JP2009052874A - Plate fin type heat exchanger - Google Patents
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Abstract
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
8: flow path, 9: flow direction of heat exchange fluid 10: vortex region
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