JPS60238681A - フイン管式熱交換器 - Google Patents
フイン管式熱交換器Info
- Publication number
- JPS60238681A JPS60238681A JP8865185A JP8865185A JPS60238681A JP S60238681 A JPS60238681 A JP S60238681A JP 8865185 A JP8865185 A JP 8865185A JP 8865185 A JP8865185 A JP 8865185A JP S60238681 A JPS60238681 A JP S60238681A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fin
- heat exchanger
- gap
- height
- temperature level
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
- F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、フィン管式熱交換器に係り、特にヘリウム冷
凍機に用いられるフィン管式熱交換器に関するものであ
る。
凍機に用いられるフィン管式熱交換器に関するものであ
る。
一般のヘリウム冷凍機の構成と作用を第１図によって説
明すると、圧縮機１から吐出された高圧。
明すると、圧縮機１から吐出された高圧。
常温のヘリウムガスは５＜ １熱交換器２の高圧ライン
である伝熱管内を通ってＡ点で分岐し、一部は第１膨張
エンシツフに入り、ここで断熱膨張し低圧、低ポのガス
となって、第２熱交換器３と第３熱交換器４の間の低圧
ラインＣ点に合流し、第２熱交換器３および第１熱文換
器２の低圧流路を通って、高圧ラインのヘリウムガスを
冷却しなから圧縮機１にもどる。Ａ点での残りの高圧ガ
スは第２熱交換器３および第３熱交換器４の高圧ライン
を通ってＢ点に達し、ここで一部は第２膨張エンジン８
に入り、断熱膨張して低圧、低湿のガスと低圧ライン０
点に合流し、第４熱交換器５および第３熱交換器４の低
圧流路を通って、高圧ラインのヘリウムガスを冷却しな
がら０点に合流する。
である伝熱管内を通ってＡ点で分岐し、一部は第１膨張
エンシツフに入り、ここで断熱膨張し低圧、低ポのガス
となって、第２熱交換器３と第３熱交換器４の間の低圧
ラインＣ点に合流し、第２熱交換器３および第１熱文換
器２の低圧流路を通って、高圧ラインのヘリウムガスを
冷却しなから圧縮機１にもどる。Ａ点での残りの高圧ガ
スは第２熱交換器３および第３熱交換器４の高圧ライン
を通ってＢ点に達し、ここで一部は第２膨張エンジン８
に入り、断熱膨張して低圧、低湿のガスと低圧ライン０
点に合流し、第４熱交換器５および第３熱交換器４の低
圧流路を通って、高圧ラインのヘリウムガスを冷却しな
がら０点に合流する。
Ｂ点での残りの高圧ガスは第４熱交換器５．第５熱交換
器６の高圧ラインを通りジュールトムソン弁９に至る。
器６の高圧ラインを通りジュールトムソン弁９に至る。
そしてジュールトムソン弁を通る際に高圧のヘリウムガ
スは等エンタルピ膨張をして、低圧、低温のガスとなり
、一部は液化する。液化したヘリウムはガスと一部にク
ライオスタット内の冷凍負荷１０に供給され、気化され
て第５熱交換器６の低圧ラインに入り、第５熱交換器６
の高圧ラインのヘリウムガスを冷却しながらＤ点に合流
し、０点を経由して圧縮機１にもどる。
スは等エンタルピ膨張をして、低圧、低温のガスとなり
、一部は液化する。液化したヘリウムはガスと一部にク
ライオスタット内の冷凍負荷１０に供給され、気化され
て第５熱交換器６の低圧ラインに入り、第５熱交換器６
の高圧ラインのヘリウムガスを冷却しながらＤ点に合流
し、０点を経由して圧縮機１にもどる。
このような、ヘリウム冷凍機において性能に大きな影響
を与えるのが、熱交換器の伝熱性能である。ここで従来
のヘリウム冷凍機によく使用されるフィン管式熱交換器
についてその構造と作用を第２図および第３図によって
説明すると、１１番ま外筒シェル、１２は内筒シェル、
１３は内部に高圧ガスを流す伝熱管で、該伝熱管１３の
