JP3340785B2 - 冷凍システム又はヒートポンプシステムに使用するための蒸発器又は蒸発器兼凝縮器及びその製造方法並びに蒸発器の少なくとも一部分として用いるための熱交換器 - Google Patents

冷凍システム又はヒートポンプシステムに使用するための蒸発器又は蒸発器兼凝縮器及びその製造方法並びに蒸発器の少なくとも一部分として用いるための熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、２相熱交換器に関し、
特に、空調システム又は冷凍システム又はヒートポンプ
等の２相熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】蒸気圧縮式空調システム又はヒートポン
プシステムにおいては、送風機に接続されたプレナム
（充気室）のような何らかの形態の空気処理・搬送装置
内に熱交換器が配設される。空調システムの場合、その
ようなプレナムは、例外はあるが、一般に的には炉の熱
風プレナムである。いずれにしても、空調システムであ
れ、ヒートポンプシステムであれ、冷却目的のために
は、この熱交換器は、熱交換器の伝熱管内を通る動作流
体（熱伝達媒体）を蒸発させる蒸発器として用いられ、
動作流体の蒸発により、プレナムに接続された送風機に
よって熱交換器の外表面を覆って通される周囲空気から
熱を吸収する。ヒートポンプの場合は、この熱交換器
は、加熱目的のために動作流体のための凝縮器としても
機能し、熱交換器の伝熱管内で動作流体が凝縮すること
により周囲空気に熱を放出する。
【０００３】大抵の場合、これらの熱交換器は、いわゆ
るＡ字形コイル蒸発器の形とされており、通常、Ａ字形
コイル蒸発器（「Ａ字形コイル熱交換器」又は単に「Ａ
字形コイル」とも称する）は、互いに向って上向きに傾
斜した２つの実質的に別個の熱交換器から成る。各熱交
換器は、垂直平面内に水平に互いに平行に配列された複
数の板状フィンと、それらのフィンの間に水平に配設さ
れた断面丸型の伝熱管（以下、単に「管」とも称する）
で構成されている。各丸型管の各端は、板状フィンの各
端から突出したところでＵ字管によって互いに接続され
ている。２つの熱交換器の各々から凝縮液を受取るため
の凝縮液収集トラフが設けられている。凝縮液収集トラ
フは、中央部が開放したダブルトラフの形とされてお
り、冷却又は加熱すべき空気は、両側のトラフの間の中
央開放部を通して導入され、板状フィンの間を通って上
昇し、プレナム内を斜め外方へ流れるようになされてい
る。
【０００４】Ａ字形コイル蒸発器は、その意図された機
能の点では良好に作動するが、幾つかの欠点がないわけ
ではない。その１つは、蒸発器として作動させる多くの
場合、板状フィンの表面で凝縮した凝縮液が円滑に流下
せず、隣接するフィンとフィンの間の間隙に跨がってし
まうことがあることである。このように間隙に跨がった
凝縮液はを「水ブリッジ」と称する。水ブリッジは、熱
交換器を通る（即ち、熱交換器の管と管の間を通る）空
気の流れを阻害し、従って空気からの伝熱を減少させ
る。その結果、フィン及び管の温度は、水ブリッジが凍
結し始めるほど低下することがある。従って、凝縮液の
流下が一層阻害され、最終的に熱交換器全体が凍ってし
まうことがある。
【０００５】この欠点は空気流を多くすることによって
解決することができるが、その結果としてより大きいモ
ータ及び、又は送風機を用いなければならないので熱交
換器の初期コストを増大させるばかりでなく、運転コス
トの増大も招く。
【０００６】更に、２つの熱交換器をマニホールドで連
結することによって１台のＡ字形コイル熱交換器を製造
する場合、純粋に手作業に依存する相当数の作業が必要
とされるので、製造コストを増大させることになる。そ
の上、各管はその両端にはんだ付け又はろう付け継手部
を有するので、多数の管が用いられる熱交換器の場合、
冷媒漏れを生じる可能性が比較的高くなる。在来のＡ字
形コイルは、又、重量が重く、そのために設置の際に運
搬及び取扱いが困難な場合が多く、しかも、損傷し易
い。
【０００７】Ａ字形コイル熱交換器を蒸発器として用い
る場合、熱交換器を通して排出される空気の温度を所望
の度合に均一にする目的で熱交換器の各管に冷媒を適正
に分配するために、多くの場合、かなり複雑な配管及
び、又は複雑な分配系統を必要とする。
【０００８】又、熱交換器をヒートポンプシステムとし
て用いる場合、従って蒸発器としての機能と凝縮器とし
ての機能を果たさなければならない場合は、その効率が
大きな関心事となる。２相熱交換の操作態様（例えば一
方の熱交換流体が液相から蒸気相へ、あるいは、蒸気相
から液相へ変化するときの作動態様）は、単相熱交換操
作の場合ほどには十分に理解されていない。更に、２相
熱交換の異る２つの操作（即ち、蒸発操作と凝縮操作）
においては、一方の熱交換操作にとって重要なことが、
他方の熱交換操作にとっては重要でない場合がある。例
えば、冷凍システム内での２相熱交換の蒸発操作におい
ては、熱交換器の外面を覆って通る周囲空気中の水分が
熱交換器の冷たい表面上で凝縮することによって生じる
凝縮液を処理するための手段を講じておかなければなら
ない。２相熱交換の凝縮操作においては、この問題に相
当する問題は空気側にはないが、冷媒側では、重力作用
を考慮して各流体の流れ方向を定めなければならない。
なぜなら、凝縮液を特にそれが比較的希薄な蒸気と混ざ
っている場合上向きに流動させることは困難であるから
である。蒸発器として作動する熱交換器においては、重
力作用を考慮した流体の流れ方向は、それほど重要では
ない。
【０００９】他方、蒸発器として作動する熱交換器では
入来冷媒（熱交換器に入ってくる冷媒）が均一に分配さ
れていないと蒸発器の各部分を出る空気の温度に相当な
不均一が生じて熱交換効率が阻害されるが、凝縮器とし
て作動する熱交換器では入来蒸気の分配の均一性はさほ
ど重要ではない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、新規な改良さ
れた蒸発器のみならず、ヒートポンプシステムに使用す
るのに特に適合するように蒸発器としても、凝縮器とし
