JPWO2016056064A1 - 熱交換器、及び、空気調和装置 - Google Patents

Abstract

熱交換器１は、冷媒として不均化反応を生じる冷媒が用いられる熱交換器であって、複数の第１伝熱管１１が並設された主熱交換部１０と、複数の第２伝熱管２１が並設された副熱交換部２０と、複数の第１伝熱管１１と複数の第２伝熱管２１とを接続する複数の中継流路４０Ａが形成された中継部４０と、を備え、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａが、１つの第２伝熱管２１に接続され、複数の出口部４０Ａｂのそれぞれが、複数の第１伝熱管１１のそれぞれに接続され、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部４０Ａｂから流出させるものである。

Description

本発明は、主熱交換部と副熱交換部とを備えた熱交換器と、その熱交換器を備えた空気調和装置と、に関するものである。

空気調和装置等の冷凍サイクル装置において、冷媒を、Ｒ１３４ａ冷媒等と比較して沸点が低い、ＨＦＣ混合冷媒であるＲ４１０Ａ冷媒、Ｒ４０７Ｃ冷媒等から、Ｒ１２３４ｙｆ冷媒に置き換えようとすると、Ｒ１２３４ｙｆ冷媒の動作圧力が低いことに起因して、冷媒循環量を増大させる必要が生じる。その結果、冷媒循環回路を流れる冷媒の流速が大きくなって、冷媒に生じる圧力損失が大きくなり、冷凍サイクル装置の運転効率が低下する。そこで、冷媒を、ＨＦＣ混合冷媒であるＲ４１０Ａ冷媒、Ｒ４０７Ｃ冷媒等から、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒に置き換えることが検討されている。Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ冷媒とＧＷＰが同等であり、且つ、Ｒ１２３４ｙｆ冷媒と比較して動作圧力が高い。そのため、冷媒をＲ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒に置き換える場合には、冷媒をＲ１２３４ｙｆ冷媒に置き換える場合と比較して、冷凍サイクル装置の運転効率を向上することが可能である。

一方、従来の熱交換器として、複数の第１伝熱管が並設された主熱交換部と、複数の第２伝熱管が並設された副熱交換部と、複数の第１伝熱管と複数の第２伝熱管とを接続する複数の中継流路が形成された中継部と、を備えたものがある。中継流路の入口部は、第２伝熱管に接続され、中継流路の出口部は、第１伝熱管に接続される。熱交換器が蒸発器として作用する際は、冷媒が、第２伝熱管から中継流路を介して第１伝熱管に流入する。熱交換器が凝縮器として作用する際は、冷媒が、第１伝熱管から中継流路を介して第２伝熱管に流入する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−８３４１９号公報（段落［００３９］〜段落［００５２］、図２）

従来の熱交換器では、中継流路が、第２伝熱管が接続された複数の入口部と、第１伝熱管が接続された複数の出口部と、を有する。そのため、熱交換器が蒸発器として作用する際に、複数の第２伝熱管から中継流路に流入した冷媒が、一旦合流した後に複数の第１伝熱管に分配されることとなって、冷媒が中継部を通過することで生じる圧力損失が増大してしまう。そのため、そのような熱交換器を備えた空気調和装置等の冷凍サイクル装置において、冷媒をＲ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒に置き換える場合には、冷媒が高温高圧になって不均化反応を生じやすくなってしまう。また、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒の化学的安定性が低いことに起因して、冷媒循環回路内において分解及び他の物質との結合が促進されることとなって、スラッジが発生して、流路の閉塞が生じやすくなってしまう。つまり、主熱交換部と副熱交換部とを備えた熱交換器に、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒を適用する技術が確立されていないという問題点があった。

本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒を適用できる熱交換器を得ることを目的とする。また、本発明は、そのような熱交換器を備えた空気調和装置を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、冷媒として不均化反応を生じる冷媒が用いられる熱交換器であって、複数の第１伝熱管が並設された主熱交換部と、複数の第２伝熱管が並設された副熱交換部と、前記複数の第１伝熱管と前記複数の第２伝熱管とを接続する複数の中継流路が形成された中継部と、を備え、前記中継流路は、１つの入口部が、１つの前記第２伝熱管に接続され、複数の出口部のそれぞれが、複数の前記第１伝熱管のそれぞれに接続され、前記１つの入口部から流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、前記複数の出口部から流出させるものである。

本発明に係る熱交換器では、中継流路が、１つの入口部が１つの第２伝熱管に接続され、複数の出口部のそれぞれが複数の第１伝熱管のそれぞれに接続され、熱交換器が蒸発器として作用する際に、１つの入口部から流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部から流出させるものであるため、冷媒が中継部を通過することで生じる圧力損失が低減される。そのため、そのような熱交換器を備えた空気調和装置等の冷凍サイクル装置において、冷媒をＲ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒に置き換える場合に、運転効率が向上されて吐出温度が低くなり、冷媒が不均化反応を生じることが抑制される。また、中継流路の数が主熱交換部及び副熱交換部のパス数と比較して少ないことに起因して、中継流路における閉塞の発生が熱交換器の性能低下に大きく影響するため、中継流路において、スラッジの発生、つまり閉塞が抑制されることで、熱交換器の性能低下が効率よく抑制される。

