JP2008533415A - クリンプされた流路入口を有する並流熱交換器 - Google Patents

Abstract

並流（ミニチャネルまたはマイクロチャネル）蒸発器は、流路の入口位置、または、入口位置の近くで、クリンプされた流路を含み、それによって、冷媒膨張と圧力低下制御を提供し、その結果、蒸発器における冷媒の不均衡分配を排除し、圧縮機でのフラッディングの可能性を防止する。冷媒の分配に影響する要因を相殺する漸進的なクリンプも、開示される。

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並流蒸発器に関する。

本出願は、２００５年２月２日に出願された米国仮出願第６０／６４９，３８３号「クリンプされた流路入口を有する並流蒸発器」を引用し、同出願の優先権と利益を主張し、ここで引用することにより、その全体を本明細書に組み込むものとする。

いわゆる並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、複数の並流通路を有し、冷媒が該通路に分配されて、入口マニホルドと出口マニホルドとの冷媒流の方向にほぼ実質的に垂直に流れる熱交換器を表す。この定義は、当技術分野内では周知であり、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、マニホルドや分配システムの設計の悪さが考えられる。並流蒸発器においては、冷媒の各冷媒回路へのルーティング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。この現象が並流蒸発器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、並流熱交換器や、特に、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。並流技術を採用する主な理由は、優れた性能を有すること、非常に小型であること、および耐食性が強化されていることに関連する。並流熱交換器は、現在、凝縮器用途および蒸発器用途の両方において、多数の製品やシステムの設計および構成に利用されている。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、並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、入口マニホルド内、および出口マニホルド内での不均一な圧力低下、ならびにマニホルド設計および分配システム設計の悪さである。マニホルドにおいては、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、製造公差、および重力が、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（いわゆるミニチャネルやマイクロチャネル）を促進し、その結果、冷媒分配に悪影響を及ぼした。これら全ての要因を制御することは極めて困難なので、特に並流蒸発器において、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。

並流熱交換器を利用する冷媒システムにおいて、入口および出口のマニホルドすなわちヘッダ（マニホ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）は、通常、従来の円筒形である。二相流がヘッダに入ると、気相は、通常、液相から分離される。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やすくなる。

二相流が、比較的高速で入口マニホルドに入る場合、液相（液滴）は、流れの勢いによって、マニホ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、マニホルドの入口に最も近い流路は、主に気相を受け取り、マニホルドの入口から離れた流路は、主に液相を受ける。他方、マニホルドに入る二相流の速度が低い場合、液相をヘッダに沿って運ぶ十分な勢いがない。結果として、液相は、入口に最も近い流路に入り、気相は、最も遠い流路に進む。また、入口マニホルド内の液相と気相は、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を引き起こす。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、いくつかの流路の出口で、二相（ゼロ過熱）状態が引き起こされる場合があり、圧縮機の吸込口でフラッディングが起こる可能性を助長して、すぐに圧縮機の損傷につながる。

従って、本発明の目的は、前述の先行技術の問題を克服するシステムと方法とを提供することである。

本発明の目的は、並流蒸発器に圧力低下制御を導入して、熱交換器流路の圧力低下を基本的に均一にし、これによって、冷媒の不均衡分配、およびこれに付随する問題をなくすことである。さらに、本発明の目的は、各流路の入口で冷媒を膨張させることによって、入口マニホルドの大部分を占める二相流を排除して、冷媒の不均衡分配の主な原因の１つである相分離を防止することである。

