JP6563455B2

JP6563455B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6563455B2
Application number: JP2017190617A
Authority: JP
Inventors: 智亮稲場
Original assignee: 大高建設株式会社
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: JP2019066084A

Description

本発明は、熱交換器、特に、小流量の流体による熱交換処理にも対応できる熱交換器に関するものである。

従来の熱交換器として、図３に示すように、２本のチューブの間に、伝熱管としての多数の細管を一定間隔でつなぎシート状にしたものを丸めて円柱形にし、水槽内の流体中に設置するものが知られている。

前記のような熱交換器において、大型の既存水槽を使用することが多く、小型化が困難である欠点がある。また、流体の流れを伝熱管周辺に集中させる機能を備えておらず、伝熱管周辺で発生する自然対流のみによる熱交換を行うため、熱交換効率が悪いという課題があった。本発明は前記実情に鑑み、効率良く熱交換が行え、従来品よりも小型で安価な熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、有底の円筒状の外容器と、外容器よりも径の小さい円筒状の隔壁と、伝熱管とを備え、隔壁は、樹脂製の板材を円筒状に丸めたものであって、円筒の外周側へ広がろうとする方向に付勢されていて、着脱可能であり、外容器の内部に配置され、隔壁の上端は、外容器内の流体の水面よりも上部に位置し、外容器と隔壁によって生じた筒状空間において、伝熱管が、流体の流れる方向と交差する方向に螺旋状に配され、伝熱管の熱交換部の両端は、筒状空間の上端および下端にそれぞれ配置され、外容器側面の上端と下端において、水平方向に相対向する位置に流体の流通口を備えることを特徴とする。

本発明によれば、流体が外容器の上端または下端から流入し、下端または上端から流出することで、筒状空間内の流体の流れが滞ることなく促進されるので、伝熱管における熱交換効率が向上する。さらに、上記流体の流れる方向を、筒状空間内の流体の自然対流の方向と一致させることにより、自然対流によっても流体の流れが促進され、熱交換効率をより向上させることができる。
また、伝熱管の熱交換部分における熱媒体の上下方向の流れる向きを、流体の流れる向きとは逆方向とすることで、流体と熱媒体の温度差を最大限に利用する対向流熱交換を行い、熱交換効率を向上させる。そして、隔壁の上端が流体水面よりも上部に突出していることで、隔壁内側の流体が隔壁外部へ流出するための流通経路が上方に存在しないため、流体が筒状空間内、すなわち伝熱管の近傍を優先して流れることによって、流体の熱交換器外部からの流入圧による強制対流が伝熱管近傍に集中する。そして、この強制対流の方向もまた前記自然対流と同方向となるため、熱交換がさらに促進される。
以上のように、流体の流れる方向および強制対流の方向を流体の自然対流の方向に合わせ、加えて熱媒体の流れを流体と対向流とすることにより、高効率の熱交換を実現し、従来よりも小型の熱交換器を提供することができる。

また、外容器の形状を円筒形とすることにより、その内部に配置する伝熱管の形状を角のない単なるコイル状とすることができ、その結果伝熱管の局所的な折り曲げ加工が不要となるので、容易に作製できる。

（ａ）（ｂ）本発明の熱交換器の主要な内部構成と熱交換の仕組みを示す縦断面図である。伝熱管の他の形態を示す模式図である。従来の水槽型熱交換器の主要な内部構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の熱交換器は、円筒形の外容器１の内部に外側から順に、伝熱管２、円筒状の隔壁５で構成される。これらの部材を樹脂で構成することにより、耐薬品・耐腐食性に優れた熱交換器を作製することができ、流体８として地下水、工業廃水ならびに温泉水等の適用も可能である。

