JP2008528942A - ヘッダ内で流体を多段階膨張させる熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、空間を置いたヘッダ間に延在する複数の扁平な多流路伝熱管を含む。各伝熱管は、ヘッダの１つと流体流連通する入口端部と、他方のヘッダに開口している出口端部と、を有する。各伝熱管は、入口端部から出口端部に互いに平行に長手方向に延在する複数の流路を有する。複数のコネクタが、入口ヘッダと伝熱管との間に配置されて、入口ヘッダと伝熱管の入口端部との間で流体流連通を提供する流れ経路を画定する。２つ以上の流れ絞りポートが、各コネクタを通る流れ経路に連続的に配置される。したがって、入口ヘッダから対応する伝熱管の流路に流れる流体は、流体が各流れ絞りポートを通るときに、膨張する。

Description

本発明は、概して、第１ヘッダと第２ヘッダ（マニホルドとも呼ばれる）の間に延在する複数の平行管を有する熱交換器に関し、より詳細には、例えば、冷媒圧縮システムの熱交換器等の熱交換器の平行管を通る二相流の分布を改善するために、熱交換器のヘッダ内で流体を膨張させることに関する。

なお本出願は、２００５年２月２日に出願した米国仮出願第６０／６４９，２６８号「多段膨張装置を有する小流路熱交換器」を参照し、同出願の優先権と利益を主張し、参照により全体を本明細書に組み込む。

冷媒蒸気圧縮システムは、当分野では公知の技術である。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や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／加熱によく使用される。冷媒蒸気圧縮システムは、空気または他の二次流体の冷却にもよく使用され、例えば、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ある陳列ケース内の食料品や飲料製品などに、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、冷媒流連通で接続された圧縮機、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接続され、採用された蒸気圧縮サイクルに従って配置される。膨張装置は、普通は、膨張弁、または、オリフィスや毛細管などの一定口径をもつ計量装置であり、冷媒回路内で、冷媒流に関して、蒸発器の上流かつ凝縮器の下流の位置で、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に動作して、冷媒を低圧低温にする。これにより、膨張装置を通り抜ける液体冷媒の一部が、膨張して蒸気になる。結果として、従来のこの型式の冷媒蒸気圧縮システムにおいて、蒸発器に入る冷媒流は、二相混合物で構成される。液体冷媒と蒸気冷媒との特定の割合は、採用された特定の膨張装置と、例えば、Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ，Ｒ７１７，Ｒ７４４または他の圧縮性流体等の使用される冷媒と、によって決まる。

一部の冷媒蒸気圧縮システムにおいて、蒸発器は、平行管熱交換器である。このような熱交換器は、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に互いに平行に延在する複数の管によって提供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、冷媒流を熱交換器の内部にある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ときに冷媒流を集め、この集めた冷媒流を、シングルパスの熱交換器においては、圧縮機に戻る冷媒ラインへ戻し、マルチパスの熱交換器においては、他の伝熱管群を通るように導く。

従来、このような冷媒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１／２インチ（１２．７ｍｍ）、３／８インチ（９．５ｍｍ）、または７ｍｍの円管が用いられてきた。最近では、扁平な長方形または長円形の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在する複数の流路を有し、各流路は、小さい流路断面積の冷媒経路を提供する。従って、熱交換器の入口ヘッダと出口ヘッダとの間に互いに平行に延在す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小さい流路断面積の冷媒経路を比較的数多く有することになる。対照的に、従来の円管を有する平行管熱交換器は、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在する大きい流路面積の流れ経路を比較的少ない数で有することになる。

二相冷媒流の、不均衡分布とも呼ばれる一様でない分布は、平行管熱交換器に共通の問題であり、熱交換器の効率に悪影響を与える。様々な要因のうち、二相の不均衡分布の問題は、冷媒が上流の膨張装置を通り抜けて膨張することにより、入口ヘッダ内に存在する蒸気相冷媒と液体相冷媒との間に生じる密度の差が原因で生じる。

