(57)【要約】【課題】新設、既設を問わず、部分的な熱交換効率、全体の熱交換効率を容易に且つ確実に向上させる（変更する）ことを可能にする熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器を提供する。【解決手段】内部に一方の流体を流通させる円管の伝熱管１を、他方の流体Ｒ１を流通させる胴体の内部に複数配設してなる熱交換器において、伝熱面６を凹凸状にするように形成した熱交換効率向上部材２を伝熱管１を内包するように伝熱管１の外周面１ａに取り付ける。また、この熱交換効率向上部材２は、略筒状に形成するとともに、伝熱面６となる外周面２ａを凹凸状にして形成する。【選択図】図３
2012002441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に一方の流体を流通させる円管の伝熱管を、他方の流体を流通させる胴体の内部に複数配設してなる熱交換器の熱交換効率を向上させるための部材であって、
前記伝熱管を内包するように前記伝熱管の外周面に取り付けて、伝熱面を凹凸状にするように形成されていることを特徴とする熱交換効率向上部材。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換効率向上部材において、
略筒状に形成されるとともに、伝熱面となる外周面が凹凸状に形成されていることを特徴とする熱交換効率向上部材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱交換効率向上部材において、
前記伝熱管を内包する略筒状の取付部と、該取付部の外周面から径方向外側に突出し、突出方向を前記他方の流体の流通方向に向けて配設されるフィン部とを備えて形成されていることを特徴とする熱交換効率向上部材。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の熱交換効率向上部材において、
熱膨張率が異なる部材を一体に積層して略筒状に形成され、熱膨張率が低い部材を前記伝熱管側に配して前記伝熱管の外周面に取り付けるように構成されていることを特徴とする熱交換効率向上部材。
【請求項５】
請求項１記載の熱交換効率向上部材において、
前記伝熱管に巻き付けて伝熱面を凹凸状にするように索状に形成されていることを特徴とする熱交換効率向上部材。
【請求項６】
内部に一方の流体を流通させる円管の伝熱管を、他方の流体を流通させる胴体の内部に複数配設してなる熱交換器であって、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱交換効率向上部材を備えて構成されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば原子力プラント、火力発電プラントにおいては、タービンの排気蒸気を冷却、凝縮して復水を回収する復水器や、ボイラへの給水をタービン抽気蒸気によって加熱する給水加熱器などの熱交換器が設けられている。
【０００３】
そして、この種の熱交換器には、多数本の伝熱管を胴体（シェル）内に並設し、各伝熱管に一方の流体を、胴体内（隣り合う伝熱管の間）に他方の流体を流通させて熱交換を行うように構成した多管式熱交換器がある。また、原子力発電所や使用済核燃料貯蔵施設等で使用される熱交換器には、数百本〜数千本の伝熱管を胴体内に収容したものもあり、例えば復水器では、蒸気タービンの駆動に供した後の蒸気を胴体内に流通させるとともに各伝熱管に海水を通水し、胴体内の蒸気を海水で冷却して復水させるようにしている。
【０００４】
一方、この種の熱交換器においては、円管の伝熱管を多数本収容した胴体内に流体を流通させるため、伝熱管の配置によって胴体内での流速にばらつきが生じる。また、伝熱管１が円管であるため、例えば図９及び図１０に示すように、流体Ｒ１が層流状態で胴体内を流通することにより、伝熱管１の外周面（伝熱面）１ａと流体Ｒ１の境界層の剥離（剥離位置Ｐ）が流体Ｒ１の流通方向Ｔ上流側（前方側）で生じる。このため、圧力損失が大きく、伝熱管１に対し流体Ｒ１の流通方向Ｔ下流側（後方側）の大きな領域の流速が低くなって、胴体内に部分的に熱交換効率が低い箇所が発生する。これにより、熱交換器Ａ全体の熱交換効率の低下を招くことになる。
【０００５】
