JP6959175B2 - 多重管式冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却対象となる外部流体を表面を介して冷却する多重管式冷却器に関する。

従来、コイル式熱交換器の代替として、露出した表面が熱交換面として機能し、内部流体と外部流体との間で熱交換を行う多重管式熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、図１２に示すように、内管２０と外管２１との間の内部空間に螺旋状流路２２が設けられた二重管式熱交換器が開示されている。内管２０と外管２１との間を流れる水Ｗは、螺旋状流路２２の形状に沿って螺旋状に旋回しながら熱交換器の一端から他端に向かって一方向に導かれ、内管２１内を流れる冷媒Ｘとの間で熱交換が行われる。

また、特許文献２には、図１３に示すように、内管と外管との間の内部空間が仕切体によって仕切られた二重管式熱交換器が開示されている。この仕切体は、内管の外周に嵌め込まれた胴部と、この胴部の一端から径方向に広がった複数のフィンとを有する。それぞれのフィンには、円盤の一部を切り欠いた切除部を備えており、切除部が長手方向に対して千鳥状となるように、換言すれば、切除部が１８０度周方向にオフセットするように配置されている。これにより、内管および外管の間を流れる水は、フィンが備える切除部の位置に応じて１８０度旋回しながら熱交換器の一端から他端に向かって一方向に導かれ、内管内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。

特開２００１−２０１２７５号公報 特開２００５−９０９２６号公報

上述した従来の技術では、内管と外管との間を流れる流体が冷却器（熱交換器）の一端から他端に向かって一方向に導かれる。そのため、冷却器の一端側に流体を導入する導入管を接続し、その他端側に流体を排出する排出管を接続する必要がある。これらの配管を例えば冷却器の下端側に集約する場合、上端側に接続された配管を下方に引き回す必要があるので、その分だけ配管スペースを確保しなければならない。これは、冷却器を組み込んだ全体システムの簡略化を阻害する。また、冷却器の外部に突出した配管は、冷却器の表面と接する外部流体の流路を確保する上で障害となる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多重管式冷却器に接続する配管の引き回しを簡略化して省スペース化を図るとともに、外部流体の流路の確保を容易にすることである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、内管と、外管と、縦仕切部と、第１の連通口と、横仕切部と、第２の連通口とを有し、冷却対象となる外部流体を表面を介して冷却する多重管式冷却器を提供する。外管は、内管の外側に間隔を空けて配置されている。縦仕切部は、内管と外管との間の周空間内を軸方向に延在し、周空間を区分する複数の縦空間を規定する。第１の連通口は、外部流体を冷却する冷媒が軸方向に折り返しながら流れる連続した内部流路を規定するために、周空間内において隣り合った縦空間同士を連通する。横仕切部は、縦空間内を周方向に延在し、縦空間を区分する複数の横空間を規定する。第２の連通口は、冷媒が周方向に折り返しながら流れる連続した内部流路を規定するために、縦空間内において隣り合った横空間同士を連通する。ここで、外管は、横仕切部の取付ラインに沿って分割された複数の部材を積み重ねることによって構成されている。

ここで、本発明において、多重管式冷却器における一方の端部側に設けられ、内部流路に冷媒を導入する導入口と、多重管式冷却器における導入口と同一の端部側に設けられ、内部流路を流れた冷媒を排出する排出口とをさらに設けてもよい。この場合、上記導入口および上記排出口は、多重管式冷却器の下端部側に設けられていることが好ましい。

本発明において、上記内管は、前記多重管式冷却器の高さに相当する円筒形状を有し、上記内管、上記外管、上記縦仕切部、および、上記横仕切部のそれぞれは、別部材として構成されていることが好ましい。

本発明において、上記縦仕切部は、内管の外周面に軸方向に沿って取り付けられた縦外管の側部であってもよい。また、上記外管を構成する部材は、縦外管を避けるための逃げ部を備えていてもよい。また、上記横仕切部は、縦外管を避けるための逃げ部を備えた環状形状を有していてもよい。さらに、上記横仕切部は、逃げ部の一端と他端とが交互に縦外管の側部と接するように、周方向にオフセットして配置されていてもよい。

本発明によれば、内管と外管との間に形成される周空間内に縦仕切部および横仕切部を設け、外部流体を冷却する冷媒を軸方向および周方向に折り返しながら流すことで、多重管式冷却器に接続する配管の引き回しを簡略化できる。その結果、多重管式冷却器を組み込んだ全体システムの省スペース化を図れるほか、多重管式冷却器の外部を流れる外部流体の流路の確保も容易になる。それとともに、横仕切部の取付ラインに沿って分割された複数の部材を積み重ねることによって外管を構成することで、溶接等における組立作業性を高めることができる。

