JPH07127986A - 積層型熱交換器のチューブエレメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 チューブエレメントのビードの配列を、死水
域の削減と通路抵抗の調整による流体の拡散とを考慮し
つつ改良し、熱交換効率の向上を図る。 【構成】 熱交換媒体通路６の形成方向にこれと直交す
る多数のビード列を設け、隣合うそれぞれのビード列の
ビード間隔を異ならせ、隣合うビード列の各ビード２０
は、熱交換媒体通路６の形成方向に投影した際に重なら
ないように配置されている。死水域に配されるビードを
少なくすることができ、しかも通路抵抗を小さくして熱
交換媒体の流れを促進できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、積層型熱交換器の特
にチューブエレメントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フィンとチューブエレメントとを交互に
積層した熱交換器において、熱交換効率を高める手段と
して、従来より、チューブエレメントの熱交換媒体通路
にビードを形成し、熱交換媒体の流れを拡散すると共
に、熱交換媒体との接触面積を大きくすることが考えら
れている。本出願人においても、チューブエレメントを
構成する成形プレートに多数の丸ビードを一体にプレス
成形したものを用いており、従来製品化されているもの
は、図８に示されるように、チューブエレメント４１の
熱交換媒体通路６を流れる熱交換媒体の流方向と直角に
なるビード列を多数形成し、それぞれのビード列は均等
の間隔に配置された複数のビード２０を有し、図におい
ては、ｎ列目が５個のビードで構成されている場合に、
ｎ＋１列目が６個のビードで構成され、以下、これを繰
り返すように設けられており、隣合うビード列のビード
とは、熱交換媒体通路６の形成方向（図において上下方
向）に投影した場合に重ならないように配置されてい
る。また、一つ置きのビード列においては、全てのビー
ドが熱交換媒体通路６の形成方向に投影した場合に重な
るようになっており、全体として均一な密度でビード２
０が形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば、図９のように
流体の進行方向に順次障害物Ａが複数配置されている場
合には、ある障害物Ａに当たった流体は、その流れが障
害物Ａの両脇に広がって後方の障害物Ａに当たることな
く流れ、所謂死水域を形成することが知られており、上
記従来のチューブエレメント４のビード２０において
も、死水域が形成されて熱交換にあまり寄与していない
ビード２０が存在することが予想される。このような死
水域のビードは通路抵抗を低減するうえでむしろ無いほ
うがよく、通路抵抗を小さくして熱交換媒体を少しでも
多く流して熱交換を促進したほうが好ましい。

【０００４】また、上記死水域の問題に加え、熱交換媒
体は、最短流路を流れようとするので、例えば、図８の
チューブエレメントのように、Ｕ字状の熱交換媒体通路
６を有するものにあっては、中央の突条１０に沿って流
れようとする。従来のチューブエレメントは、ビードが
通路全体に均一な密度で等間隔に形成されていたので、
通路全体として通路抵抗に差がなく、したがって、熱交
換媒体は突条に沿って流れてしまい、チューブエレメン
トの上部脇のように、熱交換媒体の淀む領域が形成され
てしまう。

【０００５】以上のことから、チューブエレメントのビ
ードの配列には、更なる改良の余地がある。

【０００６】そこで、この発明においては、死水域を低
減させる点と通路抵抗の調整によって流体を拡散させる
点とを考慮しつつチューブエレメントのビードの配列を
改良し、熱交換効率の向上を図るようにしたチューブエ
レメントを提供することを課題としている。

【０００７】

【課題を達成するための手段】しかして、請求項１の発
明の要旨とするところは、フィンと交互に複数段に積層
され、２枚の成形プレートを合わせて熱交換媒体の通路
が形成されていると共に前記通路の内側にビードが突出
形成されている熱交換器のチューブエレメントにおい
て、前記通路の形成方向にこれと直交する多数のビード
列を設け、隣合うそれぞれの前記ビード列はビード間隔
が異なっており、前記隣合うビード列の各ビードは、前
記通路の形成方向に投影した際に重ならないように配置
されていることにある。

【０００８】また、請求項２の発明の要旨とするところ
は、フィンと交互に複数段に積層され、２枚の成形プレ
ートを合わせて熱交換媒体の通路が形成されていると共
に前記通路の内側にビードが突出形成されている熱交換
器のチューブエレメントにおいて、前記通路の形成方向
にこれと直交する多数のビード列を設け、隣合うそれぞ
れの前記ビード列はビードが形成されていない部分が異
なっており、前記隣合うビード列の前記ビードが形成さ
れていない部分は連続していることにある。

