JP2005147421A - 潜熱回収熱交換ユニット及び潜熱回収熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】構造がシンプルで製作コストが安く、条件に応じて熱交換器の容量、効率を設定できる潜熱回収熱交換ユニット及び熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換チューブ２及び４を一定の間隔をあけて渦巻状に形成した熱交換ユニット要素Ａ及びＢから成り、且つ前記要素Ａ及びＢは、チューブ２及び４が互いに重なり合わないようにずらして並設する。更に、前記要素Ａ及びＢは、渦巻きの内周端において接続管６で互いに連結し、流入側ヘッダー１２から要素Ａ内に流入した流体は、要素Ａの中心で接続管６を経由して要素Ｂ内に移り、この要素Ｂ内を経由して流体出側ヘッダー１４から外部に送出され、この間に潜熱の回収が行われるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、潜熱回収熱交換ユニット及び潜熱回収熱交換器に関する。

潜熱回収熱交換器としては、フイン付熱交換チューブを蛇行させた形状のものとか、多数の熱交換チューブを例えば煙道内に貫設させた構造のもの等が公知である。しかし、上記公知例にあっては、熱交換器が占有するスペースが比較的大きくなることと、効率を確保するためには、煙道等の寸法とか排気温度に合わせた設計が必要になるため、製作コストが高くつくと云った問題がある。そこで、熱交換チューブを渦巻き状に形成した以下に説明する熱交換器の提案がある。

特開平９−７２６７９号公報 この発明は、ボイラ等の缶体容積を小さくするために、所定長さの水管の略中央部をＵ字状に折曲し、このＵ字状折曲部を支点として水管を渦巻状に成形した構成である。 しかし、この発明にあっては、１本の水管を中央でＵ字状に折り曲げて渦巻き状に形成するため、加工が面倒であり、製作コストが高くつく。また、渦巻状の水管を多層に形成した場合、この水管が重なり合うために効率が悪く、一定の効率を得ようとした場合には熱交換器が大型化してしまうと云う問題がある。

特開平９−１２６６８８号公報 この発明は、直交流型の渦巻板式熱交換器において、清掃装置が少ない部品点数で構成簡易に達成でき、しかも組み込みも容易な渦巻板式熱交換器を得るために、渦巻流路及び軸方向流路を有して、両通路の一方に加熱流体を流入し、他方に被加熱流体を流入する直交流型の渦巻板式熱交換器において、伝熱板の上方で渦巻状の径方向に設置された支持部材と、支持部材を正逆両方向に回転させる回転駆動手段と、支持部材に対し移動自在に吊り下げられて、渦巻状の軸方向流路に垂下される付着物除去用棒状部材とからなる清掃装置１を備えた構成である。 しかし、この公知の発明にあっては、渦巻流路は夫々同心円で形成された蛇の目状を呈しており、流体が外から中心方向あるいは中心から外方向に渦巻き状に流れる上記した特許文献１のような所謂渦巻きとはなっていない。 また、この発明の渦巻流路は、単層であって、然も流路の断面は偏平な四角形状となっていることから、流路内において、流体の流速分布は均一化せず、効率が悪い。

特開平１１−２４８３７７号 この発明は、薄くて、凸凹が設けられ、且つ表面にはフッ素樹脂フィルムがライニング又はラミネートされた長尺の熱交換プレートを使用して、伝熱効率に優れ且つ洩れを生じないスパイラル型プレート式熱交換器に関し、プレートの軸方向開口端縁を封止する円盤状蓋材に所定の間隔に相当する幅の紐状中空ガスケットを配設し、該紐状中空ガスケットの中空部を液圧で直径方向に拡張し、プレートの開口端縁を側面から挟むことによってこれを気密に封止した構成である。 しかし、この発明にあっては、熱交換用のチューブがスパイラル状を呈しているが、特殊な用途を持ったプレートであって、潜熱回収用には適用できるものではない。

