JP6032585B2

JP6032585B2 - 三重管の構造及び熱交換器

Info

Publication number: JP6032585B2
Application number: JP2011192168A
Authority: JP
Inventors: 明夫栗原; 紀伸橘; 伊佐雄片野
Original assignee: 株式会社西山製作所
Priority date: 2011-09-03
Filing date: 2011-09-03
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2031-09-03
Also published as: JP2013053804A

Description

本発明の実施形態は、三つの管が互いに重なるように嵌め合わせられ、当該重なる順番に外側から外管、中間管、及び、内管を有する三重管の構造及び熱交換器に関する。

例えば、浴槽の水を加熱するための熱交換器に三重管が用いられている。この三重管の内管と外管とは接続路によって互いに接続され、内管から入った浴槽の水が外管を通って再び浴槽に戻る（循環する）ようになっている。一方、中間管には温水が循環するようになっている。それにより、中間管内の温水の熱が内管及び外管に伝達され、浴槽の水が内管及び外管を通るときに加熱される。このようにして浴槽の水が循環することで、温度上昇するようになっている（例えば、特許文献１）。

一般に、三重管において、各管内の媒体相互の伝熱効果を向上させるためには各管が互いに重なり合う面積（伝熱面積）を広くする必要がある。伝熱面積を広くする一例として、重なり合う所を長くする方法がある。また、他の例として、三つの管の径を大きくする方法がある。

特開平６−２２９６１７号公報

しかしながら、三つの管が重なり合う所を長くする方法、及び、三つの管の径を太くする方法では、三重管が大きくなり、その三重管を収容する熱交換器も大型になるという問題点がある。

また、上記特許文献に記載された技術では、内管と外管とを接続するための接続路を設ける分だけ、三重管が大きくなるという問題点があった。

この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、媒体相互の伝熱効果を向上させる、小型にすることが可能な三重管の構造及び熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、実施形態の三重管の構造は、三つの管が互いに重なるように嵌め合わせられ、当該重なる順番に外側から外管、中間管、及び、内管を有し、前記外管、前記中間管及び前記内管に気体、液体及び固体のいずれかの媒体が入れられて用いられる三重管の構造において、前記中間管は、当該中間管の周方向に山部と谷部とが交互に配された波形に形成され、
前記山部は前記外管に接するように形成され、前記谷部は前記内管に接するように形成され、前記内管は、隣接する前記谷部の間にあって、当該谷部の入り口から当該谷部の奥部までの間の位置に進入するように形成される凸部を有し、前記山部及び前記谷部並びに前記凸部は同数であって、内管の周方向に等間隔に２個以上設けられ、前記中間管は、当該中間管の軸回りにねじれるように形成され、前記内管は、当該内管の軸回り前記中間管に対し逆方向にねじれるように形成され、前記内管の凸部は、前記谷部間に進入した位置において前記中間管に接していることを特徴とする。

中間管が波形に形成されるので、中間管が内管内及び外管内の媒体に接触する面積が広くなり、媒体相互の伝熱効果を向上させ、小型にすることが可能な三重管となる。また、中間管が波形に形成されるので、三重管の断面積、断面二次モーメントが大きくなり、弾性率、曲げ剛性及びねじり剛性を上げることが可能となる。

第１の実施形態に係る三重管の正面図である。三重管の部分拡大断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。第２の実施形態に係る三重管の断面図である。第２の実施形態の変形例に係る三重管の断面図である。

［第１の実施形態］
この発明の第１の実施形態に係る三重管の構造について図１から図３を参照して説明する。ここで、三重管の構造とは、三以上の管が互いに重なるように嵌め合わされる構造において、重なり方向で隣接する三つの管を組み合わせる構造をいう。

図１は三重管の正面図である。図１に示すように、三つの管が互いに重なるように嵌め合わされた三重管の構造は、重なる順番に外側から外管１０、中間管２０及び内管３０を有している。三重管の構造は、浴槽の水を加熱するための熱交換器に用いられる他に、例えば、媒体によって熱交換が行われる給湯器及び空気調和器等の熱交換器に用いられる。

外管１０、中間管２０及び内管３０の中には、気体、液体及び固体のいずれかの媒体が入る。どのような媒体が入るかは熱交換器の用途による。また、管内の温度または圧力等により気体から液体に、反対に液体から気体に変わる媒体もある。

