(57)【要約】【課題】圧力損失の増加を抑制しつつ、広範な流速域で、熱交換器の対流熱伝達率を向上する。【解決手段】シェルアンドチューブ型空冷熱交換器の伝熱管２の外面に、管外流体（低温流体５）の流れの方向へ等間隔Ｌを隔ててリブ形状の突起を配列して突起列9を形成する。その熱交換器のシェル１に音波発生装置１０を装着する。音波発生装置１０で発生する音波１１の周波数ｆを、間隔Ｌとの関係において、５／ｆ≦L≦１００／ｆの関係を満たすように設定する。突起で発生した低温流体５の渦は、低音流体５の流れに乗って隣接する下流側の突起近傍に到達し、音波発生装置１０から音波の刺激を受けて突起近傍に新たに発生した渦と合体して大型化し、大型化した渦で伝熱管２周りの低温流体５を広範囲に攪拌して熱交換器の対流熱伝達を促進する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器の伝熱面に熱交換対象の流体の流れの方向へ間隔を開けて突起を複数個設けて成る突起列と、前記流体に音波を入射する音波発生機構とを備える熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、前記流体の流れの方向で隣接し合う各突起のうちの前記流体の流れの上流側の突起で出来た渦が、下流側に隣接する突起で出来た渦と合体できる位置に到達した時に、前記音波により前記突起列の突起で新たな渦が誘起されるように、前記音波の周波数が設定されていることを特徴とした熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記音波の周波数ｆと、前記間隔Lが５／ｆ≦L≦１００／ｆの関係を満足するように決定されていることを特徴とした熱交換器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記音波発生機構は、振動部が前記流体に接したスピーカーと、前記スピーカーを駆動するスピーカー駆動装置とを備えている構成であることを特徴とした熱交換器。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記音波発生機構は、前記熱交換器のシェルに設けられたキャビティで構成されることを特徴とした熱交換器。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記音波発生機構として、前記熱交換器のシェル内での音響共鳴現象で前記音波が発生するように前記シェルを構成してあることを特徴とした熱交換器。
【請求項７】
熱交換対象の流体が接する伝熱面に、前記流体の流れ方向へ間隔を開けて列を成すように複数の突起を配置することによって、前記流れが刺激されると渦流に変化しやすい環境を作り、その環境下で前記刺激として音波を前記流体に入射して渦を生成し、前記流体を前記渦で攪拌する熱交換器の対流熱伝達促進方法。
【請求項８】
請求項７において、前記音波の周波数ｆと前記間隔Lとの関係が、５／ｆ≦L≦１００／ｆの関係と成るように、前記音波の周波数ｆと前記間隔Lとの関係を設定して用いることを特徴とした熱交換器の対流熱伝達促進方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８において、前記音波を得る方法として、スピーカー駆動装置でスピーカーを駆動させて得ることを特徴とした熱交換器の対流熱伝達促進方法。
【請求項１０】
請求項７又は請求項８において、前記音波を得る方法として、前記流体の流れを前記熱交換器のシェルに設けたキャビティを用いた流力音響共鳴現象で得るようにしたことを特徴とした熱交換器の対流熱伝達促進方法。
【請求項１１】
請求項７又は請求項８において、前記音波を得る方法として、前記熱交換器のシェル内での音響共鳴現象を利用して得るようにしたことを特徴とした熱交換器の対流熱伝達促進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
シェルアンドチューブ型空冷熱交器などに代表される熱交換器において、高温と低音の両流体間での伝熱性能の促進方法としては、以下の手法がある。
