(57)【要約】ミニチャネル熱交換器において均一な冷媒の流れを促進する方法および装置で、膨張装置と入口ヘッダとの間に気液分離器を設けることによって、冷媒蒸気は、直接、圧縮機に進み、液体冷媒のみが入口ヘッダに進む。気液分離は、フロート弁によって、液体冷媒が圧縮機に流れるのを妨げ、冷媒蒸気が出口マニホルドから弁を通って入口マニホルドに逆流するのを妨げることで、気液分離が達成される。液体から残留蒸気を全て取り除く目的で、第２フロート弁を入口マニホルドの下流端と圧縮機との間に設けてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口マニホルドおよび出口マニホルドを有し、該マニホルド間において冷媒流を導く複数の並流ミニチャネルによって前記入口マニホルドおよび前記出口マニホルドが流体的に相互に接続されている熱交換器用液体蒸気分離器であって、
前記入口マニホルドと、二相冷媒を送るように構成された膨張装置との間で流体的に接続された入口チャンバと、
前記入口チャンバと圧縮機入口との間で流体的に相互に接続されたバイパスダクトと、
前記バイパスダクト内に配置されて、冷媒蒸気の前記圧縮機への流れを許容し、かつ液体冷媒の前記圧縮機へ流れを防ぐように動作可能な弁と、
を備えることを特徴とする熱交換器用気液分離器。
【請求項２】
前記入口チャンバは、入口ラインによって前記膨張装置に接続され、さらに、前記入口ラインは、前記入口チャンバの上部において前記入口チャンバに接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項３】
前記入口チャンバは、前記入口マニホルドに液体冷媒が流れるように構成され、前記入口チャンバの液体冷媒の存在によって、前記入口マニホルドへの冷媒蒸気の流れを妨げることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項４】
前記弁は、フロート弁からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項５】
前記フロート弁は、出口ポートと、前記出口ポートに密接して前記出口ポートをシールする上方に移動可能なフロート部材と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項６】
前記弁は、入口ポートをさらに含み、前記フロート部材が下方に移動すると、前記フロート部材が前記入口ポートに密接することができ、冷媒蒸気が前記入口ポートを通って流れるのを妨げることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項７】
前記出口マニホルドは、前記圧縮機に流体的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項８】
前記入口マニホルドの下流端を前記圧縮機に流体的に接続する導管と、前記導管内に液体から残留蒸気を全て取り除くために配置された弁と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項９】
前記弁は、フロート弁を備え、該フロート弁は、出口ポートと、この出口ポートに密接する上方に移動可能なフロート部材と、を有することを特徴とする請求項８に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項１０】
前記弁は、前記フロート部材が密接可能な入口ポートを含むことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項１１】
熱交換器の入口マニホルドから、該入口マニホルドに流体的に接続された複数のミニチャネルへと流れる均一な冷媒の流れを促進する方法であって、
前記入口マニホルドを膨張装置に流体的に相互に接続させる入口チャンバを設けるステップであって、前記膨張装置は、前記入口チャンバに二相冷媒を送るように構成されているステップと、
前記入口チャンバと圧縮機入口とを流体的に相互に接続させるバイパスダクトを設けるステップと、
冷媒蒸気が前記圧縮機に流れ、液体冷媒が前記圧縮機に流れないように、前記バイパスダクト内に弁を設けるステップと、
を備えることを特徴とする均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１２】
入口ラインによって、前記膨張装置を前記入口チャンバの上部に接続するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１３】
