JPH07243791A - 熱交換部材と前記部材を使用した熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、熱交換部材の伝
熱面積の飛躍的増大を図る事による高熱交換率の達成
と、熱交換部材の外径を変える事なく熱交換部材の伝
熱面積の飛躍的増大を図れて高熱交換率を達成できる事
と、前記熱交換部材を使用した高熱交換率を有する熱
交換装置の開発、熱交換率を高める事により省スペー
スを達成する事をその目的とするものである。 【構成】 請求項１に記載の熱交換部材
(2イ)は、プレート(2a)型のもので、温度差のある流体
(4)(5)を隔てる熱交換用プレート(2a)と、前記熱交換プ
レート(2a)の少なくとも一方の面に積層され、その接触
部分の少なくとも一部が金属結合している１層又は複数
層の粒状体層(3)とで構成された事を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラや熱交換器その
他各種の熱交換装置の熱交換エレメントに使用される熱
交換部材の改良と当該熱交換部材を使用したボイラや熱
交換器等の熱交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱交換装置としては、例えばボイラや熱
交換器を始め家庭用瞬間湯沸かし器、空調機器などがあ
り、これら各種装置に熱交換部材が広く使用されてお
り、これら熱交換装置の重要な性能として高い熱交換率
が要求される。そのため従来の熱交換部材は、流体との
接触面積を増大させるためにハニカム構造にしたりフィ
ンを設けたりするような方法が取られていた。

【０００３】しかしながら、ハニカム構造やフィン構造
は伝熱面積の増大にはある程度役に立つものの、伝熱面
積の飛躍的増大には貢献せず、その効果も限定されたも
のに過ぎなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱交換部
材の伝熱面積の飛躍的増大を図る事による高熱交換率の
達成と、熱交換部材の外径を変える事なく熱交換部材
の伝熱面積の飛躍的増大を図れて高熱交換率を達成でき
る事と、前記熱交換部材を使用した高熱交換率を有す
る熱交換装置の開発、熱交換率を高める事により省ス
ペースを達成する事をその解決課題とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のプレー
ト型の熱交換部材(2イ)は、「温度差のある流体(4)(5)を
隔てる熱交換用プレート(2a)と、前記熱交換プレート(2
a)の少なくとも一方の面に積層され、その接触部分の少
なくとも一部が金属結合している１層又は複数層の粒状
体層(3)とで構成された」事を特徴とする。

【０００６】これにより、流体(4)(5)に接触するのはプ
レート型の熱交換部材(2イ)のみならず、粒状体層(3)も
接触する事になるので、その伝熱面積は飛躍的に増大す
るばかりか、粒状体層(3)に移動した熱は粒状体(3a)の
金属結合部分(3b)を通じて伝熱して行き、円滑な熱移動
が図られる。その結果高い伝熱効率が達成される。この
場合、図５のようにプレート(2a)の両面に粒状体層(3)
を形成しておけば、片面の場合より高い伝熱効率を得る
ことが出来る。

【０００７】請求項２のチューブ型の熱交換部材(2ロ)は
「内外に温度差のある流体(4)(5)を通流させる熱交換用
チューブ(2b)と、前記熱交換用チューブ(2b)の外周面に
積層され、その接触部分の少なくとも一部が金属結合し
ている１層又は複数層の粒状体層(3)とで構成された」
事を特徴とするもので、この場合の伝熱方法も前記と同
様で、流体(4)(5)に接触するのは熱交換用チューブ(2b)
のみならず、粒状体層(3)も接触する事になるので、そ
の伝熱面積は飛躍的に増大するばかりか、粒状体層(3)
に移動した熱は粒状体(3a)の金属結合部分(3b)を通じて
伝熱して行き、円滑な熱移動が図られ、高い伝熱効率が
達成される。

