(57)【要約】  ヒートポンプ用の熱交換器は、作動流体のためのチャンバ（１）を備える。壁（２）は、チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間（６）内の物質との間における熱交換を提供する。前記チャンバ（１）は、作動流体を実質的に吸収しない充填材料（４）からなる構造（３）を備える。前記構造（３）は、作動流体のための複数のチャネル（５）を形成する。前記チャネル（５）は、チャンバ（１）を空間（６）から隔てる壁（２）によって少なくとも部分的に境界を定められる。前記チャネル（５）は、チャンバ（１）の入口（７）からチャンバの出口（８）への作動流体のための通路を提供する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプ用の熱交換器であって、
作動流体のためのチャンバ（１）と、
前記チャンバ内の前記作動流体と壁の向こう側にある空間（６）内の物質との間で熱交換を行うための前記壁（２）と、を備え、
前記チャンバ（１）が、前記作動流体を実質的に吸収しない充填材料（４）からなる構造（３）を備え、
前記構造（３）が、前記作動流体のための複数のチャネル（５）を形成しており、
前記チャネル（５）が、前記チャンバ（１）を前記空間（６）から隔てる前記壁（２）によって少なくとも部分的に境界を定められており、
前記チャネル（５）が、前記チャンバ（１）の入口（７）から前記チャンバの出口（８）への前記作動流体のための通路を提供している、熱交換器。
【請求項２】
前記構造（３）が複数の粒子からなる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記構造（３）の前記チャネル（５）が行き止まりを有していない、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記材料（４）が砂または石英または砂利を含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記材料（４）が、ポリマー、例えば、ポリオキシメチレンコポリマー（ＰＯＭ−Ｃ）またはポリオキシメチレンホモポリマー（ＰＯＭ−Ｈ）などの熱可塑性ポリマーを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記材料（４）がポリマー粒子を含む、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記材料（４）がオイルを実質的に吸収しない、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記構造（３）の隣接するチャネル（５）間の最大距離が０．３ミリメートル〜１ミリメートル、好ましくは０．４ミリメートル〜０．７ミリメートル、好ましくは約０．５ミリメートルである、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記粒子が、０．３ミリメートル〜１ミリメートル、好ましくは０．４ミリメートル〜０．７ミリメートル、好ましくは約０．５ミリメートルの平均直径を有する、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記チャネル（５）が、断面が略１ミリメートル未満の直径を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記充填材料（４）が前記チャンバの容積の３０％〜７０％、好ましくは５５％〜６０％を満たしており、前記チャネル（５）が実質的に前記チャンバ（１）の前記容積の残りの部分を占めている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記熱交換器が、
前記作動流体を収容するための容器（７０１）であって、前記チャンバ（８０２）を形成する容器（７０１）を備え、前記チャンバが、容器壁の表面および少なくとも１つの管（８０１）の壁によって境界を定められており、前記容器（７０１）が、前記作動流体を前記チャンバ（８０２）内外に輸送するための入口（９２１）および出口（９２２）を備え、
前記少なくとも１つの管（８０１）が前記物質のための前記空間を形成しており、前記少なくとも１つの管（８０１）の少なくとも１つの管部分が前記容器（７０１）の内側にあり、前記管部分の第１の端部が、前記容器の第１のオリフィスに固定されており、前記管部分の第２の端部が、前記容器の第２のオリフィスに固定されて、前記第１のオリフィスおよび前記第２のオリフィスを通して前記管部分に出入りする流体連通を可能にしており、
