JP2012149859A - 個々の伝熱管にフィンを取り付けたシェルアンドチューブ式の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】炉内に熱交換器を入れて加熱させる場合であっても、伝熱管同士の隙間に偏りを生じさせないようにする。
【解決手段】左右に設けられたヘッダ３と、当該左右のヘッダ３の間に設けられた複数本の伝熱管４と、当該複数本の伝熱管４における個々の伝熱管４の外周に取り付けられたフィン５と、当該フィン５を取り付けた伝熱管４を収容するシェル２とを有してなるシェルアンドチューブ式の熱交換器１において、上下方向に隣接する伝熱管４の外周に螺旋状のフィン５を巻き付ける。このとき、上層側のフィン５の回転方向と、これに隣接する下層側のフィン５の回転方向とを逆にして、それぞれのフィン５を当接可能に設定しておく。これにより、伝熱管４が湾曲した場合であっても、フィン５の当接によって、各伝熱管４と伝熱管４との隙間や、シェル２との隙間を一定に保てるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、伝熱管の外周にフィンを取り付けてなる熱交換器に関するものであり、より詳しくは、シェルアンドチューブ式の熱交換器において、伝熱管と伝熱管の隙間を均一にできるようにしたフィンを有する熱交換器に関するものである。

一般的に、熱交換器は、図７に示すように、左右に設けられたヘッダ８１と、これらのヘッダ８１の間に取り付けられた複数本の伝熱管８２と、これらの伝熱管８２に取り付けられた複数枚のフィン８３とを有するように構成されている。このような熱交換器に用いられるフィンとしては、薄い板状のものの他に、伝熱管の隙間に挟み込まれる波板状のフィンや、伝熱管の外周に螺旋状に巻き付けたフィンなどが存在する（特許文献１、特許文献２）。そして、伝熱管内に通された第一流体を冷却する場合、フィンによって熱を拡散させるとともに、そのフィンに沿って第二流体を流して伝熱管内の第一流体と熱交換させるようにしている。

また、他の熱交換器として、シェルアンドチューブ式の熱交換器も提案されている。このシェルアンドチューブ式の熱交換器は、図８（ａ）に示すように、胴状のシェル８４と、そのシェル８４に収容された複数の伝熱管８２とを有するように構成されており、伝熱管８２内の第一流体を熱交換させる場合、シェル８４で囲まれた胴内空間Ｓに第二流体を通し、これによって伝熱管８２内の第一流体と熱交換させるようにしている。

ところで、このような熱交換器を製造する場合、一般的には次のように製造される。すなわち、まず、左右のヘッダに設けられた孔に複数の伝熱管を挿入し、その孔と伝熱管との隙間にロウ材を塗布する。そして、これを炉内に入れて高温で加熱し、ロウ材を溶かして伝熱管とヘッダの孔の隙間を埋める。

特開２００３−３１４９４７号公報 特開２００５−１４０４５１号公報

しかしながら、このような方法で熱交換器を製造する場合、次のような問題を生じる。

すなわち、炉内に熱交換器を入れて高温に加熱する場合、伝熱管が非常に細長く構成されていると、その熱によって図８（ｂ）に示すように伝熱管が下方へ湾曲してしまう。このとき、図７に示すようにフィン８３に伝熱管８２全体を貫通させた熱交換器においては、伝熱管全体が下方へ湾曲しても、そのフィンによって伝熱管と伝熱管の隙間を一定に保つことができるが、シェルアンドチューブ式の熱交換器においてフィンを設けていないと、最も下方の伝熱管はシェルの内壁に近づき、シェルとの間の隙間が狭くなってしまう。一方、上側の伝熱管は全体的に下方へと湾曲するため、シェルの上側の隙間が大きくなって、ほとんどの第二流体がシェルの上側にのみ流れて熱交換の効率が悪くなってしまうといった問題を生じる。

