(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器組立体において、
管状の長い部材と、
前記長い管状部材内に配置された長い内側部材であって、前記長い内側部材及び前記管状部材が、前記内側部材及び前記管状部材の対向する面の間に環状空間を形成して該環状空間内を流れる流体と前記管状部材の外側を流れる流体との間の熱伝導を促進するような寸法とされている、内側部材と、
前記内側部材に取り付けられ且つ前記内側部材の長さに沿って隔てられ、前記長い管状部材と係合し、該内側部材を該管状部材内にて支持するように突き出した、房状体の形態である複数の弾性的な支持部材とを備える、熱交換器組立体。
【請求項２】
請求項１の熱交換器組立体において、前記支持部材が複数の剛毛を備える、熱交換器組立体。
【請求項３】
請求項２の熱交換器組立体において、前記剛毛がポリプロピレンで出来ている、熱交換器組立体。
【請求項４】
請求項１の熱交換器組立体において、前記内側部材が中実であり且つ円形の断面を有する、熱交換器組立体。
【請求項５】
請求項４の熱交換器組立体において、前記内側部材がその長さに沿って一定の直径を有する、熱交換器組立体。
【請求項６】
請求項１の熱交換器組立体において、前記内側部材がポリプロピレンで出来ている、熱交換器組立体。
【請求項７】
請求項１の熱交換器組立体において、前記管状部材が、前記環状空間内を流れる流体に対する熱伝導を増し得るようにフィン付きの内面を有する金属管である、熱交換器組立体。
【請求項８】
請求項１の熱交換器組立体において、前記管状部材が、前記環状空間内を流れる流体に対する熱伝導を増し得るようにフィン付きの内面を有する、熱交換器組立体。
【請求項９】
管状部材の外面の外側を流れる流体と該管状部材を通って流れる冷媒との間にて熱伝導する熱交換器において、
長い前記管状部材内に配置された長い内側部材であって、該長い内側部材及び該管状部材が、該内側部材及び該管状部材の対向する面の間に環状空間を形成して該環状空間内を流れる流体と管状部材の外側を流れる流体との間の熱伝導を促進するような寸法とされている、内側部材と、
前記内側部材に取り付けられ且つ該内側部材の長さに沿って隔てられ、前記長い管状部材と係合し、該内側部材を該管状部材内にて支持するように突き出した、複数の弾性的な支持部材とを備え、
前記弾性的な支持部材が本質的に、複数の剛毛で出来た房状体の形態である、熱交換器。
【請求項１０】
請求項９の熱交換器において、前記内側部材及び前記支持部材が冷媒に対して化学的適合性を有する、熱交換器。
【請求項１１】
請求項１０の熱交換器において、前記内側部材及び前記支持部材がゼオトロピック冷媒と化学的適合性を有する、熱交換器。
【請求項１２】
請求項１１の熱交換器において、前記管状部材及び前記内側部材が実質的に直線状で且つ同心状である、熱交換器。
【請求項１３】
請求項１１の熱交換器において、前記管状部材及び前記内側部材が、少なくとも３．６５８ｍ（１２フィート）の長さを有する、熱交換器。
【請求項１４】
流体から冷媒に熱を伝導する蒸発器において、
各端部における管寄せを有する長いチャンバであって、チャンバの第一の端部にて流体を受け入れるためにチャンバの第一の端部に隣接する流体入口とを有し、該流体を前記チャンバを通じて第一の軸方向に流動させ、流体を前記チャンバの他端である第二の端部に隣接する出口を通じて冷却した状態にて排出する、長いチャンバと、
前記チャンバの第二の端部にて前記管寄せと連通する冷媒入口、及び前記チャンバの他端である第一の端部にて前記官寄せと連通する冷媒出口と、
前記チャンバの第二の端部にて前記管寄せから冷媒を受け入れ、該冷媒を前記管状部材を通して流動させ、該冷媒を該管寄せ及び該第一の端部における該出口を通して加熱状態にて排出し、これにより、前記蒸発器が向流型蒸発器であるようにすべく前記チャンバ内に配置された、複数の長い管状部材と、
前記管状部材の少なくともいくつかの内部に配置された長い内側部材であって、該内側部材及び該管状部材が、前記冷媒と前記流体との間の熱伝導を促進し得るように該内側部材及び該管状部材の対向する面の間に環状空間を形成し得るような寸法とされている、内側部材と、
各内側部材の長さに沿って隔てられ、各前記長い管状部材と係合し、該内側部材を該管状部材内にて支持するように突き出した、複数の弾性的な支持部材とを備え、
前記弾性的な支持部材が本質的に、複数の剛毛で出来た房状体の形態である、蒸発器。
【請求項１５】
請求項１４の蒸発器において、前記管状部材及び前記内側部材が実質的に直線状である、蒸発器。
【請求項１６】
請求項１４の蒸発器において、前記管状部材及び内側部材が同心状である、蒸発器。
【請求項１７】
