JP2020153591A - ヘッダープレートレス型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘッダープレートレス型熱交換器において、高温耐食性が高く且つ安価に製作できるもの提供。【解決手段】 排ガス７の入口２側に配置される入口コア３ａが、高温の耐食性材料の偏平チューブ１の積層体からなり、排ガス７の出口側に配置される出口コア３ｂがそれよりも耐食性の低い材料の偏平チューブ１の積層体からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、両端部が厚み方向に膨出した偏平チューブを積層してなる熱交換器であって、そのヘッダープレートを不要とする熱交換器に関する。

下記特許文献１には、両端部の溝底高さが厚み方向に膨出した一対の溝型プレートを組み合わせて偏平チューブを形成し、各偏平チューブを膨出部で積層してコアを形成し、そのコアの外周にケーシングを被嵌し、偏平チューブ内に高温の排ガスを流通させると共に、偏平チューブの外周に冷却水を流通して、両流体間熱交換を行ったものが知られている。
即ち、図５に示す如く、偏平チューブ１の積層体によりコア３を形成し、その外周にケーシング５を被嵌すると共に、コア３の両側とケーシング５との間に排ガス７の出入口タンクを設け、コア３の長手方向の両端部に一対の冷却水パイプを設け、ケーシング５の入口２から排ガス７をコア３の各偏平チューブ１内に導く。それと共に、ケーシング５のコア３の両端から冷却水８を各偏平チューブ１の外面側に流通させ、排ガス７と冷却水８との間に熱交換を行わせたものである。

特開２０１５−７８８２３号公報

熱交換器の冷却水８として水道水を用いると、それに殺菌剤として、残留塩素、及び塩化物イオンが含まれている。すると、偏平チューブ１にステンレス鋼を用いても、該残留塩素の影響でステンレス鋼の自然電位が上昇し、一方、該塩化物イオンの影響でステンレス鋼の腐食電位は低減することから、特に高温域（一般的に７０℃以上）においては、腐食環境（自然電位＞腐食電位）に至る。
そのため、熱交換材料には特に質の高い高耐食性のステンレス材料を使用する必要があった。すると、熱交換器の価格が高価にならざるを得ない欠点があった。
そこで、本発明は係る問題点を解決することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、それぞれ、長手方向の両端部の溝底１ａの高さが、中間部のそれより高く厚み方向に膨出された膨出部１ｄを有する第１の溝型プレート１ｂと、第２の溝形プレート１ｃとを有し、第１の溝形プレート１ｂの溝底と第２の溝型プレート１ｃの溝底とを、互いに対向させて嵌着して偏平チューブ１が構成され、複数の偏平チューブ１を前記膨出部１ｄで積層してコア３が形成され、コア３の外周にケーシング５が被嵌され、コア３の各偏平チューブ１内に高温の排ガス７が流通すると共に、各偏平チューブ１の外周に冷却水８が流通するヘッダープレートレス型熱交換器において、
排ガス７の入口２側に配置され、高耐蝕性材料からなる前記偏平チューブ１の積層体からなる入口コア３ａと、その入口コア３ａに直列して前記排ガス７の出口側に配置され、前記高耐蝕性材料に比べて耐蝕性の低い材料からなる偏平チューブ１の積層体からなる出口コア３ｂとを有し、
両コア３ａ，３ｂの外周が前記ケーシング５で被嵌されたヘッダープレートレス型熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、前記入口コア３ａ，出口コア３ｂの端どうしが前記長手方向に互いに離間し、少なくとも一方側のコアの偏平チューブ１の前記膨出部１ｄの側壁１ｆが前記長手方向に延長されて延長部１ｅを構成し、その延長部１ｅが他方のコアの偏平チューブ１の端部に接合された請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、前記入口コア３ａと出口コア３ｂとの境において、供給する冷却水と接触して発生する前記出口コア３ｂの耐食性の低い材料の自然電位が、その腐食電位より低くなる温度Ｔ１となるように構成した請求項１又は請求項２のいずれかに記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。

