JPS63194195A - プラスチツクチユ−ブ熱交換器 - 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〕 この発明は、伝熱管としてプラスチックチューブを使用
する熱交換器の改良に係り、詳しくは、耐久性、成形加
工性を損なうことなく熱交換効率を向上せしめたプラス
チックチューブ熱交換器に関する。

〔従来の技術〕

弗素樹脂等の耐食性樹脂からなるプラスチックチューブ
を伝熱管として用いた熱交換器は、強酸、強アルカリ等
の腐食性液あるいは有機溶剤等に対して化学的にほとん
ど不活性であることから、有害物質の溶出がなく、また
非粘着性であるためスケールやスラッジが付着しにくい
などの利点があり、各種産業分野において広く使われて
いる。

ところで、これらプラスチックチューブ熱交換器は、素
材自体の熱伝導率が金属に比べて著しく劣るため、一般
に多数の細いプラスチックチューブを束ね、その両端部
を融着等により蜂の巣状の一体構造（例えば特公昭４３
−３８５１号公報）とするか、あるいは特開昭６０−２
８９４号公報などに示されるように、一本の長尺のプラ
スチックチューブをフレームを通して螺旋状に巻いたも
のを１個または複数個組み合わせ、単位面積当たりの伝
熱面積を大きくすることにより、熱交換効率を高めるよ
うな構成となっているが、伝熱管自体の熱伝導率が本質
的に低いため、熱交換効率は必ずしも充分とは言い難い
。

そこで、グラファイト等の熱伝導性の良い充填剤粒子を
５〜４５重量％混人せしめたプラスチックチューブを伝
熱管として使用することが提案されている（特開昭５５
−１７３１９号公報参照）。

この場合、プラスチック中に混入される熱伝導性充填剤
粒子の直径は、実質的に全部が２μｍ以上のものでない
と熱伝導性の改善に効果がなく、特にチューブの機械的
強度などの面から２．５μｍのものを１０〜２０重量％
の範囲で充填するのが最適であるとしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記粒径の熱伝導性充填剤をチューブの
熱伝導率が顕著に増大するほど充填した場合に、チュー
ブの機械的強度の低下が避けられず、耐久性の低下を伴
う。そればかりか、充填剤粒子の添加によりチューブ成
形時における溶融プラスチックの粘性が著しく増加して
流動性が低下し、成形加工性の極めて悪いものとなり、
その結果成形品の表面状態が劣悪化するという問題点を
生じる。また、かかるチューブを複数本束ねて、それら
の端末部を融着により蜂の巣状の一体構造とする際に、
流動性に乏しいため作業性が大幅に低下するという欠点
もある。

本発明者らは、これらの問題点を解決すべく鋭意検討を
重ねた結果、従来熱伝導性の改善には効果がないとされ
ていた直径　２μｍ未満の熱伝導性充填剤粒子が、直径
　２μｍ以上の粒子状充填剤あるいは繊維長が　２μｍ
以上の繊維状充填剤と併用した場合に、プラスチックチ
ューブの熱伝導性の改善に効果があることを見出だし、
本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、プラスチックチューブの機械的強度、及
び形成加工性に悪影響を与える粒径の大きな熱伝導性充
填剤の量を減らすとともに、前記特性に及ぼす影響の少
ない粒径の小さな熱伝導性充填剤を加えることにより、
チューブ素材の成形性及び融着時の作業性に優れ、機械
的強度の低下がなく、且つ熱伝導性が改善されたプラス
チックチューブ熱交換器の搗供をその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記この発明が解決しようとする目的を達成するため、
この発明によれば、少なくとも一本のプラスチックチュ
ーブからなる伝熱管を有する熱交換器において、前記プ
ラスチックチューブは、最長部が　２μｍ以上の熱伝導
性充填剤を５重量％未満と、最長部分が　２μ・ｍ未満
の熱伝導性充填剤とを含有してなるプラスチックチュー
ブ熱交換器を構成する。

この構成において、長部分が２μｍ以上の熱伝導性充填
剤としては粒径が　２μｍ以上または繊維長が２μｍ以
上の炭素繊維が、最長部分が２μｍ未満の熱伝導性充填
剤としては粒径が　２μｍ未満のグラファイト粒子がそ
れぞれ好適であり、この場合粒径が　２μｍ未満のグラ
ファイト粒子の配合量は５〜２０重量％が好ましい。さ
らに、チューブ素材としては、弗素樹脂が耐熱性、耐食
性等の面から最適である。また伝熱管は、一本または複
数本のプラスチックチューブで構成することができ、複
数本のプラスチックチューブを用いる場合は、それらを
束ね、端末部を鍔付スリーブと一体融着せしめて蜂の巣
状の密封構造とすれば、端末接続が簡単になるので好都
合である。