実施の形態１に係る熱交換器の、斜視図である。 実施の形態１に係る熱交換器の、主熱交換部と中継部の一部との上面図である。 実施の形態１に係る熱交換器の、副熱交換部と中継部の一部との上面図である。 実施の形態１に係る熱交換器の、積層型ヘッダの分解された状態での斜視図である。 実施の形態１に係る熱交換器の、筒型ヘッダの斜視図である。 実施の形態１に係る熱交換器の、複数の中継流路の平均流路長と、複数の中継流路の平均水力相当直径と、中継流路の数と、冷媒が中継部を通過することで生じる圧力損失と、の関係を示す図である。 実施の形態１に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成及び動作を説明するための図である。 実施の形態１に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成及び動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る熱交換器の、斜視図である。 実施の形態３に係る熱交換器の、斜視図である。 実施の形態４に係る熱交換器の、斜視図である。 実施の形態４に係る熱交換器の、主熱交換部と中継部の一部との上面図である。 実施の形態４に係る熱交換器の、図１２におけるＡ−Ａ線での断面図である。 実施の形態４に係る熱交換器の、副熱交換部と中継部の一部との上面図である。 実施の形態４に係る熱交換器の、図１４におけるＢ−Ｂ線での断面図である。

以下、本発明に係る熱交換器について、図面を用いて説明する。
なお、以下で説明する構成、動作等は、一例にすぎず、本発明に係る熱交換器は、そのような構成、動作等である場合に限定されない。また、各図において、同一又は類似するものには、同一の符号を付すか、又は、符号を付すことを省略している場合がある。また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。

また、以下では、本発明に係る熱交換器が、空気調和装置に適用される場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、例えば、冷媒循環回路を有する他の冷凍サイクル装置に適用されてもよい。また、空気調和装置が、暖房運転と冷房運転とを切り替えるものである場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、暖房運転又は冷房運転のみを行うものであってもよい。

実施の形態１．
実施の形態１に係る熱交換器について説明する。
＜熱交換器の概要＞
図１は、実施の形態１に係る熱交換器の、斜視図である。図２は、実施の形態１に係る熱交換器の、主熱交換部と中継部の一部との上面図である。図３は、実施の形態１に係る熱交換器の、副熱交換部と中継部の一部との上面図である。なお、図１〜図３では、熱交換器１が蒸発器として作用する際の冷媒の流れを、墨付き矢印で示している。また、図１〜図３では、熱交換器１で冷媒と熱交換する空気の流れを、白抜き矢印で示している。

図１〜図３に示されるように、熱交換器１は、主熱交換部１０と、副熱交換部２０と、を備える。副熱交換部２０は、主熱交換部１０の重力方向の下方に位置する。主熱交換部１０は、並設された複数の第１伝熱管１１を有し、副熱交換部２０は、並設された複数の第２伝熱管２１を有する。第１伝熱管１１は、複数の流路が形成された扁平管１１ａと、その両端に取り付けられたジョイント管１１ｂと、を有する。第２伝熱管２１は、複数の流路が形成された扁平管２１ａと、その両端に取り付けられたジョイント管２１ｂと、を有する。ジョイント管１１ｂ及びジョイント管２１ｂは、扁平管１１ａ及び扁平管２１ａに形成された複数の流路を１つの流路に纏める機能を有する。扁平管１１ａ及び扁平管２１ａが、１つの流路が形成された円管である場合には、第１伝熱管１１及び第２伝熱管２１は、ジョイント管１１ｂ及びジョイント管２１ｂを有しない。

フィン３０が、例えばロウ付け接合によって、複数の第１伝熱管１１及び複数の第２伝熱管２１を跨がるように接合される。フィン３０が、複数の第１伝熱管１１に跨がる部分と、複数の第２伝熱管２１に跨がる部分と、に分割されていてもよい。

複数の第１伝熱管１１と複数の第２伝熱管２１とは、中継部４０に形成された複数の中継流路４０Ａによって接続される。中継部４０は、複数の配管４１と、内部に複数の分岐流路４２Ａが形成された積層型ヘッダ４２と、を有する。複数の配管４１のそれぞれの一端が、複数の分岐流路４２Ａのそれぞれに接続されて、複数の中継流路４０Ａのそれぞれが形成される。つまり、中継流路４０Ａは、１つの配管４１と、積層型ヘッダ４２の内部に形成された１つの分岐流路４２Ａと、で構成され、配管４１の入口部は、中継流路４０Ａの入口部４０Ａａとなり、分岐流路４２Ａの出口部は、中継流路４０Ａの出口部４０Ａｂとなる。配管４１の他端は、第２伝熱管２１に接続される。第１伝熱管１１の一端は、分岐流路４２Ａの出口部に接続され、第１伝熱管１１の他端は、筒型ヘッダ８０に接続される。筒型ヘッダ８０の内部には、合流流路８０Ａが形成される。

熱交換器１が蒸発器として作用する際には、ディストリビュータ２で分岐された冷媒が、配管３を通過して第２伝熱管２１に流入する。第２伝熱管２１を通過した冷媒は、配管４１を通って分岐流路４２Ａに流入する。分岐流路４２Ａに流入した冷媒は、分岐されて複数の第１伝熱管１１に流入し、合流流路８０Ａに流入する。合流流路８０Ａに流入した冷媒は、合流した後に配管４に流出する。つまり、熱交換器１が蒸発器として作用する際には、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、複数の出口部４０Ａｂから流出させる。冷媒は、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒である。

