JP2008528946A - ヒートポンプ用並流熱交換器 - Google Patents

Abstract

流れ制御システムにより構築される可変長の１段或いは多段の流路を有する、ヒートポンプ用並流熱交換システム（１０，５０，１００，２００）。冷房と暖房の運転モード切替により、並流熱交換システム（１０，５０，１００，２００）内での冷媒流の反転も可能。流れ制御システムの例として、膨張装置（８０）や種々の逆止弁（７０，７２，７４，７６）がある。並流熱交換システムは収束型流れ回路或いは拡散型流れ回路を有し、多段パス凝縮器とともに１段パス或いは多段パス蒸発器を構成する。

Description

本発明は一般的に冷媒ヒートポンプシステムに関し、特には冷媒ヒートポンプシステムの並流熱交換器に関する。

いわゆる並流熱交換器という言葉は空調及び冷凍業界では広く使用されており、複数の並流通路を持つ熱交換器であって、冷媒が並流通路に分流され、その流れの方向が、入口マニホールド及び出口マニホールドにおける冷媒流の方向とは実質的に直交しているものを指す。この定義は本技術分野ではなじみのあるものであり、本明細書でもそれを使用する。並流熱交換器は空調設備には多く使用され始めたが、ヒートポンプ分野への適用は以下に述べる理由により極めて限定されたものである。

冷媒ヒートポンプシステムは、熱負荷要求及び環境条件により、通常は冷房モードか暖房モードのいずれかで運転される。従来のヒートポンプシステムには、圧縮機、四方弁（ｆｏｕｒ−ｗａｙ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｖａｌｖｅ）のような流れ制御装置、室外熱交換器、膨張装置、及び室内熱交換器、などが備わっている。四方弁は、ヒートポンプシステムが冷房モードで運転されているか、暖房モードで運転されているかに応じて、圧縮機の吐出口から出た冷媒を室外熱交換器かあるいは、室内熱交換器へと送り出し、また熱交換器の他方から圧縮機の吸入口へ送り戻す役割を果たす。冷房モードでの運転では、冷媒は圧縮機で圧縮されて下流へ送られて四方弁に至り、それから室外熱交換器（この場合は凝縮器）に送られる。凝縮器では、ファンなどの換気装置によってその外部表面に送風された空気などの第２の流体との間で熱移動相互作用が生じている間、冷媒から熱が取り除かれる。結果として、冷媒は、緩熱（ｄｅｓｕｐｅｒｈｅａｔ）、凝縮され、そして通常は過冷却される。室外熱交換器から冷媒は膨張装置を通過し、そこで低圧、低温へと膨張し、そして室内熱交換器（この場合は蒸発器）に入ってゆく。熱移動相互作用を行なっている間、蒸発器では、ファンなどの空気搬送装置によって調和スペースへ搬送された空気（或いは他の２次流体）を冷却する。蒸発して過熱された冷媒が、室内熱交換器に流入する空気を冷却するとき、普通湿度も空気流から除去され、空気は同時に除湿もされる。室内熱交換器から冷媒がもう一度四方弁を通って、圧縮機に戻される。

暖房モードの運転では、ヒートポンプシステムを通る冷媒は基本的に逆の流れとなる。冷媒は圧縮機から四方弁へと流れ、それから室内熱交換器へと向かう。室内熱交換器では、この場合は凝縮器として作用するが、熱は空気に放出され、その空気がファンによって室内環境に送られて室内環境を暖める。緩熱、凝縮され、そして通常は過冷却された冷媒は、次に膨張器を通過して下流の室外熱交換器へと流れる。そこで、比較的低温の外部環境から熱が冷媒へと移動し、冷媒は蒸発し一般的には過熱される。次いで、冷媒は四方弁へ向かい、それから圧縮機に戻る。

当業者には周知であるように、ヒートポンプシステムの基本動作を簡単に説明したが、多くの変形とオプション機能をヒートポンプ方式に組み込むことが可能である。例えば、暖房モード運転と冷房モード運転とで、別々の膨張装置を使用することができるし、また、エコノマイザ或いは再加熱サイクルを組み入れたヒートポンプを設計することもできる。更に、Ｒ７４４のような天然冷媒の導入により、高圧側の熱交換器の運転では、（臨界点以上の）超臨界領域での運転が可能となり、亜臨界状態における主として２相の流体に代わって、単相冷媒が熱交換器チューブを流れることが可能となる。この場合には、凝縮器は単相冷却型熱交換器となる。

