(57)【要約】  本発明に係る積層型ヘッダは、第１流路が形成された平板形状の第１流路板と、複数の第２流路が形成された平板形状の第２流路板と、複数の第３流路が形成された平板形状の第３流路板と、第１流路を複数の第２流路に分岐する上流側分岐流路が形成された平板形状の第１分岐流路板と、複数の第２流路のうちの１つを複数の第３流路に分岐する下流側分岐流路が形成された平板形状の第２分岐流路板と、を有し、第１流路板、第１分岐流路板、第２流路板、第２分岐流路板、第３流路板の順に積層され、上流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第１断面積は、下流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第２断面積より大きくなるよう構成されたものである。
2017042867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流路が形成された平板形状の第１流路板と、
複数の第２流路が形成された平板形状の第２流路板と、
複数の第３流路が形成された平板形状の第３流路板と、
前記第１流路を前記複数の第２流路に分岐する上流側分岐流路が形成された平板形状の第１分岐流路板と、
前記複数の第２流路のうちの１つを前記複数の第３流路に分岐する下流側分岐流路が形成された平板形状の第２分岐流路板と、
を有し、
前記第１流路板、前記第１分岐流路板、前記第２流路板、前記第２分岐流路板、前記第３流路板の順に積層され、
前記上流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第１断面積は、前記下流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第２断面積より大きくなるよう構成された積層型ヘッダ。
【請求項２】
前記上流側分岐流路の相当直径の最小値と、前記下流側分岐流路の相当直径の最小値とは、最小規定値以上となるよう構成された請求項１に記載の積層型ヘッダ。
【請求項３】
前記第１流路の相当直径は、前記上流側分岐流路の相当直径の最小値以下として構成された請求項１または２に記載の積層型ヘッダ。
【請求項４】
前記第２流路の相当直径は、前記下流側分岐流路の相当直径の最小値以下として構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項５】
前記上流側分岐流路または前記下流側分岐流路の最大流路断面積をＡｎ［ｍ２］とし、
前記第１流路に流入する最小の冷媒流量をＧｒ［ｋｇ／ｓ］とし、
前記上流側分岐流路または前記下流側分岐流路の上流で分岐した分岐数をｎとし、
前記第１流路に流入する冷媒の飽和密度をρave［ｍ３／ｋｇ］とし、
前記第１流路に流入する冷媒の乾き度をｘとし、
前記第１流路に流入する液冷媒の飽和液密度をρＬ［ｍ３／ｋｇ］とし、
前記第１流路に流入するガス冷媒の飽和ガス密度：ρＧ［ｍ３／ｋｇ］とし、
下記関係式（１）の関係が成立するよう構成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【数１】
2017042867.tif 000008
・・・関係式（１）
【請求項６】
前記上流側分岐流路には、前記第２流路との接続部を終端として流路断面積が漸減する第１テーパー部が形成された請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項７】
前記下流側分岐流路には、前記第３流路との接続部を終端として流路断面積が漸減する第２テーパー部が形成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項８】
前記上流側分岐流路は、略水平方向に延設された第１分岐部と、該第１分岐部の一端側から重力方向における上方に延設された上側第２分岐部と、前記第１分岐部の他端側から重力方向における下方に延設された下側第２分岐部と、を有し、
少なくとも前記上側第２分岐部には前記第１テーパー部が形成された請求項６に記載の積層型ヘッダ。
【請求項９】
前記下流側分岐流路は、略水平方向に延設された第１分岐部と、該第１分岐部の一端側から重力方向における上方に延設された上側第２分岐部と、前記第１分岐部の他端側から重力方向における下方に延設された下側第２分岐部と、を有し、
少なくとも前記上側第２分岐部には前記第２テーパー部が形成された請求項７または８に記載の積層型ヘッダ。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載の積層型ヘッダと、複数の伝熱管とを有する熱交換器であって、
前記複数の伝熱管と前記積層型ヘッダとを接続した熱交換器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の熱交換器を有する空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱回路等に使用する積層型ヘッダ、熱交換器、及び、空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱交換器の各伝熱管に対して流体を分配して供給する分配器（積層型ヘッダ）が知られている。この分配器は、１つの入口流路に対して複数の出口流路に分岐する分岐流路を形成する板状体を複数枚積層することによって、熱交換器の各伝熱管に流体を分配して供給するものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８９４６３号公報（図１等を参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような分配器（積層型ヘッダ）では、熱交換器の各伝熱管に均一に流体を供給するために、複数の出口流路のそれぞれから流出する液流体の流量の比率、つまり、分配比を均一に保つことが蒸発器として機能する熱交換器の性能を確保する上で重要である。
従来の分配器では、分岐流路の分岐方向が重力の影響を受ける使用状態において、液流体が一方の分岐流路に偏って流れる状態となっていた。すると、分配器の複数の出口流路で液流体が不均一に流出し、熱交換器の各伝熱管に流体が不均一に供給される。よって、熱交換器での熱交換性能が低下するという問題があった。【０００５】
