JP2835286B2

JP2835286B2 - 熱交換コイル組立体及びその複合体

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Publication number: JP2835286B2
Application number: JP6209402A
Authority: JP
Inventors: 昇丸山
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Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1998-12-14
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: JPH0854192A; DK0696717T3; CN1086227C; DE69513582D1; US5579836A; CA2154707A1; DE69513582T2; ATE187243T1; EP0696717B2; EP0696717B1; EP0696717A1; DE69513582T3; KR960008260A; TW270170B; CN1120657A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱交換コイル組立体及
びその複合体に関する。さらに詳細には、熱交換器の胴
部に収容された熱交換媒体とコイル内を流れる熱交換媒
体との間で熱交換を行わせるための熱交換コイル組立体
及びその複合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱交換器にはパイプ式とプレー
ト式のものがあり、耐圧を要求される場合にはパイプ式
が採用されている。さらに、パイプ式の熱交換器にはコ
イル式、多管型等種々の形式のものがある。これらのう
ちコイル式熱交換器は、構造が簡単であるため、広く一
般的に使用されているが、タンク（胴部）容量に比して
伝熱面積が小さいため、比較的小容量の熱交換器として
使用されている。

【０００３】図１３は従来の一般的なコイル式熱交換器
を示している。伝熱管を螺旋状に巻いてなる熱交換コイ
ル１０１は、胴部１０４内に配置され、コイル１０１の
両端には導入管１０２及び導出管１０３が設けられてい
る。液体、気体等の熱交換媒体は導入管１０２により胴
部１０４内に導入され、熱交換コイル１０１を通過し
て、導出管１０３により胴部１０４から導出される。そ
して、主としてコイル１０１を流れる際に、コイル１０
１内の熱交換媒体と胴部１内の熱交換媒体とがコイル壁
を介して熱交換される。

【０００４】このようなコイル式熱交換器において、交
換熱量を大きくし、熱交換能力を高めるには、コイル１
０１の巻き数を多くして、伝熱面積を大きくすればよ
い。しかしながら、この場合管摩擦抵抗による損失ヘッ
ドが大きくなり、所定の流速を保つためには負荷側のポ
ンプの容量を大きくしなければならない。

【０００５】一方、図１４に示すような手段によって
も、交換熱量を大きくすることができる。すなわち、熱
交換媒体の導入側ヘッダー１０５及び導出側ヘッダー１
０６を設け、これらのヘッダー１０５，１０６に複数の
熱交換コイル１０１、１０１、１０１の導入管１０２及
び導出管１０３をそれぞれ連結するのである。しかしな
がら、この場合、図から明らかなように胴部容量が大き
くなってしまい、効率がよいものとは言えない。また、
熱交換器の設置スペースも大きくとらざるを得ない。

【０００６】図１５は、多管型熱交換器の１つであるＵ
字管型熱交換器を示す断面図である。このＵ字管型熱交
換器は、胴部１０７内にそれぞれ長さが異なる複数本の
Ｕ字管１０９を配置したものである。各Ｕ字管１０９は
支持金具１１０によって胴部１０７に支持されるととも
に、入口及び出口側の端部が管寄せ固定板１０８に固定
されている。

【０００７】一方の熱交換媒体は入口１１１から胴部１
０７内に流入し、出口１１２から流出する。他方の熱交
換媒体は入口１１３から流入側ヘッダー１１４に流入
し、複数のＵ字管１０９内を流れて流出側ヘッダー１１
５に入り、出口１１６から流出する。そして、他方の熱
交換媒体はＵ字管１０９を流れる際に、胴部１０７内の
熱交換媒体と熱交換する。

【０００８】上記Ｕ字型熱交換器は複数のＵ字管１０９
を用いているので、伝熱面積が大きく、例えば原子力発
電施設等において、大容量あるいは大規模能力の熱交換
器として使用されている。

【０００９】しかし、この熱交換器は各Ｕ字管１０９の
長さが異なるので、各Ｕ字管１０９ごとに管摩擦抵抗に
よる損失ヘッドが異なり、各Ｕ字管１０９を流れる熱交
換媒体の流速・流量が均等にならない。このため、各Ｕ
字管１０９に生じる熱応力が不均一になり、一部のＵ字
管に歪み、割れが生じやすい。

