JP5155150B2 - アキシャル型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、２つの媒体、好ましくはガス媒体と液体媒体、さらに好ましくは空気と水との間で熱を交換するためのアキシャル型熱交換器（Axial Heat Exchanger）に関する。より詳しくは、本発明は、画定された空間、好ましくは屋内において、空気の温度および空気の快適性を調整するための熱交換器に関する。

〔序〕
熱伝達は、自然および人為的な活動と関連した極めて一般的な作用である。熱伝達は、主に３つの異なる機構、すなわち伝導、対流、および放射に依存する。

伝導による熱伝達は、基本的に、物質の運動が観察されないことを特徴とする。金属固体では非結合電子の運動があり、液体では分子間の運動量の運搬があり、ガスでは分子拡散（分子のランダムな運動）がある。対流による熱伝達は、基本的に、流体要素の混合によって生じる巨視的な現象であり、自然対流は密度の差異によって生じさせ、強制対流は機械的手段によって生じさせることが可能である。放射による熱伝達は、基本的に、電磁波の存在によって特徴づけられる。全ての材料は、熱エネルギーを放出する。第二の物体に放射すると、その放射は伝達、反射、または吸収される。吸収エネルギーは、物体内の熱として現われる。

大部分の熱交換器における熱伝達は、主に、熱が１つまたは複数の層の材料を通過して吸熱流体またはガスの流れに到達するときに、伝導、および場合により対流によって行われる。なお、他の伝達機構をある程度まで伴う場合がある。１つまたは複数の層の材料は、通常、厚さが異なり、異なる熱伝導率を有する。したがって、熱交換器のデザインには、全体的な熱伝達係数の知識が重要である。既知の全体的な熱伝達係数に関して、所要の熱伝達領域は、熱交換器にわたる総合的なエネルギーバランスによって計算される。

熱交換器は、複数の様々なデザインで利用可能である。最も一般的なタイプには、管状熱交換器、プレート式熱交換器、およびかきとり型熱交換器が挙げられる。構造材料の選択は、用途によって異なる。食品業界における支配的な材料は、ステンレスまたは耐酸性鋼、あるいはチタンのような新材料であり、後者は、一般的に塩化物を含有する流体用である。他の業界では、軟鋼製の熱交換器で十分であろう。

プレート式熱交換器は、動作温度および圧力（一般的に、150℃および25bar）に関する要求がそれほど厳しくない低粘性用途にしばしば使用される。ガスケット材料は、手の動作温度および処理流体の成分に耐えるように選択される。食品業界では、一般的に、100℃以下の温度および15bar以下の圧力で運転される牛乳およびジュースの殺菌器に使用される。

管状熱交換器は、一般的に、高温および高圧に対する要求が顕著である用途に使用される。また、管状熱交換器は、流体がプレート式熱交換器のチャネルを詰まらせてしまうときに用いられる。食品業界では、一般的に、最高150℃の温度で運転される牛乳およびジュースの滅菌器に使用される。管状熱交換器は、中乃至高粘性で粒子状の製品（例、トマトサルサソース、トマトペーストおよびライスプディング）にも使用される。これらの場合のうちのいくつかでは、動作圧力が100barを超える場合がある。管状熱交換器では、最大10乃至15mmの粒子を問題なく処理することができる。

かきとり型熱交換器は、粘度が非常に高い場合、大きな塊が流体の一部である場合、または汚れの問題が厳しい場合の用途に使用される。食品業界では、かきとり型熱交換器は、例えば、イチゴ全体が存在するイチゴジャムのような製品に使用される。熱交換器内の処理は、非常に穏やかであり、また圧力降下も非常に低いので、イチゴ類は、ほとんど損傷せずにシステムを通過することになる。しかし、かきとり型熱交換器は、最も費用のかかかる解決策であるため、プレート式熱交換器および管状熱交換器が十分に機能しない場合に限って使用される。

〔従来技術〕
米国特許第5,251,603号（Watanabe他）では、自動車用の燃料冷却システムを開示しており、該システムは、自動車エンジン（E）に燃料を供給するための燃料タンク（2）と、冷媒蒸発器（12）と、空調用の冷却システムの圧縮器（8）と、燃料パイプ（3b）と気化冷媒パイプ（13）との間に設けられた熱交換器（15）とを有する。第2カラム、45乃至66行、および図1などを参照のこと。熱交換器（15）は、同軸内側チューブおよび外側チューブ（17、18）と、例えば内側チューブと外側チューブ（17、18）との空間に含まれる熱伝達フィンから構成される。第3カラム、4乃至64行、および図2乃至4などを参照のこと。この構造によって、エンジン（E）と燃料タンク（2）との間に延在する燃料戻りパイプ（3b）を通って流れる燃料は、内側チューブと外側チューブ（17、18）との間の空間を通って流れるようになり、一方で、気化した低温の冷媒は、熱交換器の内側チューブ（17）の内部を通って流れるようになる。内側チューブは、例えば熱交換フィンの内部に固定され、その長手方向に延在し、波型の横断面を有する。燃料および冷媒が内側チューブを介して熱を交換することによって、燃料が効果的に冷却される。

