JPH1062087A - シェルアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄熱媒体の流路の壁面にかどが存在すると二
次流れが生じる。この二次流れを抑制することにより、
蓄熱媒体の過冷却状態を安定化する。 【解決手段】 伝熱管(60)の内部に、伝熱管(60)と同心
状に挿入された棒状体(82a) と、螺旋突条(83)とを設け
る。螺旋突条(83)は棒状体(82a,82b) の外周面と伝熱管
(60)の内周面との間に位置して、螺旋状の蓄熱媒体の流
路を形成する。蓄熱媒体の流路方向と直交する断面にお
いて、伝熱管(60)の内周面と螺旋突条(83)の表面とが交
差する隅部に円弧面(C11) が形成された構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シェルアンドチュ
ーブ型熱交換器に関し、特に、伝熱管の内部構造に係る
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、製氷等を目的とした過冷却水
を生成するために利用されるシェルアンドチューブ型熱
交換器（以下、単に「熱交換器」と称する）として、伝
熱管内に棒状の流路形成体を設けたものが知られてい
る。例えば、この種の熱交換器として、特開平４−３３
２３９１号公報に開示されているものがある。図１１
（ａ）に示すように、この熱交換器では、伝熱管(a) の
内部には、流路形成体(b) の外周面と伝熱管(a) の内周
面との間に、流路形成体(b) の外周面から伝熱管(a)の
内周面に向けて突出する螺旋突条(c) が設けられてい
る。

【０００３】この螺旋突条(c) は、蓄熱媒体としての水
の流路を伝熱管(a) の略全長にわたり流路形成体(b) の
周囲で軸方向に螺旋状に旋回させることにより、この流
路を流れる水の主流を伝熱管(a) の管内周面に押しつけ
て、流れの乱れを減少させている。

【０００４】また、この流路内では、水の主流が螺旋状
に旋回して流路を流れることにより、流路断面（水の流
れ方向に直交する断面）において流路の周囲を旋回する
旋回流(f1)が発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の熱交換器では、以下のような問題が生じていた。

【０００６】図１１（ｂ）に示すように、従来の熱交換
器では、流路断面において伝熱管(a) の内周面と螺旋突
条(c) の表面とが交差する隅部に、両面がほぼ鋭角に交
差するかど(d) が形成されていた。そして、流路の周囲
を旋回する旋回流(f1)の他に、このかど(d) の存在に起
因する二次流れ(f2)がかど(d) 付近に生じていた。

【０００７】そして、この二次流れ(f2)により、かど
(d) 付近では流れがよどんでしまうため、伝熱が良好な
かど(d) 付近の水は、旋回流(f1)中の他の部分の水と混
合しにくい。そのため、かど(d) 付近の水は他の部分の
水よりも極端に冷却されて、かど(d) 付近の水の温度は
他の部分の水の温度よりも極端に低くなる。

【０００８】ところで、水の過冷却状態は本来的に不安
定であり、過冷却状態の水はわずかな刺激に対しても過
冷却を解消して氷化を開始してしまう。そのため、他の
部分にくらべて極端に温度が低い部分があると、その温
度差が刺激（原因）となって過冷却状態が解消してしま
うことがある。

【０００９】従来の熱交換器では、例えば、かど(d) 付
近の水は、流れがよどんで極端に冷却されて−２℃の過
冷却状態となる一方、他の部分の水は流路方向に流れな
がら徐々に冷却されて−１℃の過冷却状態となり、その
温度差が原因となって過冷却状態が解消することがあっ
た。

【００１０】つまり、従来の熱交換器では、かど(d) の
存在に起因する二次流れが原因となり、安定した過冷却
状態を保つことが困難であった。そのため、伝熱管(a)
内で過冷却状態の水が氷化して凍結する危険性が高かっ
た。

【００１１】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、流路のかど(d) に起因
する二次流れを抑制し、蓄熱媒体の過冷却状態を安定に
保ちつつ蓄熱媒体を過冷却する熱交換器を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載された発明が講じた手段は、密閉型
容器(51)と密閉型容器(51)内に設けられた複数の伝熱管
(60,60b,60c)とを備え、伝熱管(60,60b)の外部を流れる
冷媒(R) と伝熱管(60,60b,60c)の内部を流れる蓄熱媒体
(W) との間で熱交換を行うシェルアンドチューブ型熱交
換器を前提としている。そして、上記各伝熱管(60,60b)
の内部には、伝熱管に挿入された棒状体(82a,82b,82c)
と、この棒状体(82a,82b,82c) の外周面と伝熱管(60,60
b,60c)の内周面との間に位置して螺旋状の蓄熱媒体の流
路を形成する螺旋突条(83,83b,83c)とが設けられ、上記
伝熱管(60,60b,60c)と上記螺旋突条(83,83b,83c)との隅
部が円弧面に形成されている構成としたものである。