【００１０】また、Ｕ字管１０９は直線部と曲り部とを
もつ構造なので、両者間の歪み差が大きく、破損しやす
い。

【００１１】さらに、管寄せ固定板１０８に固定される
Ｕ字管１０９の端部と、曲り部とでは支持力が相異する
ため、管振動が発生しやすく、特にＵ字管と支持金具１
１０との接触部において疲労、割れが生じやすい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目
的を達成するものである。

【００１３】この発明の目的は、胴部容量を大きくする
ことなく、熱交換能力を高めることができ、大規模能力
の熱交換器に適用可能な熱交換コイル組立体及びその複
合体を提供することにある。

【００１４】この発明の他の目的は、定められた胴部容
量の範囲内で熱交換能力を自在に設定できる熱交換コイ
ル組立体及びその複合体を提供することにある。

【００１５】この発明のさらに他の目的は、複数の熱交
換コイルを用いるが、それらのコイルを流れる熱交換媒
体の流量を均一にできる熱交換コイル組立体及びその複
合体を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を達
成するために、次のような手段を採る。

【００１７】すなわち、この発明は熱交換器の胴部に熱
交換媒体を導入するための導入管（４）と、前記導入管
に略直角に設けられた導入側ヘッダー（２）と、前記導
入管と互いに略平行に延び、前記熱交換媒体を前記胴部
から導出するための導出管（５）と、前記導入管及び前
記導出管の軸線方向に、前記導入側ヘッダーと間隔を置
いて前記導出管に設けられた導出側ヘッダー（３）と、
前記導入側ヘッダーと前記導出側ヘッダーとの間に両ヘ
ッダーを連通するように配置された巻き径がそれぞれ異
なる複数の熱交換コイル（９）を有し、前記各熱交換コ
イルがそれぞれの巻き径よりも大径の前記熱交換コイル
によって包囲されている熱交換コイル群（８）とを備
え、前記導入管及び前記導出管の双方が、最小巻き径の
前記熱交換コイルの巻き径範囲内に配置されていること
を特徴とする熱交換コイル組立体にある。

【００１８】また、この発明は前記各熱交換コイルの長
さが略等しい熱交換コイル組立体にある。

【００１９】さらにまた、この発明は前記熱交換コイル
組立体（１ａ，１ｂ）を複数配列してなる複合体であっ
て、前記各熱交換コイル組立体の前記各熱交換コイル群
（８ａ，８ｂ）が共通軸線を持つように配置され、かつ
前記各熱交換コイル組立体（１ａ）の前記導入管（４
ａ）及び導出管（５ａ）が、その熱交換コイル組立体の
一方側に配置された全ての前記熱交換コイル組立体（１
ｂ）の前記熱交換コイル群（８ｂ）の内側を延びている
ことを特徴とする熱交換コイル組立体の複合体にある。

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【作用】気体、液体等の第１熱交換媒体は、導入管４を
介して胴部内に導入される。熱交換媒体は導入側ヘッダ
ー２を経て、各熱交換コイル９に流入し、これらの熱交
換コイル９内を流れる。第１熱交換媒体は、主としてこ
れらの熱交換コイル９を流れる際に、その管壁を介して
胴部内の第２熱交換媒体との間で熱交換を行う。第１熱
交換媒体は、さらに、導出側ヘッダー３に流入し、導出
管５を介して胴部外に導出され、負荷に送られる。

【００２６】

【実施例】この発明の実施例を図面を参照しながら以下
に説明する。

【００２７】図１はこの発明の一実施例を示す平面図で
あり、図２は同実施例の一部破断した正面図である。

【００２８】熱交換コイル組立体１において、導入側ヘ
ッダー２は、導入管４の下端に略直角に、すなわちＬ字
形となるように設けられている。導出側ヘッダー３もま
た、導出管５の下端に略直角に、Ｌ字形となるように設
けられている。

