JP6946105B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、空気調和機、冷凍機、輸送用冷凍機、給湯器等に使用される熱交換器に関する。

積層された複数の扁平管にそれぞれ冷媒が流れる熱交換器が空気調和機や冷凍機等の機器に使用されており、それらの機器の冷媒回路を構成している。
複数の扁平管が、プレート状あるいはコルゲート状のフィンと、一対のヘッダと組み付けられることで熱交換器が構成される。各扁平管は、両端部で一対のヘッダに接続されており、冷媒回路の配管からヘッダの内部に導入された冷媒が各扁平管へと分配される。各扁平管を流れる冷媒と、その冷媒の流れと直交する方向からフィンや扁平管の間の隙間へ流入する空気とが、熱交換される。

熱交換器を蒸発器として機能させる場合、気液二相流の冷媒がヘッダに流入する。ヘッダの内部では、気相冷媒と、気相冷媒よりも密度が大きい液相冷媒との分布が扁平管の積層方向において偏り易い。そのため、各扁平管への冷媒の分配状況が偏り易い。
こうした冷媒の分配状況の均一化を含め、扁平管およびフィンからなる積層体の全体に亘り伝熱量の均一化を図り、それによって必要な性能が十分に得られるように、ヘッダや扁平管において冷媒を効率よく流すことのできるパスの設定、ヘッダの構造、フィンの形状等について、種々の工夫が重ねられてきた。

ところで、所定の熱交換性能に必要な伝熱面積を確保するため、風上と風下を結ぶ方向に複数列の熱交換要素（扁平管およびフィンを含む組付体）を並べる場合がある（例えば、特許文献１）。
特許文献１では、風上側（前列）および風下側（後列）に個別のヘッダはなく、前列の扁平管と後列の扁平管とが単一のヘッダに接続されており、ヘッダの内部には、多数の水平仕切板が設置されている。これらの水平仕切板により仕切られた同一区画に、扁平管積層方向における同じ段の前列の扁平管と後列の扁平管とが連通している。冷媒配管からヘッダ内の各区画へ流入した冷媒は、段毎に、前列および後列の扁平管を流れる。

特許第５８４０２９１号

ヘッダ内部に多数の仕切板を設置すると、冷媒分配の偏りによる伝熱損失を抑制することはできても、部品数の増加を招く。特許文献１のように、前列および後列のヘッダを一つにまとめた場合でも、やはり段数分の仕切板が必要となり、部品数が多いので、ヘッダの内部を仕切板で細かく仕切ることは避けたい。

また、冬期に蒸発器として機能する熱交換器において、空気との温度差が大きい前列から着霜が進行するため、前列と後列との間で着霜状態の偏りが避けられない。そのため、前列への着霜により風路が閉塞されて後列の風量が低下すると、未だ着霜量が少ないため熱交換可能な後列までも、早期に機能しなくなる。

以上より、本発明は、前列から進行する着霜の偏りや、ヘッダから各扁平管への冷媒の分配の偏りが存在する中で、伝熱損失を抑えて蒸発性能を確保することのできる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の第１の熱交換器は、積層される複数の扁平管と、扁平管に設けられるフィンと、扁平管が積層される積層方向に起立し、扁平管に接続されるヘッダと、を備えた熱交換器であって、ヘッダを通じて扁平管に流入する冷媒と、空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、扁平管、フィン、およびヘッダからなる熱交換要素が、空気の流れの上流側に位置する前列と、空気の流れの下流側に位置する後列と、を含んで配列され、前列のヘッダである前列ヘッダを流れる冷媒の流速が、後列のヘッダである後列ヘッダを流れる冷媒の流速よりも大きくなるように、前列ヘッダ内の流路断面積が後列ヘッダ内の流路断面積よりも小さいことを特徴とする。

本発明の第１の熱交換器において、積層方向に延びて前列ヘッダおよび後列ヘッダの少なくともいずれかの内部を仕切る仕切部を備え、仕切部により流路断面積が設定されていることが好ましい。

本発明の第１の熱交換器において、後列の扁平管の空気の流れ方向における幅が、前列の扁平管の空気の流れ方向における幅よりも広いことが好ましい。

本発明の第１の熱交換器は、直列に接続された２以上の熱交換要素を備え、最下流の熱交換要素が前列に位置することが好ましい。

本発明の第１の熱交換器は、直列に接続された３つ以上の熱交換要素を備え、最上流の熱交換要素が前列に位置することが好ましい。

本発明の第２の熱交換器は、積層される複数の扁平管と、扁平管に設けられるフィンと、扁平管が積層される積層方向に起立し、扁平管に接続されるヘッダと、を備えた熱交換器であって、ヘッダを通じて扁平管に流入する冷媒と、空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、扁平管、フィン、およびヘッダからなる熱交換要素が、空気の流れの上流側に位置する前列と、空気の流れの下流側に位置する後列と、を含んで配列され、前列のヘッダである前列ヘッダを流れる冷媒の流速が、後列のヘッダである後列ヘッダを流れる冷媒の流速よりも大きくなるように、前列ヘッダおよび後列ヘッダの少なくとも一方に導入される冷媒の流量を調整する流量調整部を備えることを特徴とする。

本発明の第３の熱交換器は、積層される複数の扁平管と、扁平管に設けられるフィンと、扁平管が積層される積層方向に起立し、扁平管に接続されるヘッダと、を備えた熱交換器であって、ヘッダを通じて扁平管に流入する冷媒と、空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、扁平管、フィン、およびヘッダからなる熱交換要素が、空気の流れの上流側に位置する前列と、空気の流れの下流側に位置する後列と、を含んで配列され、前列のヘッダに内在する区画に冷媒を導入する導入部の位置と、後列のヘッダに内在する区画に冷媒を導入する導入部の位置とが、積層方向において異なるように、前列の熱交換要素と、後列の熱交換要素とが積層方向にシフトして配置され、導入部から冷媒が導入される区画には、少なくとも２つの扁平管が配置されていることを特徴とする。

