JP7406297B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
熱交換器に関する。
空気調和装置などに用いられる熱交換器の中には、伝熱フィンプレートが貼りあわされて形成された細径伝熱管ユニットを有するものがある（例えば、特許文献１（特開２００６－９０６３６号公報）等）。
低い温度環境で熱交換器を蒸発器として使用した場合、内部の熱流束分布により、一部分に集中的に着霜が生じることがある。そして、着霜が集中した箇所で風路閉塞が生じ、熱交換器の性能が低下することがある。
第１観点の熱交換器は、第１方向に延びる複数の伝熱流路部及び複数の伝熱補助部が前記第１方向に対して傾斜又は直交する第２方向に並んで形成される伝熱ユニットを有し、伝熱ユニットが第１方向及び第２方向のいずれとも異なる第３方向に複数配置されるものである。
また、第１観点の熱交換器では、伝熱ユニットが、第２方向に沿って風上領域及び風下領域に区切られる。そして、第１観点の熱交換器は、蒸発器として用いるときに、風上領域に配置された伝熱流路部に冷媒を流入させてから、風下領域に配置された伝熱流路部に冷媒を流出させる。このような構成により、熱交換器全体としての熱交換性能を最適化することができる。
第２観点の熱交換器は、第１観点の熱交換器であって、風上領域に配置される伝熱流路部の数よりも風下領域に配置される伝熱流路部の数の方が多いものである。このような構成により、着霜を抑えつつ、最適な熱交換を実現できる。
第３観点の熱交換器では、第１観点又は第２観点の熱交換器であって、冷媒を減圧させる減圧機構をさらに備えるものである。また、第３観点の熱交換器は、風上領域に配置される伝熱流路部から風下領域に配置される伝熱流路部に減圧機構を経由して冷媒を流入させる。このような構成により、さらに着霜を抑制できる。
第４観点の熱交換器では、第１観点から第３観点の熱交換器であって、伝熱ユニットに、第１方向に沿って上下から接続し、冷媒の流路の一部を形成する上側ヘッダ及び下側ヘッダをさらに備える。このような構成により、結露水の排出が容易な熱交換器を実現できる。
第５観点の熱交換器では、第４観点の熱交換器であって、風上領域及び風下領域が、上側ヘッダ及び／又は下側ヘッダの内部に配置される仕切り部材により形成されるものである。したがって、風上領域及び風下領域を容易に形成できる。
第６観点の熱交換器では、第１観点から第５観点の熱交換器であって、各伝熱ユニットは、少なくとも８以上の伝熱流路部を有し、少なくとも２以上の伝熱流路部が風上領域に配置されるものである。このような構成により、熱交換性能を最適化できる。
第７観点の熱交換器は、第１観点から第６観点の熱交換器であって、第１方向視で、伝熱ユニットの第２方向の端部に断熱材が塗布されている。したがって、その端部における温度の低下を抑えることができる。
第８観点の熱交換器は、第７観点の熱交換器であって、伝熱ユニットには、第１方向視で第２方向の端部に伝熱補助部の一つである第１伝熱補助部が形成されている。また、第１伝熱補助部が閉塞された形状である。これにより、除霜運転時の排水性を高めることができる。
第９観点の空気調和装置は第１観点から第８観点の熱交換器が搭載されたものである。
（１）熱交換器の概要
熱交換器１０は、内部を流れる流体と外部を流れる空気との間で熱交換を行なうものである。具体的には、図１に概念を示すように、熱交換器１０には、冷媒が流入出するための第１配管４１及び第２配管４２が取り付けられる。また、熱交換器１０の近傍には、熱交換器１０に風を送るためのファン６が配置される。ファン６は熱交換器１０に向かう空気流を発生させ、その空気流が熱交換器１０を通過する際に、熱交換器１０と空気との間で熱交換が行なわれる。なお、熱交換器１０は、空気から熱を奪う蒸発器としても、空気に熱を放出する凝縮器（放熱器）としても機能し、空気調和装置等に搭載できるものである。
熱交換器１０は、内部を流れる流体と外部を流れる空気との間で熱交換を行なうものである。具体的には、図１に概念を示すように、熱交換器１０には、冷媒が流入出するための第１配管４１及び第２配管４２が取り付けられる。また、熱交換器１０の近傍には、熱交換器１０に風を送るためのファン６が配置される。ファン６は熱交換器１０に向かう空気流を発生させ、その空気流が熱交換器１０を通過する際に、熱交換器１０と空気との間で熱交換が行なわれる。なお、熱交換器１０は、空気から熱を奪う蒸発器としても、空気に熱を放出する凝縮器（放熱器）としても機能し、空気調和装置等に搭載できるものである。
（２）熱交換器の詳細
（２－１）全体構成
熱交換器１０は、図２に示すように、伝熱ユニット群１５、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２を有する。
（２－１）全体構成
熱交換器１０は、図２に示すように、伝熱ユニット群１５、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２を有する。
伝熱ユニット群１５は、複数の伝熱ユニット３０から構成される。また、伝熱ユニット群１５は、ファン６により生じる空気流の方向が各伝熱ユニット３０の間を通過するように配置される。各部材の配置についての詳細は後述する。
（２－２）ヘッダ
第１ヘッダ２１は、図３に示すように、中空の部材で構成されており、ガス・液・気液二相の状態の冷媒が内部を流通可能に構成されている。そして、第１ヘッダ２１は、伝熱ユニット３０の上方で伝熱ユニット３０に接続する。また、第１ヘッダ２１の下面には、伝熱ユニット３０と接続するための接続面２１Ｓが形成される。接続面２１Ｓには、後述する伝熱流路部３１の端部３１ｅが挿入される連結孔が形成される。なお、図３は第３方向Ｄ３から見たときの第１ヘッダ２１の断面形状を示している。第３方向Ｄ３の定義については後述する。
