(57)【要約】熱交換器は、入口ヘッダと、出口ヘッダと、これらの間に延在する複数の扁平な多流路伝熱管と、を含む。長手方向に延在する部材が、ヘッダ内部を、部材の一方の側にあり流体を受ける第１チャンバと、部材の他方の側にある第２チャンバとに分割する。複数の多流路伝熱管がヘッダ間に延在し、各伝熱管の各入口端部が、入口ヘッダの第２チャンバ内の中まで挿入される。流体は、長手方向に延在する部材の長手方向に間隔を置いた一連の開口を通って、多流路伝熱管の流路への入口に分配される。流体は、開口を通る際に膨張する。
2008528945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の内部を有するヘッダと、
前記ヘッダの前記内部を、前記ヘッダの一方の側に位置し流体を受ける第１チャンバと、前記ヘッダの他方の側に位置する第２チャンバと、に分割する長手方向に延在する部材であって、前記部材を貫通する一連の開口が長手方向に間隔をおいて配置されている部材と、
多流路からなる冷媒流経路を内部にそれぞれ画定する複数の伝熱管であって、前記多流路からなる冷媒流経路の各流路が前記伝熱管の入口端部に入口を有し、前記複数の伝熱管の各々の前記入口端部が前記ヘッダの前記第２チャンバに挿入されるとともに、長手方向に間隔をおいて配置された前記一連の開口のうち対応する一つの開口と並置される複数の伝熱管と、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記開口の各々が、前記伝熱管の一流路につき一つの孔となるように、前記複数の伝熱管の一つと並置されて横断方向に延びる孔列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】
前記孔の各々が、前記伝熱管の流路の断面と比較して、小さい断面を有することを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記孔の各々が、膨張オリフィスを含むことを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記長手方向に延在する部材が、前記ヘッダの前記内部を、前記部材の一方の側に位置し流体を受ける第１チャンバと、前記部材の他方の側に位置し複数の末広がりの流れ経路を画定する第２チャンバと、に分割し、末広がりの流れ経路の各々が、前記第１チャンバと流体連通する単一の入口開口部と、各伝熱管の各流路と流体連通する出口開口部と、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】
前記単一の孔が、前記伝熱管の前記流路を合計した断面積と比較して、小さい断面積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】
前記単一の孔が、膨張オリフィスを含むことを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
中空の内部を有するヘッダと、
前記ヘッダの前記内部を、前記ヘッダの一方の側に位置し流体を受ける第１チャンバと、前記ヘッダの他方の側に位置する第２チャンバとに分割する長手方向に延在する部材であって、前記部材を貫通する一連の開口が長手方向に間隔をおいて配列されている部材と、
多流路からなる冷媒流経路を内部にそれぞれ画定する対となった伝熱管の複数のセットであって、前記多流路からなる冷媒流経路の各流路が前記伝熱管の入口端部に入口を有し、各伝熱管の前記入口端部が前記ヘッダの前記第２チャンバに挿入されるとともに、前記対となった伝熱管の複数のセットの各セットが、前記長手方向に間隔をおいて配列された一連の開口のうちの一列の開口とともに配置され、この一列の開口が前記セットの一対の伝熱管の各々の入口端部の中間に配列されているような伝熱管の複数セットと、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
前記長手方向に間隔をおいて配置された前記一連の開口のうち前記開口の各々が、横断方向に延びる孔列からなり、該孔列の一つの孔が前記伝熱管の一つの流路に対応するように、一つの伝熱管と前記孔列とが並置され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】
前記孔の各々が、前記伝熱管の流路の断面と比較して、小さい断面を有することを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記孔の各々が、膨張オリフィスを含むことを特徴とする請求項３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、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冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器に関し、詳しくは、熱交換器の平行管を通る二相冷媒流の分配を改善するために、入口ヘッダ内で冷媒を膨張させることに関する。
【０００２】
