JP6662696B2 - 乱流形成具 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器の伝熱管内を流れる流体に乱流を生じさせるために、前記伝熱管内に挿入する乱流形成具に関する。
熱交換器を構成している伝熱管は、ガスバーナの燃焼排ガスによって加熱されることにより、内部の流体を昇温させる。伝熱管内の流体の局部沸騰の抑制及び、熱交換を促進させて熱効率を向上させるために、伝熱管内の流体に乱流を生じさせる乱流形成具を伝熱管内に挿入することが知られている（特許文献１〜４参照）。
前記乱流形成具としては、例えば、図５に示すように、平板部材(3)に切起こし曲げ加工を施すことにより、複数の切起こし片(31a)(31b)(31c)を、平板部材(3)の表裏両面に突出させた構成のものが採用されている。伝熱管に流れる流体が切起こし片(31a)(31b)に当たると、実線の矢印に示すように、伝熱管の管壁側へ送られ、管壁に当たった後、次の切起こし片(31c)に当たるといった流れを繰り返すため、流体の乱流化が促進され、局部沸騰を効率的に抑制することを可能としている。また、切起こし片(31a)(31b)(31c)による流体の圧力損失を低減させるために、切起こし片(31a)(31b)(31c)を流体の流れを阻害しない方向に沿って傾斜させている。
特開２０００−２６６４８８号公報 特開平１１−１０８４５８号公報 特開平１１−５１４９１号公報 特開平１１−８３１９６号公報
しかしながら、上記したように、切起こし片(31a)(31b)(31c)を一方向へ傾斜させる構成とすると、伝熱管内を流れる流体の流れの方向と、切起こし片(31a)(31b)(31c)の傾斜の方向を考慮して、流体の流れを阻害しないように、流形成具を伝熱管内に挿入させなければならず、組み付け作業の作業性が悪い。切起こし片(31a)(31b)(31c)の傾斜方向が流体の流れの方向と逆方向に誤って乱流形成具を装着させてしまった場合、流体に対する圧力損失が増加すると共に、図５の二点鎖線の矢印に示すように、流体は、平板部材(3)の表面側の切起こし片(31c)に当たった後、切起こし孔(30c)を通って、平板部材(3)の裏面側に突出している次の切起こし片(31b)に当たり、次の切起こし孔(30b)を通過するというように、流体の流れは平板部材(3)の表裏面に沿って流れてしまう。これでは、流体が伝熱管内の中央側に寄せられ、伝熱管の管壁側へ導流させることができないから、管壁側で乱流が生じず、局部沸騰の発生や熱効率が悪化するといった不都合がある。
本発明は、上記従来の伝熱管の乱流形成具の問題点を解消し、伝熱管内を流れる流体の流れの方向に関わらず、流体の圧力損失を防止でき、乱流効果の高い乱流形成具を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために講じた本発明の解決手段は、
伝熱管内に挿入されて、伝熱管内を流れる流体を乱流させる乱流形成具であって、
前記伝熱管の流路方向に沿って延びる平板部材に、前記流路方向に所定の間隔毎に複数の貫通孔が形成され、
各貫通孔には、上流側辺と下流側辺のそれぞれから延びる一対の突出片が設けられ、
前記一対の突出片は、一つの貫通孔内で、前記平板部材の面における流路方向右寄りと左寄りに並列して位置するように設けられていると共に、各々の先端が相互に近接する方向に傾斜しており、
任意の貫通孔に設けられる前記一対の突出片は、前記平板部材の表裏面のどちらか一方面側に突出すると共に、当該貫通孔と隣接する他の貫通孔に設けられる前記一対の突出片は、前記平板部材の他方面側に突出するように設けられていることである。
上記技術的手段は次のように作用する。
