(57)【要約】【課題】パラレルフロー型熱交換器を蒸発器や凝縮器のいずれかに使用した場合でも、良好な分流状態を実現し、十分な熱交換量を得ることが可能な信頼性の高いパラレルフロー型熱交換器を提供すること。【解決手段】略水平に配置された下部ヘッダー２と上部ヘッダー５との間に略垂直に延在する複数の偏平管３を配置し、隣接する偏平管３の間にフィン４を設け、下部ヘッダー２の一端に冷媒が流入する接続管１を長手方向に取り付けると共に、上部ヘッダー５の中央部近傍には、冷媒が流出する接続管６が配置されるようにすることによって、冷媒の分流状態を改善するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の距離を置いて略水平に延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間に配置された複数の伝熱管と、隣接する伝熱管の間に配置されたフィンとを備えた熱交換器であって、冷媒の流入管は前記一対のヘッダーの一方の端部に配し、冷媒の流出管は前記一対のヘッダーの他方の中央部近傍に配したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記流入管は、前記ヘッダーの一端に前記ヘッダーの長手方向に配したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記流入管は、前記ヘッダーの両端部に接続したことを特徴とする前記請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】
前記熱交換器を蒸発器として使用する場合、前記流入管は前記流出管より管の径を小さくし、前記ヘッダーパイプに配置することを特徴とする請求項１〜３記載の熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換器を凝縮器として使用する場合、前記流入管は、前記流出管より管の径を大きくし、前記ヘッダーパイプに配置することを特徴とする請求項１〜３記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式空気調和機に利用される熱交換器に関し、特に複数の伝熱管に分流される冷媒の分流量の均等化を図ることのできる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気調和機の冷凍サイクルを構成している熱交換器は、熱交換能力が小さい場合には、冷媒の循環量が少なく、伝熱管内の圧力損失が小さい為、冷媒通路は単一で良いが、熱交換量が大きい場合には、冷媒の循環量が多く、複数の冷媒通路が必要となってくる。このように複数の冷媒通路が必要な場合、冷媒を複数の伝熱管に均等に分流して熱交換器の性能を最大限に発揮させる為の手段が必要となる。
【０００３】
ここで、図６において、パラレルフロータイプの熱交換器を蒸発器に使用した場合について説明する。図６に示す従来例の場合、２は中空円筒状の下部ヘッダー２で、右側は閉じてあり、蒸発器として使用される場合、冷媒が流入する接続管１に接合されている。下部ヘッダー２に流入した冷媒は各ヘッダーに連通する偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換を行い、更にガス化した冷媒は中空円筒状である上側ヘッダーより蒸発器の接続管６から流出する。
【０００４】
また、凝縮器として使用した場合は、冷凍サイクル中の四方弁によるサイクル切換え弁により蒸発器とは冷媒の流入方向が異なり、図６に示す従来例の場合、圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスが凝縮器の接続管６より上側ヘッダー５に流入して各ヘッダーに連通する偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化した冷媒は中空円筒状である下部ヘッダー２より凝縮器の接続管１から流出する。また、偏平管３は熱伝導性の良いアルミニウムや銅合金等の金属からなる偏平な断面外形を有する熱交換器用の偏平管で、内部に１本ないし数本の冷媒通路を有し、下部ヘッダー２と上部ヘッダー５とを連通するように、それらのヘッダーを橋絡して垂直に複数本取り付けられている。
【０００５】
