JP5873603B1 - 二重管、熱交換器および二重管の製造方法 - Google Patents

Abstract

筒状をなす外管と、外管内に設けられ、筒状をなし外周面に螺旋状の凸部を備えた内管と、内管内に設けられ、内管内に螺旋状の流路を形成する螺旋流路形成部材と、を備えた二重管等である。

Description

本発明は、二重管、熱交換器および二重管の製造方法に関する。

二重管としては、例えば、内管の外面に第１螺旋突条が曲折形成され、外管の内面に第１螺旋突条と整合する第２螺旋突条が形成され、内管と外管とが、第２螺旋突条の内面と第１螺旋突条の外面のみで接触し、それ以外の面では対向してその間に螺旋状の流路が形成されて、熱交換器をなす二重管が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１９３８６９号公報

上記のような二重管は、内管の内側の流路が、内管と外管との間に形成された流路より広いため、内管の内側は流速が遅くなり無機物の固まり等が流れにくく、沈殿または堆積して内管が閉塞されるおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、二重管が備える流路に固形物が沈殿または堆積し難い二重管、熱交換器および二重管の製造方法を提供することにある。

前述の目的を達成するため本発明は、超臨界圧の固液混合流体の熱交換器をなす二重管であって、筒状をなす外管と、前記外管内に設けられ、外周に螺旋状の凸部を備え隣り合う当該螺旋状の凸部と前記外管との間に、螺子溝形状の断面をなす螺旋状に繋がった一つの流路を形成する内管と、前記内管内に設けられ、前記内管内に螺旋状の流路を形成する螺旋流路形成部材と、を備えたことを特徴とする二重管である。

このような二重管によれば、外管と内管との間には内管の外周に設けられた螺旋状の凸部と外管の内周面との間に、その断面積が、同心に配置された内管と外管との間に形成される流路の断面積より小さな流路が形成される。また、内管内には、内管内に設けられた螺旋流路形成部材により、内管の断面積より小さな断面積の流路が形成される。このため、内管と外管との間および内管内にいずれも、小さな断面積の流路が形成されるので、二重管が備える各流路の流速が速くなり流路内に固形物が沈殿または堆積し難い二重管を提供することにある。

かかる二重管であって、前記螺旋状の凸部は、筒状をなして前記内管を形成する管材の外周に形成された螺子であることが望ましい。
このような二重管によれば、内管と外管との間の螺旋状の流路は、内管の外周に形成された螺子と外管の内周面とで形成されるので、内管の外周に螺子を形成するだけで、内管と外管との間に容易に螺旋状の流路を設けることが可能である。

かかる二重管であって、前記螺旋状の凸部は、筒状をなして前記内管を構成する管材の外周に螺旋状に設けられたフィンであることとしてもよい。
このような二重管によれば、内管と外管との間の螺旋状の流路は、内管の外周に設けられた螺旋状のフィンと外管の内周面とで形成されるので、内管の外周に螺旋状のフィンを設けるだけで、内管と外管との間に容易に螺旋状の流路を設けることが可能である。

かかる二重管であって、前記螺旋流路形成部材は、螺旋状に形成された曲面を有する螺旋状板材であることが望ましい。
このような二重管によれば、内管内に形成される螺旋状の流路は、螺旋状板材により形成されるので、内管内には、たとえば内管の長手方向に沿う軸部のように流路の形成には無用でありながら内管内の空間を狭める部位を存在しない。このため、内管内をより有効に使用して螺旋状の流路を形成することが可能である。

また、超臨界圧の固液混合流体の熱交換器をなし、内管と外管とを備える二重管の製造方法であって、外周に螺旋状の凸部を備えた前記内管を形成する工程と、前記内管内に螺旋状の流路を形成する螺旋流路形成部材を形成する工程と、前記外管の内周面に前記凸部を接触または接近させて配置し、前記内管の内周面に前記螺旋流路形成部材を接触または接近させて配置して一体に固定する工程と、を有することを特徴とする二重管の製造方法である。
このような二重管の製造方法によれば、内管と外管との間および内管内にいずれも螺旋状の流路を容易に形成することが可能である。

また、超臨界圧の固液混合流体の熱交換器をなし、内管と外管とを備える二重管の製造方法であって、外周に螺旋状の凸部を備えた前記内管を形成する工程と、前記内管内に螺旋状の流路を形成する螺旋流路形成部材を形成する工程と、前記外管の内周面に前記凸部を接触させて配置し、前記内管の内周面に前記螺旋流路形成部材を接触または接近させて配置して一体に固定する工程と、を有し、前記内管と前記外管との間に、隣り合う前記螺旋状の凸部と前記外管の内周面とによって区画された螺子溝形状の断面をなす螺旋状に繋がった一つの流路が形成されることを特徴とする二重管の製造方法である。
このような二重管の製造方法によれば、内管と外管との間および内管内にいずれも螺旋状の流路を容易に形成することが可能である。