【０００９】

【作用】したがって、請求項１においては、隣合うそれ
ぞれのビード列においてビード間隔を異ならせているの
で、死水域でビードが配置されてしまうような構成を極
力防ぐことができ、また、均一な密度でビードが配置さ
れるチューブエレメントに比べて通路抵抗を小さくして
熱交換媒体の流れを促進させることができる。

【００１０】また、請求項２においては、各ビード列に
おいてビードが形成されていない領域が存在するので、
同様に、死水域を低減することができると共に、ビード
が形成されない部分を順次連続させて、チューブエレメ
ント全体に通路抵抗の小さい道筋を形成することができ
るので、熱交換媒体はこの通路抵抗の小さい道筋を通っ
て流れようとし、通路全体に行き渡る。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面により説明す
る。

【００１２】図１及び図２において、第１実施例が示さ
れており、積層型熱交換器１は、フィン２とチューブエ
レメント３とを交互に複数段積層した例えば４パス方式
のエバポレータであり、チューブエレメント３は、２枚
の成形プレート４，４をその周縁で接合して形成されて
おり、一端側にエア上流側とエア下流側の２つのタンク
５を、これらタンク５間から他端側にかけて熱交換媒体
を通す熱交換媒体通路６をそれぞれ有している。

【００１３】成形プレート４は、アルミニウム製のプレ
ートをプレス加工して形成されているもので、図２にも
示されるように、一端に椀状の２つのタンク形成用膨出
部８，８が形成されると共に、これに続いて通路形成用
膨出部９が形成されており、この通路形成用膨出部９に
２つのタンク形成用膨出部８，８の間から成形プレート
４の他端近傍まで延びる突条１０が形成されている。そ
して、各タンク形成用膨出部８は、通路形成用膨出部９
より大きく膨出しており、突条１０は、成形プレート４
をその周縁で接合する際に他方の突条と接合され、熱交
換媒体通路６をチューブエレメント３の他端近くまで仕
切って全体をＵ字状にしている。尚、両側端のチューブ
エレメント３ａにおいては、外側の成形プレートが平坦
状に形成されている。

【００１４】そして、隣合うチューブエレメント３のタ
ンク５は、それぞれの成形プレート４のタンク形成用膨
出部８で突き合わされており、ほぼ中央のチューブエレ
メントの片側に形成される盲タンク５ａを除いてタンク
形成用膨出部８に形成された連通孔１３を介して連通し
ている。

【００１５】また、両側端のチューブエレメント３ａに
は、フィン２を介してエンドプレート１４が接合され、
このエンドプレート１４との間にタンク５に通じる出入
口部１５が設けられている。この出入口部１５は、２つ
の椀状部材１６ａ，１６ｂを結合して形成されているも
ので、その一端が開口して配管が接続できるようになっ
ている。

【００１６】しかして、一方の出入口部１５から入る熱
交換媒体は、ほぼ半分のチューブエレメントの盲タンク
５ａ側のタンク５に入り、そこから熱交換媒体通路６を
突条１０に沿って上昇し、該突条１０の上方をＵターン
して下降し、盲タンク５ａ側と反対側のタンクに至る。
その後、残り約半分のチューブエレメント３のタンクに
平行移動し、再び熱交換媒体通路６を突条１０に沿って
上昇し、該突条１０の上方をＵターンして下降し、盲タ
ンク５ａ側のタンク５から他方の出入口部１５を介して
流出する。このため、熱交換媒体の熱は、熱交換媒体通
路６を流れる過程において、フィン２に伝達され、フィ
ン間を通過する空気と熱交換される。

【００１７】このような熱交換器を構成するチューブエ
レメント３の成形プレート４には、ビード２０が一体に
プレス成形されており、このビード２０は、成形プレー
ト４の内面より内側に突出しており、互いに接合される
成形プレート４のビード２０と接合し、熱交換効率の向
上に寄与している。

