JP2008528944A - 寸法を小さくしたヘッダを有する小流路熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、間隔を置いたヘッダ間に延びる複数の平坦な多流路伝熱管を含む。各伝熱管は、遷移コネクタを通して入口ヘッダに流体連通する入口端を有する。遷移コネクタは、入口端の入口開口から出口端の出口開口に延びる末広がりの流路を画定する本体と、末広がりの流路の入口端から外方向に延びて入口ヘッダの壁を貫く管状ニップルと、を有する。管状ニップルは、遷移コネクタの末広がりの流路の入口端と、入口ヘッダの流体チャンバと、の間に延びる流体経路を画定する。入口ヘッダは、伝熱管の横寸法より小さい横寸法を有する。

Description

本発明は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に延び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、冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器等の熱交換器のヘッダから流体流を受ける管への流体流の分配を改善することに関する。

本出願は、２００５年２月２日に米国で出願した米国仮出願第６０／６４９，４２１号「小さくしたヘッダ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、その全体を本明細書に組み込むものとする。

冷媒蒸気圧縮システムは、本技術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範囲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、空気の冷却にもよく使用されて、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、の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、冷媒流連通で接続された、圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器と、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、採用された蒸気圧縮サイクルに従って配置される。普通は、膨張弁、または、オリフィスや毛細管のような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、凝縮器の下流、の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動作して、低圧低温にする。そうすると、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、この型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、二相混合物を構成する。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、Ｒ‐１２，Ｒ‐２２，Ｒ‐１３４ａ，Ｒ‐４０４Ａ，Ｒ‐４１０Ａ，Ｒ‐４０７Ｃ，アンモニア，二酸化炭素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、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に互いに平行に延びる複数の管によって付与される、内部を通る複数の平行な冷媒流路を有する。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を通る複数の流路に分配する。出口ヘッダは、冷媒流が各流路を出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に戻し、マルチパスの熱交換器においては、他の伝熱管列を通るように導く。

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は、一般的に直径３／８インチまたは７ｍｍの円管を用いてきた。ごく最近では、平坦な長方形断面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びる複数の流路を有し、各流路は、小さい流路断面積を有する冷媒流路を提供する。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びる多流路管を有する熱交換器は、２つのヘッダ間に延びる比較的多数の小さい流路面積の冷媒流路を有することになる。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びる比較的少数の大きい流路面積の流路を有することになる。

入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延びる平坦な長方形の管を有する熱交換器、対、円管を有する熱交換器に関連する問題は、入口ヘッダへの管の入口端の接続である。従来、入口ヘッダは、軸方向に細長い円形断面のシリンダで、ヘッダの長さに沿って軸方向に間隔を置いてヘッダの壁に切り込まれた複数の長方形のスロットが設けられている。各スロットは、平坦な長方形の伝熱管の１つの入口端を受けるように適合されて、多数の流路への入口がヘッダチャンバに開口しており、それによって、入口ヘッダチャンバ内の流体は、チャンバ内に開口する多数の伝熱管の多流路に流入することができる。平坦な長方形の伝熱管は、横寸法が、従来の円管の直径より著しく大きいので、同等の体積流量に対して、従来の平坦な管熱交換器に関連付けられた円筒状ヘッダの直径は、円管の熱交換器に関連付けられたヘッダの直径よりも著しく大きい。

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与える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り抜けて膨張することによる、入口ヘッダ内に存在する蒸気相冷媒と液体相冷媒との密度の差が原因である。

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。開示された冷媒蒸気圧縮システムにおいては、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別の方法が、日本国特許第４０８０５７５号公報においてカンザキ他によって開示されている。開示された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、部分的に膨張して熱交換器の分配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、分配チャンバ内を横切って延びる。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、チャンバに開く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びる入口管を通して、ヘッダに供給され、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、環状流路に開く管の各々に入る。

比較的多数の小さい流路面積の冷媒流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いてよりもさらに難しく、熱交換器の効率を著しく下げる場合がある。二相の不均衡分配の問題は、従来の平坦な管熱交換器に対応する入口ヘッダにおいては、そのヘッダの直径が大きくなることに伴って流体の流速が低くなることが原因となって、悪化することがある。流体の流速が低くなると、蒸気相流体は、液体相流体から、より分離しやすくなる。従って、入口ヘッダ内の流れが、蒸気相と液体相の比較的均一な混合物とならずに、層状になる程度が大きくなり、蒸気相成分は液体相成分から分離する。結果として、流体混合物は、望ましくないことに、多数の管に不均一に分配され、各管は、蒸気相と液体相の混合比が異なった流体を受け取る。