本発明の第３の熱交換器は、前列において積層方向に積層された２つの熱交換要素と、後列において積層方向に積層された２つの熱交換要素と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、後述するように、前列および後列の全体として扁平管の積層方向（上下方向）における伝熱量のバランスを図ることができるので、冷媒分布を均一化するために仕切板を設置しなくても、冷媒分配の偏りによる熱交換性能の低下を回避でき、しかも、着霜が発生するような運転状況でも、少なくとも後列の下段側に熱交換能力を残しつつ、除霜運転に切り替わるまでの時間を遅らせることができる。

第１実施形態に係る熱交換器を模式的に示す斜視図である。 図１に示す前列ヘッダと後列ヘッダとを流れる冷媒の流速の違いを説明するための模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、冷媒流量の程度毎に、前列および後列のそれぞれの各扁平管への液相冷媒の分配状況を示すグラフである。 図１に示す熱交換器の作用を説明するための模式図である。 第１実施形態の変形例に係る前列ヘッダと後列ヘッダとを示す模式図である。 第１実施形態の他の変形例に係る前列の熱交換要素と後列の熱交換要素とを示す模式図である。 （ａ）は、第２実施形態に係る熱交換器を示す模式図である。（ｂ）は、第２実施形態の変形例に係る熱交換器を示す模式図である。（ｃ）および（ｄ）は、乾き度が高い場合における液相冷媒分布を示す図である。 （ａ）は、第３実施形態に係る熱交換器を示す模式図である。（ｂ）は、第３実施形態の変形例を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はいずれも、第４実施形態に係る熱交換器を示す模式図である。フィンの図示は省略している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示す熱交換器１は、前列熱交換要素１０と、後列熱交換要素２０とを備えている。熱交換器１は、空気調和機や冷凍機、給湯器等の冷媒回路を構成している。その冷媒回路は、圧縮機と、凝縮器と、減圧部と、蒸発器である熱交換器１とを含んで構成されている。

本実施形態の熱交換器１によれば、後述するように、ヘッダ１３，２３から各扁平管１１への冷媒の分配の偏りや、着霜の偏りを受け入れつつ、熱交換性能の低下を抑制する。

（熱交換要素）
前列熱交換要素１０は、積層される複数の扁平管１１（チューブ）と、複数のフィン１２と、扁平管１１に接続される一対の前列ヘッダ１３（１３Ａ，１３Ｂ）とを備えている。
前列熱交換要素１０は、前列ヘッダ１３（１３Ａ）を通じて各扁平管１１に流入する冷媒と、扁平管１１と直交する方向からフィン１２や扁平管１１の間の隙間へ流入する空気との間で、熱交換させる。

前列熱交換要素１０と同様に、後列熱交換要素２０は、積層される複数の扁平管１１と、複数のフィン１２と、扁平管１１に接続される一対の後列ヘッダ２３（２３Ａ，２３Ｂ）とを備えており、後列ヘッダ２３（２３Ａ）を通じて各扁平管１１に流入する冷媒と、空気との間で熱交換させる。
扁平管１１およびフィン１２は、前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とに共通する構成要素である。

ここで、扁平管１１が積層される方向（積層方向）のことを上下方向Ｄ１と称するものとする。
また、扁平管１１を流れる冷媒と熱交換される空気の流れの上流側を「前」と称し、下流側を「後」と称するものとする。図示しないファン等により吸い込まれた空気が熱交換器１の領域全体に供給されることが好ましい。
前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とは、空気の流れる方向（白抜き矢印で示す）に配列されている。各図において、前列を「Ｆ」で、後列を「Ｒ」で示す。

前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とは、冷媒回路の配管に並列に接続されている。前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とには同じ流量の冷媒が流れる。

熱交換器１は、少なくとも一部に熱交換要素１０，２０を備えている。熱交換器１が、熱交換要素１０，２０に加えて、図示しない他の熱交換要素を備えていてもよい。

（扁平管）
扁平管１１は、内側を冷媒が流れる扁平な管であり、所定の長さで直線状に延びている。扁平管１１の両端部はそれぞれヘッダ１３（またはヘッダ２３）に接続されている。ヘッダ１３，２３には、扁平管１１の端部をヘッダ１３，２３の内部へと受け入れる挿入孔（図示しない）が形成されている。
複数の扁平管１１は、上下方向Ｄ１に所定の間隔をおいて互いに平行に積層される。各扁平管１１の端部は、ヘッダ１３（またはヘッダ２３）の内部に開口している。

（フィン）
本実施形態のフィン１２は、略矩形のプレート状（板状）の外形を有するもので、空気と接触する表面積を拡大するため扁平管１１に設けられる。フィン１２には、扁平管１１がそれぞれ挿入される複数の切欠１２１が形成されている。前列Ｆのフィン１２と後列Ｒのフィン１２との形状は相違していてもよい。

図１には、前列Ｆ、後列Ｒのいずれも、一部のフィン１２のみを示している。実際には、前列Ｆ、後列Ｒのいずれにおいても、扁平管１１の長さ方向に間隔をおいて多数のフィン１２が扁平管１１の積層体に設けられている。

プレート状のフィン１２に代えて、他の種類のフィンを扁平管１１に設けることもできる。例えば、波状のコルゲートフィンを、上下方向Ｄ１に隣り合う扁平管１１の間に設けることもできる。

熱交換器１を構成する扁平管１１、フィン１２、前列ヘッダ１３、および後列ヘッダ２３等の部材は、アルミニウム合金や銅合金等の金属材料から形成されている。これらがロウ材等の接合材を用いて一体化されることで、熱交換器１が構成される。