前記弁は、フロート弁を含むことを特徴とする請求項１１に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１４】
前記フロート弁は、出口ポートと、前記出口ポートに密接して前記出口ポートをシールする上方に移動可能なフロート部材と、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１５】
前記弁は、入口ポートをさらに含み、前記フロート部材は、冷媒蒸気が前記入口ポートを通って下方に流れるのを妨げるように、下方に動いて前記入口ポートに密接することを特徴とする請求項１４に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１６】
前記出口マニホルドを前記圧縮機に流体的に接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１７】
前記入口マニホルドの下流端を前記圧縮機に流体的に相互接続させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１８】
液体から残留蒸気を全て除去するために前記導管内に弁を設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１９】
前記弁は、フロート弁を含み、前記フロート弁は、出口ポートと、該出口ポートに密接する上方に移動可能なフロート部材と、を有することを特徴とする請求項１８に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項２０】
前記弁は、前記フロート部材が密接可能な入口ポートを含むことを特徴とする請求項１９に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、空調システムおよび冷蔵システムに関し、より詳細には、該システムの並流蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる並流熱交換器の定義は、空調および低温産業において現在、広く用いられており、その定義によると、複数の並流通路を有する熱交換器で、冷媒がそれらの通路に分配され、入口マニホルドと出口マニホルドとの冷媒流の方向にほぼ実質的に垂直な向きで流れる熱交換器を表す。この定義は、当技術分野内では周知であり、本明細書全体を通して用いる。
【０００３】
冷媒システム蒸発器における冷媒の不均衡分配は、よく知られている現象である。冷媒の不均衡分配は、広い範囲の動作条件に亘って、蒸発器やシステム全体の性能を著しく低下させる。冷媒の不均衡分配が生じる原因は、蒸発器流路内の流れインピーダンスの相違、外部伝熱面上の不均一な空気流の分配、不適切な熱交換器の配向、または、マニホルドや分配システムの設計の悪さが考えられる。並流蒸発器においては、冷媒の各冷媒回路へのルーティングに関する特定の設計を原因とした、不均衡分配が特に顕著である。並流蒸発器の性能に関するこの現象の影響を排除または低減しようとする試みは、ほとんど、または全く成功していない。これら失敗の主な理由は、通常、提案された技術の複雑さと非効率性、または、解決法の法外に高い費用に関連するものである。
【０００４】
最近、並流熱交換器や、特にろう付けアルミニウム熱交換器は、自動車分野だけでなく、暖房、換気、空調、低温（ＨＶＡＣ＆Ｒ）産業においても、非常に注目と関心を集めている。並流技術を採用する主な理由は、その優れた性能、非常に小型であること、耐食性が強化されていることに関連する。並流熱交換器は、現在、多数の製品やシステムの設計、構成に、凝縮器用途および蒸発器用途の両方で利用されている。蒸発器用途の方が、より利益および見返りが期待できるが、より困難で、問題が多い。冷媒の不均衡分配は、蒸発器用途でこの技術を実施するにあたっての主な懸念であり、障害の１つである。
【０００５】
公知のように、並流熱交換器において冷媒の不均衡分配が生じる原因は、流路内、入口マニホルド内、および出口マニホルド内で、の不均一な圧力低下と、マニホルド設計と分配システム設計の悪さである。マニホルドにおいては、冷媒経路の長さの相違、相の分離、および、重力が、不均衡分配の主な要因である。熱交換器の流路内部では、熱伝達率のばらつき、空気流分配、製造上の公差、重力が、主要な要因である。さらに、熱交換器性能強化という最近の傾向は、熱交換器の流路の小型化（いわゆるミニチャネルやマイクロチャネル）を促進し、その結果、冷媒分配に否定的な影響を与えた。これら全ての要因を制御することは極めて困難なので、特に並流蒸発器において、冷媒分配を管理するというこれまでの試みの多くは失敗に終わった。
