(57)【要約】【課題】本発明の目的は、液膜排除構造のピッチが狭い形状においても、液膜排除構造の上面に形成される液溜まりの影響を小さくし、高い伝熱性能を得ることにある。【解決手段】縦に配列された伝熱管を備えた熱交換器において、前記伝熱管の外周面に液膜排除構造を備え、前記液膜排除構造の上面が親水性表面であり、かつ、前記液膜排除構造の下面が撥水性表面であることを特徴とする。【効果】本発明によれば、液膜排除構造のピッチが狭い形状においても、液膜排除構造の上面に形成される液溜まりの影響を小さくし、高い伝熱性能を得ることができる。【選択図】図１
2016161153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦に配列された伝熱管を備えた熱交換器において、前記伝熱管の外周面に液膜排除構造を備え、前記液膜排除構造の上面が親水性表面であり、かつ、前記液膜排除構造の下面が撥水性表面であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、前記伝熱管の表面が撥水性表面であることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１に記載の熱交換器において、液膜排除構造の先端が下方に傾斜し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、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器の伝熱管に関する背景技術の例として、特開昭53-96558号を取り上げて説明する。
【０００３】
一般に、凝縮器や蒸発器などの熱交換器において、熱交換を行う伝熱面には平板状のものや管状のものが用いられる。特に、管状の構造は伝熱管であり、製作が容易で取り付けが簡単なため、多く用いられている。熱交換を行う伝熱面での交換熱量Q[W]は以下の式で決定される。
Q=KAΔT            ・・・・・・・・・・(1)
ここで、K[W/m2K]は熱通過率、A[m2]は伝熱面積、ΔT[K]は熱交換する媒体の温度差である。伝熱面積、媒体の温度差が等しい場合、熱通過率が大きい程、交換熱量が大きくなり、伝熱性能（単位面積、単位温度差当たりの交換熱量）が高くなる。
【０００４】
これらの伝熱管は、単に管状のままで縦に配列され使用されることが多い。この伝熱管の外周面側を凝縮面として使用する場合、伝熱管上部では凝縮液が滴状に分散する滴状凝縮となる。滴状凝縮では、凝縮の進行に伴い液滴が成長し流下する。その際、流下する液滴が、伝熱面に付着した他の液滴をぬぐい去り一緒に流下するため、伝熱面が露出し新たに液滴の生成・流下が繰り返される。このような伝熱面の刷新効果により、滴状凝縮の際の壁面上における熱通過率はきわめて大きくなり、伝熱性能が高くなる。一方で、伝熱管上部を除く部分では、凝縮した蒸気ドレンが下方に流下するにつれ、その流下液膜が大きく成長して熱抵抗となり、伝熱性能を決定する熱通過率が著しく低下するため、伝熱管長さを大きく出来ない課題があった。
【０００５】
特許文献１では上記課題を解決するため、伝熱管に液膜排除用の部品を取り付けた構造を提供している。液膜排除のため、伝熱管に輪状部品を取り付けており、その設置位置は液膜が大きく成長しない段階の位置としている。このような構造により、流下する液膜は各輪状部品の上部に集まり、輪状部品の外周側から下方に空中滴下して排除されていく。輪状部品の外径は空中滴下した液滴が再度伝熱管に付着しないように決定される。輪状部品の下方では、流下液膜が排除されており、伝熱面が露出しているため、凝縮液が滴状に分散する滴状凝縮となる。滴状凝縮では熱通過率がきわめて大きくなるため、伝熱管の伝熱性能を向上させることができる。