JP7345176B2 - ステンレス製熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒（ＣＯ２を含む）と水との熱交換を行うステンレス製熱交換器に関する。

従来、熱交換器は熱伝導率の高い銅材で作製されることが一般的であった。特許文献１、２には銅製のプレート式熱交換器が記載されている。

特開２０００－１８００７７号公報 特開２００９－０７４７７２号公報

しかしながら、銅製熱交換器においては水等の圧力に対する耐圧を確保するために、銅材は相応の肉厚が必要であり、その結果として熱交換器の重量が大きくなり、また材料費が高くなるという問題があった。

また、銅製熱交換器では孔食等の耐食性の問題があった。

上述の課題に鑑み、本発明のステンレス製熱交換器は、長手方向に互いにロウ付けされた複数の円筒状の水管と、前記複数の水管の一方の端に接続された円筒状の第１のヘッダー管と、前記複数の水管の他方の端に接続された円筒状の第２のヘッダー管と、
前記第１のヘッダー管の一方の端部に接続された水入口管と、前記第１のヘッダー管の他方の端部に接続された水出口管と、前記水入口管から流入した水が前記複数の水管を交互に逆方向に流れ、前記第１及び第２のヘッダー管の間で折り返されながら前記水出口管から流出する水流路を形成するように、前記第１及び第２のヘッダー管の内部を仕切る複数の円板状の仕切り羽と、前記複数の水管に沿って、水管の上面と裏面にそれぞれロウ付けされたサーペンタイン形状を有する一対の冷媒管と、前記一対の冷媒管の一方の端に接続された冷媒入口ヘッダー管と、前記一対の冷媒管の他方の端に接続された冷媒出口ヘッダー管と、を備え、
前記水管、前記第１のヘッダー管、前記第２のヘッダー管、前記水入口管、前記水出口管、前記仕切り羽、前記冷媒管、前記冷媒入口ヘッダー管、及び前記冷媒出口ヘッダー管は、ステンレス材で構成されたことを特徴とする。

本発明のステンレス製熱交換器によれば、ステンレス材の材料強度が銅材より高く、その肉厚を小さくできるので、軽量化と材料費の削減化が可能になる。

また、ヘッダー管の内部に仕切り羽を設けて、水管の水流路を２つのヘッダー管の間で折り返すように構成したことで、水と冷媒との熱交換を促進し、銅製熱交換器に匹敵する熱交換効率を得ることができる。

本発明の実施形態によるステンレス製熱交換器の正面図である。 本発明の実施形態によるステンレス製熱交換器の各部を示す図である。（図２（ａ）は図１のＡ－Ａ線における断面図、図２（ｂ）は支持棒体の正面図、図２（ｃ）はステンレス製熱交換器の側面図） 本発明の実施形態による２段ステンレス製熱交換器を示す平面図及び正面図である。 図３の２段ステンレス製熱交換器の側面図である。

以下、本発明の実施形態によるステンレス製熱交換器の構成を説明する。先ず、ステンレス製熱交換器１００（１ユニット１段構成）について、図１及び図２に基づいて説明する。

図１は、ステンレス製熱交換器１００の正面図である。図２は、ステンレス製熱交換器１００の各部を示す図であり、図２（ａ）は図１のＡ－Ａ線における断面図、図２（ｂ）は支持棒体７の正面図、図２（ｃ）はステンレス製熱交換器１００の側面図である。

複数（好ましくは数十本という多数）の円筒状の水管１は、隣接する水管１，１の外面が互いに接触するように並設されている。隣接する水管１，１は、長手方向に沿ってロウ付けされおり、これらの水管１が集まって一体化された剛体になっている。これらの水管１の一方の端には円筒状の第１のヘッダー管２が接続され、これらの水管１の他方の端には円筒状の第２のヘッダー管３が接続されている。

この場合、各水管１は、第１及び第２のヘッダー管２，３の長手方向に沿って開口された穴に挿入され、ロウ付け等により接続されている。第１のヘッダー管２の開口端は第１の蓋体２Ａ，２Ｂにより塞がれ、第２のヘッダー管３の開口端は第２の蓋体３Ａ，３Ｂにより塞がれている。また、第１のヘッダー管２の長手方向の一方の端部には水入口管４が接続され、第１のヘッダー管２の他方の端部には水出口管５が接続されている。

