JP2021009007A

JP2021009007A - 熱交換器、その製造方法及び熱交換装置

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Publication number: JP2021009007A
Application number: JP2019124210A
Authority: JP
Inventors: 幸男井野口; Yukio Inoguchi
Original assignee: Mitsubishi Chemical Infratec Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Infratec Co Ltd
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-28
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: JP7299084B2

Abstract

【課題】コイル式熱交換装置の熱交換器を、樹脂製管体を用いて形成するにあたり、大きさの異なる熱交換器にフレキシブルに対応してコストをかけずに製作することができるようにする。【解決手段】樹脂製ネット部材により形成された径が異なる内側円筒体２と外側円筒体３を略同心に配置し、内外円筒体２，３により仕切られた円環柱形の空間内に、螺旋状に巻かれた樹脂製管体からなるコイル４を配置して構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、コイル式熱交換装置の熱交換器に関する。

温泉が沸き出す地域では、温泉熱をエネルギー資源として活用すること、例えば温泉熱エネルギーを発電に利用したり、ヒートポンプを活用して温泉昇温や暖房などに利用したり、或いは温泉と熱交換した温水を地域に供給して融雪や床暖房、施設園芸に利用したりすることが行われている。
温泉熱の回収に利用される熱交換器は熱伝導率が良好な金属製のものが主流であるが、金属は錆びて孔が空いたり、その孔からの水漏れで媒体が変色したりするなどの問題がある。熱交換器の設置場所や設置規模などによっては金属製に代えて樹脂製管体を螺旋状に巻いた熱交換器の利用が検討され、幾つかの温泉地で使用されてきている。

樹脂製の熱交換器は、金属のような腐蝕が起きるようなことはなく、また、金属製のものに比べて機器が軽量化して施工も簡便に行えるという利点がある。しかし、螺旋状に巻かれた管体が水よりも比重が小さい樹脂材料により形成されていた場合、タンク内で媒体中に浸漬させた熱交換器が浮き、螺旋状に巻かれた管体を束ねる処理がされてないと、巻かれていた管体がほどけて媒体中に広がってしまう事態が生じかねない。
かかる事態の対処が施された熱交換器として、螺旋状に巻かれた樹脂製管体の周囲を、複数本の樹脂製のパイプ同士を連結して組み立てた支持枠で取り囲んで、前記管体を支持枠内に固定した構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１７−２１９２３８号公報

前記パイプで組み立てられた支持枠内に螺旋状に巻いた樹脂製管体を固定する構成のものは、樹脂製管体がその曲げ剛性が小さなものであれば支持枠内に螺旋状に巻くことができるが、曲げ剛性が大きく固いものは巻いた形状に保持することが難しく、支持枠があったとしても螺旋状に巻いた形に固定することができないという問題がある。
また、支持枠は、長さの異なる複数本のパイプとパイプの端部同士を接続するチーズを用いて組み立てられるが、熱交換器の大きさ、つまり樹脂管を螺旋状に巻くときの径や長さ（高さ）が異なる場合は、製作する熱交換器の大きさに応じた長さのパイプとチーズが必要となる。支持枠は、螺旋状に巻く樹脂製管体の大きさにフレキシブルに対応して製作することができないため、製作コストがかるという問題がある。

本発明は上記のような問題点に鑑み、コイル式熱交換装置の熱交換器を、樹脂製管体を用いて形成するにあたり、熱交換器がタンク内で媒体中に浸漬させた状態で螺旋状に巻かれた樹脂製管体を当初の巻き付け位置に保持することができ、大きさの異なる熱交換器にフレキシブルに対応してコストをかけずに製作できるようにすることを課題とする。また、本発明は、熱交換率が良好な樹脂製熱交換器を、コストをかけずに製作することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、コイル式熱交換装置の熱交換器であって、樹脂製ネット部材により形成された径が異なる内側円筒体と外側円筒体が略同心に配置され、前記内外円筒体により仕切られた円環柱形の空間内に、螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置された構成を有することを特徴とする。
また、本発明の熱交換器は、樹脂製ネット部材により形成された径が異なる複数の円筒体が互いに略同心に配置され、前記複数の円筒体により仕切られた各円筒体間の円環柱形の空間内に、各々螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置された構成を有することを特徴とする。