【００１８】ビード２０は、熱交換媒体通路６の形成方
向と直交する多数のビード列として形成されており、隣
合うそれぞれのビード列のビード間隔が異なっている。
この実施例においては、ｎ段面に５個のビードが間隔ａ
で等間隔に設けられているとすると、ｎ＋１段目に３個
のビードが間隔ｂで等間隔に設けられており、ｎ＋２段
目に再び間隔ａの５個のビードが、ｎ＋３段目に間隔ｂ
の３個のビードがという具合に、間隔ａのビード列と間
隔ｂのビード列とが繰り返し形成されている。しかも、
間隔ｂは、間隔ａの２倍の大きさとなっている。

【００１９】また、隣合うビード列の各ビード２０は、
熱交換媒体通路６の形成方向（図において上下方向）に
投影した際に重ならないように配置されており、この実
施例においては、あるビードから隣の列の最も近接した
ビードが、熱交換媒体通路の形成方向に対して３０度の
傾きとなるように配置されており、３０度方向に見た場
合にも、間隔ａで配列されているビード群と、間隔ｂで
配列されているビード群とが交互に現われる規則正しい
パターンが形成されている。

【００２０】また、チューブエレメント４の他の実施例
（第２実施例）として、図３に示されるように、熱交換
媒体通路６の形成方向と直交する隣合うビード列におい
て、ビード２０が形成されていない領域を異ならせ、隣
合うビード列のビードが形成されていない領域をつなげ
て、ビードが存在しない通路を熱交換媒体通路６の形成
方向と異なる方向に形成するようにしてもよい。この実
施例においては、従来の均等にビードが形成されたチュ
ーブエレメント（図８参照）に対し、通路６の形成方向
と３０度傾く方向にビードを形成しない領域が連続して
つながるようになっている。

【００２１】したがって、第１及び第２実施例のいずれ
においても、死水域でのビードを減らし、これによっ
て、熱交換効率を損なわずに、通路抵抗の小さい領域を
熱交換媒体通路６の全体に形成し、この通路抵抗の小さ
い領域への熱交換媒体の流通を促進して、チューブエレ
メント全体に淀むことなく熱交換媒体を行き渡らせ、逆
に熱交換効率の向上を図ることができる。

【００２２】以上のようなビード配列を有するチュブエ
レメントを従来のチューブエレメントと比較して評価す
るに当たり、本出願人は、以下の実験を試みた。

【００２３】従来のチューブエレメント、第１実施例の
チューブエレメント（以下、タイプ１という）、第２実
施例のチューブエレメント（以下、タイプ２という）の
それぞれにおいて、図４に示されるように、通路形成用
膨出部９の一方の片表面全体にシリコン接着剤を用いて
発熱板２２を取付け、それら全体を覆うように断熱材３
０を設け、発熱板２２に交流電源を接続して一定量の熱
を各チューブエレメント４に与え、均一に加熱する。そ
して、一定量の水道水を長さ５００ｍｍの入口パイプ２
３を通してチューブエレメント４に供給し、一方のタン
クから熱交換媒体通路を介して他方のタンクへ導き、出
口パイプ２４より排出する。入口パイプ２３より供給さ
れる水道水は流量計２５で検出されるようになってお
り、５cc/sec、１０cc/sec、２０cc/secと水道水の流量
を変えてそれぞれのチューブエレメントの表面温度を測
定することとした。その結果を図５乃至図７のサーモグ
ラフィックで示す。

【００２４】また、水道水を５cc/sec、１０cc/sec、２
０cc/secと変えて、それぞれの場合についてチューブエ
レメント４の入口及び出口に設けられた熱電対２６、２
７により、温度読取装置２８で入口と出口の水温差（°
Ｃ）を測定した。その結果を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】また、入口パイプ２３に形成された入口静
圧孔３１と、出口パイプ２４に形成された出口静圧孔３
２を介して、出入口の圧力を圧力計３３で測定し、チュ
ーブエレメント４の通水抵抗（mmHg）を求めた。表２に
その結果を示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】更に、熱交換媒体通路６の形成方向と直角
方向において熱交換にどの程度ばらつきがあるのかを観
るために、チューブエレメント４の表面（発熱板が設け
られた側と反対側の表面）の所定の複数箇所（２４か
所）に設けられた熱電対群２９により、流体の流れ方向
と直角方向の温度差（°Ｃ）の平均を測定した。その結
果を表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】出入口の温度差にあっては、大きければ大
きいほど熱交換が活発に行われていることを示すもの
で、実験結果によれば、タイプ１もタイプ２も従来品と
殆ど変わらないか若干大きくなり、５ cc/sec や２０cc
/secの流量に対しては、タイプ１はタイプ２よりも温度
差が大きくなる。

