(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換を行うために冷媒を流通させる冷媒管として、
複数の冷媒管が並列されている第１の並列経路と、
複数の冷媒管が並列されている第２の並列経路と、
前記第１の並列経路と接続され、冷媒を合流させる合流部と、
前記合流部と第１の経路部材を介して接続され、冷媒の流路方向を水平方向から垂直方向に変更する流路方向変更手段と、
前記流路方向変更手段と第２経路部材を介して接続され、前記流路方向変更手段から、前記第２経路部材が垂直方向に受け入れた冷媒を前記第２の並列経路に分流させる分流部と、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
蒸発器として動作するときに、冷媒は、前記第１の並列経路から前記第２の並列経路に向かって流れ、
前記第１の並列経路のそれぞれの管内径をＤＩ０、並列経路数をＮ、前記合流部の管内径をＤＩ１としたとき、
ＤＩ１２／（ＤＩ０２×Ｎ）≧０．５７
を満たすように構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
圧縮機、流路切替手段、室外熱交換器、冷暖房運転用の絞り装置、及び室内熱交換器が冷媒管により接続された冷凍サイクル装置を備え、
前記室内熱交換器は請求項１または請求項２に記載の熱交換器であることを特徴とする空気調和機。
【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用いた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
室内の空気の温度、湿度、清浄度などを調節する空気調和機において、熱交換器の熱交換効率（以下、単に「効率」という場合もある。）を向上させるためには、特に蒸発器に関し、冷媒の蒸発にともなう圧力損失の増大を抑制することが効果的である。そのため、従来から、例えば、熱交換器入口において冷媒を複数の流路に分割して流入させる構成が多く採られている。
【０００３】
蒸発器内の冷媒は液とガス（気体）の二相状態であるため、複数の流路の各々に、液とガスを同じ比率で流入させることは困難である。つまり、複数の流路ごとに液とガスの比率が異なる、いわゆる「偏流」と呼ばれる状態が発生し、それが効率低下の原因となっている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、多パス型熱交換器に関し、複数の冷媒管を流れる冷媒を経路途中で一旦合流させ、その直後に再び分流させることで、偏流を可及的に防止し、効率低下を抑制する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１３１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、特許文献１の図１等からわかるように、並列に蛇行配置された複数（２本）の冷媒管の途中部分に水平な合流部を設けた構成となっているので、各冷媒管を流れる冷媒の直進性等により、冷媒の合流による偏流低減が充分とは言えない。
【０００７】
そこで、本発明は、熱交換器において、複数の並列した冷媒管を用いた場合に、偏流を低減することで熱交換効率を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、熱交換を行うために冷媒を流通させる冷媒管として、複数の冷媒管が並列されている第１の並列経路と、複数の冷媒管が並列されている第２の並列経路と、前記第１の並列経路と接続され、冷媒を合流させる合流部と、前記合流部と第１の経路部材を介して接続され、冷媒の流路方向を水平方向から垂直方向に変更する流路方向変更手段と、前記流路方向変更手段と第２経路部材を介して接続され、前記流路方向変更手段から、前記第２経路部材が垂直方向に受け入れた冷媒を前記第２の並列経路に分流させる分流部と、を備えることを特徴とする熱交換器である。その他の手段については後記する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換器において、複数の並列した冷媒管を用いた場合に、偏流を低減することで熱交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る空気調和機の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る空気調和機における室内熱交換器の冷媒経路を説明するための概略図である。
【図３】図２の冷媒経路内における合流部の具体的な構成例を示す図である。
【図４】図２の冷媒経路内における流路方向変更手段の具体的な構成例を示す図である。
