JP2012127605A

JP2012127605A - 熱交換器及びその製造方法

Info

Publication number: JP2012127605A
Application number: JP2010281300A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takeuchi; 誠竹内
Original assignee: Suction Gas Engine Mfg Co Ltd
Current assignee: Suction Gas Engine Mfg Co Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】熱交換器を、高い温度の排ガスから熱エネルギを回収して水を加熱するような目的で使用する場合であっても、気体側の熱伝達率の低さに対応して伝熱面積を拡大できるようにする。
【解決手段】金属製の内管９を樹脂製の外管１１内に挿入し、さらに外管１１の外周面に複数の環状の伝熱フィン５を配置した状態で、内管９を拡管して塑性変形させる。これにより外管１１は、内管９と伝熱フィン５との間に挟まれて、これら両者間で表裏両側から強く押し付けられて強固に固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、管の内外を流れる流体相互間で熱交換を行う熱交換器及びその製造方法に関する。

管の外部に腐食性の流体または腐食性の成分を含む流体が通過する熱交換器の耐腐食性を高めるために、耐腐食性の高い例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂やガラスをコーティングする方法が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開平８−２１０６１７号公報

ところで、熱交換器において伝熱面積を増大させるために、管の外周面に伝熱フィンを取り付ける場合に、伝熱フィンを取り付けた後にフッ素樹脂などをコーティングすると、隣接する伝熱フィン間でコーティング材が凝縮、滞留するなどで均一な皮膜形成が困難となり、フィンのないベア管を用いることが一般的である。

このため、熱交換器を、例えば、高い温度の排ガスから熱エネルギを回収し、水を加熱するような目的で使用する場合には、気体側の熱伝達率の低さに対応して伝熱面積を拡大することが困難であり、熱交換器の大型化を招いている。

そこで、本発明は、熱交換器を、高い温度の排ガスから熱エネルギを回収して水を加熱するような目的で使用する場合であっても、気体側の熱伝達率の低さに対応して伝熱面積を拡大できるようにすることを目的としている。

本発明は、内部に第１の流体が流れる金属製の第１の管の外周面を、外部を前記第１の流体と熱交換する第２の流体が流れる樹脂製の第２の管で覆い、この第２の管の外周面に伝熱部材を圧着固定したことを特徴とする。

本発明によれば、金属製の第１の管の外周面を覆う樹脂製の第２の管の外周面に、伝熱部材を圧着固定したしたので、伝熱部材を取り付けた後にフッ素樹脂などをコーティングする場合のような隣接する伝熱フィン間でのコーティング材の凝縮、滞留を抑制しつつ、熱交換器を、高い温度の排ガスから熱エネルギを回収して水を加熱するような目的で使用する場合であっても、気体側の熱伝達率の低さに対応して伝熱面積を拡大することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態を示す熱交換器ユニットを複数並列配置して構成した環状フィンチューブ形の熱交換器の斜視図、（ｂ）は（ａ）の熱交換器ユニットの断面図である。図１の熱交換器ユニットと同様のチューブを使用したプレートフィンチューブ形の熱交換器の斜視図である。熱交換器に排ガスを供給するボイラを使用した排熱利用システムの簡略化した構成図である。本発明の第２の実施形態を示す熱交換器ユニットの正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態を示す熱交換器１は、例えば環状フィンチューブ形として構成しており、円筒形状のチューブ３の外周部に円盤形状の伝熱部材としての伝熱フィン５を複数取り付けた熱交換器ユニット７を複数並列配置している。チューブ３は、図１（ｂ）に示すように、金属製の第１の管としての円筒形状の内管９と、この内管９の外周面を覆う樹脂製の第２の管としての円筒形状の外管１１とから構成している。

ここで、内管９は、例えばアルミ合金などの金属製とし、外管１１はフッ素樹脂の例えばＰＴＦＥ製として耐腐食性を高めている。また、伝熱フィン５は、アルミ合金などの金属の表面に耐腐食性のある材料、例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂をコーティングしたもの、あるいは、全体がカーボンなどの非金属の耐腐食性材料で構成したものとする。

なお、ここでの熱交換器１は、後述するボイラからの排ガスの熱を利用して水を加熱するものとする。その際、ボイラからの排気Ｇが外管１１の外部を流れる第２の流体となり、加熱される水Ｗは内管９の内部を流れる第１の流体となる。

外管１１の外周面に固定してある伝熱フィン５は、平板状で環状に形成されてチューブ３の直径方向外側に向けて突出する本体部としてのフィン本体部５ａと、フィン本体部５ａの内周縁から外管１１の外周面に沿って延び、外管１１の外周面に固定される固定部５ｂとを備えている。固定部５ｂは円筒形状であり、そのフィン本体部５ａと反対側の先端は、隣接する伝熱フィン５のフィン本体部５ａに当接している。

