JP2832085B2 - 熱交換素子及び同素子を使用する熱交換器 - Google Patents

熱交換素子及び同素子を使用する熱交換器

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JP2832085B2 JP7523465A JP52346595A JP2832085B2 JP 2832085 B2 JP2832085 B2 JP 2832085B2 JP 7523465 A JP7523465 A JP 7523465A JP 52346595 A JP52346595 A JP 52346595A JP 2832085 B2 JP2832085 B2 JP 2832085B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内部で循環する流体と同素子を収容するリザ
ーバ内の相転移媒体との間で熱交換を行う熱交換素子に
関する。より詳細には、同素子を使用する熱交換器に関
するものである。
発明の背景 過去20年間、相転移媒体で満たされたタンク又はリザ
ーバから成る構築物の冷却及び加熱システムが開発され
てきた。これらのシステムにおいて、水等の相転移媒体
に複数の並列な熱交換回路が沈められる。並列な熱交換
回路は、コイル状に配置されたチューブから構成され、
ブライン、冷媒、その他の熱交換用の液体が通るインレ
ットマニフォールド及びエギゾーストマニフォールドに
連結される。コイル状のチューブを種々のアレイに支持
するため構造素子が使用される。各コイルは互いに離間
して配置され、相転移媒体全体に存在する温度差を最小
限にするため、その流れが調整される。これにより、相
転移媒体全体に氷が同時に形成され、容器の壁に対して
圧力が集積するのを防止するためのチューブの周囲の水
が上方に移動される。
この分野を代表する特許としては、1981年10月13日に
カルビン・ディー・マッククラッケン（Calvin D.MacCr
acken）に発行され、かつ、カルマック・マニュファク
チュアリング・コーポレーション（Calmac Manufacturi
ng Corporation）に譲渡された米国特許第4,294,078
号、及び1992年５月５日にアルバート・イー・メリーフ
ルに発行され、かつ、同一譲受人に譲渡された米国特許
第5,109,920号が挙げられる。
米国特許第4,294,078号は、予め形成された可撓性チ
ューブ及びヘアを含むゴム材を螺旋状に形成させたこと
を特徴とする。望ましくは、２本の相似状管材または２
本のチューブを横に並べ、マットに支持された状態で僅
かに互いから離間させるように螺旋状に巻くことにより
形成される。最初に、各チューブの螺旋外周部にある端
部は、それぞれ対応するブライン用のインレット及びア
ウトレットマニフォールドに接続され、隣接する各チュ
ーブの螺旋の最も内周側にある巻回部分は折り曲げ材に
より互いに連結される。従って、インレットマニフォー
ルドからアウトレットマニフォールドまでにわたる２本
のチューブの全長にわたりブラインは異なった方向に流
れる。各隣接するチューブは、マットの長手方向に沿っ
て延びるとともに、垂直方向に間隔を隔てて螺旋状アレ
イを形成している。このような構造により、隣接するチ
ューブ内では、ブラインの流れが平行であるものの、そ
の方向は逆となる。これにより、熱交換器の隣接するコ
イル内において、ブラインの温度が平均化される。
米国特許第5,109,920号において、複数の螺旋状の可
撓性チューブが上下に重なるように配置される。任意の
螺旋状管材の一端がインレットマニフォールドと連通さ
れ、隣接する螺旋状管材の一端がアウトレットマニフォ
ールドと連通され、それぞれ螺旋状管材の反対端が互い
に連通されている。また、螺旋状管材は交互に時計回
り、反時計回りに巻回され、それぞれ対をなして上下に
配置される。上側の螺旋状管材は放射方向外側の巻回部
分にある端部がインレットマニフォールドと連結され
る。次の隣接する螺旋状管材は放射方向外側の巻回部分
にある端部がアウトレットマニフォールドと連結され
る。それぞれ隣接するコイルは、放射方向の最も内側の
巻回部分にある端部が互いに連結される。従い、両コイ
ルにおいて、ブラインは同一方向に流れる。
また、インレット及びアウトレットマニフォールド
は、望ましくは、横に並べられ、垂直方向に延びるとと
もに、両者とも積層状態の螺旋状に巻回されたコイルの
外周部に隣接して配置される。
このような熱交換システムは問題なく稼働されてい
る。両コイルにおいて冷媒またはブラインは同一方向に
流れる。米国特許第5,109,920号の熱交換器は、米国特
許第4,294,078号と同様に隣接するコイルにおける温度
平均化効果を有する。米国特許第5,109,920号では、そ
