JPS629840B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明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、伝熱面がセラミツク発熱素子
により構成されている場合に特に有効である。

従来の伝熱面が環状流路に設けた熱交換器、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、水の流通抵抗を低減するために、環状流
路の幅を比較的大きくとつていた。この種の熱交
換器では、熱伝達率が低いため伝熱面積を大きく
して、スケールの付着を防止する必要があり、熱
交換器が大型化するという問題点があつた。

さらに、最近実用化されたフアインセラミツク
によるセラミツク発熱素子の表面を伝熱面とした
場合、この素子は即熱性が優れまた発熱密度が高
くとれるという特徴を有するが、スケールの付着
には敏感で、比較的小量のスケール付着でヒータ
破壊に至る場合があり、スケールの付着を微小量
に抑えることが必要であつた。

一般にスケール付着の現象は、伝熱面温度と水
中に含まれるカルシウム及びマグネシウムイオン
濃度に主として支配される。したがつて熱交換器
の設計上からは、伝熱面温度を下げる必要があ
り、このためには熱伝達率を高めるかあるいは伝
熱面積を広くする必要がある。伝熱面積を広げる
と先に述べたように、熱交換器が大型化するなど
の問題があるため、熱伝達率を高める手段をとる
必要があつた。

従来の構成で熱伝達率を高めるためには、環状
流路の幅をかなり狭くして水の流速を大幅に高め
る必要があつた。このように構成された熱交換器
は、流路抵抗が実用の範囲を越えて高くなり、ま
た環状流路の流路幅を均一に保つために高い寸法
精度が要求され実用されるものではなかつた。

本発明はこのような従来の熱交換器の欠点を除
去するもので、同一流路抵抗に対する熱伝達率の
大幅向上を実現することにより伝熱面温度の低下
させてスケールの付着を防止し、かつ小型化を図
つた熱交換器を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、環状流路
に螺旋状の撹乱手段を設け、環状流路幅と撹乱手
段の突出高さおよびピツチを最適化することによ
り熱伝達率を大幅に高めたものである。

この構成により、環状流路に設けたラセン状の
撹乱手段により誘起される旋回流および乱流化の
効果が、環状流路幅と撹乱手段の突出高さおよび
ピツチの最適化により、熱伝達率の向上へ最大の
寄与を示し、従来のものと比較して大幅な熱伝達
率の向上を可能としたものである。

伝熱面を粗面化して熱伝達率を高める方法につ
いては多くの研究がなされており、本発明による
熱交換器もこの分野に属すると考えられる。

従来の研究によれば、伝熱面を粗面化した場合
の熱伝達率は、粗さの高さをε、ピツチをＰとし
て、 Nu＝Ｆ（Re，Pr，Ｐ／ε） (1) で表わされるとしている。

ここで、Re；レイノルズ数 Pr；プラントル数 Nu；ヌツセルト数（無次元熱伝達率） (1)式で示される関係は、伝熱面を有する流路の
幅が、粗さの高さに較べて十分に広い場合に有効
であり、粗さの高さが流路の幅の相当部分を占め
るときには、当然流路の幅Ｃと粗さの高さεの比
（ε／Ｃ）の影響を考慮する必要がある。

すなわち Nu＝Ｆ（Re，Pr，Ｐ／ε，ε／Ｃ） (2) の関係が生ずると考えられる。さらに本発明者等
は、伝熱面と対向する壁面上に粗さを設けた場合
についても検討し、この場合の（ε／Ｃ）は伝熱
面上に粗さがある場合とは分けて考える必要があ
ることを見いだした。

以上述べたように本発明者等は従来考慮されて
いなかつた流路幅の影響と、粗さを非伝熱面に設
けるか、伝熱面に設けるかによる違いを定量的に
明らかにして、（Ｐ／ε），（ε／Ｃ）の関係を最
適化するものである。

以下本発明の第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は本実施例で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、この導入された非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に設けた螺旋状の撹乱手
段であり、本実施例においては螺旋状線体（例え
ばコイルスプリング）を外筒内面１２に沿わせて
環状流路５に挿入している。

本実施例における寸法関係につき第２図で説明
する。外筒１内径と内筒３外径との差の半分すな
わち環状流路５の幅はＣであり、外筒内面２上に
ある螺旋状の撹乱手段１３ａの突出高さはε、ピ
ツチはＰである。

