JPS6119914B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は管の内部を通して冷媒を通流させ、同
時に冷却すべき流体を管の外面に沿つて通流させ
るようにした熱交換器に関し、特に、外殻／管組
合せ型の高性能直接膨脹式冷却器に関する。

循環流体（通常は水）を熱交換器内で冷却し、
それを建物内で冷房すべき区域へ循環さるように
した大規模の空調及び冷凍装置には外殻／管組合
せ型熱交換器が一般に使用されている。この外
殻／管組合せ型熱交換器は、慣用の蒸気圧縮冷凍
サイクルを有するパツケージ式冷凍ユニツトの１
構成要素として販売されている。冷媒は圧縮機内
へ通され、圧縮機内において温度及び圧力を増大
せしめられた後、凝縮器へ送られて冷却される。
凝縮器から出た冷媒は、膨脹制御装置内を通り、
該装置内において圧力を減少せしめられ、最後に
外殻／管組合せ型熱交換器へ送られる。該熱交換
器内において液体冷媒は冷却すべき相手の液体か
ら熱を吸収し、ガス状冷媒に変化する。その後、
ガス状冷媒は、圧縮機へ戻り、そこで再び圧縮さ
れて次のサイクルを始める。外殻／管組合せ型熱
交換器は、冷凍業界において商業用及び営業用冷
凍機に使用する水冷却器として単独でも販売され
ている。

典型的な直接膨脹式冷却器は、円筒状ケーシン
グ内において入口導管に連通させた管寄せと出口
導管に連通させた管寄せとの間に延長させた複数
の平行な冷媒搬送管を有している。冷媒はこれら
の管の中を通して循環され、冷却すべき流体はそ
れらの管の外面を被うようにして循環される。冷
媒は、冷却すべき流体から熱を吸収して熱交換器
の管内において相変化する。かくして冷却された
流体を循環させ、所要の冷却需要を充足すること
ができる。従来の熱交換器は、プライム表面管と
称される平滑な内表面及び外表面を備えた銅製ま
たはその他の素材の管を使用している。管内に内
側フインを形成するために星形挿入体を使用する
こともできるが、それらはコストが高く業界で好
評を得ていない。

また、一体的なつる巻状内側フインも知られて
おり、米国特許第3422518号、3622403号、
3622582号、3750709号及び3776018号に開示され
ている。また内側フインを備えた金属管に関する
その他の特許としては、米国特許第511900号、
3768291号、3580026号、3118328号、3292408号、
3298451号、3830087号、1465073号、1985833号、
1989507号、2392797号及び2397544号がある。

内側フイン付管は、多年に亘つて市販されてい
るが、典型的な外殻／管組合せ型熱交換器にそれ
らの管を使用して以前に試験したときにはユニツ
ト全体としての効率は極く僅かしか改良されてい
ないことが確認された。この以前の試験は、既存
の平滑表面管の代りに内側フイン付管を使用した
場合について行つたものである。ところが、今
回、内側フイン付管を効果的に使用するために
は、標準的な平滑表面管の回路における温度降下
に比べて、管回路の全長に亘つての温度降下を比
較的小さくするべきであることが見出された。更
に、内側フイン付管は、その管回路の全長に亘つ
て、平滑表面管の温度降下と同じ温度降下で作動
させたのでは全体の性能向上は、たとえ得られた
としても無視すべき程度でしかないことが判明し
た。従つて、内側フイン付管から所望の高い効率
を得るためには、管回路の温度降下が平滑表面管
を有する同様な管回路の場合に比べて相当に小さ
くなるように熱交換器内の内部管回路の寸法を選
定することが必要である。この明細書でいう「温
度降下」とは、当業者には周知のように、管回路
内を通る冷媒の圧力降下に相当する冷媒の飽和温
度降下のことである。圧力が低下すると、冷媒の
飽和温度が低下するから、冷媒の圧力降下は、温
度降下に換算して表わすことができる。ここでい
う「温度降下」は、圧力降下を温度降下に換算し
て示したものである。圧力降下を温度降下に換算
して表わす理由は当業者には周知であるから、こ
こでは詳述しない。管の構造および寸法が同じで
あつても、使用される冷媒の種類および作動条件
によつて圧力降下の度合が異る。従つて、特定の
管構造において「温度降下」が所定の値を越えな
いように管回路の長さを選定するということは、
使用される特定の冷媒および企図される特定の作
動条件において温度降下が所定値以下に抑えられ
るような圧力降下値となるように管回路の長さを
定めることである。

