JP7142806B1 - 分配器、熱交換器およびヒートポンプ装置 - Google Patents

分配器、熱交換器およびヒートポンプ装置 Download PDF

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Abstract

分配器、熱交換器およびヒートポンプ装置は、横方向に延びた筒状の外壁部と、横方向に延び、外壁部又は外壁部の内部の中空部に設けられ、内部に円形断面を有する流路が形成された複数の筒状部と、を備え、複数の筒状部は、互いに並列に設けられており、外壁部の上部又は下部には、横方向に間隔をあけて複数の接続口が形成され、筒状部には、横方向に間隔をあけて複数のオリフィス孔が形成されている。

Description

本開示は、複数の伝熱管へ冷媒の分配を行う分配器、この分配器を備えた熱交換器およびヒートポンプ装置に関する。
分配器において、外管と内管の二重管構成を有するものがある(例えば、特許文献1参照)。このような分配器では、内管に、オリフィス孔とも呼ばれる冷媒流出孔が設けられている。分配器において内管の内部の流路に流入した冷媒は、複数の冷媒流出孔を介して、内管と外管との間の空間に噴出され、この空間から複数の伝熱管に流入する。
特許第6523858号公報
特許文献1では、内管に設けられたオリフィス孔から冷媒を噴出するので、冷媒の均一な分配を行うことができる。しかしながら、特許文献1の分配器のように、外管の内部に内管が一つしか設けられていない構成では、複数の伝熱管に分配される冷媒の全てが一つの内管を通ることになり、分配器における冷媒の圧力損失が増加してしまう。
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、オリフィス孔による均一な分配を維持しつつ圧力損失の増加を抑制した分配器、熱交換器およびヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
本開示に係る分配器は、横方向に延びた筒状の外壁部と、前記外壁部の内部に形成される中空部の前記横方向の両端を画定する一対の端面と、前記外壁部又は前記外壁部の内部の中空部に設けられ、それぞれの前記横方向の両端が前記一対の端面とつながるように前記横方向に延び、内部に円形断面を有する流路が形成された複数の筒状部と、を備え、複数の前記筒状部は、互いに並列に設けられており、前記外壁部の上部又は下部には、前記横方向に間隔をあけて複数の接続口が形成され、前記一対の端面によって確定された前記中空部において複数の前記筒状部のそれぞれには、前記横方向に間隔をあけて複数のオリフィス孔が形成され、前記一対の端面のいずれか一方は、開口部を有し、複数の前記筒状部には、前記横方向で前記開口部の側から冷媒が流入する
また、本開示に係る熱交換器は、前記横方向に配列され、上下方向に延びる複数の伝熱管と、数の前記伝熱管の両端に設けられ、前記冷媒を分配及び合流させる2つのヘッダと、を備え、前記2つのヘッダの少なくとも一つは、上記の分配器を含むものであり、前記分配器は、該分配器が設けられる前記ヘッダの前記横方向の一部に設けられ、前記一対の端面のうち前記一方の端面は、前記開口部を複数有し、複数の前記筒状部のそれぞれの一方の端は、前記一対の端面のうち前記一方の端面につながり、複数の前記筒状部のそれぞれの他方の端は、前記一対の端面のうち他方の端面につながり、複数の前記開口部は、前記ヘッダ内において前記分配器の外側の空間と複数の前記筒状部における前記流路の一端とを連通させ、前記他方の端面は、複数の前記筒状部における前記流路の他端を閉塞するものであり、複数の前記伝熱管の一部は、前記分配器の数の前記接続口に接続される。
また、本開示に係るヒートポンプ装置は、上記の熱交換器及び前記冷媒を圧縮する圧縮機を含む冷媒回路を備えている。
本開示に係る分配器、熱交換器およびヒートポンプ装置は、内部に円形断面を有する流路が形成された筒状部を複数備えており、複数の筒状部は、互いに並列に、外壁部又は中空部に設けられているので、分配器には複数の流路に分かれて冷媒が流入する。よって、従来のように一つの内管のみを介して複数の伝熱管に冷媒の分配が行われる構成と比べ、筒状部あたりの流路断面積を小さくできる。結果、オリフィス孔による均一な分配を維持しつつ、流路における圧力損失の増加を抑制した分配器、熱交換器およびヒートポンプ装置を提供することができる。
実施の形態1に係る分配器を備えた熱交換器の一例を示す断面図である。 図1の分配器のA-A断面を示す断面図である。 図1の端部仕切りの一例を示す断面図である。 図1の熱交換器を備えたヒートポンプ装置の冷媒回路図である。 実施の形態2に係る分配器の筒状部におけるオリフィス孔の位置を示す模式図である。 冷媒の乾き度による図5の冷媒の液面角度への影響を示すグラフである。 実施の形態2に係る分配器の筒状部の第1変形例を示す模式図である。 実施の形態3に係る分配器の一例を示す断面図である。 実施の形態3に係る分配器の第2変形例を示す模式図である。 実施の形態4に係る分配器の一例を示す断面図である。 実施の形態5に係る分配器の一例を示す断面図である。 図11の分配器のB-B断面を示す断面図である。 図11の分配器のC-C断面を示す断面図である。 実施の形態6に係る分配器の一例を示す断面図である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る分配器20を備えた熱交換器100の一例を示す断面図である。図2は、図1の分配器20のA-A断面を示す断面図である。図3は、図1の端部仕切り23の一例を示す断面図である。図1~図3に基づき、熱交換器100の構成について説明する。
図1に示されるように、熱交換器100は、複数の伝熱管1と、複数の伝熱管1の両端に配置された第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bと、熱交換器100における冷媒の出入り口となる2つの配管3a及び3bと、を備えている。また、図示していないが、熱交換器100は複数のフィンを備えている。以下の説明において、第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bを特に区別しない場合には、単にヘッダと称する場合がある。ヘッダは、筒形状のヘッダ外壁を有している。図1中、白抜き矢印及びヘッダ内に示される実線矢印は、冷媒が流れる方向を示している。
