(57)【要約】  熱交換器１０は、高温流体が流れる貫通穴を複数有する第１扁平管１と、低温流体が流れる貫通穴２１を複数有する第２扁平管２と、第１扁平管１の一方の端部に接続された管状の第１入口ヘッダー３と、第１扁平管１の他方の端部に接続された管状の第１出口ヘッダー４と、第２扁平管２の一方の端部に接続された管状の第２入口ヘッダー５と、第２扁平管２の他方の端部に接続された管状の第２出口ヘッダー６とを備え、第１扁平管１と第２扁平管２とは、扁平な面で互いに接触するように積層配置されている。第２入口ヘッダー５から第２扁平管２の貫通穴２１へ流入する低温流体は気液二相状態の流体であり、第２入口ヘッダー５から第２扁平管２の貫通穴２１への低温流体の流入方向が、略水平方向又は略水平方向よりも上方向となっている。
2012017681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体が流れる貫通穴を複数有する第１流路部と、
低温流体が流れる貫通穴を複数有する第２流路部と、
上記第１流路部の一方の端部に接続された管状の第１入口ヘッダーと、
上記第１流路部の他方の端部に接続された管状の第１出口ヘッダーと、
上記第２流路部の一方の端部に接続された管状の第２入口ヘッダーと、
上記第２流路部の他方の端部に接続された管状の第２出口ヘッダーと、
を備え、
上記第１流路部と上記第２流路部とは、互いの間に設けられた隔壁を介して熱交換可能に配置され、
上記第１入口ヘッダーから上記第１流路部の貫通穴へ流入する上記高温流体及び上記第２入口ヘッダーから上記第２流路部の貫通穴へ流入する上記低温流体の少なくとも一方は、気液二相状態の流体であり、
上記気液二相状態の流体の入口ヘッダーから流路部への流入方向が、垂直方向から下向き方向の角度αを正とすると、−１１０°＜姿勢角α＜１１０°であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
上記気液二相状態の流体の入口ヘッダーから流路部への流入方向が、垂直方向から下向き方向の角度αを正とすると、−８０°＜姿勢角α＜−１００°又は８０°＜姿勢角α＜１００°であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
上記気液二相状態の流体の入口ヘッダーから流路部への流入方向が、略水平方向又は略水平方向よりも上方向となっていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
上記気液二相状態の流体の入口ヘッダーから流路部への流入方向が、水平から上向方向の角度を正とすると、正の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
上記気液二相状態の流体の入口ヘッダーから流路部への流入方向が、水平から上向方向の角度を正とすると、略水平方向となっていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
上記気液二相状態の流体が流れる入口ヘッダーに接続された流路部の端部は、上記気液二相状態の流体が流れる当該入口ヘッダーの内部で屈曲していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
上記気液二相状態の流体が流れる入口ヘッダーに接続された流路部の端部は、上記気液二相状態の流体が流れる当該入口ヘッダーの外部で屈曲していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
高温流体が流れる貫通穴が複数並設され垂直又は水平に配置された第１流路部と、
低温流体が流れる貫通穴が複数並設され垂直又は水平に配置された第２流路部と、
上記第１流路部の一方の端部に接続され水平に配置された管状の第１入口ヘッダーと、
上記第１流路部の他方の端部に接続され水平に配置された管状の第１出口ヘッダーと、
上記第２流路部の一方の端部に接続され水平に配置された管状の第２入口ヘッダーと、
上記第２流路部の他方の端部に接続され水平に配置された管状の第２出口ヘッダーと、
を備え
上記第１流路部、上記第２流路部、上記第１入口ヘッダー、上記第１出口ヘッダー、上記第２入口ヘッダー及び上記第２出口ヘッダーは、一体で形成され、
上記第１流路部と上記第２流路部とは、互いの間に設けられた隔壁を介して熱交換可能となるように、互いの貫通穴の並設方向を揃えて配置され、
上記第１入口ヘッダーから上記第１流路部の貫通穴へ流入する上記高温流体及び上記第２入口ヘッダーから上記第２流路部の貫通穴へ流入する上記低温流体の少なくとも一方は、気液二相状態の流体であり、
上記気液二相状態の流体が流れる入口ヘッダーを当該入口ヘッダーの中心軸方向に観察した状態においては、
上記気液二相状態の流体が流れる入口ヘッダーの中心軸は、当該入口ヘッダーと当該入口ヘッダーに接続される流路部との接続部と一致する位置、又は、当該接続部よりも当該入口ヘッダーに接続されない流路部から離れた位置となっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器を搭載したことを特徴とする冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温流体と高温流体とを熱交換させて高温流体から低温流体に熱を伝える熱交換器に関するものである。また、この熱交換器を用いた冷凍空調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器は、低温流体が流れる複数の貫通穴を有する第１流路部と、高温流体が流れる複数の貫通穴を有する第２流路部と、第１流路部の両端に接続された第１ヘッダーと、第２流路部の両端に接続された第２ヘッダーとを備え、第１流路部と第２流路部とを長手方向（流体の流れ方向）が並行になるようにして、それぞれの面同士を接触積層させるとともに、高温流体及び低温流体の少なくとも一方は、気液二相状態の流体であり、気液二相状態の流体が流れる入口ヘッダーの内直径は、他のヘッダーの内直径より小さくすることにより、ガス流速の増加により管内での気液のミキシングにより、気液を均一化させ、気液比率が等しく各貫通穴へ低温流体を分配することによって、流体の温度効率を最大化し、高い熱交換性能を得ている（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２００８−１０１８５２号公報（段落００３６、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の熱交換器を用いた冷凍空調装置は、圧縮機、放熱器、流量制御手段及び蒸発器が冷媒配管で接続された冷媒回路を有し、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒、炭化水素又は二酸化酸素等の冷媒がこの冷媒回路を循環するように構成されている。冷凍空調装置の効率を上げるためには、熱交換器の熱交換性能を上げることが重要となる。【０００５】
