JP2017501365A - フィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン - Google Patents

Abstract

フィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンは、1つの側端が気流入口（3）で、もう1つの側端が気流出口（4）であり、管束を取り付けるための取付け孔（2）が設けられたフィン本体（1）を有し、フィン本体（1）において、気流の流線向きで気流入口（3）から気流出口（4）まで間隔的に設けられた凸波紋（11）と凹波紋（12）が複数本連続的に形成されており、同一の前記凸波紋（11）の峰の結び線（5）と、同一の前記凹波紋（12）の谷の結び線（6）とは、ともに流線である。円管の末端部における流体の剥離を効果的に抑制し、流れ圧力損失が明らかに減少する。同時に、フィンの表面積が増加し、フィン側の熱伝達の熱抵抗を減少し、かつ、流体の流線型の流れによって円管の後部に再循環領域が生じにくくなり、管束後部のフィンの熱交換性能も明らかに向上し、よりよい流動及び伝熱性能を有し、かつ、フィンは使用中に、塵埃が付着し難くなり、安定的な伝熱性能を保持している。

Description

本発明は、フィンチューブ式熱交換器のフィンに関し、特に円管または楕円管用のフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンに関するものである。

フィンチューブ式熱交換器において、管の内側に液体の作動媒体が流れ、管の外側に気体が流れていることが一般的である。空気側の熱抵抗を減少するために、管の外側にフィンを取り付けることで、熱交換の面積を拡大して熱抵抗の減少の目的を達成することが可能である。熱交換器の体積、経済性及びフィン効率の制限で、フィンの面積は無限に拡大することは不可能となる。フィンチューブ式熱交換器の伝熱性能をさらに向上させるために、流体の乱れを増加させることは、空気側の熱交換効果を改良するための効果的な手段の1つである。フィンの表面を流体の乱れの増加に役立つ構造、例えば、ルーバー、横方向波状、渦発生器、断続的環状溝、菱形等のような形状にすることが普通である。上記の構造を有するフィンを採用すれば、フィンの表面の熱伝達促進の目的を達成できる一方で、流動抵抗の増加も引き起こす。さらに、既存のルーバー、横方向波状、渦発生器、断続的環状溝、菱形等の構造では、塵埃が付着しやすいので、フィン側の熱抵抗が増えてしまい、その伝熱性能が低下する。

また、円管・楕円管の構造を有するフィンチューブ式熱交換器について、円管・楕円管を流体が流れるとき、流線性はよくないし、特に、流動速度が大きい場合に、円管・楕円管を流体が流れることによって流れの剥離が発生し、剥離による大きな圧力損失が起こり、かつ、円管・楕円管の末端部には伝熱に不利な再循環領域が形成され、それゆえ流動による伝熱性能の更なる向上が必要とされる。

上記の内容をまとめてみると、フィンチューブ式熱交換器に関する既存のフィンに用いられる伝熱促進技術によれば、円管・楕円管束の間に流体が流れる流線性は明確には改良されていないので、流体が円管・楕円管束とフィンとにより形成されたチャネルを流れる時の圧力の損失が大きくなる。したがって、伝熱性能がよく、圧力の損失が小さく、かつ、塵埃が付着しにくいフィン構造に対する更なる開発は非常に重要である。

本発明は、流体の剥離を抑制し、流れ圧力損失を減少することができ、フィンの熱交換能力を向上するとともに、安定な放熱性能を保持することができるフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンを提供することを目的にしている。

