JP2020016393A - Heat exchanger - Google Patents

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晃大 服部
Akihiro Hattori
晃大 服部
信道 坂田
Nobumichi Sakata
信道 坂田
義男 片山
Yoshio Katayama
義男 片山
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Abstract

To provide a heat exchanger capable of being more easily manufactured than the prior art and high in heat exchange efficiency.SOLUTION: A heat exchanger according to the present invention has a pipe that is wound in coil form around a central shaft. In regard to pipe parts adjacent to each other in an axial direction of the central shaft, radii of curvature are different from each other, and images projected on a surface perpendicular to the central shaft overlap each other. In a preferable embodiment, the radius of curvature of the pipe part is increased or decreased along the axial direction of the central shaft, or alternately increased or decreased. In a more preferable embodiment, the pipe part is at least partially made as a metallic corrugated pipe.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、温度の異なる2種類の流体の間で熱交換を行う熱交換器に関する。   The present invention relates to a heat exchanger that performs heat exchange between two types of fluids having different temperatures.

コイル状に巻かれた管の内部を流れる第1の流体と、管の外部を流れ、第1の流体とは異なる温度を有する第2の流体との間で熱交換を行う熱交換器が知られている。例えば、出願人が先に出願した特許文献1には、金属製コルゲイト管がコイル状に巻かれた熱交換器の発明が記載されている。   A heat exchanger for exchanging heat between a first fluid flowing inside a coiled tube and a second fluid flowing outside the tube and having a different temperature from the first fluid is known. Have been. For example, Patent Document 1 filed by the applicant earlier describes an invention of a heat exchanger in which a metal corrugate tube is wound in a coil shape.

特許文献1に記載された熱交換器を使って第1の流体と第2の流体との間で熱交換を行う場合、第2の流体はコイル状に巻かれた管の中心軸に平行に流れるため、第2の流体のうちコイルの中心軸に近い位置を流れる流体は管と接触することがなく、熱交換にほとんど寄与しない。そこで、第2の流体のうちコイルの中心軸に近い位置を流れる流体を管と接触させることができるように工夫された熱交換器が従来から知られている。   When heat is exchanged between the first fluid and the second fluid using the heat exchanger described in Patent Document 1, the second fluid is parallel to the central axis of the coiled tube. Since the fluid flows, the fluid flowing at a position close to the center axis of the coil among the second fluids does not come into contact with the pipe, and hardly contributes to heat exchange. Therefore, a heat exchanger devised so that a fluid flowing at a position close to the center axis of the coil of the second fluid can be brought into contact with the pipe has been conventionally known.

例えば、特許文献2には、冷媒パイプをらせん状に曲げ、円錐形に形成して構成された熱交換器の考案が記載されている。この熱交換器においては、冷媒パイプは間隔を置いて、上下に重なることのないように配置されている。このため、冷媒パイプは、上下間において冷房時の熱気流や暖房時の冷気流と干渉しないので、熱交換の効率が向上する。   For example, Patent Literature 2 discloses a heat exchanger in which a refrigerant pipe is bent in a spiral shape and formed in a conical shape. In this heat exchanger, the refrigerant pipes are arranged at intervals so that they do not overlap one another. For this reason, since the refrigerant pipe does not interfere with the hot air flow during cooling or the cold air flow during heating between the upper and lower portions, the efficiency of heat exchange is improved.

また、例えば、特許文献3には、複数の円錐スパイラル形状の伝熱部を備える排熱回収システム用の伝熱管の考案が記載されている。この伝熱管では、排ガスが、小径部の外周から煙道内周面に向かって拡散するように排出される。このため、伝熱部の内周面及び外周面に、より均等に排ガスを拡散することができ、熱回収の効率が向上する。   Further, for example, Patent Document 3 discloses a heat transfer tube for an exhaust heat recovery system including a plurality of conical spiral heat transfer portions. In this heat transfer tube, the exhaust gas is discharged so as to diffuse from the outer periphery of the small diameter portion toward the inner peripheral surface of the flue. Therefore, the exhaust gas can be more uniformly diffused to the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the heat transfer section, and the efficiency of heat recovery is improved.

特開2017−44416号公報JP, 2017-44416, A 実開昭58−124762号公報Japanese Utility Model Publication No. 58-124762 登録実用新案第3176771号公報Registered Utility Model No. 3176771

第1の流体が流れる管を構成する材料には、金属、合金又は樹脂などを用いることができる。管を構成する材料には、管の最小曲率半径をあまり小さくすることができないものもある。そのような材料で構成された管を用いた場合、管を特許文献2や特許文献3に記載されたような形状に加工しようとすると、管が破損するおそれがある。   A metal, an alloy, a resin, or the like can be used as a material forming the pipe through which the first fluid flows. Some materials that make up the tube do not allow the minimum radius of curvature of the tube to be too small. In the case where a tube made of such a material is used, there is a possibility that the tube may be damaged if the tube is processed into a shape described in Patent Document 2 or Patent Document 3.

また、管を特許文献2や特許文献3に記載されたような形状に加工しようとすると、材料によっては、管が破損しないまでも、管を強く曲げる必要があるため、加工に時間がかかったり、管を強く曲げた状態で維持、固定したりする必要があり、製造コストが増大するという課題がある。   Also, when processing a pipe into a shape as described in Patent Literature 2 or Patent Literature 3, depending on the material, it is necessary to bend the pipe strongly even if the pipe is not damaged, so it takes time to process. In addition, it is necessary to maintain and fix the pipe in a strongly bent state, which causes a problem that the manufacturing cost increases.

