JP2021535994A - コンパクト型気体−気体熱交換管、並びにその製造及び使用方法 - Google Patents

コンパクト型気体−気体熱交換管、並びにその製造及び使用方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、コンパクト型気体−気体熱交換管であって、管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管と、伝熱管の内側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのインナーフィンセットと、伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのアウターフィンセットとを備え、前記インナーフィンセットまたは／及びアウターフィンセットのフィンにはいずれも穴が設けられる、コンパクト型気体−気体熱交換管を提供する。本発明は、コンパクト型気体−気体熱交換管の製造及び使用方法をさらに提供する。本発明は、空間が限られ、管の間の平均温度差が小さい熱交換の条件で完全逆流の高効率な伝熱を実現し、装置の空間サイズを節約するとともに、各面積の重量を減少させて、全体重量及び製造コストを低減させる。【選択図】図２（ａ）

Description

本願は、２０１８年９月５日に中国国家知識産権局に提出された、出願番号が「２０１８１１０３０７６８．８」であり、発明の名称が「コンパクト型気体−気体熱交換管、並びにその製造及び使用方法」の優先権を主張し、その全ての内容は、参照により本願に組み込まれるものとする。
本発明は、伝熱用の熱交換管に関し、高効率なコンパクト熱交換器の技術分野に属し、具体的には、コンパクト型気体−気体熱交換管、並びにその製造及び使用方法に関する。
近年、新型の動力サイクル発電技術は、急速に発展し、ヘリウム、水素ガス、二酸化炭素、有機化合物などを作動媒体とするサイクル発電システムが登場し、その中でも、超臨界二酸化炭素を作動媒体とするサイクルシステムは、最も高い発展の見通しを持っている。第４世代の原子力発電、太陽光発電、船舶などの新しい応用分野では、図１に示す、超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルに基づく発電技術が開発されている。サイクル回路での二酸化炭素作動媒体が超臨界状態であり、対流熱交換特性が高圧気体−気体熱交換器と類似する。
様々な産業用熱交換器では、伝熱管は、基本的な熱交換デバイスであり、多管式熱交換器、管板熱交換器、チューブフィン熱交換器、ボイラ、管式加熱器などに広く適用される。しかし、従来の伝熱管は、ライトパイプの形態で超臨界二酸化炭素サイクル装置に用いられると、熱交換面積が非常に大きくなり、限られる空間で高効率な熱交換効果を実現できないし、超臨界二酸化炭素サイクル装置の効率及び体積に対する要求を満たすこともできない。
伝熱管にフィンを追加することで、熱交換面を拡張することができるとともに、伝熱面を増加させ、伝熱係数を向上させることができ、それにより、熱交換性能を向上させる。従来のフィンチューブのフィン平面が管の軸方向に垂直であり、すなわち、横方向フィンであり、不完全な逆流熱交換に属する。
本発明が解決しようとする技術課題は、空間が限られ、管の間の平均温度差が小さい熱交換の条件で完全逆流の高効率な伝熱を如何に実現するかである。
上記技術課題を解決するために、本発明の技術案は、コンパクト型気体−気体熱交換管であって、
管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管と、
伝熱管の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのインナーフィンセットと、
伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのアウターフィンセットとを備え、
前記インナーフィンセットまたは／及びアウターフィンセットのフィンにはいずれも穴が設けられる、コンパクト型気体−気体熱交換管を提供することである。
好ましくは、インナーフィンセットを固定するための位置決め管が前記伝熱管の内部に設けられ、位置決め管が伝熱管の内部に同軸に設けられ、前記インナーフィンセットのうちの各フィンの一端がいずれも位置決め管に接続される。
好ましくは、前記インナーフィンセットのフィン構造は、管中心から管壁の径方向に伸びる構造を呈する。
好ましくは、前記インナーフィンセットのフィンは、Ｙ字型構造を呈する。
好ましくは、前記インナーフィンセットは、前記伝熱管の径方向に平行な金属シートまたは薄帯であるとともに、前記伝熱管の内側壁に接続される。
好ましくは、前記インナーフィンセットは、前記位置決め管の周りに、円周方向構造に配置される金属シートまたは薄帯であり、前記金属シートまたは薄帯の面が前記伝熱管に軸方向に平行である。
さらに好ましくは、前記金属シートまたは薄帯の幅が伝熱管内径の１／４〜１であり、前記金属シートまたは薄帯の厚さが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。
好ましくは、前記アウターフィンセットは、前記伝熱管の周りに、円周方向対称構造に配置される金属シートまたは薄帯であり、前記金属シートまたは薄帯の面が前記伝熱管に軸方向に平行である。
好ましくは、前記アウターフィンセットは、前記伝熱管の径方向に平行な金属シートまたは薄帯であるとともに、前記伝熱管の外壁に接続される。
さらに好ましくは、前記金属シートまたは薄帯の幅が伝熱管内径の１／４〜１であり、前記金属シートまたは薄帯の厚さが０．２ｍｍ〜３ｍｍである。
好ましくは、前記インナーフィンセットの各フィンにおける穴は任意の形状であり、前記アウターフィンセットの各フィンにおける穴は任意の形状である。
好ましくは、前記位置決め管は、中実管である。
好ましくは、前記伝熱管は、規定される温度及び圧力に耐え可能な金属管であり、前記金属管は、任意の断面管または異形管であってもよい。
好ましくは、前記インナーフィンセット及びアウターフィンセットが伝熱管に固定して接続される。
本発明は、上記のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法であって、ステップは、
管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管を形成するステップ１、
インナーフィンセットを前記伝熱管の内側熱交換面に設け、インナーフィンセットには穴が開けられ、インナーフィンセットは、伝熱管の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ２、及び
アウターフィンセットを前記伝熱管の外側熱交換面に設け、アウターフィンセットにはいずれも穴が開けられ、アウターフィンセットは、伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ３である、製造方法を提供する。
本発明は、上記のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法であって、ステップは、
管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管（１）を形成するステップ１、
伝熱管（１）の内部に同軸に設けられる、インナーフィンセット（３）を固定するための位置決め管（４）を前記伝熱管（１）の内部に設けるステップ２、
インナーフィンセット（３）を前記伝熱管（１）の内側熱交換面に設け、インナーフィンセット（３）のうちの各フィンの一端がいずれも位置決め管（４）に接続され、インナーフィンセット（３）には穴が開けられ、インナーフィンセット（３）は、伝熱管（１）の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管（１）の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ３、及び
