JP2004085013A

JP2004085013A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2004085013A
Application number: JP2002244221A
Authority: JP
Inventors: Isao Fujinami; 藤波　功; Nobuyuki Taniguchi; 谷口　伸之
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】熱交換器を実用化するに当たって最適な伝熱管とフィンとの組み合わせを実現し、もって性能向上と組立作業性の向上とを図る。
【解決手段】伝熱管１１と、該伝熱管１１の外周に対して直交状態で嵌挿される多数の板状フィン１２，１２・・とからなる熱交換器において、前記伝熱管１１の管径を１８ｍｍ〜２３ｍｍの範囲に設定する一方、前記各板状フィン１２の板厚を０．１５ｍｍ〜０．２０ｍｍの範囲に設定して、各板状フィン１２が十分な強度を有するようにし、もって熱交換器の実用化を図り得るようにしている。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、吸収式冷凍装置において排熱回収熱交換器等に用いられる熱交換器としては、伝熱管と、該伝熱管の外周に対して直交状態で嵌挿される多数の板状フィンとにより構成したものがある（例えば、特開平７−１９６４７号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公知例の熱交換器の場合、実用化に当たって種々の不具合を有している。
【０００４】
例えば、気液分離器からの溶液を溶液ポンプで排熱回収熱交換器に循環させるように構成されている吸収式冷凍装置において用いられる排熱回収熱交換器の場合、溶液循環量を増大させることにより、排熱回収熱交換器の出口側における溶液温度を低くでき、温度効率の点から排熱回収量を増やすことができることとなっている。従って、排熱回収熱交換器の溶液循環量は多いほどよいこととなる。
【０００５】
ところが、従来からよく知られている圧縮サイクル式冷凍装置において用いられている空冷熱交換器の場合、管径６ｍｍ〜１２ｍｍ程度の伝熱管と板厚０．１ｍｍ程度のフィンとが通常用いられており、このような管径の伝熱管を排熱回収熱交換器に使用すると、管径が細すぎるため、圧損が大きくなり過ぎて効率低下を招くこととなる。
【０００６】
上記のような理由から、排熱回収熱交換器においては、管径の大きな伝熱管を使用する必要があり、圧縮サイクル式冷凍装置に用いられている空冷熱交換器と同様な伝熱管およびフィンを採用することが難しい。
【０００７】
上記のような構造の熱交換器を製造する場合、伝熱管に板状フィンを嵌挿した後、伝熱管を拡管することにより伝熱管と板状フィンとを一体的に結合することとなっているが、伝熱管の管径が大きくなると、板厚０．１ｍｍの板状フィンでは、フィン強度が不十分なため、拡管時にフィンがたわむおそれがある。このようなたわみを防止するためには、拡管率を下げる必要があるが、すると、伝熱管と板状フィンとの密着不良が生じ、性能の低下につながる。逆に、拡管率を上げて伝熱管と板状フィンとの密着度を確保しようとすると、板状フィンが変形して空気側圧損の増加を招くという不具合が生じる。また、板状フィンの板厚を厚くし過ぎると、空気側圧損が増加するばかりでなく、コストアップを招くこととなる。さらに、この種の熱交換器は横幅０．６ｍ〜１．０ｍ程度の長さとされているため、板状フィンの長さも同等に長くなるし、伝熱管の管径も大きくなっているので、伝熱管に板状フィンを嵌挿する際の抵抗も大きくなるところから、伝熱管に板状フィンを嵌挿する作業が非常にやりずらくなるという不具合も生じる。
【０００８】
本願発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、熱交換器を実用化するに当たって最適な伝熱管とフィンとの組み合わせを実現し、もって性能向上と組立作業性の向上とを図ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明では、上記課題を解決するための第１の手段として、伝熱管１１と、該伝熱管１１の外周に対して直交状態で嵌挿される多数の板状フィン１２，１２・・とからなる熱交換器において、前記伝熱管１１の管径を１８ｍｍ〜２３ｍｍの範囲に設定する一方、前記各板状フィン１２の板厚を０．１５ｍｍ〜０．２０ｍｍの範囲に設定している。
【００１０】
上記のように構成したことにより、各板状フィン１２が十分な強度を有することとなり、伝熱管１１に板状フィン１２，１２・・を組み付ける際の拡管加工時に板状フィン１２，１２・・がたわむことがなくなる。その結果、十分な拡管率で拡管加工を行うことができることとなるため、伝熱管１１と板状フィン１２，１２・・との密着性を確保でき、熱交換性能が向上する。
【００１１】