ここで、互いに直交する3方向を第1方向D1、第2方向D2及び第3方向D3(図2参照)とし、第1方向D1は、ヘッダの長手方向すなわち軸方向であるものと定義する。熱交換器100において、複数の伝熱管1は第1方向D1に一定の間隔をあけて配列され、複数の伝熱管1のそれぞれは第2方向D2に延びている。
以下の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語(例えば「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、「後」など)を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本開示を限定するものではない。これらの方向を示す用語は、特に明示しない限り、熱交換器100を図1に示されるように前面側(正面側)から見た場合の方向を意味している。また、以下の説明では、理解を容易にするために、ヘッダの長手方向である第1方向D1が熱交換器100の横方向であるものと定義し、複数の伝熱管1の長手方向である第2方向D2が熱交換器100の上下方向であるものと定義する。
伝熱管1は、例えば扁平管で構成されている。複数の伝熱管1の上側の端部1eは、第1ヘッダ2aのヘッダ外壁に差し込まれ、複数の伝熱管1の下側の端部1eは、第2ヘッダ2bのヘッダ外壁に差し込まれている。
第1ヘッダ2aのヘッダ外壁の下部には、伝熱管1の上側の端部1eが差し込まれる接続口21oが、横方向に間隔をあけて複数形成されている。また、第2ヘッダ2bのヘッダ外壁の上部には、伝熱管1の下側の端部1eが差し込まれる接続口21oが、横方向に間隔をあけて複数形成されている。第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bのそれぞれの内部には、冷媒が流通する空間が形成されている。第1ヘッダ2aの内部の空間と第2ヘッダ2bの内部の空間とは、複数の伝熱管1を介して連通している。第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bはそれぞれ、複数の伝熱管1へ冷媒を分配し、また、複数の伝熱管1からの冷媒を合流させるものである。また、図1に示される例では、第2ヘッダ2bの左端部に配管3aが設けられ、第2ヘッダ2bの右端部に配管3bが設けられている。
複数のフィン(不図示)のそれぞれは、例えば、波形に成形されたコルゲートフィンで構成されている。各フィンは、隣り合う伝熱管1の間に配置され、両側の伝熱管1の表面と接合されている。フィンは、伝熱管1に伝熱し、空気と冷媒との熱交換効率を向上させるものである。
例えば、複数の伝熱管1、不図示の複数のフィン、第1ヘッダ2a、及び第2ヘッダ2bは、いずれもアルミニウムで構成することができる。この場合、これらは例えばロウ付けによって接合されている。
第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bの少なくとも一つは、分配器20を備えている。また、第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bの一つにおいて長手方向の一部に分配器20が設けられる場合において、分配器20が設けられていないヘッダには、そのヘッダの内部空間を長手方向に複数に仕切る仕切り板4が設けられる。図1に示される例では、第1ヘッダ2aの長手方向(第1方向D1)の右半分が分配器20となっており、また、分配器20を備えていない第2ヘッダ2bは仕切り板4を有し、第2ヘッダ2bの内部空間は仕切り板4により左側空間と右側空間と分割されている。
図1~図3に基づき、分配器20の構成について説明する。分配器20は、中空部21aを有する筒状の外壁部21と、横方向(第1方向D1)に延びるように中空部21aに設けられ、内部に流路22pが形成された筒状部22と、を備えている。分配器20の外壁部21は、第1ヘッダ2aにおけるヘッダ外壁の右半分で構成されている。筒状部22には、流路軸方向つまり第1方向D1に一定の間隔をあけて複数のオリフィス孔22oが形成されている。図1に示される例では、分配器20の外壁部21には18本の伝熱管1が接続され、筒状部22には、横方向に7つのオリフィス孔22oが形成されている。図1において横方向に延びる筒状部22は、図2に示されるように複数設けられ、複数の筒状部22は、互いに並列に、中空部21aに設けられている。オリフィス孔22oは、例えば円形状を有している。なお、オリフィス孔22oの形状はスリットのような形状でもよい。
図2に示されるように、筒状部22の軸方向と垂直な断面において、流路22pは円形断面を有している。図2に示される例では、筒状部22は円筒形状を有している。以下の説明では、筒状部22において、筒状部22の中心C1を通り、第3方向D3(熱交換器100の前後方向)に平行な線よりも上側を上側筒状部、その線よりも下側を下側筒状部と称する場合がある。
筒状部22の軸方向と垂直な断面において、オリフィス孔22oを設ける位置はどこでもよい。例えば、上半分である上側筒状部及び下半分である下側筒状部のうち、伝熱管1が挿入される外壁部21の接続口21oと近い方にオリフィス孔22oが設けられることで、伝熱管1の端部1eとオリフィス孔22oとの距離が近くなる。図2に示される例では、分配器20の外壁部21の下部に接続口21oが形成され、各筒状部22において下側筒状部にオリフィス孔22oが設けられている。
また、分配器20は、第1方向D1における外壁部21の一端に、外壁部21よりも内周側且つ複数の流路22pよりも外周側の空間を塞ぐように設けられた端部仕切り23を備えている。図1に示される例では、端部仕切り23は、分配器20の横方向(第1方向D1)の左端部に設けられている。図3に示されるように、端部仕切り23は、例えば、第1方向D1と垂直な面に沿うように配置される板状部材に、流路22pとつながる略円形状の開口部23aが形成された構成とすることができる。端部仕切り23には、流路22pの数と同数の開口部23aが形成されている。
図1に示されるように、各筒状部22の右端面は、第1ヘッダ2aの右端部の内面につながっており、第1ヘッダ2aの右端部によって分配器20の中空部21aの右端部が塞がれている。また、各筒状部22の左端面は、端部仕切り23の右側の面における開口部23aの縁部とつながっており、端部仕切り23によって複数の筒状部22よりも外側の中空部21aの左端部が塞がれている。
