JP2008528938A - 多孔質インサートを組み込んだ平行流熱交換器 - Google Patents

Abstract

平行流（小流路またはマイクロ流路）蒸発器は、蒸発器流路の入口に挿入される多孔質部材を含み、多孔質部材は、冷媒膨張と圧力低下制御を提供して、冷媒の不均衡分配を排除し、圧縮機の氾濫の可能性を防止する。

Description

本発明は、一般的に、空調システム、ヒートポンプシステム、および冷蔵システムに関し、より詳細には、それらのシステムの平行流蒸発器に関する。

本出願は、２００５年２月２日に米国で出願された米国仮出願第６０／６４９，４２５号「多孔質流路インサートを組み込んだ平行流蒸発器」を参照し、同出願の優先権と利益を主張し、参照により、その全体を本明細書に組み込むものとする。

いわゆる平行流熱交換器の定義は、空調および冷蔵産業において、広く用いられており、その定義によると、複数の平行通路を有し、冷媒がそれらの通路に分配され、入口マニホールドと出口マニホールドとの冷媒流の方向に概ね実質的に垂直方向に流れる熱交換器を表す。この定義は、当技術分野内では十分に採用されているので、本明細書全体を通して用いる。

冷媒システム蒸発器における冷媒の不均衡分配は、公知の現象である。冷媒の不均衡分配は、広い範囲の動作条件に亘って、蒸発器やシステム全体の性能を著しく低下させる。冷媒の不均衡分配が生じる原因は、蒸発器流路内の流れインピーダンスの相違、外部伝熱面上の不均一な空気流の分配、不適切な熱交換器の配向、またはマニホールドや分配システムの設計の悪さが考えられる。平行流蒸発器においては、冷媒の各冷媒回路への経路に関する特定の設計が原因で、不均衡分配が特に顕著である。この現象が平行流蒸発器の性能に与える影響を排除または低減しようとする試みは、ほとんど、または全く成功していない。このような試みが失敗に終わった主な理由は、通常、提案された技術の複雑さと非効率性、または解決法の法外に高い費用に関連している。

近年、特に、平行流熱交換器や炉内ろう付けアルミニウム熱交換器は、自動車分野だけでなく、暖房、換気、空調、冷蔵（ＨＶＡＣ＆Ｒ）産業においても非常に注目と関心を集めている。平行流技術を採用する主な理由は、その優れた性能、非常に小型であること、耐食性が強化されていることに関連する。平行流熱交換器は、現在、多数の製品やシステムの設計、構成に、凝縮器用途および蒸発器用途の両方で利用されている。蒸発器用途のほうが、より利益と見返りが期待できるが、より困難で問題が多い。冷媒の不均衡分配は、蒸発器用途でこの技術を実施するにあたっての主な懸念と障害の１つである。

公知のように、平行流熱交換器において冷媒の不均衡分配が生じる原因は、流路内、入口マニホールド内、および出口マニホールド内での不均一な圧力低下、およびマニホールド設計および分配システム設計の悪さである。マニホールドにおいては、冷媒経路の長さの相違、相の分離、および重力が不均衡分配の主な要因である。熱交換器の流路内部では、熱伝達率のばらつき、空気流分配、製造上の公差、重力が主要な要因である。さらに、熱交換器性能強化という最近の傾向は、熱交換器の流路の小型化（いわゆる小流路やマイクロ流路）を促進し、その結果、冷媒分配に否定的な影響を与えた。これら全ての要因を制御することは極めて困難なので、特に平行流蒸発器において、冷媒分配を管理するというこれまでの試みの多くは失敗に終わった。

平行流熱交換器を利用する冷媒システムにおいて、入口マニホールド即ちヘッダおよび出口マニホールド即ちヘッダは、通常、従来の円筒形である（マニホールドとヘッダという用語は、本明細書を通して相互に置き換えて用いる）。二相流がヘッダに入ると、蒸気相は、通常、液体相から分離される。両方の相が独立して流れるので、冷媒の不均衡分配が生じる傾向がある。

