TWI453367B - 熱交換器 - Google Patents

Description

熱交換器

本發明係關於用於供應熱水等之扁平形熱交換器，更詳細而言，係關於謀求熱交換效率大幅提高之熱交換器。

用於供應熱水等之扁平形之熱交換器係於扁平且長之外殼之內部設置間隙且併入扁平之管，在前述外殼之內部與形成於扁平之管之外周面之間之間隙成為流體通路，於該流體通路中使高溫之流體從一端部向另一端部流動，前述扁平之管內為流通路，於該流通路中使所要加熱之流體從另一端部向一端部流動，經由扁平之管進行在內外流動之兩流體之熱交換，從而加溫流動於扁平之管之流通路內之流體(例如，參照專利文獻1)。

先前之扁平形熱交換器之構造為以熱傳導性良好之材料形成設置於外殼之內部之扁平之管，使在扁平型管之外側流體通路流動之流體、與在扁平之管內之流通路流動之流體之熱交換效率提高。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：本實用新案註冊第3133996號公報

然而，在經由扁平之管進行流體之熱交換之情形，已知熱交換不僅關乎於扁平之管之熱傳導率，亦關乎於扁平之管之表面積，或在扁平之管之內外流動的流體之流速，而在如先前般之表面平滑之扁平管之使用中，有無論如何熱交換效率均低之問題。

因此，本發明之課題在於提供一種可使扁平管之表面積增大，且加快在扁平管之外側流動之流體之流速，從而謀求熱交換效率之大幅提高之熱交換器。

為解決上述之問題，本發明之熱交換器係將扁平管收納於形成於外殼之筒狀收納部之內部，並於前述扁平管之內外分別流通所要熱交換之流體，而進行流體相互之熱交換者，且，該熱交換器係將前述扁平管之周壁形成為表面積之擴大形狀，於前述筒狀收納部之內周面設置在扁平管之外側沿著長度方向流動流體之流體通路，該流體通路係藉由並列之多條流體整流槽所形成，前述扁平管之周壁外周面係與前述筒狀收納部之內表面接觸，且前述流體整流槽係形成於該內表面上。上述外殼為在重疊狀態下結合之下部外筒與上部外筒之兩半構造，且收納上述扁平管之筒狀收納部可由分別設置於下部外筒與上部外筒之重疊面之凹槽形成，而上述流體通路由設置於兩凹槽之底面之並列之複數條流體整流槽形成。

此處，上述外殼為例如下部外筒與上部外筒之兩半構造，該下部外筒於兩端設置有供排用接頭之安裝框架，於內部上面沿著長度方向設置有三條凹槽；該上部外筒具有收納於前述安裝框架間之長度，且同樣於內部下面沿著長度方向設置有三條淺凹槽；下部外筒與上部外筒係在靠近 重合面間之外周夾住環狀之襯墊而組裝，以下部外筒之凹槽與上部外筒之凹槽形成扁平管之筒狀收納部，而於上述之各凹槽之底面，設置有沿著該凹槽之長度方向連續之寬度窄之流體整流槽，前述流體整流槽沿著凹槽之寬度方向排成多條並列狀態，而藉由該流體整流槽形成在扁平管之外側流動之流體之流體通路。

上述之外殼係由使用導管之殼本體、與具有將筒體分成兩半之構造，且併入於前述殼本體內之一對流路形成構件所形成，且於形成於兩流路形成構件之對向面間之凹槽形成收納上述扁平管之筒狀收納部，上述流體通路由設置於兩凹槽之底面之並列之多條流體整流槽形成。

形成於上述扁平管之周壁之表面積之擴大形狀可為於長度方向上連續之螺旋狀之波形、於長度方向上連續之波形、於寬度方向上連續之剖面形狀之波形、以於寬度方向上以特定之間隔並列於長度方向的方式突設於外面之鰭片中之任一者。

