JPS61268995A - 熱交換エレメントの接続構造 - 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Ｊ 本発明は熱交換エレメントの接続構造に関し、特には低
温腐食温度−り気体からの熱回収に有用な気液タイプの
熱交換エレメントの接続構造に関する。

［従来の技術］ チューブを用いた熱交換器において、チューブ内に水な
どの液体を流し、チューブ外に気体を流す場合には、チ
ューブの外側にフィンを設けると熱交換が効果的に行わ
れることはよく知られており、金属チューブに金属フィ
ンを巻いてフィンチューブとすることは広く実用化され
ている。

しかし硫黄などの不純物を含む燃料の燃焼ガスをチュー
ブ外に流す場合には、フィンやチューブ外表面の低温腐
食が問題となり１通常の金属を用いたのでは、熱交換器
の寿命が短いという欠点があった。

一方、こうした低温腐食に強いセラミックス製モノリス
体からなる熱交換体も知られている（特開昭８０ＪＥ１
０９８．同５７−１２９３９８など参照）が、これらの
多くは加熱流体、非加熱流体ともに気体である気気タイ
プの熱交換」適なものであって、伝熱壁の両側の熱伝達
係数がほぼ同程度にとれる場合には問題がないが、例え
ば燃焼ガスと水のように、伝熱壁の両側の熱伝達係数が
著しく異なる場合には、ガス側の伝熱面積が不足し、水
側の伝熱面積が過剰となって、熱バランスが悪く、熱交
換効率が低下する。

こうした問題点を解決するため１本発明者らはさきに特
願昭５９−２０３０８９において、セラミックス製ハニ
カム体を、このハニカム体に挿通されて固定された複数
本の平行なセラミックス製のチューブとからなる熱交換
体を提案した。この熱交換体は、チューブ内に木などの
液体を通し、ハニカム体の通気路に燃焼ガスなどの気体
を通すことにより、熱伝達係数の高い源側の伝熱面積に
比べ、熱伝達係数の低い気側の伝熱面積を大きくして熱
バランスを良好にし、熱交換効率を高めることができる
。

［発明の解決しようとする問題点」 ところで、このような熱交換体は一般に薄肉のセラミッ
クスから構成されており、こう＝ｂ熱交換体の量産可能
な寸法・形状には制限がある。したがって、大流量の気
体からの熱回収に適した大型品は製造困難であり、たと
え製造可脂としても、千差万別の用途に応じて各種サイ
ズの熱交換体を製造することは製造１程を著しく複雑な
ものとし、製造コストの大巾な増加も招いて実用的でな
い。

そこで、このような熱交換体を、より小製の規格化され
た熱交換エレメントを接続して構成すればよいことに思
い到ったが、こうした熱交換エレメントの接続構造にお
いては、流体のシール性、熱変形や振動や衝撃を吸収で
きて熱交換エレメントが破損しないこと、製作や組立て
が容易なこと、多数の熱交換エレメントの重量を確実に
支持できることなどが必要とされる。

本発明はこのような問題点を解決した熱交換エレメント
の接続構造を提供することを目的とする。

Ｅ問題、些迦解、決するための手段］ 本発明は、チューブ端が突出するように板状体に挿通さ
れて固定された複数本の平行なセラミックス製のチュー
ブと該板状体とからなる熱交換エレメントの接続構造で
あって、両端面において該チューブ端の外径より大きい
内径を有する貫通孔が該チューブとピッチを同じくして
設けられた枠体の一方の端面には、該チューブ端外周と
該貫通孔内周の間隙にゴム状弾性体を介在させつつ該チ
ューブ端が該貫通孔に挿入されて、該熱交換エレメント
が取りつけられ、該枠体の他方の端面にも、同様にして
別の該熱交換エレメントが取りつけられてなることを特
徴とする熱交換エレメントの接続構造である。

本発明によれば、二つの熱交換エレメントが枠体を介し
て向かいあって接続されているので、かかる接続構造を
チューブの軸方向に次々と反復することにより、任意の
所望長さに熱交換エレメントが直列にｖｉ続された熱交
換体が得られる。また熱交換エレメントのチューブのそ
れぞれが向ｉ４う熱交換エレメントのチューブのそれぞ
れと貫通孔を経て連通され、かつ。

チューブ端と貫通孔とはゴム状弾性体を介在させて接続
されているので、チューブ内を流れる流体は系外に対し
て充分にシールされるとともに熱変形、振動、衝撃など
も吸収される。さらに枠体、ゴム状弾性体とも単純形状
であってこの接続構造の製作、組立ては容易であり、さ
らに枠体によって熱交換エレメントの重量も確実に支持
できる。

