JP7221502B2 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、加熱タンク内を通過させることで流体を加熱する熱交換器に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat exchanger that heats a fluid by passing it through a heating tank.
従来から、加熱タンクを外部から加熱して、当該加熱タンク内に流体を通過させることで、上記流体を加熱する熱交換器が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a heat exchanger that heats a fluid by heating a heating tank from the outside and passing the fluid through the heating tank.
具体的には、電磁誘導加熱方式の熱交換器(加熱装置)としては、例えば、特許文献1に開示の装置が挙げられる。 Specifically, as an electromagnetic induction heating type heat exchanger (heating device), for example, a device disclosed in Patent Document 1 can be cited.
上記特許文献1に開示の構成では、タンクの中に磁性体からなる発熱体を充填し、タンクの外側から、高周波電圧を印加することで、上記発熱体を加熱する。そして、上記タンク内に流体を通すことで、この流体を加熱している。 In the configuration disclosed in Patent Document 1, the tank is filled with a heating element made of a magnetic material, and a high-frequency voltage is applied from the outside of the tank to heat the heating element. By passing the fluid through the tank, the fluid is heated.
しかしながら、上記特許文献1に開示の方法では、加熱効率が悪いという問題点がある。具体的には、例えば、10mmの鉄板1枚を加熱すると熱は均一に伝わるが、5mmの鉄板2枚を重ねて一方の鉄板を加熱した場合には、他方の鉄板は輻射熱によって加熱されることになる。つまり、他方の鉄板に対しては間接的にしか熱が伝わらない。従って、例えば、タンクの内部に発熱体を充填した場合には、タンクと発熱体とが別々に設けられているために、発熱体のみが加熱され、タンクについては溶液または蒸気を保持する外壁でしかないので、熱効率が悪い。 However, the method disclosed in Patent Document 1 has a problem of poor heating efficiency. Specifically, for example, if one 10 mm steel plate is heated, the heat will be transmitted uniformly, but if two 5 mm steel plates are stacked and one of the steel plates is heated, the other steel plate will be heated by radiant heat. become. In other words, the heat is transmitted only indirectly to the other iron plate. Therefore, for example, when the inside of the tank is filled with a heating element, since the tank and the heating element are provided separately, only the heating element is heated, and the outer wall of the tank holds the solution or vapor. Therefore, the thermal efficiency is poor.
さらに、上記特許文献1では、タンクに充填された発熱体によって上記流体を加熱するため、流体の温度制御が困難であるという問題点を有している。 Furthermore, in Patent Document 1, since the fluid is heated by the heating element filled in the tank, there is a problem that it is difficult to control the temperature of the fluid.
このような問題点を解決するために、本願発明者らは、特許文献2に開示の技術を提案している。
In order to solve such problems, the inventors of the present application have proposed a technique disclosed in
具体的には、上記特許文献2に開示の構成では、タンクと磁性体部材とを一体化させ、上記タンクを電磁誘導加熱方式で加熱している。この特許文献2の構成とすることで、加熱効率を上記特許文献1と比べて著しく増大させることができる。
Specifically, in the configuration disclosed in
ところが、特許文献2に開示された技術による加熱効率の向上には、未だ改良の余地が残されている。
However, there is still room for improvement in improving the heating efficiency according to the technique disclosed in
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、加熱効率のさらなる向上を図ることのできる熱交換器を実現することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a heat exchanger capable of further improving heating efficiency.
本発明に係る熱交換器は、上記課題を解決するために、流入された流体を滞留させるための区画室を内部に有する加熱タンクを備え、上記加熱タンクの外部から加熱することで上記区画室内の滞留している流体を加熱する熱交換器であって、流体の通路である吐出孔を複数有する、略円板状の金属部材を複数有し、上記金属部材の各々は上記加熱タンク内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されており、上記区画室の壁は、少なくとも隣接する2つの上記金属部材で構成され、上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線は、当該出口側の金属部材の対向面に対して斜めである、ことを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the heat exchanger according to the present invention includes a heating tank having therein a compartment for retaining the inflowed fluid, and heats the compartment inside by heating from the outside of the heating tank. A heat exchanger for heating the stagnant fluid, comprising a plurality of substantially disk-shaped metal members having a plurality of discharge holes that are passages of the fluid, each of the metal members being in the heating tank The plate surfaces are arranged so as to face each other, and the axis connecting the center points of the plate surfaces is arranged along the inflow direction of the fluid. wherein, for each of the plurality of discharge holes of the metal member, a straight line connecting an inlet and an outlet of the discharge hole is oblique to a facing surface of the metal member on the outlet side. and
本発明に係る熱交換器によれば、加熱効率のさらなる向上を図ることができるという効果を奏する。 According to the heat exchanger of the present invention, it is possible to further improve the heating efficiency.
以下、本発明の一実施形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below.
まず、本実施形態に係る熱交換器を説明する前に、本発明の熱交換器の基本的な熱交換原理について、図1を参照しながら以下に説明する。なお、本実施形態において、流体とは、気体であってもよいし、液体であってもよい。 First, before describing the heat exchanger according to the present embodiment, the basic heat exchange principle of the heat exchanger of the present invention will be described below with reference to FIG. In addition, in this embodiment, the fluid may be a gas or a liquid.
(熱交換器の概略構成)
図1は、本発明の熱交換器の基本的な熱交換原理を説明するための熱交換器101の概略構成断面図である。(Schematic configuration of heat exchanger)
FIG. 1 is a schematic sectional view of a
熱交換器101は、図1に示すように、内部に複数の金属部材110を含む加熱タンク130と、加熱タンク130に流体を供給するための流体(図中の矢印)の入口となる供給口111と、加熱タンク130から排出される流体の出口となる排出口112とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
金属部材110は、略円板状の金属板からなり、加熱タンク130内において、板面を対向させるようにして流体の進行方向に所定の間隔で配置されている。金属部材110の位置決めは、当該金属部材110の中央に形成した貫通孔110cに位置決め用のシャフト113を通すことで行う。
The
また、金属部材110には、図1に示すように、厚さ方向に貫通している吐出孔110eが複数形成されている。吐出孔110eは、金属部材110の周端面110d近傍同士を溶接した際に形成される区画室114(詳細は後述する)の隔壁に相当する面における中央部よりも周端面110d寄りの位置(周端面110dから距離d5までの位置までの部位)に形成されていることが好ましく、特に、高温になる周端面110dに近い位置に形成されていることが好ましい。また、隣接している金属部材110のそれぞれに形成されている上記吐出孔110eは、加熱タンク130を通過する流体の進行方向において重ならないように形成されていることが好ましい。換言すると、金属部材110の中央部よりも周端面110d寄りの位置に吐出孔110eが形成されていることで、吐出孔110eから吐出される流体は、下流側に隣接する金属部材110における流体の流入側の面である第二面110bに当たり、当該金属部材110における周端面110dの近傍において高速回転渦流を形成しながら滞留し、実効伝熱面積の増大および渦による強制対流熱伝達によって非常に高効率な流体の加熱を行なうことができる。なお、吐出孔110e位置は上記した位置に限るものではない。
In addition, as shown in FIG. 1, the
また、各金属部材110における吐出孔110eの数、各吐出孔110eの大きさ(口径)、形状等は特に限定されるものではなく、上記熱交換器101に供給する流体の量に応じて適宜設定すればよい。
Further, the number of
