JP5775971B2

JP5775971B2 - 空気熱交換器

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Publication number: JP5775971B2
Application number: JP2014534102A
Authority: JP
Inventors: 航佐藤; 佐々木　重幸; 重幸佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: JPWO2014038038A1; WO2014038038A1

Description

本発明は冷媒が流れる扁平管と空気と熱交換する伝熱フィンからなる空気熱交換器に係り、特に扁平管の内部にインナーフィンを備えた空気熱交換器に関するものである。

空気熱交換器は種々の産業機器に使用されており、代表的には空調機器の熱交換器や温水器用ヒートポンプの熱交換器として広く使用されている。ただし、以下に説明する本発明はこれらの空気熱交換器に限られるものではない。

このような空気熱交換器は、冷媒が流れる２つの管状のヘッダと、２つのヘッダを結ぶように配置される複数の扁平管と、これらの複数の扁平管の夫々の間に設けられた複数の伝熱フィンとから構成されている。扁平管の夫々はヘッダに直交して流体的に接続され、扁平管を介して一方のヘッダから他方のヘッダに冷媒を流すように構成されている。また、伝熱フィンは扁平管に直交するように熱的に接続されており、扁平管からの熱(温度が高い)、或いは冷熱(温度が低い)を伝熱フィンによって空気と熱交換するように構成されている。

一つの扁平管の内部にはヘッダに連通している複数の細い冷媒流路が設けられており、この細かい冷媒流路は波状の形状を持つインナーフィンによって形成されている。冷媒は、この冷媒流路を通って一方のヘッダから扁平管へ流れ、更に他方のヘッダに流れるようになっている。ヘッダ、扁平管、伝熱フィン、及びインナーフィンは、熱伝導率の高い金属材料、例えばアルミニウムで形成される。これらの部材は、蝋材や接着剤によって互いに接合されている。そして、このような構造の空気熱交換器の伝熱フィンや扁平管に送風ファンから空気を送風して熱交換を行なうものである。

空気熱交換器では冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒は一方のヘッダに導入された後に扁平管へ分配される。扁平管内に導入された冷媒の熱または冷熱は、扁平管から伝熱面積を拡大する伝熱フィンへ伝わり、伝熱フィン間を流れる空気と熱交換を行うようになっている。

扁平管の内部は、上述したように冷媒と扁平管の接触面積を増大させるため複数の冷媒流路を形成している。この冷媒流路は冷媒の進行方向に沿った波型形状（以下、コルゲート形状という）のインナーフィンを扁平管に内装することで形成されている。

今まで提案されていた従来の扁平管に形成した複数の冷媒流路は、インナーフィンによって一方のヘッダから他方のヘッダまで独立した流路に形成されており、一方のヘッダから扁平管内の冷媒流路に入った冷媒は、扁平管の出口まで他の冷媒流路の冷媒と混合することなく流れていた。そのため、冷媒流路の入口で各冷媒通路への冷媒の分配比率が不均一となった場合、冷媒流路の出口まで分配比率の不均一さは改善されないまま流れていくことになる。したがって、冷媒流路毎に冷媒の分配比率が不均一となった場合、例えば冷媒が過剰に流れる冷媒流路と冷媒の流れが不足する冷媒流路が扁平管内で生じるため、熱交換効率が低下する恐れがある
最近では熱交換器の大型化の要請が強くなってきており、この要請に応えるためには扁平管を冷媒の流れ方向に長くする必要がある。このため、扁平管を長くすると扁平管の冷媒流路の分配比率が不均一となった影響が更に大きくなり、熱交換器の交換熱量を増大させることができないという課題があった。

また、空調機器の室外機が冷房運転している時を考えると、扁平管に流れる冷媒は温度が高くなっている。このため扁平管の熱交換を考えると、扁平管の表面において風上側は空気の温度が低いため風下側に比べて熱伝達効率が高い傾向にある。このため、扁平管内の冷媒流路においても、風上側と風下側での熱交換効率が不均一になる現象がある。

そして、伝熱面積を拡大するために、扁平管を送風方向に長くした場合では風下側は熱交換効率が低くなる。例えば、冷媒が不足した冷媒流路が扁平管の風上側に存在し、風下側の冷媒流路に過剰な冷媒が流れている場合、効果的な熱交換が行えず熱交換器全体としての交換熱量を増大できないという課題があった。

このような課題を解決するために、扁平管への冷媒の分配比率を均一にするような構造が検討されてきた。例えば、特開２００４−６１０６５号公報（特許文献１）では、扁平管内に冷媒流路を形成するために配置されたコルゲート形状のインナーフィンに複数の冷媒流路が途中で合流するような連通領域を形成することで、扁平管内の冷媒の分配比率の偏りを防ぐ構造が開示されている。

特開２００４−６１０６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている扁平管は連通領域の上下流のインナーフィンのコルゲート形状の幅（ピッチ）が均一で、しかも連通領域を挟んで対向する上流側の冷媒流路の出口と下流側の冷媒通路の入口が同一形状で相互に向かい合って対称に開口し、更にこれらの出口と入口を結ぶ仮想線が直線状になるように構成されている。

このため、冷媒の流速が大きい場合では冷媒は慣性力によって連通領域を直進してそのまま進行するようになり、相互に対向した冷媒流路に沿って流れる割合が高くなる。このため、連通領域で冷媒の分配比率の偏りがさほど改善されないという課題があった。

尚、分配比率を改善するために連通領域の長さを長くすることが考えられるが、連通領域の長さを長くするとこの領域内ではインナーフィンが存在しないため、扁平管の管壁と冷媒の間の熱伝達が悪くなって熱交換効率が低下するという不具合を生じるようになるのでこの方法は得策ではない。