本発明の好ましい態様においては、枠体の一方の端面に
は複数個の熱交換エレメントが並べて取りつけられ、こ
の枠体の他方の端面にも。

ざきの複数個の熱交換エレメントと向かいあって別の複
数個の熱交換エレメントが並べて取りつけられている。

これにより、任意の所望数の熱交換エレメントを並列に
配置された熱交換体が得られる。並列に配置するにあた
っては枠体の端面に沿って縦もしくは横といった一方向
に並べた平板状のものであってもよいが、縦方向と横方
向とに同時に並ご１４体状のものであると、全体として
バランスがよく、かつ、コンパクトな熱交換体が得られ
て特に好ましい。

本発明の別の好ましい態様においては、少なくとも二枚
の平行な枠体が、この枠体と垂直な支持枠に固設されて
いる。これにより、枠体相ＪＦの位置が固定されて熱交
換エレメントに過大な荷重がかかることが防１トされ、
全体としての熱交換体の構造に剛性を付与できる。また
、このように支持枠を採用すると、プラスチックスなと
低ヤング率の材料で枠材をつくることもできる。

本発明のさらに別の好ましい態様においては、熱交換エ
レメントのチューブおよび板状体は炭化珪素質セラミッ
クス製とされる。これにより、チューブも板状体もとも
に高耐食性、高耐熱性、高熱伝導性を備えて、軽量にし
て高機能の熱交換体が提供できることとなり、さらにチ
ューブと板状体とが同質であるので熱衝撃にも強い。

本発明のさらにまた別の好まｒ）ｍ様においては、板状
体はハニカム体のセル壁もしくは複数枚、特には多数枚
の平行なフィンとされる。

これにより、この熱交換エレメントを気液タイプの熱交
換に使用するにあたり、気体側の伝熱面積を液体側の伝
熱面積に比べて大巾に増加させられて、気液間の伝熱バ
ランスが格段に向上する。さらに複数枚の平行フィンを
採用する場合には気体の流れ方向をフィンに平行な面内
において任意に設定することができ、ノ＼ニカム体のセ
ル壁を採用する場合には熱交換エレメントの強度を大き
くできる。

しかしながら本発明は、必ずしもこのような用途の熱交
換エレメントに適用することに限定されず、例えば気体
／気体間、液体／液体間の熱交換エレメントの如く、加
熱流体側と被加熱流体側とで熱伝達係数にそれほど大き
な差がない場合にも応用できる。このような場合には板
状体にフィンの機能はそれほど要求されず、したがって
複数本のチューブを所定の配置に保持固定するのに必要
十分な枚数の板状体があ困ｆよい。

チューブは前述のように炭化珪素質セラミックスが好適
であるが、これに代えて各種の他のセラミックスも採用
しうる。こうしたセラミックスとしては窒化珪素質、サ
イアロン質、ムライト質、アルミナ買、ジルコニア質、
チタン酸アルミニウム質、コージライト質、カーボン質
、などが上げられ、必要に応じて適宜な無機質のｍ雑ま
たはウィスカで補強されたものであってもよい。

板状体もチューブと同様の材質が選択でき、特にチュー
ブと同一の材質であると、製造工程が簡略化できる上に
、チューブと板状体との接合部に熱膨張差に基づく亀裂
などが発生しにくくて好ましい、しかしながら使用条件
によっては板状体は必すしもセラミックス製でなくても
よい。

枠体は熱交換エレメントの荷重を支える強度部材であり
、特に多数個の熱交換エレメントをチューブの材質より
は靭性に冨む材質でつくるのがよい、被加熱流体が水な
どである場合には、枠体の貫通孔にも水などが流れるた
め、加熱流体が２００℃以上の高温ガスであっても充分
冷却され、したがって枠体の材質を炭素鋼、アルミニウ
ムなどとしてもよい、さらにこの場合に高温ガスが硫酸
露点腐食性を有するものであっても、腐食しろを充分に
とった肉厚にすれば耐食鋼を使用する必要はない、もち
ろん、エナメル、ホウロウ、フッ素樹脂、フッ素系ゴム
などによる表面被覆防食処理を施した金属材料も好まし
い。

加熱流体が２００℃以下の場合にはプラスチックス、木
材などの有機材料が硫酸露点腐食に対する耐久性もあっ
て好適に使用できる。またプラスチックスのなかでもフ
ッ素樹脂はより高温にも耐え、かつ、より苛酷な腐食に
も耐えて好ましい。

