(57)【要約】【課題】小型化が可能となって、設置面積を小さくできる熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１１において、複数の平行な外管１３と、外管１３に挿入され両端が導出される少なくとも二本の内管１５と、全ての内管１５の入口端に接続される一次分岐管１７と、全ての外管１３の入口端に接続され内管１５が貫通する二次分岐管１９と、全ての内管１５の出口端に接続される一次集合管２１と、全ての外管１３の出口端に接続され内管１５が貫通する二次集合管２３と、によって同一平面上で四角形状となる伝熱管列ユニットが形成され、二次分岐管１９と二次集合管２３の内側で外管１３が貫通する一対の平行なシェル端管３７と、外管１３を気密に覆い両端が一対のシェル端管３７に接続されて密閉され且つ内部が一対のシェル端管３７の内部に通じる扁平角筒状のシェル４１と、を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平行な外管と、
前記外管に挿入され両端が導出される少なくとも二本の内管と、
全ての前記内管の入口端に接続される一次分岐管と、
全ての前記外管の入口端に接続され前記内管が貫通する二次分岐管と、
全ての前記内管の出口端に接続される一次集合管と、
全ての前記外管の出口端に接続され前記内管が貫通する二次集合管と、によって同一平面上で四角形状となる伝熱管列ユニットが形成され、
前記二次分岐管と前記二次集合管の内側で前記外管が貫通する一対の平行なシェル端管と、
前記外管を気密に覆い両端が前記一対のシェル端管に接続されて密閉され且つ内部が前記一対のシェル端管の内部に通じる扁平角筒状のシェルと、
を具備することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換器であって、
前記シェルは、少なくとも一対の平行な内面が、前記伝熱管列ユニットの表裏方向から前記外管に接触することを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の熱交換器であって、
前記二本の内管は、前記外管の配列方向と同方向の同一平面状となるように平行に配列されて挿入配置されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多管式の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば多管式の熱交換器としてはシェルアンドチューブ式熱交換器が知られており、シェル内に高温ガスなどの流体を通し、向流或いは垂直流でチューブに冷却水などの流体を流して熱交換を行なう（例えば特許文献１参照）。この熱交換器は、シェルの内部に、冷却水等の第１の流体が流通する伝熱管が収容される。伝熱管は直線部分を構成するストレート管と、折り返し部を構成するＵ字管状のリターンベントにより構成される。伝熱管はストレート管とリターンベントを交互に接合することで、シェル内部で蛇行するように複数回折り返された状態となる。伝熱管の始端から伝熱管の末端に向けて第１の流体である冷却水を流過させる。また、シェルの上側に設けられた第２流体入口から、下側の第２流体出口に向けて第２の流体である高温の腐食性ガスを流過させる。これにより、伝熱管を介して第１の流体と第２の流体との間で熱交換が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９２４３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２２８３７０号公報
【特許文献３】特開２００７−１３２５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ストレート管とリターンベントを交互に接合してシェル内部で伝熱管を蛇行させた熱交換器では、温度効率を高めるために、伝熱面積を広くしようとすると、伝熱管を長くしなければならず、シェルが大型となり、大きな設置面積が必要となった。また、温度効率を高めるために、水当量(water value) を小さくしようとすると、同一流体量においては伝熱管の流路断面積を大きくしなければならず、これによってもシェルが大型となり、大きな設置面積が必要となった。また、この他の多管式には、管の周囲にらせん状に他の管を密着巻き付けたり（特許文献２等参照）、断面円形の管を同心円状に組合せ、間隙を均等に保つようリブを設けたり（特許文献３等参照）するなどの構造もあるが、いずれも管径が大きくなり小型化に不利となった。
【０００５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化が可能となって、設置面積を小さくできる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】
【０００６】
次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
本発明の請求項１記載の熱交換器１１は、複数の平行な外管１３と、
前記外管１３に挿入され両端が導出される少なくとも二本の内管１５と、
全ての前記内管１５の入口端に接続される一次分岐管１７と、
