JP2012172907A

JP2012172907A - フィンを螺旋階段状に配置したシェルアンドチューブ式の熱交換器

Info

Publication number: JP2012172907A
Application number: JP2011035272A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Tanigawa; 茂利谷川
Original assignee: CKU KK; CI Kasei Co Ltd
Current assignee: CKU KK; CI Kasei Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】シェルの内部に流体を流す場合であっても、シェル内に設けられたフィンの表面に熱を滞留させないようにした熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換の対象となる第一流体６を通す複数の伝熱管４と、当該伝熱管４の外周部分に取り付けられる複数のフィン５と、当該複数の伝熱管４とフィン５を収容する円筒状のシェル２とを有し、当該シェル２で囲まれた胴内空間Ｓに第二流体７を通して前記伝熱管４内の第一流体６と熱交換させるシェルアンドチューブ式の熱交換器１において、前記フィン５をシェル２の中心軸ＣＬを中心として放射状に分割し、扇形状となるフィン５をシェル２の中心軸ＣＬに沿って螺旋階段状に配置する。これにより回転方向の流れ成分を形成し、シェル２とフィン５の境界部分の熱を取り除くことができるようにする。
【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た熱交換器に関するものである。

一般に、シェルアンドチューブ式の熱交換器は、筒状をなすシェルと、このシェルに収容された複数の伝熱管とを有するように構成されている。そして、このような熱交換器を用いて熱交換させる場合は、伝熱管の内側に第一流体を通すとともに、シェルで囲まれた胴内空間に第二流体を通し、この第二流体によっ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、このようなシェルアンドチューブ式の熱交換器において、伝熱管に複数のフィンを取り付けて熱交換の効率を向上させるようにした構造のものも提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、図７に示すように、シェルで囲まれた胴内空間にフィン８０ｕ、８０ｄを上下交互に配置して第二流体を蛇行させるようにした構造のものが開示されている。また、下記の特許文献２には、図８の側面図に示すように、円筒状のシェルで囲まれた胴内空間に、リング状のフィン８０ｏと、そのリングの中空部分に対応する円形のフィン８０ｉを交互に配置して第二流体を蛇行させるようにした構造のものも開示されている。なお、図７や図８において太い実線で示された流れは、第二流体の流れを示すものとする。

特開２００２−３１０５７７号公報（図１）特表２００２−５２５５５２号公報（図２および図３）

しかしながら、このようなフィンを用いて第二流体を蛇行させる場合、次のような問題を生じる。

すなわち、上述のようにフィンを交互に設けて第二流体を蛇行させる構造では、フィンの先端部分では第二流体を流通させて熱を拡散させることができるが、フィンとシェルの境界部分Ｓ１では第二流体の流れを形成することができないため、熱が滞留してしまう。

また、熱の拡散面積を大きくするためにフィンの枚数を多くすると、軸方向のフィンの隙間が狭くなるため、その境界部分Ｓ１の領域に第二流体が流れにくくなってしまい、余計に熱交換の効率が悪くなってしまう。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、シェルの胴内空間に流体を流す場合であっても、シェル内に熱を滞留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、熱交換の対象となる第一流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の外周に取り付けられる複数のフィンと、当該複数の伝熱管とフィンを収容するシェルとを有し、当該シェルで囲まれた胴内空間に第二流体を通して前記伝熱管内の第一流体と熱交換させる熱交換器において、前記複数のフィンをシェルの中心軸に沿って螺旋階段状に配置したものである。

このようにすれば、第二流体をシェルの軸方向に沿って回転させることができ、その回転方向の流れ成分によってフィンとシェルの境界部分の熱を取り除くことができるようになる。