しかしながら、上記のような従来の熱交換器は、気液二相状態の冷媒が入口ヘッダーを低流量域で流れると、気液の混合が不十分となり、気液が分離した流れとなる。そして、流路部の各貫通穴に分配される気液の比率が不均等となってしまう。このため、流路部の貫通穴毎で有効に熱交換できる流体の流量に過不足が生じてしまう。したがって、上記のような従来の熱交換器は、温度効率が著しく低下して、熱交換性能が低下するという問題点があった。また、この熱交換性能の低下を補うために熱交換器を必要以上に大きくしなければならないという問題点があった。一方、低流量域に合わせてヘッダー径を細くしすぎると、気液二相状態の冷媒が入口ヘッダーを高流量域で流れた場合、圧力損失が上昇し、流体を熱交換器に送る駆動装置の動力増加を招くという問題点があった。このように、上記のような従来の熱交換器は、幅広い運転範囲で、気液の均等分配を実現し、熱交換器を効率よく動作させることが困難であった。【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、コンパクトで高性能な熱交換器及び冷凍空調装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換器は、高温流体が流れる貫通穴を複数有する第１流路部と、低温流体が流れる貫通穴を複数有する第２流路部と、第１流路部の一方の端部に接続された管状の第１入口ヘッダーと、第１流路部の他方の端部に接続された管状の第１出口ヘッダーと、第２流路部の一方の端部に接続された管状の第２入口ヘッダーと、第２流路部の他方の端部に接続された管状の第２出口ヘッダーと、を備え、第１流路部と第２流路部とは、互いの間に設けられた隔壁を介して熱交換可能に配置され、第１入口ヘッダーから第１流路部の貫通穴へ流入する高温流体及び第２入口ヘッダーから第２流路部の貫通穴へ流入する低温流体の少なくとも一方は、気液二相状態の流体であり、気液二相状態の流体の入口ヘッダーから流路部への流入方向が、略水平方向又は略水平方向よりも上方向となっているものである。【０００８】
また、本発明の冷凍空調装置は、本発明の熱交換器を搭載したものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コンパクトで高性能な熱交換器を提供することができる。また、本発明によれば、コンパクトで高性能な冷凍空調装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による熱交換器を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による第２扁平管の別の一例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による熱交換器の伝熱特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による熱交換器の別の伝熱特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１による熱交換器の別の伝熱特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２による熱交換器の一例を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態３による冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。
【図８】本発明の実施の形態３による冷凍空調装置の別の一例を示す冷媒回路図である。
【図９】本発明の実施の形態３による冷凍空調装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態４による熱交換器の構造図である。
【図１１】本発明の実施の形態４による熱交換器の別の一例を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による熱交換器を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）は第２入口ヘッダーと第２扁平管との接続部近傍の断面図を示す。なお、図１（ａ）に示すＦＨは高温流体の流れを示し、図１（ａ）に示すＦＣは低温流体の流れを示す。また、本実施の形態１では、低温流体が気液二相状態で第２ヘッダーへ流入する場合について説明する。また、以下の図において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。
【００１２】
本実施の形態１では、図３〜図５に示す実験により得られた知見、即ち、伝熱特性に優れた後述する姿勢角α，β，γの範囲に基づき、図１に示す第２扁平管２の端部に略水平となる流入部２ａを設けることにより、優れた伝熱特性を有する熱交換器１０を実現している。即ち、図１では、第２扁平管２を姿勢角α＝９０°にて第２入口ヘッダー５に接続している。
【００１３】
第１扁平管１のそれぞれは、長手方向（図１（ｂ）の左右方向）に沿って、高温流体が流れる複数の貫通穴を有している。この貫通穴は、第１扁平管１の幅方向（図１（ｂ）の紙面直交方向）に併設されている。また、第２扁平管２のそれぞれは、長手方向（図１（ｂ）の左右方向）に沿って、低温流体が流れる複数の貫通穴２１を有している。この貫通穴２１は、第２扁平管２の幅方向（図１（ｂ）の紙面直交方向）に併設されている。第１扁平管１と第２扁平管２とは、第１扁平管１の扁平な面と第２扁平管２における熱交換部２ｃの扁平な面とが互いに接触するように積層されている。また、第１扁平管１及び第２扁平管２は、扁平管１，２内を流れる流体の流れ方向が並行するように積層されている。第１扁平管１及び第２扁平管２は、例えばロウ付け、接着等で接合されている。例えば、第１扁平管１及び第２扁平管２がいずれもアルミニウム又はアルミニウム合金の場合、ロウ付けに用いられるロウ材やフラックスは、アルミニウム／シリコン系やフッ化物系等のものが用いられる。また例えば、第１扁平管１又は第２扁平管２の一方がアルミニウムまたはアルミニウム合金で、第１扁平管１又は第２扁平管２の他方が銅の場合、ロウ付けに用いられるロウ材やフラックスは、亜鉛／アルミニウム系やアルミニウム／セシウム／フッ化物系等のものが用いられる。なお、ロウ材とフラックスの組み合わせは、前者の融点及び後者の活性化温度が近い組み合わせほど、ロウ材の流れ性が良くなる等によってロウ付け性が向上するため好適である。
【００１４】
第１扁平管１は、長手方向の一方の端部が管状の第１入口ヘッダー３の側面に接続されており、他方の端部が管状の第１出口ヘッダー４の側面に接続されている。つまり、第１扁平管１に形成された貫通穴は、高温流体が流れる並列流路を構成する。第２扁平管２の長手方向の一方の端部である流入部２ａは、管状の第２入口ヘッダー５の側面に接続されている。第２扁平管２の長手方向の他方の端部である流出部２ｄは、管状の第２出口ヘッダー６の側面に接続されている。また、流入部２ａ及び流出部２ｄは、屈曲部２ｂを介して熱交換部２ｃと接続されている。つまり、第２扁平管２に形成された貫通穴２１は、低温流体が流れる並列流路を構成する。
【００１５】
また、第１入口ヘッダー３、第１出口ヘッダー４、第２入口ヘッダー５及び第２出口ヘッダー６は、それぞれの管軸方向と扁平管１，２の扁平な面（つまり、扁平管１，２に形成された貫通穴の並列方向）とが並行になるように配置されている。
さらに、低温流体が気液二相状態となって流れる第２入口ヘッダー５に接続された第２扁平管２の流入部２ａは、略水平になっている。つまり、第２入口ヘッダー５から第２扁平管２へ流入する気液二相状態の低温流体の流路（換言すると、流入部２ａの貫通穴２１）は、略水平になっている。
なお、第１扁平管１が本発明の「第１流路部」に相当し、第２扁平管２が本発明の「第２流路部」に相当する。
【００１６】
高温流体は第１入口ヘッダー３、第１扁平管１、第１出口ヘッダー４の順に流れ、低温流体は第２入口ヘッダー５、第２扁平管２、第２出口ヘッダー６の順に流れ、第１扁平管１と第２扁平管２（より詳しくは、熱交換部２ｃ）との接触部を介して両流体が熱交換される。つまり、第１扁平管１の貫通穴を流れる高温流体と第２扁平管２の貫通穴を流れる低温流体とは、両貫通穴の間の隔壁となる第１扁平管１及び第２扁平管２の外郭部を介して熱交換される。
【００１７】
なお、本実施の形態１では、それぞれ数本の第１扁平管１及び第２扁平管２により熱交換器１０を構成したが、各扁平管１，２の数は本実施の形態１の数に限らない。１本の第１の扁平管１と１本の第２の扁平管２とを扁平面に沿って交互に並べ、並列流路を構成するようにしてもよい。また、本実施の形態１では、第１扁平管１と第２扁平管２とは、それぞれの管内を流れる流体の流れ方向が並行となるように接触させているが、直交となるように接触させてもよい。また、第１扁平管１や第２扁平管２を折り返して、第１扁平管１と第２扁平管２とを積層してもよい。また、図１（ｃ）では第２扁平管２の流入部２ａの端部が第２入口ヘッダー５の内面にほぼ一致しているが、第２扁平管２の流入部２ａの端部が第２入口ヘッダー５の内部に突き出して構成してもよい。