（前列ヘッダ）
一対の前列ヘッダ１３は、いずれも前列Ｆの扁平管１１の積層方向（Ｄ１）に起立している。これらの前列ヘッダ１３に前列Ｆの各扁平管１１が接続される。
一対の前列ヘッダ１３は、いずれも筒状に形成されており、上端および下端が塞がれている。
一対の前列ヘッダ１３の一方（１３Ａ）を通じて各扁平管１１に冷媒が流入し、一対の前列ヘッダ１３の他方（１３Ｂ）へは、各扁平管１１からそれぞれ冷媒が流出する。

前列ヘッダ１３Ａには、図示しない冷媒配管等から前列ヘッダ１３の内部へと冷媒を導入する導入部１３１が備えられている。前列ヘッダ１３Ａの内部は、導入部１３１を通じて導入された冷媒が上方へ向けて流れる流路となっている。
この導入部１３１が、前列ヘッダ１３Ａ内で最も下方に配置された扁平管１１よりも下方に位置していれば、最も下方の扁平管１１を含めて前列Ｆの扁平管１１のいずれにも、導入部１３１から浮上する気相冷媒と、気相冷媒と共に持ち上がる液冷媒とを流入させることができるので好ましい。

前列ヘッダ１３Ａの内部に導入された冷媒は、前列Ｆの各扁平管１１へと分配されて流入する。そして、各扁平管１１を冷媒がそれぞれ流れる間に（図１の破線の矢印）、フィン１２や扁平管１１の間の隙間（風路）を通過する空気と、扁平管１１の内側の冷媒との熱交換が行われる。このとき、扁平管１１を流れる冷媒が空気から吸熱して蒸発する。

各扁平管１１を流れた冷媒は、前列ヘッダ１３Ｂの内部で合流し、前列ヘッダ１３Ｂから、熱交換器１の外部の冷媒配管等へと流出する。あるいは、熱交換器１が、前列ヘッダ１３Ｂと接続された他の熱交換要素を備えている場合は、冷媒が前列ヘッダ１３Ｂから他の熱交換要素へと流出する。

（後列ヘッダ）
後列ヘッダ２３は、前列ヘッダ１３と流路断面積が相違する以外は、前列ヘッダ１３と同様に構成されているため、簡単に説明する。
一対の後列ヘッダ２３の一方（２３Ａ）を通じて、後列Ｒの各扁平管１１に冷媒が流入し、一対の後列ヘッダ２３の他方（２３Ｂ）へは、後列Ｒの各扁平管１１からそれぞれ冷媒が流出する。

後列ヘッダ２３Ａには、冷媒配管等から後列ヘッダ２３の内部へと冷媒を導入する導入部２３１が備えられている。
導入部２３１を通じて後列ヘッダ２３Ａの内部に導入された冷媒は、後列Ｒの各扁平管１１へと分配されて流入する。後列Ｒの各扁平管１１を流れた冷媒は、前列Ｆを経た空気と熱交換された後、後列ヘッダ２３Ｂの内部で合流し、後列ヘッダ２３Ｂから、熱交換器１の外部の冷媒配管、あるいは、他の熱交換要素へと流出する。

熱交換器１は、基本的に、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３が上下方向Ｄ１（鉛直方向）に沿うように配置されて使用される。このとき扁平管１１は水平方向に延びて、上下方向Ｄ１に積層されている。
但し、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３が上下方向Ｄ１に対して少し傾斜していてもよい。

（本実施形態の主な特徴）
本実施形態は、前列ヘッダ１３を流れる冷媒の流速が、後列ヘッダ２３を流れる冷媒の流速よりも大きくなるように、前列ヘッダ１３内の流路断面積Ａｆ（図２）が後列ヘッダ２３内の流路断面積Ａｒ（図２）よりも小さいことを主な特徴とする。

本実施形態の前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３は、いずれも断面円形状の流路を有しており、前列ヘッダ１３の内径は後列ヘッダ２３の内径よりも小さい。
なお、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３の断面形状は、矩形状や楕円形等、適宜な形状であってよい。

図５に示すように、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３の内部に垂直仕切板１４，２４を設置することにより、適切な流路断面積Ａｆ，Ａｒを設定することもできる。垂直仕切板１４，２４のうちいずれか一方のみが設置されてもよい。

垂直仕切板１４は、図５の紙面に直交する上下方向Ｄ１に沿って起立しており、前列ヘッダ１３の内部を、導入部１３１側の区画１４１と、扁平管１１側の区画１４２とに仕切っている。
導入部１３１から区画１４１に導入された冷媒は、垂直仕切板１４の下端部を厚み方向に貫通する開口１４Ａを通じて、区画１４２へと流入し、区画１４２内を上方へと流れながら各扁平管１１へと分配される。

垂直仕切板２４も、上述の垂直仕切板１４と同様に構成されており、後列ヘッダ２３の内部を、導入部２３１側の区画２４１と、扁平管１１側の区画２４２とに仕切っている。垂直仕切板２４の下端部には開口２４Ａが形成されている。

垂直仕切板１４と扁平管１１との間の間隙の寸法Ｇ１と比べて、垂直仕切板２４と扁平管１１の端部との間の間隙の寸法Ｇ２が大きくなるように、垂直仕切板１４，２４の位置を設定すると、前列ヘッダ１３の区画１４２の流路断面積Ａｆよりも大きい流路断面積Ａｒを、後列ヘッダ２３の区画２４２に与えることができる。

（本実施形態による作用）
図２に示すように、冷媒回路の配管から導入部１３１を通じて前列ヘッダ１３Ａの内部へと所定の流量で流入した冷媒は、前列ヘッダ１３Ａの流路断面積Ａｆに対応する流速Ｖｆで前列ヘッダ１３Ａの内部を上方に向けて流れつつ、前列の各扁平管１１へと分配される。

