JP2012021668A

JP2012021668A - 熱交換器

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Publication number: JP2012021668A
Application number: JP2010158342A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Tanigawa; 茂利谷川
Original assignee: CKU KK; CI Kasei Co Ltd
Current assignee: CKU KK; CI Kasei Co Ltd
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-12
Also published as: WO2012008348A1; CN103097847B; TWI470181B; KR20130100982A; CN103097847A; TW201221887A; JP5393606B2; US20130112380A1

Abstract

【課題】多重管を用いて熱交換する熱交換器において、効率よく熱交換を行えるようにした熱交換器を提供する。
【解決手段】外管４２と内管４１を有する伝熱管４を用いた熱交換器１を構成する場合、内管４１の両端を外管４２から延出させ、延出する内管４１の外周部から外管４２との隙間に第一流体を流通させるヘッダユニット２１を設ける。そして、このヘッダユニット２１に隙間形成部材８などを挟み込んで所定の隙間部Ｗをもって上下方向に積層する。また、各ヘッダユニット２１から延出する内管に第二流体を流通させるヘッダカバー３ｂを両外側から被せて第二流体を流入させるようにする。これによって、ヘッダカバー３ｂから流入する第二流体を、内管４１の内側に通すとともに、隙間部Ｗを介して外管４２の外側表面にも軸方向に沿って通し、外管４２の内側と外側から熱交換を行わせるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、左右のヘッダと、そのヘッダの間に設けられた伝熱管を有する熱交換器に関し、より詳しくは、伝熱管の外側に軸方向に沿って流体を流すことによって熱交換の効率を向上させるようにした熱交換器に関するものである。

従来より、多重管を用いた熱交換器が種々提案されている。図８に一般的な多重管を有する熱交換器の構造を示す。図８において、符号８３は、同軸管であって、外管８４の内側に内管８５を同軸状に設けるようにしたものである。この多重管としては、例えば、内管の外周部に軸方向に沿ったフィンを多数設けたものや、内管の外周部に螺旋状のフィンを設けたものなどがある（特許文献１〜特許文献３）。このような同軸管を用いて加熱流体を冷却する場合は、内管８５の内部に加熱流体を通すとともに、外管８４と内管８５との隙間に冷却流体を通し、これによって内管８５の外周から加熱流体を冷却させるようにしている。

また、多重管を用いた他の熱交換器として、図９に示すような構造のものも知られている（特許文献４）。図９において、符号２１０Ｌ、２１０Ｒは、左右に設けられたヘッダであり、符号２１０は、当該左右のヘッダの間に跨って設けられる伝熱管である。この伝熱管２１０は、その中央部分に外管２１２を設けており、その外管２１２と内管２１１との間に図示しないフィンを設けて熱拡散できるようにしている。一方、符合２１３は、左右のヘッダの間で仕切られた器室であり、流入口２１４から排出口２１５まで流体を通すようにしている。そして、このような熱交換器を用いて第一流体６を冷却する場合は、一方のヘッダ２１０Ｌから第一流体６を流入させ、内管２１１を介して他方のヘッダ２１０Ｒ側まで流出させる。一方、これと同時に、器室２１３の流入口２１４から第二流体７を流入させ、外管２１２と内管２１１との隙間に第二流体７を通して熱交換を行い、排出口２１５から排出させるようにしている。

特開２００５−０８３６６７号公報特開２００７−１６３０９２号公報特開２００８−６９９９３号公報特開平０７−１３３９９３号公報

しかしながら、このような多重管を用いて熱交換させる場合、次のような問題を生じる。すなわち、図８や図９に示されるような熱交換器では、細い内管に熱交換の対象となる流体を通すようにしているため、大きな流量を確保しようとすると、その内管を太くしなければならい。しかるに、このように内管を太くすると、内管の外側表面でしか熱交換をさせることができず、熱交換の効率が悪くなってしまうという問題を生じる。