【００１８】
本実施の形態１に示す熱交換器１０においては、気液二相流体が流れる第２入口ヘッダー５に接続する第２扁平管２の端部が略水平となっている。つまり、第２入口ヘッダー５から各貫通穴２１へ流出する気液二相流体の流出方向（換言すると、各貫通穴２１へ流入する気液二相流体の流入方向）が略水平となっている。より詳しくは、本実施の形態１の場合、第２入口ヘッダー５内で冷媒の流速が低下して気液が上下に分離した流れとなっても、第２入口ヘッダー５の底部から第２扁平管２への流入部付近まで液がたまり、気液境界面がちょうど第２扁平管２への流入部付近に形成されるため、気液の分配が良好となる。つまり、例えば、水平に配置された第２入口ヘッダー５から冷媒が鉛直下向きに各第２扁平管２に流出する場合、第２入口ヘッダー５内で液面が形成される前に、上流側の第２扁平管２に選択的に液だけが流出しやすくなるため気液の分配が悪化してしまう。しかしながら、本実施の形態１に係る熱交換器１０は、第２入口ヘッダー５に接続する第２扁平管２の端部が略水平となっているのでそう言ったことがない。このため、第２扁平管２の各貫通穴２１へ気液比率が均等になるように低温流体を分配することができ、流体の温度効率を最大化でき、さらには圧力損失を最小化することができるので、熱交換器１０の熱交換性能を向上することができる。したがって、本実施の形態１に示す熱交換器１０においては、コンパクトで高性能な熱交換器を得ることができる。
【００１９】
なお、他のヘッダー３，４，６に接続される扁平管の端部については、気液二相流体が流入しない限り、特に、水平にする必要はない。
また、本実施の形態１では、第２入口ヘッダー５の外部で第２扁平管２を屈曲させて流入部２ａを形成したが、図２に示すように、第２入口ヘッダー５内の気液の流れを乱さない程度に第２入口ヘッダー５の内部で第２扁平管２を屈曲させて流入部２ａを形成してもよい。
【００２０】
本実施の形態１の熱交換器１０は、熱交換器１０の向きが上下逆転しても、第２入口ヘッダー５に接続される第２扁平管２の流入部２ａは略水平に保たれる。このため、気液の分配が悪化することがない。したがって、本実施の形態１の熱交換器１０は、設置上の自由度や配管の接続取り回しの自由度が増加するという効果も奏する。
【００２１】
一般に、扁平管の各貫通穴への気液二相流体の分配特性は、ヘッダーから各貫通穴へ流出する流体の流出方向（換言すると、各貫通穴へ流入する流体の流入方向）によって大きく変化する。このため、この方向が熱交換器１０の伝熱特性（すなわち、気液二相流体の分配特性）に与える影響を実験で調べた（図３〜図５）。図３〜図５に示す実験では、第１扁平管１に高温流体として温水を流し、第２扁平管２に低温流体として気液二相状態の低温フロン冷媒を流した。そして、各流体の出入口温度、数１及び数２の式を用いて、熱交換器１０の伝熱特性ＫＡ（Ｗ／Ｋ）を測定した。
【００２２】
【数１】
2012017681.tif 000003
【００２３】
【数２】
2012017681.tif 000004
ここで、Ｍｈ  ：高温流体の質量流量（ｋｇ／ｈ）、Ｃｐｈ  ：高温流体の定圧比熱（Ｊ／ｋｇＫ）、Ｔｈｉ：高温流体の入口温度、Ｔｈｏ：高温流体の出口温度、ＴＣＯ：低温流体の出口温度、ＴＣｉ：低温流体の入口温度である。
【００２４】
また、図３〜図５に示す実験では、熱交換器１０の構成を以下のように設定した。
第２入口ヘッダー５の内直径Ｄは６ｍｍとした。第１扁平管１に形成された貫通穴は約１ｍｍ角の矩形穴とし、各第１扁平管１に形成された貫通穴は合計で６０個とした。また、これら貫通穴を第１扁平管１の幅方向に並べて形成する構成とした。第２扁平管２に形成された貫通穴２１も約１ｍｍ角の矩形穴とし、各第２扁平管２に形成された貫通穴２１は合計で６０個とした。また、これら貫通穴２１を第２扁平管２の幅方向に並べて形成する構成とした。
なお、第１扁平管１の端部のヘッダー内面からの突き出し長さは２ｍｍとした。
【００２５】
また、図３〜図５に示す実験では、以下の条件で伝熱特性ＫＡ（Ｗ／Ｋ）を測定した。
高温流体の質量流量Ｍｈ  は６００ｋｇ／ｈとした。低温流体の質量流量Ｍｃ  は８０〜１００ｋｇ／ｈの範囲とした。低温流体の気液の全質量流量に対するガスの質量流量の割合（すなわち乾き度Ｘ）は０．１〜０．２に調節した。この乾き度Ｘの範囲は、一般の冷凍空調装置に用いる熱交換器１０の入口乾き度としては一般的な使用範囲である。
なお、以下の図３（ｃ）、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示した、三角、四角及び丸は、以下の条件での伝熱特性を表している。四角は、低温流体の質量流量Ｍｃ  が８０ｋｇ/ｈの場合の伝熱特性を表している。三角は、低温流体の質量流量Ｍｃ  が９０ｋｇ/ｈの場合の伝熱特性を表している。丸は、低温流体の質量流量Ｍｃ  が１００ｋｇ/ｈの場合の伝熱特性を表している。
【００２６】
なお、図３〜図５において、第２入口ヘッダー５が水平に近い状態においては、第２入口ヘッダー５内での冷媒の流れは、質量速度により気液が上下に分離した流れとなりやすい。また、第２入口ヘッダー５が垂直に近い状態においては、第２入口ヘッダー５内での冷媒の流れは、質量速度により気液が環状に分離しやすい。例えば、このようなヘッダーが水平の場合と垂直の場合の性質の違いは、姿勢角γ又はβで表すと、４５°付近を境に生じる。
【００２７】
図３は、第２入口ヘッダー５を水平方向に配置し、気液二相状態の低温流体が第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する際の流出方向（換言すると、貫通穴２１へ流入する低温流体の流入方向）である姿勢角αを変化させた場合の伝熱特性を示す。ここで、図３（ａ）は、姿勢角αの説明図である。図３（ｂ）は、主な姿勢角αにおける熱交換器１０の配置図である。図３（ｃ）は、実験結果であり、姿勢角αと伝熱特性（相対値）との関係を示す図である。図３（ｃ）の縦軸に示す熱交換器１０の伝熱特性（相対値）は、第２扁平管２の各貫通穴２１へ気液比率が均等になるように低温流体を分配させた条件における伝熱特性を１として相対値で表した。
【００２８】
なお、図３に示す第２扁平管２の端部は、図１に示す熱交換器１０とは異なり、折れ曲り部が１箇所になっている。つまり、図３に示す第２扁平管２は、流入部２ａ及び流出部２ｄが直接（屈曲部２ｂを介さず）熱交換部２ｃに接続される構成となっている。また、姿勢角α＝０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が垂直上向きの方向となっている。０°＜姿勢角α＜９０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向よりも上向きとなっている。姿勢角α＝９０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向となっている。９０°＜姿勢角α＜１８０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向よりも下向きとなっている。姿勢角α＝１８０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が垂直下向きの方向となっている。
【００２９】
