WO2006011212A1 - 熱交換方法及び熱交換器 - Google Patents

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heat
heater
molded body
heat transfer
resistant material
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Toshio Abe
Hiroyuki Abe
Hisashi Kaga
Yosihiro Taya
Yasuyuki Konishi
Yoshiaki Oka
Mitushi Kamide
Kazuhiko Tomita
Original Assignee
Kohno Company, Limited
Hakodate Regional Industry Promotion Organization
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/08—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being steam
    • F22B1/10—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being steam released from heat accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/002—Air heaters using electric energy supply
    • F24H3/004—Air heaters using electric energy supply with a closed circuit for a heat transfer liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/30—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing vibrations

Definitions

  • the present invention relates generally to heating using an electric heater, a heater using a combustion exhaust obtained by burning kerosene / heavy oil or gas fuel as a heat source, a heat exchanger using a heater using a high-temperature steam as a heat source, etc.
  • the present invention relates to a heat exchanging method and a heat exchanging apparatus that can suppress occurrence of abnormal noise and vibration at the time. Specifically, it is characterized by (1) a hot water heating part such as a hot water machine, and (2) a heat exchange part such as a steam generator.
  • heating heaters using kerosene / heavy oil or gas exhaust as a heat source, heating heaters using a high temperature steam as a heat source, etc. are used under normal pressure or reduced pressure.
  • the heat transfer device that heats the heat transfer fluid is placed in the heat transfer device and the heater is immersed in the heat transfer fluid. Is often used.
  • Patent Document 3 a heat exchanger that silences the heat transfer tube by providing an expansion volume and a small hole
  • Patent Document 4 a baffle plate in the flow path of the heat transfer medium, and the flow of steam bubbles generated by boiling
  • Patent Document 4 A device that controls the flow of condensed water and silences it
  • Patent Document 4 a method of preventing the shock wave of the heat medium caused by boiling from directly colliding with the side wall of the can
  • Patent Document 1 Japanese Utility Model Publication No. 57-150301
  • Patent Document 2 JP-A-60-144503
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 9-159379
  • Patent Document 4 JP-A-8-189605
  • Patent Document 5 JP-A-8-219402
  • the present invention provides heating using an electric heater, a heater using a kerosene fuel oil or a combustion exhaust burned with gas fuel as a heat source, a heater using a high-temperature steam as a heat source, etc.
  • a heat exchanging method and a heat exchanging apparatus that can effectively suppress the occurrence of abnormal noise and vibration during heating, can be manufactured at low cost, and has low maintenance costs. Let it be an issue.
  • the present inventor can suppress the occurrence of abnormal noise and vibration during heating by suppressing rapid convection and heat transfer of the heat transfer fluid near the heater, and can solve the conventional problems. Obtained with the knowledge.
  • the present invention is based on this finding,
  • a heater is placed in the heat transfer medium to be heated, and a plurality of heat-resistant material molded bodies that allow a flow gap of the heat transfer medium are filled around the heater of the heat transfer liquid to be heated.
  • the present invention also provides:
  • a heat exchanger heated by a heat medium liquid heater the heater is placed in the heat medium liquid to be heated, and the heat medium liquid is circulated around the heater of the heat medium liquid to be heated.
  • Heat exchanger characterized by suppressing the generation of abnormal noise and vibration during heating by filling a molded body made of a plurality of heat-resistant materials with gaps
  • thermoplastic material is at least one material selected from ceramics, metal, and heat-resistant resin.
  • the molded body made of a heat-resistant material is in the shape of a ball, cylinder, or bowl, 3 Heat exchanger according to 9
  • the present invention is a method of molding a plurality of heat-resistant materials in which a heater is disposed in a heated heat medium liquid and a heat medium liquid circulation gap is formed around the heater of the heated heat medium liquid.
  • the body is filled, and the convection transfer and convection heat transfer of the heat transfer fluid are suppressed by this compact.
  • This simple structure makes it possible to reduce the temperature difference between the heat medium temperature near the heater in the heat medium liquid and the heat medium liquid temperature around the heater immediately after the start of heating. Abnormal noise and vibration can be effectively suppressed.
  • the heat exchanging method and heat exchanging apparatus of the present invention can be manufactured at a low cost because it is only necessary to fill a molded product made of an inexpensive heat-resistant material around the heater or replace a deteriorated molded product. It has an excellent effect that the maintenance cost is low.
  • FIG. 1 An electric heater is disposed in a rectangular parallelepiped heat exchange device, and a heat transfer fluid such as water is placed inside the heat exchange device, and a spherical or other molded body made of a heat-resistant material is placed in the heat transfer fluid.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing an example of the present invention filled with slag.