前記少なくとも１つの管（８０１）の外側の前記チャンバ（８０２）が、前記構造（３）で満たされており、
前記少なくとも１つの管部分が、前記構造と接触する外面を有し、
前記少なくとも１つの管部分が、前記容器壁の壁部分の周りに、および前記チャンバの外部の領域の付近に、複数の巻線状に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記熱交換器（３００）が、蒸発器（１０５）または凝縮器（１０２）である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１４】
圧縮機（１０１）と、膨張バルブ（１０３、１０４）と、前記蒸発器（１０５）および前記凝縮器（１０２）の他方とをさらに備え、蒸気圧縮サイクルを形成している、請求項１３に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記蒸発器（１０５）および前記凝縮器（１０２）の他方が、
前記作動流体のための第２のチャンバと、
前記第２のチャンバ内の前記作動流体と第２の壁の向こう側にある第２の空間内の第２の物質との間で熱交換を行うための前記第２の壁と、を備え、
前記第２のチャンバが、前記作動流体を実質的に吸収しない第２の充填材料からなる第２の構造を備え、
前記第２の構造が、前記作動流体のための複数の第２のチャネルを形成しており、
前記第２のチャネルが、前記第２のチャンバを前記第２の空間から隔てる前記第２の壁によって少なくとも部分的に境界を定められており、
前記第２のチャネルが、前記第２のチャンバの入口から前記第２のチャンバの出口への前記作動流体のための通路を提供している、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項１６】
熱交換の方法であって、
チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間内の物質との間で熱交換を行うために、前記チャンバのチャネルを通して前記作動流体をポンピングして、前記作動流体を前記壁と熱力学的に相互作用させるステップを含み、前記チャンバが、前記作動流体を実質的に吸収しない充填材料からなる構造を備え、前記構造が、前記作動流体のための複数のチャネルを形成しており、前記チャネルが、前記チャンバを前記空間から隔てる前記壁によって少なくとも部分的に境界を定められており、
前記作動流体が、前記チャネルを通って前記チャンバの入口から前記チャンバの出口に流れる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、冷却または加熱機能を実行するために広く使用されている。さらに、冷却システムは、冷媒液体の凝縮器および／または気化器としての熱交換器を含んでもよい。冷却サイクルは、冷媒の閉回路を形成する凝縮器、気化器、および圧縮機を含んでもよい。これらの構成要素は通常、特定の性能を達成するために特定の量の冷媒を必要とする。特定の冷却力を得るために必要な冷媒の量を制限することが好適な場合がある。より一般的には、改良された熱交換器が必要になるであろう。
【０００３】
欧州特許出願公開第２９３７６５７号は、同心状に配置された内壁と外壁を含み、内壁と外壁によって境界を定められた内部空間、内部空間の内外への冷媒の輸送のための入口と出口を有する、冷媒を収容するための容器と、内壁の周りに配置された内部空間内の管と、内部空間に流体接続され、入力管を通って内部空間に冷媒が流れることを可能にするように配置された入力管と、内部空間に接続され、内部空間から出力管への冷媒の流れを可能にするように配置された出力管と、出力管から冷媒を受け取り、冷媒を圧縮するように配置された圧縮機と、圧縮機から圧縮冷媒流体を受け取り、冷媒を凝縮し、圧縮冷媒を入力管に送るように配置された凝縮器と、を開示している。
【０００４】
このような容器を使用することにより冷媒の量を減らすことができるが、冷媒の量をさらに減らすか、または別の種類の気化器または圧縮機の冷媒の量を減らすことが好適であろう。
【発明の概要】
【０００５】
改良された熱交換器を提供することが好適であろう。この必要性に対処するために、ヒートポンプ用の熱交換器が提供され、
作動流体のためのチャンバと、
チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間内の物質との間で熱交換を行うための壁と、を備え、
