JP5097472B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍あるいは冷却装置などに用いられる熱交換器に関するものである。

熱交換器において、熱交換効率を高くするためには、ヘッダに供給された熱交換媒体（冷媒）を熱交換用の複数のチューブに均等に分配することが重要である。熱交換器では、流入してくる熱交換媒体が気相および液相を含む二相の状態であることは多い。この場合、ヘッダの内部において、比重が大きく、重力の影響を受け易い液体成分と、比重が小さく、重力の影響を受け難い気体成分とが分離したり、それらの成分の混合比率が大きく変化することにより、熱交換用の複数のチューブへの冷媒分配が不均等（不均一）となり易い。このような熱交換媒体の分配の不均一は、ヘッダが鉛直方向となるような姿勢で熱交換器を使用する場合に顕著である。このため、熱交換媒体のチューブに対する分配をより均一にすることができる熱交換器が求められている。

熱交換媒体の分配の不均一を改善するため、熱交換器としては、特許文献１の従来技術として紹介されているような複数の分配管をそれぞれ異なる形状に３次元的に曲げてなるディストリビュータを備えたものが知られている。また、特許文献１には、複数の分配管を、液体冷媒が溜まる入口ヘッダの一部分に集中して配置した熱交換器が開示されている。

さらに、特許文献２には、入口ヘッダと、出口ヘッダと、両ヘッダの間に延設された複数のチューブと、各隣接するチューブの間に介設された蛇行フィンとを備えた蒸発器が開示されている。この蒸発器では、入口ヘッダへの入口に、複数の冷媒噴射器が設けられている。複数の冷媒噴射器は、それぞれ、噴射オリフィスを有している。
特開２００４−３１７０５６号公報 特開２０００−２４９４２８号公報

ディストリビュータを備えた熱交換器では、複数の分配管を、それぞれ異なる形状であって、しかも、３次元的に複雑な形状に曲げる必要がある。このため、パーツの数が多く、その製造コストも高くなり易い。さらに、３次元的に曲がった形状の分配管を配置するためにはスペースが必要となるため、ヘッダおよび熱交換器が大型化し易い。

さらに、特許文献１に記載の熱交換器は、偏平分配管を用いた冷媒分配手段を備えたものであり、ヘッダの一部分、特に、液状冷媒が溜まり易いヘッダ下部分に偏平分配管を集中させて、液状冷媒を熱交換部に流入させるようにしている。このような構造の場合、複数の偏平分配管の入口の冷媒状態は均一に近づくが、チューブの長さの差によるチューブの圧力損失の差が生じるので、複数のチューブへの冷媒分配が必ずしも均一になるとは言えない。さらに、曲げ部を持った複数の偏平分配管を配置する構造となるため、シンプルな構成の熱交換器を提供することは難しい。

特許文献２に記載の蒸発器のように、ヘッダへの入口に噴射オリフィスを設けても、ヘッダ内の全体に均一に冷媒を分布するように噴射させることは困難であり、さらに、噴射量および分布は流量の影響を受け易い。典型的には、ヘッダを水平方向に配置したときの効果が認められるとしても、ヘッダを垂直あるいは鉛直方向に配置したときに冷媒の分布がヘッダ内部で変わりやすいことを根本的に解決できるものではない。

本発明の一態様は、複数のチューブと、複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する、熱交換器である。この熱交換器において、入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、往路の上部および復路の上部を繋ぐ上連通路と、往路の下部および復路の下部を繋ぐ下連通路とを含み、複数のチューブは、復路に接続されている。複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、上連通路の下端部よりも下側に位置している。入口ヘッダは、さらに、往路の下部から、この入口ヘッダに流入する熱交換媒体を往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む。

この熱交換器によれば、熱交換媒体は、吐出機構により往路の上側に吹き出され、上連通路を通り、復路を流れながら、復路に接続されている複数のチューブに分配される。複数のチューブに分配されなかった熱交換媒体は、下連通路を通り、往路に戻る。この熱交換器によれば、入口ヘッダの内部において、熱交換媒体が循環しながら、復路において、復路に接続されている複数のチューブに分配される。

この熱交換器によれば、入口ヘッダに流入する熱交換媒体が、往路および復路と吐出機構とにより、入口ヘッダの内部において熱交換媒体が強制的に循環する。このため、入口ヘッダの内部の熱交換媒体の状態を、より均一または均一に近い状態にできる。

さらに、この熱交換器によれば、吐出機構により、熱交換媒体を循環させ、さらに、入口ヘッダに流入する熱交換媒体を、上下に延びる往路の下部から上側に吹き出し、上下に延びる復路においてチューブに分配することにより、重力を利用して、熱交換媒体が複数のチューブに対して、より均一に分配されるようにしている。したがって、本発明の熱交換器は、典型的には、ヘッダを鉛直あるいは垂直方向に配置した熱交換器に適している。