  • FIG. 2 is a diagram showing a correlation between a heat medium liquid temperature and a noise value in a heat exchange device at the time of receiving (conventional) and filling a compact in the heat exchanger shown in FIG.
  • FIG. 4 Heat in the heat exchanger when passing through the heat exchanger shown in Fig. 3 (conventional), filling the compact to the liquid level of the heat transfer fluid, and filling the compact to the level above the heat transfer fluid level It is a figure which shows the correlation of a liquid medium temperature and a noise value.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram when the heat-resistant molded product is not filled up to the bottom of the heat exchanger.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram when the molded body is not filled in the heat exchanger bottom and outer peripheral parts.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a specific example (outer appearance) of a heat exchanger.
  • FIG. 8 is a schematic view in which a molded product (filler) of the present invention is introduced into a heat exchange device located below the panel body.
  • the heat transfer fluid near the heater becomes locally hot, the heat transfer fluid boils (vaporizes), and the generated bubbles expand rapidly.
  • the bubbles come into contact with a relatively low temperature heat transfer fluid around the heater, the bubbles disappear instantly due to a temperature drop.
  • the sound generated at this time causes abnormal noise (explosive noise) and vibration.
  • the present invention suppresses convective movement and convective heat transfer of the heat medium liquid by filling the heat medium liquid with a molded body made of a heat-resistant material, and the heat medium liquid temperature near the heater immediately after the start of heating.
  • the present invention suppresses convective movement and convective heat transfer of the heat medium liquid by filling the heat medium liquid with a molded body made of a heat-resistant material, and the heat medium liquid temperature near the heater immediately after the start of heating.
  • the heat medium liquid by filling the heat medium liquid with a molded body made of a heat-resistant material, reducing the convective movement of the heat medium liquid, and reducing the temperature difference between the heat medium liquid temperature near the heater and the heat medium liquid around the heater,
  • the bubbles of the heat transfer fluid generated on the heater surface are not rapidly cooled, and it is possible to suppress the occurrence of abnormal noise, vibration, and the like accompanying the rapid disappearance of the bubbles.
  • the presence of a molded body made of a heat-resistant material filled in the heat transfer fluid has a function of suppressing bubble growth. That is, the bubbles are lifted or diffused by sewing (passing) through the gaps of the molded body made of the heat-resistant material. Limited to the following sizes: In this way, the generation of large bubbles is suppressed, and the implosion sound that accompanies the rapid disappearance of the bubbles is significantly reduced due to the reduction in the diameter of the bubbles.
  • Fig. 1 shows that the electric heater 1 is arranged in a rectangular parallelepiped heat exchanger and water or the like is placed inside the heat exchanger.
  • the heat medium liquid 2 is put, and the heat medium liquid is filled with a molded body 3 such as a sphere made of a heat-resistant material.
  • the electric heater for heating the heat transfer liquid is controlled by a signal from a heat transfer liquid temperature sensor such as a thermocouple.
  • the bubbles of the heat transfer fluid generated near the heater move upward due to buoyancy, but gradually become smaller because there is no sudden temperature change in the heat transfer fluid (does not contact the low temperature heat transfer fluid). Disappear. For this reason, the bubbles of the heat transfer liquid generated in the vicinity of the heater do not disappear rapidly, and it is possible to effectively suppress the generation of abnormal noise and vibration accompanying the rapid disappearance of the bubbles.
  • FIG. 2 shows the noise value of the heat exchange device when this device is used.
  • "when compacted" B is when ⁇ 3 ceramic compact is filled, and "normally” A is filled with heat transfer fluid (water) only inside the heat exchange device and heat resistant.
  • the noise value is shown when the molded product is filled with rust, and when it is filled.
  • Normal time A which is not filled with the molded body, generates abnormal noise accompanying the disappearance of the heat transfer liquid bubbles in the temperature range of 20-60 ° C, but this abnormal noise is effective by filling the molded body. Can be suppressed. Note that the noise level rises in the temperature range above 70 ° C due to the boiling temperature of the heat transfer medium.
  • a ceramic molded body (ball) having a diameter of 6 mm can be filled in the heat transfer liquid.
  • the compact (ball) made of ceramics with a diameter of 2 mm to 6 mm is used as the compact to be filled in the heat transfer fluid.
  • the size of the molded body is a typical example, and is not limited to this size. For example, it is possible to design a compact having a smaller size or a larger size. Further, the size of the molded body can be arbitrarily changed depending on the size of the heat exchanger. Furthermore, a mixture of large and small shaped bodies may be used. The present invention includes all of these. As the shape of the molded body, a spherical shape (ball), a cylindrical shape (Raschig ring), a saddle shape (berle saddle), or the like can be used. These can uniformly open an appropriate space for the heat transfer fluid, and can effectively suppress rapid convection of the heat transfer fluid. However, these shapes are preferable examples, and other shapes are not limited as long as the object of the present invention can be achieved.
