JP2020085267A - 熱交換器 - Google Patents

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立慈 川端
Tatsuji Kawabata
立慈 川端
良美 林
Yoshimi Hayashi
良美 林
長谷川 寛
Hiroshi Hasegawa
寛 長谷川
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Abstract

【課題】ヘッダーパイプ内の下方の区間から上方の区間にターンする際に、重力の影響により、密度の小さいガス冷媒がヘッダーパイプ内の上方に、密度の大きい液冷媒がヘッダーパイプ内の下方に偏りやすく、ヘッダーパイプ内に液冷媒が滞留すること。【解決手段】ヘッダーパイプ3bは、扁平管2の接続側空間8と、非接続側空間9と、を区切る隔壁板10と、蒸発器として利用する場合に、接続側空間8に、複数の扁平管2から冷媒が流入する冷媒流入区間11と、複数の扁平管2へ冷媒が流出する冷媒流出区間12と、を区切る仕切板5bと、を有し、冷媒流出区間12は、冷媒流入区間11より上方に、隔壁板10は、冷媒流入区間11に、設け、隔壁板10には、冷媒流入区間11における鉛直方向中間位置より下方に連通孔13aを設ける。【選択図】図2

Description

本発明は、一対のヘッダーパイプと、複数の冷媒流路をもつ複数の扁平管と、で構成され、複数の扁平管の間を流れる空気と、扁平管の冷媒流路の中を流れる冷媒とで熱交換を行う熱交換器に関するものである。
従来から、水平方向の左右に対峙する一対のヘッダーパイプと、複数の冷媒流路をもつ複数の扁平管と、扁平管同士の間に設けられる伝熱フィンと、で構成され、複数の扁平管の間を流れる空気と、扁平管の冷媒流路の中を流れる冷媒とで熱交換を行う熱交換器が知られている。
この種の熱交換器において、ヘッダーパイプ内の複数の扁平管を流れる冷媒量および気液二相冷媒の比率を均一化させるため、ヘッダーパイプ内に、複数の扁平管を複数の区間に分ける仕切板と、分かれた2つの区間の上側の区間の下方と、下側の区間の上方と、を連通させる接続管と、を設けた熱交換器が開示されている。(例えば、特許文献1参照)。
図11は、特許文献1に記載された従来の熱交換器である。
図11に示すように、熱交換器100は、複数の冷媒流路で形成された複数の扁平管101と、扁平管101の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプ102a、102bで構成され、ヘッダーパイプ102a、102bには、複数の扁平管101を複数の区間に分ける仕切板103a、103bと、分かれた2つの区間に冷媒を通過させる接続管104と、を設けている。一方のヘッダーパイプ102aには、冷媒配管105a、105bが接続されている。
接続管104は、他方のヘッダーパイプ102bにおいて、仕切板103bによって分かれた下側の区間の上方と、上側の区間の下方と、を接続している。
蒸発器として機能する場合、冷媒配管105bよりヘッダーパイプ102aに流入した冷媒が扁平管101を通り、ヘッダーパイプ102bの下側の区間に流れる。ヘッダーパイプ102bの下側の区間に流れた冷媒は、接続管104を介して、ヘッダーパイプ102bの上側の区間へ流入するため、ヘッダーパイプ102b内を上昇してターンする際の重力影響による冷媒の気液分離が抑制され、ヘッダーパイプ102bの上側の区間に接続された複数の扁平管101を流れる冷媒量および気液二相冷媒の比率が均一になるように配分することができる。
特開2016−53473号公報
しかしながら従来の構成では、蒸発器として機能する場合、特に、冷媒循環量が少なく、冷媒流速が遅く、ガスと液とに分離しやすい部分負荷運転時においては、扁平管からヘッダーパイプ内に流入した気液二相冷媒の内、重力の影響により、密度の小さいガス冷媒がヘッダーパイプ内の上方に、密度の大きい液冷媒がヘッダーパイプ内の下方に偏りやす
