(57)【要約】【課題】伝熱管のフィンの径方向の温度低下を抑えて、熱源側流体から受熱側流体への熱の移動を促進する。【解決手段】伝熱管１０は、熱源側流体１５内に配置されて受熱側流体１６に熱を伝える。伝熱管１０は、受熱側流体１６が内部を流通する母管１１と、母管１１の外表面に接触して取り付けられて母管１１との接触部から外側に向かって延びるフィン１２と、を備える。フィン１２は、フィン基材部３０と、高放射率被膜３１とを有する。高放射率被膜３１は、フィン基材部３０よりも熱の放射率が高い高放射率材からなりフィン基材部３０を覆うようにフィン基材部３０に付着されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源側流体内に配置されて前記熱源側流体よりも低温の受熱側流体に熱を伝えるための伝熱管であって、
受熱側流体が内部を流通する母管と、
前記母管の外表面に接触して取り付けられる根元から前記母管の径方向外側に向かって延びるフィンと、
を備え、
前記フィンは、
フィン基材部と、
前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなり、少なくとも前記フィン基材部の、前記母管の径方向に延びる面に付着された高放射率被膜と、
を有すること、を特徴とする伝熱管。
【請求項２】
前記高放射率被膜は、前記フィン基材部の表面に高放射率塗料をコーティングして形成されたものであること、を特徴とする請求項１に記載の伝熱管。
【請求項３】
前記高放射率被膜は、黒色酸化皮膜であること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の伝熱管。
【請求項４】
前記フィン基材部はその表面に凹凸部を有し、
前記高放射率被膜は、前記フィン基材部の前記凹凸部の凹凸高さよりも薄い厚さを有すること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の伝熱管。
【請求項５】
前記母管の表面に沿って溝が形成されており、
前記フィン基材部は前記溝に根元が埋め込まれてカシメによって前記母管に固定されており、
前記高放射率被膜は、前記フィン基材部および前記母管を覆って、前記フィン基材部および前記母管に付着されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の伝熱管。
【請求項６】
前記溝と前記フィン基材部の前記根元との間の隙間に前記高放射率材が充填されていること、を特徴とする請求項５に記載の伝熱管。
【請求項７】
伝熱管と、
前記伝熱管の内部に受熱側流体を導入させる受熱側流体入口部と、
前記伝熱管の内部から前記受熱側流体が導出される受熱側流体出口部と、
を備え、
前記受熱側流体よりも高温で前記伝熱管の外側を流れる熱源側流体の熱を前記受熱側流体に伝えるための熱交換器であって、
前記伝熱管は、
受熱側流体が内部を流通する母管と、
前記母管の外表面に接触して取り付けられる根元から前記母管の径方向外側に向かって延びるフィンと、
を備え、
前記フィンは、
フィン基材部と、
前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなり、少なくとも前記フィン基材部の、前記母管の径方向に延びる面に付着された高放射率被膜と、
を有すること、を特徴とする熱交換器。
【請求項８】
外面に溝が形成された母管と、根元が前記溝に部分的に埋め込まれて前記母管の径方向外側に向かって延びるフィン基材部と、前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなり前記フィン基材部および前記母管の表面を覆う高放射率被膜と、を備える伝熱管の製造方法であって、
前記溝に前記フィン基材部の前記根元を埋め込んだ後に前記母管の前記溝付近を塑性変形させて前記溝に前記フィン基材部を固定するカシメ工程と、
前記カシメ工程の後に、少なくとも前記フィン基材部の、前記母管の径方向に延びる面および前記母管の表面に、前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなる塗料をコーティングすることによって、前記高放射率被膜を形成するとともに、前記溝と前記基材部の前記根元との間の隙間に前記塗料を充填する塗布工程と、