請求項１４の蒸発器において、前記支持部材が、複数の組みにて形成され、該組みの各々が、前記環状空間の周の周りで隔てられ且つ該環状空間に沿った異なる軸方向位置に配置された複数の支持部材を含む、蒸発器。
【請求項１８】
請求項１７の蒸発器において、少なくとも一組みの前記支持部材が前記環状空間の周の周りにて等距離の位置に配置される、蒸発器。
【請求項１９】
請求項１７の蒸発器において、少なくとも一組みの支持部材が前記環状空間の長さに沿ってら旋を形成する、蒸発器。
【請求項２０】
請求項１７の蒸発器において、各組みの支持体が３つの支持部材を含む、蒸発器。
【請求項２１】
請求項１７の蒸発器において、一組みの前記支持部材が前記内側部材の長さに沿って互いに約１２．７ｍｍ（約０．５インチ）隔てられる、蒸発器。
【請求項２２】
請求項１４の蒸発器において、各内側部材が発泡ポリエチレンで出来ている、蒸発器。
【請求項２３】
請求項１４の蒸発器において、各内側部材が中実な部材である、蒸発器。
【請求項２４】
請求項１４の蒸発器において、各内側部材が発泡ポリプロピレンで出来ている、蒸発器。
【請求項２５】
請求項１４の蒸発器において、前記支持部材が、前記内側部材の長さに沿って互いに約１２．７ｍｍ（約０．５インチ）隔てられる、蒸発器。
【請求項２６】
請求項１４の蒸発器において、前記剛毛がポリプロピレンで出来ている、蒸発器。
【請求項２７】
請求項１４の蒸発器において、各前記複数の管状部材が金属管である、蒸発器。
【請求項２８】
請求項２７の蒸発器において、各前記複数の管状部材が、前記環状空間内を流れる流体に対する熱伝導を増し得るようにフィン付きの内面を有する、蒸発器。
【請求項２９】
請求項１４の蒸発器において、前記長い管状部材及び前記長い内側部材が、少なくとも３．６５８ｍ（１２フィート）の長さを有する、蒸発器。
【請求項３０】
請求項１４の蒸発器において、前記冷媒がゼオトロピック冷媒である、蒸発器。
【請求項３１】
管型熱交換器内の流体と冷媒との間の熱交換方法において、
前記管型熱交換器内に配置された長い管状部材及び該管状部材内に配置された長い内側部材の対向する面の間に形成された環状通路を通して冷媒を流動させるステップと、
前記流体を前記管状部材の外面の周りにて流動させるステップと、
前記内側部材の長さに沿って隔てられ、前記内側部材から突出し、且つ前記管状部材に係合する複数の弾性的な支持体により該内側部材を該管状部材内にて支持するステップとを備えており、
前記弾性的な支持体が本質的に、複数の剛毛で出来た房状体の形態である、熱交換方法。
【請求項３２】
請求項３１の方法において、前記弾性的な支持体が一端にて前記内側部材に取り付けられ、他端にて前記管状部材の面に係合する、方法。
【請求項３３】
請求項３２の方法において、前記内側部材が一定の直径を有する、方法。
【請求項３４】
請求項３１の方法において、前記内側部材が中実で且つ円形の断面を有する、方法。
【請求項３５】
請求項３１の方法において、前記内側部材がポリプロピレンで出来ている、方法。
【請求項３６】
請求項３１の方法において、前記弾性的な支持体が複数の組みにて形成され、該組みの各々が前記環状空間の周の周りにて隔てられ且つ該環状空間に沿った異なる軸方向位置に配置された複数の支持体を含む、方法。
【請求項３７】
請求項３６の方法において、少なくとも一組みの前記弾性的な支持体が前記環状空間の周の周りにて等距離にあり、前記環状空間の長さに沿ってら旋を画成する、方法。
【請求項３８】
請求項３６の方法において、一組みの前記支持体が前記内側部材の長さに沿って互いに約１２．７ｍｍ（約０．５インチ）隔てられる、方法。
【請求項３９】
請求項３１の方法において、前記冷媒がゼオトロピック冷媒であり、前記内側部材及び前記弾性的な支持体がゼオトロピック冷媒と化学的適合性を有する、方法。
【請求項４０】
請求項３１の方法において、前記内側部材及び前記管状部材が実質的に直線状で且つ同心状である、方法。
【請求項４１】
管型蒸発器内の冷媒を蒸発させることにより流体を冷却する方法において、
前記蒸発器の胴体の第一の端部に隣接して配置された流体入口を通して前記流体を該蒸発器内に流動させ、該流体を該胴体を通して第一の軸方向に流動させ、該第一の端部と反対側の該胴体の該第二の端部に隣接して配置された流体出口を通して該流体を排出するステップと、
前記冷媒を冷媒入口を通して前記胴体の第二の端部の第一の管寄せ内に流動させ、該胴体内に配置された管状部材及び該管状部材内に配置された内側部材の対向する面の間に形成された少なくとも１つの環状空間を通して冷媒を前記第一の軸方向と反対の第二の方向に流動させ、該第一の管寄せと反対側の該胴体の第一の端部に配置された第二の管寄せから冷媒出口を通して前記冷媒を排出するステップと、
前記内側部材の長さに沿って隔てられ、該内側部材から突出し、且つ前記管状部材に係合する複数の弾性的な支持体により該内側部材を支持するステップとを備えており、