すなわち、下側から上側に延びる往路を介し、上側から下側に延びる復路に熱交換媒体が供給される熱交換器においては、吐出機構により往路に上側に吹き出され、上連通路を通って、復路に至った熱交換媒体、典型的には液相の熱交換媒体が、自重（重力）により落下しながら復路の下部に達する。したがって、復路内の状態は安定し、復路に接続された複数のチューブに、ほぼ均等に熱交換媒体が分配される。

また、ヘッダ内部で相分離した液相の熱交換媒体は、重力により下方に溜まることがある。往路と復路とを下連通路で連絡し、下側から上側に延びる往路において下側から熱交換媒体を上側に吹き出すことにより、下方に溜まった液相の熱交換媒体を吹き上げて再循環させることができる。したがって、復路の下側に繋がった下連通路において液相の熱交換媒体が溜まっても、復路に接続された複数のチューブに、ほぼ均等に熱交換媒体が分配される。

上連通路の下端部よりも上側（上連通路）においては、往路から復路に至るときの熱交換媒体の動圧（運動エネルギー）が、複数のチューブに熱交換媒体を均等に分配するために障害となる可能性がある。したがって、複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面を、上連通路の下端部よりも下側にすることにより、復路に接続された複数のチューブに対し熱交換媒体が流入する条件がさらに一定になり、復路に至った熱交換媒体を、いっそう均等に、複数のチューブに分配することができる。

この熱交換器では、複数のチューブのうちの最も下側にあるチューブの下側内面は、下連通路の上端部よりも上側に位置していることが好ましい。下連通路（下連通路の上端部よりも下側）に熱交換媒体の一部が溜まる状態になったとしても、最も下側にあるチューブをその領域（熱交換媒体が溜まる可能性がある領域）よりも上側にすることにより、復路に接続された複数のチューブに対し熱交換媒体が流入する条件がさらに一定になり、復路に至った熱交換媒体を、いっそう均等に、複数のチューブに分配できる。

この熱交換器では、吐出機構の吐出端は、下連通路の上端部よりも下側に位置していてもよく、また、吐出機構の吐出端は、下連通路の上端部よりも上側に位置していてもよい。吐出機構の吐出端を、下連通路の上端部よりも上側に位置させることにより、往路に対して交差する方向から入口ヘッダに熱交換媒体を流入させることができる。この場合、入口ヘッダは、さらに、往路に対して交差する方向からこの入口ヘッダに熱交換媒体を流入させるための流入口を含むことが好ましい。

この熱交換器において、吐出機構の一例は、オリフィスを含むものである。また、吐出機構の他の例は、すでに入口ヘッダに流入された熱交換媒体の少なくとも一部を混合して吹き出すエジェクタ（エジェクタノズルを有するエジェクタ）を含むものである。

入口ヘッダは、その少なくとも一部を、２重管または多孔管（多重管、多流路管）により構成することができる。すなわち、入口ヘッダの一態様は、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、往路および復路を隔てる隔壁とを含む。この場合、隔壁の上端部は、上連通路の下端部に相当し、隔壁の下端部は、下連通路の上端部に相当する。

したがって、本発明の他の態様は、複数のチューブと、複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する熱交換器であって、この熱交換器においては、入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、往路および復路を隔てる隔壁と、往路の上部および復路の上部を繋ぐ上連通路と、往路の下部および復路の下部を繋ぐ下連通路とを含む。複数のチューブは、復路に接続されている。複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、隔壁の上端部よりも下側に位置している。入口ヘッダは、さらに、往路の下部から、この入口ヘッダに流入する熱交換媒体を往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む。

この熱交換器において、複数のチューブのうちの最も下側にあるチューブの下側内面は、隔壁の下端部よりも上側に位置していることが好ましい。

本発明のさらに他の態様は、上述した熱交換器と、この熱交換器に熱交換媒体を供給する装置（媒体供給システム）とを有する、システム（熱交換システム）である。そのようなシステム（熱交換システム）は、冷却サイクルまたは冷凍サイクル、およびそのようなサイクルを含む冷凍装置、冷却装置、空調装置、収納庫、ショーケースなどを含む。冷却サイクルまたは冷凍サイクルとして好適なシステムは、熱交換媒体との熱交換により外部流体を冷却する蒸発器と、蒸発器から回収された熱交換媒体を加圧する加圧装置と、加圧装置により加圧された熱交換媒体を冷却する凝縮器とを有するシステムである。

