JP2017502242A - 熱交換のための管材および熱交換を向上させるための方法 - Google Patents

Abstract

熱交換のための管材（１）および方法であって、前記熱交換は、前記管材（１）の内側にある第１流体と前記管材（１）の外側にある第２流体との間であり、前記管材（１）は、第１端部（３）と第２端部（５）との間を延長しており、内管（１’）と、前記内管（１’）の外側に配置される外管（１’’）と、を有し、前記内管（１’）は、前記第１端部（３）において、前記外管（１’’）に液密で連結されており、前記第１端部（３）は、流体供給管（７）によって取り囲まれ、かつ前記流体供給管（７）に取付けられており、前記第２端部（５）において、前記内管（１’）と前記外管（１’’）との間に、通路が存在している。

Description

本発明は、熱交換器用の管材（ｔｕｂｉｎｇ）に関する。より詳しくは、熱交換のための管材に関し、熱交換は、管材の内側にある第１流体と管材の外側にある第２流体との間であり、かつ、管材は、第１端部と第２端部との間の第２流体によって取り囲まれている。

以下の記述は、特に、タンク内にある流体の加熱に向いているが、本発明は、これに限定されない。

例えば、密閉タンク内にある消費水（ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ）を加熱する場合、らせん管を、タンク内の水に沈むように配置し、そして、比較的高い温度の流体をらせん管に通すことによって、らせん管内の流体とタンク内の水との間に熱交換を提供することが、知られている。このようなタンクは、例えば、本出願人のノルウェー国特許発明第３２６４４０号から、一般的に知られている。

管材内の流体は、ヒートポンプシステムの一部を形成するエネルギーキャリアーとすることも可能である。したがって、流体は、高圧、通常は２５〜３０バールのオーダーの加圧された液体の場合がある。タンク内の水は、水供給ネットワークの圧力に依存し、通常は、４〜７バールのオーダーの圧力を有する。消費水を加熱するためのタンクには、圧力が所定のレベル、一般的には９バールを越える場合に解放される安全弁が、通常、設けられている。

経時によって、タンク内の消費水は、侵食作用によってタンク内の管材に穴を形成する可能性がある。管材は、例えば、らせん管とすることも可能である。加圧された液体の形態を取るエネルギーキャリアーが、らせん管から開放され、そして、タンク内の水に流入する場合、流入している液体は、ガス状の形態に直ちに変化し、そして、それによって、タンク内において顕著な圧力の増加を生じさせる。即時かつ顕著な圧力の増加は、前記安全弁あるいは別の既知の安全装置によって排出することができない。このことにより、相当な損害ポテンシャルを有する破裂が発生する可能性がある。

エネルギーキャリアーが高圧下の液体ではない場合であっても、それがタンク内の消費水と混ざる場合、健康の観点から好ましくない可能性がある。

上述のリスクの結果、一部の国の官庁は、ガスあるいは液体を含んでおり、かつ、消費水用の密閉タンクに配置されて沈められる加熱管、例えば、加熱コイル、つまり、いわゆるウォーターヒーターは、定期的な目視検査および漏出テストを受ける必要があることを、とりわけ要求している。前記の検査は、溶接によって密閉されているタンクに配置される加熱コイルに関し、タンクで実施する必要がある大規模かつ高価な介入なしでは、実施することができない場合がある。

本発明は、先行技術の欠点の少なくとも１つを改善あるいは低減し、先行技術に代わる有効な代替案を少なくとも提供する目的を有する。

前記目的は、下記の説明および次に続く特許請求の範囲において特定される特徴によって達成される。

本発明の第１の様相に係り、熱交換のための管材が提供され、前記熱交換は、前記管材の内側にある第１流体と前記管材の外側にある第２流体との間であり、前記管材は、第１端部と第２端部との間を延長している。前記管材は、内管と、前記内管の外側に配置される外管と、を含んでおり、前記内管は、前記第１端部において、前記外管に液密（ｆｌｕｉｄ−ｔｉｇｈｔ）で連結されており、前記第１端部は、流体供給管によって取り囲まれ、かつ前記流体供給管に取付けられており、前記第２端部において、前記内管と前記外管との間に、通路が存在している。

