JP2015102265A - 熱交換器用伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換量の大きい二重管を容易な加工で安価に得ることができる熱交換器用伝熱管を提供する。【解決手段】熱交換器用伝熱管１１において、軸線直交断面形状が円形状に形成される金属製の内管１３と、軸線直交断面形状が円形状に形成され内管１３の外周に流路間隙１９を有して外挿されることで内管１３とによって二重管２１を構成する金属製の外管１５と、二重管２１の長手方向の任意位置で内管１３と外管１５の少なくとも一方に形成され軸線直交断面形状が長径２３と短径２５からなる偏平円形状の偏平部１７と、を設けた。偏平部１７は、円形状を軸線２９に接近する方向に潰して長径２３と短径２５が形成されることが好ましい。偏平部１７は、二重管２１の長手方向に複数設けることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、二重管式熱交換器などに用いられる熱交換器用伝熱管に関する。

従来より、大径の外管の内部に小径の伝熱管を配置し、内管と外管との間の間隙に第１の流体を流通させる一方、内管内に第２の流体を流通させることによって、それら第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行なうように構成した、二重管式の熱交換器が知られている（特許文献１、２、３等参照）。

特許文献１に開示の二重管式熱交換器は、外管と、外管内に間隔をおいて配置された内管とを備え、外管と内管との間の間隙が第１冷媒流路となるとともに内管内が第２冷媒流路となっている。外管に、冷媒流入パイプおよび冷媒流出パイプを、外管の長さ方向に間隔をおきかつ第１冷媒流路に通じるように接続する。冷媒流出パイプを、冷媒流入パイプに対して外管の周方向にずれた位置に配置する。外管の内周面には、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条が周方向に等間隔をおいて一体に設けられている。

特許文献２に開示の二重管熱交換器用伝熱管は、螺旋状のコルゲート溝を外周面に有し、水を内部に流すコルゲート管からなる第１伝熱管と、第１伝熱管内に配置され、冷媒を内部に流す２つの管部材を螺旋状に捩じって互いに組み付けてなる第２伝熱管とを備えている。
特許文献３に開示の二重管式熱交換器は、外管の内部に、周方向に山部と谷部とが繰り返す波形形状とされた多葉管を内管として収容し、内管の山部の頂部を、外管の内周面に密着させると共に、外管の外周面に、軸方向に螺旋状に連続して延びる凹溝を形成している。

特開２０１２−２１７３４号公報 特開２０１１−２５２６２６号公報 特開２００８−２３２４４９号公報

しかしながら、従来の二重管構造の熱交換器用伝熱管は、冷媒流入パイプおよび冷媒流出パイプを外管の長さ方向に間隔をおき第１冷媒流路に通じるように接続し、さらに外管の内周面に径方向内方に突出する凸条を設けたり（特許文献１参照）、螺旋状のコルゲート溝を外周面に有する第１伝熱管内に、２つの管部材を螺旋状に捩じってなる第２伝熱管を備えたり（特許文献２参照）、外管の内部に、周方向に山部と谷部とが繰り返す波形形状とされた多葉管を収容し、外管の外周面にさらに螺旋状に延びる凹溝を形成したり（特許文献３参照）している。このため、加工が難しく、容易に加工することができず、高価なものとなっていた。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、熱交換量の大きい二重管を容易な加工で安価に得ることができる熱交換器用伝熱管を提供することにある。

次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
本発明の請求項１記載の熱交換器用伝熱管１１は、軸線直交断面形状が円形状に形成される金属製の内管１３と、
軸線直交断面形状が円形状に形成され前記内管１３の外周に流路間隙１９を有して外挿されることで前記内管１３とによって二重管２１を構成する金属製の外管１５と、
前記二重管２１の長手方向の任意位置で前記内管１３と前記外管１５の少なくとも一方に形成され軸線直交断面形状が長径２３と短径２５からなる偏平円形状の偏平部１７と、
を具備することを特徴とする。

この熱交換器用伝熱管１１では、軸線直交断面形状が円形状の内管１３，外管１５の少なくとも一方を、例えばプレス加工にて潰し、偏平部１７を形成することで、管内を流れる流体に乱流を生じさせ、偏平部１７の前後で、熱交換効率を向上させることが可能となる。
本構成では、円形状を単純に変形させることで熱交換量を大きくできることから、熱交換効率の高い二重管２１を容易に得ることができる。すなわち、従来のような複雑な形状としなくても、熱交換量の大きい二重管２１が得られる。このため、形状が複雑化して管径が増すことがなく、簡素でコンパクトな熱交換器を得ることが可能となる。