【０００６】
並流熱交換器を利用する冷媒システムにおいて、入口マニホルドおよび出口マニホルドすなわちヘッダ（マニホルドおよびヘッダという用語は、本明細書を通して、相互に置き換えて用いる）は、通常、従来の円筒形である。二相流がヘッダに入ると、気相は、通常、液相から分離される。両方の相が別々に流れるので、冷媒の不均衡分配が生じる傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
二相流が、比較的高い流速で入口マニホルドに入る場合、液相（液滴）は、流れの運動量によって、マニホルドの入口から遠く離れたヘッダの遠隔部分に運ばれる。従って、マニホルドの入口に最も近い流路は、主に気相を受け取り、マニホルドの入口から離れた流路は、主に液相を受け取る。他方、マニホルドに入る二相流の流速が低い場合、液相をヘッダに沿って運ぶ十分な運動量がない。結果として、液相は、入口に最も近い流路に入り、気相は、最も遠い流路へと進む。また、入口マニホルド内の液相と気相は、重力によって分離される場合があり、同様の不均衡分配という結果を引き起こす。どちらの場合においても、不均衡分配の現象は、すぐに表面化し、蒸発器やシステム全体の性能の低下という形で現れる。
【０００８】
管‐フィン型熱交換器においては、管群に入る冷媒を比較的均一に膨張させるために、各管につながる個々の毛細管または他の膨張装置を設けることが一般的な方法である。別の取り組みとしては、同じ目的で、いわゆる「ディキシーカップ（ｄｉｘｉｅ  ｃｕｐ）」等の個々の膨張装置を各管に開く入口に設けてきた。ミニチャネルまたはマイクロチャネル用途においては、流路が比較的小さく、流路の間隔が狭いので、実際問題として、製造工程で個々の制限装置を各流路内に設置することができず、これらの取り組みのどちらも実用的ではない。
【０００９】
空調産業および低温産業においては、「並流」および「ミニチャネル」（または「マイクロチャネル」）は、上述の熱交換器に関して、相互に置き換えて用いられることが多い。従って、我々も同様の習慣に従う。さらに、ミニチャネル熱交換器およびマイクロチャネル熱交換器は、流路のサイズ（いわゆる水力直径）が異なるのみであり、両方とも、同等に本発明の教示より利益を得ることができる。全てのクラスのこれらの熱交換器（ミニチャネルおよびマイクロチャネル）を、本明細書および請求項を通してミニチャネル熱交換器と呼ぶ。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によると、気液分離器が、膨張装置と入口ヘッダとの間に設けられ、その気液分離器は、冷媒蒸気を直接圧縮機に進ませ、液体冷媒のみを入口マニホルドに進ませる。このようにして、個々の並流通路への液体冷媒のより均一な分配が達成される。
【００１１】
本発明の別の態様によると、気液分離器は、フロート弁を備え、フロート部材は垂直に動くように配向されて、冷媒蒸気がその周りを流れるのを可能にし、液体冷媒がフロート弁に流れると、フロート部材は密接して、液体冷媒の流れを妨げる。
【００１２】
本発明のさらに別の態様によると、第２フロート弁を入口マニホルドの下流端と、圧縮機と、の間に相互に接続し、液体冷媒からの残留蒸気を直接、圧縮機に送る。
【００１３】
図に好ましい実施形態を示すが、様々な他の修正および代替の構成は、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１を参照すると、ミニチャネル熱交換器１１に適用された本発明を符号１０として、概略的に示す。ミニチャネル熱交換器１１は、入口マニホルド１２と、出口マニホルド１３と、入口マニホルド１２と出口マニホルド１３とを相互に接続する複数の並流ミニチャネル１４と、を有する。
【００１５】
入口チャンバ１６は、導管１８によって、入口マニホルド１２の上流端１７に流体的に接続される。入口チャンバ１６の上部で、入口ライン１９は、膨張装置からの流体連通を提供し、液体冷媒と蒸気冷媒の混合物が入口チャンバ１６の上部に流れる。重いほうの液体冷媒は、入口チャンバ１６の底に沈みやすく、導管１８を通って入口マニホルド１２に流れるので、並流ミニチャネル１４の各々は、その入口端に単相の液体冷媒が存在する。
【００１６】
入口チャンバ１６の上部には、矢印で示すように圧縮機に冷媒蒸気流を導くバイパスダクト２１も接続されている。バイパスダクト２１内に配置されるフロート弁２２は、入口ポート２３と、出口ポート２４と、フロート部材２６と、を有する。
【００１７】
