JP5670672B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、多管式の熱交換器に関する。

例えば多管式の熱交換器としてはシェルアンドチューブ式熱交換器が知られており、シェル内に高温ガスなどの流体を通し、向流或いは垂直流でチューブに冷却水などの流体を流して熱交換を行なう（例えば特許文献１参照）。この熱交換器は、シェルの内部に、冷却水等の第１の流体が流通する伝熱管が収容される。伝熱管は直線部分を構成するストレート管と、折り返し部を構成するＵ字管状のリターンベントにより構成される。伝熱管はストレート管とリターンベントを交互に接合することで、シェル内部で蛇行するように複数回折り返された状態となる。伝熱管の始端から伝熱管の末端に向けて第１の流体である冷却水を流過させる。また、シェルの上側に設けられた第２流体入口から、下側の第２流体出口に向けて第２の流体である高温の腐食性ガスを流過させる。これにより、伝熱管を介して第１の流体と第２の流体との間で熱交換が行われる。

特開２００７−２９２４３６号公報

しかしながら、ストレート管とリターンベントを交互に接合してシェル内部で伝熱管を蛇行させた熱交換器では、温度効率を高めるために、伝熱面積を広くしようとすると、伝熱管を長くしなければならず、シェルが大型となり、大きな設置面積が必要となった。また、温度効率を高めるために、水当量(water value) を小さくしようとすると、同一流体量においては伝熱管の流路断面積を大きくしなければならず、これによってもシェルが大型となり、大きな設置面積が必要となった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、設置面積を小さくできるコンパクトな熱交換器を提供することにある。

次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
本発明の請求項１記載の熱交換器１１は、複数の平行な外管１３と、
前記外管１３に挿入され両端が導出される二本の内管２３と、
全ての前記内管２３の入口端に接続され一端が閉鎖する一次分岐管２７と、
全ての前記外管１３の入口端に接続され一端が閉鎖し前記内管２３が貫通する二次分岐管３３と、
全ての前記内管２３の出口端に接続され他端が閉鎖する一次集合管３９と、
全ての前記外管１３の出口端に接続され他端が閉鎖し前記内管２３が貫通する二次集合管４１と、
によって、
前記二本の内管２３が前記各外管１３の配列方向と同方向の同一水平面状となるように平行に配列されて挿入配置され、前記内管２３と前記外管１３とが全て同一水平面となって配置され、該同一水平面上で四角形状となる伝熱管列ユニット５３が、上下複数段に積層されて形成され、
四角形の各対角位置に、一次入口ヘッダ１５及び一次出口ヘッダ１７と、二次入口ヘッダ１９及び二次出口ヘッダ２１とが立設され、
積層配置された複数の前記伝熱管列ユニット５３の、前記一次分岐管２７の他端が前記一次入口ヘッダ１５に接続され、前記二次分岐管３３の他端が前記二次入口ヘッダ１９に接続され、前記一次集合管３９の一端が前記一次出口ヘッダ１７に接続され、前記二次集合管４１の一端が前記二次出口ヘッダ２１に接続されたことを特徴とする。

この熱交換器１１では、一定長の多数の真直な外管１３が同一平面上に互いに近接して並べられ、この外管１３に複数の内管２３が配置される。この際、例えば外管１３は外径が１．８ｍｍ、内管２３は外径０．６ｍｍの細い管径で形成される。熱交換器１１は、温度効率が、伝熱面積の広いほど大きく、水当量の小さいほど大きくなる。伝熱管列ユニット５３が極細の多数の外管１３及び内管２３からなることで、内管２３を流れる一次熱媒Ｒ１と外管１３を流れる二次熱媒Ｒ２の伝熱面積が広くなり、また、外管１３の１本当たりの水当量が小さくなる。これにより、温度効率の高い伝熱管列ユニット５３が得られるのに加え、この伝熱管列ユニット５３が上下複数段に積層されるので、伝熱面積をさらに広げて、水当量もさらに小さくでき、限られた設置面積で、温度効率の高い熱交換器１１が得られる。
また、この熱交換器１１では、各内管２３と各外管１３とが、全て同一水平面となって配置されることとなり、それぞれを固定するロウ付けが行いやすくなる。

