JPS6247031Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、流体の導入される胴内に、この流体
を横切る方向に平行に配置され、その内部に第２
の流体が導入される複数の管から成り、胴内に導
入される流体と管内に導入される流体との両流体
間で熱交換を行なうようにした多管式熱交換器に
係り、その吸音構造に関する。

まず、従来の多管式熱交換器について説明す
る。

第１図ａないしｃは従来の多管式熱交換器を示
したものである。図中１は管であり平行に多数配
列されて管群を形成している。２は管１を囲んで
いる胴でであり、この胴２内を管群入側空胴部３
から管群出側空胴部４へ向けて流体が流れる。管
１はこの胴２内を流れる流体を横切る方向に平行
に配置されるもので、胴２の一方の外壁側に設け
られた入口５ａを有するドラム６ａと、これと対
称な胴２の他方の外壁側に設けられた出口５ｂを
有するドラム６ｂとの間に設けられている。管１
は中空で両端は各ドラム６ａ，６ｂ内に開口して
おり、入口５ａから導入された流体は管１を通り
出口５ｂから排出される。そして、胴２内に導入
された流体が管１の外側を流れて管群を通り抜け
る際に、管１内を流れる流体と熱交換が行なわれ
る。

なお、第１図ｃには管群の説明をする場合の３
つの方向と、管列、管行の定義を示した。

さて、以上のような多管式熱交換器に於て、胴
内流体の流速が増加すると（言い替えると管間流
速Ｖが増加すると）各管の後流側に後流渦が発生
する。この後流渦の代表例としてカルマン渦と称
せられる渦があるが、この渦の発生振動数ｆ_k
（Hz）は一般に次式より求まる。

ｆ_k＝ＳＶ／Ｄ …(A) ここに、Ｖ（ｍ／Ｓ）は第１図ａに示した管間
流速であり、Ｄ（ｍ）は管１の外径、Ｓはストロ
ーハル数と称する無次元数であり、一般に管群の
配列により決まるものである。

一方、胴内流体も弾性体としてふるまい疎密波
状の振動をする能力を有している。いま胴内流体
が気体の場合このような振動を気柱振動と称して
いる。（音は気柱振動の一種である。） 第１図ａの胴２の内、胴巾T₁（ｍ）を隔てて
互に平行に対向した壁面間の１次元気柱振動を考
えてみる。（第２図参照）このような壁にはさま
れた空間に於ては、気柱振動の固有振動数ｆ_o
（Hz）が存在する。

ｆ_oは次式より求まる。たゞしＣは上記空間に
おける音速（ｍ／ｓ）である。

ｆ_o＝ｎｃ／２×Ｔ_１…(B)（ｎ＝１，２，…） この振動数ｆ_o近傍で励振されると非常に大き
なレベルの気柱振動が誘起され、いわゆる気柱共
鳴状態になる。共鳴状態になつて、第２図に例示
したような各モードが胴内に発生したとき、これ
を定在波と呼ぶ。

第２図にこの固有振動数f₁〜f₃の３ケースに相
当する変位モードを示す。（実際には疎密波であ
るが、判り易いように横波状に模擬して表示して
いる。）（ｆ_oに相当するモードは第ｎ次モードと
いう。） なお、上記の壁にはさまれた空間には、部分的
又は全体的に管群が存在するが、ｎが１〜３位の
場合に於てはｆ_oへの影響は小さいようである。

以上より、ｆ_k≒ｆ_o（ｎ＝１，２，３，……）
になると、第１図ａの胴巾T₁方向に気柱共鳴を
生じることが判る。気柱共鳴が発生すると、例え
ば胴２に大きな振動を生じて疲労破壊を招くこと
もあり、同時に大きな音を発生してオペレータ不
安や騒音公害を誘発するケースが多々見られる。