一方、冷媒回路の配管から導入部２３１を通じて後列ヘッダ２３Ａの内部へと、前列ヘッダ１３Ａの導入部１３１へ流入する冷媒と同じ流量で流入した冷媒は、後列ヘッダ２３Ａの流路断面積Ａｒに対応する流速Ｖｒで後列ヘッダ２３Ａの内部を上方に向けて流れつつ、後列の各扁平管１１へと分配される。

ここで、導入部１３１を通じて前列ヘッダ１３内へ流入する冷媒と、導入部２３１を通じて後列ヘッダ２３内へ流入する冷媒との流量が同じであり、流路断面積がＡｆ＜Ａｒであることにより、流速はＶｆ＞Ｖｒとなる。つまり、前列ヘッダ１３Ａを流れる冷媒の流速Ｖｆは、後列ヘッダ２３Ａを流れる冷媒の流速Ｖｒよりも大きい。
図２にグレー色で示す矢印の長さが、流速Ｖｆ，Ｖｒの相対的な大きさを模式的に表している。

前列ヘッダ１３Ａおよび後列ヘッダ２３Ａには、冷媒回路の減圧部を経ることで膨張した気液二相流の冷媒が流入する。その冷媒の気相分を気相冷媒、液相分を液相冷媒と称する。液相冷媒は、浮上する気相冷媒に巻き込まれて上方へと運ばれる。気相冷媒の密度よりも液相冷媒の密度が大きいため、前列ヘッダ１３Ａおよび後列ヘッダ２３Ａのそれぞれにおいて、気相冷媒と液相冷媒との上下方向Ｄ１における分布が偏り易い。
こうした気相冷媒と液相冷媒との分布状況は、流速Ｖｆ，Ｖｒの相違に基づいて、前列ヘッダ１３Ａと後列ヘッダ２３Ａとで相違する。

流速Ｖｆの大きい前列ヘッダ１３Ａでは、相対的に流速Ｖｒの小さい後列ヘッダ２３Ａと比べ、液相冷媒がより上方にまで運ばれる。そのため、前列ヘッダ１３Ａの下端から上端までの流路の上部において、気相冷媒に対する液相冷媒の割合が相対的に高く、当該流路の下部において、気相冷媒に対する液相冷媒の割合が低い。扁平管１１を流れる間に気相へと相転移する液相冷媒は、潜熱に基づき、空気から吸熱する。この液相冷媒の流量割合が高いと、空気と冷媒との間の伝熱量が大きい。
図２に示すグレーの矢印の幅は、流量基準の気相冷媒に対する液相冷媒の割合を表している。かかる液相冷媒の流量割合は、下方から上方に向かうにつれて次第に増大する。

一方、流速Ｖｒの小さい後列ヘッダ２３Ａでは、前列ヘッダ１３Ａと比べ、液相冷媒が上方まで運ばれ難いため、導入部２３１から液相冷媒が十分に運ばれる範囲が、後列ヘッダ２３Ａの流路の下部に留まる。
そのため、上述の前列ヘッダ１３Ａとは逆に、後列ヘッダ２３Ａの流路の下部において、気相冷媒に対する液相冷媒の割合が高く、当該流路の上部において、気相冷媒に対する液相冷媒の割合が低い。

以上より、前列Ｆの各扁平管１１へと前列ヘッダ１３Ａから分配される液相冷媒の分配状況、および後列Ｒの各扁平管１１へと後列ヘッダ２３Ａから分配される液相冷媒の分配状況のいずれにも、上下方向Ｄ１における偏りが異なる態様で認められる。

図３は、熱交換器１に導入される冷媒の流量が少ない場合（ａ）と、中程度の場合（ｂ）と、多い場合（ｃ）とにおいて、実験結果に基づき、前列Ｆおよび後列Ｒのそれぞれの各扁平管１１へ流入した冷媒中の液相冷媒の流量割合（気相冷媒に対する流量比）を示している。前列ヘッダ１３Ａおよび後列ヘッダ２３Ａのそれぞれ最も上方に位置する扁平管１１から下方へと順に、１，２，３，・・・と番号を与えている。なお、図３（ａ）〜（ｃ）のデータを得る実験では、７本の扁平管１１をそれぞれ備えた前列熱交換要素および後列熱交換要素を使用した。

図３（ａ）〜（ｃ）のいずれも、前列Ｆでは、扁平管１１が上方に位置する程、流入する液相冷媒の割合が高く、逆に、後列Ｒでは、扁平管１１が下方に位置する程、流入する液相冷媒の割合が高いという、上述と同様の傾向を示している。
図３（ａ）〜（ｃ）より、冷媒流量が多くなる程、前列Ｆの上下方向Ｄ１における液相冷媒の流量割合の偏りの度合が大きくなる。また、逆に、後列Ｒの上下方向Ｄ１における液相冷媒の流量割合の偏りの度合は、冷媒流量が多くなる程、小さくなる。この傾向は、前列ヘッダ１３の流路断面積が後列ヘッダ２３の流路断面積よりも小さいことから定性的に成り立つ。

図３（ｃ）に係る流量としては、着霜が発生し易い状況、例えば、冬期における空調機の暖房運転状況下における熱交換器１の流量が想定されている。このように流量が大きいと、図３（ｃ）のように、前列Ｆにおいて液相冷媒の上方への偏在が顕著となる。このとき、前列Ｆの熱交換要素１０では、上段を主体として熱交換が行われる。

（本実施形態による効果）
本実施形態では、上述したように、前列ヘッダ１３と後列ヘッダ２３との流路断面積Ａｆ，Ａｒを異ならせることにより、前列Ｆと後列Ｒとの液相冷媒に、異なる分布を与えている。そうすることで、熱交換器１の全体として、伝熱損失を抑えて熱交換性能を確保する。

