JP2013130391A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】乱流促進体を利用することなく、効果的に乱流を発生させ、また、冷却水やガスの流れを最適化して、高い熱交換性能を実現できるようにした多管式の熱交換器を提供する。
【解決手段】内胴１２と外胴１４とを有する熱交換器の本体部と、内胴１２と外胴１４の間に区画され、冷却水の導入口と導出口を有する環状の熱交換室２４と、熱交換室２４内に複数本の伝熱管２６を収容した多管式の熱交換器において、高温流体が流れる高温側流体室を螺旋状の伝熱管２６により形成するとともに、伝熱管２６によって、熱交換室２４内を螺旋状に周回する低温側流体室３０を区画する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多管式の熱交換器に係り、特に、限られたスペースの中で、熱交換を行う伝熱管の本数を増やさずに熱交換性能を向上できるように改良した熱交換器に関する。

流体から熱エネルギーを回収する手段として、従来から熱交換器が広く用いられている。この種の熱交換器では、管に流体を流し、その管を通じて熱交換を行う。

近年、地球環境問題、二酸化炭素の排出量削減問題、原油高騰による省エネルギー技術に対する関心の高まりを背景に、排ガスから熱エネルギーをクリーンに回収する技術が注目されている。

その例として、エンジンの排ガスを触媒で浄化するとともに、排ガスから熱を回収する熱交換器が開発されている（特許文献１）。この種の熱交換器は、例えば、家庭用発電システムに組み込まれ、エンジンで発電機を回して電力を得るとともに、エンジンの排ガスから給湯用あるいは床暖房用のエネルギーを回収している。

上記特許文献１に開示されている熱交換器では、内胴と外胴の間に水室を設けるともに、排ガス浄化装置に相当する触媒収容室を内胴の内側に設け、触媒収容室を流れた後の排ガスを複数の伝熱管を流し、水室内の冷却水との間で熱交換を行うようになっている。

特許第３８９１７２４号公報

この種の排ガス浄化部と熱交換部とを一体化した熱交換器では、触媒収容室が全体の中で大きな部分を占めるため、必然的に熱交換部のスペースが狭小にならざるを得ない。このため、特許文献１の熱交換器では、複数本の真っ直ぐな伝熱管が内胴を囲むように周方向に等間隔で設けられている。そして、それぞれ伝熱管の内部には、さらに熱交換効率を高めるために、乱流の発生を促進するフィンが設けられている。

引用文献１の熱交換器では、真っ直ぐな伝熱管を用いているため、熱交換効率を向上させるためには、伝熱管の本数を増やすことが必要となる。

しかし、熱交換部のスペースが限られている以上、伝熱管の本数を増やしても熱交換性能の向上には自ずと限界がある。そのため、特許文献１では、伝熱管の内部に多数のフィンを設けることで、乱流発生を促進して熱交換効率を高めているのであるが、このフィンの入った伝熱管には、多数のフィンを溶接するため、要請に非常な手間がかかるとともに溶接の信頼性に欠け耐圧性に課題が残る。

また、複数本の伝熱管を用いた従来の熱交換器では、伝熱管の多さからガスや冷却水の流れ制御が不十分になり、ガスや冷却水に温度分布の偏りが生じ、熱交換効率を低下させるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、乱流促進体を利用することなく、効果的に乱流を発生させ、また、冷却水やガスの流れを最適化して、高い熱交換性能を実現できるようにした多管式の熱交換器を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、内胴と外胴とを有する熱交換器の本体部と、前記内胴と外胴の間に区画され、冷却水の導入口と導出口を有する環状の熱交換室と、前記熱交換室内に複数本の伝熱管を収容した多管式の熱交換器において、高温流体が流れる高温側流体室を螺旋状の伝熱管により形成するとともに、前記伝熱管によって、前記熱交換室内を螺旋状に周回する低温側流体室を区画したことを特徴とするものである。

本発明によれば、伝熱管そのものの螺旋構造を利用して乱流の発生を促進することにより、狭いスペースを有効に活用して、高い熱交換性能を実現することができる。また、乱流促進体を利用することなく、伝熱管の螺旋構造を利用して効果的に乱流を発生させて、高い熱交換性能を実現できる。

本発明の第１実施形態による熱交換器の縦断面図である。 同熱交換器における伝熱管の配置状況を示す立体図である。 本発明の第１実施形態による熱交換器に伝熱管として用いられる蛇腹パイプを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による熱交換器に伝熱管として用いられるパイプを示す斜視図である。 本発明の第２実施形態による熱交換器の縦断面図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ断面を示す横断面図である。 熱交換器の蓋に取り付けるかしめナットを示す横断面図。

