JP5562649B2 - 伝熱装置 - Google Patents

Description

本願は、２００７年１月３０日に出願された同時係属の米国仮特許出願第６０／８９８，３３７号に係る優先権と、２００８年１月３０日に出願された同時係属の米国通常特許出願第１２／０２２，６７３号に係る優先権とを主張するものであり、上記両出願の全内容は、参照により本願明細書に組み入れられている。

本発明は、一般的には熱交換システムに関するものである。より詳しくは、本発明は、（１）２相系熱交換システム（two-phase heat exchange system）における流れを最適化するための方法と、（２）２相系における流体の均一流れを最適化するための、流れを制限する管を備えている伝熱装置及び伝熱方法に関するものである。

本願明細書においては、後記の非特許文献１〜４が参考文献として引用され、一般的な背景情報を提供する。本願出願人は、これらの参考文献の従来技術としての状態（status）に関しては、直接（direct）又は暗示的な（inferred）言及は行わない。本願出願人は、参照により本願明細書に組み入れられているこれらの参考文献中における記述の真実性（veracity）に対して異論を唱える（challenge）権利を保留する。

液相と、蒸気相又は気相とを含む流体の流れである２相流は、空調、加熱及び冷凍の工業分野で常に遭遇する事象である。蒸発器の分岐管内における冷媒の不均一な分布を避けるためには、２相流を伴ったチューブ及び分岐管の挙動を理解することが必要である。チューブにおける冷媒の分布を均一にすれば、冷却能力及び圧縮器の消費動力を良好に維持しつつ、蒸発器の寸法を小さくすることができる。これにより、システムの性能を変化ないしは低下させることなく、該システムの初期コストを低減することができる。液体の不均一な分布は、微小通路熱交換器を、最も多く利用されているプレートフィン型熱交換器及び多管式熱交換器と取り換えることを妨げる主たる要因となっている。微小通路熱交換器は、同一の包装容量（package volume）のプレートフィン型熱交換器と比較すれば、典型的には２０％大きい熱交換面積を有している。なお、本願の明細書、特許請求の範囲又は図面において「分岐管」との語は、「入口部と、この入口部に接続された複数の微小熱交換通路とを有する１つのマニホールド」を意味する（図２、図３参照）。

Ｄ．チスホルム著「管内及び熱交換器内における２相流」ジョージ・ゴドウィン／化学工学協会、ロンドン、１９８３年、第１〜２４頁、第１０６〜１１３頁、第１２３〜１２８頁（Chisholm, D.(1983)Two-Phase Flow in Pipes and Heat Exchangers, George Godwin/Institution of Chemical Engineers, London, 1-24, 106-113, 123-128.）。 Ａ．パリウォダ著「２相流の冷媒を収容している管部材と交差する方向の圧力損失の一般化された計算方法」冷凍インターナショナルジャーナル、１９９２年、第１２巻、第２号、１１９〜１２５頁（Paliwoda, A.(1992)"Generalized Method of Pressure Drop Calculation Across Pipe Components Containing Two-Phase Flow of Refrigerants", International Journal of Refrigeration, Vol 15, No. 2, p.119-125.）。 Ｍ．ワタナベ、Ｍ．カツタ、Ｋ．ナガタ著「蛇行型蒸発器をモデル化した多流路管における２相流分布」米国機械学会／日本機械学会熱工学会議の議事録２、１９９５年、第３５〜４２頁（Watanabe, M., Katsuta, M. and Nagata, K. (1995) Two-phase flow distribution in multi-pass tube modeling serpentine type evaporator, Proceedings of the ASME/JSME Thermal Engineering Conference, 2, P.35-42.） ミハエル・キャンパグナ著「入口側分岐管の流れ分配器の性能を評価するのに応用される冷媒の不均一分布を説明する蒸発器モデル」修士論文、２００１年、ブラッドレー大学（Campagna, Michael 2001, An Evaporator Model which accounts for the Mal-distribution of Refrigerant applied to evaluate the Performance of Inlet Manifold Flow Distributors, Masters Thesis, Bradley University.）。