また、図９に示すように中央部分の器室２１３に第二流体７を流通させるようにした場合、太い実線で示された方向に第二流体７が通るため、その実線で示された部分以外の領域（例えば、器室２１３のコーナー付近や壁面近傍など）ではあまり熱交換を行うことができないといった問題を生じる。

そこで、本発明は上記課題を解決するために、多重管を用いて熱交換する熱交換器において、効率よく熱交換を行えるようにした熱交換器を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、外管と内管を有する伝熱管を用い、外管と内管との隙間を流れる第一流体と、内管内を流れる第二流体との間で熱交換させる熱交換器において、前記内管の両端を外管から延出させ、当該延出する内管の外周部から外管との隙間に前記第一流体を流通させるヘッダユニットと、当該ヘッダユニットから延出する内管に第二流体を流通させる第二ヘッダと、積層されたヘッダユニットの間に前記第二ヘッダからの第一流体を流通させるための隙間部とを設け、前記第二ヘッダからの第二流体を、内管の内部に通すとともに、前記隙間部を介して外管の外側表面にも軸方向に沿って通すようにしたものである。

より具体的には、第一壁面で外管の端部近傍を保持するとともに、当該第一壁面と対向する第二壁面で、外管から延出する内管を保持し、当該第一壁面と第二壁面で囲まれた空間内で内管と外管との隙間に前記第一流体を流通させるヘッダユニットと、当該ヘッダユニットの第二壁面から延出する内管に第二流体を流通させる第一流入排出部と、積層されたヘッダユニットの間に前記第二ヘッダからの第二流体を流通させるための隙間部と、を設け、前記第二ヘッダからの第二流体を、内管の内部に通すとともに、前記隙間部を介して外管の外側表面にも軸方向に沿って通すようにしたものである。

このようにすれば、外管と内管との隙間に流れる第一流体を、内側と外側から第二流体で熱交換させることができ、また、伝熱管の軸方向に沿って第一流体を通すことができるため、外管の全体にわたって熱交換をさせることができるようになる。

また、このような発明において、積層されるヘッダユニットとヘッダユニットの間に隙間形成部材を挟み込ませて隙間部を形成する。

このようにすれば、隙間部の幅を変更する場合は、隙間形成部材の厚みを変更することによって対応することができ、容易に最適な隙間幅に設定することができるようになる。

もしくは、ヘッダユニットに一体的に凸状部もしくは凹状部を形成し、この凸状部や凹状部の間によって隙間部を形成する。

このようにすれば、凸状部や凹状部を有するヘッダユニットを積層するだけで隙間部を形成することができ、組み立て工程における隙間形成部材の接着などが不要になる。

さらには、積層されるヘッダユニットの上層と下層の伝熱管の間に、伝熱管の軸方向に沿ったフィンを設けるようにする。

このようにすれば、隙間部を介して流入した第二流体を、フィンを介して伝熱管の表面側に分岐させることができ、より伝熱管の表面近くに第二流体を流して熱交換の効率を向上させることができるようになる。

また、積層されるヘッダユニットの上層と下層の伝熱管の間に接触した状態で、上下のヘッダユニットの間に隙間部を形成するようなフィンを設けるようにすることもできる。

このように構成すれば、フィンをヘッダユニットの伝熱管の間に挟み込ませることによって隙間部を形成することができ、また、そのフィンを伝熱管に接触させているため、熱伝導によってより熱拡散を行わせることもできるようになる。

