JP2005326098A

JP2005326098A - 熱交換器

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Publication number: JP2005326098A
Application number: JP2004145551A
Authority: JP
Inventors: Taiji Sakai; 耐事坂井; Tadamichi Aoyama; 忠道青山
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: JP4318037B2

Abstract

【課題】多数の偏平チューブ１が並列されてコア２を構成し、そのコア２の外周に断面方形の内筒11が被嵌され、その外側に円筒形のケーシング６が設けられると共に、コア２の両端部に一対の第１タンク５が設けられ且つ、ケーシング６の両端位置に一対の第２出入口10が形成されたものにおいて、第２出入口10から導かれる第２流体７の流通に伴う圧力損失を低減すること。
【解決手段】第１タンク５の外周に凹陥した弧状曲面５ａを周方向に形成し、それとケーシング６内面との間に第２流体７の誘導路８を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱回収器や燃料電池改質器その他高温ガスが流通する高温度用熱交換器に関する。

一例として、燃料電池に供給される水素は、高温度用熱交換器である改質器で生成している。係る熱交換器として、下記特許文献に記載された発明が知られている。
この発明は、本出願人自身が開発したものであって、偏平チューブを定間隔に並列してコアを構成し、そのコアの外周に断面方形の内筒を被嵌すると共に、その外側に円形のケーシングを被嵌し、各チューブの両端をチューブプレートに貫通固定する。また、ケーシングの長手方向両端位置に低温流体の一対の出入口を設ける。さらに、一対のチューブプレートの外周に高温流体の出入口用タンクを設けたものである。そして、低温流体はケーシング内に導かれ、各チューブの外面側を流通する。また、高温流体は各チューブ内に流通し、両流体間に熱交換が行われるものである。
このように内筒を断面方形に形成し、外筒を円筒状に形成することにより、耐圧性の高い熱交換器を得る。

特開２００４−０６０９３２号公報

前記の熱交換器において、各チューブの外面側を流通する低温流体は、ケーシングの一端部の流入口から他端部の流出口に流通するが、各チューブの各部を均一に流通し難いに欠点がある。これは、図９において、低温流体である第２流体７が第２出入口10からケーシング６の端部に供給されると、第２出入口10側に位置する各偏平チューブ１には、その第２流体７が直接供給されるが、第２出入口10から遠い側にある偏平チューブ１には内筒11を迂回して第２流体７が流通する。ところが、方形の内筒11と円筒形のケーシング６との間隔は内筒11の隅部において狭くなり、その部分で流体の圧力損失が大きくなる欠点がある。そのため、第２出入口10からより遠い側に位置する偏平チューブ１を流通する第２流体７の流量が少なくなる欠点がある。
このことは、各偏平チューブ１の各部に第２流体７が均一に流れないことになり、全体として熱交換性能が低下するおそれがある。

また、第２出入口10に近い側の偏平チューブ１と遠い側の偏平チューブ１とでは、その熱膨張に差が生じ、耐久性に問題を起こすおそれがある。
なお、第２出入口10を図９の位置より９０°回転した位置に配置することにより、偏平チューブ１の各部に流通する第２流体７の流量をより均一にすることも考えられる。その場合であっても、内筒11の隅部とケーシング６の内面との隙間が少ない部分において、第２流体７の流通に伴う圧力損失が大きくなり、第２流体７の円滑な供給がし難い欠点がある。このような圧力損失は、第２流体７の入口側のみならず出口側においても生じる。

