(57)【要約】【課題】内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器において、ドライアウトによる熱交換効率の低下を抑える。【解決手段】エコノマイザ熱交換器１２は、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とを有しており、内側流路２２を流れる流体と外側流路２３を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、内側流路２２を流れる流体は、内側流路２２を気液二相状態で流れる冷媒であり、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構２４が内側流路２２に設けられている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側流路（２２）と前記内側流路の周囲に配置された複数の外側流路（２３）とを有しており、前記内側流路を流れる流体と前記外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記内側流路を流れる流体は、少なくとも一時的には前記内側流路を気液二相状態で流れる冷媒であり、
前記内側流路を流れる気液二相状態の冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構（２４）が前記内側流路に設けられている、
熱交換器（１２）。
【請求項２】
前記遠心力作用機構（２４）は、前記内側流路（２２）の内面に形成されており、前記内側流路の周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィン（２２ａ）である、
請求項１に記載の熱交換器（１２）。
【請求項３】
前記遠心力作用フィン（２２ａ）のフィン高さ（Ｈ）は、前記内側流路（２２）の内径（ＤＩ）の０．０８倍以上である、
請求項２に記載の熱交換器（１２）。
【請求項４】
前記内側流路（２２）の軸方向に対して前記遠心力作用フィン（２２ａ）が延びる方向がなすねじれ角（α）は、１°〜１０°である、
請求項３に記載の熱交換器（１２）。
【請求項５】
前記内側流路（２２）の内面には、前記遠心力作用フィン（２２ａ）のフィン高さ（Ｈ）よりも小さい溝深さを有する溝からなる液滴捕捉溝（２２ｂ）がさらに形成されている、
請求項２〜４のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項６】
前記複数の外側流路（２３）は、前記複数の外側流路に囲まれる内側孔（１２１ａ）とともに、外側多穴管部材（１２１）に一体成形されており、
前記内側孔には、前記内側流路（２２）を形成しており、前記外側多穴管部材とは別の内側挿入管部材（１２２）が挿入されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項７】
前記内側流路（２２）と前記複数の外側流路（２３）とは、金属素材の押し出し成形によって成形される管部材（２１）に一体成形されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項８】
前記遠心力作用機構（２４）は、前記内側流路（２２）内に設けられており、前記内側流路の周方向にねじれながら軸方向に延びる部材からなる遠心力作用部材（２５）である、
請求項１〜５、７のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項９】
前記内側流路（２２）を流れる流体は、気液二相状態における気体の密度に対する液体の密度の比である気液密度比が１０以下の冷媒である、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項１０】
複数の圧縮要素を有しており、前記複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された圧縮機構（２）と、
前記圧縮機構によって冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された冷媒の放熱を行う放熱器（３）と、
前記放熱器によって放熱した冷媒を減圧する膨張機構（４）と、
前記膨張機構によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（５）と、
前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒を分岐して前記後段側の圧縮要素に戻すインジェクション管（１１）と、
前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒と前記インジェクション管を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒との熱交換を行うエコノマイザ熱交換器（１２）とを備え、
前記エコノマイザ熱交換器は、前記内側流路（２２）を流れる流体を前記インジェクション管を流れる冷媒とし、かつ、前記外側流路（２３）を流れる流体を前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換器である、
冷凍装置（１）。
【請求項１１】
前記蒸発器（５）を構成する伝熱管（５２）には、前記遠心力作用フィン（２２ａ）よりもフィン高さが小さい溝深さ（ｈｖ）を有する溝からなる蒸発器内面溝（５２ａ）が形成されている、請求項１０に記載の冷凍装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びそれを備えた冷凍装置に関する。本発明は、特に、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器、及びそれを備えた冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１（特開２０００−２４９２号公報）に示されるような熱交換器がある。この熱交換器は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行うものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の熱交換器を、内側流路を気液二相状態の冷媒が流れる態様で使用すると、内側流路の内面においてドライアウトが発生することによって内側流路を流れる冷媒の蒸発伝熱性能が低下し、熱交換器の熱交換効率が低下しやすい。
【０００４】
本発明の課題は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる冷媒と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器において、ドライアウトによる熱交換効率の低下を抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点にかかる熱交換器は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、内側流路を流れる流体が、内側流路を気液二相状態で流れる冷媒であり、内側流路を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構が内側流路に設けられている。
【０００６】
発明者らは、研究の結果、内側流路を流れる冷媒が気液二相状態の場合には、内側流路の内面に冷媒の液膜が生じにくくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトが発生しやすくなることを見いだした。
【０００７】
そこで、発明者らは、内側流路を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構を内側流路に設けるようにしている。
【０００８】
これにより、この熱交換器では、遠心力作用機構によって冷媒に遠心力を作用させて冷媒の液滴を外周側に移動させることによって、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【０００９】
第２の観点にかかる熱交換器は、第１の観点にかかる熱交換器において、遠心力作用機構は、内側流路の内面に形成されており、内側流路の周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィンである。
【００１０】
この熱交換器では、遠心力作用機構が内側流路の内面に形成された遠心力作用フィンであるため、冷媒に遠心力を作用させるとともに、内側流路の伝熱面積を増加させることができ、内側流路における熱流束が小さくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトの発生をさらに抑えることができる。
【００１１】
第３の観点にかかる熱交換器は、第２の観点にかかる熱交換器において、遠心力作用フィンのフィン高さは、内側流路の内径の０．０８倍以上である。
【００１２】
この熱交換器では、遠心力作用フィンのフィン高さを内側流路の内径の０．０８倍以上にすることによって、内側流路を流れる冷媒に遠心力を十分に作用させることができる。
【００１３】
第４の観点にかかる熱交換器は、第３の観点にかかる熱交換器において、内側流路の軸方向に対して遠心力作用フィンが延びる方向がなすねじれ角は、１°〜１０°である。
【００１４】
この熱交換器では、遠心力作用フィンのねじれ角を１°〜１０°にすることによって、内側流路の軸中心及びその近傍を流れる冷媒を除いて、内側流路の長さよりも十分に短い距離で、冷媒の液滴のほとんどを内側流路の内面に付着させることができる。ここで、遠心力作用フィンのねじれ角を１０°よりも大きくすれば、さらに短い距離で、さらに多くの冷媒の液滴を内側流路の内面に付着させることができるようになる。しかし、ねじれ角を１０°以上にしても、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけであり、その一方で、内側流路を流れる冷媒の圧力損失の増加が過大になる傾向になる。このため、この熱交換器では、遠心力作用フィンのねじれ角の下限を冷媒の液滴のほとんどを内側流路の内面に付着させる効果が得られる１°にし、遠心力作用フィンのねじれ角の上限を冷媒の液滴を内側流路の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけになる１０°にしている。
【００１５】
第５の観点にかかる熱交換器は、第２〜第４の観点のいずれかにかかる熱交換器において、内側流路の内面には、遠心力作用フィンのフィン高さよりも小さい溝深さを有する溝からなる液滴捕捉溝がさらに形成されている。
【００１６】
この熱交換器では、遠心力作用フィンとともに液滴捕捉溝が形成されているため、内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に捕捉することができ、これにより、遠心力作用フィンによって内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に付着した状態を維持されやすくできる。
【００１７】
第６の観点にかかる熱交換器は、第１〜第５の観点のいずれかにかかる熱交換器において、複数の外側流路が、複数の外側流路に囲まれる内側孔とともに、外側多穴管部材に一体成形されている。そして、内側孔には、内側流路を形成しており、外側多穴管部材とは別の内側挿入管部材が挿入されている。
【００１８】
この熱交換器では、複数の外側流路を形成する部材と内側流路を形成する部材とを、それぞれ、外側多穴管部材と内側挿入管部材という別の部材によって構成しているため、複数の外側流路及び内側孔については、その成形に適した金属素材の押し出し成形を採用することができ、また、内側流路については、遠心力作用機構という複雑な形状を容易に設けることができる。
【００１９】
第７の観点にかかる熱交換器は、第１〜第５の観点のいずれかにかかる熱交換器において、内側流路と複数の外側流路とが金属素材の押し出し成形によって成形される管部材に一体成形されている。
【００２０】
この熱交換器では、低コストでかつコンパクトなものにすることができる。
【００２１】
第８の観点にかかる熱交換器は、第１〜第５、第７の観点のいずれかにかかる熱交換器において、遠心力作用機構は、内側流路内に設けられており、内側流路の周方向にねじれながら軸方向に延びる部材からなる遠心力作用部材である。
【００２２】
この熱交換器では、遠心力作用機構が内側流路内に設けられた遠心力作用部材であるため、内側流路に遠心力作用部材を挿入するだけで、冷媒に遠心力を作用させる構成を実現することができ、これにより、ねじり板やコイル部材のような、冷媒に対して遠心力を作用させる効果が高い複雑な形状を採用しやすくできる。
【００２３】
第９の観点にかかる熱交換器は、第１〜第８の観点のいずれかにかかる熱交換器において、内側流路を流れる流体が、気液二相状態における気体の密度に対する液体の密度の比である気液密度比が１０以下の冷媒である。
【００２４】
発明者らは、研究の結果、内側流路を流れる冷媒の気液密度比が１０以下の場合には、内側流路を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになりやすいため、これに起因して、内側流路の内面に冷媒の液膜がさらに生じにくくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトが非常に発生しやすくなることを見いだした。
【００２５】
このため、上記のように、内側流路を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構を内側流路に設けることが、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えることに対して、非常に有効である。
【００２６】
第１０の観点にかかる冷凍装置は、圧縮機構と、放熱器と、膨張機構と、インジェクション管と、エコノマイザ熱交換器とを備えている。圧縮機構は、複数の圧縮要素を有しており、複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。放熱器は、圧縮機構によって冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された冷媒の放熱を行う。膨張機構は、放熱器によって放熱した冷媒を減圧する。蒸発器は、膨張機構によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧された冷媒を蒸発させる。インジェクション管は、放熱器から膨張機構に送られる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素に戻す。エコノマイザ熱交換器は、放熱器から膨張機構に送られる冷媒とインジェクション管を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒との熱交換を行う。そして、エコノマイザ熱交換器は、内側流路を流れる流体をインジェクション管を流れる冷媒とし、かつ、外側流路を流れる流体を放熱器から膨張機構に送られる冷媒とする第１〜第９の観点のいずれかにかかる熱交換器である。
【００２７】