全ての前記外管１３の入口端に接続され前記内管１５が貫通する二次分岐管１９と、
全ての前記内管１５の出口端に接続される一次集合管２１と、
全ての前記外管１３の出口端に接続され前記内管１５が貫通する二次集合管２３と、によって同一平面上で四角形状となる伝熱管列ユニット３５が形成され、
前記二次分岐管１９と前記二次集合管２３の内側で前記外管１３が貫通する一対の平行なシェル端管３７と、
前記外管１３を気密に覆い両端が前記一対のシェル端管３７に接続されて密閉され且つ内部が前記一対のシェル端管３７の内部に通じる扁平角筒状のシェル４１と、
を具備することを特徴とする。
【０００７】
この熱交換器１１では、一定長の多数の外管１３が同一平面上に並べられ、この外管１３に複数の内管１５が配置される。この際、例えば外管１３は外径が３．３ｍｍ、内管１５は外径１．３６ｍｍの細い管径で形成される。熱交換器１１は、温度効率が、伝熱面積の広いほど大きく、水当量の小さいほど大きくなる。伝熱管列ユニット３５が極細の多数の外管１３及び内管１５からなることで、内管１５を流れる熱媒と外管１３を流れる熱媒の伝熱面積が広くなり、また、外管１３の１本当たりの水当量が小さくなる。これにより、温度効率の高い伝熱管列ユニット３５が得られるのに加え、この伝熱管列ユニット３５がシェル４１に覆われ、外管１３とシェル４１の間も熱媒の流路となるので、伝熱面積をさらに広げて、水当量もさらに小さくでき、温度効率の高い熱交換器１１が得られる。
【０００８】
請求項２記載の熱交換器１１は、請求項１記載の熱交換器１１であって、
前記シェル４１は、少なくとも一対の平行な内面が、前記伝熱管列ユニット３５の表裏方向から前記外管１３に接触することを特徴とする。
【０００９】
この熱交換器１１では、外管１３を覆うシェル４１が、外管１３に接触するので、間に流体が介在する熱伝達の場合に比べ、外管１３とシェル４１との間を熱が熱伝導によって伝わり易くなる。結果、外管１３の伝熱面積がシェル４１との接触部分を含み拡張可能となる。
【００１０】
請求項３記載の熱交換器１１は、請求項１又は２記載の熱交換器１１であって、
前記二本の内管１５は、前記外管１３の配列方向と同方向の同一平面状となるように平行に配列されて挿入配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この熱交換器１１では、同一平面状に内管１５と外管１３が並び、これらの伝熱管列ユニット３５を表裏から挟むようにシェル４１が一対のハーフ体３９で形成可能となる。これにより、伝熱管列ユニット３５とシェル４１がハーフ体３９の接合面を境にした対称形状で容易に組付け可能な構造となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る請求項１記載の熱交換器によれば、外管に内管が挿入され、外管がシェルによって覆われることで、内管の内部、内管と外管の間、外管とシェルの間の３つの異なる熱媒流路が形成され、それぞれの熱媒が多数並べられた外管の延在方向に沿って流れながら熱交換される。これにより、それぞれの熱媒の伝熱面積を広く確保でき、小型化が可能となって、設置面積を小さくできる。
【００１３】
請求項２記載の熱交換器によれば、外管とシェルが接触することで、外管とシェルとの間を流れる熱媒の伝熱面積を広く確保できる。
【００１４】
請求項３記載の熱交換器によれば、同一平面状に並ぶ内管、外管を、表裏側からハーフ体として形成したシェルで挟む構造が実現でき、内管、一次分岐管、一次集合管、外管、シェルのそれぞれの接合間が容易にロウ付け可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る熱交換器の斜視図である。
【図２】図１に示した熱交換器の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】（ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図２のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は図２のＤ−Ｄ断面図である。
【図５】（ａ）は図２のＥ−Ｅ断面図、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る熱交換器の斜視図、図２は図１に示した熱交換器の平面図である。
本実施の形態に係る熱交換器１１は、複数の平行な極細の外管１３を有する。外管１３は、多数本が平行に並べられて正方形に近い四角形の配管列を同一平面状に形成する。それぞれの外管１３には少なくとも二本の内管１５が挿入され、内管１５は両端が外管１３から導出される。
【００１７】
全ての内管１５の入口端（図２の左端）には一次分岐管１７が接続される。全ての外管１３の入口端（図２の右端）には二次分岐管１９が接続され、且つ内管１５が貫通する。全ての内管１５の出口端（図２の右端）には一次集合管２１が接続される。全ての外管１３の出口端（図２の左端）には二次集合管２３が接続され、且つ内管１５が貫通する。本実施の形態において一次分岐管１７、一次集合管２１、二次分岐管１９、及び二次集合管２３は、丸パイプよりなる。各管１７，１９，２１，２３は、両端が開放されることで、流量を多くできる。なお、それぞれの管の一端は栓によって閉鎖されてもよい。