〔作用〕

この発明によれば、上記のごとく、熱交換器の伝熱管と
して、形成後の機械的強度を低下させるばかりか、形成
加工性にも悪影響を及ぼす粒径等の最長部分が　２μｍ
以上の熱伝導性充填剤の配合量を５重量％未満とし、そ
の不足分として機械的強度などに影響を与えることの少
ない最長部分が２μｍ未満の熱伝導性充填剤を添加した
プラスチックチューブを使用するものであるから、耐久
性及び熱交換効率に優れたプラスチックチューブ熱交換
器を得ることができる。

次に、本発明における熱伝導性充填剤の配合効果につい
て説明する。特公昭５５−１７３１９号公報に開示され
るように、従来プラスチックチューブの熱伝導性の改善
には、直径が２μｍ以上の熱伝導性充填剤粒子を５重量
％以上配合することが不可欠であるとされていた。それ
に対して本発明では、粒径が２μｍ以上の熱伝導性充填
剤の配合量が５重量％未満であるにもかかわらず、熱伝
導性が向上するのは、詳細な理由は不明であるが、従来
単独の使用では熱伝導性の改善には効果がなかった直径
が２μｍ未満の熱伝導性充填剤粒子が、直径　２μｍ以
上の熱伝導性の粒子間に均一に分散し、直径が２μｍ以
上の熱伝導性充填剤の粒子間距離を実質的に短縮せしめ
、その結果２μｍ以上の直径の粒子数が少ないのにもか
かわらず、熱伝導が円滑に行なわれるものと考えられる
。この場合、直径が２μｍ以上の粒子充填剤の代わりに
、長さが２μｍ以上の繊維状充填剤を使用すれば、同濃
度では粒子状のものに比べて繊維間の距離が短くなるこ
とにより、チューブの熱伝導性は一層改善されるものと
思われる。なお、チューブの機械的強度については、２
μｍ以上の直径の粒子あるいは長さが　２μｍ以上の繊
維が５重量％未満でマトリックス樹脂に与える影響が小
さいから、その低下が従来のものに比べて少なく、耐久
性が大幅に向上する。さらに、最長部分が２μｍ以上の
熱伝導性充填剤の配合量が少ないので、チューブ形成加
工性は良好に保持され、そのため作業性、外観の点にお
いても従来のものより優れたものとなる。

〔実施例〕

第１図は、この発明によるプラスチックチューブ熱交換
器の一実施例を示す正面図で、第２図は伝熱管の端末部
付近の拡大部分縦断面図である。

このプラスチックチューブ熱交換器ｌは、第２図に示す
ようにテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキビ
ニルエーテル共重合樹脂（ＰＰＡ）に、最長部分が２μ
ｍ以上の熱伝導性充填剤を５重量％未満配合し、さらに
最長部分が２μｍ未満の熱伝導性充填剤を所定量加え、
均一に分散せしめてなる伝熱管としてのプラスチックチ
ューブ２を多数本束ね、個々のチューブ２の端末部を四
弗化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）からなる鍔付スリーブ３
に一体融着させ、且つ各プラスチックチューブ２の端末
を蜂の巣状に成形して相互融着させた密封構造の結合部
４を形成して構成される。このプラスチックチューブ熱
交換器ｌは、その使用時には第１図に示すように、端末
継手ｌＯを介して配管系に連接されるヘッダ１１に接続
される。

なお、この発明において用いるプラスチックチューブ材
料としては、ＰＦＡの他に四弗化エチレン樹脂、四弗化
エチレン−六弗化プロピレン共重合樹脂（Ｆ　Ｅ　Ｐ　
）、エチレン−四弗化エチレン共重合樹脂（ＥＴＦＥ）
等の弗素樹脂、あるいはポリエチレン等のポリオレフィ
ン樹脂などの耐薬品性に優れた樹脂が好適である。

また、熱伝導性充填剤としては、例えばグラファイト、
カーボンブラック類などの各種粒子状充填剤、あるいは
炭素繊維、グラファイトウィスカーなどの繊維状の充填
剤の使用が可能である。この場合、最長部分が２μｍ以
上の熱伝導性充填剤として直径２μｍ以上の粒子状充填
剤、または、長さが２μｍ以上の繊維状充填剤の使用が
可能であり、最長部分が　２μｍ未満の充填剤としては
グラファイト粉末等の粒子状充填剤が好ましい。これら
の熱伝導性充填剤の配合量は、チューブを形成するプラ
スチック材料、成形加工条件、熱伝導性充填剤の種類な
どにより多少異なるが、例えば弗素樹脂に大小２種のグ
ラファイト粉末を配合する場合、直径が２μｍ以上のも
のとしては直径６μｍのもの、直径が２μｍ未満のもの
としては直径が１μｍのものを用いると好適で、直径が
６μｍのグラファイト粉末を５重量％以上配合するとチ
ューブの機械的強度が急激に低下するので好ましくなく
、また、直径が　１μｍのグラファイト粉末を２０重量
％以上配合した場合には、熱伝導性の改善効果に比べて
、むしろ作業性や得られるチューブの外観の低下が目に
つきはじめるので、あまり好ましくない。

