(57)【要約】  小型化を図ると共に熱交換効率の向上によって高性能化を図ることができるスパイラルフィンチューブ熱交換器を提供することを課題とする。  本発明に係るスパイラルフィンチューブ熱交換器は、内部に被熱交換体を流通させ、外周面に径方向へ広がるチューブフィンを備える伝熱管が複数備えられ、該複数の伝熱管は、それぞれ同方向を向くように配置される熱交換器であって、前記チューブフィンは、螺旋状に形成されると共に螺旋軸が前記伝熱管の中心軸と一致するように備えられ、前記複数の伝熱管は、隣り合う伝熱管の一方におけるチューブフィン部の先端が他方におけるチューブフィン部間に入り込むように配置されることを特徴とする。
2008093411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に被熱交換体を流通させ、外周面に径方向へ広がるチューブフィンを備える伝熱管が複数備えられ、該複数の伝熱管は、それぞれ同方向を向くように配置される熱交換器であって、
前記チューブフィンは、螺旋状に形成されると共に螺旋軸が前記伝熱管の中心軸と一致するように備えられ、前記複数の伝熱管は、隣り合う伝熱管の一方におけるチューブフィン部の先端が他方におけるチューブフィン部間に入り込むように配置されることを特徴とするスパイラルチューブフィン熱交換器。
【請求項２】
前記螺旋状のチューブフィンは、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィンと旋回方向が逆方向となるように備えられることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルチューブフィン熱交換器。
【請求項３】
前記螺旋状のチューブフィンは、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィンと旋回方向が同一方向となるように備えられることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルチューブフィン熱交換器。
【請求項４】
前記隣り合う伝熱管における対応するチューブフィン部同士は、少なくとも一方のチューブフィン部に凸部が形成され、該凸部を介して互いに接触していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のスパイラルチューブフィン熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電設備のインタークーラー等の冷却システムに使用されるフィンチューブ型熱交換器に関し、特にスパイラルチューブフィンを備えたフィンチューブ型熱交換器（スパイラルチューブフィン熱交換器）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱媒体に対して熱交換を行う熱交換器として種々のものが提供されている。その一つとして、図１２（ａ）に示すような、フィンチューブ型熱交換器１００が知られている。【０００３】
かかるフィンチューブ型熱交換器１００は、内部に流体からなる被熱交換体Ｗ’を流通させ、外周面に複数の伝熱用のチューブフィン（伝熱プレート又は伝熱板）１０２，１０２，…を長手方向に沿って平行且つ等間隔となるように備えた中空円筒の管からなるフィンチューブ（平行チューブフィンを備えたフィンチューブ（伝熱管））１０１を平行に多数配置することでフィンチューブ群（伝熱管群）１０１’を形成し、該フィンチューブ群１０１’と略直交する方向に流体からなる熱媒体Ｍ’を流通させることで管外流体（熱媒体Ｍ’）と管内流体（被熱交換体Ｗ’）との熱交換を行うものである。【０００４】
このような、平行チューブフィン１０２，１０２，…を備えたフィンチューブ型熱交換器（以下、単に「平行チューブフィン熱交換器」と称することがある）１００は、設置場所の省スペース化や製品の価格競争力を上げるための省コスト化を図るべく、小型化（コンパクト化）が望まれていた。【０００５】
そこで、図１２（ｂ）に示すように、複数の平行チューブフィンを備えたフィンチューブ１０１，１０１，…が、隣り合うフィンチューブ１０１，１０１の一方におけるチューブフィン１０２の先端が他方におけるチューブフィン１０２，１０２間に入り込むように配置されることで、隣り合うフィンチューブ１０１，１０１同士の距離（フィンチューブのピッチ：隣り合うフィンチューブ１０１，１０１の中心軸Ｃ”，Ｃ”間の距離）Ｐ”をフィンチューブ１０１の中心軸Ｃ”からチューブフィン１０２の先端までの長さＬ”の２倍よりも短く（小さく）したフィンチューブ型熱交換器１１０が提供された（特許文献１を参照）。【０００６】
