(57)【要約】【課題】本発明の課題は、低流速時においても微細多孔質層による伝熱促進効果を十分に得ることにある。【解決手段】  本発明は、前記低温流体と接する伝熱管表面に、微細多孔質層と複数の伝熱促進構造を備え、流れの代表長さDに対し、前記伝熱促進構造の高さHが0.05≧H/D≧0.01であり、かつ、前記伝熱促進構造の流れ方向への設置間隔Lが40＜L/H≦300であることを特徴とする。【効果】本発明によれば、低流速時においても微細多孔質層による伝熱促進効果を十分に得ることができる。【選択図】  図１
2015010749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェルの内側に配置され、高温流体が流入する伝熱管と、前記伝熱管の外側に低温流体を流し、対流熱伝達により熱交換する伝熱装置であって、前記低温流体と接する伝熱管表面に、微細多孔質層と複数の伝熱促進構造を備え、流れの代表長さDに対し、前記伝熱促進構造の高さHが0.05＞H/D≧0.01であり、かつ、前記伝熱促進構造の流れ方向への設置間隔Lが40＜L/H≦300であることを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載の伝熱装置であって、前記伝熱促進構造の両端が、前記シェルの内側に固定されていることを特徴とする伝熱装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の伝熱装置であって、前記微細多孔質層の平均凹凸高さが10μm以下であることを特徴とする伝熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度の異なる２つの流体間で熱交換を行わせる熱交換器や、流体の加熱器あるいは冷却器では、伝熱形態として、流れによる熱輸送を利用する対流熱伝達が用いられることが多い。対流熱伝達では、加熱面あるいは冷却面から熱伝導層、遷移層、対流層を介して流体に熱エネルギーが伝達される。熱伝導層は、加熱面あるいは冷却面表面のごく薄い領域に形成される流体層であり、流れによる熱輸送に比べ流体の分子拡散による熱伝導が支配的となる。熱伝導層の厚さは、流れにおける粘性力に対する慣性力の割合を表す無次元数であるレイノルズ数Reと、温度拡散に対する粘性拡散の割合を表す無次元数であるプラントル数Prとで決定され、レイノルズ数、プラントル数が大きくなると熱伝導層は薄くなる。
流速をU[m/s]、流れの代表長さをD[m]、流体の動粘性係数をν[m2/s]とすると、レイノルズ数は以下の式で表わされる。
Re=(UD)/ν      ・・・・・・・・・・・（１）
流体の熱拡散率をα[m2/s]とすると、プラントル数は以下の式で表わされる。
Pr=ν/α        ・・・・・・・・・・・（２）
【０００３】
従来、熱交換器等の伝熱装置の伝熱性能を向上させる技術として、特開２００５−６９５２０（特許文献１）がある。この従来技術では、伝熱面として板状の銅を用い、カーボン・ナノチューブ又は酸化銅・ナノ粒子又は酸化アルミニウム・ナノ粒子を混入させた酸あるいはアルカリで伝熱面の表面を化学的エッチング処理し、伝熱面の表面にナノ粒子多孔質層を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６９５２０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、特許文献１に記載の伝熱促進技術では、ナノ粒子多孔質層による熱伝導層内の分子運動の活性化を利用するため、ある程度の伝熱促進効果を得るためには、熱伝導層の厚みがナノ粒子多孔質層の厚みの数十倍以下である必要がある。したがって、レイノルズ数が小さい、すなわち低流速場（例えば、0〜10m/sの範囲）においては、熱伝導層が厚くなるため、ナノ粒子多孔質層による伝熱促進効果を十分得ることは困難である。
【０００６】
本発明の課題は、低流速時においても微細多孔質層による伝熱促進効果を十分に得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、低温流体と接する伝熱管表面に、微細多孔質層と複数の伝熱促進構造を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低流速時においても微細多孔質層による伝熱促進効果を十分に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係るシェルアンドチューブ型熱交換器の構造図である。
