JP2005221181A - 二重管型熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高温に耐え得る多管型熱交換器であって、構造が簡単で管の熱膨張を吸収すると共に、コンパクトで高温耐熱材料を少なくし得る熱交換器の提供。
【構成】 ケーシング２の一方側に第１ヘッダ12と第２ヘッダ13とを並列させ、第１ヘッダ12の第１ヘッダープレート３に大径管７の一端を接続し、その他端を閉塞する共に、他端部外周を支持プレート15の管挿通孔16に熱膨張自在に挿通する。そして、第２ヘッダープレート８に小径管11の一端を貫通させ、その貫通部を固定する共に、小径管11を大径管７内に熱膨張自在に挿通する。そして、大径管７の材料は小径管11の材料よりも耐熱性の高いものを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温度に耐え得る多管式の熱交換器に関する。
高温の排ガスが流通する多管式熱交換器は、並列された多数の管の両端部を出入口ヘッダーに貫通固定し、一対のヘッダー間をケーシングで覆った構造のものが知られている。そしてケーシング内に排ガスを流通させ、各管内に被加熱流体を流通して両流体間に熱交換を行うものである。排ガスが高温の場合には、ケーシングの熱膨張と各管の熱膨張とが異なり、管の付根に熱歪を生じる。このような熱歪を防止するため、ケーシングに蛇腹状の伸縮部を設け、熱応力を減少させる試みがなされている。
特開平０９−２２９５８３号公報
熱膨張を吸収するため、ケーシングに伸縮自在な屈曲部を形成する場合、ケーシングの構造が複雑になると共に、屈曲部の耐熱性に問題が生じる。また従来の並列された多数の管は高温に耐え得るように全て耐熱性合金材料を用いる必要があった。さらに、熱交換を十分に行うためには、被加熱流体が流通する多数の管の長さをある程度以上長くせざるをえなく、コンパクト性に欠ける欠点があった。
そこで本発明はこれらの問題点を解決することを課題とする。
請求項１に記載の本発明は、第１流体(1) が流通するケーシング(2) と、
そのケーシング(2) の一方側の端に設けた第１ヘッダープレート(3) と、
その第１ヘッダープレート(3) の管挿通孔(4) に一端開口部(5) が挿通固定され、他端開口(6) が閉塞されて、ケーシング(2) 内に配設される大径管(7) と、
前記第１ヘッダープレート(3) に対向して、前記一方側に配置された第２ヘッダープレート(8) と、
その大径管(7) 内に間隔をあけて挿通され、その一端開口部(9）がその第２ヘッダープレート(8) の管挿通孔(10)に挿通固定された小径管(11)と、
前記第２ヘッダープレート(8) と第１ヘッダープレート(3) との間に配置された第１ヘッダ(12)と、
前記第２ヘッダープレート(8) に、前記第１ヘッダ(12)の反対側に設けられた第２ヘッダ(13)と、
を具備し、
前記小径管(11)が前記大径管(7) に対して相対的に熱膨張自在に支持されると共に、前記大径管(7) が前記ケーシング(2) 内で、熱膨張可能となるように前記ケーシング(2) に支持され、
第２ヘッダ(13)と第１ヘッダ(12)との一方から流入した第２流体(14)が、前記小径管(11)と大径管(7) の一方から他方にその先端部でＵターンして流通し、他方のヘッダに導かれるように構成した二重管型熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
加熱流体である第１流体(1) がケーシング(2) 内に導かれ、
被加熱流体である前記第２流体(14)が、前記第２ヘッダ(13)から小径管(11)に導かれ、次いでその小径管(11)の先端からＵターンして大径管(7) を逆流し、第１ヘッダ(12)に導かれるように構成された二重管型熱交換器である。
請求項３に記載の本発明は、請求項２において、大径管(7) の材料が小径管(11)の材料より耐熱性の高い合金材で形成された二重管型熱交換器である。
請求項４に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
前記ケーシング(2) の第１ヘッダープレート(3) に対して、第２ヘッダープレート(8) の反対側で、その第１ヘッダープレート(3) に対向して支持プレート(15)が配置され、
その支持プレート(15)の管挿通孔(16)に前記大径管(7) の先端部が、その軸線方向の熱膨張に伴う相対移動を自在とするように挿通支持された二重管型熱交換器である。
請求項５に記載の本発明は、請求項４において、
前記支持プレート(15)に空間をあけて対向し、その支持プレート(15)を覆うように閉塞部材(17)が被蔽された二重管型熱交換器である。
本発明の二重管型熱交換器は、小径管11が相対的に熱膨張自在に大径管７に挿通支持され、その大径管７の一端がケーシング２に熱膨張可能に支持されているから、小径管11および大径管７の固定部に熱応力が発生することを防止し、特に高温度用熱交換器として耐久性の高いものとなる。
また、小径管11が大径管７内に挿通され、その小径管11の先端部で第２流体14がＵターンして流通するように構成したため、流路長を長くとりつつ、コンパクトな熱交換器となり得る。
