(57)【要約】  マイクロチャネルヒートポンプの熱交換器の入口ヘッダ（２２）には、該入口ヘッダ（２２）のほぼ全長にわたって延在するチューブ（３４）が内部に配置されている。該チューブ（３４）には複数の孔（３６）がある。冷房モード運転時には冷媒は前記チューブ（３４）の開口部端から入って長さ方向に沿って流れ、複数の孔（３６）を通して入口ヘッダ（２２）に入った後に、マイクロチャネル（２４）に流入する。これによって２相冷媒の均一な流れが与えられる。双方向流膨張装置（４１）が前記チューブ（３４）の入口端に配置され、熱交換器が蒸発器として動作する期間は液体冷媒を前記チューブ（３４）の中へ膨張させ、熱交換器が凝縮器コイルとして動作する期間は冷媒を前記ヘッダ（２２）や前記チューブ（３４）の周囲から直接流出させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流入させるための入口開口部および流体を流出させるための複数の出口開口部を有する入口ヘッダと、
実質的に平行に並んで、且つ前記入口ヘッダからの流体流を導くための前記複数の出口開口部と流体的に連通した複数のチャネルと、
前記入口ヘッダ中に配置され、前記入口開口部とは一端で流体的に連通したチューブであって、前記入口ヘッダのほぼ全長にわたって延在し、該チューブから前記入口ヘッダへの冷媒の流れを導くために形成された複数の開口部を有するチューブと、
前記入口開口部付近に配置された双方向膨張装置であって、液体冷媒を前記チューブに入れる前に膨張させて２相状態とする冷房モード条件と、冷媒流を前記マニホールドから該膨張装置へ前記チューブを通過することなしに直接流入せしめる暖房モード条件と、に選択的に適合しうる双方向膨張装置と、
を備えることを特徴とするヒートポンプ用並流熱交換器配列。
【請求項２】
前記複数の開口部は異なる寸法の開口部を含むことを特徴とする請求項１に記載の並流熱交換器。
【請求項３】
前記異なる寸法の開口部は前記チューブの下流端に向かって一般的に大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載の並流熱交換器。
【請求項４】
前記複数の開口部の数は前記複数のチャネルの数と実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の並流熱交換器。
【請求項５】
前記複数の開口部のそれぞれの軸が、前記複数のチャネルのそれぞれの軸と整列していることを特徴とする請求項４に記載の並流熱交換器。
【請求項６】
前記複数の開口部のそれぞれの軸が、前記複数のチャネルのそれぞれの軸と実質的に直交して整列していることを特徴とする請求項４に記載の並流熱交換器。
【請求項７】
前記熱交換器はＡ型コイルを備えており、且つ
第２の入口ヘッダへ流体を流入させるための入口開口部と、前記第２の入口ヘッダから流体を流出させるための複数の出口開口部と、を有する第２の入口マニホールドと、
実質的に平行に並び、且つ前記第２の入口ヘッダから流体の流れを導くための前記複数の出口開口部とは流体的に連通した、第２の複数のチャネルと、
第２の入口ヘッダ中に配置され、入口開口部とは一端で流体的に連通した第２のチューブであって、前記第２の入口ヘッダのほぼ全長にわたって延在し、該第２のチューブから前記第２の入口ヘッダへの冷媒の流れを導くために形成された第２の複数の開口部を有する第２のチューブと、
前記入口開口部付近に配置された第２の双方向膨張装置であって、液体冷媒を前記チューブに入れる前に膨張させて２相状態とする冷房モード条件と、冷媒流を前記マニホールドから該膨張装置へ前記チューブを通過することなしに直接流入させる暖房モード条件と、に選択的に適合しうる第２の双方向膨張装置と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の並流熱交換器。
【請求項８】
冷房モード運転時にはヒートポンプの熱交換器の入口ヘッダから、流体的に連通した複数の平行ミニチャネルへの冷媒の均一な流れを促進し、且つ暖房モード運転時にはその部分を迂回する方法であって、
入口端、下流端、及び前記入口端と前記下流端との間における複数の開口部を有するチューブを形成するステップと、