熱交換器１が凝縮器として作用する際には、配管４の冷媒が、合流流路８０Ａに流入する。合流流路８０Ａに流入した冷媒は、複数の第１伝熱管１１に分配され、分岐流路４２Ａに流入する。分岐流路４２Ａに流入した冷媒は、合流した後に配管４１を通って第２伝熱管２１に流入する。第２伝熱管２１を通過した冷媒は、配管３に流入し、ディストリビュータ２で合流される。つまり、熱交換器１が凝縮器として作用する際には、中継流路４０Ａは、複数の出口部４０Ａｂから流入する冷媒を、１つの入口部４０Ａａから流出させる。

＜積層型ヘッダの詳細＞
図４は、実施の形態１に係る熱交換器の、積層型ヘッダの分解された状態での斜視図である。なお、図４では、熱交換器１が蒸発器として作用する際の冷媒の流れを、墨付き矢印で示している。

図４に示されるように、積層型ヘッダ４２は、両面にロウ材が塗布されない複数のベア材５１と、両面にロウ材が塗布された複数のクラッド材５２と、が交互に積層されたものである。ベア材５１及びクラッド材５２が積層されることによって、それらに形成された貫通穴が連結されて、複数の分岐流路４２Ａが形成される。分岐流路４２Ａは、１つの入口部から流入する冷媒を分岐させて複数の出口部から流出させるものであり、その途中部において、冷媒の合流が生じない。第１伝熱管１１に最も近いベア材５１の複数の貫通穴には、第１伝熱管１１が接続される複数のジョイント管５３が接合される。

なお、図４では、分岐流路４２Ａが、１つの入口部から流入する冷媒を２分岐させて複数の出口部から流出させるものである場合を示しているが、分岐流路４２Ａが、１つの入口部から流入する冷媒を３つ以上に分岐させて複数の出口部から流出させるものであってもよい。また、図４では、分岐流路４２Ａが、１度だけ２分岐させるものである場合を示しているが、分岐流路４２Ａが、２分岐を複数回繰り返すものであってもよい。このように構成されることで、冷媒の分配の均一性が向上される。特に、第１伝熱管１１が水平方向と交差する方向に並設されるものである場合には、冷媒の分配の均一性の向上が顕著となる。また、扁平管１１ａが、分岐流路４２Ａに直接接続されてもよい。つまり、第１伝熱管１１がジョイント管１１ｂを有しなくてもよい。積層型ヘッダ４２は、筒型ヘッダ等の他のタイプのヘッダであってもよい。

＜筒型ヘッダの詳細＞
図５は、実施の形態１に係る熱交換器の、筒型ヘッダの斜視図である。なお、図５では、熱交換器１が蒸発器として作用する際の冷媒の流れを、墨付き矢印で示している。

図５に示されるように、筒型ヘッダ８０は、一方の端部と他方の端部とが閉塞された円筒部８１が、軸方向が水平方向と交差するように配設されたものである。円筒部８１の側壁には、第１伝熱管１１が接続される複数のジョイント管８２が接合される。扁平管１１ａが、合流流路８０Ａに直接接続されてもよい。つまり、第１伝熱管１１がジョイント管１１ｂを有しなくてもよい。筒型ヘッダ８０は、他のタイプのヘッダであってもよい。

＜中継部の詳細＞
配管４１は、１つの第２伝熱管２１と、分岐流路４２Ａの１つの入口部と、を接続するものであり、配管４１において、冷媒の合流が生じない。また、分岐流路４２Ａは、１つの入口部から流入する冷媒を分岐させて複数の出口部から流出させるものであり、その途中部において、冷媒の合流が生じない。つまり、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部４０Ａｂから流出させるものである。このように構成されることで、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。

そのため、そのような熱交換器１を備えた空気調和装置等の冷凍サイクル装置において、冷媒をＲ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒に置き換える場合に、運転効率が向上されて吐出温度が低くなり、冷媒が不均化反応を生じることが抑制される。また、中継流路４０Ａの数が主熱交換部１０及び副熱交換部２０のパス数と比較して少ないことに起因して、中継流路４０Ａにおける閉塞の発生が熱交換器１の性能低下に大きく影響するため、中継流路４０Ａにおいて、スラッジの発生、つまり閉塞が抑制されることで、熱交換器１の性能低下が効率よく抑制される。

また、熱交換器１は、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が、冷媒が副熱交換部２０を通過することで生じる圧力損失と比較して小さくなるように構成されるとよい。熱交換器１が蒸発器として作用する際には、第２伝熱管２１を液相状態又は低乾き度の二相状態の冷媒が通過し、配管４１を中程度の乾き度の二相状態の冷媒が通過することとなる。また、熱交換器１が凝縮器として作用する際には、配管４１を中程度の乾き度の二相状態の冷媒が通過し、第２伝熱管２１を液相状態又は低乾き度の二相状態の冷媒が通過することとなる。そして、液相状態又は低乾き度の二相状態の冷媒は、中程度の乾き度の二相状態の冷媒と比較して、伝熱性能が低い。

そのため、このように構成されることで、熱交換器１が蒸発器として作用する際、及び、熱交換器１が凝縮器として作用する際に、伝熱性能が低い液相状態又は低乾き度の二相状態の冷媒が通過する第２伝熱管２１における冷媒の流速が大きくなって、副熱交換部２０の熱伝達が優先的に促進されて、熱交換器１の熱交換性能が向上されることとなる。また、熱交換器１が凝縮器として作用する際に、液相状態又は低乾き度の二相状態の冷媒が通過する第２伝熱管２１に液膜が生じて、熱伝達が阻害されることが、冷媒の流速の増大に伴う液捌け性の向上によって改善されることとなって、熱交換器１の熱交換性能が向上されることとなる。

