JP6906101B2 - 熱交換器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、熱交換器および冷凍サイクル装置に関する。

冷媒と外気との熱交換を行う熱交換器が利用されている。冷凍サイクル装置の蒸発器として熱交換器を使用する場合、熱交換器に霜が付着（着霜）する。熱交換器に着霜した場合、冷凍サイクル装置は通常運転を休止して除霜運転を行う。短時間の除霜運転で除霜を完了することができる熱交換器が求められる。

特開２０１２−１６３３１９号公報

本発明が解決しようとする課題は、短時間の除霜運転で除霜を完了することができる熱交換器および冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の熱交換器は、第１ヘッダおよび第２ヘッダと、複数の熱交換チューブと、を持つ。第１ヘッダおよび第２ヘッダは、筒状に形成され、相互に離間して並んで配置される。複数の熱交換チューブは、前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダの中心軸方向に間隔を置いて配列され、両端部が前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダの内部に開口する。前記複数の熱交換チューブは、第１熱交換チューブと、第２熱交換チューブと、を持つ。第１熱交換チューブは、液相成分が多い気液二相冷媒が流れる。第２熱交換チューブは、前記第１熱交換チューブに連通し、気相成分が多い気液二相冷媒が流れる。前記第２熱交換チューブは、上方第２熱交換チューブと、下方第２熱交換チューブと、を持つ。上方第２熱交換チューブは、前記第１熱交換チューブの上方に配置される。下方第２熱交換チューブは、前記第１熱交換チューブの下方に配置される。前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダは、前記中心軸方向に区分された複数の室を有する。前記第２ヘッダは、前記複数の室として、第１室と、第２室と、最下方室と、を有する。第１室には、一部の前記第１熱交換チューブが開口する。第２室には、前記第１室に連通し前記上方第２熱交換チューブが開口する。最下方室には、前記下方第２熱交換チューブおよび前記下方第２熱交換チューブに最も近い前記第１熱交換チューブの両方が開口する。前記第１室は、前記第２ヘッダの中心軸方向の高さが等しい複数の第１小室が形成される。前記第２室は、前記第２ヘッダの中心軸方向の高さが等しくかつ前記第１小室よりも大きい高さからなり、前記第１小室と同数からなる複数の第２小室が形成される。前記第２ヘッダは、前記複数の第１小室と前記複数の第２小室との間を接続する複数の接続流路を有する。それぞれ接続流路は、前記第１室の上方からｎ番目（ｎは自然数）の前記第１小室と、前記第２室の下方からｎ番目の前記第２小室とを接続する。

冷凍サイクル装置の概略構成図。 第１の実施形態の熱交換器の正面図。 第１の実施形態の熱交換器の部分斜視図。 図２のＦ４−Ｆ４線における部分断面図。 第１の実施形態の熱交換器の概略構成図。 第１の実施形態の変形例の熱交換器の概略構成図。 除霜方法のフローチャート。 第２の実施形態の熱交換器の概略構成図。

以下、実施形態の熱交換器および冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
本願において、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、以下のように定義される。Ｚ方向は、第１ヘッダおよび第２ヘッダの中心軸方向（延在方向）である。例えば、Ｚ方向は鉛直方向であり、＋Ｚ方向は上方向である。Ｘ方向は、熱交換チューブの中心軸方向（延在方向）である。例えば、Ｘ方向は水平方向であり、＋Ｘ方向は第１ヘッダから第２ヘッダに向かう方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向である。

図１は、冷凍サイクル装置の概略構成図である。
図１に示されるように、冷凍サイクル装置１は、圧縮機２と、四方弁３と、室外熱交換器（熱交換器）４と、膨張装置５と、室内熱交換器６と、制御部９と、を有する。冷凍サイクル装置１の構成要素は、配管７によって順次接続されている。各図では、暖房運転時の冷媒の流通方向が破線矢印で、除霜（冷房）運転時の冷媒の流通方向が実線矢印で示される。

圧縮機２は、圧縮機本体２Ａと、アキュムレータ２Ｂと、を有する。圧縮機本体２Ａは、内部に取り込まれる低圧の気体冷媒を圧縮して高温・高圧の気体冷媒にする。アキュムレータ２Ｂは、気液二相冷媒を分離して、気体冷媒を圧縮機本体２Ａに供給する。

四方弁３は、冷媒の流通方向を逆転させ、暖房運転と除霜運転とを切り替える。暖房運転時に冷媒は、圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器６、膨張装置５、室外熱交換器４の順に流れる。このとき冷凍サイクル装置１は、室内熱交換器６を凝縮器として機能させ、室外熱交換器４を蒸発器として機能させ、室内を暖房する。除霜運転時に冷媒は、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、膨張装置５及び室内熱交換器６の順に流れる。このとき冷凍サイクル装置１は、室外熱交換器４を凝縮器として機能させ、室内熱交換器６を蒸発器として機能させ、室外熱交換器４を除霜する。

凝縮器は、圧縮機２から吐出される高温・高圧の気体冷媒を、外気へ放熱させて凝縮させることにより、高圧の液体冷媒にする。蒸発器は、膨張装置５から送り込まれる低温・低圧の液体冷媒を、外気から吸熱させて気化させることにより、低圧の気体冷媒にする。室外熱交換器４の近傍には、送風ファン４ａが設けられている。送風ファン４ａは、室外熱交換器４に外気を送風する。
膨張装置５は、凝縮器から送り込まれる高圧の液体冷媒の圧力を下げ、低温・低圧の液体冷媒にする。

