JP4684070B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、シェルと、シェル内に配置された伝熱管とを有する２重管式の熱交換器の構造に関するものである。

略円筒形のシェルと、該シェル内に配置された伝熱管とを有し、伝熱管内の内側流路を流れる内側流体と、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路を流れる外側流体とが熱交換を行うようになっている２重管式の熱交換器は一般に知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。かかる熱交換器は、被冷却流体を冷却媒体により冷却する冷却器や（例えば、自動車用エンジンのオイルクーラ、ガスクーラ等）、被加熱流体を加熱媒体により加熱する加熱器などとして広く用いられている。
特開２０００−１６１８７１号公報 特開２０００−２６５９０８号公報 特開平７−２８０４６８号公報

図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、例えばガスクーラとして用いられるこの種の従来の熱交換器１００（特許文献１参照）では、シェル１０１内に伝熱管１０２が配置されている。そして、高温のガスは、矢印Ｓ１及び矢印Ｓ２で示すように伝熱管１０２内を流れる。他方、冷却水は、矢印Ｓ３及び矢印Ｓ４で示すように、シェル１０１と伝熱管１０２との間に形成された外側流路１０３内を流れる。

ここで、伝熱管１０２には、それぞれ伝熱管軸線方向に伸びる複数の凹部１０４と凸部１０５とが、伝熱管周方向に等角度間隔で交互に形成されている。つまり、伝熱管１０２は異形断面形状を有している。この伝熱管１０２では、凹部１０４及び凸部１０５が形成されているので、円筒形の伝熱管に比べて伝熱面積が大きくなり、熱交換率の向上が図られる。

しかしながら、例えば図１４（ａ）、（ｂ）に示す従来の熱交換器１００では、伝熱管１０２の断面形状を異形にして伝熱面積を増加させても、以下の理由により、冷却性能は十分に高められていないのが現実である。
（１） シェル１０１と伝熱管１０２との間に形成された外側流路１０３（冷却水流路）の断面形状が伝熱管軸線方向について一定であるため、周方向にみて、冷却水の流れが速い部位と、冷却水が停滞する部位とが存在するが、冷却水が停滞する部位では熱伝達が悪いので、熱交換器全体としては十分な熱交換性能が得られない。
（２） 伝熱管１０２の凹部１０４の谷底付近では、冷却水が停滞して流れがほとんど生じないので、熱交換器全体としての熱交換性能がさらに悪くなる。
（３） 伝熱管１０２の伝熱面積に対して外側流路１０３の通路面積が大きい場合(大きな伝熱面積を得るために凹部１０４を深くすると、通路面積が大きくなる）、冷却水が必要以上に流れる。

また、図１５（ａ）、（ｂ）は、異形断面形状の伝熱管を用いたもう１つの２重管式の熱交換器を示している（特許文献２参照）。図１５（ａ）に示すように、この熱交換器１１０では、略円筒形のシェル１１１内に、外周に複数の凹状の溝部１１３が形成された花弁状の異形断面形状を備えた伝熱管１１２が同軸状に配置されている。被冷却流体は、矢印Ｓ５及び矢印Ｓ６で示すように伝熱管１１２内を流れる。そして、シェル１１１と伝熱管１１２との間に形成された外側通路１１４に、矢印Ｓ７で示すように冷却水を導入する冷却水入口１１５と、矢印Ｓ８で示すように冷却水を排出する冷却水出口１１６とが、伝熱管周方向にみて、同位相位置に配置されている。

この場合、冷却水は、矢印Ｓ９で示すように、冷却水入口１１５及び冷却水出口１１６が配置された側でショートパスする。また、矢印Ｓ１０で示すように、冷却水入口１１５及び冷却水出口１１６と反対側では冷却水の流れが停滞する。このため、熱交換器全体としては十分な熱交換性能が得られない。

なお、図１５（ｂ）に示すように、シェル１１１と伝熱管１１２との間隔を大きくすれば、比較的均一な流れを生じさせることができる。しかしながら、この場合、伝熱管１１１の外径が大きくなるので、レイアウト上の制約が生じたり、冷却水の保持量が不必要に多くなって製品重量の増加を招いたりするといった問題が生じる。

図１６は、ガイドプレートを用いた従来のさらなる２重管式の熱交換器（オイルクーラ）を示している（特許文献３参照）。図１６に示すように、この熱交換器１２０では、略円筒形のシェル１２１内に、外周に複数の凹状の溝部１２３が形成された異形断面形状の伝熱管１２２が同軸状に配置されている。そして、シェル１２１と伝熱管１２２との間の外側流路１２５には、螺旋状のガイドプレート１２４が巻装されている。なお、この交換器１２０では、伝熱管１２２内を矢印Ｓ１１及び矢印Ｓ１２で示すように冷却流体が流れ、シェル１２１と伝熱管１２２との間の外側流路１２５を、矢印Ｓ１３及び矢印Ｓ１４で示すように被冷却流体が流れる。