【図２】図１のA-A線切断断面図である。
【図３】図１の伝熱管外表面の拡大断面図である。
【図４】実施例２に係るシェルアンドチューブ型熱交換器の構造図である。
【図５】図４のA-A線切断断面図である。
【図６】H/Dと伝熱促進率との関係を示す試験データである。
【図７】L/Hと伝熱促進率との関係を示す試験データである。
【図８】伝熱性能向上率の要素試験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、温度の異なる２つの流体間で熱交換を行わせる熱交換器や、流体の加熱器あるいは冷却器として用いられる伝熱装置に関する。以下、図面を用いて各実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例は、伝熱装置をシェルアンドチューブ型熱交換器に応用したもので、熱交換に用いられる流体の流速が低い条件でも、従来のシェルアンドチューブ型熱交換器に比べ伝熱性能を向上させることができる。
【００１２】
図１は本実施例に係るシェルアンドチューブ型熱交換器の構造図である。円形または多角形のシェル１００の両側に伝熱管１０１を支えるための管板１０２が設置されている。
管板１０２には伝熱管１０１を通すための多数の穴が千鳥状に配列されており、伝熱管１０１はこれらの管穴に挿入されて両端で管板１０２に固着される。伝熱管１０１はアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い金属で構成される。伝熱管１０１の材質としてSUSを用いても良い。高温流体である水蒸気１０８は熱交換器上部のノズル１０４から熱交換器内に流入する。水蒸気１０８は熱交換器上部の水室１０３を経由して伝熱管１０１内へ流入し、伝熱管内を流下する。水蒸気１０８は伝熱管壁を介して低温流体１０９と熱交換して凝縮し、圧縮水となる。圧縮水は熱交換器下部の水室を経由し、熱交換器下部のノズルから熱交換器外へ流出する。低温流体である空気１０９は熱交換器下部の側面に設けられたノズル１０５より熱交換器内に流入する。空気１０９は伝熱管１０１外を上昇し、伝熱管壁を介して高温流体である水蒸気１０８と熱交換する。熱交換を終えた空気は熱交換器上部の側面に設けられたノズルから熱交換器外へ流出する。
【００１３】
伝熱管１０１内の水蒸気の相変化を利用した凝縮熱伝達による凝縮熱伝達率に比べ、伝熱管１０１外の空気流れによる対流熱伝達率は数百倍小さいため、伝熱管外の対流熱伝達を促進する必要がある。本実施例では、伝熱管外の対流熱伝達を促進するため、伝熱管１０１の管外表面１０６に微細多孔質層を形成する。微細多孔質層は特許文献１に記載の方法で、伝熱管１０１を管板１０２に溶接する前に伝熱管外表面１０６に施工される。カーボン・ナノチューブ又は酸化銅・ナノ粒子又は酸化アルミニウム・ナノ粒子を混入させた酸あるいはアルカリで伝熱管外表面１０６を化学的エッチング処理することで、伝熱管外表面１０６にナノ粒子多孔質層が形成される。微細多孔質層としてナノ粒子多孔質層の代わりに、陽極酸化法によって形成される多孔質層を用いても良い。周知の陽極酸化法では、伝熱面を機械加工などにより平滑化した後、伝熱管１０１を陽極として、３〜８％のシュウ酸溶液を電解液として直流又は交流電圧を印加し、それによって伝熱管１０１の管外表面１０６に電気化学反応を生じさせる。この電気化学反応により溶けだした伝熱管外表面の金属（例えばアルミニウム）は電解液中の酸素と結合して伝熱管外表面１０６に酸化金属の多孔質皮膜、すなわち多孔質層が形成される。
【００１４】
伝熱管外表面１０６の微細多孔質層は、空気の分子運動を活性化させ、熱伝導を促進するので、多孔質層の凹凸高さhが分子の平均自由行程（分子が他の分子と衝突するまでに移動する距離）の数十倍以下である必要がある。平均自由行程λは気体の圧力をP[Pa]、温度をT[K]、分子の直径をd[m]とすると以下の式で計算される。
λ=3.11×10-24T/(Pd2)    ・・・・・・・・・・・（３）
