JP2009052874A - Plate fin type heat exchanger - Google Patents

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紗矢香 山田
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康夫 東
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact plate fin type heat exchanger with heat transfer fins formed in an etching technique, having reduced pressure drop, improved heat exchanging performance and reduced machining cost by optimizing the shape and array of the fins. <P>SOLUTION: In the plate fin type heat exchanger, metal thin plates 6 having the plurality of heat transfer fins 7 protruded on the surfaces are alternately layered to form a flow path 8 for heat exchanging fluid between the opposed thin plates 6. The cross section of each heat transfer fin 7 cut in a plane parallel to the thin plate 6 is blade-shaped with a combination of curves having no inflection point. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、プレートフィン式熱交換器に関し、特に、プレートフィン式熱交換器の伝熱フィン(以下、フィンとも言う)に関するものである。   The present invention relates to a plate fin heat exchanger, and more particularly to a heat transfer fin (hereinafter also referred to as a fin) of a plate fin heat exchanger.

近年、ステンレス鋼板やアルミニウム板等の薄板金属の表面に、伝熱フィンを有するプレートフィン式熱交換器が開発され、実用化されて来ている。プレート式熱交換器の熱交換効率を向上させるため、前記プレートにフィンを形成したこの様なプレートフィン式熱交換器の従来例に関し、図14を参照しながら以下説明する。図14は従来例の熱交換器に係り、金属薄板状プレートの表面に形成された伝熱フィンの配置を説明する図である。   In recent years, plate fin heat exchangers having heat transfer fins on the surface of thin metal plates such as stainless steel plates and aluminum plates have been developed and put into practical use. In order to improve the heat exchange efficiency of the plate heat exchanger, a conventional example of such a plate fin heat exchanger in which fins are formed on the plate will be described below with reference to FIG. FIG. 14 is a diagram for explaining the arrangement of heat transfer fins formed on the surface of a thin metal plate plate in a conventional heat exchanger.

図14に示す従来例に係る熱交換器は、エッチング技術等を用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する2つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにした熱交換器において、前記伝熱フィン19は、先端19aから後端19bに向かって略S字状曲線の断面形状を形成し、前記伝熱フィン19間を流れる流体の流路面積を略一定にしたものである(特許文献1参照)。   The heat exchanger according to the conventional example shown in FIG. 14 is provided with a plurality of heat transfer fins on a thin metal plate using an etching technique or the like, and alternately stacking the thin metal plates so that the two opposing metal In the heat exchanger configured to form a heat exchange fluid flow path between the thin plate-like plates, the heat transfer fin 19 forms a substantially S-shaped curved cross-section from the front end 19a to the rear end 19b. The flow path area of the fluid flowing between the heat transfer fins 19 is made substantially constant (see Patent Document 1).

上記従来例に係る熱交換器によれば、エッチング技術等を用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィン19を設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する2つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにしたので、前記伝熱フィン19間の流路が、前記熱交換流体の流れ方向にS字状に屈曲しているため圧力損失は小さいが、満足のいく伝熱性能は得られない。
特開2006−170549号公報
According to the heat exchanger according to the above-described conventional example, a plurality of heat transfer fins 19 are provided on a metal thin plate plate using an etching technique or the like, and the two metal thin plate plates are alternately stacked, thereby opposing the two metal plates. Since the flow path of the heat exchange fluid is formed between the thin plate-like plates, the flow loss between the heat transfer fins 19 is bent in an S shape in the flow direction of the heat exchange fluid. Although small, satisfactory heat transfer performance cannot be obtained.
JP 2006-170549 A

従って、本発明の目的は、エッチング技術等で形成された伝熱フィンを有するプレートフィン式熱交換器において、前記フィン形状や配列を最適化することによって、低圧損で熱交換性能の向上を図り得ると共に、加工コストも低減可能でコンパクトなプレートフィン式熱交換器を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve heat exchange performance with low pressure loss by optimizing the fin shape and arrangement in a plate fin heat exchanger having heat transfer fins formed by etching technology or the like. An object of the present invention is to provide a compact plate fin type heat exchanger which can be obtained and processed at a reduced cost.

前記目的を達成するために、本発明の請求項1に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記伝熱フィンの断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, the means employed by the plate fin heat exchanger according to claim 1 of the present invention is to alternately laminate thin metal plates having a plurality of heat transfer fins formed on the surface in a convex shape. In the plate fin type heat exchanger configured to form a heat exchange fluid flow path between the opposed thin plates, the blades formed by combining the cross sections of the heat transfer fins with curves having no inflection points It is characterized by being a mold.

本発明の請求項2に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項1に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型が凹部を有しない断面形状であることを特徴とするものである。   The means employed by the plate fin heat exchanger according to claim 2 of the present invention is the plate fin heat exchanger according to claim 1, wherein the airfoil has a cross-sectional shape having no recess. To do.

