JPH037891A - 樹脂製熱交換管 - 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、湯沸器や給湯器などの熱交換器において、
ガスバーナーなどの直火で加熱する箇所に用いられる樹
脂製熱交換管に関するものである。

［従来の技術］ 従来、熱交換管には鋼管や真ちゅう管などの金属管が用
いられている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した金属管は、酸やアルカリに対し腐食しやすく、
また重量が重く、さらに管内を流れる水などの音が外部
に響きやすいという欠点がある。

そこで、前記した従来の金属管に代えて、軽量で、耐腐
食性に優れ、管内の流通音が外部に響きにくい樹脂管を
、熱交換管に用いることができれば、金属管の上記欠点
を解消できる。しかし、樹脂管を熱交換管として用いる
には、次のような問題点がある。

■樹脂管は一般に熱伝導率が、金属管に比べて低いので
、熱効率が悪くて熱エネルギーか有効に伝達されないた
め不経済であり、また直火で管を加熱した際に、管の周
面に熱が拡散されにくいため直火の当たる箇所だけが集
中的に加熱されて炭化する。

■樹脂材料の熱伝導率を向上させる方法として、熱伝導
率の高いフィラーを樹脂材料に混入する方法が提案され
ているが、混練加工、成形性、製造コストなどの問題か
らフィラーの混入量に限界（せいぜい、５０重量％程度
まで）があり、熱交換管に必要な熱伝導率を達成できな
い。いいかえれば、熱交換管として使用するためには、
高熱伝導性フィラーを７０重量％以上混入する必要があ
るが、加工及び成形が困難になり、コストも極めて高く
なる。

■熱効率を向上させる方法として、管の外周面にフィン
を設けて受熱面積を増大させる方法があるが、樹脂材料
でフィンを管と一体に成形すると、フィンの先端部が熱
劣化しやすく、また成形も困難である。

この発明は、熱交換管を樹脂材料により製造する上で生
じる上記した課題を解決するもので、成形が容易で、フ
ィラーを多量に充填可能であり、加熱時の熱拡散性が良
好で管全体に均一に加熱でき、熱伝導率が高く、しかも
軽量で、耐腐食性、低騒音性に優れた樹脂製熱交換管を
提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記した目的を達成するためのこの発明の樹脂製熱交換
管は、高熱伝導性フィラーを混練した液晶ポリマーによ
り、耐熱性樹脂管材を成形し、該耐熱性樹脂管材の外周
面に、高熱伝導性部材をその一部を外方へ露出させて埋
設し５たことを特徴としている。

前記液晶ポリマーには、長期耐熱性（ＵＬ１品度インデ
ックスで１５０℃以上）を有するもの、例えば日本石油
化学（株）製の商品名“ザイダー住友化学工業（株）製
の商品名“ゴコノール”、ポリプラスチックス製の商品
名“ベクトラ′を使用するのが望ましい。

前記樹脂管材は、前記液晶ポリマーにより射出成形、押
出成形成いは圧縮成形により成形するが、樹脂管材の肉
厚を薄くすればするほど、通水した際の管表面温度が下
がりやすくなり、熱伝導率が向上することになる。しか
し、樹脂管材の肉厚を薄くし過ぎると、強度の低下や成
形が難しくなるなどの問題が生じるので、樹脂管材の肉
厚は、０．５〜１．５ｎ＋ｍの範囲にするとよい。

また前記液晶ポリマーに〆混練する熱伝導性フィラーは
、請求項２記載のように熱伝導率が１０ｋｃａｌ／ｍｈ
’ｃ以上のものが望ましい。例えば、黒鉛、アルミナ、
窒化ホウ素、窒化アルミなどのセラミック粉、銅粉など
の金属粉、アルミ短繊維などの金属短繊維、カーボン繊
維、アルミナ繊維を熱伝導性フィラーに用いればよい。

そして、そのフィラーは、成形加工に悪影響を及ぼさな
い範囲内においてできるだけ多く混入する。

このようにしてフィラーを液晶ポリマーに混練して成形
した場合、フィラーの材料や混入量を適宜設定すること
により、樹脂管材自体の熱伝導率は、０．８ｋｃａｌ／
ｍｈ’ｃ以上に向上する。なお、液晶ポリマーだけで管
材を成形した場合は、熱伝導率が０．１５〜０．２５ｋ
ｃａ１．／ｍｈ℃の範囲になり、非常に低くかった。