また本発明の第２の実施例すなわち、この撹乱
手段１３ａが、内筒外面４上にある場合につき第
３図で説明する。この実施例では先の実施例比較
して、撹乱手段１３ｂが内筒外面４上にあるとい
う点だけが異なつている。この実施例における寸
法関係は、第３図に示す通りで先の実施例と同様
な記号を用いている。

本発明者等は、環状流路５に設けた螺旋状の撹
乱手段１３ａ，１３ｂによる熱伝達向上への寄与
が最大となる条件を求めるために、一連の実験解
析を行なつた。

まず、熱交換器の性能を評価するための尺度を
作成する。熱交換器の性能は、熱伝達率とその時
の圧力損失で評価される。今回の一連の実験で
は、(3)式で定義される抵抗係数Cfと Cf＝ΔＰ／Q²（mAq／cl／min）²） (3) ここで ΔＰ；熱交換器の圧力損失（mAq） Ｑ；熱交換器の貫流流量（ｌ／min） 熱伝達率α〔Kcal／m²hr℃〕の平均的な関係
を示す基準曲線を求めて、これを用いて評価し
た。すなわち、供試熱交換器の熱伝達率をα※、
抵抗係数をCf※とすれば、基準曲線でCf＝Cf※
となる点の熱伝達率αと比較し、供試熱交換器の
性能係数Effは Eff＝α※−α／α×100 (4) で評価することにした。

本実験で変化させたパラメータの範囲を以下に
示す。作動流体は水である。

Ｃ＝0.5〜３mm ε＝0.4〜1.6mm Ｐ＝2.0〜15mm Ｑ＝2.0l／min（一定） まず従来の環状流路５に撹乱手段１３ａあるい
は１３ｂを設けないタイプのものについて、どの
程度の性能が得られるかの結果を示したものが第
４図である。性能係数がＥ_ff＝−20〜−58％であ
り、環状流路５に、撹乱手段１３ａあるいは１３
ｂを設けた場合の半分程度の能力でありまた、熱
伝達率が高いものほど性能係数は低下し、本発の
一つの目的である熱伝達率αがα＝10000Kcal／
m²hr℃程度のものを得ようとすれば、熱交換器の
圧力損失の問題や、寸法精度（Ｃ≦0.3mm）の問
題から実用上ほぼ不可能である。

環状流路５に撹乱手段１３ａあるいは１３ｂを
設けたものについては、この従来のものと比較し
熱交換器性能はかなり改善される。しかし、先に
述べた熱交換器の性能を支配するパラメータの設
定が適切でないと、性能係数Ｅ_ff＝−30％となる
場合があり、これらのパラメータを最適化するこ
とが重要である。

最適化すべきパラメータは、(2)式で示されてい
る如く（ε／Ｃ）、（Ｐ／ε）および、撹乱手段１
３ａ，１３ｂによる流れパターンの差であると考
えられる。

始めに（ε／Ｃ）の最適化の結果について述べ
るこの（ε／Ｃ）の最適値は、粗さが内筒外面４
上にある場合と、外筒内面２にある場合とでそれ
ぞれ異なる最適値が得られた。撹乱手段１３ｂが
内筒外面４上にある場合の実験結果を第５図に示
す。線分で区切つてある範囲はピツチＰを変えて
何回か実験した結果が、この範囲に入つたことを
示し、〇印はその平均値を示す。この結果より、
性能係数は（ε／Ｃ）〓0.5で最高値を示し、
（ε／Ｃ）〓0.4〜0.6で平均のＥ_ff＝０〜８％と良
好な性能を示すことがわかる。撹乱手段１３ａが
外筒内面２上にある場合の実験結果を第６図に示
す。性能係数は、（ε／Ｃ）〓0.7で最高値を示
し、（ε／Ｃ）〓0.6〜0.8で平均のＥ_ff＝３〜６％
と良好な性能を示す。

