(57)【要約】【課題】  従来技術に比べて製造が容易で、かつ熱交換の効率の高い熱交換器を提供すること。【解決手段】  本発明に係る熱交換器は、中心軸の周りにコイル状に巻かれた管を有し、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管の部分について、曲率半径が異なり、中心軸に垂直な面に投影した像が重なり合う。好ましい実施の形態において、管の部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って増加若しくは減少し、又は交互に大きくなったり小さくなったりする。より好ましい実施の形態において、管の部分の少なくとも一部が金属製コルゲイト管である。【選択図】  図１
2020016393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸の周りにコイル状に巻かれた管を有する熱交換器であって、
中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管の部分について、曲率半径が異なり、かつ、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う
熱交換器。
【請求項２】
前記管の部分について、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う部分の面積の割合が、１０％以上、９０％以下である
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記管の部分について、曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って増加又は減少する
請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記管の部分について、曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って交互に大きくなったり小さくなったりする
請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記管の部分について、曲率半径が、管の最小曲率半径以上である
請求項１から４までのいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
管の少なくとも一部が、金属製コルゲイト管である
請求項１から５までのいずれかに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度の異なる２種類の流体の間で熱交換を行う熱交換器に関する。   
【背景技術】
【０００２】
コイル状に巻かれた管の内部を流れる第１の流体と、管の外部を流れ、第１の流体とは異なる温度を有する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器が知られている。例えば、出願人が先に出願した特許文献１には、金属製コルゲイト管がコイル状に巻かれた熱交換器の発明が記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載された熱交換器を使って第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う場合、第２の流体はコイル状に巻かれた管の中心軸に平行に流れるため、第２の流体のうちコイルの中心軸に近い位置を流れる流体は管と接触することがなく、熱交換にほとんど寄与しない。そこで、第２の流体のうちコイルの中心軸に近い位置を流れる流体を管と接触させることができるように工夫された熱交換器が従来から知られている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、冷媒パイプをらせん状に曲げ、円錐形に形成して構成された熱交換器の考案が記載されている。この熱交換器においては、冷媒パイプは間隔を置いて、上下に重なることのないように配置されている。このため、冷媒パイプは、上下間において冷房時の熱気流や暖房時の冷気流と干渉しないので、熱交換の効率が向上する。
【０００５】
また、例えば、特許文献３には、複数の円錐スパイラル形状の伝熱部を備える排熱回収システム用の伝熱管の考案が記載されている。この伝熱管では、排ガスが、小径部の外周から煙道内周面に向かって拡散するように排出される。このため、伝熱部の内周面及び外周面に、より均等に排ガスを拡散することができ、熱回収の効率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−４４４１６号公報
【特許文献２】実開昭５８−１２４７６２号公報
【特許文献３】登録実用新案第３１７６７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１の流体が流れる管を構成する材料には、金属、合金又は樹脂などを用いることができる。管を構成する材料には、管の最小曲率半径をあまり小さくすることができないものもある。そのような材料で構成された管を用いた場合、管を特許文献２や特許文献３に記載されたような形状に加工しようとすると、管が破損するおそれがある。
