(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換媒体が流入あるいは流出する管路との接続口を備えた第１のヘッダと、熱交換媒体が流出あるいは流入する管路との接続口を備えた第２のヘッダと、前記第１のヘッダと第２のヘッダを連通する複数の伝熱管と、を有してなり、前記前記流入側のヘッダと流出側のヘッダが間隔をおいて互いに平行に、かつその面を上下方向にして配置された複数の金属製のプレートで連結され、前記複数の伝熱管はその内径が０．１〜２ｍｍであって、前記金属製のプレートの表面にその軸線を平行させて接合されている熱交換器において、前記プレートには、複数の開口が間隔をおいて形成され、該開口の水平方向の幅は、伝熱管の外径よりも大きく、各開口の位置には少なくとも１本の伝熱管があることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換器において、伝熱管は、前記金属製のプレートの両面に接合されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱交換器において、前記第１のヘッダ、伝熱管及び第２のヘッダで構成される熱交換媒体の流路は、該熱交換媒体が、伝熱管外部を通過する流体で冷却されるとき、該流体が、伝熱管内部を流れる熱交換媒体に対して対向流の関係をなして流れる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４】
請求項３記載の熱交換器において、前記第１、第２のヘッダは、一方のヘッダに流入した熱交換媒体が、他方のヘッダとの間で伝熱管を経て折り返して流れ、最後に他方のヘッダから流出するように、ヘッダ内部に、接続された伝熱管をグループ分けする仕切板を設けたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に係わり、特に炭酸ガス用冷凍サイクルに好適な空気−冷媒用熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化炭素は可燃性、毒性が無いことに加え、地球温暖化係数も小さく、フロンの有力な代替冷媒とされている。二酸化炭素を使用した蒸気圧縮式冷凍装置は、空調冷凍用として使用する場合、従来のフロン冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍装置に比べて、冷媒圧力が高く、高圧側の圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上の圧力（超臨界圧力）となる。具体的には、この臨界圧力は約７MPaであり、外気の温度にもよるが通常１０〜１７ＭＰａで運転される。つまり、従来のフロンを冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、圧縮機から吐出したガス状のフロン冷媒は、熱交換器（凝縮器）で凝縮液化するが、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、圧縮機から吐出された冷媒ガスの圧力が超臨界圧力のため、冷媒ガスは凝縮器に相当する熱交換器内で凝縮せず、相変化を伴わずに放熱により徐々に温度が低下する。このように、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、これまでの凝縮器と言われていた部分においては、凝縮が起こらない。そこで、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、凝縮器に相当する熱交換器は放熱器（ガスクーラ）と呼ばれる。
【０００３】
このガスクーラの形状としては、様々なタイプが提案されている。二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置では、冷媒の圧力がフロンを冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置と比べて高いため、従来の熱交換器のままの構造では強度不足で使用できない。また、性能面でも熱交換器で相変化を伴わない温度勾配のある熱交換を行うため、従来のフロン冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍装置によく使われるフィンチューブ型熱交換器では、十分な熱交換能力が得られない。そのためフィンチューブ型熱交換器を用いると熱交換器が大型化するとともに、消費エネルギーが増大する。