本発明によれば、外管と内管を有する伝熱管を用い、外管と内管との隙間を流れる第一流体と、内管内を流れる第二流体との間で熱交換させる熱交換器において、前記内管の両端を外管から延出させ、当該延出する内管の外周部から外管との隙間に前記第一流体を流通させるヘッダユニットと、当該ヘッダユニットから延出する内管に第二流体を流通させる第二ヘッダと、積層されたヘッダユニットの間に前記第二ヘッダからの第一流体を流通させるための隙間部とを設け、前記第二ヘッダからの第二流体を、内管の内部に通すとともに、前記隙間部を介して外管の外側表面にも軸方向に沿って通すようにしたので、外管と内管との隙間に流れる第一流体を、内側と外側から第二流体で熱交換させることができ、また、伝熱管の軸方向に沿って第一流体を通すことで、外管の全体にわたって熱交換をさせることができるようになる。

本発明の一実施の形態を示す熱交換器の概略図図１におけるＡ−Ａ断面概略図図１におけるＢ−Ｂ断面概略図第一の実施の形態におけるヘッダの近傍を示す斜視図本発明の第二の実施の形態を示すヘッダユニットの凸状部を示す図本発明の第二の実施の形態を示すヘッダユニットの他の凸状部を示す図本発明の第三の実施の形態を示す熱交換器の概略図従来の多重管を用いた熱交換器を示す図従来の多重管を用いた熱交換器を示す図

＜第一の実施の形態＞

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。本実施の形態における熱交換器１は、図１に示すように、内管４１と外管４２の隙間に熱交換の対象となる流体（第一流体）を通すための第一ヘッダ２ａと、その第一ヘッダ２ａの両外側に設けられ、内管４１の内部に第二流体を通すための第二ヘッダ２ｂとを備えて構成される。そして、特徴的には、その第一ヘッダ２ａを、複数のヘッダユニット２１を上下に隙間部Ｗを有するように積層し、その隙間部Ｗから第二流体を通して、外管４２の外側と内側から伝熱管４の軸方向に沿って熱交換させるようにしたものである。以下、本実施の形態における熱交換器１の構成について詳細に説明する。

この熱交換器１を構成する第一ヘッダ２ａの構造について説明すると、この第一ヘッダ２ａは、内管４１と外管４２を有する伝熱管４を保持するヘッダユニット２１を積層して構成される。このヘッダユニット２１は、図４に示すように、上下一対のユニット分離体２２を上下に対向させて構成され、外管４２の端部近傍を取り付ける側である第一壁面２３に、その外管４２の外形を半割りにした第一凹部２８ａを形成するとともに、また、その第一壁面２３に軸方向に対向する第二壁面（後面２６）にも、内管４１の外形を半割りにした第二凹部２８ｂを形成して外管４２や内管４１を挟み込ませるようにしている。これらの第一壁面２３や第二壁面の分割面２０は、一列に並べられた伝熱管４の軸面と平行な面で分割されており、その分割面２０に第一凹部２８ａや第二凹部２８ｂの開放部分を臨ませるようにしている。また、その第一壁面２３や第二壁面からは、連続する側面や底面が設けられており、一方の側面側に開口部２７を形成して、そこから第一流体を流入させるようにしている。このように構成されたユニット分離体２２を用いてヘッダユニット２１を形成する場合は、ユニット分離体２２を上下に対向させて、第一凹部２８ａで外管４２の端部近傍を挟み込み、そこから延出した内管４１の端部近傍を第二凹部２８ｂによって挟み込ませて、外管４２と内管４１との間に第一流体を流入させるようにする。このように伝熱管４を挟み込ませたヘッダユニット２１を積層する場合は、隙間形成部材８を用いて上下方向に所定の隙間部Ｗを形成し、その状態で、各ヘッダユニット２１の開口部２７を覆うようなヘッダカバー３ａを取り付けて、その流入口３１ａから第一流体を流入させる。この隙間形成部材８を用いて隙間部Ｗを形成する場合は、その隙間幅に対応した寸法の隙間形成部材８を用意し、これをヘッダユニット２１の上面もしくは下面側に取り付けて隙間を形成する。

