(57)【要約】熱交換器は、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在するほぼＪ字形の複数の扁平な多流路伝熱管を含む。各伝熱管は、入口ヘッダの流体チャンバと流体流連通しながら垂直に延びる短い脚部と、出口ヘッダの流体チャンバと流体流連通しながら垂直に延びる長い脚部と、の間に水平方向に延在するベース折曲部を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平断面を有するとともに、複数の流路を内部に備え、該流路の各々が独立した流れ経路を画定する少なくとも１つの伝熱管と、
前記少なくとも１つの伝熱管の前記複数の流れ経路に分配される流体を受容するチャンバを画定する入口ヘッダと、
前記少なくとも１つの伝熱管の前記複数の流れ経路から流出した流体を集めるチャンバを画定する出口ヘッダと、
を備え、
前記少なくとも１つの伝熱管が、概ねＪ字形の形状であり、前記入口ヘッダの前記チャンバと流体流連通する入口端を有する第１脚部と、前記出口ヘッダと流体流連通する出口端を有する第２脚部と、前記第１脚部と前記第２脚部との間に延在する折曲部分と、を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記第１脚部は前記折曲部分の第１端から概ね垂直に上方に延在し、前記第２脚部は前記折曲部分の第２端から概ね垂直に上方に延在していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１脚部は第１の距離まで上方に延在し、前記第２脚部は第２の距離まで上方に延在し、前記第２の距離が、前記第１距離よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１脚部は第１の距離まで概ね上方に延在し、前記第２脚部は第２の距離まで概ね上方に延在し、前記第２距離が、前記第１距離よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数の各流路が、円形以外の断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記複数の流路の各々が、円形の断面を有する流れ経路を画定することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの伝熱管が、扁平な断面形状を有する非円形管からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの伝熱管が、長方形の断面形状を有する非円形管からなることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの伝熱管が、長円形の断面形状を有する非円形管からなることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記出口ヘッダが、前記入口ヘッダよりも高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
冷媒回路において流体流連通するように接続された圧縮機、凝縮器および蒸発熱交換器を備える冷媒蒸気圧縮システムにおいて、
前記蒸発熱交換器は、
互いにほぼ平行に間隔をおいて配置された扁平断面を有する複数の伝熱管であって、前記複数の伝熱管の各々は、該管の内部を通って延びる複数の独立した流れ経路を有する伝熱管と、
前記冷媒回路と流体流連通している入口ヘッダおよび出口ヘッダと、
を備え、
前記入り口ヘッダが前記複数の伝熱管の前記複数の流れ経路に分配される冷媒を前記冷媒回路から受容するチャンバを画定し、前記出口ヘッダが前記複数の伝熱管の前記複数の流れ経路を抜け出た冷媒を集めて前記冷媒回路に戻すチャンバを画定し、さらに、
前記複数の各伝熱管が、概ねＪ字形であり、前記入口ヘッダの前記チャンバと流体流連通する入口端を有する第１脚部と、前記出口ヘッダと流体流連通する出口端を有する第２脚部と、前記第１脚部と前記第２脚部との間に延在する折曲部分と、を有することを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１２】
各管が、各管の折曲部分の第１の端から概ね垂直に上方に延びる第１脚部と、各管の折曲部分の第２の端から概ね垂直に上方に延びる第２脚部と、を有することを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。 
【請求項１３】
前記第１脚部は第１の距離まで上方に延在し、前記第２脚部は第２の距離まで上方に延在し、前記第２の距離が、前記第１の距離よりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の熱交換器。 
【請求項１４】
各管が、第１の距離まで概ね上方に延びる第１脚部と、第２の距離まで概ね上方に延びる第２脚部と、を有し、前記第２の距離が、前記第１の距離よりも大きいことを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。 
【請求項１５】
それぞれ独立した流れ経路が、円形以外の断面を有することを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。 
【請求項１６】
それぞれ独立した流れ経路が、円形の断面を有することを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。 
【請求項１７】