を有すること、を特徴とする伝熱管製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、伝熱管およびその製造方法、ならびに伝熱管を用いた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
母管の外表面にフィンを取り付けた伝熱管は広く知られている。
【０００３】
たとえば、この伝熱管の外側に熱源側流体（高温側流体）を流し、母管内に受熱側流体（低温側流体）を流して、熱源側流体から受熱側流体への熱の移動が行われる。図６は、このような場合の伝熱管１０内外の径方向温度分布を模式的に示す図である。図６において、母管１１はたとえば金属製の円管であり、母管１１の外表面にフィン１２が取り付けられている。フィン１２は円環状であって、フィン１２の根元１３は母管１１の外表面に、たとえば全周溶接によって溶接されている。フィン１２は、母管１１の軸方向（図６の上下方向）に垂直な面に沿って、根元１３から先端１４に広がっている。
【０００４】
図６にはフィン１２が１個だけ示されているが、通常、母管１１の軸方向に互いに所定の間隔をあけて多数が並んで配置される。この伝熱管１０の外側に熱源側流体１５が流され、母管１１内に受熱側流体１６が流される。
【０００５】
このとき、伝熱管１０の径方向温度部分布を模式的に示すと、図６の曲線Ｘのようになる。フィン１２の先端１４の外側に温度（バルク温度）Ｔａの熱源側流体１５が流れている。また、母管１１内を温度（バルク温度）Ｔｅの受熱側流体１６が流れている。熱源側流体１５の温度Ｔａは受熱側流体１６の温度Ｔｅよりも高く、熱源側流体１５から受熱側流体１６に向かって熱が流れる。
【０００６】
図６の曲線Ｘに示すように、熱源側流体１５の温度Ｔａ、フィン１２の先端１４の温度Ｔｂ、フィン１２の根元１３の温度Ｔｃ、母管１１の内表面温度Ｔｄ、受熱側流体１６の温度Ｔｅの順に、順次低下する。
【０００７】
このとき、フィン１２同士の間隔が狭いため、熱源側流体１５はフィン１２の根元１３まで十分に入り込まないことや、フィン１２に使われる材料の熱伝導率の影響を受ける。流体温度Ｔａの熱源側流体１５とフィン１２の先端１４との対流熱伝達によって温度Ｔｂとなったフィン１２の先端１４から根元１３への熱伝導とフィン表面での対流熱伝達によってフィン１２の根元１３は温度Ｔｃに低下する。母管１１の厚み方向の熱伝導によってさらに低下した温度Ｔｄと受熱側流体１６の温度Ｔｅとの温度差と対流や沸騰の熱伝達によって、受熱側流体１６は熱を受け取る。なお、この温度低下を抑えるために、一般的にはフィン１２の根元１３と母管１１の接合は母管円周方向の全周溶接により接触熱抵抗を抑えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−９２９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
母管１１の内面の温度Ｔｄと受熱側流体１６の温度Ｔｅの温度差は、受熱側流体１６が受け取る伝熱量に相関がある。たとえばフィン１２を長くするとフィン１２の根元１３の温度Ｔｃが低下し、これに伴って母管１１の内面の温度Ｔｄと受熱側流体１６の温度Ｔｅの温度差が小さくなるため、受熱側流体１６の受け取る伝熱量はフィン１２を長くしたことによる伝熱面積の拡大による効果よりも少ない伝熱量の増加に留まってしまう。そのため、このフィン１２の長さ方向の温度低下を抑えるために、これまではフィン１２は十分に長くすることができなかった。
【００１０】
本発明の実施形態の目的は、上記課題を解決するためのものであって、高温熱源側流体中に配置された伝熱管におけるフィンの径方向の温度低下を抑えて、熱源側流体から母管内の低温受熱側流体への熱の移動を促進することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る伝熱管は、熱源側流体内に配置されて前記熱源側流体よりも低温の受熱側流体に熱を伝えるための伝熱管であって、受熱側流体が内部を流通する母管と、前記母管の外表面に接触して取り付けられる根元から前記母管の径方向外側に向かって延びるフィンと、を備え、前記フィンは、フィン基材部と、前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなり、少なくとも前記フィン基材部の、前記母管の径方向に延びる面に付着された高放射率被膜と、を有すること、を特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の実施形態に係る熱交換器は、伝熱管と、前記伝熱管の内部に受熱側流体を