JP2008528940A

JP2008528940A - ヘッダ内での流体膨張を伴う熱交換器

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Publication number: JP2008528940A
Application number: JP2007554089A
Authority: JP
Inventors: ゴルボウノフ，ミハイル，ビー．; ヴェルマ，パーメッシュ; タラス，マイケル，エフ．; チョプコ，ロバート，エー．; カークウッド，アレン，シー．
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2008-07-31
Also published as: CA2596333A1; HK1117894A1; DK1844286T3; EP1844286B1; ES2526403T3; EP1844286A4; US20080110606A1; CN101128709A; EP1844286A2; CN101128709B; MX2007009250A; WO2006083446A2; KR20070111456A; AU2005326651B2; US7931073B2; WO2006083446A3; BRPI0519909A2; AU2005326651A1

Abstract

熱交換器は、第１のヘッダと、第２のヘッダと、それら間に延在する複数の伝熱管と、を含む。各伝熱管は、ヘッダの１つに対して開口する入口端と、他方のヘッダに対して開口する出口端と、を有する。各伝熱管は、その入口端から出口端に互いに平行に長手方向に延在する複数の流路を有し、各流路は、個別の冷媒流経路を画定する。複数の伝熱管の各々の入口端は、流路に対して開口する入口が、ヘッダの内面と間隔を置いて向かい合うように配置され、それによって、流路に対して開口する入口と、ヘッダの内面との間に比較的狭い隙間を画定する。隙間は、主要な膨張装置として機能してもよく、二次的な膨張装置として機能してもよい。

Description

本発明は、一般的に、第１のヘッダと第２のヘッダとの間に延在する複数の平行管を有する冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器に関し、より詳細には、熱交換器の平行管を通る二相冷媒流の分配を改善するために入口ヘッダ内で冷媒を膨張させることに関する。

冷媒蒸気圧縮システムは、当分野では公知である。冷媒蒸気圧縮サイクルを採用する空調装置やヒートポンプは、住居、オフィスビル、病院、学校、レストラン、または他の施設内の温度と湿度が調節された快適空間に供給される空気の冷却または冷却／加熱に、よく利用されている。冷媒蒸気圧縮システムは、空気やグリコール溶液等の他の二次媒体の冷却にもよく使用されており、スーパーマーケット、コンビニエンスストア、食料品店、カフェテリア、レストラン、および他の食品サービス施設における陳列ケース内の食料品や飲料製品に冷蔵環境を提供する。

従来、これらの冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒流的に連通した、圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器を含む。前述の基本的な冷媒システムの構成要素は、閉じた冷媒回路の冷媒ラインによって相互に接続され、採用した蒸気圧縮サイクルに応じて配置される。通常、膨張弁、またはオリフィスや毛細管等の一定口径の計量装置である膨張装置は、冷媒流に対して蒸発器の上流かつ凝縮器の下流における冷媒回路内の位置で冷媒ラインに配置される。膨張装置は、凝縮器から蒸発器に向かう冷媒ラインを通る液体冷媒を膨張させるよう作動して、低圧低温にする。そうすることにより、膨張装置を通る液体冷媒の一部が、膨張して蒸気になる。結果として、この形式の従来の冷媒蒸気圧縮システムにおいては、蒸発器に入る冷媒流は、二相混合物を形成する。液体冷媒および蒸気冷媒の特定の割合は、採用した特定の膨張装置、作動状態、および使用される冷媒（例えば、Ｒ‐１２，Ｒ‐２２，Ｒ‐１３４ａ，Ｒ‐４０４Ａ，Ｒ‐４１０Ａ，Ｒ‐４０７Ｃ，Ｒ７１７，Ｒ７４４、または他の圧縮性流体など）によって決まる。

一部の冷媒蒸気圧縮システムにおいては、蒸発器は、平行管熱交換器である。このような熱交換器は、入口ヘッダすなわち入口マニホルドと、出口ヘッダすなわち出口マニホルドとの間に互いに平行に延在する複数の管によってもたらされる複数の平行な冷媒流経路を有する。入口ヘッダは、冷媒回路から冷媒流を受けて、その冷媒流を熱交換器の複数の流れ経路に分配する。出口ヘッダは、冷媒流が各流れ経路を流出する際に冷媒流を集め、集めた冷媒流を、シングルパスの熱交換器では、圧縮機へと戻る冷媒ラインに戻し、マルチパスの熱交換器では、付加的な伝熱管の群へとさらに導く。後者の場合、出口ヘッダは、中間マニホルドすなわちマニホルドチャンバであり、次に続く下流の管群への入口ヘッダとして機能する。

従来、このような冷媒蒸気圧縮システムで用いられる平行管熱交換器では、一般的に直径３／８インチまたは７ミリメートルの円形の管が用いられていた。より最近では、平坦で、概して長方形または長円形の断面を有する多流路管が冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器に用いられている。各多流路管は、管の長さに亘って互いに平行に長手方向に延びる複数の流路を有することが多く、各流路は、比較的小さい流路面積の冷媒流経路を付与する。従って、熱交換器の入口ヘッダと出口ヘッダとの間で互いに平行に延びる多流路管を有する熱交換器は、２つのヘッダ間に延在する比較的多数の小さい流路面積の冷媒流経路を有する。対照的に、従来の円形の管を有する従来の熱交換器は、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在する比較的少数の大きい流路面積の流れ経路を有する。