外表面には伝熱性能向上のためフィン１４が接合されて
いる。伝熱管１３は波形円筒状の内筒シェル１２の外側
に隣接するフィン１４が互いに接触するくらいの間隔で
コイル状に巻きつけられ、その外側には円筒形の外筒シ
ェル１１を装着し、コイル状のフィン１４と外筒シェル
１２の間の隙間には熱伝導性が低く、可撓性のある材料
（例えばフッ素樹脂や木綿等）からなるつめもの１５を
巻きつけている。このようなフィン管式熱交換器におい
て高圧ヘリウムガスはコイル状の伝熱管１３の中を流れ
、低圧ヘリウムガスは外筒シェル１１．内筒シェル１２
．伝熱管１３およびフィン１４に囲まれた空間を流れる
。ところが伝熱管１３の内側と外側ではガス流路の断面
積が大き４異なるためガス流速が異なり、管外側のフィ
ン間を旅れるガス流速は管内ガス流速に比べて大幅に低
い。
を与えるのが、熱交換器の伝熱性能である。ここで従来
のヘリウム冷凍機によく使用されるフィン管式熱交換器
についてその構造と作用を第２図および第３図によって
説明すると、１１番ま外筒シェル、１２は内筒シェル、
１３は内部に高圧ガスを流す伝熱管で、該伝熱管１３の
外表面には伝熱性能向上のためフィン１４が接合されて
いる。伝熱管１３は波形円筒状の内筒シェル１２の外側
に隣接するフィン１４が互いに接触するくらいの間隔で
コイル状に巻きつけられ、その外側には円筒形の外筒シ
ェル１１を装着し、コイル状のフィン１４と外筒シェル
１２の間の隙間には熱伝導性が低く、可撓性のある材料
（例えばフッ素樹脂や木綿等）からなるつめもの１５を
巻きつけている。このようなフィン管式熱交換器におい
て高圧ヘリウムガスはコイル状の伝熱管１３の中を流れ
、低圧ヘリウムガスは外筒シェル１１．内筒シェル１２
．伝熱管１３およびフィン１４に囲まれた空間を流れる
。ところが伝熱管１３の内側と外側ではガス流路の断面
積が大き４異なるためガス流速が異なり、管外側のフィ
ン間を旅れるガス流速は管内ガス流速に比べて大幅に低
い。
したがって当然のことながら管外側の伝熱係数は管内側
の伝熱係数に比してかなり小さく、それを補うために管
外側にフィン１４を設けて伝熱面積を太き畷している。
の伝熱係数に比してかなり小さく、それを補うために管
外側にフィン１４を設けて伝熱面積を太き畷している。
また、つめもの１５の作用は低圧ヘリウムガスが少しで
も多鳴フィン１４に沿って流れ、フィン１４と熱交要す
るようにするためのものである。
も多鳴フィン１４に沿って流れ、フィン１４と熱交要す
るようにするためのものである。
このような従来公知のフィン管式熱交換器において次の
ような問題があった。すなわち、フィン間の隙間が広い
と流速が小さくなって十分な管外伝熱係数が得られない
ため、熱交換器の伝熱面積を大きくしなければならず不
経済になり、フィン間の隙間をあまり狭曵すると、流れ
抵抗が増すためカスの一部がフィン間以外の間隙（例え
ば内筒シェル１２とフィン１４の間の隙間や外筒シェル
１１とつめもの１５の間の隙間）をバイパスするように
なる。そしてバイパス流れがあると管内の高圧ガスと熱
交換せずに通過する低圧ガスが全体の熱交換器の効率を
低下させるのでやはり熱交換器の伝熱面積を大きくしな
ければならない。
ような問題があった。すなわち、フィン間の隙間が広い
と流速が小さくなって十分な管外伝熱係数が得られない
ため、熱交換器の伝熱面積を大きくしなければならず不
経済になり、フィン間の隙間をあまり狭曵すると、流れ
抵抗が増すためカスの一部がフィン間以外の間隙（例え
ば内筒シェル１２とフィン１４の間の隙間や外筒シェル
１１とつめもの１５の間の隙間）をバイパスするように
なる。そしてバイパス流れがあると管内の高圧ガスと熱
交換せずに通過する低圧ガスが全体の熱交換器の効率を
低下させるのでやはり熱交換器の伝熱面積を大きくしな
ければならない。
換言すれば、フィン間隙の適正値が存在するわけである
が、このフィン間隙の適正値は作動ガスの物性値（特に
熱伝導率や粘性係数）によって影響をうける。ため、ヘ
リウム冷凍機のように作動温難であった。
が、このフィン間隙の適正値は作動ガスの物性値（特に
熱伝導率や粘性係数）によって影響をうける。ため、ヘ
リウム冷凍機のように作動温難であった。
本発明の目的は上記の問題を解決し、流れ抵抗の増加を