【００１３】上記発明の特定要件により、伝熱管内を流
れる蓄熱媒体は、棒状体(82a,82b,82c) の外側を螺旋状
に移動すると共に、流路内で旋回する。そして、伝熱管
(60,60b,60c)の内周面と螺旋突条(83,83b,83c)の表面と
が交差する隅部(C11,C21,C31) は円弧面に形成されてい
るので、この部分での二次流れの発生が抑制される。そ
の結果、蓄熱媒体の流れは安定し、蓄熱媒体の過冷却状
態の解消が回避される。

【００１４】また、請求項２に記載された発明が講じた
手段は、請求項１に記載のシェルアンドチューブ型熱交
換器において、棒状体(82b,82c) と螺旋突条(83b,83c)
との隅部が円弧面に形成されている構成としたものであ
る。

【００１５】上記発明の特定要件により、伝熱管(60b,6
0c) の内周面と螺旋突条(83b,83c)の表面とが交差する
隅部(C21,C31) だけでなく、棒状体(82b,82c) の外周面
と螺旋突条(83b,83c) の表面とが交差する隅部(C22,C3
2) も円弧面に形成されているので、かどの存在に起因
する二次流れの発生はより抑制される。そのため、蓄熱
媒体の流れはさらに安定し、蓄熱媒体の過冷却状態の解
消が回避される。

【００１６】請求項３に記載された発明が講じた手段
は、請求項１または２のいずれか一つに記載のシェルア
ンドチューブ型熱交換器において、棒状体(82a,82b) と
螺旋突条(83,83b)とが一体形成されている構成としたも
のである。

【００１７】上記発明の特定要件により、棒状体(82b)
の外周面と螺旋突条(83b) の表面とが交差する隅部(C2
2) の円弧面を確実に形成することができる。

【００１８】請求項４に記載された発明が講じた手段
は、請求項１または２のいずれか一つに記載のシェルア
ンドチューブ型熱交換器において、伝熱管(60c) と螺旋
突条(83c) とが一体形成されている構成としたものであ
る。

【００１９】上記発明の特定要件により、伝熱管(60c)
の内周面と螺旋突条(83c) の表面とが交差する隅部(C3
1) の円弧面を確実に形成することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００２１】−蓄熱式空気調和装置− まず、本発明の熱交換器(50)を用いた蓄熱式空気調和装
置(10)について説明する。

【００２２】図１に示すように、蓄熱式空気調和装置(1
0)は、冷媒が循環する冷媒循環回路(20)と、水が循環す
る水循環回路(30)とを備える。そこで、上記冷媒循環回
路(20)と水循環回路(30)とを順に説明する。

【００２３】−冷媒循環回路(20)− 冷媒循環回路(20)は、圧縮機(21)と、四路切換弁(22)
と、室外熱交換器(23)と、室外電動膨張弁(EV-1)及び室
内電動膨張弁(EV-2)と、室内熱交換器(24)と、アキュム
レータ(25)とが冷媒配管(26)によって順に接続されて成
る可逆運転可能なメイン冷媒回路(27)を備えている。そ
して、上記室内熱交換器(24)及び室内電動膨張弁(EV-2)
が室内ユニットに設けられる一方、圧縮機(21)等の他の
要素機器が室外ユニットに設けられている。

【００２４】更に、上記冷媒循環回路(20)には、蓄熱冷
媒回路(2a)と、氷核回路(2b)と、ホットガス通路(2C)と
が設けられている。蓄熱冷媒回路(2a)は、冷蓄熱運転時
や冷蓄熱利用の冷房運転時などに冷媒が循環する回路で
あって、一端が室外熱交換器(23)と室外電動膨張弁(EV-
1)との間に、他端が四路切換弁(22)とアキュムレータ(2
5)との間に接続されると共に、第１電磁弁(SV-1)と、予
熱器(11)と、膨張機構である蓄熱電動膨張弁(EV-3)と、
過冷却熱交換器(50)と、第２電磁弁(SV-2)とが順に接続
されて構成されている。本発明の熱交換器は、この過冷
却熱交換器(50)として利用される。

【００２５】上記氷核回路(2b)は、後述する水循環回路
(30)における氷核を生成するための回路であって、一端
が蓄熱冷媒回路(2a)における蓄熱電動膨張弁(EV-3)と過
冷却熱交換器(50)との間に、他端が過冷却熱交換器(50)
と第２電磁弁(SV-2)との間に接続されると共に、キャピ
ラリチューブ(CP)と氷核生成器(13)が順に接続されて構
成されている。

