JP2008209074A - 多重管式の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】多重管式熱交換器について、筒形に巻き回された内管の、筒内中心軸付近へ流体が偏って流れることを防止する。
【解決手段】外管１１と、外管１１内で円筒形に巻き回された内管１２とからなり、内管１２と外管１１のそれぞれに流体を流通させ、内管１２の管壁を介してこれら流体間の熱交換を行う多重管式の熱交換器１０の、内管１２の筒内に、外管１１を流れる排ガスの障壁となる円筒閉管からなる配流調整コア１３を挿入した。コア１３が挿入されることで、排ガスは熱交換の上で無駄の多い内管１２の中心軸付近を避け、内管１２の管壁に近い側へと配流されるため、熱交換の効率が上がる。
【選択図】図２

Description

この発明は、多重管式の熱交換器に関し、特に熱交換の効率のよい多重管式の熱交換器に関する。

特許文献１のように、外管と、外管内で円筒形に巻き回された内管とからなり、内管および外管にそれぞれ流体を流通させ、内管の管壁を介してこれら流体間の熱交換を行う、多重管式の熱交換器が知られている。

この種の熱交換器では、円筒形に巻き回された内管の筒内の中心軸付近は、流体流通の障害が無いため、流れの抵抗が非常に小さくなっている。
その一方で、内管の管壁付近は、管壁が障害となって、流れの抵抗が比較的大きくなっている。
このため、外管を流れる流体は、内管の筒内中心軸付近に優先的に流れ込み、内管の管壁付近においては、流れは滞りがちである。

ところが、熱交換は内管の管壁を介して行われるため、このように内管の管壁から離れた内管の中心軸付近の流れが良く、管壁付近の流れが悪いと、熱交換の効率が上がらない問題があった。
特開２００５−３２１１５６号公報

そこで、この発明の解決すべき課題は、多重管式熱交換器について、筒形に巻き回された内管の、筒内中心軸付近へ流体が偏って流れることを防止することである。

この課題を解決するため、外管と、外管内で筒形に巻き回された内管とからなり、内管および外管のそれぞれに流体を流通させ、内管の管壁を介してこれら流体間の熱交換を行う多重管式の熱交換器において、筒形に巻き回された内管の筒内に、筒の中心軸付近を流れる流体の障壁となる配流調整コアを配置したのである。

外管を流れる流体が内管の筒内に流入した場合、このような配流調整コアが障壁となることで、筒の中心軸付近を避けて流れ、これに伴って内管の管壁に近い側へと配流されるため、熱交換の効率が上がる。

また、配流調整コアは、両端が閉塞された管(閉管)とすると、構造が簡単なため製造が容易であり、このコアの中心軸と内管の筒の中心軸とがほぼ一致するように内管の筒内に挿入すると、内管の筒内の中心軸付近への流体の流入を確実に防止できるため好ましい。
また、このように中空であるから、コアを中実にした場合と比較すると、熱交換器の軽量化が図られる。
同様に、中空であるから断熱性が高く、外管を流れる流体の熱を配流調整コアが奪うことによる熱損失が抑制される。

内管を多重に巻き回して内管の筒を多層に形成すると、単層の場合と比較して熱交換量が多くなる。
さらに内管の層の間に、内管の筒と中心軸をほぼ同じくする配流調整管を介在させると、この配流調整管が外管を流れる流体の、内管の筒の中心軸に対して直行する向き(内管が円筒形に巻き回されているならば、その径方向)への流れの障壁となるため、外管を流れる流体は巻き回された内管に沿って流れやすくなり、熱交換の効率が上がる。

さらに、外管の管壁には開口を設け、この開口にスリーブを差し込み、このスリーブに外管の中から内管の端部を差し込み、外管の外からノズルを差し込むと、内管とノズルとを容易に連結でき、簡単な構造で外管の周面からノズルを通じて内管に流体を流出入させることができる。

また、外管が円筒管の場合には、その管壁の一部をプレスして、頂部が平坦な隆起部を設け、この頂部を打ち抜いて開口を形成するのが好ましい。
このように開口を形成する部分を平坦にすると、湾曲した管壁に比べて、開口の形成が容易となる。

