JPH01310297A - 熱交換器用プレートフィン及びフィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、熱交換器に係り、更に詳細には熱伝達率が向
上された正弦波形の熱交換面を含むプレートフィン及び
かかるプレートフィンを有する熱交換器に係る。

従来の技術 空調工業や冷凍工業に使用されるプレートフィンは、一
般に、長尺のプレートフィン材料を連続的にスタンピン
グし、しかる後スタンピングされたプレートフィンを所
望の長さに切断することを含む方法により製造されてい
る。プレートフィンはコイルを形成するための準備とし
て適正な方向及び数にて収集される。次いで先に形成さ
れたヘアピンチューブがプレートフィンに設けられた孔
に挿入され、しかる後チューブとプレートフィンとの間
に機械的及び熱的接続部が形成されるよう拡径される。

ヘアピンチューブの開口端はＵ形の戻し湾曲管により流
体的に接続され、しかる後戻し湾曲管がはんだ付は又は
ろう付けされる。プレートフィンは典型的にはプレート
フィンの形状を成形し、プレートフィンの表面起伏を与
え、管状部材が挿入される孔を形成すべく引抜きダイス
又は非引抜きダイス内にて形成される。一般にＨＶＡＣ
工業は現在のところプレートフィン原料より同時に複数
列のプレートフィンを形成している。

複数列のプレートフィンはコイル用の所定の数の列に切
断され、しかる後積層棒上又は箱若しくは他の手段内に
収集され、これによりヘアピンチューブが挿通されてコ
イルが形成され得る状態のプレートフィンの積層体が形
成される。

局部的な対流による熱伝達を制限する基本的な因子は、
熱交換器のプレートフィン上に厚い流体力学的境界層が
形成され維持されることであることが当業者に知られて
いる。かかる理由から、従来のプレートフィンには管状
部材内を流れる流体とプレートフィンの表面を越えて流
れる流体との間の熱エネルギの伝達を改善するための種
々の表面起伏が設けられている。かくして熱伝達性が向
上されたプレートフィンは一般に平坦なフィン又は波形
のフィンである。平坦なフィンは一般に持上げられたラ
ンスを形成することにより熱伝達性が向上される。持上
げられたランスとは、二つの平行なスリットにより形成
されたプレートフィンの細長い部分（ランス）であって
、プレートフィンの材料の面より持上げられた部分とし
て定義される。波形のプレートフィンは持上げられたラ
ンスに加えてルーバを有していてもよい。ルーバは一つ
又は二つの細長いスリットを有するプレートフィン材料
の一部であって、プレートフィン材料の面より変位され
た材料がプレートフィン材料の面上に少くとも一つの点
を必ず有する部分として定義される。これらのランス及
びルーバは流体力学的境界層の再形成又は薄肉化を促進
し、これにより局部的な熱伝達係数を増大させる。しか
し熱伝達を改善すべくプレートフィン材料の面に多数の
ランスやルーバが設けられると、熱交換コイルに於ける
空気の圧力降下が好ましからざる程に高い値に増大する
。更にかかるランスやルーバを有するフィンはスリット
形成工程に於て構造的に脆弱化され、またかかるフィン
を製造することは困難であり高コストである。

かくして当技術分野に於ては、熱伝達性が向上された面
を有し、熱伝達と圧力損失とがより一層好ましくバラン
スされたプレートフィンが必要とされている。

発明の概要 本発明の一つの目的は、プレートフィンチューブ型熱交
換コイルに熱伝達性が向上された改良されたフィンを組
込むことである。

本発明の他の一つの目的は、より一層効率的な熱交換器
を提供すべく、断面で見て正弦波形を有し、正弦波形の
最大値の位置及び最小値の位置にそれらを貫通する孔を
有する熱伝達性が向上されたプレートフィンを提供する
ことである。

本発明の更に他の一つの目的は、峰の下流側に於ける境
界層の剥離を遅延させ又は防止し、これにより谷内に於
ける流体の再循環を低減し又は防止することにより、熱
交換器の互いに隣接する波形のフィンの間を流れる流体
の粘性損失を低減することである。

本発明の更に他の一つの目的は、熱伝達性を改善し、し
かも成る与えられた面速度に於ける空気の圧損を成る値
に維持し又は低減する熱交換コイルの熱伝達性が向上さ
れた波形のプレートフィンを提供することである。