更に、扁平管は風上側で熱交換効率が高いので、風上側の冷媒流路に気相と液相の混じった冷媒が流れる場合は特に熱交換効率が問題となる。特許文献１にあるような、連通領域の上下流のインナーフィンのコルゲート形状の幅（ピッチ）が均一で、しかも連通領域を挟んで対向する上流側の冷媒流路の出口と下流側の冷媒通路の入口が同一形状で相互に向かい合って対称に開口した構成においては、風上側の冷媒流路に気相と液相の混じった冷媒が流れると、この状態のままの冷媒が扁平管の出口まで流れていく恐れがあり、結果として気相を多く含む冷媒が風上側を流れて熱交換効率を向上できないという課題があった。

本発明の目的は、扁平管内に連通領域を介して形成された複数の冷媒流路間の分配比率の偏りを改善することで熱交換効率を向上した空気熱交換器を提供することにある。

更に本発明の他の目的は、扁平管内に連通領域を介して形成された複数の冷媒流路の内、連通領域の下流でしかも風上側の冷媒流路の熱交換効率を向上した空気熱交換器を提供することにある

本発明の特徴は、扁平管内に冷媒の流れに沿って複数の上流側冷媒流路、連通領域、及び複数の下流側冷媒流路を形成し、少なくとも一つの上流側冷媒通路の出口と下流側冷媒通路の入口をずらして配置したところにある。

本発明の他の特徴は、扁平管内に冷媒の流れに沿って複数の上流側冷媒流路、連通領域、及び複数の下流側冷媒流路を形成し、扁平管の風上側の少なくとも一つの下流側冷媒通路の入口の幅を上流側冷媒流路の出口の幅より狭くしたところにある。

本発明によれば、連通領域において上流側冷媒通路の出口と下流側冷媒通路の入口をずらして配置したので、冷媒流路を通過してきた流速の早い冷媒であっても下流側冷媒流路の入口の壁端面における衝突作用によって冷媒の流れが乱されることで分配比率が改善できるようになるものである。

また、本発明によれば、連通領域において下流側冷媒通路の入口の幅が上流側冷媒通路の出口の幅より狭いため、流れてきた冷媒に含まれる気相は幅が狭い下流側冷媒通路の入口に入りづらく、結果的に幅が狭い下流側冷媒通路の入口には液相が多い冷媒が流入するようになって風上側の冷媒流路の熱交換効率を向上することができるものである。

本発明が適用される空気熱交換器の全体構成を示す外観斜視図である。本発明の第１の実施形態（実施例１）になる空気熱交換器の扁平管の断面を示す断面図である。図２のｚ方向の扁平管の断面を示す断面図である。図３に示す連通領域での冷媒の挙動を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態（実施例２）になる空気熱交換器の扁平管の断面を示す断面図である。図５のｚ方向の扁平管の断面を示す断面図である。図６に示す連通領域での冷媒の挙動を説明する説明図である。本発明の第３の実施形態（実施例３）になる空気熱交換器の扁平管の断面を示す断面図である。図８のｚ方向の扁平管の断面を示す断面図である。本発明の第４の実施形態（実施例４）になる空気熱交換器の扁平管の断面を示す断面図である。図１０のｚ方向の扁平管の断面を示す断面図である。本発明の第５の実施形態（実施例５）になる空気熱交換器の扁平管の断面を示す断面図である。図１２のｚ方向の扁平管の断面を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

まず、本発明を説明する前に図１を参照しながら本発明が適用される空気熱交換器の基本的な構成について説明する。

図１にあるように空気熱交換器１は図面上において上下にヘッダ３を備え、両ヘッダ３の間を扁平状の扁平管２によって接続されている。扁平管２は両ヘッダ３との間に直交するように複数本、ここでは８本設けられており、ヘッダ３と扁平管２とは内部で冷媒が流通するように夫々冷媒が流れる通路によって連通されている。各扁平管２はこれらに直交するように複数枚、ここでは１５枚の伝熱フィン５が取り付けられており、ヘッダ３と伝熱フィン５とはほぼ平行な状態で配置されている。したがって、扁平管２からの熱、或いは冷熱は伝熱フィン５に伝わり、伝熱フィン５から空気に対して熱交換される。

このような空気熱交換器１において、本実施例では下側のヘッダ３から冷媒が扁平管２に供給され、冷媒は扁平管２を上昇しながら上側のヘッダ３に排出される。このような状態において、空気熱交換器１の手前、或いは後方に配置した送風ファンから熱交換器１に空気が送られると、空気は伝熱フィン５や扁平管２との間で冷媒に熱を供給したり、或いは冷媒から熱を吸収したりして熱交換をおこなうものである。

このような空気熱交換器において、次に本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。尚、本発明では複数の実施例を提案している。したがって、参照番号が同一のものは同一の構成要素、或いは同様の機能を有する構成要素を表しているものである。

本発明の第１の実施形態を図２乃至図４に基づき詳細に説明する。本実施例は、扁平管２の冷媒の進行方向から見て途中に形成した連通領域の下流側に形成した下流側冷媒流路の入口の少なくとも１か所の幅を、連通領域の上流側に形成した上流側冷媒流路の出口と異なる幅とし、しかも下流側冷媒流路の入口を上流側冷媒流路の出口に対してずらして配置した場合を示している。更に、本実施例においては風上側と風下側の下流側冷媒流路の入口の幅を上流側冷媒流路の出口の幅より短くしている構成を示している。

図２及び図３は空気熱交換器１の扁平管２及び扁平管２に内装されたコルゲート形状のインナーフィン２１、２２を示している。図２は一つの扁平管２を冷媒の流れ方向に直交する面で断面したものを示し、図３は扁平管２を冷媒流れ方向に沿った面で断面した、つまり図２のｚ方向の扁平管の断面を示している。尚、図中の矢印１０は送風ファンによって送られる空気の流れを表している。

ここで、図２乃至図４においてｘ軸方向は空気熱交換器１の幅方向を示し、同様に伝熱フィン５及びヘッダ３の幅方向を示している。また、y軸方向は重力方向を示し、z軸方向は送風ファンによる空気の送風方向を示している。

