JP6565426B2 - 多重管式凝縮熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は多重管式凝縮熱交換器に関し、特に内管を形成する多葉管の中心部に弾性体を設けた多重管式凝縮熱交換器に関する。

従来から、ガス燃焼式熱源機、ヒートポンプ式熱源機、燃料電池発電装置等の熱源機で加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯して所望の給湯先に給湯する貯湯給湯装置、前記熱源機で加熱した湯水を利用して暖房端末へ熱を供給する暖房装置、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幅広く使用されている。

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。

しかし、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１に開示された３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２重構造とし、この２重多葉管の内管を外管の内部に収納して、内管内を流れる冷媒が、内管と外管との間を流れる湯水に混入するのを防止可能に構成してある。

また、特許文献２には、内管と外管を有する２重管式熱交換器において、内管の管壁内側に波形チューブで形成した伝熱フィンが接するように配置し、伝熱フィンの内側に内管中心部を閉塞する柱体を設けた構造が開示されている。前記柱体は、耐熱性を有するセラミックやプラスチックで円柱や角柱形状に製造された可塑性体である。

この２重管式熱交換器では、内管の内部に高温ガスを流し、外管と内管の間に冷却水を流すようになっており、高温ガスから内管への伝熱効率を高めるべく、内管内に伝熱フィンが設けられている。内管から冷却水への伝熱面積は内管の外周面のみであるから、熱交換性能が大きく改善されるものではない。

特開２０１５−０１０７５７号公報 特開平１１−１８３０６２号公報

特許文献１に記載の３重管式熱交換器では、内管を形成する多葉管の中心部を流れる冷媒は、内管と外管の間を流れる湯水と熱交換されにくいため、熱交換性能が低くなり、また冷媒の充填量が多くなる。

本発明の目的は、内管を形成する多葉管の中心部に弾性体を設け、内管の中心部に冷媒が流通しないように閉塞した多重管式凝縮熱交換器を提供することである。

請求項１の多重管式凝縮熱交換器は、内管と、この内管を内部に収納した外管とを備え、前記内管の内部を流れる冷媒と前記内管と外管との間を流れる給湯湯水との間で熱交換可能に構成された多重管式凝縮熱交換器であって、前記内管が多葉管形状に形成された多重管式凝縮熱交換器において、前記内管を形成する多葉管の中心部に弾性体を設け、前記中心部に冷媒が流通しないように前記弾性体で閉塞し、前記弾性体は、冷媒が気液混合状態又は液体状態で流れる前記熱交換器の冷媒の流通方向の後半部分に設けられたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、内管と、この内管を内部に収納した外管とを備え、前記内管の内部を流れる冷媒と前記内管と外管との間を流れる給湯湯水との間で熱交換可能に構成され、前記内管が多葉管形状に形成された多重管式凝縮熱交換器であり、前記内管を形成する多葉管の中心部に弾性体を設け、前記中心部に冷媒が流通しないように前記弾性体で閉塞したので、内管の中心部に冷媒が流通するのを防止し、熱交換性能を高め、冷媒の充填量を節減することができる。

そして、前記弾性体は、冷媒が気液混合状態又は液体状態で流れる前記熱交換器の冷媒の流通方向の後半部分に設けられているため、多葉管の中心部に冷媒が流通するのを防止する弾性体の使用量を節減し、効率的に必要な冷媒量を削減することができる。

本発明の実施例に係る３重管式熱交換器と上部保温材と下部保温材の分解斜視図である。 図１の３重管式熱交換器の断面図である。 図１の３重管式熱交換器の断面図である。 内管を形成する２重多葉管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。

本発明の３重管式熱交換器１の全体構造について説明する。
図１〜図４に示すように、３重管式熱交換器１（これが多重管式凝縮熱交換器に相当する）は、内管２と漏洩検知管３と外管４とを備え、内管２の内部に内側流体通路５、漏洩検知管３と外管４の間に外側流体通路６を有し、内側流体通路５を流れる冷媒と外側流体通路６を流れる湯水との間で熱交換を行うように構成されている。

図１に示すように、３重管式熱交換器１は、全体が矩形形状の渦巻状に構成され、平面視にて略矩形形状の複数のループ管７を有する。複数のループ管７は、上下方向に２層に且つ各層が複数巻（三重巻）になるように配置されている。各層に配置された３つのループ管７は、内側から外側に向かって徐々に大型化するようなサイズに構成されている。
３重管式熱交換器１は、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等の樹脂を発泡成形した上下に２分割された上部保温材８と下部保温材９で覆われている。

３重管式熱交換器１の両端部には、加熱前の湯水が導入され且つ低温の冷媒が導出される分岐部１０と、加熱された湯水が導出され且つ高温の冷媒が導入される分岐部１１とが形成されている。分岐部１１の近傍においては内管２に冷媒通路１３ａが接続され、外管４に循環用配管４ｂが接続され、分岐部１０の近傍においては内管２に冷媒通路１３ｂが接続され、外管４に循環用配管４ａが接続されている。３重管式熱交換器１は全体として水平姿勢となるように配設され、分岐部１０よりも分岐部１１の方が上方となるように配設されている。

次に、３重管式熱交換器１の内部構造について図２〜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、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。

図２に示すとおり、内管２は、管壁が周方向に山部２ａと谷部２ｂ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の内部の内側流体通路５は、４つの谷部２ｂで囲まれた流体通路５ａと４つの山部２ａ内側の流体通路５ｂとから形成され、漏洩検知管３と外管４との間の外側流体通路６は、ほぼ三角形断面の４つの流体通路６ａから形成される。