本発明の請求項3に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項1または2に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型が、熱交換流体の流れ方向に平行な中心線に対して略対称であることを特徴とするものである。   The means employed by the plate fin heat exchanger according to claim 3 of the present invention is the plate fin heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein the airfoil is parallel to the flow direction of the heat exchange fluid. It is characterized by being substantially symmetric with respect to the center line.

本発明の請求項4に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項1乃至3のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型における翼長Lと翼幅dとの比L/dが、1.8≦L/d≦7の範囲であることを特徴とするものである。   The means employed by the plate fin heat exchanger according to claim 4 of the present invention is the plate fin heat exchanger according to any one of claims 1 to 3, wherein the blade length in the airfoil is as follows. The ratio L / d between L and the blade width d is in the range of 1.8 ≦ L / d ≦ 7.

本発明の請求項5に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項1乃至4のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型における熱交換流体の流れ方向に直交する翼間々隙bと翼幅dとの比b/dが、0.3≦b/d≦3の範囲であることを特徴とするものである。   The means employed by the plate fin heat exchanger according to claim 5 of the present invention is the plate fin heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, wherein heat exchange in the airfoil is performed. The ratio b / d between the blade gap b and the blade width d perpendicular to the fluid flow direction is in the range of 0.3 ≦ b / d ≦ 3.

本発明の請求項6に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項1乃至5のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型が、前記金属薄板をエッチング処理することによって形成されたことを特徴とするものである。   The means employed by the plate fin heat exchanger according to claim 6 of the present invention is the plate fin heat exchanger according to any one of claims 1 to 5, wherein the airfoil includes the airfoil. It is formed by etching a metal thin plate.

本発明の請求項1に係るプレートフィン式熱交換器によれば、表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記伝熱フィンの断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であるので、フィン後方の熱交換流体の剥離を防ぎ、死水域となる渦領域を発生させないことにより熱交換効率の向上を図り得る。   According to the plate fin heat exchanger according to claim 1 of the present invention, heat exchange is performed between the opposing thin plates by alternately laminating metal thin plates having a plurality of heat transfer fins formed on the surface in a convex shape. In a plate fin type heat exchanger designed to form a fluid flow path, the cross-sectional shape of the heat transfer fin is an airfoil formed by combining curves having no inflection points, so heat exchange behind the fin It is possible to improve heat exchange efficiency by preventing fluid separation and not generating a vortex region that becomes a dead water region.

また、本発明の請求項2に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型が凹部を有しない断面形状であるので、フィン表面に沿う熱交換流体の流れに剥離を生ずることがなく、死水域となる渦の発生を抑止する。   Further, according to the plate fin heat exchanger according to claim 2 of the present invention, the airfoil has a cross-sectional shape having no recess, so that the flow of the heat exchange fluid along the fin surface is not separated. , To suppress the generation of vortices that become dead water areas.

更に、本発明の請求項3に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型が流体の流れ方向に平行な中心線に対して略対称であるので、製作が容易な上、フィン後方における熱交換流体の流れが乱れることなく、また死水域が発生することも無くなる。   Furthermore, according to the plate fin type heat exchanger according to claim 3 of the present invention, the airfoil is substantially symmetrical with respect to a center line parallel to the fluid flow direction. In this case, the flow of the heat exchange fluid is not disturbed, and no dead water area is generated.

また更に、本発明の請求項4に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型における翼長Lと翼幅dとの比L/dが、1.8≦L/d≦7の範囲であるので、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し、プレートフィン式熱交換器のコンパクト化を図り得る。   Furthermore, according to the plate fin type heat exchanger according to claim 4 of the present invention, the ratio L / d between the blade length L and the blade width d in the airfoil is 1.8 ≦ L / d ≦ 7. Since the vortex area is not formed behind the fin and the boundary layer at the rear end of the fin is not developed, the heat exchange efficiency is improved compared to the conventional technology, and the plate fin type heat exchanger is made compact. Can be planned.

そして、本発明の請求項5に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型における熱交換流体の流れ方向に直交する翼間々隙bと翼幅dとの比b/dが、0.3≦b/d≦3の範囲であるので、上記同様、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し、プレートフィン式熱交換器のコンパクト化を図り得る。   According to the plate fin heat exchanger according to claim 5 of the present invention, the ratio b / d between the blade gap b and the blade width d perpendicular to the flow direction of the heat exchange fluid in the airfoil is 0. .3 ≦ b / d ≦ 3, so that no vortex area is formed behind the fin and the boundary layer at the rear end of the fin is undeveloped as in the above. The plate fin type heat exchanger can be made more compact.