本発明は、上記の従来技術が有する課題を考慮してなされたものであり、熱交換器の製造が容易で、かつ熱交換の効率の高い熱交換器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the problems of the above-described conventional technology, and has as its object to provide a heat exchanger that can be easily manufactured and has high heat exchange efficiency.

本発明に係る熱交換器は、中心軸の周りにコイル状に巻かれた管を有する熱交換器であって、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管の部分について、曲率半径が異なり、かつ、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う。   The heat exchanger according to the present invention is a heat exchanger having tubes that are wound in a coil shape around a central axis, and for tubes adjacent to each other in the axial direction of the central axis, the radii of curvature are different, and , The images projected on the plane perpendicular to the central axis overlap.

このため、従来技術に係る熱交換器と比べて管の曲率半径の変化が少なく、管を強く曲げて加工する必要がないので、製造が容易である。しかも、第2の流体のうちコイルの中心軸に近い位置を流れる流体が管と接触する機会が増えるので、第1の流体と第2の流体との間で熱交換を効率よく行うことができる。   For this reason, the change in the radius of curvature of the tube is smaller than that of the heat exchanger according to the prior art, and there is no need to bend and process the tube strongly, so that the production is easy. In addition, since the fluid flowing at a position close to the center axis of the coil among the second fluids is more likely to come into contact with the pipe, heat exchange between the first fluid and the second fluid can be performed efficiently. .

本発明の好ましい実施の形態においては、管が金属製コルゲイト管である。金属製コルゲイト管は表面に凹凸が設けられている。このため、凹凸のない管と比べて表面積が大きく、かつ、管の表面付近を流れる第1の流体及び第2の流体が乱流となるので、熱交換の効率が向上する。また、本発明に係る熱交換器は管を強く曲げる必要がないので、曲げ加工によって金属製コルゲイト管を損傷するおそれが少ない。   In a preferred embodiment of the invention, the tube is a metal corrugated tube. The metal corrugated tube has irregularities on its surface. Therefore, the first fluid and the second fluid flowing near the surface of the tube become turbulent, and the efficiency of heat exchange is improved. Further, since the heat exchanger according to the present invention does not need to bend the tube strongly, there is little possibility that the metal corrugated tube is damaged by the bending process.

本発明に係る熱交換器によれば、管を強く曲げることなくコイルの中心軸に近い位置を流れる第2の流体を管と接触させて、製造コストを増大させずに熱交換の効率を向上させることができる。また、管として金属製コルゲイト管を使用して、熱交換の効率をさらに高めることができる。   According to the heat exchanger according to the present invention, the second fluid flowing near the center axis of the coil is brought into contact with the tube without strongly bending the tube, thereby improving the heat exchange efficiency without increasing the manufacturing cost. Can be done. Further, the efficiency of heat exchange can be further increased by using a metal corrugated tube as the tube.

本発明の第1の実施の形態に係る熱交換器を示す斜視図である。It is a perspective view showing the heat exchanger concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る熱交換器の他の例を示す斜視図である。It is a perspective view showing other examples of the heat exchanger concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態に係る熱交換器を示す斜視図である。It is a perspective view showing the heat exchanger concerning a 2nd embodiment of the present invention. 従来技術に係る熱交換器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the heat exchanger which concerns on a prior art.

本発明を実施するための形態につき、以下に図および表を参照しながら詳細に説明する。なお、ここに記載する実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の実施の形態はここに記載された形態に限定されない。   An embodiment for carrying out the present invention will be described in detail below with reference to the drawings and tables. Note that the embodiment described here is merely an example, and the embodiment of the present invention is not limited to the embodiment described here.

<熱交換器の基本的な構成>
本発明は、中心軸の周りにコイル状に巻かれた管Pを有する熱交換器1の発明である。本発明に係る熱交換器1においては、管Pの内部を流れる第1の流体と、管Pの外部を流れ、第1の流体とは異なる温度を有する第2の流体との間で、管Pの壁を介して熱交換が行われる。第1の流体及び第2の流体は、双方が液体又は気体であってもよく、あるいはいずれか一方が液体で他方が気体であってもよい。本発明に係る熱交換器1において、第1の流体と第2の流体の流れる方向は、同一方向でもよく、あるいは互いに逆の方向であってもよい。熱交換器1に供給される第1の流体及び第2の流体の温度は一定でもよく、あるいは変化してもよい。
<Basic configuration of heat exchanger>
The present invention is an invention of a heat exchanger 1 having a tube P wound in a coil shape around a central axis. In the heat exchanger 1 according to the present invention, between the first fluid flowing inside the pipe P and the second fluid flowing outside the pipe P and having a different temperature from the first fluid, Heat exchange takes place through the P wall. The first fluid and the second fluid may both be liquid or gas, or one of them may be liquid and the other may be gas. In the heat exchanger 1 according to the present invention, the flow directions of the first fluid and the second fluid may be the same direction, or may be opposite directions. The temperature of the first fluid and the second fluid supplied to the heat exchanger 1 may be constant or may change.

