(57)【要約】冷凍システムは、システム動作の少なくとも第１のモードにおいて、流路に沿って冷媒を流す圧縮機と、第１のモードにおいて、圧縮機の下流の流路内にある第１の熱交換器と、第１のモードにおいて、圧縮機の上流の流路内にある第２の熱交換器と、第１のモードにおいて、第１の熱交換器の下流でかつ第２の熱交換器の上流の流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、を備え、第１の熱交換器および第２の熱交換器の少なくとも一方が、扁平管の熱交換器からなる。
2008533427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム動作の少なくとも第１のモードにおいて、流路に沿って冷媒を流す圧縮機と、
前記第１のモードにおいて、前記圧縮機の下流の前記流路内にある第１の熱交換器と、
前記第１のモードにおいて、前記圧縮機の上流の前記流路内にある第２の熱交換器と、
前記第１のモードにおいて、前記第１の熱交換器の下流でかつ前記第２の熱交換器の上流の前記流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、
を備え、
前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方が扁平管の熱交換器からなる冷凍システム。
【請求項２】
前記扁平管の熱交換器が、ほぼ長方形の外形を有するコンジットを備え、このコンジットが、冷媒流を運ぶための少なくとも１つの内部流れポートを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記長方形の外形が短い辺と長い辺を有し、前記短い辺が熱交換流体の流れに対向するように前記流路が配置されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記短い辺が約０．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの長さを有し、前記長い辺が約１２．７ｍｍ〜約１０１．６ｍｍの長さを有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記コンジットが約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの流れ水力直径を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記扁平管の熱交換器が、複数の実質的に平行な流路を画定する蛇行した構成の扁平管からなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記扁平管の熱交換器が、ほぼ平行な流路を有するように配置され、これらの流路が同一の垂直面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
１インチあたりのフィンが最大約２０個までのフィン密度でフィンが存在することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記蛇行した構成が、約５ｍｍ〜約５０ｍｍの管ピッチを有することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の熱交換器が複数の列の扁平管の熱交換器であり、該複数の列が約１２．７ｍｍ〜約５０ｍｍの列ピッチを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記扁平管の熱交換器から熱交換媒体の流路を横切るように延びるフィンをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記扁平管の熱交換器から延び、該熱交換器およびフィン上の凝縮物を排出するスロットまたはルーバを有するフィンをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記扁平管の熱交換器が、単一の入口および単一の冷媒出口を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記扁平管の熱交換器が、銅またはアルミニウムから作られた扁平管からなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記扁平管の熱交換器が、該扁平管の熱交換器内にある冷媒と熱交換流体との向流の熱交換を提供するように、該熱交換流体の流路に沿って配置された複数の列の扁平管の熱交換器構成要素からなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記冷媒の質量が主にＣＯ2からなり、前記第１および第２の熱交換器が冷媒−空気熱交換器であることを特徴とする請求項０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムが、遷臨界蒸気圧縮モードで動作するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
