JP2016536551A - 少なくとも部分的に可変の断面を有する熱交換器用チューブおよび該チューブを備える熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱交換器用チューブであって、チューブの少なくとも一部が長手方向において可変断面を有しており、断面積がチューブの外端の近くの最大値からチューブの反対側の外端の近くの最小値に減少している、熱交換器用チューブに関する。さらに、本発明は、少なくとも１つのこのようなチューブを備える熱交換器、ならびにこのような熱交換器を備えるセントラルヒーティング設備および給湯システムに関する。

Description

本発明は、熱交換器用チューブであって、その少なくとも一部が長手方向において可変断面を有している、熱交換器用チューブに関する。

このような熱交換器チューブは、例えば、特許文献１から知られている。この文献は、多数の平行チューブを有する熱交換器を記載している。各チューブの断面は、据付プレートに取り付けられた第１の外端の近くの丸形状から中心部の楕円形状に移行している。そこから、断面は、再び、据付プレートに同様に取り付けられた第２の外端の丸形状に変化している。両端における丸形断面は、ここでは、プレートの丸形開口への簡単な据付けのために選択されている。

欧州特許第１４２９０８５号明細書

本発明の目的は、熱交換器用チューブであって、チューブを貫流する媒体からチューブを包囲する媒体への最適な熱伝達を可能にするように、チューブの断面がチューブの長手方向において変化している、熱交換器用チューブを提供することにある。本発明によれば、この目的は、以下のチューブによって、すなわち、断面積がチューブの外端の近くの最大値からチューブの反対側の外端の近くの最小値に減少するチューブによって、達成されることになる。チューブの面積の減少によって、チューブを貫流する媒体の速度が増大し、これによって、熱伝達が最適化されることになる。

断面積と周囲との比率が、チューブの長さに沿って変化するようになっている。これによって、媒体に対する最適な流れ条件をチューブ内に設定することができる。

断面の周囲と面積との比率は、有利には、チューブの外端の近くの最小値からチューブの反対側の外端の近くの最大値に増大している。この比率は、チューブの単位当たりのチューブ内外の媒体間の熱交換接触に有効な壁面積を決定することになる。

チューブの好ましい実施形態では、断面の周囲と面積との比率は、断面積が減少するチューブの方向において増大している。従って、媒体の速度および乱流が増大し、これによって、熱伝達が改良されることになる。

チューブの断面が一方の外端の近くで実質的に円形であり、他方の外端の近くで扁平形状を有することも考えられるが、さらに有利な実施形態は、周囲形状が一方の外端の近くで実質的に円形であり、他方の外端の近くで実質的に星形であるときに得られる。丸形断面の場合、周囲と面積との比率が最小であり、星形形状の場合、周囲と面積との比率が逆に比較的大きくなる。星形は、ここでは、３つ以上の点を有することができる。円は、周囲に対して最大の断面積を有しており、これによって、チューブが丸形断面を有する外端における熱伝達は、チューブがそこで望ましくなく高温に加熱されるのを防ぐために意図的に制限されることになる。逆に、チューブが星形の周囲を有する外端の近くにおいて、高熱伝達が得られることになる。

断面の面積および／または周囲形状の変動がチューブの壁の少なくとも一部を変形させることによって達成されるとき、構造的に簡単な解決策が得られることになる。

チューブの断面ごとに、断面を包絡する線が画定され、これらの包絡線がチューブの長さに沿って実質的に同一であることが、さらに推奨される。これによって、チューブの外寸法は、その長さに沿って一定に維持され、その結果、熱交換器内において多数のチューブを互いに隣接して配置することが容易になる。

この場合、可変周囲形状は、チューブ壁の少なくとも１つの内方に折畳まれた部分によって形成することができる。壁を内方に折畳むことによって、断面は、一定の包絡線内に維持されることになる。

