(57)【要約】熱交換器は、間隔を置いて配置されたヘッダ間に延在する複数の平坦な多流路伝熱管を備える。各伝熱管は、入口端部から出口端部まで互いに平行な長手方向に延在する複数の流路を内部に有する。入口ヘッダと伝熱管との間に複数のコネクタが配置され、コネクタの入口端部が比較的小さい流路断面積の開口を通してヘッダと流体流連通し、コネクタの出口端部が伝熱管の入口端部を受容するように適合化される。コネクタは、コネクタの入口端部にある比較的小さい流路断面積の開口から、コネクタの出口端部にある出口開口まで延びる流体流経路を画定し、コネクタの出口開口は、コネクタの出口端部で受容された伝熱管の流路に開口している。
2008528943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を集めるチャンバを画定するヘッダと、
内部に複数の個別の流体流経路を画定するとともに、該複数の流体流経路に対して開口した入口開口を有する少なくとも１つの伝熱管と、
入口端部および出口端部を有するとともに、前記入口端部から前記出口端部まで延在する流体流経路を画定し、前記入口端部は、第１の開口を介して前記ヘッダの前記チャンバと流体連通し、前記出口端部は、第２の開口を介して前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口開口と流体連通し、前記第１の開口が比較的小さい流路断面積を有するコネクタと、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記コネクタの前記第１開口が、膨張オリフィス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３】
前記コネクタの前記流体流経路が、前記第１の開口から前記第２の開口にかけて、内部を流れる流体の方向へと断面が広くなる末広がりの流体流経路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４】
前記コネクタの前記第１の開口が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な非円形の断面を有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】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な長方形の断面を有することを特徴とする請求項５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、平坦な概ね長円形の断面を有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記複数の流路の各々が、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９】
前記複数の流路の各々が、長方形の断面、三角形の断面または台形の断面の群から選択される流れ経路を画定することを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
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１１】
前記第１の開口が、複数の開口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１２】
冷媒回路において流体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備え、前記流体流連通によって、高圧の冷媒蒸気は、前記圧縮機から前記凝縮器へ移動し、高圧の冷媒は、前記凝縮器から前記蒸発熱交換器へ移動し、低圧の冷媒蒸気は、前記蒸発熱交換器から前記圧縮機へ移動する冷媒蒸気圧縮システムにおいて、
前記蒸発熱交換器が、
前記冷媒回路と流体流連通するとともに、前記冷媒回路から冷媒を受けるチャンバを画定する入口ヘッダおよび前記冷媒回路と流体流連通する出口ヘッダと、
入口開口および出口開口を有し、前記入口開口から前記出口開口まで延在する複数の個別の流体流経路を有し、前記出口開口は、前記出口ヘッダと流体流連通している少なくとも１つの伝熱管と、
入口端部および出口端部を有し、前記入口端部から前記出口端部まで延在する流体流経路を画定し、前記入口端部は、第１の開口を通して前記ヘッダの前記チャンバと流体流連通し、前記出口端部は、第２の開口を通して前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口開口と流体連通し、前記第１の開口が比較的小さい流路面積を有するコネクタと、
を備えることを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１３】
前記コネクタの前記第１の開口が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１４】
前記コネクタの前記流体流経路が、前記第１の開口から前記第２の開口にかけて、内部を流れる流体の方向と断面が広くなる末広がりの流体流経路からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１５】
