JP2014062724A - 多重管式熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】多重管式熱交換器で円筒形の外管内部の中心部に配流調整コア（丸棒材）が設けられ、その周りに螺旋状に内管が巻き付けられている熱交換器において、外管側の流体が、隙間の広いところに流れ、偏流が起きる傾向がある。偏流を防止し、配流を制御し、効率のいい熱交換器を提供する。
【解決手段】配流調整コアａ２の外周に穴付き螺旋フィンｂ１を巻き付け、この穴付き螺旋フィンｂ１の間に内管ａ３を巻回した構造を提供する。穴付き螺旋フィンｂ１の内径部と配流調整コアａ２の外径部、及び穴付き螺旋フィンｂ１の外径部と外管ａ１内壁部には流体が流通する隙間がないように配設し、穴に流れ込んだ流体が内管ａ３外壁に当たるように穴位置を配することにより、偏流をなくし、効率のいい熱交換をすることができる。
【選択図】図２
【解決手段】配流調整コアａ２の外周に穴付き螺旋フィンｂ１を巻き付け、この穴付き螺旋フィンｂ１の間に内管ａ３を巻回した構造を提供する。穴付き螺旋フィンｂ１の内径部と配流調整コアａ２の外径部、及び穴付き螺旋フィンｂ１の外径部と外管ａ１内壁部には流体が流通する隙間がないように配設し、穴に流れ込んだ流体が内管ａ３外壁に当たるように穴位置を配することにより、偏流をなくし、効率のいい熱交換をすることができる。
【選択図】図２
Description
この発明は、多重管式熱交換器に関し、特に効率のよい凝縮型潜熱回収熱交換器と液体・液体、気体・液体、気体・気体の熱交換器に関する。
外管と外管内で円筒形に巻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。このため外管内を流れる流体は内管の筒内中心軸付近に優先的に流れ、偏流現象がおき、熱交換の効率が上がらない問題があった。
非特許文献１のように、この偏流現象を抑えるために内管の筒中心軸部分に円筒状の配流調整コアを挿入した。この配流調整コアの形状は外径は内管の円筒の内径より直径で１ｍｍ〜２ｍｍ小さく、長さは内管の円筒の長さより両端が１ｍｍ〜５ｍｍ長くし、両端が閉塞された管（閉管）である。両端面の形状は平面または球面とする。内管の円筒の外径は外管内径より直径で１ｍｍ〜２ｍｍ小さくする。このことにより外管内を流れる流体は内管の円筒の外径側、内径側にそれぞれ０．５ｍｍ〜１ｍｍの流体通路が形成される。これにより熱交換の効率があがった。
特開２００８−２０９０７４
特開２００８−２０９０７４
しかし、内管の円筒の外径側、内径側に０．５ｍｍ〜１ｍｍの均一した隙間（流体通路）は製作上バラツキがあり、隙間の広いところに流体は流れ、偏流は起きている。この偏流は熱交換効率を下げており、この偏流を無くすことによりさらなる効率のいい熱交換ができる。この発明の解決しょうとする課題はこの偏流を防止し、配流を制御し、効率のいい熱交換をすることである。
この課題を解決するため、配流調整コアの外周に穴付き螺旋フィンを巻き付け、この穴付き螺旋フィンの間に内管を巻回した構造を考案した。穴付き螺旋フィンの内径部と配流調整コアの外径部には流体が流通する隙間があってはならない。一方穴付き螺旋フィンの外径部と外管内壁部にも流体が流通する隙間があってはならない。外管内に流入した流体は穴付き螺旋フィンの穴に流れ込みます。この穴に流れ込んだ流体が内管外壁に当たるように穴位置を配することにより、外管内を流れる流体はすべて穴付き螺旋フィンの穴をとおり内管外壁に当てて流すことができる。このように偏流をなくし、配流や流体の流れを制御することで効率のいい熱交換をおこなう。
この穴付き螺旋フィンの穴の大きさを調整することで圧損の調整ができ、配流の制御も可能である。
この穴付き螺旋フィンの穴の大きさを調整することで圧損の調整ができ、配流の制御も可能である。
この課題を解決する前の熱交換器を熱交換器Ａとします。この課題を解決するために考案した構造を有する熱交換器を熱交換器Ｂとします。熱交換器Ａと熱交換器Ｂの違いは熱交換器Ｂには穴付き螺旋フィン配流コアが組み込まれており、その他の部品と組立、製造方法は同じです。熱交換器Ａと熱交換器Ｂの熱交換性能評価データを下記に示します。ほぼ同一条件で性能評価しております。温水流量（１Ｌ／ｍｉｎ）固定で冷水流量（０．１Ｌ／ｍｉｎ〜１．０Ｌ／ｍｉｎ）可変としたとき
熱交換性能ＵＡ（Ｗ／℃）は熱交換器Ａが３４．６〜７７．９３、熱交換器Ｂが６０．４５〜１２０．６６
総括伝熱係数Ｕ（Ｗ／ｍ２℃）は熱交換器Ａが１，１７６〜２，６５０、熱交換器Ｂが２，０５６〜４，１０３