防ぎつつ、管外伝熱係数の増大を図り、経済的なフィン
管式熱交換器（以下、熱交換器と略）を提供するにある
。
防ぎつつ、管外伝熱係数の増大を図り、経済的なフィン
管式熱交換器（以下、熱交換器と略）を提供するにある
。
本発明の要点はヘリウム冷凍機に用いられる各熱交換器
（第１熱交換器〜第５熱交換器）の作動温度レベルに応
じてフィン間隙、フィン板Ｌ フィン高さを変えること
によって各熱交換器の性能が最大限に発揮されるように
することである。
（第１熱交換器〜第５熱交換器）の作動温度レベルに応
じてフィン間隙、フィン板Ｌ フィン高さを変えること
によって各熱交換器の性能が最大限に発揮されるように
することである。
〔発明の実施例〕
本発明の一実施例を第４図〜第７図によって説明する。
第４図はヘリウムガスの熱伝導率および粘性係数が温度
によって変化する状態を示すものである。これによれば
、第１熱交換器の平均温度■から第５熱交換器の平均温
度■まで温度レベル（絶対温度）が変わることによって
ヘリウムガスしかも２０に以上ではほぼ温度に比例して
変化することがわかる。
によって変化する状態を示すものである。これによれば
、第１熱交換器の平均温度■から第５熱交換器の平均温
度■まで温度レベル（絶対温度）が変わることによって
ヘリウムガスしかも２０に以上ではほぼ温度に比例して
変化することがわかる。
一方、熱交換器の管外伝熱係数および流れ抵抗による圧
力損失についてみると、粘性係数が低下すると境界層厚
さが小さくなるので伝熱係数は増大し、圧力損失は低減
する。また熱伝導率が低下すると伝熱係数も低下する。
力損失についてみると、粘性係数が低下すると境界層厚
さが小さくなるので伝熱係数は増大し、圧力損失は低減
する。また熱伝導率が低下すると伝熱係数も低下する。
したがって、伝熱係数の場合は粘性係数の影響と熱伝導
率の影響が相殺される形になり、直接的には湿度変化の
影響をあまりうけないが、圧力損失は粘性係数の影響を
う°けて温度が低下するほど低減すること薔こなる。
率の影響が相殺される形になり、直接的には湿度変化の
影響をあまりうけないが、圧力損失は粘性係数の影響を
う°けて温度が低下するほど低減すること薔こなる。
すなわち、作動温度レベルの晶い第１熱交換器や第２熱
交換器はど熱交換器単位長さ当りの圧力損失が太き曵な
るわけである。そこで、作動温度レベルの高い熱交換器
はどフィン間隙を増し、フィン高さを増すことによって
ガス流路面積を大きくすれば圧力損失の増加を防畷゛こ
とができる。
交換器はど熱交換器単位長さ当りの圧力損失が太き曵な
るわけである。そこで、作動温度レベルの高い熱交換器
はどフィン間隙を増し、フィン高さを増すことによって
ガス流路面積を大きくすれば圧力損失の増加を防畷゛こ
とができる。
第５図の例は従来公知例であるフィン間隙δを一定にし
たときと、本発明の如くフィン間隙δを示したものであ
る。
たときと、本発明の如くフィン間隙δを示したものであ
る。
この例ではフィン間隙を変えたことによる圧力損失の低
減の効果のみを示したが、圧力損失の低減蚤こよって伝
熱係数が改善されるという波及効果もある。すなわち、
圧力損失が低減するとフィン間以外の隙間を通るバイパ
ス流れが減少するため、フィン１４とガスとの熱交換が
よ４行われるようになるのである。そして、この効果が
伝熱係数向上に及ぼす影響は大きい。
減の効果のみを示したが、圧力損失の低減蚤こよって伝
熱係数が改善されるという波及効果もある。すなわち、
圧力損失が低減するとフィン間以外の隙間を通るバイパ
ス流れが減少するため、フィン１４とガスとの熱交換が
よ４行われるようになるのである。そして、この効果が
伝熱係数向上に及ぼす影響は大きい。
その状況を第６図によって説明すると、フィン間隙δを
小さくしていくと、フィン管単位長さ当りの伝熱面積Ａ
は曲線■の如く増すが、管外側、の伝熱係数αは曲線■
に示すようにある限界まではフィン間隙δが小さくなる
にし気が、てガス流速が増すために上昇するけれどもあ
まりフィン間隙δが小さくなると圧力損失が増大するた
めフィン間以外の隙間を通るバイパス流れが増加し、管
外側の伝熱係数αが急激に低下しはじめる。熱交換器の
伝熱性能は管外側の伝熱係数αとフィン管単位長さ当り