【００２６】上記ホットガス通路(2C)は、冷蓄熱利用の
冷房運転時等に圧縮機(21)の吐出冷媒を過冷却熱交換器
(50)に供給する回路であって、一端が圧縮機(21)の吐出
側に、他端が過冷却熱交換器(50)に接続され、第３電磁
弁(SV-3)を備えている。

【００２７】−水循環回路(30)− 上記水循環回路(30)は、図２に示すように、蓄熱槽(31)
と、ポンプ(32)と、予熱器(11)と、混合器(33)と、過冷
却熱交換器(50)と、過冷却解消部(34)とが水配管(35)に
よって蓄熱媒体である水の循環( 図２の矢印参照) が可
能に順に接続されて構成されている。

【００２８】そして、本発明に係る上記過冷却熱交換器
(50)は、後述するように、縦型のシェルアンドチューブ
型熱交換器であって、容器内に複数の伝熱管が収納され
て構成されている。過冷却熱交換器(50)は、冷媒循環回
路(20)から容器内を流れる冷媒と伝熱管内を流れる水と
の間で熱交換を行わせ、冷蓄熱運転時には水を過冷却状
態まで冷却するように構成されている。

【００２９】上記予熱器(11)は、二重管型熱交換器であ
って、内側管の外側を冷媒が、内側管の内側を水が流
れ、蓄熱槽(31)から流れてきた氷水を加熱して、水配管
(35)を流れる氷を融解するようにしている。

【００３０】上記氷核生成器(13)は、過冷却熱交換器(5
0)の下流側に位置して水配管(35)に取り付けられ、水配
管(35)を流れる水の一部を冷媒循環回路(20)の冷媒によ
り冷却氷化し、それを氷核として過冷却解消部(34)に向
って供給するように構成されている。

【００３１】上記混合器(33)及び過冷却解消部(34)は、
何れも中空円筒状の容器より構成され、接線方向に導入
した水が旋回流となるように構成されている。そして、
上記混合器(33)は、予熱器(11)で加熱された水と氷とを
撹拌して氷の融解を促進させる一方、過冷却解消部(34)
は、氷核生成器(13)で生成された氷核と過冷却熱交換器
(50)で生成された過冷却水とを撹拌して過冷却を解消す
るようにしている。

【００３２】−過冷却熱交換器(50)− 次に、過冷却熱交換器(50)について説明する。

【００３３】図３に示すように、過冷却熱交換器(50)
は、上下方向に延びる軸芯を有する密閉型の円筒形状の
容器(51)を備えている。この容器(51)内には、その上下
両端部に、容器(51)の上側端と上側管板(52a) によって
区画形成された上側水流通部(53a) と、容器(51)の下側
端と下側管板(52b) により区画形成された下側水流通部
(53b) とをそれぞれ備えている。さらに、容器(51)内に
は、上側水流通部(53a)と下側水流通部(53b) との間を
上下方向に延びて連通する複数の伝熱管(60)が設けられ
ている。

【００３４】図４に示すように、各伝熱管(60)は隣り合
う伝熱管(60)との間に一定の間隔を隔てて互いに平行に
配置されている。各伝熱管(60)の一端は上側水流通部(5
3a)と連通し、他端は下側水流通部(53b) と連通してお
り、上側水流通部(53a) と下側水流通部(53b) との間で
水の流通を可能にしている。また、容器(51)内の伝熱管
(60)の外側空間には、上側管板(52a) と下側管板(52b)
との間で区画形成される冷媒流通部(54)が形成されてい
る。

【００３５】冷媒流通部(54)は、容器(51)の下部におい
て冷媒を導入する下部接続管(56)と連通し、容器(51)の
上部において冷媒を導出する上部接続管(55)と連通して
いる。

【００３６】−伝熱管− 次に、本発明の特徴である伝熱管(60)部分を詳細に説明
する。

【００３７】図５に示すように、伝熱管(60)の外壁に
は、管の軸方向に一定間隔で並んだ複数のフィン(57)が
形成されている。このフィン(57)によって伝熱管の管外
側面積が増加し、熱交換効率が向上する。この伝熱管(6
0)の材料は銅であるが、アルミニウムを用いることも可
能である。

【００３８】一方、伝熱管(60)の内部には、水の流路(8
1)を形成する流路形成体として樹脂棒(80)が挿入されて
いる。この樹脂棒(80)は、伝熱管の軸方向の長さと略一
致する長さに形成されている。樹脂棒(80)は、管の半径
方向外向きに凸状の複数の螺旋突条(83)が棒状体(82a)
に一体的に設けられて形成されている。そして、樹脂棒
(80)はエポキシ樹脂、ポリアミド６、ポリアミド６６、
ポリアセタール等の材料でできている。