【００２９】導入管４及び導出管５は互いに平行に配置
され、また導入側ヘッダー２及び導出側ヘッダー３は導
入管４及び導出管５の軸線方向に間隔を置いて配置され
ている。導入側ヘッダー２の周壁にはその軸線方向に所
定の間隔を置いて複数の流出孔６が設けられている。流
出孔６の数は、この実施例では４つである。同様に、導
出側ヘッダー３の周壁にも、その軸線方向に所定の間隔
を置いて流出孔と同数の流入孔７が設けられている。

【００３０】導入側ヘッダー２と導出側ヘッダー３との
間には、熱交換コイル群８が配置されている。熱交換コ
イル群８はそれぞれ巻き径が異なる複数の円形の熱交換
コイル９からなっている。各熱交換コイル９は、それぞ
れの巻き径よりも巻き径が大きい熱交換コイル９によっ
て包囲されるように配置されている。この実施例では各
熱交換コイル９は、共通の軸線を持ち、同心円状に配置
されている。

【００３１】また、各熱交換コイル９の長さは、略等し
くなっている。したがって、内側から外側にかけて、各
熱交換コイル９の巻き数は順次少なくなっている。熱交
換コイル９それ自体は、従来と同様の伝熱管であり、銅
管、鋼管、特殊鋼管等を螺旋状に巻いて作られる。

【００３２】各熱交換コイル９の上下端は、導出側ヘッ
ダー３の流入孔７及び導入側ヘッダー２の流出孔６に、
それぞれ連結されている。具体的には、内側の熱交換コ
イル９がヘッダー２、３の基部側の流出孔６及び流入孔
７に、外側の熱交換コイル９がヘッダー２、３の先端部
側の流出孔６及び流入孔７にというように、それぞれ連
結されている。このように、導入側ヘッダー２と導出側
ヘッダー３とは、これらの熱交換コイル９を介して連通
している。

【００３３】この実施例では、導入管４及び導出管５の
双方とも、最小巻き径の熱交換コイル９よりも小径範囲
内に位置している。したがって、導入管４は熱交換コイ
ル群８の内側を延びている。

【００３４】実施例の作用熱交換コイル組立体１は、図１，２には示されていない
熱交換器の胴部内に設置される。気体、液体等の第１熱
交換媒体は、導入管４を介して胴部内に下降流として導
入される。熱交換媒体は導入側ヘッダー２の流出孔６を
経て、各熱交換コイル９に流入し、これらの熱交換コイ
ル９内を螺旋状に上昇する。

【００３５】第１熱交換媒体は、主としてこれらの熱交
換コイル９を流れる際に、その管壁を介して胴部内の第
２熱交換媒体との間で熱交換を行う。第１熱交換媒体
は、さらに、流入孔７を経て導出側ヘッダー３に流入
し、導出管５を介して胴部外に導出され、負荷に送られ
る。

【００３６】このような熱交換コイル組立体１によれ
ば、複数の熱交換コイル９を用いているので、熱交換能
力が高められる。その一方、各熱交換コイル９は、それ
ぞれの巻き径よりも巻き径が大きい熱交換コイル９によ
って包囲されるように配置されているので、熱交換コイ
ル組立体１の胴部内で占めるスペースが少なくて済む。
言い換えれば、胴部容量を大きくすることなく伝熱面積
を増大させることができる。

【００３７】また、各熱交換コイル９は連続した多重巻
きとなっているのではなく、それぞれ独立して巻かれて
いるので、管摩擦抵抗による損失ヘッドが大きくなるこ
とはない。

【００３８】また、熱交換コイル９の数を適宜増減する
ことにより、熱交換能力を自在に設定することができ、
小規模から大規模までの熱交換器に適用できる。

【００３９】また、各熱交換コイル９の長さが略等しい
ので、各熱交換コイル９についての損失ヘッドが略一定
のものとなる。したがって、各熱交換コイル９を流れる
熱交換媒体の流量が均一となり、一部の熱交換コイルに
不均一な熱応力の発生による歪み、割れが生じることが
ない。それ故、同一性状の伝熱管を使用することがで
き、加工管理が容易である。また、コイルの補修、交換
時期も略同時期となるので、メンテナンスが容易であ
る。

