JPH0125238Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は伝熱面が環状流路に設けられた熱交換
器に関するもので、特に伝熱面がセラミツク発熱
素子により構成されているものである。

従来の伝熱面が環状流路よりなる熱交換器、例
えば電気式瞬間湯沸器の熱交換器として用いるも
のでは、利用できる水道の元圧が限られているた
め、環状流路の幅を比較的広くとつて水の流通抵
抗を低減していた。この種の熱交換器では熱伝達
率が低く、伝熱面温度の上昇によるスケールの付
着を防止するために広い伝熱面積が必要であり、
熱交換器が大型化するという問題があつた。

さらに最近実用化されたセラミツク発熱素子を
用いた場合、この素子が伝熱面と発熱部とを近接
して（例えば0.4mm）設けることができるという
ことより、即熱性が優れかつ発熱密度が高くとれ
るという特徴を有する半面、スケールの付着には
敏感で、スケールの付着によるセラミツク発熱素
子の破壊を防止するためにスケールの付着を高い
レベルで防止することが必要であつた。

一般にスケールの付着を防止するためには、伝
熱面温度を下げることが有効であり、このために
は熱伝達率を高めること、伝熱面積を広くするこ
とが考えられる。従来の単に環状流路のみによる
熱交換器では、熱伝達率を高めるために環状流路
の幅を極限にまで狭くする必要があり、これによ
り流路抵抗が高くなるのみならず、高い寸法精度
が要求されて実用的ではなかつた。

これらの欠点を克服するために、環状流路にラ
セン状の撹乱手段を挿入して、環状流の乱流化、
旋回流の生成による熱伝達率の向上が図られた。
この形式の熱交換器は従来の単に環状流のみの熱
交換器と比較して、低い圧力損失で高い熱伝達率
が得られるが、流れ方向の熱伝達率の分布に改善
すべき点があつた。

伝熱面から一定の熱流束では熱伝達を行なつて
いるとき、伝熱量Ｑ〔Kcal〕は１式により表わさ
れる。

Ｑ＝αAo（T_S−T_W） ここでα；熱伝達率（Kcal／m²hr℃） Ao；伝熱面積（m²） T_S；伝熱面温度（℃） T_W；被加熱流体温度（℃） 熱交換器の流入口付近では、温度境界層が未発
達なことなどから熱伝達率が高く、下流にいくに
したがつて低下し、一定の値に近づく。

一方被加熱流体の温度は下流側に行くにしたが
い加熱されるために高くなる。したがつて１式に
おいて、下流側に行くほどαが小さくなり、また
T_Wが高くなることから同一熱流束を伝えるため
には伝熱面温度T_Sが高くなる必要があることが
わかる。

スケールの付着を防止するためには伝熱面の最
高温度を抑える必要があるため、この最高温度を
スケール生成温度以下に抑えると、伝熱面の上流
側では必要以上に伝熱面温度が下がり、熱交換器
としての性能（この場合は圧力損失特性）が低下
する。

本考案はこのような従来の熱交換器の欠点を除
去するもので、熱伝達率を高める機構を生かしつ
つ熱交換器の伝熱面の流れ方向（軸方向）の温度
分布の均一化を図るものである。

この目的を達成するために、本考案は、環状流
路にラセン状の撹乱手段を設けるとともにラセン
状の撹乱手段のピツチが下流側へ行くに従い小さ
くなるようにしたものである。

本構成によつて熱伝達率は下流へいくに従い高
くなり、流れ方向への伝熱面温度の均一化の効果
を発揮し得るものである。

以下本考案の第１の実施例につき説明する。

第１図は本実施例による熱交換器を示す概略断
面図である。１は外筒、２は外筒内面、３は内
筒、４は内筒外面であり、外筒内面２と内筒外面
４で環状流路５を構成する。

内筒３はセラミツク発熱素子であり、セラミツ
ク基材６と発熱抵抗体７を保持したセラミツクシ
ート８とを一体に成形した構成となつている。し
たがつて内筒外面４のセラミツクシート８で構成
される部分が主な伝熱面９となる。

１０は流入口であり、被加熱流体を導入すると
ともに、この導入された被加熱流体を環状流路５
に供給する。１１は流出口であり、環状流路５と
内筒内面１２より流出する被加熱流体を導出す
る。１３ａは外筒内面２に略一体に設けたラセン
状の撹乱手段であり、下流側にいくに従つてピツ
チが小さくなつており、本実施例においてはラセ
ン状線体（例えばコイルスプリング）を外筒１２
内面に沿わして挿入している。