特開２００３−５１０５４７号公報 この発明は、共通の中心軸線のまわりに延び、渦巻状の実質的に平行な２つの流路を形成する少なくとも２つの渦巻状のシートを有するスパイラル式熱交換器に関し、各流路は、熱交換用の流体を中心軸線に対して実質的に接線方向に流すことができ、各流路は、それぞれの流路の出口又は入口を形成し、それぞれの流路の半径方向外側部に配置された半径方向外側のオリフィスと、それぞれの流路とそれぞれの入口／出口室との間の連通を可能にする半径方向内側のオリフィスとを有し、中心軸線が半径方向内側のオリフィスの入口／出口室を通り、スパイラル式熱交換器は、中心軸線のまわりに延び、流路に対して閉じた中心体を有する構成である。 しかし、この発明にあっては、平行な２つの流路が渦巻状に形成されているが、この流路は、上記特許文献３と同じように、偏平な断面四角形状を呈しており、然も密なる渦巻であって、単層構造であることから、構造が複雑であり、形状が大型化し、製作コストも高くつくと云う問題がある。

本発明の課題は、構造がシンプルで熱交換効率が高く、ユニット化することで設備や条件に合わせて自由に熱交換器の大きさ、性能を選択して設定することができる潜熱回収ユニット及び潜熱回収熱交換器を提供することである。

上記課題を解決する最良の形態として、請求項１に記載の発明においては、潜熱回収熱交換ユニットにおいて、熱交換チューブを同一平面内において一定の間隔をあけて渦巻状に形成した２つの熱交換ユニット要素Ａ及びＢから成り、且つ前記要素Ａ及びＢは、面に対して直角方向から見たとき、チューブが互いに重なり合わないようにずらして並設されていること、前記要素ＡとＢは、渦巻きの内周端においてチューブ同士が互いに連結されていると共に一方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流入口が形成され、他方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流出口が形成されていること、を特徴とするものである。

更に、請求項２に記載の発明においては、潜熱回収熱交換器において、熱交換チューブを同一平面内において一定の間隔をあけて渦巻状に形成した２つの熱交換ユニット要素Ａ及びＢから成り、且つ前記要素Ａ及びＢは、面に対して直角方向から見たとき、チューブが互いに重なり合わないようにずらして並設され、且つ前記要素Ａ及びＢは、渦巻きの内周端においてチューブ同士が互いに連結されていると共に一方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流入口が形成され、他方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流出口が形成された構成の潜熱回収熱交換ユニットをケース内に複数内設すると共にこのケースの外側に流体入側ヘッダーと流体出側ヘッダーを配置し、夫々の要素Ａ及びＢの流体流入口を流体入側ヘッダーに接続し、流体流出口を流体出側ヘッダーに接続した構成から成るものである。

更に、請求項３に記載の発明においては、潜熱回収熱交換器ユニット及び潜熱回収熱交換器において、請求項１又は２に記載の熱交換チューブの渦巻き形状は、円形又は多角形状から成ることを特徴とするものである。

更に、請求項４に記載の発明においては、潜熱回収熱交換器において、熱交換チューブを渦巻き状に捲いて円錐形状に形成した熱交換ユニット要素Ａと、熱交換チューブを渦巻き状に捲いて逆円錐形状に形成した熱交換ユニット要素Ｂとから成ると共に前記要素ＡとＢは、中心側のチューブの両端が互いに連結され、要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流入口が形成され、他方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流出口が形成されていること、を特徴とするものである。

本発明に斯る熱交換ユニットは、一方のユニット要素を構成する熱交換チューブの外周端の流体流入口内に流体入側ヘッダーを介して流入した流体は、熱交換チューブ内を中心方向に渦巻状に流れ、中心でもう一方のユニット要素側の熱交換チューブの中心側に移り、この熱交換チューブ内を外周方向に渦巻状に流れ、流出側ヘッダーに至り、この中心方向と外周方向への渦巻状の流れの間に熱交換チューブの外側を流れる例えば排気から潜熱を回収することができる。このような特徴を有する本発明の効果は次のとおりである。
１．ユニット要素ＡとＢは、互いに渦巻状に形成された熱交換チューブが互いに 重なり合わないように並設されているため、例えばダクト内を流れる排気の 流れの障害となる部分が少なく、排気に対する圧損が小さい。
２．ユニット要素ＡとＢは、構造がシンプルなため、製作が容易である。
３．熱交換器は、ユニット要素ＡとＢで構成されているだけのため、構造がシン プルで、製作が容易であり、製作コストも安い。
４．熱交換器は、ダクト内にユニットの数を増大して、又は減少させて構成する ことができるため、用途に応じた製作ができる。
５．円錐形と逆円錐形の要素を組み合わせた熱交換器にあっては、例えば狭い、 あるいは細い煙道内に取り付けて用いることができる。

