(57)【要約】【課題】熱交換機自体の大型化を招くことなく、十分に伝達率を向上することができる。【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、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、フィンは、フィン面に対して略垂直に設けられるプレート部（１３、１４）を有する。プレート部は、熱交換空気の流通方向における伝熱管の下流側であって、当該伝熱管の外周面（１１ａ）よりも内側の領域（Ａ）で、熱交換空気の流通方向に沿って配置される。【選択図】図３
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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、
前記フィンは、フィン面に対して略垂直に設けられるプレート部を有し、
前記プレート部は、前記熱交換空気の流通方向における前記伝熱管の下流側であって、当該伝熱管の外周面よりも内側の領域で、前記熱交換空気の流通方向に沿って配置されることを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
【請求項２】
前記プレート部の先端部は、隣り合う前記フィンのフィン面に接触す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、伝熱管に固定される円環形状のフィンの両側面に、円周状で所定角度毎に半径方向へ所定の長さを有して突成された突起を含み、当該フィンを管軸方向に所定ピッチ毎に放射状に屈曲させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このフィンチューブ熱交換器においては、フィン表面に沿って流通する熱交換空気の流れを乱すことで、熱伝達率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８５４９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したフィンチューブ熱交換器においては、フィンが放射状に屈曲した形状を有することから、その一部（特に、熱交換空気の流通方向下流側の一部）で、熱交換空気をフィンの外縁側に誘導してしまう場合がある。このため、フィンの一部しか活用することができず、十分に熱伝達率を向上することができない事態が発生し得るという問題がある。
【０００６】
一般に、大容量の空冷式熱交換器にフィンチューブ熱交換器が用いられる場合、フィンチューブ熱交換機自体が大型化してしまう。近年、コジェネレーションシステムの普及などの要因から、フィンチューブ熱交換器の大型化を招くことなく、熱交換性能を向上することが要請されている。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、熱交換機自体の大型化を招くことなく、十分に熱伝達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、前記フィンは、フィン面に対して略垂直に設けられるプレート部を有し、前記プレート部は、前記熱交換空気の流通方向における前記伝熱管の下流側であって、当該伝熱管の外周面よりも内側の領域で、前記熱交換空気の流通方向に沿って配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換機自体の大型化を招くことなく、十分に熱伝達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】本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器が有するフィンチューブの断面図である。
【図３】本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器が有するフィンチューブの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本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、熱伝達率を向上すべく各種の提案が行われている。例えば、伝熱管に固定される円環形状のフィンの両側面に、円周状で所定角度毎に半径方向へ所定の長さを有して突成された突起を含み、当該フィンを管軸方向に所定ピッチ毎に放射状に屈曲させたフィンチューブ熱交換器が知られている。
【００１４】
しかしながら、このようなフィンチューブ熱交換器では、フィンが放射状に屈曲した形状を有することから、その一部（特に、熱交換空気の流通方向下流側の一部）で、熱交換空気をフィンの外縁側に誘導してしまう。これにより、熱交換空気が伝熱管近傍から剥離（離間）する方向に流れ、伝熱管の周辺領域（より具体的には、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、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。この結果、フィンチューブ熱交換器の熱伝達率を十分に向上できない事態が想定される。
【００１５】
本発明者らは、従来、提案されている各種のフィンチューブ熱交換器においては、フィン内に導入された熱交換空気が、伝熱管の近傍から離間する方向に流れる結果、フィンの一部が十分に熱伝達率の向上に寄与していないことに着目した。そして、フィン内で熱交換空気が流れる領域を拡大すること、並びに、熱交換空気がフィン表面に当たる部分を増大することが熱伝達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、伝熱管に配置される複数枚のフィンに、フィン面に対して略垂直に設けられるプレート部を設け、このプレート部を、熱交換空気の流通方向における伝熱管の下流側であって、当該伝熱管の外周面よりも内側の領域に、熱交換空気の流通方向に沿って配置することである。
【００１７】