また、熱交換器１は、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が、冷媒が主熱交換部１０を通過することで生じる圧力損失と比較して大きくなるように構成されるとよい。冷媒が熱交換器１を通過することで生じる圧力損失において、冷媒が主熱交換部１０を通過することで生じる圧力損失が支配的である。そのため、このように構成されることで、冷媒が熱交換器１を通過することで生じる圧力損失を低減することと、中継部４０の中継流路４０Ａを圧力損失が大きいものにして中継部４０を省スペース化することで、フィン３０のピッチ、フィン３０の枚数等を増やして、主熱交換部１０及び副熱交換部２０の熱交換面積を確保することと、が両立される。また、熱交換器１が蒸発器として作用する際に、重力方向の上方に位置する主熱交換部１０に冷媒を供給しやすくなるため、冷媒の流速が低い場合に生じる冷媒の分配性能の悪化が抑制される。

また、中継流路４０Ａの流路断面積は、その中継流路４０Ａの１つの入口部４０Ａａに接続された１つの第２伝熱管２１の流路断面積以上であり、且つ、その中継流路４０Ａの複数の出口部４０Ａｂに接続された複数の第１伝熱管１１の流路断面積の合計以下であるとよい。なお、中継流路４０Ａの流路断面積は、中継流路４０Ａのうちの分岐される前の冷媒が通過する領域においては、１つの流路の断面積と定義され、中継流路４０Ａのうちの分岐された後の冷媒が通過する領域においては、複数の流路の断面積の合計と定義される。

冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］は、複数の中継流路４０Ａの平均流路長Ｌ［ｍ］と、複数の中継流路４０Ａの平均水力相当直径ｄ［ｍ］と、中継流路４０Ａの数Ｎと、係数ａと、によって、以下の式のように表される。なお、中継流路４０Ａの流路長は、中継流路４０Ａのうちの分岐される前の冷媒が通過する領域における、１つの流路の流路長と、中継流路４０Ａのうちの分岐された後の冷媒が通過する領域における、複数の流路の流路長の平均と、の合計と定義される。中継流路４０Ａの水力相当直径は、中継流路４０Ａのうちの分岐される前の冷媒が通過する領域においては、１つの流路の断面積と１つの流路の濡れ縁長さとから定義され、中継流路４０Ａのうちの分岐された後の冷媒が通過する領域においては、複数の流路の断面積の合計と複数の流路の濡れ縁長さの合計とから定義される。

［数１］
ΔＰ ＝ ａ×Ｌ／（ｄ^５×Ｎ^２） ・・・（１）

よって、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］において、複数の中継流路４０Ａの平均水力相当直径ｄ［ｍ］と、中継流路４０Ａの数Ｎと、が支配的である。

そのため、中継流路４０Ａの流路断面積を上述の如く規定することで、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が、冷媒が副熱交換部２０を通過することで生じる圧力損失と比較して小さくなり、且つ、冷媒が主熱交換部１０を通過することで生じる圧力損失と比較して大きくなる構成と、ほぼ等しい構成を、簡易に実現することが可能となる。

また、複数の中継流路４０Ａの平均流路長Ｌ［ｍ］と、複数の中継流路４０Ａの平均水力相当直径ｄ［ｍ］と、中継流路４０Ａの数Ｎと、が、以下の式の関係を満たすとよい。

［数２］
４．３×１０^６ ≦ Ｌ／（ｄ^５×Ｎ^２） ≦ ３．０×１０^１０ ・・・（２）

図６は、実施の形態１に係る熱交換器の、複数の中継流路の平均流路長と、複数の中継流路の平均水力相当直径と、中継流路の数と、冷媒が中継部を通過することで生じる圧力損失と、の関係を示す図である。
図６に示されるように、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］は、Ｌ／（ｄ^５×Ｎ^２）が３．０×１０^１０を越えた領域Ａにおいて、急増する。また、Ｌ／（ｄ^５×Ｎ^２）が４．３×１０^６を越えない領域Ｂにおいては、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］が小さすぎる、つまり、中継部４０が大型化されて、熱交換器１の熱交換性能が確保されなくなってしまう。

そのため、複数の中継流路４０Ａの平均流路長Ｌ［ｍ］と、複数の中継流路４０Ａの平均水力相当直径ｄ［ｍ］と、中継流路４０Ａの数Ｎと、を上述の如く規定することで、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］を低減することと、熱交換器１の熱交換性能を確保することと、が両立される。

＜熱交換器が適用される空気調和装置＞
図７及び図８は、実施の形態１に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成及び動作を説明するための図である。なお、図７は、空気調和装置１００が暖房運転する場合を示している。また、図８は、空気調和装置１００が冷房運転する場合を示している。