制御部９は、圧縮機２、四方弁３、膨張装置５などの動作を制御する。
このように、冷凍サイクル装置１では、作動流体である冷媒が気体冷媒と液体冷媒との間で相変化しながら循環し、気体冷媒から液体冷媒に相変化する過程で放熱し、液体冷媒から気体冷媒に相変化する過程で吸熱する。そして、これらの放熱や吸熱を利用して暖房や除霜などが行われる。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態の熱交換器の正面図である。図３は、第１の実施形態の熱交換器の部分斜視図である。実施形態の熱交換器４は、冷凍サイクル装置１の室外熱交換器４として使用される。実施形態の熱交換器４は、冷凍サイクル装置１の室内熱交換器６として使用されてもよい。以下、実施形態の熱交換器４が冷凍サイクル装置１の室外熱交換器４として使用される場合を例にして説明する。

図２に示されるように、熱交換器４は、第１ヘッダ１０と、第２ヘッダ２０と、熱交換チューブ３０と、フィン４０と、を有する。
第１ヘッダ１０は、アルミニウムやアルミニウム合金等の、熱伝導率が高く比重が小さい材料で形成される。第１ヘッダ１０は、筒状に形成され、例えば断面が円形状の円筒状に形成される。第１ヘッダ１０のＺ方向の両端部は閉塞される。第１ヘッダ１０の外周面には、熱交換チューブ３０が挿入される複数の貫通孔が形成される。
第２ヘッダ２０は、第１ヘッダ１０と同様に形成される。第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０は、Ｘ方向に相互に離間して並んで配置される。

熱交換チューブ３０は、アルミニウムやアルミニウム合金等の、熱伝導率が高く比重が小さい材料で形成される。図３に示されるように、熱交換チューブ３０は、偏平管状に形成される。すなわち熱交換チューブ３０は、Ｙ方向に所定の幅を有し、Ｚ方向に薄く、Ｘ方向に長く伸びる。

図４は、図２のＦ４−Ｆ４線における部分断面図である。熱交換チューブ３０の外形は、長円形状に形成される。熱交換チューブ３０の内部には、複数の冷媒流路３４がＹ方向に並んで形成される。隣り合う冷媒流路３４の間は、ＸＺ平面と平行な流路壁３５により仕切られる。複数の冷媒流路３４は、熱交換チューブ３０をＸ方向に貫通する。

図２に示されるように、複数の熱交換チューブ３０が、Ｚ方向に間隔をおいて配置される。熱交換チューブ３０の両端部は、第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０の外周面に形成された貫通孔に挿入される。これにより、熱交換チューブ３０の冷媒流路３４の両端部は、第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０の内部に開口する。第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０と熱交換チューブ３０との間は、ロウ付け等により封止されて固定される。

フィン４０は、アルミニウムやアルミニウム合金等の、熱伝導率が高く比重が小さい材料で形成される。フィン４０は、図２および図３に示されるように、平板状に形成されたプレートフィンである。フィン４０は、ＹＺ平面と平行に配置される。フィン４０のＺ方向の長さは、第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０のＺ方向の長さと同等か、それより少し短い。

図４に示されるように、フィン４０のＹ方向の幅は、熱交換チューブ３０のＹ方向の幅より大きい。フィン４０の＋Ｙ方向の端辺から−Ｙ方向にかけて、切欠き４３が形成される。切欠き４３には熱交換チューブ３０が挿入される。熱交換チューブ３０とフィン４０との間は、ロウ付け等により固定される。
図２に示されるように、複数のフィン４０が、Ｘ方向に間隔をおいて配置される。

隣り合う熱交換チューブ３０の間および隣り合うフィン４０の間には、Ｙ方向に伸びる外気流路が形成される。熱交換器４は、送風ファン４ａ（図１参照）により外気流路に外気を流通させる。熱交換器４は、外気流路を流通する外気と、冷媒流路３４を流通する冷媒との間で熱交換させる。熱交換は、熱交換チューブ３０およびフィン４０を介して、間接的に行われる。フィン４０には凹凸が設けられてもよい。凹凸は、外気流路を流通する外気に乱流を発生させ、熱交換効率を向上させる。
実施形態のフィン４０はプレートフィンであるが、コルゲートフィンでもよい。コルゲートフィンは波型に形成され、隣り合う熱交換チューブ３０の間に配置される。

熱交換器４の内部構造について説明する。
図５は、第１の実施形態の熱交換器４の概略構成図である。図５では、熱交換チューブ３０がボックスで表される。図５の１つのボックスには、隣り合って配置され同様の機能を有する複数の熱交換チューブ３０が含まれる。

第１ヘッダ１０は、複数の仕切部材を有する。仕切部材は、ＸＹ平面と平行に配置され、第１ヘッダ１０の内部をＺ方向に仕切る。複数の仕切部材は、第１ヘッダ１０の内部を複数の室に区分する。複数の仕切部材は、上方仕切部材１５Ｈと、下方仕切部材１５Ｌと、中間仕切部材１５ｓと、を有する。