次に、第二ヘッダ２ｂの構造について説明する。第二ヘッダ２ｂは、第二凹部２８ｂから延出した内管４１から第二流体を流入させるようにしたものであって、この実施の形態では、第一ヘッダ２ａやヘッダカバー３ａを覆う一つのヘッダカバー３ｂで構成されている。このヘッダカバー３ｂは、この実施の形態では、左右の第一ヘッダ２ａやその中央部分の伝熱管４をすべて覆うような筐体構造をなしており、両端側に設けられた流入口３１ｂや排出口３２ｂから第二流体を流入および排出させるようにしている。そして、このように構成された第二ヘッダ２ｂの流入口３１ｂを介して第二流体を流入させると、内管４１の端部からその第二流体が流入し、また、ヘッダユニット２１の隙間部Ｗからも外管４２の外周部に沿って流れていく。

このような伝熱管４は、二本の内管４１を外管４２に内接させてそれぞれの軸面を一致させるようにしたものであって、これによって内管４１が高圧で膨らんだ場合であってもその内管４１を外管４２に内接させて内管４１の膨張を防止できるようにしたものである。このような伝熱管４を構成する場合、熱交換の効率を向上させるために、例えば、外管４２の外径寸法を０．８ｍｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは、０．９ｍｍ〜１．５ｍｍ、内径寸法を０．７ｍｍ〜１．９ｍｍ、好ましくは、０．８ｍｍ〜１．４ｍｍ程度に設定本内接させるような寸法に設定しておく。

また、このように層状に配列されたヘッダユニット２１とヘッダユニット２１との隙間における伝熱管４の領域には、フィン９が取り付けられる。このフィン９は、伝熱管４の外周部に接するように設けられるとともに、隙間部Ｗを介して流入してきた第二流体を伝熱管４の外周部分に近づけるようにしたものである。すなわち、このフィン９が存在しないと、隙間部Ｗを介して流れてきた第二流体は、伝熱管４の存在しない隙間空間を流れ、熱交換の効率が悪くなる可能性がある。そこで、その熱交換の行う必要のない隙間空間にフィン９を取り付けて第二流体を伝熱管４側に近づけるとともに、その伝熱管４からの熱を拡散させて熱交換の効率を向上させるようにしている。このようにフィン９を取り付ける場合は、図２や図３に示すように、伝熱管４の軸方向から見た場合に、層状をなすヘッダユニット２１と平行な状態であって、隙間部Ｗとオーバーラップさせるような位置に取り付ける。

次に、このように構成された熱交換器１を使用する場合の作用について説明する。

まず、第一ヘッダ２ａの流入口３１ａから第一流体を流入させると、その第一流体は、ヘッダカバー３ａを介してそれぞれのヘッダユニット２１に流れ込み、そこから分岐して各伝熱管４に流れて排出口３２ａから排出される。このとき、ヘッダユニット２１には、外管４２の端部のみが開口しているため、その第一流体は、外管４２と内管４１との間に沿って流れていく。

また、これと並行して、第二ヘッダ２ｂの流入口３１ｂから第二流体を流入させる。すると、その第二流体は、ヘッダカバー３ｂで囲まれた空間から内管４１内に流れ込み、その内管４１の軸方向に沿って流れていく。また、この内管４１に流れ込まなかった第二流体は、ヘッダユニット２１の隙間部Ｗを介して伝熱管４の軸方向に流れていく。そして、その第二流体は、伝熱管４の隙間に設けられたフィン９によって、その第二流体を上下の伝熱管４側に分岐し、伝熱管４の外側に接触して第一流体と熱交換させる。

このように上記実施の形態によれば、ヘッダユニット２１を所定の隙間部Ｗをもって積層し、その隙間部Ｗからも伝熱管４の軸方向に沿って第二流体を通すようにしたので、伝熱管４の全体にわたって熱交換させることができるようになる。

また、この実施の形態では、伝熱管４の表面に接するようなフィン９を軸方向に沿って設けるようにしたので、隙間部Ｗから流入してきた第二流体を伝熱管４の表面側に近づけて、より熱交換の効率を向上させることができるようになる。