図４を参照し、本実施形態の作用を説明する。本実施形態によれば、前列Ｆおよび後列Ｒのそれぞれとしては、各扁平管１１へ分配される冷媒の液相流量割合に偏りが存在するとしても、熱交換器１の全体として、伝熱量の均一化を図り、熱交換器の容量の制約等がある中でも必要な熱交換性能を確保する。

流速が大きい前列ヘッダ１３（図２）内では、液相冷媒が十分に上方まで運ばれるため、前列ヘッダ１３から冷媒が分配された前列Ｆの扁平管１１のうち、液相冷媒の流量割合が大きい上段側の扁平管１１を流れる冷媒と空気との間の伝熱量が大きいのに対し、下部における伝熱量は小さい。
一方、前列ヘッダ１３と比べて流速が小さい後列ヘッダ２３（図２）では、液相冷媒がさほど上方まで運ばれないため、後列ヘッダ２３から冷媒が分配された後列Ｒの扁平管１１のうち、液相冷媒の流量割合が大きい下段側の扁平管１１を流れる冷媒と空気との間の伝熱量が大きいのに対し、上部における伝熱量は小さい。

図４に示す矢印１に沿って流れる空気は、前列Ｆの伝熱量が小さい下段側と、後列Ｒの伝熱量が大きい下段側とを通過する。ここで、液相冷媒の流量割合が低い前列Ｆの下段側を通過した空気が、冷媒へと十分に放熱されていないとしても、前列Ｆに続いて流入する後列Ｒの下段側の扁平管１１には、その空気を十分に放熱させるのに足りる量の液相冷媒が流れている。

また、図４に示す矢印２に沿って流れる空気は、前列Ｆの伝熱量が大きい上段側と、後列Ｒの伝熱量が小さい上段側とを通過する。ここで、前列Ｆの上段側において、液相冷媒の流量割合の高い冷媒へと既に放熱された空気が、後列Ｒに流入する。そのため、流入した後列Ｒの上段側の扁平管１１には、前列Ｆで放熱された後の空気との熱交換に相応の量の液相冷媒が流れていれば足りる。

以上より、前列Ｆの上段側および下段側、後列Ｒの上段側および下段側を合わせた熱交換器１の全体に亘り、伝熱損失を避けつつ、伝熱面が有効活用されるので、熱交換器１が小型であっても熱交換性能を十分に確保することができる。本実施形態のように、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３に流速差を与えることで、上述のように、前列Ｆおよび後列Ｒの全体として上下方向Ｄ１における伝熱量のバランスをとることができる。そうすることで、冷媒分配の偏りによる熱交換性能の低下を回避できるため、冷媒分布を均一化するためにヘッダ１３，２３内に水平仕切板を設置する必要がない。そのため、部品点数の増大を免れるので、熱交換器１の製造コストを抑えることができる。

本実施形態とは逆に、流路断面積をＡｆ＞Ａｒとなるように定めて、前列ヘッダ１３の流速Ｖｆが後列ヘッダ２３の流速Ｖｒよりも小さくなるようにしても、冷媒分配の偏りによる性能低下を避ける観点からは、本実施形態の同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施形態は、冷媒分配の偏りに起因する性能低下に加えて、着霜による性能低下にも対応する。空調機の室外熱交換器に使用された熱交換器１において、暖房運転時に熱源である外気の温度が低いと、接触する空気との温度差が後列Ｒよりも大きい前列Ｆから着霜が進行する。あるいは、冷蔵・冷凍ショーケース等や冷蔵・冷凍庫等の庫内熱交換器等、熱負荷の冷却に使用される熱交換器１にも着霜が発生する場合があり、その場合も、前列Ｆから着霜が進行する。

着霜による性能低下を避ける観点からは、本実施形態と同様に、前列ヘッダ１３の流速Ｖｆが後列ヘッダ２３の流速Ｖｒよりも大きくなるように、ヘッダ１３，２３の流速Ｖｆ，Ｖｒの関係を特定するのが良い。そして、前列Ｆと後列Ｒとに同じ流量の冷媒が導入される本実施形態においては、流路断面積がＡｆ＜Ａｒに特定される。

着霜が発生し易い前列Ｆの中でも、液相流量割合の大きい上段側は、液相流量割合が大きい冷媒により空気が十分に冷却されるため、着霜し易いのに対して、前列Ｆでも下段側は着霜し難い。つまり、上下方向Ｄ１における液相流量割合の偏り（例えば、図３（ｃ））と同様の着霜の偏りが見られる。

ここで、図３（ｃ）に示すように液相流量割合が大きい前列Ｆの上段側の着霜が進行し、霜により風路が閉塞されることで後列Ｒの上段側の風量が低下したとする。しかし、この時点で、前列Ｆの下段側は着霜があまり進行していないので、少なくとも、前列Ｆの下段側の風下となる後列Ｒの下段側では風量が維持できている。
つまり、着霜により上段側の熱交換能力が後列Ｒを含めて失われた後も、下段側においては、後列Ｒへと空気が送られ、霜の付着していない後列Ｒ下段側の伝熱面により熱交換能力が残されているので、除霜運転に切り替わるまでの時間が延長される。
本実施形態によれば、着霜による伝熱損失も抑えることで、除霜運転による暖房運転等の中断を避けて、暖房運転等を継続することができる。

図６は、前列ヘッダ１３と比べて径の大きい後列ヘッダ２３に挿入される扁平管１１に、前列Ｆの扁平管１１の幅Ｄｆよりも広い幅Ｄｒを与えた例を示している。伝熱面積を向上させるため、後列ヘッダ２３の径と同程度にまで、空気の流れの方向における扁平管１１の幅Ｄｒを大きく確保することが好ましい。後列Ｒの扁平管１１の幅Ｄｒを拡げることで、熱交換器１の設置に必要なスペースは変えずに、熱交換器１の能力を向上させることができる。
なお、後列Ｒの扁平管１１の幅Ｄｒを拡げる代わりに、幅方向に２本の扁平管１１を並べてもよい。