非特許文献４に係る発明では、分岐管内に挿入され、ねじが切られた２本のロッドによって支持された平行な孔あき板を用いて、分岐管内における一様で均一な分布の液体の流れのシミュレーションを行うようにしている。流れを分配する板を分岐管内に挿入する場合における１つの欠点は、使用時に孔あき板にアクセスして調整することが容易でないということである。このため、伝熱装置を分解することなく容易かつ迅速に調整することができ、伝熱装置内の流体の流れを、より均一に分布するように変化させることができる装置及び／又は方法を提供することが求められている。

本発明の１つの目的は、このような伝熱装置及び伝熱方法を提供することである。本発明のもう１つの目的は、流体の流れをより均一に分布させることができるより効率的な伝熱装置及び伝熱方法を提供することである。本発明のさらにもう１つの目的は、伝熱効率（heat transfer efficiency）の最適化をモデル化する方法を提供することである。

本発明の目的は、分岐管（manifold）と、この分岐管から伸びる複数のチューブ（tube）とを備えている伝熱装置（heat transfer apparatus）を用いることにより達成される。本発明の好ましい実施態様においては、分岐管は、入口部（inlet）と、この入口部に接続された複数の微小熱交換通路（mini heat exchanger channels）とを有し、各微小熱交換通路はチューブに機能的に（operably）接続されている。好ましい実施態様においては、少なくとも１つのチューブが流体流れ制限器（fluid flow restrictor）を有している。本発明の他の好ましい実施態様においては、各チューブがそれぞれ流体流れ制限器を有している。本発明に係る流体流れ制限器は、特定の手段又は構造物に限定されるものではないが、非制限的な具体例の形態（configurations）としては、チューブ絞り弁（tube restrictor valve）、チューブクリンプ（tube crimp）、又は、流量制限チューブセグメント（restriction tube segment）などが挙げられる。ここで、流量制限チューブセグメントとしては、流体流れ制限器を有しないチューブの内直径（inside diameter）よりも小さい内直径を有するレジューサ・カプラ（reducer coupler）などが挙げられる。本発明は、流体流れ制限器を有していない伝熱装置に比べて、流体の流れを、複数のチューブ間でより均一に分布させることを可能にする。本発明に係るチューブの各々が予めそれぞれに好ましく設定された量に制限されている場合、流体の流れは、チューブ間で全体的に均一に分布させられ、その結果より良好な伝熱効率を実現することができる。好ましい実施態様においては、流体の流れは、チューブ間でほぼ均一に分布させられる。好ましい実施態様においては、流体は、液体、蒸気、又は、液体と蒸気の混合物である。いくつかの実施態様においては、流体は冷凍機用の冷媒（refrigerant）である。

本発明の目的はまた、伝熱装置の少なくとも１つのチューブにおいて、流体の流れを予め設定された量に制限するステップを備えた、熱移動の効率を改善する方法によっても達成される。本発明のいくつかの実施態様においては、予め設定された量の流体は、分岐管の流体入口部の位置に対する相対的な、分岐管に沿う方向のチューブにおける位置（position）の関数（function）である。いくつかの実施態様においては、流体の流れは、伝熱装置の各チューブにおいて制限される（restricted）。流体流れ制限手法は、特定の方法、手段又は構造物に限定されるものではないが、非制限的な具体例の形態としては、チューブ絞り弁、チューブクリンプ又は流量制限チューブセグメントを用いた流体流れの制限などが挙げられる。ここで、流量制限チューブセグメントとしては、流体流れ制限器を有しないチューブの内直径よりも小さい内直径を有するレジューサ・カプラなどが挙げられる。本発明に係る複数のチューブのうちの１つのチューブのみがその流体流れを制限される場合、流体流れ制限器を有していない伝熱装置に比べて、流体の流れを、複数のチューブ間でより均一に分布させることが可能となる。本発明に係る複数のチューブの各々の流体流れが、予めそれぞれに好ましく設定された量に制限されている場合、流体の流れは、複数のチューブ間で全体的に均一に分布させられ、その結果より良好な伝熱効率が実現される。好ましい実施態様においては、流体の流れは、複数のチューブ間でほぼ均一に分布させられる。好ましい実施態様においては、流体は、液体、蒸気、又は、液体と蒸気の混合物である。いくつかの実施態様においては、流体は冷媒（refrigerant）である。