さらに、請求項１記載の熱交換器１１では、
前記一次入口ヘッダ１５、前記二次入口ヘッダ１９、前記一次出口ヘッダ１７、及び前記二次出口ヘッダ２１は、軸線方向一方となる各下端が閉鎖され、軸線方向他方となる各上端にねじ込み式管継手５５が固着され、前記各下端閉鎖部は同一水平面上においてベース板５７上にて固定支持されていることを特徴とする。

この熱交換器１１では、熱交換装置側からの一次熱媒供給配管、二次熱媒供給配管、一次熱媒環流配管、及び二次熱媒環流配管の管継手が、例えば配管端部を拡径したフレア部と、このフレア部の外側に外挿される袋ナットと、からなり、ねじ込み式管継手５５の先端シート面とフレア部を密着した状態で、袋ナットの雌ネジがねじ込み式管継手５５の雄ネジに螺合されることで、熱交換器１１が着脱自在となって熱交換装置に取り付けされる。

本発明に係る請求項１記載の熱交換器によれば、一定長の多数の外管を同一水平面上に並べ、この外管に複数の内管を配置するので、限られた設置面積で、一次熱媒と二次熱媒の伝熱面積を広くでき、また、水当量を小さくできる。この結果、温度効率の高い伝熱管列ユニットが得られ、且つこの伝熱管列ユニットが上下複数段に積層されるので設置面積を小さくできコンパクトに構成可能となる。
また、この熱交換器によれば、外管毎の二本の内管が、各外管の配列方向と同方向の同一水平面状で平行に配列されて挿入配置されることから、それぞれを固定する手段であるロウ付けが行いやすくなる。

さらに、請求項１記載の熱交換器１１では、
一次入口ヘッダ、二次入口ヘッダ、一次出口ヘッダ、及び二次出口ヘッダは、その各下端が閉鎖されて、同一水平面上においてベース板上にて固定支持されており、その各上端に固着したねじ込み式管継手を介して熱交換装置に対して熱交換器を着脱自在に取り付けでき、メンテナンス時における熱交換器の交換を容易にすることができる。

本発明に係る熱交換器の斜視図である。 図１に示した伝熱管列ユニットの平面図である。 図１に示した二次入口ヘッダ近傍の拡大断面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図２のＣ−Ｃ断面図である。 図１に示した熱交換器を各ヘッダの部分で断面とした模式図である。 図１に示した熱交換器の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る熱交換器の斜視図、図２は図１に示した伝熱管列ユニットの平面図、図３は図１に示した二次入口ヘッダ近傍の拡大断面図である。
本実施の形態に係る熱交換器１１は、複数の平行な極細の外管１３を有する。外管１３は、真直であり、多数本が平行に互いに近接して並べられて正方形に近い四角形の配管列を同一平面状に形成する。この四角形の各対角位置には、一次入口ヘッダ１５及び一次出口ヘッダ１７と、二次入口ヘッダ１９及び二次出口ヘッダ２１とが立設される。本実施の形態において、一次入口ヘッダ１５及び一次出口ヘッダ１７と、二次入口ヘッダ１９及び二次出口ヘッダ２１は、丸パイプからなる。図３に示すように、それぞれの外管１３には少なくとも二本の真直な内管２３が平行となって挿入され、内管２３は両端が外管１３の両端から導出される。なお、内管２３は外管１３と同じ平行な列を形成しており、すなわち各外管１３の配列方向と同方向の同一平面状となるように、各内管２３が平行に配列されて挿入配置されている。

全ての内管２３の入口端（図２の上端）には一次分岐管２７が接続され、一次分岐管２７は一端が栓３１によって閉鎖される。なお、本明細書中、一端とは図２の右端、他端とは図２の左端を言う。全ての外管１３の入口端（図２の下端）には二次分岐管３３が接続され、二次分岐管３３は一端が栓３１によって閉鎖し、且つ上記の内管２３が貫通する。全ての内管２３の出口端（図２の下端）には一次集合管３９が接続され、一次集合管３９は他端が栓３１によって閉鎖される。全ての外管１３の出口端（図２の上端）には二次集合管４１が接続され、二次集合管４１は他端が栓３１によって閉鎖し、且つ内管２３が貫通する。本実施の形態において一次分岐管２７、一次集合管３９、二次分岐管３３、及び二次集合管４１は、真直な丸パイプよりなる。

