JP3192275U - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】内管と外筒との隙間及び内管と内筒との隙間に流れ込む流体量を大幅に低減し、且つ、外筒と内筒とで形成される空間を螺旋状内管に沿って螺旋状に流れる流体量を安定的に確保できる高効率の熱交換器を提供する。
【解決手段】外筒１２と内筒１３とで形成される空間に、螺旋状内管１４を備え、空間を流れる第１の流体と螺旋状内管を流れる第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器１０であって、螺旋状内管は、外筒と面接触する外筒接触部１７と、内筒と面接触する内筒接触部１８と、外筒及び内筒と接しない第１内外筒非接触部及び第２内外筒非接触部とから成る、軸直角断面が非円形である非円形管である構成を採る。
【選択図】図２

Description

本考案は、熱交換器に関し、特に液体・液体、液体・気体、気体・気体といった流体の熱交換器に関する。

内筒と外筒との間に形成される空間に螺旋状内管を備え、その空間に流れる流体と螺旋状内管に流れる流体との間で熱交換を行う種々の熱交換器が従来より知られている。例えば、中心体の外表面とシェルの内表面との間に第１流体を流す第１流路を形成し、第１流路内に第２流体を流すコルゲート螺旋状内管を配置し、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器が開示されている（特許文献１参照）。

また、他の従来例として、内外筒で形成された空間にパイプを螺旋状に配置し、その空間内のパイプとパイプとで挟まれる螺旋状空間を流れる流体とパイプ内を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器が開示されている（特許文献２参照）。また、他の従来例として、内筒と外筒とで形成される水筒内に螺旋状パイプを挿嵌し、水筒内流体と螺旋状パイプ内流体との間で熱交換を行う熱交換器が開示されている（特許文献３参照）。

また、他の従来例として、外筒の内面に固着して納められたコイル状管と、コイル状管の内側に固着する内筒とからなり、コイル状管内流体と内外筒間を螺旋状に流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器が開示されている（特許文献４照）。

特開昭５９−１００３９２号公報、図５ 特開２００２−１４７９７６号公報 実開昭５１−１５９９５９号公報 特開昭４７−４４３４１号公報

しかしながら、上記文献１の熱交換器では、コルゲート螺旋状内管の谷部とシェルの内表面との隙間及びコルゲート螺旋状内管の谷部と中心体との隙間を第１流体の多くが直線的に流れてしまい、熱交換効率向上の支障となっている。

上記文献２及び文献３の熱交換器では、螺旋状パイプを外筒及び内筒に対して隙間を設けないと一定間隔を保って挿入配置するのは困難であり、この隙間を直線的に流れる流体の存在が熱交換率向上の支障となっている。

螺旋状パイプを密着巻すれば螺旋状パイプと外筒及び内筒との隙間小さくして強制的にパイプを挿入することも可能であるが、外筒と内筒とで形成される空間が減少し、そこを流せる流量が減少し熱交換効率向上の支障となる。また、螺旋状パイプの軸直角断面は円形であるのが一般的であり、非円形管の採用は示唆されていない。

上記文献４は、螺旋状管を外筒及び内筒に溶接等で固着して、コイル状管と外筒及び内筒との隙間を封じているが、固着工程が複雑で、隙間を十分無くす為に外筒に多数の穴を開けて、そこからコイル状管を固定する場合では強度や液漏れ等、品質や耐久性の課題が生じる。

本考案は、この様な従来の問題点を解決するものであり、内管と外筒との隙間及び内管と内筒との隙間に流れ込む流体量を大幅に低減し、且つ、外筒と内筒とで形成される空間を螺旋状内管に沿って螺旋状に流れる流体量を安定的に確保できる高効率の熱交換器を提供することを目的とする。

本考案の熱交換器は、外筒と内筒とで形成される空間に、螺旋状内管を備え、空間を流れる第１の流体と螺旋状内管を流れる第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、螺旋状内管は、外筒と面接触する外筒接触部と、内筒と面接触する内筒接触部と、外筒及び内筒と接しない第１内外筒非接触部及び第２内外筒非接触部とから成る、軸直角断面が非円形である非円形管である構成を採る。