本発明の目的はまた、分岐管と、この分岐管から伸びる複数のチューブとを備えている２相系伝熱装置（two-phase heat transfer apparatus）の熱伝達効率（heat transfer efficiency）の最適化をモデル化する（modeling）方法によっても達成される。この方法は、分岐管の入口部（inlet）における急膨張による２相系の圧力損失（sudden expansion two-phase pressure drop）を推算する（estimating）ステップと、分岐管を横切る方向の２相系の圧力損失を予測する（predicting）ステップと、不均一流体流れ分布（uneven fluid flow distribution）に関連する伝熱装置の各チューブのためのパラメータを決定するステップと、均一流体流れ分布（even flow distribution）に関連する各チューブのためのパラメータを決定するステップと、各チューブの好ましい制限断面積（restriction cross-sectional area）を決定するステップとを備えている。いくつかの実施態様においては、伝熱装置がさらに複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブに接続された流体流れ制限器を備えていて、この方法がさらに、各流体流れ制限器の無次元化された位置（dimensionless position）を各チューブの制限断面積に対して較正する（calibrating）ステップと、原点オフセット値（zero offset values）を決定するステップとを備えている。いくつかの実施態様においては、この方法はさらに、少なくとも１つのチューブの断面積を好ましい制限断面積に制限するステップを備えている。他のいくつかの実施態様においては、この方法はさらに、各チューブの断面積をそれぞれの好ましい制限断面積に制限するステップを備えている。流体流れ制限手法は、特定の方法、手段又は構造物に限定されるものではないが、非制限的な具体例の形態としては、チューブ絞り弁、チューブクリンプ又は流量制限チューブセグメントを用いた流体流れの制限などが挙げられる。ここで、流量制限チューブセグメントとしては、流体流れ制限器を有しないチューブの内直径よりも小さい内直径を有するレジューサ・カプラなどが挙げられる。本発明に係る複数のチューブのうちの１つのチューブのみがその流体流れを制限される場合、流体流れ制限器を有していない伝熱装置に比べて、流体の流れを、複数のチューブ間でより均一に分布させることが可能となる。本発明に係る複数のチューブの各々の流体流れが、予めそれぞれに好ましく設定された量に制限されている場合、流体の流れは、複数のチューブ間で全体的に均一に分布させられ、その結果より良好な伝熱効率が実現される。好ましい実施態様においては、流体の流れは、複数のチューブ間でほぼ均一に分布させられる。好ましい実施態様においては、流体は、液体、蒸気、又は、液体と蒸気の混合物である。いくつかの実施態様においては、流体は冷媒（refrigerant）である。

前記の目的又は対象及びその他の目的又は対象は、本発明を例示することを意図するものであり、本発明を制限することを意図するものではない。当業者であれば、本発明を実施する場合に、本発明を容易に展開して、１つ又は複数のチューブにおける液体の流れを制御するための代替的な方法を知得することができ、これにより分岐管のチューブを横切る方向の液体の分布をより均一にして、２相系の伝熱装置の熱伝達効率をより高めることができるであろう。本明細書の以下の記載及び本願の一部をなす添付の図面を参照すれば、本発明の多数の可能な実施態様を容易に知得することができることは明らかであろう。本発明の種々の特徴及び部分的組合せ（subcombinations）は、他の特徴及び部分的組み合わせを参照することなく用いる（employ）ことが可能である。本発明のその他の目的及び利点は、添付の図面を参照しつつ行われる本明細書の以下の記載により明らかとなるであろう。なお、本明細書の以下の記載は、本発明の実施形態及び具体例並びにこれらの種々の特徴を例示的に示すものである。