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、熱交換器の各伝熱管に対して流体を均一に分配して熱交換器の熱交換性能を担保する分配器（積層型ヘッダ）を得ることを目的とする。また、そのような分配器（積層型ヘッダ）を備えた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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る積層型ヘッダは、第１流路が形成された平板形状の第１流路板と、複数の第２流路が形成された平板形状の第２流路板と、複数の第３流路が形成された平板形状の第３流路板と、第１流路を複数の第２流路に分岐する上流側分岐流路が形成された平板形状の第１分岐流路板と、複数の第２流路のうちの１つを複数の第３流路に分岐する下流側分岐流路が形成された平板形状の第２分岐流路板と、を有し、第１流路板、第１分岐流路板、第２流路板、第２分岐流路板、第３流路板の順に積層され、上流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第１断面積は、下流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第２断面積より大きくなるよう構成されたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る積層型ヘッダでは、各分岐流路で分岐して流体の流量が少なくなっても分岐流路内の流速を一定値以上に維持することが可能となる。すなわち、分岐流路の最大流路断面積を、その上流側に位置する分岐流路の最大流路断面積以下とし、下流側の分岐流路ほど流路断面積を小さくすることで流体の流速を上昇させる。これにより、流体の液成分への重力の影響を緩和して液膜の滞留を抑制し、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る熱交換器の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る積層型ヘッダにおける分解斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る各分岐流路の構造を示す積層型ヘッダ２のＡ−Ａ断面図、及び、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図４】比較例の分配器における分岐流路内の状態を示した説明図である。
【図５】実施の形態１に係る分岐流路の入口における冷媒の平均流速Ｖｍと分岐流路での冷媒の分配比との関係を示した図である。
【図６】実施の形態１に係る分岐流路の終端部の拡大図である。
【図７】実施の形態１の変形例に係る各分岐流路の構造を示す積層型ヘッダのＡ−Ａ断面図、及び、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図８】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を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る積層型ヘッダ、熱交換器、及び、空気調和装置について、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、本発明に係る積層型ヘッダ、熱交換器、及び、空気調和装置は、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。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。
【００１０】
また、以下では、本発明に係る積層型ヘッダ、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、使用される熱媒体を相変化する冷媒として記載したが、相変化しない流体を用いてもよい。また、本発明に係る積層型ヘッダ、熱交換器が、空気調和装置の室外熱交換器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、空気調和装置の室内熱交換器であってもよい。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。
【００１１】
実施の形態１．
実施の形態１に係る積層型ヘッダ、熱交換器、及び、空気調和装置について説明する。
＜熱交換器１の構成＞
以下に、実施の形態１に係る熱交換器の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係る熱交換器１の構成を示す図である。
図１に示されるように、熱交換器１は、積層型ヘッダ２と、円筒型ヘッダ３と、複数の伝熱管４と、保持部材５と、複数のフィン６と、を有する。
【００１２】
積層型ヘッダ２は、１つの第１流路１０Ａと、複数の第５流路１０Ｅと、を有する。円筒型ヘッダ３は、複数の第１流路３Ａと、１つの第２流路３Ｂと、を有する。積層型ヘッダ２の第１流路１０Ａ及び円筒型ヘッダ３の第２流路３Ｂには、冷凍サイクル装置の冷媒配管が接続される。積層型ヘッダ２の第５流路１０Ｅと円筒型ヘッダ３の第１流路３Ａとの間には、伝熱管４が接続される。
【００１３】
伝熱管４は、複数の流路が形成された扁平管もしくは円管である。伝熱管４は、例えば、銅製やアルミニウム製である。伝熱管４の積層型ヘッダ２側の端部は、板状の保持部材５によって保持された状態で、積層型ヘッダ２の第５流路１０Ｅに接続される。保持部材５は、例えば、アルミニウム製である。伝熱管４には、複数のフィン６が接合される。フィン６は、例えば、アルミニウム製である。なお、図１では、伝熱管４が８本である場合を示しているが、そのような場合に限定されない。例えば、２本であってもよい。
【００１４】
＜熱交換器における冷媒の流れ＞
以下に、実施の形態１に係る熱交換器１における冷媒の流れについて説明する。
冷媒配管を流れる冷媒は、例えば熱交換器１が蒸発器として機能する際に、第１流路１０Ａを介して積層型ヘッダ２に流入して分配され、複数の第５流路１０Ｅを介して複数の伝熱管４に流出する。冷媒は、複数の伝熱管４において、例えば、送風機によって供給される空気等と熱交換する。複数の伝熱管４を流れる冷媒は、複数の第１流路３Ａを介して円筒型ヘッダ３に流入して合流し、第２流路３Ｂを介して冷媒配管に流出する。なお、熱交換器１が凝縮器として機能する場合には冷媒は、この流れと逆方向に流れる。
