JPH04369394A - フィンチューブ式熱交換器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空調機、または、産業用
の熱交換器に係り、特にパイプ群にフィンを挿入したフ
ィンチューブ式熱交換器のルーバ形状に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のフィンチューブ式熱交換器フィン
は、フィン上面にルーバと呼ぶ多数の切り起しを設け、
新鮮な空気と出来るだけ多く触れさせることで高性能化
を図っている。新鮮な空気と多く触れる条件は、ルーバ
幅を小さくして気流が停滞する境界層（厳密には温度境
界層）を小さくするか、後流ルーバの位置を上流の境界
層の影響が少ない位置にするルーバ配列の工夫で達成さ
れる。ルーバ幅は余り小さくするとフィン成形が難しく
なるので、ルーバ配列の工夫で性能向上させる方法が多
用されている。しかし、ルーバで高性能化することは一
致していても、熱交換器に付帯して要求される大きさ，
重量及び通風抵抗等の指標でみると公表されたルーバ形
状にも相当異なった考え方が見られる。小形軽量化に有
利なものとして流れ方向の各ルーバ断面を山形にして、
各ルーバの高さを、順次、変えて、上流の境界層の影響
が少ない適正位置に保つことで高性能化したスーパース
リットフィンが出願されている（特公昭５９−２６２３
７　号公報）。このフィンはルーバを山形化しているの
でフィンの剛性が高く薄板を用いても変形が少なくルー
バ配列を上述の適正位置を保つことが実現し易い。但し
、ルーバの山形で気流を乱すので高風速域では通風抵抗
が大きくなる可能性があり、低風速で設計するのが望ま
しい。すなわち、スーパースリットフィンは変形が少な
い低周速向きの高性能フィンと言える。一方通風抵抗の
低減に有利なものとして特開平２−１００９７号がある
。平坦ルーバを用い通風抵抗の増大を阻止する一方で、
伝熱管後流の死水域を減し高性能化を狙っている。空調
機用フィンチューブ式熱交換器は多くの場合、フィン間
風速１〜３ｍ／ｓ付近で設計され、フィン間の空気の流
れは層流が保たれる。このため伝熱管後流には空気の流
れが完全に止まるかもしくはそれに近い死水域が生じ、
死水域内に含まれたフィンは伝熱に寄与しないのでフィ
ン全体の性能を低下させている。上記の公知例では、図
２でフィン基板からルーバを切り起こしている立上げ部
分を流れと傾斜させ、伝熱管の周方向に強制的な流れを
作り死水域を減している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ルー
バの変形がフィン局所により異なり、変形が性能に与え
る影響が異なること、また、フィンチューブ式熱交換器
のフィン間風速は、伝熱管により縮流及び拡大流を示す
一定流速では無い点について十分に考慮されておらず、
近年空調機に強く望まれている高性能化及び低騒音化の
観点から、以下の問題点が生じてきた。まず前述の山形
ルーバは、フィン剛性を高め変形を抑えられる点は高性
能化に有利である。しかし山形部の気流の乱れは騒音源
になり低騒音化に不利である。一方平坦ルーバは、気流
に対し迎え角を持たず乱れが少なく低騒音化に向いてい
るが、フィン剛性が無く変形によるルーバの不ぞろいで
粗密な通路ができ、部分的に大量の空気が流れる扁流等
で性能が低下し易い。さらに前述のルーバ立上部等の部
分的ルーバ形状で伝熱管後方の死水面積を減少させ高性
能化を意図しても、上述の扁流以外に伝熱管前後の縮流
及び拡大流管の複雑な流れの影響を受け、立上げ部の形
状が正確に出来ている割に期待した成果が得られない恐
れがある。この場合、ルーバ立上げ部の迎え角を大きく
して流れ部分的にせき止め強制的に向きを変えれば上述
の死水面積を減すことが可能であるが、気流を大きく乱
し騒音を誘発する恐れがある。

【０００４】本発明の目的は、山形ルーバ及び平坦ルー
バ各々の長所を取り入れたルーバ構成とすることにより
、フィン間にスムーズな流れを作り性能を損なわずに低
騒音化を達成することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、フィン成形及び拡管工程でフィン変形量が最も大
きくなる端部のルーバは、剛性を高め変形を無くし空気
の吹き抜けを防止する次のいずれかの手段を講じた。 （１）熱交換器側面で見て伝熱管の投影断面積の外側に
突出しているフィン両端については、隣り合う伝熱管の
中央にフィンを直接折り曲げた山形フィン、山形フィン
の両側に山形ルーバを設けた。伝熱管による縮流及び拡
大流に伴う局所的な流れの通りを防ぐため、次のいずれ
かの手段を講じた。（２）前記山形フィンの山角度を前
記山形ルーバの山角度より大きくする。又側面で見てフ
ィン両端からフィン中央に向かって山形フィンのフィン
幅を短かくした。（３）側面から見てフィン両端からフ
ィン中央に向かって前記山形ルーバの山角度を小さく、
山形フィンのフィン幅を短かくした。