また、以下で用いる「上流」及び「下流」の表現は、冷媒の流れ方向１１に関するもので、下側のヘッダ３から上側のヘッダ３に向かって流れる冷媒の状態位置を示している。したがって、或る地点位置において冷媒の流れが始まる側を「上流」と表現し、冷媒が流れていく側を「下流」と表現している。

同様に、空気の流れにおいても「風上」及び「風下」の表現は、空気の送風方向１０に関するもので、空気の流れが始まる側を「風上」と表現し、空気が流れていく側を「風下」と表現している。

図２及び図３においては一つの扁平管２、及びこの扁平管２の内部に設けた上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２を示している。扁平管２は断面が中空矩形状に形成された筒状直方体であり、その内部に複数の上流側冷媒流路６と、複数の下流側冷媒流路７、８とが形成されている。

これらの冷媒流路６、７、８は上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２の２つのコルゲート形状のインナーフィンを扁平管２の内部に介装することで形成されるもので、扁平管２の送風方向の長さに対してコルゲート形状の幅（ピッチ）によってその流路の数が決められる。

ここで、コルゲート形状とは冷媒の流動方向に沿って複数の仕切壁を形成するものであり、冷媒の流動方向に直交する断面が曲線状の波打った複数の仕切壁を形成する形状、三角形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状、矩形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状等を備えるもので、要はこのインナーフィンによって複数の細かい冷媒流路６、７、８が形成されれば良いものである。

そして、図３にあるように扁平管２の上流側には上流側インナーフィン２１が設けられ、上流側インナーフィン２１の下流側に連通領域２３が設けられ、更に連通領域２３の下流側に下流側インナーフィン２２が設けられている。この連通領域２３は扁平管２を冷媒の流動方向に対して直交して横切るように形成されており、この連通領域２３には細かい冷媒流路６、７、８は存在しない構成とされている。つまり、インナーフィンの仕切壁が存在しない構成となっている。

したがって、上流側インナーフィン２１によって形成された冷媒流路６の入口６Ａから流入した冷媒は冷媒流路６を通って上流側インナーフィン２１によって形成された冷媒流路６の出口６Ｂから連通領域２３に流出して合流する。連通領域２３に流れ出た冷媒は、下流側インナーフィン２２によって形成された冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａから冷媒通路７、８を通って下流側インナーフィン２２によって形成された冷媒流路７、８の出口７Ｂ、８Ｂから上側のヘッダ３に流出する。尚、上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２は扁平管２の内部に蝋付けによって接合されている。

ここで、コルゲート形状の上流側インナーフィン２２によって形成される複数の冷媒流路６の幅（ピッチ）Ｗは略均一とされている。一方、本実施例においては、下流側インナーフィン２２の幅（ピッチ）は、上流側インナーフィン２１のコルゲート形状と同じ幅（ピッチ）であるが、半分の幅だけずらして配置する構成としている。したがって、送風方向から見て扁平管２に形成された両側の冷媒流路７はその間の冷媒流路８の幅より半分の幅となって冷媒の流通面積が狭くなっている。

このように、下流側インナーフィン２２を半分の幅だけずらした配置することによって、下流側インナーフィン２２によって形成される複数の冷媒流路７、８の内で、両側の冷媒流路７をその間の冷媒通路８の幅よりも狭くすることができ、しかも上流側インナーフィン２１で形成された冷媒流路６の出口６Ｂと下流側インナーフィン２２で形成された冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａが対称的に対向することがなく、冷媒の流れ方向から見てずれて位置するようになる。

つまり、上流側インナーフィン２１によって形成された冷媒流路６の出口６Ｂを延長した仮想線上に、下流側インナーフィン２２によって形成される冷媒流路７，８の入口７Ａ、８Ａが冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずらされている。

ここで、下流側インナーフィン２２によって形成される冷媒流路の両側の幅の狭い冷媒流路７の幅をｒ_１とし、この間の冷媒流路８の幅をｒ_２とすると、これらの関係はｒ_１＜ｒ_２となる。更に、下流側の冷媒流路８と上流側の冷媒流路６の幅は等しくｒ_２＝Ｗである。

図４は扁平管２を流れる冷媒の挙動を説明する図であり、扁平管２の冷媒１１の流れ方向に沿ったｙｚ面の断面における連通領域２３付近を拡大したものである。まず、扁平管２にヘッダ３から冷媒１１が流入するが、このとき、複数の冷媒流路６に流入する冷媒の分配比率は冷媒１１が流入するときの環境に依存するため不均一になりやすい。

しかしながら、冷媒１１が上流側の冷媒流路６を通過したのち、下流側インナーフィン２２と上流側インナーフィン２１の間に形成した連通領域２３に到達すると、この連通領域２３には下流側インナーフィン２２と上流側インナーフィン２１がないため、冷媒の流動方向に対して直交する方向、すなわちＺ軸方向にも移動することができる環境となっている。

そして、上流側冷媒流路６の出口６Ｂと下流側冷媒流路７、８の出口７Ａ、８Ａとは開口部分が冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずれているため、上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒１２(液相及び気相を含む)は下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａの壁端面と衝突する。この入口７Ａ、８Ａの壁端面の衝突部分において冷媒は入口７Ａ、８Ａの壁端面の存在によってその進行方向を変えられる。

方向を変えられた冷媒は渦を生じたりして乱流となり、この乱流はさらに隣接する冷媒の流れに影響を与えるので、連通領域２３内で冷媒の流れは特許文献１の構造に比べて大きく乱れることになる。このため、連通領域２３内においては上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒の流速や圧力のばらつきが緩和され、下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａに流れ込む冷媒の分配比率の不均一を改善することができる。

また、連通領域２３で形成された乱流を含む冷媒の流れは下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａに流れ込むが、乱流を含んでいるので下流側インナーフィン２２との間で熱交換効率が向上する効果も期待できる。