次に本発明を実施例及び比較例に基づいてさらに詳しく
説明するが、本・発明はこれらにより何ら制限を受けな
いことは言うまでもな、い。

実施例１〜９及び比較例１〜８ テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキビニルエ
ーテル共重合樹脂（三井デュポンフロロケミカル社：Ｐ
Ｆ＾＃　３４０）に、熱伝導性充填剤としてグラファイ
ト粉末（■粒径０．８μｍ、■粒径　１．０μｍ、■粒
径２．０μｍ、■粒径２．５μｍ、■粒径６．０μｍ）
と、炭素繊維（糸径５．０μｍ、繊維長７０μｍ）を第
１表に示す配合（重量）比で充分に混合し、外径３　、
２　ｍｍ、内径２．４ｍｍのチューブを作成した。

これらのチューブについて、引張り強度（Ｋｇ／　ｃｍ
’）及び伸び（％）を、引張り速度２００ｍＩＩｌ／分
、室温の条件で測定し、また、チューブを１６０℃の恒
温槽中に１０分間保持後、窒素ガスを加圧することによ
り耐圧力を測定した。さらに、第１表に示す配合比の試
料粉末をホットプレスを用いて厚さ１〜２．５ｍｍのシ
ート状にプレス成形し、昭和電工社製迅速熱伝導率針Ｑ
ＴＭ−Ｄ２にてレファレンスプレートによる偏差値方法
で熱伝導率を測定した。これらの測定結果を第２表に示
す。

表　１〔組成〕 表２　〔測定結果〕 ※　表中、耐圧力が（−）で示されているのは、試料チ
ューブの伸び（掻方向）が小さく継手に與り付けること
ができないため、測定不可能なものである。

第２表に示される比較例２．３．４を見ればわかるよう
に、熱伝導性充填剤を単独で添加する場合は、粒径の大
きいものほどチューブの熱伝導性は向上するが、その反
面チューブの機械的強度は低下しており、またその添加
量は粒径が大きくても５重量％以上でないと熱伝導性に
対して期待される効果は得られない（比較例１．２．５
．７参照）。

熱伝導性充填剤の粒径がチューブの熱伝導性に及ぼす影
響については、異なる粒径の熱伝導性充填剤を２種含有
する実施例においても同様な傾向が見られる（実施例１
，４．５）。しかしながら、２μｍ以上の直径の熱伝導
性充填剤とそれよりも直径゛が小さい熱伝導性充填剤を
併用する実施例と、２μｍ以上の直径の熱伝導性充填剤
を単独で使用する比較例の物性は、実施例１，４．６と
比較例２，３．１とをそれぞれ比較すると明白なように
、熱伝導性充填剤の総合有量がほぼ同じで、その熱伝導
性も近い数値を示しているものの、機械的特性のほぼ全
般にわたって大きな差が生じ、熱伝導性充填剤を単独で
配合した比較例にあっては、チューブの引′張り強度、
伸び、耐圧力のいずれも実施例に比べて著しく低下して
いる。

次に、熱伝導性充填剤の配合量についてみると、直径が
２μｍ以上の粒子を増量していくと、単独使用（比較例
１．２，５．７）あるいは併用（実施例　１゜２）にか
かわらず、チューブの機械的特性が低下する傾向にあり
、特に５重量％を越えると形成加工性及び外観に悪影響
が出はじめるので好ましくない。熱伝導性は別として、
比較例４のように粒径の小さな（ｌμｌ１１）熱伝導性
充填剤であれば、比較的多量に充填されていても、機械
的特性の変化はそれほど見られないが、直径２μｍ以上
のものと併用した場合に、２０重量％以上添加すると、
実施例７に示されるように熱伝導性は大幅に向上するも
のの、実施例１．６に比べてチューブの伸び、引張り強
度などの機械的特性の低下が目につき、チューブの成形
加工性などを含めて考えるとその範囲は５〜２０重量％
の範囲が望ましい。

したがって、伝熱管としてのプラスチックチューブの機
械的特性、成形加工性、外観などを低下させることなく
、熱伝導性を向上させるには、粒径が２μｍ以上、好ま
しくは６μｍの熱伝導性充填剤を５重量％未満配合し、
且つ粒径が２μｍ未満の熱伝導性充填剤を好ましくは５
〜２０重量％の範囲で配合すれば、熱交換効率及び耐久
性に優れたプラスチックチューブ熱交換器とすることが
できる。。