チューブ内の媒体の流れの停滞を防ぐために、断面の面積および／または周囲形状の変動は、実質的に緩慢であることが推奨される。チューブは、一定断面の一部を有していてもよい。しかし、変動が存在する箇所では、この変動は、好ましくは、緩慢に進行するようになっている。

また、本発明は、第１の媒体のための少なくとも１つのチューブを備える熱交換器であって、この少なくとも１つのチューブが、該チューブに沿って流れる第２の媒体と熱交換接触している、熱交換器に関する。本発明によれば、この少なくとも１つのチューブは、前述の形式のチューブである。

制御された熱伝達のために、少なくとも１つのチューブは、好ましくは、第２の媒体が流入するハウジング内に収容されている。

前述したように、断面の変動は、この変動をチューブ内の媒体の温度勾配に適合させる選択肢をもたらすことになる。これは、第１の媒体が加熱媒体であり、少なくとも１つのチューブが熱源に接続されており、その一方、第２の媒体が熱吸収媒体であるとき、特に有利である。さらに言えば、加熱媒体の温度は、熱源によって適切に制御することが可能である。

断面積が最大であり、および／または断面の周囲と面積との比率が最小値を有する、少なくとも１つのチューブの外端が、好ましくは、熱源に接続されている。これによって、加熱媒体が最初チューブの広い部分を通って比較的緩慢に流れ、その結果、加熱媒体の多量の熱をチューブの周りの水吸収媒体に伝達するのに十分な時間が得られることになる。いったん大部分の熱が伝達されたなら、チューブを狭くすることによって、加熱媒体の流れを加速させることができる。

ハウジングが第１の側部内またはその近くに形成された第２の媒体用流入開口および第２の側部内またはその近くに形成された第２の媒体用流出開口を有するとき、多数のチューブは、好ましくは、ハウジング内に実質的に互いに平行に配置され、流入開口および流出開口を相互に接続する線と交差している。これによって、構造的に簡単な小型の効率のよい直交型またはクロスフロー型熱交換器が構成されることになる。

流入開口および流出開口を有するハウジングは、セントラルヒーティング設備の回路の一部を構成することができ、チューブは、加熱バーナの煙道ダクトの一部を構成することができる。これによって、この熱交換器をセントラルヒーティング設備に用いることができる。

また、流入開口および流出開口を有するハウジングは、給湯導管の一部を形成することができ、チューブは、加熱バーナの煙道ダクトの一部を構成することができる。従って、この熱交換器は、給湯システムに用いられるのに適している。

最後に、本発明は、前述した形式の熱交換器が用いられるセントラルヒーティング設備および給湯システムにさらに関する。ここでは、セントラルヒーティング設備は、加熱バーナと、１つまたは複数の区域に沿って延在する回路であって、該回路内を媒体が循環するようになっている回路と、バーナおよび回路を相互に接続する本発明による熱交換器と、を備えている。同様に、給湯システムは、加熱バーナと、水源から取水点に延在する水導管と、バーナおよび水導管を相互に接続する熱交換器と、を備えている。

以下、添付の図面を参照して、本発明を２つの実施形態に基づいて説明する。図面において、同一の参照番号は、対応する部品を示すものとする。

本発明の第１の実施形態によるチューブを有する熱交換器の概略図である。 図１の熱交換器に用いられるチューブ内の媒体の流速を示す、該チューブの斜視図である。 図２のそれぞれの線III−IIIおよびIV−IVに沿った断面を示す図である。 熱交換器の第２の実施形態の概略図である。 チューブの第２の変更形態を示す、図２に対応する図である。 図６のそれぞれの線VII−VIIおよびVIII−VIIIに沿った断面を示す図である。

セントラルヒーティング（ＣＨ）設備１（図１）は、加熱バーナ２および媒体Ｍ２用の回路（図示せず）を備えている。媒体Ｍ２は、１つまたは複数の区域に沿って案内され、そこでラジエータを貫流するようになっている。媒体Ｍ２は、バーナ２によって間接的に加熱される。この目的のために、回路と加熱バーナ２との間に熱交換器３が配置され、該熱交換器内を媒体Ｍ１が流れるようになっている。