ここで、内管９は拡管されて塑性変形しており、これにより内管９が直径方向外側に向けて外管１１の内面を押し付けて、内管９の外周面に外管１１を圧着固定している。内管９の拡管により、内管９の内面と外管１１の外面とが強固に圧着され、その際外管１１の外径も若干拡大する。このとき、内管９と外管１１とを圧着固定する前は、内管９を外管１１内に挿入できるように、内管９の外径を外管１１の内径より若干小さくしている。

内管９の拡管方法としては、例えば、先端に膨大部を備えたマンドレルを内管９内に挿入するか、あるいは、水圧でボールを内管９内に押し込むことで実施可能であるが、内管９の内径を拡大できるのであれば、どのような方法でも構わない。

また、伝熱フィン５も、内管９の上記した拡管によって、固定部５ｂの内面が外管１１外周面に押し付けられて圧着固定されている。このとき、外管１１と伝熱フィン５とを圧着固定する前は、外管１１を固定部５ｂの貫通孔５ｂ１に挿入できるように、外管１１の外径を貫通孔５ｂ１の内径より若干小さくしている。

このようにして作製した熱交換器ユニット７を、図１（ａ）のように複数並列配置して熱交換器１を構成する。

図２は、上記図１に示した環状フィンチューブ形の熱交換器１に代わるプレートフィンチューブ形の熱交換器１Ａを示している。この熱交換器１Ａは、図１の円形の伝熱フィン５に代わる矩形状の伝熱フィン１３に複数のチューブ３を取り付けている。チューブ３は、図１のものと同様に、内管９と外管１１とを備え、内管９を拡管して塑性変形させることで、内管９の外周面に外管１１を圧着固定するとともに、外管１１の外周面に伝熱フィン１３を圧着固定する。

図３は、上記した熱交換器１（１Ａ）に排ガスを供給するボイラ１５を使用した排熱利用システムの簡略化した構成図である。ボイラ１５から排出される排ガスＧの一部または全部を、排ガス管１７を通して熱交換器１（１Ａ）に供給することで、熱交換器１（１Ａ）のチューブ３内を流れる水Ｗを排ガスにより加熱して温水を得る。

その際、本実施形態では、チューブ３の外周部に伝熱フィン５（１３）を取り付けている。これにより、熱交換器１（１Ａ）を、図３に示すようなボイラ１５を利用した排熱利用システムのように、高い温度の排ガスから熱エネルギを回収し、水を加熱するような目的で使用する場合であっても、気体（排ガス）側の熱伝達率の低さに対応して伝熱面積を拡大すること可能となり、熱交換器の大型化を抑制して小型化を達成することができる。

ここで、本実施形態では、金属製の内管９を拡管して外方に押し広げることで、樹脂製の外管１１を拡管させ、この外管１１の拡管により伝熱フィン５（１３）を内方から加圧することで圧着固定している。このため、伝熱フィンを取り付けた後に金属性の管の外周面にフッ素樹脂などをコーティングする場合のような、隣接する伝熱フィン間でのコーティング材の凝縮、滞留の発生を抑制することができる。

また、内管９を拡管することで、外管１１は内管９と伝熱フィン５（１３）との間に挟まれて、これら両者間で表裏両側から強く押し付けられて強固に固定されることになり、内管９と外管１１との間の接触熱抵抗、及び、外管１１と伝熱フィン５（１３）との間の接触熱抵抗が、共に低減する。これにより、熱交換器として熱交換効率及び信頼性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、伝熱フィン５は、外管１１の外周面から外側に向けて突出するフィン本体部５ａと、フィン本体部５ａに対して屈曲して外管１１の外周面に沿って延び、外管１１の外周面に固定される固定部５ｂとを備えている。このため、フィン本体部５ａによって伝熱面積が拡大すると同時に、円筒形状の固定部５ｂによって伝熱フィン５は外管１１との接触面積がその分増大して接触熱抵抗が低減する。さらに、円筒形状の固定部５ｂによって外管１１の外周面を覆う面積が増大するので、外管１１の内管９からの剥離を抑えることもできる。

また、本実施形態では、伝熱フィン５（１３）は、少なくとも表面を耐食性の材料で構成している。このため、例えば前記したボイラ１５からの排ガスが腐食性の高い流体、例えば化石燃料の燃焼後の排ガスを露点以下に冷却する際に発生する硫酸を含むドレンなどが存在する環境であっても、伝熱フィン５（１３）の腐食を抑えることができる。

また、本実施形態では、外管１１をフッ素樹脂で構成している。このため、上記と同様にして、ボイラ１５からの排ガスが腐食性の高い流体、例えば化石燃料の燃焼後の排ガスを露点以下に冷却する際に発生する硫酸を含むドレンなどが存在する環境であっても、外管１１の腐食を抑えることができる。外管１１の腐食を抑えることで、内管９の腐食も抑えることができる。

したがって、本実施形態では、排ガス温度を露点以下に下げるまで熱回収が可能であって、より多くの排熱を回収することが可能となり、地球温暖化にとっても極めて有効である。

