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伝熱装置 コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P110005005
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-552994
登録番号 特許第4982870号
出願日 平成18年12月27日(2006.12.27)
登録日 平成24年5月11日(2012.5.11)
国際出願番号 JP2006326387
国際公開番号 WO2007077968
国際出願日 平成18年12月27日(2006.12.27)
国際公開日 平成19年7月12日(2007.7.12)
優先権データ
  • 特願2005-380338 (2005.12.28) JP
発明者
  • 西野 耕一
  • 宋 吉達
出願人
  • 国立大学法人横浜国立大学
発明の名称 伝熱装置 コモンズ 外国出願あり
発明の概要

本発明は、気流速度を比較的低速に設定した熱交換器において、熱搬送流体の圧力損失の増大を抑制しつつ、伝熱効果を促進することができる伝熱装置を提供する。伝熱体(T)の各側には、複数の縦渦発生翼(10)がスパン方向に配列される。縦渦発生翼は、熱搬送流体(A)を同方向に変向させ、熱搬送流体を伝熱体の後方領域に導くように実質的に同じ方向に配向される。各縦渦発生翼は、熱搬送流体の上流側に向かって高さが漸減する形態を有する。複数の縦渦発生翼を乗り越えて後方に流動する熱搬送流体は、複数の縦渦流を縦渦発生翼の後方に形成する。

従来技術、競合技術の概要


一般に、流体を冷却又は加熱する熱交換器は、冷却又は加熱すべき熱媒体流体を流通する伝熱管を備え、伝熱管の周囲に空気等の熱搬送流体を強制流動するように構成される。伝熱管内の熱媒体流体は、伝熱管の管壁を介してなされる熱搬送流体との熱交換により、冷却又は加熱される。このような熱交換器では、熱搬送流体(空気等)の熱抵抗が伝熱性能を支配することから、熱搬送流体と伝熱管との伝熱接触面積を増大させるとともに、伝熱促進を意図した多種多様な形態の伝熱フィンが、伝熱管に取付けられる。



例えば、スパイラル形態の金属フィンを金属管に取付け、金属管を千鳥配置又は碁盤目配置に配列した構成を有するハイフィンチューブ形熱交換器や、コンパクト形熱交換器の一種として知られるフィンチューブ形又はプレートフィン・アンド・チューブ形の熱交換器が、各種発電施設の熱媒体循環回路、空気調和設備の熱媒体循環回路、各種内燃機関の冷却水循環回路等に組み込まれる。



この種の熱交換器は、伝熱管内を流通する熱媒体流体と、管外領域を流動する気流との熱交換により、管内の熱媒体流体を冷却又は加熱する。伝熱フィンは、伝熱管の伝熱面積を増大し、管外気流と管内流体との熱交換効率を向上するように機能する。このような熱交換器において熱交換器の性能向上を図る手段として、多数のディンプル又はスリットをフィンに形成した構造の熱交換器、或いは、伝熱フィンの伝熱効率を向上させることを意図した切り起こし部をフィンに形成した熱交換器が知られている(特開平11-118379号公報、特開平7-217999号公報、特開平8-291988号公報、特開昭61-110889号公報等)。



このような従来の技術では、フィン形状の改良により伝熱効果を向上するように設計し得たとしても、その反面、熱交換器を流通する気流の圧力損失が大きく増大する。このため、フィン形状の改良により伝熱作用を促進し、同時に、気流の圧力損失を低減し、或いは、これを大きく増大させないようにすることは、現実には困難であると考えられてきた。



気流の圧力損失を増大することなく熱交換器の伝熱効果を向上することを意図した技術として、伝熱管背後の死水領域に空気流を噴流させるとともに、伝熱効果を促進するための縦渦流を形成する縦渦発生手段(Vortex Generator) を備えた熱交換器の伝熱装置が、PCT国際公開公報WO2003/014649号に開示されている。この縦渦発生手段は、伝熱管の近傍に配置されたデルタ小翼(三角翼片、delta-winglet)からなり、デルタ小翼は、伝熱管近傍の気流を加速するとともに、デルタ小翼の後方に旋回流を形成し、剥離抑制、死水領域減縮及び縦渦発生の効果によって熱交換器の伝熱作用を促進する。