米国特許第６，６８８，１３８号明細書において、ＤｉＦｌｏｒａは、細長い外側シリンダと、外側シリンダ内に偏心的に配置された細長い内側シリンダと、によって形成された入口ヘッダを有し、内側シリンダと外側シリンダとの間に流体チャンバを画定する、平行な平坦な管熱交換器を開示している。平坦な長方形の伝熱管の各々の入口端が、外側シリンダの壁を貫いて延びるとともに、内側シリンダと外側シリンダとの間に画定された流体チャンバ内に開く。

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、開示の熱交換器においては、入口ヘッダに接続する各平坦な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、ヒロアキ他は、平行管熱交換器を開示しており、開示の熱交換器においては、複数の平坦な多流路管が、一対のヘッダ間で接続しており、各管は、各管に均一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。

本発明の一般的な目的は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に延び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配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いて、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、第１ヘッダと第２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いて、比較的均一な様態で二相冷媒流を分配することである。

本発明の一態様において提供される熱交換器は、流体を受ける、寸法を小さくしたチャンバを画定するヘッダと、管の入口端から出口端までその内部を通る複数の流体流路を有する複数の伝熱管と、を有し、各管は、遷移コネクタを通して寸法を小さくしたチャンバと流体連通する入口を有する。各遷移コネクタは、第１開口を通してヘッダチャンバと流体連通する入口端と、複数の伝熱管の各管の入口開口と流体連通する出口端と、を有する。各遷移コネクタは、入口端から出口端に延びる末広がりの流体流路を画定する。寸法が小さくなったヘッダにより画定されるチャンバは、容積が減り、流路面積が減るので、ヘッダを通る流体流の乱流が大きくなる。各遷移コネクタの入口開口は、流量制限を提供するために、ヘッダチャンバの流路面積と比較して小さい流路面積を有し、流体は、その入口開口を通ってヘッダチャンバからコネクタの末広がりの流路内に流れる。流量制限の結果、各コネクタを通して、圧力低下が生じて、各伝熱管への均一な分配が促進され、また、コネクタを通る流体の部分的膨張がもたらされる。

本発明の熱交換器１０は、図１に示す多流路管熱交換器の例示的なシングルパス平行管の実施形態に関して説明する。図１に示す熱交換器１０の例示的な実施形態においては、伝熱管４０は、概ね水平に延びる入口ヘッダ２０と、概ね水平に延びる出口ヘッダ３０との間に、概ね垂直に、互いに平行に延びる配置で示されている。しかし、図示の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。本発明は、他の様々な構成の熱交換器１０で実施してもよいことに留意されたい。例えば、伝熱管は、概ね垂直に延びる入口ヘッダと、概ね垂直に延びる出口ヘッダとの間に、互いに平行でかつ概ね水平に延びるように配置されてもよい。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、異なる直径のトロイダル型出口ヘッダと、を有し、伝熱管が、それらトロイダル型ヘッダ間で、多少半径方向内側に、または多少半径方向外側に延びてもよい。このような配置においては、管は、物理的には互いに平行ではないが、共通の入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延びるという点において、「平行流」の配置となっている。

特に、図１〜図５を参照すると、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びる多流路伝熱管４０と、を含み、それによって、入口ヘッダ２０と出口ヘッダ３０との間に複数の流体流路を付与する。各伝熱管４０は、入口端４３に、遷移コネクタ５０を介して入口ヘッダ２０と流体連通する入口を有し、他方の端に、出口ヘッダ３０と流体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、延びる複数の平行な流路４２を有し、これによって、管の入口と管の出口との間に、多数の独立した平行な流路を提供する。各多流路伝熱管４０は、平坦な長方形つまり楕円形の断面の「平坦な」管が内部を画定し、この内部は、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。平坦な多流路伝熱管４０は、例えば、幅５０ｍｍ以下、一般的には、１２〜２５ｍｍである。また、奥行きは、従来の先行技術の円管が１／２インチ、３／８インチ、または７ｍｍの直径を有するのと比較して、約２ｍｍ以下である。図を簡単で明瞭にするために、多流路伝熱管４０は、円形断面を有する流路を画定する１２個の流路４２を有して図示されている。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、各多流路伝熱管４０は、一般的に、約１０〜２０個の流路４２を有し、これより多い、または少ない、所望の数の流路を有してもよいことに留意されたい。通常、各流路４２の、流路面積を周長で割った４倍として定義される水力直径は、約２００μｍ〜約３ｍｍの範囲となり、一般的には約１ｍｍである。図では、円形断面を有して図示されているが、流路４２は、長方形断面を有してもよく、所望の他の非円形断面を有してもよい。