内管２の中心部の流体通路５ａには弾性体１５が設けられ、流体通路５ａに冷媒が流通しないよう、流体通路５ａ内が弾性体１５で閉塞されている。なお、弾性体１５は、シリコンゴム等の耐熱性のある弾性体で構成される。

ここで、後述するように、２重多葉管１２を製作する際、内管２の素材管を漏洩検知管３の素材管に挿入した２重管の円形の断面形状から、例えば４葉状の断面形状に絞り加工されて、内管２の中心部の流体通路５ａが形成される。このため、流体通路５ａの断面形状が一定形状に仕上がるとは限らず、弾性体１５を採用することにより流体通路５ａ内を閉塞状態にすることができる。

内管２を形成する多葉管は、軸心直交断面において山部２ａと谷部２ｂとを接続する直線部２ｃを有し、漏洩検知管３を形成する多葉管は、軸心直交断面において山部３ａと谷部３ｂ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内を流れる冷媒と、外側流体通路６内を流れる湯水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２ａ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２ａの大部分は漏洩検知管３の山部３ａ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３ａ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内を流れる冷媒と外側流体通路６内を流れる湯水との間の熱交換性能も高くなる。

図４は、外管４の内部に挿入される内管２と漏洩検知管３とからなる２重多葉管１２を示している。２重多葉管１２を製作する際、内管２の素材管の内側に例えば円柱状の弾性体１５を挿入し、この内管２の素材管を漏洩検知管３の素材管に挿入した状態の２重管を例えば４葉状に加工することで、中心部に弾性体１５を設けた２重多葉管１２が製作される。この２重多葉管１２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１２と外管４の両方を縮径加工してもよい。

この２重多葉管１２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。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。

弾性体１５は、冷媒が気液混合状態又は液体状態で流れる３重管式熱交換器１の冷媒の流通方向の後半部分に設けられている。
ここで、冷媒は、内側流体通路５内を冷媒通路１３ａ側から流入して、冷媒通路１３ｂ側から流出されるため、ループ管７内を反時計回りで流れる。一方、湯水は、外側流体通路６内を循環用配管４ａ側から流入して、循環用配管４ｂ側から流出されるため、ループ管７内を冷媒とは対向流の時計回りで流れる。

３重管式熱交換器１で利用される冷媒としては、主にプロパンガスが使用され、内側流体通路５内を冷媒通路１３ａ側から流入された冷媒は気体状態であるが、外側流体通路６内を対向流で流通する湯水との間で熱交換されて、冷媒通路１３ｂ側から流出される際は液体状態となっている。

従って、冷媒の流通方向の後半部分とは、上下に２層に配置された複数のループ管７の内、下層に配置された複数のループ管７を指し、この下層の複数のループ菅の内部にのみ弾性体１５が設けられている。但し、３重管式熱交換器１の後半部分だけでなく、前半部分にも弾性体１５が設けてもよい。

次に、上記の３重管式熱交換器１の作用、効果について説明する。
この３重管式熱交換器１は、内管２及び漏洩検知管３が多葉管形状に形成され、２重多葉管１２の中心部である内側流体通路５ａに弾性体１５を設け、内側流体通路５ａに冷媒が流通しないように弾性体１５で閉塞したので、内側流体通路５ａに冷媒が流通するのを防止し、熱交換性能を高め、冷媒の充填量を節減することができる。

弾性体１５は、冷媒が気液混合状態又は液体状態で流れる３重管式熱交換器１の冷媒の流通方向の後半部分に設けられているため、２重多葉管１２の中心部に冷媒が流通するのを防止する弾性体１５の使用量を節減し、効率的に必要な冷媒量を削減することができる。

尚、３重管式熱交換器１の冷媒の流通方向の前半部分においては、冷媒がガス状態になっていて、内管を形成する多葉管の中心部に存在する冷媒の量は少量であるから、そこに弾性体を設けても冷媒の充填量を節減する効果に乏しいため、弾性体１５を３重管式熱交換器１の冷媒の流通方向の後半部分に設けている。

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１２における、山部２ａ，３ａの数と谷部２ｂ，３ｂの数は、４に限らず、３又は５以上としてもよい。

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に弾性体１５を設けたものを例に説明したが、内管２と外管４のみで構成される２重管式熱交換器に弾性体を設けて構成することも可能である。
４）前記弾性体の素材は円柱体に限らず、多角形柱体でもよい。また、弾性体の材料としては合成樹脂製発泡体を採用してもよい。
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。

１ ３重管式熱交換器
２ 内管
４ 外管
１２ ２重多葉管
１５ 弾性体

Claims (1)

1. 内管と、この内管を内部に収納した外管とを備え、前記内管の内部を流れる冷媒と前記内管と外管との間を流れる給湯湯水との間で熱交換可能に構成された多重管式凝縮熱交換器であって、前記内管が多葉管形状に形成された多重管式凝縮熱交換器において、
   前記内管を形成する多葉管の中心部に弾性体を設け、前記中心部に冷媒が流通しないように前記弾性体で閉塞し、
   前記弾性体は、冷媒が気液混合状態又は液体状態で流れる前記熱交換器の冷媒の流通方向の後半部分に設けられたことを特徴とする多重管式凝縮熱交換器。