JPS6152395B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱交換器又は例えば冷却器のような
他の型式のエネルギー回収装置に関し、比較的簡
単な構成部材から形成された低価格のユニツトに
よつて製作並びに使用の両面においてエネルギー
節約がなされるエネルギー回収装置に関する。

一方の流体が管胴（シエル）の壁部に沿つて流
れ他方流体がシエルと熱交換関係におかれるよう
に構成されたユニツトから成り、一組の流体間で
熱交換を行なわせる多種類の装置が知られてい
る。この種の構造体の一例は米国特許第1694370
号明細書に示されており、この先行特許明細書に
記載された構造体の内部では、一連の鉛直チユー
ブの内側管壁に沿つて一つの流体が流れており壁
の外面に沿つて鉛直方向下向きにもう一つの流体
が流下している。この装置は多くの構造上及び作
動上の欠点を有する。装置の主閉鎖に関する要求
に合致する構造にするために費用が嵩み、流体空
間を分離保持するための密封面が大きくなつてし
まう。更に、両流体を平行に流しているから、両
流体を交差させ或いは逆方向に流すことによつて
得られる熱交換によるほど高い熱交換効率が得ら
れない。

米国特許第3502140号明細書は、２種の液体間
の熱交換器であつて、流れ落ちる液体フイルムを
得るために比較的複雑な構造を有し、更に構造物
の基本閉鎖体を必要とする熱交換器を開示してい
る。

本発明の目的は、比較的簡単に製作でき、熱交
換率が高く、かつ安全性も高い熱交換器を提供す
ることにある。

より詳細には、本発明による熱交換器は、流体
を受容する主たる管胴部（シエル）を持ち、構造
が簡単で管胴部と熱交換関係にある囲繞流体通路
を持つ熱交換器である。囲繞流体通路の外側に絶
縁物を塗布するだけでユニツトを熱絶縁すること
ができ、適切な熱絶縁材料を塗布すれば熱損失を
実質的になくすことができる。熱絶縁すべき面が
単純で規則的な形状でありしかも小面積であるか
ら熱絶縁に要する費用は最小限であり、熱効率を
最大にすることができる。

より詳細には、シエルは例えば標準パイプ又は
特定の操作に必要な寸法の配管のような管状部材
から構成することができ、パイプと熱交換を行な
う流体はパイプの周囲に密着して付設されるよう
予め成形された流体通路を通つて流れ、例えば市
販されている酸化アルミニウムを含有するシリコ
ーン又はグリースのような有用な熱伝導促進媒体
をパイプと流体通路の間に配設することもでき
る。簡単な構造の隔壁部材をパイプ内部に挿入し
て上部隔室と下部隔室に分割し、流体接続部によ
つて流体を上部隔室に供給する。隔壁部材の縁部
に沿つて通路が設けられており、これにより流体
はシエル壁部の内側を流れながら上部隔室から下
部隔室に流入することができる。隔壁部材は、直
径の大きなパイプの長手方向切片の形状のもので
あり、対向両縁部に切込みが設けられていてこの
切り込みがシエルに嵌め込まれて上部隔室と下部
隔室とを形成している。

本明細書に開示する構造体を使用して、媒体の
加熱又は冷却の何れの目的のために熱交換を行な
わせることができ、外殻の内部にある媒体の熱交
換を目的として熱交換を行なわせることもでき、
外殻の周囲に配設した流体容器の内部にある媒体
の熱交換を目的とした熱交換を行なわせることも
できる。

夫々の流体が向流と交差流とを組み合わせた関
係で流れるから、本発明による熱交換器の熱交換
効率は高い。流体はシエルの全長にわたつてシエ
ル壁部を流下するから、シエル内部の温度を均一
に保つことができ、その結果、他の因子が等しい
場合には熱交換面積が等しい他の型式の熱交換器
と比較したとき、囲繞流体収容部材の内部の流体
の冷却に要する時間は最小限になる。

本発明による熱交換器の第一の応用例は、本発
明者の先行特許である米国特許第3661200号明細
書に記載されている吸収冷却装置及び空調装置に
おける冷却器としての使用である。前記特許明細
書に開示された水冷却器においては、液体アンモ
ニア及びヘリウム・ガスを冷却器に送り込み、空
調装置内部で使用される代表的な不凍溶液である
エチレングリコール／水のような液体を冷却す
る。