熱交換器１０の複数の伝熱管４０の各々は、入口端４３を備え、この入口端４３は、入口ヘッダ２０内には画定されるチャンバ２５には直接挿入されずに、遷移コネクタ５０の出口端に挿入される。各遷移コネクタ５０は、入口端および出口端を有し、かつ入口端の流入口５１から出口端の流出口５９に延びる流体流路５５を画定する本体と、流入口５１から軸方向外側に延びる長手方向に細長い管状のニップル５６と、を有する。ニップル５６は、ニップル５６の遠位端にある流入口５７から、流体流路５５への流入口５１に開口する近位端の流出口まで長手方向に延びる流路５３を画定する。ニップル５６の断面と流路５３は、円形、楕円形、六角形、長方形、または他の所望の断面形状であってもよい。各遷移コネクタ５０のニップル５６の遠位端は、入口ヘッダ２０の壁を貫通して延び、一般的に、溶接、ろう付け、または他の接合技術の従来の方法で固定される。ニップル５６の遠位端が入口ヘッダ２０のチャンバ２５内に延びているため、流体流は、チャンバ２５から流入口５７を通って流路５３に入り、次に、流路５３を通って流入口５１から流路５５に入り、さらに多流路伝熱管４０の多数の流路４２に入る。

図６を参照すると、圧縮機６０と、凝縮器として機能する熱交換器１００と、蒸発器として機能する熱交換器１０と、を有し、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た冷媒蒸気圧縮システムが概略的に示されている。従来の冷媒蒸気圧縮システムのように、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１００の入口ヘッダ１２０に循環させ、次に、凝縮器１００の伝熱管１４０を流させるが、この際、高温の冷媒蒸気は、凝縮器ファン７０によって伝熱管１４０に亘って送られる周囲空気等の冷却流体との熱交換関係で凝縮して液体になる。高圧の液体冷媒は、凝縮器１００の出口ヘッダ１３０に集まり、次に、冷媒ライン１４を通って蒸発器１０の入口ヘッダ２０に入る。

凝縮された冷媒液体は、凝縮器１００から蒸発器１０に移動する際、冷媒ライン１４に動作可能に設けられた膨張弁９０を通る。膨張弁９０において、高圧の液体冷媒は、部分的に膨張して低圧低温の液体冷媒、または、液体／蒸気冷媒混合物になる。冷媒は、次に、蒸発器１０の伝熱管４０を通り、この際、冷媒は蒸発器ファン８０によって伝熱管４０に亘って送られる冷却された空気との熱交換関係で加熱される。冷媒蒸気は、蒸発器１０の出口ヘッダ３０に集まり、該ヘッダから冷媒ライン１６を通って、圧縮機６０の吸込口から圧縮機６０に戻る。

図２および図３に最もよく示されるように、遷移コネクタ５０のニップル５６は、「平坦な」長方形の多流路伝熱管４０の幅より大幅に小さい横寸法を有する。比較的小さい横寸法ｄを有するとともに、円形断面であってよい、ニップル５６の遠位端をヘッダ２０が受けるため、入口ヘッダ２０の横寸法Ｄは、比較的広い横寸法Ｗを有する平坦な多流路伝熱管４０の端とは異なり、多流路伝熱管４０の幅より大幅に小さくすることができる。従って、入口ヘッダ２０のチャンバ２５の流路断面積は、多流路伝熱管４０の入口端４３を受けるように設計されたヘッダに比べて、大幅に小さくなる。結果として、入口ヘッダ２０のチャンバ２５を通って流れる流体流の速度は高くなり、大幅に流れが乱れることになる。乱流の増加により、ヘッダ２０を流れる流体内でより完全な混合が生じ、結果として、多流路伝熱管４０への流体流の分配がより均一になる。これは、冷却、空調またはヒートポンプサイクルで動作している蒸気圧縮システムの蒸発熱交換器の入口ヘッダに送られる流れの一般的な状態である冷媒液体／蒸気混合物のような、混合された冷媒／蒸気流に、特にあてはまる。寸法を小さくしたヘッダ内で乱流が増加することによって、液体相冷媒と蒸気相冷媒との均一な混合が生じ、ヘッダを通る冷媒内での蒸気相と液体相の層化の可能性が低減する。

さらに、ニップル５６の遠位端は比較的小さい横寸法ｄを有するので、比較的広い横寸法Ｗを有する平坦な多流路伝熱管４０の端とは違い、入口ヘッダ２０の横寸法Ｄは、多流路伝熱管４０の入口端４３を受け止めるように設計されたヘッダの直径より大幅に小さい直径を有することになる。直径が小さくなると、ヘッダの厚みも薄くなる。従って、本発明の熱交換器の、直径が小さいヘッダは、製造にあたって必要な材料が大幅に減り、製造費用も低減される。