第１及び第２のヘッダー管２，３の内部には、管の内部空間を仕切る複数の円板状の仕切り羽６が配置されている。これらの仕切り羽６は、水入口管４から流入した水が複数の水管１を交互に逆方向に流れ、かつ第１及び第２のヘッダー管２，３の間で折り返されながら水出口管５から流出する水流路を形成する。

仕切り羽６の配置例を説明すると、第１のヘッダー管２については、水入口管４に最も近い仕切り羽６は、２本の水管１の束と、隣接する４本の水管４の束との間に設けられ、これに続く仕切り羽６は、４本の水管１毎に１枚設けられる。そして、水出口管５に最も近い仕切り羽６は、２本の水管１の束と、隣接する４本の水管１の束との間に設けられる。これに対して、第２のヘッダー管３については、仕切り羽６は４本の水管１毎に１枚設けられる。

このように構成すると、第１のヘッダー管２の入口管４から流入した水は、水入口管５に最も近い仕切り羽６に堰き止められるとともに、２本の水管１を通って第２のヘッダー管３に流入する。

そして、第２のヘッダー管３に入った水は第２のヘッダー管３の１番目の仕切り羽６によって堰き止められるとともに、隣接する２本の水管１を通って逆方向に流れ、第１のヘッダー管２に還流する。そして、第１のヘッダー管２に還流した水は第１のヘッダー管２の２番目の仕切り羽６によって堰き止められるとともに、隣接する２本の水管１を通って逆方向に流れ、再び第２のヘッダー管３に流入する、という経路を繰り返す。

これにより、水入口管４から流入した水が複数の水管１を交互に逆方向に流れ、かつ第１及び第２のヘッダー管２，３の間で折り返されながら水出口管５から流出する水流路を形成することになる。このような仕切り羽６の配置例は一例であって、何本の水管１を１束とするかは、適宜変更することができる。

図２（ｂ）に示すように、複数の円板状の仕切り羽６は、第１及び第２のヘッダー管２，３にそれぞれ挿入された支持棒体７，７の長手方向に沿って取り付けられることが好ましい。支持棒体７，７の両端はそれぞれ第１の蓋体２Ａ，２Ｂ、第２の蓋体３Ａ，３Ｂに挿通して固定することができる。これにより、複数の円板状の仕切り羽６を簡単に取り付けることができ、摩耗劣化の際の交換作業も容易である。

また、複数の水管１に沿って、その両側の外面にそれぞれサーペンタイン形状を有する一対の冷媒管８，８がロウ付けされている。この場合、一対の冷媒管８，８を複数の水管１に１本おきに重ね合せ、複数の水管１を流れる水と一対の冷媒管８，８を流れる冷媒とが互いに逆方向に流れるように構成することで、熱交換効率を高めることができる。

図２（ｃ）に示すように、一対の冷媒管８，８の一方の端の冷媒入口８Ａ，８Ａには冷媒入口ヘッダー管９がロウ付け等により接続されている。これにより、冷媒は冷媒入口ヘッダー管９を介して一対の冷媒管８，８にそれぞれ分流するようになっている。

また、一対の冷媒管８，８の他方の端の冷媒出口８Ｂ，８Ｂには冷媒出口ヘッダー１０がロウ付け等により接続されている。一対の冷媒管８，８も耐圧を高めるため円筒状であることが好ましい。これにより、一対の冷媒管８，８を流れる冷媒は、冷媒出口ヘッダー１０を介して合流し外部に流出するようになっている。

また、第１及び第２のヘッダー管２，３の側面には、それぞれステンレス製熱交換器１００の本体を取り付け部に固定するための固定金具１１，１１が設けられている。

ステンレス製熱交換器１００の主要構成部品である、水管１、第１のヘッダー管２、第１の蓋体２Ａ，２Ｂ、第２のヘッダー管３、第２の蓋体３Ａ，３Ｂ、水入口管４、水出口管５、仕切り羽６、支持棒体７、冷媒管８、冷媒入口ヘッダー管９、及び冷媒出口ヘッダー管１０は、すべてステンレス材で構成されている。

このように、ステンレス製熱交換器１００よれば、ステンレス材の材料強度が銅材より高く、その肉厚を小さくできるので、軽量化と材料費の削減化が可能になる。

また、第１及び第２のヘッダー管２，３の内部に仕切り羽６を設けて、水管１の水流路を第１及び第２のヘッダー管２，３の間で折り返すように構成したことで、水と冷媒との熱交換を促進し、銅製熱交換器に匹敵する熱交換効率を得ることができる。さらに、水管１、第１及び第２のヘッダー管２，３は円筒で構成されているので、管内を流れる水に対する耐圧を向上させることができる。