前記弾性的な支持体が本質的に、複数の剛毛で出来た房状体の形態である、方法。
【請求項４２】
請求項４１の方法において、前記冷媒がゼオトロピック冷媒である、方法。
【請求項４３】
請求項４１の方法において、前記冷媒及び前記流体の双方が１回のパスにて前記熱交換器を通って流動する、方法。
【請求項４４】
請求項４３の方法において、冷媒が、前記蒸発器の胴体内に保持された複数の管状部材及び対応する内側部材のそれぞれの対向する面の間に形成された複数の環を通って流動し、
各管状部材及び対応する内側部材が同心状である、方法。
【請求項４５】
請求項４１の方法において、前記内側部材が中実で且つ発泡ポリプロピレンで出来ている、方法。
【請求項４６】
請求項４５の方法において、前記支持部材が前記内側部材の長さに沿って互いに約１２．７ｍｍ（約０．５インチ）隔てられる、方法。
【請求項４７】
請求項４１の方法において、前記冷媒が、前記胴体内に配置された複数の管状部材及び該管状部材内に配置された対応する複数の内側部材のそれぞれ対向する面の間に形成された複数の環を通って流動する、方法。
【請求項４８】
請求項４７の方法において、前記冷媒がゼオトロピック冷媒である、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、熱交換器の蒸発器、特に、顕著なグライド（ｇｌｉｄｅ）特性を有するゼオトロピック（ｚｅｏｔｒｏｐｉｃ）冷媒用に最適化された向流型蒸発器に関する。特に、本発明は、流体が胴体を通って流動し且つ蒸発する冷媒により冷却される一方、冷媒は管及び蒸発器を通って流動する、管型熱交換器に関する。この蒸発器は、多量の水を冷却するために使用することのできる冷却装置の１つの構成要素である。
【０００３】
【関連技術の説明】
多量の水を冷却するために使用される型式の冷却装置は、典型的に２つの別個の通路を有する熱交換器の蒸発器を備えている。一方の通路は、冷媒を運び、もう一方の通路は、通常、水である、冷却されるべき流体を運ぶ。冷媒が蒸発器を通って流れるとき、該冷媒は、流体から熱を吸収し、液相から蒸気相に変化する。冷媒は、蒸発器を出た後、コンプレッサに進み、次に、凝縮器、次に、膨張弁へと進んで、蒸発器に戻り、この冷却サイクルを繰り返す。冷却されるべき流体は、別個の流体通路にて蒸発器を通り且つ冷媒が蒸発することによって冷却される。次に、流体は、調和すべき空間を冷却する冷却装置に流れるか、又はその流体は他の冷却目的に使用することができる。
【０００４】
一般に熱交換器の蒸発器、特に管型熱交換器の蒸発器の効率を向上させる１つの方法は、冷媒を運ぶ管の本数及び寸法を変更することである。しかし、この方策は、極端にコストを増大させる結果となる。
【０００５】
一般に、熱交換器の効率を向上させるために使用される別の方策は、流体が流動する環状の通路を形成するため、ロッドを熱交換器の管内に設置することである。この方策の適用例は、オーデルマン（Ｏｄｅｒｍａｎ）に対する米国特許第１，３０３，１０７号、バフィエル（Ｂｕｆｆｉｅｒｅ）に対する米国特許第３，７４９，１５５号及びノウソートル（Ｎｅｕｓａｕｔｅｒ）に対する米国特許第５，４５４，４２９号に開示されている。この方策は、壁付近の冷媒の流量を増すことにより環状空間の外壁を通じての熱伝導を向上させるものである。しかしながら、この方策は、欠点があることがしばしばである。例えば、異なる金属で出来た金属部品間のガルバニック腐食は、熱交換器の早期の故障を引き起こし、また、過度の保守及び修理を必要とする。管通路内にロッドが使用されるとき、流れエネルギがそのロッドを振動させることになる。管内の流れとロッドとの相互作用により発生された音響エネルギは、時間の経過に伴って蒸発器の構造体を損傷させる可能性がある。ある適用例において、この方策は、管にて大きな圧力降下を生じさせ、これにより、冷却サイクルの効率を低下させることになる。更に、ロッドの材料コスト及びロッドを管内に設置し且つ保持することに伴う材料及び労働コストのため、この方策の適用は、製造された熱交換器のコストを著しく増大させることがしばしば生ずる。
【０００６】
最近、ある規制団体は、特定の冷却用途にて使用することのできる冷媒の型式について制限を課することになった。既存の蒸発器の設計に対する上記の制限と共に、こうした制限に鑑みると、冷媒に対する改良された蒸発器が依然として必要とされている。
【０００７】
【発明の概要】
従って、本発明の１つの目的は、あらゆる型式、特に、空冷冷却装置内にて使用される型式の現在、使用されている蒸発器の問題点、制限、及び不利益な点を解決する、冷却サイクル用の蒸発器を提供することである。
【０００８】
別の目的は、最新の冷媒、特に、グライド特性を有するゼオトロピック冷媒と共に効率良く作動する蒸発器を提供することである。
