JP3056151B2 - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器に関し、
特に水側の圧力損失およびポンプの動力を犠牲にするこ
となく、熱伝達チューブの数を相当削減した熱交換器に
関する。
【０００２】
【従来の技術】シェル側の冷媒と熱伝達関係にある複数
のチューブを水が流れる種類のシェルおよびチューブタ
イプの熱交換器、即ち管形熱交換器は、少なくともひと
つの圧縮機や他の構成要素を伴って水冷却装置組立体を
形成する蒸発器および凝縮器として頻繁に用いられる。
組立体においてひとつの構成要素の変更は他の構成に影
響を及ぼす。たとえば、蒸発器が圧縮機や凝縮器の支持
体となっていると、蒸発器の形状の変更は、圧縮機等に
も影響を与える。
【０００３】チラーの設計における他の一般的制約は、
すべての水管（water box）の接続が熱交換器のシェル
の一端に配置できるように水側に偶数本の流路を有する
ことである。これにより水管接続を妨げることなく他端
からチューブのクリーニングおよび手入れが行えるよう
になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】所与の熱および圧力損
失要件を満たしつつ熱交換器のサイズを小さくしたい
が、このような交換器のサイズの縮小はチラーのさまざ
まな構成要素間の関係により不可能である、という場合
がある。例えば、所望の性能特性に適合させるために、
クーラーのシェルを長くしてかつ凝縮器のシェルを短く
することが望まれるが、チラー組立体としては双方を両
立させることはできず、妥協せざるを得ない場合があ
る。
【０００５】本発明の目的は、水側の圧力損失およびポ
ンプの動力を犠牲にすることなく、熱伝達チューブの数
をかなり減少できるようにすることである。
【０００６】本発明の別の目的は、熱交換器の水側の全
圧力損失における増加を伴うことなく水側の速度を比較
的高く維持することにより高性能化した伝熱チューブを
コスト的に有効に使用することである。
【０００７】本発明のさらに他の目的は、他のチラー構
成要素の設計を犠牲とすることなく水冷却装置の使用に
適した熱交換器を許容することである。
【０００８】本発明のさらに他の目的は、冷却システム
における冷媒の充填量を減らすことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】熱交換器を小さくすると
いう要求は、基本的に一つの通路で必要とされるすべて
の熱伝達が行える二路式設計を提供することにより解決
される。この一つの通路には、所望の直径、並びに、所
望の熱伝達の表面特性および圧力損失を有するチューブ
を用いる。一方、第２もしくは戻り通路は、一本の大き
な径のチューブもしくはパイプを用いる。特に、シェル
およびチューブタイプの二路式熱交換器の第２の通路
は、複数のチューブを用いた通常の構成に代えて、（返
送管としての機能を有する）一本のパイプを有する。
【００１０】これにより、必ずしも非常に高い熱伝達性
能が必要ではない場合、通常生じる水側の圧力損失の増
加を伴うことなく、熱交換チューブ全体の数を大幅に減
らすことができる。加えて、この構成により、熱伝達表
面の効果的使用のために第１の通路のチューブにおいて
水側の速度を比較的高く保持できる。蒸発器において、
第２の通路は、熱伝達表面積が限られていることから熱
交換性能が低いので、液状冷媒内に配置する必要はな
い。このため、冷媒の液位を低くでき、よってシステム
の冷媒の使用量を少なくすることができる。
【００１１】これらおよび以下で明らかとされる他の本
発明の目的は、本発明により達成される。
【００１２】基本的に、二路式熱交換器は、主に戻り流
路として機能する単一のパイプである第２の通路を有す
ることにより、一路式熱交換器との代わりに用いること
ができる。この熱交換器は、蒸発器または凝縮器のどち
らにも使用できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図中、符号１０は、シェルおよび
チューブタイプ、即ち管形の二路式熱交換器全体を示
す。この熱交換器１０は、蒸発器として図示されたが、
凝縮器の場合も流路の接続が異なるだけでその構造は同
一である。熱交換器１０は、両端にそれぞれ端部部材１
３、１４を持った略円筒状のシェル１２を有する。端部
部材１３はチューブシート１５とで中間水缶２０を画定
する。端部部材１４は、チューブシート１６および仕切
プレート１８とで入口水缶２１および出口水缶２２をそ
れぞれ画定する。熱交換器１０は、入口水缶２１から水
缶２０まで延在する第１通路熱交換器を有し、複数の小
径の伝熱チューブ３０を含む。一般的に、チューブ３０
は、熱交換効率を高めるように、その内部および／また
は外部が高性能化される。熱交換器１０の第２通路熱交
換器は、中間水缶２０から出口水缶２２まで延在する大
きな径のパイプもしくはチューブ４０である。
【００１４】チューブ３０およびパイプ４０は、シェル
１２とチューブシート１５および１６とにより画定され
る略円筒状のチャンバ５０に配置される。チャンバ５０
は、図示されたように蒸発器として作動する際には流入
口となるポート１２−１を経由して凝縮器（図示せず）