これに対して、シェルアンドチューブ式の熱交換器において、上下交互にフィンを取り付けて第二流体を蛇行させるようにした構造のものも提案されている。このようなフィンを取り付けると、フィンで拘束された伝熱管内の隙間は一定に保たれるが、フィンを取り付けた伝熱管全体が下方へと湾曲してしまい、同様に、シェル内で隙間に偏りを生じてしまう問題を生じる。

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、炉内に熱交換器を入れて加熱させる場合であっても、伝熱管同士の隙間に偏りを生じさせないようにした熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、左右に設けられたヘッダと、当該左右のヘッダの間に設けられた複数本の伝熱管と、当該複数本の伝熱管における個々の伝熱管の外周に取り付けられたフィンと、当該フィンを取り付けた伝熱管を収容するシェルとを有してなるシェルアンドチューブ式の熱交換器において、上下方向に隣接する伝熱管の外周に取り付けられるフィンの傾斜角度を異なるように設定したものである。

このように構成すれば、仮に、炉内で熱交換器が加熱されて伝熱管が湾曲した場合であっても、伝熱管に取り付けられたフィンがシェルの内壁底面に当接するので、シェルの下方における伝熱管とシェルの内壁の隙間を確保することができる。また、上下方向に隣接するフィン同士も当接させることができるので、伝熱管と伝熱管の隙間も均一にすることができる。さらには、フィンを傾斜させているため、フィンに蓄積された熱を傾斜させた表面に沿って第二流体を流すことができ、熱の滞留を防止することができるというメリットも得ることができる。

また、このような発明において、フィンを螺旋状にして伝熱管の外周に取り付けるとともに、上下方向に隣接する伝熱管のフィンの回転方向を逆向きに設定しておく。

このようにすれば、伝熱管に一枚ずつ独立したフィンを取り付ける場合に比べて、簡単にフィンを取り付けることができるようになる。

また、このとき、上下方向に隣接する螺旋状のフィンのピッチを同一に設定しておく。

このようにすれば、上下に隣接する全てのフィンを当接させることができ、下層の伝熱管におけるフィンとフィンとの間に上層のフィンが位置して伝熱管が湾曲してしまうといった不具合をなくすことができる。

さらには、あらかじめ、フィンをシェルの内壁および上下方向に隣接する伝熱管のフィンに接触させる寸法に設定しておく。

このようにすれば、フィンを当接させた状態でシェル内に挿入することができるので、挿入するときの状態で伝熱管と伝熱管の隙間を保つことができる。これにより、伝熱管同士の隙間を均一化することができるようになる。

本発明では、左右に設けられたヘッダと、当該左右のヘッダの間に設けられた複数本の伝熱管と、当該複数本の伝熱管における個々の伝熱管の外周に取り付けられたフィンと、当該フィンを取り付けた伝熱管を収容するシェルとを有してなる熱交換器において、上下方向に隣接する伝熱管の外周に取り付けられるフィンの傾斜角度を異なるように設定したので、炉内で熱交換器が加熱されて伝熱管が湾曲した場合であっても、伝熱管に取り付けられたフィンを、シェルの内壁底面に当接させることができ、シェルの下方における伝熱管とシェルの内壁の隙間を確保することができる。また、上下方向に隣接するフィン同士を当接させることができるので、伝熱管と伝熱管の隙間を均一にすることができるようになる。さらには、フィンを傾斜させているため、フィンに蓄積された熱を傾斜させた表面に沿って流すことができ、熱の滞留を防止することができるというメリットも得ることができる。

本発明の一実施の形態におけるシェルアンドチューブ式の熱交換器の概略図 同形態における断面図 同形態における伝熱管とフィンの外観斜視図 同形態における伝熱管に巻き付けられた他のフィンを示す図 同形態における他のフィンを示す図 従来例における他のフィンを示す図 従来例における熱交換器を示す図 従来例におけるシェルアンドチューブ式の熱交換器を示す図

