(57)【要約】  【課題】  冷凍システムにおけるガス冷却器としての使用に特に適しており、かつ、飲用水のような液体を加熱するために冷却されているガス流から排除される熱を利用する新規でかつ改良された熱交換器を提供する。  【解決手段】  改良された本熱交換器は、ほぼ円形断面の第１の管（１０）を含み、該管（１０）は、比較的大きい内径を有し、かつ両端部（１２、１４）が互いに近接するＵ字形である。第２の管（３０）は、第１の管（１０）の断面に対し相対的に小さい断面と、両端部（３２、３４）間の螺旋状の区域（３６）とを有し、第１の管（１０）内に配置される。第２の管（３０）はまた、第１の管（１０）の両端部（１２、１４）においてキャップ（４４）を通って延長し、ヘッダー（３８、４０）に受け入れられる。第１の管(１０)はヘッダー(２６、２８)を貫き、該ヘッダーと整列されて該ヘッダー内部と流体連通する開口(２２、２４)を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
ほぼ円形断面で、比較的大径の内径を有する第１の管であって、ほぼＵ字形で両端部が互いに近接する第１の管と、
前記比較的大径に対して比較的小径な円形断面を有し、両端部のある第２の管であって、該両端部間が、ほぼ前記比較的大径の外径もしくは該比較的大径よりも小さい外径を有する螺旋状構造体である第２の管とを備え、
前記第２の管の螺旋状構造体は、第１の管内に設けられ、第２の管の両端部は第１の管の両端部の外へと伸長し、
当該熱交換器は、
第１の管の各両端部付近で第１の管によって貫かれ、かつ第１の管に対し封止される中空ヘッダーと、
対応する一つの前記ヘッダーと位置合わせされて流体連通する、第１の管における各両端部付近の口と、
第１の管の各両端部上で該管に封止されるキャップと、
第２の管の両端部の対応する一つを受け入れ、かつ、該両端部の対応する一つが前記キャップを越えて伸長することを許容するように寸法が決められた、各キャップの開口とを備え、
前記キャップと第２の管の両端部の各対応する一つとは、対応する前記開口において互いに封止される熱交換器。
【請求項２】
前記螺旋状構造体の外径は、第１の管の内径と接する請求項１の熱交換器。
【請求項３】
前記各ヘッダーは、第１の管の外径よりも内径が大きい管である請求項２の熱交換器。
【請求項４】
前記各ヘッダーは、第１の管の外径よりも内径が大きい管である請求項１の熱交換器。
【請求項５】
前記キャップは、第１の管の両端部の関連するものに封止される周囲円筒フランジによって囲まれる平坦な円形壁を有し、前記開口は、該平坦な円形壁に設けられる請求項１の熱交換器。
【請求項６】
前記各フランジは、第１の管の内側壁と接して該内側壁に対し封止する請求項５の熱交換器。
【請求項７】
前記各フランジは、第１の管の外側壁と接して該外側壁に対し封止する請求項５の熱交換器。
【請求項８】
前記螺旋状構造体の回旋は、互いに離隔させられる請求項１の熱交換器。
【請求項９】
前記螺旋状構造体の回旋は、互いに隣接させられる請求項１の熱交換器。
【請求項１０】
熱交換器であって、
ほぼ円形断面で、比較的大径の内径を有する第１の管であって、両端部と両端部間の少なくとも一つのＵ字形の曲がりとを有する第１の管と、
前記比較的大径に対して比較的小径な円形断面を有し、両端部のある第２の管であって、該両端部間が、ほぼ前記比較的大径の外径もしくは該比較的大径よりも小さい外径を有する螺旋状構造体である第２の管とを備え、
前記第２の管の螺旋状構造体は、第１の管内に設けられ、第２の管の両端部は第１の管の両端部の外へと伸長し、
当該熱交換器は、
第１の管の各両端部付近で第１の管によって貫かれ、かつ第１の管に対し封止される中空ヘッダーと、
対応する一つの前記ヘッダーと位置合わせされて流体連通する、第１の管における各両端部付近の口と、
第１の管の各両端部上で該管に封止されるキャップと、