以下、本発明による熱交換器の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による熱交換器の断面を示す図である。この図１において、参照番号１０は、熱交換器の全体を示す。第１実施形態による熱交換器１０は、例えば、家庭用コージェネレーションシステムを構成するガスエンジンの排ガスが導入される。熱交換器１０では、まず、排ガス中に含まれる窒素酸化物などの有害物質を取り除いてから、排ガスと水との間で熱交換を行って回収した廃熱は、例えば、家庭用の床暖房や給湯に利用される。

熱交換器１０の本体部は、内胴１２と外胴１４とが同心に配置された二重構造になっている。内胴１２と外胴１４は、ともに円筒形の部材であり、上部には蓋部１５が取り付けられている。

この蓋部１５には、排気ガスが導入されるガス入口１６が開口している。このガス入口１６には、図示しない排ガス管が接続される。内胴１２には、触媒収容室を区画する円筒部材１７が入れられている。触媒収容室には、排ガスを浄化させるための化学反応を進行させる触媒１８が収容されている。この触媒１８は、蓋部１５のねじ部に排ガスを接触させないようにするブラケット２５とカバー１１を介して支持されている。なお、ガス入口１６の内側には、カバー１１を介して触媒１８に排ガスを拡散させるための拡散器１９が取り付けられている。

次に、内胴１２の底には、下部ガス空間２０が形成され、また、内胴１２の胴壁と、円筒部材１７の間には、円環状ガス通路２１が形成されている。触媒１８を通過した高温のガスは、矢印で示すように、下部ガス空間２０、円環状ガス通路２１を通って上部ガス溜まり２２に導かれる。この上部ガス溜り２２は、内胴１２と、外胴１４の間に区画される空間のうち、蓋１５と隔壁２３で仕切られた空間である。

また、熱交換器１０では、内胴１２と外胴１４とによって円環状の熱交換室２４が区画されている。この熱交換室２４には、内胴１２の外周面に沿って螺旋状に周回する伝熱管２６が収容されている。外胴１４の底部には、底板２７と底蓋２９によって底部排ガス溜り２８が区画されている。上部排ガス溜り２２と底部ガス溜り２８は、伝熱管２６によって連通されている。

ここで、図２は、内胴１２の外側に配置されている伝熱管２６を示す。この実施形態は、図２に示すように、合計６本の伝熱管２６を用いた例を示す。

伝熱管２６は、その両端部を除いて扁平に潰れた形状を有している金属製のパイプであり、排ガスが流れる高温側流体室を形成する。潰れていない上端部は、上部ガス溜り２０に接続され、同様に潰れていない下端部は、底部ガス溜り２８に接続されている。なお、底蓋２９の底部は、排ガスが導出されるガス出口２９ａを中心に漏斗形状に成形されていることが好ましい。

この実施形態では、６本の伝熱管２６の上端部は、等間隔に隔壁２３に接続され、下端部も同様に等間隔に底板２７に接続されている。各伝熱管２６においてその螺旋部は、熱交換器１０の本体の軸方向に加圧することで潰れて平坦になっている。そして上下に隣り合う伝熱管２６の螺旋部同士は等間隔に保たれかつ内胴１２および外胴１４の壁面とクリアランスなく螺旋状に周回している。上下に隣り合う各伝熱管２６の螺旋部の間には冷却水が流れる低温側流体室になる冷却水通路３０が螺旋状に形成されている。したがって、熱交換室２４においては、伝熱管２６が内胴１２、外胴１４の壁面とクリアランスなく螺旋状に巻かれていることにより、伝熱管２６の内部を流れる排ガスの高温側流体室と、伝熱管２６の外側の低温側流体室になる冷却水通路３０が並行して螺旋状に周回するようになっている。なお、熱交換室２４には、外胴１４に設けられた冷却水入口３１から冷却水が導入され、熱交換を行った後、冷却水出口３２から導出される。

第１実施形態による熱交換器１０は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。

図１において、ガス入口１６から供給された高温の排ガスは、拡散器１９を通ることで拡散されて触媒１８に導入される。この触媒１８では、排ガス中から窒素酸化物などの有害物質が触媒反応によって除去される。その後、高温のガスは、実線矢印で示されるように、下部ガス空間２０、円環状ガス通路２１を通って上部ガス溜り２２に導かれる。そして、高温のガスは、この上部ガス溜り２２から６本の伝熱管２６にそれぞれ分配される。

