(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管を内包する外筒を胴体とし、胴体の両端には伝熱管の管内外面流体の導入、排出を行うための接続チャンバーを設けると共に、伝熱管と胴体とは軟質合成高分子化合物によって形成されている二重管式熱交換器と、該二重管式熱交換器を自在な任意の形状に巻付け胴に巻き付けて組み立てた熱交エレメントを、その外側から覆うことで結束固定する覆い網と、該熱交エレメントを収納して水平集合あるいは垂直集合に供用できる機能を備え、熱交換容量に応じて段階的に増減させて集合態様とするよう、共通した固定金具を挿通させて連結固定する組付け孔を設けて構築する筐体と、耐圧及び気密試験を含む熱交換器として必要な機能検証を施した後の前記熱交エレメントと筐体との隙間部に充填する断熱材とを備えて成り、前記管式熱交換器は、伝熱管の管内外を貫流する管内外面流体に必要な導入調圧を行なう調圧装置と、貫流後の管内外面流体を供給部位に供給するに必要な供給昇圧を行なう昇圧装置とを備えていることを特徴とする管式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温熱量の流体と低温熱量の流体を直接混合させないで、伝熱面を介して熱移動させるようにした熱交換器とその製法に係り、特に水平集合あるいは垂直集合態様として並設した複数で構成するとき、筐体内部に収納した二重管構造の熱交エレメントの配置位置、その固定保持が可能となるようこれらを結束固定しておくようにした管式熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宿泊施設や集合住宅などから出る温排水、温泉施設から出る温泉水や温排水、温水プールや浴場から出される温排水などは、従来、そのままの未使用で捨てられているのが現状である。そのため、その有効利用を図るべく、温排水中の熱エネルギーを有効に活用できるようにする低廉な熱回収システムが要望されているところである。
【０００３】
また、医療装置分野や半導体関連産業分野では、流体の純度を維持しながら微小な温度管理ができ、流体の特質を損なわない軽量、低廉で多様性のある熱交換システムが要望されてもいる。
【０００４】
こうした点から従来では、例えば特許文献１に係る簡易型フッ素樹脂製熱交換器、特許文献２に係る管式熱交換器、特許文献３に係る熱交換器、特許文献４に係るプラスチック熱交換器等が提案されている。特許文献ｌに示された簡易型フッ素樹脂製熱交換器は、外管と内管とがスペーサを介して一体化されている二重管構造のものである。特許文献２に示された管式熱交換器は、胴体管内に間隔保持部材を介して配置した伝熱管内外で熱交換をする二重管構成とし、胴体管、伝熱管それぞれを可撓性ある軟質合成高分子材料にて形成し、伝熱管内面を洗浄すべく洗浄体投入器、圧力付与器を設けるとする。特許文献３に示された熱交換器は、三重管構造の熱交換器とし、熱交換器の上下面、近接する三重管同士、内外側面に、放熱を防止する真空断熱材を設けるとする。特許文献４に示されたプラスチック熱交換器は、プラスチックチューブを多数本で円筒状に束ねることでハニカム構造として結束したチューブ束を蛇行収納するとき、蛇行状の曲がり部分では平面状に並べて構成するとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献ｌ】実願昭６０−１７８７３４号（実開昭６２−８８１７３号公報）のマイクロフィルム
【特許文献２】特開２００８−１１６１９６号公報
【特許文献３】特開２００６−３２２６４４号公報
【特許文献４】特開２００１−２８９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に係る簡易型フッ素樹脂製熱交換器では、熱交換容量が限られた範囲の場合に適用できても、配管径が大きくなり流体が大量流入する場合には不適当である。また二重管式構造で、内管または外管はフッ素樹脂の硬質樹脂材で剛性を有するものとなっているため、熱交換器の形状が制約されるものであり、一定容量を持った熱交換器を自在な形状に成型し、その台数増加で熱容量の増大に対処することは困難である。