＜第二の実施の形態＞

次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。上記第一の実施の形態では、隙間形成部材８を用いて隙間部Ｗを形成するようにしたが、この第二の実施の形態では、図５に示すように、ヘッダユニットの上面もしくは下面に凸状部２５ａもしくは凹状部２５ｂを形成して、その隙間から第二流体を通すようにしたものである。なお、本実施の形態において、第一の実施の形態と同じ符号を付したものは、第一の実施の形態と同じ構成を有するものとする。

この実施の形態におけるヘッダユニット２１を構成するユニット分離体２２は、底面の下側から板状もしくは一定の厚みを有する凸状部２５ａを起立させ、その凸状部２５ａと凸状部２５ａとの間に凹状部２５ｂを形成して隙間部Ｗを形成している。ここで、この凸状部２５ａは、ユニット分離体２２を製造する際に一体的に形成される。この凸状部２５ａについては、ヘッダユニット２１を上下に積層させた際、図５に示すように、上層および下層の凸状部２５ａと干渉してしまうため、隙間部Ｗの幅を「ｄ」に設定する場合は、その凸状部２５ａの高さを「ｄ／２」に設定しておき、これによって上層および下層の凸状部２５ａと干渉させた際に隙間幅を「ｄ」とできるようにしておく。

もしくは、この凸状部２５ａについては、図６に示すように、伝熱管４の軸方向に沿った薄い板状体で構成し、上層もしくは下層の凸状部２５ａをそれぞれオーバーラップさせるようにしてもよい。このように構成した場合は、上層のヘッダユニット２１と下層のヘッダユニット２１の開口部２７が、その板厚分だけずれることになるが、その開口部２７にヘッダカバー３ａを取り付ける際に、その隙間をロウ材で埋めてもよい。

このように第二の実施の形態によれば、ヘッダユニット２１に一体的に凸状部２５ａ（もしくは凹状部２５ｂ）を形成するようにしたので、ヘッダユニット２１を積層する際に、隙間形成部材８を取り付ける必要がなくなり、積層工程時における作業を簡素化することができるようになる。

なお、この実施の形態では、凸状部２５ａを形成することによって、その隙間に凹状部２５ｂを形成するようにしたが、逆に、ユニット分離体２２の底面部分を削ることによって凹状部２５ｂを形成し、その凹状部２５ｂと凹状部２５ｂの間に凸状部２５ａを形成してもよい。

＜第三の実施の形態＞

次に、第三の実施の形態について説明する。上記第一および第二の実施の形態では、隙間形成部材８や凸状部２５ａなどによって隙間部Ｗを形成するようにしたが、この実施の形態では、図７に示すように、上層と下層の伝熱管４の間に挟み込まれるフィン９によって隙間部Ｗを形成できるようにしたものである。なお、本実施の形態においても、第一の実施の形態と同じ符号を付けたものは、第一の実施の形態と同じ構成を有するものとする。

この実施の形態の熱交換器１は、図４における隙間形成部材８が存在しない状態で構成させるもので、左右のヘッダユニット２１の間における伝熱管４の間に厚みのあるフィン９を取り付け、これを伝熱管４に接触するように挟み込ませることによって、上下のヘッダユニット２１に隙間部Ｗを形成できるようにしたものである。

このフィン９は、熱伝導率の高い金属性部材で構成され、各伝熱管４の表面に接触することによって伝熱管４の熱を拡散させるとともに、隙間部Ｗから流入してきた第二流体を伝熱管４側に向けて分岐させて熱交換をさせるようにしている。

