JP3974526B2

JP3974526B2 - ろう付け板を有する熱交換器

Info

Publication number: JP3974526B2
Application number: JP2002554461A
Authority: JP
Inventors: シャテ−プラージュ、ファビエンヌ; ルバン、ジレ; スールマン、クレア; ウェーラン、エティエンヌ
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2004517293A; EP1348100A1; DE60118029T2; FR2819048B1; WO2002054000A1; CN1483134A; US7059397B2; EP1348100B1; DE60118029D1; CN1284958C; FR2819048A1; US20040144525A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横断面において少なくとも一つの波形フィンからなる流路として、熱交換器のプレートによって規定された２つの上下端面の間に延び出る繰り返し波形パターンを含むろう付け板を有する熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、特に空気の蒸留装置、例えばこの装置の主な熱交換ラインのようなガス-ガス間の低温交換器に用いることができる。本発明の熱交換器は、蒸留塔から冷えた製品と間接的に熱交換することにより、入ってくる空気を冷却する。
【０００３】
問題の波形フィンは、ろう付け板熱交換器に広く用いられ、小さな容積で大きな熱交換表面積が提供されるという長所を有し、しかも容易に製造することができる。これらの交換器において、流体の流れは順流、対向流、または交叉流のいずれであってもよい。
【０００４】
添付図面の図１は、本発明が適用可能な熱交換器の従来構造の一例を示す、部分切り欠き全体概要図である。特に、それは低温熱交換器を含むことができる。
【０００５】
図示の熱交換器１は、全てが同一であり、かつそれら相互間の間接的な熱交換関係をもたらすために流体が通流する複数の流路を規定する平行の矩形プレート２の積み重ねからなる。実施例において、これらの流路は連続し、かつ周期的な繰り返しであり、第１の流体のために流路３、第２の流体のために流路４、および第３の流体のために流路５がある。
【０００６】
各流路３〜５は流路を規定する閉止棒６（closure bars）によって塞がれ、対応する流体が自由に入口／出口窓７を出入りするようになっている。各流路内にはスペーサが設けられ、熱フィンとして機能し、かつスペーサ波またはスペーサコルゲートのフィン８としてプレート間を隔て、加圧流体に使用されるときにプレートの変形を防止するために特にろう付けされ、流体の流れを案内するようになっている。
【０００７】
プレート、閉止棒およびスペーサ波のスタックは、通常、アルミニウムまたはアルミニウム合金でつくられ、ろう付け炉によりただ１回の操作で組立てられる。
【０００８】
流体入口／出口ボックス９は、全体の形状が半円筒であり、入口／出口窓に対応する列に配置させるために交換器本体に溶接され、流体を導入および排出する配管１０に接続されている。
【０００９】
種々のタイプのスペーサ波８がある。すなわち、直線で取り囲まれたストレートフィン、あるいは穴開きしているようなフィン、魚の骨（ヘリングボーン）フィンのような曲がりくねったフィン、よろい窓のフィン（louvered fins）、凹部の列を有する波脚、および部分的にオフセットされるか、または「ギザギザをつけた鋸状の」フィンなどである。
【００１０】
これらの多様なフィンにおいて、波付け（wave）は、横断面で矩形、三角形、曲がりくねった曲線形などとすることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、コルゲート状のフィンを有する熱交換器の熱性能を向上させることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明の主題は、略平坦形状の複数の流体流路を規定する平行板の積み重ねと、これらの流体流路を規定する閉止棒と、流体流路内に設けられた波状フィンと、波状フィンのうちの少なくともいくつかは、横断面において、交換器の２つの隣接する板によって規定される２つの上下端面間に延び出す繰り返し波形パターンをなしていること、を具備する熱交換器であって、前記パターンは波の山と谷がつながった波脚を備えた基本波パターンを有し、該基本波パターンは、少なくとも数対の波脚の間に規定されるサブパターンにより変更され、２つの端面間の中間レベルに位置し、前記波の山または前記波の谷に交互に接続されたリム対を具備する追加交換面を有する熱交換器である。