  • the material of the molded body is a material that can withstand the temperature of the heater surface (about 200 ° C), a ceramic material, a metal material such as iron copper, aluminum, or a heat-resistant resin material is used. That power S.
  • a material that is light in weight but other materials may be used as the material of the molded body as long as the object of the present invention can be achieved.
  • the heating means of the heater used by the heat exchanger can be electricity, steam, combustion exhaust gas (by combustion of combustible fuel such as gas, kerosene, heavy oil). If this heating means can also achieve the object of the present invention, other heating means may be used. There are no particular restrictions.
  • FIG. 3 shows a specific example.
  • the one shown in FIG. 3 is a product in which the heat-resistant molded body 3 is filled up to the upper part (about 15 mm) of the heat transfer liquid surface.
  • Many of the bubbles in the heat transfer fluid 2 generated in the vicinity of the heater 1 gradually shrink and disappear during the upward movement in the heat transfer fluid due to the buoyancy of the bubbles.
  • the bubbles in the heat transfer fluid 2 pass through the vicinity of the heater 1 even in the upward movement process, so that the bubbles grow significantly (giant into bubbles).
  • Such giant bubbles do not sufficiently shrink and disappear during the upward movement in the heat transfer fluid 2 and reach the surface of the heat transfer fluid 2.
  • the temperature above the heat transfer solution 2 is clearly low. A significant temperature difference occurs.
  • the heat-resistant molded body 3 is filled up to about 15 mm above the heat transfer liquid surface. This dimension can be arbitrarily determined according to the size and shape of the heat exchanger, and is not particularly limited.
  • FIG. 4 shows a normal state and a filled state of the heat-resistant molded body 3 shown in FIG. 3 above (15 mm) above the liquid surface of the heat transfer medium (filling up to the liquid level and the liquid level). Comparison of noise values of heat exchangers for 2 cases of compacts up to 15mm above is shown.
  • the heater output was increased as a condition for the purpose of improving the heating rate, compared to the examples shown in FIGS.
  • the abnormal noise during extinction of the heat transfer fluid bubbles is greatest during normal operation (when the molded product is filled and not: symbol C).
  • symbol D abnormal noise is reduced compared to the normal time, but giant bubbles are generated as the heater output increases. The noise level does not decrease sufficiently because it reaches the surface and generates a disappearing sound.
  • Figure 5 shows the heat-resistant molded product not filled to the bottom of the heat exchanger. In the vicinity of the bottom of the heat exchanger, bubbles are generated in the heat transfer fluid. Therefore, it is possible to prevent the molded body from being filled in the lower part of the heat exchanger.
  • the fixing (holding) member 4 of the molded body it is convenient to use a mesh (net-like body), but it is not always necessary to use a mesh.
  • a mesh net-like body
  • it can be a lattice. In either case, since the heat transfer fluid is always touched, it is necessary to have strength, heat resistance and corrosion resistance for holding the molded body 3.
  • FIG. 6 is a further improvement of FIG. Generation of bubbles in the heat transfer fluid
  • the bottom and outer periphery of the heat exchanger that do not participate in the 'reduction' disappearance are not filled with the molded product.
  • the weight of the molded body 3 can be further reduced to reduce the cost of the molded body 3 and the weight of the heat exchanger.
  • the fixing (holding) member 4 of the molded body As the fixing (holding) member 4 of the molded body, the same one as described above can be used.
  • a simple joining member (not shown) coupled to the heat exchanger can be used.
  • FIG. 7 shows a specific example (outer appearance) of a heat exchanger.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram in which the molded body (filler) 3 of the present invention is introduced into the heat exchange device 6 located below the panel body 5.
  • reference numeral 7 is a heater power supply connection
  • reference numeral 8 is a steam introduction pipe
  • reference numeral 9 is a steam introduction header
  • reference numeral 10 is a water surface
  • reference numeral 11 is a network for holding a molded body
  • reference numeral 12 is an electric power.
  • reference numeral 13 indicates steam
  • reference numeral 14 indicates condensed water.
  • FIGS. 7 and 8 shows a case in which the molded body 3 is filled up to the upper part of the water surface, and it is possible to effectively suppress the occurrence of abnormal noise and vibration during heating.
  • the panel heater shown in FIG. 7 has a known structure. In this example, it can be easily understood that it is only necessary to fill the molded body without changing the heat exchanger. That is, it has an excellent effect that the manufacturing cost is low and the maintenance cost is also low.