図７及び図８に示されるように、空気調和装置１００は、圧縮機１０１と、四方弁１０２と、室外熱交換器（熱源側熱交換器）１０３と、絞り装置１０４と、室内熱交換器（負荷側熱交換器）１０５と、室外ファン（熱源側ファン）１０６と、室内ファン（負荷側ファン）１０７と、制御装置１０８と、を有する。圧縮機１０１と四方弁１０２と室外熱交換器１０３と絞り装置１０４と室内熱交換器１０５とが配管で接続されて、冷媒循環回路が形成される。四方弁１０２は、他の流路切替装置であってもよい。室外ファン１０６は、室外熱交換器１０３の風上側に設けられてもよく、また、室外熱交換器１０３の風下側に設けられてもよい。また、室内ファン１０７は、室内熱交換器１０５の風上側に設けられてもよく、また、室内熱交換器１０５の風下側に設けられてもよい。

制御装置１０８には、例えば、圧縮機１０１、四方弁１０２、絞り装置１０４、室外ファン１０６、室内ファン１０７、各種センサ等が接続される。制御装置１０８によって、四方弁１０２の流路が切り替えられることで、暖房運転と冷房運転とが切り替えられる。

図７に示されるように、空気調和装置１００が暖房運転する際には、圧縮機１０１から吐出される高圧高温の冷媒は、四方弁１０２を介して室内熱交換器１０５に流入し、室内ファン１０７によって供給される空気との熱交換によって凝縮することで、室内を暖房する。凝縮した冷媒は、室内熱交換器１０５から流出し、絞り装置１０４によって、低圧の冷媒となる。低圧の冷媒は、室外熱交換器１０３に流入し、室外ファン１０６によって供給される空気と熱交換を行い、蒸発する。蒸発した冷媒は、室外熱交換器１０３から流出し、四方弁１０２を介して圧縮機１０１に吸入される。つまり、暖房運転時には、室外熱交換器１０３は、蒸発器として作用し、室内熱交換器１０５は、凝縮器として作用する。

図８に示されるように、空気調和装置１００が冷房運転する際には、圧縮機１０１から吐出される高圧高温の冷媒は、四方弁１０２を介して室外熱交換器１０３に流入し、室外ファン１０６によって供給される空気と熱交換を行い、凝縮する。凝縮した冷媒は、室外熱交換器１０３から流出し、絞り装置１０４によって、低圧の冷媒となる。低圧の冷媒は、室内熱交換器１０５に流入し、室内ファン１０７によって供給される空気との熱交換によって蒸発することで、室内を冷房する。蒸発した冷媒は、室内熱交換器１０５から流出し、四方弁１０２を介して圧縮機１０１に吸入される。つまり、冷房運転時には、室外熱交換器１０３は、凝縮器として作用し、室内熱交換器１０５は、蒸発器として作用する。

室外熱交換器１０３及び室内熱交換器１０５の少なくとも一方に、熱交換器１が用いられる。熱交換器１は、中継流路４０Ａが、蒸発器として作用する際に、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を複数の出口部４０Ａｂから流出させる状態になり、凝縮器として作用する際に、複数の出口部４０Ａｂから流入する冷媒を１つの入口部４０Ａａから流出させる状態になるように、接続される。

実施の形態２．
実施の形態２に係る熱交換器について説明する。
なお、実施の形態１と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
＜熱交換器の概要＞
図９は、実施の形態２に係る熱交換器の、斜視図である。なお、図９では、熱交換器１が蒸発器として作用する際の冷媒の流れを、墨付き矢印で示している。また、図９では、熱交換器１で冷媒と熱交換する空気の流れを、白抜き矢印で示している。

図９に示されるように、中継部４０は、複数の配管４１と、複数のディストリビュータ４３と、を有する。複数のディストリビュータ４３のそれぞれの入口部に、１つの配管４１が接続され、複数のディストリビュータ４３のそれぞれの複数の出口部に、複数の配管４１が接続されることで、複数の中継流路４０Ａのそれぞれが形成される。つまり、中継流路４０Ａは、配管４１と、ディストリビュータ４３と、で構成され、ディストリビュータ４３の入口部に接続された配管４１の入口部は、中継流路４０Ａの入口部４０Ａａとなり、ディストリビュータ４３の出口部に接続された配管４１の出口部は、中継流路４０Ａの出口部４０Ａｂとなる。

＜中継部の詳細＞
ディストリビュータ４３の入口部に接続された１つの配管４１は、ディストリビュータ４３の出口部に接続された複数の配管４１に分岐され、その途中部において、冷媒の合流が生じない。つまり、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部４０Ａｂから流出させるものである。このように構成されることで、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。つまり、実施の形態２に係る熱交換器１の中継部４０においても、実施の形態１に係る熱交換器１の中継部４０と同様の構成を採用することが可能であり、実施の形態１に係る熱交換器１の中継部４０と同様の作用が奏される。

また、配管４１の水力相当直径が、第１伝熱管１１及び第２伝熱管２１の段ピッチＤｐ［ｍ］と比較して十分小さいことで、配管４１を第１伝熱管１１及び第２伝熱管２１の本数分接続することが可能であるため、中継部４０の設計自由度が向上されることとなって、中継部４０を省スペース化することが可能となる。また、積層型ヘッダ４２が不要となることで、熱の移動が抑制されて、通常運転時の熱交換性能が向上される。また、積層型ヘッダ４２分の容量が低減されて、除霜運転時の運転時間が短縮される。

実施の形態３．
実施の形態３に係る熱交換器について説明する。
なお、実施の形態１及び実施の形態２と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
＜熱交換器の概要＞
図１０は、実施の形態３に係る熱交換器の、斜視図である。なお、図１０では、熱交換器１が蒸発器として作用する際の冷媒の流れを、墨付き矢印で示している。また、図１０では、熱交換器１で冷媒と熱交換する空気の流れを、白抜き矢印で示している。