図示されている実施形態では、燃焼混合物Ｃがバーナ２によって燃焼されたときに放出される燃焼排ガスによって、媒体Ｍ１が生成される。この燃焼混合物Ｃは、導管４を通ってバーナ２に送給され、バーナ２を出た燃焼排ガスは、先ず、出口マニホールド５内に受け取られる。ここから、燃焼排ガスは、熱交換器３のハウジング７内に配置された多数の平行チューブ６の全体に分布される。ハウジング７の反対側において、チューブ６は、貯留チャンバ８内に突き出しており、ここから、燃焼排ガスは、出口９を通って排出されることになる。

ハウジング７は、側部１１の流入開口１０および反対の側部１３の流出開口１２をさらに備えている。ここでは、流入開口１０は、ＣＨ設備１の回路の戻り導管１４に接続されており、流出開口１２は、回路の送給導管１５に接続されている。回路を通過した後、暖房のために区域に熱を放出した媒体Ｍ２は、熱交換器３を通って流れ、そこでチューブ６を貫流する加熱媒体Ｍ１（燃焼排ガス）と熱交換接触することになる。加熱された媒体Ｍ２は、再び回路を通過することになる。

チューブ６は、図示されている実施形態では、流入開口１０および流出開口１２を相互に接続する線に対して実質的に直角に延在しているので、図示されている実施形態における熱交換器は、直交型またはクロスフロー型熱交換器である。

本発明によれば、チューブ６は、いずれにせよ、それらの長さの一部に沿って可変断面を有している。図示されている実施形態では、媒体Ｍ１の流れ方向において見られるように、変動は、チューブ６の最終部分に制限されている。ここでは、チューブ６は、それらの長さＬの第１の半分に沿って一定の断面を有しており、次いで、断面の面積Ａおよび周囲形状Ｐが変化するようになっている。

ここでは、流れ方向に見られるように、面積Ａは、流出面積が流入面積よりも小さくなるように減少している（Ａ_ｏｕｔ＜Ａ_ｉｎ）。面積の減少によって、チューブ６内の媒体Ｍ１の流速が、一定の質量流れを維持するために増大することになる（Ｖ_ｏｕｔ＞Ｖ_ｉｎ）。バーナ２の近くのチューブ６の第１の部分の流速が低いことによって、チューブ６のこの部分における媒体Ｍ１の滞留時間が比較的長く、これによって、依然として極めて高温の媒体Ｍ１が多量の熱を媒体Ｍ２に伝達することができる。チューブ６が狭くなる結果として流速が増大すると、滞留時間が短くなり、これによって、わずかな熱しか伝達されないことになる。

この効果は、図示されている実施形態では、断面の周囲Ｐと面積Ａとの比率が増大するようにチューブ６の周囲形状も変化することによって、相殺される。すなわち、（チューブ６の単位断面積当たりの）壁１６の両側における２つの媒体Ｍ１，Ｍ２間の熱交換接触に有効なチューブ６の壁部１６が徐々に大きくなる。

図示されている実施形態では、チューブ６の外寸法が変化しないようになっている。面積Ａは、チューブ６の任意の点において同一の包絡線１７に包絡されている。チューブ６は、これによって、ハウジング７において一定の間隔を隔てて互いに隣接した状態で簡単に収容されることになる。チューブ６の周囲形状Ｐおよび面積Ａの変動は、ここでは、この一定の包絡線１７内においてなされるようになっている。チューブ６の壁１６は、この目的のために、局部的に変形されている。図示されている実施形態では、壁１６は、３箇所において内方に折畳まれ、これによって、３つの凹部１８が形成されている。これらの凹部１８は、流れの方向において見られるように、深さおよび幅が大きくなり、これによって、必要な面積Ａの減少および所望の周囲Ｐの増大が得られる。その結果、チューブ６の断面は、丸先端を有する３点星の形状をもたらすことになる（図４）。