米国特許第5,107,922号（So）では、小型自動車用熱交換器（30）で使用するためのオフセット帯状フィン（42）を開示している。オフセット帯状フィン（42）は、軸方向に延在する複数の横断列の起伏を有し、隣接した列の前記起伏は、油の境界層が継続的に再開されるように重なり合っている。フィンの寸法は、軸方向に沿った圧力降下に対して優れた熱伝達率を達成するように最適化されている。一側面では、小型同心円状管熱交換器（30）は、一対の同心円状のチューブ（32、34）間に位置する環状の流体流路内に配置されるオフセット帯状フィン（42）を有する。第5カラム44行乃至第7カラム6行、および図1乃至4などを参照のこと。

上述のWatanabeおよびSoが開示している熱交換器は、基本的に管状熱交換器である。WatanabeおよびSoによる交換器は、自動車の限られた内部空間に適合させるように比較的小型である。したがって、利用可能な熱伝達領域が限られ、十分な熱交換を得るには、２つの熱交換媒体間に大きな温度差が必要である。これは、冷却媒体を気化させるために圧縮器（8）を使用することによって、Watanabeによって確立されており、内側チューブ（17）の内部を流れる冷媒の顕著な冷却がもたらされている。

WO03/085344（Jensen他）では、第一の流体に対する第一のチャネル（24）を形成する内側チューブ（3）と、前記内側チューブ（3）を完全に囲み、前記内側チューブと並行して延在する外側チューブ（1）とを備え、それによって、第二の流体に対する第二のチャネル（25）を画定する、熱交換器アセンブリを開示している。フィン（2）は、内側チューブ（3）の外壁と外側チューブ（1）の内壁との間に延在する。フィン（2）は、内側チューブ（3）とだけ統合される。Jensenの明細書の1ページおよび図1および2などを参照のこと。

Jensenによる熱交換器は、基本的に管状熱交換器である。熱伝達は、内側チューブ（3）の壁およびフィン（2）を介して生じる。しかし、図1および2の交換機の断面を考察すると、内側チューブ（3）の壁およびフィン（2）は比較的厚いことが分かる。したがって、壁およびフィンの材料は、十分な熱交換を提供するように、熱伝導率が高くなければならない。内側チューブ（3）の厚いフィン（2）は、内側チューブ（3）の壁およびフィンを介した熱伝達のためにチューブ（3）が利用可能な領域をさらに減じることになる。一般的に、熱伝達領域を減じると、十分な熱交換を保持するために、流体間の温度差を広げる必要がある。別様には、１つの媒体または両方の媒体の圧力および／または流量を増加させる手段がある。したがって、この手段は特に、Jensenによるもののような熱交換器を、ガス媒体と液体媒体との間、または２つのガス媒体間での熱交換に使用した場合である。ガス媒体は液体媒体よりも密度が低いので、一般的にガス媒体は、液体媒体と同じ量の1立方単位あたりのエネルギーを担送、受け取り、または放出することができない。これは、ガス媒体との熱交換が、一般的に、同時に液体媒体を出入りするエネルギーと同じ量を伝達するのに必要な領域と比較して、より大きな領域が必要であることを意味する。

米国特許第5,753,342号（Nitta）では、外側ダクトハウジング（20）と、一端に電動ファン（24）とを含む熱交換システムを開示している。２つのネスト状のパイプ（28、30）を含む熱交換器は、ダクト（20）内でファン（24）と同一線上に配置される。各パイプ（28、30）は、半径方向外側へのフィン（38、46）と、半径方向内側へのフィン（40、48）とを含む。外側パイプ（28）上の半径方向内側へのフィン（40）および内側パイプ（30）上の半径方向外側へのフィン（46）は、交互に配置される。パイプの端部に配置されるエンドキャップ（32、34）は、バッフル（54、56、58、68、70）を含み、４つの経路が熱交換器の長さを通ることができるように、パイプ（28、30）間、およびフィン（38、40、46、48）の端部とエンドキャップ（32、34）との間に画定された環状のマニホールド（60、62）を適切に分割する。

内側パイプ（30）は、パイプ（30）の中心通る内側流路を画定する。半径方向内側へのフィン（48）は、その流路に延在する。２つのエンドキャップ（32、34）は、穴（72、74）を有し、通過トラフと内側パイプ（30）とを整列する。このように、ファン（24）は、機器の長手方向の流れによって熱交換器の内部、および熱交換器周囲を外向きに空気を通させることができる。第2カラム、58乃至65行を参照のこと。

Nittaによる熱交換器は、Jensenによる熱交換器に類似している。しかし、Nittaによるパイプの壁およびフィンは、Jensenにおけるそれらの相当部分よりも比較的に薄いようである。したがって、壁およびフィンの材料に必要な熱伝導性の高さはNittaによるものよりも低い。しかし、Jensenと同様に、Nittaにおける断面の本質的部分は、内側パイプの壁およびフィンに占有される。これは、ガスまたは流体、あるいは熱交換器を通過すると想定される類似した媒体の流路を狭めるので、媒体の圧力を上げなければならない場合がある。

上述の従来技術の熱交換器は、熱交換領域が小さい、温度差が高い、媒体の流れる断面が小さい、媒体の流量が高い、媒体の圧力が高い、といった欠点のうちの１つまたは複数を示している。