二相冷媒流の不均衡分配とも呼ばれる一様でない分配は、熱交換器の効率に悪影響を及ぼす、平行管熱交換器に共通の問題である。二相の不均衡分配の問題は、冷媒が上流の膨張装置を通って膨張することによる、入口ヘッダに存在する蒸気相冷媒および液体相冷媒の密度の差が原因であることが多い。

蒸発熱交換器の平行管を通る冷媒流の分配を制御する解決法の１つが、レピス（Ｒｅｐｉｃｅ）らによる米国特許第６，５０２，４１３号明細書に開示されている。同明細書に開示されている冷媒蒸気圧縮システムでは、凝縮器からの高圧の液体冷媒を、蒸発熱交換器の入口ヘッダの上流にある、従来の冷媒ライン中の膨張弁で部分的に膨張させて、低圧の液体冷媒にする。管内を単に狭くすることや、管内部に配置された内部オリフィスプレート等の、制限を、管入口下流の入口ヘッダに接続される各管に設けて、管に入った後、膨張を完了して、低圧の液体／蒸気冷媒混合物にする。

蒸発熱交換器の平行管を通る冷媒流の分配を制御する他の方法が、カンザキらによって日本国特許第４０８０５７５号公報に開示されている。同公報に開示されている冷媒蒸気圧縮システムにおいても、凝縮器からの高圧の液体冷媒は、従来の冷媒ライン中の膨張弁において、部分的に膨張させられて熱交換器の分配チャンバの上流で低圧の液体冷媒になる。複数のオリフィスを有するプレートが、該チャンバに亘って延在する。低圧の液体冷媒は、オリフィスを通る際に膨張して、プレートの下流で、かつチャンバに対して開口する各管の入口の上流で低圧の液体／蒸気混合物になる。

日本国特許第６２４１６８２号公報において、マッサキらは、ヒートポンプ用平行管熱交換器を開示しており、開示された熱交換器においては、入口ヘッダに接続する各多流路管の入口端は、押しつぶされて、各管の入口のすぐ下流で各管に部分的なスロットルによる制限を形成する。日本国特許第８２３３４０９号公報において、ヒロアキらは、平行管熱交換器を開示しており、開示された熱交換器においては、複数の平坦な多流路管が、一対のヘッダ管で接続されており、各管は、各管に均等に冷媒を分配する手段として冷媒流の方向に流路面積が減少する内部を有する。日本国特許第２００２０２２３１３号公報において、ヤスシは、平行管熱交換器を開示しており、開示された熱交換器においては、冷媒は、ヘッダの軸に沿ってヘッダの端の手前で終了するように延在する入口管を通してヘッダに供給され、これによって、二相冷媒流は、入口管から、入口管の外面とヘッダの内面との間の環状流路に流入するため分離しない。その後、二相冷媒流は、環状流路に対して開口する各管に流入する。

比較的多数の小さい流路面積を有する冷媒流経路に均一に冷媒流を分配することは、従来の円管熱交換器における場合と比べてより困難であり、熱交換器の効率を著しく低下させるだけでなく、圧縮機のフラッディングが原因で重大な信頼性の問題を引き起こす場合がある。

本発明の一般的な目的は、第１のヘッダと第２のヘッダとの間に延びる複数の多流路管を有する冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器における冷媒流の不均衡分配を低減させることである。

本発明の一態様の目的は、単一相で列になった多流路管の個々の流路に液体冷媒として冷媒を分配することである。

本発明の他の態様の目的は、複数の多流路管を有する冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器において、冷媒流が単一相の列になった多流路管の個々の流路に液体冷媒として分配されるまで、冷媒の膨張を遅らせることである。

本発明の一態様において提供される熱交換器は、冷媒回路から主に液体冷媒を受けるチャンバを画定するヘッダと、伝熱管内を通る冷媒流経路を画定し、その入口端で前述の冷媒流経路に対して開口した入口を有する少なくとも１つの伝熱管と、を有する。伝熱管の入口端は、冷媒流経路に対して開口した入口がヘッダの内面と離間して対向するように、ヘッダのチャンバ内に延びて配置され、これによって、伝熱管の冷媒流経路に対して開口した入口と、対向するヘッダの内面との間に比較的狭い隙間が画定される。隙間は、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の幅を有することができる。一実施形態においては、隙間は、約０．１ｍｍの幅を有する。熱交換器の実施形態においては、少なくとも１つの伝熱管は、伝熱管の冷媒流経路を通りかつ互いに平行に長手方向に延びる複数の流路を有し、各流路は、少なくとも１つの伝熱管を通る個別の冷媒流経路を画定する。複数の流路によって画定された流れ経路は、円形断面、長方形断面、三角形断面、台形断面または他の非円形断面を有することができる。本発明の熱交換器は、シングルパスまたはマルチパスとして配設された熱交換器とすることができる。