端部仕切り23の開口部23aは、第1ヘッダ2aの内部の左側の空間と分配器20における複数の流路22pとを連通させる。上述したオリフィス孔22oは、流路22pと中空部21aにおける筒状部22の外側の空間とを連通させる。分配器20の外壁部21に接続された複数の伝熱管1は、第2ヘッダ2bにおいて仕切り板4よりも右側に接続され、分配器20の中空部21aにおける筒状部22の外側の空間と、第2ヘッダ2bの内部の右側空間とを連通させる。仕切り板4により、第1ヘッダ2aの分配器20から複数の伝熱管1を介して第2ヘッダ2bの右側空間に流入した冷媒が、第2ヘッダ2bの左側空間の冷媒すなわち第1ヘッダ2aへ流入する前の冷媒と混ざらない構成とされている。
次に、図1に基づき、熱交換器100の動作について説明する。冷媒は、配管3aから第2ヘッダ2bの左側空間に流入し、この左側空間に接続された複数の伝熱管1に分配され、これらの伝熱管1内を上昇しながら空気と熱交換を行い、第1ヘッダ2aの左側空間へ流入する。第1ヘッダ2aの左側空間へ流入した冷媒は、端部仕切り23の開口部23aを介して分配器20の複数の流路22pに流入する。開口部23aを介して流路22pに流入した冷媒は、流路22pを右側へ流れる間、筒状部22に間隔をあけて設けられた複数のオリフィス孔22oを介して中空部21aにおける筒状部22の外側の空間へ噴出し、分配器20に接続された複数の伝熱管1に流入する。分配器20からこれらの伝熱管1に流入した冷媒は、伝熱管1内を下降しながら空気と熱交換を行い、第2ヘッダ2bの右側空間に流入した後、配管3bを通って熱交換器100から流出する。なお、熱交換器100において、冷媒の流れは一方向に限定されず、逆方向に流れてもよい。すなわち、熱交換器100において、配管3bを介して流入した冷媒が、複数の伝熱管1において熱交換を行った後、配管3aを介して流出する方向に流れることができる。
なお、図1に示される例では、分配器20は第1ヘッダ2aの第1方向D1の右半分に設けられているが、第1ヘッダ2aにおいて分配器20を設ける位置及び範囲は任意に決めることができる。例えば、第1ヘッダ2aの第1方向D1の全域が分配器20とされてもよい。また、図1に示される例では、第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bのうち上側の第1ヘッダ2aのみに分配器20が設けられるが、分配器20は、第2ヘッダ2b、又は第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bの双方に設けられてもよい。また、他方のヘッダにおいて仕切り板4を設ける位置は、一方のヘッダにおいて分配器20を設ける位置及び範囲に応じて決定することができる。また、熱交換器100において配管3a及び3bを設ける位置は、図1に示される位置に限定されない。また、各筒状部22におけるオリフィス孔22oの数及びオリフィス孔22oの間隔は上記の場合に限定されない。
図4は、図1の熱交換器100を備えたヒートポンプ装置10の冷媒回路図である。図4中、白抜き矢印は、冷媒が流れる向きを示している。ヒートポンプ装置10は、冷媒の蒸発と凝縮の潜熱を利用して熱を移動させる冷媒回路10aを有している。ヒートポンプ装置10としては、例えば、蒸発器を室外に設置し、凝縮器を室内に設置して室内を暖房する空気調和機、及び、凝縮器で水を加熱して温水とする給湯システム等がある。
以下では、図4に示されるように、上記の熱交換器100が、ヒートポンプ装置10の暖房運転時に蒸発器として機能するように冷媒回路10aに設けられている場合について説明する。なお、熱交換器100は、ヒートポンプ装置10の暖房運転時に凝縮器として機能するように冷媒回路10aに設けられてもよい。
冷媒回路10aは、圧縮機11、熱交換器13、減圧器14、及び熱交換器100が冷媒配管により接続されて形成されている。圧縮機11は、低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮し、高圧のガス冷媒にして吐出し、冷媒回路10aに循環させる。熱交換器13及び熱交換器100は、冷媒と空気とを熱交換させる。減圧器14は、例えば膨張弁で構成され、冷媒を膨張させ減圧させる。
圧縮機11は、例えば、運転周波数を変化させることにより、単位時間あたりの送出量である容量が制御されるインバータ圧縮機等で構成することができる。このように、圧縮機11を構成することで、圧縮機11の周波数を調整して冷媒回路10aを循環する冷媒量を変化させることができ、負荷等に応じて冷凍サイクルで移動する熱量を変化させることができる。また、減圧器14として、開度を連続的に変化させることができる弁を用いることで、冷媒回路10aを循環する冷媒の圧力を変化させることができる。
また、図1に示される例では、冷媒回路10aはさらに流路切替装置12を有している。流路切替装置12は、圧縮機11から吐出された冷媒の流路を切り替えるものであり、例えば四方弁で構成される。なお、冷媒回路10aの構成は上記の構成に限定されない。例えば、流路切替装置12は省略することができる。
流路切替装置12により、冷房と暖房とが切り替えられる。暖房運転では、圧縮機11から吐出された冷媒は、熱交換器13、減圧器14、及び熱交換器100の順に流れて圧縮機11に戻る。一方、冷房運転では、圧縮機11から吐出された冷媒は、熱交換器100、減圧器14、及び熱交換器13の順に流れて圧縮機11に戻る。熱交換器13及び熱交換器100のうち凝縮器は、高圧のガス冷媒の熱を外気に放熱させ、凝縮させて液冷媒にする。熱交換器13及び熱交換器100のうち蒸発器は、低圧の冷媒に含まれる液冷媒に外気から吸熱させ、蒸発させてガス冷媒にする。
以上のように、実施の形態1の分配器20は、横方向(第1方向D1)に延び、中空部21aを有する筒状の外壁部21と、横方向に延び、中空部21aに設けられ、内部に円形断面を有する流路22pが形成された複数の筒状部22と、を備える。複数の筒状部22は、互いに並列に設けられている。外壁部21の上部又は下部には、横方向に間隔をあけて複数の接続口21oが形成され、筒状部22には、横方向に間隔をあけて複数のオリフィス孔22oが形成されている。