ヒートポンプ動作の簡単な説明からわかるように、通常２つの熱交換器は動作モードに応じて凝縮器と蒸発器の二つの役割を担っている。さらに、ヒートポンプの熱交換器を通る冷媒の流れは、通常、（特別の配管がなされてない限り）前述の２つの動作モードの間において反転される。その結果、熱交換器及びヒートポンプ設計者は、熱交換器回路構成を冷房モード及び暖房モードの両方の運転に対して最適化するという課題に直面する。これは、熱交換器を介した冷媒の熱移動および圧力低下の両特性間の適正なバランスを保つことが必要となるために、特に難しい仕事となる。従って、多くのヒートポンプ熱交換器では、それが最適ではないけれども、冷房モード運転に対しても暖房モード運転に対しても、同数の直線回路構成となっている。

一般的に、熱交換器を流れる２相混合冷媒では蒸気がより多く含まれており、冷媒の流速を上げようとすると効率的な熱交換器動作のためにより多数の並流回路が必要となる。このように、凝縮器の効率を上げるには収束型回路（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）を導入するのが一般的であるし、蒸発器の効率を上げるには直行型か拡散型回路（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）を採用する。言い換えるならば、熱交換器回路は冷媒の流路のある中間地点で収束するか拡散するかして、冷媒濃度の変化を受容し、冷媒流の凝縮或いは蒸発のそれぞれに対しての特性改善を図っている。従来のプレートフィン型の熱交換器においては、冷媒流の方向反転に伴う回路変更は、本業界で周知の通り、トライポッド及び中間マニホールドを利用して行なってきた。並流熱交換器の場合には、マニホールド設計や冷媒分布の仕様とともに設計の特殊性のために、マニホールド位置で並流回路の数を変えられるだけであり、とりわけヒートポンプにおける熱交換器設計の自由度を制限していた。従って、冷房モード運転と暖房モード運転とで熱交換器の長さ方向に沿って並流回路の本数を可変にすることは、回路長を可変にすることと同様に、熱交換器及びヒートポンプシステムの設計者にとって重大な障壁となっており、並流熱交換器の技術においてはまだ実現されていない。

熱交換の設計者が直面しているもう１つの課題は冷媒の不均衡配分（偏在）である。これは特に冷媒システム蒸発器において顕著である。これにより、広範な動作条件において、蒸発器及びシステム全体の性能が大きく劣化する。冷媒の不均衡配分は、蒸発器チャネル間の流路抵抗の違い、熱交換外部表面における不均一空気流分布、熱交換器の配置不具合、マニホールド及び分配システムの設計不良などに起因する。並流蒸発器においては、それぞれの回路に至る冷媒経路について特別の設計が必要なために、この不均衡配分が特に顕著となる。この現象が並流蒸発器の性能に及ぼす影響をなくす、或いは軽減しようとする試みはほとんど成功を収めてきていない。その失敗の主な理由は概ね、提案された技術が複雑であるか非効率的であること、或いは法外にコストが高いこと、などによる。

近年、自動車業界のみならず、暖房、換気、空調及び冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）業界においても並流熱交換器、及び特にろう付アルミニウムによる熱交換器が関心と興味を持たれて来ている。その並流技術が用いられる主な理由は、優れた性能、高度の小型化、強化された腐食耐性、などに関連している。上述したように、ヒートポンプシステムにおいては、個々の並流熱交換器が運転モードに応じて凝縮器としても蒸発器としても使用され、冷媒の不均衡配分がヒートポンプシステムの蒸発器としての実用に対する最大の懸念及び障害となっている。

並流熱交換器における冷媒の不均衡配分は、マニホールド及び分配システムの設計不良の他に、チャネル内部、入口マニホールド及び出口マニホールドにおける不均一な圧力低下により発生する。マニホールドにおいては、冷媒流路の長さの違い、相分離及び重力などが、不均衡配分をもたらす主要因である。熱交換器チャネルの内部では、熱移動速度のばらつき、空気流分布、製造公差及び重力が主要な要因である。さらに、最近の熱交換器性能の向上により、チャネルの小型化（所謂、ミニチャネル、及びマイクロチャネル）が推進されたことが、冷媒の分布に対してはマイナスに作用した。これらの要因を全て制御することは極めて困難であり、冷媒分布に対処しようとするこれまでの多くの試みは、特に並流蒸発器に関しては、失敗に終わった。