く、上方に存在するガス冷媒が上方に接続された接続管を介して優先的に流れてしまい、ヘッダーパイプ内に液冷媒が滞留するという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の冷媒流路で形成された複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、扁平管からヘッダーパイプへ流入した気液二相冷媒が気液分離し、液冷媒が滞留することを抑制することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、複数の冷媒流路を有する複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、少なくとも一方のヘッダーパイプは、扁平管の接続側空間と、扁平管の非接続側空間と、を区切る隔壁板と、蒸発器として機能する場合、接続側空間に、複数の扁平管から冷媒が流入する冷媒流入区間と、複数の扁平管へ冷媒が流出する冷媒流出区間と、を区切る仕切板と、を有し、冷媒流出区間は、冷媒流入区間よりも上方に設け、隔壁板は、冷媒流入区間側に設け、隔壁板には、冷媒流入区間における鉛直方向中間位置より下方に連通孔を設けるものである。
これにより、扁平管からヘッダーパイプに流入してきた気液二相冷媒が、冷媒流入区間の上方にガス冷媒、下方に液冷媒に分離し、下方に滞留した液冷媒が、上方のガス冷媒が隔壁板の下方の連通孔から流れようとすることにより、隔壁板の下方の連通孔から非接続側空間に押し流され、隔壁板で区切られた非接続側空間を上昇し、冷媒流出区間における接続側空間に循環する。
本発明の熱交換器は、ヘッダーパイプ内の冷媒流入区間において、下方に滞留した液冷媒が優先的に冷媒流出区間へ押し流されるため、ヘッダーパイプ内に液冷媒が滞留することを抑制することができる。
本発明の実施の形態1の熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態1のヘッダーパイプのx−y平面の断面図 本発明の実施の形態1のヘッダーパイプのx−z平面の断面図 熱交換器を適用した室外機の内部構造を示すx−z正面図 熱交換器を適用した室外機の内部構造を示すx−y正面図 本発明の実施の形態1の変形例1のヘッダーパイプのx−y平面の断面図 本発明の実施の形態1の変形例1のヘッダーパイプのx−z平面の断面図 本発明の実施の形態1の変形例2のヘッダーパイプのx−y平面の断面図 本発明の実施の形態1の変形例3のヘッダーパイプのx−y平面の断面図 本発明の実施の形態1の変形例3のヘッダーパイプのx−z平面の断面図 従来の熱交換器のx−y平面の断面図
第1の発明は、複数の冷媒流路を有する複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、少なくとも一方のヘッダーパイプは、扁平管の接続側空間と、扁平管の非接続側空間と、を区切る隔壁板と、蒸発器として機能する場合、接続側空間に、複数の扁平管から冷媒が流入する冷媒流入区間と、複数の扁平管へ冷媒が流出する冷媒流出区間と、を区切る仕切板と、を有し、冷媒流出区間は、冷媒流入区間よりも上方に設け、隔壁板は、冷媒流入区間に設け、隔壁板には、冷媒流入区間における鉛直方向中間位置より下方に連通孔を設けた構造とする。
これにより、扁平管からヘッダーパイプに流入してきた気液二相冷媒が、冷媒流入区間の上方にガス冷媒、下方に液冷媒に分離し、上方のガス冷媒が隔壁板の下方の連通孔から流れようとすることにより、下方に滞留した液冷媒が隔壁板の下方の連通孔から非接続側空間に押し流され、隔壁板で区切られた非接続側空間を上昇し、冷媒流出区間における接続側空間に循環する。
従って、ヘッダーパイプ内の冷媒流入区間において、下方に滞留した液冷媒が優先的に冷媒流出区間へ押し流されるため、ヘッダーパイプ内に液冷媒が滞留することを抑制することができる。
