JP2014142163A - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】通風抵抗の増大を抑制し、かつフィンの熱交換効率を高める。
【解決手段】積層された複数のフィン１と、前記複数のフィンを貫通する伝熱管２とを備え、前記フィンは気流方向に対して風下側にのみ、気流方向に対して傾斜するスリット形切起こしを有するとともに、前記伝熱管の気流方向風下側に突起物３０ｃを設けた構成としてある。これにより、風速の遅いフィン風下側でスリットに衝突した気流は、温度境界層が分断され、かつ伝熱管風下側の突起物に衝突することでフィンの熱伝達が向上し、高い熱交換効率をもつフィンチューブ熱交換器を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はフィンチューブ熱交換器に関するものである。

一般にフィンチューブ熱交換器は、所定間隔で並べられた複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。空気は、フィンとフィンとの間を流れて伝熱管の中の流体と熱交換する。

積層された複数のフィンと複数のフィンを貫通する伝熱管とによって構成されるフィンチューブ熱交換器においては、フィンの熱伝達を高めるために、フィン表面にスリット形の切り起こしを設ける技術が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

図７は特許文献１に記載されているフィンチューブ熱交換器のフィンを示し、このフィン１０１は、複数の平板フィン１０１の表面と裏面を流動する気流が伝熱管１０２の周囲で乱流化しかつ混合されるように、気流の流動方向に対して開口した複数のスリット形切り起こし１０３群を前記伝熱管１０２の中心から放射状に設けてある。

特開平８−２１０６６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のフィンチューブ熱交換器は、スリット形の切り起こし１０３群を伝熱管１０２周囲に多数設けることで、フィン１０１の熱伝達を高めているものの、切り起こし１０３の数を多く設けることで、熱交換器を通過する気流の通風抵抗が増加している。気流の通風抵抗が増加すると、風量が低下して熱交換量を低下させてしまうことになる。加えて、熱交換器に気流を導入する送風機の消費電力が増加し、この熱交換器を搭載する冷凍サイクル装置のエネルギー消費効率が低下してしまうという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、スリットの切り起こしを気流方向に対しフィン風下側にのみ形成することで通風抵抗の増大を抑制し、かつ高い熱交換効率をもつフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、積層された複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通する伝熱管とを備え、前記フィンは気流方向に対して風下側にのみ、気流方向に対して傾斜するスリット形切起こしを有するとともに、前記伝熱管の気流方向風下側に突起物を備えた構成としてある。

これにより、フィン風下側に設けたスリット形切起こしによって、風速の遅い気流の温度境界層を分断できるとともに、スリット形切起こしの２辺の立ち上がり面に衝突した気流を伝熱管後方に導き、前記伝熱管後方の気流の停滞域を減少させることができる。しかもこの気流は伝熱管風下側に位置する突起物に衝突するようになるので伝熱管後方の熱伝達を向上することができる。

本発明は、風速の遅い風下側で気流の温度境界層を分断し、しかも伝熱管後方の熱伝達を向上することができ、通風抵抗が少なく高い熱交換効率をもつフィンチューブ熱交換器を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器の構成図 同実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器のフィンの正面図 同実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器の作用を示す説明図 同実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器のフィンの斜視図 同実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器のフィン部断面図 同実施の形態２におけるフィンチューブ熱交換器のフィンの正面図 従来のフィンチューブ熱交換器のフィンを示す正面図

第１の発明は、積層された複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通する伝熱管とを備え、前記フィンは気流方向に対して風下側にのみ、気流方向に対して傾斜するスリット形切起こしを有するとともに、前記伝熱管の気流方向風下側に突起物を備えた構成としてある。

これにより、風速の遅いフィン風下側でスリット形切起こしに衝突した気流は、温度境界層が分断され、かつ伝熱管風下側の突起物に衝突することでフィンの熱伝達が向上し、高い熱交換効率をもつフィンチューブ熱交換器を提供することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記スリット形切起こしは、前記伝熱管の半径方向の延長線上に形成され、かつ前記伝熱管に対し、略ハの字型になるよう配設した構成としてある。

これにより、同形状のスリット形切起こしを前記伝熱管後方に略ハの字型に設けることで、前記伝熱管の段方向上下の通風抵抗を、均等に保つことができ、前記伝熱管後方の前記突起物方向に気流を導くことができる。前記フィン風下側の通風抵抗が、前記伝熱管段方向上下で異なる場合は、気流は通風抵抗の小さい箇所に流動してしまうため、前記伝熱管後方の前記突起物から気流がそれてしまい、熱伝達が悪いが、前記した本発明の構成によれば熱伝達率が向上し、より熱交換効率を向上させることができる。