から液状冷媒６０を受ける。パイプ４０は熱伝達には関
係しないので、液状冷媒６０の液位はチューブ３０より
上にありさえすればよく、パイプ４０を覆う必要はな
い。パイプ４０の熱伝達面積は、チューブ３０全体と比
較すると小さい。凝縮器として作動する際、ポート１２
−２は、気体状冷媒を受ける流入口となる。気体状冷媒
は、チューブ３０内の水と熱を交換することで凝縮し、
液化され、液状冷媒は、流出口として機能するポート１
２−１を経由して引き出される。
【００１５】蒸発器として作動される場合、液状冷媒６
０は、流入口となるポート１２−１を経由して凝縮器
（図示せず）からチャンバ５０に供給され、そこで液状
冷媒６０を気化しつつ、チューブ３０を流れる水から熱
を奪い、これによって水を冷却する。気体状冷媒は、流
出口となるポート１２−２を経由してチャンバ５０から
圧縮機（図示せず）のサクションに通過する。冷却シス
テム（図示せず）の閉ループの冷却回路からの水は、ビ
ルの冷房システムから入口水缶２１へ供給される。そし
て水は、液状冷媒６０と熱交換関係にあるチューブ３０
を通過する。液状冷媒６０は気化しつつ、水から熱を奪
い、これによって水を冷却する。チューブ３０により画
定された第１通路において熱伝達は行われ、この際、パ
イプ４０が液状冷媒６０内にあるなしにかかわらず、パ
イプ４０による熱伝達はわずかである。
【００１６】パイプ４０によって画定された第２の通路
を通過する水は出口水缶２２へ入る。そこからビルの冷
房システムの閉ループの回路へ冷房のため流入する。
【００１７】凝縮器として作動される場合、気体状冷媒
はチャンバ５０に供給され、そこでチューブ３０を流れ
る水、及び、わずかではあるがパイプ４０を流れる水へ
の熱伝達により冷却され、凝縮（液化）される。凝縮さ
れた液状冷媒は、チャンバ５０の底、通常チューブ３０
の位置より下に集まる。液状冷媒は、引き出されて蒸発
器（図示せず）に供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換器の断面図である。
【図２】図１の線２−２に沿った断面図である。
【符号の説明】
１０…二路式熱交換器 １３…端部部材 １４…端部部材 １５…チューブシート １６…チューブシート １８…仕切プレート ２１…入口水缶 ２２…出口水缶 ３０…伝熱チューブ ４０…パイプ ５０…チャンバ ６０…液状冷媒
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−35420（ＪＰ，Ａ) 実開 昭48−60150（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−148477（ＪＰ，Ｕ) 特公 平４−27469（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭57−56064（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25B 39/00 F28D 7/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シェル（１２）と、前記シェルを密閉す
    る一対の端部部材（１３、１４）と、 前記一対の端部部材の一方の第１の端部部材（１３）と
    共働して中間水缶（２０）を画定する第１のチューブシ
    ート（１５）と、 前記一対の端部部材のもう一方の第２の端部部材（１
    ４）と仕切プレート（１８）と共働して入口水缶（２
    １）と出口水缶（２２）とを画定する第２のチューブシ
    ート（１６）とを有し、 前記第１および第２のチューブシートは、前記シェルと
    共働してチャンバ（５０）を画定し、 更に、前記入口水缶から前記チャンバを経由して前記中
    間水缶へ延在する複数の伝熱チューブ（３０）を含む第
    １の通路と、 前記中間水缶から前記チャンバを経由して前記出口水缶
    へ延在する単一の大径パイプ（４０）により画定された
    第２の通路とを有し、 これにより、前記入口水缶、前記第１の通路、前記中間
    水缶、前記第２の通路、及び前記出口水缶によって、冷
    却回路が直列に画定され、更に、前記チャンバには液状冷媒（６０）があり、前記
    第１の通路は、前記液状冷媒に浸っており、かつ、 前記第２の通路は、前記液体冷媒より上に位置すること
    を特徴とする熱交換器(１０)。
  2. 【請求項２】 前記シェルは略円筒状であって水平に配
    置され、 第１のポート（１２−１）は、前記シェルの底部に位置
    し、前記チャンバと連通しており、 第２のポート（１２−２）は、前記シェルの頂部に位置
    し、前記チャンバと連通していることを特徴とする請求
    項１の熱交換器。
  3. 【請求項３】 前記第１のポートは液体の流入ポートで
    あり、熱交換器は蒸発器であることを特徴とする請求項
    ２の熱交換器。
  4. 【請求項４】 前記第１のポートは液体の流出ポートで
    あり、熱交換器は凝縮器であることを特徴とする請求項
    ２の熱交換器。
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