JP2005030619A - 二重管およびこれを用いた二重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流速の遅い流体であっても乱流化を促進でき、伝熱性能の向上を図るとともに、低コストで生産性に優れ、屈曲部等においても外管と内管の同心性を確保することができる二重管およびこれを用いた二重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】二重管１は、外管１０の突起１０Ａと内管２０の突起２０Ｂとを接触させた構成を有する。このことにより、漏洩検知管である内管２０が多数の点で支持されるとともに二重管１の同心性が向上する。また、外管１０に形成される螺旋状流路と内管２０に形成される螺旋状流路とが交差するように突起１０Ａ、溝１０Ｂ、突起２０Ｂ、溝２０Ｃが形成されているので、この部分を通過する流体は、流れの速さに関係なく乱流を生じやすくなり、攪拌性が促進されて伝熱性能が向上する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は外管と内管からなる二重管に関し、特に、熱交換効率の高く、かつ、曲げ加工を行っても内管を外管の中央部に位置させることのできる二重管およびこれを用いた二重管式熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、外管と内管とからなる二重管を用いて形成される二重管式熱交換器が知られており、内管として漏洩検知管を用いたものがある。
【０００３】
図８は、従来の二重管式熱交換器に用いられる二重管の横断面図である。
この二重管３０は、外管１０と、外管１０の内部に挿入された内管２０とを有する。
【０００４】
外管１０は、内管２０との間に設けられる空間に水等の流体が送り込まれるようになっている。
【０００５】
内管２０は、漏洩検知溝２０Ａを有するとともに内側に管２１が設けられた漏洩検知管であり、管２１の内側には炭酸ガス冷媒が送り込まれる。漏洩検知溝２０Ａは、二重管３０の両端にかけて連続的に形成されており、内管２や管２１の損湯等によって漏れ出した炭酸ガス冷媒や流体を管末に設けられた検知部で検知することで、管内を通過する気体や流体の混合を未然に防ぐことができる。
【０００６】
この二重管３０は、外管１０および内管２０ともに内面が平滑に形成されていることから、流体等の管内における流れが層流化し易くなり、そのことによって管２０の内と外との間での熱交換性能に限界がある。また、平滑管で形成されていると、例えば、曲げ加工時に外管１０が潰れたり、座屈するといった問題もある。
【０００７】
かかる問題を解決する二重管式熱交換器として、伝熱性能を乱流化によって向上させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
図９は、特許文献１に記載された二重管の一部を破断した斜視図である。
この二重管３０は、外管１０と内管２０の間を仕切って螺旋状流路１０Ｃを形成する伝熱促進体１５と、管２１の内部に挿入された伝熱促進体２２とを有し、螺旋状流路１０Ｃは、流体Ｗを伝熱促進体１５に沿って螺旋状に流すことで、流路長の増加および流体の乱流化を図っている。
【０００９】
図１０は、図９の二重管を曲げ加工して形成した二重管式熱交換器を示す。
二重管式熱交換器４０は、二重管３０を中空のコイル状に曲げ加工するとともに縦方向に積層し、かつ型崩れを生じないようにバンド４０Ａによって結束されている。二重管３０の入口側には、外管入口１０Ｄと内管入口２０Ｄとが設けられており、出口側には、外管出口１０Ｅと内管出口２０Ｅとが設けられている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２０１２７５号公報（第５図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の二重管式熱交換器によると、以下のような問題がある。
（１）炭酸ガスを冷媒とする貯湯式給湯機等では水側の流速が極めて遅いことから、外管１０と内管２０の間に水を流した場合に層流になりやすく、乱流化の促進が難しいため、伝熱性能の向上に限界がある。
（２）内管２０の内側を水側にし、外管１０と内管２０の間に炭酸ガス冷媒を流す場合、高圧に耐える目的で外管１０の肉厚を厚くする必要があるため、重量の増加や材料コストが大になる。
（３）螺旋状の伝熱促進体として、いわゆるばね等のコイル状の線材を用いた場合ではコイル状の線材に内管を入れ、さらにこれらを外管の中に入れるといった組み立て手順を経ることとなり、組立工程が煩雑化して生産性の向上が難しい。
（４）二重管の全長にわたって外管１０と内管２０の同心性を精度良く保つことが難しい。
【００１２】
従って、本発明の目的は、流速の遅い流体であっても乱流化を促進でき、伝熱性能の向上を図るとともに、低コストで生産性に優れ、屈曲部等においても外管と内管の同心性を確保することのできる二重管およびこれを用いた二重管式熱交換器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の流路を内側に有する第１の管と、前記第１の管を内部に同心状に有して前記第１の管との間に第２の流路を有する第２の管とからなる二重管において、