上記PCT国際公開公報WO2003/014649号に記載された縦渦発生手段は、一対のデルタ小翼を伝熱管に配置した構成のものであり、伝熱管背後の剥離後流領域を減縮するとともに、デルタ小翼を乗り越えた気流によってデルタ小翼の後方に縦渦流を発生させ、これにより、気流の圧力損失を増大させることなく熱交換器の伝熱効果を促進することを企図したものである。



一般に、伝熱促進を図るために気流の流量(流速)を増大させると、気流のレイノルズ数の増大に伴って、気流の圧力損失が大きく増大する。このため、圧力損失増大を抑制しつつ、伝熱促進を図ることは困難であると考えられてきた。しかし、上記構成の縦渦発生手段を設けた熱交換器では、気流のレイノルズ数が増大した場合であっても、圧力損失増大に比べて伝熱促進効果が大きく、これ自体、極めて顕著な作用であると考えられる。しかしながら、この縦渦発生手段は、気流速度が比較的高速に設定される比較的大型の熱交換器においては所期の効果を達成し得るものであったが、気流速度が比較的低速に設定される比較的小型の熱交換器においては、伝熱促進効果が比較的少なく、有益な伝熱性能を発揮し難いと判明した。このため、伝熱効果向上及び圧力損失抑制の両効果を発揮する比較的小型の熱交換器を一対の縦渦発生手段のみによって実現することは困難であると考えられる。



特開昭61-99097号公報及び特開昭61-91495号公報には、複数の方形起立壁を気流の流れ方向に配列した構成の伝熱装置が開示されている。これらの起立板が縦渦を発生させたとしても、各起立板の縦渦は、互いに干渉する。このため、下流側に持続する縦渦の効果は得られず、伝熱装置は、高い伝熱効果を発揮し難い。



本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気流速度を比較的低速に設定した熱交換器において、熱搬送流体の圧力損失の増大を抑制しつつ伝熱効果を促進することができる伝熱装置を提供することにある。