可採用之構造為於收納上述扁平管之外殼之兩端，水密狀地固定流體之供排用接頭，設置於該供排用接頭之一流體之供排路與扁平管內之流通路連通，另一流體之供排路與外殼之流體通路連通。

上述扁平管使用熱傳導率高之材料，為適當收納於上述筒狀收納部內之扁平之長圓形剖面形狀，具有兩端從下部外筒之安裝框架突出之長度，其內部為流體之流通路，在該扁平管之周壁中收納於筒狀收納部內之長度範圍之部份，形成有表面積之擴大形狀。

若形成於上述扁平管之周壁之表面積之擴大形狀為於長度方向上連續之螺旋狀波形之情形，係將剖面圓弧之螺紋脊設置成單根或複數根螺旋，或以使螺紋脊之傾斜為相反之二根螺旋重疊的方式加工而成者。

又，若為於長度方向上連續之波形之情形，為如一般之波浪形管般之構造，於寬度方向上連續之剖面形狀之波形除圓弧之凹部與凸部交替連續者以外，並有僅連續凹部者或連續山形之波者。

根據本發明，由於將扁平管之周壁形成為表面積之擴大形狀，故可使扁平管之內外表面積格外增大，從而可大幅提高相對於扁平管在內外流動之流體之熱交換效率。

又，由於以多條並列之流體整流槽形成設置於外殼之收納部內面之流體通路，故可藉由流體整流槽整流在扁平管之外側流動之流體之流動，從而加快流速，且於流體通路中流動加熱側流體，從而謀求在扁平管內之流通路中流動之流體之熱交換效率的提高。

再者，藉由組合扁平管之表面積之擴大形狀，與形成流體通路之流體整流槽之相乘效應，可使熱交換效率大幅提高。

以下，基於圖示例，說明本發明之實施形態。

圖1至圖6係顯示本發明之熱交換器之第1實施形態，熱交換器1係於扁平且長之外殼2之內部，以並列狀態之配置，形成在該外殼2之全長上貫通之三個筒狀收納部3，並於各筒狀收納部3內分別收納扁平管4，於前述筒狀收納部3之內周面，形成沿著扁平管4之長度方向流動所要熱交換之流體之一流體的流體通路5，而扁平管4之內部成為流動另一流體之流通路6。

於上述外殼2之兩端，水密狀地固定流體之供排用接頭7與8，設置於該供排用接頭7與8之一流體之供排路9與流體通路5之端部連通，而另一流體之供排路10與扁平管4內之流通路6在端部連通，熱交換器1整體成扁平形之形狀。

上述外殼2為包含使用合成樹脂或金屬材料形成之下部外筒2a與上部外筒2b之組合之雙層構造，如圖2及圖4所示，下部外筒2a形成為扁平且長之帶板狀，於其兩端設置有供排用接頭7、8之安裝框架11，於上面以沿著長度方向平行的方式設置有三條凹槽12。

又，如圖3與圖4所示，上述之上部外筒2b為具有以與下部外筒2a相同之寬度而收納於兩端之安裝框架11間之長度之扁平之帶板狀，於重疊於下部外筒2a之下面，在對應於下部外筒2a之各凹槽12之位置，橫跨長度方向之全長設置凹槽13，前述下部外筒2a與上部外筒2b於上下重疊，以螺釘緊固複數個部位，藉此夾住沿著外周配置之環狀襯墊14而組裝。

如圖4(a)所示，將上下對向之上述下部外筒2a與上部外筒2b上下重疊，以螺釘緊固複數個部位，藉此，如圖4(b)所示，下部外筒2a之凹槽12與上部外筒2b之凹槽13上下連通，形成剖面扁平之孔即一個筒狀收納部3，藉此設置適宜間隔並列之三根筒狀收納部3由以沿著下部外筒2a與上部外筒2b之重合面間之外周的方式併入之環狀襯墊14圍繞，而對外部保持水密。