導入させる受熱側流体入口部と、前記伝熱管の内部から前記受熱側流体が導出される受熱側流体出口部と、を備え、前記受熱側流体よりも高温で前記伝熱管の外側を流れる熱源側流体の熱を前記受熱側流体に伝えるための熱交換器であって、前記伝熱管は、受熱側流体が内部を流通する母管と、前記母管の外表面に接触して取り付けられる根元から前記母管の径方向外側に向かって延びるフィンと、を備え、前記フィンは、フィン基材部と、前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなり、少なくとも前記フィン基材部の、前記母管の径方向に延びる面に付着された高放射率被膜と、を有すること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の実施形態に係る伝熱管製造方法は、外面に溝が形成された母管と、根元が前記溝に部分的に埋め込まれて前記母管の径方向外側に向かって延びるフィン基材部と、前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなり前記フィン基材部および前記母管の表面を覆う高放射率被膜と、を備える伝熱管の製造方法であって、前記溝に前記フィン基材部の前記根元を埋め込んだ後に前記母管の前記溝付近を塑性変形させて前記溝に前記フィン基材部を固定するカシメ工程と、前記カシメ工程の後に、少なくとも前記フィン基材部の、前記母管の径方向に延びる面および前記母管の表面に、前記フィン基材部よりも熱の放射率が高い高放射率材からなる塗料をコーティングすることによって、前記高放射率被膜を形成するとともに、前記溝と前記基材部の前記根元との間の隙間に前記塗料を充填する塗布工程と、を有すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、熱源側流体から母管内の低温受熱側流体への熱の移動が促進される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱交換器を模式的に示す外観図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る伝熱管を模式的に示す部分縦断面図である。
【図３】図２のIII部を拡大して示す部分拡大縦断面図である。
【図４】図２の伝熱管における熱の流れを１次元モデルにより模式的に示す部分斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る伝熱管を模式的に示す部分縦断面図である。
【図６】従来の伝熱管内外の径方向温度分布を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器等について説明する。ここで上記従来技術との間で、または互いに、同一または類似の部分については共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器を模式的に示す外観図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る伝熱管を模式的に示す部分縦断面図である。
【００１８】
第１の実施形態に係る熱交換器２０は、高温の熱源側流体１５内に配置され、入口ヘッダ２１と、出口ヘッダ２２と、入口ヘッダ２１と出口ヘッダ２２とを連絡する複数の伝熱管１０とを有する。複数の伝熱管１０は、互いに並行に配置されている。入口ヘッダ２１に低温の受熱側流体１６を供給するための受熱側流体入口部２３と、出口ヘッダ２２の受熱側流体１６を排出するための受熱側流体出口部２４とが配置されている。
【００１９】
各伝熱管１０は、１本の母管１１と、母管１１の外表面に取り付けられた多数のフィン１２とを備えている。母管１１はたとえば高熱伝導率の金属からなる円管である。フィン１２は、中央に円形の開口が形成された円板状すなわち円環状であって、高熱伝導率の金属からなる。フィン１２は、母管１１の軸方向に垂直な平面に沿って、根元１３から先端１４に広がっていて、母管１１の軸方向に互いに所定の間隔をあけて多数が並んで配置されている。
【００２０】
フィン１２の根元１３は母管１１の外表面に溶接されている。フィン１２と母管１１との溶接部３２は、たとえば、フィン１２の根元１３と母管１１の外表面との全周隅肉溶接による。これにより、熱伝導によって、フィン１２から母管１１へ熱が伝えられる。
【００２１】
この実施形態では、図３に示すように、フィン１２の表面に凹凸（図示せず）が形成されている。この表面の凹凸は，たとえば表面の粗さと呼ぶこともできる。