前記管材の前記第１端部において、前記外管は、したがって、前記内管に連結されており、前記管材の前記第２端部において、前記内管と前記外管との間に、１つ以上の開放部（ｏｐｅｎ ｐｏｒｔｉｏｎｓ）が存在している。実施の形態の一例において、前記管材の前記第１端部において、前記内管と前記外管との間には、一体連結（ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が存在していない。前記内管と、前記内管と前記外管との間のシールと、前記外管とは、したがって、長方形かつＵ字形のボディー部を形成し、Ｕ字形のボトム部は、前記管材の前記第１端部に位置決めされ、Ｕ字形のトップ部は、前記管材の前記第２端部に位置決めされる。

前記管材の外側にある前記流体が、前記第２端部の前記開放通路（ｏｐｅｎ ｐａｓｓａｇｅ）と流体連通（ｆｌｕｉｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）していない条件では、流体供給管を経由して供給された流体は、前記内管に流入することとなる。これは、前記内管の内側の流体に前記内管が曝される効果、および、前記外管が前記外管の外側の流体に曝される効果を、有する。加えて、両方の管は、例えば、前記外管と前記内管との間に存在するエアーに、曝される。

前記第１流体と前記第２流体との間での良好な熱交換を可能にし、かつ、同時に、任意の流体が、前記外管を通過して、前記第２端部の前記開放通路を経由して排出されることを可能にするため、前記内管の外径は、前記外管の内径より小さい。

前記管材は、前記管材の前記第１端部を収容するための第１開口部と、前記管材の前記第２端部を収容するための第２開口部と、が設けれているタンクに配置することが可能である。前記タンクは、限定されないが、例えば、液体を加熱するためのタンクとすることも可能である。前記液体は、例えば、消費水とすることも可能である。

可能な限り小さい空間で、大きな熱交換面積を提供することを可能とするため、また、同時に、前記内管と前記外管との間に存在する任意の液体が、前記管材の前記第２端部において、重力によって、前記開放通路を通過して排出されることを可能にするため、前記管材の少なくとも一部は、前記第１端部と前記第２端部間との間に、らせん状に配置される。前記の場合、前記第１端部は、前記第２端部より高い位置に配置される。

本発明の第２の様相において、内管の内側にある第１流体と外管の外側にある第２流体との間での熱交換を向上させるための方法が提供され、前記外管は、前記内管の外側に配置され、前記内管の外径は、前記外管の内径より小さく、前記方法は、前記管材の第１端部において、前記内管と前記外管との間に液密連結を提供することと、前記第１端部を流体供給管の一部に挿入して、前記流体供給管と前記内管との間に流体連結（ｆｌｕｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を提供し、そして、前記外管を前記流体供給管に取付けることと、前記管材の第２端部において、前記外管の内面と前記内管の外面との間に、通路を維持することと、を含んでいる。

消費水を加熱するための内部らせん管を有するタンクを示している図である。 図１ＡのＩ−Ｉに関する断面図である。 知られている種類のらせん管の端部を示している拡大図である。 図１Ａの細部Ａを示している拡大図である。 図１Ａの細部Ｂを示している拡大図である。

以下において、好ましい実施の形態の一例が、記載され、それは、添付図面において視覚化されており、
図１Ａは、消費水を加熱するための内部らせん管を有するタンクを示し、前記らせん管は、タンク壁の開口部を経由して突出している第１端部および第２端部し、
図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉに関する断面を示し、
図２は、知られている種類のらせん管の端部を大きな縮尺で示し、
図３は、タンクの壁部なしでの図１Ａの細部Ａを大きな縮尺で示し、そして、
図４は、タンクの壁部なしでの図１Ａの細部Ｂを大きな縮尺で示している。

例えば、「上」、「下」、「下側）」、「上側」、「右」および「左」等の位置の指示は、図に示される位置を参照する。

個々の図面において、同じ参照番号は、同一あるいは対応する要素を示している。

図面において、参照番号１は、本発明に係る熱交換のための管材を示しており、熱交換は、管材１の内側にある第１流体と、管材１の外側にある第２流体との間である。管材１は、第１端部３および第２端部５を有する。