これに対し、特許文献１には、予め伝熱管の外周面を凹凸状にして、伝熱面積を増大させるとともに伝熱管の外周面と流体の境界層で乱流を発生させ、熱交換効率を向上させるようにした熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２６６８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１に開示された熱交換器においては、既設の熱交換器の熱交換効率を向上させるために適用することが難しい。すなわち、原子力プラント、火力発電プラントなどに設置される熱交換器は、一般に伝熱管を個別に取り外すことが困難であり、特許文献１を適用して、部分的に熱交換効率が低い箇所の熱交換効率を向上させることはできない。また、想定した熱交換性能（冷却性能）が得られていない熱交換器の熱交換効率を向上させる必要が生じたり、運転条件などに応じて熱交換器全体の熱交換効率の変更を要する場合もあるが、やはり特許文献１ではこのような場合に柔軟に対応することができない。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、新設、既設を問わず、部分的な熱交換効率、全体の熱交換効率を容易に且つ確実に向上させる（変更する）ことを可能にする熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１０】
本発明の熱交換効率向上部材は、内部に一方の流体を流通させる円管の伝熱管を、他方の流体を流通させる胴体の内部に複数配設してなる熱交換器の熱交換効率を向上させるための部材であって、前記伝熱管を内包するように前記伝熱管の外周面に取り付けて、伝熱面を凹凸状にするように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、伝熱管の外周面に熱交換効率向上部材を取り付けて伝熱面を凹凸状にすることによって、伝熱面積を増大させることが可能になるとともに、伝熱面の凹凸によって乱流を生じさせ、伝熱面と他方の流体の境界層の剥離位置を後方側に移動させることが可能になる。これにより、熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００１２】
また、本発明の熱交換効率向上部材においては、略筒状に形成されるとともに、伝熱面となる外周面が凹凸状に形成されていることが望ましい。
【００１３】
この発明においては、例えば分割可能に形成した略筒状あるいは断面Ｃ字状に形成した略筒状の熱交換効率向上部材を、その内部に伝熱管が配されるように伝熱管の外周面に取り付けることにより、伝熱面積を増大させることが可能になるとともに、伝熱面となる熱交換効率向上部材の外周面の凹凸によって乱流を生じさせ、伝熱面と他方の流体の境界層の剥離位置を伝熱管の後方側に移動させることが可能になる。これにより、容易に且つ確実に熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明の熱交換効率向上部材においては、前記伝熱管を内包する略筒状の取付部と、該取付部の外周面から径方向外側に突出し、突出方向を前記他方の流体の流通方向に向けて配設されるフィン部とを備えて形成されていてもよい。
【００１５】
この発明においては、例えば分割可能に形成した略筒状あるいは断面Ｃ字状に形成した略筒状の取付部の内部に伝熱管が配されるようにして、且つ突出方向を他方の流体の流通方向に向けてフィン部が配されるように、伝熱管の外周面に取り付けることにより、伝熱面積を増大させることが可能になる。また、伝熱面を形成するフィン部によって（さらに、取付部の外周面を凹凸状にした場合にはこの伝熱面となる外周面の凹凸によって）乱流を生じさせ、伝熱面と他方の流体の境界層の剥離位置を伝熱管の後方側に移動させることが可能になる。これにより、容易に且つ確実に熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００１６】
また、本発明の熱交換効率向上部材においては、熱膨張率が異なる部材を一体に積層して略筒状に形成され、熱膨張率が低い部材を前記伝熱管側に配して前記伝熱管の外周面に取り付けるように構成されていることがより望ましい。
【００１７】
この発明においては、熱が伝搬した際に、一体に積層した部材の熱膨張率の違いによって伝熱管の外周面に内面を密着させるように熱交換効率向上部材を変形させることが可能になる。これにより、熱交換器の運転中に熱交換効率向上部材を伝熱管に強固に一体化させることができ、熱交換効率のさらなる向上を図ることが可能になる。
【００１８】
さらに、本発明の熱交換効率向上部材においては、前記伝熱管に巻き付けて伝熱面を凹凸状にするように索状に形成されていてもよい。
【００１９】
この発明においては、索状に形成した熱交換効率向上部材を伝熱管の外周面に巻き付けることによって、伝熱面を容易に凹凸状にすることができ、伝熱面積を増大させることが可能になるとともに、伝熱面の凹凸によって乱流を生じさせ、伝熱面と他方の流体の境界層の剥離位置を後方側に移動させることが可能になる。これにより、熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００２０】