【０００３】
即ち、下記各特許文献１，２に示すように、低温流体側の伝熱面にフィン状の突起を設け、突起で渦を発生させて対流熱伝達率を向上させるもの、及び下記各特許文献３に示すように、音波により誘起される振動流により対流熱伝達率を向上させるもの、並びに各特許文献４，５に示すように、熱交換器内に流体の流れで自ら振動するピアノ線などの振動片を設置して、そのピアノ線自身又はそのピアノ線を装着した片持ち支持形状のフィン部分の振動によって流体の流れを乱して対流熱伝達率を向上させるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭５６−５２１９１号公報
【特許文献２】特開２００１−３３９１１３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２１０１０５号公報
【特許文献４】特開昭５４−１４０４９号公報
【特許文献５】特開昭４８−５０３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記各特許文献１，２に示すように、伝熱面の突起で渦を発生させて対流熱伝達率を向上させるものにあっては、対流熱伝達率を向上させるために大きな突起を設置して大きな渦を発生させようとすると、その大きな突起で熱交換内の流体の流れの圧力損失が増大する課題がある。
このように圧力損失が増大すると、同じ流速を維持するためには、より大きな流体駆動力が必要となって、流体の駆動ポンプ等の動的機器を用いる場合には、大きなポンプ動力が必要となり、流体を駆動させるために流体の温度に依存する密度差による浮力を用いる場合には、伝熱面を上下方向に長く設定する必要が生じるので、いずれの場合も、熱交換器本体や付帯する機器が大型化する。
【０００６】
前記特許文献３に示すように、音波により誘起される振動流により伝熱面近傍に形成される高温の流体層を撹拌し対流熱伝達率を向上させるものは、圧力損失の増加は小さいが、音波によって誘起される振動流は微弱であるため、効果を発揮できる流速域が低流速（０．１ｍ／ｓ以下程度）に限られる課題がある。
【０００７】
前記特許文献４，５に示すように、熱交換する流体の流れによって振動片を振動させるものにあっては、振動片が繰り返し荷重を受けて損傷する可能性が特許文献１に見られるような突起に比較して大きい、という課題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、熱交換器において、圧力損失の増加や損傷が起こりにくく、広い流速域にわたって対流熱伝達率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、その熱交換器の伝熱面に熱交換対象の流体の流れの方向へ間隔を開けて突起を複数個設けて成る突起列と、前記流体に音波を入射する音波発生機構とを備える。
本発明の熱交換器は、前記突起で前記流体の渦を引き起こし易い敏感な領域として形成し、前記領域に音波振動を刺激として到達させると、その領域ではその刺激に敏感に反応して渦の発生が促進され、熱交換器の伝熱面での対流熱伝達が促進される。このように突起によって伝熱面外からの外部刺激に敏感に反応して渦が形成される領域を伝熱面に沿って複数箇所形成されているので、微小な音波振動であっても突起部近傍へ刺激として到達すると、前記突起と音波刺激とで前記流体の流れの剥離が突起のみに比較して促進されて剥離渦を確実に引き起こし、その剥離渦は流体の流れに乗って伝熱面に沿って移動しつつ前記伝熱面近傍の流れを攪拌することで対流熱伝達が促進される。
好ましくは、前記流体の流れの方向で隣接し合う各突起のうちの前記流体の流れの上流側の突起で出来た渦が、下流側に隣接する突起で出来た渦と合体できる位置に到達した時に、前記音波により前記突起列の突起に新たな渦が誘起されるように、前記音波の周波数が設定されている。