二相流が、比較的高速で入口マニホールドに入る場合、液体相（液滴）は、流れの勢いによってマニホールドの入口から遠く離れたヘッダの遠隔部分に運ばれる。従って、マニホールドの入口に最も近い流路は、主に蒸気相を受け、マニホールドの入口から離れた流路は主に液体相を受ける。他方、マニホールドに入る二相流の速度が低い場合、液体相をヘッダに沿って運ぶ十分な勢いがない。結果として、液体相は、入口に最も近い流路に入り、蒸気相は、最も遠い流路に進む。また、入口マニホールド内の液体相と蒸気相は、重力によって分離される場合があり、同様の不均衡分配という結果が生じる。どちらの場合においても、不均衡分配現象はすぐに表面化し、蒸発器やシステム全体の性能の低下という形で現れる。

さらに、不均衡分配現象によって、一部の流路の出口で二相（ゼロ過熱）状態が生じる場合があり、圧縮機の吸込みで氾濫が生じる可能性を助長して、すぐに圧縮機の損傷となる。

従って、本発明の目的は、前述の従来技術の問題を克服するシステムおよびその方法を提供することである。

本発明の目的は、平行流（マイクロ流路または小流路）蒸発器に圧力低下制御を導入して、熱交換器回路の圧力低下を基本的に均一にし、その結果、冷媒の不均衡分配と、それに関する問題を排除することである。さらに、本発明の目的は、各流路の入口で冷媒の膨張を提供することによって、冷媒の不均衡分配の主な原因の１つである、入口マニホールドの大部分を占める二相流を排除することである。各平行流蒸発器流路、すなわち各平行流蒸発器流路の入口に挿入される多孔質媒体の導入により、これらの目的が達成されることが分かった。例えば、これらの多孔質媒体インサートは、熱交換器全体の炉内ろう付け中に各流路にろう付けするか、化学的に結合させるか、もしくは機械的に適切な位置に固定することができる。さらに、これらのインサートは、低費用の用途では、一次（かつ唯一の）膨張装置として使用でき、正確な過熱制御が必要で、温度式膨張弁（ＴＸＶ）または電子膨張弁（ＥＸＶ）を一次膨張装置として採用する場合、二次膨張装置として使用される。

上述の目的を達成する任意の適切な多孔質インサートが使用されてもよい。適切で、あまり高価でない多孔質インサートは、焼結金属、スチールウール等のような圧縮金属、専用に設計された多孔質セラミック等から作られてもよい。あまり高価でない多孔質媒体インサートを、平行流蒸発器の各流路、すなわち、各平行流蒸発器流路の入口に配置すると、蒸発器内の冷媒流に対する大きな抵抗となる。このような環境においては、主な圧力低下領域は、このインサートを通る箇所となり、平行流蒸発器の流路内やマニホールド内での圧力低下のばらつきが果たす役割は小さい（取るに足らない）。さらに、冷媒膨張が、各流路の入口で起こるので、特に、多孔質インサートを一次かつ唯一の膨張装置として利用する場合に、主に単相の液体冷媒が入口マニホールドを流れる。従って、均一な冷媒分配が達成され、蒸発器とシステムとの性能が強化され、同時に、正確な過熱制御も（必要であれば）失われない。さらに、提案された方法の追加費用は少なく、本発明を非常に魅力的なものとする。

図１を参照すると、平行流（小流路またはマイクロ流路）熱交換器１０は、入口ヘッダすなわちマニホールド１２と、出口ヘッダすなわちマニホールド１４と、入口マニホールド１２と出口マニホールド１４とを流体連通させる複数の平行に配置された流路１６と、を含む。一般的に、入口ヘッダ１２および出口ヘッダ１４は、円筒形で、流路１６は、扁平断面または円形断面の管（または押出体）である。流路１６は、通常、フィンのような複数の内部および外部の熱伝達強化要素を有する。例えば、外部フィン１８は、熱交換と構造的な剛性とを強化するために流路間に均一に配置され、一般的に炉内ろう付けされる。流路１６は、内部にも熱伝達強化要素と構造要素も有してもよい。