図１Ａおよび図１Ｂにおいて、管材１は、密閉タンク２０の内側に配置される。タンクは、例えば、消費水を加熱および／又は建物を加熱するためのタンクである場合があり、加熱は、いわゆるラジエーターによって、あるいはいわゆる水系加熱（ｗａｔｅｒ−ｂｏｒｎｅ ｈｅａｔ）のためのパイプシステムによって、行われる。

本発明は、ノルウェー国特許出願公告第３２６４４０号に係る本出願人の発明と共に使用するために、良好に適している。

管材１の第１端部３は、タンク２０の側面部の上側のカットアウト部２２を経由して突出しているのに対し、管材１の第２端部５は、タンク２０の側面部の下側のカットアウト部２４を経由して突出している。示されている本実施の形態において、管材１は、端部３と端部５との間に、らせん状に配置される。

当業者は、前記らせん管において、２２ｍｍの外径を有する管材の場合、管材１は、比較的に薄肉、例えば、０．８ｍｍである場合があることを、知っているだろう。タンク２０のカットアウト部２２、２４を経由する管材１を補強し、管材１の第１端部３および管材１の第２端部における供給管（不図示）および戻り管（不図示）のそれぞれに対して管材１の連結を容易にするために、管材１は、スリーブ７に連結されている。先行技術に係る管材１を示している図２に示されているように、スリーブ７は、管材１の端部を取り囲んでいる。示されている本実施の形態において、本文書の供給管あるいは戻り管のパーツを構成するスリーブ７は、管材１の厚さの数倍の厚さを有する。

スリーブ７の内径は、管材１の外径に相補的に適合しており、管材１の端部がスリーブ７に嵌入される場合、これらの間にタイトフィットが提供される。

図２は、隅肉溶接部９の形態の溶接連結によってスリーブ７に取付けられる管材１を、示している。図２は、管材１の内側にある第１流体と管材１の外側にある第２流体と間の熱交換のための管材のための一般的なインレット部および一般的なアウトレット部を、示している。図２に示される管材１は、上述された無視できない欠点を負っている。また、示される溶接連結の代わり、あるいはそれに加えて、管材１とスリーブ７とを、ねじによって連結することが可能であることは、知られている。

図３は、例えば、図１に示されるタンク２０のインレット部を示しているが、タンク壁自体は示されていない。スリーブ７は、管材１の第１端部３を取り囲んでいる。本発明に係る管材は、図２に示される先行技術の管材から大幅に異なっている。

管材１は、内管１’および外管１’’から構成され、外管１’’は、内管１の外側に配置される。図３に示されるように、内管１’の端面は、長さに関し、外管１’’と適合されており、第１端部３において、管１’，１’’は、同一の軸方向サイズ（ｅｘｔｅｎｔ）を略有する。

内管１’の端部と外管１’’の端部とは、シール手段１１によって連結されている。シール手段１１の目的の１つは、内管１’と外管１’’との間の空間に、流体が侵入することを防止することである。したがって、流体は、図３の矢印Ｆｉにより示されるように、スリーブ７から内管１’内に流入する。

好ましい実施の形態において、シール手段１１は、図３の突合せ溶接として示される溶接連結によって、提供される。

第１端部において、例えば、内管１’に比較し、外管１’’がスリーブ７内にさらに延長していることに基づいて、内管１’が外管１’’と異なる軸方向サイズ（不図示）を有する場合、例えば、隅肉溶接を使用して、管１’，１’’の間にシールに提供することが可能である。

示される実施の形態において、内管１’の外径は、外管１’’の内径より小さい。これは、管１’，１’’と管材１の第１端部３の液密連結とによって定義される空間に流入し、管材１の第２端部１’’の開放通路を通過して流出する液体等の任意の流体の排出を可能とするために、とりわけ必要である。開放通路は、以下において、図４の記載でさらに詳細に説明される。前記排出は、内管１’あるいは外管１’’が損傷していることに対する警告を、与えることが可能である。

警告は、それ自体知られている種類のセンサー装置によって提供することが可能であり、センサー装置は、内管１’の内側に存在する種類の流体と、タンク２０の内側に存在する液体との一方あるいは両方の検出に関する信号を発することが可能に、配置されている。

