JP6211330B2 - ３重管式熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３重管式熱交換器の製造方法に関し、特に内管とこの内管に外嵌された漏洩検知管からなる２重構造の多葉管を外管の内部に収容した３重管式熱交換器の製造方法に関する。

ガス燃焼式熱源機やヒートポンプ式熱源機や燃料電池等で加熱した湯水を貯湯する貯湯給湯装置、湯水を用いる暖房装置、その他の種々の産業分野においては、高温の流体と低温の流体との間で熱交換させる為の種々の熱交換器が使用されている。

特に、２重管式熱交換器は、熱交換性能に優れ且つ製作費の面で有利であるため広く採用されており、最近では、内管として管壁が周方向に山部と谷部を繰り返す波形形状をなす多葉管を用い、その多葉管を外管の内部に収納した２重管式熱交換器も広く採用されている。

例えば、特許文献１に開示された２重管式熱交換器においては、山部と谷部を周方向に交互に繰り返す波形形状の多葉管からなる内管を外管の内部に収納し、６つの山部の頂部を外管の内周面に密着させ、６つの谷部は相互に離間した状態に形成されている。

ここで、例えば貯湯給湯装置に用いる２重管式熱交換器において、内管内に冷媒を流し、内管と外管との間の隙間に湯水を流すような場合に、内管に亀裂が発生すると冷媒が漏洩して湯水に混入する虞がある。

そこで、特許文献２には、管部材の内部を流れる流体が管部材の外部へ漏出した場合に、その漏洩を検知すると共に漏洩した流体が管部材の外側の流体に混入するのを防止するため、内周面に多数条の漏洩検知溝を形成した漏洩検知用外管を、前記管部材に密着状に外嵌させた２重構造漏洩検知管が開示されている。

特開２００８−２３２４４９号公報 特許第３９３３０８３号公報

特許文献１に記載の２重管式熱交換器では、多葉管からなる内管が漏洩防止機能を備えていないため、内管内を流れる流体の漏洩の虞があることから、漏洩防止機能のある内管とすることが望ましい。そこで、特許文献２に記載の２重構造の漏洩検知管を２重多葉管
に成形加工し、その２重多葉管と外管とからなる３重管式熱交換器を製作した場合、２重管式熱交換器の管壁内の多数条の漏洩検知溝に空気層があるため、高い熱交換性能を確保することが難しい。

また、内管として多葉管を採用した２重管式熱交換器の場合、谷部や山部の曲率半径が小さいため応力集中が生じやすく、耐久性や、剛性・強度を高めにくいこと等の問題がある。

本発明の目的は、内管と漏洩検知管とを周方向に山部と谷部を繰り返す２重多葉管に構成しながら高い熱交換性能と高い強度と耐久性を確保できる３重管式熱交換器の製造方法を提供することである。

請求項１の３重管式熱交換器の製造方法は、管壁が周方向に山部と谷部が繰り返す波形形状をなす多葉管からなる内管と、この内管と略同形状の多葉管からなり且つ内管に外嵌させて内管の外周面近傍部に配置された漏洩検知管と、前記内管と漏洩検知管とが内部に収納される外管とを備え、前記内管の内部を流れる流体と、前記漏洩検知管と外管との間の隙間に流れる流体との間で熱交換を行うように構成される３重管式熱交換器の製造方法において、前記内管と前記漏洩検知管からなる２重多葉管を、円形断面の外管素材管に挿入し、この２重多葉管が挿入された外管素材管を縮径加工することによって前記外管素材管からなる外管の内周面と２重多葉管の山部とを密着させると共に前記２重多葉管の周方向に隣接する谷部同士を接触させることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、内管と漏洩検知管からなる２重多葉管を円形断面の外管素材管に挿入し、この２重多葉管が挿入された外管素材管を縮径加工することによって外管の内周面と２重多葉管の山部とを密着させるため、外管と２重多葉管の山部との密着性が高まるため、３重管式熱交換器の剛性・強度、耐久性を高めることができる。
しかも、２重多葉管を外管素材管に挿入する際に、２重多葉管と外管素材管との間に所定の隙間を確保できるため、２重多葉管を外管素材管に円滑に挿入することができる。

そして、前記２重多葉管が挿入された外管素材管を縮径加工する際に、２重多葉管の周方向に隣接する谷部同士を接触させるため、３重管式熱交換器の中心側部分における剛性・強度を高めることができ、流体から伝播する振動によって内管の谷部が振動しにくくなる。