冷却装置の斜視展開図 冷却装置の内部における流体の流れを示す図 多重管式冷却器の外観斜視図 多重管式冷却器の組立手順の説明図 多重管式冷却器の組立手順の説明図 多重管式冷却器の組立手順の説明図 多重管式冷却器の組立手順の説明図 多重管式冷却器の組立手順の説明図 多重管式冷却器の内部流路の説明図 多重管式冷却器の内部流路の説明図 変形例に係る多重管式冷却器の内部流路の説明図 従来技術の説明図 従来技術の説明図

図１は、多重管式冷却器を組み込んだ冷却装置の斜視展開図である。この冷却装置１は、例えば冷却対象となる外部流体（水等）を冷却する用途で用いられる。冷却装置１は、外部流体を貯留する貯留槽内に配置して使用してもよいし、貯留槽内に配置することなく、外部流体が流れる配管と接する形で使用することも可能である。なお、同図は、冷却装置１を構成する部材同士の位置関係が容易に理解できるように、それぞれの部材を軸方向にやや展開した状態を示しているが、実際には、外管４の内部に複数の部材２，３，５が完全に収容されており、上端の開口部は、透明フタ６によって閉塞されている。

冷却装置１は、複数の管２〜４と、多重管式冷却器５とを有し、これらは、径方向の内外に配置されている。本実施形態において、多重管式冷却器５の内側に２本、その外側に１本、合計３本の管が配置されている。具体的には、冷却装置１の軸芯には、第１の内管２が配置されている。この第１の内管２の径方向外側には、その全周を囲むように、所定の間隔を空けて第２の内管３が配置されている。また、この第２の内管３の径方向外側には、その全周を囲むように、所定の間隔を空けて多重管式冷却器５が配置されている。さらに、この多重管式冷却器５の径方向外側には、その全周を囲むように、所定の間隔を空けて外管４が配置されている。このように、３本の管２〜４および多重管式冷却器５が同心円状に配置された状態で、上端の開口部が透明フタ６によって閉塞されている。透明フタ６を用いる理由は、冷却装置１の運転時に、内部状態を外部から目視できるようにするためであり、これによって、例えば、内部流路に流体の凝固が生じているかどうかを、分解することなく判別することができる。

図２は、冷却装置１の内部における流体の流れを示す図である。軸芯の入口管９より供給された流体（冷却対象物）は、第１の内管２の内部に形成された流路１０ａを軸方向上方に向かって流れる。この流路１０ａを経て上端側に導かれた流体は、上端側の連通口１１ａを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、流路１０ｂを軸方向下方に向かって流れる。この流路１０ｂを経て下端側に導かれた流体は、下端側の連通口１１ｂを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、内側流路１０ｃを軸方向上方に向かって流れる。この内側流路１０ｃは、多重管式冷却器５と接しているので、この熱交換器５内を流れる冷媒（水を冷却するブラインを含む。）と、内側流路１０ｃを流れる流体との間で熱交換が行われ、これによって、外部流体が冷却される。内側流路１０ｃを経て上端側に導かれた流体は、上端側の連通口１１ｃを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、外側流路１０ｄを軸方向下方に向かって流れる。この外側流路１０ｄは、内側流路１０ｃと同様、多重管式冷却器５と接しているので、外側流路１０ｄを流れる流体はさらに冷却される。そして、外側流路１０ｄを経て下端側に導かれた流体は、下端側の連通口１１ｄ（放出口）を介して、径方向外側に全周に亘って均一に放出される。このように、冷却装置１の内側流路１０ａ〜１０ｄにおいて、流体は、軸方向に往復しながら径方向外側に導かれる。

図３は、本実施形態に係る多重管式冷却器５の外観斜視図である。この多重管式冷却器５は、熱伝導率の高い金属で形成されており、外部に露出した表面を介して、自己の内部を流れる冷媒と、外部流体である水との間で熱交換を行う。この熱交換器５は、同心円状に配置された内管５ａおよび外管５ｂを有し、外管５ｂは内管５ａの外側に所定の間隔を空けて配置されている。本実施形態に係る熱交換器５の特徴は、第１に、熱交換器５の内部において、冷媒が熱交換器５の軸方向（長手方向）に折り返しながら流れる点になる。第２に、熱交換器５の内部に冷媒を導入するための配管が接続される導入口５ｃと、熱交換器５の内部から冷媒を排出するための配管が接続される排出口５ｄとが、熱交換器５の一方の端部側、典型的には、熱交換器の下端側に設けられている点にある。例えば、下端側の導入口５ｃから導入された冷媒を上端側で１回折り返せば、下端側の排出口５ｄから冷媒を排出できる。また、上端側、下端側および上端側で合計３回折り返せば、下端側の排出口５ｄから冷媒を排出できる。すなわち、流体の折り返し回数が奇数であれば、同一の端部側において冷媒の導入および排出を実現できる。