加熱タンク130は、内径が金属部材110の外径とほぼ同じ略円筒状の金属筒からなる。これにより、加熱タンク130に配置された金属部材110の周端面110dは、当該加熱タンク130の内面130aに密着する。なお、金属部材110の周端面110dと加熱タンク130の内面130aとの密着部分の隙間を無くすために、当該密着部分を金属溶接する。なお、金属部材110の周端面110dと加熱タンク130の内面130aとの接触部分の密着度が高ければ、金属溶接しなくてもよい。
The
また、加熱タンク130と金属部材110とを同じ金属で構成する場合、加熱タンク130と金属部材110とを一体的に形成してもよい。この場合、溶かした金属を所望の金型に流し込むことで形成することになる。このように、加熱タンク130と金属部材110とが一体的に形成されていれば、加熱タンク130と金属部材110とを別部材として設けた場合のように、加熱タンク130の内面130aと金属部材110の周端面110dとの接触部分の密着度を考慮しなくてもよい。
Moreover, when the
加熱タンク130内において、隣接する金属部材110のうちの、上流側の金属部材110における流体の流出側の面である第一面110a、および下流側の金属部材110における流体の流入側の面である第二面110b、並びに、加熱タンク130の内面130aで囲まれた空間を、区画室114と称する。すなわち、加熱タンク130内には、複数の区画室114が形成されることになる。
In the
区画室114内では、2つの金属部材110のうち、流体の上流側の金属部材110に形成された吐出孔110eから吐出される流体が、下流側の金属部材110の第二面110bに当たり、乱流となり、滞留する。区画室114内では、吐出孔110eから吐出された流体は高速で金属部材110の第二面110bに当たるため、乱流から高速回転渦流に変化する。そして、区画室114内で滞留した流体は、流体の進行方向に配置された隣接する区画室114に送られる。このようにして、流体は、順次、下流側の区画室114に送られ、加熱タンク130の排出口112から排出される。
In the partitioned chamber 114, the fluid discharged from the
熱交換器101は、加熱タンク130を外部から加熱することで、当該加熱タンク130を加熱する。これにより、加熱タンク130内に形成された区画室114に滞留しながら、隣接する下流側の区画室114を順次通過する流体は、加熱され続けることになる。
The
(加熱原理)
熱交換器101は、外部から加熱手段により加熱される。熱交換器101の外部から当該熱交換器101を加熱する加熱手段としては、どのようなものでもよく、例えば、バーナーやニクロム線等を用いて熱交換器101を直接加熱してもよく、熱交換器101を構成している金属部材110が例えば磁性体等のIH(induction heating)対応の材料である場合には電磁誘導によって加熱してもよい。(heating principle)
The
ここでは、熱交換器101を、電磁誘導加熱方式を用いて加熱する場合、すなわち、高周波交流電源を用いて熱交換器101を加熱する場合について説明する。ここで、高周波交流電源の高周波とは、家庭用電源の周波数50~60Hzよりも高い周波数を意味しており、近隣の電波障害等への影響を加味しながら、例えば、250Hz~6万Hzの広い範囲で適用可能である。
Here, the case where the
電磁誘導加熱方式を採用するためには、金属部材110を構成する材料として、外部から高周波交流電圧をかけた場合に、渦電流が発生する材料を用いる必要がある。このような材料としては、例えば、磁性体が挙げられる。そして、上記磁性体である金属部材110としては、具体的には、例えば、鉄等の強い磁性の金属、ステンレススチール(SUS)430が挙げられる。これは、キュリー温度をできるだけ高くする必要があるためである。従って、キュリー温度を超える手前まで金属部材110全体を効率良く加熱する必要がある。そのため、図1に示す金属部材110は、以下のような形状となっている。
In order to adopt the electromagnetic induction heating method, it is necessary to use a material that generates an eddy current when a high-frequency AC voltage is applied from the outside as a material forming the
すなわち、金属部材110は、図1に示すように、板状をなし、その断面方向の厚さは、周端面110d側よりも貫通孔110c側のほうが薄くなるように形成されている。詳細には、周端面110dから貫通孔110cに向かって距離d5までは同じ厚みであり、距離d5を過ぎてから貫通孔110cに向かって徐々に厚みが薄くなるように金属部材110は形成されている。換言すると、金属部材110は、外部からの熱供給側の周端面110d側の肉厚よりも貫通孔110c側の肉厚のほうが薄くなっており、当該貫通孔110c近傍が最も肉厚が薄くなっている。
That is, as shown in FIG. 1, the
このように、金属部材110は、周端面110dから距離d5までの厚みが一定の第1部位と、距離d5から貫通孔110cまでの厚みが徐々に薄くなる第2部位とで構成されている。
Thus, the
従って、金属部材110において、厚みが徐々に薄くなる第2部位は、厚みが一定の第1部位よりも放熱し易くなっているため、当該金属部材110の厚みの厚い周端面110d側から供給された熱は、厚みの薄い第2部位で放熱され易くなる。これにより、金属部材110において、熱源に近い第1の部位から加熱しても、熱源から遠い第2の部位で放熱されることになるので、熱源からの熱が金属部材110全体に伝わり易くなり、その結果、当該金属部材110全体を非常に高い温度まで加熱することが可能となる。このため、金属部材110の周端面110dから貫通孔110cまでをほぼ均一にキュリー温度近くの温度まで加熱することが可能となる。
Therefore, in the
例えばステンレスのキュリー温度を約700℃とすれば、キュリー温度(約700℃)近くまで加熱された金属部材110で囲まれた区画室114内の流体は、当該区画室114内を滞留しているため、当該金属部材110によって非常に高い温度(700℃近く)まで加熱されることになる。このようにして非常に高い温度まで加熱された流体は、隣接する区画室114に順次移動し、加熱され続けながら排出口112から排出される。ここで、熱交換器101の供給口111に流入される流体が水蒸気であれば、当該熱交換器101内の各区画室114内で金属部材110のキュリー温度近くまで加熱され続けて、当該金属部材110のキュリー温度近くに加熱された過熱蒸気として排出口112から排出される。
For example, if the Curie temperature of stainless steel is approximately 700° C., the fluid in the compartment 114 surrounded by the
金属部材110は、上述したように、周端面110dから貫通孔110cに向かって距離d5までは同じ厚みであり、距離d5を過ぎてから貫通孔110cに向かって徐々に薄くなるように形成されている。従って、隣接する金属部材110同士で形成される区画室114は、加熱タンク130の中心部が周縁部より広い空間になる。このように、区画室114の中心部周縁部より広いことにより、当該区画室114内の周縁部よりも中心部の内圧が低くなるため、当該区画室114の中心部に流体が集まり、集まった流体によって中心部に渦流が形成される。この渦流による強制対流熱伝達および乱流熱伝達によって区画室114における熱交換が促進され、加熱効率を高めることができる。また、流体が区画室114内を流動する時間が長くなるとともに、流体が区画室114内を循環して高温壁面との接触を繰り返す結果、実効伝熱面積の増大効果が得られ、加熱効率をさらに高めることができる。
As described above, the
さらに、加熱による流体の膨張により、上流側の区画室114から下流側の区画室114へ向かうほど流体は一層加速される。これにより、熱伝達特性は流体速度の増加とともに向上するので、下流側の区画室114へ移動するほど熱伝達特性が相乗的に向上し、熱交換器101全体としての加熱効率が飛躍的に向上する。また、上流側の区画室114から下流側の区画室114へ向かうほど流体が加速されることにより、熱交換器101を通過する流体の流量を増加させることができる。
Further, expansion of the fluid due to heating accelerates the fluid further from the upstream compartment 114 to the downstream compartment 114 . As a result, the heat transfer characteristics improve as the fluid velocity increases, so the heat transfer characteristics synergistically improve as the flow moves toward the partitioned chamber 114 on the downstream side, and the heating efficiency of the
(効果:過熱蒸気温度)
上記構成の熱交換器101は、従来の熱交換器よりも格段に優れた加熱交率を実現できる。例えば、熱交換器101の性能は、以下の条件で確認できる。(Effect: superheated steam temperature)
The
供給飽和蒸気圧力:0.15MPa
供給飽和蒸気流量:100kg/h
ここで、図1に示す熱交換器101は、加熱タンク130の外径d1=110mm、加熱タンク130の内面130aの厚みd2=10mm、加熱タンク130の内径d3=90mm、金属部材110の周端面110dの厚みd4=10mm、金属部材110の周端面110dから貫通孔110cの間のd4=10mm均一となっている距離d5=15mm、金属部材110の貫通孔110cの厚みd6=3mm、シャフト13の外径d7=12mmとする。そして、金属部材10の枚数は、16枚とする。この金属部材110の枚数は、16~18枚が好ましく、金属部材110の厚みや吐出孔110eの内径等の構造、加熱タンク130の加熱条件等により適宜選択される。Supply saturated steam pressure: 0.15 MPa
Supply saturated steam flow rate: 100 kg/h
Here, the
ここでは、熱交換器101によって得られる過熱蒸気の温度は、熱交換器101の排出口112から吐出される流体の温度とする。
Here, the temperature of the superheated steam obtained by the
発熱本体温度(金属部材110の温度)が約530℃のとき、図1に示す熱交換器101における過熱蒸気温度は、約500℃となる。
When the heat generating body temperature (the temperature of the metal member 110) is about 530°C, the superheated steam temperature in the
また、図1に示す熱交換器101における供給口111から流入した流体が排出口112から排出されるまでに、当該熱交換器101内の流体が接触する表面積は、約10000mm2である。すなわち、図1に示す熱交換器101では、供給飽和蒸気圧力が0.15MPa、供給飽和蒸気流量が100kg/hの場合に、排出される過熱蒸気の温度を約500℃にするための、熱交換器101内の流体が接触する表面積は、約0.3m2となる。In addition, the surface area of the
また、熱交換器101において、流体が接触する表面積が約0.3m2であれば、当該熱交換器101における供給飽和蒸気流量が100kg/hの場合、500℃まで加熱されたときその体積が流入時の体積の約3500倍、550℃に加熱されたときその体積が流入時の約3700倍になる。このように、熱交換器101を用いれば、非常に大きな体積の過熱蒸気を得ることができる。In addition, if the surface area of the
従って、上記構成の熱交換器101によれば、熱交換率を同じにする場合、従来のハニカム構造の熱交換器に比べて、流体が接触する表面積を格段に小さくすることができる。よって、同じ熱交換率であれば、ハニカム構造等の接触面積を物理的に大きくする熱交換器に比べて機器全体のサイズが非常に小さい熱交換器を実現することができる。
Therefore, according to the
本発明では、図1に示す熱交換器に対してさらに改良を重ねて、小型で、且つ、熱交換率をさらに向上させることが可能な熱交換器を実現している。この熱交換器について以下の実施形態1で説明する。 In the present invention, further improvements are made to the heat exchanger shown in FIG. 1 to realize a small-sized heat exchanger capable of further improving the heat exchange efficiency. This heat exchanger will be described in Embodiment 1 below.