熱回収（Ｗ）は熱交換器Ａが１５１．６５〜８４８．４１、熱交換器Ｂが１６１．７３〜１００１．１６
このデータによりこの課題を解決するために考案した本発明が効果あると考える。
１）熱交換器Ａの評価データ
２）熱交換器Ｂの評価データ
熱交換性能ＵＡ（Ｗ／℃）は熱交換器Ａが３４．６〜７７．９３、熱交換器Ｂが６０．４５〜１２０．６６
総括伝熱係数Ｕ（Ｗ／ｍ２℃）は熱交換器Ａが１，１７６〜２，６５０、熱交換器Ｂが２，０５６〜４，１０３
熱回収（Ｗ）は熱交換器Ａが１５１．６５〜８４８．４１、熱交換器Ｂが１６１．７３〜１００１．１６
このデータによりこの課題を解決するために考案した本発明が効果あると考える。
１）熱交換器Ａの評価データ
課題を解決する前の多重管式熱交換器では▲１▼から▲４▼の配流が考えられる。（図１）
▲１▼内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲２▼内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲３▼内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
▲４▼内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
▲１▼内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲２▼内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲３▼内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
▲４▼内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
課題を解決するために考案した多重管式熱交換器では▲１▼、▲２▼の配流が考えられる。
（図２）
▲１▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
▲２▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
（図２）
▲１▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
▲２▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
この発明を実施するとき、次の３点の製作上の問題があった。
１．穴付き螺旋フィンの製作
２．穴付き螺旋フィンを等間隔で配流コアに巻き付けること
３．この穴付き螺旋フィン配流コアの螺旋フィンの間に内管を巻き付けること
この問題を下記の工法で解決した。
１．穴付き螺旋フィンはドーナツ型穴付き円盤とし、一か所切断した。この切断個所を次々つないでいけば螺旋になる。
２．内管を円筒巻したもの（円筒巻内管）と配流コアを用意しておきます。
３．円筒巻内管は螺旋形状になっているのでその谷の部分にドーナツ型穴付き円盤を挿入すると、ドーナツ型穴付き円盤は円筒巻内管の螺旋形状に添って１回転分の螺旋フィンとなります。螺旋フィンが形成された位置まで配流コアを挿入します。これで一回転分の螺旋フィンと内管と配流コアの組立ができます。円筒巻内管の次の螺旋の谷の部分に同じようにドーナツ型穴付き円盤を挿入します。これを繰り返して穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻き付けたものと同等のものができます。
ここまで製作した穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻いたものを穴付き螺旋フィン二次側通路とします。これを外管内に組み込むことで本発明の熱交換器の形態となります。
内管の管壁を伝熱面とする熱交換器で内管の内側を流れる流体と内管の外側を流れる流体の熱交換をおこなう。内管の外側を流れる流体は、外管の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、内管の外壁にあたり内管の外壁に添って流れます。このとき内管の管壁を伝熱面として内管の内側の流体と内管の外側の流体が熱交換します。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、内管の外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次の内管の外壁にあたり、同様に熱交換します。
