JPH0519078B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は特別な構成の襞付管を用いた熱交換器
に関するものである。 〔従来の技術〕 現在最も多用されている熱交換器は多管式熱交
換器であり、この他に長手方向フインをつけたフ
インチユーブ式熱交換器と呼ばれるものもある。 〔発明が解決しようとする課題〕 然し乍ら、多管式熱交換器は流れ方式が向流よ
りも直向流に近いために温度効率が低い。この多
管式熱交換器は胴と管とから成り、高い温度効率
を得るためには、胴を複数段積み上げて直列に接
続することによりなるべく向流に近づけるように
構成するが、それでも完全な向流にはならない
し、また、あまり段数を増やすと、１段当りの伝
熱面積が小さくなり、コスト高になるので、通常
は温度効率が低下することを忍んで１段乃至４段
位で使用しているのが実情である。 一方、フインチユーブ式熱交換器は向流タイプ
に構成でき、フインによつて伝熱面積を管の内面
に対して６倍程に拡大できるので、コンパクトで
高い温度効率を上げることが期待されるが、内面
が平滑であるのでフイン側の外側の熱伝導率に対
し内側の熱伝導率が大変大きい場合、即ち、単な
るクーラーとかヒーターとして用いる場合には有
効であるが、それ以外の熱交換器としてはあまり
利点はないので用いられていない。なお、伝熱面
積は管内面の６倍程に拡大出来るとしてもフイン
における伝熱抵抗がかなりあつて、実質的には３
倍位の拡大に相当すると見るのが妥当のようであ
る。その他、円周方向に凹凸を設けた伝熱管もあ
るが、装備上の困難性が解決されず、実用には至
つていない。 〔課題を解決するための手段〕 本発明では、上述のような従来技術の問題点を
解決することを目的としてなされたものであり、
その構成は、両端にシールを形成するための円管
部を有し、該円管部の間の管壁にその管軸方向に
伸びる複数条の溝形の襞が形成されている第一の
襞付管と、両端内面において第一の襞付管の円管
部にシールされると共に、この両端外面において
シールを形成するための円管部を有し、該円管部
の間の管壁にその管軸方向に伸びる複数条の溝形
の襞が形成され、かつ、該襞部の谷側内面が前記
第一襞付管の襞部の山側外面に外接する程度に近
接する第二の襞付管と、該第二襞付管に対し前記
襞付管と同様に形成された第三以降の襞付管を用
い、これらの襞付管をその内径の小さい側の管か
ら順次同軸上で少なくとも二層以上に配設して構
成され、 かつ、同軸上の最外部に位置する襞付管にその
両端部でシールして被嵌される外筒を有すると共
に、前記の各襞付管の内外部の間で熱交換すべき
流体を互いに逆方向に向流させるため、各流路の
外面を構成する襞付管の両端部に、前記流体の出
入口を有する着脱可能な継手部を設けたことを特
徴とするものである。 〔作用〕 従来、本発明と同様な目的のために平面的な波
板を積層した熱交換器（例えば、特開昭48−
20147号等）が知られているが、これらは平面的
であるため、耐圧力に問題があり、然も口一付構
造であるために、分解、清掃、点検、修理が不可
能である。 このように口一付構造にせざるを得ない原因は
波即ち襞を板の端まで付けてしまうためである
が、本発明では平面的な板状ではなくて円筒の両
端にシール部材を接続するたの直管部を残してそ
の中間に襞を設けたので、口一付構造を避けるこ
とが出来るのである。尤も、汚れや腐食のおそれ
のない場合は、勿論口一付構造にしてコストの低
減を図ることも有益である。 また、本発明の特殊な襞付管を用いた熱交換器
では、襞付管両端の直管部に嵌合してシールする
部分と、中間の襞のある部分の外径に対して遊合
する内径を有し、かつ、その両端部が熱交換すべ
き一方の流体の出入の流路を形成するようにその
内径を拡大された外筒を結合する部分とを有する
着脱自在にした特別な継手を具備しているので、
