JP5809910B2

JP5809910B2 - 熱交換器の製造装置及び熱交換器の製造方法

Info

Publication number: JP5809910B2
Application number: JP2011216139A
Authority: JP
Inventors: 博章近本
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP2013075311A

Description

本発明は、地中の熱を採熱したり、地中へ熱を放熱したりするための地中熱ヒートポンプシステムに用いられる採熱／放熱管からなる熱交換器、熱交換器の製造装置、及び熱交換器の製造方法に関する。

従来より、地中にＵ字管からなる熱交換器を埋設し、その熱交換器内に熱媒体を流通させて熱交換させることで、暖房用の熱を地中から吸収したり、室内の余剰熱を地中に放出したりする地中熱ヒートポンプシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この地中熱ヒートポンプシステムにおける熱交換器は採熱／放熱管とも呼ばれ、２本のチューブの下端部同士が継手部材を介して連結された構成となっている。このような２本のチューブからなる熱交換器は、地中に形成された例えば直径９０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度の小径のボーリング孔の内側に挿入され、地中熱ヒートポンプシステムを構成している。このとき、２本のチューブの下端部に介在する継手部材は樹脂製のＵ字管継手であり、２本のチューブ同士を連通させるＵ字状の貫通孔が形成されている。

このような構成により、例えば、一方のチューブ側から送り込まれた常温の気体（熱媒体）が地中の熱を吸収し、Ｕ字管継手を経由して他方のチューブ側から室内へ導かれることにより、地中から熱を吸収した気体によって室内を暖房させることができる。また、これとは逆に、一方のチューブ側から送り込まれた高温の気体が地中へ熱を放散し、Ｕ字管継手を経由して他方のチューブ側から室内へ導かれることにより、地中へ熱を放散した気体によって室内を冷房させることができる。

特開２００５−３３７５６９号公報

ここで、上述した熱交換器（採熱／放熱管）は、２本で一対となった一組のチューブの先端同士をＵ字管継手で連結することにより製造されるが、これまでこのような熱交換器を効率良く製造する装置は無かった。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、地中の広いエリアに亘って採熱／放熱を行うことができると共に、熱交換効率を向上させることができるように構成された地中熱ヒートポンプシステム用の熱交換器を効率良く製造する熱交換器の製造装置及び熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の熱交換器の製造装置は、２本のチューブからなる一対の整列巻管と、射出成型によって形成され、前記一対の整列巻管の先端同士を連結するＵ字管継手と、を備え、地中熱に対して熱交換を行う熱交換器の製造装置であって、前記２本のチューブのそれぞれが巻回された２組のリール体を設置可能な２台の巻管繰出機と、該２台の巻管繰出機からそれぞれ繰り出された前記２本のチューブを並列にし、コイル状に整列巻きして前記一対の整列巻管を形成する整列巻取機と、前記整列巻取機によって形成された前記一対の整列巻管の先端部分において、前記２本のチューブを相互に相通させる通気孔を有する前記Ｕ字管継手を、前記２本のチューブのそれぞれに融着接続させる高周波誘導加熱機と、前記一対の整列巻管の終端部分の所定の位置において、前記２本のチューブを一括して切断する切断手段と、を備えていることを特徴としている。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、一方のチューブが巻回された一方のリール体と、他方のチューブが巻回された他方のリール体をそれぞれ巻管繰出機にセットする整列巻管設置工程と、前記巻管繰出機から繰り出された前記一方のチューブと前記他方のチューブの２本のチューブを並列にするとともにコイル状に整列巻きして、前記２本のチューブからなる一対の整列巻管を形成する整列巻管形成工程と、前記チューブを相互に相通させる通気孔を有する前記Ｕ字管継手を、前記２本のチューブのそれぞれに融着接続させる継手融着工程と、前記一対の整列巻管の終端部分の所定の位置で、前記２本のチューブを切断手段によって一括して切断する切断工程と、を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、２本のチューブを容易にコイル状に整列巻きして一対の整列巻管を形成することができるため、地中熱ヒートポンプシステム用の熱交換器を効率良く製造することができる。

