JP7299084B2 - 熱交換器、その製造方法及び熱交換装置 - Google Patents
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Description
温泉熱の回収に利用される熱交換器は熱伝導率が良好な金属製のものが主流であるが、金属は錆びて孔が空いたり、その孔からの水漏れで媒体が変色したりするなどの問題がある。熱交換器の設置場所や設置規模などによっては金属製に代えて樹脂製管体を螺旋状に巻いた熱交換器の利用が検討され、幾つかの温泉地で使用されてきている。
かかる事態の対処が施された熱交換器として、螺旋状に巻かれた樹脂製管体の周囲を、複数本の樹脂製のパイプ同士を連結して組み立てた支持枠で取り囲んで、前記管体を支持枠内に固定した構成のものが知られている(例えば特許文献1参照)。
また、支持枠は、長さの異なる複数本のパイプとパイプの端部同士を接続するチーズを用いて組み立てられるが、熱交換器の大きさ、つまり樹脂管を螺旋状に巻くときの径や長さ(高さ)が異なる場合は、製作する熱交換器の大きさに応じた長さのパイプとチーズが必要となる。支持枠は、螺旋状に巻く樹脂製管体の大きさにフレキシブルに対応して製作することができないため、製作コストがかるという問題がある。
また、本発明の熱交換器は、樹脂製ネット部材により形成された径が異なる複数の円筒体が互いに略同心に配置され、前記複数の円筒体により仕切られた各円筒体間の円環柱形の空間内に、各々螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置された構成を有することを特徴とする。
前記第一の円筒体の外面に樹脂製管体を当該円筒体の一端から他端に亘って巻き付ける工程と、
前記管体の他端部を第一の円筒体の内側空間を通して前記管体の一端部側へ突出させる工程と、
前記第一の円筒体の外面に巻かれた管体の外面に、樹脂製ネット部材を重ねて第二の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体と第二の円筒体の両端部の円環状に開口した部分を接続手段により閉鎖する工程と、
を含む加工工程により製造することができる。
前記のとおり、内側円筒体の外面に樹脂製管体を螺旋状に巻き付け、さらに螺旋状に巻いた樹脂製管体の外面に樹脂製ネット部材を巻き付けて外側円筒体を形成し、内外円筒体の円環状に開口した両端部を接続手段で閉鎖することで熱交換器が作製される。
螺旋状に巻かれた樹脂製管体は、上下両端部を接続手段で閉鎖して袋状となった内外円筒体間に保持されるので、この熱交換器をタンク内で媒体中に浸漬させても、螺旋状に巻かれた樹脂製管体がほどけてタンク内に広がるようなことはなく、当初の内外円筒体間の巻き付け位置に確実に保持させておくことができる。
また、熱交換器は全体が合成樹脂により形成されているので、軽くて運搬が容易であり、タンク内に簡易な操作で設置して熱交換装置を構成することが可能である。
隣接する管体同士の隙間が1mmよりも小さいと、管体間の隙間に入って管体外面に接触する媒体の量が極めて少なくなって熱交換量が減るため、1mm以上の隙間があることが好ましい。また、管体同士の隙間が10mmあれば十分な熱交換量が確保されるが、熱交換器全体のサイズが大型化するため、10mm以下であることが好ましい。5mm以下であることがより好ましく、3mm以下であることがさらに好ましい。管体同士の隙間が所定の幅となるように、隣接する管体間にスペーサ部材を取り付けてもよい。
曲げ剛性が大きく固いパイプを固定するため、また、強度確保の観点から、樹脂製ネット部材の引張強度は縦方向、横方向ともに、1kN/mから100kN/mであることが好ましく、2kN/mから50kN/mであることがより好ましく、3kN/mから40kN/mであることが特に好ましい。引張強度が1kN/m以上であれば、螺旋状に巻かれたパイプを崩すことなく固定でき、一方100kN/m以下であれば、ネット部材を円筒状に保持することに支障はない。
また、内外円筒体の両端部を閉鎖するのに用いる接続手段は、金属製又は合成樹脂製の留め具や結束部材を用いることができる。
