伝熱管及び熱交換器

【課題】螺旋状に巻回された伝熱管であって、比較的簡易な構成にて、巻回ピッチを小さくしても高い熱交換能力を有する伝熱管と、この伝熱管を用いた熱交換器とを提供する。
【解決手段】伝熱管１は星型多角形の螺旋状に巻回されている。この星型多角形は、正ｎ／ｍ角形であり、ｎは１７以下、ｍは２以上５以下の自然数であることが好適である。熱交換器は、この伝熱管１と、この伝熱管１が接する媒体とを有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱管と、この伝熱管を用いた熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
容器内に伝熱管を配置し、この伝熱管と接するように該容器内に媒体を充填するか又は流通させる熱交換器がある。この伝熱管に熱媒を流し、容器内の媒体と該熱媒との間で熱交換させる。
【０００３】
この熱交換器として、螺旋状に巻回された伝熱管を用いたものがある（特開２０１１−７３５２号公報、特開２００２−２１０３５号公報、特開２０００−２８３５９７号公報）。
【０００４】
第１５図（ａ），（ｂ）にこの螺旋状伝熱管の従来例を示す。第１５図（ａ）は、この螺旋状伝熱管を螺旋軸心線の延長方向から見た平面図（第１５図（ｂ）のＡ−Ａ線矢視図）であり、第１５図（ｂ）は、この螺旋状伝熱管を螺旋軸心線と直交方向から見た側面図（第１５図（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図）である。以下、上下方向は、第１５図（ｂ）における上下方向をいう。
【０００５】
第１５図（ａ），（ｂ）の通り、伝熱管１００は、その延在方向の途中部が円形の螺旋状に巻回され、螺旋状巻回部１１０とされている。伝熱管１００は、この螺旋状巻回部１１０が熱交換器の容器（図示略）内に配置され、一端側１００ａが熱媒循環装置（図示略）の熱媒送り出し口に接続され、他端側１００ｂが該熱媒循環装置の熱媒戻り口に接続される。
【０００６】
特開２００７−２９８２６６号公報には、伝熱管の外面にフィンを設けることにより、媒体との接触面積を増大させて熱交換効率を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７３５２号公報
【特許文献２】特開２００７−２９８２６６号公報
【特許文献３】特開２００２−２１０３５号公報
【特許文献４】特開２０００−２８３５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記伝熱管１００にあっては、螺旋状巻回部１１０は、環状に延在した伝熱管１００が上下多段に積層された如き構造となっており、上下に隣接した伝熱管１００同士が該螺旋状巻回部１１０の全周にわたって重なり合っている。そのため、螺旋状巻回部１１０の巻回ピッチが小さくなると、この上下に隣接した伝熱管１００の対向面同士が十分に熱交換に寄与できなくなり、熱交換効率が低下する可能性がある。
【０００９】
この場合、熱交換器の媒体が水などの流体であれば、ポンプ等を用いて容器内で媒体を循環させることにより、熱交換効率の低下を防止ないし抑制することが可能であるが、媒体が例えば固液相の潜熱を利用した氷やパラフィンなどの蓄熱材であると、媒体をポンプ等で循環させることが難しいので、熱交換効率の低下を防止ないし抑制することが難しくなる。
【００１０】
上記特開２００７−２９８２６６号公報のように、伝熱管の外面にフィンを設けて熱交換効率の向上を図ることも考えられるが、構成が複雑になり、コスト高となる。
【００１１】
本発明は、螺旋状に巻回された伝熱管であって、比較的簡易な構成にて、巻回ピッチを小さくしても高い熱交換能力を有する伝熱管と、この伝熱管を用いた熱交換器とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明（請求項１）の伝熱管は、星型多角形の螺旋状に巻回されたものである。
【００１３】
請求項２の伝熱管は、請求項１において、該星型多角形は正ｎ／ｍ角形であり、ｎは１７以下、ｍは２以上５以下の自然数であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明（請求項３）の伝熱管は、媒体と、該媒体と接する請求項１又は２に記載の伝熱管とを有するものである。
【００１５】
請求項４の熱交換器は、請求項３において、該媒体は蓄熱材であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の伝熱管は、星型多角形の螺旋状に巻回されたものである。伝熱管を星型多角形の螺旋状に巻回することにより、円形螺旋状に巻回した場合に比べて、螺旋軸心線方向に隣接する伝熱管同士の間で互いに重なり合う部分を少なくすることができる。そのため、仮に巻回ピッチを小さくした場合であっても、伝熱管同士の干渉が少ないので、伝熱管の外面にフィン等を設けることなく、高い熱交換効率を達成することができる。