〔実施形態1〕
本発明の実施形態について以下に説明する。[Embodiment 1]
Embodiments of the present invention are described below.
(熱交換器の概要)
図2は、本実施形態に係る熱交換器1の概略構成図である。図2に示す熱交換器1は、図1に示す熱交換器101とほぼ同じ構成であるが、金属部材10の構造が異なる。(Overview of heat exchanger)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the heat exchanger 1 according to this embodiment. The heat exchanger 1 shown in FIG. 2 has substantially the same configuration as the
すなわち、熱交換器1は、図2に示すように、内部に複数の金属部材10を含む加熱タンク30と、加熱タンク30に流体を供給するための流体(図中の矢印)の入口となる供給口11と、加熱タンク30から排出される流体の出口となる排出口12とを備えている。熱交換器1は、図1に示す熱交換器101とほぼ同じ構成であるが、金属部材10の構成が異なっている。つまり、金属部材10は、図1に示す金属部材110と同じ機能を有し、さらに、流体が区画室14内を循環して高温壁面との接触を繰り返することで、より実効伝熱面積の増大効果が得られる構成となっている。
That is, as shown in FIG. 2, the heat exchanger 1 serves as a
金属部材10は、略円板状の金属板からなり、加熱タンク30内において、板面を対向させるようにして流体の進行方向に所定の間隔で配置されている。金属部材10の位置決めは、当該金属部材10の中央に形成した貫通孔10cに位置決め用のシャフト13を通すことで行う。各金属部材10は、金属溶接によってシャフト13上の所定の位置に固定される。すなわち、金属部材10の各々は加熱タンク30内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されている。
The
また、加熱タンク30内に配置された金属部材10は、流体の流れの上流側から下流側(以下、単に上流側、下流側と称する)に向かって、少なくとも最上流側の位置(供給口11側に最も近い位置)に配置され金属部材10の厚みD1は、隣接する下流側に配置された金属部材10の厚みD2よりも厚く形成されている。また、厚みD2の金属部材10に隣接する下流側に配置された金属部材10の厚みD3は、当該厚みD2よりも薄く形成されている。すなわち隣接して配置された2つの金属部材10の厚みは、D1>D2>D3の関係にある。なお、D1>D2=D3の関係であってもよい。また、4番目以降の金属部材10の厚みは、その上流側の金属部材10の厚みよりも薄くてもよいし、同じ厚みでもよい。また、全ての金属部材10の厚みを同じにしてもよい。なお、金属部材10の詳細は後述する。
In addition, the
加熱タンク30は、内径が金属部材10の外径とほぼ同じ略円筒状の金属筒からなる。これにより、加熱タンク30に配置された金属部材10の周端面10dは、当該加熱タンク30の内面30aに密着する。なお、金属部材10の周端面10dと加熱タンク30の内面30aとの密着部分の隙間を無くすために、当該密着部分を金属溶接する。なお、金属部材10の周端面10dと加熱タンク30の内面30aとの接触部分の密着度が高ければ、金属溶接しなくてもよい。
The
加熱タンク30内において、隣接する金属部材10のうちの、上流側の金属部材10における流体の流出側の面である第一面10a、および下流側の金属部材10における流体の流入側の面である第二面10b、並びに、加熱タンク30の内面30aで囲まれた空間を、区画室14と称する。すなわち、加熱タンク30内には、複数の区画室14が形成されることになる。区画室14では、上流側の金属部材10の第二面10bから流入した流体は、当該金属部材10の第一面10aから下流側の金属部材10の第一面10aに向かって吐出される。
In the
区画室14内では、隣接する金属部材10のうち、流体の上流側の金属部材10に形成された吐出孔10eから吐出される流体が、下流側に金属部材10の第二面10bに当たり、乱流となり、滞留する。区画室14内では、吐出孔10eから吐出された流体は高速で金属部材10の第二面10bに当たるため、乱流から高速回転渦流に変化する。そして、区画室14内で滞留した流体は、金属部材10に形成された吐出孔10eから吐出され流体の進行方向に配置された隣接する区画室14に送られる。このようにして、流体は、順次、下流側の区画室14に送られ、加熱タンク30の排出口12から排出される。
In the partitioned chamber 14, the fluid discharged from the
熱交換器1は、加熱タンク30を外部から加熱することで、当該加熱タンク30を加熱する。これにより、加熱タンク30内に形成された区画室14に滞留しながら、隣接する下流側の区画室14を順次通過する流体は、加熱され続けることになる。
The heat exchanger 1 heats the
図2に示す熱交換器1においても、加熱手段は、図1の熱交換器101と同様に、電磁誘導加熱方式を用いて加熱する。
In the heat exchanger 1 shown in FIG. 2 as well, the heating means uses an electromagnetic induction heating method, similarly to the
(金属部材)
加熱タンク30内に配置された金属部材10について図3および図4を参照しながら以下に説明する。図3の(a)は、金属部材10の流体の入力面側から見た正面図であり、図3の(b)は、図3の(a)に示す金属部材10のAA線矢視端面図である。図4の(a)は、金属部材10の流体の入力面側から見た正面図であり、図4の(b)は、図4の(a)に示す金属部材10のBB線矢視断面図である。(Metal member)
The
金属部材10は、図3の(b)および図4の(b)に示すように、板状をなし、その断面方向の厚さは、周端面10d側よりも貫通孔10c側のほうが薄くなるように形成されている。詳細には、図1に示す金属部材110と同様に、周端面10dから貫通孔10cに向かって所定の距離までは同じ厚みであり、所定の距離を過ぎてから貫通孔10cに向かって徐々に薄くなるように金属部材10は形成されている。換言すると、金属部材10は、周端面10d側の肉厚よりも貫通孔10c側の肉厚のほうが薄くなっており、当該貫通孔10c近傍が最も肉厚が薄くなっている。
As shown in FIGS. 3(b) and 4(b), the
このように、熱交換器1の金属部材10においても、図1に示す熱交換器101の金属部材110と同様に、金属部材10の周端面10d側から貫通孔10cに向かって所定の距離までの厚みが一定であり、そこから先の厚みが貫通孔10cまで徐々に薄くなっている。つまり、金属部材10は、周端面10dから所定の距離までの厚みが一定の第1部位と、所定の距離から貫通孔10cまでの厚みが徐々に薄くなっている第2部位とを含んでいる。従って、金属部材10は、金属部材110と同じように熱伝導が行われる。金属部材10が金属部材110と異なるのは、吐出孔10eの構造と、第二面10bに、渦巻き状の連続した突起で形成された突起部10fと、吐出孔10eから吐出する流体が当たる位置に形成された略円錐状の突起部10gとが形成されている点である。
Thus, in the
まず、金属部材10に形成されている吐出孔10eについて説明する。
First, the
金属部材10は、図3および図4に示すように、流体の通路である吐出孔10eを複数有する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
吐出孔10eは、流体の流入側である第二面10b側に形成された流体の入口10eINと、流体の吐出側である第一面10a側に形成された流体の出口10eOUTとを有している。吐出孔10eの入口10eINは金属部材10における中心点を中心とする同心円上に位置し、同様に、出口10eOUTは金属部材10における中心点を中心とする同心円上に位置している。吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTは、図3および図4に示すように、シャフト13が貫通する貫通孔10cの延伸方向から見て斜め方向にずらしている。各々の吐出孔10eは、入口10eINと出口10eOUTと繋ぐ貫通孔の貫通方向がシャフト13の延伸方向に対して同じ傾斜角を有するように形成されている。これにより、各吐出孔10eから吐出される流体は、対向配置された隣の金属部材10の第一面10aに対して斜め、且つ同じ方向に吐出される。これにより、吐出された流体は、2つの金属部材10の間に形成される区画室内で、貫通孔10cを中心とする渦流を形成することになる。渦流を適切に形成するために、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとをずらす方向およびずらす距離は、吐出孔10eの各々において共通していることが好ましい。言い換えると、吐出孔10eの出口から吐出された流体が渦流を形成することができるように、各々の吐出孔10eは、その貫通方向がシャフト13の延伸方向に対して同じ傾斜角を有するように形成されている。
The
以上のことから、金属部材10が有する複数の吐出孔10eの各々について、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとは、当該金属部材10における中心点を中心とする同心円上に形成され、かつ、同一円周上では等間隔に形成されており、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線と、シャフト13の延伸方向とは、ねじれの位置にあり、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線の各々について、シャフト13の延伸方向との成す角度は同じであればよい。
From the above, for each of the plurality of
さらに、吐出孔10eは、図3および図4の(a)に示すように、貫通孔10cからの距離(半径)が異なる同心円上にそれぞれ形成してもよい。この場合、各貫通孔10cは、貫通孔10cから半径方向に延びる同一直線上に配置されないことが好ましい。
Furthermore, as shown in FIGS. 3 and 4A, the