【０００９】
更に別の目的は、低廉な構成要素で出来ており且つ経済的に製造できる、改良された蒸発器を提供することである。
【００１０】
本発明の更なる特徴及び有利な点は、以下の説明に記載し、また、一部分、その説明から明らかになるであろうし、又は本発明を実施することにより理解することができる。本発明の目的及びその他の有利な点は、明細書、その特許請求の範囲及び添付図面にて特に指摘した装置及び組み合わせにより実現され且つ達成されよう。
【００１１】
こうした目的及びその他の有利な点を実現するため、また、具体化され且つ広義に説明した本発明の目的に従って、本発明は、管状の長い部材と、該長い管状部材内に配置された長い内側部材とを備え、その双方の部材が内側部材及び管状部材の対向する面の間に環状空間を形成し得るような寸法とされた、熱交換器組立体を含むものである。この環状空間は、該環状空間内を流動する冷媒と管状部材の外側を流動する流体との間の熱伝導を促進するものである。また、この組立体は、内側部材の長さに沿って隔てられた複数の弾性的な支持部材も有しており、これらの複数の支持部材は、内側部材から突き出して、管状部材に係合し且つ内側部材を管状部材内にて同心状に支持する。支持部材は、房状体であることが好ましく、特に、内側部材と一体に製造された剛毛の束で出来た房状体であることが最も好ましい。
【００１２】
好ましくは、複数の熱交換器の管組立体が蒸発器の胴体内に保持され、組立体の各々は、交換される熱の量に従って決まる長さを有している。その結果としてできた蒸発器は、空冷の冷却器の適用例において、ゼオトロピック冷媒と水との間にて熱を伝導するために使用されることが好ましい。この実施の形態において、冷媒は、一方向に向け１回のパスにて蒸発器を通って流れる一方、水は、反対方向に向け１回のパスにて蒸発器を通って流れる。内側部材は、長い円筒体の形状とされることが好ましい。
【００１３】
別の形態において、本発明は、長いチャンバ内に保持された長い管状部材及び該長い管状部材内に保持された長い内側部材の対向する面の間に形成された環状の通路を通って冷媒を流動させるステップを備える、管型熱交換器内にて流体と冷媒との間にて熱交換する方法を含むものである。内側部材は、複数の弾性的な支持体により管状部材内に支持されており、これらの複数の支持体は、内側部材の長さに沿って隔てられ且つ管状部材と係合するように、内側部材から突き出している。また、この方法は、冷媒との熱交換を行わせ得るように、管状部材の外面の周りの長いチャンバ内にて流体を流動させるステップをも備えている。好ましくは、冷媒は、顕著なグライド特性を有するゼオトロピック冷媒とする。冷媒及び流体は、熱交換器を通って反対方向に流れ、各々が１回のみパスする。
【００１４】
実験の結果、本発明を使用すれば、Ｒ−２２のような単一成分の冷媒を採用する蒸発器に対して改良が実現されることが分かった。
【００１５】
上記の全体的な説明及び以下の詳細な説明は共に、一例であって、説明のためのものに過ぎないことを理解すべきである。
【００１６】
添付図面は、本発明の更なる理解のために含めたものであり、本明細書の一部分を成し、また、本発明の幾つかの実施の形態を示し且つ本明細書と共に本発明の原理を説明する働きをするものである。
【００１７】
【詳細な説明】
次に、例を明細書に記載し且つ／又は添付図面に図示した、本発明の現在の好ましい実施の形態に関して詳細に説明する。
【００１８】
本発明は、管状部材の内部を流れる流体と管状部材の外側を流れる流体との間にて熱伝導する熱交換器組立体に関して広く適用可能であるが、本発明は、ＨＶＡＣ空冷冷却装置、特に、好ましくはゼオトロピック冷媒（Ｚｅｏｔｒｏｐｉｃ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓ）を使用する冷却装置内で蒸発器組立体として開発され且つその蒸発器組立体として特に適用されるものである。ゼオトロピック冷媒は、成分の各々が異なる沸点を有する多数の成分から成っている。これらのゼオトロピック冷媒は、典型的に、顕著なグライド特性（ｇｌｉｄｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）を有しており、このことは、その最低沸点と最高沸点との間に大きい温度差が存在することを意味する。これらの冷媒の一例はＲ−４０７Ｃである。ゼオトロピック冷媒を効率良く使用するため、当該発明者等は、蒸発器熱交換器は、水が冷媒の流れと反対方向に流動する、真の向流型とすべきことが分かった。後方に且つ前方に切り換わる管を通って２つの流体の一方が流動する従来の多数パス蒸発器は、ゼオトロピック冷媒の顕著なグライド特性による利点を活用していない。他方、向流型の形態は、熱交換器の長さに亙って冷媒と流体との間の平均温度差を最大に保ち、その他の可変値が一定であるならば、最大の熱伝導を実現する。好ましい実施の形態において、流体は反対方向に流れ、流体の各々が蒸発器を通って１回パスする。以下により詳細に説明するように、本発明者達は、長さ及び全体的な設計の点にて商業的に許容可能な限界値に蒸発器を保ちつつ、ゼオトロピック冷媒に対して向流型の構成を使用する効率的な方法を知見した。
