JP5689341B2 - 二重管型熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

二重管型熱交換器およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、内管の外側に外管が被嵌され、それらの間に第１流体が流通するとともに、内管の内側に第２流体が流通して、両流体間に熱交換が行なわれる二重管型熱交換器に関する。
下記特許文献１に、燃料電池発電システムにおける水の蒸発器として、三重管型熱交換器が記載されている。
これは燃焼排ガスにより水を加熱して気化させる蒸発器であって、内周面側に燃料排ガスを流通させ、水を流通させる流通路を軸線方向に向かって螺旋状に形成する。そして、円筒体とその円筒体の外周面に同軸をなして取付けられた螺旋条をなす外側螺旋波形管とを備える。それとともに、円筒体の内側に同軸をなして案内筒を配置したものである。そして、その円筒体と外側螺旋波形管との間に水を供給し、案内筒と円筒体との間に燃焼排ガスを流通させるものである。
特開２００７−１３９４０４号公報
上記特許文献の熱交換器は、その熱交換壁面が円筒体であり、それに外側螺旋波形管が螺旋状に線接触したものである。そのため、両者の接触面が極めて小さく、熱交換効率が悪い欠点がある。
そこで本発明は、熱交換性能のよい二重管型熱交換器を提供することを課題とする。
請求項１に記載の発明は、内管(1)の外側に外管(2)が被着され、
内管(1)に第１螺旋突条(3)が曲折形成され、その第１螺旋突条(3)に整合する第２螺旋突条(4)が外管(2)に曲折形成され、その第２螺旋突条(4)の内面と、前記第１螺旋突条(3)の外周とが面接触すると共に、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成され、
その内管(1)の外周と外管(2)の内周との間に螺旋状の第１流路(5)が形成され、その内管(1)の内周に第２流路(6)が形成され、第１流路(5)と第２流路(6)の一方に低温の第１流体(7)が流通されると共に、他方に高温の第２流体(8)が流通される二重管型熱交換器において、
高温の前記第２流体(8)が第２流路(6)に流通し、それが非流通状態のときは、外管(2)の螺旋突条(4)が存在せず、第２流体(8)の流通に伴い、内管(1)が膨張して、その第１螺旋突条(3)が外管(2)の内面に押圧されて、外管(2)に第２螺旋突条(4)が形成されるように構成された二重管型熱交換器である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の二重管型熱交換器において、
前記第１螺旋突条(3)と前記第２螺旋突条(4)との間に螺旋状の閉塞空間(9)が形成される二重管型熱交換器である。
請求項３に記載の発明は、内管(1)の外側に外管(2)が被着され、
内管(1)に第１螺旋突条(3)が曲折形成され、その第１螺旋突条(3)に整合する第２螺旋突条(4)が外管(2)に曲折形成され、その第２螺旋突条(4)の内面と、前記第１螺旋突条(3)の外周とが面接触すると共に、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成され、
その内管(1)の外周と外管(2)の内周との間に螺旋状の第１流路(5)が形成され、その内管(1)の内周に第２流路(6)が形成され、第１流路(5)と第２流路(6)の一方に低温の第１流体(7)が流通されると共に、他方に高温の第２流体(8)が流通される二重管型熱交換器の製造方法において、
外面側に第１螺旋突条(3)を有する内管(1)の外周に、螺旋突条の存在しない断面直径が同一な直管からなる外管(2)を被嵌する工程と、
内管(1)に加圧体を充填することにより、その内管(1)を半径方向外周に塑性変形して、内管(1)の第１螺旋突条(3)を外管(2)に押圧して、外管(2)に第２螺旋突条(4)を塑性変形により形成させる工程と、
を有する二重管型熱交換器の製造方法である。
請求項４に記載の発明は、内管(1)の外側に外管(2)が被着され、
