JP2002162177A

JP2002162177A - 熱交換器要素

Info

Publication number: JP2002162177A
Application number: JP2000402973A
Authority: JP
Inventors: Akizo Chiba; 彰三千葉; Takeo Nagashima; 武夫長島
Original assignee: NISHIYAMA SEISAKUSHO KK; Kanagawa Prefecture
Current assignee: NISHIYAMA SEISAKUSHO KK; Kanagawa Prefecture
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】熱交換器要素の提供。【解決手段】内側伝熱管と、この内側伝熱管をその内
部に収納した外側シェル管とからなる熱交換器要素にお
いて、内側伝熱管の外周の一部と外側シェル管の内周の
一部とが密着・接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度の異なる流体
間の熱移動を、効率よく行なわせることの出来る熱交換
器要素に関する。

【０００２】

【従来の技術】管内を流れる流体の熱交換は、１．多管式熱交換器あるいは２重管式熱交換器（以下管
式熱交換器という）のように、外側シェル管（以下シェ
ル管という）内に独立した内側伝熱管（以下伝熱管とい
う）を収納し、収納した伝熱管の管壁を介して流体間の
熱量を移動させるもの２．独立した管−管同士を直接または熱伝導性のある材
質を介して外側から接合させ、接合部で流体間の熱量を
熱交換させるものとがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記した１．のシェル
管は全く伝熱に寄与せず、単に流体の通路でしかなかっ
た。そこで、熱伝達性能向上のために、例えば伝熱管の
内外表面にフィン加工などをして伝熱面積拡大を計った
り、伝熱管断面を凹凸状にして、伝熱部分表面積を拡大
することも試みられたが、加工が複雑となる。また、
２．の熱交換器の多くは接合に鉛ハンダを使用していた
が、鉛が有毒のため、銀や銅を使用した接合材に変える
ことが必要となった。しかし、これらは材料が高価であ
り、鉛より融点が高いため加工経費が高くなるととも
に、熱交換器素材と異なる金属が混入し、使用済み材料
の再利用が困難になるという問題点がある。

【０００４】本発明は、前記従来技術の問題点を解消
し、加工工程をより少なくして安価に製造することが出
来て、構造的にも強度が向上し、使用済み材料の再利用
を容易にし、加えて確実に熱交換機能が向上された熱交
換器要素を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するた
め、本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、伝熱管とシェ
ル管とをその一部において密着・接合させることによ
り、シェル管表面にも熱交換機能を発揮させることが出
来ることを知見し、本発明を完成するに至った。

【０００６】前記知見に基づいてなされた本発明は、伝
熱管と、この伝熱管をその内部に収納したシェル管とか
らなる熱交換器要素において、伝熱管（１本または複
数）の外周の一部とシェル管の内周の一部とを線状に接
合させたことを特徴とする熱交換効率を高めた熱交換器
要素を要旨としている。また、本発明は、伝熱管（１本
または複数）の軸方向に対する垂直断面が凹凸状である
ものとシェル管を組み合わせた熱交換器要素、さらには
伝熱管（１本または複数）と補助管（１本または複数）
をシェル管に収納した熱交換器要素も要旨とするもので
ある。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の構成と作用を説明する。
流体の熱伝達率は流速の０．８乗に比例する。通常、伝
熱管をその内部に収納したシェル管とからなる熱交換器
要素においては、熱交換壁である伝熱管の外側流体通路
断面積の方が大きいため、内外の流体量が同一の場合に
は外側流体速度が内側流体速度より小さいことがおお
い。そのため、外側流体の熱伝達率は小さくなる。

【０００８】本発明は、シェル管内に伝熱管を挿入し、
伝熱管の外周の一部とシェル管の内周の一部とを線状に
接合させたことにより、シェル管を流体通路だけではな
く、前記線状接合部分を介して伝熱管からシェル管に伝
熱され、フィン効果を持たせたことにより、シェル管内
を流れる外側流体に接するすべての管が伝熱管壁および
伝熱管壁のフィンの役目を持つことになり、熱交換能力
が向上する。