次に、図１０は従来型熱交換器の変形例で、図において下側のタンクに連通する第１出入口９が、そのタンクの側部に設けられたものである。このような場合、第１出入口９と第２出入口10との取付け位置に段差が生じ配管周りが複雑化し、全体としてコンパクト性に欠ける欠点がある。
そこで、本発明は上記各種の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、定間隔に並列された多数の偏平チューブ(1) の集合体からなり、その集合体の横断面外周が略方形に形成されたコア(2) と、
そのコア(2) の両端に位置し、夫々の偏平チューブの両端が連通固定される一対のチューブプレート(3) と、
少なくとも一方の前記チューブプレート(3) の外周から、前記偏平チューブ(1) の延長方向に延在して、内部に第１流体(4) が導かれる第１タンク(5) と、
その第１タンク(5) の外周および前記コア(2) の外周に被嵌された円筒形のケーシング(6) と、
そのケーシング(6) の両端部外周に開口し、第２流体(7) が導かれる一対の第２出入口(10)と、
前記第１タンク(5) の外周に周方向に凹陥され、それと前記ケーシング(6) の内面との間に形成されて前記第２流体(7) を導く誘導路(8) と、
を具備し、各偏平チューブ(1) の内部に前記第１流体(4) が流通し、その外面側に前記第２流体(7) が流通するように構成された熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
少なくとも一方の前記チューブプレート(3) の周縁が方形に形成され、前記第１タンク(5) の外周がタンクの内面側に凹陥する断面弧状の弧状曲面(5a)の筒状に形成され、その筒状の先端縁が前記ケーシング(6) に接続され、その弧状曲面(5a)とケーシング(6) の内面との間に前記誘導路(8) が形成される熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、請求項１において、
少なくとも一方の前記チューブプレート(3) の周縁部が略方形に形成され、前記第１タンク(5) の外周の少なくとも一部に、タンクの内面側に凹陥する断面弧状の弧状曲面(5a)が筒状に形成され、その筒状の先端縁が前記ケーシング(6) の一端を閉塞する蓋部(6a)に接続され、そのケーシング(6) の一端部外周に前記第１タンク(5) に連通する第１出入口(9) が開口し、その第１出入口(9) から周方向に離間し且つ、前記弧状曲面(5a)外周に対向する位置で、ケーシング(6) の端部に第２出入口(10)が開口され、前記弧状曲面(5a)と前記ケーシング(6) の内面との間に前記誘導路(8) が設けられ、
前記第１出入口(9) と、前記第２出入口(10)とが、ケーシング(6) の軸線方向の同一位置に存在する熱交換器である。

請求項４に記載の本発明は、請求項１において、
前記コア(2) の外周が、断面方形の内筒(11)で被嵌され、その内筒の両端部の対向面で且つ、前記偏平チューブ(1) の平面に直交する面に、前記第２流体(7) の出入口部(12)が開口され、
前記第２出入口(10)が、内筒(11)の前記出入口部(12)の存在しない閉塞面に対向して開口する熱交換器である。

本発明の熱交換器は、第１タンク５の外周が周方向に凹陥され、それとケーシング６の内面との間に第２流体７を導く誘導路８が設けられたものであるから、コア２の横断面外周が略方形に形成され且つ、ケーシング６が円筒形に形成されていても、誘導路８を介して第２流体７を円滑に各チューブに均等に導くことができる。また第２流体を円滑に誘導路８に導くことができるので、その流通に伴う圧力損失を減少し熱交換を促進し得る。

上記構成において、ケーシング６の端部に第１出入口９と第２出入口10とを、そのケーシング６の軸線方向の同一位置に設けたものにおいては、第１出入口９と第２出入口10とに接続される配管がコンパクトに収まり、配管を含めて省スペースな熱交換器となり得る。

上記構成において、コア２の外周を内筒11で被嵌し、その内筒11の端部に出入口部12を設け、その出入口部12の存在しない位置で、第２出入口10をケーシング６の端部に開口したものにおいては、各偏平チューブ１にさらに均等に第２流体７を流通させ熱交換性能を向上できる。