蒸発熱交換器の平行管を通る冷媒流の分配を制御する解決法の１つが、米国特許第６，５０２，４１３号明細書にＲｅｐｉｃｅ他によって開示されている。同明細書に開示されている冷媒蒸気圧縮システムにおいて、凝縮器からの高圧の液体冷媒を、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装置で部分的に膨張させて、低圧の冷媒にする。さらに、管内を単に狭くすることや、あるいは管内部に配置される内部オリフィスプレート等の開口絞りを、管入口の下流にある入口ヘッダに接続される各管に設けて、管に入った後に膨張を完了させ、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布を制御する別の方法が、カンザキ他によって日本国特許第４０８０５７５号公報において開示されている。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、凝縮器から出た高圧の液体冷媒が、従来の冷媒ライン中の膨張装置において部分的に膨張し、熱交換器の分布チャンバの上流で低圧の冷媒になる。複数のオリフィスを有するプレートが、分布チャンバ内にチャンバを横切って延在する。低圧の液体冷媒は、オリフィスを通って膨張し、プレートの下流、かつチャンバに開口している各管への入口の上流で、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、マッサキ他は、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、入口ヘッダに接続する各多流路管の入口端部は押しつぶされて、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り絞りを形成する。日本国特許第８２３３４０９号公報において、ヒロアキ他は、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、複数の扁平な多流路管が、一対のヘッダ管で接続しており、各管は、各管に均等に冷媒を分配する手段として、冷媒流の方向へ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、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、ヘッダに供給される。それによって、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入るので、分離しない。その後、二相冷媒流は、環状流路に開口している各々の管へ入る。

小さい流路断面積を有する比較的多数の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よりもさらに困難であり、熱交換器の効率を著しく低下させることがある。

本発明の主な目的は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に延在する複数の多流路管を有する熱交換器の流体流の不均衡分布を低減させることである。

本発明の一態様の目的は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に延在す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いて、冷媒流の不均衡分布を低減させることである。

本発明の一態様の目的は、一列の多流路管の個々の流路に、比較的均一に冷媒を分配することである。

本発明の別の態様の目的は、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、冷媒流がヘッダから一列の多流路管の個々の流路に入るときに、冷媒の分配と膨張を提供することである。

本発明の一態様において、チャンバを画定して流体を受けるヘッダと、管の入口端部から出口端部まで開口している複数の流体流経路および複数の流体流経路に開口している入口を有する少なくとも１つの伝熱管と、を有する熱交換器が提供される。また、入口端部および出口端部を有し、かつ、入口端部にヘッダの流体チャンバと流体流連通する入口チャンバと、出口端部に少なくとも１つの伝熱管の入口開口と流体連通する出口チャンバと、入口チャンバと出口チャンバとの間に流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定するコネクタが提供される。流れ経路は、間隔を置いて連続的に配置された複数の流れ絞りポートを内部に有する。ヘッダから少なくとも１つの伝熱管の流路に入る流体流は、コネクタを介して経路に設けられた流れ絞りポートを通るときに、連続的に流体膨張をする。一実施形態において、各流れ絞りポートは、まっすぐな壁に囲まれた円筒型の開口である。別の実施形態においては、各流れ絞りポートは、湾曲した開口である。

本発明の別の態様においては、冷媒蒸気圧縮システムは、圧縮機、凝縮器および蒸発熱交換器を含み、高圧の冷媒蒸気が圧縮機から凝縮器へ移動し、高圧の冷媒液体が凝縮器から蒸発熱交換器へ移動し、低圧の冷媒蒸気が蒸発熱交換器から圧縮機に移動するような冷媒流連通をするように接続される。蒸発熱交換器は、入口ヘッダと、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複数の伝熱管と、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、入口端部と、出口端部と、管の入口端部の入口開口から出口端部の出口開口まで延在する複数の流体流経路と、を有する。また、入口端部および出口端部を有し、かつ、入口端部に入口ヘッダの流体チャンバと流体流連通する入口チャンバと、出口端部に少なくとも１つの伝熱管の入口開口と流体連通する出口チャンバと、入口チャンバと出口チャンバとの間に流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定するコネクタが提供される。流れ経路は、間隔を置いて連続的に配置された複数の流れ絞りポートを有する。ヘッダから伝熱管の流路に入る流体流は、コネクタを通る流れ経路に設けられた流れ絞りポートを通るときに、連続的に流体膨張をする。一実施形態において、各流れ絞りポートは、まっすぐな壁に囲まれた円筒型の開口である。別の実施形態においては、各流れ絞りポートは、湾曲した開口である。

本発明のさらに別の態様においては、冷媒回路において流体流連通するように接続された圧縮機、第１熱交換器および第２熱交換器を有する冷媒蒸気圧縮システムが提供される。システムが、冷却モードで動作されると、冷媒は、第１の方向に循環し、圧縮機から、凝縮器として機能する第１熱交換器を通り、次に、蒸発器として機能する第２熱交換器を通って、圧縮機に戻る。システムが、加熱モードで動作されると、冷媒は、第２の方向に循環し、圧縮機から、今度は凝縮器として機能する第２熱交換器を通り、次に、今度は蒸発器として機能する第１熱交換器を通って、圧縮機に戻る。各熱交換器は、第１ヘッダと、第２ヘッダと、管の第１端と管の第２端との間に延在する複数の独立した流体流経路を画定する少なくとも１つの伝熱管と、を有する。