以使扁平管4收納於該筒狀收納部3之內部的方式，形成為上述凹槽12與凹槽13相對於扁平管4從上下適當嵌合之剖面形狀，而形成用於在前述筒狀收納部3之內周面流動一流體的流體通路5。

如圖4(a)、(b)所示，上述流體通路5係由在設置於下部外筒2a之凹槽12之底面，與設置於上部外筒2b之凹槽13之底面，橫跨下部外筒2a與上部外筒2b之長度方向之全長設置之流體整流槽5a而形成。

上述流體整流槽5a為相對較小之剖面形狀之細槽，於上述凹槽12及凹槽13之寬度方向上，以一定間隔之配置且並列設置複數條，且以細凸條5b將各流體整流槽5a間區隔開，從而使凹槽12及凹槽13之底面為凹凸面，在將扁平管4收納於由兩凹槽12及凹槽13形成之筒狀收納部3的狀態下，凸條5b之前端抵接或接近扁平管4之外面，且前述流體整流槽5a之開放面面臨扁平管4之外面。

若在由如上所述之流體整流槽5b而形成於扁平管4之外側之流體通路5中流動一流體，則一流體在接觸於扁平管4之外面且沿著長度方向流動時，藉由流體整流槽5整流成沿著該流體整流槽5之長度方向之形狀之流動，藉此使得流速加快。

設置於上述凹槽12及凹槽13之底面之流體整流槽5a之深度、寬度及並列間隔可任意設定，但例如該流體整流槽5a之平面形狀除沿著下部外筒2a與上部外筒2b之長度方向為直線狀外，如圖2(b)或圖3(b)所示，亦可以沿著長度方向彎曲成鋸齒狀的方式形成，若將流體整流槽5a形成為鋸齒狀，可使一流體相對於扁平管4之外面之接觸流動距離增長，從而提高熱交換效率。

上述扁平管4係使用熱傳導率高之金屬等材料，形成適當收納於由凹槽12與凹槽13形成之筒狀收納部3內之扁平之剖面長圓形，且具有兩端距離從位於下部外筒2a之兩端之安裝框架11突出僅特定長度之長度，在該扁平管4之周壁且收納於筒狀收納部3內之長度範圍之部份，形成表面積之擴大形狀15。

圖5與圖6係顯示上述表面積之擴大形狀15之若干例子，圖5(a)、(b)為於長度方向上連續之螺旋狀波形之例，且將剖面圓弧之螺紋脊相對於扁平管4之周壁設置成單根或複數根之螺旋者，圖5(c)係以使螺紋脊之傾斜為相反之二根螺旋重疊的方式，對扁平管4之周壁加工而成者。

圖5(d)與(e)係對扁平管4之周壁施加於長度方向上連續之波形形狀之例，且顯示圓弧狀之凹凸交替連續之一般之如波浪形管般之構造。

圖6為對將寬度方向之剖面形狀設為扁平之角形之扁平管4之周壁之上下面，賦予於寬度方向上連續之彎曲形狀作為表面積之擴大形狀15之例，圖6(a)顯示形成為圓弧之凹部與凸部交替連續之剖面形狀之波形，圖6(b)顯示重複連續剖面U形之凹部者，圖6(c)顯示連續山形之波者。

再者，圖6(d)顯示在扁平之角形之剖面之扁平管4之周壁之上下面，於寬度方向上以一定間隔突設複數個鰭片15a，作為表面積之擴大形狀15之例。

如此，對扁平管4之周壁施加之表面積之擴大形狀15可從圖5與圖6中示例者中任選其一。

如上所述，由於採用於扁平管4之周壁形成有表面積之擴大形狀15之凹凸之外面形狀，使得圍繞該扁平管4之外側之流體通路5之深度沿著一流體之流動方向產生狹窄部份與寬闊部份，然而狹窄部份藉由流體整流槽5a而確保一流體之流動。