【０００７】
特許文献２に係る管式熱交換機器では、可撓性ある内外配置の胴体管、伝熱管それぞれによって例えば螺旋状に形成配置する等の配置の自在性、またその多重化構成は可能であっても、自在な任意の形状に巻付け胴に巻き付けて組み立てた熱交換エレメントを結束固定する構成とすることは困難である。また、特許文献３に係る熱交換器では、多重管の螺旋形態、その螺旋形態となる多重管同士の間に真空断熱材を設けるとするのみで、熱交換エレメントをコンパクトに纏めて巻き付け構成して筐体内に断熱材を充填して収納することはできない。
【０００８】
特許文献４に係るプラスチック熱交換器では、チューブ束を平面状に並べて蛇行させることで高い熱交換性能を達成できるとするも、この熱交換器自体を縦方向あるいは横方向に多数連結構成して集合態様とすることはチューブ束の蛇行形態を維持できないから困難である。
【０００９】
そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、本発明の目的は、温排水・工業用薬液・医薬用液などの流体を熱交換するのに適し、その熱容量の大小・多寡によって複数で構成すべく水平集合あるいは垂直集合形態とするときの筐体内部に収納する熱交エレメントを位置決めし、熱交エレメントを結束固定しておく管式熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る管式熱交換器は、伝熱管１を内包する外筒を胴体２とし、胴体２の両端には伝熱管１の管内外面流体の導入、排出を行うための接続チャンバー３を設けると共に、伝熱管１と胴体２とは軟質合成高分子化合物によって形成されている二重管式熱交換器と、該二重管式熱交換器を自在な任意の形状に巻付け胴７に巻き付けて組み立てた熱交エレメントＥを結束固定する覆い網８と、該熱交エレメントＥを収納して水平集合あるいは垂直集合に供用できる機能を備え、熱交換容量に応じて段階的に増減させて集合体に構築する筐体１０と、筐体１０と熱交エレメントＥとの隙間部１２に充填する断熱材９とを備えて成ることを特徴とする。
【００１１】
また、その製法は、伝熱管１を内包する外筒を胴体２として、胴体２の両端には伝熱管１の管内外面流体の導入、排出を行うための接続チャンバー３を設けると共に、伝熱管１と胴体２とは軟質合成高分子化合物にて形成した二重管式熱交換器を構成し、該二重管式熱交換器を巻付け胴７に自在な任意の形状に巻き付け、覆い網８によって結束固定して熱交エレメントＥを組み立て、次いで所定の機能検証を施した後、水平集合あるいは垂直集合に供用できる機能を備えた筐体１０内に断熱材９を充填して熱交エレメントＥを収納し、該熱交エレメントＥを収納した筐体１０を熱交換容量に応じて段階的に増減させて集合体に構築することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明は、伝熱管１、胴体２が軟質の合成高分子化合物とした二重管熱交換器を、渦巻状などの自在な形状に巻付け胴７に巻き込んで結束組立てした熱交エレメントＥとすることにより、この熱交エレメントＥの形態で伝熱特性試験や、耐圧・気密等の漏洩試験及び、高度な洗浄・滅菌作業など所定の作業を施して信頼性を高めたのち、この熱交エレメントＥを水平集合あるいは垂直集合に共用できる筐体１０に格納して熱交換器を構成せしめ、この熱交換器を熱容量に応じて段階的に増減させて集合体を構築することができることを特徴とする。
【００１３】
前記管式熱交換器において、伝熱管１は可撓性のある軟質の高分子化合物（例えば、ポリプロピレン系のチューブ、架橋ポリエチレン系のチューブ、その他）であり、この伝熱管１は流体側から与えた脈動圧や圧力変動によって膨張・収縮による変形を容易に生じやすくしたことを特徴とする。
【００１４】
前記管式熱交換器は、筐体１０内面と熱交エレメントＥ外表面との隙間部１２に断熱機能を有する材料である断熱材９・凍結防止材を挿入、充填したことを特徴とする。
【００１５】