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Abstract

 加熱される熱媒液の中にヒータを配置すると共に、該加熱される熱媒液のヒータの周囲に、熱媒液の流通間隙ができる複数の耐熱材料製の成形体を充填し、この成形体により熱媒液の対流移動と対流伝熱を抑制することにより、加熱開始直後よりヒータ近傍の熱媒温度とヒータ周囲の熱媒液温度との温度差を小さくし、加熱時の異常騒音及び振動の発生を抑制することを特徴とする熱交換方法。電気ヒータによる加熱、灯油・重油あるいはガス燃料を燃焼させた燃焼排気を熱源とする加熱ヒータ、高温蒸気を熱源とするヒータ等を用いた熱交換装置において、加熱時の異常騒音及び振動の発生を効果的に抑制することができ、かつ低コストで製造が可能であり、メンテナンス費用も安価である熱交換方法及び熱交換装置を得る。

Description

明 細 書
熱交換方法及び熱交換器
技術分野
[0001] 本発明は、電気ヒータによる加熱、灯油 ·重油あるいはガス燃料を燃焼させた燃焼 排気を熱源とする加熱ヒータ、高温蒸気を熱源とするヒータ等を用いた熱交換装置に 全般に関し、加熱時の異常騒音及び振動の発生を抑制することができる熱交換方法 及び熱交換装置に関するものである。具体的には、（1)温水機等の温水加熱部分、 (2)蒸気発生装置等の熱交換部分に特徴を有する。
背景技術
[0002] 従来、電気ヒータ、灯油 ·重油あるいはガス燃料を燃焼させた燃焼排気を熱源とする 加熱ヒータ、高温蒸気を熱源とする加熱ヒータなどを用い、常圧下あるいは減圧下に おいて温水等の熱媒液を加熱する場合、熱交換装置内に加熱される熱媒液を配し、 その熱媒液の中にヒータを坦没させる熱交換装置が構造的な簡便さなどの理由より 産業的に多用されている。
[0003] このような熱交換装置において、最近ではヒータ能力をさらに向上させ、加熱速度の 速い熱交換装置が求められている。このようにヒータ能力を向上させると、ヒータ表面 部の熱媒液が局部的に高温に急速加熱され、ヒータ表面部近傍で沸騰し、この熱媒 液の気泡の消滅に伴い高音の異常騒音を発生するという問題がより強く現われるよう になった。これは、装置全体の発生騒音値を上昇させると共に、装置本体に微振動 を与え、この振動による装置付属部品の機械的劣化が問題となっている。
[0004] この問題の対応策としては、騒音値の低減に関しては熱交換装置に吸音材を取り付 けたり、加熱時のヒータ能力を最大能力以下に制御したりする等の手段が用いられて いる。微振動に関しても熱交換器取り付け部に振動吸収材を用いたり、加熱時のヒー タ能力を最大能力以下に制御したりする等の手段が用いられている。
しかし、これらの対策手段では、吸音材や振動吸収材のためのコストアップが生じ、 かつ根本的な解決がなされておらず、加熱能力の低下により加熱速度の速い熱交 換装置の本来の目的が充分達成できない等の不具合が生じている。 [0005] このようなことから、熱媒液循環用ポンプを取り付け、加熱開始直後の熱媒液平均温 度とヒータ表面熱媒液との温度差が大きい場合に、循環ポンプを用いて熱媒液を拡 販混合し、局部的な高温部の発生を抑制する手段も提案されている（特許文献 1及 び特許文献 2参照）。
また、伝熱管に膨張容積部及び小孔を設けて消音する熱交換器 (特許文献 3参照） 、熱媒体液の流通路に邪魔板を設けて沸騰により生じた蒸気泡の流れと、蒸気の凝 縮水の流れを制御して消音する装置 (特許文献 4参照）、缶体内に遮蔽板を設け、沸 騰による熱媒体の衝撃波が缶体の側壁に直接衝突するのを防止する方法 (特許文 献 5参照）が提案されている。
しかし、いずれも装置が複雑となり、メンテナンスの費用が増大するという問題があり 、その効果も十分とは言えない。このため、これらの課題を解決する有効な手段が求 められていた。
特許文献 1 :実開昭 57-150301号公報
特許文献 2：特開昭 60 - 144503号公報
特許文献 3：特開平 9 - 159379号公報
特許文献 4 :特開平 8— 189605号公報