したがって、本発明のさらに他の態様は、熱交換媒体との熱交換により外部流体を冷却する蒸発器と、蒸発器から回収された熱交換媒体を加圧する加圧装置と、加圧装置により加圧された熱交換媒体を冷却する凝縮器とを有するシステムである。このシステムにおいて、蒸発器および／または凝縮器は、上述した熱交換器である。

図１に、熱交換器を含むシステム５０を示している。このシステム（熱交換システム）５０の一例は、空気調和装置、冷凍装置である。また、このシステム５０は、冷却サイクルあるいは冷凍サイクルと呼ばれる熱交換サイクルを有するその他のシステムであっても良い。なお、図１は、システム５０を模式的に示すものであり、エバポレータ１００（熱交換器３００ａ）のチューブ４の数などは例示である。

システム（熱交換システム）５０が、空調システムであるとすると、このシステム５０は、液状（液体）の熱交換媒体（以下、冷媒という）Ｒと、外部流体（たとえば、室外の空気）Ｆとの間で、熱交換を行う。システム５０は、冷媒Ｒとの熱交換により、外部流体（たとえば、室内の空気）Ｇを冷却するエバポレータ（蒸発器）１００と、圧縮された気体状（気相）の冷媒Ｒと外部流体Ｆとの熱交換を行い、冷媒Ｒを液状（液相）にするコンデンサ（凝縮器）２００を有している。

また、このシステム５０は、冷媒Ｒを巡回させて、熱交換器３００ａであるエバポレータ１００に冷媒Ｒを供給する装置（媒体供給システム）５５を有している。エバポレータ１００に冷媒Ｒを供給する媒体供給システム５５には、コンデンサ２００が含まれる。このシステム５０は、媒体供給システム５５として、コンデンサ２００に加え、冷媒Ｒを加圧するコンプレッサ５１と、冷媒Ｒを一時的に蓄えるアキュムレータ５２と、エバポレータ１００に供給する冷媒Ｒを膨張させる膨張弁５３とを有している。このシステム５０では、エバポレータ１００に流入した冷媒Ｒが、このエバポレータ１００の流出口（冷媒出口）６から流出され、アキュムレータ５２、コンプレッサ５１、コンデンサ２００、膨張弁５３を通って、エバポレータ１００の流入口（冷媒入口）５から、再びこのエバポレータ１００内に流入するように循環する。

エバポレータ１００の典型的なものは、流入口（冷媒入口）５を含む入口ヘッダ１と、流出口（冷媒出口）６を含む出口ヘッダ２と、熱交換部９とを有している。入口ヘッダ１および出口ヘッダ２は、それぞれ上下方向に延びており、互いに平行となるように配置されている。熱交換部９は、冷媒Ｒと空気Ｇなどとの間で熱交換を行い、空気Ｇなどを冷却するためのものである。熱交換部９は、入口ヘッダ１と出口ヘッダ２とを連通させるように水平方向に互いに平行に配置された複数のチューブ４と、これらチューブ４と直交するように上下方向に延びた複数のフィン３とを備えている。エバポレータ１００は、複数のチューブ４がＵ字またはＳ字のように配置されたものであっても良く、図１に示したものに限られない。

図２に、本発明の第１の実施形態にかかる熱交換器３００ａの入口ヘッダ１およびチューブ４の部分の概略を縦方向の断面により示している。図３に、図２中のIII-III線に沿って切断した断面図を示している。図４に、図２の熱交換器３００ａの入口ヘッダの構造を展開して示している。この熱交換器３００ａは、上記システム５０のエバポレータ１００として用いることができ、エバポレータとして用いられた場合を例に以下では説明する。なお、この熱交換器３００ａは、上記システム５０のコンデンサ２００として用いてもよい。

図２および図４に示すように、本例では、チューブ４として、断面が扁平な扁平管を、１８本用いている。なお、チューブ４の数は、任意である。チューブ４は、断面が円形のものであってもよい。また、チューブ４は、その内部が複数に分割された多孔管（多重管）であっても良い。フィン３の典型的なものは、互いに平行に配置され、チューブ４が貫通するように取り付けられた複数のプレート状のフィンである。フィン３は、チューブ４の間を蛇行しながら接続するコルゲートタイプのフィン、チューブ４から突き出たフィン状あるいはピン状のフィンなどであっても良い。

入口ヘッダ１は、熱交換部９の複数のチューブ４に冷媒Ｒを分配（分流）するための分配器としての機能を備えている。出口ヘッダ２は、それぞれのチューブ４から冷媒Ｒを回収する機能を備えている。各チューブ４は、それぞれ、その一端が入口ヘッダ１と接続され、その他端が出口ヘッダ２と接続されている。複数のチューブ４として、扁平管を採用することにより、チューブ自体による熱交換面積を大きくすることができる。また、フィン３を設けることにより、空気Ｇなどとの熱交換面積（接触面積）をさらに高めて熱交換効率を向上できる。着氷、着霜などの影響を避けるために、フィン３を省略したり、フィン３の占める面積を減らすことも可能である。