〔第２実施形態〕
次に、図７を参照し、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態では、直列に接続された複数のパスを備えた熱交換器への適用例を示す。
図７（ａ）に示す熱交換器２は、直列に接続されたパスに相当する熱交換要素１０，２０を備えている。この点、第１実施形態の熱交換器１の熱交換要素１０，２０が冷媒回路の配管に対して並列に接続されるのとは相違する。

図７（ａ）では、熱交換要素１０，２０を模式的に示しているが、熱交換要素１０，２０は、第１実施形態（図１）と同様に構成されている。
つまり、前列熱交換要素１０は、図１に示すように、扁平管１１、フィン１２、および前列ヘッダ１３を備えている。後列熱交換要素２０も、扁平管１１、フィン１２、および後列ヘッダ２３を備えている。前列ヘッダ１３の流路断面積Ａｆは、後列ヘッダ２３の流路断面積Ａｒよりも小さいため、前列ヘッダ１３の冷媒流速Ｖｆが、後列ヘッダ２３の冷媒流速Ｖｒよりも大きい。
この流速差に基づいて、第１実施形態と同様、前列Ｆおよび後列Ｒの全体として上下方向Ｄ１の伝熱量のバランスが図られるとともに、着霜時に除霜運転に切り替わるまでの時間を遅らせることができる。

さて、後列熱交換要素２０は、最上流の第１パスＰ１に相当する。前列熱交換要素１０は、第１パスＰ１に続く第２パスＰ２に相当する。ここでは、第２パスＰ２が最下流のパスである。
最上流パスＰ１から冷媒が流入し、最下流のパスＰ２まで流れる間に、冷媒の乾き度が増大する。

図示しない冷媒配管から第１パスＰ１の後列ヘッダ２３Ａ（図１）へと冷媒が導入されると、後列ヘッダ２３Ａから、後列Ｒの各扁平管１１へと冷媒が分配される。それらの扁平管１１をそれぞれ流れた冷媒は、後列ヘッダ２３Ｂ（図１）の内部で合流し、Ｕ字管１７を通って前列Ｆの第２パスＰ２へと流入する。そして、第２パスＰ２の前列ヘッダ１３Ｂ（図１）内から、前列Ｆの各扁平管１１へと冷媒が分配され、それらの扁平管１１をそれぞれ流れた冷媒は、前列ヘッダ１３Ａ（図１）から冷媒配管へと流出する。

ここで、冷媒が空気から吸熱して乾き度が増大すると、液相流量割合の絶対量が減少するため、特に、最下流のパスＰ２のヘッダ内部に臨む上段側の扁平管１１へ液相冷媒を流入させることが難しい。
図７（ｃ）および図７（ｄ）は、いずれも、実験に基づき、冷媒の乾き度が高い場合の液相冷媒分布を示しているが、（ｃ）と（ｄ）ではヘッダの流路断面積が相違する。図７（ｃ）は、ヘッダの流路断面積が典型的な大きさ（例えば、図７のＡｍ）である場合を示し、図７（ｄ）は、ヘッダの流路断面積が典型的な大きさよりも小さい場合を示す。図７（ｃ）、（ｄ）共に、冷媒流量は同一であるため、流路断面積が小さい方が（図７（ｄ））、ヘッダ内の流速が大きい。そのため、図７（ｄ）では、相対的に流速が小さい図７（ｃ）と比べて、より上方の扁平管１１まで液相冷媒が到達する。

それを踏まえて、図７（ａ）に示すように、乾き度が最も高くなる最下流のパスＰ２が前列Ｆに配置されている。流路断面積が小さいため流速が大きい前列ヘッダ１３では、液相冷媒を十分に上方まで持ち上げて、上方に位置する扁平管１１へと流入させることができる。そのため、最下流のパスＰ２の伝熱面も十分に利用して性能に寄与することができる。

〔第２実施形態の変形例〕
図７（ｂ）に示すように、熱交換器２Ａが、直列に接続された３つ以上のパスを備えている場合は、図７（ａ）と同様に最下流の第４パスＰ４を前列Ｆに配置するとともに、最上流の第１パスＰ１も前列Ｆに配置することが好ましい。
第２パスＰ２および第３パスＰ３は、後列Ｒに配置される。

熱交換器２Ａは、４つのパスＰ１〜Ｐ４を備えている。上流側の第１パスＰ１および第２パスＰ２は熱交換器２Ａにおける下部に位置し、下流側の第３パスＰ３および第４パスＰ４は熱交換器２Ａにおける上部に位置している。
熱交換器２Ａにおける直列回路の上流側では、乾き度が増大した下流側と比べて液相が多いため、同一流路断面積での圧力損失が下流側よりも小さい。そのため、下流側のパスＰ３，Ｐ４と比べて上流側のパスＰ１，Ｐ２の流路断面積を圧力損失が過大にならない程度に抑え（段数（扁平管１１の数）を減らし）、それによって熱交換器２Ａの高さを抑えている。

図７（ｂ）でも、熱交換要素１０，２０を模式的に示しているが、熱交換要素１０，２０は、第１実施形態（図１）と同様に構成されている。
前列ヘッダ１３と後列ヘッダ２３との流速差に基づいて、第１実施形態と同様、前列Ｆおよび後列Ｒの全体として伝熱量のバランスが図られるとともに、着霜時に除霜運転に切り替わるまでの時間を遅らせることができる。

