JP4401333B2 - トラック巻形熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管を渦巻状に巻加工して平面形状を呈するように形成（以下、これをトラック巻きと称す）してなる熱交換器とその製造方法に関する。

従来より、配管を一平面上でトラック巻きしてなる熱交換器は知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、２つ折りした伝熱管を円筒面に沿う二重螺旋状に形成してなる熱交換器も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−６０９０６（３頁〜４頁、図１、図２、図４） 特開平０８−１１０１８０号公報

しかしながら、配管を一平面上でトラック巻きしてなる熱交換器にあっては、配管長を長くする場合、配管末端となる渦巻中心部または渦巻外周部にて延長配管との中継接続が必要となり、中継接続のための管継手を必要とし、コスト高となるだけでなく、熱交換効率または信頼性確保の観点からも不利であった。特に、渦巻き中心部での中継接続作業は困難となる場合が多く、作業時間を要し、かつ信頼性低下の要因となっていた。さらに、管継手を含む中継配管の取り回しのためのスペースを必要とし、省スペース化が難しく、また組立後の接続部の品質確認、不良修正も容易ではなかった。

また、２つ折りした伝熱管を円筒面に沿う二重螺旋状に形成してなる熱交換器にあっては、広い底面積と一定の高さを有することとなり、占有面積が大きく、省スペース化が難しく、特に全体として薄形化できないという難点があった。

また、いずれの熱交換器も、巻回前に管の入口部と出口部の相対位置関係を決定しておくことができず、巻回後の調整を必要としていた。

本発明の技術的課題は、中継接続が不要で、必要な管長を確保しつつ全体として薄形化が図れ、管の入口部と出口部の相対位置関係を巻回前に決定できるようにすることにある。

本発明に係るトラック巻形熱交換器は、単一の伝熱管を、その長手方向の途中でヘアピン状に折り返させ、この伝熱管の折り返し部を挟む往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形したものである。

本発明のトラック巻形熱交換器によれば、必要な管長を中継接続なしに確保できるので、接続に係わる部品、作業、配管スペース、品質確認、補修などが不要となる。また、全体として薄形化が図れ、管の入口部と出口部の相対位置関係を巻回前に決定できる。このため、熱交換効率および品質信頼性が向上し、かつコスト削減が可能となる。

実施の形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係るトラック巻形熱交換器の全体構成を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は本実施形態に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示す説明図、図４は本実施形態に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示すフローチャート、図５は図３に示す結合管のＢ部拡大図、図６は結合管の他の例を示す要部拡大図、図７は図６の結合管の要部拡大断面図である。

本実施形態に係るトラック巻形熱交換器５は、図１及び図２のように結合管３又は３Ａがその長手方向の途中でヘアピン状に折り返され、その折り返し部４を挟む往路部３ａと復路部３ｂが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形されて構成されている。

結合管３は、図５のように第１流体（例えば水）を流す外径寸法ｄ１の円直管からなる第１伝熱管１の外周に、第２流体（例えば冷媒）を流す第２伝熱管２を這わすように単に螺旋状に連続巻回して一体化したものである。

結合管３Ａは、図６及び図７のように外周に山部１ａと谷底部１ｂとこれら山部１ａと谷底部１ｂとを連続して螺旋状に形成する壁部１ｃとからなる螺旋溝を有し第１流体（例えば水）が流れる外径寸法ｄ２の捩れ管からなる第１伝熱管１Ａと、第１伝熱管１Ａの前記螺旋溝に沿わせて連続巻回されて第２流体（例えば冷媒）が流れる第２伝熱管２と、第１伝熱管１Ａと第２伝熱管２との接合部（隙間）に充填された高熱伝導性を有する溶接材または低沸点金属等からなる接合部材６とから構成されている。