一実施形態において、第２熱交換器は、コネクタを含み、コネクタは、入口端および出口端部を有し、かつ、入口端部に入口チャンバと、出口端部に出口チャンバと、入口チャンバと出口チャンバとの間に流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定する。コネクタの入口チャンバは、第１ヘッダと流体流連通し、出口チャンバは、伝熱管の複数の独立した流体流経路と流体流連通する。流れ経路の中に、流れ絞りポートが間隔をおいて連続的に配置されている。これらの流れ絞りポートは、第１の方向に移動する冷媒流に対しては比較的大きい圧力低下を作り出し、第２の方向に移動する冷媒流に対しては比較的小さい圧力低下を作り出すように構成されている。

一実施形態において、第１熱交換器は、コネクタを含む。コネクタは、入口端部および出口端部を有し、かつ、入口端部に第２ヘッダの流体チャンバと流体流連通する入口チャンバと、出口端部に少なくとも１つの伝熱管の複数の独立した流体流経路と流体流連通する出口チャンバと、入口チャンバと出口チャンバとの間に間隔を置いて連続的に配置されている。これらの流れ絞りポートは、第１の方向に移動する冷媒流に対しては比較的小さい圧力低下を作り出し、第２の方向に移動する冷媒流に対しては比較的大きい圧力低下を作り出すように構成されている。

本明細書において、本発明の熱交換器１０を、図１，図２に示す多流路管熱交換器の例示的なシングルパスの平行管実施形態に関して説明する。図１，２に示す熱交換器１０の例示的な実施形態では、ほぼ水平に延在する入口ヘッダ２０と、ほぼ水平に延在する出口ヘッダ３０との間で、伝熱管４０が、軸方向に空間をおいて互いに平行に配置されて、ほぼ垂直に延在している。しかし、図示した実施形態は例示的なものであり、本発明を制限するものではない。本明細書に記述される発明は、他の様々な構成の熱交換器１０で実施することができる。例えば、ほぼ垂直に延在する入口ヘッダと、ほぼ垂直に延在する出口ヘッダとの間に、伝熱管が互いに平行でかつほぼ水平に延在するように配置してもよい。さらに別の例においては、熱交換器は、トロイダル型入口ヘッダと、これと直径の異なるトロイダル型出口ヘッダと、を有し、これらのトロイダル型ヘッダ間で、伝熱管が、やや方向内側、またはやや径方向外側に、延在していてもよい。伝熱管は、図１３，１４に詳細に後述するように、マルチパスの平行管の実施形態で配置してもよい。

熱交換器１０は、入口ヘッダ２０と、出口ヘッダ３０と、複数の長手方向に延在する多流路伝熱管４０と、を含み、これによって、入口ヘッダ２０と出口ヘッダ３０との間に複数の流体経路を付与する。各伝熱管４０は、一方の端部に、コネクタ５０を介して入口ヘッダ２０と流体流連通する入口を有し、他方の端に、出口ヘッダ３０と流体流連通する出口を有する。各伝熱管４０は、長手方向に、すなわち管の軸に沿って、管の長さに亘って延在する複数の平行な流路４２を有し、管の入口と管の出口との間に多数の独立した平行な流れ経路を付与する。各多流路伝熱管４０は、例えば、内部を画定する扁平な長方形または長円形の断面を有する「扁平な」管であり、内部は、さらに分割されて、独立した流路４２が隣接して配列されている。従来の先行技術の円管が、１／２インチ（１２．７ｍｍ）、３／８インチ（９．５ｍｍ）、または７ｍｍの直径を有することと比較して、本発明の扁平多流路管４０は、例えば、幅が５０ｍｍ以下で、典型的には、１２ｍｍ〜２５ｍｍであり、高さは、約２ｍｍ以下である。図を簡明にするため、管４０は、円形断面の流れ経路を画定する１２本の流路４２を有するものとして示されている。しかし、例えば、冷媒蒸気圧縮システム等の商業用途においては、各多流路管４０は、一般には約１０〜２０本の流路４２を有するが、これに前後する所望の数の流路にしてもよいことを理解されたい。各流路４２の流路面積を周長で割った数の４倍として定義される水力直径は、約２００μｍ〜約３ｍｍの範囲となる。図では、円形断面で示されているが、流路４２の断面は、長方形、三角形もしくは台形の断面でもよく、円形以外の他の所望する断面であってもよい。