本発明の実施例に係る３重管式熱交換器の断面図である。 大径管とそれに挿入した小径管の断面図である。 ２重多葉管の断面図である。 ２重多葉管の部分斜視図である。 （ａ）は外管とそれに挿入した２重多葉管の断面図であり、（ｂ）は縮径加工後の３重管式熱交換器の断面図である。 ３重管式熱交換器の部分斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

本発明に係る３重管式熱交換器 の製造方法について説明する前に、最初に３重管式熱交換器の構造について説明する。

図１に示すように、この３重管式熱交換器１は、内管２と漏洩検知管３と外管４とを備えている。内管２は、管壁が周方向に山部２ｂと谷部２ａが繰り返す波形形状をなす多葉管に構成されている。漏洩検知管３は、内管２とほぼ同形状の多葉管からなり、内管２に外嵌させて内管２の外周面近傍部に配置され、内管２と漏洩検知管３とで２重多葉管７が形成されている。外管４の内部に内管２と漏洩検知管３とからなる２重多葉管７が収納されている。

この２重多葉管７は、図４に示すように、所定のリード角をもって螺旋状に捩じった形状に構成されている。前記所定のリード角は、軸心方向に例えば３００〜５００ｍｍ移行する毎に１回転するような角度である。但し、上記の捩じりは省略してもよい。

内管２の内部には、４つの谷部２ａで囲まれた流体通路５ａと４つの山部２ｂ内側の流体通路５ｂとからなる内側流体通路５が形成され、漏洩検知管３と外管４との間には４つのほぼ三角形断面の流体通路６ａからなる外側流体通路６が形成され、内管２の内部（内側流体通路５）を流れる流体（例えば、ヒートポンプ用冷媒）と、漏洩検知管３と外管４との間の隙間６ａ（外側流体通路６）を流れる流体（例えば、給湯用湯水）との間で熱交換可能に構成してある。

内管２は、４つの谷部２ａと４つの山部２ｂとを有し、谷部２ａは円弧的な形状であり、山部２ｂは円弧の両端部に湾曲部を付けた形状である。４つの谷部２ａは、中心部の断面略正方形の流体通路５ａの回りに周方向に９０°間隔に配置され、各谷部２ａの先端近傍部は周方向に隣接する谷部２ａと接触している。

漏洩検知管３は、４つの谷部３ａと４つの山部３ｂとを有し、谷部３ａは円弧的な形状であり、山部３ｂは円弧の両端部に湾曲部を付けた形状である。各谷部３ａは対応する内管２の谷部２ａの外面の近傍部に位置し、内管２の各谷部２ａとそれに対応する漏洩検知管３の谷部３ａの間に三日月形の流体が流通し得る隙間８が形成されている。

内管２は、山部２ｂと谷部２ａとを接続する直線管壁２ｃを有し、漏洩検知管３は、山部３ｂと谷部３ａとを接続する直線管壁３ｃを有し、内管２の直線管壁２ｃと、それに対向する漏洩検知管３の直線管壁３ｃとが面接触状に密着している。そのため、内管２と漏洩検知管３間の熱交換性能が高く、内側流体通路５内を流れる流体と、外側流体通路６内を流れる流体との間の熱交換性能が高くなる。尚、山部２ｂとそれに連なる１対の直線管壁２ｃは、開角が約４５°の扇形に近い形状である。このことは、漏洩検知管３についても同様である。

内管２の山部２ｂの大部分は漏洩検知管３の山部３ｂの内面に面接触状に密着すると共に、漏洩検知管３の山部３ｂの大部分が外管４の内面に面接触状に密着している。そのため、内側流体通路５内を流れる流体と外側流体通路６内を流れる流体との間の熱交換性能が高くなる。
また、内管３の各山部２ｂの両側部において、内管２と漏洩検知管３との間に小さな三日月形の隙間９が形成されている。尚、３重管式熱交換器１は、通常は複数巻き螺旋状に巻回したコイル形状の熱交換器として使用に供される。

次に、３重管式熱交換器１の製造方法について、図２〜図６に基づいて説明する。
図２に示すように、内管２の素材管として円形断面の金属製の小径管２Ａを予め準備し、漏洩検知管３の素材管として小径管２Ａより大径の円形断面の金属製の大径管３Ａを予め準備し、外管４の素材管として円形断面の金属製の外管素材管４Ａを予め準備する。