ここでスリーブの周面に、外管の開口への差し込み時に、開口周縁の管壁に当たる肩部を設けると、スリーブの位置決めが容易である。

また、外管に高温流体を、内管に低温流体をそれぞれ流通させる場合においては、外管の両端をノズル付きの蓋で閉塞して、このノズルを通じて外管に流体を流出入可能とし、外管の高温流体流出側のノズルを、外管の中心軸より下方に配置するのが好ましい。
このようにすると、外管を流通する高温流体が熱交換に伴い、液化凝集して熱交換器内を沈下する場合でも、ノズルが下方にあるため、熱交換器内に滞留することなく排出されやすくなる。

多重管式の熱交換器において、筒形に巻き回された内管の筒内に、筒の中心軸上を流れる流体の障壁となるコアを挿入したので、外管を流れる流体は、熱交換の上で無駄の多い内管筒内の中心軸付近を避け、内管の管壁に近い側へと配流されるため、熱交換の効率が上がる。

図1および図２に示す熱交換器１０は、外管１１と、外管１１内で円筒形に巻き回された内管１２と、内管１２を巻き回してなる円筒の中に挿入された配流調整コア１３とを有し、外管１１に排ガスを、内管１２に水をそれぞれ流通させることで、内管１２の管壁を介した熱交換により、排ガスの熱を水に回収するものである。

詳しくは、図示のように、ステンレス製の外管１１は、両端の開放された円筒管(開管)であり、両端付近の管壁は盛り上がって隆起部１１ａを形成し、この隆起部１１ａの平坦な頂部には、円形の開口１１ｂが設けられている。
この隆起部１１ａは、外管１１の管壁をプレス加工することにより形成され、開口１１ｂは、隆起部１１ａの平坦な頂部を打ち抜くことで形成されている。

また、外管１１の両端は、端面ノズル１４ａ付きの円蓋１４がはめ込まれることで閉塞され、かつ端面ノズル１４ａを通じて、外管１１内に排ガスが流出入できるようになっている。
図示のように、この円蓋１４は、外管１１の内周面に形成された段部１１ｃに当たって位置決めされている。

図示のように、これら円蓋１４で外管１１両端を閉塞した状態で、排ガス流入側の端面ノズル１４ａは外管１１のほぼ中心軸上に位置し、排ガス流出側の端面ノズル１４ａは、外管１１の中心軸よりも下方に位置するように、それぞれ円蓋１４に端面ノズル１４ａが取り付けられている。

さらに、外管１１の開口１１ｂには、肩付きスリーブ１５が差し込まれ、このスリーブ１５には、外管１１の外から、周面ノズル１６が差し込まれている。
このスリーブ１５は、差込時に、その外周面に形成された鍔状の肩部１５ａが開口１１ｂ周縁の平坦な隆起部１１ａ頂部に当たることで位置決めされるため、開口１１ｂへの取り付けが容易となっている。

また、内管１２は、ステンレス製のフレキシブルチューブであって、その管壁は蛇腹状に形成されている。
この内管１２は、ジグを用いてらせん状にほぼ隙間無く巻き回すことで、単層の円筒形に形成された後、その円筒の中心軸が外管１１の中心軸とほぼ一致するように、外管１１内に挿入されており、図示のように、挿入した状態で、内管１２と外管１１との隙間は微少なものとなっている。
なお、この巻き回しは、内管１２はフレキシブルであることから、手作業などにより容易に行うことができる。

また、内管１２の両端は、上記スリーブ１５に外管１１の内から差し込まれることで、スリーブ１５を介して周面ノズル１６と内管１２とは連結され、これにより、内管１２には、周面ノズル１６を通じて水が流出入するようになっている。

配流調整コア１３は、ステンレス製の円筒管であって、巻き回された内管１２の円筒の中に、内管１２との間に微少な隙間を有した状態で挿入されている。
このとき、図示のように、配流調整コア１３の中心軸と、内管１２の円筒の中心軸とはほぼ一致している。
この配流調整コア１３は、円筒開管の両端部１３ａを径方向から押し潰し、対向する管壁同士を密着させることにより、両端が閉塞されている。
このように、押し潰して閉塞すると、蓋などで両端を閉塞する場合に比べて簡易である。

このように配流調整コア１３は閉管であるため、外管１１内を流れる排ガスは、配流調整コア１３が配置された内管１２円筒の中心軸付近には流入できないようになっている。
また、配流調整コア１３は中空であるため、断熱性に優れており、軽量でもある。