従来技術の熱交換器は、ゆっくりと流れるガス媒体と、流体または温度差の小さい液体媒体との間の熱交換には明らかに不適当であり、特に、画定された空間、好ましくは屋内空間における温度および空気の快適性を調整するために、交換器を介してゆっくりと流れる空気の温度を調整するための熱交換器としては特に不適当である。

本発明は、ガス媒体と流体または液体媒体との間の熱交換を改善したアキシャル型熱交換器を提供する。

本発明によるアキシャル型熱交換器は、第一のガス媒体（好ましくは、空気）の流れを収容するように構成した長手方向且つ実質的に軸方向に延在する外側チャネル（例、チューブまたは類似物）を備える。また、前記熱交換器は、第二の液体媒体（好ましくは、水）の流れを収容するように構成した実質的に並列する複数の内側チャネル（パイプ、導管、または類似物）を備える。前記内側チャネルは、前記第一のガス媒体と前記第二の液体媒体との間を熱が伝達できるようにするために、前記外側チャネルの内側に沿って実質的に軸方向に延在するように、前記外側チャネルの内側に配置される。熱伝達は、内側チャネルの数を増やすことによって改善することができ、前記内側チャネルの内の少なくとも１つ、好ましくは前記内側チャネルの内の少なくとも２つを、少なくとも１つの細長いシートと接合するという点において特に改善される。前記細長いシートは、前記外側チャネルを通る前記第一のガス媒体の流れの方向と実質的に合致するように、前記内側チャネルに沿って実質的に軸方向に延在するように構成される。

本発明による複数のアキシャル型熱交換器は、第一のガス媒体が、第一の熱交換器の前記外側チャネルを通り、次の熱交換器の前記外側チャネルに流れ、したがって、それぞれ連続的に接続された熱交換器を通ることができるように連続的に接続される。連続的に接続された熱交換器のそれぞれは、供給チャネル配列に接続されるように構成される、第一の分配配列および第二の分配配列を有し、前記供給チャネル配列は、各アキシャル型熱交換器の前記内側チャネルを通る第二の液体媒体の流れを提供するために、前記連続的に接続された熱交換器に実質的に沿って延在する。

本発明による複数の熱交換器は、前記並列熱交換器のそれぞれの前記外側チャネルを通って、第一のガス媒体が実質的に同時かつ並列に流れることができるように並列に接続することができる。並列に接続された熱交換器のそれぞれは、供給チャネル配列に接続されるように構成される、第一の分配配列および第二の分配配列を有し、前記供給チャネル配列は、各アキシャル型熱交換器の前記内側チャネルを通る第二の液体媒体の流れを提供するために、前記並列に接続された熱交換器に実質的に沿って延在する。

好適な実施形態の詳細な説明

〔第一の実施形態〕
図1は、本発明の第一の実施形態による、内側熱交換構造体100の斜視図である。図1の内側熱交換構造体100は図2にも示され、図1の線X-Xに沿って実質的に切断して、内側熱交換構造体100の断面の斜視図を明示している。図2に示される内側熱交換構造体100は、外側チャネル構造体200に配置される。図2の外側チャネル構造体200および収容された内側熱交換構造体100は、本発明の第一の実施形態によるアキシャル型熱交換器A1を形成する。

図2に示される例示的な外側チャネル構造体200は、円筒状または管状である。例示的な外側チャネル200の内径は、約100乃至500ミリメートル、好ましくは約100乃至300ミリメートル、より好ましくは100乃至200ミリメートルとすることが可能である。外側チャネル200の壁は、数ミリメートル、好ましくは2ミリメートル未満とすることが可能である。他の壁厚および他の直径は、明らかに想像できる。例示的な外側チャネル200の長さは、約400乃至3000ミリメートル、好ましくは約500乃至2000ミリメートル、より好ましくは600乃至1500ミリメートルとすることが可能であり、他の長さは明らかに想像できる。外部チャネル構造体200の形状および断面は、第一の媒体が少なくとも１つの媒体チャネル内、好ましくは、内側熱交換構造体100と外側チャネル構造体200の壁との間に形成された複数の媒体チャネル210内をアキシャル型熱交換器A1に沿って流れることができるように、内部熱交換構造体100を収容するものであれば、明らかに異なるものとすることが可能である。外側チャネル構造体200は、ガス媒体、好ましくは空気または類似したガスを収容するように構成されることが好ましい。媒体チャネル210は、図6aに示されるアキシャル型熱交換器A1の概略断面図にも示される。媒体（例、空気）は、チャネル210における２つの可能な方向のうちの一方または他方に流れることが可能であることがわかる。

図2の外側チャネル構造体200の壁は、軽量の材料、例えば、アルミニウムまたはプラスチック材料のような、軽金属あるいは炭素繊維または類似物で作成されることが好ましい。また、外側チャネル構造体200の壁が比較的薄いことも好ましい。外側チャネル構造体200は、キャンバス、布、箔、膜、または同等の好適な薄いシート材料で形成することが可能である。シート材料は、例えば、金属、ゴム、プラスチック、布、または類似物とすることが可能である。したがって、外側チャネル構造体200の好適な実施形態は、例えば、プラスチック布、プラスチック箔、またはこれに類似した実質的に媒体密封（例、気密）布材、あるいは軽量の類似物で作成された壁を有することが可能である。シート材料は、内側熱交換構造体100を収容する外側チャネル構造体200を形成するように、内側熱交換構造体100の縁端に巻きつけるか、またはその周囲に配置することが好ましい。シート材料は、例えば、加熱して収縮させて内側熱交換構造体100の外側にフィットする、収縮ラップ、さらには収縮チューブとすることが可能である。