一方、本発明の請求項6に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型が、金属薄板をエッチング処理することによって形成されたものであるので、プレートフィン式熱交換器のプレートフィンを少ない工程で手間をかけずに低コストで製作可能となる。   On the other hand, according to the plate fin type heat exchanger according to claim 6 of the present invention, since the airfoil is formed by etching a thin metal plate, the plate fin of the plate fin type heat exchanger is provided. Can be manufactured at low cost with less steps and less labor.

先ず、本発明の実施の形態1に係るプレートフィン式熱交換器を、添付図1〜6を参照しながら以下説明する。図1は本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器の外観を示す斜視図、図2は図1のプレートフィン式熱交換器内で、金属薄板が積層された状態を示す説明図、図3は図2の金属薄板表面に凸状に形成された伝熱フィンの平断面形状を示す平面図、図4は図2の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの配置例を示す平面図、図5は図2の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの他の配置例を示す平面図、図6は図4に示した伝熱フィンの配置と図5に示した伝熱フィン配置の単位面積当たりの伝熱面積を比較して示す図である。   First, a plate fin heat exchanger according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a plate fin heat exchanger according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view showing a state in which thin metal plates are laminated in the plate fin heat exchanger of FIG. 3 is a plan view showing a flat cross-sectional shape of the heat transfer fin formed convexly on the surface of the metal thin plate in FIG. 2, and FIG. 4 is an arrangement example of the plurality of heat transfer fins formed on the surface of the metal thin plate in FIG. FIG. 5 is a plan view showing another arrangement example of the plurality of heat transfer fins formed on the surface of the thin metal plate in FIG. 2, and FIG. 6 is an arrangement of the heat transfer fins shown in FIG. It is a figure which compares and shows the heat-transfer area per unit area of the shown heat-transfer fin arrangement | positioning.

本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器1は、図2に示す如く、表面に複数の伝熱フィン7が凸状に形成された金属薄板6を交互に積層することによって、対向する前記薄板6間に熱交換流体の流路8が形成されるように構成されている。   As shown in FIG. 2, the plate fin type heat exchanger 1 according to the embodiment of the present invention is formed by alternately laminating metal thin plates 6 having a plurality of heat transfer fins 7 formed on the surface in a convex shape. A heat exchange fluid flow path 8 is formed between the thin plates 6.

この様なプレートフィン式熱交換器1は、図1に示す様に、熱交換する一方の流体Aが、図示しないポンプによって給水管2aから供給され、給水ヘッダー4aを介して前記薄板6間に形成された流路8を通過して他方の流体Bと熱交換後、排水ヘッダー4bを経て排水管2bから排水される。一方、熱交換する他方の流体Bは、図示しないポンプによって給水管3aから供給され、給水ヘッダー5aを介して前記薄板6間に形成された流路8を通過して一方の流体Aと熱交換後、排水ヘッダー5bを経て排水管3bから排水される。   In such a plate fin type heat exchanger 1, as shown in FIG. 1, one fluid A for heat exchange is supplied from a water supply pipe 2a by a pump (not shown), and between the thin plates 6 via a water supply header 4a. After passing through the formed flow path 8 and exchanging heat with the other fluid B, the water is drained from the drain pipe 2b through the drain header 4b. On the other hand, the other fluid B to be heat-exchanged is supplied from the water supply pipe 3a by a pump (not shown), passes through the flow path 8 formed between the thin plates 6 through the water supply header 5a, and exchanges heat with the one fluid A. Thereafter, the water is drained from the drain pipe 3b through the drain header 5b.

そして、前記熱交換流体AまたはBの何れか温度の高い方の流体から低い方の流体に、前記金属薄板6を介して熱伝達される。その際、この金属薄板6の表面に、複数の凸状の伝熱フィン7を形成することによって、熱交換面積を増大させ、熱交換効率を向上させるのである。前記金属薄板6の間に形成された流体A及び流体Bの流路8は、積層交互に逆向きの平行流路や直交する直交流路を形成するのが熱交換効率の点から好ましい。   Then, heat is transferred from the higher temperature fluid of the heat exchange fluid A or B to the lower temperature fluid through the thin metal plate 6. At that time, by forming a plurality of convex heat transfer fins 7 on the surface of the thin metal plate 6, the heat exchange area is increased and the heat exchange efficiency is improved. It is preferable from the viewpoint of heat exchange efficiency that the flow paths 8 of fluid A and fluid B formed between the thin metal plates 6 form parallel flow paths that are alternately stacked and orthogonal flow paths that are orthogonal to each other.

