JP2005337668A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で熱交換性に優れた熱交換器を提供することにある。
【解決手段】 ケーシング７における冷媒が排出される出側ヘッダ２の近傍に流入管８を設け、ケーシング７における冷媒が流入する入側ヘッダ１の近傍に排出管９を設け、流入管８からケーシング７内を通って排出管９に外部流体Ｂを排出させるようにして、外部流体Ｂを入側ヘッダ１と出側ヘッダ２との間に連結されるチューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して流れるようにし、外部流体Ｂとチューブ３との接触面積を広くして、チューブ３内を流れる流体Ａと外部流体Ｂとの熱交換の効率を向上させた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来の熱交換器には、前記熱交換器内を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、前記冷媒と熱交換を行う外部流体として水を用いるものがある。

上述したような熱交換器の一例として、下記特許文献１には簡易な構造で耐圧性を高くすると共に、伝熱面積を大きくした熱交換器に関する技術が開示されている。この熱交換器は、対向して設けられる一対のヘッダと、前記一対のヘッダ間を連結して設けられるチューブとを外側から覆うケーシングを有している。前記熱交換器では、一方のヘッダから第２の流体として供給された高温・高圧の二酸化炭素ガスが前記チューブを介して他方のヘッダに流通している。第１の流体である水は、前記ケーシングに設けられた一方のパイプから前記ケーシング内に導かれ、前記ケーシング内の仕切によって内部を蛇行して通り、前記ケーシングに設けられた他方のパイプに導かれている。このとき、第１の流体と第２の流体との間で熱交換が行われる。

特開２００３−２７９２９１号公報

上記特許文献１に記載の熱交換器では、チューブが少なく、ヘッダから前記チューブに流れる冷媒の流量が少ないので、冷媒の圧力損失が大きくなってしまう。そのため、前記熱交換器における冷媒の圧力損失を低下させると共に、前記熱交換器を高性能化するには、チューブを増やすことが考えられる。しかしながら、チューブを増やすと、前記熱交換器の構造が複雑になってしまうという問題が生ずる。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、簡易な構造で熱交換性に優れた熱交換器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る熱交換器は、冷媒が流入する入側ヘッダと、前記入側ヘッダに対向して配置され、前記冷媒が排出される出側ヘッダと、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの長手方向に隙間をあけて配置され、前記入側ヘッダと前記出側ヘッダとに連結されて、前記冷媒が前記入側ヘッダ側から前記出側ヘッダ側へ流れるチューブとを有し、前記入側ヘッダ、前記出側ヘッダおよび前記チューブを覆うケーシングを設けると共に、前記ケーシング内に、前記チューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して外部流体を流すようにしたことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る熱交換器は、第１の発明に記載の熱交換器であって、前記ケーシングにおける前記出側ヘッダの近傍に流入管を設けると共に、前記ケーシングにおける前記入側ヘッダの近傍に排出管を設けて、前記流入管から流入した外部流体が前記ケーシング内を、前記チューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して流れて前記排出管から排出されるようしたことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る熱交換器は、第１の発明または第２の発明に記載の熱交換器であって、前記チューブの長手方向に延びる板状のサイドプレートを前記入側ヘッダおよび前記出側ヘッダの端部に接合して設ける一方、前記ケーシングの開口部にフレームを設け、前記サイドプレートを前記フレームに接合させてなることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る熱交換器は、第１の発明乃至第３の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記複数のチューブの間隔を規制するスペーサを設けたことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る熱交換器は、第３の発明または第４の発明に記載の熱交換器であって、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの他端部に第２のサイドプレートを設けたことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る熱交換器は、第１の発明乃至第５の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記チューブが前記チューブの長手方向に延びる複数の穴を有する扁平チューブであることを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る熱交換器は、第１の発明乃至第６の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダは、前記冷媒が流れる複数の流路が形成されていることを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係る熱交換器は、第２の発明乃至第７の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記ケーシングの側面に、前記流入管と前記排出管とを設けたことを特徴とする。