前記チャンバが、作動流体を実質的に吸収しない充填材料からなる構造を備え、
前記構造が、作動流体のための複数のチャネルを形成し、
前記チャネルが、チャンバを空間から隔てる壁によって少なくとも部分的に境界を定められ、
前記チャネルが、チャンバの入口からチャンバの出口への作動流体のための通路を提供する。
【０００６】
充填材料が熱交換器の空間の一部を占めるため、熱交換器のチャンバを満たすために必要な作動流体が少なくてすむ。しかし、特にチャネルが壁によって境界を定められている場合は、壁を介した熱交換が引き続き行われる。このようにして、熱交換およびオプションの蒸発または凝縮がチャネル内で行われるのに十分な空間を提供しながら、作動材料の量を大幅に減らすことができる。例えば、チャンバのかなりの部分を満たし、それでも作動流体の通過を可能にする開放構造であるチャネルのランダム構造が可能である。
【０００７】
構造は、複数の粒子から構成され得る。これにより、充填材料のこのようなランダムな構造が提供される。さらに、粒子がチャンバの任意の形状に適応するため、製造が容易である。
【０００８】
好ましくは、構造のチャネルは行き止まりを有さない。行き止まりは、作動流体の一部が入口から出口に移動するのを妨げたり遅くしたりする可能性があるため、これにより性能が向上する可能性がある。
【０００９】
材料は、砂または石英または砂利を含んでもよい。そのような材料は、耐久性、非吸収性の点で適切な特性を有し得るし、作動流体が材料の表面に付着しない可能性がある。さらに、これらのタイプの材料には一定の熱容量があり、熱または冷気を蓄えることができるため、熱交換の品質が向上する可能性がある。
【００１０】
材料は、ポリマー、例えば、ポリオキシメチレンコポリマー（ＰＯＭ−Ｃ）またはポリオキシメチレンホモポリマ（ＰＯＭ−Ｈ）などの熱可塑性ポリマーを含んでもよい。そのような材料は、耐久性、非吸収性の点で適切な特性を有し得るし、作動流体は材料の表面に付着しないかもしれない。さらに、このタイプの材料は、熱容量が比較的低い可能性があるため、熱交換は、作動流体の温度および流速によってより直接的に制御される。材料は、ポリマー粒子を含んでもよい。あるいは、チャネルを備えた堅固な開放接続構造が提供されてもよい。
【００１１】
材料は、オイルに関して略非吸収性であってもよい。これは、作動流体が、例えば、圧縮機で使用されるいくつかのオイルで汚染される可能性があるため、好適であり得る。
【００１２】
粒子は、０．３ミリメートル〜１ミリメートル、好ましくは０．４ミリメートル〜０．７ミリメートル、好ましくは約０．５ミリメートルの平均直径を有してもよい。粒子の寸法は、特定の用途によって異なってもよい。与えられた範囲は、幅広い用途に適する。
【００１３】
チャネルは、断面が略１ミリメートル未満の直径を有してもよい。チャネルの寸法は、特定の用途によって異なってもよい。与えられた範囲は、幅広い用途に適する。
【００１４】
充填材料は、チャンバの容積の３０％〜７０％、好ましくは５５〜６０％を満たすことができる。このようにして、熱交換およびオプションの蒸発または凝縮がチャネル内で行われるのに十分な空間を提供しながら、作動材料の量を大幅に低減される。
【００１５】
熱交換器は、蒸発器または凝縮器を含んでもよい。これにより、多くの作動流体を使用することなく、熱交換器内の作動流体の相変化が可能になる。
【００１６】
熱交換器は、蒸気圧縮サイクルを形成するために、圧縮機と、膨張バルブと、蒸発器および凝縮器の他方とをさらに備えることができる。任意選択で、蒸発器と凝縮器の両方に充填材料を満たすことができる。その場合、蒸発器の充填材料は凝縮器の充填材料と同じであってもよいし、またはそれらは両方とも異なる充填材料および／または異なる構造を有してもよい。あるいは、蒸発器だけが充填物を有し、凝縮器は有さなくてもよい。あるいは、凝縮器だけが充填物を有し、蒸発器は有さなくてもよい。この決定とは別に、同様の方法で、作動流体の任意のチャネル、蒸気圧縮サイクルの構成要素を流体で接続するチャネルを充填材料で満たすことも可能である。
【００１７】
蒸発器および凝縮器の他方は、
作動流体のための第２のチャンバと、
第２のチャンバ内の作動流体と第２の壁の向こう側にある第２の空間内の第２の物質との間で熱交換を行うための第２の壁と、を備えてもよく、
前記第２のチャンバは、作動流体を実質的に吸収しない第２の充填材料からなる第２の構造を備え、
前記第２の構造が、作動流体のための複数の第２のチャネルを形成し、