平板部材の表裏面には、各々の先端が相互に近接する方向に傾斜している一対の突出片の組が、隣接する各貫通孔にて表裏に順に突出する構成としたから、伝熱管の両端のどちら側から流体が流れて来ても、平板部材の表裏にて、突出片が同じように流れに作用することとなる。前記一対の突出片は、一つの貫通孔内に並列して位置するように、上流側辺と下流側辺の相互にずれた位置からそれぞれ斜めに突出するように設けられているから、伝熱管の上流側から流れて来る流体は、一つの貫通孔のうち、上流側辺に設けられて流路方向に傾斜している突出片（上流側突出片）と、下流側辺に設けられ反流路方向に傾斜している突出片（下流側突出片）の両方に当接する。
例えば、伝熱管内に設けられた平板部材の表面側に突出している前記上流側突出片に当たった流体は、前記上流側突出片の表面に沿って、前記上流側突出片の先端に近い管壁の一方の側壁寄りへ流れていくと同時に、前記下流側突出片の裏面に当たった流体は、その基端部側へ流れた後、貫通孔を通過して、平板部材の裏面側へ流れ、隣接する次の貫通孔の、平板部材の裏面側に突出している次の上流側突出片の裏面に沿って、前記次の上流側突出片の先端に近い管壁の他方の側壁寄りへ流れていく。
この乱流形成具では、流体の流路方向が逆転しても、前記一対の突出片は流体に対して同じ機能を発揮させることができる。
上記乱流形成具において、望ましくは、任意の貫通孔の下流側辺から延びる突出片と、前記貫通孔の下流側に隣接する他の貫通孔の上流側辺から延びる突出片とは、流路方向にて同一ライン上に位置する構成としたものである。
流体は、隣接する２つの貫通孔間を介して、流路方向左寄り又は右寄りの同一ライン上に位置する２つの突出片に沿って流れていくので、流体をスムーズに管壁側に導くことができる。
上記乱流形成具において、望ましくは、前記伝熱管内の空間が前記平板部材によって広い空間と狭い空間とに区画されるように、前記平板部材の一方面側に突出する一対の突出片の突出高さと、平板部材の他方面側に突出する一対の突出片の突出高さとは、異なる高さに設定されている。
突出片の突出高さが平板部材の表裏にて異なる平板部材を伝熱管内に挿入した場合、伝熱管内にて、突出高さの高い突出片が突出する側の空間の方が、突出高さの低い突出片が突出する側の空間よりも広くなるように、平板部材は伝熱管の中心線から偏った位置にセットされる。
一般に熱交換器内に設置される伝熱管は、下方等の管壁の一側方からバーナによって加熱されるため、伝熱管のバーナに近い側の管壁の一側域の方がバーナに遠い側の管壁の他側域よりも昇温され易い。よって、伝熱管内にてバーナに近い側と遠い側とに温度差が生じ、膨張の差が出る。そこで、前記他側域の空間の方が広くなるように、前記平板部材を伝熱管内に収容することにより、伝熱管内部の広い空間を流れる流体の速度は遅くなる。 これにより、バーナから遠い伝熱管内の広い他側域をゆっくり流れる流体は、熱交換率が低下し、他側域の管壁の温度が高い傾向となる。従って、バーナに近い側と遠い側との伝熱管内の流体の温度差が少なくなる。よって、バーナから遠い伝熱管の他側域にて結露が生じたり、伝熱管の一側域と他側域とで、膨張度合いに差が生じて耐久性を低下させることもない。
上記乱流形成具において、望ましくは、前記一対の突出片は、相互に交差するように設けられている。
一対の突出片を、相互に近接する方向に傾斜させると共に各々の先端相互を交差させると、この突出片相互の交差部分に流体が当たることにより、管壁側で、より一層乱流が生じ易くなる。
以上のように、本発明によれば、乱流形成具として平板部材に、相互に向き合う方向に傾斜させた突出片を、平板部材の表裏に交互に突出するように、複数組形成したから、流路方向に関わらず、乱流を起こす機会を多くすることができ、伝熱管の管壁付近にまで流体を送って流体に乱流を生じさせることができる。よって、伝熱管内にて熱効率が向上する。
また、流路方向が変更されても、乱流効果は変化しないので、乱流形成具の伝熱管への挿入方向は特定されない。よって、乱流形成具を装着させる際に、乱流形成具の挿入方向と伝熱管を流れる流体の流路方向を考慮する必要がないから、乱流形成具の伝熱管内への装着が簡易となり、熱交換器の製造効率が向上する。
