JP2010261703A - フィン付きチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】好ましくない圧力降下のない、伝熱能力を増したフィン付きチューブ熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器（１０）は、チューブ（１２）と、チューブ（１２）の外面（１６）から延在するフィン群（１４）とを備える。フィン群（１４）は、第１セットのフィン群および第２セットのフィン群を含み、第１セットのフィン群および第２セットのフィン群の少なくとも一部を自由流にさらすように、第１セットのフィン群（２４）はチューブ（１２）の軸方向に対して第１の方向に向けられ、第２セットのフィン群（２６）はチューブ（１２）の軸方向に対して第２の方向に向けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に熱交換器に関し、より具体的にはフィン付きチューブ熱交換器に関する。

フィン付きチューブ熱交換器は、チューブと、チューブの外面に配設したフィン群とを備える。鋸歯状のフィン構造を含め、フィン群のいくつかの設計が当技術分野で知られている。鋸歯状のフィン構造は、鋸歯状の刻み目を金属シートに作成し、次いで鋸歯状のシートをチューブの周囲に巻くことによってチューブ上に形成することができる。

鋸歯状の刻み目、複数の切り込み、および折れ曲がっている外観を含むフィン群が、当技術分野で知られている。Ｋｉｍｕｒａ（ＥＰ０８５４３４４Ａ２）は、フィン付きチューブを有する熱交換器を開示する。このフィン付きチューブは、円板形状を有するフィン群をチューブの外面に取り付けることによって製造される。各フィンは、外周部を複数の部分に分割するようにフィンの外周部に半径方向の切り込みを形成し、次いで半径方向の切り込み上の１点から延在する折り曲げ線に沿って各部分をチューブの軸方向に折り曲げることによって形成した折り曲げ部を備える。この折り曲げ部は、同じ方向にまたは交互に相対する方向に形成することができる。折り曲げ部または先端部により、流れの混合を増大させることが達成される。結果として得られる折れ曲がった先端部は、基本的に渦発生器である。渦発生器の目標は、自由流からのより高いエネルギー粒子を低エネルギー粒子の状態にする渦を発生させることである。渦発生器は、ゆっくりとした再循環で境界層を再活性化し、流れの分離を防ぐ。したがって、折り曲げ部は、流れに影響を及ぼし、流れの分離を防ぐまたは少なくするが、主要な伝熱面として働かない。その結果、伝熱能力は損なわれる。

Ｓｈｉｇｅｎａｋａ（米国特許第５，６１７，９１６号）は、鋸歯状のフィンストリップをチューブの周囲に巻くことで形成したフィンチューブ熱交換器を開示する。フィン群は、チューブと接しているフィンストリップのベース部に沿って接触線に対してあるツイスト角でツイストされている。このフィンはまた、チューブの軸に垂直な直線に対してある傾斜角で傾斜している。熱交換器のこの設計により、流れの混合が増大する。流れの混合が増大すると、より高い伝熱をもたらす。しかし、流れの混合が増大すると、圧力損失の増大ももたらす。全てのフィンは、同程度の傾斜角およびツイスト角を有する。したがって、上流のフィンは、低速の再循環を見るだけとなる下流のフィンを隠すことになる。このツイストおよび傾斜は、混合を増加することにより伝熱を増大させることができるが、その影響は、ある点を超えると不利益となり得る。流れは分離する可能性がとても高くなるので、圧力損失が増大することがあり得る。

費用を削減するために、フィン付きチューブの伝熱性能を向上させることが望ましい。伝熱の増大は、通常、系内の圧力降下の増大に関連する。典型的には、伝熱の増大は、流れの乱流または有効伝熱面積を増大させることによって実現できる。流れの乱流レベルを増大させることによってより高い伝熱を実現することが可能であるが、この増大は、通常、熱交換器の圧力降下が増大することで不利を受ける。熱交換器の伝熱性能を増大させるために、鋸歯状のフィン群を用いて流れの中に乱流を発生させる。しかし、鋸歯状のフィン群は、単純な中実のフィンに比べて圧力降下の増大を生じると共に、伝熱のための材料および面積がより少なくなる。