【０００４】
炭酸ガス用の熱交換器は、１０〜１７ＭＰａの圧力に耐える高耐圧構造でなければならず、また、熱交換効率も従来品と同程度のものであるのが望ましい。このような要求を考慮すると、高耐圧とするには特開２０００−２８２２６号公報に示されるように、サーペンタイン型が有望視されている。サーペンタイン型の熱交換器の最も一般的な構成としては、冷媒が流入する冷媒通路が形成された流入側ヘッダパイプと、冷媒が流出する冷媒通路が形成された流出側ヘッダパイプと、複数段に折り返して前記流入側ヘッダパイプと流出側ヘッダパイプとの間を連通する少なくとも一つのサーペンタイン状のチューブと、前記折り返されたサーペンタイン状のチューブの対向する外周面間に介在する放熱フィンとを有して構成され、前記ヘッダパイプの周面に前記チューブを挿入するチューブ挿入孔が形成され、このチューブ挿入孔にチューブが挿入接合されるようになっている。
【０００５】
別の形としては、特開２００１−２２１５８０号公報に示されるように、マルチフロー型（または、パラレル型）と呼ばれるものがある。熱交換器は、直管状のチューブ、ヘッダ、及び空気と熱交換するための放熱フィンとで構成される。両脇にあるヘッダとチューブは垂直に接合され、内部は穴が連通している。チューブは、平行に置かれ、冷媒はこの中を通る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記サーペンタイン型ないしマルチフロー型の熱交換器では、冷媒と空気の流れは直交するため、熱交換器内の冷媒温度のばらつきが大きく、また冷媒から前記放熱フィンまでの放熱経路が長いためフィン効率が低下し、熱交換効率が低下する。例えば、特開２０００−２８２２６号公報によれば、サーペンタイン型の熱交換器をそのままガスクーラとして使用すると、熱変換効率はフロン系冷媒の場合に比べ２０％〜３０％程度低下する。すなわち、従来例では耐圧強度と高い熱交換効率を同時に満足させることは出来ない。
【０００７】
本発明の目的は、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置に使用するガスクーラとして、十分な耐圧強度を有し、従来フロンを冷媒とする冷凍装置で用いられた凝縮器と同等の能力で、かつ大きさの小さくて済む熱交換器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者は、同じ耐圧強度の管ならば、内径が小さい方が肉厚が薄くてよいこと、及び径が小さいほうが伝熱管として用いる場合の伝熱効率がよいことに着目し、本発明に想到した。
【０００９】
すなわち、上記目的を達成する本発明は、熱交換媒体が流入あるいは流出する管路との接続口を備えた第１のヘッダと、熱交換媒体が流出あるいは流入する管路との接続口を備えた第２のヘッダと、前記第１のヘッダと第２のヘッダを連通する複数の伝熱管と、を有してなり、前記前記流入側のヘッダと流出側のヘッダが間隔をおいて互いに平行に、かつその面を上下方向にして配置された複数の金属製のプレートで連結され、前記複数の伝熱管はその内径が０．１〜２ｍｍであって、前記金属製のプレートの表面にその軸線を平行させて接合されている熱交換器である。
【００１０】
上記構成により、伝熱管の内径を０．１〜２ｍｍとしたので、伝熱管の耐圧強度を、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置に使用するガスクーラに必要な値にするとともに伝熱効率を大きくすることができ、加えて伝熱管を金属製のプレートに接合することで伝熱面を大きくしたから、熱交換能力が補強され、従来フロンを冷媒とする冷凍装置で用いられた凝縮器と同等の能力で、かつ大きさの小さい熱交換器とすることができる。
【００１１】
