JPH11218394A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 形状自由度の高い抵抗体を設けて、管外流の
剥離を抑止する。 【解決手段】 チューブ１１の外周にフイン１２が設け
られ、フインチューブ１０が構成されている。フイン１
２の外周部には、フイン１２の外周からフインチューブ
１０の軸心に向う複数の切り込み１３が入れられてい
る。切り込み１３上の一点ａとフイン１２の外周上の点
ｂとを結ぶ線に沿って折り曲げ線１４が形成されてい
る。この折り曲げ線１４とフイン１２の外周と切り込み
１３とで囲まれた略三角形の要素が、各切り込み１３に
対して１個づつ折曲片１５として、上記折り曲げ線１４
に沿って折り曲げられる。このような、抵抗体としての
形状自由度の高い折曲片１５によって管外流の剥離を効
果的に抑止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外周にフインを取
付けたフインチューブの内部に管内流体を流すとともに
管外に管外流体を流して、上記フインチューブを介して
熱交換を行う熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱交換器においては、その熱交
換器内に多数の伝熱管を配列し、その伝熱管内に例えば
冷却水の如き管内流体を流し、その伝熱管の管外に上記
伝熱管の軸線に交差する方向に例えば被冷却流体の如き
管外流体を流して、上記伝熱管内の流体と伝熱管外の流
体との間に熱交換を行わせることが行われている。

【０００３】ところで、上記熱交換器の伝熱管には管外
伝熱面積が大きく、伝熱管一本当たりの熱交換量を増す
ことができるようにフインチューブが用いられている。
すなわち、図１２は上記フインチューブを使用した熱交
換器の断面図であって、熱交換器内には多数のフインチ
ューブ１が互いに平行に配列されており、その管外には
矢印で示すように上記伝熱管１の軸線と交差する方向に
管外流体が流され、また上記フインチューブ１内には他
の管内流体が流される。

【０００４】上記フインチューブ１の形状としては図１
３に示すソリッドフインチューブや図１４に示すセレー
テッドフインチューブが広く用いられている。ここで、
図１３及び図１４における矢印は、上記図１２の矢印と
同様、管外流体の流れ方向を示している（以下、図１５
乃至図１７においても同様）。

【０００５】上記ソリッドフインチューブはチューブ２
の外周にフイン３を取り付けたものであり、セレーテッ
ドフインチューブはフイン３がセグメント４と呼ばれる
放射状の矩形フインに形づくられたものである。上記セ
レーテッドフインチューブは同一寸法のソリッドフイン
チューブよりも伝熱面積は少ないがセグメント化により
フイン表面での温度境界層の発達が抑止されて管外熱伝
達率はソリッドフインチューブよりも高くなり、伝熱面
積と管外熱伝達率との積で表わされる熱伝達容量として
はソリッドフインチューブと同等以上となる。そこで、
上記フインチューブは用途に応じて使い分けられてい
る。

【０００６】管外流体は前述のように図中矢印で示すよ
うにフインチューブの軸と交差する方向から流入してフ
イン３間を流れて、フイン表面及びチューブ２の表面を
通して管内流体と熱交換を行うため、このようなフイン
チューブで構成された熱交換器は、フインのないチュー
ブのみで構成された熱交換器と比較した場合、交換熱量
が規定されている場合はチューブ本数を減らし小形化が
可能となり、またチューブ本数が規定されている場合
は、交換量の増加が可能となる。

【０００７】ところが、図１５にソリッドフインチュー
ブ廻りの管外流体の流線を示すように、図中矢印の方向
から流入した管外流体のフイン間の流れは、よどみ点か
ら角度θの位置αで剥離し、フインチューブ下流側には
後流域βが形成される。この後流域βでは管外流体の流
速は殆ど０または逆流であり、局所管外伝達率は著しく
小さい値となる。したがって、この後流域βに位置する
フインは伝熱には殆ど寄与しておらず、フインの付加に
よる伝熱面積拡大の効果が十分に得られていない。ま
た、フイン形状をセレーテッドフインとした場合でも前
記の後流域βの形成状態はソリッドフインの場合と殆ど
変わらず、フインには伝熱に寄与しない部分が存在す
る。