また、冷媒が非接続側空間を扁平管の突出部に衝突することなく円滑に上昇するため、冷媒流速が遅くなる部分負荷運転時においても、扁平管の突出部が抵抗となることなく、冷媒流出区間の上方まで冷媒を上昇させ、上方に接続された扁平管へ十分に冷媒を流入でき、重力影響により冷媒流出区間の下方に液冷媒が滞留することを抑制できる。
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。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の熱交換器の斜視図であり、x方向は扁平管の流路を流れる冷媒の流動方向、y方向はヘッダーパイプ軸方向、z方向は空気流れ方向である。
図1において、熱交換器1は、複数の扁平管2と、一対のヘッダーパイプ3a、3bと、を備えている。
一方のヘッダーパイプ3aには、冷媒配管4a、4bがそれぞれ接続されている。これら各冷媒配管4a、4bは、冷媒の流入口または流出口として機能するように構成されている。
ヘッダーパイプ3a内には、冷媒配管4a、4bの高さ方向(y方向)の間の位置に、複数の扁平管2を複数の区間に分ける仕切板5aが設けられている。
ヘッダーパイプ3a、3bは、例えば、アルミニウムなどの金属材料を押出成型することにより、円筒状に形成されている。
複数の扁平管2は、ヘッダーパイプ3a、3bの軸方向(y方向)に沿って、互いが平行になるように、それぞれ水平方向(x方向)に配置されている。
複数の扁平管2同士の間には、上下に連続する波状に形成された複数のフィン6が構成されており、複数のフィン6の間を流れる空気と、複数の扁平管2の中を流れる冷媒と、で熱交換を行う。
なお、冷媒としては、例えば、R410A、R32およびR32を含む混合冷媒などが用いられる。
図2は、図1のA−A断面図(本発明の実施の形態1のヘッダーパイプのx−y平面の断面図)、図3は、図2のB−B断面図(本発明の実施の形態1のヘッダーパイプのx−z平面の断面図)、である。
扁平管2内に設けられた複数の冷媒流路7は、ヘッダーパイプ3a、3bの内部に連通されている。
他方のヘッダーパイプ3b内には、複数の扁平管2の接続側空間8と、複数の扁平管2の非接続側空間9と、に区切るヘッダーパイプ3bの軸方向(y方向)に延びた隔壁板10と、蒸発器として機能する場合において、複数の扁平管2の接続側空間8に、複数の扁平管2から冷媒が流入する冷媒流入区間11と、複数の扁平管2へ冷媒が流出する冷媒流出区間12と、を区切る仕切板5bと、が設けられている。
仕切板5bは、ヘッダーパイプ3a内に設けられた仕切板5aとy方向の同一高さ位置に設置している。
冷媒流出区間12は、熱交換器1が蒸発器として機能する場合において、冷媒流入区間11よりも、上方(+y方向)に設けられている。
隔壁板10は、冷媒流入区間11に設けられ、冷媒流入区間11におけるヘッダーパイプ3bの軸方向(y方向)中間位置より下方に連通孔13aを備えている。
以上のように構成された熱交換器について、蒸発器として機能する場合には、複数の扁平管2内の複数の冷媒流路7から、ヘッダーパイプ3bの冷媒流入区間11における扁平管2の接続側空間8に流入した冷媒が、隔壁板10の下方にある連通孔13aを通り、扁平管2の非接続側空間9に流れ、ヘッダーパイプ3bを+y方向へ上昇し、冷媒流出区間12における扁平管2の接続側空間8に循環する。
次に、本実施形態の利用について、本実施形態の熱交換器1を空気調和装置の室外機20に利用した場合を例に説明する。
図4は、本実施形態の熱交換器1を適用した室外機20の内部構造を示すx−z平面図であり、図5は、本実施形態の熱交換器1を適用した室外機20の内部構造を示すx−y平面図である。
図4、図5に示すように、室外機20は、圧縮機21と、切替弁22と、室外膨張弁23と、送風機24と、熱交換器1を備えている。室外機20と室内機(図示せず)は、液管25と、ガス管26とで接続している。