【００２２】
フィン１２は、機械的強度を担うフィン基材部３０と、このフィン基材部３０および母管１１の外表面を覆う高放射率被膜３１とを有する。高放射率被膜３１の厚さは、フィン１２の表面の凹凸よりも薄く、フィン基材部３０の上の高放射率被膜３１の表面に凹凸が形成されている。
【００２３】
高放射率被膜３１は、少なくともフィン基材部３０よりも熱の放射（輻射）率が高い材料からなる。高放射率被膜３１は、たとえば高放射率塗料を塗布したものである。高放射率塗料としては、セラミックやカーボンを分散させた樹脂材を使用できる。
【００２４】
また、高放射率被膜３１の他の例としては、黒色酸化被膜としてもよい。
【００２５】
受熱側流体１６は、たとえば水蒸気や混合ガスなどの気体もしくは、水や油、フロンなどの液体を用いることができる。熱源側流体１５は受熱側流体１６よりも高い温度で、たとえば、水蒸気や混合ガスなどの気体もしくは、水や油、フロンなどの液体を用いることができる。
【００２６】
つぎに、第１の実施形態の作用を説明する。
【００２７】
受熱側流体１６は、受熱側流体入口部２３から入口ヘッダ２１に流入し、入口ヘッダ２１から複数の伝熱管１０の母管１１内に分岐して流れる。この時、伝熱管１０の外側を流れる熱源側流体１５から伝熱管１０内の受熱側流体１６に熱が伝達される。ここで熱を受け取った受熱側流体１６は、出口ヘッダ２２を経て受熱側流体出口部２４から流出する。
【００２８】
図４は、図２の伝熱管における熱の流れを１次元モデルにより模式的に示す部分斜視図である。このモデルにおける熱収支の考え方を以下に示す。伝熱管１０の外側に通風される熱源側流体１５の熱は伝熱管１０のフィン１２へ伝熱される。その熱の一部はフィン１２の先端１４から根元１３（フィン１２と母管１１の接合部）への熱伝導によって母管１１へ伝熱し、その他はフィン１２から母管１１の外表面へ輻射により伝熱される。母管１１の外表面から内表面へは固体壁内の熱伝導によって伝熱され、母管１１の内表面から母管１１内の受熱側流体１６へは沸騰や対流で伝熱される。ただし、フィンの長さに比べて母管の管壁厚さは小さいので、母管１１の管壁の厚さは無視し、母管１１の管壁の内外の温度は等しいとして取り扱うものとする。
【００２９】
（１）  高温ガス（熱源側流体）１５からフィン先端１４への対流による伝熱量［Ｗ］：Ｑｃｏｎｖ２，Ｑｃｏｎｖ３
Ｑｃｏｎｖ２＝Ｑｃｏｎｖ３＝ｈｆ×Ａｆ×（Ｔｇ−Ｔｔ）
ただし、
ｈｆ：フィン先端の強制対流熱伝達率［Ｗ／ｍ２Ｋ］、
Ａｆ：フィン先端の面積（フィン断面積の１／２）＝ｄｆ×（１／２）×Ｙｆ［ｍ２］、
Ｔｇ：高温ガス温度［℃］、
Ｔｔ：フィン先端温度［℃］、
ｄｆ：フィンの厚さ［ｍ］、
Ｙｆ：母管およびフィンの幅［ｍ］
【００３０】
（２）  フィン先端１４からフィン根元１３への熱伝導による伝熱量［Ｗ］：Ｑｃｏｎｄ２，Ｑｃｏｎｄ３
Ｑｃｏｎｄ２＝Ｑｃｏｎｄ３＝λｆ×Ａｆ／Ｘｆ×（Ｔｔ−Ｔｗ）
ただし、
λｆ：フィンの熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、
Ｘｆ：フィン長さ［ｍ］、
Ｔｗ：管壁温度［℃］
【００３１】
（３）  相対するフィン１２同士の輻射（放射）による伝熱量［Ｗ］：Ｑｒａｄ１
フィン１２表面に垂直な方向に相対するフィン１２同士は等温とし、輻射による伝熱は行われないものとする。
【００３２】
（４）  フィン１２から母管１１の管壁への輻射による伝熱量［Ｗ］：Ｑｒａｄ２，Ｑｒａｄ３
Ｑｒａｄ２＝Ｑｒａｄ３
＝σ×εｆ×Ｆ×Ａｒａｄ×（Ｔｔ＋２７３．１５）４
−（Ｔｗ＋２７３．１５）４）×Ｋ
ただし、
σ：ステファン・ボルツマン定数［Ｗ／ｍ２Ｋ４］、
εｆ：フィンの放射率［−］、
Ｆ：フィンから管壁への形態係数＝１（フィンから管壁への放射は閉空間とする）、
Ａｒａｄ：フィンの輻射伝熱面積＝Ｘｆ×Ｙｆ［ｍ２］、
Ｋ：フィンの温度分布に起因する伝熱量の低減係数
【００３３】
（５）  母管１１の管壁から管内の水への沸騰による伝熱量［Ｗ］：Ｑｂ
Ｑｂ＝ｈｂ×Ａｂ×（Ｔｗ−Ｔｓａｔ）
ただし、
ｈｂ：沸騰もしくは対流熱伝達率［Ｗ／ｍ２Ｋ］、
Ａｂ：沸騰もしくは対流伝熱面積＝（ｄｐ＋ｄｆ×（１／２）×２）×Ｙｆ［ｍ２］、
Ｔｓａｔ：管内の水の飽和温度［℃］
【００３４】
（６）  熱収支
Ｑｃｏｎｖ２＋Ｑｃｏｎｖ３
＝Ｑｃｏｎｄ２＋Ｑｃｏｎｄ３＋Ｑｒａｄ２＋Ｑｒａｄ３＝Ｑｂ
【００３５】