特許文献 5：特開平 8 - 219402号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明は、上記の問題点に鑑み、電気ヒータによる加熱、灯油'重油あるいはガス 燃料を燃焼させた燃焼排気を熱源とする加熱ヒータ、高温蒸気を熱源とするヒータ等 を用いた熱交換装置において、加熱時の異常騒音及び振動の発生を効果的に抑制 することができ、かつ低コストで製造が可能であり、メンテナンス費用も安価である熱 交換方法及び熱交換装置を得ることを課題とする。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明者は、ヒータ近傍の熱媒液の急速な対流及び熱移動を抑制することにより、 加熱時の異常騒音及び振動の発生を抑制することができ、従来の問題を解決できる との知見と得た。 本発明は、この知見に基づき、
1.加熱される熱媒液の中にヒータを配置すると共に、該加熱される熱媒液のヒータ の周囲に、熱媒液の流通間隙ができる複数の耐熱材料製の成形体を充填し、この成 形体により熱媒液の対流移動と対流伝熱を抑制することにより、加熱開始直後よりヒ ータ近傍の熱媒温度とヒータ周囲の熱媒液温度との温度差を小さくし、加熱時の異 常騒音及び振動の発生を抑制することを特徴とする熱交換方法
2.ヒータ近傍の熱媒温度とヒータ周囲の熱媒液温度との温度差を小さくすることによ り、沸騰により生成した気泡の急激な気泡消滅を抑制することを特徴とする上記 1記 載の熱交換方法
を提供するものである。
また、本発明は、
3.熱媒液ヒータで加熱する熱交換器において、加熱される熱媒液の中にヒータを配 置すると共に、該加熱される熱媒液のヒータの周囲に、充填時に熱媒液の流通間隙 ができる複数の耐熱材料製の成形体を充填することにより、加熱時の異常騒音及び 振動の発生を抑制することを特徴とする熱交換器
4.耐熱材料製の成形体を、加熱される熱媒液の液面より上方まで充填することを特 徴とする上記 3記載の熱交換器
5.耐熱材料製の成形体を、ヒータ下部から加熱される熱媒液の液面より上方まで充 填することを特徴とする上記 3又は 4記載の熱交換器
6.耐熱材料製の成形体を、熱交換器の下底から一定の間隔を開けて充填すること を特徴とする上記 3— 5のいずれかに記載の熱交換器
7.耐熱材料製の成形体を、熱交換器の下底及び側壁から一定の間隔を開けて充 填することを特徴とする上記 3— 5のいずれかに記載の熱交換器
8.耐熱材料製の成形体を、耐熱性及び耐食性を有するメッシュで保持することを特 徴とする上記 6又は 7記載の熱交換器
9.耐熱材料製の成形体が、セラミックス、金属、耐熱性樹脂から選択した少なくとも 1 種の材料であることを特徴とする上記 3 8のいずれかに記載の熱交換器
10.耐熱材料製の成形体が、ボール状、筒状、鞍状であることを特徴とする上記 3 9のレ、ずれかに記載の熱交換器
を提供するものである。
発明の効果
[0009] 本発明は、加熱される熱媒液の中にヒータを配置すると共に、該加熱される熱媒液 のヒータの周囲に、熱媒液の流通間隙ができる複数の耐熱材料製の成形体を充填し 、この成形体により熱媒液の対流移動と対流伝熱を抑制する。
そして、この簡単な構造により、加熱開始直後より熱媒液中のヒータ近傍の熱媒温 度とヒータ周囲の熱媒液温度との温度差を小さくすることができ、これによつて加熱時 の異常騒音及び振動の発生を効果的に抑制することができる。
本発明の熱交換方法及び熱交換装置は、安価な耐熱材料製の成形体を、ヒータの 周囲に充填したり又は劣化した成形体を交換するだけでよいので、低コストで熱交換 器の製造が可能であり、メンテナンス費用も安価であるという優れた効果を有する。 図面の簡単な説明
[0010] [図 1]直方体状の熱交換装置に電気ヒータを配置し、熱交換装置内部に水等の熱媒 液を入れると共に、熱媒液内には耐熱材料製の球状等の成形体を充填した本発明 の 1例を示す説明図である。
[図 2]図 1に示す熱交換器における通受時 (従来)と成形体充填時の熱交換装置に おける熱媒液温と騒音値の相関を示す図である。
[図 3]直方体状の熱交換装置に電気ヒータを配置し、熱交換装置内部に水等の熱媒 液を入れると共に、耐熱性の成形体を熱媒液面の上方 (約 15mm)まで充填した場 合の説明図である。
[図 4]図 3に示す熱交換器における通受時 (従来）、熱媒液の液面までの成形体充填 時及び成形体を熱媒液面の上方まで充填時の熱交換装置における熱媒液温と騒音 値の相関を示す図である。