枠体は中実のものであってもよいし、軽量化を図って中
空７のとしてもよい、さらに中空のものにあっては異な
る貫通孔を連通せしめてあってもよい。

貫通孔は枠体の両端面間において等径であってもよいが
、途中に段部を設けてあってもよい、これにより熱交換
エレメントのチューブ端を所定深さに挿入しやすくなる
。

ゴム状弾性体はチューブ端外周と貫通孔内周との間隙に
ぴったりと充填せしめられて、この間隙での流体のシー
ルと、熱変形、衝撃などの吸収を行なうとともに、チュ
ーブピッチと貫通孔ピッチとの間に誤差がある場合には
こうした誤差も吸収する。あらかじめ筒状に成形された
ゴム状弾性体を用いてもよいし、液状またはペースト状
のゴム状弾性体原料をチューブ端外周および／または貫
通孔内周に塗付しておき、チューブ端を貫通孔に挿入し
た後に硬化して形成されたものでもよいし、あるいはチ
ューブ端を貫通孔に挿入した後に液状またはペースト状
のゴム状弾性体原料を間隙に流し込み、ついで硬化して
形成されたもＬ！もよい、・ このゴム状弾性体の材質は使用温度域、使用雰囲気に応
じて例えばエチレンプロピレンゴムなと、適宜に選択で
き、　１００〜１５０℃の硫酸露点腐食性雰囲気での使
用に対してはフッ素ゴムが特に好適である。

以下、図面を参照しながら１本発明の詳細な説明する。

第１図において熱交換エレメント１１のそれぞれは、複
数本の平行な反応焼結炭化珪素質セラミックス製のチュ
ーブ２１とチューブ２１の軸に垂直に設けられた相互に
平行な、同じ反応焼結炭化珪素質セラミックス製の板状
体であるフィン３１とからできている。チューブ２１は
フィン３１に挿通されており、両者は互いに相手方を固
定している。必要に応じて、チューブ２１とフィン３１
との接合部には適宜な固着材が施されている。

またチューブ端２２は外傷のフィン３１から突出してい
る。第２図からもわかるようにチューブ２１は基盤目状
に配置されているが、千鳥状など他の適宜な配置でもよ
い。

枠体４１のそれぞれにはチューブ２１とピッチを同じく
する位置に、チューブ端２２の外径より大きい内径を有
する貫通孔４５が穿設されている。

チューブ端２２の外径と貫通孔４５の内径との間隙を充
填しうるように筒状に予成形されたエチレンプロピレン
ゴム製のゴム状弾性体５１が各貫通孔４５に挿入されて
いる。さらにゴム状弾性体５１の中には、貫通孔４５の
両側から、別の熱交換エレメントｌｌのそれぞれのチュ
ーブ端２２がはめこまれている。かくして複数個の熱交
換エレメント１１は枠体４１とゴム状弾性体５１とによ
り、相互に接続されている。

このように複数個の熱交換エレメントｌｌが接続されて
なる大きな熱交換体は、好ましくは気液用の熱交換に利
用される０例えば被加熱流体としての水はチューブ２１
を流され、加熱流体としての燃焼ガスは第１図において
紙面の上方から下方に、または手前側から奥側へと流さ
れる。燃焼ガスの顕熱はフィン３１からチューブ２１を
経て水に伝達される。フィン３１、チュー３２１は炭化
珪素質セラミックスでできているので、熱伝導度が大き
くて極めて高いフィン効率が維持でき、軽量で高性俺な
熱交換体として機能する。さらに被加熱流体が水であり
、かつフィン３Ｉおよびチューブ２１が高い熱伝導度の
材質であるので、燃焼ガスが高温であってもフィン３１
、チューブ２１の外表面温度は１００℃前後となる。

したがってフィン３１．チューブ２１が金属製などであ
っては硫酸露点腐食の問題が生じるが、本発明において
はセラミックス製であるので、こうした問題は回避でき
る。

チューブ端２２と貫通孔４５との間隙にはチューブ２１
よりヤング率の小さいゴム状弾性体５１が充填されてい
るので、この間隙からの水や燃焼ガスなどの洩出、注入
が防止されるだけでなく。

機械的衝撃や振動もこのゴム状弾性体５１によって吸収
される。その上、こうした熱交換ニレメン）１１を多数
個接続して大容量化する際には。

個々の熱交換エレメントに生じる熱変形が集積され５体
としては大きな変形量となる恐れもあるが、本発明によ
れば、かかる熱変形が個々のゴム状弾性体５１で吸収さ
れて、全体としての累加が生じない、また熱交換エレメ
ントを多数個接続する際に、単にゴム状弾性体５１の孔
にチューブ端２２をはめこむだけで組み立てることがで
き、組立作業は容易となり、工程短縮にも寄与する。

第３図の実施例においては、プラスチックス製の枠体４
２の両側には、それぞれ複数個の熱交換ニレメン）１１
が取りつけられている。したがって各熱交換ニレメン）
１１が小型であっても、全体として大製の熱交換体が構
成される。