【特許文献１】日本国特開２００２−２３５９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、近年、フィンチューブ型熱交換器１１０は、使用目的や設置条件等から、上記省スペース化及び省コスト化を図るための小型化（コンパクト化）に加え、さらに熱交換効率の向上による高性能化が求められている。【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、小型化を図ると共に熱交換効率の向上によって高性能化を図ることができるスパイラルチューブフィンを備えたフィンチューブ型熱交換器（スパイラルチューブフィン熱交換器）を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係るスパイラルチューブフィン熱交換器は、内部に被熱交換体を流通させ、外周面に径方向へ広がるチューブフィンを備える伝熱管が複数備えられ、該複数の伝熱管は、それぞれ同方向を向くように配置される熱交換器であって、前記チューブフィンは、螺旋状に形成されると共に螺旋軸が前記伝熱管の中心軸と一致するように備えられ、前記複数の伝熱管は、隣り合う伝熱管の一方におけるチューブフィン部の先端が他方におけるチューブフィン部間に入り込むように配置されることを特徴とする。【００１０】
かかる構成とすることで、チューブフィンの高さを変える（低くする）ことなく、伝熱管のピッチ（伝熱管の中心軸間の距離）を小さくすることができる。尚、本発明において、チューブフィンの高さとは、伝熱管の径方向における、管部外周面からチューブフィンの先端までの距離をいう。【００１１】
即ち、螺旋状のチューブフィン（スパイラスチューブフィン）を備えた伝熱管（フィンチューブ）の中心軸方向に沿った特定領域（チューブフィン部）に着目した場合、複数のチューブフィンが中心軸方向に沿って平行且つ等間隔に複数備えられた伝熱管（平行チューブフィンを備えたフィンチューブ）と見なすことができる。そのため、螺旋状のフィンを備える伝熱管であったとしても、隣り合う伝熱管の一方におけるチューブフィン部の先端が他方におけるチューブフィン部間に入り込むような構成が可能となるため、隣り合う伝熱管のピッチを小さくすることができる。【００１２】
そして、このように隣り合う伝熱管の一方におけるチューブフィン部が他方におけるチューブフィン部間に入り込むことで、チューブフィン部間の間隔が非常に狭くなる。そのため、熱交換器内に熱媒体を流通させて熱交換する際、単位時間あたりの熱交換器全体における熱媒体の処理量は一定であるため、前記チューブフィン部間の間隔が狭くなった部分を流通する熱媒体の流速が速くなり、伝熱係数が向上する。従って、該伝熱管内部を流通する被熱交換体と熱交換を行う熱媒体による熱交換効率が向上する。【００１３】
さらに、チューブフィンが螺旋状に形成されている（スパイラスチューブフィンである）ため、伝熱管群内を伝熱管の中心軸に対して直交（又は略直交）する方向に流通する熱媒体は、螺旋状のチューブフィンに衝突することで乱れが発生し、該熱媒体の混合、拡散効果が向上することで、熱交換効率が向上する。【００１４】
即ち、伝熱管の中心軸方向に対して直交する平板状のチューブフィン（平行チューブフィン）の場合、チューブフィンは、伝熱管に対して直交する方向に流通する熱媒体の流れに沿った方向（平行）となるため、熱媒体の流れは、乱れがほとんど発生することなく伝熱管群内を流通する。これに対し、螺旋状のチューブフィンの場合、前記熱媒体の流れは、この流れに対して傾斜している螺旋状のチューブフィンの面部と衝突し、該衝突によって不規則な流れが発生して部分的に流速が速くなり、混合、拡散される。【００１５】
上記のように熱媒体の流速が速くなると、伝熱係数が向上するため、熱媒体から伝熱管の表面へ移行する熱量が増加し、これに伴い、該熱媒体からの熱が伝熱管の管壁を介して被熱交換体に移行する（奪われる）熱量も増加し、その結果、熱交換効率が向上する。また、混合、拡散によって、各箇所での熱媒体は、均一な温度となるため、温度むらによる伝熱量の低下等がなくなり、熱媒体から伝熱管を介して被熱交換体に移行する熱量が増加し、熱交換効率が向上する。【００１６】
尚、本発明におけるスパイラルチューブフィン熱交換器とは、スパイラルチューブフィンを備えたフィンチューブ型熱交換器をいう。また、チューブフィン部とは、伝熱管に備えられるチューブフィンの一部であって、隣り合う伝熱管と対向する部分をいう。また、被熱交換体とは、伝熱管内部を流通し、該伝熱管の内周面と接触することで、伝熱管の外側（伝熱管群の内部）を流通する熱媒体と熱交換を行う流体をいう。【００１７】
また、前記螺旋状のチューブフィンは、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィンと旋回方向が逆方向となるように備えられる構成であってもよい。【００１８】
かかる構成とすることで、隣り合う伝熱管における対応する螺旋状のチューブフィン同士が逆の旋回方向であるので、対応するチューブフィン部同士は、互いに同方向に傾斜すること（平行）となるため、伝熱管のピッチを小さくしていっても、対応するチューブフィン部同士が接触することがない。そのため、平行チューブフィンを備えた伝熱管と同様に、伝熱管のピッチを最小ピッチ（一方の伝熱管におけるチューブフィン部の先端が他方の伝熱管の外周面に接するようなピッチ）にすることができる。【００１９】