前記第２のチャネルが、第２のチャンバを第２の空間から隔てる第２の壁によって少なくとも部分的に境界を定められ、
前記第２のチャネルが、第２のチャンバの入口から第２のチャンバの出口への作動流体の通路を提供する。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、熱交換の方法が提供される。本方法は、
チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間内の物質との間で熱交換を行うために、チャンバのチャネルを通して作動流体をポンピングして、作動流体を壁と熱力学的に相互作用させるステップを含み、前記チャンバが、作動流体を実質的に吸収しない充填材料からなる構造を備え、前記構造が、作動流体のための複数のチャネルを形成し、前記チャネルが、チャンバを空間から隔てる壁によって少なくとも部分的に境界を定められ、
作動流体が、チャネルを通ってチャンバの入口からチャンバの出口に流れる。
【００１９】
当業者は、上記の特徴が有用であると思われる任意の方法で組み合わせることができることを理解するであろう。さらに、装置に関して説明された修正および変形は、同様に方法に適用することができ、方法に関して記述された修正および変形は、同様に装置に適用することができる。
【００２０】
以下では、本発明の態様を、図面を参照して例を用いて説明する。図面は概略的なものであり、原寸に比例して描かれていない場合がある。図面全体を通して、同様のアイテムは同じ符号で識別される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ヒートポンプを示す図である。
【図２Ａ】プレート熱交換器の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａの熱交換器の加工されたオープン斜視図である。
【図３】プレート熱交換器の簡略断面図である。
【図４】充填材料を含む構造のスケッチを示す図である。
【図５】充填材料の顕微鏡写真を示す図である。
【図６】作動流体用の管に基づく熱交換器の断面の簡略図である。
【図７】環状熱交換器の斜視図である。
【図８】環状熱交換器の部分的に加工されたオープンビューを示す図である。
【図９】環状熱交換器の一部の断面図である。
【図１０】環状熱交換器の上面図である。
【図１１】環状熱交換器の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
特定の例示的な実施形態について、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
【００２３】
詳細な構成および要素などの説明に開示した事項は、例示的な実施形態の包括的な理解を支援するために提供されている。したがって、例示的な実施形態は、それらの具体的に定義された事項なしで実行できることは明らかである。また、よく知られている操作や構造は、不必要な詳細で説明を曖昧にするので、詳細には説明されていない。以下では、図面を参照して例示的な実施態様をより詳細に説明する。しかしながら、本明細書に記載の詳細は、本発明の理解を助けるための例としてのみ提供されており、開示の範囲を限定するものではないことが理解されよう。当業者は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物によって定義される本発明の範囲および趣旨の範囲内にある代替的な実施形態を見つけることができるであろう。
【００２４】
図１は、ヒートポンプ内で作動流体を循環させることができる冷却システムの図を示しており、これは、冷却サイクルなどの蒸気圧縮サイクルに基づくことができる。冷却システムは、圧縮機１０１、凝縮器１０２、バルブ１０３、膨張装置１０４、および蒸発器１０５を備える。これらの構成要素１０１、１０２、１０３、１０４、１０５は、流体接続されて、冷却サイクルを形成する。圧縮機１０１、凝縮器１０２、バルブ１０３、膨張装置１０４、および蒸発器１０５の多くの異なる実施態様が当技術分野で公知である。例えば、バルブ１０３および膨張装置１０４は、膨張バルブによって組み合わせることができる。本発明のいくつかの態様は、冷却システムのそのような冷却サイクルに含まれ得る蒸発器１０５に関する。以下では、蒸発器１０５についてより詳細に説明する。しかし、本発明の特徴はまた、凝縮器１０２および／またはヒートポンプの構成要素間の流体接続に適用され得る。
【００２５】