前記コネクタの前記第の１開口が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項１４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な円形以外の断面を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な長方形の断面を有することを特徴とする請求項１６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な概ね長円形の断面を有することを特徴とする請求項１６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１９】
前記複数の流路の各々が、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１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２０】
前記複数の流路の各々が、長方形の断面、三角形の断面または台形の断面の群から選択された流れ経路を画定することを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２１】
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１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２２】
前記熱交換器が、シングルパス熱交換器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２３】
前記熱交換器が、マルチパス熱交換器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２４】
前記熱交換器が、凝縮器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２５】
前記熱交換器が、蒸発器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【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第１ヘッダと第２ヘッダとの間に延在する複数の平行管を有する熱交換器に関し、より詳細には、例えば、冷媒圧縮システムの熱交換器等の熱交換器の平行管を通る二相流の分配を改善するために、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】
なお本出願は、２００５年２月２日に出願した米国仮出願第６０／６４９，２６９号「膨張用コネクタを有する小流路熱交換器」を参照して、同出願の優先権と利益を主張し、その全体を本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００３】
冷媒蒸気圧縮システムは、当分野で周知の技術である。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空間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、空気または他の二次流体の冷却にもよく使用され、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動作して、液体冷媒を低圧低温にする。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、従来のこの型式の冷媒蒸気圧縮システムにおいては、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，Ｒ７、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、そ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出るときに冷媒流を集め、この集めた冷媒流を、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に戻し、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は、一般的に直径１／２インチ（約１２．７ｍｍ）、３／８インチ（約９．５ｍｍ）、または７ｍｍの円管が用いられてきた。最近では、平坦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】
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。
【０００８】
蒸発熱交換器の平行管を通る冷媒流の分配を制御する解決法の１つが、米国特許第６，５０２，４１３号明細書にＲｅｐｉｃｅ他によって開示されている。同明細書に開示されている冷媒蒸気圧縮システムにおいて、凝縮器からの高圧の液体冷媒を、熱交換器の入口ヘッダの上流にある従来の冷媒ライン中の膨張装置で部分的に膨張させて、低圧の冷媒にする。さらに、管内を単に狭くすることや、管内部に配置される内部オリフィスプレート等の開口絞りを、管入口の下流にある入口ヘッダに接続される各管に設けて、管に入った後に膨張を完了して、低圧の液体／蒸気冷媒混合物にする。
【０００９】
蒸発熱交換器の平行管を通る冷媒流の分配を制御する別の方法が、カンザキ他によって日本国特許第４０８０５７５号公報において開示されている。同公報に開示されている冷媒蒸気圧縮システムにおいても、凝縮器から出た高圧の液体冷媒が、従来の冷媒ライン中の膨張装置において部分的に膨張し、熱交換器の分配チャンバの上流で低圧の冷媒になる。複数のオリフィスを有するプレートが、分配チャンバ内にチャンバを横切って延在する。低圧の冷媒は、オリフィスを通るときに膨張し、プレートの下流、かつチャンバに開口している各管への入口の上流で、低圧の液体／蒸気混合物になる。