また、複数の偏平管３には、均等に冷媒が分配されて分流状態を良好にし、性能を充分に発揮できるように様々な工夫がなされ、各偏平管の間には熱伝導性の良いアウルミニウムや銅合金等の薄い金属板を波形に成形したフィン４が、複数の偏平管３のなす面に対して直角方向に無数のハニカム状の通気路を形成するように取り付けられて、空気と冷媒の熱交換を円滑に行われている。
【０００６】
従来このような空気調和機用の熱交換器の分流状態を良好にした構成例としては、ヘッダー内部の仕切り板をヘッダーの軸直角方向に対して傾斜させているもの（例えば特許文献１参照）や、また、偏平管３の端面を傾斜させたものもある（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６―１７４３３５号公報（第１―５、第１図）
【特許文献２】
特開平８―５１９４号公報（第１―５、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のパラレルフローの熱交換器を凝縮器として使用した場合、圧縮機から吐出された単相の過熱冷媒ガスが図６に示す上部ヘッダー５に接続管６より流入し、各偏平管３を均一に流れて空気と熱交換した後、凝縮液化した冷媒は重力の影響を受けて下部ヘッダー２に流れる為に各偏平管３を流れる冷媒の分流状態に大きな問題は見られない。
【０００９】
しかしながら、蒸発器として利用した場合に、液とガスが混在したニ相の冷媒が図７に示す下部ヘッダー２に流入し、気体状の冷媒７の他に低部に滞留している液体状の冷媒８が流れの慣性の影響で、蒸発器入口近傍と下流側になる右方において厚くなり、下部ヘッダー２の中央部に近いところで薄くなる傾向がある。よって、下側ヘッダー２から各偏平管３内を上昇して通過する冷媒の量が不均一となり、更には、冷凍サイクル中の粘性の高い冷凍機油も含まれる影響や、各偏平管を流れる冷媒に偏流が発生する影響により、また、条件によっては蒸発器入口からもっとも経路的に距離が短くて抵抗が少なくなる蒸発器出口に近い図６の偏平管３ａ、３ｂ近傍を冷媒は優先的に通って接続管６に流れ出し、蒸発器入口から出口まで経路において距離的に最も遠くなる偏平管３ｅ、３ｆ近傍では、管路損失による抵抗が大きくなる為に流入する冷媒も減少する。
【００１０】
図８は、蒸発器として使用した場合の熱交換器全体を赤外線測定器で温度分布を測定した結果を簡易的に示したものである。斜線部は他の部分よりも温度が高いことを示したものであり、図８の斜線部に示すように抵抗が大きく下流側となる右側の半分以上が冷媒流量低下に伴い冷媒過熱度が大きくなり、熱交換器の性能が大きく低下してしまうという課題を有していた。
【００１１】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、パラレルフローの熱交換器を蒸発器や凝縮器として利用した場合でも、良好な分流状態を実現し、充分な熱交換量を得ることが可能なパラレルフロー熱交換器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決する為に、本発明のうちで請求項１記載の発明は、所定の距離を置いて略水平に延在する一対のヘッダーと、該一対のヘッダー間に配置された複数の伝熱管と、隣接する伝熱管の間に配置されたフィンとを備えた熱交換器であって、冷媒の流入管は前記一対のヘッダーの一方の端部に配し、冷媒の流出管は前記一対のヘッダーの他方の中央部近傍に配したことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、前記流入管は、前記ヘッダーの一端に前記ヘッダーの長手方向に配したことを特徴とする。
【００１４】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記流入管は、前記ヘッダーの両端部に接続したことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、前記熱交換器を蒸発器として使用する場合、前記流入管は前記流出管より管の径を小さくし、前記ヘッダーパイプに配置することを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項５に記載の発明は、前記熱交換器を凝縮器として使用する場合、前記流入管は、前記流出管より管の径を大きくし、前記ヘッダーパイプに配置することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかるパラレルフロー型熱交換器を示しており、所定の距離を置いて略水平に延在する下部ヘッダー２及び上部ヘッダー５と、これら二つのヘッダー２、５に両端が接続され両者間に略垂直に配置された複数の偏平管（伝熱管）３と、隣接する偏平管３の間に蛇行するように配置されたハニカム状のフィン４と、下部ヘッダー２及び上部ヘッダー５にそれぞれ接続され熱交換器への冷媒の出入口となる接続管１、６とを備えている。