(57)【要約】【課題】管内面にフィンを有する伝熱管の熱伝達性能の向上を図る。【解決手段】伝熱管であって、管軸方向に設けられたフィン２を管内面に有する。フィン２は、管軸方向に距離をおいた位置にそれぞれ切欠部３を有する。管内における切欠部３に対応する位置には、バッフル部材８を設けることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管軸方向に設けられたフィンを管内面に有し、前記フィンは、管軸方向に距離をおいた位置にそれぞれ切欠部を有することを特徴とする伝熱管。
【請求項２】
管内における切欠部に対応する位置にバッフル部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は伝熱管に関し、たとえばボイラなどにおいて用いられる伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラに用いられる伝熱管として、たとえば管外がボイラ水に囲まれかつ管内に燃焼ガスが通される煙管式の伝熱管が知られている。また、このような伝熱管の伝熱効率を向上させるために、管内面にフィンを形成して伝熱面積を増大させることが知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特表平９−５０７７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、管内面にフィンを有する伝熱管の熱伝達性能の向上を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を解決するために本発明の伝熱管は、管軸方向に設けられたフィンを管内面に有し、前記フィンは、管軸方向に距離をおいた位置にそれぞれ切欠部を有することを特徴とするものである。
【０００５】
本発明の伝熱管によれば、管内における切欠部に対応する位置にバッフル部材が設けられていることが好適である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の伝熱管によれば、フィンの管軸方向に距離をおいた位置にそれぞれ切欠部を有するため、この切欠部にて、管内を通る燃焼ガスの流れが乱され、それによってフィンにおける温度境界層の発達域を更新することができる。このため、切欠部よりも下流側に位置するフィンにおける上流側の部分に、熱伝達係数が高い部分を形成することが可能となり、したがって伝熱管の熱伝達性能を向上させることができる。
【０００７】
バッフル部材を設けると、それによって管内流体を混合させることができて、温度境界層の発達域を更新することにもとづく高熱伝達係数部分の形成効果が弱くなる箇所である、フィンにおける後流側部分の熱伝達性能を向上させることができて、さらなる熱伝達性能の向上効果を期待することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１および図２は、本発明の実施の形態の伝熱管を示す。１はその管壁である。２は管内面に複数設けられたフィンで、管壁１から管径方向の内向きに突出した状態で、それぞれ管軸方向に形成されている。フィン２には、管軸方向に所定の距離をあけた複数の位置において、管径方向の切欠部３がそれぞれ形成されている。このように切欠部３が形成されていることで、所定長さの複数のフィン２、２、…によって一つのフィンブロック４が形成され、このフィンブロック４に対し切欠部３は全周にわたって形成されている。たとえば伝熱管の口径が数十ミリメートルである場合には、管軸方向に沿ったフィンブロック４の長さは、それぞれ１００ミリメートル程度とすることが好適である。その理由は後述する。
【０００９】
このような伝熱管は、たとえば図２に示すようにフィンブロック４を構成するために複数のフィン２、２、…をその基端部で一体化したブロック体６を、図３に示すような管壁１だけでフィンを有しないベアチューブ５の内部に圧入することによって、製造することができる。そして、隣り合うフィンブロック４、４どうしの間にスペーサを挟み込んだ状態で圧入を行うことで、同時に切欠部３を形成することができる。
【００１０】
図１および図２において、７は、管径方向の内向きに突出するフィン２の先端部を示す。図１および図４に示すように、切欠部３において、複数のフィン２、２、…の先端部７、７、…に対応する位置、すなわち伝熱管の横断面における中央部の位置には、バッフル部材としてのバッフル板８を設けることができる。このバッフル板８は、その厚みが管軸方向に沿った切欠部３の寸法よりも小さく形成されるとともに、適当な部材によって支持されることで、図示の位置に設置することが可能である。
