JP2008134003A - チューブ式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブ式熱交換器において、一対の口金で、隣接する流体通路に、高温流体と低温流体とを互い違いに供給、排出する。
【解決手段】熱交換器本体１０のチューブ１２、１３，１４は、その両端部に貫通孔１２ａ、１３ａ、１４ａが設けられ、口金２０は、概略無垢の内スリーブ２１および外スリーブ２３と、給排溝２２ｃと給排ポート２２ｂとが設けられた中スリーブ２２とからなる。周面パイプ１５から高温流体を、端面パイプ１６から低温流体を供給すると、高温流体は、貫通孔１４ａを通って流体通路Ｒ３を、さらに貫通孔１２ａ、１３ａ、給排ポート２２ｂを通って流体通路Ｒ１を流通し、低温流体は、給排溝２２ｃを通って流体通路Ｒ２を流通し、チューブ１２、１３を介して熱交換される。
【選択図】図３

Description

この発明は、径の異なる複数のチューブを入れ子状に配置することで形成されるチューブ式の熱交換器に関する。

特許文献１に記載されているように、熱交換器の一種として、チューブ式の熱交換器が知られている。
これは、径の異なる複数のチューブを入れ子状に配置し、径の違いからチューブの間に形成される空隙を流体通路とし、隣り合う流体通路に温度の異なる流体を流通させ、チューブを介して流体間で熱交換をおこなうものである。

このようなチューブ式の熱交換器は、特許文献２に記載されているような、流体通路が形成された複数のプレートを重ね合わせ、接合してなるプレート式の熱交換器と比較した場合には、以下のような利点を有する。
まず、径の異なる複数のチューブを入れ子状に配置するだけで、隣り合うチューブの間に、径の違いから自然に空隙が生じ、この空隙をそのまま流体通路として利用するため、プレート式のように構成部材自体に、エッチング加工やプレス加工などにより流体通路を穿ったり、打ち抜いたりして形成する手間が要らない。
また、これら流体通路は隣り合うチューブに挟まれて外部から隔離され、そのままで気密、水密な状態となっているため、プレート式のように、流体通路が気密、水密な状態を作り出すために、構成部材同士を拡散接合するなどして気密、水密に接合する手間も要らない。

このため、チューブ式熱交換器は、プレート式熱交換器に比べると、製造に手間がかからず、製造コストを抑えることができる。
そして、チューブは、プレートに比べて、耐圧性、耐振性、曲げ強度に優れているため、内圧の急激な変化に伴ういわゆる水撃現象に対する耐久性も十分である。

しかし、チューブ式熱交換器では、熱交換器の各流体通路が同軸円筒状に形成されており、かつ、隣接する流体通路には、高温流体と低温流体とを互い違いに流通させる必要があるところ、従来の口金の構造では、一対の口金でこのように流体を分流して供給し、排出するのは困難であり、口金を流体通路ごとに個別に取り付けるほかなかったため、以下の欠点を有する。

すなわち、流体通路の数が増えるごとに新たな口金を装着する必要があり、チューブの数に比例して口金の数が増えてそのコストがかさみ、また、口金の数が多くなるにつれ熱交換器の嵩が高くなるため、小型化の要請にも反する結果となる。
そして、チューブの数が多ければ、それだけ伝熱面積が増えるため、熱交換の効率が上がるのにもかかわらず、上述したように、チューブの数を増やすことに対するコスト的、サイズ的な制約があるため、熱交換の効率を一定以上に上げることが困難である。

そのため、多重管式熱交換器は、上記したコスト的、強度的利点を有するものの、サイズ的な観点、熱交換の効率の観点からは、プレート式より劣るのが現状であった。
特開平０２−３０７６２２号公報 特許第２８６２２１３号公報