前記第１の管の外側に形成される第１の摩擦損失発生部と、
前記第１の摩擦損失発生部と接触するように設けられて前記第２の管の内側に形成される第２の摩擦損失発生部とを有することを特徴とする二重管を提供する。
【００１４】
この構成によれば、第１の摩擦損失発生部と第２の摩擦損失発生部との相乗的な作用に基づいて流体に複雑な流れを生じさせることから、流速の遅い流体であっても良好な攪拌性を得ることができる。
【００１５】
また、突起および溝は、管の長さ方向に螺旋状に形成されることで、流体との接触に伴う摩擦損失を高めるだけでなく流れの複雑さに基づく攪拌性を高めることができる。更に、第１の摩擦損失発生部と第２の摩擦損失発生部とを異なる方向に螺旋状に形成すると、攪拌性はより向上する。
【００１６】
また、第１の管は、第２の管と異なる材質によって形成されていても良い。熱交換器としての使用を前提とすると、伝熱性に優れる銅、銅合金、又はアルミニウム等の金属が好ましいが、曲げ加工時における第２の管との同心性を考慮すると、チタンやステンレス等の金属で形成することで、屈曲部でのつぶれといった耐変形性が向上し、機械的強度が高められる。
【００１７】
また、第１の管は、漏洩検知溝を断面内に有する漏洩検知管を用いることで、亀裂やその他の損傷についての速やかな検知を実現できる。
【００１８】
また、第２の管は、可撓性を付与する押し込み部が外側に形成されていることで、熱交換器等の曲げ加工時における加工性を高めるとともに、屈曲部における第１の管と第２の管との同心性を確保する。
【００１９】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第１の流路を内側に有する第１の管と、前記第１の管を内部に同心状に有して前記第１の管との間に第２の流路を有する第２の管とからなる二重管を用いた二重管式熱交換器において、
前記第１の管の外側に形成される第１の摩擦損失発生部と、
前記第１の摩擦損失発生部と接触するように設けられて前記第２の管の内側に形成される第２の摩擦損失発生部とを有する二重管によって熱交換部を構成したことを特徴とする二重管式熱交換器を提供する
【００２０】
この構成によれば、第１の摩擦損失発生部と第２の摩擦損失発生部との相乗的な作用に基づいて熱交換部を通過する流体に複雑な流れを生じさせることから、伝熱性能を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、第１の実施の形態に係る二重管の横断面図である。
この二重管１は、内側に突起１０Ａと溝１０Ｂからなる螺旋状流路を第２の摩擦損失発生部として有した外管１０と、外側に突起２０Ｂと溝２０Ｃからなる螺旋状流路を第１の摩擦損失発生部として有するとともに外管１０の内部に挿入された内管２０とを有し、内管２０は、外管１０と同心状に設けられている。同図においては外管１０の螺旋状流路は左ねじ状、内管２０の螺旋状流路は右ねじ状に形成されている。
【００２３】
内管２０は、りん脱酸銅で形成されて漏洩検知溝２０Ａを有するとともに内側にりん脱酸銅からなる管２１が設けられた漏洩検知管であり、管２１の内側には炭酸ガス冷媒が送り込まれる。漏洩検知溝２０Ａは、二重管１の両端にかけて連続的に形成されており、内管２０や管２１の損湯等によって漏れ出した炭酸ガス冷媒や流体を管末に設けられた検知部で検知することで、挿通される気体や流体の混合を未然に防ぐことができる。
【００２４】
外管１０は、りん脱酸銅で形成されて、その螺旋状流路は内管２０の螺旋状流路と同一のピッチで逆方向の螺旋形状で形成されている。突起１０Ａは、突起２０Ｂと交差するとともに接触部１１で接触している。交差する螺旋状流路によって形成される流路には、水等の流体が送り込まれるようになっている。なお、外管１０、内管２０、および管２１は、りん脱酸銅の他に銅合金、ステンレス、チタン等の金属で形成することができる。また、外管１０と内管２０の螺旋状流路についても、互いに逆方向に設けられるものの他に、例えば、同一の方向で異なる螺旋ピッチで形成されるようにしても良い。
【００２５】
また、内管２０の突起２０Ｂは管軸と平行で、外管１０の内側の突起１０Ａは螺旋状であっても良い。
【００２６】
また、外管１０と内管２０の螺旋状流路は、連続的に形成されるものの他に、一部が断続するように設けられても良く、内管２０の突起２０Ｂを円板状の突起で形成しても良い。
【００２７】
図２は、突起同士が接触した部分での二重管の横断面図である。
内管２０は、突起２０Ｂが突起１０Ａと接触部１１で接触することによって外管１０と同心状に配置される。
【００２８】
この二重管１を製造するには、まず、漏洩検知溝２０Ａを有する銅管を押し出し加工等によって形成する。次に、この銅管の内部に管２１を挿入して漏洩検知管の外面に突起２０Ｂおよび溝２０Ｃからなる螺旋状流路を加工するとともに管２１と一体化させることにより内管２０を形成する。次に、突起１０Ａおよび溝１０Ｂからなる螺旋状流路を加工した内面溝付管である外管１０に内管２０を挿入する。次に、外管１０を縮径加工して突起１０Ａと突起２０Ｂとを密接させる。
