JPH03181796A - 熱交換器のプレートフィン構造 - Google Patents

熱交換器のプレートフィン構造

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JPH03181796A
JPH03181796A JP2320592A JP32059290A JPH03181796A JP H03181796 A JPH03181796 A JP H03181796A JP 2320592 A JP2320592 A JP 2320592A JP 32059290 A JP32059290 A JP 32059290A JP H03181796 A JPH03181796 A JP H03181796A
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JP
Japan
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fins
fin
plate
plate fin
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JP2320592A
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English (en)
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Lawrence Walter Ubowski
ローレンス　ワルター　ウボウスキー
Jack Leon Esformes
ジャック　レオン　エスフォーメス
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Carrier Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F28F1/325—Fins with openings

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
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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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、一般に熱交換器に用いるプレートフィンに関
し、特に高い伝熱性能を得るために、そのの外表面にエ
ンボス加工された、渦の発生を高める要素（以下、単に
エンハーンスメントと称する）を含んだ正弦波形のプレ
ートフィンを有した熱交換器のプレートフィン構造に関
する。
［従来の技術］ 近年の空気調和装置産業や冷凍装置産業で広く用いられ
るプレートフィンは、通常、せん断工程を経てコイル状
のフィン材料の表面に、流体の流れの一部を撹拌する渦
の発生を高めるために、複数の開口部を形成するように
して製造される。この開口部の形成後、フィン材料は所
望する長さに切断される。これらのプレートフィンは、
伝熱コイルを形成するために、所望する方向に配列され
て適当数だけ組み付けられた後、フィンに画成された孔
の中に予め用意されたヘアピン状チューブが挿入される
。この後、ヘアピン状チューブを加熱、膨張することに
より、チューブとフィンを互いに緊密に結合している。
ヘアピン状チューブの開口端は、Ｕ字型返しベンドを用
いて、チューブ内を流れる冷媒等の流動を妨げることの
ないように互いに緊密に結合されている。この返しベン
ドは、通常、所定取付箇所にハンダ付は又は蝋付けされ
る。
一般に、プレートフィンは、所定のフィン形状を得るた
めに、更にまたフィン表面上での渦の発生を高める開口
部やヘアピン状チューブを取り付けるための孔を明ける
ために、ダイ内に固定されて、フォーミング、パンチン
グ、並びにせん断加工等が施される。
熱交換器に用いるプレートフィンの表面に温度境界層が
存在したり、或は温度境界層が特定位置に保持されるこ
とにより、局部的な対流熱伝達が規制されることは周知
のとおりである。このために、従来のプレートフィンに
おいては、前述の温度境界層の発生やその継続的な発生
を断つため、或は前述のチューブ内を通過する流体とプ
レートフィンの表面を通過する流体との間の熱エネルギ
ー交換をより改善するために、プレートフィンが様々な
表面形状を有していたり、或は渦の発生を高めるエンハ
ーンスメントをフィン表面に配するようにしていた。通
常、これら従来のフィンは、エンハーンスメントを有し
た平らな或はコイル状のフィンであった。平らなフィン
