(57)【要約】【課題】熱交換器用の波状管において、圧力損失を少なくし、又、熱交換の効率を高める【解決手段】外周面を一周する環状の大隆起部と小隆起部が交互に並んだ金属製の波状管４、４を略平行に規則的に配備して、各波状管４を通る管路を形成する様に各波状管４の端部を接続管46で接続した熱交換器２であって、波状管の間を通過する熱媒の通過方向と直交する方向に隣り合う波状管４、４は、互いの大隆起部41と小隆起部42が対向する様に軸方向に位置ずれして配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面を一周する環状の隆起部が軸方向に規則的に並んだ金属製の波状管(４)において、隆起部は、山高さの高い大隆起部(41)と山高さの低い小隆起部(42)が軸方向に交互に一体に連続して並んでおり、管内面は大隆起部(41)と小隆起部(42)に対応して、環状の深溝(43)と環状の浅溝(44)が交互に並んでいることを特徴とする波状管。
【請求項２】
肉厚１.２〜３.８mm、隆起部(41)(42)の配列ピッチ１０〜２２.５mm、大隆起部(41)の外径３５〜５０mm、小隆起部(42)の外径２８〜４２mmの請求項１に記載の波状管。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の複数本の波状管(４)(４)を略平行に規則的に配備して、各波状管(４)を通る管路を形成する様に各波状管(４)の端部を接続管(46)で接続した熱交換器(２)であって、波状管の間を通過する熱媒の通過方向と交わる方向に隣り合う波状管(４)(４)は、互いの大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に軸方向に位置ずれして配置されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の複数本の波状管(４)(４)を略平行に規則的に配備して、各波状管を通る管路を形成する様に各波状管の端部を接続管(46)で接続した熱交換器であって、各波状管は、最も隣り合う波状管に対して、互いの大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に軸方向に位置ずれして配置されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
熱媒の移行路に、請求項３又は４に記載の熱交換器(２)が、波状管(４)が熱媒の移行方向と交わる様に配備されている熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として熱交換に用いられる波状管、該波状管を用いた熱交換器及び該熱交換器を具えた熱交換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器にはフィン管が用いられている。周知の如く、フィン管は、ストレート管の外周に、等間隔に鍔状フィンを突設し、或いは螺旋状のフィンを突設したものである。何れの場合もフィンはストレート管に溶接又はカシメ固定されている。
上記のフィン管を用いた熱交換器を、燃焼排ガスを熱媒とする熱交換装置に実施した場合、燃焼排ガス中の水分が凝縮して水滴が付着し、フィン溶接部が早期に腐食する問題があった。
【０００３】
上記問題に鑑み、出願人は、肉厚の波状管を熱交換用の管として使用することを試みた(特許文献１)。
波状管は、管を一周する環状の隆起部が等間隔に形成されている。
波状管は、ストレート管を部分的に軸方向に加圧圧縮して拡径させ、これを所望のピッチ毎に繰り返して隆起部の列を成形しているため、波状管自体には溶接部は存在せず、燃焼排ガスの雰囲気でも腐食し難い利点がある。
以下、上記波状管の製法を、「圧縮拡径成形」と呼ぶ。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９４０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出願人は、上記波状管を用いた熱交換器によって実験を重ね、データを蓄積したが、フィン管よりも熱交換の効率において優れているが、十分に満足する数値を得ることができなかった。特に、圧力損失と伝熱面積の点で、まだまだ改良の余地があると考えた。
又、ストレート管に、圧縮拡径成形によって隆起部を形成したため、大きな隆起高さの環状隆起部が並んだ波状管は、波状管の単位長さ当たりのストレート管の必要長さが大きくなって、コスト高となる問題もあった。
本発明は、上記問題を解決できる、波状管、該波状管を用いた熱交換器及び該熱交換器を具えた熱交換装置を明らかにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１は、外周面を一周する環状の隆起部が軸方向に規則的に並んだ金属製の波状管(４)において、隆起部は、山高さの高い大隆起部(41)と山高さの低い小隆起部(42)が、軸方向に交互に一体に連続して並んでおり、管内面は大隆起部(41)と小隆起部(42)に対応して、環状の深溝(43)と環状の浅溝(44)が交互に並んでいる。
【０００７】
請求項３は請求項１に記載の複数本の波状管(４)(４)を略平行に規則的に配備して、各波状管(４)を通る管路を形成する様に各波状管(４)の端部を接続管(46)で接続した熱交換器(２)であって、波状管の間を通過する熱媒の通過方向と直交する方向に隣り合う波状管(４)(４)は、互いの大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に軸方向に位置ずれして配置されている。