これにより、吐出孔10eの各々を通過する流体は、その進行方向がシャフト13の延伸方向に対して同一回転方向に同一角度ずつずれた上で、下段の金属部材10の第二面10bに斜め方向から当たる。よって、流体が金属部材10を通過する毎に、渦流が形成される。すなわち、流体は、金属部材10における周端面10dから貫通孔10cにかけて形成される区画室14内において高速回転渦流を形成しながら長時間滞留し、実効伝熱面積の増大および渦による強制対流熱伝達によって非常に高効率な流体の加熱を行なうことができる。
As a result, the direction of movement of the fluid passing through each of the
また、各金属部材10における吐出孔10eの数、各吐出孔10eの大きさ(口径)、形状等は特に限定されるものではなく、熱交換器1に供給する流体の量に応じて適宜設定すればよい。例えば、吐出孔10eの形状は、円形であってもよく矩形であってもよい。
Further, the number of
なお、金属部材10において、吐出孔10eの入口の中心から当該金属部材10の中心までの距離と、当該吐出孔10eの出口の中心から当該金属部材10の中心までの距離とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
In the
また、渦流を適切に形成するには、上述した通り、吐出孔10eの各々について、次の3つの条件を満たすことが好ましい。(1)吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとが、当該金属部材10における中心点を中心とする同心円上に形成され、かつ、同一円周上では等間隔に形成されている。(2)吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線と、シャフト13の延伸方向とは、ねじれの位置にある。(3)吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線の各々について、シャフト13の延伸方向との成す角度は同じである。
Moreover, in order to properly form the swirl, it is preferable to satisfy the following three conditions for each of the discharge holes 10e as described above. (1) The inlet 10eIN and the outlet 10eOUT of the
しかしながら、区画室14内で渦流を形成するには、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとの位置関係は、必ずしも上述のような関係でなくてもよい。つまり、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線と、シャフト13の延伸方向とは、ねじれの位置にあることは必須であるが、吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線の各々について、シャフト13の延伸方向との成す角度は同じである必要はない。つまり、金属部材10の各吐出孔10eはそれぞれ対向する金属部材10の第二面10bに対して垂直でなく斜め方向に吐出できれば、同じ向きに流体を吐出するように形成しなくてもよい。
However, the positional relationship between the inlet 10eIN and the outlet 10eOUT of the
次に、金属部材10の第二面10bに形成されている突起部10fについて説明する。
Next, the
金属部材10の第二面10bには、図3の(a)および図4の(a)に示すように、当該金属部材10の中心(貫通孔10c)を中心とした渦巻き状に連続して形成された突起部10fが配置されている。この突起部10fは、渦巻き状に形成された畝状の部材からなり、区画室14内において所望する渦流の流れ方向に沿って形成されている。但し、突起部10fは、対向する金属部材10の吐出孔10eから吐出された流体は直接当たらないように形成されている。突起部10fは、あくまでも区画室14内での流体を、当該流体が流れる方向に導くために機能する。これにより、区画室14内の流体が突起部10fに沿って進むことになるので、さらに高速の渦流を形成することが可能となる。このように、吐出孔10eから吐出された流体は、渦巻き状の突起部10fによって区画室14内で高速渦流となるため、高温に加熱された金属部材10とより長く接触することが可能となる。この結果、さらなる実効伝熱面積の増大および渦による強制対流熱伝達によって非常に高効率な流体の加熱を行なうことができる。
On the
なお、上述したように、突起部10fは、吐出孔10eから吐出された流体が直接当たる位置には形成されていない。吐出孔10eから吐出された流体が直接当たる位置には、図3の(b)および図4の(b)に示すように、突起部10gが形成されている。
In addition, as described above, the
続いて、金属部材10の第二面10bに形成されている突起部10gについて説明する。
Next, the
突起部10gは、図3の(b)および図4の(b)に示すように、金属部材10の各々における板面のうち流体の流入側の面である第二面10bにおける、当該金属部材10の上流側に隣接して配置された金属部材10の吐出孔10eの入口10eINと出口10eOUTとを結ぶ直線上の位置に形成されている。これにより、吐出孔10eから吐出された流体は、図7の(a)に示すように、突起部10gに当たり拡散する。つまり、突起部10gは、吐出孔10eから吐出された流体を区画室14内で拡散させる拡散部材として機能している。突起部10gは、例えば円錐状からなり、底面の大きさは、吐出孔10eの内径と同程度か少し小さいことが好ましいが、それより大きくてもよい。
As shown in (b) of FIG. 3 and (b) of FIG. It is formed at a position on a straight line connecting the inlet 10eIN and the outlet 10eOUT of the
ここで、上述したように、金属部材10の吐出孔10eは、対向する金属部材10の第二面10bに対して傾斜している。このため、吐出孔10eから吐出される流体は、図7の(a)に示すように、第二面10bの突起部10gに対して斜めに当たる。各吐出孔10eの傾斜の向きが渦流の回転方向に沿っていれば、各吐出孔10eから吐出される流体は突起部10gに斜めに当たり、より拡散されやすく、乱流をより生じ易くなる。この場合、渦巻き状の突起部10fの渦巻き方向に、各吐出孔10eの傾斜の向きを合わせることで、区画室14内で流体がさらに高速で渦流となり、当該区画室14内での流体が高温の金属部材10に接触する時間(滞留時間)が長くなる。
Here, as described above, the
なお、突起部10gは、円錐状に限定されるものではなく、吐出した流体が当たることで拡散できるような形状であればよく、特に限定されるものではない。突起部10gとしては、例えば第二面10bの表面から突出するものであればどのようなものでもよい。但し、突起部10gは、突起部10fのように突起が連続して形成されたものではなく、吐出孔10eから吐出された流体が直接当たる位置に断片的に形成されるものである。
In addition, the
図3および図4に示す金属部材10の突起部10f、突起部10gを、それぞれ連続した窪み、連続していない窪みに代えてもよい。例えば、金属部材10に代えて、図5および図6に示すように、突起部10fに代えて連続した渦巻き状の窪みからなる凹部10iと、突起部10gに代えて連続していない窪みの凹部10hとが第二面10bに形成された金属部材10Aを使用しても、当該金属部材10と同様の効果を奏する。なお、突起部10gと同様、図7の(b)に示すように、吐出孔10eから吐出した流体が凹部10hに当たれば拡散する。
The
なお、図3の(b)に示すように、第二面10bに突起部10gのみが形成されている例、図5の(b)に示すように、第二面10bに凹部10hのみが形成されている例について説明したが、乱流を形成するという目的から突起部10gと凹部10hは混在していてよい。但し、突起部10gと凹部10hは、混在していても、吐出孔10eから吐出された流体が当たる位置にそれぞれ形成される。
In addition, as shown in (b) of FIG. 3, only the
また、金属部材10(10A)の形状は、特に限定されるものではないが、加熱タンク30の内面30aに周端面10dが密着できるような形状であればよい。すなわち、加熱タンク30の内部の形状に合わせて金属部材10(10A)の形状を決めればよい。例えば、金属部材10(10A)の形状は、加熱タンク30の内部の形状が円形であれば円形、楕円形であれば楕円形、矩形であれば矩形、多角形であれば同じ角数の多角形にすればよい。
Also, the shape of the metal member 10 (10A) is not particularly limited, but any shape that allows the
金属部材10(10A)の材料としては、用いる熱交換器1の用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、熱交換器1から排出される加熱された流体を食品用途に使用する場合には、ステンレス等の錆びない材料を用いることが好ましい。なお、金属部材10(10A)の材料は、熱伝導率が高い金属が好ましい。具体的には、金属部材10(10A)を構成する材料として、例えば、鉄、アルミニウム、銅等を用いてもよく、また、合金を用いてもよい。 The material of the metal member 10 (10A) may be appropriately set according to the application of the heat exchanger 1 to be used. For example, when the heated fluid discharged from the heat exchanger 1 is used for food, it is preferable to use a rust-free material such as stainless steel. It should be noted that the material of the metal member 10 (10A) is preferably a metal with high thermal conductivity. Specifically, for example, iron, aluminum, copper, or the like may be used as the material forming the metal member 10 (10A), or an alloy may be used.