上方仕切部材１５Ｈは上方（＋Ｚ方向）に配置され、下方仕切部材１５Ｌは下方（−Ｚ方向）に配置される。第１ヘッダ１０の内部において、上方仕切部材１５Ｈと下方仕切部材１５Ｌとの間には、第１室１１が形成される。上方仕切部材１５Ｈと第１ヘッダ１０の上端部との間には、第２室１２が形成される。下方仕切部材１５Ｌと第１ヘッダ１０の下端部との間には、最下方第２室１２ｚが形成される。

中間仕切部材１５ｓは、上方仕切部材１５Ｈと下方仕切部材１５Ｌとの間の第１室１１に配置される。複数の中間仕切部材１５ｓが、第１室１１を複数の第１小室１１ａ，１１ｚに区分する。図５の例では、４個の中間仕切部材１５ｓが、第１室１１を５個の第１小室１１ａ，１１ｚに区分する。図５の例では、５個の第１小室１１ａ，１１ｚのＺ方向の高さは等しい。

第２ヘッダ２０は、第１ヘッダ１０と同様に、複数の仕切部材を有する。複数の仕切部材は、上方仕切部材２５Ｈと、下方仕切部材２５Ｌと、中間仕切部材２５ｓと、を有する。
上方仕切部材２５Ｈは、第１ヘッダ１０の上方仕切部材１５Ｈと同じ高さに配置される。下方仕切部材２５Ｌは、第１ヘッダ１０の下方仕切部材１５Ｌより上方に配置される。下方仕切部材２５Ｌは、第１ヘッダ１０の第１室１１の最下方に配置された中間仕切部材１５ｓと同じ高さに配置される。

第２ヘッダ２０の内部において、上方仕切部材２５Ｈと下方仕切部材２５Ｌとの間には、第１室２１が形成される。上方仕切部材２５Ｈと第２ヘッダ２０の上端部との間には、第２室２２が形成される。下方仕切部材２５Ｌと第２ヘッダ２０の下端部との間には、最下方室２０ｚが形成される。

中間仕切部材２５ｓは、上方仕切部材２５Ｈと下方仕切部材２５Ｌとの間の第１室２１に配置される。複数の中間仕切部材２５ｓが、第１室２１を複数の第１小室２１ａに区分する。図５の例では、３個の中間仕切部材２５ｓが、第１室２１を４個の第１小室２１ａに区分する。図５の例では、４個の第１小室２１ａのＺ方向の高さは等しい。第１ヘッダ１０の第１小室１１ａ，１１ｚの高さと、第２ヘッダ２０の第１小室２１ａの高さとは等しい。

中間仕切部材２５ｓは、上方仕切部材２５Ｈと第２ヘッダ２０の上端部との間の第２室２２にも配置される。複数の中間仕切部材２５ｓが、第２室２２を複数の第２小室２２ａに区分する。図５の例では、３個の中間仕切部材２５ｓが、第２室２２を４個の第２小室２２ａに区分する。図５の例では、４個の第２小室２２ａのＺ方向の高さは等しい。第２小室２２ａの高さは、第１小室２１ａの高さより大きい。

熱交換チューブ３０は、第１熱交換チューブ３１と、第２熱交換チューブ３２と、を有する。第１熱交換チューブ３１は、熱交換器４のＺ方向の中央から下方寄りに配置される。第２熱交換チューブ３２は、上方第２熱交換チューブ３２ｕと、下方第２熱交換チューブ３２ｚと、を有する。上方第２熱交換チューブ３２ｕは、第１熱交換チューブ３１の上方に配置される。下方第２熱交換チューブ３２ｚは、第１熱交換チューブ３１の下方に配置され、複数の熱交換チューブ３０の最下方に配置される。

第１熱交換チューブ３１の−Ｘ方向の第１端部は、第１ヘッダ１０の第１室１１に開口する。第１室１１に形成された複数の第１小室１１ａ，１１ｚには、それぞれ複数の第１熱交換チューブ３１が開口する。図５の例では、複数の第１小室１１ａ，１１ｚに対して、それぞれ同数の第１熱交換チューブ３１が開口する。複数の第１小室１１ａ，１１ｚのうち最下方に配置された最下方第１小室１１ｚには、最下方第１熱交換チューブ３１ｚが開口する。最下方第１熱交換チューブ３１ｚは、第１熱交換チューブ３１の最下方に配置される。そのため最下方第１熱交換チューブ３１ｚは、下方第２熱交換チューブ３２ｚに最も近い。

第１熱交換チューブ３１の＋Ｘ方向の第２端部は、第２ヘッダ２０の第１室２１または最下方室２０ｚに開口する。第１熱交換チューブ３１のうち最下方第１熱交換チューブ３１ｚが、最下方室２０ｚに開口する。最下方第１熱交換チューブ３１ｚより上方に配置された上方第１熱交換チューブ３１ｕが、第１室２１に開口する。第１室２１に形成された複数の第１小室２１ａには、それぞれ複数の上方第１熱交換チューブ３１ｕが開口する。第１ヘッダ１０の第１小室１１ａに開口する上方第１熱交換チューブ３１ｕの数と、第２ヘッダ２０の第１小室２１ａに開口する上方第１熱交換チューブ３１ｕの数とは同じである。