【００１０】
日本国特許第６２４１６８２号公報において、マッサキ他は、ヒートポンプ用平行管熱交換器を開示しており、開示された熱交換器においては、入口ヘッダに接続する各多流路管の入口端部は押しつぶされて、各管の入口のすぐ下流で各管に部分的なスロットルによる制限を形成する。日本国特許第８２３３４０９号公報において、ヒロアキ他は、平行管熱交換器を開示しており、開示された熱交換器においては、複数の平坦な多流路管が、一対のヘッダ管で接続しており、各管は、各管に均一に冷媒を分配する手段として冷媒流の方向に流路面積が減少する内部を有する。日本国特許第２００２０２２３１３号公報において、ヤスシは、平行管熱交換器を開示しており、開示された熱交換器においては、冷媒は、ヘッダの軸に沿ってヘッダの端の手前で終了するように延在する入口管を通して、ヘッダに供給される。これによって、二相冷媒流は、入口管から、入口管の外面とヘッダの内面との間の環状流路に入るので、分離しない。その後、二相冷媒流は、環状流路に開口している各々の管へ入る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
小さい流路断面積をもつ比較的多数の冷媒流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よりもさらに困難であり、熱交換器の効率を著しく低下させることがある。
【００１２】
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布を低減させることである。
【００１３】
本発明の一態様の目的は、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冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器において、冷媒流の不均衡分布を低減させることである。
【００１４】
本発明の一態様の目的は、多流路管列の個々の流路に、比較的均一な様態で冷媒を分配することである。
【００１５】
本発明の別の態様の目的は、複数の多流路管を有する冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器において、冷媒流がヘッダから多流路管列の個々の流路に入るときに、冷媒の分配および膨張を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様において、チャンバを画定して流体を受けるヘッダと、管の入口端部から出口端部まで開口している複数の流体流経路および複数の流体流経路に開口している入口を有する少なくとも１つの伝熱管と、を有する熱交換器が提供される。また、第１開口を通してヘッダチャンバと流体流連通する入口端部と、第２開口を通して少なくとも１つの伝熱管の入口開口と流体連通する出口端部と、を有するコネクタが提供される。コネクタは、その入口端部から出口端部まで延在する流体流経路を画定する。ある実施形態において、コネクタを通る流れ経路は、内部を流れる流体流の方向へ末広がりであってよい。第１開口は、流量制限を提供するために比較的小さい流路面積を有し、流体はヘッダチャンバから第１開口を通って伝熱管の流れ経路へ流れる。
【００１７】
本発明の別の態様においては、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、凝縮器および蒸発熱交換器を含み、冷媒流連通によって、高圧の冷媒蒸気が、圧縮機から凝縮器へ移動し、高圧の冷媒液体が、凝縮器から蒸発熱交換器へ移動し、低圧の冷媒蒸気が、蒸発熱交換器から圧縮機へ移動する。蒸発熱交換器は、入口ヘッダと、出口ヘッダと、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在する複数の伝熱管と、を含む。入口ヘッダは、冷媒回路から液体冷媒を受けるチャンバを画定する。各伝熱管は、入口端部と、出口端部と、管の入口端部の入口開口から出口端部の出口開口まで延在する複数の流体流経路と、を有する。コネクタは、第１開口を通して入口ヘッダチャンバと流体流連通する入口端部と、第２開口を通して伝熱管の入口開口と流体流連通する出口端部と、を有する。コネクタは、入口端部から出口端部まで延在する流体流経路を画定する。ある実施形態において、コネクタを通る流れ経路は、内部を流れる流体流の方向へ末広がりであってよい。第１開口は、流量制限を提供するために比較的小さい流路断面積を有し、第１開口を通って、流体はヘッダチャンバから伝熱管の流れ経路へ流れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本明細書において、本発明の熱交換器１０を、図１に示す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説明する。図１に示す熱交換器１０の例示的な実施形態では、ほぼ水平に延在する入口ヘッダ２０と、ほぼ水平に延在する出口ヘッダ３０との間で、伝熱管４０が、互いに平行に配置されて、ほぼ垂直に延在している。しかし、図示した実施形態は例示的なものであり、本発明を制限するものではない。本明細書に記述される発明は、他の様々な構成の熱交換器１０で実施することができる。例えば、ほぼ垂直に延在する入口ヘッダと、ほぼ垂直に延在する出口ヘッダとの間に、伝熱管が互いに平行でかつほぼ水平に延在するように配置してもよい。さらに別の例において、熱交換器は、トロイダル型入口ヘッダと、これと異なる直径のトロイダル型出口ヘッダと、を有し、それらトロイダル型ヘッダ間で、伝熱管が、径方向内側へ、または径方向外側へ、多少は延在していてもよい。伝熱管は、図１１，１２に、詳細に後述するように、マルチパス平行管の実施形態で配置してもよい。