【００１９】
図１及び図２に図示するように、本発明は、グライド特性を有するゼオトロピック冷媒に対し流体からから熱伝導を行う蒸発器４５を備えている。流体としては、他の流体も使用可能であるが、水であることが好ましい。例えば、アルコール、食塩水、油及びグリコールを蒸発器内で使用することができる。蒸発器は、各端部に管寄せ３８、３９を有する長いチャンバ３６を備えている。流体入口４０が水のような流体を受け入れるためチャンバの第一の端部に隣接している。流体は蒸発器のチャンバ３６を通って第一の軸方向に流れ、チャンバの他端である第二の端部に隣接する出口４１を通って冷却状態にて排出される。蒸発器４５は、また、チャンバの一端にて管寄せ３９と連通する冷媒入口５０と、チャンバの他端の管寄せ３８と連通する冷媒出口５１とを備えている。蒸発器は、長いチャンバ内に配置された複数の長い管状部材３０を更に備えており、チャンバの第二の端部の管寄せ３９から冷媒を受け取り、冷媒を管状部材３０を通じて流動させ、その冷媒を長いチャンバの第一の端部にて管寄せ３８及び出口５１を通って加熱状態で排出する。この構成において、蒸発器は、冷媒及び典型的に水である冷却すべき流体の１回のパスを受け入れる真の向流型蒸発器である。以下により詳細に説明し且つ図３に図示するように、長い形状の押出し成形した内側部材１０は各管状部材内に配置され、内側部材及び管状部材が環状空間２９を形成し、冷媒がこの環状空間２９を通って流れ、冷媒と他の流体との間の熱伝導を促進させ得るようにしてある。
【００２０】
蒸発器４５は、外側胴体３５により画成された長いチャンバ３６を有している。この実施の形態において、胴体は円筒状の形状をしているが、胴体は、本発明から逸脱せずに、多数の異なる形状とすることができる。水は水の入口４０を通ってチャンバ３６に入り、チャンバ３６を通って流れ、次に、冷却した状態にて出口４１から出る。液体冷媒はチャンバ３６の第二の端部に配置された管寄せ３９から導入され、液体パス邪魔板４６を通じて長い管状部材３０に分配され、この長い管状部材にて、冷媒は水の流れと反対方向に流れる。管状部材３０内にて、冷媒は水から熱を吸収し且つ蒸発する。管寄せ３９と反対側のチャンバの端部にて、管状部材３０は吸引パス邪魔板３７に接続され、この邪魔板にて、管状部材は冷媒に対する出口を有する管寄せ３８と連通している。この出口にて、冷媒は大部分、蒸気の状態で蒸発器から出る。
【００２１】
蒸発器内の熱交換管の束は蒸発器に沿って軸方向に隔てられた複数の邪魔板により所定位置に保持されている。これらの邪魔板は管状部材が嵌まる穴を有している。蒸発器の端部における端部邪魔板は蒸発器と同一の断面積を有し、外側胴体と共に冷媒の管寄せを形成する。チャンバ内の他の邪魔板はチャンバの全体に亙って伸長せず、代替的に、蒸発器の両内面に固定され、蒸発器内の水の流れを波状の流れにさせ、管内を流れる水と冷媒との間の熱伝導を向上させる。蒸発器は、水及び冷媒の向流を実現し、冷媒及び水の双方が、蒸発器を通って単一の軸方向パスにて流れるのみである、水及び冷媒の向流を実現する。
【００２２】
好ましい実施の形態において、長い部材、複数の長い管状部材及び長い内側部材は実質的に直線状である。この特別な実施の形態において、蒸発器の長さは３．６５８ｍ（１２フィート）であるが、熱交換器の異なる流量及び高さに対応し得るようにその他の長さとすることもできる。長さ４．８７７ｍ（１６フィート）の蒸発器の設計にて優れた結果が得られた。図３に図示するように、長い内側部材１０は長い管状部材３０内に配置されている。内側部材及び管状部材の双方は内側部材及び管状部材の対向する面の間に環状空間２９を形成し得る寸法とされている。好ましい実施の形態において、内側部材は一定の直径を有する。剛毛の束で出来た房状体であることが好ましい複数の弾性的な支持部材１２が内側部材に取り付けられ且つ内側部材の長さに沿って隔てられ、管状部材に係合し、これにより、内側部材を管状部材内の中央に支持し得るように突き出している。内側部材を管状部材内で同心状に支持することにより最良の結果が得られた。
【００２３】