本願出願人が本発明の理論（principle）を応用することを意図している本発明の最良の形態を示す好ましい実施形態が、本明細書の以下の部分に記載され、かつ添付の図面に示されている。この好ましい実施形態は、添付の特許請求の範囲において、とくに明確に記載ないしは規定されている。

本発明の第１の実施形態に係る伝熱装置を示す図である。 図１中に示すＡ−Ａ線に沿って切断された、図１に示す伝熱装置の断面図である。 図２中に示すＢ−Ｂ線に沿って切断された、図１に示す伝熱装置の断面図である。 従来技術に係る伝熱装置における流体の不均一な分布パターンを示す図である。 従来技術に係る伝熱装置において実験により測定された流れの標準偏差を、冷却負荷の関数として表したグラフである。 従来技術に係る伝熱装置において実験により測定された流れの標準偏差を、冷媒の質の関数として表したグラフである。 従来技術に係る伝熱装置において実験により測定された流れの標準偏差を、水の質量流量の関数として表したグラフである。 本発明の実施形態に係る伝熱装置において実験により測定された流れの標準偏差を、冷却負荷の関数として表したグラフである。 本発明の実施形態に係る伝熱装置において実験により測定された流れの標準偏差を、冷媒の質（quality）の関数として表したグラフである。 本発明の実施形態に係る伝熱装置において実験により測定された流れの標準偏差を、水の質量流量の関数として表したグラフである。 本発明の実施形態に係る伝熱装置の分岐管において実験により測定された圧力損失を、従来技術に係る圧力損失と比較しつつ、水の質量流量の関数として表したグラフである。 本発明の好ましい実施形態に係る熱交換器のチューブの制限断面積を予測する方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る熱交換器のチューブの制限断面積を予測する方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る熱交換器のチューブの制限断面積を予測する方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る熱交換器のチューブの制限断面積を予測する方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係る熱交換器のチューブの制限断面積を予測する方法を示すフローチャートである。 実験により測定された水及び空気の損失係数を、予め設定された制限断面積に関連づけられた無次元の弁設定値（dimensionless valve setting）の関数として表したグラフである。

本明細書には、必要に応じて、本発明の概念の詳細な実施形態がいくつか開示されている。しかしながら、本明細書に開示された実施形態は、本発明の概念の理論の典型例に過ぎず、種々の形態で具体化することができるということが理解されるべきである。それゆえ、本明細書に開示された特定の構造的及び機能的な詳細な事項は、制限的なものと解釈されるべきではなく、特許請求の範囲の基礎をなすものとして解釈されるべきであり、当業者に本発明を教示して当業者に本発明の概念を用いて適切かつ詳細な構造を実際に実現させるための代表的な基本事項であるものと解釈されるべきである。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る伝熱装置を示している。図１に示す伝熱装置は、１つの分岐管と、この分岐管から伸びる６本のチューブとを備えている。これらのチューブのうちのいくつかのチューブはチューブ絞り弁を備えている。

チューブの流体流れを制限することにより、熱交換チューブ間の流体の質量分布の均一性（uniformity）が改善される。これは、実験により証明されたものであり、図１〜図１１及び図１３を参照しつつ後でさらに詳しく説明される。２つの伝熱装置が製作され、テストされた。第１の伝熱装置は分岐管から伸びる６本のチューブを備えたものであり、第２の伝熱装置は分岐管から伸びる２０本のチューブを備えたものである。そして、流れ分布が、チューブ内を流れる液体の質量流量の標準偏差（standard deviation）の形態で測定された。流体流れ制限器有しない伝熱装置と、複数のチューブの各々にピンチ弁（pinch valve）を備えた前記の２つの伝熱装置とについて、流れ分布が比較された。ここで、ピンチ弁の断面積は、予め設定された好ましい制限断面積に設定された。予め設定された好ましい制限断面積は、本発明の実施形態に係る２相系伝熱装置の熱伝達効率の最適化をモデル化する方法を用いて決定された。なお、モデル化する方法は、図１２に示すフローチャートを参照しつつ後でさらに詳しく説明する。伝熱装置の効率は、ピンチ弁を用いて流体流れの分布をより均一にすればするほど上昇した。効率の上昇量は、場合・場合により変化したが、この具体例では、流体流れが制限されないときの流れの平均の標準偏差に比べて、チューブの流体流れが制限されたときの標準偏差は９．０９［ｋｇ／ｈｒ］から０．２６［ｋｇ／ｈｒ］に劇的に縮小された。さらに、流れがより均一に分布している状態において質量流量が均一である場合は、分岐管における圧力損失が小さくなった。