冷却器の内部では、液体アンモニアが蒸発し、
冷却器の一端部に供給されている蒸発したアンモ
ニアより暖いヘリウムと合流し、ヘリウムと混じ
り合つたアンモニアの冷い蒸気が冷却器の反対側
端部から流出する。本明細書に開示する構造体を
使用すれば、ユニツト全体を通じる圧力降下を少
なくし、効率の高いエネルギー節減ユニツトをつ
くることができる。装置内に存在するより高圧の
冷却媒圧力はシエル内部に封じ込められ、従つ
て、冷却されるべき液体（エチレングリコール溶
液）を収容する管部材は構造強度が高いものであ
る必要はない。本発明による構造体を水平方向に
置いて使用すれば、３種の流体を処理することが
でき、そのうちの２種の流体はシエル内部で実際
上逆方向に流すことができる。

本明細書に開示する熱交換器は多くの異なる装
置で用いることができる。例えば、数個の熱交換
ユニツトを１列又は水平方向に離間させた２列以
上の列状に配置し、水平に置き、列状に置かれた
ユニツトが互いに他のユニツトの直ぐ上に置かれ
るように配置することもできる。列内のユニツト
間の鉛直方向間隔は、シエルの直径のほぼ半分で
ある。液状冷却媒を各水平ユニツトの上部隔室に
導入する。冷却器に応用した場合について既述し
たと同様に、冷却媒はシエルの上部隔室の全長を
水平方向に流れて、シエル壁部の内部を通つて下
部隔室に流下する。水平に置かれた熱交換ユニツ
トの長手方向軸に対して直角に流れるより高温の
流体からシエル壁部を介して熱交換を受けて、冷
却媒は下部隔室の全長にわたつて蒸発する。より
高温の流体の流れはダクトのような所定形状に成
形された収納流体通路を通つて流れるわけである
が、前記通路の境界は熱交換器ユニツトの水平方
向長さの両端部と最下部に配置された熱交換ユニ
ツトの底部から最上部に配置された熱交換ユニツ
トの上部に至る区域である。本明細書に開示する
熱交換ユニツトの効率が高いので、各熱交換ユニ
ツトの長手方向軸に対して直角に流れる高温度の
流体（空気）との熱交換によつてシエルの下部隔
室内部で冷却媒体が蒸発する代表的な空調設備へ
応用した場合における熱交換ユニツトの列数を最
小限の数におさえることができる。

第１図に熱交換器Ｈを図示してあるが、適当な
長さのパイプ又は管から形成されたシエル１０
は、各端部の一方に夫々付着され固定され且つ中
央開口部を有する一対の端部閉鎖体１１及び１２
と、端部閉鎖体から突き出てシエル１０の内部に
ある下部隔室と連通する流路を形成する管状部材
１４及び１５とを有する。隔壁部材２０がシエル
の長手方向に延びていて、シエルの内部で下部隔
室２１と上部隔室２６とを形成しており、下部隔
室が容積の大部分を占めている。所望する液体又
は気体の流れを受容し状態変化を可能とする容積
が与えられる寸法のシエルを選ぶ。一例を挙げれ
ば、シエル１０を形成するパイプとして直径
10.16cm（４インチ）のパイプを選び、例えば直
径15.24cm（６インチ）のパイプのような直径の
大きなパイプの長手方向切片から成る隔壁部材２
０を使用し、この切片をシエル内部に挿入して端
部閉鎖体１１及び１２を付着する前にシエル壁部
の内側に固定する。

流体口部２５が隔壁部材の上方の上部隔室２６
と連通していて、流体を上部隔室に送入すること
ができる。この流体は、隔壁の両エツジ部分に沿
つて設けられていて流体が重力によつて下部隔室
内に流下できる流路を形成している切込み又は通
路２７によつて、シエルの全長にわたつてシエル
壁部の内側全体に沿つて流下する。