【図５】図２の冷媒経路内における分流部の具体的な構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る室内熱交換器の仕様Ａ、仕様Ｂに関し、冷媒管位置と圧力との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係る室内熱交換器の仕様Ａ、仕様Ｂに関し、圧縮機回転数と能力との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係る室内熱交換器の仕様Ａ、仕様Ｂに関し、冷媒管内の二相流を均質流と仮定した場合の冷媒循環量と圧力損失との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る空気調和機の構成、機能及び動作について、図１〜図８を用いて説明する。
【００１２】
図１に示すように、空気調和機１００は、圧縮機１、四方弁２（流路切替手段）、室外に設置される室外熱交換器３、流量制御弁４（冷暖房運転用の絞り装置）、及び、室内に設置される室内熱交換器５を備え、それらが冷媒管８を介して環状に接続されており、冷房及び暖房が可能な冷凍サイクル装置を構成する。
【００１３】
室外熱交換器３にはプロペラファン等の室外送風手段６が設けられ、室外熱交換器３に空気を流通させることで冷媒と熱交換させる。
また、室内熱交換器５には貫流ファン等の室内送風手段７が設けられ、室内熱交換器５に空気を流通させることで冷媒と熱交換させる。
【００１４】
次に、図２を参照して、室内熱交換器５の冷媒経路について説明する。室内熱交換器５を流れる冷媒経路は、単一の経路５０、複数（例えば４本）の経路からなる第１の並列経路５２、合流部５３、単一の経路５４、流路方向変更手段５５、単一の経路５６、分流部５７、及び、複数（例えば８本）の経路からなる第２の並列経路５８を備える。なお、熱交換位置５１は、第１の並列経路５２における熱交換を行う部分である。また、熱交換位置５９は、第２の並列経路５８における熱交換を行う部分である。
【００１５】
合流部５３は、第１の並列経路５２と経路５４を接続するもので、例えば、図３に示すように、経路５４と接続される主管５３ａと、第１の並列経路５２それぞれと接続される複数（例えば４本）の枝管５３ｂとを備えるヘッダ管として構成される。
【００１６】
流路方向変更手段５５は、経路５４と経路５６を接続するもので、例えば、図４に示すように、水平方向の経路５４と、垂直方向（鉛直上下方向）の経路５６とが直角に接続される。
【００１７】
分流部５７は、経路５６と第２の並列経路５８を接続するもので、例えば、図５に示すように、経路５６と接続される入口管５７ａ、ディストリビュータ５７ｂ、及び、第２の並列経路５８それぞれと接続される分岐管５７ｃを備える分流器で構成される。
【００１８】
次に、本実施形態における空気調和機１００の冷凍サイクルの動作について説明する。図１に示すように、冷房運転時は四方弁２を、冷媒が破線部分を流れるように切替える。
【００１９】
このとき、冷媒は、図１の破線矢印方向に進み、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、流量制御弁４、室内熱交換器５の順に流れる。流量制御弁４は空調負荷に応じた適度な開度に調整され、凝縮器として機能する室外熱交換器３で凝縮して液化した冷媒は流量制御弁４で気液二相流となって、室内熱交換器５へ流入する。その後、冷媒は、蒸発器として機能する室内熱交換器５で蒸発した後、圧縮機１へ戻る。
【００２０】
その冷房運転時、冷媒は、図２の破線矢印方向に流れ、経路５０から第１の並列経路５２それぞれに分かれて流入する。このとき、経路５０での冷媒の総流量に対するガスの質量流量比（乾き度）は０．２程度である。第１の並列経路５２における熱交換位置５１で、冷媒は空気と熱交換するため、乾き度は増加し０．６程度となる。
【００２１】
冷媒は、第１の並列経路５２を通過後、合流部５３で合流して単一の経路５４に流入し（図３参照）、流路方向変更手段５５で流れ方向を水平方向から垂直方向に変更されて単一の経路５６に流入し（図４参照）、分流部５７で第２の並列経路５８それぞれに再び分かれて流入する（図５参照）。分流された冷媒は第２の並列経路５８における熱交換位置５９で空気と熱交換して、乾き度がさらに増加して１．０以上となって、経路６０を経由して圧縮機１へ戻る。
【００２２】
第１の並列経路５２で分流した冷媒を合流部５３で１つの経路に合流させることで、第１の並列経路５２で生じた偏流はキャンセルされる。
その後、乾き度が比較的高い冷媒を分流して第２の並列経路５８へ流入させる際、分流部５７では分流後の第２の並列経路５８それぞれにおける熱交換位置５９での交換熱量に合わせた気液比率で分流される。
【００２３】
また、乾き度が高く液冷媒が少ない二相冷媒は管壁に薄い液膜が張り付いている環状流となっており、経路の方向などによってその後の分流時の偏流の度合いが変わりやすい。そこで、流路方向変更手段５５を設けて、冷媒の流れ方向を水平方向から垂直方向に変更することで（図４参照）、管壁の薄い液膜を壊し、均質流に近い状態にすることで、分流部５７において安定した（偏流の度合いが小さい）分流ができる。
【００２４】
このとき、合流部５３の上流側にある第１の並列経路５２の管の流路断面積の総和と比較して、合流部５３の管の流路断面積が小さすぎると、圧力損失の増大が懸念される。圧力損失の増大により、高い冷房能力（以下、単に「能力」という場合もある。）を得たいときに、冷媒循環量を増やすために圧縮機１を増速しても、冷媒循環量が増えずに、能力が頭打ちになってしまう。