【０００８】この管外流の剥離を抑止して管外熱伝達率
の向上を図ったものとしては、例えば特開昭５６−１６
５８９７号公報記載のように、剥離が生じるフインチュ
ーブの斜め後ろ位置に抵抗体を取り付けることも提案さ
れている。すなわち、上記公報記載のものには、上記抵
抗体として図１６に示すように適当な幅の板５が設けら
れ、或は図１７に示すようにフイン３の外周に折曲片６
が設けられており、このような抵抗体によって剥離しよ
うとする管外流がフインチューブの下流側に回り込み、
管外熱伝達率が向上される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、剥離の位置
及び後流域の形成状況は、管外流体の種類，温度，圧力
及び流速によって変化するので、抵抗体の設置位置、範
囲Ｌ或は高さｈが前記管外流体の条件に対応したもので
ある必要がある。

【００１０】そこで、上記図１６記載の抵抗板の場合、
抵抗体としての板５の幅を変化させることにより設置範
囲Ｌを対応させることができるが、図１７に示すもので
は設置範囲Ｌは常に折曲片の高さｈ等により規制され
る。この抵抗板設置個所ではフイン隙間の流路が抵抗板
により塞がれてしまい、設置範囲が広い場合は、フイン
隙間流路の閉塞による圧力損失の増加は無視できないも
のになり、しかも抵抗板の付加により重量も増加する等
の問題がある。また折曲片６を設けた場合には折り曲げ
範囲Ｌを決定すると、その幾何形状から折り曲げ高さｈ
が決定されてしまう。

【００１１】このように、従来の方法では管外流の剥離
の抑止に最も重要な形状要素である抵抗体設置範囲及び
抵抗体の大きさを最適に設定することが困難であり、し
たがって、後流抑止効果を最適に得ることができない等
の問題がある。

【００１２】本発明は、上述したような点に鑑み、フイ
ン外周に管外流体の条件に応じて形状自由度の高い抵抗
体を設けて、管外流の剥離を抑止し、フインチューブ下
流側の後流域を減少させることより、後流域の局所管外
熱伝達率を上昇させて伝熱面積の拡大効果を得て伝熱性
能の高い熱交換器を得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の手段は、チューブ
と、このチューブの外周に取り付けられたフィンとを備
え、前記チューブの軸線が管外流体の流れに対して交差
するように配設された熱交換器において、前記フイン
は、その外周部に形成された複数の折曲片を有し、これ
らの折曲片は、前記フィンの外周と、前記フィンの外周
から前記チューブ側に向う複数の切り込みと、前記切り
込み上の一点と前記フィンの外周上の一点とを結ぶ折り
曲げ線とで囲まれた略三角形の要素を、各切り込みに対
して１個づつ前記チューブの軸線方向に折り曲げて形成
されていることを特徴とする熱交換器である。

【００１４】この第１の手段によれば、抵抗体としての
形状自由度の高い折曲片によって管外流の剥離を効果的
に抑止することができる。

【００１５】第２の手段は、第１の手段において、各折
曲片は、前記略三角形の要素を、それぞれ前記フィンの
周方向で交互に逆方向に折り曲げて形成されているもの
である。

【００１６】第３の手段は、第１の手段において、各折
曲片は、前記略三角形の要素を、それぞれ同一方向に折
り曲げて形成されているものである。

【００１７】第４の手段は、チューブと、このチューブ
の外周に取り付けられたフィンとを備え、前記チューブ
の軸線が管外流体の流れに対して交差するように配設さ
れた熱交換器において、前記フインは、その外周部に形
成された複数の折曲片を有し、これらの折曲片は、前記
フィンの外周と、前記フィンの外周から前記チューブ側
に向う複数の切り込みと、前記切り込み上の一点と前記
フィンの外周上の一点とを結ぶ折り曲げ線とで囲まれた
略三角形の要素を、各切り込みに対して隣り合う２個の
要素を１組として、前記チューブの軸線方向に、且つ前
記フィンの周方向で前記２個の要素の組毎に交互に逆方
向に折り曲げて形成されていることを特徴とする熱交換
器である。

【００１８】この第４の手段によれば、抵抗体としての
形状自由度の高い折曲片によって管外流の剥離を効果的
に抑止することができる。

【００１９】第５の手段は、第１乃至第４の手段のいず
れかにおいて、前記折曲片は、管外流の剥離が生じる位
置に対応した前記フィンの外周の特定部分のみに形成さ
れているものである。