更に、気相を多く含む冷媒１１は液相に比べて流速が早い傾向があるため、幅が広い冷媒流路８に流入しやすい。そのため、上流側冷媒流路６において空気と熱交換の完了した冷媒の気相は幅が広い冷媒流路８に流入しやすい。一方で、幅の狭い冷媒流路７には液相を多く含む冷媒が毛管力によって流入しやすい。これらの相乗的な作用によって幅の狭い下流側冷媒流路７に液相を多く含む冷媒が多く流れるようになる。

したがって、上流側冷媒流路６の出口６Ｂと、連通領域２３と、幅の狭い下流側冷媒流路７の入口７Ａと、幅の広い下流側冷媒流路８の入口８Ａは液相と気相を分離して液相を多く含む冷媒を幅の狭い下流側冷媒流路７に送る気相分離機能を備えていることになる。

本実施例においては、扁平管２の風上側と風下側に幅の狭い下流側冷媒流路７が形成されているが、少なくとも風上側に幅の狭い下流側冷媒流路７が形成されるので風上側で液相を多く含む冷媒が多く流れるようになる。これによって、熱交換効率の高い風上側の冷媒流路７に液相を多く含む冷媒が流れることで、熱交換器１全体としての空気と冷媒１１の熱交換が効率的に行われる。

ここで、冷媒の流れ方向から見て、扁平管２に内装するインナーフィンの数および連通領域２３の数は扁平管２の長さに応じて任意に定めることができる。また、下流側インナーフィン２２のコルゲート形状の幅(ピッチ)は上流側インナーフィン２１の幅(ピッチ)に比べて狭めても広げてもよいが、実際には狭める方がより望ましい。

一方で、上流側のインナーフィン２１と下流側のインナーフィン２２の間に形成する連通領域２３を大きく広げると、インナーフィン２１，２２を含む扁平管２と冷媒１１の接触面積が低減するため熱交換効率が低下する。そのため、扁平管２の内部に形成する連通領域２３の長さは冷媒流路６の幅ｗ及び冷媒流路８の幅ｒ_２とほぼ同じ長さか、それ以上に設定されている。本実施例では例えば５ｍｍから１０ｍｍ程度とされている。また、上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２の冷媒流れ方向（Ｙ軸方向）の長さは等しくなくともよく、上流側インナーフィン２１を下流側インナーフィン２２より長くしてもよい。この場合、下側のヘッダ３から冷媒が流れてくるので上流側インナーフィン２１を長くした方が全体の熱交換効率は向上するものである。

尚、本実施例によれば上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２は同一の幅(ピッチ)を有した同一のインナーフィンを用い、一方のインナーフィンを他方のインナーフィンに対して幅の半分だけずらして配置するだけなので製造コストの面からも有利である。

次に本発明の第２の実施形態になる空気熱交換器を詳細に説明する。本実施例は下流側インナーフィン２２の風上側の幅を風下側の幅より狭めたインナーフィンを使用している点で実施例１と異なっている。

図５、図６は第２の実施形態になる空気熱交換器１の扁平管２および扁平管２に内装された上流側インナーフィン２１および下流側インナーフィン２２を示している。図５は冷媒の流れ方向に直交するｘｚ面の断面を示し、図６は冷媒の流れ方向に沿ったｙｚ面の断面を示している。

実施例１と同様に、扁平管２には上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２の２つのコルゲート形状のインナーフィンが内装されて、複数の上流側冷媒流路６と、複数の下流側冷媒流路７、８とが形成されている。

ここで、扁平管内２に各冷媒流路６、７、８を形成するため、冷媒１１の流れ方向から見て上流側に均一な幅のコルゲート形状の上流側インナーフィン２１を内装し、下流側に上流側インナーフィン２１と少なくとも１か所は幅の異なるコルゲート形状を有する下流側インナーフィン２２を内装している。そして、この上流側インナーフィン２１と下流側インナーフィン２２の間に実施例１と同様に連通領域２３を設けるようにしている。

上流側インナーフィン２１はコルゲート形状の幅(ピッチ)を略均一としているため、上流側インナーフィン２１によって形成される冷媒流路６の幅Ｗは均一となる。一方で、下流側インナーフィン２２は、コルゲート形状の風上側の幅(ピッチ)を風下側の幅(ピッチ)に比べて冷媒の流通面積を狭くしている。これにより、下流側の冷媒流路７、８では風上側には幅の狭い冷媒流路７が形成され、風下側は上流側冷媒流路６と同じ幅ｒ_２の冷媒流路８が形成される。よって、実施例１と同様にｒ_１＜ｒ_２、ｒ_２＝Ｗの関係を有している。

また、実施例１と同様に上流側インナーフィン２１によって形成された冷媒流路６の出口６Ｂを延長した仮想線上に、下流側インナーフィン２２によって形成される冷媒流路７，８の入口７Ａ、８Ａが冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずらされている。

ここで、幅(ピッチ)の狭いインナーフィンと幅(ピッチ)の広いインナーフィンを連続して一体的に形成して扁平管２に内装することも可能であるが、幅(ピッチ)の狭いインナーフィンと幅(ピッチ)の広いインナーフィンを個別に形成し、両者を組み合わせて扁平管２に内装することも可能である。したがって、製造装置、製造コスト等を考慮して適切な方法を採用すればよい。

以上のような構成において、冷媒１１が上流側の冷媒流路６を通過したのち、下流側インナーフィン２２と上流側インナーフィン２１の間に形成した連通領域２３に到達すると、この連通領域２３には下流側インナーフィン２２と上流側インナーフィン２１がないため、冷媒の流動方向に対して直交する方向、すなわちＺ軸方向にも移動することができる環境となっている。

そして、上流側冷媒流路６の出口６Ｂと下流側冷媒流路７、８の出口７Ａ、８Ａとは開口部分が冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずれているため、上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒(液相及び気相を含む)は下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａの壁端面と衝突する。この入口７Ａ、８Ａの端面の衝突部分において冷媒は入口７Ａ、８Ａの壁端面の存在によってその進行方向を変えられる。