そこでこの発明は、チューブ式熱交換器において、口金の構造を工夫することで、一対の口金で、隣接する複数の流体通路に、高温流体と低温流体とを互い違いに供給、排出することを可能とし、これにより低コストかつ省スペースでチューブの多重化を可能とし、もって熱交換の効率を向上させることをその課題とする。

上記した課題を解決するため、この発明では、入れ子状に配置された径の異なる複数のチューブから形成され、径の違いからチューブの間に生じる空隙を流体通路として流体を流通させ、チューブを介して隣り合う流体通路をそれぞれ流通する流体間で熱交換をおこなう熱交換器本体と、この熱交換器本体の両端部にそれぞれ取り付けられる一対の口金とからなるチューブ式熱交換器において、以下の構成を採用した。
すなわち、チューブの内、少なくとも流体の熱交換を媒介するチューブおよび最外のチューブには、その両端部に貫通孔を設け、この貫通孔の位置が合致した状態で入れ子状に配置し、口金は、入れ子状に重なり合う複数のスリーブから形成され、これらスリーブは、スリーブ軸方向を横断する給排溝と、この給排溝から隔離されてスリーブ径方向に貫通する給排ポートとが設けられた溝孔付きスリーブと、概略無垢のスリーブとが交互に重なり合うものとし、溝孔付きスリーブは、その給排ポートの位置がチューブの貫通孔の位置と合致するように流体通路に差し込まれ、概略無垢のスリーブは、チューブの貫通孔の手前まで流体通路に差し込まれることで口金は熱交換器本体に取り付けられることとした。

この熱交換器に、例えば、熱交換器本体のチューブの貫通孔から高温流体を、口金の溝孔付きスリーブの給排溝から低温流体を供給すると、貫通孔および給排ポートを通って、高温流体は、熱交換器本体に同軸円筒状に形成される流体通路に一つおきに流出入し、その間の流体通路には、低温流体が給排溝を通って流出入するため、チューブを介して両流体間で熱交換がなされることとなる。

このように、入れ子状に重なり合う簡単な構造のスリーブから口金を形成し、この一対の口金により、高温流体と低温流体とが同軸上に互い違いに流通するように、複数の流体通路へと供給し、排出することを可能としたため、チューブの数を増やしても、口金の数を増やす必要がない。
そのため、熱交換器の製造コストを抑えられ、また省スペース化が図られる。
そして、チューブの数を自由に増やすことができるため、熱交換の効率が向上する。

なお、上記した概略無垢のスリーブとは、溝や孔のまったく無い無垢のスリーブのみならず、溝や孔を有しているが、この溝や孔が熱交換器の組み立て状態において流体通路と連通しておらず、流体の熱交換器本体への供給路または排出路としての役割を果たさないものも含まれるものとする。

さらに、少なくとも熱交換を媒介するチューブを、いわゆるヘリカルチューブなどの、内外周面の少なくとも一面に螺旋状に延びる凹凸が形成されたものとすると、フラットなチューブよりも表面積が大きいため、伝熱面積が広くなり、熱交換の効率が向上する。
そして、隣接するチューブの螺旋の巻き方向を同一方向とすると、螺旋の巻き方向に沿って流体は整流されて流れるため、圧力損失を減じることができる。
一方、隣接するチューブの螺旋の巻き方向をＳ巻きとＺ巻きの反対方向とすると、流れ方向が一定せず、乱流が生じやすくなるため、熱交換の効率が上がる。
このように、状況に応じ、圧力損失の低減と、熱交換効率の向上のどちらを優先するか選択することができ、利用の幅も広がる。

また、すべてのチューブを、いわゆるフレキシブルチューブなどの、フレキシブルで保形性を有するチューブとすると、熱交換器の設置スペースの形状に応じて、熱交換器本体を適宜折り曲げて自由に変形させられるため、スペースの有効活用が図られる。

この発明によれば、一対の口金から、高温流体と低温流体とを、多重管式熱交換器の隣り合う複数の流体通路へと互い違いに供給し、排出することが可能となるため、低コスト、省スペースでのチューブの多重化を実現でき、熱交換効率の向上が図られる。