アウターフィンセット（２）を前記伝熱管（１）の外側熱交換面に設け、アウターフィンセット（２）にはいずれも穴が開けられ、アウターフィンセット（２）は、伝熱管（１）の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ４である、製造方法をさらに提供する。
好ましくは、上記２つの製造方法においては、前記ステップ２では、インナーフィンセット（３）は、前記アウターフィンセット（２）が固定される前記伝熱管（１）の内側壁に接続される。
本発明は、位置決め管を備えるコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法であって、ステップは、少なくとも１本の伝熱管を熱交換器に配列し、伝熱管の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端から入力され、伝熱管の内側に沿って伝熱管の出口端に流れ、さらに熱交換器の管内流体出口端に流れ、伝熱管の管内流体は、流れながら、インナーフィンセット及び伝熱管の内側面と対流伝熱過程が発生し、
伝熱管の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端から入力され、伝熱管の外側に沿って伝熱管の管内流体の反対の方向に流れ、前記熱交換器の管外流体出口端に流れ、伝熱管の管外流体は、流れながら、伝熱管の外側面、アウターフィンセットと伝熱過程が発生し、アウターフィンセットと、伝熱管と、インナーフィンセットとの間で熱伝導過程が発生することである、使用方法を提供する。
本発明は、位置決め管を備えるコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法であって、ステップは、少なくとも１本の伝熱管を熱交換器に配列し、伝熱管の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端から入力され、伝熱管の内側に沿って伝熱管の出口端に流れ、さらに熱交換器の管内流体出口端に流れ、伝熱管の管内流体は、流れながら、インナーフィンセット、位置決め管及び伝熱管の内側面と対流伝熱過程が発生し、
伝熱管の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端から入力され、伝熱管の外側が伝熱管の管内流体の反対の方向に流れ、前記熱交換器の管外流体出口端に流れ、伝熱管の管外流体は、流れながら、伝熱管の外側面、アウターフィンセットと伝熱過程が発生し、アウターフィンセットと、伝熱管と、インナーフィンセットと、位置決め管との間で熱伝導過程が発生することである、使用方法をさらに提供する。
好ましくは、前記インナーフィンセットのフィンに穴が設けられる場合、伝熱管の管内流体は、インナーフィンセットフィンにおける穴を通過し、前記伝熱管の軸方向に沿って流れ、前記アウターフィンセットのフィンに穴が設けられる場合、伝熱管の管外流体は、アウターフィンセットフィンにおける穴を通過し、前記伝熱管の軸方向に沿って流れ、
伝熱管の管内流体と管外流体とが逆流して熱交換し、インナーフィンセットは、伝熱管の内側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管内流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させ、アウターフィンセットは、伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させる。
従来技術に比べて、本発明に係るコンパクト型気体−気体熱交換管は、以下の有益な効果を有する。
本発明は、コンパクト型気体−気体熱交換管を提供することで、空間が限られ、管の間の平均温度差が小さい熱交換の条件で完全逆流の高効率な伝熱を実現する。
１、管内の流体と管外の流体とが完全な逆流熱交換を実現し、管の間の小さい平均温度差による伝熱を実現することができる。
２、伝熱管の内外面に沿って異なるフィンセット構造を設けることで、十分な乱流作用を果たし、対流伝熱係数を向上させ、熱交換面積を効果的に拡張する。
３、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路は、熱交換効率を大幅に向上させ、一定の乱流作用が生じ、伝熱管の質量を十分に軽減させることができる。
４、高効率なコンパクト熱交換器の製造に用いることができ、特に、気体−気体熱交換の条件または蓄熱器に適用することができる。
５、本発明は、十分に多くかつ有効な熱交換面積を提供してコンパクトに配置し、装置の空間サイズを節約するとともに、各面積の重量を減少させて、装置の全体重量及び製造コストを低減させる。
超臨界二酸化炭素サイクルシステムの模式図である。 実施例１に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例１に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例２に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例２に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例３に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例３に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例４に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例４に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例５に係るアウター縦方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例５に係るアウター縦方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例５では、アウター縦方向フィン・インナー縦方向フィンの円形管の展開模式図である。 実施例６に係るアウター縦方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例６に係るアウター縦方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 マイクロチャネル熱交換器の構成模式図である。 プリント回路基板の構成模式図である。 熱交換器の全体模式図である。
以下、具体的な実施例を組み合わせて、本発明についてさらに説明する。
実施例１
図２は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径０．５ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンが伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／４であり、厚さが１ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径０．５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／４であり、厚さが１ｍｍであり、インナーフィンセット３の各フィンは、一端が位置決め管４に接続され、他端が伝熱管１の管壁に伸びる拡散状に形成され、インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管１に接続されてもよく、接続されなくてもよく、位置決め管４は、好ましくは中実管であり、中空管であってもよい。
実施例２
図３は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径０．５ｍｍ〜１ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンが伝熱管１の径方向に平行な金属薄帯であり、金属薄帯の幅が伝熱管１の内径の１／２であり、厚さが０．５ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の軸方向に平行なＹ字型の金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／２であり、厚さが０．５ｍｍであり、インナーフィンセット３の一端が位置決め管４に接続され、他端が伝熱管１の管壁に伸びる。インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管１に接続されてもよく、接続されなくてもよく、位置決め管４は、好ましくは中実管であり、中空管であってもよい。