特定の実施形態においては、熱交換器は、第１のヘッダと、第２のヘッダと、第１のヘッダと第２のヘッダとの間に延在する複数の伝熱管と、を有する。各ヘッダは、冷媒を集めるチャンバを画定する。複数の伝熱管の各管は、ヘッダの１つのチャンバに対して開口した入口端と、ヘッダの他方に対して開口した出口端と、を有する。複数の伝熱管の各管は、その入口端から出口端に長手方向に互いに平行に延びる複数の流路を有し、各流路は、個別の冷媒流経路を画定する。各伝熱管の入口端は、流路に対して開口した入口がヘッダの内面と離間して対向するように、ヘッダの少なくとも１つのチャンバ内に延びて位置決めされ、これによって、流路に対して開口した入口と、ヘッダの内面との間に比較的狭い隙間が画定される。

本発明の他の態様においては、冷媒蒸気圧縮システムは、圧縮機と、凝縮器と、蒸発熱交換器と、を含み、高圧の冷媒蒸気が、圧縮機から凝縮器に移動し、高圧の冷媒液体が、凝縮器から蒸発熱交換器に移動し、低圧の冷媒蒸気が、蒸発熱交換器から圧縮機に移動する冷媒流的に連通して接続される。蒸発熱交換器は、少なくとも入口ヘッダおよび出口ヘッダと、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在する少なくとも１つの伝熱管と、を含む。入口ヘッダは、冷媒回路から液体冷媒を受けるチャンバを画定する。各伝熱管は、入口ヘッダチャンバに対して開口した入口端と、出口ヘッダに対して開口した出口端と、を有する。各伝熱管は、管の入口端から出口端に互いに平行に長手方向に延びる複数の流路を有し、各流路は、個別の冷媒流経路を画定する。各伝熱管の入口端は、流路に対して開口した入口がヘッダの内面と離間して対向するように、入口ヘッダのチャンバ内に延びて位置決めされ、これによって、流路に対して開口した入口と、入口ヘッダの内面との間に膨張用隙間が画定される。本発明による熱交換器を蒸発器として組み込んだ冷媒蒸気圧縮システムでは、膨張は、システムの唯一の膨張装置として利用されてもよく、あるいは、システムの蒸発器につながる冷媒ラインにおいて上流に位置する膨張装置と連続して、主要膨張装置または二次膨張装置として利用されてもよい。

本発明のさらに他の態様において、冷媒蒸気圧縮サイクルを作動する方法を提供する。該方法は、冷媒回路で接続された圧縮機、凝縮器および蒸発熱交換器を設けるステップと、高圧の冷媒蒸気を圧縮機から凝縮器に送るステップと、高圧の冷媒液体を凝縮器から蒸発熱交換器の入口ヘッダに送るステップと、蒸発熱交換器の入口ヘッダから出口ヘッダに冷媒を送る複数の冷媒流経路を画定する複数の流路を有する少なくとも１つの伝熱管を設けるステップと、入口ヘッダの内面と、少なくとも１つの伝熱管の入口との間に形成された膨張用隙間を通して高圧の液体冷媒を送ることによって、入口ヘッダが受けた高圧液体を複数の冷媒流経路の各々に分配するステップと、蒸発熱交換器の出口ヘッダから低圧冷媒蒸気を圧縮機に戻すステップと、を含む。

本明細書では、図１〜図８に示す多流路管熱交換器の種々の例示的なシングルパスの実施形態について本発明の平行管熱交換器１０を説明する。熱交換器１０は、入口ヘッダ２０と、出口ヘッダ３０と、該入口ヘッダ２０と出口ヘッダ３０との間に長手方向に延びる複数の多流路伝熱管４０と、を含み、これにより、入口ヘッダ２０と出口ヘッダ３０との間に複数の冷媒流経路を提供する。各伝熱管４０は、一方の端部に入口ヘッダ２０と冷媒流連通する入口４３を有し、他方の端部に出口ヘッダ３０と冷媒流的に連通する出口を有する。

図１，３，５，７に示す伝熱管１０の例示的実施形態においては、伝熱管４０は、概ね水平に延在する入口ヘッダ２０と、概ね水平に延在する出口ヘッダ３０との間で、概ね垂直方向に延びて、互いに平行に配設されている。しかし、図示した実施形態は、例示的なものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書に記載された本発明は、熱交換器１０の種々の構成を用いて実施されることを理解されたい。例えば、伝熱管は、概ね垂直に延在する入口ヘッダと、概ね垂直に延在する出口ヘッダとの間で、概ね水平方向に延び、互いに平行に配設されてもよい。他の例としては、伝熱管は、異なる直径を有するトロイダル型入口ヘッダおよびトロイダル型出口ヘッダを備え、該トロイダル型ヘッダの間で、径方向内向きおよび径方向外向きに伝熱管が延在してもよい。伝熱管は、後により詳細に述べるように、マルチパスの実施形態のように配設されてもよい。