熱交換装置は、その使用条件などに応じてタンクの容量を適宜に設定して構成することができる。タンク内に複数の熱交換器を設置し、各熱交換器で熱交換が行われるようにしてもよい。
螺旋状に巻かれた樹脂製管体が水よりも比重が小さい樹脂材料により形成されていた場合、タンク内で流体中に浸漬させた熱交換器が浮くが、これを防ぐため、タンクの底面上に錘を設置し、この錘に熱交換器を接続するように設けてよい。
この錘は、タンクに注入される流体に対して耐蝕性のある材料で形成されたもの、或いは表面に耐蝕加工がされたものを用いることが好ましく、天然石やコンクリリートを加工して形成された重石が好適である。コストがかからない汎用品という点で、市販されている漬物石が特に好適である。
両図に示されるように、この熱交換器1は、樹脂製ネット部材により形成された内側円筒体2と、同じく樹脂製ネット部材を用いて、前記内側円筒体2よりも大径に形成された外側円筒体3とを同心に配置し、内外円筒体2,3により仕切られた円環柱形の空間内に、螺旋状に巻かれた樹脂製管体からなるコイル4を配置して構成してある。
図3に示されるように、内外円筒体2,3の円環状に開口した両端部は、その周方向に沿って所定の間隔を空けて配置した複数の留め具5を、内外円筒体2,3の端部間に架け渡して塞いである。
先ず、図5に示されるように、樹脂製ネット部材(補強材)を円筒状に巻いて第一の円筒体である内側円筒体2を形成する。
次いで、図6に示されるように、この内側円筒体2の外面に、樹脂製管体を内側円筒体2の一端から他端に亘って巻き付けてコイル4を装着する。内側円筒体2の他端側に至るコイル4の先端部は、内側円筒体2の表面に孔を空けるなどして内側円筒体2の内側空間を通し、内側円筒体2の前記一端部側へ突出させておく。或いは、前記先端部を内側円筒体2と後述の外側円筒体3の間を通し、前記一端部側へ突出させる。
そして、内側円筒体2の外面に装着されたコイル4の外面に、樹脂製ネット部材を重ねて第二の円筒体である外側円筒体3を取り付け、内外円筒体2,3の両端部の円環状に開口した部分を複数の留め具5で閉鎖することで、図1及び図2に示された熱交換器1が作製される。
図4に示されたコイル4,4を二重巻きにした熱交換器1は、上記外側円筒体3の外面に樹脂製管体を巻き付けてコイル4を装着し、その外面に第三の円筒体を重ねるとともに、前記と同様にコイル4の端部を内側円筒体2の内部空間を通し、第三の円筒体とその内側の円筒体の両端部を留め具5で閉鎖することで形成することができる。
予め内外円筒体2,3とコイル4を別々に作製しておき、内外円筒体2,3を同心に配置した状態で、円筒体間にコイル4を挿入し、内外円筒体2,3の両端部を閉鎖してコイル4が内外円筒体2,3に組み付けられるようにしてもよい。
螺旋状に巻かれた樹脂製管体からなるコイル4は、袋状となった内外円筒体2,3間に保持されるので、熱交換器1をタンク内で媒体中に浸漬させても、コイル4がほどけてタンク内に広がるようなことはなく、当初の内外円筒体2,3間の巻き付け位置に確実に保持させておくことができる。
また、熱交換器1は全体が合成樹脂により形成されているので、軽くて運搬が容易であり、タンク内に簡易な操作で設置して熱交換装置を構成することが可能である。
熱交換器1は、内径φ13mm、全長33mの架橋ポリエチレン管を用いてコイル4を形成し、高さ1000mm、外径(外側円筒体3の外径)350mm、内径250mmの大きさに形成した。隣接する管体(コイル)同士の隙間は約2mmに設定した。
この熱交換装置の熱交換器1(コイル4)に水道水、タンク7に温水を通し、それぞれの流路の入口温度と出口温度を測定して熱交換量を求めた。
温度の測定は、熱交換器1の流入口側の端部1aと流出口側の端部1b、タンク7の流入口7aと流出口7bにそれぞれ温度計を設置して行った。
タンク7に毎分5Lを目安に温水、熱交換器1に毎分5Lを目安に水を流した。タンク7が温水で一杯になった後、流出弁を開き、それから100分経過した後に、タンク7とコイル4のそれぞれの温水、水の流入口と流出口の温度を測定した。試験結果を図8に載せた表1に示す。試験時のタンク7の設置場所の気温も併せて示す。また、上記温度測定後、タンク7内の熱交換器1の設置状態を目視で確認した。