図２に示される先行技術に関して理解されるように、管材１の外側の流体と管材１の内側の流体との間の熱交換は、単一の管壁で生じており、当業者は、本発明に係る二重管材１’，１’’を介した熱交換が、より劣っているとの結論を、容易に引き出すかもしれない。これはとりわけ、管材１の一部に関し、内管１’の外面と外管１’’の内面との間に、距離が存在すると思われるためである。

しかし、比較テストは、驚くべきことに、図１に示され、かつ、先行技術に係る「シングルコイル」を備えている種類のタンク２０が、本発明に係る「ダブルコイル」を備えている対応タンク２０と比較し、実質的に同様な熱交換能力を有することを、示した。これは、スリーブ７を通って内管１’の内側へ流れる流体からスリーブ７に対して供給される熱が、スリーブ７の内面と外管１’’の外面との間の接触部位と、溶接部９と、金属あるいは良好な熱伝導率性を有する別の材料から構成される場合におけるシール手段１１とを経由して、外管に伝達される可能性があるためであると、説明することが可能である。したがって、シール手段１１は、管材１の内側を流れる流体に曝される内管１’と、外管１’’との間に、「ブリッジ」を形成することとなる。

特に、管材１が第１端部３と第２端部５との間でらせん状に配置される場合、内管１’の一部が、外管１’’の一部によって支持される（ｒｅｓｔ ａｇａｉｎｓｔ）ことにより、管１’，１’’の間に「熱伝導ブリッジ」を形成し、また、同時に、流体が、インレット部３から管１’，１’’の間の空間に流入し、アウトレット部５を通過して流出することとなる。前記熱伝導ブリッジが充分なサイズを有するためには、内管１’の外径と外管１’’の内径との間に、比較的小さな差異が存在することが、必要条件である。上記テストにおいて、２５ｍｍの外径を有する外管１’’と、２２ｍｍの外径を有しかつ同軸に配置される内管１’と、の間の径方向距離は、０．７ｍｍであった。

図４は、例えば、図１Ａに示されるタンク２０のアウトレット部を示しているが、タンク壁自体は示されていない。スリーブ７は、管材１の第２端部５を取り囲んでいる。本発明に係る管材１は、図２に示される先行技術の管材１から大幅に異なっている。

図４において、内管１’の端部は、外管１’’の端部より大きい軸方向サイズを有する。さらに、内管１’は、スリーブ７を通過して延長しており、したがって、スリーブ７の両方の端部から突出している。内管１’の端部は、管の残余に比較してより大きい径を有するように形成されており、内管１’は、不図示の戻り管を取り囲むことが可能である。

管材１の第１端部３と対比し、管材１の第２端部５においては、内管１’と外管１’’との間に、一体連結が存在しない。したがって、内管１’と外管１’’との間に存在する任意の流体は、内管１’の外径が外管１’’の内径より小さいことの結果として設けられている通路を経由して、外部と連通される（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｏｕｔ）される。漏出が内管１’の内側あるいは外管１’’の内側において生じる場合、気体あるいは液体に係る流体が、内管１’と外管１’’との間に設けられる空間あるいはチャネルから、管材１の外側に流れ出し、そして、スリーブ７を経由してタンク２０の外側に、流れ出す。上記のように、センサー装置２６は、検出した信号を、漏出が生じたことの警告を発することが可能である信号トランシーバー２６に、送信することが可能である。前記のセンサー装置２６および信号トランシーバー２６’の原理は、図４に示されている。

実施の形態の一例において、信号トランシーバー２６’からの信号は、循環を停止し、熱交換を中止するため、例えば、ヒートポンプ（不図示）の制御装置あるいはらせん管１を経由する流体の循環を提供する別の装置の制御装置に、送信することが可能である。代わりに、あるいはそれに加えて、別の方法、例えば、ＳＭＳによって、ユーザーに警告することも可能である。

管材１の第２端部は、外管１’’とスリーブ７の端部との間の溶接連結９によって、スリーブ７に取付けられる。

図４に示されるように、外管１’’は、スリーブ７の内側に、限定された距離だけ延長している。外管１’’がスリーブの全体あるいは主要部を貫通して延長していない目的は、スリーブ７と外管１’’との間において、可能な限り最小の接触面を適用するためである。したがって、例えば、図１に示されるタンク２０内の加熱水と、タンク２０の外側との間の熱移動は、可能な限り最小となるだろう。