冷媒が前記複数の平行ミニチャネルに流入する前に、前記入口端に流入し前記チューブを通過して前記複数の開口部から前記入口ヘッダへ流出するように、前記入口ヘッダのほぼ全長に亘って延在するように前記チューブを前記入口ヘッダの内部に組み込むステップと、
冷房モード運転時には液体冷媒を前記入口ヘッダに入る前に２相状態に膨張させ、暖房モード運転時には前記ヘッダから前記チューブを経由することなしに前記膨張装置へと直接に冷媒を流れさせることのできる膨張装置を前記入口開口部の付近に設置するステップと、
を備えることを特徴とする方法。    
【請求項９】
前記複数の開口部は異なる寸法の開口部を含むことを特徴とする請求項８に記載の並流熱交換器。
【請求項１０】
前記異なる寸法の開口部は前記チューブの下流になるほど概ね大きいことを特徴とする請求項９に記載の並流熱交換器。
【請求項１１】
前記複数の開口部の数は前記複数のチャネルの数と実質的に等しいことを特徴とする請求項８に記載の並流熱交換器。
【請求項１２】
前記複数の開口部は前記複数のチャネルのそれぞれの軸と整列した個々の軸を有することを特徴とする請求項１１に記載の並流熱交換器。
【請求項１３】
前記複数の開口部は前記複数のチャネルのそれぞれの軸と実質的に直交した個々の軸を有することを特徴とする請求項１１に記載の並流熱交換器。
【請求項１４】
前記熱交換器はＡ型コイルを備えており、且つ
第２の入口ヘッダへ流体を流入させるための入口開口部および前記第２の入口ヘッダから流体を流出させるための複数の出口開口部を有する第２の入口マニホールドと、
前記第２の入口ヘッダから流体の流れを導くための、前記複数の出口開口部とは実質的に平行に並び且つ流体的に連通した、第２の複数のチャネルと、
第２の入口ヘッダ中に配置され、入口開口部とは一端で流体的に連通した第２のチューブであって、前記第２の入口ヘッダのほぼ全長にわたって延在し、該第２のチューブから前記第２の入口ヘッダへの冷媒の流れを導くために形成された第２の複数の開口部を有する第２のチューブと、
前記入口開口部近くの第２の膨張装置であって、冷房モード運転においては液体冷媒を前記第２のチューブに入る前に膨張させて２相状態となし、暖房モード運転においては冷媒流を前記チューブを通過することなしに前記ヘッダから該膨張装置へ直接流入せしめることのできる第２の膨張装置と、
を含むことを特徴とする請求項８に記載の並流熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に熱交換器に関し、特にヒートポンプにおける２相冷媒を使用したマイクロチャネル熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロチャネル熱交換器は並流（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｆｌｏｗ）構成で設計されており、長い入口ヘッダが、コアの全長に亘って延在し、出口ヘッダ内へと接続された複数の平行チューブに接続される。ヘッダの直径はマイクロチャネルチューブの主軸よりも太い。この並流マイクロチャネル熱交換器が蒸発器として動作する場合には２相冷媒が入口ヘッダに供給される。この２相冷媒は蒸気と液体の混合物であるので、入口ヘッダの中で分離して蒸発器の中で不均衡分布を生じやすい（つまり、バランスの取れた蒸気と液体の混合物の代わりにほとんど蒸気だけが供給されるチューブが出てくる）。これはエアコンの冷却能力と効率に関してはマイナスの効果をもたらす。このように性能が損なわれるので、匹敵する丸チューブ、板状フィン型蒸発器の能力及び効率に対抗するには、表面積の追加が必要になる。これはコストの上昇ももたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
直接供給法と呼ばれる方式では、入口ヘッダは概して一方からのみ供給される。そのような直接供給法では２相冷媒はヘッダの全長に亘って、蒸気と液体に分離した形で流れやすく、それによってあるチューブは主に蒸気だけ、他のチューブは主に液体だけとなりやすく、結果として乾燥表面が現れて熱交換器の利用効率が低下してしまう。