【００３９】棒状体(82a) は、伝熱管(60)の管軸と同軸
状の中空円筒形状となっており、上側水流通部(53a) お
よび下側水流通部(53b) 内に位置する棒状体(82a) の上
下端は封止され、棒状体(82a) の中心部内(89)には水が
流入しない構成となっている。

【００４０】軸に対する螺旋突条(83)の傾斜角度は、軸
方向に対して一定のピッチを保つようほぼ同じ角度に設
定されている。しかし、種々の設計条件により、螺旋突
条(83)が異なったピッチ、異なった角度を有するように
構成してもよい。

【００４１】この螺旋突条(83)は、水の流れ(W) を棒状
体(82a) の周囲で軸方向に螺旋状に旋回させるように棒
状体(82a) の外周面を巻回する。また、本実施形態で
は、螺旋突条(83)は８つ形成されており、この８つの螺
旋突条が独立した８つの流路を形成している。

【００４２】そして、図６に示すように、螺旋突条(83)
は、流路断面において、棒状体(82a) から伝熱管(60)の
内周面に向かう方向に徐々にその厚み(t) を減少させつ
つ、その厚みがいったん最小(t-min) となった後、先端
部( 螺旋突条(83)と伝熱管(60)内周面とが接する部分の
近傍部)(88) において、先端部(88)と伝熱管(60)の内周
面との隅部にかどをつくらないように、その厚みを急激
に増した構造となっている。

【００４３】つまり、先端部(88)はいわゆる末広がり形
状に形成されるとともに、螺旋突条(83)と伝熱管(60)の
内周面との隅部を形成し、この隅部は両側端が所定の丸
みを有する円弧面(C11) に形成されている。そして、こ
の円弧面(C11) によって、先端部(88)は伝熱管(60)の内
周面に滑らかに連続している。さらに、円弧面(C11)
は、隅部で水の流れが澱まないように、流路内で水全体
が旋回するような円弧形状に形成されている。

【００４４】−運転動作− 次に、上述した蓄熱式空気調和装置(10)の運転動作につ
いて説明する。まず、過冷却熱交換器(50)を用いた冷蓄
熱運転について説明する。

【００４５】−冷蓄熱運転− この運転モードでは、図７に示すように、四路切換弁(2
2)が実線側に切換えられ、蓄熱電動膨張弁(EV-3)が所定
開度に調整される一方、他の電動膨張弁(EV-1，EV-2)
を閉鎖する。また、第１及び第２電磁弁(SV-1 ，SV-2)
は開口し、第３電磁弁(SV-3)は閉鎖している。

【００４６】この状態において、冷媒循環回路(20)で
は、圧縮機(21)から吐出した冷媒は、図７に矢印で示す
ように、室外熱交換器(23)で外気と熱交換して凝縮す
る。その後、この冷媒は、蓄熱電動膨張弁(EV-3)で減圧
した後、過冷却熱交換器(50)で水と熱交換して蒸発し、
この水を過冷却状態( 例えば−２℃) まで冷却する。そ
の後、上記冷媒はアキュムレータ(25)を経て圧縮機(21)
に吸入される。

【００４７】また、本運転にあっては、冷媒の一部が、
蓄熱電動膨張弁(EV-3)の下流側から氷核回路(2b)に分流
し、キャピラリチューブ(CP)により減圧した後、氷核生
成器(13)で蒸発して、アキュムレータ(25)を経て圧縮機
(21)に吸入される。この氷核生成器(13)において、冷媒
は、水配管(35)を流れる水と熱交換し、氷塊を水配管(3
5)の内壁面に生成する。

【００４８】一方、水循環回路(30)では、ポンプ(32)を
駆動することにより、水を循環させる。蓄熱槽から流出
した水は、ポンプ(32)を経て、予熱器(11)で加熱された
後、混合器(33)で攪拌される。その後、この水は過冷却
熱交換器(50)で冷媒と熱交換器して冷却され、所定の過
冷却状態になって過冷却熱交換器(50)から流出する。そ
して、熱交換器(50)から流出した過冷却状態の水は、氷
核生成器(13)において更に冷却され、氷塊を水配管(35)
の内壁面に生成する。その後、この氷塊の周囲で氷核が
生成され、この氷核を含んだ過冷却水は過冷却解消部(3
4)に供給される。そして、過冷却解消部(34)において、
氷核と過冷却水とが撹拌され、蓄熱用のスラリー状の氷
が生成されて蓄熱槽(31)に回収貯留されることになる。

【００４９】本運転時には、予熱器(11)に比較的高温の
冷媒が流れ、仮に氷が水配管(35)に流れても、予熱器(1
1)において加熱されて融解し、過冷却熱交換器(50)に氷
が混入することが回避される。