熱交換器１１は、内管２３に一次熱媒Ｒ１が流れる。外管１３には、内管２３の外周との間に形成される空隙４３に、二次熱媒Ｒ２が流れる。本実施の形態では、図３に示すように、内管２３を流れる一次熱媒Ｒ１の方向と、外管１３の空隙４３を流れる二次熱媒Ｒ２とが逆向きとなる向流の熱交換器１１となるが、例えば一次入口ヘッダ１５と一次出口ヘッダ１７、又は二次入口ヘッダ１９と二次出口ヘッダ２１のいずれかのヘッダ対の入口と出口とを逆に使用することで、内管２３を流れる一次熱媒Ｒ１の方向と、外管１３の空隙４３を流れる二次熱媒Ｒ２とが同一向きとなる並流の熱交換器１１としても用いることができる。

一次熱媒Ｒ１は例えば熱交換装置からの湯、二次熱媒Ｒ２は床暖房等からの環流水となる。この他、熱交換器１１は、ヒートポンプ給湯装置の液ガス熱交換器に用いてもよい。図示は省略するがヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、ガスクーラ、減圧機構、蒸発器、液ガス熱交換器を備える。この場合、熱交換器１１は、ガスクーラから減圧機構に供給される高圧側冷媒と、蒸発器から圧縮機に供給される低圧側冷媒の熱交換に用いることができる。高圧側の冷媒として二酸化炭素等の自然冷媒を用いれば、発火等の危険性を無くして安全性を高めることができる。

ここで、内管２３と外管１３には極細の丸チューブが使用されている。内管２３には、外径０．６ｍｍのＳＵＳ管が使用される。外管１３には、外径１．８ｍｍのＳＵＳ管が使用される。外管１３は、３０本程度が並設される。内管２３は、２本を挿入した場合、６０本となる。後述するように、これらは本実施の形態において、４層で設けられるので、外管１３の総本数は１２０本、内管２３の総本数は２４０本となる。外管１３は、上記したようにほぼ正方形に近い四角形となるように離間して並べられている。

図４（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図２のＣ−Ｃ断面図である。
図４（ａ）に示すように、外管１３は二次集合管４１の一方の管壁に穿設された外管挿入孔４７にて挿入され二次集合管４１の内側で開口する。二次集合管４１の他方の管壁には内管貫通孔４９が穿設され、内管貫通孔４９に挿通された内管２３は一次分岐管２７に穿設された内管挿入孔５１にて一次分岐管２７の内側で開口する。これらの各貫通部における管同士はロウ付けにより気密に固定される。ロウ付けは、管同士の接触面にロウ材を置き、炉中ロウ付けすることにより一体的に接合する所謂置きロウの手法を採用できる。なお、各内管２３と各外管１３とが、全て同一平面となって配置されることから、外管１３の配列方向に対して直交方向（縦方向）に二本の内管２３が配置されているよりも、それぞれを固定するロウ付けが行いやすくなる。

図４（ｂ）に示すように、二次分岐管３３の内部には外管１３が開口され、それぞれの外管１３の内部には２本の内管２３が配置される。図４（ｃ）に示すように、二次分岐管３３で外管１３から導出された内管２３は、二次分岐管３３を貫通した後、一次集合管３ ９の内部でそれぞれが開口する。

内管２３を挿通した外管１３と、外管１３の両端に接続される二次分岐管３３及び二次集合管４１と、内管２３の両端に接続される一次分岐管２７及び二次分岐管３３とは、同一平面上で四角形状となる図２に示す伝熱管列ユニット５３を形成している。

