JPH1183367A - 伝熱管及び伝熱管の使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い伝熱特性と低い流動抵抗特性との両方を満
たすことができる伝熱管及び伝熱管の使用法法を提供す
る。 【解決手段】外表面に凹部４又は凸部を複数有するとと
もに内部を通流する第１流体と外部を通流する第２流体
とを管壁を介して熱交換させる伝熱管１であって、第２
流体の使用流速範囲内において、伝熱管の上記第２流体
流速に対する抵抗力レベルが、伝熱管と外径が同じで外
表面に凹部又は凸部のない素材の上記第２流体流速に対
する抵抗力レベルより低くなるように凹部４の深さ又は
凸部の高さが設定されていることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝熱特性の向上化
と流動抵抗の減少化とを両立させることができるように
した伝熱管及び伝熱管の使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、流体同士で熱交換を行わ
せるときは、多くの場合、伝熱管が使用される。このよ
うな伝熱管、たとえば気体から熱を回収する目的のもの
では、銅やアルミニウムなどで形成された伝熱管本体の
外周に金属製の薄い板をフィンとして巻き付けたものが
用いられている。

【０００３】ところで、最近では火力発電所等に設置さ
れる熱交換器の小型化が強く望まれている。この要望を
満たすには、効率の良い伝熱管が必要となる。そこで従
来は、フィンに半径方向の切り込みを入れることによっ
て伝熱特性を一層向上させたフィン付き伝熱管を使用し
ている。

【０００４】しかしながら、上記のように構成された従
来の伝熱管にあっては、伝熱性能をさらに向上させよう
とすると、それに応じて外部流体、つまり伝熱管の外部
を通流する流体に対する流動抵抗が大きくなり、これが
原因して大型のポンプ等を設けなければならないという
問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の伝
熱管にあっては、高伝熱特性化と低流動抵抗化との両方
を満たすことができないという問題があった。そこで本
発明は、上述した２つの要望を満たすことができ、もっ
て熱交換器等の小型化に寄与できる伝熱管及び伝熱管の
使用方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、外表面に凹部又は凸部を複
数有するとともに内部を通流する第１流体と外部を通流
する第２流体とを管壁を介して熱交換させる伝熱管であ
って、前記第２流体の使用流速範囲内において、上記伝
熱管の上記第２流体流速に対する抵抗力レベルが、上記
伝熱管と外径が同じで外表面に凹部又は凸部のない素材
の上記第２流体流速に対する抵抗力レベルより低くなる
ように前記凹部の深さ又は凸部の高さが設定されている
ことを特徴としている。

【０００７】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る発明は、外表面に凹部又は凸部を複数有すると
ともに内部を通流する第１流体と外部を通流する第２流
体とを管壁を介して熱交換させる伝熱管を使用するに際
して、該伝熱管の上記第２流体流速に対する抵抗力レベ
ルが、上記伝熱管と外径が同じで外表面に凹部又は凸部
のない素材の上記第２流体流速に対する抵抗力レベルよ
り低い流速範囲で使用することを特徴としている。

【０００８】伝熱管の表面に凹部又は凸部を複数設ける
ことにより、伝熱面積を大幅に増加させることができ
る。同時に、凹部又は凸部の存在で表面に小さなはく離
渦を発生させることができるので、渦によって熱輸送量
を増大させることができ、伝熱性能を向上させることが
できる。さらに、表面において小さなはく離を繰り返さ
せることにより、伝熱管下流部での流れの大きなはく離
を抑えることができ、伝熱管下流部の伝熱面積を有効に
利用することができる。したがって、総合的に伝熱性能
を向上させることができる。

【０００９】一方、第２流体が流れている場に伝熱管を
配置したとき、この伝熱管に生じる抵抗力（流動抵抗）
は、ある流速まで徐々に増加するが、その後は急激に低
下し、そしてある流速から再び増加に転じる。この傾向
は表面に凹部や凸部を複数設けた場合においても同じで
ある。ただし、表面に凹部や凸部を複数設けた場合に
は、凹部の深さや凸部の高さが増すほど、抵抗力が最低
となる流速値が低流速側へシフトする。

【００１０】請求項１に係る発明では、第２流体の使用
流速範囲内において、伝熱管の第２流体流速に対する抵
抗力レベルが、伝熱管と外径が同じで外表面に凹部又は
凸部のない素材の第２流体流速に対する抵抗力レベルよ
り低くなるように凹部の深さ又は凸部の高さを設定して
いる。したがって、請求項１に係る発明では、第２流体
の使用流速範囲及び伝熱管の外径が規定された条件内
で、最も流動抵抗が小さい状態で運転できることにな
る。

【００１１】また、請求項２に係る発明では、伝熱管の
第２流体流速に対する抵抗力レベルが、伝熱管と外径が
同じで外表面に凹部又は凸部のない素材の第２流体流速
に対する抵抗力レベルより低い流速範囲で使用するよう
にしている。したがって、請求項２に係る発明において
も、伝熱管の外径が規定された条件内で、流動抵抗が最
も小さくなる第２流体の流速範囲で運転できることにな
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の第１の実施形態
に係る伝熱管１の側面図が示されており、図２には図１
におけるＡ−Ａ線切断矢視図が示されている。