【００１３】
他の任意の態様について：
サブパターンは、２つの端面を離間させる距離の部位だけオーバーして伸び出すサブ波形を規定する。
【００１４】
サブパターンは、２つの端面の中間レベルに位置する少なくとも１つの非垂直部位を有する。
【００１６】
リムは垂直である。
【００１７】
サブパターンは、少なくとも１つの追加の傾斜交換面を有する。
【００１８】
サブパターンはＶ字断面を有する。
【００２０】
フィンが部分的にオフセットである。
【００２１】
オフセット距離は、主パターンがそれ自体に関して両側にオフセットであること、および主パターンがサブパターンに関してオフセットであることを保つものである。
【００２２】
パターンはあらゆる波のＮ列を繰り返すこと、但しＮ≧３とし、特にＮ＝４とする。
【００２３】
少なくともいくつかの谷および／またはサブパターンの一部は、少なくとも１つの先導エッジおよび／または追跡エッジで、かつそれらの高さまたはそれらの幅の一部に、少なくとも１つの切欠きを有する。
【００２４】
波は、正方形であるか、矩形であるか、三角形であるか正弦波（sinusoidal）の横断面を有する。
【００２５】
基本コルゲートパターンは、２つの端面の全長にわたって一定である。
【００２６】
請求項１乃至１２のいずれか１項記載の熱交換器は、少なくとも谷Ｍおよび／またはサブパターンＭ１のうちのいくつかの一部が、少なくとも一つの先導エッジ（先端エッジ）および／または追跡エッジ（後端エッジ）に、およびそれらの高さまたはそれらの幅の一部に、少なくとも切欠き２６を含むことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下は主にギザギザの鋸歯状フィンに関係する、しかし、本発明がまた、他の種類の上記したフィンに適用できると理解される。
【００２８】
本発明の代表的な実施の形態を添付の図面に関連してここに以下のように記載する。
【００２９】
図２および図３に示すギザギザの鋸歯状フィン１は、全体にわたり主コルゲーション方向Ｄ１をもち、多数の隣接する波列１２Ａ，１２Ｂ，…を有する。これら波列１２Ａ，１２Ｂ，…は、全てが同一であり、全てが主コルゲーション方向Ｄ１に直交する方向Ｄ２を向いている。
【００３０】
便宜上ここでは図２に示すように、方向Ｄ１とＤ２を水平とし、熱交換器のプレート２と同様のものにしている。
【００３１】
方向Ｄ１に対して直交する横断面において、各々の波列１２は２本の垂直波脚１３を具備した基本パターンＭを有する。
【００３２】
問題となる流路の方向Ｄ１に沿った流体の流れの全体にわたるセンスＦに関して、各垂直波脚１３は先導エッジ１４および追跡エッジ１５を備えている。これらの脚１３は、矩形で、平らで、水平な波山１６の上部エッジと、同じく矩形で、平らで、水平な波谷１７の下部エッジとに沿って交互に連結されている。
【００３３】
基本パターンＭは、各々の波山１６の中央において下方へ延び出す矩形突起と、各々の波谷１７の中央において上方へ延び出す矩形突起とからなるサブパターンＭ１によって変更される。
【００３４】
各々のサブパターンＭ１は、隣接のプレート２により規定される両端面間の半分のところに配置された１つの平坦端部１８と、対応する波山１６または波谷１７に対してそのエッジが接続された２つの垂直リム１９とからなる。
【００３５】
このように、各々のサブパターンは、２本の隣接する脚１３の間に生ずる切欠きを形成する。この切欠きは、３つの追加交換面、すなわち１つの水平交換面２０と２つの垂直交換面２１とを規定する。
【００３６】
列１２は、方向Ｄ２において他のもう１つに関してオフセットされ、ある程度まで他のもう１つの中に交互に入りこんでいる。波を形成する薄いシート材料の厚さｅを無視した２本の連続する脚１３を引き離す距離ｐに関連する用語「ピッチ」を使用することにより、オフセットはある程度まで他のもう１つの中に交互にｐ／６であり、切欠き幅Ｍ１はｐ／３である。
【００３７】