【０００９】本発明熱交換器要素は、伝熱管外表面とシ
ェル管内表面とがその一部において接合された構造とな
っている。接合部分は、伝熱管とシェル管の全長にわた
って溶接されたものや、所要箇所が溶接あるいはボルト
ナットにより密着されていてもよい。さらには、伝熱管
を挿入したシェル管を引き抜き、押し出しあるいはプレ
スなどにより絞ることにより、両者の一部を圧着接合さ
せてもよい。管周に凹凸のある異形状管を伝熱管として
使用すれば、凸部の数だけの線状接合が形成され、接合
部の拡大によるシェル管のフィン効果の向上と、伝熱管
の伝熱面積の拡大とで熱交換性能が向上する。そして、
異形状管は形が自由に設定でき、外側流体と内側流体の
流れ断面積を変えることで流速の調整ができるため、熱
伝達率の小さな側の流速を早くすることで、各々を最適
な総括伝熱係数の流速にすることができる。さらに、シ
ェル管内に補助管として挿入し、シェル管と伝熱管とに
沿って線状に接合させることでこの補助管を伝熱管のフ
ィンとしての効果を持たせることが出来る。補助管は外
側、内側の両方の壁面が熱伝達に関与する。また、熱交
換器素体を曲げることや、細いシェル管はコイル状にす
ることによって設置スペースを小さくすることもでき
る。

【００１０】

【発明の効果】本発明によれば、従来の熱交換器要素に
おいて熱交換が伝熱管の管壁においてのみ行なわれてい
たのに対し、伝熱管に密着された部分を通じてシェル管
の管壁も熱交換機能を発揮することになり、熱交換能力
が一段と向上され、また伝熱管とシェル管との間に補助
管を挿入することで伝熱管が固定され、引き抜き、押し
出し、プレスなどの加工が可能となり、これらの加工な
どによりハンダ等を使用する事無く伝熱管同士とシェル
管および伝熱管と補助管とシェル管とが強固に接合され
る。これらの管はすべて既存管の使用でよいため、低コ
ストで済み、産業上きわめて有用である。

【００１１】

【実施例】本発明を実施例により具体的に説明するが、
これらによって本発明が限定されることはない。実施例１図１はこの発明の基本的な構造の熱交換器要素の模式的
斜視図である。すなわち、伝熱管１をシェル管２の内壁
全長にわたって密着させたものであり、密着部分Ａを介
してシェル管２の管壁がフィン効果を奏するものであ
る。密着はＡ部分を溶接することにより形成されてい
る。図１（ｂ）は図１（ａ）の中央部分断面を示してい
る。図１（ｃ）は伝熱管１とシェル管２を接合するた
め、シェル管を引抜きで変形させた場合の断面図であ
る。このようにシェル管を引き抜き、押し出しまたはプ
レスで変形させ、伝熱管と接合させることも出来る。外
側流体の出入口３はどの位置に設けてもよい。

【００１２】実施例２図２、図３は、図２（ａ）に示すように、２つの伝熱管
１ａと１ｂをＢで接合させ、外側から熱交換させる構造
のものである。通常Ｂの接合はハンダ等で行なわれる
が、伝熱管１ａと１ｂをシェル管２に挿入し、引き抜
き、押し出しまたはプレスなどによって圧着接合させ
る。シェル管２により伝熱管１ａと１ｂは確実に固定さ
れる。そして、接合部Ｂ以外に接合部Ａよりシェル管を
通して伝熱管１ａと１ｂが熱伝導され、熱交換に寄与す
る。図２（ｂ）〜図２（ｇ）に示すように、金型の形に
よりシェル管の断面は色々の形状にできる。伝熱管は、
断面異形管でもよく、３本以上を組み合わせてもよい。
図３（ｈ）は、図２（ｇ）の外観模式図であり、図３
（ｉ）、図３（ｊ）は、シェル管に対する加工の概要を
示す説明図、図３（ｋ）、図３（ｌ）は一方の伝熱管の
先端を変形・分離した状態を示す。

【００１３】実施例３図４（ａ）に示す実施例３はは、シェル管２に伝熱管１
を固定するため補助管４を挿入し、引抜きなどで相互を
圧着させる。流体を流すと、補助管４は断面の図４
（ｂ）に示すように伝熱管１と接合しているために、シ
ェル管２とともに伝熱管１のフィンとなる。すなわち、
流体に接するすべての管壁が熱伝達に寄与することにな
る。図中の接合部Ａは伝熱管１とシェル管２の線状接合
部、接合部Ａ１はシェル管２と補助管４との線状接合部
であり、接合部Ｂ１は伝熱管１と補助管４との線状接合
部である。伝熱管の熱は接合部Ａを介してまたＢ１とＡ
１を介してシェル管内を流れる流体に伝わる。補助管壁
とシェル管壁は伝熱管１のフィンとなる。