第２の管の両端部の対応する一つを受け入れ、かつ、該両端部の対応する一つが前記キャップを越えて伸長することを許容するように寸法が決められた、各キャップの開口とを備え、
前記キャップと第２の管の両端部の各対応する一つとは、対応する前記開口において互いに封止される熱交換器。
【請求項１１】
前記螺旋状構造体の外径は、第１の管の内径と接する請求項１０の熱交換器。
【請求項１２】
前記各ヘッダーは、第１の管の外径よりも内径が大きい管である請求項１１の熱交換器。
【請求項１３】
前記各ヘッダーは、第１の管の外径よりも内径が大きい管である請求項１０の熱交換器。
【請求項１４】
前記キャップは、第１の管の両端部の関連するものに封止される周囲円筒フランジによって囲まれる平坦な円形壁を有し、前記開口は、該平坦な円形壁に設けられる請求項１０の熱交換器。
【請求項１５】
前記各フランジは、第１の管の内側壁と接して該内側壁に対し封止する請求項１４の熱交換器。
【請求項１６】
前記各フランジは、第１の管の外側壁と接して該外側壁に対し封止する請求項１４の熱交換器。
【請求項１７】
前記螺旋状構造体の回旋は、互いに離隔させられる請求項１０の熱交換器。
【請求項１８】
前記螺旋状構造体の回旋は、互いに隣接させられる請求項１０の熱交換器。
【請求項１９】
前記第１の管は、両端部間に少なくとも二つのＵ字形の曲がりを有する請求項１０の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に熱交換器に関し、更に詳しくは、水加熱器（湯沸かし器）もしくはガス冷却器として役立ち得る熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
オゾン層及び／又は地球温暖化の問題は、種々の冷凍システムに用いられる冷媒の性質にかなりの関心を集めている。いくつかのそのようなシステム、特に、車両用空調システムに一般的に見られるような封止された圧縮機ユニットを有していないシステムは、冷媒が漏れがちである。例えば、旧冷媒、例えばＨＦＣ１２は、オゾン層の枯渇をもたらすと考えられる一方、多くの代替物、例えばＨＣＦＣ１３４ａは、いわゆる「温室効果」従って地球温暖化に寄与すると思われる。
【０００３】
その結果、二酸化炭素のような超臨界（transcritical）冷媒を用いる冷凍システムを開発するため、多大な取り組みが現在進行中である。二酸化炭素は、大気中に豊富に存在し、慣用技術で大気から獲得され得、そして、そのようなシステムにおいて冷媒として用いられ得る。万一該システムがＣＯ2冷媒を漏らしたとしても、ＣＯ2は元々大気から得られたものであるから、大気中での冷媒の純増加は全くなく、従って、漏洩の結果として環境被害が拡大することはない。
【０００４】
ＣＯ2システムのような超臨界冷凍システムは、比較的高圧で動作し、慣用の蒸気圧縮冷凍システムにおける凝縮器の代わりに、該冷媒のためのガス冷却器を必要とする。
【０００５】
ガス冷却器から排除された熱は、種々の有用な目的に使用され得、そのような利用の一つは居住用、商業用もしくは工業用の使用のために飲用水（飲料水）を加熱することである。本発明は、主に、水加熱器とガス冷却器の組合せを提供することに向けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
