JPH04260788A - 二重筒内コイル型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、水等の被冷却流体を
管路中で流動させながら氷点温度以下に冷却するのに好
適な熱交換器に関するものである。この形式の熱交換器
は、過冷却水製造装置に適用し得る他、各種の液体，粉
体その他の流体を冷却し、或いは加温することにも用い
ることができる。 【０００２】 【従来の技術】周知のように、水等を凍結させることな
く氷点温度以下まで冷却して流動させるには、管の外周
（又は内周）から内部（又は外部）の水等を均一に冷却
しなければならない。この場合の冷却は、管の周方向の
温度分布が均一になるようにすることが必要であって、
不均一個所があると、その個所を基点に水等が管内凍結
を起し易い。そうした現象は、冷却温度を下げれば下げ
る程顕著に現れる。水、その他の被冷却流体の管内凍結
は、管の円周方向の温度分布が不均一になりがちな管路
の屈折個所においてもしばしば発生する。 【０００３】従来の過冷却水製造装置としては、渦巻状
又は螺旋状の水管をブラインの槽内に浸漬し、ブライン
を攪拌器で攪拌して水管内の原水を冷却するものや、直
線状の二重管の内管に原水を通し、外管にブラインを通
して熱交換を行うことにより、原水を過冷却水にするも
のが知られている。しかるに、前者のものでは、水管に
対するブラインの流速が遅く、熱伝達率を高める上で大
きな伝熱面積を必要とする。一方、後者のものは、所定
の温度（例えば、０〜−４℃）の過冷却水を製造するた
めに、５ｍ〜１０ｍ程度の長尺の二重管を必要とし、容
量が小さくても大きな装置とならざるを得ない。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】前述のような問題点は
、管路を流動する水等の被冷却流体とその外周（又は内
周）を流動するブラインとの間の熱交換が十分に均一に
行われないために起こるものである。従って、管路の実
質上全長において管の周壁をブラインが常時均等に流通
し、円周方向の温度分布が一様になるように構成するこ
とができれば、被冷却流体の管内凍結現象を有効に抑止
し得る。この他、装置全体の小型化のためには、より多
くの管路を少ないスペースに収容して、容量の増大を図
ることが望まれる。 【０００５】 【課題を解決するための手段】この発明の二重筒内コイ
ル型熱交換器は、上記の着眼点に基づいてなされたもの
であって、内側ケーシングと外側ケーシングとの間に管
状メンバーを螺旋状に配置し、それらケーシングの実質
上全長に亙って、前記管状メンバーに沿って延びる螺旋
状流路及び、それらケーシングと前記管状メンバーとの
間をバイパスする洩れ流路をそれぞれ形成し、それらケ
ーシング間に導入した冷却媒体の流れを二分する構成と
したことを特徴としている。 【０００６】上記の熱交換器の構成において、前記管状
メンバーの各螺旋部を前記内側ケーシングと前記外側ケ
ーシングとの間の定位置に保持すべく、管状メンバー保
持手段を設けることは、初期性能を維持する上で有効で
ある。 【０００７】又、前記内側ケーシングの外径：Ａ、前記
外側ケーシングの内径：Ｂ及び前記管状メンバーの直径
：ｄをそれぞれ次のような寸法関係におくと、前記洩れ
流路を流れるブライン流量と前記螺旋状通路を流れるそ
れとがほぼ等しくなり、管壁の円周に沿ってより効果的
な冷却が実現される。 〔（Ｂ−Ａ）−２ｄ〕／２ｄ≒０．０１〜０．１　【０
００８】 【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、この発明を適用して得た過冷却水製造
装置の系統図である。図中、（１）　は冷凍機、（２）
　はブライン槽、（３）　はこの発明に係る熱交換器、
（４）　は蓄熱水槽を示す。 【０００９】上記冷凍機（１）　は、例えば液化した冷
媒を膨張弁（１ａ）により減圧した後、蒸発潜熱によっ
てブラインを冷却する方式を利用したもので、ブライン
槽（２）　中に配した熱交換部（１ｂ）を備えている。 ブライン槽（２）　には、内部のブライン（冷却媒体）
を熱交換器（３）内に導入して循環させるための循環路
（５）　及び（６）　を接続してあり、途中に循環用ポ
ンプ（７）　を設けている。同様な循環路（８），（９
）　及びポンプ（１０）は、熱交換器（３）　と蓄熱水
槽（４）　との間にも接続してあるが、この系路には、
水等の被冷却流体が流れるようになっている。 【００１０】熱交換器（３）　は、好ましくは銅合金製
の、外径：Ａの内側ケーシング（１１）と、内径：Ｂの
外側ケーシング（１２）及びこれら内側ケーシングと外
側ケーシングとの間に螺旋状に配置した直径：ｄの管状
メンバー（１３）から成る。図２及び図３に明らかなよ
うに、この形式の熱交換器は、ブラインの主流を設定す
るところの、管状メンバー（１３）に沿って延びる螺旋
状流路（１４）及び、内外側のケーシング（１１），（
１２）と管状メンバー（１３）との隙間をバイパスする
洩れ流路（１５）をそれぞれ形成して、それらケーシン
グ（１１），（１２）間に導入したブラインの流れを二
分する構成としてある。それらの２つの流路は、図示の
ごとき同心状の筒体と、コイル状メンバーによって作ら
れるが、全長に亙って同径である必要はなく、末広り形