図３（ｃ）に示すように、−１１０°＜姿勢角α＜１１０°のとき（より好ましくは、８０°＜姿勢角α＜１００°又は−８０°＜姿勢角α＜−１００°において）伝熱特性を高く維持できることがわかった。特に、伝熱特性は、姿勢角αが９０°付近（８５°＜姿勢角α＜９５°又は−８５°＜姿勢角α＜−９５°）が最も高いことがわかった。また、姿勢角αが１１０°以下となると、伝熱特性が急激に低下することがわかった。つまり、この結果から、−１１０°＜姿勢角α＜１１０°のとき、各貫通穴２１に分配される低温流体の気液比率が概ね等しくなることがわかった。また、姿勢角αを略−９０°又は略９０°にすると、各貫通穴２１に分配される低温流体の気液比率をより等しくできることがわかった。このように、姿勢角αを略−９０°又は略９０°にすると、第２入口ヘッダー５内で流速が低下して気液が上下に分離した流れとなっても、第２入口ヘッダー５から第２扁平管２への流入部が常に液相に満たされていることなく、上流側の第２扁平管２に選択的に液だけが流出して気液の分配が悪化するようなことはない。なお、姿勢角αが０°付近では、液の慣性等により液が第２ヘッダー５の入口側から見て奥側の第２扁平管２へ流入しやすいが、液に作用する重力により流れが抑制されるため分配の悪化がある程度抑えられる。
【００３０】
図４は、気液二相状態の低温流体が第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する際の流出方向を水平にして、第２入口ヘッダー５の姿勢角γを変化させた場合の伝熱特性を示す。ここで、図４（ａ）は、姿勢角γの説明図である。図４（ｂ）は、主な姿勢角γにおける熱交換器１０の配置図である。図４（ｃ）は、実験結果であり、姿勢角γと伝熱特性（相対値）との関係を示す図である。図４（ｃ）の縦軸に示す熱交換器１０の伝熱特性（相対値）は、第２扁平管２の各貫通穴２１へ気液比率が均等になるように低温流体を分配させた条件における伝熱特性を１として相対値で表した。
【００３１】
なお、図４に示す第２扁平管２の端部は、図１に示す熱交換器１０とは異なり、折れ曲り部がない構成となっている。つまり、図４に示す第２扁平管２は、流入部２ａ及び流出部２ｄと熱交換部２ｃとが平行になった構成となっている。また、姿勢角γ＝０°のとき、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向となっている。０°＜姿勢角γ＜９０°のとき、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向よりも下向きとなっている。姿勢角γ＝９０°のとき、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が垂直下向きの方向となっている。−９０°＜姿勢角γ＜０°のとき、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向よりも上向きとなっている。姿勢角γ＝−９０°のとき、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が垂直上向きの方向となっている。
【００３２】
図４（ｃ）に示すように、熱交換器１０の伝熱特性は、第２入口ヘッダー５を垂直にした方がやや高い傾向があるが、姿勢角γは第２入口ヘッダー５の姿勢に対する影響が比較的少ないことがわかった。
【００３３】
図５は、第２入口ヘッダー５の姿勢、及び気液二相状態の低温流体が第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する際の流出方向の双方を変化させた場合の伝熱特性を示す。ここで、図５（ａ）は、姿勢角βの説明図である。図５（ｂ）は、主な姿勢角βにおける熱交換器１０の配置図である。図５（ｃ）は、実験結果であり、姿勢角βと伝熱特性（相対値）との関係を示す図である。図５（ｃ）の縦軸に示す熱交換器１０の伝熱特性（相対値）は、第２扁平管２の各貫通穴２１へ気液比率が均等になるように低温流体を分配させた条件における伝熱特性を１として相対値で表した。
【００３４】
なお、図５に示す第２扁平管２の端部は、図１に示す熱交換器１０とは異なり、折れ曲り部が１箇所になっている。つまり、図５に示す第２扁平管２は、流入部２ａ及び流出部２ｄが直接（屈曲部２ｂを介さず）熱交換部２ｃに接続される構成となっている。
【００３５】
また、姿勢角β＝０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向となり、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が垂直下向きの方向となっている。０°＜姿勢角β＜９０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向よりも上向きとなり、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向よりも下向きとなっている。姿勢角β＝９０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が垂直上向きの方向となっており、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向となっている。９０°＜姿勢角β＜１８０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向よりも上向きとなっており、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向よりも上向きとなっている。姿勢角β＝１８０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向となり、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が垂直上向きの方向となっている。
【００３６】
また、−９０°＜姿勢角β＜０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向よりも下向きとなり、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向よりも下向きとなっている。姿勢角β＝−９０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が垂直下向きの方向となっており、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向となっている。−１８０°＜姿勢角β＜−９０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向よりも下向きとなっており、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が水平方向よりも下向きとなっている。姿勢角β＝−１８０°のとき、第２扁平管２の貫通穴２１へ流出する低温流体（気液二相状態）の流出方向が水平方向となり、第２入口ヘッダー５へ流入する低温流体（気液二相状態）の流入方向が垂直下向きの方向となっている。
【００３７】
図５（ｃ）に示すように、０°≦姿勢角β≦１８０°のとき、伝熱特性を高く維持できることがわかった。特に、伝熱特性は、姿勢角βが９０°付近及び１８０°付近が最も高いことがわかった。また、姿勢角βが０°よりも小さくなると、伝熱特性が急激に低下することがわかった。つまり、この結果から、０°≦姿勢角β≦１８０°のとき、各貫通穴２１に分配される低温流体の気液比率が概ね等しくなることがわかった。また、姿勢角βを９０°付近及び１８０°付近にすると、各貫通穴２１に分配される低温流体の気液比率をより等しくできることがわかった。
【００３８】
（効果）