本発明のこれらの目的は断面で見て正弦波形を有し、長
平方向に沿う正弦波形の峰及び谷に孔を有し、熱交換コ
イルに於ける過剰の圧損を招来することなく熱伝達性を
改善する境界層の吸引のメカニズムを利用する熱伝達性
が改善されたプレートフィンによって達成される。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例 本明細書に於て説明する本発明の実施例は、暖房、換気
、空調システムに於て使用される凝縮用又は蒸発用熱交
換器に使用されるよう構成されているが、本発明は他の
形態の熱交換器にも適用可能なものであることに留意さ
れたい。プレートフィン型熱交換器は一般に従来の直接
膨張式蒸気圧縮型冷凍システムに使用される。かかるシ
ステムに於ては、圧縮機によりガス状の冷媒（Ｒ−２２
であることが多い）が圧縮され、その圧縮された冷媒が
コンデンサを経て循環され、冷媒はコンデンサ内に於て
冷却されて液化され、次いで膨張制御装置を経てシステ
ムの低圧側へ供給され、該低圧側に於て他の一つの熱交
換器内に於て蒸発され、その際に冷却されるべき流体よ
り熱を吸収して部分的に液体及び部分的に蒸気の状態よ
り過熱蒸気に相変化する。次いで過熱蒸気は圧縮機へ潔
れて冷凍サイクルを完了する。

典型的には、プレートフィン型熱交換器は複数個の平行
なプレートフィンを積層し、それらのフィンに複数個の
ヘアピンチューブを挿通し、それらのチューブを機械的
に拡径させて各フィンと物理的に接触させることにより
組立てられる。熱交換器の熱交換特性は主として各プレ
ートフィンの熱交換特性により決定される。

第１図に本発明の一つの好ましい実施例が組込まれたプ
レートフィンチューブ型熱交換コイル１０が図示されて
いる。熱交換コイル１０は複数個の互いに隔置されたプ
レートフィン１２を含んでおり、各プレートフィン１２
は複数個の孔１６を有している。プレートフィン１２は
アルミニウムの如き任意の熱伝達性を有する材料よりな
っていてよい。プレートフィン１２は孔１６と軸線方向
に整合された複数個の孔を有する互いに対向して配置さ
れたチューブシート１８により保持されている。図示の
如く複数個のヘアピンチューブ２０がそれぞれ一対の孔
〕６に挿通されており、それらの開口端は戻し湾曲管２
２により互いに流体的に連通接続されており、湾曲管２
２ははんだ付け、ろう付は等によりヘアピンチューブ２
０に固定されている。ヘアピンチューブは銅の如き任意
の熱伝達性を有する材料よりなっていてよい。

作動に於ては、冷却又は加熱されるべき第一の流体がヘ
アピンチューブ２０内を流れ、冷却流体又は加熱流体が
プレートフィン１２の間及びチューブ２０を越えて矢印
Ａにて示された方向へ流される。熱エネルギがヘアピン
チューブ２０内を流れる第一の流体及びプレートフィン
１２より他方の流体へ伝達され、或いはこの逆に伝達さ
れる。

流体は互いに異る種類のものであってよく、例えばチュ
ーブ２０内を流れる流体は冷媒であり、プレートフィン
１２の間及びチューブ２０を越えて流れる流体は空気で
あってよい。

第１図に示されている如く、フィンチューブ型熱交換コ
イル１０は、各プレートフィン１２がヘアピンチューブ
２０を受けるための二列の互い違いの孔を有しているの
で、互い違いの二列のコイルである。本発明は一列又は
それ以上の列のチューブを有する熱交換コイルに関する
ものであり、−列の孔１６が隣接する列の孔１６に対し
互い違いに又はこれらに整合して配列されている。また
熱交換器は複数個の単一列の熱交換コイルよりなる複合
的な熱交換器であってもよい。