入口ヘッダ１は、この入口ヘッダ１に流入された冷媒Ｒの少なくとも一部を循環させることが可能な循環経路（循環管路）１０を備えている。循環経路１０は、下側から上側に延びる往路３１と、上側から下側に延びる復路３２とを含み、往路３１の上部３１ａおよび復路３２の上部３２ａは上連通路３３により繋がれており、往路３１の下部３１ｂおよび復路３２の下部３２ｂは下連通路３４により繋がれている。

具体的には、入口ヘッダ１は、内管４１と外管４２を備えた２重管４３により構成されている。外管４２は、押し出しと切削とにより形成された、断面が半円状の２つの部材４４ａおよび４４ｂにより構成されている。外側の部材４４ａには、断面が半円状の部材４４ｃが取り付けられ、内管４１を構成している。外側の部材（チューブ４が接続されていない部材）４４ａと内部部材４４ｃとの間（内管４１の内部）が往路３１となり、内部部材４４ｃと内側の部材（チューブ４が接続された部材）４４ｂとの間が復路３２となる。内部部材４４ｃは、往路３１および復路３２を隔てる隔壁３５として機能する。本例では、往路３１の断面積、復路３２の断面積、上連通路３３の断面積、および下連通路３４の断面積が、ほぼ等しくなるように、入口ヘッダ１は形成されている。

復路３２を構成する内側の部材４４ｂには、複数の扁平チューブ４がほぼ等間隔に接続されている。これら扁平チューブ４は、出口ヘッダ２に繋がっている。２重管４３の上部および下部（外管４２を構成する２つの部材４４ａおよび４４ｂの両端部）には、上側キャップ４５および下側キャップ４６が設けられている。上側キャップ４５および下側キャップ４６と、隔壁となる内部部材４４ｃの上端および下端との間が、それぞれ上連通路３３および下連通路３４となり、内管４１と外管４２とを繋いでいる。すなわち、往路３１である内管４１と、復路３２である外管４２とは、入口ヘッダ１の上部の上連通路３３および下部の下連通路３４において連通している。

入口ヘッダ１は、さらに、往路３１の下部３１ｂから、この入口ヘッダ１に流入する冷媒Ｒを、この往路３１に、上側に吹き出すための吐出機構１１を備えている。本例の吐出機構１１は、オリフィス（ノズル、絞り部）１２を含む。オリフィス１２の近傍に、下連通路３４に繋がった経路の端が見えており、オリフィス１２から入口ヘッダ１に流入する冷媒Ｒを吹き出すことにより、すでに入口ヘッダ１に流入している冷媒Ｒの少なくとも一部を吸引し、入口ヘッダ１に流入する冷媒Ｒと、すでに入口ヘッダ１に流入している冷媒Ｒの少なくとも一部とを混合して、往路３１に上側に吹き出す。

具体的には、内管４１の下端部、すなわち、往路３１の下部に、冷媒Ｒの流入口５と吐出機構１１とを含む吐出ノズル（吐出ノズル部材、冷媒Ｒを吐出することにより復路３２から冷媒Ｒを吸引するためのノズル部材）１３が設けられている。吐出ノズル部材１３は、例えば、鍛造により形成されている。吐出ノズル部材１３は、往路３１に対して交差、例えば、直交する方向に延び、冷媒Ｒの流入管５９(図１参照)を接続するための管接続部分１３ａと、この管接続部分１３ａの前方に設けられた吐出部分１３ｂとを有している。吐出部分１３ｂは、管接続部分１３ａの前方下部から、上方向に延びるように設けられている。吐出部分１３ｂの上部がオリフィス１２となり、オリフィス１２の上面が吐出端１５となっている。

吐出ノズル部材１３の管接続部分１３ａは、往路３１に対して交差、例えば、直交する方向から、入口ヘッダ１に冷媒Ｒを流入させるための流入口５となる。また、吐出部分１３ｂの外面と内管４１（内部部材４４ｃ）との間の隙間１４は、下連通路３４に繋がり、すでに入口ヘッダ１に流入している冷媒Ｒの少なくとも一部、すなわち、復路３２を流通した冷媒Ｒの少なくとも一部を吸引して、この冷媒Ｒ（すでに入口ヘッダ１に流入している冷媒Ｒの少なくとも一部）と、入口ヘッダ１に流入する冷媒Ｒとを混合させるための吸引部となる。