【００１５】
＜積層型ヘッダの構成＞
以下に、実施の形態１に係る熱交換器１の積層型ヘッダ２の構成について説明する。
図２は、実施の形態１に係る積層型ヘッダにおける分解斜視図である。
【００１６】
図２に示す積層型ヘッダ２（分配器）は、例えば長方形形状の第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と、この各第１板状体の間に挟み込まれる第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４とで構成されている。第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４とは平面視で同一形状の外形となっている。
【００１７】
ろう材について、例えば、ろう付け接合前の第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５には、ろう材がクラッド（塗布）されておらず、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４の両面又は片面には、ろう材がクラッド（塗布）されて構成されている。
この状態から第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４を介して積層し、加熱炉で加熱してろう付け接合する。第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４とは、例えば、厚さ１〜１０ｍｍ程度であり、アルミニウム製である。
【００１８】
保持部材５は、熱交換器１の伝熱管４の端部が保持する板状の部材である。保持部材５は、第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４と平面視で同一形状の外形となっている。保持部材５には、伝熱管４がろう付けされ、保持部材５と第１板状体１１５とが積層されることにより、第１板状体１１５の第５流路１０Ｅに伝熱管４が接続される。保持部材５が設けられず、第１板状体１１５の第５流路１０Ｅに伝熱管４が直接接続されてもよい。その場合は、部品のコスト等が削減される。
【００１９】
なお、各板状体は、プレス加工や切削加工によって加工される。プレス加工によって加工する場合は、プレス加工が可能な厚みが５ｍｍ以下の板材を使用し、切削加工によって加工する場合は、厚みが５ｍｍ以上の板材を使用してもよい。
【００２０】
（分配合流流路２ａの構成）
積層型ヘッダ２には、第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、及び、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４に形成された流路により分配合流流路２ａが形成されている。分配合流流路２ａは、円形の貫通穴である第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃ、第４流路１０Ｄ、第５流路１０Ｅ、略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３によって構成されている。
【００２１】
第１板状体１１１、及び、第２板状体１２１（本発明の第１流路板に相当する）の略中央には円形の第１流路１０Ａが開口している。また、第２板状体１２２（本発明の第２流路板に相当する）には、積層状態において第１流路１０Ａに対して対称となる位置に一対の第２流路１０Ｂが同じく円形で開口している。
さらに、第２板状体１２３（本発明の第３流路板に相当する）には、積層状体において第２流路１０Ｂに対して対称となる位置に第３流路１０Ｃが４箇所、円形で開口している。
また、第２板状体１２４には、積層状体において第３流路１０Ｃに対して対称となる位置に第４流路１０Ｄが８箇所、円形で開口している。
そして、第１板状体１１５には、第４流路１０Ｄと連通し、伝熱管４の外形と同形状として形成された第５流路１０Ｅが開口している。第５流路１０Ｅは、伝熱管４と連通する。
【００２２】
第１板状体１１２（本発明の第１分岐流路板に相当する）には、略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である第１分岐流路１１（本発明の上流側分岐流路に相当する）が１箇所形成されている。また、第１板状体１１３（本発明の第２分岐流路板に相当する）には、同じく略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である第２分岐流路１２（本発明の下流側分岐流路に相当する）が２箇所形成されている。そして、第１板状体１１４には、同じく略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である第３分岐流路１３が４箇所形成されている。
【００２３】
ここで、各板状体が積層され分配合流流路２ａが形成された際には、第１板状体１１２に形成された第１分岐流路１１の中央に、第１流路１０Ａが接続されるとともに、第１分岐流路１１の両端部には、第２流路１０Ｂが接続される。
また、第１板状体１１３に形成された第２分岐流路１２の中央には、第２流路１０Ｂが接続されるとともに、第２分岐流路１２の両端部には、第３流路１０Ｃが接続される。
【００２４】
さらに、第１板状体１１４に形成された第３分岐流路１３の中央には、第３流路１０Ｃが接続されるとともに、第３分岐流路１３の両端部には、第４流路１０Ｄが接続される。そして、第４流路１０Ｄは第５流路１０Ｅに接続される。
このように第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、及び、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４を積層してろう付けすることで各流路を接続し分配合流流路２ａを形成することができる。
【００２５】
（第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の構成）
次に、第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の構造について図３を用いて詳述する。