本発明の実施形態に適用されるコイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器の製造装置であり、（ａ）は側面図、(ｂ)は上面図である。本実施形態の熱交換器の製造装置におけるチューブ整列部の部分斜視図（１）である。本実施形態の熱交換器の製造装置におけるチューブ整列部の部分斜視図（２）である。本実施形態の熱交換器の製造装置におけるチューブ整列部の部分斜視図（３）である。図１に示す熱交換器の製造装置によって製造されたコイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器の外観斜視図である。図１に示す熱交換器の製造装置によって製造されたコイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器の一実施例の製品図であり、(ａ)はコイル状の熱交換器の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した平面図（一部断面図）、（ｃ）は（ｂ）のＢ方向から見た正面図である。

本発明の実施形態に係る熱交換器（採熱／放熱管）は、２本のチューブが並列にコイル状に整列巻きされた一対の整列巻管と、この一対の整列巻管の先端部分に２本のチューブを相互に相通するために設けられたＵ字管継手と、を備えて構成されている。このような構成により、熱交換器は、一方のチューブ口から送り込まれた熱媒体が、配管内を通過して他方のチューブ口から送出される過程において熱交換が行われるものである。

次に、本実施形態における熱交換器の製造装置は、チューブを成型するための押出し成型機と、押出し成型機の後方（下流側）に設置された２台の巻取り機（巻管繰出機）と、２台の巻取り機でそれぞれ巻き取った２組のリール体からそれぞれチューブを繰り出し、２本のチューブを組み合わせて一対の整列巻管を形成する整列巻取機と、を備えている。つまり、整列巻取機によって２本のチューブを同時に再巻取り（リコイル）し、整列巻管（整列コイル）を製造する。さらに、この整列巻管の先端部のそれぞれのチューブ口にＵ字管継手を融着接続する高周波誘導加熱機を備えている。

このように構成された整列巻管からなる熱交換器によれば、この熱交換器を地中に埋設した後に、整列巻管の一方のチューブ口から送り込まれた熱媒体がコイル部分を通過して他方のチューブ口へ送出されることにより、地中の広いエリアに亘って効率的に熱交換を行うことができる。したがって、このような熱交換器を用いて地中熱ヒートポンプシステムを構築することにより、室内を効果的に冷暖房させることが可能となる。

（熱交換器の製造装置）
図１は、本発明の実施形態に適用される採熱／放熱管からなる熱交換器の製造装置であり、（ａ）は側面図、(ｂ)は上面図である。すなわち、この図は、巻管状（コイル状）の熱交換器１１の製造装置２０の外観を示している。この製造装置２０は、ポリエチレンなどの樹脂製のチューブを成型するための押出し成型機（図示せず）の後方（下流側）に設置される装置である。

また、この製造装置２０は、図示しない押出成型機に近い側に、第１巻管１ａを設置可能な第１巻管繰出機１と、第２巻管２ａを設置可能な第２巻管繰出機２とが相互に接触しないようにチューブが繰り出される方向（縦列方向）に沿って配置されている。第１巻管繰出機１および第２巻管繰出機２（以下、両者を総称して巻管繰出機という）は、それぞれ、円形状のボビンを備えており、押出し成型機から送り出されたチューブが巻管状に巻回された第１巻管１ａおよび第２巻管２ａをそれぞれ設置可能に構成されている。つまり、第１巻管１ａおよび第２巻管２ａが２組のリール体を構成している。

第１巻管繰出機１に巻回された第１巻管１ａから繰り出されたチューブ３、および第２巻管繰出機２に巻回された第２巻管２ａから繰り出されたチューブ４は、チューブ整列部５を通過するときに並列に整列され、整列巻取機７によって２本同時に再巻取り（リコイル）されて整列巻管７ａが形成されるように構成されている。なお、整列巻取機７は巻取り制御モータ８によって回転駆動される。

その後、整列巻管７ａを構成する２本のチューブ３，４の先端部９はＨＦ融着機（高周波誘導加熱機）１０へ送り出されるように構成されている。そして、このＨＦ融着機１０によって、２本のチューブ３，４のそれぞれの先端部９と、Ｕ字管継手（図１では図示せず）とが加熱融着される。これによって、２本のチューブ３，４はＵ字管継手を介して連通される。なお、特に図示されていないが、整列巻管７ａの終端部分の所定の位置において、切断手段が２本のチューブ３，４を一括して切断できるように構成されている。

図２〜図４に示すように、チューブ整列部５は、チューブ３，４を整列巻取機７へ送り出すローラ部５１と、２本のチューブ３，４を並列状態にするピンチローラ部５２と、並列状態になった２本のチューブ３，４を略密着するように整列させるクランプ部５３と、を備えている。