図１のように、実施形態のチューブ式熱交換器１は、径の異なるチューブ１１、１２、１３、１４を入れ子状に配置して形成された熱交換器本体１０と、この熱交換器本体１０の両端部に取り付けられた口金２０とからなる。

図示のように、熱交換器本体１０内部には、チューブ１１、１２、１３、１４の径の違いから、隣り合うチューブ１１、１２、１３、１４の間に熱交換器本体１０の両端間を連通する同軸円筒状の空隙が形成されており、この空隙は図３のように、流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３として利用され、チューブ１２、１３を介して、隣り合う流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を流通する流体間で熱交換がなされることとなる。

図１および図４のように、チューブ１１、１２、１３、１４は、径の小さいものから大きいものへと順に、内チューブ１１と、中チューブ１２、１３と、外チューブ１４とからなる。
中チューブ１２、１３および外チューブ１４の両端部周面には、それぞれ１つずつ厚み方向に貫通する貫通孔１２ａ、１３ａ，１４ａが同じ向きに設けられている。
そして、図１のように、熱交換器本体１０の組み立て時には、チューブ１２、１３、１４は、これら貫通孔１２ａ、１３ａ、１４ａの位置が合致し、これらが連通した状態で入れ子状に配置されている。

また、図１、図３、図４のように、外チューブ１４の貫通孔１４ａには、外周面からステンレス製の周面パイプ１５が装着されており、口金２０を装着しない状態においては、各流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３には、周面パイプ１５から貫通孔１２ａ、１３ａ、１４ａを通じて流体が流出入可能となっている。

同様に、図１、図３、図４のように、熱交換器本体１０の端面には、この端面を閉塞可能なカバー１６ａを先端に取り付けたステンレス製の端面パイプ１６が装着されており、口金２０を装着しない状態においては、各流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３には、端面パイプ１６から流体が流出入可能となっている。

図１および図４のように、内チューブ１１および外チューブ１４は、その内外周面がほぼ平坦なステンレス製のフラットチューブであり、その厚みは、熱交換器本体１０の強度を高めるために、比較的肉厚に形成されている。
一方、中チューブ１２、１３は、ステンレス製のヘリカルチューブであって、その内外周面の両端部を除いたほぼ全域には、Ｓ巻き螺旋状に延びる凹凸部１２ｂ、１３ｂが形成されており、その厚みは、熱交換の効率を高めるために、比較的薄肉(内チューブ１１および外チューブ１４よりも薄い。)に形成されている。

また、図１から図３のように、口金２０は、入れ子状に重なり合った、ステンレス製の径の異なる円筒状の内スリーブ２１と、中スリーブ２２と、外スリーブ２３とから形成されている。
これらスリーブ２１、２２、２３は、その先端部が流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に差し込まれることで熱交換器本体１０に取り付けられている。
また、その後端部は、後述するように、肉厚部２２ａ、２３ａが形成されているため、隣り合うスリーブ２１、２２、２３の内周面と外周面とが接しており、拡散接合、ロウ付け接合等により、ほぼ気密水密に接合されている。

詳しくは、図５のように、内スリーブ２１は、概略無垢のスリーブであって、その内径は内チューブ１１の外径にほぼ等しく、その外径は中チューブ１２の内径にほぼ等しいため、流体通路Ｒ１にほぼ気密、水密に差し込まれ、熱交換器本体１０の端面を閉塞するようになっている。
そして、図示のように、内スリーブ２１は、中チューブ１２の貫通孔１２ａを塞いでしまわないように、その手前まで差し込まれ、熱交換器本体１０と接合されている。

このように、その後端部は底板２１ａで閉塞されているため、流体通路Ｒ１に差し込んだ状態において、底板２１ａが内チューブ１１端面を気密、水密に閉塞し、内チューブ１１内に流体が流入しないようになっている。
なお、図示のように、内スリーブ２１の後端部の外周エッジは面取りされている。