【０００８】請求項３は、請求項１のプレート型の熱交
換部材(2イ)やチューブ型の熱交換部材(2ロ)を使用した例
えば図８〜10に示すような熱交換器(B1)(B2)(C)のよう
な熱交換装置で、「高温流体(4)が通流する高温通流部
(15)と、低温流体(5)が通流する低温通流部(16)と、そ
の表面のすくなくともいずれか一方に、接触部分の少な
くとも一部が金属結合している１層又は複数層の粒状体
層(3)が積層されており、前記低温通流部(16)と高温通
流部(15)とを隔てるプレート型の熱交換部材(2イ)又はチ
ューブ型の熱交換部材(2ロ)と、前記熱交換部材(3)を収
納するケーシング(17)とで構成されている」事を特徴と
する。

【０００９】図８,９のように、熱交換部材(2)がプレー
ト(2a)と粒状体層(3)とで構成されている場合で、粒状
体層(3イ)(3ロ)がプレート(2a)の両側に形成されている場
合には、高温流体(4)は高温側の粒状体層(3イ)に接触し
て効果的に熱が奪われて温度を下げて排出される。高温
側粒状体層(3イ)に移動した熱は粒状体(3a)の金属結合部
分(3b)を通じて低温側に移動し、低温側粒状体層(3ロ)に
接触して通流している低温流体(5)に移動する。これに
より、極めて効率的に熱移動が行われる。ここで、明細
書全体を通じて、高温流体(4)及び低温流体(5)は、両方
が水や油のような液体又は気体でもよいし、一方が気体
で他方が液体でもよい。また、粒状体層(3)をプレート
(2a)のいずれか一方に形成してもよく、その場合は粒状
体層(3)が設けられていない方は伝熱面積が小さいの
で、当然その分だけ熱伝導率が悪くなる。また、図10の
ようにチューブ型の熱交換部材(2ロ)を使用することも可
能である。

【００１０】請求項４は、請求項２に記載のチューブ型
熱交換部材(2ロ)を使用した例えばボイラ(A)のような熱
交換装置で「バーナ(9)を具備した燃焼室(1)と、前記燃
焼室(1)に配設され、その外周面に接触部分の少なくと
も一部が金属結合している１層又は複数層の粒状体層
(3)が積層されたチューブ型熱交換部材(2ロ)と、前記チ
ューブ型熱交換部材(2ロ)に通水する水供給部(6)とで構
成された」事を特徴とするもので、これによればチュー
ブ型熱交換部材(2ロ)の熱の移動量が従来のものに比べて
格段に大きくなるので、チューブ型熱交換部材(2ロ)内の
水は短時間で効果的に加熱される事になり、その分熱交
換装置の容量を小さくする事が出来る。

【００１１】請求項５は前記熱交換装置(A)又は(B)で使
用されるチューブ(2b)の形状を限定したもので「チュー
ブ型熱交換部材(2ロ)の外周面の一部が凹まされており、
その変形部分(18)に粒状体層(3)が積層されている」事
を特徴とするものであり、請求項６は「チューブ型熱交
換部材(2ロ)の外周面に螺旋又はリング状に粒状体層(3)
が積層されている」事を特徴とするもので、前者によれ
ば、チューブ型熱交換部材(2ロ)の外形形状を太くする事
なく伝熱面積を増大させる事が出来、従って、熱交換装
置(A)(B)をより小さくする事が出来る。後者の場合は、
周囲に乱流を起こす事ができ、熱交換効率を高める事が
出来る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って説明す
る。図５は請求項１に記載のプレート状熱交換部材(2イ)
又はチューブ型熱交換部材(2ロ)の一部拡大断面図で、熱
交換用プレート(2a)の両面に（又はチューブ(2b)の外周
面に）その接触部分の少なくとも一部が融着その他の適
宜手段によって互いに金属結合している１層又は複数層
の粒状体層(3)が形成されている。又、図４は熱交換用
プレート(2a)の片面に（又はチューブ(2b)の外周面に）
その接触部分の少なくとも一部が融着その他の適宜手段
によって互いに金属結合している１層又は複数層の粒状
体層(3)が形成されている。熱交換用プレート(2a)又は
チューブ(2b)の材質は、流体の性質によって適宜のもの
が選ばれるが、例えば腐食性ガスや腐食性液体の熱交換
を行う場合には、チタンやステンレス鋼のような耐食性
金属材が使用されるし、そうでない場合には通常のスチ
ールや銅、銅合金、アルミニウムやアルミニウム合金な
どが適宜使用される。