前記構成の熱交換器は、例えば、樹脂製ネット部材を円筒状に巻いて第一の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体の外面に樹脂製管体を当該円筒体の一端から他端に亘って巻き付ける工程と、
前記管体の他端部を第一の円筒体の内側空間を通して前記管体の一端部側へ突出させる工程と、
前記第一の円筒体の外面に巻かれた管体の外面に、樹脂製ネット部材を重ねて第二の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体と第二の円筒体の両端部の円環状に開口した部分を接続手段により閉鎖する工程と、
を含む加工工程により製造することができる。

これによれば、螺旋状に巻かれた樹脂製管体は、内側円筒体と外側円筒体に挟まれるようにして内外円筒体間に保持される。内外円筒体は、ともに樹脂製ネット部材により形成されており、可撓性を有するため加工が容易であり、例えば束ねて保管されていた樹脂製ネット部材を、適宜な長さ引き出して切断し、これを円筒形状に丸めて先後両端部を連結することで、簡単に製作することができる。
前記のとおり、内側円筒体の外面に樹脂製管体を螺旋状に巻き付け、さらに螺旋状に巻いた樹脂製管体の外面に樹脂製ネット部材を巻き付けて外側円筒体を形成し、内外円筒体の円環状に開口した両端部を接続手段で閉鎖することで熱交換器が作製される。
螺旋状に巻かれた樹脂製管体は、上下両端部を接続手段で閉鎖して袋状となった内外円筒体間に保持されるので、この熱交換器をタンク内で媒体中に浸漬させても、螺旋状に巻かれた樹脂製管体がほどけてタンク内に広がるようなことはなく、当初の内外円筒体間の巻き付け位置に確実に保持させておくことができる。
また、熱交換器は全体が合成樹脂により形成されているので、軽くて運搬が容易であり、タンク内に簡易な操作で設置して熱交換装置を構成することが可能である。

前記構成の熱交換器において、樹脂製管体の内外を流れる媒体間の熱交換効率を高めるため、管体は、螺旋の軸方向に沿って、隣接する管体同士が１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の隙間が空くように配置して巻かれていることが好ましい。
隣接する管体同士の隙間が１ｍｍよりも小さいと、管体間の隙間に入って管体外面に接触する媒体の量が極めて少なくなって熱交換量が減るため、１ｍｍ以上の隙間があることが好ましい。また、管体同士の隙間が１０ｍｍあれば十分な熱交換量が確保されるが、熱交換器全体のサイズが大型化するため、１０ｍｍ以下であることが好ましい。５ｍｍ以下であることがより好ましく、３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。管体同士の隙間が所定の幅となるように、隣接する管体間にスペーサ部材を取り付けてもよい。

また、前記構成の熱交換器において、樹脂製ネット部材は、樹脂製管体の管径よりも小さな寸法の隙間、好ましくは格子状乃至網目状の隙間を備えた形状の樹脂成形品を用いることができる。
曲げ剛性が大きく固いパイプを固定するため、また、強度確保の観点から、樹脂製ネット部材の引張強度は縦方向、横方向ともに、１ｋＮ／ｍから１００ｋＮ／ｍであることが好ましく、２ｋＮ／ｍから５０ｋＮ／ｍであることがより好ましく、３ｋＮ／ｍから４０ｋＮ／ｍであることが特に好ましい。引張強度が１ｋＮ／ｍ以上であれば、螺旋状に巻かれたパイプを崩すことなく固定でき、一方１００ｋＮ／ｍ以下であれば、ネット部材を円筒状に保持することに支障はない。

同じく、パイプの固定及び強度確保の観点から、樹脂製ネット部材の目合いは、１ｍｍから１００ｍｍであることが好ましく、５ｍｍから５０ｍｍであることがより好ましく、１０ｍｍから３０ｍｍであることが特に好ましい。ネット部材の網目部分の形状が多角形の場合は、対角線の長さが上記範囲内にあることが好ましい。上記ネット部材の引張強度に加え、ネット部材の目合いが上記範囲にあることによって、螺旋状に巻かれた樹脂製管体をしっかりと安定して固定することができる。さらに、上述のように、管体同士に所定の隙間を設けて固定するために、金属製又は合成樹脂製の留め具や結束部材を用いても良い。