【００１９】
図１から図５を特に参照すると、熱交換器１０は、入口ヘッダ２０と、出口ヘッダ３０と、複数の長手方向に延在する多流路伝熱管４０と、を含み、これによって、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付与する。各伝熱管４０は、一方の端部に、コネクタ５０を介して入口ヘッダ２０と流体流連通する入口４３を有し、他方の端部に、出口ヘッダ３０と流体流連通する出口を有する。各伝熱管４０は、長手方向に、すなわち、管の軸に沿って管の長さに亘って、延在する複数の平行な流路４２を有し、管の入口と管の出口との間に多数の独立した平行な流れ経路を提供する。各多流路伝熱管４０は、例えば、内部を画定する長方形または長円形の断面を有する「平坦な」管であり、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（１２．７ｍｍ）、３／８インチ（９．５ｍｍ）、または７ｍｍの直径を有することと比較して、本発明の平坦多流路管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。図を簡明にするため、管４０は、円形断面を有する流れ経路を画定する１２本の流路４２を有するものとして示されている。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、一般には約１０〜２０本の流路４２を有するが、これに前後する所望の数の流路を有してもよいことを理解されたい。通常、各流路４２の、流路面積を周長で割った数の４倍として定義される水力直径は、約２００μｍ〜約３ｍｍの範囲となる。図では、円形の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、円形以外の他の所望する断面であってもよい。
【００２０】
熱交換器１０の複数の伝熱管４０の各々は、入口端部４３を有しており、入口ヘッダ２０内に画定されているチャンバ２５に直接的に挿入されずに、各コネクタ５０に挿入される。各コネクタ５０は、入口端部５２と出口端部５４とを有し、かつ入口端部５２から出口端部５４まで延在する流体流経路５５を画定する。入口端部５２は、第１開口５１を介して入口ヘッダ２０のチャンバ２５に流体流連通する。出口端部５４は、第２開口５３を介して、受容された対応する伝熱管４０の入口端部で、流路４２の入口開口４１と流体連通する。各コネクタ５０の入口端部５２の第１開口５１は、比較的小さい流路断面積を有する。従って、コネクタ５０は、ヘッダ２０のチャンバ２５からコネクタ５０内の流体流経路５５内に流れる流体における圧力低下を均一にする複数（各伝熱管４０に対応して少なくとも１つづつ）の流路絞りを提供する。これにより、ヘッダ２０と動作可能に関連付けられた個々の管４０に流体を比較的均一に分配することを確実にする。
【００２１】
図１，２，３に示す実施形態において、入口ヘッダ２０は、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からなる。各コネクタ５０の入口端部５２は、入口ヘッダ２０の壁のを貫通して配設された延在する対応するスロット２６に挿入されて、嵌合される。各コネクタは、ヘッダ２０の壁の対応する嵌合スロットに、ろう付け、溶接、はんだ付け、接着接合、拡散接合、または他の方法で固定される。しかし、入口ヘッダ２０は、図の構成に限定されない。例えば、ヘッダ２０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く、正方形、長方形、六角形、八角形、または他の断面を有し、長手方向に延びる中空で閉塞端を有するパイプであってもよい。
【００２２】
図６，７，８に示す実施形態において、入口ヘッダ２０は、ほぼ半円の断面を有し長手方向に延びる中空で閉塞端を有する半円筒シェルと、半円筒シェルの開口面に、ろう付け、溶接、接着接合、または他の方法で固定されるブロックのようなインサート５８と、を備える。この実施形態では、複数のコネクタ５０の代わりに、長手方向に延びるブロック状のインサート５８が、単一のコネクタ５０を形成する。複数の平行な流れ経路５５が、コネクタ５０のブロック状の構造部内に長手方向に間隔を置いて形成される。各流れ経路５５は、ヘッダ２０内に画定された流体チャンバ２５と流体連通するとともに、少なくとも１つの比較的小さい流路面積を有する入口開口５１を備えた入口端部５２と、伝熱管４０の入口端部４２を受容するように適合された出口端部５４と、を有する。従って、この実施形態においては、複数の伝熱管４０は、単一のブロック状のコネクタ５０を用いて、ヘッダに接続される。ブロック状のインサート５８は、少なくとも１つの比較的小さい流路面積の開口５１が各伝熱管４０と協働するように、複数の流量絞りを有するコネクタ５０を提供し、複数の流量絞りが、ヘッダ２０のチャンバ２５からコネクタ５０内の流体流経路５５へ流れる流体の圧力低下を均一にすることによって、ヘッダ２０と協働する個々の管４０へ流体を比較的均一に分配する。
【００２３】