図３は、実施の形態１に係る各分岐流路の構造を示す積層型ヘッダ２のＡ−Ａ断面図、及び、Ｂ−Ｂ断面図である。
第１分岐流路１１は、上述のように第１板状体１１２に１箇所形成された略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である。第１分岐流路１１は、第１板状体１１２の短手方向（図３のＸ方向）に延設して開口した第１分岐部１１ａと、第１分岐部１１ａの両端から第１板状体１１２の長手方向（図３のＹ方向）に延設して開口した２本の上側第２分岐部１１ｂと下側第２分岐部１１ｃとにより構成されている。
【００２６】
第１分岐部１１ａと上側第２分岐部１１ｂ、及び、第１分岐部１１ａと下側第２分岐部１１ｃは、曲折部により滑らかに接続されている。積層型ヘッダ２の使用時には、図３のＹ方向を重力方向と一致させて使用するため、第１分岐部１１ａは水平方向（図３のＸ方向）に延設される。また、上側第２分岐部１１ｂは、第１分岐部１１ａの一端側から上方に向かって延設される。さらに、下側第２分岐部１１ｃは、第１分岐部１１ａの他端側から下方に向かって延設される。
【００２７】
第２分岐流路１２は、上述のように第１板状体１１３に２箇所形成された略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である。第２分岐流路１２は、第１板状体１１３の短手方向（図３のＸ方向）に延設して開口した第１分岐部１２ａと、第１分岐部１２ａの両端から第１板状体１１３の長手方向（図３のＹ方向）に延設して開口した２本の上側第２分岐部１２ｂと下側第２分岐部１２ｃとにより構成されている。
【００２８】
第１分岐部１２ａと上側第２分岐部１２ｂ、及び、第１分岐部１２ａと下側第２分岐部１２ｃは、曲折部により滑らかに接続されている。積層型ヘッダ２の使用時には、図３のＹ方向を重力方向と一致させて使用するため、第１分岐部１２ａは水平方向（図３のＸ方向）に延設される。また、上側第２分岐部１２ｂは、第１分岐部１２ａの一端側から上方に向かって延設される。さらに、下側第２分岐部１２ｃは、第１分岐部１２ａの他端側から下方に向かって延設される。
【００２９】
第３分岐流路１３は、上述のように第１板状体１１４に４箇所形成された略Ｓ字もしくは略Ｚ字形状の貫通溝である。第３分岐流路１３は、第１板状体１１４の短手方向（図３のＸ方向）に延設して開口した第１分岐部１３ａと、第１分岐部１３ａの両端から第１板状体１１４の長手方向（図３のＹ方向）に延設して開口した２本の上側第２分岐部１３ｂと下側第２分岐部１３ｃとにより構成されている。
【００３０】
第１分岐部１３ａと上側第２分岐部１３ｂ、及び、第１分岐部１３ａと下側第２分岐部１３ｃは、曲折部により滑らかに接続されている。積層型ヘッダ２の使用時には、図３のＹ方向を重力方向と一致させて使用するため、第１分岐部１３ａは水平方向（図３のＸ方向）に延設される。また、上側第２分岐部１３ｂは、第１分岐部１３ａの一端側から上方に向かって延設される。さらに、下側第２分岐部１３ｃは、第１分岐部１３ａの他端側から下方に向かって延設される。
【００３１】
第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３のそれぞれの流路断面積を比較すると、第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の順に小さくなるように構成されている。
なお、図３に示す第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３は、それぞれの分岐流路において一定の流路断面積となっている。
【００３２】
＜積層型ヘッダ２における冷媒の流れ＞
次に、積層型ヘッダ２内の分配合流流路２ａ内の冷媒の流れについて説明する。
以下、熱交換器１が蒸発器として機能する場合を例に、分配合流流路２ａの上流側と下流側とを定義する。
はじめに、気液二相流の冷媒が、第１板状体１１１の第１流路１０Ａから積層型ヘッダ２内に流入する。流入した冷媒は、第１流路１０Ａ内を直進し、第１板状体１１２の第１分岐流路１１内で第２板状体１２２の表面に衝突し、第１分岐流路１１の第１分岐部１１ａで重力方向における水平方向に分流する。第１分岐部１１ａの両端まで進んだ冷媒は、上側第２分岐部１１ｂ内を重力方向の上方に向かって進み、下側第２分岐部１１ｃ内を重力方向の下方に向かって進む。そして、一対の第２流路１０Ｂ内に流入する。
【００３３】
第２流路１０Ｂ内に流入した冷媒は、第１流路１０Ａ内を進む冷媒と同一向きに第２流路１０Ｂ内を直進する。この冷媒は、第１板状体１１３の第２分岐流路１２内で第２板状体１２３の表面に衝突し、第２分岐流路１２の第１分岐部１２ａで重力方向における水平方向に分流する。第１分岐部１２ａの両端まで進んだ冷媒は、上側第２分岐部１２ｂ内を重力方向の上方に向かって進み、下側第２分岐部１２ｃ内を重力方向の下方に向かって進む。そして、４つの第３流路１０Ｃ内に流入する。
【００３４】
第３流路１０Ｃ内に流入した冷媒は、第２流路１０Ｂ内を進む冷媒と同一向きに第３流路１０Ｃ内を直進する。この冷媒は、第１板状体１１４の第３分岐流路１３内で第２板状体１２４の表面に衝突し、第３分岐流路１３の第１分岐部１３ａで重力方向における水平方向に分流する。第１分岐部１３ａの両端まで進んだ冷媒は、上側第２分岐部１３ｂ内を重力方向の上方に向かって進み、下側第２分岐部１３ｃ内を重力方向の下方に向かって進む。そして、８つの第４流路１０Ｄ内に流入する。
【００３５】
第４流路１０Ｄ内に流入した冷媒は、第３流路１０Ｃ内を進む冷媒と同一向きに進み第５流路１０Ｅに流入する。そして第５流路１０Ｅから流出し、保持部材５に保持された複数の伝熱管４に対して均一に分配されて流入する。
なお、実施の形態１に係る分配合流流路２ａでは、３回分岐流路を通り、８分岐とした積層型ヘッダ２の例を示したが、分岐の回数や分岐数はこの例に限定されない。
【００３６】
（分岐流路内での液冷媒の滞留）
ここで、分岐流路内での液冷媒の滞留について図４を用いて説明する。
図４は、比較例の分配器における分岐流路内の状態を示した説明図である。
分岐流路２０において、特に重力方向の上向きに流路１０へ向かう冷媒が、上側分岐部２１で流速が低下する。すると、図４に示すように、液膜２２が分岐流路２０内で滞留する。液膜２２が滞留することにより、冷媒が流れる実質的な流路面積が縮小し、重力方向の上側に向かう流路の圧力損失が増加する。このため、分岐流路２０での冷媒の分配比に偏りが生じる。