小径管２Ａは、リン脱酸銅製の水道用銅管又はこれと同等品（例えば、外径１８．０ｍｍ、管壁厚さ０．６ｍｍ、長さ６ｍ）である。大径管３Ａは、リン脱酸銅製の水道用銅管又はこれと同等品（例えば、外径２０．７ｍｍ、管壁厚さ０．６ｍｍ、長さ６ｍ）である。外管素材管４Ａは、リン脱酸銅製の水道用銅管又はこれと同等品（例えば、外径１９．０５ｍｍ、管壁厚さ０．７ｍｍ、長さ６ｍ）である。

内管２と漏洩検知管３とからなる２重構造の多葉管７（以下、２重多葉管という）を製作する際には、内管２の素材管を漏洩検知管３の素材管に挿入した２重管（図２参照）を加工することで２重多葉管７にする（図３、図４参照）。この２重多葉管７では、内管２の各谷部２ａとそれに隣接する谷部２ａの間に隙間がある。

次に、図５（ａ）に示すように、２重多葉管７を外管４としての円形断面の金属製の外管素材管４Ａに挿入する。この挿入状態で、２重多葉管７の外周と外管素材管４Ａの内周面との間には所定の隙間７ａがある。但し、２重多葉管７には捩じりが付加されていて直線性が低下しているため、２重多葉管７と外管４とが全長に亙って同心状になるとは限らない。

次に、図５（ｂ）に示すように、２重多葉管７が挿入された外管素材管４Ａを縮径加工することによって外管素材管４Ａの内周面と２重多葉管７の山部とを密着させると共に、 内管２の各谷部２ａとそれに隣接する谷部２ａとを密着させる。こうして、図１、図６に示すような３重管式熱交換器１を製造することができる。

この縮径加工においては、外管素材管４Ａの縮径率が８４％以下となるよう縮径加工することによって外管４の内周面と２重多葉管７の山部３ｂとを密着させる。この外管素材管４Ａの縮径加工の際に、２重多葉管７も僅かに縮径加工することより、２重多葉管７の周方向に隣接する谷部２ａ同士を接触させる。この場合、２重多葉管７の外径が前記のように例えば１６．０ｍｍである場合、２重多葉管７の縮径率は９０％となる。

但し、このように、外管素材管４Ａを縮径させる際に、上記のように２重多葉管７を縮径させることが望ましいが、外管素材管４Ａの縮径率が８４％以下となるよう縮径加工した状態で、外管４の内周面と２重多葉管７の山部３ｂとが密着するならば、必ずしも、２重多葉管７を縮径させる必要はない。

以上説明した３重管式熱交換器１の製造方法の作用、効果について説明する。
２重多葉管７を外管素材管４Ａに所定の隙間７ａを空けて挿入し、その２重多葉管７が挿入された外管素材管４Ａを縮径加工することによって外管４の内周面と２重多葉管７の山部３ｂとを密着させるため、２重多葉管７の山部３ｂが外管４の内周面に密着した構造の３重管式熱交換器１であって、２重多葉管７と外管４との間の熱交換性能に優れる３重管式熱交換器１を製作することができる。

表１には、前記外管素材管４Ａと同じ又は同様の素材管に２重多葉管７を挿入した状態で種々の縮径率で縮径加工した３重管式熱交換器の耐久性についての試験結果を示す。
この試験では、２重多葉管７内の冷媒に使用条件に応じた高圧と低圧とを所定時間毎（例えば、２秒毎）に繰り返し作用させ、破損が生じるまでの回数（耐久回数）を計測した。その結果、縮径率が９９．７％では８６０００回で破損が生じ、縮径率が９４．５％では２３００００回で破損が生じた。これに対して、縮径率が８４％では３１００００回まで破損が生じず、耐久性能が向上していることが確認された。

本願の３重管式熱交換器１の製造方法では、外管素材管４Ａを縮径加工する際の縮径率を８４％以下にするため、３重管式熱交換器１の剛性・強度が増し、耐久性を大幅に向上させることができる。
しかも、外管素材管４Ａを縮径加工する際に、２重多葉管７も僅かに縮径加工し、２重多葉管７の周方向に隣接する谷部２ａ同士を接触させるため、３重管式熱交換器１の中心側部分における剛性・強度を高めることができ、流体から伝播する振動によって内管２の谷部２ａが振動しにくくなる。

