JPS61291894A - 熱交換器用襞付管及びそれを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は熱交換器用襞付管及びそれを用いた熱交換器に
関するものである。

〔従来の技術〕

現在量も多用されている熱交換器は多管式熱交換器であ
り、この他にフィンチュ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問題点〕

然し乍ら、多管式熱交換器は流れ方式が交流よりも直交
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、廁
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
交流に近づけるように構成するが、それでも完全な交流
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
は温度効率を低くして１段乃至４段位で使用しているの
が実情である。

一方、フィンチューブ式熱交換器は完全な交流タイプに
構成される上にフィンによって伝熱面積を管の内面に対
して６倍程に拡大しているので、極めてコンパクトで高
い温度効率を上げることが出来るが、これはフィン側の
外側の熱伝達率に対して内側の熱伝達率が大変大きい場
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ィンにおける
伝熱抵抗があって、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。

〔問題点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、その内容は、流
体を流通させるための特殊な熱交換器用の管と該管を用
いた熱交換器であって、その管の構成は、両端に直管部
を有し、それら直管部の間にその内側に突出した複数条
の凹凸の襞を形成して成ることを特徴とするものであり
、また。

それを用いた熱交換器の構成は、両端に直管部を有し、
それら直管部の間にその内側に突出した複数条の凹凸の
襞を形成して成る襞付管に、両端を前記襞付管の直管部
の外径より大きく拡開した外筒を被嵌して該襞付管との
間に流路を形成し、襞付管の直管部に、それとの間に流
路を形成するよう適当な隙間を以てカバーすると共にそ
の一側において前記外筒の拡開部端を結合する部分及び
その他側において前記襞付管の直管部外径との間をグラ
ンドパツキン、リップシール、０リング等の適当なパツ
キンでシールする部分とを有し更にその中間部分に流体
の入口または出口を設けた継手を装着して成ることを特
徴とするものである。

即ち、本発明は前記フィンチューブの代りに前記の特殊
な襞付管を用いて、熱伝達率が同様乃至あまり大差のな
い流体間の熱交換器としても使用出来るようにしたもの
で、然もこれらの襞付管を複数積層させてコンパクト且
つすべての場合、完全な交流に構成出来るのである。

本発明の熱交換器構成上の特性は、第一に上述の襞付管
にあり、特に襞の直接内外乃至表裏に流体が接触するの
であって、所謂コンパクト型熱交換器のように襞がフィ
ンとして構成されているのではないので、コンパクトで
あると同時に熱貫流率が高い。

従来、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）があるが
、これらは平面的であるため、耐圧力に問題があり、然
もロー付構造であるために１分解。

清掃２点検、修理が不可能である。

このようにロー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り。

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
部材を接続するための直管部を残してその中間に襞を設
けたので、ロー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、勿論ロー付構
造にしてコストの低減を図ることも有益である。

本発明の襞付管を用いて熱交換器を構成するためには、
最小限度として、襞付管面端の前記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
金する内径を有し且つその両端部は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特別な継手が必要であ
る。

更に、複数層の襞付管を用いた熱交換器を構成するため
には、上記継手の外にその内層に対する特別な継手が必
要である。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図に拠り説明する。

第１図は本発明の一例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
あって、その断面は第２図のようになっており。

襞１０２の外側と内側とを別々の流体が流れて熱交換を
行なう。

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
、必要により内側流路の流速を高めるために、第４図、
第５図に示すような盲管または棒を挿入するが、その詳
細については後述する。

第３図において、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って、襞付管１
の両端の直管部１０１にそれぞれ嵌合し、且つシールす
るための連結部２０１をその一端に有し１次に襞付管１
の外径に遊金し且つその両端において襞付管１と適当な
間隙３０１を持つよう内径を拡大された外筒３を結合す
る部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管継手２０３を有する
。

なお、２０４はグランドパツキン、・２０５はパツキン
抑えであるが、場合によっては０リングまたはりツブシ
ールを用いてもよい。１０３は管内流体の出入口となる
管継手であって、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を用いて、
襞付管１の挿入、取外しを可能にする。

流体の流れは図中実線と点線の矢印で示すように完全な
交流にすることが出来る。

第４図は第３図の改良であって、襞付管１内側の流路内
に盲管４を挿入して管内流速を高め且つ流体が襞の間以
外の所をバイパスしないようにした一例である。

盲管４は両方から挿入し、中央ではまり合うように印部
継手４０１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１０３と結合させる。この場
合の継手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って取付け、ボルト４０２
は盲管４の端部に突設された複数個のボスと前記継手１
０３とを左右ねじによって結合させる。

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図の更に改良であって、第一の襞付管１ａ
の内側に盲管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の内側に前記盲
管４に相当する捧６を挿入して、管内の流速を高め且つ
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はその両端にナツト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捧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
）を挿込み且つシールする部分５０１と内側の襞付管（
この場合１ｂ）を挿込み且つシールする部分５０２をそ
の反対側に有し、その中間に流体の出入口として管継手
５０３を有し、パツキン５０４とパツキン抑え５０５は
前述と同様である。