図１６に示す従来の熱交換器１２０では、シェル１２１と伝熱管１２２との間の外側流路１２５内で、被冷却流体が螺旋状のガイドプレート１２４によって矢印Ｓ１５で示すように案内され、乱流が発生する。このため、伝熱管１２２の凹状の溝部１２３の谷底部で被冷却流体が停滞せず、熱交換器全体としての熱交換性能が高められる。しかし、この熱交換器１２０は、凹状の溝部１２３の谷底部での被冷却流体の流速を積極的に高めるものではない。また、シェル１２１と伝熱管１２２との間に螺旋状のガイドプレート１２４を設けているので、部材の増加によるコスト増と、該部材の取り付け作業によるコスト増とを招き、該熱交換器１２０の製作コストが上昇するといった問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、シェルと異形断面形状の伝熱管との間に形成された外側流路内における流体の全体的な流れを促進することができ、構造が簡素であり、熱交換性能が高く、製造コストが低い２重管式の熱交換器を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の第１の態様にかかる熱交換器（加熱器、冷却器等）は、略円筒形のシェルと、該シェル内に配置された伝熱管とを備えていて、伝熱管内に形成された内側流路を流れる内側流体と、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路を流れる外側流体とが熱交換を行うようになっている。

この熱交換器では、伝熱管は、伝熱管軸線方向の両端部に位置する２つの円筒部と、両円筒部間に位置しそれぞれ伝熱管軸線方向に直線状に伸びる複数の凸形状部と複数の凹形状部とが伝熱管周方向に交互に形成された凹凸形状部とを有する。シェルは、円筒形の本体部と、該本体部より大径でありシェル軸線方向の両端部近傍において凹凸形状部と係合する位置に形成された２つの拡管部とを有する。本体部の内直径と凸形状部の外直径とは同一（実質的に同一）であって、これにより、外側流路が、それぞれ伝熱管軸線方向に直線状に伸びる互いに独立した、各凹部と本体部の内面との間に形成された各凹部毎の複数の独立流路に分離されている。そして、少なくとも一方の拡管部に、該拡管部と少なくとも２つの凸形状部との間隙を閉止する（すなわち、外側流体の通り抜けを阻止する）間隙閉止手段が設けられている。この間隙閉止手段によって、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、それぞれ独立流路のみにより構成された、順次直列につながる複数の区分流路に区分されている。拡管部には、外側流体の流れ方向に見て最上流の区分流路に外側流体を流入させる流体流入部と、最下流の区分流路から外側流体を流出させる流体流出部とが設けられている。

本発明の第１の態様に係る熱交換器においては、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路は、間隙閉止手段によって偶数（例えば、２、４、６……）の区分流路に区分され、一方の拡管部に流体流入部及び流体流出部が設けられていてもよい。また、外側流路は、間隙閉止手段によって奇数（例えば、３、５、７……）の区分流路に区分され、一方の拡管部に流体流入部が設けられ、他方の拡管部に流体流出部が設けられていてもよい。

本発明の第１の態様に係る熱交換器においては、伝熱管内に小径伝熱管が配置され、該小径伝熱管の一端が流体流入部又は流体流出部に接続され、他端がシェル外に突出していてもよい。この場合、小径伝熱管の上記他端は、流体流出部又は流体流入部として機能する。なお、小径伝熱管の一端が流体流入部に接続された場合は拡管部に流体流出部を設ける必要はなく、該一端が流体流出部に接続された場合は、拡管部に流体流入部を設ける必要はない。

本発明の第２の態様に係る熱交換器（加熱器及び冷却器を含む）は、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、順次直列につながる複数の区分流路に区分されているのではなく、互いに独立した複数の並列の区分流路に区分されていることを特徴とする。この熱交換器では、両拡管部に、それぞれ、該拡管部と少なくとも２つの凸形状部との間隙を閉止する同数の間隙閉止手段が設けられている。そして、間隙閉止手段によって、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、それぞれ独立流路のみにより構成された、互いに独立した複数の並列の区分流路に区分されている。各区分流路においては、それぞれ、一方の拡管部に流体流入部が設けられ、他方の拡管部に流体排出部が設けられ、各区分流路を異なる外側流体が流れることができるようになっている。

本発明の第１又は第２の態様に係る熱交換器においては、間隙閉止手段が、拡管部を部分的に内向きに変形させることによって形成されて上記少なくとも２つの凸形状部と当接する異形縮管部であるのが好ましい。この場合、異形縮管部と凸形状部との当接部がロウ接により接合されているのがより好ましい。また、異形縮管部と凸形状部との当接部に気密剤が配設されていてもよい。