ても良好な効率で機能することができる熱交換器を求め
る強い要望がある。本発明は、このような要望を充足す
ることを課題とする。従って、本発明の目的は、冷凍シ
ステム又はヒートポンプシステムに使用するための新規
な改良された蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を提供すること
であり、特に、製造コストが比較的安く、比較的軽量
で、損傷を受けにくく、蒸発器として作動しているとき
凝縮液の排出性能が優れており、凝縮収集トラフを小さ
くすることができ、在来のＡ字形コイル型蒸発器又は蒸
発器兼凝縮器に比べて冷媒の装入量が少なくてよい蒸発
器又は蒸発器兼凝縮器を提供することである。ここで、
「蒸発器兼凝縮器」とは、蒸発器としても、凝縮器とし
ても用いることができる熱交換器のことをいう。本発明
の他の目的は、そのような蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を
製造する方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の一側面によれば、互いに離隔した２つの耐
圧ヘッダーと、該２つのヘッダーに接続され２つのヘッ
ダーの間に互いに平行に間隔を置いて延設された複数の
断面扁平な細長い管と、それらの管の各対の間に延設さ
れ、各管に接合された蛇行フィンとから成り、該複数の
管とフィンは、前記２つのヘッダーの間でアペックスを
有する非平面状形状を画定するように付形されているこ
とを特徴とする蒸発器又は蒸発器兼凝縮器が提供され
る。
【００１２】好ましい実施例では、前記２つのヘッダー
を同一の平面内に配置し、前記複数の管とフィンが該２
つのヘッダーの間でＵ字形又はＶ字形を画定するように
付形し、該Ｕ字形又はＶ字形のアペックスを該平面から
下方に離れたところに位置させる。又、前記アペックス
に整列させて、該アペックスの下に凝縮液収集トラフを
配置することが好ましい。特に好ましい実施例では、前
記各管は、管内を比較的小さい水力直径の複数の流れ通
路に分割する内部ウエブを有する押出アルミニウムで形
成する。
【００１３】又、特に蒸発器兼凝縮器である場合は、上
記水力直径は１．７８ｍｍ以下とするのが好ましく、更
に好ましくは、１．０２ｍｍ以下とする。
【００１４】本発明によれば、断面でみて長辺と短辺を
有する扁平な管にその長辺側管壁の平面に沿う方向に管
の長手に対して横断方向に折曲げ力を加えることによっ
て管を折曲げ、それによって上記アペックスを画定する
ことを企図する。典型的な例では、上記複数の管とフィ
ンとでいわゆるコア（熱交換器の本体部分）を形成す
る。本発明によれば、コアの両側に（即ち、コアの最外
側の管に沿って）側板を配置し、２つのヘッダーの間に
延設する。これらの側板は、管と同様に細長く、管を折
曲げてアペックスを形成するのを容易にするために該側
板の両端の間の中間部分をアコーデオン状にする。好ま
しい実施例では、このアコーデオン状部分は、各側板の
アペックス近傍の中間部分に該側板の全幅の一部分を横
切る複数のスロットを切設することによって形成する。
特に好ましい実施例では、各側板の両側縁にスロットを
切設し、一方の側縁のスロットと、それに対向する他方
の側縁のスロットとを互い違いに配置する。
【００１５】又、本発明は、少くとも一方のヘッダーの
両端間の中間にじゃま板を配設し、それによって多重パ
ス（多重通し経路）型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を提供
することを企図する。特に好ましい実施例では、一方の
ヘッダーの両端間のほぼ中間に単一のじゃま板を配設
し、ほぼ同じ流れ面積の２つのパス（通し経路）を構成
する。
【００１６】本発明は又、多重管列型（２つ以上の管列
が重ね合わされた）蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を提供す
ることを企図する。その場合、上述した蒸発器又は蒸発
器兼凝縮器の少くとも２基を重ねて嵌め合わせ、一体に
固定することによって多重管列型蒸発器又は蒸発器兼凝
縮器を構成する。この多重管列型蒸発器又は蒸発器兼凝
縮器の隣接する管列の各管と管を互いに整列させてもよ
く、あるいは別法として、隣接する管列の各管と管を互
い違いに配列することもできる。
【００１７】特に好ましい実施例では、上記蛇行フィン
及び管をアルミニウムで形成する。管の長さ２．５４ｃ
ｍ（１ｉｎ）当り少くとも２０片のフィンを設けること
が好ましい。
【００１８】本発明は、又、その別の側面によれば、蒸
発器又は蒸発器兼凝縮器を製造する方法であって、 ａ）複数の互いに平行な扁平管を互いに平行に離隔した
２つのヘッダーに組合せるとともに、それらの管の各対
の間に蛇行フィンを介設する工程と、 ｂ）該工程ａ）で得られた組立体のヘッダー、管及びフ
ィンを互いに接合して一体の組立体とする接合工程と、 ｃ）該一体の組立体をその２つのヘッダーの間で折曲げ
てＵ字形又はＶ字形とする工程から成る製造方法を提供
する。 前記フィン、管及びヘッダーは、アルミニウム製とし、
前記接合工程ｂ）は、ろう付けによって実施することが
好ましい。
【００１９】本発明の一実施例によれば、前記折曲げ工
程ｃ）の後に、前記一体の組立体に側部パネルと、トラ
フを付設する。このトラフは、折曲げられた組立体のＵ
字形又はＶ字形の底部に整合させ、底部に向って上向き
に開放させて凝縮液収集トラフとして機能するようにす
る。折曲げられた組立体のＵ字形又はＶ字形の底部の山
形の尖った部分をここでは「アペックス」（尖部）と称
することとする。
【００２０】本発明の別の実施例によれば、前記工程
ａ）において、前記組立体の両側部を抱きかかえるよう
に該両側部に側板を付設し、扁平管と同様に２つのヘッ
ダーの間に延設する。これらの側板は、管を折曲げてア
ペックスを形成するのを容易にするために該側板の両端
の間の中間にアコーデオン状部分を有している。
【００２１】又、本発明は、前記工程ａ）、ｂ）及び
ｃ）を繰返すことによって少くとも２基のＵ字形又はＶ
字形の組立体を製造し、次いで、工程ｄ）として、それ