伝熱管を内径０．１〜２ｍｍという小径（細径）にすることで、伝熱管の本数を多くする必要があり、且つ小径の撓みやすい伝熱管をヘッダに接続する細かな作業が必要になるが、伝熱管を金属製のプレートに接合する構成とすることで、予め伝熱管をプレートに接合して伝熱管とプレートを一体化しておき、伝熱管と一体化されたプレートをヘッダに結合することで、多数の伝熱管を１本づつヘッダに結合する煩雑な作業を回避することができる。また、予め伝熱管とプレートを一体化することでプレートの剛性を大きくし、取扱いを容易にするとともに、金属製のプレートでヘッダとヘッダを連結することで熱交換器としての剛性を強化する効果も得られる。
【００１２】
伝熱管は、前記金属製のプレートの両面に接合されていることが望ましい。金属製のプレートの両面に伝熱管を接合することで、伝熱管の数を多くすることができる。伝熱管は、隣接するプレートの対向面の互いに対向する位置に配置してもよいし、千鳥状にずれた位置に配置してもよい。
【００１３】
前記プレートには、複数の開口を間隔をおいて形成し、該開口の水平方向の幅は、伝熱管の外径よりも大きく、各開口の位置には少なくとも１本の伝熱管があるようにすることが望ましい。プレートにこのような開口を設けることで、プレート間を通過する空気などの流体がプレート間で蛇行し、伝熱管の間の空気の動きの少ない部分を減らすことができ、熱交換の効率を向上する効果がある。
【００１４】
さらに、前記第１のヘッダ、伝熱管及び第２のヘッダで構成される熱交換媒体の流路は、該熱交換媒体が、伝熱管外部を通過する流体で冷却されるとき、該流体が、伝熱管内部を流れる熱交換媒体に対して対向流の関係をなして流れるように構成するのが望ましい。伝熱管内部を流れる熱交換媒体を伝熱管外部を通過する流体で冷却するとき、伝熱管内部を流れる熱交換媒体が下流側になるにつれて温度低下するが、対向流とすることにより、伝熱管内部を流れる熱交換媒体と伝熱管外部を通過する流体の温度差を、熱交換器の熱交換媒体の流路の始めから終わりまで維持し、熱交換効率を高める効果が得られる。
【００１５】
対向流とする手段として、前記第１、第２のヘッダは、一方のヘッダに流入した熱交換媒体が、他方のヘッダとの間で伝熱管を経て折り返して流れ、最後に他方のヘッダから流出するように、ヘッダ内部に、接続された伝熱管をグループ分けする仕切板を設けることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１〜図１２により説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１の実施の形態の熱交換器の斜視図であり、図２はそれを簡略化して表示したものである。以下、本実施の形態の熱交換器を二酸化炭素を熱交換媒体（以下、冷媒という）とする蒸気圧縮式冷凍装置のガスクーラとして使用した場合について説明する。
【００１８】
本実施の形態の熱交換器は、図３に示すように複数の細径伝熱管２を両面に軸線を上下方向にして接合した複数の金属のプレート1と、所定の間隔で鉛直にかつ互いに平行に配置された前記複数のプレート1の上端と下端にそれぞれ結合された四角の箱状の第１のヘッダ（以下、ヘッダ４という），第２のヘッダ（以下、ヘッダ４’という）を含んで構成される。また、ヘッダ４には冷媒が流入あるいは流出する管路との接続口である入口ポート５が、ヘッダ４’には冷媒が流出あるいは流入する管路との接続口である出口ポート６が、それぞれ設けられている。
【００１９】
プレート1には、開口３が所定の間隔で複数の段（本実施の形態では３段）をなして形成されている。プレート1それぞれの各段における開口３の位置は、上段の開口の位置に対し、千鳥状に横方向（細径伝熱管２の軸線に直交する方向）にずれた位置になっており、また、隣接するプレート相互間での開口の相対位置は、互いに対向する位置であってもよいし、千鳥状に横方向にずれた位置になっていてもよい。本実施の形態では、開口３の水平方向幅は細径伝熱管２の外径の約７倍としたが、少なくとも外径以上、好ましくは細径伝熱管２の配列ピッチ以上とする。そして、各開口は少なくとも１本の細径伝熱管２が通るように配置する。また、細径伝熱管２の間隔は外径の１．５〜２倍とするのが望ましい。
【００２０】
細径伝熱管２の内径は、０．１〜２ｍｍであり、材質は銅を用いた。肉厚は伝熱性能の上では薄い方がよいが、使用する圧力、材質に応じて選定すればよい。細径伝熱管２自体の耐圧性は極めて高いため、熱交換器全体の耐圧性も良好である。細径伝熱管２は、プレート１にろう付け等により、プレート１の表面にその軸線を平行させて接合され、プレート１に固着されるだけでなく、熱的にもプレート１に接続されている。