【００１１】
このような構成の伝熱管をたとえばボイラに適用する場合は、管外をボイラ水で囲むとともに、管内に燃焼ガスを通す。すると、管内を通る燃焼ガスの流れが切欠部３によって乱され、その結果、フィン２における温度境界層の発達域を更新することができる。このため、切欠部３よりも下流側のフィンブロック４を構成するフィン２における上流側の部分に、熱伝達係数が高い部分を形成することが可能となり、伝熱管の熱伝達性能を向上させることができる。
【００１２】
切欠部３において、複数のフィン２、２、…の先端部７、７、…に対応する位置、すなわち伝熱管の横断面における中央の位置に、バッフル板８を設けたことで、切欠部３において管内流体を混合させることができる。フィンブロック４における切欠部３よりも後流側の部分では、切欠部３の存在にもとづき上述のように温度境界層の発達域を更新して高熱伝達係数部分を形成する効果が弱くなるが、バッフル板８によって管内流体を混合させることで、上記のフィンブロック４における切欠部３よりも後流側の部分での熱伝達性能を向上させることができる。これによって、さらなる熱伝達性能の向上効果を期待することができる。
【００１３】
上記の例では、切欠部３が管径方向に形成されたものについて説明したが、これに代えて、管径方向に対して傾斜した斜め方向や、らせん方向や、その他の任意の方向に形成することも可能である。
【００１４】
図５は、本発明の他の実施の形態の伝熱管を示す。ここでは伝熱管は角形管１１であり、この角形管１１における一つの管壁１２が、平板状のベースプレート１３によって形成されている。ベースプレート１３と一体の複数のフィン１４が、ベースプレート１３から突出する方向に形成されている。１５は、フィン１４の先端部である。フィン１４は角形管１１の長さ方向に沿って設けられており、このフィン１４における管軸方向に所定の距離をあけた複数の位置において、管軸方向と垂直な方向に切欠部１６が形成されている。すなわち、切欠部１６は、ベースプレート１３から突出するフィン１４を設けないことによって、形成することができる。
【００１５】
切欠部１６において、バッフル部材としての矩形板状のバッフル板１７が、フィン１４の先端部１５に対応した位置に設けられている。バッフル板１７の厚みは、管軸方向に沿った切欠部１６の幅よりも小さな寸法とされている。
【００１６】
このような構成においても、図１、２、４に示した実施の形態と同様に、伝熱管の熱伝達性能を向上させることができる。図示のような角形管１１を用いた伝熱管は、空調装置などに適用することができる。特に、図５においては、バッフル板１７によって管内流体の流れの方向が変化する様子が、矢印１８によって示されている。このようにして、切欠部１６やフィン１４の始端部におけるベースプレート１３に近い位置の流体がフィン１４の先端部１５に向けて押し出され、それによって流体の混合が行われることになる。
【実施例】
【００１７】
図６に示すように、図５に示すものと同様の角形管に用いられる、ベースプレート１３とフィン１４とを一体化した被験体２０を用いて実験した。この被験体２０は、アルミニウムにて形成されており、図６に示すように切欠部を有さず、また、その断面構造および各部の寸法は、図７に示すとおりであった。
【００１８】
ベースプレート１３におけるフィン１４の形成部とは反対側にヒータを設置して被験体２０を加熱し、フィン１４の長さ方向に沿って冷却空気を送風したときの状況を観察した。
【００１９】
その結果を図８に示す。この図８において、横軸はフィン１４の長さ方向に沿った位置を示し、縦軸は、温度と、フィン１４およびベースプレート１３の熱伝達係数を示す。実線は冷却風によって冷却されたフィン１４の温度の測定データから得られる線図を表わす。フィン１４の始端部で冷却効果が一番大きく、すなわちフィン１４の温度が低下しており、始端部からの距離が大きくなるにつれてフィン１４の温度が徐々に上昇している。図中、黒丸は、フィン１４の始端部と、その終端部すなわち始端部から５００ｍｍの位置とにおける冷却空気の温度を表わす。実線で表わされた温度分布から、フィンの熱伝達係数を計算で求めることができる。その計算結果を一点鎖線で表わす。図示のように、熱伝達係数は、フィン１４の始端部の前縁部で高く、フィン１４の長さ方向に沿って低下し、前縁部から一定の距離を経た後は一定値となることが判る。図７の形状および寸法のフィン１４の場合は、この一定の距離は約１００ｍｍであった。