第１図〜第６図において、樹脂管材１１〜１３の外周面
に埋設する前記高熱伝導性部材２１〜２３は、第１図の
ように帯状に連続するもの、第４図のミうに独立したリ
ング状のもの、第５図のように線材を網の目状に結合し
たものなどを用いる。

いずれのものも、樹脂管材の外周面に、高熱伝導性部材
の一部が外方へ露出するように埋設する。それらの埋設
方法としては、ａ、帯状に連続する高熱伝導性部材２１
を用いる場合、樹脂管材１１及び高熱伝導性部材２１を
それぞれ樹脂管材１１の軟化温度付近まで予熱しながら
、高熱伝導性部材２１を樹脂管材１１の外周面にスパイ
ラル状に巻き付ける（第１図参照）、ｂ、網の目状の高
熱伝導性部材２３を用いる場合、高熱伝導性部材２３を
樹脂管材１３の軟化温度以上に加熱した状態で、樹脂管
材１３の外周面に圧着して両者を一体化する（第５図及
び第６図参照）、ｃ、前記ａ又はｂの方法による埋設が
困難な場合、例えばリング状部材２２を用いる場合、樹
脂管材１２の外周面に溝を刻設して、その溝内にリング
状部材２２を例えば予め加熱して膨張させ、冷却して収
縮させることにより嵌入した後、熱伝導率の高く且つ耐
熱性に優れた接着剤で接着する（第４図参照）、などの
方法がある。

また樹脂管材の外周面に埋設する高熱伝導性部材の埋設
深さが浅すぎると、ガスバーナーなどの直火で加熱した
際に、高熱伝導性部材から樹脂管材自体への熱伝導が十
分に行われないために、高熱伝導性部材の温度が高くな
り過ぎて樹脂管材自体を熱劣化させる恐れがある。一方
、その埋設深さが深すぎると、樹脂管材の外周面から高
熱伝導性部材が殆ど露出しなくなるので、伝熱面積を拡
大するというフィンとしての作用が消失する。また前記
埋設深さだけでなく、高熱伝導性部材の太さ、高熱伝導
性部材の埋設間隔なども熱伝導性に影響する。したがっ
て、高熱伝導性部材の埋設深さは、高熱伝導性部材の太
さや間隔などを考慮の上、適宜設定する。

前記高熱伝導性部材としては、請求項３記載のように熱
伝導率がＬＱｋｃａｌ／ｍｈ’ｃ以上の材料が望ましく
、例えば金属、セラミック、カーボンを用いる。

［作用］ 上記した構成を有するこの発明の樹脂製熱交換管によれ
ば、管内に例えば水などの被熱交換液を流通させて管の
外側からガスバーナーで加熱する際に、樹脂管材の外周
面に埋設された高熱伝導性部材を介して、加熱箇所に与
えられた熱が高熱伝導性部材のもつ熱容量により一時的
に蓄えられた後、徐々に管材の全面に拡散され、管内の
被熱交換液を管の周面から温める。同時に、管の外周面
から露出した部分の高熱伝導性部材が、管の受熱面積を
増大させ、フィンと同様の作用をして熱交換効率を向上
する。その上、前記樹脂管材中に混練された高熱伝導性
フィラーが、管自体の熱伝導率を高めるので、熱交換効
率が一層向上する。また、管自体の熱膨張率が小さいこ
とから、繰り返し加熱しても変形したりクラックが生じ
たりしない。

［発明の効果］ この発明の樹脂製熱交換管は、下記の効果を奏する。

（１）従来、主として鋼管が用いられていた熱交換管を
主に樹脂（液晶ポリマー）から成形できるので、軽量化
でき、低騒音性（管内の通水音などが外部に漏れにくい
）、耐腐食性に優れた熱交換管が得られる。特に、従来
の鋼管では不可能であった、酸性やアルカリ性の化学薬
品液や硬水などの加熱に利用できる。

（２）主材料に用いた液晶ポリマーは、成形時（特に射
出成形時）にわずかな剪断力が作用するだけで分子鎖が
一方向に配向して流動する特性があるので、冷却後は分
子鎖が配向した状態で硬化する。このため、ＰＥＥＫな
どの他の高性能エンジニアリングプラスチックに比べて
、熱膨張率が極めて小さく（はぼ金属並）、成形性も極
めて優れていることから、繰り返し加熱してもそりなど
の変形やクラックが発生するおそれがなく、またフィラ
ーを多量に混練しても成形が容易であり、管材を射出成
形、押出成形などにより容易に成形できるので、生産性
が向上し、製造コストを低減できる。