以下、図４から図１０の組立手順に基づき、多重管式冷却器５の内部構造について詳述する。基本的に、以下に述べる部材の取り付けは、冷媒漏れを防止すべく溶接によって行われる。まず、図４に示すように、円盤状の底板５ｅの上面に、熱交換器５の高さにほぼ相当する円筒状の内管５ａが取り付けられる。底板５ｅの中央部を上下に貫通する開口部は、多重管式冷却器５の内周面、すなわち、内管５ａの内周面に外部流体を導き、この内周面も熱交換面として利用するために設けられている。

つぎに、図５に示すように、内管５ａの外周面に、軸方向に沿って延在するように縦外管５ｆが取り付けられる。この縦外管５ｆは、直線状に延在しており、略Ｕ字状または略コ字状の断面を有する。縦外管５ｆにおける左右の屈曲した側部は、後述する２本の縦仕切部５ｇとして機能すると共に、これらを繋ぐ主面は、多重管式冷却器５における外管５ｂの一部をなす。また、縦外管５ｆの下端側には、流体を内部に導入する導入口５ｃが設けられていると共に、その上端側には、第１の連通口５ｈが側方に臨むように設けられている。縦外管５ｆは、下端側の導入口５ｃより流入した流体を軸方向（上方）に導き、上端側の連通口５ｈより放出する内部流路として機能する。

つぎに、図６に示すように、最下段（１段目）の横仕切部５ｉを上方より嵌め入れた上で、治具などを用いて、内管５ａの外周面に横仕切部５ｉが周方向に延在するように取り付けられる。この横仕切部５ｉは、縦外管５ｆを避けるための逃げ部を備えた環状形状（すなわち、略Ｃ字状）の形状を有する。逃げ部の幅Ｗ１は、縦外管５ｆの幅Ｗ２よりも大きく設定されている。最下段（奇数段）については、逃げ部の左端が縦外管５ｆの左側部と接するように、横仕切部５ｉを反時計回りに寄せて配置する。これにより、逃げ部の右端と縦外管５ｆの右側部との間に生じた隙間は、上下を連通する第２の連通口５ｊとして機能する。

つぎに、図７に示すように、最下段（１段目）の短外管５ｋを上方より嵌め入れた上で、内管５ａの外周面に短外管５ｋが取り付けられる。この短外管５ｋは、縦外管５ｆを避けるための逃げ部を備えた環状形状（すなわち、略Ｃ字状の横断面）の形状を有する。ただし、横仕切部５ｉとは異なり、短外管５ｋの逃げ部の幅は、縦外管５ｆの幅Ｗ２とほぼ同等に設定されている。短外管５ｋは、多重管式冷却器５における外管５ｂの一部をなすと共に、内管５ａと短外管５ｋとの間に形成される周空間は、流体を周方向に旋回させる内部流路として機能する。なお、最下段の短外管５ｋについては、内部流路を流れた流体を外部に排出する排出口５ｄが設けられている

２段目以降についても１段目と同様、横仕切部５ｉおよび短外管５ｋの取り付けが行われる（図８参照）。ただし、各段における横仕切部５ｉは、逃げ部の一端と他端とが交互に縦外管５ｆの側部と接するように、周方向にオフセットして配置される。すなわち、奇数段については、逃げ部の左端が縦外管５ｆの左側部と接するように、横仕切部５ｉを反時計回りに寄せて配置し、偶数段については、逃げ部の右端が縦外管５ｆの右側部と接するように、横仕切部５ｉを時計回りに寄せて配置する。これにより、奇数段においては、内管５ａと短外管５ｋとの間に形成される周空間を流体が反時計回りに旋回し、偶数段においては、この周空間を流体が時計回りに旋回することになる。