の伝熱面積Ａの積によって決まるのであるから曲線■に
示すように曲線■がピークになるときのフイ／間隙δよ
りも少し小さいフィン間隙δのところでピークになり、
それよりもフィン間隙δが小さくなると伝熱性能として
低下することがオ）かる。
小さくしていくと、フィン管単位長さ当りの伝熱面積Ａ
は曲線■の如く増すが、管外側、の伝熱係数αは曲線■
に示すようにある限界まではフィン間隙δが小さくなる
にし気が、てガス流速が増すために上昇するけれどもあ
まりフィン間隙δが小さくなると圧力損失が増大するた
めフィン間以外の隙間を通るバイパス流れが増加し、管
外側の伝熱係数αが急激に低下しはじめる。熱交換器の
伝熱性能は管外側の伝熱係数αとフィン管単位長さ当り
の伝熱面積Ａの積によって決まるのであるから曲線■に
示すように曲線■がピークになるときのフイ／間隙δよ
りも少し小さいフィン間隙δのところでピークになり、
それよりもフィン間隙δが小さくなると伝熱性能として
低下することがオ）かる。
すなわち、フィン間隙δとしてはバイパス流れが増加し
て管外側の伝熱係数δが急激蚤こ低下するほど小さ曵し
ない方がよいわけで、その眼界はヘリウムガスの粘性に
も左右されるので、当然のことながら熱交換器の作動温
度レベルによって■界フィン間隙が異なる。
て管外側の伝熱係数δが急激蚤こ低下するほど小さ曵し
ない方がよいわけで、その眼界はヘリウムガスの粘性に
も左右されるので、当然のことながら熱交換器の作動温
度レベルによって■界フィン間隙が異なる。
以上、フィン間隙だけを熱交換器の作動温度レベルに応
じて変化させた場合について述べたが、その場合、第７
図（ａ）に示すようにフィン高さｈは変らずにフィン間
隙のみδからδ′に増大するのでガス流路が矩形になる
このδ′とｈの比が１に近い間は問題ないが、あまり大
き曵なると流れ抵抗による圧力損失は小さい方の寸法り
の影響を強くりでない。そこで第７図（ｂ）のようにガ
ス流路が１１ぼ正方形を保ちつつ拡大するようにフィン
δをシ′にすると同時にフィン高さｈもｈ′にするのが
よい。その場合フィン板厚ｔを一定のままでフィン高さ
ｈ＝＜増すとフィン効率が低下するのでフィン高さをｈ
からｈ’ｔこすると同時にフィン板厚ｔ’；ｔ’に増加
するのが効果的である。すなわち、熱交換器の作動温度
レベルに応じてフィン間隙、フィンｌｌ’ｆ１さならび
にフィン板すを変えるのかより効果的である。
じて変化させた場合について述べたが、その場合、第７
図（ａ）に示すようにフィン高さｈは変らずにフィン間
隙のみδからδ′に増大するのでガス流路が矩形になる
このδ′とｈの比が１に近い間は問題ないが、あまり大
き曵なると流れ抵抗による圧力損失は小さい方の寸法り
の影響を強くりでない。そこで第７図（ｂ）のようにガ
ス流路が１１ぼ正方形を保ちつつ拡大するようにフィン
δをシ′にすると同時にフィン高さｈもｈ′にするのが
よい。その場合フィン板厚ｔを一定のままでフィン高さ
ｈ＝＜増すとフィン効率が低下するのでフィン高さをｈ
からｈ’ｔこすると同時にフィン板厚ｔ’；ｔ’に増加
するのが効果的である。すなわち、熱交換器の作動温度
レベルに応じてフィン間隙、フィンｌｌ’ｆ１さならび
にフィン板すを変えるのかより効果的である。
明
木発財は、以−ト説Ｉ′ｌ！」シたように、フィン管式
熱交換器の作動温度レベルが晶くなるにしたがって層 フィン間隙、フィン高さならびにライノ＆舛を太きくし
たことで、作動温度レベルに応じた圧力損失が低減し伝
熱係数が向上した経済的なフィン管式熱交換器を提供で
きる効果がある。
熱交換器の作動温度レベルが晶くなるにしたがって層 フィン間隙、フィン高さならびにライノ＆舛を太きくし
たことで、作動温度レベルに応じた圧力損失が低減し伝
熱係数が向上した経済的なフィン管式熱交換器を提供で
きる効果がある。
第１図から第３図は従来のフィン管式熱交換器例な説明
するもので、第１図はヘリウム冷凍機の全体構成を示す
システムフローシート、第２図は従来公知のフィン管式
熱交換器の部分断面図、第３図はフィン管の長手方向断
面図である。第４図から第７図は本発明による一実施例
を説明するもので、第４図はヘリウムガスの物性を示す
説明図、第５図は本実施例の効果の一例な示す説明図、