シエルの下部隔室の内部の流体は端部閉鎖体１
１及び１２の何れかの開口部を通つて放出され
る。

流体収容手段がシエルと熱交換を行なうような
関係でシエルと組み合わされており、この流体収
容手段の一例を第１図乃至第２図に流体導管の形
で示してある。この流体導管は、螺線形に密着さ
せて焼き着けられた市販されているほぼ正方形の
管３０である。適宜な長さの上記導管をシエル１
０の外壁上に滑り入れ、所望する場合には、市販
されている酸化アルミニウムを含有するグリース
又はシリコーンのような熱交換促進媒体を導管部
材とシエルの中間に配設してもよい。螺線形に捲
かれた導管部材の対向両端部には、流体通路と接
続する取付部３１及び３２のような取付部材があ
る。

図示しなかつたが、流体導管部材とシエルの外
壁に絶縁物を塗布することによりユニツトの効率
を更に高めることができ、ユニツトの全体の形状
が円筒形であるから熱絶縁の塗布を簡単に行なう
ことができる。

開示した構造の場合、市販されているパイプ又
は管と、市販されている予め捲かれた流体導管部
材といつた簡単な構成部材を使用した簡単なユニ
ツトをつくることができる。構成部材が基本的に
簡単な構造であるため、製作に要するエネルギー
の上から言つて本発明による構造体はエネルギー
節約のできるものである。

使用材料に要するコスト及び操業コストの両面
からユニツトのコストは低く、ユニツト全体につ
いての圧力損失が小さく基本的には向流作動であ
るために熱交換効率が高くシエル内部の温度を一
定にできるから操業コストが低下するわけであ
る。

本発明によるユニツトを冷却器として使用する
場合には、流体口部２５を介して上部隔室２６に
送られる流体として液体アンモニア及びヘリウム
を用いる。この流体は、隔壁部材２０の対向両縁
部に設けられた孔部２７を通つて流下することに
より、シエルの内壁に沿つてシエル全長にわたつ
て下向きに流下させられる。液体アンモニアは下
部隔室内においてアンモニア蒸気に変態し、この
アンモニア蒸気とヘリウムは閉鎖体１２及び管状
部材１５を通つて自由に外部に出ることができ
る。同時に、より高温度のヘリウム・ガスが端部
閉鎖体１１を通つて下部隔室に入る。シエルの全
長に沿つて上部隔室から流下する流体の流れが均
一であるから、シエルの内部におけるシエルの全
長にわたる温度が実質的に均一になるという結果
が得られる。例えば前述した本発明者による米国
特許第3661200号明細書に記載の空調装置の一部
分として使用できる流体導管部材３０の内部に収
容されたエチレングリコールと水との溶液のよう
な流体内部の温度をシエルを介する熱交換によつ
て下げる。シエル内部において液体アンモニアを
完全に蒸発させるために、端部閉鎖体１１及び１
２に環状区画を設けることにより、シエルの対向
両端部に液体ダムをつくる。これらの液体ダム
は、アンモニアが完全に蒸発するまで液状のアン
モニアを保持する。冷却器として使用する場合に
は、２種の流体をシエル内部において事実上逆方
向に流し、第三の流体はシエルを囲繞している流
体導管部材３０の内部を移動する。

第１図乃至第３図の実施例は、螺線形に捲きつ
けられた長方形の管を外部流体管として使用した
例である。外部流体管として、別の構造を利用す
ることもできる。流体管区間５１を持ち、シート
形であつてシエル１０の周囲に捲きつく形状にす
ることができる市販されている流体導管部を持つ
成形プレートを第４図に示す。例えば、シエルの
周囲に付着させることができ相互に接続して第１
図に示したとほぼ同様の流体流路を得ることがで
きる曲りくねつた流体流路を形成する流体導管又
は半円筒形の螺線形に捲きつけられた管区間対を
持つ成形プレートのような更に別の構造を利用す
ることができる。

開示した熱交換器は、市販されているパイプ又
は管から成形できるシエルを有しシエエル周囲に
良好な熱交換関係をなすよう流体管部材が配設さ
れている点で極めて簡単な構造であり、流体管部
材は市販されており構造体に簡単に熱絶縁を行な
つて作動効率を更に高めることもできる。