この吐出ノズル部材１３は、オリフィスにより差圧を発生させて、ヘッダ１に流入する冷媒Ｒを往路３１の内部に上側に吹き出す吐出機構１１を含む。すなわち、吐出機構１１は差圧発生機構１３として機能している。さらに、往路３１の下部３１ｂから、上側に向かって吹き出された冷媒Ｒの吸引力により、復路３２から既存の（流入済の）冷媒Ｒを、吸引部１４を介して、往路３１に吸引し、ヘッダ１に流入する冷媒Ｒとともに、往路３１の内部に上側に吹き出す。

熱交換器の入口ヘッダの下側に冷媒を流入するための配管を接続する場合、入口ヘッダの下方に冷媒配管をアレンジするスペースが必要となり、熱交換器の他の部分の下側がデッドスペースとなりやすい。この熱交換器３００ａでは、入口ヘッダ１に冷媒Ｒを側方から流入させるため、冷媒配管を入口ヘッダ１の側方にアレンジできる。このため、入口ヘッダ１の下側を含めた熱交換器の下側がデッドスペースとなりにくい。このため、この熱交換器３００ａを用いることにより、システム５０をコンパクトにアレンジできる。

図５は、図２中の円Vで囲まれた領域を拡大して示している。図６は、図２中の円VIで囲まれた領域を拡大して示している。

この熱交換器３００ａにおいて、ヘッダ１に接続された複数のチューブ４のうちの最も上側にあるチューブ４ａの上側内面４ｓは、上連通路３３の下端部３３ａ（隔壁３５の上端部３５ａ）よりも、距離ｄ１だけ、下側に位置（シフト）している。また、この熱交換器３００ａにおいて、複数のチューブ４のうちの最も下側にあるチューブ４ｂの下側内面４ｔは、下連通路３４の上端部３４ａ（隔壁３５の下端部３５ｂ）よりも、距離ｄ２だけ、上側に位置（シフト）している。さらに、吐出機構１１の吐出端１５、すなわち、オリフィス１２の吐出端は、下連通路３４の上端部３４ａよりも、距離ｄ３だけ、上側に位置している。本例では、オリフィス１２の吐出端１５は、複数のチューブ４のうちの最も下側にあるチューブ４ｂの下側内面４ｔよりも上側に位置している（ｄ２＜ｄ３）。

この熱交換器３００ａは、以下のように機能（作用）する。熱交換システム５０の蒸発器として適用された熱交換器３００ａにおいては、コンプレッサ５１、膨張弁５３などの作用により、液相、または、気体と液体が混在する２相状態の冷媒Ｒが流入口５から入口ヘッダ１に流入する（供給される）。入口ヘッダ１において、流入する冷媒Ｒは、吐出機構１１のオリフィス１２により、往路３１の下部３１ｂから上側に吹き出される。冷媒Ｒがオリフィス１２を介して入口ヘッダ１の内部に流入することにより、オリフィス１２の前後で差圧が発生し、流入する冷媒Ｒは、勢いよく往路３１に吹き出される。また、オリフィス１２により往路３１の内部は減圧されるので、吹き出された冷媒Ｒは、液相と気相とを含む２相流となる。

吐出機構１１により往路３１に上側に吹き出された冷媒Ｒは、往路３１および上連通路３３を通り、復路３２に接続されている複数のチューブ４に分配される。さらに、複数のチューブ４に分配されなかった冷媒Ｒは、往路３１に上側に向かって吹き出された冷媒Ｒによって発生する吸引力により、下連通路３４および吸引部１４を介して、往路３１に吸引され、吹き出された冷媒Ｒと混合される。このため、ヘッダ１に流入する冷媒Ｒとともに、往路３１の内部に上側に吹き出される。

この熱交換器３００ａによれば、往路３１および復路３２を含む循環経路１０、および吐出機構１１を備えており、入口ヘッダ１に流入する冷媒Ｒを、上下に延びる往路３１の下部から上側に吹き出し、上下に延びる復路３２において複数のチューブ４に分配することにより、従来であれば、気相および液相が分離される要因となる重力を逆に利用して、冷媒Ｒが複数のチューブ４に対して、より均一に分配されるようにしている。

まず、下側から上側に延びる往路において冷媒Ｒを分配する場合を仮定すると、重力に逆らって冷媒Ｒ、特に液状の冷媒Ｒを往路の終端（上部）まで到達させるために、吐出機構は十分な速度で冷媒Ｒを吹き出す必要がある。したがって、往路においては、冷媒Ｒが高速で吹き出されることによる動圧（運動エネルギー、圧力変動）、重力、さらに、出口ヘッダが負圧であればチューブを介して吸引力が働き、往路の状態は複雑になり、往路の内圧は大きく変動しやすい。