本発明によれば、フィン面に対して略垂直に設けられるプレート部が、熱交換空気の流通方向における伝熱管の下流側であって、当該伝熱管の外周面よりも内側の領域で、熱交換空気の流通方向に沿って配置されることから、伝熱管の下流側に流れた熱交換空気がコアンダ効果によりプレート部側に引き寄せられる。これにより、熱交換空気を伝熱管の後方側に回り込ませることができるので、フィン内で熱交換空気が流れる領域を拡大できると共に、熱交換空気がフィン表面に当たる領域を増大できる。しかも、プレート部は、熱交換空気の流通方向における伝熱管の下流側であって、当該伝熱管の外周面よりも内側の領域に配置されることから、フィンの外周寸法が大幅に大きくなることはない。これらの結果、熱交換機自体の大型化を招くことなく、十分に熱伝達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機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機は、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、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で配置されている。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。それぞれのフィン１２には、一対のプレート部１３、１４が設けられている。これらのプレート部１３、１４は、一定の間隔を空けて対向して配置されている。これらのプレート部１３、１４の間には、熱交換器１の前後方向に連続して設けられた間隙１５が配置されている（図３参照）。
【００２５】
以下、本実施の形態に係る熱交換器１が有するフィン１２の具体的な構成について図１〜図３を参照して説明する。図２及び図３は、それぞれ本実施の形態に係る熱交換器１が有するフィンチューブ１０の断面図及び正面図である。なお、図２においては、伝熱管１１の管軸中心を通る断面を示すと共に、説明の便宜上、フィンチューブ１０の一部を抜粋して示している。また、以下においては、説明の便宜上、フィン１２の前方側の面を表面と呼び、フィン１２の後方側の面を裏面と呼ぶものとする。
【００２６】
図１〜図３に示すように、プレート部１３、１４は、熱交換空気の流通方向における伝熱管１１の下流側（図１〜図３に示す伝熱管１１の上方側）の位置に配置されている。また、プレート部１３、１４は、熱交換空気の流通方向を基準として、伝熱管１１の外周面１１ａよりも内側の領域内に配置されている。具体的には、伝熱管１１の外周面１１ａに接し、熱交換空気の流通方向（熱交換器１の上下方向）と平行な一対の破線Ｌ１、Ｌ２の間の領域Ａ内に配置されている（図３参照）。
【００２７】
また、プレート部１３、１４は、上記の領域Ａ内にて、熱交換空気の流通方向（熱交換器１の上下方向）に沿って配置されている（図３参照）。ここでは、プレート部１３、１４は、熱交換器１の上下方向と平行に延在されるように配置される場合について示している。しかしながら、プレート部１３、１４の延在方向は、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。プレート部１３、１４は、後述するコアンダ効果により熱交換空気を引き寄せることを条件として、任意の方向に延在してよい。
【００２８】
さらに、プレート部１３、１４は、フィン１２のフィン面１２１に対して略垂直に設けられている。ここで、フィン面１２１に対して略垂直とは、フィン面１２１に対して垂直を含み、プレート部１３、１４を製造する過程で実質的に発生する角度誤差を含むことをいうものとする。プレート部１３、１４は、フィン面１２１の表面から前方側に延出して設けられている。なお、フィン面１２１に対するフィン１２の延出方向の角度は、略垂直に限定されず、フィン面１２１に対して僅かに傾斜する角度を有してもよい。
【００２９】
プレート部１３、１４の先端部は、隣り合う前方側のフィン１２のフィン面１２１に接触している（図２参照）。より具体的には、プレート部１３、１４の先端部（前端部）は、隣り合う前方側のフィン１２のフィン面１２１の裏面に到達し、接触した状態となっている。すなわち、プレート部１３、１４は、後方側のフィン面１２１の表面の一部と、前方側のフィン面１２１の裏面の一部とを連結する壁面部を構成する。プレート部１３、１４の先端部は、隣り合う前方側のフィン１２のフィン面１２１に少なくとも接触していればよく、接合されることは必須ではない。
【００３０】
例えば、プレート部１３、１４は、フィン１２のフィン面１２１の一部を前方側に切り起こすことにより形成される。このように切り起こすことでプレート部１３、１４を形成することにより、フィン１２に対する他の部材の接合作業等が不要とでき、簡単にプレート部１３、１４を形成することができる。
【００３１】
また、それぞれのフィン１２のフィン面１２１に対し、プレート部１３、１４に相当する板状部材を接合するようにしてもよい。板状部材を接合する際には、フィン１２におけるプレート部１３、１４が形成される位置にスリットを予め形成しておき、複数枚のフィン１２に跨る板状部材を挿入して接合するようにしてもよい。
【００３２】
なお、ここでは、フィン１２に一対のプレート部１３、１４を、伝熱管１１の下流側であって、伝熱管１１の最上部付近に設ける場合について示している。しかしながら、プレート部の構成及び配置については、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、単一のプレート部を設けてもよいし、３枚以上のプレート部を設けてもよい。また、プレート部１３、１４は、上記領域Ａ内に配置されることを条件として、伝熱管１１の最上部付近以外の位置に配置してもよい。
【００３３】
ここで、本実施の形態に係る熱交換器１における熱交換空気の流通態様について、図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３においては、熱交換空気が流れる方向の一部を破線矢印で示している。上述したように、熱交換空気は、図示しない送風機に吸い上げられ、熱交換器１の下方側から上方側に流通する。吸い上げられた熱交換空気は、フィンチューブ１０に到達すると、複数枚のフィン１２（フィン面１２１）の間に導入される（図２参照）。