エコノマイザ熱交換器において熱交換を行った冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒をインジェクション管を通じて圧縮機構の後段側の圧縮要素に戻す操作（以下、中間圧インジェクションとする）を行う冷凍装置では、インジェクション管を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の気液二相状態の冷媒がエコノマイザ熱交換器を流れることになる。そして、この冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の気液密度比は、非常に小さく、例えば、冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、約２〜４程度となる。
【００２８】
このため、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材を有しており内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器を、内側流路に冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が流れるエコノマイザ熱交換器として使用すると、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が内側流路を流れることになり、内側流路におけるドライアウトがさらに発生しやすい条件となる。
【００２９】
しかし、この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器として、第１〜第６の観点のいずれかにかかる熱交換器を使用しているため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒という、気液密度比が非常に小さい条件であるにもかかわらず、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００３０】
第１１の観点にかかる冷凍装置は、第１０の観点にかかる冷凍装置において、蒸発器を構成する伝熱管には、遠心力作用フィンよりもフィン高さが小さい溝深さを有する溝からなる蒸発器内面溝が形成されている。
【００３１】
蒸発器では、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒が流れるため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が流れるエコノマイザ熱交換器の内側流路に比べて、冷媒の気液密度比が大きく、エコノマイザ熱交換器の内側流路に比べて、ドライアウトが発生するおそれが小さい。
【００３２】
そこで、この冷凍装置では、蒸発器を構成する伝熱管に遠心力作用フィンよりもフィン高さが小さい溝深さを有する溝からなる蒸発器内面溝を形成するようにしている。
【００３３】
すなわち、この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器の内側流路及び蒸発器のうち、ドライアウトが発生するおそれが非常に大きいエコノマイザ熱交換器の内側流路のみに遠心力作用フィンを形成するようにして、効果的にドライアウトの発生を抑えるようにしている。
【発明の効果】
【００３４】
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３５】
第１の観点にかかる熱交換器では、冷媒の液滴を外周側に移動させることによって、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００３６】
第２の観点にかかる熱交換器では、冷媒に遠心力を作用させるとともに、内側流路の伝熱面積を増加させることができ、内側流路における熱流束が小さくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトの発生をさらに抑えることができる。
【００３７】
第３の観点にかかる熱交換器では、内側流路を流れる冷媒に遠心力を十分に作用させることができる。
【００３８】
第４の観点にかかる熱交換器では、内側流路の軸中心及びその近傍を流れる冷媒を除いて、内側流路の長さよりも十分に短い距離で、冷媒の液滴のほとんどを内側流路の内面に付着させることができる。
【００３９】
第５の観点にかかる熱交換器では、内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に捕捉することができ、これにより、遠心力作用フィンによって内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に付着した状態を維持されやすくできる。
【００４０】
第６の観点にかかる熱交換器では、複数の外側流路及び内側孔については、その成形に適した金属素材の押し出し成形を採用することができ、また、内側流路については、遠心力作用機構という複雑な形状を容易に設けることができる。
【００４１】
第７の観点にかかる熱交換器では、低コストでかつコンパクトなものにすることができる。
【００４２】
第８の観点にかかる熱交換器では、内側流路に遠心力作用部材を挿入するだけで、冷媒に遠心力を作用させる構成を実現することができ、これにより、ねじり板やコイル部材のような、冷媒に遠心力を作用させる効果が高い複雑な形状を採用しやすくできる。
【００４３】
第９の観点にかかる熱交換器では、内側流路を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになりやすく、内側流路の内面に冷媒の液膜がさらに生じにくい条件であるにもかかわらず、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００４４】
第１０の観点にかかる熱交換器では、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒という、気液密度比が非常に小さい条件であるにもかかわらず、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００４５】
第１１の観点にかかる熱交換器では、エコノマイザ熱交換器の内側流路及び蒸発器のうち、ドライアウトが発生するおそれが非常に大きいエコノマイザ熱交換器の内側流路のみに遠心力作用フィンを形成するようにして、効果的にドライアウトの発生を抑えるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。
【図２】利用側熱交換器の概略構成図である。
【図３】利用側熱交換器を構成する伝熱管の横断面図である。
【図４】本発明にかかる熱交換器の一実施形態及びその変形例としてのエコノマイザ熱交換器の概略斜視図である。
【図５】管部材の横断面図である。
【図６】接続部材及び管部材の縦断面図である。
【図７】液滴が内側流路の内面に到達するまでの距離の遠心力作用フィンのねじれ角による影響を示すグラフである。
【図８】変形例１における管部材の横断面図である。
【図９】変形例２における空気調和装置の概略構成図である。
【図１０】変形例３における管部材の横断面図である。
【図１１】変形例３における接続部材及び管部材の縦断面図である。
【図１２】変形例４における管部材の横断面図である。
【図１３】変形例４における接続部材及び管部材の縦断面図である。
【図１４】変形例４における管部材の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明にかかる熱交換器及びそれを備えた冷凍装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００４８】
（１）空気調和装置の全体構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、冷房運転が可能となるように構成された冷媒回路１０を有している。そして、この冷媒回路１０には、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）が封入されており、二段圧縮式冷凍サイクルが行われるようになっている。
【００４９】
空気調和装置１の冷媒回路１０は、主として、圧縮機構２と、熱源側熱交換器３と、膨張機構４と、利用側熱交換器５と、インジェクション管１１と、エコノマイザ熱交換器１２とを有している。
【００５０】
圧縮機構２は、ここでは、２つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機２１から構成されている。圧縮機２１は、ケーシング２１ａ内に、圧縮機駆動モータ２１ｂと、駆動軸２１ｃと、圧縮要素２ｃ、２ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ２１ｂは、駆動軸２１ｃに連結されている。そして、この駆動軸２１ｃは、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄに連結されている。すなわち、圧縮機２１は、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄが単一の駆動軸２１ｃに連結されており、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄがともに圧縮機駆動モータ２１ｂによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素２ｃ、２ｄは、例えば、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機２１は、吸入管２ａから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素２ｃによって圧縮した後に中間冷媒管６に吐出し、中間冷媒管６に吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を圧縮要素２ｄに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に吐出管２ｂに吐出するように構成されている。ここで、中間冷媒管６は、圧縮要素２ｄの前段側に接続された圧縮要素２ｃから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を、圧縮要素２ｃの後段側に接続された圧縮要素２ｄに吸入させるための冷媒管である。また、吐出管２ｂは、圧縮機構２の圧縮要素２ｄから吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を放熱器としての熱源側熱交換器３に送るための冷媒管である。また、吸入管２ａは、蒸発器としての利用側熱交換器５から戻る冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を圧縮機構２の圧縮要素２ｃに送るための冷媒管である。
【００５１】
このように、圧縮機構２は、ここでは、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄを有しており、これらの圧縮要素２ｃ、２ｄのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。
【００５２】
熱源側熱交換器３は、圧縮機構２によって圧縮された冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器３は、その一端が第１高圧冷媒管３ａ及び吐出管２ｂを介して圧縮機構２に接続されており、その他端が第２高圧冷媒管３ｂ、エコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）及び第３高圧冷媒管３ｃを介して膨張機構４に接続されている。ここで、第１高圧冷媒管３ａは、吐出管２ｂと放熱器としての熱源側熱交換器３の入口を接続する冷媒管である。また、第２高圧冷媒管３ｂは、放熱器としての熱源側熱交換器３の出口とエコノマイザ熱交換器１２の入口（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路の入口）とを接続する冷媒管である。尚、ここでは図示しないが、熱源側熱交換器３には、熱源側熱交換器３を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源として水や空気が供給されるようになっている。
【００５３】
膨張機構４は、放熱器としての熱源側熱交換器３から蒸発器としての利用側熱交換器５に送られる冷媒を減圧する機構であり、ここでは、膨張弁の一種である電動膨張弁が使用されている。膨張機構４は、その一端が第３高圧冷媒管３ｃ、エコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）及び第２高圧冷媒管３ｂを介して熱源側熱交換器３に接続され、その他端が第１低圧冷媒管５ａを介して利用側熱交換器５に接続されている。この膨張機構４は、放熱器としての熱源側熱交換器３及びエコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）において冷却された高圧の冷媒を蒸発器としての利用側熱交換器５に送る前に冷凍サイクルにおける低圧付近まで減圧する。ここで、第１低圧冷媒管５ａは、膨張機構４と蒸発器としての利用側熱交換器５の入口とを接続する冷媒管である。
【００５４】
利用側熱交換器５は、放熱器としての熱源側熱交換器３によって放熱された冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する熱交換器である。利用側熱交換器５は、その一端が第１低圧冷媒管５ａを介して膨張機構４に接続されており、その他端が第２低圧冷媒管５ｂ及び吸入管２ａを介して圧縮機構２に接続されている。ここで、第２低圧冷媒管５ｂは、蒸発器としての利用側熱交換器５の出口と吸入管２ａとを接続する冷媒管である。尚、ここでは図示しないが、利用側熱交換器５には、利用側熱交換器５を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源としての空気が供給されるようになっている。
【００５５】
ここで、利用側熱交換器５は、例えば、図２に示すようなクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。より具体的には、利用側熱交換器５は、主として、複数のプレートフィン５１と、複数の伝熱管５２と、複数のＵ字管５３とを有している。プレートフィン５１は、薄板状の金属部材であり、板厚方向に積層された状態で配置されている。伝熱管５２は、円管であり、プレートフィン５１を貫通している。Ｕ字管５３は、略Ｕ字状の円管であり、伝熱管５２の長手方向端間を接続している。伝熱管５２の内面には、図３に示すように、蒸発器内面溝５２ａが形成されている。蒸発器内面溝５２ａは、溝深さｈｖを有する略台形状の溝である。伝熱管５２の最大内径Ｄｖは、約４ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。そして、溝深さｈｖは、最大内径Ｄｖが４ｍｍの場合には０．１５ｍｍ以下であり、最大内径Ｄｖが１０ｍｍの場合には０．３０ｍｍ以下である。
【００５６】
インジェクション管１１は、放熱器としての熱源側熱交換器３から蒸発器としての利用側熱交換器５に送られる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素２ｄに戻す戻し管として機能する冷媒管である。ここで、インジェクション管１１は、放熱器としての熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒を分岐するように設けられている。より具体的には、インジェクション管１１は、エコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）の上流側の位置（ここでは、第２高圧冷媒管３ｂ）から冷媒を分岐して中間冷媒管６に戻すように設けられている。インジェクション管１１は、第２高圧冷媒管３ｂとエコノマイザ熱交換器１２の入口（第２高圧冷媒管３ｂから分岐された冷媒側の流路の入口）とを接続する第１管１１ａと、エコノマイザ熱交換器１２の出口（第２高圧冷媒管３ｂから分岐された冷媒側の流路の出口）と中間冷媒管６とを接続する第２管１１ｂとを有している。そして、このインジェクション管１１の第１管１１ａには、開度制御が可能な戻し弁として機能するインジェクション弁１１ｃが設けられている。ここでは、インジェクション弁１１ｃとして、膨張弁の一種である電動膨張弁が使用されている。
