JP2008111615A - 二重境膜剥ぎ取り熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転駆動される内管の内外周面で境膜の剥ぎ取りを行う二重境膜剥ぎ取り熱交換装置において、流体の流れを停滞させることなく、伝熱面積を拡張するとともに、広範囲で境膜の剥ぎ取りを行い、伝熱促進効果を飛躍的に向上させる。
【解決手段】二重境膜剥ぎ取り熱交換装置１において、内管１０の外周部に流体通路１３を有する円形のフィン１２を、内管１０の長さ方向に所定の間隔を存して複数立設して外側流路３１を区画せしめると共に、外部固定羽根５０を、内管１０の外周面及びフィン１２の表裏面に近接する櫛形とし、内管１０の外周面及び前記フィン１２の表裏面の境膜を剥ぎ取りすべく構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度差のある流体間で熱交換を行う熱交換装置、特に、回転駆動される内管の内外周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根及び外部固定羽根を備える二重境膜剥ぎ取り熱交換装置に関する。

近年、温度差のある流体間で熱交換を行う熱交換装置として、二重境膜剥ぎ取り熱交換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。二重境膜剥ぎ取り熱交換装置は、伝熱体である内管と、内管を回転駆動させる回転駆動手段と、内管の外周側を所定の空間を存して囲む外筒と、内管の内部に配置され、内管の内周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、外筒の内部に配置され、内管の外周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、内管の内外流路に流される温度差のある流体同士が内管を介して熱交換を行うものである。このような二重境膜剥ぎ取り熱交換装置によれば、内管の内外周面で境膜の剥ぎ取りが行われるので、優れた伝熱促進効果が得られる。

しかしながら、特許文献１に記載された二重境膜剥ぎ取り熱交換装置では、外側流路へ流入される流体が、内管の外周面と外部固定羽根に対して熱交換を充分に行えないまま流出してしまい、内管への熱（温熱／冷熱）伝達（伝熱面積）が不足し、所望の伝熱促進効果が得られない可能性がある。特に、気体系の熱交換に適用した場合、すなわち低温側流体及び／又は高温側流体が気体である場合には、内管への伝熱面積の不足に起因し、二重境膜剥ぎ取りによる伝熱促進効果が十分に発揮されない可能性がある。

そこで、伝熱面積を拡張するために、内管にフィンなどの伝熱面積拡張部を設けることが提案されるが、内管に伝熱面積拡張部を設けると、伝熱面積拡張部によって流体の流れが阻害され、却って伝熱効率が低下する惧れがあり適用が困難であった。
特開２００５−９８０４号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、回転駆動される内管の内外周面で境膜の剥ぎ取りを行う二重境膜剥ぎ取り熱交換装置でありながら、複数のフィンによって伝熱面積が拡張されるだけでなく、各フィンにより区画された区画域毎に流体を堰き止めながらスムーズに次の区画域へと順次に送流することができ、内管の外周面及びフィンの表裏面において幅広く境膜の剥ぎ取りを行うことが可能となり、内管の外周面及びフィンへの伝熱促進効果を一層高めることができ、特に、気体系の熱交換において優れた伝熱効率を発揮することができる二重境膜剥ぎ取り熱交換装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の二重境膜剥ぎ取り熱交換装置は、伝熱体である内管と、該内管を回転駆動させる回転駆動手段と、前記内管の外周側を所定の空間を存して囲む外筒と、前記内管の内部に配置され、前記内管の内周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、前記外筒の内部に配置され、前記内管の外周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、前記内管の内外に形成される流路へ流される温度差のある流体同士が前記内管を介して熱交換を行う二重境膜剥ぎ取り熱交換装置において、前記内管の外周部に、前記内管の長さ方向に所定の間隔を存して円形のフィンを複数配設して前記外側流路を区画せしめ、かつ、各円形のフィンの面域に所定の孔又は切り欠きによる流体通路を設けると共に、前記外部固定羽根を、前記内管の外周面及び前記フィンの表裏面に近接又は摺接する櫛形に形成し、内管の外周面及び前記フィンの表裏面の境膜を剥ぎ取りすべく構成したことを特徴とするものである。