[図 5]耐熱性の成形体を熱交換器下底まで充填しないようにした場合の説明図であ る。
[図 6]熱交換器底部及び外周部には成形体を充填しないようにした場合の説明図で ある。 [図 7]具体的な熱交換器の例 (外観)を示す説明図である。
[図 8]パネル本体の下方に位置する熱交換装置の内部に、本願発明の成形体 (充填 物）を導入した模式図である。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 熱媒液の気泡の消滅に伴う異常騒音及び振動は、主として熱媒液の加熱開始時 に急速加熱時するときに発生する。この様な熱交換時は熱媒液の平均温度は比較 的低温であるが、加熱用ヒータの表面温度は、それに比べて高温であり、更に熱媒 液の対流移動も小さい。
この場合、ヒータ近傍の熱媒液は局所的に高温となり、熱媒液は沸騰 (気化）し生成 した気泡は急激に拡大する。そして、この気泡がヒータ周囲の比較的低温の熱媒液 に接すると、気泡は温度低下により瞬時に消滅する。この際に発生する音が異常騒 音 (爆縮音）と振動の原因となってレ、る。
[0012] そこで、本発明は熱媒液中に耐熱材料製の成形体を充填することにより、熱媒液の 対流移動と対流伝熱を抑制し、加熱開始直後よりヒータ近傍の熱媒液温度とヒータ周 囲の熱媒液温度の温度差を小さくし、沸騰により生成した気泡の急激な気泡消滅を 抑制することにより、異常騒音と振動の発生を抑制する。
すなわち、熱媒液中に耐熱材料製の成形体を充填し熱媒液の対流移動を小さくし 、ヒータ近傍の熱媒液温度とヒータ周囲の熱媒液との温度差を小さくすることにより、 ヒータ表面で生成する熱媒液の気泡は急激に冷却されず、気泡の急激な消滅に伴う 異常騒音及び振動等の発生を抑制することが可能となる。
また、熱媒液中に充填した耐熱材料製の成形体の存在は、気泡の成長を抑制する 働きを有する。すなわち、気泡は耐熱材料製の成形体の間隙を縫って（通過して）上 昇又は拡散することになるので、気泡は無数の耐熱材料製の成形体により分断され 、成形体の間隙又はそれ以下のサイズに制限される。このように、大きな気泡の生成 が抑制され、それに伴う気泡の小径化により、気泡の急激な消滅に伴う爆縮音は、著 しく低下することになる。
[0013] 次に、本発明を図に基づいて、さらに具体的に説明する。
図 1は、直方体状の熱交換装置に電気ヒータ 1を配置し、熱交換装置内部に水等の 熱媒液 2を入れると共に、熱媒液内には耐熱材料製の球状等の成形体 3を充填した ものである。熱媒液の加熱用の電気ヒータは熱電対等の熱媒液温度センサーの信号 により制御される。
この耐熱性の成形体を熱媒液中に充填することにより、対流運動を抑制することが できる。すなわち、ヒータで加熱された熱媒液は周囲にはあまり拡散せず、温度上昇 による密度の低下により、上方のみにゆっくりと移動する。
ヒータ近傍で生成した熱媒液の気泡は、浮力により上方に移動するが熱媒液に急 激な温度変化 (低温の熱媒液に急激に接しなレ、）が無いため、徐々に小さくなり消滅 する。このため、ヒータ近傍で生成した熱媒液の気泡は急激に消滅することが無ぐ 気泡の急激な消滅に伴う異常騒音及び振動の発生を効果的に抑制出来る。
[0014] 図 2に、この装置を用いたときの熱交換装置の騒音値を示した。図 2中「成形体充填 時」 Bは φ 3のセラミックス製の成形体を充填した場合であり、「通常時」 Aは熱交換装 置内部に熱媒液 (水）のみを充填し、耐熱性の成形体を充填してレ、なレ、場合の騒音 値を示している。
成形体を充填していない「通常時」 Aは 20— 60° Cの温度域で熱媒液気泡の消滅 に伴う異常騒音を発生するが、その異常騒音は成形体を充填することにより効果的 に抑制することが出来る。なお、 70° C以上の温度域で騒音値が上昇するのは熱媒 液の沸騰温が原因である。
[0015] 熱媒液の中に φ 6mmのセラミックス製の成形体（ボール）を充填することもできる。
通常、熱媒液の中に充填する成形体は、例えば φ 2mm— φ 6mmのセラミックス製 の成形体 (ボール)を使用する。