図１０に示されるように、中継部４０は、複数の配管４１と、複数のディストリビュータ４３と、内部に複数の分岐流路４２Ａが形成された積層型ヘッダ４２と、を有する。複数のディストリビュータ４３のそれぞれの入口部に、１つの配管４１が接続され、複数のディストリビュータ４３のそれぞれの複数の出口部に、複数の配管４１が接続され、ディストリビュータ４３の複数の出口部に接続された複数の配管４１のそれぞれの一端が、複数の分岐流路４２Ａのそれぞれの入口部に接続されて、複数の中継流路４０Ａのそれぞれが形成される。つまり、中継流路４０Ａは、配管４１と、ディストリビュータ４３と、積層型ヘッダ４２の内部に形成された分岐流路４２Ａと、で構成され、ディストリビュータ４３の入口部に接続された配管４１の入口部は、中継流路４０Ａの入口部４０Ａａとなり、分岐流路４２Ａの出口部は、中継流路４０Ａの出口部４０Ａｂとなる。

＜中継部の詳細＞
ディストリビュータ４３の入口部に接続された１つの配管４１は、ディストリビュータ４３の出口部に接続された複数の配管４１に分岐され、その途中部において、冷媒の合流が生じない。また、分岐流路４２Ａは、１つの入口部から流入する冷媒を分岐させて複数の出口部から流出させるものであり、その途中部において、冷媒の合流が生じない。つまり、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部４０Ａｂから流出させるものである。このように構成されることで、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。つまり、実施の形態３に係る熱交換器１の中継部４０においても、実施の形態１に係る熱交換器１の中継部４０と同様の構成を採用することが可能であり、実施の形態１に係る熱交換器１の中継部４０と同様の作用が奏される。

また、積層型ヘッダ４２とディストリビュータ４３とが共用されることで、１つの中継流路４０Ａが接続される第１伝熱管１１の本数を増加しつつ、配管４１の本数を削減することが可能であるため、中継部４０を省スペース化することが可能である。

実施の形態４．
実施の形態４に係る熱交換器について説明する。
なお、実施の形態１〜実施の形態３と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。また、以下では、実施の形態４に係る熱交換器の中継部が、実施の形態１に係る熱交換器の中継部と同様である場合を説明しているが、実施の形態２又は実施の形態３に係る熱交換器の中継部と同様であってもよい。

＜熱交換器の概要＞
図１１は、実施の形態４に係る熱交換器の、斜視図である。図１２は、実施の形態４に係る熱交換器の、主熱交換部と中継部の一部との上面図である。図１３は、実施の形態４に係る熱交換器の、図１２におけるＡ−Ａ線での断面図である。図１４は、実施の形態４に係る熱交換器の、副熱交換部と中継部の一部との上面図である。図１５は、実施の形態４に係る熱交換器の、図１４におけるＢ−Ｂ線での断面図である。なお、図１１〜図１５では、熱交換器１が蒸発器として作用する際の冷媒の流れを、墨付き矢印で示している。また、図１１〜図１５では、熱交換器１で冷媒と熱交換する空気の流れを、白抜き矢印で示している。

図１１〜図１５に示されるように、熱交換器１は、主熱交換部１０と、副熱交換部２０と、を備える。主熱交換部１０は、並設された複数の第１伝熱管１１と、複数の第１伝熱管１１の風下側に位置する、並設された複数の第３伝熱管１２と、を有し、副熱交換部２０は、並設された複数の第２伝熱管２１と、複数の第２伝熱管２１の風上側に位置する、並設された複数の第４伝熱管２２と、を有する。第３伝熱管１２は、複数の流路が形成された扁平管１２ａと、その両端に取り付けられたジョイント管１２ｂと、を有する。第４伝熱管２２は、複数の流路が形成された扁平管２２ａと、その両端に取り付けられたジョイント管２２ｂと、を有する。ジョイント管１２ｂ及びジョイント管２２ｂは、扁平管１２ａ及び扁平管２２ａに形成された複数の流路を１つの流路に纏める機能を有する。扁平管１２ａ及び扁平管２２ａが、１つの流路が形成された円管である場合には、第３伝熱管１２及び第４伝熱管２２は、ジョイント管１２ｂ及びジョイント管２２ｂを有しない。

扁平管１１ａ及び扁平管１２ａは、中間部で折り返される。その折返し部がジョイント管によって形成されてもよい。扁平管１１ａと扁平管１２ａとは、高さ方向の位置がずれるように配設される。扁平管２２ａと扁平管２１ａとは、高さ方向の位置がずれるように配設される。このように構成されることで、熱交換性能が向上される。

風上側フィン３０ａが、例えばロウ付け接合等によって、複数の第１伝熱管１１及び複数の第４伝熱管２２を跨がるように接合される。風下側フィン３０ｂが、例えばロウ付け接合等によって、複数の第３伝熱管１２及び複数の第２伝熱管２１を跨がるように接合される。風上側フィン３０ａが、複数の第１伝熱管１１に跨がる部分と、複数の第４伝熱管２２に跨がる部分と、に分割されていてもよい。風下側フィン３０ｂが、複数の第３伝熱管１２に跨がる部分と、複数の第２伝熱管２１に跨がる部分と、に分割されていてもよい。