次に、本実施形態のトラック巻形熱交換器の製造方法について、図４に基づき図１〜図３、図５〜図７を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）及び図５のように水を流すための第１伝熱管１（又は１Ａ）に、冷媒を流すための第２伝熱管２を巻き付けて一体化し、結合管３（又は３Ａ）に成形する（ステップＳ１）。次いで、第１伝熱管１（又は１Ａ）及び第２伝熱管２の出入口部の位置、つまり結合管３（又は３Ａ）の往路部３ａ末端の入口部３ｃと復路部３ｂ末端の出口部３ｄの相対位置が、図１及び図３（ｂ）の如く平面的に見て同一位置となるように、結合管３（又は３Ａ）の全長の中央部を、曲げ内側半径寸法Ｒが１／２Ｄ≦Ｒ≦３Ｄとなる範囲、つまり曲げ内側半径寸法Ｒが結合管外径寸法Ｄの０．５倍以上３倍以下の範囲に収まるように、ヘアピン状に折り返し、折り返し部４を形成する（ステップＳ２）。その後、図１、図２及び図３（ｃ）の如く折り返した結合管３（又は３Ａ）の折り返し部４を渦巻き中心部として、往路部３ａと復路部３ｂを、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形していく（ステップＳ３）。そして、往路部３ａと復路部３ｂの末端までトラック巻き状に巻回成形されれば熱交換器が完成し（ステップＳ４）、処理を終了する。

このように、本実施形態のトラック巻形熱交換器５は、結合管３（又は３Ａ）の入口部３ｃと出口部３ｄの相対位置（ここでは同一位置）を決めた後に、この入口部３ｃと出口部３ｄの相対位置に合わせて折り返し部４を形成する位置が決定される。そしてこれらの位置関係が、トラック巻き後も維持される。これは、折り返し部４両側の往路部３ａと復路部３ｂが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされて構成され、ズレが生じないためである。このため、結合管３（又は３Ａ）の入口部３ｃと出口部３ｄの相対位置の位置決め及びそれに伴う折り返し部４の位置決めが容易となり、かつ中継接続が不要で、必要な管長を確保しつつ全体として薄形化が図れ、配管の高密度収納が可能なトラック巻形熱交換器を得ることができる。

また、結合管３の往路部３ａと復路部３ｂを同時にトラック巻き加工すれば、加工時間の大幅短縮が可能となる。そして、ここでは結合管３（又は３Ａ）の入口部３ｃと出口部３ｄがトラック巻きの最外周部に配置されるため、後工程のユニット形態形成時の配管接続が容易となるという利点がある。なお、必要に応じて結合管３（又は３Ａ）の入口部３ｃと出口部３ｄがトラック巻きの中心部に配置されるように往路部３ａと復路部３ｂをトラック巻きに巻回成形することは容易であり、その場合にも往路部３ａと復路部３ｂは、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされることは言うまでもない。

また、結合管３を、図５のような第１流体（水）が流れる円直管からなる第１伝熱管１に、第２流体（冷媒）が流れる第２伝熱管２を這わすように螺旋状に連続巻回して一体構成することで、第１流体（水）と第２流体（冷媒）との間での熱交換効率が向上する。

また、第１伝熱管１Ａを、図６及び図７のような山部１ａと谷底部１ｂとからなる捩れ管から構成することで、第２伝熱管２の巻回作業が容易となる。

また、図７のように第１伝熱管（捩れ管）１Ａとこれに巻回した第２伝熱管２との接合部（隙間）に、高熱伝導性を有する溶接材または低融点金属等からなる接合部材６を介在（充填）設置することで、伝熱管相互の接触面積を実質的に大きくでき、より熱交換効率を向上させることができる。

また、第１流体を水、第２流体を冷媒とすることで、例えばヒートポンプサイクルを用いた貯等式給湯システムへの適用が可能となる。

なお、ここではトラック巻形熱交換器を、第１伝熱管１（又は１Ａ）に第２伝熱管２を這わすように螺旋状に連続巻回して一体化した結合管３（又は３Ａ）から構成したものを例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、トラック巻形熱交換器が単管から構成されるものにも本発明を適用することができ、その場合の単管からなる伝熱管に折り返し部を形成してから往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ（図２参照）上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形していく製造手順は、前述の結合管３（又は３Ａ）を用いたトラック巻形熱交換器の製造方法と同様である。