なお、この熱交換器１０は、組み立て状態において、部品間にロウ材を塗り、加熱炉に入れ、ロウ付け接合することにより作製されている。
この場合に、溶融したロウは、毛細管現象により部品間の微小な隙間に入り込み、隙間を密閉するため、熱交換器１０は気密および液密の状態に仕上がり、排ガスや水の漏れが防止されている。

このような熱交換器１０に、図２の矢印で示すように、内管１２内の水と、外管１１内の排ガスとが平行流となるように、流通させる。
このとき、配流調整コア１３が流れの障壁となることで、排ガスは内管１２の円筒中心軸付近を避けて流れ、内管１２の管壁にほぼ沿って流れることとなる。
このため、排ガスの熱が、内管１２の管壁を介して内管１２内を流れる水に効率的に回収される。

なお、この熱交換の際には、配流調整コア１３は中空であるため、排ガスの熱が配流調整コア１３内にほとんど伝導することがなく、熱損失も抑えられている。

また、内管１２の管壁は蛇腹状であることから、管壁がストレートな場合と比べて表面積が大きく、しかも内管１２の管壁に沿って流れる排ガスには、蛇腹の凹凸で乱流が生じやすくなっているため、さらに排ガスの熱回収の効率がよいものとなっている。

また、内管１２と外管１１の間および内管と配流調整コア１３の間の隙間は微少であり、この隙間を通って排ガスが流れることから、排ガスは常に内管１２の管壁に近接した状態で流れ、熱交換上の無駄が極力抑えられている。
なお、この隙間が小さいほど、熱回収の効率があがるが、その一方で小さすぎると、圧力損失が大きくなる問題があるため、両者を比較考量して、隙間の大きさは適宜定められている。

ここで、熱交換が進行すると、排ガスが冷えて、含有される水分などが液化凝集し、熱交換器１０内で沈下することがあるが、排ガス流出側の端面ノズル１４ａは、上記したように外管１１の中心軸よりも下方にある。
そのため、沈下した水分などは、この下方に配置されたノズル１４ａから流出しやすくなっており、熱交換器１０内での滞留が防止されている。

図３および図４に示す、熱交換器の他の例では、外管１１内で、内管１２は二重に巻き回されることで、内管１２の円筒は、内層と外層の二層をなしている。
ここで図示のように、円筒の内層と外層は、それぞれ別の内管１２で構成されている。
また、両内管１２の端部は、スリーブ本体１５の外管１１内の端部に取り付けられた二股スリーブ１５ｂに差し込まれている。
そのため、各内管１２には、周面ノズル１６を通じてそれぞれ水を流出入可能になっている。
このように、内管１２の円筒を二層とすることで、熱を媒介する管壁の表面積が、先の単層の例に比べて大きくなるため、より多くの量の熱を交換することが可能となる。

また、図示のように、二層に巻き回された内管１２の層の間には、内管１２の筒と中心軸を同じくする配流調整管１７が差し込まれている。
この配流調整管１７は、ステンレス製の円筒管であって、その両端は開放されているため、外管を流れる流体は、外管１１の軸方向に向けて、配流調整管１７を通り抜け可能となっている。

この配流調整管１７は、外管１１を流れる流体の、外管１１径方向への流れの障壁となるため、内管１２付近を流れる排ガスが径方向に逃げることなく、円筒形に巻き回された内管１２に沿って流れることになり、排ガスの熱回収が効率的に行われる。

以上の例に限られず、内管１２は、外管１１の軸方向に二以上並列させてもよく、その場合には、各内管１２に異なる流体を流通させることにより、三以上の流体間での熱交換も可能である。
また、内管１２の円筒は、単層、二層に限られず、三層以上でもよく、その場合にも、各層の間に上記配流調整管１７を差し込んでおくのが好ましい。

また、例では、排ガスと水を平行流としているが、使用状況に応じて対向流としてもよい。
勿論、この熱交換器１０は、排ガスの熱回収以外にも用いることが可能である。
さらに、外管１１、内管１２、配流調整コア１３など部品の材質は特に本例に限定されないが、各部品間で同じ材質とするのが好ましく、また耐食性等に優れたものが好ましく、例えば各部品をチタン製にしてもよい。