円は、周囲と閉じた面積との最小比率を有している。図３，４を比較すると分かるように、「星形」の周囲Ｐ_ｏｕｔは、円の周囲Ｐ_ｉｎよりも著しく長い。同時に、星形の閉じた面積Ａ_ｏｕｔは、円の閉じた面積Ａ_ｉｎよりも著しく小さい。この差は、凹部１８の表面積によって生じている。勿論、これは、星形が円と同じ包絡線１７内にあるという事実に関連している。

チューブ６の面積Ａおよび周囲形状Ｐの変動は、チューブ６内の流れの消失および擾乱のおそれが生じないように、緩慢になっている。壁１６は、円筒形状から折畳まれた形状に徐々に移行し、その後、折目の大きさが均一に大きくなる。

本発明の他の実施形態では、チューブ６は、４つの凹部を備えており、その結果、４点星形をもたらしている（図８）。これによって、周囲Ｐおよび面積Ａの比率は、さらに一層大きくなる。何故なら、壁１６が、円形状からさらに一層異なるからである。より多い数の凹部１８によって、比較的長い周囲Ｐ、従って、より大きい熱交換壁１６が得られることになる。

チューブ６のこの実施形態は、給湯システム２０用の熱交換器３と組合せて示されている。ハウジング７の流入開口１０は、ここでは、水源（図示せず）、例えば、給水本管から冷水を供給する導管２１に接続されている。この水道冷水は、熱吸収媒体Ｍ２として熱交換器３を通って案内され、そこで（一部のみが示されている）チューブ６内の媒体Ｍ１（燃焼排ガス）との接触によって所望の温度に加熱される。次いで、加熱された水道水は、流出開口１２を通って熱交換器を出て、導管２２を通って、取水点（図示せず）、例えば、飲料給水栓に流れる。この実施形態においても、チューブ６は、媒体Ｍ２が流入開口１０からハウジング７を通って流出開口１２に流れる方向を略横断している。

この実施形態にさらに示されているのは、燃焼排ガスのための貯留チャンバ８の底における水滴用の排出開口２３である。燃焼排ガスがそれらの熱を水道水に放出し、これによって冷えたとき、燃焼排ガス内に存在する水蒸気が凝縮し、水滴が熱交換器３の最下点、図示されている実施形態では、貯留チャンバ８の底に貯留することになる。図示されていないが、第１の実施形態においても、このような水滴排出が行なわれてもよい。

本発明を２つの実施形態に基づいて説明してきたが、本発明がこれらに制限されず、多くの方法によって変更されてもよいことは、明らかであろう。凹部は、図示されている実施形態では、例えば、チューブの軸方向に延在しているが、凹部が軸方向から傾斜して延在し、これによって、チューブ壁がいくらか捻れた外観を得るようにすることも考えられる。図示されている実施形態では、凹部は、さらにチューブの周囲に均一に分布されているが、これは、必ずしも必要ではない。他の分布も可能である。図示されている円形状以外のチューブの初期形状を選択することも可能である。すなわち、チューブの流入側は、楕円形状、任意選択的に、扁平な両側を有する楕円形状であってもよい。湾曲していない周囲形状、例えば、任意選択的な正多角形も考えられる。チューブおよび該チューブを備える熱交換器は、ＣＨ設備または給湯システム以外の用途に用いられてもよい。長手方向におけるチューブの可変断面は、工業的なプロセス設備においても利点をもたらすことができる。

従って、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ規定されることになる。

Claims (19)