さらに、図２に示すように、ローラ部５１は、略水平方向に所定の間隔をあけて平行に配された一対の第１ローラ部５４と、第１ローラ部５４の下流側で略鉛直方向に所定の間隔をあけて平行に配された一対の第２ローラ部５５と、第２ローラ部５５の下流側で略水平方向に所定の間隔をあけて平行に配された一対の第３ローラ部５６と、を備えている。この第３ローラ部５６の下流側にピンチローラ部５２が配されている。

そして、図３、図４に示すように、ピンチローラ部５２の下流側には２本のチューブ３，４を並行に整列させるためのクランプ部５３が配されている。クランプ部５３はチューブ３，４の外形に略一致する凹部５７が形成されている。また、図３に示すように、クランプ部５３は、それぞれのチューブ３，４が配される部材５８，５８ごとに分割されており、各部材５８，５８が近接離反可能に構成されている。つまり、初めに２本のチューブ３，４を装置にセットする際には、各部材５８，５８を離反させ（図３の状態）、チューブ３，４をセットした後に各部材５８，５８を近接させると２本のチューブ３，４が略当接して並行に整列状態になる（図４の状態）ように構成されている。

（熱交換器）
図５は、図１に示す熱交換器の製造装置２０によって製造されたコイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器１１の外観斜視図である。図５に示すように、コイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器１１は、２本のチューブ３，４が並列に配置されて巻回された整列巻管７ａと、２本のチューブ３，４の先端部９に融着されたＵ字管継手１２と、を備えている。Ｕ字管継手１２は、ＨＦ融着機１０によって整列巻管７ａに融着されている。なお、Ｕ字管継手１２は、樹脂性であり、金型を用いて射出成型などの方法によって製造されたものである。

図６は、図１に示す熱交換器の製造装置２０によって製造されたコイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器１１の一実施例の製品図であり、(ａ)はコイル状の熱交換器の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した平面図（一部断面図）、（ｃ）は（ｂ）のＢ方向から見た正面図である。
図６（ａ）に示すように、コイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器１１は、例えば、巻管外形が１２５０ｍｍ、巻管内径が７００ｍｍ、巻幅が４５０ｍｍの大きさで構成された整列巻管７ａを備えている。

また、図６（ｂ）に示すように、熱交換器１１の整列巻管７ａを構成する２本のチューブ３，４は、それぞれ、直径が４５ｍｍのポリエチレン管によって構成されている。さらに、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、２本のチューブ３，４の先端部９は、横幅が約１００ｍｍ、縦幅が約５０ｍｍ、長さが約１７０ｍｍのＵ字管継手１２によって連結されている。このような構成により、２本のチューブ３，４は、Ｕ字管継手１２を介して、相互に連通されている。

（熱交換器の製造方法）
ここで、図１に示す熱交換器の製造装置２０によってコイル状の採熱／放熱管からなる熱交換器１１を製造するときの製造方法について説明する。

まず、準備作業として、ＨＦ融着機１０用ヒータの電源を入れ、ヒータ温度が所定温度以上となっていることを確認する。

続いて、２台の巻管繰出機１，２のそれぞれに、第１巻管１ａおよび第２巻管２ａをセットする。すなわち、一方のチューブ３が巻回された一方のリール体と、他方のチューブ４が巻回された他方のリール体をそれぞれ巻管繰出機１，２にセットする（整列巻管設置工程）。その後、ローラ部５１を介してピンチローラ部５２にチューブ３、４を誘導する。具体的には、まず、いずれか一方の巻管（例えば、第２巻管２ａ）のチューブ４をクランプ部５３まで引張り、ピンチローラ部５２にチューブ４をセットする。続いて、他方の第１巻管１ａのチューブ３をクランプ部５３まで引張り、ピンチローラ部５２にチューブ３をセットする。なお、チューブ３、チューブ４をチューブ整列部５へ誘導するまではクランプ部５３の部材５８，５８は開の状態にすることで容易にチューブ３，４をクランプ部５３に配することができる。そして、チューブ３，４の先端部９がクランプ部５３より２ｃｍ程度出るようにする。なお、クランプ部５３にチューブ３，４が確実に入っていることを確認する。