これにより、分配器20は、内部に円形断面を有する流路22pが形成された筒状部22を複数備えており、複数の筒状部22は、互いに並列に、外壁部21又は中空部21aに設けられているので、分配器20には複数の流路22pに分かれて冷媒が流入する。複数の筒状部22の流路22pにそれぞれ流入した冷媒は、複数のオリフィス孔22oを介して複数の伝熱管1へ分配される。よって、従来のように一つの内管のみを介して複数の伝熱管1に冷媒の分配が行われる構成と比べ、本開示では筒状部22あたりの流路22pの大きさを縮小できる。したがって、オリフィス孔22oを備えることによる冷媒分配の改善効果を保ちながら、冷媒の圧力損失を低減する、又は圧力損失の増加の回避と分配器20の小型化を両立することができる。また、分配器20の小型化が実現することで、材料コストの低減及び熱交換器100の冷媒量の削減ができる。
また、複数の筒状部22は、分配器20の中空部21aに配置されている。これにより、分配器20をヘッダに実装する際にヘッダ外壁の形状を変えずに済むので、適用が容易である。
また、複数の筒状部22のそれぞれは、円筒形状を有している。これにより、円形断面の流路22pを容易に形成することができる。
また、分配器20は、外壁部21における横方向(第1方向D1)の一端に、外壁部21よりも内周側且つ複数の流路22pよりも外周側の空間を塞ぐように設けられた端部仕切り23を備えている。これにより、複数の流路22pのみに冷媒を分けて流入させることができる。
また、実施の形態1に係る熱交換器100は、横方向(第1方向D1)に配列され、上下方向(第2方向D2)に延びる複数の伝熱管1と、複数の伝熱管1の両端に設けられ、冷媒を分配及び合流させる2つのヘッダ(第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2b)と、を備える。2つのヘッダの少なくとも一つ(例えば、第1ヘッダ2a)は、分配器20を含むものであり、複数の伝熱管1の一部(図1に示される例では、右側の18本の伝熱管1)は、分配器20の複数の接続口21oに接続される。これにより、熱交換器100のヘッダには上記の分配器20が含まれるので、熱交換効率のよい熱交換器100が実現できる。また、圧力損失の増加の回避と分配器20の小型化を両立した分配器20を備えることで、ヘッダを小さくできるので、熱交換器100を小型化することができる。
また、実施の形態1に係るヒートポンプ装置10は、熱交換器100及び冷媒を圧縮する圧縮機11を含む冷媒回路10aを備えている。これにより、ヒートポンプ装置10の省エネ性の向上及び小型化を図ることができる。
実施の形態2.
図5は、実施の形態2に係る分配器20の筒状部22におけるオリフィス孔22oの位置を示す模式図である。図5には、筒状部22の第1方向D1と垂直な断面が図示されている。また、図5には、筒状部22の断面において、流路22pに流通する冷媒Rの液面Ra、及び液面角度θ[°]が示されている。ここで、液面角度θとは、図5に示される筒状部22の断面において、流路22pの中心C1から鉛直下方に延ばした基準線L0と、流路22pの中心C1と筒状部22の内面における液面Raの位置とを結ぶ線L1とが成す角度である。
実施の形態2では、オリフィス孔22oの位置が制限されている点が、実施の形態1の場合とは異なり、その他の構成は実施の形態1の場合と同様である。実施の形態2では、実施の形態1と同一部分には同一符号を付し、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
複数のオリフィス孔22oのそれぞれは、図5に示される筒状部22の断面において、流路22pの中心C1の真下及び真上を除く、斜めあるいは真横の位置に設けられる。つまり、流路22pの中心C1の真下及び真上には、オリフィス孔22oが設けられない。このようにオリフィス孔22oの位置を制限することで、重力によって流路22pの下部に溜まった液冷媒のみ、あるいは流路22pの上部に溜まったガス冷媒のみがオリフィス孔22oから流出することが抑制される。
仮に、筒状部22において流路22pの中心C1の鉛直下方すなわち真下にオリフィス孔22oが設けられている場合、流路22pに気液二相冷媒が流入すると、分配器20の長手方向(第1方向D1)の上流側で液冷媒が優先して流出する。よって、分配器20の長手方向の下流側では液冷媒の量が不足し易く、分配が均一とならない。
本開示では、筒状部22において流路22pの中心C1を通る鉛直線から左又は右にずれた位置にオリフィス孔22oを設けることで、オリフィス孔22oが冷媒Rの液面Ra寄りとなる。よって、オリフィス孔22oから液冷媒及びガス冷媒の双方が流出し易く、分配の均一性が向上する。
図6は、冷媒の乾き度xによる図5の冷媒の液面角度θへの影響を示すグラフである。図6のグラフの横軸は、熱交換器100に流入する冷媒の乾き度xを表し、図6のグラフの縦軸は、図5に示される流路22pを流れる冷媒の液面角度θを表す。
ヒートポンプ装置10(図4参照)では、一般に、蒸発器に流入する冷媒の乾き度は、図6に示されるように0.2~0.8程度で使用される。その場合、液面角度θは、90°よりも小さな角度となり、50°~70°程度となる。したがって、オリフィス孔22oから液冷媒及びガス冷媒の双方を流出させるためには、図5に示される筒状部22の断面において、液面Raと同じ位置にオリフィス孔22oを設ければよい。具体的には、図5において、基準線L0と、流路22pの中心C1とオリフィス孔22oの中心とを結ぶ線とが成す角度が、50°~70°の角度範囲以内となるように、オリフィス孔22oが設けられる。また、流路22pにおいて液面Raはかならずしも一定でないことを考慮して、上記の角度範囲を若干広げ、オリフィス孔22oを設ける角度位置を、図6に示される40°~80°の角度範囲以内で調整するようにしてもよい。
なお、図5では、熱交換器100の奥行き方向(第3方向D3)の手前側に角度をとっているが、熱交換器100の奥行き方向(第3方向D3)の奥側に角度をとることができる。つまり、ここでは、オリフィス孔22oを設ける角度位置は正の角度で定義され、オリフィス孔22oは、基準線L0からその角度範囲以内において、手前側に設けられても、あるいは奥側に設けられても良い。