一部の熱交換チューブには他の熱交換チューブより多くの液体が流入する従来の構造の熱交換器内には、多くの力（慣性力、重力、摩擦力等）が存在する。これらの力の影響を弱める（counter act）ために、過剰な液体の流れが存在するチューブには、さらなる制限が加えられる。非特許文献４に開示されているように分岐管内に挿入物が配置されるのではなく、図１〜図３に示されているように、蒸発器が各チューブには、一般にピンチ弁と呼ばれているチューブ絞り弁が配設された。チューブ絞り弁が適切に調整されたときには、液体の質量流量は、複数のチューブ間でほぼ均一に分布していた。図４は、いずれも流体流れ制限器を有しない２０本のチューブを備えた伝熱装置の不均一な分布の流れパターンを示している。

流れ分布の不均一性の測定結果（measure）は、標準偏差の統計的尺度（statistical measure）を用いて定量化された（quantified）。標準偏差の値が０であれば、流れの分布は均一又は一様である。標準偏差の値が大きければ大きいほど、複数のチューブ間の液体の分布は不均一である。図４に示すように、流体流れが制限されない場合は、分布は不均一である。チューブ内の流体流れが上向きである水平な分岐管においては、入口部から最も離れたチューブの液体流量が大きくなっていた。チューブの流体流れが制限されない場合、流れ分布の不均一性は非常に大きくなる。すべての実験における平均の標準偏差（average standard deviation）は、９．０９［ｋｇ／ｈｒ］であった。図５、図６及び図７は、それぞれ、流体流れ制限器を何ら有しない伝熱装置内での流れ分布を実験により測定してその標準偏差を求め、これらを冷却負荷（cooling load）、質（quality）及び液体質量流量（liquid mass flow rate）の関数として表したグラフである。

実験は、空気及び水の流量（flow rate）を同一にして、流れ絞り弁を用いて複数のチューブの流体流れを制限して行われた。各チューブについて、本発明に係る２相系伝熱装置の熱伝達効率の最適化をモデル化する方法を用いて、好ましい制限断面積が決定された。なお、モデル化する方法は、図１２に示すフローチャートを参照しつつ、後でより詳しく説明する。これらのチューブの流体流れは、予め設定された量に設定された。液体の質量分率（liquid mass fraction）の標準偏差は劇的に小さくなっており、これは流れ分布がより均一であることを示している。流れ絞り弁でチューブの流体流れを制限した後における流れ分布は大幅に改善されていた。流れが均一な場合における全ての実験についての平均の標準偏差は、０．２６［ｋｇ／ｈｒ］まで劇的に小さくなった。複数のチューブのうちの９０％のチューブにおける液体の質量流量不均一性は、＋／−１０％以内の範囲であった。図８、図９及び図１０は、それぞれ、各チューブにおいてその断面積が、予め設定された好ましい制限断面積に設定されたピンチ弁を有する伝熱装置内での流れ分布を実験により測定してその標準偏差を求め、これらを冷却負荷、質及び液体質量流量の関数として表したグラフである。

図１１は、流体流れ制限器を有する伝熱装置の分岐管と流体流れ制限器を有しない伝熱装置の分岐管とにおいて実験により測定された圧力低下ないしは圧力損失（pressure
drop）を、水の質量流量の関数として表したグラフである。図１１は、制限された流れにおける分岐管内の圧力損失ないしは圧力低下が、制限されない流れにおける圧力損失に比べて小さくなることを示している。