実施例３
図４は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径２ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／３であり、厚さが１．５ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが１．５ｍｍである。インナーフィンセット３における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管１に接続されてもよく、接続されなくてもよく、インナーフィンセット３の各フィンの穴が対称的に配列されてもよく、随意に配列されてもよい。
実施例４
図５は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径２ｍｍ〜４ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の２／３であり、厚さが０．８ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径２ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが２．５ｍｍである。インナーフィンセット３における各フィンに円形いずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管に接続されてもよく、接続されなくてもよく、インナーフィンセット３の各フィンの穴が対称的に配列されてもよく、随意に配列されてもよい。
実施例５
図６は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径３ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の３／４であり、厚さが１．５ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１．５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートである。インナーフィンセット３の各フィンは、一端が位置決め管４に接続され、他端が伝熱管の管壁に伸びる中心から周辺への拡散状に形成され、インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
図７は、アウター縦方向フィン・インナー縦方向フィンの円形管の展開模式図である。図７では、ａはインナーフィン３の当量直径であり、ｂはアウターフィン２の当量直径であり、ｔは伝熱管１の肉厚である。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができる。インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管の内側壁に伸びる一端が伝熱管に接続されてもよく、接続されなくてもよく、例えば、位置決め管４は、好ましくは中実管であり、中空管であってもよく、アウターフィンセット２またはインナーフィンセット３の各フィンにおける穴が対称的に配列されてもよく、非対称的に配列されてもよい。
実施例６
図８は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径３ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートであり、金属シート幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが１．２ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シート幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが３ｍｍであり、インナーフィンセット３における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管の内側壁に伸びる一端が伝熱管に接続されてもよく、接続されなくてもよい。インナーフィンセット３の各フィンの穴が対称的に配列されてもよく、随意に配列されてもよい。
実施例７
本実施例は、コンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法を提供し、
ステップ１：管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管１を形成し、
ステップ２：インナーフィンセット３を前記伝熱管１の内側熱交換面に設け、インナーフィンセット３は、伝熱管１の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられ、
ステップ３：アウターフィンセット２を前記伝熱管１の外側熱交換面に設け、アウターフィンセット２は、伝熱管１の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられ、
前記インナーフィンセット３または／及びアウターフィンセット２にはいずれも穴が開けられる。
該製造方法は、さらに、以下の１つまたは複数に関連して限定されてもよく、任意の数量または順序で組み合わせられる。
１つまたは複数の実施形態では、インナーフィンセット３を固定するための位置決め管４が前記伝熱管１の内部に設けられ、位置決め管４が伝熱管１の内部に同軸に設けられ、前記インナーフィンセット３のうちの各フィンの一端が位置決め管４に接続される。
１つまたは複数の実施形態では、インナーフィンセット３は、アウターフィンセット２が固定される伝熱管１の内側壁に接続される。
図１１を参照し、本実施例は、上記コンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法をさらに提供し、以下のステップを含む。
ステップ１：上記伝熱管を熱交換器の全体的な設計に従って、伝熱管の規格、インナーフィンセットの規格、アウターフィンセットの規格を含む所要の規格に加工し、部材として熱交換器に取り付ける（例えば、多管式熱交換器の管列に製造される）。熱交換器では、中部Ｍは内外フィン付きの領域であり、内外フィン付きの熱交換管を用い、両端Ｓはフィンなしの領域であり、フィンなしの熱交換管を用いる。
ステップ２：少なくとも１本の伝熱管１を多管式熱交換器ハウジングに配列し、伝熱管１内の流体は、熱交換器の管内流体入口端５（例えば、多管式熱交換器のコレクターボックス入口）から入力され、伝熱管１の内側に沿って伝熱管１の出口端まで流れ、伝熱管１の管内流体は、流れながら、伝熱管１の内側面と伝熱過程が発生し、伝熱管１の外流体は、熱交換器の管外流体入口端７（例えば、多管式熱交換器のハウジング入口）から入力され、伝熱管１の外側に沿って管内流体の反対の方向に流れ、熱交換器の管外流体出口端８に流れ、管内流体は、熱交換器の管内流体入口端５から入力され、伝熱管の内側に沿って管外流体の反対の方向に流れ、熱交換器の管内流体出口端６に流れ、伝熱管１の管外流体は、伝熱管１の外側面、アウターフィンセットと伝熱過程が発生し、伝熱管とアウターフィンセット及びインナーフィンセットとの間で熱伝導過程が発生し、管内流体は、伝熱管の内側面、インナーフィンセットと伝熱過程が発生する。
１つまたは複数の実施形態では、各伝熱管１の管内流体は、伝熱管１の入口端（例えば、多管式熱交換器のヘッダー入口）から入力され、伝熱管１の内側に沿って伝熱管１の出口端まで流れる。伝熱管１の管内流体は、流れながら、伝熱管１のインナーフィンセット、位置決め管及び伝熱管の内側面と熱伝導過程が発生する。