そして、図８に示すように、上端に露出した周空間をリング状の天板５ｌで塞いだ上で、最上段（６段目）の短外管５ｋを取り付ける。本実施形態では、多重管式冷却器５の強度を向上させるべく、最上段の短外管５ｋについては、逃げ部を備えない完全な筒状体を用いている。この場合、縦外管５ｆは、最上部の短外管５ｋとの干渉を避けるために、１〜５段目までの部位よりも断面が薄くなるように形成しておくことが好ましい。これにより、図３に示した多重管式冷却器５が完成する。上述した説明から明らかなように、図３に示した外管５ｂは、縦外管５ｆと、軸方向に積み重ねられた複数の短外管５ｋとによって構成されている。換言すると、外管５ｂは、縦仕切部５ｇおよび横仕切部５ｉの双方の取付ライン（溶接ライン）に沿って複数の部材（短外管５ｋ）に分割された構造になっている。

図９および図１０は、多重管式冷却器５の内部流路の説明図である。本明細書において、「縦」とは多重管式冷却器５の軸方向を指し、「横」とは多重管式冷却器５の周方向を指す。なお、同図は、多重管式冷却器５を縦置きで用いる場合を示しているが、横置きで用いてもよい（横置きの場合であっても「縦」および「横」の定義は変わらない。）。２つの縦仕切部５ｇは、内管５ａと外管５ｂとの間に形成された周空間を軸方向に延在しており、周空間を２つの縦空間Ａ，Ｂに区分している。縦空間Ａは、上述した縦外管５ｆによって規定され、下端側の導入口５ｃより導入された流体が上方に向かって流れる。縦空間Ｂは、短外管５ｋによって規定され、流体が下方に向かって流れて下端側の排出口５ｄより排出される。周空間内において隣り合った縦空間Ａ，Ｂは、第１の連通口５ｈを介して連通しているため、流体が軸方向に折り返しながら流れる連続した１本の内部流路が形成される。なお、導入口５ｃおよび排出口５ｄの入出力を反対にして、多重管式冷却器５において冷媒を逆向きに流してもよい。

一方、複数の横仕切部５ｉは、縦空間Ｂ内を周方向に延在しており、この縦空間Ｂを複数段の横空間ｂ１〜ｂ６（上述した各段に相当する空間）に区分している。縦空間Ｂ内において隣り合った横空間同士（例えばｂ５とｂ６）は、第２の連通口５ｊを介して連通している。上下で隣り合った第２の連通口５ｊは約３６０度（実際には縦外管５ｆの幅分だけ小さい。）オフセットしているため、縦空間Ｂの各段ｂ１〜ｂ５において流体が周方向に交互に折り返しながら（すなわち、時計回りの約３６０度の旋回と、反時計回りの約３６０度の旋回とを交互に繰り返しながら）流れる連続した１本の内部流路が形成される。縦仕切部５ｇおよび横仕切部５ｉの設置数は、多重管式冷却器５に要求される熱交換能力や流路径などに応じて適宜設定すればよい。

このように、本実施形態によれば、内管５ａと外管５ｂとの間に形成される周空間内に複数の縦仕切部５ｇを設け、多重管式冷却器５の外部を流れる外部流体（水）を冷却する冷媒を軸方向に折り返しながら流すことで、多重管式冷却器５に接続する配管の引き回しを簡略化できる。その結果、多重管式冷却器５を組み込んだ冷却装置１の全体的な省スペース化を図れるほか、外部流体の流路の確保やその設計も容易になる。

また、本実施形態によれば、内管５ａの内周面および外管５ｂの外周面、すなわち、多重管式冷却器５の露出した表面を熱交換面として利用することが可能なので、凹凸を有する冷却コイルと比べて、熱交換効率の向上を図ることができる。

また、導入口５ｃおよび排出口５ｄを多重管式冷却器５における同一の端部側、より好ましくは下端側に設けることで、上部の透明フタ６の取り外しを伴う冷却装置１の分解作業が容易になる等の利点が生じるので、メンテナンス性の向上を図ることができる。なお、導入口５ｃおよび排出口５ｄは、外管５ｂではなく内管５ａに設けてもよく、あるいは、底板５ｅに設けてもよい。

また、本実施形態によれば、外管５ｂについて、横仕切部５ｉの取付ライン（溶接ライン）に沿って分割された複数の部材（短外管５ｋ）によって構成する。「取付ライン」とは、横仕切部５ｉの縁部や縦仕切部５ｇの縁部が内管５ａや外管５ｂと接するラインのことである。外管５ｂを分割構造とすることで、積み重ねる段数を任意に設定できるため設計の自由度が向上するとともに、溶接等における組立作業性を高めることができる。なお、同様の分割構造は内管５ａについて採用してもよい。すなわち、内管５ａについて、縦仕切部５ｇの取付ライン（溶接ライン）に沿って分割された複数の部材によって構成してもよい。