【００４０】図３は、熱交換コイル群８に対する導入管
４及び導出管５の配置を種々変化させた例を示す図であ
る。同図において、熱交換コイル群８は簡略化のために
鎖線で示されている。

【００４１】まず、（ａ）は導入管４を熱交換コイル群
８の外側（最大巻き径の熱交換コイル９の外側）に配置
し、導出管５を熱交換コイル群８の内側（最小巻き径の
熱交換コイル９の内側）に配置した例である。

【００４２】（ｂ）は導入管４を熱交換コイル群８の内
側に配置し、導出管５を熱交換コイル群８の外側に配置
した例である。

【００４３】（ｃ）は導入管４及び導出管５の双方とも
熱交換コイル群８の外側に配置した例である。

【００４４】このように、導入管４及び導出管５を種々
の態様で配置することができるが、この発明にしたがう
図１、図２に示した態様が最もコンパクトであり、省ス
ペースを図ることができることは明らかである。

【００４５】図４はこの発明の別の実施例を示す平面図
であり、図５は同実施例の一部破断した正面図である。
この実施例は、負荷を２系統とし、これに応じて熱交換
コイル組立体を２つとした複合体である。

【００４６】２つの熱交換コイル組立体１ａ，１ｂは、
図１，２に示した熱交換コイル組立体１と同様の構造で
あり、同一部材には符号として数字にアルファベットａ
又はｂを付加してある。

【００４７】２つの熱交換コイル組立体１ａ，１ｂは、
それらの熱交換コイル群８ａ，８ｂが共通の軸線を持つ
ように多段に配置されている。共通軸線は、この実施例
では鉛直方向に延びる軸線である。また、下方の熱交換
コイル組立体１ａの導入管４ａ及び導出管５ａは、上方
の熱交換コイル組立体１ｂの熱交換コイル群８ｂの内側
を延びている。

【００４８】この実施例は熱交換コイル組立体が２つの
場合であり、３つ以上の場合も同様に、下方にある熱交
換コイル組立体の導入管及び導出管が上方にある全ての
熱交換コイル組立体の熱交換コイル群の内側を延びるよ
うに配置される。

【００４９】図６はこの発明の別の実施例を示す平面
図、図７は同実施例の一部破断した正面図である。前記
各実施例では、円形の熱交換コイルが用いられていた。
この実施例の熱交換組立体１１は、長円形あるいはトラ
ック形の熱交換コイル１９を用いたものである。熱交換
コイルの形状以外の点については、円形コイルを用いた
前記実施例と同様であり、同一部材には同一符号を付し
てある。

【００５０】図８はこの発明のさらに別の実施例を示す
平面図、図９は同実施例の正面図である。この実施例
は、図４、図５に示した実施例と同様に複数の熱交換コ
イル組立体を用いた複合体であり、それらの熱交換コイ
ル群８ａ，８ｂ，８ｃが共通の軸線を持つように多段に
配置したものである。

【００５１】ただ、この実施例は３つの負荷に対応させ
るべく、３つの熱交換コイル組立体１１ａ，１１ｂ，１
１ｃを用い、また長円形あるいはトラック形の熱交換コ
イル１９を用いている点で図４、図５に示した実施例と
異なっている。

【００５２】３つの熱交換コイル組立体１１ａ，１１
ｂ，１１ｃは、図６、図７に示した熱交換コイル組立体
１１と同様の構造であり、同一部材には符号として数字
にアルファベットａ、ｂ又はｃを付加してある。

【００５３】図１０は熱交換コイルの巻き径範囲を説明
するための模式図である。

【００５４】円形コイルの場合（ａ）に示すように、導入管４及び導出管５の直径を
Ｄ、コイル９の直径をｄとすると、コイルの最小巻き径
ｍは、ｍ＝２Ｄ＋ｄで表される。また、最小巻き径のコイルの長さＬは、そ
の巻き数をｎとすると、Ｌ＝π・ｍ・ｎ＝π・（２Ｄ＋ｄ）・ｎ …（１）で表される。