他方、冷却水は、図２において、破線の矢印で示すように、冷却水入口３１から導入されると、上下に隣り合う伝熱管２６の間に区画される冷却水通路３０を流れる。そして、伝熱管２６を流れる高温の排ガスと、この冷却水通路３０を流れる冷却水の間で熱交換が行われる。熱交換により温度の上がったお湯は、冷却水出口３２から外部に導出され、例えば、貯湯槽に送られ、そこで貯湯槽内の熱交換器で水と熱交換して、家庭で台所や浴室の給湯として、あるいは床暖房などに利用される。

本実施形態の熱交換器１０によれば、熱交換に利用する伝熱管２６は螺旋構造をもっているので、次のような効果が得られる。

まず、伝熱管２６が螺旋構造になっているために、高温のガスは乱流を起こしながら流れていく。また、上下に隣り合う伝熱管２６の間にも、冷却水通路３０が螺旋状に対向流式に区画されているので、冷却水も乱流を起こしながら流れていくことになる。このように高温のガスと冷却水がともに乱流を起こしながら流れていくため、従来のように、伝熱管の内部に乱流促進体を設ける必要なく、乱流発生による熱交換性能の向上を実現することができる。

しかも、本実施形態のように、扁平に潰れた形状の管を螺旋状に加工して伝熱管２６に用いることにより、高温ガスが流れるときに、より大きな乱流を発生させることができる。そして、伝熱管２６と対向する冷却水通路３０も、伝熱管２６と同様に平たい通路断面になり、それが螺旋状に周回するので、冷却水が流れるときの乱流の発生もより増大する。このように熱交換室２４においては、伝熱管２６によって冷却水通路３０が対向して区画されているので、伝熱管２６を扁平なものにするだけで、排ガスの通路と冷却水通路３０の双方により乱流が発生し易い構造にすることができる。

また、本実施形態では、伝熱管２６を６本用いているが、螺旋構造を有しているために、伝熱管２６の１本あたりの長さ、伝熱面積が増大することになる。このため、従来技術の欄で述べたような、真ん中に触媒収容室が大きな部分を占める熱交換器と同じ熱交換量のもので比較すると、伝熱管の本数を、１／３に減らすことができた。これにより、触媒１８を収容する円筒部材１７があるため、割りを食って狭いスペースになる熱交換室２４を有効に利用して熱交換性能を高めることができる。また、同じ熱交換性能であれば、伝熱管２６を溶接する箇所が少なくなり、溶接の信頼性が上がるとともに、溶接の工数が減り、製造コストが低減する。

ここで、図３は、伝熱管に用いる他の種類のパイプ４０を示す。図１、２の実施形態で用いた伝熱管２６は、平滑な表面をもつパイプであるが、このパイプ４０は、金属製のパイプ表面に溝が形成され、この溝により凹凸部が交互に形成されたパイプである。このようなパイプ４０を扁平につぶすとともに、螺旋状に成形することで、伝熱管２６として利用することができる。

このパイプ４０によれば、乱流の発生についての作用効果は、伝熱管２６と同等であることに加えて、表面の伝熱面積がより増大するので、一層の熱交換性能の向上を実現することができる。また、パイプ４０の代わりに、単山構造で凹凸表面を有する蛇腹パイプを用いるようにしてもよい。

なお、伝熱管としては、以上説明したように、扁平なパイプが好ましいが、図４に示すような、扁平にせずに螺旋状にしたパイプを伝熱管２６として用いるようにしてもよい。

第２実施形態（参考実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による熱交換器について、図５を参照しながら説明する。

この第２実施形態の熱交換器５０では、第１実施形態とは異なり、複数本の伝熱管２６を用いる代わりに、１つの円筒状熱交換部材６４と、螺旋状の熱交換部材５４、５６を用いて螺旋状に流体通路を形成するようにした実施の形態である。以下の説明では、第１実施形態と共通する構成要素には同一の参照符合を付し、その詳細な説明は省略する。

図５において、熱交換器５０の本体部は、内胴１２と外胴１４とを含み、内胴１２と外胴１４とは同心に配置されている。内胴１２と外胴１４の上部には蓋５８が取り付けられている。この実施形態では、蓋５８は、内胴１２の上端部を覆う板厚の厚い接続フランジ部５８ａと、その外側に溶接された肉厚の薄い蓋部５８ｂとから構成されている。このうち、接続フランジ部５８ａには、排気ガスが導入されるガス入口１６が開口している。内胴１２には、触媒収容室を区画する円筒部材１７が入れられており、触媒収容室内には、カバー１１とブラケット２５を介して排ガスを浄化させるための化学反応を進行させる触媒１８が収容されている。なお、このガス入口１６の内側には、カバー１１を介して触媒１８に排ガスを拡散させるための拡散器１９が取り付けられている。