収容外側チャネル200についてある程度詳細に説明したが、以下図2に示される熱交換器A1の内側熱交換構造体100に再び注目する。図2から、熱交換構造体100は、薄い長方形シートに形成された５つのフィン110を備えることが明らかである。これらのフィン110のうち少なくとも４つを図1に明確に示す。シートまたはフィン110の厚さは、10分の数ミリメートル乃至数ミリメートル、好ましくは2ミリメートル未満とすることが可能である。

図1および2のシートまたはフィン110は、図1の内部熱交換構造体100および図2の外側チャネル200の軸方向の延長部および／または中心軸X1と実質的に並行する第一の軸方向に延在する。フィン110は、実質的に内側熱交換構造体100の全長に沿って延在する。図2から分かるように、アキシャル型熱交換器A1内に配置される熱交換構造体100のフィン110は、収容外側チャネル構造体200内の媒体の流れる方向に実質的に合致するように、外側チャネル構造体200の軸方向の延長部内に延在している。

図1および2のシートまたはフィン110は、上述のように軸方向に延在するとともに、第二の半径方向に延在する。半径方向は、熱交換構造体100の中央または中心軸から、外側チャネル構造体200の方へ実質的に外側に延在し、フィン110はハブの周りのスポークのように見える。フィン110は、チャネル構造体200に対して小さな間隙を与えるか、または単純に、チャネル構造体200に当接することが可能である。また、フィンは、外側チャネル構造体200にさらに密に接続して、例えば、実質的に閉じた、または密封された外側チャネル200との接続を形成することが可能である。

例示的な図2の熱交換構造体100内のフィン110は、外側チャネル200の延長部と並行して配置される直線の長方形のシートであるが、本発明の特定の実施形態では、湾曲またはねじれたシートまたは類似物を有することが可能である。例えば、外側チャネル構造体200または類似物に沿って螺旋状または類似形状に延在するシートとするか、または、１つまたは複数の媒体チャネル（図2および6aの媒体チャネル210に相当する）を形成し、そのチャネルが、例えば軸方向の外側チャネル200または類似物の内側に沿って螺旋状構造で延在するシートとすることが可能である。

図1および2のフィン110は、熱伝導材料、好ましくは金属、より好ましくはアルミニウムまたは類似物のような軽量金属で作成される。各フィン110は、フィン110の中央または中央付近に配置される、小さく、直線で、好ましくは管状の内側チャネル120と接合される。例示的な内部チャネル120の壁の厚さは、10分の数ミリメートル乃至数ミリメートル、好ましくは1ミリメートル未満とすることが可能であり、また、内側チャネル120の内径は、約4乃至20ミリメートル、好ましくは約5乃至15ミリメートル、より好ましくは約6乃至10ミリメートルとすることが可能である。他の壁厚および他の直径は、明らかに想像できる。内側チャネル120は、フィン110と同じ材料か、または内側チャネル120とフィン110との間の熱を良好に輸送できる類似した材料で作成されることが好ましい。直線の内側チャネル120は、長方形のフィン110全体に沿って、一方の短い端部から他方へ延在する。内側チャネル120は、流体または液体媒体、好ましくは水の流れを収容するように構成されることが好ましい。

本発明は、図1および2のチャネル120に限定されるものではないことを付け加えられたい。これに反して、チャネルは、円形または楕円形、あるいは部分的な円形および／または部分的な楕円形の断面とするか、または、三角形、方形、長方形または多角形断面、あるいはこれらの例を組み合わせた断面とすることが可能である。さらに、フィン110は、他の位置で、および／または他のパターンによってチャネルと接合することが可能である。例えば、チャネルは、S字型のパターンでフィン110に沿って、一方の短い端部から他方に延在するように接合することが可能である。シートまたはフィン110あるいは類似物は、本発明の範囲から逸脱することなく、２つ以上のチャネルを備えることも可能である。

図1の斜視図は、熱交換構造体100が、熱交換構造体100から半径方向に延在する下部分配マニホールド130を備えることを示す。下部分配マニホールド130は、下部分配チャネル140に接続され、前記下部分配チャネルは、次いで、熱交換構造体100の下端に配置される湾曲した下部管状接続チャネル122によって、フィン110内の各チャネル120の下端に接続される。フィン110内の各チャネル120の上端は、次いで、熱交換構造体100の上端部に配置される湾曲した上部管状接続チャネル121によって、上部分配ハブ150に接続される。上部収集ハブ150は、次いで、熱交換構造体100の中心軸と実質的に合致する収集ハブ150から軸方向下方に延在する中央チャネル160に接続される。例示的な中央チャネル160の壁の厚さは、10分の数ミリメートル乃至数ミリメートル、好ましくは2ミリメートル未満とすることが可能であり、また、中央チャネル160の内径は、約20乃至100ミリメートル、好ましくは約25乃至75ミリメートル、より好ましくは約25乃至50ミリメートルとすることが可能である。他の壁厚および他の直径は、明らかに想像できる。中央チャネル160の下端は、中央チャネルマニホールド170において中央チャネル160を成端する湾曲セクション161を有し、前記湾曲セクションは、フィン110の下端、好ましくはその下で、好ましくは下部分配マニホールド130の下で、熱交換構造体100から半径方向に延在する。