複数の第１伝熱管１１と複数の第２伝熱管２１とは、中継部４０に形成された複数の中継流路４０Ａによって接続される。複数の第１伝熱管１１のそれぞれの一端は、中継部４０に形成された複数の中継流路４０Ａのそれぞれの複数の出口部４０Ａｂのそれぞれに接続され、複数の第１伝熱管１１のそれぞれの他端は、列跨ぎ管１３を介して、複数の第３伝熱管１２のそれぞれの一端に接続される。複数の第２伝熱管２１のそれぞれの一端は、列跨ぎ管２３を介して、複数の第４伝熱管２２のそれぞれの一端に接続され、複数の第２伝熱管２１のそれぞれの他端は、中継部４０に形成された複数の中継流路４０Ａのそれぞれの１つの入口部４０Ａａに接続される。複数の第３伝熱管１２のそれぞれの他端は、筒型ヘッダ８０に接続される。

熱交換器１が蒸発器として作用する際には、ディストリビュータ２で分岐された冷媒が、配管３を通過して第４伝熱管２２に流入する。第４伝熱管２２を通過した冷媒は、列跨ぎ管２３を通って風下側に移り、第２伝熱管２１に流入する。第２伝熱管２１を通過した冷媒は、配管４１を通って分岐流路４２Ａに流入する。分岐流路４２Ａに流入した冷媒は、分岐されて複数の第１伝熱管１１に流入して折り返された後に、列跨ぎ管１３を通って風下側に移り、第３伝熱管１２に流入する。第３伝熱管１２を通過した冷媒は、合流流路８０Ａに流入して合流した後に、配管４に流出する。つまり、熱交換器１が蒸発器として作用する際には、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、複数の出口部４０Ａｂから流出させる。

熱交換器１が凝縮器として作用する際には、配管４の冷媒が、合流流路８０Ａに流入する。合流流路８０Ａに流入した冷媒は、複数の第３伝熱管１２に分配されて折り返された後に、列跨ぎ管１３を通って風上側に移り、第１伝熱管１１に流入する。第１伝熱管１１を通過した冷媒は、分岐流路４２Ａに流入して合流した後に、配管４１を通って第２伝熱管２１に流入する。第２伝熱管２１を通過した冷媒は、列跨ぎ管２３を通って風上側に移り、第４伝熱管２２に流入する。第４伝熱管２２を通過した冷媒は、配管３に流入し、ディストリビュータ２で合流される。つまり、熱交換器１が凝縮器として作用する際には、中継流路４０Ａは、複数の出口部４０Ａｂから流入する冷媒を、１つの入口部４０Ａａから流出させる。

＜中継部の詳細＞
配管４１は、１つの第２伝熱管２１と、分岐流路４２Ａの１つの入口部と、を接続するものであり、配管４１において、冷媒の合流が生じない。また、分岐流路４２Ａは、１つの入口部から流入する冷媒を分岐させて複数の出口部から流出させるものであり、その途中部において、冷媒の合流が生じない。つまり、中継流路４０Ａは、１つの入口部４０Ａａから流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部４０Ａｂから流出させるものである。このように構成されることで、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。つまり、実施の形態４に係る熱交換器１の中継部４０においても、実施の形態１に係る熱交換器１の中継部４０と同様の構成を採用することが可能であり、実施の形態１に係る熱交換器１の中継部４０と同様の作用が奏される。

また、主熱交換部１０が、並設された複数の第１伝熱管１１と、複数の第１伝熱管１１の風下側に位置する、並設された複数の第３伝熱管１２と、を有し、副熱交換部２０が、並設された複数の第２伝熱管２１と、複数の第２伝熱管２１の風上側に位置する、並設された複数の第４伝熱管２２と、を有する。そのため、熱交換器１が凝縮器として作用する際に、冷媒を、風下側から風上側に移す、つまり、気流と対向流にすることができ、熱交換器１の熱交換性能が向上される。そして、そのようなものであるにも関わらず、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。

特に、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒の臨界点が低いことに起因して、液部の割合が大きくなって熱交換性能が更に低下することが、冷媒を気流と対向流にして液部の伝熱を促進することによって抑制される。つまり、冷媒を気流と対向流にすることは、Ｒ１１２３冷媒、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒等の不均化反応を生じる特性を有する冷媒が適用された熱交換器１において、特に有効である。

また、積層型ヘッダ４２及び筒型ヘッダ８０が、主熱交換部１０の片側に並設されるため、積層型ヘッダ４２及び筒型ヘッダ８０をロウ付け接合した後に、熱交換器１を、例えばＬ字状に曲げることが可能である。熱交換器１を曲げた後に、積層型ヘッダ４２及び筒型ヘッダ８０をロウ付け接合する場合には、接合の箇所が多いことに起因して、炉で第１伝熱管１１及び第３伝熱管１２と風上側フィン３０ａ及び風下側フィン３０ｂとをロウ付け接合して曲げた後、再度、炉でロウ付け接合を行う必要が生じる。そして、再度、炉でロウ付け接合する際に、それ以前にロウ付け接合された箇所のロウが溶融して、接合不良が生じてしまい、生産性が低下してしまう。一方、積層型ヘッダ４２及び筒型ヘッダ８０をロウ付け接合した後に、熱交換器１を曲げる場合には、その後の作業が、配管４１等の接合のみであり、炉に投入することなくロウ付け接合することが可能であるため、製造コスト、生産性等が向上される。そして、そのようなものであるにも関わらず、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。