この成形体のサイズは、代表的な例を示したもので、このサイズに限定されなレ、。例 えば、これより小さなサイズ又は大きなサイズの成形体に設計できる。また、成形体の サイズを熱交換器の大きさによっても、任意に変更することができる。さらに、大小の 成形体を混合使用しても良い。本願発明は、これらを全て包含するものである。 この成形体の形状は、球形（ボール）、筒形 (ラシヒリング）、鞍形 (ベルルサドル)など を使用することができる。これらは、適当な熱媒液の空間を均一に開けることができ、 かつ急激な熱媒液の対流を効果的に抑制することができる。 しかし、これらの形状は好ましい例を示したものであり、本発明の目的が達成できれ ば、他の形状を制限するものではない。
[0016] また、成形体の材質は、ヒータ表面部の温度（約 200° C)に耐えられる材質であれ ば、セラミックス材料、鉄 '銅 ·アルミニウム等の金属材料、耐熱樹脂材料などを使用 すること力 Sできる。熱交換器を軽量化する意味では、材質的に軽量のものを使用する のが望ましいが、この成形体の材料も本発明の目的が達成できれば、他の材料を用 いても良い。特に制限を受けるものではなレ、が、上記の例は好ましい材料である。 熱交換器の使用するヒータの加熱手段は、電気、蒸気、燃焼排ガス (ガス、灯油、重 油等の可燃燃料の燃焼による）などを用いることができる。この加熱手段も、同様に本 発明の目的が達成できれば、他の加熱手段を用いても良レ、。特に制限を受けるもの ではない。
[0017] 次に、本発明の他の実施態様を説明する。図 3にその具体例を示す。図 3に示すも のは、耐熱性の成形体 3を熱媒液面の上方（約 15mm)まで充填したものである。ヒ ータ 1近傍部で生成した熱媒液 2の気泡の多くは、気泡の浮力による熱媒液中の上 方への移動過程で徐々に縮小'消滅するが、ヒータ 1下部近傍で生成した熱媒液 2 の気泡は、上方移動過程でもヒータ 1近傍を通過するため、気泡の著しい成長（巨大 気泡化）が起こる。
この様な巨大気泡は熱媒液 2中の上方への移動過程で十分に縮小'消滅せず、熱 媒液 2表面に達する。熱媒液 2と熱媒液上方の空間温度を比較したとき、明らかに熱 媒液 2上方の空間温度は低温であり、本願が対策する加熱時においては、熱媒液温 度と上方空間温度に著しい温度差が生じる。
[0018] このため、十分に縮小'消滅できなかった巨大気泡は、熱媒液面に到達した時点に おいて、急激な温度低下にともなう急激な縮小'消滅が起こり、異常騒音と振動を発 生する。
しかし、成形体 3を熱媒液 2の上方まで充填することにより、成形体 3の熱伝導に伴う 空間温度の温度上昇と発生した異常騒音と振動の成形体による減衰硬化により、異 常騒音と振動の発生を抑制できる効果がある。
本例では、耐熱性の成形体 3を熱媒液面の上方、約 15mmまで充填したものである 、この寸法は熱交換器のサイズや形状に応じて任意に定めることができ、特に制限 されるものではない。
[0019] 図 4に、上記図 3に示す耐熱性の成形体 3を熱媒液面の上方（15mm)まで充填した 場合の、通常時と成形体充填時 (液面までの充填と液面上 15mmまでの成形体充填 の 2例）の熱交換装置の騒音値の比較を示す。
なお、今回の例では、条件として、図 1及び図 2に示す例よりも、加熱速度の向上を 目的にヒータ出力を増加させた。
図 4に示すように、通常時 (成形体を充填してレ、ないとき：符号 C)は熱媒液気泡消 滅時の異常騒音が最も大きい。また、熱媒液の液面まで成形体を充填した場合 (符 号 D)は、通常時に較べ異常騒音は小さくなるが、ヒータ出力の増加に伴い巨大気泡 が生成し、その気泡は熱媒液面に到達して消滅音を発生するため、騒音値は十分に は低下しない。
しかし、熱媒液の液面上部 15mmまで成形体を充填した場合 (符号 E)、巨大気泡 の消滅音も抑制出来るため、騒音値は十分低下した。このように、耐熱性の成形体を 熱媒液面の上方にまで充填した場合には、出力が増大しても巨大気泡の生成が抑 制され、気泡が熱媒液面に到達して消滅音を発生するというのが効果的に防止でき るのが分かる。
[0020] 熱交換器に固体を入れることは、重量増加になるおそれがある。したがって、これを 避けるために、なるべく軽量ィ匕することが望ましい。
そのための具体例を図 5に示す。図 5は、耐熱性の成形体を熱交換器下底まで充填 しないようにしたものである。熱交換器下底近傍では、熱媒液中の気泡の発生 '縮小 •消滅に関与しなレ、。したがって、熱交換器下部には成形体を充填しないようにする こと力 Sできる。