並流熱交換器を利用する冷媒システムにおいては、入口マニホールド及び出口マニホールド、或いはヘッダ（これらの用語は本文を通じて同義的に使用される）は通常、従来からの円筒形をしている。２相流がヘッダに入ったとき、通常液相から気相が分離する。２つの相は独立して流れるために冷媒の不均衡配分が生じ易い。そしていくつかの伝熱管の出口で２相状態（ゼロ過熱）となり、圧縮機の吸込口でフラッディングが生じやすい。その結果、すぐに圧縮機が故障する可能性がある。

このように、ヒートポンプの並流熱交換器設計者は次のような課題に直面する。暖房モード運転及び冷房モード運転における性能特性を改善するための可変長の拡散回路及び収束回路の実現、そのための逆方向の流れの制御、及び不均衡配分の回避（並びにオイルの滞留などのその他の信頼性問題）である。従って、上記の課題に対処し解決するための、並流熱交換器のハードウェア及びヒートポンプシステム設計の改善が必要である。

本発明の目的は、収束回路及び／或いは拡散回路の適用により、またその結果として冷媒の熱移動および圧力降下の両特性間における適正なバランスの供与により、特にヒートポンプへの導入において性能上の利点を有する並流熱交換器構造を提供することにある。本発明の別の目的は、冷房モードと暖房モードの切替及び両モードでの運転におけるヒートポンプシステムの性能向上を図るために、冷媒の逆流機能も備えた可変長回路を組み込んだ、並流熱交換器のシステムデザインを提供することにある。

１つの実施例では、熱交換器システムは、凝縮器として動作する場合には２つの冷媒パスを有し、蒸発器として動作する場合には１つの冷媒パスを有する並流熱交換器を備えた設計となっている。凝縮器としての動作においては、冷媒は入口マニホールドへ供給され、第１流路中の多数の並流伝熱管に分配され、次いで中間マニホールドに集められ、それから、残りの少数の並流伝熱管を通って出口マニホールドへ至る。この詳細についてはこの後詳述する。蒸発器としての動作においては、１つの蒸発装置が蒸発器の手前で冷媒を膨張させて低圧、低温となしており、並流熱交換器を通過する冷媒流は、逆止弁システム及び導流管の利用により、１段パス構成において逆方向に流れる。それ故に、前述した性能向上と信頼性の改善という利点は、伝熱管内部における冷媒の熱移動および圧力降下の両特性の最適なバランスによって、冷房モード及び暖房モードのいずれの運転においても達成される。

別の実施例では、熱交換システムには個別の中間マニホールドと３段パス凝縮器及び１段パス蒸発器として動作する並流熱交換器が備わっている。このシステムの動作及び利点は前述の実施例と同様である。更に、冷媒の不均衡配分をなくすか或いは軽減するために、複数の膨張装置が設置される。

更に別の実施例では、凝縮器としての動作は３段パスで、蒸発器としての機能する場合は１段パスとなる並流熱交換器が熱交換システムに組み込まれている。

従来の並流熱交換器の運転においては、冷媒は入口開口を通って入口マニホールドの内部空隙に流入する。入口マニホールドから冷媒は、１段パス構成の場合には、一連の並流伝熱管を通過して、出口マニホールドの内部空隙に入る。伝熱管の外部では、伝熱管及びそれと結合した大気側フィンの上を、ファンなどの空気搬送装置により送られた空気が循環している。それにより、伝熱管の外部を流れている空気と、伝熱管内部の冷媒と、の間で熱移動相互作用が行なわれる。伝熱管は中空であってもよいし、構造上の剛性を高めるとともに熱移動を向上させるためにリブなどの内部強化構造を有しても良い。このような内部強化構造は個々の伝熱管を複数の流路に細分し、複数の流路に沿って冷媒は並流となって流れる。流路は通常、円形、長方形、三角形、台形或いはその他の実現可能な断面を有している。更に、伝熱管はどのような断面形状でも良いが、望ましくは主として、長方形か楕円形のいずれかである。熱交換部品は通常アルミニウムで造られ、炉中ろう付により相互に接合される。

多段パス構成では、伝熱管は管列（ｔｕｂｅ ｂａｎｋ）に分割され、冷媒はいくつかの中間マニホールドや、入口マニホールド及び出口マニホールドに付帯するマニホールドチャンバを通って、並流状態において、１つの管列から次の管列へと流れる。それぞれの管列における伝熱管の本数は性能及び信頼性の要件により変わる。

