(57)【要約】【課題】熱交換性能に優れ、分解洗浄の容易な２重管式熱交換器を提供する。【解決手段】伝熱管側内部に伝熱促進体「hiTRAN」（図1の４）を挿入した伝熱管（図１の１）の外周に螺旋状にプラスティックフィルム製撚り紐（ポリプロピレン製荷造り紐など）を巻きつけ、この紐の外周と接触する内径のプラスティック製の胴管（図1の2）にこの伝熱管を挿入することによって、伝熱性能を格段に向上させた、分解洗浄の容易なガスケットシール型の2重管式向流熱交換器。【選択図】  図１
2016217540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスケットでシールされた金属製の伝熱管と合成樹脂製の胴管からなる分解可能な2重管式熱交換器において、伝熱管の内部には内径と接する伝熱促進用の挿入体を装着し、伝熱管の外側には胴管の内側壁面に接触するような太さの紐が螺旋状に巻きつけて固定された2重管式向流熱交換器。
【請求項２】
伝熱管の内部に装着された熱促進用挿入体が３次元立体ワイヤー素子である請求項１記載の２重管式向流熱交換器。
【請求項３】
伝熱管の外側に巻きつけられた紐がプラスティックフィルム製撚り紐、金属線材、鉱物繊維、炭素繊維、合成繊維、天然繊維などを単独または複合して撚り込んだ紐である請求項１または２記載の２重管式向流熱交換器。
【請求項４】
伝熱管の金属管の外直径が50mm以下で、その肉厚が1mm以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の2重管式向流熱交換器。
【請求項５】
合成樹脂製の胴管がポリ塩化ビニール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ABS樹脂、フロン系合成樹脂、繊維強化熱硬化性樹脂のいずれかで構成されたパイプである請求項１記載の2重管式向流熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，伝熱性能の優れたガスケットシール方式の２重管式熱交換器の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるシェルアンドチューブ熱交換器は、伝熱面積を大きくし、小型化するために多管型を採用しているため、熱交換のための温度差を犠牲にしており、最も効率のよい熱交換器の構造は、２重管式向流熱交換器であることは理論的に明らかである。
【０００３】
２重管式向流熱交換器は伝熱に寄与する温度差は最大となるが、伝熱面積を大きくするためには、伝熱管を長くする他はなく、流体の圧力損失が大きくなる、設置面積が大きくなるなどの実用上に制限があった。
【０００４】
従来の多管型熱交換器ではシェル（胴）側にバッフルを設け、胴側流体の流速を上げることで、胴側境膜伝熱係数を向上させ、チューブ（管）側流体はシェル内で多数回間接接触させる、いわゆるパス数を増やすことで、管側流体の流速を上げ、管側境膜伝熱係数を大きくする方法が採用され、総括伝熱係数を大きくすることがなされている。
【０００５】
また、２重管熱交換器において、内管の外表面に管軸方向あるいは周方向に凹凸を排することで外表面近傍に形成される温度境界層を乱して、熱交換性を向上させることも提供されている（特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、内管内の境膜伝熱係数を改善することはできず、その効果に限界があった。
【０００６】
管側の境膜伝熱係数を向上させる方法として、伝熱管内に挿入する伝熱促進用の素子として特殊な３次元立体構造を有する素子を用いることが提案され実用化されている。この方法は、中心部のコアーワイヤーに結束された数多くのループワイヤーで構成される3次元立体ワイヤー素子を管内に挿入する方法であり、この素子はCal Gavin 社より商品名「hiTRAN」として提供されている（
【非特許文献１】参照）。この方法は管側の境膜伝熱係数を向上させるものではあるが、２重管式熱交換器の胴側には適切な手段は提案されていないため、総括伝熱係数の向上効果は限定的である。
【０００７】
一方、熱交換流体には熱授受を阻害する汚れ成分（例えば温泉水の湯の花、皮脂、海水中の浮遊物や析出成分など）の存在があり、定期的に伝熱性能を回復するためのメンテナンスでは、構造が単純で洗浄しやすいことが重要であるが、溶接管板で構成されるシェルアンドチューブ型熱交換器では、チューブの洗浄は可能としても、シェル側の洗浄は不可能と思われる。
【０００８】
また２重管式熱交換器はその構造上、伝熱管と胴管が一対であるために、胴側流体のシールにガスケットを使用することで、容易に分解し洗浄が可能である特徴を持っているが、総括伝熱係数が小さく、伝熱面積が大きくなり過ぎる欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２００７−８８２８号公報