また、前記対応するチューブフィン部同士が平行となることから、複数の伝熱管をそれぞれ接近させて伝熱管群を形成する際、前記対応するチューブフィン部同士が接触しないため、伝熱管群の組み立て作業を容易に行うことができる。【００２０】
しかも、チューブフィンが螺旋状に備えられていることから、上述のように、平行チューブフィンを備えた伝熱管で構成される伝熱管群に比べ、伝熱管群内を流通する熱媒体の流れの混合、拡散効果が高く、熱交換効率が高い。そのため、上記構成とすることで、フィンチューブ型熱交換器の小型化を図ると共に熱交換効率の向上によって高性能化を図ることができ、さらに容易に組み立てることができる。【００２１】
また、前記螺旋状のチューブフィンは、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィンと旋回方向が同一方向となるように備えられる構成としてもよい。【００２２】
かかる構成とすることで、隣り合う伝熱管における対応する螺旋状のチューブフィン同士が同一の旋回方向であるので、対応するチューブフィン部同士は、互いに逆方向に傾斜すること（交差方向）となるため、伝熱管のピッチを小さくしていくと、先端以外の部分で互いに接触することとなる。そのため、かかる接触部分近傍を流れる被熱交換体の流速や混合、拡散効果が向上し、それに伴って熱交換効率が向上する。【００２３】
即ち、複数の螺旋状のチューブフィンを備えた伝熱管で構成される伝熱管群の隣り合う伝熱管のピッチを小さくしていくと、上述のように対応するチューブフィン部同士が先端以外の部分で接触し、かかる接触部分が伝熱管群内部で挟流路部を構成する。該挟流路部は、熱媒体の流通が乱される部分であって、熱媒体が該挟流路部に衝突したり、回り込んだりすることで、伝熱管群内部の流れに乱流を生じさせる部分である。【００２４】
このような挟流路部は、隣り合う伝熱管におけるチューブフィン部同士が接する部分毎に形成されるため、伝熱管群内部には多くの挟流路部が形成される。そのため、かかる多数の挟流路部を有する伝熱管群の内部を流通する熱媒体は、その流れに多くの乱流が発生するため、部分的に流速が速くなり、また、混合、拡散効果がより向上する。そのため、上述のように、フィンチューブ型熱交換器の小型化を図ると共に熱交換効率の向上によって高性能化を図ることができる。【００２５】
さらに、かかる構成とすることで、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィン部同士が互いに接触して支持し合うため、該接触しているチューブフィン部を含むチューブフィンは、外部から加わる力に対する強度が向上する。また、対応するチューブフィン部同士が支持し合うことによって、熱媒体の流通による該チューブフィンの振動も抑制することができる。【００２６】
また、対応するチューブフィン同士が互いに支持し合うため、長尺な伝熱管であっても、伝熱管群を構成する複数の伝熱管が隣り合う伝熱管とそれぞれ多数の接点を有することとなるため、伝熱管群自体の剛性が向上する。【００２７】
また、前記隣り合う伝熱管における対応するチューブフィン部同士は、少なくとも一方のチューブフィン部に凸部が形成され、該凸部を介して互いに接触している構成であってもよい。【００２８】
かかる構成とすることで、上述のように、接触しているチューブフィン部を含むチューブフィンの強度の向上及び熱媒体の流れにより発生する振動の抑制を図ることができると共に、伝熱管群自体の剛性の向上も図ることができる。【００２９】
さらに、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィン部同士の接触面積を小さくすることで、対応するチューブフィン部同士の接触による熱交換効率の低下の抑制を図ることができる。【００３０】
即ち、チューブフィン同士の接触している部分（面）は、熱媒体と接することができなくなるため熱媒体との熱交換ができず、熱交換を行うための面積が小さくなる。しかし、前記凸部を介して互いに接触するようにすることで、チューブフィン部同士の接触面積を小さくすることができ、伝熱管と熱媒体との接触面積が大きくなる（伝熱管と熱媒体との接触面積の減少を少なくできる）ので、対応するチューブフィン部同士の接触による熱交換効率の低下の抑制を図ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上より、本発明によれば、小型化を図ると共に熱交換効率の向上によって高性能化を図ることができるスパイラルチューブフィン熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係るスパイラルチューブフィン熱交換器の概略斜視図を示す。
【図２】同実施形態に係る伝熱管群の（ａ）は正面図を示し、（ｂ）は平面図を示す。
【図３】同実施形態に係る伝熱管群の一部拡大正面図を示す。
【図４】同実施形態に係る伝熱管の（ａ）は転造成形過程の概略側面図を示し、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視図を示す。
