JP6094628B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管の腐食による冷却媒体の漏れを防止できる熱交換器に関する。

従来、フィン同士の間に隙間を設けて複数配設したフィン群に複数の伝熱管を貫設し、該複数の伝熱管に接続されるヘッダを介して冷却媒体を供給することにより、前記フィン間を流れる被冷却流体を冷却する熱交換器が知られている。

たとえば、特許文献１の熱交換器においては、フィン間を流れる被冷却流体は冷却される過程で、該被冷却流体に含まれる水蒸気が凝縮してフィンに結露水となって付着する。フィンに付着した結露水はフィン上部からフィン下部へ流れ落ち、ドレン管に集められ排水される。

特開２００６−８４０４７号公報（第３ページ、図１）

しかしながら、特許文献１の熱交換器にあっては、被冷却流体が流れるフィン群の前後方向は開放されているが、フィン群の上下側面は熱交換器のフレームに接触、保持されている。したがって、フィン群上部から流れる結露水はフィン群下部側面の端部から下方に排出されず、フィン群の前後方向から排出される。このため、結露水はフィン群から容易に排出できず、結露水は、フィン群の下部側のフィン間に常時滞留する状態となってしまう。

特に、腐食性物質を含む被冷却流体を冷却する場合には、フィン群の下部側に配設された伝熱管は腐食性物質を含む結露水に常に曝され、該伝熱管は腐食により冷却媒体の漏れが発生するという問題がある。

また、耐食性の高い材料から構成される伝熱管を使用して、熱交換器の耐食性を高めることも考えられるが、耐食性の高い材料を使用した熱交換器にあっては熱交換器のコストが上昇してしまうという問題がある。

本発明は、耐食性の高い材料を使用することなく伝熱管の腐食による冷却媒体の漏えいを防止することができる熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、
フィン同士の間に隙間を設けて複数配設したフィン群と、該フィン群を貫通して内部に冷却媒体を流し、被冷却流体の流れ方向に複数列配設した伝熱管と、該伝熱管に接続されるヘッダと、を備える熱交換器であって、前記複数列配設した伝熱管の各列の最下段より下方に配設され、前記フィン群を貫通して内部に冷却媒体を流さない少なくとも１段の疑似管体を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、フィン群の下方に配設される疑似管体の周囲に結露水が滞留して疑似管体が腐食しても、疑似管体には冷却媒体が流れないので冷却媒体が漏れることがない。

本発明の熱交換器は、
前記疑似管体は、前記伝熱管と同サイズ、同材質の管からなることを特徴としている。
この特徴によれば、伝熱管をフィン群に組立てる工程と同じ工程で、疑似管体をフィン群に組立てることができる。

本発明の熱交換器は、
前記疑似管体は、内周面が開放された中空管体からなることを特徴としている。
この特徴によれば、疑似管体はフィンにより伝熱管につながっているので、疑似管体外周面や疑似管体部分のフィンも伝熱面として利用して伝熱効率を上げることができる。

本発明の熱交換器は、
前記疑似管体は、前記ヘッダとの間に設けられる非接続部により冷却媒体が遮断されることを特徴としている。
この特徴によれば、疑似管体とヘッダとの間の非接続部によって、疑似管体への冷却媒体の流れが遮断されるので、腐食よる冷却媒体の漏えいを防ぐことができる。

本発明の熱交換器は、
前記疑似管体は、栓体により冷却媒体が遮断されることを特徴としている。
この特徴によれば、栓体によって疑似管体への冷却媒体の流れが遮断されるので、腐食よる冷却媒体の漏えいを防ぐことができる。

本発明の熱交換器は、
前記疑似管体は、該疑似管体同士を接続するベント管により冷却媒体が遮断されることを特徴としている。
この特徴によれば、フィン群の外側に突出する部分を流れる被冷却流体の流動抵抗をほぼ均一にして、効率よく熱交換することができる。

本発明の熱交換器は、
前記疑似管体は、前記複数列配設した伝熱管の各列の最下段より下方に複数段配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、結露水の量に応じて疑似管体の段数を調整して、熱交換器の寿命を延ばすことができる。

実施例１における熱交換器の正面図である。 （ａ）は図１の熱交換器の左側面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 実施例２における熱交換器の正面一部断面図及び一部拡大図である。 実施例１の変形例で、（ａ）は熱交換器の側面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図、（ｃ）はＤ−Ｄ断面図である。 実施例１のさらなる変形例で、（ａ）は熱交換器の側面図、（ｂ）はＥ−Ｅ断面図、（ｃ）はＦ−Ｆ断面図である。

