JP3405679B2 - 熱交換器 - Google Patents
熱交換器Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
- F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は焼却・発電プラント
等における高温廃熱利用システムに用いる熱交換器用伝
熱管を用いた熱交換器に関する。 【０００２】 【従来の技術】焼却・発電プラント等で発生する高温廃
ガスの持つ熱エネルギーを有効利用し、プラント全体と
してのエネルギー効率を上げるため、発生した廃ガス等
の高温ガスによって隔壁を介して低温の被加熱ガスを加
熱する方式の熱交換器が利用されるようになってきてい
る。 【０００３】具体的には、高温ガスが発生もしくは通過
する空間に隔壁として伝熱管を配し、その管の内部に被
加熱ガスを送り込み、熱伝達により被加熱ガスを加熱す
るという方法が一般的である。 【０００４】従来より比較的低温の熱交換システムにお
いて伝熱管材に金属が用いられていたが、使用温度が１
０００℃以上と高温であることに加え、ガス自体の腐食
性も強いことから、金属では不適であり、代わりにセラ
ミックスが利用され始めている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、熱交換器用
伝熱管の熱伝達効率を高くするためには、管長／肉厚の
比を非常に高くした伝熱管を使用する必要があった。し
かし肉厚を薄くするとしても耐食性や強度面で限度があ
ることから、現実的にはガスの流路を長くするため伝熱
管を長尺化している。あるいは被加熱流体の供給速度を
落として伝熱管の本数を増やす方法も考えられている
が、何れにしてもそのためのスペースが必要となり、設
備の省スペース化の妨げとなっていた。 【０００６】更に、伝熱管の管長／肉厚の比が非常に高
いと、機械的強度や耐クリープ性が低いため、ハンドリ
ング性が悪く、長時間使用により変形してしまうという
問題があった。 【０００７】また、伝熱管を片側封止形状として、その
内部に内管を挿入し、内管を通じて被加熱ガスを伝熱管
封止部に供給し、内管と伝熱管の空隙を通過させながら
加熱させる方式の熱交換機用の伝熱管では、封止部にお
いて、外側が１０００℃以上の高温であり、内側から低
温の被加熱ガスが吹き付けられるため非常に熱応力がか
かりやすく、封止部が破損しやすいという問題も生じて
いた。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は内外で熱交換を
行うようにした熱交換器において、内外で熱交換を行う
ようにした伝熱管をセラミックスで形成するとともに、
その内面に複数のフィンを一体的に形成し、片側に側面
と滑らかに連続する曲面状の封止部を形成するととも
に、該封止部の内面中央部にはフィンの存在しない中抜
き部を備え、この伝熱管の内部に両端が開放した内管を
挿入し、内管を通じて被加熱ガスを伝熱管の封止部に供
給し、内管と伝熱管との隙間を通過して加熱させること
を特徴とする。 【０００９】これにより、伝熱管内面の表面積を増やす
ことができるため、熱伝達効率を高くできる。この為、
従来の伝熱管に比べて管長／肉厚の比を小さくすること
ができ、実質的にはセラミックス管の長さを短縮するこ
とが出来るため省スペース化に貢献できる。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図によ
って説明する。 【００１１】図１に示す伝熱管１は、本発明の比較例で
ある。セラミックスからなる円筒状体であり、その内面
に多数のフィン２を一体的に形成してある。この伝熱管
１の外面を高温ガス中に曝し、内側に被加熱ガスを通過
させれば、伝熱管１を介して熱交換を行い、被加熱ガス
を加熱することができる。このとき、フィン２を備えて
あることによって、伝熱面積を増やして熱効率を高める
ことができる。 【００１２】本発明の実施形態として、図２、３に示す
ように、伝熱管１の片側に、側面に滑らかに連続する曲
面状の封止部１ａを形成した形状とすることもできる。
この伝熱管１を用いる場合は、図３のように、内部に内
管４を挿入し、内管４を通じて被加熱ガスを伝熱管１の
封止部１ａに供給し、内管４と伝熱管１の空隙を通過さ
せながら加熱させる方式とする。 【００１３】ここで、フィン２の数が１枚では、十分な
伝熱特性向上効果が期待できないだけでなく、伝熱管１