冷媒は環状空間２９を通って流れ、管状部材３０の壁を通じて管状部材３０の外面の外側を流れる流体に熱伝導する。好ましい実施の形態において、管状部材は円形の断面をしており、内側部材１０は中実な円形の断面を有し、発泡プラスチック材料で出来ている。使用すべき環状空間の寸法は、使用する流体及び蒸発器の寸法及び負荷の特徴を考慮して、特定の用途に対応して決まる。高さ（内側部材１０の外面と管状部材３０の内面との間の半径方向距離）が３．１７５（１／８）乃至６．３５ｍｍ（１／４インチ）の範囲にある環状空間は、内径１５．８７５ｍｍ（５／８インチ）の管状部材に対し許容可能な熱伝導を提供し得ることが分かったが、本発明はこの範囲の環状空間にのみ限定されるものではない。
【００２４】
内側部材１０は、環状空間を通って流動する冷媒と適合可能であって、実際的又は適用上の問題点を生じない材料で出来ている。単に一例として、発泡重合系材料で出来た内側部材１０は、Ｒ−４０７Ｃのようなゼオトロピック冷媒に対し特に優れることが分かった。内側ロッドは多岐に亙る材料で形成することができ、本発明の特徴の多くを実現可能であるが、ポリプロピレン製ロッドと同様の特徴を有する中実な合成ロッド、最も好ましくは発泡ポリエチレン製ロッドが本発明にとって特に適するものであることが確認された。発泡重合系ロッドは、ガスの閉塞空所を有する重合系ロッドである。発泡ロッドは中実なポリマー製ロッドよりも強度及び同心性が優れ、また、より優れた堅牢さを有し、製造中にその寸法を一層良く制御することができる。かかるロッドは、その他の材料で出来たロッドと比較して、比較的低廉でもある。
【００２５】
より具体的には、発泡ポリエチレン又は発泡ポリプロピレンで出来た内側部材により良好な結果が得られる。これら材料の双方は凝縮不能とするであろう化学的攻撃に抵抗する。金属を含むその他の材料を使用して内側部材を形成することができるが、その全ては、過大な製造又は設置コスト、腐食、機械的な故障の促進、過剰な圧力降下又は管状部材内で中心決めすることの困難さといったような特定の不益な点がある。
【００２６】
図１及び図２に図示するように、複数の管状部材が、水の冷却に使用される蒸発器内に内蔵されている。単に一例としてのみ、約４００本の管が本発明に従って製造された蒸発器内に含めてある。管状部材の各々は内径１５．８７５ｍｍ（５／８インチ）であり、内側部材の各々の外径は９．５２５ｍｍ（３／８インチ）とした。これらの寸法パラメータは、特定の用途に必要なように変更可能である。
【００２７】
本発明の蒸発器は、冷媒と水との間の熱交換効率が向上するため、冷却装置の効率を向上させる。管状部材の表面付近の冷媒の体積流量は増し、その結果、管状部材３０の壁における熱伝導率が向上する。この熱伝導率は、管状部材が冷媒と接触したフィン付き内面３１を有し、管状部材３０の内面の面積が増加するようにすることで更に向上させることができる。かかるフィン付き内面を有する管は市販されている。
【００２８】
好ましい実施の形態において、内側部材は、弾性的な支持部材１２により管状部材内の中央に保持されている。図面に図示した実施の形態において、弾性的な支持部材は内側部材から伸長し且つ一端にて内側部材に取り付けられている。他端にて、支持部材１２は管状部材３０の内面に係合し、これにより、内側部材１０を管状部材３０の中心線に沿った実質的に中央の位置に保持する。
【００２９】
図６に図示するように、好ましい実施の形態において、弾性的な支持部材１２は房状体に形成される一方、該房状体は内側部材１０に取り付けられた剛毛２２の房で出来ていることが好ましい。これらの房状体は、管状部材内で使用される冷媒と適合可能であり且つ管内に容易に挿入可能でありしかもロッドを所定位置に保持するのに十分に弾性的である多岐に亙る材料で製造することができる。一例として、房状体はポリプロピレン製の剛毛で製造することができる。かかる房状体又は同様の弾性的な部材は、多岐に亙る従来の技術により内側ロッドに固定することができる。開示された実施の形態において、房状体は、長い内側部材１０に穴２０を穿孔し又はその他の方法で形成し、房状体をその穴内に恒久的に添着することにより形成される。この実施の形態において、剛毛の束はそれ自体に重ね合わせ且つ穴２０に挿入する。次に、重ね合わせた剛毛の束は、鋼又はその他の適当な材料で出来た止め具２１により内側部材に固着する。次に、内側部材の表面から伸長する剛毛を縁処理して適当な長さにし、内側部材及び弾性的な房状体を管状部材内に容易に挿入することができ、次に、房状体を管状部材の内壁に圧力嵌めし得るるようにする。一例として、直径９．５２５ｍｍ（３／８インチ）の内側部材を穿孔して深さ３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）及び直径３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の穴を形成し、直径２．５４ｍｍ（０．１００インチ）の房状体を受け入れ得るようにする。直径０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の剛毛がこの適用例に許容可能である。