したがって、このような単管を用いたトラック巻形熱交換器においても前述の結合管３（又は３Ａ）を用いたトラック巻形熱交換器と同様に、単管の入口部と出口部の相対位置（同一位置）を決めた後に、この入口部と出口部の相対位置に合わせて折り返し部を形成する位置が決定される。そしてこれらの位置関係が、トラック巻き後も維持される。これは、折り返し部両側の往路部と復路部が重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされて構成され、ズレが生じないためである。このため、単管からなる伝熱管の入口部と出口部の相対位置の位置決め及びそれに伴う折り返し部の位置決めが容易となり、かつ中継接続が不要で、必要な管長を確保しつつ全体として薄形化が図れ、配管の高密度収納が可能なトラック巻形熱交換器を得ることができる。

また、単管からなる伝熱管の往路部と復路部を同時にトラック巻き加工すれば、加工時間の大幅短縮が可能となる。そして、単管からなる伝熱管の入口部と出口部をトラック巻きの最外周部に配置されるようにトラック巻き加工することで、後工程のユニット形態形成時の配管接続が容易となる。なお、この単管からなる伝熱管構成の場合にも、必要に応じてその入口部と出口部がトラック巻きの中心部に配置されるように往路部と復路部をトラック巻きに巻回成形することは容易であり、その場合にも往路部と復路部は、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされることは言うまでもない。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係るトラック巻形熱交換器の全体構成を示す平面図、図９は本実施形態に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示す説明図、図１０は本実施形態に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示すフローチャートであり、図中、前述実施の形態１と同一部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図２、図５乃至図７を参照するものとする。

本実施形態に係るトラック巻形熱交換器５は、前述の実施形態１と同一構成の結合管３又は３Ａを用いている点は同じであるが、ここでは図８及び図９のようにその両端の出入口部３ｄ，３ｃの位置が平面的に見て一方（例えば入口部３ｃ）が距離Ｘ縮退した位置関係となるように、その全長中央部から縮退側端部（入口側端部）方向へＸ／２ずれた位置でヘアピン状に折り返され、その折り返し部４を挟む往路部３ａと復路部３ｂが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ（図２）上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形されて構成されている点が前述の実施形態１のものと異なっている。それ以外の構成は、全て前述の実施形態１のものと同一である。

次に、本実施形態のトラック巻形熱交換器５の製造方法について、図１０に基づき図２、図５〜図９、を参照しながら説明する。まず、図９（ａ）及び図５のように水を流すための第１伝熱管１（又は１Ａ）に、冷媒を流すための第２伝熱管２を巻き付けて一体化し、結合管３（又は３Ａ）に成形する（ステップＳ１１）。次いで、第１伝熱管１（又は１Ａ）及び第２伝熱管２の出入口部の位置、つまり結合管３（又は３Ａ）の往路部３ａ末端の入口部３ｃと復路部３ｂ末端の出口部３ｄの相対位置が、図８及び図９（ｂ）の如く平面的に見て入口部３ｃが距離Ｘ縮退した位置関係となるように、結合管３（又は３Ａ）の全長中央部から入口側端部方向へＸ／２ずれた位置を、曲げ内側半径寸法Ｒが１／２Ｄ≦Ｒ≦３Ｄとなる範囲、つまり曲げ内側半径寸法Ｒが結合管外径寸法Ｄの０．５倍以上３倍以下の範囲に収まるように、ヘアピン状に折り返し、折り返し部４を形成する（ステップＳ１２）。その後、図８、図２及び図９（ｃ）の如く折り返した結合管３（又は３Ａ）の折り返し部４を渦巻き中心部として、往路部３ａと復路部３ｂを、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形していく（ステップＳ１３）。そして、往路部３ａと復路部３ｂの末端までトラック巻き状に巻回成形されれば熱交換器が完成し（ステップＳ１４）、処理を終了する。