【００３１】通水抵抗においては、タイプ１もタイプ２
も、５cc/secでは従来品より大きくなったが、１０cc/s
ec、２０cc/secの流量では従来品より小さく、実際の熱
交換器での流速が１０cc/sec前後であることを鑑みれ
ば、いずれも通路抵抗が小さくなったとみてよい。ま
た、タイプ２は、タイプ１よりも通水抵抗が小さい。

【００３２】また、図５乃至図７の等温線が水平（熱交
換媒体通路に対して直角）であるほうが、あるいは、表
３から見て温度差が小さいほど、均等に熱交換されてい
るので望ましいわけであり、タイプ１及びタイプ２は、
いずれも従来品に比べて優れているといえる。

【００３３】したがって、これら実験データは、タイプ
１及びタイプ２が、ビード数が従来品に比べて少なくな
っているにもかかわらず熱交換特性がよくなっているこ
とを示しており、これらタイプのチューブエレメント
は、死水域でのビードが削減され、従来品よりも熱交換
媒体が通路全体に淀むことなく行き渡るようなビード配
列となっているといえる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明によ
れば、隣合うそれぞれのビード列のビード間隔を異なら
せ、隣合うビード列の各ビードは、通路の形成方向に投
影した際に重ならないように配置し、また、請求項２の
発明によれば、隣合うそれぞれのビード列のビードが形
成されていない部分を異ならせ、隣合うビード列のビー
ドが形成されていない部分を連続させるようにしたの
で、死水域と通路抵抗とを減少させるビード配置を提供
することができ、熱交換媒体を全体に行き渡らせて淀み
をなくし、結果として熱交換効率を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、積層型熱交換器の実施例を示す一部を
切り欠いた正面図である。

【図２】積層型熱交換器のチューブエレメントに用いら
れる成形プレート例（タイプ１）を示す図である。

【図３】積層型熱交換器のチューブエレメントに用いら
れる他の成形プレート例（タイプ２）を示す図である。

【図４】チューブエレメントの性能を評価するための実
験装置を示す図である。

【図５】図５は、水道水の流量を５cc/secとした場合の
チューブエレメントのサーモグラフィックを示し、
（ａ）は従来のチューブエレメントを、（ｂ）はタイプ
１のチューブエレメントを、（ｃ）はタイプ２のチュー
ブエレメントをそれぞれ示す。

【図６】図６は、水道水の流量を１０cc/secとした場合
のチューブエレメントのサーモグラフィックを示し、
（ａ）は従来のチューブエレメントを、（ｂ）はタイプ
１のチューブエレメントを、（ｃ）はタイプ２のチュー
ブエレメントをそれぞれ示す。

【図７】図７は、水道水の流量を１０cc/secとした場合
のチューブエレメントのサーモグラフィックを示し、
（ａ）は従来のチューブエレメントを、（ｂ）はタイプ
１のチューブエレメントを、（ｃ）はタイプ２のチュー
ブエレメントをそれぞれ示す。

【図８】積層型熱交換器の従来のチューブエレメントを
示す図である。

【図９】障害物がある場合の流体の流れを示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 積層型熱交換器 ２ フィン ３ チューブエレメント ４ 成形プレート ６ 熱交換媒体通路 ２０ ビード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィンと交互に複数段に積層され、２枚
   の成形プレートを合わせて熱交換媒体の通路が形成され
   ていると共に前記通路の内側にビードが突出形成されて
   いる熱交換器のチューブエレメントにおいて、前記通路
   の形成方向にこれと直交する多数のビード列を設け、隣
   合うそれぞれの前記ビード列はビード間隔が異なってお
   り、前記隣合うビード列の各ビードは、前記通路の形成
   方向に投影した際に重ならないように配置されているこ
   とを特徴とする積層型熱交換器のチューブエレメント。
2. 【請求項２】 フィンと交互に複数段に積層され、２枚
   の成形プレートを合わせて熱交換媒体の通路が形成され
   ていると共に前記通路の内側にビードが突出形成されて
   いる熱交換器のチューブエレメントにおいて、前記通路
   の形成方向にこれと直交する多数のビード列を設け、隣
   合うそれぞれの前記ビード列はビードが形成されていな
   い部分が異なっており、前記隣合うビード列の前記ビー
   ドが形成されていない部分は連続していることを特徴と
   する積層型熱交換器のチューブエレメント。