このように、各々の列１２は、長さｐ／６の右回りのセグメント２２に沿って波山１６により後続の列１２に接続され、また同じ長さｐ／６の右回りセグメント２３に沿って波谷１７により後続の列１２に接続されている。オフセット面は、Ｐ_ABおよびオフセット線のような垂直面であり、上部から見て参照符号２４で示される。
【００３８】
また、記号ｌは方向Ｄ１の各列１２の長さ（この長さは「鋸歯状長（serration length）」と称する）を示すために用いられ、記号ｈはフィンの高さを示すために用いられる。
【００３９】
とくに、各種波のパーツ形状は、上述の理論的な形状から外れて大きくなるか又は小さくなるという程度に相違していてもよい。とりわけ平坦さと矩形形状に関して、リム１９に対する側面１３と１６および側面１３と１９の垂直度は理論的な形状から多少はずれて相違していてもよい。
【００４０】
端のほうから見た場合に（図３）、パターンＭは、それ自体に関して横に（はすかいに）オフセットし、かつパターンＭ１に関して横に（はすかいに）オフセットしている。すなわち、与えられたギザギザの鋸歯状列１２の脚１３が、隣接する列１２と隣接するサブパターンＭ１のリム１９との間に各々現れている。これに対して、同じ列１２のリム１９は、隣接する列１２の２つのリム１９の間か、あるいはリム１９と脚１３との間かのいずれかに、各々現れている。
【００４１】
サブパターンＭ１が存在することから、流れの分離は各々のオフセットライン２４において増加する。それは流体およびフィン間の温度差を増大させ、これにより交換される熱流束を増やす。
【００４２】
追加先導エッジ２０と２１の存在は、流体にさらに乱流を生じさせる。それは流れの中核に向かう対流により熱移動を促進させ、限定される層を通って伝導することなく、熱交換を促進させる。
【００４３】
図３から図４が異なるのは、切欠Ｍ１の深さが大きい。すなわち、切欠Ｍ１の深さを図３のｈ／２に対して図４では２ｈ／３にしている。このようにすると、優先的な流れ領域は減少し、それは上述の切欠Ｍ１の有益な効果を逃すことになる。
【００４４】
同じ目的で、図５〜図７は、パターンＭ＋Ｍ１が他のどの列でもないが、Ｎ≧３のときのＮの１つの列のギザギザな鋸状フィンを示す。これは流れの左右対称性を増大することを可能にする。本実施例ではＮ＝４である。４つの連続する列１２Ａ〜１２Ｄについては後述する。
【００４５】
予め、各列は同一の矩形の基本パターンＭを有する。この基本パターンＭは、ピッチｐに間隔を置いて離れた垂直脚１３を有し、幅ｐの波山１６と同じ幅ｐの波谷１７とにより交互に接続されている。パターンＭはサブパターンＭ１Ａ〜Ｍ１Ｄにより変更される。
【００４６】
サブパターンＭ１Ａ：各々が上方へ開いたコルゲーションにおいて、右脚１３の下部は、この脚の半ばまで位置する水平部２４と、この脚とコルゲーションの他の脚との間において半ばまで位置する垂直部２５とを有するステップによって変形される。このように、脚の下半分および隣接の波谷の右半分は、鎖線で示すように除去される。
【００４７】
サブパターンＭ１Ｂ：各々が下方へ開いたコルゲーションにおいて、左脚１３の上部は、類似のステップにより変形される。すなわち寸法ｐ／２とｈ／２の矩形ステップによって変形される。
【００４８】
サブパターンＭ１Ｃ：各々が上方へ開いたコルゲーションにおいて、左脚１３の下部は、類似のステップにより変形される。したがって、このサブパターンは、サブパターンＭ１Ａに関して対称形である。
【００４９】
サブパターンＭ１Ｄ：各々が下方へ開いたコルゲーションにおいて、右脚１３の上部は、類似のステップにより変形される。したがって、このサブパターンは、サブパターンＭ１Ｂに関して対称形である。
【００５０】
また、本実施形態では、１つの列から次の列へのオフセットはｐ／２であり、ある程度まで他（？）と交互である。フィン構造の理解を容易にするために、図５および図６は２つの隣接した垂直面Ｐ１およびＰ２を示す。
【００５１】
図８の実施形態は、図３の実施形態から派生したものであり、各サブパターンＭ１を矩形または正方形ではなく三角形としたものである。このように、２つの傾斜した先導エッジ２５（波の垂直対称面Ｐに関して対称形である）は、各々の波のなかに挿入される。
【００５２】
本実施例において、三角形の高さはｈ／２であるが、前の通り、それは優先的な流れ領域を減らすために異なる値（特にｈ／２より大きい値）とすることができる。
【００５３】
【発明の効果】
上記の全ての実施形態によれば、交換器の高い熱性能、高度に分離された乱流、および二次元形状であるかまたは三次元形状が得られる。