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態におけるシェルアンドチューブ式の熱交換器１は、図１に示すように、円筒状をなすシェル２と、そのシェル２の内部に収納された複数本の伝熱管４と、それぞれの伝熱管４の外周に取り付けられる螺旋状のフィン５とを有してなるものである。そして、特徴的には、上下方向に隣接する螺旋状のフィン５における回転方向を逆向きとなるように設定して、フィン５同士を当接可能に配置するとともに、最も下方に位置するフィン５とシェル２とを当接させて隙間を確保させるようにしたものである。以下、本実施の形態におけるシェルアンドチューブ式の熱交換器１の構成について詳細に説明する。

まず、この熱交換器１を構成するシェル２は、図１や図２に示すように、円筒状をなすものであって、その両端に熱交換の対象となる第一流体６を流入させるための第一流入口３３や、熱交換された第一流体６を排出する第一排出口３４を設けている。この第一流入口３３や第一排出口３４の奥方にはヘッダ壁面３１が設けられており、これをシェル２の内壁に密着させて、ヘッダ壁面３１と第一流入口３３との空間、および、ヘッダ壁面３１と第一排出口３４との空間によってヘッダ３を形成するようにしている。

伝熱管４は、熱交換の対象となる第一流体６を流通させるようにしたものであって、熱伝導率の高い金属部材によって構成される。これらの伝熱管４は、ヘッダ壁面３１に設けられた複数の孔部３２に挿入されて溶着されており、これによって、ヘッダ３に流入した第一流体６を孔部３２から漏れないようにしている。なお、この実施の形態では、上層における伝熱管４と伝熱管４の間に、下層の伝熱管４を配置するようにして、可能な限り多くの伝熱管４を収容できるようにするとともに、一本の伝熱管４を上下四本の伝熱管４のフィン５で支えられるようにしている。

左右のヘッダ壁面３１とシェル２によって囲まれた領域には、図１に示すように、密閉された胴内空間Ｓが形成されている。この胴内空間Ｓは、伝熱管４内の第一流体６と熱交換をさせるための第二流体７を通すようにしたもので、シェル２に設けられた胴内流入口２１から第二流体７を流入させ、シェル２の軸方向に沿ってその第二流体７を流し、胴内排出口２２から排出させるようにしている。

このような構成において、シェル２内のそれぞれの伝熱管４には螺旋状のフィン５が取り付けられる。

この螺旋状のフィン５は、薄い帯状の金属板を伝熱管４に等ピッチに巻き付けてなるものであって、内周部分をほぼ伝熱管４の外周部分に密着させるように構成されている。ところで、帯状の金属板を螺旋状に巻き付ける場合、フィン５の内周部分に比べて外周部分の伸びが長くなるため、外周部分に亀裂を生じたり、あるいは、内周部分に皺を生じたりする可能性がある。このため、他の実施の形態では、図４に示すように、あらかじめ帯状のフィン５の外周となる部分に、一定間隔のスリット５１を入れておき、スリット５１を有する側を外周部分に位置させて螺旋状に巻き付けてもよい。このようにすれば、螺旋状に巻き付けた際にそのスリット５１を拡開させることができ、不規則に亀裂を生じさせるようなことがなくなる。

また、このような螺旋状のフィン５を形成する場合、伝熱管４とフィン５との接触面積が小さくなり、伝熱管４の熱をフィン５に拡散させることが難しくなる。そこで、図５に示すように、帯状の部材を縦長方向に折り曲げてＬ字型に構成し、底面部分５２から起立したフィン５を螺旋状に伝熱管４に巻き付けるようにしてもよい。この場合についても同様に、起立した部分にスリット５１を入れておき、巻き付ける際にそのスリット５１を拡開させるようにするとよい。このようにすれば、伝熱管４とフィン５との接触面積を大きく確保することができるとともに、折り曲げられたＬ字状をなす底面部分５２の幅によって螺旋のピッチを等間隔にすることができる。

あるいは、内周部分に規則的な皺を有するようにして（図示せず）、この部分を伝熱管４の外周部分に接触させるようにしてもよい。このようにすれば、伝熱管４とフィン５との接触面積を増やすことができ、伝熱管４の熱をフィン５に拡散させやすくすることができる。