及びコイル状のフィンは、一般に、パンチング或はせん
断加工により、隆起したへら状のランス部、ルーバ一部
、或はランプ部や三角翼部を形成することによって、渦
の発生を高めることができた。盛り上がったランス部は
、二つの互いに平行なスリットに挟まれた中間部がフィ
ンの図心から離れて盛り上げられることにより画成され
た細長い隆起部としてフィン表面に形成されている。ま
た、鮫のエラ状のルーバ一部は、単一スリット又は二つ
の互いに平行したスリットに隣接するフィンの一部を所
定角度だけフィンの図心廻りに曲げることによって画成
された細長い隆起部としてフィン表面に形成され傾斜部
或は翼部に沿って流れる流体の流れの方向に垂直な方向
に延びる、フィンに結合された一側端、並びにフィン外
表面に形成されたスリットが外表面上に隆起してできた
複数の他側端から画成されたフィンの隆起部として形成
されている。上記したエンハーンスメントを備えたプレ
ートフィンからなる熱交換器は、本発明と同一の譲受人
に譲受された米国特許第４．８６０．８２２号並びに第
４．７８７゜４４２号に開示されている。フィンに形成
されたランス部並びに三角翼部により、流体力学上の温
度境界層を取り除くことを促進すると共に、伝熱効率を
増加する二次的な流れを発生することが可能である。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述したような渦の発生を高め、フィン
の伝熱効率を向上するために、フィン表面から隆起した
ランス部、ルーバ一部、ランプ部、又は三角翼部をフィ
ン表面の多数箇所にエンボス加工することは、製造コス
トがかかるばかりか、渦の発生を高めるエンハーンスメ
ントを多数箇所に形成するためには、フィン材料をせん
断加工するために、予め多数の小さなパンチング部を用
意しなければならないといった複雑な製造上の問題を生
ずる。また、せん断によって副産物として発生したせん
断クズ等の破片により、フォーミング用ダイの正常な作
動を妨げる可能性もある。更に、前述した多数のランス
部、ルーバ一部、並びに三角翼部等は、フィンの伝熱効
率の改善に寄与するが、逆に伝熱コイルを流れる流体の
圧力低下をもたらすといった欠点をも併せ持つ。上記し
理由から、加工クズの発生の低減を図ると共に、熱エネ
ルギーの消耗を改善すると共に、更にフォーミング用ダ
イの信頼性を増加するような、エンボス加工された表面
を有した正弦波形のプレートフィンが望まれていた。
上記した従来のプレートフィンの問題点に鑑みて、本発
明は、伝熱コイルに用いるプレートフィンの表面にエン
ボス加工された、渦の発生を高めるエンハーンスメント
を備えることにより、プレートフィンの伝熱効率をより
改善することを目的とする。
本発明の他の目的は、温度境界層の厚さに即したサイズ
の渦を発生し、温度境界層における流動を活性化すると
共に、温度境界層に向かって渦を方向付けて、温度境界
層の厚さの増加を抑制するために、正弦波形のプレート
フィンの山部及び谷部に、或は山部及び谷部の下流にエ
ンボス加工した、渦の発生を高める要素を備えるように
した正弦波形のプレートフィンを提供することである。
本発明の他の目的は、正弦波形のプレートフィンの山部
及び谷部でのプレートフィンに沿って流れる流体の再循
環を減少又は消去することにより、千鳥配列された渦発
生部を有する二つの近接する正弦波状のフィン部の間を
流れる流体の粘性損失を最小限にすることである。
本発明の他の目的は、伝熱表面から離脱することのない
ように、フィンの全領域を通じて熱伝導通路を確実に保
持すると共に、フィンの上下面に各々交互に列をなして
隆起形成したエンボス加工された渦発生部を有した正弦
波状のフィンを提供することである。
また、本発明の他の目的は、フィン表面を流れる流体の
圧力低下を過度に増加することなく、正弦波状のフィン
の表面に形成された空気等の薄膜層に起因する熱抵抗を
減少する、エンボス加工された正弦波状のフィンを提供
することである。
［課題を解決するための手段］ 本発明の熱交換器のプレートフィン構造に従うと、各プ
レートフィンがフィンの外表面を流れる流体とフィンと
の間での伝熱性能を高めるための伝熱手段を有し、且つ
この伝熱手段がフィンの外表面を流れる流体の流れの方
向に画成された所定高さの正弦波形を有しており、この
正弦波形の正弦波の最上部並びに最下部からなる正弦波
形の頂上部がフィンの外表面を流れる流体の流れの方向
に対して垂直方向に隆起してなる、複数のプレートフィ
ンから形成された熱交換器のプレートフィン構造におい
て、前記の流体の流れの方向に対しらなる複数列の渦発
生手段によって形成された、高い伝熱性能を有する伝熱
領域を有することを特徴とし、隣接するフィンに関する