以上のように、本発明の実施の形態１に示す熱交換器１０は、第１入口ヘッダー３から第１扁平管１の貫通穴へ流入する高温流体及び第２入口ヘッダー４から第２扁平管２の貫通穴２１へ流入する低温流体の少なくとも一方は、気液二相状態の流体となる。そして、気液二相状態の流体の入口ヘッダーから扁平管への流入方向が、略水平方向又は略水平方向よりも上方向となっている。このため、第２入口ヘッダー５内で流速が低下して気液が上下に分離した流れとなっても、第２入口ヘッダー５から第２扁平管２への流入部が常に液相に満たされていることなく、上流側の第２扁平管２に選択的に液だけが流出して気液の分配が悪化するようなことはない。したがって、各貫通穴へ気液比率が均等になるように気液二相流体を分配することができ、流体の温度効率を最大化でき、さらには圧力損失を最小化することができる。つまり、熱交換器１０の熱交換性能を向上することができる。
このように、本実施の形態１に示す熱交換器１０においては、コンパクトで高性能な熱交換器を得ることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態１においては、第２入口ヘッダー５を流れる低温流体が気液二相状態となる場合について説明した。第１入口ヘッダー３を流れる高温流体が気液二相状態となる場合には、第１入口ヘッダー３から第１扁平管１の貫通穴へ流入する高温流体の流入方向を略水平にすることによって、同様の効果を得ることができる。
【００４０】
実施の形態２．
実施の形態１で示した熱交換器１０の構成はあくまでも一例であり、例えば以下のように熱交換器１０を構成してもよい。なお、以下では、実施の形態１に係る熱交換器１０との差異点を主に説明する。
【００４１】
図６は、本発明の実施の形態２による熱交換器の一例を示す側面図である。
図６（ａ）に示す熱交換器１０は、第２扁平管２の屈曲部２ｂが横断面略コの字形状となっている。つまり、第２扁平管２の流入部２ａと熱交換部２ｃとを接続する屈曲部２ｂは、高温流体が流れる第１出口ヘッダー４を乗り越えるように配置されてる。また、第２扁平管２の熱交換部２ｃと流出部２ｄとを接続する屈曲部２ｂは、高温流体が流れる第１入口ヘッダー３を乗り越えるように配置されてる。
【００４２】
このように構成された熱交換器１０においては、実施の形態１の効果に加えて、扁平管１，２の積層方向の高さを抑制することができるためコンパクトとなる。
【００４３】
また、図６（ｂ）に示す熱交換器１０の第２扁平管２は、第２入口ヘッダー５側の端部と第２出口ヘッダー６側の端部とで、その屈曲方向が逆となっている。また、第１扁平管１は、流入部１ａ、熱交換部１ｃ、流出部１ｄ及び屈曲部１ｂを備えている。流入部１ａは、第１入口ヘッダー３と接続され、流路が略水平となっている。流出部１ｄは、第１出口ヘッダー４と接続され、流路が略水平となっている。熱交換部１ｃと第２扁平管２の熱交換部２ｃとは、互いの扁平な面が接触するように積層されている。屈曲部１ｂは、流入部１ａと熱交換部１ｃとの間、及び熱交換部１ｃと流出部１ｄとの間を接続する。第１扁平管１の第１入口ヘッダー３側端部の屈曲方向は、第２扁平管２の第２出口ヘッダー６側端部の屈曲方向と同じになっている。第１扁平管１の第１出口ヘッダー４側端部の屈曲方向は、第２扁平管２の第２入口ヘッダー５側端部の屈曲方向と同じになっている。
【００４４】
このように構成された熱交換器１０においては、実施の形態１の効果に加え、複数台の熱交換器１０を設置する場合、高さ方向の設置スペースをコンパクトにできるという効果を奏する。つまり、熱交換能力を大きくするため、複数台の熱交換器１０を扁平管１，２の積層方向に積上げて設置する場合、各ヘッダー３，４，５，６の干渉を防止しながら、各熱交換器１０の高さ方向すきまを小さくすることができる。
【００４５】
また、図６（ｃ）に示す熱交換器１０は、第１扁平管１の上方に加え、第１扁平管１の下方にも第２扁平管が設けられている。第１扁平管１の上方に配置される第２扁平管２Ａは、流入部２Ａａ、熱交換部２Ａｃ、流出部２Ａｄ及び屈曲部２Ａｂを備えている。流入部２Ａａは、第２入口ヘッダー５Ａと接続され、流路が略水平となっている。流出部２Ａｄは、第２出口ヘッダー６Ａと接続され、流路が略水平となっている。熱交換部２Ａｃと第１扁平管１とは、互いの扁平な面が接触するように積層されている。屈曲部２Ａｂは、流入部２Ａａと熱交換部２Ａｃとの間、及び熱交換部２Ａｃと流出部２Ａｄとの間を接続する。第２扁平管２Ａの端部は、第１入口ヘッダー３及び第１出口ヘッダー４を乗り上げるように屈曲している。
【００４６】
第１扁平管１の下方に配置される第２扁平管２Ｂは、流入部２Ｂａ、熱交換部２Ｂｃ、流出部２Ｂｄ及び屈曲部２Ｂｂを備えている。流入部２Ｂａは、第２入口ヘッダー５Ｂと接続され、流路が略水平となっている。流出部２Ｂｄは、第２出口ヘッダー６Ｂと接続され、流路が略水平となっている。熱交換部２Ｂｃと第１扁平管１とは、互いの扁平な面が接触するように積層されている。屈曲部２Ｂｂは、流入部２Ｂａと熱交換部２Ｂｃとの間、及び熱交換部２Ｂｃと流出部２Ｂｄとの間を接続する。第２扁平管２Ｂの端部は、第１入口ヘッダー３及び第１出口ヘッダー４の下方へもぐり込むように屈曲している。
【００４７】
熱交換能力を大きくしたり、第２扁平管２の伝熱・流動特性を最適化するとき等、１本の第１扁平管１に対して２本の第２扁平管２Ａ，２Ｂを配置する場合がある。このように構成された熱交換器１０においては、気液二相状態の低温流体が第２扁平管２Ａの貫通穴２１へ流出する際の流出方向が略水平となっている。また、このように構成された熱交換器１０においては、気液二相状態の低温流体が第２扁平管２Ｂの貫通穴２１へ流出する際の流出方向が略水平となっている。このため、実施の形態１と同様、各貫通穴２１に分配される低温流体の気液比率を等しくでき、コンパクトで高性能な熱交換器１０を得ることができる。
【００４８】
実施の形態３．
実施の形態１や実施の形態２の熱交換器１０は、例えば空気調和装置、貯湯装置及び冷凍機等の冷凍空調装置に搭載される。以下に、実施の形態１や実施の形態２の熱交換器１０を搭載した冷凍空調装置の一例について説明する。
【００４９】
図７は、本発明の実施の形態３による冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。
図７に示す冷凍空調装置は、第１圧縮機３０、第１放熱器３１、第１減圧装置３２、第１冷却器３３が順に配管で接続された第１冷媒回路を有している。第１冷媒回路は、高温流体である第１冷媒が循環し、蒸気圧縮式冷凍サイクルで動作するように構成されている。また、第１冷媒回路の第１放熱器３１と第１減圧装置３２との間に熱交換器１０が配置されており、熱交換器１０の第１入口ヘッダー３は第１放熱器３１と接続され、第１出口ヘッダー４は第１減圧装置３２と接続されている。
【００５０】
また、この冷凍空調装置は、熱交換器１０、第２圧縮機４０、第２放熱器４１、第２減圧装置４２が順に配管で接続された第２冷媒回路を有している。熱交換器１０の第２出口ヘッダー６は第２圧縮機４０と接続され、第２入口ヘッダー５は第２減圧装置４２と接続されている。第２冷媒回路は、低温流体である第２冷媒が循環し、蒸気圧縮式冷凍サイクルで動作するように構成されている。第１冷媒、第２冷媒ともに、二酸化炭素、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒、アンモニア等の冷媒が用いられる。本実施の形態３では、第１冷媒に二酸化炭素が用いられている。
【００５１】
第１冷媒は、第１圧縮機３０によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。高温高圧の超臨界流体となった第１冷媒は、第１放熱器３１に送られ、第１放熱器３１で空気等と熱交換して温度が低下し、高圧の超臨界流体になる。高圧の超臨界流体となった第１冷媒は、熱交換器１０によって冷却されて温度が低下した後、第１減圧装置３２に流入して減圧され、低温低圧の気液二相流状態に変化し、第１冷却器３３に送られる。低温低圧の気液二相流状態となった第１冷媒は、第１冷却器３３で空気等と熱交換して蒸発し、第１圧縮機３０に戻る。
【００５２】
