JP2013181748A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 剛性が向上された熱交換器を提供する。
【解決手段】 熱交換器が提供されるとともに、この熱交換器は、実質的に平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、その本体の内部に配置された複数の熱交換要素と、その本体の内部における複数の熱交換要素の間に配置された吸着材料と、熱交換要素と吸着材料の上側および下側の各々に配置された保持スクリーンと、その保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、保持スクリーンと、実質的に平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一部、米国海軍に付与の契約番号N−６５５４０−１１−C−００１５に従ってなされた。米国政府は本発明の一定の権利を有する。

本発明は、熱交換器および熱交換器アセンブリに関する。

吸着剤キャニスタ熱交換器は、これに限定しないが、有人宇宙船および潜水艦用の空気清浄装置を含む種々の用途に使用される。こうした装置は、修復または（場合に応じて）度重なる表面の付け替えの必要なく、機内の人員が空気を再利用することができるように、循環空気から二酸化炭素を除去する。使用時には、吸着剤キャニスタ熱交換器が、吸着材料の周りに冷却液を通流させて、吸着材料が二酸化炭素を吸収、脱着する温度に吸着材料を維持する。

有人宇宙船や潜水艦では空間が重要であるため、多くの場合、吸着剤キャニスタ熱交換器をできるだけ小さくコンパクトに設計することが必要となる。それらの場合、平面を有するキャニスタが最もコンパクトな設計を提供することが判断できる。しかしながら、キャニスタが、例えば爆雷の衝撃波や外圧からの外部荷重に曝される場合、外部荷重がキャニスタ内部の相対的に構造的に弱い熱交換要素に伝達され、その平面は変形を受けやすい。それによりキャニスタの破損や予想される故障がもたらされる。

本発明の一態様では、実質的に平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、その本体の内部に配置された複数の熱交換要素と、その本体の内部における複数の熱交換要素の間に配置された吸着材料と、熱交換要素と吸着材料の上側および下側の各々に配置された保持スクリーンと、その保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、保持スクリーンと、実質的に平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、を含む。

本発明の別の態様では、熱交換器が提供されるとともに、この熱交換器は、実質的に平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、その本体内部に配置されるとともに、第１の媒体を通流させることが可能な管状要素と、管状要素に関して垂直に指向された複数のフィンと、を含んだ熱交換要素と、本体の内部における複数のフィンの間に配置された吸着材料と、熱交換要素と吸着材料の上側および下側の各々に配置された保持スクリーンと、その保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、保持スクリーンと、実質的に平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、を含む。

本発明の更に別の態様では、複数の熱交換器を備えた熱交換器アセンブリが提供されるとともに、各熱交換器は、それぞれ隣接する熱交換器の相補的な側と位置合わせされるように構成された実質的に平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、その本体内部に配置されるとともに、第１の媒体を通流させることが可能な管状要素と、管状要素に関して垂直に指向された複数のフィンと、を含んだ熱交換要素と、本体の内部における前記複数のフィンの間に配置された吸着材料と、熱交換要素と吸着材料の上側および下側の各々に配置された保持スクリーンと、保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、保持スクリーンと、実質的に平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、を含む。

これらおよびその他の利点および特徴が図面とともに以下の記載からより明らかとなるであろう。

本発明と見なされる対象は、明細書の末尾にある請求項に特定して指摘されるとともに明確にクレームされる。本発明の上記のおよびその他の特徴、利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。

熱交換器の分解斜視図。 図１の熱交換器を組み立てたときの斜視図。 熱交換器アセンブリの斜視図。 図１の熱交換器の内部の拡大斜視図。 図１の熱交換器の熱交換要素の拡大斜視図。

図１を参照すると、熱交換器１０の分解組立図が提供され、図２を参照すると、熱交換器１０の組立て時の斜視図が提供される。図１，２に示されるように、熱交換器１０は、フレーム２０と、熱交換要素４０と、吸着材料６０と、構造隔壁８０と、を含む。例えば、長手方向端面２２，２３、側壁２４，２５、および本質的に平坦な上部２６および底部２７を有する本質的に矩形の容積本体２１を画定するように、フレーム２０が形成される。端面２２，２３、および場合によっては側壁２４，２５が、容積本体２１の内部２１０への空気の流入を可能にする貫通孔３０を画定するように形成される。図３を参照すると、熱交換器１０が熱交換器アセンブリ１００内に配置されており、ここでは、隣り合う熱交換器１０の相補的な上部２６および底部２７（図２）が互いに接した状態で、複数の熱交換器１０が実質的に垂直方向の列に配置される。