【０００８】
また、管を特許文献２や特許文献３に記載されたような形状に加工しようとすると、材料によっては、管が破損しないまでも、管を強く曲げる必要があるため、加工に時間がかかったり、管を強く曲げた状態で維持、固定したりする必要があり、製造コストが増大するという課題がある。
【０００９】
本発明は、上記の従来技術が有する課題を考慮してなされたものであり、熱交換器の製造が容易で、かつ熱交換の効率の高い熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る熱交換器は、中心軸の周りにコイル状に巻かれた管を有する熱交換器であって、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管の部分について、曲率半径が異なり、かつ、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う。
【００１１】
このため、従来技術に係る熱交換器と比べて管の曲率半径の変化が少なく、管を強く曲げて加工する必要がないので、製造が容易である。しかも、第２の流体のうちコイルの中心軸に近い位置を流れる流体が管と接触する機会が増えるので、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を効率よく行うことができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、管が金属製コルゲイト管である。金属製コルゲイト管は表面に凹凸が設けられている。このため、凹凸のない管と比べて表面積が大きく、かつ、管の表面付近を流れる第１の流体及び第２の流体が乱流となるので、熱交換の効率が向上する。また、本発明に係る熱交換器は管を強く曲げる必要がないので、曲げ加工によって金属製コルゲイト管を損傷するおそれが少ない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る熱交換器によれば、管を強く曲げることなくコイルの中心軸に近い位置を流れる第２の流体を管と接触させて、製造コストを増大させずに熱交換の効率を向上させることができる。また、管として金属製コルゲイト管を使用して、熱交換の効率をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器を示す斜視図である。
【図４】従来技術に係る熱交換器を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態につき、以下に図および表を参照しながら詳細に説明する。なお、ここに記載する実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の実施の形態はここに記載された形態に限定されない。
【００１６】
＜熱交換器の基本的な構成＞
本発明は、中心軸の周りにコイル状に巻かれた管Ｐを有する熱交換器１の発明である。本発明に係る熱交換器１においては、管Ｐの内部を流れる第１の流体と、管Ｐの外部を流れ、第１の流体とは異なる温度を有する第２の流体との間で、管Ｐの壁を介して熱交換が行われる。第１の流体及び第２の流体は、双方が液体又は気体であってもよく、あるいはいずれか一方が液体で他方が気体であってもよい。本発明に係る熱交換器１において、第１の流体と第２の流体の流れる方向は、同一方向でもよく、あるいは互いに逆の方向であってもよい。熱交換器１に供給される第１の流体及び第２の流体の温度は一定でもよく、あるいは変化してもよい。
【００１７】
本発明に係る熱交換器１において、第２の流体が流れる流路は、コイル状に巻かれた管Ｐを設置することができる広さを有する空間である。第２の流体が流れる流路の断面積は、第１の流体が流れる管の内部の断面積と比べて大きい。したがって、本発明に係る熱交換器１の好ましい用途としては、第２の流体の有する熱を利用して第１の流体を加熱したり冷却したりすることが考えられる。しかし、本発明に係る熱交換器１を用いて、上記とは逆に、第１の流体の有する熱を利用して第２の流体を加熱したり冷却したりすることも可能である。
【００１８】
本発明に係る熱交換器１において、管Ｐは、中心軸の周りにコイル状に巻かれている。コイル状とは、三次元のらせん状あるいはヘリカル形状をいい、後で詳しく述べるように、中心軸から管Ｐまでの距離は一定ではなく変化してもよい。また、管Ｐを中心軸の周りにコイル状に巻く方向は、周方向についても、軸線方向についても、熱交換器全体で一定の方向であることが、製造を容易にする点で好ましい。熱交換器１を構成する管Ｐは、１本であってもよく、２本以上であってもよい。製造を容易にする点からは１本の管で構成されていることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る熱交換器１において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分について、曲率半径が異なる。中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分とは、コイル状に巻かれた管Ｐのある部分と、その部分とは軸線方向に一巻き分だけ位置の異なる管Ｐの部分をいう。これらの互いに隣り合う部分について、管Ｐの曲率半径が異なるため、コイルの径が異なることとなる。曲率半径が小さくなる方向に変化した場合は、管Ｐの位置が中心軸に近づく。また、曲率半径が大きくなる方向に変化した場合は、管Ｐの位置が中心軸から遠ざかる。これにより、第２の流体のうち中心軸に近い位置を流れる流体と、中心軸から遠い位置を流れる流体の両方を有効に利用することができるので、熱交換の効率が向上する。