如圖1所示，上述流體之供排用接頭7、8，在以呈水密狀的方式外嵌固定於外周嵌有襯墊16之安裝框架11之字狀安裝部17之外側，設置一流體之供排路9與另一流體之供排路10，在固定於安裝框架11之狀態下，使一流體之供排路9與外殼2之流體通路5之端部水密狀連通，而另一流體之供排路10與併入外殼2之筒狀收納部3內之扁平管4內的流通路6之端部水密狀連通。

其次，圖7顯示本發明之第2實施形態之熱交換器。再者，對與上述之第1實施形態相同之部份附註相同之符號代替說明。

該第2實施形態之熱交換器1為相對於上述之第1實施形態省略外殼2所需之環狀襯墊14或複數個螺釘之使用者，且將外殼2設為由使用扁平之剖面角形之一整根之導管的殼本體21，與配置於該殼本體21內之一對流路形成構件22之組合而形成之構造者。

上述殼本體21係使用扁平之剖面角形之一整根之導管，於兩端部之外面設置安裝框架11，且以隔板23將其內部分隔成並列之四個筒狀室24，且將各筒狀室24設為較扁平管4略微大之剖面形狀者。

上述之一對流路形成構件22具有將適當收納於上述筒狀室24內之角形筒體沿著長度方向分成兩半之構造，該流路形成構件22為具有與殼本體21相等長度之帶狀板狀，且為薄槽形之剖面形狀，藉由組合一對流路形成構件22，而以形成於其對向面間之凹槽內，形成適當收納上述扁平管4之筒狀收納部3，並在一對流路形成構件22插入至筒狀室3內的狀態下，以螺釘26將兩端之彎曲件25固定於安裝框架11。

於一對流路形成構件22之凹槽之底面，與第1實施形態相同，以於流路形成構件22之寬度方向上以一定之間隔並列的方式形成於長度方向連續之多個細流體整流槽5a。

如上所述，若在將一對流路形成構件22固定於外殼2內的狀態下，以貫通於筒狀收納部3內的方式插入扁平管4，則藉由流體整流槽5a，於扁平管4之外側形成流體通路5。

該第2實施形態中，係在殼本體21之各筒狀室24內組合一對流路形成構件22的狀態下併入，在形成於一對流路形成構件22間之筒狀收納部3內插通扁平管4，並在設置於殼本體21之兩端之安裝框架11上固定流體之供排用接頭7、8，使一流體之供排路9與外殼2之流體通路5之端部水密狀連通，而另一流體之供排路10與扁平管4內之流通路6之端部水密狀連通，藉此組裝成扁平之筒形之熱交換器1。

其次，圖8所示之第3實施形態之熱交換器，與第2實施形態相同，為由殼本體21與流路形成構件22之組合而形成外殼2者，尤其為可使殼本體21之由合成樹脂之成形性容易化，且加長形成殼本體21者。

該實施形態3中，係在用於成形為角筒狀之殼本體21之模具內，在組合與實施形態2相同之兩半之流路形成構件22的狀態下進行設置，並對上述模具內注入樹脂而成形殼本體21時，於其內部埋入一對經組合之流路形成構件22，藉由插入成形獲得殼本體21者。

藉由如上所述之插入成形，殼本體21可在上下分割之模具中製作，且由於無需如殼本體21為一根導管之情形般之脫模斜度，故可藉由合成樹脂製作長殼本體21，又，流路形成構件22仍採用兩半之分割構造，從而可在分割模具中製作，且設置於該流路形成構件22之複數個細流體整流槽5a即使為直線以外之鋸齒形狀等之複雜形狀亦可容易地形成。

在第2及第3實施形態中，上述流路形成構件22除以合成樹脂之成形以外，亦可使用金屬材料，以切削及衝壓加工等容易地進行製作。

再者，在圖8所示之第3實施形態中，以於殼本體21之內部並列二組流路形成構件22之狀態之配置並插入成形，於殼本體21之兩端一體成形安裝框架11，且於殼本體21之外周面以一定間隔之配置設置多個加強用之肋部27，並使用安裝框架11與連接構件28將殼本體21之端部相互連接，藉此可構成長熱交換器。