図３〜図８を特に参照すると、熱交換器１０の複数の伝熱管４０の各々は、入口端部４３を有しており、入口ヘッダ２０内に画定されているチャンバ２５に直接的に挿入されずに、各コネクタ５０に挿入される。各コネクタ５０は、コネクタ５０の入口端部５２を使って、入口ヘッダ２０の壁を貫いて延在するスロット２６のうち対応するスロットに挿入される。各コネクタは、ヘッダ２０の壁にある対応する嵌合スロットに、ろう付け、溶接、はんだ付け、接着接合、拡散接合、あるいは他の方法で固定されてもよい。各コネクタ５０は、入口端部５２および出口端部５４を有し、入口端部５２から出口端部５４まで延在する流体流経路を画定する。入口端部５２は、入口チャンバ５１を介して、入口ヘッダ２０のチャンバ２５と流体流連通する。出口端部５４は、出口チャンバ５３を介して、対応する伝熱管４０の内部につくられた流路４２の入口開口４１と流体連通する。

各コネクタ５０は、入口チャンバ５１と、出口チャンバ５３と、入口チャンバ５１のコネクタ入口端部５２から出口チャンバ５３のコネクタ出口端部５４まで延在する中間部分と、からなる流れ経路を画定する。ヘッダ２０の流体チャンバ２５に集まる流体は、ここから入口チャンバ５１に入り、次に、中間部分を通って、出口チャンバ５３を通り、伝熱管４０の個々の流路４２に分配される。各コネクタ５０を通る流れ経路の中間部分には、膨張オリフィスとして機能する少なくとも２つの流れ絞りポート５６が設けられている。中間部分を通る流体流に対して、少なくとも２つの流れ絞りポート５６が連続的に配置される。連続的に配置された各対の流れ絞りポート５６の間に、膨張チャンバ５７が配置されている。膨張チャンバ５７は、入口チャンバ５１の流路断面積にほぼ等しい、または少なくとも同程度の流路断面積を有し得る。他方、流れ絞りポート５６は、膨張チャンバ５７の流路断面積に比べて小さい流路断面積を有する。

ヘッダ２０のチャンバ２５から流入する流体が、コネクタの中間部分を流れる際に、流れ絞りポート５６の各々を通って膨張する。従って、流体は、コネクタ５０を通る流れ経路に設けられた流れ絞りオリフィスの数と同じ回数だけ膨張した後、コネクタの出口チャンバ５３に入って、そのコネクタに取り付けられた伝熱管４０の流路４２に分配される。オリフィスの入口と出口で流体が運動量を交換することにより、オリフィス絞りによる流体流の圧力低下が起きるので、オリフィス絞りによって生じる流体の圧力低下は、オリフィスの大きさすなわち寸法に反比例し、ポートが大きいほど、圧力低下は減少する。流体は、本発明による少なくとも２回の多段階膨張をするので、個々の流れ絞りポート５６の大きさは、同じ程度の膨張を単一のオリフィスを通して得る場合に必要な大きさよりも多少大きくてよい。また、流れ絞りポート５６は、各伝熱管４０に対して動作可能に設けられたコネクタ５０を使って、ヘッダ２０のチャンバ２５から各コネクタ５０内の出口チャンバ５３まで流れる流体に比較的均一な圧力低下を提供し、それによって、ヘッダ２０に動作可能に取り付けられた個々の管４０に比較的均一な流体を確実に分配する。

図３〜図６に示す実施形態において、ヘッダ２０は、円形断面を有し、長手方向に延びる中空でかつ閉塞端を有するパイプからなる。図３，４の実施形態において、コネクタ５０は、ヘッダ２０のチャンバ２５に、ヘッダの半径よりも多少深くまで延在し、入口チャンバ５１は、ヘッダ２０の奥側内面から離れている。ヘッダ２０に集まってくる流体は、制限を受けることなく、入口チャンバ５１の中へ流れる。図５，６の実施形態において、コネクタ５０は、ヘッダ２０のチャンバ２５内にチャンバ２５を横断して延在し、延在ヘッダ２０の奥側内面に支えられたコネクタ５０の入口端部５２の側面が、追加的な支持部となる。入口端部５２の側面がヘッダ２０の奥側内面に接触すると、ヘッダ２０の壁の湾曲によって、コネクタ５０の入口チャンバ５１とヘッダ２０の内面との間に空間６５が作られる。ヘッダ２０に集まってくる流体は、チャンバ２５から、この空間６５を通ってヘッダ２０の入口チャンバ５１に入る。