外側チャネル200の直径および壁圧、内側チャネル120の直径および壁圧、フィン110の形状および厚さ、外部チャネル200の材料の選択のような当該の特性により、外部チャネル200を通って流れるものと想定される媒体、および内側チャネル110を通って流れるものと想定される媒体の、例えば温度、密度、粘度、圧力、流量などに左右される問題の適用性に適合するように、内側チャネル110およびフィン110を、当業者に既知の方法で容易に適用することができる。

〔第二の実施形態〕
図3は、本発明の第二の実施形態による内側熱交換構造体300の斜視図である。図3の内側熱交換構造体300は図4にも示され、図3の線Y-Yに沿って実質的に切断して、内側熱交換構造体300の断面の斜視図を明らかにしている。図4の内側熱交換構造体300は、外側チャネル構造体400の内側に配置される。図4の外側チャネル構造体400および収容された内側熱交換構造体300は、本発明の第二の実施形態によるアキシャル型熱交換器A2を形成する。

図4に示される例示的なチャネル構造体400は、図2に示される第一の実施形態のチャネル構造体200に類似しているが、特に、少なくとも１つの媒体チャネル内を、好ましくは、内側熱交換構造体300と外側チャネル構造体400の壁との間に形成された複数の媒体チャネル410内を、アキシャル型熱交換器A2に沿って第一の媒体が流れることができるように、内側熱交換構造体300を収容しているという点において類似している。したがって、上述のように、外側のチャネル構造200の特性は、必要な変更を加えて外側のチャネル構造400に適用することが可能である。媒体チャネル410は、図6bに示されるアキシャル型熱交換器A2の概略断面図にも示される。

さらに、図3および4に示される熱交換構造体300のフィン310も同様に、図1および2に示される第一の実施形態のフィン110に類似している。したがって、上述のように、フィン110の特性は、必要な変更を加えて図3および4のフィン310に適用することが可能である。

例えば、図3および図4のシートまたはフィン310は、図3の内部熱交換構造体200および図4の外側チャネル400の軸方向の延長部および／または中心軸X2と実質的に並行する第一の軸方向に延在する。さらに、図3および図4の各フィン310は、図1および2の管状チャネル110と同様に、小さく、直線で、好ましくは管状のチャネル320と接合される。なお、熱交換器A1の熱交換構造体100が５つのフィン110であるのに対して、熱交換器A2の熱交換構造体300は、６つのフィン310を備えていることに留意されたい。これは、フィンまたはシート、あるいは類似物の数が、本発明による熱交換器によって異なることを示すものである。

さらに、熱交換構造体300は、下部分配チャネル340に接続された下部分配マニホールド330を備え、次いで、湾曲した下部管状接続チャネル322によってフィン310の各チャネル320の下端に接続される。同じ配置が、図1および2の熱交換構造体100の下端に用いられている。

なお、図3および4に示される熱交換構造体300の上端の分配配置は、上述の図1および2に示される熱交換構造体100のような、分配ハブ150および軸方向に中心がある中央チャネル160を有さない。これに反して、図1および2に示される熱交換構造体100の分配配置は、図3および4に示される熱交換構造体300において、熱交換構造体300から半径方向に延在する上部分配マニホールド370を備える上部分配配置と置き換えられており、マニホールド300は、上部分配チャネル350に接続され、次いで、熱交換構造体300の上端に配置される湾曲した上部管状接続チャネル322によって、フィン310の上端で各チャネル320に接続される。

〔例示的な断面〕
上述のように、本発明の一実施形態によるアキシャル型熱交換器A1、A2内のフィン110、310またはシート、あるいは類似物は、異なる断面を有する異なるパターンによって配置することが可能であり、フィン110、310またはシート、あるいは類似物は、外側チャネル200、400内の媒体の流れの方向に実質的に合致するように、外側収容チャネル200、400の軸方向の延長部に延在している。

可能な断面のバラエティを示すために、いくつかの概略断面図を下記に提供する。

図6aは、図1および2の前述の熱交換器A1の概略断面図であり、図1および2、ならびに6aにおける同じ符号は、全て同じ要素を示す。

図6bは、図3および4の前述の熱交換器A2の概略断面図であり、図3および4、ならびに6bにおける同じ符号は、全て同じ要素を示す。

図6cは、本発明の一実施形態によるアキシャル型熱交換器の外側チャネル内にフィンまたはシートを配置するための別の可能なパターンの概略断面図である。アキシャル型熱交換器は、外側チャネル200および400に類似した外側管状チャネル500を備える。外側チャネル500は、外側チャネル500と同じ管状の形態だが直径がより小さい、内側シート510を収容する。斜め放射状フィン520は、内側管状シート510および外側チャネル500との間に配置される。管状シート510およびフィン520は、フィン110および310と同じか、または類似した特性を有する。内側管状シート510は、等距離の位置において管状チャネル530と接合される。一部のフィン520は、管状チャネル530とも接合することが可能である。管状チャネル530は、内側チャネル120、320に類似する。図6cのアキシャル型熱交換器は、例えば、図3および4に示される上部および下部分配配置に類似した上部および下部において分配配置を使用する、すなわち、マニホールド330、370を有する分配チャネル340、350に内側チャネル530を接続するための接続チャネル321、322を使用することが可能である。