以上の例では、内管１２用のノズル１６を外管１１の周面に設け、外管１１用のノズル１４ａを外管１１の端面に設けているが、使用状況に応じて、逆にしたり、双方とも外管１１の端面あるいは周面の一方のみに設けたりしてもよい。

配流調整コア１３は、以上の例に限定されず、排ガスの障壁になり得るものであればよい。
例えば、配流調整コア１３が閉管である場合には、断熱材を入れることで、その断熱性をさらに高めてもよい。
また、閉管の両端は、押し潰しによらず、蓋により閉塞してもよい。
また、配流調整コア１３は中実の柱状体としてもよく、その場合には、熱損失が小さくなるように、断熱性の高い素材で形成するのが好ましい。
さらに、配流調整コア１３の外面には、凹凸、溝、リブ等を形成してもよい。
なお、以上の例では、閉管としての配流調整コア１３の中心軸と、内管１２の円筒の中心軸とはほぼ一致しているが、これに限られず、内管１２の円筒の中心軸が配流調整コア１３の内部を通る限りにおいて、配流調整コア１３を内管１２の円筒の中心軸からずらした状態で挿入してもよい。
内管１２の円筒の中心軸が、配流調整コア１３の内部を通っていれば、内管１２円筒中心軸付近に排ガスが流入する恐れはない。

なお、以上の例では、外管１１を円筒管とし、内管１２を円筒形に巻き回し、配流調整コア１３を円筒閉管としているが、形状はこれに限定されることはない。
たとえば、外管１１を角筒管とし、内管１２を角筒形に巻き回し、配流調整コア１３を角筒閉管としてもよい。

熱交換器の(ａ)は正面図、(ｂ)は平面図、(ｃ)は側面図 熱交換器の正面縦断面図 他の例の熱交換器の(ａ)は正面図、(ｂ)は平面図、(ｃ)は側面図 他の例の熱交換器の(ａ)は側面横断面図、(ｂ)は正面縦断面図

符号の説明

１０ 熱交換器
１１ 外管
１１ａ 隆起部
１１ｂ 開口
１１ｃ 段部
１２ 内管
１３ 配流調整コア
１３ａ 端部
１４ 円蓋
１４ａ 端面ノズル
１５ スリーブ(スリーブ本体)
１５ａ 肩部
１５ｂ 二股スリーブ
１６ 周面ノズル
１７ 配流調整管

Claims (7)

1. 外管と、外管内で筒形に巻き回された内管とからなり、内管と外管のそれぞれに流体を流通させ、内管の管壁を介してこれら流体間の熱交換を行う多重管式の熱交換器において、
   前記筒形に巻き回された内管の筒内に、筒の中心軸上を流れる流体の障壁となる配流調整コアを挿入したことを特徴とする多重管式の熱交換器。
2. 上記配流調整コアは、両端の閉塞された管からなり、このコアの中心軸と内管の筒の中心軸がほぼ一致するように、内管の筒内に挿入された請求項１に記載の多重管式の熱交換器。
3. 上記内管を多重に巻き回すことで内管の筒を多層に形成し、この内管の層の間に、内管の筒と中心軸をほぼ同じくする配流調整管を介在させた請求項１または２に記載の多重管式の熱交換器。
4. 上記外管の管壁に開口を設け、この開口にスリーブを差し込み、このスリーブに外管の中から内管の端部を差し込み、外管の外からノズルを差し込むことで、内管とノズルとをスリーブを介して連結し、このノズルを通じて内管に流体を流出入可能とした請求項１から３のいずれかに記載の多重管式の熱交換器。
5. 上記外管を円筒管とし、その管壁の一部をプレスして、頂部が平坦な隆起部を形成し、この頂部を打ち抜いて上記開口を形成した請求項４に記載の多重管式の熱交換器。
6. 上記スリーブの周面に、外管の開口への差し込み時に、開口周縁の管壁に当たる肩部を設けた請求項４または５に記載の多重管式の熱交換器。
7. 上記外管に高温流体を、上記内管に低温流体をそれぞれ流通させる場合において、外管の両端をノズル付きの蓋で閉塞し、このノズルを通じて外管に流体を流出入可能とし、高温流体流出側のノズルを、外管の中心軸より下方に配置した請求項１から６のいずれかに記載の多重管式の熱交換器。

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