これに対し、本例では、往路３１の上部３１ａと下部３１ｂとを接続する復路３２を設けて循環経路１０を構成し、復路３２において冷媒Ｒを分配している。この場合、往路３１の上部３１ａに達した冷媒Ｒは復路３２に流れ込む。したがって、往路で分配するときのように、往路の上部において冷媒Ｒが滞流したり、往路において、冷媒Ｒが重力により逆流したりすることはない。

さらに、上部３２ａから下部３２ｂに延びる復路３２においては、上連通路３３を通って、復路３２に至った冷媒Ｒ、典型的には液相の冷媒Ｒは、自重（重力）により落下しながら復路３２の終端（下部）３２ｂに達する。このため、冷媒Ｒが高速で吹き出されたことに起因する動圧の影響は少ない。したがって、復路３２において冷媒Ｒを分配する状態は、往路において冷媒Ｒを分配すると仮定した状態に比較すると安定しており、復路３２に接続された複数のチューブ４に、均等に冷媒Ｒが分配され易くなる。

また、ヘッダ１の内部で気相と分離した液相の冷媒Ｒは、上下に延びる復路３２において自重（重力）により下方に溜まる可能性がある。往路３１と復路３２とを下連通路３４により連絡し、下から上に延びる往路３１において下側３１ｂから冷媒Ｒを上に吹き出すことにより、復路３２の下側３２ｂ（下連通路３４）に溜まった液相の冷媒Ｒを吹き上げて再循環できる。したがって、復路３２において液相の冷媒Ｒが下側３２ｂに溜まることを抑制できるため、この点でも、復路３２に接続された複数のチューブ４に、ほぼ均等に冷媒Ｒが分配され易いといえる。

このように、この熱交換器３００ａによれば、入口ヘッダ１の内部を冷媒Ｒの少なくとも一部が強制的に循環されるため、軸長の長く、縦（鉛直方向または垂直方向）に延びたパイプ状の入口ヘッダ１であっても、その内部においてスタティックな状態でヘッド差（重力）により液相と気相とが分離するような状態の発生を未然に防止できる。

この循環系において、復路３２の上連通路３３（上連通路３３の下端部３３ａよりも上側）においては、上連通路３３の下端部３３ａよりも上連通路３３の方向に、往路３１側から復路３２側に動圧（運動エネルギー）が働く。このため、複数のチューブ４のうちの最も上側にあるチューブ４ａの上側内面４ｓが、上連通路３３の下端部３３ａよりも上側に位置していると、そのような位置にあるチューブに、より多くの冷媒Ｒが流入する。

この熱交換器３００ａでは、複数のチューブ４のうちの最も上側にあるチューブ４ａを、その上側内面４ｓが、上連通路３３の下端部３３ａ（隔壁３５の上端部３５ａ）よりも下側となるように、復路３２に接続している。このため、最も上側にあるチューブ４ａを含む全てのチューブ４は、動圧（運動エネルギー）の影響を受け難く、チューブ４ａを含む全てのチューブ４に、ほぼ均等に、冷媒Ｒが分配される。

また、この熱交換器３００ａにおいては、吐出機構１１の吐出端１５が、下連通路３４の上端部３４ａよりも上側に位置しており、下連通路３４に冷媒Ｒが溜まる可能性がある。しかしながら、下連通路３４の上端部３４ａ（隔壁３５の下端部３５ｂ）まで液相の冷媒Ｒが溜まると、下連通路３４が液状の冷媒Ｒにより封鎖された状態になるので、液状の冷媒Ｒが往路３１に強制的に吸い込まれ、液面が低下する。したがって、この熱交換器３００ａにおいては、下連通路３４の上端部３４ａ（隔壁３５の下端部３５ｂ）が冷媒Ｒの液面の上限となる。このため、複数のチューブ４のうちの最も下側にあるチューブ４ｂの下側内面４ｔが、下連通路３４の上端部３４ａよりも下側に位置していると、下連通路３４に溜まった液相の冷媒Ｒが流れこむおそれがある。

この熱交換器３００ａでは、複数のチューブ４のうちの最も下側にあるチューブ４ｂを、その下側内面４ｔが、下連通路３４の上端部３４ａ（隔壁３５の下端部３５ｂ）よりも上側となるように、復路３２に接続している。このため、チューブ４ｂを含む全てのチューブ４に、ほぼ均等に、冷媒Ｒを分配できる。