本実施形態では、熱交換器1を加熱する方法として、電磁誘導加熱方式を採用する。従って、金属部材10(10A)を構成する材料として、外部から高周波交流電圧をかけた場合に、渦電流が発生する材料を用いる必要がある。このような材料としては、例えば、磁性体が挙げられる。そして、上記磁性体である金属部材10としては、具体的には、例えば、鉄等の強い磁性の金属、ステンレススチール(SUS)430が挙げられる。
In this embodiment, an electromagnetic induction heating method is employed as a method for heating the heat exchanger 1 . Therefore, it is necessary to use a material that generates an eddy current when a high-frequency AC voltage is applied from the outside as a material for forming the metal member 10 (10A). Such materials include, for example, magnetic substances. As the
(熱交換器の製造方法)
ここで、熱交換器1の製造方法について説明する。以下の説明では、図2に示す熱交換器1を参照しながら、円板状の金属部材10を用いる場合について説明する。(Method for manufacturing heat exchanger)
Here, a method for manufacturing the heat exchanger 1 will be described. In the following description, the case of using the disk-shaped
まず、円板状の金属部材10を用意する。ここでは、上記円板状の金属部材10として、SUS430を用いている。
First, a disk-shaped
次に、上記円板状の金属部材10の片面を、周縁部から中央部に向かって肉厚が薄くなるように研削する。具体的には、金属部材10を、旋盤を用いて研削する。
Next, one side of the disk-shaped
次に、複数の金属部材10間の位置を調節するために、金属部材10の中心に貫通孔10cを形成する。なお、貫通孔10cは、簡単に位置決めを行なうために形成するものであり、必ずしも必要ではない。
Next, a through
その後、金属部材10に吐出孔10eを形成する。
After that, a
次に、金属部材10の中央に形成した貫通孔10cに位置決め用のシャフト13を通し、このシャフト13に、複数の金属部材10を通す。
Next, a
その後、金属部材10の周端面10dを加熱タンク30の内面30aに金属溶接して、各金属部材10を加熱タンク30内の所定の位置に固定する。なお、シャフト13を用いて位置決めを行った場合、シャフト13と金属部材10とは溶接してもしなくてもよい。
After that, the
最後に、加熱タンク30の両端部に流体の供給口11と排出口12とを取り付ける。以上のようにして、熱交換器1を製造する。
Finally, a
なお、上記の説明では、平板状の金属部材10を研削して、周縁部よりもその内方側部分が薄い金属部材10を作っているが、最初から周縁部よりもその内方側部分が薄くなっている金属部材10を用いる場合には上記研削を行なう工程は必要ではない。
In the above description, the
また、上記の説明では、加熱タンク30の内面に溶接する複数の金属部材10の全部を位置決めした後で、溶接を行なっているが、例えば、まず2枚の金属部材10の周縁部同士を溶接した後、これにさらに他の金属部材10を重ねて溶接を行ってもよい。
In the above description, welding is performed after all of the plurality of
また、上記溶接には、電気溶接、レーザー溶接、アルゴン溶接およびガス溶接等の少なくとも1つの通常の溶接の他に例えば、冷間溶接も含むものとする。また、上記例示の溶接を適宜組み合わせてもよい。 Welding also includes, for example, cold welding in addition to at least one conventional welding such as electric welding, laser welding, argon welding and gas welding. Also, the above-exemplified welding may be appropriately combined.
(性能比較)
図8は、図2に示す熱交換器1の性能試験の結果を示すグラフである。(performance comparison)
FIG. 8 is a graph showing performance test results of the heat exchanger 1 shown in FIG.
図9は、比較例の熱交換器の性能試験の結果を示すグラフである。ここで、比較例の熱交換器は、図2に示す熱交換器1における金属部材10の厚みが周端面10dから貫通孔10cまで全て同じである。また、金属部材10の枚数は、16枚とする。また、比較例の熱交換器は、図2に示す熱交換器1とほぼ同じであるが、金属部材の厚みが周端面から貫通孔まで同じ10mmとなっている点で熱交換器101と異なる。
FIG. 9 is a graph showing the results of the performance test of the heat exchanger of the comparative example. Here, in the heat exchanger of the comparative example, the thickness of the
性能試験は、下記の条件で行った。 Performance tests were conducted under the following conditions.
供給飽和蒸気圧力:0.15MPa
供給飽和蒸気流量:100kg/h
加熱開始から過熱蒸気の温度が安定するまで:約20kw
過熱蒸気温度安定後 :約14.8kw
ここでは、熱交換器によって得られる過熱蒸気の温度(定格温度安定後の60分間の温度)を比較することで、熱交換器の性能を比較する。また、過熱蒸気の温度は、熱交換器の流体が吐出される出口温度にて測定する。Supply saturated steam pressure: 0.15 MPa
Supply saturated steam flow rate: 100 kg/h
From the start of heating until the temperature of the superheated steam stabilizes: about 20 kw
After stabilization of superheated steam temperature: about 14.8 kw
Here, the performance of the heat exchangers is compared by comparing the temperature of the superheated steam obtained by the heat exchangers (the temperature for 60 minutes after the rated temperature is stabilized). Also, the temperature of the superheated steam is measured at the outlet temperature from which the fluid of the heat exchanger is discharged.