伝熱管１の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端（例えば、多管式熱交換器のハウジング入口）から入力され、伝熱管１の外側に沿って伝熱管１の管内流体の反対の方向に流れ、熱交換器の管外流体出口端に流れ、管外流体は、アウターフィンセットの穴を通過し、伝熱管１の軸方向に沿って流れる。管外流体は、流れながら、伝熱管１の外側面及びアウターフィンセットと伝熱過程が発生し、アウターフィンセットと、伝熱管と、インナーフィンセットと、位置決め管との間で熱伝導過程が発生する。
図９は、マイクロチャネル熱交換器の構成模式図であり、ここで、ｃはマイクロチャネル熱交換器の横方向当量直径を表し、ｄはマイクロチャネル熱交換器の縦方向当量直径を表す。
図１０は、プリント回路基板の構成模式図であり、ここで、ｅはプリント回路基板式の熱交換器の当量直径である。
以下、２ｍｍの当量直径及び同じ単位体積を例として、以下の３つの構成の熱交換器のコンパクト程度を計算し、単位体積の気体が接触する固体表面積の数値である面密度（ｍ２／ｍ３）で表す。
Figure 2021535994
以上の計算結果から分かるように、本発明のコンパクト程度は、他の方法に相当し、穴構造を用いた後、単位体積の面密度が著しく向上するとともに、乱流強化効果が発生する。本発明で製作される熱交換器装置を用いることで、より小さい外形サイズ及びより軽い重量を実現することができる。
以上は、本発明の好適な実施例にすぎず、本発明に対するいかなる形態及び実質的な制限ではなく、なお、当業者は、本発明の方法を逸脱させることなく、さらにいくつかの改良及び補充を行うことができ、これらの改良及び補充も本発明の保護範囲と見なされるべきである。当業者であれば、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、以上に開示される技術内容を用いて行われる変更、修飾や進化の等価変化は、すべて本発明の等価実施例である。また、本発明の本質的な技術に基づいて上記実施例に対して行われた任意の等価変化の変更、修飾や進化は、すべて、本発明の技術案の範囲に属する。
１ 伝熱管
２ アウターフィンセット
３ インナーフィンセット
４ 位置決め管
本願は、２０１８年９月５日に中国国家知識産権局に提出された、出願番号が「２０１８１１０３０７６８．８」であり、発明の名称が「コンパクト型気体−気体熱交換管、並びにその製造及び使用方法」の優先権を主張し、その全ての内容は、参照により本願に組み込まれるものとする。
本発明は、伝熱用の熱交換管に関し、高効率なコンパクト熱交換器の技術分野に属し、具体的には、コンパクト型気体−気体熱交換管、並びにその製造及び使用方法に関する。
近年、新型の動力サイクル発電技術は、急速に発展し、ヘリウム、水素ガス、二酸化炭素、有機化合物などを作動媒体とするサイクル発電システムが登場し、その中でも、超臨界二酸化炭素を作動媒体とするサイクルシステムは、最も高い発展の見通しを持っている。第４世代の原子力発電、太陽光発電、船舶などの新しい応用分野では、図１に示す、超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルに基づく発電技術が開発されている。サイクル回路での二酸化炭素作動媒体が超臨界状態であり、対流熱交換特性が高圧気体−気体熱交換器と類似する。
様々な産業用熱交換器では、伝熱管は、基本的な熱交換デバイスであり、多管式熱交換器、管板熱交換器、チューブフィン熱交換器、ボイラ、管式加熱器などに広く適用される。しかし、従来の伝熱管は、ライトパイプの形態で超臨界二酸化炭素サイクル装置に用いられると、熱交換面積が非常に大きくなり、限られる空間で高効率な熱交換効果を実現できないし、超臨界二酸化炭素サイクル装置の効率及び体積に対する要求を満たすこともできない。
伝熱管にフィンを追加することで、熱交換面を拡張することができるとともに、伝熱面を増加させ、伝熱係数を向上させることができ、それにより、熱交換性能を向上させる。従来のフィンチューブのフィン平面が管の軸方向に垂直であり、すなわち、横方向フィンであり、不完全な逆流熱交換に属する。
本発明が解決しようとする技術課題は、空間が限られ、対数平均温度差が小さい熱交換の条件で完全逆流の高効率な伝熱を如何に実現するかである。
上記技術課題を解決するために、本発明の技術案は、コンパクト型気体−気体熱交換管であって、
管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管と、
伝熱管の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのインナーフィンセットと、
伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのアウターフィンセットとを備え、
前記インナーフィンセットまたは／及びアウターフィンセットのフィンにはいずれも穴が設けられる、コンパクト型気体−気体熱交換管を提供することである。
好ましくは、インナーフィンセットを固定するための位置決め管が前記伝熱管の内部に設けられ、位置決め管が伝熱管の内部に同軸に設けられ、前記インナーフィンセットのうちの各フィンの一端がいずれも位置決め管に接続される。
好ましくは、前記インナーフィンセットのフィン構造は、管中心から管壁の径方向に伸びる構造を呈する。
好ましくは、前記インナーフィンセットのフィンは、Ｙ字型構造を呈する。
好ましくは、前記インナーフィンセットは、前記伝熱管の径方向に平行な金属シートまたは薄帯であるとともに、前記伝熱管の内側壁に接続される。
好ましくは、前記インナーフィンセットは、前記位置決め管の周りに、円周方向構造に配置される金属シートまたは薄帯であり、前記金属シートまたは薄帯の面が前記伝熱管に軸方向に平行である。
さらに好ましくは、前記金属シートまたは薄帯の幅が伝熱管内径の１／４〜１であり、前記金属シートまたは薄帯の厚さが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。
好ましくは、前記アウターフィンセットは、前記伝熱管の周りに、円周方向対称構造に配置される金属シートまたは薄帯であり、前記金属シートまたは薄帯の面が前記伝熱管に軸方向に平行である。
好ましくは、前記アウターフィンセットは、前記伝熱管の径方向に平行な金属シートまたは薄帯であるとともに、前記伝熱管の外壁に接続される。
さらに好ましくは、前記金属シートまたは薄帯の幅が伝熱管内径の１／４〜１であり、前記金属シートまたは薄帯の厚さが０．２ｍｍ〜３ｍｍである。
好ましくは、前記インナーフィンセットの各フィンにおける穴は任意の形状であり、前記アウターフィンセットの各フィンにおける穴は任意の形状である。
好ましくは、前記位置決め管は、中実管である。
好ましくは、前記伝熱管は、規定される温度及び圧力に耐え可能な金属管であり、前記金属管は、任意の断面管または異形管であってもよい。
好ましくは、前記インナーフィンセット及びアウターフィンセットが伝熱管に固定して接続される。
本発明は、上記のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法であって、ステップは、
管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管を形成するステップ１、
インナーフィンセットを前記伝熱管の内側熱交換面に設け、インナーフィンセットには穴が開けられ、インナーフィンセットは、伝熱管の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ２、及び
アウターフィンセットを前記伝熱管の外側熱交換面に設け、アウターフィンセットの各フィンにはいずれも穴が開けられ、アウターフィンセットは、伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ３である、製造方法を提供する。
本発明は、上記のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法であって、ステップは、
管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管（１）を形成するステップ１、