【００１４】通常使われる多管式熱交換器や２重式熱交
換器では、シェル管は熱交換に何も寄与せず、流体の通
路のみであったが、管同士を接合させることで使用する
すべての管が伝熱用の管として、またフィンとして熱交
換に寄与し、管同士が確実に固定されて強固なものとな
る。

【００１５】実施例４図５に示す実施例４は、図５（ａ）のように２本の伝熱
管１ａ、１ｂをシェル管２に接合したもので、断面を示
す図５（ｂ）のように伝熱管１ａ、１ｂとシェル管２が
確実に接合され、かつ強固に固定されることになる。ま
た、図５（ｃ）のように伝熱管を複数入れ、伝熱管内を
流れる流体断面積と、その外側を流れるシェル管内の流
体断面積の比率が調整でき、外側流体の流速を早めて熱
伝達を向上させることができる。

【００１６】実施例５図６（ａ）に示す実施例５においては、実施例４の２つ
の伝熱管をさらに固定しやすく、かつ引抜きなどで絞り
易くするため、断面図６（ｂ）のように補助管４を２本
入れてある。このようにすると、伝熱管１とシェル管２
が安定して固定が確実になり、補助管によりフィン効果
も向上する。

【００１７】実施例６図７に示す実施例６では、図７（ａ）の伝熱管１内部の
流体にフィン効果を持たせるため、図７（ｂ）の補助管
５が図７（ｃ）、図７（ｅ）のように挿入されている。
断面を示す図７（ｄ）のように、補助管４は、伝熱管１
とシェル管２の固定用であり、補助管４によりシェル管
がフィン作用をし、かつ熱交換器要素自体も強固なもの
となる。

【００１８】実施例７図８に示す実施例７は、外側流体の流れが偏在すること
の無いようにシェル管端部を太くしたものである。伝熱
管の先端を細くするか、シェル管より大径のシェル管継
手部６によりシェル管２の流体出入口断面積を広くとれ
るようにしてある。流体は一方の端部に集まり、均一に
他方に流れ出ていく。図８（ｂ）は、断面図、図８
（ｃ）はシェル管端部の組立説明図である。

【００１９】実施例８図９に示す実施例８は、異形断面の伝熱管１をシェル管
２に挿入したものであり、図９（ｂ）のように伝熱管１
の凸部がシェル管２の内側と密着し、シェル管２に内側
管１のフィン効果を持たせている。図９（ｂ）は図９
（ａ）のＸ−Ｘ線断面を示している。図９（ｃ）は異形
管主体部の一例であり、図９（ｄ）は異形管がシェル管
に挿入されている状態の要部を示している。伝熱管を異
形状管とすることにより接合部が多くなり、シェル管の
フィン効果が増大する。前述した各実施例における伝熱
管および補助管を本実施例のように異形管とすることも
出来る。

【００２０】実施例９図１０に示した実施例９では、図１０（ａ）のように伝
熱管１を多角形にしたり、あるいは図１０（ｂ）、図１
０（ｃ）に示すように、伝熱管１あるいはシェル管２の
一方が断面楕円管で構成され、２箇所で密着させること
により、シェル管２にフィン効果を持たせている。

【００２１】実施例１０前記した実施例の熱交換器要素は、すべて曲げ加工が可
能である。特に実施例２〜９までは曲げ加工容易で、図
１１（ａ）のようにコイル状にすることによって設置ス
ペースを小さくすることができる。いずれも、伝熱管と
シェル管が接合で固定し一体化されているため、安定し
た曲げが容易である。図１１（ｂ）は断面異形状の伝熱
管でその断面が図１１（ｂ−１）である。この異形状の
伝熱管１を図１１（ｃ）のようにシェル管２に挿入し、
引き抜きまたは絞りによって圧着し、図１１（ｄ）、図
１１（ｄ−１）のような熱交換器要素を作成する。

【００２２】本発明におけるフィン効果を、本発明の特
徴的な３例（実施例１〜３）について説明する。図１２
（ａ）は実施例１の熱交換器要素の断面である。この例
では、フィンは図１２（ｂ）、図１２（ｃ）の点線であ
らわしたシェル管２が相当する。伝熱管１のシェル管と
の接合部Ａより延びる点線のシェル管２がフィンとして
の役目をする。