多流路伝熱管４０の各々は、すなわち管の軸に沿って長手方向に延びる複数の平行な流路４２を有しており、管の全長に亘って管の入口と出口との間に多数の独立した平行な流れ経路を提供する。多流路伝熱管４０の各々は、例えば、内部を画定する長方形の断面を備えた「平坦な」管であって、この内部は、さらに分割され、独立した流路４２が隣接して配設されている。平坦な多流路管４０は、例えば、５０ｍｍ以下、通常１２〜２５ｍｍの幅、および約２ｍｍ以下の高さを有するが、従来の先行技術の円形の管は、１／２インチ（約１２．７ｍｍ）、３／８インチ（約９．５ｍｍ）または７ｍｍの直径を有している。図１〜図８において、管４０は、円形断面を有する流れ経路を画定する１２本の流路４２を備えて概略的に図示されている。しかし、他の用途においては、多流路管４０の各々は、概して約１０〜２０本の流路４２を備えていてもよいことを理解されたい。通常、流路４２の各々は、流路断面積を４倍したものを周長で除して定義された、約２００ミクロン〜約３ｍｍの範囲の水力直径を有する。図では、流路４２は、円形断面を有して図示されているが、長方形、三角形および台形の断面を有していてもよく、また、所望の他の非円形断面を有してもよい。

特に、図２，４，６，８を参照すると、熱交換器１０の伝熱管４０は、管の入口端４３が入口ヘッダ２０の内部２５に延びるように入口ヘッダ２０の一方の側に挿入されている。伝熱管４０各々は、伝熱管４０の入口端４３において流路４２の口４１が並列に配設されて、ヘッダ２０の他方の側の内面２２と近接するように十分な長さにわたって挿入されており、これにより、伝熱管４０の入口端４３の口４１と、ヘッダ２０の内面２２との間に比較的狭い隙間Ｇが画定される。隙間Ｇを通って冷媒が各流路４２の口４１に流入する際に、高圧の液体冷媒が所望のレベルで膨張して低圧の液体冷媒および蒸気冷媒の混合物が生じるように、隙間Ｇは、伝熱管４０の各流路４２の口４１の流路面積に対して十分に小さくなければならない。通常、公称１平方ミリメートルの内部流路断面積の流路を有する伝熱管４０では、隙間Ｇは、管４０の入口端４３の口４１から対向するヘッダの内面までを測定して、約１０分の１ミリメートル（０．１ｍｍ）の幅を有する。当業者であれば、管４０の入口端をヘッダ２０の内面２２に対して選択的に位置決めして隙間Ｇの幅を変化させることによって膨張の程度を調整することができることを理解されるであろう。

図１，２に示す実施形態において、ヘッダ２０，３０は、長手方向に細長く、端部が閉じた中空のシリンダであって、円形の断面を有している。図３，４に示す実施形態においては、ヘッダ２０，３０は、同様に長手方向に細長く、端部が閉じた中空のシリンダであるが、楕円形の断面を有している。図５，６に示す実施形態においては、ヘッダ２０，３０は、長手方向に細長く、端部が閉じた中空のシリンダであって、Ｄ字形の断面を有する容器を備える。図７，８に示す実施形態においては、ヘッダ２０，３０は、長手方向に細長く、端部が閉じた中空のシリンダであって、長方形断面を有する容器を備える。各実施形態において、冷媒ライン１４から入口ヘッダ２０に流入する高圧の液体冷媒は、ヘッダ２０の内部２５に沿って流れ、その均一な密度と高い圧力によって、伝熱管４０の間に分配され、流路４２の口４１の各々とヘッダ２０の内面２２との間の隙間Ｇを通る際に膨張して、各流路の口へと流入する。

図９，１０を参照すると、冷媒蒸気圧縮システム１００が概略的に示されており、該システムは、圧縮機６０と、凝縮器として機能する熱交換器１０Ａと、蒸発器として機能する熱交換器１０Ｂと、を含んでおり、冷媒ライン１２，１４，１６によって閉ループの冷媒回路として接続されている。従来の冷媒蒸気圧縮システムにおけるように、圧縮機６０は、高温、高圧の冷媒蒸気を、冷媒ライン１２を通して凝縮器１０Ａの入口ヘッダ１２０へと循環させ、次いで、凝縮器１０Ａの伝熱管１４０を通流させるが、その際、高温の冷媒蒸気は、凝縮器ファン７０によって伝熱管１４０上に送風される周囲空気などの冷却流体との熱交換関係により凝縮されて液体になる。高圧の液体冷媒は、凝縮器１０Ａの出口ヘッダ１３０に集まり、次いで、冷媒ライン１４を通って蒸発器１０Ｂの入口ヘッダ２０に流入する。次いで、冷媒は蒸発器１０Ｂの伝熱管４０を通流するが、その際、蒸発器ファン８０により伝熱管４０上に送られて冷却される空気との熱交換関係よって冷媒が加熱される。冷媒蒸気は、蒸発器１０Ｂの出口ヘッダ３０に集まり、そこから冷媒ライン１６を通って、吸込口から圧縮機６０へと戻る。図９，１０に示した例示的な冷媒蒸気圧縮サイクルは、簡易化した空調サイクルであるが、当然のことながら、本発明の熱交換器は、ヒートポンプサイクル、エコノマイザサイクル、圧縮機や熱交換器など直列の構成要素を含んだサイクル、冷却サイクル、および様々なオプションや特徴を含む多くの他のサイクルを含む様々な設計の冷媒蒸気圧縮システムに採用することができ、前記のサイクルには限定されない。