【００５７】
エコノマイザ熱交換器１２は、放熱器としての熱源側熱交換器３から蒸発器としての利用側熱交換器４に送られる冷媒と戻し管としてのインジェクション管１１を流れる冷媒（より具体的には、戻し弁としてのインジェクション弁１１ｃにおいて冷凍サイクルにおける中間圧付近まで減圧された後の冷媒）との熱交換を行う冷却器として機能する熱交換器である。ここで、エコノマイザ熱交換器１２は、放熱器としての熱源側熱交換器３と膨張機構４との間（ここでは、第２高圧冷媒管３ｂ及び第３高圧冷媒管３ｃ）を流れる冷媒とインジェクション管１１を流れる冷媒との熱交換を行うように設けられている。すなわち、エコノマイザ熱交換器１２は、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路と、インジェクション管１１を流れる冷媒側の流路とを有しており、両流路間で冷媒の熱交換を行うようになっている。より具体的には、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２の熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路を流れて、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒との熱交換によって冷却される。一方、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２のインジェクション管１１を流れる冷媒側の流路を少なくとも一時的には気液二相状態で流れて、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒との熱交換によって蒸発する。また、ここでは、インジェクション管１１は、第２高圧冷媒管３ｂから分岐されている。このため、放熱器としての熱源側熱交換器３において冷却された冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２を通過する前に、インジェクション管１１に分岐され、エコノマイザ熱交換器１２において、インジェクション管１１を流れる冷媒と熱交換を行うことになる。
【００５８】
（２）エコノマイザ熱交換器の構成
ここでは、上記のエコノマイザ熱交換器１２として、図４〜図６に示すような、金属素材の押し出し加工によって一体成形された管部材２１を有する熱交換器を採用している。ここで、図４は、エコノマイザ熱交換器１２の概略斜視図であり、図５は、管部材２１の横断面図であり、図６は、接続部材３１、３２及び管部材２１の縦断面図である。
【００５９】
エコノマイザ熱交換器１２は、上記のように、主として、管部材２１を有している。
【００６０】
管部材２１は、内側流路２２と、内側流路２２の周囲に配置された複数（ここでは、１２個）の外側流路２３とを有する略円管状の部材である。ここでは、管部材２１は、その全長が約１ｍ〜数ｍ程度であり、コイル状に巻かれた状態となっている。尚、管部材２１は、直管状態やヘアピン状に折り曲げた状態であってもよい。また、管部材２１の素材としては、アルミニウム又はアルミニウム合金が使用されている。
【００６１】
外側流路２３は、管部材２１の中心軸Ｏ方向（以下、単に軸方向とする）にわたって形成された孔である。外側流路２３は、管部材２１の横断面視において、内側流路２２の外周側でかつ管部材２１の周方向に略等間隔に並ぶように配置されている。ここで、外側流路２３の孔形状は、横断面視において、外周側に向かうにつれて周方向幅が大きくなるような略四角形である。また、外側流路２３の径方向又は周方向のサイズは、約１ｍｍ〜８ｍｍ程度である。
【００６２】
内側流路２２は、外側流路２３と同様、管部材２１の軸方向にわたって形成された孔である。内側流路２２は、管部材２１の横断面視において、管部材２１の軸方向中心に対して同心的に配置されている。ここで、内側流路２２の孔形状は、横断面視において、略円形である。また、内側流路２２の内径（最大内径）ＤＩは、約４ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。
【００６３】
そして、内側流路２２には、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構２４が設けられている。ここで、遠心力作用機構２４は、内側流路２２の内面に形成されており、管部材２１の周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィン２２ａである。遠心力作用フィン２２ａは、管部材２１の横断面視において、内側流路２２の内面に略等間隔に並ぶように複数（ここでは、６つ）配置されている。遠心力作用フィン２２ａの形状は、管部材２１の横断面視において、略三角形又は略台形である。そして、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨは、少なくとも内側流路２２の内径ＤＩの０．０８倍以上となっており、好ましくは、内径ＤＩの０．１５倍以上となっている。このため、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨは、内径ＤＩが４ｍｍの場合には０．３２ｍｍ以上となり、内径ＤＩが２０ｍｍの場合には１．６ｍｍ以上となり、蒸発器としての利用側熱交換器５を構成する伝熱管５２の内面に形成された蒸発器内面溝５２ａの溝深さｈｖよりも２倍以上高くなっている。また、管部材２１の軸方向に対して遠心力作用フィン２２ａが延びる方向がなすねじれ角αは、少なくとも１°〜１０°の範囲内となっており、好ましくは、２°〜３°の範囲内となっている。尚、遠心力作用フィン２２ａは、例えば、管部材２１の周方向にねじれなく軸方向に真っ直ぐに延びるフィンを内側流路２２に一体成形しておき、この管部材２１を管部材２１の周方向にねじる加工を施すことによって形成することができる。
【００６４】
また、管部材２１の内側流路２２を形成する部分は、外側流路２３を形成する部分よりも軸方向両端側に突出している。そして、管部材２１の軸方向両端には、接続部材３１、３２が設けられている。接続部材３１、３２は、主として、キャップ３３と、ノズル３４とを有している。キャップ３３は、複数の外側流路２３を流れる流体を合流させるため、又は、複数の外側流路２３へ流体を分岐させるための空間Ｓを形成するための部材である。キャップ３３は、筒状の部材であり、その一端が管部材２１の軸方向端の外周部に嵌合しており、その他端に管部材２１の内側流路２２を形成する部分の軸方向端部２１ａが管部材２１の軸方向に向かって貫通する第１貫通孔３３ａが形成されている。そして、管部材２１の軸方向端部２１ａは、内側流路２２を流れる流体の入口又は出口を構成している。また、キャップ３３には、管部材２１の軸方向に交差する方向に向かって貫通する第２貫通孔３３ｂが形成されており、ノズル３４が挿入されている。ノズル３４は、両端が開口した筒状の部材であり、外側流路２３を流れる流体の入口又は出口を構成している。
【００６５】
そして、ここでは、管部材２１の軸方向両端部２１ａにインジェクション管１１の第１管１１ａ及び第２管１１ｂを接続し、接続部材３１、３２の両ノズル３４に第２高圧冷媒管３ｂ及び第３高圧冷媒管３ｃを接続するようにしている。これにより、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２を流れる流体がインジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒となり、外側流路２３を流れる流体が放熱器としての熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒となっている。ここで、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を外側流路２３に流すように構成すると、外側流路２３間における冷媒の分配が難しくなるため、また、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒はエコノマイザ熱交換器１２が設置される環境温度よりも低い温度である場合が多く熱ロスが発生しやすくなるため、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を内側流路２２に流すようにしている。
【００６６】
このように、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２と外側流路２３とが金属素材の押し出し加工によって一体成形された管部材２１を使用しているため、低コストでかつコンパクトなものとなっている。
【００６７】
（３）空気調和装置の動作、及び、エコノマイザ熱交換器の特徴
次に、上記の空気調和装置１の動作である冷房運転について、図１〜図６を用いて説明する。
【００６８】
冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、吸入管２ａから圧縮機構２に吸入される。この圧縮機構２に吸入された冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、圧縮要素２ｃによって冷凍サイクルにおける中間圧まで圧縮された後に、中間冷媒管６に吐出される。この前段側の圧縮要素２ｃから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、インジェクション管１１から後段側の圧縮要素２ｄに戻される冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒と合流することで冷却される（以下、中間圧インジェクションとする）。このインジェクション管１１から戻る冷媒と合流した冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、圧縮要素２ｃの後段側に接続された圧縮要素２ｄに吸入される。この圧縮要素２ｄに吸入された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、圧縮要素２ｄによってさらに圧縮されて、圧縮機構２から吐出管２ｂに吐出される。ここで、圧縮機構２から吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、圧縮要素２ｃ、２ｄによる二段圧縮動作によって、冷媒の臨界圧力を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構２から吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、第１高圧冷媒管３ａを通じて冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器３に送られる。この熱源側熱交換器３に送られた高圧の冷媒は、熱源側熱交換器３によって冷却源としての水や空気と熱交換を行って冷却される。この熱源側熱交換器３において冷却された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、その一部が第２高圧冷媒管３ｂにおいて、戻し管としてのインジェクション管１１に分岐される。そして、インジェクション管１１を流れる冷媒は、戻し弁としてのインジェクション弁１１ｃにおいて冷凍サイクルにおける中間圧付近まで減圧された後に、冷却器としてのエコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２に送られる。また、インジェクション管１１に分岐された後の（すなわち、第２高圧冷媒管３ｂを流れる）冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２の外側流路２３に流入し、内側流路２２を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒と熱交換を行って冷却される。一方、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、外側流路２３を流れる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒と熱交換を行って加熱されて、上述のように、前段側の圧縮要素２ｃから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒に合流することになる。ここで、エコノマイザ熱交換器１２を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、内側流路２２内において蒸発過程を経るため、少なくとも一時的には気液二相状態で内側流路２２を流れることになる。そして、エコノマイザ熱交換器１２の外側流路２３において冷却された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、第３高圧冷媒管３ｃを通じて膨張機構４に送られる。膨張機構４に送られた冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、膨張機構４によって減圧されて、冷凍サイクルにおける低圧の気液二相状態の冷媒となり、第１低圧冷媒管５ａを通じて冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器５に送られる。そして、この利用側熱交換器５に送られた冷凍サイクルにおける低圧の気液二相状態の冷媒は、利用側熱交換器５によって加熱源としての水や空気と熱交換を行って加熱されて蒸発する。そして、この利用側熱交換器５において加熱され蒸発した冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、第２低圧冷媒管５ｂ及び吸入管２ａを通じて再び圧縮機構２に吸入される。このようにして、空気調和装置１の冷房運転が行われる。
【００６９】
このように、空気調和装置１では、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１を用いた中間圧インジェクションを採用しているため、外部への放熱を行うことなく、後段側の圧縮要素２ｄに吸入される冷媒の温度を低く抑えることができ、また、利用側熱交換器５に送られる冷媒を冷却することができる。これにより、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１による中間圧インジェクションを採用しない場合に比べて、圧縮機構２から吐出される冷媒の温度が低く抑えられ、また、利用側熱交換器５に送られる冷媒の単位流量当たりの冷房能力が高められるため、圧縮機構２の消費動力を減らし、空気調和装置１の運転効率や冷房能力を向上させることができる。
【００７０】