因に、板状フィン１２の板厚ｔｆの変化による空気側熱伝達率Ｒ・ａ_０の変化を調べたところ、図６に示すように、板状フィン１２の板厚ｔｆ＝０．１５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲において同一通風抵抗ΔＰでは極大を示すことが分かった。つまり、同一通風抵抗ΔＰでは板状フィン１２の板厚ｔｆ＝０．１５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲において最高の性能を得ることができるのである。なお、板状フィン１２の板厚ｔｆ＝０．１８ｍｍとするのが性能向上の上から望ましい。
【００１２】
本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第２の手段として、上記第１の手段を備えた熱交換器において、前記板状フィン１２，１２・・のフィンピッチＰｆを１．６ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定することもでき、そのように構成した場合、送風動力増加を最小限に抑えることができる。なお、フィンピッチＰｆ＜１．６ｍｍとした場合、通風抵抗が大きくなり過ぎてファン動力が増加してしまうし、フィンピッチＰｆ＞２．０ｍｍとすると、板状フィン１２の数が減り過ぎて熱交換作用が不十分となる。
【００１３】
本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第３の手段として、上記第１又は第２の手段を備えた熱交換器において、前記各板状フィン１２に、多数のルーバ形状の切り起こし片１６，１６・・を形成することもでき、そのように構成した場合、切り起こし片１６，１６・・による境界層破壊の促進により伝熱性能が向上するとともに、フィン強度が高まって伝熱管１１への板状フィン１２，１２・・の嵌挿作業性も向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本願発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１５】
本実施の形態にかかる熱交換器は、吸収式冷凍装置における排熱回収再生器において使用されるものである。
【００１６】
前記排熱回収再生器は、図１に示すように、気液分離器１と排熱回収用の熱交換器Ａとからなっており、気液分離器１内に供給された希溶液Ｌａを溶液ポンプＬＰにより熱交換器Ａに送り込み、該熱交換器Ａにおいて排ガスＧと熱交換させることにより前記希溶液Ｌａを加熱し、この希溶液Ｌａを前記気液分離器１に還流させ、該気液分離器１内において濃溶液Ｌｍと冷媒蒸気Ｒとに分離することとなっている。符号２はエリミネータである。
【００１７】
上記熱交換器Ａは、図２に示すように、希溶液Ｌａが流れる多数の伝熱管１１，１１・・と、該伝熱管１１，１１・・の外周に対して直交状態で嵌挿される多数の板状フィン１２，１２・・とからなっている。符号３は管板である。
【００１８】
前記各板状フィン１２は、図３および図４に示すように、排ガスＧの流通方向にフィン基板１２ａが波形とされたワッフルフィンとされており、伝熱管１１が嵌挿される部分にはフィンカラー１５が一体に形成されている。また、各板状フィン１２には、多数のルーバ形状の切り起こし片１６，１６・・が形成されている。なお、板状フィン１２をワッフルフィンとした場合、伝熱性能の向上を図ることができるが、板状フィン１２のフィン基板１２ａを平板形状としてもよい。
【００１９】
本実施の形態にかかる熱交換器Ａは、伝熱管１１，１１・・をフィン１２，１２・・のフィンカラー１５，１５・・に嵌挿した後、伝熱管１１，１１・・を拡管加工することにより組み立てられることとなっている。
【００２０】
前記切り起こし片１６，１６・・は、板状フィン１２の上下に次のようにして形成される。即ち、図５に示すように、板状フィン１２のフィン基板１２ａに送風Ｗと直交する所定長さの一対の切込１７，１７をいれ、該切込１７，１７を一方を上方に他方を下方に引き起こすことにより一対の切り起こし片１６，１６が形成される。この切り起こし片１６は、境界層破壊を促進させる作用を有することは勿論であるが、基部１６ａと立ち上がり部１６ｂ，１６ｂとがフィン基板１２ａにつながっているため、フィン強度を高める補強リブとしても作用する。このようにすると、切り起こし片１６による境界層破壊の促進により伝熱性能が向上するとともに、フィン強度が高まって伝熱管１１への板状フィン１２の嵌挿作業性も向上する。なお、断面コ字状のスリットフィンタイプの切り起こし片でも、ルーバ形状の切り起こし片と同等の伝熱性能向上効果が得られるが、強度の点からルーバ形状の切り起こし片の方がより好ましい。
【００２１】
前記各伝熱管１１は、熱良導体（例えば、銅）からなっており、その管径φは１８ｍｍ〜２３ｍｍの範囲に設定するのが望ましく、最も望ましくは１９．１ｍｍに設定される。一方、前記各板状フィン１２は、熱良導体（例えば、アルミニウムあるいはアルミニウム合金）からなっており、その板厚ｔｆは０．１５ｍｍ〜０．２０ｍｍの範囲に設定するのが望ましく、最も望ましくは０．１８ｍｍに設定される。また、板状フィン１２，１２・・のフィンピッチＰｆは１．６ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定するのが望ましく、最も望ましくは１．８ｍｍに設定される。
【００２２】