図９に示す実施形態では、凝縮された冷媒液体は、膨張装置を通流することなく、凝縮器１０Ａから蒸発器１０Ｂへと直接移動する。従って、この実施形態においては、冷媒は、従来の冷媒蒸気圧縮システムのように完全に膨張した低圧の冷媒液体／蒸気混合物としてではなく、高圧の液体冷媒として蒸発熱交換器１０Ｂの入口ヘッダ２０に流入する。従って、この実施形態においては、冷媒は、本発明の蒸発器１０Ｂ内の隙間Ｇ内で膨張するが、実質的に均等に分配された後で膨張が確実に生じる。

図１０に示す実施形態においては、凝縮された冷媒液体は、凝縮器１０Ａから蒸発器１０Ｂに移動する際に、冷媒ライン１４に動作可能に対応する膨張装置９０を通流する。高圧の液体冷媒は、膨張装置９０において部分的に膨張して、低圧の液体冷媒、または液体／蒸気冷媒混合物となる。この実施形態においては、冷媒の膨張は、本発明の蒸発器１０Ｂ内の隙間Ｇで完了する。蒸発器１０Ｂの入口ヘッダ２０の上流に位置する膨張装置９０における冷媒の部分的な膨張は、液体が隙間Ｇを通流する際に完全な膨張を保証するほど隙間Ｇを十分に小さくできない場合、または、温度式膨張弁もしくは電子膨張弁９０を流量調節装置として使用する場合に有利となる。

図１，３，５，７に示す本発明の熱交換器の実施形態は、シングルパスの熱交換器として示されている。しかし、本発明の熱交換器は、マルチパスの熱交換器であってもよい。図１１を参照すると、熱交換器１０はマルチパス蒸発器の実施形態で示されている。図示のマルチパス実施形態においては、入口ヘッダは、第１のチャンバ２０Ａと第２のチャンバ２０Ｂとに区切られ、出口ヘッダは、第１のチャンバ３０Ａと第２のチャンバ３０Ｂとに区切られ、伝熱管４０は、３つの群４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに分割される。第１の管群４０Ａの伝熱管は、入口ヘッダ２０の第１のチャンバ２０Ａに対して開口する入口と、出口ヘッダ３０の第１のチャンバ３０Ａに対して開口する出口と、を有する。第２の管群４０Ｂの伝熱管は、出口ヘッダ３０の第１のチャンバ３０Ａに対して開口する入口と、入口ヘッダ２０の第２のチャンバ２０Ｂに対して開口する出口と、を有する。第３の管群４０Ｃの伝熱管は、入口ヘッダ２０の第２のチャンバ２０Ｂに対して開口する入口と、出口ヘッダ３０の第２のチャンバ３０Ｂに対して開口する出口と、を有する。このように、冷媒ライン１４から熱交換器に流入する冷媒は、シングルパスの熱交換器のように一度ではなく、伝熱管４０上を三度通流する空気と熱交換関係をなして流れる。本発明によると、ヘッダの多流路に対して開口する入口が各ヘッダの内面と離間して対向するように配設された状態で、第１、第２および第３の管群の伝熱管の各々の入口端が対応するヘッダのチャンバ内に位置決めされ、これにより、前記流路に対して開口する入口と各ヘッダの前記内面との間に膨張用隙間Ｇが画定される。従って、膨張は、パス間のヘッダ内でも生じ、これによって、各管のパスにおける管の流路に流入する際に冷媒液体／蒸気がより均等に分配される。

冷媒は、高圧の液体、または部分的に膨張した液体／蒸気混合物として、冷媒ライン１４から熱交換器１０におけるヘッダ２０の第１のチャンバ２０Ａ内に流入する。次いで、冷媒は、隙間Ｇを通ってチャンバ２０Ａから第１の管群４０Ａ（図１１に示す最も右側の管）における伝熱管の対応する流路４２内に流入する。冷媒は、隙間Ｇを通る際に上述のように膨張する。冷媒液体／蒸気混合物は、第１の管群４０Ａの流路から出口ヘッダ３０の第１のチャンバ３０Ａ内に流入し、該チャンバから第２の管群４０Ｂ（図１１に示す中央の管）の伝熱管へと分配される。出口ヘッダ３０の第１のチャンバ３０Ａから第２の管群４０Ｂの伝熱管の流路内に流入するため、冷媒は、狭い隙間Ｇを再び通過し、これにより、冷媒はさらに膨張する。冷媒液体／蒸気混合物は、第２の管群４０Ｂの流路から入口ヘッダ２０の第２のチャンバ２０Ｂに流入して、該チャンバから第３の管群４０Ｃ（図１１に示す最も左側の管）の伝熱管内へと分配される。入口ヘッダ２０Ｂの第２のチャンバ２０Ｂから第３の管群４０Ｃの伝熱管の流路内に流入するため、冷媒は、狭い隙間Ｇを再び通過し、これにより、冷媒はさらに膨張する。冷媒液体／蒸気混合物は、第３の管群４０Ｃの流路から出口ヘッダ３０の第２のチャンバ３０Ｂに流入して、該チャンバから冷媒ライン１６へと流入する。