更に、本実施例の構造においては、以下に説明するように熱交換効率の高い扁平管２の風上側に液相の冷媒が流れるため、熱交換器全体の熱交換効率を高めることができる。図６は扁平管２を流れる冷媒の挙動を説明する図であり、扁平管２の冷媒１１の流れ方向に沿ったｙｚ面の断面における連通領域２３付近を拡大したものである。

扁平管２の表面の熱伝達率は風下側より風上側の方が高いため、風下側に比べて風上側の方が交換熱量は多くなる。このため、扁平管２の上流側冷媒流路６に均一な分配比率の冷媒が導入されたとしても、冷媒流路６を流れるときに風上側の冷媒１１との熱交換が進みやすいため、風上側では冷媒１１と空気との熱交換が効率的に進められる。

例えば、熱交換器１を蒸発器として使用する場合、風上側の上流側冷媒流路６を冷媒が通過するとき、液相１４の冷媒１１が気相１５に相変化し、気相１５が多い状態で連通領域２３に到達する。一方で、風下側の上流側冷媒流路６を通過している冷媒１１は熱交換効率が高くないため、液相１４が多いまま連通領域２３に到達する。

連通領域２３に到達した冷媒１１は、冷媒流路６に対して直交する方向、すなわちｚ軸方向にも移動することができる。更に、下流側インナーフィン２２によって形成される下流側冷媒流路７、８において、風上側は幅が狭い、つまり冷媒の流通面積を狭くした冷媒流路７となっている。ここで、気相１５となった冷媒１１は液相１４に比べて流速が早いため、幅が狭い冷媒流路７ではなく、風下側の幅の広い冷媒流路８に流入しやすい傾向にある。

このため、空気と熱交換の完了した気相１５は熱伝達率の低い風下側の下流側冷媒流路８に流入し易くなる。一方で、幅の狭い下流側冷媒流路７には液相１４が毛管力によって流入しやすくなる。これらの相乗的な作用によって幅の狭い下流側冷媒流路７に液相を多く含む冷媒が多く流れるようになる。したがって、熱交換効率の高い風上側の下流側冷媒流路７に液相１４が多く流れることで、熱交換器１全体としての空気と冷媒１１の熱交換が効率的に行われるようになる。

尚、風上側の幅の狭い下流側冷媒流路７は１か所でなくとも良く任意の数とすることができるが、本実施例では送風方向から見て扁平管２の１/３程度の長さに亘って設けている。発明者等の知見によれば、扁平管２の送風方向から見て風下側は熱交換効率がさほど高くなく、扁平管２の半分程度までが熱交換効率が高いものである。よって、幅の狭い下流側冷媒流路７は風上側から風下側に向かって扁平管２の半分程度の間に設けることが望ましい。

したがって、扁平管２には送風方向において、少なくとも幅の狭い（冷媒の流通面積が狭い）下流側冷媒流路７と幅の広い（冷媒の流通面積が広い）下流側冷媒流路８とが形成されることになる。

次に本発明の第３の実施形態になる空気熱交換器を詳細に説明する。本実施例は下流側インナーフィン２２の幅を風上側から風下側に向かって段階的に広めた点で実施例２と異なっている。

図８、図９は第３の実施形態になる空気熱交換器１の扁平管２および扁平管２に内装された上流側インナーフィン２１および下流側インナーフィン２２を示している。図７は冷媒の流れ方向に直交するｘｚ面の断面を示し、図８は冷媒の流れ方向に沿ったｙｚ面の断面を示している。

実施例２と同様に、上流側インナーフィン２１はコルゲート形状の幅(ピッチ)が略一定であるので上流側冷媒流路６の幅は一定となる。一方で、下流側インナーフィン２２はコルゲート形状の幅が風下側に比べて風上側は狭くなり、更に風下側に向かって徐々に幅が広がる形状となっている。つまり、下流側冷媒流路７、８の幅を風上側から幅ｘ_１、幅ｘ_２、幅ｘ_３とした場合、ｘ_１＜ｘ_２＜ｘ_３の関係を備えるように構成されている。また、上流側インナーフィン１の幅Ｗとの関係は、ｘ１＜ｘ２＝Ｗ＜ｘ３となっている。

ここで、幅ｘ１、幅ｘ２、幅ｘのように幅(ピッチ)の異なるインナーフィン２２を連続して一体的に形成して扁平管２に内装することも可能であるが、幅(ピッチ)の異なるインナーフィンを個別に形成し、これらを組み合わせて扁平管２に内装することも可能である。したがって、製造装置、製造コスト等を考慮して適切な方法を採用すればよい。

冷媒の挙動は実施例２にあるような構造の空気熱交換器１と同様の挙動を示し、その効果も実質的に同様である。

すなわち、上流側冷媒流路６の出口６Ｂと下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａとは開口部分が冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずれているため、上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒(液相及び気相を含む)は下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａ、８Ｃの壁端面と衝突する。この入口７Ａ、８Ａ、８Ｃの壁端面の衝突部分において冷媒は入口７Ａ、８Ａ、８Ｃの壁端面の存在によってその進行方向を変えられる。

方向を変えられた冷媒は渦を生じたりして乱流となり、この乱流はさらに隣接する冷媒の流れに影響を与えるので、連通領域２３内で冷媒の流れは大きく乱れることになる。このため、連通領域２３内においては上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒の流速や圧力のばらつきが緩和され、下流側冷媒流路７、８の入口７Ａ、８Ａ、８Ｃに流れ込む冷媒の分配比率の不均一を改善することができる。

更に、本実施例の構造においては、実施例２で説明したように熱交換効率の高い扁平管２の風上側に液相の冷媒が流れるため、熱交換器全体の熱交換効率を高めることができる。下流側インナーフィン２２によって形成される下流側冷媒流路７、８において、風上側は幅が狭い冷媒流路７となっている。ここで、冷媒１１の気相は液相に比べて流速が早いため、幅が狭い冷媒流路７ではなく、風下側の幅の広い冷媒流路８の入口８Ａ、８Ｃに流入しやすい傾向にある。