なお本出願は、２００５年２月２日に出願された米国仮出願第６０／６４９，４３４号「ポートへのインサートの形での制限を用いた流体膨張を伴う小流路熱交換器」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蒸気圧縮システムでは、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、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出るときに冷媒流を集め、ここで集めた冷媒流を、シングルパスの熱交換器では圧縮機に戻る冷媒ラインへ返し、マルチパスの熱交換器では他の伝熱管群を通るように導く。
【０００６】
従来、このような冷媒蒸気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の円管が用いられてきた。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、不均衡分配とも呼ばれる一様でない分配は、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。様々な要因のうち、二相の不均衡分配の問題は、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、管内を単純に狭くしたり、あるいは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させ、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、日本国特許第４０８０５７５号公報においてカンザキ他によって開示されている。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、凝縮器から流出し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。低圧の液体冷媒は、オリフィスを通って膨張し、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、開示の熱交換器において、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、開示の熱交換器においては、複数の扁平な多流路管が、一対のヘッダ間で接続しており、各管は、各管に均一に冷媒を分配する手段として、冷媒流の方向へ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、開示の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。それによって、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、環状流路に開く各々の管へ入る。
【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有する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難しく、熱交換器の効率を著しく下げることがある。
【００１２】
本発明の主な目的は、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冷媒蒸気圧縮システムの熱交換器の冷媒流の不均衡分配を低減させることである。
【００１３】
本発明の一態様の目的は、多流路管列の個々の流路に均一に冷媒を分配することである。
【００１４】
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、冷媒流が液体冷媒として単相で多流路管列の個々の管に分配されるまで、冷媒の膨張を遅らせることである。
【００１５】
本発明のさらに別の態様の目的は、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、冷媒流が液体冷媒として単相で多流路管列の個々の流路に分配されるまで、冷媒の膨張を遅らせることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様において提供される熱交換器は、中空の内部を有するヘッダと、ヘッダの内部を、部材の一方の側の第１チャンバと、部材の他方の側の第２チャンバと、に分割する長手方向に延在する部材と、多流路の冷媒流経路をそれぞれの内部に画定する複数の伝熱管と、を有する。各流路は、伝熱管の入口端部に入口を有する冷媒流経路を画定する。各管の入口端部は、ヘッダの第２チャンバに挿入された長手方向に延在する部材を貫通する単一の孔と、または長手方向に間隔をおいて配置されて部材の横断方向に延びる孔列と、並置される。流体はヘッダの第１チャンバへ入り、長手方向に延在する部材の開口を通って、伝熱管の個々の流路に分配される。
【００１７】
一実施形態において、横断方向に延在する孔列の各々は、伝熱管の１流路につき１つの孔となるように、複数の伝熱管の１つの入口端部と並列して横断方向に延在する。各孔は、伝熱管の流路の断面積と比較して、比較的小さい断面積を有し得る。孔列の各孔は、膨張オリフィスとして機能するほど断面積が小さくてよい。