【００２１】
なお、本実施の形態では、プレート１には銅板を用いたが、細径伝熱管２との接合に困難がなければ、他の金属、例えばステンレス、アルミニウム等でもよい。
【００２２】
図２に示すように、ヘッダ４は、４方の側壁を構成する、互いに直交して気密に結合された側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの下端に気密に結合された底面４ｅと、側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの上端に気密に結合された上面４ｆ（図示せず）で形成された四角の箱状をなし、ヘッダ４’は、４方の側壁を構成する、互いに直交して気密に結合された側壁４’ａ，４’ｂ，４’ｃ，４’ｄと、側壁４’ａ，４’ｂ，４’ｃ，４’ｄの下端に気密に結合された底面４’ｅと、側壁４’ａ，４’ｂ，４’ｃ，４’ｄの上端に気密に結合された上面４’ｆで形成された四角の箱状をなしている。冷媒の入口ポート５は、側壁４ａの側壁４ｃ側端部に設けられてヘッダ４内部に連通し、出口ポート６は、側壁４’ａの側壁４’ｄ側端部に設けられてヘッダ４’内部に連通している。
【００２３】
前記複数のプレート１の下端は、図４に示すように、ヘッダ４’の上面４’ｆに、側壁４’ｂに平行する方向に延びるとともに、互いに所定の間隔をおいて形成された複数の長穴９に挿入されて気密に結合されている。同様にプレート１の上端は、ヘッダ４の底面４ｅに、側壁４ｂに平行する方向に延びるとともに、互いに所定の間隔をおいて形成された複数の長穴９に挿入されてろう付け等により、気密に結合されている。このように構成することで、非常に多数の細径伝熱管２をヘッダ４，４’に結合することが容易になる。なお、プレート１には細径伝熱管２が接合されているので、細径伝熱管２の大きさを考慮して長穴９の幅を決めてある。
【００２４】
ヘッダ４の内部には、側壁４ｃと平行に、側壁４ａの長さを略１：３（側壁４ｃに近い側、すなわち入口ポート５が接続される側を１）に分ける位置に仕切板７が設けられている。仕切板７は、側壁４ａ，４ｂ，底面４ｅ，上面４ｆに気密に結合されている。同様に、ヘッダ４’の内部には、側壁４’ｄと平行に、側壁４’ａの長さを略１：３（側壁４’ｄに近い側、すなわち出口ポート６が接続される側を１）に分ける位置に仕切板７が設けられている。仕切板７は、側壁４’ａ，４’ｂ，底面４’ｅ，上面４’ｆに気密に結合されている。
【００２５】
ヘッダ４の、仕切板７と側壁４ｃに囲まれた区画を流入区画、仕切板７と側壁４ｄに囲まれた区画を折返し区画と呼び、ヘッダ４’の、仕切板７と側壁４’ｄに囲まれた区画を流出区画、仕切板７と側壁４’ｃに囲まれた区画を折返し区画と呼ぶ。
【００２６】
ヘッダ４、４’の内部に仕切板７を設置したので、入口ポート５からヘッダ４に流入する冷媒ガスは、まず、流入区画に流入し、次いでこの流入区画の底面に結合された細径伝熱管２を経て下降し、ヘッダ４’の折返し区画に導かれる。ヘッダ４’の折返し区画に下降した冷媒ガスは、ヘッダ４’の折返し区画とヘッダ４の折返し区画を連通する細径伝熱管２を上昇し、ヘッダ４の折返し区画に流入する。ヘッダ４の折返し区画に流入した冷媒ガスは、ヘッダ４の折返し区画とヘッダ４’の流出区画を連通する細径伝熱管２を経て下降し、ヘッダ４’の流出区画に流入する。ヘッダ４’の流出区画に流入した冷媒ガスは出口ポート６を経て熱交換器外へ流出する。冷媒ガスは、細径伝熱管２を下降、上昇、さらに下降する間に外気と熱交換して冷却される。プレート１は、細径伝熱管２と熱的に接続されているから、放熱用のフィンとして機能し、伝熱面積に寄与する。
【００２７】
本実施の形態では、密封された流路内、即ち多数の細径伝熱管２の内部とその上下にあるヘッダ４，４’を二酸化炭素のような高圧冷媒が流れ、開放された空間であるプレート１の周りを空気のように単相（この場合、液相、固相を含まない気相のみ）の流体が流れる。本実施の形態の熱交換器を凝縮器（ガスクーラ）として使用する場合、冷媒ガスを上側のヘッダ４から流入させ、下側のヘッダ４'から流出させると、冷媒ガス圧力がほぼ一定の場合には、冷媒の温度低下に伴って密度が増加するためスムーズな流れになる。
【００２８】