また、隣り合う筒状部22のオリフィス孔22o同士は、図2に示されるように互いに向き合うように設けられている。このような構成により、2つの筒状部22のオリフィス孔22oから噴霧された冷媒同士が衝突し、仮に複数の流路22pへの冷媒の分配が偏った場合でも、複数の伝熱管1へ分配する前に、その偏りの影響を低減することができる。
ここで、隣り合う筒状部22のオリフィス孔22o同士が互いに向き合うとは、隣り合う筒状部22のオリフィス孔22oからの冷媒の吹き出し方向(図2に破線矢印で示される)が、互いに平行となるよりも近づくように構成されていればよい。図2に示される例では、分配器20の外壁部21内の中空部21aにおいて手前側と奥側とに2つの筒状部22が設けられ、手前側の筒状部22には、その流路22pの中心C1よりも下方且つ奥側(例えば、4時の位置)にオリフィス孔22oが設けられ、奥側の筒状部22には、その流路22pの中心C1よりも下方且つ手前側(例えば、8時の位置)にオリフィス孔22oが設けられている。
なお、図2の断面では、2つの筒状部22においてオリフィス孔22oを設ける位置は、筒状部22の配列方向(第3方向D3)で対称とされているが、厳密に対称でなくともよい。例えば、手前側の筒状部22において4時の位置にオリフィス孔22oが設けられ、奥側の筒状部22において7時の位置にオリフィス孔22oが設けられる場合でも、各筒状部22の最下部にオリフィス孔22oが設けられる場合と比べて冷媒同士が衝突し易くなる。
図7は、実施の形態2に係る分配器20の筒状部22の第1変形例を示す模式図である。隣り合う筒状部22のオリフィス孔22o同士は、図7に示されるように、互いに外向き、すなわち向き合わない配置としてもよい。ここで、隣り合う筒状部22のオリフィス孔22o同士が互いに外向きであるとは、隣り合う筒状部22のオリフィス孔22oからの冷媒の吹き出し方向(図7に破線矢印で示される)が、互いに平行となるよりも離れるように構成されていればよい。
これまで、筒状部22が2つある場合を例に説明したが、3つ以上あってもよい。筒状部22が3つ以上ある場合も、分配の特性に合わせて、オリフィス孔22oが向き合う部分と向き合わない部分とができるように、あるいはすべて同一方向に向くようにオリフィス孔22oの位置を決めてよい。
図7に示される例では、手前側の筒状部22には、その流路22pの中心C1よりも下方且つ手前側にオリフィス孔22oが設けられ、奥側の筒状部22には、その流路22pの中心C1よりも下方且つ奥側にオリフィス孔22oが設けられている。このような構成により、2つの筒状部22のオリフィス孔22oから噴霧された冷媒同士の衝突の影響を緩和し、圧力損失が低減できる。なお、流路22pの数すなわち筒状部22の数は、2つの場合に限定されない。
以上のように、実施の形態2に係る分配器20もまた、実施の形態1の分配器20と同様、中空部21aに設けられた複数の筒状部22を備えているので、実施の形態1の場合と同様の効果を奏する。
また、実施の形態2の分配器20において、複数のオリフィス孔22oのそれぞれは、筒状部22の横方向(第1方向D1)と垂直な断面において、流路22pの中心C1の真下及び真上を除く位置に形成されている。
これにより、重力の影響で液冷媒が流路22pの下部に溜まり易い状態でも、オリフィス孔22oがより冷媒Rの液面Ra近くになるので、分配器20の長手方向(第1方向D1)で液冷媒が偏ることを防ぎ、気液二相冷媒のより良好な分配を実現できる。
また、複数のオリフィス孔22oのそれぞれは、筒状部22の横方向(第1方向D1)と垂直な断面において、流路22pの中心C1と流路22pの中心C1の真下の部位とを結ぶ基準線L0と、オリフィス孔22oが形成された部位と流路22pの中心C1とを結ぶ線との角度が40°以上且つ80°以下の角度範囲以内となるように設けられる。
これにより、一般的な冷媒の乾き度xで使用される分配器20において、冷媒Rの液面Raにより近い位置にオリフィス孔22oが設けられるので、オリフィス孔22oに液冷媒及びガス冷媒の双方が流入し易く、より均一な分配を実現できる。
実施の形態3.
図8は、実施の形態3に係る分配器20の一例を示す断面図である。実施の形態3では、複数の筒状部22が外壁部21に設けられている点が、実施の形態1の場合とは異なり、その他の構成は実施の形態1の場合と同様である。実施の形態3では、実施の形態1と同一部分には同一符号を付し、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
図8に示される分配器20の横方向(第1方向D1)と垂直な断面において、複数の筒状部22のそれぞれは、流路22pの少なくとも一部が中空部21aに位置するように、外壁部21に設けられている。図8に示される例では、2つの筒状部22は、外壁部21において2つの筒状部22の間に位置する部分21bにより連結され、各筒状部22の下側の部分は、外壁部21から中空部21aにはみ出している。オリフィス孔22oは、筒状部22において中空部21aに位置する部分に形成されており、筒状部22の内部の流路22pと筒状部22の外側の中空部21aとを連通させる。
図8に示されるように、略円形断面をもつ流路22pが分配器20の外壁部21に設けられる分配器20は、押し出し形成等によって一体で作ることができる。なお、分配器20は、複数の部品から構成されていても良い。例えば、略弧状の凹凸が形成された板状部材を上下組み合わせることで略円形断面の流路22pを有した筒状部22を構成してもよい。
なお、ヘッダの形状は、図1に示される形状に限定されない。例えば、図1において第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bのそれぞれは、第1方向D1に直線状に延びた構成とされていたが、第1方向D1に延びた2つの直線部と、2つの直線部を接続する曲げ部と、を有した平面視U字状の構成としてもよい。本開示の分配器20では、流路22pが複数あることで各流路22pを流れる冷媒量は従来よりも少なくなるので、曲げ部を有するヘッダの曲げ部に分配器20が設けられる場合でも、遠心力の影響が低減し、冷媒の良好な分配が行える。
図9は、実施の形態3に係る分配器20の第2変形例を示す模式図である。第2変形例では、分配器20の外壁部21は、上記のような平面視U字状の曲げ部20bを有している。図9には、曲げ部20bの頂点を通り、第3方向D3と垂直な分配器20の断面が示されている。