このように、前記上流側で出来た渦が前記下流側に隣接する前記突起による敏感な領域に到来したときに、その到来のタイミングで刺激が下流側の突起による剥離部に加えられるので、そこで生じた渦と前記上流側から到来した渦とがタイミングよく合体して大きな渦になる。このように、前記音波による刺激により前記突起部での渦発生タイミングを制御することで、上流側から到来した渦に下流側で発生させた渦を合体させて渦を大型化し、伝熱面から遠い領域の前記流体を大型の渦で攪拌して前記伝熱面側に寄せ、伝熱面から遠い領域の前記流体に対する熱交換に寄与させ、一層対流熱伝達が促進される。
さらに好ましくは、前記音波の周波数ｆと、前記間隔Lが５／ｆ≦L≦１００／ｆの関係を満足するように決定される。
さらに一層好ましくは、前記音波発生機構は、振動部が前記流体に接したスピーカーと、前記スピーカーを駆動するスピーカー駆動装置とを備えている構成である。
また、前記音波発生機構は、前記熱交換器のシェルに設けられたキャビティで構成されることであっても良い。
また、前記音波発生機構として、前記熱交換器のシェル内での音響共鳴現象で前記音波が発生するように前記シェルを構成しても良い。
上記課題を解決するために採用される本発明の熱交換器の対流熱伝達率向上方法は、熱交換対象の流体が接する伝熱面に、前記流体の流れ方向へ間隔を開けて列を成すように複数の突起を配置することによって、前記流れが刺激されると渦流に変化しやすい環境を作り、その環境下で前記刺激として波動を前記流体に入射する方法を採用している。
このような方法によって、突起で渦流に変化しやすい環境が、小さな刺激でも渦を引き起こしやすい敏感な領域を伝熱面近傍にもたらすので、圧力損失の少ない小さな突起を採用しても前記音波による刺激により渦を発生しやすくなり、また、その刺激の規模も刺激に敏感な前記領域に付与するので小さくて済む。このようにして発生させた渦は伝熱面に沿って前記流体の流れに乗って移動しつつ伝熱面近傍の流体を攪拌して熱交換器の対流熱伝達率を向上させる。
好ましくは、前記波動を音波で作り、前記音波の周波数ｆと、前記間隔Lが５／ｆ≦L≦１００／ｆの関係を満足するように決定される。
このように決定された前記間隔と前記周波数によって前記突起部による渦の発生タイミングを制御して前記流れの上流側で発生した渦を下流側で発生した渦と合体させて大きな渦を生成する制御が確実に成される。
さらに好ましくは、前記音波を得る方法として、スピーカー駆動装置でスピーカーを駆動させて得るようにすると良い。
また、前記音波を得る方法として、前記流体の流れを前記熱交換器のシェルに設けたキャビティの位置を通過させて、外部エネルギーを用いないで得るようにしても良い。
また、前記音波を得る方法として、前記熱交換器のシェル内での音響共鳴現象で得るようにして、外部エネルギーを用いないようにしても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱交換器において、流体による振動片の振動を伴うことなく、且つ圧力損失の増加を抑制しながらも、対流熱伝達率を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係るシェルアンドチューブ型空冷熱交換器の縦断面模式図である。
【図２】図１の伝熱管外の流体の渦発生現象を表す模式図にして、一点鎖線の左側の図は渦の合体前の状況を説明する図であり、同じく右側の図は合体後の状況を説明する図である。
【図３】図１の熱交換器を含む各構造における伝熱管外の流体の流速と対流熱伝達率比との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施例２に係るシェルアンドチューブ型空冷熱交換器の縦断面模式図である。
【図５】本発明の実施例３に係るシェルアンドチューブ型空冷熱交換器の縦断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の各実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施例では、通常の熱交換器で用いられる流速域においても、比較的小さい圧力損失の増加で、対流熱伝達率を向上させることが出来る熱交換器の例を説明する。