本発明の熱交換器は、内部に一方の流体を流通させる円管の伝熱管を、他方の流体を流通させる胴体の内部に複数配設してなる熱交換器であって、上記のいずれかの熱交換効率向上部材を備えて構成されていることを特徴とする。
【００２１】
この発明においては、上記のいずれかの熱交換効率向上部材の作用効果を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器においては、伝熱管の外周面に熱交換効率向上部材を取り付けて伝熱面を凹凸状にすることによって、伝熱面積を増大させることが可能になるとともに、伝熱面の凹凸によって乱流を生じさせ、伝熱面と他方の流体の境界層の剥離位置を後方に移動させることが可能になる。これにより、熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００２３】
そして、胴体内に収容した複数本の伝熱管の配置により、胴体内に流通させる他方の流体の流速にばらつきが生じる場合であっても、この流速のばらつきに伴って熱交換効率が低くなる部分に熱交換効率向上部材を取り付けることで、部分的に熱交換効率を向上させることが可能になるとともに、熱交換器全体としての熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００２４】
よって、本発明の熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器によれば、従来の予め伝熱管の外面を凹凸状にした場合と比較し、熱交換効率向上部材を伝熱管に取り付けるだけで、部分的に熱交換効率が低い箇所の熱交換効率を向上させることができる。また、想定した熱交換性能（冷却性能）が得られていない熱交換器の熱交換効率を向上させる場合や、運転条件などに応じて熱交換器全体の熱交換効率を変更する場合であっても、熱交換効率向上部材を用いることで柔軟に対応することが可能になる。すなわち、新設、既設を問わず、熱交換効率向上部材によって部分的な熱交換効率、全体の熱交換効率を容易に且つ確実に向上させる（変更する）ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材を伝熱管に取り付けた状態を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材を伝熱管に取り付けた状態を示す側面視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材の変形例を示す断面図であり、フィンを備えた熱交換効率向上部材を伝熱管に取り付けた状態を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材の変形例を示す断面図であり、フィンを備えた熱交換効率向上部材を伝熱管に取り付けた状態を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材の変形例を示す図である。
【図９】従来の熱交換器を示す断面図である。
【図１０】従来の熱交換器を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係る熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器について説明する。本実施形態は、例えば原子力プラントに設けられる復水器や給水加熱器などの熱交換器に関し、特に熱交換効率を向上させるための熱交換効率向上部材を備えた熱交換器に関するものである。
【００２７】
本実施形態の熱交換器Ｂは、図１に示すように、多管式熱交換器であり、円管である多数本の伝熱管１を胴体（シェル）内に並設し、各伝熱管１に海水などの一方の流体Ｒ２を、胴体内（隣り合う伝熱管１の間）に蒸気などの他方の流体Ｒ１を伝熱管１の軸線直交方向に流通させて熱交換を行うように構成されている。
【００２８】
そして、図１及び図２に示すように、多数本の伝熱管１を収容した胴体内に流体Ｒ１を流通させるため、伝熱管１の配置によって胴体内に流通させる流体Ｒ１の流速にばらつきが生じ、部分的に熱交換効率が低い箇所が発生する。これに対し、本実施形態の熱交換器Ｂにおいては、この熱交換効率が低くなる部分Ｓに、熱交換効率向上部材２を設けて構成されている。
【００２９】
熱交換効率向上部材２は、熱伝導率が高い材料を用いて形成され、例えば伝熱管１と同じ材料の銅などを用いて形成されている。そして、本実施形態の熱交換効率向上部材２は、図２及び図３に示すように、伝熱管１の外径と同等の内径を備えて略円筒状に形成されるとともに、外周面２ａが規則的に配列した凸部と凹部を備えて凹凸状に形成されている。
【００３０】