本実施の形態では、図５の模式図に示されるように、密封流路（細径伝熱管２）を流れる冷媒と、開放流路を流れる空気は、全体として対向流となるよう流路構成されている。つまり、空気は個々の細径伝熱管２に対しては直交して流れるが、全体としてみれば、下流側の細径伝熱管２から上流側の細径伝熱管２に向かう流れとなる。このため、冷媒である二酸化炭素が流れ方向に対して温度低下する特徴を有効に生かすことができ、非常に高い熱交換器効率を得ることができる。
【００２９】
図６、図７は、プレート１及び細径伝熱管２を、細径伝熱管２の軸線に直交する平面で切ってみた断面図で、プレート１間の空気の流れを示したものである。図６は、プレート１に設けられた開口３の位置が隣接するプレート間で千鳥状に横方向（空気流方向）にずれている場合であり、図７はプレート１に設けられた開口３の位置が隣接するプレート間でずれていない場合である。
【００３０】
図６の場合には、空気は開口３の部分で開口３側に偏る蛇行を繰り返しながら流れる。図７の場合には、空気は開口３の部分での流路の拡大、開口３の前後の部分での流路の縮小により、蛇行を繰り返しながら流れる。いずれの場合にも、前述の蛇行流れにより、細径伝熱管２周りの流れの混合は非常に良好となる。
【００３１】
なお、図６、図７では、プレート１の間隙を挟んで互いに対向する二つの面に接合された細径伝熱管２は、等間隔、かつ対向する位置に配置されているが、必ずしも図のような配置にしなくてもよい。例えば、等間隔ではあるが対向する位置ではなく、たがいにずれた位置に配置されていてもよいし、プレート１の一方の面に接合された細径伝熱管２の配置間隔とと他方の面に配置された細径伝熱管２の配置間隔が異なっていてもよい。細径伝熱管２が間隙を挟んで対向する位置ではなく、千鳥状にずれた配置になっていると、プレート１間を流れる空気流を蛇行させる効果がある。
【００３２】
一方、細径伝熱管２自体に付いては、管径が小さいため、非常に高い表面熱伝達率を有している。図８に示すように、伝熱管の径が小さくなるほど伝熱効率が向上する。例えば伝熱管のまわりの流れがほぼ層流と見なせる場合は、径１０ｍｍの伝熱管の伝熱効率を１０とすると、径１ｍｍの伝熱管の伝熱効率は１００前後となると考えてよい。このことから、採用する伝熱管の内径は、２ｍｍ以下とするのが望ましい。また、内径が小さくなりすぎると冷媒ガスに含まれる油分が詰まる恐れがあるので、内径０．１ｍｍ未満のものは好ましくない。
【００３３】
これに加えて細径伝熱管２が、プレート１に接している部分では、プレート１自体が放熱フィン（開口付）として働くため、大きな拡大伝熱面効果がある。これにより、管外側の熱抵抗は極めて小さくなる。
【００３４】
以上の表面熱伝達促進効果と、前述の混合促進効果とがあいまって、極めて高い管外側の熱伝達性能が得られる。また、炭酸ガス冷媒を用いた際には、管内側熱伝達率が非常に高くなることが知られている。これらの効果により、熱交換器全体としての総括熱伝達率が大きくなる。
【００３５】
これらの総合効果により、熱交換効率が大きく採れるので、本実施の形態の熱交換器によれば、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルに適用して、従来の家庭用ルームエアコン等の室外機に用いられる熱交換器と同等の能力で、熱交換器の容積を小さくすることも可能になる。
【００３６】
また、細径伝熱管２をプレート１の両面にろう付け等により接合することでプレート１の剛性を大きくすることができ、細径伝熱管２が接合されたプレート１をヘッダ４，４’に接合することで、接合時のプレート１の取扱いが容易になるとともに、多数の細径伝熱管を１本づつヘッダ４，４’に接合する必要がなくなり、細径伝熱管の取扱いも容易になる。剛性を大きくしたプレート１は、ヘッダ４，４’に結合され、熱交換器としての剛性の保持の役割も果たしている。
【００３７】
なお、上記実施の形態では、プレート１の両面に細径伝熱管２が接合されているが、プレート１の片面のみに細径伝熱管２を接合し、片面のみに細径伝熱管２を接合したプレート１を、細径伝熱管２を接合した面が隣接するプレート１の細径伝熱管２を接合していない面に対向するように配置してもよい。この場合、プレート１枚当りの伝熱管本数は少なくなるが、プレート１相互の間隔を小さくすることで伝熱管本数の減少を補うことができる。
【００３８】