【図５】（ａ）は、隣り合う列の隣り合う伝熱管の中心軸をそれぞれ結ぶと正方形となるような配置の同実施形態に係る図３におけるＡ−Ａ断面図を示し、（ｂ）は、隣り合う列の隣り合う伝熱管の中心軸をそれぞれ結ぶとひし形となるような配置の他実施形態に係る図３におけるＡ−Ａ断面図を示す。
【図６】同実施形態に係る隣り合う伝熱管の（ａ）は一部拡大断面斜視図を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ端面図を示す。
【図７】同実施形態に係るスパイラルチューブフィン熱交換器内の熱媒体及び被熱媒体の流れを示す平面図である。
【図８】（ａ）は、伝熱管の中心軸方向に沿って平行且つ等間隔となる平行チューブフィンを備えた伝熱管で構成される伝熱管群、及びその流動解析の結果を示し、（ｂ）は、伝熱管の中心軸方向に対して螺旋状のチューブフィンであって、隣り合う伝熱管における対応する螺旋状のチューブフィン同士が逆の旋回方向である逆スパイラルチューブフィンを備えた伝熱管で構成される伝熱管群、及びその流動解析の結果を示し、（ｃ）は、伝熱管の中心軸方向に対して螺旋状のチューブフィンであって、隣り合う伝熱管における対応する螺旋状のチューブフィン同士が同一の旋回方向である同一スパイラルチューブフィンを備えた伝熱管で構成される伝熱管群、及びその流動解析の結果を示す。
【図９】他実施形態に係る伝熱管の（ａ）は一部拡大斜視図を示し、（ｂ）は伝熱管群の断面側面図を示す。
【図１０】他実施形態に係る伝熱管のチューブフィンの拡大図であって、（ａ）は放射状の凸条を備えるチューブフィン、（ｂ）は先端部に沿った凸条を備えるチューブフィンの拡大図を示す。
【図１１】他実施形態に係る隣り合う伝熱管の（ａ）は一部拡大断面斜視図を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるＤ−Ｄ端面図を示す。
【図１２】従来の独立フィンチューブ型熱交換器の概略正面図であって、（ａ）は、隣り合う伝熱管における一方のフィンが他方のフィン間に入り込まないように配置された熱交換器、（ｂ）は、隣り合う伝熱管における一方のフィンが他方のフィン間に入り込むように配置された熱交換器の概略正面図を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１      スパイラルチューブフィン熱交換器（熱交換器）
２      チューブフィン（スパイラルチューブフィン）
２’    チューブフィン部
３      伝熱管（フィンチューブ）
４      支持体
５      伝熱管群流入部（被熱交換体入口）
６      伝熱管群流出部（被熱交換体出口）
７      伝熱管群連結部
８      シェル
９      シェル流入口（熱媒体入口）
１０    シェル流出口（熱媒体出口）
１１    凸部
Ｃ      伝熱管の中心軸
Ｍ      熱媒体
Ｗ      被熱交換体
Ｐ      ピッチ
Ｐｍｉｎ    最小ピッチ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明に係るスパイラルチューブフィン熱交換器の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。【００３５】
図１乃至図３に示すように、本実施形態に係るスパイラルチューブフィン２を備えたフィンチューブ型熱交換器（以下、単に「スパイラルチューブフィン熱交換器」又は「熱交換器」と称することがある。）１は、発電設備のインタークーラーに用いられる熱交換器であり、内部に水等の流体から構成される被熱交換体Ｗを流通させ、外周面に径方向に広がるチューブフィン（伝熱プレート）２を備えた中空円筒の管からなる伝熱管（フィンチューブ）３と、複数の伝熱管３，３，…で構成された伝熱管群３０であって、被熱交換体Ｗの流入側伝熱管群３０ａと被熱交換体Ｗの流出側伝熱管群３０ｂとからなる伝熱管群３０と、該伝熱管群３０をその両端部で支持するための一対の支持体４，４と、一方の支持体４の外側で、流入側伝熱管群３０ａの各伝熱管３，３，…にそれぞれ外部からの被熱交換体Ｗを流入させる伝熱管群流入部５及び流出側伝熱管群３０ｂの各伝熱管３，３，…のそれぞれからの被熱交換体Ｗをまとめて外部に流出させる伝熱管群流出部６と、他方の支持体４の外側で、流入側伝熱管群３０ａから流出側伝熱管群３０ｂまで被熱交換体Ｗが流通するように流入側伝熱管群３０ａと流出側伝熱管群３０ｂとを連結する伝熱管群連結部７とが、内部に熱媒体Ｍを流通させるシェル８内に備えられている。【００３６】
チューブフィン２は、伝熱管３の外部を流通する熱媒体Ｍと接触する伝熱管３の表面積を増やすために伝熱管３の径方向に広がる板状体（プレート）であり、熱伝導率の高い金属（アルミニウム、銅等）で形成されている。詳細には、チューブフィン２は、伝熱管３の外周面に備えられた螺旋状の板状体で、該螺旋の螺旋軸が伝熱管３の中心軸Ｃと一致し、螺旋ピッチが一定となるように形成されている。また、チューブフィン２は、伝熱管３の中心軸方向において、周縁が円形となるように形成されている。【００３７】