状やその他任意の形態とすることが可能である。 【００１１】熱交換器（３）　の製作に当たっては、例
えば図４、図５に示すように、内側ケーシング（１１）
の外周面に管状メンバー保持手段としての、管状メンバ
ー（１３）の螺旋形状に適合する溝（１７）を設けると
ともに、管状メンバー（１３）と外側ケーシング（１２
）の内周面及び内側ケーシング（１１）の溝（１７）の
内面との間にそれぞれ所定の隙間（Ｃ）　を存するよう
に線材（２０’）　を適当数装着した状態として、内側
ケーシング（１１）と管状メンバー（１３）とを螺合し
、これらを一体に外側ケーシング（１２）内に挿入する
。 このときの線材（２０’）　の直径は、管状メンバー（
１３）の螺旋部（１３’）　の外径と管状メンバーその
ものの管径との比が１０の場合、該管径に対して１〜４
％、又その比が２０の場合、０．５　〜２％程度とする
。そのような寸法関係は、螺旋状通路（１４）の断面積
：即ち管状メンバー（１３）の螺旋部（１３’）　のピ
ッチをｔとした場合、ｔｄ−πｄ２　／４と、該１ピッ
チ当りの環状の隙間面積：ｃπ（Ａ＋Ｂ）とを略等しく
し、先に述べた洩れ流路（１５）を流れるブラインと螺
旋状流路（１４）を流れるブラインの主流のそれぞれの
流量を同程度にする上で望ましい。 【００１２】上述の構成とするときは、線材（２０’）
　により、管状メンバー（１３）を内外側のケーシング
（１１），（１２）間に一定の間隙で保持するとともに
、内側ケーシング（１１）に対して軸線方向に螺合した
状態となる。尚、内側ケーシング（１１）及び外側ケー
シング（１２）の上下両端部に対しては、蓋板（２１）
を当てがい、これによって両者間に形成した流路を封閉
する。 【００１３】蓄熱水槽（４）　は、熱交換器（３）　内
の管状メンバー（１３）に循環路（８）　，（９）　を
介して連通していて、過冷却水が流入しその一部が氷結
して貯えられるようになっている。（１８）は、常温水
を蓄熱水槽（４）　の上部より供給するためのバルブ、
（１９）は、その下部より冷却水を取り出すためのバル
ブ（図１）である。 【００１４】上記構成の過冷却水製造装置においては、
ブライン槽（２）　内の所定温度（約−１０℃）のブラ
インを循環ポンプ（７）　の駆動により、循環路（５）
　を通して熱交換器（３）　の一端部、図面では上端部
より内外側のケーシング（１１），（１２）間に導入す
ると、そこからブラインが、図中の矢印のごとく、管状
メンバー（１３）を介してそれらケーシング（１１），
（１２）の軸線を中心とする螺旋状通路（１４）を通り
周回するものと、洩れ通路（１５）を通って該軸線に平
行に管状メンバー（１３）の螺旋部（１３’）　をバイ
パス通過するものとに分岐して流れる（図３参照）。こ
れに対し、循環ポンプ（１０）の駆動により循環路（８
）　，（９）　を流れる水は、図１の矢印で示すように
、熱交換器（３）　の下端部より水管すなわち管状メン
バー（１３）中を通り、上記のブラインとは逆向きに流
れて蓄熱水槽（４）　へ還流する。その際、螺旋状流路
（１４）におけるブラインと水との熱交換と同時に、洩
れ流路（１５）を通過するブラインにより管状メンバー
の周壁が全体的かつ一様に冷却され、水に対する熱伝達
率が向上する。 【００１５】上述のようにして、螺旋状流路（１４）及
び洩れ流路（１５）を通してブラインを流通させ、管状
メンバー（１３）中に水を送給することにより、蓄熱水
槽（４）　に還流したときは、氷点温度以下（約−４℃
）の過冷却水となり、そのうちの約５％は氷片化するの
で、連続運転を行えば、氷塊、シャーベットを蓄熱水槽
内に所要量貯えることができる。 【００１６】上記実施例では、内側ケーシング（１１）
の外周面に溝（１７）を設けたが、これを外側ケーシン
グ（１２）の内周面に設けても良く、又それらケーシン
グの両方に設けても良い。さらに又、上記の溝（１７）
或いは線材（２０’）　に代わる管状メンバー保持手段
として、図６，図７のごとく、管状メンバー（１３）の
ピッチに応じて適当数の突起物（２０’’）を設けるこ
とや、図８，図９に示すごとく、内側ケーシング（１１
）上に管状メンバー（１３）の螺旋形状に合わせて巻き
付けた同様な線材（２０’）　を用いることができる。 この他、洩れ流路（１５）を確保するために線材（２０
’）　を軸方向に挿入したけれども（図４，図５）、こ
れを水管（１３）の外周面に適宜の手段で予め巻き付け
ておいても良い。 【００１７】 【発明の効果】叙上のように、この発明の二重筒内コイ
ル型熱交換器は、内側ケーシングと外側ケーシングとの
間に管状メンバーを螺旋状に配置し、これらの３要素に
よって前記管状メンバーに沿って延びる螺旋状流路及び
、それらケーシングと前記管状メンバーとの間をバイパ
スする洩れ流路をそれぞれ形成したので、水管全周で水
等の被冷却流体とブラインとの熱交換を一様にかつ高い
熱伝達率の下で実現することができる。これによって、
従来の直線状二重管や浸漬式の過冷却水製造装置に比し
、省スペースで大きな容量を持たせることができ、大幅
な小型化が可能になる他、管壁全周を均一に冷却して管
内凍結現象を抑制し、氷点温度以下のより低温度（−５
℃）の過冷却水や、氷塊、シャーベットを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用した過冷却水製造装置の系統図
である。