管状隔壁を伝熱面として用いる熱交換器としては、図１のようなシェルアンドチューブ型空冷熱交換器がある。その熱交換器は、円形または多角形のシェル１の上下両側に管状隔壁となる多数の伝熱管２を支えるための管板３が設置されている。管板３には伝熱管２を通すための多数の穴が正方または千鳥に配列されており、伝熱管２はこれらの管穴に挿入されて両端が管板３に固着される。伝熱管２は例えばステンレス等で構成される。伝熱管２の厚みは伝熱管内外の圧力差、伝熱管２での熱抵抗を考慮し決定する。
熱交換器の上下部分において、水室カバー6が管板３に設けられ、その水室カバー６には、熱交換対象の一方の流体である高温流体４（水等の液体もしくは空気、水蒸気等の気体）を出入りさせるためのノズル７が設けられている。シェル１の両端付近には、熱交換対象のもう一方の流体である低温流体５（空気等の気体）をシェル１の内外へ通すためのノズル８が横向きに設けられている。
高温流体４は、上部のノズル７から水室カバー6内に入り、伝熱管２の内側に分流して管内流体として下向き矢印のように流れて、下部の水室カバー６に抜けて下部のノズル７から外部に流れ出る。
低音流体5は、下部のノズル８からシェル１内に入り、伝熱管２外であってシェル１内側を管外流体として横向き及び折れ線矢印のように流れ、途中で伝熱管２に沿って上向きに流れる。このように管内外各流体を対向流となる向きに流して熱交換効率を高めている。本実施例では、低温流体５として空気等の気体を用いるが、低温流体５に水等の液体が使用される場合であっても良い。
また、本実施例では、熱交換器の伝熱管２として直管を用いたが、シェル1の温度差による熱応力の発生を緩和するためにＵ字型の管の両端を一方の管板3に取り付けて他方の管板を設けない形式の熱交換器であっても良い。
【００１４】
伝熱管２内側を流れる高温流体４を水蒸気等の気体とし、熱交換により伝熱管２内で凝縮させる場合、伝熱管２内側の高温流体４による凝縮熱伝達率は、伝熱管２外側の低温流体５による対流熱伝達率に比べ、数百倍高くなるため、伝熱管２外側の低温流体５による対流熱伝達率が伝熱管２の表面積および本数を決める要因となる。伝熱管本数を減らすことができれば、コストを低減できるため、伝熱管２外側の低温流体５による対流熱伝達率を高めることは工学的に重要な課題である。
その対流熱伝達率を高めるために、以下に説明する構造が熱交換器に付属している。即ち、図２に示すように、伝熱管２の外表面には突起の高さＨ（伝熱管２の外表面からの突出寸法）の環状の突起が、上下に等間隔Ｌの配置で固定されて、低音流体５の流れ方向や伝熱管2に沿う方向に列を成す突起列９として装備されている。
熱交換器には、音波発生機構が装備される。音波発生機構として採用した音波発生装置１０は、振動面が低温流体５に接する様にシェル1に設置したスピーカーと、そのスピーカーを駆動するスピーカー駆動装置で構成される。そのスピーカー駆動装置は、音波１１の周波数を可変する調整手段を有して、特定の周波数ｆを発生させることが出来る。
【００１５】
突起列９を成す各突起の形状は、低温流体５の流れの剥離により、渦の発生位置が明確となる形状が望ましいので、例えば図２に示すように縦断面が直角三角形状のリブ形状であることが好ましい。突起列９の個々の突起の高さＨは、例えば熱交換器内を流れる低温流体５の圧力損失が許容できる範囲内で最大となるように決定する。
図２のように、突起で生じた渦１２は、低温流体５の流れに乗って移動する。その渦１２の移動速度Ｖ、突起の間隔Ｌとすると、渦１２が突起の間を移動するのに必要な時間Ｔ＝Ｌ／Ｖ、渦１２が下流側に隣接する次の突起に到達したときに音波１１が入射されれば次の突起で新たな渦が生成されて下流側からの渦１２と合体可能であるので、音波１１の周波数ｆ＝Ｖ／Ｌ、従って、突起の間隔Ｌ＝Ｖ／ｆとなる。本発明の各実施例で対象とする流速域は既存の例に比べて効果が顕著に現れる５ｍ／ｓ以上でる。そのため、下限流速は５ｍ／ｓとして５／ｆ≦Ｌとされる。また現実的に想定される最大流速を１００ｍ／ｓと設定したので、Ｌ≦１００／ｆとされる。