図７，８に示す実施形態において、ヘッダ２０は、長方形または正方形の断面を有し、長手方向に延びる中空で閉塞端を有するパイプからなる。コネクタ５０は、ヘッダ２０のチャンバ内２５にチャンバ２５を横断して延在し、コネクタ５０の入口端部５２がヘッダ２０の奥側内面に接触して支えられている。コネクタ５０の入口端部５２の側壁に、１つまたは複数の入口ポート５８が設けられている。ヘッダ２０に集まってくる流体は、チャンバ２５から入口ポート５８を通ってヘッダ２０の入口チャンバ５１に入る。各入口ポート５８を、流れ絞りポート５６の上流で追加的な膨張オリフィスとして機能する大きさにして、流体がコネクタ５０の入口チャンバ５１に流入する際に、流体に最初の膨張を提供することができる。

図３〜図８に示すコネクタ５０の実施形態では、コネクタの入口チャンバ５１と出口チャンバ５３との間に代替的な流れ絞りポート５６と膨張チャンバ５７とを交互に連続的に配置するために、従来の鋳造工程を用いてコネクタ５０を形成する。図９，１０に示すコネクタ５０の実施形態において、コネクタ５０を押出成形によって扁平な長方形の管の形状に形成し、プレスまたはスタンピングで、離間した流れ絞りポート５６を形成する。絞りポート５６の側面は、まっすぐな壁に囲まれるのではなく、プレスまたはスタンピングを用いて円筒形のポートに形成されている。

図１２に概略的に示されている冷媒蒸気圧縮システムは、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、を備え、これらは冷媒ライン１２，１４，１６によって閉ループの空調（冷却モード）冷媒回路となるように接続されている。圧縮機６０は、従来の冷媒蒸気圧縮システムと同様に、高温高圧の冷媒蒸気を、冷媒ライン１２を通して凝縮器１０Ａのヘッダ１２０に循環させる。その後、高温の冷媒蒸気は、凝縮器１０Ａの伝熱管４０を通るときに、凝縮器ファン７０によって伝熱管４０上に送られる周囲空気等の冷却流体と熱交換をして凝縮し、液体になる。高圧の液体冷媒は、凝縮器１０Ａのヘッダ１３０に集まり、次に、冷媒ライン１４を通って蒸発器１０Ｂのヘッダ２０に入る。次に冷媒は、蒸発器１０Ｂの伝熱管４０を通るときに、蒸発器ファン８０によって伝熱管４０上に送られた冷却される空気と熱交換をして加熱される。冷媒蒸気は、蒸発器１０Ｂのヘッダ３０に集まり、ここから冷媒ライン１６を通って、圧縮機６０の吸込口を介して圧縮機６０へ戻る。

凝縮された冷媒液体は、膨張装置を通りることなく、凝縮器１０Ａから蒸発器１０Ｂへ直接的に移動する。従ってこの実施形態において、冷媒は、高圧で、液体相だけの冷媒として、蒸発熱交換器１０Ｂのヘッダ２０に入る。冷媒の膨張は、冷媒が流れ絞りポート５６を通るとき、また、入口ポート５８が設けられている場合は入口ポート５８を通るとき、本発明の蒸発器１０Ｂ内でのみ生じる。こうして、単一相の液体としてほぼ均一な様態でヘッダ２０に開口している伝熱管４０に分配された後にのみ、膨張が生じることを確実にする。

図１３を参照すると、本発明の熱交換器１０が、マルチパス蒸発器の実施形態で示されている。図のマルチパス実施形態において、ヘッダ２０は、第１チャンバ２０Ａと第２チャンバ２０Ｂとに区切られ、ヘッダ３０も、第１チャンバ３０Ａと第２チャンバ３０Ｂとに区切られ、伝熱管４０は、３つの群４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに分けられている。第１管群４０Ａの伝熱管は、ヘッダ２０の第１チャンバ２０Ａに開口しているく各コネクタ５０Ａに挿入された入口端部と、ヘッダ３０の第１チャンバ３０Ａに開口している出口端部とを有する。第２管群４０Ｂの伝熱管は、ヘッダ３０の第１チャンバ３０Ａに開口している各コネクタ５０Ｂに挿入された入口端部と、ヘッダ２０の第２チャンバ２０Ｂに開口している出口端部と、を有する。第３管群４０Ｃの伝熱管は、ヘッダ２０の第２チャンバ２０Ｂに開口している各コネクタ５０Ｃに挿入された入口端部と、ヘッダ３０の第２チャンバ３０Ｂに開口している出口端部と、を有する。この形態では、冷媒ライン１４から熱交換器に入った冷媒は、シングルパス熱交換器のように１回ではなく、伝熱管４０の外側を覆っている空気と３回熱交換するように流れる。本発明によると、第１管群４０Ａと、第２管群４０Ｂと、第３管群４０Ｃと、の伝熱管の各々の入口端部４３は、対応するコネクタ５０の出口端部５４に挿入される。したがって、各菅４０の流路４２は、膨張した冷媒液体／蒸気混合物を比較的均一な分配で受容する。冷媒がヘッダからコネクタ５０を通って第１管群４０Ａに入るときだけでなく、第２管群４０Ｂ，第３管群４０Ｃに入るときにも冷媒の分布と膨張とが生じる。こうして、各管群の管の流路に入るときに、冷媒液体／蒸気がさらに均一に分配されていることを確実にする。