一方、第２冷媒は、第２圧縮機４０によって圧縮され、高温高圧の蒸気となって吐出される。高温高圧の蒸気となった第２冷媒は、第２放熱器４１に送られ、第２放熱器４１で空気等と熱交換して温度が低下し、高圧の液体になる。高圧の液体となった第２冷媒は、第２減圧装置４２で減圧され、低温の気液二相流状態に変化し、熱交換器１０に送られる。低温の気液二相流状態となった第２冷媒は、熱交換器１０で加熱され蒸気となり、第２圧縮機４０に戻る。
【００５３】
このように構成された冷凍空調装置においては、第１放熱器３１を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することができ、冷凍空調装置の効率を大幅に向上することができる。
なお、第１冷媒回路を流れる第１冷媒として、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒又はアンモニアを用いた場合においても、第１放熱器３１を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することで、冷凍空調装置の効率が向上する。第１冷媒回路の第１冷媒が二酸化炭素であって、臨界点以上で放熱する場合、冷凍空調装置の効率が特に向上する。
なお、本実施の形態３では、第２冷媒回路は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの場合を示したが、第２冷媒を水やエチレングリコール水溶液等のブライン（不凍液）、第２圧縮機４０をポンプで構成してもよい。
【００５４】
図８は、本発明の実施の形態３による冷凍空調装置の別の一例を示す冷媒回路図である。
図８に示す冷凍空調装置は、図７に示す冷凍空調装置の構成から第１放熱器３１を省略し、第１圧縮機３０から吐出された高温高圧の蒸気である第１冷媒を全て熱交換器１０で冷却している。つまり、図８に示す冷凍空調装置は、いわゆる二次ループ形冷凍空調装置となっている。この場合、熱交換器１０は第１放熱器３１として用いられる。図８に示す冷凍空調装置では、熱交換器１０において必要熱交換量が大きくなり、冷凍空調装置全体に占める容積割合が第１放熱器３１を設けた場合よりも大きくなる。熱交換器１０がコンパクトとなることによって、冷凍空調装置全体がコンパクトとなる効果が一層高まる。
【００５５】
図９は、本発明の実施の形態３による冷凍空調装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。
図９に示す冷凍空調装置は、第１圧縮機３０、第１放熱器３１、第１減圧装置３２及び第１冷却器３３が順に接続された冷媒回路を備えている。また、図９に示す冷凍空調装置は、バイパス配管５２を備えている。バイパス配管５２は、一端が第１放熱器３１と第１減圧装置３２との間に接続され、他端が第１圧縮機３０における冷媒の圧縮工程の途中に設けられたインジェクションポート５３、又はここでは図示しないが圧縮機３０と第１冷却器３３との間に接続されている。熱交換器１０は、冷媒回路における第１放熱器３１と第１減圧装置３２との間であり、バイパス配管５２の途中となる位置に配置されている。熱交換器１０は、第１入口ヘッダー３と第１放熱器３１とが接続され、第１出口ヘッダー４と第１減圧装置３２とが接続されている。また、熱交換器１０は、第２入口ヘッダー５とバイパス減圧装置５１とが接続され、第２出口ヘッダー６とインジェクションポート５３、又はここでは図示しないが圧縮機３０と第１冷却器３３との間とが接続されている。
【００５６】
バイパス減圧装置５１で減圧された冷媒（低温流体）は、低温の気液二相流状態に変化し、熱交換器１０で第１放熱器３１から流出した冷媒（高温流体）と熱交換し、第１圧縮機３０のインジェクションポート５３に送られる。なお、図９に示す冷凍空調装置においては、ＨＦＣ系冷媒、ＨＣ冷媒、ＨＦＯ系冷媒、アンモニア、二酸化炭素等の冷媒が用いられる。
【００５７】
このように構成された冷凍空調装置においても、第１放熱器３１を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することができ、冷凍空調装置の効率を大幅に向上することができる。
【００５８】
また、図９に示す冷凍空調装置においては、熱交換器１０からインジェクションポート５３に流入する低温流体の飽和温度（気液平衡温度）が高いほど、第１圧縮機３０の効率が高くなり、所要動力も小さくできる。図９に示すように第１放熱器３１の出口を冷却すると、特に外気温度が高く第１放熱器３１出口における高温流体の温度が比較的高い場合、熱交換器１０において高温流体と低温流体との温度差を十分大きくとれる。このため、インジェクションポート５３に流入する低温流体の温度を高めに維持でき、第１圧縮機３０の高い効率を確保することができる。
【００５９】
なお、バイパス配管５２の他端が第１圧縮機３０と第１冷却器３３との間に接続される場合、熱交換器１０を用いない場合に比べ、冷凍効果を低下させることなく、第１冷却器３３を流れる冷媒流量を低下させることができる。特に、第１圧縮機３０と第１冷却器３３の間の配管長が長い場合、圧力損失の増加に伴う性能の低下を抑制することができ、有用である。
【００６０】
以上のように、コンパクトで高性能な熱交換器１０を搭載することにより、上述のような効果を有しつつ、コンパクトな冷凍空調装置を得ることができる。
【００６１】
実施の形態４．
実施の形態１及び実施の形態２においては、高温流体が流通する第１扁平管１及び低温流体が流通する第２扁平管２をそれぞれ別体で構成し、第１扁平管１及び第２扁平管２の扁平な面同士をろう付け等で接合して両者を積層した熱交換器１０について説明した。つまり、実施の形態１及び実施の形態２においては、高温流体が流通する冷媒流路及び低温流体が流通する冷媒流路をそれぞれ別部品に形成した熱交換器１０について説明した。これに限らず、高温流体が流通する冷媒流路及び低温流体が流通する冷媒流路を同一部品に形成して熱交換器１０を構成してもよい（つまり、本発明に係る第１流路部及び第２流路部を一体で形成してもよい）。そして、このように構成された熱交換器１０を実施の形態３で示したような冷凍空調装置に搭載してもよい。なお、本実施の形態４において、特に記述しない項目については実施の形態１〜実施の形態３と同様とする。
【００６２】
図１０は、本発明の実施の形態４による熱交換器の構造図である。このうち、図１０（ａ）は、同熱交換器１０の斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ矢視図である。
図１０で示されるように、本実施の形態４に係る熱交換器１０の本体１１０には、第１冷媒（例えば、高温流体）が流通する複数の第１冷媒流路１０１ａが例えば長手方向（図１０の上下方向）に貫通して形成されている。そして、これら第１冷媒流路１０１ａが並列配置されて、第１冷媒パス１０１を構成している。また、本体１１０には、第２冷媒（例えば、低温流体）が流通する複数の第２冷媒流路１０２ａが例えば長手方向（図１０の上下方向）に貫通して形成されている。そして、これら第２冷媒流路１０２ａが並列配置されて第２冷媒パス１０２を構成している。これら第１冷媒パス１０１及び第２冷媒１０２は、第１冷媒流路１０１ａの並設方向と第２冷媒流路１０２ａの並設方向を揃えて配置されている。なお、図１０に示す熱交換器１０では、第１冷媒パス１０１（つまり、第１冷媒流路１０１ａ）及び第２冷媒パス１０２（つまり、第２冷媒流路１０２ａ）が垂直に配置されている。
なお、ここでいう「揃えて」とは、第１冷媒流路１０１ａの並設方向と第２冷媒流路１０２ａの並設方向とが厳密に平行となっているものではなく、両者の並設方向が実質的に揃っていることを示している。このため、第１冷媒流路１０１ａの並設方向と第２冷媒流路１０２ａの並設方向とが多少傾いていても、本実施の形態４では、両者の並設方向を「揃えて」と表現する。
【００６３】