図6dは、上述の図1および2に示されるアキシャル型熱交換器A1と基本的に同一なアキシャル型熱交換器の概略断面図である。なお、図6dの熱交換器は、熱交換器A1のあるような５つのフィン110の代わりに、６つのフィン110を備えている。さらに、熱交換器A1の外側チャネル200は、図6dにおいて、内側熱交換構造体の縁端に巻きつけられるか、あるいはその周囲に配置される、気密クロット（airtight clot）製の外側チャネル構造体600と置き換えられている。

図6eは、図6eのアキシャル型熱交換器の各内側管状チャネル120が、フィン110に対して180°ずらして垂直に配置した２つの追加フィン650を備えている点を除いて、図6dに示されたものと同じアキシャル型熱交換器である。隣接したチャネル120上に提供された隣接した追加フィン650は、図6dに示されるように、小さな間隙を隔てて配置することが可能である。なお、別様には、追加フィン650間に良好な熱的接続が生じるように軸方向に接合することが可能である。

図6fは、図6dに示される熱交換器にあるような６つのフィン110の代わりに、図6fのアキシャル型熱交換器が４つのフィン110を有する点を除いて、図6dに示されたものと同じアキシャル型熱交換器である。これは、図6fの長方形のアキシャル型熱交換器に、発泡プラスチックまたはセルラープラスチックからなる厚めの外側保護カバーを提供するのに特に好都合である。これは、伝達および格納に対して優れた特性を提供する。保護カバーは、交換器の取り付け後に熱交換器上に保持することが可能である。

２、３の概略断面図を簡潔に説明して、本発明の可能な実施形態のバラエティを示した。しかし、本発明のアキシャル型熱交換器の他の実施形態は、内側熱交換構造体の中心軸（例えば、内側熱交換構造体100、300の中心軸）の周辺に延在させることも可能な他の好適なパターン（例、三角形、方形、長方形、縁、または半円形パターン）によって配置される、フィンまたはシートを有することが可能である。

〔本発明の実施形態によるアキシャル型熱交換器の動作および用途〕
第一の媒体は、下部分配マニホールド130および下部分配チャネル140を通ってアキシャル型熱交換器A1に供給され、媒体はそこからフィン110内のチャネル120および上部分配ハブ150に流れ、媒体が熱交換器A1から放出される中央チャネルマニホールド170内で終端する中央チャネル160を通って戻る。第二の媒体は、外側チャネル構造体200と内側熱交換構造体100との間の空間内に配置される単一または複数の軸方向チャネル210に沿って、熱交換器A1を通って流れるように提供される。結果的に、熱は、２つの媒体間に温度差があれば、熱交換構造体100に配置されるフィン110を経て、第一の媒体と第二の媒体との間で交換される。

第一の媒体は、同様に、下部分配マニホールド330および下部分配チャネル340を通ってアキシャル型熱交換器A2に供給され、媒体はそこからフィン310内のチャネル320、および媒体が熱交換器A2から放出される放出チャネルマニホールド370内で終端する上部分配マニホールド350へ流れる。第二の媒体は、外側チャネル構造体400と内側熱交換構造体300との間の空間内に配置される単一または複数の軸方向チャネル410に沿って、熱交換器A2を通って流れるように提供される。結果的に、熱は、２つの媒体間に温度差があれば、熱交換構造体300に配置されるフィン310を経て、第一の媒体と第二の媒体との間で交換される。

第一の媒体は、上述した方向と反対の方向に流れることが可能である。第二の媒体は、特に外側チャネル構造体200、400の内径が比較的大きい（例、100乃至200ミリメートル以上）実施形態では、自然対流によって、単一または複数のチャネル210、410を通って流れることが可能である。すなわち、本発明のいくつかの実施形態は、第二の媒体を推進させるファンまたは類似物を必要とせず、一方で、他の実施形態では、ファンまたは類似物があることが好ましいか、またはこれを必要とする。

本発明によるアキシャル型熱交換器は、様々な異なる用途および様々な構造体において使用することが可能である。特に、本発明による複数のアキシャル型熱交換器は、特に直列に接続して、または並列に接続して使用することが可能である。

図5aは、図3および4に関連して上述した本発明の第二の実施形態による、複数のアキシャル型熱交換器A2を示す。熱交換器A2は、連続的に軸方向に接続され、第一の媒体（好ましくは、空気）は、１つの熱交換器A2から次の熱交換器に流れ、さらに全ての軸方向に接続された熱交換器A2を通って流れることができる。図5a内の２つの矢印410は、流れを示す。矢印は、図4に関連して上述したように、媒体チャネル410に対応する。熱交換器A2は、例えば、２つの軸方向に配置される熱交換器A2の間の接続を保護するように、熱交換器A2の外側チャネル400の周囲に密にフィットするように構成される接続部420によって、互いに接続することが可能である。接続部420は、管状外側チャネル構造体400の外径よりもわずかに大きい径である接続チューブまたは接続パイプとすることが可能である。１つの熱交換器A2は、次いで、各側面から接続部420に軸方向に挿入して、実質的に媒体密封したジョイント（例、気密ジョイント）を備える、自立型熱交換構造体を形成する。接続部420は、２つの軸方向に接続された熱交換器A2の巻きつけるか、またはその周囲に配置される布材料または収縮バンドとすることも可能である。クロット材料は、外側チャネル構造体400が、クロット材料（clot material）製であるときに特に好都合であり、その場合には、接続部をチャネル構造体400と同じ材料で作成することができる。