熱交換器1のヘッダーパイプ3aは、冷媒配管4aを介して、切替弁22と、冷媒配管4bを介して、室外膨張弁23と、それぞれ接続している。図4に示すように、熱交換器1の扁平管2は中途で曲げられている。
まず、冷房運転を行う場合は、熱交換器1は凝縮器として機能する。
室外機20の圧縮機21から送られるガス冷媒は、切替弁22を介して、冷媒配管4aから、ヘッダーパイプ3aの中に流入される。このガス冷媒は、仕切板5aによって区切られた冷媒配管4aの接続側のヘッダーパイプ3aの内部を通り、複数の扁平管2内の複数の冷媒流路7に流入され、水平方向(+x方向、+z方向)に流れ、ヘッダーパイプ3bの冷媒流出区間12における扁平管2の接続側空間8に流出する。
流出した冷媒は、隔壁板10で区切られた扁平管2の非接続側空間9を−y方向に下降し、隔壁板10の下方の連通孔13aを介して、ヘッダーパイプ3bの冷媒流入区間11における扁平管2の接続側空間8に流入する。
流入した冷媒は、複数の扁平管2内の複数の冷媒流路7を介して水平方向(−z方向、−x方向)に流れる。冷媒は、扁平管2において、送風機24により送られた空気と熱交換をすることで放熱して凝縮される。
凝縮した冷媒は、仕切板5aによって区切られた冷媒配管4bの接続側のヘッダーパイプ3aの空間に流出し、冷媒配管4bから室外膨張弁23、液管25を通り、室内機に流出される。
室内機に流れた凝縮した冷媒は、室内熱交換器(図示せず)で空気と熱交換をすることで吸熱し蒸発する。蒸発した冷媒は、ガス管26を通り、切替弁22を介して、圧縮機21に循環する。
暖房運転を行う場合は、熱交換器1は蒸発器として機能する。
室外機20の圧縮機21から送られるガス冷媒は、切替弁22を介して、ガス管26を通り、室内機に流出される。
室内機に流れたガス冷媒は、室内機に設けられた室内熱交換器で空気と熱交換をすることで放熱し凝縮する。
凝縮した冷媒は、液管25、室外膨張弁23を通り、気液二相冷媒となり、冷媒配管4bから、仕切板5aによって区切られた冷媒配管4bの接続側のヘッダーパイプ3aの内部を通り、複数の扁平管2内の複数の冷媒流路7に流入され、水平方向(+x方向、+z方向)に流れ、ヘッダーパイプ3bの冷媒流入区間11における扁平管2の接続側空間8に流出する。
ヘッダーパイプ3bに流入してきた気液二相冷媒は、隔壁板10の下方にある連通孔13aを通り、扁平管2の非接続側空間9に流れ、隔壁板10で区切られた扁平管2の非接続側空間9を+y方向に上昇し、冷媒流出区間12における扁平管2の接続側空間8に循環する。
循環した冷媒は、複数の扁平管2内の複数の冷媒流路7を介して水平方向(−z方向、−x方向)に流れる。冷媒は、扁平管2において、送風機24により送られた空気と熱交換をすることで吸熱して蒸発される。
蒸発した冷媒は、仕切板5aによって区切られた冷媒配管4aの接続側のヘッダーパイプ3aの空間に流出し、冷媒配管4aから切替弁22を介して、圧縮機21に循環する。
蒸発器として機能する場合、冷媒配管4bから流れ、仕切板5aによって区切られた冷媒配管4bの接続側のヘッダーパイプ3aの空間を経て、複数の扁平管2の複数の冷媒流路7を介して、ヘッダーパイプ3bに流入してきた気液二相冷媒は、ヘッダーパイプ3bの冷媒流入区間11における扁平管2の接続側空間8で、上方に密度の小さいガス冷媒と、下方に密度の大きい液冷媒と、に分離する。下方に滞留した液冷媒が、上方のガス冷媒が隔壁板10の下方の連通孔13aから流れようとすることにより、隔壁板10の下方にある連通孔13aから扁平管2の非接続側空間9に押し流され、隔壁板10で区切られた扁平管2の非接続側空間9を+y方向に上昇し、冷媒流出区間12における扁平管2の接続側空間8に循環する。
以上のように、本実施の形態において、熱交換器1は、複数の冷媒流路7を有する扁平