伝熱管３は、前記チューブフィン２を外周面に備えた管であり、熱伝導性の高い金属（カーボンスチール、ステンレススチール等）を素材とし、全て同径の真っ直ぐな管（直管）として形成されている。詳細には、図４に示すように、カーボンスチールで形成された内管ｋに外管（本実施形態の場合アルミニウムの管）ｇを被せ（外嵌し）、転造機により１２０°の間隔で三方向から螺旋状のディスク刃ｂで外管ｇの外周面を回転しつつ押圧することによって、チューブフィン２を外管ｇ（伝熱管３）の径方向に押し出すと同時に、内管ｋに外管ｇを密着させて形成している。【００３８】
尚、本実施形態において、伝熱管３は、カーボンスチールで形成された内管ｋの外側にアルミニウムで形成された外管ｇを被せ、その外周面を径方向に延伸させて螺旋状のチューブフィン２を形成することで、カーボンスチールが伝熱管３の外周面側に露出しない構成となっている。そのため、伝熱管３は、その外部を流通する熱媒体Ｍにカーボンスチールが接触しないため腐食せず、且つ熱伝導率の高いアルミニウムがカーボンスチールと密着するような構成となっているため熱交伝導率が高くなる。しかし、伝熱管３は、この構成に限定される必要はない。即ち、伝熱管３は、別体として形成されたチューブフィン２を直管部分（筒部）に溶接等によって接続するような構成であってもよい。また、チューブフィン２と直管部分とは、別部材（異なる材質）で形成されていてもよく、直管外周面に径方向へ広がるチューブフィンを備えたフィンチューブであればよい。【００３９】
また、本実施形態において、伝熱管３は、汎用品を用いている。このように、汎用品の伝熱管３を用いることで、熱交換器１は、低コスト化、短納期化を図ることができるようになる。しかし、これに限定される必要はなく、伝熱管３は、専用品であってもよい。【００４０】
図１乃至図３に戻り、スパイラルチューブフィン熱交換器１には、このような螺旋状のチューブフィン２を備える複数本の伝熱管３，３，…が備えられ、該伝熱管３，３，…がそれぞれ平行となるように配置されることで伝熱管群３０が形成されている。【００４１】
ここで、さらに伝熱管３，３，…の配置について説明すると、図５（ａ）にも示すように、伝熱管３，３，…の中心軸方向において、上下方向を１列として横へ複数列配置されている。各列は、伝熱管３，３，…がそれぞれ等間隔（上下方向に隣り合う伝熱管３，３の中心軸Ｃ間の距離がｄ）となるように配置され、隣り合う列は、前記等間隔ｄの半分（１／２ｄ）だけ上下方向にずれた状態で配置されている。即ち、隣り合う列の隣り合う伝熱管３，３の中心軸Ｃ，Ｃを互いに結ぶ線が上下（垂直）方向、若しくは左右（水平）方向に対して４５°となるように配置されている。また、他列の隣り合う伝熱管３，３，…の中心軸Ｃ，Ｃ，…をそれぞれ結ぶと四角形となるように配置されている。本実施形態においては、前記四角形は、正方形となるように配置されているが、これに限定される必要もなく、図５（ｂ）にも示すように、隣り合う列の隣り合う伝熱管３，３の中心軸Ｃ，Ｃ，…をそれぞれ結ぶとひし形となるような配置、即ち、隣り合う列の隣り合う伝熱管３，３の中心軸Ｃ，Ｃを互いに結ぶ線が左右（水平）方向に対して６０°となるような配置であってもよい。【００４２】
また、図６にも示すように、隣り合う列の伝熱管３，３，…は、互いにチューブフィン２の旋回方向が逆方向となるように形成（設定）されている。従って、隣り合う伝熱管３，３における対応するチューブフィン部２’，２’，…同士は、互いに平行（若しくは略平行）となる（図６（ｂ）参照）。そのため、対応するチューブフィン部２’，２’，…同士は、互いに接触することなく隣り合う伝熱管３，３のピッチ（伝熱管３，３の中心軸Ｃ間の距離）Ｐを最小ピッチ（隣り合う伝熱管３，３の一方（他方）におけるチューブフィン部２’，２’，…の先端が他方（一方）の伝熱管３における（筒部の）外周面に接するピッチ）Ｐｍｉｎとすることができる。また、隣り合う伝熱管３，３における対応するチューブフィン部２’，２’，…同士が平行（又は略平行）となることから、複数の伝熱管３，３，…をそれぞれ接近させて伝熱管群３０を形成する際、前記対応するチューブフィン部２’，２’，…同士が接触しないため、伝熱管群３０の組み立て作業を容易に行うことができる。【００４３】
尚、本実施形態において、チューブフィン部２’は、伝熱管３におけるチューブフィン２の隣り合う伝熱管３と対向する部分である。また、本実施形態において、隣り合う伝熱管３，３のピッチＰは、最小ピッチＰｍｉｎとなるように伝熱管３，３，…が配置されているが、これに限定される必要はなく、隣り合う伝熱管３，３の一方（他方）におけるチューブフィン部２’，２’，…の先端が他方（一方）におけるチューブフィン部２’，２’，…間に入り込んだ状態となるようなピッチＰであればよい。即ち、隣り合う伝熱管３，３は、該伝熱管３，３におけるチューブフィン部２’，２’，…同士が伝熱管３，３の中心軸方向において重なるような（オーバーラップした）状態となる位置関係であればよい。このように、隣り合う伝熱管３，３のチューブフィン部２’，２’，…が互いにオーバーラップした状態で伝熱管群３０が構成されることで、互いにチューブフィン部２’，２’，…をオーバーラップさせない伝熱管群３０よりも、伝熱管３，３，…間のピッチＰを小さくすることができ、伝熱管群３０全体を小型化することができる。そのため、熱交換器１の小型化を図ることができる。【００４４】