【００５０】次に、過冷却熱交換器(50)内の冷媒および
水の流れについて説明する。

【００５１】冷媒は下部接続管(56)から冷媒流通部(54)
に流入し、伝熱管(60)内を流れる水から熱を吸収しなが
ら、気液界面(G) を形成しつつ冷媒流通部(54)を上向き
に流れる。そして、水との熱交換を終えた冷媒は、上部
接続管(55)から流出する。

【００５２】一方、下側水流通部(53b) から流路(81)へ
流入した水は、冷媒流通部(54)を流れる低温の冷媒と熱
交換を行い冷却されながら、螺旋状に流路(81)を上向き
に流れる。つまり、凝固点よりも高い温度で下側水流通
部(53b) から流入した水は、流路(81)の下流方向、つま
り伝熱管(60)の上方に向かって徐々に温度を低下させ、
やがて過冷却状態となり、所定の過冷却度を保った状態
で上側水流出部(53a)から流出する。

【００５３】水は、伝熱管(60)の内周面、棒状体(82a)
の外周面、および螺旋突条(83)の表面によって区画形成
される螺旋状の８つの空間内を流れる。したがって、水
の主流は伝熱管(60)の下部から上部に向かって、伝熱管
(60)の軸方向に螺旋状に流れる。そのため、流路断面に
おいては、流路の中心部を中心とした旋回流(F1)が発生
する。

【００５４】以上のようにして、過冷却熱交換器(50)を
用いた冷蓄熱運転が行われる。

【００５５】次に、蓄熱式空気調和装置(10)の他の運転
動作について概略説明する。

【００５６】−通常冷房運転− この運転モードでは、冷媒循環回路(20)のみを動作さ
せ、水循環回路(30)は動作を行わない。

【００５７】この運転モードでは、四路切換弁(22)が図
１の実線側に切換えられ、室内電動膨張弁(EV-2)が過熱
度制御され、室外電動膨張弁(EV-1)を全開状態に、蓄熱
電動膨張弁(EV-3)を全閉状態に制御する。一方、各電磁
弁(SV-1 ，SV-2，SV-3) は共に閉鎖している。

【００５８】この状態において、圧縮機(21)から吐出さ
れた冷媒は、室外熱交換器(23)で外気と熱交換して凝縮
する。その後、この冷媒は室内電動膨張弁(EV-2)で減圧
した後、室内熱交換器(24)で蒸発して、アキュムレータ
(25)を経て圧縮機(21)に戻る。この循環動作によって、
蓄熱式空気調和装置(10)は室内の冷房を行う。

【００５９】−冷蓄熱利用冷房運転− この運転モードでは、図８に示すように、四路切換弁(2
2)を実線側に切換え、室内電動膨張弁(EV-2)を所定開度
に制御し、他の電動膨張弁(EV-1 ，EV-3) を全開にす
る。また、第１及び第３電磁弁(SV-1 ，SV-3) は開口
し、第２電磁弁(SV-2)は閉鎖する。

【００６０】この状態で、水循環回路(30)においては、
ポンプ(32)を駆動して冷水を循環する。蓄熱槽(31)内の
冷水はポンプ(32)、予熱器(11)、混合器(33)を順に経た
後、過冷却熱交換器(50)に流入する。このとき、冷水は
予熱器(11)で予熱されず、予熱器(11)を単に通過するだ
けである。そして過冷却熱交換器(50)に流入した冷水
は、冷媒と熱交換を行い加熱される。その後、加熱され
た水は過冷却熱交換器を流出し、過冷却解消部を経て蓄
熱槽(31)に戻る。そして、加熱された水は蓄熱槽(31)内
に貯留された氷と熱交換して冷却され、冷水となって、
再び蓄熱槽(31)から流出して水循環回路を循環する。

【００６１】一方、冷媒循環回路(20)においては、圧縮
機(21)から吐出された冷媒は、図８に矢印で示すよう
に、その一部が、四路切換弁(22)を経て室外熱交換器(2
3)に流れ、室外熱交換器(23)で外気と熱交換して凝縮す
る。また、他の吐出冷媒は、ホットガス通路(2C)を経て
過冷却熱交換器(50)に流れ、水循環回路(30)を循環する
冷水と熱交換を行って凝縮する。そして、上記室外熱交
換器(23)と過冷却熱交換器(50)で凝縮した冷媒は、合流
して室内電動膨張弁(EV-2)で減圧された後、室内熱交換
器(24)で蒸発し、室内空気を冷却した後、アキュムレー
タ(25)を経て圧縮機(21)に吸入される。