上記の目的を達成するために、本発明は、1つの側端が気流入口で、もう1つの側端が気流出口であり、管束を取り付けるための取付け孔が設けられたフィン本体を有し、前記フィン本体において、気流の流線向きで前記気流入口から前記気流出口まで間隔的に設けられた凸波紋と凹波紋が複数本連続的に形成されており、同一の前記凸波紋の峰の結び線と、隣り合う同一の前記凹波紋の谷の結び線とは、ともに流線である、フィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンを提供する。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記流線は、フィン本体が対応したフィンチューブ式熱交換器のフラットシートフィン側のチャネル管の軸方向中心断面における管末端に再循環流が現れない流線である。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋は前記フィン本体に設定された波紋領域境界内に設けられ、前記波紋領域境界は、前記取付け孔の上下両側に位置し、前記波紋領域境界はいずれも流線であり、その流関数値で必要に応じて確定され、前記凸波紋の峰の結び線と隣り合う凹波紋の谷の結び線との間隔または前記凸波紋と前記凹波紋の設定数は領域境界の流関数値で必要に応じて確定される。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋の横断面は適宜型の線であって、例えば、折れ線形、正弦波形、放物線形、または円弧形等の線を呈する。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、各前記凸波紋と各前記凹波紋の振幅は一定値である。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、各前記凸波紋と各前記凹波紋の振幅は縦方向に沿って波状曲線に分布している。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋の振幅は前記気流の流動速度が大きい領域において減少し、前記気流の流動速度が小さい領域において増大する。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋の振幅は横方向に沿って等しい。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋の振幅は横方向に沿って等しくない。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋の振幅と前記凹波紋の振幅はそれぞれ、前記取付け孔から離れたところにおいて増大し、前記取付け孔に近いところにおいて減少する。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋はそれぞれ、前記取付け孔の横方向中心線と縦方向中心線に対して対称分布している。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記取付け孔の一側のエッジに沿って、流線型のウェイビーフィンの間隔を制限するための環状ボスが設けられており、前記環状ボスの頂部に1つのカフが膨出している。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋の最大振幅は前記環状ボスの高さの0.1〜0.9倍となる。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記取付け孔は円孔または楕円孔である。

上述したフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンにおいて、前記凸波紋と前記凹波紋の表面は平滑な表面である。

従来技術と比べて、本発明は以下の特徴と利点がある。

本発明は、フィンの表面における流線型の凸波紋と凹波紋による絶えない連続的なガイドにより、気流チャネル内において、流体は主に凸波紋と凹波紋とにより形成された流線型のチャネル内に流れるようになり、流れが安定的となり、流量も均一的に分布しているため、円管・楕円管の末端部における流体の剥離を効果的に抑制し、流れ圧力の損失を明らかに減少する。同時に、凸波紋と凹波紋によって、フィンの表面面積を増加し、フィン側の熱伝達の熱抵抗を減少し、かつ、流体の流線型の流れによって管束の後部に再循環領域が生じ難くなり、管束後部のフィンの熱交換性能も明らかに向上する。以上により、本発明は、よりよい流動及び伝熱性能を有するようになり、かつ、フィンの使用中に、塵埃が付着し難くなり、安定的な伝熱性能を保持している。

ここで記載の添付図面は、ただ目的の解釈のために用いられるものに過ぎず、本発明により開示された範囲を何らかの方式で制限する意図がない。また、添付図面における各部材の形状や割合、サイズ等は、例示的なものに過ぎず、本発明を理解しやすくさせるためのものであり、本発明に係る各部材の形状や割合、サイズを具体的に限定するものではない。当業者は、本発明による示唆を基に、具体的な状況に応じて、種々の可能な形状や割合、サイズを選択して本発明を実施することができる。

図1は、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンの実施例一の平面構成の概略図である。
図2は、図1に示すA-A方向に沿った断面構成概略図断面図である。
図3は、図1に示すB-B方向に沿った断面構成概略図断面図である。
図4は、図1に示すC-C方向に沿った断面構成概略図断面図である。
図5は、図1に示すD方向に沿った側面図である。
図6は、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンの実施例二の平面構成概略図である。
図7は、図6に示すA’-A’方向に沿った断面構成概略図断面図である。
図8は、図6に示すB’-B’方向に沿った断面構成概略図断面図である。
図9は、図6に示すC’-C’方向に沿った断面構成概略図断面図である。
図10は、図6に示すD’方向に沿った側面図である。

添付図面と本発明を実施するための形態における記載とを結び付ければ、本発明の詳細をより明確に把握することが可能である。しかし、ここで記載の本発明を実施するための形態は、本発明の目的を解釈するためのものに過ぎず、何らかの方式で本発明を制限するものとして理解してはならない。本発明による示唆を基に、技術者は、本発明に基づく如何なる可能な変形をも構想することができる。それらを全部、本発明の範囲に属するものと見なすべきである。