フィン先端１４から母管１１への伝熱経路において、従来のフィンではフィンの放射率が低く、伝熱量全体に占めるＱｒａｄ２とＱｒａｄ３は小さく、Ｑｃｏｎｄ２とＱｃｏｎｄ３が多くを占めていた。ここで、フィンの放射率εｆを向上させ、Ｑｒａｄ２とＱｒａｄ３の伝熱量を増加させると、管壁温度を上昇させ、母管１１と受熱側流体１６との温度差を拡大することができる。
【００３６】
この実施形態によれば、フィン１２および母管１１の外表面に高放射率被膜３１が形成されているため、フィン１２から母管１１への輻射による伝熱量（Ｑｒａｄ２とＱｒａｄ３）が増加して、母管１１の温度が上昇する．それにより、受熱側流体１６が受け取る伝熱量を増加させることができる。
【００３７】
特に、フィン１２の表面に凹凸を付けた（表面を粗くした）ことにより、表面を粗くしていない平滑なフィンよりも放射率が向上する。これにより、熱源側流体１５から受熱側流体１６に伝熱される際に、表面をあらしたフィン１２から母管１１への輻射による伝熱量（Ｑｒａｄ２とＱｒａｄ３）が増加して母管１１の温度が上昇するため、受熱側流体１６が受け取る伝熱量を増加させることができる。
【００３８】
さらに、高放射率被膜３１として黒色酸化皮膜を用いる場合は、黒色に着色することにより放射率が向上する。
【００３９】
なお、上記説明ではフィン１２の表面に凹凸を付けるものとしたが、この凹凸は必須ではなく、平坦な表面としてもよい。
【００４０】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る伝熱管を模式的に示す部分縦断面図である。図１に示す熱交換器２０の全体構成は、第２の実施形態でも共通である。
【００４１】
この実施形態では、母管１１の外表面に、周方向に延びる複数の溝４０が形成され、これらの溝４０にフィン１２の根元１３が埋め込まれて、カシメによりフィン１２が固定されている。すなわち、溝４０にフィン基材部３０の根元１３が埋め込まれた後に、溝４０付近の母管１１を塑性変形させて、フィン基材部３０の根元１３が溝４０内で固定される。
【００４２】
その状態で、母管１１およびフィン基材部３０の外側を覆うように高放射率高熱伝導塗料（高放射率被膜）４１をコーティングする。このとき、フィン基材部３０の根元１３と溝４０の間の隙間に高放射率高熱伝導塗料４１が流れ込んで充填される。
【００４３】
これにより、従来のカシメによる接合の欠点であった接触熱抵抗を抑えることができる。
【００４４】
第２の実施形態によれば、熱源側流体１５から伝熱管１０を経て受熱側流体１６に伝熱される際に、高放射率なフィン１２から母管１１への輻射による伝熱量（Ｑｒａｄ２とＱｒａｄ３）が増加して母管１１の温度が上昇するため、受熱側流体１６が受け取る伝熱量を増加させることができる。これに加えて、フィン１２と母管１１の接合に従来から用いられていた全周溶接から、接触熱抵抗を抑えたカシメ接合に簡素化することができる。これにより、伝熱管１０の製造時間を短縮できる。
【００４５】
［他の実施形態］
上記実施形態では、母管１１の外表面に複数の穴あき円板状のフィン１２が互いに軸方向に間隔をあけて取り付けられるものとした。他の例として、フィンを、母管の軸方向に沿ってねじれた螺旋状で板状のものとしてもよい（図示せず）。
【００４６】
また、上記実施形態では、複数の互いに平行な母管１１が入口ヘッダ２１と出口ヘッダ２２の間を連絡する構成としたが、他の例として、母管１１を、螺旋状の曲管や蛇行する曲管としてもよい（図示せず）。
【００４７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０    伝熱管
１１    母管
１２    フィン
１３    根元（フィン根元）
１４    先端（フィン先端）
１５    熱源側流体
１６    受熱側流体
２０    熱交換器
２１    入口ヘッダ
２２    出口ヘッダ
２３    受熱側流体入口部
２４    受熱側流体出口部
３０    フィン基材部
３１    高放射率被膜
３２    溶接部
４０    溝
４１    高放射率高熱伝導塗料（高放射率被膜）
【図１】
2016048120.tif 000003
【図２】
2016048120.tif 000004
【図３】
2016048120.tif 000005
【図４】
2016048120.tif 000006
【図５】
2016048120.tif 000007
【図６】
2016048120.tif 000008