組立、分解等を容易に行うことができる。 更に、本発明における複数層の襞付管を用いた
熱交換器では、上記継手の外にその内層に対し着
脱自在の特別な継手を具備しているので、管が複
数層に形成されても、組立、分解等の容易性は前
記と同レベルで実現することができる。 〔実施例〕 次に本発明の実施例を図に拠り説明する。 第１図及び第２図は、本発明熱交換器に使用さ
れる最内側の襞付管を示すもので、１は襞付管、
１０１はその両端の直管部、１０２は襞であつ
て、その断面は第２図のようになつており、襞１
０２の外側と内側とを別々の流体が流れて熱交換
を行なう。なお、その中心には芯体４が貫装して
ある。 襞の外側と内側との流路の断面積の比率は流体
の諸性質を勘案して所望の値になるよう波の形状
を考慮し、また、内側流路の流速を高めるため
に、その中心部の空所に盲管または棒から成る芯
体４を挿入するが、その詳細については後述す
る。 第３図は、本発明熱交換器の一例を示すもの
で、２は襞付管１を用いて熱交換器を構成するの
に必要欠くべからざる継手である。 しかして、この継手２は、襞付管１の両端の直
管部１０１にそれぞれ嵌合させ、かつ、シール部
を形成するための連結部２０１をその一端部に有
する一方、襞付管１の外径に遊合し、かつ、その
両端において襞付管１と適宜な間隙３０１を持つ
ように内径を拡大された外筒３の結合部２０２を
前記連結部２０１の反対側に有し、更にその中間
に流体を出入させるための継手部２０３を有して
形成されている。 なお、連結部２０１に装着された２０４はグラ
ンドパツキン、２０５はそのパツキン２０４の抑
え部材であるが、場合によつてはこのパツキン２
０４に代えＯリングまたはリツプシールを用いて
もよい。１０３は襞付管１の管内流体の出入口と
なる継手部であつて、襞付管１の直管部１０にね
じで取付けるか、ねじ込み式またはパツキンでシ
ールされる型の着脱自由な継手部材を用いて、襞
付管１の外筒３に対する挿入、取外しを可能にす
る。４は前述の芯体であつて両端を盲にした管な
いし棒またはねじつた棒でもよく、適宜手段によ
り襞付管１に固定する。 襞付管１と外筒３の流体の流れは第３図中実線
と点線の矢印で示すように完全な向流にすること
が出来る。 第４図は第３図の熱交換器における芯体４の変
形例の詳細であつて、襞付管１内側の流路内に盲
管から成る芯体４を挿入して管内流速を高め、か
つ、流体が襞の間以外の所をバイパスしないよう
にしたものである。 この芯体４を形成する盲管は襞付管１の両方か
ら挿入し、中央ではまり合うように印篭継手４０
１が設けられており、その端部は丸めて流線型と
し、ボルト４０２で継手部材１０３に結合させて
いる。この場合の継手部材１０３は図のように襞
付管１の端部の内面に設けられたフランジにねじ
によつて取付け、ボルト４０２は盲管から成る芯
体４の端部に突設された複数個のボスと前記継手
部材１０３とを左右ねじによつて結合させる。 この方式は襞付管１の径がかなり大きい場合、
即ち、一本当りの伝熱面積を大きく取ろうとする
場合に有効である。 第５図は第４図の熱交換器を更に改良したもの
であつて、第一の襞付管１ａの内側に前記盲管か
ら成る芯体４の代りに第二の襞付管１ｂを挿入
し、外筒３と襞付管１ａとは前記継手２で結合、
接続し、第一の襞付管１ａと第二の襞付管１ｂと
を別の継手５で接続し、更に第二の襞付管１ｂの
内側に前記芯体４に相当する棒６を挿入して、管
内の流速を高め、かつ、流れが襞の間以外の所を
バイパスしないようにしている。棒６は両端にナ
ツト６０１を螺合し、その外径を襞付管１ｂの内
径よりも若干大きくして棒６を固定する。 継手５は、その一端において外側の襞付管（こ
の場合１ａ）を挿込み、かつ、シール部分５０１
と内側の襞付管（この場合１ｂ）を挿込み、更
に、シール部分５０２をその反対側に有するとと
もに、その中間に流体の出入口として管継手部材
５０３を有し、パツキン５０４とパツキン抑え５