次に、図６のように、中スリーブ２２は、その先端部においては、内径が中チューブ１２の外径にほぼ等しく、外径が中チューブ１３の内径にほぼ等しいため、流体通路Ｒ２に気密、水密に差し込まれ、後述する給排溝２２ｃを除いては、熱交換器本体１０端面を閉塞するようになっている。
そして、図示のように、中スリーブ２２は、内スリーブ２１および外スリーブ２３よりも軸方向に長いため、その後端部を、内スリーブ２１および外スリーブ２３の後端部とほぼ揃えた状態において、その先端部は、中チューブ１２、１３の貫通孔１２ａ、１３ａを超えて差し込まれており、この状態で熱交換器本体１０と接合されている。

また、中スリーブ２２の後端部は、中チューブ１２の厚み分だけ、内径に向かって厚みを増した肉厚部２２ａとなっている。
そのため、流体通路Ｒ２に差し込んだ状態において、中スリーブ２２の後端部内周面と、内スリーブ２１の後端部外周面とはほぼ気密、水密に接しており、かつ、中チューブ１２の端面は、中スリーブ２２先端側から肉厚部２２ａに当接することで位置決めされる。
なお、図示のように、中スリーブ２２の後端部の内外周のエッジは面取りされている。

さらに、中スリーブ２２の長さ方向中程のやや先端寄りには、内外周面を貫通する平面視円形の給排ポート２２ｂが設けられている。
この給排ポート２２ｂは、その径が、中チューブ１２、１３の貫通孔１２ａ、１３ａの径とほぼ等しくなっている。
また、中スリーブ２２の流体通路Ｒ２への差し込み状態においては、給排ポート２２とこれら貫通孔１２ａ、１３ａとは、位置が合致、連通しており、周面パイプ１５から流出入する流体は、給排ポート２２を通じて、さらに熱交換器本体１０の内部へと流通するようになっている。

そして、中スリーブ２２の外周面には、その軸方向に延びる一対の有底の給排溝２２ｃが設けられており、この給排溝２２ｃは、中スリーブ２２を軸方向に横断して、その両端面において開放されている。
図示のように、この一対の給排溝２２ｃは、給排ポート２２ｂの軸心から見て対称に配置されており、かつ、給排ポート２２ｂと連通しておらず、隔離されている。

また、図７のように、外スリーブ２３は、概略無垢のスリーブであって、その先端側において、内径が中チューブ１３の外径にほぼ等しく、外径が外チューブの内径にほぼ等しいため、流体通路Ｒ３に気密、水密に差し込まれ、熱交換器本体１０の端面を閉塞するようになっている。
そして、図示のように、外スリーブ２３は、外チューブ１４および中チューブ１３の貫通孔１４ａ、１３ａを塞いでしまわないように、その手前まで差し込まれ、熱交換器本体１０と接合されている。

また、外スリーブ２３の後端部は、中チューブ１３の厚み分だけ、内径に向かって厚みを増し、かつ外チューブ１４の厚み分だけ、外径に向かって厚みを増した肉厚部２３ａとなっている。
そのため、流体通路Ｒ３に差し込んだ状態において、外スリーブ２３の後端部内周面と中スリーブ２２の後端部外周面とはほぼ気密、水密に接し、かつ、中チューブ１３および外チューブ１４の端面は、それぞれ外スリーブ２３先端側内周面および外周面から肉厚部２３ａに当接することで位置決めされるようになっている。

また、肉厚部２３ａの後端部側の外周面は、切り欠かれて段部２３ｂが設けられており、熱交換器１の組み立て時には、口金２０にその後端側から被せられた端面パイプ１６のカバー１６ａがこの段部２３ｂにはまり込むことで位置決めされ、装着されることとなる。
なお、図示のように、外スリーブ２３の後端部の内周エッジは面取りされている。