本発明によると、流路の各々を、流路の入口の位置、または該入口の近くで、クリンプさせて、流路の各々に所望の制限を付与する。不均衡分配現象に影響を与える他の不均一の要因（異なる熱伝達率等）を調整するために、制限する寸法を必要に応じて流路によって変更してもよい。入口マニホルドへのろう付け接合を妨げないように、端部部／入口で、または、入口から多少距離をおいて、流路をクリンプさせてもよい。さらに、内部の剛性（および／または熱伝達強化）のためのフィンは、クリンプ工程中に単に圧縮してもよく、クリンプ工程の前に機械加工してもよい。さらに、これらの制限は、低費用の用途では一次（または唯一つの）膨張装置として使用することができ、正確な過熱制御を必要とする場合は、二次膨張装置として使用することができ、他の一定面積を有する制限装置（毛細管またはオリフィス等）、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用いる。また、後者の場合、クリンプの正確さは、特別に高い精度の寸法公差である必要はない。

上記で概説した両方の場合において、特に、クリンプによる制限領域を一次膨張装置として並流蒸発器の各流路の入口に設ける場合、これらの制限領域は、蒸発器内の冷媒流に対する主要な抵抗となる。このような環境において、主な圧力低下領域は、これらの制限領域に亘り、並流蒸発器の流路またはマニホルドにおける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生じるので、主に単相の液体冷媒が入口マニホルドを流れ、個々の蒸発器流路に入る前に相の分離が起こらない。従って、均一な冷媒流分配が達成され、蒸発器およびシステムの性能が強化され、圧力器の吸込口でのフラッディング状態が回避され、同時に、（必要な場合は）正確な過熱制御が失われることがない。さらに、提案された方法は付加的な費用が少なく、本発明を非常に魅力的なものとする。

所望のクリンプ面の幾何学的形状を有するプライヤの形態のクリンプ工具、または、所望の幾何学的形状を有する打ち抜き金型の使用等の任意の適切なクリンプ手段を用いてもよい。

図１に示されている並流（ミニチャネルまたはマイクロチャネル）熱交換器１０は、入口ヘッダすなわちマニホルド１２と、出口ヘッダすなわちマニホルド１４と、入口マニホルド１２と出口マニホルド１４とを流体的に相互に接続す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を有する管（または押出部材）である。流路１６は、通常、フィン等の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、熱交換の強化と構造的な剛性の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を有する（図４〜図６を参照）。

運転中、冷媒は、入口開口２０内に流れ、次に、入口ヘッダ１２の内部空間２２に流れる。内部空間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モデル）で、流路開口２４に入り、流路１６を通って、出口ヘッダ１４の内部空間２６に入る。該空間から、冷媒は、通常は蒸気の形態で、出口開口２８から流出して、圧縮機（図示せず）へと流れる。流路１６の外側において、ファン（図示せず）等の空気搬送装置によって、流路１６および対応するフィン１８の上に空気を均一に循環させることが好ましく、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、図２に示すように、流路１６は、少なくとも入口端部３０においてクリンプされて、各流路に制限部分を付与し、直接各流路の入口で冷媒を確実に膨張させることによって、上記制限部分を横切って圧力が低下し、システム内での相分離および冷媒の不均衡分配を低減および／または排除する。

本発明の第２の実施形態においては、図３ａに示すように、流路は、端部３２およびポイント３４でクリンプされ、ポイント３４は、端部３２およびマニホルド１２への取付箇所から離間している。

第３の実施形態においては、図３ｂに示すように、流路は、取付工程を妨げないように、流路端部から所定の距離を隔て、かつマニホルド１２への取付箇所から離れた単一の位置３６でクリンプされる。

第４の実施形態においては、図３ｃに示すように、流路は、流路の端部付近で、所定の長さの間、すなわち距離「Ｌ」に亘って、クリンプされるが、図２，図３ａ，図３ｂより断面積の変更／減少は少ない。

本発明の第５の実施形態においては、図３ｄに示すように、流路は、流路の端部付近の複数の位置３８，４０，４２においてクリンプされ、交互に収縮および拡大する通路を形成するが、この実施形態も、図２，図３ａ，図３ｂと比べて断面積の変更／減少は少ない。