【００３７】
比較例の積層型ヘッダは、同一流路断面積の複数の分岐流路で分岐を繰り返すことで多分岐を実現するため、下流の分岐流路ほど流れる冷媒の流速が小さくなり、液成分が重力の影響を受けて液膜が滞留しやすくなる。
これに対して、実施の形態１に係る第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３は、この順に流路断面積が小さくなるように構成されているため、各分岐流路で分岐して冷媒の流量が少なくなっても分岐流路内の流速を一定値以上に維持することが可能となる。
すなわち、分岐流路の最大流路断面積を、その上流側に位置する分岐流路の最大流路断面積以下とし、下流側の分岐流路ほど流路断面積を小さくすることで冷媒の流速を上昇させる。これにより、液成分への重力の影響を緩和して液膜の滞留を抑制し、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【００３８】
（各分岐流路における冷媒の必要流速）
次に、各分岐流路における冷媒の必要流速について図５を用いて説明する。
図５は、実施の形態１に係る分岐流路の入口における冷媒の平均流速Ｖｍと分岐流路での冷媒の分配比との関係を示した図である。
分配比に偏りが生じると熱交換器１の熱交換性能が低下するため、２つに分岐する分岐流路での分配比の許容範囲は、およそ４８％以上５２％以下である。図５に示すように、第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の各入口における冷媒の平均流速をＶｍ≧０．３［ｍ／ｓ］とすることにより、特に上側第２分岐部１１ｂ、１２ｂ、１３ｂにおいて液膜の滞留を防ぎ、冷媒の分配比を上記許容範囲内とすることができる。ここで、冷媒の平均流速Ｖｍは、均質流れと仮定し、以下の式（１）（２）で算出されるものとする。
【００３９】
はじめに、冷媒の乾き度：ｘと、飽和液密度：ρＬ［ｍ３／ｋｇ］と、飽和ガス密度：ρＧ［ｍ３／ｋｇ］と、から、式（１）を用いて冷媒の飽和密度ρaveを算出する。
【００４０】
【数１】
2017042867.tif 000003
・・・（１）
【００４１】
次に、積層型ヘッダ２に流入する最小の冷媒流量：Ｇｒ［ｋｇ／ｓ］と、演算対象の分岐流路の上流で分岐した分岐数：ｎと、演算対象の分岐流路の最大流路断面積：Ａｎ［ｍ２］と、冷媒の飽和密度：ρave［ｍ３／ｋｇ］と、から式（２）を用いて必要冷媒平均流速［ｍ／ｓ］を算出する。
【００４２】
【数２】
2017042867.tif 000004
・・・（２）
【００４３】
したがって、Ｖｍ≧０．３［ｍ／ｓ］を満たす分岐流路の最大流路断面積Ａｎ［ｍ２］は、以下の式（３）から決定される。
【００４４】
【数３】
2017042867.tif 000005
・・・（３）
【００４５】
第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の各分岐流路において、冷媒への重力の影響を抑制して均等に分配するため、全ての分岐流路においてＶｍ≧０．３［ｍ／ｓ］となるよう、流路断面積を設定することが好ましい。
しかし、本発明に係る積層型ヘッダ２の第１板状体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、及び、第２板状体１２１、１２２、１２３、１２４は、クラッド材を用いてロウ付けにより接合されるため、第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の各分岐流路の相当直径Ｄが小さいとロウ付けした際にロウ材が侵入して閉塞や流路の変形が生じ、分配比に偏りが生じる。
そこで、ロウ材の侵入による流路の変形を抑制するために、各分岐流路の相当直径Ｄを３［ｍｍ］以上とするとよい。分岐流路の相当直径Ｄは、以下の式（４）により算出される。
【００４６】
【数４】
2017042867.tif 000006
・・・（４）
【００４７】
よって、第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の各分岐流路において流路の相当直径Ｄを３［ｍｍ］以上、かつ、式（３）を満たす各分岐流路の最大流路断面積Ａｎ［ｍ２］とすることにより、ロウ付けにより製作した積層型ヘッダ２において、冷媒を均等に分配することが可能となる。
【００４８】
（第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃの構成）
次に、第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃの構成について詳述する。
第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃは、それぞれ、第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の各分岐流路に対して冷媒を流入させる流入口として構成されている。
【００４９】
第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃから第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３に流入した冷媒は、各分岐流路によって形成される対向壁面に衝突することにより攪拌される。この攪拌効果により、冷媒の液成分が重力の影響を受けにくくなり、各分岐流路内で冷媒を均等に分配することができる。冷媒の流速が小さく、冷媒の液成分が対向壁面に衝突せずに分岐すると、液成分への重力及び慣性力の影響が支配的となり、分配比に偏りが生じる。
よって、第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃの相当直径Ｄを、その下流側の分岐流路の相当直径Ｄ以下として形成することにより、液膜の対向壁面への衝突を促進し、撹拌効果を得ることができる。
【００５０】
＜各分岐流路の形状の変形例＞
上記実施の形態１に係る第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３は、それぞれの流路断面積は一定で、かつ、この順に流路断面積が小さくなるように構成されているとして説明したが、各分岐流路の流路断面積は、下流側に向かって漸次小さく変化させても良い。