このようなネット部材に用いられる樹脂としては、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリプロピレンなどを挙げることができる。なかでも、樹脂製ネット部材に剛性を付与する観点から、架橋ポリエチレン又はポリプロピレンを用いることが好ましい。これらの樹脂を縦横二方向に加熱延伸して表面を格子状に形成した市販品として、例えば、ユカドレン（登録商標）、テンサー（登録商標）などを挙げることができる。さらに耐熱性を付与させる場合には、汎用ポリエチレンよりも長い側鎖を有する耐熱ポリエチレン（ＰＥ−ＲＴ）などの樹脂を用いることができる。

また、樹脂製管体は、例えば、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン製のものを用いることができる。なかでも、強度と螺旋状にしたときの形状保持性を両立させる観点から架橋ポリエチレン製のものを選択することが好ましい。
また、内外円筒体の両端部を閉鎖するのに用いる接続手段は、金属製又は合成樹脂製の留め具や結束部材を用いることができる。

前記構成の熱交換器は、熱媒体である流体の種類や流体の流量、運転条件、必要とされる交換熱量などの使用条件に応じて、樹脂製管体の材料を適宜に選定し、管体の管径や肉厚、螺旋状に巻くコイル巻径や巻数、隣接する管体（コイル）同士の隙間、コイル長さ、コイル部の管長などを適宜に設定して形成することができる。

また、本発明の熱交換装置は、前記構成の熱交換器がタンク内に縦向きに設置され、タンク内に流入させた流体と熱交換器内を流れる流体間で熱交換を行わせるように構成されていることを特徴とする。
熱交換装置は、その使用条件などに応じてタンクの容量を適宜に設定して構成することができる。タンク内に複数の熱交換器を設置し、各熱交換器で熱交換が行われるようにしてもよい。
螺旋状に巻かれた樹脂製管体が水よりも比重が小さい樹脂材料により形成されていた場合、タンク内で流体中に浸漬させた熱交換器が浮くが、これを防ぐため、タンクの底面上に錘を設置し、この錘に熱交換器を接続するように設けてよい。
この錘は、タンクに注入される流体に対して耐蝕性のある材料で形成されたもの、或いは表面に耐蝕加工がされたものを用いることが好ましく、天然石やコンクリリートを加工して形成された重石が好適である。コストがかからない汎用品という点で、市販されている漬物石が特に好適である。

本発明の一実施形態の熱交換器の外観図である。図１の熱交換器の（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は要部を断面で示した正面図である。図１の熱交換器の上端部分を拡大して示した図である。本発明の他の実施形態の熱交換器の要部を断面で示した正面図である。熱交換器の製作工程を説明するための図であり、樹脂製ネット部材を筒状に形成した状態の概略外観図である。熱交換器の製作工程を説明するための図であり、図５に示された筒状の樹脂製ネット部材の外面に樹脂製管体を巻き付ける状態の概略外観図である。実施例の性能確認試験系の構成を説明するための図である。実施例の試験結果を示した表である。

本発明の熱交換器の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１及び図２は本発明の一実施形態の熱交換器の構成を示している。
両図に示されるように、この熱交換器１は、樹脂製ネット部材により形成された内側円筒体２と、同じく樹脂製ネット部材を用いて、前記内側円筒体２よりも大径に形成された外側円筒体３とを同心に配置し、内外円筒体２，３により仕切られた円環柱形の空間内に、螺旋状に巻かれた樹脂製管体からなるコイル４を配置して構成してある。

詳しくは、図２に示されるように、熱交換器１は、格子状乃至網目状の合成樹脂製の補強材を用いて円筒形に形成された内側円筒体２の外面に、その上端から下端に亘って架橋ポリエチレン製の管体を螺旋状に巻き付けてコイル４が装着され、このコイル４の外面に、内側円筒体２と同じ補強材を用いて円筒形に形成された外側円筒体３を装着し、内側円筒体２の下端側に至るコイル４の先端部４ｂを内側円筒体２の内側空間を通し、コイル４の元端部４ａとともに内外円筒体２，３の上方へ突出させて形成してある。
図３に示されるように、内外円筒体２，３の円環状に開口した両端部は、その周方向に沿って所定の間隔を空けて配置した複数の留め具５を、内外円筒体２，３の端部間に架け渡して塞いである。