図8のグラフから、発熱本体温度が約630℃のとき、図2に示す熱交換器1における過熱蒸気温度は、約600℃となり、図9のグラフから、発熱本体温度が約530℃のとき、比較例の熱交換器における過熱蒸気温度は、約500℃となった。このように、過熱蒸気温度は、熱交換器1のほうが従来の熱交換器よりも約100℃も高くなっていることが分かる。しかも、消費電力値が同じでありながらも、図8に示すグラフ、すなわち図2に示す熱交換器1のほうが100℃も高い過熱蒸気温度を得ることができる。つまり、従来の熱交換器よりも格段に優れた加熱交率を実現できていることが分かる。これは、金属部材10に形成された吐出孔10eの貫通方向を工夫することで、流体を区画室14内において高速回転渦流を形成しながら長時間滞留し、実効伝熱面積の増大および渦による強制対流熱伝達によって非常に高効率な流体の加熱を行なうことができるためである。
From the graph of FIG. 8, when the heat generating main body temperature is about 630° C., the superheated steam temperature in the heat exchanger 1 shown in FIG. 2 is about 600° C. From the graph of FIG. , the superheated steam temperature in the heat exchanger of the comparative example was about 500°C. Thus, it can be seen that the superheated steam temperature of the heat exchanger 1 is about 100° C. higher than that of the conventional heat exchanger. Moreover, even though the power consumption value is the same, the graph shown in FIG. 8, that is, the heat exchanger 1 shown in FIG. In other words, it can be seen that a significantly higher heating exchange rate than the conventional heat exchanger can be achieved. By devising the penetration direction of the
これに対して、比較例の熱交換器においては、金属部材の吐出孔は、図1に示す熱交換器101と同様に、加熱タンクを通過する流体の進行方向に平行に形成されているため、図2に示す熱交換器1よりも区画室114内での流体の滞留時間が短い。これにより、流体の加熱を十分に行うことができない。
On the other hand, in the heat exchanger of the comparative example, the discharge hole of the metal member is formed parallel to the traveling direction of the fluid passing through the heating tank, like the
また、上記性能の違いは、発熱本体温度、すなわち金属部材の温度の違いにもよる。図2に示す熱交換器1における金属部材10は、周端面10dから所定の距離までの厚みが一定の第1部位と、所定の距離から貫通孔10cまでの厚みが徐々に薄くなっている第2部位とで構成されているので、厚みが徐々に薄くなっている第2部位は、厚みが一定の第1部位よりも放熱し易くなるため、金属部材10の周端面10dから貫通孔10cまでをほぼ均一にキュリー温度近くの温度まで加熱することが可能となる。このため、区画室14内に滞留する蒸気をより高い温度で加熱し続けることができる。
The difference in performance also depends on the temperature of the heat-generating body, that is, the temperature of the metal member.
これに対して、金属部材の厚みが周端面から貫通孔まで同じであれば、当該金属部材のどの部分においても放熱し難くなるため、金属部材の貫通孔側の温度をキュリー温度近くまで上げる場合、当該金属部材の周端面側の温度をキュリー温度以上の温度になるように加熱する必要があり、現実的でない。つまり、金属部材10のように、周端面から貫通孔までをほぼ均一にキュリー温度近くの温度まで加熱することができない。このため、区画室内に滞留する蒸気をより高い温度で加熱し続けることができない。
On the other hand, if the thickness of the metal member is the same from the peripheral end surface to the through-hole, it becomes difficult to dissipate heat from any part of the metal member. , it is necessary to heat the peripheral end face side of the metal member to a temperature equal to or higher than the Curie temperature, which is not realistic. In other words, unlike the
(効果)
上記構成によれば、吐出孔10eの各々を通過した流体は、その進行方向がシャフト13の延伸方向に対して同一方向に同一角度ずつずれた上で、下段の金属部材10の第二面10bに斜め方向から当たる。よって、流体が金属部材10を通過する毎に、渦流が形成されることとなる。さらに、区画室14の壁を構成する2つの金属部材10のうち、流体の流入方向の下流側に配置された金属部材10の流体が流入する面(第二面10b)に渦巻き状の突起部10fが形成されていることで、区画室14内の壁を構成する上流側の金属部材10の吐出孔10eから吐出された流体によって下流側の金属部材10の第二面10bに形成される乱流が突起部10fにそって渦巻き状に移動する。(effect)
According to the above configuration, the fluid that has passed through each of the
これらのことから、区画室14内で流体の高速回転渦流が形成されるので、流体が区画室14内を循環して高温壁面との接触を高速で繰り返す結果、実効伝熱面積の増大効果が得られ、加熱効率を高めることができる。 For these reasons, a high-speed rotating eddy current of the fluid is formed in the compartment 14, so that the fluid circulates in the compartment 14 and repeats contact with the high-temperature wall surface at high speed, resulting in an increase in the effective heat transfer area. can be obtained, and the heating efficiency can be improved.
従って、流体の実効伝熱面積を大きくして加熱効率を高めるため、従来のように熱交換器自体を大きくしなくても、十分に高い加熱効率を得ることができる。しかも、吐出孔10eの貫通方向を工夫するだけで、区画室14に流体を長時間滞留させることが可能となり、非常に高効率な流体の加熱を行なうようになっているので、消費電力の増大を抑制することができる。換言すると、同じ加熱効率を得るためであれば、本実施形態の熱交換器1は、従来の熱交換器よりもサイズが小さくて、しかも消費電力が少なくて済む。
Therefore, since the effective heat transfer area of the fluid is increased to increase the heating efficiency, a sufficiently high heating efficiency can be obtained without enlarging the heat exchanger itself as in the conventional art. In addition, the fluid can be retained in the partition chamber 14 for a long period of time simply by devising the through-hole direction of the
さらに、金属部材10は、周縁部よりもその内方側部分のほうが薄くなるように形成されていることで、外部から供給される熱は、金属部材10の周縁部から中心部へ効率よく伝わることとなる。従って、区画室14を構成している壁が十分に加熱されることになるので、当該区画室14に導かれた流体を従来と比べて十分に加熱できる。
Furthermore, since the
また、加熱タンク30内に配置された、隣接する金属部材10の肉厚は、上記流体の流入方向の上流側に配置された金属部材10よりも、下流側に配置された金属部材10のほうが薄いことで、上流側の熱が下流側まで高速に且つ高効率で伝達されるので、熱伝達特性をさらに向上させ、流体をより好適に加熱できる。これにより、流体の流入方向の上流側で十分に加熱された流体が高温を維持した状態で、下流側の区画室14に導かれていくため、十分に加熱された流体を得ることが可能となる。
In addition, regarding the wall thickness of the
通常、熱交換器の熱交換率を上げるには、実効伝熱面積自体を増大させる必要があり、熱交換を行う部位(フィン等)の面積が増大し、熱交換器自体が大型化する。 Normally, in order to increase the heat exchange efficiency of a heat exchanger, it is necessary to increase the effective heat transfer area itself, which increases the area of the heat exchange sites (fins, etc.) and increases the size of the heat exchanger itself.
これに対して、本実施形態の熱交換器1では、上述したように、熱交換器1の熱交換率を上げるために、区画室14内において流体が高速回転渦流を形成して、実効伝熱面積の増大効果を得ているため、実効伝熱面積自体を増大させる必要がない。そのため、同じ熱交換率を得るために、本実施形態に係る熱交換器1の大きさは、従来の熱交換器よりも小型にできる。 On the other hand, in the heat exchanger 1 of the present embodiment, as described above, in order to increase the heat exchange efficiency of the heat exchanger 1, the fluid forms a high-speed rotating vortex in the compartment 14, resulting in effective transmission. Since the effect of increasing the heat area is obtained, there is no need to increase the effective heat transfer area itself. Therefore, in order to obtain the same heat exchange rate, the size of the heat exchanger 1 according to this embodiment can be made smaller than that of the conventional heat exchanger.
上述のように、キュリー温度近くまで加熱され、且つ、区画室14において高速回転渦流を形成するには、上記構成の金属部材10に限定されるものではなく、他の金属部材であってもよい。
As described above, in order to be heated to near the Curie temperature and to form a high-speed rotating vortex in the compartment 14, the
〔態様1〕
本発明の熱交換器は、流入された流体を滞留させるための区画室を内部に有する加熱タンクを備え、上記加熱タンクの外部から加熱することで上記区画室内の滞留している流体を加熱する熱交換器であって、流体の通路である吐出孔を複数有する、略円板状の金属部材を複数有し、上記金属部材の各々は上記加熱タンク内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されており、上記区画室の壁は、少なくとも隣接する2つの上記金属部材で構成され、上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、上記吐出孔の入口と出口とは、当該金属部材における上記中心点を中心とする同心円上に形成され、かつ、同一円周上では等間隔に形成されており、上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線は、当該出口側の金属部材の対向面に対して斜めである、ことを特徴とする熱交換器ことを特徴としている。[Aspect 1]
The heat exchanger of the present invention comprises a heating tank having therein a compartment for retaining the inflowed fluid, and heats the fluid retained in the compartment by heating from the outside of the heating tank. A heat exchanger comprising a plurality of substantially disc-shaped metal members having a plurality of discharge holes that are fluid passages, and each of the metal members being arranged so that the plate surfaces face each other in the heating tank. and the axis connecting the center points of the plate surfaces is arranged along the inflow direction of the fluid, and the wall of the compartment is composed of at least two adjacent metal members, and the metal members have For each of the plurality of discharge holes, an inlet and an outlet of the discharge hole are formed on a concentric circle centered on the center point of the metal member, and are formed at equal intervals on the same circumference. 1. A heat exchanger characterized in that a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole is inclined with respect to the facing surface of the metal member on the outlet side.