かかる二重管の製造方法であって、前記螺旋状の凸部として、前記内管を形成する管材の外周に螺子を形成することが望ましい。
このような二重管の製造方法によれば、内管を形成する管材の外周に螺子を形成するだけで容易に内管と外管との間に螺旋状の流路を形成することが可能である。

かかる二重管の製造方法によれば、前記螺旋状の凸部として、前記内管を構成する管材の外周面に螺旋状のフィンを溶接することとしてもよい。
このような二重管の製造方法によれば、内管を構成する管材の外周面に螺旋状のフィンを溶接して螺旋状の凸部を形成するので、形成される螺旋状の流路の断面形状をフィンのサイズにより任意に設定することが可能である。

本発明によれば、二重管が備える流路に固形物が沈殿または堆積し難い二重管、熱交換器および二重管の製造方法を提供することが可能である。

本発明に係る二重管を使用した熱交換器を示す正面図である。 二次流れを説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、例えば、含水性バイオマス超臨界水ガス化装置に用いられ高温高圧の流体の熱交換器をなす二重管を例に挙げて説明する。
本実施形態の二重管１は、図１に示すように、内管２および外管３と、外管３の両端部に設けられた端部閉塞部材４と、内管２内に設けられる螺旋流路形成部材５とを有している。

内管２は、熱伝導性および耐熱性を有する金属で形成され、外周に螺旋状の凸部２ａが形成されている。内管２は、外管３ほぼと同一長さに形成されており、螺旋状の凸部２ａの頂部となる内管２の外径は、外管３の内径とほぼ一致するように形成されている。
内管２は螺旋状の凸部２ａの頂部が、外管３の内周面に接するように外管３内に収容される。

端部閉塞部材４は、外管３の外径とほぼ同一の外径をなす円盤状の部材であり、円盤の中央に内管２の内径と同一の内径をなす貫通孔４ａが形成されている。内管２が収容された外管３の両端部に設けられる端部閉塞部材４は、外周縁部４ｂが外管３における各端部の外周縁部３ａと全周に亘って溶接されており、内周縁部４ｃが内管２における各端部の内周縁部２ｂと全周に亘って溶接されている。すなわち、内管２と外管３との間には、両端部が端部閉塞部材４にて閉塞され、内管２の螺旋状の凸部２ａと外管３の内周面３ｂと形成された螺旋状に繋がって流路をなす空間が設けられている。

外管３には両端部に、内部に形成された螺旋状の空間と外部とを連通する２本の連通管６が設けられており、一方の連通管６から流入した流体が螺旋状の空間を通って他方の連通管６から流出するように形成されている。

内管２内に設けられた螺旋流路形成部材５は、螺旋状に形成された曲面を有する板状の螺旋状板材であり、内管２および外管３とほぼ同一長さをなしている。螺旋流路形成部材５は、内管２内を流れる流体が直進せず螺旋流路形成部材５の曲面に沿って流れるような螺旋状の流路（以下、内螺旋流路という）２ｄを内管２内に形成する。螺旋流路形成部材５の外周縁５ａの外径は、内管２の内径とほぼ一致するように形成されている。

螺旋流路形成部材５は外周縁５ａが、内管２の内周面２ｃに接するように内管２内に収容されて両端部が内管２の内周縁部２ｂに溶接されている。すなわち、内管２内には、両端にて外部と繋がって、内管２の内周面２ｃと螺旋流路形成部材５の曲面とにより形成され、螺旋状に繋がった内螺旋流路２ｄが設けられている。ここで、本実施形態においては、螺旋流路形成部材５が螺旋状の曲面を有する板状の部材のみにて形成されている例について説明したが、螺旋状の曲面を有する板状の部材の中心に内管２の長手方向に沿うような軸部が設けられていても構わない。

本実施形態の二重管１は、例えば、低温のガス化原料が、一方の連通管６から流入して他方の連通管６から流出するように、内管２と外管３との間の螺旋状の流路（以下、外螺旋流路という）３ｃを流通させる。また、内管２内は、ガス化原料が流入する連通管６と反対側となる端部閉塞部材４の貫通孔４ａから含水性バイオマス超臨界水ガス化装置が備えるガス化反応器から流出される高温の処理水が流入して、ガス化原料が流入する連通管６側の端部閉塞部材４の貫通孔４ａから流出するように、内管２内の螺旋流路を流通させる。すなわち、二重管１内では、ガス化原料と処理水とが、内管２及び外管３を互いに反対方向に流通している。このように、ガス化原料と処理水とを流通させることにより、二重管１内にて熱交換が行われる。すなわち、二重管１が熱交換器７として使用される。