【００２０】
本発明に係る熱交換器１において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分について、曲率半径が異なるとは、コイル状に巻かれた管Ｐの全体にわたって曲率半径が一定でないことをいう。コイル状に巻かれた管Ｐの全体にわたって曲率半径が一定である場合、すなわち、コイルの径が一定で中心軸から管Ｐまでの距離も一定である場合には、第２の流体の全部を有効に利用することができない。なお、コイル状に巻かれた管Ｐの一部においてたまたま曲率半径が同一である管Ｐの部分のペアが存在する場合であっても、その一部を除く他の部分で、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分の曲率半径が異なっていれば、本発明の効果を得ることができる。したがって、本発明の実施の形態は、隣り合う管Ｐの部分の曲率半径が同一である部分の存在を完全に排除するものではない。
【００２１】
本発明に係る熱交換器１において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分について、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合う。投影された像とは、中心軸に平行な平行光線を管Ｐに当てたときにできる影が、中心軸に垂直な面に投影された像をいう。本発明においては、管Ｐのある部分の投影された像と、それと隣り合う管Ｐの他の部分の投影された像とが、中心軸に垂直な面において重なり合う。言い換えれば、隣り合う管Ｐの部分について、曲率半径の変化は管Ｐの外径を超えない。
【００２２】
熱交換の効率のみを重視する場合は、例えば、特許文献２に記載された冷媒パイプのように、投影された像が重なり合わないように配置することが好ましい。しかし、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分について、中心軸に垂直な面に投影された像が重なり合わないようにするには、管Ｐを強く曲げて、曲率半径を、管Ｐの外径を超える程度に極端に変化させなければならない。そうすると、管Ｐが破損したり、管Ｐの加工に時間がかかったりするなどの課題が発生する。本発明に係る熱交換器１においては、中心軸に垂直な面に投影した像が重なり合う程度の緩やかな曲率半径の変化を起こさせて管Ｐをコイル状に巻いているので、上記の製造上の課題を解決することができる。
【００２３】
本発明において、中心軸に垂直な面に投影された像の重なり合いは、コイル状に巻かれた管Ｐの周方向全体において実現されていることが好ましい。管Ｐの周方向の一部にでも投影した像が重なり合っていない部分があれば、その部分が強く加工されることになり、上記の製造上の課題が発生するからである。
【００２４】
本発明において、中心軸に垂直な面に投影された像の重なり合いの程度は特に限定されない。投影された像のうち重なり合う部分の面積の割合が１０％以上であるときは、曲率半径の変化が少ないため、管Ｐをあまり強く曲げる必要がないので、管Ｐが破損したり、管Ｐの加工に時間がかかったりするなどのリスクをより確実に低減することができる。重なり合う部分の面積の割合が９０％以下であるときは、曲率半径の変化がゼロでないため、コイル状に巻かれた管Ｐの中心軸の軸線方向に測った長さをあまり長くしなくても、管Ｐの位置を中心軸に近づけたり中心軸から遠ざけたりすることができるので、熱交換器１の長さをよりコンパクトにすることができる。したがって、本発明において、投影された像のうち重なり合う部分の面積の割合は、１０％以上、９０％以下であることが好ましい。重なり合う部分の面積の割合のより好ましい範囲は、２０％以上、８０％以下である。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態において、中心軸の軸線方向に互いに隣り合う管Ｐの部分について、曲率半径が、管の最小曲率半径以上である。管Ｐの最小曲率半径とは、管Ｐを破損することなくそれ以上強く曲げることのできない最少の曲率半径をいう。管Ｐの最小曲率半径は、管Ｐを構成する材料の機械的性質、管Ｐの寸法、管Ｐの加工履歴その他の条件によって定まる量である。熱交換器１において第２の流体を有効に利用したければ、管Ｐがコイルの中心軸にできるだけ近づくように、管Ｐに強い曲げ加工を施してコイルの径を部分的に小さくすることが考えられる。しかし、管Ｐの材質や形状によっては、強い曲げ加工を施した場合に、管Ｐが容易に損傷したり、管Ｐの曲げ加工に時間がかかったりすることがある。したがって、管Ｐの曲率半径は、熱交換器全体において最小曲率半径を下回らないことが好ましい。
【００２６】
＜第１の実施形態＞