熱交換においては、高温の媒体の熱を低温の媒体に移動させることにより、高温の媒体から熱が奪われて温度低下させ、低温の媒体を加熱して温度上昇させる。

次に、熱交換器に用いられる三重管の構造の一例について図１〜図３を参照して説明する。図２は三重管の部分拡大断面図である。図２に示すように、外管１０は中空軸であって、外管１０の両端部１１は縮径されて中間管２０の両端部２１に密着されている。外管１０の上流側の端部１１には連結管１２が設けられ、下流側の端部１１には連結管１３が設けられている。例えばＴ１［℃］の媒体（温水）Ａが連結管１２から外管１０内に流入し、連結管１３から流出する。

中間管２０は中空であって、中間管２０の両端部２１は、縮径されて内管３０の両端部３１に密着されている。中間管２０の上流側の端部２１には連結管２２が設けられ、下流側の端部２１には連結管２３が設けられている。例えば、Ｔ２（＜Ｔ１）［℃］の媒体（水道水）Ｂが連結管２１から中間管２０内に流入し、連結管２３から流出する。

図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。図３に示すように、中間管２０は、中間管２０の周方向に波形に山部２５と谷部２６とを交互に配することにより波形に形成されている。山部２５及び谷部２６は同数であって、中間管２０の周方向に等間隔で２個以上設けられている。山部２５及び谷部の数は４から６個（この実施形態では５個）であることが好ましい。山部２５は中間管２０の周壁２７を外方に突出させることにより外管１０の周方向に等間隔に５カ所で接するように形成されている。谷部２６は中間管２０の周壁２７を内方に凹ませることにより内管３０の周方向に等間隔に５ヵ所で接するように形成されている。中間管２０の山部２５が外管１０に接しているため、外管１０内の媒体Ａは、隣接する山部２５の間の谷部２６を流れるようになる。

山部２５が外管１０に接し、谷部２６が内管３０に接しているため、外管１０、中間管２０及び内管３０が単に嵌め合わされている三重管と比べてその剛性を上げることが可能となる。また、三重管の外から伝わる振動等、あるいは、三重管の内部で生じる振動等による異音の発生を防止することが可能となる。

山部２５及び谷部２６の個数は２から１５であることが好ましい。ただし、個数が多いほど、熱交換時の伝熱効果を向上させ、曲げ剛性やねじり剛性を上げることが可能となる。なお、曲げ剛性やねじり剛性が上がる理由の説明は後述する。

中間管２０は、中間管２０の軸２８回りにねじれるように形成されている。中間管２０を軸２８回りにねじることにより、山部２５及び谷部２６は螺旋状にカーブする。

山部２５及び谷部２６が螺旋状にカーブすることにより、媒体Ｂの流れもカーブする。このとき、媒体Ｂはカーブの外側（谷部２６の外側）の領域に集まるように流れるため、カーブの内側（谷部２６の内側）の領域で媒体Ｂに乱流が発生しやすくなる。中間管２０のねじれる角度（ねじれ角）は、媒体の乱流が発生する角度から流れに支障を来す角度の範囲の間であればどのような角度であってもよい。中間管２０のねじれ角の一例としては、２度から４５度であることが好ましい。ここで、ねじれ角とは、山部２５の頂または谷部の底の螺旋と、その上の一点を通る軸２８に平行な直線とがなす角である。

ここで、例えば、媒体ＡはＴ１［℃］の温水、媒体ＢはＴ２（＜Ｔ１）［℃］の水道水とすると、媒体Ａの熱が中間管２０に移動し、さらに、中間管２０の熱が媒体Ｂに移動する。このようにして、中間管２０と媒体Ｂとの熱交換が行われるが、媒体Ｂの流れが乱流なので、媒体内での熱移動が活発に行われるため、中間管２０の内側と媒体Ｂとの熱交換は活発に行われることとなり、媒体Ａの熱により特に中間管２０の内側を介して媒体Ｂを効果的に加熱することができ、伝熱効果を向上させることが可能となる。

次に、三重管の製造方法の一例を説明する。

三重管を構成する外管１０、中間管２０及び内管３０の材料として、例えば、銅、アルミニウム、黄銅、タングステン鋼、クロム鋼、マンガン鋼、炭素鋼のような熱伝導率の高い金属製の管が用いられる。