また、本発明の第１又は第２の態様に係る熱交換器においては、間隙閉止手段は、拡管部と、上記少なくとも２つの凸形状部との間に設けられた（外側流体の通り抜けを阻止する）隔壁部材であってもよい。

本発明の第１の態様に係る熱交換器においては、シェルの拡管部と伝熱管の凸形状部との間に形成された間隙閉止手段（異形縮管部、隔壁部材）によって、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、それぞれ独立流路のみにより構成された、順次直列につながる複数の区分流路に区分されているので、外側流体はこれらの一連の区分流路を順次に流れる。したがって、外側流路の単位通路断面あたりの外側流体の流量ないしは流速が大きくなり、かつ外側流路内における外側流体の通過長が大きくなる。

このため、伝熱係数が高くなって熱交換量が多くなり、熱交換性能が向上する。また、シェルと伝熱管の間隔を大きくする必要がないので、外側流体の保持量が不必要に多くならず、熱交換器重量の増加を招かない。さらに、外側流路を区分するための複雑な部品を必要としないので、構造が簡素なものとなり、製造コストが低減される（経済的である）。つまり、本発明の第１の態様によれば、外側流路内における流体の全体的な流れを促進することができ、構造が簡素であり、熱交換性能が高く、製造コストが低い熱交換器を提供することができる。

本発明の第２の態様に係る熱交換器においては、間隙閉止手段によって、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、それぞれ独立流路のみにより構成された、互いに独立した複数の並列の区分流路に区分され、各区分流路を異なる外側流体が流れることができる。このため、１つの熱交換器で複数の流体を冷却又は加熱することができる。また、本発明の第１の態様に係る熱交換器と同様に、外側流路内における流体の全体的な流れを促進することができ、構造を簡素化することができ、熱交換性能を高めることができ、製造コストを低減することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明のいくつかの実施の形態（本発明を実施するための最良の形態）を具体的に説明する。なお、各実施の形態に係る図面（図１〜図１３）において、実質的に同一の部材には同一の参照番号が付されている。

（実施の形態１）
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る２重管式の熱交換器１Ａは、略円筒形のシェル２（外管）と、該シェル２内に同軸状に配置された異形断面形状を有する伝熱管３（内管）とを備えている。なお、シェル２と伝熱管３とは、同一方向に伸びるように配置されていれば、同軸状でなくてもよい。

熱交換器１Ａにおいては、伝熱管３内に形成された内側流路に、矢印Ｐ１及び矢印Ｐ２で示すように、内側流体（例えば、該熱交換器が冷却器である場合は、高温のガス、オイル等）が流入・流出するようになっている。他方、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路に、矢印Ｐ３及び矢印Ｐ４で示すように、外側流体（例えば、該熱交換器が冷却器である場合は、冷却水等）が流入・流出するようになっている。なお、以下では便宜上、内側流体の流れ方向にみて、上流側（図１、図２中では左側）及び下流側（図１、図２中では右側）を、それぞれ、「前」及び「後」ということにする。

シェル２の前端部には、内側流体の流入口を備えた前側キャップ４が、例えばロウ接、溶接等により接合されている。他方、シェル２の後端部には、内側流体の流出口を備えた後側キャップ５が、例えばロウ接、溶接等により接合されている。つまり、前後方向にみて、シェル２ないしは伝熱管３の両端部は、両キャップ４、５によって、内側流体の流入・流出が可能な形態で蓋をされている。

シェル２においては、その主要部をなす円筒形のシェル本体部６の前端部近傍と後端部近傍とに、それぞれ、シェル本体部６よりやや大径（例えば、１．１〜１．２倍）の前側拡管部７及び後側拡管部８が形成されている。なお、前側拡管部７及び後側拡管部８の前後には、それぞれ、シェル本体部６の一部が存在する。そして、前側拡管部７には、シェル２と伝熱管３との間の外側流路に外側流体を流入させるための外側流体流入パイプ９（枝パイプ）と、外側流路から冷却水を流出させるための外側流体流出パイプ１０（枝パイプ）とが接続されている。

伝熱管３は、その前端部に形成された前側円筒部１１と、その後端部に形成された後側円筒部１２と、前側円筒部１１と後側円筒部１２との間に形成された異形断面形状を有する凹凸形状部１３とで構成されている。この凹凸形状部１３には、それぞれ伝熱管軸線方向（長手方向）に伸びる、複数の凸形状部１４（山部）及び複数の凹形状部１５（溝部）が形成されている。ここで、凸形状部１４と凹形状部１５とは、伝熱管周方向に、等角度間隔で交互に配置されている。なお、凸形状部１４の外径（最大外径）は、両円筒部１１、１２の外径とほぼ同一である。このように、伝熱管３が異形断面形状を有するので、単純な円筒形の伝熱管に比べて、その伝熱面積が大きくなり、熱交換性能が向上する。