管2と、複数の扁平管2を水平方向に設置し、扁平管2の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプ3a、3bと、を備え、複数の扁平管2を、ヘッダーパイプ3a、3bの軸方向に沿って、互いに平行に接続される。
ヘッダーパイプ3bは、扁平管2の接続側空間8と、扁平管2の非接続側空間9と、を区切る隔壁板10と、蒸発器として機能する場合、扁平管2の接続側空間8に、複数の扁平管2から冷媒が流入する冷媒流入区間11と、複数の扁平管2へ冷媒が流出する冷媒流出区間12と、を区切る仕切板5bと、を有し、冷媒流出区間12は、冷媒流入区間11よりも上方に設け、隔壁板10は、冷媒流入区間11に設け、隔壁板10には、冷媒流入区間11における鉛直方向中間位置より下方に連通孔13aを設ける。
これにより、複数の扁平管2内の複数の冷媒流路7から、ヘッダーパイプ3bに流入してきた気液二相冷媒は、ヘッダーパイプ3bの冷媒流入区間11における扁平管2の接続側空間8で、上方に密度の小さいガス冷媒と、下方に密度の大きい液冷媒と、に分離する。下方に滞留した液冷媒が、上方のガス冷媒が隔壁板10の下方の連通孔13aから流れようとすることにより、隔壁板10の下方にある連通孔13aから扁平管2の非接続側空間9に押し流され、隔壁板10で区切られた扁平管2の非接続側空間9を+y方向に上昇し、冷媒流出区間12における扁平管2の接続側空間8に循環する。
従って、ヘッダーパイプ3bの下方に滞留した液冷媒が優先的に冷媒流出区間12へ押し流されるため、ヘッダーパイプ3b内に液冷媒が滞留することを抑制することができる。
また、扁平管2の非接続側空間9を扁平管2の突出部に衝突することなく+y方向に円滑に上昇するため、冷媒流速が遅くなる部分負荷運転時においても、扁平管2の突出部が抵抗となることなく、冷媒流出区間12の上方まで冷媒を上昇させ、上方に接続された扁平管2へ十分に冷媒を流入でき、重力影響により冷媒流出区間12の下方に液冷媒が滞留することを抑制できる。
また、別部材としてヘッダーパイプ3b外に接続管を用いることなく、ヘッダーパイプ3b内において液冷媒を優先的に流すことが可能となるため、ヘッダーパイプ3bの内容積の増大を抑制でき、ヘッダーパイプ3b内に必要な冷媒量を削減することができる。
なお、隔壁板10の下方の連通孔13aは、少なくとも冷媒流入区間11内の最下段の扁平管2のy方向高さ位置を含むように配置することが望ましい。
これにより、最もy方向高さが低い位置に存在する扁平管2から流れた液冷媒が、慣性力により連通孔13aを通り、確実に扁平管2の非接続側空間9に流れ、冷媒流入区間11の扁平管2の接続側空間8で液冷媒が滞留することによる液封を抑制できるため、全ての扁平管2を有効に利用でき、熱交換性能を向上させることができる。
また、図6、図7に示すように、仕切板5bは、非接続側空間9に跨るように設け、非接続側空間9に冷媒流入孔14を設けてもよい。
これにより、隔壁板10で区切られた扁平管2の非接続側空間9を冷媒が上昇する際、冷媒流入孔14を介して流速が速くなるため、冷媒流速が遅くなる部分負荷運転時においても、非接続側空間9の上方まで液冷媒を到達させることができ、冷媒流出区間12において、下方に液冷媒、上方にガス冷媒が分離しやすくなることを抑制できる。
また、図8に示すように、隔壁板10を、冷媒流入区間11と、冷媒流出区間12と、
に跨るように設け、隔壁板10の冷媒流出区間12における鉛直方向中間位置より上方に連通孔13bを設けてもよい。
これにより、蒸発器として機能する場合には、ヘッダーパイプ3bの冷媒流出区間12における扁平管2の接続側空間8内において、上方から液冷媒が循環するため、冷媒流出区間12の下方に液冷媒、上方にガス冷媒が分離しやすくなることを抑制できる。
なお、隔壁板10の上方の連通孔13bは、少なくとも冷媒流出区間12内の最上段の扁平管2のy方向高さ位置を含むように配置することが望ましい。