伝熱管（１）の内部に同軸に設けられる、インナーフィンセット（３）を固定するための位置決め管（４）を前記伝熱管（１）の内部に設けるステップ２、
インナーフィンセット（３）を前記伝熱管（１）の内側熱交換面に設け、インナーフィンセット（３）のうちの各フィンの一端がいずれも位置決め管（４）に接続され、インナーフィンセット（３）には穴が開けられ、インナーフィンセット（３）は、伝熱管（１）の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管（１）の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ３、及び
アウターフィンセット（２）を前記伝熱管（１）の外側熱交換面に設け、アウターフィンセット（２）の各フィンにはいずれも穴が開けられ、アウターフィンセット（２）は、伝熱管（１）の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ４である、製造方法をさらに提供する。
好ましくは、上記２つの製造方法においては、前記ステップ２では、インナーフィンセット（３）は、前記アウターフィンセット（２）が固定される前記伝熱管（１）の内側壁に接続される。
本発明は、位置決め管を備えるコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法であって、ステップは、少なくとも１本の伝熱管を熱交換器に配列し、伝熱管の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端から入力され、伝熱管の内側に沿って伝熱管の出口端に流れ、さらに熱交換器の管内流体出口端に流れ、伝熱管の管内流体は、流れながら、インナーフィンセット及び伝熱管の内側面と対流伝熱過程が発生し、
伝熱管の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端から入力され、伝熱管の外側に沿って伝熱管の管内流体の反対の方向に流れ、前記熱交換器の管外流体出口端に流れ、伝熱管の管外流体は、流れながら、伝熱管の外側面、アウターフィンセットと伝熱過程が発生し、アウターフィンセットと、伝熱管と、インナーフィンセットとの間で熱伝導過程が発生することである、使用方法を提供する。
本発明は、位置決め管を備えるコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法であって、ステップは、少なくとも１本の伝熱管を熱交換器に配列し、伝熱管の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端から入力され、伝熱管の内側に沿って伝熱管の出口端に流れ、さらに熱交換器の管内流体出口端に流れ、伝熱管の管内流体は、流れながら、インナーフィンセット、位置決め管及び伝熱管の内側面と対流伝熱過程が発生し、
伝熱管の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端から入力され、伝熱管の外側が伝熱管の管内流体の反対の方向に流れ、前記熱交換器の管外流体出口端に流れ、伝熱管の管外流体は、流れながら、伝熱管の外側面、アウターフィンセットと伝熱過程が発生し、アウターフィンセットと、伝熱管と、インナーフィンセットと、位置決め管との間で熱伝導過程が発生することである、使用方法をさらに提供する。
好ましくは、前記インナーフィンセットのフィンに穴が設けられる場合、伝熱管の管内流体は、インナーフィンセットフィンにおける穴を通過し、前記伝熱管の軸方向に沿って流れ、前記アウターフィンセットのフィンに穴が設けられる場合、伝熱管の管外流体は、アウターフィンセットフィンにおける穴を通過し、前記伝熱管の軸方向に沿って流れ、
伝熱管の管内流体と管外流体とが逆流して熱交換し、インナーフィンセットは、伝熱管の内側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管内流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させ、アウターフィンセットは、伝熱管の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させる。
従来技術に比べて、本発明に係るコンパクト型気体−気体熱交換管は、以下の有益な効果を有する。
本発明は、コンパクト型気体−気体熱交換管を提供することで、空間が限られ、対数平均温度差が小さい熱交換の条件で完全逆流の高効率な伝熱を実現する。
１、管内の流体と管外の流体とが完全な逆流熱交換を実現し、管の間の小さい平均温度差による伝熱を実現することができる。
２、伝熱管の内外面に沿って異なるフィンセット構造を設けることで、十分な乱流作用を果たし、対流伝熱係数を向上させ、熱交換面積を効果的に拡張する。
３、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路は、熱交換効率を大幅に向上させ、一定の乱流作用が生じ、伝熱管の質量を十分に軽減させることができる。
４、高効率なコンパクト熱交換器の製造に用いることができ、特に、気体−気体熱交換の条件または蓄熱器に適用することができる。
５、本発明は、十分に多くかつ有効な熱交換面積を提供してコンパクトに配置し、装置の空間サイズを節約するとともに、各面積の重量を減少させて、装置の全体重量及び製造コストを低減させる。
超臨界二酸化炭素サイクルシステムの模式図である。 実施例１に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例１に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例２に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例２に係るアウター横方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例３に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例３に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例４に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例４に係るアウター横方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例５に係るアウター縦方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例５に係るアウター縦方向フィン・インナー縦方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例５では、アウター縦方向フィン・インナー縦方向フィンの円形管の展開模式図である。 実施例６に係るアウター縦方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ａ）は断面図である。 実施例６に係るアウター縦方向フィン・インナー横方向フィン式のコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、（ｂ）は正面図である。 マイクロチャネル熱交換器の構成模式図である。 プリント回路基板の構成模式図である。 熱交換器の全体模式図である。
以下、具体的な実施例を組み合わせて、本発明についてさらに説明する。
実施例１
図２は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径０．５ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンが伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／４であり、厚さが１ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径０．５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／４であり、厚さが１ｍｍであり、インナーフィンセット３の各フィンは、一端が位置決め管４に接続され、他端が伝熱管１の管壁に伸びる拡散状に形成され、インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管１に接続されてもよく、接続されなくてもよく、位置決め管４は、好ましくは中実管であり、中空管であってもよい。