また、このような発明において、フィンを構成する場合、シェルの中心軸を中心としてシェルの断面を放射状に分割するようなものを用いるとよい。

さらに、フィンを螺旋階段状に配置する場合、伝熱管の軸方向に沿って互いにオーバーラップさせないようにする。

このようにすれば、隣接するフィンとフィンの隙間を狭くした場合であっても、第二流体の流れを阻害するようなことがなくなる。

加えて、シェルを円筒状に構成するとともに、フィンを扇形に構成する。

このように構成すれば、第二流体を螺旋状に通していく場合に、円筒状のシェルとフィンの境界部分における熱をシェルの内壁に沿って流すことができるようになる。

また、フィンを配置する場合、第二流体の螺旋状の流れ方向に沿って傾斜させるように配置させる。

もしくは、当該フィンの一部に、第二流体の流れ方向に沿って傾斜させた傾斜部を設けるようにすることもできる。

このように構成すれば、傾斜したフィンや傾斜部によって第二流体をスムーズに流すことができ、シェルとフィンの境界部分における熱の滞留を防止することができる。

本発明では、熱交換の対象となる第一流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の外周に取り付けられる複数のフィンと、当該複数の伝熱管とフィンを収容するシェルとを有し、当該シェルで囲まれた胴内空間に第二流体を通して前記伝熱管内の第一流体と熱交換させる熱交換器において、前記複数のフィンをシェルの中心軸に沿って螺旋階段状に配置したので、第二流体をシェルの軸方向に沿って回転させることができ、その回転方向の流れ成分によってフィンとシェルの境界部分の熱を取り除くことができるようになる。

本発明の一実施の形態における熱交換器の側面概略図図１におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図同形態における概略斜視図同形態におけるフィン表面の第二流体の流れを示す図他の実施の形態における傾斜したフィンを示す図他の実施の形態における熱交換器と胴内流入口との関係を示す図従来例におけるシェルアンドチューブのフィンを示す側面図従来例におけるシェルアンドチューブのフィンを示す側面図

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。この実施の形態における熱交換器１は、図１に示すように、シェルアンドチューブ式の熱交換器１であって、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の伝熱管４と、その伝熱管４の軸を横切るように設けられる複数のフィン５とを有して成るものである。そして、特徴的には、シェル２の断面において中心軸ＣＬを中心としてフィン５を扇形に分割し、そのフィン５をシェル２の中心軸ＣＬの方向に沿って螺旋階段状に配置したものである。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。

この熱交換器１を構成するシェル２は、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を排出させるための第一排出口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、そのヘッダ壁面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との空間でヘッダ３を構成するようにしている。

一方、伝熱管４は、熱交換の対象となる第一流体６を内側に軸方向に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で構成される。この伝熱管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を伝熱管４内に分岐して流入させるようにしている。なお、この実施の形態では、伝熱管４として円筒状の部材を用いるようにしているが、その外側表面に凹凸を設けたり、あるいは、内側壁面に凹凸を設けたりすることによって、表面積を確保するようにしてもよい。

これら左右のヘッダ壁面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を流通させるようにしたもので、シェル２の一方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の軸方向にその第二流体７を流通させた後、他方側の胴内排出口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内の伝熱管４の外周には複数枚のフィン５が取り付けられる。このフィン５は、熱伝熱性の高い金属板などによって構成されるもので、この実施の形態では、図２や図３に示すように、シェル２の中心軸ＣＬを中心としてシェル２の内壁で囲まれた断面を放射状に分割した扇形に構成されている。このフィン５には、伝熱管４を通すための複数の孔部５１が形成されており、この孔部５１に伝熱管４を挿入させて、伝熱管４に溶着できるようになっている。伝熱管４にフィン５を溶着する場合は、フィン５の孔部５１と伝熱管４との隙間をロウ付けし、高温で加熱することによって溶着される。なお、ここではフィン５の形状として、シェル２の断面を四分割した形状（すなわち、中心角が約９０度の扇形状）のものを用いるようにしているが、螺旋階段状に配置できるようなものであればどのような形状（例えば、三分割もしくは五分割以上の扇形状）であってもよい。

