JPH0731016B2 - 熱交換器の組付構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱交換器の組付構造に関するもので、例えば
冷凍装置の圧縮機から吐出される高温気相冷媒を液化さ
せる目的などに使用するための水冷式熱交換器に用いて
好適である。

〔従来の技術〕

上記の目的に用いるための従来の水冷式熱交換器として
は、内外２重構造のチューブをコイル状に成形し、内
（外）側チューブに冷媒を、外（内）側チューブに冷却
水を流す２重管式や、冷媒の流路となる外観が円筒形を
したコイル巻きチューブを、冷却水の出入口を備えて冷
却水の流路となるケース（シェル）内に納めたシェル・
アンドコイル型が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の２重管式熱交換器は、容積比熱交換効率が高く、
外形を小型化できる特長を備える反面、冷却水流通用チ
ューブ内に水中の不純物や微生物が付着して次第に滞積
しても、その構造上除去が困難なために経時的に熱交換
能力が低下して来る。そのため冷凍サイクルの高温高圧
の気相冷媒の液化工程部分の能力だけが局部的に低落し
て、サイクル全体の冷凍能力をフルに活用できなくなる
うえに、冷媒圧が高騰する恐れも生ずる。更に熱交換器
による冷媒の圧力損失を少なくするために、冷媒流路を
並列状に分岐させようとしても、２重構造管では加工が
繁雑化しすぎて実施困難である。

一方シェル・アンドコイル型熱交換器では、冷媒流路と
してのコイル状チューブの全長に対して冷却水路の流路
長さが短すぎるために、冷媒と冷却水の流れ速度に大き
な食い違いが生じて熱交換性能を十分に高められない。

対応策としてシェルを大型化したり流水量を増大させれ
ば、装置は大型化せざるを得ず、それに伴って重量やコ
ストの面で不利を招くことになる。しかし、流水路の掃
除のしやすさの点では２重管式より格段にすぐれてい
る。

本発明は、上述の如き、２重管式とシェル・アンドコイ
ル型の２種類の熱交換器の長所を併せ有する熱交換器の
組付構造を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明においては、 （ａ）着脱可能な蓋体を有する気密な筒状ケースと、 （ｂ）この筒状ケース内に配設され、この筒状ケースの
軸方向に螺旋状に連なる第１流路を筒状ケース内周との
間に区画形成する螺旋状バッフルと、 （ｃ）この螺旋状バッフルの中心部に一体に設けられ、
前記筒状ケースの底板と前記蓋体との間に着脱可能に挟
み込み固定された支持部材と、 （ｄ）前記筒状ケースの一端側に配設され、前記第１流
路に第１の熱交換流体を導入する第１の入口と、 （ｅ）前記筒状ケースの他端側に配設され、前記第１流
路から第１の熱交換流体を導出する第１の出口と、 （ｆ）前記螺旋状の第１流路内に一重巻き状態で配設さ
れ、内部に第２の熱交換流体が流れる第２流路を形成す
るヘリカルチューブと、 （ｇ）このヘリカルチューブの一端側であって前記蓋体
に配設され、前記第２流路に第２の熱交換流体を導入す
る第２の入口と、 （ｈ）前記ヘリカルチューブの他端側であって前記蓋体
に配設され、前記第２流路から第２の熱交換流体を導出
する第２の出口とを備え、 （ｉ）前記第１の入口及び出口と、前記第２の入口及び
出口とを前記第１の熱交換流体の流れと前記第２の熱交
換流体の流れとが対向流となるように配設し、 （ｊ）前記螺旋状バッフルと前記ヘリカルチューブとを
ねじ込み式にて着脱可能に組み付けるという技術的手段
を採用する。

〔作用効果〕

本発明によれば、上記構成要件（ａ）〜（ｈ）を具備す
ることにより以下の作用効果を奏するものである。

すなわち、第１の入口から筒状ケース内に流入した第１
の熱交換流体（水）は第１の出口に向かって直行せず、
螺旋状バッフルによって区画形成された螺旋状の第１流
路を流れる間に、この第１流路内に配設されたヘリカル
チューブ内を流れる第２の熱交換流体（冷凍サイクルの
冷媒）と熱交換を行う。

従って、第１の熱交換流体（水）と第２の熱交換流体の
流路の延長長さが同等となり、しかも第1,第２の熱交換
流体の流れが対向流であるため、流路の全領域で２つの
流体間の温度差を十分大きくとることができ、これによ
り本発明では、流路の掃除が容易なシェル・アンドコイ
ル型の熱交換器でありながら、２重管式と同等の高性能
の熱交換能力を発揮できるという格別の効果が得られ
る。