新規でかつ改良された熱交換器を提供することが本発明の主目的である。更に詳しくは、冷凍システムにおけるガス冷却器としての使用に特に適しており、かつ、飲用水のような液体を加熱するために冷却されているガス流から排除される熱を利用する新規でかつ改良された熱交換器を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の模範的な実施形態は、比較的大きい内径を有するほぼ円形断面の第１の管を含む熱交換器において上述した目的を達成する。第１の管は、ほぼＵ字形状であり、両端部が互いに近接する。第１の管の比較的大きい断面に対して比較的小さい円形断面を有する第２の管が設けられ、該第２の管は両端部を有する。両端部間の中間において、第２の管は、螺旋状構造（螺旋状構造体）であり、該構造は、第１の管の比較的大きい内径とほぼ同じ直径の外径を有する。螺旋状構造の回旋（渦巻き）は、互いに間隔をあけられるか、もしくは互いに接することができ、また、第２の管は第２の管内に配置され、第２の管の両端部は、第１の管の両端部から外へと延在する。中空ヘッダーは、第１の管の各両端部の近くで該管に貫かれ、かつ該管に対しシールされる。第１の管の口が両端部の近くにあり、対応する一のヘッダーと整列されて流体連通する。キャップは、第１の管の各端部に配置され、該端部にシールされる。各キャップの開口は、第２の管の両端部のうちの対応する一がキャップを越えて延長することを許容するため、該対応する一の端部を受け入れるように寸法が決定される。キャップ、及び、第２の管の両端部のうちの各対応する一つは、対応する開口において互いにシールされる。
【０００８】
一形態において、第１の管は両端部を有すると共に、両端部間に少なくとも一つのＵ字形の曲がり（湾曲部）を有する。更なる形態において、第１の管は、両端部間に少なくとも二つのＵ字形の曲がりを有する。
【０００９】
好ましい実施形態において、第１の管の螺旋状構造は、第１の管の内径に接するような外径を有する。
【００１０】
好ましくは、各ヘッダーは、第１の管の外径よりも大きな内径の管である。
【００１１】
好ましい実施形態において、各キャップは、周囲円筒フランジで囲まれ、かつ関連する第１の管の端部にシールされる平坦な円形壁を有し、また、開口が該平坦円形壁に設けられる。
【００１２】
本発明の一の実施形態において、キャップの各フランジは、第１の管の内壁と接して該内壁に対しシールする一方、別の実施形態において、そのような各フランジは、第１の管の外壁に接して該外壁に対しシールする。
【００１３】
他の目的及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、ＣＯ2のような超臨界（transcritical）冷媒を使用する冷凍システムの環境下で有益であるとして記載される。しかし、当然のことながら、該熱交換器は、冷凍（冷却）及び／又は水加熱を伴わない他の熱交換用途に使用され得、また、通常の冷媒及び／又は非超臨界冷媒を用いる冷凍システムでの利用法を見出し得る。従って、超臨界冷凍システムにおける水加熱器（湯沸かし器）／ガス冷却器に対する限定は、特許請求の範囲に明確に記載される範囲を除き、全く企図していない。
【００１５】
上記を念頭において、特にガス冷却器／水加熱器としての使用に適した、本発明に従ってなされた熱交換器の模範的な実施形態が記載される。図１を参照して、全体的に１０で示される細長いＵ字形の管は、両端部１２及び１４を有し、該両端部は、曲がりすなわち湾曲区域１６が管１０の両端部１２及び１４間のほぼ中間に設けられた結果、互いに隣接する状態にされる。管１０は、断面がほぼ円形であり、曲がり１６なしで形成されたなら円筒形状である。好ましくは、管１０は、銅もしくはステンレス鋼のような金属から製造されるが、ある場合、非金属材料を含む他の材料も管１０の形成に使用され得る。
【００１６】
管１０は、内側壁（内側面）１８及び外側壁（外側面）２０を有し、内側壁１８の直径は外側壁２０と同程度に比較的大きい。
【００１７】
管１０には、両端部１２及び１４付近に入口開口２２、出口開口２４がそれぞれ設けられる。管状ヘッダー２６及び２８は、開口２２、２４と位置合わせされ、かつ管１０の外側壁２０に対し封止されるように、端部１２及び１４それぞれによって貫かれる。ヘッダー２６、２８は、好ましくは、断面がほぼ円形で管１０の外側壁２０の外径よりも直径が大きい管であることが確認される。
【００１８】