この具体例においては、チューブの好ましい制限断面積を決定するために、コンピュータ設計ツール（computer design tool）を発展させる（develop）ことが必要であった。図１２は、チューブの制限断面積を予測するためのフローチャートを示している。図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ及び図１２Ｄは、図１２に示すフローチャートの続きを示している。設計ツールは、空気と水とが２相系の冷媒の流れを模擬する（simulate）チューブに設けられたピンチ弁を用いてその妥当性が立証された（validated）。この機器（instrument）を用いた面積比（area ratio）の測定における誤差ないしは不確実性（uncertainty）は、４％フルスケール（4% full scale）以内であった。設計ツール（design tool）を用いた断面積比（cross-sectional area ratio）の予測における誤差は６％未満であった。

流れ絞り弁の設定は、分布が不均一な場合（mal-distributed case）における各チューブでの液体流量（liquid flow rate）と流れ絞り弁の損失係数（loss coefficient）ないしは圧力損失係数とに基づいて行われた。損失係数は、単相系圧力損失相関（single phase pressure drop correlations）を用いて特定の流れ絞り弁に対して決定された。運動量保存則（conservation of momentum）を流れ絞り弁等の部品（component）に提供し、その結果下記の等式１を得た。

等式１における各記号の意味は下記のとおりである。
ΔＰ_１Ｆ： 単相系の圧力損失［lb_f/ft²］
ξ ： 単相系の損失係数［-］
ρ ： 単相系の流体の密度［lb_m/ft³］
Ｖ ： 流速［ft/s］
ｇ_ｃ ： ニュートンの運動の第２法則における比例定数［32.2lb_m-ft/lb_f-s²］

この具体例においては、損失係数は、流れが液体であってもあるいは気体であっても同一であることが実験により立証された。２相系の圧力損失は、単相系の圧力損失と、非特許文献２に係る２相系の乗数β_ｃ（multiplier）と、相関を用いる２相系の圧力損失係数ｖとを用いて、等式２〜４により決定された。

等式２〜４における各記号の意味は下記のとおりである。
^・ｍ ：質量流束［lb_m/ft²］
η’ ：単相系の動粘度（dynamic viscosity）
η” ：２相系の動粘度
ｘ ：蒸気の質量分率［-］
Ｃ ：実験係数（empirical coefficient）

入力変数（input variables）は下記のとおりである。
水の質量流量［^・ｍ_ｗ］
空気の質量流量［^・ｍ_ａ］
分岐管への入口部（inlet）における圧力［Ｐ_ｉｎ］
分岐管を横切る方向の圧力損失［ΔＰ_{ｍａｎｉｆｏｌｄ}］
分岐管の入口（entrance）における空気及び水の温度
チューブの数
流体流れが制限されないチューブ内における液体流量

分岐管の入口部における直径及びチューブの直径
入口部における急膨張に対する２相系の損失係数

モデル（model）の第１ステップでは、分岐管の入口部における急膨張２相系圧力損失を推算する。入口部における単相系の圧力損失は、分岐管の入口部における平均水力直径（average hydraulic diameter）と、２相系の混合物の質量流束密度（mass flux density）とに基づいて決定することができる。単相系の損失係数ξ_ｅｘｐは、直径比の２乗（ｄ／Ｄ）^２に基づいて、非特許文献２により与えられる数値表から得ることができる。ここで、ｄは入口パイプ（inlet pipe）の直径であり、Ｄは分岐管の水力直径である。２相系の圧力損失は、単相系の圧力損失を、等式３による２相系の乗数β_ｅｘｐに乗算することにより推算することができる。第１の熱交換チューブへの入口部における圧力は、入口部における圧力と、膨張における２相系の圧力損失の差である。

第２ステップでは、分岐管内の２相系の圧力損失を予測する。これは、等式２を用いて分岐管の損失係数による２相系の圧力損失の相関（correlation）により決定することができる。分岐管を横切る方向の単相系の損失係数は、７７ｋｇ／ｈｒの流量の水、換算すれば平均流速が２６．７５インチ／秒でレイノルズ数が５０００の水を用いて、分岐管を横切る方向の圧力損失を測定することにより実験的に決定することができる。分岐管内における圧力損失の測定に用いられる圧力計（manometer）の誤差ないしは不確実さ（uncertainty）は０．００１インチ・水柱である。