さらに、本実施形態の熱交換効率向上部材２は、図４に示すように、軸線Ｏ１中心に２つに分割可能に形成されている。また、各分割片３、４は、周方向両端部にそれぞれ、径方向外側に突出し、一側面から他側面に貫通する貫通孔を備えた板状の固定板部３ａ、４ａを設けて形成されている。そして、内面が伝熱管１の外周面に密着するように一対の分割片３、４を伝熱管１の所定位置に配設するとともに、互いに対向して連通する固定板部３ａ、４ａの貫通孔にリベットなどの固定部材５を挿通して、一対の分割片３、４の固定板部３ａ、４ａ同士を固着する。これにより、本実施形態の熱交換効率向上部材２は、一対の分割片３、４が一体に固定されて略円筒状に形成されるとともに、内面を伝熱管１の外周面１ａに密着させ、伝熱管１を内包するようにして所定位置に設置される。
【００３１】
そして、本実施形態の熱交換器Ｂにおいても、図９及び図１０に示した従来の熱交換器Ｂと同様、多数本の伝熱管１を収容した胴体内を流通する他方の流体Ｒ１は、伝熱管１の配置によって流速にばらつきが生じる。この一方で、本実施形態の熱交換器Ｂにおいては、部分的に熱交換効率が低い箇所の伝熱管１に熱交換効率向上部材２が取り付けられている。これにより、伝熱管１の外周面とともに熱交換効率向上部材２の外周面２ａによって伝熱面６が凹凸状に形成されることになる。また、このとき、熱交換効率向上部材２が分割可能に形成されているため、伝熱管１を取り外すことができない場合であっても、容易に且つ確実にその取り付けが行える。
【００３２】
そして、このように熱交換効率向上部材２を伝熱管１に取り付けると、熱交換効率向上部材２がその外周面２ａを凹凸状にして形成されているため、他方の流体Ｒ１と接して熱交換が行われる伝熱面６の面積（伝熱面積）が増大する。
【００３３】
また、熱交換効率向上部材２の外周面２ａが凹凸状に形成されていることで、この熱交換効率向上部材２を取り付けた部分Ｓは、他方の流体Ｒ１が伝熱面６（熱交換効率向上部材２の外周面２ａ）の凹凸によって乱流状態で流通することになる。このため、図２に示すように、従来のように流体Ｒ１が層流状態で流通する場合よりも、熱交換効率向上部材２（伝熱管１）の外周面２ａと流体Ｒ１の境界層の剥離位置Ｐが流体Ｒ１の流通方向Ｔ下流側（後方側）に移動する。
【００３４】
これにより、部分的に熱交換効率が低い箇所Ｓの伝熱管１に熱交換効率向上部材２を取り付けることによって、この部分Ｓの熱交換効率が向上することになり、熱交換器Ｂ全体としての熱交換効率の向上が図れる。
【００３５】
したがって、本実施形態の熱交換効率向上部材２及びこれを備えた熱交換器Ｂにおいては、分割可能に形成した略筒状の熱交換効率向上部材２を、その内部に伝熱管１が配されるように伝熱管１の外周面１ａに取り付けることにより、伝熱面積を増大させることが可能になるとともに、伝熱面６となる熱交換効率向上部材２の外周面２ａの凹凸によって乱流を生じさせ、伝熱面６と他方の流体Ｒ１の境界層の剥離位置Ｐを伝熱管１の後方側に移動させることが可能になる。これにより、容易に且つ確実に熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００３６】
また、本実施形態の熱交換効率向上部材２は、軸線Ｏ１中心に２つに分割可能に形成され、リベットなどの固定部材５を用いることによって、内面を伝熱管１の外周面１ａに密着させ、伝熱管１を内包するように伝熱管１の所定位置に設置することができる。このため、熱交換効率を向上させたい伝熱管１、及び伝熱管１の所定位置に容易に且つ確実に取り付けることが可能になる。
【００３７】
そして、胴体内に収容した多数本の伝熱管１の配置により、胴体内に流通させる他方の流体Ｒ１の流速にばらつきが生じる場合であっても、この流速のばらつきに伴って熱交換効率が低くなる部分Ｓに熱交換効率向上部材２を取り付けることで、部分的に熱交換効率を向上させることが可能になるとともに、熱交換器Ｂ全体としての熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００３８】
よって、本実施形態の熱交換効率向上部材２及びこれを備えた熱交換器Ｂによれば、従来の予め伝熱管１の外面を凹凸状にした場合と比較し、熱交換効率向上部材２を伝熱管１に取り付けるだけで、部分的に熱交換効率が低い箇所Ｓの熱交換効率を向上させることができる。また、想定した熱交換性能（冷却性能）が得られていない熱交換器Ｂの熱交換効率を向上させる場合や、運転条件などに応じて熱交換器Ｂ全体の熱交換効率を変更する場合であっても、熱交換効率向上部材２を用いることで柔軟に対応することが可能になる。すなわち、新設、既設を問わず、熱交換効率向上部材２によって部分的な熱交換効率、全体の熱交換効率を容易に且つ確実に向上させる（変更する）ことが可能になる。