渦発生手段を正弦波形の頂上部から流体の流れの方向に
関して下流側に、正弦波の０〜１／４波長だｔフずらし
て配設し、且つ所定間隔だけ空けてフィンの伝熱領域に
連続的に渦発生部を形成した熱交換器のプレートフィン
構造を提供するものである。
また、熱交換器を形成する近接するプレートフィン間の
距離に対するフィンの外表面からエンボス加工された渦
発生手段の高さの割合が０．２５〜０．５０であるのが
好ましい。エンボス加工された渦発生手段を、フィンの
外表面を流れる流体の流れの方向に関して上流側に三角
形の頂点を有した三角翼形、或は円形又はドーム形とす
るのが好ましい。更に、フィン上に形成された互いに隣
接する列のエンボス加工された渦発生手段を、フィンの
上面及び下面の各方向に交互に隆起するように、エンボ
ス加工するのが好ましい。
上記のように構成された熱交換器のプレートフィン構造
においては、フィンの円外表面に隆起形成された渦発生
手段により、互いに複数列配設されたフィン間を流れる
流体がフィンの両面に形威さレタ渦の発生を高めるエン
ハーンスメントにより、正弦波形の凹所に淀んでできた
流体の温度境界層を適度に撹拌して、温度境界層の厚さ
が増加するのを低下すると共に、その発生を抑制する。
また、本発明に従うエンハーンスメントは、正弦波形の
プレートフィンに発生した温度境界層の厚さを考慮して
適当なサイズに形成しであるために、フィン表面を流れ
る粒体の圧力低下を過度に来すことはない。
［実施例］ 以下に詳述する本発明に従う実施例のプレートフィンは
、暖房装置、換気装置、並びに空調装置に用いられるよ
うな凝縮用熱交換器又は蒸発用熱交換器として主に使用
され得る。プレートフィンから形成される熱交換器は、
通常の圧縮冷却サイクルを実施する冷却システムに適用
されが、周知のように、このようなシステムにおいては
、圧縮器でガス状の冷媒（例えば商品名称：Ｒ−２２）
が圧縮され、凝縮器を介して循環している。凝縮器にお
いて、冷媒は冷却され液化され、その後、膨張制御装置
を介して低圧化される。この後、膨張した冷媒は、別の
熱交換器にて、冷却されるべき流体から熱を奪って蒸発
し、部分的な液体及び部分的な蒸気から過熱状態の蒸気
と変化する。この過熱状態の蒸気は、圧縮冷却サイクル
の１サイクルを実現するために再び圧縮器へと戻る。
通常、プレートフィンを備えた熱交換器は、複数の平行
なフィンを積み重ね、これらのフィンを貫通するように
複数のヘアピン状チューブを挿入した後、各フィンとヘ
アピン状チューブとを緊密に結合するように、ヘアピン
状チューブを加熱膨張することにより、アセンブリ化さ
れる。主に、熱交換器の伝熱特性は、個々のプレートフ
ィンの伝熱性能によって決定される。
第１図には、本発明に従う好適実施例の熱交換器に用い
るフィンチューブからなる伝熱コイル１０を示す。この
伝熱コイル１０は、複数の互いに離間したプレートフィ
ン１２から構成される。各プレートフィン１２は、その
中に複数の孔１６を有している。プレートフィン１２は
、例えばアルミニウムのような伝熱材料を用いるのが好
ましいが、その他の伝熱材料を用いてもよい。各プレー
トフィン１２は、そこに明けられた複数の孔Ｉ６の軸方
向の位置に各々整列された孔を有する、互いに対向する
一対のチューブシート１８によって保持されている。複
数のヘアピン状チューブ２０は、各々適合する孔１６に
通され、これらチューブ２０の開口端は、チューブ内を
所定流路に沿って流体が流れ得るように、図示されたＵ
字型返しベンド２２を介して互いに結合される。返しベ
ンド２２は、はんだ付は又は蝋付は等によって緊密にチ
ューブ２０に付設される。ヘアピン状のチューブ２０と
しては、例えば銅のような伝熱材料を用いるのが好まし
いが、その他の伝熱材料を用いてもよい。
淵−＋　ｌＪ　　嫁１開１−；シ各生憧ふ１ハ赦六愉嬰
尤ｍいた冷房装置或は暖房装置が作動している場合、冷
やされるべき或は暖められるべき第一の流体はヘアピン
状チューブ２０内を流れるが、一方、冷やすため或は暖
めるために用いる他の流体は互いに並設された複数のプ
レートフィン１２の間やチューブ２０の外表面を第１図
の矢印Ａで示す方向に流れる。この時、プレートフィン
１２及びチューブ２０を介して第一の流体とその他の流
体との間で熱エネルギーの交換がなされる。これら第一
の流体並びにその他の流体は、互いに異なる流体である
。一般に、チューブ２０内を流れる第一の流体は冷媒で
あり、プレートフィン１２の間やチューブ２０の外表面
に沿って流れる流体は空気である。
第１図に示すように、フィンチューブからなる伝熱コイ
ル１０は、千鳥配列された二列のコイルからなり、各プ
レートフィン１２は、ヘアピン状チューブ２０を保持す
