JPH1183369A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】送風動力当たりの伝熱量を増加させ、伝熱効率
の高いプレートフィン型熱交換器を提供する。 【解決手段】プレートフィン型熱交換器において、流路
内にオフセットフィン３’などの乱れ生成型フィンとボ
ルテックスジェネレータ４などによる渦生成型フィンを
流体の流れ方向に交互に配置することによって、渦生成
型フィン部分での圧力損失を低く抑える効果や乱れ生成
型フィン部分では、縦渦が流入角を局所的に変化させる
ことで得られる伝熱促進効果などによって送風動力当た
りの伝熱量を増加させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エアコン等に利用
される熱交換器の一つであるプレートフィン型熱交換器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、使用されているプレートフィン型
熱交換器の例として、直交流型プレートフィン型熱交換
器の構造を図２に示す。図２によると、上下のチューブ
プレート（板状隔壁）１間の両側端部にスペーサーバー
２を配し、２つのスペーサーバー２の間にフィン３を配
して形成した流体流路を１段毎に直交させて、数段積層
し、ろう付けしてあり、高温流体と低温流体が夫々矢印
の方向に直交して流される。一方の流体は、その流路を
挟んだ上下の流路を流れる他方の流体からの熱量を受け
取って熱交換が行われる。フィン３には、一般にオフセ
ットフィンやルーバーフィンなどの乱れ生成型フィンが
用いられ、特にオフセットフィンはコンパクトな熱交換
器として知られている。

【０００３】また、近年ボルテックスジェネレータを用
いた渦生成型フィンを配した熱交換器が、参考文献「He
art transfer and flow structure in laminar and tur
bul-ent flows in a rectangular channel with longit
udinal vortices/P. DEB, G.BISWAS」などに提案されて
おり、この構造は、図３に示す様に流路内にボルテック
スジェネレータ４を流れ方向と幅方向に複数列配置し、
渦生成型フィンを形成している。

【０００４】ボルテックスジェネレータ４は図５に示す
ような三角形状をしており、設置面に対して垂直に迎え
角αを持って形成されている。このボルテックスジェネ
レータ４を用いると、図４に示す様に流体が流れ方向と
垂直な面内の渦（以下縦渦）５を発生させながら渦巻状
に流れていくため、壁面（板状隔壁１）に接した温度境
界層を薄くする効果と、流れを寸断しないので圧力損失
を小さくする効果がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この様なフィンに求め
られる性能は、低圧力損失と高伝熱特性であり、乱れ生
成型フィンは、流路を部分的に遮る構造によって、温度
境界層が寸断されることで、高い伝熱特性を得ることが
できる反面、流れの抵抗が大きくなるので圧力損失が大
きくなるという欠点がある。

【０００６】一方、ボルテックスジェネレータを用いた
フィンの性能を調べると、流路高さＨを代表高さとして
最適値を求めると、流路長さＬ＝４．３Ｈ、ボルテック
スジェネレータの高さｂ＝０．３Ｈ、ボルテックスジェ
ネレータの底辺の長さｌ＝０．７５Ｈ、迎え角α＝１２
゜となり、レイノルズ数５０００〜１５０００におい
て、オフセットフィンと比較して圧力損失が３０％まで
低減されるものの、伝熱特性が約１０％まで低下するた
め、送風動力当たりの伝熱量は、オフセットフィンの場
合より、低くなってしまう結果が得られている。

【０００７】本発明は乱れ生成型フィンと渦生成型フィ
ンとを組み合わせることによって送風動力当たりの伝熱
量を向上させ、従来よりも効率の良い熱交換器を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の熱交換器は、高温流体路と低温流体路が交
互に流路の高さ方向に複数段積層されたプレートフィン
型熱交換器に於いて、流路内にオフセットフィンなどの
乱れ生成型フィンから構成される部分と、複数のボルテ
ックスジェネレータを流路の幅方向に迎え角を持って配
置した構造などの渦生成型フィンから構成される部分と
が流れ方向に交互に配置されている。この構成による
と、流路の一端から取り入れられた冷媒や空気などの高
温と低温の流体は、渦生成型フィン部分で縦渦を発生
し、乱れ生成型フィン部には、縦渦によって局所的に異
なった角度で流入して進行していきながら熱交換され
る。

【０００９】また、本発明の熱交換器は、上記のボルテ
ックスジェネレータなどを用いた渦生成型フィンが、断
面が矩形波型の板（以下、矩形平板フィン）の側面又は
上下面上に配置されている。この構成によると、上記の
作用に加えて、渦生成型フィン部分で、流体は、より広
い表面積を持った壁面と接触しながら進行することにな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
を説明するために直交流型プレートフィン熱交換器を第
１流体路７の流れ方向に平行な面で切断した状態を示す
図である。第１流体路７には、オフセットフィン３’と
ボルテックスジェネレータ４により構成されたフィンが
流体進行方向に交互に配置されており、第２流体路８に
は、従来例と同様の乱れ生成型フィン３が配されてい
る。オフセットフィン３’は他の乱れ生成型フィンを用
いても良いし、第２流体路８には第１流体路７と同様の
構造を配しても良い。