本発明に係る熱交換器1において、第2の流体が流れる流路は、コイル状に巻かれた管Pを設置することができる広さを有する空間である。第2の流体が流れる流路の断面積は、第1の流体が流れる管の内部の断面積と比べて大きい。したがって、本発明に係る熱交換器1の好ましい用途としては、第2の流体の有する熱を利用して第1の流体を加熱したり冷却したりすることが考えられる。しかし、本発明に係る熱交換器1を用いて、上記とは逆に、第1の流体の有する熱を利用して第2の流体を加熱したり冷却したりすることも可能である。   In the heat exchanger 1 according to the present invention, the flow path through which the second fluid flows is a space having an area where the pipe P wound in a coil shape can be installed. The cross-sectional area of the flow path through which the second fluid flows is larger than the cross-sectional area inside the pipe through which the first fluid flows. Therefore, as a preferable use of the heat exchanger 1 according to the present invention, it is conceivable to heat or cool the first fluid by using heat of the second fluid. However, it is also possible to use the heat exchanger 1 according to the present invention to heat and cool the second fluid using the heat of the first fluid, contrary to the above.

本発明に係る熱交換器1において、管Pは、中心軸の周りにコイル状に巻かれている。コイル状とは、三次元のらせん状あるいはヘリカル形状をいい、後で詳しく述べるように、中心軸から管Pまでの距離は一定ではなく変化してもよい。また、管Pを中心軸の周りにコイル状に巻く方向は、周方向についても、軸線方向についても、熱交換器全体で一定の方向であることが、製造を容易にする点で好ましい。熱交換器1を構成する管Pは、1本であってもよく、2本以上であってもよい。製造を容易にする点からは1本の管で構成されていることが好ましい。   In the heat exchanger 1 according to the present invention, the pipe P is wound in a coil shape around a central axis. The coil shape refers to a three-dimensional helical shape or a helical shape, and as described later in detail, the distance from the central axis to the tube P may not be constant but may vary. Further, it is preferable that the direction in which the pipe P is wound in a coil shape around the central axis be a constant direction in the entire heat exchanger in both the circumferential direction and the axial direction in view of facilitating manufacture. The heat exchanger 1 may have one pipe P or two or more pipes. From the viewpoint of facilitating production, it is preferable that the tube is constituted by one tube.

本発明に係る熱交換器1において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分について、曲率半径が異なる。中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分とは、コイル状に巻かれた管Pのある部分と、その部分とは軸線方向に一巻き分だけ位置の異なる管Pの部分をいう。これらの互いに隣り合う部分について、管Pの曲率半径が異なるため、コイルの径が異なることとなる。曲率半径が小さくなる方向に変化した場合は、管Pの位置が中心軸に近づく。また、曲率半径が大きくなる方向に変化した場合は、管Pの位置が中心軸から遠ざかる。これにより、第2の流体のうち中心軸に近い位置を流れる流体と、中心軸から遠い位置を流れる流体の両方を有効に利用することができるので、熱交換の効率が向上する。   In the heat exchanger 1 according to the present invention, the radii of curvature of the pipes P adjacent to each other in the axial direction of the central axis are different. The portions of the tubes P that are adjacent to each other in the axial direction of the central axis refer to a portion of the tube P wound in a coil shape and a portion of the tube P that is different in position by one turn in the axial direction. Since the radius of curvature of the pipe P is different between these adjacent portions, the diameter of the coil is different. When the radius of curvature changes in a direction to decrease, the position of the pipe P approaches the central axis. If the radius of curvature changes in the direction of increasing, the position of the pipe P moves away from the central axis. This makes it possible to effectively use both the fluid flowing at a position close to the central axis and the fluid flowing at a position distant from the central axis in the second fluid, so that the efficiency of heat exchange is improved.

本発明に係る熱交換器1において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分について、曲率半径が異なるとは、コイル状に巻かれた管Pの全体にわたって曲率半径が一定でないことをいう。コイル状に巻かれた管Pの全体にわたって曲率半径が一定である場合、すなわち、コイルの径が一定で中心軸から管Pまでの距離も一定である場合には、第2の流体の全部を有効に利用することができない。なお、コイル状に巻かれた管Pの一部においてたまたま曲率半径が同一である管Pの部分のペアが存在する場合であっても、その一部を除く他の部分で、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分の曲率半径が異なっていれば、本発明の効果を得ることができる。したがって、本発明の実施の形態は、隣り合う管Pの部分の曲率半径が同一である部分の存在を完全に排除するものではない。   In the heat exchanger 1 according to the present invention, the difference in the radius of curvature between the portions of the tubes P adjacent to each other in the axial direction of the central axis means that the radius of curvature is not constant over the entire tube P wound in a coil shape. Say. When the radius of curvature is constant over the entire tube P wound in a coil shape, that is, when the diameter of the coil is constant and the distance from the central axis to the tube P is constant, all of the second fluid is removed. It cannot be used effectively. Even if there is a pair of pipes P having the same radius of curvature in a part of the pipe P wound in a coil shape, the axis of the central axis is used in other parts except the part. If the radii of curvature of the pipes P adjacent to each other in the directions are different, the effect of the present invention can be obtained. Therefore, the embodiment of the present invention does not completely exclude the existence of a portion where the radius of curvature of adjacent pipes P is the same.

本発明に係る熱交換器1において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分について、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う。投影された像とは、中心軸に平行な平行光線を管Pに当てたときにできる影が、中心軸に垂直な面に投影された像をいう。本発明においては、管Pのある部分の投影された像と、それと隣り合う管Pの他の部分の投影された像とが、中心軸に垂直な面において重なり合う。言い換えれば、隣り合う管Pの部分について、曲率半径の変化は管Pの外径を超えない。   In the heat exchanger 1 according to the present invention, for the portions of the pipes P adjacent to each other in the axial direction of the central axis, the images projected on the plane perpendicular to the central axis overlap. The projected image is an image in which a shadow formed when a parallel ray parallel to the central axis is applied to the tube P is projected on a plane perpendicular to the central axis. In the present invention, a projected image of one portion of the tube P and a projected image of another portion of the tube P adjacent thereto overlap in a plane perpendicular to the central axis. In other words, for adjacent pipes P, the change in the radius of curvature does not exceed the outer diameter of the pipes P.