図４は、扁平形状を有し、かつ一体型の垂直支柱部材５２を有する、クリンプされていない流路５０の断面を示す。

図５は、本発明で使用するのに適切な所定の構成６０にクリンプされた流路５０を示す。この場合、クリンプは、支持部材５２の周囲で生じ、支持部材５２自体は変更されない。

図６は、本発明における使用に適切な、より扁平な構成７０にクリンプされた流路５０を示す。この場合、クリンプは、均一に生じ、支持部材５２を異なる形状および断面を有する部材７２に変える。当然、本発明の範囲内で、異なる支持部材を利用して、流路１６の内部を三角形、台形、円形、または任意の他の適切な断面に分割することができる。これらの全ての場合において、支持部材は、クリンプ工程で変更されてもよく、変更されなくてもよい。

図７は、扁平形状のクリンプされていない流路８０の断面を示す（この設計の構成では内部支持部材は存在しない）。

図８は、本発明における使用に適した、より扁平な構成９０にクリンプされた流路８０を示す。

また、クリンプは、例えば、冷媒の不均衡分配に影響を与える他の要因を相殺するために、全ての流路を通して均一である必要はなく、流路によって、または、流路の箇所によって、徐々に変化させてもよい。

さらに、クリンプは、凝縮器用途および蒸発器用途において、中間マニホルドの流路入口でも同様に用いることができる。例えば、熱交換器が、複数の冷媒パスを有する場合、（入口マニホルドと出口マニホルドとの間に）中間マニホルドが、熱交換器設計に組み込まれる。中間マニホルドにおいて、冷媒は、一般的に、二相状態で流れるので、このような熱交換器構成は、中間マニホルドと直接連通する入口端部にクリンプされた流路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、流路１６の出口端部、または、流路の長さに沿った中間位置で、クリンプを行って、熱交換器性能全体に与える影響を減らしつつ、流体抵抗の均一性および圧力低下制御を提供することができる。

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、設計段階で実質的に周知となるため、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、ならびに圧縮機におけるフラッディングおよび損傷の可能性を排除するために、それらの要因を相殺する設計上の特徴部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、冷媒が入口マニホルドに高速で入るか低速で入るか、あるいは、不均衡分配現象が速度の数値によってどのように影響されるかは、実質的に周知である。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を理解するであろう。

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、記述したが、当業者には当然のことながら、請求項で画定される本発明の精神と範囲を逸脱することなく、細部に亘って様々な変更を行うことができる。

先行技術による並流熱交換器の概略図である。 本発明の一実施形態を示す並流熱交換器の拡大部分側面断面図である。 図２に示す本発明の第２実施形態を示す断面図である。 図２に示す本発明の第３実施形態を示す断面図である。 図２に示す本発明の第４実施形態を示す断面図である。 図２に示す本発明の第５実施形態を示す断面図である。 クリンプされていない流路端部を示す図である。 図４に示す所定の構成をクリンプさせた図である。 図４に示す第２の構成をクリンプさせた図である。 第２のクリンプさせてない流路端部を示す図である。 図７に示す所定の構成をクリンプさせた図である。

Claims (36)

