JP5638512B2 - ガスクーラ - Google Patents
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Description
フィン・チューブ方式の熱交換器は、よく知られるように、空気調和装置(以下、空調)にも用いられている。空調に用いられるフィン・チューブ方式の熱交換器について、伝熱性能を向上するための提案がいくつかなされている。例えば、特許文献3は、伝熱管の外径をDO、被冷却ガスの流れ方向の伝熱管の配列ピッチをL1、被冷却ガスの流れ方向と垂直な方向の伝熱管の配列ピッチをL2とすると、1.2DO≦L1≦1.8DO、2.6DO≦L2≦3.3DOを満足する、フィン・チューブ方式の熱交換器を開示している。また、特許文献4は、フィンの幅寸法Wを、22.2≦W≦26.2mmにすることを提案している。
本発明は、このような圧縮機用ガスクーラとしての技術的課題に基づいてなされたもので、フィン・チューブ方式の熱交換器を備えるガスクーラの伝熱性能を向上することを目的とする。
本発明のガスクーラにおいて、伝熱管の外径は、ダイスを伝熱管の内部に押し込むことで拡げられ、伝熱管の拡管率が0.3〜1.5%である。このことは、高い接触熱伝達率を得るのに有利である。但し、拡管率(%)={拡管後伝熱管外径dTO2−拡管前伝熱フィン内径dfin1}/拡管前伝熱フィン内径dfin1×100≒{(ダイス外径dD+伝熱管肉厚△dT)―拡管前伝熱フィン内径dfin1}/拡管前伝熱フィン内径dfin1×100である。
さらに、本発明のガスクーラにおいて、充填材が伝熱性接着剤であることが好ましい。
図1は、本実施の形態におけるガスクーラ10の概略構成を示す図である。
ガスクーラ10は、例えばガス圧縮機(図示せず)に供給されるプロセスガス(被冷却ガス)を冷却水(冷却媒体)で冷却するフィン・チューブ方式の熱交換器6を備える。
伝熱管7、伝熱フィン8を構成する材料を本発明は限定するものでないが、各々、以下とするのが好ましい。
伝熱管7は、SUS304、キュプロ・ニッケル合金、チタン合金および銅材等により構成される。
また、伝熱フィン8は、アルミニウム(合金含む)又は銅(合金含む)が好ましい。アルミニウムとしては、成形性および熱伝導性が優れる純アルミニウム系の1000系合金(特に1050)合金が好ましい。
充填材9としては、伝熱性接着剤を用いるのが好ましい。伝熱性接着剤としては、熱硬化性樹脂からなる接着剤マトリックス中に、伝熱物質としての金属フィラーを含有させたものを用いることができる。金属フィラーとしては、アルミニウム、銅、銀等を用いる。金属フィラーは、30〜50体積%程度の範囲で含まれていれば、伝熱管7と伝熱フィン8の間に十分な熱伝導性を与える。接着剤マトリックスとしては、エポキシ樹脂系、ポリエステル系、ポリウレタン系、フェノール樹脂系等、公知の物質を用いることができる。このような伝熱性接着剤は、熱交換器6の製造段階で加熱して硬化させることができるし、ガスクーラ10に未硬化状態で組み込んだ後に、高温の被冷却ガスと触れることにより、硬化させることもできる。
充填材9としては、以上の伝熱性接着剤の他に、150℃程度の耐熱性を有する各種硬化剤、接着剤等を用いることができる。いずれも、伝熱管7と伝熱フィン8の隙間を埋め、かつ伝熱管7と伝熱フィン8の間に十分な熱伝導性を与えることができる。
図4において、伝熱管7の外径をd0、伝熱管7の配管ピッチをS1(被冷却ガスの流れ方向と直交)、S2(被冷却ガスの流れ方向)とする。なお、本発明における被冷却ガスの流れ方向の伝熱管7の配管ピッチは、S3ではなくS2と定義される。すなわち、S 2 は、被冷却ガスの流れる向きにおける上流側に位置する伝熱管7の軸芯と、この上流側に位置する伝熱管7に隣接し、かつ被冷却ガスの流れる方向の下流側に位置する伝熱管7の軸芯と、を結ぶ伝熱管の配管ピッチであると定義される。これらが熱交換器6の熱伝達率(総括熱伝達率)U、熱交換器6を通過する被冷却ガスの圧力損失ΔPに与える影響を調べた。なお、伝熱管7はSUS304で製作し、伝熱管7の肉厚は約1.7mmとした。伝熱フィン8は1050合金系のアルミニウムで作製し、板厚を約0.35mmとした。また、被冷却ガスの温度を約120℃、伝熱管7内に流す冷却水を45℃とした。
伝熱管7の外径d0を変えて、熱伝達率U及び圧力損失ΔPを測定した。熱伝達率U及び圧力損失ΔPの傾向を図5に示す。