実施例１に係る熱交換器を図１及び図２を参照して説明する。先ず図１の符号１０は、本発明の適用された熱交換器である。

図１及び図２に示されるように、熱交換器１０は、本発明のフィンとしてのプレートフィン１１ａ、１１ａ、…同士の間に隙間を設け、複数配列してなるフィン群１１、該フィン群１１を貫通する複数の伝熱管１２、１２、…、入口ヘッダ１５及び出口ヘッダ１６から主に構成される。

本実施例の熱交換器は１４段×６列の冷却コイルから構成され、フィン群１１を構成するプレートフィン１１ａ、１１ａ、…も、１段あたりｎ＝６個の孔１７が上下にｍ＝１４段所定の間隔で予め加工されている。該孔１７、１７、…に後述する伝熱管１２、１２、…が挿入され、該伝熱管１２、１２、…は拡管されることによって、フィン群１１と伝熱管１２、１２、…とは密着して熱接触する。また、フィン群１１のフィン群上部側面１１ｂ、フィン群下部側面１１ｃは、それぞれフレーム１８のフレーム上板１８ａ、フレーム下板１８ｂにより覆われており、該フレーム１８及びプレートフィン１１ａ、１１ａ、…同士の間に設けられた隙間によって、被冷却流体の流路が構成される。

つぎに伝熱管１２、１２、…について説明する。説明のため、以下、図２において、フィン群１１の孔１７に関し、最下段右端を孔１７（１、１）、最下段左端を孔１７（１、６）、最上段右端を孔１７（１４、１）、最上段左端を孔１７（１４、６）とし、下からｍ段目で、右からｎ番目の孔１７（ｍ、ｎ）に挿入される伝熱管を伝熱管１２（ｍ、ｎ）と記載する。また、後述するように、１段目の孔１７（１、１）から孔１７（１、６）、及び２段目の孔１７（２、１）から孔１７（２、６）に挿入される伝熱管１２は冷却媒体を流さない疑似管体１４として機能するため、孔１７（１、１）、…、孔１７（１、６）に挿入される伝熱管１２を疑似管体１４（１、１）、…、疑似管体１４（１、６）、また、孔１７（２、１）から孔１７（２、６）に挿入される伝熱管を疑似管体１４（２、１）、…、疑似管体１４（２、６）と記す。

図１及び図２（ａ）、（ｃ）に示されるように、伝熱管１２（３、１）、…、伝熱管１２（１４、１）は入口ヘッダ１５に接続され、また、伝熱管１２（３、６）、…、伝熱管１２（１４、６）は出口ヘッダ１６に接続され、さらに、同一段の隣接する伝熱管同士はＵ字状のベンド管１２ｂ、１２ｂ、…を介して接続され、伝熱コイル１３として構成される。伝熱コイル１３は熱交換器１０の熱交換器として機能する。

また、図１及び図２（ｂ）に示されるように、入口ヘッダ１５は、疑似管体１４（１、１）及び疑似管体１４（２、１）に接続されないため、入口ヘッダ１５は３段目の伝熱管１２（３、１）と接続可能な位置から上方に延設されている。同じく、出口ヘッダ１６も疑似管体１４（１、６）及び疑似管体１４（２、６）に接続されないため、出口ヘッダ１６は３段目の伝熱管１２（３、６）と接続可能な位置から上方に延設されている。さらに１段目の疑似管体１４（１、２）から疑似管体１４（１、５）まで、及び２段目の疑似管体１４（２、２）から疑似管体１４（２、５）までは、ベンド管１２ｂ、１２ｂ、…によって接続されていない。

このように構成された伝熱コイル１３の冷却媒体の流れについて説明する。冷却媒体往管（図示せず）から図１の矢印→の向きに冷却媒体は入口ヘッダ１５の入口フランジ１５ａを介して入口ヘッダ１５内に流入する。該冷却媒体は、該入口ヘッダ１５に接続される伝熱管１２（３、１）、…、伝熱管１２（１４、１）に分岐し、ベンド管１２ｂ、１２ｂ、…によって接続された各段の伝熱管を流れ、伝熱管１２（３、６）、…、伝熱管１２（１４、６）から流出して出口ヘッダ１６で合流する。該合流した冷却媒体は出口ヘッダ１６の出口フランジ１６ａから図１の矢印←の向きに冷却媒体復管（図示せず）へ流出する。

一方、入口ヘッダ１５は疑似管体１４（１、１）及び疑似管体１４（２、１）と、また出口ヘッダ１６は疑似管体１４（１、６）及び疑似管体１４（２、６）と接続されていないので、疑似管体１４（１、１）、…、疑似管体１４（１、６）、及び疑似管体１４（２、１）、…、疑似管体１４（２、６）には冷却媒体が流れない。