【００１６】
そのため、低音流体５の流れ方向に対する突起列９の間隔Ｌは、音波発生装置１０によって発生する音波１１の周波数ｆに対し、以下の（１）式を満足するように決定する。
５／ｆ  ≦  Ｌ  ≦  １００／ｆ          …（１）
図３のように、流速が秒速５メートル近辺を越えた値以上で本実施例の対流熱伝達率比が他の場合に比べて顕著であることは明らかである。
【００１７】
本実施例では、低温流体５の流れは突起列９の突起部で剥離するため、図２のように突起部下流に渦１２が発生する。その渦１２は低温流体５の流れにより、下流側へ移動し、隣接して下流側に位置する突起部の近傍１３に到達する。
【００１８】
スピーカー駆動部で駆動されたスピーカーは、振動して周波数ｆの音波１１を低温流体５に入射する。その入射によって、波動が突起部とその周りに到達する。突起列９の突起部とその周りに入射する音波１１の周波数ｆと、突起列9を成す各突起の間隔Lが上式（１）の関係を満足している場合、間隔Lを隔てて隣接し合う各突起のうちの低温流体５の流れの上流側の突起で出来た渦１２が、下流側に隣接する突起の近傍１３に到達した時に、音波１１により突起列9の突起部に新たな渦が誘起される。低音流体５の流れにより下流側突起部の近傍１３に到達した渦と、音波１１の波動により刺激されて誘起された渦が合体するため、より大きな渦１４が突起部の下流に形成される。
高温流体５との熱交換により低温流体の伝熱面近傍に形成される高温の流体層と低温流体主流部の低温の流体層は、突起部後流に形成された渦により混合されるため対流熱伝達率が向上する。
伝熱管に突起列９を設けて、突起近傍に渦を発生させやすい敏感な環境を作っているので、その環境下で突起の直近又は突起及びその近傍の領域に波動を刺激として与えると渦を誘起させやく、渦の発生促進と渦の発生タイミングを音波で制御することが可能となる。
伝熱管に突起を設けただけの従来の手段に比べ、本実施例では突起部の下流に形成される渦が大きくなり、高温の流体層と低温の流体層の撹拌効果が更に得られるため、対流熱伝達率を更に向上させることが可能である。
また、伝熱管に突起を設けたものに比較して、低温流体５の流れを阻害する突起の高さを変えなくとも、波動で突起部の流れに刺激を与えて渦を誘起するので、本実施例では、圧力損失を大きくせずに、渦の大型化による対流熱伝達率の向上が可能である。
本実施例では、音波１１による振動流で高温の流体層と低温の流体層を直接撹拌するわけではないので、そのような従来例に比較して、適用範囲が流速によって制限されない。したがって、通常のシェルアンドチューブ型空冷熱交換器で使用される流速域（１〜２０ｍ／ｓ）で対流熱伝達率を向上させることが可能である。
【００１９】
図３は、伝熱面に突起列を設けただけの構成での対流熱伝達率比（突起列および音波無しでの対流熱伝達率に対する比率）と、伝熱面に音波を入射した場合の対流熱伝達率比（突起列無しおよび音波有りでの対流熱伝達率に対する比率）と、本実施例による対流熱伝達率比を比較したものである。また、これらの比較対照を組み合わせた構成として、突起列を有する伝熱面に音波を入射した場合（ただし、音波の周波数ｆと突起列の突起の間隔Lは式（１）の関係を満足していないものとする。）の対流熱伝達率比も示している。
このような図３のグラフからいずれの場合に比べても、本実施例による対流熱伝達率の向上率が優れていることが分かる。このように、熱交換器を上記のような構成とすることで、突起による圧力損失の増加や、低温流体５の流れで振動する振動片の採用無く、通常の熱交換器で用いられる流速域においても対流熱伝達率を向上させることが出来る。
【実施例２】
【００２０】
本実施例は、既述の実施例1の音波発生機構を他の機構に変更したものであり、その他の内容は実施例1と同様なので、以下に本実施例について、変更後の音波発生機構を主体にして、図４を基に説明する。
【００２１】