らのＵ字形又はＶ字形の組立体を重ねて嵌め合わせ、一
体に固定することによって多重管列型蒸発器又は蒸発器
兼凝縮器を製造することを企図する。この実施例では、
更に追加の工程ｅ）として、凝縮液収集トラフを一番下
の組立体のＵ字形又はＶ字形のアペックスの下に整合さ
せアペックスに向って上向きに開放するようにして付設
することができる。この実施例の場合、前記重ね合わせ
工程ｄ）において、Ｕ字形又はＶ字形の多重管列型蒸発
器又は蒸発器兼凝縮器の隣接する管列の各管と管を互い
に整列させるようにしてもよく、あるいは、隣接する管
列の各管と管が互い違いになるようにしてもよい。
【００２２】本発明の方法は、又、少くとも一方のヘッ
ダーの両端間の中間にじゃま板を配設し、それによって
多重パス型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を製造することを
企図する。
【００２３】
【実施例】図１を参照すると、本発明による並列流れ型
熱交換器が示されている。ただし、図１は、本発明に従
って製造された、完成した蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を
示すものではなく、本発明の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器
を製造するための中間製造段階の熱交換器を示す。この
図は、本発明に従って製造される以下に述べる各実施例
の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器の構造を理解し易いよう
に、その基本構造を分解図で示したものである。
【００２４】図１にみられるように、この熱交換器は、
２つの互いに平行に離隔した管状ヘッダー１０，１２
と、それらのヘッダーの間に延設された複数の互いに平
行な細長い扁平伝熱管（以下、単に「管」とも称する）
２０を含む。ヘッダー１０，１２は、外表面にろう付け
用クラッドを被覆した円筒形状のアルミニウム管材から
製造するのが好ましい。これらの２つのヘッダーは、互
いに対面する側壁に管２０の両端１６，１８をそれぞれ
受容するための一連の平行なスロット又は開口１４を有
している。管２０は、図２に関連して後に詳しく説明す
るが、アルミニウム押出成形物で形成するのが好まし
い。
【００２５】ヘッダー１０，１２は、溶接管であること
が好ましい。図１には、ヘッダー１２に溶接継目が符号
１９で示されている。スロット１４は、ヘッダー１０，
１２の側壁にパンチ加工によって穿設することができ
る。ヘッダー１０，１２の耐圧性を高めるために、本出
願人の米国特許第４，６１５，３８５号に詳述されてい
るようにヘッダーのスロット１４と１４の間の側壁部分
に球状のドームを形成することが好ましい。
【００２６】一方のヘッダー１０の両端は、それにキャ
ップ２４をろう付け又は溶接することによって閉鎖す
る。本発明のこの好ましい実施例では、熱交換器の構成
部品は、すべて、ろう付けによって接合されるので、キ
ャップ２４も、通常は、ろう付けによってヘッダー１０
の両端に固定する。同様に、蒸気出入口継手２６などの
継手も、ヘッダー１２の一端にろう付けすることがで
き、液体出入口継手３２は、ヘッダー１２の他端にろう
付けすることができる。ヘッダー１２の一端から流入し
てくる流入流れと、他端から流出する流出流れとを分離
しなければならないので、ヘッダー１２の両端間の中間
点の側壁にスロット３３を穿設し、そのスロットを通し
てじゃま板３５を挿入する。じゃま板３５は、ヘッダー
を２つのセクションに分割する。スロット３３及びじゃ
ま板３５は、本出願人の米国特許第４，９３５，３８１
号に開示された方法で形成することができる。
【００２７】図にみられるように、ヘッダー１０と１２
の間に複数の管２０が互いに平行に延設され、ヘッダー
１０，１２の内部に連通している。従って、じゃま板３
５の一方の側即ちヘッダーの一方のセクションに対応す
る第１群の管２０は互いに並列流れ関係にあり、じゃま
板３５の他方の側即ちヘッダーの他方のセクションに対
応する第２群の管２０はやはり互いに並列流れ関係にあ
るが、第１群の管２０と第２群の管２０とは、直列関係
にあり、従って、２パス型（２つの通し経路を有する）
熱交換器を構成する。
【００２８】各隣接する管２０と２０の間に、ろう付け
用クラッドを被覆したアルミニウム背のルーバー付蛇行
フィン３４を介設する。本発明によれば、管２０の長さ
２．５４ｃｍ（１ｉｎ）当り少くとも２０片から最高２
６片ものフィンを配設することが好ましい。熱交換器の
組立体に剛性を付与するために、熱交換器の両側に沿っ
てヘッダー１０と１２の間に側板３６，３８を延設す
る。側板３６，３８も、アルミニウム製であることが好
ましい。
【００２９】図２に示されるように、各管２０は、短辺
と長辺を有する断面扁平なアルミニウムの押出成形物で
ある。通常、管２０の短辺側の壁は、熱交換器を覆って
通過する空気の流れ方向に直面するので、短辺の寸法は
できるだけ小さくしておくことが好ましい。なぜなら、
空気の流れに対して直面する熱交換器の前面面積を一定
とすれば、各管２０の短辺寸法を大きくすると、それだ
け空気の流れ面積が減少し、熱交換器を通る空気流の圧
力降下を増大させるので、空気を通すための所要エネル
ギーが増大するからである。更に、各管２０の短辺寸法
を大きくすると、空気流側の伝熱表面積を増大するため
のフィン３４を配設するのに利用し得る空間を減少させ
ることになる。ただし、管２０の短辺寸法は、小さくし
過ぎてもいけない。なぜなら、管２０の短辺寸法を小さ
くすると、それだけ管の内部流路が小さくなり、管内を
流れる熱交換媒体（冷媒）の流れに対する抵抗が過度に
大きくなるからである。典型的な例では、短辺寸法は、
１．９０ｍｍ程度とする。
【００３０】図２に示された例では、管２０の長辺寸法
は、２５．４ｍｍ（１ｉｎ）より僅かに大きく、２７．
５６ｍｍである。この寸法は、管内の流れ断面積を所望
の大きさとするように管の短辺寸法との関連で選択され
る。以下の説明から明らかになるように、長辺寸法の選
択に当っては、後述する折曲げ工程において管にその長
辺側管壁の平面に沿う方向に管の長手に対して横断方向
