CN102472594A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明课题为提供小型且高效地进行热交换、容易更换可对应小流量处理特别是各种化学实验地流过被处理流体的传热管、比现有技术产品廉价的热交换器。该热交换器把制成螺旋状的传热管(1)组装在例如通过一体形式制作的下闭塞部(8)及内筒(5)上，其后把传热管(1)在U方向拉伸使螺旋状直径变小，从而与内筒(5)紧贴或压接，其后组装与传热管(1)的外径稍有间隙的外筒(6)及上闭塞部(9)，在传热管(1)内流过被处理流体(2)，在形成于内外筒(5、6)之间由上下闭塞部(8、9)关闭的空间(7)内、被配置成螺旋状的传热管(1)和传热管(1)夹着的螺旋状空间(4)中，使热介质流过，高效地进行热交换，可以容易按与上述组装方法相反的次序进行分解，容易更换传热管(1)。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器，特别是涉及可对应被处理流体流量为小流量的处理尤其是化学实验等的加热/冷却器等的热交换器。

背景技术

一般热交换器所要求的性能是热交换性能、耐腐蚀性、耐压性或牢固性、清洗性、小型化等，要求低成本。但是，在现有技术的热交换器中主要使用多管式、双重管式、螺旋式、板式等，具有结构复杂、或难以小型化、价格高及清洗性差等的缺点。特别是用于小流量处理、尤其是化学实验等的热交换器一般是玻璃制螺旋式或玻璃制双重管式。在这种情况下，因为玻璃自体的热传导率低，其热交换性能达不到所期待的程度，且在清洗附着在螺旋上的处理物时需要很多劳力，还有不能完全洗净的情况，结果必须准备多个热交换器，成本也高。另外，破损的危险性也高，特别是使伴随危险的处理物流通的情况下，在安全对策方面也需要花费成本。

根据现有技术，如专利文献1中所公开的那样公开了以下热交换器，其在形成于内筒与外筒之间的空间内配置螺旋状的传热管，上述传热管内部构成一方流路，所述空间内的被夹在上述传热管彼此间的螺旋状空间构成另一方流路，在一方与另一方的流体间实现高效率的热交换。

但是，在该专利文献1的热交换器中，上述传热管在上述内筒的外周面和上述外筒的内周面双方不固定，传热管限于以自然状态安装。为此，在流体粘度高的情况下等，由于流动阻力等导致传热管伸缩，担心例如螺旋状的节距变得不均匀，一部分变窄或堵塞。

另外，在考虑了该专利文献1的热交换器的制造或分解的情况下，若研究在形成于内筒与外筒之间的空间内安装或取出螺旋状的传热管，则当传热管与内筒及外筒的间隙大时，容易装拆，但螺旋状的传热管在空间内呈自由状态，担心产生伴随上述传热管伸缩的问题。另一方面，若没有间隙，则传热管的装拆变困难。

先前技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-147976号公报

发明内容

发明要解决的课题

鉴于上述问题，本发明的课题在于改进以下类型的热交换器，其在形成于内筒与外筒之间的空间内配置螺旋状的传热管，上述传热管的内部构成一方流路，所述空间内的被夹在上述传热管彼此间的螺旋状空间构成另一方流路，在一方与另一方的流体间进行热交换。具体的是，一个目的是提供容易装拆传热管的热交换器，另一目的是抑制伴随于由流动阻力等造成的传热管变形的流路面积的变化，提供可达成两目的中的任意一个的热交换器。进而，作为更具体的目的，课题为提供小型且可高效地进行热交换、用于应对小流量处理特别是各种化学实验而通过被处理流体的、比现有技术产品廉价的热交换器。

解决课题的手段

为上述课题，首先，本申请第一方面的发明提供这样的热交换器，该热交换器在形成于内筒5与外筒6之间的空间7内配置螺旋状的传热管1，所述传热管1的内部构成一方流路，所述空间7内的被夹在所述传热管1彼此间的螺旋状空间4构成另一方流路，在一方与另一方的流体间进行热交换，其特征在于，所述热交换器具备张紧机构，该张紧机构用于保持扩缩力，该扩缩力进行作用使得所述传热管1的螺旋状的直径相比自然状态扩大或者收缩，在由所述张紧机构将扩缩力施加在所述传热管1上的状态下，在一方与另一方的流体间进行热交换。

本申请第二方面的发明提供以本发明第一方面所述的热交换器为基础的热交换器，其特征在于，所述传热管1在所述内筒5的外周面和所述外筒6的内周面双方没有固定，由所述张紧机构使所述传热管1的螺旋状的直径相比自然状态扩大或者收缩，通过该扩大或者收缩使所述传热管1与内筒5或者外筒6紧贴或是压接。