上記のように構成したことにより、板状フィン１２が十分な強度を有することとなり、伝熱管１１，１１・・に板状フィン１２，１２・・を組み付ける際の拡管加工時に板状フィン１２，１２・・がたわむことがなくなる。その結果、十分な拡管率で拡管加工を行うことができることとなるため、伝熱管１１と板状フィン１２との密着性を確保でき、熱交換性能が向上する。
【００２３】
因に、板状フィン１２の板厚ｔｆの変化による空気側熱伝達率Ｒ・ａ_０の変化を調べたところ、図６に示すように、板状フィン１２の板厚ｔｆ＝０．１５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲において同一通風抵抗では極大を示すことが分かった。つまり、同一通風抵抗では板状フィン１２の板厚ｔｆ＝０．１５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲において最高の性能を得ることができるのである。なお、板状フィン１２の板厚ｔｆ＝０．１８ｍｍとするのが性能向上の上から望ましい。
【００２４】
また、板状フィン１２のフィンピッチＰｆについては、フィンピッチＰｆ＝１．６ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定することが望ましいことが分かる。このようにすると、冷却用のファンＦの動力増加を最小限に抑えることができる。なお、フィンピッチＰｆ＜１．６ｍｍとした場合、通風抵抗が大きくなり過ぎてファン動力が増加し過ぎることとなるし、フィンピッチＰｆ＞２．０ｍｍとすると、板状フィン１２の数が減り過ぎて熱交換作用が不十分となる。
【００２５】
本実施の形態にかかる熱交換器を排熱回収用熱交換器として使用した場合、圧損を増大させることなく、溶液循環量を増やすことが可能となり、その結果排熱回収量を増加させることができることとなる。
【００２６】
上記実施の形態においては、排熱回収用熱交換器について説明したが、本願発明は、空冷吸収式冷凍装置に用いられる空冷吸収器やチラーからの熱媒体と空気が熱交換するエアハンドリング用熱交換器等にも適用可能なことは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
本願発明の第１の手段によれば、伝熱管１１と、該伝熱管１１の外周に対して直交状態で嵌挿される多数の板状フィン１２，１２・・とからなる熱交換器において、前記伝熱管１１の管径を１８ｍｍ〜２３ｍｍの範囲に設定する一方、前記各板状フィン１２の板厚を０．１５ｍｍ〜０．２０ｍｍの範囲に設定して、各板状フィン１２が十分な強度を有するようにしたので、伝熱管１１に板状フィン１２，１２・・を組み付ける際の拡管加工時に板状フィン１２，１２・・がたわむことがなくなって、十分な拡管率で拡管加工を行うことができることとなるため、伝熱管１１と板状フィン１２，１２・・との密着性を確保でき、熱交換性能が向上するという効果がある。
【００２８】
本願発明の第２の手段におけるように、上記第１の手段を備えた熱交換器において、前記板状フィン１２，１２・・のフィンピッチＰｆを１．６ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定することもでき、そのように構成した場合、送風動力増加を最小限に抑えることができる。
【００２９】
本願発明の第３の手段におけるように、上記第１又は第２の手段を備えた熱交換器において、前記各板状フィン１２に、多数のルーバ形状の切り起こし片１６，１６・・を形成することもでき、そのように構成した場合、切り起こし片１６，１６・・による境界層破壊の促進により伝熱性能が向上するとともに、フィン強度が高まって伝熱管１１への板状フィン１２，１２・・の嵌挿作業性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態にかかる熱交換器を使用した排熱回収再生器の構成図である。
【図２】本願発明の実施の形態にかかる熱交換器（排熱回収熱交換器）の斜視図である。
【図３】本願発明の実施の形態にかかる熱交換器の拡大横断平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ拡大断面図である。
【図５】本願発明の実施の形態にかかる熱交換器における板状フィンの要部拡大斜視図である。
【図６】本願発明の実施の形態にかかる熱交換器における板状フィンの性能を比較した特性図である。
【符号の説明】
１１は伝熱管、１２は板状フィン、１６は切り起こし片、Ａは熱交換器、φは管径、ｔｆは板厚、Ｐｆはフィンピッチ。

Claims

伝熱管（１１）と、該伝熱管（１１）の外周に対して直交状態で嵌挿される多数の板状フィン（１２），（１２）・・とからなる熱交換器であって、前記伝熱管（１１）の管径（φ）を１８ｍｍ〜２３ｍｍの範囲に設定する一方、前記各板状フィン（１２）の板厚（ｔｆ）を０．１５ｍｍ〜０，２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする熱交換器。
前記板状フィン（１２），（１２）・・のフィンピッチ（Ｐｆ）を１．６ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする前記請求項１記載の熱交換器。
前記各板状フィン（１２）には、多数のルーバ形状の切り起こし片（１６），（１６）・・を形成したことを特徴とする前記請求項１および２のいずれか一項記載の熱交換器。