る、二列の千鳥配列された孔１６を有する。第１図に示
す実施例においては、ヱＩ！ｌむ１：＋１に一＾−冨「
ｉハ１ノ１１．病、こす「スに軌１ノ１しが示されてい
るが、これに限らず、−列或はそれ以上のコイル状チュ
ーブであってもよい。また、プレートフィンに穿設され
た、ある列に属する孔１６は、千鳥配列されても、或は
近接する列の孔１６と並設されてもよい。更に、第１図
に示す熱交換器は、単一列の熱交換器であるが、単一列
に限らず、複数列の熱交換器からなる複合熱交換器に適
用され得る。
第２図〜第７図には、千鳥配列された孔１Ｇを有する多
数列のプレートフィン１２の一部が示されているが、こ
のプレートフィン１２は近接する孔１６の間に伝熱領域
を有する。流体は、矢印Ａの方向に、多数列プレートフ
ィン１２を介して流れる。フィンの製造工程では、カラ
ー１４が各孔１６の周囲に形成され、このカラー１４の
中にチューブ２０が保持されると共に、カラー１４によ
って近接するプレートフィン間の適切な間隔が得られる
。実際には、ヘアピン状チューブ２０がカラー１４内を
貫通して配設されているが、第２図〜第７図では、開示
の簡略化のために、チューブ２０は省略されており、単
にプレートフィン１２のみが示されている。
第２図〜第７図において、流体が正弦波形状のプレート
フィン１２の上面３２並びに下面３４の両面上を同方向
に流れる。第２図〜第４図に示すような、両面から僅か
に隆起した三角翼形のエンボス加工部４０や第５図〜第
７図に示すような、円形又はドーム形のエンボス加工部
４０’が図示の矢印Ａの方向に垂直な方向に列をなして
プレートフィンの両面に形成されている。近接する列に
属するエンボス加工部４０又は４０′は、正弦波形状の
プレートフィンの凸面方向に隆起するように交互に反対
の面方向にエンボス加工され、第３図並びに第５図に矢
印ａで明確に示すような互いに反対方向に回転する、二
重反転の渦を発生する。
第３図及び第５図から明らかなように、流体の流れる方
向に対して、右側の渦は反時計方向に回転しており、左
側の渦は時計方向に回転している。
また、第４図及び第７図に示すように、三角翼形のエン
ボス加工部４０及び円形又はドーム形のエンボス加工部
４０′は、山部３６及び谷部３８からなる正弦波形状の
プレートフィン１２の正弦波の１波長λに対して、０波
長（０λ）〜１／４波長（１／４λ）だけ下流方向にオ
フセットされてプレートフィン上にエンボス加工され配
設される。
これらエンボス加工部４０又は４０’によって、温度境
界層での流動を活性化するための渦がプレートフィンの
両面上に発生する。一般に、正弦波形状のプレートフィ
ン１２の山部３６或は谷部３８によって画成されるプレ
ートフィンの縦方向に延びる中央線りの下流域に配設さ
れた三角翼形のエンボス加工部４０の中央から離れた位
置は、フィン表面における最大圧力差を生じるポイント
に相当する。第２図〜第４図に示した、下流側に三角翼
形のベース部４２と上流側に三角翼形の頂点４３を有す
るエンボス加工部４０並びに第５図〜第７図に示した、
円形又はドーム形のエンボス加工部４０′は、下流方向
に移動する、矢印ａで示した渦を発生する。発生した渦
によって、プレートフィン１２の両面３２及び３４の山
部３６及び谷部３８にとどまっている温度境界層を活発
に拡散することができる。
上記したエンボス加工部４０及び４０′によって発生さ
れる渦は、エンボス加工部のサイズに比例して高まるこ
とが解っている。また、伝熱効率は、温度境界層の流動
をより活性化することにより、増加することが解ってい
る。このために、温度境界層の厚さに比例して渦を発生
すると共に、温度境界層に向けて渦を方向付けることは
極めて重要である。このために、第４図及び第７図に示
すように、近接するプレートフィン間の距離ｄに対して
、エンボス加工部４０及び４０′の高さｈを、１／４ｄ
〜１／２ｄの範囲内に設定するのが好ましい。
第８図は、本発明に従う実施例の円形のエンボス加工部
を有するプレートフィン４０’並びに従来の正弦波形状
のプレートフィンとの熱抵抗や流体の圧力低下を実験的
に比較した伝熱性能線図である。この線図において、熱
抵抗（ＲＡ）及びエンボス加工部の１列あたりの圧力低
下（Ｄ　Ｐ／ＮＲ）を縦座標に取り、空気の流速（Ｖ）
を横座標に取るものとする。前述したように、一般に、
プレートフィン上に備えられたエンボス加工部は、伝熱
フィンの伝熱性能を改善するが、逆にフィンを介して流
れる流体の圧力低下を招く。しかしながら、仮に、圧力
低下の増加の割合が伝熱性能の向上の割合の２倍以下で
あるならば、システム効率の向上或は製品のコストダウ
ンが可能である。
第８図から明らかなように、本発明に従ってプレートフ