図４を参照すると、上部２６は、実質的に平坦な外面２６１と、リブ３５と、を有する。リブ３５は、容積本体２１（図１）の長手方向軸と実質的に平行に端面２２（図１）から端面２３（図１）へと画定されるように指向される。リブ３５が、容積本体２１（図１）の内部２１０（図１）に向かって内側に延在するとともに、空気流経路３５０を画定するように非連続的に配置される。したがって、貫通孔３０（図１）を通して容積本体２１（図１）の内部２１０（図１）へと流入する空気が、内部２１０（図１）を通して相対的に均等に分配される。

図５を参照すると、容積本体２１の内部２１０に配置された熱交換要素４０が管状要素４１と、フィン４２と、を含む。端面２２と端面２３（図１）との間に管状要素４１が配置されるとともに、その内部２１０を通して長手方向軸に沿って、管部分およびヘアピン部を介して往復するパターンで通される。冷却液流体（例えば水）などの第１の媒体が管状要素４１を通流するように案内される。管状要素４１は単一の、連続した部品でもよく複数の分割された部品でもよい。フィン４２は、管状要素４１が延在する貫通孔を画定するように形成されるとともに、管状要素４１およびリブ３５（図１）に関して垂直に走るように配置される。各フィン４２は実質的に薄く、第１の媒体に関する熱伝導を達成することが可能な金属または金属合金などの熱伝導性の物質から形成される。

吸着材料６０がペレット状（図示せず）に提供され、容積本体２１の内部２１０の各熱交換要素４０の間に配置される。特に、吸着材料６０がフィン４２の間に設けられて、第１の媒体と、フィン４２と、吸着材料６０と、の間の熱伝導が容易となる。この熱伝導は、吸着材料６０が空気流経路３５０（図４）を通流する空気から気体を相対的に効果的に吸収または脱着することが可能なある一定の所定の範囲の温度に、吸着材料６０を維持する役割を果たす。

再び図１を参照すると、吸着材料６０が熱交換要素４０の間に支持されるとともに、容積本体２１の内部２１０で構造特徴部の上層および下層によって支持される。上層は、吸着材料６０を垂直位置に保持するための保持スクリーン６１と、保持スクリーン６１の構造支持体を提供する構造的な（例えば、アルミニウム、銅、炭素）発泡材層６２と、を含みうる。保持スクリーン６１および構造発泡材６２のいずれも、内部２１０全体に亘って通流する空気に対して、認められるほどの妨害をもたらさない。実施例では、構造発泡材層６２は、構造剛性を本質的に犠牲にすることのない複数の部分から形成されうる。更なる実施例では、この複数の部品は、リブ３５がその複数の部品の間に延在するように整列される。構造発泡材層６２の構造発泡材は、アルミニウム、銅、またはそれらの合金などの金属、あるいは、炭素または炭化ケイ素などの非金属材料から形成されうる。

図５に示すように、構造隔壁８０がフィン４２の間に実質的にフィン４２と平行に配置され、リブ３５（図４）および管状要素４１に関して垂直に走る。フィン４２と同様に、隔壁８０は、管状要素４１が延在する貫通孔を画定するように形成される。実施例では、隔壁８０は、容積本体２１の内部２１０を通して互いに均等または不均等な間隔で長手方向の配列に配置される。隔壁８０が互いに均等に間隔を空けた箇所では、均等な数のフィン４２が隣り合う隔壁８０の間に配置される。隔壁８０が互いに不均等に間隔を空けた箇所では、均等でない数（non-uniform number）のフィン４２が隣り合う隔壁８０の間に配置される。

さらに図５を参照すると、フィン４２が、上平面および下平面（Ｐ）を画定する上縁および下縁を有し、隔壁８０が、それぞれ上平面（Ｐ）より上、および下平面（Ｐ）より下に突出しているのが見られる。従って、力または外部荷重が上部２６および底部２７（図１）に印加されたとき、リブ３５は、上述のように構造特徴部の上層および下層に力を伝達するとともに、リブ３５（図４）が隔壁８０と交差する位置に画定される隔壁８０の接点８１（図４参照）に力を伝達する。伝達される力は、上部２６および底部２７（図１）のうちのいずれかまたはその両方に印加される圧力などの外部荷重によって発生し、隔壁８０は、こうした力または荷重を上部２６と底部２７（図１）との間でリブ３５（図１）から容積本体２１の内部２１０を通して伝達することにより、フィン４２があらゆる力または荷重を受けるのを防ぐ。

こうした力や外部荷重が大きく、隔壁８０が無い場合にフィン４２を押しつぶしてしまう箇所において、隔壁８０は、フィン４２が押しつぶされてしまうのを防ぐ役割を果たし、熱交換器１０（図１）の寿命の延長に役立つ。