更に、従来の内側フイン付管のフインのリード
角即ち管の軸線に対するフインの角度は約15゜に
制限することができることが判明した。また、こ
のリード角を大きくすれば管の性能が高められる
ことが判明した。実際、管の性能は、20゜より相
当大きい角度において最大になる。

内側フイン付管を有効に使用するためには、内
側フインのリード角を大きくするとともに、熱交
換器をその冷媒管回路全長に亘つての温度降下を
従来技術におけるよりもはるかに小さくした状態
で作動させることが必要である。以上の条件を充
足すれば、内側フイン付管を用いた場合、適正な
温度降下が得られるように熱交換器内の回路構成
を変更し、熱交換効率を最大にするように管の内
側フインのリード角を変えることによつて既存の
外殻／管組合せ型熱交換器の能力を実質的に増大
させることが可能である。しかも、この性能の向
上は、ほとんどコスト増を招くことなく、また追
加の組立時間を必要とすることなく達成すること
ができる。

本発明の目的は、冷媒回路の温度降下が内側フ
イン付管によつて得られる性能を完全に利用しう
るような態様で高性能内側フイン付管による外
殻／管組合せ型熱交換器を作動させることであ
る。

本発明の更に特定的な目的は、管の熱交換係数
を最適にするのに十分なリード角を有する内側フ
イン付管を外殻／管組合せ型熱交換器内に使用す
ることである。

本発明の他の目的は、既存の外殻／管組合せ型
熱交換器の効率を高め、実質的にコスト増を招く
ことなく該熱交換器の能力を増大させるための方
法及び装置を提供することである。

本発明のその他の目的は、以下の記載から一層
明らかになろう。

本発明の好まい実施例によれば、冷媒回路の冷
媒の温度降下が５〓（2.78℃）を越えることがな
く、好ましくは全負荷状態のもとにおいて３〓〜
４〓（1.67℃〜2.22℃）の範囲内になるように冷
媒回路の長さが定められるような態様に配設した
多数の平行な内側フイン付管を有する外殻／管組
合せ型熱交換器が提供される。詳述すれば、この
温度降下範囲は、管回路の全長を長い平滑管の場
合に使用されている管回路の全長より短くするこ
とによつて得られる。熱交換器内には、管の軸線
に対して少くとも20゜好ましくは20゜〜45゜の範
囲のリード角を有する一体的な内側フイン付管を
使用する。高いリード角を有する内側フイン付管
の使用と、管回路の温度降下を低くすることが相
俟つて高能率の熱交換器を提供する。

以下に説明する本発明の実施例は、直接膨脹式
熱交換に適用するものであるが、本発明は他の形
式の熱交換器及び他の形式の一体的フイン付管を
使用した場合にも同様に適用しうるものであるこ
とを理解されたい。以下に述べる外殻／管組合せ
型熱交換器は、慣用の直接膨脹式蒸気圧縮冷凍系
内の蒸発器として使用するように設計されてい
る。このような冷凍系においては、圧縮機におい
て通常Ｒ−12（トリクロロモノフルオロメタン）
またはＲ−22（ジクロロジフルオロメタン）等の
ガス状冷媒を圧縮し、次いで該冷媒を凝縮器を通
して循環させ、凝縮器内において冷却させて液化
させ、次いで膨脹制御装置を通して冷凍系の低圧
側へ送る。冷媒は、系の低圧側へ流入すると、冷
却すべき流体から熱を吸収して外殻／管組合せ型
熱交換器内において蒸発し、一部液体一部蒸気の
状態から過熱蒸気に相変化する。この過熱蒸気が
圧縮機へ送られてサイクルを完了する。

添付図を参照すると、第１図には、複数の管２
０を有する代表的な外殻／管組合せ型熱交換器ま
たは冷却器が示されている。これらの管は、熱交
換器の両端において管板５６に取付けてある。冷
却すべき流体を管束２０に対して直角方向に向け
る役割を果す邪魔板１９は管を支持する中間支持
体の役割をも果す。冷却すべき流体を導入するた
めの流体入口１２を外殻１０に設ける。冷却すべ
き流体は、管２０の外面を被つて通過し、流体出
口１４を通つて外殻から流出する。この流体は、
通常、水、エチレングリコール、海水またはその
他のブラインであり、熱交換器を通る際管２０内
の冷媒によつて冷却される。