上述のように、一般的に、熱交換器を通る２相混合冷媒は蒸気がより多く含まれている。また、熱交換動作の効率向上のために冷媒の流速を上げるにはより多くの並流回路が必要となる。従って、凝縮器は一般的に収束回路を組み込み、蒸発器は直行型か拡散型の回路を採用している。言い換えれば、冷媒の密度変化を受容し、冷媒流の凝縮或いは蒸発の特性（熱移動と圧力降下のバランス）改善を図るために並流熱交換回路の本数が中間マニホールド位置で変更される。

また、ヒートポンプの運転においてはそれぞれの熱交換器は通常（冷房か暖房かの）運転モードに応じて、凝縮器と蒸発器との二重の役割を担っている。さらに、前述の運転モードの期間に、ヒートポンプ熱交換器を通る冷媒流は通常反転される。その結果、熱交換器及びヒートポンプシステムの設計者は、冷房モード及び暖房モードの両方の運転における性能と信頼性の観点から熱交換器の回路構成の最適化を図ることを要請される。これは、さまざまな運転条件下で、熱交換器を通じての冷媒の熱移動と圧力降下との適正なバランスを維持することが要求されるために、特に困難な仕事となっている。このような理由で、多くのヒートポンプ熱交換器は、最適ではないが、冷房モードの運転に対しても暖房モードの運転に対しても同じ本数の直行型回路の設計となっている。

次に、図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、本発明の１実施例として並流熱交換器１０が示されており、並流熱交換器１０は、入口ヘッダすなわち入口マニホールド１２、及び隣接する出口ヘッダすなわち出口マニホールド１４を備えるとともに、平行に配列された複数の伝熱管２２は、入口マニホールドおよび出口マニホールドを、熱交換器１０の反対側に配置された中間マニホールド２０に流体的に連通している。通常、入口マニホールド１２と出口マニホールド１４は円形或いは長方形の断面をしており、伝熱管２２は扁平もしくは円形のチューブ（もしくは、押出し型材）である。上述したように伝熱管２２はフィン等の、複数の内部及び外部の熱移動促進部品を通常有している。例えば、外部フィン２４は一般的には炉中ろう付で形成され、熱交換を促進し、構造上の剛性を高めるためにチューブの間に均一に配列されている。伝熱管２２は内部に熱移動促進部品および構造強化部品を有する場合があり、これらは、個々のチューブを多数の流路に分割し、その間を冷媒が平行に流れるようにしている。周知のように、これらの流路は、長方形、円形、三角形、台形或いはその他の実現可能な断面を取りうる。

凝縮器の動作では、図１Ａに示すように、冷媒は、四方弁（非表示）の下流に位置する冷媒ライン１６を通してマニホールド１２へ供給され、第１パスすなわち管列２２Ａ中の比較的に多数の並流伝熱管（チューブ全体本数の約２／３）へと分配される。次いで中間マニホールド２０に集まった後、第２パスすなわち管列２２Ｂにある、残りの比較的少数の並流伝熱管（チューブ全体本数の約１／３）を通ってマニホールド１４へ至る。マニホールド１４から出た冷媒は、下流にあるヒートポンプシステム（非表示）の膨張装置へ接続している冷媒ライン１８へと流れる。ファンなどの空気搬送装置により熱交換器１０の外部熱交換面を流れる空気により熱交換相互作用が行なわれている間、冷媒は第１管列２２Ａで緩熱及び部分凝縮し、次いで第２管列２２Ｂで、完全に凝縮した後、過冷却される。第２管列での熱交換器の本数が少ないことは、この管列を流れている冷媒の密度が高くなっていることを反映しており、冷媒の熱移動および圧力降下の両特性間の適正なバランスを取る上で必要である。本実施例では、マニホールド１２とマニホールド１４は隣接し同じ全体構造部材２６を共有しかつ固定隔壁２８で分離されている。

蒸発器の動作では、伝熱管２２を流れる冷媒流は、方向が逆転している（図１Ｂ参照）。図１Ｂでは、並流熱交換器１０は、図１Ａの実施例と同一のマニホールド構成となっている。しかし今度は、第１パスすなわち管列３２Ａ中の並流伝熱管の数（チューブ全体本数の約１／３）が、第２パスすなわち管列３２Ｂ中の並流伝熱管の数（チューブ全体本数の約２／３）より少なくなっている。蒸発の動作においては、ここでも同様に、ファンなどの空気搬送装置による、熱交換器の外部熱交換面を流れる空気との熱交換相互作用により、冷媒は第１パス３２Ａで部分蒸発した後、完全に蒸発し、次いで第２パス３２Ｂで過熱される。ここで、第２管列での伝熱管の本数が（第１管列よりも）多いことは、密度の高い冷媒がその管列を流れていることを反映しており、冷媒の熱移動と圧力降下の両特性間の適正なバランスを取るために望ましい。