図１２を参照すると、熱交換器１０は、マルチパスの凝縮器の実施形態で示されている。図示したマルチパスの実施形態においては、入口ヘッダ１２０は、第１のチャンバ１２０Ａと第２のチャンバ１２０Ｂとに区切られ、出口ヘッダ１３０は、第１のチャンバ１３０Ａと第２のチャンバ１３０Ｂとに区切られ、伝熱管１４０は、３つの管群１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃに分けられる。第１の管群１４０Ａの伝熱管は、入口ヘッダ１２０の第１のチャンバ１２０Ａに対して開口する入口と、出口ヘッダ１３０の第１のチャンバ１３０Ａに対して開口する出口と、を有する。第２の管群１４０Ｂの伝熱管は、出口ヘッダ１３０の第１のチャンバ１３０Ａに対して開口する入口と、入口ヘッダ１２０の第２のチャンバ１２０Ｂに対して開口する出口と、を有する。第３の管群１４０Ｃの伝熱管は、入口ヘッダ１２０の第２のチャンバ１２０Ｂに対して開口する入口と、出口ヘッダ１３０の第２のチャンバ１３０Ｂに対して開口する出口と、を有する。このように、冷媒ライン１２から凝縮器に流入する冷媒は、シングルパス熱交換器のように一度ではなく、伝熱管１４０上を三度通流する空気と熱交換関係をなして流れる。入口ヘッダ１２０の第１のチャンバ１２０Ａに入る冷媒は、圧縮機出口から冷媒ライン１４を介して導かれた完全に高圧な冷媒蒸気である。しかし、第２および第３の管群に入る冷媒は、第１および第２の管群を通る際に冷媒が部分的に凝縮するため液体／蒸気混合物となる。本発明によると、ヘッダの多流路に対して開口する入口が各ヘッダの内面と離間して対向するように配設された状態で、第２および第３の管群の伝熱管の各々の入口端が対応するヘッダのチャンバ内に位置決めされ、これにより、前記流路に対して開口する入口と、各ヘッダの前記内面との間に膨張用隙間Ｇが画定される。この隙間Ｇは、冷媒液体／蒸気混合物が各パスの伝熱管流路内に流入する際に、該混合物をより均等に分配する流量制限を付与する。

圧縮機６０からの高温、高圧の冷媒蒸気は、冷媒ライン１２から熱交換器１０における入口ヘッダ１２０の第１のチャンバ１２０Ａに流入する。次に、冷媒は、このチャンバ１２０Ａから、第１の管群１４０Ａ（図１２に示す最も左側の管）の伝熱管に対応する各流路４２内に流入する。冷媒が、第１の管群１４０Ａの流路を通流する際に、冷媒蒸気の一部は凝縮して液体になる。冷媒液体／蒸気混合物は、第１の管群１４０Ａの流路から出口ヘッダ１３０の第１のチャンバ１３０Ａに流入し、該チャンバから、第２の管群１４０Ｂ（図１２に示す中央の管）の管に分配される。出口ヘッダ１３０の第１のチャンバ１３０Ａから第２の管群１４０Ｂの伝熱管の流路内に入るため、冷媒液体／蒸気は、狭い隙間Ｇを再び通過する。冷媒液体／蒸気混合物は、第２の管群１４０Ｂの流路から入口ヘッダ１２０の第２のチャンバ１２０Ｂに流入して、該チャンバから、第３の管群１４０Ｃ（図１２に示す最も右側の管）の管内に分配される。入口ヘッダ１２０の第２のチャンバ１２０Ｂから第３の管群１４０Ｃの伝熱管の流路内に流入するために、冷媒は、狭い隙間Ｇを再び通過する。冷媒液体／蒸気混合物は、第３の管群１４０Ｃの流路から出口ヘッダ１３０の第２のチャンバ１３０Ｂに流入して、該チャンバから冷媒ライン１４に流入する。

マルチパス熱交換器１０の各管群において、等しい数の伝熱管が、図１１，１２に示されているが、この数は、各管群を通流する蒸気および液体の冷媒の相対的な量に応じて変更することができることを理解されたい。通常、冷媒混合物内の蒸気の含有量が多ければ多いほど、管群を通して適切な圧力低下を保証するために、対応する冷媒管群に含まれる伝熱管は多くなる。さらに、当業者には周知のように、マニホルド内に延在する伝熱管は、ヘッダ内で管の周りを流れる冷媒に対して過度の水圧のインピーダンスを生じさせるべきではなく、これは、相対的なヘッダおよび伝熱管の設計によって、容易に解決することができる。