上記構成において、加熱流体である第１流体１がケーシング２内に導かれ、被加熱流体である第２流体14が第２ヘッダ13から小径管11に導かれ、次いでその小径管11の先端からＵターンして大径管７を逆流して第１ヘッダ12に導かれるように構成することができる。 この場合には、小径管11内を第２流体14が流通する間に、その外面側を流通する加熱された第２流体14によって熱交換が行われる。それによりコンパクトな二重管で熱交換効率を向上させることができる。
上記構成において、大径管７を高温耐熱合金材で形成し、その耐熱性より劣る材料で小径管11を形成することができる。このように構成することにより、より高温側の大径管７の耐熱性を向上し、より低温側の小径管11の材料をそれより耐熱性の劣る経済的なものを採用できる。それにより全体として経済的で耐熱性の高い二重管型熱交換器を提供できる。
上記構成において、ケーシング２の支持プレート15の管挿通孔16に大径管７の先端部を支持させ、それが軸線方向の熱膨張に伴う移動ができるように配置することができる。このようにすることにより、構造が簡単で大径管７の固定部に熱歪を生じさせない耐熱性の高い熱交換器となり得る。
上記構成において、支持プレート15に空間をあけて対向し、その支持プレート(15)を覆うように閉塞部材(17)を被蔽することができる。このようにすることにより簡単な構造でケーシング２内の第１流体１が大径管７の先端部と管挿通孔16との間から外部に流出することを防止できる。
次に図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の二重管型熱交換器の要部横断面図であり、図６はその組立て状態を示す説明図、図７はその組立て後の状態を示す斜視図である。
この熱交換器は、図１および図６に示す如く、並列された多数の大径管７と各大径管７内に挿入される小径管11と、それらの外周を被閉するケーシング２と、ケーシング２の一方側に夫々配置される第１ヘッダ12、第２ヘッダ13とを有する。そのケーシング２は、第１ヘッダープレート３と支持プレート15とが対向して配置され、その第１ヘッダープレート３の多数の管挿通孔４にそれぞれ大径管７の一端が挿通され、その挿通部が溶接固定されて、夫々の大径管７の一端開口部５が第１ヘッダ12に連通する。そして大径管７の他端（先端）には端蓋18が嵌着され、その嵌着部が溶接固定されている。
さらに、大径管７の先端部は、ケーシング２の支持プレート15の管挿通孔16に挿通され、大径管７の熱膨張の際に、それが管挿通孔16内を軸線方向に移動できるように支持されている。即ち、夫々の管挿通孔16の内径が大径管７の先端外径より僅かに大に形成され、その挿通部は固定されることなく、移動自在に支持されている。
この大径管７は、高温耐熱性合金材料からなる。支持プレート15の外側には、浅い鍋型の閉塞部材17が被嵌され、その開口縁がケーシング２の外周縁部に溶接固定されている。 次に、第１ヘッダ12は対向する第１ヘッダープレート３と第２ヘッダープレート８とを有する。また、第２ヘッダ13は対向する第２ヘッダープレート８と端板13ａとを有する。
第２ヘッダープレート８には多数の管挿通孔10が穿設され、その管挿通孔10に小径管11の一端開口部９が貫通し、その貫通部が溶接固定されている。夫々の小径管11は大径管７内に、固定されることなく、その軸線方向に熱膨張自在に挿入されている。
第１ヘッダ12および第２ヘッダ13には一対の出口パイプ22、入口パイプ21が設けられ、ケーシング２には第１流体の流入・流出用の、図 6，図７に示す、フランジ20が設けられている。そして、図６，図７の如く組立てられ、ケーシング２内を一方のフランジ20から他方のフランジ20に高温の加熱ガスである第１流体１が流通し、被加熱流体である第２流体14が入口パイプ21から第２ヘッダ13を介し、小径管11に流入する。そして小径管11の内部を流通し、図１の如く、その先端でＵターンし、大径管７内を逆流して第１ヘッダ12から出口パイプ22を介し外部に導かれる。
この第２流体14は、小径管11内を流通する間に、その外周に流通する第２流体14と熱交換し、大径管７内を流通する間に、その大径管７外周の第１流体１との間で熱交換をして高温となり、外部に導かれる。
ケーシング２内に第１流体１を流通すると、ケーシング２の熱膨張と大径管７のそれとの間に、差が生じるが、各大径管７は支持プレート15の管挿通孔16内をその軸線方向に移動して、両者の熱膨張の差が吸収される。また大径管７の温度と小径管11の温度も異なるため、両者の間にも熱膨張に差が生じるが、両者が軸線方向に相対移動可能に支持されていることにより、その膨張差が吸収される。大径管７は第１流体１により高温にさらされるが、その内部に位置する小径管11は、それほど高温度ではない。そこで、小径管11の材料は大径管７の耐熱性よりも劣る材料で形成できる。そのようにすることにより、経済的な熱交換器を提供できる。