【０００８】
請求項４の熱交換装置は、熱媒の移行路に、請求項３又は４に記載の熱交換器(２)が波状管(４)が熱媒の移行方向と直交する様に配備されている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の波状管(４)は、大隆起部(41)と小隆起部(42)が軸方向に交互に一体に連続して並んでおり、波状管(４)自体には溶接部は存在しないから、燃焼排ガスを利用する熱交換器に用いても、早期に腐食することを防止できる。
又、大隆起部(41)だけが並んだ従来の波状管(以下、「従前波状管」と呼ぶ)の製作に較べて、材料であるストレート管は短くて済み、製造コストを低減できる。
【００１０】
請求項３の熱交換器は、従前波状管を用いた熱交換器に較べて、統括伝熱係数は遜色がなく、熱交換器を通過する熱媒の下流側と上流側の圧力差、即ち、圧力損失は、小さくなる。
【００１１】
請求項５の熱交換装置は、請求項３の熱交換器の利点をそのまま、生かすことができ、熱媒にボイラー等の燃焼排ガスを利用することにより、廃熱回収の役割を果たすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、本発明の熱交換器(２)を示し、図４は、該熱交換器(２)に用いる波状管(４)を示している。
波状管(４)は、外周面を一周する環状の隆起部(41)(42)が軸方向に規則的に並んでいる。隆起部は山高さの高い大隆起部(41)と山高さの低い小隆起部(42)が軸方向に交互に並んでいる。管内面は大隆起部(41)と小隆起部(42)に対応して、環状の深溝(43)と環状の浅溝(44)が交互に並んでいる。
波状管(４)は、肉厚１.２〜３.８mm、大隆起部(41)の外径３５〜５０mm、小隆起部(42)の外径２８〜４２mmである。
大隆起部(41)のピッチは２０〜４５mmであり、隣り合う大隆起部(41)(41)の丁度真ん中に小隆起部(42)が位置している。
【００１３】
波状管(４)は、耐熱性、良熱伝導性であって、圧縮拡径成形によって隆起部(41)、(42)を成形可能な金属、例えば、炭素鋼、チタン、ステンレスで形成される。波状管(４)は、望ましくは耐錆性に優れていることである。
図４に示す如く、各波状管(４)の両端に、大隆起部(41)の外径よりも少し大きな筒状接続部(40)が一体的に形成されている。
【００１４】
熱交換器(２)は、両端が開口した四角形の筒体(21)の対向する１組の平行支持壁(21a)(21a)間に、図４に示す如く、該支持壁(21a)と直交して波状管(４)を平行に規則的に配備し、各波状管(４)の両端筒状接続部(40)を支持壁(21a)(21a)に抜き外し可能、且つガタのない程度に貫通させている。
各波状管(４)を通る１本の水管路を形成する様に、隣り合う波状管(４)(４)の筒状接続部(40)(40)どうしを接続管(46)で接続している。接続管(46)は、筒状接続部(40)(40)に対して取り外し可能である。
１本の水管路の両端には、水配管(５)と一次熱交換器(３)への配管接続用のフランジ(20)(20)が突設されている(図２、図３参照)。
【００１５】
図５は、熱交換器(２)の波状管(４)の配列の一例を示している。
熱交換器(２)の両端開口を左右にして、１８本の波状管(４)(4a)が、縦向きに４本の列と、３本の列が横方向交互に並んでいる。各縦列の上下に隣り合う波状管(４)(４)、(4a)(4a)の間隔は同じである。
４本の列と３本の列は、上下に隣り合う波状管(４)(４)の間隔の１／２だけ高さ方向にずれている。
縦向き４本の列の波状管(４)(４)、縦向き３本の列の波状管(4a)(4a)は、夫々縦方向に隣り合う波状管(４)(４)、波状管(4a)(4a)どうしは、大隆起部(41)と小隆起部(42)を対向させている。
上記の波状管(４)(4a)の配列を言い換えると、熱交換器(２)を通過する熱媒の通過方向と直交する方向に隣り合う波状管(４)(４)、(4a)(4a)は、互いの大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に軸方向に位置ずれして配置されている。
【００１６】
図１は、上記本発明の熱交換器(２)及び比較例の熱交換器の性能をテストした熱交換装置(１)を示している。
熱交換器(２)の一端開口と他端開口を循環管路(10)で繋ぎ、熱交換器(２)の上流側に押出しファン(11)、下流側に吸引ファン(12)を配備している。
循環管路(10)には熱媒となる空気(以下、「熱媒」と呼ぶ)が充填されている。
押出しファン(11)は、管路(10)内の熱媒を熱交換器(２)側に押出し、吸引ファン(12)は、熱交換器(２)側の熱媒を吸引する。
熱交換器(２)と押出しファン(11)との間に、管路(10)内の熱媒を加熱する熱源(３)である電熱ヒータ(31)、該電熱ヒータ(31)と押出しファン(11)との間に、管路(10)内の熱媒の流量を計測する流量計(13)を具えている。
熱交換器(２)の熱媒流入口の近傍に、流入熱媒の圧力を計測する入口圧力計(14)及び流入熱媒の温度を計る入口温度計(16)を具えている。
熱交換器(２)の熱媒流出口の近傍に、流出熱媒の圧力を計測する出口圧力計(15)及び流出熱媒の温度を計る出口温度計(17)を具えている。
熱交換器(２)の前記水管路の一端に水供給管(47)、他端に排出管(48)を接続している。
水供給管に流量計(13a)及び温度計(19)、排出管に温度計(18)を接続している。
【００１７】
