JP6211313B2 - ３重管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、３重管式熱交換器に関し、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、例えば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。

特許文献３の放熱器は、ヒートポンプ給湯機の貯湯タンク内に設置されるものであり、この放熱器は、３本の円形断面の伝熱管を離隔して配置し、これら伝熱管の外表面を被覆管で被覆した構造である。被覆管は、伝熱管の内部の冷媒が伝熱管から漏洩した場合に、その冷媒が被覆管の外側の流体に混入するのを防止するものである。

特開２００８−２３２４４９号公報 特許第３９３３０８３号公報 特開２００６−２５０４１７号公報

特許文献１に記載のような２重管式熱交換器において、多葉管からなる内管の外側に被覆管としての漏洩検知管を設け、この漏洩検知管の内面の全域に特許文献２に記載の多数条の漏洩検知溝を形成することが考えられる。
しかし、その２重管式熱交換器では、多数条の漏洩検知溝には空気層があるため、また、内管と漏洩検知管の間の伝熱面積が小さくなるため、熱交換性能を高めることが困難であるだけでなく、多数条の漏洩検知溝を形成する加工費も高価になる。

特許文献３の放熱器を２重管式熱交換器に適用可能であるとしても、この放熱器は３本の円形断面の伝熱管を被覆管で被覆した構造であるため、伝熱管の部材数が多く、製作費が高価になる。

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多葉管に構成しながら高い熱交換性能を確保できる３重管式熱交換器を提供することである。

請求項１の３重管式熱交換器は、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た外管とを備え、前記内管の内部を流れる流体と、前記漏洩検知管と前記外管との間の隙間に流れる流体との間で熱交換可能に構成した３重管式熱交換器であって、前記内管と前記漏洩検知管の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部と谷部とを接続する直線部を有し、少なくとも前記直線部において前記内管と前記漏洩検知管とが密着しており、前記内管の山部の大部分は前記漏洩検知管の山部に密着すると共に、前記漏洩検知管の山部の大部分が前記外管に密着していることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、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た外管とを備えた３重管式熱交換器であり、前記内管と前記漏洩検知管の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部と谷部とを接続する直線部を有し、少なくとも前記直線部において前記内管と前記漏洩検知管とが密着しているため、内管と漏洩検知管間の熱交換性能に優れるから、内管内を流れる流体と漏洩検知管と外管との間の隙間を流れる流体との間で熱交換する熱交換性能に優れたものとなる。
しかも、前記直線部において前記内管と前記漏洩検知管とが密着しているため、内管と漏洩検知管との一体性が高まり、流体から伝播する振動に対する剛性を高める上でも有利である。

そして、前記内管の山部の大部分は前記漏洩検知管の山部に密着すると共に、前記漏洩検知管の山部の大部分が前記外管に密着しているため、３重管式熱交換器の全体の剛性を高めることができる。

本発明の実施例に係る３重管式熱交換器の内管と漏洩検知管の断面図である。 内管と漏洩検知管とからなる２重多葉管の部分斜視図 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１について図１〜図４に基づいて説明する。
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と漏洩検知管３と外管４は、例えばリン脱酸銅製の円形断面の水道用銅管又はこれと同等品からなる所定の長さの素材管を用いて製作される。素材管の管壁の厚さは例えば０．６〜１．０ｍｍで、３重管式熱交換器の外径は例えば１６〜２０ｍｍである。但し、これらの数値は例示でありこれらに限定されるものではない。

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ている。外管４の内部に内管２と漏洩検知管３とが収納されている。

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と漏洩検知管３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重管を加工することで２重構造の多葉管７（以下、２重多葉管という）に製作する。この２重多葉管７を外管４の素材管に挿入した状態で、少なくとも外管４を縮径加工することで３重管式熱交換器１を製作する。尚、２重多葉管７と外管４の両方を縮径加工してもよい。
この３重管式熱交換器１の製作段階においては、例えば６ｍの長さのストレート形状の熱交換器に製作し、その後所望の長さに切断したものを例えば複数回螺旋状に巻回したコイル形状の３重管式熱交換器にして使用に供される。

この２重多葉管７は、図２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。上記の捩じりを付加してあるため、３重管式熱交換器１をコイル状に巻回した構造の熱交換器に構成する際に巻回しやすくなる上、３重管式熱交換器１内を流れる流体に対する攪拌作用が得られる。但し、上記の捩じりは必須のものではなく省略してもよい。