【００１８】
図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４（ａ）は図２のＥ−Ｅ断面図、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図、図５（ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図２のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は図２のＤ−Ｄ断面図である。
熱交換器１１は、内管１５に一次熱媒が流れる。外管１３には、内管１５の外周との間に形成される空隙２５に、二次熱媒が流れる。本実施の形態では、内管１５を流れる一次熱媒の方向と、外管１３の空隙２５を流れる二次熱媒とが逆向きとなる向流の熱交換器１１となるが、内管１５を流れる一次熱媒の方向と、外管１３の空隙２５を流れる二次熱媒とが同一向きとなる並流の熱交換器１１としても用いることができる。
【００１９】
一次熱媒は例えば床暖房等からの環流水、二次熱媒は熱交換装置からの湯となる。この他、熱交換器１１は、ヒートポンプ給湯装置の液ガス熱交換器に用いてもよい。図示は省略するがヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、ガスクーラ、減圧機構、蒸発器、液ガス熱交換器を備える。この場合、熱交換器１１は、ガスクーラから減圧機構に供給される高圧側冷媒と、蒸発器から圧縮機に供給される低圧側冷媒の熱交換に用いることができる。高圧側の冷媒として二酸化炭素等の自然冷媒を用いれば、発火等の危険性を無くして安全性を高めることができる。
【００２０】
ここで、内管１５と外管１３には極細の丸チューブが使用されている。内管１５には、外径１．３６ｍｍのＳＵＳ管が使用される。外管１３には、外径３．３ｍｍのＳＵＳ管が使用される。外管１３は、５０本程度が並設される。内管１５は、２本を挿入した場合、１００本となる。外管１３は、矩形状となるように離間して並べられている。
【００２１】
図３に示すように、外管１３は二次集合管２３に穿設された外管挿入孔２７にて挿入され二次集合管２３の内側で開口する。二次集合管２３の他方の管壁には内管貫通孔２９が穿設され、内管貫通孔２９に挿通された内管１５は一次分岐管１７に穿設された内管挿入孔３１にて一次分岐管１７の内側で開口する。これらの各貫通部における管同士はロウ付けにより気密に固定される。ロウ付けは、管同士の接触面にロウ材を置き、炉中ロウ付けすることにより一体的に接合する所謂置きロウの手法を採用できる。
【００２２】
二次分岐管１９の内部には外管１３が開口され、それぞれの外管１３の内部には２本の内管１５が配置される。二次分岐管１９で外管１３から導出された内管１５は、二次分岐管１９を貫通した後、一次集合管２１の内部でそれぞれが開口する。
【００２３】
内管１５を挿通した外管１３と、外管１３に接続される二次分岐管１９及び二次集合管２３と、内管１５に接続される一次分岐管１７及び二次分岐管１９とは、同一平面上で四角形状となる伝熱管列ユニット３５を形成している。
【００２４】
二次分岐管１９と二次集合管２３の内側には、外管１３が貫通する一対の平行なシェル端管３７が設けられている。一対のシェル端管３７の間に配置される外管１３は、図４に示すように、伝熱管列ユニット３５を表裏から挟む一対のハーフ体３９からなるシェル４１によって覆われる。シェル４１は、プレート４３の両縁４５を折曲しコ字状に形成したハーフ体３９を向かい合わせて扁平角筒状に形成され、伝熱管列ユニット３５を収容状態とする。ハーフ体３９は、ＳＵＳよりなる。図５に示すように、シェル４１は、外管１３を気密に覆い両端が一対のシェル端管３７に接続されて密閉される。シェル４１は、内部が一対のシェル端管３７の内部に通じている。
【００２５】
外管１３とシェル４１との間隙４７（図４参照）は、熱媒の流路となる。外管１３とシェル４１との間に通される熱媒は、例えば一次分岐管１７側のシェル端管３７から入り、一次集合管２１側のシェル端管３７から排出される。この熱媒は、例えば一次熱媒とすることができる。例えば、シェル４１と外管１３の間、内管１５には熱湯が流れ、外管１３と内管１５の間には水が流れて、水を暖める、或いはシェル４１と外管１３の間、内管１５には水が流れ、外管１３と内管１５の間には熱湯が流れて水を暖めるように使用される。なお、これら熱媒は、液体以外に、気体であってもよい。
【００２６】
シェル４１は、少なくとも一対の平行な内面が、伝熱管列ユニット３５の表裏方向から外管１３に接触する。外管１３を覆うシェル４１が、外管１３に接触するので、間に流体が介在する熱伝達の場合に比べ、外管１３とシェル４１との間を熱が熱伝導によって伝わり易くなる。結果、外管１３の伝熱面積がシェル４１との接触部分を含み拡張可能となる。これにより、外管１３とシェル４１との間を流れる熱媒の伝熱面積を広く確保できる。外管１３とシェル４１は、好ましくはロウ付けで固定（密着固定）することが好ましい。これにより、シェル４１は、内部が外管１３によって仕切られ、シェル４１と隣り合う外管１３の間に断面鼓型の複数流路が形成されることになる。