米国特許第６，２３４，２４５号公報

したがって、好ましくない圧力降下のない、伝熱能力を増したフィン付きチューブ熱交換器を提供することが望ましい。

本明細書に開示した一実施形態によれば、熱交換器は、チューブと、チューブの外面から延在するフィン群とを備える。フィン群は、第１セットのフィン群および第２セットのフィン群を含み、第１セットのフィン群および第２セットのフィン群の少なくとも一部を自由流にさらすように、第１セットのフィン群はチューブの軸方向に対して第１の方向に向けられ、第２セットのフィン群はチューブの軸方向に対して第２の方向に向けられている。

本明細書に開示した別の実施形態によれば、熱交換器は、チューブと、このチューブの外面から延在するフィン群とを備える。フィン群は、連続するフィン群の複数グループを含み、連続するフィン群の複数グループは、連続するフィン群の複数グループを自由流にさらすようにチューブの軸方向に対して第１の方向および第２の方向に交互に向けられている。

本明細書に開示した別の実施形態によれば、熱交換器は、チューブと、螺旋経路内でこのチューブの外面から延在するフィン群とを備える。フィン群は、螺旋経路に沿って所定の配置で配設される鋸歯状部および中実部を含む。

本明細書に開示した別の実施形態によれば、熱交換器は、チューブと、螺旋経路内でこのチューブの外面から延在するフィン群とを備える。フィン群は、螺旋経路に沿って交互に配設される鋸歯状部および中実部を含む。鋸歯状部または中実部の一部は、直接的に自由流の経路内にある。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、図面全体を通じて同じ符号が同じ部分を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより良く理解されよう。

本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブ熱交換器の一実施形態の部分斜視図である。 本明細書に開示した態様によるフィンストリップの平面図である。 本明細書に開示した態様による、フィンストリップに対して１つおきのフィンだけが折れ曲がっているフィンストリップの側面図である。 本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブ熱交換器の側面図である。 明確化のために少数のフィン群だけを示した、本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブ熱交換器の正面図である。 本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブ熱交換器の部分断面図である。 一端からの標準的な鋸歯状のフィン付きチューブの平面図である。 本明細書に開示した態様による、１つおきのフィンがフィンストリップに対して相対する方向に折れ曲がっているフィンストリップの側面図である。 本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブ熱交換器の別の実施形態の側面図である。 明確化のために少数のフィン群だけを示した、本明細書に開示した態様による図９のフィン付きチューブの正面図である。 本明細書に開示した態様による図９のフィン付きチューブの部分断面図である。 本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブの別の実施形態の部分断面図である。 折れ曲がったフィン群を備えるフィン付きチューブ熱交換器のコルバーンの因子と、折れ曲がったフィンのない従来の鋸歯状のフィン付きチューブ熱交換器のコルバーンの因子とを比較するグラフである。 折れ曲がったフィン群を備えるフィン付きチューブ熱交換器の摩擦係数と、折れ曲がったフィンのない従来の鋸歯状のフィン付きチューブ熱交換器の摩擦係数とを比較するグラフである。 本明細書に開示した態様による、鋸歯状部が直接的に自由流の経路内にあるフィン付きチューブ熱交換器の別の実施形態の側面図である。 本明細書に開示した態様による図１５のフィン付きチューブ熱交換器の正面図である。 本明細書に開示した態様による、選択した位置にだけ複数の切り込みを形成したフィンストリップの平面図である。 本明細書に開示した態様による、中実部が自由流の経路にあるフィン付きチューブ熱交換器の側面図である。 本明細書に開示した態様による伝熱を強化する特徴を有するフィン付きチューブ熱交換器の別の実施形態の側面図である。 本明細書に開示した態様によるフィン付きチューブを収容するためのフレームを示す図である。