シェル２ないしは伝熱管３の前端部では、伝熱管の前側円筒部１１の外周面と、シェル本体部６（前側拡管部７より前側の部分）及び前側キャップ４の内周面とが互いに接合され、又は接着剤により互いに接着されている。後端部でも、同様に、伝熱管の後側円筒部１２の外周面と、シェル本体部６（後側拡管部８より後側の部分）及び後側キャップ５の内周面とが互いに接合され、又は接着剤により互いに接着されている

以下、図３（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路の具体的な構造ないしは形態を説明する。なお、図３（ａ）〜（ｄ）内の各矢印は、外側流路内における外側流体の主な流れ方向を示している。

図３（ｃ）に示すように、熱交換器１Ａの両拡管部７、８間の部分（以下「主熱交換部」という。）では、シェル２（シェル本体部６）の内周面と、伝熱管３（凹凸形状部１３）の各凸形状部１４の頂部（外向きに最も突出した部分）とが当接（密接）している。すなわち、シェル本体部６の内直径と凸形状部１４の外直径（最大外直径）は、ほぼ（実質的に）同一である。

このように、熱交換器１Ａの主熱交換部では、シェル本体部６の内周面と各凸形状部１４とが当接しているので、シェル２と伝熱管３との間の外側流路には、凹形状部１５ごとに、シェル本体部６の内周面と伝熱管３の外周面（主として凹形状部１５の表面）とによって、互いに独立した外側流体の流路（以下「独立流路」という。）が形成される。つまり、主熱交換部では、外側流路は、凹形状部１５の数と同数の独立流路に分離ないしは区分されている。

図３（ｂ）に示すように、前側拡管部７には、該前側拡管部７を左右両側から部分的に内向きに変形させて縮管することにより、伝熱管周方向に中心角で１８０°離隔した部位に位置する２つの凸形状部１４ａ、１４ｂと当接する、平面状の２つの異形縮管部１７ａ、１７ｂが形成されている。そして、異形縮管部１７ａ、１７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂとの当接部は、ロウ接により接合されている。なお、異形縮管部１７ａ、１７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂとの接合はロウ接以外の接合手法で行ってもよい。また、異形縮管部１７ａ、１７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂとを接合せず、当接部に気密剤（図示せず）を配設してもよい。

他方、２つの凸形状部１４ａ、１４ｂ以外の４つの凸形状部１４は、前側拡管部７の内周面と離間している。このため、異形縮管部１７ａ、ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂの当接部によって、外側流路の前側拡管部７に対応する部分は、互いに独立した第１拡管流路１８ａと第２拡管流路１８ｂとに区分されている。つまり、第１拡管流路１８ａと第２拡管流路１８ｂとは、異形縮管部１７ａ、１７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂとの当接部によって互いに閉止され、両者間には外側流体の流れが生じないようになっている。

図３（ｄ）に示すように、外側流路の後側拡管部８に対応する部分１９（以下「後側拡管流路１９」という。）では、異形縮管部は形成されず、シェル２（後側拡管部８）の内周面と、伝熱管３（凹凸形状部１３）の各凸形状部１４とは離間している。したがって、後側拡管流路１９では、外側流体はシェル周方向に自在に流れることができる。

したがって、図３（ａ）に示すように、熱交換器１Ａにおいては、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路は、外側流体の流れ方向にみて順に、直列につながる第１区分流路２０ａと第２区分流路２０ｂとに区分されている。このため、熱交換器１Ａでは、以下のように外側流体が外側流路を流れる。

まず、外側流体は、外側流体流入パイプ９を通って、前側拡管部７と凹凸形状部１３との間に形成された第１拡管流路１８ａに流入する。なお、第１拡管流路１８ａ内の外側流体は、異形縮管部１７ａ、１７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂとの当接部によって遮られ、第２拡管流路１８ｂには流入しない。

次に、第１拡管流路１８ａ内の外側流体は、該第１拡管流路１８ａと連通している主熱交換部の３つの独立流路を通って、後側拡管部８と凹凸形状部１３との間に形成された後側拡管流路１９に流入する。後側拡管流路１９内では外側流体はシェル周方向に自在に流れることができるので、後側拡管流路１９内の外側流体は、第２拡管流路１８ｂと連通している主熱交換部の３つの独立流路を通って、第２拡管流路１８ｂに流入する。この後、第２拡管流路１８ｂ内の外側流体は、外側流体流出パイプ１０を通って、熱交換器外に流出する。