請求項１に記載のシステムを備える飲料冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器の管の設計に関し、詳しくは、熱交換器のための空間が不足している用途に使用され、かつ／または遷臨界蒸気圧縮システム（ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）に関連して使用される熱交換器の設計に関する。
【０００２】
なお本願は、２００５年３月１８日に出願された仮出願第６０／６６３９５７号の出願日の権利を主張するものである。さらに、本願と同日付で出願された「ＨＩＧＨ  ＳＩＤＥ  ＰＲＥＳＳＵＲＥ  ＲＥＧＵＬＡＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＴＲＡＮＳＣＲＩＴＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」という名称の整理番号０５−２５８−ＷＯの同時係属出願、および前述の仮出願第６０／６６３９６２号は、従来技術および発明性のある冷却システムを開示している。上記の出願の開示は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
様々な冷凍用途および他の空気処理用途に使用される熱交換器などの熱交換器に関連する関心のひとつは、熱交換効率である。フィンやその類似物を有する管を備える様々な型式の熱交換器が提供されている。比較的小さな空間を占めつつ優れた熱交換効率をもたらす熱交換器の構成がなおも求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の主な目的は、この要求を満たす熱交換器を提供することである。
【０００５】
本発明の他の目的および利点は、本明細書において明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって、前述の目的および利点が達成される。
【０００７】
本発明によれば、システム動作の少なくとも第１のモードにおいて、流路に沿って冷媒を流す圧縮機と、第１のモードにおいて、圧縮機の下流の流路内にある第１の熱交換器と、
第１のモードにおいて、圧縮機の上流の流路内にある第２の熱交換器と、第１のモードにおいて、第１の熱交換器の下流でかつ第２の熱交換器の上流の流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、を備え、第１の熱交換器および第２の熱交換器の少なくとも一方が、扁平管の熱交換器からなる冷凍システムが提供される。
【０００８】
扁平管の熱交換器は、単一扁平管の熱交換器を蛇行状に折り曲げることによって画定された熱交換器であることが好ましい。さらに、扁平管の熱交換器そのものが、冷媒を運ぶコンジットを有利に備え、コンジットは、高さつまり短い方の寸法と、幅つまり長い方の寸法と、を有し、短い寸法が空気などの熱交換媒体の流れに対向するように熱交換器が配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は蒸気圧縮システムに関し、詳しくは、これらのシステムの熱交換器の管構成に関し、特にＣＯ2を用いて動作されるような遷臨界蒸気圧縮システムの熱交換器の管構成に関する。
【００１０】
遷臨界ＣＯ2冷凍システムの場合、ピーク効率を維持するために、高サイド（ガスクーラ）熱交換器の出口における高温流体と低温流体との温度差を最小限に抑えることが重要である。所与の温度、圧力および質量流束で、従来のＨＦＣよりＣＯ2の密度が高いため、ＣＯ2に関する冷媒サイドの熱伝達係数および圧力降下は、比較的小さい。したがって、ＣＯ2熱交換器では、冷媒の質量流束を高めることにより、ＣＯ2の熱伝達係数だけでなくＣＯ2の圧力降下も大きくする必要がある。しかし、実際の効果は、より高いサイクル効率が得られるように、ＣＯ2の圧力降下をある限度より小さく制限しつつ、全体的な熱交換器の効果を高めるようにするべきである。
【００１１】
ボトル冷却機ないし飲料冷却機や他の冷凍用途などの幾つかの用途に対し、空気サイドの汚れの理由から、空気サイドの表面積をフィンの形式で増やすことが制限され、延いては総表面積が制限される。これにより、熱交換器は、空気サイドの遮断を低くし、かつ冷媒サイド（すなわちＣＯ2）に対する抵抗を著しく低くする必要がある。
【００１２】
さらに蒸発器の場合には、全体的な熱交換効率および圧縮機動作の信頼性を向上させるため、熱交換器は、冷媒を均一に分配し、凝縮物を十分に排出すべきである。
【００１３】
本発明の熱交換器は、平坦面、単一／複数のポート、単一の蛇行体、複数の列、向流、十字形の向流（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｎｔｅｒｆｌｏｗ）、高い熱伝達係数、低いコスト、適切な材料、耐食性、高い破裂強さ、製造の容易さ、ならびにＣＯ2のボトル冷却機の冷凍システムに関する大きさ、効率、コストおよび信頼性の制約条件を達成するのを助ける空気遮断の低減という利便性を合わせ持つ。