図６は、実施の形態１に係る分岐流路の終端部の拡大図である。
図７は、実施の形態１の変形例に係る各分岐流路の構造を示す積層型ヘッダ２のＡ−Ａ断面図、及び、Ｂ−Ｂ断面図である。
【００５１】
上述のように、実施の形態１に係る第１流路１０Ａ、第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃの相当直径Ｄは、その下流側のそれぞれの分岐流路である第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の相当直径Ｄ以下として形成することにより、液膜の対向壁面への衝突を促進し、撹拌効果を得ることができる。
すると、図６に示すように第２流路１０Ｂ、第３流路１０Ｃ、第４流路１０Ｄの相当直径Ｄは、その上流側のそれぞれの分岐流路である第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３の相当直径Ｄよりも確実に小さくなる。この相当直径Ｄの差が大きい時には、各分岐流路の終端部３０に流路断面積の急縮小部分が形成されることがある。急縮小部分には、液膜３１が滞留し、冷媒の流れを妨げ、分岐流路での分配比が偏る原因となる。
【００５２】
この液冷媒の滞留を防止するために、図７に示すように第１分岐流路１１、第２分岐流路１２、第３分岐流路１３における上側第２分岐部１１ｂ、上側第２分岐部１２ｂ、上側第２分岐部１３ｂに、下流側に向けて流路断面積が漸次縮小するテーパー部３２を設ける。すると、第１分岐流路１１の終端部３０と第２流路１０Ｂ、第２分岐流路１２の終端部３０と第３流路１０Ｃ、第３分岐流路１３の終端部３０と第４流路１０Ｄ、がそれぞれ滑らかに接続される。
【００５３】
よって、各分岐流路の終端部３０における液膜の滞留を抑制することができ、各分岐流路での分配比を均等にすることができる。
このように、テーパー部３２は、上側第２分岐部１１ｂ、上側第２分岐部１２ｂ、上側第２分岐部１３ｂのみに設けても良く、さらに、下側第２分岐部１１ｃ、下側第２分岐部１２ｃ、下側第２分岐部１３ｃにも設けても良い。上側と下側の第２分岐部の両側にテーパー部３２を設けることで、第２分岐部の流路抵抗が均一化され、各分岐流路においてさらに均等な分配比を実現することができる。
【００５４】
＜熱交換器１の使用態様＞
以下に、実施の形態１に係る熱交換器１の使用態様の一例について説明する。
なお、以下では、実施の形態１に係る熱交換器１が、空気調和装置５０に使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使用されてもよい。また、空気調和装置５０が、冷房運転と暖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、冷房運転又は暖房運転のみを行うものであってもよい。
【００５５】
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を示す図である。
なお、図８では、冷房運転時の冷媒の流れが点線の矢印で示され、暖房運転時の冷媒の流れが実線の矢印で示される。
図８に示されるように、空気調和装置５０は、圧縮機５１と、四方弁５２と、室外熱交換器（熱源側熱交換器）５３と、絞り装置５４と、室内熱交換器（負荷側熱交換器）５５と、室外ファン（熱源側ファン）５６と、室内ファン（負荷側ファン）５７と、制御装置５８と、を有する。圧縮機５１と四方弁５２と室外熱交換器５３と絞り装置５４と室内熱交換器５５とが冷媒配管で接続されて、冷媒循環回路が形成される。
【００５６】
制御装置５８には、例えば、圧縮機５１、四方弁５２、絞り装置５４、室外ファン５６、室内ファン５７、各種センサ等が接続される。制御装置５８によって、四方弁５２の流路が切り替えられることで、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。
【００５７】
冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。
圧縮機５１から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、四方弁５２を介して室外熱交換器５３に流入し、室外ファン５６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、高圧の液状態となり、室外熱交換器５３から流出し、絞り装置５４によって、低圧の気液二相状態となる。低圧の気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器５５に流入し、室内ファン５７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、室内を冷却する。蒸発した冷媒は、低圧のガス状態となり、室内熱交換器５５から流出し、四方弁５２を介して圧縮機５１に吸入される。
【００５８】
暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。
圧縮機５１から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、四方弁５２を介して室内熱交換器５５に流入し、室内ファン５７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、高圧の液状態となり、室内熱交換器５５から流出し、絞り装置５４によって、低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器５３に流入し、室外ファン５６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、低圧のガス状態となり、室外熱交換器５３から流出し、四方弁５２を介して圧縮機５１に吸入される。
【００５９】
室外熱交換器５３及び室内熱交換器５５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、蒸発器として作用する際に、積層型ヘッダ２から冷媒が流入し、円筒型ヘッダ３に冷媒を流出するように接続される。つまり、熱交換器１が蒸発器として作用する際は、冷媒配管から積層型ヘッダ２に気液二相状態の冷媒が流入し、分岐して熱交換器１の各伝熱管４に流入する。また、熱交換器１が凝縮器として作用する際は、各伝熱管４から積層型ヘッダ２に液冷媒が流入して合流し冷媒配管に流出する。