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。それ故、３重管式熱交換器１の中心側部分において内管２の剛性が高まり、流体から伝播する振動等によって破損しにくくなる。

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。そのため、内管２から例えば冷媒が隙間８に漏洩した場合には、それを検知することで、内管２からの流体の漏洩の発生を確実に検知することができる。尚、谷部２ａの曲率半径が小さく、大きな応力が発生して破損しやすいため、谷部２ａと谷部３ａの間に隙間８を形成することで、内管２からの漏洩を検知しやすくなる。

内管２の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部２ｂと谷部２ａとを接続する直線部２ｃを有し、漏洩検知管３の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部３ｂと谷部３ａとを接続する直線部３ｃを有し、内管２の直線部２ｃと、それに対向する漏洩検知管３の直線部３ｃとが面接触状に密着している。尚、直線部２ｃ，３ｃは螺旋状に捩じられた帯板状管壁であり、このように、帯板状管壁２ｃ，３ｃが密着しているため、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。しかも、内管２と漏洩検知管３の一体性が高まるため、剛性を確保する上で有利である。
尚、山部２ｂとそれに連なる１対の直線部２ｃは、開角が約４５°の扇形に形成されており、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、３重管式熱交換器１の全体の剛性を高めることができる上、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も高くなる。
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。これは、山部２ｂの両側部も曲率半径が小さいため、大きな応力が発生する可能性が高いからである。

次に、上記の３重管式熱交換器１の作用、効果については、以上の説明において詳しく説明したとおりであるので、以下に簡単に説明する。
この３重管式熱交換器１においては、内管２と漏洩検知管３とで２重多葉管７を構成し、この２重多葉管７を外管４の内部に収納したので、内側流体通路５内の流体と外側流体通路６内の流体との間で熱交換する伝熱面積を大きくすることができる。その結果、熱交換性能の高い３重管式熱交換器１となる。

漏洩検知管３を内管２に外嵌させて内管２の外周面近傍部に配置したため、内管２の外周面の大部分が漏洩検知管３の内周面の大部分に面接触する構造になった。そのため、熱交換性能を高めることができた。しかも、仮に内管２から流体が漏洩したとしても、漏洩検知管３内に閉じ込められて、外側流体通路６へは漏洩しないため、３重管式熱交換器１の品質と信頼性を高めることができた。また、内管２が１本の素材管から構成されるため、部材数が少なくなり、製作費を節減できる。

谷部２ａ，３ａ間に隙間８を形成するため、内管２から流体が漏洩した場合に、隙間８を介してその漏洩を検知することができる。直線部２ｃ，３ｃ同士を面接触状に密着させたため、熱交換性能を高めることができた。そして、内管２の谷部２ａの先端近傍部が隣接する谷部２ａに密着しているため、３重管式熱交換器１の中心側部分における内管２の剛性と、２重多葉管７の剛性を高めることができる。

内管２の山部２ｂの大部分が漏洩検知管３の山部３ｂの内面に密着し、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ため、３重管式熱交換器１の全体の剛性を高めることができる上、熱交換性能も高めることができる。２重多葉管７が螺旋状に捩じられているため、３重管式熱交換器１をコイル状に巻回して熱交換器にする場合に、巻回しやすくなり、内側流体通路５と外側流体通路６内を流れる流体に対する攪拌作用が得られる。

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）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重管式熱交換器が開示されている。

１ ３重管式熱交換器
２ 内管
２ａ 谷部
２ｂ 山部
２ｃ 直線部
３ 漏洩検知管
３ａ 谷部
３ｂ 山部
３ｃ 直線部
４ 外管
５ 内側流体通路
６ 外側流体通路
７ ２重多葉管
８ 隙間
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た外管とを備え、前記内管の内部を流れる流体と、前記漏洩検知管と前記外管との間の隙間に流れる流体との間で熱交換可能に構成した３重管式熱交換器であって、
   前記内管と前記漏洩検知管の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部と谷部とを接続する直線部を有し、少なくとも前記直線部において前記内管と前記漏洩検知管とが密着しており、
   前記内管の山部の大部分は前記漏洩検知管の山部に密着すると共に、前記漏洩検知管の山部の大部分が前記外管に密着していることを特徴とする３重管式熱交換器。