ところで、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２には、冷凍サイクルにおける中間圧の気液二相状態の冷媒が流れるため、内側流路１２の内面においてドライアウトが発生することによって内側流路２２を流れる冷媒の蒸発伝熱性能が低下し、エコノマイザ熱交換器１２の熱交換効率が低下しやすい。特に、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒の気体の密度に対する液体の密度の比である気液密度比（＝液体密度／気体密度）が１０以下の場合には、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになりやすいため、これに起因して、内側流路２２の内面に冷媒の液膜が生じにくくなり、これにより、内側流路２２におけるドライアウトが発生しやすくなる傾向にある。しかも、空気調和装置１では、冷媒として二酸化炭素を使用していることから冷凍サイクル全体の圧力が高く、しかも、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２を流れる冷媒が冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒であるため、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒の気液密度比が約２〜４程度と非常に小さくなるため、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになる傾向が顕著になり、内側流路２２におけるドライアウトがさらに発生しやすい条件となっている。
【００７１】
しかし、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構２４が内側流路２２に設けられているため、遠心力作用機構２４によって冷媒に遠心力を作用させて冷媒の液滴を外周側に移動させることができるようになっている。
【００７２】
これにより、このエコノマイザ熱交換器１２では、冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着しやすくすることができ、内側流路２２におけるドライアウトの発生を抑えることができるため、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００７３】
特に、この空気調和装置１では、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１による中間圧インジェクションを採用しているため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒という、気液密度比が非常に小さい条件において、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材２１を有する熱交換器を使用する態様となっている。しかし、上記のように、遠心力作用機構２４が内側流路２２に設けられているため、冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着しやすくして内側流路２２におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００７４】
尚、この空気調和装置１では、蒸発器として機能する利用側熱交換器５を流れる冷媒も、少なくとも一時的には気液二相状態で伝熱管５２を流れて蒸発することになるため、利用側熱交換器５においてもドライアウトが発生するおそれがある。しかし、利用側熱交換器５を流れる冷媒は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒であるため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が流れるエコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２に比べて、冷媒の気液密度比が大きく、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２に比べて、ドライアウトが発生するおそれが小さい。このため、この空気調和装置１では、利用側熱交換器５を構成する伝熱管５２に遠心力作用フィン２２ａよりもフィン高さＨが小さい溝深さｈｖを有する溝からなる蒸発器内面溝５２ａを形成するようにしている。すなわち、この空気調和装置１では、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２及び蒸発器としての利用側熱交換器５のうち、ドライアウトが発生するおそれが非常に大きいエコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２のみに遠心力作用フィン２２ａを形成するようにして、効果的にドライアウトの発生を抑えるようにしている。
【００７５】
また、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用機構２４が内側流路２２の内面に形成された遠心力作用フィン２２ａであるため、冷媒に遠心力を作用させるとともに、内側流路２２の伝熱面積を増加させることができ、内側流路２２における熱流束が小さくなり、これにより、内側流路２２におけるドライアウトの発生をさらに抑えることができる。しかも、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨを内側流路２２の内径ＤＩの０．０８倍以上にすることによって、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力を十分に作用させることができる。
【００７６】
また、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αを１°〜１０°にすることによって、内側流路２２の軸中心及びその近傍を流れる冷媒を除いて、管部材２１の長さ（約１ｍ〜数ｍ程度）よりも十分に短い距離で、冷媒の液滴のほとんどを内側流路２２の内面に付着させることができるようになっている。より具体的には、図７に示すように、内側流路２２の内径ＤＩを６ｍｍとした場合において、内側流路２２内に気液二相状態の冷媒が噴霧流（均一に液滴が分散した状態）で流れている場合を想定すると、ねじれ角αが１°程度で４００ｍｍ程度の距離で、また、ねじれ角αが２°〜３°で１５０〜２００ｍｍ程度の距離で内側流路２２の内面に９０％の液滴が付着することがわかる。ここで、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αを１０°よりも大きくすれば、さらに短い距離で、さらに多くの冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着させることができるようになる。しかし、ねじれ角αを１０°以上にしても、図７に示すように、冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけであり、その一方で、内側流路２２を流れる冷媒の圧力損失の増加が過大になる傾向になる。このため、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αの下限を冷媒の液滴のほとんどを内側流路２２の内面に付着させる効果が得られる１°にし、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αの上限を冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけになる１０°にしている。尚、図７は、液滴を質点と仮定し、内側流路２２の内部に均一に分散した状態の液滴が周方向に旋回したときの遠心力によって、内側流路２２の内面へ到達するまでの流れ方向の距離を算出したものである。
【００７７】
（４）変形例１
上記の空気調和装置１（図１参照）に設けられたエコノマイザ熱交換器１２（図４〜図６参照）では、内側流路２２に遠心力作用フィン２２ａだけが形成されているが、図８に示すように、内側流路２２の内面に、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨよりも小さい溝深さｈを有する溝からなる液滴捕捉溝２２ｂをさらに形成するようにしてもよい。
【００７８】
このエコノマイザ熱交換器１２においては、遠心力作用フィン２２ａとともに液滴捕捉溝２２ｂが形成されているため、内側流路２２の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路２２の内面に捕捉することができ、これにより、遠心力作用フィン２２ａによって内側流路２２の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着した状態を維持されやすくできる。
【００７９】
（５）変形例２
上記の空気調和装置１（図１参照）では、インジェクション管１１が熱源側熱交換器３とエコノマイザ熱交換器１２とを接続する第２高圧冷媒管３ｂ（すなわち、エコノマイザ熱交換器１２の上流側の位置）から分岐されているが、図９に示すように、インジェクション管１１がエコノマイザ熱交換器１２と膨張機構４とを接続する第３高圧冷媒管３ｃ（すなわち、エコノマイザ熱交換器１２の下流側の位置）から分岐されていてもよい。
【００８０】
この場合においても、上記のエコノマイザ熱交換器１２及びそれを備えた空気調和装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
（６）変形例３
上記の空気調和装置１（図１、図９参照）に設けられたエコノマイザ熱交換器１２（図４〜図６参照）では、遠心力作用機構２４として、内側流路２２の内面に形成された遠心力作用フィン２２ａを採用しているが、これに代えて、図１０及び図１１に示すような、管部材２１の周方向にねじれながら軸方向に延びる部材からなる遠心力作用部材２５を内側流路２２内に設けてもよい。ここで、遠心力作用部材２５は、内側流路２２に挿入可能な幅を有する板材を周方向にねじり加工を施したねじり板である。
【００８２】
この場合においても、ねじり板からなる遠心力作用部材２５が遠心力作用機構２４としての機能を果たすため、上記のエコノマイザ熱交換器１２及びそれを備えた空気調和装置１と同様の作用効果を得ることができる。また、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２に遠心力作用部材２５を挿入するだけで、冷媒に遠心力を作用させる構成を実現することができるため、上記のねじり板のような、冷媒に対して遠心力を作用させる効果が高い複雑な形状を採用しやすくできる。尚、遠心力作用部材２５は、上記のねじり板に限定されるものではなく、コイル部材等の他の部材であってもよい。
【００８３】
（７）変形例４
上記の空気調和装置１（図１、図９参照）に設けられたエコノマイザ熱交換器１２（図４〜図６参照）では、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材２１を採用しているが、これに代えて、図１２及び図１３に示すような、外側多穴管部材１２１の内側孔１２１ａに外側多穴管部材１２１とは別の内側挿入管部材１２２を挿入した構成を採用してもよい。ここで、外側多穴管部材１２１は、複数の外側流路２３と、複数の外側流路２３に囲まれる内側孔１２１ａとを有する略円管状の部材である。また、内側挿入管部材１２２は、内側流路２２を有する略円管状の部材である。そして、内側流路２２には、図５及び図６に示すような遠心力作用機構２４が設けられている。尚、内側挿入管部材１２２は、内側孔１２１ａに挿入され、拡管等によって外側多穴管部材１２１に固定されている。また、変形例１（図８参照）のような内側流路２２に液滴捕捉溝２２ｂを形成した構成に対しても、図１４に示すように、外側多穴管部材１２１の内側孔１２１ａに外側多穴管部材１２１とは別の内側挿入管部材１２２を挿入した構成を採用することができる。
【００８４】
この場合においても、内側流路２２に遠心力作用機構２４が設けられているため、上記のエコノマイザ熱交換器１２及びそれを備えた空気調和装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００８５】
しかも、この場合においては、複数の外側流路２３を形成する部材と内側流路２２を形成する部材とを、それぞれ、外側多穴管部材１２１と内側挿入管部材１２２という別の部材によって構成している。このため、複数の外側流路２３及び内側孔１２２ａについては、その成形に適した金属素材の押し出し成形を採用することができる。また、内側流路２２については、遠心力作用機構２４という複雑な形状を、内側挿入管部材１２２のみを周方向にねじる加工によって、又は、内側挿入管部材１２２を引き抜き管加工によって形成する等により、容易に設けることができる。また、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材２１を採用する場合には、図６に示すように、複数の外側流路２３とキャップ３３の空間Ｓとを連通させるために、管部材２１の長手方向端部の内側流路２２のみを残すように加工する必要がある。しかし、この場合においては、図１３に示すように、内側挿入管部材１２２の長手方向端部を外側多穴管部材１２１の長手方向端部よりも突出した状態で固定することで、容易に複数の外側流路２３とキャップ３３の空間Ｓとを連通させることができる。
【００８６】
（８）他の実施形態
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００８７】
（Ａ）上記の実施形態及びその変形例では、外側流路２３の内面が平滑な面をなしているが、これに限定されず、内面を溝付きにする等の他の内面を採用してもよい。また、外側流路２３の横断面視における形状や接続部材３１、３２の形状は、上記の実施形態及びその変形例のものに限定されない。
【００８８】
（Ｂ）上記の実施形態及びその変形例では、蒸発器としての利用側熱交換器５としてクロスフィン型の熱交換器を採用しているが、これに限定されず、冷媒が流れる伝熱管を有する熱交換器であればよい。
【００８９】
（Ｃ）上記の実施形態及びその変形例では、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１による中間圧インジェクションを行う冷媒回路１０において、エコノマイザ熱交換器１２として、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とを有する熱交換器を採用するとともに、内側流路２２をインジェクション管１１を流れる冷媒（すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の気液二相状態の冷媒）が流れる態様で使用しているが、これに限定されない。例えば、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒と冷凍サイクルにおける低圧の冷媒との熱交換を行うことで、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を冷却し、かつ、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を加熱・蒸発させる過冷却熱交換器や液ガス熱交換器として、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有する熱交換器を採用するとともに、内側流路２２を冷凍サイクルにおける低圧の気液二相状態の冷媒が流れる態様で使用してもよい。
【００９０】
この場合においても、上記の実施形態及びその変形例と同様の作用効果を得ることができる。特に、内側流路２２を流れる冷媒の気液密度比が１０以下の場合には、内側流路２２におけるドライアウトが発生しやすくなるため、顕著な効果が得られることになる。
【００９１】