の図８に示すように、中間部において連結されている隣
接コイルを有する。これらの短所は、二つのコイルが組
み合わされるため、本発明のように全てのコイルが互い
に平行に配置され、かつ、内部接続を有しないことはな
い点にある。
発明の概要 熱交換素子及びその熱交換器は、最上位コイルから最
下位コイルにわたり各コイルの巻回方向が交互に変わる
ように接続されていることを特徴としている。素子は水
のような二相流体に沈められ、そのコイル構造は冷媒の
流れを許容する。最上位コイルは螺旋の外側端部から反
時計回りに巻回され、その最も外側にある巻回部分がイ
ンレットヘッダーに連結されている。最上位の螺旋状コ
イルの最も内側にある巻回部分からチューブが放射方向
に沿ってアウトレットヘッダーへ戻るように延びる。ア
ウトレットヘッダーはインレットヘッダーと平行に延び
るとともに、その横に配設される。その下の次のコイル
は螺旋の外側端部から時計回りに巻回され、その外側端
部がアウトレットヘッダーに直接接続され、その最も内
側にある巻回部分にあるチューブ端部が放射方向に沿っ
てインレットヘッダーへ戻るように延びる。積層された
螺旋状コイルはその積層状態のコイルの高さ全体にわた
り上記のように交互する。その結果、実施形態におい
て、螺旋状コイル内の流体は常時同一方向（時計回り）
に流れる。特に、垂直方向において隣接するチューブ間
で温度平均化効果が得られる。最上位コイルにはその外
側巻回に最も冷たい熱交換液体が供給され、その下の次
のコイルにはその内側巻回に最も冷たい液体が供給さ
れ、そして、以下交互に続く。
熱交換は大きい、二重壁を有するファイバーグラス製
の円筒状タンクから構成される。タンクは脱着可能なカ
バーを有し、タンクとカバーは所定の厚さのウレタンフ
ォームにより絶縁されている。望ましくは、熱交換素子
は、56本の螺旋状コイルからなる。各コイルは水平面に
沿って配列され、その端部は垂直に延びるインレット及
びアウトレットヘッダーに連結される。各コイルは剛性
を有する積層として組み立てられ、タンク内に配置され
る。
望ましくは、コイルは中間密度のポリエチレン管材か
らなり、螺旋状コイルはエクストルダーより40℃から60
℃の温度にて押し出されながら巻回される。望ましく
は、巻回治具内に放射方向に沿って配置され、周方向に
間隔を隔てた同一数の塩化ポリビニール（PVC）の間隔
保持バーが各螺旋状コイルを保持する。間隔保持バー
は、その上縁にチューブを収容及び位置決めするための
長手方向に間隔を隔てて設けられた鍵穴状のスロットを
有する。スロットは最小スロット幅部と連続する互いに
反対方向へテーパする部分を有し、開口端から間隔を隔
てるとともに円筒状の底へと続く。これにより、チュー
ブ折り曲げ部材が鍵穴状のスロットに嵌入可能となり、
螺旋包装（spiral wrapping）の際、鍵穴状のスロット
は間隔保持バーとともに、チューブを管材交差部にて強
固に保持する。
間隔保持バーの上端部は矢じり状の掛かりの形状を有
する。この上端部は、その上に配列される間隔保持バー
の拡幅された下端部に設けられた矢じり状スロット内に
嵌入される。このようにして積層コイルを安定支持する
ため、複数の間隔保持バーが垂直方向に積層されて相互
連結される。コイルの積層は、望ましくは、下部螺旋状
コイルの８本の間隔保持バーを支持するための８本の放
射状アームを有するスチール製スパイダから積層され
る。また、中間スパイダーがコイル積層の高さ方向中間
部に設けられ、横方向ビームがコイル積層の上端部を横
切るように架設されている。４本の垂直ロッドは下側ス
パイダーの交互するアームを中間スパイダーに連結し、
積層されたコイルに剛性を与える。ロッドは積層された
コイルの上端部まで延びる。積層されたコイルがタンク
またはその他の密封容器に設置されると、アングルブラ
ケットによりロッド端部がタンクに連結される。これに
より二相流体（水）の密度のより小さい固相が起こす浮
遊力に対抗できる。冷媒、その他の適切な不凍剤、或い
はブラインから構成される熱交換液体はポンプ圧により
熱交換ヘッダー及びコイルへ供給される。ポンプ率（pu
mp rate）により熱交換コイル内の所望の流量が得られ
る。上側の位置はタンクの高さの約90％の所にある。望
ましくは、螺旋状コイルの外径はタンクの内径よりも数
インチ小さく設けられ、タンク壁に隣接して円筒状に水
の層が形成される。螺旋状コイルも約12インチ（30.5セ
ンチ）の内径を有し、水が凍らない開口された中央領域
を形成する。不凍水の領域により、タンク上端部にある
膨張領域への水位の上昇が許容される。これにより、全
体が凍って、タンクが応力により破裂することはない。
望ましくは、螺旋状コイルのチューブは中間密度のポ
リエチレン管材から形成され、垂直方向に延びる中間密