図４は、本発明の第２の実施形態に係わる熱交換器ユニット７Ａであり、この実施形態は、図１（ｂ）に示した第１の実施形態におけるものと同様のチューブ３の外周面に、伝熱フィン５に代わる螺旋形状の伝熱フィン１７を固定している。伝熱フィン１７は、伝熱フィン５と同様に、チューブ３の直径方向外側に向けて突出するフィン本体部１７ａと、フィン本体部１７ａの内周縁から外管１１の外周面に沿って延び、外管１１の外周面に固定される固定部１７ｂとを備えている。

なお、図４では、固定部１７ｂの先端を隣接するフィン本体部１７ａから離反させているが、図１（ｂ）と同様に接触させてもよい。

上記図４に示した伝熱フィン１７は、フィン本体部１７ａと固定部１７ｂとを備える断面ほぼＬ字形状のテープ状に形成した長尺のフィン構成体を、チューブ３の外周に張力を発生させつつ巻き付けて取り付けている。張力を発生させて巻き付けることで、伝熱フィン１７はチューブ３（外管１１）の外周面に圧着固定されることになる。この巻き付け作業を行う際には、内管９を外管１１内に挿入した状態で行う。この状態で巻き付け作業を行うことで、樹脂製の外管１１が内側に縮小変形し、伝熱フィン１７と外管１１とが強固に密着して固定されるとともに、外管１１と内管９とが強固に密着して固定される。

巻き付け方法としては、上記したフィン構成体の一端をチューブ３（外管１１）の外周面に接着などによって固定した後、例えば旋盤の主軸に取り付けたチューブ３を回転させつつ軸方向に移動させればよい。フィン構成体の他方の端部も、巻き付けた後に、チューブ３（外管１１）の外周面に接着などによって固定する。

なお、伝熱フィン１７は、アルミ合金などの金属の表面に耐腐食性のある材料、例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂をコーティングしたもの、あるいは、全体をフッ素樹脂で構成したものとする。

第２の実施形態では、金属製の内管９を樹脂製の外管１１内に挿入した状態で、外管１１の外周面に伝熱フィン１７を張力を付与しながら螺旋状に巻き付けることで圧着固定している。このため、第１の実施形態と同様に、伝熱フィンを取り付けた後に金属製の管の外周面にフッ素樹脂などをコーティングする場合のような、隣接する伝熱フィン間でのコーティング材の凝縮、滞留の発生を抑制することができる。

また、伝熱フィン１７は、外管１１の外周面に張力を付与しつつ加圧して取り付けているので、外管１１との間の接触熱抵抗が低減する。これにより、第１の実施形態と同様に、熱交換器として熱交換効率及び信頼性の向上を図ることができる。

なお、上記第２の実施形態では、伝熱フィン１７を巻き付けた後に、内管９を拡管してもよい。これにより、外管１１は内管９によって内側から強く押し付けられてさらに強固に固定されることになり、内管９と外管１１との間の接触熱抵抗がさらに低減する。また、このとき伝熱フィン１７も内側から強く押し付けられて外管１１に強固に固定されることになり、伝熱フィン１７と外管１１との間の接触熱抵抗もさらに低減する。

また、第２の実施形態では、１本のチューブ３につき１本の伝熱フィン１７を用意すればよく、第１の実施形態のように１本のチューブ３につき複数の伝熱フィン３を用意する場合に比較して部品管理が容易となる。

Ｗ水（第１の流体）
Ｇ排ガス（第２の流体）
１，１Ａ熱交換器
５，１３，１７伝熱フィン（伝熱部材）
５ａ，１７ａ伝熱フィンのフィン本体部（本体部）
５ｂ，１７ｂ伝熱フィンの固定部
９内管（金属製の第１の管）
１１外管（樹脂製の第２の管）

Claims

内部に第１の流体が流れる金属製の第１の管の外周面を、外部を前記第１の流体と熱交換する第２の流体が流れる樹脂製の第２の管で覆い、この第２の管の外周面に伝熱部材を圧着固定したことを特徴とする熱交換器。
前記第２の管は、拡管されて塑性変形した前記第１の管に圧着固定されるとともに、前記伝熱部材は、前記第１の管の拡管に伴う前記第２の管の拡管により圧着固定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱部材は、前記第２の管の外周面に、張力を発生させつつ螺旋状に巻き付けて固定した螺旋形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
前記伝熱部材は、前記第２の管の外周面から外側に向けて突出する本体部と、この本体部に対して屈曲して前記第２の管の外周面に沿って延び、前記第２の管の外周面に固定される固定部とを備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記伝熱部材は、少なくとも表面が耐食性の材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記第２の管は、フッ素樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱交換器。
内部に第１の流体が流れる金属製の第１の管の外周面を、外部を前記第１の流体と熱交換する第２の流体が流れる樹脂製の第２の管で覆い、この第２の管の外周面に伝熱部材を圧着固定して取り付けることを特徴とする熱交換器の製造方法。