本申请第三方面的发明提供以本发明第一或第二方面所述的热交换器为基础的热交换器，其特征在于，所述传热管1在使螺旋的轴向长度比其自然状态位移了10％时所施加的螺旋的轴向的负荷为10kg以下。

本申请第四方面的发明提供以本发明第三方面所述的热交换器为基础的热交换器，所述传热管1的材质是不锈钢、哈斯特洛依耐蚀高镍合金、镍铬铁合金、钛、铜、镍等金属；ABS、聚乙烯、聚丙烯、PMMA等丙烯树脂；聚碳酸酯、PTFE、PFA等氟系树脂；环氧树脂。

本申请第五方面的发明提供以本发明第四方面所述的热交换器为基础的热交换器，其特征在于，所述传热管1的外径为28mm以下。

本申请第六方面的发明提供这样的热交换器，该热交换器在形成于内筒5与外筒6之间的空间7内配置螺旋状的传热管1，所述传热管1内部构成一方流路，所述空间7内的被夹在所述传热管1彼此间的螺旋状空间4构成另一方流路，在一方与另一方的流体间进行热交换，其特征在于，所述螺旋状的传热管1从自然状态弹性变形，所述传热管1与内筒5或者外筒6紧贴或是压接，在所述传热管1发生了弹性变形的状态下，在一方与另一方的流体间进行热交换。

发明的效果

本发明的热交换器在使用状态、即至少热交换过程中，由张紧机构保持使扩缩力施加在上述传热管1上的状态。为此，成为在传热管上始终加力的状态，相应地，即使在不与内筒5或外筒6接触的状态下，也难以产生由流动阻力等造成的传热管变形，可以缓和螺旋状的传热管1不均匀地变形。更理想的是，即便上述传热管1在上述内筒5的外周面和上述外筒6的内周面双方没有固定，由上述张紧机构的作用，也会使上述传热管1紧贴或压接在内筒5或外筒6上，更进一步地难以发生变形。

作为本发明的热交换器的另一作用效果，上述螺旋状的传热管1的装拆变得容易。具体的是，在自由状态下，以内筒5与外筒6之间设定适当间隙的状态配置传热管1，之后，通过使之处于张紧状态而产生扩缩力，使螺旋状的传热管1与内筒5和外筒6中的任意一个接触，由张紧机构保持扩缩力，从而保持其接触状态。另外，在分解等时，通过解除扩缩力，可以容易地拆下传热管。或者，在没有间隙的状态(接触状态)下，在安装后，施加扩缩力而设为压接状态，由张紧机构保持该压接状态。另外，在分解时，通过解除扩缩力，可以比较容易地拆下传热管。

因此，更具体的是，效率高的热交换即使在原本发生了传热管堵塞或附着等的情况下也可以容易地更换传热管，不必像现有技术那样废弃热交换器自身或增加成本地进行清洗。另外，可以防止因热介质的流动产生传热管的伸缩，与现有技术产品相比可以简化结构，所以可减少制造工时，从而可以廉价地提供热交换器。

附图说明

图1(A)是本申请发明的实施方式的热交换器的结构说明图，(B)是其俯视图。

图2(A)是本申请发明的另一实施方式的热交换器的结构说明图，(B)是其俯视图。

图3(A)是本申请发明的又一实施方式的热交换器的结构说明图，(B)是其俯视图。

图4(A)是本申请发明的实施方式的热交换器的组装作业中的主要部分放大说明图，(B)是该组装作业结束时的主要部分放大说明图。

具体实施方式

下面根据附图对本申请发明的一个实施方式进行说明。另外，本发明的上下左右，只是表示相对的位置关系，并没有特定绝对的位置。

如图1所示，该热交换器其侧面实质上由截面为圆形的内筒5和外筒6组成，其上下端由上下闭塞部9、8关闭。在该例中，内筒5与下闭塞部8为一体形式。另外，作为另一实施方式，可列举不是下闭塞部8而是上闭塞部9与内筒5为一体形式的情况，下闭塞部8及上闭塞部9也可以都不与内筒5为一体形式地形成为可进行装拆。