【００２０】
図８から、図７の形状および寸法のフィン１４の場合は、約１００ｍｍごとに切欠部を形成することが効果的であると予想される。この観点にもとづいて、図６および図７に示されるアルミニウム製の被験体２０を長さ１００ｍｍのブロック体にカットし、図９および図１０に示すように複数のブロック体２２、２２、…どうしをベースプレート１３と同じ厚さのアクリル板２３によってフィン１４の長さ方向につなぐことによって切欠部１６を形成した、別の被験体２１を作製した。フィン１４の長さ方向に沿った切欠部１６の寸法は２５ｍｍとした。ベースプレート１３におけるフィン１４の形成面とは反対側の面にはヒータ２４を取り付け、これに対しアクリル板２３にはヒータを取り付けなかった。切欠部１６におけるフィンの先端部１５に対応した位置には、バッフル板１７を設置した。このバッフル板１７は、フィン１４の長さ方向に沿った幅寸法が１０ｍｍ、フィン１４の長さ方向と垂直な方向の厚みが５ｍｍで、隣り合うフィン１４、１４どうしの端部からフィン１４の長さ方向に沿った等距離の位置に設置した。
【００２１】
ヒータ２４によってブロック体２２を加熱しながら、フィン１４の長さ方向に沿って冷却空気を送風したときの状況の観察結果を、図１１に示す。この図１１において、横軸は被験体２１の長さ方向に沿った位置を示し、縦軸は、各ブロック体２２の部分での熱伝達係数と、被験体２１の始端部での冷却空気の温度に対する各部の温度の温度差とを表わす。図中、白丸はフィン１４の温度の測定値（離散値）を示し、実線は、フィン１４とアクリル板２３の温度についての連続的な計算値を示す。黒丸は、被験体２１の始端部と、その終端部すなわち始端部から５００ｍｍの位置とにおける冷却空気の温度を表わす。破線は、被験体２１の始端部から終端部までの間における冷却空気の温度の計算値を示す。図８の場合と同様に、実線で表わされた温度分布から、フィン１４の熱伝達係数を計算で求めることができる。その計算結果を一点鎖線で表わす。
【００２２】
図示のように、フィン１４を冷却することによって、冷却空気の温度が被験体２１の長さ方向に沿って徐々に上昇し、このように冷却空気の温度が上昇することによって、各ブロック体２２におけるフィン１４の温度も、被験体２１の長さ方向に沿って徐々に上昇した。アクリル板２３が設けられている部分では、ヒータによる加熱が行われていないために局部的な温度低下が見られた。
【００２３】
熱伝達係数は、被験体２１の始端部における最初のブロック体２２の前縁部で高く、このブロック体２２においてフィンの長さ方向に沿って低下した。そして、アクリル板２３の位置で最低値となった後、次のブロック体２２の前縁部で再び高くなり、以下、同様の傾向を繰り返した。このように次のブロック体２２の前縁部で熱伝達係数が高くなったのは、切欠部１６とバッフル板１７とを設けたことに基づくものであり、その詳細は上述の通りである。すなわち、特に切欠部１６を設けたことで上述のように温度境界層の発達域を更新することができ、それによって切欠部１６の下流側のブロック体２２の前縁部で熱伝達係数を再び向上させることができるため、図示のように被験体２１の全体としての熱伝達係数を高くすることが可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の伝熱管の一部を切り欠いて示す図である。
【図２】図１の伝熱管の横断面図である。
【図３】図１および図２の伝熱管を製造するためのベア管の横断面図である。
【図４】同伝熱管にバッフル板を設けた状態を示す横断面図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の伝熱管を示す図である。
【図６】被験体の斜視図である。
【図７】被験体の端面を示す図である。
【図８】図７の被験体の効果を示す図である。
【図９】別の被験体を示す図である。
【図１０】図９の被験体の斜視図である。
【図１１】図９の被験体の効果を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
２    フィン
３    切欠部
４    フィンブロック
８    バッフル板
１４    フィン
１６    切欠部
１７    バッフル板
２２    ブロック体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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