このように外管の内側を流れる流体（内管の外側を流れる流体）はすべてこの穴付き螺旋フィンの穴を通過します。そして、この穴を通過した後、内管にあたり、内管の外壁に添って流れます。この構造により、外管の内側の流体の流れには偏流が起きません。この構造で重要なのは穴付き螺旋フィンの外径と外管の内径に隙間が無いようにすることです。
また、穴付き螺旋フィンの内径と配流コアの外径にも隙間が無いようにすることです。組立を考慮すれば、隙間を“ゼロ”とすることは組立が困難なので、直径で０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの隙間を作ります。また、穴付き螺旋フィンの穴の大きさを変えることで、圧損の調整もできます。このように熱交換器内の流体の流れをコントロールすることで効率のいい熱交換を実現できます。
１．穴付き螺旋フィンの製作
２．穴付き螺旋フィンを等間隔で配流コアに巻き付けること
３．この穴付き螺旋フィン配流コアの螺旋フィンの間に内管を巻き付けること
この問題を下記の工法で解決した。
１．穴付き螺旋フィンはドーナツ型穴付き円盤とし、一か所切断した。この切断個所を次々つないでいけば螺旋になる。
２．内管を円筒巻したもの（円筒巻内管）と配流コアを用意しておきます。
３．円筒巻内管は螺旋形状になっているのでその谷の部分にドーナツ型穴付き円盤を挿入すると、ドーナツ型穴付き円盤は円筒巻内管の螺旋形状に添って１回転分の螺旋フィンとなります。螺旋フィンが形成された位置まで配流コアを挿入します。これで一回転分の螺旋フィンと内管と配流コアの組立ができます。円筒巻内管の次の螺旋の谷の部分に同じようにドーナツ型穴付き円盤を挿入します。これを繰り返して穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻き付けたものと同等のものができます。
ここまで製作した穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻いたものを穴付き螺旋フィン二次側通路とします。これを外管内に組み込むことで本発明の熱交換器の形態となります。
内管の管壁を伝熱面とする熱交換器で内管の内側を流れる流体と内管の外側を流れる流体の熱交換をおこなう。内管の外側を流れる流体は、外管の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、内管の外壁にあたり内管の外壁に添って流れます。このとき内管の管壁を伝熱面として内管の内側の流体と内管の外側の流体が熱交換します。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、内管の外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次の内管の外壁にあたり、同様に熱交換します。
このように外管の内側を流れる流体（内管の外側を流れる流体）はすべてこの穴付き螺旋フィンの穴を通過します。そして、この穴を通過した後、内管にあたり、内管の外壁に添って流れます。この構造により、外管の内側の流体の流れには偏流が起きません。この構造で重要なのは穴付き螺旋フィンの外径と外管の内径に隙間が無いようにすることです。
また、穴付き螺旋フィンの内径と配流コアの外径にも隙間が無いようにすることです。組立を考慮すれば、隙間を“ゼロ”とすることは組立が困難なので、直径で０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの隙間を作ります。また、穴付き螺旋フィンの穴の大きさを変えることで、圧損の調整もできます。このように熱交換器内の流体の流れをコントロールすることで効率のいい熱交換を実現できます。
内管には円筒状に巻回しやすいフレキシブルチューブを使います。フレキシブルチューブを使った穴付き螺旋フィン二次側通路をケーシング（外管の内側）に組み込みフレキシブルチューブの両端は、入口、出口として継手に接続する。接続方法はロウ付け、または溶接で接合する。この継手にはフレキシブルチューブ（内管内）に流す流体の配管と接続する。流体Ｃは継手ｃ１から流入し、フレキシブルチューブ（内管）の中を流れ、熱交換をしながら継手ｃ２から流出します。
フレキシブルチューブの外側（ケーシング（外管）の内側）を流れる流体の継手を外管またはエンドカバーに入口、出口として二カ所設ける。