なお、S1、S2は、以下の通りとした。
S1=40mm、S2=40mm
(1)伝熱管7の外径d0を大きくすると、単位体積あたりの伝熱フィン8の伝熱面積は減少するが、伝熱管7外を流れる被冷却ガスの流速が増加し伝熱フィン8表面、伝熱管7外表面の熱伝達率が増大する。
(2)また、伝熱管7の配管ピッチが狭まることによりフィン効率が増大、フィンの有効伝熱面積が増加し、伝熱管7の管外側の熱伝達率が増加し、総括熱伝達率Uが増加することが考えられる。
以上を考慮すると本発明は、伝熱管7の外径d0を20〜30mmにすることが好ましい。より好ましい伝熱管7の外径d0は、23〜27mmである。
伝熱管7のピッチS1を変えて、熱伝達率U及び圧力損失ΔPを測定した。熱伝達率U及び圧力損失ΔPの傾向を図6に示す。
なお、伝熱管7の外径d0、伝熱管7のピッチS2は、以下の通りとした。
d0=25.4mm、S2=40mm
なお、伝熱管7の外径d0、伝熱管7のピッチS1は、以下の通りとした。
d0=25.4mm、S1=40mm
伝熱管7と伝熱フィン8との間に、充填材として伝熱性接着剤を施工した場合の最大の効果を熱伝達率U及び圧力損失ΔPに関し評価した。結果を図8に示す。ここで、施工する伝熱性接着剤は、接着剤自体の厚さがチューブの肉厚およびフィンの肉厚に比較し薄く、熱抵抗として無視できると想定した場合の最大効果の評価を行った。
なお、d0、S1、S2は、以下の通りとした。
d0=25.4mm、S1=40mm、S2=40mm
拡管率(%)={拡管後伝熱管外径dTO2−拡管前伝熱フィン内径dfin1}/拡管前伝熱フィン内径dfin1×100≒{(ダイス外径dD+伝熱管肉厚ΔdT)−拡管前伝熱フィン内径dfin1}/拡管前伝熱フィン内径dfin1×100
図10に示すように、拡管率が増大するほど、接合された伝熱管7と伝熱フィン8との接触熱伝達率は増加する。接触熱伝達率が約5000W/(m2・K)未満であると、接触抵抗が支配的となるため、接触熱伝達率は約5000W/(m2・K)以上であることが好ましい。一方、拡管率が1.5%以上に増大すると伝熱フィン8が伝熱管7を締め付ける弾性力が低下し、接触が緩んでしまう。その結果、伝熱フィン8の倒れ等が発生し、伝熱フィン8にゆがみが生じて寸法の精度が低下する。よって、拡管率は0.3〜1.5%であることが好ましく、0.5〜1.0%であることがさらに好ましい。
1…ガスクーラ本体、2…冷却水入口、3…冷却水出口、4…ガス入口、5…ガス出口
6…熱交換器、7…伝熱管、8…伝熱フィン
d0…外径、S1…ピッチ、S2…ピッチ
dD…ダイス外径、ΔdT…伝熱管肉厚、dfin1…拡管前伝熱フィン内径、dTO2…拡管後伝熱管外径
Claims (4)
- 熱交換器を備え、外部から導入される加熱された100℃以上の被冷却ガスと前記熱交換器との間で熱交換することで、前記被冷却ガスを冷却して外部に排出するガスクーラであって、
前記熱交換器は、
互いに所定の間隙を介して並設され、前記間隙を前記被冷却ガスが流れる複数の伝熱フィンと、
前記複数の伝熱フィンを貫通し、前記被冷却ガスが流れる向きに沿って複数列設けられる伝熱管と、を備え、
前記伝熱管の外径d0が23〜27mmであり、
前記被冷却ガスの流れる向きに直交する方向における前記伝熱管のピッチをS1、前記被冷却ガスの流れる方向における上流側に位置する前記伝熱管の軸芯と、該伝熱管に隣接し、かつ前記被冷却ガスの流れる方向の下流側に位置する前記伝熱管の軸芯と、を結ぶピッチをS2とすると、S1が35〜45mm、S2が35〜45mmであり、
前記伝熱管の外径は、ダイスを前記伝熱管の内部に押し込むことで拡げられ、前記伝熱管の拡管率は0.3〜1.5%であることを特徴とするガスクーラ。但し、拡管率(%)={拡管後伝熱管外径dTO2−拡管前伝熱フィン内径dfin1}/拡管前伝熱フィン内径dfin1×100≒{(ダイス外径dD+伝熱管肉厚△dT)−拡管前伝熱フィン内径dfin1}/拡管前伝熱フィン内径dfin1×100 - 前記伝熱フィンと前記伝熱管とが、充填材を介して接合されていることを特徴とする請求項1に記載のガスクーラ。
- 前記充填材は、伝熱性接着剤であることを特徴とする請求項2に記載のガスクーラ。
- 前記伝熱管の前記拡管率が0.5〜1.0%であることを特徴とする請求項1に記載のガスクーラ。
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