実施例２
図３は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径０．５ｍｍ〜１ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンが伝熱管１の径方向に平行な金属薄帯であり、金属薄帯の幅が伝熱管１の内径の１／２であり、厚さが０．５ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の軸方向に平行なＹ字型の金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／２であり、厚さが０．５ｍｍであり、インナーフィンセット３の一端が位置決め管４に接続され、他端が伝熱管１の管壁に伸びる。インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管１に接続されてもよく、接続されなくてもよく、位置決め管４は、好ましくは中実管であり、中空管であってもよい。
実施例３
図４は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径２ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の１／３であり、厚さが１．５ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが１．５ｍｍである。インナーフィンセット３における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管１に接続されてもよく、接続されなくてもよく、インナーフィンセット３の各フィンの穴が対称的に配列されてもよく、随意に配列されてもよい。
実施例４
図５は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径２ｍｍ〜４ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の２／３であり、厚さが０．８ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径２ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが２．５ｍｍである。インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも円形穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管１の内側壁に伸びる一端が伝熱管に接続されてもよく、接続されなくてもよく、インナーフィンセット３の各フィンの穴が対称的に配列されてもよく、随意に配列されてもよい。
実施例５
図６は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径３ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートであり、金属シートの幅が伝熱管１の内径の３／４であり、厚さが１．５ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１．５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートである。インナーフィンセット３の各フィンは、一端が位置決め管４に接続され、他端が伝熱管の管壁に伸びる中心から周辺への拡散状に形成され、インナーフィンセット３における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
図７は、アウター縦方向フィン・インナー縦方向フィンの円形管の展開模式図である。図７では、ａはインナーフィンセット３の当量直径であり、ｂはアウターフィン２の当量直径であり、ｔは伝熱管１の肉厚である。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができる。インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管の内側壁に伸びる一端が伝熱管に接続されてもよく、接続されなくてもよく、例えば、位置決め管４は、好ましくは中実管であり、中空管であってもよく、アウターフィンセット２またはインナーフィンセット３の各フィンにおける穴が対称的に配列されてもよく、非対称的に配列されてもよい。
実施例６
図８は、本実施例に係るコンパクト型気体−気体熱交換管の模式図であり、前記コンパクト型気体−気体熱交換管は、以下を備える。
伝熱管１。
伝熱管１の外側熱交換面に設けられ、当量直径３ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って流れるように制限するアウターフィンセット２。アウターフィンセット２の各アウターフィンは、伝熱管１の軸方向に平行な金属シートであり、金属シート幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが１．２ｍｍであり、アウターフィンセット２における各フィンにはいずれも穴が開けられ、管外流体がアウターフィン及びアウターフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
伝熱管１の内側熱交換面に設けられ、当量直径１ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるインナーフィンセット３。インナーフィンセット３の各フィンは、伝熱管１の径方向に平行な金属シートであり、金属シート幅が伝熱管１の内径と同じであり、厚さが３ｍｍであり、インナーフィンセット３における各フィンにいずれも楕円形穴が開けられ、管内流体がインナーフィン及びインナーフィンにおける穴を通過するとき、乱流作用が生じて対流熱交換を強化させる。
いくつかの実施形態では、熱交換管の特徴は、さらに以下の一点または数点である。それは、任意の数量または順序で組み合わせることができ、例えば、インナーフィンセット３の各フィンの伝熱管の内側壁に伸びる一端が伝熱管に接続されてもよく、接続されなくてもよい。インナーフィンセット３の各フィンの穴が対称的に配列されてもよく、随意に配列されてもよい。
実施例７
本実施例は、コンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法を提供し、
ステップ１：管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管１を形成し、
ステップ２：インナーフィンセット３を前記伝熱管１の内側熱交換面に設け、インナーフィンセット３は、伝熱管１の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って伝熱管１の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられ、
ステップ３：アウターフィンセット２を前記伝熱管１の外側熱交換面に設け、アウターフィンセット２は、伝熱管１の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が伝熱管１の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられ、
前記インナーフィンセット３または／及びアウターフィンセット２の各フィンにはいずれも穴が開けられる。
該製造方法は、さらに、以下の１つまたは複数に関連して限定されてもよく、任意の数量または順序で組み合わせられる。