図２，３，５に示す実施形態では、１つの比較的小さい流路面積を有する第１開口５１を各コネクタ５０の入口端部５２に設けている。しかし、必要に応じて、複数個の比較的小さい流路面積を有する第１開口を、コネクタ５０の入口端部５２に設けてもよいことを理解されたい。例えば、伝熱管が、比較的広く、かつ／または、比較的多数の流路を有する場合には、図６，７，８に示すように、２つまたは３つ、あるいはそれ以上の数の比較的小さい流路面積を有する第１開口を、コネクタ５０の入口端部５２に、間隔をおいて配置し、コネクタ５０の出口端部５４に挿入された管４０の多数の流路４２へ流体流を均一に分配することを確実にすることが望ましい。
【００２４】
コネクタ５０の入口端部５２の入口開口５１からコネクタ５０の出口端部５４の出口開口５３まで延在する流体流経路５５は、図３，７に最もよく図示されているように、入口開口５１から出口開口５３に向かって流体流の方向へ末広がりになっている。この末広がりの流れ経路は、流れ経路５５を通って流れる流体を、コネクタ５０の出口端部５４に挿入された伝熱管４０の個々の流路４２に均一に分配することを補助する。これは、特に、流体が液体冷媒と蒸気冷媒の混合物である場合、または、流体が比較的小さい流路面積を有する開口（単数または複数）５１を介して、液体冷媒／蒸気冷媒混合物へと膨張する場合の冷媒流用途において、特に有効である。
【００２５】
図９，１０に概略的に示されている媒蒸気圧縮システム１００は、圧縮機６０と、凝縮器として機能する熱交換器１０Ａと、蒸発器として機能する熱交換器１０Ｂと、を備え、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。従来の冷媒蒸気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１０Ａの入口ヘッダ１２０へ循環させる。その後、高温の冷媒蒸気は、凝縮器１０Ａの伝熱管１４０を通る際に、凝縮器ファン７０によって伝熱管１４０上に送られる周囲空気等の冷却流体と熱交換して凝縮して、液体になる。高圧の液体冷媒は、凝縮器１０Ａの出口ヘッダ１３０に集まり、次に、冷媒ライン１４を通って蒸発器１０Ｂの入口ヘッダ２０に入る。冷媒は、次に、蒸発器１０Ｂの伝熱管４０を通り、この際、冷媒は、蒸発器ファン８０によって伝熱管４０上に送られた冷却される空気と熱交換して加熱される。冷媒蒸気は、蒸発器１０Ｂの出口ヘッダ３０に集まり、該ヘッダから冷媒ライン１６を通って、圧縮機６０の吸込口から圧縮機６０へ戻る。図９，１０の例示的な冷媒蒸気圧縮サイクルは、簡略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冷凍サイクルを含む様々な設計の冷媒蒸気圧縮システムに採用することができる。
【００２６】
図９に示す実施形態において、凝縮された冷媒液体は、膨張装置を通過することなしに、凝縮器１０Ａから直接的に、蒸発器１０Ｂへと移動する。従って、この実施形態において、冷媒は、従来の冷媒圧縮システムのように完全に膨張した低圧の冷媒液体／蒸気混合物ではなく、概して、高圧の液体冷媒として蒸発熱交換器１０Ｂの入口ヘッダ２０に入る。従って、この実施形態において、冷媒が入口端部５２の比較的小さい面積の開口（単数または複数）５１を通ってコネクタ５０の流れ経路５５に入る際に、本発明の蒸発器１０Ｂ内での冷媒の膨張が生じる。このように、ほぼ均一な様態で分配が達成されたあとで、膨張が確実に生じる。
【００２７】
図１０に示す実施形態において、凝縮された冷媒液体は、凝縮器１０Ａから蒸発器１０Ｂへ移動する際に、動作可能に冷媒ライン１４に設けられた膨張弁５０を通流する。高圧の液体冷媒は、膨張弁５０において、部分的に膨張して低圧低温の液体冷媒、または液体／蒸気冷媒混合物になる。この実施形態において、冷媒が入口端部５２の比較的小さい流路面積の開口（単数または複数）５１を通ってコネクタ５０の流れ経路５５に入る際に、蒸発器１０Ｂ内での冷媒の最終的な膨張が完了する。開口５１を通る際に液体の確実な膨張が完了するほど開口５１の流路断面積を十分に小さくできない場合、または膨張弁を流量制御装置として使用する場合に、蒸発器１０Ｂの入口ヘッダ２０の上流にある膨張弁により、冷媒を部分的に膨張させることが有利である。
【００２８】
図１１を参照すると、本発明の熱交換器１０が、マルチパス蒸発器の実施形態で示されている。図のマルチパス実施形態において、入口ヘッダ２０は、第１チャンバ２０Ａと第２チャンバ２０Ｂとに区切られ、出口ヘッダも、第１チャンバ３０Ａと第２チャンバ３０Ｂとに区切られ、伝熱管４０は、３つの群４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに分けられている。第１管群４０Ａの管は、入口端部が、入口ヘッダ２０の第１チャンバ２０Ａの中へ開口している各コネクタ５０Ａに挿入され、出口端部は、出口ヘッダ３０の第１チャンバ３０Ａに開口している。第２管群４０Ｂの管は、入口端部が、出口ヘッダ３０の第１チャンバ３０Ａの中へ開口している各コネクタ５０Ｂに挿入され、出口端部は、入口ヘッダ２０の第２チャンバ２０Ｂに開口している。第３管群４０Ｃの管は、入口端部が、入口ヘッダ２０の第２チャンバ２０Ｂの中へ開口している各コネクタ５０Ｃに挿入され、出口端部は、出口ヘッダ３０の第２チャンバ３０Ｂに開口している。このような構成では、冷媒ライン１４から熱交換器へ入る冷媒は、シングルパス熱交換器のように１回ではなく、伝熱管４０の外側を覆う空気と３回熱交換するように流れる。本発明によると、第１管群４０Ａ、第２管群４０Ｂおよび第３管群４０Ｃの各管の入口端部４３が、対応するコネクタ５０の出口端部５４に挿入されることにより、管４０の各々の流路４２は、比較的均一に分配された膨張した冷媒液体／蒸気混合物を受ける。冷媒がヘッダから比較的小さい流路断面積の開口５１を介してコネクタ５０に入る際に、冷媒の分配および膨張が生じるが、これは、冷媒が第１管群４０Ａに入る際だけでなく、第２管群４０Ｂ，第３管群４０Ｃに入る際にも生じる。したがって、各管群の管の流路に入るときに、冷媒液体／蒸気のさらに均一な分配が確実となる。