熱交換の効率のみを重視する場合は、例えば、特許文献2に記載された冷媒パイプのように、投影された像が重なり合わないように配置することが好ましい。しかし、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分について、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合わないようにするには、管Pを強く曲げて、曲率半径を、管Pの外径を超える程度に極端に変化させなければならない。そうすると、管Pが破損したり、管Pの加工に時間がかかったりするなどの課題が発生する。本発明に係る熱交換器1においては、中心軸に垂直な面に投影した像が重なり合う程度の緩やかな曲率半径の変化を起こさせて管Pをコイル状に巻いているので、上記の製造上の課題を解決することができる。   When only the efficiency of heat exchange is emphasized, it is preferable to arrange the projected images so as not to overlap each other, for example, as in a refrigerant pipe described in Patent Document 2. However, for portions of the pipes P adjacent to each other in the axial direction of the central axis so that the images projected on the plane perpendicular to the central axis do not overlap, the pipe P is strongly bent and the radius of curvature is reduced. It must be extremely changed to exceed the outer diameter of P. Then, problems such as breakage of the pipe P and time required for processing the pipe P occur. In the heat exchanger 1 according to the present invention, the pipe P is wound in a coil shape by causing a gradual change in the radius of curvature such that the images projected on the plane perpendicular to the central axis are overlapped. Can be solved.

本発明において、中心軸に垂直な面に投影された像の重なり合いは、コイル状に巻かれた管Pの周方向全体において実現されていることが好ましい。管Pの周方向の一部にでも投影した像が重なり合っていない部分があれば、その部分が強く加工されることになり、上記の製造上の課題が発生するからである。   In the present invention, it is preferable that the overlapping of the images projected on the plane perpendicular to the central axis is realized in the entire circumferential direction of the tube P wound in a coil shape. If there is a portion where the projected images do not overlap even in a part of the pipe P in the circumferential direction, the portion will be strongly processed, and the above-described manufacturing problem will occur.

本発明において、中心軸に垂直な面に投影された像の重なり合いの程度は特に限定されない。投影された像のうち重なり合う部分の面積の割合が10%以上であるときは、曲率半径の変化が少ないため、管Pをあまり強く曲げる必要がないので、管Pが破損したり、管Pの加工に時間がかかったりするなどのリスクをより確実に低減することができる。重なり合う部分の面積の割合が90%以下であるときは、曲率半径の変化がゼロでないため、コイル状に巻かれた管Pの中心軸の軸線方向に測った長さをあまり長くしなくても、管Pの位置を中心軸に近づけたり中心軸から遠ざけたりすることができるので、熱交換器1の長さをよりコンパクトにすることができる。したがって、本発明において、投影された像のうち重なり合う部分の面積の割合は、10%以上、90%以下であることが好ましい。重なり合う部分の面積の割合のより好ましい範囲は、20%以上、80%以下である。   In the present invention, the degree of overlapping of images projected on a plane perpendicular to the central axis is not particularly limited. When the ratio of the area of the overlapping portion in the projected image is 10% or more, the change in the radius of curvature is small, so that it is not necessary to bend the pipe P too strongly. Risks such as time-consuming processing can be more reliably reduced. When the ratio of the area of the overlapping portion is 90% or less, since the change in the radius of curvature is not zero, the length measured in the axial direction of the central axis of the tube P wound in a coil shape does not need to be too long. Since the position of the pipe P can be moved closer to or away from the central axis, the length of the heat exchanger 1 can be made more compact. Therefore, in the present invention, the proportion of the area of the overlapping portion in the projected image is preferably 10% or more and 90% or less. A more preferable range of the ratio of the area of the overlapping portion is 20% or more and 80% or less.

本発明の好ましい実施の形態において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Pの部分について、曲率半径が、管の最小曲率半径以上である。管Pの最小曲率半径とは、管Pを破損することなくそれ以上強く曲げることのできない最少の曲率半径をいう。管Pの最小曲率半径は、管Pを構成する材料の機械的性質、管Pの寸法、管Pの加工履歴その他の条件によって定まる量である。熱交換器1において第2の流体を有効に利用したければ、管Pがコイルの中心軸にできるだけ近づくように、管Pに強い曲げ加工を施してコイルの径を部分的に小さくすることが考えられる。しかし、管Pの材質や形状によっては、強い曲げ加工を施した場合に、管Pが容易に損傷したり、管Pの曲げ加工に時間がかかったりすることがある。したがって、管Pの曲率半径は、熱交換器全体において最小曲率半径を下回らないことが好ましい。   In a preferred embodiment of the present invention, the radius of curvature of the portions of the pipes P adjacent to each other in the axial direction of the central axis is equal to or larger than the minimum radius of curvature of the pipe. The minimum radius of curvature of the pipe P refers to the minimum radius of curvature that cannot be bent further without breaking the pipe P. The minimum radius of curvature of the pipe P is an amount determined by the mechanical properties of the material constituting the pipe P, the dimensions of the pipe P, the processing history of the pipe P, and other conditions. If it is desired to effectively use the second fluid in the heat exchanger 1, the pipe P may be strongly bent to partially reduce the diameter of the coil so that the pipe P approaches the center axis of the coil as much as possible. Conceivable. However, depending on the material and shape of the pipe P, when strong bending is performed, the pipe P may be easily damaged, or it may take time to bend the pipe P. Therefore, it is preferable that the radius of curvature of the pipe P does not fall below the minimum radius of curvature in the entire heat exchanger.