運転中、冷媒は、入口開口２０内に流れ、次に、入口ヘッダ１２の内部キャビティ２２に流れる。内部キャビティ２２から、冷媒は、液体、蒸気、または液体と蒸気との混合物の形態（膨張装置が上流に配置された蒸発器の場合の最も一般的なシナリオ）で、流路開口２４に入り、流路１６を通って出口ヘッダ１４の内部キャビティ２６に入る。蒸発器用途の場合、そこから、冷媒は、通常は蒸気の形態で、出口開口２８を出て圧縮機（図示せず）に流れる。流路１６の外部で、ファン（図示せず）のような空気移動装置によって、流路１６と、流路に対応するフィン１８と、に亘って空気を均一に循環させることが望ましく、これにより、熱伝達の相互作用が、流路の外側を流れる空気と、流路内の冷媒との間に生じる。

本発明の一実施形態によると、多孔質インサート３０が、各流路１６の入口に挿入される。流路１６が、通常は構造的剛性強化および／または熱伝達強化の目的で含まれる支持部材１６ａ（図３）のような内部構造要素を有する場合、多孔質インサート３０は、スロット３２を組み込んで、流路の入口の適切な位置で支持部材１６ａを収容する。さらに、例えば、流路１６への冷媒の分配に影響を与える上述の他の要因を相殺するために、インサート３０またはインサート３２が様々な程度の膨張および／または水圧抵抗を提供することが望まれる場合、インサートの多孔度値または幾何学的寸法（インサートの奥行き、挿入深度など）のような特性を変更して、各流路１６に対して所望の結果を達成することができる。

図５ａは、別の実施形態を示しており、流路１６への全ての入口は、マニホールド４０内に配置された単一の多孔質部材３４で覆われる。さらに、支持部材３６を用いて、マニホールド４０内での多孔質部材３４と流路１６との相対的な位置設定を補助してもよい。多孔質部材３４と支持部材３６とのアッセンブリは、多孔質部材からできた単一の部材から製造でき、かつ単一の部材として組み合わせることができることに留意されたい。

図５ｂは、図５ａの構造の他の実施形態であり、多孔質部材は、２つの異なる多孔質材３４，３４ａの複合材である。当然、多孔質部材内の複合材の数は、２つより多くてもよい。

図６は、図５ａの側面図である。

図７ａは、流路入口から所定の距離をおいて多数の流路１６をシールする１つに結合された細長い多孔質部材３４ｂを示す。

図７ｂは、多数の流路１６の端部にキャップをする細長い多孔質部材３４ｃを示す。

図７ｃは、図７ｂの構造を少し変更したもので、多孔質部材３４ｄは、正確な形状で、流路１６の端にキャップをする。多孔質部材３４ｄの形は、断面が長方形ではなく、任意の適切な構成であってよい。さらに、多孔質部材３４ｄは、マニホールド４０内に、マニホールド４０の内壁と、多孔質部材３４ａとの間に隙間があるように配置されることが好ましく、多孔質部材３４ｄおよび流路１６に入る前に、より均一な冷媒分配を可能にする。

本発明の目的を達成する任意の型の多孔質部材および／または材料を用いてよいことを理解されたい。同様に、本発明の利用に際し、図２〜図７に示すように、本発明の目的を達成する任意の設計または構成を用いてもよい。