それゆえに、伝熱管２２の本数の第１パスと第２パスとへの適当な配分は、ヒートポンプシステムの冷房及び暖房の両モードでの運転における並流熱交換器１０の性能向上の最適化を図るための設計に基づいて行なわれる。並流熱交換器１０の配置方向は水平として示されているが、例えば垂直またはある角度で傾斜した他の配置方向も本発明の範囲内であることは留意すべきである。更に並流熱交換器１０は図１Ａ及び図１Ｂで示したように直線的でも良いし、湾曲または他のいかなる所望形状であってもよい。

図２Ａ及び図２Ｂで示した実施例においては、熱交換システム５０には並流熱交換器９０及び付属の冷媒流制御システムが備わっている。図２Ａに示す凝縮動作では、冷媒は冷媒ライン５８を通って並流熱交換器９０に入り、冷媒ライン８２にある逆止弁７０を通過してマニホールド５４に入る。ここで、逆止弁７２は、冷媒ライン６６を通って直接中間マニホールド６０に冷媒が入ることを防ぐ。その後、比較的に多数の伝熱管（全体の本数の約２／３）を有する第１パスすなわち管列５２Ａを通過して、中間マニホールド６０に入り、比較的に少数の伝熱管（全体の本数の約１／３）を有する第２パスすなわち管列５２Ｂに向かう。逆止弁７２の適切な側に高圧が作用していることにより、冷媒が中間マニホールド６０から冷媒ライン６６へ流入することを防いでいる。逆止弁７２の動作について懸念がある場合には、いつでも電磁弁と交換できる。第２の管列５２Ｂを出た後、冷媒は、マニホールド５４とは全体構造８４を共有しているマニホールド５２に入り、マニホールド５２から冷媒ライン５６を通って出る。冷房モード運転及び暖房モード運転に個別の膨張装置を利用する場合には、冷媒ライン６４にある逆止弁７６が、冷媒の膨張装置８０への流入を防ぐ。

熱交換器９０の外部熱交換面を流れる、空気搬送装置による空気によって熱交換相互作用が行なわれている間、第１管列５２Ａで冷媒は緩熱及び部分凝縮した後、次いで第２管列５２Ｂで完全に凝縮し、過冷却される。ここでも、第２管列での熱交換器の本数が少ないことは、密度の高い冷媒がその管列を流れていることを反映しており、冷媒の熱移動および圧力降下の両特性間の適正なバランスを取る上で必要である。本実施例では、マニホールド５２とマニホールド５４もまた隣接し、同じ全体構造部材８４を共有しかつ逆止弁７８で分離されている。さらにまた、逆止弁７８の適切な側に高圧が作用していることにより、冷媒がマニホールド５２からマニホールド５４へ流入することを防いでいる。図１Ａの実施例における利点と同様の利点がここでも得られる。

図２Ｂに示した蒸発器の動作では、冷媒は冷媒ライン５６から逆止弁７６及び膨張装置８０を通って、冷媒ライン６４へ流入し、逆止弁７４は冷媒が冷媒ライン６２に入って膨張装置８０を迂回してしまうことを防いでいる。膨張装置８０は、固定オリフィス型（例えば、キャピラリチューブ、アキュレータ、或いはオリフィスなど）、或いはバルブ型（例えば、温度式膨張弁、或いは電子式膨張弁）、などであり、ここで冷媒は膨張して低圧、低温となり、この場合、逆止弁７８は冷媒がマニホールド５４へ流入することを妨げないので、並流状態において、マニホールド５２、５４に入る。マニホールド５２，５４から冷媒は同時に流れて、１段パス構成の全ての伝熱管２２を通ってマニホールド６０に入る。そして、逆止弁７２及び冷媒ライン６６，５８を経由して並流蒸発器９０から出て四方弁に至り、圧縮機に戻る。冷媒ライン８２に設けられている逆止弁７０は、伝熱管２２を経由しないで冷媒が直接マニホールド５４及び並流熱交換器９０から出て行くことを防ぐ。ここでは１段パスではあるが、図１Ｂにおける実施例と同様に、蒸発動作においては熱交換器の外部表面上を流れる空気との熱交換相互作用により、冷媒は蒸発し、過熱される。多くの場合、蒸発動作では冷媒回路数が多いほど有利であるので、図２Ｂの実施例では性能増強が達成されている。従って、並流熱交換システム５０に可変長冷媒回路を付与することにより、ヒートポンプシステムの冷房及び暖房の両モードの運転における最適の性能向上を確保することができる。なお、膨張装置８０が電子式タイプであれば、逆止弁７６は不要であることも留意されるべきである。