第１ヘッダ２１は、図３に示すように、中空の部材で構成されており、ガス・液・気液二相の状態の冷媒が内部を流通可能に構成されている。そして、第１ヘッダ２１は、伝熱ユニット３０の上方で伝熱ユニット３０に接続する。また、第１ヘッダ２１の下面には、伝熱ユニット３０と接続するための接続面２１Ｓが形成される。接続面２１Ｓには、後述する伝熱流路部３１の端部３１ｅが挿入される連結孔が形成される。なお、図３は第３方向Ｄ３から見たときの第１ヘッダ２１の断面形状を示している。第３方向Ｄ３の定義については後述する。
第２ヘッダ２２は、伝熱ユニット３０の下方で、第１配管４１及び第２配管４２と伝熱ユニット３０とに接続し、第１配管４１及び第２配管４２と伝熱ユニット３０との間の冷媒の流入出を可能にするものである。第２ヘッダ２２は、第１ヘッダ２１と同様に中空の部材で構成されており、ガス・液・気液二相の状態の冷媒が内部を流通可能に構成されている。ただし、第２ヘッダ２２では、図４に示すように、第３方向Ｄ３に沿って内部を仕切る仕切り部材２２ｐを有している。図４の例では、便宜上、第２ヘッダ２２は仕切り部材２２ｐにより、風上第２ヘッダ２２Ｕ及び風下第２ヘッダ２２Ｌに区切られるものとする。風上第２ヘッダ２２Ｕ及び風下第２ヘッダ２２Ｌは、それぞれ第２ヘッダ２２及び第１ヘッダ２１に接続する。なお、仕切り部材２２ｐは第２ヘッダ２２と一体的に形成されてもよいし、別個の物体により構成されてもよいものである。また、第２ヘッダ２２の上面には、伝熱ユニット３０と接続するための接続面２２Ｓが形成される。接続面２２Ｓには、後述する伝熱流路部３１の端部３１ｅが挿入される連結孔が形成される。なお、図４は第３方向Ｄ３から見たときの第２ヘッダ２２の断面形状を示している。第３方向Ｄ３の定義については後述する。
（２－３）伝熱ユニット
（２－３－１）
伝熱ユニット３０は、図５に示すように、「第１方向Ｄ１」に延びる複数の伝熱流路部３１及び複数の伝熱補助部３２が、第１方向Ｄ１に対して傾斜又は直交する「第２方向Ｄ２」に並んで形成されるものである。ここでは、伝熱流路部３１は略円筒形状であり、伝熱補助部３２は略平板形状である。また、伝熱流路部３１は、図６に示すように、第２方向Ｄ２に所定のピッチＰＰで並ぶように形成される。そして、このような伝熱ユニット３０が、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のいずれとも異なる「第３方向Ｄ３」に複数配置されることで、図７に示すような伝熱ユニット群１５が形成される。ここでは、伝熱ユニット群１５は、少なくとも３以上の伝熱ユニット３０が積層状に配置される。
（２－３－１）
伝熱ユニット３０は、図５に示すように、「第１方向Ｄ１」に延びる複数の伝熱流路部３１及び複数の伝熱補助部３２が、第１方向Ｄ１に対して傾斜又は直交する「第２方向Ｄ２」に並んで形成されるものである。ここでは、伝熱流路部３１は略円筒形状であり、伝熱補助部３２は略平板形状である。また、伝熱流路部３１は、図６に示すように、第２方向Ｄ２に所定のピッチＰＰで並ぶように形成される。そして、このような伝熱ユニット３０が、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のいずれとも異なる「第３方向Ｄ３」に複数配置されることで、図７に示すような伝熱ユニット群１５が形成される。ここでは、伝熱ユニット群１５は、少なくとも３以上の伝熱ユニット３０が積層状に配置される。
なお、説明の便宜上、第１方向Ｄ１、第２方向Ｄ２、第３方向Ｄ３は互いに直交するものとする。ただし、これらの方向Ｄ１～Ｄ３は完全に直交するものでなくても、互いに傾斜するものであれば、本実施形態に係る熱交換器１０を実現することは可能である。
伝熱ユニット３０は、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の接続面２１Ｓ，２２Ｓで、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２に接続する。具体的には、伝熱ユニット３０の第１方向Ｄ１の端部は、図５に示すように、伝熱流路部３１の端部３１ｅが伝熱補助部３２の端部３２ｅから突出している。伝熱流路部３１の端部３１ｅは、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の接続面２１Ｓ，２２Ｓに設けられた連結孔に挿入される。そして、この接続箇所がロウ付け等されることで、伝熱ユニット３０が第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の間に固定される（図８参照）。
伝熱流路部３１は、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の間の冷媒の移動を可能にするものである。具体的には、伝熱流路部３１の内部には略円筒形状の通路が形成されており、この通路内を冷媒が移動する。なお、本実施形態に係る伝熱流路部３１は第１方向Ｄ１に沿って直線状に形成される。
伝熱補助部３２は、隣接する伝熱流路部３１の内部を流れる冷媒と周囲の空気との間の熱交換を促進するものである。ここでは、伝熱補助部３２は、伝熱流路部３１と同様に第１方向Ｄ１に延びるように形成され、隣接する伝熱流路部３１に接するように配置される。伝熱補助部３２は、伝熱流路部３１と一体的に形成されるものでもよいし、別個に形成されるものでもよい。
（２－３－２）
本実施形態に係る伝熱ユニット３０には、少なくとも８以上の伝熱流路部３１が形成される。そして、少なくとも２以上の伝熱流路部３１が風上領域に配置される。
本実施形態に係る伝熱ユニット３０には、少なくとも８以上の伝熱流路部３１が形成される。そして、少なくとも２以上の伝熱流路部３１が風上領域に配置される。