上方第２熱交換チューブ３２ｕの−Ｘ方向の第１端部は、第１ヘッダ１０の第２室１２に開口する。
下方第２熱交換チューブ３２ｚの−Ｘ方向の第１端部は、第１ヘッダ１０の最下方第２室１２ｚに開口する。

上方第２熱交換チューブ３２ｕの＋Ｘ方向の第２端部は、第２ヘッダ２０の第２室２２に開口する。第２室２２に形成された複数の第２小室２２ａには、それぞれ複数の上方第２熱交換チューブ３２ｕが開口する。図５の例では、４個の第２小室２２ａに対して、それぞれ同数の上方第２熱交換チューブ３２ｕが開口する。第２小室２２ａに開口する上方第２熱交換チューブ３２ｕの数は、第１小室２１ａに開口する上方第１熱交換チューブ３１ｕの数より多い。
下方第２熱交換チューブ３２ｚの＋Ｘ方向の第２端部は、第２ヘッダ２０の最下方室２０ｚに開口する。下方第２熱交換チューブ３２ｚの数は、最下方第１熱交換チューブ３１ｚの数と同じか、それより多い。

第１ヘッダ１０は、第１冷媒ポート１７と、第２冷媒ポート１８と、温度センサ１４と、を有する。
第１冷媒ポート１７は、第１室１１を構成する複数の第１小室１１ａにそれぞれ形成された第１冷媒ポート１７ａと、最下方第１小室１１ｚに形成された最下方第１冷媒ポート１７ｚにより構成されている。熱交換器４の第１冷媒ポート１７を構成する第１冷媒ポート１７ａと最下方第１冷媒ポート１７ｚは、接続配管１７ｂにより合流されて冷凍サイクル装置１の同じ構成部材に接続される。図１の例において、室外熱交換器４の第１冷媒ポート１７は、膨張装置５に接続される。

第２冷媒ポート１８は、第２室１２の上方（上半部）に形成された第２冷媒ポート１８ａと、最下方第２室１２ｚに形成された最下方第２冷媒ポート１８ｚにより構成されている。熱交換器４の第２冷媒ポート１８を構成する第２冷媒ポート１８ａと最下方第２冷媒ポート１８ｚは、接続配管１８ｂにより合流されて冷凍サイクル装置１の同じ構成部材に接続される。図１の例において、室外熱交換器４の第２冷媒ポート１８は、四方弁３に接続される。

温度センサ１４は、第１冷媒ポート１７を構成する最下方第１冷媒ポート１７ｚに接続される。温度センサ１４は、第１冷媒ポート１７を流通する冷媒の温度に対応する信号を、冷凍サイクル装置１の制御部９に出力する。制御部９は、温度センサ１４から入力される信号に基づいて、第１冷媒ポート１７を流通する冷媒の温度を検出する。

第２ヘッダ２０は、接続流路２６を有する。接続流路２６は、第１室２１と第２室２２との間を接続する。第１室２１に形成された複数の第１小室２１ａと、第２室２２に形成された複数の第２小室２２ａとの間には、それぞれ接続流路２６ａが形成される。図５の例では、接続流路２６ａが、第１室２１の上方からｎ番目（ｎは自然数）の第１小室２１ａと、第２室２２の下方からｎ番目の第２小室２２ａとを接続する。これにより、複数の接続流路２６の交差が回避され、レイアウトが単純化される。接続流路２６ａは、第１小室２１ａと第２小室２２ａとを上記以外の組み合わせで接続してもよい。

図６は、第１の実施形態の変形例の熱交換器１０４の概略構成図である。変形例の構成のうち、以下に説明する構成以外の構成については、第１の実施形態の構成と同様である。
熱交換器１０４は、第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０に中間仕切部材１５ｓ，２５ｓを有しない。すなわち第１ヘッダ１０の第１室１１は、複数の第１小室に区分されない。第２ヘッダ２０の第１室２１も、複数の第１小室に区分されない。第２ヘッダ２０の第２室２２も、複数の第２小室に区分されない。

第１冷媒ポート１７は、第１ヘッダ１０の第１室１１の下方に形成される。接続流路２６は、第２ヘッダ２０の第１室２１の上方と、第２室２２の下方とを接続する。これにより、液相成分の多い気液二相冷媒を下方から流出入させ、気相成分の多い気液二相冷媒を上方から流出入させる。したがって、冷媒の滞留に伴う冷媒不足を抑制することができる。
変形例の熱交換器１０４も、第１の実施形態の熱交換器４と同様の作用効果を有する。

第１の実施形態の熱交換器４における冷媒の流通経路について説明する。
前述したように、図５では、暖房運転時の冷媒の流通方向が破線矢印で、除霜運転時の冷媒の流通方向が実線矢印で示される。

冷凍サイクル装置１が暖房運転を行う場合の冷媒の流通経路について説明する。
図１に示される冷凍サイクル装置１が暖房運転を行うとき、室外熱交換器４は蒸発器として機能する。このとき、膨張装置５から流出した液体冷媒が、冷媒分配機構（不図示）により均等に分配され、接続配管１７ｂを介して図５に示される熱交換器４の第１冷媒ポート１７を構成する第１冷媒ポート１７ａ及び最下方第１冷媒ポート１７ｚに流入する。