１つまたは複数の実施形態では、インナーフィンセット３を固定するための位置決め管４が前記伝熱管１の内部に設けられ、位置決め管４が伝熱管１の内部に同軸に設けられ、前記インナーフィンセット３のうちの各フィンの一端が位置決め管４に接続される。
１つまたは複数の実施形態では、インナーフィンセット３は、アウターフィンセット２が固定される伝熱管１の内側壁に接続される。
図１１を参照し、本実施例は、上記コンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法をさらに提供し、以下のステップを含む。
ステップ１：上記伝熱管を熱交換器の全体的な設計に従って、伝熱管の規格、インナーフィンセットの規格、アウターフィンセットの規格を含む所要の規格に加工し、部材として熱交換器に取り付ける（例えば、多管式熱交換器の管列に製造される）。熱交換器では、中部Ｍは内外フィン付きの領域であり、内外フィン付きの熱交換管を用い、両端Ｓはフィンなしの領域であり、フィンなしの熱交換管を用いる。
ステップ２：少なくとも１本の伝熱管１を多管式熱交換器ハウジングに配列し、伝熱管１の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端５（例えば、多管式熱交換器のコレクターボックス入口）から入力され、伝熱管１の内側に沿って伝熱管１の出口端まで流れ、伝熱管１の管内流体は、流れながら、伝熱管１の内側面と伝熱過程が発生し、伝熱管１の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端７（例えば、多管式熱交換器のハウジング入口）から入力され、伝熱管１の外側に沿って管内流体の反対の方向に流れ、熱交換器の管外流体出口端８に流れ、管内流体は、熱交換器の管内流体入口端５から入力され、伝熱管の内側に沿って管外流体の反対の方向に流れ、熱交換器の管内流体出口端６に流れ、伝熱管１の管外流体は、伝熱管１の外側面、アウターフィンセットと伝熱過程が発生し、伝熱管とアウターフィンセット及びインナーフィンセットとの間で熱伝導過程が発生し、管内流体は、伝熱管の内側面、インナーフィンセットと伝熱過程が発生する。
１つまたは複数の実施形態では、各伝熱管１の管内流体は、伝熱管１の入口端（例えば、多管式熱交換器のヘッダー入口）から入力され、伝熱管１の内側に沿って伝熱管１の出口端まで流れる。伝熱管１の管内流体は、流れながら、伝熱管１のインナーフィンセット、位置決め管及び伝熱管の内側面と熱伝導過程が発生する。
伝熱管１の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端（例えば、多管式熱交換器のハウジング入口）から入力され、伝熱管１の外側に沿って伝熱管１の管内流体の反対の方向に流れ、熱交換器の管外流体出口端に流れ、管外流体は、アウターフィンセットのフィンにおける穴を通過し、伝熱管１の軸方向に沿って流れる。管外流体は、流れながら、伝熱管１の外側面及びアウターフィンセットと伝熱過程が発生し、アウターフィンセットと、伝熱管と、インナーフィンセットと、位置決め管との間で熱伝導過程が発生する。
図９は、マイクロチャネル熱交換器の構成模式図であり、ここで、ｃはマイクロチャネル熱交換器の横方向当量直径を表し、ｄはマイクロチャネル熱交換器の縦方向当量直径を表す。
図１０は、プリント回路基板の構成模式図であり、ここで、ｅはプリント回路基板式の熱交換器の当量直径である。
以下、２ｍｍの当量直径及び同じ単位体積を例として、以下の３つの構成の熱交換器のコンパクト程度を計算し、単位体積の気体が接触する固体表面積の数値である面密度（ｍ２／ｍ３）で表す。
Figure 2021535994
以上の計算結果から分かるように、本発明のコンパクト程度は、他の方法に相当し、穴構造を用いた後、単位体積の面密度が著しく向上するとともに、乱流強化効果が発生する。本発明で製作される熱交換器装置を用いることで、より小さい外形サイズ及びより軽い重量を実現することができる。
以上は、本発明の好適な実施例にすぎず、本発明に対するいかなる形態及び実質的な制限ではなく、なお、当業者は、本発明の方法を逸脱させることなく、さらにいくつかの改良及び補充を行うことができ、これらの改良及び補充も本発明の保護範囲と見なされるべきである。当業者であれば、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、以上に開示される技術内容を用いて行われる変更、修飾や進化の等価変化は、すべて本発明の等価実施例である。また、本発明の本質的な技術に基づいて上記実施例に対して行われた任意の等価変化の変更、修飾や進化は、すべて、本発明の技術案の範囲に属する。
１ 伝熱管
２ アウターフィンセット
３ インナーフィンセット
４ 位置決め管

Claims (19)

  1. コンパクト型気体−気体熱交換管であって、
    管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための伝熱管（１）と、
    前記伝熱管（１）の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って前記伝熱管（１）の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのインナーフィンセット（３）と、
    前記伝熱管（１）の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が前記伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるためのアウターフィンセット（２）とを備え、
    前記インナーフィンセット（３）または／及び前記アウターフィンセット（２）のフィンにはいずれも穴が設けられる、
    ことを特徴とするコンパクト型気体−気体熱交換管。
  2. 前記インナーフィンセット（３）を固定するための位置決め管（４）が前記伝熱管（１）の内部に設けられ、前記位置決め管（４）が前記伝熱管（１）の内部に同軸に設けられ、前記インナーフィンセット（３）のうちの各フィンの一端がいずれも前記位置決め管（４）に接続される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  3. 前記インナーフィンセット（３）のフィン構造は、管中心から管壁の径方向に伸びる構造を呈する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  4. 前記インナーフィンセット（３）のフィンは、Ｙ字型構造を呈する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  5. 前記インナーフィンセット（３）は、前記伝熱管（１）の径方向に平行な金属シートまたは薄帯であるとともに、前記伝熱管（１）の内側壁に接続される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  6. 前記インナーフィンセット（３）は、前記位置決め管（４）の周りに、円周方向構造に配置される金属シートまたは薄帯であり、前記金属シートまたは薄帯の面が前記伝熱管（１）に軸方向に平行である、
    ことを特徴とする請求項２に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  7. 前記金属シートまたは薄帯の幅が伝熱管内径の１／４〜１であり、前記金属シートまたは薄帯の厚さが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである、
    ことを特徴とする請求項５または６に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  8. 前記アウターフィンセット（２）は、前記伝熱管（１）の周りに、円周方向対称構造に配置される金属シートまたは薄帯であり、前記金属シートまたは薄帯の面が前記伝熱管（１）に軸方向に平行である、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  9. 前記アウターフィンセット（２）は、前記伝熱管（１）の径方向に平行な金属シートまたは薄帯であるとともに、前記伝熱管（１）の外壁に接続される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  10. 前記金属シートまたは薄帯の幅が伝熱管内径の１／４〜１であり、前記金属シートまたは薄帯の厚さが０．２ｍｍ〜３ｍｍである、