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。
図１は本発明の熱交換器の要部分解斜視図であり、図２はその組立て状態を示す斜視図、図３は図２における III− III矢視断面図である。
この熱交換器は高温の流体が流通するものであって、ケーシング６と内筒11とコア２とコア２の両端に配置された一対の第１タンク５とを有する。
コア２は、多数の偏平チューブ１を小隙を有して互いに平行に複数列並列したチューブ群を有し、そのチューブ群の外周が略方形（この場合正方形）に形成されている。そしてチューブの両端は、第１タンク５のチューブプレート３に貫通し、その貫通部が気密に固定されている。コア２を被嵌する内筒11は、コア２の外周に相似形でそれより僅かに大きい断面方形（正方形）に形成されている。その内筒11は図１に示す如く、その両側部が上下一対の部分よりもその端部が短くなり、そこに第２流体の出入口部12が形成される。そして、内筒11の上下一対の部材の両端はチューブプレート３に接合されている。

また、内筒11の外周とケーシング６の内周との間には、ケーシング６の軸線方向に離間して一対の第１バッフルプレート13，第２バッフルプレート14が配置されている。そして第２バッフルプレート14は、図３に示す如く、その内周が内筒11に溶接され、第１バッフルプレート13の内周は溶接されることなく、そこに非溶接部19が形成される。
ケーシング６の軸線方向中間部には波形曲折部15が設けられ、それによって各部品の熱膨張差を吸収する。さらにケーシング６の長手方向両端部であって、チューブプレート３に近接した位置には一対の第２出入口10が設けられ、それが内筒11内に連通する。
なお、コア２の偏平チューブ１内にはインナーフィン16が挿通され、その外面側にはアウターフィン17が設けられている（図１）。

ここにおいて、本発明の特徴とするところは、第１タンク５の外周形状である。この例では、第１タンク５は内筒11の外周に整合するチューブプレート３の周縁から筒状に突出され、その筒状の開口端の縁部が、ケーシング６の開口縁に溶接されている。この第１タンク５の筒状部外周は、内面側に凹陥する断面弧状の弧状曲面５ａを周方向に有し、その弧状曲面５ａとケーシング６の内周との間に誘導路８を形成する。即ち、第２出入口10から流入した第２流体７が弧状曲面５ａに沿って流通し、第２出入口10から遠い側の内筒11の出入口部12からも流入し、各偏平チューブ１外周を均一に流通する。そして、内筒11の出入口部12の両側からそれが流出し、第２出入口10に導かれる。このとき第２出入口10より遠い側を通る第２流体７は、第１タンク５の弧状曲面５ａを流通して円滑に第２出入口10に導かれる。これは、出入口部12から流出した第２流体７がその内筒11の方形の隅部を通ることなく、略円筒形の弧状曲面５ａを円滑に流通することを意味する。それによって、第２流体７の流通に伴う圧力損失を低減し、各偏平チューブ１外周を略均等に第２流体７を流通させることができる。

次に、図４〜図７は本発明の第２の実施の形態を示し、図４はその要部分解斜視図、図５はその組立て状態を示す縦断面図であり、図６は図５のＡ−Ａ矢視断面図、図７は同Ｂ−Ｂ矢視断面図である。
この例が前記第１の実施の形態と異なる点は、図４において上側に位置するチューブプレート３が円形に形成され、そのチューブプレート３とケーシング６の上端閉塞面との間が波形曲折部15で連結されていること、及び図５において、下側の第２出入口10及び第１出入口９の夫々の軸線が同一の高さに存在することである。さらに、第２出入口10の開口に対向した位置に第１タンク５の弧状曲面５ａが形成されていること、及び第１タンク５のチューブプレート３がケーシング６の内面に接合されていることである。

そして図５において、下側の第２出入口10から流入した第２流体７は、弧状曲面５ａに沿って第１タンク５の外周を流通し、コア２の各偏平チューブ１外面側に均等に供給される。そしてコア２の上端部とチューブプレート３との間を流通し、一部波形曲折部15の外周を流通して上側の第２出入口10からそれが流出する。
また、上側の第１出入口９から流入した第１流体４は各偏平チューブ１内を流通し、下側の第１タンク５から第１出入口９に流出する。その間、第１流体４と第２流体７との熱交換が行われる。
そして特に、第２流体７はその流入側の第２出入口10において、第１タンク５の弧状曲面５ａに導かれ、次いでチューブプレート３側に回り込み各偏平チューブ１を均等に流通する。