【００６０】
＜効果＞
（１）実施の形態１に係る積層型ヘッダは、第１流路１０Ａが形成された平板形状の第１流路板と、複数の第２流路１０Ｂが形成された平板形状の第２流路板と、複数の第３流路１０Ｃが形成された平板形状の第３流路板と、第１流路１０Ａを複数の第２流路１０Ｂに分岐する上流側分岐流路が形成された平板形状の第１分岐流路板と、複数の第２流路１０Ｂのうちの１つを複数の第３流路１０Ｃに分岐する下流側分岐流路が形成された平板形状の第２分岐流路板と、を有し、第１流路板、第１分岐板、第２流路板、第２分岐板、第３流路板の順に積層され、上流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第１断面積は、下流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第２断面積より大きくなるよう構成されたものである。すると、各分岐流路で分岐して冷媒の流量が少なくなっても分岐流路内の流速を一定値以上に維持することが可能となる。
すなわち、分岐流路の最大流路断面積を、その上流側に位置する分岐流路の最大流路断面積以下とし、下流側の分岐流路ほど流路断面積を小さくすることで冷媒の流速を上昇させる。これにより、冷媒の液成分への重力の影響を緩和して液膜の滞留を抑制し、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【００６１】
（２）上記（１）に記載の積層型ヘッダにおいて、上流側分岐流路の相当直径Ｄの最小値と、下流側分岐流路の相当直径Ｄの最小値とは、最小規定値以上（例えば３ｍｍ以上）となるよう構成されているため、板状体をロウ付けした際にロウ材が各分岐流路に侵入しても分岐流路の閉塞や流路の変形から冷媒の分配比に偏りが生じることを防止することができる。
【００６２】
（３）上記（１）または（２）に記載の積層型ヘッダにおいて、第１流路１０Ａの相当直径Ｄは、上流側分岐流路の相当直径Ｄの最小値以下として構成されているため、第１流路１０Ａから上流側分岐流路に流入した冷媒は、対向壁面に衝突することにより攪拌される。この攪拌効果により、冷媒の液成分が重力の影響を受けにくくなり、上流側分岐流路内で冷媒を均等に分配することができる。
【００６３】
（４）上記（１）〜（３）に記載の積層型ヘッダにおいて、第２流路１０Ｂの相当直径Ｄは、下流側分岐流路の相当直径Ｄの最小値以下として構成されているため、第２流路１０Ｂから下流側分岐流路に流入した冷媒は、対向壁面に衝突することにより攪拌される。この攪拌効果により、冷媒の液成分が重力の影響を受けにくくなり、下流側分岐流路内で冷媒を均等に分配することができる。
【００６４】
（５）上記（１）〜（４）に記載の積層型ヘッダにおいて、演算対象の上流側分岐流路または下流側分岐流路の最大流路断面積をＡｎ［ｍ２］とし、第１流路１０Ａに流入する最小の冷媒流量をＧｒ［ｋｇ／ｓ］とし、演算対象の上流側分岐流路または下流側分岐流路の上流で分岐した分岐数をｎとし、第１流路１０Ａに流入する冷媒の飽和密度をρave［ｍ３／ｋｇ］とし、第１流路１０Ａに流入する冷媒の乾き度をｘとし、第１流路１０Ａに流入する液冷媒の飽和液密度をρＬ［ｍ３／ｋｇ］とし、第１流路１０Ａに流入するガス冷媒の飽和ガス密度：ρＧ［ｍ３／ｋｇ］とし、下記式（５）の関係が成立するよう構成されたため、分岐流路において冷媒の流速が０．３［ｍ／ｓ］以上となる。すると、液冷媒への重力の影響を抑制して分岐流路内での液膜の滞留を防止し、冷媒を均等に分配することができる。
【数５】
2017042867.tif 000007
・・・（５）
【００６５】
（６）上記（１）〜（５）に記載の積層型ヘッダにおいて、上流側分岐流路には、第２流路１０Ｂとの接続部を終端として流路断面積が漸減する第１テーパー部が形成されているため、上流側分岐流路の終端部３０と第２流路１０Ｂと、が滑らかに接続される。よって、分岐流路の終端部３０における液膜の滞留を抑制することができ、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【００６６】
（７）上記（１）〜（６）に記載の積層型ヘッダにおいて、下流側分岐流路には、第３流路１０Ｃとの接続部を終端部３０として流路断面積が漸減する第２テーパー部が形成されているため、下流側分岐流路の終端部３０と第３流路１０Ｃと、が滑らかに接続される。よって、分岐流路の終端部３０における液膜の滞留を抑制することができ、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【００６７】
（８）上記（６）に記載の積層型ヘッダにおいて、上流側分岐流路は、略水平方向に延設された第１分岐部１１ａと、該第１分岐部の一端側から重力方向における上方に延設された上側第２分岐部１１ｂと、第１分岐部１１ａの他端側から重力方向における下方に延設された下側第２分岐部１１ｃと、を有し、少なくとも上側第２分岐部１１ｂには第１テーパー部が形成されているため、特に液冷媒への重力の影響が大きい上側第２分岐部１１ｂの終端部分で液膜の滞留を抑制することができ、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【００６８】
（９）上記（７）に記載の積層型ヘッダにおいて、下流側分岐流路は、略水平方向に延設された第１分岐部１２ａと、該第１分岐部１２ａの一端側から重力方向における上方に延設された上側第２分岐部１２ｂと、第１分岐部１２ａの他端側から重力方向における下方に延設された下側第２分岐部１２ｃと、を有し、少なくとも上側第２分岐部１２ｂには第１テーパー部が形成されているため、特に液冷媒への重力の影響が大きい上側第２分岐部の終端部分で液膜の滞留を抑制することができ、分岐流路での分配比を均等にすることができる。
【００６９】