図２Ａは、熱交換器２００の斜視図を示している。図２Ａに示す例はプレート熱交換器である。プレート熱交換器２００は、作動流体用の入口２０１および出口２０２と、冷却される流体用の入口２０３および出口２０４を有する。図２Ｂは、プレート熱交換器２００の加工されたオープン斜視図を示している。示されるように、プレート蒸発器２００は、一連のプレート２０５を含む。プレート２０５の間には、作動流体のためのチャンバまたは流体が冷却されまたは暖められるための空間が交互に存在する。熱交換器２００が蒸発器１０５である場合、その空間は、流体が冷却されるためのものである。熱交換器が凝縮器１０２である場合、空間は流体が暖められるためのものである。
【００２６】
図３は、熱交換器３００の断面図を示している。熱交換器３００は、プレート熱交換器２００の簡略化された概略的な表現である。断面は、作動流体の入口２０１および出口２０２の中心軸線を通る。熱交換器は、作動流体のためのチャンバ１と、処理される物質のための空間６と、を有する（例えば、熱が物質から抽出されるか、または熱が物質に送達される）。チャンバ３は、１つまたは複数の壁２によって空間６から分離され得る。チャンバ３は、管などの流体接続３０９によって接続され得る一連のサブチャンバ３０１、３０２、３０３を備えてもよい。壁２は、チャンバ３内の作動流体と壁２の向こう側にある空間６内の物質との間における熱交換を可能にするように設計されている。例えば、壁２は、熱の伝達を容易にする金属などの材料で作られてもよい。作動流体のためのチャンバ１は、作動流体を実質的に吸収しない充填材料４でチャンバ１を部分的に満たすための構造３を備える。
【００２７】
図４は、ランダムに分布された充填材料４を提供し、ランダムに分布されたチャネル５を開いたままにする充填構造３の概略図を示す。すなわち、作動流体は、充填材料４によって開いたままにされた複数のチャネル５を通って流れる。チャネル５は、作動流体が壁２と相互作用して、壁２の向こう側にある空間６内の物質と熱を交換することを可能にする。チャネル５は、チャンバ１の入口７からチャンバ１の出口８への作動流体のための通路を提供する。
【００２８】
図４はランダムに分布したチャネルを示しているが、チャネルはまた、例えば、整然とした方法で接合を備えたストレートチャネルなどの、非ランダムな分布を有し得ることが理解されよう。構造の任意の形状は、例えば、３Ｄ印刷によって作成することができる。あるいは、構造は緩い粒子から構成されてもよい。このような緩い粒子は、通常、ランダムに分布したチャネルを作成することができる。好ましくは、チャネル５は行き止まりを有さない。行き止まりは、物質と熱交換した後に、作動流体が出口に向かって急速に流れるのを部分的に妨げる可能性があるため、熱交換器の効率を低下させる場合がある。
【００２９】
充填材料３が粒子を含む場合、粒子は、０．３ミリメートル〜１ミリメートル、好ましくは０．４ミリメートル〜０．７ミリメートル、好ましくは約０．５ミリメートルの平均直径を有してもよい。いずれの場合でも、隣接するチャネル間の最大距離は、０．３ミリメートル〜１ミリメートル、好ましくは０．４ミリメートル〜０．７ミリメートル、好ましくは約０．５ミリメートルであってもよい。
【００３０】
例えば、チャネル（５）は、断面が略１ミリメートル未満の直径を有してもよい。
【００３１】
充填材料４は、構造３の体積の３０％〜７０％、好ましくは５５〜６０を満たすことができ、チャネル（５）は、構造３の体積の残りの部分を実質的に占める。チャンバ１が構造３で完全に満たされている場合には、充填材料およびチャネルは、チャンバ１の対応する部分を占める。
【００３２】
構造３および材料４の例には、任意の多孔質材料、スポンジ、ポリマー粒子、チャネルを形成する穴を有するポリマー構造、結晶粒子、砂、石英が含まれる。適切なポリマーには、ポリオキシメチレンコポリマー（ＰＯＭ−Ｃ）およびポリオキシメチレンホモポリマー（ＰＯＭ−Ｈ）などの熱可塑性ポリマーが含まれる。好ましくは、材料４は、作動流体が圧縮機１０１を塗抹するために使用されるいくらかのオイルと混合され得るので、オイルを実質的に吸収しない。
【００３３】
図５は、微視的に拡大された砂利４０３の写真を示しており、石英粒子４０４は、粒子４０４の間に開いたチャネル４０５を残している。
【００３４】