<第1の実施形態>
本発明の好ましい実施の形態において、管Pの部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って増加又は減少する。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る熱交換器1の例を示す斜視図である。この実施形態では、コイル状に巻かれた管Pの部分の曲率半径が両端に位置する曲率半径最小部Sでは最小であり、中央部に位置する曲率半径最大部Lでは最大である。つまり、管Pの部分の曲率半径は、中心軸の軸線方向に沿って最初は増加し、中央部を超えると減少する。中央部では曲率半径の変化が小さくなり、曲率半径が同一である管Pの部分のペアが存在する。それ以外の部分では、管Pが中心軸に近づいたり中心軸から遠ざかったりするので、第2の流体を有効に利用することができる。図1に示す熱交換器1の中心軸から遠い位置を流れる第2の流体は、コイルの間隙を通って中心軸に近い位置に流入し、その後、再び中心軸から遠い位置に流出する。これにより、第2の流体が熱交換器1によって攪拌されるので、熱交換の効率が向上する。また、熱交換器1の形状が軸線方向に対称なので、第2の流体が流れる方向に対して設置の向きを選ぶ必要がない。
<First embodiment>
In a preferred embodiment of the invention, the radius of curvature of the section of the tube P increases or decreases along the axis of the central axis. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a heat exchanger 1 according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, the radius of curvature of the portion of the tube P wound in a coil shape is the minimum at the minimum radius of curvature S located at both ends and the maximum at the maximum radius of curvature L located at the center. That is, the radius of curvature of the portion of the pipe P initially increases along the axial direction of the central axis, and decreases when the radius exceeds the central portion. In the center, the change in the radius of curvature is small, and there is a pair of pipes P having the same radius of curvature. In other portions, the pipe P approaches or moves away from the central axis, so that the second fluid can be effectively used. The second fluid flowing at a position far from the central axis of the heat exchanger 1 shown in FIG. 1 flows through the gap between the coils to a position near the central axis, and then flows out again to a position far from the central axis. Thereby, the second fluid is stirred by the heat exchanger 1, so that the efficiency of heat exchange is improved. Further, since the shape of the heat exchanger 1 is symmetric in the axial direction, it is not necessary to select the installation direction with respect to the direction in which the second fluid flows.

図2は、本発明の第1の実施の形態に係る熱交換器1の他の例を示す斜視図である。この実施形態では、コイル状に巻かれた管Pの部分の曲率半径が上端に位置する曲率半径最大部Lでは最大であり、その後曲率半径最小部Sで最小値に至るまで減少したあと、再び増加に転じ、下方に位置する曲率半径最大部Lでの最大値を経て再び減少に転じ、下端における曲率半径は最大値と最小値の中間の値となっている。曲率半径最小部Sと曲率半径最大部Lにおいては、曲率半径が同一である管Pの部分のペアが存在する。それ以外の部分では、管Pが中心軸に近づいたり中心軸から遠ざかったりするので、第2の流体を有効に利用することができる。また、図1に示す熱交換器1の場合と同様に、第2の流体は、コイルの中心軸の近い位置から遠い位置に流出したり、その逆の動きを繰り返したりすることによって攪拌されるので、熱交換の効率が向上する。また、コイルの径が2箇所で最大となっているので、熱交換器を第2の流体の流路に安定に固定することができる。   FIG. 2 is a perspective view showing another example of the heat exchanger 1 according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, the radius of curvature of the portion of the tube P wound in a coil shape is maximum at the maximum radius of curvature L located at the upper end, and then decreases to the minimum value at the minimum radius of curvature S, and then again. It starts to increase and then starts to decrease again after passing through the maximum value at the maximum radius of curvature L located below, and the radius of curvature at the lower end is an intermediate value between the maximum value and the minimum value. At the minimum radius of curvature S and the maximum radius of curvature L, there is a pair of pipes P having the same radius of curvature. In other portions, the pipe P approaches or moves away from the central axis, so that the second fluid can be effectively used. Further, as in the case of the heat exchanger 1 shown in FIG. 1, the second fluid is stirred by flowing out from a position close to the center axis of the coil to a position far from the center axis, or by repeating the reverse movement. Therefore, the efficiency of heat exchange is improved. Further, since the diameter of the coil is maximum at two places, the heat exchanger can be stably fixed to the flow path of the second fluid.