このように、熱交換器１Ａにおいては、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路が、互いに直列につながる、上流側流路（第１拡管流路１８ａ及び第１区分流路２０ａ）と下流側流路（第２区分流路２０ｂ及び第２拡管流路１８ｂ）とに区分されているので、外側流体はこれらの一連の流路を順に流れる。したがって、外側流路の単位通路断面あたりの外側流体の流量ないしは流速が大きくなり、かつ外側流路内における外側流体の通過長が大きくなる。

このため、伝熱係数が高くなって熱交換量が多くなり、熱交換器１Ａの熱交換性能が大幅に向上する。また、シェル２と伝熱管３の間隔を大きくする必要がないので、外側流体の保持量が不必要に多くならず、熱交換器１Ａの重量の増加を招かない。さらに、外側流路を区分するための部品を何ら必要としないので、熱交換器１Ａの構造が簡素なものとなり、製造コストが低減される。

（実施の形態２）
以下、図４〜図６を参照しつつ、本発明の実施の形態２を説明する。しかしながら、実施の形態２に係る熱交換器は、図１〜図３に示す実施の形態１に係る熱交換器１Ａと多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、以下では主として実施の形態１と異なる点を説明する。

図４〜図６に示すように、実施の形態２に係る熱交換器１Ｂでは、前側拡管部７に、Ｖ字状の２つの異形縮管部１７ｃ、１７ｄが形成されるとともに、後側拡管部８に、Ｖ字状の２つの異形縮管部２１ａ、２１ｂが形成されている。なお、異形縮管部１７ｃ、１７ｄは、シェル周方向に中心角で互いに１２０°離隔した部位に位置している。また、異形縮管部２１ａ、２１ｂも、シェル周方向に中心角で互いに１２０°離隔した部位に位置している。そして、異形縮管部１７ｃ、１７ｄは、それぞれ、伝熱管周方向に中心角で１２０°離隔した部位に位置する２つの凸形状部１４ｃ、１４ｄと当接している（図５（ａ）参照）。また、異形縮管部２１ａ、２１ｂは、それぞれ、伝熱管周方向に中心角で１２０°離隔した部位に位置する２つの凸形状部１４ｃ、１４ｅと当接している（図５（ｃ）参照）。なお、主熱交換部の構造は、実施の形態１に係る熱交換器１Ａと同様である（図５（ｂ）参照）。

かくして、異形縮管部１７ｃ、１７ｄと凸形状部１４ｃ、１４ｄの当接部によって、熱交換器１Ｂの外側流路の前側拡管部７に対応する部分は、互いに独立した比較的狭い第１拡管流路１８ｃと比較的広い第２拡管流路１８ｄとに区分されている。つまり、第１拡管流路１８ｃと第２拡管流路１８ｄとは、異形縮管部１７ｃ、１７ｄと凸形状部１４ｃ、１４ｄとの当接部によって互いに閉止され、両者間には外側流体の流れが生じないようになっている。

他方、異形縮管部２１ａ、２１ｂと凸形状部１４ｃ、１４ｅの当接部によって、熱交換器１Ｂの外側流路の後側拡管部８に対応する部分は、比較的狭い第１拡管流路２２ａと比較的広い第２拡管流路２２ｂとに区分されている。つまり、第１拡管流路２２ａと第２拡管流路２２ｂとは、異形縮管部２１ａ、２１ｂと凸形状部１４ｃ、１４ｅとの当接部によって互いに閉止され、両者間には外側流体の流れが生じないようになっている。

また、実施の形態２に係る熱交換器１Ｂでは、外側流体流入パイプ９は、前側拡管部７に設けられ、第１拡管流路１８ｃと連通している。他方、外側流体流出パイプ１０は、後側拡管部８に設けられ、第１拡管流路２２ａと連通している。

かくして、実施の形態２に係る熱交換器１Ｂでは、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路は、外側流体の流れ方向にみて順に、直列につながる第１〜第３区分流路２０ｃ〜２０ｅに区分されている（図５（ｂ）参照）。このため、熱交換器１Ｂでは、以下のように外側流体が外側流路を流れる。なお、この熱交換器１Ｂでは、外側流体は、外側流路内を１往復半移動する。