金属製の管の直径及び厚さは熱交換器の用途に応じて異なる。一例としては、外管１０には直径約２０［ｍｍ］、中間管２０には直径約３０［ｍｍ］、内管３０には直径約１０［ｍｍ］の金属製の管が用いられる。また、各金属製の管の厚さは、０．５［ｍｍ］から１．２［ｍｍ］が用いられる。

各管の製造方法の一例として、金型（ダイス）で形成された先細の穴に金属管を通して引き抜くことにより、所定の断面形状に成形される引き抜き加工が用いられる。

以上に説明した三重管の構造は例えば熱交換器に用いられ、また、建築材料として用いられる。

次に、三重管の構造を熱交換器に用いたときの作用について説明する。

熱交換器の用途によって、外管１０内の媒体Ａ、中間管２０内の媒体Ｂ及び内管３０内の媒体Ｃをどの程度の温度にするかが決められる。例えば、外管１０内に６０［℃］の媒体Ａを流すことで、中間管２０内の１５［℃］の媒体Ｂを４０［℃］に加熱して浴槽のお湯として利用し、内管３０内の１５［℃］の媒体Ｃを３０［℃］に加熱して台所の温水として利用することが可能となる。媒体Ａと媒体Ｂとは中間管２０の周壁２７を介して接触することで熱交換をし、媒体Ｂと媒体Ｃとは内管３０の周壁２７を介して接触することで熱交換をする。熱交換を効果的に行うためには、媒体と周壁２７との接触する面積を広くし、接触する時間を長くする必要がある。

外管１０の外径を大きくすることなく、周壁２７を長くするために、中間管２０に山部２５及び谷部２６を設ける。それによって、周壁２７が長くても山部２５及び谷部２６を設けることにより、流路を確保し、媒体と中間管２０とが接触する面積を広くすることができる。さらに山部２５を外管１０に当接させることで熱伝導により、熱が伝わり、媒体Ａと媒体Ｂとの熱交換を効果的に行うことが可能となる。また、谷部２６を内管３０に当接させることにより、熱が伝わりやすくなり、媒体Ｂと媒体Ｃとの熱交換を効果的に行うことが可能となる。

さらに、山部２５及び谷部２６を螺旋状にカーブするように形成することにより、中間管の内・外で媒体の流れに乱流を発生させやすくする。媒体の乱流によって、中間管の内・外側で媒体の熱移動が活発に行われることとなり、媒体Ａと媒体Ｂとの熱交換を効果的に行うことが可能となる。

また、熱交換器の用途に応じて、媒体Ａ、Ｂ、Ｃの流れる方向をどのようにするかが決められる。すなわち、媒体Ａ、Ｂ、Ｃの流れる方向を共に同じにする場合、媒体Ａ、Ｂ、Ｃのうちのいずれか一つの媒体の流れと他の二つの媒体との流れる方向を逆にする場合とがある。

図２に媒体の流れを矢印で示すように、媒体同士の流れる方向を逆にした場合、区間において、区間の始点と終点とで媒体同士の温度差が大きくなるため、熱交換の量は大きくなる。また、媒体同士の温度を逆転（媒体Ａの温度Ｔ１と媒体Ｂの温度Ｔ２（＜Ｔ１）が出口において逆転、Ｔ１＜Ｔ２）させることができる。

媒体同士の流れる方向を同じにした場合、平行して流れる区間において、区間の始点から終点にかけて熱交換の量は少なくなっていき、終点において媒体同士の温度差は小さくなる。

次に、三重管の構造を建築材料として用いたときについて説明する。

三重管の断面二次モーメントは、三つの管を単に嵌め合わせたときと比べて、中間管２０に山部２５及び谷部２６を設けることにより増加するため、曲げ剛性、ねじり剛性を上げることが可能となる。

また、山部２５を外管１０に当接させ、谷部２６を内管３０に当接させることにより、三重管に対して中間管２０の軸２８の方向に外力を作用させたとき、当接させた部分に摩擦力が発生するため、その外力に十分な力で対抗することが可能となる。

さらに、複数の山部２５を外管１０に等間隔で当接させ、複数谷部２６を内管３０に等間隔で当接させることにより、圧縮力を三重管に対して中間管２０の軸２８と直交する方向に作用させたときにも、十分な力で対抗することが可能となる。

また、三重管の断面積は、中間管２０に山部２５及び谷部２６を設けることにより増加するため、弾性率を上げることが可能となる。それにより、軸２８方向の大きな圧縮力や引っ張り力に対して十分に対抗することが可能な三重管となる。