本明細書に開示した実施形態は、鋸歯状のフィン付きチューブ熱交換器を含む。このフィン付きチューブ熱交換器は、チューブと、このチューブの外面から延在するフィン群とを備える。フィン群は、標準的な鋸歯状のフィン付きチューブ熱交換器に比べて、伝熱能力を増し、圧力降下を低減または最小化するようなやり方で配置および設計される。一実施形態では、フィン群は、チューブの軸方向に対して第１の方向および第２の方向に対応する、螺旋経路に沿って配設される鋸歯状のフィン群を含む。別の実施形態では、フィン群は、螺旋経路に沿って所定の配置で配設される鋸歯状部および中実部を含む。数詞が無いことは、本明細書において使用される際、文脈で別段の明示がない限り単数だけでなく複数もを含む。

図１〜図３を参照すると、フィン付きチューブ熱交換器１０の一実施形態は、チューブ１２と、このチューブ１２の外面１６から延在する複数のフィン１４とを備える。チューブ１２は、チューブ１２の中心を通過する軸１８に沿ってある長さを有する。フィン群１４は、全体的に螺旋構造でチューブ１２の外面１６の周囲に配設される。フィン群１４は、まず複数の切り込み２０をフィンストリップ２２に作成することによって形成できる。次いで、フィンストリップ２２をチューブ１２の外面１６上に螺旋状に巻き付ける。一実施形態では、１つおきごとのフィン１４が、フィンストリップ２２に対して折り曲げられる。第１セットのフィン群２４は、折れ曲がっていないフィン群を含み、第２セットのフィン群２６は、折れ曲がったフィン群を含む。第２セットのフィン群２６は、フィンストリップ２２の平面に対して−９０度〜＋９０度の任意の角度で折り曲げ可能である。

図４〜図６は、フィン付きチューブ熱交換器１０の様々な図を示す。第２セットのフィン群２６と区別するために、第１セットのフィン群２４のフィン群を暗色で示す。フィンストリップ２２は、チューブ１２の周囲に螺旋経路２８内で配置される。第１セットのフィン群２４は、チューブ１２の軸方向３０に対して第１の方向「θ１」に向けられている。チューブの軸方向３０は、チューブ１２の軸１８に沿っている。第２セットのフィン群２６は、軸方向３０に対して第２の方向「θ２」に向けられている。第２セットのフィン群２６だけが折れ曲がっているので、第１セットのフィン群２４は、螺旋経路２８に沿っており、第２セットのフィン群２６は、螺旋経路２８に対して角度「θ３」で配置される。したがって、第２セットのフィン群２６のフィン群は、螺旋状のフィンストリップ２２の平面から外れている。図７に示すように標準的な鋸歯状のフィン３２では、全てのフィン３４は、互いに対して同じ向きを有し、フィン群３４は、螺旋経路にほぼ沿っていることになり、すなわち、θ１＝θ２およびθ３＝０である。

図８に示す別の実施形態では、１つおきのフィンが、フィンストリップ２２に対して相対する方向に折れ曲がっている。例えば、第１セットのフィン群２４は、フィンストリップ２２の平面に対して０度〜＋９０度の任意の角度で折り曲げ可能であり、第２セットのフィン群２６は、フィンストリップ２２の平面に対して−９０度〜０度の任意の角度で折り曲げ可能である。この場合、第１セットのフィン群２４と第２セットのフィン群２６は共に、フィンストリップ２２をチューブの周囲に螺旋状に巻いた後に螺旋経路に対してある角度になる。

第１セットのフィン群２４および第２セットのフィン群２６の配置は、螺旋経路２８に沿った連続するフィンに対してフィンごとに向きが異なる構造になる。したがって、各フィンが、チューブ１２に向かって流れる（図５に矢印で示す）空気の自由流にさらされる。自由流の空気はより高い温度にあり、したがって、より熱を伝達する可能性がある。各フィン１４の表面に形成される境界層は、障害物をより良い伝熱に導くものの１つである。第２セットのフィン群２６（折れ曲がったフィン群）により、渦は取り除かれることになり、下流の流れの混合が増大し、境界層の混合および崩壊が助長される。平面外では、第２セットのフィン群２６は、上流のフィンによる境界層によって何ら著しく影響されることはない。これにより局所的な熱抵抗を減少させ、それにより伝熱能力を強化する。