【００１８】
一実施形態において、長手方向に延在する部材が、ヘッダ内部を、流体を受ける側にある第１チャンバと、複数の末広がりの流れ経路を画定する側の第２チャンバと、に分割する。末広がりの流れ経路の各々は、第１チャンバと流体連通する単一の入口開口と、各伝熱管の流路と流体連通する出口開口と、を有する。単一の入口開口は、各伝熱管の流路の合計の断面積と比較して、さらに小さい断面積であってよい。単一の入口開口は、膨張オリフィスとして機能するほど断面積が小さくてよい。
【００１９】
他の実施形態において、複数の多流路伝熱管は、伝熱管のセットとして長手方向に間隔をおいて配列される。対となった伝熱管の各セットは、長手方向に離間して配列された一連の開口の一セットと並置され、これらの開口が、各セットの一対の伝熱管の各入口端部の中間に位置するようになる。セットに含まれる開口は、同じセットの一対の伝熱管の各入口端部の中間に位置し、横断方向に延在する孔列からなり得る。伝熱管の流路の断面積と比較して、各孔の断面積は小さくてよい。孔列の各孔は、膨張オリフィスとして機能するほど断面積が小さくてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の熱交換器１０の概要を、図１に示す多流路管熱交換器の例示的なシングルパスの平行管の実施形態に関して説明する。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、を含む。本明細書に示す熱交換器１０の例示的な実施形態において、複数の伝熱管４０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、ほぼ垂直に、互いに平行に延在するような配置で示されている。入口ヘッダ２０は、ライン１４から流体を受ける内部容積を画定し、流体を伝熱管４０へ分配する。出口ヘッダ３０は、伝熱管４０から流体を集める内部容積を画定し、集めた流体をライン１６へと導く。
【００２１】
長手方向に延在する複数の多流路伝熱管４０は、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。各伝熱管４０は、入口ヘッダ２０の内部容積と流体流連通する入口端部４３と、出口ヘッダ３０の内部容積と流体流連通する出口端部と、を有する。図１，２，３，７の実施形態において、ヘッダ２０，３０は、円形断面を有し、長手方向に延びる中空でかつ閉塞端を有するシリンダである。図８，９の実施形態において、ヘッダは、半楕円形断面を有し、長手方向に延びる中空で閉塞端を有するシリンダである。図１０，図１１の実施形態において、ヘッダは、長方形断面を有し、長手方向に延びる中空で閉塞端を有するシリンダである。しかし、ヘッダは、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もよいし、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容器であってもよい。
【００２２】
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付与する。各多流路伝熱管４０は、例えば、扁平な長方形または長円形の断面をもつ「扁平な」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る。従来の先行技術の円管は、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、高さが、約２ｍｍ以下である。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を有するとして図示されている。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を有するが、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。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。
【００２３】
図２〜図６を特に参照すると、長手方向に細長い部材２２が、閉塞端を有する中空の入口ヘッダ２０の内部容積を、部材２２の一方の側の第２チャンバ２５と、部材２２の他方の側の第２チャンバ２７と、に分割するように配置されている。入口ヘッダ２０内の第１チャンバ２５は、流体入口ライン１４と流体流連通して、入口ライン１４から流体を受ける。図２〜図６に示す実施形態において、部材２２は、長手方向に細長い第１プレート２２Ａと、長手方向に細長い第２プレート２２Ｂと、を含む。プレート２２Ａとプレート２２Ｂとは、背中合わせで配置され、プレート２２Ａが第１チャンバ２５に面し、プレート２２Ｂが第２チャンバ２７に面して、ヘッダ２０の長さに亘って延在する。第１プレート２２Ａには、比較的小さい直径を有する一連の開口２１の列が、プレートの長さに沿って長手方向に離間し、かつプレートの横断方向に亘って配設されている。第２プレート２２Ｂには、プレートの横断方向に延びる一連のスロット２８が、プレートの長さに沿って長手方向に離間して設けられている。プレート２２Ａの開口２１の各列が、プレート２２Ｂの各スロット２８と対応して整列するように、開口２１の列とスロット２８の列とが互いに配置されている。部材２２にも、部材２２の横断方向に延びる比較的大きい均圧孔２３が数多く設けられ、部材２２の両側に形成されたチャンバ２５とチャンバ２７との間の圧力を均等化する。部材２２が、ヘッダ２０の内壁にろう付けや他の方法でしっかり固定される場合には、均圧孔２３を設ける必要はない。