本実施形態の二重管１の製造方法は、まず、内管２を形成する管材の外周に螺旋状の凸部２ａを形成しておく。また、連通管６は、外管３の両端部にそれぞれ、外管３の内外を連通し、連通管６の外径とほぼ同じ大きさの連通孔３ｄを形成しておく。このとき、外管３に形成する２つの連通孔３ｄは各々、内部に内管２が配置されたときに、内管２に設けられた螺旋状の凸部２ａの隣り合う山間となる谷部と対向する位置に形成しておく。

外周に螺旋状の凸部２ａが形成された内管２内に、内管２の内周面に螺旋流路形成部材５の外周縁５ａが接触するか隙間が小さくなるように接近させて挿入して内管２内に螺旋流路形成部材５を配置し、螺旋流路形成部材５の両端部を内管２の内周縁部２ｂに溶接する。

内部に螺旋流路形成部材５が備えられた内管２を、外管３の内周面３ｂに螺旋状の凸部２ａの頂部が接触するように挿入して外管３内に内管２を配置する。このとき、外管３に設けられた連通管６の開口部が、内管２の外周に設けられた螺旋状の凸部２ａの隣り合う山間となる谷部と対向するように内管２を外管３内に配置する。

外管３内に内管２が収容された状態で、内管２および外管３の両端部に端部閉塞部材４を当接させて、端部閉塞部材４の外周縁部４ｂと外管３の外周縁部３ａとを全周に亘って溶接し、また、端部閉塞部材４の内周縁部４ｃと内管２の内周縁部２ｂとを全周に亘って溶接する。最後に、外管３の連通孔３ｄに連通管６の端部を挿入し、外管３の外周面側にて連通孔３ｄの縁および端部閉塞部材４と連通管６の外周面とを溶接して連通管６を取り付ける。

本実施形態においては、内管２内に螺旋流路形成部材５を、また、外管３内に内管２を挿入する方法について説明したが、たとえば、内管２や外管３を長手方向に沿って複数に分割し、分割した内管２や外管３の内部に螺旋流路形成部材５や内管２を配置した後に、分割した内管２や外管３を溶接して形成しても良い。

本実施形態の二重管１によれば、内管２と外管３との間が、内管２の外周に設けられた螺旋状の凸部２ａにより螺旋状に区切られるので、内管２の外周に設けられた螺旋状の凸部２ａと外管３の内周面３ｂとの間に断面積の小さな外螺旋流路３ｃが形成される。このとき、内管２と外管３との間の空間を螺旋状に区切るのは、内管２の外周部に形成された螺旋状の凸部２ａなので、汎用の旋盤などを使用して内管２の外周面に螺旋状の凸部２ａとして、例えば螺子を形成するだけで、内管２と外管３との間に外螺旋流路３ｃを容易に形成することが可能である。

また、内管２内は、当該内管２内に設けられた螺旋流路形成部材５により螺旋状に区切られて、内管２の断面積より小さな断面積の内螺旋流路２ｄが形成される。このため、内管２と外管３との間の流路および内管２内に形成される流路のいずれも、円筒状の内管及び外管の断面積より小さな断面積に形成されるので、内螺旋流路２ｄおよび外螺旋流路３ｃの流速を、無機物の固まり等を巻き込んで流すことが可能な乱流域に保持することが可能である。

また、内管２と外管３との間に形成された外螺旋流路３ｃおよび内管２内に形成された内螺旋流路２ｄはいずれも螺旋状なので、円筒状の外管内に円筒状の内管を同心に収容して形成した二重管の内管と外管との間の断面積より、流路断面積が小さく、かつ、外管３の長さより流路長が長い二重管１を形成することが可能である。このため、本実施形態の二重管１を用いることにより、ほぼ外形寸法となる外管３の長さを短く抑えつつもより長い流路長を確保し、更にコストも抑えることが可能であり、より効率良く熱交換することが可能な熱交換器７をより安価に提供することが可能である。

本実施形態では、二重管１を用いた熱交換器７として、低温のガス化原料を外螺旋流路３ｃに流通させ、高温の処理水を内螺旋流路２ｄに流通させたので、ガス化原料が昇温される過程において、内管２と外管３との間の二次流れによりガス化原料が攪拌され、ガス化原料内に懸濁されたガス化触媒である活性炭とバイオマスが混合されて均質化される。また、活性炭とバイオマスが混合されることにより、触媒とバイオマスとの接触確率が向上し、触媒効果が向上する。なお二次流れとは図２に示す、螺旋管内に発生する流れである。