内管(1)に第１螺旋突条(3)が曲折形成され、その第１螺旋突条(3)に整合する第２螺旋突条(4)が外管(2)に曲折形成され、その第２螺旋突条(4)の内面と、前記第１螺旋突条(3)の外周とが面接触すると共に、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成され、
その内管(1)の外周と外管(2)の内周との間に螺旋状の第１流路(5)が形成され、その内管(1)の内周に第２流路(6)が形成され、第１流路(5)と第２流路(6)の一方に低温の第１流体(7)が流通されると共に、他方に高温の第２流体(8)が流通される二重管型熱交換器の製造方法において、
内面側に第２螺旋突条(4)を有する外管(2)の内側に、螺旋突条の存在しない断面直径が同一な直管よりなる内管(1)を挿入する工程と、
内管(1)に加圧体を充填し、それを半径方向外周に塑性変形することにより、内管(1)を外管(2)の第２螺旋突条(4)に押圧して、その内管(1)に第１螺旋突条(3)をその内側に塑性変形により形成させる工程と、
を有する二重管型熱交換器の製造方法である。
本発明の二重管型熱交換器は、外管２の第２螺旋突条４の内面と、内管１の第１螺旋突条３の外面とが面接触するとともに、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成されている。そして、内管１の外周と外管２との間に第１流路５が形成され、内管１の内周に第２流路６が形成されたものである。そのため、第１流路５と第２流路６に流通する第１流体７と第２流体８との熱交換を効率よく行なうことができる。即ち、内管１と外管２とは、その第１螺旋突条３と第２螺旋突条４とにおいて面接触しているため、伝熱性がよく、内管１の第２流体８の熱が容易に外管２に伝導し、第１流体７を内管１と外管２の両側から加熱または冷却することができる。
それとともに、それらの間の第１流路５が螺旋状に形成され、そこに流体が流通するため、流路長が長くなり、熱交換を促進する。さらには、第１螺旋突条３と第２螺旋突条４とが面接触するにもかかわらず、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に形成されているから、内管１と外管２との熱膨張の差に基づく、熱歪みを自在に取除くことができ、寿命の長い二重管型熱交換器を提供できる。
さらに、高温の第２流体８が第２流路６を流通し、それが非流通状態のときは、外管２の第２螺旋突条４が存在せず、第２流体８の流通にともない内管１が膨張して、その第１螺旋突条３が外管２の内面を押圧し、外管２に第２螺旋突条４が形成されるように構成しているので、内管１と外管２との熱歪みの差に基づく両者の管の相対移動を過渡的により容易に行ないうる。
上記構成において、請求項２に記載のように、第１螺旋突条３と第２螺旋突条４との間に螺旋状の閉塞空間９を形成した場合には、内管１と外管２との温度差を十分確保し、それらの間の面接触状態を適当に維持することができる。
次に、請求項３に記載の二重管型熱交換器の製造方法は、第１螺旋突条３を有する内管１外周に直管からなる外管２を被嵌した後に、加圧体を内管１に充填して、内管１および外管２を塑性変形する。そして、第１螺旋突条３と外管２の第２螺旋突条４とを圧接し、両螺旋突条を面接触させるものである。
この方法によれば、容易に効率のよい二重管型熱交換器を製造できる。
請求項４に記載の二重管型熱交換器の製造方法は、内面側に第２螺旋突条４を有する外管２の内側に、直管からなる内管１を挿入し、その内管１に加圧体を充満して、内管１および外管２を塑性変形する。そして、第２螺旋突条４に面接触する第１螺旋突条３を形成したものである。
この方法によれば、熱交換性能のよい二重管型熱交換器を容易に製造できる。
本発明の二重管型熱交換器の第１実施例の要部縦断面図。 同熱交換器を製造するための説明図。 本発明の二重管型熱交換器の第２実施例の要部縦断面図。 本発明の二重管型熱交換器の第３実施例の要部縦断面図。 本発明の二重管型熱交換器の第４実施例の要部縦断面図。