【００２４】
熱交換器１０の各伝熱管４０は、管の入口端部４３が入口ヘッダ２０の第２チャンバ２７内に延びるように、入口ヘッダ２０の壁に設けられた嵌合スロット２６を通して挿入される。各管４０は、管の入口端部４３が第２プレート２２Ｂの対応するスロット２４内へ延びるように、十分な長さに亘って挿入さている。各管４０の入口端部４３が第２プレート２２Ｂの対応するスロット２４に挿入されると、伝熱管４０の流路４２への各入口４１が、第１プレート２２Ａの対応する開口２１の列と流体流連通し、これによって、管４０の流路４２を第１チャンバ２５と流体流連通するように接続する。第２プレート２２Ｂは、管４０を適切な位置に保持しつつ、冷媒が管４０をバイパスしないようにする。
【００２５】
熱交換器１０の伝熱管と入口ヘッダとの配置の様々な代替的実施形態を図７〜図１１に示す。図７に示す実施形態においても、部材２２が、内部容積を、部材２２の一方の側の第１チャンバ２５と、部材２２の他方の側の第２チャンバ３７とに分割する。この実施形態において、長手方向に延びる部材２２は、長手方向に延びる第２プレート２２Ｂと背中合わせにされた長手方向に延びる第１部材２２Ａを含み、この第２部材２２Ｂには、管４０に面する側に、ほぼＶ字形の形状を有する複数のトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）２９が、長手方向に間隔をおいて形成されている。プレート２２Ａは、第１チャンバ２５Ａに面しており、ヘッダ２０の長さに沿って長手方向に間隔をおいて並ぶ複数の孔２１を有する。各孔２１は、対応するトラフ２９に対して開口している。各トラフ２９は、各伝熱管４０の入口端部４３を収容するチャンバ３７を画定し、経路の頂点に位置する孔２１から、チャンバ３７内に収容された各伝熱管４０の入口端部４３まで広がって延びる末広がりの流れ経路を形成する。従って、伝熱管４０の流路４２への各入口４１は、末広がりの経路を介して、単一の開口２１に流体流連通するように開口している。
【００２６】
図８，９に示されている実施形態において、ヘッダ１２０は、閉塞端を有し、長手方向に延びる半円筒形のシェル１２２と、シェル１２２にろう付け又は他の適切な方法で固定されてシェル１２２の開口面を覆うキャップ部材１２４と、により形成されるツーピース（ｔｗｏ−ｐｉｅｃｅ）ヘッダである。シェル１２０は、半楕円形の断面を有して図示されているが、半円形、長方形、六角形、八角形、または他の断面を有していてもよい。
【００２７】
図８の実施形態において、キャップ部材１２４は、長手方向に延びるプレート状の部材であり、長手方向に離間して、横断方向に延びる複数のスロット１２３を有し、該スロットは、キャップ部材１２４の厚さの一部分に亘って延びている。各スロット１２３は、多流路管４０の各々の入口端部４３を収容するように構成されている。さらに、キャップ部材１２４には、比較的小さい直径を有する一連の孔１２１の列が、キャップ部材の長さに沿って長手方向に離間し、かつプレートの横断方向に亘って配設されている。前述の図３の実施形態のように、部材１２４の開口１２１の各列の位置と、部材１２４の対応するスロット１２３の位置と、が合致して整列するように、開口１２１の列とスロット１２３の列とが互いに配置される。 各管４０の入口端部４３が、部材１２４の対応するスロット１２３に挿入されると、伝熱管４０の流路４２の各入口４１は、部材１２４の対応する開口１２１の列と流体流連通するように開口し、これによって、管４０の流路４２がヘッダ１２０の内部のチャンバ１２５と流体流連通するように接続される。
【００２８】
図９に示した実施形態において、キャップ部材１２４は、長手方向に細長い部材を備える。この部材は、管４０に面する側に、長手方向に離間したほぼＶ字形の形状の複数のトラフ１２９を有する。トラフ１２９は、各伝熱管４０の入口端部４３を収容するチャンバ１２７を画定し、経路の頂点に位置する孔１２１から、チャンバ１２７に収容された各伝熱管４０の入口端部４３まで延びる末広がりの流れ経路を形成する。各孔１２１は、流体チャンバ１２５に流体流連通するように開口している。従って、前述した図７の実施形態のように、各伝熱管４０の流路４２への各入口４１は、末広がりの経路を介して、単一の開口２１に流体流連通するように開口している。
【００２９】
図１０，１１を参照すると、ヘッダ２２０は、中空でかつ閉塞端を有する長手方向に延びるシェル２２２で形成されたワンピースのヘッダである。シェル２２２は、長方形の断面を有して示されているが、長円形、六角形、八角形、または他の断面を有してもよい。シェル２２２の壁２２８は、長手方向に離間して横断方向に延びる複数のスロット２２３を有し、該スロットは壁の厚さの一部分に亘って延びており、各スロット２２３は、多流路管４０の各々の入口端部４３を収容するように構成されている。