【０００６】

【作用】フィンチューブ式熱交換器ルーバの変形量は、
拡管時に最も応力が加わり曲げモーメントが最大になる
フィン両端で大きくなる。（１）（２）に示すフィン剛
性を高める手段によって拡管時フィン両端の変形は小さ
くなる。但し、剛性を高める手段でルーバは気流に対し
迎え角を持ちフィン両端で気流が流れ易いが、端部は伝
熱管が無い分だけ低風速であり又後述の流速の均一化も
あり、風切り音の発生は軽微で済む。（２）（３）の手
段によって前面から見て隣接する伝熱管の間隔の中央か
ら伝熱管側に向う流れが新らたに形成され、流れ方向の
どの流路断面で見ても一様な風速を示すスムーズの縮流
及び拡大流が得られる。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図３を参照して
説明する。まず図１は、本発明の一実施例に係るフィン
チューブ式熱交換器に供せられるフィンの平面図、図２
は、図１のＩ−Ｉ矢視面で見た略示断面図、同様に図３
は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視面で見た略示断面図を示す。 図１において、１はプレートフィン（以下フィンと呼ぶ
）の一部を示し、２はルーバ部、３はフィンに貫通する
伝熱管を示す。又図２においてフィン両端にはフィン１
を直接折り曲げた山形フィン４の形状を示す。本発明の
フィン形状は、既に出願済みの特願平２−３２９２８８
　号と共通する部分が多いので、考え方を理解し易いよ
うに共通点を先に述べる。