０５は前述と同様である。 更に、襞付管１ｂの代りに場合によつては襞の
ない直管を用いることもある。 第５図に示した熱交換器における流体の流れは
前述を同様に実線と点線とで示すように、第一の
流体は外筒３と襞付管１ａとの間及び襞付管１ｂ
の内側とを同一方向に通り、第二の流体は襞付管
１ａと１ｂとの間を上記と反対方向に通る。 なお、第５図において、継手２は外筒３に溶接
または口一付けされて固定されているが、継手５
はそれと継手２とや向い合う部分の双方にフラン
ジを設けてボルト７より固定する。また、継手５
のもう一方の端にもフランジ５０６を設けてある
が、このフランジ５０６は更に同様構造で径が一
まわり小さい継手とボルト８によつて接続するた
めのものである。 このように径の次々に異なる継手と襞付管を用
いて多層の熱交換器を構成することにより、伝熱
面積を限られた空間内において極力大きく取るこ
とが出来る。 更に、伝熱面積を増大させる方法としては、第
６図に示すように、連結管Ｃにより多段にして、
かつ、流れが完全に交流となるようにすることも
出来る。 尚、伝熱面積を増大させる最も安価な方法は、
第４図のような比較的大径で、かつ、内部に盲管
を挿入した単層型熱交換器の襞部の長さを許され
るだけ極力長くして単段ですませ、継手の数を減
らすことである。 ここで、圧損との兼合いと、製作上の困難さと
によつて限度はあるが、襞のピツチを細かくし、
かつ、深さを深くすることも伝熱面積を増大させ
る上で有効である。 管に襞を付ける方法としては、管に外側からロ
ーラを当てて襞を付けるか、プレスで襞を付ける
か、または平板に予め襞付けしたものを巻いてシ
ーム溶接をする方法がある。また、襞付管の形成
方法としては、平板を細かい波板にしたものを菊
型に巻き、その両端に適当な形状の、片側が波状
で片側が波管の外径と等しい円筒状をなす部品を
溶接または口一付けしてよい。本発明において襞
付管の形成方法にいずれの方式を採用するかは任
意であるが、何れにしても中間に襞が内側に向つ
て付けられ、かつ、両端部が或る必要な長さだけ
平滑な円筒形即ち直管状になつていることが必要
である。 次に、各襞付管個々の伝熱面積を増大し同時に
熱伝導率を向上させる方法について述べる。 本発明熱交換器の構成上、伝熱面積を大きくす
るために、襞付管の径を大きくし、かつ、襞の深
さを深くすると、流体の通路断面積が当然大きく
なつて流速が過小になり、熱伝導率が低下してし
まうという難点がある。 この対策として、襞の間に適当な障害物を設け
て流速を上げ、かつ、流れの乱れを促進して境界
層の発達を妨げることは熱伝率の向上に著しく有
効であり、更にこの障害物が同時に伝熱面をも兼
ねるような構造が最も好ましい。 その最も単純な構造の一例として、襞の間に適
宜間隔でスタツド１０４を溶接した構造を第９図
に示す。第１０図はスタツドの代りに適宜長さの
フイン１０４を用い、フインとフインとの中間に
襞の面に密着してＵ字型を形成する板材１０５を
固定して流れを乱し、襞の面における熱伝導率を
高めると共に、フインの断続によつてやはりフイ
ン上の境界層の発達をも抑制したものである。こ
のＵ字板とフインとは別々でもよいし、一体構造
とすることも出来る。第１１図は第１０図のＡ−
Ａ線における断面を示す。 第１２図は襞の間に、前記Ｕ字板１０５を一体
として有し、かつ、所々に切れ目を入れてそらせ
たＵ字型のフイン１０４を付けた例を示す。１０
６は溶接または口一付け、１０７は抵抗溶接、１
０８は鋲止めを示す。 第１３図はフインの好ましい配置の一例を示
し、襞内外の凹部にはＵ字型フイン１０４ａ，１
０４ｃをその裏面の凸部にはｗ型または円弧型の
フイン１０４ｂを付けて内外のフインの間の距離
を最短にして伝熱効果を高めるようにしてある。 第１３図の配置において、更に第１２図に示す
ように所々でフインを切断して反らせたり、境界
層発達防止用のＵ字型の板材１０５を取付ける方