このような構成の一例として図８に示すようなものが挙げられる。ここでは、１つの伝熱ユニット３０に、１０本の伝熱流路部３１が形成されている。また、第２ヘッダ２２の内部は、仕切り部材２２ｐにより、風上領域ＷＵに配置される風上第２ヘッダ２２Ｕと風下領域ＷＬに配置される風下第２ヘッダ２２Ｌとに区分けされている。そして、風上第２ヘッダ２２Ｕに３本の伝熱流路部３１Ｕが接続されており、風下第２ヘッダ２２Ｌに７本の伝熱流路部３１Ｌが接続されている。また、伝熱ユニット３０の最風上側の端部には伝熱補助部３２ｇが形成されている。なお、図８は熱交換器１０を第３方向Ｄ３から見たときの断面形状を示す模式図である。
（２－４）冷媒流路
熱交換器１０が蒸発器として用いられるときには、ファン６により生じた空気流Ｗが図９に示すように第２方向Ｄ２に沿って流れる。この状態で、熱交換器１０に、第２配管４２から液相の冷媒Ｆが流入する。続いて、冷媒Ｆは、第２配管４２から風上第２ヘッダ２２Ｕに流入する。そして、冷媒Ｆは、図１０に示すように、風上第２ヘッダ２２Ｕに接続された伝熱流路部３１Ｕを経由して下方から上方に向けて流れる。次に、冷媒Ｆは、第１ヘッダ２１及び風下第２ヘッダ２２Ｌに接続された伝熱流路部３１Ｌを経由して風下第２ヘッダ２２Ｌに流入する。冷媒Ｆは、伝熱流路部３１Ｕ，３１Ｌを流れている間に空気流Ｗと熱交換を行う。これにより冷媒Ｆは蒸発して気相に変化する。そして、気相の冷媒Ｆが第１配管４１から流出する。なお、図１０では伝熱ユニット３０を第３方向Ｄ３から見たときの状態を示している。
熱交換器１０が蒸発器として用いられるときには、ファン６により生じた空気流Ｗが図９に示すように第２方向Ｄ２に沿って流れる。この状態で、熱交換器１０に、第２配管４２から液相の冷媒Ｆが流入する。続いて、冷媒Ｆは、第２配管４２から風上第２ヘッダ２２Ｕに流入する。そして、冷媒Ｆは、図１０に示すように、風上第２ヘッダ２２Ｕに接続された伝熱流路部３１Ｕを経由して下方から上方に向けて流れる。次に、冷媒Ｆは、第１ヘッダ２１及び風下第２ヘッダ２２Ｌに接続された伝熱流路部３１Ｌを経由して風下第２ヘッダ２２Ｌに流入する。冷媒Ｆは、伝熱流路部３１Ｕ，３１Ｌを流れている間に空気流Ｗと熱交換を行う。これにより冷媒Ｆは蒸発して気相に変化する。そして、気相の冷媒Ｆが第１配管４１から流出する。なお、図１０では伝熱ユニット３０を第３方向Ｄ３から見たときの状態を示している。
熱交換器１０が凝縮器として用いられるときには、蒸発器のときとは逆向きに冷媒Ｆが流れる。すなわち、第１配管４１から気相の冷媒Ｆが流入し、第２配管４２から液相の冷媒Ｆが流出する。
（３）熱交換器１０の製造方法
伝熱ユニット３０は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料から製造される。具体的には、まず、図５の断面形状に相当する型を用いて金属材料の押出成形が行なわれ、伝熱流路部３１及び伝熱補助部３２が一体的に形成される。続いて、伝熱補助部３２の一部を切除して切欠部３３が設けられる。切欠部３３は、例えば、伝熱補助部３２の複数箇所を打ち抜きによって切除して形成される。
伝熱ユニット３０は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料から製造される。具体的には、まず、図５の断面形状に相当する型を用いて金属材料の押出成形が行なわれ、伝熱流路部３１及び伝熱補助部３２が一体的に形成される。続いて、伝熱補助部３２の一部を切除して切欠部３３が設けられる。切欠部３３は、例えば、伝熱補助部３２の複数箇所を打ち抜きによって切除して形成される。
第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２は、金属材料を管状に加工することによって製造される。第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２には、伝熱流路部３１の端部３１ｅを挿入するための連結孔が設けられる。連結孔は、例えばドリルによって形成される円形の貫通孔である。
熱交換器１０の組み立ては、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の連結孔に、伝熱ユニット３０の伝熱流路部３１の端部３１ｅが挿入される。これにより、伝熱補助部３２の端部３２ｅが第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の接続面２１Ｓ，２２Ｓに接触する状態になる。この接触箇所において、伝熱ユニット３０と第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２がロウ付け等されて固定される。
（４）特徴
（４－１）
以上説明したように、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１方向Ｄ１に延びる複数の伝熱流路部３１及び複数の伝熱補助部３２が第１方向Ｄ１に対して傾斜又は直交する第２方向Ｄ２に並んで形成される伝熱ユニット３０を有する。ここで、伝熱ユニット３０は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のいずれとも異なる第３方向Ｄ３に複数配置され、伝熱ユニット群１５を形成する。
（４－１）
以上説明したように、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１方向Ｄ１に延びる複数の伝熱流路部３１及び複数の伝熱補助部３２が第１方向Ｄ１に対して傾斜又は直交する第２方向Ｄ２に並んで形成される伝熱ユニット３０を有する。ここで、伝熱ユニット３０は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のいずれとも異なる第３方向Ｄ３に複数配置され、伝熱ユニット群１５を形成する。
また、本実施形態に係る熱交換器１０では、伝熱ユニット３０が、第２方向Ｄ２に沿って風上領域ＷＵ及び風下領域ＷＬに区切られる。そして、熱交換器１０は、蒸発器として用いられるときに、風上領域ＷＵに配置された伝熱流路部３１Ｕに冷媒Ｆを流入させてから、風下領域ＷＬに配置された伝熱流路部３１Ｌに冷媒Ｆを流出させる。