本発明の第１番目の実施の形態に係る乱流形成具の一部を示す拡大斜視図である。 本発明の第１番目の実施の形態に係る乱流形成具を伝熱管内に装着させた状態を示す説明図である。 本発明の第２番目の実施の形態に係る乱流形成具の説明図である。 本発明の第３番目の実施の形態に係る乱流形成具の説明図である。 従来の乱流形成具の一部を示す拡大斜視図である。
上記した本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の第１番目の実施の形態に係る乱流形成具の一部を示す拡大斜視図であり、図２は伝熱管(2)内に装着させた状態を示している。
図１に示す乱流形成具は、図２に示すような、断面楕円形状の伝熱管(2)内に装着させるもので、伝熱管(2)を構成している楕円の長径の中心線に沿ってセット可能な横幅を有し且つ伝熱管(2)の長さに略一致する長尺状の金属製の平板部材(1)から構成されている。
この平板部材(1)の長手方向に沿って、多数の切起こし曲げ加工を施すことにより、切起こし孔からなる多数の貫通孔(10a)(10b)と、切起こし片からなる多数の突出片(11)〜(14)を、平板部材(1)の表裏両面に突出させた構成としている。
略矩形状に形成される一つの貫通孔(10a)の上流側辺(15a)と下流側辺(16a)の各々から、貫通孔(10a)の長辺長さに略一致する長さの一対の突出片(11)(12)を相互に並列するように切り抜いて形成し、これら一対の突出片(11)(12)の基端部を平板部材(1)の表面側に、約４５度折り曲げる。これにより、突出片(11)(12)は先端部分にて交差する態様で平板部材(1)の表面側に突出する。
他方、上記貫通孔(10a)に隣接する他の貫通孔(10b)にも、同様に、上流側辺(15b)と下流側辺(16b)の各々に一対の突出片(13)(14)が形成されるが、これらは、平板部材(1)の裏面側に折り曲げて、平板部材(1)の裏面側にて両者が交差するように突出させている。
このように、一つの貫通孔(10a)に一対の突出片(11)(12)を、平板部材(1)の表面側にて相互に交差するように傾斜させて突出させると共に、それに隣接する他の貫通孔(10b)には、一対の突出片(13)(14)をそれぞれ平板部材(1)の裏面側にて相互に交差するように傾斜させて突出させる構成とすることにより、平板部材(1)の表裏両面に、相互に交差するように傾斜する一対の突出片が、一定の間隔毎に平板部材(1)の表裏面に交互に突出する態様となる。
なお、この実施の形態のものでは、上流側の貫通孔(10a)の下流側辺(16a)から平板部材(1)の表面側に突出させた突出片(12)と、その下流側に隣接する貫通孔(10b)の上流側辺(15b)から平板部材(1)の裏面側に突出させた突出片(13)とは、流路方向右側寄りの同一ライン上に位置するように設定されている。
また、上記構成の平板部材(1)を、図２に示すように、断面楕円形状の伝熱管(2)内に、長径の中心線上に装着させることにより、伝熱管(2)内は、平板部材(1)の表面側の上部域(21)と、裏面側の下部域(22)に区画されることとなり、突出片(11)(12)は上部域側(21)へ、突出片(13)(14)は下部域側(22)へ突出する。
この実施の形態の乱流形成具の場合、例えば、図１の実線の矢印で示すように、図面の左側から流体が流れて来る場合、伝熱管(2)の上部域(21)を流れて来る流体の一部は、上流側の貫通孔(10a)に設けた突出片(11)の表面に沿って、伝熱管(2)の上部域(21)の管壁(20)側へ送られ、他の一部は、突出片(12)の裏面に沿って、貫通孔(10a)を通って、伝熱管(2)の下部域(22)へ送られると共に、伝熱管(2)の下部域(22)を流れて来る流体と共に、隣接する貫通孔(10b)の、突出片(12)と流路方向右寄りの同一ライン上に位置する突出片(13)の裏面に沿って、伝熱管(2)の部域(22)の管壁(20)側へ送られる。