熱交換器は、冷媒導入口１６によつて蒸気圧縮
冷凍系内の膨脹制御装置（図示せず）に接続され
る。冷媒は、導入口１６から入口管寄せ２２に流
入し、第１図に示されるように管２０内を通つて
出口管寄せ３０に至る。管寄せ２２と３０は、冷
媒を熱交換器の１つの冷媒径路から次の径路へ通
すように幾つかの画室に分割されている。冷媒を
熱交換器の一方の側から他方の側へ移行させる幾
つかの径路が集まつて１つの管回路を構成する。
図を簡略にするため、第１図には１つの管回路だ
けしか示されていないが、標準的な外殻／管組合
せ型熱交換器は、多数の並列回路を有しており、
管寄せによつて各回路をそれぞれ異る段において
接続している。各管の端部を固定するために熱交
換器即ち冷却器の各端に管板５６を設けてあり、
それらの間を支持し、かつ、冷却すべき流体を冷
却器内を通して導くために複数の邪魔板１９を設
けてある。

詳述すれば、導入口ノズル１６からの冷媒は入
口管寄せ２２の第１入口画室２４に流入し、そこ
から管２０内を通つて出口管寄せ３０の第１出口
画室３２に入り、別の管２０内を通つて第２入口
画室２６へ戻り、次いで、第３の管２０を経て第
２出口画室３４へ入り、そこから第４の管２０を
通つて第３の入口画室２８へ流れ、第５の管２０
を経て第３出口画室３６へ流入し、そこから蒸気
圧縮冷凍系内の圧縮機（図示せず）に通じる冷媒
導出口１８へ流れる。先に述べたように、第１図
においては、入口管寄せ２２の画室２４，２６，
２８と、出口管寄せ３０の画室３２，３４，３６
と、管２０とで１つの回路が形成されており、通
常は、このような回路が幾つか集められて熱交換
器または冷却器を構成している。どの回路の長さ
も、入口管寄せと、出口管寄せの間の管列の管の
長さと、管寄せ内での流体の移動距離と、当該回
路内の管の本数によつて定まる。

第２図は、一体的内側フイン付管２０（管の内
壁に一体的にフイン４４を形成した管）の一部切
除した図である。図示のように、フイン４４は、
管の軸線４２に対して角度をなして管の内表面に
形成されている。この角をリード角と称する。第
２図においては、フイン４４は、軸線４２に対し
てリード角４０を有するものとして示されてい
る。

第３図は、平滑表面管と、内側フイン付管のい
ろいろな温度降下値における性能を示すグラフで
ある。曲線５０は、平滑表面管に関し、曲線５２
は内側フイン付管に関する。曲線５４は内側フイ
ン付管に関するが、曲線５２の管のフインのリー
ド角とは異るリード角を有する内側フイン付管に
関する。曲線５０，５２，５４は、温度および圧
力条件を同一にして、上述したそれぞれの管から
成る回路の全長をいろいろに変更することによつ
て得られる温度降下とそれに対応する熱伝達能力
を試験し、各異る長さの回路に対して得られた温
度降下と熱伝達能力即ち熱伝達係数をプロツトす
ることによつて作成された性能曲線グラフであ
る。熱伝達能力は、1ft²の管表面面積を通して伝
達される１時間当りの熱量をBTU単位で表わし
たものである。第３図のグラフ曲線５０によつて
示されるように、平滑表面管の最大熱伝達係数即
ち最大性能は、温度降下が７〓（3.89℃）の場合
に得られる。これに対して性能曲線５２および５
４によつて表わされるように、２つの内側フイン
付管は、フインのリード角が異るが、いずれも、
温度降下が３〜４〓（1.67〜2.22℃）の範囲にお
いて最大の能力を達成し、かつ、曲線５０で表わ
される平滑表面管の熱伝達能力より大きい能力を
有することを示している。