がよいことは勿論である。 また、第１３図の配置において、襞付管１の両
端の直管部１０１の外径は外側のフイン１０４ｄ
の外径に等しいか若干大きくする。フインの形状
はフインの奥まで流体がよく流れるよう、また分
解して清掃するときにデツドスペースが出来ない
ようにする。第13図のような構成にすると、襞自
体の伝熱面積の合計を襞の波の中心を連ねる円筒
面の面積に対して４倍程度にすることが出来る。 次に、襞付管１の耐圧力を強くする構造につい
て第７図と第８図とによつて説明する。 第７図と第８図では三重の襞付管１ａ，１ｂ，
１ｃを用い、更にその内側に盲管４を挿入した場
合を示す。襞付管１ａと１ｂとの間及び同１ｃの
内部に高圧流体が通るために襞付管１ａと１ｃと
は外方に膨張し、襞付管１ｂは内方に収縮しよう
とするのを防止する必要がある。襞付管１ａに対
しては外筒４があつてその膨張に抵抗するが、襞
付管１ｂの内方への収縮と襞付管１ｃの外方への
膨張を防止するためには、或る適当な幅と厚みを
有し、襞付管１ｃの外径に接するリング９を必要
なピツチで嵌装し、かつ、溶接またはロー付けに
よつて固定すればよい。 このリング９は襞付管１ｃの膨張と襞付管１ｂ
の収縮とを両面から受けてその力はバランスする
のであるが、襞の当り方によつてはリングに曲げ
をモーメントが作用するので、それを考慮して厚
さと幅を決める。リング９のピツチは襞にかかる
長手方向の曲げ応力を考慮して決めるものとす
る。 また、個々の襞の折返しの小さいアールの部分
はなるべく厚くして圧力によつてそのアールが変
形しないように考慮する。 第８図にリング９の厚さ、幅とピツチの一例を
示す。このリングは流れに乱流を起させて熱伝達
率を向上させる効果があり、かつ、フインの作用
もするので、伝熱面積を増大させる効果がある。
但し、あまり幅を広げると分解、点検のときに不
都合があるので、自ら限度がある。 本発明熱交換器の構造は以上の通りであるが、
次に本発明熱交換器の性能について説明する。 伝熱面が管であつても襞であつても、その相当
直径が同等ならば、熱伝達係数と圧損自体はあま
り違うものではなく、略同一と見ることが出来
る。多管式と比較して最も異なるところは、冒頭
において述べたように、多管式は数多い多段にし
ないと向流に近づかないのに対し、本発明の熱交
換器は一段でも完全な向流になつているという点
にある。 多管式は向流になり難いが、襞型は向流になり
易いという点について、その理由を説明する。 元来、熱交換器用チユーブはなるべく細い方が
よい性能を与えることが知られている。その理由
は、管の内面積と断面積の比率は管の内径をｄと
するときπd／（πd²／４）＝４／ｄとなるため、
流速が一定ならば内径ｄが小さい程、管内流量に
対する内面積の割合は大きくなり、一定管長にお
ける流体の温度上昇が大きくなるから、目的の温
度上昇を果すための管長がｄに比例して短かくな
るからである。 しかし、管を細くすると、その本数が増加し、
加工組立ての工数が大きくなるので限度があり、
通常、管外径は25ないし19mm程度に押えられてい
る。（極く小型のものはこの際除外して考える。） このような径の管を用いると、多管式では１パ
スで済まし得る場合は甚だ少なく、通常は複数パ
スが採用されることとなる。 これに対し、本発明の壁型では襞を出来るだけ
深くして管を複数の小区画に分割し、かつ、その
中心部の空所には芯体を挿入して流体が伝熱面に
触れずに流れようとする傾向を防止し、流路の相
当直径を襞のない場合の管の直径の数分の１にす
るので、円管の場合に数パスにする必要があつた
ものを１パスで済ますようにしているのであり、
そのために本発明の襞付管では完全な向流が実現
出来ることとなる。 熱交換器の毎時当りの伝熱量 Ｑ（Kcal／Hr） 熱伝達面積 Ａm² 熱貫流率 UKcal／Hrm²℃ 平均温度差 ΔTm℃ 温度差係数 Ｆ とすると、 Ｑ＝Ａ・Ｕ・ΔTm・Ｆが成立する。 いま、Ａ、Ｕ、ΔTmが相等しいとして多管式
