(57)【要約】【課題】熱交換空気の剥離の低減を通じて熱交換効率を向上すること。【解決手段】熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管（１１）と、これらの伝熱管の管軸方向に一定間隔に配置される複数枚のフィン（１２）と、を備えるフィンチューブ熱交換器（１）において、複数枚のフィン間における熱交換空気の当接面の内部に流路（１３）を設け、当該流路を介して熱交換空気の一部を伝熱管における熱交換空気の流通方向の下流側に排出する構成とした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管と、
前記伝熱管の管軸方向に一定間隔に配置される複数枚のフィンと、を備え、
前記複数枚のフィン間における前記熱交換空気の当接面の内部に流路を設け、当該流路を介して前記熱交換空気の一部を前記伝熱管における前記熱交換空気の流通方向の下流側に排出したことを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
【請求項２】
前記流路は、前記複数枚のフィン間に配置される前記伝熱管の内部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
【請求項３】
前記複数枚のフィン間に配置される前記伝熱管を覆うフィンカラー部を備え、
前記流路は、前記フィンカラー部に形成される複数の貫通孔と、前記伝熱管に形成され、前記複数の貫通孔と連通する溝部と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィンチューブ熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用の熱交換器では、フィンチューブ熱交換器が一般的に用いられている。フィンチューブ熱交換器では、熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管と、これらの伝熱管の管軸方向に配置される複数枚のフィン（伝熱板）とを有し、伝熱管内に液媒体を流し、伝熱管の外周面とフィンにガス体（熱交換空気）を当てて熱交換させる。複数枚のフィンは、伝熱面積を拡大することで、熱移動量の増大に寄与する。
【０００３】
従来、このようなフィンチューブ熱交換器において、通風抵抗の増大を抑えつつ、熱交換効率を向上する各種の提案が行われている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１に記載のフィンチューブ熱交換器では、フィン面に対して所定の迎角を有し、且つ、伝熱管の中心から遠い端部で後退角を有するスリット状のルーバを備えている。このフィンチューブ熱交換器では、ルーバに後退角を設けることで、迎角の拡大による通風抵抗の増大を抑えつつ、熱交換効率の向上を図っている。
【０００４】
また、特許文献２に記載のフィンチューブ熱交換器では、伝熱管（パイプ）の周囲に配置されたフィンにスリット状の切り起こし部を設け、当該切り起こし部の形状を、伝熱管の近傍で狭くする一方、離れるに従って広くなるように構成している。このフィンチューブ熱交換器では、伝熱管からの距離に応じて熱交換空気が通過するスリットの数を変えることで、通風抵抗を小さくし、熱交換効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５３６５８３号公報
【特許文献２】特開平１１−６３８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１及び特許文献２に記載のフィンチューブ熱交換器においては、特殊な形状を有するルーバや切り起こし部をフィンに設けることで、伝熱係数を高めながら通風抵抗が増大するのを抑制している。ところで、円筒形状の伝熱管を有するフィンチューブ熱交換器においては、伝熱管からの流体（熱交換空気）の剥離が空気抵抗や熱伝達率向上の障害要因となっている。このような流体の剥離を抑制することは、熱交換器全体の熱交換効率の向上に寄与すると考えられる。
【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、熱交換空気の剥離の抑制を通じて空気抵抗を低減するとともに熱交換効率を向上することができるフィンチューブ熱交換器を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様のフィンチューブ熱交換器は、熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管と、前記伝熱管の管軸方向に一定間隔に配置される複数枚のフィンと、を備え、前記複数枚のフィン間における前記熱交換空気の当接面の内部に流路を設け、当該流路を介して前記熱交換空気の一部を前記伝熱管における前記熱交換空気の流通方向の下流側に排出したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換空気の剥離の抑制を通じて空気抵抗を低減するとともに熱交換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の斜視図である。