図１４を参照すると、本発明の熱交換器１０が、マルチパス凝縮器の実施形態で示されている。図のマルチパス実施形態において、ヘッダ１２０は、第１チャンバ１２０Ａと第２チャンバ１２０Ｂとに区切られ、ヘッダ１３０も、第１チャンバ１３０Ａと第２チャンバ１３０Ｂとに区切られ、伝熱管１４０は、３つの管群１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃに分けられている。第１管群１４０Ａの伝熱管は、ヘッダ１２０の第１チャンバ１２０Ａ内に開口している入口端部開口と、ヘッダ１３０の第１チャンバ１３０Ａに開口している出口端部開口と、を有する。第２管群１４０Ｂの伝熱管は、ヘッダ１３０の第１チャンバ１３０Ａ内に開口している各コネクタ５０Ｂに挿入された入口端部と、ヘッダ１２０の第２チャンバ１２０Ｂに開口している出口端部と、を有する。第３管群１４０Ｃの伝熱管は、ヘッダ１２０の第２チャンバ１２０Ｂ内に開口している各コネクタ５０Ｃに挿入された入口端部と、ヘッダ１３０の第２チャンバ１３０Ｂに開口している出口端部と、を有する。この形態では、冷媒ライン１２から凝縮器に入った冷媒は、シングルパス熱交換器のように１回ではなく、伝熱管１４０の外側を覆っている空気と３回熱交換するように流れる。圧縮機出口から冷媒ライン１４を介してヘッダ１２０の第１チャンバ１２０Ａに入ってくる冷媒は、すべて高圧な冷媒蒸気である。しかし、第１管群、第２管群を通るときに冷媒が部分的に凝縮するので、第２管群、第３管群に入る冷媒は、通常、液体／蒸気混合物となる。本発明によると、第２管群１４０Ｂと第３管群１４０Ｃとの各管の入口端部は、対応するコネクタ５０Ｂ，５０Ｃの出口端部内に挿入される。したがって、各菅の流路４２は、膨張した冷媒液体／蒸気混合物を比較的均一な分配で受容する。凝縮器用途において、熱交換効率を下げないように、各コネクタ５０の流れ絞りポート５６を通しての圧力低下を制限して、所定の閾値を越えないよう注意しなければならない。また、当業者であれば、凝縮器および蒸発器に用いる他のマルチパスの配置も、本発明の範囲内にあることを理解されるであろう。

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１３，１４に示されているが、この数は、各管群を流れる蒸気冷媒と液体冷媒と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。概して、冷媒混合物内の蒸気の含有量が多いほど、多くの伝熱管がその特定の管群に含まれ、管群を通しての適切な圧力低下を確実に行う。

本明細書に記述した本発明の熱交換器の実施形態において、入口ヘッダ２０は、円形の断面または長方形の断面を有し、長手方向に延びる中空で閉塞端のパイプからなる。しかし、入口ヘッダも出口ヘッダも図の構成に限定されない。例えば、ヘッダは、楕円形の断面、六角形の断面、八角形の断面、または他の形の断面を有し、長手方向に延びる中空でかつ閉塞端を有するパイプであってもよい。

図１２の例示的な冷媒蒸気圧縮サイクルは、簡易化した冷却モード（空調サイクル）であるが、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、および冷蔵サイクルを含み、これら以外の様々な設計の冷媒蒸気圧縮システムにも採用することができる。例えば、ヒートポンプサイクルで使用される場合の図１２の熱交換器１０Ａ，１０Ｂの関して、熱交換器１０Ａは、ヒートポンプサイクルを冷却モードで動作させるときは凝縮器として機能するように、加熱モードで動作させるときは蒸発器として機能するように、設計しなければならず、熱交換器１０Ｂは、ヒートポンプサイクルを冷却モードで動作させるときは蒸発器として機能するように、加熱モードで動作させるときは凝縮器として機能するように、設計しなければならない。本発明の熱交換器をヒートポンプサイクルで使いやすくするために、流量制御ポート５６は、まっすぐな壁に囲まれるのではなく、図１１に示すように、湾曲している。流れ絞りポートを湾曲させることによって、ポート５６を通しての圧力低下の規模は、冷媒がそのポートを通るときの方向に依存して変化することになる。