【００２９】
図３は、図１の二重管を曲げ加工して形成した二重管式熱交換器を示す。
二重管式熱交換器３は、二重管１を中空のコイル状に曲げ加工するとともに縦方向に積層し、かつ型崩れを生じないようにバンド３Ａによって結束されている。二重管１の入口側には、外管入口１０Ｄと内管入口２０Ｄとが設けられており、出口側には、外管出口１０Ｅと内管出口２０Ｅとが設けられている。
【００３０】
この二重管式熱交換器３は、内管入口２０Ｄから管２１の内側に炭酸ガス冷媒を供給し、外管入口１０Ｄから外管１０と内管２０との間に水等の液体を通過させると、突起１０Ａ、溝１０Ｂ、突起２０Ｂ、および溝２０Ｃによって通過する流体が合流、分流を繰り返すことにより攪拌されるとともに炭酸ガス冷媒との熱交換を行う。炭酸ガス冷媒は、内管出口２０Ｅから図示しない冷媒循環系を介して繰り返し循環するように構成されている。また、熱交換された液体は外管出口１０Ｅから供給される。なお、本実施の形態では、炭酸ガス冷媒を用いた二重管式熱交換器３を説明したが、地球温暖化現象を助長することのない耐環境性に優れる他の冷媒を用いることも可能である。
【００３１】
上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）外管１０の内側の突起１０Ａと内管２０の外側の突起２０Ｂとを接触させた二重管１としたので、漏洩検知管である内管２０が多数の点で支持されるとともに二重管１の同心性が向上する。そのため、曲げ加工を施しても屈曲部における同心性が損なわれず、かつ漏洩検知管としての漏洩検知性も確保できる。
（２）外管１０に形成される螺旋状流路と内管２０に形成される螺旋状流路とが交差するように突起１０Ａ、溝１０Ｂ、突起２０Ｂ、溝２０Ｃが形成されているので、この部分を通過する流体は、流れの速さに関係なく乱流を生じやすくなり、攪拌性が促進されて伝熱性能が向上する。このことにより、小型でも熱交換性に優れる二重管式熱交換器３を形成することができ、給湯装置等の熱交換器に適用することができる。
（３）突起１０Ａおよび突起２０Ｂによって、外管１０および内管２０が補強されることから、管厚を大にすることなく流体の液圧や冷媒のガス圧に対する耐圧性が向上し、加工に必要な材料の節約を図れる。
（４）突起および溝を形成された外管および内管を縮径加工することで同心性に優れる二重管１を製造できることから、生産性に優れる。
【００３２】
図４および図５は、第２の実施の形態に係る二重管の断面図であり、図４は横断面図、図５は接触部１１の接触状態を部分的に示す部分断面図である。
【００３３】
この二重管１は、管軸方向に平行に形成された突起２０Ｂおよび溝２０Ｃを外側に有する内管２０を、第１の実施の形態で説明した外管１０の内部に同心状に設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００３４】
突起２０Ｂおよび溝２０Ｃは、内管２０の外側に略直線状の流路を形成しており、この略直線状の流路は外管１０の内部に形成される螺旋状流路と一定の角度で交差している。また、突起２０Ｂは、外管１０の突起１０Ａと接触部１１で接触している。
【００３５】
上記した第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて外管１０と内管２０との間を通過する液体の乱流化を確保しながら通過抵抗を低減させることができ、単位時間当たりの流量を大にできるとともに熱交換性に優れる二重管式熱交換器３を形成することができる。
【００３６】
図６は、第３の実施の形態に係る外管の部分側面図である。
この外管１０は、二重管１に可撓性を付与するものとして、縮径加工時にコルゲート加工によって外側に所定のピッチで押し込み部１２を形成したものであり、この押し込み部１２は螺旋状に形成されている。また、押し込み部１２は、外管１０の突起１０Ａが内管２０の突起２０Ｂと接触するように押し込み量を付与されている。
【００３７】
上記した第３の実施の形態によると、外管１０の外側に押し込み部１２を設けることで、外管１０と内管２０の同心性を損なうことなく二重管１に可撓性を付与することができ、曲げ加工性が向上する。このことにより曲げ半径の小なる二重管式熱交換器３を容易に形成することができる。
【００３８】
図７は、第４の実施の形態に係る外管の部分側面図である。
この外管１０は、二重管１に可撓性を付与するものとして、縮径加工時に塑性加工によって外側に所定のピッチで凹凸状の押し込み部１２を形成したものである。この押し込み部１２についても第３の実施の形態と同様に、外管１０の突起１０Ａが内管２０の突起２０Ｂと接触するように押し込み量を付与されている。
【００３９】
上記した第４の実施の形態によると、第３の実施の形態の好ましい効果に加えて転造等によって容易に押し込み部１２を設けることができる。なお、第３の実施の形態で説明したコルゲート加工を合わせて二重管１に施すことにより押し込み部１２を設けるようにしても良い。