つまり、本実施の形態４においては、第１冷媒パス１０１と第２冷媒パス１０２とが一体で形成されている。この第１冷媒パス１０１及び第２冷媒パス１０２が形成された本体１１０は、例えば、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、銅若しくは銅合金、鉄鋼、又はステンレス合金によって形成されており、押し出し又は引き抜き成形等によって製造される。
【００６４】
また、本体１１０の冷媒流通方向の両端のうち一方には、各第２冷媒流路１０２ａの並設方向に沿って、全ての第２冷媒流路１０２ａに連通する第２入口連通穴１０５ａが形成されている。また、他方には、各第２冷媒流路１０２ａの並設方向に沿って、全ての第２冷媒流路１０２ａに連通する第２出口連通穴１０６ａが形成されている。つまり、図１０に示す熱交換器１０では、第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａが水平に配置されている。
【００６５】
同様に、本体１１０の冷媒流通方向の両端のうち第２出口連通穴１０６ａが形成された側には、各第１冷媒流路１０１ａの並設方向に沿って、全ての第１冷媒流路１０１ａに連通する第１入口連通穴１０３ａが形成されている。また、本体１１０の冷媒流通方向の両端のうち第２入口連通穴１０５ａが形成された側には、各第１冷媒流路１０１ａの並設方向に沿って、全ての第１冷媒流路１０１ａに連通する第１出口連通穴１０４ａが形成されている。つまり、図１０に示す熱交換器１０では、第１入口連通穴１０３ａ及び第１出口連通穴１０４ａが水平に配置されている。
【００６６】
さらに、第１入口連通穴１０３ａと第２出口連通穴１０６ａとは、第１冷媒流路１０１ａ（換言すると、第２冷媒流路１０２ａ）の冷媒流通方向に少しずらして形成されている。また、第１出口連通穴１０４ａと第２入口連通穴１０５ａとは、第１冷媒流路１０１ａ（換言すると、第２冷媒流路１０２ａ）の冷媒流通方向に少しずらして形成されている。
【００６７】
なお、第１入口連通穴１０３ａ及び第１出口連通穴１０４ａの貫通方向は、必ずしも各第１冷媒流路１０１ａの方向と垂直になっている必要はない。また、第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａの貫通方向についても、必ずしも第２冷媒流路１０２ａの方向と垂直になっている必要もない。
【００６８】
また、第１入口連通穴１０３ａ、第１出口連通穴１０４ａ、第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａの一端は開口されており、それぞれ、外部に連通するように、第１入口接続管１０３、第１出口接続管１０４、第２入口接続管１０５及び第２出口接続管１０６が接続されている。また、第１入口連通穴１０３ａ、第１出口連通穴１０４ａ、第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａの他端は、封止部材等によって閉口されている。
なお、図１０では、第１入口連通穴１０３ａ、第１出口連通穴１０４ａ、第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａの開口（又は閉口）側端部が、すべて同じ側になっている。しかしながら、第１入口連通穴１０３ａ、第１出口連通穴１０４ａ、第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａの開口（又は閉口）側端部は、図１０に示す位置に限定されるものではなく、各連通穴において一端が開口され、他端が閉口されている構成であれば、それぞれ同じ側である必要はない。
【００６９】
また、本体１１０の長手方向に貫通して形成された複数の第１冷媒流路１０１ａ及び第２冷媒流路１０２ａの両端部は、ピンチ加工等による封止加工、又は、封止部材によって封止（図示せず）されている。
【００７０】
ここで、本実施の形態４に係る熱交換器１０は、図１０に示すような低温流体及び高温流体が上下方向に流れる姿勢で用いられることを想定したものである。また、本実施の形態４に係る熱交換器１０は、気液二相状態の低温流体が第２入口接続管１０５及び第２入口連通穴１０５ａを介して第２冷媒パスの各第２冷媒流路１０２ａに流入することを想定したものである。このため、本実施の形態４に係る熱交換器１０は、実施の形態１の図３〜図５に示す実験により得られた知見、即ち、伝熱特性に優れた前述した姿勢角α，β，γの範囲に基づき、第２入口連通穴１０５ａを次のような位置に配置している。
【００７１】
つまり、第２入口連通穴１０５ａを当該第２入口連通穴１０５ａの中心軸方向に観察した場合、第２入口連通穴１０５ａの中心軸は、第２入口連通穴１０５ａと第２冷媒パス１０２（つまり、各第２冷媒流路１０２ａ）との接続部と一致する位置、又は、当該接続部よりも第１冷媒パス１０１（つまり、各第１冷媒流路１０１ａ）から離れた位置となっている。
これにより、本実施の形態４に係る熱交換器１０においては、第２流路部１０２と第２入口ヘッダー５とを、姿勢角αとして０°≦α＜１１０°（図３と同じ方向を正とした場合は−１１０°＜α≦０）で接続している。
【００７２】
なお、第１冷媒パス１０１、第２冷媒パス１０２、第１入口連通穴１０３ａ、第１出口連通穴１０４ａ、第２入口連通穴１０５ａ及び第２入口連通穴１０６ａが、本発明の「第１流路部」、「第２流路部」、「第１入口ヘッダー」、「第１出口ヘッダー」、「第２入口ヘッダー」及び「第２出口ヘッダー」に相当する。
【００７３】
次に、図１０を参照しながら、本実施の形態４に係る熱交換器１０における高温流体と低温流体との熱交換動作について説明する。
【００７４】
高温流体は、第１入口接続管１０３を介して第１入口連通穴１０３ａへ流入し、第１冷媒パス１０１、そして、第１出口連通穴１０４ａの順に流通して、第１出口接続管１０４から流出する。一方、低温流体は、気液二相状態で、第２入口接続管１０５を介して第２入口連通穴１０５ａへ流入し、第２冷媒パス１０２、そして、第２出口連通穴１０６ａの順に流通して、第２出口接続管１０６から流出する。その際、第１冷媒パス１０１を流通する高温流体と、第２冷媒パス１０２を流通する低温流体とは、各冷媒パス同士間の隔壁を介して対向流で熱交換が実施される。
【００７５】
以上、本実施の形態４のように構成された熱交換器１０においては、第２入口連通穴１０５ａを当該第２入口連通穴１０５ａの中心軸方向に観察した場合、第２入口連通穴１０５ａの中心軸は、第２入口連通穴１０５ａと第２冷媒パス１０２（つまり、各第２冷媒流路１０２ａ）との接続部と一致する位置、又は、当該接続部よりも第１冷媒パス１０１（つまり、各第１冷媒流路１０１ａ）から離れた位置となっている。これにより、気液二相状態の低温冷媒が第２入口連通穴１０５ａから第２冷媒パス１０２へ流入する際の姿勢角αが、０°≦α＜１１０°となっている。このため、気液二相状態の低温冷媒は、第２冷媒パス１０２の各第２冷媒流路１０２ａへほぼ等しい気液比率で分配されやすくなり、安定した性能の熱交換器１０が得られる。
【００７６】
なお、実施の形態１からもわかるように、図１０（ｂ）の矢印方向を正方向とした場合、８０°＜α＜１００°のとき、低温流体の気相成分と液相成分の分配特性が最も好適となる。そして、隣り合う第１冷媒パス１０１と第２冷媒パス１０２との距離を近づけることができる。このため、図１０（ｂ）の矢印方向を正方向とした場合、８０°＜α＜１００°となるように第２入口連通穴１０５ａを形成することにより、本体１１０おいて熱伝導による熱抵抗をより抑制でき、熱交換器１０の性能向上をより図ることができる。
【００７７】
また、第１冷媒パス１０１と第２冷媒パス１０２とが本体１１０において一体として構成することにより、以下の種々の効果を得ることもできる。
【００７８】
まず、高温流体が流通する流路と低温冷媒が流通する流路とが別部品に形成された場合、これら部品の接合面で発生する熱抵抗が抑制され、熱交換器１０の熱交換性能を向上させることができる。
【００７９】