【００３０】
図１０に示す実施形態において、壁２２８には、比較的小さい直径を有する一連の孔２２１の列が、壁２２８の長さに沿って長手方向に離間して、プレートの横断方向に亘って配設されている。開口２２１の各列の位置と、壁２２８にある対応するスロット２２３の位置と、が合致するように、開口２２１の列とスロット２２３の列とが互いに配置される。従って、図３，８の実施形態のように、各管４０の入口端部４３が、対応するスロット２２３の中へ挿入されると、伝熱管４０の流路４２への各入口４１は、対応する開口２２１の列と流体流連通するように開口し、これによって、管４０の流路４２が、ヘッダ２２０の内部のチャンバ２２５と流体流連通するように接続される。
【００３１】
図１１に示す実施形態において、壁２２８は、各スロット２２３と同じ幅まで広がる概ねＶ字形の形状のトラフ２２９を有する。各トラフ２２９は、各伝熱管４０の入口端部４３を収容するチャンバ２２７を画定し、経路の頂点に位置する孔２２１から、チャンバに収容される各伝熱管４０の入口端部４３まで延びる末広がりの流れ経路を形成する。各孔２２１は、流体チャンバ２２５と流体流連通するように開口する。従って、前述した図７，９の実施形態のように、各伝熱管４０の流路４２への各入口４１は、末広がりの経路を介して、単一の開口２２１に流体流連通するように開口している。
【００３２】
熱交換器１０の伝熱管と入口ヘッダとの配置の代替的な実施形態が、図１２，１３にさらに示されている。各実施形態において、長手方向に延びるプレート２２が、中空でかつ閉塞端を有する入口ヘッダ２２の内部容積内に配置されて、内部容積をプレート２２の片側の第１チャンバ２５と、プレート２２の他方の側の第２チャンバ２７と、に分割する。プレート２２には、複数の一連の孔２１の列が、プレートの長さに沿って長手方向に離間して設けられている。熱交換器１０の各伝熱管４０は、管の入口端部４３が入口ヘッダ２０の第２チャンバ２７の中へ延びるように、入口ヘッダ２０の壁の嵌合スロットを通して挿入されている。これらの実施形態において、図１の実施形態のように一つの管につき一列の開口が配設されるのではなく、一列の孔２１が、一対の伝熱管４０の各セットの間に配置されている。
【００３３】
図１２に示す実施形態において、各管４０の入口端部４３は、入口端部４３の面がプレート２２に接触するまでチャンバ２７に挿入されている。一対の管４０の各セットの入口端部において、横断方向に延びる開口４６が、孔２１の列と対面する側面４８に切り取られている。開口４６は、管４０の各流路４２への入口を、側面４８に提供する。流体は、ヘッダ２０のチャンバ２５から各々の孔２１を通り、次に対応する管４０の対となったセットの側面４８に設けられた開口４６を通って流れる。
【００３４】
図１３に示す実施形態において、各管４０の入口端部４３は、ヘッダ２０のチャンバ２５に挿入されるが、プレート２２に接触するほど深くは挿入されない。管４０の入口端部４３は、入口端部４３の面がプレート２２と間隔をおいて並置され、入口端部４３の端面とプレート２２との間にギャップ６１が生じる。流体は、ヘッダ２０のチャンバ２５から各列の孔２１を通って流れ、次にギャップ６１を通って、各列の孔２１に対応する一対の管４０の流路４２の入口４１へ入る。流体が、管４０の流路４２の入口４１に直接的に進まずにチャンバ２７内の他の場所に流れないように、一対の管４０の各セットの周囲に、横断方向に延在する対のバッフル６４が設けられている。
【００３５】
図３，８，１０，１２，１３に示す実施形態において、部材２２にある個々の開口２１は、個々の流路４２の断面積と比較して、小さい流路断面積を有する。比較的小さい断面積は、ヘッダ２０内にある第１チャンバ２５から開口２１を通って個々の多流路管４０の流路４２へ流れる流体の圧力低下を均一にし、入口ヘッダ２０内で開口している個々の管４０へ、比較的均一な流体を確実に分配する。さらに各開口２１は、多流路管４０の個々の流路４２の流路面積に対して、十分に小さい流路面積を有することができ、流体が各開口２１を通って流れて、流路４２の対応する入口４１に入る際に、高圧の液体流体を所望のレベルで膨張させて、低圧の液体と蒸気との混合物にすることができる。例えば、公称１ｍｍ2の内部流路面積の流路を有する伝熱管４０では、その中を通る流体を確実に膨張させるためには開口２１の流路面積は、１ｍｍ2の約１０分の１（＝０．１ｍｍ2）であるとよい。当業者に認識されるように、特定の開口２１を通る流体を受ける流路４２の流路面積に対して、特定の開口２１の流路面積のサイズを選択的に変えることによって、膨張の程度を調整することができる。
【００３６】