次に、多管式熱交換器において実際に問題にな
ることの多いところの第１次の固有振動数f₁とカ
ルマン渦振動数ｆ_kの共鳴の発生例を第３図を用
いて説明する。

第３図は横軸に管間流速Ｖをとり、縦軸にはａ
図では振動数をｂ図では胴内の音圧レベルをとつ
て発生状況を例示している。管群配置が定まる
と、式(A)に於て管外径Ｄとストローハル数Ｓ＝α
（αは定数）が定まるからｆ_kは第３図の直線７で
示される。直線７とf₁との交点に相当する管間流
速Ｖ＝Vr近辺で前述の共鳴現象が発生すること
になるが、実際にはこのVrを囲むもつと広いV₁
〜V₂の区間ｅで共鳴現象が発生することが多い
（第３図ａ中太線参照）。区間ｅの広さは胴内部の
内特に管群部分の気柱振動の減衰特性等に依存す
るが、該減衰能が小さい場合には非常に広くなつ
て運転範囲のほとんどをカバーしてしまうことも
あり、この区間を回避した運転ができなくなる場
合もありうる。

したがつて、基本的にこのような共振を回避す
るよう胴内気柱振動特性そのものを変える対策が
必要である。第１次の胴内気柱共鳴対策例を第４
図に示した。なお第４図の各格子点は管１が存在
することを示している。第４図に於いて８はバツ
フル板と称する板で、一般に１〜９mm厚のものを
用いて、管群深さ相当以上かつ管長手方向に隙間
なく挿入されることが多い。又、バツフル板８の
管群巾方向の挿入位置は、第２図に示した気柱振
動モードの内回避すべき最大次数のすべてのモー
ドの腹と節の位置が妥当である。第４図では第１
次のモードを対称にしているからその変位モード
の腹の位置に一枚だけ挿入している。

なお、図では管１は格子配列の場合についての
み示しているが、以上及び以降の記述は千鳥配列
の場合に関しても同様である。

次にこのような対策の欠点について以下に述べ
る。

第４図に示したバツフル板８は、第２図に示し
た第１次モードのみを対象にしてｆ_k≒f₁の共鳴
を発生させない為に挿入したから一枚でよかつ
た。ところが、胴内流速が増加する等によりｆ_k
≒ｆ_o（ｎ２、ｎ：正整数）での共鳴が問題に
なる場合にはバツフル板８の挿入枚数はｎ＝２
（２次モード）では３枚、ｎ＝３（３次モード）
では５枚と順次増大する。ふつうはｎ＝１〜３位
が主対象になるが従来我々が経験した実績による
とｎ＝５〜10（５次〜10次モード）が問題になつ
たことがあり、こうなるとバツフル板は７枚〜12
枚挿入する必要があり、組立及び機器の保守・管
理上不利である。又、バツフル板８は一般に管１
の数本にＵボルトなどで締結されることが多いが
（図示していない）、両者の接触部周辺にダスト等
が付着残留し易く熱効率の低下や腐食発生を誘起
し易くなる等の問題もあつた。

本考案は上記の事情にもとづき、胴内気柱振動
の減衰能を積極的に上昇させて、管群幅方向の胴
内気柱共鳴発生レベルを小さくすることを目的と
してなされたものである。

以下本考案の一実施例を第５図及び第６図を参
照して詳細に説明する。

第５図は本考案の一実施例を示した要部断面図
であり、第１図と同様部分には同一符号を附して
ある。なお図中の格子点には管１が存在するもの
である。また本考案では胴内流体は気体に限定し
て考えるものとする。

第５図において９はグラスウール、ロツクウー
ル等一般に市販されている吸音材料であり、多数
の管１から成る管群を間にして対向する胴２の内
壁面に密着させて設置しているが、該内壁と吸音
材の間に数cm〜数10cmの空隙を設けることもあ
る。１０は吸音材の脱落や飛散を防止する為の吸
音材カバーであり、パンチングメタルや網状針金
などで構成されており、その孔部分の開口率は15
〜20％以上にして吸音材料の吸音効果が損じない
様にしてある。吸音材カバー１０は吸音材料９の
表面に密着させて設置されるが、吸音材料９がセ
ラミツク等の飛散の心配がない場合に於ては吸音
材カバー１０は設置されないこともある。なお吸
音材料９の設置は原則として管長手方向全域にわ
たるものとし、その巾Ｌ６は管群深さＬ１をカバ
ーしてＬ６＞Ｌ１とする。