この分割されたフィン５を伝熱管４に取り付ける場合、図２に示すように、まず、扇形のフィン５（第一のフィン５）を伝熱管４に取り付ける。このとき、シェル２の中心軸ＣＬを中心とした任意の角度に第一のフィン５を取り付ける。そして、第二のフィン５を、第一のフィン５の位置から一方向に回転させた状態で取り付ける。第二のフィン５を取り付ける場合は、第一のフィン５と若干オーバーラップさせるようにしてもよく、あるいは、第一のフィン５とオーバーラップさせないようにしてもよい。第一のフィン５とオーバーラップさせないようにした場合は、第一のフィン５と第二のフィン５との間隔を狭くした場合であっても、第一のフィン５と第二のフィン５との間に僅かな隙間を形成することができ、そこから多くの第二流体７を通すことができる。これによって、フィン５の枚数を多くすることができるとともに、熱の拡散面積を大きくすることによって熱交換の効率を向上させることができる。この第二のフィン５を取り付けた状態では（図２のＢ−Ｂ断面）、軸方向に見た場合に、半円状をなすように第一のフィン５および第二のフィン５が取り付けられており、残る半円状の部分が開口した状態となっている。なお、図２では、フィン５とフィン５の間には極僅かな隙間が設けられている。

次に、このように第二のフィン５を取り付けた後、第三のフィン５を伝熱管４に取り付ける。この第三のフィン５を取り付ける場合も同様に、第二のフィン５と同一方向に９０度回転させた角度で伝熱管４に取り付ける。第三のフィン５を取り付けた状態では、軸方向に見た場合に、シェル２の胴内空間Ｓの３／４の部分に第一から第三のフィン５が取り付けられており、残る１／４の部分が開口した状態となっている（図２のＣ−Ｃ断面）。

以下、同様に、同一方向に第四のフィン５以降のフィン５を回転させて（図２のＤ−Ｄ断面）螺旋階段状に取り付けていく（図３）。このようにすれば、胴内流入口２１から第二流体７を流入させた場合、螺旋状に第二流体７を流通させることができる。このように螺旋状に第二流体７を流通させた場合の状態を図４に示す。

第二流体７をシェル２の胴内流入口２１から流入させると、伝熱管４の軸方向に沿って螺旋状に流れていく。このとき、その螺旋状に流れる第二流体７によって、伝熱管４の軸方向への流れ成分と、回転方向への流れ成分が形成される。このとき、回転方向の流れ成分によって、フィン５とシェル２と境界部分に蓄積された熱をそのフィン５の表面方向に沿って移動させて取り除くことができる。これに対して、従来のように（図７や図８）、シェルの軸方向にのみ第二流体を流す場合は、フィンとシェルの境界部分Ｓ１に流れを形成することができず、熱が蓄積してしまうというデメリットがある。

＜第二の実施の形態＞

上記実施の形態では、フィン５を伝熱管４の軸方向に対して直角に取り付けるようにしているが、図５（ａ）に示すように、伝熱管４の軸方向に対して傾斜させるようにフィン５を取り付けてもよい。このようにフィン５を傾斜させる場合、フィン５の孔部５１を若干大きく形成しておき、伝熱管４を挿入した後、そのフィン５を流れ方向に沿って傾斜させて固定するとよい。このようにフィン５を傾斜させて固定すると、その傾斜方向に沿ってよりスムーズに第二流体７を螺旋状に流すことができる。

あるいは、図５（ｂ）に示すように、フィン５の端部（半径をなす辺）にのみ流れ方向に沿って傾斜させた傾斜部５２を設けるようにしてもよい。このような傾斜部５２を設けることによっても、その傾斜部５２によって第二流体７をスムーズに螺旋状に流すことができるようになる。