また、伝熱管長さを大きくしても、輪状部品を伝熱管に追加することで、流下液膜の成長を抑制できるので、伝熱管長さを大きくできないといった、従来の課題を解決することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭53-96558公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されている伝熱管表面の流下液膜を排除する液膜排除構造を備えた縦型凝縮伝熱管において、液膜を十分に排除し、凝縮伝熱性能を向上させるためには、液膜排除構造のピッチを出来るだけ小さくする必要がある。一方で、液膜飛散構造の上面には流下液膜による液溜まりが生じる。液溜まりで覆われた伝熱管表面は伝熱面として機能しないため、液膜排除構造のピッチを小さくし過ぎると、液溜まりで覆われる伝熱管表面積が増加し、凝縮伝熱性能向上が得られなくなる課題があった。また、液溜まりの形成を抑制するため液膜排除構造を親水性表面で構成すると、液膜が液膜排除構造を乗り越えて流下するため、液膜排除構造の効果が得られなくなる課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、液膜排除構造のピッチが狭い形状においても、液膜排除構造の上面に形成される液溜まりの影響を小さくし、高い伝熱性能を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１０】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、縦に配列された伝熱管を備えた熱交換器において、前記伝熱管の外周面に液膜排除構造を備え、前記液膜排除構造の上面が親水性表面であり、前記液膜排除構造の下面が撥水性表面であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液膜排除構造のピッチが狭い形状においても、液膜排除構造の上面に形成される液溜まりの影響を小さくし、高い伝熱性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る伝熱管を側面から見た図である。
【図２】実施例１に係る伝熱管の効果を示した図である。
【図３】実施例１〜３に係る伝熱管を備えた縦型多管式熱交換器を示す図である。
【図４】実施例２に係る伝熱管を側面から見た図である。
【図５】実施例３に係る伝熱管を側面から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本実施例に関わる伝熱管の構造図である。本実施例の伝熱管は、内部に冷却媒体が流れる管状構造１と、管状構造１に接着された液膜排除構造２で構成される。管状構造１は、例えば伝熱管材料として一般的に用いられるステンレスで構成される。その他の材料として、銅、アルミ、インコネル等を用いても良い。管状構造１の表面形状は平滑面である。管状構造１の伝熱面を流下する蒸気ドレンの流下液膜を排除するため、伝熱管に輪状の液膜排除構造２を取り付けている。本実施例では液膜排除構造２の形状を円形としているが、楕円形、多角形であっても良い。液膜排除構造２の材質は、ステンレス、銅、アルミ、インコネル等の金属である。液膜排除構造２は材質の弾性を用いたはめ込み、もしくは溶接等で管状構造１に接着される。液膜排除構造２の設置位置は、流下する液膜を十分に排除できるだけのピッチとする。ステンレス、銅、アルミ、インコネル等の金属の表面は親水性である。親水性をより向上させるため、液膜排除構造２の上面３はサンドブラスト処理、粗化処理等により粗面とする。平滑面に対して1.5倍以上の表面積比を有する粗面が望ましい。液膜排除構造２の下面４は金、銀、ロジウム、パラジウム、クロム等の貴金属のめっき、もしくはテフロン、六弗化エチレン類等の高分子材料を含む材料によるめっき、もしくは硫化銅、硫化銀、セレン化銅、セレン化銀等の硫化物あるいはセレン化物によるめっき、もしくはオレイン酸、ステアリン酸、アミン類、シリコーン樹脂、メルカプタン、モンタンワックス等の薄膜により被覆されている。めっきもしくは薄膜による被覆の効果で、液膜排除構造２の下面４は撥水性となる。