に折曲げ力を加えたとき長辺側の管壁が座屈してしまう
ほど大きな寸法を選択しないように留意しなければなら
ない。一般には、管の長辺寸法は、約１３ｍｍ〜約３２
ｍｍの範囲内とする。
【００３１】各扁平管２０内には、管の長辺側の両側壁
の間に延長した一体ウエブ４２によって互いに分離され
た複数のほぼ三角形の流れ通路（以下、単に「通路」と
も称する）４０が画定されている。通常、これらの通路
４０は、ウエブ４２と管の内壁４４，４６とによって、
比較的小さな水力直径となるように画定される。「水力
直径」とは、一般に定義されているように、（流路の断
面積×４）÷（流路の濡れ周囲長）である。本発明にお
いては、各通路４０の水力直径は、約０．３８１ｍｍ〜
１．７８ｍｍ（約０．０１５〜約０．０７０ｉｎ）の範
囲とするのが好ましく、更に好ましくは、１．０２ｍｍ
（０．０４ｉｎ）以下とする。このような水力直径は、
本出願人の米国特許第４，９９８，５８０号に詳述され
ているように、重力の作用を排除することにより、管２
０の傾斜角如何に拘らず、凝縮器としての高効率の作動
を可能にする。
【００３２】ウエブ４２は、幾つかの機能を果たす。即
ち、ウエブ４２は、管２０の内壁面４４，４６と協同し
て管の一端から他端にまで延長する分離した個別通路４
０を画定することことに加えて、後述する折曲げ工程に
おいて、管にその長辺側管壁の平面に沿う方向に管の長
手に対して横断方向に折曲げ力を加えたとき長辺側の一
方の管壁が他方の管壁に向って、又は他方の管壁から離
れる方向に座屈することがないように管を強化する機能
をも果たす。又、ウエブ４２は、管２０が比較的高い内
部圧力を受けたとき管が破裂するのを防止する役割をも
果たす。更に、熱伝達過程自体において、熱は、ウエブ
４２から管２０の側壁へ、又、管２０の側壁からウエブ
４２へ流れる。もちろん、管２０内を通る流体は、各ウ
エブ４２に接触し、ウエブと熱交換関係におかれる。従
って、管２０内を通る流体のうち管の内壁面４４，４６
には接触しないが、ウエブ４２に接触する部分も、ウエ
ブ４２を介して管２０への、又は管２０からの良好な熱
伝達を行う。
【００３３】もちろん、この熱交換器が蒸発器として用
いられる場合は、熱の流れは、フィン３４から管２０
へ、そして管２０の各通路４０内を通る冷媒へ向けての
流れとなる。この熱交換器がヒートポンプシステムの蒸
発器兼凝縮器として用いられる場合は、蒸発器として機
能するときの熱の流れは上述した通りとなるが、凝縮器
として機能するときは、熱の流れは、管２０の各通路４
０内を通る冷媒から管２０へ、次いでフィン３４への流
れとなる（図１参照）。
【００３４】図３及び４を参照すると、本発明に従って
製造される蒸発器又は蒸発器兼凝縮器の各構成部品の寸
法がほぼ比例関係で示されている。図３に例示された管
２０の長さは、基本構造を理解するための参照用として
図１に示されたものよりはるかに長いが、この図３に示
された管の長さが本発明の思想に沿うものである。即
ち、このように管の長さを長くすることの目的は、図１
に示されるような平面状の熱交換器をその両端の間の中
間でＵ字又はＶ字の形に折曲げて、そのＵ字又はＶ字の
互いに離隔した２つの辺が、各々、図１に示された熱交
換器にほぼ等しいサイズとなるようにすることである。
ただし、管２０の長さ寸法は、その熱交換器を組入れる
特定のシステムに応じて選定されることはいうまでもな
い。
【００３５】図３に示されるように、ヘッダー１０内の
ほぼ中間点にじゃま板３５が挿入されている。従って、
じゃま板３５の一方の側の管２０の本数と、じゃま板３
５の他方の側の管２０の本数は実質的に等しい。すべて
の管２０が同一寸法のものであるとすると、ヘッダー１
０内のじゃま板３５は、実質的に等しい断面積即ち流れ
面積の２つのパス（通し経路）を設定する。所望なら
ば、追加のじゃま板３５を設けることによってパスの数
を増大することができる。ヘッダー１０の、じゃま板３
５より図３でみて下方のセクションに比較的大径の管５
０を接続する。この管５０は、熱交換器が蒸発器として
作動するときは、蒸気（蒸気状冷媒）出口管として機能
し、熱交換器がヒートポンプシステムの凝縮器として用
いられるときは、蒸気入口管として機能する。従って、
管５０は、「蒸気出口兼入口管」と称する。管５０を接
続するためのヘッダーの出入口を「ポート」と称する。
ヘッダー１０の、じゃま板３５より図３でみて上方のセ
クションには、比較的小径の管５２を接続する。管５２
は、熱交換器が蒸発器として作動するときは、液体（液
体状冷媒）入口管として機能し、熱交換器がヒートポン
プシステムの凝縮器として用いられるときは、液体出口
管として機能する。従って、管５２は、「液体入口兼出
口管」と称する。管５２を接続するためのヘッダーの出
入口を「ポート」と称する。
【００３６】大抵の場合、後述するようにＵ字形又はＶ
字形に折曲げられた蒸発器の両側部は、Ｕ字形又はＶ字
形の無孔の側部パネル５３（図６、７参照）によって閉
鎖する。側部パネル５３，５３は、上述した側板３６，
３８にそれぞれ固定する。これらの無孔の側部パネル５
３は、コア（管２０とフィン３４との組立体から成る熱
交換器の本体部分）の一方の側（Ｕ字又はＶ字の一辺）
のフィン３４の間を通過した空気が、コアの他方の側
（Ｕ字又はＶ字の他辺）のフィン３４の間を通らずに両
脇の側板３６，３８の外側を廻って通り抜けてしまうの
を防止する。
【００３７】側部パネル５３の図６及び７でみて上縁及
びヘッダー１０，１２に沿って取付け用周縁フランジ５
４を設ける。フランジ５４は、その蒸発器兼凝縮器を組
入れる炉又は空気処理・搬送装置又はヒートポンプのプ
レナム（充気室）内の適当な取付け部に座着させて気密
状態に固定するための平坦な周縁座部５５を有してい
る。かくして、側部パネル５３及び座部５５は、空気流
を確実にコアのフィン３４の間を通す働きをし、空気流
がコアの両脇の側板３６，３８の外側を廻って通り抜け
る（バイパスする）のを防止する。
【００３８】ヘッダー１２はには、該ヘッダー内のじゃ
ま板３５の両側部分を互いに連通させるためのジャンパ
ー管５６を接続することが望ましいが、そのようなジャ