在内外筒5、6之间的空间7中，螺旋状的传热管1设置成与内筒5的外周或外筒6的内周中的至少任一方紧贴或压接，贯通上下闭塞部9、8而能与热交换器外部的配管连接。在此，该传热管1在上述内筒5的外周面和上述外筒6的内周面双方没有固定。在该螺旋状的传热管1的周围间，形成由该周围不同的上下传热管1和内外筒5、6所围成的、具有规定间隔的螺旋状空间4。图示的螺旋状的传热管1和内外筒5、6实施成为上下直径均匀的圆筒形，但也可以实施成圆锥台或倒圆锥台等上下直径不同的形式。

在传热管1的内部流通例如水、有机溶剂、或者溶解了溶质的溶液、微粒子分散液等被处理流体2。传热管1的材质优选使用能伸缩且相对成为目标的被处理流体的耐腐蚀性、耐压性、牢固性等耐久性高的材质。例如可举出诸如不锈钢、哈斯特洛依耐蚀高镍合金、镍铬铁合金、钛、铜、镍等金属；ABS、聚乙烯、聚丙烯、PMMA等丙烯树脂；聚碳酸酯、PTFE、PFA等氟系树脂；环氧树脂等。

传热管1的外部、螺旋状空间4换言之传热管1和传热管1之间的螺旋状空间4，是使热介质3流通的空间。热介质3的出入由设在上下闭塞部9、8的管嘴10进行。由此，可以使热介质3在空间7及螺旋状空间4流通。被处理流体2的热交换首先使被处理流体2向图1的上方向(U方向)流通，使热介质3向下方向(S方向)流通，从而形成完全相向流，对被处理流体2及热介质3都防止了压力损失增大，可以确保大的总传热系数，可以高效且有效地进行。但是，不妨两流体向同一方向流动通。

对本发明的热交换器的组装及分解进行说明。首先，在以一体形式制作的下闭塞部8及内筒5上组装传热管1。在该安装时，通过在内筒5和传热管1之间设定适当的间隙4c，可以进行顺畅的安装作业(参照图4(A))。在安装后，把传热管1固定在下闭塞部8。该固定由具备张紧机构11的装置进行。张紧机构11用于保持扩缩力，该扩缩力使传热管1的螺旋状的直径相比自然状态扩大或者收缩地进行作用，在图示例中，采用切入式管接头11。作为另一实施方式可举出利用诸如夹子、鞍形带、紧固带、夹板的方法等，另外，也可以是利用焊接或粘贴等的固定(无图示)。另外，该张紧机构11形成为只保持扩缩力，而产生扩缩力的也可以是其它机构，但在该切入式管接头11的情况下，在产生扩缩力的同时保持扩缩力。

下面，通过把传热管1向U方向拉伸，使传热管1的螺旋状直径变小，使传热管1与内筒5紧贴或压接(图4(B))。其后，安装与组装后的传热管1的螺旋状直径的外径稍有间隙4d的外筒6及上闭塞部9。外筒6和上闭塞部9可以是一体形式，也可以是可分解的形式。

更具体的是，在把传热管1向U方向拉伸的同时保持微小的间隙4d，并且在传热管1的外侧安装外筒6，临时安装上闭塞部9。在该临时安装状态下，保持向U方向拉伸的状态，同时把传热管1的上端固定在上闭塞部9上，完成外筒6和上闭塞部9的安装。上闭塞部9的张紧机构11可以如与下闭塞部8同样的切入式管接头11那样可调整外筒6的上端位置，也可以是不能调整的固定机构。

此时，为了能容易进行组装及分解，优选的是，在能伸缩的螺旋状的传热管1相对于其自然长度发生伸缩量10％的位移时，负荷为10kg以下。另外，在以小流量处理、例如各种化学实验为目的的情况下，优选传热管1的外径为28mm以下的小管径，能加工螺旋状直径小的传热管1，可以提供小型的热交换器。

上述例子适于传热管1的自然状态的内径比内筒5的外径大的情况，但在传热管1的自然状态的内径比内筒5的外径大、且传热管1的自然状态的外径比外筒6的内径大的情况下，可以采用以下方法。在上述临时安装状态下，解除U方向的拉伸力。由此，传热管1的螺旋要返回到自然状态的大小，紧贴或压接在安装后的外筒6的内周面上。另外，在传热管紧贴或压接于该外筒6的状态下，把传热管1的上端固定在上闭塞部9上，完成外筒6和上闭塞部9的安装。

进而，在传热管1的自然状态的内径比内筒5的外径大、且传热管1的自然状态的外径比外筒6的内径小的情况下，可以采用下述方法。即，在内筒5和传热管1之间设定适当的间隙4c的状态下进行安装，组装与传热管1的螺旋状直径的外径稍有间隙的外筒6及上闭塞部9。在该状态下，通过操作切入式管接头11等，把传热管1沿上下方向朝上下端相互远离的方向拉伸，产生扩缩力(在该情况下为缩小的力)，使传热管1的螺旋状直径变小，使传热管1与内筒5紧贴或压接，保持该扩缩力，保持紧贴或压接状态。