本発明の請求項２記載の熱交換器用伝熱管１１は、請求項１記載の熱交換器用伝熱管１１であって、
前記偏平部１７は、前記円形状を軸線２９に接近する方向に潰して前記長径２３と前記短径２５が形成されることを特徴とする。

この熱交換器用伝熱管１１では、軸線直交断面形状が円形状の管３１を、例えばプレス加工によって、外周側から半径方向内側に潰すのみの容易な加工法を用いて、熱交換量の大きい二重管２１を得ることができる。

本発明の請求項３記載の熱交換器用伝熱管１１は、請求項１または２記載の熱交換器用伝熱管１１であって、
前記偏平部１７が、前記二重管２１の長手方向に複数設けられることを特徴とする。

この熱交換器用伝熱管１１では、軸線直交断面形状が円形状の管３１を、外周側から半径方向内側に潰す容易なプレス加工を、管３１の長手方向に沿って複数回繰り返して行うことで、さらに熱交換量の大きな二重管２１を得ることができる。

本発明に係る請求項１記載の熱交換器用伝熱管によれば、軸線直交断面形状が円形状の内管，外管の少なくとも一方を潰し、偏平部を形成することで、管内を流れる流体に乱流を生じさせ、この偏平部の前後で、熱交換効率を向上させることが可能となる。すなわち、円形状を単純に変形させることで熱交換量を大きくできることから、熱交換効率の高い二重管を容易に得ることができ、従来のような複雑な形状としなくても、熱交換量の大きい二重管が得られる。このため、形状が複雑化して管径が増すことがなく、細径の管で構成できることから、簡素でコンパクトな熱交換器を得ることが可能となる。

本発明に係る請求項２記載の熱交換器用伝熱管によれば、軸線直交断面形状が円形状の管を、例えばプレス加工によって、外周側から半径方向内側に潰すのみの容易な加工で偏平部を形成することができ、熱交換量の大きい二重管を得ることができる。

本発明に係る請求項３記載の熱交換器用伝熱管によれば、軸線直交断面形状が円形状の管を、外周側から半径方向内側に潰す容易な加工を、管の長手方向に沿って複数回繰り返して行うことで、複数箇所の偏平部を得ることができ、これら偏平部にて生じる流れの変化によって熱交換率を向上させ、二重管全体の熱交換量をさらに大きくすることができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る熱交換器用伝熱管の概略平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ｂ）における軸線直交断面形状とされる内径の線図である。 他の例の管の平面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。 各種二重管試料の解析ソフトによって得られた熱交換量、一次圧損、二次圧損等を一覧表とした説明図である。 偏平度と熱交換量の相関を表したグラフである。 偏平部の数と熱交換量の相関を表したグラフである。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る熱交換器用伝熱管の概略平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ｂ）における軸線直交断面形状とされる内径の線図である。
本実施形態に係る熱交換器用伝熱管１１は、内管１３と、外管１５と、偏平部１７と、を構成の主要部として有する。内管１３は、軸線直交断面形状が円形状に形成される金属製の管からなる。
外管１５は、軸線直交断面形状が円形状に形成され、内管１３の外周に流路間隙１９を有して外挿されることで、内管１３とによって二重管２１を構成する金属製の管からなる。
偏平部１７は、二重管２１の長手方向の任意位置で内管１３と外管１５の少なくとも一方に形成され、例えば図１に示すように内管１３に形成されて軸線直交断面形状が長径２３と短径２５からなる偏平円形状となる。

偏平部１７は、軸線直交断面が円形状となった円形管部の円形状を対向二面となる１８０度の位置で互いに軸線２９に接近する方向に潰して得られるような楕円形状となる長径２３と短径２５が形成される。

また、偏平部１７は、二重管２１の軸線方向である長手方向に複数設けることができる。なお、偏平部１７は、内管１３のみ、外管１５のみ、または内管１３及び外管１５の双方に設けることができる。内管１３と外管１５の双方に偏平部１７が設けられる場合、内管１３の偏平部１７と、外管１５の偏平部（図示略）は、軸線方向にずらされてもよく、一致して設けられてもよい。