次に、図８は本発明のさらに他の実施の形態を示し、この例が図５のものと大きくことなる点は、ケーシング６の外面側に波形曲折部15が設けられていることである。

本発明の熱交換器の第１の実施の形態の示す要部分解斜視図。同熱交換器の組立て状態を示す斜視図。図２の III− III矢視断面図。本発明の熱交換器の第２の実施の形態の示す要部分解斜視図。同熱交換器の組立て状態を示す縦断面図。

図５のＡ−Ａ矢視断面図。図５のＢ−Ｂ矢視断面図。本発明の熱交換器の第３の実施の形態の示す縦断面図。従来型熱交換器の第２流体７の流れを示す説明図。従来型熱交換器の他の例を示す縦断面図。

符号の説明

１偏平チューブ
２コア
３チューブプレート
４第１流体
５第１タンク
５ａ弧状曲面
６ケーシング
６ａ蓋部
７第２流体
８誘導路
９第１出入口
10 第２出入口

11 内筒
12 出入口部
13 第１バッフルプレート
14 第２バッフルプレート
15 波形曲折部
16 インナーフィン
17 アウターフィン
18 溶接部
19 非溶接部

Claims

定間隔に並列された多数の偏平チューブ(1) の集合体からなり、その集合体の横断面外周が略方形に形成されたコア(2) と、
そのコア(2) の両端に位置し、夫々の偏平チューブの両端が連通固定される一対のチューブプレート(3) と、
少なくとも一方の前記チューブプレート(3) の外周から、前記偏平チューブ(1) の延長方向に延在して、内部に第１流体(4) が導かれる第１タンク(5) と、
その第１タンク(5) の外周および前記コア(2) の外周に被嵌された円筒形のケーシング(6) と、
そのケーシング(6) の両端部外周に開口し、第２流体(7) が導かれる一対の第２出入口(10)と、
前記第１タンク(5) の外周に周方向に凹陥され、それと前記ケーシング(6) の内面との間に形成されて前記第２流体(7) を導く誘導路(8) と、
を具備し、各偏平チューブ(1) の内部に前記第１流体(4) が流通し、その外面側に前記第２流体(7) が流通するように構成された熱交換器。
請求項１において、
少なくとも一方の前記チューブプレート(3) の周縁が方形に形成され、前記第１タンク(5) の外周がタンクの内面側に凹陥する断面弧状の弧状曲面(5a)の筒状に形成され、その筒状の先端縁が前記ケーシング(6) に接続され、その弧状曲面(5a)とケーシング(6) の内面との間に前記誘導路(8) が形成される熱交換器。
請求項１において、
少なくとも一方の前記チューブプレート(3) の周縁部が略方形に形成され、前記第１タンク(5) の外周の少なくとも一部に、タンクの内面側に凹陥する断面弧状の弧状曲面(5a)が筒状に形成され、その筒状の先端縁が前記ケーシング(6) の一端を閉塞する蓋部(6a)に接続され、そのケーシング(6) の一端部外周に前記第１タンク(5) に連通する第１出入口(9) が開口し、その第１出入口(9) から周方向に離間し且つ、前記弧状曲面(5a)外周に対向する位置で、ケーシング(6) の端部に第２出入口(10)が開口され、前記弧状曲面(5a)と前記ケーシング(6) の内面との間に前記誘導路(8) が設けられ、
前記第１出入口(9) と、前記第２出入口(10)とが、ケーシング(6) の軸線方向の同一位置に存在する熱交換器。
請求項１において、
前記コア(2) の外周が、断面方形の内筒(11)で被嵌され、その内筒の両端部の対向面で且つ、前記偏平チューブ(1) の平面に直交する面に、前記第２流体(7) の出入口部(12)が開口され、
前記第２出入口(10)が、内筒(11)の前記出入口部(12)の存在しない閉塞面に対向して開口する熱交換器。