一般に、外殻／管組合せ型熱交換器は、その設
計温度降下が全負荷状態のもとで生じるように設
計される。熱交換器が全負荷より低い負荷状態の
もとで作動された場合、管回路へ供給される冷媒
の量が少く、従つて冷媒の流速も遅くなるので、
回路の温度降下が小さくなる。第３図にみられる
ように、温度降下範囲３〜４〓における内部フイ
ン付管のピーク性能は、温度降下範囲７〜８〓
（3.89〜4.44％）における平滑表面管のピーク性
能より優れている。更に、全負荷より低い部分負
荷状態で作動させた場合、一体的内側フイン付管
の性能の方が、平滑表面管のそれよりはるかに優
れている。非常に低い負荷状態のもとでは、熱交
換器を全負荷時の温度降下の1/2もの低い温度降
下で作動させる場合がしばしばある。そのような
温度降下値の場合には、第３図から明らかなよう
に、内側フイン付管と平滑表面管との性能の差は
非常に大きい。

第４図および５図は、管の内側壁のフインのリ
ード角の大きさと管の熱伝達能力の関係を表わす
グラフである。熱伝達能力は、1ft²の管表面面積
を通して伝達される１時間当りの熱量をBTU単
位で表わしたものである。圧縮機の吐出冷媒温度
を35〓（0.07℃）とし、使用冷媒はＲ−22（ジク
ロロジフルオロメタン）であつた。第４図および
第５図のグラフの各曲線に隣接して記されている
符号Ｇは、質量流量を表わす。

第４図を参照すると、管の熱伝達係数は管の内
側壁のフインのリード角の大きさと共に変化する
ことが分る。このグラフから明らかなように、特
定の管から最大限の能力をひき出すためにはフイ
ンのリード角は20゜より大きくするべきである。

20゜以上のリード角を有する内部フイン付管に
流入する冷媒は、比較的小さいリード角を有する
管の場合よりも早い速度で管の内壁に沿つて渦流
状に旋回せしめられる。冷媒は、通常、２相をな
して、即ち重量で約20％、容積では80％の気相
と、重量で約80％、容積では20％の液相をなして
外殻／管組合せ型熱交換器に流入する。この冷媒
混合体（気相と液相の混合体）に対してフインに
よつて付与される渦流運動は、冷媒の液相部分に
より管の全表面を湿潤させる作用をし、その結果
として冷媒と管との間の全体的熱伝達係数を高め
る。更に、フインの存在は、管の内壁の表面積を
増大させるので、それだけ管から伝達される熱を
増大させる。これに対してフインのリード角を小
さくした場合、冷媒が管内で１つの渦回転をする
のに管壁に沿つて移動する距離が、リード角を大
きくした場合よりはるかに長くなる。リード角を
大きくし、渦流効果を増大させることによつて、
リード角が小さい場合よりも均一に管壁を湿潤さ
せることができる。更に、熱交換器のうち蒸気純
度の非常に高い領域（冷媒の蒸気即ち気相部分を
占める割合が高い区域）においては、残りの僅か
な量の液体冷媒が管の内表面の周りに押しつけら
れ、管表面がより均一に湿潤され、液体冷媒によ
つて湿潤されない表面を減少させる。管の蒸気純
度の高い領域は、内側フイン付管の場合の全体性
能を大幅に向上させることが実験によつて確認さ
れた。高蒸気純度領域におけるこの性能の増大
は、低蒸気純度領域における熱伝達のための管か
ら出てくる冷媒を過熱するためだけの１つまたは
２つの流れ径路を冷媒回路に追加する必要性を省
除するので、特に有用である。第５図は、冷媒の
90重量％が蒸気であり、10重量％が液体である場
合のフインのリード角と管の熱伝達係数の間の、
内挿法によつて実験的に得られた関係を示す。こ
のグラフから、フインのリード角を20゜以上にし
た場合熱伝達係数に顕著な向上が得られることが
できる。

温度降下を小さくした場合に、一体的内側フイ
ン付管の全体性能を向上させる度合は、数個の要
素の関数であると考えられる。一般に、１つの熱
交換器素子（管）から別の素子（流体）への熱伝
達率は、全体的熱伝達係数と、表面積と、熱を伝
達すべき流体と熱を吸収すべき流体との温度差と
を掛け合わせたものに等しい。この関係は、通
常、下記の式で表わされる。