熱交換器１１は、この伝熱管列ユニット５３を複数段積層して備える。本実施の形態では、４段に積層される。積層配置された複数の伝熱管列ユニット５３は、一次分岐管２７の他端が一次入口ヘッダ１５に接続され、二次分岐管３３の一端が二次入口ヘッダ１９に接続され、一次集合管３９の一端が一次出口ヘッダ１７に接続され、二次集合管４１の一端が二次出口ヘッダ２１に接続される。積層段数は図例の４段に限定されるものではなく、これより少なくても多くてもよく、好ましくは４〜１０段で構成される。

一次入口ヘッダ１５、二次入口ヘッダ１９、一次出口ヘッダ１７、及び二次出口ヘッダ２１は、軸線方向一方が閉鎖され、軸線方向他方にはねじ込み式管継手５５が固着されている。図示は省略するが熱交換装置側からの一次熱媒供給配管、二次熱媒供給配管、一次熱媒環流配管、及び二次熱媒環流配管の管継手が、例えば配管端部を拡径したフレア部と、このフレア部の外側に外挿される袋ナットと、からなり、ねじ込み式管継手５５の先端シート面とフレア部を密着した状態で、袋ナットの雌ネジがねじ込み式管継手５５の雄ネジに螺合されることで、熱交換器１１が着脱自在となって熱交換装置に取り付けされる。このように、ねじ込み式管継手５５を介して熱交換装置に対して熱交換器１１を着脱自在に取り付けることで、メンテナンス時における熱交換器１１の交換を容易にすることができる。

一次入口ヘッダ１５、二次入口ヘッダ１９、一次出口ヘッダ１７、及び二次出口ヘッダ２１は、ねじ込み式管継手５５の固着端と反対側の端部が閉鎖され、例えばベース板５７にて固定支持される。なお、一次入口ヘッダ１５、二次入口ヘッダ１９、一次出口ヘッダ１７、及び二次出口ヘッダ２１のねじ込み式管継手５５と反対側の端部には、ねじ込み式管継手５５と螺合接続可能な管継手を固着しておいてもよい。このような両端継手構造とすることで、熱交換器１１をさらに複数段で積層することが可能となる。

次に、上記構成を有する熱交換器１１の作用を説明する。
図５は図１に示した熱交換器１１を各ヘッダの部分で断面とした模式図、図６は図１に示した熱交換器１１の平面図である。
熱交換器１１では、各伝熱管列ユニット５３において、一次入口ヘッダ１５に流れた一次熱媒Ｒ１は一次分岐管２７に入り、一次分岐管２７から内管２３に流れる。内管２３を流れた一次熱媒Ｒ１は二次熱媒Ｒ２と熱交換された後、一次集合管３９に入り、一次出口ヘッダ１７から外部へ出る。二次入口ヘッダ１９に流れた二次熱媒Ｒ２は二次分岐管３３に入り、二次分岐管３３から外管１３に流れる。外管１３を流れた二次熱媒Ｒ２は一次熱媒Ｒ１と熱交換された後、二次集合管４１に入り、二次出口ヘッダ２１から外部へ出る。

この熱交換器１１では、一定長の多数の外管１３が同一平面上に並べられ、この外管１３に複数の内管２３が配置される。この際、例えば外管１３は外径が１．８ｍｍ、内管２３は外径０．６ｍｍの細い管径で形成されている。熱交換器１１の温度効率は、伝熱面積が広いほど大きく、水当量が小さいほど大きくなる。伝熱管列ユニット５３は、極細の多数の外管１３及び内管２３からなることで、内管２３を流れる一次熱媒Ｒ１と外管１３を流れる二次熱媒Ｒ２の伝熱面積が広くなる。

外管１３、内管２３を極細とすることで本数を増やせ、伝熱面積を広く確保できるからである。外管１３、内管２３は極細とすることで管路が長くなると圧力損失が増大するが、短管を多数並設することによりこれを抑制できる。このことから伝熱管列ユニット５３は、外管１３の長さ方向よりも外管１３の並び方向を長くした矩形状とすることが好ましい。二酸化炭素のように比較的粘性係数が小さい熱媒では、流動抵抗が小さくなり、細径管が有利となる。