【００１５】
図２を用いて本実施例の効果について説明する。図２（ａ）はフッ素系樹脂で構成された撥水性の液膜排除構造７、図２（ｂ）は表面が粗化されたステンレスで構成された親水性の液膜排除構造１０、図２（ｃ）は本実施例の液膜排除構造２での液溜まりの挙動を示している。管状構造１の表面で凝縮した蒸気ドレンが流下し、液膜排除構造７の上に液溜まり５を形成する。液膜排除構造７のエッジ部分では、凝縮液と液膜排除構造７表面との接触角６を満足する形状で液溜まり５が保持される。管状構造１と液膜排除構造７の接合部では凝縮液と管状構造１表面との接触角を満足する形状でメニスカス８が形成される。撥水性の液膜排除構造７では、接触角６が大きいため、液膜排除構造７上に保持される液溜まり５の量が多くなる。液溜まり５は熱抵抗となるため、液溜まり５の厚さにメニスカス８の高さを加えた部分９が非伝熱面となり、伝熱性能が低下する。一方で、親水性の液膜排除構造１０では、液膜排除構造１０のエッジ部分での接触角が小さいため、液溜まりの厚さは薄くなる。しかしながら、液膜排除構造１０の高さが十分高くない場合、液膜排除構造１０のエッジを凝縮液が回り込み、液膜排除効果が得られなくなるため、伝熱性能が低下する。本実施例では液膜排除構造２の上面が親水性表面で構成されているため、液膜排除構造２のエッジ部分での接触角が小さくなり、液溜まりの厚さが薄くなる。液膜排除構造２の下面が撥水性表面で構成されているため、凝縮液は液膜排除構造２を回り込むことなく、空中滴下して排除される。従って、液溜まりの厚さにメニスカスの高さを加えた部分１１が管状構造１表面を覆う面積が小さくなり、最も優れた伝熱性能が得られる。
【００１６】
図３は本実施例に係る伝熱管を用いた縦型多管式熱交換器を示す図である。縦型多管式熱交換器１２は、縦に配列された管状構造（伝熱管）１、管状構造（伝熱管）１の外周面に設けられた液膜排除構造２、１次系ノズル１３、２次系ノズル１４、伝熱管を支持する管板１５で構成される。管状構造１は管板１５にはんだ、もしくは溶接で接着されている。管状構造１内を１次系媒体１６が流れ、２次系ノズル１４を通って２次系媒体１７が流れる。液膜排除構造２により、伝熱管の伝熱性能が向上するため、縦型多管式熱交換器１２の大きさをコンパクトにすることができる。また、液膜排除構造２の設置ピッチを小さくした場合にも、優れた伝熱性能を得ることが出来る。
【実施例２】
【００１７】
図４は本実施例に係る伝熱管の構造図である。本実施例の伝熱管は、内部に冷却媒体が流れる管状構造１と、管状構造１に接着された液膜排除構造２で構成される。管状構造１は、例えば伝熱管材料として一般的に用いられるステンレスで構成される。その他の材料として、銅、アルミ、インコネル等を用いても良い。管状構造１の伝熱面を流下する蒸気ドレンの流下液膜を排除するため、伝熱管に輪状の液膜排除構造２を取り付けている。本実施例では液膜排除構造２の形状を円形としているが、楕円形、多角形であっても良い。液膜排除構造２の材質は、ステンレス、銅、アルミ、インコネル等の金属である。液膜排除構造２は材質の弾性を用いたはめ込み、もしくは溶接等で管状構造１に接着される。液膜排除構造２の設置位置は、流下する液膜を十分に排除できるだけのピッチとする。ステンレス、銅、アルミ、インコネル等の金属の表面は親水性である。親水性をより向上させるため、液膜排除構造２の上面３はサンドブラスト処理、粗化処理等により粗面とする。平滑面に対して1.5倍以上の表面積比を有する粗面が望ましい。液膜排除構造２の下面４は金、銀、ロジウム、パラジウム、クロム等の貴金属のめっき、もしくはテフロン、六弗化エチレン類等の高分子材料を含む材料によるめっき、もしくは硫化銅、硫化銀、セレン化銅、セレン化銀等の硫化物あるいはセレン化物によるめっき、もしくはオレイン酸、ステアリン酸、アミン類、シリコーン樹脂、メルカプタン、モンタンワックス等の薄膜により被覆されている。