在上述实施方式中，使传热管1与内筒5紧贴或压接，但作为另一实施方式，可以举出以下方法：通过把传热管1从上方压向下方(S方向)(即通过使上下端接近)，使螺旋状直径变大，使传热管1与外筒6紧贴或压接。另外，在该例中，在螺旋的轴向压装传热管1的上下端，但也可以例如在螺旋的螺旋延伸方向压装传热管1的上下端。这样，压装的方向可以以可产生扩缩力为条件而进行适宜变更。另外在上述说明中，例示了上下，但也可以上下颠倒。即，上和下可以替换解读为一方侧和另一方侧。

根据上述发明，可以在形成于内筒5和外筒6之间的空间7内把传热管1配置在内外筒的同心圆上，可以把所述空间7内的被传热管1和传热管1夹着的螺旋状空间4作为热介质3的流路。本发明的热交换器的分解可以按与上述组装方法相反的顺序容易地进行。

在螺旋状的传热管1在空间7内没有固定的情况下，设想会有由于热介质3的流动阻力等造成传热管1伸缩、例如螺旋状的节距发生堵塞的情况等。换言之，设想会有由热介质3的流动阻力使螺旋状的传热管1彼此接近、螺旋状的传热管1向最终不存在螺旋状空间4的方向移动的情况等。在该情况下，可以认为存在因热介质3难以在螺旋状空间4中流动而完全不能进行热交换的情况、不能有效地或高效地进行热交换的情况、进而成为传热管1破损或寿命降低的原因。在本发明中，传热管1即使没有固定，也紧贴或压接在内筒5的外周或外筒6的内周中的至少任一方上，所以，可以防止由热介质3流通而产生的流动阻力所造成的螺旋状的传热管1的位移，因此可以解决上述那样的问题。

另外，传热管1也能以多根进行实施。同时组装的传热管1的根数没有特别限定。根据所需的被处理流体的流量、种类数量等确定。图2(A)、(B)及图3(A)、(B)表示组装多根传热管的情况之一例。例如如图2所示，在把传热管1的螺旋状直径形成为相同直径而进行组装的方法的情况下，在按一体形式制成的下闭塞部8(或上闭塞部9)及内筒5上组装传热管1a及传热管1b，分别固定在下闭塞部8的不同位置上，使传热管1a及传热管1b由上述机构紧贴或压接在内筒5上，其后，通过组装外筒6及上闭塞部9(或下闭塞部8)，可以组装多根传热管1。作为又一实施方式，如图3所示，也可以利用把传热管1的螺旋状直径形成为同心圆而组装的方法进行实施。在这种情况下，把传热管1a组装在按一体形式制作的下闭塞部8(或上闭塞部9)及内筒5上，使传热管1a由上述机构紧贴或压接在内筒5上，接着组装与传热管1a的螺旋状直径的外径稍有间隙的外筒6a。接着，在下闭塞部8(或上闭塞部9)上组装传热管1b，由上述机构使传热管1b紧贴或压接在外筒6a的外周面上。其后，通过组装外筒6b及上闭塞部9(或下闭塞部8)，可以组装多根传热管1。在图3所示的实施方式中，会形成螺旋状空间4a及4b。另外，组装三根以上的传热管的情况也能用与上述材质及组装方法同样的方法来加以实施。在这种情况下，也可以组合形成同径的组装以及形成同心圆的组装来进行实施。

如前所述，在传热管1的内部，流通有用于小流量处理、特别是各种化学实验的水、有机溶剂、或是溶解了溶质的溶液、微粒子分散液等被处理流体2。因此，由于实验内容的变更等，需要屡次更换传热管1。此外，在被处理流体2所含的固体、粉末或是溶解于被处理流体2的溶质由于温度变化、浓度变化、干燥等而析出的情况下，会附着在传热管1内或发生堵塞，在这样的情况下也必须更换传热管1。

在使用于一般的小流量处理、特别是各种化学实验的投入式热交换器、双重管式热交换器中，因为热交换效率不理想，故本发明的热交换器的结构解决了所述投入式热交换器、双重管式热交换器的问题。进而，如上述那样在必须更换传热管1的情况下，由于与多管式热交换器、板式热交换器相比，本发明的热交换器的结构非常简单，所以，非常容易进行组装及分解为其特征。另外，因为不仅是传热管的更换，而且可以容易地分解清洗热交换器，所以不必像现有技术的热交换器那样废弃热交换器自身或增加成本进行清洗。