【００３９】
以上、本発明に係る熱交換効率向上部材及びこれを備えた熱交換器の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、熱交換効率向上部材２が軸線Ｏ１中心に２つに分割可能に形成され、一対の分割片３、４の固定板部３ａ、４ａ同士をリベットなどの固定部材５を用いて固着し、伝熱管１を内包するように取り付けられるように説明を行ったが、特に熱交換効率向上部材２の構成を本実施形態のように限定する必要はない。すなわち、本発明に係る熱交換効率向上部材は、伝熱管１に取り付けて熱交換効率を向上させることが可能であれば、特に取付手段、形状を限定する必要はない。
【００４０】
例えば図５に示すように、熱交換効率向上部材２は、外周面２ａを凹凸状に形成するとともに断面Ｃ字状の略筒状に形成し、外周面２ａに形成された開口部２ｂから伝熱管１を挿入するようにして伝熱管１に取り付けるように構成してもよい。また、例えば熱膨張率が異なる二枚の板材（部材）７、８を張り合わせて一体に積層形成するようにしてもよい。この場合には、熱膨張率が高い（大きい）板材７を外周面２ａを形成する外側に、熱膨張率が低い（小さい）板材８を伝熱管１側に配して伝熱管１の外周面１ａに取り付ける。これにより、熱交換器の運転中、すなわち熱交換時に、伝熱管１、熱交換効率向上部材２に熱が伝搬すると、一体に積層した板材７、８の熱膨張率の違いによって伝熱管１の外周面１ａに内面を密着させるように熱交換効率向上部材２を変形させることが可能になる。よって、熱交換器Ｂの運転中に熱交換効率向上部材２を伝熱管１に強固に一体化させることができ、熱交換効率のさらなる向上を図ることが可能になる。
【００４１】
また、図６及び図７に示すように、伝熱管１を内包する略筒状の取付部１０と、この取付部１０の外周面１０ａから径方向外側に突出し、突出方向を他方の流体Ｒ１の流通方向Ｔに向けて配設されるフィン部１１とを備えて熱交換効率向上部材２が形成されていてもよい。そして、この場合には、例えば分割可能に形成した略筒状あるいは断面Ｃ字状に形成した略筒状の取付部１０の内部に伝熱管１が配されるように、且つ突出方向を他方の流体Ｒ１の流通方向Ｔに向けてフィン部１１が配されるようにして伝熱管１の外周面１ａに取り付けることにより、伝熱面積を増大させることが可能になる。また、伝熱面６を形成するフィン部によって（さらに、取付部１０の外周面１０ａを凹凸状にした場合にはこの伝熱面６となる外周面１０ａの凹凸によって）乱流を生じさせ、伝熱面６と他方の流体Ｒ１の境界層の剥離位置Ｐを伝熱管１の後方側に移動させることが可能になる。これにより、本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能になる。
【００４２】
さらに、例えば図８に示すように、リボン状の導電性材を略筒状に巻き回した索状の熱交換効率向上部材２を伝熱管１に巻き付けて、伝熱面６を凹凸状にするようにしてもよい。この場合においては、索状に形成した熱交換効率向上部材２を伝熱管１の外周面１ａに巻き付けることによって、伝熱面６を容易に凹凸状にすることができ、伝熱面積を増大させることが可能になるとともに、伝熱面６の凹凸によって乱流を生じさせ、伝熱面６と他方の流体Ｒ１の境界層の剥離位置Ｐを後方側に移動させることが可能になる。よって、本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能になる。
【符号の説明】
【００４３】
１      伝熱管
１ａ    外周面
２      熱交換効率向上部材
２ａ    外周面
２ｂ    開口部
３      分割片
３ａ    固定板部
４      分割片
４ａ    固定板部
５      固定部材
６      伝熱面
７      板材（熱膨張率が異なる部材）
８      板材（熱膨張率が異なる部材）
１０    取付部
１０ａ  外周面
１１    フィン部
Ａ      従来の熱交換器
Ｂ      熱交換器
Ｏ１    軸線
Ｐ      剥離位置
Ｒ１    他方の流体
Ｒ２    一方の流体
Ｓ      熱交換効率が低い部分
【図１】
2012002441.tif 000003
【図２】
2012002441.tif 000004
【図３】
2012002441.tif 000005
【図４】
2012002441.tif 000006
【図５】
2012002441.tif 000007
【図６】
2012002441.tif 000008
【図７】
2012002441.tif 000009
【図８】
2012002441.tif 000010
【図９】
2012002441.tif 000011
【図１０】
2012002441.tif 000012