度のポリエチレン製チューブヘッダーに熱溶接される。
図面の簡単な説明 図１は本発明の好ましい実施形態を構成する改良され
た熱交換素子の構成要素を示す斜視図である。
図２はファーバーグラス製タンク及び着脱可能なカバ
ーから構成される熱交換器の縦断面図であり、タンク内
に図１の加熱素子がその軸とタンクの垂直方向に延びる
軸とが一致するように装着されている。
図３は図２のタンク内に設置される前の図１の熱交換
素子の上面図である。
図４は図３の熱交換素子を製造する際に使用される間
隔保持バーのうちの１本の側面図である。
図５は図４の間隔保持バーの一部を拡大した側面図で
あり、図１の熱交換素子の螺旋状管材コイルを収容する
鍵穴状スロットのうちの１本の形状及び寸法関係を示
す。
図６は図４の間隔保持バーの端部の拡大図である。
発明の詳細な説明 図面を参照して詳述すると、符号10で示される熱交換
素子の基本的な素子の斜視図は、米国特許第5,109,920
号の図８及び９及びその発明に従って得られた熱交換器
の熱交換素子に従うものである。その熱交換素子は、垂
直方向に積層され、水平方向に間隔をおいて配置され複
数の螺旋状コイルを備えており、該コイルにおいて12で
示される反時計方向に巻回された螺旋状コイルは、積層
あるいはコイルアレイ28の最上部の螺旋状コイルを構成
している。好ましくは56本あるそのようなコイルの積層
28の一部のみが図示されている。次に隣接する下方に位
置する螺旋状コイルは14にて示され、外側から中心に向
かって巻回され、最上部コイル12の反時計方向巻回に対
して時計方向にて、同様に外側から中心に向かって巻回
されている。
続いて、図１に示すように、熱交換素子10は、符号16
にて示される第３の反時計方向に巻回されたコイルを更
に形成しており、該コイルの端部は、符号20及び22にて
示されるインレット及びアウトレットマニフォールドあ
るいはヘッダーにそれぞれ連結されている。符号28にて
示される第４の時計方向に巻回されたコイルは、積層18
における反時計方向のコイル16に連続している。コイル
の択一性という本発明の改良の性質及びその方法は、図
１におけるコイル12及び14の隣接した完全な反時計方向
への巻回及び時計方向への巻回から容易に拝察される。
その点において、熱交換素子インレットマニフォール
ド20は、垂直に直立した管24によって構成されており、
頂部にはＬ字型の継手26を備えており、典型的な熱交換
液として矢印にて示した冷循環ブラインあるいは冷媒Ｒ
を受承する。マニフォールドあるいはヘッダーー20,22
は、全てのコイルが固定された熱交換素子10の垂直方向
の軸線Ａのまわりに同心円状になっているコイル12,14,
16,18の積層28に対して垂直方向に延びている。
従って、マニフォールド20は、冷ブラインあるいは冷
媒Ｒのディストリビュータとなる。符号32にて示される
管材は、全てのコイルを形成している。コイル12はブラ
インＲを供給するヘッダーあるいはマニフォールド20の
側部に連結される最外側の巻回部分12Aの一つの端部を
有し、該コイル12は、種々の螺旋状コイル12,14,16,18
などに平行になっている。その流れは、常に同一方向で
あり、この場合は反時計方向である。すなわち流れの方
向は、図１のアレイあるいは積層28の第１の最上部の螺
旋状コイル12及び第３のコイル16は反時計方向、図示さ
れた第２のコイル14及び第４のコイル18は時計方向とい
う択一的なコイルの巻回方向とは無関係である。
インレットヘッダー20の反対側では、アウトレットヘ
ッダー22が管材32によって形成され、かつ互いに近接し
た位置において離間されたコイル12,14,16,18などの積
層から帰還する流れを収容し、その帰還する流れはアウ
トレットマニフォールド22の側方から入り、該マニフォ
ールド22の垂直方向の長さにわたって流れる。アウトレ
ットの流れは、矢印Ｒ′にて示すようにＬ字型のアウト
レット継手30から排出される。コイルの積層あるいはア
レイ28の外周にマニフォールド20,22が配置されている
ことは、ブラインあるいは冷媒Ｒに対して複数の（好ま
しくは56本の）平行な流れ、同一の方向、循環における
影響を与える。
例示された実施形態において、コイル12,14,16,18な
どを構成する管材32は外径0.75インチの中密度ポリエチ
レンからなり、マニフォールド20,22は、外径2.38イン
チの中密度ポリエチレンで形成されている。それらは異
なったサイズにすることも可能であり、押出し加工され
たプラスチック材よりはむしろ銅のような他の材質から
形成することも可能である。
熱交換素子10の稼働及び効果については、図１の斜視
図及び図２の側面図から評価され得る。ユニット10が図
２に示すような位置に置かれ、円筒状の側壁38を有し、