本発明は、上記のように構成したことにより、回転駆動される内管の内外周面で境膜の剥ぎ取りを行う二重境膜剥ぎ取り熱交換装置でありながら、複数のフィンによって伝熱面積が拡張されるだけでなく、外側流路に流入される流体を、各フィンにより区画された区画域毎に堰き止めながらスムーズに次の区画域へと順次に送流することができ、流体が熱交換を充分に行えないまま流出してしまうことを防止し、しかも、流体通路の形状を取り扱う流体の物性に応じて適宜に形成することができ、その結果、区画域毎に流動が成され、外部固定羽根、内管の外周面、フィン１２の表裏面に対して流体温度を確実に伝達し得て、外部固定羽根により、内管の外周面及びフィンの表裏面において幅広く境膜の剥ぎ取りを行うことが可能となり、伝熱促進効果を一層高めることができ、特に、気体系の熱交換において優れた伝熱効率を発揮することができる。さらに、フィンに形成される流体通路は、その孔または切欠きの形状やフィンの回転に応じて、各区画域へ順次に送流される流体の流動挙動を流体の物性に応じて効率よく管理することができ、フィンにより流体が必要以上に区画域内に停滞してしまうことを回避し、限られたスパン（短いスパン）内でスピーディな熱交換を行うことができ、装置全体のコンパクト化が図られ、特に、気体系の熱交換において優れた伝熱効率を発揮することができる。

以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示する二重境膜剥ぎ取り熱交換装置を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置の全体断面図、図２は、本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置のＡ−Ａ断面図、図３は、本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置の外部固定羽根を示す側面図、図４は、フィンに孔形成された流体通路の他例を示すもので、図（Ａ）がＢ−Ｂ部破断平面図、（Ｂ）が正面図、図５は、フィンに切り欠きき形成された流体通路の他例を示すもので、図（Ａ）がＢ−Ｂ部破断平面図、（Ｂ）が正面図、図６は、フィンの形状およびフィンに孔形成された流体通路の他例を示すもので、図（Ａ）が平面図、（Ｂ）が正面図である。

まず、本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置１の基本的な構成、すなわち従来の二重境膜剥ぎ取り熱交換装置と共通の構成について説明する。図１及び図２に示すように、二重境膜剥ぎ取り熱交換装置１は、伝熱体である内管１０と、内管１０を回転駆動させる回転駆動手段２０と、内管１０の外周側を所定の空間を存して囲む外筒（ジャケット）３０と、内管１０の内部に配置され、内管１０の内周面に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根４０と、外筒３０の内部に配置され、内管１０の外周面に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根５０とを備えており、内管１０の内外に流される温度差のある流体同士が内管１０を介して熱交換を行うものである。

内管１０は、伝熱率の良い材質からなる断面円形の管部材であり、外筒３０の内部に回転自在に支持されて内部流体流路１１（内側流路）を形成している。
回転駆動手段２０は、内管１０を回転駆動させるように構成されており、本実施形態では、モータ２１と、その動力を内管１０に伝動するベルト伝動機構２２とで構成されている。
外筒３０は、内管１０の外周側を所定の空間を存して囲むことで形成される外部流体流路３１（外側流路）と共に、一端側に内部流体入口３２及び外部流体入口３３を備え、他端側に内部流体出口３４及び外部流体出口３５を備えている。そして、内部流体入口３２から流入する内部流体は、内管１０の内部空間である内部流体流路１１を通って、内部流体出口３４から流出し、また、外部流体入口３３から流入する外部流体は、外部流体流路３１を通って、外部流体出口３５から流出するようになっている。外部流体入口３３は外部流体流路３１の中間に増設しても良い。

