(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管の外周にフィンを渦巻状に植設し、該フィンは突起片と該突起片の間に形成された溝とによって構成され、該突起片をフィンの巻き方向に対して所定角度捩じって形成したツイストセレーティッドフィンを有した第１伝熱管と、伝熱管の外周に延設方向に壁面が連続したフィンを渦巻状に植設して形成したプレンフィンを有した第２伝熱管とを備えた熱交換器において、
質量流速を２乃至１５[Ｋｇ／ｍ２ｓ]に設定した熱源流体の通路域に、前記第２伝熱管よりなる第２伝熱管群より上流側に前記第１伝熱管よりなる第１伝熱管群を配置し、伝熱管及びフィンはステンレス鋼、銅、またはアルミニユウムの何れか１種類の材料からなり各列に２〜３本配置されるとともに、伝熱管の管厚は０．２〜０．４ｍｍであり、フィン厚は０．１〜０．２ｍｍに設定され、
前記通路域の上流側より第１列乃至第４列までを、前記第１伝熱管群が前記熱源流体の流れ方向に千鳥状に配置され、前記通路域の第５列以降を、前記第２伝熱管群が千鳥状に配置されて、前記第５列以降のプレンフィンによって、上流側のツイストセレーティッドフィンによって形成された乱流が収まるように配置され、さらに、前記第１伝熱管群および第２伝熱管群における第１伝熱管および第２伝熱管はそれぞれ前記渦巻状のフィンの巻き方向に関係なく配置可能に構成されたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ツイストセレーティッドフィンを有した第１伝熱管とプレンフィンを有した第２伝熱管とを備えた熱交換器、特に伝熱性能と圧力損失低減の両方を改善した熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図２に示すように、伝熱管１の外周に延設方向に壁面が連続したフィン２を渦巻状に植設して形成したプレンフィンチューブＰＦと、図３に示すように伝熱管３の外周にフィン４を渦巻状に植設し、該フィン４を突起片４ａと該突起片４ａ、４ａ間に溝６を形成し、前記突起片４ａを植設方向７に対して所定角度α捻ったツイステッドフィンチューブＴＦとが存在する。
【０００３】
そして、それらのチューブを熱源流体の流通域に多数、千鳥状もしくは碁盤目状に配置した熱交換器もよく知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして、前記熱源流体の流通域に前記プレンフィンチューブＰＦのみを配置した熱交換器は前記熱源流体の圧力損失は低いが、伝熱性能が低く、また、前記熱源流体の流通域に前記ツイステッドフィンチューブＴＦのみを配置した熱交換器は前者より伝熱性能に優れているが、圧力損失が大きいという問題があった。
【０００５】
そのために、伝熱性能と圧力損失低減の両方を満足させた熱交換器が特開平１０−２１３３８８号公報に登場している。
【０００６】
しかしながら、かかる公知技術は、（１）フィンチューブの場合であっても、ツイスト形セレーテッドフィンチューブの場合であっても、フィン部の巻き方向を異ならせて隣接する列のフィン部の巻き方向を形成したものである。また、（２）特にツイスト形セレーテッドフィンチューブの場合は、隣接する列のセグメント部の戻り方向を異ならせたものである。
【０００７】
前記公知技術は、このように構成しているので、列が異なる毎にフィン部の巻き方向を変えて配置したり、また、セグメント部の捻り方向を異ならせて配置する必要があり、製造工程が煩雑となるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、製造工程が簡単となる伝熱性能と圧力損失低減の両方を改善した熱交換器を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、簡単な構成で伝熱性能と圧力損失低減の両方を改善した熱交換器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決させるための手段】
本発明は、伝熱管の外周にフィンを渦巻状に植設し、該フィンは突起片と該突起片の間に形成された溝とによって構成され、該突起片をフィンの巻き方向に対して所定角度捩じって形成したツイストセレーティッドフィンを有した第１伝熱管と、伝熱管の外周に延設方向に壁面が連続したフィンを渦巻状に植設して形成したプレンフィンを有した第２伝熱管とを備えた熱交換器において、
質量流速を２乃至１５[Ｋｇ／ｍ２ｓ]に設定した熱源流体の通路域に、前記第２伝熱管よりなる第２伝熱管群より上流側に前記第１伝熱管よりなる第１伝熱管群を配置し、伝熱管及びフィンはステンレス鋼、銅、またはアルミニユウムの何れか１種類の材料からなり各列に２〜３本配置されるとともに、伝熱管の管厚は０．２〜０．４ｍｍであり、フィン厚は０．１〜０．２ｍｍに設定され、
