JP2008542677A - 流れ分布を良好にする液トラップを備えた平行流蒸発器 - Google Patents

Abstract

平行流蒸発器は、膨張装置から蒸発器に送られる冷媒の速度を調整する液トラップを有する。最も単純な構成では、液トラップは垂直方向に配置されたｕ字形状のパイプとされ、蒸発器の入口マニホルドに接続される。液トラップを設けることにより、条件次第で少量の液冷媒が蒸気相から分離する。この分離した液は、トラップ内に集まりやすく、蒸発器の入口マニホルドに通じたラインの流動断面積を狭める。この断面積が小さくなるにつれて、ラインを通る冷媒の速度が速くなる。このようにして、少量の液相が分離することに伴い、残りの冷媒速度が速くなって、さらなる分離を大幅に低減するか、または完全になくすことを確実にする。その結果、均一な冷媒流が蒸発器に供給されて、蒸発器の性能が高まり、システムの信頼性が改善される。

Description

本発明は、平行流蒸発器に関し、この平行流蒸発器では、入口マニホルドの上流に液トラップが配置されて、平行なチャネル間の流れ分布を良好にし、伝熱性を改善し、システムの信頼性を高める。

冷媒システムは、調整される様々な屋内環境にある空気の温度及び湿度を制御するために利用される。冷房モードで作動する典型的な冷媒システムでは、冷媒はコンプレッサで圧縮されて、凝縮器（つまり、この場合は屋外熱交換器）に送られる。凝縮器では、外部周囲空気と冷媒の間で熱交換が行われる。冷媒は、凝縮器から膨張装置に進み、膨張装置で膨張されて低圧かつ低温となり、次いで、蒸発器（つまり、システムが冷房モードで作動する場合には屋内熱交換器）へ流れる。蒸発器では、屋内空気を調整するために、冷媒と屋内空気の間で熱交換が行われる。冷媒システムが冷房モードで作動している場合、蒸発器は、屋内環境に供給されている空気を冷却し、一般的には除湿も行う。

冷媒システムに利用され得る蒸発器の一型式に平行流蒸発器がある。この型式の蒸発器は、入口マニホルドと出口マニホルドとの間で冷媒を伝達する数個の平行チャネルを有する。各チャネルは、通常、内壁で分離された様々な断面形状を有する平行な内部流路を多数備える。チャネル間には波状フィンが配置されて、伝熱性を高めるとともに、構造に剛性を付与する。通常、チャネル、マニホルドおよびフィンは、アルミニウムなどの同種の材料で構成され、ろう付けによって互いに取り付けられている。近年、平行流蒸発器が、その優れた性能、コンパクト性、剛性構造および高い耐腐食性によって、空調分野において多くの注目と関心を集めている。しかし、平行流蒸発器に関する１つの懸念としては、チャネル間において冷媒の分布が不均となることがある。平行流蒸発器における冷媒の不均一分布の問題は、通常、重力と不十分な冷媒速度とが相まって、入口マニホルド内で蒸気から液相が分離することによって引き起こされ、これにより、蒸発器チャネルを通る蒸気冷媒および液冷媒の量が不均一となる。不均一分布をもたらす他の事象としては、冷媒が様々なチャネルに達してから流出するまでに流れる距離の違い、圧力インピーダンスの不均一性、およびチャネル間での伝熱速度のばらつきなどがある。

公知の平行流蒸発器は、通常、円筒状の形状を有する入口マニホルドおよび出口マニホルドを備える。チャネルは、通常、平管を形成する同一のアルミニウム押出材から作られる。２相冷媒が入口マニホルドに入ると、蒸気相と液相とが頻繁に分離する。分離後は、２つの相が互いに独立して移動するので、冷媒の不均一分布問題が頻繁に生じてしまう。