実施形態のチューブ式熱交換器１の構成は以上のようであり、図３に、この熱交換器１に流体を流出入させた際の流通状態を示す。
図中実線で示すように、周面パイプ１５から高温流体をチューブ式熱交換器１内へと供給し、鎖線で示すように、端面パイプ１６から低温流体をチューブ式熱交換器１内へと供給する。

図示のように、高温流体の一部は、外チューブ１４の貫通孔１４ａを通り、流体通路Ｒ３へと流入し、流体通路Ｒ３上を、熱交換器本体１０の排出側の端部へと向かって流通する。
また、高温流体の残部は、さらに、中チューブ１３の貫通孔１３ａ、中スリーブ２２の給排ポート２２ｂ、中チューブ１２の貫通孔１２ａを通り、流体通路Ｒ１へと流入し、流体通路Ｒ１上を、熱交換器本体１０の排出側の端部へと向かって流通する。
なお、高温流体の周面パイプ１５から熱交換器本体１０への流入部分において、流体通路Ｒ２は、中スリーブ２２の給排ポート２２ｂよりも先端側により閉塞されているため、高温流体は流体通路Ｒ２に流入することは無い。

また、図２および図３のように、低温流体は、中スリーブ２２の給排溝２２ｃを通り、流体通路Ｒ２へと流入し、流体通路Ｒ２上を、熱交換器本体１０の排出側の端部へと向かって流通する。
なお、低温流体の端面パイプ１６から熱交換器本体１０への流入部分において、流体通路Ｒ１、Ｒ３は、内スリーブ２１および外スリーブ２３により閉塞されているため、高温流体は流体通路Ｒ１、Ｒ３に流入することは無い。

こうして、高温流体および低温流体は、互いに交じり合うことなく、隔離された状態で、それぞれ高温流体は、流体通路Ｒ１、Ｒ３を、低温流体は、流体通路Ｒ２を、平行して流通し、これら流体は、中チューブ１２、１３を介して熱交換を行う。
このとき、流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、中チューブ１２、１３のＳ巻き螺旋状に延びる凹凸部１２ｂ、１３ｂにより、Ｓ巻き螺旋方向に流体を整流してスムーズに流通させる作用が付加されているため、流体流通時における圧力損失が低減されている。

この実施形態では、口金２０を内スリーブ２１、中スリーブ２２、外スリーブ２３の三重構造としたが、スリーブの重ね合わせの数は、これに限定されることはない。
すなわち、内スリーブ２１や外スリーブ２３と同様の、概略無垢のスリーブと、中スリーブ２２と同様の、給排ポートと給排溝とが設けられた溝孔付きスリーブとを交互に複数重ね合わせてもよい。
このようにすれば、概略無垢のスリーブの差し込まれた流体通路には、周面パイプ１５から流出入する高温流体(または低温流体)が貫通孔、給排ポートを通じるなどして供給、排出され、溝孔付きスリーブの差し込まれた流体通路には、端面パイプ１６から流出入する低温流体(または高温流体)が給排溝を通じて供給、排出され、隣り合う流体通路に、高温流体と低温流体とが互い違いに隣接して流通することになり、チューブを介してこれら流体間で熱交換が行われることとなる。
こうして、熱交換器本体の入れ子状チューブの数を増やしても、実施形態と同様に、一対の口金により流体通路への流体の供給、排出が可能である。
そのため、従来の口金のような、流体通路の数の増加に伴って、口金の数が増え、熱交換器のサイズが大きくなるような欠点が解消され、自由に流体通路の数を増やすことができ、その結果、流体通路の数を増やすとそれだけ伝熱面積が広がるため、熱交換の効率が向上する。