フレキシブルチューブの管壁を伝熱面とする熱交換器でフレキシブルチューブの内側を流れる流体とフレキシブルチューブの外側を流れる流体の熱交換をします。フレキシブルチューブの外側を流れる流体Ｄは、継手ｄ１からケーシング（外管）の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、フレキシブルチューブの外壁にあたりフレキシブルチューブの外壁に添って流れます。このときフレキシブルチューブの管壁を伝熱面としてフレキシブルチューブの内側の流体とフレキシブルチューブの外側の流体が熱交換します。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、フレキシブルチューブの外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次のフレキシブルチューブの外壁にあたり、同様に熱交換をしながら流れて継手ｄ２から外管の外に流出します。
フレキシブルチューブの外側（ケーシング（外管）の内側）を流れる流体の継手を外管またはエンドカバーに入口、出口として二カ所設ける。
フレキシブルチューブの管壁を伝熱面とする熱交換器でフレキシブルチューブの内側を流れる流体とフレキシブルチューブの外側を流れる流体の熱交換をします。フレキシブルチューブの外側を流れる流体Ｄは、継手ｄ１からケーシング（外管）の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、フレキシブルチューブの外壁にあたりフレキシブルチューブの外壁に添って流れます。このときフレキシブルチューブの管壁を伝熱面としてフレキシブルチューブの内側の流体とフレキシブルチューブの外側の流体が熱交換します。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、フレキシブルチューブの外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次のフレキシブルチューブの外壁にあたり、同様に熱交換をしながら流れて継手ｄ２から外管の外に流出します。
この発明は、多重管式熱交換器として特に小型、高効率な性能が要求されるＰＥＦＣ型家庭用燃料電池コジェネシステムに使われるカソード熱交換器（凝縮型潜熱回収熱交換器）と電池冷却熱交換器（液体・液体熱交換器）、ＳＯＦＣ型燃料電池コジェネシステムの排熱回収熱交換器（凝縮型潜熱回収熱交換器）に利用可能である。そのほか産業用、理化学用、プラント用の気・気、気・液、液・液の熱交換器に利用可能である。
ａ１ ： 外管
ａ２ ： 配流調整コア
ａ３ ： 内管
ｂ１ ： 穴付き螺旋フィン、ドーナツ型穴付き円盤
ｂ２ ： 穴付き螺旋フィン配流コア
ｂ３ ： 穴付き螺旋フィン二次側通路
ｂ４ ： ドーナツ型穴付き円盤の切断個所
Ｃ ： 流体Ｃ、内管内を流れる流体
ｃ１ ： 継手
ｃ２ ： 継手
Ｄ ： 流体Ｄ、外管内（内管の外側）を流れる流体
ｄ１ ： 継手
ｄ２ ： 継手
ｄ３ ： エンドカバー
ａ２ ： 配流調整コア
ａ３ ： 内管
ｂ１ ： 穴付き螺旋フィン、ドーナツ型穴付き円盤
ｂ２ ： 穴付き螺旋フィン配流コア
ｂ３ ： 穴付き螺旋フィン二次側通路
ｂ４ ： ドーナツ型穴付き円盤の切断個所
Ｃ ： 流体Ｃ、内管内を流れる流体
ｃ１ ： 継手
ｃ２ ： 継手
Ｄ ： 流体Ｄ、外管内（内管の外側）を流れる流体
ｄ１ ： 継手
ｄ２ ： 継手
ｄ３ ： エンドカバー
課題を解決する前の多重管式熱交換器では▲１▼から▲４▼の配流が考えられる。（図１）
▲１▼内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲２▼内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲３▼内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
▲４▼内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
課題を解決するために考案した多重管式熱交換器では▲１▼、▲２▼の配流が考えられる。（図２）
▲１▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
▲２▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
▲１▼内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲２▼内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