内部固定羽根４０は、内管１０内の内部流体流路１１に配置され、内管１０の内周面に対して１／１００mm程度（取り扱う流体の物性により異なる）に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取るように構成されている。本実施形態では、内管１０の中心線に沿って配置した軸部材４１により内部固定羽根４０を支持している。
外部固定羽根５０は、外筒３０内の外部流体流路３１に配置され、内管１０の外周面に対して１／１００mm程度（取り扱う流体の物性により異なる）に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取るように構成されている。本実施形態では、一枚の外部固定羽根５０を外筒３０の上端位置から垂下方向に突設し、その先端を内管１０の外周上端位置に近接させている。

このように構成された二重境膜剥ぎ取り熱交換装置１によれば、内管１０の内外周面で境膜の剥ぎ取りが行われるので、優れた伝熱促進効果が得られるが、内管１０の伝熱面積不足により、所望の伝熱促進効果が得られない場合も想定される。特に、気体系の熱交換に適用した場合、すなわち低温側流体及び／又は高温側流体が気体である場合には、内管１０の伝熱面積の不足に起因し、二重境膜剥ぎ取りによる伝熱促進効果が十分に発揮されない可能性があった。

次に、本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置１が備える固有の構成、すなわち従来の二重境膜剥ぎ取り熱交換装置との相違点について説明する。図１〜図６に示すように、本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置１は、内管１０の外周部に複数のフィン１２を備える点と、外部固定羽根５０が櫛形である点と、フィン１２により流体の流れを一旦堰き止めて、フィン１２に形成される流体通路１３により送流させる点が従来の二重境膜剥ぎ取り熱交換装置と相違している。

具体的に説明すると、フィン１２は、伝熱率の良い材質からなる円形（ドーナッツ形）のプレート部材であり、内管１０の外周部に、内管１０の長さ方向に所定の間隔を存して複数立設され、その先端は外筒３０の内周面に近接し、各フィン１２により外部流体流路３１を区画して、フィン間区画域を形成している。このようなフィン１２によれば、内管１０の伝熱面積を大幅に拡張させることができる。特に、図６に示すフィン１２ａは、流体の流入側から流出側に向かって傾斜している所謂切頭円錐形状のものを用いており、各区画域において、フィン１２ａの裏面側で流体を滞留させることができるようになっている。なお、フィン１２の配設数や間隔、形状は適宜に変更できることは勿論である。

外部固定羽根５０は、フィン１２の立設位置に対応して複数の切り欠き部５１を形成することにより櫛形となっている。また、図６に示すフィン１２ａの様な傾斜面を有したフィン１２ａを採用する場合には、外部固定羽根５０は、前記切り欠き部５１が、この傾斜角に対応して形成された櫛形となっていることは勿論である。このような外部固定羽根５０によれば、内管１０の外周面及びフィン１２の表裏面に近接（又は摺接）して広範囲で境膜を剥ぎ取ることができる。なお、外部固定羽根５０は適宜に複数設けるようにしても良い。

流体通路１３は、フィン１２の回転に応じて流体の流れをスムーズに送流させる形状に穿設された孔（又は切り欠き）であり、フィン１２の周方向に沿って複数形成されている。流体通路１３の形状としては、正形や長形の円形、扇形、多角形のものもので良く、具体的には、例えば、図２に示す単純に打ち抜き形成した孔のものの他に、図４に示す円形孔、図５に示すＵ字状の切り欠き、図６に示す下向き台形孔（多角形孔）のように、回転方向に対して傾斜した（出口側のみを傾斜させたものでも良い）孔または切り欠き（入口が出口よりも先行するもの、エッジを有するもの）を適用できる。このような流体通路１３によれば、流体への接触抵抗を軽減し、フィン１２の回転に応じて流体を巻き込み圧送して流れを加速し、旋回流を生成させ、区画域内における流体の停滞を回避できる。なお、流体通路１３を内管１０の外周面に近い位置から外管３０側に連なる複数の孔を設ける様にすれば、フィン１２の裏面側の滞留を軽減させることが期待できる。