本発明の好ましい実施の形態において、管Ｐの部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って増加又は減少する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器１の例を示す斜視図である。この実施形態では、コイル状に巻かれた管Ｐの部分の曲率半径が両端に位置する曲率半径最小部Ｓでは最小であり、中央部に位置する曲率半径最大部Ｌでは最大である。つまり、管Ｐの部分の曲率半径は、中心軸の軸線方向に沿って最初は増加し、中央部を超えると減少する。中央部では曲率半径の変化が小さくなり、曲率半径が同一である管Ｐの部分のペアが存在する。それ以外の部分では、管Ｐが中心軸に近づいたり中心軸から遠ざかったりするので、第２の流体を有効に利用することができる。図１に示す熱交換器１の中心軸から遠い位置を流れる第２の流体は、コイルの間隙を通って中心軸に近い位置に流入し、その後、再び中心軸から遠い位置に流出する。これにより、第２の流体が熱交換器１によって攪拌されるので、熱交換の効率が向上する。また、熱交換器１の形状が軸線方向に対称なので、第２の流体が流れる方向に対して設置の向きを選ぶ必要がない。
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器１の他の例を示す斜視図である。この実施形態では、コイル状に巻かれた管Ｐの部分の曲率半径が上端に位置する曲率半径最大部Ｌでは最大であり、その後曲率半径最小部Ｓで最小値に至るまで減少したあと、再び増加に転じ、下方に位置する曲率半径最大部Ｌでの最大値を経て再び減少に転じ、下端における曲率半径は最大値と最小値の中間の値となっている。曲率半径最小部Ｓと曲率半径最大部Ｌにおいては、曲率半径が同一である管Ｐの部分のペアが存在する。それ以外の部分では、管Ｐが中心軸に近づいたり中心軸から遠ざかったりするので、第２の流体を有効に利用することができる。また、図１に示す熱交換器１の場合と同様に、第２の流体は、コイルの中心軸の近い位置から遠い位置に流出したり、その逆の動きを繰り返したりすることによって攪拌されるので、熱交換の効率が向上する。また、コイルの径が２箇所で最大となっているので、熱交換器を第２の流体の流路に安定に固定することができる。
【００２８】
＜第２の実施形態＞
本発明の好ましい実施の形態において、管Ｐの部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って交互に大きくなったり小さくなったりする。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器１の例を示す斜視図である。この実施形態では、コイル状に巻かれた管Ｐの部分の曲率半径が大きい部分ｌと小さい部分ｓとが交互に設けられている。曲率半径が大きい部分ｌと小さい部分ｓにおけるそれぞれの曲率半径は、熱交換器全体にわたって同一である。この実施形態では、曲率半径の大きさが大小２種類しかないので、製造が容易である。なお、第２の実施形態は、図３に示した形態に限られず、管Ｐの部分の曲率半径が、中心軸の軸線方向に沿って交互に大きくなったり小さくなったりすればよく、曲率半径の大きさを大小２種類に限定することは必ずしも必要ではない。この場合であっても、コイルの径が大きい部分を任意に位置に設けることができるので、熱交換器を第２の流体の流路に安定に固定することができる。
【００２９】
＜管の形状など＞
本発明に係る熱交換器１を構成する管Ｐには、内部に第１の流体を流すことができ、熱伝導性を有する管であれば、どのような管でも使用することができる。中心軸の周りにコイル状に巻くことが必要であることから、少ない力で曲げることができ、曲げ加工によっても破損しにくい管であることが好ましい。管Ｐを構成する材料としては、例えば、金属、合金又は樹脂などを用いることができる。具体的には、銅、鋼、ステンレス、ポリエチレンなどの材料で構成することができる。管Ｐの径及び肉厚は、材料及び内部の流れる第１の流体の流量などに応じて適宜設計することができる。管Ｐの径及び肉厚は、管全体にわたって一定であってもよく、あるいは各部分で変化してもよい。管Ｐの内径、外径あるいはこれらの双方について、表面に防食その他を目的とするコーティングを施してもよい。
【００３０】
本発明の好ましい実施の形態において、管Ｐの少なくとも一部が、金属製コルゲイト管である。金属製コルゲイト管とは、金属の薄板で構成された管に段付け加工を施して、長さ方向に凹凸を設けた管をいい、極めて容易に曲げ加工を行うことができるという利点を有する。また、本発明を構成する管Ｐに金属製コルゲイト管を使用した場合、管Ｐを流れる第１の流体の流動方向と垂直に段が設けられているため、管Ｐの内壁付近で乱流が発生し、第２の流体との熱交換の効率を向上させる効果がある。コルゲイト管を構成する金属は、銅、銅合金又はステンレスなどが好ましい。
【００３１】
本発明の好ましい実施の形態において、熱交換器１を構成する管Ｐは、図４に示す比較例と同様に、例えば、上板２１、下板２２及び支柱２３を有する枠２などを用いて第２の流体の流路に固定される。管Ｐの両端部には、第１の流体を供給し、あるいは排出するための配管が接続される。管Ｐと配管は、溶接などを用いて直接接続することができる。また、管継手を用いて間接的に接続することもできる。