の軸方向の重量バランスが取れない。逆にフィン２の数
が多すぎると、管の自重を増す結果となり、また伝熱管
１内部の空隙が狭くなり、流速が速くなりすぎるため、
十分な伝熱特性を期待できない。このため、フィン２の
数は６〜２４枚の間が好ましい。 【００１４】また、フィン２の厚さは伝熱管１の肉厚以
下が好ましく、フィン２の高さはフィン２の厚さ以上
で、他のフィン２や内管４と接触しない高さが好まし
い。これは、フィン２が厚すぎると熱衝撃特性が低下
し、逆に薄すぎると強度を保てないためである。また、
フィン２の高さは、低すぎると熱伝達効率を向上させに
くく、高すぎると他の部材に接触してしまうためであ
る。 【００１５】このようにフィン２を形成することによ
り、伝熱管１自体の単位長さ当たりの機械的強度を向上
させることができ、前述の通り伝熱管１の長さを短縮で
きるため、伝熱管１のハンドリング性や、耐クリープ性
を向上させることができる。 【００１６】また、好ましくは、フィン２は先端部に行
くほど緩やかに薄くなり、伝熱管１の内面との接続部２
ｂやフィン２の先端部２ａに曲率半径０．３〜３ｍｍの
曲面を形成しておけば、重量増や耐熱衝撃性低下を防
ぎ、強度低下要因を減らすことができ、好適である。 【００１７】さらに、図２、３に示す構造の伝熱管１に
ついては、フィン２同士の交差点となる封止部１ａの内
面中央に、フィン２の存在しない中抜き部３を形成して
ある。これにより、熱交換器としての使用時に、中抜き
部３の空気が流動しにくくなり、この部分は、伝熱管１
の外部の高温ガスと内管４から供給される被加熱ガスと
の間の温度境界層となり、上記被加熱ガスが直接封止部
１ａに当たることを防止できる。その結果、伝熱管１の
内外面の熱応力を緩和させることができ長寿命化が図れ
る。 【００１８】また、上記伝熱管１をなすセラミックスと
しては、炭化珪素や窒化珪素等のさまざまなセラミック
スを用いることができるが、特に炭化珪素質セラミック
スが好ましい。この炭化珪素質セラミックスとは、９０
重量％以上の炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、焼結助
剤としてＢ、Ｃ等を含むものである。このような炭化珪
素質セラミックスは、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、耐
熱衝撃性ΔＴ３００℃以上と優れた特性を有しており、
伝熱管１の材料として最適である。 【００１９】また、本発明の伝熱管１は、上述したセラ
ミックス原料を用い、押出成形により図１、２に示す形
状となるように一体成形し、得られた成形体を真空雰囲
気中、１９００〜２３００℃で焼成することによって得
ることができる。このようにすれば、フィン２を一体的
に備えた伝熱管１を容易に得ることができる。 【００２０】 【実施例】本発明の具体的な実施例を説明する。 【００２１】先ず、ＳｉＣを主成分とし、Ｂ、Ｃ等を含
む組成からなるセラミックス原料粉末にバインダーを添
加して坏土状とする。これを良く混練した後、所望の断
面形状になるような金型を使用して押出成形機にて成形
する。 【００２２】金型はダイスとコアピンとダイスヘッドの
３つから成る。コアピンの先端部は伝熱管成形体の封止
部内面形状を形成するために半球面状もしくはそれに準
ずるような滑らかな曲面形状となっており、表面には成
形体にフィンが形成されるように深い溝を切った形状と
なっている。ダイスは伝熱管成形体の外側面が形成され
る様に円形に、ダイスヘッド内面は伝熱管成形体の封止
部外面を形成するため半球面状もしくはそれに準ずるよ
うな滑らかな曲面形状となっている。 【００２３】押し出し成形開始時にはダイスにダイスヘ
ッドが固定してあり、成形体はダイスとダイスヘッドと
コアピンの間に充填される。その後、ダイスヘッドを外
し、押し出し成形を進めることにより、図２に示すよう
に内面にフィン２を備え片側を封止した伝熱管成形体を
得る。 【００２４】以上の様な方法で得られた成形体を十分乾
燥させた後、最適な条件で焼成し、焼結体を得た。 【００２５】実施例１ 上記の製造方法により、内側に高さ１２ｍｍのフィンが
複数枚形成された外径７２ｍｍ、内径６４ｍｍ、長さが
１１００ｍｍ及び８００ｍｍの片側封止の伝熱管１を作
製した。 【００２６】そして伝熱管１を図４に示すような試験装
置に封止端から表１に示す有効長になる位置まで挿入し
た。ここで有効長は伝熱管１が熱交換に寄与できる長さ