図７，９，１１に示す実施形態において、単一の開口２１が、末広がりの流れ経路を通して複数の流路４２と流体連通するように開口している。各々の単一の開口２１も、関連する多流路管４０の個々の流路４２を合計した流路面積に対して比較的小さい流路断面積を有しており、ヘッダ２０内の流体チャンバから開口２１を通って個々の多流路管４０の流路４２へ流れる流体の圧力低下を均一にし、入口ヘッダ２０内へ開口している個々の管４０へ、比較的均一な流体を確実に分配する。さらに、各々の単一の開口２１々は、関連する多流路管４０の個々の流路４２を合計した流路面積に対して十分に小さい流路面積にすることにより、流体が各開口２１を通ってその下流にある末広がりの流れ経路に入る際に、高圧の液体流体を所望のレベルに膨張させて、低圧の液体と蒸気の混合物にすることができる。当業者に認識されるように、特定の開口２１の流路面積のサイズを選択的に変えることによって、膨張の程度を調整することができる。
【００３７】
図１４に概略的に示されている冷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、凝縮器１０Ａの伝熱管１４０を通る際に、高温の冷媒蒸気は、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をして凝縮し、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を通るが、この際に、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。
【００３８】
図１４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、冷媒ライン１４に動作可能に設けられた膨張弁５０を通る。膨張弁５０において、高圧の液体冷媒は、部分的に膨張して低圧の液体冷媒、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、冷媒の膨張は、蒸発器１０Ｂ内で、伝熱管４０の流路に入る直前の上流にある比較的小さい流路面積を有する（単数または複数の）開口２１，１２１，２２１を、冷媒が通るときに完了する。液体が開口２１，１２１，２２１を通るときに膨張を確実に完了するほど開口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よりも上流にある膨張弁における冷媒の部分的膨張が有利である。冷媒蒸気圧縮システムの代替的実施形態において、膨張弁５０を取り除き、凝縮器１０Ａから出た冷媒が、すべて熱交換器１０Ｂ内で膨張するようにしてもよい。
【００３９】
図１４に示した例示の冷媒蒸気圧縮サイクルは、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。また、本発明の熱交換器は、このような冷媒蒸気圧縮システムを用いて、凝縮器および／または蒸発器としても使用することができることを当業者は理解されるであろう。
【００４０】
さらに、熱交換器１０の図示の実施形態は、例示的なもので、本発明を限定するものではない。本明細書に記述した発明は、熱交換器１０の他の様々な構成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、ほぼ水平に延在する伝熱管を、互いに平行に配置してもよい。さらに、本発明の熱交換器は、説明したシングルパス実施形態に限定されず、様々なシングルパス実施形態やマルチパス実施形態で配置してもよいことを、当業者であれば理解されるであろう。
【００４１】
従って、本発明は、図に示した実施形態に関して、詳細に図示し、記述したが、請求項で画定される本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、前述したような様々な変更および修正を部分的に行うことができるということを、当業者であれば認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置を示す部分断面斜視図。
【図３】図１の線３−３に関する断面正面図。
【図４】図１の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置をさらに示す、図３の線４−４に関する断面正面図。
【図５】図４の線５−５に関する断面平面図。
【図６】図４の線６−６に関する断面平面図。
【図７】本発明の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置の代替実施形態を示す断面正面図。
【図８】本発明の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の代替実施形態を示す断面正面図。
【図９】本発明の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の代替実施形態を示す断面正面図。
【図１０】本発明の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の代替実施形態を示す断面正面図。
【図１１】本発明の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の代替実施形態を示す断面正面図。
【図１２】図１の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置のさらに別の実施形態を示す縦線に関する断面正面図。