脱着可能なカバー40を備えたタンク36の上端部36Aの真
下のレベルＬまで水Ｗに完全に浸された場合、ポンプ
（図示しない）による循環するポンプ圧を加えながらイ
ンレットヘッダーあるいはマニフォールド20からブライ
ンあるいは冷媒Ｒを流すことは、第１の螺旋状コイル12
を反時計方向に貫通して移動するブラインＲの移動を引
き起こし、その場合、ブラインはインレット継手26の真
下にあるインレットヘッダーあるいはマニフォールド20
の側方に連結されたコイル12の管材32の連結部42からわ
ずかに下流の部分が最冷部となっている。この反時計方
向の循環は、矢印44にて示されている。循環は、反時計
方向にてコイル12の放射方向最外側の巻回部分12Aから
放射方向最内側の巻回部分12Bへと続いている。コイル1
2の管材32は、管材12Bである第１のコイル12の中心近く
から、アウトレットマニフォールド継手30の真下にある
アウトレットマニフォールド22の側方まで放射方向に延
びている。従ってブラインＲは、矢印Ｒ′にて示すよう
に循環ポンプの吸引側に戻る。螺旋状のコイル12の中心
から戻る際に、管材32は、コイル12の放射方向最内側の
巻回部分12Bから放射方向最外側の巻回部分12Aまで全て
の巻回部分を放射方向に横切り、連結部46にてマニフォ
ールド22に対して密封状態で連結される。
続く真下に隣接する螺旋状コイル14において、コイル
14はインレットマニフォールド20には連結されていない
が、連結点48にてアウトレットマニフォールド22に連結
される最外側の巻回部分14Aを有する。コイル14は放射
方向最外側の巻回部分14Aから放射方向最内側の巻回部
分14Bまで時計方向に巻回されており、コイル14の端部
は、最内側の巻回部分14Bから最外側の巻回部分14Aを含
むコイル14の巻回部分の全てをほぼ放射方向に外側に横
切って延びており、連結部50にてインレットマニフォー
ルド20の側方に直接連結されている。この連結部50に
て、第２の時計方向に巻回された螺旋状のコイル14は、
矢印52によって示される最も冷却されたブラインを受承
する。ブラインの流れは同一の反時計方向にて逆向きに
巻回されたコイル14を流通しており、積層されたアレイ
28の最上部の反対に巻回された螺旋状コイル12内の流れ
と同一である。この反時計方向のブラインの流れは、矢
印54から56の準に示すように、外側のコイルの巻回部分
14Aにおいて、積層の第１のコイルの巻回部分12に対す
る連結点46の真下にあるアウトレットマニフォールド21
の側方にある連結点48にて終了する。この場合、最も冷
却されたブラインあるいは冷媒Ｒは、半径方向最内側の
巻回部分14Bの内部にあり、該巻回部分14Bは最上部の螺
旋状コイル12においてブラインＲが最も暖かい半径方向
最内側の巻回部分12Bの下側に位置している。
従って、熱交換素子10は熱交換素子10の好ましくは56
本のコイルの全体にわたり、かつ図１の熱交換素子10が
組み込まれている図２の100で示した熱交換器の垂直方
向の全体の部分の内部に流れる熱交換の温度平均化効果
が得られるといる更なる条件が達成される。そのような
温度平均化効果は、該温度平均化効果を達成するため
に、図１及び２のコイル積層あるいはアレイ28の12及び
24のような上下に隣接するコイルの管材の内部をブライ
ンあるいは冷媒Ｒが反対方向に流れることを必要としな
い。
36にて示される熱交換器100のタンクあるいはリザー
バは40にて着脱可能なカバーを有する。図２の熱交換器
のタンクあるいはリザーバ36は、内側のファイバーグラ
スシェル60及び外側のファイバーグラスシェル62から構
成されており、内側及び外側のファイバーグラスシェル
が、厚さが２インチあるいはそれ以上であるウレタン発
泡絶縁材64を間に挟んだ状態になっている。
シェル60及び62は、タンク36の全体にわたって互いに
間隔を置いて配置され、一方の軸方向の端部にてタンク
の頂部の壁あるいは縁部36Aによって密閉されている。
タンク36の内周のまわりに90度の角度にて離間し、かつ
垂直に直立した４つの金属ロッド66が固定されており、
該ロッド66は中間のスパイダー70の内部にある適切な孔
68を貫通して延び、そして下側のスパイダー72の下側の
端部66Bにて固定されている。スパイダー70及び72は周
方向に離間して配置された放射状アームを等数有してい
る。アームの数は好ましくは８個である。内側ののファ
イバーグラスシェル60には、垂直ロッドの頭頂端部66A
が嵌合される適切なＬ字型のブラケット74が装着されて
いる。この構造アセンブリは、熱交換素子10の基本的な
成分を形成するコイルの垂直な積層あるいはアレイ28を
定義する位置にて56本の螺旋状コイルを維持する。図２
の断面図にて更に示すように、円形のポート80がタンク