このため、空気と熱交換の完了した気相は熱伝達率の低い風下側の下流側冷媒流路８の入口８Ａ、８Ｃに流入し易くなる。一方で、幅の狭い下流側冷媒流路７には液相が毛管力によって流入しやすくなる。これらの相乗的な作用によって幅の狭い下流側冷媒流路７に液相を多く含む冷媒が多く流れるようになる。したがって、熱交換効率の高い風上側の下流側冷媒流路７に液相が多く流れることで、熱交換器１全体としての空気と冷媒１１の熱交換が効率的に行われるようになる。

本実施例においては、最も幅の広い入口８Ｃを有する下流側冷媒流路８を扁平管２の最風下側に配置したのは、冷媒中の気相が開口面積の大きい通路に流れることを利用して熱交換にさほど貢献しない最風下側に気相をより集めることを期待したものである。これによって、冷媒の全体からみると風上側の幅の狭い下流側冷媒流路７側に液相が多く含まれた冷媒を流すことができるようになる。したがって、熱交換器１全体としての空気と冷媒１１の熱交換が効率的に行われるようになる。

次に本発明の第４の実施形態になる空気熱交換器を詳細に説明する。本実施例は連通領域２３Ａを風上側から風下側に向かって所定の角度だけ傾けた点で実施例２と異なっている。尚、本実施例では上流側冷媒流路６とこれと同じ幅を有する下流側冷媒通路８はその出口６Ｂと入口８Ａを重なるように対向させている。

図１０、図１１は第４の実施形態になる空気熱交換器１の扁平管２および扁平管２に内装された上流側インナーフィン２１および下流側インナーフィン２２を示している。図１０は冷媒の流れ方向に直交するｘｚ面の断面を示し、図１１は冷媒の流れ方向に沿ったｙｚ面の断面を示している。

実施例２と同様に、上流側インナーフィン２１はコルゲート形状の幅(ピッチ)が略一定であるので上流側冷媒流路６の幅は一定となる。一方で、下流側インナーフィン２２はコルゲート形状の幅が風下側に比べて風上側は狭くなっている。したがって、少なくとも幅が狭い入口７Ａを有する下流側冷媒流路７において冷媒は実施例２と同様の挙動を振る舞うようになる。

すなわち、上流側冷媒流路６の出口６Ｂと下流側冷媒流路７の入口７Ａとは開口部分が冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずれているため、上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒(液相及び気相を含む)は下流側冷媒流路７の入口７Ａの壁端面と衝突する。この入口７Ａの壁端面の衝突部分において冷媒は入口７Ａの壁端面の存在によってその進行方向を変えられる。

方向を変えられた冷媒は渦を生じたりして乱流となり、この乱流はさらに隣接する冷媒の流れに影響を与えるので、連通領域２３Ａ内で冷媒の流れは大きく乱れることになる。このため、連通領域２３Ａ内においては上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒の流速や圧力のばらつきが緩和され、下流側冷媒流路７の入口７Ａに流れ込む冷媒の分配比率の不均一を改善することができる。

更に、本実施例の構造においては、実施例２で説明したように熱交換効率の高い扁平管２の風上側に液相の冷媒が流れるため、熱交換器全体の熱交換効率を高めることができる。下流側インナーフィン２２によって形成される下流側冷媒流路７において、風上側は幅が狭い冷媒流路７となっている。ここで、冷媒１１の気相は液相に比べて流速が早いため、幅が狭い冷媒流路７ではなく、風下側の幅の広い冷媒流路８の入口８Ａに流入しやすい傾向にある。

このため、空気と熱交換の完了した気相は熱伝達率の低い風下側の下流側冷媒流路８の入口８Ａに流入し易くなる。一方で、幅の狭い下流側冷媒流路７には液相が毛管力によって流入しやすくなる。これらの相乗的な作用によって幅の狭い下流側冷媒流路７に液相を多く含む冷媒が多く流れるようになる。したがって、熱交換効率の高い風上側の下流側冷媒流路７に液相が多く流れることで、熱交換器１全体としての空気と冷媒１１の熱交換が効率的に行われるようになる。

尚、上流側冷媒流路６とこれと同じ幅を有する下流側冷媒通路８はその出口６Ｂと入口８Ａを冷媒の流れ方向から見て重なるように対向させているので、冷媒は速度を落とさないでそのまま進行していく割合が多くなるが、風下側は上述したようにさほど熱交換効率が高くないので大きな問題とならない。その代りこの部分は冷媒の流速が速いので、幅が狭い入口７Ａで分離された冷媒１１の気相を取り込む効果が期待でき、幅が狭い入口７Ａを備えた下流側冷媒通路７に液相を多く含む冷媒を送ることができるようになる。

また、本実施例において連通領域２３Ａは風上側から風下側に冷媒の進行方向に向かって所定の角度を備えて傾斜して形成されている。このため、送風ファンによって流れる最風上側の連通領域２３Ａを流れる空気はその進行方向において、徐々に連通領域２３Ａがずれていくことになるので扁平管２の局所的な熱交換効率の低下を防ぐことができる。つまり、連通領域２３Ａは冷媒１１と扁平管２との接触面積が小さいため熱交換効率が高くない。このため実施例２のように連通領域２３Ａと空気１０の流れが平行であると、局所的に空気１０と扁平管２の熱交換効率が低下する。しかし、本実施例のように連通流路２３Ａが空気１０の流れ方向に対して傾いていることで扁平管２の局所的な熱交換効率の低下を防ぐことができる。

尚、図１１にある幅の広い下流側冷媒流路８は第２実施例にあるように、上流側インナーフィン２１によって形成された冷媒流路６の出口６Ｂを延長した仮想線上に、下流側インナーフィン２２によって形成される幅の広い冷媒流路８の入口８Ａが冷媒の流れ方向から見て重ならないようにずらされるように構成しても良い。