第６図はフィン間隙が管外側伝熱性能に及ぼす効果ケ示
す説明図、第７図はフィン管の長手方向断面図である。 １ト・・・・・外筒シェル、】２・・・・・・内筒シェ
ル、１３・・・・・・才１図 才４１ ０ フィンＶ責さ オ６図 フィンＭ陸：５
するもので、第１図はヘリウム冷凍機の全体構成を示す
システムフローシート、第２図は従来公知のフィン管式
熱交換器の部分断面図、第３図はフィン管の長手方向断
面図である。第４図から第７図は本発明による一実施例
を説明するもので、第４図はヘリウムガスの物性を示す
説明図、第５図は本実施例の効果の一例な示す説明図、
第６図はフィン間隙が管外側伝熱性能に及ぼす効果ケ示
す説明図、第７図はフィン管の長手方向断面図である。 １ト・・・・・外筒シェル、】２・・・・・・内筒シェ
ル、１３・・・・・・才１図 才４１ ０ フィンＶ責さ オ６図 フィンＭ陸：５
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 内筒ンエルと、外筒シェルと、フィンが外表面に設
けられ前記内筒シェルと前記外筒シェルとで形成された
空間で前記内筒シェルに巻装された伝熱管とでなる熱交
換器において、前ｎＣフィンのフィン間隙、フィン高さ
ならびにフィン板厚を前記熱交換器の作動温度レベルが
高くなるにしたがって太き鳴したことを特徴とするフィ
ン管式熱交換器。 ２ 前記フィン間隙、ライン高さならびにフィン板厚を
ｌｉｌ前記熱交換器の作動温度レベルが高くなる蚤こし
たがってほぼ比例的に大きくした特許請求の範囲第１項
記載のフィン管式熱交換器。 ３ 前記フィン間隙と前記フィン凸さとを、前記フィン
間隙と前記フィン品さとが略正方形を保持可能に変化さ
せた特許請求の範囲第２項記載の
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8865185A JPS60238681A (ja) | 1985-04-26 | 1985-04-26 | フイン管式熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8865185A JPS60238681A (ja) | 1985-04-26 | 1985-04-26 | フイン管式熱交換器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60238681A true JPS60238681A (ja) | 1985-11-27 |
Family
ID=13948718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8865185A Pending JPS60238681A (ja) | 1985-04-26 | 1985-04-26 | フイン管式熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60238681A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6942016B2 (en) | 2002-04-22 | 2005-09-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Heat pipe |
| KR100744486B1 (ko) * | 2001-06-12 | 2007-08-01 | 한라공조주식회사 | 열교환기 |
-
1985
- 1985-04-26 JP JP8865185A patent/JPS60238681A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100744486B1 (ko) * | 2001-06-12 | 2007-08-01 | 한라공조주식회사 | 열교환기 |
| US6942016B2 (en) | 2002-04-22 | 2005-09-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Heat pipe |
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