要するに、本実施形態に係る熱交換器１０では、空気流Ｗが生じる第２方向Ｄ２に少なくとも１回は冷媒流路が折り返される。これにより、熱交換性能の優れた熱交換器を提供できる。
補足すると、例えば図１１に示すように、伝熱ユニット３０Ｚに、第１方向Ｄ１に沿って下方から上方に１回だけ冷媒Ｆを流す形態の熱交換器１０Ｚでは、低い温度（例えば摂氏７度以下）の環境下で蒸発器として使用した場合、風上側の伝熱流路部における伝熱量が大きいため、伝熱ユニット３０Ｚの間に着霜が生じることがある。さらに、着霜に起因して風路閉塞が生じることがある。なお、図１１に示す第１ヘッダ２１Ｚ及び第２ヘッダ２２Ｚの内部には仕切り部材等は設けられていない。
これに対し、本実施形態に係る熱交換器１０の構成では、第２配管４２から流入する冷媒Ｆの流路の数を風上伝熱流路部３１Ｕの数に制限することで、冷媒の圧力損失が生じる。そして、この圧力損失に起因して、風上伝熱流路部３１Ｕにおける冷媒温度が高くなる。そのため、熱交換器１０を蒸発器として用いたときに、風上伝熱流路部３１Ｕでの熱交換量が抑制される。これにより、伝熱ユニット群１５内での位置に応じた熱流束の変動を抑えることができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、局所的に着霜が生じることを回避することができ、熱交換性能の優れた熱交換器を提供することができる。
また、図１１に示すような形態の熱交換器１０Ｚでは、最風上側の伝熱補助部の前縁効果により、風上側の伝熱流路部の熱交換量が、風下側の伝熱流路部の熱交換量に比較して多くなる。そのため、第２配管４２から流入する冷媒Ｆを、複数の伝熱流路部に流した場合、風上側の伝熱流路部において冷媒Ｆが蒸発しきってしまうことがある。結果として、熱交換器１０Ｚにおいて十分な熱交換が行なわれない事態が生じ得る。
これに対し、本実施形態に係る熱交換器１０の構成では、第２配管４２から流入する冷媒Ｆの全てを一旦、風上側の伝熱流路部３１Ｕに流すので、風上側の伝熱流路部３１Ｕで冷媒が蒸発しきってしまう事態を回避できる。結果として、熱交換器１０の熱交換性能を最適化できる。
（４－２）
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、風上領域ＷＵに配置される伝熱流路部３１Ｕの数よりも風下領域ＷＬに配置される伝熱流路部３１Ｌの数の方が多いものである。また、各伝熱ユニット３０が、少なくとも８以上の伝熱流路部３１を有し、少なくとも２以上の伝熱流路部３１Ｕが風上領域ＷＵに配置されるものである。このような構成により、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜の発生を抑えつつ、最適な熱交換を実現できる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、風上領域ＷＵに配置される伝熱流路部３１Ｕの数よりも風下領域ＷＬに配置される伝熱流路部３１Ｌの数の方が多いものである。また、各伝熱ユニット３０が、少なくとも８以上の伝熱流路部３１を有し、少なくとも２以上の伝熱流路部３１Ｕが風上領域ＷＵに配置されるものである。このような構成により、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜の発生を抑えつつ、最適な熱交換を実現できる。
（４－３）
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１方向Ｄ１に沿って上下から伝熱ユニット３０に接続し、冷媒流路の一部を形成する第１ヘッダ２１（上側ヘッダ）及び第２ヘッダ２２（下側ヘッダ）をさらに備える。このような構成により、伝熱ユニット３０の長手方向を鉛直方向に向けることができ、付着した水（結露水等）を容易に排出できる。また、組立性・加工性を高めることもできる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１方向Ｄ１に沿って上下から伝熱ユニット３０に接続し、冷媒流路の一部を形成する第１ヘッダ２１（上側ヘッダ）及び第２ヘッダ２２（下側ヘッダ）をさらに備える。このような構成により、伝熱ユニット３０の長手方向を鉛直方向に向けることができ、付着した水（結露水等）を容易に排出できる。また、組立性・加工性を高めることもできる。
ただし、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２を上下方向に代えて左右方向に設ける構成を排除するものではない。
（４－４）
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、風上領域ＷＵ及び風下領域ＷＬが、第２ヘッダ２２（下側ヘッダ）の内部に配置される仕切り部材２２ｐにより形成される。よって、伝熱ユニット３０に特殊な加工等をせずに、風上領域ＷＵ及び風下領域ＷＬを容易に形成することができる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、風上領域ＷＵ及び風下領域ＷＬが、第２ヘッダ２２（下側ヘッダ）の内部に配置される仕切り部材２２ｐにより形成される。よって、伝熱ユニット３０に特殊な加工等をせずに、風上領域ＷＵ及び風下領域ＷＬを容易に形成することができる。
なお、本実施形態に係る熱交換器１０は、冷媒の流通経路に応じて、第２ヘッダ２２に代えて第１ヘッダ２１の内部に仕切り部材を設けてもよい。若しくは、冷媒の流通経路に応じて、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２のいずれにも仕切り部材を設けてもよい。
（４－５）