次に本発明の第５の実施形態になる空気熱交換器を詳細に説明する。本実施例は幅の狭い下流側冷媒流路７、幅が上流側冷媒流路６の出口６Ｂと同じ下流側冷媒流路８、及び上流側冷媒流路と下流側冷媒通路を連続して形成した連続冷媒流路９を設けた点で実施例２と異なっている。

図１２、図１３は第５の実施形態になる空気熱交換器１の扁平管２および扁平管２に内装された上流側インナーフィン２１および下流側インナーフィン２２を示している。図１２は冷媒の流れ方向に直交するｘｚ面の断面を示し、図１３は冷媒の流れ方向に沿ったｙｚ面の断面を示している。
ここで、上流側の冷媒流路６と下流側の冷媒流路７は２つのインナーフィンを用いて別々に形成していなくともよく、一体のインナーフィン２０に風上側から風下側に向かって所定の範囲にわたって連続する連通領域２３を形成されている。このとき、連通領域２３はインナーフィン２０の風上側に形成し、上流側の冷媒流路６と下流側の冷媒流路７を形成する。風下側は、扁平管２の下端から上端まで連通し、互いに独立する冷媒流路９を形成する。また、下流側冷媒流路７は風上側で幅が狭く、これより風下側で広い幅を有する冷媒流路８として構成されている。尚、本実施例では上流側冷媒流路６とこれと同じ幅を有する下流側冷媒通路８はその出口６Ｂと入口８Ａを重なるように対向させている。

そして、本実施例において上流側インナーフィン２１はコルゲート形状の幅(ピッチ)が略一定であるので上流側冷媒流路６の幅は一定となる。一方で、インナーフィン２０のコルゲート形状の幅が風下側に比べて風上側は狭くなっている。したがって、少なくとも幅が狭い入口７Ａを有する下流側冷媒流路７において冷媒は実施例２と同様の挙動を振る舞うようになる。

方向を変えられた冷媒は渦を生じたりして乱流となり、この乱流はさらに隣接する冷媒の流れに影響を与えるので、連通領域２３内で冷媒の流れは大きく乱れることになる。このため、連通領域２３内においては上流側冷媒流路６の出口６Ｂから流れ出た冷媒の流速や圧力のばらつきが緩和され、下流側冷媒流路７の入口７Ａに流れ込む冷媒の分配比率の不均一を改善することができる。

更に、本実施例の構造においては、実施例２で説明したように熱交換効率の高い扁平管２の風上側に液相の冷媒が流れるため、熱交換器全体の熱交換効率を高めることができるインナーフィン２０によって形成される下流側冷媒流路７において、風上側は幅が狭い冷媒流路７となっている。ここで、冷媒１１の気相は液相に比べて流速が早いため、幅が狭い冷媒流路７ではなく、風下側の幅の広い冷媒流路８の入口８Ａに流入しやすい傾向にある。

上流側冷媒流路６とこれと同じ幅を有する下流側冷媒通路８はその出口６Ｂと入口８Ａを冷媒の流れ方向から見て重なるように対向させているので、冷媒は速度を落とさないでそのまま進行していく割合が多くなるが、風下側は上述したようにさほど熱交換効率が高くないので大きな問題とならない。その代り、この部分は冷媒の流速が速いので、幅が狭い入口７Ａで分離された冷媒１１の気相を取り込む効果が期待でき、幅が狭い入口７Ａを備えた下流側冷媒通路７に液相を多く含む冷媒を送ることができるようになる。
尚、扁平管２の風下側は熱伝達効率が低いため、風上側の冷媒流路７を流れる冷媒１１に対して分配比率が不均一であっても熱交換器１全体に対する熱交換効率への影響は小さいのでさほど問題とならない。

本実施例においては、扁平管２に内装するインナーフィン２０を一体で形成しているため、インナーフィン２０を扁平管２にロー付けする際の取り扱いが容易になり、上流側冷媒流路６と下流側冷媒流路７の間に形成する連通う領域２３の幅を均一に保つことができ、熱交換器１に配置する複数の扁平管２の品質を均一に保つことができる。このとき、扁平管２の内部を連通する冷媒流路９の数は１か所以上で任意に定めることができる。

最後に、本発明においては複数の実施例を提案したが、夫々の実施例を単独で実施しても良いし、更に２つ以上の実施例を適宜組み合わせてより適切な実施例とすることも可能である。

１…空気熱交換器、２…扁平管、３…ヘッダ、５…伝熱フィン、６…上流側冷媒流路、６Ａ…入口、６Ｂ…出口、７…幅の狭い下流側冷媒流路、８…幅の広い下流側冷媒流路、７Ａ、８Ａ…入口、７Ｂ、８Ｂ…入口、９…独立連通冷媒流路、１０…送風方向、１１、１２…冷媒、１４…液相冷媒、１５…気相冷媒、２０…連続インナーフィン、２１…上流側インナーフィン、２２…下流側インナーフィン、２３…連通領域。