また、図６に示すように、分離独立して設けられたフィン５を複数枚用意しておき、これらのフィン５を伝熱管４の外周部分に取り付けるようにしてもよい。なお、図６においては、積層された伝熱管４を側面から見た概略図を示している。この伝熱管４にフィン５を取り付ける場合は、伝熱管４の軸方向が法線方向とならないように傾斜させておく。具体的には、フィン５の法線を水平面内で伝熱管４の軸方向から傾斜させるようにして伝熱管４に取り付けておく。このように傾斜させておけば、伝熱管４を上下方向に積層した場合に、一方向に傾斜させたフィン５と、それとは逆方向に傾斜させた下層のフィン５とが当接し、これによって伝熱管４と伝熱管４との隙間を強制的に確保することができるようになる。

このようなフィン５のうち、螺旋状のフィン５を伝熱管４に取り付ける場合は、螺旋状に巻き付けられたフィン５の弾性力によって伝熱管４の外周部分を押圧し、また、適宜溶着材などを使用して伝熱管４の表面に溶着させる。あるいは、フィン５の表面をメッキ処理しておき、炉内で高温に加熱させる際に、そのメッキを溶出させて伝熱管４の表面に溶着させるようにしてもよい。

次に、このように構成されたシェルアンドチューブ式の熱交換器１の製造方法について説明する。

まず、熱交換器１を製造する場合、それぞれの伝熱管４の外周部分に螺旋状のフィン５を巻き付けておく。このフィン５を巻き付ける場合は、それぞれのフィン５の高さやピッチなどを全て同一に設定しておく。そして、その状態で、ヘッダ壁面３１に設けられた孔部３２に伝熱管４を挿入していく。このとき、各孔部３２は、フィン５付きの伝熱管４を取り付けた際に、上下方向に隣接する伝熱管４のフィン５がぎりぎり接触するか、もしくは、僅かな隙間をもって伝熱管４を挿入できるような状態に設定しておく。一方、左右方向に隣接する伝熱管４については、フィン５の回転方向を同一に設定しておき、フィン５とフィン５とが干渉しないようにしておくか、あるいは、それぞれフィン５の回転方向を逆向きにしておいてもよい。図３においては、最上層の伝熱管４のフィン５を第一の方向に巻き付けており、第二層の伝熱管４のフィン５を第二の方向に巻き付けている。そして、このように伝熱管４をヘッダ壁面３１の孔部３２に挿入した状態で、ヘッダ壁面３１の孔部３２と伝熱管４との隙間にロウ材を塗布し、シェル２の内部に挿入していく。

次に、このシェル２を炉内に入れ、ロウ材を溶着させることができる程度の温度に加熱する。このとき、熱交換器１を高温で加熱させると、細長く構成された伝熱管４は、その熱と自重によって下方に湾曲する可能性があるが、まず、最も下方に設けられた伝熱管４のフィン５がシェル２の内壁に当接するため、シェル２との間に隙間を形成することができる。

また、その上層側に設けられた伝熱管４は、傾斜角度の異なる下層側のフィン５と当接するため、伝熱管４と伝熱管４の隙間が、フィン二枚分の隙間に設定される。

このように炉内で高温加熱してロウ材を溶かして伝熱管４と孔部３２の隙間を埋めるとともに、フィン５と伝熱管４とを溶着し、次に、シェル２の左右両端に第一流入口３３や第一排出口３４を取り付けていく。また、これと同様に、シェル２の側面にも、胴内流入口２１や胴内排出口２２を取り付けていき、そこから第二流体７を流入・排出させるようにする。

このように胴内流入口２１から第二流体７を入れると、その第二流体７は、伝熱管４の軸方向に沿って流れていき、その途中で螺旋状のフィン５の傾斜に沿ってスムーズに流れる。このとき、上下方向に隣接するフィン５の回転方向が逆向きとなっているため、その流れが乱流になり、熱の対流を防止してフィン５から熱を奪い取ることができるようになる。そして、フィン５を介して伝熱管４内の第一流体６から熱を奪い取って、その第二流体７を胴内排出口２２から排出させる。