第１の発明に係る熱交換器によれば、冷媒が流入する入側ヘッダと、前記入側ヘッダに対向して配置され、前記冷媒が排出される出側ヘッダと、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの長手方向に隙間をあけて配置され、前記入側ヘッダと前記出側ヘッダとに連結されて、前記冷媒が前記入側ヘッダ側から前記出側ヘッダ側へ流れるチューブとを有し、前記入側ヘッダ、前記出側ヘッダおよび前記チューブを覆うケーシングを設けると共に、前記ケーシング内に、前記チューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して外部流体を流すようにしたことにより、前記外部流体と前記チューブとの接触面積が広くなり、前記チューブ内を流れる前記冷媒と前記外部流体との熱交換の効率が向上する。

第２の発明に係る熱交換器によれば、第１の発明に記載の熱交換器であって、前記ケーシングにおける前記出側ヘッダの近傍に流入管を設けると共に、前記ケーシングにおける前記入側ヘッダの近傍に排出管を設けて、前記流入管から流入した外部流体が前記ケーシング内を、前記チューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して流れて前記排出管から排出されるようしたことにより、前記ケーシング内への前記外部流体の流入、および前記ケーシング内から前記外部流体の排出を容易に行うことができる。

第３の発明に係る熱交換器によれば、第１の発明または第２の発明に記載の熱交換器であって、前記チューブの長手方向に延びる板状のサイドプレートを前記入側ヘッダおよび前記出側ヘッダの端部に接合して設ける一方、前記ケーシングの開口部にフレームを設け、前記サイドプレートを前記フレームに接合させてなることにより、前記外部流体が前記ケーシング内から外へ漏れないようになる。また、前記サイドプレートを設けたことにより、前記入側および出側ヘッダの振動が抑制される。

第４の発明に係る熱交換器によれば、第１の発明乃至第３の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記複数のチューブの間隔を規制するスペーサを設けたことにより、前記チューブの振動が抑制される。

第５の発明に係る熱交換器によれば、第３の発明または第４の発明に記載の熱交換器であって、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの他端部に第２のサイドプレートを設けたことにより、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの振動がさらに抑制される。

第６の発明に係る熱交換器によれば、第１の発明乃至第５の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記チューブが前記チューブの長手方向に延びる複数の穴を有する扁平チューブであることにより、前記冷媒が前記複数の穴に分配されて流れるので、前記冷媒が熱交換する部位が広くなり、前記扁平チューブ内を流れる前記冷媒の熱交換を効率良く行うことができる。

第７の発明に係る熱交換器によれば、第１の発明乃至第６の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダは、前記冷媒が流れる複数の流路が形成されていることにより、前記流路を流れる前記冷媒の流量を維持しつつ、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの強度を維持することができる。

第８の発明に係る熱交換器によれば、第２の発明乃至第７の発明の何れかに記載の熱交換器であって、前記ケーシングの側面に、前記流入管と前記排出管とを設けたことにより、前記外部流体を前記ケーシング内に均一に流れ、前記外部流体と前記チューブ内の前記冷媒との熱交換を均一に行うことができるので、熱交換の効率が向上する。

以下に、本発明の第１の実施例に係る熱交換器を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る熱交換器の分解図、図２は、本発明の第１の実施例に係る熱交換器の斜視図である。

