JP2013231557A - 排気用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】液体と接触した場合の耐久性を有する材質であり安価に生産できるチューブを用いて、耐腐食性及び熱交換高率の高い排気用熱交換器を提供すること。チューブ交換の頻度が低く、交換が必要となる前に目視などの方法によって交換の必要性を認識できるような排気用熱交換器を提供すること。さらに、液体流路及び液体流量の調整を容易に行うことができる排気用熱交換器を提供すること。
【解決手段】並列複数本のステンレス製チューブをアルミニウム製の板状体に射込む。板状体に５ｍｍ以上の厚みを持たせ、円錐台状の突起を多数設ける。多数の並列チューブを２組以上のチューブ群に分け、チューブ群ごとの液体流路を構成する間仕切りを切り欠くことによって液体流路の選択を可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気される気体の熱を液体に移動する排気用熱交換器に関するものである。

気体の熱を液体に移動するのに用いる熱交換器は、省エネルギー目的の排ガス熱回収に利用され，フィンチューブ式やフィンプレート式のものが広く用いられている。しかし、燃焼排ガスには熱交換器を腐食させる腐食物質（硫化物、窒素酸化物等）が含まれ、特に酸露点より低温域では以下のような問題があった。（１）フィンの端部、チューブとフィンの接触部、プレートとフィンの接触部からフィン、チューブ、プレートが腐食され、液体側の流路が破損して液体が漏洩する。（２）フィンの間隔が狭く、フィン表面が腐食・膨張して気体流路を閉塞させる。（３）フィンとチューブの間またはフィンとプレートの間に、腐食で空隙が生じて、気体から液体への熱移動の効率が低くなる。

特許文献１には、オールアルミニウムのフィンチューブ式熱交換器が開示されている。上記（１）の問題については、成分を変えた多種のアルミニウム合金を用い、チューブ本体よりも腐食電位が卑な部材を犠牲材としてチューブ本体の腐食を防止している。上記（２）の問題については、フィンの間隔を広げることで対策している。上記（３）の問題については、チューブとフィンとをどのように接合するかについての厳密な記載がなく、どの程度の緩和がされているかは不明である。
このように、特許文献１に開示されたフィンチューブ式熱交換器は、上記の問題の解決に資するものである。一方、チューブの材質がアルミニウムであるため、液体と接触した場合の耐久性に問題がある。

チューブとして、ステンレス製やチタン製のものを用いれば、窒素酸化物、塩素等に対する耐腐食性は高くなる。しかし、硫化物に対しては耐腐食性が十分ではない。
なお、チューブとして炭化珪素など高熱伝導性のセラミック系材料を用いれば、硫化物に対しても腐食の問題はない。しかし、これらの材料は高価かつ厚肉構造で、熱交換器も高価かつ大型化して設置工事費も多く要する。よって排熱有効利用による省エネルギーを図るコストメリットがなくなってしまう。

特開２００９−２５０５６２号公報

解決しようとする課題は、液体と接触した場合の耐久性を有する材質であり安価に生産できるチューブを用いて、上記（１）〜（３）の問題を解決した排気用熱交換器を提供することである。合わせて、液体流路及び液体流量の最適化を容易に行うことができる排気用熱交換器を提供することである。

チューブとフィンとの間の空隙がなくても、フィン（又はチューブを被覆する部品）が腐食されてしまうとチューブが露見するので、チューブの腐食について完全な防止ができるものではない。このため、チューブが破壊される前に新しいものと交換することが行われてきた。安全に、かつ、高コストにならずに熱交換器を運用するために、チューブ交換の頻度が低く、交換が必要となる前に目視などの方法によって交換の必要性を認識できるような排気用熱交換器を提供することも、課題である。

本発明の排気用熱交換器は、
平行に配されたチューブからなるステンレス製の液体接触部と、
前記チューブの外壁面を被覆し表面積増加造形された板状体であるアルミニウム製の気体接触部とを備え、
前記チューブを前記板状体に鋳込んで製造されたものであることを特徴とする。
フィンチューブ式熱交換器のフィンに替えて板状体を用いる。板状体は、チューブの外壁面を完全に被覆するものであり、チューブは排ガス等の気体側には接触しない構造となっている。チューブを板状体に鋳込んで製造することにより、チューブと板状体との間の空隙はなく、チューブと板状体との間に微細な空気層が存在することもない。上記（１）及び（３）の問題が解決される。なお、アルミニウムの融点はステンレスよりも低いので、ステンレス製のチューブをアルミニウム製の板状体に鋳込むことができる。