（３）樹脂製熱交換管の外周面に設けた高熱伝導性部材
の一部が管より外方へ露出しており、伝熱面積を増大す
るというフィンと同様の働きをするので、従来の鋼管よ
りも熱効率が向上する。

これにより、得ようとする熱交換量が等しい場合には、
鋼管よりも熱交換管の本数を少な（できるので、熱交換
装置の構造が簡単になる。また高熱伝導性部材を管材の
円周方向に配置することにより、液晶ポリマーによる管
材の強度面でやや弱い部分（管材の円周方向）を補強で
きるので、耐久性に富み、長期使用が可能である。

［実施例］ 以下、この発明の樹脂製熱交換管の実施例を第１図〜第
３図に基づいて説明する。

液晶ポリマー（日本石油化学（株）製：商品名゛ザイダ
ー”）［ＵＬ温度インデックス＝２４０℃］中に、高熱
伝導性フィラーとして粒子径７μｍのカーボンファイバ
ー［熱伝導率二１００ｋｃａｌ／ｍｈ℃］を３３０重量
％混練り複合した。

この複合材料からなるコンパウンドを用いて、射出成形
により、内径８ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ１５０ｍｍの樹
脂管材１１を得た。この樹脂管材１１（第２図）の熱伝
導率は、１．０８　ｋｃａｌ／ｍｈ’ｃであった。

次に、前記樹脂管材１１の外周面に、深さ０゜２ｍｍで
溝幅０，５ｍｍの溝１１ａを、溝１１ａ間隔２ｍｍでス
パイラル状に切削加工して刻設した（第２図参照）。そ
して、前記スパイラル状の溝１１ａに、高熱伝導性部材
としての直径１ｍｍの銅線２１［熱伝導率：　３３８．
４　ｋｃａｌ／ｍｈ’ｃ　］を、耐熱性及び熱伝導性に
優れたエボキン樹脂系接着剤５１により前記溝１１ａ底
に密着させて接着した（第３図参照）。接着剤５１には
、ダウ・ケミカル日本（味）製：　Ｄ、Ｅ、Ｍ４３ｇの
エポキシ樹脂中に、橋本化成工業（株）製：　Ｂ　Ｆ　
ｓ・ＭＥＡを２ｐｈｒ投入し、８０℃に加熱した後、高
熱伝導性フィラーとして粒子径３μｍのアルミナを５０
容積％、混練り複合したものを使用した。

この接着剤５１の熱伝導率は、１．１ｏｋｃａｌ／ｍｈ
’ｃであった。

なお、前記銅線２１を樹脂管材１１の溝１１ａ内に接着
剤５１により固着する代わりに、銅線２１を樹脂管材１
１の溶融温度まで加熱した状態で、樹脂管材１１の外周
面に銅線２１の一部が露出するように巻き付けて溶着し
てもよい。

比較例１ 前記実施例１における樹脂管材（前記銅線を巻き付けな
い状態のもの） 比較例２ 前記実施例１における液晶ポリマーだけで射出成形した
樹脂管材（前記高熱伝導性フィラーを混入していないも
の） 比較例３ 鋼管（内径：　８ｍｍ、肉厚：　１ｍｍ）比較例４ 前記実施例１において液晶ポリマーの代わりにＰＥＥＫ
　（ポリエーテルエーテルケトン：住友化学（株）製４
５０Ｇ　［Ｕ　Ｌ温度インデックス：２４０℃］）を用
いた樹脂管材（その他は実施例１と全く共通） 試験方法 ■試験装置Ａは、第７図及び第８図に示すようにガスバ
ーナーＣを下端部に配備した装置本体Ｂの上端に、８本
の熱交換管１を平行にかつ取り替え可能に並設した構造
のものを用いた。第７図中の符号りはファン、Ｗは計量
器である。そして、各熱交換管１に通水しながらガスバ
ーナーＣの燃焼ガス（ＣＨ，ガス）で加熱して温めた（
総連水量１５（／ｍ１ｎ）。この時、各熱交換管ｌへ通
水する前の入水温度Ｔ、と、各熱交換管１を通水した後
の出水温度Ｔｔとを測定した。また、前記試験装置Ａに
おいて、燃焼ガスの入り口側ガス温度Ｔ３を及び出口側
ガス温度Ｔ４を複数箇所でそれぞれ測定した。