まず、外側流体は、外側流体流入パイプ９を通って、前側拡管部７と凹凸形状部１３との間に形成された第１拡管流路１８ｃに流入する。続いて、第１拡管流路１８ｃ内の外側流体は、該第１拡管流路１８ｃと連通している２つの独立流路（第１区分流路２０ｃ）を通って、後側拡管部８と凹凸形状部１３との間に形成された第２拡管流路２２ｂに流入する。次に、第２拡管流路２２ｂ内の外側流体は、該第２拡管通路２２ｂ及び第２拡管流路１８ｄの両方と連通している２つの独立流路（第２区分流路２０ｄ）を通って、前側拡管部７と凹凸形状部１３との間に形成された第２拡管流路１８ｄに流入する。さらに、第２拡管流路１８ｄ内の外側流体は、第１拡管流路２２ａと連通している２つの独立流路（第３区分流路２０ｅ）を通って、第１拡管流路２２ａに流入する。この後、第１拡管流路２２ａ内の外側流体は、外側流体流出パイプ１０を通って、熱交換器外に流出する。

実施の形態２に係る熱交換器１Ｂは、基本的には、実施の形態１に係る熱交換器１Ａと同様の作用・効果を奏する。さらに、実施の形態１に係る熱交換器１Ａに比べて、外側流路の単位通路断面あたりの外側流体の流量ないしは流速がより大きくなり、かつ外側流路内における外側流体の通過長がより大きくなるので、その作用・効果がより顕著なものとなる。

（実施の形態３）
以下、図７〜図９を参照しつつ、本発明の実施の形態３を説明する。しかしながら、実施の形態３に係る熱交換器は、図１〜図３に示す実施の形態１に係る熱交換器１Ａと多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、以下では主として実施の形態１と異なる点を説明する。

図７〜図９に示すように、実施の形態３に係る熱交換器１Ｃでは、伝熱管３内に小径伝熱管２５が配置されている（図９（ａ）〜（ｄ）参照）。そして、該小径伝熱管２５の一端２５ａは、前側拡管部７に設けられた外側流体流出パイプ１０に接続され、他端２５ｂはシェル外（熱交換器外）に突出している。なお、小径伝熱管２５は、両キャップ４、５に形成された穴４ａ、４ａを通り抜けている。ここで、小径伝熱管２５の他端２５ｂは、実質的には、熱交換器１Ｃの流体流出部として機能する。その他の点については、実施の形態１に係る熱交換器１Ａと同様である。

実施の形態３に係る熱交換器１Ｃは、基本的には、実施の形態１に係る熱交換器１Ａと同様の作用・効果を奏する。さらに、外側流体は、小径伝熱管２５内を流れるときに伝熱管３内の内側流体と熱交換を行うので、実施の形態１に係る熱交換器１Ａに比べて、外側流体の実質的な通過長がより大きくなり、その作用・効果がより顕著なものとなる。

（実施の形態４）
以下、図１０〜図１２を参照しつつ、本発明の実施の形態４を説明する。しかしながら、実施の形態４に係る熱交換器は、図１〜図３に示す実施の形態１に係る熱交換器１Ａと多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、以下では主として実施の形態１と異なる点を説明する。

図１０〜図１２に示すように、実施の形態４に係る熱交換器１Ｄでは、外側流路の前側拡管部７に対応する部分は、異形縮管部１７ａ、１７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂの当接部によって、互いに独立した第１入口側流路２６ａと第２入口側流路２６ｂとに区分されている。さらに、外側流路の後側拡管部８に対応する部分も、同様の形態で、異形縮管部２７ａ、２７ｂと凸形状部１４ａ、１４ｂの当接部によって、互いに独立した入口側流路２８ａと出口側流路２８ｂとに区分されている。

そして、前側拡管部７には、第１入口側流路２６ａに第１の外側流体を流入させるための第１外側流体流入パイプ９ａと、第２入口側流路２６ｂに第２の外側流体を流入させるための第２外側流体流入パイプ９ｂとが設けられている。他方、後側拡管部８には、第１出口側流路２８ａから第１の外側流体を流出させるための第１外側流体流出パイプ１０ａと、第２出口側流路２８ｂから第２の外側流体を流出させるための第２外側流体流出パイプ１０ｂとが設けられている。

つまり、実施の形態４に係る熱交換器１Ｄでは、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路が、互いに独立した２つの並列の区分流路３０ａ、３０ｂに区分されている。このため、熱交換器１Ｄでは、以下のように外側流体が外側流路を流れる。

図１２（ａ）に示すように、まず、第１外側流体は、第１外側流体流入パイプ９ａを通って、第１入口側流路２６ａに流入する（図１２（ｂ）参照）。続いて、第１入口側流路２６ａ内の外側流体は、該第１入口側流路２６ａと連通している３つの独立流路を通って、第１出口側流路２８ａに流入する（図１２（ｃ）参照）。第１出口側流路２８ａ内の外側流体は、第１外側流体流出パイプ１０ａを通って、熱交換器外に流出する（図１２（ｄ）参照）。他方、第２外側流体は、第２外側流体流入パイプ９ｂを通って、第２入口側流路２６ｂに流入する（図１２（ｂ）参照）。続いて、第２入口側流路２６ｂ内の外側流体は、該第２入口側流路２６ｂと連通している３つの独立流路を通って、第２出口側流路２８ｂに流入する（図１２（ｃ）参照）。第２出口側流路２８ｂ内の外側流体は、第２外側流体流出パイプ１０ｂを通って、熱交換器外に流出する（図１２（ｄ）参照）。