1. 長手方向に延在する入口マニホルドであって、流体流を該入口マニホルドに導く入口開口と、流体流を該入口マニホルドから横方向に導く複数の出口開口と、を有する入口マニホルドと、
   実質的に互いに平行に配列された複数の流路であって、前記複数の出口開口に流体的に接続されて、前記入口マニホルドからの流体流を導く複数の流路と、
   前記複数の流路から流体流を受けるように、前記複数の流路に流体的に接続された出口マニホルドと、
   を備え、
   前記複数の流路の少なくとも１つが、クリンプされて前記流路の断面を変更することを特徴とする並流（ミニチャネルまたはマイクロチャネル）熱交換器。
2. 前記複数の流路の各々の端部が、クリンプされた端部であることを特徴とする請求項１に記載の並流熱交換器。
3. 前記クリンプされた端部が、入口端部であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記クリンプされた端部が、出口端部であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記クリンプされた端部が、入口マニホルド、出口マニホルド、または中間マニホルドの少なくとも１つと直接流体連通することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記複数の流路が、少なくとも１つの流路端部から所定の距離をおいてクリンプされることを特徴とする請求項２に記載の並流熱交換器。
7. 前記複数の流路が、流路の長さに沿って、少なくとも１つの中間位置でクリンプされることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 前記複数の流路の少なくとも１つが、その長さに沿って、２つの異なる位置でクリンプされることを特徴とする請求項１に記載の並流熱交換器。
9. 前記複数の流路の全てが、各々の端部の少なくとも１つの位置でクリンプされることを特徴とする請求項１に記載の並流熱交換器。
10. 前記複数の流路の全てが、各々の端部と端部との間の所定の２つの位置でクリンプされることを特徴とする請求項８に記載の並流熱交換器。
11. 前記熱交換器が、蒸発器であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
12. 前記熱交換器が、凝縮器であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
13. 長手方向に延在する入口マニホルドであって、流体流を前記入口マニホルドに導く入口開口と、流体流を前記入口マニホルドから横方向に導く複数の出口開口と、を有する入口マニホルドと、
    実質的に互いに平行に配列された複数の流路であって、前記複数の出口開口に流体的に接続されて、前記入口マニホルドからの流体流を導く複数の流路と、
    前記複数の流路に流体的に接続されて、そこから流体流を受ける出口マニホルドと、
    を備え、
    前記複数の流路の各々が、クリンプされて前記流路の断面を変更することを特徴とする並流（ミニチャネルまたはマイクロチャネル）熱交換器。
14. 前記複数の流路の各々の端部が、クリンプされた端部であることを特徴とする請求項１３に記載の並流熱交換器。
15. 前記クリンプされた端部が、入口端部であることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
16. 前記クリンプされた端部が、出口端部であることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
17. 前記クリンプされた端部が、入口マニホルド、出口マニホルドまたは中間マニホルドの少なくとも１つと直接流体連通することを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
18. 前記複数の流路が、流路の長さに沿って、少なくとも１つの中間位置でクリンプされることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
19. 前記複数の流路が、少なくとも１つの流路端部から所定の距離をおいてクリンプされることを特徴とする請求項１４に記載の並流熱交換器。
20. 前記複数の流路の少なくとも１つが、その長さに沿って２つの異なる位置でクリンプされることを特徴とする請求項１３に記載の並流熱交換器。
21. 前記複数の流路が、これらの流路の各端部の少なくとも１つの位置でクリンプされることを特徴とする請求項１３に記載の並流熱交換器。
22. 前記複数の流路の全てが、これらの流路の端部と端部との間における複数の所定位置でクリンプされることを特徴とする請求項１３に記載の並流熱交換器。
23. 前記クリンプは、前記流路の長さに沿って徐々に変化することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
24. 前記クリンプは、前記流路の長さに沿って徐々に変化することを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
25. 前記クリンプは、前記流路間で徐々に変化することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
26. 前記クリンプは、前記流路間で徐々に変化することを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
27. 前記クリンプは、外部流路壁に限定されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
28. 前記クリンプは、外部流路壁に限定されることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
29. 前記クリンプは、外部流路壁および内部支持部材を修正することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
30. 前記クリンプは、外部流路壁および内部支持部材を修正することを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
31. 前記クリンプは、前記流路断面を均一に変えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
32. 前記クリンプは、前記流路断面を均一に変えることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
33. 前記クリンプは、前記流路断面を不均一に変えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
34. 前記クリンプは、前記流路断面を不均一に変えることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
35. 前記クリンプは、圧力低下制御および膨張制御の少なくとも一方をもたらすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
36. 前記クリンプは、圧力低下制御および膨張制御の少なくとも一方をもたらすことを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。

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