（Ｄ）上記の実施形態及びその変形例では、冷房専用の空気調和装置１に本発明を適用した例を説明したが、冷暖切換可能な空気調和装置のような他の型式の空気調和装置やヒートポンプ給湯機に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とが金属素材の押し出し加工によって一体成形された管部材を有しており、内側流路を流れる冷媒と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器、及びそれを備えた冷凍装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１  空気調和装置（冷凍装置）
２  圧縮機構
３  熱源側熱交換器（放熱器）
４  膨張機構
５  利用側熱交換器（蒸発器）
１１  インジェクション管
１２  エコノマイザ熱交換器
２１  管部材
２２  内側流路
２２ａ  遠心力作用フィン
２２ｂ  液滴捕捉溝
２３  外側流路
２４  遠心力作用機構
２５  遠心力作用部材
５２  伝熱管
５２ａ  蒸発器内面溝
１２１  外側多穴管部材
１２１ａ  内側孔
１２２  内側挿入管部材
ＤＩ  内径
Ｈ  フィン高さ
ｈ、ｈｖ  溝深さ
α  ねじれ角
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９４】
【特許文献１】特開２０００−２４９２号公報
【図１】
2011064448.tif 000003
【図２】
2011064448.tif 000004
【図３】
2011064448.tif 000005
【図４】
2011064448.tif 000006
【図５】
2011064448.tif 000007
【図６】
2011064448.tif 000008
【図７】
2011064448.tif 000009
【図８】
2011064448.tif 000010
【図９】
2011064448.tif 000011
【図１０】
2011064448.tif 000012
【図１１】
2011064448.tif 000013
【図１２】
2011064448.tif 000014
【図１３】
2011064448.tif 000015
【図１４】
2011064448.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月17日(2011.1.17)
【手続補正１】
【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】
内側流路（２２）と前記内側流路の周囲に配置された複数の外側流路（２３）とを有しており、前記内側流路を流れる流体と前記外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記内側流路を流れる流体は、少なくとも一時的には前記内側流路を気液二相状態で流れ、前記外側流路を流れる流体との熱交換によって蒸発する冷媒であり、
前記内側流路を流れる気液二相状態の冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構（２４）が前記内側流路に設けられており、
前記遠心力作用機構は、前記内側流路の内面に形成されており、前記内側流路の周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィン（２２ａ）であり、
前記遠心力作用フィンのフィン高さ（Ｈ）は、前記内側流路の内径（ＤＩ）の０．０８倍以上であり、
前記内側流路の軸方向に対して前記遠心力作用フィンが延びる方向がなすねじれ角（α）は、１°〜１０°である、
熱交換器（１２）。
【請求項２】
前記内側流路（２２）の内面には、前記遠心力作用フィン（２２ａ）のフィン高さ（Ｈ）よりも小さい溝深さを有する溝からなる液滴捕捉溝（２２ｂ）がさらに形成されている、
請求項１に記載の熱交換器（１２）。
【請求項３】
前記複数の外側流路（２３）は、前記複数の外側流路に囲まれる内側孔（１２１ａ）とともに、外側多穴管部材（１２１）に一体成形されており、
前記内側孔には、前記内側流路（２２）を形成しており、前記外側多穴管部材とは別の内側挿入管部材（１２２）が挿入されている、
請求項１又は２に記載の熱交換器（１２）。
【請求項４】
前記内側流路（２２）と前記複数の外側流路（２３）とは、金属素材の押し出し成形によって成形される管部材（２１）に一体成形されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項５】
前記内側流路（２２）を流れる流体は、気液二相状態における気体の密度に対する液体の密度の比である気液密度比が１０以下の冷媒である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
【請求項６】
複数の圧縮要素を有しており、前記複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成された圧縮機構（２）と、
前記圧縮機構によって冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された冷媒の放熱を行う放熱器（３）と、
前記放熱器によって放熱した冷媒を減圧する膨張機構（４）と、
前記膨張機構によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（５）と、
前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒を分岐して前記後段側の圧縮要素に戻すインジェクション管（１１）と、
前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒と前記インジェクション管を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒との熱交換を行うエコノマイザ熱交換器（１２）とを備え、
前記エコノマイザ熱交換器は、前記内側流路（２２）を流れる流体を前記インジェクション管を流れる冷媒とし、かつ、前記外側流路（２３）を流れる流体を前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器である、
冷凍装置（１）。
【請求項７】
前記蒸発器（５）を構成する伝熱管（５２）には、前記遠心力作用フィン（２２ａ）よりもフィン高さが小さい溝深さ（ｈｖ）を有する溝からなる蒸発器内面溝（５２ａ）が形成されている、
請求項６に記載の冷凍装置（１）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びそれを備えた冷凍装置に関する。本発明は、特に、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器、及びそれを備えた冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１（特開２０００−２４９２号公報）に示されるような熱交換器がある。この熱交換器は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行うものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の熱交換器を、内側流路を気液二相状態の冷媒が流れる態様で使用すると、内側流路の内面においてドライアウトが発生することによって内側流路を流れる冷媒の蒸発伝熱性能が低下し、熱交換器の熱交換効率が低下しやすい。
【０００４】
本発明の課題は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる冷媒と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器において、ドライアウトによる熱交換効率の低下を抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点にかかる熱交換器は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有しており、内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、内側流路を流れる流体が、内側流路を気液二相状態で流れ、外側流路を流れる流体との熱交換によって蒸発する冷媒であり、内側流路を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構が内側流路に設けられている。そして、遠心力作用機構は、内側流路の内面に形成されており、内側流路の周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィンである。ここで、遠心力作用フィンのフィン高さは、内側流路の内径の０．０８倍以上であり、内側流路の軸方向に対して遠心力作用フィンが延びる方向がなすねじれ角は、１°〜１０°である。
【０００６】
発明者らは、研究の結果、内側流路を流れる冷媒が気液二相状態の場合には、内側流路の内面に冷媒の液膜が生じにくくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトが発生しやすくなることを見いだした。
【０００７】
そこで、発明者らは、内側流路を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構を内側流路に設けるようにしている。
【０００８】
これにより、この熱交換器では、遠心力作用機構によって冷媒に遠心力を作用させて冷媒の液滴を外周側に移動させることによって、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【０００９】
しかも、この熱交換器では、遠心力作用機構が内側流路の内面に形成された遠心力作用フィンであるため、冷媒に遠心力を作用させるとともに、内側流路の伝熱面積を増加させることができ、内側流路における熱流束が小さくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトの発生をさらに抑えることができる。
【００１０】
また、この熱交換器では、遠心力作用フィンのフィン高さを内側流路の内径の０．０８倍以上にすることによって、内側流路を流れる冷媒に遠心力を十分に作用させることができる。
【００１１】
さらに、この熱交換器では、遠心力作用フィンのねじれ角を１°〜１０°にすることによって、内側流路の軸中心及びその近傍を流れる冷媒を除いて、内側流路の長さよりも十分に短い距離で、冷媒の液滴のほとんどを内側流路の内面に付着させることができる。ここで、遠心力作用フィンのねじれ角を１０°よりも大きくすれば、さらに短い距離で、さらに多くの冷媒の液滴を内側流路の内面に付着させることができるようになる。しかし、ねじれ角を１０°以上にしても、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけであり、その一方で、内側流路を流れる冷媒の圧力損失の増加が過大になる傾向になる。このため、この熱交換器では、遠心力作用フィンのねじれ角の下限を冷媒の液滴のほとんどを内側流路の内面に付着させる効果が得られる１°にし、遠心力作用フィンのねじれ角の上限を冷媒の液滴を内側流路の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけになる１０°にしている。
【００１２】
第２の観点にかかる熱交換器は、第１の観点にかかる熱交換器において、内側流路の内面には、遠心力作用フィンのフィン高さよりも小さい溝深さを有する溝からなる液滴捕捉溝がさらに形成されている。
【００１３】
この熱交換器では、遠心力作用フィンとともに液滴捕捉溝が形成されているため、内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に捕捉することができ、これにより、遠心力作用フィンによって内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に付着した状態を維持されやすくできる。
【００１４】
第３の観点にかかる熱交換器は、第１又は第２の観点にかかる熱交換器において、複数の外側流路が、複数の外側流路に囲まれる内側孔とともに、外側多穴管部材に一体成形されている。そして、内側孔には、内側流路を形成しており、外側多穴管部材とは別の内側挿入管部材が挿入されている。
【００１５】
この熱交換器では、複数の外側流路を形成する部材と内側流路を形成する部材とを、それぞれ、外側多穴管部材と内側挿入管部材という別の部材によって構成しているため、複数の外側流路及び内側孔については、その成形に適した金属素材の押し出し成形を採用することができ、また、内側流路については、遠心力作用機構という複雑な形状を容易に設けることができる。
【００１６】
第４の観点にかかる熱交換器は、第１〜第３の観点のいずれかにかかる熱交換器において、内側流路と複数の外側流路とが金属素材の押し出し成形によって成形される管部材に一体成形されている。
【００１７】
この熱交換器では、低コストでかつコンパクトなものにすることができる。
【００１８】
第５の観点にかかる熱交換器は、第１〜第４の観点のいずれかにかかる熱交換器において、内側流路を流れる流体が、気液二相状態における気体の密度に対する液体の密度の比である気液密度比が１０以下の冷媒である。
【００１９】
発明者らは、研究の結果、内側流路を流れる冷媒の気液密度比が１０以下の場合には、内側流路を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになりやすいため、これに起因して、内側流路の内面に冷媒の液膜がさらに生じにくくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトが非常に発生しやすくなることを見いだした。
【００２０】
このため、上記のように、内側流路を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構を内側流路に設けることが、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えることに対して、非常に有効である。
【００２１】
第６の観点にかかる冷凍装置は、圧縮機構と、放熱器と、膨張機構と、インジェクション管と、エコノマイザ熱交換器とを備えている。圧縮機構は、複数の圧縮要素を有しており、複数の圧縮要素のうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。放熱器は、圧縮機構によって冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された冷媒の放熱を行う。膨張機構は、放熱器によって放熱した冷媒を減圧する。蒸発器は、膨張機構によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧された冷媒を蒸発させる。インジェクション管は、放熱器から膨張機構に送られる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素に戻す。エコノマイザ熱交換器は、放熱器から膨張機構に送られる冷媒とインジェクション管を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒との熱交換を行う。そして、エコノマイザ熱交換器は、内側流路を流れる流体をインジェクション管を流れる冷媒とし、かつ、外側流路を流れる流体を放熱器から膨張機構に送られる冷媒とする第１〜第５の観点のいずれかにかかる熱交換器である。
【００２２】