【００１５】
大気圧、20℃の空気では平均自由行程は約0.06μmとなる。伝熱管外表面１０６の微細多孔質層の凹凸高さhは、空気の分子運動を活性化させるため、10μm以下であることが望ましい。凹凸高さが10μm以下であれば、前記以外の方法で微細多孔質層を形成しても良い。
【００１６】
伝熱管外表面１０６上に、微細多孔質層による伝熱促進を更に向上させるために、伝熱促進構造１０７を複数設置する。伝熱促進構造１０７の材質は、アルミニウム、銅、SUS等の金属である。製作性を向上させるため、耐熱ゴム、耐熱樹脂等を用いても良い。伝熱促進構造１０７の断面形状は三角、四角、丸型等、伝熱促進構造の高さが定義できる形状であれば良い。図２は図１のA-A線切断断面図である。本実施例における伝熱促進構造１０７は伝熱管１０１外周を囲むようなリング形状の突起である。
【００１７】
図３は本実施例に係るシェルアンドチューブ型熱交換器の伝熱管外表面１０６と微細多孔質層１１０、伝熱促進構造１０７の関係を示す伝熱管外表面の拡大断面図である。伝熱管外表面１０６上に、特許文献１に記載の方法によるナノ粒子多孔質層、もしくは陽極酸化法による多孔質層、もしくはその他の方法による微細多孔質層１１０が形成されている。微細多孔質層１１０の凹凸厚さhは10μm以下である。微細多孔質層１１０上に伝熱促進構造１０７が、空気流れを乱すことができるように複数設置されている。具体的には、伝熱促進構造１０７は、空気流れ方向に対して、ほぼ垂直に設けられている。伝熱促進構造１０７の無い場合、前記のように、空気の流速が低い条件では、熱伝導層が厚くなるため微細多孔質層１１０による伝熱促進効果を十分に得ることができない。そこで、低流速時においても熱伝導層を薄くし、微細多孔質層１１０による伝熱促進効果が十分に得られるように、微細多孔質層１１０の上に伝熱促進構造１０７を設置する。伝熱促進構造１０７で流れが剥離するため、伝熱促進構造１０７の下流側で空気流れの乱れ１１１が増加する。空気流れの乱れにより、伝熱面近傍の流れが撹乱されて熱伝導層が薄くなる。伝熱促進構造１０７で十分に乱れを発生させるためには、流れの熱伝導層厚さよりも、伝熱促進構造１０７の高さが十分に大きいことが必要である。流れの代表長さD[m]と伝熱促進増加構造１０７の高さH[m]をパラメータとした試験結果を図６に示す。伝熱促進率はH/D≒0.05の値に対する比率である。本試験結果より、H/D≧0.01の条件で伝熱促進率が高く、伝熱促進増加構造１０７はH/D≧0.01の関係を満足することが望ましい。流れの代表長さDは、本実施例の管群に沿った流れでは、水力等価直径を取る。管内流れであれば、代表長さDは管内径を取る。伝熱促進構造１０７で発生した空気流れの乱れは、下流へ向かうにつれて、流体の持つ粘性によって減衰する。乱れが減衰すると、熱伝導層が厚くなり微細多孔質層１１０による伝熱促進効果が得られなくなるため、流れ方向に複数の伝熱促進構造１０７を設置し、乱れを継続させる。伝熱促進増加構造１０７の流れ方向間隔Lと伝熱促進構造１０７の高さHをパラメータとした試験結果を図７に示す。なお、流れ方向間隔Lとは、伝熱管外表面１０６上に設けられた伝熱促進増加構造１０７の設置間隔を表しており、図３では、伝熱促進増加構造１０７の三角形断面における頂点間の間隔を表す。そして、伝熱促進構造１０７の高さHとは、伝熱促進増加構造１０７の三角形断面における底面から頂点までの高さを表す。伝熱促進率はL/H≒100の値に対する比率である。本試験結果より、L/H≦300の条件で伝熱促進率が高く、伝熱促進増加構造１０７はL/H≦300の関係を満足することが望ましい。
次に、微細多孔質層１１０と伝熱促進構造１０７を併用した場合の伝熱性能向上率について、要素試験を行った結果を示す。要素試験は流速10m/sの低流速場で実施した。要素試験で得られた伝熱性能向上率を図８に示す。伝熱性能向上率は乱流促進リブによる値に対する比率である。表面加工と乱流促進リブを併用した場合、単純に両者を足し合わせた値より伝熱性能が向上しており、相乗効果が得られることが分かった。
【００１８】
また、微細多孔質層１１０のみでも伝熱促進効果が得られる高流速条件においても、本実施例の構成とすることで、伝熱促進構造により、更に熱伝導層が薄くなるため、微細多孔質層による伝熱促進効果を更に得ることができる。