更に、襞付管１ｂの代りに場合によっては襞のない直管
を用いることもある。流体の流れは前述と同様に実線と
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。

第５図において、継手２は外筒３に溶接またはロー付け
されて固定されているが、継手５はそれと継手２とが向
い合う部分の双方にフランジを設けてボルト７により固
定する。また、継手５のもう一方の端にもフランジ５０
６を設けであるが、このフランジは更に同様構造で径の
−まわり小さい継手とボルト８によって接続するための
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も出来る。

伝熱面積を増大させる方法として、更に第６図のように
連結管Ｃにより多段にして且つ流れが完全に交流となる
ようにすることも出来る。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且つ内部に盲
管を挿入した単層型熱交換器の装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。

更に、圧損との兼合いと、製作上の困難さとによって限
度はあるが、襞のピッチを細かくし且つ深さを深くする
ことも有効である。

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も
ある。また、平板を細かい波板にしたものを菊型に巻い
て、その両端に適当な形状の、片側が波状で片側がその
波管の外径と等しい円筒状をなす部品を溶接またはロー
付けしてもよく、その方法は自由であるが、何れにして
も中間に襞が内側に向って付けられ、且つ両端部が成る
必要な長さだけ平滑な円筒形即ち直管状になっているこ
とが重要である。

次に各襞付管個々の伝熱面積を増大し同時に熱伝達率を
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且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って流速が過小になり、
熱伝達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、且つ流れの乱れを促進して境界層の発達を妨げる
ことは熱伝達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
スタッド１０４を溶接した構造を第９図に示す。第１０
図はスタッドの代りに適宜長さのフィン１０４を用い、
フィンとフィ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
る熱伝達率を高めると共に、フィンの断続によってやは
りフィン上の境界層の発達をも抑制したものである。こ
のＵ字板とフィ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
し且つ所々に切れ目を入れてそらせたＵ字型のフィン１
０４を付けた例を示す。１０６は溶接またはロー付け、
１０７は抵抗溶接、１０８は鋲止めを示す。

第１３図はフィンの好ましい配置の一例を示し、襞内外
の波の凹部にはＵ字型フィン１０４ａ、　１０４ｃをそ
の裏面の凸部にはＷ型または円弧型のフィン１０４ｂを
付けて内外のフィンの間の距離を最短にして伝熱効果を
高めるようにしである。

第１３図の配置において、更に第１２図に示すように所
々でフィ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の外径は外側のフィン１０４ｄの外径に等しい
か若干大きくする。フィンの形状はフィンの奥まで流体
がよく流れるよう、また分解して清掃するときにデッド
スペースの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図とによって説明する。

第７図と第８図では三重の襞付管１ａ、　ｌｂ、　ｌｃ
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１ｃの内部に高圧流体が通
るために１８と１ｃとは外方に膨張し、１ｂは内方に収
縮しようとするのを防止する必要があるｍ　ｌａに対し
ては外筒４があってその膨張に抵抗するが、１ｂの内方
への収縮と１０の外方への膨張を防止するためには、成
る適当幅と厚みを有し、１ｃの外径に接するリング９を
必要なピッチで嵌装し且つ溶接またはロー付けによって
固定すればよい。

このリング９は襞付管１ｃの膨張と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
方によってはリングに曲げ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。

リングのピッ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っ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２幅とピッチの一例を示す、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、且つフィ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
９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。

伝熱面が管であっても襞であっても、熱伝達係数と圧損
自体はあまり違うものではなく、略同−と−曝ることが
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交
流に近づかないのに対し、本発明の熱交換器は一段で完
全な交流になっているという点にある。

熱交換器の毎時当りの伝熱量　Ｑ　（Ｋｃａｌ／Ｈｒ）
熱伝達面積　　　　　　　　　Ａ− 熱貫流率　　　　　　　　　　ＵＫｃａｌ／Ｈｒｒｄ　
’Ｃ平均温度差　　　　　　　　　ΔＴ鵬℃温度差係数
　　　　　　　　　Ｆ とすると、 Ｑ＝Ａ−Ｕ・ΔＴ閣・Ｆ　　が成立する。

いま、Ａ、Ｕ、４１層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会（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←　ｔｌ　　として、（例１）
　ＴＩ　＝　３５０℃　　Ｔ２　＝　１２０℃ｔｌ＝２
５０℃　　ｔ２＝２０℃　の場合、１１−　　ｔ　１　
　　　　ｊＤＬＪ−ｔＬＪ備考：　シェルパス１では温
度効率０．７は達成不可能 （例２）　ＴＩ　＝　３５０℃　　Ｔ２　＝　９０℃ｔ
２＝２８０℃　　ｔｌ＝２０℃ 備考：　温度効率が０．７９になると、２シエルパスス
でも達成が不可能であって、３シエルパスでもＦの値は
小さいが、本発明のＦは１である。

このように多管式熱交換器は高い温度効率で使用する目
的には向いていないということが出来る。

更に、製作費９面で比較して見ると、多管式の方が工数
が著しく多くかかることは明らかであり、特に上記の通
り多管式では管の長さはあまり長くせずにシェルパスを
多くして効率を上げる必要があるのに対し、本発明の方
式は単一の装置の長さを許されるだけ長く出来るので、
このように構成した場合はコストを著しく低下出来る。