前記複数の伝熱管の各管が、扁平な断面形状を有する非円形管からなることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。 
【請求項１８】
前記複数の伝熱管の各管が、長方形の断面形状を有する非円形管からなることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換器。 
【請求項１９】
前記複数の伝熱管の各管が、長円形の断面形状を有する非円形管からなることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換器。 
【請求項２０】
前記出口ヘッダが、前記入口ヘッダよりも高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、マニホルドとも呼ばれる一対のヘッダ間に延在する複数の平行管を有する熱交換器に関し、詳しくは、冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器等の熱交換器の平行管を通る流体流の分布を改善するために、熱交換器のヘッダ内で流体を膨張させることに関する。
【０００２】
なお出願は、２００５年２月２日に出願された米国仮出願第６０／６４９，４３３号「Ｊ字形小流路熱交換器」を参照し、同出願の優先権と利益を主張し、参照により全体を本明細書に組み込むものとする。
【背景技術】
【０００３】
冷媒蒸気圧縮システムは、当分野で公知の技術である。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や湿度が調節される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、空気や他の二次流体の冷却にも使用され、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にある陳列ケース内の食料品や飲料製品などに、冷蔵環境を提供する。
【０００４】
従来、これらの冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒流連通するように接続された圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器を含む。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。膨張装置は、普通は、膨張弁またはオリフィスや毛細管などの一定口径をもつ計量装置であり、冷媒回路内で、冷媒流に関して、蒸発器の上流かつ凝縮器の下流の位置で、冷媒ラインに配置される。膨張装置は、凝縮器から蒸発器へ向かう冷媒ラインを通る液体冷媒を膨張させるように動作して、低圧低温にする。これにより、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、従来のこの型の冷媒圧縮システムでは、蒸発器に入る冷媒流は、二相混合物で構成される。液体冷媒と蒸気冷媒との特定の割合は、採用される特定の膨張装置と、例えば、Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ，Ｒ７１７，Ｒ７４４、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。
【０００５】
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在する複数の管の内部に提供される複数の平行な冷媒流経路を有する。入口ヘッダは、冷媒回路から冷媒流を受けて、この冷媒流を、熱交換器を通る複数の流れ経路に分配する。出口ヘッダは、冷媒流が各流れ経路を流出する際に冷媒流を集め、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へ戻し、マルチパスの熱交換器においては、他の伝熱管群を通るように導く。
【０００６】
従来、このような冷媒圧縮システムで用いられる平行管熱交換器では、一般的に直径が１／２インチ（約１２．７ｍｍ）、３／８インチ（約９．５ｍｍ）、または７ｍｍの円管を用いてきた。最近では、扁平な長方形または長円形の多流路管が、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在する複数の流路を有し、各流路は、小さい流路断面積をもつ冷媒流経路を提供する。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在する多流路管を有する熱交換器は、２つのヘッダ間に延在する小さい流路断面積をもつ冷媒経路を比較的数多く有することになる。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在する大きい流路面積をもつ流れ経路を比較的少ない数で有することになる。
【０００７】
米国特許第５，２７９，３６０号明細書において、ヒューズ（Ｈｕｇｈｅｓ）他は、冷却システムまたはヒートポンプシステムで用いられる、間隔をおいた一対のヘッダと、そのヘッダ間に互いに平行に間隔をおいて延在し、ヘッダ内で流体連通する複数の細長いほぼＶ字形の扁平断面の多流路管と、を含む蒸発器、または蒸発器／凝縮器を開示した。米国特許第６，１６１，６１６号明細書において、オスマン（Ｈａｕｓｓｍａｎｎ）は、自動車の空調システムに用いられるマニホルドの入口側と出口側との間に延在する複数の平行なＵ字形の流れ経路を有する蒸発器を開示した。各Ｕ字形流れ経路は、垂直に延在する一対の扁平多流路管の下方の端同士を、エンドキャップで相互接続したものであり、このエンドキャップは流体流を第１管を通る下方の流れの向きから第２管を通る上方の流れの向きに変える働きをする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