前記筐体１０は、水平集合や垂直集合での運転条件に耐える剛性をもった構造体で、量産化に対応できる必要があるため耐熱性や断熱効果のある硬質の合成樹脂材とすることを特徴とし、また、共通した固定金具２４を挿通させて連結固定する組付け孔１０ｄを設けたことを特徴とする。
【００１６】
前記胴体２は、外表面に断熱効果のある可撓性の有る材料で被覆した構造とすることが好ましい。
【００１７】
また、前記管式熱交換器は、伝熱管１の管内外を貫流する管内外面流体（伝熱管流体、胴体流体）に必要な導入調圧を行なう調圧装置２５，２７と、貫流後の管内外面流体を供給部位に供給するに必要な供給昇圧を行なう昇圧装置２６，２８とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
調圧装置２５，２７によって、伝熱管１の管内外面流体の導入圧力を例えば貫流するに必要な最小の導入圧力となるよう極力小さくすることで、軟質合成高分子化合物製の伝熱管１、胴体の対応強度を緩和させる。熱交換後の管内外面流体は、昇圧装置２６，２８によって所定の供給部位の必要条件に適応した供給圧力を設定させる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、広い分野で使われている熱回収システムの主体となる管式熱交換器を、伝熱管１、胴体２の材質を熱交換流体の特性に対応した合成高分子化合物を主体とした軟質の種々の管材から選定し、熱交換流体の特性に合わせて集合形態とすることで、安価で軽量な種々に異なる熱交換容量を持った管式熱交換器を量産化できる。
【００２０】
また、水平集合、垂直集合の形態として筐体１０を連結構成するとき、筐体１０内部の内外二重管構造の熱交エレメントＥは、自在な任意の形状に巻付け胴７に巻き付けて組み立て、覆い網８にて結束固定し、筐体１０内に断熱材９を充填して収納するから、水平集合、垂直集合の集合形態にかかわらず、その収納形態が維持される。
【００２１】
管式熱交換器において、伝熱管１の管内外流体は導入時では調圧装置２５，２７によって調圧され、熱交換後の供給部位への供給時では昇圧装置２６，２８によって昇圧されるから、管内外流体を内外で貫流させている伝熱管１の対応強度を緩和できる。そのため、伝熱管１内外での伝熱効果を高めるように伝熱管１自体の薄肉化が可能となり、一層効率的な熱交換を実現できる。
【００２２】
したがって、本発明によって、例えば熱交換容量が大きい医療装置分野、半導体関連分野、温排水分野や化学プラントなどの各種分野の管式熱交換器として広い範囲での実用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る管式熱交換器を示し、その（ａ）は縦断面図、（ｂ）は一部切欠平面図である。
【図２】本発明に係る管式熱交換器の熱交エレメントを、二重の渦巻形状に成形する場合を示す一部切欠平面図である。
【図３】同じく熱交エレメントを覆い網にて結束固定したときの平面図である。
【図４】本発明に係る管式熱交換器を複数で水平集合した並列形態としたときの斜視図である。
【図５】本発明の運用管路構成の一例における概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は本発明に係る管式熱交換器の構造を示す縦断面図（図１（ａ）参照）と、その一部切欠平面図（図１（ｂ）参照）とである。図１に示すように、本実施の形態における管式熱交換器は、内部に配置した伝熱管１と、該伝熱管１を囲むように外部に配置した胴体２とが接続チャンバー３に固着されることで形成した二重管式熱交換器構造としてあり、この二重管式熱交換器を渦巻状の形態に造形して組立物とした熱交エレメントＥと、この熱交エレメントＥを収納する筐体１０とから構成されている。
【００２５】
また、筐体１０には、接続チャンバー３が組み込まれる組込部１０ａと、筐体１０が水平設置にも適するように剛性を持った底板部１０ｂと、熱交エレメントＥの中央部を支えるように底板部１０ｂに設けられた突起部１０ｃと、集合させて互いに固定連結するときの固定金具２４を挿通させる組付け孔１０ｄとを備えている。筐体の組込部１０ａには、熱交エレメントＥの接続チャンバー３に付属する固定台４を固着した後、筐体１０の蓋板１１が取付けられる。