また、折れ曲がったフィン２６が、折れ曲がっていない上流のフィン２４と折れ曲がっていない下流のフィン２４との間の流れを妨げないので、折れ曲がっていない上流のフィン２４の後、折れ曲がっていない下流のフィン２４まで流れが移動する距離は、従来の鋸歯状のフィンに比べて長い。距離が増加すると、後流を消散させ下流のフィンの前縁での速度を増大させることが可能になる。残りの後流はいずれも下流のフィンと衝突することによりなくなる。第１セットのフィン群２４（折れ曲がっていないフィン群）および第２セットのフィン群２６（折れ曲がったフィン群）の向きが異なることにより、２次元の流れよりも３次元の流れの場に近い流れの状態になる。フィン群２６が折れ曲がっていない従来の鋸歯状の構造では、後流の消散は、より不十分なものになる。

フィン付きチューブ熱交換器１０は、圧力損失または水頭損失の視点から標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて好ましくない影響がない。フィン群１４の周囲の流れは、層状で低乱流の相（ｌａｍｉｎａｒ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｒｅｇｉｍｅｓ）になるだろう。フィン群の面積が増加していないので、壁面摩擦損失は、標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて変化していないはずである。フィン群１４によって発生する先端渦は、標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて大きさが大きく変化することなく変位するに過ぎない。

図９〜図１１に示す別の実施形態４０では、連続するフィン群４２の複数グループは、チューブ４６の軸方向４４に対して第１の方向および第２の方向に交互に向けられている。例えば、連続するフィン群４２の複数対が、第１の方向および第２の方向に交互に向けられている。第２の方向に向けられているフィン群と区別するために、第１の方向に向けられているフィン群を暗色で示す。第１の方向は、チューブ４６の軸方向４４に対して角度「θ１」であり、第２の方向は、チューブ４６の軸方向４４に対して角度「θ２」である。この構造は、チューブ４６の外面５０の周囲にフィンストリップ４８を巻く前に連続するフィン群４２の対を１つおきごとに折り曲げることによって実現できる。図１２に示す別の実施形態では、複数対の１つおきのフィン群は、第１の方向と第２の方向が共に、螺旋経路に対してある角度であるように折り曲げ可能である。

第１の方向は、螺旋経路５２に沿っていることになり、第２の方向は、螺旋経路５２に対して角度「θ３」であることになる。したがって、連続するフィン群４２の対ごと、チューブ４６に向かって流れる（矢印で示す）空気の自由流にさらされる。図４〜図６の実施形態に関して前述したように、フィン付きチューブ熱交換器４０は、圧力損失または水頭損失の視点から標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて伝熱能力をやはり強化しており、好ましくない影響がない。

上記の折れ曲がったフィンの各実施形態は、標準的な鋸歯状のフィンチューブ構造およびやはり中実のフィンチューブ構造に比べて、より高い伝熱係数を与える。実験結果は、標準的な鋸歯状のフィン群に比べて約８パーセントの伝熱係数の増加を示す。この増した伝熱能力は、標準的な鋸歯状のフィンに比べて、圧力損失を増大させることなく実現される。コルバーンの因子（ｊ）を用いて伝熱係数を特徴付け、摩擦係数（ｆ）を用いて圧力降下を特徴付ける。折れ曲がったフィン群を備えるフィン付きチューブ熱交換器、および折れ曲がったフィン群のない従来の鋸歯状のフィン付きチューブ熱交換器について、コルバーンの因子および摩擦係数を実験的に求め、図１３および図１４中に質量流速Ｇに対して図表をそれぞれ作成する。図１３および図１４中のデータは、フィン付きチューブ側の熱風およびチューブ内部の水を用いて風洞実験で得られた。入口の気圧および温度、ならびに出口の気圧および温度は、交互パターンで配置した４列のフィン付きチューブを含むバンドル全体にわたって測定した。これらの測定値から、コルバーンの因子および摩擦係数を質量流速の関数として求めた。