前記通路域の上流側より第１列乃至第４列までを、前記第１伝熱管群が前記熱源流体の流れ方向に千鳥状に配置され、前記通路域の第５列以降を、前記第２伝熱管群が千鳥状に配置されて、前記第５列以降のプレンフィンによって、上流側のツイストセレーティッドフィンによって形成された乱流が収まるように配置され、さらに、前記第１伝熱管群および第２伝熱管群における第１伝熱管および第２伝熱管はそれぞれ前記渦巻状のフィンの巻き方向に関係なく配置可能に構成されたことを特徴とする。
【００１１】
かかる発明によると、熱源流体の通路域にまずツイストセレーティッドフィンを有した第１伝熱管が配設される。かかる第１伝熱管のツイストセレーティッドフィンは伝熱管の外周上に植設されるフィンが所定間隔で溝が設けられ該溝に隣接する突起部が前記フィンの巻き方向に対して所定角度捻って起立しているので、熱源流体が該突起部の面に角度を有して衝突して伝熱性能を向上するとともに、前記溝の存在によって伝熱面が広がり伝熱性能が向上する。
【００１２】
そして、前記第１伝熱管群の下流側に、プレンフィンを有した前記第２伝熱管群を配置したので、ツイストセレーティッドフィンより熱源流体の圧力損失が低下するが、ツイストセレーティッドフィンによって発生した乱流が、プレンフィンに衝突して第１伝熱管群をプレンフィンで形成した場合より伝熱性能が向上する。
【００１３】
よって、本発明においては、第１伝熱管群及び第２伝熱管群をツイストセレーティッドフィンによって構成した場合より、伝熱性能は低下するが、第１伝熱管群及び第２伝熱管群をプレンフィンによって構成した場合より伝熱性能が向上するとともに、熱源流体の圧力損失を低減することができる。
【００１４】
また、本発明によると、フィンの巻き方向に関係なく、第１伝熱管群にツイストセレーティッドフィンを用い、第２伝熱管群にプレンフィンを用いればよいので、構成が簡単となり、製造工程においても煩雑な工程を排除することができる。
【００１５】
また、前記通路域の上流側より第１列乃至第４列までを前記第１伝熱管が前記熱源流体の流れ方向に千鳥状に配置され、前記通路域の第５列以降を、前記第２伝熱管群が千鳥状に配置されるように構成することも本発明の有効な手段である。かかる技術手段によると、第１列乃至第４列までをツイストセレーティッドフィンを用いた伝熱管を用い、第５列以下をプレンフィンを用いた伝熱管を用いることができる。そして、その際には、各列には伝熱管は２〜３本を用いるのが望ましい。
【００１６】
また、前記熱源流体の質量流速を２乃至１５[Ｋｇ／ｍ２ｓ]に設定することも本発明の有効な手段である。
【００１７】
かかる技術手段によると、全伝熱管群をツイストセレーティッドフィンを用いた伝熱管を用いた場合より熱源流体の圧力損失を低く抑えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態にかかる熱交換器の断面構造の概略図、図２はプレンフィンを用いた伝熱管の概略構成図、図３はツイストセレーティッドフィンを用いた伝熱管の概略構成図である。
【００２０】
図１において、熱交換器１０はツイストセレーティッドフィンを用いた第１伝熱管ＴＦ１〜ＴＦ１０と、プレンフィンを用いた第２伝熱管ＰＦ１〜３、及び不図示の第２伝熱管ＰＦ４〜で構成されている。
【００２１】
本実施の形態に用いられる伝熱管及びフィンはＳＵＳを用い、管厚は０．２〜０．４ｍｍ、フィン厚は０．１〜０．２ｍｍ、フィンピッチ３ｍｍに設定しているが、銅やアルミニウムを用いてもよい。
【００２２】
第１伝熱管ＴＦ１〜ＴＦ１０は、図３に示すように伝熱管３の外周面にツイストセレーティッドフィン４が螺旋状に配設され、そのフィン４は（ｂ）に示すように、突起片４ａと溝６が交互に形成され、該突起片４ａは（ｃ）に示すようにフィンの巻き方向に対してα＝７°に設定している。
【００２３】
また、第２伝熱管ＰＦ１〜は、図２に示すように伝熱管１の外周面にプレンフィン２が螺旋状に配設されている。
【００２４】
このように構成された熱交換器１０は、図１に示すように、熱源流体であるガスＦが矢印方向から入来する。第１伝熱管ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３はツイストセレーティッドフィン４が設けられているので、図３（ｃ）に示すようにガスＦは突起片４ａの一方側の側面に衝突し、該側面に衝突したガスＦは隣接する突起片４ａ側の側面及び溝６側に反射して、それらの側面及び溝６内面に衝突し、伝熱性能が向上する。
【００２５】
そして、第１列に配置された第１伝熱管ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３においては、ガスＦのフィンへの衝突によって乱流が形成され、該乱流のガスＦが千鳥状に配置され第２列の第１伝熱管ＴＦ４及びＴＦ５にも入来する。
【００２６】
該第２列の第１伝熱管ＴＦ４及びＴＦ５は前記第１伝熱管ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３に衝突しないガスＦも入来し、第１伝熱管ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３によって形成された乱流とともに、第２列の伝熱管のツイストセレーティッドフィン４に衝突して伝熱管に伝熱して伝熱性能を向上させる。