次に、熱交換器用伝熱管１１に用いられる管の他の例を説明する。
図２は他の例の管３１の平面図、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。
この例による管３１は、軸線直交断面が円形状となった円形管部２７に、所定間隔ごとに複数の偏平部１７が形成されている。具体的には、管外径４．７６ｍｍ、管厚０．８ｍｍ、管内径３．１６ｍｍで形成される導電性、耐食性、溶接性、加工性の良好な金属管、例えばりん脱酸銅管などの銅合金管である。
偏平部１７は、プレス加工にて形成し、その内径を長径５．０４ｍｍ、短径１．２８ｍｍとしている。管３１の長さは、２３０５ｍｍとし、そこに２５個所の偏平部１７が設けられる。従って、偏平部１７は、６５ｍｍ間隔となる。管３１の両端には、長さ３７２．５ｍｍの接続用端部３３が形成される。
この管３１は、例えば上記実施形態で説明した内管１３として使用される。この内管は、断面円形状の外管に挿入して、二重管を構成する。この二重管は、熱交換器の構成部材として、例えば中途をＵ状に複数屈曲させたり、全体を螺旋状に成形したりして用いられる。

その他、本発明に係る熱交換器用伝熱管１１としては、種々の変形例が考えられる。
例えば、偏平部１７の形状は、半径方向内側に潰す方向だけではなく、軸線２９に傾斜する斜め向きに潰した偏平形状とすることもできる。
また、偏平部１７の軸線２９を中心とする回転向きは、全てが同じ向きにプレス加工されていなくてもよい。例えば複数の偏平部１７を、管３１の一端から所定角度毎、例えば９０°毎に回転させた向きとしてもよい。
さらに、二重管２１の内管１３は断面円形のままとし、外管１５を潰して偏平部１７を形成することで、偏平部１７において外管１５の内壁面を内管１３の外周面に接触或いは近接させる構造としてもよい。

次に、上記構成を有する熱交換器用伝熱管１１の作用を説明する。
熱交換器用伝熱管１１では、軸線直交断面形状が円形状の内管１３，外管１５の少なくとも一方を、プレス加工にて潰し、偏平部１７を形成することで、管内を流れる流体に乱流を生じさせ、偏平部１７の前後で、熱交換効率を向上させることが可能となる。

流体が一様に流れる場合、例えば内管１３の中央部を流れる部分は、連続的に中央部を流れる。また、壁面近くを流れる流体は連続的に壁面近くを流れる。このため、内管１３の外側を流れる流体との熱交換においては、内管１３の壁面近くを流れる流体のみが熱交換に大きく寄与することになる。そこで、内管１３に偏平部１７を設けることで、乱流を引き起こし、偏平部１７の前後での流れを変える、つまり管径方向に分布する流れを撹拌する。すなわち、内管１３の外側を流れる流体と、内管１３の壁面近くを流れる流体とを、中央部を流れる流体と撹拌する。例えば低温の流体が壁面近くに移動することで、温度勾配が大きくなり、熱伝達率が高められる。これにより、熱交換効率を向上させることが可能となる。

本構成では、円形状を単純に変形させることで熱交換量を大きくできることから、熱交換効率の高い二重管２１を容易に得ることができる。すなわち、従来のような複雑な形状としなくても、熱交換量の大きい二重管２１が得られる。このため、形状が複雑化して管径が増すことがなく、細径な管で構成でき、簡素でコンパクトな熱交換器を得ることが可能となる。

また、熱交換器用伝熱管１１では、軸線直交断面形状が円形状の管３１を、プレス加工によって、外周側から半径方向内側に潰すのみの容易な加工法を用いて、熱交換量の大きい二重管２１を得ることができる。その結果、プレス加工等の簡単な加工で偏平部１７を容易に形成できる。これに加えて、金属管を潰すので、滑らかな管内面、管外面で偏平部１７を形成でき、偏平部１７に角部が形成されて渦が生じ、圧力損失が増大することを抑制できる。

さらに、熱交換器用伝熱管１１では、軸線直交断面形状が円形状の管３１を、外周側から半径方向内側に潰す容易なプレス加工を、管３１の長手方向に沿って複数回繰り返して行うことで、さらに熱交換量の大きな二重管２１を得ることができる。その結果、複数箇所に形成した偏平部１７で生じる流れの変化によって熱交換率を向上させ、二重管全体の熱交換量をさらに大きくすることができる。