また、熱交換器１０の本体１１０内部に第１入口連通穴１０３ａ及び第１出口連通穴１０４ａを設けたため、第１冷媒パス１０１に接続するための別体のヘッダー管を備える必要がないので、熱交換器１０のコンパクト化が図れると共に、製造工程を簡素化することができる。これについては、第２冷媒パス１０２についての第２入口連通穴１０５ａ及び第２出口連通穴１０６ａについても同様である。
【００８０】
さらに、第１入口連通穴１０３ａ及び第２出口連通穴１０６ａ、並びに、第１出口連通穴１０４ａ及び第２入口連通穴１０５ａは、それぞれ、各流体の流通方向に少しずらして形成されているので、ずらさない場合と比較して、隣り合う第１冷媒パス１０１と第２冷媒パス１０２との距離を近づけることができ、熱交換器１０のコンパクト化を図ることができる。
【００８１】
なお、本実施の形態４に係る熱交換器１０では、図１０で示されるように第１冷媒流路１０１ａ及び第２冷媒流路１０２ａの流路断面の形状を矩形としているが、これら流路断面の形状は矩形に限定されるものではない。第１冷媒流路１０１ａ及び第２冷媒流路１０２ａの流路断面は、例えば多角形に形成してもよいし、耐圧性能を高めるために円形にしてもよい。第１冷媒流路１０１ａ及び第２冷媒流路１０２ａの流路断面を長穴又は楕円等としても勿論よい。この場合、第１冷媒流路１０１ａの流路断面と、第２冷媒流路１０２ａの流路断面とを同形状にする必要もないことは言うまでもない。さらに、伝熱性能を高めるために、第１冷媒流路１０１ａや第２冷媒流路１０２ａの内面に溝を設けて伝熱面積を大きくしてもよい。この場合、本体１０の押し出し成形時や引き抜き成形時に、同時にこの溝を加工するものとすれば、製造作業を簡素化することができる。
【００８２】
また、本実施の形態４に係る熱交換器１０では、図１０で示されるように第１冷媒パス１０１の第１冷媒流路１０１ａと第２冷媒パス１０２の第２冷媒流路１０２ａの数を同数としているが、これに限定されるものではない。すなわち、熱交換器１０における高温流体及び低温流体の動作条件又は流動物性値に合わせて、伝熱性能が高く、圧力損失が低く、かつ、好適な熱交換器１０となるように、それぞれ異なる数としてもよい。
【００８３】
また、第１冷媒パス１０１を流通する高温流体と、第２冷媒パス１０２を流通する低温流体とは、対向流で熱交換が実施されるものとしたが、これに限定されるものではなく、並行流として熱交換を実施するものとしてもよい。例えば、高温流体が第１入口接続管１０３から流入し、かつ、低温流体が第２出口接続管１０６から流入するようにすれば、高温流体及び低温流体が並行流となる。
【００８４】
また、図１０では、低温流体及び高温流体が上下方向に流れる姿勢で用いられる熱交換器１０について説明したが、第１冷媒パス１０１及び第２冷媒パス１０２を一体形成した本実施の形態４に係る熱交換器１０の設置姿勢は、図１０に示す姿勢に限定されるものではない。
【００８５】
図１１は、本発明の実施の形態４による熱交換器の別の一例を示す構造図である。このうち、図１１（ａ）は、同熱交換器１０の斜視図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ矢視図である。
図１１に示した熱交換器１０は、低温流体及び高温流体が左右方向（略水平方向）に流れる姿勢で用いられることを想定したものである。つまり、図１１に示した熱交換器１０は、第１冷媒パス１０１（つまり、第１冷媒流路１０１ａ）及び第２冷媒パス１０２（つまり、第２冷媒流路１０２ａ）を水平に配置したものである。なお、その他の構成は、図１０で示した熱交換器１０と同様の構成となっており、同様の効果を奏する。図１０と図１１で示した同じ記号の部位は、同じ機能、動作を有するため、機能、動作の説明を省略する。
【００８６】
図１１のように構成された熱交換器１０においても、第２入口連通穴１０５ａを当該第２入口連通穴１０５ａの中心軸方向に観察した場合、第２入口連通穴１０５ａの中心軸を、第２入口連通穴１０５ａと第２冷媒パス１０２（つまり、各第２冷媒流路１０２ａ）との接続部と一致する位置、又は、当該接続部よりも第１冷媒パス１０１（つまり、各第１冷媒流路１０１ａ）から離れた位置とすればよい。これにより、気液二相状態の低温冷媒が第２入口連通穴１０５ａから第２冷媒パス１０２へ流入する際の姿勢角αを、０＜α≦９０°に設定できる。このため、気液二相状態の低温冷媒は、第２冷媒パス１０２の各第２冷媒流路１０２ａへほぼ等しい気液比率で分配されやすくなり、安定した性能の熱交換器１０が得られる。ただし、８０°＜α＜１００°が分配特性としてはもっとも好適であるが、本実施の形態４の場合、αが９０°から０°に近づくほど（すなわち、第２入口連通穴１０５ａの中心軸を第１冷媒パス１０１から離れた位置に配置させるほど）、隣り合う第１冷媒パス１０１と第２冷媒パス１０２との距離を近づけることができる。このため、熱伝導による熱抵抗を抑制でき、性能向上を図ることができる姿勢角αとしては、少なくとも０＜α＜９０°の間になっていればよい。
【００８７】
なお、図１０及び図１１に示すように、本実施の形態４に係る熱交換器１０においては、第２出口接続管１０６から気液二相状態の低温流体を流入させて第２入口接続管１０５から低温流体を流出させる使用形態も想定している。このため、第２出口連通穴１０６ａを当該第２出口連通穴１０６ａの中心軸方向に観察した場合、第２出口連通穴１０６ａの中心軸を、第２出口連通穴１０６ａと第２冷媒パス１０２（つまり、各第２冷媒流路１０２ａ）との接続部と一致する位置、又は、当該接続部よりも第１冷媒パス１０１（つまり、各第１冷媒流路１０１ａ）から離れた位置としている。
【符号の説明】
【００８８】
１  第１扁平管、１ａ  流入部、１ｂ  屈曲部、１ｃ  熱交換部、１ｄ  流出部、２  第２扁平管、２ａ  流入部、２ｂ  屈曲部、２ｃ  熱交換部、２ｄ  流出部、２Ａ  第２扁平管、２Ａａ  流入部、２Ａｂ  屈曲部、２Ａｃ  熱交換部、２Ａｄ  流出部、２Ｂ  第２扁平管、２Ｂａ  流入部、２Ｂｂ  屈曲部、２Ｂｃ  熱交換部、２Ｂｄ  流出部、３  第１入口ヘッダー、４  第１出口ヘッダー、５  第２入口ヘッダー、５Ａ  第２入口ヘッダー、５Ｂ  第２入口ヘッダー、６  第２出口ヘッダー、６Ａ  第２出口ヘッダー、６Ｂ  第２出口ヘッダー、１０  熱交換器、２１  貫通穴、３０  第１圧縮機、３１  第１放熱器、３２  第１減圧装置、３３  第１冷却器、４０  第２圧縮機、４１  第２放熱器、４２  第２減圧装置、５２  バイパス配管、５３  インジェクションポート、１０１  第１冷媒パス、１０１ａ  第１冷媒流路、１０２  第２冷媒パス、１０２ａ  第２冷媒流路、１０３  第１入口接続管、１０３ａ  第１入口連通穴、１０４  第１出口接続管、１０４ａ  第１出口連通穴、１０５  第２入口接続管、１０５ａ  第２入口連通穴、１０６  第２出口接続管、１０６ａ  第２出口連通穴、１１０  本体。
【図１】
2012017681.tif 000005
【図２】
2012017681.tif 000006
【図３】
2012017681.tif 000007
【図４】
2012017681.tif 000008
【図５】
2012017681.tif 000009
【図６】
2012017681.tif 000010
【図７】
2012017681.tif 000011
【図８】
2012017681.tif 000012
【図９】
2012017681.tif 000013
【図１０】
2012017681.tif 000014
【図１１】
2012017681.tif 000015
【国際調査報告】
2012017681.tif 000016
2012017681.tif 000017
2012017681.tif 000018
2012017681.tif 000019
2012017681.tif 000020
2012017681.tif 000021
2012017681.tif 000022
2012017681.tif 000023