本發明之熱交換器為如上所述之構成，其次，使用圖1至圖6所示之第1實施形態之熱交換器，說明熱交換之作用。

如圖1所示，將下部外筒2a與上部外筒2b組合而作為外殼2，在形成於該外殼2之筒狀收納部3內收納扁平管4，並對固定於外殼2之兩端之流體之供排用接頭7、8，在一端側供排用接頭7之一流體之供排路9連接加熱用流體之供給管29，而在另一端側供排用接頭8之一流體之供排路9連接加熱用流體之流出管30。

又，在一端側供排用接頭7之另一流體之供排路10上連接被加熱流體之流出管31，而在另一端側供排用接頭8之另一流體之供排路10上連接被加熱流體之供給管32。

在該狀態下，若從加熱用流體之供給管29，對形成於外殼2之筒狀收納部3之內周面之流體通路5內供給加熱用流體，且，從被加熱流體之供給管32，對各扁平管4內之流通路6供給被加熱流體，則加熱用流體與被加熱流體在各扁平管4之內外沿著長度方向於相反方向流動，且經由扁平管4之周壁進行熱交換，藉由在外側之流體通路5中流動之加熱用流體之熱，加熱在扁平管4之流通路6流動之被加熱流體，從而使熱水從流出管31流出。

在經由上述扁平管4之周壁進行加熱用流體與被加熱流體之熱交換時，由於扁平管4之周壁其內外面形成為表面積之擴大形狀15，故可藉由表面積之增大，使加熱用流體與被加熱流體之接觸面積增大，熱交換效率與接觸面積之擴大成比例提高，從而有效地加溫被加熱流體。

又，在位於扁平管4之外側之流體通路5中流動之加熱用流體之流動，係藉由形成於筒狀收納部3之內周面之細流體整流槽5a，沿著扁平管4之長度方向整流成直線或鋸齒狀，藉由如此之利用流體整流槽5a之整流而誘導流動方向，藉此使加熱用流體從流體通路5之一端向另一端之流速加快，且快速地進行流體通路5內之加熱用流體之置換，從而謀求熱交換效率之提高。

再者，在第2及第3實施形態之熱交換器1中，亦可獲得與上述之第1實施形態之熱交換器相同之熱交換作用。

又，在任一實施形態之熱交換器1中，根據設置於外殼2之筒狀收納部3所設定之扁平管4之使用根數，不僅限於如圖所示般之二根至四根，只要為一根以上即可，對根數並無限制。

1．．．熱交換器

2．．．外殼

2a．．．下部外筒

2b．．．上部外筒

3．．．筒狀收納部

4．．．扁平管

5．．．流體通路

6．．．流通路

7．．．供排用接頭

8．．．供排用接頭

9．．．供排路

10．．．供排路

11．．．安裝框架

12．．．凹漕

13．．．凹漕

14．．．環狀之襯墊

15．．．表面積之擴大形狀

16．．．襯墊

17．．．字狀安裝部

21．．．殼本體

22．．．流路形成構件

23．．．隔板

24．．．筒狀室

25．．．彎曲件

26．．．螺釘

27．．．加強用肋部

28．．．連接構件

29．．．供給管

30．．．流出管

31．．．流出管

32．．．供給管

圖1係顯示本發明之熱交換器之第1實施形態之分解立體圖。

圖2(a)係顯示本發明之第1實施形態之熱交換器之下部外筒的立體圖，(b)係相同之平面圖，(c)係從下部外筒之一端部觀察之側視圖。

圖3(a)係以背面側為上，觀察本發明之第1實施形態之熱交換器之上部外筒的立體圖，(b)係相同之平面圖，(c)係以相同之背面側為上，從一端部觀察之側視圖。

圖4(a)係顯示使下部外筒與上部外筒上下分離之組合前之狀態之中途的擴大剖面圖，(b)係顯示同上之組合狀態之中途之擴大剖面圖。

圖5係顯示對扁平管之表面積之擴大形狀，(a)係顯示連接於長度方向之螺旋狀之波形之例的平面圖，(b)係沿著扁平管之長度方向之相同之擴大剖面圖，(c)係以使螺紋脊之傾斜為相反之二根螺旋重疊的方式進行加工之例之平面圖，(d)係顯示圓弧狀之凹凸交替連接之波浪形管之例的平面圖，(e)係顯示沿著波浪形管之長度方向之相同之擴大剖面圖。