以上のように伝熱管３，３，…が配置される伝熱管群３０は、スパイラルチューブフィン熱交換器１の外部から流入してきた被熱交換体Ｗが伝熱管３，３，…内部をそれぞれ流通する流入側伝熱管群３０ａと、スパイラルチューブフィン熱交換器１の外部に流出する被熱交換体Ｗが伝熱管３，３，…内部をそれぞれ流通する流出側伝熱管群３０ｂとに分けられる。【００４５】
伝熱管群流入部５は、流入側伝熱管群３０ａの一方側端部に設けられ、スパイラルチューブフィン熱交換器１の外部から流入してくる被熱交換体Ｗを、流入側伝熱管群３０ａを構成する伝熱管３，３，…の一方側端部にそれぞれ流入させるように構成されている。【００４６】
伝熱管群流出部６は、流出側伝熱管群３０ｂの一方側端部に設けられ、流出側伝熱管群３０ｂを構成する伝熱管３，３，…の一方側端部からそれぞれ流出してくる被熱交換体Ｗをスパイラルチューブフィン熱交換器１の外部にまとめて流出させるように構成されている。【００４７】
伝熱管群連結部７は、伝熱管群３０（流入側伝熱管群３０ａ及び流出側伝熱管群３０ｂ）の他方側端部に設けられ、流入側伝熱管群３０ａを構成する伝熱管３，３，…内部を流通する被熱交換体Ｗを、流出側伝熱管群３０ｂを構成する伝熱管３，３，…内部まで案内するために、流入側伝熱管群３０ａ（を構成する伝熱管３，３，…）の他方側端部と流出側伝熱管群３０ｂ（を構成する伝熱管３，３，…）の他方側端部とを連結している。【００４８】
即ち、スパイラルフィンチューブ熱交換器１の外部から伝熱管群流入部５を経て流入した被熱交換体Ｗは、流入側伝熱管群３０ａを構成する伝熱管３，３，…内部を一方側端部から他方側端部まで流通し、伝熱管群連結部７で折り返して流出側伝熱管群３０ｂを構成する伝熱管３，３，…内部を他方側端部から一方側端部まで流通し、伝熱管群流出部６を経てスパイラルフィンチューブ熱交換器１の外部へ流出する。【００４９】
シェル８は、内部に伝熱管群３０を配置することができる円柱状の筐体で、他方側端部に、その内部を流通する熱媒体Ｍの流入口であるシェル流入口９と流出口であるシェル流出口１０とが設けられている。詳細には、シェル８は、図７にも示すように、その内部の平面視中央部に長さ方向に沿って、且つ正面側（シェル流入口９及びシェル流出口１０が開口している方向側）に流入側伝熱管群３０ａで背面側に流出側伝熱管群３０ｂが位置するよう、伝熱管群３０が、その一方側端部（伝熱管群流入部５及び伝熱管群流出部６）を突出するように配置される。【００５０】
本実施形態に係るスパイラルフィンチューブ熱交換１は、以上の構成からなり、以下、その動作について説明する。【００５１】
被熱交換体Ｗは、シェル８の一方側端部から突出している伝熱管群流入部５から流入され、流入側伝熱管群３０ａを構成する各伝熱管３，３，…の一方側から他方側へその内部を流通し、伝熱管群連結部７で折り返し、流出側伝熱群３０ｂを構成する各伝熱管３，３，…の他方側から一方側へその内部を流通し、シェル８の一方側端部から突出している伝熱管群流出部６を経てスパイラルチューブフィン熱交換器１から流出する。【００５２】
これに対し、熱媒体Ｍは、シェル８における他方側端部の外側に設けられた流入口９から流入され、内部に配置された伝熱管群３０の流出側伝熱管群３０ｂ側から流入側伝熱管群３０ａ側へ伝熱管群３０の長手方向と直交若しくは略直交する方向に伝熱管群３０内を流通し、該伝熱管群３０を通過した熱媒体Ｍは、シェル８における他方側端部の内側に設けられた流出口１０から流出される。【００５３】
このように伝熱管群３０内を熱媒体Ｍが通過する際に、伝熱管３の外側を流れる熱媒体Ｍが有する熱が伝熱管群３０を構成する伝熱管３，３，…内部を流通する被熱交換体Ｗに移行し、その結果、伝熱管群３０を通過した熱媒体Ｍの温度は所定の温度まで低下する（下がる）。詳細には、チューブフィン２及び伝熱管３の筒部外周面と接することで、前記熱がチューブフィン２及び伝熱管３の筒部外周面に移行し、移行した熱がチューブフィン２及び伝熱管の管壁を経て伝熱管３の内周面まで伝熱され、該内周面と接しつつ流通する被熱交換体Ｗに熱が連続的に移行する（奪われる）。このようにして、熱媒体Ｍと被熱交換体Ｗとの熱交換が行われる。即ち、伝熱管３の外側を流通する熱媒体Ｍの有する熱は、チューブフィン２及び伝熱管３の筒部を介して伝熱管３の内部を流通する被熱交換体Ｗと熱交換される。【００５４】