【０００８】フィンチューブ式熱交換器は、一般に、互
いに間隔をおいて平行に並べた多数のフィンと、これら
フィンを貫通する複数の伝熱管とで構成されるが、図１
は、そのフィン一枚を取り出し、さらにその一部を示し
ている。ルーバ部２は、基本形状が異なる２種類のルー
バ２ａ，２ｂが施されている。一つは、熱交換器の側面
で見て伝熱管の投影断面積の外側に突出した区間Ｌ１，
Ｌ３内の両端に図２のようにルーバ幅３枚に相当する長
さを１山とする山形フィン４を基板面５の両端に設け、
図１のように一つの山形フィンに伝熱管の間隔（段ピッ
チ１の１／２以下の短かい複数の切り込みを入れ、図３
のように山形ルーバ２ａを配置している。もう一つは熱
交換器の側面で見て伝熱管投影断面積に含まれる区間Ｌ
２　内のフィン中央に、図２及び図３のように基板面５
とほぼ平行で気流に迎え角を持たない複数の平坦ルーバ
２ｂを配置している。まず高性能化するには、ルーバの
変形を迎え、上記ルーバに生じる境界層に下流ルーバが
含まれない適正な位置及び形状に保つ必要がある。フィ
ンチューブ式熱交換器の適正なルーバ位置及び形状は、
フィンの変形及びフィン間流速分布の影響を受ける。ル
ーバの変形は、大別してプレス加工によるルーバ成形時
、及び、フィンと伝熱管を密着する拡管時に生じる。な
お変形量は、拡管時の方がルーバ成形時より大きい。ま
た変形は、必ずしもフィン全体に生じるものでは無く、
特に、フィン両端で局所的に大きくなることがカット断
面写真で判明した。その理由は、拡管時に開成端になる
フィン両端部は拡管時に管内から加わる力を打ち消すだ
けの剛性が不足し、フィンに生じる曲げモーメントが他
の部分より大きいためと推察される。したがって適正な
ルーバ位置を保つには、何らかの方法でフィンの剛性を
高め、フィン両端の変形を迎えることが重要である。フ
ィン両端に山形ルーバを用いた。以上の理由から、特に
両端のフィン剛性を高めることを意図している。なおル
ーバ長手方向の切り込み長さは、隣り合う伝熱管ピッチ
の半分以下に短かくする。さらに図１に示すように短か
いルーバを隣接する伝熱管中央のルーバ基板面５で一体
化する等も、フィン剛性を大きくするためである。伝熱
性能からはルーバの山形部で生じる気流の乱れは、後流
ルーバの伝熱を促進するので好ましいが、通風抵抗を増
加させ好ましくない。そこで通風抵抗を減すため隣り合
う伝熱管が接近し高風速になるフィン中央に気流に迎え
角が無い平坦ルーバを配置し、乱れを防止している。本
発明の新規性は、上述の基本形状において、山形フィン
及び山形ルーバの山角度と山形フィンのフィン幅を流れ
方向に変化させ、伝熱管の存在で生じるフィン間の縮流
及び拡大流をスムーズな流れにしたことである。伝熱性
能を損わずに低騒音化を同時に行うとなると、上述のフ
ィン中央のルーバを平坦にするだけでは不十分で、フィ
ン両端の山形ルーバの山角度を極力小さくして山形部で
生じる乱れを防ぐか、フィン間の流れを一様化してルー
バに触れる空気の流速を下げることが考えられる。本発
明は、後者の考え方に基づく、具体的な形状は、図１に
示すように隣り合う伝熱管３の中央に、図２のフィン基
板面５の両端に山角度θ１　≒１５〜３０度の山角度の
大きい山形フィン４を、この山形フィンの両側に図３の
両端に山角度θ２　≒５度の小さい複数の山形ルーバ２
ａを設け、図１の隣り合うルーバ２ａ，２ａ′の間隔で
示す前記山形フィンのフィン幅を、フィン両端からフィ
ン中央に向かって狭めている。又は図３のａのように前
記山形ルーバの山角度θ≒３〜１０度の範囲でフィン両
端からフィン中央に向かってθ３　＞θ４　＞θ５　と
なるように順次小さくしており、前述と同様にフィン幅
もフィン中央に向って狭めている。以上の形状を用いた
場合の空気の流れに及ぼす作用を述べる。図１の区間Ｌ
１　及びＬ３　で山形ルーバ２ａが切込まれていないフ
ィン山４そのままである伝熱管段ピッチ中央の平坦部の
面積は、図１のように隣接する伝熱管が最も接近する最
小通路部より離れる程大きいので、管ピッチ中央ほどの
通路抵抗が大きい。したがって図１は矢印で示す熱交換
器への流入空気は、上記の平坦部の面積が大きい先端で
管ピッチ中央の流れが阻害され、ルーバ隙間で形成され
る通路抵抗が少ない伝熱管先端のルーバが無い基板部５
及びルーバ部に押し込む力を受ける。しかし下流になる
ほどルーバ幅が大きくかつルーバが山形から平坦に変わ
り通路抵抗が減るので管ピッチ中央に向う流れが徐々に
強まる。入口端から隣接する伝熱管が最も接近する最小
通路部までの流れは、従来縮流により加速され管ピッチ
中央に高速、伝熱管付近に低速を示す偏流が存在したが
、上記の構成により偏流が無くなり一様な流れになる。 一方流れ方向中央の下流のルーバ構成は、上述と逆に最
小通路部から離れるに従って徐々に伝熱管段ピッチ中央
の平坦部の面積が大きく、かつルーバ形状は平坦から山
形に変化している。このため伝熱管後方も緩やかな拡大
流が形成され、ルーバの山形部に触れる空気の流速が局
部的に高くなるのを防止できる。以上の流れを作る副産
物として伝熱管後方の死水面積が大幅に減少することも
見逃せない。すなわち山形ルーバに生じる気流の乱れが
少なく後流ルーバの性能が低下しても、死水面積が減少
するのでフィン全体の伝熱性能は低下しないで済むこと
である。

【０００９】本発明の別実施例を図４ないし図６を用い
て説明する。図４は、図１と同様なフィンの平面図、図
５は、図４のＩａ−Ｉａ矢視面で見た略示断面図、図６
は、図４のＩＩａ−ＩＩａ矢視面で見た略示断面図を示
す。 本実施例は管ピッチ中央の通風抵抗を流れ方向に変化さ
せる手段として、ルーバ山角度の異なる複数のルーバの
みを用い、フィン基板を山形にする手段を用いていない
ことが特徴である。すなわち図５のように管ピッチ中央
のルーバは、フィン両端に山角度θ１　＝１５〜２５度
程度の山角度の大きいルーバ２ａを、又流れ方向フィン
中央に平坦ルーバ２ｂを平坦なフィン基板面５から立上
げている。一方管ピッチ中央から離れた伝熱管付近のル
ーバは、図６のようにフィン両端に山角度θ２　＝５〜
１０度程度の山角度の小さいルーバ２ｃを、又フィン中
央に前述と同様な平坦ルーバ２ｂを配置している。なお
図１において、山形ルーバは、管ピッチ方向に占める山
角度の大きいルーバの面積割合（ルーバ長さ比）を、フ
ィン両端側で大きく、流れ方向のフィン中央付近側で小
さくしている。上記ルーバ構成により伝熱管周囲の流れ
を強められ、前述と同様にフィン間に緩やかな縮流及び
拡大流を形成できる。