本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器1は、金属薄板6に形成された前記伝熱フィン7を前記薄板6に平行な平面で切断された平断面形状が、図3に示す如く、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型である。ここで、変極点を持たない曲線とは、円弧、二次曲線、双曲線等の一部または変極点を持たない任意形状の曲線を言う。そして、前記翼型は凹部を有しない形状が好ましく、流体の流れ方向9に平行な中心線Cに対して略対称な形状を有するものが好ましい。   The plate fin heat exchanger 1 according to the embodiment of the present invention has a flat cross-sectional shape obtained by cutting the heat transfer fin 7 formed on the metal thin plate 6 along a plane parallel to the thin plate 6 as shown in FIG. Thus, the airfoil is formed by combining curves having no inflection points. Here, the curve having no inflection point refers to a part of a circular arc, a quadratic curve, a hyperbola, or the like or an arbitrarily shaped curve having no inflection point. The airfoil preferably has a shape having no recess, and preferably has a shape that is substantially symmetrical with respect to a center line C parallel to the fluid flow direction 9.

尚、金属薄板6に形成されるこの様な翼型フィン7は、この金属薄板6の片面に形成されても良く、また両面に形成されても良い。また、後の説明に利用するため、図3に示す如くこの様な翼型フィン7の翼長をL、翼幅をdと表すことにする。   Such a wing fin 7 formed on the thin metal plate 6 may be formed on one side of the thin metal plate 6 or may be formed on both sides. Further, for use in the following description, as shown in FIG. 3, the blade length of such an airfoil fin 7 is represented by L and the blade width is represented by d.

そして、本発明に係るプレートフィン式熱交換器1は、前記伝熱フィン7の形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であるので、前記フィン7の後方における熱交換流体の剥離を防ぎ、死水域となる渦を発生させないため熱交換効率の向上を図り得る。また、前記翼型が凹部を有することなく、流体の流れ方向9に平行な中心線Cに対して略対称であるので、製作が容易な上、フィン7の後方における流体の流れを乱すことなく、また死水域が発生することも無くなる。   In the plate fin heat exchanger 1 according to the present invention, since the shape of the heat transfer fin 7 is an airfoil formed by combining curves having no inflection points, heat exchange behind the fin 7 is performed. It is possible to improve the heat exchange efficiency because the fluid is prevented from peeling and the vortex that becomes the dead water area is not generated. Further, since the airfoil is substantially symmetrical with respect to the center line C parallel to the fluid flow direction 9 without having a recess, the airfoil is easy to manufacture and does not disturb the fluid flow behind the fins 7. In addition, no dead water area is generated.

そして、この様な翼型形状を有する多数の伝熱フィン7が、前記金属薄板6の表面に、図4に示す如く、流体の流れ方向9に略平行になる様に千鳥配列して形成されるのが好ましい。同時に、この様な伝熱フィン7の配列は、流体の流れ方向9とこの流れ方向9に直交する方向に、夫々略等間隔に配列されるのが好ましい。前記フィン7をこの様な千鳥配列に形成することによって、前記金属薄板6の間に形成された流路8の流れ方向9とこの流れ方向9に直交する幅方向に亘って、熱交換流体の均一な流れを形成させることが出来るからである。ここで、後の説明に利用するため、この様な翼列において、図4に示す如く、熱交換流体の流れ方向9に直交する翼間々隙をbと表すことにする。   A number of heat transfer fins 7 having such an airfoil shape are formed on the surface of the thin metal plate 6 in a staggered arrangement so as to be substantially parallel to the fluid flow direction 9 as shown in FIG. It is preferable. At the same time, it is preferable that the heat transfer fins 7 are arranged at substantially equal intervals in the fluid flow direction 9 and in the direction orthogonal to the flow direction 9. By forming the fins 7 in such a staggered arrangement, the heat exchange fluid flows across the flow direction 9 of the flow path 8 formed between the thin metal plates 6 and the width direction perpendicular to the flow direction 9. This is because a uniform flow can be formed. Here, for use in the following description, in such a blade row, as shown in FIG. 4, the space between the blades perpendicular to the flow direction 9 of the heat exchange fluid is represented by b.

本翼型フィン7は、流体の流れ方向9に詰めて、前記フィン7の流体の流れ方向9に直交する方向への投影面が重複するように配置することも出来る。例えば、図5に示す如く、前記フィン7の流体の流れ方向9に直交する方向への投影面が、前記フィン7の前後で1/3Lずつ重複するように配置した場合の単位面積当たりの伝熱面積は、図6に示す様に、重複させないように配置(即ち、前記1/3Lに相当する重複量が0となるように配置)した場合より1.1倍増大する。   The wing-type fins 7 can also be arranged so that the projection surfaces of the fins 7 in the direction perpendicular to the fluid flow direction 9 overlap with each other in the fluid flow direction 9. For example, as shown in FIG. 5, the transmission per unit area when the projection surfaces of the fins 7 in the direction orthogonal to the fluid flow direction 9 overlap each other by 1/3 L before and after the fins 7. As shown in FIG. 6, the thermal area increases 1.1 times compared to the case where the thermal areas are arranged so as not to overlap (that is, arranged so that the overlapping amount corresponding to 1 / 3L becomes 0).