<第2の実施形態>
本発明の好ましい実施の形態において、管Pの部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って交互に大きくなったり小さくなったりする。図3は、本発明の第2の実施の形態に係る熱交換器1の例を示す斜視図である。この実施形態では、コイル状に巻かれた管Pの部分の曲率半径が大きい部分lと小さい部分sとが交互に設けられている。曲率半径が大きい部分lと小さい部分sにおけるそれぞれの曲率半径は、熱交換器全体にわたって同一である。この実施形態では、曲率半径の大きさが大小2種類しかないので、製造が容易である。なお、第2の実施形態は、図3に示した形態に限られず、管Pの部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って交互に大きくなったり小さくなったりすればよく、曲率半径の大きさを大小2種類に限定することは必ずしも必要ではない。この場合であっても、コイルの径が大きい部分を任意に位置に設けることができるので、熱交換器を第2の流体の流路に安定に固定することができる。
<Second embodiment>
In a preferred embodiment of the invention, the radius of curvature of the portion of the tube P alternates between increasing and decreasing along the axial direction of the central axis. FIG. 3 is a perspective view illustrating an example of the heat exchanger 1 according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, a portion l of a large radius of curvature and a small portion s of a portion of a tube P wound in a coil shape are provided alternately. The respective radii of curvature in the large radius l and the small radius s are the same throughout the heat exchanger. In this embodiment, since there are only two types of large and small radii of curvature, manufacturing is easy. Note that the second embodiment is not limited to the embodiment shown in FIG. 3, and the radius of curvature of the pipe P may be increased or decreased alternately along the axial direction of the central axis. It is not always necessary to limit the size to two types, large and small. Even in this case, a portion having a large diameter of the coil can be provided at an arbitrary position, so that the heat exchanger can be stably fixed to the flow path of the second fluid.

<管の形状など>
本発明に係る熱交換器1を構成する管Pには、内部に第1の流体を流すことができ、熱伝導性を有する管であれば、どのような管でも使用することができる。中心軸の周りにコイル状に巻くことが必要であることから、少ない力で曲げることができ、曲げ加工によっても破損しにくい管であることが好ましい。管Pを構成する材料としては、例えば、金属、合金又は樹脂などを用いることができる。具体的には、銅、鋼、ステンレス、ポリエチレンなどの材料で構成することができる。管Pの径及び肉厚は、材料及び内部の流れる第1の流体の流量などに応じて適宜設計することができる。管Pの径及び肉厚は、管全体にわたって一定であってもよく、あるいは各部分で変化してもよい。管Pの内径、外径あるいはこれらの双方について、表面に防食その他を目的とするコーティングを施してもよい。
<Tube shape>
The pipe P constituting the heat exchanger 1 according to the present invention allows the first fluid to flow therein, and any pipe having thermal conductivity can be used. Since it is necessary to wind the coil around the central axis, it is preferable that the tube be capable of being bent with a small force and is not easily damaged by bending. As a material forming the tube P, for example, a metal, an alloy, a resin, or the like can be used. Specifically, it can be made of a material such as copper, steel, stainless steel, or polyethylene. The diameter and thickness of the pipe P can be appropriately designed according to the material and the flow rate of the first fluid flowing inside. The diameter and wall thickness of the tube P may be constant over the entire tube, or may vary from part to part. With respect to the inner diameter and the outer diameter of the pipe P or both of them, a coating for the purpose of corrosion prevention or the like may be applied to the surface.

本発明の好ましい実施の形態において、管Pの少なくとも一部が、金属製コルゲイト管である。金属製コルゲイト管とは、金属の薄板で構成された管に段付け加工を施して、長さ方向に凹凸を設けた管をいい、極めて容易に曲げ加工を行うことができるという利点を有する。また、本発明を構成する管Pに金属製コルゲイト管を使用した場合、管Pを流れる第1の流体の流動方向と垂直に段が設けられているため、管Pの内壁付近で乱流が発生し、第2の流体との熱交換の効率を向上させる効果がある。コルゲイト管を構成する金属は、銅、銅合金又はステンレスなどが好ましい。   In a preferred embodiment of the present invention, at least a part of the pipe P is a metal corrugated pipe. The metal corrugated pipe is a pipe formed by applying a stepping process to a pipe made of a thin metal plate to provide unevenness in a longitudinal direction, and has an advantage that bending can be performed extremely easily. When a metal corrugated pipe is used for the pipe P constituting the present invention, since a step is provided perpendicular to the flow direction of the first fluid flowing through the pipe P, a turbulent flow is generated near the inner wall of the pipe P. This has the effect of improving the efficiency of heat exchange with the second fluid. The metal constituting the corrugated tube is preferably copper, copper alloy, stainless steel or the like.

本発明の好ましい実施の形態において、熱交換器1を構成する管Pは、図4に示す比較例と同様に、例えば、上板21、下板22及び支柱23を有する枠2などを用いて第2の流体の流路に固定される。管Pの両端部には、第1の流体を供給し、あるいは排出するための配管が接続される。管Pと配管は、溶接などを用いて直接接続することができる。また、管継手を用いて間接的に接続することもできる。   In a preferred embodiment of the present invention, the pipe P constituting the heat exchanger 1 is formed by using, for example, a frame 2 having an upper plate 21, a lower plate 22, and a column 23, as in the comparative example shown in FIG. It is fixed to the flow path of the second fluid. A pipe for supplying or discharging the first fluid is connected to both ends of the pipe P. The pipe P and the pipe can be directly connected using welding or the like. Further, the connection can be made indirectly using a pipe joint.