のことを示す。更に伝熱管１の内部に外径３６ｍｍ、内
径３０ｍｍの両端開放の内管４を、伝熱管１の封止端か
ら内管４の端面までの距離が１００ｍｍとなる位置まで
挿入した。 【００２７】そして、試験装置内を１２００℃に加熱
し、内管４内部に２００℃に加熱された空気を供給し
た。そして表１中Ｎｏ．１の伝熱管１にて開放端側で５
００℃となるように供給する空気の流量を調整し、他の
伝熱管１でも流量一定で評価ができるように固定した。
図４中の矢印は空気の流れ方向を示す。 【００２８】そして、流量一定にて、表１に示すように
伝熱管１の有効長とフィン数を変化させた条件で得られ
る空気の温度を測定した。 【００２９】結果を表１に示すように、フィン２を形成
することで、空気温度を高くし、熱交換効率が高くでき
ることが確認された。例えば、Ｎｏ．１とＮｏ．７を比
較すると、１２枚のフィンを形成することで、フィンの
ない伝熱管に比べ、約７割の有効長で同等以上の温度の
流体を得ることができた。 【００３０】しかし、逆に２４枚のフィン２を形成した
伝熱管１では、伝熱管１と内管４の空隙減少に伴う被加
熱ガスの流速が速くなりすぎ、伝熱管内表面積増加によ
る熱伝達向上効果が追いつかず、得られる空気温度がフ
ィン数１２枚の伝熱管１を下回ったと思われる。 【００３１】 【表１】 【００３２】実験例２ 上記の伝熱管１を０．５ｍの高さからコンクリート上に
自由落下させて破壊の有無を確認した。結果を表２に示
す。試験本数は７本であり、表中のＮｏは実験例１のＮ
ｏと対応している。 【００３３】なお、端面のチッピング等の微小破損は含
めず、完全に伝熱管として使用不能なレベルのものの破
壊本数を調査した。 【００３４】結果を表２に示すように、Ｎｏ．１の伝熱
管とＮｏ．７の伝熱管は実験例１にて同等の熱伝達性能
を示しているが、前者が６本破壊しているのに比較し、
後者は３本と減少している。これは、フィンを形成する
ことで全長を短縮でき、又フィン自身も伝熱管の強度を
高めていることがハンドリング性向上につながったと思
われる。 【００３５】 【表２】【００３６】実験例３ 上記と同じ材質、寸法で、内側に高さ１２ｍｍのフィン
が１２枚形成された両端開放の伝熱管を作製した。 【００３７】そして還元雰囲気焼成炉内で両端から５０
ｍｍの位置で支持し、１４００℃×１００時間熱処理し
た。各２個について熱処理後反り変形量を測定し、平均
を求めた。 【００３８】結果を表３に示すように、フィンを形成す
ることによって耐クリープ性が向上することが確認され
た。 【００３９】 【表３】 【００４０】実験例４ 実験例１と同じ伝熱管を用い、図４に示すような試験装
置に挿入し、内部に外径３６ｍｍ、内径３０ｍｍの内管
を、伝熱管封止端から内管の端面までの距離が５０ｍｍ
となる位置まで挿入した。 【００４１】その後試験装置内を１４００℃に加熱し、
内管から室温の空気を断続的に供給する熱サイクル試験
６０分間行い、試験数５個のうちクラック等の破損を生
じた伝熱管数を調査した。 【００４２】結果を表４に示すように、フィンを形成し
た伝熱管は形成していないＮｏ．１の伝熱管と比べて破
損数が少ない。フィン同士の交差点となる封止端中央部
を中抜きとしたことで、封止部内面の中抜き部や交差部
周辺に温度境界層が生じ、内外面の熱応力を緩和されて
寿命が向上することが分かった。 【００４３】 【表４】 【００４４】実験例５ 表５に示す複数のセラミックスにより、内側に高さ１２
ｍｍのフィンが１２枚形成された実験例１と同様の片側
封止の伝熱管を作製した。そして伝熱管を図４に示すよ
うな試験装置に挿入し、更に実験例１と同様に伝熱管内
部に内管を挿入した。 【００４５】そして、試験装置内を１２００℃に加熱
し、内管内部に２００℃に加熱された空気を供給した。
表１中Ｎｏ．１の炭化珪素質伝熱管にて伝熱管の開放端
側で５００℃となるように供給する空気の流量を調整
し、他の伝熱管でも流量一定で評価が出来るように固定
した。そして、各材質の伝熱管で得られる空気の温度を
測定した。 【００４６】表５に結果を示す。同時に各材料の熱伝導
率と耐熱衝撃性の測定結果も示す。今回評価した材料内
では熱伝導率炭化珪素が最も高い空気温度を示した。ま
たアルミナとジルコニアは管が破損し測定できなかっ
た。本実験で炭化珪素が伝熱管材として最も優れている
ことが分かった。 【００４７】 【表５】 【００４８】 【発明の効果】以上のように伝熱管の内側にフィンを形