そのような不均一分布が発生すると、熱交換器の性能は大幅に低下し、液冷媒が出口マニホルドから出ることを頻発させる。この液冷媒は、信頼性を損なう問題と永久的なコンプレッサの損傷とを引き起こす。これは、明らかに望ましくない。

本発明の開示した実施例では、平行流蒸発器には、その入口マニホルドの上流に液トラップが設けられている。この様式において、液相と蒸気相とが分離しないような速度で冷媒が移動している場合、冷媒はトラップを通過して入口マニホルドに流れ、ほぼ均等な分布で蒸発器チャネルに流れることができる。しかし、液分離が起こりそうなほど冷媒が低速で移動している場合、液が分離して液トラップに集積しやすくなる。液が液トラップに集積すると、冷媒の残りの部分に対する流れ断面積が減る。流れ断面積がより小さくなるので、その結果、冷媒速度が上がってジェット効果が起こり、ジェット効果によって、液滴を入口マニホルドに搬送し、さらなる相分離を制限する。この現象は自己調整する働きをし、冷媒の液部が蒸気から分離しにくくなるように、十分な冷媒速度を確実に維持する。

一実施例において、単一のｕ字形状トラップではなく、多数のこの種のｕ字形状構造体によって形成された蛇行流路が使用される。

他の開示した実施例において、冷媒システムには節約回路が設けられ、液トラップは、分岐された２相冷媒混合物をエコノマイザ熱交換器へと導くライン上で使用される。この実施例は、第１の開示した実施例に関するものと同様の恩恵および機能を提供する。

本発明の上記および他の特徴は、以下の明細書および添付図面から最もよく理解され得る。

図１に、平行流蒸発器２２を有する冷媒システム２０が示されている。公知のように、冷媒は、蒸発器２２からコンプレッサ２４、凝縮器２６へと下流に移動し、膨張装置２８を通って蒸発器２２に戻る。膨張装置２８を出た冷媒は、蒸気と液体が混合された状態にある。蒸発器２２は、入口マニホルド３４に沿って互いに離間した複数の平行チャネル３２を有する。チャネル３２と入口マニホルド３４とは互いに流体連通している。さらに、チャネル３２は出口マニホルド３５に対しても同様に配置され、出口マニホルド３５と流体連通している。フィン３０は、チャネル３２の間に配置されている。チャネル３２、フィン３０、入口マニホルド３４、および出口マニホルド３５は、通常、ろう付けによって互いに取り付けられている。公知のように、空気がフィン３０およびチャネル３２の上に供給されて調整される。調整空間に供給された空気との相互伝熱作用により、冷媒がチャネル３２内で蒸発する。

上記のように、入口マニホルド３４に接近している冷媒の速度が不十分なほど低い場合、蒸気から液冷媒が分離することがある。これにより、チャネル３２の間でこれらの２つの冷媒相が偏って分布してしまう。図１に示すように、冷媒は十分な速度で移動しており、冷媒相は、ほとんど若しくは全く分離しない。

入口マニホルド３４へ導くチューブ３６が、液トラップ３８の下流に配置されている。図示されるように、液トラップ３８は、ｕ字形の形状をなし、概ね垂直方向に延在している。したがって、分離する傾向にあるすべての液が、液トラップ３８内に集まる。

図２に示すように、冷媒速度は、相を分離させない図１の状態と比べて不十分なほど低く、いくらかの量の液冷媒４０がトラップ３８内に集積している。このため、冷媒が流れる残りの断面積４２は大幅に小さくなる。これにより、入口マニホルド３４へと進む冷媒の速度が増す。冷媒流の速度上昇に伴い、蒸気冷媒は、その液相を均一な態様でチャネル３２に運ぶ傾向があり、概ね均等な分布を確実にする。実質的に、噴射区域（ｊｅｔｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）が形成され、蒸気冷媒は速度を速められて、さらなる相分離が制限される。このように、ヘッダ３４の上流に液トラップ３８を含むことにより、本発明は、冷媒の速度を自己調節し、最初に分離した少量の液冷媒４０以外の残った液冷媒を蒸気相から分離しにくくすることにより、入口マニホルド３４内の流れ状態が均一になることを保証する。入口マニホルド３４は、当然、この均一な流れを維持できる適切な断面積および長さを有する必要がある。また、液トラップ３８は、入口マニホルド３４に近接して配置される必要がある。液トラップ３８は、入口マニホルド３４への入口から５インチ（約１２．７ｃｍ）以内に配置され、かつその下方で垂直に延在していることが好ましい。この結果、蒸発器の性能が向上する。これはまた、蒸発器の出口マニホルド３５内に液冷媒が存在しないようにし、かつシステムの信頼性を高める。