第２図及び第３図に複数列のプレートフィンが本発明の
種々の実施例として図示されており、各プレートフィン
は複数列のチューブ用孔１６を有し、互いに隣接する一
対の孔１６の間に熱伝達性が向上された熱伝達部２４を
有している。またプレートフィン１２はリーディングエ
ツジ２６及びトレーリングエツジ２８を含み、これらの
エツジはその剛性を増大させるべく複数個のセレーショ
ンを有していてよい。チューブ２０を受入れ互いに隣接
するプレートフィンを隔置するためのカラー１４がフィ
ンの製造中に孔１６の周りに形成される。第２図及び第
３図に於ては、プレートフィン１２のみが図示されてお
り、簡略化の目的でカラー１４に挿通されるチューブは
省略されている。

従来のプレートフィン型熱交換器の一つの例が第４図に
示されている。熱交換器１０は波形のフィンを有してお
り、これによりチューブ２０よりカラー１４を経てプレ
ートフィン１２へ至る熱の伝達が通常の平坦なプレート
フィンの場合よりも向上されている。ファン等により供
給され矢印Ａの方向に流れる空気の如き流体はプレート
フィン１２に沿って流れ、その熱を空気の温度とは異な
る温度のプレートフィンの表面へ伝達し或いはこれとは
逆の方向に伝達し、これによりプレートフィンを越えて
流れる第一の流体とチューブ内を流れる第二の流体との
間に連続的に熱交換が行われるようになっている。

第４図の熱交換器に於ては、流路３０が二つの互いに隣
接するプレートフィン１２の間に形成されている。互い
に隣接するプレートフィン１２の間の流路３０を流れる
流体はプレートフィン１２の上面３２及び下面３４に沿
って流体力学的境界層を形成する。しかし境界層は上面
３２の峰３６及び下面３４の峰３８の下流側に於て剥離
し、互いに隣接するプレートフィンの間に於て矢印ａに
より示されている如く隣接する下流側の谷内に於て再循
環し渦を形成する。

かかる渦の形成は好ましからざる圧力勾配に起因する。

好ましからざる圧力勾配は、上面３２の峰３６の下流側
部分４６及び下面３４の峰３８の下流側部分４８の近傍
に於て長手方向の自由な流れの流体の流線が末広がり状
をなし、その後流体が減速することにより惹起こされる
。自由な流れの流体の減速により流路３０の上面及び下
面の谷内に於ける静圧が局部的に増大される。

更に流路３０の起伏形状により、遠心効果に起因して流
路に沿う任意の点に於ける凸部（峰）より凹部（谷）へ
向う方向に正の圧力勾配が発生される。かくして従来の
波形のプレートフィンを有する熱交換器は第４図に於て
Ｂにて示されている如き上面及び下面の谷に於て比較的
高い圧力を有するが、Ｃにて示されている如き上面及び
下面の峰に於て比較的低い圧力を有する。長手方向の流
体流れの運動量はフィンの表面近傍の境界層中に於ては
位置Ｂに於ける比較的高い圧力に打勝つには不十分であ
り、これにょ境界層の剥離が生じる。

第５図には本発明の一つの実施例の側面図が図示されて
いる。第５図に於て、複数個の互いに隔置されたプレー
トフィン１２が図示されており、チューブ２０が軸線方
向に互いに整合された孔に受入れられるようになってい
る。波形のプレートフィン１２はその上面３２及び下面
３４を越えて流れる流体の流れ方向に沿う断面で見て正
弦波形を有している。プレートフィン１２にはその最大
値及び最小値の位置、即ち峰３６及び谷３８にプレート
フィンを貫通する複数個のオリフィス状の小孔４０が形
成されている。

第５図に於て、矢印Ａはプレートフィン１２の間を流れ
る空気流の如き流体流れの流れ方向を示している。流体
がフィン１２の間の流路３０内を流れると、互いに隣接
する流路内に於けるフィンを横切る差圧により流体が小
孔４０を経て流通せしめられる。小孔４０を経て流体が
流れることにより、上面及び下面の谷の近傍に於ける流
体の再循環が実質的に排除され、また下面及び上面の峰
の下流側に於ける境界層の剥離が遅延され或いは排除さ
れる。かくして流体の一部がフィンの峰及び谷に於ける
互いに隣接する流路３０の間の差圧により点Ｂより点Ｃ
へ互いに隣接する流路３０の間に流される。