軸方向熱交換器A2は、連続的に軸方向に接続して、図5aにあるような中心軸に沿って実質的な中心があるように延在する細長い構造体を形成してはならないことを付け加えられたい。これに反して、複数の熱交換器A2は、第一の媒体が１つの熱交換器A2から次の熱交換器に流れ、さらに全ての軸方向に接続された熱交換器A2を通って流れることができる、円形または半円形構造、長方形構造または他の多角形構造、あるいはあらゆる他の構造とすることが可能である。これは、例えば、２つの熱交換器A2を互いに角度をなして接続できるような、好適に形成された接続部420によって達成することが可能である。熱交換器A2自体が湾曲またはねじれている実施形態であってもよい。湾曲または角度偏向軸に沿って延在するように接続された複数の熱交換器A2を使用することによって、熱交換器A2を、既存のエアシャフト、アップキャストシャフト、換気シャフト、換気チューブ、換気パイプまたは類似物の一体部分として配置することができる。当該の用途では、既存のエアシャフトの壁などを、熱交換器A2内の外側チャネル400の代替物として使用することも可能である。すなわち、１つの熱交換構造体300または連続して接続された複数の熱交換構造体300は、外側チャネル400とともに、またはこれを用いずに既存のエアシャフトなどで配置することが可能である。

加えて、図5aにおいて各軸方向に接続された熱交換器A2は、各交換器に第二の媒体（好ましくは、水）の流れを提供するための、軸方向に接続された熱交換器A2に沿って延在する供給チャネル配置に接続されている。したがって、各熱交換器A2の下部分配マニホールド330は、第一の供給チャネル710に接続され、一方で、各熱交換器A2の上部分配マニホールド370は、第二の供給チャネル720に接続されている。１つのチャネル710、720は順方向チャネルとして配置され、他のチャネルは逆方向チャネルとして配置される。第一の供給チャネル710および第二の供給チャネル720は、次いで、媒体調質ソース700に接続されるが、このソースは、供給チャネル710、720を通って流れる第二の媒体を加熱および／または冷却するように構成される。結果的に、チャネル710、720および接続された熱交換器A2のそれぞれを通って流れる第二の媒体の加熱は、各交換器A2の熱交換機能によって促進され、接続された熱交換器A2を通って流れる第一の媒体（好ましくは、空気）の加熱を生じさせる。同様に、第二の媒体の冷却は、各交換器A2の熱交換機能によって促進され、接続された熱交換器A2を通って流れる第一の媒体（好ましくは、空気）を加熱させる。供給チャネル710、720および接続された熱交換器A2を通る第二の媒体の流れを発生させるための、循環ポンプまたは類似物が必要となる場合がある。供給チャネル710、720の構造および配置は、通常の温水加熱システム内の放熱器に温水を供給するために一般的な住宅および建造物で使用される供給パイプに極めて類似させることができる。

図5bは、図1および2に関連して上述したような、本発明の第一の実施形態による、複数のアキシャル型熱交換器A1を示す図である。熱交換器A1は、図2に関連して上述したような単一または複数の媒体チャネル210に沿って、各熱交換器A1を通って第一の媒体（好ましくは、空気）が実質的に同時に流れることができるように、並行して配置されている。熱交換器A1は、図5bのような直線に沿って並べて配置してはならない。逆に、熱交換器A1は、円形または半円形、あるいは正方形または他の多角形のパターンによって並べて配置することが可能である。

図5bの各並列型熱交換器A1は、各交換器に第二の媒体（好ましくは、水）を供給するために、並列型熱交換器A1に沿って延在する供給チャネル配置に接続されている。したがって、各熱交換器A1の下部分配マニホールド130は第一の供給チャネル710に接続され、一方で、各熱交換器A1の中央チャネルマニホールド170は第二の供給チャネル720に接続されている。図5bに示される供給チャネル配置710、720および媒体調質ソース700は、図5aに関連して上述したものと同一とすることができる。

図5b内の破線は、ボックス状分配チャネル730を示す。当該の共有分配チャネル730または類似物は、各並列型熱交換器を通して実質的に並行して、また場合により強制的に第一の媒体を流すことができるように、すべての並列型熱交換器A1の一端を覆うように配置することが可能である。図5bの分配チャネル730は、並列型熱交換器A1の上端部に配置される。その下端を、代わりに、または同様に覆うことが可能であることに留意されたい。図5bの上端部は、並列型熱交換器A1に向かって面するボックス状分配チャネル730の長側面内に配置されている開口部（図示せず）内に好適な長さ突出させることが可能である。並列型熱交換器A1は、分配チャネル730の外側に向かって実質的に密封することができ、熱交換器A1は、分配チャネル730の内側に向かって完全に開いていることが好ましい。第一の媒体は、分配チャネル730に接続された供給チャネル（図示せず）から分配チャネル730に供給することができる。図5b内の矢印740は、第一の媒体の分配チャネル730への可能な流れの方向を示す。

