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JP5163763B2 - 空気調和機用熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、空気調和機に用いられる熱交換器に関するものである。
従来から、空気調和機に用いられる熱交換器としては、クロスフィン型の熱交換器が知られている。この熱交換器は、所定の間隔をあけて並べられた複数のフィンと、これらのフィンを貫通する複数の伝熱管とを備えている。空気調和機のケース内に吸い込まれた空気は、熱交換器のフィン同士の隙間を通過する際に伝熱管内を流通する冷媒との間で熱交換されて温度が調節される。通常の熱交換器は、伝熱管が気流方向に直交する方向に複数本並んで形成される管列を複数含む列構成を有している。複数の管列は、気流方向に沿って並んでいる（例えば特許文献１）。
通常、空気調和機では、熱交換器において冷媒の流れと空気の流れとが直交対向流となるように各パスを形成する方が直交並行流に比べて熱交換の効率が高い。したがって、例えば冷房能力を重視する場合には、冷房運転時に熱交換器において冷媒の流れと空気の流れとが直交対向流となるように各パスを形成する。ただし、一般的には、ＡＰＦ（Annual Performance Factor）を向上させるために、暖房能力が重視される。暖房能力を重視する場合には、暖房運転時に熱交換器において冷媒の流れと空気の流れとが直交対向流となるように各パスを形成する。
特開２０１０−７８２８７号公報
しかしながら、暖房能力及び冷房能力のいずれかを重視すると、他方の能力が十分に得られない場合がある。
そこで、本発明は、かかる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、暖房能力と冷房能力のバランスを向上させることができる空気調和機用熱交換器を提供することにある。
（１）本発明の空気調和機用熱交換器は、複数のフィン(13)と、前記フィン(13)を貫通する複数の伝熱管(15)とを備えている。この空気調和機用熱交換器は、前記伝熱管(15)が略水平な気流方向(A)に交差する上下方向に複数本並んで形成される管列(L)を３列有し、冷媒経路として複数のパス(P)を有している。前記空気調和機用熱交換器は、暖房運転と冷房運転の切り換えが可能な空気調和機に用いられるクロスフィンチューブ式の熱交換器である。
各パス(P)は、凝縮器として使用される場合と蒸発器として使用される場合の両方において、冷媒が前記３列の管列(L)のうちのいずれかの管列(L)の伝熱管(15)からこの管列(L)よりも前記気流方向(A)の下流側の管列(L)の伝熱管(15)に流れる並行流部(R1)と、冷媒が前記３列の管列(L)のうちのいずれかの管列(L)の伝熱管(15)からこの管列(L)よりも前記気流方向(A)の上流側の管列(L)の伝熱管(15)に流れる対向流部(R2)とが共に存在する共存パス(P)である。
前記３列の管列(L)は、前記気流方向(A)の最上流に位置する風上管列(L1)と、前記気流方向(A)の最下流に位置する風下管列(L3)と、前記風上管列(L1)と前記風下管列(L3)の間に位置する中間管列(L2)とからなり、各共存パス(P)は、凝縮器として使用される場合において、冷媒が前記中間管列(L2)の伝熱管(15b)から前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)に流れる並行流部(R1)と、冷媒が前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)から前記風上管列(L1)の伝熱管(15a)に流れる対向流部(R2)とが存在し、蒸発器として使用される場合において、冷媒が前記風上管列(L1)の伝熱管(15a)から前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)に流れる並行流部(R1)と、冷媒が前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)から前記中間管列(L2)の伝熱管(15b)に流れる対向流部(R2)とが存在し、冷媒が前記中間管列(L2)の伝熱管(15b)から流出する中間流出パス(P)である。
各中間流出パス(P)を構成する伝熱管(15a,15b,15c)は、隣りの中間流出パス(P)を構成する伝熱管(15a,15b,15c)に対して上下方向にずれた位置にあり、且つ前記隣りの中間流出パス(P)を構成する伝熱管(15a,15b,15c)とは、水平方向に見たときに互いに重なり合う位置にはない。
（２）前記空気調和機用熱交換器において、前記気流方向(A)に流れる空気の速度は、前記熱交換器の下部よりも上部の方が高く、前記複数のパス(P)のうち下部に位置するパス(P)の流路長は、上部に位置するパス(P)の流路長よりも長いことが好ましい。
本発明によれば、暖房能力と冷房能力のバランスを向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る空気調和機用熱交換器を備えた空気調和機を示す構成図である。 前記空気調和機用熱交換器を示す正面図である。 （Ａ）は、図２に示す前記空気調和機用熱交換器を方向Ｄ１から見た左側面図であり、（Ｂ）は、図２に示す前記空気調和機用熱交換器を方向Ｄ２から見た右側面図である。 前記空気調和機用熱交換器を示す左側面図であり、（Ａ）は、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示しており、（Ｂ）は、凝縮器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。 （Ａ）は、図４（Ａ）に示す前記空気調和機用熱交換器における複数のパスのうちの１つを拡大した側面図であり、（Ｂ）は、図４（Ｂ）に示す前記空気調和機用熱交換器における複数のパスのうちの１つを拡大した側面図である。 （Ａ）は、前記空気調和機用熱交換器が蒸発器として使用される場合における空気の温度と冷媒の温度との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す従来の熱交換器が蒸発器として使用される場合における空気の温度と冷媒の温度との関係を示すグラフである。 