▲３▼内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
▲４▼内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
課題を解決するために考案した多重管式熱交換器では▲１▼、▲２▼の配流が考えられる。（図２）
▲１▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
▲２▼穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
この発明は、多重管式熱交換器に関し、特に効率のよい凝縮型潜熱回収熱交換器と液体・液体、気体・液体、気体・気体の熱交換器に関する。
外管と外管内で円筒形に巻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。このため外管内を流れる流体は内管の筒内中心軸付近に優先的に流れ、偏流現象がおき、熱交換の効率が上がらない問題があった。
特許文献１のように、この偏流現象を抑えるために内管の筒中心軸部分に円筒状の配流調整コアを挿入した。この配流調整コアの形状は外径が内管の円筒の内径より直径で１〜２ｍｍ小さく、長さは内管の円筒の長さより両端が１ｍｍ〜５ｍｍ長くし、両端が閉塞された管（閉管）である。両端面の形状は平面または球面とする。内管の円筒の外径は外管内径より直径で１ｍｍ〜２ｍｍ小さくする。このことにより外管内を流れる流体は内管の円筒の外径側、内径側にそれぞれ０．５ｍｍ〜１ｍｍの流体通路が形成される。これにより熱交換の効率があがった。
しかし、内管の円筒の外径側、内径側に０．５ｍｍ〜１ｍｍの均ーした隙間（流体通路）は製作上バラツキがあり、隙間の広いところに流体は流れ、偏流は起きている。この偏流は熱交換効率を下げており、この偏流を無くすことによりさらなる効率のいい熱交換ができる。
この発明の解決しようとする課題はこの偏流を防止し、配流を制御し、効率のいい熱交換をすることである。
この発明の解決しようとする課題はこの偏流を防止し、配流を制御し、効率のいい熱交換をすることである。
この課題を解決するため、配流調整コアの外周に穴付き螺旋フィンを巻き付け、この穴付き螺旋フィンの間に内管を巻回した構造を考案した。穴付き螺旋フィンの内径部と配流調整コアの外径部には流体が流通する隙間があってはならない。一方穴付き螺旋フィンの外径部と外管内壁部にも流体が流通する隙間があってはならない。外管内に流入した流体は穴付き螺旋フィンの穴に流れ込む。この穴に流れ込んだ流体が内管外壁に当たるように穴位置を配することにより、外管内を流れる流体はすべて穴付き螺旋フィンの穴をとおり内管外壁に当てて流すことができる。このように偏流をなくし、配流や流体の流れを制御することで効率のいい熱交換をおこなう。
この穴付き螺旋フィンの穴の大きさを調整することで圧損の調整ができ、配流の制御も可能である。
この穴付き螺旋フィンの穴の大きさを調整することで圧損の調整ができ、配流の制御も可能である。
この課題を解決する前の熱交換器を熱交換器Ａとする。この課題を解決するために考案した構造を有する熱交換器を熱交換器Ｂとする。熱交換器Ａと熱交換器Ｂの違いは熱交換器Ｂには穴付き螺旋フィン配流コアが組み込まれており、その他の部品と組立、製造方法は同じである。熱交換器Ａと熱交換器Ｂの熱交換性能評価データを下記に示す。ほぼ同一条件で性能評価している。温水流量（１Ｌ／ｍｉｎ）固定で冷水流量（０．１Ｌ／ｍｉｎ〜１．０Ｌ／ｍｉｎ）可変としたとき
熱交換性能ＵＡ（Ｗ／℃）は熱交換器Ａが３４．６〜７７．９３、熱交換器Ｂが６０．４５〜１２０．６６
総括伝熱係数Ｕ（Ｗ／ｍ２℃）は熱交換器Ａが１，１７６〜２，６５０、熱交換器Ｂが２，０５６〜４，１０３
熱回収（Ｗ）は熱交換器Ａが１５１．６５〜８４８．４１、熱交換器Ｂが１６１．７３〜１００１．１６
このデータによりこの課題を解決するために考案した本発明が効果あると考える。
１） 熱交換器Ａの評価データ
熱交換性能ＵＡ（Ｗ／℃）は熱交換器Ａが３４．６〜７７．９３、熱交換器Ｂが６０．４５〜１２０．６６
総括伝熱係数Ｕ（Ｗ／ｍ２℃）は熱交換器Ａが１，１７６〜２，６５０、熱交換器Ｂが２，０５６〜４，１０３
熱回収（Ｗ）は熱交換器Ａが１５１．６５〜８４８．４１、熱交換器Ｂが１６１．７３〜１００１．１６
このデータによりこの課題を解決するために考案した本発明が効果あると考える。
１） 熱交換器Ａの評価データ
２） 熱交換器Ｂの評価データ