<熱交換器の使用方法>
本発明に係る熱交換器1では、第2の流体のうち中心軸に近い位置を流れる流体と、中心軸から遠い位置を流れる流体の両方を有効に利用することによって、熱交換の効率が向上する。すなわち、本発明に係る熱交換器1は、基本的に、第2の流体が中心軸の軸線方向に流動することを想定して構成されている。具体的な設置場所としては、例えば、地下水が噴出する井戸や、河川水が流れる河川などを挙げることができる。中でも、10mを超える深さから湧き出る地下水は、一年を通じて15℃前後の温度を保つため、熱交換に用いる第2の流体として適している。本発明に係る熱交換器1はコイルの外形を小さくコンパクトに構成することができるので、例えば、外径が300mm程度の小さな井戸に縦方向に挿入して容易に設置することができる。一方、河川に設ける場合は、例えば、中心軸が河川水の流れの方向と一致するように河床内に水平に設置することができる。
<How to use the heat exchanger>
In the heat exchanger 1 according to the present invention, the efficiency of heat exchange is improved by effectively utilizing both the fluid flowing at a position near the central axis and the fluid flowing at a position far from the central axis among the second fluids. I do. That is, the heat exchanger 1 according to the present invention is basically configured on the assumption that the second fluid flows in the axial direction of the central axis. Specific installation locations include, for example, wells from which groundwater spouts and rivers through which river water flows. Above all, groundwater that springs out from a depth exceeding 10 m is suitable as a second fluid used for heat exchange because it maintains a temperature of about 15 ° C. throughout the year. Since the heat exchanger 1 according to the present invention can be configured to have a small coil size and a compact size, the heat exchanger 1 can be easily installed in a small well having an outer diameter of about 300 mm in the vertical direction, for example. On the other hand, when installed in a river, for example, it can be installed horizontally in the riverbed such that the central axis matches the direction of the flow of the river water.

<参考例>
本発明に係る熱交換器の熱交換の効率を従来技術と比較する目的で、コンピュータシミュレーションによる温度の解析を行った。熱交換器の形状は、図1に例示した形状とした。第2の流体が流れる流路は、直径が300mmの円柱形状とした。流路に設置される熱交換器は、内径が15mm、長さが14.5mの管で構成され、コイルの径は最大で250mm、最小で100mmとした。比較例となる熱交換器では、コイルの径は一定で250mmとした。互いに隣り合う管の部分の間隔、すなわちピッチは、管の中心間の距離で60mmとした。参考例、比較例ともに、第2の流体は、温度が21.0℃、流速が1.4m毎分の水とした。第1の流体は、入口側の温度が23.0℃、流速が50m毎分の水とし、第1の流体を流す方向は、第2の流体と同一の方向とした。シミュレーションでは、第1の流体の出口側の温度が徐々に低下して安定したときの温度を計測し、第1の流体の入口側と出口側の温度差を、第1の流体と第2の流体の温度差で割った値の百分率を熱交換の効率として求めた。また、温度が安定したときの各部分の温度分布を色で表示した。シミュレーションによる温度計測の結果を表1の参考例1及び比較例1に示す。
<Reference example>
In order to compare the heat exchange efficiency of the heat exchanger according to the present invention with that of the prior art, the temperature was analyzed by computer simulation. The shape of the heat exchanger was the shape illustrated in FIG. The flow path through which the second fluid flows had a cylindrical shape with a diameter of 300 mm. The heat exchanger installed in the flow path was constituted by a tube having an inner diameter of 15 mm and a length of 14.5 m, and the diameter of the coil was 250 mm at the maximum and 100 mm at the minimum. In the heat exchanger of the comparative example, the diameter of the coil was constant and 250 mm. The distance between adjacent pipe portions, that is, the pitch, was 60 mm as the distance between the centers of the pipes. In both the reference example and the comparative example, the second fluid was water having a temperature of 21.0 ° C. and a flow rate of 1.4 m per minute. The first fluid was water having an inlet temperature of 23.0 ° C. and a flow rate of 50 m / min, and the flow direction of the first fluid was the same as that of the second fluid. In the simulation, the temperature when the temperature on the outlet side of the first fluid gradually decreased and became stable was measured, and the temperature difference between the inlet side and the outlet side of the first fluid was determined by comparing the temperature difference between the first fluid and the second fluid. The percentage of the value divided by the temperature difference of the fluid was determined as the efficiency of heat exchange. Further, the temperature distribution of each portion when the temperature was stabilized was displayed in color. The results of temperature measurement by simulation are shown in Reference Example 1 and Comparative Example 1 in Table 1.

表1に示すシミュレーションの結果によれば、参考例1について比較例1に示す従来技術と比較して熱交換の効率が向上した。その原因を考察するため、色で表示された温度分布を観察したところ、比較例1の熱交換器では、中心軸から遠い位置を流れて上流側の管で温められた第2の流体が、同じ位置の下流側の管と接触することによって、第1の流体と第2の流体の温度差が小さくなる一方で、中心軸付近を流れる第2の流体には温度変化がほとんど認められず、全体として熱交換の効率が良くないことが認められた。一方、本発明に係る熱交換器では、比較例の熱交換器と比べてより広い断面積で第1の流体と第2の流体の熱交換が行われるため、熱交換の効率が向上していることが認められた。   According to the simulation results shown in Table 1, the heat exchange efficiency of Reference Example 1 was improved as compared with the conventional technique shown in Comparative Example 1. In order to consider the cause, when observing the temperature distribution indicated by color, in the heat exchanger of Comparative Example 1, the second fluid flowing at a position far from the central axis and heated by the upstream pipe was By contacting the downstream tube at the same position, the temperature difference between the first fluid and the second fluid is reduced, while the temperature of the second fluid flowing near the center axis is hardly changed, It was recognized that the efficiency of heat exchange was not good as a whole. On the other hand, in the heat exchanger according to the present invention, since the heat exchange between the first fluid and the second fluid is performed with a wider cross-sectional area than the heat exchanger of the comparative example, the heat exchange efficiency is improved. Was admitted.