【００６２】以上の動作によって、蓄熱槽(31)内に貯留
された氷の冷熱を利用した室内冷房運転が行われる。

【００６３】−通常暖房運転− この運転モードでは、水循環回路(30)は動作させず、冷
媒循環回路(20)のみを動作させる。

【００６４】この運転モードでは、四路切換弁(22)を図
１の破線側に切換え、室外電動膨張弁(EV-1)を所定開度
に制御し、室内電動膨張弁(EV-2)を全開状態に、蓄熱電
動膨張弁(EV-3)を全閉状態に制御する。一方、各電磁弁
(SV-1 ，SV-2，SV-3) は共に閉鎖している。

【００６５】この状態において、圧縮機(21)から吐出さ
れた冷媒は、室内熱交換器(24)に流れて室内空気と熱交
換して凝縮し、室内空気を加熱する。その後、この冷媒
は、室外電動膨張弁(EV-1)で減圧した後、室外熱交換器
(23)で外気と熱交換して蒸発する。その後、冷媒はアキ
ュムレータ(25)を経て圧縮機(21)に吸入される。このよ
うな冷媒の循環動作によって室内の暖房を行う。

【００６６】以上が蓄熱式空気調和装置(10)の運転動作
である。

【００６７】上述したように、過冷却熱交換器(50)で
は、先端部(88)の上記構造により、伝熱管(60)の内周面
と螺旋突条(83)の表面とが交差する隅部に円弧面(C11)
が形成されている。そのため、この隅部は、かどではな
く丸み( アール) を有する。したがって、この円弧面(C
11) 付近には二次流れが生じない。また、棒状体(82a)
の外周面と螺旋突条(83)の表面とが交差する隅部に形成
されるかどは、鋭角ではなく鈍角なので、この部分での
二次流れは発生しにくい。

【００６８】そのため、流路断面における水の流れは旋
回流(F1)のみとなる。その結果、円弧面(C11) 付近で冷
却された水は、旋回流(F1)によって他の部分に運ばれ、
他の部分の水とよく混合する。このようにして、円弧面
(C11) 付近では冷却される水が常に入れ替わるので、円
弧面(C11) 付近において水が他の部分にくらべて極端に
冷却されることはない。したがって、流路断面内におい
て、水の温度分布は均一になる。

【００６９】前述したように、過冷却した水は本来的に
不安定であり、わずかな刺激によっても過冷却状態が解
消して氷化を開始する。そして、流路断面内における過
冷却水の不均一な温度分布も過冷却を解消する原因とな
る。しかし、過冷却熱交換器(50)では、過冷却状態解消
の原因となる流路断面内における温度分布の不均一さが
ないため、安定した過冷却状態を保った流れを実現でき
る。

【００７０】そのため、水の過冷却度が相当大きくて
も、過冷却水の氷化による流路の閉塞は起こりにくい。
したがって、氷化による流路の閉塞の危険性が格段に低
下し、伝熱管(60)の破裂が生じる危険性が低いので、流
路(81)を流れる水の過冷却度を従来以上に高めることが
可能となり、熱交換器の小型化、高効率化を達成するこ
とができる。

【００７１】なお、本実施形態では棒状体(82a) が中空
円筒形状なので、たとえ何らかの事故により流路内の過
冷却水が凍結したとしても、棒状体(82a) が内部に変形
するので、伝熱管(60)の破裂を防止することができる。

【００７２】

【発明の実施の形態２】実施形態２の熱交換器では、実
施形態１の熱交換器と伝熱管の内部の構造のみが異な
り、その他の部分は実施形態１の熱交換器と同様であ
る。したがって、その他の部分の説明は省略する。

【００７３】図９に示すように、実施形態２の熱交換器
では、伝熱管(60b) の内部に、水の流路を形成する樹脂
棒(80b) が挿入されている。樹脂棒(80b) は、伝熱管(6
0b)の軸方向の長さと略一致する長さに形成されてお
り、伝熱管(80b) の半径方向外向きに凸状の複数の螺旋
突条(83b) が棒状体(82b) に一体的に設けられて形成さ
れている。そして、樹脂棒(80)はエポキシ樹脂、ポリア
ミド６、ポリアミド６６、ポリアセタール等の材料でで
きている。棒状体(82b) は、伝熱管(60b) の管軸と同軸
状の中空円筒形状となっており、上側水流通部(53a) お
よび下側水流通部(53b) 内に位置する棒状体(82b) の上
下端は封止され、棒状体(82b) の中心部内(89b) には水
が流入しない構成となっている。

【００７４】この螺旋突条(83b) は、水の流れ(W) を棒
状体(82a) の周囲で軸方向に螺旋状に旋回させるように
棒状体(82b) の外周面を巻回する。また、螺旋突条(83
b) は８つ形成されており、この８つの螺旋突条が独立
した８つの流路を形成している。