図４は他の実施形態の熱交換器１を示しており、これは、図１及び図２に示された熱交換器１の外側円筒体３の外面に架橋ポリエチレン製の管体を螺旋状に巻き付けてコイル４を装着し、このコイル４の外面に、前記内外円筒体２，３と同じ補強材を用いた形成された円筒体６を装着して、これら三つの円筒体２，３，６間にコイル４，４が二重巻きに保持されるように構成したものである。

これら図示した熱交換器１は、例えば以下のようにして製作することができる。
先ず、図５に示されるように、樹脂製ネット部材（補強材）を円筒状に巻いて第一の円筒体である内側円筒体２を形成する。
次いで、図６に示されるように、この内側円筒体２の外面に、樹脂製管体を内側円筒体２の一端から他端に亘って巻き付けてコイル４を装着する。内側円筒体２の他端側に至るコイル４の先端部は、内側円筒体２の表面に孔を空けるなどして内側円筒体２の内側空間を通し、内側円筒体２の前記一端部側へ突出させておく。或いは、前記先端部を内側円筒体２と後述の外側円筒体３の間を通し、前記一端部側へ突出させる。
そして、内側円筒体２の外面に装着されたコイル４の外面に、樹脂製ネット部材を重ねて第二の円筒体である外側円筒体３を取り付け、内外円筒体２，３の両端部の円環状に開口した部分を複数の留め具５で閉鎖することで、図１及び図２に示された熱交換器１が作製される。
図４に示されたコイル４，４を二重巻きにした熱交換器１は、上記外側円筒体３の外面に樹脂製管体を巻き付けてコイル４を装着し、その外面に第三の円筒体を重ねるとともに、前記と同様にコイル４の端部を内側円筒体２の内部空間を通し、第三の円筒体とその内側の円筒体の両端部を留め具５で閉鎖することで形成することができる。
予め内外円筒体２，３とコイル４を別々に作製しておき、内外円筒体２，３を同心に配置した状態で、円筒体間にコイル４を挿入し、内外円筒体２，３の両端部を閉鎖してコイル４が内外円筒体２，３に組み付けられるようにしてもよい。

このように構成された熱交換器１によれば、内外円筒体２，３が、ともに樹脂製ネット部材により形成され、可撓性を有するため加工が容易であり、仕様に応じた大きさの熱交換器１を簡単に製作することができる。
螺旋状に巻かれた樹脂製管体からなるコイル４は、袋状となった内外円筒体２，３間に保持されるので、熱交換器１をタンク内で媒体中に浸漬させても、コイル４がほどけてタンク内に広がるようなことはなく、当初の内外円筒体２，３間の巻き付け位置に確実に保持させておくことができる。
また、熱交換器１は全体が合成樹脂により形成されているので、軽くて運搬が容易であり、タンク内に簡易な操作で設置して熱交換装置を構成することが可能である。

本発明の樹脂製の熱交換器１を用いて構成された熱交換装置の熱回収機能について試験を行った。その実施例を以下に説明する。なお、実施例は本発明を説明するための例示である。

図７に示されるように、内容量２５０ＬのＦＲＰ製のタンク７内に、図１及び図２に示される熱交換器１を設置して熱交換装置を構成した。熱交換器１は、タンク７内で縦向きに設置した。なお、熱交換器１をタンク７の底部に固定する錘は用いなかった。
熱交換器１は、内径φ１３ｍｍ、全長３３ｍの架橋ポリエチレン管を用いてコイル４を形成し、高さ１０００ｍｍ、外径（外側円筒体３の外径）３５０ｍｍ、内径２５０ｍｍの大きさに形成した。隣接する管体（コイル）同士の隙間は約２ｍｍに設定した。
この熱交換装置の熱交換器１（コイル４）に水道水、タンク７に温水を通し、それぞれの流路の入口温度と出口温度を測定して熱交換量を求めた。
温度の測定は、熱交換器１の流入口側の端部１ａと流出口側の端部１ｂ、タンク７の流入口７ａと流出口７ｂにそれぞれ温度計を設置して行った。