しかも、本発明の構成によれば、螺旋状の第１流路内に
ヘリカルチューブを一重巻き状態で配設しているので、
ヘリカルチューブの隣合う管と管の間にバッフルが介在
することにより、外部から熱交換器に振動が加わった場
合でも、管相互の干渉を確実に阻止できるので、管相互
の干渉によるヘリカルチューブの損傷を防止できるとい
う効果をも得られる。この効果は、振動の激しい船舶用
熱交換器においては特に有用である。

また、蓋体を筒状ケースから取り外すことによりバッフ
ルとヘリカルチューブを容易にケース内から取り出すこ
とができ、そしてバッフルの支持部材をねじ式に回すこ
とによりバッフルを容易にチューブから分離でき、その
際同時に、これら両者の間に溜まった不純物、微生物等
を容易に除去でき、従って経年変化による性能低下を生
じることなく、長期にわたって、熱交換性能を良好に維
持できるという効果が得られる。

さらに螺旋状の第１通路内にチューブを１巻のみ配設し
ているから、チューブの周囲全体に、第１の熱交換流体
（水等）を効果的に接触させることができ、その結果こ
の第１の熱交換流体とチューブ内の第２の熱交換流体
（冷媒等）との熱交換量を増大でき、熱交換性能を向上
できるという効果が得られる。

〔実施例〕

以下に図に示す実施例に基づいて本発明の構成を具体的
に説明する。

第１図〜第６図は本発明の一実施例を示すもので、本発
明を船舶用空気調和装置の水冷式冷媒凝縮器に適用した
例を示しており、第１図は縦断面図、第２図は第１図の
（イ）−（イ）断面図、第３図は分解図、第４図〜第６
図はバッフル付き中空筒の形状・構造の説明図である。
なお第３図の熱交換器は、筒状ケースの形状が第１図に
示したそれとは幾分相違している。

この熱交換器の概略の構成は、第３図にみられるよう
に、第１の熱交換流体としての冷却水の通路（第１通
路）となる気密な筒状ケース１の上部の開放筒端に蓋体
２を取り付け、この筒状ケース１内に第２の熱交換流体
としての冷媒の冷却用流路（第２流路）を形成する円筒
状ヘリカルチューブ３が納められている。このヘリカル
チューブ３の内空部には、螺旋状バッフル５を外周面に
設けたバッフル付中筒４が、ヘリカルチューブ３の螺旋
間隙にねじ込むようにして組込まれている。すなわちバ
ッフル５とヘリカルチューブ３はねじ込み式にて脱着可
能に組付けられている。

ヘリカルチューブ３の両管端部3Aと3Bは、蓋体２に挿通
したうえこの蓋体に固定されている。蓋体２は、その着
脱手段としてのボルト12およびナット13を用いて、筒状
ケース１開放筒端に設けたフランジ11に締結されてい
る。

第１図に示した筒状ケース１は、塩化ヴィニールなどの
硬質合成樹脂製の円筒体を所定寸法に裁断したうえ、底
端側開口に硬質合成樹脂製の底板10を嵌め込み、接着な
どにより気密シールする方法によって作成されている。

筒状ケース１の外周壁の下端近くには冷却水の入口とな
るチューブ８が、また上端近くには冷却水の出口となる
チューブ９がそれぞれ取付けられている。更に、筒状ケ
ース１の頂端部には、ケース１と同じ材質の円環状フラ
ンジ11を第１図に示されているように外嵌し、接着や熱
融着などの方法によって固着させている。

筒状ケース１の頂面側の開放筒端ａを気密に封止するた
めの蓋体２は、この筒端部に形成させたフランジ11と同
一の外径寸法もった円板体であって、筒状ケース１と同
じ合成樹脂または金属で作られている。

蓋体２の外周縁部には、適宜の間隔をへだてて、複数個
所にボルト12の挿通用ボルト孔2Aを設け、またフランジ
11には、このボルト孔2Aに対応する位置にボルト孔11A
を穿つと共に、蓋体２の気密封止用ガスケット17の装着
用溝を設けている。