また、熱交換器１１は、外管１３と内管２３を多数とし、分岐経路を増やすことで流速を遅くし、外管１３の１本当たりの水当量を小さくすることが可能となる。また、内管２３を流れる一次熱媒Ｒ１の熱伝達率と、外管１３を流れる二次熱媒Ｒ２の熱伝達率が、内管２３及び外管１３を極細化するスケール効果によって増大する伝熱学的原理を利用することが可能となる。さらに、熱交換器１１では、外管１３の両端に接続する二次分岐管３３と二次集合管４１を、内管２３が貫通する構造とするにより、複数の内管２３を内設した外管１３を、近接して多数本並べることが可能となっている。結果、温度効率の高い伝熱管列ユニット５３が得られている。

これに加え、この伝熱管列ユニット５３が複数段に積層されるので、伝熱面積をさらに広げて、水当量もさらに小さくでき、限られた設置面積で、温度効率の高い熱交換器１１が得られる。

熱交換器１１は、このようにして効率が高められることで、従来に比べて収容スペースを大幅に小さくすることができる。また、積層構造となることで、立体的に構成でき、小型化、省スペース化に加えて、設置面積も小さくできる。これにより、従来の熱交換器１１を備えた熱交換装置では設置できなかった狭小スペースへの設置も可能にすることができるようになる。

したがって、本実施の形態に係る熱交換器１１によれば、一定長の多数の外管１３を同一平面上に並べ、この外管１３に複数の内管２３を配置するので、限られた設置面積で、一次熱媒Ｒ１と二次熱媒Ｒ２の伝熱面積を広くでき、また、水当量を小さくできる。この結果、温度効率の高い伝熱管列ユニット５３が得られ、且つこの伝熱管列ユニット５３が複数段に積層されるので設置面積を小さくできる。すなわち、この熱交換器１１によれば、ヒートポンプ式の給湯器なども小型化を実現でき、また、電気自動車用の空調機としても小型化によって搭載可能となり、省エネルギーで効率のよい空調機として採用することが可能である。

なお、上記の実施の形態では、一次入口ヘッダ１５、一次出口ヘッダ１７、一次分岐管２７、一次集合管３９、二次入口ヘッダ１９、二次出口ヘッダ２１、二次分岐管３３、二次集合管４１に丸パイプを用いた場合を例に説明したが、これらには角パイプを用いても良い。

１１…熱交換器
１３…外管
１５…一次入口ヘッダ
１７…一次出口ヘッダ
１９…二次入口ヘッダ
２１…二次出口ヘッダ
２３…内管
２７…一次分岐管
３３…二次分岐管
３９…一次集合管
４１…二次集合管
５３…伝熱管列ユニット
５５…ねじ込み式管継手

Claims (1)

1. 複数の平行な外管と、
   前記外管に挿入され両端が導出される二本の内管と、
   全ての前記内管の入口端に接続され一端が閉鎖する一次分岐管と、
   全ての前記外管の入口端に接続され一端が閉鎖し前記内管が貫通する二次分岐管と、
   全ての前記内管の出口端に接続され他端が閉鎖する一次集合管と、
   全ての前記外管の出口端に接続され他端が閉鎖し前記内管が貫通する二次集合管と、によって、
   前記二本の内管が前記各外管の配列方向と同方向の同一水平面状となるように平行に配列されて挿入配置され、前記内管と前記外管とが全て同一水平面となって配置され、該同一平面上で四角形状となる伝熱管列ユニットが、上下複数段に積層されて形成され、
   四角形の各対角位置に、一次入口ヘッダ及び一次出口ヘッダと、二次入口ヘッダ及び二次出口ヘッダとが立設され、
   積層配置された複数の前記伝熱管列ユニットの、前記一次分岐管の他端が前記一次入口ヘッダに接続され、前記二次分岐管の他端が前記二次入口ヘッダに接続され、前記一次集合管の一端が前記一次出口ヘッダに接続され、前記二次集合管の一端が前記二次出口ヘッダに接続され、
   前記一次入口ヘッダ、前記二次入口ヘッダ、前記一次出口ヘッダ、及び前記二次出口ヘッダは、軸線方向一方となる各下端が閉鎖され、軸線方向他方となる各上端にねじ込み式管継手が固着され、前記各下端閉鎖部は同一水平面上においてベース板にて固定支持されていることを特徴とする熱交換器。