前記空気調和機用熱交換器の参考例１を示す左側面図であり、（Ａ）は、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示しており、（Ｂ）は、凝縮器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。 （Ａ）は、前記空気調和機用熱交換器の参考例２を示す左側面図であり、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。（Ｂ）は、前記空気調和機用熱交換器の参考例３を示す左側面図であり、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。 前記空気調和機用熱交換器の変形例１を示す左側面図であり、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。 （Ａ）は、前記空気調和機用熱交換器の参考例４を示す左側面図であり、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。（Ｂ）は、前記空気調和機用熱交換器の変形例２を示す左側面図であり、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。 従来の空気調和機用熱交換器を示す左側面図であり、（Ａ）は、蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示しており、（Ｂ）は、凝縮器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
以下、本発明の一実施形態に係る空気調和機用熱交換器１１及びこれを備えた空気調和機８１について図面を参照して説明する。
＜空気調和機の構成＞
図１に示すように、空気調和機８１は、室内ユニット８２と、室外ユニット８３とを備えている。室内ユニット８２は、室内熱交換器１１Ａと、室内送風機８６とを備えている。室外ユニット８３は、室外熱交換器１１Ｂと、室外送風機８７と、圧縮機８８と、四方切換弁８９と、膨張弁９０とを備えている。室内ユニット８２と室外ユニット８３はガス側連絡配管８４及び液側連絡配管８５により接続されており、これにより冷媒回路９１が構成されている。
この空気調和機８１では、四方切換弁８９の経路を切り換えることにより、冷房運転と暖房運転とを切り換えることができる。図１において実線で示される四方切換弁８９の経路の場合、空気調和機８１は冷房運転を行う。一方、図１において破線で示される四方切換弁８９の経路の場合、空気調和機８１は暖房運転を行う。
室内熱交換器１１Ａは、冷媒回路９１を循環する冷媒と室内送風機８６によって供給される室内空気との間で熱交換させる。室外熱交換器１１Ｂは、冷媒回路９１を循環する冷媒と室外送風機８７によって供給される室外空気との間で熱交換させる。
＜熱交換器の構成＞
本実施形態では、空気調和機用熱交換器１１が室内熱交換器１１Ａ及び室外熱交換器１１Ｂに用いられる場合を例に挙げて説明するが、熱交換器１１を室内熱交換器１１Ａ及び室外熱交換器１１Ｂのいずれか一方にのみ採用してもよい。以下の説明では、主に室内熱交換器１１Ａについて説明し、室外熱交換器１１Ｂについては、室内熱交換器１１Ａと同様の構成を有しているので、その詳細な説明は省略する。
図２に示すように、室内熱交換器１１Ａは、フィンアンドチューブ型熱交換器である。室内熱交換器１１Ａは、金属製の薄板状の複数のフィン１３と、各フィン１３に形成された図略の貫通孔に挿通されて各フィン１３に接した状態で取り付けられた金属製の複数の伝熱管１５とを含む。複数のフィン１３は、隣同士が所定の間隔をあけられた状態で厚み方向に配列されている。各フィン１３は、鉛直方向に略平行な方向に延びる姿勢で配置されている。各伝熱管１５は、その長手方向が略水平な方向に延びる姿勢で配置されている。
空気調和機８１では、室内送風機８６の図略の羽根車がモータの駆動によって回転することにより、図３（Ａ）に示すように気流方向Ａの空気の流れが生じる。気流方向Ａは、各フィン１３の表面に沿った方向であり、各伝熱管１５の長手方向に交わる方向である。本実施形態では、気流方向Ａは、略水平な方向を向いている。
熱交換器１１Ａは、伝熱管１５が気流方向Ａに交わる方向（本実施形態では上下方向）に複数本並んで形成される管列Ｌを３つ備えた列構成を有している。この列構成は、気流方向Ａの最上流に位置する風上管列Ｌ１と、気流方向Ａの最下流に位置する風下管列Ｌ３と、風上管列Ｌ１と風下管列Ｌ３の間に位置する中間管列Ｌ２とからなる。各管列Ｌを構成する伝熱管１５は、同じ本数（本実施形態では１４本）で構成されている。中間管列Ｌ２は、風上管列Ｌ１及び風下管列Ｌ３よりも下方にずれた位置に配置されている。３つの管列Ｌ１〜Ｌ３は、気流方向Ａに沿う方向に並んでいる。
（パスの構成）
熱交換器１１Ａは、冷媒の経路としての複数のパスＰ（Ｐ１〜Ｐ１４）を有している。これらのパスＰ１〜Ｐ１４は、この順に下方に並んで配置されている。各パスＰは、３本の伝熱管１５と２つのＵ字管部１７とから構成されている。例えば最上部に位置するパスＰ１は、風上管列Ｌ１の最上部に位置する伝熱管１５ａと、中間管列Ｌ２の最上部に位置する伝熱管１５ｂと、風下管列Ｌ３の最上部に位置する伝熱管１５ｃと、熱交換器１１Ａの左側部ＳＬにおいて風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａと風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃとをつなぐＵ字管部１７ａと、熱交換器１１Ａの右側部ＳＲにおいて中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂと風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃとをつなぐＵ字管部１７ｂとからなる。本実施形態では、パスＰ２〜Ｐ１４についてもパスＰ１と同様の構成を有している。