【００１３】粒状体層(3)は、直径0.01〜0.5ｍｍの粒子
を用い、その接触部分（粒子同士の接触部分(3b)は勿
論、熱交換プレート(2a)やチューブ(2b)との接触部分
も）の少なくとも接触部分の一部が金属結合されている
もので、その積層々数は１層でも良いし複数層でもよ
い。従って、図４,５のように粒子(3a)の間には微細間
隙が無数に形成されることになる。また、前述のように
粒状体層(3)とプレート(2a)又はチューブ(2b)とは接触
部分で金属結合一体化する必要があるため、同種材料で
ある事が望ましいが、金属結合一体化できるものである
ならば、異種材料であってもよい。

【００１４】図２は、請求項５に記載の異形チューブ型
熱交換部材(2ハ)の外観斜視図で、この例ではチューブ(2
b)の両端部分を除く部分をプレスして、その外周面を平
坦に形成した例で、前記平坦面(18)に粒状体層(3)が積
層されている。勿論、チューブ(2b)の変形部分(18)は平
坦面に限られず、窪みのようなものでもよいし、長手方
向や螺旋状に凹設された凹条溝でもよい。このようにチ
ューブ(2b)を異形に形成する事により、その外径寸法を
変化させず粒状体層(3)による伝熱面積の増加を図る事
が出来る。勿論、請求項２に記載のように熱交換用チュ
ーブ(2b)を変形させず、その外周面に粒状体層(3)を単
に積層形成してもよいし（図示せず）、図３に示すよう
に螺旋状に形成してもよい。チューブ(2b)の形状は、図
のように円筒でも良いが、勿論これに限られず、矩形断
面その他異形断面のものも使用する事が出来る。

【００１５】図１は、請求項３に記載の異形チューブ(2
c)「勿論、通常の円筒状チューブ(2b)を用いることも可
能。」を用いた熱交換部材(2ロ)を使用した熱交換装置
「ボイラ(A)」の概略断面図で、本体は２重構造となっ
ていて、内部ケーシング(10)の天井壁面中央にバーナ
(9)が設置されており、バーナ(9)から火炎(4a)が燃焼室
(1)内に吹き込まれるようになっている。前記燃焼室(1)
の周縁部分に粒状体層(3)が積層されたチューブ型熱交
換部材(2ロ)が等間隔で多数設置されている。燃焼室(1)
の天井部には中空リング状の上部管寄せ部(14)が、床部
分には中空リング状の下部管寄せ部(13)が設けられてお
り、前記チューブ型熱交換部材(2ロ)の端部がそれぞれ設
置・開口している。(11)は燃焼室(1)を構成する断熱性
壁面である。

【００１６】(6a)は水供給部(6)を構成する気水分離器
で、管路を通じて前記上部管寄せ部(14)と下部管寄せ部
(13)とに接続されており、チューブ型熱交換部材(2ロ)へ
の給水を行うと同時に蒸気を分離して取り出すようにな
っている。(8)は空気入り口で、吸引された新鮮外気は
送風機(7)に送られ、前記送風機(7)よってバーナ(9)に
供給される。前記バーナ(9)によって前記送風機(7)から
供給された新鮮外気と、霧状に噴射された燃料とが混合
され、燃焼室(1)内で効率良く燃焼する。高温燃焼ガス
(4a)は、チューブ型熱交換部材(2ロ)の外周に接触し、チ
ューブ型熱交換部材(2ロ)を加熱しつつ排ガス出口方向(1
2)に向かって流れ、その間、断熱性ケーシング壁(11)面
内に設けられた煙道を通って排ガス出口(12)から外部に
放出されるようになっている。