【００２６】
本実施の形態では、伝熱管１内を流れる流体（伝熱管流体）は伝熱管内導入管５ａより導入され、伝熱管１の内面を通って伝熱管内排出管５ｂによって排出される。伝熱管１外を流れる流体（胴体流体）は胴体内導入管６ａより導入され、胴体２の内面側を通って胴体内排出管６ｂによって排出される。このような流動状態によって伝熱管１内外面で流体の熱交換が行われる管式熱交換器となっており、流体の特性や熱交換条件に合わせ流体の流れ方向は自在に選定することができる。
【００２７】
また、熱交エレメントＥの外表面と筐体１０の内表面との隙間部１２には、断熱材９や凍結防止材を充填挿入してある。
【００２８】
図２は、本発明に係る管式熱交換器の熱交エレメントＥを、二重の渦巻形状に成形する過程を示す平面図である。胴体２の両端には伝熱管１の管内外面流体（伝熱管流体、胴体流体）の導入と排出とを行うための接続チャンバー３を設け、伝熱管１と胴体２とは軟質合成高分子化合物にて形成されていて、軟質となる伝熱管１、胴体２から成る二重管式熱交換器を、巻付け胴７の外面に巻き込んで成形する状態を示している。このように巻付け胴７に巻き込み成形することで、要求される一定容量の熱交換能力を備えた熱交エレメントＥとしている。
【００２９】
図３は、本発明に係る管式熱交換器の熱交換エレメントＥを組立てた状態を示す平面図である。すなわち、巻付け胴７の外面に巻き込んで成形されたもの（図２に示す形態）を、その外側から覆うようにした覆い網８などによって結束固定することで熱交エレメントＥに組立てる。この単体状態で、耐圧及び気密試験などの熱交換器として必要な機能検証を施し、また清浄化作業を行い、熱交エレメントＥの信頼性の確保が得られるようにしている。
【００３０】
図４は、本発明に係る管式熱交換器をほぼ水平方向に並列させて集積した場合の一例を示す斜視図である。一定の熱交換容量を持った標準的な管式熱交換器を、設置場所で要求される熱交換容量にあわせて水平方向に集積したのであり、熱交エレメントＥを収納して所定数で集合させた筐体１０それぞれを、組付け孔１０ｄに挿通させた共通する例えば棒状の固定金具２４によって連結固定する。そして、管式熱交換器に導入される伝熱管１内を通る伝熱管流体は、伝熱管内導入母管２１ａから接続チャンバー３の伝熱管内導入管５ａに分配されて伝熱管１それぞれの内部を貫流し、伝熱管内排出管５ｂを経て伝熱管内排出母管２１ｂに合流する。伝熱管１外で胴体２内部を通る胴体流体は、胴体内導入母管２２ａから分岐されて、接続チャンバー３の胴体内導入管６ａに分配され、胴体２内部を流れて胴体内排出管６ｂを経て胴体内排出母管２２ｂに合流される。
【００３１】
本実施の形態では、熱交エレメントＥに導入、排出される流体に対し、伝熱管１の内外面を流動させるように導入、排出する導入管５ａ，６ａ、排出管５ｂ，６ｂなどに、これら流体の圧力変動を生じさせる圧力調整器２０を設けて伝熱管１の内外に流動圧力の変化を生じせしめ、軟質な合成高分子化合物の伝熱管１が膨張や収縮などの作用により変径されることにより、伝熱管１内外面に生成された付着物が剥離する現象を生じさせて表面生成物を除去する機能が付与されている。このため軟質な合成高分子化合物の伝熱管１は表面の汚れが比較的に付着しにくい特性を有するが、更に伝熱管１の変形作用によって防汚機能の向上が図られている。
【００３２】
また、図示を省略したが、管式熱交換器をほぼ垂直方向に積み重ねて集積構成することもでき、この場合も、水平方向の集積構成と同様に、所定数の筐体１０それぞれを固定金具２４によって連結固定し、導入・排出母管２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ等を接続すればよい。
【００３３】