図６は、物質のための空間６０６を提供する容器６１０と、入口６０７および出口６０８を有する管６１１と、を備えた熱交換器６００の代替構造を示している。管６１１の内部は、作動流体のためのチャンバ６０１である。チャンバ６０１の少なくとも一部は、図３および図４に示す構造３と同様の充填材料４およびチャネル５を備えた構造６０３で満たされている。動作中、作動流体は、構造６０３のチャネル５を通って、チャンバ６０１の入口６０７から出口６０８に流れる。図示するように、構造６０３はまた、熱交換器６００の外側の作動流体のためのチャネル６１２、６１３の少なくとも一部を満たすことができる。
【００３５】
図７は、冷却サイクルにおいて蒸発器１０５の役割を果たすことができる容器７０１の斜視図を示している。容器７０１はチャンバ８０２を含み、チャンバ８０２は管８０１を含む。この例では、容器はトロイド形状を有する。図示するトロイドは、平面六角形９０１（図９を参照）をその六角形９０１の外側の軸線（符号７０２で緩く描かれている）の周りで回転させることによって生成されたトロイドであり、その軸線は六角形９０１の平面に平行であり、六角形と交差しない。六角形は他の形状に置き換えられ得ることが理解されよう。六角形９０１を図９に示す。図９に示すように、六角形の角は丸みを帯びていてもよい。六角形９０１の角の丸みは、管部分９０２の輪郭に従ってもよい。
【００３６】
図９に示されているのは、流体が管部分９９８を通って管部分９９７に流れることを可能にするために管部分９９７の一端に接続された管部分９９８である。流体が管部分９９７から管部分９９９に流れることを可能にするために管部分９９７の別の端部に接続されている管部分９９９も示されている。流体の流れが逆になることができ、その結果、流体が管部分９９９から管部分９９７に流れ、次に管部分９９８に流れることに留意されたい。
【００３７】
図８は、図７に示されているのと同じ容器７０１の部分的に加工された開放図を示している。示された容器７０１のチャンバ８０２は、上記のようなトロイド形状を有する。この図は、容器７０１のチャンバ８０２が管８０１で密に満たされていることを示している。管８０１は、チャンバ８０２の内側で、上記の軸線７０２を中心として巻かれている。
【００３８】
図９は、図７および図８に示すように、容器７０１の部分８０３に対応する断面を再び示す。管９２１、９２２は、それぞれ、チャンバ８０２から圧縮機１０１への冷媒の輸送用、および膨張バルブ１０３、１０４からチャンバ８０２への冷媒の輸送用である。図面から分かるように、熱交換器のチャンバ８０２は、管巻線９０４で密に満たされている。これらの巻線はすべて同じ管に属していてもよい。あるいは、複数の管がチャンバ８０２の内部に存在し、各巻線はそれらの管のうちの１つに属する。
【００３９】
特定の例では、チャンバ８０２および管巻線９０４の配置の寸法は以下の通りである。１つまたは複数の管は、内径７ｍｍ、外径８ｍｍ、壁厚０．５ｍｍを有してもよい。任意の２つの隣接する管巻線間の距離は、管の中心軸線から中心軸線まで測定して、８．５ｍｍであってもよい。管から容器壁までの距離は０．５ｍｍであってもよい。巻線数は２７であってもよい。
【００４０】
図１０は、巻線が示されていないチャンバの上面図を示している。図１１にチャンバの側面図を示す。チャンバの寸法例は以下の通りである。チャンバの最小直径１００１は２９２．６５ｍｍであってもよく、チャンバの最大直径１００２は４０７．３５ｍｍであってもよい。これの測定は、±１ｍｍの精度で行うことができる。チャンバの高さ１１０１は５２ｍｍであってもよい。
【００４１】
例えば、管は、容器壁の２つのオリフィスを通ってチャンバ８０２に出入りする。オリフィスは、冷媒がオリフィスを通ってチャンバに出入りすることができないように、および外部からの流体がオリフィスを通ってチャンバに入ることができないように、管を取り囲むことができる。さらに、容器壁は、冷媒を膨張装置からチャンバ３０２に、およびチャンバ８０２から圧縮機１０１に輸送するために、管９２１、９２２に接続された入口および出口を有する。入口は、チャンバ８０２の底面、または少なくともチャンバ内の液体冷媒のレベルより下に配置されている。しかしながら、他の実施形態では、入口は、液体冷媒のレベルより上に配置されてもよい。出口は、チャンバ８０２の上面、または少なくともチャンバ内の液体冷媒のレベルより上に配置されている。このように、液体冷媒は圧縮機に到達することができない。
【００４２】