【００２３】表１に、各管の形状とフィン効果、実効伝
熱面積などを示した。伝熱管の形状は外径１０ｍｍ、内
径８ｍｍで、シェル管は内径２０ｍｍで厚さ１ｍｍであ
る。伝熱管とシェル管はＡにおいて６ｍｍの幅で接合し
ている。熱伝達率を５０Ｗ／ｍ^２・Ｋ（空気程度）と５
０００Ｗ／ｍ^２・Ｋ（水程度）の２例についてのフィン
効果を説明する。管の材質は銅で熱伝導率は３００Ｗ／
ｍ・Ｋであり、熱交換部の長さは１ｍである。

【００２４】

【表１】

【００２５】２重管式熱交換器では、伝熱管外側表面積
０．０３１４ｍ^２だけが伝熱に関与する。シェル管は、
内側表面積が０．０６２８ｍ^２であるが伝熱に全く関与
しない。

【００２６】ところが本発明の実施例１では、伝熱管外
表面とシェル管内表面とが６ｍｍの幅で接合されて重な
っているため、伝熱管の有効伝熱管外表面積は重なり部
分を引いた０．０２５４ｍ^２と小さくなる。しかし、フ
ィンとしてのシェル管が各々３ｍｍ（計６ｍｍ）の幅で
伝熱管に接合し、フィンとしての接合部からの長さは
２．８４ｍｍ（重なり部分６ｍｍを引いた値の半分）
で、シェル管のフィン面積は０．０２８４ｍ^２である。
伝熱管表面積は伝熱管として１００％の効率である
が、フィンは先端ほど効率が低下するので全体としては
１００％にならない。図１５には、代表的なフィンの形
を示し、その時のフィン効率を図１６に示した。この図
のフィン効率１は、伝熱管表面積と同じ働きをする１０
０％を意味する。

【００２７】実施例１のフィン形状を図１５として、図
１６よりフィン効率を求めれば、空気では９６％であ
り、水では２７％である。有効伝熱管外表面積にこれを
掛ければ実効伝熱管外表面積が出る。重なり部分のため
有効伝熱管外表面積は減少したが、フィンで表面積を増
大している。

【００２８】表２は、伝熱管とシェル管の間の流体が空
気と水で、フィンの形状を長さ２８．４ｍｍ、厚さ１ｍ
ｍでの実施例１のフィン効率を示した。表１のフィン効
率９６％と２７％の算出はこの表による。

【００２９】

【表２】

【００３０】表３には、伝熱管単独の実効伝熱管外側表
面積と、本発明による実効伝熱管外表面積と、その増加
比率を示した。空気では２．５５倍、水では１．３倍と
なる。

【表３】

【００３１】図１３（ａ）は実施例３の熱交換器要素の
断面図である。これが実施例１と異なる点は補助管４を
挿入し、この補助管がフィンとなっていることである。
図１３（ｂ）、図１３（ｃ）の点線シェル管２は、前述
した図１２の場合と同じであるが、Ａ１で補助管４と６
ｍｍ重なっている。補助管は外側内側両面が伝熱面とし
ての働きをするが、厚さは０．５ｍｍで半分となる。補
助管４は、伝熱管１との接合部Ｂ１より点線の２本のフ
ィンとしての役目をする。

【００３２】表４、表５、表６は、表１、表２、表３と
それぞれ同じ意味の表であるが、補助管の内側外側両面
が熱伝達面として追加されている。

【００３３】

【表４】

【００３４】

【表５】

【００３５】

【表６】

【００３６】補助管は径が小さいため４ｍｍの幅で伝熱
管と接合されている。伝熱管の重なり部分は６ｍｍ（シ
ェル管と）＋４ｍｍ（補助管と）＝１０ｍｍであり、シ
ェル管は６ｍｍ（伝熱管と）＋６ｍｍ（補助管と）＝１
２ｍｍであり、補助管外面は６ｍｍ（シェル管と）＋４
ｍｍ（伝熱管と）＝１０ｍｍである。補助管内面は重な
っていない。表６より、伝熱管単独の実効伝熱管外表面
積と、本発明による実効伝熱管外表面積と、その増加比
率を示した。空気では３．６７倍、水では１．８８倍と
なる。

【００３７】図１４（ａ）は、実施例８の熱交換器要素
の断面図である。これが実施例１、実施例３と異なると
ころはシェル管１と伝熱管２との接合部Ａが多く、伝熱
管の伝熱面積を大きくすることができ、フィンが短いこ
とである。図１４（ｂ）、図１４（ｃ）の点線のシェル
管２が短い１０本のフィンとなる。シェル管２と伝熱管
１の重なり部分Ａの幅は３ｍｍである。