請求項１に記載の熱交換器は、排ガス７の入口２側に配置された入口コア３ａが高耐蝕性材料の偏平チューブ１の積層体からなり、その入口コア３ａに直列して排ガス７の出口側に配置され出口コア３ｂが比較的、耐蝕性の低い材料の偏平チューブ１の積層体からなり、両コア３ａ，３ｂの外周がケーシング５に被嵌され、各偏平チューブ１内に排ガス７が流通し、各偏平チューブ１の外周に冷却水８が流通するものである。
即ち、上流側で、より高温の排ガス７が内部を流通する入口コア３ａの偏平チューブ１が高耐蝕性材料で形成され、その劣化を効果的に防止し、比較的低温の排ガス７が内部を流通する出口コア３ｂの偏平チューブ１を低耐蝕性材料で形成したので、少ない高耐蝕材料を用いつつ全体として、耐蝕性の高い経済的なヘッダープレートレス型熱交換器を提供できる。

請求項２に記載の熱交換器は、前記入口コア３ａ、出口コア３ｂの端どうしが離間し、一方の偏平チューブ１の延長部１ｅが他方の偏平チューブ１の端部に接合されたものである。
このように、入口コア３ａと出口コア３ｂとが離間することにより、互いの熱的影響を可及的に少なくすると共に、境目で排ガスを攪拌して温度を均一にし、下流側の出口コア３ｂの耐久性を向上できる。

請求項３に記載の発明は、前記入口コア３ａと出口コア３ｂとの境において、供給する冷却水と接触して発生する前記出口コア３ｂの耐食性の低い材料の自然電位が、その腐食電位より低くなる温度Ｔ１となるように構成したものである。
これにより、出口コア３ｂがその全長で腐食発生温度以下となるため、出口コア３ｂに廉価材の使用が可能となる効果がある。

本発明のヘッダープレートレス型熱交換器の要部平面図。 同熱交換器の分解斜視図。 同熱交換器を構成する偏平チューブ１の説明図であって、（Ａ）はその要部分解図、（Ｂ）は同接続説明図、（Ｃ）は一対の偏平チューブ１の接続状態を示す要部斜視図である。 熱交換器の冷却水に水道水を用いる場合の腐食電位／自然電位と温度との関係を示す説明図。 従来型ヘッダープレートレス型熱交換器の要部平面図。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
この熱交換器は、図２に示す如く、入口コア３ａとそれに連結された出口コア３ｂとを有し、それらがケーシング５に被嵌される。
このケーシング５は、ケーシング本体５ａとその上端を被嵌する蓋材５ｂとからなる。 そして入口コア３ａ及び出口コア３ｂは、図１に示す如く、ケーシング５内に直列的に収納されて、その長手方向の両端部にガスタンク部９が設けられる。この例では、入口コア３ａ及び出口コア３ｂの境は、それらコアの向かい合う端どうしが長手方向に互いに離間して空間部１４が設けられる。
また、入口コア３ａと出口コア３ｂとからなるコア３の長手方向の一側には、夫々水タンク１３（図１）を介して水パイプ６が突設されている。さらに、ケーシング５はその他側に入口コア３ａと出口コア３ｂの水の流路をつなぐ水側連結部５ｃが設けられ、その水側連結部５ｃとコア３との間に水タンク１３が形成されている。水側連結部５ｃを構成する水タンク１３の位置は、空間部１４の位置に整合する。