〔実施例１〕
タンク７に毎分５Ｌを目安に温水、熱交換器１に毎分５Ｌを目安に水を流した。タンク７が温水で一杯になった後、流出弁を開き、それから１００分経過した後に、タンク７とコイル４のそれぞれの温水、水の流入口と流出口の温度を測定した。試験結果を図８に載せた表１に示す。試験時のタンク７の設置場所の気温も併せて示す。また、上記温度測定後、タンク７内の熱交換器１の設置状態を目視で確認した。

〔実施例２〕
タンク７に毎分５Ｌを目安に温水、熱交換器１に毎分１０Ｌを目安に水を流す以外、実施例１と同じ条件で試験及び確認を行った。

〔実施例３〕
タンク７に毎分１０Ｌを目安に温水、熱交換器１に毎分１０Ｌを目安に水を流す以外、実施例１と同じ条件で試験及び確認を行った。

〔実施例４〕
タンク７に毎分１０Ｌを目安に温水、熱交換器１に毎分５Ｌを目安に水を流す以外、実施例１と同じ条件で試験及び確認を行った。

前記各実施例の温水と水の出入り口の温度測定結果から、コイル４の熱交換量とタンク７の熱交換量を算出した。結果を前記表１に示す。

温度測定後にタンク７内を確認したところ、何れの実施例においても、熱交換器１のコイル４がほどけてタンク７内に広がるようなことはなく、コイル４は内外円筒体２，３間に装填されたままで、熱交換器１が当初の設置状態を維持していることを確認できた。
前記各実施例の試験結果から、樹脂製の熱交換器１のコイル４の内外表面を流れる流体間で熱交換が有効に行われていることが確認することができる。
前記表１から明らかなように、タンク流量、コイル流量ともに多くなるほど、コイル熱交換量は多くなる（実施例３）。これは、コイル外部とコイル内部の温度差が乱流により均質になりやすくなるためと考えられる。
一方で、コイル流量が少なければ少ないほどコイルの出口温度を上げることができる（実施例４）。コイル出口温度を上げるためには、コイル式熱交換装置の数を増やして全体流量を増やす設計が好ましいと考えられる。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は実施形態のものに限定されないことは言うまでもない。熱交換器１、内外円筒体２，３、コイル４、留め具５などの各構成部材の形状や組み合わせは一例であり、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１熱交換器、２内側円筒体、３外側円筒体、４コイル、５留め具、６円筒体、７タンク

Claims

コイル式熱交換装置の熱交換器であって、
樹脂製ネット部材により形成された径が異なる内側円筒体と外側円筒体が略同心に配置され、前記内外円筒体により仕切られた円環柱形の空間内に、螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置された構成を有することを特徴とする熱交換器。
コイル式熱交換装置の熱交換器であって、
樹脂製ネット部材により形成された径が異なる複数の円筒体が互いに略同心に配置され、前記複数の円筒体により仕切られた各円筒体間の円環柱形の空間内に、各々螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置された構成を有することを特徴とする熱交換器。
管体は、螺旋の軸方向に沿って、隣接する管体同士が１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の隙間が空くように配置して巻かれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
樹脂製ネット部材が格子状乃至網目状の合成樹脂製補強材からなることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の熱交換器。
樹脂製ネット部材の引張強度が１ｋＮ／ｍから１００ｋＮ／ｍであることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の熱交換器。
樹脂製ネット部材の目合いが１ｍｍから１００ｍｍであることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の熱交換器。
管体が架橋ポリエチレンからなることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の熱交換器。
樹脂製ネット部材を円筒状に巻いて第一の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体の外面に樹脂製管体を当該円筒体の一端から他端に亘って巻き付ける工程と、
前記管体の他端部を第一の円筒体の内側空間を通して前記管体の一端部側へ突出させる工程と、
前記第一の円筒体の外面に巻かれた管体の外面に、樹脂製ネット部材を重ねて第二の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体と第二の円筒体の両端部の円環状に開口した部分を接続手段により閉鎖する工程と、
を含む加工工程からなる、請求項１から７の何れかに記載の熱交換器の製造方法。
請求項１から７の何れかに記載の熱交換器がタンク内に縦向きに設置され、タンク内に流入させた流体と熱交換器内を流れる流体間で熱交換を行わせる熱交換装置。
タンクの底面上に錘が設置され、この錘に熱交換器が接続した構成を有する請求項９に記載の熱交換装置。