図1〜図5は、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンの実施例一の概略図である。

図1に示されたように、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンは、1つの側端が気流入口3で、もう1つの側端が気流出口4であり、熱交換器の管束を取り付けるための取付け孔2が設けられたフィン本体1を有する。本実施例において、取付け孔2は円管孔であり、複数枚の流線型のウェイビーフィンが間隔的に重畳されており、円管は軸方向に沿って各流線型のウェイビーフィンの取付け孔2を貫通しており、複数枚の流線型のウェイビーフィンは順に円管に固定されて熱交換器を形成する。隣り合う2つの流線型のウェイビーフィンの間に気流チャネルが形成される。各フィン本体1において、気流の流線向きで気流入口3から気流出口4まで、間隔的に設けられた凸波紋11と凹波紋12が複数本連続的にプレス成形されており、同一の凸波紋11（図2に示された通り）の峰の結び線5と、隣り合う同一の凹波紋12（図7に示された通り）の谷の結び線6とは、ともに流線である。そのため、フィン本体1の表面には、気流の流線向きと一致する導流チャネルが形成されて、流体が予め設定された流線通りに流れるように案内され、これによって、流れの剥離を抑制し、流れ圧力の損失を減少し、フィンの熱交換能力を向上するとともに、安定な放熱性能を保持するという効果を実現する。

前記流線は、フィン本体1が対応したフィンチューブ式熱交換器のフラットシートフィン側チャネル管の軸方向中心断面における管末端に再循環流が現れない流線ようなである。フィン本体1が対応したフィンチューブ式熱交換器のフラットシートフィンとは、本発明において凸波紋11と凹波紋12が加工されてなる前に、フラットシート状を呈する熱交換器のフラットシートフィンである。フラットシートフィン側チャネルは、隣り合う2つのフラットシートフィン同士と取付け孔を通過した円管とにより形成されたチャネルである。チャネル管の軸方向中心断面とは、フィン側チャネル内において円管軸方向に直交し、かつ、チャネルを構成する2つのフィンへの距離が等しい断面である。管末端とは、円管の外側における気体の流れ方向に対して下流に位置する小領域である。

本発明において、流線は熱交換器の具体的な構成と関わり、当業者にとって、既存の数値方法により求めることができるため、ここでは詳しい説明は省略される。当業者は、実際な工事状況に応じて、計算方法と有限回数の試算を利用して、フィン本体1が対応したフィンチューブ式熱交換器のフラットシートフィン側チャネル管の軸方向中心断面における管末端に再循環流が現れない流線を取得することができる。

さらに、凸波紋の峰の結び線5と隣り合う凹波紋の谷の結び線6との間隔または凸波紋11と凹波紋12の設定数は波紋領域境界の流関数値で必要に応じて確定される。本発明において、取付け孔2の位置に合わせて、取付け孔2の上下両側に波紋領域境界8を設け、凸波紋11と凹波紋12はそれぞれ、波紋領域境界8内に設けられており、波紋領域境界8の上下の2つの境界も流線であり、かつ、それぞれ異なる流関数値を取り、領域境界の流関数値は必要に応じて確定される。波紋領域境界8の流関数値により、必要に応じて、凸波紋の峰の結び線5と凹波紋の谷の結び線6との間隔及び設定数を取得する。そのうち、流関数値の計算方法は既存の技術であり、ここでは詳しい説明は省略される。

図2〜図4に示されたように、本実施例において、凸波紋11と凹波紋12は横断面が連続的な正弦波形を呈し、図2、図7における点線フレームにおいて、それぞれ、凸波紋11と凹波紋12の波紋形状7が示される。しかし、本発明はそれにも限らず、凸波紋11と凹波紋12の横断面は折れ線形、放物線形、円弧形、または他の適宜な形状を呈することが可能であり、流体の流れを案内することに役に立てばよい。

さらに、各凸波紋11と各凹波紋12の振幅は一定値であってもよいし、一定値でなくてもよい。即ち、凸波紋11と凹波紋12の振幅は縦方向（縦方向は、即ち、気流入口3から気流出口4への方向である）に沿って波状曲線に分布している。