従って、本実施形態に係る熱交換器用伝熱管１１によれば、熱交換量の大きい二重管２１を、容易な加工で安価に得ることができる。

次に、実施例を説明する。
実施例は、偏平部を有する二重管（図４の表に示す試料１、２、３、４、６、７、８）の熱交換量と、偏平部を有しない二重管（試料５）の熱交換量等を、シミュレーション（解析ソフト）を用いて比較した。
図４は各種二重管試料の解析ソフトによって得られた熱交換量、一次圧損、二次圧損等を一覧表とした説明図、図５は偏平度と熱交換量の相関を表したグラフ、図６は偏平部の数と熱交換量の相関を表したグラフである。
［解析ソフト］
流体解析用メッシュ：テトラメッシュとした。
ソルバー（解析計算用プログラム）：ＦＬＵＥＮＴ１４．５（有限体積法）を用いた。
［境界条件］
１ｌ／ｍｉｎ ３４０Ｋ
１ｌ／ｍｉｎ ３００Ｋ
２流体の流れ方向：対向流
乱流 ｋ−εモデル
両面壁 ０．５ｍｍ
［構造］
外管内径 φ２１ｍｍ
外管長さ ２２０ｍｍ
内管内径 φ１１．２９ｍｍ
内管長さ ２２０ｍｍ
管素材 ＳＵＳ３０４
偏平部 軸線対称 元の半径５．６４ｍｍ 短径側半径３．５５ｍｍ
最狭部から真円部までの距離 １０ｍｍ
最狭部には幅はなく側面視（図１（ｂ））で点となるようにした。

シミュレーションの実行の手順は次の１〜４とした。
１．管体を有限個の要素でモデル化する。
２．流体の材料モデルを設定する。
３．管体モデル内に材料モデルを配置する。
４．あらかじめ定めた条件（上記境界条件、構造）で流動計算を行う。
上記解析ソフトを上記条件で実行させて熱交換量、一次圧損、二次圧損を得た。その結果を図４に示す。

［偏平度の比較］
図４に示す表の試料１〜５で比較した。
偏平係数Ｋ＝ａｂπ／ｒ２π…（式１）
（ａｂπは偏平部面積、ｒ２πは非偏平部面積である）
但し、Ｋ：面積比
ａ：内管偏平部長径
ｂ：内管偏平部短径
ｒ：内管半径 とする。
図４に示す表の偏平係数は上記の（式１）によって得た。
偏平係数と熱交換量をＸＹプロットした。その結果、図５に示すように、ＸＹプロットがほぼ直線上に載った。その近似直線を求めた結果、
ｙ＝−３２．８ｘ＋２０９．７ となった。
同表及び図５に示すように、偏平部の面積が小さくなるにつれて熱交換量は大きくなる。従って、偏平部の面積は小さい方がよいことが知見できた。

［偏平部の間隔］
図４に示す表の試料６、７で比較した。
同表に示すように、偏平部管の間隔による熱交換量、圧力損失の差はあまり見られないことが知見できた。

［偏平部の数］
偏平部を設けない試料５は、熱交換量が最も小さいことが知見できた。
偏平部の数による差異は図４に示す表の試料２、６、８で比較した。
偏平部の数と熱交換量を図６に示すように、ＸＹプロットした。その結果、図６に示すように、ＸＹプロットがほぼ直線上に載った。その近似直線を求めた結果、
ｙ＝２２ｘ＋１６６．４ となった。
同表及び図６に示すように、偏平部の数が多いほど熱交換量は大きくなることが知見できた。

１１…熱交換器用伝熱管
１３…内管
１５…外管
１７…偏平部
１９…流路間隙
２１…二重管
２３…長径
２５…短径
２９…軸線

Claims (3)

1. 軸線直交断面形状が円形状に形成される金属製の内管と、
   軸線直交断面形状が円形状に形成され前記内管の外周に流路間隙を有して外挿されることで前記内管とによって二重管を構成する金属製の外管と、
   前記二重管の長手方向の任意位置で前記内管と前記外管の少なくとも一方に形成され軸線直交断面形状が長径と短径からなる偏平円形状の偏平部と、
   を具備することを特徴とする熱交換器用伝熱管。
2. 請求項１記載の熱交換器用伝熱管であって、
   前記偏平部は、前記円形状を軸線に接近する方向に潰して前記長径と前記短径が形成されることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
3. 請求項１または２記載の熱交換器用伝熱管であって、
   前記偏平部が、前記二重管の長手方向に複数設けられることを特徴とする熱交換器用伝熱管。

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