一般的な蒸発器において本発明を開示しているが、同様に蒸発器機能を果たす他の熱交換器（例えば、エコノマイザ熱交換器（または、いわゆるろう付けプレート熱交換器））も等しく本発明から恩恵を受け得る。

さらに、液トラップ３８は、最も単純な構成で示されているが、（互いに連結された多数のｕ字形状セグメント、局所流動インピーダンスなどの）他の構成も実現可能である。

図３に示した他の実施例１００は、入口マニホルド３４へ導く部分１０４の上流にある複数の連続したｕ字形状トラップ１０２を有する。液トラップ１０２の各々が少量の液冷媒を集めることができ、蒸気相の速度を上げ、入口マニホルド３４の入口での均一な状態を促進する。

他の冷媒システムの実施例１１０が図４に示されている。この実施例では、コンプレッサ１１２が、圧縮した冷媒を凝縮器１１４へ送り出す。ライン１１６は、主冷媒流ライン１２６から分岐して、エコノマイザ膨張装置１１８を通って延びる。液トラップ１２０は、入口１２２を通ってエコノマイザ熱交換器１２４に流れる冷媒を調整する。液トラップ１２０は、図１および図２の実施例と同じ機能を付与し、かつ動作する。エコノマイザ熱交換器１２４は、分岐ライン１１６内の冷媒と主流ライン１２６内の冷媒との間で熱交換が行われるように、隣接したチャネルを有する構造とされることを理解されたい。主流ライン１２６は、冷媒を出口１２８に送り、さらに主膨張装置１３０を通過させて蒸発器１３２に送る。本発明は、エコノマイザ熱交換器１２４および蒸発器１３２の両方で液トラップを利用することができる。冷媒は、蒸発器１３２からコンプレッサ１１２に戻る。エコノマイザ熱交換器１２４の下流のライン１３４は、分岐した冷媒をコンプレッサ１１２内の中間圧縮点に戻す。

すべての入口マニホルドが水平な構成で示されているが、不均一分布の現象は、垂直方向の配置において、より顕著になることを指摘しておかなければならない。そのような状況では、本発明の利点がさらに顕著になる。

本発明の好ましい実施例を開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。この理由から、本発明の特許請求の範囲および内容を確定するために、請求項を検討されたい。

本発明を組み込んだ蒸発器の断面図。 異なる流れ状態にある図１の蒸発器を示す図。 他の実施例を示す図。 さらに他の実施例を示す図。

Claims (15)