エコノマイザ熱交換器において熱交換を行った冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒をインジェクション管を通じて圧縮機構の後段側の圧縮要素に戻す操作（以下、中間圧インジェクションとする）を行う冷凍装置では、インジェクション管を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の気液二相状態の冷媒がエコノマイザ熱交換器を流れることになる。そして、この冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒の気液密度比は、非常に小さく、例えば、冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、約２〜４程度となる。
【００２３】
このため、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材を有しており内側流路を流れる流体と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器を、内側流路に冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が流れるエコノマイザ熱交換器として使用すると、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が内側流路を流れることになり、内側流路におけるドライアウトがさらに発生しやすい条件となる。
【００２４】
しかし、この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器として、第１〜第６の観点のいずれかにかかる熱交換器を使用しているため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒という、気液密度比が非常に小さい条件であるにもかかわらず、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００２５】
第７の観点にかかる冷凍装置は、第６の観点にかかる冷凍装置において、蒸発器を構成する伝熱管には、遠心力作用フィンよりもフィン高さが小さい溝深さを有する溝からなる蒸発器内面溝が形成されている。
【００２６】
蒸発器では、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒が流れるため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が流れるエコノマイザ熱交換器の内側流路に比べて、冷媒の気液密度比が大きく、エコノマイザ熱交換器の内側流路に比べて、ドライアウトが発生するおそれが小さい。
【００２７】
そこで、この冷凍装置では、蒸発器を構成する伝熱管に遠心力作用フィンよりもフィン高さが小さい溝深さを有する溝からなる蒸発器内面溝を形成するようにしている。
【００２８】
すなわち、この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器の内側流路及び蒸発器のうち、ドライアウトが発生するおそれが非常に大きいエコノマイザ熱交換器の内側流路のみに遠心力作用フィンを形成するようにして、効果的にドライアウトの発生を抑えるようにしている。
【発明の効果】
【００２９】
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３０】
第１の観点にかかる熱交換器では、冷媒の液滴を外周側に移動させることによって、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。しかも、冷媒に遠心力を作用させるとともに、内側流路の伝熱面積を増加させることができ、内側流路における熱流束が小さくなり、これにより、内側流路におけるドライアウトの発生をさらに抑えることができる。また、内側流路を流れる冷媒に遠心力を十分に作用させることができる。さらに、内側流路の軸中心及びその近傍を流れる冷媒を除いて、内側流路の長さよりも十分に短い距離で、冷媒の液滴のほとんどを内側流路の内面に付着させることができる。
【００３１】
第２の観点にかかる熱交換器では、内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に捕捉することができ、これにより、遠心力作用フィンによって内側流路の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路の内面に付着した状態を維持されやすくできる。
【００３２】
第３の観点にかかる熱交換器では、複数の外側流路及び内側孔については、その成形に適した金属素材の押し出し成形を採用することができ、また、内側流路については、遠心力作用機構という複雑な形状を容易に設けることができる。
【００３３】
第４の観点にかかる熱交換器では、低コストでかつコンパクトなものにすることができる。
【００３４】
第５の観点にかかる熱交換器では、内側流路を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになりやすく、内側流路の内面に冷媒の液膜がさらに生じにくい条件であるにもかかわらず、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００３５】
第６の観点にかかる熱交換器では、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒という、気液密度比が非常に小さい条件であるにもかかわらず、冷媒の液滴を内側流路の内面に付着しやすくして内側流路におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００３６】
第７の観点にかかる熱交換器では、エコノマイザ熱交換器の内側流路及び蒸発器のうち、ドライアウトが発生するおそれが非常に大きいエコノマイザ熱交換器の内側流路のみに遠心力作用フィンを形成するようにして、効果的にドライアウトの発生を抑えるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。
【図２】利用側熱交換器の概略構成図である。
【図３】利用側熱交換器を構成する伝熱管の横断面図である。
【図４】本発明にかかる熱交換器の一実施形態及びその変形例としてのエコノマイザ熱交換器の概略斜視図である。
【図５】管部材の横断面図である。
【図６】接続部材及び管部材の縦断面図である。
【図７】液滴が内側流路の内面に到達するまでの距離の遠心力作用フィンのねじれ角による影響を示すグラフである。
【図８】変形例１における管部材の横断面図である。
【図９】変形例２における空気調和装置の概略構成図である。
【図１０】変形例３における管部材の横断面図である。
【図１１】変形例３における接続部材及び管部材の縦断面図である。
【図１２】変形例４における管部材の横断面図である。
【図１３】変形例４における接続部材及び管部材の縦断面図である。
【図１４】変形例４における管部材の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明にかかる熱交換器及びそれを備えた冷凍装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００３９】
（１）空気調和装置の全体構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、冷房運転が可能となるように構成された冷媒回路１０を有している。そして、この冷媒回路１０には、超臨界域で作動する冷媒（ここでは、二酸化炭素）が封入されており、二段圧縮式冷凍サイクルが行われるようになっている。
【００４０】
空気調和装置１の冷媒回路１０は、主として、圧縮機構２と、熱源側熱交換器３と、膨張機構４と、利用側熱交換器５と、インジェクション管１１と、エコノマイザ熱交換器１２とを有している。
【００４１】
圧縮機構２は、ここでは、２つの圧縮要素で冷媒を二段圧縮する圧縮機２１から構成されている。圧縮機２１は、ケーシング２１ａ内に、圧縮機駆動モータ２１ｂと、駆動軸２１ｃと、圧縮要素２ｃ、２ｄとが収容された密閉式構造となっている。圧縮機駆動モータ２１ｂは、駆動軸２１ｃに連結されている。そして、この駆動軸２１ｃは、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄに連結されている。すなわち、圧縮機２１は、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄが単一の駆動軸２１ｃに連結されており、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄがともに圧縮機駆動モータ２１ｂによって回転駆動される、いわゆる一軸二段圧縮構造となっている。圧縮要素２ｃ、２ｄは、例えば、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素である。そして、圧縮機２１は、吸入管２ａから冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮要素２ｃによって圧縮した後に中間冷媒管６に吐出し、中間冷媒管６に吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を圧縮要素２ｄに吸入させて冷媒をさらに圧縮した後に吐出管２ｂに吐出するように構成されている。ここで、中間冷媒管６は、圧縮要素２ｄの前段側に接続された圧縮要素２ｃから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を、圧縮要素２ｃの後段側に接続された圧縮要素２ｄに吸入させるための冷媒管である。また、吐出管２ｂは、圧縮機構２の圧縮要素２ｄから吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を放熱器としての熱源側熱交換器３に送るための冷媒管である。また、吸入管２ａは、蒸発器としての利用側熱交換器５から戻る冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を圧縮機構２の圧縮要素２ｃに送るための冷媒管である。
【００４２】
このように、圧縮機構２は、ここでは、２つの圧縮要素２ｃ、２ｄを有しており、これらの圧縮要素２ｃ、２ｄのうちの前段側の圧縮要素から吐出された冷媒を後段側の圧縮要素で順次圧縮するように構成されている。
【００４３】
熱源側熱交換器３は、圧縮機構２によって圧縮された冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器３は、その一端が第１高圧冷媒管３ａ及び吐出管２ｂを介して圧縮機構２に接続されており、その他端が第２高圧冷媒管３ｂ、エコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）及び第３高圧冷媒管３ｃを介して膨張機構４に接続されている。ここで、第１高圧冷媒管３ａは、吐出管２ｂと放熱器としての熱源側熱交換器３の入口を接続する冷媒管である。また、第２高圧冷媒管３ｂは、放熱器としての熱源側熱交換器３の出口とエコノマイザ熱交換器１２の入口（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路の入口）とを接続する冷媒管である。尚、ここでは図示しないが、熱源側熱交換器３には、熱源側熱交換器３を流れる冷媒と熱交換を行う冷却源として水や空気が供給されるようになっている。
【００４４】
膨張機構４は、放熱器としての熱源側熱交換器３から蒸発器としての利用側熱交換器５に送られる冷媒を減圧する機構であり、ここでは、膨張弁の一種である電動膨張弁が使用されている。膨張機構４は、その一端が第３高圧冷媒管３ｃ、エコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）及び第２高圧冷媒管３ｂを介して熱源側熱交換器３に接続され、その他端が第１低圧冷媒管５ａを介して利用側熱交換器５に接続されている。この膨張機構４は、放熱器としての熱源側熱交換器３及びエコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）において冷却された高圧の冷媒を蒸発器としての利用側熱交換器５に送る前に冷凍サイクルにおける低圧付近まで減圧する。ここで、第１低圧冷媒管５ａは、膨張機構４と蒸発器としての利用側熱交換器５の入口とを接続する冷媒管である。
【００４５】
利用側熱交換器５は、放熱器としての熱源側熱交換器３によって放熱された冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する熱交換器である。利用側熱交換器５は、その一端が第１低圧冷媒管５ａを介して膨張機構４に接続されており、その他端が第２低圧冷媒管５ｂ及び吸入管２ａを介して圧縮機構２に接続されている。ここで、第２低圧冷媒管５ｂは、蒸発器としての利用側熱交換器５の出口と吸入管２ａとを接続する冷媒管である。尚、ここでは図示しないが、利用側熱交換器５には、利用側熱交換器５を流れる冷媒と熱交換を行う加熱源としての空気が供給されるようになっている。
【００４６】
ここで、利用側熱交換器５は、例えば、図２に示すようなクロスフィン型の熱交換器によって構成されている。より具体的には、利用側熱交換器５は、主として、複数のプレートフィン５１と、複数の伝熱管５２と、複数のＵ字管５３とを有している。プレートフィン５１は、薄板状の金属部材であり、板厚方向に積層された状態で配置されている。伝熱管５２は、円管であり、プレートフィン５１を貫通している。Ｕ字管５３は、略Ｕ字状の円管であり、伝熱管５２の長手方向端間を接続している。伝熱管５２の内面には、図３に示すように、蒸発器内面溝５２ａが形成されている。蒸発器内面溝５２ａは、溝深さｈｖを有する略台形状の溝である。伝熱管５２の最大内径Ｄｖは、約４ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。そして、溝深さｈｖは、最大内径Ｄｖが４ｍｍの場合には０．１５ｍｍ以下であり、最大内径Ｄｖが１０ｍｍの場合には０．３０ｍｍ以下である。
【００４７】
インジェクション管１１は、放熱器としての熱源側熱交換器３から蒸発器としての利用側熱交換器５に送られる冷媒を分岐して後段側の圧縮要素２ｄに戻す戻し管として機能する冷媒管である。ここで、インジェクション管１１は、放熱器としての熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒を分岐するように設けられている。より具体的には、インジェクション管１１は、エコノマイザ熱交換器１２（熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路）の上流側の位置（ここでは、第２高圧冷媒管３ｂ）から冷媒を分岐して中間冷媒管６に戻すように設けられている。インジェクション管１１は、第２高圧冷媒管３ｂとエコノマイザ熱交換器１２の入口（第２高圧冷媒管３ｂから分岐された冷媒側の流路の入口）とを接続する第１管１１ａと、エコノマイザ熱交換器１２の出口（第２高圧冷媒管３ｂから分岐された冷媒側の流路の出口）と中間冷媒管６とを接続する第２管１１ｂとを有している。そして、このインジェクション管１１の第１管１１ａには、開度制御が可能な戻し弁として機能するインジェクション弁１１ｃが設けられている。ここでは、インジェクション弁１１ｃとして、膨張弁の一種である電動膨張弁が使用されている。
【００４８】