続いて、クランプ部５３にチューブ３，４がセットできたら、クランプ部５３の部材５８，５８を閉状態（近接状態）で固定する。以上のような手順でリコイル設備の準備が完了したら、自動運転が可能な状態となる。

続いて、製造装置２０の起動ボタンを押すと、熱交換器の製造装置２０による整列巻管７ａのリコイル動作が自動スタートする。すなわち、巻管繰出機１，２から繰り出された一方のチューブ３と他方のチューブ４の２本のチューブ３，４を並列にするとともにコイル状に整列巻きして、２本のチューブ３，４からなる一対の整列巻管７ａを形成する（整列巻管形成工程）。
そして、整列巻管７ａのリコイルが完了した後に、既定の梱包部分をＰＰ（ポリプロピレン）バンドで縛って固定する。

続いて、第１巻管１ａおよび第２巻管２ａの後端部を切断機（不図示）を用いて切断する。すなわち、一対の整列巻管７ａの終端部分の所定の位置で、２本のチューブ３，４を切断機（切断手段）によって一括して切断する（切断工程）。
続いて、ＨＦ融着機１０に整列巻管７ａから繰り出されたチューブ３，４の先端部９をセットして、Ｕ字管継手１２を取り付けた後、該Ｕ字管継手１２をチューブ３，４の先端部９に加圧融着する。すなわち、Ｕ字管継手１２を、２本のチューブ３，４のそれぞれに高周波誘導加熱機によって融着接続させる（継手融着工程）。その後、冷却した後、ＨＦ融着機１０からＵ字管継手１２が融着されたチューブ３，４を取り外す。

そして、整列巻取機７の巻取りボビンを回転させ、Ｕ字管継手１２を整列巻取機７の巻取りボビンに密着させてビニール紐で縛った後、製品（熱交換器１１）を取り外す。

本実施形態によれば、製造装置２０において２本のチューブ３，４を確実に並列に整列して整列巻取機７へ送り出すことが可能なチューブ整列部５を設けたため、２本のチューブ３，４を容易にコイル状に整列巻きして一対の整列巻管７ａを形成することができるため、地中熱ヒートポンプシステム用の熱交換器１１を効率良く製造することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の具体的な構成は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、それらは本発明に含まれる。

１…第１巻管繰出機（巻管繰出機）１ａ…第１巻管（リール体）２…第２巻管繰出機（巻管繰出機）２ａ…第２巻管（リール体）３，４…チューブ７…整列巻取機７ａ…整列巻管９…先端部（先端部分）１０…ＨＦ融着機（高周波誘導加熱機）１１…熱交換器１２…Ｕ字管継手２０…製造装置

Claims

２本のチューブからなる一対の整列巻管と、射出成型によって形成され、前記一対の整列巻管の先端同士を連結するＵ字管継手と、を備え、地中熱に対して熱交換を行う熱交換器の製造装置であって、
前記２本のチューブのそれぞれが巻回された２組のリール体を設置可能な２台の巻管繰出機と、
該２台の巻管繰出機からそれぞれ繰り出された前記２本のチューブを並列にし、コイル状に整列巻きして前記一対の整列巻管を形成する整列巻取機と、
前記整列巻取機によって形成された前記一対の整列巻管の先端部分において、前記２本のチューブを相互に相通させる通気孔を有する前記Ｕ字管継手を、前記２本のチューブのそれぞれに融着接続させる高周波誘導加熱機と、
前記一対の整列巻管の終端部分の所定の位置において、前記２本のチューブを一括して切断する切断手段と、を備えていることを特徴とする熱交換器の製造装置。
一方のチューブが巻回された一方のリール体と、他方のチューブが巻回された他方のリール体をそれぞれ巻管繰出機にセットする整列巻管設置工程と、
前記巻管繰出機から繰り出された前記一方のチューブと前記他方のチューブの２本のチューブを並列にするとともにコイル状に整列巻きして、前記２本のチューブからなる一対の整列巻管を形成する整列巻管形成工程と、
前記チューブを相互に相通させる通気孔を有する前記Ｕ字管継手を、前記２本のチューブのそれぞれに融着接続させる継手融着工程と、
前記一対の整列巻管の終端部分の所定の位置で、前記２本のチューブを切断手段によって一括して切断する切断工程と、を備えていることを特徴とする熱交換器の製造方法。