即ち、本発明の装材管型゛熱交換器は高い温度効率を低
コストで達成出来る点に大きな特徴がある。

更に１本発明はその構成上、介解、清掃２点検。

修理２組立てが容易であり、特に単層型においては腐食
を起し易い方の流体を襞の外面に、腐食し難い方の流体
を襞の内面に通すようにすれば、腐食状態の点検、修理
が容易である等、メインテナンス上極々の長所を持って
いる。

尚、第３図または第４図の単層型熱交換器を第６図のよ
うに直列に多段に接続し、更に必要に応じこれを並列に
も接続することによって伝熱面積を増加させる方法は少
ない種類の部品を数多く用いるので、量産によるコスト
低下が望まれる。

更に熱伝達効率を向上させるために襞を長手方向に直線
的にせず蛇行させたり、所々にしぼりやふくれを付けた
りすることも管と違って可能である。

また、多管式熱交換器の管のシールは拡管によるので、
肉厚をあまり薄くすることは出来ないが、本発明の装材
管は襞の部分を最小限度に薄く出来るので、ステンレス
、チタンその他の高級材の熱交換器をより安価に製作す
ることが出来る。

プレート型熱交換器は上記の特徴を生かしたものである
が、あまり大型には適せず、また、高温高圧にも適さな
い、これに反して本発明熱交換器は大型化が容易であり
、且つ成る程度の高温、高圧にも適する（熱膨張に強い
）。

〔効　果〕

即ち１本発明の装材管を用いた熱交換器は性能。

保守２点検２価格すべての面において欠点がなく。

従来の熱交換器より優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱交換器用装材管の縦断正面図。 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装
材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図は装材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装部の断面図、第１０図
は同じく別例の一部を切欠した装部の正面図、第１１図
は第１０図のＡ−Ａ線断面図、第１２図及び第１３図は
装材管の装部の好ましい配置を示す部分断面図である。 １　、　ｌａ、　ｌｂ、　ｌｃ−装材管、１０１−・・
直管部、　１０２−・・襞、２・・・継手、２０１・・
・連結部、２０２・・・外筒結合部、３・・・外筒、３
０１・・・外筒と装材管との隙間、４・・・盲管、５・
・・継手、６・・・捧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　両端に直管部を有し、それら直管部の間にその内側
   に突出した複数条の凹凸の襞を形成して成ることを特徴
   とする熱交換器用襞付管。 ２　内部にそれに遊金し両端に盲蓋を施した管または棒
   を挿入した特許請求の範囲第１項に記載の熱交換器用襞
   付管。 ３　襞部に適当な厚みと幅とを有するリングを適宜ピッ
   チで嵌装し溶接またはロー付けした特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の熱交換器用襞付管。 ４　襞と襞との間に連続または断続する突起を襞の底面
   に溶接または鋲止めした特許請求の範囲第１項または第
   ２項または第３項に記載の熱交換器用襞付管。 ５　襞の通路面積を局部的に狭めるように襞の面に密着
   してＵ字型を形成する板材を所々に固定した特許請求の
   範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の熱交換器
   用襞付管。 ６　両端に直管部を有し、それら直管部の間にその内側
   に突出した複数条の凹凸の襞を形成して成る襞付管に、
   両端を前記襞付管の直管部の外径より大きく拡開した外
   筒を被嵌して該襞付管との間に流路を形成し、襞付管の
   直管部に、それとの間に流路を形成するよう適当な隙間
   を以てカバーすると共にその一側において前記外筒の拡
   開部端を結合する部分及びその他側において前記襞付管
   の直管部外径との間をグランドパッキン、リップシール
   、Ｏリング等の適当なパッキンでシールする部分とを有
   し更にその中間部分に流体の入口または出口を設けた継
   手を装着して成ることを特徴とする熱交換器。 ７　襞付管の内部にそれと同様の構造でそれより長い襞
   付管または直管から成る内管を挿入し、その両端部に、
   それとの間に適当な流路を形成するよう適当な隙間を持
   たせてカバーすると共にその一側においてグランドパッ
   キン、Ｏリング等のパッキンでシールする部分を有しそ
   の他側において外側の襞付管の両端の直管部との間をグ
   ランドパッキン、リップシール、Ｏリング等の適当なパ
   ッキンでシールする部分とを有しその中間の部分の外周
   に流体の入口または出口を設けた継手を装着し、且つ前
   記内管の両端に配管乃至管継手を結合するための継手部
   を設けて成ることを特徴とする特許請求の範囲第６項に
   記載の熱交換器。 ８　襞付管の内部にその内側に行くに従ってより長い長
   さを有する襞付管を複数本挿入し、最内側の管は襞付管
   または直管のいずれかを選択して、以上の中間から最内
   側の管までを適宜継手により順次結合すると共に適宜パ
   ッキンによりシールし、且つ最内側の管の両端に配管乃
   至管継手を結合するための継手部を設けて成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第６項に記載の熱交換器。