各パスＰは、冷媒の出入口となる一対の端部を有している。例えばパスＰ１では、風上管列Ｌ１の最上部に位置する伝熱管１５ａにおける右側部ＳＲ側の第１端部Ｅ１と、中間管列Ｌ２の最上部に位置する伝熱管１５ｂにおける左側部ＳＬ側の第２端部Ｅ２とが冷媒の出入口となる。本実施形態では、パスＰ２〜Ｐ１４もパスＰ１と同様の位置に第１端部Ｅ１及び第２端部Ｅ２を有している。
したがって、熱交換器１１Ａの右側部ＳＲには１４個の第１端部Ｅ１が存在し、左側部ＳＬにも１４個の第２端部Ｅ２が存在する。熱交換器１１Ａの右側部ＳＲの近傍には、各第１端部Ｅ１に接続された図略の分流管を有するヘッダが配設されており、このヘッダは液配管９２に接続されている。熱交換器１１Ａの左側部ＳＬの近傍には、各パスＰの第２端部Ｅ２に接続された図略の分流管を有するヘッダが配設されており、このヘッダはガス配管９３に接続されている。
（冷媒の流れ）
次に、冷房運転時の冷媒の流れと、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。まず、冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。空気調和機８１の冷房運転時には、図１における四方切換弁８９は、実線で示される経路に切り換えられる。この冷房運転では、室内熱交換器１１Ａは蒸発器として機能し、室外熱交換器１１Ｂは凝縮器として機能する。
冷房運転において、冷媒は、液配管９２から室内熱交換器１１Ａに流入し、室内熱交換器１１Ａにおいて空気と熱交換した後、ガス配管９３に流出する。具体的には、冷媒は、液配管９２を通じてヘッダに流入し、このヘッダの複数の分流管を介して複数のパスＰ１〜Ｐ１４に分流する。各パスＰの第１端部Ｅ１からパスＰ内に流入した冷媒は、パスＰ内を流れ、第２端部Ｅ２から対応する分流管に流出する。各分流管を流れる冷媒は、ヘッダにおいて合流し、このヘッダからガス配管９３に流出する。
各パスＰにおける冷媒の流れを図４（Ａ）に示す。図４（Ａ）は、熱交換器１１Ａの左側部ＳＬを示している。図４（Ａ）では、Ｕ字管部１７ａの図示は省略している。各パスＰの実線の矢印は、左側部ＳＬ側に位置するＵ字管部１７ａにおける冷媒の流れ方向、及び左側部ＳＬ側に位置する第２端部Ｅ２から流出する冷媒の流れを示している。また、各パスＰの破線の矢印は、右側部ＳＲ側に位置する第１端部Ｅ１に流入する冷媒の流れ、及び熱交換器１１Ａの右側部ＳＲ側に位置するＵ字管部１７ｂにおける冷媒の流れ方向を示している。
具体的には、冷媒は、右側部ＳＲ側に位置する各パスＰの第１端部Ｅ１（伝熱管１５ａの端部）から風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入し、この伝熱管１５ａ内を左側部ＳＬ側に向かって流れる。伝熱管１５ａの左側部ＳＬ側の端部に到達した冷媒は、左側部ＳＬ側に位置するＵ字管部１７ａを通じて風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃに流入し、この伝熱管１５ｃ内を右側部ＳＲ側に向かって流れる。伝熱管１５ｃの右側部ＳＲ側の端部に到達した冷媒は、右側部ＳＲ側に位置するＵ字管部１７ｂを通じて中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂに流入し、この伝熱管１５ｂ内を左側部ＳＬ側に向かって流れ、左側部ＳＬ側に位置する第２端部Ｅ２（伝熱管１５ｂの端部）から流出する。
このように熱交換器１１Ａにおける各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。一方、例えば図１１（Ａ）に示す従来の熱交換器１０１における各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから流出する風下流出パスである。
次に、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。空気調和機８１の暖房運転時には、図１における四方切換弁８９は、破線で示される経路に切り換えられる。この暖房運転では、室内熱交換器１１Ａは凝縮器として機能し、室外熱交換器１１Ｂは蒸発器として機能する。
暖房運転において、冷媒は、ガス配管９３から室内熱交換器１１Ａに流入し、室内熱交換器１１Ａにおいて空気と熱交換した後、液配管９２に流出する。具体的には、冷媒は、ガス配管９３を通じてヘッダに流入し、このヘッダの複数の分流管を介して複数のパスＰ１〜Ｐ１４に分流する。各パスＰの第２端部Ｅ２からパスＰ内に流入した冷媒は、パスＰ内を流れ、第１端部Ｅ１から対応する分流管に流出する。各分流管を流れる冷媒は、ヘッダにおいて合流し、このヘッダから液配管９２に流出する。
各パスＰにおける冷媒の流れを図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）は、熱交換器１１Ａの左側部ＳＬを示している。図４（Ｂ）では、Ｕ字管部１７ａの図示は省略している。各パスＰの実線の矢印は、左側部ＳＬ側に位置する第２端部Ｅ２に流入する冷媒の流れ、及び左側部ＳＬ側に位置するＵ字管部１７ａにおける冷媒の流れ方向を示している。また、各パスＰの破線の矢印は、熱交換器１１Ａの右側部ＳＲ側に位置するＵ字管部１７ｂにおける冷媒の流れ方向、及び右側部ＳＲ側に位置する第１端部Ｅ１から流出する冷媒の流れを示している。
具体的には、冷媒は、左側部ＳＬ側に位置する各パスＰの第２端部Ｅ２（伝熱管１５ｂの端部）から中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂに流入し、この伝熱管１５ｂ内を右側部ＳＲ側に向かって流れる。伝熱管１５ｂの右側部ＳＲ側の端部に到達した冷媒は、右側部ＳＲ側に位置するＵ字管部１７ｂを通じて風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃに流入し、この伝熱管１５ｃ内を左側部ＳＬ側に向かって流れる。伝熱管１５ｃの左側部ＳＬ側の端部に到達した冷媒は、左側部ＳＬ側に位置するＵ字管部１７ａを通じて風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入し、この伝熱管１５ａ内を右側部ＳＲ側に向かって流れ、右側部ＳＲ側に位置する第１端部Ｅ１（伝熱管１５ａの端部）から流出する。