冷媒は、第１冷媒ポート１７ａから、第１ヘッダ１０の第１室１１を構成する第１小室１１ａに流入するとともに、最下方第１冷媒ポート１７ｚから最下方第１小室１１ｚに流入する。

冷媒は、第１小室１１ａから上方第１熱交換チューブ３１ｕに流入し、最下方第１小室１１ｚから最下方第１熱交換チューブ３１ｚに流入する。第１熱交換チューブ３１を流通する過程で、冷媒は外気から吸熱する。これにより、液体冷媒は、液相成分の多い気液二相冷媒に変化する。すなわち第１熱交換チューブ３１には、液相成分の多い気液二相冷媒が流通する。

冷媒は、上方第１熱交換チューブ３１ｕから第１小室２１ａに流入し、最下方第１熱交換チューブ３１ｚから最下方室２０ｚに流入する。
冷媒は、第１小室２１ａから接続流路２６ａを流通して第２小室２２ａに流入する。

冷媒は、第２小室２２ａから上方第２熱交換チューブ３２ｕに流入し、最下方室２０ｚから下方第２熱交換チューブ３２ｚに流入する。第２熱交換チューブ３２を流通する過程で、冷媒は外気から吸熱する。これにより、液相成分の多い気液二相冷媒は、気相成分の多い気液二相冷媒に変化する。すなわち第２熱交換チューブ３２には、気相成分の多い気液二相冷媒が流通する。

冷媒は、上方第２熱交換チューブ３２ｕから第２室１２に流入し、下方第２熱交換チューブ３２ｚから最下方第２室１２ｚに流入する。
冷媒は、第２冷媒ポート１８ａおよび最下方第２冷媒ポート１８ｚから、熱交換器４の外部に流出する。図１に示される室外熱交換器４から流出した気体冷媒は、四方弁３を介して圧縮機２に流入する。

以上のように冷媒は、第１ヘッダ１０の第１小室１１ａ、上方第１熱交換チューブ３１ｕ、第２ヘッダの第１小室２１ａ、接続流路２６ａ、第２ヘッダの第２小室２２ａ、および上方第２熱交換チューブ３２ｕを流通する。また冷媒は、第１ヘッダ１０の最下方第１小室１１ｚ、最下方第１熱交換チューブ３１ｚ、第２ヘッダの最下方室２０ｚ、下方第２熱交換チューブ３２ｚ、および第１ヘッダ１０の最下方第２室１２ｚを流通する。これらの冷媒の流通経路は、モジュールを構成する。熱交換器４には、複数のモジュールが並列に配置される。

冷凍サイクル装置１が除霜運転を行う場合の冷媒の流通経路について説明する。
除霜運転を行う場合の冷媒は、暖房運転を行う場合とは逆に流通する。図１に示される冷凍サイクル装置１が除霜運転を行うとき、室外熱交換器４は凝縮器として機能する。このとき、圧縮機２から四方弁を介して流出した気体冷媒が、図５に示される熱交換器４の第２冷媒ポート１８に流入する。

冷媒は、第２冷媒ポート１８ａ，１８ｚから、第１ヘッダ１０の第２室１２および最下方第２室１２ｚに流入する。冷媒は、第２室１２および最下方第２室１２ｚから、第２熱交換チューブ３２に流入する。第２熱交換チューブ３２を流通する過程で、冷媒は外気に放熱する。これにより、気体冷媒は、気相成分の多い気液二相冷媒に変化する。すなわち第２熱交換チューブ３２には、気相成分の多い気液二相冷媒が流通する。

冷媒は、第２熱交換チューブ３２から、第２ヘッダ２０の第２室２２および最下方室２０ｚに流入する。冷媒は、第２室２２から、接続流路２６を流通して、第１室２１に流入する。

冷媒は、第２ヘッダ２０の第１室２１および最下方室２０ｚから、第１熱交換チューブ３１に流入する。第１熱交換チューブ３１を流通する過程で、冷媒は外気に放熱する。これにより、気相成分の多い気液二相冷媒は、液相成分の多い気液二相冷媒に変化する。すなわち第１熱交換チューブ３１には、液相成分の多い気液二相冷媒が流通する。

冷媒は、第１熱交換チューブ３１から、第１ヘッダ１０の第１室１１に流入する。冷媒は、第１室１１から、第１冷媒ポート１７に流入する。冷媒は、第１冷媒ポート１７から、熱交換器４の外部に流出する。図１に示される室外熱交換器４から流出した液体冷媒は、膨張装置５に流入する。

このように、暖房運転および除霜運転のいずれの場合でも、第１熱交換チューブ３１には液相成分の多い気液二相冷媒が流通し、第２熱交換チューブ３２には気相成分の多い気液二相冷媒が流通する。すなわち、第１熱交換チューブ３１には、第２熱交換チューブ３２より液相成分の多い気液二相冷媒が流通する。第２熱交換チューブ３２には、第１熱交換チューブ３１より気相成分の多い気液二相冷媒が流通する。

除霜運転時に、第２熱交換チューブ３２には、気相成分の多い気液二相冷媒が流入する。第２熱交換チューブ３２を流通する過程で、冷媒は外気に放熱するので、気液二相冷媒の液相成分が増加する。第２熱交換チューブ３２の大部分を占める上方第２熱交換チューブ３２ｕは、第１熱交換チューブ３１の上方に配置される。そのため冷媒の液相成分は、重力に従って上方第２熱交換チューブ３２ｕから第１熱交換チューブ３１に流通する。これにより、冷媒の滞留に伴う冷媒不足を抑制することができる。