さらに、本実施形態によれば、少なくとも一つの縦空間Ｂ内に複数の横仕切部５ｉを設け、第２の連通口５ｊを介してこれらを互いに連通することで、縦空間Ｂ内において流体が周方向に折り返しながら流れる連続した内部流路を形成する。これにより、多重管式冷却器５の内部流路における流路長や流路径を任意に設定できるので、多重管式冷却器５の設計の自由度の向上を図ることができる。ただし、縦空間Ａのように流路径が小さい場合には、横仕切部５ｉを設ける必要性は必ずしもない。

なお、上述した実施形態では、組立作業の効率化や部材点数の低減を図るために、縦仕切部５ｇおよび外管５ｂの双方の機能を兼ね備えた縦外管５ｆを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、軸方向を仕切るための縦仕切部５ｇとして、軸方向に延在する直線状の帯材を個別に取り付けてもよい。図１１は、変形例に係る多重管式冷却器５の内部流路の説明図である。この例では、内管５ａと外管５ｂとの間の周空間内において、４本の縦仕切部５ｇを９０度間隔で配置し、４つの縦空間Ａ〜Ｄに分割している。周方向において隣り合った縦空間は、記外部流体を冷却する冷媒が軸方向に折り返しながら流れる連続した内部流路を規定するために、上述した第１の連通口５ｇ（図示せず）によって連通している。この場合、それぞれの縦仕切部４ｇの取付ライン（溶接ライン）に沿って外管５ｂを４つに分割し、断面が略９０度に湾曲した４つのプレート部材５ｍを外周に取り付けることが好ましい。これにより、縦仕切部５ｇの溶接等における組立作業性を高めることができる。周空間の分割数は、多重管式冷却器５に要求される仕様に応じて適宜設定すればよく、周空間をｎ個（ｎは２以上）に分割する場合、ｎ本の縦仕切部５ｇを配置すればよい。

１ 冷却装置
２ 第１の内管
３ 第２の内管
４ 外管
５ 多重管式冷却器
５ａ 内管
５ｂ 外管
５ｃ 導入口
５ｄ 排出口
５ｅ 底板
５ｆ 縦外管
５ｇ 縦仕切部
５ｈ 第１の連通口
５ｉ 横仕切部
５ｊ 第２の連通口
５ｋ 短外管
５ｌ 天板
５ｍ プレート部材
６ 透明フタ
８ 仕切り部
９ 入口管
１０ａ〜１０ｅ 流路
１１ａ〜１１ｄ 連通口

Claims (6)

1. 冷却対象となる外部流体を表面を介して冷却する多重管式冷却器において、
   内管と、
   前記内管の外側に間隔を空けて配置された外管と、
   前記内管と前記外管との間の周空間内を軸方向に延在し、前記周空間を区分する複数の縦空間を規定する縦仕切部と、
   前記外部流体を冷却する冷媒が軸方向に折り返しながら流れる連続した内部流路を規定するために、前記周空間内において隣り合った前記縦空間同士を連通する第１の連通口と、
   前記縦空間内を周方向に延在し、前記縦空間を区分する複数の横空間を規定する横仕切部と、
   前記冷媒が周方向に折り返しながら流れる連続した内部流路を規定するために、前記縦空間内において隣り合った前記横空間同士を連通する第２の連通口とを有し、
   前記外管は、前記横仕切部の取付ラインに沿って分割された複数の部材を積み重ねることによって構成されていることを特徴とする多重管式冷却器。
2. 前記内管は、前記多重管式冷却器の高さに相当する円筒形状を有し、
   前記内管、前記外管、前記縦仕切部、および、前記横仕切部のそれぞれは、別部材として構成されていることを特徴とする請求項１に記載された多重管式冷却器。
3. 前記縦仕切部は、前記内管の外周面に軸方向に沿って取り付けられた縦外管の側部であることを特徴とする請求項１または２に記載された多重管式冷却器。
4. 前記外管を構成する前記部材は、前記縦外管を避けるための逃げ部を備えていることを特徴とする請求項３に記載された多重管式冷却器。
5. 前記横仕切部は、前記縦外管を避けるための逃げ部を備えた環状形状を有することを特徴とする請求項３に記載された多重管式冷却器。
6. 前記横仕切部は、前記逃げ部の一端と他端とが交互に前記縦外管の側部と接するよう方向にオフセットして配置されていることを特徴とする請求項５に記載された多重管式冷却器。

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