【００３０】
最終的に、形成された支持部材が経済的で且つ技術的に許容可能な方法にて外側部材及び内側部材を適正な位置に保持する限り、本発明の支持部材は多岐に亙る材料及び技術にて製造することができる。
【００３１】
房状体に形成された剛毛から弾性的な支持部材１２を形成することの１つの有利な点は、支持部材が曲がるが、次に、それ自体でその当初の形状に復帰し、長い内側部材１０を管状部材の開放した一端を通じて長い管状部材３０内に容易に挿入することができる点である。長い内側部材１０が管状部材３０内に挿入されたならば、弾性的な支持体１２は長い内側部材１０を中心決めし且つ該部材を長い管状部材３０内のその適正な位置に保ち、環状空間２９を形成する。
【００３２】
現在の好ましい実施の形態において、弾性的な支持部材は内側部材の長さに沿って隔てられ且つ環状空間の周の周りに沿っても隔てられている。本発明にて具体化し且つ図４及び図５に関して説明するように、弾性的な支持部材１２は、内側部材１０の外周の周りに配置された等距離にある角度空間により分離されている。この場合、３つの支持部材から成る組みが内側部材１０の外周の周りに配置され且つ１２０°の円弧で隔てられている。更に、一組みにおける支持部材１２は、好ましくは等しい軸方向距離だけ、内側部材１０に沿って軸方向に隔てられている。
【００３３】
一つの好ましい実施の形態において、各々が３つの房状体で形成された幾つかの組みが内側部材に沿った特定の距離にて配置され、内側部材１０が、その全長に沿って管状部材３０内で実質的に中央に支持されている。各組みの支持部材内で、個々の房状体は内側部材の外周の周りで且つ内側部材の軸方向長さに沿って等距離にある。更に、少なくとも１つの組みの支持部材は図４に図示するように、環状空間２９の長さに沿ったら旋経路を画成する。
【００３４】
支持部材の好ましい形態は、環状空間２９を通って流れる冷媒に起因する圧力降下程度を最小にする。管状通路内を流れる冷媒に対し、２０．６８ｋＰａ（３ｐｓｉ）乃至４８．２６ｋＰａ（７ｐｓｉ）の範囲の圧力降下は、全体として、冷却装置の効率を低下させることなく許容可能である。上述した特定の一例としての管及びロッドの寸法に関し、これらの圧力損失は弾性的な支持部材の組みの間における空隙の間隔が約２５４ｍｍ（１０インチ）及び７６．２ｍｍ（３インチ）の場合に対応する。より具体的には、図４に距離「Ｄ」で示すように、連続的な組みの弾性的な支持体の間の距離は１６８．２７５ｍｍ（６．６２５インチ）が許容可能であることが分かった。また、各組みの支持部材内の個々の房状体間の間隔は、長い内側部材１０を中心決めしつつ、圧力降下を減少させ得るよう最適にすることもできる。例えば、１つの房状体から次の房状体まで約１２．７ｍｍ（約０．５インチ）の軸方向間隔とすることが許容可能であることが分かり、これは、図４に距離「Ｂ」で示してある。
【００３５】
また、好ましい実施の形態にて使用した支持体１２のら旋状の形状は、冷媒に対しら旋状の動作を付与する。このことは、冷媒は流体から吸収した熱により管状部材を通して液体からガスに相変化するから、冷媒が層状化して液体層及び蒸気層になる程度を最小にする傾向があることになる。
【００３６】
本発明の蒸発器は、顕著なグライド特性を有するゼオトロピック冷媒と共に使用されることが好ましい。かかる冷媒の１つは、ＨＦＣ−３２、ＨＦＣ−１２５及びＨＦＣ−１３４ａの３成分混合体で且つ非オゾン破壊冷媒であるＲ−４０７Ｃである。この混合体は、所定の圧力にて幾つかの沸点及び凝縮温度を有する。沸点／凝縮温度が変化する範囲は、温度グライド（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｇｌｉｄｅ）と称されている。また、本発明の適用例にて多数のその他のゼオトロピック冷媒を使用することもできる。
【００３７】
上記の説明から明らかであるように、本発明は、長い部材を有する管型熱交換器内にて流体と冷媒との間で熱交換する方法を含んでいる。これらのステップは、長いチャンバ内に配置された長い管状部材及び該管状部材内に配置された長い内側部材の対向する面の間に形成された環状通路を通して冷媒を流動させることを含む。更なるステップは、流体を管状部材の外面の周りで流動させることである。この方法において、内側部材は、複数の弾性的な支持体により管状部材内に支持され、その支持体は、内側部材の長さに沿って隔てられ、内側部材から突き出し且つ管状部材に係合する。
【００３８】