実施形態の熱交換器４の除霜方法について説明する。
図７は、除霜方法のフローチャートである。冷凍サイクル装置１の制御部９は、暖房運転を実施する（Ｓ０２）。制御部９は、四方弁３を切り替えて、圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器６、膨張装置５、室外熱交換器４の順に冷媒を流通させる。

冷凍サイクル装置１が暖房運転を行うとき、室外熱交換器４は蒸発器として機能する。このとき、熱交換チューブ３０を流通する冷媒は、外気流路を流通する外気から吸熱する。そのため、外気流路を構成するフィン４０および熱交換チューブ３０に結露水が付着する。結露水は、プレート状のフィン４０を伝って下方に流れ、熱交換器４の最下方に滞留する。外気温度が低い場合には、結露水が凍結して霜が付着する。そのため、熱交換器４の最下方には霜が付着しやすい。

熱交換器４の外気流路に着霜すると、冷媒が外気から吸熱し難くなり、熱交換効率が低下する。冷媒の温度が外気より低くなれば、冷媒が外気から吸熱し易くなり、熱交換効率が向上する。そこで制御部９は、膨張装置５を絞ることにより、冷媒の温度を低下させる。熱交換器４の外気流路に着霜した場合には、冷媒温度が０℃未満まで低下する。
制御部９は、温度センサ１４からの信号に基づいて検出した冷媒温度Ｔｅが、０℃未満であるか判断する（Ｓ０４）。

Ｓ０４の判断がＹＥＳの場合に制御部９は、Ｔｅ０にＴｅを代入する（Ｓ０６）。制御部９は、前回検出した冷媒温度Ｔｅ０と、新たに検出した冷媒温度Ｔｅとの差分ΔＴｅが、所定値αを超えるか判断する（Ｓ０８）。所定値αは、例えば３~１０℃に設定される。差分ΔＴｅが所定値αを超える場合には、冷媒温度が急激に低下している。熱交換器４の外気流路に着霜した場合には、制御部９が冷媒温度を急激に低下させる。
Ｓ０８の判断がＹＥＳの場合に制御部９は、熱交換器４に着霜したと判定する（Ｓ１０）。このとき制御部９は、圧縮機２の運転を停止する。制御部９は、熱交換器４の送風ファン４ａの運転を停止する。

制御部９は、除霜運転を実施する（Ｓ１２）。制御部９は、四方弁を切り替えて、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、膨張装置５及び室内熱交換器６の順に冷媒を流通させる。制御部９は、圧縮機２の運転を開始する。制御部９は、送風ファン４ａを運転しない。

除霜運転において、圧縮機２から流出した高温の気体冷媒が、熱交換器４の第２熱交換チューブ３２に流入する。気体冷媒は、第２熱交換チューブ３２を流通する過程で放熱する。実施形態の熱交換器４は、第２熱交換チューブ３２として、上方第２熱交換チューブ３２ｕに加えて、下方第２熱交換チューブ３２ｚを有する。高温の気体冷媒が、下方第２熱交換チューブ３２ｚを流通する過程で、熱交換器４の最下方に付着した霜を溶かす。熱交換器４の最下方に多量の霜が付着している場合でも、熱交換器４の下方に下方第２熱交換チューブ３２ｚが配置されるので、効率的な除霜ができる。これにより、短時間の除霜運転で除霜を完了することができる。霜が溶けた水は熱交換器４の下方に落下するので、霜の再付着が防止される。

下方第２熱交換チューブ３２ｚに流入した冷媒は、最下方室２０ｚから最下方第１熱交換チューブ３１ｚに流入し、最下方第１冷媒ポート１７ｚから流出する。除霜が完了すると、最下方第１冷媒ポート１７ｚから流出する冷媒の温度が上昇する。制御部９は、冷媒温度が所定値βを超えたか判断する（Ｓ１４）。所定値βは、例えば３~１５℃に設定される。温度センサ１４は、第１ヘッダ１０の第１室１１の下方の最下方第１冷媒ポート１７ｚに接続される。そのため制御部９は、熱交換器４の最下方での除霜完了を正確に判断できる。
Ｓ１４の判断がＹＥＳの場合に制御部９は、除霜が完了したと判定する（Ｓ１６）。このとき制御部９は、圧縮機２の運転を停止する。

制御部９は、暖房運転を再開する（Ｓ１８）。このとき制御部９は、四方弁３を切り替えて、圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器６、膨張装置５、室外熱交換器４の順に冷媒を流通させる。
以上により、除霜方法の処理が完了する。