図７（ｂ）に示す構成において、第１パスＰ１のヘッダ１３Ａ（図１）へと冷媒が導入されると、前列ヘッダ１３Ａから、前列Ｆの各扁平管１１へと冷媒が分配され、それらの扁平管１１をそれぞれ流れた冷媒は、前列ヘッダ１３Ｂ（図１）の内部で合流し、Ｕ字管１８１を通って後列Ｒの第２パスＰ２へと流入する。そして、第２パスＰ２の後列ヘッダ２３Ｂ内から、各扁平管１１へと冷媒が分配され、それらの扁平管１１をそれぞれ流れた冷媒は、後列ヘッダ２３ＡからＵ字管１８２を通って上段側の第３パスＰ３の後列ヘッダ２３Ａへと流入する。さらに、第３パスＰ３の扁平管１１を流れ、Ｕ字管１８３を通って第４パスＰ４の前列ヘッダ１３Ｂへと流入する。そして、第４パスＰ４の扁平管１１を流れて冷媒配管へと流出する。

図７（ｂ）に示す構成によれば、図７（ａ）に示す第２実施形態と同様に、乾き度が最も高くなる最下流のパスＰ４が前列Ｆに配置されていることで、最下流のパスＰ４の伝熱面も十分に利用して性能に寄与することができる。
それに加えて、ヘッダ１３に流入する冷媒の乾き度が最も低いため冷媒圧損が相対的に小さい最上流のパスＰ１のヘッダ１３、特にパスＰ１の入口のヘッダ１３Ａの流路断面積が小さいことで、冷媒圧損に起因する蒸発温度の上昇を抑制することができる。蒸発温度の上昇を抑制することで、蒸発性能の低下を避けることができる。

〔第３実施形態〕
次に、図８を参照し、本発明の第３実施形態について説明する。
図８（ａ）に示す第３実施形態の熱交換器３は、第１実施形態の熱交換器１（図２）と同様に、前列熱交換要素１０と、後列熱交換要素２０とを備えている。
前列ヘッダ１３の流速Ｖｆが後列ヘッダ２３の流速Ｖｒよりも大きくなるように、第１実施形態では、前列ヘッダ１３に、後列ヘッダ２３の流路断面積Ａｒよりも小さい流路断面積Ａｆを与えているのに対し、第３実施形態では、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３にそれぞれ導入される冷媒の流量を調整可能な分配器１５（流量調整部）を使用する。

キャピラリチューブ等を含んで構成された分配器１５は、前列ヘッダ１３に流入する冷媒の流量Ｒｆが、後列ヘッダ２３に流入する冷媒の流量Ｒｒよりも多くなるように、図示しない冷媒配管から流入した冷媒を所定の流量比で分流させる。
そうすると、前列ヘッダ１３には、流量Ｒｆおよび流路断面積Ａｍに対応する流速Ｖｆが与えられ、後列ヘッダ２３には、流量Ｒｒおよび流路断面積Ａｍに対応する流速Ｖｒが与えられる。
本実施形態において、前列ヘッダ１３の流路断面積Ａｍと後列ヘッダ２３の流路断面積Ａｍは同等であるため、Ｒｆ／Ｒｒ＝Ｖｆ／Ｖｒである。

本実施形態によれば、分配器１５を備えていることにより、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３の流路断面積が同等であるとしても、前列ヘッダ１３および後列ヘッダ２３に冷媒の流速差を与え、流速の違いによる液相流量割合の上下方向Ｄ１における分布に基づいて、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、径が等しい同一のヘッダを使用することで、熱交換器３の製造時において、前列熱交換要素１０および後列熱交換要素２０の組み間違えを未然に防ぐことができる。

分配器１５に代えて、図８（ｂ）に示すように絞り１６（流量調整部）を用いることもできる。図示しない冷媒配管から等しい流量で分流した管路のうち、後列ヘッダ２３に導入される一方に、絞り１６が設けられている。後列ヘッダ２３に導入される冷媒に対して絞り１６により圧力損失が与えられることにより、後列ヘッダ２３へ導入される冷媒の流量Ｒｒは、前列ヘッダ１３へ導入される冷媒の流量Ｒｆよりも小さい。

〔第４実施形態〕
次に、図９を参照し、本発明の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の熱交換器４は、前列Ｆにおいて上下方向Ｄ１に積層された２つの熱交換要素１０と、後列Ｒにおいて上下方向Ｄ１に積層された２つの熱交換要素２０とを備えている。
この熱交換器４においては、図９に示すように、前列熱交換要素１０と、後列熱交換要素２０とが上下方向Ｄ１にシフトして配置されている、前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とは同等の高さに構成されている。
また、前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とは冷媒回路の配管に並列または直列に接続されており、前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とに同じ流量の冷媒が流れる。

図９（ａ）および（ｂ）は、いずれも同様に構成された熱交換器４を示している。
熱交換器４は、第１実施形態と同様に構成された前列熱交換要素１０および後列熱交換要素２０を備えている。但し、第１実施形態とは異なり、前列ヘッダ１３と後列ヘッダ２３とのそれぞれの流路断面積は、同等である。

前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とが上下方向Ｄ１においてシフトしていることで、前列ヘッダ１３へ通じる導入部１３１の位置と、後列ヘッダ２３へ通じる導入部２３１の位置とが、上下方向Ｄ１において異なっている。

冷媒の流量が少ない場合や、乾き度が高い場合は、図９（ａ）に液相冷媒の分布のイメージを上下方向Ｄ１に沿ったグレー色の矢印で示すように、ヘッダ１３，２３内にそれぞれ流入した液相冷媒の流速がいずれも遅い。そのため、液相冷媒がヘッダ１３，２３の下部すなわち下段側の扁平管１１に流入し易い。
一方、冷媒の流量が多い場合や、乾き度が低い場合は、図９（ｂ）に液相冷媒の分布のイメージを上下方向Ｄ１に沿ったグレー色の矢印で示すように、液相冷媒の流速がいずれも速い。そのため、液相冷媒がヘッダ１３，２３の上部すなわち上段側の扁平管１１に流入し易い。