従って、前記フィン7の流体の流れ方向9に直交する方向への投影面を、前記フィン7の前後で重複するように配置することによって、単位面積当たりの伝熱面積が増大し、プレートフィン式熱交換器1のコンパクト化に有効であることが分かる。   Therefore, by disposing the projection surfaces of the fins 7 in the direction perpendicular to the fluid flow direction 9 so as to overlap before and after the fins 7, the heat transfer area per unit area increases, and the plate fin type It can be seen that the heat exchanger 1 is effective for downsizing.

次に、本発明に係る翼型フィンの翼長Lと翼幅d(図3参照)との関係は、前記翼長Lと翼幅dの比L/dが、1.8≦L/d≦7の範囲であるのが好ましい。この理由について、以下図7〜10を参照しながら説明する。図7は、千鳥配列された翼型フィン7の周囲のレイノルズ数Re=500における流線図を示し、(a)はL/d<1.8の場合の流線図の一例、(b)はL/d≧1.8の場合の流線図の一例を示す。また、図8はL/dの変化に対するw/Lの変化を示す図、図9はL/dの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図、図10はL/dの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。   Next, the relationship between the blade length L and the blade width d (see FIG. 3) of the airfoil fin according to the present invention is such that the ratio L / d between the blade length L and the blade width d is 1.8 ≦ L / d. A range of ≦ 7 is preferable. The reason for this will be described below with reference to FIGS. FIG. 7 shows a streamline diagram at a Reynolds number Re = 500 around the airfoil fins 7 arranged in a staggered manner. FIG. 7A is an example of a streamline diagram when L / d <1.8. Shows an example of a streamline diagram when L / d ≧ 1.8. 8 is a diagram showing the change in w / L with respect to the change in L / d, FIG. 9 is a diagram showing the thickness of the boundary layer at the fin rear end with respect to the change in L / d, and FIG. It is the figure which showed the change of the heat transfer performance with respect to pump power with respect to a change compared with the prior art.

前記レイノルズ数Reは次式(1)で定義される。
Re=uD/ν (1)
ここで、 u:熱交換流体の流速
D:狭流路幅基準の水力直径
ν:熱交換流体の動粘性係数
また、wは、図7(a)に示す如くフィン7後流に発生した渦領域10の最大幅を示す。
The Reynolds number Re is defined by the following equation (1).
Re = uD / ν (1)
Where u is the flow rate of the heat exchange fluid
D: Hydraulic diameter based on narrow channel width
ν: Kinematic viscosity coefficient of heat exchange fluid Further, w represents the maximum width of the vortex region 10 generated in the wake of the fin 7 as shown in FIG.

即ち、図7において、(a)L/d<1.8の場合の流線は、フィン7の最大幅部を通過した後剥離し、フィン7の後方に渦領域10が形成されている。更に、この渦領域10の後方も流線の間隔が疎であり低速な流れとなっている。従って、流れ方向9のフィン7とフィン7との間の流れに、最大寸法wの渦領域10が滞留し、熱交換流体の保有する顕熱もこの領域に閉じ込められ、熱伝達が悪化していると推測される。また、一般に圧力損失の点からも、この様な渦領域10が存在することは不利となる。   That is, in FIG. 7, the streamline in the case of (a) L / d <1.8 peels after passing through the maximum width portion of the fin 7, and the vortex region 10 is formed behind the fin 7. Further, the stream line is sparse and the flow is low behind the vortex region 10. Therefore, the vortex region 10 having the maximum dimension w stays in the flow between the fin 7 and the fin 7 in the flow direction 9, and the sensible heat possessed by the heat exchange fluid is also confined in this region, and heat transfer is deteriorated. It is estimated that In general, the presence of such a vortex region 10 is disadvantageous from the viewpoint of pressure loss.

一方、(b)L/d≧1.8の場合の流線では、フィン7の後方での剥離や渦領域は認められず、熱伝達の低下や圧力損失の増大は起こり難いと考えられる。この様な渦領域の大きさをその最大寸法wに対する翼長Lの比w/Lとして表し、前記翼長Lと翼幅dの比L/dに対して示した図8によれば、前記渦領域はL/dが大きくなるに従い小さくなって行き、L/dが1.8以上に至ると消滅している。従って、この渦領域が発生しないL/d≧1.8を、本発明に係る翼型フィンによって有効な熱交換性能が得られる下限とするものである。   On the other hand, in the streamline in the case of (b) L / d ≧ 1.8, separation or vortex region behind the fins 7 is not recognized, and it is considered that heat transfer and pressure loss are unlikely to occur. The size of such a vortex region is expressed as a ratio w / L of the blade length L to the maximum dimension w, and according to FIG. 8 shown with respect to the ratio L / d of the blade length L and the blade width d, The vortex region decreases as L / d increases, and disappears when L / d reaches 1.8 or more. Therefore, L / d ≧ 1.8 at which the vortex region does not occur is set as a lower limit at which effective heat exchange performance can be obtained by the airfoil fin according to the present invention.