【００２５】
このことを、具体的な例を挙げ、図６〜図８を用いて説明する。図６は、室内熱交換器５の管内圧力分布の実測値を示したものである。また、図７は、圧縮機１を増速し、冷媒循環量を増やした際の冷房能力の変化を示したものである。
【００２６】
例えば、合流部５３の上流側にある第１の並列経路５２それぞれの管内径をＤＩ０、分流数（管の数）をＮ、合流部５３の管内径をＤＩ１とし、ＤＩ０＝５．７５ｍｍ、Ｎ＝４、ＤＩ１＝７．２ｍｍとする。これを仕様Ａとする。
【００２７】
図６に示すとおり、仕様Ａでは、合流部５３から分流部５７までの短い区間（経路５４〜経路５６）で圧力損失により圧力が急激に低下し、全体の圧力損失の増加の原因となっている。
このため、図７に示すように、仕様Ａでは、圧縮機１を増速しても、冷媒循環量が増えず、能力は９ｋＷ（近年要求される能力の目安値）を超えずに頭打ちになってしまう。
【００２８】
続いて、ＤＩ０＝５．７５ｍｍ、Ｎ＝４、ＤＩ１＝８．７２ｍｍとする。これを仕様Ｂとする。図６に示すとおり、仕様Ｂでは、合流部５３から分流部５７までの区間（経路５４〜経路５６）の圧力損失が仕様Ａに比べて大幅に小さいために、全体の圧力損失も減少している。この仕様Ｂでは、圧力損失が小さいので、冷媒循環量を増やすことができ、図７に示すとおり、仕様Ａでは頭打ちになってしまった圧縮機１の回転数においても冷房能力を直線的に増加でき、９ｋＷを実現できる。
【００２９】
図８は、仕様Ａと仕様Ｂにおいて、管内の二相流を均質流と仮定した際の圧力損失と冷媒循環量の関係を示したものである。つまり、少なくとも、圧力損失が仕様Ｂの場合以下であれば、冷媒循環量を増やして９ｋｗといった高い冷房能力を実現できる（図７参照）。
【００３０】
ここで、仕様Ａと仕様Ｂにおける合流部５３の上流側にある第１の並列経路５２の管の流路断面積の総和と、合流部５３の管の流路断面積を比較する。
管の断面積Ｓは、その直径をＤとすると、円周率πを使って、次の式（１）で表すことができる。
Ｓ＝πＤ２／４  ・・・式（１）
【００３１】
また、第１の並列経路５２の管の流路断面積の総和Ｓ０は、経路数Ｎも用いて、次の式（２）で表すことができる。
Ｓ０＝（πＤＩ０２／４）×Ｎ  ・・・式（２）
【００３２】
また、合流部５３の管の流路断面積Ｓ１は、次の式（３）で表すことができる。
Ｓ１＝πＤＩ１２／４  ・・・式（３）
【００３３】
したがって、第１の並列経路５２の管の流路断面積の総和と、合流部５３の管の流路断面積の比（Ｓ１／Ｓ０）は、次の式（４）で表すことができる。
Ｓ１／Ｓ０＝ＤＩ１２／（ＤＩ０２×Ｎ）  ・・・式（４）
【００３４】
この式（４）を用いて計算すると、仕様Ａでの比率Ｓ１／Ｓ０は約０．３９、仕様Ｂでの比率Ｓ１／Ｓ０は約０．５７となり、仕様Ｂのほうが大きい。
【００３５】
したがって、合流部５３から分流部５７までの圧力損失を仕様Ｂと同程度またはそれよりも小さくするためには、ＤＩ０（第１の並列経路５２それぞれの管内径）、ＤＩ１（合流部５３の管内径）を、次の式（５）を満たすように設計すればよい。
ＤＩ１２／（ＤＩ０２×Ｎ）≧０．５７  ・・・式（５）
【００３６】
このように、本発明によれば、室内熱交換器５において、冷房運転時に冷媒の流路方向を水平方向から垂直方向に変更する流路方向変更手段５５を備えることで、偏流を低減し、熱交換効率を向上させることができる。
【００３７】
また、式（５）を満たすように室内熱交換器５を設計することで、合流部５３から分流部５７までの圧力損失を仕様Ｂと同程度またはそれよりも小さくすることができ、圧縮機１を増速した場合に、能力が頭打ちにならず（図７参照）、熱交換効率を向上させることができる。
【００３８】
また、空気調和機１００は、このような室内熱交換器５を備えることで、高い冷房能力を実現することができる。
【００３９】
以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。例えば、第１の並列経路５２や第２の並列経路５８における並列経路数は、前記実施形態で示した例に限定されず、他の数であってもよい。
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  圧縮機
２  四方弁（流路切替手段）
３  室外熱交換器
４  流量制御弁（冷暖房運転用の絞り装置）
５  室内熱交換器
６  室外送風手段
７  室内送風手段
８  冷媒管
５０、５４、５６、６０  経路
５１  熱交換位置
５２  第１の並列経路
５３  合流部
５５  流路方向変更手段
５７  分流部
５８  第２の並列経路
５９  熱交換位置
１００  空気調和機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0006664172.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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