【００２０】この第５の手段によれば、第１乃至第４の
手段のいずれかにおいて、折曲片による圧力損失の増加
を最小としつつ同様の効果を得ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１乃至図１１は本発明に
よる熱交換器の実施の形態を示す図である。

【００２２】［第１の実施形態］まず、図１乃至図６に
より本発明の第１の実施形態について説明する。図１
（ａ）は本発明の第１の実施の形態におけるフインチュ
ーブ１０の断面図で、図１（ｂ）はその側面図であり、
チューブ１１の外周にフイン１２が設けられ、フインチ
ューブ１０が構成されている。ここで、図１における矢
印は、上述した図１２の矢印と同様、管外流体の流れ方
向を示している（以下同様）。

【００２３】上記フイン１２の外周部には、フイン１２
の外周からフインチューブ１０の軸心に向う複数（図で
は１２個）の切り込み１３が入れられており、その切り
込み１３によって区画されたフイン外周部が下記折り曲
げ線に沿ってチューブ１１の軸線方向に折り曲げられて
いる。

【００２４】図２は、上記折り曲げ部の詳細を示す図で
あり、上記フイン１２の外周部には上述のようにフイン
１２の外周からフインチューブ１０の軸心に向う複数の
切り込み１３が入れられている。そして、上記切り込み
１３上の一点ａとフイン１２の外周上の点ｂとを結ぶ線
に沿って折り曲げ線１４が形成されている。

【００２５】そして、この折り曲げ線１４とフイン１２
の外周と切り込み１３とで囲まれた略三角形の要素が、
各切り込み１３に対して１個づつ折曲片１５として、上
記折り曲げ線１４に沿って折り曲げられる。すなわち、
図１に示すように、１つの切り込み１３に対し１個の折
曲片１５が、フイン１２の面に対してほぼ直角に折り曲
げられている。さらに、各折曲片１５は、フィン１２の
周方向で交互に反対方向に折り曲げられ、フイン１２の
表側或は裏側に交互に突出するように形成されている。

【００２６】ところで、図２においては、折り曲げ線１
４を構成する切り込み１３上の一点ａとして切り込み１
３の端点を用いているが、必ずしも端点である必要はな
く切り込み１３の長さとともに、フイン隙間間隔などか
ら上記切り込み１３の途中ａ′としてもよい。

【００２７】このように切り込み１３によって区画され
たフイン外周部を折り曲げることよって、三角形状の折
曲片１５がフイン外周部にフイン１２の表面から突設さ
れている。このようにしてフイン外周部が折り曲げられ
た折り曲げ部の斜視図を図３に示す。

【００２８】しかして、上記切り込み１３を適当に設定
することで、折曲片１５の大きさ及び設置位置は必要に
応じてそれぞれ独立して最適に設定することができ、形
状自由度を高いものとすることができる。

【００２９】このように形成されたフインチューブ１０
は、従来と同様にその軸線が管外流体の流れ方向に交差
するように配設され、熱交換器が構成される。しかし
て、このように構成された熱交換器におけるフインチュ
ーブ１０の廻りの管外流体の流線は図４に示すようにな
る。

【００３０】すなわち、チューブ１１によって流れ方向
が偏向された管外流体は前記折曲片１５によりその流れ
方向が管外流体の流れ方向（矢印方向）からフインチュ
ーブ１０の後面側に変えられ、フインチューブ１０の下
流側まで回り込み、従来のように後流域が殆ど形成され
なくなる。管外流体の流れのチューブ１１からの剥離位
置及び後流域の大きさは管外流体の種類や流速によって
異なるが、いずれの場合も切り込んで折り曲げた折曲片
１５を突設することによって、上述の如き折曲片１５が
ないものに比し後流域は大きく減少される。

【００３１】したがって、上述の如き管外流のフインチ
ューブ１０の下流側への流れ込みにより、従来のフイン
チューブでは後流域であったフインチューブ下流側の管
外流体の流速が高まり、局所管外熱伝達率が向上され
る。すなわち、フイン全面が伝熱に寄与するようにな
り、伝熱面積拡大の効果が十分得られる。このようにし
てフインチューブの上流側に比べて下流側の局所管外熱
伝達率が著しく低かったことが改善されるため、フイン
チューブ全体での平均管外熱伝達率が大きく向上する。