図５（Ａ）は、図４（Ａ）に示す熱交換器１１Ａにおける複数のパスＰのうちの１つを拡大した側面図である。図５（Ｂ）は、図４（Ｂ）に示す熱交換器１１Ａにおける複数のパスＰのうちの１つを拡大した側面図である。図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、熱交換器１１Ａにおける各パスＰは、蒸発器として使用される場合（冷房運転の場合）及び凝縮器として使用される場合（暖房運転の場合）の両方において、並行流部Ｒ１と対向流部Ｒ２とが存在する共存パスＰである。並行流部Ｒ１においては、冷媒がいずれかの管列Ｌの伝熱管１５からこの管列Ｌよりも気流方向Ａの下流側の管列Ｌの伝熱管１５に流れる。対向流部Ｒ２においては、冷媒がいずれかの管列Ｌの伝熱管１５からこの管列Ｌよりも気流方向Ａの上流側の管列Ｌの伝熱管１５に流れる。
具体的には、各パスＰの並行流部Ｒ１は、蒸発器として使用される場合には、図５（Ａ）に示すように冷媒が風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａから風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃに流れ、凝縮器として使用される場合には、図５（Ｂ）に示すように冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃに流れる。各パスＰの対向流部Ｒ２は、蒸発器として使用される場合には、図５（Ａ）に示すように冷媒が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂに流れ、凝縮器として使用される場合には、図５（Ｂ）に示すように冷媒が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流れる。
図６（Ａ）は、熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における空気の温度と冷媒の温度との関係を示すグラフである。図６（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す従来の熱交換器１０１が蒸発器として使用される場合における空気の温度と冷媒の温度との関係を示すグラフである。
（従来の熱交換器における温度の挙動）
まず、図６（Ｂ）に示すグラフを参照しながら図１１（Ａ），（Ｂ）に示す従来の熱交換器１０１における空気の温度と冷媒の温度との関係について説明する。この熱交換器１０１は、液配管が風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａ（１列目の伝熱管）に接続され、ガス配管が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃ（３列目の伝熱管）に接続されている。そして、熱交換器１０１は、図１１（Ｂ）に示すように凝縮器として使用される場合において全てのパスＰ１〜Ｐ１４が直交対向流となるパス構成を有しており、暖房能力が特に重視されている。言い換えると、この熱交換器１０１では、各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから流出する風下流出パスである。
熱交換器１０１における各パスＰは、図１１（Ａ）に示すように熱交換器１０１が蒸発器として使用される場合には、並行流部Ｒ１のみが存在し、熱交換器１０１が凝縮器として使用される場合には、対向流部Ｒ２のみが存在するパス構成を有している。具体的には、各パスＰにおいては、蒸発器として使用される場合には、風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入した冷媒は、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂ及び風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃの順に流れる。すなわち、熱交換器１０１が蒸発器として使用される場合、各パスＰでは、伝熱管１５ａの右側部ＳＲ側の端部が冷媒の入口となり、伝熱管１５ｂ及び伝熱管１５ｃの順に冷媒が流れ、伝熱管１５ｃの左側部ＳＬ側の端部が冷媒の出口となる。また、各パスＰにおいては、凝縮器として使用される場合には、風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃに流入した冷媒は、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂ及び風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａの順に流れる。
この熱交換器１０１では、蒸発器として使用される場合、空気の温度と冷媒の温度は、空気が気流方向Ａに熱交換器１０１内を流れる過程において図６（Ｂ）に示すような挙動を示す。以下、このグラフに示す各温度の挙動について説明する。
図６（Ｂ）に示すグラフの縦軸は温度を示し、横軸は、３つの伝熱管１５により構成されるパスＰにおける冷媒の経路を示している。横軸の左端（グラフの原点）は、「パスＰの入口」に相当し、図１１（Ａ）に示す熱交換器１０１の場合、伝熱管１５ａの右側部ＳＲ側の端部である。横軸における「パスＰの出口」は、伝熱管１５ｃの左側部ＳＬ側の端部である。すなわち、横軸は、グラフの原点である「パスＰの入口」から「風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａ」、「中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂ」、「風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃ」の順にパスＰ内を冷媒が流れ、「パスＰの出口」に至るまでの経路を示している。
図６（Ｂ）に示すグラフにおいて、パスＰの入口からパスＰの出口に至るまでの冷媒の温度（パスＰ１〜Ｐ１４の冷媒の温度の平均値）の挙動は、実線で示されている。