複数のオリフィス孔22oのそれぞれは、筒状部22において流路22pの中心C1の真下の位置よりも、曲げ部20bで内周側となる側に寄って設けられている。図9に示される例では、外壁部21の上部に2つの筒状部22が設けられ、内周側の筒状部22及び外周側の筒状部22のいずれにおいても、流路22pの中心C1よりも下方且つ内周側に複数のオリフィス孔22oが設けられている。正確には、分配器20において横方向に延びる2つの直線部のうち奥側の直線部では、各筒状部22において流路22pの中心C1よりも下方且つ手前側にオリフィス孔22oが設けられ、手前側の直線部では、各筒状部22において流路22pの中心C1よりも下方且つ奥側にオリフィス孔22oが設けられている。
以上のように、実施の形態3に係る分配器20もまた、実施の形態1の分配器20と同様、複数の筒状部22を備えているので、実施の形態1の場合と同様の効果を奏する。
また、実施の形態3の分配器20において、複数の筒状部22のそれぞれは、外壁部21の横方向(第1方向D1)と垂直な断面において流路22pの少なくとも一部が中空部21aに位置するように、外壁部21に設けられている。
これにより、複数の筒状部22同士が互いに独立せず、外壁部21により連結された構成となる。よって、例えば、分配器20を含むヘッダを曲げる加工を行う場合でも、複数の筒状部22が独立して存在する場合と比べて、それぞれの筒状部22に均等に力が加わり易い。したがって、分配器20の構成部の互いの位置関係が確保される。結果、分配器20を含むヘッダの加工後に、各筒状部22に設けられたオリフィス孔22oが潰れる又は筒状部22同士が干渉する、といった問題が回避でき、機能を確保しつつ加工がし易い。
また、外壁部21は、曲げ部20bを有し、複数のオリフィス孔22oのそれぞれは、流路22pの中心C1の真下の位置よりも、曲げ部20bで内周側となる側に寄って設けられている。これにより、筒状部22においてオリフィス孔22oが遠心力の方向(図9に示される筒状部22の断面では、第1方向D1)と逆方向の位置に設けられるので、遠心力により冷媒Rの液面Raが傾く場合でも良好な分配が提供できる。
実施の形態4.
図10は、実施の形態4に係る分配器20の一例を示す断面図である。実施の形態4では、中空部21aに配置された中間仕切り24に複数の筒状部22が設けられている点が、実施の形態1の場合とは異なり、その他の構成は実施の形態1の場合と同様である。実施の形態4では、実施の形態1と同一部分には同一符号を付し、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
実施の形態4の分配器20は、図1に示される第1ヘッダ2a及び第2ヘッダ2bのうち、下側に配置される第2ヘッダ2bに分配器20が設けられる場合に、特に有効である。以下の説明では、図1に示される第2ヘッダ2bに分配器20が設けられているものと定義して、図10に基づき分配器20の構成について説明する。
分配器20の外壁部21の上部には、複数の伝熱管1の端部1eが挿入される複数の接続口21oが形成されている。分配器20は、横方向(第1方向D1)に延びた中間仕切り24を備えている。中間仕切り24は、中空部21aに配置され、中空部21aを上下に二分する。図10に示されるように、中間仕切り24の前端部及び後端部は外壁部21の内面とつながっている。図10に示される分配器20の断面において、二分された中空部21aの下空間21a2及び上空間21a1のうち、複数の伝熱管1の端部1eが配置される上空間21a1の断面積は、下空間21a2の断面積よりも大きい。
複数の筒状部22は、中間仕切り24に設けられている。実施の形態3では、外壁部21に複数の筒状部22が設けられて外壁部21によりオリフィス孔22o等が潰れにくい構成とされていた。実施の形態4のように、外壁部21とつながった中間仕切り24に複数の筒状部22が設けられた場合でも、実施の形態3の場合と同様の効果が得られる。
中間仕切り24には、下空間21a2と上空間21a1とを連通させるスリット24aが形成されている。スリット24aは分配器20の長手方向(第1方向D1)に複数設けられる。なお、図10に示される例では、スリット24aは、奥行き方向(第3方向D3)に一つしか設けられていないが、奥行き方向に複数設けられていてもよい。複数の筒状部22のそれぞれにおいて複数のオリフィス孔22oは、下空間21a2及び上空間21a1のうち複数の接続口21oから遠い側の空間と、流路22pとを連通するように形成されている。図10に示されるように上方に伝熱管1が配置される分配器20では、複数の筒状部22のそれぞれにおいて複数のオリフィス孔22oは、下空間21a2にはみ出している筒状部22の下側筒状部に設けられている。
分配器20における複数の流路22pにそれぞれ流入した冷媒は、複数のオリフィス孔22oを介して中空部21aの下空間21a2に噴出される。複数の流路22pから下空間21a2に噴出された冷媒は、中間仕切り24のスリット24aを介して、複数の伝熱管1の端部1eが配置されている上空間21a1へ流入し、複数の伝熱管1へ流入する。
以上のように、実施の形態4に係る分配器20もまた、実施の形態1の分配器20と同様、複数の筒状部22を備えているので、実施の形態1の場合と同様の効果を奏する。
また、実施の形態4の分配器20は、中空部21aを上下に二分する、横方向(第1方向D1)に延びた中間仕切り24を備えている。そして、複数の筒状部22は、中空部21aに配置された中間仕切り24に設けられている。中間仕切り24には、二分された中空部21aの下空間21a2と上空間21a1とを連通するスリット24aが形成されている。複数の筒状部22のそれぞれにおいて複数のオリフィス孔22oは、下空間21a2及び上空間21a1のうち複数の接続口21oから遠い側の空間と、流路22pとを連通するように形成されている。
これにより、中間仕切り24によって複数の筒状部22が連結されるので、ヘッダを加工する場合でも分配器20の機能を維持しつつ加工できる。また、中間仕切り24によって複数の伝熱管1と仕切られた空間(図10に示される例では、下空間21a2)を形成することができ、伝熱管1の下部に分配器20が設けられる場合でも、仕切られた空間を介して冷媒の向きを円滑に変更できる。そして、中間仕切り24のスリット24aを介して冷媒を上方へ噴霧させ、伝熱管1へ流入し易くすることができる。
実施の形態5.