ヒートポンプ用途において戸外の熱交換器となる熱交換器１０Ａに関して、ヒートポンプサイクルが冷却モードで動作して熱交換器１０Ａが凝縮器として機能するとき、冷媒は、流れ絞りポートを矢印４の方向に流れ、ヒートポンプサイクルが加熱モードで動作して熱交換器１０Ａが蒸発器として機能するとき、冷媒は、流れ絞りポートを矢印２の方向に流れる。逆に、ヒートポンプ用途において屋内の熱交換器となる熱交換器１０Ｂに関して、ヒートポンプサイクルが冷却モードで動作して熱交換器１０Ｂが蒸発器として機能するとき、冷媒は、矢印２の方向に流れ絞りポートを流れ、ヒートポンプサイクルが加熱モードで動作して熱交換器１０Ｂが凝縮器として機能するとき、冷媒は、矢印４の方向に流れる。したがって、熱交換器１０Ａ，１０Ｂのいずれかが蒸発器として機能しているときは、冷媒が矢印２の方向へ絞りオリフィスを通って流れ、鋭角なオリフィスの対の間を通るので、比較的大きな圧力低下が生じる。しかし、熱交換器１０Ａ，１０Ｂのいずれかが凝縮器として機能しているときは、冷媒が矢印４の方向へ流れ絞りオリフィスを通って流れ、湾曲したオリフィスの対の間を通るので、比較的小さな圧力低下が生じる。また、熱交換器が蒸発器として機能するとき、冷媒は伝熱管を通る前に膨張し、熱交換器が凝縮器として機能するとき、冷媒は伝熱管を通った後で膨張する。

本発明の好ましい態様に関して、詳細に図示し、記述したが、当業者であれば、請求項で画定される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、細部にわたって様々な変更を行われ得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。 図３の線２−２に関する、部分断面平面図。 図１の線３−３に関する、断面図。 図３の線４−４に関する、断面図。 本発明による熱交換器の代替実施形態を示す、部分断面正面図。 図５の線６−６に関する断面図。 本発明による熱交換器の別の実施形態の部分断面正面図。 図７の線８−８に関する断面図。 図８のコネクタの代替実施形態を示す断面図。 図９の線１０−１０に関する断面図。 図６のコネクタの代替実施形態を示す断面図。 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。 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。 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。

Claims (19)