【００２７】
第３列及び第４列においても同じ様にガスＦにより伝熱が行われたのちに、第５列の第２伝熱管ＰＦ１、ＰＦ２，ＰＦ３のプレンフィンに第３列及び第４列において、形成された乱流が入来して、該乱流がプレンフィンに衝突して若干圧力損失が高くなるが、第５列の伝熱管のプレンフィンには溝及び突起片の捻りがないので、該プレンフィンの巻き方向に沿ってガスＦは流れ、第５列から後には乱流が収まり圧力損失は低下する。
【００２８】
［実施例］
図４は、Ｔｙｐｅ２として第１列から第４列まで第１伝熱管として、ツイストセレーティッドフィン４を用いた伝熱管を千鳥状に、第１列を３本、第２列を２本、第３列を３本、第４列を２本配置し、第５列から第１０列まで第２伝熱管としてプレンフィン２を用いて第５列を３本、第６列を２本と交互に配置し、Ｔｙｐｅ１として、第１列〜第１０列をプレンフィン２を、Ｔｙｐｅ３として第１列〜第１０列をツイストセレーティッドフィン４を用い、それぞれ最大質量速度Ｇを変更して圧力損失ΔＰ０を求めたものである。
【００２９】
かかるデータから、Ｔｙｐｅ１，２，３とも、最大質量速度Ｇが２〜１５ｋｇ／ｍ２ｓの範囲で、最大質量速度Ｇと管群の入口−出口の圧力損失ΔＰ０が直線関係にあることがわかる。そして、全伝熱管群をツイストセレーティッドフィンを用いた伝熱管を用いた場合より熱源流体の圧力損失を低く抑えることができる。
【００３０】
図５は、熱交換器の列数ｎと熱伝達率補正係数Ｃとの関係を示す。▲２▼に示す曲線は、図１に示す本実施の形態である、第１列から第４列まで第１伝熱管として、ツイストセレーティッドフィン４を用いた伝熱管を千鳥状に、第１列を３本、第２列を２本、第３列を３本、第４列を２本配置し、第５列から第１０列まで第２伝熱管としてプレンフィン２を用いて第５列を３本、第６列を２本と交互に配置したものである。
【００３１】
また、▲１▼に示す曲線は、第１列〜第１０列をプレンフィン２を、▲３▼に示す曲線は、第１列〜第１０列をツイストセレーティッドフィン４を用い、それぞれ局所試験を行い熱伝達率補正係数Ｃを求めたものである。
【００３２】
尚、▲１▼に示す曲線は、管群列数ｎの１〜１０の値から熱伝達率補正係数Ｃを求めたものであり、▲２▼に示す曲線は、管群列数ｎの１、２，３及び１０の値から熱伝達率補正係数Ｃを求めたものであり、▲３▼に示す曲線は、管群数ｎの１，及び２のデータから熱伝達率補正係数Ｃを求めたものである。
【００３３】
これらのデータから、本実施の形態は列数１〜４の範囲において熱伝達率が▲１▼に示す曲線のように、第１列〜第１０列をプレンフィンを用いた伝熱管より改善されることがわかる。
【００３４】
また、図６は、熱源流体の質量流速を６．３ｋｇ／ｍ２ｓの場合の、前記Ｔｙｐｅ１，Ｔｙｐｅ２，Ｔｙｐｅ３の管群ｎにおける圧力損失を示す。
【００３５】
本実施の形態の混合伝熱管群の場合のＴｙｐｅ２は、混合伝熱管群を用いた総合特性として、全伝達管群をツイストセレーティッドフィンを用いた伝熱管の場合より圧力損失が低くなることがわかる。
【００３６】
以上詳述したように、本実施の形態は、熱交換器の第１伝熱管群をツイストセレーティッドフィンチューブによって、該第１伝熱管群より下流側の第２伝熱管群をプレンフィンチューブによって構成し、熱源流体の最大質量速度Ｇが２〜１５ｋｇ／ｍ２ｓの範囲で、第１伝熱管群及び第２伝熱管群をプレンフィンチューブによって構成した場合より熱源流体の伝熱性能が向上するとともに、第１伝熱管群及び第２伝熱管群をツイストセレーティッドフィンチューブによって構成した場合より熱源流体の圧力損失を低減することが可能である。
【００３７】
また、本実施の形態は、熱交換器を構成する伝熱管群のフィン巻き方向に関係なく、伝熱管を配置できるので、製造工程が簡単となるとともに、伝熱性能と圧力損失低減の両方を改善することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明は、簡単な構成で伝熱性能と圧力損失低減の両方を改善した熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態にかかる熱交換器の断面構造の概略図である。
【図２】  プレンフィンを用いた伝熱管の概略構成図である。
【図３】  ツイストセレーティッドフィンを用いた伝熱管の概略構成図である。
【図４】  ４列管群における最大質量速度と圧力損失の関係を示す図である。
【図５】  管群列数と熱伝達率補正係数との関係を示す図である。
【図６】  管群列数と圧力損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
１、３    伝熱管
２        プレンフィン
４        ツイストセレーティッドフィン
１０      熱交換器
【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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