図11は、実施の形態5に係る分配器20の一例を示す断面図である。図12は、図11の分配器20のB-B断面を示す断面図である。図12中、白抜き矢印は、冷媒が流れる方向を示している。また、図12には、分配器20に差し込まれた伝熱管1同士のピッチP1が示されている。図13は、図11の分配器20のC-C断面を示す断面図である。
実施の形態5では、複数の筒状部22間で、第1方向D1におけるオリフィス孔22oの位置が異なる点で、実施の形態1の場合とは異なり、その他の構成は実施の形態1の場合と同様である。実施の形態5では、実施の形態1と同一部分には同一符号を付し、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
図12において、手前側の筒状部22に形成されたオリフィス孔22oの引き出し線が実線で示され、奥側の筒状部22に形成されたオリフィス孔22oの引き出し線が破線で示されている。筒状部22におけるオリフィス孔22oのピッチP2は、複数の筒状部22で同じである。図11に示されるように分配器20が2つの筒状部22を備える場合、例えば、図12に示されるように筒状部22におけるオリフィス孔22oのピッチP2を、伝熱管1のピッチP1の2倍とすることができる。ただし、手前側の筒状部22においてオリフィス孔22oは、奥側の筒状部22においてオリフィス孔22oを設ける位置と互い違いになるように異なる位置に設けられる。したがって、図12及び図13に示されるように、分配器20に接続された複数の伝熱管1のうち左から奇数番目の伝熱管1には、手前側の筒状部22に設けられたオリフィス孔22oから冷媒が噴出される。また、左から偶数番目の伝熱管1には、奥側の筒状部22に設けられたオリフィス孔22oから冷媒が噴出される。
例えば、伝熱管1のピッチP1が10[mm]未満となるような狭小ピッチの場合、各筒状部22に伝熱管1の本数以上のオリフィス孔22oを設けようとすると、オリフィス孔22oのピッチも狭くなる。このため、筒状部22にオリフィス孔22oを形成することが製造上困難になり、また、耐圧面でも筒状部22が弱くなる。
そこで、上記のように、実施の形態5に係る分配器20では、隣り合う筒状部22のオリフィス孔22oが、横方向(第1方向D1)において互い違いになるように異なる位置に設けられている。
これにより、各筒状部22に設けられるオリフィス孔22oのピッチP2が大きくなり、伝熱管1本につき1個のオリフィス孔22oを設けることが容易になり、良好な分配を担保できる。さらには、オリフィス孔22oのピッチP2を大きくすることにより、製造上の困難も回避することができ、且つ耐圧性も向上する。
実施の形態6.
図14は、実施の形態6に係る分配器20の一例を示す断面図である。実施の形態6では、分配器20の横方向(第1方向D1)と垂直な断面において各筒状部22に設けられたオリフィス孔22oの数が、実施の形態1の場合とは異なり、その他の構成は実施の形態1の場合と同様である。実施の形態6では、実施の形態1と同一部分には同一符号を付し、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
図14に示されるように、オリフィス孔22oは同一平面上(図14に示される断面)に複数個設けられている。図14に示される例では、分配器20の外壁部21内の中空部21aにおいて手前側と奥側とに2つの筒状部22が設けられ、手前側の筒状部22には、その流路22pの中心C1よりも下方且つ手前側と下方且つ奥側のそれぞれにオリフィス孔22oが設けられ、奥側の筒状部22にも、その流路22pの中心C1よりも下方且つ手前側と下方且つ奥側のそれぞれにオリフィス孔22oが設けられている。
筒状部22の断面にオリフィス孔22oが複数設けられていることで、筒状部22内での液冷媒の分布が偏っている場合でも、複数個オリフィス孔22oがあることで、冷媒が伝熱管1に流入する際の分配が均一化され、より良好な分配を提供することができる。また、筒状部22の断面にオリフィス孔22oが複数個あることで、均一化だけでなく、意図的に液又はガスを偏って分配するように構成することもできる。オリフィス孔22oが同一平面上に複数個設けられている部分は、分配器20全体でなくともよい。分配器20の一部のみを、オリフィス孔22oが同一平面上に複数個設けられる構成とすることで、分配器20を製品等に実装した際に周りに配管などが設けられ熱交換量が少なくなる部分にわざと液を少なく分配させるなどして、分配器20を備えた熱交換器全体での熱交換を効率的に実施することができる。
また、実施の形態6におけるオリフィス孔22oの形状はスリットのような形状でもよく、オリフィス孔22oの数は、伝熱管1の数すなわち外壁部21に設けられた接続口21oの数と同数以下でもよい。さらに、オリフィス孔22oが筒状部22の全体にわたって同一形状及び同一の大きさを有する必要はなく、筒状部22の一部においてのみオリフィス孔22oの面積が大きくなっていてもよい。換言すると、筒状部22の一部に設けられたオリフィス孔22oの大きさと、筒状部22における他の一部に設けられたオリフィス孔22oの大きさとが異なるように設けられてもよい。筒状部22においてオリフィス孔22oの形状又は大きさを違える、あるいは伝熱管1と同数以下とする等して、任意の部分に意図的に液又はガスの割合が偏った状態の冷媒を分配することができる。
以上のように、実施の形態6に係る分配器20では、一つの筒状部22においてオリフィス孔22oは、流路22pと垂直な同一平面上に複数個設けられている。これにより、筒状部22内での液冷媒の分布が偏っている場合でも、複数個オリフィス孔22oがあることで、冷媒が伝熱管1に流入する際の分配が均一化され、より良好な分配を提供することができる。また、筒状部22の同一断面上に設けるオリフィス孔22oの数を適宜調整して、均一化だけでなく、意図的に液又はガスを偏って分配することもでき、分配の自由度が増す。