入口コア３ａ，出口コア３ｂは、夫々偏平チューブ１の積層体からなる。
各偏平チューブ１は、図３に示す如く、第１の溝型プレート１ｂと第２の溝型プレート１ｃとの嵌着体からなる。それらは、長手方向の両端部に溝底１ａの高さが中間部のそれより高く厚み方向に膨出された膨出部１ｄを有する。そして、それらは互いに溝底１ａを対向させて嵌着したものからなる。そして、複数の偏平チューブ１を膨出部１ｄで積層して、入口コア３ａ，出口コア３ｂが形成される。
なお、この例では図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く、偏平チューブ１の第２の溝型プレート１ｃの端部に延長部１ｅが突設され、それが互いに図３（Ｃ）の如く接続される。それにより、入口コア３ａ，出口コア３ｂは、図１に示す如く、空間部１４を介して連結される。
これにより、入口コア３ａ及び出口コア３ｂの排ガス７流通側は、積層された前記延長部１ｅとケーシング５とのろう付接合により、ケーシング５の長手方向の中間の水タンク１３を流通する冷却水を封止する構成をとっている。

このようなヘッダープレートレス型熱交換器において、入口コア３ａ，出口コア３ｂの端部に形成されたガスタンク部９には、夫々ガスパイプ１０が設けられる。そして、入口２側のガスパイプ１０から排ガス７が各偏平チューブ１の内部に導かれる。
そして、排ガス７はケーシング５の入口２からガスタンク部９を介して、入口コア３ａの各偏平チューブ１の内部に流入し、ついで出口コア３ｂの各偏平チューブ１内部を流通し、出口側のガスパイプ１０に流出する。

また、冷却水８は、水道水が一方の水パイプ６から出口コア３ｂの各偏平チューブ１の外周を流通して、ケーシング５の長手方向の中間の水側連結部５ｃを構成する水タンク１３を迂回し、入口コア３ａの各偏平チューブ１の外周を流通し、他方の水パイプ６より流出する。そして、排ガス７と冷却水８との間に熱交換が行われるものである。

入口コア３ａを構成する偏平チューブ１は、高耐食性を有するステンレス鋼からなり、出口コア３ｂはそれに比べて耐食性の低いステンレス鋼からなる偏平チューブ１の積層体からなる。
一例として、高耐食性を有するステンレス鋼（価格は廉価ステンレス鋼に比べ高価である）として、Ｃｒ１０．５％以上、Ｃ１．２％以下を含むＳＵＳ４４５Ｊ２、所謂スーパーステンレス等を用いることができる。耐食性の低い廉価なステンレス鋼として、ＳＵＳ３１６Ｌ等を用いることができる。
入口コア３ａは排ガス７の上流側にあり、その入口コア３ａの内部に高温の排ガス７が流通する。これに対して、出口コア３ｂは排ガス７の下流側に位置して、排ガス７の温度が低下している。排ガス７は、上流側から下流側に流通するにつれて、熱交換されているため、排ガス７の温度が徐々に下がる。言い換えると、コア３全体の長手方向における温度分布は上流側が高くなり、下流側は低くなる。
耐食性の低い廉価ステンレス材を使用した出口コア３ｂの腐食発生境界の温度Ｔ１の位置は、コア３全体を廉価ステンレス材とした時の長手方向における温度分布の熱解析結果と、後述のように導出する温度Ｔ１から、把握することができる。

図４は、出口コア３ｂを構成する耐食性の低いステンレス材料に対し、冷却水として水道水を用いた場合の温度と腐食電位及び自然電位の関係を示したものである。
水道水の残留塩素濃度に伴い、前記ステンレス材料の自然電位は上昇するが、一方、温度上昇に伴い、その自然電位は低減する。従って、例えば残留塩素濃度を１ｐｐｍ（水質管理目標の最大値）と固定した場合の自然電位は、図４に示す通り、温度上昇に伴って、次第に低下する。
また、同様に、水道水中の塩化物イオン濃度に伴い、前記ステンレス材料の腐食電位は上昇するが、一方、温度上昇に伴い、その腐食電位は低減する。従って、例えば、塩化物イオン濃度２００ｐｐｍ（省令水質基準の最大値）と固定した場合の腐食電位は、図４に示す通り、温度上昇に伴って、次第に低下する。
以上の関係より、出口コア３ｂを構成する耐食性の低いステンレス材料自体の温度を、所定の水道水環境で上昇させていくと、（自然電位＞腐食電位）の関係となるＴ１が導出される。温度Ｔ１よりも高温になると腐食が進行し、腐食発生の温度域となる。