1. 圧縮した冷媒を凝縮器に送るコンプレッサと、
   前記凝縮器から膨張装置へ流れ、さらに前記膨張装置から蒸発器へ流れる冷媒と、
   前記膨張装置と前記蒸発器とを連結するラインと、
   を備え、
   前記蒸発器は、入口マニホルドと、出口マニホルドと、前記入口マニホルドから冷媒を受け、冷媒を前記出口マニホルドに送る複数のチャネルと、前記チャネル間に配置されたフィンと、を有し、
   前記ラインには前記膨張装置から前記蒸発器へ流れる蒸気冷媒から分離した液を収集する液トラップが設けられている、冷媒システム。
2. 前記液トラップが、前記入口マニホルドの下方で垂直に延在する請求項１に記載の冷媒システム。
3. 前記液トラップが、前記ラインの下方に延在する概ねｕ字形状部分によって形成されている請求項１に記載の冷媒システム。
4. 前記液トラップが、前記入口マニホルドから５インチ以内に配置されている請求項１に記載の冷媒システム。
5. 前記冷媒システムにさらにエコノマイザ回路が設けられ、該エコノマイザ回路がエコノマイザ熱交換器を有し、前記エコノマイザ熱交換器には、エコノマイザ膨張装置を通って主流ラインを前記エコノマイザ熱交換器へと接続するとともに、前記エコノマイザ熱交換器の下流にある前記コンプレッサの中間圧縮点へと続く分岐ラインと、前記エコノマイザ膨張装置から前記エコノマイザ熱交換器へ流れる蒸気冷媒から分離した液を収集する液トラップと、が設けられている請求項１に記載の冷媒システム。
6. 前記液トラップが、直列でかつ離間した複数のｕ字形状液トラップ部分を含む請求項１に記載の冷媒システム。
7. 複数の管を有する蒸発器を設けるステップであって、前記複数の管は、入口マニホルドから冷媒を受け、該冷媒を出口マニホルドに送り、さらに前記出口マニホルドからコンプレッサに送り、前記コンプレッサは前記冷媒を凝縮器に送り、前記冷媒は前記凝縮器から膨張装置へ流れてから前記蒸発器に戻る、蒸発器を設けるステップと、
   前記膨張装置を前記蒸発器に接続する流体ラインを設けるステップであって、前記流体ラインには蒸気冷媒から分離した液を捕捉する液トラップが設けられている、流体ラインを設けるステップと、
   冷媒をきわめて均一な状態で前記入口マニホルドに送るために、前記蒸気冷媒から液が分離することに伴い、液トラップが冷媒の速度を自己調整するように、前記冷媒システムに冷媒を通流させるステップと、
   を含む、冷媒システムを作動させる方法。
8. 前記冷媒システムにさらにエコノマイザ回路が設けられ、前記エコノマイザ回路は、エコノマイザ熱交換器を有するとともに、冷媒を分岐させて、この分岐した冷媒をエコノマイザ膨張装置を介して前記エコノマイザ熱交換器に送り、さらに前記エコノマイザ回路は、前記エコノマイザ膨張装置から前記エコノマイザ熱交換器へ流れる蒸気から分離した液を捕捉するために設けられた液トラップを有し、
   冷媒をきわめて均一な状態で前記エコノマイザ熱交換器に送るために、前記蒸気冷媒から液が分離することに伴い、前記液トラップが冷媒の速度を自己調整するように、前記エコノマイザ膨張装置を介して前記エコノマイザ熱交換器に冷媒を送るステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
9. 入口マニホルドに導く流体ラインと、
   前記流体ラインに設けられた液トラップと、
   前記入口マニホルドから流体を受け取る複数のチャネルを有する熱交換器と、
   を備える熱交換器および流体ラインシステム。
10. 前記熱交換器が、冷媒システム用蒸発器である請求項９に記載の熱交換器および流体ラインシステム。
11. 前記熱交換器が、冷媒システム用エコノマイザ熱交換器である請求項９に記載の熱交換器および流体ラインシステム。
12. 前記液トラップが、前記入口マニホルドの下方で垂直に延在する請求項９に記載の熱交換器および流体ラインシステム。
13. 前記液トラップが、前記ラインのｕ字形状で下方に延在する部分によって概ね形成されている請求項９に記載の熱交換器および流体ラインシステム。
14. 前記液トラップが、前記入口マニホルドから５インチ以内に配置されている請求項９に記載の熱交換器および流体ラインシステム。
15. 前記液トラップが、直列でかつ離間した複数のｕ字形状構造体によって形成されている請求項９に記載の熱交換器および流体ラインシステム。

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