［第２の実施形態］
次に、この発明の第２の実施形態に係る三重管の構造ついて図４を参照して説明する。

なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ構成のものは同一番号を付し、その説明を省略する。

図４は三重管の断面図である。図４に示すように、内管３０は、中間管２０の隣接する谷部２６の間に進入するように形成される凸部３５を有している。凸部３５は、谷部２６（山部２５とも）と同数であって、内管３０の周方向に等間隔で２個以上設けられている。凸部３５は、４から６個であることが好ましい。なお、凸部３５は、山部２５および谷部２６の個数と同数であり、この実施形態では５個である。

凸部３５が谷部２６の間に進入する量Ｓは、谷部２６の深さの１／１０〜１／１の長さである。

内管３０に凸部３５を設けることにより、内管３０の周壁３７が長くなって、媒体Ｂ、Ｃ同士が内管３０の壁部を介して接する面積を広くすることができる。それにより、媒体Ｂ、Ｃ同士の熱交換を効率的に行うことが可能となる。

次に、三重管の変形例について図５を参照して説明する。

図５は、変形例に係る三重管をその軸と直交する方向に破断した横断面図である。図５に示すように、内管３０は、内管３０の軸３８回りにねじれるように形成されている。さらに、中間管２０と内管３０とは、相互に逆方向にねじれている。例えば、図５において中間管２０が時計回りにねじれているのに対し、内管２０が反時計回りにねじれている。内管３０のねじれ角は、流れの中に乱流が発生する角度から流れに支障を来す角度の範囲（たとえば、２度から４５度）であることが好ましい。ここで、ねじれ角とは、中間管２０のねじれ角と同様に、凸部３５の頂の螺旋と、その上の一点を通る軸３８に平行な直線とがなす角である。

隣接する凸部３５同士の間には、内管３０の軸３８側に凹入する凹部３６が形成されている。

内管３０をねじるように形成したことにより、凸部３５及び凹部３６は螺旋状にカーブするように形成される。それにより、中間管２０内での内管に接する面での流れに乱流を発生させやすくする。それにより、媒体Ｂ内での熱移動が活発に行われることになり、媒体Ｂ、Ｃ同士の熱交換が活発に行われることとなり、媒体Ｂ、Ｃ同士の伝熱効果を向上させることが可能となる。

また、内管３０内の媒体Ｃは、凸部３５に沿って流れて、カーブの外側に集まり、管内側で乱流が発生しやすくなる。媒体Ｃの乱流によって、媒体Ｃの熱移動が活発に行われることとなり、媒体Ｂ、Ｃ同士の伝熱効果を向上させることが可能となる。

なお、上記実施形態では、外管１０、中間管２０及び内管３０に異なる媒体Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれ流したが、熱交換器の用途に応じて、媒体Ａ、Ｂ、Ｃのいずれか二つをおなじ媒体としてもよい。例えば、外管１０及び内管３０を直接的にまたは間接的に連結して、同じ媒体を流すようにしてもよい。また、媒体Ａ、Ｂ、Ｃを液体としたが、気体や固体であってもよい。

以上説明した実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０外管１１端部１２連結管１３連結管
２０中間管２１端部２２連結管２３連結管
２５山部２６谷部２７周壁２８軸
３０内管３１端部３５凸部３６凹部３７周壁３８軸

Claims

三つの管が互いに重なるように嵌め合わせられ、当該重なる順番に外側から外管、中間管、及び、内管を有し、前記外管、前記中間管及び前記内管に気体、液体及び固体のいずれかの媒体が入れられて用いられる三重管の構造において、
前記中間管は、当該中間管の周方向に山部と谷部とが交互に配された波形に形成され、前記山部は前記外管に接するように形成され、
前記谷部は前記内管に接するように形成され、
前記内管は、隣接する前記谷部の間にあって、当該谷部の入り口から当該谷部の奥部までの間の位置に進入するように形成される凸部を有し、
前記山部及び前記谷部並びに前記凸部は同数であって、内管の周方向に等間隔に２個以上設けられ、
前記中間管は、当該中間管の軸回りにねじれるように形成され、
前記内管は、当該内管の軸回り前記中間管に対し逆方向にねじれるように形成され、
前記内管の凸部は、前記谷部間に進入した位置において前記中間管に接していることを特徴とする三重管の構造。
請求項１に記載の三重管の構造と、前記外管、前記中間管及び前記内管にそれぞれ接続された流路とを有する熱交換器。