熱交換器のもう一つの応用例はコンデンサーと
しての使用であり、その場合にはユニツトを第３
図に示す向きから180゜回転させる。冷い流体が
流体収容部材を通つて流れ、端部からシエルに流
入した蒸気は凝縮して流体口部２５から流出す
る。

熱交換器を代表的な空調装置に応用した例を第
５図に示す。数個の熱交換ユニツトＨを水平向き
に鉛直列に並べ、各ユニツトを互いに列内の他の
ユニツトの直ぐ上に位置させる。列内の各ユニツ
ト間の間隔は、シエル１０の直径の約半分にして
ある。口部２５に接続されたパイプ６０を介し
て、水平に配向させた各ユニツトの上部隔室に液
状の冷媒を導入する。冷媒はシエルの上部隔室の
全長を水平に流れ、冷却器に応用した場合につい
て既述したと同様に、シエル壁部の内側を下部隔
室に向かつて流下する。例えば矢印Ａで示すよう
に、水平に配設された熱交換器ユニツトの長手方
向軸に対して直角に流れる空気のような暖い流体
とのシエルを介する熱交換によつて冷媒は下部隔
室の全長区間において蒸発する。空気流は例えば
ダクト６１のような一定形状の収納流体路を通つ
て流れ、この流体路の境界は、熱交換ユニツトの
水平方向延長部の両端部に隣接する側壁６２及び
６３と、最下部の熱交換ユニツトの底部から最上
部の熱交換ユニツトの上部に至る空間に張り渡さ
れている上壁６４及び底部壁６５とによつて画成
されている。蒸発した冷媒は管状部材１５を通つ
て各熱交換器ユニツトから出てゆき、管状部材１
４は閉じている。本明細書に開示する熱交換器ユ
ニツトの効率が高いので、熱交換ユニツトＨの長
手方向軸に対して直角に流れる暖い流体（空気）
からの熱交換によつてシエルの下部隔室の内部で
冷媒が蒸発する一般的な空調装置に応用する場合
において鉛直列に配置する熱交換ユニツトの数を
最小限の数にできる。

以上詳細に説明したように、本発明は、細長い
シエルを上部隔室と下部隔室とに分けるために隔
壁を設け、シエルの両端に閉鎖体を設け、シエル
の周囲に導管部材を配置するように構成したの
で、従来技術と比較して容易に製作でき、また隔
壁に通路を設けてシエル内部表面の全長にわたつ
て上部隔室から下部隔室へ流体が流れるように構
成したので、シエル内部の温度を一定にし、かつ
熱交換効率を高くでき、さらにまた、シエルと導
管部材により二重壁構造となるので、安全性を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱交換器の斜視図である。第２図
は、第１図の２−２線に沿つて切断した鉛直方向
断面図であり、一部分を切欠して示す拡大図であ
る。第３図は、第２図の３−３線に沿つて切断し
た断面図であり、更に拡大して示してある。第４
図は、市販されている成形プレートによる管成形
流体管部材の変形例の部分平面図である。第５図
は、熱交換器を使用した空調装置の一部分を示す
斜視図である。 Ｈ……熱交換器、１０……シエル、１１，１２
……端部閉鎖体、１４，１５……管状部材、２０
……隔壁部材、２１……下部隔室、２５……流体
口部、２６……上部隔室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水平に配設された細長いシエルと、前記シエ
   ルの内部でシエルの長手方向に延びてシエル内部
   で上部隔室と下部隔室とを形成する隔壁と、少な
   くとも一方が前記シエルの両隔室の一方と連通す
   る流路を持つ両端部閉鎖体と、前記端部閉鎖体の
   他方と連通する流体口部と、シエルの内部表面の
   全長にわたつて上部隔室から下部隔室へ第１流体
   を重力によつて流すことを許容するための隔壁に
   設けられた通路と、実質的にシエルの全長にわた
   つてシエル外壁を実質的に囲繞して前記シエルの
   壁と熱交換関係に保ちつつ第２流体を導管部材に
   入れ且つシエルの内部と導管部材の内部との間に
   二重壁構造を形成する壁をシエルに隣接して有す
   る流体収容部材とから成ることを特徴とする熱交
   換器。