本考案によれば、内管と外筒との隙間及び内管と内筒との隙間に流れ込む流体量を限りなく遮断し、且つ、外筒と内筒とで形成される空間を螺旋状内管に沿って螺旋状に流れる流体量を安定的に確保できる高効率の熱交換器を提供することができる。

本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の外観形状を説明する為の図 本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の図 本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の部分拡大図 本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図 本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図 本考案の第２の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の部分拡大図 本考案の第３の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の部分拡大図 本考案の第３の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図 本考案の第３の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図

（第１の実施の形態）
以下、本考案の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の側面外観図であり、図１（ｂ）は上面外観図であり、図１（ｃ）は底面外観図であり、図２は本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の図であり、図３は本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の部分拡大図である。
熱交換器１０は、金属製の外筒１２と、金属製の内筒１３と、金属製の螺旋状内管１４とを備える。

螺旋状内管１４は、外筒１２と螺旋状に連続して面接触する外筒接触部１７，１７’（他符号省略）と、内筒１３と螺旋状に連続して面接触する内筒接触部１８，１８’（他符号省略）と、外筒１２及び内筒１３と接しない螺旋状に連続してなる第１内外筒非接触部１９，１９’（他符号省略）及び第２内外筒非接触部２０，２０’（他符号省略）とを備える。
螺旋状内管１４は、第１内外筒非接触部１９，１９’及び第２内外筒非接触部２０，２０’の軸直角断面が円弧のドーム状である非円形管である。

外筒１２と内筒１３とで形成される螺旋状の空間１５を継手２１から継手２２に第１の流体が流れ、螺旋状内管１４の内部を継手２３から継手２４に第２の流体が流れ、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う。第１の流体は例えば冷水であり、第２の流体は例えば高温水である。

螺旋状内管１４と外筒１２とは外筒接触部１７，１７’で面接触しているので、この面接触隙間を第１の流体がほとんど流れない様にでき、同様に、螺旋状内管１４と内筒１３とは内筒接触部１８，１８’で面接触しているので、この面接触隙間を第１の流体がほとんど流れない様にできる。その為、第１の流体の大半は、第２内外筒非接触部２０と第１内外筒非接触部１９’とで形成される連続した空間１５を継手２１から継手２２に、螺旋状内管１４に沿って螺旋状に流れながら、継手２３から継手２４に螺旋状内管１４内を流れる第２の流体との間で熱交換を行う。

空間１５の形状は熱交換性能を大きく左右する。螺旋状内管１４の第１内外筒非接触部１９，１９’及び第２内外筒非接触部２０，２０’の軸直角断面の円弧形状の山の高さを適切に設定することで第１の流体の流量を調節して高効率の熱交換器を実現できる。

なお、外筒１２、内筒１３、螺旋状内管１４を金属製の場合で説明したが、本考案はこれに限定されず、プラスチック、ゴム、その他樹脂類でも良い。金属の種類として、ステンレススチール、銅合金、アルミニウム、その他合金鋼等でも良い。

また、第１の流体は冷水、第２の流体は高温水の場合で説明したが、本考案はこれに限定されることなく、油、溶融金属等でも良く、更に、第１の流体及び第２の流体は液体に限定されず、液体と気体、気体と気体でも良く、気体は蒸気でも良く、蒸気と気体の混合体であっても良い。

また、第１の流体が継手２１から継手２２に、第２の流体が継手２３から継手２４に流れる場合で説明したが、本考案はこれに限定されず、継手２２から継手２１に、継手２４から継手２３に流れる様にしても良い。
（変形例１）

図４は、本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図である。螺旋状内管３４の第１内外筒非接触部のドーム頂上付近を更に突出させ第１内外筒非接触部３９，３９’として、第１内外筒非接触部３９’と第２内外筒非接触部２０とで連続する螺旋状の空間３５を形成する点が前述の第１の実施の形態と異なる。この構成により、熱交換性能を大きく左右する空間３５の設定が容易になる。なお、本変形例では第１内外筒非接触部３９，３９’のドーム頂上付近のみを突出させたが、本考案はこれに限定されず、第２内外筒非接触部２０，２０’のドーム頂上付近も突出させても良い。
（変形例２）