管１０内には、全体的に３０で示される第２の管が収容され、第２の管３０は、断面円形で、第１の管１０の直径に比べて相対的に小さい直径を有する。第２の管３０は、両端部３２、３４を有し、その両端部間に管３０は螺旋状の回旋（渦巻き）３６を有する。ある用途では、回旋３６は、図１に示されるように互いに離隔させられることが有利であり得るが、他の用途では、回旋３６は、図５に示されるように互いに隣接させられることが有利であり得る。好ましい実施形態において、回旋３６を形成する螺旋の直径は、管１０の内径と本質的に同一であり、そのため、管３０の回旋３６は、管１０の内側壁１８と接触するであろう。しかしながら、そのような事情のため、また多くの例において、回旋３６の外径は、管１０の内側壁１８の直径よりも相当小さくなる必要はない。
【００１９】
第２の管３０の両端部３２、３４は、図１の左手側から理解され得るように、比較的まっすぐであり、第１の管１０の両端部１２、１４を越えて伸長し、管状ヘッダー３８、４０内で終わる。
【００２０】
この目的のため、ヘッダー３８及び４０は４２において開口し、すなわち、第２の管３０の端部３２、３４の外径とほぼ同径の円形穴４２が設けられている。開口４２におけるヘッダー３８、４０と端部３２、３４との境界面は封止される。
【００２１】
通常、第２の管３０は、銅もしくはステンレス鋼のような金属から製造され、また、管３０が製造される材料を考慮して、冷凍システム、特に超臨界冷凍システムにおいて重要であり得る運転作業圧に耐えるのに十分な肉厚を有する。管３０を形成するための材料としての金属の使用は、その熱伝導率がプラスチックのような他の材料より大きいので好ましい。
【００２２】
第１の管１０に戻り、管１０の両端部１２及び１４にはキャップ４４が被せられる。キャップ４４は、第２の管３０の端部３２、３４が通りかつ封止される中央開口４６を含む。
【００２３】
典型的なキャップ４４が図３の斜視図で示され、キャップ４４は、上記中央開口が設置され、かつ周囲円筒フランジ５０によって囲まれる平坦な円形ベース４８を有することが分かる。一実施形態において、キャップ４４は、第１の管１０の外側面２０上にはまり、かつ該面に対し封止するように適合される。この場合、各キャップ４４の内側面５２は、管１０の外径、すなわち管１０の壁の外側面２０の直径に等しい直径を有する。この種の配列は図１及び２に示される。
【００２４】
図４に示される本発明の別の形態において、各キャップ４４にも、第２の管３０の端部３２、３４が通る開口４６を含む平坦な円形中央ベース４８が設けられる。この場合、キャップ４４は、第１の管１０の端部１２、１４内へと導入され、そのフランジ５０の外側面５６は、管１０の内側面１８の直径とほぼ同一の直径を有し、そのため、キャップ４４と第１の管１０は互いに封止され得る。
【００２５】
キャップ４４と第１の管１０の端部１２、１４及び管端部３２、３４との間の境界面を含む、封止を要する構成要素の種々の境界面は、既知の接合技術によって封止され得る。例えば、構成要素が金属である場合、半田付け、鑞付けもしくは均一な溶接によって成し遂げられるような金属結合が好ましい。
【００２６】
ある場合、単一構造において上述した熱交換器を複数使用することが望ましいかもしれない。この場合、図２に断片的に示される本発明の形態が使用され得る。この実施形態において、二以上の上記した構造体が一組のヘッダー２６、２８及び一組のヘッダー３８、４０と共に利用される。ある一定のヘッダーのセットで使用されるユニット数は、もちろん所望する熱交換容量に依存する。
【００２７】
図示のように、ヘッダー４０は、第２の管３０への入口ヘッダーの役割を果たし、一方、ヘッダー３８は管３０に対する出口管としての役割を果たす。ヘッダー２６は、第１の管１０に対する入口ヘッダーとしての役割を果たし、一方、ヘッダー２８は、管１０に対する出口ヘッダーとしての役割を果たす。従って、流れは図１に示される矢印の方向となり、最高効率のための向流が達成されることが分かる。しかしながら、所望により、ヘッダー３８、４０もしくはヘッダー２６、２８の入口及び出口位置は、向流を実現するために逆にされ得る。図示はしないが、所望により、バッフルが通常の態様のマルチパス流を実現するためにヘッダー内に置かれ得る。