そうすると、図４を参照して説明したように、前列Ｆおよび後列Ｒの全体として上下方向Ｄ１の伝熱量のバランスが図られるとともに、着霜時に除霜運転に切り替わるまでの時間を遅らせることができる。
また、径が等しい同一のヘッダを使用することで、熱交換器４の製造時において、前列熱交換要素１０および後列熱交換要素２０の組み間違えを未然に防ぐことができる。

第４実施形態において、前列ヘッダ１３や後列ヘッダ２３の内部が複数の区画に仕切られていて、各区画に冷媒を導入する導入部が用意されていてもよい。その場合も、前列熱交換要素１０と後列熱交換要素２０とを上下方向Ｄ１にシフトさせることで、前列Ｆの導入部と後列Ｒの導入部との高さ位置を異ならせることができるので、同様の作用効果を得ることができる。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、本発明の熱交換器が、前列Ｆおよび後列Ｒに加え、前列Ｆと後列Ｒとの間に位置する中間の１以上の列を備えていてもよい。

上記各実施形態において、熱交換要素１０，２０はそれぞれ、上下方向Ｄ１に積層された複数の扁平管１１からなる一列の扁平管要素を備えている。これに限らず、本発明の熱交換要素が、二列、すなわち空気の流れ方向に並ぶ２つの扁平管要素を備えており、それらの扁平管要素が同じヘッダに接続されるように構成されていてもよい。

１〜４ 熱交換器
１０ 前列熱交換要素
１１ 扁平管
１２ フィン
１３，１３Ａ，１３Ｂ 前列ヘッダ
１４ 垂直仕切板（仕切部）
１４Ａ 開口
１５ 分配器（流量調整部）
１６ 絞り（流量調整部）
１７ Ｕ字管
２０ 後列熱交換要素
２３，２３Ａ，２３Ｂ 後列ヘッダ
２４ 垂直仕切板（仕切部）
２４Ａ 開口
１２１ 切欠
１３１ 導入部
１４１ 区画
１４２ 区画
１８１，１８２，１８３ Ｕ字管
２３１ 導入部
２４１ 区画
２４２ 区画
Ａｆ，Ａｒ，Ａｍ 流路断面積
Ｄ１ 上下方向
Ｄｆ，Ｄｒ 幅
Ｆ 前列
Ｇ１ 寸法
Ｇ２ 寸法
Ｐ１〜Ｐ４ パス
Ｒ 後列
Ｒｆ，Ｒｒ 流量
Ｖｆ，Ｖｒ 流速

Claims (8)

1. 積層される複数の扁平管と、前記扁平管に設けられるフィンと、前記扁平管が積層される積層方向に起立し、前記扁平管に接続されるヘッダと、を備えた熱交換器であって、
   前記ヘッダを通じて前記扁平管に流入する冷媒と、空気とを熱交換させ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、
   前記扁平管、前記フィン、および前記ヘッダからなる熱交換要素が、前記空気の流れの上流側に位置する前列と、前記空気の流れの下流側に位置する後列と、を含んで配列され、
   前記前列の前記ヘッダである前列ヘッダを流れる前記冷媒の流速が、前記後列の前記ヘッダである後列ヘッダを流れる前記冷媒の流速よりも大きくなるように、
   前記前列ヘッダ内の流路断面積が前記後列ヘッダ内の流路断面積よりも小さい、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記積層方向に延びて前記前列ヘッダおよび前記後列ヘッダの少なくともいずれかの内部を仕切る仕切部を備え、
   前記仕切部により前記流路断面積が設定されている、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記後列の前記扁平管の前記空気の流れ方向における幅は、
   前記前列の前記扁平管の前記空気の流れ方向における幅よりも広い、
   請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 直列に接続された２以上の前記熱交換要素を備え、
   最下流の前記熱交換要素は、前記前列に位置する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 直列に接続された３つ以上の前記熱交換要素を備え、
   最上流の前記熱交換要素は、前記前列に位置する、
   請求項４に記載の熱交換器。
6. 積層される複数の扁平管と、前記扁平管に設けられるフィンと、前記扁平管が積層される積層方向に起立し、前記扁平管に接続されるヘッダと、を備えた熱交換器であって、
   前記ヘッダを通じて前記扁平管に流入する冷媒と、空気とを熱交換させ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、
   前記扁平管、前記フィン、および前記ヘッダからなる熱交換要素が、前記空気の流れの上流側に位置する前列と、前記空気の流れの下流側に位置する後列と、を含んで配列され、
   前記前列の前記ヘッダである前列ヘッダを流れる前記冷媒の流速が、前記後列の前記ヘッダである後列ヘッダを流れる前記冷媒の流速よりも大きくなるように、
   前記前列ヘッダおよび前記後列ヘッダの少なくとも一方に導入される前記冷媒の流量を調整する流量調整部を備える、
   ことを特徴とする熱交換器。
7. 積層される複数の扁平管と、前記扁平管に設けられるフィンと、前記扁平管が積層される積層方向に起立し、前記扁平管に接続されるヘッダと、を備えた熱交換器であって、
   前記ヘッダを通じて前記扁平管に流入する冷媒と、空気とを熱交換させ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、
   前記扁平管、前記フィン、および前記ヘッダからなる熱交換要素が、前記空気の流れの上流側に位置する前列と、前記空気の流れの下流側に位置する後列と、を含んで配列され、
   前記前列の前記ヘッダに内在する区画に前記冷媒を導入する導入部の位置と、前記後列の前記ヘッダに内在する区画に前記冷媒を導入する導入部の位置とが、前記積層方向において異なるように、
   前記前列の前記熱交換要素と、前記後列の前記熱交換要素とが前記積層方向にシフトして配置され、
   前記導入部から前記冷媒が導入される前記区画には、少なくとも２つの前記扁平管が配置されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
8. 前記前列において前記積層方向に積層された２つの前記熱交換要素と、
   前記後列において前記積層方向に積層された２つの前記熱交換要素と、を備える、
   請求項７に記載の熱交換器。

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