また、伝熱管(2)の下部域(22)を流れて来る流体の一部は、上記したように、突出片(13)の裏面に沿って伝熱管(2)の下部域(22)の管壁(20)側へ送られ、また、他の一部は、突出片(14)の表面に沿って、貫通孔(10b)を通って、伝熱管(2)の上部域(21)へ送られ、図示しないが、さらに下流側に隣接する貫通孔の、突出片(14)と流路方向左寄りの同一ライン上に位置する突出片によって上部域(21)の管壁(20)側へ送られる。
逆に、図１の右側から流体が流れて来る場合、二点鎖線の矢印で示すように、伝熱管(2)の上部域(21)を流れて来る流体の一部は、貫通孔(10a)に設けた突出片(12)の表面に沿って、伝熱管(2)の上部域(21)の管壁(20)側へ送られ、他の一部は、突出片(11)の裏面に沿って、貫通孔(10a)を通って、伝熱管(2)の下部域(22)へ送られ、図示しないが、突出片(11)と流路方向右寄りの同一ライン上に位置する隣接する貫通孔の突出片に沿って、伝熱管(2)の下部域(22)の管壁(20)側へ送られる。また、伝熱管(2)の下部域(22)を流れて来る流体は、貫通孔(10b)の突出片(14)の裏面に沿って、伝熱管(2)の下部域(22)の管壁(20)側へ送られると共に、突出片(13)の表面に沿って、貫通孔(10b)を通って、伝熱管(2)の上部域に送られると共に、これと流路方向左寄りの同一ライン上に位置する突出片(12)の表面に沿って、伝熱管(2)の上部域(21)の管壁(20)側に送られる。
このようにして、流体は、隣接する貫通孔(10a)(10b)間を介して、流路方向左寄り又は右寄りの同一ライン上に位置する２つの突出片に沿って流れて行くので、流体をスムーズに管壁側に導くことができる。
本発明の第１番目の実施の形態に係る乱流形成具では、各貫通孔(10a)(10b)に突出片(11,12)(13,14)を八の字状に一対ずつ設け、平板部材(1)の表裏面に交互に突出させる構成としたから、流体が当たって流れが変化する機会が多くなり、流体の乱流を促進させることができる。よって、伝熱管(2)内における熱交換率が向上する。
また、突出片(11,12)(13,14)は、平板部材(1)の表裏面に同じ態様で突出させており、伝熱管(2)への挿入方向で、乱流効果が変化しないから、挿入方向を考慮せずに、伝熱管(2)に乱流形成具を挿入してセットすることができる。よって、熱交換器の製造が容易となる。
図２のように、一対の突出片(11,12)(13,14)は、流体の流れ方向から見て対向する内側端が傾斜して形成されているので、流体の圧力損失が抑えられる。また、一対の突出片(11,12)(13,14)は、伝熱管(2)中央に位置する基端部分が幅広となっているので、伝熱管(2)内の中央を流れる流体を効率よく外側の管壁へ送ることができる。
図３に示すものは、第２番目の実施の形態に係る乱流形成具の説明図である。
このものでは、平板部材(1)の裏面側に突出させる突出片(18)を、表面側に突出させる突出片(17)よりも短く設定し、平板部材(1)を、断面楕円形状の伝熱管(2)の長径の中心よりも、伝熱管(2)の下部域(22)側にずれた所定位置にセットして使用する。これにより、平板部材(1)よりも下方に位置する伝熱管(2)の下部域(22)が狭くなる。
この場合、熱交換器に採用される伝熱管(2)は、下方からバーナによって加熱される構成であり、伝熱管(2)内は、バーナから遠い上部域(21)の管壁(20)よりもバーナから近い下部域(22)の管壁(20)が熱い雰囲気にさらされる。
そこで、上記したように、平板部材(1)を、伝熱管(2)内にて、下部域(22)へずらしてセットすることにより、伝熱管(2)は、平板部材(1)によって、広い空間である上部域(21)と、狭い空間である下部域(22)に区画される。
これにより、伝熱管(2)内を流れる流体は、広い空間である上部域(21)を流れる速度よりも狭い空間である下部域(22)を流れる速度の方が速くなる。下部域(22)内にて速く流れる流体は、平板部材(1)の裏面側に突出させた突出片(18)によって、乱流が促進され、速やかに熱交換が行われ、下部域(22)の管壁(20)の温度上昇を抑えることができる。