本発明の排気用熱交換器は、
前記板状体は、前記チューブ外周の外側に５ｍｍ以上の厚みを有することを特徴とする。
板状体が先に腐食されて、その後に腐食物質がチューブに接する。板状体に５ｍｍ以上の厚みを持たせることにより、板状体が腐食されるのに長期間を要し、チューブ交換の頻度が低くなる。また、板状体が腐食されて腐食物質がチューブに接するようになるとアルミニウム製の板状体の間にステンレス製のチューブが見えるので、チューブを交換すべき必要性を認識することができる。なお、アルミニウムはステンレスに対して腐食電位が卑であるので、ステンレス製のチューブが見えた後も犠牲陽極材として働き、チューブの腐食を遅延させている。ユーザは、交換までの時期的な余裕を持って、チューブを交換すべき必要性を認識することができる。

本発明の排気用熱交換器は、
前記表面積増加造形は、板状の表面に円錐台状の突起を多数設けたものであり、前記突起の先端部において隣接する突起間の距離が５ｍｍ〜７ｍｍであることを特徴とする。
板状体の表面積を増加させて、熱吸収力を高めるものである。突起間の距離は十分に大きく、上記（２）の問題が解決される。
また、乱流を定常的に発生させて気体から板状体への熱伝達効率を高めている。

本発明の排気用熱交換器は、
全ての前記チューブの一方の端部及び他方の端部をそれぞれ嵌合して保持する２枚のチューブシートを備え、
前記チューブシートは前記チューブの長手方向から見て略長方形状であり、該長方形の長辺に沿って少なくとも２つの区画に区分され、前記区画の境界に少なくとも１ｍｍ幅の前記チューブが嵌合されない境界領域を有することを特徴とする。
チューブシートによってチューブを固定している。また、次段落に示すように間仕切りを切り欠くことによって液体流路の選択を行う場合に、間仕切りを境界領域部に設けて間仕切りによってチューブを塞いでしまうことがないようにする。

本発明の排気用熱交換器は、
前記チューブシートの前記チューブの終端の側に流路構成部材を設け、
前記流路構成部材は、前記境界領域において前記チューブシートに接合する間仕切りを有し、前記間仕切りを切り欠くことによって液体流路の選択を可能とすることを特徴とする。
板状体の両端にチューブの管寄せ（ヘッダ）となる流路が一体で鋳造され、このヘッダは液体側の流路としてチューブ端部と連通している。また、ヘッダには複数の間仕切りも鋳造されており、これら間仕切り部はチューブ端に干渉しないよう配置されている。この間仕切りは液体側の流路選択、流量最適化、耐液圧構造材として機能する。
排気の熱を液体に移送する場合、熱を受ける液体の「流量×温度差」の積が移送する熱量に比例する。この２つのパラメータの組合せは熱交換器内の，液体側流路長さ、および流路断面積の選定により決められ、省エネルギー効果を得るには目的に応じて上記の流路長さと流路断面積を最適化する事が望ましい。具体的には、複数本あるチューブを直列、並列に組合せるパターンを複数用意しておき、目的に応じて，その組合せを選択できるようにする。
ここで「切り欠く」とは、間仕切りを切削又は切断することによって液体が間仕切り（若しくは間仕切りが存在していた箇所）を超えて流れることができるようにすることを言う。
後述の実施例のように、間仕切りを切削又は切断して液体流路を変更することができる。液体流路を変更することで、液体の流量を調節することもできる。切削又は切断されていない流路構成部材を１種類のみ製造しておき、間仕切りを切削又は切断することのみによって各種の調整を行うことが容易である。

本発明の排気用熱交換器は、
前記流路構成部材及び前記板状体を一体として鋳造されたものであることを特徴とする。
流路構成部材及び板状体を一体として鋳造することができ、製造コストを小さくすることができる。流路構成部材を板状体と同じアルミニウム製とすることにより、かかる一体鋳造が容易になる。
この場合、チューブシートが流路構成部材と板状体の間に配置されているので、チューブに加えてチューブシートをも鋳込むこととなる。チューブシートをステンレス製とすれば、かかる鋳込みは容易である。

本発明の排気用熱交換器は、
前記チューブシートはアルミニウム製であることを特徴とする。
チューブシートをアルミニウム製とすると、溶融アルミを型に注湯する際に、チューブシートも溶解し、流路構成部材及び板状体と一体化される。
なお、この場合、チューブシート、流路構成部材及び板状体は全てアルミニウム製であるゆえ、全て一体化して鋳造してもよい。

本発明の排気用熱交換器は、液体と接触した場合の耐食性を有する材質であり、安価に生産できるステンレス製のチューブを用いて、上記（１）〜（３）の問題を解決する。また、腐食による部品交換の頻度が低く、部品交換が必要となる前に目視などの方法によって交換の必要性を認識できるものであり、安全、かつ、安価に腐食性排ガス熱回収熱交換器を運用する手段を提供する。
さらに、本発明の排気用熱交換器は、間仕切りを切削又は切断することのみによって液体流路及び液体流量の最適化を行うことができる。