成することにより熱伝達特性を高め、省スペース化を促
進できる。更に耐クリープ性、ハンドリング性を高める
ことができるため長寿命化が図れる。 【００４９】また片側を封止した伝熱管において封止端
部を曲面状とし、フィン同士の交差点となる封止部内面
の中央部を中抜きとすることにより、封止部の熱衝撃に
よる破損を抑えることができる。
等における高温廃熱利用システムに用いる熱交換器用伝
熱管を用いた熱交換器に関する。 【０００２】 【従来の技術】焼却・発電プラント等で発生する高温廃
ガスの持つ熱エネルギーを有効利用し、プラント全体と
してのエネルギー効率を上げるため、発生した廃ガス等
の高温ガスによって隔壁を介して低温の被加熱ガスを加
熱する方式の熱交換器が利用されるようになってきてい
る。 【０００３】具体的には、高温ガスが発生もしくは通過
する空間に隔壁として伝熱管を配し、その管の内部に被
加熱ガスを送り込み、熱伝達により被加熱ガスを加熱す
るという方法が一般的である。 【０００４】従来より比較的低温の熱交換システムにお
いて伝熱管材に金属が用いられていたが、使用温度が１
０００℃以上と高温であることに加え、ガス自体の腐食
性も強いことから、金属では不適であり、代わりにセラ
ミックスが利用され始めている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、熱交換器用
伝熱管の熱伝達効率を高くするためには、管長／肉厚の
比を非常に高くした伝熱管を使用する必要があった。し
かし肉厚を薄くするとしても耐食性や強度面で限度があ
ることから、現実的にはガスの流路を長くするため伝熱
管を長尺化している。あるいは被加熱流体の供給速度を
落として伝熱管の本数を増やす方法も考えられている
が、何れにしてもそのためのスペースが必要となり、設
備の省スペース化の妨げとなっていた。 【０００６】更に、伝熱管の管長／肉厚の比が非常に高
いと、機械的強度や耐クリープ性が低いため、ハンドリ
ング性が悪く、長時間使用により変形してしまうという
問題があった。 【０００７】また、伝熱管を片側封止形状として、その
内部に内管を挿入し、内管を通じて被加熱ガスを伝熱管
封止部に供給し、内管と伝熱管の空隙を通過させながら
加熱させる方式の熱交換機用の伝熱管では、封止部にお
いて、外側が１０００℃以上の高温であり、内側から低
温の被加熱ガスが吹き付けられるため非常に熱応力がか
かりやすく、封止部が破損しやすいという問題も生じて
いた。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は内外で熱交換を
行うようにした熱交換器において、内外で熱交換を行う
ようにした伝熱管をセラミックスで形成するとともに、
その内面に複数のフィンを一体的に形成し、片側に側面
と滑らかに連続する曲面状の封止部を形成するととも
に、該封止部の内面中央部にはフィンの存在しない中抜
き部を備え、この伝熱管の内部に両端が開放した内管を
挿入し、内管を通じて被加熱ガスを伝熱管の封止部に供
給し、内管と伝熱管との隙間を通過して加熱させること
を特徴とする。 【０００９】これにより、伝熱管内面の表面積を増やす
ことができるため、熱伝達効率を高くできる。この為、
従来の伝熱管に比べて管長／肉厚の比を小さくすること
ができ、実質的にはセラミックス管の長さを短縮するこ
とが出来るため省スペース化に貢献できる。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図によ
って説明する。 【００１１】図１に示す伝熱管１は、本発明の比較例で
ある。セラミックスからなる円筒状体であり、その内面
に多数のフィン２を一体的に形成してある。この伝熱管
１の外面を高温ガス中に曝し、内側に被加熱ガスを通過
させれば、伝熱管１を介して熱交換を行い、被加熱ガス
を加熱することができる。このとき、フィン２を備えて
あることによって、伝熱面積を増やして熱効率を高める
ことができる。 【００１２】本発明の実施形態として、図２、３に示す
ように、伝熱管１の片側に、側面に滑らかに連続する曲
面状の封止部１ａを形成した形状とすることもできる。
この伝熱管１を用いる場合は、図３のように、内部に内
管４を挿入し、内管４を通じて被加熱ガスを伝熱管１の
封止部１ａに供給し、内管４と伝熱管１の空隙を通過さ
せながら加熱させる方式とする。 【００１３】ここで、フィン２の数が１枚では、十分な
伝熱特性向上効果が期待できないだけでなく、伝熱管１