外容器１は、樹脂製タンクを用いることにより、安価で設置が容易な熱交換器が作製可能である。該外容器１の形状は、有底の円筒形であり、開口部を上に向けて設置する。形状を円筒形とすることにより、内部に配置する伝熱管２の配置形状を角のない単なるコイル状とすることができ、その結果伝熱管２の局所的な折り曲げ加工が不要となるので、容易に作製できる。外容器１は、流体８の一方の流通口７ａを側面下端に、流体８の他方の流通口７ｂを側面上端に備える。また、外容器１の下部には、伝熱管２と隔壁５を支持するための樹脂製の格子板９が、流体８の一方の流通口７ａよりも上方位置に水平に配置される。なお、流体８８は格子板９を通過可能である。

伝熱管２は、図示せぬ熱媒体を流通させるものであって、樹脂製チューブで構成することにより、加工が容易で、安価に作製できる。前記伝熱管２は、前記格子板９上に載置される。伝熱管２の熱交換部４の上端４ａおよび下端４ｂは、外容器１の上端および下端にそれぞれ配置され、伝熱管２の熱交換部４は外容器１と隔壁５の間に形成される筒状空間６に、前記流体８の流れる方向と交差する方向に螺旋状に配置される。伝熱管２には、隔壁５との間に空間を保つため、樹脂製の板状のスペーサー１０が複数取り付けられる。スペーサー１０は、上下方向に長く、その長手方向に複数の孔を有し、その孔に螺旋状の伝熱管２が挿通される。これにより、伝熱管２が隔壁５に密着することなく、伝熱管２の表面の全周が流体８に接触し、熱交換効率が向上する。熱媒体は、熱交換により熱媒体を冷却する場合には、伝熱管２の熱交換部４の上端４ａから流入し螺旋内周を通って下端４ｂに達した後、熱交換器から排出される。一方、熱交換により熱媒体を加熱する場合には、伝熱管２の熱交換部４の下端４ｂから流入し螺旋内周を通って上端４ａに達した後、熱交換器から排出される。

円筒形の隔壁５は、樹脂製の板材で構成され、円筒軸方向を上下方向にして配置してある。隔壁５の上端は、流体８の水面Ｓよりも上部に配置される。隔壁５の設置方法については、樹脂板を、配置完了時よりも径の小さい円筒状に丸めた状態で螺旋状の伝熱管２の内側空間に挿入し格子板９上に載置すると、円筒の外周側へ広がろうとする付勢力によって、伝熱管２に取り付けられたスペーサー１０に当接することで留まり、前記筒状空間６を最小の厚みで形成することができるので、筒状空間６を流れる流体８の必要流量を最小限に抑えることができる。加えて、隔壁５が軽量であるため、伝熱管２の清掃が必要となった場合にも容易に取り外しが可能であり、メンテナンス性に優れる。

熱媒体を流体８で冷却する場合の熱交換の仕組みを図１（ａ）に示す。図示せぬ外部機器等により加熱された熱媒体は、伝熱管２の一方の熱媒体流通口３ａから流入し、螺旋状の伝熱管２内を通過して順次下降する際に、外容器１下端にある、流体８の一方の流通口７ａより筒状空間６へ流入した流体８と熱交換を行い、冷却され、熱交換部４の下端４ｂを経て他方の熱媒体流通口３ｂより熱交換器外部へ流出する。一方、熱交換により加熱された流体８は、熱交換器外部から流入した際の流入圧に加え、自然対流により筒状空間６内を上方へ向かって流れ、外容器１上端にある、流体８の他方の流通口７ｂから排出される。すなわち、熱媒体の流れる方向（上から下へ）が、流体８の流れる方向（下から上へ）とは逆方向である対向流熱交換となり、流体８と熱媒体の温度差を最大限に利用でき熱交換効率が向上する。

また、隔壁５の上端が流体８の水面Ｓよりも上側に位置するため、外容器１下端の、流体８の一方の流通口７ａより外容器内に流入した流体８は、上部に流出口のない隔壁５内側空間よりも、上部に流体８の他方の流通口７ｂのある筒状空間６中を優先的に流れる。したがって、隔壁５内部の流体８は、筒状空間６内の流体８に比べて殆ど流動しない。これにより、流体８の流れは筒状空間６、すなわち螺旋状の伝熱管２近傍に集中する。その結果、流体８が熱交換器外部から流入する際の流入圧による強制対流が、伝熱管２近傍に集中し、この強制対流の方向（下から上へ）は前記自然対流（下から上へ）と同方向であるので、流体８の流れが促進され、高効率の熱交換を行うことができる。