図１は、液体接触部を示す図である。 図２は、排気用熱交換器を示す図である。 図３は、気体接触部の断面、突起及び乱流を示す図である。 図４は、液体流路選択の仕組を示す図である。 図５は、液体流路選択のバリエーションを示す図である。 図６は、排気用熱交換器の組合せを示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、液体接触部を示す図である。液体接触部１は平行に配された多数のチューブ１１から構成されている。チューブ１１の両端はチューブシート３に嵌合され保持されている。
チューブ１１はステンレス製であり、通常は水である液体との接触における対イオン化特性及び防食性に優れている。また、その両端がチューブシート３によって保持されて、液体の圧力の変化に起因する応力による移動が防止されている。

チューブ１１は一様に配置されておらず、チューブシート３の一部に境界領域３１（図において点線で示す。なお、点線は境界領域を示すためのものであり、その部分にチューブシート以外の物が存在することを示すものではない。）が設けられるようにチューブが存在しない部分がある。３つの境界領域３１が設けられており、境界領域３１によって区分された４つのチューブ群がある。なお、本実施例ではチューブ群の数を４つとしているが、チューブ群の数は２つ以上であればよい。また、境界領域４１の幅は、間仕切り４１を接合させた際にチューブ１１と間仕切り４１が重ならないよう、１ｍｍ以上であることが好ましい。

図２は、排気用熱交換器を示す図である。排気用熱交換器５には、気体接触部２が設けられている。気体接触部２は板状体であり、多数の突起２１が設けられている。突起２１は円錐台状である。
チューブ１１は、板状体である気体接触部２に鋳込まれている。これにより、チューブ１１と気体接触部２との間の空隙はなく、チューブ１１と気体接触部２との間に微細な空気層が存在することもない。気体に含まれる腐食物質は気体接触部２に覆われたチューブ１１に到達することがなく、気体接触部２からチューブ１１へ、そしてチューブ１１からその中を流れる液体へ、効率的に熱が伝達される。

チューブシート３に接して、両側に、流路構成部材４が設けられている。それぞれの流路構成部材４は、３つの間仕切り４１を有している。間仕切り４１は、チューブシートの境界領域３１に合わせた位置に設けられている。

図３は、気体接触部の断面、突起及び乱流を示す図である。
図（ａ）においてｔで示すチューブ２１外周の外側の板状体の厚みは５ｍｍである。気体中の腐食物質によって板状体が腐食されるが、５ｍｍの厚みを有する板状体が腐食されて腐食物質がチューブ１１に接するまでの時間を長くすることができる。チューブ１１外周の外側の板状体の厚みは任意に設計できるが、５ｍｍ以上であることが好ましい。また、板状体が腐食されて腐食物質がチューブ１１に接するようになるとアルミニウム製の板状体の間にステンレス製のチューブ１１が見えるので、チューブを交換すべき必要性を認識することができる。なお、アルミニウムはステンレスに対して腐食電位が卑であるので、ステンレス製のチューブ１１が見えた後も板状体が犠牲材として働き、チューブ１１の腐食を遅らせる効果を有する。

図（ａ）においてｄで示す隣接する突起２１間の距離は６ｍｍである。６ｍｍの間隔があるので、突起２１の表面の酸化皮膜が増大しても気体を通過させなくなるものではない。
突起２１によって気体接触部２の表面積が増大し、また、図（ｂ）において不定方向の矢印で示すように乱流を発生させ、気体から気体接触部２への熱伝達効率が高くなっている。突起が円錐台状であることにより、乱流の発生を確実にしている。
なお、隣接する突起２１間の距離は、酸化皮膜の増大への対応と表面積増大とを両立させるため、５ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましい。

本実施例は、排気用熱交換器の液体流路の選択を示すものであり、排気用熱交換器の構造は実施例１と同様である。

図１に示したとおり、チューブシート３に３つの境界領域３１が設けられており、境界領域３１によって区分された４つのチューブ群がある。各チューブ群のチューブの数は、１１本、５本、５本、１１本である。
なお、境界領域３１の幅は、間仕切り４１を接合させた際にチューブ１１と間仕切り４１が重ならないよう、１ｍｍ以上であることが好ましい。

図４は、液体流路選択の仕組を示す図である。間仕切りはすべて切削され、切削された間仕切り４２となっている。図において矢印で示すように、図の左側から液体を注入すると、切削された間仕切り４２は液体の流れを妨げず、全てのチューブ群について図の左側から液体が流入し、図の右側に流れる。