【００５４】
ここで、プレスまたは歯車のついた車輪を用いて平らな製品の単純な折りたたみによってフィンを製造でき、従来のコルゲートフィンや、特にギザギザのある鋸歯状フィンを製造することができる。これは表面がすべて展開可能であるという理由によるからであり、その結果、折りたたみ工具の輪郭に十分に適合するものである。
【００５５】
サブパターンＭ１の存在によってオフセットラインにおいて流路が制限を受けるために、圧力が低下する。これらの圧力低下は、パターンＭおよび／またはＭ１の少なくともいくつかの先導エッジおよび／または追跡エッジに注意深く置かれる切欠きを設けることによって減少させることが可能である。これらの切欠きは、サブパターンＭ１の先導エッジおよび／または追跡エッジに面するところに位置するか、あるいは図中に鎖線２６で示すようにそれらの中に配置することが好ましい。
【００５６】
どのようなフィンタイプであっても、後者は、一体物の金属薄板、または穿孔した金属薄板、あるいは別の方法で穿孔された金属薄板のうちのいずれかで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器の一部を切り欠いて示す斜視図。
【図２】本発明の熱交換器のギザギザの鋸歯状フィンを示す斜視図。
【図３】本発明のフィンの端面図。
【図４】他のフィンの端面図。
【図５】他のギザギザの鋸歯状フィンの斜視図。
【図６】図５のフィンの分解斜視図。
【図７】図５のフィンの端面図。
【図８】本発明の他のギザギザの鋸歯状フィンの端面図。
【符号の説明】
２…ろう付け板
１１…フィン
１２，１２Ａ〜１２Ｄ…列
１３…脚
１４…先導エッジ
１５…追跡エッジ
１６…波山
１７…波谷
１８…非垂直部
１９…リブ
２０…水平交換面
２１…垂直交換面
２２，２３…セグメント
２４…ステップ
２５…傾斜交換面
Ｍ…基本パターン
Ｍ２…サブパターン

Claims

略平坦形状の複数の流体流路と、これらの流体流路を規定する閉止棒と、前記流体流路内に設けられた波状フィンと、前記波状フィンのうちの少なくともいくつかは、横断面において、交換器の２つの隣接する板によって規定される２つの上下端面間に延び出す繰り返し波形パターンをなしていること、を具備する熱交換器であって、
前記パターンは波の山と谷がつながった波脚を備えた基本波パターンＭを有し、該基本波パターンＭは、少なくとも数対の波脚の間に規定されるサブパターンＭ１により変更され、前記２つの端面間の中間レベルに位置し、前記波の山または前記波の谷に交互に接続されたリム対を具備する追加交換面を有することを特徴とするろう付け板を有する熱交換器。
前記サブパターンＭ１は、前記２つの端面を離間させる距離の部位だけオーバーして伸び出すサブ波形を規定することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記サブパターンＭ１は、前記２つの端面の中間レベルに位置する少なくとも１つの非垂直部位を有することを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の熱交換器。
前記リムは垂直であることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
前記サブパターンＭ１は、少なくとも１つの追加の傾斜交換面を有することを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の熱交換器。
前記サブパターンＭ１はＶ字断面を有することを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
前記フィンが部分的にオフセットであることを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１記載の熱交換器。
前記オフセット距離は、前記主パターンＭがそれ自体に関して両側にオフセットであること、および前記主パターンＭが前記サブパターンＭ１に関してオフセットであることを保つものであることを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
前記パターンＭ，Ｍ１はあらゆる波のＮ列を繰り返すこと、但しＮ≧３とすることを特徴とする請求項８記載の熱交換器。
前記Ｎは４であることを特徴とする請求項９記載の熱交換器。