図１に示す様に、本発明の第１の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体１０は、対向して配置される入側ヘッダ１および出側ヘッダ２と、入側ヘッダ１と出側ヘッダ２とに連結して設けられ、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２の長手方向に狭い間隔、例えば数ｍｍの間隔で配置される複数のチューブ３とを有する。入側ヘッダ１および出側ヘッダ２は長尺な略直方体状であり、前後方向に延びて配置されている。入側ヘッダ１および出側ヘッダ２には、冷媒Ａを流通させる冷媒流路４が２つ並列に形成されている。このように二つの冷媒流路４が入側および出側ヘッダ１，２に形成されていることにより、冷媒流路４を流れる冷媒Ａの流量を維持しつつ、入側および出側ヘッダ１，２の強度を維持することができる。入側ヘッダ１および出側ヘッダ２の互いに対向するそれぞれの内側面１ａには、チューブ３を挿入する挿入孔５が複数形成されている。チューブ３は、例えば同一平面上に冷媒が流れる穴６を複数有する扁平チューブなどが挙げられる。なお、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２とチューブ３とはロウ付けで固定される。入側ヘッダ１、出側ヘッダ２およびチューブ３は、例えばアルミニウムなどにより作られる。

入側ヘッダ１は熱交換器本体１０内に冷媒Ａを分配し、出側ヘッダ２は熱交換器本体１０内の冷媒Ａを集合させている。よって、冷媒Ａは、左側の入側ヘッダ１からチューブ３を通って右側の出側ヘッダ２に流れる。冷媒Ａとしては、例えば超臨界流体の二酸化炭素などが挙げられる。

図２に示すように、ケーシング７は、略直方体状の容器であり、このケーシング７内に、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２とチューブ３とが配置される。ケーシング７の内面は、左側の入側ヘッダ１の上面１ｃ、下面および外側面と、右側の出側ヘッダ２の上面２ｃ、下面および外側面２ｂとに接する。ケーシング７の上面７ａにおける出側ヘッダ２の近傍に、円柱状の流入管８が連結して設けられる。一方、ケーシング７の下面における入側ヘッダ１近傍には、円柱状の排出管９が連結して設けられる。冷却剤である外部流体Ｂとしては、例えば水などが用いられる。ケーシング７は、例えば合成樹脂などにより作られる。

上記のように流入管８および排出管９を設けることにより、流入管８からケーシング７内に流入した外部流体Ｂは、ケーシング７内を右側から左側に流れて、つまり、ケーシング７内では、外部流体Ｂは、チューブ３内を流れる冷媒Ａの流れと対向するように流れて、排出管９から排出される。なお、外部流体Ｂは複数のチューブ３の間にも流れる。

このように外部流体Ｂが流れることにより、外部流体Ｂとチューブ３との接触面積が広くなり、チューブ３内を流れる冷媒Ａと外部流体Ｂとの熱交換の効率が向上する。

なお、上記の実施例では、扁平チューブを用いて説明したが、扁平チューブ以外のチューブを用いることもできる。例えば、長手方向に波状に形成されたチューブを用いても良い。このような形状のチューブを用いることにより、外部流体Ｂとチューブ３との接触面積が広くなり、チューブ３内を流れる冷媒Ａと外部流体Ｂとの熱交換の効率がさらに向上する。

以下に、本発明の第２の実施例に係る熱交換器について、図を用いて具体的に説明する。第２の実施例に係る熱交換器は、上述した第１の実施例に係る熱交換器におけるケーシングの形状を変形したものである。第２の実施例に係る熱交換器に用いられる熱交換器本体は、第１の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体１０を上下方向に配置したものであり同じ構造を有するので、同一部材には同一符号を付記してその説明を省略する。

図３は、本発明の第２の実施例に係る熱交換器からケーシングを外した状態の斜視図であり、図４は、本発明の第２の実施例に係る熱交換器に用いられるケーシングの斜視図であり、図５は、本発明の第２の実施例に係る熱交換器を側方から見た斜視図であり、図６は、本発明の第２の実施例に係る熱交換器を下方から見た斜視図である。

図３に示す様に、本発明の第２の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体１０は、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２の長手方向が上下方向となるように配置したものである。図３では、熱交換器本体１０内に冷媒を分配する入側ヘッダ１が右側に配置され、熱交換器本体１０内の冷媒を集合させる出側ヘッダ２が左側に配置される。よって、冷媒Ａは、チューブ３内を右側から左側に流れる。