ンパー管は、必ずしも必要ではなく、場合によっては、
じゃま板３５ともども省除してもよい。
【００３９】図にみられるように、管５０，５２及び５
６は、いずれも、対応するヘッダー１０，１２のセクシ
ョン（分区）のほぼ中央に接続されている。本発明のこ
の特徴は、その熱交換器が蒸発器として作動するときは
極めて重要である。なぜなら、この特徴は、熱交換器の
面の各部分間の温度差を最少限にするように蒸発器全体
に冷媒を良好に分配する働きをするからである。
【００４０】図４を参照して説明すると、側板３８は、
その両端間のほぼ中間にアコーデオン状部分６０を備え
ている。図には示されていないが、他方の側板３６も、
その両端間のほぼ中間に同様のアコーデオン状部分を備
えている。ここでは、側板３８についてのみ説明する。
アコーデオン状部分６０は、一連のスロット又は切欠き
（以下、単に「スロット」と称する）６４，６８によっ
て形成される。詳述すれば、側板３８の一側縁６２に
は、一連のスロット６４が、側板の長手に対して横断方
向に他側縁６６に向けて、ただし、他側縁にまでは達し
ないように切込まれている。換言すれば、これらのスロ
ット６４は、側板の全幅の一部分を横切って切設されて
いる。同様にして、側板３８の他側縁６６にも、スロッ
ト６４よりは長い即ち深い一連のスロット６８が、一側
縁６２に向けて切込まれている。スロット６４は、スロ
ット６８の深さのほぼ３分の２の深さとし、各スロット
６４の底部と各スロット６８の底部との間で側板３８の
長手に延長している連続した（切れ目のない）中央部分
７０の幅は、スロット６４の深さとほぼ同じか、それよ
り僅かに小さい寸法とすることができる。
【００４１】図３及び４に示されるような熱交換器は、
本出願人の米国特許第４，６８８，３１１号に開示され
た方法にほぼ従って組立てられる。この製造段階での組
立体の構造は、その管２０の長さを除いては、本出願人
の米国特許第４，９９８，５８０号に開示されたものと
基本的には同じである。ただし、本発明においては、本
出願人の米国特許第４，６８８，３１１号及び４，９９
８，５８０号に開示されているようなスペーサ又はイン
サートを備えた管よりも、本出願の図２に示されるよう
な押出成形管を用いるのが好ましい。前者の管、即ち米
国特許第４，６８８，３１１号及び４，９９８，５８０
号に開示された管を用いる場合は、それらの管自体がろ
う付け用クラッドを被覆したアルミニウム材で製造され
るので、フィン３４にろう付け用クラッドを被覆する必
要はない。
【００４２】図３及び４に示された熱交換器は、図に示
される通り平面状である。本発明によれば、この平面状
の熱交換器を図５に示されるようなＵ字又はＶ字の形に
する。この目的のために、図３及び４に示された熱交換
器を図５に示されるような形に折曲げる。この折曲げ
は、側板３６，３８のアコーデオン状部分６０、及び管
２０の両端間の中間部分で行われる。この折曲げ作業
は、図９に示されるような折曲げ装置を用いて行うこと
ができる。その場合、図３及び４に示されるような平面
状の熱交換器の一端部分を折曲げ装置のベンチ７２の下
面に当てがい、熱交換器のアコーデオン状部分６０を有
する中間部分を円筒形マンドレル７３の上に載せる。マ
ンドレル７３は、複数の逆Ｌ字形アーム７４を介してベ
ンチ７２に固定されており、典型的な例では約１０ｃｍ
（４ｉｎ）以上の直径を有する。
【００４３】円筒形マンドレル７３の両端間の中間の中
心軸部７６にハンドル７５が枢動自在に取付けられてお
り、ハンドル７５にローラ７７が担持されている。熱交
換器の、マンドレル７３より外方に突出した部分の上面
にプレート７８を載せ、プレート７８の上にローラ７７
が係合するようにする。この状態でハンドル７５を矢印
７９の方向に押し下げれば、プレート７８を介して熱交
換器に所要の折曲げ力が均一に加えられ、図５に示され
るように形状が得られる。
【００４４】この折曲げ力は、先に述べたように、管２
０の長辺側管壁の平面に沿う方向に管の長手に対して横
断方向に加えられるが、管２０はアルミニウムの押出成
形物であるから、座屈することなく容易に変形する。押
出成形物に代えて、先に挙げた米国特許第４，６８８，
３１１号に開示されている個別インサートを有する管を
用いることもできるが、長辺側の寸法を同じにした場
合、個別インサートを有する管の方がアルミニウム押出
管に比べて折曲げ工程中座屈し易い。アコーデオン状部
分６０は、側板３６，３８を座屈させることなく折曲げ
るのを容易にする。
【００４５】ともあれ、上述のように平面状の熱交換器
をその両端の間の中間でＵ字又はＶ字の形に折曲げる
と、アコーデオン状部分６０のほぼ中間点にアペックス
（山形の尖部）８０が形成される。熱交換器の使用状態
においては、このアペックス８０は、ヘッダー１０，１
２によって画定される平面より下方に位置する。このア
ペックス８０に、例えば、側部パネル５３に（所望なら
ば側板３６，３８にまで）螺入させたねじ８４などによ
り凝縮液収集トラフ８２（図６〜８参照）を取付ける。
トラフ８２は、端壁８６，８８と、該端壁の間に延長し
た上方に開口したＵ字形の底壁及び側壁部材９０とから
成る。端壁８６，８８の一方又は両方に、少くとも１つ
の凝縮液出口継手管９２を接続することができる。
【００４６】図８から分かるように、管２０の短辺側管
壁は、完全に露出しており、蛇行フィン３４によって覆
われていない。蛇行フィン３４は、隣接する管２０と２
０の間と、組立てられたコアの両側の管２０と側板３
６，３８との間で管２０の長辺側管壁に沿ってのみ延長
している。従って、フィン３４又は管２０の外面上に発
生して１つの管２０の外面に流れ着いた凝縮液は、フィ
ン３４と３４の間の空間においてその管２０に沿ってア
ペックス８０に達するまで流下する。凝縮液の一部分
は、蛇行フィン３４に付設された慣用のルーバーを通っ
てアペックス８０にまで流下する。凝縮液は、アペック
ス８０に溜るにつれて、凝縮液をアペックス８０に付着
させている表面張力を打ち破るのに十分な大きさの液滴
となり、アペックス８０から凝縮液収集トラフ８２内へ
落下する。
【００４７】上述したＵ字形又はＶ字形を用いることに
より、従来のＡ字形コイル蒸発器におけるように２つの