上記構成によれば、吐出孔10eの各々を通過する流体は、その進行方向がシャフト13の延伸方向に対して同一方向に同一角度ずつずれた上で、下段の金属部材10の第二面10bに斜め方向から当たる。よって、流体が金属部材10を通過する毎に、渦流が形成されることとなる。これにより、区画室内で流体の高速回転渦流が形成されるので、流体が区画室内を循環して高温壁面との接触を高速で繰り返す結果、実効伝熱面積の増大効果が得られ、加熱効率を高めることができる。
According to the above configuration, the fluid passing through each of the
従って、流体の実効伝熱面積を大きくして加熱効率を高めるため、従来のように熱交換器の長手方向のサイズを大きくしなくても、十分に高い加熱効率を得ることができる。しかも、吐出孔の貫通方向を工夫するだけで、区画室に流体を長時間滞留させることが可能となり、非常に高効率な流体の加熱を行なうようになっているので、消費電力の増大を抑制することができる。 Therefore, since the effective heat transfer area of the fluid is increased to increase the heating efficiency, a sufficiently high heating efficiency can be obtained without increasing the size of the heat exchanger in the longitudinal direction as in the conventional art. Moreover, by simply adjusting the direction of the discharge holes, the fluid can be retained in the compartment for a long period of time, and the fluid can be heated very efficiently. can do.
〔態様2〕
上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、上記吐出孔の入口と出口とは、当該金属部材における上記中心点を中心とする同心円上に形成され、かつ、同一円周上では等間隔に形成されており、上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線と、上記軸とは、ねじれの位置にあり、上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線の各々について、上記軸との成す角度は同じであってもよい。[Aspect 2]
For each of the plurality of discharge holes of the metal member, the inlet and the outlet of the discharge hole are formed on a concentric circle centered on the center point of the metal member, and are equidistantly spaced on the same circle. A straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole and the axis are in a twisted position, and each straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole The angles may be the same.
上記構成によれば、上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線と、上記軸とは、ねじれの位置にあり、上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線の各々について、上記軸との成す角度が同じであれば、金属部材から吐出される流体は、対向する金属部材の対向面に対して同じ向きに吐出される。これにより、金属部材間の区画室内での流体による渦流がより高速になり、区画室に流体をさらに長時間滞留させることが可能となり、非常に高効率な流体の加熱を行なうようになっているので、消費電力の大幅な増大を抑制することができる。 According to the above configuration, the straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole and the axis are in a twisted position, and each of the straight lines connecting the inlet and the outlet of the discharge hole is formed by the axis. If the angles are the same, the fluid ejected from the metal members is ejected in the same direction with respect to the opposing surfaces of the opposing metal members. As a result, the eddy currents caused by the fluid in the compartments between the metal members become faster, allowing the fluid to stay in the compartments for a longer period of time, and the fluid to be heated very efficiently. Therefore, a significant increase in power consumption can be suppressed.
〔態様3〕
上記金属部材の各々は、板面のうち流体の流入側の面における、当該金属部材の上流側に隣接して配置された上記金属部材の上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線上の位置に、当該吐出孔から吐出された流体を拡散するための拡散部材が形成されていてもよい。[Aspect 3]
Each of the metal members is positioned on a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole of the metal member arranged adjacent to the upstream side of the metal member on the fluid inflow side of the plate surface. , a diffusion member may be formed for diffusing the fluid discharged from the discharge hole.
上記構成によれば、金属部材の吐出孔から吐出された流体は、対向する金属部材の流体の流入面に形成された拡散部材に確実に当たり、乱流になる。この結果、流体の高速回転渦流をより多く形成することができる。 According to the above configuration, the fluid discharged from the discharge hole of the metal member reliably hits the diffusion member formed on the fluid inflow surface of the opposing metal member, and becomes a turbulent flow. As a result, more high-speed rotating eddy currents of the fluid can be formed.
〔態様4〕
上記金属部材は、周端面から上記区画室の中心に向かって所定の距離まで一定の厚みで形成された第1の部位と、上記第1の部位を越えて上記区画室の中心まで当該第1の部位の厚みから徐々に薄く形成された第2の部位とを含んでいてもよい。[Aspect 4]
The metal member has a first portion formed with a constant thickness from the peripheral end face toward the center of the compartment to a predetermined distance, and a first portion extending beyond the first portion to the center of the compartment. and a second portion which is formed to be gradually thinner than the thickness of the portion of (1).
上記構成によれば、金属部材における第2の部位では第1の部位の厚みから徐々に薄くなっているため、厚みが一定の第1の部位よりも第2の部位のほうが放熱しやすい。これにより、熱源に近い第1の部位から加熱しても、熱源から遠い第2の部位で放熱されることになるので、熱源からの熱が金属部材全体に伝わり易くなり、その結果、当該金属部材全体を非常に高い温度まで加熱することが可能となる。従って、区画室の壁を構成する金属部材が非常に高い温度まで加熱されるので、当該区画室内に滞留する流体は金属部材に接触または放熱により非常に高い温度まで加熱される。 According to the above configuration, the thickness of the second portion of the metal member is gradually reduced from that of the first portion, so that heat is more easily dissipated from the second portion than from the first portion, which has a constant thickness. As a result, even if the first portion close to the heat source is heated, the heat is radiated from the second portion far from the heat source. It becomes possible to heat the entire component to very high temperatures. Therefore, since the metal member constituting the wall of the compartment is heated to a very high temperature, the fluid staying in the compartment is heated to a very high temperature by contact with the metal member or heat radiation.
よって、従来のように、流体の実効伝熱面積を大きくして、加熱効率を高めるため、熱交換器自体を大きくしなくても、十分に高い加熱効率を得ることができる。換言すると、同じ加熱効率を得るためであれば、本発明の熱交換器は、従来の熱交換器よりも小さくて済む。 Therefore, since the effective heat transfer area of the fluid is increased to increase the heating efficiency, a sufficiently high heating efficiency can be obtained without enlarging the heat exchanger itself. In other words, the heat exchanger of the present invention can be smaller than conventional heat exchangers for the same heating efficiency.
〔態様5〕
上記区画室の壁を構成する2つの上記金属部材のうち、上記流体の流入方向の下流側に配置された金属部材の上記流体が流入する面に当該金属部材の中心を中心とした渦巻き状の溝が形成されていてもよい。[Aspect 5]
Of the two metal members constituting the wall of the compartment, the metal member disposed on the downstream side in the inflow direction of the fluid has a spiral shape around the center of the metal member on the surface into which the fluid flows. Grooves may be formed.
上記構成によれば、区画室の壁を構成する2つの金属部材のうち、流体の流入方向の下流側に配置された金属部材の上記流体が流入する面に当該金属部材の中心を中心とした渦巻き状の溝が形成されていることで、区画室内の壁を構成する一方の金属部材の吐出孔から吐出された流体によって他方の金属部材表面状に形成される乱流が溝にそって渦巻き状に移動する。これにより、区画室内で流体の高速回転渦流が形成されるので、流体が区画室内を循環して高温壁面との接触を高速で繰り返す結果、実効伝熱面積の増大効果が得られ、加熱効率を高めることができる。 According to the above configuration, of the two metal members constituting the wall of the compartment, the fluid inflow surface of the metal member arranged on the downstream side in the fluid inflow direction is centered on the center of the metal member. Since the spiral groove is formed, a turbulent flow formed on the surface of one of the metal members forming the wall of the compartment by the fluid discharged from the discharge hole of the other metal member spirals along the groove. move in the shape of As a result, a high-speed rotating eddy current of the fluid is formed in the compartment, so the fluid circulates in the compartment and repeats contact with the high-temperature wall surface at high speed. can be enhanced.
〔態様6〕
上記金属部材は、周縁部よりもその内方側部分のほうが薄くなるように形成されていてもよい。[Aspect 6]
The metal member may be formed so that the inner side portion thereof is thinner than the peripheral edge portion.