このように、本実施形態のトラック巻形熱交換器５は、結合管３（又は３Ａ）の入口部３ｃと出口部３ｄの相対位置（ここでは入口部３ｃが距離Ｘ縮退した位置）を決めた後に、この入口部３ｃと出口部３ｄの相対位置に合わせて折り返し部４を形成する位置が決定される。そしてこれらの位置関係が、トラック巻き後も維持される。これは、折り返し部４両側の往路部３ａと復路部３ｂが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされて構成され、ズレが生じないためである。このため、結合管３（又は３Ａ）の入口部３ｃと出口部３ｄの相対位置の位置決め及びそれに伴う折り返し部４の位置決めが容易となり、かつ中継接続が不要で、必要な管長を確保しつつ全体として薄形化が図れ、配管の高密度収納が可能なトラック巻形熱交換器を得ることができる。

なお、ここでもトラック巻形熱交換器を、第１伝熱管１（又は１Ａ）に第２伝熱管２を這わすように螺旋状に連続巻回して一体化した結合管３（又は３Ａ）から構成したものを例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、トラック巻形熱交換器が単管から構成されるものにも本発明を適用することができ、その場合の単管からなる伝熱管に折り返し部を形成してから往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ（図２参照）上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形していく製造手順は、前述の結合管３（又は３Ａ）を用いたトラック巻形熱交換器の製造方法と同様である。

したがって、このような単管を用いたトラック巻形熱交換器においても前述の結合管３（又は３Ａ）を用いたトラック巻形熱交換器と同様に、単管の入口部と出口部の相対位置（入口部が距離Ｘ縮退した位置）を決めた後に、この入口部と出口部の相対位置に合わせて折り返し部を形成する位置が決定される。そしてこれらの位置関係が、トラック巻き後も維持される。これは、折り返し部両側の往路部と復路部が重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされて構成され、ズレが生じないためである。このため、単管からなる伝熱管の入口部と出口部の相対位置の位置決め及びそれに伴う折り返し部の位置決めが容易となり、かつ中継接続が不要で、必要な管長を確保しつつ全体として薄形化が図れ、配管の高密度収納が可能なトラック巻形熱交換器を得ることができる。

また、単管からなる伝熱管の往路部と復路部を同時にトラック巻き加工すれば、加工時間の大幅短縮が可能となる。そして、単管からなる伝熱管の入口部と出口部をトラック巻きの最外周部に配置されるようにトラック巻き加工することで、後工程のユニット形態形成時の配管接続が容易となる。なお、この単管からなる伝熱管構成の場合にも、必要に応じてその入口部と出口部がトラック巻きの中心部にて相対位置をずらせて配置されるように往路部と復路部をトラック巻きに巻回成形することは容易であり、その場合にも往路部と復路部は、これらが重畳するように２平面Ｂ，Ｃ上でそれぞれトラック巻きされることは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係るトラック巻形熱交換器の全体構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の実施の形態１に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。 図３に示す結合管のＢ部拡大図である。 本発明の実施の形態１に係るトラック巻形熱交換器の結合管の他の例を示す要部拡大図である。 図６の結合管の要部拡大断面図である。 本発明の実施の形態２に係るトラック巻形熱交換器の全体構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係るトラック巻形熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 第１伝熱管、１ａ 山部、１ｂ 谷底部、１Ａ 第１伝熱管（捩り管）、２ 第２伝熱管、３，３Ａ 結合管（伝熱管）、３ａ 往路部、３ｂ 復路部、３ｃ 伝熱管の入口部、３ｄ 伝熱管の出口部、４ 折り返し部、６ 接合部材、Ｂ，Ｃ ２平面。

Claims (15)