【００２９】
図１２を参照すると、本発明の熱交換器１０が、マルチパス凝縮器の実施形態で示されている。図のマルチパス実施形態において、入口ヘッダ１２０は、第１チャンバ１２０Ａと第２チャンバ１２０Ｂとに区切られ、出口ヘッダ１３０も、第１チャンバ１３０Ａと第２チャンバ１３０Ｂとに区切られ、伝熱管１４０は、３つの管群１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃに分けられている。第１管群１４０Ａの管は、入口ヘッダ１２０の第１チャンバ１２０Ａの中へ開口している入口端部開口と、出口ヘッダ１３０の第１チャンバ１３０Ａに開口している出口端部開口と、を有する。第２管群１４０Ｂの管は、出口ヘッダ１３０の第１チャンバ１３０Ａの中へ開口している各コネクタ５０Ｂに挿入される入口端部と、入口ヘッダ１２０の第２チャンバ１２０Ｂに開口している出口端部と、を有する。第３管群１４０Ｃの管は、入口端部が、入口ヘッダ１２０の第２チャンバ１２０Ｂの中へ開口している各コネクタ５０Ｃに挿入され、出口端部は、出口ヘッダ１３０の第２チャンバ１３０Ｂに開口している。このような構成では、冷媒ライン１２から凝縮器に入る冷媒は、シングルパス熱交換器のように１回ではなく、伝熱管１４０の外側を覆う空気と３回熱交換をするように流れる。冷媒ライン１４を介して圧縮機出口から入口ヘッダ１２０の第１チャンバ１２０Ａに入る冷媒は、すべて高圧な冷媒蒸気である。しかし、第１管群および第２管群を通る際に冷媒が部分的に凝縮するので、第２管群および第３管群に入る冷媒は、典型的に、液体／蒸気混合物となる。本発明によると、第２管群１４０Ｂおよび第３管群１４０Ｃの各管の入口端部は、それぞれ対応するコネクタ５０Ｂ，５０Ｃの出口端部に挿入され、各管の流路４２は、膨張した冷媒液体／蒸気混合物を比較的均一に分配されることになる。凝縮器用途において、熱交換効率を下げないために、開口５１を介しての圧力低下を制限して、所定の閾値を越えないように留意されたい。また、当業者であれば、凝縮器および蒸発器に関する他のマルチパスの配列も本発明の範囲内にあることを理解されるであろう。
【００３０】
本発明は、図に示した好ましい態様に関して詳述したが、当業者であれば、請求項で画定される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、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たい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による熱交換器の実施形態の斜視図。
【図２】図１の線２−２に関する部分断面斜視図
【図３】図２の線３−３に関する断面正面図。
【図４】図３の線４−４に関する断面図。
【図５】図３の線５−５に関する断面図。
【図６】本発明による熱交換器の別の実施形態の部分断面斜視図。
【図７】図６の線７−７に関する断面図。
【図８】図７の線８−８に関する断面図。
【図９】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１０】本発明の熱交換器を組み込んだ別の冷媒蒸気圧縮システムの概略図。
【図１１】本発明によるマルチパス蒸発器の実施形態の部分断面正面図。
【図１２】本発明によるマルチパス凝縮器の実施形態の部分断面正面図。
【図１】
2008528943.tif 000003
【図２】
2008528943.tif 000004
【図３】
2008528943.tif 000005
【図４】
2008528943.tif 000006
【図５】
2008528943.tif 000007
【図６】
2008528943.tif 000008
【図７】
2008528943.tif 000009
【図８】
2008528943.tif 000010
【図９】
2008528943.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年2月20日(2007.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を集めるチャンバを画定するヘッダと、
内部に複数の個別の流体流経路を画定するとともに、該複数の流体流経路に対して開口した入口開口を有する少なくとも１つの伝熱管と、
入口端部および出口端部を有するとともに、前記入口端部から前記出口端部まで延在する流体流経路を画定し、前記入口端部は、第１の開口を介して前記ヘッダの前記チャンバと流体連通し、前記出口端部は、第２の開口を介して前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口開口と流体連通し、前記第１の開口が比較的小さい流路断面積を有する少なくとも１つの流れ絞り膨張オリフィスであるコネクタと、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
削除
【請求項３】