また、接続管１は、下部ヘッダー２の長手方向に、接続管６は、上部ヘッダー５に対し、垂直方向に延在している。
【００１９】
図１において、実線矢印は熱交換器を蒸発器として使用した場合と、破線矢印はは凝縮器として利用した場合を示しており、蒸発器として利用した場合には下部ヘッダー２の左側が冷媒入口で、上部ヘッダー５は冷媒出口となり、凝縮器として利用した場合は蒸発器の場合とは逆の流れとなる。
【００２０】
上記構成の熱交換器を蒸発器として使用した場合、蒸発器への冷媒入口は下部ヘッダー２に接続された接続管１となり、冷媒は偏平管３を通過して、偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換を行う。熱交換によりガス化した冷媒は上部ヘッダー５に集結し、蒸発器からの冷媒出口となる接続管６を通って冷凍サイクル中の圧縮機（図示せず）の吸入部へ導かれる。
【００２１】
一方、上記構成の熱交換器を凝縮器として使用した場合は、圧縮機より吐出された単相の過熱冷媒ガスが凝縮器の接続管６より上部ヘッダー５に流入し、各偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換を行う。熱交換により凝縮液化した冷媒は、重力の影響も受けながら各偏平管３を均一に流れた後、下部ヘッダー２に流れ込み、凝縮器の接続管１を介して圧縮機の吸入部に導かれる。
【００２２】
図２は、蒸発器として使用した場合の熱交換器全体を赤外線測定器で温度分布を測定した結果を簡易的に示したものである。
【００２３】
図２において、斜線部は他の部分よりも温度が高く、冷媒がほとんど流れず本来の熱交換器としての役割を果たしていない部分ではあるが、従来例で説明した図８の蒸発器の温度分布と比較すると、温度分布もほとんど均一で熱交換器として有効な面積も増大し、性能も大きく向上している。これは、図１の熱交換器の場合、蒸発器入口となる接続管１から液とガスが混在した２相の冷媒が下部ヘッダー２の左側から水平に流入するために、下側ヘッダー２に対し垂直に配置された各偏平管３に均等に冷媒が流れるようになるからである。
【００２４】
また、図３に示されるように、低部に滞留している液体状の冷媒８が下流側になる右方において厚くなり且つ蒸発器出口となる６の位置が、上部ヘッダー５の中央になるように設置されたことにより、接続管１をから下部ヘッダー２に流入する冷媒の流れの慣性の影響が下流方向に働く為、図６に示すように下部ヘッダー２内部で下流側に向かうほど滑らかに冷媒液相が増加する傾向にあり、従来例で示した下部ヘッダー２内の冷媒の状態よりも冷媒液相が均一化されて、各偏平管３に流入する冷媒量も均一化されたものと考えられる。さらに、図１に示すように冷媒が各偏平管３を通過しながら熱交換によりガス化し、管内での圧力損失が最も高くなって通過する上部ヘッダー５内において、冷媒出口の位置が中央に配置されているので、中央出口より最も遠い上部ヘッダー５の両端に配置してある３ａ、３ｆの偏平管を通過したガス冷媒が出口に向かって通過する距離が最短で等しくなる。よって、熱交換器内の圧力分布も等しくなり、冷媒の偏流が小さくなって、熱交換器を有効に利用でき、性能を向上させることが可能となる。
【００２５】
また蒸発器では冷媒入口の接続管１の直径を蒸発器出口となる接続管６よりも小さくすることで、蒸発器出口での管内の圧力損失を低減し、蒸発器入口に流入する冷媒の流速の増加と共に、液とガスの比率が均等になった冷媒を各偏平管３に流すことができる。
【００２６】
逆に、凝縮器として使用した場合、凝縮器入口の接続管６の直径を凝縮器出口の接続管１よりも大きくすることで、高温高圧の単相ガスの冷媒が、接続管６を通過したときの圧力損失による性能低下を抑止することができる。
【００２７】