ィン上に形成されたエンボス加工部に起因する圧力低下
は、伝熱性能の増加の２倍以下にとどまっている。空気
の流速が毎分４００フイートでの実験データを以下に記
載する。第８図においては、各単位をメートル法で記載
する。
［発明の効果コ 上述した本発明の熱交換器のプレートフィン構造による
と、比較的高い伝熱性能を有した正弦波形のプレートフ
ィンの伝熱性能をより改善すると共に、フィン間を流れ
る流体の圧力低下を最小限にとどめることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の渦の発生を高める要素を備えたプレー
トフィンからなる熱交換器の斜視図であり、第２図は本
発明に従う好適実施例の多数列プレートフィンの部分平
面図であり、第３図は第２図の多数列プレートフィンを
部分的に拡大した斜視図であり、第４図は第２図の好適
実施例の熱交換器の一部の横断面図であり、第５図は本
発明に従う他の実施例の多数列プレートフィンの部分平
面図であり、第６図は第５図の多数列プレートフィンを
部分的に拡大した斜視図であり、第７図は、第５図の好
適実施例の熱交換器の一部の横断面図であり、第８図は
第５図の実施例の正弦波形状のプレートフィンと従来の
正弦波状のプレートフィンとの伝熱性能を比較した図で
ある。 １０・・・伝熱コイル、１２・・・プレートフィン、２
２ ・返しベンド。 ＦＩＧ、７

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）各プレートフィンがフィンの外表面を流れる流体
    とフィンとの間での伝熱性能を高めるための伝熱手段を
    有し、且つこの伝熱手段がフィンの外表面を流れる流体
    の流れの方向に画成された所定高さの正弦波形を有して
    おり、この正弦波形の正弦波の最上部並びに最下部から
    なる正弦波形の頂上部がフィンの外表面を流れる流体の
    流れの方向に対して垂直方向に隆起してなる、複数のプ
    レートフィンから形成された熱交換器のプレートフィン
    構造において、前記の流体の流れの方向に対して垂直方
    向に配列された複数のエンボス加工部からなる複数列の
    渦発生手段によって形成された、高い伝熱性能を有する
    伝熱領域を有することを特徴とし、隣接するフィンに関
    する渦発生手段を正弦波形の頂上部から流体の流れの方
    向に関して下流側に、正弦波の０〜１／４波長だけずら
    して配設し、且つ所定間隔だけ空けてフィンの伝熱領域
    に連続的に渦発生部を形成した熱交換器のプレートフィ
    ン構造。
  2. （２）熱交換器を形成する近接するプレートフィン間の
    距離に対するフィンの外表面からエンボス加工された渦
    発生手段の高さの割合が０．２５〜０．５０である請求
    項第１項に記載の熱交換器のプレートフィン構造。
  3. （３）エンボス加工された渦発生手段がフィンの外表面
    を流れる流体の流れの方向に関して上流側に三角形の頂
    点を有した三角翼形である請求項第２項に記載のプレー
    トフィン構造。
  4. （４）エンボス加工された渦発生手段が円形又はドーム
    形である請求項第２項に記載の熱交換器のプレートフィ
    ン構造。
  5. （５）フィン上に形成された互いに隣接する列のエンボ
    ス加工された渦発生手段がフィンの上面及び下面の各方
    向に交互に隆起するように、エンボス加工がなされた請
    求項第２項に記載の熱交換器のプレートフィン構造。
JP2320592A 1989-11-24 1990-11-22 熱交換器のプレートフィン構造 Pending JPH03181796A (ja)

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US441,026 1989-11-24
US07/441,026 US4984626A (en) 1989-11-24 1989-11-24 Embossed vortex generator enhanced plate fin

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US (1) US4984626A (ja)
EP (1) EP0430852A1 (ja)
JP (1) JPH03181796A (ja)
KR (1) KR910010150A (ja)
AU (1) AU6690390A (ja)
BR (1) BR9005939A (ja)
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