図１５〜図１７を参照すると、フィン付きチューブ熱交換器６０の別の実施形態は、チューブ６２と、螺旋経路内６８でチューブ６２の外面６６から延在するフィン群６４とを備える。フィン群６４は、鋸歯状部７０および中実部７２を含む。鋸歯状部７０および中実部７２は、螺旋経路６８に沿って交互に配設される。鋸歯状部７０は、チューブ６２の外面６６まで実質的に延在する複数の個々のフィン７４を含む。フィン群６４は、フィンストリップ７６に形成することができる。鋸歯状部７０に対応する複数の切り込み７８をフィンストリップ７６に作成する。次いで、フィンストリップ７６をチューブ６２の外面６６に螺旋状に巻き付ける。フィンストリップ７６のうちの切り込みのない部分が、中実部７２を形成する。

一実施形態では、チューブ６２の周囲のフィンストリップ７６の単一回転には、交互に配置した２つの鋸歯状部７０および２つの中実部７０が含まれる。したがって、図１５を参照すると、チューブ６２の上側の鋸歯状部７０の全ては互いに沿っており、チューブ６２の底側の中実部７２の全ては互いに沿っている。同様に、チューブ６２の左側の鋸歯状部７０の全ては互いに沿っており、チューブ６２の右側の中実部７２の全ては互いに沿っている。

鋸歯状部７０と中実部７２の組み合わせにより、流れの乱流を増大し、伝熱能力を強化し、全体の圧力降下を最小化する。中実部により、複数の個々のフィンを有する（図７に示す）標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて、利用できる伝熱面積が増大する。フィン付きチューブ中の個々のフィンの数を減少させると、圧力降下が低くなる。流れに対するフィン付きチューブの向きは、伝熱の増大と圧力降下の低減の間のバランスをもたらすために流れの状態に従って決定することができる。図１５に示す実施形態では、フィン付きチューブ６０は、チューブ６２の一方の側の鋸歯状部７０が直に自由流８０の経路内にあるように配置される。図１８に示す別の実施形態では、フィン付きチューブ６０は、チューブ６２の一方の側の中実部７２が直に自由流８０の経路内にあるように配置される。フィン付きチューブ６０は、図１９に示すように中実部に溝、窪みまたは波形などの伝熱を強化する特徴８２をさらに含んでもよい。

フィン付きチューブ６０は、図２０に示すようにバンドルで配置することができる。フレーム８４を使用してフィン付きチューブ６０のバンドルを収容することができる。フレーム８４は、チューブ６０の一方の側の中実部またはチューブ６０の別の側の鋸歯状部がもろに自由流の経路内にあるように、フィン付きチューブ６０を特定の位置に取り付けるための機構８６を含むことができる。一実施形態では、この機構８６は、フィン群が流れに対して適切に位置合わせできるように、切り欠きをチューブ６０の端部に含むと共に、この切り欠きに対合する特徴をフレーム８４に含むことができる。

したがって、フィン付きチューブ熱交換器は、好ましくない圧力降下のない伝熱を増すためのやり方を提供する。折れ曲がったフィンの実施形態では、標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて、圧力降下を増大させることなく伝熱能力を強化することができる。中実／鋸歯状部の実施形態では、標準的な鋸歯状のフィン付きチューブに比べて、伝熱能力を強化できると共に、圧力降下を低減できる。

上記のそうした目的または利点の全てが、任意の特定の実施形態により実現できることは必ずしも必要ではないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者は、本明細書に記載したシステムおよび技術は、本明細書で教示または示唆され得るような他の目的または利点を必ずしも実現することなく本明細書に教示した１つまたは一群の利点を実現または最適化するやり方で具現化または実行することができると分かるであろう。

本発明のある特定の特徴だけを本明細書に例示および説明してきたが、当業者は多数の修正形態および変更形態を想到するであろう。したがって、添付した特許請求の範囲は、本発明の真の精神に含まれるようなそのような修正形態および変更形態の全てに及ぶものであることを理解されたい。