図３および図４に示される溶接連結９の代わりに、外管１’’とスリーブ７との間の連結は、例えば、ねじ連結あるいは接着剤によって提供することが可能である。

内管１’と、内管１’と外管１’’との間のシール１１’と、外管１’’と、によって提供される上述のＵ字形によって、管材１の端部３、５間におけるエアーの貫流（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）は存在しないと思われる。前記貫流は、内管１’内の流体からタンク２０内の液体への熱移動を、減少させる可能性があり、これは、エネルギーの一部が、貫流しているエアーを加熱するために使用されると思われるからである。図３に示される第１端部３が図４に示される第２端部５に対応する端部と置換される場合、エアーの貫流が生じる可能性がある。

Claims (12)

1. 熱交換のための管材（１）であって、
   前記熱交換は、前記管材（１）の内側にある第１流体と前記管材（１）の外側にある第２流体との間であり、
   前記管材（１）は、第１端部（３）と第２端部（５）との間を延長しており、内管（１’）と、前記内管（１’）の外側に配置される外管（１’’）と、を有し、
   前記内管（１’）は、前記第１端部（３）において、前記外管（１’’）に液密で連結されており、
   前記第１端部（３）は、流体供給管（７）によって取り囲まれ、かつ前記流体供給管（７）に取付けられており、
   前記第２端部（５）において、前記内管（１’）と前記外管（１’’）との間に、通路が存在していることを特徴とする管材。
2. 前記内管（１’）の外径は、前記外管（１’’）の内径より小さく、したがって、前記管材（１’，１’’）の前記第１端部（３）における液密連結に基づいて前記管（１’，１’’）の間に存在する流体は、前記管材の前記第２端部（５）において、前記通路を経由して外部と連通することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の管材。
3. 前記管材（１）の少なくとも一部は、前記第１端部（３）と前記第２端部（５）との間に、らせん状に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の管材。
4. 前記管材（１）は、タンク（２０）に配置され、前記タンク（２０）は、前記管材（１）の前記第１端部（３）を収容するための第１開口部（２２）と、前記管材（１）の前記第２端部（５）を収容するための第２開口部（２４）と、が設けれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の管材。
5. 前記タンク（２０）は、液体を加熱するためのタンクであり、前記流体供給管（７）は、加圧流体と流体連通していることを特徴とする請求項３に記載の管材。
6. 前記供給管（７）は、前記外管（１’’）に溶接によって連結される補強スリーブ（７）を含んでいることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の管材。
7. 前記内管（１’）は、溶接連結（１１）の使用によって、前記第１端部（３）において、液密で、外管（１’’）に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の管材。
8. 前記内管（１’）は、前記第２端部（５）において流体戻り管に連結されており、前記流体供給管（７）および前記流体戻り管は、閉回路の一部を形成していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の管材。
9. 前記閉回路は、ヒートポンプを含んでいることを特徴とする請求項８に記載の管材。
10. 内管（１’）の内側にある第１流体と外管（１’’）の外側にある第２流体との間での熱交換を向上させるための方法であって、
    前記外管（１’’）の主要部は、前記内管（１’）の外側に配置され、
    前記内管（１’）の外径は、前記外管（１’’）の内径より小さく、
    前記方法は、
    前記管材（１’，１’’）の第１端部（３）において、前記内管（１’）と前記外管（１’’）との間に、液密連結を提供することと、
    前記第１端部（３）を流体供給管（７）の一部に挿入して、前記流体供給管（７）と前記内管（１’）との間に流体連結を提供し、そして、前記外管を前記流体供給管（７）に取付けることと、
    前記管材（１’，１’’）の第２端部（５）において、前記外管（１’’）の内面と、前記内管（１’）の外面との間に、通路を維持することと、
    を有することを特徴とする方法。
11. 前記第２端部（５）において、前記内管（１’）は、流体戻り管と流体連通するように、配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記内管（１’）の内側の流体あるいは前記外管（１’’）の外側の流体の少なくとも１つに反応するセンサー装置（２６）が、信号送信装置に連結されていることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の方法。