【図２】フィンチューブ熱交換器における伝熱管周辺の熱交換空気の流通状態の一例の説明図である。
【図３】本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の要部の斜視図である。
【図４】本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器における伝熱管周辺の熱交換空気の流通状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の複数の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、例えば、地熱発電設備内に設置される凝縮器などに好適に利用される。しかしながら、本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、これに限定されるものではなく、石油化学工場や精油工場の空冷式熱交換器や、焼却炉の空冷式復水器などの任意の熱交換器に適用することができる。
【００１２】
一般に、産業用の熱交換器として利用されるフィンチューブ熱交換器は、熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管と、これらの伝熱管の管軸方向に配置される複数枚のフィンとを有している。このようなフィンチューブ熱交換器では、伝熱管内に液媒体を流し、伝熱管の外周面とフィンにガス体を当てて熱交換させている。
【００１３】
従来、このようなフィンチューブ熱交換器において、通風抵抗の増大を抑えつつ、熱交換効率を向上する各種の提案が行われている。例えば、フィン面に対して所定の迎角を有し、且つ、伝熱管の中心から遠い端部で後退角を有するスリット状のルーバを備えるフィンチューブ熱交換器が知られている。このフィンチューブ熱交換器では、特殊な形状を有するルーバをフィンに設けることで、伝熱係数を高めながら、通風抵抗が増大するのを抑制している。
【００１４】
ところで、円筒形状の伝熱管を有するフィンチューブ熱交換器においては、伝熱管からの熱交換空気の剥離により、伝熱管における熱交換空気の下流側領域に死水域が形成されてしまう。死水域では、伝熱管下流側領域の圧力回復がなくなり負圧域が形成されるため、大きな空気抵抗が発生する。また、死水域では熱交換作用が生まれないため、熱伝達率の向上に寄与しない。このように、フィンチューブ熱交換器における熱交換効率を十分に向上できない。
【００１５】
本発明者らは、このような伝熱管からの熱交換空気の剥離が、通風抵抗増大と伝熱性能の障害の双方の要因となっていることに着目した。そして、伝熱管からの熱交換空気の剥離を抑制させることが、伝熱管下流側領域に形成される死水域を縮減し、熱交換効率の向上に寄与することを見出し、本発明に想到した。
【００１６】
すなわち、本発明の骨子は、熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管と、これらの伝熱管の管軸方向に一定間隔に配置される複数枚のフィンと、を備え、複数枚のフィン間における熱交換空気の当接面の内部に流路を設け、当該流路を介して熱交換空気の一部を伝熱管における熱交換空気の流通方向の下流側に排出することである。本発明において、当接面とは、熱交換空気が接する伝熱管表面またはフィンから伝熱管表面に突出したフィンカラー部を指す。
【００１７】
本発明によれば、複数枚のフィン間における熱交換空気の当接面に設けられた流路を介して伝熱管近傍で流れの遅くなった熱交換空気を伝熱管の下流側に吸入するとともに、伝熱管近傍よりも僅かに離れた位置を流れる熱交換空気（流れの速い熱交換空気）を伝熱管近傍に引き寄せることができる。これにより、伝熱管表面における速度勾配の低下を抑制でき、伝熱管からの熱交換空気の剥離を遅延させることができる。この結果、伝熱管の下流側領域に形成される死水域を縮減することができるので、熱交換効率を向上することができる。
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の構成について、図１を参照して説明する。以下においては、説明の便宜上、本発明に係るフィンチューブ交換器が地熱発電設備内に設置される凝縮器に適用される場合について説明する。しかしながら、本発明に係るフィンチューブ交換器は、詳細について後述するように、フィンチューブ熱交換器を構成する伝熱管に流す液媒体を変更し、各種工場に設置される熱回収器などに適用することもできる。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器（以下、適宜「熱交換器」という）１の斜視図である。なお、図１においては、説明の便宜上、フィンチューブ１０の一部を抜粋して示すと共に、一部のフィンチューブ１０の断面を示している。以下においては、図１に示す上下方向、前後方向及び左右方向を、本実施の形態に係る熱交換器１の上下方向、前後方向及び左右方向として説明する。