なお、このようなフィン９を金属製部材で構成すると、上下のヘッダユニット２１の隙間がそのフィン９の厚みによって決定されてしまい、伝熱管４の撓みやフィン９の厚みに誤差がある場合は、ヘッダユニット２１の隙間幅が変わってしまう。そして、その隙間幅の変動によって、ヘッダユニット２１の開口部２７の位置が変わってしまい、ヘッダカバー３ａを取り付けることが難しくなる可能性がある。そこで、このフィン９については、上層と下層の両面のみを金属製部材で構成し、中間層についてはウレタンなどの比較的弾力を有する弾性素材で構成してもよい。このようにすれば、その弾性素材の弾力によって伝熱管４の撓みなどを吸収することができ、ヘッダカバー３ａを取り付ける際に、開口部２７との位置合わせを容易に行わせるようにすることができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記各実施の形態では、層状をなすヘッダユニット２１と平行にフィン９を構成し、これを伝熱管４の間に挟み込ませるようにしたが、このフィン９が存在しなくても高い熱交換率を確保できる場合は、フィン９を取り付けなくてもよい。

また、上記実施の形態では、円形をなす外管４２の内側に二本の内管４１を設けるようにしているが、この外管の形状や内管の数については種々のものを採用することができる。すなわち、第一流体を内側と外側から熱交換させるような構成であれば、どのような形状や本数であってもよい。

１・・・熱交換器
２ａ・・・第一ヘッダ
２ｂ・・・第二ヘッダ）
３ａ、３ｂ・・・ヘッダカバー
４・・・伝熱管（４１内管、４２外管）
８・・・隙間形成部材
９・・・フィン
２１・・・ヘッダユニット
２２・・・ユニット分離体
２３・・・第一壁面
２５ａ・・・凸状部
２５ｂ・・・凹状部

Claims

外管と内管を有する伝熱管を用い、外管と内管との隙間を流れる第一流体と、内管内を流れる第二流体との間で熱交換させる熱交換器において、
前記内管の両端を外管から延出させ、当該延出する内管の外周部から外管との隙間に前記第一流体を流通させるヘッダユニットと、
当該ヘッダユニットから延出する内管に第二流体を流通させる第二ヘッダと、
積層されたヘッダユニットの間に前記第二ヘッダからの第一流体を流通させるための隙間部と、を設け、
前記第二ヘッダからの第二流体を、内管の内部に通すとともに、前記隙間部を介して外管の外側表面にも軸方向に沿って通すようにしたことを特徴とする熱交換器。
外管と内管を有する伝熱管を用い、外管と内管との隙間を流れる第一流体と、内管内を流れる第二流体との間で熱交換させる熱交換器において、
第一壁面で外管の端部近傍を保持するとともに、当該第一壁面と対向する第二壁面で、外管から延出する内管を保持し、当該第一壁面と第二壁面で囲まれた空間内で内管と外管との隙間に前記第一流体を流通させるヘッダユニットと、
当該ヘッダユニットの第二壁面から延出する内管に第二流体を流通させる第一流入排出部と、
積層されたヘッダユニットの間に前記第二ヘッダからの第二流体を流通させるための隙間部と、を設け、
前記第二ヘッダからの第二流体を、内管の内部に通すとともに、前記隙間部を介して外管の外側表面にも軸方向に沿って通すようにしたことを特徴とする熱交換器。
前記隙間部が、積層されるヘッダユニットとヘッダユニットの間に隙間形成部材を挟み込ませて形成されるものである請求項１または２に記載の熱交換器。
前記隙間部が、ヘッダユニットに一体的に形成された凸状部もしくは凹状部によって形成されるものである請求項１または２に記載の熱交換器。
前記ヘッダユニットとヘッダユニットにおける伝熱管の間に、伝熱管の軸方向に沿ったフィンを設けた請求項１または２に記載の熱交換器。
前記ヘッダユニットとヘッダユニットにおける伝熱管の間に、上層および下層の伝熱管に接触した状態でヘッダユニットとヘッダユニットの間に隙間部を形成するフィンを設けた請求項１または２に記載の熱交換器。