また、図６（Ｂ）に示すグラフにおいて、４つの破線は、左から順に、空気温度Ｔ１、空気温度Ｔ２、空気温度Ｔ３及び空気温度Ｔ４を示している。空気温度Ｔ１は、風上管列Ｌ１の領域に流入する空気の平均温度（１列目入口温度）である。空気温度Ｔ２は、中間管列Ｌ２の領域に流入する空気の平均温度（２列目入口温度）である。空気温度Ｔ３は、風下管列Ｌ３の領域に流入する空気の平均温度（３列目入口温度）である。ここで、空気の平均温度とは、図１１（Ａ）に示すように上下方向に長い熱交換器１０１において、上下方向の複数箇所において測定される空気の温度の平均値のことをいう。空気温度Ｔ４は、風下管列Ｌ３を通過して熱交換器１０１の出口に到達した空気の温度（出口温度）である。
一般に、空気調和機の冷房運転では、室内熱交換器１０１において熱交換された冷媒の過熱度が所定値（例えば３℃程度）となるように空気調和機が制御される。そして、各パスＰにおける出口に近い領域、すなわち図６（Ｂ）に示すように風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃにおける下流側の領域を冷媒が流れる間に、冷媒が湿り蒸気から過熱蒸気になる。したがって、熱交換器１０１においては、風下管列Ｌ３の領域に流入する空気温度Ｔ３と風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃを流れる冷媒の温度との温度差ΔＴ０は、冷媒に過熱をつける際の効率に影響を及ぼす。
ところが、図１１（Ａ）に示すパス構成を有する熱交換器１０１では、風下管列Ｌ３の領域に流入する空気は、この領域に至る前に風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａ及び中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂとの間で既に熱交換されているので、温度がＴ３まで低下している。したがって、この空気温度Ｔ３と伝熱管１５ｃを流れる冷媒の温度との温度差ΔＴ０は小さくなるので、冷媒の過熱度を所定値まで上げるために必要な伝熱管１５ｃの領域ＳＨ０は大きくなる。そして、過熱のついた冷媒（過熱蒸気）は、湿り蒸気と比べて空気との熱交換の効率が低くなるので、領域ＳＨ０が大きくなるほど冷房能力が出にくくなる。また、領域ＳＨ０が大きくなると、冷媒の温度むら（過熱度のばらつき）が生じやすくなり、また、冷媒の偏流が生じやすくなる。
（本実施形態の熱交換器における温度の挙動）
次に、図６（Ａ）に示すグラフを参照しながら図４（Ａ）に示す本実施形態の熱交換器１１Ａにおける空気の温度と冷媒の温度との関係について説明する。図４（Ａ）に示す熱交換器１１Ａは、液配管９２が風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａ（１列目の伝熱管）に接続されることにより暖房能力が重視されつつ、ガス配管９３が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂ（２列目の伝熱管）に接続されることにより図１１（Ａ），（Ｂ）に示す熱交換器１０１に比べて冷房能力の低下が抑制されている。
熱交換器１１Ａにおける各パスＰは、図４（Ａ）に示すように熱交換器１０１が蒸発器として使用される場合、及び凝縮器として使用される場合の両方において、並行流部Ｒ１と対向流部Ｒ２とが存在するパス構成を有している。具体的には、各パスＰにおいては、蒸発器として使用される場合には、風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入した冷媒は、風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃ及び中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂの順に流れる。すなわち、熱交換器１０１が蒸発器として使用される場合、各パスＰでは、伝熱管１５ａの右側部ＳＲ側の端部（第１端部）が冷媒の入口となり、伝熱管１５ｃ及び伝熱管１５ｂの順に冷媒が流れ、伝熱管１５ｂの左側部ＳＬ側の端部（第２端部）が冷媒の出口となる。この熱交換器１０１における各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。
また、各パスＰにおいては、凝縮器として使用される場合には、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂに流入した冷媒は、風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃ及び風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａの順に流れる。
この熱交換器１１Ａでは、蒸発器として使用される場合、空気の温度と冷媒の温度は、空気が気流方向Ａに熱交換器１１Ａ内を流れる過程において図６（Ａ）に示すような挙動を示す。以下、このグラフに示す各温度の挙動について説明する。
図６（Ａ）に示すグラフの縦軸は温度を示し、横軸は、３つの伝熱管１５により構成されるパスＰにおける冷媒の経路を示している。横軸の左端（グラフの原点）は、「パスＰの入口」に相当し、図４（Ａ）に示す熱交換器１１Ａの場合、伝熱管１５ａの右側部ＳＲ側の端部である。横軸における「パスＰの出口」は、伝熱管１５ｂの左側部ＳＬ側の端部である。すなわち、横軸は、グラフの原点である「パスＰの入口」から「風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａ」、「風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃ」、「中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂ」の順にパスＰ内を冷媒が流れ、「パスＰの出口」に至るまでの経路を示している。
図６（Ａ）に示すグラフにおいて、パスＰの入口からパスＰの出口に至るまでの冷媒の温度（パスＰ１〜Ｐ１４の冷媒の温度の平均値）の挙動は、実線で示されている。