【００２０】
本実施の形態に係る熱交換器１が適用される凝縮器は、熱交換器１と、熱交換器１と対向して配置される不図示の送風機とを含んで構成される。ここでは、送風機が熱交換器１の上方側に配置されるものとするが、これに限定されない。送風機は、熱交換器１の下方側から空気（熱交換空気）を吸い上げ、上方側の外部空間に送り出す。すなわち、熱交換空気は、熱交換器１の上下方向に流通する。吸い上げられた熱交換空気は、熱交換器１で熱交換されることで暖められた後、外部に放出される。
【００２１】
熱交換器１は、図１に示すように、複数本のフィンチューブ１０を含んで構成される。フィンチューブ１０は、熱交換空気の流通方向（熱交換器１の上下方向）に配列されると共に、熱交換空気の流通方向と交差する方向（例えば、熱交換器１の左右方向）に配列されている。熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列される複数本のフィンチューブ１０は、熱交換空気の流通方向と直交する方向に配列されることが一般的である。
【００２２】
図１に示すように、フィンチューブ１０は、熱交換器１の左右方向に一定の間隔を挟んで配列されている。相対的に上方側に配置されたフィンチューブ１０は、相対的に下方側に配置された隣り合う一対のフィンチューブ１０の中央に配置される（図１に示す最上位置のフィンチューブ１０を参照）。同様に、相対的に下方側に配置されたフィンチューブ１０は、相対的に上方側に配置された隣り合う一対のフィンチューブ１０の中央に配置される（図１に示す最下位置のフィンチューブ１０を参照）。言い換えると、複数本のフィンチューブ１０は、正面視にて、千鳥状に配置されている。
【００２３】
フィンチューブ１０は、伝熱管１１と、伝熱管１１の外周面に配置された複数枚のフィン（伝熱板）１２とを有する。伝熱管１１は、概して円管形状を有しており、熱交換器１の前後方向に延在して構成される。例えば、伝熱管１１には、外径寸法が２５ｍｍの円管が使用されるが、これに限定されない。伝熱管１１の内部は、液媒体が流通可能に構成されている。例えば、液媒体として、温水を使用することができる。伝熱管１１の表面温度は、内部を流通する液媒体の温度に応じて変化する。
【００２４】
複数枚のフィン１２は、伝熱管１１の外周面に接合されている。例えば、フィン１２は、伝熱管１１の外径の一部又は全部を拡張する拡管加工により伝熱管１１の外周面に接合されるが、これに限定されない。フィン１２は、伝熱管１１の管軸方向に一定間隔を空けて配置されている。例えば、フィン１２は、２ｍｍ間隔、或いは、５ｍｍ間隔で配置される。全てのフィン１２は、同一の形状を有している。フィン１２は、正面視にて、概して円環形状を有している。各フィン１２の内縁部には、フィンカラー部１２１が設けられている。フィンカラー部１２１の所定位置には、複数の貫通孔１２２が形成されている。これらの貫通孔１２２は、後述する熱交換空気の流路１３の一部を構成する。
【００２５】
ここで、一般的なフィンチューブ熱交換器における伝熱管１１の周辺の熱交換空気の流通状態について、図２を参照して説明する。図２は、フィンチューブ熱交換器における伝熱管１１の周辺の熱交換空気の流通状態の一例の説明図である。図２Ａにおいては、フィンチューブ１０の正面図を示し、図２Ｂにおいては、伝熱管１１の表面近傍を模式的に示している。図２においては、説明の便宜上、本実施の形態と共通の符号を付与するものとする。また、図２Ａにおいては、熱交換空気の流れを破線矢印にて示している。なお、図２に示すフィンチューブ熱交換器では、本実施の形態に係る熱交換器１と異なり、熱交換空気の流路１３が設けられていない。
【００２６】
送風機によりフィンチューブ熱交換器の下方側から熱交換空気が吸い上げられると、熱交換空気は、伝熱管１１の下方側部分に当たり、その外周面に沿って上方側に流通する。そして、熱交換空気は、図２Ａに示すように、伝熱管１１における熱交換空気の流通方向の下流側領域にて、伝熱管１１から剥離し、伝熱管１１よりも外側（左右方向の外側）の領域を流通する。これにより、伝熱管１１の上方側には、死水域Ａが形成されてしまう。
【００２７】
ここで、伝熱管１１から熱交換空気が剥離する仕組みについて説明する。伝熱管１１の表面周辺において、熱交換空気は、図２Ｂに破線で示す速度境界層Ｂを有した状態で流通している。速度境界層Ｂの内側を流通する熱交換空気は、粘性の影響により速度勾配（∂ｕ／∂ｙ）を有する。そして伝熱管１１の表面との摩擦の影響を受けて、下流側に進むに従ってエネルギを失いながら流通し、例えば、逆圧力勾配の流れ（流れ方向に圧力が高くなる流れ）において伝熱管１１の表面の速度勾配（∂ｕ／∂ｙ）の値は、図２Ｂに示す位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃの順に小さくなる。そして、位置Ｄにて０となる。