本発明の好ましい一実施の形態として、凸波紋11と凹波紋12の振幅は、気流がウェイビーフィンを流れる過程において、振幅の変化が気流の流動速度の変化とは逆であり、即ち、気流の流動速度が大きい領域において減少し、前記気流の流動速度が小さい領域において増大するように設定されてもよい。そうすると、ウェイビーフィンの壁面における流体の流れ剪断応力を減少することができる。しかも、当該応力は、流れ抵抗を引き起こす主因であるので、流れ抵抗を減少させる機能を有する。

さらに、凸波紋11と凹波紋12の振幅は、横方向（即ち、気流の主流に垂直な方向）に沿って等しい、または、等しくない。当業者は、実際な状況に応じて、選択することができる。

本発明の好ましい一実施の形態として、凸波紋11と凹波紋12の振幅は、前記凸波紋11と前記凹波紋12の振幅が前記取付け孔から離れたところにおいて増大し、前記取付け孔に近いところにおいて減少するように設計されてもよい。そうすると、ウェイビーフィンの壁面における流体の流れ剪断応力を減少することができ、したがって、流れ抵抗をさらに減少させる機能を有する。

図1に示されたように、波紋領域境界8が確定された後、流線型の凸波紋11と凹波紋12は流関数値で必要に応じて波紋領域境界8の間に間隔的に分布しており、かつ、凸波紋11と凹波紋12は取付け孔2の横方向中心線と縦方向中心線に対して対称分布している。そのうち、横方向中心線とは、図1における左から右への取付け孔2の中心を通過する直線であり、縦方向中心線とは、図1における下から上への装着2の中心を通過する直線である。そうすると、流体の流動速度が均一的となり、流れ圧力の損失を減少させ、フィンの熱交換能力は向上する。

図1に示されたように、取付け孔2はフィン本体1において複数個が設けられており、複数の取付け孔2は順に並ぶように、即ち、複数の取付け孔2の中心点が同一の水平線に位置するように設けられてもよいし、または、交差に並ぶように、即ち、複数の取付け孔2の中心点が同一の水平線に位置しないように設けられてもよい。取付け孔2の一側のエッジに沿って環状ボス9が設けられており、ウェイビーフィンと円管の装着時、後のウェイビーフィンの前部から突出した環状ボス9は前のウェイビーフィンの後部に当接するため、流線型のウェイビーフィンの間隔を制限して、フィンを位置決めする目的を達成する。

図3に示されたように、環状ボス9の頂部に1つのカフ10が少し膨出しており、フィンが管を通過することやフィン同士の間隔を確定することに都合がよい。本発明において、環状ボス9の高さはフィン同士の間隔の変化によって異なるサイズに設計されてもよい。装着時、管膨張や溶接後に環状ボス9は管束と密接に接触して、ウェイビーフィンを固定し、熱抵抗を減少させる。

さらに、凸波紋11と凹波紋12の最大振幅はフィン同士の間隔（即ち、環状ボスの高さ）の0.1〜0.9倍となる。

さらに、凸波紋11と凹波紋12の表面は平滑な表面である。凸波紋11と凹波紋12の流線型の構成を結び付けると、使用中に塵埃が付着しにくくなり、フィン側の熱抵抗をさらに減少し、フィンの伝熱性能を向上する。

図6〜図10は、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器の流線型のウェイビーフィンの実施例二の概略図である。本実施例と実施例一とは構成と作用がほぼ同じであり、相違点というと、断面が楕円形である管束に適応するために、本実施例に使用された取付け孔2は楕円孔であることが考えられる。

本発明に係るウェイビーフィンがプレス成形された後、ウェイビーフィンを円管または楕円管に取り付け、ウェイビーフィン同士はカフ10付き環状ボス9によって位置決められ、管膨張・溶接、管内耐圧試験等の一連の工程によってフィンチューブ式熱交換器の全体製造が完成する。