小孔４０は流体の再循環を低減若しくは排除するに十分
な流体を小孔を経て通し、しかも流路３０内を流れる流
体の長手方向の流線を大きく変更させることのない大き
さにて設けられている。更に小孔４０を通過する流体の
運動量が高いことにより、プレートフィンの低圧側に於
ける境界層が分断され、小孔４０により熱伝達面の面積
が低減されるにも拘わらず熱伝達率が向上される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱伝達性が向上されたプレートフィン
が組込まれたプレートフィン型熱交換器を示す斜視図で
ある。 第２図は本発明の第一の好ましい実施例による複列プレ
ートフィンを示す斜視図である。 第３図は本発明の第二の好ましい実施例による後列プレ
ートフィンを示す斜視図である。 第４図は従来の波形プレートフィンを示す断面図である
。 第５図は第３図の線５−５に沿う断面図である。 １０・・・熱交換コイル、１２・・・プレートフィン。 １６・・・孔、１８・・・チューブシート、２０・・・
ヘアピンチューブ、２２・・・戻し湾曲管、２４・・・
熱伝達性が向上された部分、２６・・・リーディングエ
ツジ。 ２８・・・トレーリングエツジ、３０・・・流路、３２
・・・上面、３４・・・下面、３６．３８・・・峰、４
０・・・小孔特許出願人　　キャリア・コーポレイショ
ン代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石
　　昌　　毅る Ｆ／Ｇ、２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　第一及び第二の面を有し互いに対向する第一及
   び第二の壁を含み、前記壁と前記第一及び第二の面を越
   えて流れる流体との間に熱を伝達するプレートフィンに
   して、 前記第一及び第二の面を越えて流れる流体と前記壁との
   間に於ける熱交換を向上させる波形の熱交換手段であっ
   て、前記第一及び第二の面を越えて流れる流体の流れに
   平行な方向に前記第一及び第二の面に沿って所定の振幅
   の正弦波形を有し、前記正弦波形はその最大高さの位置
   に湾曲した峰を有しその最小高さの位置に湾曲した谷を
   有し、前記峰及び前記谷は前記第一及び第二の面を越え
   て流れる流体の流れ方向を実質的に横切る方向に前記熱
   伝達手段に沿って延在している波形の熱伝達手段と、 実質的に前記峰及び谷に沿って配置された熱伝達性が向
   上された熱伝達部であって、貫通孔を有し、実質的に前
   記峰に於ては前記面を越えて流れる流体が前記第一の面
   より前記第二の面へ向う方向に前記貫通孔を経て流れ、
   実質的に前記谷に於ては前記面を越えて流れる流体が前
   記第二の面より前記第一の面へ向う方向に前記貫通孔を
   経て流れるよう構成された熱伝達部と、 を含むプレートフィン。
2. （２）　複数個の孔を有する複数個の伝熱性を有する波
   形のプレートフィンであって、それぞれ第一及び第二の
   面を有し互いに対向する第一及び第二の壁を有し、所定
   の間隔にて互いに平行に配列され、これにより互いに隣
   接する前記プレートフィンの間にて前記第一及び第二の
   面を越えて第一の流体が流れるよう構成されたプレート
   フィンと、前記プレートフィンと熱交換関係にて前記孔
   内に配置された複数個の熱伝達チューブであって、内部
   に第二の流体が流れ、熱が前記第一の流体と前記第二の
   流体との間に伝達されるよう構成された熱伝達チューブ
   と、 前記波形のプレートフィンはそれぞれ前記第一の流体の
   流れに実質的に平行な平面内に正弦波形を有し、前記正
   弦波形は所定の峰から谷までの振幅を有し、前記振幅の
   最大値の位置に湾曲した峰を有し、前記振幅の最小値の
   位置に湾曲した谷を有することと、 前記波形のプレートフィンはそれぞれ互いに隣接する前
   記孔の間に設けられた熱伝達性が向上された熱伝達部を
   有し、前記熱伝達性が向上された熱伝達部は実質的に前
   記湾曲した峰及び谷に貫通孔を有し、これにより前記湾
   曲した峰に於ては前記第一の面を越えて流れる前記第一
   の流体が前記峰に於ける差圧に起因して前記貫通孔を経
   て前記第二の面へ流れ、前記湾曲した谷に於ては前記第
   二の面を越えて流れる前記第一の流体が前記谷に於ける
   差圧に起因して前記貫通孔を経て前記第一の面へ流れる
   よう構成されていることと、 を含むフィンチューブ型熱交換器。