このように上記実施の形態によれば、熱交換の対象となる第一流体６を通す複数本の伝熱管４と、当該伝熱管４の外周部分に取り付けられる複数のフィン５と、当該複数の伝熱管４とフィン５を収納するシェル２とを有し、当該シェル２の胴内空間Ｓに第二流体７を通して前記第一流体６と熱交換させる熱交換器１において、前記フィン５をシェル２の中心軸ＣＬを中心として放射状に分割し、当該フィン５を伝熱管４の軸方向に沿って螺旋階段状に配置したので、第二流体７をシェル２の軸方向と回転方向に流すことができ、回転方向の流れ成分によってフィン５とシェル２の境界部分の熱を取り除くことができる。

また、伝熱管４の軸方向に沿って隣接するフィン５を、伝熱管４の軸方向に沿って互いにオーバーラップさせないように配置すれば、隣接するフィン５とフィン５の隙間を狭くした場合であっても、第二流体７の流れを阻害するようなことがなくなる。

さらに、シェル２を円筒状に構成するとともに、フィン５を扇形に構成したので、シェル２の内壁に沿って螺旋状に第二流体７を流すことができ、円筒状のシェル２とフィン５の境界部分における熱の滞留を防止することができる。

また、フィン５を螺旋状の流れ方向に沿って傾斜させ、あるいは、フィン５の一部に、螺旋状の流れ方向に沿って傾斜させた傾斜部５２を設けるようにすれば、よりスムーズに第二流体７を螺旋状に流すことができるようになる。

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２を円筒状に形成したが、断面矩形状をなす筒状にしてもよい。

また、上記実施の形態では、扇形状のフィン５を用いるようにしているが、正方形状や長方形状をなすフィン５を螺旋階段状に配置するようにしてもよい。あるいは、シェル２の中心軸ＣＬを中心として放射状に分割するのではなく、シェル２の中心軸ＣＬを中心として螺旋状に流れを形成できるような形状であれば、どのような形状であってもよい。

さら、上記実施の形態では、胴内流入口２１をシェル２における中心軸ＣＬの真上に設けるようにしているが、図６に示すように、中心軸ＣＬから離れた位置に設けるようにしてもよい。このようにすれば、胴内流入口２１から第二流体７を入れる際に、自然に螺旋状の渦を形成することができるようになる。

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・・・孔部
Ｓ・・・胴内空間
６・・・第一流体
７・・・第二流体
８ｕ、８ｄ、８ｏ、８ｉ・・・フィン

Claims

熱交換の対象となる第一流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の外周部分に取り付けられる複数のフィンと、当該複数の伝熱管とフィンを収容するシェルとを有し、当該シェルで囲まれた胴内空間に第二流体を通して前記伝熱管内の第一流体と熱交換させる熱交換器において、
前記複数のフィンをシェルの中心軸に沿って螺旋階段状に配置したことを特徴とする熱交換器。
熱交換の対象となる第一流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の外周部分に取り付けられる複数のフィンと、当該複数の伝熱管とフィンを収納するシェルとを有し、当該シェルで囲まれた胴内空間に第二流体を通して前記第一流体と熱交換させる熱交換器において、
前記フィンをシェルの中心軸を中心として放射状に分割して構成し、当該フィンを伝熱管の軸方向に沿って螺旋階段状に配置したことを特徴とする熱交換器。
前記螺旋階段状をなす方向に沿って隣接するフィンを、伝熱管の軸方向に沿って互いにオーバーラップさせないように配置した請求項１もしくは２に記載の熱交換器。
前記シェルが円筒状に構成されるものであり、前記フィンが扇形に構成されるものである請求項１もしくは２に記載の熱交換器。
前記フィンが、前記第二流体の螺旋状の流れ方向に沿って傾斜させるように配置されるものである請求項１もしくは２に記載の熱交換器。
前記フィンが、前記第二流体の螺旋状の流れ方向に沿って傾斜した傾斜部を設けるようにしたものである請求項１もしくは２に記載の熱交換器。