仮に、前記の縮径加工を施さない場合には、２重多葉管７の外周面が外管４の内面に密着せず、相対移動が自由の状態になるため、流体の振動や圧力変動によって２重多葉管７が動きやすく、谷部２ａ，３ａや山部２ｂ，３ｂに応力集中が生じて剛性・強度や耐久性が低くなる。しかも、２重多葉管７の隣接する谷部２ａ同士間には隙間があるため、変形しやすく、破損しやすい構造になる。

しかも、２重多葉管７は捩じりが付加されていて直線性が低下しているため、約６ｍの長さの２重多葉管７を約６ｍの長さの外管素材管４Ａに挿入するのが容易ではない。
そこで、上記のように縮径率を８４％以下に設定することで、２重多葉管７を外管素材管４Ａに挿入する際に、それらの間に所定の隙間７ａを確保することができるため、円滑に挿入することができる。縮径率が８４％ より大きい（例えば、８５〜９９％）場合には、３重管式熱交換器１の強度や耐久性をあまり向上できないばかりでなく、上記の所定の隙間７ａが微小の隙間になるため、２重多葉管７を外管素材管４Ａに挿入するのが困難になる。

それぞれ円形断面の小径管２Ａと大径管３Ａとから上記のように伝熱性（熱交換性能）に優れ且つ漏洩検知用隙間８，９も備えた２重多葉管７を製作し、この２重多葉管７と外管素材管４Ａを用いて、熱交換性能に優れる３重管式熱交換器１を製作するため、熱交換性能に優れる３重管式熱交換器１を簡単に安価に製作することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）内管２と漏洩検知管３からなる２重多葉管７における、谷部２ａ，３ａの数と山部２ｂ，３ｂの数は、４に限らず、３又は５以上でもよい。

２）内管２と漏洩検知管３と外管４の素材管の金属材料は、リン脱酸銅に限るものではなく、その他の種々の銅材料でもよく、銅以外の金属（例えば、アルミニウムやその合金、真鍮、マグネシウム合金、チタンなど）であってもよい。内管２と漏洩検知管３と外管４を同種の金属材料の素材管から製作するとは限らず、異なる種類の金属材料の素材管から製作してもよい。また、内管２の管壁の厚さと漏洩検知管３の管壁の厚さは同じでもよく、異なっていてもよい。

３）３重管式熱交換器１の断面の外形輪郭の形状を、円形以外の形状（例えば、楕円形、長円形など）に構成することも可能である。
４）小径管２Ａ、大径管３Ａ、外管素材管４Ａの外径や管壁厚さや長さ、３重管式熱交換器１の外径は、前記実施例に記載のものに限定されるものではなく、種々の外径に設定することができる。

５）その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施することができる。

２種類の流体間の熱交換に供する３重管式熱交換器の製造方法であって、種々の産業分野で利用可能な３重管式熱交換器の製造方法が開示されている。

１ ３重管式熱交換器
２Ａ 小径管
２ 内管
２ａ 谷部
２ｂ 山部
２ｃ 直線部
３Ａ 大径管
３ 漏洩検知管
３ａ 谷部
３ｂ 山部
３ｃ 直線部
４Ａ 外管素材管
４ 外管
５ 内側流体通路
６ 外側流体通路
７ ２重多葉管
８，９ 隙間

Claims (1)

1. 管壁が周方向に山部と谷部が繰り返す波形形状をなす多葉管からなる内管と、この内管と略同形状の多葉管からなり且つ内管に外嵌させて内管の外周面近傍部に配置された漏洩検知管と、前記内管と漏洩検知管とが内部に収納される外管とを備え、前記内管の内部を流れる流体と、前記漏洩検知管と外管との間の隙間に流れる流体との間で熱交換を行うように構成される３重管式熱交換器の製造方法において、
   前記内管と前記漏洩検知管からなる２重多葉管を、円形断面の外管素材管に挿入し、この２重多葉管が挿入された外管素材管を縮径加工することによって前記外管素材管からなる外管の内周面と２重多葉管の山部とを密着させると共に前記２重多葉管の周方向に隣接する谷部同士を接触させることを特徴とする３重管式熱交換器の製造方法。