【００２８】
好都合なことに、熱伝達は、第１の管１０内における第２の管３０の螺旋状回旋３６及びその間隔のため、該構造において最大となる。この構成は、ヘッダー２６に入り、かつ第１の管１０を通過してヘッダー２８を出る流体の乱れを促進する。乱流の増加は、熱伝達率を高める。
【００２９】
回旋３６が少なくとも名目上管１０の内側面１８と係合するように回旋３６を製造することにより、管１０内における管３０の長さは最大とされ、そのため、熱伝達に利用可能な表面積を最大にし、熱伝達効率を更に改善する。
【００３０】
キャップ４４のようなキャップの使用は、図１及び２に示される構成もしくは図４に示される構成のいずれでも、管１０の端部１２、１３、並びに第１の管１０に対する第２の管３０の入口及び出口個所を、単純で経済的に製造された構造で封止する簡易で有効な方法を提供し、そのため熱交換器のコストを下げる。
【００３１】
２２、２４、４２、４６で示されるような開口、並びに第１の管１０が通るヘッダー２６、２８の番号が付されていない開口は、機械切削ではなく打ち抜かれ得るため、この点についても製造コストを低減する。
【００３２】
図６は、本発明に従ってなされた熱交換器の別の実施形態を図示したものである。後述する例外以外は、図６の実施形態のすべての構成要素及びこれらのためのオプションは、上述したものと同じであり、同じ番号は同じ構成要素を示している。図６の実施形態は、管１０が、図１に示される単一の曲がり１６ではなく、複数のＵ字形の曲がり１６を有する点で上述したものと異なる。図６の実施形態は、二つのＵ字形曲がり１６で示されるが、ある用途では、特定の用途の要求により、二を超える曲がりが望まれるかもしれず、あるいは二未満の曲がりが望ましいかもしれない。複数の曲がり１６を用いることは、熱交換器の幅を広げることなく、より長い管１０及び３０を可能にする。図６に見られるように、偶数の曲がり１６が設けられると、関連するヘッダー２６、２８及びヘッダー３８、４０と同様に、端部１２と１４、及び端部３２と３４は、熱交換器の反対側に配置され、他方、図１のように奇数の曲がり１６が用いられると、熱交換器の同じ側に配置される。
【００３３】
一セットのヘッダーでいくつかの熱交換構造体を使用可能であることは、ある一定の熱交換容量に対し設計のかなりの柔軟性を与え、そのため、最大設計自由度を与える。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に従ってなされた熱交換器の平面図である。
【図２】熱交換器の破断側面図である。
【図３】熱交換器に使用されるキャップの斜視図である。
【図４】熱交換器の一部の破断断面図である。
【図５】図１の熱交換器のためのオプションの構成を示す破断図である。
【図６】本発明に従ってなされた熱交換器の別の実施形態のやや概略的な平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  第１の管
１２、１４  （第１の管の）端部
１６  曲がり（湾曲部）
１８  内側壁
２０  外側壁
２２、２４  開口
２６、２８  ヘッダー
３０  第２の管
３２、３４  （第２の管の）端部
３６  回旋
３８、４０  ヘッダー
４４  キャップ
４６  中央開口
４８  円形ベース
５０  周囲円筒フランジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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