1. 熱交換器用チューブであって、前記チューブの少なくとも一部が長手方向において可変断面を有している、熱交換器用チューブにおいて、断面積が、前記チューブの外端の近くの最大値から前記チューブの反対側の外端の近くの最小値に減少していることを特徴とする、熱交換器用チューブ。
2. 前記断面の周囲形状が、前記チューブの長手方法において変化していることを特徴とする、請求項１に記載のチューブ。
3. 前記断面の前記周囲と前記面積との比率は、前記チューブの外端の近くの最小値から前記チューブの反対側の外端の近くの最大値に増大していることを特徴とする、請求項２に記載のチューブ。
4. 前記断面の前記周囲と前記面積との前記比率は、前記断面積が減少する前記チューブの方向において増大していることを特徴とする、請求項３に記載のチューブ。
5. 前記一方の外端の近くの前記周囲形状は、丸形であり、前記他方の外端近くにおいて扁平形状を有していることを特徴とする、請求項２−４のいずれかに記載のチューブ。
6. 前記一方の外端の近くの前記周囲形状は、丸形であり、前記他方の外端の近くにおいて星形になっていることを特徴とする、請求項２−４のいずれかに記載のチューブ。
7. 前記断面の前記面積および／または前記周囲形状の変動は、前記チューブの壁の少なくとも一部を変形させることによって、達成されるようになっていることを特徴とする、請求項２−６のいずれかに記載のチューブ。
8. 前記チューブの断面ごとに前記断面を包絡する線が画定されており、前記包絡線は、前記チューブの長さに沿って等しくなっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のチューブ。
9. 前記可変周囲形状は、前記チューブ壁の少なくとも１つの部分的に内方に折畳まれた部分によって形成されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のチューブ。
10. 前記断面の前記面積および／または前記周囲長さの変動は、緩慢であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のチューブ。
11. 第１の媒体のための請求項１〜１０のいずれかに記載の少なくとも１つのチューブを備える熱交換器であって、前記少なくとも１つのチューブが、該チューブに沿って流れる第２の媒体と熱交換接触するようになっている、熱交換器。
12. 前記少なくとも１つのチューブは、前記第２の媒体が流入するハウジング内に収容されていることを特徴とする、請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記第１の媒体は、加熱媒体であり、前記少なくとも１つのチューブは、熱源に接続されており、その一方、前記第２の媒体は、熱吸収媒体であることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の熱交換器。
14. 前記断面積が最大であり、および／または前記断面の前記周囲と前記面積との前記比率が最小値を有する、前記少なくとも１つのチューブの前記外端は、前記熱源に接続されていることを特徴とする、請求項１３に記載の熱交換器。
15. 前記ハウジングは、第１の側部またはその近くに形成された前記第２の媒体用流入開口および第２の側部またはその近くに形成された前記第２の媒体用流出開口を有しており、 多数のチューブが、前記ハウジング内に互いに平行に配置されており、前記流入開口および前記流出開口を相互に接続する線と交差していることを特徴とする、請求項１２−１４のいずれかに記載の熱交換器。
16. 前記流入開口および流出開口を有する前記ハウジングは、セントラルヒーティング設備内の回路の一部を構成しており、前記チューブは、加熱バーナの煙道ダクトの一部を構成していることを特徴とする、請求項１５に記載の熱交換器。
17. 前記流入開口および前記流出開口を有する前記ハウジングは、水道水導管の一部を構成しており、前記チューブは、加熱バーナの煙道ダクトの一部を構成していることを特徴とする、請求項１５に記載の熱交換器。
18. 加熱バーナと、１つまたは複数の区域に沿って延在する回路であって、該回路内を媒体が循環するようになっている、回路と、前記バーナおよび前記回路を相互に接続する請求項１２−１６のいずれかに記載の熱交換器と、を備えるセントラルヒーティング設備。
19. 加熱バーナと、水源から取水点に延在する水導管と、前記バーナおよび前記水導管を相互に接続する請求項１２〜１７のいずれかに記載の熱交換器と、を備える給湯システム。
    

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