【００４０】
なお、上記した各実施の形態では、外管１０に形成される突起１０Ａと内管２０に形成される突起２０Ｂとを同じ高さで形成した構成を説明したが、突起１０Ａと突起２０Ｂとの高さが異なった外管１０および内管２０を一体化して二重管１を形成するようにしても良い。
【００４１】
また、外管１０の内側および内管２０の外側に更に粗面化処理を施すことによって管壁と流体の接触抵抗を大にするようにしても良い。
【００４２】
また、二重管式熱交換器３は、外管１０と内管２０との間に冷媒を供給し、内管２０の内部に流体を供給する構成としても良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の二重管およびこれを用いた二重管式熱交換器によると、第１の管の外側に形成される第１の摩擦損失発生部と、第１の摩擦損失発生部と接触するように設けられて第２の管の内側に形成される第２の摩擦損失発生部とを有するようにしたため、流速の遅い流体であっても乱流化を促進でき、伝熱性能の向上を図るとともに、低コストで生産性に優れ、屈曲部等においても外管と内管の同心性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る二重管の横断面図である。
【図２】突起同士が接触した部分での二重管の横断面図である。
【図３】図１の二重管を曲げ加工して形成した二重管式熱交換器を示す。
【図４】第２の実施の形態に係る二重管の横断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る接触部の接触状態を部分的に示す部分断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る外管の部分側面図である。
【図７】第４の実施の形態に係る外管の部分側面図である。
【図８】従来の二重管式熱交換器に用いられる二重管の横断面図である。
【図９】特許文献１に記載された二重管の一部を破断した斜視図である。
【図１０】図９の二重管を曲げ加工して形成した二重管式熱交換器を示す。
【符号の説明】
１、二重管 ２、内管 ３、二重管式熱交換器 ３Ａ、バンド
１０、外管 １０Ａ、突起 １０Ｂ、溝 １０Ｃ、螺旋状流路
１０Ｄ、外管入口 １０Ｅ、外管出口 １１、接触部
１２、押し込み部 １５、伝熱促進体 ２０、内管 ２０Ａ、漏洩検知溝
２０Ｂ、突起 ２０Ｃ、溝 ２０Ｄ、内管入口 ２０Ｅ、内管出口
２１、管 ２２、伝熱促進体 ３０、二重管 ４０Ａ、バンド
４０、二重管式熱交換器

Claims (10)

1. 第１の流路を内側に有する第１の管と、前記第１の管を内部に同心状に有して前記第１の管との間に第２の流路を有する第２の管とからなる二重管において、
   前記第１の管の外側に形成される第１の摩擦損失発生部と、
   前記第１の摩擦損失発生部と接触するように設けられて前記第２の管の内側に形成される第２の摩擦損失発生部とを有することを特徴とする二重管。
2. 前記摩擦損失発生部は、前記管を構成する材料によって設けられる突起と、
   隣接する前記突起との間に設けられる溝によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の二重管。
3. 前記突起および前記溝は、前記管の長さ方向に螺旋状に形成されることを特徴とする請求項２記載の二重管。
4. 前記第１の摩擦損失発生部は、前記第２の摩擦損失発生部と異なる方向に螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の二重管。
5. 前記第１の管は、前記第２の管と異なる材質によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の二重管。
6. 前記第１の管は、漏洩検知溝を断面内に有する漏洩検知管であることを特徴とする請求項１記載の二重管。
7. 前記第２の管は、可撓性を付与する押し込み部が外側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の二重管。
8. 第１の流路を内側に有する第１の管と、前記第１の管を内部に同心状に有して前記第１の管との間に第２の流路を有する第２の管とからなる二重管を用いた二重管式熱交換器において、
   前記第１の管の外側に形成される第１の摩擦損失発生部と、
   前記第１の摩擦損失発生部と接触するように設けられて前記第２の管の内側に形成される第２の摩擦損失発生部とを有する二重管によって熱交換部を構成したことを特徴とする二重管式熱交換器。
9. 前記熱交換部は、前記第１の流路に冷媒として供給される炭酸ガスと前記第２の流路に供給される流体との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項８記載の二重管式熱交換器。
10. 前記熱交換部は、コイル状に結束された形状を有することを特徴とする請求項８記載の二重管式熱交換器。

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