第３の発明は、第１、第２の発明において、前記スリット形切起こしは、２辺の立ち上がり辺を有し、前記伝熱管側の前記立ち上がり辺の立ち上がり面が、前記伝熱管に対し垂直方向になるよう形成した構成としてある。

上記構成により、前記立ち上がり辺の立ち上がり面を前記伝熱管に対し、略垂直方向に形成したことで、前記伝熱管側の、前記立ち上がり面に衝突した気流を、前記伝熱管の後方に導き、前記伝熱管後方の気流の停滞域を減少させ、かつ前記伝熱管風下側の突起物に衝突させることで、前記伝熱管後方の熱伝達を向上させることができる。従来のフィンでは、前記伝熱管後方に気流を導く形状がないため、気流は伝熱管と衝突して、伝熱管円周状を回りこむように流動し、伝熱管後方に気流の停滞域と呼ばれる、気流の流れにくいスポットが存在し、熱伝達が悪いが、本発明の構成によれば前記した如く熱伝達率が向上する。

第４の発明は、前記フィンは、気流方向に対して、山と谷が交互に形成されるコルゲート形状を有する構成としてある。

これにより、気流はフィン表面を蛇行しながら流れるようになるので、気流の温度境界層が薄くなり、前記フィンの熱伝達は向上する。また、前記フィン風下側に山部を設けた場合は、前記伝熱管後方の山部が、突起物の代わりとして機能し、熱伝達率が向上する。

第５の発明は、風下側の前記立ち上がり辺の立ち上がり面が、気流方向に対し、略垂直方向になるよう形成した構成としてある。

上記構成により、熱交換器が蒸発器として機能し、前記フィンに水が付着したとき、前記立ち上がり辺の立ち上がり面が、重力方向に略水平方向になるよう形成されていることで、気流により運ばれてきた水が、フィン後縁を伝って、熱交換器から落ちやすくなり、熱交換器の水落ち性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるフィンチューブ熱交換器を示し、このフィンチューブ熱交換器は、所定の間隔で並行に並べられたフィン１と、このフィン１に略直角に挿入されて内部を冷媒が流動する多数の伝熱管２とで構成される。伝熱管２は、多数の伝熱管２の間に流入する気流１００に対して略直角で段方向に隣り合う。

図２は同実施の形態１における熱交換器のフィンの正面図である。フィン１は、気流１００の流れ方向に対して、風上側をフィン風上部１ａ、風下側をフィン風下部１ｂとするとき、フィン風上部１ａに１山、フィン風下部１ｂにさらに１山、各々フィン１の表側（図４参照）に隆起された２山の波形状（一般にはコルゲート、ワッフルなどとも呼ばれる）を成している。一般的にこの種の波形状を有するフィンは、波形状の加工後に側面を裁断するために気流１００の流れ方向に対して、最も風上側、および最も風下側に各々、最風上平坦部１５ａ、最風下平坦部１５ｂを有する形状を成している。ただし、本実施の形態では、伝熱管２の中心線Ｓに対し、略ハの字型に平坦部１５ｃを成形しているため、フィン風下部１ｂの山部は平坦部１５ｃによって分断されている。本実施の形態では、フィン風上部１ａの山部を山部３０ａ、フィン風下部１ｂのうち、伝熱管２側の山部を山部３０ｂ、最風下平坦部１５ｂに近い山部を山部３０ｃ（突起物）、伝熱管２中心線Ｓ上の谷部を谷部３１とする。

伝熱管２が貫通する貫通孔１０は、フィン風上部１ａとフィン風下部１ｂに跨って備えられた略円形のフィン平面部１ｃに設けられている。貫通孔１０の周囲には、フィン平面部１ｃに対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラー３が形成されている。伝熱管２は、例えば拡径することによりフィンカラー３に密着した状態で貫通孔１０に挿通されている。

図５において、フィン１に流入した気流１００は、フィン１に設けられた山部３０ａと谷部３１を蛇行するように流れるため、温度境界層が薄くなり、熱伝達が向上する。そして、図２〜図４に示すように、フィン風下部１ｂには、伝熱管の中心線Ｓに対し、略ハの字型になるように形成された平坦部１５ｃに対し、平坦部１５ｃ鉛直方向にスリット形切起こし４が形成されているから、フィン風下部１ｂに流入してきた気流１００ａの温度境界層を分断することができる。また、山部３０ｂの頂点から平坦部１５ｃに向かって、それぞれ傾斜面５が形成されている。この傾斜面５は、スリット形切起こし４に対し並行するよう形成されているため、気流１００をスリット形切起こし４に対し略直交するよう導くことができ、フィン１の熱伝達を高めることができる。