Ｑ＝Ａ×Ｕ×△Ｔ （ここで、Ｑは熱伝達量、Ａは表面積、Ｕは全体
的熱伝達係数、△Ｔは冷媒と、冷却すべき流体と
の温度差） 温度降下は、冷媒速度の２乗の関数である摩擦
圧力損失と、冷媒速度の0.8乗の関数である熱伝
達係数の変化とによつて決定される。つまり、冷
媒の速度が増大すると、熱伝達係数Ｕは0.8乗だ
け変化する。しかしながら、それと同時に冷媒
と、熱交換器を通る冷却すべき流体との温度差△
Ｔは、管内の摩擦損失によつて減少せしめられ
る。第３図のグラフは、これらの２つの要素が協
同して作用することを示している。第３図のグラ
フから分るように、温度降下値の小さい場合に
は、熱伝達係数の増大が熱伝達能力を支配し、管
の全体的熱伝達能力は、温度降下値がゼロから始
まつて大きくなるにつれて増大する。しかし、温
度降下値が増大し続けると、今度は摩擦損失に及
ぼす冷媒速度の２乗という要素が熱伝達能力を支
配し、温度降下値の大きい範囲においてはグラフ
の下降曲線にみられるように熱伝達能力を低下さ
せる。従つて、高性能内側フイン付管を第３図の
グラフにおいて温度降下値の比較的低い範囲内で
作動させることにより、熱伝達係数を熱伝達能力
を支配する主要要素とすることができ、内側フイ
ン付管から高い性能をひき出すことが可能にな
る。

管回路の温度降下値の低い範囲で作動させる結
果として、冷媒の温度と、冷却すべき液体の温度
との間の平均温度差を増大させることができる。
この温度差（△Ｔ）を増大させることにより管の
熱伝達量（Ｑ）が増大される。

以上の説明においては、高性能内側フイン付管
を外殻／管組合せ型熱交換器内に使用することを
教示し、そのような装置を作動させる最適の方法
を教示したが、ここに述べた結果を得るように適
当なリード角を備えた内側フインを有する管を構
成すること、並びにそのような装置を作動させる
ことが本発明の趣旨である。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、
本発明の精神及び範囲内においていろいろな変型
及び改変が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は外殻／管組合せ型熱交換器の部分立面
図、第２図は内側フイン付管の一部切除した立面
図、第３図は平滑表面管と、２つの内側フイン付
管の場合の回路の全長に亘つての飽和冷媒の温度
降下に対する熱伝達能力（BTU／時）のグラ
フ、第４図はフインのリード角に対する内側フイ
ン付管の平均熱伝達係数のグラフ、第５図は内側
フイン付管の冷媒が90％の蒸気純度である場合の
フインのリード角に対する管の熱伝達係数のグラ
フである。 図中、１０は外殻即ちケーシング、１６は冷媒
導入口、１８は導出口、２０は管、２２は入口管
寄せ、２４，２６，２８は入口画室、３０は出口
管寄せ、３２，３４，３６は出口画室、４４はフ
イン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷媒によつて流体を冷却する冷凍サイクルに
   使用するための冷却器において、 20゜〜45゜の範囲のリード角を有する一体的な
   つる巻状内側フイン４４を備えた冷媒通流管２０
   と、該管に冷媒を供給するための供給手段１６
   と、前記冷媒を前記管から受取るための受取手段
   １８と、前記供給手段から前記受取手段まで前記
   管を通つて流れる冷媒の流れ径路を定めるための
   径路規定手段２６，２８，３２，３４と、該各径
   路規定手段は、それぞれ別個の流れ回路を形成
   し、冷却器の全負荷時の各流れ回路における冷媒
   の温度降下が５〓（2.78℃）を越えないように該
   径路の長さを規定することと、冷却すべき流体か
   ら冷媒へ熱が伝達されるように該流体を前記冷媒
   通流管に対して熱交換関係に置くための手段とか
   ら成る冷却器。 ２ 前記管は、複数の間隔を置いて配置した管か
   ら成る管束であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の冷却器。 ３ 前記管束の管は、相互に平行に配置した内側
   フイン付管であり、冷却すべき流体を各管に対し
   て熱交換関係に置くための前記手段は、該管束を
   囲包するケーシング１０を含み、冷却すべき流体
   を該管束の管の間を通して通流させるように構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の冷却器。 ４ 全負荷時の冷媒の温度降下が３〓〜４〓
   （1.67℃〜2.22℃）の範囲内になるように前記流
   れ回路の長さを定めたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の冷却器。