伝熱管群３０内を通過する際の熱媒体Ｍの流れをさらに説明すると、伝熱管群３０は、伝熱管３，３，…が隣り合う伝熱管３，３の一方におけるチューブフィン部２’，２’，…が他方におけるチューブフィン部２’，２’，…間に入り込むように配設されている。そのため、伝熱管群３０内のチューブフィン部２’，２’，…間の間隔は、非常に狭くなっている。ここで、本実施形態に係るスパイラルフィンチューブ熱交換器１の熱媒体Ｍの処理量は、チューブフィン部２’，２’，…同士が伝熱管３の中心軸Ｃ方向において重なるように配置されていない熱交換器と同じに設定されている。そのため、前記狭くなっているチューブフィン部２’，２’，…間を通過する熱媒体Ｍの流速は、非常に速くなる（流速が上がる）。従って、伝熱係数が向上し、その結果、熱媒体Ｍから奪われる（伝熱管３に移行する）熱量が増加し、スパイラルフィンチューブ熱交換器１の熱交換効率が向上する。【００５５】
さらに、チューブフィン２は、螺旋状に形成されている（スパイラスチューブフィンである）ことから伝熱管３の中心軸Ｃと直交する面に対して所定の角度を有している。そのため、伝熱管群３０内を伝熱管３の中心軸Ｃに対して直交（又は略直交）する方向に流通する熱媒体Ｍは、螺旋状のチューブフィン２に衝突する。この衝突によって、熱媒体Ｍの流れに乱れが発生する。このように、流体（熱媒体Ｍ）の乱れが発生することで熱媒体Ｍの混合、拡散効果が向上する。【００５６】
そのため、伝熱係数が向上して熱媒体Ｍから伝熱管３の表面へ移行する熱量が増加し、これに伴って該熱媒体Ｍからの熱が伝熱管３の管壁を介して被熱交換体Ｗに移行する（奪われる）量も増加する。その結果、スパイラルチューブフィン熱交換器１の熱交換効率が向上する。また、前記流体の乱れの発生による流体の混合、拡散によって、熱媒体Ｍは、均一な温度となる為、温度むらによる伝熱量の低下等がなくなり、熱媒体Ｍから伝熱管３を介して被熱交換体Ｗに移行する熱量が増加し、熱交換効率が向上する。【００５７】
以上より、本実施形態におけるスパイラルフィンチューブ熱交換器１は、伝熱管群３０を構成する複数の伝熱管３，３，…が隣り合う伝熱管３，３における一方（他方）のチューブフィン部２’，２’，…が他方（一方）のチューブフィン部２’，２’，…の間に入り込むように構成されることで、伝熱管３，３，…同士のピッチＰを小さくできる（本実施形態の場合、最小ピッチＰｍｉｎにできる）ことから前記熱交換器１の小型化を図ることができると共に、上記のように熱交換効率の向上によって熱交換器１の高性能化を図ることができるようになる。【００５８】
図８は、以下の条件で、本実施形態に係るスパイラルチューブフィンを備えた伝熱管群、全ての伝熱管のスパイラルチューブフィンの旋回方向を同一にした伝熱管群及び平行チューブフィンを備えた伝熱管群内にガスを流通させた場合における流動解析（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）を行い、その結果を示したものである。
＜解析条件＞
・伝熱管サイズ（全ての伝熱管群において共通）
フィンの外径：５８．４ｍｍ
ルート径（伝熱管の間部外径）：２７．１８ｍｍ
フィン先端の厚み：０．２ｍｍ
フィン基部（伝熱管の管部との接続部）の厚み：１．５ｍｍ
フィン間（又は螺旋）のピッチ（フィンの中心−中心間の寸法）：５．０８ｍｍ
・伝熱管の配置（全ての伝熱管群において共通）
図５（ａ）における伝熱管の配置
チューブ間の距離（中心軸間距離）：ｄ＝６２．２ｍｍ／Ｐ＝４４ｍｍ（図５参照）
・使用するガス（全ての伝熱管群において共通）
種類：空気
圧力：１ａｔｍ
温度：２５℃
流速：３ｍ／ｓ
ガスの流れる方向：図５（ａ）において、水平方向に沿って左から右へ【００５９】
上記解析条件でＣＦＤ解析を行った結果、平行チューブフィンを備えた伝熱管群（図８（ａ）上段の図）内を通過するガス（図８（ａ）下段の線）は、該ガスの流れ方向とフィンとが平行であるため、伝熱管群内でのガスの混合、拡散が十分ではないことがわかる（図８（ａ）参照）。これに対し、隣り合う伝熱管におけるスパイラルチューブフィンの旋回方向が逆方向に設定された伝熱管群（本実施形態に係る伝熱管群：図８（ｂ）上段の図）内を流れるガス（図８（ｂ）下段の線）は、該ガスの流れ方向とフィンとが平行でない（交差している）ため、伝熱管群内でフィンに衝突したガスに乱れが発生し、ガスの混合、拡散が十分に行われていることがわかる（図８（ｂ）参照）。さらに、全ての伝熱管におけるスパイラルチューブフィンの旋回方向が同一方向に設定された伝熱管群（図８（ｃ）上段の図）内を流れるガス（図８（ｃ）下段の線）は、該ガスの流れ方向とフィンとが平行でない（交差している）ことに加え、隣り合う伝熱管における対応するチューブフィン部の一部が接触することによって伝熱管群内に複数の挟流路部が形成されているため、ガスの混合、拡散がより十分に行われていることがわかる（図８（ｃ）参照）。【００６０】
以上より、平行チューブフィンを備えた伝熱管群内を通過するガス（流体）より、スパイラルチューブフィンを備えた伝熱管群内を通過するガス（流体）の方が、伝熱管群内において、より十分に混合、拡散されていることが確認できた。【００６１】
尚、本発明に係るスパイラルフィンチューブ熱交換器１は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。【００６２】