【０００４】
直接供給法に代わる手段としては、分流器を使って多数の供給管を介してヘッダのバッフル部へ供給する方法がある。この方法は、直接供給法に比べて、ヘッダのバッフルの他に、分流器／供給管アセンブリなどの追加のハードウェアが必要であり、かなりのコスト高となる。
【０００５】
冷房モードでの運転のときに、入口マニホールドからマイクロチャネルへの均一な流れを促進するために熱交換器に特別の構造を追加すると、その構造が暖房モード運転における冷媒の逆方向の流れの妨げとなりうる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、ヒートポンプのマイクロチャネル熱交換器の多数チャネルに対する２相冷媒の分布は、冷房モード運転においては入口ヘッダの中に穴あきチューブを配置することによってより均一にすることができる。そのチューブは冷媒が片側から供給され、実質的にヘッダの全長にわたって延在する。小孔が分流器として作用し、２相冷媒の流れを挿入チューブから入口マニホールドへと導く。このようにして入口ヘッダの全ての領域に亘って、よく混合された均一な２相冷媒が供給され、それから個々のチャネルへ均一に入っていく。穴明きチューブ挿入物の入口部分に双方向流用の膨張装置が備わっており、冷房モードでの運転時には穴明きチューブに入る直前に冷媒の膨張が起こり、暖房モードでの運転時には、冷媒は穴明きチューブを迂回してマニホールドから膨張装置へ直接入る。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、チューブの小孔の寸法と形状は最適の分布が得られるように形成される。一般的には、小孔の寸法はチューブの下流方向になるほど大きい。
【０００８】
本発明の更に別の態様によると、チューブの小孔の数はマイクロチャネル熱交換器のチャネル数に等しい。つまり、小孔はそれぞれのチャネルの長手方向に整列して配置される。即ち、個々のチャネルの軸方向に整列しているかもしくは、軸から放射状にオフセットしているかのいずれかである。
【０００９】
後述の図面を用いて好適な実施例を説明する。なお、本発明の意図及び範囲を逸脱することなくさまざまな他の修正や代替構造をなすことは可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１には、１対のコイルスラブ１２，１３を備える在来のＡ型コイルが示されている。各々のコイルスラブは、複数のフィンを通過する複数の冷媒輸送チューブを有しており、フィンは、ブロワ或いはファンによって空気がフィンの間を流れるように構成されている。
【００１１】
実際には、凝縮器(非表示)からの液体冷媒は膨張装置１４へ至り、そこで生じた２相冷媒は分流器１６を通過してから、2相冷媒を複数のチューブ回路へ送る複数の接続路１７に至る。空気の通過によりスラブ１２，１３は冷却される。冷媒は沸騰し、冷媒蒸気は次に圧縮機に運ばれてそれから凝縮器に戻る。
【００１２】
図２は本発明の一態様による、マイクロチャネルＡ型コイル１８を示している。ここで、Ａ型コイル１８は１対のマイクロチャネル蒸発器コイル１９，２１で構成されている。マイクロチャネル蒸発器コイル１９，２１のそれぞれには入口ヘッダ２２、出口ヘッダ２３及び両者の間を流体的に連通している複数のマイクロチャネル２４がある。
【００１３】
それぞれの入口ヘッダ２２の入口部分には膨張装置２６がある。凝縮器から流路２７を通して流れてきた液体冷媒は流路２８，２９に分岐して膨張装置２６に入る。そこで２相冷媒となって入口ヘッダ２２へ直接流入する。２相冷媒はそれから個々のマイクロチャネル２４に入り、それぞれの出口マニホールド２１，２３へと流れる。その後、冷媒蒸気がコンプレッサへと流れる。
【００１４】
図３からわかるとおり、入口ヘッダ２２は両端に壁３１，３２を持った中空の円筒で、この円筒の一面から外側に向かって多数のマイクロチャネル２４が延在しており、２相冷媒を出口ヘッダ２３へと流している。フィン３３は隣り合うマイクロチャネル２４の間に設置されコイルの熱移動特性を向上させる。
【００１５】