図１は、請求項１〜３に記載した発明に対応する熱交換ユニット１の正面図、図２はＡ−Ａ´線断面図、図３は熱交換器の正面図、図４は本発明に係る熱交換器をダクトに取り付けた状態の説明図である。
符号の１は、熱交換ユニットであって、この熱交換ユニット１は、外周端に流体流入口３を形成し、一定の間隔Ｗをあけて収径する方向に渦巻状に形成された熱交換チューブ２で構成されたユニット要素Ａと、熱交換チューブ４の外周端に流体流出口５を形成し、一定の間隔Ｗ₁をあけて収径する方向に渦巻状に形成されたユニット要素Ｂと、前記ユニット要素ＡとＢの熱交換チューブ２、４の渦巻きの中心において接続管６で連結されており、互いの熱交換チューブ２、４は、重ならないように、正面から見た時に間隔Ｗ及びＷ₁に夫々が臨んだ構成である。

７は、ユニット要素ＡとＢを組み立てている四角形のユニット枠、８、８ａは、このユニット枠７の対向する枠辺の中央を繋ぐように掛け渡されたチューブ固定フレームであって、熱交換チューブ２及び４は、固定バンド９（図４参照）で周回ごとに固定フレーム８、８ａに夫々固定されている。
以上に説明した熱交換ユニット１は、単独で利用することも勿論可能であるが、通常は、ケース内に複数並設した構成の熱交換器として一体化され、ダクト等に取り付けて用いられる。

図３、図４は、このダクト内にユニットを多数並設した構成の熱交換器を示すもので、熱交換器１０は、両端１０ａを開放した四角形のケース１１内にユニット１を５組並設し、ケース１１の側面と下面に各ユニット１…の流体流入口３に続くニップル３ａ及び流体流出口５に続くニップル５ａを露出させ、このニップル３ａに流体入側ヘッダー１２を流入管１３、ロックナット１３ａで結び、流体出側ヘッダー１４に流出管１５、ロックナット１５ａで結んだ構成である。図中１６は覗きガラス窓、１７は排気ダクトであって、上記熱交換器１０は、この排気ダクト１７間に両端１０ａで夫々接続される。

上記実施例においては、排気ダクト１７内を排気が流れることにより、この排気は、熱交換器１０内において、ユニット要素Ａ及びＢの渦巻状の熱交換チューブ２、４間を通過するときに、この熱交換チューブ２、４内を流れる流体に潜熱を与え、流体を加熱する。
上記実施例１において、熱交換ユニット１は、すべてステンレス製であるが、材質としては、耐腐食性、耐熱性、耐衝撃性等の条件を、用途ごとに満足する限りにおいて、例えば銅、チタン等を適宜用いることができる。
熱交換ユニット１の外形は、本実施例１においては四角形のダクト１７用として四角形の渦巻き状に形成されているが、すべて円形としても良い。或いは、特殊な例として、三角形、五角形、六角形等の多角形を呈する形状としても良い。

本実施例２は、熱交換チューブ２を同一平面内において渦巻状に形成し、これを単独で用いるか、実施例１と同様、２枚のユニット要素ＡとＢを合わせて熱交換ユニット１を構成したもので、６は中心部において要素ＡとＢの熱交換チューブ２を繋ぐ接続管である。図５はユニット１のその正面図、図６は前記ユニット１を多数並べて熱交換器１０としたもので、１８は、流体入側と出側が一体となった流体出入りヘッダーであって、このヘッダー１８を用いた流体の流れは、実施例１と同じように、例えば要素Ａの外周側から流体が入り、中心の接続管６から要素Ｂに移り、この要素Ｂの外周からヘッダー１８内に戻る。
この実施例２においても、ユニット１の数を任意に設定しながら、熱交換器１０を設計することができる。また、要素Ａ又はＢを単独で用いる場合には、渦巻きの外周側から流体を流入し、中心から外部に送出するか、反対に中心から流体を流入し、外周側から外部に送出する。