【００１４】
全体的な熱交換器の効果を高める方法の１つが、扁平管の熱交換器を有することである。
【００１５】
図１は、圧縮機１２と、図１の矢印によって示される通常の動作モードでは圧縮機１２に対して下流にある熱交換器である熱放出熱交換器１４と、熱交換器１４の下流に配置された膨張装置１６と、膨張装置１６の下流にある熱吸収熱交換器１８と、を有する冷凍システム１０を示している。システム１０における熱交換器１８からの流れは、圧縮機１２へ戻される。
【００１６】
図１は、ファン２２によって熱交換器１４を通過するように流される空気などの熱交換媒体の第１の流れ２０を示している。この流れは、熱交換器１４を通過する冷媒によって放出された熱を取り込む。
【００１７】
図１は、ファン２６によって熱交換器１８を通過するように流される空気の他の流れ２４も示している。流れ２４は処理空間内の空気の一部を表しており、この空気は熱交換器１８を通過する冷媒によって冷却される。
【００１８】
上述のように、本発明により、ＣＯ2などの遷臨界冷媒を用いる蒸気圧縮システムにおいて特に有用とされる改良した熱交換器の管の構成を提供する。
【００１９】
図２は、遷臨界蒸気圧縮システム２８の一部を示し、圧縮機１２、熱交換器１４、熱交換器１８を、この特定の構成におけるそれらの占有位置に示している。
【００２０】
図３は、類似した構造の側面の概略であり、これも圧縮機１２、熱交換器１４、熱交換器１８を示している。
【００２１】
以下に記述するように、本発明による扁平管の熱交換器は、熱交換器の管によって占められる各空間の機能を高め、熱交換器が占める空間を小さくすることができるように利用することができ、それによって、これらの空間を他の収容に使用できるように開放する。例えば図２と図３とを見比べてみると、熱交換器１４として本発明による扁平管の熱交換器が実装される場合、図３に示される熱交換器がいくつかの異なる構成要素からなるのに対して、図２に示されるように単一の熱交換器による使用を可能にすることが容易に明らかであろう。
【００２２】
図４〜図８は、前述の扁平管の熱交換器に関する本発明の様々な実施例を示している。
【００２３】
図４は、図示されるように実質的に蛇行した構造に形成された扁平管３０の概略を示している。扁平管３０の長い寸法に沿って空気が流れるように空気流３２を受けるように扁平管３０を配置し、それによって媒体である空気流れ３２と扁平管３０内の冷媒との間の熱交換効率を改善する。
【００２４】
図４はさらに、フィン３４を示す。これらのフィンは、空気流３２を横切るように延びて媒体と冷媒との熱交換能力を高めるように、本発明による扁平管３０から延在するように有利に配置される、あるいは扁平管の熱交換器と有利に接続される。
【００２５】
図５および図６はさらに、本発明による扁平管の熱交換器を示している。図５は、単列の扁平管の熱交換器を示す。この単列の扁平管の熱交換器は、実質的に蛇行した構成つまり構造体３６に構成され、構造を画定する単一の扁平管が蛇行する形状に折り曲げられて、互いにほぼ平行な複数の部分３７すなわち流路を画定する。図５に示される実施例では、図４の実施例と同様に、構造体３６を通る冷媒の流れを扱うための単一の冷媒入口３８および単一の冷媒出口４０がある。図のように、扁平管３０の短い縁部が好ましくは流れ３９に対向するように、かつ扁平管３０の長い寸法つまり幅が流れ３９にほぼ平行になるように構造体３６を有利に配置し、空気流３９と相互作用するようにする。
【００２６】
図のように、本発明による扁平管の熱交換器は、冷媒コンジットによって画定される。この冷媒コンジットは、ほぼ長方形の外形を有し、冷媒を運ぶための流路を扁平間の内部に画定している。
【００２７】
また図９ａおよび図９ｂを参照すると、扁平管４６の外形は、ほぼ長方形である。このほぼ長方形の外形は、相対的に短い辺４７と相対的に長い辺４９とを有する。相対的に短い辺４７は、約０．４５ｍｍ〜約４ｍｍの長さを有することが好ましい。相対的に長い辺４９つまり長方形の幅は、約１２．７ｍｍ〜約１０１．６ｍｍの長さつまり寸法を有することが好ましい。
【００２８】
また、図７および図８を参照すると、本発明による扁平管の熱交換器の実質的に蛇行した構造体３６が、一連の実質的に平行な流路を画定していることが容易に理解されよう。本発明によれば、管ピッチ５０つまり実質的に平行な流路の管間の距離は、横方向に中心から中心への測定で、約５ｍｍ〜約５０ｍｍであることが好ましいと見出されている。図４および図７に示されるように、可能であればフィンを配置し、熱交換を所望される通りにさらに高めることが好ましい。フィンを含ませることができる場合には、最大でフィン約２０個／インチ（２．５４ｃｍ）のフィン密度で配置させることが好ましい。
【００２９】