次に、２段ステンレス製熱交換器２００（２ユニット２段構成）について、図３及び図４に基づいて説明する。図３は、２段ステンレス製熱交換器２００を示す図であり、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）はその正面図である。図４はこの２段ステンレス製熱交換器２００の側面図である。

２段ステンレス製熱交換器２００は上述のステンレス製熱交換器１００を上下２段に積み重ねたものである。図４に示すように、上下２段に積み重ねられた一対（２本）の第１のヘッダー管２の一端には水入口ヘッダー管１２が接続され、これらの第１のヘッダー管２の他方の端には水出口ヘッダー管１３が接続されている。

これにより、水は水入口ヘッダー管１２を介して一対の第１のヘッダー管２にそれぞれ分流し、上述のように、複数の水管１を交互に逆方向に流れ、かつ第１及び第２のヘッダー管２，３の間で折り返されながら、水出口ヘッダー管１３を介して合流して外部に流出するようになっている。

また、図３及び図４に示すように、上下４段に積み重ねられた４本の冷媒管８の一端には、大型の冷媒入口ヘッダー管１４が接続され、これらの冷媒管８の他方の端には大型の冷媒出口ヘッダー管１５が接続されている。これにより、冷媒は大型の冷媒入口ヘッダー管１４を介して４本の冷媒管８にそれぞれ分流し、大型の冷媒出口ヘッダー管１５を介して合流して外部に流出するようになっている。

また、２ユニットのステンレス製熱交換器１００を上下に重ねて保持するための保持金具１６がステンレス製熱交換器２００の側面に設けられている。

このように、ステンレス製熱交換器１００を積み重ねて組み立てることにより、コンパクトな構成で熱交換能力を高めることができる。なお、ステンレス製熱交換器１００を３段以上に積み重ねて、多段ステンレス製熱交換器を構成することもできる。

１ 水管
２ 第１のヘッダー管
２Ａ，２Ｂ 第１の蓋体
３ 第２のヘッダー管
３Ａ，３Ｂ 第２の蓋体
４ 水入口管
５ 水出口管
６ 仕切り羽
７ 支持棒体
８ 冷媒管
９ 冷媒入口ヘッダー管
１０ 冷媒出口ヘッダー管
１１ 固定金具
１２ 水入口ヘッダー管
１３ 水出口ヘッダー管
１４ 大型の冷媒入口ヘッダー管
１５ 大型の冷媒出口ヘッダー管

Claims (2)

1. 長手方向に互いにロウ付けされた複数の円筒状の水管と、
   前記複数の水管の一方の端に接続された円筒状の第１のヘッダー管と、
   前記複数の水管の他方の端に接続された円筒状の第２のヘッダー管と、
   前記第１のヘッダー管の一方の端部に接続された水入口管と、
   前記第１のヘッダー管の他方の端部に接続された水出口管と、
   前記水入口管から流入した水が前記複数の水管を交互に逆方向に流れ、前記第１及び第２のヘッダー管の間で折り返されながら前記水出口管から流出する水流路を形成するように、前記第１及び第２のヘッダー管の内部を仕切る複数の円板状の仕切り羽と、
   前記複数の水管に沿って、水管の上面と裏面にそれぞれロウ付けされたサーペンタイン形状を有する一対の冷媒管と、
   前記一対の冷媒管の一方の端に接続された冷媒入口ヘッダー管と、
   前記一対の冷媒管の他方の端に接続された冷媒出口ヘッダー管と、を備え、
   前記水管、前記第１のヘッダー管、前記第２のヘッダー管、前記水入口管、前記水出口管、前記仕切り羽、前記冷媒管、前記冷媒入口ヘッダー管、及び前記冷媒出口ヘッダー管は、ステンレス材で構成されたことを特徴とするステンレス製熱交換器。
2. 前記第１及び第２のヘッダー管にそれぞれ挿入され、前記複数の仕切り羽が長手方向に沿って取り付けられた一対の支持棒体と、
   前記第１及び第２のヘッダー管の開口端をそれぞれ塞ぐ第１及び第２の蓋体と、を備え、
   前記一対の支持棒体の両端はそれぞれ、前記第１及び第２の蓋体に挿通されて固定され、前記支持棒体、前記第１蓋体、及び前記第２の蓋体は、ステンレス材で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のステンレス製熱交換器。

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