エコノマイザ熱交換器１２は、放熱器としての熱源側熱交換器３から蒸発器としての利用側熱交換器４に送られる冷媒と戻し管としてのインジェクション管１１を流れる冷媒（より具体的には、戻し弁としてのインジェクション弁１１ｃにおいて冷凍サイクルにおける中間圧付近まで減圧された後の冷媒）との熱交換を行う冷却器として機能する熱交換器である。ここで、エコノマイザ熱交換器１２は、放熱器としての熱源側熱交換器３と膨張機構４との間（ここでは、第２高圧冷媒管３ｂ及び第３高圧冷媒管３ｃ）を流れる冷媒とインジェクション管１１を流れる冷媒との熱交換を行うように設けられている。すなわち、エコノマイザ熱交換器１２は、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路と、インジェクション管１１を流れる冷媒側の流路とを有しており、両流路間で冷媒の熱交換を行うようになっている。より具体的には、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２の熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷媒側の流路を流れて、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒との熱交換によって冷却される。一方、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２のインジェクション管１１を流れる冷媒側の流路を少なくとも一時的には気液二相状態で流れて、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒との熱交換によって蒸発する。また、ここでは、インジェクション管１１は、第２高圧冷媒管３ｂから分岐されている。このため、放熱器としての熱源側熱交換器３において冷却された冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２を通過する前に、インジェクション管１１に分岐され、エコノマイザ熱交換器１２において、インジェクション管１１を流れる冷媒と熱交換を行うことになる。
【００４９】
（２）エコノマイザ熱交換器の構成
ここでは、上記のエコノマイザ熱交換器１２として、図４〜図６に示すような、金属素材の押し出し加工によって一体成形された管部材２１を有する熱交換器を採用している。ここで、図４は、エコノマイザ熱交換器１２の概略斜視図であり、図５は、管部材２１の横断面図であり、図６は、接続部材３１、３２及び管部材２１の縦断面図である。
【００５０】
エコノマイザ熱交換器１２は、上記のように、主として、管部材２１を有している。
【００５１】
管部材２１は、内側流路２２と、内側流路２２の周囲に配置された複数（ここでは、１２個）の外側流路２３とを有する略円管状の部材である。ここでは、管部材２１は、その全長が約１ｍ〜数ｍ程度であり、コイル状に巻かれた状態となっている。尚、管部材２１は、直管状態やヘアピン状に折り曲げた状態であってもよい。また、管部材２１の素材としては、アルミニウム又はアルミニウム合金が使用されている。
【００５２】
外側流路２３は、管部材２１の中心軸Ｏ方向（以下、単に軸方向とする）にわたって形成された孔である。外側流路２３は、管部材２１の横断面視において、内側流路２２の外周側でかつ管部材２１の周方向に略等間隔に並ぶように配置されている。ここで、外側流路２３の孔形状は、横断面視において、外周側に向かうにつれて周方向幅が大きくなるような略四角形である。また、外側流路２３の径方向又は周方向のサイズは、約１ｍｍ〜８ｍｍ程度である。
【００５３】
内側流路２２は、外側流路２３と同様、管部材２１の軸方向にわたって形成された孔である。内側流路２２は、管部材２１の横断面視において、管部材２１の軸方向中心に対して同心的に配置されている。ここで、内側流路２２の孔形状は、横断面視において、略円形である。また、内側流路２２の内径（最大内径）ＤＩは、約４ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。
【００５４】
そして、内側流路２２には、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構２４が設けられている。ここで、遠心力作用機構２４は、内側流路２２の内面に形成されており、管部材２１の周方向にねじれながら軸方向に延びるフィンからなる遠心力作用フィン２２ａである。遠心力作用フィン２２ａは、管部材２１の横断面視において、内側流路２２の内面に略等間隔に並ぶように複数（ここでは、６つ）配置されている。遠心力作用フィン２２ａの形状は、管部材２１の横断面視において、略三角形又は略台形である。そして、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨは、少なくとも内側流路２２の内径ＤＩの０．０８倍以上となっており、好ましくは、内径ＤＩの０．１５倍以上となっている。このため、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨは、内径ＤＩが４ｍｍの場合には０．３２ｍｍ以上となり、内径ＤＩが２０ｍｍの場合には１．６ｍｍ以上となり、蒸発器としての利用側熱交換器５を構成する伝熱管５２の内面に形成された蒸発器内面溝５２ａの溝深さｈｖよりも２倍以上高くなっている。また、管部材２１の軸方向に対して遠心力作用フィン２２ａが延びる方向がなすねじれ角αは、少なくとも１°〜１０°の範囲内となっており、好ましくは、２°〜３°の範囲内となっている。尚、遠心力作用フィン２２ａは、例えば、管部材２１の周方向にねじれなく軸方向に真っ直ぐに延びるフィンを内側流路２２に一体成形しておき、この管部材２１を管部材２１の周方向にねじる加工を施すことによって形成することができる。
【００５５】
また、管部材２１の内側流路２２を形成する部分は、外側流路２３を形成する部分よりも軸方向両端側に突出している。そして、管部材２１の軸方向両端には、接続部材３１、３２が設けられている。接続部材３１、３２は、主として、キャップ３３と、ノズル３４とを有している。キャップ３３は、複数の外側流路２３を流れる流体を合流させるため、又は、複数の外側流路２３へ流体を分岐させるための空間Ｓを形成するための部材である。キャップ３３は、筒状の部材であり、その一端が管部材２１の軸方向端の外周部に嵌合しており、その他端に管部材２１の内側流路２２を形成する部分の軸方向端部２１ａが管部材２１の軸方向に向かって貫通する第１貫通孔３３ａが形成されている。そして、管部材２１の軸方向端部２１ａは、内側流路２２を流れる流体の入口又は出口を構成している。また、キャップ３３には、管部材２１の軸方向に交差する方向に向かって貫通する第２貫通孔３３ｂが形成されており、ノズル３４が挿入されている。ノズル３４は、両端が開口した筒状の部材であり、外側流路２３を流れる流体の入口又は出口を構成している。
【００５６】
そして、ここでは、管部材２１の軸方向両端部２１ａにインジェクション管１１の第１管１１ａ及び第２管１１ｂを接続し、接続部材３１、３２の両ノズル３４に第２高圧冷媒管３ｂ及び第３高圧冷媒管３ｃを接続するようにしている。これにより、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２を流れる流体がインジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒となり、外側流路２３を流れる流体が放熱器としての熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒となっている。ここで、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を外側流路２３に流すように構成すると、外側流路２３間における冷媒の分配が難しくなるため、また、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒はエコノマイザ熱交換器１２が設置される環境温度よりも低い温度である場合が多く熱ロスが発生しやすくなるため、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒を内側流路２２に流すようにしている。
【００５７】
このように、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２と外側流路２３とが金属素材の押し出し加工によって一体成形された管部材２１を使用しているため、低コストでかつコンパクトなものとなっている。
【００５８】
（３）空気調和装置の動作、及び、エコノマイザ熱交換器の特徴
次に、上記の空気調和装置１の動作である冷房運転について、図１〜図６を用いて説明する。
【００５９】
冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、吸入管２ａから圧縮機構２に吸入される。この圧縮機構２に吸入された冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、圧縮要素２ｃによって冷凍サイクルにおける中間圧まで圧縮された後に、中間冷媒管６に吐出される。この前段側の圧縮要素２ｃから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、インジェクション管１１から後段側の圧縮要素２ｄに戻される冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒と合流することで冷却される（以下、中間圧インジェクションとする）。このインジェクション管１１から戻る冷媒と合流した冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、圧縮要素２ｃの後段側に接続された圧縮要素２ｄに吸入される。この圧縮要素２ｄに吸入された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、圧縮要素２ｄによってさらに圧縮されて、圧縮機構２から吐出管２ｂに吐出される。ここで、圧縮機構２から吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、圧縮要素２ｃ、２ｄによる二段圧縮動作によって、冷媒の臨界圧力を超える圧力まで圧縮されている。そして、この圧縮機構２から吐出された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、第１高圧冷媒管３ａを通じて冷媒の放熱器として機能する熱源側熱交換器３に送られる。この熱源側熱交換器３に送られた高圧の冷媒は、熱源側熱交換器３によって冷却源としての水や空気と熱交換を行って冷却される。この熱源側熱交換器３において冷却された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、その一部が第２高圧冷媒管３ｂにおいて、戻し管としてのインジェクション管１１に分岐される。そして、インジェクション管１１を流れる冷媒は、戻し弁としてのインジェクション弁１１ｃにおいて冷凍サイクルにおける中間圧付近まで減圧された後に、冷却器としてのエコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２に送られる。また、インジェクション管１１に分岐された後の（すなわち、第２高圧冷媒管３ｂを流れる）冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、エコノマイザ熱交換器１２の外側流路２３に流入し、内側流路２２を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒と熱交換を行って冷却される。一方、インジェクション管１１を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、外側流路２３を流れる冷凍サイクルにおける高圧の冷媒と熱交換を行って加熱されて、上述のように、前段側の圧縮要素２ｃから吐出された冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒に合流することになる。ここで、エコノマイザ熱交換器１２を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、内側流路２２内において蒸発過程を経るため、少なくとも一時的には気液二相状態で内側流路２２を流れることになる。そして、エコノマイザ熱交換器１２の外側流路２３において冷却された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、第３高圧冷媒管３ｃを通じて膨張機構４に送られる。膨張機構４に送られた冷凍サイクルにおける高圧の冷媒は、膨張機構４によって減圧されて、冷凍サイクルにおける低圧の気液二相状態の冷媒となり、第１低圧冷媒管５ａを通じて冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器５に送られる。そして、この利用側熱交換器５に送られた冷凍サイクルにおける低圧の気液二相状態の冷媒は、利用側熱交換器５によって加熱源としての水や空気と熱交換を行って加熱されて蒸発する。そして、この利用側熱交換器５において加熱され蒸発した冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、第２低圧冷媒管５ｂ及び吸入管２ａを通じて再び圧縮機構２に吸入される。このようにして、空気調和装置１の冷房運転が行われる。
【００６０】
このように、空気調和装置１では、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１を用いた中間圧インジェクションを採用しているため、外部への放熱を行うことなく、後段側の圧縮要素２ｄに吸入される冷媒の温度を低く抑えることができ、また、利用側熱交換器５に送られる冷媒を冷却することができる。これにより、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１による中間圧インジェクションを採用しない場合に比べて、圧縮機構２から吐出される冷媒の温度が低く抑えられ、また、利用側熱交換器５に送られる冷媒の単位流量当たりの冷房能力が高められるため、圧縮機構２の消費動力を減らし、空気調和装置１の運転効率や冷房能力を向上させることができる。
【００６１】
ところで、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２には、冷凍サイクルにおける中間圧の気液二相状態の冷媒が流れるため、内側流路１２の内面においてドライアウトが発生することによって内側流路２２を流れる冷媒の蒸発伝熱性能が低下し、エコノマイザ熱交換器１２の熱交換効率が低下しやすい。特に、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒の気体の密度に対する液体の密度の比である気液密度比（＝液体密度／気体密度）が１０以下の場合には、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになりやすいため、これに起因して、内側流路２２の内面に冷媒の液膜が生じにくくなり、これにより、内側流路２２におけるドライアウトが発生しやすくなる傾向にある。しかも、空気調和装置１では、冷媒として二酸化炭素を使用していることから冷凍サイクル全体の圧力が高く、しかも、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２を流れる冷媒が冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒であるため、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒の気液密度比が約２〜４程度と非常に小さくなるため、内側流路２２を流れる気液二相状態の冷媒が噴霧流に近い流れになる傾向が顕著になり、内側流路２２におけるドライアウトがさらに発生しやすい条件となっている。