実施の形態４に係る熱交換器１Ｄは、基本的には、実施の形態１に係る熱交換器１Ａと同様の作用・効果を奏する。さらに、各区分流路３０ａ、３０ｂを異なる外側流体が流れることができるので、１つの熱交換器１Ｄで複数の流体を同時に冷却又は加熱することができる。

（実施の形態５）
以下、図１３（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、本発明の実施の形態５を説明する。しかしながら、実施の形態５に係る熱交換器は、図１０〜図１２に示す実施の形態４に係る熱交換器１Ｄと多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、以下では主として実施の形態４と異なる点を説明する。

図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、実施の形態５に係る熱交換器１Ｅでは、前側拡管部７及び後側拡管部８には異形縮管部は設けられず、外側流路の前側拡管部７に対応する部分では、前側拡管部７の内周面はいずれの凸形状部１４とも当接していない。しかし、前側拡管部７の内壁と凸形状部１４ａ、１４ｂとの間に、第１入口側流路２６ａと第２入口側流路２６ｂとの間での外側流体の移動を阻止する隔壁部材３１ａ、３１ｂが設けられている。同様に、後側拡管部８の内壁と凸形状部１４ａ、１４ｂとの間にも、第１出口側流路２８ａと第２出口側流路２８ｂとの間での外側流体の移動を阻止する隔壁部材３２ａ、３２ｂが設けられている。その他の点については、実施の形態４に係る熱交換器１Ｄと同様である。実施の形態５に係る熱交換器１Ｅは、実施の形態４に係る熱交換器１Ｄと同様の作用・効果を奏する。

ところで、実施の形態１〜３に係る熱交換器１Ａ〜１Ｃでは、前側拡管部７及び／又は後側拡管部８に異形縮管部を設けているが、これらの異形縮管部に代えて実施の形態５に係る隔壁部材を設けてもよい。
また、実施の形態１〜３では、シェル２と伝熱管３との間に形成される外側流路を２つ又は３つの区分流路に区分しているが、外側流路を４つ以上の区分流路に区分してもよい。なお、この場合、外側流路が偶数の区分流路に区分されている場合は、一方の拡管部に流体流入部及び流体流出部が設けられ、外側流路が奇数の区分流路に区分されている場合は、一方の拡管部に外側流体流入部が設けられ、他方の拡管部にそとがわ流体流出部が設けられる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の斜視図である。 図１に示す熱交換器を構成する各部材の斜視図である。 （ａ）は図１に示す熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、（ａ)のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図及びＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の斜視図である。 （ａ）、（ｂ)及び（ｃ）は、それぞれ、図４に示す熱交換器の、前側拡管部近傍部、主熱交換部及び後側拡管部近傍部における断面図である。 図４に示す熱交換器を構成する各部材の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の斜視図である。 図７に示す熱交換器を構成する各部材の斜視図である。 （ａ）は図７に示す熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、（ａ)のＤ−Ｄ線断面図、Ｅ−Ｅ線断面図及びＦ−Ｆ線断面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の斜視図である。 図１０に示す熱交換器を構成する各部材の斜視図である。 （ａ）は図１０に示す熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、（ａ)のＧ−Ｇ線断面図、Ｈ−Ｈ線断面図及びＩ−Ｉ線断面図である。 （ａ）は本発明の実施の形態５に係る熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）は（ａ)のＪ−Ｊ線断面図である。 （ａ）は従来の２重管式の熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す熱交換器の正面断面図である。 （ａ）は従来のもう１つの２重管式の熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す熱交換器の正面断面図である。 ガイドプレートを備えた従来の２重管式の熱交換器の側面断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｅ 熱交換器、２ シェル、３ 伝熱管、４ 前側キャップ、５ 後側キャップ、６ シェル本体部、７ 前側拡管部、８ 後側拡管部、９ 外側流体流入パイプ、１０ 外側流体流出パイプ、１１ 前端円筒部、１２ 後端円筒部、１３ 凹凸形状部、１４ 凸形状部、１５ 凹形状部、１７ａ 異形縮管部、１７ｂ 異形縮管部、１７ｃ 異形縮管部、１７ｄ 異形縮管部、１８ａ 第１拡管流路、１８ｂ 第２拡管流路、１８ｃ 第１拡管流路、１８ｄ 第２拡管流路、１９ 後側拡管流路、２０ａ 第１区分流路、２０ｂ 第２区分流路、２０ｃ 第１区分流路、２０ｄ 第２区分流路、２０ｅ 第３区分流路、２１ａ 異形縮管部、２１ｂ 異形縮管部、２２ａ 第１拡管流路、２２ｂ 第２拡管流路、２５ 小径伝熱管、２７ａ 異形縮管部、２７ｂ 異形縮管部、３０ａ 第１区分流路、３０ｂ 第２区分流路、３１ａ 隔壁部材、３１ｂ 隔壁部材、３２ａ 隔壁部材、３２ｂ 隔壁部材。