図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例では、熱交換システム１００は並流熱交換器１１０及び付属した冷媒流制御システムを備えている。図３Ａに示された凝縮動作では、冷媒は冷媒ライン１１２を通って並流熱交換器１１０に入り、マニホールド１１４に流入する。ここで、逆止弁１１８は冷媒が直接中間マニホールド１１６に入ることを防ぐ。その後、冷媒は比較的に多数の伝熱管を有している第１パスすなわち管列１５２Ａを通過し、中間マニホールド１２０に入り、より少数の伝熱管からなる第２パスすなわち管列１５２Ｂに向かう。逆止弁１１８の適正な側に比較的に高い圧力が作用することによって、中間マニホールド１１６から出る冷媒がマニホールド１１４に再流入することを防いでいる。第２の管列１５２Ｂを出た冷媒は、更に少数の伝熱管からなる第３の管列１５２Ｃに入り、冷媒ライン１２８及び逆止弁１３０を経て、冷媒ライン１３６の先の膨張装置へ向かう。冷媒ライン１３２にある逆止弁１３４は、膨張装置１２４そのものだけでは流体抵抗の不足により冷媒の流れ込みを防げない懸念がある場合に備えて、冷媒が膨張装置１２４を通過して流入することを防止している。このように、ある状況下では逆止弁１３４は必要ない場合がある。同じように、膨張装置１２４により生じる高い流体抵抗は、主として、冷媒がマニホールド１２０とマニホールド１２６との間を交流することを防いでいる。

上述のように、熱交換器１１０の外部熱交換面を流れる、空気搬送装置による空気によって熱交換相互作用が行なわれている間、第１管列１５２Ａで冷媒は緩熱及び部分凝縮した後、第２管列１５２Ｂで完全凝縮（或いはほぼ完全凝縮）し、第３管列１５２Ｃで過冷却される。ここでも、第２管列及び第３管列で段階的に伝熱管の本数が少なくなっていることは、順を追って密度のより高い冷媒がその管列を流れていることを反映しており、冷媒の熱移動および圧力降下の両特性間の適正なバランスを取る上で必要である。なお、凝縮動作においてもより多くのパスを有する冷媒パスは必要に応じて導入可能である。

図３Ｂに示した蒸発器の動作では、冷媒は冷媒ライン１３６から逆止弁１３４を介して冷媒ライン１３２に流入し、接続ライン１２２にある膨張装置１２４に配流されるマニホールド１２６へと送られる。ここで、逆止弁１３０は冷媒が冷媒ライン１２８に入ることを防ぎ、膨張装置１２４を迂回することを避ける。膨張装置１２４は一般的には固定オリフィス型（例えば、キャピラリチューブ、アキュレータ、オリフィス）であるが、そこでは冷媒は膨張して低圧、低温となりマニホールド１２０を通って、全ての伝熱管２２に並行して入ってゆく。ここで、逆止弁１１８はマニホールド１１４，１１６の間を冷媒が直接流れることの妨げにはならない。冷媒は、全ての伝熱管２２を１段パス構成として同時に通過してマニホールド１１４，１１６に入り、その後、冷媒ライン１１２経由で並流蒸発器１１０から出る。図２Ｂに示した実施例と同様に蒸発器の動作では、熱交換器の外部表面を流れる空気との熱交換相互作用によって、冷媒は１段パスにおいて蒸発し、過熱される。上述したように多くの場合、冷媒回路が多いほど蒸発器の動作には有利であり、図３Ｂの実施例では性能の改良がなされている。従って、並流熱交換システム１００に可変長冷媒回路を付与することにより、ヒートポンプシステムの冷房及び暖房の両モードの運転における最適の性能向上を確保することができる。

さらに、接続ライン１２２は、伝熱管２２の対向端に面するように、中間マニホールド１２０の内部に貫入し、伝熱管２２と接続ライン１２２の間において比較的小さな間隙を形成する。この小さな間隙により、蒸発動作における冷媒分布の改善を図ることができる。全ての伝熱管２２について均一な間隙でも良いし、または、それぞれの伝熱管の間で、或いは伝熱管グループの間でその間隙を変えても良い。これは熱交換設計及び適用上の制約に依存する。