また、図６（Ａ）に示すグラフにおいて、４つの破線は、左から順に、空気温度Ｔ１、空気温度Ｔ３、空気温度Ｔ２及び空気温度Ｔ４を示している。空気温度Ｔ１は、風上管列Ｌ１の領域に流入する空気の平均温度（１列目入口温度）である。空気温度Ｔ２は、中間管列Ｌ２の領域に流入する空気の平均温度（２列目入口温度）である。空気温度Ｔ３は、風下管列Ｌ３の領域に流入する空気の平均温度（３列目入口温度）である。ここで、空気の平均温度とは、図４（Ａ）に示すように上下方向に長い熱交換器１１Ａにおいて、上下方向の複数箇所において測定される空気の温度の平均値のことをいう。空気温度Ｔ４は、風下管列Ｌ３を通過して熱交換器１１Ａの出口に到達した空気の温度（出口温度）である。
本実施形態の熱交換器１１Ａを備えた空気調和機８１の冷房運転では、室内熱交換器１１Ａにおいて熱交換された冷媒の過熱度が所定値（例えば３℃程度）となるように空気調和機８１が制御される。図４（Ａ）に示すパス構成を有する熱交換器１１Ａでは、各パスＰにおける出口に近い領域、すなわち図６（Ａ）に示すように中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂにおける下流側の領域を冷媒が流れる間に、冷媒が湿り蒸気から過熱蒸気になる。したがって、熱交換器１１Ａにおいては、冷媒に過熱をつける際に影響を及ぼすのは、中間管列Ｌ２の領域に流入する空気温度Ｔ２と中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂを流れる冷媒の温度との温度差ΔＴである。
なお、図６（Ａ）では、温度差ΔＴの大きさを示す矢印の下端は、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂにおける上流側端部に位置しており、この場合、温度差ΔＴは、空気温度Ｔ２と、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂにおける上流側端部を流れる冷媒の温度との差を示しているが、これに限定されない。例えば、温度差ΔＴは、空気温度Ｔ２と、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂを流れる冷媒温度の平均値との差であってもよい。この場合の冷媒温度の平均値は、例えば中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂにおける上流側端部を流れる冷媒の温度と、中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂにおける下流側端部を流れる冷媒の温度との平均を算出することにより得られる。
図４（Ａ）に示すパス構成を有する熱交換器１１Ａでは、中間管列Ｌ２の領域に流入する空気は、この領域に至る前に風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａとの間で熱交換されているだけであるので、温度がＴ２までしか低下していない。したがって、温度差ΔＴは、熱交換器１０１における温度差ΔＴ０よりも大きくなる。したがって、熱交換器１１Ａでは、冷媒の過熱度を所定値まで上げるために必要な伝熱管１５ｂの領域ＳＨは、熱交換器１０１における領域ＳＨ０に比べて小さくなるので、熱交換器１０１に比べて冷房能力の低下を抑制することができる。
また、熱交換器１１Ａでは、液配管９２が風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａ（１列目の伝熱管）に接続されているので、暖房運転時（室内熱交換器１１Ａが凝縮器として使用される場合）において、冷媒に過冷却をつけるのに必要な熱交換器１１Ａの出口に近い領域を小さくできる。すなわち、図４（Ｂ）に示すように暖房運転時には、風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａを流れる冷媒は、気流方向Ａの最上流に位置しているので、未だ熱交換されていない空気との間で熱交換される。したがって、各パスＰの伝熱管１５ａを流れる冷媒の温度と空気の温度との温度差が大きくなるので、冷媒を所定の過冷却度まで冷却するのに必要な伝熱管１５ａの下流側領域は、液配管９２が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂや風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃに接続されている場合に比べて小さくなる。これにより、熱交換器１１Ａでは、暖房能力を重視しつつ、冷房能力の低下を抑制することができる。
（参考例１）
図７（Ａ），（Ｂ）は、熱交換器１１Ａの参考例１を示す左側面図である。図７（Ａ）は、参考例１の熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示しており、図７（Ｂ）は、参考例１の熱交換器１１Ａが凝縮器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
この参考例１では、複数のパスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから流出する風下流出パスと、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスとを含む。風上流出パスは、パスＰ１，Ｐ２，Ｐ１３，Ｐ１４であり、中間流出パスは、パスＰ３〜Ｐ１２である。中間流出パスは、風下流出パスよりも多く存在している。
（参考例２）
図８（Ａ）は、熱交換器１１Ａ（１１）の参考例２を示す左側面図であり、熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
この参考例２では、熱交換器１１Ａは１１個のパスＰ１〜Ｐ１１を有している。各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。また、蒸発器として使用される場合において、冷媒は、各パスＰにおける風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入する。
上部に位置するパスＰ１〜Ｐ４は、３本の伝熱管１５と２つのＵ字管部とから構成されている（１．５往復）。これらのパスＰよりも下方に位置するパスＰ５〜Ｐ１１は、５本の伝熱管１５と４つのＵ字管部とから構成されている（２．５往復）。このように位置に応じてパスＰの流路長を異ならせるというパス構成は、気流方向Ａに流れる空気の速度が上下方向の位置によってばらつきがある場合に有効である。