本実施例３は、請求項４に記載の発明に対応するもので、実施例１、２との違いは、図７に示すように、熱交換チューブ２を同一平面内において渦巻状に形成するのではなく、螺旋状に捲くことにより円錐形状に形成し、この円錐形状の要素Ａと同じように螺旋状に捲くことにより逆円錐形状に形成された要素Ｂを接続管６で接続することにより一対の熱交換ユニット１を構成し、これを例えば煙道ａ内に組み込むものである。
この形状の熱交換ユニット１の組み合わせは連続して長手方向に延長させてもよく、煙道ａが小径の場合に、煙道ａ内の圧力を極力抑えながら、伝熱面積を拡大する場合に有効である。また、チューブ２、４内を流れる流体の圧損も小さくなり、性能向上に有効である。

本発明に係る熱交換ユニット及び熱交換器は、次のような分野において利用することが出来る。
１．各種設備で発生し、廃棄される排気からの潜熱回収熱交換器。
２．各種機器における液と液又は液と気体用の熱交換器。
３．暖房又は冷房用熱交換器。

図１は本発明に係る熱交換ユニットの正面図。 Ａ−Ａ´線断面図。 本発明に係る熱交換器の正面図。 本発明に係る熱交換器を排気ダクト内に取り付けて潜熱回収を行うようにした実施例の説明図。 実施例２の熱交換ユニットの正面図。 実施例２の熱交換器の説明図。 実施例３の熱交換器の説明図。

符号の説明

１ 熱交換ユニット
２ 熱交換チューブ
３ 流体流入口
４ 熱交換チューブ
５ 流体流出口
６ 接続管
７ ユニット枠
８、８ａ 固定フレーム
９ 固定バンド
１０ 熱交換器
１０ａ 両端
１１ ケース
１２ 流体入側ヘッダー
１３ 流入管
１４ 流体出側ヘッダー
１５ 流出管
１６ 覗きガラス窓
１７ 排気ダクト
１８ 流体出入りヘッダー
ａ 煙道

Claims (4)

1. 熱交換チューブを同一平面内において一定の間隔をあけて渦巻状に形成した２つの熱交換ユニット要素Ａ及びＢから成り、且つ前記要素Ａ及びＢは、面に対して直角方向から見たとき、チューブが互いに重なり合わないようにずらして並設されていること、前記要素ＡとＢは、渦巻きの内周端においてチューブ同士が互いに連結されていると共に一方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流入口が形成され、他方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流出口が形成されていること、を特徴とする潜熱回収熱交換ユニット。
2. 熱交換チューブを同一平面内において一定の間隔をあけて渦巻状に形成した２つの熱交換ユニット要素Ａ及びＢから成り、且つ前記要素Ａ及びＢは、面に対して直角方向から見たとき、チューブが互いに重なり合わないようにずらして並設され、且つ前記要素Ａ及びＢは、渦巻きの内周端においてチューブ同士が互いに連結されていると共に一方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流入口が形成され、他方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流出口が形成された構成の潜熱回収熱交換ユニットをケース内に複数内設すると共にこのケースの外側に流体入側ヘッダーと流体出側ヘッダーを配置し、夫々の要素Ａ及びＢの流体流入口を流体入側ヘッダーに接続し、流体流出口を流体出側ヘッダーに接続した構成から成る潜熱回収熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換チューブの渦巻き形状は、円形又は多角形状から成ることを特徴とする潜熱回収熱交換器ユニット及び潜熱回収熱交換器。
4. 熱交換チューブを渦巻き状に捲いて円錐形状に形成した熱交換ユニット要素Ａと、熱交換チューブを渦巻き状に捲いて逆円錐形状に形成した熱交換ユニット要素Ｂとから成ると共に前記要素ＡとＢは、中心側のチューブの両端が互いに連結され、要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流入口が形成され、他方の要素Ａ又はＢのチューブの外周端には流体流出口が形成されていること、を特徴とする潜熱回収熱交換器。
   
   

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