■試験が終了した後は、ガスバーナーＣを止めて通水を
継続し熱交換管ｌの加熱箇所を十分に冷却してから、実
験を繰り返した。

■耐熱性は、試験終了後の熱交換管ｌの表面（外周面）
の状態によって評価した。

■耐腐食性は、水の代わりに１％の硫酸水を３０日間通
水（非加熱状態で）した後、熱交換管１の内周面の侵食
状態で評価した。

熱伝導率ｋｃａｌ／ｍｈ”ｃ 流量１２／ｓｉｎ 入水温度Ｔ１℃ 出水温度Ｔｔ℃ 交換熱量ｋｃａｌ／ｈ ガス入口温度Ｔ３℃ ガス出口温度Ｔ６℃ 総括伝熱係数 ｋｃａｌ／ｍ”ｈ’ｃ 実施例１　比較例１ ｉ、ｏｇ　　　　ｔ、ｏｇ ５１５ ２１．５　　　１８．８ ２８．８　　　２２．２ ６５７０　　　３１０３ １０４５　　　１０１２ ６６１　　　８８０ ３６５　　　１５２ 比較例２ ０．２２ ５ ２０．２ ２３．２ ７００ １１０ ８６ ２７ 管の表面平均温度℃１６７ 耐熱性　　　　　　　◎ 耐腐食性　　　　　　Ｏ 加熱試験後の変形　　殆どなし 比較例３　比較例４ 熱伝導率ｋｃａｌ／ｍｈ’ｃ　　３３Ｇ　　　　１．０
３流量Ｑ／＋＋：ｎ　　　　　　１５　　　　１５入水
温度Ｔ、”Ｃ２０，５２０，５ 出水温度Ｔ＊℃２４，３２３，９ 交換熱量ｋｃａｌ／ｈ　　　３４３９　　　３０１丁ガ
ス入口温度ＴＳ”Ｃ９９７１００５ ガス出口温度Ｔ４℃　８５０　　　８６１総括伝熱係数
　　　　１７３　　　１４６ｋｃａｌ／−１６℃ 管の表面平均温度℃４８２０１ 耐熱性　　　　　　　◎　　　　◎ 耐腐食性　　　　　　×　　　　○ 加熱試験後の変形　　なし　　　あり（大きなそり）注
） ａ、実施例１の熱伝導率は樹脂管材の熱伝導率を示す。

ｂ９ガス入口温度Ｔ、は測定点の平均温度Ｃ，ガス出口
温度Ｔ４は測定点の平均温度ｄ、総括伝熱係数は管内面
の面積を基準に算出している。

試験結果 上記した比較表から明らかなように、本発明の実施例に
かかる熱交換管は、従来の一般的な銅管よりも総括伝熱
係数が大幅に増加した。このため、同一熱量を得る場合
には、本発明の熱交換管の本数を、鋼管の本数よりも少
なくできる。また、ＰＥＥＫに比べて交換熱量が高いう
えに、管のそりなどの変形も生じなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の熱交換管の実施例を示す一部正面図
、第２図は第１図の熱交換管において高熱伝導性部材の
埋設前の状態を示す一部正面図、第３図は第１図のＩＩ
Ｉ−ＩＩ［線拡大断面図、第４図はこの発明の熱交換管
の第２実施例を示す一部正面図、第５図はこの発明の熱
交換管の第３実施例を示す一部正面図、第６図は第５図
のＶＩ−Ｖｌ線断面図である。第７図は試験装置を示す
概要斜視図、第８図は第７図の中央縦断面図である。 ■・・・熱交換管、１１〜１５・・・樹脂管材、ｌｌａ
・・・溝、２１〜ｚ３・・・高熱伝導性部材、５１・・
・接着剤、Ａ・・・試験装置、Ｂ・・・試験装置本体、
Ｃ・・・ガスバーナーＤ・・・ファン、Ｗ・・・計量器
。 ｇＡ７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高熱伝導性フィラーを混練した液晶ポリマーにより
   、耐熱性樹脂管材を成形し、該耐熱性樹脂管材の外周面
   に、高熱伝導性部材をその一部を外方へ露出させて埋設
   したことを特徴とする樹脂製熱交換管。 ２、前記高熱伝導性フィラーの熱伝導率が１０ｋｃａｌ
   ／ｍｈ℃以上である請求項１に記載の樹脂製熱交換管。 ３、前記高熱伝導性部材の熱伝導率が１０ｋｃａｌ／ｍ
   ｈ℃以上である請求項１又は２に記載の樹脂製熱交換管
   。