次に図２は大径管７の開口端に設けた端蓋18の他の例であり、この端蓋18は大径管７の先端を閉塞すると共に、その端蓋18の中心に大径管７より小径の軸部を外方に突出し、その軸部が支持プレート15の管挿通孔16に移動自在に挿通される。このように端蓋18の外面側に小径の軸部を一体に突設することにより、比較的直径の小さな管挿通孔16に大径管７を支持させることができる。それにより、管挿通孔16と端蓋18との管の隙間面積を小さくし、大径管７の支持を容易とすることができる。
次に、図３は大径管７に挿入される小径管11外面に螺旋状のフィン19を取り付け、そのフィン19の外周が大径管７内面に接触するように支持したものである。この場合にも、大径管７と小径管11との間に熱膨張の差が生じたとき、大径管７内で小径管11が軸線方向に自由に移動できるように構成されている。そして、小径管11と大径管７との間に流通する第２流体14は、フィン19の螺旋に案内されて螺旋移動し、それが攪拌されると共に、その流路長を長くすることができる。そして、大径管７外周に流通する第１流体１との熱交換を促進できる。
次に、図４は本発明の熱交換器の小径管11の他の例を示し、この例は、小径管11の軸線が螺旋状に曲折し、その外周が大径管７内周に部分的に接触するものである。このように構成すると、小径管11内を螺旋状に流通した第２流体14は、小径管11の先端をＵターンして小径管11の外面と大径管７の内面との間を螺旋状に逆流する。
次に、図５は本発明の熱交換器の小径管11の更に他の例を示し、この例の小径管11は、その断面外周が星型に形成され、その星型の先端縁が大径管７内面に移動自在に接触されたものである。このようにすることにより、小径管11の表面積を大きくし、熱交換を促進し得る。
本発明の二重管型熱交換器の要部横断面図。 同熱交換器の大径管７先端閉塞部の他の例を示す横断面図。 本発明の熱交換器の小径管11の他の例を示す縦断面図。
本発明の熱交換器の小径管11の更に他の例を示す縦断面図。 本発明の熱交換器の小径管11の更に他の例を示す横断面図。 本発明の熱交換器の分解斜視図。 同熱交換器の組立て状態を示す斜視図。
符号の説明
１ 第１流体
２ ケーシング
３ 第１ヘッダープレート
４ 管挿通孔
５ 開口部
６ 開口
７ 大径管
８ 第２ヘッダープレート
９ 開口部
10 管挿通孔
11 小径管
12 第１ヘッダ
13 第２ヘッダ
13ａ 端板
14 第２流体
15 支持プレート
16 管挿通孔
17 閉塞部材
18 端蓋
19 フィン
20 フランジ
21 入口パイプ
22 出口パイプ

Claims (5)

  1. 第１流体(1) が流通するケーシング(2) と、
    そのケーシング(2) の一方側の端に設けた第１ヘッダープレート(3) と、
    その第１ヘッダープレート(3) の管挿通孔(4) に一端開口部(5) が挿通固定され、他端開口(6) が閉塞されて、ケーシング(2) 内に配設される大径管(7) と、
    前記第１ヘッダープレート(3) に対向して、前記一方側に配置された第２ヘッダープレート(8) と、
    その大径管(7) 内に間隔をあけて挿通され、その一端開口部(9) がその第２ヘッダープレート(8) の管挿通孔(10)に挿通固定された小径管(11)と、
    前記第２ヘッダープレート(8) と第１ヘッダープレート(3) との間に配置された第１ヘッダ(12)と、
    前記第２ヘッダープレート(8) に、前記第１ヘッダ(12)の反対側に設けられた第２ヘッダ(13)と、
    を具備し、
    前記小径管(11)が前記大径管(7) に対して相対的に熱膨張自在に支持されると共に、前記大径管(7) が前記ケーシング(2) 内で、熱膨張可能となるように前記ケーシング(2) に支持され、
    第２ヘッダ(13)と第１ヘッダ(12)との一方から流入した第２流体(14)が、前記小径管(11)と大径管(7) の一方から他方にその先端部でＵターンして流通し、他方のヘッダに導かれるように構成した二重管型熱交換器。
  2. 請求項１において、
    加熱流体である第１流体(1) がケーシング(2) 内に導かれ、
    被加熱流体である前記第２流体(14)が、前記第２ヘッダ(13)から小径管(11)に導かれ、次いでその小径管(11)の先端からＵターンして大径管(7) を逆流し、第１ヘッダ(12)に導かれるように構成された二重管型熱交換器。
  3. 請求項２において、大径管(7) の材料が小径管(11)の材料より耐熱性の高い合金材で形成された二重管型熱交換器。
  4. 請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
    前記ケーシング(2) の第１ヘッダープレート(3) に対して、第２ヘッダープレート(8) の反対側で、その第１ヘッダープレート(3) に対向して支持プレート(15)が配置され、
    その支持プレート(15)の管挿通孔(16)に前記大径管(7) の先端部が、その軸線方向の熱膨張に伴う相対移動を自在とするように挿通支持された二重管型熱交換器。
  5. 請求項４において、
    前記支持プレート(15)に空間をあけて対向し、その支持プレート(15)を覆うように閉塞部材(17)が被蔽された二重管型熱交換器。
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