具体的には、図８（Ａ）に示す参考例２では、気流方向Ａに流れる空気の速度は、熱交換器１１Ａの下部よりも上部の方が高い。すなわち、パスＰ１〜Ｐ４付近を通過する空気の速度は、パスＰ５〜Ｐ１１付近を通過する空気の速度よりも高い。空気の速度が低いほど空気とパスＰを流れる冷媒との熱交換の効率も低くなる傾向にあるので、空気の速度が相対的に低いパスＰ５〜Ｐ１１の流路長をパスＰ１〜Ｐ４よりも長くすることにより、これらのパスＰ５〜Ｐ１１における空気と冷媒との熱交換を促進することができる。
上記のような空気の速度分布がある場合、仮に全てのパスＰが同じ流路長であると、それぞれのパスＰに流れる冷媒の流量にもばらつきが生じる。一方、この参考例２では、空気の速度に応じてパスＰの流路長を調整しているので、それぞれのパスＰに流れる冷媒の流量比を適正化することができる。
（参考例３）
図８（Ｂ）は、熱交換器１１Ａ（１１）の参考例３を示す左側面図であり、熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
この参考例３では、熱交換器１１Ａは１１個のパスＰ１〜Ｐ１１を有している。各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。また、蒸発器として使用される場合において、冷媒は、各パスＰにおける風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入する。
上部に位置するパスＰ１〜Ｐ５は、３本の伝熱管１５と２つのＵ字管部とから構成されている（１．５往復）。上下方向の中央付近に位置するパスＰ６〜Ｐ１０は、５本の伝熱管１５と４つのＵ字管部とから構成されている（２．５往復）。最下部に位置するパスＰ１１は、７本の伝熱管１５と６つのＵ字管部とから構成されている（３．５往復）。このように位置に応じてパスＰの流路長を異ならせるというパス構成は、気流方向Ａに流れる空気の速度が上下方向の位置によってばらつきがある場合に有効であり、参考例２と同様の効果が得られる。
さらに、参考例３では、図８（Ｂ）における熱交換器１１Ａの下面及びパスＰ１１の両側部を囲むように図略のドレンパンが配設される場合を想定している。このような位置にドレンパンが配設されると、パスＰ１１付近を流れる空気の速度は、これより上方を流れる空気の速度よりも低くなりやすい。したがって、ドレンパンの影響を受けるパスＰ１１の流路長を他のパスＰよりも長くすることにより、パスＰ１１における熱交換の促進及び冷媒の流量比の適正化を図ることができる。
（変形例１）
図９は、熱交換器１１Ａ（１１）の変形例１を示す左側面図であり、熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
この変形例１では、熱交換器１１Ａは１５個のパスＰ１〜Ｐ１５を有している。各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。また、蒸発器として使用される場合において、冷媒は、各パスＰにおける風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入する。
パスＰ１〜Ｐ１４は、３本の伝熱管１５と２つのＵ字管部とから構成されている（１．５往復）。最下部に位置するパスＰ１５は、５本の伝熱管１５と４つのＵ字管部とから構成されている（２．５往復）。この変形例１では、上述した参考例３と同様に、ドレンパンの影響を受けるパスＰ１５の流路長を他のパスＰよりも長くすることにより、パスＰ１５における熱交換の促進及び冷媒の流量比の適正化を図ることができる。
（参考例４）
図１０（Ａ）は、熱交換器１１Ａ（１１）の参考例４を示す左側面図であり、熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
この参考例４では、熱交換器１１Ａは９個のパスＰ１〜Ｐ９を有している。各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。また、蒸発器として使用される場合において、冷媒は、各パスＰにおける風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入する。
上部に位置するパスＰ１〜Ｐ３は、４本の伝熱管１５と３つのＵ字管部とから構成されている（２往復）。これらのパスＰよりも下方に位置するパスＰ４〜Ｐ９は、６本の伝熱管１５と５つのＵ字管部とから構成されている（３往復）。このように位置に応じてパスＰの流路長を異ならせるというパス構成は、上述した変形例２と同様に、気流方向Ａに流れる空気の速度が上下方向の位置によってばらつきがある場合に有効である。
（変形例２）
図１０（Ｂ）は、熱交換器１１Ａ（１１）の変形例２を示す左側面図であり、熱交換器１１Ａが蒸発器として使用される場合における冷媒が流れる経路を示している。
この変形例２では、熱交換器１１Ａは８個のパスＰ１〜Ｐ８を有している。各パスＰは、蒸発器として使用される場合において、冷媒が中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから流出する中間流出パスである。また、蒸発器として使用される場合において、冷媒は、各パスＰにおける風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａに流入する。各パスＰは、６本の伝熱管１５と５つのＵ字管部とから構成されている（３往復）。
＜実施形態の概要＞
以上の実施形態をまとめると以下のようになる。
本実施形態では、複数のパスＰには、凝縮器として使用される場合と蒸発器として使用される場合の両方において並行流部Ｒ１と対向流部Ｒ２とが共に存在する共存パスＰが少なくとも１つ含まれている。すなわち、本実施形態の熱交換器は、凝縮器として使用される場合と蒸発器として使用される場合のいずれの場合においても、直交対向流となる領域と直交並行流となる領域とが存在する共存パスを少なくとも１つ有している。したがって、全てのパスが直交対向流又は直交並行流のいずれか一方である場合と比べて、暖房能力と冷房能力のバランスが向上する。