【００１３】この例に係る伝熱管１は、鉄、ステンレス
鋼、銅、アルミニウムなどの良熱伝導材で形成された伝
熱管本体２と、同じく鉄、ステンレス鋼、銅、アルミニ
ウムなどの良熱伝導材で形成されて伝熱管本体２の外周
に例えば管軸に沿って等間隔に装着されてロウ付けされ
たフィン３とで構成されている。なお、フィン３は鍔状
に限らず、スパイラル状に設けてもよい。そして、伝熱
管本体２の外表面全体には、小さい半球状の凹部４が管
軸方向及び周方向に所定のピッチで多数形成されてい
る。

【００１４】ここで、凹部４は次のような関係に設けら
れている。今、説明の便宜上、伝熱管本体２の内部を通
流する流体を第１流体とし、伝熱管本体２の外部を通流
する流体を第２流体とする。

【００１５】第２流体中に伝熱管本体のような管体を配
置したとき、この管体は第２流体の通流を邪魔する。こ
のときに管体に生じる抵抗力の指標となる抵抗係数（流
動抵抗／動圧）は、流速の増加に伴って単調に増加する
ことはない。なお、動圧は、ρＵ² ／２によって与えら
れ、ρは流体の密度、Ｕは流体の流速である。

【００１６】図３には外径が一定の伝熱管本体を第２流
体中に配置したとき、伝熱管本体の表面粗さをパラメー
タとし、第２流体の流速と伝熱管本体に生じる抵抗係数
との関係が示されている。

【００１７】図中、実線Ｓ１は伝熱管本体の表面が平滑
な場合（素材）を、鎖線Ｓ２は伝熱管本体の表面に僅か
に凹凸が存在している場合を、一点鎖線Ｓ３は伝熱管本
体の表面粗さがＳ２より粗い場合を、二点鎖線Ｓ４は伝
熱管本体の表面粗さがＳ３よりさらに粗い場合をそれぞ
れ示している。

【００１８】この図から判るように、伝熱管本体の抵抗
係数は、流速の増加に伴って単調に増加するのではな
く、ある流速まで徐々に増加するが、その後は急激に低
下し、そしてある流速から再び増加傾向に転じる。この
傾向は伝熱管本体の表面粗さが異なった場合も同じであ
るが、表面粗さが大きくなるにしたがって抵抗係数が最
低となる流速レベルが低流速側へとシフトする。

【００１９】図１に示す例では、図３に示す抵抗力特性
を有効に利用している。すなわち、この例では、通常、
熱交換器等では運転時における第２流体の流速範囲があ
る狭い範囲にあることに着目し、この流速範囲内におい
て、伝熱管本体２の第２流体流速に対する抵抗力レベル
が、伝熱管本体２と外径が同じで外表面が平滑な素材の
第２流体流速に対する抵抗力レベルより低くなるように
凹部４の深さを設定している。

【００２０】これを図３を用いて説明すると、今、運転
時における第２流体の流速範囲がＶで示す狭い範囲であ
るものとすると、この例では、流速範囲Ｖ内において、
伝熱管本体２の第２流体流速に対する抵抗係数レベル
が、伝熱管本体２と外径が同じで外表面が平滑な素材の
第２流体流速に対する抵抗係数特性Ｓ１のレベルより低
くなるＳ２の特性が得られるように凹部４の深さを設定
しているのである。

【００２１】このような構成であると、高い伝熱特性と
低い流動抵抗特性との両方を満たすことができる。すな
わち、伝熱管本体２の表面に小さい半球状の凹部４を所
定のピッチで多数設けているので、伝熱面積を大幅に増
加させることができる。同時に、凹部４の存在で表面に
小さなはく離渦を発生させることができ、この渦によっ
て熱輸送量を増大させることができるので、伝熱性能を
向上させることができる。

【００２２】さらに、表面において、小さなはく離を繰
り返させることにより、図４（ｂ）に示すように、第２
流体Ｘが伝熱管本体２の下流部で大きなはく離を起こす
のを抑えることができ、伝熱管本体２の下流部での圧力
を中圧程度まで上昇させることができる。このため、伝
熱管本体２の下流部へ第２流体Ｘを良好に接触させるこ
とができ、下流部の伝熱面積も熱交換に有効に利用する
ことができる。なお、図４（ａ）は伝熱管本体２の表面
が平滑な場合における第２流体Ｘの流れ方を示したもの
で、この場合には伝熱管本体２の下流部で大きなはく離
が起こり、これが原因して伝熱管本体２の下流部が低圧
となるので、第２流体Ｘを伝熱管本体２の下流部に良好
に接触させることが困難となる。