【図２】この発明の熱交換器の一部を破断して示す平面
図である。

【図３】上記熱交換器の要部を示す縦断面図である。

【図４】上記熱交換器の他の実施例を示す一部破断側面
図である。

【図５】図４の実施例の一部破断平面図である。

【図６】上記熱交換器のさらに他の実施例を示す部分縦
断面図である。

【図７】図６の実施例の部分横断面図である。

【図８】図８は、その他の実施例を示す部分縦断面図で
ある。

【図９】図９は、図８の実施例の部分横断面図である。

【符号の説明】

３　　熱交換器 １１　　内側ケーシング １２　　外側ケーシング １３　　管状メンバー（水管） １４　　螺旋状流路 １５　　洩れ流路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内側ケーシング（１１）と外側ケーシ
   ング（１２）との間に管状メンバー（１３）を螺旋状に
   配置し、それらケーシング（１１），（１２）の実質上
   全長に亙って、前記管状メンバー（１３）に沿って延び
   る螺旋状流路（１４）及び、それらケーシング（１１）
   ，（１２）と前記管状メンバー（１３）との間をバイパ
   スする洩れ流路（１５）をそれぞれ形成し、それらケー
   シング（１１），（１２）間に導入した冷却媒体の流れ
   を二分する構成としたことを特徴とする二重筒内コイル
   型熱交換器。
2. 【請求項２】　　前記管状メンバー（１３）の各螺旋部
   （１３’）　を前記内側ケーシング（１１）と前記外側
   ケーシング（１２）との間の定位置に保持すべく、管状
   メンバー保持手段を設けたことを特徴とする請求項１の
   熱交換器。
3. 【請求項３】　　前記内側ケーシング（１１）の外径：
   Ａ，前記外側ケーシング（１２）の内径：Ｂ及び前記管
   状メンバー（１３）の外径：ｄが、それぞれ次の寸法関
   係を有することを特徴とする請求項１の熱交換器。 〔（Ｂ−Ａ）−２ｄ〕／２ｄ≒０．０１〜０．１