の上端部36Aに隣接するタンク36の円筒状の側壁38を貫
通して、かつ水ＷのレベルＬあるいは熱交換システムの
相液の他の変化した相レベルの上にて延びている。アウ
トレットマニフォールド22の最上部における継手30のよ
うな継手は、タンク36の外側に突出する排出ポート30A
を有し、該ポートはマニフォールド20及び22ならびに56
本の積層された螺旋状コイル（図１及び２において10,1
2,14,16及び18にて示されたコイル）を含む閉鎖したル
ープ内をブラインあるいは冷媒Ｒが循環するためにポン
プ（図示しない）の吸引部に連結されている。簡略化の
目的にて、図２には20数個のコイルのみが図示されてい
る。エルボ型のマニフォールド22の端部がタンク36の外
側に突出するＬ字型の継手30のまわりに耐水性のシール
あるいはブレーシングを形成するために、継手30の外側
は密封リング82等にて囲まれている。例示した実施形態
において、Ｌ字型の継手30は稼働する液体面の上にてタ
ンクの側壁を貫通している。更に、脱着可能なカバーは
ファイバーグラスタンク36の上端36Aに密封可能に置か
れている。
インレットマニフォールド20は、アウトレット継手30
の場合と同様にタンク36の放射方向外側に水平に突出し
た一端を有するインレット継手に、その一側にて連結さ
れている。
図３〜６に、放射方向に突出した複数の間隔保持バー
86を用いて、熱交換螺旋状コイルを形成するめの好まし
い方法を示す。この場合、最外側コイル巻回部分14Aか
ら最内側コイル巻回部分14Bに向かって時計方向に巻回
されたコイル14は、その中央に円形状凹部84をなす。コ
イル状管材32の巻回及び実施において、放射方向に配置
され円周方向に離間された８本の間隔保持バー86が用い
られる。均等に45゜の間隔をもって配置された間隔保持
バー86は、回転するフォーマディスクに固定されてい
る。図３において符号86にて全体が示される間隔保持バ
ーは所定の長さを有し、その上縁86A内に均等間隔をも
って形成された複数の鍵穴状のスロット即ちノッチ88を
有する。ノッチ88は、放射方向最外側の最初の巻回部分
14Aから放射方向最内側の最後の巻回部分14Bまで、実質
的な数のコイル状管材32巻回部分を収容可能である。図
示された実施形態において、各間隔保持バー86に形成さ
れている鍵穴状のスロットの数は23個である。符号88に
て全体が示されるそれら鍵穴状のスロットは、幅狭なス
ロート95をなす0.600インチの最小間隔即ち距離Ｂに達
するまで、互いの方向に内側下方に傾斜し、一点に集中
するように形成された対向する複数の側壁94によってな
される台形状断面入口部分88Aと、一点に集中するよう
に形成され傾斜した複数の側壁94によってなされ、その
最も幅広な0.730インチの部分を末端とし、半径Ｐの円
形状底壁98によってなされる半円形状底部分88Cに連続
している拡径台形状部分88Bとからなる。
このような構成において、スロート95は、定義された
３つのセクション即ち部分を有する鍵穴状スロット88の
方向に下方に移動する、スロート95よりわずかに大きい
アウトレット直径を有するチューブ状管材32を瞬間的に
押圧するために機能する。鍵穴の最初の入口部分88A
は、内側下方に傾斜する複数の側壁94によりなされ、ス
ロート95にて最も幅狭なスロット88の部分を末端とする
台形状をなし、スロット88の幅はそこから広くなり、拡
径状の複数の側壁96によってなされる台形状セクション
88Bをなす。更にスロット即ちノッチ88は幅広な部分、
即ち半円形状部分88Cを末端部とし、その部分における
スロットの幅は、間隔保持バー86の上縁86aに位置する
スロット88の開放端の最大幅760インチよりわずかに狭
い約0.730インチである。スロットの半円形状部分88C
は、0.7380＋または−0.0050インチの直径Ｄを有する曲
線状底壁98によってなされる。この実施形態において、
スロットの垂直方向全長は約1.120インチである。
間隔保持バーの垂直方向全長が1.842インチである図
６において、スロット88はその垂直方向全長の約2/3を
占める。図示された実施形態では、23個の鍵穴状ノッチ
即ちスロット88は1.69インチの間隔をもって配置されて
いる。間隔保持バーのノッチにより、中空チューブ状管
材32がノッチの曲線状底部分88Cに嵌入される際に、瞬
間的に管材32の局所を押圧するという長所が得られる。
これにより、間隔保持バーの上端面86aから、各鍵穴状
ノッチの円形状底壁102をなし、チューブ32の軸線が半
径Ｃの中心104に一致する収容位置までの移動行程の大
部分にてチューブをしぼることによりチューブにゆがみ
が生じることが阻止される。
間隔保持バーの端面図である図６に示すように、間隔