前記コネクタの前記流体流経路が、前記第１の開口から前記第２の開口にかけて、内部を流れる流体の方向へと断面が広くなる末広がりの流体流経路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４】
削除
【請求項５】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な非円形の断面を有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】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な長方形の断面を有することを特徴とする請求項５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、平坦な概ね長円形の断面を有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記複数の流路の各々が、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９】
前記複数の流路の各々が、長方形の断面、三角形の断面または台形の断面の群から選択される流れ経路を画定することを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
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１１】
前記第１の開口が、複数の開口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１２】
冷媒回路において流体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備え、前記流体流連通によって、高圧の冷媒蒸気は、前記圧縮機から前記凝縮器へ移動し、高圧の冷媒は、前記凝縮器から前記蒸発熱交換器へ移動し、低圧の冷媒蒸気は、前記蒸発熱交換器から前記圧縮機へ移動する冷媒蒸気圧縮システムにおいて、
前記蒸発熱交換器が、
前記冷媒回路と流体流連通するとともに、前記冷媒回路から冷媒を受けるチャンバを画定する入口ヘッダおよび前記冷媒回路と流体流連通する出口ヘッダと、
入口開口および出口開口を有し、前記入口開口から前記出口開口まで延在する複数の個別の流体流経路を有し、前記出口開口は、前記出口ヘッダと流体流連通している少なくとも１つの伝熱管と、
入口端部および出口端部を有し、前記入口端部から前記出口端部まで延在する流体流経路を画定し、前記入口端部は、第１の開口を通して前記ヘッダの前記チャンバと流体流連通し、前記出口端部は、第２の開口を通して前記少なくとも１つの伝熱管の前記入口開口と流体連通し、前記第１の開口が比較的小さい流路面積を有するコネクタと、
を備えることを特徴とする冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１３】
前記コネクタの前記第１の開口が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１４】
前記コネクタの前記流体流経路が、前記第１の開口から前記第２の開口にかけて、内部を流れる流体の方向と断面が広くなる末広がりの流体流経路からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１５】
前記コネクタの前記第の１開口が、膨張オリフィスからなることを特徴とする請求項１４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な円形以外の断面を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な長方形の断面を有することを特徴とする請求項１６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの伝熱管が、平坦な概ね長円形の断面を有することを特徴とする請求項１６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１９】
前記複数の流路の各々が、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１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２０】
前記複数の流路の各々が、長方形の断面、三角形の断面または台形の断面の群から選択された流れ経路を画定することを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２１】
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１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２２】
前記熱交換器が、シングルパス熱交換器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２３】
前記熱交換器が、マルチパス熱交換器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２４】
前記熱交換器が、凝縮器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２５】
前記熱交換器が、蒸発器からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【国際調査報告】
2008528943.tif 000015