なお、各実施の形態を組み合わせること、あるいは、各実施の形態を適宜、変形若しくは省略することができる。例えば、各実施の形態においても、オリフィス孔22oの形状はスリットのような形状でもよく、オリフィス孔22oの数は伝熱管1の数すなわち外壁部21に設けられた接続口21oの数と同数以下でもよい。さらに、オリフィス孔22oが筒状部22全体にわたって同一形状又は同一の大きさを有するものでなくとも良く、筒状部22の一部においてのみオリフィス孔22oの面積が大きくなっていてもよい。
1 伝熱管、1e 端部、2a 第1ヘッダ、2b 第2ヘッダ、3a 配管、3b 配管、4 仕切り板、10 ヒートポンプ装置、10a 冷媒回路、11 圧縮機、12 流路切替装置、13 熱交換器、14 減圧器、20 分配器、20b 曲げ部、21 外壁部、21a 中空部、21a1 上空間、21a2 下空間、21b 部分、21o 接続口、22 筒状部、22o オリフィス孔、22p 流路、23 端部仕切り、23a 開口部、24 中間仕切り、24a スリット、100 熱交換器、C1 中心、D1 第1方向、D2 第2方向、D3 第3方向、L0 基準線、L1 線、P1 ピッチ、P2 ピッチ、R 冷媒、Ra 液面、x 度、θ 液面角度。

Claims (16)

  1. 横方向に延びた筒状の外壁部と、
    前記外壁部の内部に形成される中空部の前記横方向の両端を画定する一対の端面と、
    前記外壁部又は前記外壁部の内部の中空部に設けられ、それぞれの前記横方向の両端が前記一対の端面とつながるように前記横方向に延び、内部に円形断面を有する流路が形成された複数の筒状部と、を備え、
    複数の前記筒状部は、互いに並列に設けられており、
    前記外壁部の上部又は下部には、前記横方向に間隔をあけて複数の接続口が形成され、
    前記一対の端面によって確定された前記中空部において複数の 前記筒状部のそれぞれには、前記横方向に間隔をあけて複数のオリフィス孔が形成され
    前記一対の端面のいずれか一方は、開口部を有し、
    複数の前記筒状部には、前記横方向で前記開口部の側から冷媒が流入する
    分配器。
  2. 複数の前記筒状部のそれぞれは、前記外壁部の前記横方向と垂直な断面において前記流路の少なくとも一部が前記中空部に位置するように、前記外壁部に設けられている
    請求項1に記載の分配器。
  3. 複数の前記オリフィス孔のそれぞれは、前記筒状部の前記横方向と垂直な断面において、前記流路の中心の真下及び真上を除く位置に形成されている
    請求項1又は請求項2に記載の分配器。
  4. 複数の前記オリフィス孔のそれぞれは、
    前記筒状部の前記横方向と垂直な前記断面において、前記流路の中心と前記流路の中心の真下の部位とを結ぶ基準線と、前記オリフィス孔が形成された部位と前記流路の中心とを結ぶ線との角度が40°以上且つ80°以下の角度範囲以内となるように設けられる
    請求項3に記載の分配器。
  5. 隣り合う前記筒状部の前記オリフィス孔同士は、互いに向き合うように設けられている
    請求項3又は請求項4に記載の分配器。
  6. 隣り合う前記筒状部の前記オリフィス孔同士は、互いに外向きとなるように設けられている
    請求項3又は請求項4に記載の分配器。
  7. 前記外壁部は、曲げ部を有し、
    数の前記オリフィス孔のそれぞれは、前記筒状部において前記流路の中心の真下の位置よりも、前記曲げ部で内周側となる側に寄って設けられている
    請求項3又は請求項4に記載の分配器。
  8. 隣り合う前記筒状部の前記オリフィス孔は、前記横方向において互い違いになるように異なる位置に設けられている
    請求項1~7のいずれか一項に記載の分配器。
  9. 一つの前記筒状部において前記オリフィス孔は、前記流路と垂直な同一平面上に複数個設けられている
    請求項1~8のいずれか一項に記載の分配器。
  10. 前記オリフィス孔の形状は、スリット形状である
    請求項1~9のいずれか一項に記載の分配器。
  11. 前記筒状部に設けられた前記オリフィス孔の数は、前記外壁部に設けられた数の前記接続口の数と同数以下である
    請求項1~10のいずれか一項に記載の分配器。
  12. 前記筒状部の一部に設けられた前記オリフィス孔の大きさと、前記筒状部における前記一部とは他の一部に設けられた前記オリフィス孔の大きさとが異なる
    請求項1~11のいずれか一項に記載の分配器。
  13. 複数の前記筒状部のそれぞれは、円筒形状を有している
    請求項1~12のいずれか一項に記載の分配器。
  14. 前記外壁部における前記横方向の一端に、前記外壁部よりも内周側且つ複数の前記流路よりも外周側の空間を塞ぐように設けられた端部仕切りを備え、
    前記端部仕切りにおける前記中空部側の面は、前記一対の端面の一つであり、前記中空部の前記横方向の一端を画定する端面である
    請求項1~13のいずれか一項に記載の分配器。
  15. 前記横方向に配列され、上下方向に延びる複数の伝熱管と、
    数の前記伝熱管の両端に設けられ、前記冷媒を分配及び合流させる2つのヘッダと、を備え、
    前記2つのヘッダの少なくとも一つは、請求項1~14のいずれか一項に記載の分配器を含むものであり、
    前記分配器は、該分配器が設けられる前記ヘッダの前記横方向の一部に設けられ、
    前記一対の端面のうち前記一方の端面は、前記開口部を複数有し、
    複数の前記筒状部のそれぞれの一方の端は、前記一対の端面のうち前記一方の端面につながり、複数の前記筒状部のそれぞれの他方の端は、前記一対の端面のうち他方の端面につながり、
    複数の前記開口部は、前記ヘッダ内において前記分配器の外側の空間と複数の前記筒状部における前記流路の一端とを連通させ、
    前記他方の端面は、複数の前記筒状部における前記流路の他端を閉塞するものであり、
    数の前記伝熱管の一部は、前記分配器の数の前記接続口に接続される
    熱交換器。
  16. 請求項15に記載の熱交換器、及び前記冷媒を圧縮する圧縮機を含む冷媒回路を備えたヒートポンプ装置。
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