保持バーは、その上端に符号106にて示される幅広な矢
じり形状部分を例外として、その高さの大部分において
均等な厚さを有する。矢じり形状部分106は、幅広な底
部分110の内部に設けられた矢じり形状凹部112の大きさ
に適合するように寸法を決定されている。間隔保持バー
底部分110はほぼ三角形状をなし、間隔保持バーの全長
にわたり設けられた底部中央溝112を備えている。間隔
保持バーは、押出しプラスティック形成等により形成さ
れ得る。溝112は、三角形状をなす溝の上方の凹部112B
と共に、斜角状に広がった一対の脚114を部分的にな
す、台形状断面を有する下方の溝部分112Aを備えてい
る。脚114は、台形状溝部分112Bをなす幅広な部分114A
と、矢じり形状溝部分112Bの反対側に幅狭な部分114Bと
を有する。
幅狭な脚部分114Bによって、間隔保持バー86が垂直ア
レイとして積層される際、隣接する間隔保持バーの矢じ
り部分106の容易な挿入を可能にするために、間隔保持
バーの斜角状をなす底部に可撓性が付与される。図示さ
れた実施形態では、図３に示す45゜の間隔をもって配置
された間隔保持バーのそれぞれの位置に、56本の係る間
隔保持バーが備えられている。各間隔保持バー86は、プ
ラスティック成形部材の上縁86a内に設けられた各ノッ
チ88にて、各コイルにおける23箇所のチューブ巻回部分
を支持する。図２に示す熱交換器100の熱交換素子にて
積層されたコイルアレイ28内において、螺旋状コイル1
2,14,16等のそれぞれについて23箇所のチューブ巻回部
分を固定的に支持することが可能な集中支持構造をなす
べく、玩具のビルディングブロックセットと同様に複数
の間隔保持バー86が嵌合されるように、脚の幅狭な部分
114Bは十分な剛性を備えている。コイル積層アレイ28
は、その下端にて下部スパイダー72に固定され中間スパ
イダー70を貫通し、かつその上端66Aにてプラケット74
に固定されている４本の垂直ロッドと、中間スパイダー
70及び下部スパイダー72とを備えることによって補強さ
れている。ブラケットはタンク36の周面の壁38の内側に
固定されている。上部ビーム69は、その両端が対向する
ブラケットの下方に位置するように、積層されたコイル
の上端面を横切るように架設されている。
このような構成において、組み立てが完成した熱交換
素子10は、カバー40をはずし上部が開口したタンク38内
に設置され、次にインレット継手26とアウトレット継手
30とはそれぞれ、垂直方向に直立して形成された複数の
チューブ状ヘッダー20,22の上端に固定され得る。熱交
換素子10がタンク38内に設置される前に、複数のヘッダ
ー即ちマニフォールド20,22は熱交換素子10に取り付け
られ得る。このとき、各コイルのチューブ32の端部は各
マニフォールド20,22に、それらのマニフォールドの全
長にわたって垂直方向に配置された各コイルの位置にて
連結される。
熱交換素子10を形成するための個々のコイルの製造、
これらの積層、及び適切なマニフォールドへの連結を伴
う積層アレイ28の形成に関しては、米国特許第5,109,92
0号に開示されている熱交換器の製造に関する概略的な
記載に準拠する。同特許は、本願にて援用されている。
更に、発行された米国特許第5,109,920号のコラム10
に見られるように、製造技術に関する本明細書の記載内
容及び前述の特許の記載内容からの変更は、本発明にお
ける直接的な応用例である。本発明は従来技術の発展で
あり、米国特許第5,109,920号からの発展である。
同様に、25％エチレングリコールブラインまたはその
他の適切な不凍溶液Ｒの混合液等の熱交換冷媒を保存す
るために、夏期においては電力を低コストで豊富に得る
ことができ、また、特にオフィスビルにおいては、ビル
の冷房が必要でない夜間、ブラインは電力駆動ブライン
冷却機（図示せず）からタンク36に循環される。このこ
とにより、タンク36内の水Ｗから形成された氷によって
冷却効果を保持することが可能になる。プロセスの開始
時に、熱交換素子10の周囲にて検知可能な熱は相交換媒
体（水）を介して完全に放出され、その水は氷点下の温
度まで冷却される。図１に示した構造的な配置方法によ
り、温度平均化効果の利益が得られる図２に示す本発明
の熱交換器100によって、素子全体でほぼ同時に氷が形
成される。素子10の各チューブ32の外表面にて氷が形成
すると、氷によりそのチューブは断熱されチューブでの
氷形成速度が遅くなり、これにより素子10全体における
均質な氷形成が保証される。氷形成により、螺旋状コイ
ルの周囲から水Ｗが移動し、タンクの水位が膨張の生じ
た領域にて上昇する。コイル束はいくらかの可撓性を有
し、氷形成による膨張のために生じる小さな動きを吸収
する。２つの液体の領域が維持され、一方は図２に示す