図5aの熱交換器A2は、実質的に、本発明によるあらゆる熱交換器および、特に熱交換器A1と置き換えることが可能であることを付け加えられたい。同様に、図5bの熱交換器A1は、実質的に、本発明によるあらゆる熱交換器および、特に熱交換器A2と置き換えることが可能である。また、図5aに示される連続的に接続された熱交換器は、図5bに示されるように並べて配置することが可能であることを付け加えられたい。

本発明によるアキシャル型熱交換器で得ることができる大きな熱交換面によって、第一の媒体と第二の媒体との間の温度差が低くても機能することが可能となる。例えば、本発明の実施形態は、画定された空間内（例、室内、または類似した屋内）を快適な温度にするための単一または複数の交換器を通って流れる加熱水と加熱空気との間の温度差が比較的低くても機能することができる。本発明の一実施形態による熱交換器は、+35℃の低さの温度である加熱水または類似物を用いることによって、入力温度が-18℃の低さである空気を使用して、出力温度が+18℃である空気を発生させるように、確実に構成することができる。本発明による熱交換器は、一般的に、温度が+40℃以下である加熱水を用いることによって、屋内空間および類似した場所を加温できるように構成することが可能である。これを、通常の温水加熱システム内の放熱器に供給される水温と比較されたい。その水温は、戸外の温度が-18℃の場合には、一般的に約+55℃であり、寒い冬には+75°Cになる場合がある。

本発明の第一の実施形態による内側熱交換構造体100の斜視図である。 図1の内側熱交換構造体100を線X-Xに沿って実質的に切断した断面の斜視図である。 本発明の第二の実施形態による内側熱交換構造体300の斜視図である。 図2の内側熱交換構造体300を線Y-Yに沿って実質的に切断した断面の斜視図である。 図3および4に示される本発明の第二の実施形態による複数のアキシャル型熱交換器A2を示す図である。 図1および2に示される本発明の第一の実施形態による複数のアキシャル型熱交換器A1を示す図である。 図1および2に示される熱交換器A1の概略断面図である。 図3および4に示される熱交換器A2の概略断面図である。 本発明の第三の実施形態によるアキシャル型熱交換器の概略断面図である。 本発明の第四の実施形態によるアキシャル型熱交換器の概略断面図である。 本発明の第五の実施形態によるアキシャル型熱交換器の概略断面図である。 本発明の第五の実施形態によるアキシャル型熱交換器の概略断面図である。

符号の説明

A1 アキシャル型熱交換器
A2 アキシャル型熱交換器
X1 中心軸
X2 中心軸
100 熱交換構造体
110 フィン、シート
120 内側チャネル
121 上部接続チャネル
122 下部接続チャネル
130 下部分配マニホールド
140 下部分配チャネル
150 上部分配ハブ
160 中央チャネル
161 湾曲セクション
170 中央チャネルマニホールド
200 外側チャネル
210 媒体チャネル
300 熱交換構造体
310 フィン、シート
320 内側チャネル
321 上部接続チャネル
322 下部接続チャネル
330 下部分配マニホールド
340 下部分配チャネル
350 上部分配チャネル
370 上部分配マニホールド
400 外側チャネル
410 媒体チャネル
420 接続部
500 外側チャネル
510 内側管状シート
520 斜めフィン
530 内側チャネル
600 外側チャネル
650 追加フィン
700 媒体調質ソース
710 第一の供給チャネル
720 第二の供給チャネル
730 並列分配チャネル
740 媒体の流れ

Claims (1)

1. 長手方向且つ軸方向に設けられる外側チャネルと、並行的に配される複数の内側チャネルとを備えるアキシャル型熱交換器であって、
   前記外側チャネルは、前記長手方向且つ軸方向に流れる第一のガス媒体の流れを通すように配されるチャネルであり、その第一の端部に第一の開口部を有すると共に、前記第一の端部に対して前記長手方向反対側の端部である第二の端部に第二の開口部を有し、前記第一及び第二の開口部は、いずれも前記外側チャネルとほぼ同じ直径を有し、前記第一のガス媒体が、前記外側チャネルに、前記第一の開口部から入って前記第二の開口部から出るように構成され、
   前記内側チャネルは、第二の液体媒体の流れを通すように配されるチャネルであり、前記第一のガス媒体と前記第二の液体媒体との間で熱が伝達できるようにするために、前記外側チャネルの内側に沿って実質的に軸方向に延在するように、前記外側チャネルの内側に配置され、
   前記複数の内側チャネルの少なくとも１つは、少なくとも１つの細長いシートに結合され、
   前記シートは、前記外側チャネルを通る前記第一のガス媒体の流れの方向と実質的に合致するように、前記内側チャネルに沿って実質的に軸方向に延在し、
   前記第二液体媒体を前記内側チャネルから収集するために、中央チャネルが、前記アキシャル型熱交換器の中心軸に沿って実質的に軸方向に設けられ、
   前記内側チャネルの少なくとも一端が、１つの接続チャネルによって、１つの環状の分配チャネルに接続され、前記接続チャネルは、前記第一のガス媒体の実質的に長手方向且つ軸方向の流れへ影響を及ぼす可能性を減じるために、前記細長いシートと同じ面に延在することを特徴とする、アキシャル型熱交換器。

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