【００１７】
伝熱管をｎ／ｍ角形の螺旋状に巻回する場合、ｎ／ｍの値が小さくなるほど、このｎ／ｍ角形の各頂点の内角が小さくなるので、伝熱管をこのｎ／ｍ角形状に屈曲させることが難しくなる。また、ｎ／ｍの値が大きくなるほど、このｎ／ｍ角形の各頂点の内角が大きくなるので、伝熱管をこのｎ／ｍ角形状に屈曲させるのは容易になる。しかしながら、ｎ／ｍの値が大きくなるほど、星型多角形の頂点の数が多くなり、且つ各頂点の内角が大きくなるため、この星型多角形の平面視形状が円形に近くなる。その結果、螺旋軸心線方向に隣接する伝熱管同士の間で互いに重なり合う部分が多くなるので、熱交換効率において従来の円形螺旋状伝熱管と大差ないものとなる。本発明では、この星型多角形は正ｎ／ｍ角形であり、ｎは１７以下、ｍは２以上５以下の自然数であることが好ましい。なお、星型正多角形の定義から、ｎ及びｍは、同じ数で割り切れない値であり、且つｎ＞２ｍである。
【００１８】
かかる本発明の伝熱管を備えた本発明の熱交換器にあっては、該熱交換器内で循環させにくい蓄熱材を媒体として用いた場合でも、効率よく伝熱管と媒体との間で熱交換させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係る伝熱管の平面図及び側面図である。
【図２】図１の伝熱管の星型螺旋状巻回部を成形するための成形型の平面図である。
【図３】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図４】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図５】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図６】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図７】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図８】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図９】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図１０】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形手順を示す平面図である。
【図１１】図２の成形型を用いた伝熱管の星型螺旋状巻回部の成形途中を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態に係る伝熱管の平面図である。
【図１３】実施の形態に係る伝熱管の平面図である。
【図１４】実施の形態に係る伝熱管の平面図である。
【図１５】従来例に係る伝熱管の平面図及び側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して実施の形態に係る伝熱管について説明する。
【００２１】
第１図（ａ）は、実施の形態に係る伝熱管を螺旋軸心線の延長方向から見た平面図（第１図（ｂ）のＡ−Ａ線矢視図）であり、第１図（ｂ）は、この伝熱管を螺旋軸心線と直交方向から見た側面図（第１図（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図）である。以下、上下方向は、第１図（ｂ）における上下方向をいう。
【００２２】
第１図（ａ），（ｂ）の通り、伝熱管１は、その延在方向の途中部が星型多角形の螺旋状に巻回された星型螺旋状巻回部１０となっている。この伝熱管１の延在方向の一端側１ａは熱媒循環装置（図示略）の熱媒送り出し口に接続され、他端側１ｂは該熱媒循環装置の熱媒戻り口に接続され、該熱媒循環装置から伝熱管１に熱媒が流される。
【００２３】
第１図（ａ）の通り、この実施の形態では、星型螺旋状巻回部１０において、伝熱管１を正７／２角形の螺旋状に巻回している。
【００２４】