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、各伝熱ユニット３０を、金属材料の押出成形によって単一の部材から形成することができる。また、打ち抜きにより複数の切欠部３３を一度に形成することができる。したがって、組立性・加工性の高い熱交換器１０を提供できる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、各伝熱ユニット３０を、金属材料の押出成形によって単一の部材から形成することができる。また、打ち抜きにより複数の切欠部３３を一度に形成することができる。したがって、組立性・加工性の高い熱交換器１０を提供できる。
（５）変形例
（５－１）変形例Ａ
本実施形態に係る熱交換器１０は、冷媒を減圧させる減圧機構をさらに備えるものでもよい。具体的には、熱交換器１０は、図１２に概念を示すように、風上領域ＷＵの冷媒流路（伝熱流路部３１Ｕ）と風下領域ＷＬの冷媒流路（伝熱流路部３１Ｌ）との間に電動弁などにより構成される減圧機構２５を備えるものでもよい。減圧機構２５により冷媒Ｆを膨張させることで、風上領域の冷媒温度を最適化することができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜の発生をさらに抑制することができる。
（５－１）変形例Ａ
本実施形態に係る熱交換器１０は、冷媒を減圧させる減圧機構をさらに備えるものでもよい。具体的には、熱交換器１０は、図１２に概念を示すように、風上領域ＷＵの冷媒流路（伝熱流路部３１Ｕ）と風下領域ＷＬの冷媒流路（伝熱流路部３１Ｌ）との間に電動弁などにより構成される減圧機構２５を備えるものでもよい。減圧機構２５により冷媒Ｆを膨張させることで、風上領域の冷媒温度を最適化することができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜の発生をさらに抑制することができる。
（５－２）変形例Ｂ
本実施形態に係る熱交換器１０は、上記構成に限られるものではない。すなわち、本実施形態に係る熱交換器１０は、空気流Ｗが生じる第２方向Ｄ２に少なくとも１回は冷媒流路が折り返されものであれば、任意の形態を採用することができる。例えば、図１３に示すような冷媒流路を有する構成の熱交換器１０Ｙであってもよい。なお、図１３は熱交換器１０Ｙの内部に形成される冷媒流路を説明するための模式図である。
本実施形態に係る熱交換器１０は、上記構成に限られるものではない。すなわち、本実施形態に係る熱交換器１０は、空気流Ｗが生じる第２方向Ｄ２に少なくとも１回は冷媒流路が折り返されものであれば、任意の形態を採用することができる。例えば、図１３に示すような冷媒流路を有する構成の熱交換器１０Ｙであってもよい。なお、図１３は熱交換器１０Ｙの内部に形成される冷媒流路を説明するための模式図である。
図１３に示す例では、風上第２ヘッダ２２Ｕの中央部付近で、風上第２ヘッダ２２Ｕの内部に第２方向Ｄ２に沿って仕切り部材２２ｐｓが設けられている。これにより、風上第２ヘッダ２２Ｕが、風上上流第２ヘッダ２２ＵＡと風上下流第２ヘッダ２２ＵＢとの２つの領域に分けられる。また、図１３に示す例では、第１ヘッダ２１の内部にも仕切り部材２１ｐ等が設けられており、第１ヘッダ２１が、第２方向Ｄ２に沿って風上第１ヘッダ２１Ｕと風下第１ヘッダ２１Ｌとに分けられている。そして、このような構成の熱交換器１０Ｙでは、第２配管４２から風上上流第２ヘッダ２２ＵＡに流入した冷媒Ｆが、風上上流領域の伝熱流路部を通って、風上第１ヘッダ２１Ｕに流入する。続いて、冷媒Ｆは、風上第１ヘッダ２１Ｕを経由して風上下流領域の伝熱流路部に流入する。そして、風上下流第２ヘッダ２２ＵＢに流入した冷媒が、図示しない連絡配管等を介して、風下第２ヘッダ２２Ｌに流入する。風下第２ヘッダ２２Ｌに流入した冷媒Ｆは、風下第１ヘッダ２１Ｌを経由して第１配管４１に流出される。なお、熱交換器１０Ｙでは、第１配管４１が風下第１ヘッダ２１Ｌに接続されている。
このような形態の熱交換器１０Ｙであっても、空気流Ｗが生じる第２方向Ｄ２に少なくとも１回は冷媒流路が折り返されているので、既述したのと同様の効果が実現される。
（５－３）変形例Ｃ
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１方向Ｄ１からみたときに、伝熱ユニット３０の第２方向Ｄ２の風上側の端部（ここでは伝熱補助部３２ｇ）に断熱材Ｉが塗布されるものであってもよい（図１４，１５参照）。これにより、当該端部における温度の低下を抑えることができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜を抑制でき、風路閉塞を回避又は遅らせることができる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、第１方向Ｄ１からみたときに、伝熱ユニット３０の第２方向Ｄ２の風上側の端部（ここでは伝熱補助部３２ｇ）に断熱材Ｉが塗布されるものであってもよい（図１４，１５参照）。これにより、当該端部における温度の低下を抑えることができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜を抑制でき、風路閉塞を回避又は遅らせることができる。
なお、図１４，１５に示す例では、伝熱ユニット３０の上記端部が伝熱補助部３２ｇである。さらに、この最風上側の伝熱補助部３２ｇ（第１伝熱補助部）は閉塞された形状である。ここで、「閉塞された形状」とは、穴や切込み等がなくフラットな形状のことをいう。これにより、除霜運転時の排水性をさらに高めることができる。
補足すると、伝熱補助部３２ｇに穴や切り込み等が形成されていると、その穴や切り込み等に、霜が解けて生じた水が保水されることがある。そして、その場合には、保水した箇所が次の着霜の起点となることがある。これに対し、変形例Ｃに係る熱交換器１０では、伝熱補助部３２ｇが穴や切込み等がない形状であるので、除霜運転後に生じる着霜を抑制できる。