図９に本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器のヘッダ部の斜視図を示す。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なるのは、ヘッダ４の流入区画と折返し区画が、プレート１と平行に、側壁４ｃと側壁４ｄの間を連結して配置された２枚の仕切板７’で、側壁４ｃの長さの方向で３等分されていることと、３つに区画された流入区画のそれぞれに入口ポート５が設けられ、これら３つの入口ポート５が、その上流側に結合された分岐ヘッダ８に接続されている点である。他の構成は前記第１の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。
【００３９】
本実施の形態によれば、細径伝熱管２に流入する冷媒量が平均化され、熱交換器の全伝熱面が平均して熱交換を行うので、前記第１の実施の形態による効果に加え、さらに熱交換能力が向上する効果がある。
【００４０】
なお、図示はしていないが、本実施の形態では、ヘッダ４’にも同様の仕切板７’が設けられており、３等分された流出区画のそれぞれを出口ポート６を介して分岐ヘッダ８’に接続するようにしてある。
【００４１】
本実施の形態では、ヘッダ４，４’が小部屋に仕切られているため、圧力に対する構造強度が高い。
【００４２】
図１０に本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の斜視図を示す。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なるのは、ヘッダ４，４’は、円管により形成された分岐ヘッダ８，８’と、分岐ヘッダ８，８’に直交するように接続された複数の円管ヘッダ１０，１０’でそれぞれ構成されており、冷媒の入口ポート５は分岐ヘッダ８の上流端に、出口ポート６は分岐ヘッダ８’の下流端に設けられている点と、仕切板７は、複数の円管ヘッダ１０，１０’それぞれに、その内部を仕切るように設けられ、細径伝熱管２を表面に接合したプレート１は、１枚づつ、円管ヘッダ１０，１０’に接合されている点である。仕切板７は、円管ヘッダ１０を分岐ヘッダ８に近い部分の長さを１とする１：３の比率で区切る位置に、円管ヘッダ１０’を分岐ヘッダ８’に近い部分の長さを１とする１：３の比率で区切る位置に、それぞれ設けられている。
【００４３】
本実施の形態でも、分岐ヘッダ８に流入した冷媒ガスをさらに複数の円管ヘッダに分けて流入させたのち、細径伝熱管２に流入させるようにしたので、前記第２の実施の形態と同様に、良好な冷媒分配を得ることができる。また、ヘッダが、円管で形成されているので、高い耐圧強度を簡易な構造で得ることができる。
【００４４】
次いで、本発明の熱交換器を蒸発器として使用した場合に付いて説明する。蒸発器では、冷媒は下側のヘッダ４'から流入、上側のヘッダ４から流出させる。このようにすると、下から入った二相冷媒の蒸発が進むとともに密度が減少するためスムーズな流れになる。この場合には、冷媒と空気の流れ方向は図１１に示すように全体として並向流となるが、蒸発器では圧力が超臨界圧以下であるため冷媒は気液二相状態になる。このため、熱交換があっても、流れ方向に対し冷媒温度がほぼ一定に保たれるため、理論上対向流の場合とほぼ同等の熱交換効率を得ることができる。また、相変化の途中の液冷媒は上流側の細径伝熱管２群を流れた後、ヘッダ４，４’で集合・再分岐を繰り返すため、気液冷媒の局所的な偏りが適宜是正され、細径伝熱管２群全体としての冷媒分配状態は非常に良好になる。これにより、実質的な熱交換効率を向上させることが出来る。
【００４５】
細径伝熱管２内の蒸発熱伝達率は極めて高く、管外側熱伝達率もガスクーラの場合と同じであるので、熱交換器全体としての総括熱伝達率が非常に大きくとれる。
【００４６】
以上のように、蒸発器の場合にも、熱交換効率が大きく採れるので、熱交換器の容積を小さくすることも可能になる。
【００４７】
本発明の熱交換器は、炭酸ガスを用いた冷凍サイクルに特に好適である。図１２は、炭酸ガス冷凍サイクルを示す。図示の冷凍サイクルは、冷媒流路を備え室外空気と前記冷媒流路内の冷媒との熱交換を行う室外熱交換器１００と、室外熱交換器１００の冷媒流路の一端に膨張弁５００を介して冷媒流路の一端を接続された室内熱交換器２００と、室内熱交換器２００の冷媒流路の他端に四方弁４００を介して吸入口を接続して配置された圧縮機３００と、を含んで構成され、圧縮機３００の吐出口は、前記四方弁４００を介して前記室外熱交換器１００の冷媒流路の他端に接続されている。室外熱交換器１００と室内熱交換器２００は、前記第１〜３の実施の形態に係る熱交換器のうちのいずれかが用いられている。