    ことを特徴とする請求項８または９に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  11. 前記位置決め管（４）は、中実管である、
    ことを特徴とする請求項２に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  12. 前記伝熱管（１）は、金属管である、
    ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  13. 前記インナーフィンセット（３）、前記アウターフィンセット（２）がいずれも前記伝熱管（１）に固定して接続される、ことを特徴とする請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管。
  14. 請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法であって、ステップは、
    管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための前記伝熱管（１）を形成するステップ１、
    前記インナーフィンセット（３）を前記伝熱管（１）の内側熱交換面に設け、前記インナーフィンセット（３）には穴が開けられ、前記インナーフィンセット（３）は、前記伝熱管（１）の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って前記伝熱管（１）の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ２、及び
    前記アウターフィンセット（２）を前記伝熱管（１）の外側熱交換面に設け、前記アウターフィンセット（２）にはいずれも穴が開けられ、前記アウターフィンセット（２）は、前記伝熱管（１）の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が前記伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ３である、
    ことを特徴とする製造方法。
  15. 請求項２に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法であって、ステップは、
    管内と管外流体とを仕切り、対流、熱伝導の方式により管内外の流体の伝熱を実現するための前記伝熱管（１）を形成するステップ１、
    前記伝熱管（１）の内部に同軸に設けられる、前記インナーフィンセット（３）を固定するための位置決め管（４）を前記伝熱管（１）の内部に設けるステップ２、
    前記インナーフィンセット（３）を前記伝熱管（１）の内側熱交換面に設け、前記インナーフィンセット（３）のうちの各フィンの一端がいずれも位置決め管（４）に接続され、前記インナーフィンセット（３）には穴が開けられ、前記インナーフィンセット（３）は、前記伝熱管（１）の内側熱交換面を拡張し、当量直径０．５ｍｍ〜５ｍｍの微細流路を形成し、管内流体を仕切って前記伝熱管（１）の軸方向に沿って流れさせるとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ３、及び
    前記アウターフィンセット（２）を前記伝熱管（１）の外側熱交換面に設け、前記アウターフィンセット（２）にはいずれも穴が開けられ、前記アウターフィンセット（２）は、前記伝熱管（１）の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が前記伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させるために用いられるステップ４である、
    ことを特徴とする製造方法。
  16. 前記ステップ２では、前記インナーフィンセット（３）は、前記アウターフィンセット（２）が固定される前記伝熱管（１）の内側壁に接続される、
    ことを特徴とする請求項１４または１５に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管の製造方法。
  17. 請求項１に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法であって、
    ステップは、少なくとも１本の前記伝熱管（１）を熱交換器に配列し、伝熱管（１）の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端から入力され、伝熱管の内側に沿って前記伝熱管（１）の出口端に流れ、さらに熱交換器の管内流体出口端に流れ、前記伝熱管（１）の管内流体は、流れながら、前記インナーフィンセット（３）及び前記伝熱管（１）の内側面と対流伝熱過程が発生し、
    前記伝熱管（１）の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端から入力され、前記伝熱管（１）の外側に沿って前記伝熱管（１）の管内流体の反対の方向に流れ、前記熱交換器の管外流体出口端に流れ、前記伝熱管（１）の管外流体は、流れながら、前記伝熱管（１）の外側面、前記アウターフィンセット（２）と伝熱過程が発生し、前記アウターフィンセット（２）と、前記伝熱管（１）と、前記インナーフィンセット（３）との間で熱伝導過程が発生することである、
    ことを特徴とする使用方法。
  18. 請求項２に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法であって、
    ステップは、
    少なくとも１本の前記伝熱管（１）を熱交換器に配列し、前記伝熱管（１）の管内流体は、熱交換器の管内流体入口端から入力され、伝熱管の内側に沿って前記伝熱管（１）の出口端に流れ、さらに熱交換器の管内流体出口端に流れ、前記伝熱管（１）の管内流体は、流れながら、前記インナーフィンセット（３）、位置決め管（４）及び前記伝熱管（１）内側面と対流伝熱過程が発生し、
    前記伝熱管（１）の管外流体は、熱交換器の管外流体入口端から入力され、前記伝熱管（１）の外側に沿って前記伝熱管（１）の管内流体の反対の方向に流れ、前記熱交換器の管外流体出口端に流れ、前記伝熱管（１）の管外流体は、流れながら、前記伝熱管（１）の外側面、前記アウターフィンセット（２）と伝熱過程が発生し、前記アウターフィンセット（２）と、前記伝熱管（１）と、前記インナーフィンセット（３）と、前記位置決め管（４）との間で熱伝導過程が発生することである、
    ことを特徴とする使用方法。
  19. 前記インナーフィンセット（３）のフィンに穴が設けられる場合、前記伝熱管（１）の管内流体は、前記インナーフィンセット（３）フィンにおける穴を通過し、前記伝熱管（１）の軸方向に沿って流れ、前記アウターフィンセット（２）のフィンに穴が設けられる場合、前記伝熱管（１）の管外流体は、前記アウターフィンセット（２）フィンにおける穴を通過し、前記伝熱管（１）の軸方向に沿って流れ、
    前記伝熱管（１）の管内流体と管外流体とが逆流して熱交換し、前記インナーフィンセット（３）は、前記伝熱管（１）の内側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管内流体が前記伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させ、前記アウターフィンセット（２）は、前記伝熱管（１）の外側熱交換面を拡張し、微細流路を形成し、管外流体が前記伝熱管（１）の軸方向に沿って逆流するように制限するとともに、乱流作用が生じ、対流熱交換を強化させる、
    ことを特徴とする請求項１７または１８に記載のコンパクト型気体−気体熱交換管の使用方法。
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