その結果、室外熱交換器３０の圧力損失値を大きく増加させることなく、室外熱交換器３０の出口の温度を一様にすることができ、性能低下を抑制することができる。

（５−３）
第１分岐管４１および第２分岐管４２それぞれの内径で調節することによって、入口ヘッダ３１〜第１ヘッダ部３３１の間および入口ヘッダ３１〜第２ヘッダ部３３２の間それぞれに流れる冷媒量が適切な値に維持される。

（５−４）
なお、室外熱交換器３０では、蒸発器として使用する際もその上下での風速分布があるため、冷房時と同様、室外熱交換器３０の上部の冷媒量を大きく、下部の冷媒量を少なくすることで室外熱交換器３０出口での冷媒状態（エンタルピー）をより均等にすることができる。また、分流器３９より流入した冷媒は仕切板３３３のある入口ヘッダ３１に流入するので、第１ヘッダ部３３１に流入した二相状態の冷媒の液は重力の影響で第２ヘッダ部３３２まで落ちることがなく仕切板３３３で保持されるので、冷媒をより均等に分布させることができる。

（６）他の適用例
上記実施形態では、室外熱交換器３０は単段圧縮冷媒回路に適用されているが、２段圧縮冷媒回路への適用も可能である。

（６−１）２段圧縮冷媒回路１１０の構成
図７は、本発明の熱交換器が適用される２段圧縮冷媒回路１１０の回路図である。図７において、冷媒回路１１０は、２つの圧縮機２４１，２４２、２つの四路切換弁２８１，２８２、室外熱交換器３０、膨張弁４４，４６，４７，４８、室内熱交換器５０、ブリッジ回路１７、アキュムレータ２２、エコノマイザ熱交換器４５、インタークーラ５５を備えている。

（６−２）詳細構成
冷媒回路１１０の構成要素のうち、２つの圧縮機２４１，２４２、２つの四路切換弁２８１，２８２、室外熱交換器３０、室内熱交換器５０、アキュムレータ２２については、上記実施形態との重複説明を避けるため詳細な説明を省略し、ここでは、インタークーラ５５、ブリッジ回路１７、及びエコノマイザ熱交換器４５を中心に説明する。なお、説明の便宜上、２つの圧縮機のうち低段側を低段圧縮機２４１、高段側を高段圧縮機２４２、低段圧縮機２４１の吐出管側に接続される四路切換弁を低段側四路切換弁２８１、高段圧縮機２４２の吐出管側に接続される四路切換弁を高段側四路切換弁２８２とする。

（６−２−１）インタークーラ５５
インタークーラ５５は、冷房運転時に低段側四路切換弁２８１の下流側となる位置に設けられている。インタークーラ５５は、低段圧縮機２４１で中間圧力まで圧縮された後に吐出され、油分離器２６１、逆止弁２７１及び低段側四路切換弁２８１を経由して送られてきた冷媒を冷却する。

このインタークーラ５５において冷却された冷媒は、分岐管１９から高段圧縮機２４２に戻される冷媒と合流することでさらに冷却される。分岐管１９から戻る冷媒と合流した中間圧の冷媒は、高段圧縮機２４２に吸入されてさらに圧縮されて、高段圧縮機２４２から吐出管に吐出される。

高段圧縮機２４２から吐出された冷媒は、油分離器２６２、逆止弁２７２及び高段側四路切換弁２８２を経由し、冷房運転時は室外熱交換器３０に送られ、暖房運転時は室内熱交換器５０に送られる。

また、高段圧縮機２４２の吸入側に向かう中間圧冷媒はキャピラリー２５１で減圧された油分離器２６１から分離した油と合流する。

なお、低段圧縮機２４１の吸入側に向かう冷媒はキャピラリー２５２で減圧された油分離器２６２から分離した油と合流する。

（６−２−２）ブリッジ回路１７
ブリッジ回路１７は室外熱交換器３０と室内熱交換器５０との間に設けられており、アキュムレータ２２の入口に接続されるアキュムレータ入口管２２ａ、及び、アキュムレータ２２の出口に接続されるアキュムレータ出口管２２ｂに接続されている。

ブリッジ回路１７は、３つの逆止弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃと、膨張弁４４を有している。そして、入口逆止弁１７ａは、室外熱交換器３０からアキュムレータ入口管２２ａへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。入口逆止弁１７ｂは、室内熱交換器５０からアキュムレータ入口管２２ａへの冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。

出口逆止弁１７ｃは、膨張弁４４から室内熱交換器５０への冷媒の流通のみを許容する逆止弁である。膨張弁４４は、冷房運転時には、閉じられる。暖房運転時には、アキュムレータ入口膨張弁４６によって減圧された冷媒を室外熱交換器３０に送る前に低圧になるまでさらに減圧する。

アキュムレータ入口膨張弁４６は、アキュムレータ入口管２２ａに設けられた減圧機構であり、電動膨張弁が使用されている。また、アキュムレータ入口膨張弁４６は、冷房運転時には、室外熱交換器３０において冷却された高圧の冷媒をアキュムレータ２２に送る前に減圧し、暖房運転時には、室内熱交換器５０において冷却された高圧の冷媒をアキュムレータ２２に送る前に減圧する。

アキュムレータ２２は、アキュムレータ入口膨張弁４６で減圧された後の冷媒を一時的に溜めるために設けられた容器であり、その入口がアキュムレータ入口管２２ａに接続され、その出口がアキュムレータ出口管２２ｂに接続されている。