また、上記（１）〜（９）に記載の積層型ヘッダを、熱交換器１や空気調和装置５０に採用することで、熱交換能力が上昇し、冷暖房性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  熱交換器、２  積層型ヘッダ、２ａ  分配合流流路、３  円筒型ヘッダ、３Ａ  第１流路、３Ｂ  第２流路、４  伝熱管、５  保持部材、６  フィン、１０Ａ  第１流路、１０Ｂ  第２流路、１０Ｃ  第３流路、１０Ｄ  第４流路、１０Ｅ  第５流路、１１  第１分岐流路、１１ａ  第１分岐部、１１ｂ  上側第２分岐部、１１ｃ  下側第２分岐部、１２  第２分岐流路、１２ａ  第１分岐部、１２ｂ  上側第２分岐部、１２ｃ  下側第２分岐部、１３  第３分岐流路、１３ａ  第１分岐部、１３ｂ  上側第２分岐部、１３ｃ  下側第２分岐部、２０  分岐流路、２１  上側分岐部、２２  液膜、３０  終端部、３１  液膜、３２  テーパー部、５０  空気調和装置、５１  圧縮機、５２  四方弁、５３  室外熱交換器、５４  絞り装置、５５  室内熱交換器、５６  室外ファン、５７  室内ファン、５８  制御装置、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５  第１板状体、１２１，１２２，１２３，１２４  第２板状体、Ａｎ  最大流路断面積、Ｄ  相当直径、Ｖｍ  平均流速。
【図１】
2017042867.tif 000009
【図２】
2017042867.tif 000010
【図３】
2017042867.tif 000011
【図４】
2017042867.tif 000012
【図５】
2017042867.tif 000013
【図６】
2017042867.tif 000014
【図７】
2017042867.tif 000015
【図８】
2017042867.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月21日(2017.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明に係る積層型ヘッダは、第１流路が形成された平板形状の第１流路板と、複数の第２流路が形成された平板形状の第２流路板と、複数の第３流路が形成された平板形状の第３流路板と、前記第１流路を前記複数の第２流路に分岐する上流側分岐流路が形成された平板形状の第１分岐流路板と、前記複数の第２流路のうちの１つを前記複数の第３流路に分岐する下流側分岐流路が形成された平板形状の第２分岐流路板と、を有し、前記第１流路板、前記第１分岐流路板、前記第２流路板、前記第２分岐流路板、前記第３流路板の順に積層され、前記上流側分岐流路には、前記第２流路との接続部を終端として流路断面積が漸減する第１テーパー部が形成されたものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流路が形成された平板形状の第１流路板と、
複数の第２流路が形成された平板形状の第２流路板と、
複数の第３流路が形成された平板形状の第３流路板と、
前記第１流路を前記複数の第２流路に分岐する上流側分岐流路が形成された平板形状の第１分岐流路板と、
前記複数の第２流路のうちの１つを前記複数の第３流路に分岐する下流側分岐流路が形成された平板形状の第２分岐流路板と、
を有し、
前記第１流路板、前記第１分岐流路板、前記第２流路板、前記第２分岐流路板、前記第３流路板の順に積層され、
前記上流側分岐流路には、前記第２流路との接続部を終端として流路断面積が漸減する第１テーパー部が形成された
積層型ヘッダ。
【請求項２】
前記上流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第１断面積は、前記下流側分岐流路の流路断面積の最大値となる第２断面積より大きくなるよう構成された請求項１に記載の積層型ヘッダ。
【請求項３】
前記上流側分岐流路の相当直径の最小値と、前記下流側分岐流路の相当直径の最小値とは、最小規定値以上となるよう構成された請求項１又は２に記載の積層型ヘッダ。
【請求項４】
前記第１流路の相当直径は、前記上流側分岐流路の相当直径の最小値以下として構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項５】
前記第２流路の相当直径は、前記下流側分岐流路の相当直径の最小値以下として構成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項６】
前記上流側分岐流路または前記下流側分岐流路の最大流路断面積をＡｎ［ｍ２］とし、
前記第１流路に流入する最小の冷媒流量をＧｒ［ｋｇ／ｓ］とし、
前記上流側分岐流路または前記下流側分岐流路の上流で分岐した分岐数をｎとし、
前記第１流路に流入する冷媒の飽和密度をρave［ｍ３／ｋｇ］とし、
前記第１流路に流入する冷媒の乾き度をｘとし、
前記第１流路に流入する液冷媒の飽和液密度をρＬ［ｍ３／ｋｇ］とし、
前記第１流路に流入するガス冷媒の飽和ガス密度：ρＧ［ｍ３／ｋｇ］とし、
下記関係式（１）の関係が成立するよう構成された請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【数１】
2017042867.tif 000017
【請求項７】
前記下流側分岐流路には、前記第３流路との接続部を終端として流路断面積が漸減する第２テーパー部が形成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項８】
前記上流側分岐流路は、略水平方向に延設された第１分岐部と、該第１分岐部の一端側から重力方向における上方に延設された上側第２分岐部と、前記第１分岐部の他端側から重力方向における下方に延設された下側第２分岐部と、を有し、
少なくとも前記上側第２分岐部には前記第１テーパー部が形成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層型ヘッダ。
【請求項９】
前記下流側分岐流路は、略水平方向に延設された第１分岐部と、該第１分岐部の一端側から重力方向における上方に延設された上側第２分岐部と、前記第１分岐部の他端側から重力方向における下方に延設された下側第２分岐部と、を有し、
少なくとも前記上側第２分岐部には第２テーパー部が形成された請求項７または８に記載の積層型ヘッダ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の積層型ヘッダと、複数の伝熱管とを有する熱交換器であって、
前記複数の伝熱管と前記積層型ヘッダとを接続した熱交換器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の熱交換器を有する空気調和装置。
【国際調査報告】
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