ところで、一般に境界層が発達するにつれてフィン表面での熱伝達率は低下する。よって、本フィン形状にて効果的な伝熱性能を得るためには、流れがフィンの後端に達するまでの境界層形成が抑制されることが条件となる。L/dに対するフィン後端における境界層厚さは、図9に示す如く、L/d≦7の範囲であれば効果的に抑制されて未発達である。従って、本発明に係る翼型フィンは、上述した渦領域が発生しないL/dの領域と併せて、1.8≦L/d≦7の範囲であるのが効果的な伝熱性能を得る上で好ましい。   By the way, generally, the heat transfer coefficient on the fin surface decreases as the boundary layer develops. Therefore, in order to obtain effective heat transfer performance with this fin shape, it is a condition that the boundary layer formation until the flow reaches the rear end of the fin is suppressed. As shown in FIG. 9, the boundary layer thickness at the fin rear end with respect to L / d is effectively suppressed and undeveloped in the range of L / d ≦ 7. Therefore, the airfoil fin according to the present invention has an effective heat transfer performance in the range of 1.8 ≦ L / d ≦ 7 together with the L / d region where the vortex region is not generated. Preferred above.

一方、本発明の実施の形態に係る翼型フィン7のL/dに対する伝熱性能を従来技術と比較すれば、図10に示す如く、L/dが大きくなる程伝熱性能は増大し、L/dが1.7以上であれば従来技術以上の伝熱性能を得ることが出来、本発明で特定するL/dが1.8位以上の範囲は、これが満たされる範囲となっている。   On the other hand, if the heat transfer performance with respect to L / d of the airfoil fin 7 according to the embodiment of the present invention is compared with the prior art, the heat transfer performance increases as L / d increases as shown in FIG. If L / d is 1.7 or more, heat transfer performance higher than that of the prior art can be obtained, and the range where L / d specified by the present invention is about 1.8 or more is a range in which this is satisfied. .

ここで、前図10におけるjは熱伝達特性を表す因子を示し、fは摩擦係数を示す。また、前記「従来技術」とは特許文献1を言う。尚、図7〜10は、FRUENT(FRUENT社製流動解析プログラム)を用いて、プレートを温度100℃のアルミニウムとし(即ち、高温流体と前記アネミプレートとの熱交換は無視し、前記アルミプレートは温度100℃になっているものとして)、このプレートと低温流体との熱交換のみを、流体の入口温度が20℃の条件にてシミュレーションした結果である。   Here, j in FIG. 10 indicates a factor representing the heat transfer characteristic, and f indicates a friction coefficient. The “prior art” refers to Patent Document 1. 7 to 10 show that the plate is made of aluminum at a temperature of 100 ° C. using FRUENT (flow analysis program manufactured by FRUENT) (that is, the heat exchange between the high-temperature fluid and the annemy plate is ignored, and the aluminum plate has a temperature of This is the result of a simulation of only the heat exchange between the plate and the cryogenic fluid under the condition that the inlet temperature of the fluid is 20 ° C. (assuming that the temperature is 100 ° C.).

次に、本発明に係る翼型フィンの翼間々隙bと翼幅dとの関係(図4参照)は、前記翼間々隙bと翼幅dの比b/dが、0.3≦b/d≦3の範囲であるのが好ましい。この理由について、以下図11〜13を参照しながら説明する。図11は、b/dの変化に対するw/Lの変化を示す図、図12はL/dの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図、図13はL/dの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。   Next, the relationship between the blade gap b and the blade width d (see FIG. 4) of the airfoil fin according to the present invention is such that the ratio b / d between the blade gap b and the blade width d is 0.3 ≦ b. It is preferable that / d ≦ 3. The reason for this will be described below with reference to FIGS. FIG. 11 is a diagram showing a change in w / L with respect to a change in b / d, FIG. 12 is a diagram showing a thickness of a boundary layer at a fin rear end with respect to a change in L / d, and FIG. 13 is a change in L / d. It is the figure which showed the change of the heat-transfer performance with respect to pump power compared with the prior art.

先ず、翼間々隙bと翼幅dの比b/dの変化に対する渦領域の最大寸法wと翼長Lの比w/Lの変化を示した図11によれば、前記渦領域はb/dが大きくなるに従い小さくなって行き、b/dが0.3以上に至ると消滅している。従って、この渦領域が発生しないb/d≧0.3を、本発明に係る翼型フィンによって有効な熱交換性能が得られる下限とする。   First, according to FIG. 11 which shows the change in the ratio w / L of the maximum dimension w of the vortex region and the blade length L to the change in the ratio b / d between the blade gap b and the blade width d, the vortex region is b / It becomes smaller as d becomes larger, and disappears when b / d reaches 0.3 or more. Therefore, b / d ≧ 0.3 at which the vortex region does not occur is set as a lower limit at which effective heat exchange performance can be obtained by the airfoil fin according to the present invention.