以上、（ε／Ｃ）の最適値（ε／Ｃ）Ｃが上記
２つのタイプにつき求められたので、つぎに
（Ｐ／ε）の最適化を行なう。

（Ｐ／ε）については、流路幅の影響が無視で
きる場合については最適値が求められており、 （Ｐ／ε）〓13 であるとされている。しかしながら、流路幅の影
響が生ずる場合には、一意的に決めることはでき
ない。すなわち（Ｐ／ε）の最適値を（Ｐ／ε）
Ｃであるとすれば （Ｐ／ε）Ｃ＝const・Ｇ（ε／Ｃ） (3) で表わされ、（ε／Ｃ）の影響を考慮する必要が
ある。本実験で得られた（Ｐ／ε）の最適値
（Ｐ／ε）Ｃを（ε／Ｃ）で層別し、プロツトす
ると負の相関関係が認められた。そこで(3)式にお
いて Ｇ（ε／Ｃ）＝ε／Ｃ (4) として整理した結果を第７図に示す。

（Ｐ／ε）Ｃ／Ｇ（ε／Ｃ） ＝（Ｐ／ε）_C（ε／Ｃ）_C〓const であり、（Ｐ／ε）_C（ε／Ｃ）_C〓２〜６であるこ
とが認められた。

以上述べたような最適パラメータを選定した上
述の実施例による熱交換器では、従来の熱交換器
に比較して性能が非常に高く、例えば第１の実施
例においてＣ＝2.0mm，ε＝1.4mm，Ｐ＝6.7mmとし
た熱交換器では （ε／Ｃ）＝0.7 （Ｐ／ε）（ε／Ｃ）＝3.4 を満たし、このとき性能係数、熱伝達率、抵抗係
数はそれぞれ Ｅ_ff＝8.0％ α＝10600Kcal／m²hr℃ Cf＝0.092mAq／（ｌ／min）² が得られる。

また螺旋状の撹乱手段１３ａあるいは１３ｂに
より誘起される旋回流により熱伝達率が均一化さ
れ、単に伝熱面に不連続に撹乱手段を設ける場合
に比較して伝熱面温度が均一化され局部沸騰を防
止できるという効果がある。

本実施例による撹乱手段１３ａ，１３ｂは螺旋
状線体であり、これを環状流路５に挿入するだけ
で突起体を形成できるため、製造が容易に行な
え、かつパラメータの変更も容易であるという効
果がある。

つぎに本発明の第３の実施例につき第８図で説
明する。この実施例では、第２の実施例において
示された撹乱手段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、撹乱手段１３ｃが内筒外面と熱的
に結合しているため、先に述べた熱伝達率の向
上、伝熱面温度の均一化という効果のほかに、螺
旋状突起体１３ｃが放熱フインとして作用するの
で熱交換器の性能を高める上で効果がある。

つぎに本発明の第４の実施例につき第９図を用
いて説明する。この実施例では、第１の実施例に
おいて示された撹乱手段１３ａを外筒内面２に一
体に成形した螺旋状の撹乱手段１３ｄとした点の
みが第１の実施例と異なる。この実施例によれ
ば、外筒１を樹脂等で成形する際に、撹乱手段１
３ｄも同時に成形できるため製作コストの低減を
図ることができる。

本発明による熱交換器は、非加熱流体が水で、
かつスケールの付着に敏感なセラミツク発熱素子
を用いた場合に特に有効であるが、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図は本発明による熱交換器の第１の実施例
を示す断面図、第２図は第１図の要部断面図、第
３図は第２の実施例を示す要部断面図、第４図は
従来の熱交換器の性能を示す特性図、第５図は第
２の実施例の（ε／Ｃ）の最適化を示す特性図、
第６図は第１の実施例の（ε／Ｃ）の最適化を示
す特性図、第７図は（Ｐ／ε）・（ε／Ｃ）の最適
化を示す特性図、第８図は第３の実施例を示す要
部断面図、第９図は第４の実施例を示す要部断面
図である。 １……外筒、２……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，１３
ｂ，１３ｃ，１３ｄ……螺旋状の撹乱手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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は螺旋状の撹乱手段を有
   し、前記外筒内面に前記撹乱手段を有する場合に
   は、この撹乱手段の突出高さεと、外筒内径と内
   筒外径の差の半値よりなる前記環状流路の幅Ｃは ε／Ｃ〓0.6〜0.8 の関係を満たし、また前記内筒外面に前記撹乱手
   段を有する場合には、前記Ｃとεは ε／Ｃ〓0.4〜0.6 の関係を満たすと共に、さらに以上の如く構成さ
   れた前記撹乱手段のピツチＰは （Ｐ／ε）（ε／Ｃ）〓２〜６ の関係を満たすよう構成した熱交換器。