めっきもしくは薄膜による被覆の効果で、液膜排除構造２の下面４は撥水性となる。管状構造１の表面１８は金、銀、ロジウム、パラジウム、クロム等の貴金属のめっき、もしくはテフロン、六弗化エチレン類等の高分子材料を含む材料によるめっき、もしくは硫化銅、硫化銀、セレン化銅、セレン化銀等の硫化物あるいはセレン化物によるめっき、もしくはオレイン酸、ステアリン酸、アミン類、シリコーン樹脂、メルカプタン、モンタンワックス等の薄膜により被覆されている。めっきもしくは薄膜による被覆の効果で、管状構造１の表面１８は撥水性となる。管状構造１の表面１８が撥水性となるため、管状構造１と液膜排除構造２との接合部に形成されるメニスカス高さが低くなる。従って、液溜まりの厚さにメニスカスの高さを加えた部分が管状構造１表面を覆う面積は、実施例１に比べ更に小さくなり、伝熱性能を更に向上させることができる。
【実施例３】
【００１８】
図５は本実施例に係る伝熱管の構造図である。本実施例の伝熱管は、内部に冷却媒体が流れる管状構造１と、管状構造１に接着された液膜排除構造１９で構成される。管状構造１は、例えば伝熱管材料として一般的に用いられるステンレスで構成される。その他の材料として、銅、アルミ、インコネル等を用いても良い。管状構造１の表面形状は平滑面である。管状構造１の伝熱面を流下する蒸気ドレンの流下液膜を排除するため、伝熱管にかさ状の液膜排除構造１９を取り付けている。液膜排除構造１９は先端が下方に傾斜した構造である。本実施例では液膜排除構造１９の形状を円形としているが、楕円形、多角形であっても良い。液膜排除構造１９の材質は、ステンレス、銅、アルミ、インコネル等の金属である。液膜排除構造１９は材質の弾性を用いたはめ込み、もしくは溶接等で管状構造１に接着される。液膜排除構造１９の設置位置は、流下する液膜を十分に排除できるだけのピッチとする。ステンレス、銅、アルミ、インコネル等の金属の表面は親水性である。親水性をより向上させるため、液膜排除構造１９の上面２０はサンドブラスト処理、粗化処理等により粗面とする。平滑面に対して1.5倍以上の表面積比を有する粗面が望ましい。液膜排除構造２の下面２１は金、銀、ロジウム、パラジウム、クロム等の貴金属のめっき、もしくはテフロン、六弗化エチレン類等の高分子材料を含む材料によるめっき、もしくは硫化銅、硫化銀、セレン化銅、セレン化銀等の硫化物あるいはセレン化物によるめっき、もしくはオレイン酸、ステアリン酸、アミン類、シリコーン樹脂、メルカプタン、モンタンワックス等の薄膜により被覆されている。めっきもしくは薄膜による被覆の効果で、液膜排除構造１９の下面２１は撥水性となる。液膜排除構造１９の上面が親水性であり、液膜排除構造１９の先端が下方に傾斜していることで、液膜排除構造１９の上面に形成される液溜まりの厚さは実施例１に比べ薄くなる。また、液膜排除構造１９の下面が撥水性であり、液膜排除構造１９の先端が下方に傾斜していることで、液膜排除構造１９を回り込む凝縮液量は実施例１に比べ少なくなる。従って、液溜まりの厚さにメニスカスの高さを加えた部分が管状構造１表面を覆う面積は、実施例１に比べ更に小さくなり、伝熱性能を更に向上させることができる。
【符号の説明】
【００１９】
１    管状構造
２    液膜排除構造
３    液膜排除構造の上面
４    液膜排除構造の下面
５    液溜まり
６    接触角
７    液膜排除構造
８    メニスカス
１０  液膜排除構造
１２  縦型多管式熱交換器
１３  １次系ノズル
１４  ２次系ノズル
１５  管板
１６  １次系媒体
１７  ２次系媒体
１８  管状構造の表面
１９  液膜排除構造
２０  液膜排除構造の上面
２１  液膜排除構造の下面
【図１】
2016161153.tif 000003
【図２】
2016161153.tif 000004
【図３】
2016161153.tif 000005
【図４】
2016161153.tif 000006
【図５】
2016161153.tif 000007