【図１３】図１の熱交換器の伝熱管と入口ヘッダとの配置の別の実施形態を示す縦線に関する断面正面図。
【図１４】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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月27日(2006.10.27)
【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】
中空の内部を有するヘッダと、
前記ヘッダの前記内部を、前記ヘッダの一方の側に位置し流体を受ける第１チャンバと、前記ヘッダの他方の側に位置する第２チャンバと、に分割する長手方向に延在する部材であって、前記部材を貫通する一連の開口が長手方向に間隔をおいて配置されている部材と、
多流路からなる冷媒流経路を内部にそれぞれ画定する複数の伝熱管であって、前記多流路からなる冷媒流経路の各流路が前記伝熱管の入口端部に入口を有し、前記複数の伝熱管の各々の前記入口端部が前記ヘッダの前記第２チャンバに挿入されるとともに、長手方向に間隔をおいて配置された前記一連の開口のうち対応する一つの開口と並置される複数の伝熱管と、
を備え、
前記開口が横断方向に延びる孔列からなり、該孔列の一つの孔が前記伝熱管の一つの流路に対応するように、一つの伝熱管と前記孔列とが並置されることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記孔の各々が、前記伝熱管の流路の断面と比較して、小さい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３】
前記孔の各々が、膨張オリフィスを含むことを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
中空の内部を有するヘッダと、
前記ヘッダの前記内部を、前記ヘッダの一方の側に位置して流体を受ける第１チャンバと、前記ヘッダの他方の側に位置する第２チャンバと、に分割する長手方向に延在する部材であって、前記部材を貫通する一連の開口が長手方向に間隔をおいて配列されている部材と、
内部を通る多流路冷媒流経路をそれぞれ画定する複数の伝熱管であって、前記多流路冷媒流経路の各流路が前記伝熱管の入口端部に入口を有し、前記複数の伝熱管の各々の前記入口端部が前記ヘッダの前記第２チャンバに挿入されるとともに、前記長手方向に間隔をおいて配置された一連の開口のうち対応する一つの開口と並置される複数の伝熱管と、
を備え、
前記第２チャンバが末広がりの流れ経路を画定し、該末広がりの流れ経路の各々が、前記第１チャンバと流体連通する単一の入口開口と、各伝熱管の各流路と流体連通する出口開口と、を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
前記単一の入口開口が、前記伝熱管の流路を合計した断面積と比較して、小さい断面積を有することを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記単一の孔の各々が、膨張オリフィスを含むことを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
中空の内部を有するヘッダと、
前記ヘッダの前記内部を、前記ヘッダの一方の側に位置して流体を受ける第１チャンバと、前記ヘッダの他方の側に位置する第２チャンバとに分割する長手方向に延在する部材であって、前記部材を貫通する一連の開口が長手方向に間隔をおいて配列されている部材と、
多流路からなる冷媒流経路を内部にそれぞれ画定する対となった伝熱管の複数のセットであって、前記多流路からなる冷媒流経路の各流路が前記伝熱管の入口端部に入口を有し、各伝熱管の前記入口端部が前記ヘッダの前記第２チャンバに挿入されるとともに、前記対となった伝熱管の複数のセットの各々が、前記長手方向に間隔をおいて配列された一連の開口のうちの一列の開口とともに配置され、この一列の開口が前記セットの一対の伝熱管の各々の入口端部の中間に配列されている、伝熱管の複数セットと、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
前記長手方向に間隔をおいて配置された前記一連の開口のうち前記開口の各々が、横断方向に延びる孔列からなり、該孔列の一つの孔が前記伝熱管の一つの流路に対応するように、一つの伝熱管と前記孔列とが並置され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】
前記孔の各々が、前記伝熱管の流路の断面と比較して、小さい断面を有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】
前記孔の各々が、膨張オリフィスを含むことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
【国際調査報告】
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