以下、上記構成に利用したラセン状撹乱手段の
ピツチ幅と熱伝達率の関係を説明する。すなわ
ち、ラセン状の撹乱手段による熱伝達率が最も向
上する条件は、ラセン状の撹乱手段により誘起さ
れる旋回流とラセン状の撹乱手段の回転軸方向に
通過する並行流とが衝突し伝熱面上の乱れが最大
となる場合である。ラセン状の撹乱手段のピツチ
幅が狭すぎると並行流が弱くなり、またピツチ幅
が広すぎると旋回流が弱くなつて熱伝達率は低下
する。したがつて、ピツチ幅には最適値が存在す
る。またラセン状の撹乱手段による圧力損失はピ
ツチ幅が狭いほど高くなるため、熱伝達率を局所
的に変化させる場合には、流路の上流側を最高効
率となるピツチ幅（最適値）よりも幅広く設定
し、それから下流側に至るにつれ最適値へなるよ
うピツチ幅を狭めていくのが効率的である。

上記実施例は、この方法を採用したものであ
り、伝熱面９の下流側に行くほど熱伝導率が高く
なつている。したがつて、伝熱面９の平均熱伝達
率をそれほど高めなくても、伝熱面最高温度を抑
えることができる。これを第２図を用いて説明す
る。第２図において横軸は伝熱面の上流側の起点
を０とし下流側にその距離をとつている。縦軸
は、伝熱面温度（T_S0；等ピツチのもの、T_S1本
実施例）、被加熱流体平均温度（T_W）、熱伝達率
（α₀；等ピツチのもの、α₁；本実施例）である。

第２図に示したモデルは伝熱面最高温度を100
℃に抑える場合であり、等ピツチのものについて
は、熱伝達率が下流にいくに従い低下すること、
および被加熱流体の平均温度が下流にいくに従い
上昇することにより、伝熱面９の上流での温度を
より低く抑えないと下流側で100℃を越えてしま
うが、本実施例では、下流側に行くに従い熱伝達
率が高くなるため、伝熱面９の温度を上流側でそ
れほど抑える必要はなく、平均熱伝達率もより低
くて良い。したがつて熱交換器の圧力損失を低減
できる。

つぎに本考案の第２の実施例につき第３図を用
いて説明する。この実施例ではさきの実施例と比
較してラセン状の撹乱手段１３ｂが内筒外面４上
にあるという点のみが異なるものである。

さらに、本考案の第３の実施例につき第４図で
説明する。この実施例では、第３の実施例におい
て示されたラセン状の撹乱手段１３ｂを内筒外面
４に一体に成形あるいは溶接等の手段で熱的に結
合した点のみが第２の実施例と異なるものであ
る。この実施例においては、ラセン状の撹乱手段
１３ｃが内筒外面と熱的に結合しているため、先
に述べた効果のほかに、ラセン状の撹乱手段１３
ｃが放熱フインとして作用し熱交換器としての性
能を高める上で効果がある。

つぎに本考案の第４の実施例について第５図で
説明する。この実施例は、第２の実施例において
示された外筒内面２を小流側に至るほどその内径
を小さくした点のみが異なる。この実施例におい
ては外筒１ａの外筒内面２ａが下流側にいくほど
その径を小さくしているため流速が下流側にいく
ほど速くなり、またラセン状の撹乱手段１３ｂの
ピツチが下流側にいくほど小さくなつている効果
と相まつて、熱伝達率の軸方向の差を大きく設定
できる。

また本考案者等は、ラセン状の撹乱手段を有す
る環状流路型熱交換器で、流路幅、撹乱手段の突
出高さ、ピツチについて一連の最適化実験を行な
い、その結果、最適ピツチは流路幅が狭くなるほ
ど小さくなることを見い出した。この実施例はこ
の最適化の結果と合致するもので、軸方向の熱伝
達率の分布も考慮した熱交換器として、最適形状
を設計することができる。

以上説明したように本考案による熱交換器は伝
熱面上の最高温度を抑制するための最適設計をす
る上で効果があり、スケール付着に敏感なセラミ
ツク発熱素子を用いた場合に有効である。また一
般の環状流路に設けた熱交換器の小型化、高効率
化に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による熱交換器の第１の実施例
を示す概略断面図、第２図は第１の実施例の動作
を示す説明図、第３図は本考案の第２の実施例を
示す要部断面図、第４図は本考案の第３の実施例
を示す要部断面図、第５図は本考案の第４の実施
例を示す要部断面図である。 １，１ａ……外筒、２，２ａ……外筒内面、３
……内筒、４……内筒外面、５……環状流路、９
……伝熱面、１０……流入口、１１……流出口、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ……ラセン状の撹乱手
段。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ほぼ同軸に形成された外筒の外筒内面および
   内筒の内筒外面よりなる環状流路と、この内筒
   外面にセラミツク発熱素子で形成された伝熱面
   と、前記環状流路と連通する流入口と流出口と
   を有し、さらに前記外筒内面あるいは前記内筒
   外面の少くとも一方に、ラセン状の撹乱手段を
   前記環状流路に対して十分に間隙が構成される
   様に設け、この撹乱手段のピツチが下流側に至
   るほど小さくなる熱交換器。 (2) 外筒内面は下流側に至るほどその内径を小さ
   くする実用新案登録請求の範囲第１項記載の熱
   交換器。