このように構成された熱交換器１０の作用効果について説明する。

フィン群１１のフィン群上部側面１１ｂ、フィン群下部側面１１ｃは、それぞれフレーム１８のフレーム上板１８ａ、フレーム下板１８ｂにより覆われており、フィン群前面１１ｄ及びフィン群後面１１ｅが開放されている。したがって、フィン群１１の隙間を流れる被冷却流体が冷却される過程で、フィンに付着した結露水はフィン間を上部から下部へ流れ落ち、フィン群前面１１ｄの下部及びフィン群後面１１ｅの下部から流れ出る。したがって、フィン群１１のプレートフィン１１ａ、１１ａ、…の表面全体から流れ落ちる結露水のほとんどは、疑似管体１４が配設されるフィン群１１の下部から積極的に排出される。この結果、疑似管体１４（１、１）、…、疑似管体１４（１、６）、及び疑似管体１４（２、１）、…、疑似管体１４（２、６）は腐食されやすくなるが、該疑似管体１４には冷却媒体が流れないので、腐食による冷却媒体の漏れは発生しない。

このように、フィン群１１の下部にあらかじめ冷却媒体の流れない疑似管体１４を設け、該疑似管体１４を配設したフィン群１１下部から結露水を排出するようにしたので、腐食性物質を含んだ結露水に常に曝される場合であっても、３段目以上の伝熱コイル１３の伝熱管１２は結露水に曝されることなく冷却媒体が漏れることがない。

なお、フィン群１１の１段目の孔１７（１、１）から孔１７（１、６）まで、２段目の孔１７（２、１）から孔１７（２、６）までに伝熱管１２、１２、…を配設せずに、腐食による冷却媒体の漏れを防止することが考えられる。しかし、フィン群１１に伝熱管１２、１２、…を設けない空隙部分を拡げると、当該空隙部分を流れる被冷却流体の流動抵抗が小さくなり、この空隙部分に多くの被冷却流体が熱交換せずに流れ、冷却効率が低下しまう。これに対し、本発明の熱交換器１０は、伝熱コイル１３の最下段である３段目伝熱管１２よりも下方に疑似管体１４が設けられるので、該熱交換器１０を流れる被冷却流体の流動状態をほとんど変えることなく、冷却媒体の漏れを防止できる。

また、疑似管体１４は、フィン群１１を介して伝熱コイル１３の伝熱管１２に機械的及び熱的に接続状態にあり、伝熱コイル１３の伝熱管１２内の冷却媒体にも熱伝導されるため、一定の伝熱効果を有している。さらに、疑似管体１４は、伝熱管１２と同じ外径、内径、材質のものが使用され、フィンにより伝熱管１２につながっているので、疑似管体外周面や疑似管体部分のフィンも伝熱面として使用できるので、伝熱効率を向上させることができる。なお、疑似管体１４は、非接続部１２ｃ、１２ｃによってその両端部が開放されているが、該両端部に加え、中央部に開放部を設け、疑似管体１４内にも被冷却流体が流れるようにして疑似管体１４の内面も伝熱面として利用してもよい。

また、疑似管体１４は耐食性の高い材料を使用することなく、伝熱管１２と同じ外径、内径、材質のものを使用して腐食よる冷却媒体の漏れを防止できる。また、疑似管体１４を拡管してフィン群１１に固定する際にも、同じ工具を使用して、同じ工程で行うことができる。

次に、実施例２に係る熱交換器２０につき、図３を参照して説明する。実施例２の熱交換器２０は、実施例１の熱交換器１０と入口ヘッダ１５、出口ヘッダ１６の構造が異なる。なお、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。

熱交換器２０は、フィンとしてのプレートフィン２１ａ、２１ａ、…同士の間に隙間を設け、複数配列してなるフィン群２１、該フィン群２１を貫通する複数の伝熱管２２、２２、…、入口ヘッダ２５及び出口ヘッダ２６から主に構成される。

伝熱管２２、２２、…の両端は入口ヘッダ２５の内側板２５ａ、出口ヘッダ２６の内側板２６ａを貫通して固定される。入口フランジ２５ｂから流入した冷却媒体は、入口ヘッダ２５と出口ヘッダ２６との間に配設された伝熱管２２、２２、…を往復して、フィン群２１及びび伝熱管２２、２２、…の周りを流れる被冷却流体と熱交換して出口フランジ２５ｃから流出する。

このように構成された熱交換器２０においては、フィン群２１の下部２段に配設される健全な伝熱管２２、２２、…を予め栓体２９、２９、…により閉塞し、冷却媒体が流れない疑似管体２４として機能させる。このように構成することにより、フィン群２１の下部２段に配設される伝熱管２２、２２、…は栓体２９、２９、…により冷却媒体の流れが遮断されるので、フィン群２１の下部２段に配設される伝熱管２２、２２、…の腐食により孔が発生しても、冷却媒体の漏れを防止することができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