運転中、二相冷媒が入口ライン１９に入ると、液体冷媒は、入口チャンバ１６の下部に沈み、冷媒蒸気は、圧縮機の吸込みによって上方に引き寄せられる。冷媒蒸気がフロート弁２２に入ると、フロート部材２６の周囲を通り、出口ポート２４を通って圧縮機に進む。液体冷媒が、フロート弁２２に入ると、フロート部材２６を持ち上げ、フロート部材２６は、圧縮機に液体が流れるのを妨げるように、出口ポート２４に係合して密接する。これにより、液体冷媒は、フロート弁の下部に沈み、入口チャンバ１６へと流れる。
【００１８】
出口マニホルド１３は、出口ライン１５によって圧縮機に流体的に取り付けられるので、液体冷媒がミニチャネル１４を通って蒸気に変化し、出口マニホルド１３に入ると、冷媒蒸気は圧縮機に引き寄せられる。なお、出口ライン１５からの蒸気が、バイパスダクト２１に流れ込む傾向がある場合、フロート部材２６は入口ポート２３に密接させられて、蒸気が入口チャンバ１６に入るのを妨げる。
【００１９】
図２を参照すると、類似の配置が示されているが、これは付加的な特徴を有している。入口マニホルド１２の下流端２７に、導管２８が接続されて、第２フロート弁２９によって圧縮機と流体連通させる。このフロート弁分離器は、上述したフロート弁２２と同様に動作して、入口マニホルド１２の下流端２７に存在し得る残留蒸気を全て除去する。すなわち、マニホルド１２の液体冷媒は全て、ミニチャネル１４を通って上向きに流れ、残留蒸気は全て、導管２８、フロート弁２９を通って上向きに圧縮機へと向かう。
【００２０】
図２の実施形態においては、図１の実施形態の入口チャンバ１６が、容器形状から簡単なパイプ配置３１に変更されていることが分かる。パイプ配置３１は、収容する液体冷媒は少なくなるが、上述の入口チャンバ１６と実質的に同様に動作する。
【００２１】
上述の図１，図２の実施形態は、マニホルド１２，１３が水平に配設され、ミニチャネル１４が垂直に配設されるように、熱交換器１１が配向されている配置に関する。図３の実施形態は、ヘッダが垂直に配向され、ミニチャネルが水平に配向される構成で用いられるとして、本発明を示している。
【００２２】
ミニチャネル熱交換器３２は、マニホルド３３と、マニホルド３４と、並流ミニチャネル３６と、を有する。マニホルド３３は、上部３７と、下部３８とに分けられ、下部３８のマイクロチャネル３６は、冷媒流をマニホルド３４に導くように機能し、上部３７のミニチャネルは、マニホルド３４からの冷媒流をマニホルド３３の上部３７に戻すように機能する。この場合も、入口マニホルド３３の上部３７を圧縮機に接続するライン４１にフロート弁３９が、設けられる。このフロート弁は、図２の実施形態のフロート弁２９と同様に動作して、液体から全ての残留蒸気を取り除く。
【００２３】
図４の実施形態においては、マニホルド３４の下流端と圧縮機の吸込口との間に流体連通のための導管４２が設けられる。フロート弁４３が設けられ、上述のフロート弁と同様に動作する。フロート弁４３の目的は、熱交換器の第１パス後に生じる蒸気を全て分離して、液体冷媒のみを、熱交換器の第２パスに供給することである。
【００２４】
上述の気液分離器の各々において、フロート部材および弁座は、密度、浮力、および密接する力の要件に関して、並びに材料の適合性を考慮して、冷媒流体に一致するように選択される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態の概略図。
【図２】図１の実施形態を変更した図。
【図３】本発明の別の実施形態を示す図。
【図４】図３の実施形態を変更した図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月18日(2006.10.18)
【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】
入口マニホルドおよび出口マニホルドを有し、該マニホルド間において冷媒流を導く複数の並流ミニチャネルによって前記入口マニホルドおよび前記出口マニホルドが流体的に相互に接続されている熱交換器用液体蒸気分離器であって、
前記入口マニホルドと、二相冷媒を送るように構成された膨張装置との間で流体的に接続された入口チャンバと、
前記入口チャンバと圧縮機入口との間で流体的に相互に接続されたバイパスダクトと、
前記バイパスダクト内に配置されて、冷媒蒸気の前記圧縮機への流れを許容し、かつ液体冷媒の前記圧縮機へ流れを防ぐように動作可能なフロート弁と、
を備えることを特徴とする熱交換器用気液分離器。
【請求項２】
前記入口チャンバは、入口ラインによって前記膨張装置に接続され、さらに、前記入口ラインは、前記入口チャンバの上部において前記入口チャンバに接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項３】