圖6係顯示在對扁平管施加之表面積之擴大形狀中，沿著扁平管之寬度方向切斷時之剖面形狀，(a)係顯示圓弧之凹部與凸部呈波形交替連接之例之剖面圖，(b)係顯示剖面U字形之凹部重複連接之例之剖面圖，(c)係顯示山形之波連接之例之剖面圖，(d)係顯示突設有複數個鰭片之例之剖面圖。

圖7(a)係顯示本發明之熱交換器之第2實施形態之分解立體圖，(b)係相同之縱剖面圖。

圖8(a)係顯示本發明之熱交換器之第3實施形態之立體圖，(b)係同上所使用之流路形成構件之立體圖。

1．．．熱交換器

2．．．外殼

2a．．．下部外筒

2b．．．上部外筒

4．．．扁平管

7．．．供排用接頭

8．．．供排用接頭

9．．．供排路

10．．．供排路

11．．．安裝框架

14．．．環狀之襯墊

15．．．表面積之擴大形狀

16．．．襯墊

17．．．字狀安裝部

29．．．供給管

30．．．流出管

31．．．流出管

32．．．供給管

Claims (6)

1. 一種熱交換器，其係將扁平管收納於形成於外殼之筒狀收納部之內部，並於前述扁平管之內外分別流通所要熱交換之流體，而進行流體相互之熱交換者，且其特徵為：其係將前述扁平管之周壁形成為表面積之擴大形狀，於前述筒狀收納部之內周面設置在扁平管之外側沿著長度方向流動流體之流體通路，該流體通路係藉由並列之多條流體整流槽所形成，前述扁平管之周壁外周面係與前述筒狀收納部之內表面接觸，且前述流體整流槽係形成於該內表面上。
2. 如請求項1之熱交換器，其中上述外殼為以重疊狀態結合之下部外筒與上部外筒之兩半構造，且收納上述扁平管之筒狀收納部可由分別設置於下部外筒與上部外筒之重疊面之凹槽所形成，而上述流體通路由設置於兩凹槽之底面之並列之複數條流體整流槽而形成。
3. 如請求項1之熱交換器，其中上述外殼係由使用導管之殼本體、與具有將筒體分成兩半之構造，且以併入於前述殼本體內之一對流路形成構件所形成，且於形成於兩流路形成構件之對向面間之凹槽形成收納上述扁平管之筒狀收納部，上述流體通路由設置於兩凹槽之底面之並列之多條流體整流槽形成。
4. 如請求項1至3中任一項之熱交換器，其中形成於上述扁平管之周壁之表面積之擴大形狀可為於長度方向上連續 之螺旋狀之波形、於長度方向上連續之波形、於寬度方向上連續之剖面形狀之波形、以於寬度方向上以特定之間隔並列於長度方向的方式突設於外面之鰭片中之任一者。
5. 如請求項1至3中任一項之熱交換器，其中於收納上述扁平管之外殼之兩端，水密狀地固定流體之供排用接頭，設置於該供排用接頭之一流體之供排路與扁平管內之流通路連通，另一流體之供排路與外殼之流體通路連通。
6. 如請求項4之熱交換器，其中於收納上述扁平管之外殼之兩端，水密狀地固定流體之供排用接頭，設置於該供排用接頭之一流體之供排路與扁平管內之流通路連通，另一流體之供排路與外殼之流體通路連通。