円筒状ヘリカルチューブ３は、アルミニウムや銅などの
熱伝導の良好な金属で作られたチューブを第３図に描か
れているように螺旋状に曲げ加工して作成されている。
垂直に上方に立ち上がらせた両管端部のうちの一方は冷
媒入口3Aをなし、他方は冷媒出口3Bをなして、それぞれ
蓋体２に設けたチューブ挿通用穴2Bまたは2Cを貫いて筒
状ケース１の外に突出している。６と７は、このチュー
ブの挿通間隙を気密に封止すると共に、ヘリカルチュー
ブ３の両管端部を蓋体２に固定させるための、ユニオン
継手に類する構成を備えたチューブ固定用部材である。
また14と15は、ヘリカルチューブ３の両端部を冷凍装置
の冷媒循環用配管系に接続するためのユニオン継手のユ
ニオンナットである。

バッフル付中筒４は、第３図に示した如き形状が得られ
るように、ABS樹脂やポリプロピレン樹脂などを素材と
して、射出成形方法によって螺旋状バッフル５と一体成
形されている。第４図にその部分縦断面を示した。バッ
フル５には型抜きを可能にするためのくさび形断面形状
を与えている。

バッフル付中筒４の別の作成方法としては、第５図に描
かれているように、塩化ヴィニールなどで作られたパイ
プ４の外周面に、必要に応じて螺旋状溝ｂを設けたう
え、同じく塩化ヴィニールなどで作られて円周方向の１
箇所に切れ目ｃを設けた円環板5Aの複数個を、ねじり形
状を与えながら連続的に外嵌させ、一連の螺旋状バッフ
ル５を形成させ、第６図に示した完成品を作ることがで
きる。隣接円環板5Aの相互間と、円環板5Aと中筒４の接
触面とは、接着や熱融着法などによって接合させる。

バッフル付中筒４の上下両筒端には、この中筒を筒状ケ
ース１内で安定に固定させるための固定手段としてのフ
ランジ4Aと4Bを、中筒４に外嵌させるか、または中筒４
と一体をなして形成させている。筒状ケース１の蓋体２
と底板10の中心部には、それぞれこれらのフランジ4Aま
たは4Bを嵌合させるための浅いくぼみ部を設けるように
してもよい。中筒４は上述したようにバッフル５の中心
部に一体に設けられて、バッフル５を支持する支持部材
としての役割を果たすもので、第１図に図示してあるよ
うに筒状ケース１の底板10と蓋体２との間に着脱可能に
挟み込み固定されている。

筒状ケース１内にヘリカルチューブ３とバッフル付中筒
４とを、第１図に示されているように組込んだ状態のも
とでは、第１図の（イ）−（イ）断面図としての第２図
に見られるように、螺旋状バッフル５の外周円と筒状ケ
ース１の内周面との間に、ヘリカルチューブ３の両管端
の垂直立ち上がり部分3Aと3Bが位置することになる。従
ってこの内外両周面の間には、ヘリカルチューブ３の外
径に相当する厚みをもった円筒状空隙が残存されること
になるが、この空隙部分をそのまま放置したのでは、螺
旋状バッフル５の螺旋ピッチ間の間隙部相互間は上記の
空隙部を介して連通されてしまう。この状態のもとで
は、螺旋状バッフル５によって、螺旋状の冷却水流路
（第１流路）を形成することができなくなる。そこで、
この実施例では、上記の空隙部を円筒状スペーサ16で埋
める方法によって、筒状ケース１の軸方向に連なる螺旋
状の第１流路Ｂを形成している。円筒状スペーサ16は合
成樹脂や独立気泡構造を備えた発泡合成樹脂などで作ら
れており、必要に応じて２以上に分割して作成し、接着
剤などを用いて筒状ケース１の内壁面に固着させる。

第３図に描かれている筒状ケース1Aは、第１図に示した
筒状ケース１とは異なって、上記の円筒状スペーサ16を
不要化できる形状になっている。即ち、このケース1Aの
内径は螺旋状バッフル５の外径よりわずかに大きく設定
してあり、ヘリカルチューブ３の両管端立ち上がり部分
3Aと3Bとを筒状ケース１内に位置させるための膨出部1D
および1Eを、筒状ケース１の射出成形時に一体的に形成
させている。その際にフランジ11も同時成形することが
できる。

第７図は上記実施例に示した構造を備える２基の熱交換
器A1とA2を、それぞれ高温気相冷媒の液化用凝縮器と、
いけす（魚槽）60の水温低下用の水冷却器（冷媒蒸発
器）として使用する場合の、冷凍サイクルの模式的説明
図である。なお熱交換器A1とA2は共に、２重構造のヘリ
カルコイルを用いているので、２組の冷媒入口3Aと出口
3Bを備えている。

冷凍サイクルの全体構成は、気相冷媒を圧縮させる圧縮
機30の冷媒吐出口と吸入口との間を結ぶ、冷媒往路配管
31と帰路配管32に、上記の凝縮器A1と上記の水冷却器A2
を介在させている。