Claims (11)

1. 略円筒形のシェルと、該シェル内に配置された伝熱管とを備えていて、伝熱管内に形成された内側流路を流れる内側流体と、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路を流れる外側流体とが熱交換を行うようになっている熱交換器であって、
   伝熱管が、伝熱管軸線方向の両端部に位置する２つの円筒部と、両円筒部間に位置しそれぞれ伝熱管軸線方向に直線状に伸びる複数の凸形状部と複数の凹形状部とが伝熱管周方向に交互に形成された凹凸形状部とを有し、
   シェルが、円筒形の本体部と、該本体部より大径でありシェル軸線方向の両端部近傍において凹凸形状部と係合する位置に形成された２つの拡管部とを有し、
   本体部の内直径と凸形状部の外直径とが同一であって、これにより、上記外側流路が、それぞれ伝熱管軸線方向に直線状に伸びる互いに独立した、各凹部と本体部の内面との間に形成された各凹部毎の複数の独立流路に分離され、
   少なくとも一方の拡管部に、該拡管部と少なくとも２つの凸形状部との間隙を閉止する間隙閉止手段が設けられ、該間隙閉止手段によって、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、それぞれ独立流路のみにより構成された、順次直列につながる複数の区分流路に区分され、
   拡管部に、外側流体の流れ方向に見て最上流の区分流路に外側流体を流入させる流体流入部と、最下流の区分流路から外側流体を流出させる流体流出部とが設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が間隙閉止手段によって偶数の区分流路に区分され、一方の拡管部に流体流入部及び流体流出部が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 外側流路が２つの区分流路に区分されていることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
4. シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が間隙閉止手段によって奇数の区分流路に区分され、一方の拡管部に流体流入部が設けられ、他方の拡管部に流体流出部が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
5. 外側流路が３つの区分流路に区分されていることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器。
6. 伝熱管内に小径伝熱管が配置され、該小径伝熱管の一端が流体流入部又は流体流出部に接続され、他端がシェル外に突出していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 略円筒形のシェルと、該シェル内に配置された伝熱管とを備えていて、伝熱管内に形成された内側流路を流れる内側流体と、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路を流れる外側流体とが熱交換を行うようになっている熱交換器であって、
   伝熱管が、伝熱管軸線方向の両端部に位置する２つの円筒部と、両円筒部間に位置しそれぞれ伝熱管軸線方向に直線状に伸びる複数の凸形状部と複数の凹形状部とが伝熱管周方向に交互に形成された凹凸形状部とを有し、
   シェルが、円筒形の本体部と、該本体部より大径でありシェル軸線方向の両端部近傍において凹凸形状部と係合する位置に形成された２つの拡管部とを有し、
   本体部の内直径と凸形状部の外直径とが同一であって、これにより、上記外側流路が、それぞれ伝熱管軸線方向に直線状に伸びる互いに独立した、各凹部と本体部の内面との間に形成された各凹部毎の複数の独立流路に分離され、
   両拡管部に、それぞれ、該拡管部と少なくとも２つの凸形状部との間隙を閉止する同数の間隙閉止手段が設けられ、該間隙閉止手段によって、シェルと伝熱管との間に形成された外側流路が、それぞれ独立流路のみにより構成された、互いに独立した複数の並列の区分流路に区分され、
   上記各区分流路において、それぞれ、一方の拡管部に流体流入部が設けられ、他方の拡管部に流体排出部が設けられ、各区分流路を異なる外側流体が流れることができるようになっていることを特徴とする熱交換器。
8. 間隙閉止手段が、拡管部を部分的に内向きに変形させることによって形成されて上記少なくとも２つの凸形状部と当接する異形縮管部であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱交換器。
9. 異形縮管部と凸形状部との当接部がロウ接により接合されていることを特徴とする、請求項８に記載の熱交換器。
10. 異形縮管部と凸形状部との当接部に気密剤が配設されていることを特徴とする、請求項８に記載の熱交換器。
11. 間隙閉止手段が、拡管部と、上記少なくとも２つの凸形状部との間に設けられた隔壁部材であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱交換器。

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