別個の凝縮液収集手段又はトラフを必要とせず、トラフ
８２のような単一の凝縮液収集トラフを設けるだけでよ
いので有利である。
【００４８】本発明は、又、多重管列型蒸発器又は蒸発
器兼凝縮器を提供することを企図する。図１０には、２
管列型の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器が例示されている。
基本的には、トラフ８２が付設されていない、図５示さ
れるような２基又はそれ以上のコアを、入口／出口管及
びその他の接続管の適当な部分を除去した形で、図１０
に示されるように単純に重ねてはめあわせる。図１０で
は２基のコアを重ねた例が示されているが、一番上のコ
ア即ち第１コアは、「コア１」として示されており、一
番下のコアは、「コアＸ」として示されている。Ｘは、
多重管列型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器のコアの総数に等
しい整数である。参照番号１００及び１０２で示されて
いる導管は、所望の流れ経路構成においてヘッダー１０
と１２を相互に接続するためのものであり、第１コア１
のアペックス８０−１は、一番下のコアＸのアペックス
８０−Ｘと上下に整列し、その上に位置する。凝縮液収
集トラフ８２は、図６〜８に関連して先の述べたのと同
様の態様で一番下のコアＸのアペックス８０−Ｘのとこ
ろに付設される。側部パネル５３，５３は、重ねられた
すべてのコアをカバーするのに十分な多きさとし、各コ
アにねじなどによって結合することができる。更に、重
ねられたコアを結合するために、接続導管１００，１０
２並びに重ねられたコア同志の接触部分を適当に利用す
ることができる。
【００４９】蒸気出口兼入口管５０及び液体出口兼入口
管５２は、図１０に示されるように第１コア１に、ある
いは必要に応じて他のコアに設けることができる。図１
０の蒸発器を、熱風が上向きに流れる上向き流れの炉内
に設置した場合は、蒸発器の外面を覆って通る空気（熱
風）は、一番下のコアＸから順に各コアの管及びフィン
の間を通って上向きに流れる。反対に、この蒸発器を下
向き流れの炉内に設置した場合は、空気は、一番上のコ
ア１から順に各コアの管及びフィンの間を通って下向き
に流れる。
【００５０】図１１は、本発明に従って構成された３管
列型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を示す。重ね合わされた
３基のコアは上から順にコア１、コア２及びコアＸとし
て示されている。蛇行フィン３４は、慣用のルーバー１
１０のような熱伝達向上手段を含むものとして示されて
いる。各扁平管は、やはり符号２０で示されており、こ
の実施例では、隣接するコアの各管２０は互い違いとな
るように配列されている。このような構成は、ヘッダー
１０，１２の管受容スロット１４（図１）を適当に配置
することによって、即ち、図１１においてコア１及びコ
アＸのヘッダー１０，１２の各管受容スロット１４と、
コア２のヘッダー１０，１２の各管受容スロット１４と
を互いにずれた位置に穿設することによって得られる。
あるいは別法として、３基の同じコアを重ね合わせ工程
の際に互いに僅かにずらせることによっても所望の互い
違い関係を得ることができる。
【００５１】図１２は、図１１に示されたものと同様の
本発明による３管列型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を示す
が、この実施例では、隣接するコアの各管２０は互いに
整列している点で図１１のものと異る。
【００５２】
【発明の効果】以上の説明から分かるように、本発明に
よる蒸発器又は蒸発器兼凝縮器は、その組立て態様に大
きな融通性を有するので、任意の設備又はシステムに適
合するように容易に注文製造（カスタムメード）するこ
とができる。即ち、じゃま板３５を用いることによって
容易に所望の多重パスを得ることができ、又、幾つかの
単管列蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を重ねることによって
容易に所望の多重管列型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を得
ることができる。
【００５３】各管２０は、その両端に対応するヘッダー
に接続する継手部を有しており、それらの継手部は場合
によっては流体漏れを起こすおそれのある部分ではある
が、管自体の本数が、プレートフィン付丸形管から成る
従来のＡ字形コイル蒸発器の丸形管の本数より相当に少
なく、それだけ流体漏れのおそれが少ない。又、本発明
による蒸発器又は蒸発器兼凝縮器は、その系内に装入さ
れる冷媒の所要量が少なくてすみ、本発明の蒸発器又は
蒸発器兼凝縮器と同等の従来のものと比べて冷媒所要量
が１０〜１５％少ない。冷媒所要量が少ないということ
は、環境を汚染するようなあるいは他の物体を損傷する
ような冷媒を周囲環境に漏出する可能性を少なくするの
で、特に使用冷媒がＣＦＣ又はＨＣＦＣである場合には
極めて望ましい。
【００５４】例えば図５に例示されたような本発明の熱
交換器の管２０の長さは、図１に例示されたような熱交
換器の管２０の長さに比べて比較的長いので、冷媒の流
れに対して十分な流れ抵抗を示す。従って、熱交換器へ
の冷媒の分配問題を軽減することができる。更に、各流
体接続管をじゃま板３５に対して図３に示されるような
態様に配置した場合は、冷媒の分配問題は比較的大きな
問題にならない。
【００５５】冷却モードにおいては、蒸発器として機能
する蒸発器兼凝縮器のフィン及び管の外面上で水蒸気が
凝縮し、それによって蒸発器兼凝縮器の外面を覆って通
る空気の流れに対する抵抗を増大させる。その結果とし
て、冷却モードのときの空気側の圧力降下は、常に、加
熱モードのときの空気側の圧力降下より大きいか、ある
いはそれと等しい。冷却モードのときと加熱モードのと
きの空気側の圧力降下の差は、蒸発器兼凝縮器の凝縮液
排出能力の尺度である。圧力降下の差が小さいほど、凝
縮液排出能力が高い。実験によれば、ある特定のサイズ
の従来のプレートフィン付丸形管型蒸発器兼凝縮器の場