これにより、最もy方向高さが高い位置に存在する扁平管2へ冷媒が流れる流路を確保できるため、最上段の扁平管2に液冷媒が流れ易くなり、ヘッダーパイプ3bの冷媒流出区間12において、下方に液冷媒、上方にガス冷媒が分離しやすくなることをさらに抑制できる。
また、図9、図10に示すように、非接続側空間9に跨るように設けられた仕切板5bの接続側空間8に貫通孔15を設けてもよい。
これにより、蒸発器として機能する場合には、ヘッダーパイプ3bにおいて、冷媒流出区間12の下方から、貫通孔15を介して冷媒流入区間11の上方に液冷媒が流下し、冷媒流入区間11の冷媒と混ざり攪拌されるため、冷媒流入区間11で冷媒状態が均一化され、均一状態の冷媒を冷媒流出区間12へ循環できるため、ヘッダーパイプ内に液冷媒が滞留することを抑制することができる。
また、仕切板5bの貫通孔15を介して、冷媒流出区間12の扁平管2の接続側空間8から液冷媒が流下するため、冷媒が気液分離しやすい部分負荷運転時においても、冷媒流出区間12の下方に液冷媒が滞留することを抑制できる。
また、凝縮器として機能する場合には、扁平管2から冷媒流出区間12に流れてきた液冷媒に含まれた冷凍機油が、仕切板5bによって区切られた冷媒流出区間12に滞留することなく、貫通孔15を介して、下方の冷媒流入区間11に流下するため、ヘッダーパイプ3b内に冷凍機油が溜まり込むことを防止可能となる。よって、圧縮機21内の冷凍機油枯渇、圧縮機21の焼きつきによる寿命低下を防止でき、圧縮機21の運転信頼性を向上させることができる。
なお、冷媒流入孔14は、貫通孔15よりも孔断面積を大きくすることが望ましい。
これにより、抵抗の少ない冷媒流入孔14が存在する非接続側空間9から冷媒流入区間11の接続側空間8内の下方の液冷媒が流れやすくなるため、接続側空間8内の下方に液冷媒が滞留し液封することが抑制され、全ての扁平管2を有効に利用でき、熱交換性能を向上させることができる。
なお、実施例では、熱交換器1を1列設置しているが、例えば、空気流れ方向(z方向)に2つ以上でもよく、また、重力方向(y方向)に2つ以上の熱交換器1を重ねた構成を用いた場合でも、同様の効果を得られる事は言うまでもない。
本発明は、扁平管利用の熱交換器において、扁平管からヘッダーパイプに流入してきた気液二相冷媒が、ヘッダーパイプ内の上方にガス冷媒、下方に液冷媒と分離することを抑制できる熱交換器であり、冷凍機、空気調和装置、給湯空調複合装置などの用途に適用で
きる。
1 熱交換器
2 扁平管
3a、3b ヘッダーパイプ
4a、4b 冷媒配管
5a、5b 仕切板
6 フィン
7 冷媒流路
8 接続側空間
9 非接続側空間
10 隔壁板
11 冷媒流入区間
12 冷媒流出区間
13a、13b 連通孔
14 冷媒流入孔
15 貫通孔
20 室外機
21 圧縮機
22 切替弁
23 室外膨張弁
24 送風機
25 液管
26 ガス管
100 熱交換器
101 扁平管
102a、102b ヘッダーパイプ
103a、103b 仕切板
104 接続管
105a、105b 冷媒配管

Claims (1)

  1. 複数の冷媒流路を有する複数の扁平管と、前記扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、少なくとも一方の前記ヘッダーパイプは、前記扁平管の接続側空間と、前記扁平管の非接続側空間と、を区切る隔壁板と、蒸発器として機能する場合、前記接続側空間に、前記複数の扁平管から冷媒が流入する冷媒流入区間と、前記複数の扁平管へ冷媒が流出する冷媒流出区間と、を区切る仕切板と、を有し、前記冷媒流出区間は、前記冷媒流入区間よりも上方に設け、前記隔壁板は、前記冷媒流入区間側に設け、前記隔壁板には、前記冷媒流入区間における鉛直方向中間位置より下方に連通孔を設けることを特徴とする熱交換器。
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