【００１７】前記異形チューブ(2c)外周面の変形部分で
ある平坦部分(18)には、接触部分の少なくとも一部が金
属結合している１層又は複数層の粒状体層(3)が形成さ
れているが、高温燃焼ガス(4a)はこの粒状体層(3)の間
隙を流通して粒状体層(3)を急速に加熱する。この熱は
図４に示すように、粒状体(3a)相互の金属結合部分(3b)
並びに粒状体(3b)とチューブ(2イ)の金属結合部分(3b)を
通じてチューブ(2イ)側に伝熱し、異形チューブ(2c)内を
流れる水(5)を急速に加熱する事になるのであるが、前
記異形チューブ(2c)を用いた熱交換部材(2ロ)に供給され
る水は、まず、冷水管路を通じて下部管寄せ部(13)に供
給され、異形チューブ熱交換部材(2ロ)に通水される。チ
ューブ熱交換部材(2ロ)を流れる水は、前述のようにチュ
ーブ熱交換部材(2ロ)によって加熱され、高温水となって
上部管寄せ部(14)に入り、更に高温水管路を通って気水
分離器(6a)に送られ、蒸気と熱水とが分離され、蒸気は
外部に取り出されて工場配管を通じて各部署に送られ
る。

【００１８】一方、熱水は、蒸気となって送り出された
量に等しい量の水道水（冷水）に混入されて温水とな
り、揚水ポンプ（図示せず）を介して前記冷水管路に送
られ、前述のように循環する。

【００１９】前記チューブ(2b)乃至異形チューブ(2c)の
外周面の粒状体層(3)は、フィン構造やハニカム構造と
違って多数の粒状体(3a)を使用して構成されているため
に、その授熱表面積は格段に大きく、従って接触する高
温燃焼ガスからの熱伝達率が非常に優れている。（勿
論、図３に示すように、粒状体層(3)をフィン構造にす
る事も可能である。）

【００２０】図１の実施例では請求項３に記載の変形チ
ューブ(2c)を利用した熱交換部材(2ロ)を使用した例を示
したが、外径が粒状体層(3)の分だけ増えるが勿論、請
求項２に記載の円筒チューブ(2b)を使用する事も勿論可
能であるし、図３のフィン型のものを使用する事も可能
である。

【００２１】なお、図６に示すようにチューブ型熱交換
部材(2ロ)の断面を矩形にし、同心円上に均等に配置する
ようにしてもよいし、図７に示すようにチューブ型熱交
換部材(2ロ)をハ字状を構成するように設置してもよく、
この場合、高温流体(4)の流れがチューブ型熱交換部材
(2ロ)の間をジクザグ状に流れ、高温流体(4)の流路長が
長くなると共に乱流を発生させ、熱交換をより容易にさ
せる事ができる。

【００２２】プレート状の熱交換部材(2イ)の場合は、例
えば図８,９に示す直交流型熱交換器、対向流型熱交換
器（図示せず）などの熱交換エレメントとして使用され
る。この場合、高温側にも低温側にも前記粒状体層(3イ)
(3ロ)「この場合、高温側を粒状体層(3イ)とし、低温側を
(3ロ)とする。」を形成しておくことが望ましく、これに
より高温側の熱は高温側粒状体層(3イ)の伝熱面から低温
側粒状体層(3ロ)の伝熱面へと効果的に熱移動し、高温側
流体(4)『燃焼ガス(4a)や高温水』の熱を奪い、低温側
流体(5)『低温ガスや低温水』を効果的に加熱する事に
なる。