このように上記実施の形態によれば、左右に設けられたヘッダ３と、当該左右のヘッダ３の間に設けられた複数本の伝熱管４と、当該複数本の伝熱管４における個々の伝熱管４の外周に取り付けられたフィン５と、当該フィン５を取り付けた伝熱管４を収容するシェル２とを有してなるシェルアンドチューブ式の熱交換器１において、上下方向に隣接する伝熱管４の外周に取り付けられるフィン５の傾斜角度を異なるように設定したので、炉内で伝熱管４が湾曲した場合であっても、伝熱管４に取り付けられたフィン５をシェル２の内壁底面に当接させて、伝熱管４とシェル２の内壁の隙間を確保することができる。また、上下方向に隣接するフィン５同士についても、それぞれ逆向きのフィン５を当接させることができるので、伝熱管４と伝熱管４の隙間も均一にすることができる。さらには、フィン５を傾斜させているため、フィン５に蓄積された熱を傾斜させた表面に沿って第二流体７を流すことができ、熱の滞留を防止することができるというメリットも得ることができる。

また、フィン５を螺旋状にして伝熱管４の外周に取り付けるとともに、上下方向に隣接する伝熱管４のフィン５の回転方向を逆向きに設定した場合は、伝熱管４に一枚ずつ独立したフィン５を取り付ける場合に比べて、簡単にフィン５を取り付けることができるようになる。

さらには、上下方向に隣接する螺旋状のフィン５のピッチを同一に設定しておけば、上下に隣接する全てのフィン５を当接させることができ、下層の伝熱管４におけるフィン５とフィン５との間に上層のフィン５が位置して伝熱管４が湾曲してしまうといった不具合をなくすことができる。

加えて、あらかじめ、フィン５をシェル２の内壁および上下方向に隣接する伝熱管４のフィン５に接触させる寸法に設定しておけば、シェル２内で伝熱管４を湾曲させることなく、挿入時における伝熱管４同士の隙間に設定することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、シェルアンドチューブ式の熱交換器１として、円筒状をなすシェル２を用いたが、断面が矩形状となるシェル２を有する熱交換器１にも使用することができる。

また、上記実施の形態では、フィン５同士を当接させるように構成したが、必ずしも全てのフィン５を当接させておく必要はなく、伝熱管４が大きく湾曲した場合にフィン５同士を当接させるような状態にしておけばよい。すなわち、伝熱管４が大きく湾曲していない場合では、フィン５同士を離間させるようにしておいてもよい。

１・・・熱交換器
２・・・シェル
２１・・・胴内流入口
２２・・・胴内排出口
３・・・ヘッダ
３１・・・ヘッダ壁面
３２・・・孔部
３３・・・第一流入口
３４・・・第一排出口
４・・・伝熱管
５・・・フィン
５１・・・スリット
Ｓ・・・胴内空間
６・・・第一流体
７・・・第二流体

Claims (3)

1. 左右に設けられたヘッダと、
   当該左右のヘッダの間に設けられた複数本の伝熱管と、
   当該複数本の伝熱管における個々の伝熱管の外周に取り付けられたフィンと、
   当該フィンを取り付けた伝熱管を収容するシェルとを有してなる熱交換器において、
   上下方向に隣接する伝熱管の外周に取り付けられるフィンの傾斜角度を異なるように設定するとともに、当該フィンをシェルの内壁および上下方向に隣接する伝熱管のフィンに接触するように設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 左右に設けられたヘッダと、
   当該左右のヘッダの間に設けられた複数本の伝熱管と、
   当該複数本の伝熱管における個々の伝熱管の外周に取り付けられたフィンと、
   当該フィンを取り付けた伝熱管を収容するシェルとを有してなる熱交換器において、
   前記フィンを螺旋状にして伝熱管の外周に取り付けるとともに、上下方向に隣接する伝熱管のフィンの回転方向を逆向きに設定したことを特徴とする熱交換器。
3. 前記フィンをシェルの内壁および上下方向に隣接する伝熱管のフィンとに接触するように設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。

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