【００３２】横軸を管外流近寄り流速、縦軸を平均管外
熱伝達率とした本発明熱交換器と従来の熱交換器（ソリ
ッドフインチューブ）での伝熱特性図を図５に示す。折
曲片１５を有するフインチューブの使用により平均管外
熱伝達率も大きく向上していることがわかる。

【００３３】ところで、この実施の形態においては、フ
イン外周全体にわたり折曲片１５を突設させているの
で、使用管外流速範囲が広く、管外流体の剥離位置及び
後流域の形成状況が常に一定でない熱交換器の場合にも
適用できる。

【００３４】一方、使用管外流速範囲が一定であり、管
外流体の剥離位置及び後流域の形成状況が一定である場
合は、図６に示すように切り込み１３及び折曲片１５を
設ける位置を管外流の剥離が生じる位置に特定すること
ができる。この場合もフイン間を流れる管外流体は折曲
片１５によりフインチューブ１０の下流側の後流域だっ
た部分に回り込み、上述と同様な効果が得られ、しかも
必要最小限の突起しか設けていないので、折曲片１５に
よる圧力損失の増加を最小とすることができる。

【００３５】［第２の実施形態］次に、図７及び図８に
より本発明の第２の実施形態について説明する。図７
（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態を示す
フィンチューブ１０の断面図及び側面図である。本実施
形態は、各折曲片１５を、フィン１２の片面側の一方向
のみに折り曲げるようにしたものであり、その他の構成
は、図１乃至図３に示す上記第１の実施形態と同様であ
る。

【００３６】この場合も、第１の実施の形態と同様に、
従来は剥離していたフィン間の管外流が、折曲片１５に
よってフィンチューブ１０の下流側まで廻り込んで後流
域はほとんどなくなる。したがって、フィンチューブ下
流側の流速が高まり、局所管外熱伝達率が上昇し、フィ
ンチューブ全体での平均管外熱伝達率は大きく向上する
ことになる。

【００３７】また、上記実施の形態においては、フィン
外周全体に折曲片１５を設けているが、図８に示すよう
に折曲片１５を設ける位置を管外流の剥離が生じる位置
に特定することも可能である。

【００３８】［第３の実施形態］次に、図９乃至図１１
により本発明の第３の実施形態について説明する。図９
（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態を示すフ
ィンチューブ１０の断面図及び側面図である。本実施形
態においては、上記折曲片１５は、フィン１２の外周と
切り込み１３と折り曲げ線１４とで囲まれた上記略三角
形の要素（図２参照）を、各切り込み１３に対して隣り
合う２個の要素を１組として折り曲げて形成されてい
る。さらに、これらの折曲片１５は、フイン１２の周方
向で上記２個の要素の組毎に交互に反対方向に折り曲げ
られ、フイン１２の表側或は裏側に組毎に交互に突出す
るように形成されている。

【００３９】このように、切り込み１３によって区画さ
れたフィン外周部を折り曲げることによって、三角形状
の折曲片１５がフィン外周部にフィン１２の表面から突
設されている。このようにしてフィン外周部が折り曲げ
られた折り曲げ部の斜視図を図１０に示す。

【００４０】この場合も、第１の実施の形態と同様に、
従来は剥離していたフイン間の管外流が、折曲片１５に
よってフインチューブの下流側まで回り込んで後流域は
殆どなくなる。したがって、前述と同様にフインチュー
ブ下流側の流速が高まり、局所管外熱伝達率が上昇し、
フインチューブ全体での平均管外熱伝達率を大きく向上
させることができる。

【００４１】また、上記実施の形態においては、フイン
外周全体に折曲片１５を設けたものを示したが、図１１
に示すように折曲片１５を設ける位置を管外流の剥離が
生じる位置に特定することもできる。