二相冷媒流の、不均衡分布とも呼ばれる一様でない分布は、平行管熱交換器に共通の問題であり、熱交換器の効率に悪影響を与える。二相の不均衡分布の問題は、冷媒が上流の膨張装置を通り抜けて膨張することにより、入口ヘッダ内に存在する蒸気相冷媒と液体相冷媒との間に生じる密度の差が原因である。小さい流路断面積を有する比較的多数の冷媒経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ことがある。
【０００９】
本発明の一般的な目的は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に延在す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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様において提供される熱交換器は、伝熱管の流路に分配する流体を受けるチャンバを画定する入口ヘッダと、伝熱管の流路を通流した流体を集めるチャンバを画定する出口ヘッダとの間で流体連通するように接続されている複数のＪ字形多流路伝熱管を有する。各伝熱管は、管の入口端から出口端まで複数の流体流経路を有する。各管の入口端は、入口ヘッダチャンバと流体流連通で接続し、各管の出口端は、出口ヘッダチャンバと流体流連通で接続する。入口ヘッダチャンバに集まる流体は、Ｊ字形伝熱管の第１脚部の各流路を下向きに流れ、その後、Ｊ字形管の第２脚部の各流路を上向きに流れる。一実施形態において、熱交換器の出口ヘッダは入口ヘッダよりも高い位置に配置される。
【００１１】
本発明の他の態様において、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、凝縮器および蒸発熱交換器を含む。蒸発熱交換器は、伝熱管の流路に分配する流体を受けるチャンバを画定する入口ヘッダと、伝熱管の流路を通り抜けた流体を集めるチャンバを画定する出口ヘッダとの間で流体連通で接続されている複数のＪ字形多流路伝熱管を含む。 各伝熱管は、管の入口端から出口端まで内部に複数の流体流経路を有する。各管の入口端は、入口ヘッダチャンバと流体連通で接続し、各管の出口端は、出口ヘッダチャンバと流体連通で接続する。入口ヘッダチャンバに集まる流体は、Ｊ字形伝熱管の第１脚部の各流路を下方に流れ、その後、Ｊ字形管の第２脚部の各流路を上方に流れる。一実施形態において、熱交換器の出口ヘッダは入口ヘッダよりも高い位置に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
熱交換器１０は、入口ヘッダ２０と、出口ヘッダ３０と、入口ヘッダ２０と出口ヘッダ３０との間に複数の流体流経路を提供する長手方向にほぼＪ字形の形状になった複数の多流路伝熱管４０と、を含む。図の実施形態において、入口ヘッダ２０および出口ヘッダ３０は、流体チャンバ内を画定する円形断面を有し、長手方向に延びた中空でかつ閉塞端を有するシリンダからなる。しかし、入口ヘッダ２０も出口ヘッダ３０も、図の構成に限定されない。例えば、ヘッダは、楕円形断面を有し、長手方向に延びる中空で閉塞端を有するシリンダであってもよいし、正方形、長方形、六角形、八角形または他の多角形の断面を有し、長手方向に延びる閉塞端を有する中空の立体であってもよい。
【００１３】
各伝熱管４０は、長手方向に、すなわち管の軸に沿う管の長さに亘って延在する複数の平行な流路４２を有し、管への入口と管からの出口との間に、多数の独立した平行な流れ経路を付与する。各多流路伝熱管４０は、例えば、長方形または長円形の断面をもつ「扁平」管が内部を画定し、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。従来の先行技術の円管が、１／２インチ（約１２．７ｍｍ）、３／８インチ（約９．５ｍｍ）、または７ｍｍの直径を有するが、本発明の扁平な多流路管４０は、例えば、幅が５０ｍｍ以下、典型的には、１２ｍｍ〜２５ｍｍであり、高さは、約２ｍｍ以下である。
【００１４】
各伝熱管４０は、入口ヘッダ２０の壁を貫通して入口ヘッダの流体チャンバと流体流連通するように開口している入口端４３と、出口ヘッダ３０の壁を貫いて出口ヘッダ３０の流体チャンバと流体流連通するように開口している出口端４７と、を有する。従って、各伝熱管４０の流路４２の各々は、入口ヘッダ２０の流体チャンバから出口ヘッダ３０の流体チャンバまでの流れ経路を提供する。伝熱管４０の各入口端４３および各出口端４７は、ヘッダ２０の壁にある対応する嵌合スロットに、ろう付け、溶接、接着接合、または他の方法により固定され得る。
【００１５】
図を簡明にするため、管４０は、円形断面の流れ経路を画定する１２本の流路４２を有して示されている。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、各多流路管４０は、通常約１０〜２０本の流路４２を有し、これに前後する所望の数の流路にしてもよいことを理解されたい。概ね、各流路４２は、約２００μｍ〜約３ｍｍの範囲の水力直径（流路面積を周長で割った数の４倍として定義される）をもつことになる。図では、円形断面で示されているが、流路４２の断面は、長方形、三角形、もしくは台形の断面でもよく、他の所望の非円形断面であってもよい。
【００１６】