（５－４）変形例Ｄ
また、本実施形態に係る伝熱流路部３１は、上述したものに限られず、他の形態であってもよい。例えば、伝熱流路部３１を第１方向Ｄ１からみたときの断面形状が、半円形状、楕円形状、扁平形状、翼型の上半分形状、及び／又は翼型の下半分形状のいずれか一つ又は任意の組み合わせであってもよい。要するに、熱交換器１０は、熱交換性能を最適化する形状を採用することができる。
また、本実施形態に係る伝熱流路部３１は、上述したものに限られず、他の形態であってもよい。例えば、伝熱流路部３１を第１方向Ｄ１からみたときの断面形状が、半円形状、楕円形状、扁平形状、翼型の上半分形状、及び／又は翼型の下半分形状のいずれか一つ又は任意の組み合わせであってもよい。要するに、熱交換器１０は、熱交換性能を最適化する形状を採用することができる。
（５－５）変形例Ｅ
また、本実施形態に係る伝熱ユニット群１５は、図１６，１７に示すような形態のものでもよい。なお、図１７は図１６の一部拡大図である（図１６の点線部に相当）。
また、本実施形態に係る伝熱ユニット群１５は、図１６，１７に示すような形態のものでもよい。なお、図１７は図１６の一部拡大図である（図１６の点線部に相当）。
図１６，１７に示す例では、伝熱ユニット３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃを含む）は、第２方向Ｄ２における第１位置Ｌ１（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃを含む）で膨出して伝熱流路部３１を形成する第１膨出部３１ｐ（３１ｐａ，３１ｐｂ，３１ｐｃを含む）と、第１膨出部３１ｐが形成される向きとは反対向きで第１位置Ｌ１に形成される第１平面部３１ｑ（３１ｑａ，３１ｑｂ，３１ｑｃを含む）とを有する。なお、変形例Ｅでは、「第１位置」は伝熱ユニット毎に定義されており、伝熱ユニット３０ａの第１位置Ｌ１ａと、伝熱ユニット３０ｂ，３０ｃの第１位置Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃとは異なる位置を意味する。
また、少なくとも一の伝熱ユニット３０ａが、一方の側で隣接する伝熱ユニット３０ｂとは、第１膨出部３１ｐａが形成される面と、隣接する伝熱ユニット３０ｂの第１膨出部３１ｐｂが形成される面とが対向する向きに配置される。また、その伝熱ユニット３０ａは、他方の側で隣接する他の伝熱ユニット３０ｃとは、第１平面部３１ｑａが形成される面と、他の伝熱ユニット３０ｃの第１平面部３１ｑｃが形成される面とが対向する向きに配置される。
このような構成により、熱交換器１０が蒸発器として用いられた場合、第１平面部３１ｑａ，３１ｑｃ同士等が対向する風路において、空気流が素通りするので、着霜の発生量を抑制することができる。これにより、使用環境によっては熱交換性能を高めることができる。
なお、第１膨出部３１ｐａ，３１ｐｂ同士が対向する風路では、空気流の縮流が発生し、その風路に着霜が集中的に発生し易くなる。しかし、そのような着霜が生じた場合であったとしても、使用環境によっては、図７に示すような略同一の膨出部が伝熱ユニットの両面に形成される熱交換器に比して、熱交換器全体における熱交換性能を高めることができる。
また、変形例Ｅに係る熱交換器１０は、図１７に示すように、第１方向Ｄ１からみたときに、隣接する伝熱ユニット３０ａ，３０ｂにおける第１位置Ｌ１ａ，Ｌ１ｂが重複しないように配置されている。換言すると、隣接する伝熱ユニット３０ａ，３０ｂ間の風路で、第１膨出部３１ｐａ，３０ｐｂが千鳥状に配置されている。そのため、図７に示すように膨出部同士が近接する構成に比して、隣接する伝熱ユニット３１ａ，３１ｂ間の風路の流路断面積を増加させることができる。したがって、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、着霜による風路閉塞をさらに抑制することができる。
さらに、伝熱ユニット３０は、第１平面部３１ｑに代えて、第１膨出部３１ｐより小さく膨出する第２膨出部を有するものでもよい。この場合でも、上記と同様の議論が成立する。
（５－６）変形例Ｆ
また、本実施形態に係る伝熱ユニット群１５は、図１８，１９に示すような形態のものでもよい。なお、図１９は図１８の一部拡大図である（図１８の点線部に相当）。
また、本実施形態に係る伝熱ユニット群１５は、図１８，１９に示すような形態のものでもよい。なお、図１９は図１８の一部拡大図である（図１８の点線部に相当）。
図１８，１９に示す例では、伝熱ユニット３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃを含む）は、第２方向Ｄ２における第１位置Ｌ１（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃを含む）で膨出して伝熱流路部３１を形成する第１膨出部３１ｐ（３１ｐａ，３１ｐｂ，３１ｐｃを含む）と、第１膨出部３１ｐが形成される向きとは反対向きで第１位置Ｌ１に形成される第１平面部３１ｑ（３１ｑａ，３１ｑｂ，３１ｑｃ）と、第１膨出部３１ｐが形成される向きとは反対向きで、第２方向Ｄ２における第２位置Ｌ２（Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃを含む）で膨出して伝熱流路部３１を形成する第３膨出部３１ｒ（３１ｒａ，３１ｒｂ，３１ｒｃを含む）と、第３膨出部３１ｒが形成される向きとは反対向きで第２位置Ｌ２に形成される第２平面部３１ｓ（３１ｓａ，３１ｓｂ，３１ｓｃを含む）とを有する。ここでは、第１膨出部３１ｐと第３膨出部３１ｒとは同一形状である。また、第１膨出部３１ｐと第３膨出部３１ｒとは第２方向Ｄ２で隣接する。