以下の表１に、正ｎ／ｍ角形（ｎ，ｍは自然数）の内角の大きさを示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１の通り、正ｎ／ｍ角形は、ｎ／ｍが小さくなるほど、各頂点の内角が小さくなる。従って、伝熱管１を正ｎ／ｍ角形の螺旋状に巻回する場合、ｎ／ｍの値が小さくなるほど、このｎ／ｍ角形の各頂点の内角が小さくなるので、伝熱管をこのｎ／ｍ角形状に屈曲させることが難しくなる。また、ｎ／ｍの値が大きくなるほど、このｎ／ｍ角形の各頂点の内角が大きくなるので、伝熱管をこのｎ／ｍ角形状に屈曲させるのは容易になる。しかしながら、ｎ／ｍの値が大きくなるほど、星型多角形の頂点の数が多くなり、且つ各頂点の内角が大きくなるので、この星型多角形の平面視形状が円形に近くなる。その結果、螺旋軸心線方向に隣接する伝熱管１，１同士の間で互いに重なり合う部分が多くなるので、熱交換効率において従来の円形螺旋状伝熱管と大差ないものとなる。
【００２７】
本発明者らが伝熱管１を種々の星型多角形の螺旋状に巻回して検討した結果、伝熱管１を第１２図の星型螺旋状巻回部１０Ａのように正５／２角形の螺旋状に巻回する場合、この正５／２角形の各頂点の内角は３６°と小さく、各頂点において伝熱管１を小さな曲げ半径にて曲げる必要があるので、伝熱管１を正５／２角形の螺旋状に巻回するのは比較的難しいことが分かった。従って、正５／２角形よりもｎ／ｍ値の大きい星型多角形の螺旋状に伝熱管１を巻回するのが好ましい。さらに従来の円形螺旋状伝熱管との性能差を考慮すると、ｎは１７以下、ｍは２以上５以下であることが好ましく、特に、頂点の数の少ない方から順に７／２角形〜１７／５角形が好ましい。より具体的には、この星型多角形としては、第１図（ａ）の星型螺旋状巻回部１０の如き正７／２角形、第１３図の星型螺旋状巻回部１０Ｂの如き正１３／３角形、又は第１４図の星型螺旋状巻回部１０Ｃの如き正１７／４角形が好適である。なお、これらは星型多角形の一例であり、これらに限定されるものではない。
【００２８】
伝熱管１は合成樹脂製であることが好ましく、この合成樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂が好ましく、架橋ポリオレフィン樹脂がより好ましいが、これに限定されない。
【００２９】
次に、第２〜１０図を参照して、第１図（ａ）の正７／２角形の星型螺旋状巻回部１０の成形方法について説明する。第２図は、この正７／２角形の星型螺旋状巻回部１０を成形するための成形型２０の平面図、第３〜１０図は、この成形型２０を用いた星型螺旋状巻回部１０の成形手順を示す平面図、第１１図は、この成形型２０を用いた星型螺旋状巻回部１０の成形途中を示す斜視図である。
【００３０】
第２，１１図の通り、成形型２０は、ベース部２１から７個の伝熱管屈曲用治具３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が立設されている。伝熱管屈曲用治具３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７は、それぞれ、正７／２角形の各頂点に対応する位置に配置されている。第２図においては、図の右斜め下側の頂点から時計回りに順に伝熱管屈曲用治具３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が配置されている。この正７／２角形のうち、伝熱管屈曲用治具３１，３３同士を結ぶ辺を辺ａとし、伝熱管屈曲用治具３３，３５同士を結ぶ辺を辺ｂとし、伝熱管屈曲用治具３５，３７同士を結ぶ辺を辺ｃとし、伝熱管屈曲用治具３７，３２同士を結ぶ辺を辺ｄとし、伝熱管屈曲用治具３２，３４同士を結ぶ辺を辺ｅとし、伝熱管屈曲用治具３４，３６同士を結ぶ辺を辺ｆとし、伝熱管屈曲用治具３６，３１同士を結ぶ辺を辺ｇとする。
【００３１】
伝熱管屈曲用治具３１〜３７は、それぞれ、正７／２角形の各頂点における伝熱管１の曲げ半径と同一半径の円柱状となっている。なお、伝熱管屈曲用治具３１〜３７の断面形状は円形に限定されない。伝熱管屈曲用治具３１〜３７は、伝熱管１を構成する材質よりも硬度の高い金属製であることが好ましいが、これに限定されない。伝熱管１が合成樹脂製の場合、各伝熱管屈曲用治具３１〜３７は、ヒータによって該合成樹脂の軟化点温度まで加熱される。
【００３２】
星型螺旋状巻回部１０を成形する場合、まず第３図の通り、伝熱管１を辺ａに沿って引き回す。次に第４図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３３に当てて伝熱管屈曲用治具３５側へ屈曲させ、辺ｂに沿って引き回す。次に第５図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３５に当てて伝熱管屈曲用治具３７側へ屈曲させ、辺ｃに沿って引き回す。次に第６図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３７に当てて伝熱管屈曲用治具３２側へ屈曲させ、辺ｄに沿って引き回す。その際、この辺ｄに沿う伝熱管１を、辺ａに沿う伝熱管１の上方を横切るように引き回す。