また、b/dに対するフィン後端における境界層厚さは、図12に示す如く、b/d≦3の範囲であれば効果的に抑制されて未発達である。よって、本フィンの翼間々隙bにおいて、効果的な伝熱性能を発揮させるにはb/d≦3の範囲とするのが良い。   Further, as shown in FIG. 12, the boundary layer thickness at the fin rear end with respect to b / d is effectively suppressed and undeveloped in the range of b / d ≦ 3. Therefore, in order to exhibit effective heat transfer performance in the inter-blade gap b of this fin, it is preferable to set the range of b / d ≦ 3.

一方、Re=500、L/d=1.8において、本発明の実施の形態に係る翼型フィン7のb/dに対するj/fを調べると、ポンプ動力に対する伝熱性能は、従来技術と比較すれば、図13に示す如くb/dが大きくなる程低下する。そして、b/dが3.5以下であれば従来技術以上の伝熱性能を得ることが出来、フィン後端における境界層厚さから特定されるb/d≦3の範囲は、前記条件が満たされる範囲となっている。従って、本発明に係る翼型フィンは、上述した渦領域が発生しないb/dの領域と併せて、0.3≦b/d≦3の範囲であるのが効果的な伝熱性能を得る上で好ましいのである。   On the other hand, when Re / 500 and L / d = 1.8, j / f with respect to b / d of airfoil fin 7 according to the embodiment of the present invention is examined. In comparison, as b / d increases, it decreases as shown in FIG. If b / d is 3.5 or less, heat transfer performance higher than that of the prior art can be obtained, and the range of b / d ≦ 3 specified from the boundary layer thickness at the fin rear end is the above condition. It is the range that is satisfied. Therefore, the airfoil fin according to the present invention has an effective heat transfer performance in the range of 0.3 ≦ b / d ≦ 3 together with the b / d region where the vortex region is not generated. Preferred above.

以上の様に、表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記伝熱フィンの断面形状が変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型とすることによって、前記フィン後方における流体の剥離を防ぎ渦領域の形成を防止して、熱伝達が不良になる死水域を解消させる。   As described above, a plate fin type in which a heat exchange fluid flow path is formed between the opposed thin plates by alternately laminating metal thin plates having a plurality of heat transfer fins formed in a convex shape on the surface. In the heat exchanger, by making the airfoil formed by combining a curve in which the cross-sectional shape of the heat transfer fin does not have an inflection point, preventing separation of fluid behind the fin and preventing formation of a vortex region, Eliminate dead water areas where heat transfer is poor.

また、この翼型の翼長Lと翼幅dとの比L/dを1.8≦L/d≦7の範囲とすることによって、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し得る。更に、前記翼型における翼間々隙bと翼幅dとの比b/dを0.3≦b/d≦3の範囲とすれば、上記同様、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し得る。   Further, by setting the ratio L / d between the blade length L and the blade width d of this airfoil in the range of 1.8 ≦ L / d ≦ 7, a vortex region is not formed behind the fin and the fin Since the boundary layer at the rear end is also undeveloped, the heat exchange efficiency can be improved as compared with the prior art. Further, if the ratio b / d between the blade gap b and the blade width d in the airfoil is in the range of 0.3 ≦ b / d ≦ 3, the vortex region is not formed behind the fin as described above. In addition, since the boundary layer at the fin rear end is not yet developed, the heat exchange efficiency can be improved as compared with the prior art.

この様な構成をなすことにより、プレートフィン式熱交換器のコンパクト化を図り得ると共に、この様な熱交換流体の流れは流動抵抗を抑制して、ポンプ動力を低減させるものである。更に、本発明に係る翼型フィンの形状は単純であるため、従来技術と比較して、容易に要望に応じた翼長や翼幅等の条件の変更や性能評価が出来る。また、本発明に係る翼型フィンは、エッチング処理等によって金属薄板に形成されれば良い。   By making such a configuration, the plate fin heat exchanger can be made compact, and the flow of such a heat exchange fluid suppresses flow resistance and reduces pump power. Furthermore, since the shape of the airfoil fin according to the present invention is simple, it is possible to easily change the conditions such as the blade length and the blade width and to evaluate the performance as required in comparison with the prior art. In addition, the airfoil fin according to the present invention may be formed on a thin metal plate by an etching process or the like.