本発明の熱交換器において、伝熱管４０は、ほぼＪ字形の形状であり、ベース折曲部４４と、ベース折曲部４４の一方の端から上方にほぼ垂直に延びる第１脚部４６と、ベース折曲部４４の他方の端から上方にほぼ垂直に延びる第２脚部４８と、を有する。入口ヘッダ２０および出口ヘッダ３０の両方は、ベース折曲部４４より高い位置に配置されている。さらに、出口ヘッダ３０は、入口ヘッダ２０より高い位置に配置されている。図１，２，３に示すように、各伝熱管４０の第１脚部４６の入口端４３は、入口ヘッダ２０の底部を通って入口ヘッダ２０へ入る。従って、入口ヘッダチャンバに集まる流体は、Ｊ字形伝熱管４０の第１脚部４６の各流路４２を通って下方に流れ、その後、Ｊ字形伝熱管４０の第２脚部４８の各流路４２を通って上方に流れて、出口ヘッダ３０の流体チャンバに入る。
【００１７】
図２に示した熱交換器１０の実施形態において、ほぼＪ字形の各伝熱管４０は、入口ヘッダ２０の流体チャンバと流体流連通する垂直方向に延びる短い脚部４６と、出口ヘッダ３０の流体チャンバと流体流連通する垂直方向に延びる長い脚部４８との間に水平方向に延在するベース折曲部４４を有する。図３に示した熱交換器１０の実施形態において、Ｊ字形に似た形状の各伝熱管４０は、比較的鋭角なＶ字形に近い折曲部を構成するベース折曲部４４を有する。この実施形態において、Ｊ字形に似た形状の伝熱管４０は、チェックマークに似た形状を有し、概ね上方（垂直ではない）に延びて入口ヘッダ２０の流体チャンバと流体流連通する短い脚部４６と、概ね上方（垂直ではない）に延びて出口ヘッダ３０の流体チャンバと流体流連通する長い脚部４８と、の間にベース折曲部４４が配置されている。
【００１８】
図４に概略的に示されている冷媒圧縮システム１００は、圧縮機６０と、凝縮器７０と、膨張弁５０と、蒸発器として機能する本発明の熱交換器１０と、備え、これらは冷媒ライン１２，１４，１６によって閉ループの冷媒回路として接続されている。従来の冷媒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７０の入口ヘッダへ循環させ、その後、凝縮器の伝熱管を通る際に、高温、高圧の冷媒蒸気は、凝縮器ファン７２によって伝熱管上に送られる周囲空気等の冷却流体との熱交換して凝縮し、液体になる。高圧の液体冷媒は、凝縮器７０の出口ヘッダに集まり、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。冷媒は、次に、蒸発器１０のほぼＪ字形の伝熱管４０を通りながら、蒸発器ファン８０によって伝熱管４０上に送られる冷却される空気と熱交換をして加熱される。冷媒蒸気は、蒸発器１０の出口ヘッダ３０に集まり、冷媒ライン１６を通って、圧縮機６０の吸込口を通って圧縮機６０に戻る。図４の例示的な冷媒圧縮サイクルは、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、および商業用冷蔵サイクルを含む様々な設計の冷媒圧縮システムに採用することができる。
【００１９】
高圧の凝縮された冷媒液体が、凝縮器の出口ヘッダから冷媒ライン１４を通って蒸発器の入口ヘッダに移動する際に、膨張弁５０を通り抜ける。膨張弁５０において、高圧の液体冷媒は、部分的に膨張させられて、低圧の液体冷媒、または、より一般的には、低圧の液体／蒸気冷媒混合物になる。前述のように、二相の不均衡分布の問題は、冷媒が上流の膨張装置を通り抜けて膨張することにより二相の混合物が入口ヘッダ２０内に存在するときの、蒸気相冷媒と液体相冷媒との密度の差が原因である。液体相冷媒より密度が低い蒸気相冷媒は、ヘッダ内で必然的に分離して上向きに移動し、入口ヘッダの流体チャンバ内で液体相冷媒の液面よりも上方に集まりやすい。伝熱管４０は、入口ヘッダ２０の流体チャンバの底を貫いて流体チャンバ内に開口しているので、伝熱管４０の流路４２への開口は、液体相冷媒の液表面よりも下方で流体チャンバに開口することになる。従って、重力が、入口ヘッダ２０内に集まった液体冷媒を、入口ヘッダ２０の流体チャンバに開口している複数の伝熱管４０の多数の流路４２に分配することを助ける。さらに、重力は、蒸気相冷媒が一部の流路４２を優先的に通ることを妨げ、かつ他の流路が限られた量までの蒸気相冷媒を受容するように働く。その結果、蒸気相冷媒が液体相冷媒に概ね万遍なく同伴されることにより、さらに均一に分配される。従って、従来のストレート管熱交換器で冷媒が入口ヘッダから上向きに管内の流れ経路に入る場合と比較して、ほぼＪ字形の伝熱管を有する本発明の熱交換器では、複数の多流路管４０に入る冷媒の分配および質が、さらに均一なものとなる。
【００２０】
本発明の熱交換器１０を、本明細書では、概して、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記述した。しかし、図の実施形態は一例に過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者であれば、請求項によって画定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、細部にわたって様々な変更を行うことができることを理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による熱交換器の実施形態の正面図。
【図２】図１の熱交換器の、部分的断面側面図。
【図３】図１に示した熱交換器の別の実施形態例の、部分的断面側面図。
【図４】本発明の熱交換器を組み込んだ冷媒蒸気圧縮システムの概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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