以上に詳述したように、実施形態の熱交換器４は、第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０と、複数の熱交換チューブ３０と、を持つ。第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０は、筒状に形成され、Ｘ方向に相互に離間して並んで配置される。複数の熱交換チューブ３０は、第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０の中心軸方向（Ｚ方向）に間隔を置いて配列され、両端部が第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０の内部に開口する。複数の熱交換チューブ３０は、第１熱交換チューブ３１と、第２熱交換チューブ３２と、を持つ。第１熱交換チューブ３１は、液相成分が多い気液二相冷媒が流れる。第２熱交換チューブ３２は、第１熱交換チューブ３１に連通し、気相成分が多い気液二相冷媒が流れる。第２熱交換チューブ３２は、上方第２熱交換チューブ３２ｕと、下方第２熱交換チューブ３２ｚと、を持つ。上方第２熱交換チューブ３２ｕは、第１熱交換チューブ３１の上方に配置される。下方第２熱交換チューブ３２ｚは、第１熱交換チューブ３１の下方に配置される。

熱交換器４の最下方には霜が付着しやすい。第２熱交換チューブ３２には、気相成分が多い気液二相冷媒が流れる。第２熱交換チューブ３２は、下方第２熱交換チューブ３２ｚを有する。そのため熱交換器４は、最下方に付着した霜を効率的に除霜できる。したがって、短時間の除霜運転で除霜を完了することができる。

第１ヘッダ１０および第２ヘッダ２０は、Ｚ方向に区分された複数の室を有する。第２ヘッダ２０は、複数の室として、第１室２１と、第２室２２と、最下方室２０ｚと、を持つ。第１室２１は、一部の第１熱交換チューブ３１である上方第１熱交換チューブ３１ｕが開口する。第２室２２は、第１室２１に連通し、上方第２熱交換チューブ３２ｕが開口する。最下方室２０ｚは、下方第２熱交換チューブ３２ｚおよび下方第２熱交換チューブ３２ｚに最も近い第１熱交換チューブ３１である最下方第１熱交換チューブ３１ｚの両方が開口する。

最下方室２０ｚには、下方第２熱交換チューブ３２ｚおよび最下方第１熱交換チューブ３１ｚの両方が開口する。そのため、下方第２熱交換チューブ３２ｚと最下方第１熱交換チューブ３１ｚとを接続する接続流路が不要である。これにより、熱交換器４の製造コストが抑制される。

第２ヘッダ２０の第２室２２に開口する上方第２熱交換チューブ３２ｕの数は、第２ヘッダ２０の第１室２１に開口する上方第１熱交換チューブ３１ｕの数より多い。
上方第２熱交換チューブ３２ｕには、気相成分の多い気液二相冷媒が流通する。上方第２熱交換チューブ３２ｕの数が上方第１熱交換チューブ３１ｕの数より多いので、冷媒の流通過程における圧力損失が抑制される。一方、上方第１熱交換チューブ３１ｕには、液相成分の多い気液二相冷媒が流通する。このとき、気液二相冷媒の気相成分のみが熱交換チューブの上部を流通（ガス抜け）し、液相成分が熱交換チューブの下部に滞留（液溜まり）するおそれがある。上方第１熱交換チューブ３１ｕの数が上方第２熱交換チューブ３２ｕの数より少ないので、上方第１熱交換チューブ３１ｕの流路断面積は小さい。そのため、上方第１熱交換チューブ３１ｕでは気液二相冷媒が一体となって流通する。これにより、液溜まりが抑制されて冷媒が循環するので、冷媒不足を抑制できる。

冷凍サイクル装置１は、熱交換器４と、温度センサ１４と、制御部９と、を持つ。温度センサ１４は、第１ヘッダ１０において第１熱交換チューブ３１が開口する第１室１１の下方の最下方第１冷媒ポート１７ｚに接続され、冷媒温度に対応する信号を出力する。制御部９は、温度センサ１４の出力信号に基づいて除霜運転を制御する。
熱交換器４の最下方に付着した霜の除霜が完了すると、第１ヘッダ１０の第１室１１の下方の第１冷媒ポート１７から流出する冷媒の温度が上昇する。温度センサ１４は、第１室１１の最下方の最下方第１冷媒ポート１７ｚに接続される。そのため制御部９は、温度センサ１４の出力信号に基づいて、熱交換器４の最下方での除霜完了を正確に判断できる。したがって、短時間の除霜運転で除霜を完了することができる。

第１の実施形態の熱交換器４において、温度センサ１４は最下方第１冷媒ポート１７ｚに接続される。除霜運転時に、最下方第１冷媒ポート１７ｚと隣り合う最下方第２冷媒ポート１８ｚには、高温の気体冷媒が流入する。そのため、最下方第１冷媒ポート１７ｚに接続された温度センサ１４は、最下方第２冷媒ポート１８ｚの冷媒温度の影響を受ける可能性がある。この場合に温度センサ１４は、最下方第１冷媒ポート１７ｚ以外の、第１ヘッダ１０の第１室１１の下方（下半部）の第１冷媒ポート１７ａに接続されてもよい。例えば温度センサ１４は、最下方第１小室１１ｚの上方で隣り合う第１小室１１ａの第１冷媒ポート１７ａに接続されてもよい。これにより温度センサ１４は、最下方第２冷媒ポート１８ｚの冷媒温度の影響を受け難くなる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の熱交換器２０４の概略構成図である。図８に示される第２の実施形態の熱交換器２０４は、連結流路１９を有する点で、図５に示される第１の実施形態の熱交換器４と異なっている。第２の実施形態の構成のうち、以下に説明する構成以外の構成については、第１の実施形態の構成と同様である。