Claims

扁平管内に設けられ、冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の上流側冷媒流路を形成する上流側インナーフィンと、
前記扁平管内に設けられ、前記夫々の上流側冷媒流路の下流において前記夫々の上流側冷媒流路の出口を繋ぐと共に前記仕切壁が存在しない連通領域と、
前記扁平管内に設けられ、前記連通領域の下流において冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の下流側冷媒流路を形成する下流側インナーフィンとよりなり、
前記下流側冷媒流路の少なくとも一つの前記下流側冷媒流路の入口と前記上流側冷媒流路の出口とは冷媒の流れから見てずれて重ならない位置に配置されていると共に、
前記扁平管の風上側の前記下流側冷媒流路は風下側の前記下流側冷媒流路より狭く構成されていることを特徴とする空気熱交換器。
請求項１に記載の空気熱交換器において、
前記上流側インナーフィンと前記下流側インナーフィンの仕切壁の幅（ピッチ）は略同一であって、前記上流側インナーフィンに対して前記下流側インナーフィンは冷媒の流れから見てずれて配置されていることを特徴とする空気熱交換器。
請求項１或いは請求項２に記載の空気熱交換器において、
前記上流側インナーフィンと前記下流側インナーフィンは、冷媒の流動方向に直交する断面が曲線状の波打った複数の仕切壁を形成する形状、三角形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状、矩形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状の少なくとも一つであることを特徴とする空気熱交換器。
請求項２に記載の空気熱交換器において、
前記上流側インナーフィンに対して前記下流側インナーフィンは冷媒の流れから見て前記下流側インナーフィンの幅の半分の幅だけずれて配置されていることを特徴とする空気熱交換器。
扁平管内に設けられ、冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の上流側冷媒流路を形成する上流側インナーフィンと、
前記扁平管内に設けられ、前記夫々の上流側冷媒流路の下流において前記夫々の上流側冷媒流路の出口を繋ぐと共に前記仕切壁が存在しない連通領域と、
前記扁平管内に設けられ、前記連通領域の下流において冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の下流側冷媒流路を形成する下流側インナーフィンとよりなり、
前記扁平管の風上側の前記下流側冷媒流路は風下側の前記下流側冷媒流路、及び前記上流側冷媒流路より狭く構成されていることを特徴とする空気熱交換器。
請求項５に記載の空気熱交換器において、
前記上流側インナーフィンと前記下流側インナーフィンは、冷媒の流動方向に直交する断面が曲線状の波打った複数の仕切壁を形成する形状、三角形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状、矩形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状の少なくとも一つであることを特徴とする空気熱交換器。
請求項６に記載の空気熱交換器において、
前記扁平管の風上側から見て前記扁平管の１/３〜１/２の範囲にある前記下流側冷媒流路は風下側の前記下流側冷媒流路、及び前記上流側冷媒流路より狭く構成されていることを特徴とする空気熱交換器。
請求項５に記載の空気熱交換器において、
前記風下側の前記下流側冷媒流路と前記上流側冷媒流路はほぼ同じ大きさでることを特徴とする空気熱交換器。
扁平管内に設けられ、冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の上流側冷媒流路を形成する上流側インナーフィンと、
前記扁平管内に設けられ、前記夫々の上流側冷媒流路の下流において前記夫々の上流側冷媒流路の出口を繋ぐと共に前記仕切壁が存在しない連通領域と、
前記扁平管内に設けられ、前記連通領域の下流において冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の下流側冷媒流路を形成する下流側インナーフィンとよりなり、
前記下流側冷媒流路は冷媒の流通路面積が狭い第１の下流側冷媒流路と冷媒の流通路面積が広い第２下流側冷媒流路とから構成され、前記第１の下流側冷媒流路は前記扁平管の風上側に配置されると共に、
前記第１の下流側冷媒流路と前記第２下流側冷媒流路の入口と前記上流側冷媒流路の前記出口とは冷媒の流れから見てずれて重ならない位置に配置されていることを特徴とする空気熱交換器。
扁平管内に設けられ、冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の上流側冷媒流路を形成する上流側インナーフィンと、
前記扁平管内に設けられ、前記夫々の上流側冷媒流路の下流において前記夫々の上流側冷媒流路の出口を繋ぐと共に前記仕切壁が存在しない連通領域と、
前記扁平管内に設けられ、前記連通領域の下流において冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の下流側冷媒流路を形成する下流側インナーフィンとよりなり、
前記下流側冷媒流路は冷媒の流通路面積が狭い第１の下流側冷媒流路と冷媒の流通路面積が広い第２下流側冷媒流路とから構成され、前記第１の下流側冷媒流路は前記扁平管の風上側に配置されると共に、
前記第２の下流側冷媒流路と前記上流側冷媒流路はほぼ同じ大きさで、かつ前記第２の下流側冷媒流路の入口と前記上流側冷媒流路の前記出口とは冷媒の流れから見て重なる位置に配置されていることを特徴とする空気熱交換器。
請求項９或いは請求項１０に記載の空気熱交換器において、
前記連通領域は前記扁平管の風上側から風下側に向けて冷媒の流動方向に所定の角度で傾けて形成されていることを特徴とする空気熱交換器。
扁平管内に設けられ、冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の上流側冷媒流路を形成する上流側インナーフィンと、
前記扁平管内に設けられ、前記夫々の上流側冷媒流路の下流において前記夫々の上流側冷媒流路の出口を繋ぐと共に前記仕切壁が存在しない連通領域と、
前記扁平管内に設けられ、前記連通領域の下流において冷媒の流れ方向に沿って配置された複数の仕切壁によって複数の下流側冷媒流路を形成する下流側インナーフィンとよりなり、
前記下流側冷媒流路は冷媒の流通路面積が狭い第１の下流側冷媒流路、冷媒の流通路面積が広い第２下流側冷媒流路、及び前記上流側冷媒流と連続して形成された連続冷媒流路とから構成され、前記扁平管の風上側から見て前記第１の下流側冷媒流路、前記第２の下流側冷媒流路、前記連続冷媒流路の順で配置されると共に、
前記第２の下流側冷媒流路、前記連続流路及び前記上流側冷媒流路はほぼ同じ大きさで、かつ前記第２の下流側冷媒流路の入口と前記上流側冷媒流路の前記出口とは冷媒の流れから見て重なる位置に配置されていることを特徴とする空気熱交換器。
請求項９、請求項１０、及び請求項１２のいずれかに記載の空気熱交換器において、
前記上流側インナーフィンと前記下流側インナーフィンは、冷媒の流動方向に直交する断面が曲線状の波打った複数の仕切壁を形成する形状、三角形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状、矩形が繰り返される複数の仕切壁を形成する形状の少なくとも一つであることを特徴とする空気熱交換器。