伝熱管の入口端に関して本発明を説明したが、本発明は、出口端にも適用することができるが、対応するパスの伝熱管の間でのみ圧力低下均等化が行われるため利点は減少する。さらに、伝熱管の間、または伝熱管群の間において隙間Ｇの幅を変更して、さらに冷媒の分配を改善するように、伝熱管に対応する大きい隙間をヘッダ入口の近くに配置し、伝熱管に対応する小さい隙間をヘッダ入口から離して配置してもよい。

さらに、管の多流路４２への均一な分配を保証するように、または管の流路４２への流量の分配を変更するように、隙間Ｇの幅を個々の伝熱管４０のスパンに沿って変更してもよい。通常、大きい寸法を有する隙間は、伝熱管４０の外側エッジに近接して配設された流路４２に対して利用され、小さい寸法を有する隙間は、伝熱管４０の中央に近接して配設された流路４２に対して用いられる。しかし、一部の熱交換器の用途においては、前縁流路と後縁流路との間で隙間を変更して、伝熱管４０の流路４２に流量を選択的に分配することが望ましい。例えば、一部の熱交換器においては、熱交換効率を改善するために、小さい隙間を、伝熱管の前縁（すなわち、空気流に向かう管のエッジ）における流路に対して付与し、大きい隙間を、伝熱管の後縁における流路に対して付与することが望ましい。伝熱管４０の前縁と後縁との間で、スパンに沿って隙間Ｇの幅を変更することによって、所望のように流体の流量を伝熱管４０の個々の流路４２に選択的に分配してよい。

本発明は、図に示した好ましい態様に関して、詳細に図示、説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲によって画定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、細部にわたって様々な変更がなされることを理解されるであろう。

本発明による熱交換器の実施形態の斜視図である。図１の線２−２に関する断面図である。伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の実施形態の斜視図である。図３の線４−４に関する断面図である。伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の実施形態の斜視図である。図５の線６−６に関する断面図である。伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の実施形態の斜視図である。図７の線８−８に関する断面図である。本発明の熱交換器を組み込んだ冷媒蒸気圧縮システムの概略図である。本発明の熱交換器を組み込んだ冷媒蒸気圧縮システムの概略図である。本発明によるマルチパス蒸発器の実施形態の部分断面正面図である。本発明によるマルチパス凝縮器の実施形態の部分断面正面図である。