チューブ３４は図示したとおり、端壁３１を貫通して、入口端３７から下流端３８に至る入口ヘッダ２２のほぼ全長に亘って延在している。チューブ３４は、図示のように、入口ヘッダ２２が個々のチャネル２４に対して２相冷媒の均一流を供給できるように入口ヘッダ２２の中に同芯的に配置されているか、中心線からオフセットして配置されている。チューブ３４にはチューブ３４から入口ヘッダ２２へ、さらには個々のマイクロチャネル２４へと冷媒の流れを導くための複数の孔３６がある。孔３６の寸法と形状は冷媒が個々のマイクロチャネル２４へ均一に流れるように選択的に変化している。一般的には、孔３６の寸法は入口端３７から下流端３８に向けて増大している。
【００１６】
孔３６の数と位置は要求に応じて変えられるが、図３に示した実施例においては１個のマイクロチャネル２４に対して１個の孔３６が形成されていて、孔３６はそれぞれのマイクロチャネル２４に対して長手方向にほぼ整列するように配置されている。
【００１７】
上述した孔３６の寸法や形状に関する可能性に加えて、均一な流れ分布を促進するためにマイクロチャネルの軸に対する孔３６の角度方向も、自由に変更できる。即ち、図３Ａに示したように孔３６はマイクロチャネル２４と軸方向に整列することもできるし、図３Ｂに示すように角度的にオフセットさせることもできる。このように９０°のオフセットは、より均一な流れ分布を生じさせるための所望の混合オフセットを作るために有用であることがわかっている。
【００１８】
本発明に従い、冷媒は液体ラインから膨張装置３９へ液体の状態で分流され、そこで穴明きチューブの入口端３７の中へ直接膨張させられる。このように、全ての液体冷媒はまずマイクロチャネルスラブに分流され、それから膨張して２相状態になる。従って、前述の従来技術に関して述べたように分流の前に膨張させることによる２相分離を防ぐことができる。さらに、従来技術の供給チューブに見られたような圧力低下もない。
【００１９】
次に図４を参照すると、図３の膨張装置３９は、冷媒流の方向により２つの端部のうちのいずれかを取りうる浮動ピストン４２を内蔵した本体４０を有する双方向流ピストンアセンブリ４１を備えていることがわかる。即ち、冷房モードの運転では、熱交換器は蒸発コイルとして動作し、冷媒は入口ヘッダの方へ流入する。一方、暖房運転の場合にはコイルは凝縮器コイルとして動作し、この場合には凝縮器コイルの出口ヘッダとして作用する同一ヘッダから冷媒が流出する。この双方向流を可能とするピストン４２の特徴は、図４に示した、中央の開口部４３と周辺の多数の溝４４にある。
【００２０】
図５に示したように、システムが冷房モードで運転しているときは、冷媒は双方向流ピストンアセンブリ４１へ流入し、ピストン４２は最右端にあって溝４４が本体４０の肩に接して静止している。次に冷媒は膨張装置として作用する中央開口部４３を通過する。そうして２相冷媒はチューブ３４に入り、それから個々のマイクロチャネル２４へと流入する。
【００２１】
図６の実施例においては、冷媒はヘッダを通過して双方向流ピストンアセンブリ４１に流入する。ピストン４２は最左端へと動く。この位置では、冷媒はマニホールド２２から自由に流出できるし、溝４４の間を通ってピストン４２の外周を通過できる。冷媒は抵抗が最小の流路を経由して流れる可能性がもっとも大きく、マニホールド２２から直接流出して、ピストン４２の外周部を通るので、中央開口部４３は開いたままであるが、チューブ３４の中には冷媒はあるとしてもごく僅かしかない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術による在来型Ａ型コイルの透視図。
【図２】本発明の一実施例によるマイクロチャネル型Ａ型コイルの透視図。
【図３】マイクロチャネル型Ａ型コイルの入口ヘッダの長手方向断面図。
【図３Ａ】入口ヘッダの変形案横断面図。
【図３Ｂ】入口ヘッダの変形案横断面図。
【図４】入口ヘッダの膨張装置の詳細を示した長手方向断面図。
【図５】冷房モード運転における膨張弁部分の断面図
【図６】暖房モード運転における膨張弁部分の断面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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