図５は、本発明に係る管式熱交換器の流体の導入時の調圧や排出、供給時の昇圧を行なう運用管路図である。伝熱管流体は伝熱管内導入母管２１ａの管路中に配した調圧装置２６で昇圧あるいは降圧するよう調圧され、伝熱管内導入管５ａを経由して伝熱管１の管内を流動し、伝熱管内排出管５ｂから伝熱管内排出母管２１ｂに至り、管路中に配した昇圧装置２６で昇圧されて所定の供給部位に送られる。一方、胴体流体は胴体内導入母管２２ａの管路中に配した調圧装置２７で昇圧あるいは降圧するよう調圧され、胴体内導入管６ａを経由して伝熱管１の管外である胴体２内を流動し、胴体内排出管６ｂから胴体内排出母管２２ｂに至り、胴体内排出母管２２ｂの管路中に配した昇圧装置２８で昇圧されて所定の供給部位に送られる。
【００３４】
すなわち、管式熱交換器において、伝熱管１は軟質で薄肉の高分子化合物であり、伝熱管１の管内外の流体の導入圧力を極力小さくして、伝熱管１の対応強度を緩和させる必要がある。このため二重管式熱交換器に導入される伝熱管流体、胴体流体は伝熱管１内外を貫流するに必要な最小の導入圧力が加わるような調圧装置２５，２７を配備して伝熱管流体、胴体流体相互間で熱交換させる。熱交換された流体はそれぞれの必要とする所定の供給部位に供給されるが、供給部位の必要条件に適応した排出圧力を有するように昇圧させる昇圧装置２６，２８を配備することなどにより、伝熱管１に加わる対応圧力を緩和させる運用管路とするのである。尚、図中符号２３は開閉操作される締切り弁である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
この管式熱交換器は従来の熱交換器と対比して著しく軽量化されると同時に低廉なものとなり、産業界のみならず医療分野では血液や薬液の温度調整用熱交換器、家庭用としては調理用液体の温度調整用熱交換器など新分野への適用拡大が期待できる。
【符号の説明】
【００３６】
Ｅ…熱交エレメント
１…伝熱管                              ２…胴体
３…接続チャンバー                      ４…固定台
５ａ…伝熱管内導入管                    ５ｂ…伝熱管内排出管
６ａ…胴体内導入管                      ６ｂ…胴体内排出管
７…巻付け胴                            ８…覆い網
９…断熱材                              １０…筐体
１０ａ…組込部                          １０ｂ…底板部
１０ｃ…突起部                          １０ｄ…組付け孔
１１…蓋板                              １２…隙間部
２０…圧力調整器                        ２１ａ…伝熱管内導入母管
２１ｂ…伝熱管内排出母管                ２２ａ…胴体内導入母管
２２ｂ…胴体内排出母管                  ２３…締切り弁
２４…固定金具                          ２５…調圧装置
２６…昇圧装置                          ２７…調圧装置
２８…昇圧装置
【要約】
【課題】温排水・工業用薬液・医療用液などの流体を熱交換するのに適した管式熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管１、この伝熱管１を内包する胴体２を軟質の高分子化合物にて形成した二重管式熱交換器を、渦巻状など自在な形状に結束し、覆い網８にて固定して熱交エレメントＥを形成する。この熱交エレメントＥを水平集合や垂直集合に共用できる構造の筐体１０に格納することで管式熱交換器とし、流体の熱容量に応じこの管式熱交換器を段階的に増加させながら任意の形態となるよう水平状に並列し、あるいは垂直状に積み重ねた態様の集合体に構築する。また、伝熱管１の内外面流体の導入時の調圧を行う調圧装置、熱交換後の供給部位への供給時の昇圧を行なう昇圧装置を設ける。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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