【００４２】以上の第１乃至第３の各実施の形態では、
いずれも切り込み長さ及び折り曲げ高さを同一としてい
るが、これらは熱交換器の管外流体種類、温度、圧力、
流速、フイン隙間距離、必要交換熱量及び許容圧力損失
などから定めればよい。また、上記各図ではチューブ外
周にフインを巻回したヘリカルフインについて示してい
るが、勿論フィンを独立させたリング状に形成したリン
グフインであってもその効果は同様である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
抵抗体としての形状自由度の高い折曲片によって管外流
の剥離を効果的に抑止することができる。このため、管
外流の剥離に伴う後流域を減少させてフインチューブ下
流側の局所熱伝達率を向上させ、伝熱面積の拡大効果を
十分に得ることができ、フインチューブ全体の平均管外
熱伝達率を向上させることができ、熱交換器としての伝
熱性能を向上させることができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の熱交換
器におけるフインチューブの断面図、（ｂ）は、同じく
側面図。

【図２】図１における折り曲げ部の詳細説明図。

【図３】図１における折り曲げ部の斜視図。

【図４】本発明の第１の実施の形態のフインチューブ廻
りの管外流体流線図。

【図５】本発明の熱交換器の管外伝熱性能特性図。

【図６】図１に示す実施の形態における折曲片を特定位
置に設けた例を示す断面図。

【図７】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態の熱交換
器におけるフインチューブの断面図、（ｂ）は、同じく
側面図。

【図８】図７に示す実施の形態における折曲片を特定位
置に設けた例を示す図。

【図９】（ａ）は、本発明の第３の実施の形態の熱交換
器におけるフインチューブの断面図、（ｂ）は、同じく
側面図。

【図１０】図９における折り曲げ部の斜視図。

【図１１】図９に示す実施の形態における折曲片を特定
位置に設けた例を示す図。

【図１２】熱交換器の縦断面図。

【図１３】（ａ）は、従来のソリッドフインチューブの
断面図、（ｂ）は、同じく側面図。

【図１４】（ａ）は、従来のセレーテッドフインチュー
ブの断面図、（ｂ）は、同じく側面図。

【図１５】従来のフインチューブ廻りの管外流体線図。

【図１６】（ａ）は、従来のフインチューブの断面図
（ｂ）は、同じく側面図。

【図１７】（ａ）は、従来の他のフインチューブの断面
図、（ｂ）は、同じく側面図。

【符号の説明】

１０ フィンチューブ １１ チューブ １２ フィン １３ 切り込み １４ 折り曲げ線 １５ 折曲片（略三角形の要素） ａ，ａ′ 切り込み上の一点 ｂ フィン外周上の一点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チューブと、このチューブの外周に取り付
   けられたフィンとを備え、前記チューブの軸線が管外流
   体の流れに対して交差するように配設された熱交換器に
   おいて、 前記フインは、その外周部に形成された複数の折曲片を
   有し、 これらの折曲片は、前記フィンの外周と、前記フィンの
   外周から前記チューブ側に向う複数の切り込みと、前記
   切り込み上の一点と前記フィンの外周上の一点とを結ぶ
   折り曲げ線とで囲まれた略三角形の要素を、各切り込み
   に対して１個づつ前記チューブの軸線方向に折り曲げて
   形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】各折曲片は、前記略三角形の要素を、それ
   ぞれ前記フィンの周方向で交互に逆方向に折り曲げて形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換
   器。
3. 【請求項３】各折曲片は、前記略三角形の要素を、それ
   ぞれ同一方向に折り曲げて形成されていることを特徴と
   する請求項１記載の熱交換器。
4. 【請求項４】チューブと、このチューブの外周に取り付
   けられたフィンとを備え、前記チューブの軸線が管外流
   体の流れに対して交差するように配設された熱交換器に
   おいて、 前記フインは、その外周部に形成された複数の折曲片を
   有し、 これらの折曲片は、前記フィンの外周と、前記フィンの
   外周から前記チューブ側に向う複数の切り込みと、前記
   切り込み上の一点と前記フィンの外周上の一点とを結ぶ
   折り曲げ線とで囲まれた略三角形の要素を、各切り込み
   に対して隣り合う２個の要素を１組として、前記チュー
   ブの軸線方向に、且つ前記フィンの周方向で前記２個の
   要素の組毎に交互に逆方向に折り曲げて形成されている
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 【請求項５】前記折曲片は、管外流の剥離が生じる位置
   に対応した前記フィンの外周の特定部分のみに形成され
   ていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記
   載の熱交換器。