そこで、本発明では図１に示す如く、供給する冷却水と接触して発生する前記出口コア３ｂの耐食性の低い材料の自然電位が、その腐食電位より低くなる温度Ｔ１の位置を入口コア３ａと出口コア３ｂとの境の空間部１４に位置させる。
一方、入口コア３ａのステンレス材料は、所定の水道水環境下で、想定される最大温度においても、（自然電位＜腐食電位）の関係を維持できる高耐食性ステンレス材料を選定することとなる。
即ち、入口コア３ａ及び出口コア３ｂは、共にステンレス鋼板を用いると共に、廉価ステンレス材の腐食発生の温度域に配置される入口コア３ａは、より耐食性の高い高価な素材を用いる。そして、廉価ステンレス材の腐食が生じ難い温度領域に配置される出口コア３ｂは入口コア３ａの材料よりも廉価な素材を用いることができる。それにより、全体として熱交換器を安価に形成できるとともに、腐食の生じ難い信頼性の高い熱交換器を形成することができる。
本願発明は、排熱回収用の熱交換器として利用できる。

１ 偏平チューブ
１ａ 溝底
１ｂ 第１の溝型プレート
１ｃ 第２の溝型プレート
１ｄ 膨出部
１ｅ 延長部
１ｆ 側壁
２ 入口
３ コア
３ａ 入口コア
３ｂ 出口コア

５ ケーシング
５ａ ケーシング本体
５ｂ 蓋材
５ｃ 水側連結部
６ 水パイプ
７ 排ガス
８ 冷却水
９ ガスタンク部
１０ ガスパイプ
１１ インナーフィン
１２ ディンプル
１３ 水タンク
１４ 空間部
Ｔ１ 温度

Claims (3)

1. それぞれ、長手方向の両端部の溝底（１ａ）の高さが、中間部のそれより高く厚み方向に膨出された膨出部（１ｄ）を有する第１の溝型プレート（１ｂ）と第２の溝形プレート（１ｃ）とを有し、第１の溝形プレート（１ｂ）の溝底と第２の溝型プレート（１ｃ）の溝底とを、互いに対向させて嵌着して偏平チューブ（１）が構成され、複数の偏平チューブ（１）を前記膨出部（１ｄ）で積層してコア（３）が形成され、コア（３）の外周にケーシング（５）が被嵌され、コア（３）の各偏平チューブ（１）内に高温の排ガス（７）が流通すると共に、各偏平チューブ（１）の外周に冷却水（８）が流通するヘッダープレートレス型熱交換器において、
   排ガス（７）の入口（２）側に配置され、高耐蝕性材料からなる前記偏平チューブ（１）の積層体からなる入口コア（３ａ）と、その入口コア（３ａ）に直列して前記排ガス（７）の出口側に配置され、前記高耐蝕性材料に比べて耐蝕性の低い材料からなる偏平チューブ（１）の積層体からなる出口コア（３ｂ）とを有し、
   両コア（３ａ）（３ｂ）の外周が前記ケーシング（５）で被嵌されたヘッダープレートレス型熱交換器。
2. 前記入口コア（３ａ）、出口コア（３ｂ）の端どうしが前記長手方向に互いに離間し、少なくとも一方側のコアの偏平チューブ（１）の前記膨出部（１ｄ）の側壁（１ｆ）が前記長手方向に延長されて延長部（１ｅ）を構成し、その延長部（１ｅ）が他方のコアの偏平チューブ（１）の端部に接合された請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器。
3. 前記入口コア（３ａ）と出口コア（３ｂ）との境において、供給する冷却水と接触して発生する前記出口コア（３ｂ）の耐食性の低い材料の自然電位が、その腐食電位より低くなる温度Ｔ１となるように構成した請求項１又は請求項２のいずれかに記載のヘッダープレートレス型熱交換器。

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