【００２３】図10はチューブ(2b)「図示していないが、
異形チューブ(2c)を使用する事も勿論可能である。」型
の熱交換部材(2ロ)を使用した熱交換装置(C)の例で、熱
交換部材(2ロ)内に高温流体(4)を通流させ、ケーシング
(10)内を低温流体(5)を通流させて熱交換させるもので
ある。チューブ(2b)の外周に積層された(3)が粒状体層
である。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、その接触部分の少なく
とも一部が金属結合している１層又は複数層の粒状体層
を熱交換プレートの少なくとも一方の面又は熱交換用チ
ューブの外周面に積層してあるので、伝熱面積の飛躍的
増大を図る事が出来、高熱交換率を達成する事が出来、
更にこの熱交換部材を使用しているので、熱交換装置の
熱交換率を向上させる事が出来、その結果同じ熱容量の
ものであれば熱交換装置を小さくする事が出来、省スペ
ース化に寄与する事が出来るという利点がある。また、
チューブ型熱交換部材の外周面の一部を凹設し、この変
形部分に粒状体層が積層する事により、チューブの外形
形状を太くする事なく伝熱面積を増大させる事が出来、
熱交換装置をより小さくする事が出来るとう利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるチューブ型熱交換部材を使用し
たボイラの概略断面図

【図２】本発明にかかる異形チューブ型熱交換部材の一
実施例の斜視図

【図３】本発明にかかるフィン状粒状体層を有するチュ
ーブ型熱交換部材の一実施例の斜視図

【図４】本発明にかかる片面積層のチューブ型熱交換部
材の部分拡大断面図

【図５】本発明にかかる両面積層のプレート型熱交換部
材の部分拡大断面図

【図６】図１のボイラの燃焼室の平断面図

【図７】図１のボイラの燃焼室の変形例の平断面図

【図８】本発明にかかるハニカム状のプレート型熱交換
部材を使用した熱交換器の概略断面図

【図９】本発明にかかるフラット状のプレート型熱交換
部材を使用した熱交換器の概略断面図

【図１０】本発明にかかるチューブ型熱交換部材を使用
した熱交換器の概略断面図

【符号の説明】

(2イ)…プレート型の熱交換部材 (2ロ)…チューブ型熱交換部材 (2a)…熱交換用プレート (2b)…熱交換用チューブ (2c)…異形チューブ (3)…粒状体層 (3a)…粒状体 (3b)…粒状体金属結合部分 (4)…高温側流体 (5)…低温側流体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度差のある流体を隔てるための
   熱交換用プレートと、前記熱交換プレートの少なくとも
   一方の面に積層され、その接触部分の少なくとも一部が
   金属結合している１層又は複数層の粒状体層とで構成さ
   れた事を特徴とする熱交換部材。
2. 【請求項２】 内外に温度差のある流体を通流さ
   せる熱交換用チューブと、前記熱交換チューブの外周面
   に積層され、その接触部分の少なくとも一部が金属結合
   している１層又は複数層の粒状体層とで構成された事を
   特徴とする熱交換部材。
3. 【請求項３】 高温流体が通流する高温通流部
   と、低温流体が通流する低温通流部と、その表面のすく
   なくとも一方に、接触部分の少なくとも一部が金属結合
   している１層又は複数層の粒状体層が積層されており、
   前記低温通流部と高温通流部とを隔てるプレート型又は
   チューブ型の熱交換部材と、前記熱交換部材を収納する
   ケーシングとで構成されている事を特徴とする熱交換装
   置。
4. 【請求項４】 バーナを具備した燃焼室と、前記
   燃焼室に配設され、その外周面に接触部分の少なくとも
   一部が金属結合している１層又は複数層の粒状体層が積
   層されたチューブ型の熱交換部材と、前記チューブ型の
   熱交換部材に通水する水供給部とで構成された事を特徴
   とする熱交換装置。
5. 【請求項５】 チューブ型熱交換部材の外周面の
   一部が凹まされており、その変形部分に粒状体層が積層
   されている事を特徴とする請求項４に記載の熱交換装
   置。
6. 【請求項６】 チューブ型熱交換部材の外周面に
   螺旋又はリング状に粒状体層が積層されている事を特徴
   とする請求項４に記載の熱交換装置。