また、多孔質インサートは、凝縮器用途および蒸発器用途で、中間マニホールド内でも用いることができることに留意されたい。例えば、熱交換器が複数の冷媒パスを有する場合、（入口マニホールドと出口マニホールドの間に）中間マニホールドが熱交換器設計に組み込まれる。中間マニホールドにおいては、冷媒は一般的に二相状態なので、このような熱交換器構成は、中間マニホールドに多孔質インサートを組み込むことによって、本発明から同様に利益を得ることができる。さらに、多孔質インサートは、凝縮器の入口マニホールドおよび蒸発器の出口マニホールドに配置され、水圧抵抗の均一性および圧力低下制御を提供して、熱交換器全体の性能に与える影響を減少させる。

特定の用途に関して、流路への冷媒の不均衡分配を引き起こす様々な要因が、設計段階で、大体、分かるので、発明者は、蒸発器およびシステム全体の性能への有害な影響および圧縮機の氾濫および損傷の可能性を排除するために、これらの要因を相殺する設計特徴を導入することが可能であることが分かった。例えば、多くの場合、冷媒が入口マニホールドに高速で入るか低速で入るか、また、不均衡分配現象が速度値によってどのように影響されるか、大体、分かる。当業者であれば、他のシステム特性に本発明の教示をいかにして適用するか理解するであろう。

図に示した好ましい実施形態に関して、本発明を詳細に示し、説明したが、当業者であれば、請求項の範囲で画定される本発明の真意と範囲を逸脱することなく、細部に亘って様々な変更を行うことができることを理解されたい。

従来技術による平行流熱交換器の概略図である。 本発明の一実施形態の部分側面断面図である。 本発明の流路入口に配置された多孔質インサートの端面図である。 図３に示された多孔質インサートの斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す側面断面図である。 本発明のさらに他の実施形態を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態の複数の流路の端面図である。 本発明の多孔質キャップの実施形態を示す斜視図である。 第２の多孔質キャップの実施形態を示す斜視図である。 第３の多孔質キャップの実施形態を示す斜視図である。

Claims (40)