課題を解決する前の多重管式熱交換器では１〜４（図１に示す丸付き１〜４）の配流が考えられる。（図１）
１．内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
２．内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
３．内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
４．内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
１．内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
２．内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れる場合
３．内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
４．内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れる場合
課題を解決するために考案した多重管式熱交換器では１，２（図２に示す丸付き１，２）の配流が考えられる。（図２）
１．穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
２．穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
１．穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の外径側と外管の内径の隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
２．穴付き螺旋フィンの穴を通り、内管にあたり、内管の円筒の内径側と配流コアの隙間を流れ、次の穴付き螺旋フィンの穴に流入する場合
この発明を実施するとき、次の３点の製作上の問題があった。
１．穴付き螺旋フィンの製作
２．穴付き螺旋フィンを等間隔で配流コアに巻き付けること
３．この穴付き螺旋フィン配流コアの螺旋フィンの間に内管を巻き付けること
この問題を下記の工法で解決した。
１．穴付き螺旋フィンはドーナツ型穴付き円盤とし、ーか所切断した。この切断個所を次々つないでいけば螺旋になる。
２．内管を円筒巻したもの（円筒巻内管）と配流コアを用意しておく。
３．円筒巻内管は螺旋形状になっているのでその谷の部分にドーナツ型穴付き円盤を挿入すると、ドーナツ型穴付き円盤は円筒巻内管の螺旋形状に添って１回転分の螺旋フィンとなる。螺旋フィンが形成された位置まで配流コアを挿入する。これで一回転分の螺旋フィンと内管と配流コアの組立ができる。円筒巻内管の次の螺旋の谷の部分に同じようにドーナツ型穴付き円盤を挿入する。これを繰り返して穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻き付けたものと同等のものができる。
ここまで製作した穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻いたものを穴付き螺旋フィン二次側通路とする。これを外管内に組み込むことで本発明の熱交換器の形態となる。
内管の管壁を伝熱面とする熱交換器で内管の内側を流れる流体と内管の外側を流れる流体の熱交換をおこなう。内管の外側を流れる流体は、外管の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、内管の外壁にあたり内管の外壁に添って流れる。このとき内管の管壁を伝熱面として内管の内側の流体と内管の外側の流体が熱交換をする。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、内管の外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次の内管の外壁にあたり、同様に熱交換をする。
このように外管の内側を流れる流体（内管の外側を流れる流体）はすべてこの穴付き螺旋フィンの穴を通過する。そして、この穴を通過した後、内管にあたり、内管の外壁に添って流れる。この構造により、外管の内側の流体の流れには偏流が起きない。この構造で重要なのは穴付き螺旋フィンの外径と外管の内径に隙間が無いようにすることである。また、穴付き螺旋フィンの内径と配流コアの外径にも隙間が無いようにすることである。組立を考慮すれば、隙間を“ゼロ"とすることは組立が困難なので、直径で０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの隙間を作る。また、穴付き螺旋フィンの穴の大きさを変えることで、圧損の調整もできる。このように熱交換器内の流体の流れをコントロールすることで効率のいい熱交換を実現できる。