【００５５】一方、最大巻き径のコイルの長さはＬに等
しい。また、巻き数については、内側のコイルから外側
のコイルにかけて順次少なくなり、しかも図１及び図２
に示されるようにコイルの両端は導入側ヘッダー２及び
導出側ヘッダー５に、それらの軸線に関して同じ側の面
で連結されることから、最大巻き径のコイルの巻き数は
１．５（１巻半）である。したがって、コイルの最大巻
き径をＭとすると、Ｌ＝１．５πＭ …（２）が成り立つ。

【００５６】（１）、（２）式より、コイルの最大巻き
径Ｍは、Ｍ＝（２Ｄ＋ｄ）・ｎ／１．５で表される。

【００５７】長円形あるいはトラック形コイルの場合（ｂ）から明らかなように、コイルの最小巻き径ｍは、ｍ＝Ｄ＋ｄで表される。また、最小巻き径のコイルの長さＬは、直
線部分の長さＤを加味し、その巻き数をｎとすると、Ｌ＝（π・ｍ＋２Ｄ）・ｎ＝｛π・（Ｄ＋ｄ）＋２Ｄ｝・ｎ …（３）で表される。

【００５８】一方、円形コイルの場合と同様に、図６及
び図７を参照して、最大巻き径のコイルの長さはＬに等
しく、またその巻き数は１．５であるから、コイルの最
大巻き径をＭとすると、Ｌ＝１．５（π・Ｍ＋２Ｄ） …（４）が成り立つ。

【００５９】（３）、（４）式より、コイルの最大巻き
径Ｍは、Ｍ＝（Ｄ＋ｄ）・ｎ／１．５＋（２ｎ−３）・Ｄ／１．
５π で表される。

【００６０】図１１はこの発明の熱交換コイル組立体を
適用した熱交換器である温水発生装置を示す平面図であ
り、図１２はその縦断面図である。

【００６１】胴部２０の下部には炉筒２１が設けられ、
その内部に炉室２２が形成されている。炉室２２には燃
焼装置２３が開口し、この燃焼装置２３の作動はサーモ
スタット２４によって胴部２０内の貯留水２５が設定温
度になるように制御される。

【００６２】燃焼装置２３で発生した火炎は炉室２２内
で高温ガスとなり、排気筒２６を経て外部に放出され
る。その際、高温ガスは対流管２７，２８の管壁及び炉
筒２１の壁を介して貯留水２５を加熱する。

【００６３】胴部２０は連通管２９を介して補給水タン
ク３０と連通している。補給水タンク３０にはボールタ
ップ３１が設けられ、貯留水２５の液面が一定に保たれ
るように補給水管３１から補給水が供給される。

【００６４】胴部２０内には液面の上方に気室３３が形
成され、この気室３３は連通管３４、補給水タンク３０
及び大気開放管３５を介して大気に開放している。これ
により、貯留水２５は大気圧下で加熱され、大気圧下で
の沸点（１００℃）を越えない温度に保たれる。

【００６５】胴部２０内には、この発明による２つの熱
交換コイル組立体１，１１が設置されている。一方の熱
交換コイル組立体１は円形コイルによるものであり、他
方の熱交換コイル組立体１１は長円形あるいはトラック
形コイルによるものである。２つの熱交換コイル組立体
１，１１はそれぞれ異なった負荷系統に接続されてい
る。ここで、負荷系統は例えば、暖房、給湯、浴槽及び
プールの加温循環系統などである。

【００６６】負荷系統の第１熱交換媒体（通常、水等の
液体）は熱交換コイル組立体１，１１の導入管４を介し
て胴部２０内に導入される。第１熱交換媒体は熱交換コ
イル群８の各熱交換コイル内を流れる際に、第２熱交換
媒体である貯留水２５と熱交換し、加熱され、導出管５
を介して負荷系統に送られる。

【００６７】以上この発明を説明してきたが、この発明
は実施例にのみ限定されるものではなく、その本質から
逸脱しない範囲で以下に例示するような種々の変形が可
能であることはいうまでもない。