図６についての考察から、蛇行した実質的に扁平管の熱交換器構造体３６を、複数の列４２、４４として設け、先に第１の列４２を通り続いて第２の列４４を通る空気流３９に対処させることも可能であると容易に理解されよう。これに関して、本発明に従って、そのような列を、列ピッチ５２つまり各列の中心から隣の列の中心までの距離を、約１２．７ｍｍ〜約５０ｍｍとして配置することが好ましい。本発明によれば、熱交換器は、少なくとも最大約２０列まで並べて設けられることが可能であり、その場合に本発明に従って優れた成果を提供する。
【００３０】
上述のように、扁平管の熱交換器内に画定される冷媒の内部流路は、様々な異なる形状を有し得る。図９ａおよび図９ｂは、２つの実施例を示している。図９ａの実施例には、本発明による扁平管４６の断面が示されている。この扁平管４６の内部空間の全体が冷媒流のために提供される。
【００３１】
一方、図９ｂに示される扁平管４６は、扁平管４６の長さに沿って実質的に平行に延在する連続したほぼ円形の流路４８（この場合には５つの円形流路）として画定される流路を有する。
【００３２】
上述のような熱交換器は、従来の円形管に比べて、扁平管により空気サイドの遮断が低減される理由から、冷媒の質量流束が高く（したがってＣＯ2の熱伝達係数が高い）、かつ空気サイドの圧力降下が小さく抑えられるため、全体的に高い熱伝達係数を提供する。扁平管の流路断面積に基づいて扁平管の全長を設計することにより、ＣＯ2の圧力降下を許容限界より小さく抑えて、動作条件の範囲においてサイクル効率を高くすることができる。
【００３３】
さらに蒸発器として動作させる場合、単一回路（１つの入口および１つの出口）を使用すれば、複数の入口および出口を有する熱交換器（従来型のまたは扁平管）の場合に本質的に存在するＣＯ2の不均一分布をなくすことができる可能性がある。また、図４に示される垂直面に各管が配置されるように、熱交換器の向きを決めるべきであり、フィンにはスロット／ルーバを設けることができる。これにより、扁平管の熱交換器を蒸発器として使用する際に制限因子となり得る凝縮物を、扁平管およびフィン表面から十分に確実に排出させることができる。
【００３４】
扁平管の熱交換器は、１つまたは複数のポートを有し得る。複数のポートは、遷臨界ＣＯ2蒸気圧縮冷凍システムの本質的な特徴である高い動作圧力に対する耐久性を付加し、かつＣＯ2の圧力降下を小さく抑え、延いては熱的性能を高めることを助ける。
【００３５】
扁平管（単一または複数のポート）は、銅、アルミニウム、あるいは他の適切な材料から容易に作製することが可能であり、これらの材料は、遷臨界ＣＯ2冷凍システムの高い破裂圧力に耐えることができ、図に示されるような１つの連続的な蛇行した熱交換器を形成するように折り曲げられ、かつ／または一端もしくは両端で蝋付けされ得る。フィンは、管の平坦面に機械的に接続されるか、または蝋付けされ得る。さらに、熱交換器の耐食性を高めるために、管および／またはフィンの材料に、（コーティング、加熱などの）処理を施してもよい。
【００３６】
他の設計において、これらの蛇行した単一扁平管の熱交換器の複数の列を、ある列から隣の列へ流れるように単一の循環（ｓｉｎｇｌｅ  ｃｉｒｃｕｉｔｉｎｇ）を維持しつつ相互接続することで、効率が高いことで知られている（空気とＣＯ2との間の）向流の配置によく似た配置にすることができる。ピークのサイクル効率を維持するために高温流体と低温流体との温度勾配が最小でなければならないＣＯ2ガスクーラにとって、向流に配置することは、きわめて重要である。
【００３７】
このような熱交換器はＣＯ2ボトル冷却機の用途にとても有用であろう。なぜなら、ＣＯ2ボトル冷却機では、熱交換器の設計が空間およびコストの制限によって極めて制約され、既存の円形管のプレートフィン熱交換器では実行できそうな解決策を提供することができないからである。
【００３８】
本発明は、ボトル冷却機などの小型の商用冷凍システムにとって特に有益である。
【００３９】
蒸気圧縮システムに用いる既存の熱交換器は、一般に、１〜７ｍｍまたはそれより大きな管径を有する円形管のプレートフィン熱交換器である。遷臨界ＣＯ2蒸気圧縮システムでは、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａなどのような従来のＨＦＣ冷媒に比べて高密度のＣＯ2を使用するので、このような円形管によって提供される効率は低い。扁平管（複数ポート）の熱交換器は、典型的な円形管の熱交換器よりずっと小さな流路断面積を有し、空気サイドの流れ抵抗を低下させ、冷媒サイドの熱伝達係数を向上させることがよく知られている。しかし、このような熱交換器の使用は、冷媒の不均一分布、凝縮物の不十分な排出、破裂強さの低下、クロスフロー配置、ならびに両端でマニフォールドに接続される複数の管の高価な蝋付け、管表面へのフィンの蝋付け、蝋付けを容易にするための管の低熱伝導度材料などを含めた高いコストおよび製造の複雑さのような重大な技術的課題によって制限される。
【００４０】
ピーク効率を維持するためにガスクーラ（高サイドの熱交換器）の出口における高温流体と低温流体との温度勾配を最小限に抑えることがきわめて重要とされる遷臨界ＣＯ2ボトル冷却機システムのために存在するような熱交換器は見出されていない。