次に第７図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３２に当てて伝熱管屈曲用治具３４側へ屈曲させ、辺ｅに沿って引き回す。その際、この辺ｅに沿う伝熱管１を、辺ａに沿う伝熱管１及び辺ｂに沿う伝熱管１の上方を横切るように引き回す。次に第８図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３４に当てて伝熱管屈曲用治具３６側へ屈曲させ、辺ｆに沿って引き回す。その際、この辺ｆに沿う伝熱管１を、辺ｂに沿う伝熱管１及び辺ｃに沿う伝熱管１の上方を横切るように引き回す。次に第９図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３６に当てて伝熱管屈曲用治具３１側へ屈曲させ、辺ｇに沿って引き回す。その際、この辺ｇに沿う伝熱管１を、辺ｃに沿う伝熱管１及び辺ｄに沿う伝熱管１の上方を横切るように引き回す。次に第１０図の通り、伝熱管１を伝熱管屈曲用治具３１に当てて伝熱管屈曲用治具３３側へ屈曲させ、辺ａに沿って引き回す。その際、この辺ａに沿う伝熱管１を、辺ｄに沿う伝熱管１及び辺ｅに沿う伝熱管１の上方を横切るように引き回す。
【００３３】
その後、第４図〜第１０図の工程を必要回数繰り返すことにより、伝熱管１が正７／２角形の螺旋状に巻回された星型螺旋状巻回部１０が形成される。
【００３４】
伝熱管１として、例えば架橋ポリエチレンパイプを用いた場合には、この架橋ポリエチレンパイプを上記の手順にて星型螺旋状に巻回した後、それを架橋槽に入れてポリエチレンを架橋させる。この架橋により、ポリエチレンパイプの分子間にネットワークが生じ、ポリエチレンパイプが星型螺旋形状を記憶するようになる。
【００３５】
本発明の熱交換器（図示略）は、この伝熱管１と、この伝熱管１が接する媒体（図示略）とを有する。この伝熱管１は、例えば該熱交換器の媒体充填又は流通用の容器（図示略）内に星型螺旋状巻回部１０が配置され、一端側１ａが熱媒循環装置の熱媒送り出し口に接続され、他端側１ｂが該熱媒循環装置の熱媒戻り口に接続される。この伝熱管１に熱媒を流すことにより、容器内の媒体と該熱媒との間で熱交換される。
【００３６】
この熱交換器の媒体としては、各種の液体、気体、スラリー状流体などのいずれでもよい。本発明は、媒体が氷やパラフィン等の熱伝導性が低い蓄熱材である場合に採用するのに好適である。
【００３７】
伝熱管１に流される熱媒としては、例えば水や、エチレングリコール等の不凍液などを用いることができ、該不凍液としては、適宜、成分に防食剤や消泡剤等を添加したものを使用してもよい。
【００３８】
この伝熱管１は、星型螺旋状巻回部１０において、星型多角形（この実施の形態では正７／２角形）の螺旋状に巻回されている。そのため、円形螺旋状に巻回された従来の伝熱管１００に比べて、この星型螺旋状巻回部１０において、伝熱管１，１同士が重なり合っている部分が少ない。これにより、仮に星型螺旋状巻回部１０の巻回ピッチを小さくした場合であっても、伝熱管１，１同士の干渉が少ないので、例えば伝熱管１の外面にフィン等を設けることなく、高い熱交換効率を達成することができる。
【００３９】
従って、この伝熱管１を備えた熱交換器にあっては、該熱交換器内で循環させにくい蓄熱材を媒体として用いた場合でも、効率よく伝熱管１と媒体との間で熱交換させることができる。
【００４０】
上記の実施の形態は、本発明の一例であり、本発明は上記の実施の形態に限定されない。
【００４１】
例えば、成形型２０を用いて伝熱管１を星型螺旋状に巻回した後、この星型多角形の各辺ａ〜ｇの途中部で伝熱管１を切断することにより、所定の内角を有するＬ字ないしＶ字形の曲げパイプを量産しておき、これらの曲げパイプを、給水給湯や床暖房の分野において省スペースで曲がり部が必要な箇所に使用する曲げ継手として使用することもできる。このような場合において、曲げパイプを量産する方法として、本発明のように星型螺旋状に加工した伝熱管を使用することも可能であることを、予めここに記載しておく。
【符号の説明】
【００４２】
１伝熱管
１０，１０Ａ〜１０Ｃ星型螺旋状巻回部
２０星型螺旋状巻回部成形用の成形型
３１〜３７伝熱管屈曲用治具

【特許請求の範囲】
【請求項１】
星型多角形の螺旋状に巻回された伝熱管。
【請求項２】
請求項１において、該星型多角形は正ｎ／ｍ角形であり、ｎは１７以下、ｍは２以上５以下の自然数であることを特徴とする伝熱管。
【請求項３】
媒体と、
該媒体と接する請求項１又は２に記載の伝熱管と
を有する熱交換器。
【請求項４】
請求項３において、該媒体は蓄熱材であることを特徴とする熱交換器。

【図１】