次に、内胴１２の底には、２枚の底板５９ａ、５９ｂが間隔をあけて取り付けられており、これにより空気室６０が区画されている。そして外胴１４の下端には、底蓋６２が取り付けられている。

内胴１２と円筒部材１７の間には、円環状ガス通路２１が形成されている。触媒１８を通過した排ガスは浄化された高温のガスとなって、矢印で示すように、円環ガス通路２１を通って上部ガス溜まり２２に導かれる。この上部ガス溜り２２は、ブラケット２５と外胴１４の間で蓋部５８ｂと上部隔壁６３によって仕切られた空間である。

次に、この第２実施形態の熱交換器５０では、内胴１２と外胴１４の間に円筒状熱交換部材６４が同心に配置されている。内胴１２と外胴１４の間の空間は、円筒状熱交換部材６４を設けることによって内側の高温流体室６６と外側の低温流体室６８に区画されている。

このうち、高温流体室６６には、上部ガス溜り２２から高温のガスが供給される。この場合、図６に示すように、上部隔壁６３には、ガス流入口６７が一箇所だけ開口している。他方、低温流体室６８には、外胴１４に設けられた冷却水入口３１から冷却水が導入され、熱交換を行った後、冷却水出口３２から導出される。

この第２実施形態の熱交換器５０では、高温流体室６６は、螺旋状に巻かれた板材からなる螺旋板部材５４によって螺旋状に周回する１筋の流体通路として構成されている。同様に、低温流体室６８は、螺旋状に巻かれた棒材からなる螺旋棒部材５６によって、螺旋状に周回する１筋の流体通路として構成されている。この第２実施形態では、螺旋板部材５４と螺旋棒部材５６とは、円筒状熱交換器６４の内周面と外周面とで背中合わせに重なり合うように、同じリードでほぼ同じ螺旋を描くように取り付けられている。したがって、内側の高温流体室６６により形成される高温ガスの通路と、外側の低温流体室６６により形成される冷却水の通路とは並行して螺旋状に周回するようになっている。

なお、高温流体室６６と低温流体室６８の下端は、下部隔壁７０により仕切られており、この下部隔壁７１には図示しないガス出口が開口している。熱交換器１０の本体部に取り付けられる底蓋６２の内部は、下部ガス溜り７２になっている。この底蓋６２の底部は、排ガスが導出されるガス出口７４を中心に漏斗形状に成形されている。

本実施形態による熱交換器は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。

図５において、ガス入口１６から入った高温の排ガスは、拡散器１９を通して触媒１８に拡散される。この触媒１８を通る過程で、排ガスからは窒素酸化物などの有害物質が触媒反応によって除去され、高温のガスとなる。高温のガスは、実線矢印で示されるように、円環ガス状通路２１を通って上部ガス溜り２２に導かれる。そして、高温のガスは、この上部ガス溜り２２から螺旋状に周回する通路をなす高温流体室６６を流れる。

他方、冷却水は、図５において、破線の矢印で示すように、冷却水入口３１から導入されると、螺旋状に周回する通路をなす低温流体室６８を流れる。そして、高温流体室６６を流れる高温のガスと、低温流体室６８を流れる冷却水の間で熱交換が行われる。熱交換により回収された廃熱は、例えば、家庭で台所や浴室の給湯として、あるいは床暖房などに利用される。

第２実施形態の熱交換器５０によれば、次のような効果が得られる。

まず、高温流体室６６では、螺旋板部材５４によって螺旋状の流路が仕切られているために、高温のガスは乱流を起こしながら流れていく。そして、低温流体室６８にも同様に螺旋棒部材５６によって螺旋状の流路が対向流式に仕切られているので、冷却水も乱流を起こしながら流れていくことになる。このように高温のガスと冷却水がともに乱流を起こしながら円筒状熱交換部材６４を間において対向して流れていくため、従来のように、多数本の伝熱管の内部に数多くの乱流促進体を設ける必要なしに、乱流発生による熱交換性能の向上を実現することができる。