説明したように、この容器は冷却システムの冷却サイクルで使用することができる。その状態の容器は、チャンバ内に冷媒を含み、その冷媒は冷却サイクルを通して循環される。冷媒の一部は液体状態で、別の部分は蒸気状態である。容器は、容器壁の表面によって境界を定められたチャンバを有し、容器は、チャンバに出入りする冷媒を輸送するための入口および出口を備える。入口はどこであってもよく、特定の実施形態では、出口は、好ましくは、液体冷媒のレベルより上にある。動作中に冷却される液体が流れるための少なくとも１つの管が提供される。少なくとも１つの管部分はチャンバ内にあり、管部分の第１の端部が、容器の第１のオリフィスに固定され、管部分の第２の端部は、容器の第２のオリフィスに固定されて、第１のオリフィスおよび第２のオリフィスを通して管部分に出入りする流体連通を可能にする。例えば、管は、第１のオリフィスおよび／または第２のオリフィスを通って延びる。第１のオリフィスおよび第２のオリフィスは、以下に説明するように、容器壁のオリフィスおよび／または容器壁を取り囲むことができるトロイド形状の本体のオリフィスであってもよい。図７および図８に示す例では、熱交換器のチャンバが穴７０３を提供する。容器内の管部分は前記容器壁の壁部分の周りに複数の巻線で配置され、壁部分は前記穴を形成する。穴７０３は、容器７０１を通って完全に延び、流体が穴を通って漏れないように、容器壁の壁部分によって形成される。巻線は六角形のタイリングに配置され、隣接する巻線の各ペアの間に空間を置いて束を形成する。この六角形のタイリングは、例えば、図８の符号８０３に示されているように、穴の片側での容器の断面を示す例えば図９を参照して最もよく理解され得る。換言すれば、管巻線または管セグメントの中心軸線に垂直な断面において、管は六角形のグリッド上に配置されている。管は、定位置に保つために互いに固定することができる。また、管は、管の巻線によって占められていない容器の部分を満たす構造によって支持されてもよい。
【００４３】
容器壁の表面９０３は、容器壁と、束の外側にあるすべての巻線９０２と、の間の空間を伴って配置されている。束の外側にある巻線は、６未満の隣接する巻線に囲まれている巻線である。例えば、巻線９０５は、６つの隣接する巻線９０６〜９１１によって囲まれており、束の外側にはない。巻線９１２は、３つの隣接する巻線９０６、９１３、９１４に囲まれ、巻線９１４は、４つの隣接する巻線９１２、９０６、９０７、９１５に囲まれている。
【００４４】
図９に示す例では、六角形に並べられた巻線が列、例えば９１６、９１７、９１８などに配置され、各列９１８は、いくつかの巻線９１４、９０７、９０８などからなり、任意の１つの列９１７内の巻線の数は、隣接する各列９１６または９１８に対して１つの巻線だけ異なる。連続する列９１６、９１７、９１８などを順番に検討すると、巻線の数は、最初に３つの巻線から６つの巻線に増加し、次に４つの巻線に減少する。
【００４５】
代替的な実施形態では、各列の巻線の数は、単調に増加するか、または単調に減少する。例えば、連続する巻線の数は、例えば、３（下の列）から７（上の列）に増加することができる。別の例では、一列の巻線の数は、例えば、７（下の列）から３（上の列）に減少することができる。六角形タイリングの列は３つの異なる方向で識別することができ、各列の巻線数の増減は、これらの方向の少なくとも１つに適用される。
【００４６】
図９に戻ると、各列の巻線数が増加するパターンは、列を識別できる３つの方向すべてで同じである。この特性は、チャンバを小さく保つのにも役立つ。
【００４７】
チャンバ８０２および容器壁９０３の表面は、六角形によって生成されたトロイドの形状を有する。この六角形は、管９０２、９１２の輪郭に沿って角が丸くなっている。各列の巻線の数が単調である場合、チャンバと表面の形状は、四辺形によって生成されたトロイドの形状であり、任意選択で丸みのある角を有する。
【００４８】
２つの隣接する巻線９１０、９１１の管の中心軸線間の距離に３の平方根の半分を掛けたものは、管の外径（図９にｄで示される）よりも小さい。図９を参照すると、２つの隣接する巻線の管の中心軸線間の距離は、隣接する管セグメントのペア間の空間（図９にｓで示される）と管部分の外径（図９にｄで示される）の合計に等しい。特定の例では、２つの隣接する巻線の管の中心軸線間の距離は８．５ｍｍ、管の内径は７ｍｍ、管の外径は８ｍｍである。この例では、列４１６、４１７、４１８の間隔は７．４ｍｍであり、隣接する巻線の中心軸線間の距離８．５ｍｍよりも小さいため、設計がコンパクトになる。
【００４９】
内面９０１から内面９０１に隣接する管の第１の部分の円周９０２までの距離は、その円周と、管の第１の部分に隣接する管の巻線の第２の部分の円周９１９との間の距離にほぼ等しくなり得る。
【００５０】
熱交換器の特定の例では、熱交換器の管の内径は７ｍｍであり、隣接する巻線の各ペアの輪郭間の距離は、０．２〜０．８ｍｍである。