また、１１，１２はそれぞれバツフル板８の両
面に設けた吸音材料、吸音材カバーである。な
お、第５図で１１，１２はバツフル板８の両側に
配設した場合について図示しているが、片面だけ
の場合もありうるものとする。このように両面又
は片面に吸音材料を合体したバツフル板８を吸音
バツフル板と称する。

第５図に於て、長さＴ３，Ｔ４は胴２の内壁に
対するバツフル板８が一枚の場合の吸音バツフル
板設置位置関係を示しているが、Ｔ３＝Ｔ４に限
定するものではなく、Ｔ３≠Ｔ４の場合もある。
また吸音バツフル板は管群入側および管群出側ま
たはいずれか一方に突出させることがある。

更に第５図ではバツフル板１枚の場合について
説明したが、２枚以上の吸音バツフル板を設ける
こともある。

次に上記のように構成された本考案の作用を説
明する。

第５図に示すような吸音材料９、１１を胴２内
の所定位置に配設することにより、管群巾方向に
最も強い定在波を形成する管群設置部分に於ける
音場に於て、その吸引力を増大せしめる。更に、
これ等の配設を管群入側空胴部３や出側空胴部４
に延長することにより、該空洞部分の吸音力を増
大せしめる。

かくして、例えば、第４図のバツフル板８の場
合、第２図の第１次モードは消すことができる
が、第２次モードは第４図のような対策では依然
として残り、これを消す為には前述のように第２
図の第２次モードの腹の位置にあと２枚同様のバ
ツフル板を配設する必要があつた。

本考案を適用すれば、第５図のままでも、第２
図で示す第１次モードは勿論、第２次モード及び
それ以上のモードをも消し去るか又は十分小さい
気柱振動レベルに押え込んでしまうことができ
る。更に場合によつては第５図に於て吸音バツフ
ル板を取り除いて吸音材料９のみにしても同様の
効果を十分発揮させることもできる。

なお、第５図の吸音材料９は管群側より見て胴
２に埋め込まれた形に設置される場合もある（図
は略す）。

第６図は、胴２の内壁面に、第５図に於ける吸
音材料９、吸音材カバー１０に代えて、多数の貫
通孔が形成された孔明き板１３を設け、この孔明
き板１３により空洞１４を形成するようにしたも
のである。こゝに孔明き板１３の開口率（板の表
面積に対する孔の全面積の比）は０以上15％以下
とする。

なお、空洞１４には部分的又は全体にグラスウ
ール等の吸音材料を挿入することもありうるもの
とする。このような構造は一般に共鳴型吸音構造
と言われるものの１例であるが、共鳴型吸音構造
を第５図のバツフル板８の両面に吸音材料１１、
吸音材カバー１２に代えて設けるようにしてもよ
い。

以上詳述したように本考案によれば、胴内気柱
振動の減衰能が上昇し、管群幅方向の胴内気柱共
鳴発生レベルを小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の多管式熱交換器を示しａは要部
の縦断面、ｂは第１図ａの−線に沿う断面
図、ｃは管群の説明図、第２図は胴内に生ずる気
柱振動の説明図、第３図ａ，ｂは気柱振動の発生
状況を示す特性図、第４図は従来の胴内気柱共鳴
の防止策を示した図、第５図は本考案の一実施例
を示す要部断面図、第６図は本考案の他の実施例
を示す部分断面図である。 １……管、２……胴、８……バツフル板、９，
１１……吸音材料、１０，１２……吸音材カバ
ー。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 流体の導入される胴内に、この流体を横切る方
   向に平行に配置され、その内部に第２の流体が導
   入される複数の管から成り、前記両流体間で熱交
   換を行なう多管式熱交換器において、前記管を間
   にして対向する内壁面および前記複数の管の間
   に、流体の流れ方向に沿つて配設されたバツフル
   板の両面又は片面に少なくとも配置されている管
   群の深さに相当する長さの吸音部材を配設したこ
   とを特徴とする多管式熱交換器。