次に、第1の流体と第2の流体の温度差を拡大したときの、流体の流れる方向の影響を推定する目的で、参考例1と比較例1と同じモデルを使用して解析を行った。すなわち、第1の流体の温度を25.0℃、第2の流体の温度を自噴する地下水を想定して15.0℃とし、第2の流体を流す方向を第1流体と同一方向又は逆方向とした以外は、表1と同じ条件でシミュレーションを実施した。シミュレーションによる温度計測の結果を表1の参考例2、参考例3及び比較例2に示す。   Next, analysis was performed using the same model as in Reference Example 1 and Comparative Example 1 for the purpose of estimating the influence of the flowing direction of the fluid when the temperature difference between the first fluid and the second fluid was enlarged. Was. That is, the temperature of the first fluid is set to 25.0 ° C., the temperature of the second fluid is set to 15.0 ° C. assuming self-injecting groundwater, and the flow direction of the second fluid is the same as or opposite to that of the first fluid. The simulation was performed under the same conditions as in Table 1 except that the direction was changed. The results of temperature measurement by simulation are shown in Reference Example 2, Reference Example 3, and Comparative Example 2 in Table 1.

表1に示すシミュレーションの結果によれば、第1の流体と第2の流体との温度差を大きくした参考例2及び比較例2における熱交換の効率は、それぞれ参考例1及び比較例1の結果と変わらなかった。一方、流体を流す方向を逆方向とした参考例3の場合は、参考例1及び参考例2の結果と比べて熱交換の効率がやや高くなった。これは、逆方向の場合、第2の流体が最初に接触する第1の流体が既に上流で冷やされているために、第2の流体の温度があまり上昇しないためであると考えられる。   According to the simulation results shown in Table 1, the heat exchange efficiencies in Reference Example 2 and Comparative Example 2 in which the temperature difference between the first fluid and the second fluid was increased were higher than those in Reference Example 1 and Comparative Example 1, respectively. It was not different from the result. On the other hand, in the case of Reference Example 3 in which the flowing direction of the fluid was reversed, the heat exchange efficiency was slightly higher than the results of Reference Examples 1 and 2. This is considered to be because in the reverse direction, the temperature of the second fluid does not increase so much because the first fluid that the second fluid contacts first has already been cooled upstream.

次に、第2の流体の流量を1.4m毎分から60m毎分に増加させたときの熱効率を推定する目的で、参考例1と比較例1と同じモデルを使用して解析を行った。すなわち、第2の流体の流速を60m毎分とした以外は、上記と同じ条件でシミュレーションを実施した。シミュレーションによる温度計測の結果を表1の参考例4及び比較例3に示す。   Next, in order to estimate the thermal efficiency when the flow rate of the second fluid was increased from 1.4 m / min to 60 m / min, analysis was performed using the same model as Reference Example 1 and Comparative Example 1. That is, the simulation was performed under the same conditions as above except that the flow rate of the second fluid was set to 60 m per minute. The results of temperature measurement by simulation are shown in Reference Example 4 and Comparative Example 3 in Table 1.

表1に示すシミュレーションの結果によれば、第2の流体の流速を大きく増加させた場合においても、本発明に係る参考例4と従来技術に係る比較例3とでは、熱交換の効率に有意差があることが認められた。   According to the simulation results shown in Table 1, even when the flow rate of the second fluid was greatly increased, the heat exchange efficiency was significantly different between Reference Example 4 according to the present invention and Comparative Example 3 according to the related art. It was noted that there was a difference.

1 熱交換器
2 枠
21 上板
22 下板
23 支柱
P 管
L 曲率半径最大部
S 曲率半径最小部
l 曲率半径の大きい部分
s 曲率半径の小さい部分

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat exchanger 2 Frame 21 Upper plate 22 Lower plate 23 Prop P pipe L Maximum radius of curvature S Minimum radius of curvature l Part with large radius of curvature s Part with small radius of curvature

Claims (6)

中心軸の周りにコイル状に巻かれた管を有する熱交換器であって、
中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管の部分について、曲率半径が異なり、かつ、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う
熱交換器。
A heat exchanger having a coiled tube around a central axis,
A heat exchanger in which tubes adjacent to each other in the axial direction of the central axis have different radii of curvature and images projected on a plane perpendicular to the central axis overlap.
前記管の部分について、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う部分の面積の割合が、10%以上、90%以下である
請求項1に記載の熱交換器。
2. The heat exchanger according to claim 1, wherein a ratio of an area of a portion of the tube where an image projected on a plane perpendicular to a central axis overlaps is 10% or more and 90% or less.
前記管の部分について、曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って増加又は減少する
請求項1又は請求項2に記載の熱交換器。
The heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein a radius of curvature of the portion of the tube increases or decreases along an axial direction of a central axis.
前記管の部分について、曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って交互に大きくなったり小さくなったりする
請求項1又は請求項2に記載の熱交換器。
The heat exchanger according to claim 1, wherein a radius of curvature of the tube portion increases and decreases alternately along an axial direction of a central axis.
前記管の部分について、曲率半径が、管の最小曲率半径以上である
請求項1から4までのいずれかに記載の熱交換器。
5. The heat exchanger according to claim 1, wherein the radius of curvature of the portion of the tube is greater than or equal to the minimum radius of curvature of the tube.
管の少なくとも一部が、金属製コルゲイト管である
請求項1から5までのいずれかに記載の熱交換器。

The heat exchanger according to any one of claims 1 to 5, wherein at least a part of the tube is a metal corrugated tube.

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