第３ステップでは、不均一な流れ分布に関連する伝熱装置（熱交換器）の各チューブのためのパラメータを決定する。微小熱交換チューブ（mini-heat exchanger tubes）の各々への入口部における圧力は、等式６及び等式７を用いて決定することができる。この後、この圧力損失ないしは圧力低下を、等式５とともに用いて２相系の乗数（multiplier）における下位項（sub term）である２相系の損失係数Ｃ_ｓｅｃを決定した（等式３参照）。

質量流束密度（mass flux density）は、各チューブにおける２相系流れの両流体の質量に基づいている。質量流束密度を計算するのに考慮される面積は、熱交換チューブの断面積である。Ｃ_ｓｅｃを決定するために、不均一流れに対する各チューブにおける空気の質量流量を決定することが必要である。かくして、チューブの数に対して必要とされる等式よりも１つ多い変数が存在する。この追加の変数は、全チューブにおける空気の質量の合計（計算値）を、入口部における空気の質量（測定値）と同一視する（equate）空気の流れに対する質量収支（mass balance）を用いて対処する（address）ことができる。

第４ステップでは、ステップ３（step three）を繰り返し、均一流れの分布パラメータを評価する。ステップ３の結果ξ_ｔｕｂｅである２相系の損失係数Ｃ_ｓｅｃを用いて、各チューブに対して均一流れを生成する制限の関数（function of restriction）である各チューブのための単相系の損失係数を決定することができる。他方、等式１を用いて、流れ絞り弁における流れ制限を変えることにより、ξ_ｔｕｂｅを単一のチューブを用いて実験により決定することができる。その結果、単相系の損失係数は、流体が空気であってもあるいは水であっても同一であるということが証明された。

ξ_ｔｕｂｅの関数としての弁位置（valve position）のための相関（correlation）を、実験により測定した。図１３に示すように、取得されたデータは、下記の等式１０〜等式１０に示すような断片的形態の（in a piece-wise manner）３つの多項式と整合した（fit）。

弁位置＝−2.6016＊ξ_［ｉ］＋8.9735 ξ＜1.16 ［８］
弁位置＝0.0019＊ξ_［ｉ］ ^２−0.1442＊ξ_［ｉ］＋5.8411 1.16＜ξ＜52.43 ［９］
弁位置＝−0.0016＊ξ_［ｉ］＋3.582 52.43＜ξ＜372.21 ［１０］

各チューブを流れる空気の均一な質量流量の計算においては、相関係数［Ｋ］（correlation factor）を導入し、有効範囲（valid range）内におけるξ_{ｔｕｂｅ［ｊ］}の値を制限し、０ないし９の範囲で弁位置（valve position）を決定した。

第５ステップでは、流体流れ絞り弁を較正する（calibrate）。この具体例ではピンチ弁を用いた。流体流れの制限に用いたピンチ弁には目盛りを付けた（labeled with graduations）。これらの目盛りは、物理的次元の意味（dimensional significance）は有していないが、内径が１／４インチ（外径が５／１６インチ）の柔軟なチューブ（flexible tube）については、目盛りが９であれば全開であり、目盛りが２．８であれば全閉である。目盛りを流体流れの制限面積に対して相関させるための実験を行った。

単純な実験手順（experimental setup）を用いて、ピンチ弁を、等式１１に示すような２次の多項式相関でもって、目盛りと流れ制限後における断面積との間の較正を行った。この相関は、誤差を最小にするように個別的に収集された２組のデータに基づいている。開発された相関は、Ｒの２乗（Ｒ２）が０．９９３３のときに、データと最も良く整合する。

断面積＝−0.0008＊（vp）^２＋0.0186＊（vp）−0.0488 ［１１］

等式１１において、ｖｐは弁位置である。

第６ステップでは、原点オフセット値（zero offset value）を決定する。すべての場合において全開された領域内での弁の設定を制限するために、原点オフセット［Ａ＝1.1024、Ｂ＝1、Ｃ＝0.8975］を繰り返し決定した。そして、これらを、それぞれ、弁位置についての等式８〜等式１０に対して、断面積についての等式１１の定数項のための乗数として用いた。