の軸方向の重量バランスが取れない。逆にフィン２の数
が多すぎると、管の自重を増す結果となり、また伝熱管
１内部の空隙が狭くなり、流速が速くなりすぎるため、
十分な伝熱特性を期待できない。このため、フィン２の
数は６〜２４枚の間が好ましい。 【００１４】また、フィン２の厚さは伝熱管１の肉厚以
下が好ましく、フィン２の高さはフィン２の厚さ以上
で、他のフィン２や内管４と接触しない高さが好まし
い。これは、フィン２が厚すぎると熱衝撃特性が低下
し、逆に薄すぎると強度を保てないためである。また、
フィン２の高さは、低すぎると熱伝達効率を向上させに
くく、高すぎると他の部材に接触してしまうためであ
る。 【００１５】このようにフィン２を形成することによ
り、伝熱管１自体の単位長さ当たりの機械的強度を向上
させることができ、前述の通り伝熱管１の長さを短縮で
きるため、伝熱管１のハンドリング性や、耐クリープ性
を向上させることができる。 【００１６】また、好ましくは、フィン２は先端部に行
くほど緩やかに薄くなり、伝熱管１の内面との接続部２
ｂやフィン２の先端部２ａに曲率半径０．３〜３ｍｍの
曲面を形成しておけば、重量増や耐熱衝撃性低下を防
ぎ、強度低下要因を減らすことができ、好適である。 【００１７】さらに、図２、３に示す構造の伝熱管１に
ついては、フィン２同士の交差点となる封止部１ａの内
面中央に、フィン２の存在しない中抜き部３を形成して
ある。これにより、熱交換器としての使用時に、中抜き
部３の空気が流動しにくくなり、この部分は、伝熱管１
の外部の高温ガスと内管４から供給される被加熱ガスと
の間の温度境界層となり、上記被加熱ガスが直接封止部
１ａに当たることを防止できる。その結果、伝熱管１の
内外面の熱応力を緩和させることができ長寿命化が図れ
る。 【００１８】また、上記伝熱管１をなすセラミックスと
しては、炭化珪素や窒化珪素等のさまざまなセラミック
スを用いることができるが、特に炭化珪素質セラミック
スが好ましい。この炭化珪素質セラミックスとは、９０
重量％以上の炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、焼結助
剤としてＢ、Ｃ等を含むものである。このような炭化珪
素質セラミックスは、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、耐
熱衝撃性ΔＴ３００℃以上と優れた特性を有しており、
伝熱管１の材料として最適である。 【００１９】また、本発明の伝熱管１は、上述したセラ
ミックス原料を用い、押出成形により図１、２に示す形
状となるように一体成形し、得られた成形体を真空雰囲
気中、１９００〜２３００℃で焼成することによって得
ることができる。このようにすれば、フィン２を一体的
に備えた伝熱管１を容易に得ることができる。 【００２０】 【実施例】本発明の具体的な実施例を説明する。 【００２１】先ず、ＳｉＣを主成分とし、Ｂ、Ｃ等を含
む組成からなるセラミックス原料粉末にバインダーを添
加して坏土状とする。これを良く混練した後、所望の断
面形状になるような金型を使用して押出成形機にて成形
する。 【００２２】金型はダイスとコアピンとダイスヘッドの
３つから成る。コアピンの先端部は伝熱管成形体の封止
部内面形状を形成するために半球面状もしくはそれに準
ずるような滑らかな曲面形状となっており、表面には成
形体にフィンが形成されるように深い溝を切った形状と
なっている。ダイスは伝熱管成形体の外側面が形成され
る様に円形に、ダイスヘッド内面は伝熱管成形体の封止
部外面を形成するため半球面状もしくはそれに準ずるよ
うな滑らかな曲面形状となっている。 【００２３】押し出し成形開始時にはダイスにダイスヘ
ッドが固定してあり、成形体はダイスとダイスヘッドと
コアピンの間に充填される。その後、ダイスヘッドを外
し、押し出し成形を進めることにより、図２に示すよう
に内面にフィン２を備え片側を封止した伝熱管成形体を
得る。 【００２４】以上の様な方法で得られた成形体を十分乾
燥させた後、最適な条件で焼成し、焼結体を得た。 【００２５】実施例１ 上記の製造方法により、内側に高さ１２ｍｍのフィンが
複数枚形成された外径７２ｍｍ、内径６４ｍｍ、長さが
１１００ｍｍ及び８００ｍｍの片側封止の伝熱管１を作
製した。 【００２６】そして伝熱管１を図４に示すような試験装
置に封止端から表１に示す有効長になる位置まで挿入し