1. 流体を集める流体チャンバを画定するヘッダと、
   複数の独立した流体流経路を内部に画定し、かつ該複数の流体流経路に通じる入口を有する少なくとも１つの伝熱管と、
   入口端部および出口端部を有し、かつ、前記ヘッダの前記流体チャンバと流体流連通する前記入口端部の入口チャンバと、前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口開口と流体流連通する前記出口端部の出口チャンバと、前記入口チャンバと前記出口チャンバとの間で、間隔を置いて連続的に配置された複数の流れ絞りポートを有する流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定するコネクタと、
   を備える熱交換器。
2. 前記複数の流れ絞りポートの各々が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の流れ絞りポートの各々が、まっすぐな壁に囲まれた円筒形の開口からなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記複数の流れ絞りポートの各々が、湾曲した開口からなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記少なくとも１つの伝熱管が、扁平な長方形の断面を有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
6. 前記複数の流路の各々が、円形以外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１に記載の熱交換器。
7. 前記複数の流路の各々が、長方形、三角形、または台形の断面を有する群から選択され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。
8. 前記複数の流路の各々が、円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１に記載の熱交換器。
9. 冷媒回路に流体流連通するように接続された圧縮機、凝縮器および蒸発熱交換器を備え、前記流体流連通によって、高圧の冷媒蒸気は、前記圧縮機から前記凝縮器に移動し、高圧の冷媒は、前記凝縮器から前記蒸発熱交換器に移動し、低圧の冷媒蒸気は、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、
   前記蒸発熱交換器が、
   前記冷媒回路と流体流連通し前記冷媒回路から冷媒を受けるチャンバを画定する入口ヘッダと、
   および前記冷媒回路と流体流連通する出口ヘッダと、
   入口開口および出口開口を有し、かつ、前記入口開口から前記出口開口まで延在する複数の独立した流体流経路を有し、前記出口開口が、前記出口ヘッダと流体流連通している少なくとも１つの伝熱管と、
   入口端部および出口端部を有し、かつ、前記入口端部で前記ヘッダの前記流体チャンバと流体流連通する入口チャンバと、前記出口端部で前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口開口と流体連通するの出口チャンバと、前記入口チャンバと前記出口チャンバとの間にあって、間隔をおいて連続的に配置された複数の流れ絞りポートを有する流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定するコネクタと、
   を含む蒸発熱交換器であることを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。
10. 前記複数の流れ絞りポートの各々が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
11. 前記複数の流れ絞りポートの各々が、まっすぐな壁に囲まれた円筒形の開口からなることを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記複数の流れ絞りポートの各々が、湾曲した開口からなることを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
13. 前記少なくとも１つの伝熱管が、扁平な長方形の断面を有することを特徴とする請求項９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
14. 前記熱交換器が、シングルパス熱交換器からなることを特徴とする請求項９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
15. 前記熱交換器が、マルチパス熱交換器からなることを特徴とする請求項９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
16. 前記熱交換器が、凝縮器からなることを特徴とする請求項９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
17. 前記熱交換器が、蒸発器からなることを特徴とする請求項９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
18. 冷媒回路に流体流連通するように接続された圧縮機、第１熱交換器および第２熱交換器を備え、前記流体流連通によって、冷媒が、冷却モードでは第１の方向に循環し、前記圧縮機から前記第１熱交換器を通って、次に前記第２熱交換器を通って前記圧縮機に戻り、加熱モードでは第２の方向に循環し、前記圧縮機から前記第２熱交換器を通って、次に前記第１熱交換器から前記圧縮機に戻る、冷媒蒸気圧縮システムにおいて、
    前記第２熱交換器が、
    前記冷媒回路と流体流連通している第１ヘッダおよび第２ヘッダであって、第１ヘッダが前記第１の方向へ流れている前記冷媒回路から冷媒を受容する流体チャンバを画定し、第２ヘッダが第２の方向へ流れている前記冷媒回路から冷媒を受容するチャンバを画定する第１ヘッダおよび第２ヘッダと、
    第１端と、第２端と、前記第１端と前記第２端との間に延在し、前記第１ヘッダの前記流体チャンバと前記第２ヘッダの前記流体チャンバとの間で流体流連通している複数の独立した流体流経路と、を有する少なくとも１つの伝熱管と、
    入口端部および出口端部を有し、かつ、前記入口端部で前記第１ヘッダの前記流体チャンバと流体流連通する入口チャンバと、前記出口端部で前記少なくとも１つの伝熱管の前記複数の独立した流体流経路と流体連通する出口チャンバと、前記入口チャンバと前記出口チャンバとの間に流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定するコネクタと、
    を備え、
    前記流れ経路は、内部に間隔を置いて連続的に配置された複数の流量制御ポートを有し、
    前記複数の流量制御ポートが、前記第１の方向へ移動する冷媒流に比較的大きい圧力低下を作り出し、前記第２の方向へ移動する冷媒流に比較的小さい圧力低下を作り出すように適合化されていることを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。
19. 冷媒回路で流体流連通するように接続された圧縮機、第１熱交換器および第２熱交換器を備え、前記流体流連通によって、冷媒が、冷却モードでは第１の方向へ循環し、前記圧縮機から前記第１熱交換器を通って、次に、前記第２熱交換器を通って前記圧縮機に戻り、加熱モードでは第２の方向へ循環し、前記圧縮機から前記第２熱交換器を通って、次に、前記第１熱交換器から前記圧縮機に戻るような冷媒蒸気圧縮システムにおいて、
    前記第１熱交換器が、
    前記冷媒回路と流体流連通している第１ヘッダおよび第２ヘッダであって、第１ヘッダが前記第１の方向へ流れている前記冷媒回路から冷媒を受容する流体チャンバを画定し、第２ヘッダが第２の方向へ流れている前記冷媒回路から冷媒を受容するチャンバを画定する第１ヘッダおよび第２ヘッダと、
    第１端と、第２端と、前記第１端と前記第２端との間に延在し、前記第１ヘッダの前記流体チャンバと前記第２ヘッダの前記流体チャンバとの間で流体流連通している複数の独立した流体流経路と、を有する少なくとも１つの伝熱管と
    入口端部および出口端部を有し、かつ、前記入口端部で前記第１ヘッダの前記流体チャンバと流体流連通する入口チャンバと、前記出口端部で前記少なくとも１つの伝熱管の前記複数の独立した流体流経路と流体連通する出口チャンバと、前記入口チャンバと前記出口チャンバとの間に流れ経路を画定する中間チャンバと、を画定するコネクタと、
    を備え、
    前記流れ経路は、内部に間隔を置いて連続的に配置された複数の流量制御ポートを有し、
    前記複数の流量制御ポートが、前記第１の方向へ移動する冷媒流に比較的小さい圧力低下を生じさせ、前記第２の方向へ移動する冷媒流に比較的大きい圧力低下を生じさせるように適合化されていることを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。

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