【００２７】
二本の内管１５は、外管１３の配列方向と同方向の同一平面状となるように平行に配列されて挿入配置されている。同一平面状に内管１５と外管１３が並び、これらの伝熱管列ユニット３５を表裏から挟むようにシェル４１が一対のハーフ体３９で形成可能となる。これにより、伝熱管列ユニット３５とシェル４１がハーフ体３９の接合面を境にした対称形状で容易に組付け可能な構造となる。このように、同一平面状に並ぶ内管１５、外管１３を、表裏側からハーフ体３９として形成したシェル４１で挟む構造が実現でき、同一平面に各管の中心を位置させることで、内管１５、一次分岐管１７、一次集合管２１、外管１３、シェル４１のそれぞれの接合間が容易にロウ付け可能となり、位置精度も向上する。なお、外管１３の内部で２本の内管１５が縦配置ではロウ付けが難しくなる。
【００２８】
次に、上記構成を有する熱交換器１１の作用を説明する。
熱交換器１１では、一次分岐管１７と一方のシェル端管３７に供給された一次熱媒は内管１５とシェル４１に流れる。内管１５とシェル４１を流れる一次熱媒は、一次集合管２１と他方のシェル端管３７から排出される。一方、二次分岐管１９に供給された二次熱媒は外管１３に流れ、二次集合管２３から排出される。内管１５及びシェル４１を流れる一次熱媒は、外管１３を流れる二次熱媒と熱交換される。
【００２９】
この熱交換器１１では、一定長の多数の外管１３が同一平面上に並べられ、この外管１３に複数の内管１５が配置される。この際、例えば外管１３は外径が３．３ｍｍ、内管１５は外径１．３６ｍｍの細い管径で形成される。熱交換器１１は、温度効率が、伝熱面積の広いほど大きく、水当量の小さいほど大きくなる。伝熱管列ユニット３５が極細の多数の外管１３及び内管１５からなることで、内管１５を流れる熱媒と外管１３を流れる熱媒の伝熱面積が広くなり、また、外管１３の１本当たりの水当量が小さくなる。これにより、温度効率の高い伝熱管列ユニット３５が得られる。
【００３０】
外管１３、内管１５を極細とすることで本数を増やせ、伝熱面積を広く確保できるからである。外管１３、内管１５は極細とすることで管路が長くなると圧力損失が増大するが、短管を多数並設することによりこれを抑制できる。二酸化炭素のように比較的粘性係数が小さい熱媒では、流動抵抗が小さくなり、細径管が有利となる。
【００３１】
熱交換器１１は、外管１３と内管１５を多数とし、分岐経路を増やすことで流速を遅くし、外管１３の１本当たりの水当量を小さくすることが可能となる。また、内管１５を流れる一次熱媒の熱伝達率と、外管１３を流れる二次熱媒の熱伝達率が、内管１５及び外管１３を極細化するスケール効果によって増大する伝熱学的原理を利用することが可能となる。さらに、熱交換器１１では、外管１３の両端に接続する二次分岐管１９と二次集合管２３を、内管１５が貫通する構造とすることにより、複数の内管１５を内設した外管１３を、近接して多数本並べることが可能となっている。結果、温度効率の高い伝熱管列ユニット３５が得られている。
【００３２】
これに加え、伝熱管列ユニット３５がシェル４１に覆われ、外管１３とシェル４１の間も熱媒の流路となるので、伝熱面積をさらに広げて、水当量もさらに小さくでき、温度効率の高い熱交換器１１が得られる。
【００３３】
熱交換器１３は、小型であるが、三重管構造であり、外管１３に対して内管１５とシェル４１からの高効率な熱交換が可能となる。このようにして効率が高められることで、厚さが薄く、場所をとらず、従来に比べて収容スペースを大幅に小さくすることができる。
【００３４】
したがって、本実施の形態による熱交換器１１によれば、外管１３に内管１５が挿入され、外管１３がシェル４１によって覆われることで、内管１５の内部、内管１５と外管１３の間、外管１３とシェル４１の間の３つの異なる熱媒流路が形成され、それぞれの熱媒が多数並べられた外管１３の延在方向に沿って流れながら熱交換される。これにより、それぞれの熱媒の伝熱面積を広く確保でき、小型化が可能となって、設置面積を小さくできる。
【００３５】
なお、上記の実施の形態では、伝熱管列ユニット３５が一層である場合を例に説明したが、伝熱管列ユニット３５は多層構造であってもよい。この場合、多層の伝熱管列ユニット３５は全てが一つのシェル４１によって覆われる。このような積層構造とすれば、立体的な配置により、より小型化、省スペース化が可能となる。
【００３６】
また、上記の実施の形態では、一次分岐管１７、一次集合管２１、二次分岐管１９、二次集合管２３、シェル端管３７が断面円形のパイプ（管）である場合を例に説明したが、これらの管は例えば角パイプとすることもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１１…熱交換器
１３…外管
１５…内管
１７…一次分岐管
１９…二次分岐管
２１…一次集合管
２３…二次集合管
３５…伝熱管列ユニット
３７…シェル端管
４１…シェル
【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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