【特許文献1】特開平11-118379号公報

【特許文献2】特開平7-217999号公報

【特許文献3】特開平8-291988号公報

【特許文献4】特開昭61-110889号公報

【特許文献5】WO2003/014649号公報

【特許文献6】特開昭61-99097号公報

【特許文献7】特開昭61-91495号公報

産業上の利用分野


本発明は、伝熱装置に関するものであり、より詳細には、熱搬送流体の剥離抑制手段且つ縦渦発生手段として機能する縦渦発生翼を備えた伝熱装置に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】 熱搬送流体と伝熱接触する線型又は管状の伝熱体と、
該伝熱体に対して熱伝達可能に一体化した伝熱フィンと、
伝熱体近傍を流動する前記熱搬送流体を伝熱体背後の剥離後流領域に導き、該剥離後流領域を減縮するとともに、後方に縦渦流を発生させる伝熱フィン上の縦渦発生翼とを備えた伝熱装置において、
前記伝熱体の各側には、複数の前記縦渦発生翼がスパン方向に配列され、各縦渦発生翼は、前記熱搬送流体を同方向に変向させ、該熱搬送流体を前記伝熱体の後方領域に導くように、互いに平行に配置されるとともに、各縦渦発生翼を乗り越えて後方に流動する前記熱搬送流体が縦渦流を形成するように前記熱搬送流体の上流側に向かって高さが漸減する形態を有し、
隣り合う前記縦渦発生翼は、下流側から見て、該縦渦発生翼の1/3~2/3のスパン方向範囲において互いに重なり合うように配置され、
前記伝熱体の各側に配列された複数の縦渦発生翼の後端部は、該伝熱体に接近するにつれて前記熱搬送流体の流れ方向後方に段階的且つ相対的にずれるように配置され、前記伝熱体に最も接近した前記縦渦発生翼の後端部は、該伝熱体の後端部の側方又はその上流側に位置することを特徴とする伝熱装置。
【請求項2】 伝熱効果比(j/j0)が、前記縦渦発生翼を設置した場合の無次元熱伝達率(j)と、該縦渦発生翼を設置しない場合の無次元熱伝達率(j0)との比率として定義され、
圧力損失比(f/f0)が、前記縦渦発生翼を設置した場合の圧力損失係数(f)と、該縦渦発生翼を設置しない場合の圧力損失係数(f0)との比率として定義され、
レイノルズ数Re=400~500の前記流体に対し、伝熱効果比(j/j0)≧1.40、伝熱効果比(j/j0)/圧力損失比(f/f0)>1.0の特性が、前記縦渦発生翼によって設定されたことを特徴とする請求項1に記載の伝熱装置。
【請求項3】 伝熱効果比(j/j0)が、前記縦渦発生翼を設置した場合の無次元熱伝達率(j)と、該縦渦発生翼を設置しない場合の無次元熱伝達率(j0)との比率として定義され、
圧力損失比(f/f0)が、前記縦渦発生翼を設置した場合の圧力損失係数(f)と、該縦渦発生翼を設置しない場合の圧力損失係数(f0)との比率として定義され、
レイノルズ数Re=300の前記流体に対する伝熱性能が、伝熱効果比(j/j0)≧1.30、伝熱効果比(j/j0)/圧力損失比(f/f0)>1.0の特性を有し、
前記流体のレイノルズ数が300~500の範囲内で変化するときに、前記伝熱効果比(j/j0)が、該レイノルズ数の変化に応答して、伝熱効果比(j/j0)/圧力損失比(f/f0)>1.5の範囲内で変化することを特徴とする請求項1に記載の伝熱装置。
【請求項4】 前記縦渦発生翼は、底辺が伝熱フィンの平面に位置する三角形の形態を有し、三角形の斜辺は、熱搬送流体の上流側に向かって傾斜した上縁を構成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の伝熱装置。
【請求項5】 3対又は4対の前記縦渦発生翼が、伝熱体の両側に対称に配置されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の伝熱装置。
【請求項6】 前記熱搬送流体の流れ方向に対する前記縦渦発生翼の迎え角は、10~45°の範囲内に設定されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の伝熱装置。
【請求項7】 前記伝熱体は、冷却又は加熱すべき熱媒体流体を流通可能な円形断面の伝熱管からなり、前記縦渦発生翼の全長は、前記伝熱管の半径よりも大きな寸法値に設定されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の伝熱装置。
【請求項8】 前記縦渦発生翼の全長は、前記伝熱管の直径よりも大きな寸法値に設定されることを特徴とする請求項に記載の伝熱装置。
【請求項9】 熱搬送流体と伝熱接触する線型又は管状の伝熱体と、
該伝熱体に対して熱伝達可能に一体化した伝熱フィンと、
伝熱体近傍を流動する前記熱搬送流体を伝熱体背後の剥離後流領域に導き、該剥離後流領域を減縮するとともに、後方に縦渦流を発生させる伝熱フィン上の縦渦発生翼とを備えた伝熱装置において、
前記伝熱体の各側には、複数の前記縦渦発生翼がスパン方向に配列され、各縦渦発生翼は、前記熱搬送流体を同方向に変向させ、該熱搬送流体を前記伝熱体の後方領域に導くように、互いに平行に配置されるとともに、各縦渦発生翼を乗り越えて後方に流動する前記熱搬送流体が縦渦流を形成するように前記熱搬送流体の上流側に向かって高さが漸減する三角形の形態を有し、
前記伝熱体の各側に配列された複数の縦渦発生翼の後端部及び上流端は夫々、該伝熱体に接近するにつれて前記熱搬送流体の流れ方向後方に段階的且つ相対的にずれるように配置され、前記伝熱体に最も接近した前記縦渦発生翼の後端部は、該伝熱体の後端部の側方又はその上流側に位置し、前記伝熱体から最も離れた前記縦渦発生翼の上流端は、該伝熱体の上流端よりも上流側に位置することを特徴とする伝熱装置。
【請求項10】 前記熱搬送流体の流れ方向に対する前記縦渦発生翼の迎え角は、10~45°の範囲内に設定されることを特徴とする請求項に記載の伝熱装置。
【請求項11】 前記伝熱体は円形断面の伝熱管からなり、前記縦渦発生翼の全長は、前記伝熱管の直径よりも大きな寸法値に設定されることを特徴とする請求項9又は10に記載の伝熱装置。
産業区分
  • 加熱冷却
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2007552994thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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