成形体の固定 (保持)部材 4は、メッシュ（網状体）を用いるのが便利であるが、必ず しもメッシュでなくても良い。例えば格子状のものであっても良レ、。いずれの場合も熱 媒液に常時触れることになるので、成形体 3を保持する強度及び耐熱性と耐食性を 備えているのが必要である。
これによつて、成形体重量を削減し、成形体費用の削減及び熱交換器重量の軽減 を図ることができる。
[0021] 図 6は、上記図 5をさらに改良したものである。熱媒液の気泡の発生 '縮小'消滅に 関与しない熱交換器底部及び外周部には成形体を充填しないようにしたものである 。これによつて、成形体 3の重量を、さらに削減し成形体 3の費用の削減及び熱交換 器重量の軽減を図ることができる。
成形体の固定 (保持)部材 4は、上記と同様のものを使用することができる。成形体 の固定 (保持)部材 4及び成形体の支持は、熱交換器に結合する簡単な接合部材（ 図示せず）を用いることができる。
[0022] 図 7に、具体的な熱交換器の例（外観）を示す。図 8に、パネル本体 5の下方に位置 する熱交換装置 6の内部に、本願発明の成形体 (充填物） 3を導入した模式図を示す 。図 7及び図 8において、符号 7はヒータ電源接続部、符号 8は蒸気の導入管、符号 9 は蒸気導入ヘッダー、符号 10は水面、符号 11は成形体を保持する網、符号 12は電 気ヒータ (熱交換部）、符号 13は蒸気、符号 14は凝縮水、をそれぞれ示す。
この図 7及び図 8に示す例は、水面よりも上部まで成形体 3を充填したケースを示す もので、加熱時の異常騒音及び振動の発生を効果的に抑制することができる。また、 図 7に示すパネルヒータは既知の構造である力 この例では、熱交換装置を全く変更 することなぐ成形体を充填するだけで良いということが容易に理解することができる。 すなわち、製造コストが低廉であり、またメンテナンス費用も安価であるという優れた 効果を有する。

Claims

請求の範囲
[1] 加熱される熱媒液の中にヒータを配置すると共に、該加熱される熱媒液のヒータの 周囲に、熱媒液の流通間隙ができる複数の耐熱材料製の成形体を充填し、この成形 体により熱媒液の対流移動と対流伝熱を抑制することにより、加熱開始直後よりヒー タ近傍の熱媒温度とヒータ周囲の熱媒液温度との温度差を小さくし、加熱時の異常 騒音及び振動の発生を抑制することを特徴とする熱交換方法。
[2] ヒータ近傍の熱媒温度とヒータ周囲の熱媒液温度との温度差を小さくすることにより 、沸騰により生成した気泡の急激な気泡消滅を抑制することを特徴とする請求の範 囲第 1項記載の熱交換方法。
[3] 熱媒液ヒータで加熱する熱交換器におレ、て、加熱される熱媒液の中にヒータを配置 すると共に、該加熱される熱媒液のヒータの周囲に、充填時に熱媒液の流通間隙が できる複数の耐熱材料製の成形体を充填することにより、加熱時の異常騒音及び振 動の発生を抑制することを特徴とする熱交換器。
[4] 耐熱材料製の成形体を、加熱される熱媒液の液面より上方まで充填することを特徴 とする請求の範囲第 3項記載の熱交換器。
[5] 耐熱材料製の成形体を、ヒータ下部から加熱される熱媒液の液面より上方まで充填 することを特徴とする請求の範囲第 3項又は第 4項記載の熱交換器。
[6] 耐熱材料製の成形体を、熱交換器の下底から一定の間隔を開けて充填することを 特徴とする請求の範囲第 3項一第 5項のいずれかに記載の熱交換器。
[7] 耐熱材料製の成形体を、熱交換器の下底及び側壁から一定の間隔を開けて充填 することを特徴とする請求の範囲第 3項一第 5項のいずれかに記載の熱交換器。
[8] 耐熱材料製の成形体を、耐熱性及び耐食性を有するメッシュで保持することを特徴 とする請求の範囲第 6項又は第 7項記載の熱交換器。
[9] 耐熱材料製の成形体が、セラミックス、金属、耐熱性樹脂から選択した少なくとも 1 種の材料であることを特徴とする請求の範囲第 3項一第 8項のいずれかに記載の熱 交換器。
[10] 耐熱材料製の成形体が、ボール状、筒状、鞍状であることを特徴とする請求の範囲 第 3項一第 9項のいずれかに記載の熱交換器。
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