１．穴付き螺旋フィンの製作
２．穴付き螺旋フィンを等間隔で配流コアに巻き付けること
３．この穴付き螺旋フィン配流コアの螺旋フィンの間に内管を巻き付けること
この問題を下記の工法で解決した。
１．穴付き螺旋フィンはドーナツ型穴付き円盤とし、ーか所切断した。この切断個所を次々つないでいけば螺旋になる。
２．内管を円筒巻したもの（円筒巻内管）と配流コアを用意しておく。
３．円筒巻内管は螺旋形状になっているのでその谷の部分にドーナツ型穴付き円盤を挿入すると、ドーナツ型穴付き円盤は円筒巻内管の螺旋形状に添って１回転分の螺旋フィンとなる。螺旋フィンが形成された位置まで配流コアを挿入する。これで一回転分の螺旋フィンと内管と配流コアの組立ができる。円筒巻内管の次の螺旋の谷の部分に同じようにドーナツ型穴付き円盤を挿入する。これを繰り返して穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻き付けたものと同等のものができる。
ここまで製作した穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻いたものを穴付き螺旋フィン二次側通路とする。これを外管内に組み込むことで本発明の熱交換器の形態となる。
内管の管壁を伝熱面とする熱交換器で内管の内側を流れる流体と内管の外側を流れる流体の熱交換をおこなう。内管の外側を流れる流体は、外管の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、内管の外壁にあたり内管の外壁に添って流れる。このとき内管の管壁を伝熱面として内管の内側の流体と内管の外側の流体が熱交換をする。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、内管の外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次の内管の外壁にあたり、同様に熱交換をする。
このように外管の内側を流れる流体（内管の外側を流れる流体）はすべてこの穴付き螺旋フィンの穴を通過する。そして、この穴を通過した後、内管にあたり、内管の外壁に添って流れる。この構造により、外管の内側の流体の流れには偏流が起きない。この構造で重要なのは穴付き螺旋フィンの外径と外管の内径に隙間が無いようにすることである。また、穴付き螺旋フィンの内径と配流コアの外径にも隙間が無いようにすることである。組立を考慮すれば、隙間を“ゼロ"とすることは組立が困難なので、直径で０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの隙間を作る。また、穴付き螺旋フィンの穴の大きさを変えることで、圧損の調整もできる。このように熱交換器内の流体の流れをコントロールすることで効率のいい熱交換を実現できる。
内管には円筒状に巻回しやすいフレキシブルチューブを使う。フレキシブルチューブを使った穴付き螺旋フィン二次側通路をケーシング（外管の内側）に組み込みフレキシブルチューブの両端は、入口、出口として継手に接続する。接続方法はロウ付け、または溶接で接合する。この継手にはフレキシブルチューブ（内管内）に流す流体の配管と接続する。流体Ｃは継手ｃ１から流入し、フレキシブルチューブ（内管）の中を流れ、熱交換をしながら継手ｃ２から流出する。
フレキシブルチューブの外側（ケーシング（外管）の内側）を流れる流体の継手を外管またはエンドカバーに入口、出口として二カ所設ける。
フレキシブルチューブの管壁を伝熱面とする熱交換器でフレキシブノレチューブの内側を流れる流体とフレキシブルチューブの外側を流れる流体の熱交換をする。フレキシブルチューブの外側を流れる流体Ｄは、継手ｄ１からケーシング（外管）の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、フレキシブルチューブの外壁にあたりフレキシブルチューブの外壁に添って流れる。このときフレキシブノレチューブの管壁を伝熱面としてフレキシブルチューブの内側の流体とフレキシブルチューブの外側の流体が熱交換をする。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、フレキシブルチューブの外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次のフレキシブルチューブの外壁にあたり、同様に熱交換をしながら流れて継手ｄ２から外管の外に流出する。