また、外螺旋流路３ｃは、熱交換時の伝熱面が内管２の外周面、すなわち螺旋状の凸部２ａの表面であり、筒状の外周面の場合よりも伝熱面積を広く確保することが可能である。また、この外螺旋流路３ｃを流れるガス化原料は二次流れにより、伝熱面側と外螺旋流路３ｃの中央側及び外周側とが、より頻繁に入れ替わりつつ流通する。このため、ガス化原料の昇温速度を向上させてタールの生成が抑制される。また、処理水側の熱伝達率が向上するので、二重管１を用いた熱交換器７の単位長さ当たりの交換熱量を向上させることが可能である。

このように二重管１を使用する場合には、普通の薄肉配管であれば圧潰が懸念されるため、内螺旋流路２ｄ内のほうが外螺旋流路３ｃよりも常に高圧とするが、本実施形態の二重管１は内管２と外管３との境界をなす内管２の外周に螺旋状の凸部２ａが設けられているので、螺旋状の凸部２ａが骨格構造部材となるため、外螺旋流路３ｃのほうが内螺旋流路２ｄ内よりも常に高圧であっても圧潰を防止することが可能である。

上記実施形態においては、内管２の外周に設ける螺旋状の凸部を、内管２の外周部に螺旋状の凸部２ａを設けることにより備えた例について説明したが、これに限らず、例えば、内管を、筒状の管材と螺旋状の曲面を有するフィンとで構成し、内管を構成する管材の外周面に螺旋状のフィンを溶接しても構わない。この場合には、外螺旋流路を、内管の外径と外管の内径とに合わせたフィンにて形成することが可能なので、外螺旋流路の断面積を任意に設定することが可能である。

上記実施形態においては、二重管１を使用した熱交換器７を、含水性バイオマス超臨界水ガス化装置に用いられ高温高圧の流体の熱交換器としたが、これに限るものではない。

上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

１ 二重管、２ 内管、２ａ 螺旋状の凸部、２ｂ 内周縁部、２ｃ 内周面、
２ｄ 内螺旋流路、３ 外管、３ａ 外周縁部、３ｂ 内周面、３ｃ 外螺旋流路、
３ｄ 連通孔、４ 端部閉塞部材、４ａ 貫通孔、４ｂ 外周縁部、４ｃ 内周縁部、
５ 螺旋流路形成部材、５ａ 外周縁、６ 連通管、７ 熱交換器

Claims (8)

1. 超臨界圧の固液混合流体の熱交換器をなす二重管であって、
   筒状をなす外管と、
   前記外管内に設けられ、外周に螺旋状の凸部を備え隣り合う当該螺旋状の凸部と前記外管との間に、螺子溝形状の断面をなす螺旋状に繋がった一つの流路を形成する内管と、
   前記内管内に設けられ、前記内管内に螺旋状の流路を形成する螺旋流路形成部材と、を備えたことを特徴とする二重管。
2. 前記螺旋状の凸部は、筒状をなして前記内管を形成する管材の外周に形成された螺子であることを特徴とする請求項１に記載の二重管。
3. 前記螺旋状の凸部は、筒状をなして前記内管を構成する管材の外周に螺旋状に設けられたフィンであることを特徴とする請求項１に記載の二重管。
4. 前記螺旋流路形成部材は、螺旋状に形成された曲面を有する螺旋状板材であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の二重管。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の二重管の前記内管が、熱伝導性および耐熱性を有する金属からなり、
   前記二重管における前記内管の外側の前記螺旋状の流路を流通する流体と、前記内管の内側の前記螺旋状の流路を流通する流体との間にて熱交換することを特徴とする熱交換器。
6. 超臨界圧の固液混合流体の熱交換器をなし、内管と外管とを備える二重管の製造方法であって、
   外周に螺旋状の凸部を備えた前記内管を形成する工程と、
   前記内管内に螺旋状の流路を形成する螺旋流路形成部材を形成する工程と、
   前記外管の内周面に前記凸部を接触させて配置し、前記内管の内周面に前記螺旋流路形成部材を接触または接近させて配置して一体に固定する工程と、
   を有し、
   前記内管と前記外管との間に、隣り合う前記螺旋状の凸部と前記外管の内周面とによって区画された螺子溝形状の断面をなす螺旋状に繋がった一つの流路が形成されることを特徴とする二重管の製造方法。
7. 前記螺旋状の凸部として、前記内管を形成する管材の外周に螺子を形成することを特徴とする請求項６に記載の二重管の製造方法。
8. 前記螺旋状の凸部として、前記内管を構成する管材の外周面に螺旋状のフィンを溶接することを特徴とする請求項６に記載の二重管の製造方法。

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