本発明による管型蒸発器内の流体を冷却する方法の好ましい実施の形態は、水のような流体を蒸発器の胴体の第一の端部に隣接して配置された流体入口を通して流動させるステップと、流体を胴体内で長いチャンバを通して第一の軸方向に流動させるステップと、第一の端部と反対側の胴体の第二の端部に隣接して配置された流体出口を通して流体を熱交換器から排出するステップを含んでいる。この方法は、冷媒を冷媒入口を通じて胴体の第二の端部に配置された第一の管寄せ内に流動させるステップと、長いチャンバ内の管状部材及び管状部材内の内側部材の対向する面の間に形成された環状空間を通して冷媒を第一の方向と反対の第二の方向に流動させるステップと、第一の管寄せと反対側の胴体の第一の端部にて冷媒を第二の管寄せから冷媒出口を通して排出するステップとを更に含んでいる。冷媒及び流体の双方は、蒸発器を通って１回のみ流れ、冷媒は、顕著なグライド特性を有するゼオトロピック冷媒であることが好ましい。蒸発器は、本発明に従って、各々の長さが４．８７７ｍ（１６フィート）程度の複数の外管及び内側部材を有している。装置の特定の寸法は、冷却される流体の量及び温度に対応して変更可能である。
【００３９】
房状体により支持された長い内側部材が長い管状部材内に配置される、水と反対方向に流れる冷媒を使用して水を冷却する方法は、グライド特性を有するゼオトロピック冷媒が作用冷媒として採用される場合、特に、有利である。この方法は、冷却サイクルに対し装置の効率を向上させると共に、効率を犠牲にすることなく、より短い蒸発器を使用することも可能にする。このような構造とされた挿入管体は、設置が容易であり、ガルバニック腐食を促進することはない。
【００４０】
このように、本発明は、Ｒ−４０７Ｃのような顕著なグライドゼオトロピック冷媒を使用する空冷の冷却装置用の向流型蒸発器を提供するものである。蒸発器及び管は、冷媒を、蒸発器の入口に入ったときの主として液体状態から退出するときの約９５％の量のガスに蒸発させるのに十分に長い。外径１５．８７５ｍｍ（５／８インチ）の３８２本の管と、直径９．５２５ｍｍ（３／８インチ）の内側円筒状部材とを有する蒸発器の場合、４．８７７ｍ（１６フィート）の長さは望ましい効率を提供することも分かった。３．６５８ｍ（１２フィート）以上の長さの本発明の蒸発器は従来の装置に勝る顕著な利点を提供するものと考えられる。図７には、水及びＲ−４０７Ｃ冷媒が本発明に従った構造とされた蒸発器を通って反対方向に流れるときのその水及び冷媒の温度の線図が示してある。
【００４１】
内側部材は重合系ロッドで出来ており、また、この内側部材には、経済的で且つ組立てが容易な支持装置により部材を所定位置に保持する支持部材を設けることができるため、内側部材の好ましい実施の形態は低コストである。かかる一つの実施の形態は、上記に詳細に開示した房状体の支持体を有する発泡ポリエチレン製ロッドである。この実施の形態の製造コスト及び材料コストは金属製ロッドに比較して低廉であり、内側部材を管状部材内に組み立てることは極めて容易で且つ経済的である。また、形成される組み合わせ体は他のオプションの場合と比べて完全無騒音であることも判明している。また、ポリプロピレン又はポリエチレン製ロッド及び房状体を使用することは、ガルバニック腐食の観点から又は金属対金属の境界部分により生じる管の漏洩の観点からして外管にとって何ら有害なものではない。更に、この要素の組み合わせ体は、僅かな又は穏当な程度の圧力降下にて大きい熱交換値を実現する。同一又は同様の有利な特性を提供するその他の管の材料及び支持体の特徴は、特許請求の範囲により規定された本発明の範囲に属するものである。
【００４２】
当業者には、本発明の精神又は範囲から逸脱せずに、本発明の構造及び方法に色々な改変例及び変更を加え得ることが明らかであろう。このため、特許請求の範囲及びその均等例の範囲に属するならば、本発明はその本発明の改変例及び変更例を包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って製造された熱交換器の蒸発器に関する一つの実施の形態を示す側面図である。
【図２】  図１に図示した熱交換器の蒸発器に関する実施の形態の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】  長い管状部材内に配置された弾性的な支持体を有する長い内側部材を示す、図１の蒸発器の管状部材の１つの断面図である。
【図４】  弾性的な支持部材を有する長い内側部材に関する一つの実施の形態の側面図である。
【図５】  図４の長い内側部材の端面図である。
【図６】  図４に図示した内側部材の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図である。
【図７】  水及び冷媒が本発明に従って製造された蒸発器を通って流れるときのその水及び冷媒の温度の一例を示す線図である。
【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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