以上のように、この熱交換器３００ａによれば、冷媒Ｒを、均等に、複数のチューブ４に分配することができる。また、入口ヘッダ１の内部、特に復路３２においては、いったん復路３２の上部に到達した液相の冷媒Ｒが重力により落下するので、冷媒Ｒの液相および気相の比率が復路３２の全体において一定になりやすく、冷媒Ｒの状態が気液混合の状態も含めて均質化される。そして、この熱交換器３００ａによれば、動圧の影響をできるだけ避け、さらに、液状の冷媒Ｒが溜まる領域の影響をできるだけ避けるように複数のチューブ４を復路３２に配置している。このため、冷媒Ｒの状態および量を含めて、冷媒Ｒを各チューブ４により均一（均等）に分配できる。

このように各チューブ４に均一に分配された冷媒Ｒは、複数のチューブ４や複数のフィン３を介して、空気Ｇなどと熱交換を行い、出口ヘッダ２に出力され、流出口６からシステム５０の系内に流出される。したがって、各チューブ４における熱交換負荷が均一化され、熱交換効率が良好な熱交換器３００ａが得られる。さらに、各チューブに対して冷媒を均一に分配するために複数の分配管をそれぞれ異なる形状に２次元あるいは３次元的に曲げたりする必要はなく、シンプルでコンパクトな構成で、熱交換効率の良好な熱交換器を比較的安価にて提供できる。また、各チューブ４の形状を同じにすることができるので、各チューブ４における圧力損失差の発生を防止でき、この点でも、熱交換効率を向上できる。

さらに、熱交換器３００ａは、小型化が容易であるため、この熱交換器３００ａを備えた冷却システム５０をコンパクトにアレンジできる。また、この熱交換器３００ａは、差圧による吸引効果（エジェクタ効果）を利用するような吐出機構１１を採用しているので、熱交換器に一般に用いられている動力源、例えばコンプレッサ５１の動力の他、新たな動力源を必要としない。したがって、経済的である。しかも、膨張弁５３による圧損の一部を吐出機構１１に割り当てることにより、システム５０の経済性を損なうことなく、熱交換効率の向上を図ることができる。また、吐出機構１１による膨張（圧力損失）が十分であれば、膨張弁５３を省略することも可能である。

図７に、本発明の第２の実施形態にかかる熱交換器３００ｂを示している。この熱交換器３００ｂも、上述のような熱交換システム５０のエバポレータ１００および／またはコンデンサ２００として使用できる。

この熱交換器３００ｂでは、往路３１の下側に、流入口５が設けられており、往路３１と流入口５との間に、オリフィス（ノズル、絞り部）１２を含む吐出機構１１が設けられている。また、この熱交換器３００ｂでは、下連通路３４が吸引部１４となる。他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は、図面に同符号を付して省略する。

なお、この熱交換器３００ｂでは、下連通路３４より下側にオリフィス１２があり、下連通路３４に冷媒Ｒは溜まり難い。したがって、複数のチューブ４のうちの最も下側にあるチューブ４ｂを、その下側内面４ｔが、下連通路３４の上端部３４ａよりも下側となるように、復路３２に接続しても、複数のチューブ４に冷媒Ｒを均一に分配することに対する影響は小さい。

図８に、本発明の第３の実施形態にかかる熱交換器３００ｃを示している。この熱交換器３００ｃも、上述のような熱交換システム５０のエバポレータ１００および／またはコンデンサ２００として使用できる。

この熱交換器３００ｃでは、往路３１の下側に、流入口５が設けられており、往路３１と流入口５との間に、吐出機構１１が設けられている。本例の吐出機構１１は、エジェクタノズル（絞り部）１６ａを備えるエジェクタ１６を含んでいる。

また、この熱交換器３００ｃでは、循環経路１０は、往路３１をなす第１の直管部６１と、復路をなす第２の直管部６２と、第１の直管部６１の上部３１ａと第２の直管部６２の上部３２ａとを繋ぐように略水平に延びて、上連通路３３をなす第１の接続部６３とを含めた、Ｕ字型のパイプを備えている。そのＵ字型の下部開放側を繋ぐように（第１の直管部６１の下部３１ｂと第２の直管部６２の下部３２ｂとを繋ぐように）、下連通路３４をなす第２の接続部６４が、略水平に延びている。

本例では、下連通路３４が吸引部１４となる。また、第１の直管部６１の内壁（第２の直管部６２側の壁）と、復路をなす第２の直管部６２の内壁（第１の直管部６１側の壁）とが、隔壁３５に相当する。他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は、図面に同符号を付して省略する。この熱交換器３００ｃにおいても、複数のチューブ４に冷媒Ｒを均一に分配できる。