なお、熱媒体を加熱する場合については、図１（ｂ）に示すように、熱媒体と流体８を前記冷却時とは逆方向に流すことで、同様に流体８の自然対流と強制対流による熱交換の促進および対向流熱交換を実現し、高効率の熱交換を行う。

本発明に係る熱交換器は、隔壁５内部の流体８の流動が少なく、筒状空間６を流れる流体８の流量が確保できればよいため、小流量の流体８にも適用可能である。また、外容器１を地中に半埋設することで、排水側の流体８出入口の高さを限度に、低揚程の自噴井等にも適用できる。自噴井はもとより噴出し用水に放流されているので、水源と排水先の検討が不要であり、また、地下の配管も不要となるため、容易かつ安価に施工できる。そのため、家庭用エアコンのヒートポンプシステム等にも好適である。なお、工業用水や温泉水を用いる場合にも、水源が高位置にあれば、自噴井と同様外部からの動力が不要である。

表１に、本発明の熱交換器と従来の水槽型熱交換器における熱通過率[W/(Km2)]（交換熱量/（平均温度差・総面積））の計測結果を示す。なお、本発明の熱交換器の外容器１の容積は、従来の水槽型熱交換器の水槽の容積の10.4％であり、熱交換チューブの総表面積比は44％である。表中の《1》〜《5》はそれぞれ下記条件での測定値を示す。
《1》従来の水槽型熱交換器
《2》本発明の熱交換器 − 本実施例の構成
《3》本発明の熱交換器 − 本実施例の構成のうち、熱媒体の流れる向きを逆方向とした場合
《4》本発明の熱交換器 − 本実施例の構成のうち、熱媒体の流れる向きおよび、地下水の流れる向きを逆方向とした場合
《5》本発明の熱交換器 − 本実施例の構成のうち、地下水の流れる向きを逆方向とした場合

熱通過率の測定値は《2》＞《3》＞《4》＞《5》＞《1》となり、本発明の熱交換器《2》が従来の水槽型熱交換器の３倍以上の熱通過率を実現していることがわかる。また、《3》〜《5》においては、流体８または熱媒体の流れる方向を本実施例とは逆向きにした検討結果であり、流体８または熱媒体の流れる方向が一つでも本実施例と逆方向であれば、熱交換性能が低下することが確認できた。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、隔壁５の構成材は樹脂板に限られず、円柱状の固体等、内部の流体８の流れを制限できるものであればよく、隔壁５の下端は、外容器１の底面に接していてもよい。また、伝熱管２は複数本であってもよく、形状は図２に示すように段階的配置としてもよい。

１外容器
２伝熱管
３ａ一方の熱媒体流通口
３ｂ他方の熱媒体流通口
４伝熱線の熱交換部
４ａ熱交換部の上端
４ｂ熱交換部の下端
５隔壁
６筒状空間
７ａ流体の一方の流通口
７ｂ流体の他方の流通口
８流体
９格子板
１０スペーサー

Claims

有底の円筒状の外容器と、外容器よりも径の小さい円筒状の隔壁と、伝熱管とを備え、隔壁は、樹脂製の板材を円筒状に丸めたものであって、円筒の外周側へ広がろうとする方向に付勢されていて、着脱可能であり、外容器の内部に配置され、隔壁の上端は、外容器内の流体の水面よりも上部に位置し、外容器と隔壁によって生じた筒状空間において、伝熱管が、流体の流れる方向と交差する方向に螺旋状に配され、伝熱管の熱交換部の両端は、筒状空間の上端および下端にそれぞれ配置され、外容器側面の上端と下端において、水平方向に相対向する位置に流体の流通口を備えることを特徴とした熱交換器。