【００５１】
他のパラメータの中でも、熱交換器の寸法に応じて、熱交換器は、フロンを含む様々な冷媒材料と組み合わせて使用することができる。特定の例では、チャンバは、冷媒としてプロパンを含む。上記の寸法は、冷媒としてプロパンをベースにした冷却システムに適している。特定の寸法が上に開示されているが、本開示はそれに限定されない。熱交換器は、異なる寸法で作られてもよい。
【００５２】
図１も参照すると、ヒートポンプサイクルの熱交換器１０５、１０２のいずれか一方、または両方は、構造６０３で少なくとも部分的に、または完全に満たされ得る。凝縮器１０２を満たすために使用される構造は、蒸発器１０５を満たすために使用される構造とは異なってもよい。これらの構造は、充填材料４および／またはチャネル５の形状および寸法に関して異なってもよい。好ましい実施形態では、蒸発器１０５は充填材料を有し、一方、凝縮器１０２は充填材料を有さない。
【００５３】
図１も参照すると、構造３を含む熱交換器３００は、ヒートポンプサイクルの蒸発器１０５または凝縮器１０２であってもよい。
【００５４】
特定の実施形態では、ヒートポンプは、作動流体のためのチャンバを備えた蒸発器と、チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間内の物質との間で熱交換を行うための壁と、を備え、前記チャンバが、作動流体を実質的に吸収しない充填材料からなる構造を備え、前記構造が、作動流体のための複数のチャネルを形成し、前記チャネルが、チャンバを空間から隔てる壁によって少なくとも部分的に境界を定められ、前記チャネルが、チャンバの入口からチャンバの出口への作動流体のための通路を提供する。この実施形態では、ヒートポンプは、作動流体のための第２のチャンバと、第２のチャンバ内の作動流体と第２の壁の向こう側にある第２の空間内の第２の物質との間で熱交換を行うための第２の壁と、を備えた凝縮器をさらに備え、前記第２のチャンバは、作動流体を実質的に吸収しない第２の充填材料からなる第２の構造を備え、前記第２の構造が、作動流体のための複数の第２のチャネルを形成し、前記第２のチャネルが、第２のチャンバを第２の空間から隔てる第２の壁によって少なくとも部分的に境界を定められ、前記第２のチャネルが、第２のチャンバの入口から第２のチャンバの出口への作動流体の通路を提供する。
【００５５】
ヒートポンプが作動しているとき、圧縮機１０１は、作動流体（冷媒など）を凝縮器１０２を通して、次に膨張バルブ１０３、１０４を通して、次に蒸発器１０５を通して圧縮機１０１にポンプで戻す。作動流体の経路の一部（すなわち、チャンバ）が構造で満たされると、作動流体は、チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間内の物質との間で熱交換を行うために壁と熱力学的に相互作用しながら、構造のチャネルを通って流れる。
【００５６】
一実施形態は、熱交換の方法を含む。本方法は、チャンバ内の作動流体と壁の向こう側にある空間内の物質との間で熱交換を行うために、チャンバのチャネルを通して作動流体をポンピングして、作動流体を壁と熱力学的に相互作用させるステップを含み、前記チャンバが、作動流体を実質的に吸収しない充填材料からなる構造を備え、前記構造が、作動流体のための複数のチャネルを形成し、前記チャネルが、チャンバを空間から隔てる壁によって少なくとも部分的に境界を定められ、作動流体が、チャネルを通ってチャンバの入口からチャンバの出口に流れる。
【００５７】
本明細書に記載の実施例および実施形態は、本発明を限定するのではなく説明するのに役立つ。当業者は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物によって定義されるように、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、代替的な実施形態を設計することができるであろう。請求項の括弧内に配置された符号は、請求項の範囲を限定するものと解釈されないものとする。請求項または説明において別個の実体として記載されている項目は、記載されている項目の特徴を組み合わせた単一のハードウェアまたはソフトウェア項目として実施されてもよい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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