本発明に係る流線型のウェイビーフィンの作動原理は以下の通りである。流体（気流）が流線型のウェイビーフィンの間における気流チャネル内に流れるとき、流体は、フィンの表面における流線型の凸波紋11と凹波紋12による絶えない連続的なガイドにより、一部が凸波紋11と凹波紋12とにより形成された流線型のチャネル内に流れるようになり、これによって、流れが安定的であり、流量が均一的に分布しており、円管・楕円管の末端部（末端部とは、円管を気流が流れるとき、円管の気流の流れ方向における下流部である）における流体の剥離を効果的に抑制し、流れ圧力損失は明らかに減少する。同時に、凸波紋11と凹波紋12によって、フィンの表面積が増加し、フィン側の熱伝達の熱抵抗も減少し、かつ、流体の流線型の流れによって管束の後部に再循環領域が生じ難くなり、管末端部のフィンの熱交換性能も明らかに向上する。上記の発明によれば、流線型のウェイビーフィンは、よりよい流動及び伝熱性能を有するようになり、かつ、フィンの使用中に、塵埃が付着し難くなり、安定的な放熱性能を保持している。

上記の各実施の形態に対する詳しい解釈について、その目的はただ本発明を解釈して、本発明をよりよく理解させることに過ぎず、ただし、それらの記載はいかなる理由で本発明を制限するものとして解釈してはならない。特に、異なる実施の形態に記載された各構成要件を互いに任意に組み合わせることにより、別の実施の形態を構成することも可能である。明らかに逆となる記載内容を除き、それらの構成要件は、かかる実施の形態のみに限らず、任意の実施の形態に応用できるものとして理解すべきである。

1-フィン本体；2−取付け孔（円管孔または楕円孔）；3-気流入口；4-気流出口；5:凸波紋の峰の結び線；6-凹波紋の谷の結び線；7-波紋形状；8-波紋領域境界；9-環状ボス；10-カフ；11-凸波紋；12-凹波紋。

Claims (14)

1つの側端が気流入口で、もう1つの側端が気流出口であり、管束を取り付けるための取付け孔が設けられたフィン本体を有するフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィンであって、
前記フィン本体において、予め設定された流線通りに前記気流入口から前記気流出口まで間隔的に設けられた凸波紋と凹波紋とが複数本連続的に形成されており、前記凸波紋と前記凹波紋は前記フィン本体に設定された波紋領域境界内に設けられ、かつ、前記波紋領域境界は、前記取付け孔の上下両側に位置し、前記波紋領域境界はいずれも予め設定された流線であり、その予め設定された流線の流関数値で確定され、同一の前記凸波紋の峰の結び線と、同一の前記凹波紋の谷の結び線とは、ともに予め設定された流線であり、前記凸波紋の峰の結び線と隣り合う凹波紋の谷の結び線との間隔または前記凸波紋と前記凹波紋の設定数は領域境界の流関数値で確定され、
前記予め設定された流線は、フィン本体がフラットシートである場合に対応したフィンチューブ式熱交換器のフィン側のチャンネル管の軸方向中心断面における管末端に再循環流が現れない流線である、
ことを特徴とするフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋は横断面が所望型の線であって、例えば、折れ線形、正弦波形、放物線形、または円弧形の線を呈する、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

各前記凸波紋と各前記凹波紋の振幅は一定値である、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

各前記凸波紋と各前記凹波紋の振幅は縦方向に沿って波状曲線に分布している、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋の振幅は前記気流の流動速度が大きい領域において減少し、前記気流の流動速度が小さい領域において増大する、
ことを特徴とする請求項4に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋の振幅は横方向に沿って等しい、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋の振幅は横方向に沿って等しくない、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋の振幅と前記凹波紋の振幅はそれぞれ、前記取付け孔から離れたところにおいて増大し、前記取付け孔に近いところにおいて減少する、
ことを特徴とする請求項7に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋はそれぞれ、前記取付け孔の横方向中心線と縦方向中心線に対して対称分布している、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記管束の横断面の幾何形状は円管または楕円管である、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記取付け孔の一側のエッジに沿って、流線型のウェイビーフィンの間隔を制限するための環状ボスが設けられており、前記環状ボスの頂部に1つのカフが膨出している、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋の最大振幅は前記環状ボスの高さの0.1〜0.9倍となる、
ことを特徴とする請求項11に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記取付け孔は円孔または楕円孔である、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

前記凸波紋と前記凹波紋の表面は平滑な表面である、
ことを特徴とする請求項1に記載のフィンチューブ式熱交換器の予め設定された流線型のウェイビーフィン。

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