前記入口チャンバは、前記入口マニホルドに液体冷媒が流れるように構成され、前記入口チャンバの液体冷媒の存在によって、前記入口マニホルドへの冷媒蒸気の流れを妨げることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記フロート弁は、出口ポートと、前記出口ポートに密接して前記出口ポートをシールする上方に移動可能なフロート部材と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項６】
前記弁は、入口ポートをさらに含み、前記フロート部材が下方に移動すると、前記フロート部材が前記入口ポートに密接することができ、冷媒蒸気が前記入口ポートを通って流れるのを妨げることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項７】
前記出口マニホルドは、前記圧縮機に流体的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項８】
前記入口マニホルドの下流端を前記圧縮機に流体的に接続する導管と、前記導管内に液体から残留蒸気を全て取り除くために配置された前記フロート弁と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項９】
前記フロート弁は、出口ポートと、この出口ポートに密接する上方に移動可能なフロート部材と、を有することを特徴とする請求項８に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項１０】
前記フロート弁は、前記フロート部材が密接可能な入口ポートを含むことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器用気液分離器。
【請求項１１】
熱交換器の入口マニホルドから、該入口マニホルドに流体的に接続された複数のミニチャネルへと流れる均一な冷媒の流れを促進する方法であって、
前記入口マニホルドを膨張装置に流体的に相互に接続させる入口チャンバを設けるステップであって、前記膨張装置は、前記入口チャンバに二相冷媒を送るように構成されているステップと、
前記入口チャンバと圧縮機入口とを流体的に相互に接続させるバイパスダクトを設けるステップと、
冷媒蒸気が前記圧縮機に流れ、液体冷媒が前記圧縮機に流れないように、前記バイパスダクト内にフロート弁を設けるステップと、
を備えることを特徴とする均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１２】
入口ラインによって、前記膨張装置を前記入口チャンバの上部に接続するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
前記フロート弁は、出口ポートと、前記出口ポートに密接して前記出口ポートをシールする上方に移動可能なフロート部材と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１５】
前記フロート弁は、入口ポートをさらに含み、前記フロート部材は、冷媒蒸気が前記入口ポートを通って下方に流れるのを妨げるように、下方に動いて前記入口ポートに密接することを特徴とする請求項１４に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１６】
前記出口マニホルドを前記圧縮機に流体的に接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１７】
導管によって前記入口マニホルドの下流端を前記圧縮機に流体的に相互接続させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１８】
液体から残留蒸気を全て除去するために前記導管内に前記フロート弁を設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項１９】
前記フロート弁は、出口ポートと、該出口ポートに密接する上方に移動可能なフロート部材と、を有することを特徴とする請求項１８に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【請求項２０】
前記フロート弁は、前記フロート部材が密接可能な入口ポートを含むことを特徴とする請求項１９に記載の均一な冷媒の流れを促進する方法。
【国際調査報告】
2008528939.tif 000007