また、少なくとも一の伝熱ユニット３０ａが、一方の側で隣接する伝熱ユニット３０ｂとは、第１膨出部３１ｐａが形成される面と、隣接する伝熱ユニット３０ｂの第１平面部３１ｑｂが形成される面とが対向する向きに配置される。また、その伝熱ユニット３０ａは、他方の側で隣接する他の伝熱ユニット３０ｃとは、第３膨出部３１ｒａが形成される面と、他の隣接する伝熱ユニット３０ｃの第２平面部３０ｓｃが形成される面とが対向する向きに配置される。
また、隣接する伝熱ユニット３０ａ，３０ｂ（又は３０ａ，３０ｃ）における第１位置Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ（又はＬ１ａ，Ｌ１ｃ）同士が第１方向Ｄ１から見たときに重複するように配置される。また、第２位置同士Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ（又はＬ２ａ，Ｌ２ｃ）も第１方向Ｄ１から見たときに重複するように配置される。補足すると、「第１位置Ｌ１」「第２位置Ｌ２」は伝熱ユニット毎に定義されるものであるが、ここでは、各伝熱ユニット３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおいて同じ位置になるようにしている。
要するに、変形例Ｆに係る熱交換器１０は、隣接する伝熱ユニット３０ａ，３０ｂの間で第１膨出部３１ｐａ，３１ｐｂ同士等が対向せずに、反対向きに形成される。そのため、第１膨出部３１ｐａ，３１ｐｂ同士等が対向する構成に比して、縮流の発生を抑えることができる。結果して、通風抵抗の増大を抑制することができ、最適な熱交換性能を実現することが可能となる。また、上記構成の熱交換器１０であれば、（例えば摂氏７度以下）蒸発器として用いたときに、図７に示すような略同一の膨出部が伝熱ユニットの両面に形成される熱交換器に比して局所的な着霜を抑制することができる。
なお、伝熱ユニット３０は、第１平面部３１ｑに代えて第１膨出部３１ｐより小さく膨出する第２膨出部を有し、第２平面部３１ｓに代えて第３膨出部３１ｒより小さく膨出する第４膨出部を有するものでもよい。この場合でも、上記と同様の議論が成立する。
（５－７）変形例Ｇ
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、図２０に示すように、第１方向Ｄ１からみたときに、伝熱ユニット３０における第２方向Ｄ２の端部に、他の伝熱補助部３２よりも長い伝熱補助部３２ｇ（第１伝熱補助部）が形成されるものでもよい。このような熱交換器１０では、最風上側の伝熱流路部３１ｇと隣接する伝熱補助部３２ｇとの間の距離が長いので、最風上側の伝熱流路部３１ｇから伝熱補助部３２ｇへの伝熱量を下げることができる。これにより、伝熱ユニット３０表面上の熱流束分布を均一化することができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、風路の入口部に着霜が局所的に発生するのを抑制又は回避することができる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、図２０に示すように、第１方向Ｄ１からみたときに、伝熱ユニット３０における第２方向Ｄ２の端部に、他の伝熱補助部３２よりも長い伝熱補助部３２ｇ（第１伝熱補助部）が形成されるものでもよい。このような熱交換器１０では、最風上側の伝熱流路部３１ｇと隣接する伝熱補助部３２ｇとの間の距離が長いので、最風上側の伝熱流路部３１ｇから伝熱補助部３２ｇへの伝熱量を下げることができる。これにより、伝熱ユニット３０表面上の熱流束分布を均一化することができる。結果として、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、風路の入口部に着霜が局所的に発生するのを抑制又は回避することができる。
さらに、本実施形態に係る熱交換器１０は、図２１に示すように、隣接する伝熱ユニット３０において、伝熱補助部３２ｇの第２方向Ｄ２における長さを異なるようにして、端部を千鳥状に配置するものでもよい。このような熱交換器では、風路の入口部に断面積の広い部分が形成される。したがって、熱交換器１０を低い温度環境（例えば摂氏７度以下）で蒸発器として用いたときに、風路の入口部における着霜を抑制又は回避することができる。
（５－８）変形例Ｈ
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、図２２に示すように、第１方向Ｄ１からみたときに、伝熱ユニット３０が直線状だけでなく波形状に加工されるものでもよい。伝熱ユニット３０が直線状の場合は風路抵抗を抑えることができる。一方、伝熱ユニット３０が波形状の場合は空気流と冷媒との熱交換量を増やすことができる。要するに、使用環境に応じて、熱交換性能が最適な熱交換器を提供できる。
また、本実施形態に係る熱交換器１０は、図２２に示すように、第１方向Ｄ１からみたときに、伝熱ユニット３０が直線状だけでなく波形状に加工されるものでもよい。伝熱ユニット３０が直線状の場合は風路抵抗を抑えることができる。一方、伝熱ユニット３０が波形状の場合は空気流と冷媒との熱交換量を増やすことができる。要するに、使用環境に応じて、熱交換性能が最適な熱交換器を提供できる。
（５－９）変形例Ｉ
本実施形態に係る熱交換器１０は、伝熱管とフィンとが一方向に並ぶベッセル型熱交換器（細径多管式熱交換器）への適用が可能であるが、これに限られるものではない。例えば、マイクロチャネル型熱交換器（扁平多穴管式熱交換器）への適用も可能である。
本実施形態に係る熱交換器１０は、伝熱管とフィンとが一方向に並ぶベッセル型熱交換器（細径多管式熱交換器）への適用が可能であるが、これに限られるものではない。例えば、マイクロチャネル型熱交換器（扁平多穴管式熱交換器）への適用も可能である。
＜他の実施形態＞
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