また、積層型ヘッダ４２と筒型ヘッダ８０とが並設されるものであるにも関わらず、別体で構成される。そのため、主熱交換部１０で熱交換する前の冷媒と熱交換した後の冷媒とが熱交換して、熱交換器１の熱交換効率が低下することが抑制される。更に、副熱交換部２０と積層型ヘッダ４２及び筒型ヘッダ８０とが、接触しない構成であるため、熱交換器１の熱交換効率が低下することが更に抑制される。そして、そのようなものであるにも関わらず、冷媒が中継部４０を通過することで生じる圧力損失が低減される。

１ 熱交換器、２ ディストリビュータ、３ 配管、４ 配管、１０ 主熱交換部、１１ 第１伝熱管、１１ａ 扁平管、１１ｂ ジョイント管、１２ 第３伝熱管、１２ａ 扁平管、１２ｂ ジョイント管、１３ 列跨ぎ管、２０ 副熱交換部、２１ 第２伝熱管、２１ａ 扁平管、２１ｂ ジョイント管、２２ 第４伝熱管、２２ａ 扁平管、２２ｂ ジョイント管、２３ 列跨ぎ管、３０ フィン、３０ａ 風上側フィン、３０ｂ 風下側フィン、４０ 中継部、４０Ａ 中継流路、４０Ａａ 入口部、４０Ａｂ 出口部、４１ 配管、４２ 積層型ヘッダ、４２Ａ 分岐流路、４３ ディストリビュータ、５１ ベア材、５２ クラッド材、５３ ジョイント管、８０ 筒型ヘッダ、８０Ａ 合流流路、８１ 円筒部、８２ ジョイント管、１００ 空気調和装置、１０１ 圧縮機、１０２ 四方弁、１０３ 室外熱交換器、１０４ 絞り装置、１０５ 室内熱交換器、１０６ 室外ファン、１０７ 室内ファン、１０８ 制御装置。

本発明に係る熱交換器は、冷媒として不均化反応を生じる冷媒が用いられる熱交換器であって、複数の第１伝熱管が並設された主熱交換部と、主熱交換部の下方に配置され、複数の第２伝熱管が並設された副熱交換部と、複数の第１伝熱管と複数の第２伝熱管とを接続する複数の中継流路が形成された中継部と、を備え、複数の中継流路は、１つの入口部が、複数の第２伝熱管の１つに接続され、複数の出口部のそれぞれが、複数の第１伝熱管のそれぞれに接続され、１つの入口部から流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、複数の出口部から流出させるものである。

Claims (8)

1. 冷媒として不均化反応を生じる冷媒が用いられる熱交換器であって、
   複数の第１伝熱管が並設された主熱交換部と、
   複数の第２伝熱管が並設された副熱交換部と、
   前記複数の第１伝熱管と前記複数の第２伝熱管とを接続する複数の中継流路が形成された中継部と、を備え、
   前記中継流路は、
   １つの入口部が、１つの前記第２伝熱管に接続され、
   複数の出口部のそれぞれが、複数の前記第１伝熱管のそれぞれに接続され、
   前記１つの入口部から流入する冷媒を、冷媒の合流を生じさせることなく分配して、前記複数の出口部から流出させる、
   熱交換器。
2. 冷媒が前記中継部を通過することで生じる圧力損失は、
   冷媒が前記副熱交換部を通過することで生じる圧力損失と比較して、小さい
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 冷媒が前記中継部を通過することで生じる圧力損失は、
   冷媒が前記主熱交換部を通過することで生じる圧力損失と比較して、大きい
   請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記中継流路の流路断面積は、
   前記１つの入口部に接続された前記１つの第２伝熱管の流路断面積以上であり、且つ、
   前記複数の出口部に接続された前記複数の第１伝熱管の流路断面積の合計以下である、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器。
5. 前記複数の中継流路の平均流路長Ｌ［ｍ］と、前記複数の中継流路の平均水力相当直径ｄ［ｍ］と、前記中継流路の数Ｎと、は、以下の関係を満たす、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器。
   [数１]
   ４．３×１０^６≦Ｌ／（ｄ^５×Ｎ^２）≦３．０×１０^１０
6. 前記主熱交換部は、
   前記複数の第１伝熱管の風下側に配設された複数の第３伝熱管を有し、
   前記副熱交換部は、
   前記複数の第２伝熱管の風上側に配設された複数の第４伝熱管を有し、
   前記第１伝熱管は、
   一端に１つの前記出口部が連通し、他端に１つの前記第３伝熱管が連通し、
   前記第２伝熱管は、
   一端に１つの前記第４伝熱管が連通し、他端に１つの前記入口部が連通する、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の熱交換器。
7. 前記不均化反応を生じる冷媒は、
   Ｒ１１２３冷媒、又は、Ｒ１１２３冷媒を含む混合冷媒である、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の熱交換器。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の熱交換器を備え、
   前記中継流路は、
   前記熱交換器が蒸発器として作用する際に、前記１つの入口部から流入する冷媒を、前記複数の出口部から流出させ、
   前記熱交換器が凝縮器として作用する際に、前記複数の出口部から流入する冷媒を、前記１つの入口部から流出させる、
   空気調和装置。

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