【００３４】
フィン１２間に導入された熱交換空気は、上方側に進み、伝熱管１１の外周面１１ａに当たる。そして、外周面１１ａの周面に沿って更に上方側に流れる（図３参照）。熱交換空気の流通方向における伝熱管１１の下流側の領域（伝熱管１１の中心部より上方側の領域）において、熱交換空気の一部は、伝熱管１１の外周面１１ａから離間する方向に流れる。
【００３５】
伝熱管１１の下流側に進んだ熱交換空気は、プレート部１３、１４に引き寄せられるように流れる。これは、プレート部１３、１４の配置及び構成により誘引されるコアンダ効果に依る。すなわち、プレート部１３、１４は、上述のように、フィン面１２１に対して略垂直に設けられ、熱交換空気の流通方向に沿って（より具体的には、熱交換空気の流通方向と平行に）配置されている。伝熱管１１の下流側に進んだ熱交換空気は粘性の効果により周囲流体を巻き込むが、プレート１３、１４の配置される側からは流体の流れ込みが阻害されるため、反作用でプレート部１３、１４側に引き寄せられる。したがって、熱交換空気は、伝熱管１１の中心部側に誘導されながら上方側に流れる。上方側に誘導された熱交換空気は、更にフィン面１２１間の空間において、上方側に流れ、フィン１２の外側に流出する。
【００３６】
本実施の形態に係る熱交換器１においては、フィン面１２１に対して略垂直に設けられるプレート部１３、１４が、熱交換空気の流通方向における伝熱管１１の下流側であって、当該伝熱管１１の外周面１１ａよりも内側の領域Ａで、熱交換空気の流通方向に沿って配置されることから、伝熱管１１の下流側に流れた熱交換空気がコアンダ効果によりプレート部１３、１４側に引き寄せられる。これにより、熱交換空気を伝熱管１１の上方側に回り込ませ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ると共に、熱交換空気がフィン表面に当たる領域を増大できる。しかも、プレート部１３、１４は、熱交換空気の流通方向における伝熱管１１の下流側であって、当該伝熱管１１の外周面１１ａよりも内側の領域Ａに配置されることから、フィン１２の外周寸法が大幅に大きくなることはない。これらの結果、熱交換機自体の大型化を招くことなく、十分に熱伝達率を向上することができる。
【００３７】
また、コアンダ効果により正面視にて伝熱管１１の外周面１１ａから離間する方向に流れた熱交換空気を伝熱管１１の上方側に回り込むように誘導する。これにより、従来、死水域を構成していたフィン１２の一部の領域を低減することができる。この結果、熱交換空気がフィン１２の表面に触れる領域を拡大できるので、熱伝達率を向上することができる。
【００３８】
さらに、プレート部１３、１４は、その先端部（前端部）が、隣り合う前方側のフィン１２のフィン面１２１の裏面に接触している（図２参照）。これにより、前後方向に配列されるフィン１２間の全域を活用してコアンダ効果を発揮できるので、伝熱管１１の下流側に流れた熱交換空気を効果的にプレート部１３、１４側に引き寄せることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態では、正面視にて、フィン１２が円環形状を有する場合について説明している。しかしながら、フィン１２の形状については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。フィンチューブ１０の製造工程を簡素化することを前提として、フィン１２には任意の形状を採用することができる。例えば、正面視にて矩形状や多角形状のフィン１２を採用してもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態では、複数枚のフィン１２を伝熱管１１に接合する場合について説明している。しかしながら、フィン１２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、長尺の金属製の薄板を用意し、これを伝熱管１１の外周面１１ａに螺旋状に接合する構成であってもよい。この場合にも、伝熱管１１の周囲の所定領域にプレート部１３、１４を設けることで、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
さらに、上記実施の形態では、プレート部１３、１４の先端部（前端部）が、隣り合う前方側のフィン１２のフィン面１２１の裏面に接触する場合について説明している。しかしながら、プレート部１３、１４の先端部は、必ずしも隣り合う前方側のフィン１２のフィン面１２１の裏面に接触していなくてもよい。すなわち、プレート部１３、１４の先端部と、前方側のフィン１２のフィン面１２１の裏面との間に間隙が形成されていてもよい。この場合にも、プレート部１３、１４がフィン面１２１の表面から前方側に突出することで一定以上のコアンダ効果を期待できる。
【００４２】
さらに、上記実施の形態では、前後方向に隣り合うフィン１２に設けられた間隙１５が、正面視にて同一位置に配置される場合について説明している（図３参照）。しかしながら、これらの間隙１５の位置については、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、前後方向に隣り合うフィン１２において、それぞれの間隙１５をフィン１２の周方向の異なる位置に配置してもよい。
【００４３】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上説明したように、本発明は、熱交換機自体の大型化を招くことなく、十分に伝達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】
【００４５】
１：熱交換器
１０：フィンチューブ
１１：伝熱管
１１ａ：外周面
１２：フィン
１２１：フィン面
１３、１４：プレート部
１５：間隙
【図１】
2019143874.tif 000003
【図２】
2019143874.tif 000004
【図３】
2019143874.tif 000005