また、流体通路１３は、各フィン１２に設けられた孔（又は切り欠き）位置が、外部固定羽根５０に対して一直線上に整列配置されて形成されているが、ランダムに配置させたものでも良い。このような流体通路１３によれば、流体をスムーズに送流し、フィン１２により流体を必要以上に区画域内に停滞させてしまうことを回避する流動挙動を得ることが期待できる。そして、図２の打ち抜き孔のように、フィン１２の厚み面を流体に接触させながら内管１０が回転されると、外部流体流路３１内の流体を旋回させて旋回流を生成することができると共に、撹拌された乱流を生成することができる。なお、前記孔又は切り欠きは、流体の流れをスムーズに送流させる任意の形状の他に、異なる形状のものを組み合わせや、異なる形状のフィンの組み合わせによって、使用する流体の物性に応じて外部流体流路３１全体と各区画域の流動挙動を管理するようにしても良い。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、回転駆動手段２０によって内管１０を回転駆動させながら、内部流体入口３２から内部流体（例えば、冷水）を流入させ、かつ、外部流体入口３３から外部流体（例えば、熱ガス）を流入させると、内管１０の内外周面で内部固定羽根４０及び外部固定羽根５０が境膜を剥ぎ取りつつ、内部流体と外部流体との間で熱交換が行われることになるのであるが、内管１０の外周部には、流体通路１３を有する複数のフィン１２が配設されて区画域を形成してあるので、伝熱面積を拡張するだけでなく、外部流体流路３１に流入される流体を、各フィン１２により区画された区画域毎に堰き止めながらスムーズに次の区画域へと順次に送流することができ、外部流体流路３１に流入される流体が熱交換を充分に行なわないまま流出（排出）されてしまうことを防止し、しかも、流体通路１３の形状を取り扱う流体の物性に応じて適宜に形成することができ、その結果、区画域毎に流動が成され、フィン１２の裏面側（特に流体通路１３の下面域）で異なる流体の滞留が生成され、内管１０の外周面、フィン１２の表裏面には、流体温度が確実に伝達され、内管１０の流体温度の伝達影響を受けることなく、これら各部材の適切な温度保持が図られ、櫛形の外部固定羽根５０によって内管１０の外周面及びフィン１２の表裏面において広範囲に境膜の剥ぎ取りを行うことができ、表裏面伝熱促進効果を一層高めることができる。
さらに、フィン１２に形成される流体通路１３は、その孔または切欠きの形状やフィン１２の回転に応じて、各区画域へ順次に送流される流体の流動挙動を流体の物性に応じて効率よく管理することができ、フィン１２により流体が必要以上に区画域内に停滞してしまうことを回避し、限られたスパン（短いスパン）内でスピーディな熱交換を行うことができ、装置全体のコンパクト化が図られ、特に、気体系の熱交換において優れた伝熱効率を発揮することができる。

また、フィン１２の回転に伴って、前記流体通路１３が、前記切り欠き部５１を通過する際、流体を切断するように集中的に通過させる作用により、外部固定羽根５０が配設された部位で、流れ方向を変化させ乱流化、或いは撹拌化させることができ、流体温度の伝達が図られ、境膜剥ぎ取り効果を促進し、伝熱効率をさらに向上させることが期待できる。

また、前記各フィン１２に形成された流体通路１３（孔又は切り欠き）は、フィン１２の回転に応じて流体を巻き込み圧送するよう回転方向に対して傾斜させて形成すべく構成されているので、フィン１２の回転に応じて流体を巻き込み圧送して流れを加速させ、外部流体流路３１を区画する各フィン１２間に形成された区画域内においてフィン１２の回転方向に旋回流が生成させることができ、その結果、流体の停滞を回避して隣接する区画域に対し効率よく流体を送流することができ、外部固定羽根５０により境膜が剥ぎ取られた直後の内管１０の外周面域に対し、集中的に流動化させることができ、さらなる境膜剥ぎ取り効果の促進と、伝熱効率の向上を図ることができる。