すなわち、本開示は、上記各実施形態そのままに限定されるものではない。本開示は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。また、本開示は、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の開示を形成できるものである。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素は削除してもよいものである。さらに、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよいものである。
１０ 熱交換器
２１ 第１ヘッダ（上側ヘッダ）
２１ｐ 仕切り部材
２２ 第２ヘッダ（下側ヘッダ）
２２ｐ 仕切り部材
２２ｐｓ 仕切り部材
２５ 減圧機構
３０ 伝熱ユニット
３０ａ 伝熱ユニット（一の伝熱ユニット）
３０ｂ 伝熱ユニット（一方の側で隣接する伝熱ユニット）
３０ｃ 伝熱ユニット（他方の側で隣接する伝熱ユニット）
３１ 伝熱流路部
３１ｐ 第１膨出部
３１ｑ 第１平面部
３１ｒ 第３膨出部
３１ｓ 第２平面部
３１Ｌ 風下伝熱流路部
３１Ｕ 風上伝熱流路部
３２ 伝熱補助部
３２ｇ 第２方向端部の伝熱補助部（第１伝熱補助部）
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Ｄ３ 第３方向
Ｉ 断熱材
Ｌ１ 第１位置
Ｌ２ 第２位置
ＷＬ 風下領域
ＷＵ 風上領域
２１ 第１ヘッダ（上側ヘッダ）
２１ｐ 仕切り部材
２２ 第２ヘッダ（下側ヘッダ）
２２ｐ 仕切り部材
２２ｐｓ 仕切り部材
２５ 減圧機構
３０ 伝熱ユニット
３０ａ 伝熱ユニット（一の伝熱ユニット）
３０ｂ 伝熱ユニット（一方の側で隣接する伝熱ユニット）
３０ｃ 伝熱ユニット（他方の側で隣接する伝熱ユニット）
３１ 伝熱流路部
３１ｐ 第１膨出部
３１ｑ 第１平面部
３１ｒ 第３膨出部
３１ｓ 第２平面部
３１Ｌ 風下伝熱流路部
３１Ｕ 風上伝熱流路部
３２ 伝熱補助部
３２ｇ 第２方向端部の伝熱補助部（第１伝熱補助部）
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Ｄ３ 第３方向
Ｉ 断熱材
Ｌ１ 第１位置
Ｌ２ 第２位置
ＷＬ 風下領域
ＷＵ 風上領域
Claims (8)
- 第１方向（Ｄ１）に延びる複数の伝熱流路部（３１）及び複数の伝熱補助部（３２）が前記第１方向に対して直交する第２方向（Ｄ２）に並んで形成される伝熱ユニット（３０）と、
前記伝熱ユニットに、前記第１方向に沿って上下から接続し、前記冷媒の流路の一部を形成する上側ヘッダ（２１）及び下側ヘッダ（２２）と、
を備え、
前記伝熱ユニットが前記第１方向及び前記第２方向のいずれとも異なる第３方向（Ｄ３）に複数配置される熱交換器（１０）であって、
複数の前記伝熱ユニットの各々は、単一の金属部材からなり、
前記複数の伝熱流路部は、前記複数の伝熱補助部から突出した端部（３１ｅ）を有し、前記端部は前記上側ヘッダ又は前記下側ヘッダの内部に挿入されており、前記伝熱補助部は前記上側ヘッダ又は前記下側ヘッダの内部に挿入されておらず、
前記伝熱ユニットは、前記第２方向に沿って風上領域（ＷＵ）及び風下領域（ＷＬ）に区切られるものであり、
蒸発器として用いるときに、前記風上領域に配置された伝熱流路部（３１Ｕ）に冷媒を流入させてから、前記風下領域に配置された伝熱流路部（３１Ｌ）に前記冷媒を流出させ、
各々の伝熱ユニット（３０）に属する前記複数の伝熱流路部（３１）は、前記風上領域（ＷＵ）に配置される風上伝熱流路部（３１Ｕ）、及び、前記風下領域（ＷＬ）に配置される風下伝熱流路部（３１Ｌ）、を含む、
熱交換器。 - 前記風上領域に配置される伝熱流路部の数よりも前記風下領域に配置される伝熱流路部の数の方が多い、
請求項１に記載の熱交換器。 - 前記冷媒を減圧させる減圧機構（２５）をさらに備え、
前記風上領域に配置される伝熱流路部から前記風下領域に配置される伝熱流路部に前記減圧機構を経由して冷媒を流入させる、
請求項１または２に記載の熱交換器。 - 前記風上領域及び前記風下領域は、前記上側ヘッダ及び／又は前記下側ヘッダの内部に配置される仕切り部材（２１ｐ，２２ｐ）により形成される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。 - 各伝熱ユニットは、少なくとも８以上の伝熱流路部を有し、少なくとも２以上の伝熱流路部が前記風上領域に配置される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。 - 前記第１方向視で、前記伝熱ユニットの前記第２方向の端部に断熱材（Ｉ）が塗布されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。 - 前記伝熱ユニットには、前記第１方向視で前記第２方向の端部に前記伝熱補助部の一つである第１伝熱補助部（３２ｇ）が形成されており、
前記第１伝熱補助部は閉塞された形状である、
請求項６に記載の熱交換器。 - 請求項１から７のいずれか１項に記載の熱交換器が搭載された空気調和装置。
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2018
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2019
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- 2019-02-22 EP EP19761287.2A patent/EP3760957B1/en active Active
- 2019-02-22 US US16/977,284 patent/US20210003350A1/en not_active Abandoned
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