た。ここで有効長は伝熱管１が熱交換に寄与できる長さ
のことを示す。更に伝熱管１の内部に外径３６ｍｍ、内
径３０ｍｍの両端開放の内管４を、伝熱管１の封止端か
ら内管４の端面までの距離が１００ｍｍとなる位置まで
挿入した。 【００２７】そして、試験装置内を１２００℃に加熱
し、内管４内部に２００℃に加熱された空気を供給し
た。そして表１中Ｎｏ．１の伝熱管１にて開放端側で５
００℃となるように供給する空気の流量を調整し、他の
伝熱管１でも流量一定で評価ができるように固定した。
図４中の矢印は空気の流れ方向を示す。 【００２８】そして、流量一定にて、表１に示すように
伝熱管１の有効長とフィン数を変化させた条件で得られ
る空気の温度を測定した。 【００２９】結果を表１に示すように、フィン２を形成
することで、空気温度を高くし、熱交換効率が高くでき
ることが確認された。例えば、Ｎｏ．１とＮｏ．７を比
較すると、１２枚のフィンを形成することで、フィンの
ない伝熱管に比べ、約７割の有効長で同等以上の温度の
流体を得ることができた。 【００３０】しかし、逆に２４枚のフィン２を形成した
伝熱管１では、伝熱管１と内管４の空隙減少に伴う被加
熱ガスの流速が速くなりすぎ、伝熱管内表面積増加によ
る熱伝達向上効果が追いつかず、得られる空気温度がフ
ィン数１２枚の伝熱管１を下回ったと思われる。 【００３１】 【表１】 【００３２】実験例２ 上記の伝熱管１を０．５ｍの高さからコンクリート上に
自由落下させて破壊の有無を確認した。結果を表２に示
す。試験本数は７本であり、表中のＮｏは実験例１のＮ
ｏと対応している。 【００３３】なお、端面のチッピング等の微小破損は含
めず、完全に伝熱管として使用不能なレベルのものの破
壊本数を調査した。 【００３４】結果を表２に示すように、Ｎｏ．１の伝熱
管とＮｏ．７の伝熱管は実験例１にて同等の熱伝達性能
を示しているが、前者が６本破壊しているのに比較し、
後者は３本と減少している。これは、フィンを形成する
ことで全長を短縮でき、又フィン自身も伝熱管の強度を
高めていることがハンドリング性向上につながったと思
われる。 【００３５】 【表２】【００３６】実験例３ 上記と同じ材質、寸法で、内側に高さ１２ｍｍのフィン
が１２枚形成された両端開放の伝熱管を作製した。 【００３７】そして還元雰囲気焼成炉内で両端から５０
ｍｍの位置で支持し、１４００℃×１００時間熱処理し
た。各２個について熱処理後反り変形量を測定し、平均
を求めた。 【００３８】結果を表３に示すように、フィンを形成す
ることによって耐クリープ性が向上することが確認され
た。 【００３９】 【表３】 【００４０】実験例４ 実験例１と同じ伝熱管を用い、図４に示すような試験装
置に挿入し、内部に外径３６ｍｍ、内径３０ｍｍの内管
を、伝熱管封止端から内管の端面までの距離が５０ｍｍ
となる位置まで挿入した。 【００４１】その後試験装置内を１４００℃に加熱し、
内管から室温の空気を断続的に供給する熱サイクル試験
６０分間行い、試験数５個のうちクラック等の破損を生
じた伝熱管数を調査した。 【００４２】結果を表４に示すように、フィンを形成し
た伝熱管は形成していないＮｏ．１の伝熱管と比べて破
損数が少ない。フィン同士の交差点となる封止端中央部
を中抜きとしたことで、封止部内面の中抜き部や交差部
周辺に温度境界層が生じ、内外面の熱応力を緩和されて
寿命が向上することが分かった。 【００４３】 【表４】 【００４４】実験例５ 表５に示す複数のセラミックスにより、内側に高さ１２
ｍｍのフィンが１２枚形成された実験例１と同様の片側
封止の伝熱管を作製した。そして伝熱管を図４に示すよ
うな試験装置に挿入し、更に実験例１と同様に伝熱管内
部に内管を挿入した。 【００４５】そして、試験装置内を１２００℃に加熱
し、内管内部に２００℃に加熱された空気を供給した。
表１中Ｎｏ．１の炭化珪素質伝熱管にて伝熱管の開放端
側で５００℃となるように供給する空気の流量を調整
し、他の伝熱管でも流量一定で評価が出来るように固定
した。そして、各材質の伝熱管で得られる空気の温度を
測定した。 【００４６】表５に結果を示す。同時に各材料の熱伝導
率と耐熱衝撃性の測定結果も示す。今回評価した材料内
では熱伝導率炭化珪素が最も高い空気温度を示した。ま
たアルミナとジルコニアは管が破損し測定できなかっ
た。本実験で炭化珪素が伝熱管材として最も優れている
ことが分かった。 【００４７】 【表５】 【００４８】 【発明の効果】以上のように伝熱管の内側にフィンを形