【００２８】
位置Ｄより下流側において、エネルギを失った熱交換空気は、圧力に逆らいながら流れることができず、伝熱管１１の表面から剥離する。熱交換空気が伝熱管１１の表面から離れる位置（ここでは、位置Ｄ）は、剥離点と呼ばれる。剥離点の下流側には、伝熱管１１の表面近傍に、熱交換空気が流れない領域Ｃが形成される。領域Ｃでは、伝熱管１１の表面近傍に逆流が生じ、図２Ｂに示すように渦が発生する。
【００２９】
このような熱交換空気の剥離を抑制するために、本実施の形態に係る熱交換器１では、隣り合うフィン１２の間における熱交換空気の当接面の内部に流路を設け、当該流路を介して熱交換空気の一部を伝熱管１１の背面側（熱交換空気の流通方向の下流側）に排出する。本実施の形態においては、熱交換空気の当接面は、フィンカラー部１２１の外周面で構成される。図３は、本実施の形態に係る熱交換器１の要部の斜視図である。図３Ａにおいては、フィン１２を伝熱管１１に接合する前の状態を示し、図３Ｂにおいては、フィン１２を伝熱管１１に接合した状態を示している。
【００３０】
図３に示すように、伝熱管１１の表面には、複数の溝部１１１が設けられている。溝部１１１は、伝熱管１１の外周面の一部に、伝熱管１１の周方向に沿って設けられている。例えば、溝部１１１は、熱交換空気の流通方向の伝熱管１１の下流側の一部に設けられるが、これに限定されない。溝部１１１は、伝熱管１１の管軸方向に一定間隔を空けて配列されている。これらの溝部１１１は、フィン１２が伝熱管１１に接合された場合に隣り合うフィン１２の間の位置に配置される。すなわち、これらの溝部１１１は、フィンカラー部１２１に重なるように配置される。
【００３１】
一方、フィンカラー部１２１には、複数（本実施の形態では３つ）の貫通孔１２２が形成されている。複数の貫通孔１２２は、熱交換空気の流通方向と直交する方向（図３Ａに示す左右方向）に沿った直線上の位置に配置される一対の貫通孔１２２ａ、１２２ｂと、熱交換空気の流通方向（図３Ａに示す上下方向）の最も下流側の位置に対応して配置される貫通孔１２２ｃとを有している。これらの貫通孔１２２ａ〜１２２ｃは、９０度間隔で配置されている。貫通孔１２２ａと貫通孔１２２ｂとは、正面視にて、伝熱管１１の管軸方向の中心を挟んで対向する位置に配置される。これらの貫通孔１２２ａ、１２２ｂは、熱交換空気の流入孔や吸込み孔と呼ぶこともできる。貫通孔１２２ｃは、熱交換空気の排出孔と呼ぶこともできる。
【００３２】
伝熱管１１の外周面に複数のフィン１２が接合された場合において、同一のフィンカラー部１２１に形成された貫通孔１２２ａ〜１２２ｃは、同一の溝部１１１に対応する位置に配置される。これらの貫通孔１２２ａ〜１２２ｃと、溝部１１１と、フィンカラー部１２１の内周面とで熱交換空気の流路１３が形成される（図４参照）。すなわち、貫通孔１２２ａ、１２２ｂから流路１３に流入した熱交換空気は、溝部１１１内を通って貫通孔１２２ｃから排出される。これらの流路は、伝熱管１１の近傍を流通する熱交換空気の一部を吸い込み、伝熱管１１の背面側（図３に示す上方側）に流通させる役割を果たす。
【００３３】
ここで、本実施の形態に係る熱交換器１における伝熱管１１の周辺の熱交換空気の流通状態について、図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態に係る熱交換器１における伝熱管１１周辺の熱交換空気の流通状態の説明図である。図４Ａにおいては、流路１３を通る伝熱管１１の近傍の断面を模式的に示し、図４Ｂにおいては、フィンチューブ１０の正面図を示している。また、図４Ａ及び図４Ｂにおいては、一部の熱交換空気の流れを破線矢印にて示している。
【００３４】
図４Ａに示すように、伝熱管１１（フィンカラー部１２１）の表面近傍を流れる熱交換空気は、貫通孔１２２ａを介して流路１３内に進入している。これにより、伝熱管１１の近傍で流れが遅くなった熱交換空気が流路１３を介して伝熱管１１の下流側に排出される。より具体的には、位置Ｃにおける伝熱管１１の近傍で流れが遅くなった熱交換空気が流路１３を介いて伝熱管１１の下流側に排出される。これにより、伝熱管１１の近傍よりも僅かに離れた位置を流れる熱交換空気（流れの速い熱交換空気）が伝熱管１１の近傍に引き寄せられる。この結果、伝熱管１１表面における速度勾配の低下を抑制でき、伝熱管１１の表面からの熱交換空気の剥離を遅延させることができる。
【００３５】
図２Ｂとの比較において具体的に説明する。図２Ｂに示すように、流路１３が設けられていないフィンチューブ熱交換器では、熱交換空気の剥離点が位置Ｄであった。これに対し、本実施の形態に係る熱交換器１では、熱交換空気の剥離点が位置Ｅまで遅延している。このため、熱交換空気の剥離は、位置Ｅの下流側で発生する。
【００３６】