フレキシブルチューブの外側（ケーシング（外管）の内側）を流れる流体の継手を外管またはエンドカバーに入口、出口として二カ所設ける。
フレキシブルチューブの管壁を伝熱面とする熱交換器でフレキシブノレチューブの内側を流れる流体とフレキシブルチューブの外側を流れる流体の熱交換をする。フレキシブルチューブの外側を流れる流体Ｄは、継手ｄ１からケーシング（外管）の内側に流入した後、穴付き螺旋フィンの穴を通過し、フレキシブルチューブの外壁にあたりフレキシブルチューブの外壁に添って流れる。このときフレキシブノレチューブの管壁を伝熱面としてフレキシブルチューブの内側の流体とフレキシブルチューブの外側の流体が熱交換をする。また、すぐに次の穴付き螺旋フィンがあり、フレキシブルチューブの外側を流れる流体は、必ずこの穴を通過し、次のフレキシブルチューブの外壁にあたり、同様に熱交換をしながら流れて継手ｄ２から外管の外に流出する。
この発明は、多重管式熱交換器として特に小型、高効率な性能が要求されるPEFC型家庭用燃料電池コジェネシステムに使われるカソード熱交換器（凝縮型潜熱回収熱交換器）と電池冷却熱交換器（液体・液体熱交換器）、SOFC型燃料電池コジェネシステムの排熱回収熱交換器（凝縮型潜熱回収熱交換器）に利用可能である。そのほか産業用、理化学用、プラント用の気・気、気・液、液・液の熱交換器に利用可能である。
ａ１ ： 外管
ａ２ ： 配流調整コア
ａ３ ： 内管
ｂ１ ： 穴付き螺旋フィン、ドーナツ型穴付き円盤
ｂ２ ： 穴付き螺旋フィン配流コア
ｂ３ ： 穴付き螺旋フィン二次側通路
ｂ４ ： ドーナツ型穴付き円盤の切断個所
Ｃ ： 流体C、内管内を流れる流体
ｃ１ ： 継手
ｃ２ ： 継手
Ｄ ： 流体D、外管内（内管の外側）を流れる流体
ｄ１ ： 継手
ｄ２ ： 継手
ｄ３ ： エンドカバー
ａ２ ： 配流調整コア
ａ３ ： 内管
ｂ１ ： 穴付き螺旋フィン、ドーナツ型穴付き円盤
ｂ２ ： 穴付き螺旋フィン配流コア
ｂ３ ： 穴付き螺旋フィン二次側通路
ｂ４ ： ドーナツ型穴付き円盤の切断個所
Ｃ ： 流体C、内管内を流れる流体
ｃ１ ： 継手
ｃ２ ： 継手
Ｄ ： 流体D、外管内（内管の外側）を流れる流体
ｄ１ ： 継手
ｄ２ ： 継手
ｄ３ ： エンドカバー
Claims (6)
- 多重管式熱交換器の円筒形内管の中心部に組み込む配流調整コアの外周に穴付き螺旋フィンを巻き付け、この穴付き螺旋フィンの間に内管を巻回した構造を考案した。穴付き螺旋フィンの内径部と配流調整コアの外径部には流体が流通する隙間があってはならない。
一方穴付き螺旋フィンの外径部と外管内壁部にも流体が流通する隙間があってはならない。外管内に流入した流体は穴付き螺旋フィンの穴に流れ込み、この穴に流れ込んだ流体は内管外壁に当り、内管内の流体と熱交換する。外管内を流れる流体はすべてこの穴付き螺旋フィンの穴をとおり内管外壁に当てて流すことができる。この構造をもつ多重管式熱交換器。 - 請求項１の構造において穴付き螺旋フィンの穴の大きさを変えることで、熱交換器の外管内を流れる流体の圧力損失の調整や配流の調整が可能な多重管式熱交換器。
- 穴付き螺旋フィンはドーナツ型穴付き円盤の一か所を切断し、この切断個所を次々つなぎ螺旋にする。この工法による穴付き螺旋フィンを使った多重管式熱交換器。
- 内管を円筒巻したもの（円筒巻内管）と配流コアを用意しておきます。
円筒巻内管は螺旋形状になっているのでその谷の部分にドーナツ型穴付き円盤を挿入すると、ドーナツ型穴付き円盤は円筒巻内管の螺旋形状に添って１回転分の螺旋フィンとなります。螺旋フィンが形成された位置まで配流コアを挿入します。これで一回転分の螺旋フィンと内管と配流コアの組立ができます。円筒巻内管の次の螺旋の谷の部分に同じようにドーナツ型穴付き円盤を挿入します。これを繰り返して穴付き螺旋フィン配流コアに内管を巻き付けたものと同等のものができます。この工法による多重管式熱交換器。 - 請求項１の内管にフレキシブルチューブを使用した多重管式熱交換器。
- 請求項１の配流調整コアの端面形状を球状にした多重管式熱交換器。球状にすることで配流調整コアの直径が大きくなるほど外管内の流体の入口部分の配流がより均等になる。その入口と配流コアの距離を短くできその分熱交換器の長さも短くできる。
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