【００６８】（１）熱交換コイル組立体における熱交換
媒体の流れを前記実施例と逆にしてもよい。すなわち、
管５及びヘッダー３をそれぞれ導入管及び導入側ヘッダ
ーとし、管４及びヘッダー２をそれぞれ導出管及び導入
側ヘッダーとしてもよい。

【００６９】（２）熱交換コイルの巻き形状は、円形、
長円形に限らず、多角形等の種々の形状を採用すること
ができる。

【００７０】（３）この発明の熱交換コイル組立体は、
液体−液体の熱交換に限らず、気体−気体、気体−液体
の熱交換に利用することができる。また、コイル内を流
れる熱交換媒体は、受熱媒体、加熱媒体のいずれであっ
てもよい。

【００７１】（４）図１１、図１２はこの発明の熱交換
コイル組立体を縦形の熱交換器に適用した例を示してい
るが、横形の熱交換器にも適用できる。

【００７２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、熱交
換器の胴部容量を大きくすることなく、熱交換能力を高
めることができる。また熱交換能力を自在に設定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の一実施例を示す平面図であ
る。

【図２】図２は同実施例の一部破断した正面図である。

【図３】図３は熱交換コイル群に対する導入管及び導出
管の配置を種々変化させた例を示す図である。

【図４】図４はこの発明の別の実施例を示す平面図であ
る。

【図５】図５は同実施例の一部破断した正面図である。

【図６】図６はこの発明の別の実施例を示す平面図であ
る。

【図７】図７は同実施例の一部破断した正面図である。

【図８】図８はこの発明のさらに別の実施例を示す平面
図である。

【図９】図９は同実施例の正面図である。

【図１０】図１０は熱交換コイルの巻き径範囲を説明す
るための模式図である。

【図１１】図１１はこの発明の熱交換コイル組立体を適
用した熱交換器である温水発生装置を示す横断面図であ
る。

【図１２】図１２は同温水発生装置の縦断面図である。

【図１３】図１３は従来例を示し、（ａ）は正面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

【図１４】図１４は別の従来例を示す平面図である。

【図１５】図１５はさらに別の従来例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…熱交換コイル組立体２…導入側ヘッダー３…導出側ヘッダー４…導入管５…導出管６…流出孔７…流入孔８…熱交換コイル群９…熱交換コイル１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…熱交換コイル組立体

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換器の胴部に熱交換媒体を導入するた
めの導入管（４）と、前記導入管に略直角に設けられた導入側ヘッダー（２）
と、前記導入管と互いに略平行に延び、前記熱交換媒体を前
記胴部から導出するための導出管（５）と、前記導入管及び前記導出管の軸線方向に、前記導入側ヘ
ッダーと間隔を置いて前記導出管に設けられた導出側ヘ
ッダー（３）と、前記導入側ヘッダーと前記導出側ヘッダーとの間に両ヘ
ッダーを連通するように配置された巻き径がそれぞれ異
なる複数の熱交換コイル（９）を有し、前記各熱交換コ
イルがそれぞれの巻き径よりも大径の前記熱交換コイル
によって包囲されている熱交換コイル群（８）とを備
え、前記導入管及び前記導出管の双方が、最小巻き径の前記
熱交換コイルの巻き径範囲内に配置されていることを特
徴とする熱交換コイル組立体。
【請求項２】前記各熱交換コイルの長さが略等しいこと
を特徴とする請求項１記載の熱交換コイル組立体。
【請求項３】請求項１又は２記載の熱交換コイル組立体
（１ａ，１ｂ）を複数配列してなる複合体であって、前記各熱交換コイル組立体の前記各熱交換コイル群（８
ａ，８ｂ）が共通軸線を持つように配置され、かつ前記各熱交換コイル組立体（１ａ）の前記導入管
（４ａ）及び導出管（５ａ）が、その熱交換コイル組立
体の一方側に配置された全ての前記熱交換コイル組立体
（１ｂ）の前記熱交換コイル群（８ｂ）の内側を延びて
いることを特徴とする熱交換コイル組立体の複合体。