１０ フィン付きチューブ熱交換器
１２ チューブ
１４ フィン群
１６ チューブの外面
１８ 軸
２０ 複数の切り込み
２２ フィンストリップ
２４ 第１セットのフィン群
２６ 第２セットのフィン群
２８ 螺旋経路
３０ チューブの軸方向
３２ 標準的な鋸歯状のフィン
３４ フィン群
４０ フィン付きチューブ熱交換器の別の実施形態
４２ 連続するフィン群の複数グループ
４４ チューブの軸方向
４６ チューブ
４８ フィンストリップ
５０ チューブの外面
５２ 螺旋経路
６０ フィン付きチューブ熱交換器の別の実施形態
６２ チューブ
６４ フィン群
６６ チューブの外面
６８ 螺旋経路
７０ 鋸歯状部
７２ 中実部
７４ 個々のフィン
７６ フィンストリップ
８０ 自由流
８２ 伝熱を強化する特徴
８４ フレーム
８６ フィン付きチューブを取り付けるための機構

Claims (10)

1. チューブ（１２）と、
   前記チューブ（１２）の外面（１６）から延在するフィン群（１４）と
   を備える熱交換器（１０）であって、前記フィン群（１４）は、第１セットのフィン群および第２セットのフィン群を含み、前記第１セットのフィン群および前記第２セットのフィン群の少なくとも一部を自由流にさらすように、前記第１セットのフィン群（２４）は前記チューブ（１２）の軸方向に対して第１の方向に向けられ、前記第２セットのフィン群（２６）は前記チューブ（１２）の前記軸方向に対して第２の方向に向けられている熱交換器（１０）。
2. 前記第１セットのフィン群および前記第２セットのフィン群が、各前記フィン群（１４）を前記自由流にさらすように交互に配置される、請求項１記載の熱交換器。
3. 前記フィン群（１４）は、複数の切り込み（２０）をフィンストリップ（２２）に作成し、前記第１セットのフィン群（２４）、前記第２セットのフィン群（２６）、または前記第１セットのフィン群と前記第２セットのフィン群の両方を前記フィンストリップ（２２）に対して折り曲げ、その後に前記フィンストリップを前記チューブ（１２）の前記外面（１６）に螺旋状に巻き付けることによって形成される、請求項１又は２記載の熱交換器。
4. チューブ（４６）と、
   前記チューブ（４６）の外面から延在するフィン群（４２）と
   を備える熱交換器（４０）であって、前記フィン群（４２）は、連続するフィン群（４２）の複数グループを含み、前記連続するフィン群（４２）の複数グループは、前記連続するフィン群の複数グループを自由流にさらすように前記チューブ（４６）の軸方向（４４）に対して第１の方向および第２の方向に交互に向けられている熱交換器（４０）。
5. 前記フィン群（４２）は、複数の切り込みをフィンストリップに作成し、前記第１の方向および前記第２の方向に対応するようにフィン群の一部を前記フィンストリップに対して折り曲げ、その後に前記フィンストリップを前記チューブ（４６）の前記外面に螺旋状に巻き付けることによって形成される、請求項４記載の熱交換器。
6. チューブ（６２）と、
   螺旋経路（６８）内で前記チューブ（６２）の外面から延在するフィン群（６４）と
   を備える熱交換器（６０）であって、前記フィン群（６４）が、前記螺旋経路に沿って所定の配置で配設される鋸歯状部（７０）および中実部（７２）を含み、前記チューブ（６２）は、前記鋸歯状部（７０）または前記中実部（７２）の一部が直接に自由流（８０）の経路内にあるように配置される熱交換器（６０）。
7. 前記鋸歯状部（７０）および前記中実部（７２）が、前記螺旋経路（６８）に沿って交互に配設される、請求項６記載の熱交換器。
8. 前記中実部（７２）が、溝、窪み、波形または他の伝熱を強化する特徴を含む、請求項６又は７記載の熱交換器。
9. 各前記鋸歯状部（７０）が、実質的に前記チューブ（６２）の前記外面まで延在する複数の個々のフィン（７４）を含む、請求項６乃至８のいずれか１項記載の熱交換器。
10. 前記フィン群（６４）が、フィンストリップ（７６）を備え、前記フィンストリップ（７６）は、前記フィンストリップを螺旋状に巻く前に前記鋸歯状部（７０）に対応する複数の切り込み（７８）を前記フィンストリップに作成して、前記チューブ（６２）の前記外面に螺旋状に巻き付けられる、請求項９記載の熱交換器。

Images