そして、凝縮器A1によって冷却液化された冷媒の一部
を、住居内の冷房目的にも使用できるように、水冷却器
A2への冷媒供給路に並列接続した冷媒配管に、冷風発生
用の蒸発器33を接続させている。

図中の他の符号は、21と22が熱交換器A1またはA2に設け
た、冷媒配管31または32の接続用継手部であり、23と24
は熱交換器A1またはA2の据付け基台とブラケットであ
る。51は熱交換器A1に冷却水を送る送水パイプ、52と62
は水濾過器、53と63は水汲上げポンプ、54は温水戻しパ
イプ、61は被冷却水の汲上げパイプ、64は冷却水の戻し
パイプ、そして40は圧縮機30の駆動用エンジンである。

次に、上記実施例の作動を説明する。

第７図において、エンジン40を駆動させることによっ
て、圧縮機30を働かせ、冷媒帰路配管32内を流れる気化
冷媒をこの圧縮機に吸入し、高温・高圧状態に圧縮した
うえ、吐出口から冷媒往路配管31に吐出する。

凝縮器A1に冷媒入口3Aから流入した高温気相冷媒は、第
１図によって理解されるように、ヘリカルチューブ３内
に形成される第２流路を通過し冷媒出口3Bに向かう。一
方、冷却水は筒状ケース１内の冷却水入口チューブ８か
らこのケース内に流入し、螺旋状バッフル５によって区
画形成される螺旋状の第１流路Ｂを通過して出口チュー
ブ９に向かう。この間に、気相冷媒は冷却水と熱交換し
て冷却液化される。

筒状ケース１内には既述の如く、ヘリカルチューブ３の
螺旋形状に沿わせるようにして、螺旋状の第１流路Ｂが
バッフル５によって区画形成されているので、ヘリカル
チューブ３内と螺旋状第１流路Ｂ内とをそれぞれ通過す
る冷媒と冷却水とは、共にほぼ同一の流路延長長さを有
する流路を、チューブ３の管壁を介して互いに接触を保
ちながら且つ水流の旋回に伴って生ずる乱流を伴いなが
ら流れることに加え、冷媒と冷却水の流れが対向流とな
って、熱交換の全領域で両者の温度差を十分とることが
でき、その結果冒頭に述べた２重管式熱交換器と同等の
高熱交換性能を発揮し、極めて効率的に気相冷媒を液化
させる。

液化した冷媒の一部は水冷却器A2に送られて、その入口
部に設けてある膨張弁（図示略）を通過する間に気液２
相状態に減圧されたうえ、ヘリカルチューブ３に流入す
る。筒状ケース１の冷却水入口チューブ８にはポンプ63
によって、いけす60から汲上げられた被冷却水が流入し
て来るので、冷媒はこの被冷却水から気化の潜熱を奪っ
てこれを冷却すると共に自身は気相冷媒に戻り、帰路配
管32を経て圧縮機30に吸入され再圧縮される。冷却され
た水は戻しパイプ64を経ていけす60に戻された後、反復
して筒状ケース１内に送り込まれる。

凝縮器A1から排出された液化冷媒の残りの部分は、冷風
発生用熱交換器としての蒸発器33に供給され、送風機
（図示略）によってこの蒸発器33に吹きつけられる空気
から気化の潜熱を奪って冷風を生じさせ、自身は気相に
戻って圧縮機30に再吸入される。

凝縮器A1および水冷却器A2を構成する筒状ケース１の内
部には、時の経過と共に冷却水中に含まれている不純物
や微生物などが次第に付着して滞積して来るので、その
熱交換性能は経時的に低下する。

その場合にこれらの付着物を取り除くための汚れ落とし
作業は、従来のシェル・アンドコイル型熱交換器と同様
にすこぶる簡単迅速に行うことができる。

即ち、蓋体２を筒状ケース１の上端開放筒端ａに押圧固
定させているボルト12とナット13の締結を解くことによ
って、ヘリカルチューブ３は蓋体２に固定された状態の
ままで、筒状ケース１内から抜き取られる。次いで、ヘ
リカルチューブ３の中空部およびチューブのピッチ間隙
部に挟み込まれた状態にある、バッフル付中筒４の下端
部をもってねじりながら引っぱると、このバッフル付中
筒４も容易迅速にヘリカルチューブ３から抜き取ること
ができる。

従って、これらの分解された各部品に付着している異物
を取り除く作業は、極く手早くまた確実に行える。掃除
し終った各部品は分解時とは逆の手順によって極く短時
間で再組立できる。