【００３８】表７、表８、表９は表１、表２、表３（表
４、表５、表６）とそれぞれ同じ意味を表している。

【００３９】

【表７】

【００４０】

【表８】

【００４１】

【表９】

【００４２】表９より、伝熱管単独の伝熱管外側表面積
と、本発明による外側伝熱管表面積とその増加比率を示
した。空気では１．４７倍、水では１．３８倍となる。
この実施例の特徴は、伝熱管自体の表面積が増えるこ
と、フィンが短いため、熱伝達率が大きな流体でもフィ
ン効果が悪くならない点である。また、外側、内側流体
の速度を異形管の形状で変化させることができ、熱伝達
率の良い流体には望ましい熱交換器要素である。

【００４３】具体的な実験例を説明する。内径８ｍｍ、
外径１０ｍｍ、長さ１ｍの銅製伝熱管と、内径２０ｍ
ｍ、外径２２ｍｍの銅製シェル管を使用し、６０℃の温
水と２０℃の冷水との熱交換で、従来の伝熱管がシェル
管から独立している２重管式熱交換器要素を使用した場
合と、本発明実施例１形式の熱交換器要素を使用した場
合との熱交換を比較した。その結果、従来例では２９６
リットル／ｈの冷水を２８．２℃（熱交換量２４２６Ｋ
ｃａｌ／ｈ）に上昇させた。本発明例では２９６リット
ル／ｈの冷水を２９．１℃（熱交換量２６９３Ｋｃａｌ
／ｈ）に上昇させた。本発明例は熱交換において約１０
％のフィン効果が認められた。

【００４４】図１５のようなフィンでは、フィン効率は
図１６となる。図１６はフィンの検討や設計などで使用
される一般的な図である。熱伝達率は、流体の性状、流
体の動きの状態、熱伝達管形状などの複雑な因子に作用
され、正確には決められない。そのため、ある程度の幅
で検討する。空気では数十（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）、水では数
千（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）程度である。熱伝達率は材質により
正確なデータがある。そのため、フィンの形状が確定す
れば、熱伝達率を決めることでフィン効率は求まる。こ
こでは本発明の優位性を説明するために、５０と５００
０の２桁の幅で例を示し、多くの流体で採用される幅に
おいての実効伝熱管外表面積の増加を明らかにした。以
上説明したところから明らかなように、シェル管、補助
管をフィンとすることにより、熱交換器要素における実
効伝熱管外表面積を増加させる貢献度の大きいことが明
らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構造を示す模式的説明図で
ある。

【図２】本発明の実施例２の一部を示す模式的説明
図である。

【図３】本発明の実施例２の残部を示す模式的説明
図である。

【図４】本発明の実施例３を示す模式的説明図であ
る。

【図５】本発明の実施例４を示す模式的説明図であ
る。

【図６】本発明の実施例５を示す模式的説明図であ
る。

【図７】本発明の実施例６を示す模式的説明図であ
る。

【図８】本発明の実施例７を示す模式的説明図であ
る。

【図９】本発明の実施例８を示す模式的説明図であ
る。

【図１０】本発明の実施例９を示す模式的説明図であ
る。

【図１１】本発明の実施例１０を示す模式的説明図で
ある。

【図１２】本発明熱交換器要素の実施例１におけるフ
ィン作用を説明する模式的断面図である。

【図１３】本発明熱交換器要素の実施例３におけるフ
ィン作用を説明する模式的断面図である。

【図１４】本発明熱交換器要素の実施例８におけるフ
ィン作用を説明する模式的断面図である。

【図１５】フィン効率の計算基準となるフィンの形状
を示す部分断面斜視図である。

【図１６】フィンのフィン効率を表すグラフである。

【符号の説明】

１内側伝熱管（伝熱管）２外側シェル管（シェル管）３外側流体出入口４、５補助管６シェル管継手部Ａシェル管と伝熱管の接合部Ａ１シェル管と補助管の接合部Ｂ伝熱管と伝熱管の接合部Ｂ１伝熱管と補助管の接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3L103 AA01 AA35 BB01 DD03 DD08 DD38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内側伝熱管と、この内側伝熱管をその内
部に収納した外側シェル管とからなる熱交換器要素にお
いて、内側伝熱管の外周の一部と外側シェル管の内周の
一部とを線状に密着・接合させたことを特徴とする熱交
換効率を高めた熱交換器要素。
【請求項２】内側伝熱管の軸方向に対する垂直断面が
凹凸状である請求項１記載の熱交換器要素。
【請求項３】外側シェル管の内部に、内側伝熱管と補
助管を収納した請求項１または２記載の熱交換器要素。