次に、図面に基づいて本発明の各実施の形態につき説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例の要部縦断面図であって、内管１の外側に外管２が被嵌されている。内管１は、第１螺旋突条３が外周面に突出するように、曲折形成されたものである。また、外管２は内管１同様にその外側に第２螺旋突条４が突設されるように曲折変形され、その第２螺旋突条４の内面と内管１の第１螺旋突条３外面とが曲面で馴染み、面接触する。そして、その接触面は接合されることなく、互いに相対移動自在に形成されている。
内管１および外管２は、アルミニウム材やステンレス材等の金属板からなる。そして、内管１と外管２とはそれぞれの螺旋突条部のみで面接触され、それ以外の面では対向してその間に螺旋状の第１流路５が形成される。
この例では、その螺旋状の第１流路５内に第１流体７が流通し、内管１の内側の第２流路６には第２流体８が流通する。第１流体７と第２流体８は、この例では対向流としている。第２流体８は一例として高温の排ガスが流通し、第１流体７として水が供給される。そして、第１流体７と第２流体８との間に熱交換が行なわれる。
この時、高温流体である第２流体８の熱が内管１の第１螺旋突条３と、外管２の第２螺旋突条４を介し、外管２に伝熱される。それによって、第１流体７は内管１側と外管２側との両者から加熱される。これは、第１螺旋突条３と第２螺旋突条４とは面接触され、第１流体７が短絡することなく、螺旋状に流通し、両者の伝熱性がよく、第２流体８の熱が外管２に伝熱して、その第１流体７を内管と外管との両側から加熱するものである。
（製造方法）
次に、図１に示す二重管型熱交換器を製造する一例を図２において説明する。
この例は、直管からなる外管２を内管１の外側に被嵌する。この内管１は、外面側に第１螺旋突条３が形成されたものである。そして、外管２には螺旋突条が存在しない。そこで、内管１の一端を閉塞体10および締結環11により閉塞し、内管１の他端から高圧の加圧流体12を供給する。そして、その加圧流体12により内管１を拡開して、塑性変形し、その第１螺旋突条３を外管２に押圧し、それにより外管２に第２螺旋突条４を塑性形成させる。その後、閉塞体10および締結環11を取外すことで、図１に示す二重管型熱交換器を製造することができる。上記加圧流体による塑性変形に代えて、内管１内にウレタンやゴム材等を挿入し、それを加圧してウレタンバルジ加工、ゴムバルジ加工をすることもできる。
（第２実施例）
次に、図３は本発明の第２実施例の要部縦断面図であって、この例が図１のそれと異なる点は、内管１および外管２の第１螺旋突条３、第２螺旋突条４がそれぞれ管の内側に突設形成されたものである。そして、他は内管１と同様である。
この熱交換器は、図２に準じて製造することができるが、この場合、内管１を直管とし、外管２に第２螺旋突条４をその内面側に突設して形成する。そして、図２同様に内管１内に加圧流体12を充填し、直管である内管１を外管２の第２螺旋突条４に押し当てて、図３の熱交換器を製造することができる。
（第３実施例）
次に、図４に示す内管１と外管２はそれらを塑性変形させることなく、そのまま使用することができる。その際、内管１の第１螺旋突条３と内面とが接触していることが好ましい。そして、内管１内に高温の第２流体８を供給することにより、内管１を膨張させ、外管２に押し当てて、図１の状態が形成される。
即ち、高温流体により内管１が外側に拡開されて、その押圧により外管２に第２螺旋突条４が形成され、第１螺旋突条３と第２螺旋突条４とが面接触されるものである。そして、内管１と外管２との間に図１同様に第１流体７が供給され、第１流体７と第２流体８との間に熱交換が行なわれるものである。
次いで、第２流体８を取除くと、熱交換器は図４に示すように、外管２は直管に戻る。
（第４実施例）
次に、図５は本発明の第４実施例であり、この例が図１の例と異なる点は、第１螺旋突条３と第２螺旋突条４との間に閉塞空間９を形成したものである。この閉塞空間９の存在により、内管１と外管２との伝熱状態を適当な値に制御し、第１螺旋突条３と第２螺旋突条４との接触状態を強固にするものである。