図５は、本考案の第１の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図である。螺旋状内管４４の第１内外筒非接触部４９，４９’のドーム頂上付近に突起物４１，４１’をろう付けして螺旋状の空間４５を形成する点が前述の変形例１と異なる。この構成により、熱交換性能を大きく左右する空間４５の設定が容易になる。なお、本変形例では第１内外筒非接触部４９，４９’のドーム頂上付近のみに突起物をろう付けしたが、本考案はこれに限定されず、第２内外筒非接触部２０，２０’のドーム頂上付近にも突起物をろう付けしても良い。

また、突起物４１，４１’は連続した棒でも、複数の短冊でも、複数の球でも良い。また、突起物４１，４１’を螺旋状内管に固定する方法はろう付けに限定されず、溶接や接着などでも良い。
（第２の実施の形態）

図６は、本考案の第２の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の部分拡大図である。螺旋状内管５４の第１内外筒非接触部５９，５９’及び第２内外筒非接触部６０，６０’を軸直角断面が背高円弧と背低円弧の連続繰り返しから成る凹凸ドーム状とし、第１内外筒非接触部５９’と第２内外筒非接触部６０とで連続した螺旋状の空間５５を形成する点が前述の第１の実施の形態と異なる。

この構成により、螺旋状内管１４と外筒１２との面接触隙間及び螺旋状内管１４と内筒１３との面接触隙間を第１の流体がほとんど流れない様にしながら、第１の流体と第２の流体との接触面積を増やすことができ、高効率の熱交換器を実現できる。
（第３の実施の形態）

図７は、本考案の第３の実施の形態に係る熱交換器の構成を説明する為の部分拡大図である。螺旋状内管６４は、軸直角断面が多角形（図６は５角形の場合を示している）であって、外筒１２と螺旋状に連続して面接触する外筒接触部１７，１７’と、内筒１３と螺旋状に連続して面接触する内筒接触部１８，１８’と、外筒１２及び内筒１３と接しない螺旋状に連続してなる第１内外筒非接触部６９，６９’及び第２内外筒非接触部７０，７０’とを備える。

第１内外筒非接触部６９，６９’は中央付近で山形に折れた多角形の２辺を成しており、第１内外筒非接触部６９’と第２内外筒非接触部７０とで連続した螺旋状の空間６５を形成する点が他の実施の形態と異なる。多角形管は押し出し工法や引き抜き工法で製造可能であり、熱交換性能に大きく関係する空間６５の断面形状等を容易に設定できる。

なお、第１内外筒非接触部６９，６９’は中央付近で山形に折れた多角形の２辺の場合で説明したが、本考案はこれに限定されず、例えば台形等として多角形の複数辺を構成しても良い。また、本実施の形態では第１内外筒非接触部６９，６９’のみを山形や台形といった多角形の複数辺とした場合で説明したが、本考案はこれに限定されず、第１内外筒非接触部６９，６９’と共に第２内外筒非接触部７０，７０’も山形や台形といった多角形の複数辺としても良い。
（変形例３）

図８は、本考案の第３の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図である。螺旋状内管７４は、軸直角断面が多角形（図７は４角形の場合で記載）であって、外筒１２と螺旋状に連続して面接触する外筒接触部１７，１７’と、内筒１３と螺旋状に連続して面接触する内筒接触部１８，１８’と、外筒１２及び内筒１３と接しない螺旋状に連続してなる第１内外筒非接触部７９，７９’及び第２内外筒非接触部８０，８０’とを備える。

第１内外筒非接触部７９，７９’及び第２内外筒非接触部８０，８０’は中央付近に突出部７１，７１’，７２，７２’を備え、第１内外筒非接触部７９’と第２内外筒非接触部８０とで連続した螺旋状の空間７５を形成する点が他の実施の形態と異なる。突出部を有する多角形管は押し出し工法や引き抜き工法で製造可能であり、熱交換性能に大きく関係する空間７５の断面形状等を容易に設定できる。