また、前記流体通路１３は、前記外部固定羽根５０に対して一直線上に形成されているので、流体通路１３が前記切り欠き部５１を通過するタイミングが等しくなり、各フィン１２間に形成された各区画域において、前記の外部固定羽根５０に対して集中的に流動化させた流体を均等に送流することができ、各区画域内の流動挙動の状態も均等化され、さらなる境膜剥ぎ取り効果が促進され、伝熱効率を一層向上させることができる。

また、前記フィン１２を、流体の流入側から流出側に向かって傾斜させた切頭円錐形状に形成すると共に、前記外部固定羽根５０は、前記切り欠き部５１が、この傾斜角に対応して形成された櫛形としたことにより、各区画域において、フィン１２ａの表面側近傍では、流体の流れを早く（堰き止め抵抗を減少）させ、平板状のフィン１２を用いた場合の滞留を軽減または無くすことができ、また、裏面側近傍では、流体を流体の流れを遅く（滞留）させて、平板状のフィン１２を用いた場合の滞留時間を遅延すことができる流動挙動を得ることができ、境膜剥ぎ取り効果の促進と、伝熱効率の向上に寄与することができる。

本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置の全体断面図である。 本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る二重境膜剥ぎ取り熱交換装置の外部固定羽根を示す側面図である。 フィンに孔形成された流体通路の他例を示すもので、図（Ａ）はＢ−Ｂ部破断平面図、（Ｂ）は正面図である。 フィンに切り欠きき形成された流体通路の他例を示すもので、図（Ａ）はＢ−Ｂ部破断平面図、（Ｂ）は正面図である。 フィンの形状およびフィンに孔形成された流体通路の他例を示すもので、図（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。

符号の説明

１ 熱交換装置
１０ 内管
１１ 内部流体流路
１２ フィン
１３ 流体通路
２０ 回転駆動手段
２１ モータ
２２ ベルト伝動機構
３０ 外筒
３１ 外部流体流路
３２ 内部流体入口
３３ 外部流体入口
３４ 内部流体出口
３５ 外部流体出口
４０ 内部固定羽根
４１ 軸部材
５０ 外部固定羽根
５１ 切り欠き部

Claims (3)

1. 伝熱体である内管と、該内管を回転駆動させる回転駆動手段と、前記内管の外周側を所定の空間を存して囲む外筒と、前記内管の内部に配置され、前記内管の内周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、前記外筒の内部に配置され、前記内管の外周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、前記内管の内外に形成される流路へ流される温度差のある流体同士が前記内管を介して熱交換を行う二重境膜剥ぎ取り熱交換装置において、前記内管の外周部に、前記内管の長さ方向に所定の間隔を存して円形のフィンを複数配設して前記外側流路を区画せしめ、かつ、各円形のフィンの面域に所定の孔又は切り欠きによる流体通路を設けると共に、前記外部固定羽根を、前記内管の外周面及び前記フィンの表裏面に近接又は摺接する櫛形に形成し、内管の外周面及び前記フィンの表裏面の境膜を剥ぎ取りすべく構成したことを特徴とする二重境膜剥ぎ取り熱交換装置。
2. 前記流体通路は、前記フィンの回転に応じて流体を巻き込み圧送するよう回転方向に対して傾斜させて形成せしめた孔又は切り欠きとしたことを特徴とする請求項１に記載の二重境膜剥ぎ取り熱交換装置。
3. 前記フィンを、流体の流入側から流出側に向かって傾斜せしめると共に、前記外部固定羽根は、傾斜角に対応した櫛形に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の二重境膜剥ぎ取り熱交換装置。