【００１９】
上述した本実施例によれば、空気流速が低い条件においても、伝熱促進効果を得ることができる。伝熱管外表面に微細多孔質層のみを適用した熱交換器に比べ、同一流速条件においても更に伝熱促進効果を得ることができる。本実施例を適用しない熱交換器に比べ、伝熱性能が向上するため、伝熱管本数を削減でき、熱交換器のコストを削減できる。
【実施例２】
【００２０】
本実施例は、伝熱装置をシェルアンドチューブ型熱交換器に応用したもので、熱交換に用いられる流体の流速が低い条件でも、従来のシェルアンドチューブ型熱交換器に比べ伝熱性能を向上させることができる。また、管内での蒸気凝縮に伴う伝熱管の振動を抑制することができる。
【００２１】
図４は、実施例２に係るシェルアンドチューブ型熱交換器の構造図である。また、図５は、図４のA-A線切断断面図である。図１のシェルアンドチューブ型熱交換器のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００２２】
伝熱管１０１の管外表面に伝熱促進のため、実施例１で示した微細多孔質層１１０を形成する。空気の流速が低い条件においても微細多孔質層１１０による伝熱促進効果を得るために、伝熱促進構造１１２を複数設置する。本実施例における伝熱促進構造１１２はロッドで構成されている。伝熱促進構造１１２の材質は、アルミニウム、銅、SUS等の金属である。製作性を向上させるため、耐熱ゴム、耐熱樹脂等を用いても良い。伝熱促進構造１１２の断面形状は三角、四角、丸型等、伝熱促進構造の高さH[m]が定義できる形状であれば良い。伝熱促進構造１１２は両端がシェル１００の内側に溶接もしくは接着等によって固定されている。伝熱促進構造１１２は伝熱管１０１を挟み込むように配置されているので、伝熱管１０１は伝熱促進構造１１２によって固定され、管内の蒸気凝縮等による伝熱管１０１の振動発生を抑制することができる。低空気流速条件においても、微細多孔質層１１０による伝熱促進効果を得るため、伝熱促進構造１１２で乱れを発生させる。伝熱促進構造１１２で十分に乱れを発生させるため、流れの代表長さD[m]に対し、伝熱促進構造１１２の高さHがH/D≧0.01の関係を満足することが望ましい。流れの代表長さDは、本実施例の管群に沿った流れでは、水力等価直径を取る。管内流れであれば、代表長さDは管内径を取る。伝熱促進構造１１２で発生した空気流れの乱れは、下流へ向かうにつれて、流体の持つ粘性によって減衰する。乱れを継続させるため、流れ方向に複数の伝熱促進構造１１２を設置する。伝熱促進構造１１２の流れ方向間隔Lは、流体粘性による乱れの減衰効果を考慮すると、L/H≦300であることが望ましい。微細多孔質層１１０のみでも伝熱促進効果が得られる高流速条件においても、本実施例の構成とすることで、伝熱促進構造により、更に熱伝導層が薄くなるため、微細多孔質層による伝熱促進効果を更に得ることができる。
【００２３】
上述した本実施例によれば、空気流速が低い条件においても、伝熱促進効果を得ることができる。伝熱管外表面に微細多孔質層のみを適用した熱交換器に比べ、同一流速条件においても更に伝熱促進効果を得ることができる。本実施例を適用しない熱交換器に比べ、伝熱性能が向上するため、伝熱管本数を削減でき、熱交換器のコストを削減できる。また、管内での蒸気凝縮に伴う伝熱管の振動を抑制することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１００  シェル
１０１  伝熱管
１０２  管板
１０３  水室
１０４  ノズル
１０５  ノズル
１０６  伝熱管外表面
１０７  伝熱促進構造
１０８  水蒸気
１０９  空気
１１０  微細多孔質層
１１１  空気流れの乱れ
１１２  伝熱促進構造
【図１】
2015010749.tif 000003
【図２】
2015010749.tif 000004
【図３】
2015010749.tif 000005
【図４】
2015010749.tif 000006
【図５】
2015010749.tif 000007
【図６】
2015010749.tif 000008
【図７】
2015010749.tif 000009
【図８】
2015010749.tif 000010