図4に示すシェルアンドチューブ型空冷熱交換器のシェル１のノズル８の装着部分にキャビティ１５を設ける。そのキャビティ１５は、シェル１の外郭壁に形成した孔であり、その孔はノズル８にのみ開口している。このようなキャビティ１５は、上部と下部の各ノズル８の装着部分に設けてある。本実施例では、そのキャビティ１５を、キャビティ１５での流力音響共鳴現象を利用した音波発生機構として用いる。
キャビティ１５の深さをLｃ、音速をCｓとしたとき、キャビティ１５内での音響共鳴により、キャビティ１５から周波数ｆ＝Cs／（４Lｃ）の音波が発生する。音波発生機構としてキャビティ１５での流力音響共鳴現象を用いるため、スピーカー等のように外部からの駆動作用なしに音波１１を発生させることが可能である。
【００２２】
伝熱管２および伝熱管表面の突起列９の構成は、実施例１と同様である。低温流体５の流れ方向に対する突起列９の突起の間隔Lは、キャビティ１５内での流力音響共鳴現象によって発生する音波１１の周波数ｆに対し、式（１）を満足するように決定する。
【００２３】
低温流体５の流れは突起部９で剥離するため、図２のように突起部後流に渦１２が発生する。渦１２は低温流体５の流れにより、下流側へ移動し、下流側に隣接する突起部の近傍１３に到達する。突起列９の突起又は突起近傍の流体に入射するキャビティ１５で発生した音波１１の周波数ｆと、突起列の間隔Lが上式（１）の関係を満足している場合、渦１２が下流側の突起部の近傍１３に到達した時に、その音波により時列９の突起部に新たな渦が誘起される。
低温流体５の流れにより下流側の突起の近傍１３に到達した渦と、音波１１により誘起された渦が合体して、より大きな渦１４が突起部後流に形成される。
このような大型の渦を形成して、実施例１と同様に、熱交換器の対流熱伝達率を向上させることが可能である。
【００２４】
また、本実施例では、キャビティ１５を用いた流力音響共鳴現象にて本実施例で用いる音波１１を得ているので、実施例１のようにスピーカーを駆動するために外部から電力などのエネルギーを導入する必要が無く、故障の要因も低減する。
【実施例３】
【００２５】
本実施例は、既述の実施例1の音波発生機構を他の機構に変更したものであり、その他の内容は実施例1と同様なので、以下に本実施例について、変更後の音波発生機構を主体にして、図５を基に説明する。
【００２６】
本実施例における音波発生機構は、図５に示すシェルアンドチューブ型空冷熱交換器のシェル１内での音響共鳴現象を利用する。シェル1の高さをLｓ、音速をCｓ、ｎを自然数としたとき、シェル内で周波数ｆ＝（ｎ／２）・（Cｓ／Lｓ）の音波１１が発生する。
音波発生機構としてシェル1内での音響共鳴現象を用いるため、実施例１のようなスピーカーによる音波発生装置や実施例２のようなキャビティ１５等の構造を追加すること無しに音波１１を発生させることが可能である。
【００２７】
低温流体5の流れ方向に対する突起列９の突起の間隔Lは、シェル１内での音響共鳴現象によって発生する音波１１の周波数ｆに対し、式（１）を満足するように決定する。
本実施例においても、実施例１，２と同様に、図２のように、低温流体５の流れにより下流側の突起の近傍１３に到達した渦１２と、音波により誘起された渦が合体して、より大きな渦１４が突起部後流に形成される。
このような大型の渦を形成して、実施例１，２と同様に、熱交換器の対流熱伝達率を向上させることが可能である。
【００２８】
また、本実施例では、シェル１内での音響共鳴現象にて本実施例で用いる音波１１を得ているので、外部から電力などのエネルギーの導入やキャビティ１５の必要性が無い。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、熱交換対象の各流体が伝熱壁面を介して熱交換する形式の熱交換器に用いられる。
【符号の説明】
【００３０】
１…シェル、２…伝熱管、３…管板、４…高温流体、５…低温流体、６…水室カバー、７，８…ノズル、９…突起列、１０…音波発生装置、１１…音波。
【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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