【００２３】このように、伝熱管本体２の表面に小さい
半球状の凹部４を多数設けたことによって伝熱特性を大
幅に向上させることができる。また、この例では、先に
説明したように、運転時における第２流体Ｘの流速範囲
内において、伝熱管本体２の第２流体流速に対する抵抗
力レベルが、伝熱管本体２と外径が同じで外表面が平滑
な素材の第２流体流速に対する抵抗力レベルより低くな
るように凹部４の深さを設定しているので、第２流体Ｘ
の使用流速範囲内で、流動抵抗が最も小さい状態で運転
できることになる。

【００２４】なお、上述した例では、第２流体Ｘの使用
流速範囲が予め判明していることを条件にし、上記使用
流速範囲内で流動抵抗を最も小さくできる凹部４の深さ
を設定しているが、逆に凹部４の深さが決まっていると
きには、伝熱管本体２の第２流体流速に対する抵抗力レ
ベルが、伝熱管本体２と外径が同じで外表面が平滑な素
材の第２流体流速に対する抵抗力レベルより低い流速範
囲で使用するようにすればよい。

【００２５】また、上述した例では伝熱管本体２の外表
面に半球状の凹部４を多数設けているが、凸部を設けた
場合においても同様の作用を呈する。したがって、図５
及び図６に示すように、伝熱管本体２の外表面に、管軸
方向に延びるＶ字状の溝５を周方向に複数本設けるよう
にしてもよい。又、図７及び図８に示すように、伝熱管
本体２の外表面に、管軸方向に延びる半円状の溝６を周
方向に複数本設けるようにしてもよい。さらに、図９に
示すように伝熱管本体２の外表面に管軸方向に延びる半
円状の突部７を周方向に複数本設けるようにしてもよい
し、図１０に示すように伝熱管本体２の外表面に管軸方
向に延びる角柱状の突部８を周方向に複数本設けるよう
にしてもよい。

【００２６】また、図１１（ａ）に示すように伝熱管本
体２の外周面に半球状の突部９を設けたり、図１１
（ｂ）に示すように伝熱管本体２の外周面にサンドペー
パで凹凸１０を設けたり、図１１（ｃ）に示すように伝
熱管本体２の外周面にピラミッド型の突部１１を設けた
り、図１１（ｄ）に示すように伝熱管本体２の外周面に
羽型の突部１２を設けたり、図１１（ｅ）に示すように
伝熱管本体２の外周面にワイヤ１３を巻回したものを用
いてもよい。また、上述した各例において、フィン３の
表面にも凹凸を設けることが好ましい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
伝熱特性の向上化と流動抵抗の低減化との両方を同時に
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る伝熱管の側面図

【図２】同伝熱管を図１におけるＡ−Ａ線に沿って切断
し矢印方向に見た断面図

【図３】伝熱管本体の外表面に設けた凹部の深さを説明
するための図

【図４】伝熱管本体の外表面に設けた凹部の作用を説明
するための図

【図５】本発明の第２の実施形態に係る伝熱管の側面図

【図６】同伝熱管を図５におけるＢ−Ｂ線に沿って矢印
方向に見た図

【図７】本発明の第３の実施形態に係る伝熱管の側面図

【図８】同伝熱管を図７におけるＣ−Ｃ線に沿って矢印
方向に見た図

【図９】本発明の第４の実施形態に係る伝熱管の端面図

【図１０】本発明の第５の実施形態に係る伝熱管の端面
図

【図１１】本発明のそれぞれ他の実施形態に係る伝熱管
を局部的に示す斜視図

【符号の説明】

１，１ａ〜１ｉ…伝熱管 ２…伝熱管本体 ３…フィン ４…半球状の凹部 ５…Ｖ字状の溝 ６…半円状の溝 ７…半円状の突部 ８…角柱状の突部 ９…半球状の突部 １０…サンドペーパでつけられた凹凸 １１…ピラミッド状の突部 １２…羽型状の突部 １３…ワイヤ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外表面に凹部又は凸部を複数有するととも
   に内部を通流する第１流体と外部を通流する第２流体と
   を管壁を介して熱交換させる伝熱管であって、前記第２
   流体の使用流速範囲内において、上記伝熱管の上記第２
   流体流速に対する抵抗力レベルが、上記伝熱管と外径が
   同じで外表面に凹部又は凸部のない素材の上記第２流体
   流速に対する抵抗力レベルより低くなるように前記凹部
   の深さ又は凸部の高さが設定されていることを特徴とす
   る伝熱管。
2. 【請求項２】外表面に凹部又は凸部を複数有するととも
   に内部を通流する第１流体と外部を通流する第２流体と
   を管壁を介して熱交換させる伝熱管を使用するに際し
   て、該伝熱管の上記第２流体流速に対する抵抗力レベル
   が、上記伝熱管と外径が同じで外表面に凹部又は凸部の
   ない素材の上記第２流体流速に対する抵抗力レベルより
   低い流速範囲で使用することを特徴とする伝熱管の使用
   方法。