熱交換器のＦを米国の管式熱交換器協合
（TEMA）の標準で求めると、 高温流体の温度 T1→T2 低温流体の温度 t2←t1 として、 例 １ T1＝350℃ T2＝120℃ t1＝250℃ t2＝20℃ の場合、 温度効率 Ｐ＝t2−t1／T1−t1＝250−20／350−20＝0.7 Ｒ＝T1−T2／t2−t1＝350−120／250−20＝１

【表】 可能
例 ２ T1＝350℃ T2＝90℃ t2＝280℃ t1＝20℃ Ｐ＝280−20／350−20＝0.79 Ｒ＝350−90／280−20＝１

〔効果〕

本発明は、襞付管によつて同心に構成され、流
体が互に向流するよう形成された熱交換器であ
り、したがつて圧力損失が少なく、襞付管とする
ことにより伝熱面積が著増することができ、芯体
を用いることによつて内部流体の速度を一様に、
しかも、増加することができ、更に、熱交換させ
たい流体を向流とすることによつて襞付管の内外
の温度差をその位置に無関係にほぼ一定とするこ
とができることの相乗効果によつて伝熱効率を飛
躍的に向上させることが可能となつた。 しかも、本発明装置は、同軸方式のものも含め
すべて直管で構成され端部の接手部を簡明な構造
とすることができるので、製造組立、保守点検、
整備、補修等すべての面で容易、かつ、経済的と
することが可能となり、従つて、高温高圧のもの
も含め各種の熱交換器に使用されて、十分な効果
を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱交換器用襞付管の縦断正面
図、第２図は同じく縦断側面拡大図、第３図は本
発明熱交換器の一例の断面図、第４図及び第５図
は同じく別例の部分断面図、第６図は第３図々示
の熱交換器を多段型にした例の平面図、第７図は
本発明熱交換器の他の別例の襞付管部分の縦断側
面図、第８図は第７図の熱交換器の縦断正面図、
第９図は襞付管の伝熱面積を増大し同時に熱伝達
率を向上させる方法を示す襞部の断面図、第１０
図は同じく別例の一部を切欠した襞部の正面図、
第１１図は第１０図のＡ−Ａ線断面図、第１２図
及び第１３図は襞付管の襞部の好ましい配置を示
す部分断面図である。 １，１ａ，１ｂ，１ｃ……襞付管、１０１……
直管部、１０２……襞、２……継手、２０１……
連結部、２０２……外筒結合部、３……外筒、３
０１……外筒と襞付管との隙間、４……芯体、５
……継手、６……棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 両端にシールを形成するための円管部を有
   し、該円管部の間の管壁にその管軸方向に伸びる
   複数条の溝形の襞が形成されている第一の襞付管
   と、両端内面において第一の襞付管の円管部にシ
   ールされると共に、この両端外面においてシール
   を形成するための円管部を有し、該円管部の間の
   管壁にその管軸方向に伸びる複数条の溝形の襞が
   形成され、かつ、該襞部の谷側内面が前記第一襞
   付管の襞部の山側外面に外接する程度に近接する
   第二の襞付管と、該第二襞付管に対し前記襞付管
   と同様に形成された第三以降の襞付管を用い、こ
   れらの襞付管をその内径の小さい側の管から順次
   同軸上で少なくと二層以上に配設して構成され、 かつ、同軸上の最外部に位置する襞付管にその
   両端部でシールして被嵌される外筒を有すると共
   に、前記の各襞付管の内外部の間で熱交換すべき
   流体を互いに逆方向に向流させるため、各流路の
   外面を構成する襞付管の両端部に、前記流体の出
   入口を有する着脱可能な継手部を設けたことを特
   徴とする熱交換器。 ２ 第一の襞付管に、その襞内部に接近してほぼ
   内接する芯体が保持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。