図４Ａ及び図４Ｂに示した実施例では、熱交換システム２００は並流熱交換器２１０及び付属の流れ制御システムを備えている。図４Ａに示した凝縮器動作では、冷媒は冷媒ライン２１２を通って並流熱交換器２１０に入り、マニホールド２１４に流入する。逆止弁２１８は冷媒が中間マニホールド２１６に直接入らないようにする。その後、冷媒は、比較的多数の伝熱管を有する第１パスすなわち管列２５２Ａを経由して中間マニホールド２２０に入り、次により少数の伝熱管からなる第２パスすなわち管列２５２Ｂに向かう。より高い圧力が逆止弁２１８の反対側に作用しているので冷媒がマニホールド２１６からマニホールド２１４へ再流入することはできない。第２管列２５２Ｂ及びマニホールド２１６を出た後、冷媒は、更に少数のチューブからなる第３パスすなわち管列２５２Ｃに入り、そこから冷媒ライン２２８及び逆止弁２３０を通って、冷媒ライン２３６及び（暖房及び冷房運転のときに個別の膨張装置が使用される場合に）下流の膨張装置へと送られる。またこの時、逆止弁２３４は冷媒が分配装置（すなわちディストリビュータ）２４０、分配管２２２、冷媒ライン２３２及び膨張装置２２４を経由して流れることを防止する。上述のように、膨張装置２２４が電子式の場合は、逆止弁２３４は必要ない。

上述のように、熱交換器２１０の外部熱交換面を流れる、空気搬送装置による空気によって熱交換相互作用が行なわれている間、第１管列２５２Ａで冷媒は緩熱及び部分凝縮した後、第２管列２５２Ｂで完全凝縮（或いはほぼ完全凝縮）し、第３管列２５２Ｃで過冷却される。ここでも、第２管列及び第３管列で段階的に伝熱管の本数が少なくなっていることは、順を追って密度のより高い冷媒がその管列を流れていることを反映しており、冷媒の熱移動および圧力降下の両特性間の適正なバランスを取る上で必要である。上述のように、凝縮動作においてもより多くの冷媒パスは要求に応じて導入可能である。

図４Ｂに示した蒸発器の動作では、冷媒は冷媒ライン２３６から逆止弁２３４及び膨張装置２２４を経由して冷媒ライン２３２に入り、ディストリビュータ２４０に至る。ディストリビュータ２４０から出た冷媒は分配管２２２に同時に分配され、マニホールド２２０に到達し、１段パス方式で全ての伝熱管２２に流入する。その後、冷媒は、流体的に直接連通しているマニホールド２１４およびマニホールド２１６に同時に流入し（この時点では、流れの方向が逆で冷媒は逆止弁２１８を通り流れる）、冷媒ライン２１２を通って並流熱交換器２１０から出る。図３Ｂに示した実施例と同様に蒸発器動作では、熱交換器の外部表面を流れる空気との熱交換相互作用によって、冷媒は１段パスで蒸発し、過熱される。上述したように多くの場合、冷媒回路が多いほど蒸発器の動作には有利であり、図４Ｂの実施例では性能の増強が達成されている。それ故に並流熱交換システム２００における可変長冷媒回路はヒートポンプシステムの冷房モード運転及び暖房モード運転のいずれにおいても最適な性能向上を確保することができる。

更に、分配管２２２は、伝熱管２２の対向端に面するように、望ましくは中間マニホールド２２０の内部に貫入して設置して、伝熱管２２と分配管２２２の間において比較的小さな間隙を形成する。この小さな間隙により、蒸発動作における冷媒分布の改善を図ることができる。全ての伝熱管２２について均一な間隙でも良いし、または、それぞれの伝熱管の間で、或いは伝熱管グループの間でその間隙を変えても良い。これは熱交換設計及び実行上の制約に依存する。冷媒の不均衡配分が問題とならない場合には、全ての分配システム２４０〜２２２は削除しても良い。この場合は冷媒ライン２３２を延長して直接マニホールド２２０につなぐ。

提示した図式は典型的なものであって、並流熱交換器を備えたヒートポンプシステムの冷房モード運転及び暖房モード運転における可変長回路を実現するには多くの配置及び構造が可能であることが理解されなければならない。更に、凝縮器や蒸発器への応用に関して、並流熱交換器の同じ側または反対側にマニホールド或いはマニホールドチャンバを有する多様な複数パス構成が実現可能である。

本発明を、特に図に示した好適な態様を参照して提示し、説明したが、請求項で定義される本発明の精神と範囲を逸脱することなく、細部に亘る種々の変更をもたらし得ることは当業者にとって理解されるであろう。