例えば、本実施形態においては、上述のように、隣り合う列の伝熱管３，３，…は、凹凸のない滑らかなチューブフィン２が互いに旋回方向が逆方向となるように形成されている。そのため、隣り合う伝熱管３，３における対応するチューブフィン部２’，２’，…同士は、互いに平行（若しくは略平行）となり、互いに接することなく隣り合う伝熱管３，３の一方（他方）におけるチューブフィン部２’，２’，…の先端が他方（一方）の伝熱管３における外周面に接する。しかし、これに限定される必要はなく、図９に示すように、隣り合う伝熱管３，３における対応するチューブフィン部２’，２’，…同士が凸部を介して互いに接触するよう、チューブフィン部２’，２’，…には凸部１１，１１，…が形成されてもよい。【００６３】
このような構成とすることで、対応するフィン部２’，２’，…は、互いに凸部１１を介して接触しているため、互いに支持し合い（支え合い）、外部から加わる伝熱管３の中心軸Ｃ方向の力に対してチューブフィン２の剛性が向上する。また、チューブフィン部２’，２’，…間を流体（熱媒体Ｍ）が流れることによって発生するチューブフィン部２’，２’，…（チューブフィン２）の振動も抑制することができるようになる。また、隣り合う伝熱管３，３におけるフィン部２’，２’，…同士が多数箇所で接して支持し合うため、径の小さな長尺の伝熱管３，３，…で構成される伝熱管群３０の剛性も向上する。【００６４】
尚、図９において、凸部１１は、隣り合う伝熱管３，３における互いに接触するチューブフィン部２’，２’の一方のみに設けられているが、互いに接触するチューブフィン部２’，２’の対向する位置に、凸部１１，１１が、その先端（頂部）同士を接触するようにそれぞれ形成されていてもよい。【００６５】
また、凸部１１は、チューブフィン部２’，２’，…の周縁部（径方向先端部）に形成され、チューブフィン部２’の先端が対向するチューブフィン部２’の面部と接触するよう、チューブフィン部２’周縁部の一部を中心軸Ｃ方向に突出するように曲げることで形成されているが、これに限定される必要もない。即ち、図１０に示すように、伝熱管３の径方向に沿った凸条１１ａ（図１０（ａ）参照）や螺旋状のフィン先端に沿った凸条１１ｂ（図１０（ｂ）参照）等であってもよく、対向するチューブフィン２，２同士が互いに面接触しないような、即ち、点接触や線接触するような形状であればよい。さらに、形成される凸部の数は４つに限定される必要はなく、１つであってもよく、２以上の複数であってもよい。また、面接触する場合でも、その面積を少なくするような凸部（例えば、断面形状が台形となるような凸条）を形成してもよい。このような形状であれば、板状のチューブフィン同士が面接触するよりも接触面積を減少することができ、熱媒体Ｍとの接触面積（チューブフィン部２’の露出している部分の表面積）の減少を抑制することで熱交換効率の低下を抑制することができる。また、点接触や線接触よりもチューブフィン２，２同士の支え合う力が大きくなり、チューブフィン２の剛性がより向上したり、被熱交換体Ｗがチューブフィン２，２間を流通する際の振動をより抑制できるようになる。【００６６】
また、本実施形態において、伝熱管群３０における隣り合う列の伝熱管３，３，…は、互いにチューブフィン２，２の旋回方向が逆方向となるように形成されているが、図１１に示すように、全て同一の旋回方向の螺旋状のチューブフィン（スパイラルフィン）５２，５２，…であってもよい。【００６７】
このように構成することで、隣り合う伝熱管５３，５３における対応するチューブフィン部５２’，５２’，…同士は、互いに交差する方向に傾斜しているため（図１１（ｂ）参照）、一方（他方）の伝熱管５３におけるチューブフィン部５２’，５２’，…の先端部を他方（一方）におけるチューブフィン部５２’，５２’，…間に位置するように伝熱管５３，５３のピッチＰ’を小さくしていくと、互いにチューブフィン部５２’，５２’，…（チューブフィン５２，５２）の一部が接触する。【００６８】
そのため、上述のように、チューブフィン５２に凸部を設けなくても、隣り合う伝熱管５３，５３における対応する（接触する）チューブフィン部５２’，５２’，…同士が支持し合うためチューブフィン部５２’，５２’，…（チューブフィン５２）の強度及び伝熱管５３，５３の強度が向上すると共に、チューブフィン部５２’，５２’，…に発生する振動の抑制も図ることができる。【００６９】
さらに、互いにチューブフィン部５２’，５２’，…の一部が接触することによって、かかる部分が平行に配置される複数の伝熱管５３，５３，…（伝熱管群）の内部に複数の挟流路部を形成する。そのため、伝熱管群の内部を熱媒体が流通する際に、この流れの一部に前記挟流路部によって不規則な流れがより生じ、より多くの部分の被熱交換体の流速が上がる。このような乱れが生じることで、上記同様、伝熱管５３の表面に熱媒体Ｍの有する熱が移行する（奪われる）量がより増加し、熱交換効率が向上する。その結果、伝熱管群３０（スパイラルフィンチューブ熱交換器１’）の熱交換効率がより向上する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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