【００１０】さらに本発明の別実施例を図７ないし図９
を用いて説明する。図７は、図１と同様なフィンの平面
図、図８は、図７のＩｂ−Ｉｂ矢視面で見た略示断面拡
大図、図９は、図７のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視面で見た略示
断面拡大図を示す。本実施例の特徴は、管ピッチ中央の
通路抵抗を流れ方向に変化させる手段として、フィン基
板面を折り曲げ複数の山角度及び山頂長さを有する山形
フィンを用いたことである。すなわち図８のように管ピ
ッチ中央のフィンは、両端付近の山形フィンとフィン中
央の基板面そのままの平坦フィンで構成している、上記
の山形フィンの基板面からの高さは、フィン両端で高く
、フィン中央で低くしている。同様に図１において折り
曲げている山形フィンの山頂長さは、フィン両端で長く
、フィン中央で短かくしている。一方管ピッチ中央から
離れた伝熱管付近のルーバは、図９のように基板面から
全て平坦ルーバを立上げている。上記のルーバ構成によ
り伝熱管後方の死水面積を確実に減少できるが、山形フ
ィンで生じる乱れは前述の例より幾分大きくなるが、山
角度を適切にすれば低騒音化は可能である。

【００１１】

【発明の効果】本発明は、このように構成されているの
で以下の効果がある。フィン両端からフィン中央に向け
て山形ルーバの山角度を小さく、隣接するルーバで囲ま
れる山形フィンのフィン幅を小さくしたことにより、隣
り合う伝熱管の中央から伝熱管に向う流れが形成され、
伝熱管の存在によって生じる縮流及び拡大流がフィンの
全体で一様化され、流れ方向のどの通路断面でもほぼ均
一な風速が得られる。すなわち局部的に高風速になる部
分が生じないようにしているので各ルーバの山形部に生
じる気流の乱れを最少限に抑えられ、乱れによる騒音を
低減できる。又伝熱性能は、ルーバ部の乱れが少なくな
ることと、拡大流が一様化され伝熱管後方の死水面積が
小さくなることが相殺し、低下することは無い。以上に
より約１ｄＢの騒音の低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の平面図である。

【図２】図１のＩ−Ｉ矢視面の略示断面拡大図である。

【図３】図１のＩＩ−ＩＩ矢視面の略示断面拡大図であ
る。

【図４】本発明の一実施例の平面図である。

【図５】図４のＩａ−Ｉａ矢視面の略示断面拡大図であ
る。

【図６】図４のＩＩａ−ＩＩａ矢視面の略示断面拡大図
である。

【図７】本発明の一実施例の平面図である。

【図８】図７のＩｂ−Ｉｂ矢視面の略示断面拡大図であ
る。

【図９】図７のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視面の略示断面拡大図
である。

【符号の説明】

１…プレートフィン、２…ルーバ部、２…山形ルーバ、
２ｂ…平坦ルーバ、３…伝熱管、４…山形フィン、５…
基板面、６…波形フィン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互に間隔をおいて平行に並べた多数のプレ
   ートフィンと、これらプレートフィンを貫通する複数の
   伝熱管とを備え、前記プレートフィンに、空気の流れを
   剪断する多数の短冊状の切り起し部（以後ルーバと呼ぶ
   ）を設けたフィンチューブ式熱交換器において、前記熱
   交換器の側面から見て伝熱管の投影断面積の外側に突出
   しているフィン両端のフィンについては、隣り合う伝熱
   管の中央にフィンを直接折り曲げた山角度の大きい山形
   フィン、この山形フィンの両側に山感度の小さい山形ル
   ーバを設けており、熱交換器の前面から見て隣り合うル
   ーバの間隔で示す前記山形フィンのフィン幅をフィン両
   端からフィン中央に向って狭めていることを特徴とする
   フィンチューブ式熱交換器。
2. 【請求項２】互に間隔において平行に並べた多数のプレ
   ートフィンと、これらプレートフィンを貫通する複数の
   伝熱管とを備え、前記プレートフィンに、空気の流れを
   剪断する多数の短冊状のルーバを設けたファンチューブ
   式熱交換器において、前記熱交換器の側面から見て伝熱
   管の投影断面積の外側に突出しているフィン両端のフィ
   ンについては、隣り合う伝熱管の中央にフィンを直接折
   り曲げた山形フィン、この山形フィンの両側に切り起こ
   しでなる山形ルーバを設けており、側面から見てフィン
   両側からフィン中央に向かって前記山形ルーバの山角度
   を小さく、山形フィンのフィン幅を短かくしていること
   を特徴とするフィンチューブ式熱交換器。