２段パス凝縮器に適用した並流熱交換器の概略図。 図１Ａを２段パス蒸発器として適用した図。 第２の実施例による２段パス凝縮器に適用した並流熱交換器システムの概略図。 図２Ａを１段パス蒸発器として適用した図。 第３の実施例による３段パス凝縮器に適用した並流熱交換器システムの概略図。 図３Ａを１段パス蒸発器として適用した図。 第４の実施例による３段パス凝縮器に適用した本発明による並流熱交換器システムの概略図。 図４Ａを１段パス蒸発器として適用した図。

Claims (32)

1. 実質的に平行に整列し且つマニホールドシステムを介して流体的に連通している複数の伝熱管を含む並流熱交換器を備えた熱交換システムであって、前記並流熱交換器は熱交換器を通る流れの方向の逆転に際し変更される可変回路構成を有することを特徴とする熱交換システム。
2. 前記マニホールドシステムは少なくとも１つの流れ方向に対応する３つ以上のマニホールドを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
3. 熱交換器の中の流れが方向を変えるとき前記並流熱交換器の回路構成を変更するための少なくとも１つの流れ制御装置を含む流れ制御システムを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
4. 前記の少なくとも１つの流れ制御装置は膨張装置であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記の少なくとも１つの流れ制御装置は、逆止弁及び電磁弁からなる群から選択されることを特徴とする請求項３に記載の熱交換システム。
6. 前記流れ制御システムは前記並流熱交換器の流れ方向が反転するときに変更される可変回路長を提供することを特徴とする請求項３に記載の熱交換システム。
7. 前記膨張装置は固定絞り型であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換システム。
8. 前記膨張装置はバルブであることを特徴とする請求項４に記載の熱交換システム。
9. 前記バルブは温度調整膨張弁であることを特徴とする請求項８に記載の熱交換システム。
10. 前記バルブは電子制御されることを特徴とする請求項８に記載の熱交換システム。
11. 前記膨張装置は複数の膨張装置であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換システム。
12. 前記複数の膨張装置は固定絞り型であることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換システム。
13. 複数の膨張装置は、オリフィス、キャピラリチューブ及びアキュレータからなる群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の熱交換システム。
14. 前記マニホールドシステムの少なくとも２つのマニホールドは連結されたマニホールド構造の中のチャンバであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
15. 前記の少なくとも２つのチャンバは逆止弁で分離されていることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換システム。
16. 前記マニホールドシステムの少なくとも１つのマニホールドは分離されたマニホールドであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
17. 前記並流熱交換器は蒸発器として及び凝縮器として動作することを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
18. 蒸発動作で膨張した冷媒用ラインが前記マニホールドチャンバ内部に貫入し、冷媒分布改良のために伝熱管と対向して小さなギャップをなすことを特徴とする請求項１７に記載の熱交換システム。
19. 前記小さなギャップは前記伝熱管全てに対し均等であることを特徴とする請求項１８に記載の熱交換システム。
20. 前記小さなギャップは冷媒分布を更に改良するために不均一であることを特徴とする請求項１８に記載の熱交換システム。
21. 前記並流熱交換器は１段パス蒸発器及び複数パス凝縮器として動作することを特徴とする請求項１７に記載の熱交換システム。
22. 前記凝縮器は２段パス凝縮器であることを特徴とする請求項２１に記載の熱交換システム。
23. 前記凝縮器は３段パス凝縮器であることを特徴とする請求項２１に記載の熱交換システム。
24. 凝縮器回路の数が増加していくことを特徴とする請求項２１に記載の熱交換システム。
25. 前記並流熱交換器は複数パス蒸発器及び複数パス凝縮器として動作することを特徴とする請求項１７に記載の熱交換システム。
26. 蒸発器回路の数が減少していくことを特徴とする請求項２５に記載の熱交換システム。
27. 凝縮器回路の数が増加していくことを特徴とする請求項２５に記載の熱交換システム。
28. 前記蒸発器が２段パス蒸発器であることを特徴とする請求項２５に記載の熱交換システム。
29. 前記凝縮器が２段パス凝縮器であることを特徴とする請求項２５に記載の熱交換システム。
30. 前記凝縮器が３段パス凝縮器であることを特徴とする請求項２５に記載の熱交換システム。
31. 冷媒が、凝縮動作および蒸発動作に関して、前記並流熱交換器の中を逆方向に流れることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
32. 前記並流熱交換器はヒートポンプシステムの１部品であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。

Images