なお、上記構成において、接続管１、６は、図１に示される位置に特定されているが、特に位置は限定されるものではなく左右逆に取り付けることもでき、熱交換器の形態により位置を変更することができる。
【００２８】
また、下部ヘッダー２や上部ヘッダー５あるいは、接続管１、６は円筒状の形状に代えて、四角形や楕円形、多角形やその他の形状を用いても良い。
【００２９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかるパラレルフロー型熱交換器を示しており、図中、矢印実線は熱交換器を蒸発器として使用した場合を、破線矢印は凝縮器として利用した場合を示している。
【００３０】
また、蒸発器として使用した場合には、下部ヘッダー２の両側が冷媒入口で、上部ヘッダ５の中央が冷媒出口となり、凝縮器として使用した場合は、蒸発器として使用した場合とは逆の流れとなる。
【００３１】
本実施の形態においては、冷媒が各偏平管３に最も均一に流入するように下部ヘッダー２の長手方向の両側に接続管１及び１ａを配置し、接続管１および１ａの直径を接続管６より小さくした点にある。
【００３２】
本実施の形態によれば、熱交換器を蒸発器として使用した場合、冷媒が接続管１及び１ａより下部ヘッダー２へ流入した後、図４の実線で示すように冷媒は、各偏平管３に均等に流入し、蒸発器出口となる接続管６より、冷凍サイクル中に設けられた圧縮機の吸入部に導かれる。したがって、蒸発器としての冷媒入口が下部ヘッダー２に２箇所あることになる。
【００３３】
図５は、蒸発器として使用した場合の熱交換器全体を赤外線測定器で温度分布を測定した結果を簡易的に示したものである。
【００３４】
図５において、斜線部は他の部分よりも温度が高く、冷媒がほとんど流れず本来の熱交換器としての役割を果たしていない部分ではあるが、上述した図２にである実施の形態１の熱交換器の蒸発器の温度分布と比較すると、温度分布がさらに均一になり、熱交換器として有効な面積も増大し、性能も大きく向上している。これは、図４の熱交換器の場合、下部ヘッダー２の両側より流入する冷媒が、接続管１及び１ａの２箇所である為、流速が低下し、冷媒の流れの慣性の影響が上述の図２の熱交換器よりも小さくなって、下部ヘッダー２内の冷媒液相がさらに均一化されて、各偏平管３を均等に冷媒が流れるようになるからである。従って、熱交換器性能をさらに向上させることが可能となる。
【００３５】
なお、上記構成において、接続管１、１ａ、６および下部ヘッダー２や上部ヘッダー５は円筒状の形状に代えて、四角形や楕円形、多角形やその他の形状を用いても良い。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３７】
本発明にかかる熱交換器を蒸発器として使用した場合、各偏平管に流れる冷媒の分流が均一化されるので、熱交換性能を最大限に引き出すことができる信頼性の高い熱交換器を提供することができる。
【００３８】
また、本発明にかかる熱交換器を蒸発器と凝縮器を併用して、冷凍サイクルに利用した場合でも、複雑な加工や大型化の必要性がなく熱交換性能を向上することができるとともに、収納性やコンパクト化を図りながら加工性、生産性の向上した信頼性の高い熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパラレルフロー型熱交換器の概略正面図
【図２】図１の熱交換器における温度分布を示す概略正面図
【図３】図１の熱交換器の下部ヘッダー内部の冷媒状態図
【図４】本発明の実施の形態２かかるパラレルフロー型熱交換器の概略正面図
【図５】図４の熱交換器における温度分布を示す概略正面図
【図６】従来の熱交換器の概略正面図
【図７】図６の下部ヘッダー内部の冷媒状態図
【図８】図６の熱交換器における温度分布を示す概略正面図
【符号の説明】
１、１ａ    接続管
２  下部ヘッダー
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ  偏平管
４  フィン
５  上部ヘッダー
６  接続管
７  気体状の冷媒
８  液体状の冷媒
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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