連結流路１９は、第１ヘッダ１０の最下方第２室１２ｚと第２室１２とを連通させる。連結流路１９は、第２室１２の下方に接続される。
冷凍サイクル装置１を流通する冷媒には、圧縮機２の潤滑油（圧縮機油）が混入する。暖房運転において、上方第２熱交換チューブ３２ｕを流通する過程で、気液二相冷媒の気相成分が増加する。気体冷媒が上方第２熱交換チューブ３２ｕから第２室１２に流入すると、冷媒に混入していた液体の圧縮機油が第２室１２の下方に落下して滞留する。そのため、圧縮機２において圧縮機油が不足する可能性がある。

第２の実施形態の熱交換器２０４は、第１ヘッダ１０の最下方第２室１２ｚと第２室１２の下方とを連通させる連結流路１９を有する。これにより、最下方第２室１２ｚから流出する気体冷媒が、連結流路１９を流通して第２室１２の下方に流入する。このとき気体冷媒は、第２室１２の下方に滞留する圧縮機油を噴き上げて、第２冷媒ポート１８から流出させる。これにより、圧縮機油が圧縮機に戻るので、圧縮機２における圧縮機油の不足を抑制できる。

前述した実施形態の熱交換器４は、冷媒が第１ヘッダ１０に流入し、第２ヘッダ２０で折り返し、第１ヘッダ１０から流出する構成である。これに対して熱交換器は、冷媒が各ヘッダで複数回の折り返しをする構成でもよい。
実施形態の熱交換器４は、第２ヘッダ２０に形成された複数の第２小室２２ａに対して、それぞれ同数の上方第２熱交換チューブが開口する構成である。これに対して熱交換器は、複数の第２小室２２ａに対して、それぞれ異なる数の上方第２熱交換チューブが開口する構成でもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、熱交換器４は、気相成分が多い気液二相冷媒が流れる第２熱交換チューブ３２を有する。第２熱交換チューブ３２は、第１熱交換チューブ３１の下方に配置される下方第２熱交換チューブ３２ｚを有する。これにより、短時間の除霜運転で除霜を完了することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…冷凍サイクル装置、４…熱交換器、９…制御部、１０…第１ヘッダ、１１…第１室、１２…第２室、１２ｚ…最下方第２室、１４…温度センサ、１７…第１冷媒ポート（冷媒出入口）、２０…第２ヘッダ、２０ｚ…最下方室、２１…第１室、２２…第２室、３０…熱交換チューブ、３１…第１熱交換チューブ、３１ｕ…上方第１熱交換チューブ（一部の第１熱交換チューブ）、３１ｚ…最下方第１熱交換チューブ、３２…第２熱交換チューブ、３２ｕ…上方第２熱交換チューブ、３２ｚ…下方第２熱交換チューブ。

Claims (4)

1. 筒状に形成され、相互に離間して並んで配置された第１ヘッダおよび第２ヘッダと、
   前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダの中心軸方向に間隔を置いて配列され、両端部が前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダの内部に開口する複数の熱交換チューブと、を有し、
   前記複数の熱交換チューブは、液相成分が多い気液二相冷媒が流れる第１熱交換チューブと、前記第１熱交換チューブに連通し気相成分が多い気液二相冷媒が流れる第２熱交換チューブと、を有し、
   前記第２熱交換チューブは、前記第１熱交換チューブの上方に配置される上方第２熱交換チューブと、前記第１熱交換チューブの下方に配置される下方第２熱交換チューブと、を有し、
   前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダは、前記中心軸方向に区分された複数の室を有し、
   前記第２ヘッダは、前記複数の室として、一部の前記第１熱交換チューブが開口する第１室と、前記第１室に連通し前記上方第２熱交換チューブが開口する第２室と、前記下方第２熱交換チューブおよび前記下方第２熱交換チューブに最も近い前記第１熱交換チューブの両方が開口する最下方室と、を有し、
   前記第１室は、前記第２ヘッダの中心軸方向の高さが等しい複数の第１小室が形成され、
   前記第２室は、前記第２ヘッダの中心軸方向の高さが等しくかつ前記第１小室よりも大きい高さからなり、前記第１小室と同数からなる複数の第２小室が形成され、
   前記第２ヘッダは、前記複数の第１小室と前記複数の第２小室との間を接続する複数の接続流路を有し、それぞれ接続流路は、前記第１室の上方からｎ番目（ｎは自然数）の前記第１小室と、前記第２室の下方からｎ番目の前記第２小室とを接続する、
   熱交換器。
2. 前記第２ヘッダの前記第２室に開口する前記上方第２熱交換チューブの数は、前記第２ヘッダの前記第１室に開口する前記第１熱交換チューブの数より多い、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１ヘッダは、前記複数の室として、前記第１熱交換チューブが開口する第１室と、前記上方第２熱交換チューブが開口する第２室と、前記下方第２熱交換チューブが開口する最下方第２室と、を有し、
   前記第１ヘッダの前記最下方第２室は、前記第１ヘッダの前記第２室の下方に連通する、
   請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器と、
   前記第１ヘッダにおいて前記第１熱交換チューブが開口する第１室の下方の冷媒出入口に配置され、冷媒温度に対応する信号を出力する温度センサと、
   前記温度センサの出力信号に基づいて除霜運転を制御する制御部と、を有する、
   冷凍サイクル装置。

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