1. 長手方向に延びる入口マニホールドであって、該入口マニホールドに流体流を案内する入口開口と、前記入口マニホールドから横方向に前記流体流を案内する複数の出口開口と、を有する入口マニホールドと、
   実質的に互いに平行に配列された複数の流路であって、前記入口マニホールドからの前記流体流を案内する前記複数の出口開口と流体連通する複数の流路と、
   前記複数の流路に流体連通し、前記流体流を受ける出口マニホールドと、
   を備え、
   前記熱交換器は、該熱交換器の流路内に配置された少なくとも１つの多孔質部材を含むことを特徴とする平行流（小流路またはマイクロ流路）熱交換器。
2. 前記熱交換器は、蒸発器であることを特徴とする請求項１に記載の平行流熱交換器。
3. 前記熱交換器は、凝縮器であることを特徴とする請求項１に記載の平行流熱交換器。
4. 前記多孔質部材は、少なくとも１つの流路に配置されたインサートの形態であることを特徴とする請求項１に記載の平行流熱交換器。
5. 前記多孔質インサートは、前記流路の入口に配置されることを特徴とする請求項４に記載の平行流熱交換器。
6. 前記多孔質インサートは、前記流路の入口に隣接して配置されることを特徴とする請求項５に記載の平行流熱交換器。
7. 前記多孔質インサートは、前記流路の内部に配置されることを特徴とする請求項５に記載の平行流熱交換器。
8. 前記多孔質インサートは、前記入口マニホールド内に配置されるか、または該入口マニホールドと直接流体連通して配置されることを特徴とする請求項１に記載の平行流熱交換器。
9. 前記多孔質インサートは、前記出口マニホールド内に配置されるか、または前記出口マニホールドと直接流体連通して配置されることを特徴とする請求項１に記載の平行流熱交換器。
10. 前記多孔質インサートは、中間マニホールド内に配置されるか、または該中間マニホールドと直接流体連通して配置されることを特徴とする請求項１に記載の平行流熱交換器。
11. 前記多孔質インサートは、金属およびセラミックから成る群から選択される材料から作られることを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
12. 前記多孔質インサートは、焼結金属、圧縮金属、メタルウール、または金属線から成る群から選択される材料から作られることを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
13. 前記多孔質インサートは、前記マニホールドに沿って長手方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
14. 前記多孔質インサートと前記マニホールドの内壁との間に隙間があることを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
15. 前記多孔質インサートは、少なくとも２つの異なるインサートの複合物であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
16. 前記多孔質インサートの断面は、長方形でないことを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
17. 前記多孔質インサートの断面は、円形の一部であることを特徴とする請求項１６に記載の多孔質インサート。
18. 前記多孔質インサートは、少なくとも２つの流路間で可変特性を有することを特徴とする請求項１に記載の多孔質インサート。
19. 前記可変特性は、多孔性、奥行き、挿入深度、および材料の群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の多孔質インサート。
20. 長手方向に延びる入口マニホールドであって、該入口マニホールドに流体流を案内する入口開口と、前記入口マニホールドから横方向に前記流体流を案内する複数の出口開口と、を有する入口マニホールドと、
    実質的に互いに平行に配列された複数の流路であって、前記入口マニホールドからの前記流体流を案内する前記複数の出口開口と流体連通する複数の流路と、
    前記複数の流路に流体連通し、前記流体流を受ける出口マニホールドと、
    を備える平行流（小流路またはマイクロ流路）熱交換器であって、
    前記熱交換器は、該熱交換器の流れ経路内に配置された少なくとも１つの多孔質部材を含み、前記多孔質部材は、システム内において、膨張制御と圧力低下制御の少なくとも一方を提供するように設計されることを特徴とする平行流熱交換器。
21. 前記熱交換器は、蒸発器であることを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
22. 前記熱交換器は、凝縮器であることを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
23. 前記多孔質部材は、一次膨張装置として機能することを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
24. 前記多孔質部材は、二次膨張装置として機能することを特徴とする請求項２０に記載の熱交換器。
25. 前記多孔質部材は、少なくとも１つの流路に配置されるインサートの形態であることを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
26. 前記多孔質インサートは、前記流路入口に配置されることを特徴とする請求項２５に記載の平行流熱交換器。
27. 前記多孔質インサートは、前記流路入口に隣接して配置されることを特徴とする請求項２６に記載の平行流熱交換器。
28. 前記多孔質インサートは、前記流路内に配置されることを特徴とする請求項２６に記載の平行流熱交換器。
29. 前記多孔質インサートは、前記入口マニホールド内に配置されるか、または該入口マニホールドと直接流体連通して配置されることを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
30. 前記多孔質インサートは、前記出口マニホールド内に配置されるか、または該出口マニホールドと直接流体連通して配置されることを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
31. 前記多孔質インサートは、中間マニホールド内に配置されるか、または該中間マニホールドと直接流体連通して配置されることを特徴とする請求項２０に記載の平行流熱交換器。
32. 前記多孔質インサートは、金属とセラミックとからなる群から選択される材料から作られることを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
33. 前記多孔質インサートは、焼結金属、圧縮金属、メタルウール、または金属線から成る群から選択される材料から作られることを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
34. 前記多孔質インサートは、前記マニホールドに沿って長手方向に配置されることを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
35. 前記多孔質インサートと、前記マニホールドの内壁面との間に隙間を有することを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
36. 前記多孔質インサートは、少なくとも２つの異なるインサートの複合物であることを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
37. 前記多孔質インサートの断面は、長方形でないことを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
38. 前記多孔質インサートの断面は、円形の一部であることを特徴とする請求項３７に記載の多孔質インサート。
39. 前記多孔質インサートは、少なくとも２つの流路間に可変特性を有することを特徴とする請求項２０に記載の多孔質インサート。
40. 前記可変特性は、多孔性、奥行き、挿入深度、および材料の群から選ばれることを特徴とする請求項３９に記載の多孔質インサート。

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