【００７５】そして、図９に示すように、流路断面にお
いて、螺旋突条(83b) は棒状体(82b) と滑らかに連続
し、棒状体(82b) から伝熱管(60b) の内周面に向かう方
向に徐々にその厚みを減少させつつ、その厚みがいった
ん最小となった後、先端部(88b) において、先端部(88
b) と伝熱管(60b) の内周面との隅部にかどをつくらな
いように、その厚みを急激に増した構造となっている。

【００７６】つまり、棒状体(82b) と螺旋突条(83b) と
の隅部には所定の丸みを有する円弧面(C22) が形成され
る。そして、先端部(88b) はいわゆる末広がり形状に形
成されるとともに、螺旋突条(83b) と伝熱管(60b) の内
周面との隅部を形成し、この隅部は両側端が所定の丸み
を有する円弧面(C21) に形成されている。そして、この
円弧面(C21) によって、先端部(88b) は伝熱管(60b) の
内周面に滑らかに連続している。さらに、円弧面(C22)
および円弧面(C11) は、隅部で水の流れが澱まないよう
に、流路内で水全体が旋回するような円弧形状に形成さ
れている。

【００７７】上記の構造により、実施形態２の熱交換器
では、伝熱管(60b) の内周面と螺旋突条(83b) の表面と
が交差する隅部で発生する可能性のある二次流れだけで
なく、さらに、棒状体(82b) と螺旋突条(83b) とが交差
する隅部で発生する可能性のある二次流れをも抑制する
ことができる。このため、流路内を流れる水は旋回流(F
2)のみとなり、過冷却を解消する原因となる二次流れは
発生しない。

【００７８】したがって、実施形態１で述べた理由と同
様の理由により、流路内を流れる水の過冷却状態をより
安定化することができる。その結果、氷化による流路の
閉塞の危険性が格段に低下し、伝熱管(60b) の破裂が生
じる危険性が低いので、熱交換器内を流れる水の過冷却
度を従来以上に高めることが可能となり、熱交換器の小
型化、高効率化を達成することができる。

【００７９】

【発明の実施の形態３】実施形態３の熱交換器も、実施
形態１の熱交換器と伝熱管の内部の構造のみが異なり、
その他の部分は実施形態１の熱交換器と同様である。図
１０に示すように、本実施形態の熱交換器では、伝熱管
(60c) の内周面に、管内を流れる水の流れを棒状体(82
c) の周囲で軸方向に螺旋状に旋回させる複数の螺旋突
条(83c) が、管の中心方向に向かって延びるように形成
されている。そして、伝熱管(60c)の内周面、棒状体(82
c) の外周面、および螺旋突条(83c) の表面が伝熱管(60
c)の軸方向に螺旋状となる水の流路を形成している。螺
旋突条(83c) は、水の流れ方向に直交する断面におい
て、伝熱管(60c) の内周面と滑らかに連続し、伝熱管(6
0c) の内周面から棒状体(82c) の外周面に向かう方向
に、急激にその厚み(t')を減少させていったん最小(t'-
min)となった後、徐々にその厚み(t')を増しつつ、さら
に先端部( 螺旋突条(83c) と棒状体(82c) の外周面とが
接する部分の近傍部)(88c)において、先端部(88c) と棒
状体(82c) の内周面との隅部にかどをつくらないように
急激にその厚みを増す構造となっている。つまり、伝熱
管(60c) の内周面と螺旋突条(83c) との隅部には所定の
丸みを有する円弧面(C31) が形成される。そして、先端
部(88c) はいわゆる末広がり形状に形成されるととも
に、螺旋突条(83b) と棒状体(82c) の外周面との隅部を
形成し、この隅部は両側端が所定の丸みを有する円弧面
(C32) に形成されている。そして、この円弧面(C32) に
よって、先端部(88c) は棒状体(82c) の外周面に滑らか
に連続している。さらに、円弧面(C31) および円弧面(C
32) は、隅部で水の流れが澱まないように、流路内で水
全体が旋回するような円弧形状に形成されている。

【００８０】樹脂棒(82c) は、伝熱管(60c) の管軸と同
軸状の筒形状となっており、上側水流通部(53a) および
下側水流通部(53b) 内に位置する樹脂棒(82c) の上下端
は封止され、樹脂棒(82c) の中心部内(89c) には水が流
入しない構成となっている。

【００８１】軸に対する螺旋突条(83c) の傾斜角度は、
軸方向に対して一定のピッチを保つようほぼ同じ角度に
設定されている。しかし、種々の設計条件により、螺旋
突条が異なったピッチ、異なった角度を有するように構
成してもよい。

【００８２】上記の構造により、この実施形態３の熱交
換器では、伝熱管(60c) の内周面と螺旋突条(83b) の表
面とが交差する隅部で発生する可能性のある二次流れ、
および棒状体(82c) と螺旋突条(83c) とが交差する隅部
で発生する可能性のある二次流れを抑制することができ
る。このため、流路内を流れる水は旋回流(F3)のみとな
り、過冷却を解消する原因となる二次流れは発生しな
い。