なお、本変形例では、第１内外筒非接触部７９，７９’及び第２内外筒非接触部８０，８０’が共に突出部７１，７１’，７２，７２’を備えた場合で説明したが、本考案はこれに限定されることなく、第１内外筒非接触部７９，７９’のみ、或いは第２内外筒非接触部８０，８０’のみが突出部を備える様にしても良い。
（変形例４）

図９は、本考案の第３の実施の形態に係る熱交換器の他の例の構成を説明する為の部分拡大図である。螺旋状内管８４は、軸直角断面が多角形（図８は４角形の場合で記載）であって、外筒１２と螺旋状に連続して面接触する外筒接触部１７，１７’と、内筒１３と螺旋状に連続して面接触する内筒接触部１８，１８’と、外筒１２及び内筒１３と接しない螺旋状に連続してなる第１内外筒非接触部８９，８９’及び第２内外筒非接触部９０，９０’とを備える。

軸直角断面が多角形の螺旋状内管８４の第１内外筒非接触部８９，８９’の一部に突起物８１，８１’をろう付けして螺旋状の空間８５を形成する点が他の実施の形態と異なる。この構成により、熱交換性能を大きく左右する空間８５の設定が容易になる。なお、本変形例では第１内外筒非接触部８９，８９’の一部に突起物をろう付けしたが、本考案はこれに限定されず、第１内外筒非接触部８９，８９’のみならず第２内外筒非接触部９０，９０’の一部にも突起物をろう付けしても良い。

また、突起物８１，８１’は連続した棒でも、複数の短冊でも、複数の球でも良い。また、突起物８１，８１’を螺旋状内管に固定する方法はろう付けに限定されず、溶接や接着などでも良い。

産業上の利用の可能性

本考案に係る熱交換器は、特に小型、高効率な性能が要求される家庭用燃料電池コジェネシステムに使われる排熱回収熱交換器に利用可能である。その他、産業用、理化学用、プラント用の気・気、気・液、液・液の熱交換器に利用可能である。

１０ 熱交換器
１２ 外筒
１３ 内筒
１４，３４，４４，５４，６４，７４，８４ 螺旋状内管
１５，３５，４５，５５，６５，７５，８５ 空間
１７，１７’ 外筒接触部
１８，１８’ 内筒接触部
１９，１９’，３９，３９’，４９，４９’，５９，５９’，６９，６９’，７９，７９’，８９，８９’ 第１内外筒非接触部
２０，２０’，６０，６０’，７０、７０’，８０，８０’，９０，９０’ 第２内外筒非接触部
２１，２２，２３，２４ 継手
４１，４１’，８１，８１’ 突起物
７１，７１’，７２，７２’ 突起部

Claims (11)

1. 外筒と内筒とで形成される空間に、螺旋状内管を備え、前記空間を流れる第１の流体と前記螺旋状内管を流れる第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記螺旋状内管は、前記外筒と面接触する外筒接触部と、前記内筒と面接触する内筒接触部と、前記外筒及び前記内筒と接しない第１内外筒非接触部及び第２内外筒非接触部とから成る、軸直角断面が非円形である非円形管であることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１内外筒非接触部及び前記第２内外筒非接触部は、軸直角断面が円弧のドーム状であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１及び第２内外筒非接触部の少なくとも片方のドーム頂上部分が更に突出している部分を備えることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記第１及び第２内外筒非接触部の少なくとも片方のドーム頂上部分に突起物を付加したことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
5. 前記第１及び第２内外筒非接触部は、軸直角断面が背高円弧と背低円弧の連続繰り返しから成る凹凸ドーム状であることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
6. 前記非円形管は、軸直角断面が多角形であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
7. 前記第１及び第２内外筒非接触部の少なくとも片方に更に突出している部分を備えることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
8. 前記第１及び第２内外筒非接触部の少なくとも片方に突起物を付加したことを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
9. 前記第１内外筒非接触部と前記第２内外筒非接触部の片方は、軸直角断面が円弧のドーム状であり、他方は直線又は多辺の多角状であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
10. 前記第１及び第２内外筒非接触部の少なくとも片方に更に突出している部分を備えることを特徴とする請求項９記載の熱交換器。
11. 前記第１及び第２内外筒非接触部の少なくとも片方に突起物を付加したことを特徴とする請求項９記載の熱交換器。

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