1. 単一の伝熱管を、その長手方向の途中でヘアピン状に折り返させ、該伝熱管の前記折り返し部を挟む往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形してなるトラック巻形熱交換器。
2. 前記伝熱管は、その両端の出入口部の位置が平面的に見て同一位置となるように、その全長中央部でヘアピン状に折り返されてなることを特徴とする請求項１記載のトラック巻形熱交換器。
3. 前記伝熱管は、その両端の出入口部の位置が平面的に見て一方が距離Ｘ縮退した位置関係となるように、その全長中央部から縮退側端部方向へＸ／２ずれた位置でヘアピン状に折り返されてなることを特徴とする請求項１記載のトラック巻形熱交換器。
4. 第１流体が流れる第１伝熱管に第２流体が流れる第２伝熱管を這わすように巻回して一体化した単一の結合管を、その長手方向の途中でヘアピン状に折り返させ、該結合管の前記折り返し部を挟む往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形してなるトラック巻形熱交換器。
5. 前記結合管は、その両端の出入口部の位置が平面的に見て同一位置となるように、その全長中央部でヘアピン状に折り返されてなることを特徴とする請求項４記載のトラック巻形熱交換器。
6. 前記結合管は、その両端の出入口部の位置が平面的に見て一方が距離Ｘ縮退した位置関係となるように、その全長中央部から縮退側端部方向へＸ／２ずれた位置でヘアピン状に折り返されてなることを特徴とする請求項４記載のトラック巻形熱交換器。
7. 前記結合管の第１伝熱管を、山部および谷底部とからなる捩り管から構成したことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のトラック巻形熱交換器。
8. 前記結合管の第１伝熱管とこれに巻回した第２伝熱管との接合部に、高熱伝導性を有する溶接材または低融点金属からなる接合部材を介在設置したことを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれかに記載のトラック巻形熱交換器。
9. 第１流体は水で、第２流体は冷媒であることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれかに記載のトラック巻形熱交換器。
10. 単一の伝熱管をその長手方向の途中でヘアピン状に折り返す工程と、
    折り返した伝熱管の当該折り返し部を挟む往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形する工程と、
    を有することを特徴とするトラック巻形熱交換器の製造方法。
11. 前記伝熱管を、その両端の出入口部の位置が平面的に見て同一位置となるように、その全長中央部でヘアピン状に折り返し、折り返し部を挟む往路部と復路部を重ねることを特徴とする請求項１０記載のトラック巻形熱交換器の製造方法。
12. 前記伝熱管を、その両端の出入口部の位置が平面的に見て一方が距離Ｘ縮退した位置関係となるように、その全長中央部から縮退側端部方向へＸ／２ずれた位置でヘアピン状に折り返し、折り返し部を挟む往路部と復路部を重ねることを特徴とする請求項１０記載のトラック巻形熱交換器の製造方法。
13. 第１流体を流すための第１伝熱管に、第２流体を流すための第２伝熱管を巻き付けて一体化し単一の結合管に成形する工程と、
    結合管をその長手方向の途中でヘアピン状に折り返す工程と、
    折り返した結合管の当該折り返し部を挟む往路部と復路部を、これらが重畳するように２平面上でそれぞれトラック巻き状に巻回成形する工程と、
    を有することを特徴とするトラック巻形熱交換器の製造方法。
14. 前記結合管を、その両端の出入口部の位置が平面的に見て同一位置となるように、その全長中央部でヘアピン状に折り返し、折り返し部を挟む往路部と復路部を重ねることを特徴とする請求項１３記載のトラック巻形熱交換器の製造方法。
15. 前記結合管を、その両端の出入口部の位置が平面的に見て一方が距離Ｘ縮退した位置関係となるように、その全長中央部から縮退側端部方向へＸ／２ずれた位置でヘアピン状に折り返し、折り返し部を挟む往路部と復路部を重ねることを特徴とする請求項１３記載のトラック巻形熱交換器の製造方法。

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