【００８３】したがって、実施形態１で述べた理由と同
様の理由により、流路内を流れる水の過冷却状態をより
安定化することができる。その結果、氷化による流路の
閉塞の危険性が格段に低下し、伝熱管(60c) の破裂が生
じる危険性が低いので、熱交換器内を流れる水の過冷却
度を従来以上に高めることが可能となり、熱交換器の小
型化、高効率化を達成することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、蓄熱媒
体の流路の流れ方向に直交する断面(流路断面) におい
て、伝熱管(60,60b,60c)の内周面と螺旋突条(83,83b,83
c)の表面とが交差する隅部に円弧面(C11,C21,C31) が形
成され、棒状体(82a,83b,83c)の外周面と螺旋突条(83,8
3b,83c)の表面とが交差する隅部に鋭角のかどがないの
で、二次流れが生じない。このことにより、二次流れに
起因する蓄熱媒体の過冷却状態の解消が起こりにくいた
め、蓄熱媒体の過冷却状態を安定に保ちながら蓄熱媒体
と冷媒との熱交換を行うことができる。したがって、過
冷却状態が解消して発生する蓄熱媒体の氷化による蓄熱
媒体の流路の閉塞を、蓄熱媒体の過冷却度が相当大きく
ても防止することができる。その結果、氷化による流路
の閉塞の危険性が格段に低下し、伝熱管(60,60b,60c)の
破裂が生じる危険性が低いので、熱交換器内を流れる水
の過冷却度を従来以上に高めることが可能となり、熱交
換器の小型化、高効率化を達成することができる。さら
に、熱交換器の小型化、高効率化により、蓄熱式空気調
和装置全体の性能を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷媒循環回路および水循環回路を示す図であ
る。

【図２】水循環回路を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る熱交換器の側面図で
ある。

【図４】図３のＶ−Ｖ線に対応した位置における過冷却
熱交換器の断面図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る熱交換器の伝熱管を
示す図である。

【図６】実施形態１の熱交換器に係る伝熱管の内部構造
を示す図であり、（ａ）は内部構造の全体を表す図であ
り、（ｂ）は内部構造の一部分を拡大した図である。

【図７】冷蓄熱運転時の冷媒循環回路および水循環回路
を示す図である。

【図８】冷蓄熱利用の冷房運転時の冷媒循環回路および
水循環回路を示す図である。

【図９】実施形態２の熱交換器についての図６に相当す
る図である。

【図１０】実施形態３の熱交換器についての図６に相当
する図である。

【図１１】従来の熱交換器についての図６に相当する図
である。

【符号の説明】

48 容器 50 過冷却熱交換器 60,60b,60c 伝熱管 80 樹脂棒 81 流路 82a,82b,82c 棒状体 83,83b,83c 螺旋突条 88,88b,88c 先端部 89,89c 中空部 C11,C21,C22,C31,C32 円弧面 F1,F2,F3 旋回流

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉型容器(51)と、該密閉型容器(51)内
   に設けられた複数の伝熱管(60,60b,60c)とを備え、該伝
   熱管(60,60b,60c)の外部を流れる冷媒(R) と該伝熱管(6
   0,60b,60c)の内部を流れる蓄熱媒体(W) との間で熱交換
   を行うシェルアンドチューブ型熱交換器において、 上記各伝熱管(60,60b,60c)の内部には、伝熱管に挿入さ
   れた棒状体(82a,82b,82c) と、該棒状体(82a,82b,82c)
   の外周面と該伝熱管(60,60b,60c)の内周面との間に位置
   して蓄熱媒体の螺旋状の流路を形成する螺旋突条(83,83
   b,83c)とが設けられ、 該伝熱管(60,60b,60c)と該螺旋突条(83,83b,83c)との隅
   部は円弧面に形成されていることを特徴とするシェルア
   ンドチューブ型熱交換器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 さらに前記棒状体(82b,82c) と前記螺旋突条(83b,83c)
   との隅部は円弧面に形成されていることを特徴とするシ
   ェルアンドチューブ型熱交換器。
3. 【請求項３】 請求項１または２のいずれか一つに記載
   のシェルアンドチューブ型熱交換器において、 前記棒状体(82a,82b) と前記螺旋突条(83,83b)とが一体
   形成されていることを特徴とするシェルアンドチューブ
   型熱交換器。
4. 【請求項４】 請求項１または２のいずれか一つに記載
   のシェルアンドチューブ型熱交換器において、 前記伝熱管(60c) と前記螺旋突条(83c) とが一体形成さ
   れていることを特徴とするシェルアンドチューブ型熱交
   換器。