入側ヘッダ１および出側ヘッダ２のそれぞれの上端部に接合して、板状の上部サイドプレート１１が配置されている。このように上部サイドプレート１１を配置することにより、熱交換器本体１０の強度が向上する。上部サイドプレート１１には、入側ヘッダ１に冷媒を流通させる冷媒流入パイプ（図示せず）を接続する冷媒流入部１２と、出側ヘッダ２から冷媒を排出させる冷媒排出パイプ（図示せず）を接続する冷媒排出部１３とがそれぞれ形成されている。冷媒流入部１２には、前記冷媒流入パイプとつながる取付孔１２ａが形成され、冷媒排出部１３には、前記冷媒排出パイプとつながる取付孔１３ａが形成されている。

図４に示す様に、ケーシング２０は、上部が開口する略直方体状のケーシング本体２１と、ケーシング本体２１の前側面２１ａに沿って配置される流入管２２と、ケーシング本体２１の後側面２１ｂに沿って配置される排出管２３とを有する。流入管２２および排出管２３は、上下方向に長尺な略直方体状である。流入管２２には、外部流体Ｂが流入する流入孔２２ａ（図６参照）が形成されている。流入管２２のケーシング本体２１に接する側面には、流入管２２の長手方向に所定の間隔でケーシング本体２１に貫通する分配孔（図示せず）が複数形成されている。排出管２３には、外部流体が排出する排出孔２３ａ（図６参照）が形成されている。排出管２３のケーシング本体２１に接する側面には、排出管２３の長手方向に所定の間隔でケーシング本体２１に貫通する回収孔（図示せず）が複数形成されている。よって、流入管２２から前記分配孔を通ってケーシング本体２１内に外部流体は流入し、ケーシング本体２１内の外部流体は前記回収孔を通って排出管２３から排出される。

ケーシング本体２１の上部には、フレーム２４が設けられている。フレーム２４には、ケーシング本体２１内に熱交換器本体１０を挿入可能な開口部２４ａが形成されている。

図５および図６に示す様に、ケーシング本体２１に熱交換器本体１０を入れると、熱交換器本体１０の上部サイドプレート１１とケーシング本体２１のフレーム２４とが合わされる。ボルト２５により上部サイドプレート１１とフレーム２４とは固定される。フレーム２４の上面２４ｂには、シール材（図示せず）が塗布されており、このシール材により、フレーム２４と上部サイドプレート１１との間はシールされる。

このようにケーシング本体２１内に熱交換器本体１０を配置することにより、外部流体Ｂは流入管２２からケーシング本体２１を通って排出管２３に排出される。つまり、ケーシング本体２１内では、外部流体Ｂは、冷媒Ａの流れに対向する方向に流れる。よって、外部流体Ｂとチューブ３との接触面積が広くなり、チューブ３内を流れる冷媒Ａと外部流体Ｂとの熱交換の効率が向上する。また、ケーシング本体２１内に外部流体Ｂが均一に流れ、外部流体Ｂと前記チューブ内の冷媒Ａとの熱交換を均一に行うことができるので、熱交換の効率がさらに向上する。

以下に、本発明の第３の実施例に係る熱交換器について、図を用いて具体的に説明する。第３の実施例に係る熱交換器は、上述した第２の実施例に係る熱交換器におけるチューブの振動を抑制するようにしたものである。第３の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体は、上記第２の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体と同じ構造を有するので、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

図７は、本発明の第３の実施例に係る熱交換器からケーシングを外した状態の分解図である。

図７に示すように、本発明の第３の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体１０は、左右に対向して配置される一対の入側ヘッダ１と出側ヘッダ２との間に連結して、複数のチューブ３が配置されている。スペーサ３０が、複数のチューブ３に差し込まれて配置されている。このスペーサ３０は、櫛状になっており、所定の間隔に配置される複数の歯３１を有する。前記所定の間隔と、ヘッダ１，２に形成される複数の挿入孔５の間隔とが一致し、前記所定の間隔、つまり前記複数の歯３１の間にチューブ３が差し込まれるようになっている。