また、チューブ１１、１２、１３、１４を、フレキシブルチューブとすると、熱交換器本体１０を折り曲げ可能となるため、設置場所等に応じて自由に変形させることができる。

さらに、実施形態では、中チューブ１２、１３の凹凸部１２ａ、１３ａをともにＳ巻き螺旋状に形成にしたが、一方をＺ巻き螺旋状に形成してもよい。
このように、隣接するチューブ１２、１３の凹凸部１２ａ、１３ａの螺旋巻きの方向を逆にすると、流体を流通させた際に、流れの方向が一定せず、乱流が生じやすくなるため、熱交換の効率が上がる。

なお、実施形態では、チューブ式熱交換器１の材質は、ステンレスとしたが、これに限られず、銅、ニッケルなどの他の金属や、合成樹脂でもよい。

チューブ式熱交換器の縦断面図 図１のＡ−Ａにおける断面図 チューブ式熱交換器に流体を流通させた状態を示す一部拡大縦断面図 チューブ式熱交換器の分解状態を示す図 内スリーブの上半部を断面とした側面図 (ａ)は中スリーブの端面図、(ｂ)は(ａ)のＡ−Ａ断面図、(ｃ)は(ａ)のＡ−Ｂ断面図 外スリーブの上半部を断面とした側面図

符号の説明

１ チューブ式熱交換器
１０ 熱交換器本体
１１ 内チューブ
１２、１３ 中チューブ
１２ａ、１３ａ 貫通孔
１２ｂ、１３ｂ 凹凸部
１４ 外チューブ
１４ａ 貫通孔
１５ 周面パイプ
１６ 端面パイプ
１６ａ カバー
２０ 口金
２１ 内スリーブ
２１ａ 底板
２２ 中スリーブ
２２ａ 肉厚部
２２ｂ 給排ポート
２２ｃ 給排溝
２３ 外スリーブ
２３ａ 肉厚部
２３ｂ 段部
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 流体通路

Claims (3)

1. 入れ子状に配置された径の異なる複数のチューブ１１、１２、１３、１４から形成され、径の違いからチューブ１１、１２、１３、１４の間に生じる空隙を流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３として流体を流通させ、チューブ１２、１３を介して隣り合う流体通路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３をそれぞれ流通する流体間で熱交換をおこなう熱交換器本体１０と、
   この熱交換器本体１０の両端部にそれぞれ取り付けられる一対の口金２０とからなるチューブ式熱交換器１において、
   前記熱交換器本体１０のチューブ１１、１２、１３、１４の内、少なくとも流体の熱交換を媒介するチューブ１２、１３および最外のチューブ１４には、その両端部に貫通孔１２ａ、１３ａ、１４ａを設け、この貫通孔１２ａ、１３ａ、１４ａの位置が合致するよう入れ子状に配置され、
   前記口金２０は、入れ子状に重なり合う複数のスリーブ２１、２２、２３から形成され、これらスリーブ２１、２２、２３は、スリーブ軸方向を横断する給排溝２２ｃと、この給排溝２２ｃから隔離されてスリーブ径方向に貫通する給排ポート２２ｂとが設けられた溝孔付きスリーブ２２と、概略無垢のスリーブ２１、２３とが交互に重なり合うものとし、溝孔付きスリーブ２２は、その給排ポート２２ｂの位置がチューブの貫通孔１２ａ、１３ａの位置と合致するように流体通路Ｒ２に差し込まれ、概略無垢のスリーブ２１、２３は、チューブの貫通孔１２ａ、１３ａの手前まで流体通路Ｒ１、Ｒ３に差し込まれることで口金２０は熱交換器本体１０に取り付けられたことを特徴とするチューブ式熱交換器。
2. 上記チューブ１１、１２、１３、１４の内、少なくとも流体の熱交換を媒介するチューブ１２、１３の、内外周面の少なくとも一面に、螺旋状に延びる凹凸部１２ｂ、１３ｂを形成した請求項１に記載のチューブ式熱交換器。
3. 上記チューブ１１、１２、１３、１４のすべてを、フレキシブルかつ保形性を有するものとした請求項１または２に記載のチューブ式熱交換器。

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