第７ステップでは、各チューブの好ましい制限断面積を決定する。各チューブの断面積比（cross-sectional area ratio）は、特定の操作条件（specified operating condition）において分岐管内の流体がより均一に分布させられるように設定される（specified）。この面積比は、（最終的な面積）／（全開のときの面積）と等しい。ここで、最終的な面積（final area）は、流体流れ制限後におけるチューブの断面積である。また、全開のときの面積（fully open area）は、流体流れを制限しないときのチューブの断面積である。この具体例においては、ピンチ弁を、面積比を変えるために用いた。この面積比が１であれば全開であり、０であれば全閉である。この機器（instrument）を用いた設計ツール（design tool）により面積比を予測したときの誤差ないしは不確実さ（uncertainty）は４％以内であった。

前記の説明においては、ある用語は、本発明を簡潔かつ明確に示すために、また本発明の理解を容易にするために用いられている。しかしながら、これらの用語は、不必要な限定を意味するものではなく、従来技術の要求を超えて用いられることができるものである。なぜなら、これらの用語は、単に記述のために用いられたものであり、より広く解釈されるべきことが意図されているからである。さらに、本発明の説明及び図示は、単なる例示であり、本発明の技術範囲は、このように記載され又は図示された詳細な事項に限定されるものではない。

本発明についての前記の説明は典型的な実施形態について行われ、また本明細書では本発明を実施するために意図された最良の形態が説明され、図示されている。しかしながら、本発明を実施し、あるいは本発明を構築する上においては、種々の変形、修正又は変更を行うことが可能であるということが理解されるべきである。当業者であれば、本発明の技術思想及び技術範囲から逸脱することなく、本明細書にとくに記載された実施形態以外の変形例、修正例又は変更例を、本発明の全体的な技術範囲内において考察し実現することができるであろう。それゆえ、本発明は、本明細書に開示され及び権利保護が請求されている原理又は理論の技術思想及び技術範囲に属するすべての変形例、修正例、変更例又はこれらの均等物を含むことが意図されている。したがって、本発明の技術範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものであることが意図されている。すなわち、本明細書に記載されたすべての事項及び図面に示されたすべての事項は、本発明の例示のためのものであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

前記のとおり本発明の特徴、発見及び原理ないしは理論を説明したが、本発明が構成され及び使用される態様、構成の特徴及び利点によれば、新規で有用な結果を得ることができるであろう。新規かつ有用な構造物、装置、要素、配置、部分及び組合せは、添付の特許請求の範囲に規定されている。

添付の特許請求の範囲は、本明細書記載された本発明の一般的なあるいは特定の特徴をすべて包含するものであり、また本発明の技術範囲に係る言語的な記述に係る事項をすべて包含するものであるということが理解されるべきである。

Claims (4)

1. 分岐管と、上記分岐管から該分岐管の出口側で外部へ伸びる複数のチューブとを備えている伝熱装置であって、
   上記分岐管は、入口部と、上記入口部に接続されるとともに該分岐管の内部に配置され分岐管内の流体と分岐管外の流体との間での熱交換を行わせる複数の微小熱交換通路とを有し、
   各微小熱交換通路は、上記複数のチューブの１つに接続され、
   上記複数のチューブの各々が、上記分岐管の外部に配置された流体流れ制限器を有することを特徴とする伝熱装置。
2. 上記流体流れ制限器が、チューブ絞り弁、チューブクリンプ及び流量制限チューブセグメントで構成されるグループから選択されたものであり、
   上記流量制限チューブセグメントは、流体流れ制限器を有しないチューブの内直径よりも小さい内直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の伝熱装置。
3. 上記分岐管内の上記流体が液体、蒸気、又は、液体と蒸気の混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の伝熱装置。
4. 上記分岐管内の上記流体が冷媒であることを特徴とする、請求項３に記載の伝熱装置。

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