本実施形態の共存パスＰでは、凝縮器として使用される場合において気流方向Ａの風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａから冷媒が流出するように構成することにより、凝縮器において冷媒に過冷却をつけやすくなる。また、蒸発器として使用される場合において気流方向Ａの風下管列Ｌ３よりも上流側の中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから冷媒が流出するように構成することにより、気流方向Ａの最下流の風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから冷媒が流出する場合に比べて、蒸発器において冷媒に過熱をつけやすくなる。
これにより、本実施形態では、凝縮能力に重点を置きつつ、蒸発能力の低下を抑制することができる。したがって、本実施形態の熱交換器を例えば室内熱交換器として用いた場合には、暖房能力を重視しつつ冷房能力の低下を抑制することができる。また、本実施形態の熱交換器を例えば室外熱交換器として用いた場合には、冷房能力を重視しつつ暖房能力の低下を抑制することができる。
本実施形態では、複数のパスＰには、蒸発器として使用されるときに冷媒が風下管列Ｌ３の伝熱管１５ｃから流出する風下流出パスＰよりも共存パスＰの方が多く含まれているので、暖房能力と冷房能力のバランスを向上させる効果をさらに高めることができる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
なお、他の参考例としては、例えば、凝縮器として使用される場合において風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａから冷媒が流出し、且つ蒸発器として使用される場合において風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａから冷媒が流出するパス構成、凝縮器として使用される場合において中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから冷媒が流出し、且つ蒸発器として使用される場合において中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから冷媒が流出するパス構成、凝縮器として使用される場合において中間管列Ｌ２の伝熱管１５ｂから冷媒が流出し、且つ蒸発器として使用される場合において風上管列Ｌ１の伝熱管１５ａから冷媒が流出するパス構成などが挙げられる。
また、さらに他の参考例では、３つの管列Ｌ１〜Ｌ３からなる列構成を例示したが、これに限定されない。４つ以上の管列からなる列構成を有する熱交換器であってもよい。
１１ 空気調和機用熱交換器
１１Ａ 室内熱交換器
１１Ｂ 室外熱交換器
１３ フィン
１５ 伝熱管
１７ Ｕ字管部
８１ 空気調和機
Ａ 気流方向
Ｐ（Ｐ１〜Ｐ１４） パス
Ｌ 管列
Ｌ１ 風上管列
Ｌ２ 中間管列
Ｌ３ 風下管列
Ｒ１ 並行流部
Ｒ２ 対向流部

Claims (2)

  1. 複数のフィン(13)と、前記フィン(13)を貫通する複数の伝熱管(15)とを備え、前記伝熱管(15)が略水平な気流方向(A)に交差する上下方向に複数本並んで形成される管列(L)を３列有し、冷媒経路として複数のパス(P)を有し、暖房運転と冷房運転の切り換えが可能な空気調和機に用いられるクロスフィンチューブ式の熱交換器であって、
    各パス(P)は、凝縮器として使用される場合と蒸発器として使用される場合の両方において、冷媒が前記３列の管列(L)のうちのいずれかの管列(L)の伝熱管(15)からこの管列(L)よりも前記気流方向(A)の下流側の管列(L)の伝熱管(15)に流れる並行流部(R1)と、冷媒が前記３列の管列(L)のうちのいずれかの管列(L)の伝熱管(15)からこの管列(L)よりも前記気流方向(A)の上流側の管列(L)の伝熱管(15)に流れる対向流部(R2)とが共に存在する共存パス(P)であり、
    前記３列の管列(L)は、前記気流方向(A)の最上流に位置する風上管列(L1)と、前記気流方向(A)の最下流に位置する風下管列(L3)と、前記風上管列(L1)と前記風下管列(L3)の間に位置する中間管列(L2)とからなり、
    各共存パス(P)は、
    凝縮器として使用される場合において、冷媒が前記中間管列(L2)の伝熱管(15b)から前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)に流れる並行流部(R1)と、冷媒が前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)から前記風上管列(L1)の伝熱管(15a)に流れる対向流部(R2)とが存在し、
    蒸発器として使用される場合において、冷媒が前記風上管列(L1)の伝熱管(15a)から前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)に流れる並行流部(R1)と、冷媒が前記風下管列(L3)の伝熱管(15c)から前記中間管列(L2)の伝熱管(15b)に流れる対向流部(R2)とが存在し、冷媒が前記中間管列(L2)の伝熱管(15b)から流出する中間流出パス(P)であり、
    各中間流出パス(P)を構成する伝熱管(15a,15b,15c)は、
    隣りの中間流出パス(P)を構成する伝熱管(15a,15b,15c)に対して上下方向にずれた位置にあり、且つ
    前記隣りの中間流出パス(P)を構成する伝熱管(15a,15b,15c)とは、水平方向に見たときに互いに重なり合う位置にはない、空気調和機用熱交換器。
  2. 前記気流方向(A)に流れる空気の速度は、前記熱交換器の下部よりも上部の方が高く、
    前記複数のパス(P)のうち下部に位置するパス(P)の流路長は、上部に位置するパス(P)の流路長よりも長い、請求項１に記載の空気調和機用熱交換器。
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