１ 内管
２ 外管
３ 第１螺旋突条
４ 第２螺旋突条
５ 第１流路
６ 第２流路
７ 第１流体
８ 第２流体
９ 閉塞空間
10 閉塞体
11 締結環
12 加圧流体

Claims (4)

  1. 内管(1)の外側に外管(2)が被着され、
    内管(1)に第１螺旋突条(3)が曲折形成され、その第１螺旋突条(3)に整合する第２螺旋突条(4)が外管(2)に曲折形成され、その第２螺旋突条(4)の内面と、前記第１螺旋突条(3)の外周とが面接触すると共に、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成され、
    その内管(1)の外周と外管(2)の内周との間に螺旋状の第１流路(5)が形成され、その内管(1)の内周に第２流路(6)が形成され、第１流路(5)と第２流路(6)の一方に低温の第１流体(7)が流通されると共に、他方に高温の第２流体(8)が流通される二重管型熱交換器において、
    高温の前記第２流体(8)が第２流路(6)に流通し、それが非流通状態のときは、外管(2)の螺旋突条(4)が存在せず、第２流体(8)の流通に伴い、内管(1)が膨張して、その第１螺旋突条(3)が外管(2)の内面に押圧されて、外管(2)に第２螺旋突条(4)が形成されるように構成された二重管型熱交換器。
  2. 請求項１に記載の二重管型熱交換器において、
    前記第１螺旋突条(3)と前記第２螺旋突条(4)との間に螺旋状の閉塞空間(9)が形成される二重管型熱交換器。
  3. 内管(1)の外側に外管(2)が被着され、
    内管(1)に第１螺旋突条(3)が曲折形成され、その第１螺旋突条(3)に整合する第２螺旋突条(4)が外管(2)に曲折形成され、その第２螺旋突条(4)の内面と、前記第１螺旋突条(3)の外周とが面接触すると共に、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成され、
    その内管(1)の外周と外管(2)の内周との間に螺旋状の第１流路(5)が形成され、その内管(1)の内周に第２流路(6)が形成され、第１流路(5)と第２流路(6)の一方に低温の第１流体(7)が流通されると共に、他方に高温の第２流体(8)が流通される二重管型熱交換器の製造方法において、
    外面側に第１螺旋突条(3)を有する内管(1)の外周に、螺旋突条の存在しない断面直径が同一な直管からなる外管(2)を被嵌する工程と、
    内管(1)に加圧体を充填することにより、その内管(1)を半径方向外周に塑性変形して、内管(1)の第１螺旋突条(3)を外管(2)に押圧して、外管(2)に第２螺旋突条(4)を塑性変形により形成させる工程と、
    を有する二重管型熱交換器の製造方法。
  4. 内管(1)の外側に外管(2)が被着され、
    内管(1)に第１螺旋突条(3)が曲折形成され、その第１螺旋突条(3)に整合する第２螺旋突条(4)が外管(2)に曲折形成され、その第２螺旋突条(4)の内面と、前記第１螺旋突条(3)の外周とが面接触すると共に、その接触面が接合されることなく、互いに相対移動自在に構成され、
    その内管(1)の外周と外管(2)の内周との間に螺旋状の第１流路(5)が形成され、その内管(1)の内周に第２流路(6)が形成され、第１流路(5)と第２流路(6)の一方に低温の第１流体(7)が流通されると共に、他方に高温の第２流体(8)が流通される二重管型熱交換器の製造方法において、
    内面側に第２螺旋突条(4)を有する外管(2)の内側に、螺旋突条の存在しない断面直径が同一な直管よりなる内管(1)を挿入する工程と、
    内管(1)に加圧体を充填し、それを半径方向外周に塑性変形することにより、内管(1)を外管(2)の第２螺旋突条(4)に押圧して、その内管(1)に第１螺旋突条(3)をその内側に塑性変形により形成させる工程と、
    を有する二重管型熱交換器の製造方法。
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