【００４８】
また、室内熱交換器２００の前記冷媒流路の他端は前記四方弁４００の第４ポートに接続され、圧縮機３００の吸入口は、前記四方弁４００の第１ポートに接続されている。そして、圧縮機３００の吐出口は、前記四方弁４００の第３ポートに接続され、前記四方弁４００の第２ポートは、前記室外熱交換器１００の冷媒流路の他端に接続されている。また、四方弁４００は、第１ポートと第４ポート、第２ポートと第３ポートをそれぞれ連通する位置か、第１ポートと第２ポート、第４ポートと第３ポートをそれぞれ連通する位置に操作されるよう構成されている。
【００４９】
すなわち、本炭酸ガス冷凍サイクルは、四方弁４００により冷房運転と暖房運転を切り替える。冷房時には、第１ポートと第４ポート、第２ポートと第３ポートをそれぞれ連通する位置に操作されて室外熱交換器１００がガスクーラ、室内熱交換器２００が蒸発器となり、暖房時には、第１ポートと第２ポート、第４ポートと第３ポートをそれぞれ連通する位置に操作されて室内熱交換器２００がガスクーラ、室外熱交換器１００が蒸発器となる。
【００５０】
本発明に係る熱交換器は、伝熱性能がよく、コンパクトなため、使用する冷媒量を少なくすることができるとともに冷凍サイクルの小型化にも有効であり、設置性がよく場所を取らない冷凍空調システムを提供することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置に使用するガスクーラとして、十分な耐圧強度を有し、従来のフロンを冷媒とする冷凍装置で用いられた凝縮器に劣らない伝熱性能の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】本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図２】図１に示す熱交換器のヘッダ部の構成とプレートの開口を示す斜視図である。
【図３】図１に示す熱交換器のプレートと細径伝熱管の相対位置関係を示す詳細図である。
【図４】図１に示す熱交換器のヘッダ部と伝熱管の結合部を示す斜視図である。
【図５】図１に示す熱交換器における冷媒流れ方向を示す縦断面図である。
【図６】図１に示す熱交換器の横断面拡大図である。
【図７】図１に示す熱交換器の他の例の横断面拡大図である。
【図８】伝熱管の内径と伝熱効率の関係を概念的に示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器のヘッダ部を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図１１】図１に示す熱交換器を蒸発器として用いた場合の冷媒流れ方向を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の熱交換器を用いた冷凍サイクルの例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  プレート
２  細径伝熱管
３  開口
４、４’  ヘッダ
５  入口ポート
６  出口ポート
７、７’  仕切板
８、８’  分岐ヘッダ
９  長穴
【図１】
0003911604.tif 000002
【図２】
0003911604.tif 000003
【図３】
0003911604.tif 000004
【図４】
0003911604.tif 000005
【図５】
0003911604.tif 000006
【図６】
0003911604.tif 000007
【図７】
0003911604.tif 000008
【図８】
0003911604.tif 000009
【図９】
0003911604.tif 000010
【図１０】
0003911604.tif 000011
【図１１】
0003911604.tif 000012
【図１２】
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