タンク7に毎分5Lを目安に温水、熱交換器1に毎分10Lを目安に水を流す以外、実施例1と同じ条件で試験及び確認を行った。
タンク7に毎分10Lを目安に温水、熱交換器1に毎分10Lを目安に水を流す以外、実施例1と同じ条件で試験及び確認を行った。
タンク7に毎分10Lを目安に温水、熱交換器1に毎分5Lを目安に水を流す以外、実施例1と同じ条件で試験及び確認を行った。
前記各実施例の試験結果から、樹脂製の熱交換器1のコイル4の内外表面を流れる流体間で熱交換が有効に行われていることが確認することができる。
前記表1から明らかなように、タンク流量、コイル流量ともに多くなるほど、コイル熱交換量は多くなる(実施例3)。これは、コイル外部とコイル内部の温度差が乱流により均質になりやすくなるためと考えられる。
一方で、コイル流量が少なければ少ないほどコイルの出口温度を上げることができる(実施例4)。コイル出口温度を上げるためには、コイル式熱交換装置の数を増やして全体流量を増やす設計が好ましいと考えられる。
Claims (10)
- コイル式熱交換装置の熱交換器であって、
樹脂製ネット部材により形成された径が異なる内側円筒体と外側円筒体が略同心に配置され、前記内外円筒体により仕切られた円環柱形の空間内に、螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置され、前記内外円筒体の両端部の円環状に開口した部分が閉鎖された構成を有することを特徴とする熱交換器。 - コイル式熱交換装置の熱交換器であって、
樹脂製ネット部材により形成された径が異なる複数の円筒体が互いに略同心に配置され、前記複数の円筒体により仕切られた各円筒体間の円環柱形の空間内に、各々螺旋状に巻かれた樹脂製管体が配置された構成を有することを特徴とする熱交換器。 - 管体は、螺旋の軸方向に沿って、隣接する管体同士が1mm以上、10mm以下の隙間が空くように配置して巻かれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換器。
- 樹脂製ネット部材が格子状乃至網目状の合成樹脂製補強材からなることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の熱交換器。
- 樹脂製ネット部材の引張強度が1kN/mから100kN/mであることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の熱交換器。
- 樹脂製ネット部材の目合いが1mmから100mmであることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の熱交換器。
- 管体が架橋ポリエチレンからなることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の熱交換器。
- 樹脂製ネット部材を円筒状に巻いて第一の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体の外面に樹脂製管体を当該円筒体の一端から他端に亘って巻き付ける工程と、
前記管体の他端部を第一の円筒体の内側空間を通して前記管体の一端部側へ突出させる工程と、
前記第一の円筒体の外面に巻かれた管体の外面に、樹脂製ネット部材を重ねて第二の円筒体を形成する工程と、
前記第一の円筒体と第二の円筒体の両端部の円環状に開口した部分を接続手段により閉鎖する工程と、
を含む加工工程からなる、請求項1から7の何れかに記載の熱交換器の製造方法。 - 請求項1から7の何れかに記載の熱交換器がタンク内に縦向きに設置され、タンク内に流入させた流体と熱交換器内を流れる流体間で熱交換を行わせる熱交換装置。
- タンクの底面上に錘が設置され、この錘に熱交換器が接続した構成を有する請求項9に記載の熱交換装置。
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