前述のように、扁平な多流路伝熱管４０は、従来の先行技術の円管が１／２インチ、３／８インチ、または７ｍｍの直径を有する場合と比較して、幅５０ｍｍ以下、一般的には、１２〜２５ｍｍである。凝縮器熱交換器と蒸発器熱交換器とを有する冷却システムにおいて、ニップル５６は、ニップルが円形のシリンダであると仮定すれば、従来の円形の冷媒管とほぼ同じか、それよりも小さい、一般的に３〜８ｍｍの外径の横寸法を有することになる。

一例として、ニップル５６が６ｍｍの外径ｄを有するシリンダであり、平坦な伝熱管が１５ｍｍの横寸法Ｗを有する長方形の伝熱管４０であると仮定する。入口ヘッダ２０を、多流路伝熱管４０の入口端４３を直接受けるように設計すると、入口ヘッダ２０の横寸法Ｄを、１５ｍｍより大きくする必要があり、例えば１８ｍｍとなる。しかし、入口ヘッダ２０が、ニップル５６の遠位端を受けるだけでよければ、入口ヘッダ２０の横寸法Ｄは、６ｍｍより大きければよく、例えば、９ｍｍとなる。円筒状ヘッダに関しては、後者のヘッダの流路面積は、前者のヘッダの流路面積の４分の１でよく、 体積流量が同じと仮定すると、後者のヘッダ内の流速は、前者のヘッダ内の流速の４倍となる。

図示の実施形態においては、入口ヘッダ２０は、長手方向に細長く、中空でかつ端が閉じた、円形断面を有するシリンダからなる。各遷移コネクタ５０のニップル５６の遠位端５７は、入口ヘッダ２０の壁に、壁を貫通して設けられた対応する開口２６と係合される。各コネクタは、入口ヘッダ２０の壁の対応する嵌合スロットに、ろう付け、溶接、接着接合、または他の方法で固定される。しかし、入口ヘッダ２０は、図示した構成に限定されない。例えば、入口ヘッダ２０は、長手方向に細長く、中空でかつ端が閉じた、楕円形断面を有するシリンダから構成されてもよく、長手方向に細長い、中空でかつ端が閉じた、正方形、長方形、六角形、八角形、または他の所望の断面を有する本体から構成されてもよい。入口ヘッダ２０の構成に関係なく、入口ヘッダの横寸法Ｄは、ニップル５６を収容するのに十分な大きさであればよく、平坦な長方形の伝熱管４０の入口端４３を直接受け止めるサイズに形成された類似の形のヘッダの広さとは大きく異なる。

図６に示した例示の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、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、および商業用冷凍サイクルを含むが、それらに限定されない、様々な設計の冷媒蒸気圧縮システムに採用され得ることに留意されたい。さらに、本発明の熱交換器は説明したシングルパス実施形態に限定されず、様々なシングルパス実施形態やマルチパス実施形態で配置してもよいことは、当業者であれば理解されるであろう。また、本発明の熱交換器は、このような冷媒蒸気圧縮システムにおいて、マルチパスの凝縮器、およびマルチパスの蒸発器としても使用することができる。

さらに、熱交換器１０の図示の実施形態は、例示的なもので、本発明を限定するものではない。本発明は、熱交換器１０の他の様々な構成で実践することができることに留意されたい。例えば、伝熱管は、概ね垂直に延びる入口ヘッダと、概ね垂直に延びる出口ヘッダとの間で、互いに平行でかつ概ね水平に延びるように配置されてもよい。

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、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、細部にわたって様々な変更を行うことができることに留意されたい。

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に沿って取った部分断面図である。 図２の遷移コネクタの断面図である。 図３の線４−４に沿って取った断面図である。 図２の線５−５に沿って取った断面図である。 本発明の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の概略図である。

Claims (4)

1. 内部を通る複数の個別の流体流路を画定するとともに、該複数の流体流路に開口する入口を有し、概ね長方形の形状および横寸法Ｗを有する少なくとも１つの伝熱管と、
   前記横寸法Ｗより小さい横寸法Ｄを有する細長い管状の部材であり、流体を集めるチャンバを画定するヘッダと、
   を備える熱交換器。
2. 入口端および出口端を有するとともに、これらの間に延びる流体流路を画定する本体と、前記本体から外方向に延びるとともに、前記ヘッダの前記チャンバと、前記本体を通る前記流体流路と、の間に流体流通路を画定する管状ニップルと、を有する遷移コネクタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記遷移コネクタの前記管状ニップルは、該管状ニップルの遠位端において、前記流体流路に対して開口するとともに、前記遷移コネクタの前記本体の前記入口端と流体連通する流出口と、前記管状ニップルの近位端において、前記流体流路に対して開口するとともに、前記ヘッダの前記チャンバと流体連通する流入口と、を有することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記遷移コネクタの前記本体を通る前記流体流路は、その中を通る流体流の方向において断面が広くなる末広がりの流体流路をからなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

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