アキュムレータ出口管２２ｂは、途中、膨張弁４４に向かう冷媒が流れるアキュムレータ出口第１分岐管２２１と、アキュムレータ出口第１分岐膨張弁４７（あるいは蒸発器として働くインタークーラ５５）に向かう冷媒が流れるアキュムレータ出口第２分岐管２２２とに分岐している。

また、アキュムレータ２２には、アキュムレータ２２内から冷媒を抜き出して低段圧縮機２４１の吸入側に戻すことが可能な吸入戻し管２２ｃが接続されている。この吸入戻し管２２ｃには、吸入戻し開閉弁２３が設けられている。吸入戻し開閉弁２３は電磁弁である。

アキュムレータ出口第１分岐膨張弁４７は、アキュムレータ出口第１分岐管２２１に設けられた開閉弁である。したがって、アキュムレータ出口第１分岐膨張弁４７は、冷房運転時には、閉じられる。

また、暖房運転時には、室内熱交換器５０において冷却された高圧の冷媒が、ブリッジ回路１７の入口逆止弁１７ｂ、アキュムレータ入口管２２ａのアキュムレータ入口膨張弁４６、アキュムレータ２２、アキュムレータ出口管２２ｂ、及びアキュムレータ出口第１分岐管２２１を流れ、膨張弁４４で減圧されて室外熱交換器３０に送られる。アキュムレータ出口第１分岐管２２１を流れる一部の冷媒はアキュムレータ出口第１分岐膨張弁４７で減圧されて蒸発器として働くインタークーラ５５に送られる。

（６−２−３）エコノマイザ熱交換器４５
エコノマイザ熱交換器４５は、室外熱交換器３０又は室内熱交換器５０において冷却された冷媒と分岐管１９を流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器である。分岐管１９には、エコノマイザ熱交換器４５の上流側となる位置に膨張弁４８が設けられている。

エコノマイザ熱交換器４５は、アキュムレータ入口管２２ａのアキュムレータ入口膨張弁４６の上流側の位置を流れる冷媒と分岐管１９を流れる冷媒との熱交換を行うように設けられており、また、両冷媒が対向するように流れる流路を有している。

このため、室外熱交換器３０又は室内熱交換器５０において冷却された冷媒は、アキュムレータ入口管２２ａにおいて、エコノマイザ熱交換器４５で熱交換される前に分岐管１９に分岐され、その後に、エコノマイザ熱交換器４５で分岐管１９を流れる冷媒と熱交換を行うことになる。

以上のように、室外熱交換器３０を出た冷媒は、エコノマイザ熱交換器４５を流れることになるが、このような熱交換器の下流にエコノマイザ熱交換器が配置されている場合は、上流の熱交換器での圧力損失値を極力抑制する必要がある。

この点、室外熱交換器３０は圧力損失値を大きく増加させることなく出口の温度分布を一様にできるので性能低下を改善できるので有用である。

本発明によれば、単段圧縮式冷凍サイクルに限らず多段圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒装置の放熱器として有用である。

３０ 室外熱交換器（熱交換器）
３１ 入口ヘッダ
３３ 出口ヘッダ
３５ 扁平管
３９ 分流器
４１ 第１分岐管
４２ 第２分岐管
３３１ 第１ヘッダ部
３３２ 第２ヘッダ部
３３３ 仕切板

特開２００６−１８９１９６号公報

Claims (4)

1. 冷凍装置の熱源ユニットに設けられ、放熱器として機能する熱交換器であって、
   冷媒入口側に位置する入口ヘッダ（３１）と、
   冷媒出口側に位置し、内部が仕切板（３３３）によって第１ヘッダ部（３３１）と第２ヘッダ部（３３２）とに仕切られている出口ヘッダ（３３）と、
   前記入口ヘッダ（３１）と前記出口ヘッダ（３３）とを結ぶ複数の扁平管（３５）と、
   出口側の冷媒配管の端部に設けられた分流器（３９）と、
   前記分流器（３９）と前記第１ヘッダ部（３３１）とを結ぶ第１分岐管（４１）と、
   前記分流器（３９）と前記第２ヘッダ部（３３２）とを結ぶ第２分岐管（４２）と、
   を備え、
   前記仕切板（３３３）は、前記第１ヘッダ部（３３１）と前記第２ヘッダ部（３３２）との大きさが異なるように配置されており、
   前記第１ヘッダ部（３３１）に向かって流れる冷媒量と、前記第２ヘッダ部（３３２）に向かって流れる冷媒量は異なり、
   前記第１ヘッダ部（３３１）、前記第２ヘッダ部（３３２）、前記第１分岐管（４１）および前記第２分岐管（４２）の形状は、前記第１ヘッダ部（３３１）および前記第１分岐管（４１）における冷媒圧力損失値と、前記第２ヘッダ部（３３２）および前記第２分岐管（４２）における冷媒圧力損失値とが異なるように決定されている、
   熱交換器（３０）。
2. 前記入口ヘッダ（３１）から前記第１ヘッダ部（３３１）および前記第２ヘッダ部（３３２）へのパス長さが同一である、
   請求項１に記載の熱交換器（３０）。
3. 前記冷媒圧力損失値は、前記第１分岐管（４１）および前記第２分岐管（４２）の流路断面積を異ならせることによって調整される、
   請求項１に記載の熱交換器（３０）。
4. 蒸発器として機能する、
   請求項１に記載の熱交換器（３０）。
   

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