また、図２〜図４において、スリット形切起こし４は立ち上がり辺を２辺もっており、伝熱管２側を立ち上がり辺４０ａ、最風下平坦部１５ｂ側を立ち上がり辺４０ｂとする。立ち上がり辺４０ａの立ち上がり面は、伝熱管２に対し、垂直方向に形成されているため、立ち上がり辺４０ａに衝突した気流は１００ｂで示すように伝熱管２後方に導かれ、伝熱管２後方の停滞域を減少させ、かつ伝熱管２後方に配設された突起物となる山部３０ｃと熱交換を行い、伝熱管２後方の熱伝達効果を高めることができる。また、立ち上がり辺４０ｂの立ち上がり面を気流方向に対し、略平行に形成することで、フィン１後方の気流１００の流れを妨げず、通風抵抗の増大を抑制することができる。

以上のように、このフィンチューブ熱交換器は、フィンの熱交換効率を高めながら、通風抵抗の増大を抑制することができる。

なお、上記実施の形態では、フィンに山部と谷部をもつコルゲートフィンを用いて説明したが、山部や谷部をもたない平板フィンにおいても、伝熱管の中心線に対し、略ハの字型のスリットを設けることで、伝熱管後方に気流を導き、気流の停滞域を減少させ、かつ伝熱管後方に突起物を設けることで、フィンの伝熱を高めることができる。

（実施の形態２）
図６は実施の形態２におけるフィンチューブ熱交換器を示している。実施の形態１では、切起こし４の立ち上がり辺４０ｂの立ち上がり面が、気流方向に対して略水平方向であるのに対し、本実施の形態では、立ち上がり辺４０ｂの立ち上がり面が気流方向に対して略鉛直方向に構成されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

つまり、本実施の形態では、風上側の前記立ち上がり辺４０ａの立ち上がり面が伝熱管に対し、略垂直になるように形成され、かつ風下側の立ち上がり辺４０ｂの立ち上がり面が、気流方向に対し略垂直になるように形成されている。

立ち上がり辺４０ｂの立ち上がり面を気流方向に対し、略鉛直方向に形成することで、フィンチューブ熱交換器が蒸発器として機能するとき、フィン１に付着した水が気流１００により、立ち上がり辺４０ｂに押し流されたとき、立ち上がり面が重力方向に水平なため、フィン１の後縁を伝って水が流れ落ちやすくなる。

以上のように、このフィンチューブ熱交換器は、フィンの熱交換効率および水落性を高めることができる。

本発明は、フィン間の通風抵抗の増大を抑制し、かつ高い熱交換効率をもつフィンチューブ熱交換器を提供することができ、空気調和機をはじめとする各種冷凍機器に適用できる。

１ フィン
１ａ フィン風上部
１ｂ フィン風下部
１ｃ フィン平面部
２ 伝熱管
３ フィンカラー
４ スリット形切起こし
５ 傾斜面
１０ 貫通孔
１５ａ 最風上平坦部
１５ｂ 最風下平坦部
１５ｃ 平坦部
３０ａ、３０ｂ 山部
３０ｃ 山部（突起物）
３１ 谷部
４０ａ、４０ｂ 立ち上がり辺
１００ 気流

Claims (5)

1. 積層された複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通する伝熱管とを備え、前記フィンは気流方向に対して風下側にのみ、気流方向に対して傾斜するスリットを有するとともに、前記伝熱管の気流風下側に突起物を備えたことを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
2. スリットは、伝熱管の半径方向の延長線上に形成され、かつ伝熱管の段方向中心線に対し、略ハの字型になるよう配設したことを特徴とする請求項１記載のフィンチューブ熱交換器。
3. スリットは、２辺の立ち上がり辺を有し、前記立ち上がり辺の立ち上がり面が伝熱管に対し垂直方向になるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のフィンチューブ熱交換器。
4. フィンは、気流方向に対して、山と谷が交互に形成されるコルゲート形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のフィンチューブ熱交換器。
5. スリットは、２辺の立ち上がり辺を有し、前記立ち上がり辺のうち、風下側の前記立ち上がり辺の立ち上がり面が、気流方向に対し略垂直になるように形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のフィンチューブ熱交換器。

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