合、加熱モードのときの空気側の圧力降下は３．５５６
ｍｍ（水柱）であったのに対し、冷却モードのときの空
気側の圧力降下は５．０８ｍｍ（水柱）であった。これ
に対して、これと同じ容量を有する本発明の蒸発器兼凝
縮器の場合は、加熱モードのときの空気側の圧力降下は
３．５５６ｍｍ（水柱）であったのに対し、冷却モード
のときの空気側の圧力降下は３．８１ｍｍ（水柱）であ
った。このように冷却モードのときと加熱モードのとき
の空気側の圧力降下の差が小さいということは、従来の
プレートフィン付丸形管型蒸発器兼凝縮器に比べて少く
とも凝縮液排出能力が優れていることを示す。もちろ
ん、このことは、先に述べた理由により有利な利点であ
る。
【００５６】更に、本発明による蒸発器又は蒸発器兼凝
縮器は、同じ容量の従来のプレートフィン付丸形管型蒸
発器兼凝縮器の重量の僅か半分であるという軽量化をも
たらす。いうまでもなく、軽量化は、蒸発器又は蒸発器
兼凝縮器を設置する作業を容易にするという利点があ
る。
【００５７】更に、本発明によれば、従来のプレートフ
ィン付丸形管型蒸発器兼凝縮器の製造に必要とされる手
作業の多くが排除され、製造を簡略化することができ
る。又、本発明の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を製造する
のに用いられる装置の多くは、凝縮器又は油冷却器とし
て用いることができる、図１に示されるような熱交換器
のような他の型式の熱交換器の製造にも利用することが
できる。従って、設備投資額を節減することができる。
【００５８】本発明の熱交換器は、２つの異る熱交換操
作、即ち、蒸発と凝縮器を優れた作動効率でもって達成
することができる。従って、この熱交換器は、ヒートポ
ンプシステムの効率を改善するためにヒートポンプシス
テムに組入れるのに理想的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、いわゆる並列流れ型の熱交換器の分解
透視図であり、本発明に従って製造された蒸発器又は蒸
発器兼凝縮器の主要構成部品を示す。
【図２】図２は、本発明に用いられる押出成形された扁
平管の拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明に従って製造される蒸発器又は
蒸発器兼凝縮器の中間製造段階の組立体の平面図であ
る。
【図４】図４は、図３の中間製造段階の組立体の側面図
である。
【図５】図５は、図４と同様の図であるが、次の製造工
程でＶ字形に折曲げられた組立体を示す。
【図６】図６は、完成した蒸発器又は蒸発器兼凝縮器の
側面図である。
【図７】図７は、完成した蒸発器又は蒸発器兼凝縮器の
図である。
【図８】図８は、図６の右側からみた蒸発器又は蒸発器
兼凝縮器の部分立面図である。
【図９】図９は、コア折曲げ装置の概略図である。
【図１０】図１０は、図５と同様の図であるが、本発明
の多重管列型実施例を示す。
【図１１】図１１は、本発明の多重管列型蒸発器又は蒸
発器兼凝縮器の管整列態様の一実施例を示す拡大部分断
面図である。
【図１２】図１２は、図１１と同様の図であるが、別の
実施例を示す。
【符号の説明】
１０，１２：ヘッダー ２０：扁平な、細長い伝熱管 ２６：蒸気入口継手 ３２：液体入口継手 ３４：蛇行フィン ３５：じゃま板 ３６，３８：側板 ４０：流路 ４２：内部ウエブ ５３：側部パネル ５６：ジャンパー管 ６０：アコーデオン状部分 ６２，６６：側縁 ６４，６８：スロット ８０：アペックス ８２：凝縮収集トラフ ８４：ねじ ８６，８８：端壁 ９２：出口継手管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レオン・アーノルド・ガントリー アメリカ合衆国ウィスコンシン州ラシー ン、ゴーリーズ・レイン4212 (72)発明者 ジョン・ビー・ウェルカー アメリカ合衆国インディアナ州グレイン ジャー、ウォルナット・ポイント15870 (72)発明者 デイビッド・ティー・ヒル アメリカ合衆国ウィスコンシン州ラシー ン、ハーバービュー・ドライブ35、ナン バー108 (72)発明者 ジェローム・ピー・ヘンケス アメリカ合衆国ウィスコンシン州ラシー ン、クラバプル・ドライブ1444 (72)発明者 マイケル・ジェイ・ラインケ アメリカ合衆国ウィスコンシン州フラン クリン、ウェスト・エルムウッド・ドラ イブ11816 (72)発明者 シー・ジェイムズ・ロジャーズ アメリカ合衆国ウィスコンシン州ラシー ン、サウス・レイクショー・ドライブ 5133 (56)参考文献 特開 平１−155196（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−175588（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−71544（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−144277（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−52020（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−61570（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−17975（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F28D 1/00 - 13/00 F28F 9/00 - 9/26

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷凍システム又はヒートポンプシステム
    に使用するための蒸発器又は蒸発器兼凝縮器であって、 互いに離隔した耐圧性の２つのヘッダーと、 該２つのヘッダーに接続され且つ該２つのヘッダー間に
    互いに平行に間隔を置いて延設された複数の断面扁平な
    細長い管と、 それらの管の各対の間に延設され、各管に接合された蛇
    行フィンとから成り、 該複数の管とフィンとは、前記２つのヘッダー間にアペ