熱交換素子10の外縁と内側のファイバーグラスシェル60
との間に位置する環状スペース118内に、他方は、図２
に示すファイバーグラスタンク36と熱交換素子10とによ
ってなされる熱交換器100の軸線Ａ′に一致する熱交換
素子10の垂直方向軸線Ａの直近部に位置する中央の軸線
領域である。
熱交換素子と熱交換素子を用いる熱交換器と、特にこ
れら２つの装置を構成する材料とにおいて、種々の変更
及び変形例が考えられることは極めて自明である。これ
らの変更その他は、本願特許請求の範囲に記載された本
発明の精神及び範囲から逸脱することなくなされるもの
とする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュワルター、ダリル ケイ. アメリカ合衆国 22801 ヴァージニア 州 ハリソンバーグ エフ デボン レ ーン 1425 (56)参考文献 特開 昭61−3993（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−53640（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭51−16668（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F28D 1/00 - 13/00 F28F 9/00 - 9/26

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱交換素子内を循環する流体と前記素子を
    収容するリザーバ内の相交換媒体との間で熱交換を行う
    ための熱交換素子であって、 前記素子が垂直方向に上下に積層して配置された複数の
    可撓性チューブの螺旋状コイルを備え、 各螺旋状コイルの一端がインレットマニフォールドに連
    通され、かつ、他端がアウトレットマニフォールドに連
    通され、 前記螺旋状コイルが最初の放射方向外側の巻回部分から
    最後の放射方向内側の巻回部分まで時計方向及び反時計
    方向のいずれかの方向に択一的に巻回され、かつ対をな
    して上下に配列された熱交換素子において、 各対の内の一方の螺旋状コイルは前記インレットマニフ
    ォールドに直接連結された最初の放射方向外側の巻回部
    分と、前記アウトレットマニフォールドに直接連結され
    た最後の放射方向内側の巻回部分とを備え、前記対の内
    の他方の螺旋状コイルは前記アウトレットマニフォール
    ドに直接連結された最初の放射方向外側の巻回部分と、
    前記インレットマニフォールドに直接連結された最後の
    放射方向内側の巻回部分とを備え、それにより、 前記螺旋状コイルが互いに平行に連結され、すべての螺
    旋状コイル内の前記流体が前記螺旋状コイルを通って同
    一方向に流れ、よって、各対の隣接する時計方向及び反
    時計方向の各螺旋状コイル内の前記流体の流れの間にお
    いて温度平均化効果が得られる熱交換素子。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の熱交換素子において、前
    記インレット及びアウトレットマニフォールドは積層さ
    れた螺旋状コイルの外周に隣接して配置され、かつ、積
    層された螺旋状コイルアレイの軸線と平行に延び、各螺
    旋状コイルの放射方向最外側の巻回部分は前記インレッ
    ト及びアウトレットマニフォールドの内の対応する一方
    に接触し、かつその内部に向かって開口している熱交換
    素子。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の熱交換素子において、積
    層された螺旋状コイルアレイの各螺旋状コイルの放射方
    向最内側の巻回部分は、前記インレット及びアウトレッ
    トマニフォールドの一方に対して放射方向外側に向かっ
    て経路を定められたその放射方向最内側のコイル端部を
    備え、それにより、前記インレット及びアウトレットマ
    ニフォールドの内の前記一方との間の管状連結部が前記
    螺旋状コイルの他の巻回部分を横切って放射方向に延び
    る熱交換素子。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の熱交換素子は更に、 垂直方向に積層された前記螺旋状コイルの下方に位置す
    る少なくとも一つのスパイダーを備え、 少なくとも一つの前記スパイダーは周方向に離間して配
    置された複数の放射状アームと、 少なくとも一つの前記スパイダーのそれぞれのアームに
    対して一端にて固定的に支持され、かつそこから上方に