成することにより熱伝達特性を高め、省スペース化を促
進できる。更に耐クリープ性、ハンドリング性を高める
ことができるため長寿命化が図れる。 【００４９】また片側を封止した伝熱管において封止端
部を曲面状とし、フィン同士の交差点となる封止部内面
の中央部を中抜きとすることにより、封止部の熱衝撃に
よる破損を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器に用いられる伝熱管の比較例
を示す断面図である。 【図２】本発明の熱交換に用いられる伝熱管を示す断面
図である。 【図３】図２の伝熱管を用いた熱交換器を示す図であ
る。 【図４】実験例で使用した試験装置の概略図である。 【符号の説明】 １：伝熱管 ２：フィン ３：中抜き部 ４：内管
を示す断面図である。 【図２】本発明の熱交換に用いられる伝熱管を示す断面
図である。 【図３】図２の伝熱管を用いた熱交換器を示す図であ
る。 【図４】実験例で使用した試験装置の概略図である。 【符号の説明】 １：伝熱管 ２：フィン ３：中抜き部 ４：内管
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F28D 7/12
F28F 1/40
F28F 21/04
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】内外で熱交換を行うようにした伝熱管をセ
ラミックスで形成するとともに、その内面に複数のフィ
ンを一体的に形成し、片側に側面と滑らかに連続する曲
面状の封止部を形成するとともに、該封止部の内面中央
部にはフィンの存在しない中抜き部を備え、この伝熱管
の内部に両端が開放した内管を挿入し、内管を通じて被
加熱ガスを伝熱管の封止部に供給し、内管と伝熱管との
隙間を通過して加熱させることを特徴とする熱交換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18670298A JP3405679B2 (ja) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | 熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18670298A JP3405679B2 (ja) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | 熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000018850A JP2000018850A (ja) | 2000-01-18 |
| JP3405679B2 true JP3405679B2 (ja) | 2003-05-12 |
Family
ID=16193147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18670298A Expired - Fee Related JP3405679B2 (ja) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | 熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3405679B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2265742B1 (es) * | 2004-12-09 | 2008-02-01 | Paulino Pastor Perez | Sistema de refrigeracion por evaporacion de agua no pulverizada mediante doble circuito cerrado. |
| JP4717794B2 (ja) * | 2006-12-14 | 2011-07-06 | 共和真空技術株式会社 | 真空装置における蒸気凝結器 |
-
1998
- 1998-07-01 JP JP18670298A patent/JP3405679B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000018850A (ja) | 2000-01-18 |
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