【００４１】
熱交換器がボトル冷却機の蒸発器として用られる場合、蛇行した単一管の垂直的な構成は、そのような熱交換器の蒸発器としての使用を制限するはずの不均一分布や凝縮物の排出のような重大な技術的課題を解消するとともに、ＣＯ2の熱伝達係数を高く維持し、ＣＯ2の圧力降下を小さく抑える。
【００４２】
本発明の熱交換器は、平坦面、単一または複数のポート、単一の蛇行した管、複数の列、高い熱伝達係数、低いコスト、適切な材料、耐食性、高い破裂強さ、製造の容易さ、ならびにボトル冷却機の冷凍システムの大きさ、効率、コストおよび信頼性の制約条件の達成を助ける空気遮断の低減という利便性を合わせもつ。
【００４３】
平坦面を有する本発明の熱交換器が小型であるという特徴により、システムの効率を維持または向上させつつ、飲料冷却機の全体の設置面積を縮小できるように、飲料冷却機内にある熱交換器の物理的な位置を変更することができる。例えば、高サイドの熱交換器を他の位置へ移動させることができ、その移動によって空いた空間を、高温面あるいは低温面などに対する空気管理のような他の目的に利用することができる。
【００４４】
このような熱交換器が小型であるという特徴により、冷凍システム内にある冷媒ないし装填物の量が減ることで、ボトル冷却機の用途に極めて制約されるコストが削減される。
【００４５】
上述のように、このような扁平管の熱交換器の様々な仕様の範囲は、管の幅つまり長い方の寸法が１２．７ｍｍ〜１０１．６ｍｍ、管の高さつまり短い方の寸法が０．５ｍｍ〜４ｍｍ、単一または複数のポート、円形または非円形のポート、流れ水力直径が０．１ｍｍ〜３ｍｍ、管ピッチつまり管間の横方向の中心から中心までの距離が５ｍｍ〜５０ｍｍ、列ピッチつまり管間の縦方向の中心から中心までの距離が１２．７ｍｍ〜５０ｍｍ、フィン密度が１インチ（２．５４ｃｍ）あたり０〜２０個のフィン、単列または最大２０列までの複数の列とすることができる。
【００４６】
ボトル冷却機ないし飲料冷却機の用途のための高サイドの熱交換器つまりガスクーラに対して提案される好ましい実施例は、２５．４ｍｍの管幅、２．０ｍｍの管高さ、１２個の円形ポート、１．０ｍｍのポート水力直径、１２．７ｍｍの管ピッチ、１インチ（２．５４ｃｍ）あたり４つのフィン、単列の熱交換器を備える。
【００４７】
本発明の１つまたは複数の実施例に関して記述したが、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることを理解されたい。例えば、既存システムの再生産、または既存システム構成の再設計として実施される場合には、既存の構成の細部が実施例の細部に影響を及ぼす可能性がある。したがって、他の実施例も特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】蒸気圧縮システムの概略図。
【図２】本発明による蛇行した単一扁平管の熱交換器を有するカセットを示す図。
【図３】ＣＯ2蒸気圧縮システムのカセットの概略図。
【図４】本発明による蛇行した単一扁平管の単列の熱交換器の概略図。
【図５】本発明による蛇行した単一扁平管の単列の熱交換器の概略図。
【図６】本発明による蛇行した扁平管の２列の熱交換器を向流で示す図。
【図７】本発明による蛇行した単一扁平管の蒸発器を示す図。
【図８】本発明による蛇行した単一扁平管の蒸発器を示す図。
【図９ａ】本発明による扁平管の熱交換器の実施例の断面図。
【図９ｂ】本発明による扁平管の熱交換器の実施例の断面図。
【図１】
2008533427.tif 000003
【図２】
2008533427.tif 000004
【図３】
2008533427.tif 000005
【図４】
2008533427.tif 000006
【図５】
2008533427.tif 000007
【図６】
2008533427.tif 000008
【図７】
2008533427.tif 000009
【図８】
2008533427.tif 000010
【図９ａ】
2008533427.tif 000011
【図９ｂ】
2008533427.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月21日(2007.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008533427.tif 000013
【図２】
2008533427.tif 000014
【図３】
2008533427.tif 000015
【図４】
2008533427.tif 000016
【図５】
2008533427.tif 000017
【図６】
2008533427.tif 000018
【図７】
2008533427.tif 000019
【図８】
2008533427.tif 000020
【図９ａ】
2008533427.tif 000021
【図９ｂ】
2008533427.tif 000022
【国際調査報告】
2008533427.tif 000023
2008533427.tif 000024