本発明による熱交換の構造を特徴付ける、熱交換性能向
上用のバッフル付中筒４の効力を確認するために、この
バッフル付中筒４を有しない点を除いて第１図の熱交換
器と同一の構造と寸法を備えた、従来のシェル・アンド
コイル型の熱交換器と、第１図の熱交換器の性能を比較
した、一連の実験のデータの一部を第８図と第９図にグ
ラフ化して示した。

実験は、これらの熱交換器を第７図の冷凍サイクルの凝
縮器A1として用い、同一の冷凍サイクル運転条件のもと
に行った。図中の実線グラフは本発明の、また一点鎖線
グラフは従来の熱交換器のそれぞれ特性を示す。

筒状ケース１内を流れる冷却水の流量を増大させる程、
両熱交換器の熱伝達率αｗの値の開きは拡大し、冷却水
流量が30l/minの時には、実施例熱交換器のαｗは従来
熱交換器に較べて約75％も高められることが第８図のグ
ラフから読み取れる。

また冷却水の流量が20〜40l/minの範囲では実施例熱交
換器の熱交換能力Qwは、従来型のそれに較べて10％近く
向上することが第９図から読み取れる。

上記実施例は、冷凍装置に使われる冷媒を冷却水を用い
て冷やす方法について説明しているが、第２の熱交換流
体としては冷媒以外の様々な流体を用いることができる
し、場合によっては、第１の熱交換流体として水以外の
流体を選ぶことも可能である。

また、筒状ケースやヘリカルチューブの形状・構造、そ
して蓋体の着脱手段や、ヘリカルチューブの管端部固定
手段などでは、その一例を示したにとどまるものであっ
て、必要に応じて適宜に設計変更しても本発明の目的は
達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はいずれも本発明による一実施例の熱交
換器を示しており、第１図は縦断面図、第２図は第１図
の（イ）−（イ）断面図、第３図は分解図、そして第４
図はバッフル付中筒の部分縦断面図である。 第５図と第６図は、バッフル付中筒の別の構造例を示し
た、それぞれ分解図と組立図である。 第７図は２基の上記熱交換器を、その一台は冷媒凝縮器
として、他の一台をいけす（魚槽）内の水を冷やすため
の水冷却器（蒸発器）として、一つの冷凍サイクル内に
組み込んで用いる使用事例を示したサイクル図である。 第８図と第９図は、本発明による熱交換器の組付構造と
従来のそれとの性能を比較した実験のデータグラフであ
る。 図中、１……筒状ケース,2……蓋体,3……ヘリカルチュ
ーブ,3A,3B……第２の熱交換流体の入口と出口,4……バ
ッフル付中筒,5……螺旋状バッフル,6,7……固定手段,
8,9……第１の熱交換流体の入口と出口,12,13……着脱
手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭60−132573（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−132574（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−158971（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−83676（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−10572（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭44−2376（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭62−1577（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ） 着脱可能な蓋体を有する気密な筒
   状ケースと、 （ｂ） この筒状ケース内に配設され、この筒状ケース
   の軸方向に螺旋状に連なる第１通路を筒状ケース内周と
   の間に区画形成する螺旋状バッフルと、 （ｃ） この螺旋状バッフルの中心部に一体に設けら
   れ、前記筒状ケースの底板と前記蓋体との間に着脱可能
   に挟み込み固定された支持部材と、 （ｄ） 前記筒状ケースの一端側に配設され、前記第１
   流路に第１の熱交換流体を導入する第１の入口と、 （ｅ） 前記筒状ケースの他端側に配設され、前記第１
   流路から第１の熱交換流体を導出する第１の出口と、 （ｆ） 前記螺旋状の第１流路内に一重巻き状態で配設
   され、内部に第２の熱交換流体が流れる第２流路を形成
   するヘリカルチューブと、 （ｇ） このヘリカルチューブの一端側であって前記蓋
   体に配設され、前記第２流路に第２の熱交換流体を導入
   する第２の入口と、 （ｈ） 前記ヘリカルチューブの他端側であって前記蓋
   体に配設され、前記第２流路から第２の熱交換流体を導
   出する第２の出口とを備え、 （ｉ） 前記第１の入口及び出口と、前記第２の入口及
   び出口とを前記第１の熱交換流体の流れと前記第２の熱
   交換流体の流れとが対向流となるように配設し、 （ｊ） 前記螺旋状バッフルと前記ヘリカルチューブと
   をねじ込み式にて着脱可能に組み付けたことを特徴とす
   る熱交換器の組付構造。