このように熱交換空気の剥離を遅延させることにより、図４Ｂに示すように、伝熱管１１の下流側領域で、図２Ａに示す死水域Ａの領域が縮減される。この結果、伝熱管下流域側の負圧域を縮小することができ、空気抵抗を低減できるとともに、フィン１２における熱交換作用を発揮する領域を拡大することができ、熱交換効率を向上することができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態に係る熱交換器１においては、熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管１１と、これらの伝熱管１１の管軸方向に一定間隔に配置される複数枚のフィン１２と、を備え、複数枚のフィン１２間における熱交換空気の当接面の内部に流路１３を設け、この流路１３を介して熱交換空気の一部を伝熱管１１における熱交換空気の流通方向の下流側に排出している。この構成によれば、複数枚のフィン１２間における熱交換空気の当接面に設けられた流路１３を介して伝熱管１１近傍で流れの遅くなった熱交換空気を伝熱管１１の下流側に吸入するとともに、伝熱管近傍よりも僅かに離れた位置を流れる熱交換空気（流れの速い熱交換空気）を伝熱管近傍に引き寄せることができる。これにより、伝熱管１１表面における速度勾配の低下を抑制でき、伝熱管１１の表面からの熱交換空気の剥離を遅延させることができる。この結果、伝熱管１１の下流側領域で死水域を縮減することができるので、フィン１２内で熱交換空気が流れる領域を拡大でき、空気抵抗を低減するとともに熱交換効率を向上することができる。
【００３８】
特に、本実施の形態に係る熱交換器１においては、複数枚のフィン１２間に配置される伝熱管１１を覆うフィンカラー部１２１を備えている。そして、流路１３は、フィンカラー部１２１に形成される複数の貫通孔１２２と、伝熱管１１に形成され、複数の貫通孔１２２と連通する溝部１１１とを含んで構成されている。このように、伝熱管１１の一部（溝部１１１）とフィンカラー部１２１の一部（貫通孔１２２）とを組み合わせて流路１３を構成することで、複雑な加工処理を必要とすることなく流路１３を形成することができ、フィンチューブ１０の製造に要するコスト及び時間を低減することができる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている部材や孔などの大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。
【００４０】
例えば、上記実施の形態においては、熱交換空気の流通方向と直交する方向（図３Ａに示す左右方向）に沿った直線上の位置に一対の貫通孔１２２ａ、１２２ｂを配置し、熱交換空気の流通方向（図３Ａに示す上下方向）の最も下流側の位置に対応して配置される貫通孔１２２ｃを配置する場合について説明している。しかしながら、これらの貫通孔１２２の配置については、上記内容に限定されるものではなく適宜変更が可能である。一対の貫通孔１２２ａ、１２２ｂは、熱交換空気の流通方向と直交する方向に配置されていなくてもよく、熱交換空気の剥離点の近傍であることを前提として任意の位置に配置することができる。また、貫通孔１２２ｃは、熱交換空気の流通方向（図３Ａに示す上下方向）の下流側の位置であることを前提として任意の位置に配置することができる。
【００４１】
また、上記実施の形態においては、伝熱管１１に設けた溝部１１１と、貫通孔１２２ａ〜１２２ｃと、フィンカラー部１２１の内周面とで流路１３を構成する場合について説明している。しかしながら、流路１３の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、フィン１２がフィンカラー部１２１を備えない態様においては、伝熱管１１の内部に流路を形成してもよい。すなわち、伝熱管１１自体に熱交換空気の流入孔及び排出孔を設けると共に、これらを接続する溝部を設けることで流路を構成してもよい。この場合には、伝熱管１１の表面が複数枚のフィン１２間における熱交換空気の当接面を構成する。さらに、流路１３の全ての構成をフィンカラー部１２１の内部に設ける構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上説明したように、本発明は、熱交換空気の剥離の抑制を通じて空気抵抗を低減するとともに熱交換効率を向上することができるという効果を有し、特に、発電所等に設置される産業用の熱交換器に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１          ：熱交換器
１０        ：フィンチューブ
１１        ：伝熱管
１２        ：フィン
１３        ：流路
１１１      ：溝部
１２１      ：フィンカラー部
１２２、１２２ａ〜１２２ｃ：貫通孔
【図１】
2020143854.tif 000003
【図２】
2020143854.tif 000004
【図３】
2020143854.tif 000005
【図４】
2020143854.tif 000006