たとえば、図４に示されるように、熱交換器３０は、１段目と２段目の伝熱管１２、１２、…と入口ヘッダ１５及び出口ヘッダ１６と間に非接続部１２ｃ、１２ｃ、…を設け、１段目の疑似管体１４（１、１）、…、疑似管体１４（１、６）、及び２段目の疑似管体１４（２、１）、…、疑似管体１４（２、６）を構成してもよい。このように通常の熱交換器に非接続部１２ｃ、１２ｃ、…設けるのみで、冷却媒体の漏れを防止することができる熱交換器３０とすることができる。

また、図５に示されるように、１段目の疑似管体１４（１、１）、…、疑似管体１４（１、６）同士、及び２段目の疑似管体１４（２、１）、…、疑似管体１４（２、６）同士をすべてベンド管１２ｂ、１２ｂ、…によって接続して、冷却媒体の流れない疑似管体１４としてもよい。このように冷却媒体を流す伝熱管１２、１２、…、冷却媒体を流さない疑似管体１４、１４、…に関係なく、フィン群１１の外側に突出する部分をベンド管１２ｂ、１２ｂ、…によって接続することで、フィン群１１の外側に突出する部分を被冷却流体が流れるときの段方向の流動抵抗をほぼ均一にして、効率よく被冷却流体を冷却することができる。なお、図５において、１段目の疑似管体１４（１、１）、…、疑似管体１４（１、６）の一部、又は２段目の疑似管体１４（２、１）、…、疑似管体１４（２、６）の一部をベンド管１２ｂ、１２ｂ、…によって接続して疑似管体１４を構成してもよい。

例えば、上記実施例においては、疑似管体１４、２４、４４は伝熱管１２と同じ外径、内径、材質のものを使用したが、疑似管体１４、２４、４４として伝熱管１２だけでなく、鉄、銅、亜鉛等の中実棒を使用してもよい。特にフィン群１１、２１の下部２段に少なくとも１本の亜鉛棒を配設することで、イオン化傾向の高い亜鉛棒が犠牲となって腐食し、冷却水を遮断する伝熱管の本数を低減しつつ腐食による冷却媒体の漏えいを防止できる。

また、上記実施例においてはフィン群１１、２１の下部２段に疑似管体１４、２４、４４を配設したが、結露水の発生量に応じて疑似配管の段数を１段または３段に変更して、結露水に曝される疑似管体１４、２４の段数を調整して、熱交換器の寿命を長くすることができる。

さらに、実施例１においては、入口ヘッダ１５及び出口ヘッダ１６と１段目の伝熱管１２及び２段目の伝熱管１２との間に非接続部１２ｃ、１２ｃ、…を設けた。しかし、これに限らず、伝熱管１２に換えて中実棒を使用して、該中実棒を入口ヘッダ１５及び出口ヘッダ１６に接続して、腐食による冷却媒体の漏えいを防止してもよい。

１０ 熱交換器
１１ フィン群
１１ａ プレートフィン（フィン）
１２ 伝熱管
１２ｃ 非接続部
１４ 疑似管体
１５ 入口ヘッダ（ヘッダ）
１６ 出口ヘッダ（ヘッダ）
２０ 熱交換器
２１ フィン群
２１ａ プレートフィン（フィン）
２２ 伝熱管
２４ 疑似管体
２５ 入口ヘッダ（ヘッダ）
２６ 出口ヘッダ（ヘッダ）
２９ 栓体
３０ 熱交換器
４０ 熱交換器

Claims (7)

1. フィン同士の間に隙間を設けて複数配設したフィン群と、該フィン群を貫通して内部に冷却媒体を流し、被冷却流体の流れ方向に複数列配設した伝熱管と、該伝熱管に接続されるヘッダと、を備える熱交換器であって、前記複数列配設した伝熱管の各列の最下段より下方に配設され、前記フィン群を貫通して内部に冷却媒体を流さない少なくとも１段の疑似管体を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記疑似管体は、前記伝熱管と同サイズ、同材質の管からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記疑似管体は、内周面が開放された中空管体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記疑似管体は、前記ヘッダとの間に設けられる非接続部により冷却媒体が遮断されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記疑似管体は、栓体により冷却媒体が遮断されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記疑似管体は、該疑似管体同士を接続するベント管により冷却媒体が遮断されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記疑似管体は、前記複数列配設した伝熱管の各列の最下段より下方に複数段配設されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。

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