Claims

熱交換器であって、
冷媒を集めるチャンバを画定する内面を有するヘッダと、
少なくとも１つの伝熱管であって、該伝熱管内を通流する冷媒流経路を画定し、前記少なくとも１つの伝熱管の入口端において前記冷媒流経路に対して開口した入口を有する少なくとも１つの伝熱管と、
を備え、
前記少なくとも１つの伝熱管の入口端は、前記冷媒流経路に対して開口した前記入口が前記ヘッダの内面と離間して対向するように、前記ヘッダの前記チャンバ内に延びて位置決めされ、これによって、前記伝熱管の前記冷媒流経路に対して開口した前記入口と、前記ヘッダの前記内面との間に比較的狭い隙間が画定されることを特徴とする熱交換器。
前記隙間は、約０．１ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記隙間は、膨張用隙間からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記隙間は、所定の幅を有し、前記隙間の該幅は、前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口端に対して可変であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの伝熱管は、前記冷媒流経路を通って互いに平行に長手方向に延びる複数の流路を有し、前記複数の流路の各々は、前記少なくとも１つの伝熱管を通る個別の冷媒流経路を画定することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記複数の流路の各々は、非円形断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
前記複数の流路の各々は、長方形、三角形、または台形の断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
前記複数の流路の各々は、円形断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
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に記載の熱交換器。
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に記載の熱交換器。
前記熱交換器は、シングルパス熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記熱交換器は、マルチパス熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの伝熱管は、概ね長方形の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの伝熱管は、概ね長円形の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
熱交換器であって、
冷媒を集めるチャンバをそれぞれ画定する第１のヘッダおよび第２のヘッダと、
前記第１のヘッダと前記第２のヘッダとの間に延びる複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管の各々は、前記第１のヘッダおよび前記第２のヘッダの一方に対して開口した入口端と、前記第１のヘッダおよび前記第２のヘッダの他方に対して開口した出口端と、を有し、かつ、前記入口端から前記出口端まで互いに平行に長手方向に延びる複数の流路を有し、前記流路の各々は、個別の冷媒流経路を画定し、前記複数の伝熱管の各々の前記入口端は、前記流路に対して開口した前記入口が前記第１のヘッダおよび前記第２のヘッダの一方の内面と離間して対向するように、前記第１のヘッダおよび前記第２のヘッダの前記一方のチャンバ内に延びて位置決めされ、これによって、前記流路に対して開口した前記入口と、前記第１のヘッダと前記第２のヘッダのうちの前記１つの向かい合う反対側内面との間に比較的狭い隙間が画定されることを特徴とする熱交換器。
各隙間は、約０．１ミｍｍの幅を有することを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。
各隙間は、膨張用隙間からなることを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。
各隙間は、所定の幅を有し、前記隙間の該幅は、前記複数の伝熱管の前記各入口端に対して可変であることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換器。
各隙間は、所定の幅を有し、前記隙間の前記幅は、前記複数の伝熱管の少なくとも１つの前記各流路に対して可変であることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換器。
前記複数の流路の各々は、非円形断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。
前記複数の流路の各々は、円形断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。
前記複数の伝熱管は、概ね長方形の断面を有することを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。
前記複数の伝熱管は、概ね長円形の断面を有することを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。
冷媒蒸気圧縮システムであって、
冷媒流連通で接続された圧縮機、凝縮器および蒸発熱交換器を備え、前記冷媒流連通によって、高圧の冷媒蒸気が、前記圧縮機から前記凝縮器に移動し、高圧の冷媒液体が、前記凝縮器から前記蒸発熱交換器に移動し、低圧の冷媒蒸気が、前記蒸発熱交換器から前記圧縮機に移動する冷媒蒸気圧縮システムにおいて、前記蒸発熱交換器は、
冷媒回路からの冷媒を受けるチャンバを画定する内面を有する入口ヘッダと、
出口ヘッダと、
前記入口ヘッダと前記出口ヘッダとの間に延びる少なくとも１つの伝熱管と、
を備え、
前記少なくとも１つの伝熱管は、前記入口ヘッダに対して開口した入口端と、前記出口ヘッダに対して開口した出口端と、を有し、かつ、前記入口端から前記出口端まで互いに平行に長手方向に延びる複数の流路を有し、該流路の各々は、個別の冷媒流経路を画定し、前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口端は、前記流路に対して開口した前記入口が前記ヘッダの前記内面と離間した対向するように、前記入口ヘッダの前記チャンバ内に延在して位置決めされ、これによって、前記流路に対して開口した前記入口と、前記入口ヘッダの前記内面との間に膨張用隙間が画定されることを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。
前記膨張用隙間は、約０．１ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項２４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
前記隙間は、膨張用隙間からなることを特徴とする請求項２４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
前記隙間は、所定の幅を有し、前記隙間の該幅は、前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口端に対して可変であることを特徴とする請求項２６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
前記膨張用隙間は、前記冷媒蒸気圧縮システムにおける主要膨張装置であることを特徴とする請求項２６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
前記膨張隙間は、前記冷媒蒸気圧縮システムにおける二次膨張装置であることを特徴とする請求項２６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
前記蒸発熱交換器は、シングルパス熱交換器であることを特徴とする請求項２４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
前記蒸発熱交換器は、マルチパス熱交換器であることを特徴とする請求項２４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
冷媒蒸気圧縮サイクルを作動させる方法であって、
冷媒回路で接続された圧縮機、凝縮器および蒸発熱交換器を設けるステップと、
高圧の冷媒蒸気を前記圧縮機から前記凝縮器に送るステップと、
高圧の冷媒液体を前記凝縮器から前記蒸発熱交換器の入口ヘッダに送るステップと、
前記蒸発熱交換器の前記入口ヘッダから出口ヘッダに冷媒を送る複数の冷媒流経路を画定する複数の流路を有する少なくとも１つの伝熱管を設けるステップと、
前記入口ヘッダの内面と、前記少なくとも１つの伝熱管の入口との間に形成された膨張用隙間を通して前記高圧の液体冷媒を送ることによって、前記入口ヘッダが受けた前記高圧液体を前記複数の冷媒流経路の各々に分配するステップと、
前記蒸発熱交換器の前記出口ヘッダから低圧冷媒蒸気を前記圧縮機に戻すステップと、
を含み、
前記膨張用隙間は、前記入口ヘッダの前記内面と、前記少なくとも１つの伝熱管の入口との間で測定された所定の幅を有することを特徴とする冷媒蒸気圧縮サイクル作動方法。
前記膨張用隙間は、前記冷媒蒸気圧縮サイクルにおいて主要膨張装置として設けられることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
前記膨張用隙間は、前記冷媒蒸気圧縮サイクルにおいて二次膨張装置として設けられることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
前記少なくとも１つの伝熱管に対して前記膨張用隙間の前記幅を変更するステップであって、これにより、前記液体冷媒は、前記１つの伝熱管の前記複数の冷媒流経路に実質的に均等に分配されるとともに、液体冷媒および蒸気冷媒の低圧混合物へと膨張する、幅変更ステップをさらに含む請求項３２に記載の方法。
前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口端に対して前記伝熱管の前縁における流路と後縁における流路との間で、前記膨張用隙間の前記幅を変更するステップであって、これにより、前記液体冷媒が、前記１つの伝熱管の前記複数の冷媒流経路に選択的に分配される、幅変更ステップをさらに含む請求項３２に記載の方法。