【非特許文献】
【００１０】
Martin J. Gough 他4名、「燃焼排ガスからの熱回収における管側伝熱促進体hiTRANの適用」、工業加熱、日本工業炉協会、２０１３年１１月、第５０巻第６号、ｐ２７−２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、前記した２重管式熱交換器の問題点を解消し、熱交換性能に優れ、分解洗浄の容易な２重管式熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の伝熱効率の優れた2重管式向流熱交換器は、管内部に伝熱促進用の素子を挿入した伝熱管の外周部に、紐を螺旋状に巻きつけた伝熱管を、胴管内に挿入し、伝熱管と胴管がガスケットによってシールされる。
【００１３】
螺旋状の紐は胴管の内径と伝熱管の外径と緩やかに接触する太さが適切で、必要に応じて伝熱管に結束される。
【００１４】
胴管の材料は、伝熱管とガスケット等でシールするので、金属である必要はなく、プラスティックも用いることが出来、耐食性に優れ、汎用性のある廉価なポリ塩化ビニール管も使用できる。その他、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ABS樹脂、フロン系合成樹脂、繊維強化熱硬化性樹脂なども用いることができる。
【００１５】
伝熱管に巻きつける紐は胴側の流体の流路を制限するためであり、管外面と胴内面に完全に密着する必要はなく、螺旋状に巻きつける巻数は１ｍあたり１０〜４０程度が適切である。
【００１６】
巻きつける紐の材料は胴管内を流れる流体の性質と温度条件によって選択され、例えば温度条件が８０℃以下のお湯で若干酸性の場合、ポリプロピレン製の汎用荷造り紐などが使用でき、螺旋状を賦形する目的で、針金と撚り合せたものも用いることが出来る。その他、金属線材、鉱物繊維、炭素繊維、合成繊維、天然繊維などを単独または複合して撚り込んだ紐も用いることができる。
【００１７】
伝熱管内部に挿入する伝熱促進用の素子の種類を選ばないが、特に伝熱促進効果の大きい3次元立体ワイヤー素子が好ましい。この３次元立体ワイヤー素子とは、中心部のコアーワイヤーに結束された数多くのループワイヤーで構成される素子のことであり、Cal Gavin 社より商品名「hiTRAN」として提供されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の２重管式熱交換器は、伝熱管内に挿入される伝熱促進用素子による効果と、巻きつけられた紐による胴側の伝熱促進効果との組み合わせにより、各効果を加算した以上の相互作用効果により、従来の２重管式熱交換器より総括伝熱係数にして数倍の、大きな伝熱性能を提供することができる。
【００１９】
また胴管と伝熱管がガスケットシールを外して分解する場合に、伝熱管の引き抜きによって、紐が胴管内部に付着した汚れ物質を除去する効果も持っており、安価な紐を取り替えたのち再び組み立てることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の紐４を外側に螺旋状に巻きつけ、内部には伝熱促進用素子３を挿入した伝熱管１と胴管２の透視説明図であり、伝熱管と胴管のシールは省略されている。
【図２】本発明の伝熱管１に挿入した管側伝熱促進体である３次元立体ワイヤー素子「hiTRAN」を、伝熱管を模した透明プラスティック管に挿入した写真画像である。
【図３】実施例の検証をした本発明の実験用2重管式熱交換器の写真画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下発明を実施するための形態を実施例と従来技術のそれと比較して説明する。
【実施例】
【００２２】
図１は伝熱管１の外周に紐３を螺旋状に巻きつけ、胴管２に挿入した場合の透視説明図であり、伝熱管内部に挿入される伝熱促進体は省略してあり、胴管２と伝熱管３はガスケット（図示せず）でシールされる。
【００２３】
図２は管側伝熱促進体として実施例で用いたCal Gavin 社製「hiTRAN」３０の写真画像であり、中芯のコアーワイヤー３１に固定されたループワイヤー３２が管内壁と接触し、壁面流体を撹拌することで伝熱促進効果を発揮する構造となっており、伝熱管を模した透明プラスティック管４０に一部が差し込まれている。
【００２４】