第１実施形態の熱交換器１０との対比では、流路が螺旋状になっている構造は同じであるが、第２実施形態の熱交換器５０では、内胴１２と外胴１４の間に配置した１つの円筒状熱交換部材６４の裏表両面に螺旋板部材５４と螺旋棒部材５６を溶接することで対向式に螺旋状の流路を仕切っている。螺旋板部材５４と螺旋棒部材５６はともに一つの部材であり、乱流を発生し易くしかも熱交換の効率のよい螺旋対向流式の流路を構成するのに必要な部品点数を大幅に削減できる上に、円筒状熱交換部材６４への螺旋板部材５４、螺旋棒部材５６の溶接を容易にし、全体として溶接代が短くなるため溶接の信頼性が高くなる利点がある。

また、ガスが流れる高温流体室６６の流路は、螺旋状に板を巻いた螺旋板部材５４を用いて流路を仕切っているので、熱交換により発生した凝縮水が流れ出易くなり、途中に滞留することなく腐食し難い流路構造とすることができる。

また、高温流体室６６は、一筋の流路を構成し、環状の上部ガス溜まりからガス流入口６７を通ってガスが流入するので、不均一にガスが流入するおそれはなく、ガスを整流する構造は不要になる。この点、低温流体室６６も冷却水の流れを整流するする必要がないことは同様である。

以上述べた効果の他、第２実施形態の熱交換器５０では、細部の構造にも改良が施され、以下のような効果が得られる。

まず、熱交換器５０の本体部の上部に取り付ける蓋５８は、内側の接続フランジ部５８ｂを板厚にしているので、排ガス配管との接続に必要な雌ねじ部を切るのに必要な厚さを確保した上で、外側は板厚の薄い蓋部５８ｂにして、軽量化および材料の削減を図っている。

なお、接続フランジ部５８ｂには、排ガス配管と接続する雌ねじを切る代わりに、図７に示すように、かしめ部７６を有するかしめナット７７を用いるようにしてもよい。このかしめナット７７は、接続フランジ５８ｂにおいてガス入口１６の両脇にある孔に挿入してかしめ部７６をかしめることで固定される。そして、ガスケット７９を間に介して排ガス配管８０のフランジ部８１を取り付け、雄ねじ８２をかしめナット７７に締結することで、排ガス配管８０は接続フランジ５８ｂに接続される。このようなかしめナット７７を用いることで、接続フランジ５８ｂ全体を板厚の薄い蓋部にすることができる。これにより、軽量化および材料の削減を図ることができる。

また、熱交換器５０の本体部の底に取り付ける底蓋６２は、ガス出口７４を中心にした漏斗形状を有しているので、凝縮水は滞留せずにガス出口７４から排出されるので、腐食原因の取り除かれた構造になっている。また、漏斗形状は、溶接歪みによる形状変形の少ない形状である。

さらに、底蓋６２の上には、空気室６０が仕切られており、この空気室６０にある空気は、触媒１８を通過した高温のガスと、底蓋６２内部の熱交換が終わり温度の低下した空気との間で熱交換が行われるのを阻止する断熱層を構成している。このため、触媒１８を通過した高温のガスは温度が低下することなく、円環ガス状通路２１を通って上部排ガス溜り２３に送られる。

１０…熱効交換器、１２…内胴、１４…外胴、１５…蓋部、１６…ガス入口、１８…触媒収容室、２４…熱交換室、２６…伝熱管、３０…冷却水通路、３１…冷却水入口、３２…冷却水出口、５４…螺旋板部材、５６…螺旋棒部材、６４…円筒状熱交換部材、６６… 高温流体室、６８…低温流体室

Claims (7)

1. 内胴と外胴とを有する熱交換器の本体部と、前記内胴と外胴の間に区画され、冷却水の導入口と導出口を有する環状の熱交換室と、前記熱交換室内に複数本の伝熱管を収容した多管式の熱交換器において、
   高温流体が流れる高温側流体室を螺旋状の伝熱管により形成するとともに、前記伝熱管によって、前記熱交換室内を螺旋状に周回する低温側流体室を区画したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記低温側流体室は、上下に隣合う伝熱管の間に区画されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記伝熱管は、加圧して扁平に加工したパイプからなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管は、単山構造で、凹凸表面を有する蛇腹パイプからなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管は、パイプ表面を螺旋状に周回する溝により凹凸部が交互に形成されたパイプからなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記内胴の内部には、内燃機関の排ガスを浄化するための触媒が収容される触媒収容室を区画する円筒部材が収納され、前記触媒収容室を出た排ガスが前記高温側流体室に導入されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記熱交換器の本体部の一方の端部に取り付けられる蓋は、内胴の一端部を塞ぎ前記排ガスの導入口の形成された板厚の厚い蓋部と、前記上部ガス溜り部を塞ぐ板厚の薄い蓋部と、からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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