【００３２】
＜熱交換器の使用方法＞
本発明に係る熱交換器１では、第２の流体のうち中心軸に近い位置を流れる流体と、中心軸から遠い位置を流れる流体の両方を有効に利用することによって、熱交換の効率が向上する。すなわち、本発明に係る熱交換器１は、基本的に、第２の流体が中心軸の軸線方向に流動することを想定して構成されている。具体的な設置場所としては、例えば、地下水が噴出する井戸や、河川水が流れる河川などを挙げることができる。中でも、１０ｍを超える深さから湧き出る地下水は、一年を通じて１５℃前後の温度を保つため、熱交換に用いる第２の流体として適している。本発明に係る熱交換器１はコイルの外形を小さくコンパクトに構成することができるので、例えば、外径が３００ｍｍ程度の小さな井戸に縦方向に挿入して容易に設置することができる。一方、河川に設ける場合は、例えば、中心軸が河川水の流れの方向と一致するように河床内に水平に設置することができる。
【００３３】
＜参考例＞
本発明に係る熱交換器の熱交換の効率を従来技術と比較する目的で、コンピュータシミュレーションによる温度の解析を行った。熱交換器の形状は、図１に例示した形状とした。第２の流体が流れる流路は、直径が３００ｍｍの円柱形状とした。流路に設置される熱交換器は、内径が１５ｍｍ、長さが１４．５ｍの管で構成され、コイルの径は最大で２５０ｍｍ、最小で１００ｍｍとした。比較例となる熱交換器では、コイルの径は一定で２５０ｍｍとした。互いに隣り合う管の部分の間隔、すなわちピッチは、管の中心間の距離で６０ｍｍとした。参考例、比較例ともに、第２の流体は、温度が２１．０℃、流速が１．４ｍ毎分の水とした。第１の流体は、入口側の温度が２３．０℃、流速が５０ｍ毎分の水とし、第１の流体を流す方向は、第２の流体と同一の方向とした。シミュレーションでは、第１の流体の出口側の温度が徐々に低下して安定したときの温度を計測し、第１の流体の入口側と出口側の温度差を、第１の流体と第２の流体の温度差で割った値の百分率を熱交換の効率として求めた。また、温度が安定したときの各部分の温度分布を色で表示した。シミュレーションによる温度計測の結果を表１の参考例１及び比較例１に示す。
【００３４】
【表１】
2020016393.tif 000003
【００３５】
表１に示すシミュレーションの結果によれば、参考例１について比較例１に示す従来技術と比較して熱交換の効率が向上した。その原因を考察するため、色で表示された温度分布を観察したところ、比較例１の熱交換器では、中心軸から遠い位置を流れて上流側の管で温められた第２の流体が、同じ位置の下流側の管と接触することによって、第１の流体と第２の流体の温度差が小さくなる一方で、中心軸付近を流れる第２の流体には温度変化がほとんど認められず、全体として熱交換の効率が良くないことが認められた。一方、本発明に係る熱交換器では、比較例の熱交換器と比べてより広い断面積で第１の流体と第２の流体の熱交換が行われるため、熱交換の効率が向上していることが認められた。
【００３６】
次に、第１の流体と第２の流体の温度差を拡大したときの、流体の流れる方向の影響を推定する目的で、参考例１と比較例１と同じモデルを使用して解析を行った。すなわち、第１の流体の温度を２５．０℃、第２の流体の温度を自噴する地下水を想定して１５．０℃とし、第２の流体を流す方向を第１流体と同一方向又は逆方向とした以外は、表１と同じ条件でシミュレーションを実施した。シミュレーションによる温度計測の結果を表１の参考例２、参考例３及び比較例２に示す。
【００３７】
表１に示すシミュレーションの結果によれば、第１の流体と第２の流体との温度差を大きくした参考例２及び比較例２における熱交換の効率は、それぞれ参考例１及び比較例１の結果と変わらなかった。一方、流体を流す方向を逆方向とした参考例３の場合は、参考例１及び参考例２の結果と比べて熱交換の効率がやや高くなった。これは、逆方向の場合、第２の流体が最初に接触する第１の流体が既に上流で冷やされているために、第２の流体の温度があまり上昇しないためであると考えられる。
【００３８】
次に、第２の流体の流量を１．４ｍ毎分から６０ｍ毎分に増加させたときの熱効率を推定する目的で、参考例１と比較例１と同じモデルを使用して解析を行った。すなわち、第２の流体の流速を６０ｍ毎分とした以外は、上記と同じ条件でシミュレーションを実施した。シミュレーションによる温度計測の結果を表１の参考例４及び比較例３に示す。
【００３９】
表１に示すシミュレーションの結果によれば、第２の流体の流速を大きく増加させた場合においても、本発明に係る参考例４と従来技術に係る比較例３とでは、熱交換の効率に有意差があることが認められた。
【符号の説明】
【００４０】
１  熱交換器
２  枠
２１  上板
２２  下板
２３  支柱
Ｐ  管
Ｌ  曲率半径最大部
Ｓ  曲率半径最小部
ｌ  曲率半径の大きい部分
ｓ  曲率半径の小さい部分
【図１】
2020016393.tif 000004
【図２】
2020016393.tif 000005
【図３】
2020016393.tif 000006
【図４】
2020016393.tif 000007