    向かって延びる複数の垂直ロッドと、 積層されたコイルの内の最上位のコイルを横切るように
    架設された横方向ビームと、 長手方向に間隔を隔てた複数の位置において間隔保持バ
    ーのそれぞれの上縁内に形成された鍵穴状のノッチとを
    備え、 前記螺旋状のコイルのそれぞれの巻回部分は前記間隔保
    持バー上の放射方向に間隔を隔てた位置に前記コイルの
    巻回部分を維持するため、前記間隔保持バーの上縁に沿
    って前記ノッチ内に嵌入されており、 最上位の間隔保持バー又は積層された間隔保持バーを通
    って延びる前記垂直ロッドの上端は前記横方向ビームと
    ともに積層された前記螺旋状コイルを前記ハウジングに
    固定するため、及び積層されたコイルに剛性を与えるた
    め、前記素子を収容するリザーバの内面に固定されるよ
    うになっている熱交換素子。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の熱交換素子において、前
    記間隔保持バーは上下に延びる長尺状をなして上端及び
    下端を備え、その上端には矢じり状の掛かりを、かつ下
    端には矢じり状の掛かりに対応する寸法の矢じり状スロ
    ットを有し、積層されたコイルを安定して支持すべく複
    数の間隔保持バーは上下に積層され、かつ互いにロック
    されている熱交換素子。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の熱交換素子において、前
    記少なくとも１個スパイダーは積層されたコイルの高さ
    方向中間部に位置する第２のスパイダーを有し、スパイ
    ダー、間隔保持バー、横方向ビーム及び垂直ロッドにて
    支持されて２層の液体の浮力に抵抗する積層されたコイ
    ルの堅牢さを保証すべく垂直ロッドは４個設けられると
    ともに、下方スパイダーのアームを交互に、高さ方向中
    間部のスパイダーの対応するアームに連結し、さらには
    高さ方向中間部のスパイダーのアームの放射方向外端部
    内において穴を通過して延びている熱交換素子。
  7. 【請求項７】請求項４に記載の熱交換素子において、前
    記間隔保持バーの上縁部はそれぞれ、幅狭スロートにま
    で下方及び内方へ互いに接近するようにテーパ状に延び
    る互いに対向した収束側壁にて形成される断面台形状を
    なす入口部分と、前記スロートの下方において収束斜状
    側壁にて形成され、かつ管状スナップの外周の径と対応
    する径を有する半円形状底部分に開口し、管状スナップ
    が嵌入する拡径台形状部分とを備えてなる熱交換素子。
  8. 【請求項８】請求項５に記載の熱交換素子において、前
    記間隔保持バーの上縁部はそれぞれ、幅狭スロートにま
    で下方及び内方へ互いに接近するようにテーパ状に延び
    る互いに対向した収束側壁にて形成される断面台形状を
    なす入口部分と、前記スロートの下方において収束斜状
    側壁にて形成され、かつ管状スナップの外周の径と対応
    する径を有する半円形状底部分に開口し、管状スナップ
    が嵌入する拡径台形状部分とを備えてなる熱交換素子。
  9. 【請求項９】請求項６に記載の熱交換素子において、前
    記間隔保持バーの上縁部はそれぞれ、幅狭スロートにま
    で下方及び内方へ互いに接近するようにテーパ状に延び
    る互いに対向した収束側壁にて形成される断面台形状を
    なす入口部分と、前記スロートの下方において収束斜状
    側壁にて形成され、かつ管状スナップの外周の径と対応
    する径を有する半円形状底部分に開口し、管状スナップ
    が嵌入する拡径台形状部分とを備えてなる熱交換素子。
  10. 【請求項１０】請求項１に記載の熱交換素子において、
    前記リザーバは最初の放射方向外側巻回部分の直径より
    も大きな内径を有する中空円柱状をなしており、前記最
    後の放射方向内側巻回部分は各螺旋コイル内に穴を形成
    する大きさに形成され、前記相変換媒体が各管の外表面
    において氷になったとき、隣接する管の間には温度平均
    化効果を生じ、熱交換器全体にわたって均一に氷を形成
    し、前記螺旋像コイルの周辺において垂直方向に液状の
    相変換媒体を氷に変換させるにあたり、熱交換器の外周
    及びリザーバの内周間の管状空間内の液体領域と、熱交
    換器の軸心と一致するコイルの最後の放射方向内側巻回
    部内の第２の液体領域とを生成する熱交換素子。
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