本発明の態様では、構造発泡材層６２（図４）は、隔壁８０およびリブ３５（図４）の追加の構造支持体とともに提供されても良く、あるいは追加の構造支持体無しに提供されてもよい。それらの場合、上部２６および底部２７（図１）に印加された力または外部荷重は、構造発泡材層６２（図１）へと伝達され、フィン４２が好ましくない力や荷重を受けるのを防ぐ荷重吸収作用（load absorption）を提供する。それらの場合、構造発泡材の主な目的は、保持スクリーン６１（図１）にかかる荷重が主に吸着材料６０に亘る圧力差に起因する箇所で、保持スクリーン６１（図１）を支持することである。

限られた数の実施例のみに関して本発明を詳述したが、本発明はこうした開示の実施例に限定されないことが容易に理解できるであろう。むしろ本発明は、本明細書中に記載された任意の変形例、変更、置換、もしくは同等の配置だけでなく、本発明の真意およびその範囲に応じた任意の変形例、変更、置換、もしくは同等の配置を含むように変更しうる。さらに、本発明の種々の実施例について記載したが、当然のことながら、本発明の態様は記載の実施例の一部だけを含んでもよい。したがって、本発明は上述の記載に限定されるものではなく、付記の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０…熱交換器
２０…フレーム
２１…容積本体
２２，２３…端面
２４，２５…側壁
２６…上部
２７…底部
３０…貫通孔
３５…リブ
４０…熱交換要素
６０…吸着材料
６１…保持スクリーン
６２…構造発泡材
８０…構造隔壁
２１０…内部

Claims (18)

1. 平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、
   前記本体の内部に配置された複数の熱交換要素と、
   前記本体の内部における前記複数の熱交換要素の間に配置された吸着材料と、
   前記熱交換要素と吸着材料の各々の上側および下側に配置された保持スクリーンと、
   前記保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、前記保持スクリーンと、前記平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、
   を備えた熱交換器。
2. 前記本体が、矩形であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記平坦な上部および下部が、空気流経路を画定する内側に延在するリブを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記フレームの側壁が、前記本体の内部への空気の流入を可能にする貫通孔を画定するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記熱交換要素が、
   冷却液を通流させることが可能な管状要素と、
   前記管状要素に関して垂直に通るフィンと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記吸着材料が、複数のペレットを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記構造発泡材層が、アルミニウム、銅、炭素、および炭化ケイ素のうち少なくとも一つ以上を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、
   前記本体内部に配置されるとともに、第１の媒体を通流させることが可能な管状要素と、前記管状要素に関して垂直に指向された複数のフィンと、を含んだ熱交換要素と、
   前記本体の内部における前記複数のフィンの間に配置された吸着材料と、
   前記熱交換要素と吸着材料の各々の上側および下側に配置された保持スクリーンと、
   前記保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、前記保持スクリーンと、前記平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、
   を備えた熱交換器。
9. 前記本体が、矩形であることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記平坦な上部および下部が、空気流経路を画定する内側に延在するリブを備えることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
11. 前記フレームの側壁が、前記本体の内部への空気の流入を可能にする貫通孔を画定するように形成されることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
12. 前記吸着材料が、複数のペレットを備えることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
13. 前記構造発泡材層が、アルミニウム、銅、炭素、および炭化ケイ素のうち少なくとも一つ以上を備えることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
14. 複数の熱交換器を備えた熱交換器アセンブリであって、前記熱交換器の各々が、
    それぞれ、隣接する熱交換器の相補的な側と位置合わせされるように構成された平坦な上部および下部を備えた容積本体を画定するフレームと、
    前記本体内部に配置されるとともに、第１の媒体を通流させることが可能な管状要素と、前記管状要素に関して垂直に指向された複数のフィンと、を含んだ熱交換要素と、
    前記本体の内部における前記複数のフィンの間に配置された吸着材料と、
    前記熱交換要素と吸着材料の各々の上側および下側に配置された保持スクリーンと、
    前記保持スクリーンに印加される荷重を吸収するように、前記保持スクリーンと、前記平坦な上部および下部と、の間で支持するように配置された構造発泡材層と、
    を備えた、熱交換器アセンブリ。
15. 前記本体が、矩形であることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器アセンブリ。
16. 前記フレームの側壁が、前記容積本体の内部への空気の流入を可能にする貫通孔を画定するように形成されることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器アセンブリ。
17. 前記吸着材料が、複数のペレットを備えることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器アセンブリ。
18. 前記構造発泡材層が、アルミニウム、銅、炭素、および炭化ケイ素のうち少なくとも一つ以上を備えることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器アセンブリ。