一方、上部域(21)内をゆっくり流れる流体は、高い突出片(17)によって乱流が促進されるが、流れが遅く熱交換がゆっくり行われ、上部域(21)の管壁(20)の温度が高い傾向となる。従って、伝熱管(2)は下方から加熱されるにもかかわらず、伝熱管(2)内の上下域(21)(22)にて流体の温度差が少なくなる。よって、バーナから遠い伝熱管(2)の上部域にて結露が生じたり、伝熱管(2)の上下域(21)(22)で、温度差が生じて膨張度合いに差が生じて耐久性を低下させることもない。
なお、このものでは、平板部材(1)の表裏面にて、突出片(17)(18)の高さを変えているため、伝熱管(2)への挿入時に、平板部材(1)の上下は特定されるが、一つの貫通孔に一対の突出片を相互に交差するように傾斜させる構成は、上記した第１番目の実施の形態と同じであるから、この第２番目の実施の形態の乱流形成具も、伝熱管(2)への挿入方向は特定されることはなく、伝熱管(2)内に簡易に装着することができる。
図４に示すものは、さらに他の実施の形態であり、各貫通孔(40)の上流側辺(40a)から突出させる上流側突出片(4)を、すべて、流路方向左寄りの同一ライン上に位置する構成とすると共に、下流側辺(40b)から突出させる下流側突出片(41)を、すべて、流路方向右寄りの同一ライン上に位置するように形成したものである。
このものでは、平板部材(1)に、すべて同じ形状の１つの貫通孔の抜き加工を施すことで製作することができるから、製造が容易となる。
また、上記各実施の形態では、一つの貫通孔としての貫通孔から、それぞれ一対の突出片としての突出片を突出させる構成としたが、突出片の数はこれに限定されることはない。
また、一対の突出片を先端側で交差させているが、一対の突出片を先端部間を離して交差させない構成としてもよい。
(1) ・・・・・・・平板部材
(10a)(10b)・・・・貫通孔
(11)〜(14)・・・・突出片
(15a)(15b)・・・・上流側辺
(16a)(16b)・・・・下流側辺
(2) ・・・・・・・伝熱管

Claims (4)

  1. 伝熱管内に挿入されて、伝熱管内を流れる流体を乱流させる乱流形成具であって、
    前記伝熱管の流路方向に沿って延びる平板部材に、前記流路方向に所定の間隔毎に複数の貫通孔が形成され、
    各貫通孔には、上流側辺と下流側辺のそれぞれから延びる一対の突出片が設けられ、
    前記一対の突出片は、一つの貫通孔内で、前記平板部材の面における流路方向右寄りと左寄りに並列して位置するように設けられていると共に、各々の先端が相互に近接する方向に傾斜しており、
    任意の貫通孔に設けられる前記一対の突出片は、前記平板部材の表裏面のどちらか一方面側に突出すると共に、当該貫通孔と隣接する他の貫通孔に設けられる前記一対の突出片は、前記平板部材の他方面側に突出するように設けられている乱流形成具。
  2. 請求項１に記載の乱流形成具において、
    任意の貫通孔の下流側辺から延びる突出片と、前記貫通孔の下流側に隣接する他の貫通孔の上流側辺から延びる突出片とは、流路方向にて同一ライン上に位置する構成とした乱流形成具。
  3. 請求項１又は２に記載の乱流形成具において、
    前記伝熱管内の空間が前記平板部材によって広い空間と狭い空間とに区画されるように、前記平板部材の一方面側に突出する一対の突出片の突出高さと、平板部材の他方面側に突出する一対の突出片の突出高さとは、異なる高さに設定されている乱流形成具。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載の乱流形成具において、
    前記一対の突出片は、相互に交差するように設けられている乱流形成具。
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