【００６２】
しかし、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力が作用するような遠心力作用機構２４が内側流路２２に設けられているため、遠心力作用機構２４によって冷媒に遠心力を作用させて冷媒の液滴を外周側に移動させることができるようになっている。
【００６３】
これにより、このエコノマイザ熱交換器１２では、冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着しやすくすることができ、内側流路２２におけるドライアウトの発生を抑えることができるため、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００６４】
特に、この空気調和装置１では、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１による中間圧インジェクションを採用しているため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒という、気液密度比が非常に小さい条件において、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材２１を有する熱交換器を使用する態様となっている。しかし、上記のように、遠心力作用機構２４が内側流路２２に設けられているため、冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着しやすくして内側流路２２におけるドライアウトの発生を抑えることができ、ドライアウトによる蒸発伝熱性能の低下を抑えて、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００６５】
尚、この空気調和装置１では、蒸発器として機能する利用側熱交換器５を流れる冷媒も、少なくとも一時的には気液二相状態で伝熱管５２を流れて蒸発することになるため、利用側熱交換器５においてもドライアウトが発生するおそれがある。しかし、利用側熱交換器５を流れる冷媒は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒であるため、冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒が流れるエコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２に比べて、冷媒の気液密度比が大きく、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２に比べて、ドライアウトが発生するおそれが小さい。このため、この空気調和装置１では、利用側熱交換器５を構成する伝熱管５２に遠心力作用フィン２２ａよりもフィン高さＨが小さい溝深さｈｖを有する溝からなる蒸発器内面溝５２ａを形成するようにしている。すなわち、この空気調和装置１では、エコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２及び蒸発器としての利用側熱交換器５のうち、ドライアウトが発生するおそれが非常に大きいエコノマイザ熱交換器１２の内側流路２２のみに遠心力作用フィン２２ａを形成するようにして、効果的にドライアウトの発生を抑えるようにしている。
【００６６】
また、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用機構２４が内側流路２２の内面に形成された遠心力作用フィン２２ａであるため、冷媒に遠心力を作用させるとともに、内側流路２２の伝熱面積を増加させることができ、内側流路２２における熱流束が小さくなり、これにより、内側流路２２におけるドライアウトの発生をさらに抑えることができる。しかも、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨを内側流路２２の内径ＤＩの０．０８倍以上にすることによって、内側流路２２を流れる冷媒に遠心力を十分に作用させることができる。
【００６７】
また、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αを１°〜１０°にすることによって、内側流路２２の軸中心及びその近傍を流れる冷媒を除いて、管部材２１の長さ（約１ｍ〜数ｍ程度）よりも十分に短い距離で、冷媒の液滴のほとんどを内側流路２２の内面に付着させることができるようになっている。より具体的には、図７に示すように、内側流路２２の内径ＤＩを６ｍｍとした場合において、内側流路２２内に気液二相状態の冷媒が噴霧流（均一に液滴が分散した状態）で流れている場合を想定すると、ねじれ角αが１°程度で４００ｍｍ程度の距離で、また、ねじれ角αが２°〜３°で１５０〜２００ｍｍ程度の距離で内側流路２２の内面に９０％の液滴が付着することがわかる。ここで、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αを１０°よりも大きくすれば、さらに短い距離で、さらに多くの冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着させることができるようになる。しかし、ねじれ角αを１０°以上にしても、図７に示すように、冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけであり、その一方で、内側流路２２を流れる冷媒の圧力損失の増加が過大になる傾向になる。このため、このエコノマイザ熱交換器１２では、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αの下限を冷媒の液滴のほとんどを内側流路２２の内面に付着させる効果が得られる１°にし、遠心力作用フィン２２ａのねじれ角αの上限を冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着させる効果がわずかに向上するだけになる１０°にしている。尚、図７は、液滴を質点と仮定し、内側流路２２の内部に均一に分散した状態の液滴が周方向に旋回したときの遠心力によって、内側流路２２の内面へ到達するまでの流れ方向の距離を算出したものである。
【００６８】
（４）変形例１
上記の空気調和装置１（図１参照）に設けられたエコノマイザ熱交換器１２（図４〜図６参照）では、内側流路２２に遠心力作用フィン２２ａだけが形成されているが、図８に示すように、内側流路２２の内面に、遠心力作用フィン２２ａのフィン高さＨよりも小さい溝深さｈを有する溝からなる液滴捕捉溝２２ｂをさらに形成するようにしてもよい。
【００６９】
このエコノマイザ熱交換器１２においては、遠心力作用フィン２２ａとともに液滴捕捉溝２２ｂが形成されているため、内側流路２２の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路２２の内面に捕捉することができ、これにより、遠心力作用フィン２２ａによって内側流路２２の内面に付着した冷媒の液滴を内側流路２２の内面に付着した状態を維持されやすくできる。
【００７０】
（５）変形例２
上記の空気調和装置１（図１参照）では、インジェクション管１１が熱源側熱交換器３とエコノマイザ熱交換器１２とを接続する第２高圧冷媒管３ｂ（すなわち、エコノマイザ熱交換器１２の上流側の位置）から分岐されているが、図９に示すように、インジェクション管１１がエコノマイザ熱交換器１２と膨張機構４とを接続する第３高圧冷媒管３ｃ（すなわち、エコノマイザ熱交換器１２の下流側の位置）から分岐されていてもよい。
【００７１】
この場合においても、上記のエコノマイザ熱交換器１２及びそれを備えた空気調和装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００７２】
（６）変形例３
上記の空気調和装置１（図１、図９参照）に設けられたエコノマイザ熱交換器１２（図４〜図６参照）では、遠心力作用機構２４として、内側流路２２の内面に形成された遠心力作用フィン２２ａを採用しているが、これに代えて、図１０及び図１１に示すような、管部材２１の周方向にねじれながら軸方向に延びる部材からなる遠心力作用部材２５を内側流路２２内に設けてもよい。ここで、遠心力作用部材２５は、内側流路２２に挿入可能な幅を有する板材を周方向にねじり加工を施したねじり板である。
【００７３】
この場合においても、ねじり板からなる遠心力作用部材２５が遠心力作用機構２４としての機能を果たすため、上記のエコノマイザ熱交換器１２及びそれを備えた空気調和装置１と同様の作用効果を得ることができる。また、このエコノマイザ熱交換器１２では、内側流路２２に遠心力作用部材２５を挿入するだけで、冷媒に遠心力を作用させる構成を実現することができるため、上記のねじり板のような、冷媒に対して遠心力を作用させる効果が高い複雑な形状を採用しやすくできる。尚、遠心力作用部材２５は、上記のねじり板に限定されるものではなく、コイル部材等の他の部材であってもよい。
【００７４】
（７）変形例４
上記の空気調和装置１（図１、図９参照）に設けられたエコノマイザ熱交換器１２（図４〜図６参照）では、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材２１を採用しているが、これに代えて、図１２及び図１３に示すような、外側多穴管部材１２１の内側孔１２１ａに外側多穴管部材１２１とは別の内側挿入管部材１２２を挿入した構成を採用してもよい。ここで、外側多穴管部材１２１は、複数の外側流路２３と、複数の外側流路２３に囲まれる内側孔１２１ａとを有する略円管状の部材である。また、内側挿入管部材１２２は、内側流路２２を有する略円管状の部材である。そして、内側流路２２には、図５及び図６に示すような遠心力作用機構２４が設けられている。尚、内側挿入管部材１２２は、内側孔１２１ａに挿入され、拡管等によって外側多穴管部材１２１に固定されている。また、変形例１（図８参照）のような内側流路２２に液滴捕捉溝２２ｂを形成した構成に対しても、図１４に示すように、外側多穴管部材１２１の内側孔１２１ａに外側多穴管部材１２１とは別の内側挿入管部材１２２を挿入した構成を採用することができる。
【００７５】
この場合においても、内側流路２２に遠心力作用機構２４が設けられているため、上記のエコノマイザ熱交換器１２及びそれを備えた空気調和装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００７６】
しかも、この場合においては、複数の外側流路２３を形成する部材と内側流路２２を形成する部材とを、それぞれ、外側多穴管部材１２１と内側挿入管部材１２２という別の部材によって構成している。このため、複数の外側流路２３及び内側孔１２２ａについては、その成形に適した金属素材の押し出し成形を採用することができる。また、内側流路２２については、遠心力作用機構２４という複雑な形状を、内側挿入管部材１２２のみを周方向にねじる加工によって、又は、内側挿入管部材１２２を引き抜き管加工によって形成する等により、容易に設けることができる。また、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが金属素材の押し出し成形によって一体成形された管部材２１を採用する場合には、図６に示すように、複数の外側流路２３とキャップ３３の空間Ｓとを連通させるために、管部材２１の長手方向端部の内側流路２２のみを残すように加工する必要がある。しかし、この場合においては、図１３に示すように、内側挿入管部材１２２の長手方向端部を外側多穴管部材１２１の長手方向端部よりも突出した状態で固定することで、容易に複数の外側流路２３とキャップ３３の空間Ｓとを連通させることができる。
【００７７】
（８）他の実施形態
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００７８】
（Ａ）上記の実施形態及びその変形例では、外側流路２３の内面が平滑な面をなしているが、これに限定されず、内面を溝付きにする等の他の内面を採用してもよい。また、外側流路２３の横断面視における形状や接続部材３１、３２の形状は、上記の実施形態及びその変形例のものに限定されない。
【００７９】
（Ｂ）上記の実施形態及びその変形例では、蒸発器としての利用側熱交換器５としてクロスフィン型の熱交換器を採用しているが、これに限定されず、冷媒が流れる伝熱管を有する熱交換器であればよい。
【００８０】
（Ｃ）上記の実施形態及びその変形例では、エコノマイザ熱交換器１２及びインジェクション管１１による中間圧インジェクションを行う冷媒回路１０において、エコノマイザ熱交換器１２として、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とを有する熱交換器を採用するとともに、内側流路２２をインジェクション管１１を流れる冷媒（すなわち、冷凍サイクルにおける中間圧の気液二相状態の冷媒）が流れる態様で使用しているが、これに限定されない。例えば、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒と冷凍サイクルにおける低圧の冷媒との熱交換を行うことで、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を冷却し、かつ、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を加熱・蒸発させる過冷却熱交換器や液ガス熱交換器として、内側流路２２と内側流路２２の周囲に配置された複数の外側流路２３とが、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とを有する熱交換器を採用するとともに、内側流路２２を冷凍サイクルにおける低圧の気液二相状態の冷媒が流れる態様で使用してもよい。
【００８１】
この場合においても、上記の実施形態及びその変形例と同様の作用効果を得ることができる。特に、内側流路２２を流れる冷媒の気液密度比が１０以下の場合には、内側流路２２におけるドライアウトが発生しやすくなるため、顕著な効果が得られることになる。
【００８２】
（Ｄ）上記の実施形態及びその変形例では、冷房専用の空気調和装置１に本発明を適用した例を説明したが、冷暖切換可能な空気調和装置のような他の型式の空気調和装置やヒートポンプ給湯機に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、内側流路と内側流路の周囲に配置された複数の外側流路とが金属素材の押し出し加工によって一体成形された管部材を有しており、内側流路を流れる冷媒と外側流路を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器、及びそれを備えた冷凍装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１  空気調和装置（冷凍装置）
２  圧縮機構
３  熱源側熱交換器（放熱器）
４  膨張機構
５  利用側熱交換器（蒸発器）
１１  インジェクション管
１２  エコノマイザ熱交換器
２１  管部材
２２  内側流路
２２ａ  遠心力作用フィン
２２ｂ  液滴捕捉溝
２３  外側流路
２４  遠心力作用機構
２５  遠心力作用部材
５２  伝熱管
５２ａ  蒸発器内面溝
１２１  外側多穴管部材
１２１ａ  内側孔
１２２  内側挿入管部材
ＤＩ  内径
Ｈ  フィン高さ
ｈ、ｈｖ  溝深さ
α  ねじれ角
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８５】
【特許文献１】特開２０００−２４９２号公報