上記構成によれば、金属部材は、周縁部よりもその内方側部分のほうが薄くなるように形成されていることで、外部から供給される熱は、金属部材の周縁部から中心部へ効率よく伝わることとなる。従って、区画室を構成している壁が十分に加熱されることになるので、当該区画室に導かれた流体を従来と比べて十分に加熱できる。 According to the above configuration, the metal member is formed so that the inner side portion thereof is thinner than the peripheral edge portion, so that the heat supplied from the outside is efficiently transferred from the peripheral edge portion to the central portion of the metal member. It will be well communicated. Therefore, since the walls forming the compartments are sufficiently heated, the fluid introduced into the compartments can be sufficiently heated as compared with the conventional case.
〔態様7〕
上記加熱タンク内に配置された、隣接する金属部材の肉厚は、上記流体の流入方向の上流側に配置された金属部材よりも、下流側に配置された金属部材のほうが薄くてもよい。[Aspect 7]
As for the thickness of the adjacent metal members arranged in the heating tank, the metal member arranged on the downstream side may be thinner than the metal member arranged on the upstream side in the inflow direction of the fluid.
上記構成によれば、加熱タンク内に配置された、隣接する金属部材の肉厚は、上記流体の流入方向の上流側に配置された金属部材よりも、下流側に配置された金属部材のほうが薄いことで、上流側の熱が下流側まで高速に且つ高効率で伝達されるので、熱伝達特性をさらに向上させ、流体をより好適に加熱できる。これにより、流体の流入方向の上流側で十分に加熱された流体が高温を維持した状態で、下流の区画室に導かれていくため、十分に加熱された流体を得ることが可能となる。 According to the above configuration, the thickness of the adjacent metal members arranged in the heating tank is such that the thickness of the metal member arranged on the downstream side is greater than that of the metal member arranged on the upstream side in the inflow direction of the fluid. Being thin allows heat from the upstream side to be transferred to the downstream side at high speed and efficiency, so that the heat transfer characteristics can be further improved and the fluid can be heated more favorably. As a result, the sufficiently heated fluid on the upstream side in the inflow direction of the fluid is guided to the downstream compartment while maintaining its high temperature, so that the sufficiently heated fluid can be obtained.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention.
本発明にかかる熱交換器は、加熱タンク内に流体を流通させることで加熱する用途に好適に使用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The heat exchanger according to the present invention can be suitably used for heating by circulating a fluid in a heating tank.
1 熱交換器
10 金属部材
10a 第一面
10b 第二面
10c 貫通孔
10d 周端面
10e 吐出孔
10f 突起部
10g 突起部(拡散部材:突起)
10i 凹部
10h 凹部(拡散部材:窪み)
11 供給口
12 排出口
13 シャフト
14 区画室
30 加熱タンク
30a 内面
101 熱交換器
110 金属部材
110a 第一面
110b 第二面
110c 貫通孔
110d 周端面
110e 吐出孔
111 供給口
112 排出口
113 シャフト
114 区画室
130 加熱タンク
130a 内面1
11
Claims (10)
流体の通路である吐出孔を複数有する、略円板状の金属部材を複数有し、
上記金属部材の各々は上記加熱タンク内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されており、
上記区画室の壁は、少なくとも隣接する2つの上記金属部材で構成され、
上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、
上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線は、当該出口側の金属部材の対向面に対して斜めであり、
上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、
上記吐出孔の入口と出口とは、当該金属部材における上記中心点を中心とする同心円上に形成され、かつ、同一円周上では等間隔に形成されており、
上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線と、上記軸とは、ねじれの位置にあり、
上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線の各々について、上記軸との成す角度は同じであることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger comprising a heating tank having therein a compartment for retaining the inflowed fluid, and heating the fluid retained in the compartment by heating from the outside of the heating tank,
Having a plurality of substantially disk-shaped metal members having a plurality of discharge holes that are fluid passages,
Each of the metal members is arranged so that the plate surfaces face each other in the heating tank, and the axis connecting the center points of the plate surfaces is arranged along the inflow direction of the fluid,
the wall of the compartment is composed of at least two adjacent metal members;
For each of the plurality of ejection holes of the metal member,
a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole is oblique to the facing surface of the metal member on the outlet side;
For each of the plurality of ejection holes of the metal member,
The inlet and outlet of the discharge hole are formed on a concentric circle centered on the center point of the metal member, and are formed at equal intervals on the same circumference,
A straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole and the axis are at a twisted position,
A heat exchanger as claimed in claim 1, wherein each straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole forms the same angle with the axis .
流体の通路である吐出孔を複数有する、略円板状の金属部材を複数有し、 Having a plurality of substantially disk-shaped metal members having a plurality of discharge holes that are fluid passages,
上記金属部材の各々は上記加熱タンク内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されており、 Each of the metal members is arranged so that the plate surfaces face each other in the heating tank, and the axis connecting the center points of the plate surfaces is arranged along the inflow direction of the fluid,
上記区画室の壁は、少なくとも隣接する2つの上記金属部材で構成され、 the wall of the compartment is composed of at least two adjacent metal members;
上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、 For each of the plurality of ejection holes of the metal member,
上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線は、当該出口側の金属部材の対向面に対して斜めであり、 a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole is oblique to the facing surface of the metal member on the outlet side;
上記金属部材の各々は、板面のうち流体の流入側の面における、当該金属部材の上流側に隣接して配置された上記金属部材の上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線上の位置に、当該吐出孔から吐出された流体を拡散するための拡散部材が形成されていることを特徴とする熱交換器。 Each of the metal members is positioned on a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole of the metal member arranged adjacent to the upstream side of the metal member on the fluid inflow side of the plate surface. and a diffusion member for diffusing the fluid discharged from the discharge hole.
流体の通路である吐出孔を複数有する、略円板状の金属部材を複数有し、 Having a plurality of substantially disk-shaped metal members having a plurality of discharge holes that are fluid passages,
上記金属部材の各々は上記加熱タンク内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されており、 Each of the metal members is arranged so that the plate surfaces face each other in the heating tank, and the axis connecting the center points of the plate surfaces is arranged along the inflow direction of the fluid,
上記区画室の壁は、少なくとも隣接する2つの上記金属部材で構成され、 the wall of the compartment is composed of at least two adjacent metal members;
上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、 For each of the plurality of ejection holes of the metal member,
上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線は、当該出口側の金属部材の対向面に対して斜めであり、 a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole is oblique to the facing surface of the metal member on the outlet side;
上記区画室の壁を構成する2つの上記金属部材のうち、上記流体の流入方向の下流側に配置された金属部材の上記流体が流入する面に当該金属部材の中心を中心とする渦巻き状の溝が形成されていることを特徴とする熱交換器。 Of the two metal members constituting the wall of the compartment, the metal member disposed on the downstream side in the inflow direction of the fluid has a spiral shape around the center of the metal member on the surface into which the fluid flows. A heat exchanger, characterized in that grooves are formed.
流体の通路である吐出孔を複数有する、略円板状の金属部材を複数有し、 Having a plurality of substantially disk-shaped metal members having a plurality of discharge holes that are fluid passages,
上記金属部材の各々は上記加熱タンク内で板面が対向するように配置され、かつ、各板面の中心点を結ぶ軸が流体の流入方向に沿うように配置されており、 Each of the metal members is arranged so that the plate surfaces face each other in the heating tank, and the axis connecting the center points of the plate surfaces is arranged along the inflow direction of the fluid,
上記区画室の壁は、少なくとも隣接する2つの上記金属部材で構成され、 the wall of the compartment is composed of at least two adjacent metal members;
上記金属部材が有する上記複数の吐出孔の各々について、 For each of the plurality of ejection holes of the metal member,
上記吐出孔の入口と出口とを結ぶ直線は、当該出口側の金属部材の対向面に対して斜めであり、 a straight line connecting the inlet and the outlet of the discharge hole is oblique to the facing surface of the metal member on the outlet side;
上記加熱タンク内に配置された、隣接する金属部材の肉厚は、上記流体の流入方向の上流側に配置された金属部材よりも、下流側に配置された金属部材のほうが薄いことを特徴とする熱交換器。 The thickness of the adjacent metal members arranged in the heating tank is such that the thickness of the metal member arranged on the downstream side is thinner than that of the metal member arranged on the upstream side in the inflow direction of the fluid. heat exchanger.
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