另外，作为通过传热管的弹性变形形成的相对内筒5和外筒6的紧贴或压接的形态可以有多种实施方式，其如下所示。

(第一方式)设内筒5的外径为α，外筒6的内径为β，螺旋状的传热管1的内径为γ，螺旋状的传热管1的外径为θ。在螺旋状的传热管1的内径γ大于或等于内筒5的外径α的情况下(α≤γ)，保持自然的状态在传热管1中插入内筒5，若在插入后向传热管1的两端远离的方向拉伸传热管1，则由外力使内筒5的外径α和传热管1的内径γ相等，传热管1紧贴或压接在内筒5上。另外，即使是α≤γ，为了容易插入也不妨压缩传热管1而使内径γ变大。

(第二方式)在螺旋状的传热管1的内径γ小于内筒5的外径α的情况下(α＞γ)，压缩传热管1，在使内径γ扩大的状态下插入内筒5。在插入后，解除压缩的力，进而根据需要进行拉伸，则传热管1由于弹性变形而使内筒5的外径α和传热管1的内径γ相等，传热管1紧贴或压接在内筒5上。

(第三方式)在螺旋状的传热管1的外径θ小于或等于外筒6的内径β的情况下(β≥θ)，保持自然的状态把传热管1插入外筒6，插入后压缩传热管1，则由外力使外筒6的内径β和传热管1的外径θ相等，传热管1紧贴或压接在外筒6上。另外，即使是β≥θ，为了容易插入也不妨拉伸传热管1而使外径θ变小。

(第四方式)在螺旋状的传热管1的外径θ大于外筒6的内径β的情况下(β＜θ)，使传热管1处于拉伸状态而使其直径变小，插到外筒6中。在插入后，解除拉伸力，根据需要进行压缩，则外筒6的内径β和传热管1的外径θ相等，传热管1紧贴或压接在外筒6上。

[表1]

紧贴部位	插入前的直径的关系	插入时的传热管1的状态	插入后的外力
				内筒5	α≤γ	自然状态或压缩状态	拉伸
内筒5	α＞γ	压缩状态	不需要或拉伸
				外筒6	β≥θ	自然状态或拉伸状态	压缩
外筒6	β＜θ	拉伸状态	不需要或压缩

附图标记说明

1：传热管，3：热介质，4：螺旋状空间，5：内筒，6：外筒，8：下闭塞部，9：上闭塞部，11：张紧机构。

Claims (6)

1.一种热交换器，该热交换器在形成于内筒与外筒之间的空间内配置螺旋状的传热管，所述传热管的内部构成一方流路，所述空间内的被夹在所述传热管彼此间的螺旋状空间构成另一方流路，在一方与另一方的流体间进行热交换，其特征在于，

所述热交换器具备张紧机构，该张紧机构用于保持扩缩力，该扩缩力进行作用使得所述传热管的螺旋状的直径相比自然状态扩大或者收缩，

在由所述张紧机构将扩缩力施加在所述传热管上的状态下，在一方与另一方的流体间进行热交换。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述传热管在所述内筒的外周面和所述外筒的内周面双方没有固定，

由所述张紧机构使所述传热管的螺旋状的直径相比自然状态扩大或者收缩，通过该扩大或者收缩使所述传热管与内筒或者外筒紧贴或是压接。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述传热管在使螺旋的轴向长度比其自然状态位移了10％时所施加的螺旋的轴向的负荷为10kg以下。

4.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述传热管的材质是从由以下材质构成的组中选择出来的至少一种：不锈钢、哈斯特洛依耐蚀高镍合金、镍铬铁合金、钛、铜、镍等金属；ABS、聚乙烯、聚丙烯、PMMA等丙烯树脂；聚碳酸酯、PTFE、PFA等氟系树脂；环氧树脂。

5.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述传热管(1)的外径为28mm以下。

6.一种热交换器，该热交换器在形成于内筒与外筒之间的空间内配置螺旋状的传热管，所述传热管内部构成一方流路，所述空间内的被夹在所述传热管彼此间的螺旋状空间构成另一方流路，在一方与另一方的流体间进行热交换，其特征在于，

所述螺旋状的传热管的直径从自然状态弹性变形，所述传热管与内筒或者外筒紧贴或是压接，在所述传热管发生了弹性变形的状态下，在一方与另一方的流体间进行热交换。

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