    ックスを有する非平面形状を画定するように付形され、 前記２つのヘッダーは同一の平面内に配置され、前記ア
    ペックスは該平面から下方に離れたところに位置してい
    る ことを特徴とする蒸発器又は蒸発器兼凝縮器。
  2. 【請求項２】 アペックスの下方で且つ該アペックスと
    整列して凝縮液収集トラフが取付けられる請求項１に記
    載の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器。
  3. 【請求項３】 各管は、管内を比較的小さい水力直径の
    複数の流れ通路に分割する複数の内部ウエブを有するア
    ルミニウム製押出成形物である請求項１に記載の蒸発器
    又は蒸発器兼凝縮器。
  4. 【請求項４】 水力直径は１．７８ｍｍ（０．０７０ｉ
    ｎ）以下である請求項３に記載の蒸発器又は蒸発器兼凝
    縮器。
  5. 【請求項５】 各管は、断面でみて長辺と短辺を有する
    扁平な管であり、アペックスは、該管の長辺側管壁の平
    面に沿う方向に管の長手に対して横断方向に折曲げ力を
    加えて管を折曲げることにより画定される請求項１に記
    載の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器。
  6. 【請求項６】 多重管列型蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を
    構成するように、請求項１に記載の蒸発器又は蒸発器兼
    凝縮器の少くとも２基が重ね合わされる請求項１に記載
    の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器。
  7. 【請求項７】 蒸発器又は蒸発器兼凝縮器であって、 互いに離隔したほぼ円筒形の２つのヘッダーと、 該２つのヘッダーのうちの一方に設けた入口と、 該２つのヘッダーのうちの一方に設けた出口と、 該２つのヘッダーに接続され、２つのヘッダー間で互い
    に間隔を置いて延設され、断面でみて長辺と短辺を有す
    る複数の扁平な押出成形管と、 該各管の側面に沿って且つ隣接する管の間の空間を埋め
    るようにして延設され、各管に接合されて該管と共にコ
    アを構成する蛇行フィンと、 前記２つのヘッダー間に延長され前記コアの両側の最外
    側の蛇行フィンを抱きかかえるようにして該蛇行フィン
    に結合された細長い側板とから成り、 前記各管は、長辺側の管壁と管壁の間に短辺にほぼ沿う
    方向に延長した複数の内部ウエブを有し、前記側板はそ
    の両端間の中間にアコーデオン状部分を有し、 該複数の管、フィン及び側板は、前記２つのヘッダー間
    で、下向きのアペックスを有する状態下に一方向に突出
    した非平面状形状を画定するように付形され、 該アペックスに整列し且つ該アペックスに向って開口
    し、凝縮液出口を有する凝縮液収集トラフが前記側板に
    取付けられる蒸発器又は蒸発器兼凝縮器。
  8. 【請求項８】 入口と出口とはいずれも２つのヘッダー
    のうちの一方のヘッダーに設けられ、該一方のヘッダー
    はその両端の間にじゃま板を有し、該じゃま板は他方の
    ヘッダーへのパスと、他方のヘッダーからのパスとの２
    つのほぼ等しい流れ面積のパスを画定するように配置さ
    れる請求項７に記載の蒸発器又は蒸発器兼凝縮器。
  9. 【請求項９】 アコーデオン状部分は各側板に設けられ
    た複数のスロットにより画定される請求項８に記載の蒸
    発器又は蒸発器兼凝縮器。
  10. 【請求項１０】 蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を製造する
    方法であって、 ａ）複数の互いに平行な扁平管を互いに平行に離隔した
    ２つのヘッダーに組合せるとともにそれらの管の各対間
    に蛇行フィンを介設し、 ｂ）該工程ａ）で得られた組立体のヘッダー、管及びフ
    ィンを互いに接合して一体の組立体とし、 ｃ）該一体の組立体をその２つのヘッダー間で折曲げて
    Ｕ字形又はＶ字形とし、 ｄ）前記折曲げられた一体の組立体のＵ字形又はＶ字形
    の底部に整合し、該底部に向って上向きに開放した凝縮
    液収集トラフを該一体の組立体に付設すること 、 からなる蒸発器又は蒸発器兼凝縮器を製造する方法。
  11. 【請求項１１】 工程ａ）は、両端の間の中間にアコー
    デオン状部分を有する１対の側板を準備し、それらの側
    板を前記組立体の両側部を抱きかかえるように該両側部
    に付設し、２つのヘッダー間に延設することを含む請求
    項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 蒸発器の少くとも一部分として用いる
    ための熱交換器であって、 互いに平行に離隔した２つのヘッダーと、 該２つのヘッダーに接続され且つ該２つのヘッダー間に
    延設された複数の細長い管と、 該２つのヘッダーのうちの少くとも一方に、該ヘッダー
    を２つのセクションに分割するために配設されたじゃま
    板と、 前記隣接する管と管の間に介設され各管に熱伝達関係に
    接触した複数のフィンと、 前記一方のヘッダーの一方のセクションの中間点と他方
    のセクションの中間点とを互いに接続するジャンパー管
    と、 から成り、 前記複数の管とフィンは、前記２つのヘッダー間でアペ
    ックスを有する非平面形状を画定するように付形される
    熱交換器。
JP07280593A 1992-03-11 1993-03-09 冷凍システム又はヒートポンプシステムに使用するための蒸発器又は蒸発器兼凝縮器及びその製造方法並びに蒸発器の少なくとも一部分として用いるための熱交換器 Expired - Fee Related JP3340785B2 (ja)

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