図５は、液体流路選択のバリエーションを示す図である。どの間仕切りを切削された間仕切り４２とし、どの間仕切りを切削せずに間仕切り４１として残すかによって、各種の液体流路を形成することができる。
図（ａ）は、左側の流路構成部材の中央の間仕切りのみ残し、他は切削した間仕切り４２としている。図の左側から液体を注入すると、残された間仕切り４１によって、２つのチューブ群についてのみ図の左側から液体が流入する。図の右側においては間仕切りが残されていないので、他の２つのチューブ群には図の右側から液体が流入する。液体は、排出されるまでに、チューブ内を２回流れることとなる。
図（ｂ）のように、左右の構成部材のそれぞれ１つの間仕切りを残して、液体が排出されるまでにチューブ内を３回流れるようにすることもできる。各チューブ群のチューブの数は、１１本、５本、５本、１１本であるので、液体は、最初に左側の１１本のチューブを流れ、次に中央の１０本のチューブ（５本のチューブ群２つ）を流れ、最後に右側の１１本のチューブを流れる。チューブの数が１０本または１１本でほぼ同じ数なので、液体の流速やチューブ内の圧力は、チューブによって大きく異なるものではない。

以上のように、どの間仕切りを切削するかによって、１方向に大量の液体を流し気体からの吸熱を最大とすること（図４参照）、液体流量を減らして運用コストを抑制すること（図５（ａ）参照）、さらに液体流量を減らすこと（図５（ｂ）参照）が選択できる。
間仕切りが切削されていない流路構成部材を１種類のみ製造しておき、間仕切りを切削することのみによって各種の調整を行うことができる。なお、間仕切りを切削せずに切断して完全に除去してもよい。

本実施例において、境界領域によって区切られる区画の数は４つである。しかし、２つ以上であれば、少なくとも図５（ａ）のように液体が排出されるまでにチューブ内を２回流れるようにすることができ、本発明の効果を得ることができる。

本実施例は、複数の排気用熱交換器を組合せて活用するものである。各々の排気用熱交換器の構造は実施例２と同様である。

図６は、排気用熱交換器の組合せを示す図である。排気用熱交換器５が積層され、該積層の両端には積層用端板６が付されている。複数のユニットを積層して用いて多量の気体に対応することができる。
上方の積層用端版６には注排水口６１が設けられている。左右を合わせて４つの注排水口６１があるが、選択する液体流路に合わせて、必要な注排水口（２つ）を用いればよい。他の２つの注排水口は蓋等を用いて閉鎖しておく。

本発明の排気用熱交換器は、液体と接触した場合の耐食性を有する材質であり安価に生産できるステンレス製のチューブを用いて上記（１）〜（３）の問題を解決し、また、腐食による部品交換の頻度が低く、部品交換が必要となる前に目視などの方法によって交換の必要性を認識できるものであり、安全、かつ、安価に腐食性排ガス熱回収熱交換器を運用する手段を提供し、さらに、アルミ鋳造で作られた液体流路の間仕切りを切り欠くことのみによって容易に液体流路及び液体流量の調整を行うことができるものである。多くの熱交換器生産者及び使用者における利用が期待できる。

１ 液体接触部
１１ チューブ
２ 気体接触部
２１ 突起
３ チューブシート
３１ 境界領域
４ 流路構成部材
４１ 間仕切り
４２ 切削された間仕切り
５ 排気用熱交換器
６ 積層用端板
６１ 注排水口

Claims (7)

1. 
   平行に配されたチューブからなるステンレス製の液体接触部と、
   前記チューブの外壁面を被覆し表面積増加造形された板状体であるアルミニウム製の気体接触部とを備え、
   前記チューブを前記板状体に鋳込んで製造されたものであることを特徴とする、排気用熱交換器。
2. 前記板状体は、前記チューブの外周の外側に５ｍｍ以上の厚みを有することを特徴とする、請求項１に記載の排気用熱交換器。
3. 前記表面積増加造形は、板状の表面に円錐台状の突起を多数設けたものであり、前記突起の先端部において隣接する突起間の距離が５ｍｍ〜７ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の排気用熱交換器。
4. 全ての前記チューブの一方の端部及び他方の端部をそれぞれ嵌合して保持する２枚のチューブシートを備え、
   前記チューブシートは前記チューブの長手方向から見て略長方形状であり、該長方形の長辺に沿って少なくとも２つの区画に区分され、前記区画の境界に少なくとも１ｍｍ幅の前記チューブが嵌合されない境界領域を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気用熱交換器。
5. 前記チューブシートの前記チューブの終端の側に流路構成部材を設け、
   前記流路構成部材は、前記境界領域において前記チューブシートに接合する間仕切りを有し、前記間仕切りを切り欠くことによって液体流路の選択を可能とすることを特徴とする、請求項４に記載の排気用熱交換器
6. 前記流路構成部材及び前記板状体を一体として鋳造されたものであることを特徴とする、請求項５に記載の排気用熱交換器。
7. 前記チューブシートはアルミニウム製であることを特徴とする、請求項６に記載の排気用熱交換器。

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