JPH09508461A - 熱交換器素子及び同素子を使用する熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱交換器は、タンク内の垂直アレイ内に互いに平行な位置関係をもって間隔をおいて支持されたインレット及びアウトレットマニフォールド（２４，２２）に液圧により連結された複数の可撓性の螺旋状チューブコイル（１２，１４，１６，１８，．．．）を含んでいる。コイルは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、螺旋状コイルの最内側（１２Ｂ，１４Ｂ，．．．）及び最外側（１２Ａ，１４Ａ，．．．）の巻回部分は好適なマニフォールドに選択的に連結され、よって、一つのコイル内の流れがそれに隣接する流れと反対方向に走り、その結果、隣接するコイル間に存在するタンク内の流体中の温度平均化効果により、局部的な温度勾配が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】 熱交換器素子及び同素子を使用する熱交換器 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にチューブの周囲 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．MacCracken)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 Manufacturing Corporat ion)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管材及びヘアを含 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管材が上下 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(pump 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脱着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。その熱交換器素子は、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２ ０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１ ２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１２，１ ４，１６，１８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１２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の順に示 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１４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にて脱着可 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 封されている。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は中問のスパ 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。内側のファイバーグラスシェル６０には、垂直ロッドの頭頂端部６ ６Ａ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１０，１２，１４， 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は稼動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た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１４ Ｂ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８８ Ｃ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１２，１４，１ ６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にてブラケット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５，１０９，９２０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１１ ８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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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チューブ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 放射方向外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前記間隔保持バーのそれぞれの上 縁内に形成された溝状の鍵穴とを備え、 前記螺旋状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 縁に沿って前記溝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、その上端には尖鋭状のフックを、かつ下端 には 尖鋭状フックに対応する寸法の尖鋭状スロットを有し、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央に位置する第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、高さ方向中央のスパイダーの対 応するアームに連結し、さらには高さ方向中央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溝入り口部と、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筒状底部に開口し、管状スナップが嵌入する離間台 形部とを備えてなる熱交換素子。 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溝入り口部と、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筒状底部に開口し、管状スナップが嵌入する離間台 形部とを備えてなる熱交換素子。 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溝入り口部と、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筒状底部に開口し、管状スナップが嵌入する離間台形部 とを備えてなる熱交換素子。 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、前記螺旋状コ 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。