図３は実施例のために組み立てた本発明の２重管式熱交換器の写真画像であって、内径15mm用の「hiTRAN」素子を挿入した内径15mm、肉厚0.5mm、長さ50cmのSUS製伝熱管１００の外側に、ポリプロピレン製の荷造り紐３００を1mあたり１０回巻きつけ、透明塩ビ管からなる内径20mmの胴管２００の中に挿入されている。そしてこの２本の交換器が直列に接続され、胴側冷水入口２０１、胴連結管２０２、胴側出口２０３と、管側の流体の出入り口として伝熱管温水入口１０１、伝熱管連結ホース１０２、伝熱管水出口１０３が設置され、両流体が向流となるように配管されている。そして、出入り口用温度記録計４００、伝熱側用ポンプ５００も設置されている。
【００２５】
この２重管式熱交換器の胴側に温度15℃、流量85g/secの冷水を、管側に40℃、87g/secの温水を流し、それぞれの出口温度を温度記録計４００で測定した結果、胴側出口温度は25.3℃にまで上昇し、管側の温水は39.9℃まで低下した。
【００２６】
実施例の熱交換器の伝熱面積は0.048m2なので、この交換器の総括伝熱面積は5200W/m2・K、伝熱量は3.7kWと計算された。
【比較例１】
【００２７】
本発明の効果を調べるために、図３の２重管式熱交換器の伝熱管の外側に巻かれたポリプロピレン製の紐３００を取り外し、実施例と同じことを実験した。
【００２８】
その結果、胴側出口温度は21.4℃、管側出口温度は33.7℃と測定され、この結果から計算した総括伝熱係数は2600W/m2・K、伝熱量は2.3kWであった。
【比較例２】
【００２９】
管側内部に挿入した「hiTRAN」素子３０の伝熱促進効果を確認するために、実施例図３の伝熱管の外側に巻かれたポリプロピレン製の紐３００はそのままとし、伝熱管内部の「hiTRAN」素子のみを取り除いて実施例と同じ実験を行った。
【００３０】
その結果、胴側出口温度は20.4℃、管側出口温度は34.7℃と測定され、この結果から計算した総括伝熱係数は2080W/m2・K、伝熱量は2.0kWであった。
【比較例３】
【００３１】
さらに本発明の伝熱促進効果を確認するために、実施例から、管内挿入した「hiTRAN」素子３０および外側の巻かれたポリプロピレン製紐３００の両方を取り除いて実施例と同じ実験を行った。
【００３２】
その結果、胴側出口温度は19.2℃、管側出口温度は35.9℃と測定され、この結果から計算した総括伝熱係数は1430 W/m２・K、伝熱量は1.５kWであった。
【００３３】
本発明の効果は、実施例の総括伝熱係数が、空洞管および伝熱管外側に螺旋状の紐の無い状態で構成された従来型の２重管式熱交換器（比較例３）に比べ3.5倍を示し、管内部に「hiTRAN」素子のみを挿入した比較例１に対しても、1.7倍、「hiTRAN」素子が無く、外側にポリプロピレン製紐のみが巻かれた比較例２に対しても1.4倍の値を示すことから、高性能の熱交換器を構成する伝熱促進方法の組み合わせであることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の2重管式向流熱交換器は、総括伝熱係数が従来よりも大きいため、伝熱面積が少なくて効率的に熱回収が可能であり、多くの熱交換器の活用分野で、小型化を可能とすることが出来る。
【００３５】
例えば先の実施例の結果を基に、同じ流速で、40℃の風呂排水を用いて、15℃の水道水を32℃の温水とすることの出来る２重管式熱交管器の設計をすると、その伝熱管の長さは2.9mであり、家庭用の風呂排水からの熱交換器として、十分活用可能な大きさであった。
【００３６】
一方比較例１と２と３の結果から設計すると、それぞれ5.5mと7.2mと10.0mと計算され、かなりの大きになり、本発明の効果の大きいことが判る。
【００３７】
その他入浴温度よりもかなり高い温泉水と厨房用やシャワー用の水道水とを本発明の2重管式熱交換器で熱交換することで、温泉水を入浴適温とするとともに、水道水の加熱用燃料が節減できる。
【００３８】
また本発明の2重管式熱交換器を多数並列に配置することで、産業用大型熱交換器、例えば従来は多管式熱交換器を使用していた海水冷却器などの分野にも利用が出来る。
【符号の説明】
【００３９】
1    伝熱管
11  伝熱管出入り口
2    胴管
21  胴管出入り口
3    伝熱管内の３次元立体ワイヤー素子
4    伝熱管に固定された紐
30  ３次元立体ワイヤー素子（「hiTRAN」素子）
31  ループワイヤー
32  コアーワイヤー
40  伝熱管を模した透明プラスティック管
100  「hiTRAN」素子導入伝熱管
101  伝熱管温水入口
102  伝熱管連結ホース
103  伝熱管水出口
200  胴透明塩ビ管
201  胴側冷水入口
202  胴連結管
203  胴側出口
300  伝熱管に巻いたポリプロピレン製紐
400  出入り口用温度計
500  伝熱管側用ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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