本実施形態では、熱交換部がプレート状のフィンを備える熱交換器を例に挙げて説明したが、フィンの形状はプレート状に限定されるものではない。また、熱交換部は、冷媒（熱交換媒体）と空気などの外部流体との間で熱交換を行うことが可能なものであればよく、熱交換部の形状や構成も、これらに限定されるものではない。また、入口ヘッダおよび出口ヘッダをそれぞれ複数備えた熱交換器であっても良い。さらに、吐出機構は、オリフィス（絞り部）およびエジェクタノズルに限らず、それに類する機能を発揮する部材を含むものであれば良く、たとえば、吐出口の面積が絞られたノズルなどであっても良い。また、本発明の熱交換器は、復路に複数のチューブを接続してなるものであるが、復路とともに往路に複数のチューブを接続してなるものを排除するものではない。

また、本発明のシステムは、空調に限らず、ラジエータ、各種冷却装置、各種冷凍装置など、多種多様な熱交換を機能の一部として含む装置、システムを含む。

熱交換器を含む熱交換システムの概略を示す図。 本発明の第１の実施形態にかかる熱交換器の一部の概略を示す図。 図２中のIII-III線に沿って切断して示す図。 図２の熱交換器の構造を展開して示す図。 図２中の円Vで囲まれた領域を拡大して示す図。 図２中の円VIで囲まれた領域を拡大して示す図。 本発明の第２の実施形態にかかる熱交換器の一部の概略を示す図。 本発明の第３の実施形態にかかる熱交換器の概略を示す図。

符号の説明

１ 入口ヘッダ、 ２ 出口ヘッダ、 ４ チューブ
４ａ 最も上側にあるチューブ、 ４ｓ 最も上側にあるチューブの上側内面
４ｂ 最も下側にあるチューブ、 ４ｔ 最も下側にあるチューブの下側内面
１１ 吐出機構、 １２ オリフィス、 １６ エジェクタ
３１ 往路、 ３１ａ 往路の上部、 ３１ｂ 往路の下部
３２ 復路、 ３２ａ 復路の上部、 ３２ｂ 復路の下部
３３ 上連通路、 ３３ａ 上連通路の下端部
３４ 下連通路、 ３４ａ 下連通路の上端部
３５ 隔壁、 ３５ａ 隔壁の上端部、 ３５ｂ 隔壁の下端部
５０ システム（熱交換システム）、 ５１ コンプレッサ（加圧装置）
１００ エバポレータ（蒸発器）、 ２００ コンデンサ（凝縮器）
３００ａ、３００ｂ、３００ｃ 熱交換器、 Ｒ 冷媒（熱交換媒体）

Claims (10)

1. 複数のチューブと、
   前記複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、
   前記複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する、熱交換器であって、
   前記入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、前記往路の上部および前記復路の上部を繋ぐ上連通路と、前記往路の下部および前記復路の下部を繋ぐ下連通路とを含み、
   前記複数のチューブは、前記復路に接続され、
   前記複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、前記上連通路の下端部よりも下側に位置しており、
   前記入口ヘッダは、さらに、前記往路の下部から、当該入口ヘッダに流入する熱交換媒体を前記往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む、熱交換器。
2. 請求項１において、前記複数のチューブのうちの最も下側にあるチューブの下側内面は、前記下連通路の上端部よりも上側に位置している、熱交換器。
3. 請求項２において、前記吐出機構の吐出端は、前記下連通路の上端部よりも上側に位置している、熱交換器。
4. 請求項３において、前記入口ヘッダは、さらに、前記往路に対して交差する方向から当該入口ヘッダに熱交換媒体を流入させるための流入口を含む、熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記吐出機構は、オリフィスを含む、熱交換器。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記吐出機構は、エジェクタを含む、熱交換器。
7. 複数のチューブと、
   前記複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、
   前記複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する、熱交換器であって、
   前記入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、前記往路および前記復路を隔てる隔壁と、前記往路の上部および前記復路の上部を繋ぐ上連通路と、前記往路の下部および前記復路の下部を繋ぐ下連通路とを含み、
   前記複数のチューブは、前記復路に接続され、
   前記複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、前記隔壁の上端部よりも下側に位置しており、
   前記入口ヘッダは、さらに、前記往路の下部から、当該入口ヘッダに流入する熱交換媒体を前記往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む、熱交換器。
8. 請求項７において、前記複数のチューブのうちの最も下側にあるチューブの下側内面は、前記隔壁の下端部よりも上側に位置している、熱交換器。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の熱交換器と、前記熱交換器に熱交換媒体を供給する媒体供給システムとを有する、システム。
10. 熱交換媒体との熱交換により外部流体を冷却する蒸発器と、前記蒸発器から回収された熱交換媒体を加圧する加圧装置と、前記加圧装置により加圧された熱交換媒体を冷却する凝縮器とを有するシステムであって、
    前記蒸発器および／または前記凝縮器は、請求項１ないし８のいずれかに記載の熱交換器である、システム。

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