枠体４２には段部４Ｂを備えた貫通孔４Ｂが穿設されて
いる。この実施例では、貫通孔４８にあらかじめゴム状
弾性体５１をはめこんでおき、ついで外周および端面に
ペースト状シリコーンゴムシーラントを塗付されたチュ
ーブ端２２を、段部４８に当接する深さまで挿入される
。このようにすると、シリコーンゴム層は挿入時に潤滑
剤としてて働く。

第４図の実施例においては、鋼板をプレス加工して製作
された中空の枠体４３が採用されている。各貫通孔４７
はテーパ部４４と段部４３を備え、かつ、複数の貫通孔
４７は中空部を介して連通している。また各熱交換ニレ
メン）１２において板状体は平板状フィン３２と波板状
フィン３３とからなり、平板状フィン３２と波板状フィ
ン３３とは交互に積層されてハニカム体のセル壁を構成
している。この熱交換エレメントにおいては、加熱流体
は紙面に垂直な方向に流される。このように板状体がハ
ニカム体のセル壁である場合において、そのセル形状は
第４図に示すようなものに限定されず、例えば正方形格
子、六角形格子などを構成するものでもよい、第４図の
実施例においては１貫通孔４７にチューブ端２２を挿入
したのち、流動性のあるシリコーンゴムシーラントを間
隙に流し込み、これが硬化してゴム状弾性体５１が形成
されている。

枠体４０と支持枠３９を用いて接続してなる熱交換器が
示されている。この熱交換器においては熱交換ニレメン
）１１が上下に直列に１１段、横に１２行、さらに紙面
に垂直方向に１０〜２０列配置接続されている。１２行
の熱交換エレメント１１は４行ずつ枠体４０に接続され
、各枠体４ｏは支持枠３９に固設されている。最下段の
熱交換エレメントの下部には水などの被加熱流体の入口
へラダ８１が設けられ、同様に上部には出口ヘッダＢ２
が設けられている。燃焼ガスなどの加熱流体は紙面に垂
直に流され、被加熱流体は入口へラダ６１から入り、各
熱交換ニレメン）１１のチューブ内を通る間に加熱され
て出口ヘッダ８２から出る。なお枠体４０と支持枠３８
との接合は溶着、接着、嵌合なと適宜な手段が採用され
る。

［発明の効果Ｊ このように、本発明によれば、セラミックス製のチュー
ブを備える小製の熱交換エレメントを容易に接続できて
、大製の熱交換体を構成で能の熱交換体の要請に対して
も、規格化された、したがって量産可能で、標準在庫と
して保有できる熱交換エレメントを組み合わせて接続す
ることにより対応できることとなり１Ｍ業上の利用価値
は多大なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図である。 第２図は第１図におけるＸ−Ｘ＆ｌ矢視図である。第３
図および第４図は本発明のそれぞれ別の実施例の断面図
である。第５図は本発明のさらに別の実施例の正面図で
ある。 第１１ｌ ｌｌ：　拳６女キ委１【ムメン）　　　　　　　４ｈ　
　本専［４イ（３１！　　フィン 第２図 垢４因 第３図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）チューブ端が突出するように板状体に挿通されて
   固定された複数本の平行なセラミックス製のチューブと
   該板状体とからなる熱交換エレメントの接続構造であっ
   て、両端面において該チューブ端の外径より大きい内径
   を有する貫通孔が該チューブとピッチを同じく して設けられた枠体の一方の端面には、該 チューブ端外周と該貫通孔内周の間隙にゴム状弾性体を
   介在させつつ該チューブ端が該貫通孔に挿入されて、該
   熱交換エレメントが取りつけられ、該枠体の他方の端面
   にも、同様にして別の該熱交換エレメントが取りつけら
   れてなることを特徴とする熱交換エレメントの接続構造
   。
2. （２）前記枠体の一方の端面には複数個の熱交換エレメ
   ントが並べて取りつけられ、該枠体の他方の端面にも、
   前記複数個の熱交換エレメントと向かいあって別の複数
   個の熱交換エレメントが並べて取りつけられてなる特許
   請求の範囲第１項の接続構造。
3. （３）少なくとも二枚の平行な前記枠体が、該枠体と垂
   直な支持枠に固設されてなる特許請求の範囲第１項また
   は第２項の接続構造。
4. （４）前記チューブおよび前記板状体は炭化珪素質セラ
   ミックス製である特許請求の範囲第１項〜第３項のいず
   れかの接続構造。
5. （５）前記板状体は、ハニカム体のセル壁である特許請
   求の範囲第１項〜第４項のいずれかの接続構造。
6. （６）前記板状体は、複数枚の平行なフィンである特許
   請求の範囲第１項〜第４項のいずれかの接続構造。