さらに、グラファイト粉末等の粒子状熱伝導性充填剤の
代わりに、炭素繊維、グラファイトウィスカー等の繊維
状の熱伝導性充填剤を使用してもよく、この場合、繊維
状充填剤の繊維長が２μｍ以上であれば、同等以上の効
果があることが判明した（実施例８．９）。繊維状の充
填剤を使用すると、機械的特性の中で伸びがやや減少し
、チューブの成形加工性が幾分低下するが、測定はでき
なかったものの、これら繊維状充填剤の補強効果により
、チューブの耐圧力は大幅に向上することが予想される
。ここで、繊維状充填剤はその繊維長の長いほうが少量
で熱伝導性の改善に効果があり、さらに該繊維状充填剤
がチューブの径方向に配向するように押出形成すれば、
チューブの熱伝導性及び耐圧力はさらに向上する。

また、かかるプラスチックチューブを多数本束ね、それ
らの端末部に融着により蜂の巣状の気密一体構造を形成
する場合に、熱伝導性充填剤を含まないチューブとその
物性に大きな差がないから、従来の熱伝導性充填剤を含
有するものに比べて融着部分の流動性が良く、作業性が
良い。

なお、熱伝導性充填剤は、上記実施例のようにその最長
部分が２μｍ以上のものと、２μｍ未満のものとをそれ
ぞれ一種類ずつ配合する他に、どちらか一方、あるいは
両方を異なる粒径または長さの充填剤を組み合わせて配
合することも可能であり、これら充填剤の配合比及び配
合量は、熱交換器に要求される性能、チューブの材質、
寸法などに応じ、上記範囲内で適宜選択することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、プラスチック
チューブ熱交換器において、伝熱管として最長部分が　
２μｍ以上の熱伝導性充填剤を５重量％未満含み、且つ
最長部分が２μ１未満の熱伝導性充填剤も含むプラスチ
ックチューブを使用するものであるから、従来のように
熱伝導性充填剤の添加に起因するチューブの機械的強度
の低下が少なく、そのため耐久性及び熱交換効率の良好
なプラスチックチューブ熱交換器となる。さらに粒径ま
たは長さの大きな熱伝導性充填剤の使用量が少ないので
、チューブの成形加工性、端末加工性、外観等に与える
影響は従来のものに比べて著しく減少するという効果も
ある。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものでなく、
例えば、プラスチックチューブを多数本束ねる代わりに
、渦巻き状にするなど、この発明の技術思想内での種々
の変更は可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるプラスチックチューブ熱交換器
の正面図、第２図は、伝熱管の端末部付近の部分拡大縦
断面図である。 ｌ　ニブラスチックチューブ熱交換器、２　ニブラスチ
ックチューブ、 ３　：鍔付スリーブ、　４　：結合部、ｌＯ：端末継手
、　　　１１：ヘッダ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも一本のプラスチックチューブからなる
   伝熱管を有する熱交換器において、前記プラスチックチ
   ューブは、最長部分が２μｍ以上の熱伝導性充填剤を５
   重量％未満と、最長部分が２μｍ未満の熱伝導性充填剤
   とを含有することを特徴とするプラスチックチューブ熱
   交換器。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載のプラスチックチュ
   ーブ熱交換器において、最長部分が２μｍ未満の熱伝導
   性充填剤の含有量は５重量％〜２０重量％であることを
   特徴とするプラスチックチューブ熱交換器。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載のプラ
   スチックチューブ熱交換器において、最長部分が２μｍ
   未満の熱伝導性充填剤は粒径が２μｍ未満のグラファイ
   ト粒子からなることを特徴とするプラスチックチューブ
   熱交換器。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   記載のプラスチックチューブ熱交換器において、最長部
   分が２μｍ以上の熱伝導性充填剤は粒径が２μｍ以上の
   グラファイト粒子からなることを特徴とするプラスチッ
   クチューブ熱交換器。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   記載のプラスチックチューブ熱交換器において、最長部
   分が２μｍ以上の熱伝導性充填剤は繊維長が２μｍ以上
   の炭素繊維からなることを特徴とするプラスチックチュ
   ーブ熱交換器。
6. （６）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに
   記載のプラスチックチューブ熱交換器において、プラス
   チックチューブは複数本からなり、該複数のプラスチッ
   クチューブは束ねられ、それらの端末部が鍔付スリーブ
   と一体融着して蜂の巣状の結合部を形成していることを
   特徴とするプラスチックチューブ熱交換器。
7. （７）特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに
   記載のプラスチックチューブ熱交換器において、プラス
   チックチューブは弗素樹脂からなることを特徴とするプ
   ラスチックチューブ熱交換器。