表１乃至表４は、上記熱交換装置の熱交換器を、本発明の熱交換器と比較例の熱交換器に実施して性能実験した結果を示している。
熱交換器は何れも波状管を用いた熱交換器であって、波状管は、何れも、圧縮拡径成形によって、外径２５.４mm、肉厚２mmのストレート管に、管を一周する環状の隆起部を等間隔に形成したものであり、波状管の長さは１８８mmに統一されている。比較例１乃至３及び本発明の波状管の形状は以下の通りである。
【００１８】
波 状 管 の 形 状
隆起部数      隆起部外径(mm)    外面伝熱面積(ｍ2)
比較例１     １１          ４５.５           ０.５９０９
比較例２     １２          ４０              ０.５８１７
比較例３     １２          ４２              ０.５７４５
本発明     大６、小６    大４０、小３３      ０.４４６８
比較例２は比較例３に較べて、隆起部数は同じで、隆起部外径は小さいのに、外面伝熱面積が大きいのは、隆起部の曲面がなだらかで、隆起部１個当りの表面積が大きいからである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
【表３】
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【００２２】
【表４】
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【００２３】
理由は定かではないが、実験の結果から、本発明の熱交換器は、伝熱面積が少なく、交換熱量の割合からは、圧力損失が非常に小さいことが分かった。
圧力損失と交換熱量は、通常は正比例するもので、交換熱量を大きくしようとすればするほど、圧力損失が大きくなる。
実験例の熱媒は、ヒータで加熱した空気であるが、ボイラー等の燃焼排ガスを熱媒として廃熱回収を目的とする場合、圧力損失が大きいと、熱源側に不完全燃焼等の問題を起こすため、目標とする交換熱量を採るためには、熱交換器が大型化する。
本発明の熱交換器の様に、圧力損失が小さいと、波状管の配列間隔を狭めて熱交換器の大型化を抑えることができる利点がある。
本発明の熱交換器は、波状管(４)(４)の間を通過する熱媒の通過方向と直交する方向に隣り合う波状管(４)(４)又は(4a)(4a)は、互いの大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に軸方向に位置ずれして配置されているから、波状管の配列ピッチを狭めても、波状管(４)(４)の間、又は波状(4a)(4a)の間の熱媒通路のは幅に著しい大、小さいの差を生じさせないので、この点でも圧力損失の増大を抑えることができる。
【００２４】
出願人は、ストレート間の外周に螺旋状のフィンを溶接して突設した従前のフィン管を用いた熱交換器でも、前出の熱交換装置によって実験を行なった。
ストレート管  外径２５.４mm、肉厚２mm
フィン        外径４６mm、肉厚１mm、螺旋ピッチ３mm
フィン管の本数  １８本
伝熱面積        １.３４m
実験時風量      ７４０Nm2/h
交換熱量        ８２８１.２kca/h
統括伝熱係数    ８５.９
圧力損失        ４８mnH20
伝熱面積に対して、前記本発明の熱交換器が如何に優れているかは一目瞭然である。
【００２５】
熱交換器(２)の波状管(４)が破損した場合、接続管(46)を外して、筒状接続部(40)と一緒に波状管(４)を支持壁(21a)から抜き外すことができ、波状管(４)の交換を能率的に行うことができる。
【００２６】
上記熱交換器(２)を、熱媒の移行路、例えば燃焼排ガスの移行路に設置すれば、廃熱回収用の熱交換装置を完成できる。
【００２７】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【００２８】
例えば、波状管(４)の配列、配置は上記に限るものではなく、図５において、斜めに隣り合う波状管(４)(4a)の大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に配置できる。
又、規則的に配置された波状管群において、最も接近して隣り合う波状管どうしの大隆起部(41)と小隆起部(42)が対向する様に配置することもできる。
熱交換器(２)を通過する熱媒は、波状管(４)(4a)に衝突して拡がるから、上記した波状管の配列、配置でも、燃焼ガスの流路幅の間隙幅の大小の変化を可及的に小さくして、熱交換の効率を高める効果を奏することができる。
【００２９】
波状管(４)の大きさは、前記した数値のものに限るものではなく、熱交換器の大きさに対応して、最適な大きさを選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】熱交換装置の概略説明図である。
【図２】熱交換器の正面図である。
【図３】熱交換器の側面図である。
【図４】熱交換器の要部説明図である。
【図５】熱交換器の波状管の配置説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  熱交換装置
２  熱交換器
４  波状管
41  大隆起部
42  小隆起部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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