このようにスペーサ３０を複数のチューブ３に差し込むことにより、チューブ３の間隔が規制され、チューブ３の振動は抑制される。なお、スペーサ３０を複数配置しても良く、このようにスペーサを複数配置することにより、チューブの振動はさらに抑制される。

以下に、本発明の第４の実施例に係る熱交換器について、図を用いて具体的に説明する。第４の実施例に係る熱交換器は、上述した第２の実施例に係る熱交換器におけるヘッダの振動をさらに抑制するようにしたものである。第４の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体は、上記第２の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体と同じ構造を有するので、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

図８は、本発明の第４の実施例に係る熱交換器の斜視図である。

図８に示すように、本発明の第４の実施例に係る熱交換器で用いられる熱交換器本体１０では、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２のそれぞれの下端部に接合して、第２のサイドプレートである板状の下側サイドプレート４１が配置されている。この下側サイドプレート４１の幅Ｗ１は、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２の幅と略一致している。下側サイドプレート４１の長さＷ２は、入側ヘッダ１，出側ヘッダ２間の長さよりも大きくなっている。ただし、下側サイドプレート４１は、ケーシングのフレームに形成される開口部より小さくなっている。

このような下側サイドプレート４１を入側ヘッダ１および出側ヘッダ２の下端部に配置することにより、入側ヘッダ１および出側ヘッダ２の振動は抑制される。

本発明の第１の実施例に係る熱交換器の分解図である。 本発明の第１の実施例に係る熱交換器の斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器からケーシングを外した状態の斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器に用いられるケーシングの斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器を側方から見た斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る熱交換器を下方から見た斜視図である。 本発明の第３の実施例に係る熱交換器からケーシングを外した状態の分解図である。 本発明の第４の実施例に係る熱交換器の斜視図である。

符号の説明

１ 第１ヘッダ
２ 第２ヘッダ
３ チューブ
７ ケーシング
８ 流入管
９ 排出管

Claims (8)

1. 冷媒が流入する入側ヘッダと、前記入側ヘッダに対向して配置され、前記冷媒が排出される出側ヘッダと、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの長手方向に隙間をあけて配置され、前記入側ヘッダと前記出側ヘッダとに連結されて、前記冷媒が前記入側ヘッダ側から前記出側ヘッダ側へ流れるチューブとを有し、
   前記入側ヘッダ、前記出側ヘッダおよび前記チューブを覆うケーシングを設けると共に、前記ケーシング内に、前記チューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して外部流体を流すようにしたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記ケーシングにおける前記出側ヘッダの近傍に流入管を設けると共に、前記ケーシングにおける前記入側ヘッダの近傍に排出管を設けて、前記流入管から流入した外部流体が前記ケーシング内を、前記チューブ内を流れる前記冷媒の流れに対向して流れて前記排出管から排出されるようした
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記チューブの長手方向に延びる板状のサイドプレートを前記入側ヘッダおよび前記出側ヘッダの端部に接合して設ける一方、前記ケーシングの開口部にフレームを設け、前記サイドプレートを前記フレームに接合させてなる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記複数のチューブの間隔を規制するスペーサを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱交換器。
5. 前記入側ヘッダおよび出側ヘッダの他端部に第２のサイドプレートを設けたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記チューブが前記チューブの長手方向に延びる複数の穴を有する扁平チューブであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載された熱交換器。
7. 前記入側ヘッダおよび出側ヘッダは、前記冷媒が流れる複数の流路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の熱交換器。
8. 前記ケーシングの側面に、前記流入管と前記排出管とを設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項７の何れかに記載の熱交換器。

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