本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the plate fin type heat exchanger which concerns on embodiment of this invention. 図1のプレートフィン式熱交換器内で、金属薄板が積層された状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state by which the metal thin plate was laminated | stacked within the plate fin type heat exchanger of FIG. 図2の金属薄板表面に凸状に形成された伝熱フィンの平断面形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the plane cross-sectional shape of the heat-transfer fin formed in convex shape on the metal thin plate surface of FIG. 図2の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの配置例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of arrangement | positioning of the several heat-transfer fin formed in the metal thin plate surface of FIG. 図2の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの他の配置例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of arrangement | positioning of the several heat-transfer fin formed in the metal thin plate surface of FIG. 図4に示した伝熱フィンの配置と図5に示した伝熱フィン配置の単位面積当たりの伝熱面積を比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the heat-transfer area per unit area of arrangement | positioning of the heat-transfer fin shown in FIG. 4, and the heat-transfer fin arrangement | positioning shown in FIG. 千鳥配列された翼型フィン周囲のレイノルズ数Re=500における流線図を示し、(a)はL/d<1.8の場合の流線図の一例、(b)はL/d≧1.8の場合の流線図の一例を示す。The streamline figure in Reynolds number Re = 500 around a staggered wing-type fin is shown, (a) is an example of a streamline figure in the case of L / d <1.8, (b) is L / d> = 1. .8 shows an example of a streamline diagram. L/dの変化に対するw/Lの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of w / L with respect to the change of L / d. L/dの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図である。It is the figure which showed the thickness of the boundary layer in the fin rear end with respect to the change of L / d. L/dの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。It is the figure which showed the change of the heat transfer performance with respect to pump power with respect to the change of L / d compared with the prior art. b/dの変化に対するw/Lの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of w / L with respect to the change of b / d. L/dの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図である。It is the figure which showed the thickness of the boundary layer in the fin rear end with respect to the change of L / d. L/dの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。It is the figure which showed the change of the heat transfer performance with respect to pump power with respect to the change of L / d compared with the prior art. 従来例の熱交換器に係り、金属薄板状プレートの表面に形成された伝熱フィンの配置を説明する図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning of the heat-transfer fin formed in the surface of a metal thin plate plate in connection with the heat exchanger of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

L:翼長, d:翼幅, b:翼間々隙
C:熱交換流体の流れの方向の中心線, w:渦領域の最大寸法
1:プレートフィン式熱交換器
2a,3a:給水管, 2b,3b:排水管
4a,5a:給水ヘッダー, 4b,5b:排水ヘッダー
6:金属薄板, 7:伝熱フィン(翼型フィン)
8:流路, 9:熱交換流体の流れ方向
10:渦領域
L: Blade length, d: Blade width, b: Spacing between blades C: Center line in the direction of flow of heat exchange fluid, w: Maximum dimension of vortex region 1: Plate fin heat exchanger 2a, 3a: Water supply pipe, 2b, 3b: Drain pipe 4a, 5a: Water supply header, 4b, 5b: Drain header 6: Metal thin plate, 7: Heat transfer fin (wing fin)
8: flow path, 9: flow direction of heat exchange fluid 10: vortex region

Claims (6)

表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記薄板に平行な平面で切断された前記伝熱フィンの断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であることを特徴とするプレートフィン式熱交換器。   In a plate fin type heat exchanger in which a heat exchange fluid channel is formed between the opposed thin plates by alternately laminating metal thin plates having a plurality of heat transfer fins formed on the surface in a convex shape, The plate fin heat exchanger according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the heat transfer fin cut along a plane parallel to the thin plate is an airfoil formed by combining curves having no inflection point. 前記伝熱フィンの断面形状が、凹部を有しないことを特徴とする請求項1に記載のプレートフィン式熱交換器。   The plate fin heat exchanger according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the heat transfer fin has no recess. 前記伝熱フィンの断面形状が、熱交換流体の流れ方向に平行な中心線に対して略対称であることを特徴とする請求項1または2に記載のプレートフィン式熱交換器。   The plate fin heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein a cross-sectional shape of the heat transfer fin is substantially symmetric with respect to a center line parallel to a flow direction of the heat exchange fluid. 前記翼型における翼長Lと翼幅dとの比L/dが、1.8≦L/d≦7の範囲であることを特徴とする請求項1乃至3のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器。   The ratio L / d between the blade length L and the blade width d in the airfoil is in a range of 1.8 ≦ L / d ≦ 7. The plate fin type heat exchanger as described in 1. 前記翼型における熱交換流体の流れ方向に直交する翼間々隙bと翼幅dとの比b/dが、0.3≦b/d≦3の範囲であることを特徴とする請求項1乃至4のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器。   The ratio b / d between the blade gap b and the blade width d perpendicular to the flow direction of the heat exchange fluid in the airfoil is in the range of 0.3 ≦ b / d ≦ 3. 5. The plate fin heat exchanger according to any one of items 4 to 4. 前記伝熱フィンが、前記金属薄板をエッチング処理することによって形成されたことを特徴とする請求項1乃至5のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器。   The plate fin heat exchanger according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat transfer fin is formed by etching the metal thin plate.
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