【００１１】ボルテックスジェネレータ４は、流路の断
面を図７に示す様に、流路のチューブプレート上に取り
付けられた上下の平板９上に垂直に流路の幅方向に複数
組並べて取り付けられている。また、図５に示す様に、
１対の直角三角形状のボルテックスジェネレータ４は、
流体進行方向に対して時計回りと反時計回りに同じ迎え
角を持って末広がりに配置されている。

【００１２】ボルテックスジェネレータ４によって生成
される縦渦の大きさは、直角三角形状のときその長さ
ｌ、高さｂ、迎え角α及び流速によって決まり、一般
に、流速が大きくなると縦渦の強さは強くなり、より後
方での回転速度が保持されるので、長さｌと高さｂは小
さくできる。また迎え角αは大きいほど縦渦は強くなる
が、流れの抵抗となるために圧力損失が増大する。また
隣接したボルテックスジェネレータの間隔が狭いと、夫
々から発生した縦渦が干渉して発達を抑制するため、適
当な間隔が必要である。

【００１３】これらを考慮して流速１６ｍ／ｓで最適設
計を行った結果は、図８に示す様に、長さｌ＝４．１ｍ
ｍ、高さｂ＝１．５ｍｍ、迎え角α＝±１２゜、フィン
長さ１５ｍｍ、１対のボルテックスジェネレータと隣接
する他の１対との間隔＝５．６ｍｍ、１対の幅Ｗ＝３．
８ｍｍとなる。この構造によると、ボルテックスジェネ
レータを用いたフィンの領域においては、圧力損失を小
さくすることができ、又、フィン形状が流れ方向に同一
でないので、その形状の不連続性から温度境界層の発達
を抑制することができる。又ボルテックスジェネレータ
によって生じた縦渦によって、オフセットフィンへの流
入角が局所的に異なるので、オフセットフィンの領域に
おいては流入角が一定の場合に比べ、高い伝熱効果が得
られる。

【００１４】これらを総合した性能を従来と比較すると
図６に示す様になる。図６において熱交換器Ａは本実施
形態の熱交換器であり、熱交換器Ｂはオフセットフィン
のみを配置した従来の熱交換器である。熱交換器の圧力
損失の大きさは、送風機の負荷の大きさを示す送風機静
圧と一致するので使用する送風機と熱交換器が決まれば
自ずと流量が決定される。熱交換器Ａは、熱交換器Ｂよ
りも圧力損失が小さいことから送風機にかかる負荷も小
さくなり、その結果冷媒や冷却空気等の流量が増加す
る。このため、図６に示した特性を持った送風機の場
合、動作点での伝熱量Ｑ’は、熱交換器Ｂの伝熱量Ｑよ
りも大きくなっている。この様に、使用する送風機によ
っては、動作点における伝熱性能を、従来よりも向上さ
せることが可能である。

【００１５】また、図１１は本発明の第２の実施形態を
示す図である。図１１に示す様に直角三角形状のボルテ
ックスジェエレータ４は、矩形平板フィン１１の各側面
に垂直に、かつ流れに対して時計回りと反時計回りに迎
え角をつけて末広がりになるように対にして接着されて
いる。また、図１２に示す様に、矩形平板フィン１１の
ピッチは、オフセットフィン１０と同じピッチ幅Ｐにな
っており、オフセットフィン１０と矩形平板フィン１１
は流れ方向に対して交互に配置されている。この様な構
造の熱交換器によれば、第１の実施形態と同様の効果が
得られ、さらに矩形平板フィンを用いることによって、
伝熱面積が増加し高い伝熱特性を得ることができる。

【００１６】また、第３の実施形態として、図１３に示
す様に、矩形平板フィン１１の上下面に、少なくとも１
枚のボルテックスジェネレータ４を流れ方向に対して迎
え角を持って接着することで、第２の実施形態と同様の
効果に加え、高温流体と低温流体を隔てる流路上下壁に
ボルテックスジェネレータ４によって発生した縦渦がよ
り作用しやすくなるため、より伝熱効果を促進させるこ
とができる。

【００１７】なお、これらの実施形態において、平板上
又は矩形平板フィン上へのボルテックスジェネレータの
取付方法は三角形の一辺を伝熱性接着剤を用いて接着す
る方法や熔接する方法の他に、図８に示す様に平板から
プレスなどによって切り起こすことで低コスト化を図る
ことや、図１０に示す様に接着しろを設けて接着又は熔
接することにより高強度化を図ることも可能である。

【００１８】又、必ずしも直角三角形の直角をなす一辺
で取り付ける必要はなく、図９に示す様に、斜辺で取り
付けても良いし、直角三角形以外の三角形や、扇形や四
辺形などのボルテックスジェネレータを用いることも可
能である。これらは何れも本発明の主旨を損なうもので
はなく、同様の効果を得ることができるものである。

【００１９】又、第１及び第３の実施形態において、流
路の上下面に取り付けられたボルテックスジェネレータ
は、流路の高さと渦の大きさを考慮して、何れか一方の
面に取り付けても良いし、流路の高さ方向に流路上下面
と平行な平板を必要数設置し、その上に取り付けても良
い。

【００２０】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、オフセットフ
ィンなどの乱れ生成型フィンと、ボルテックスジェネレ
ータなどによる渦生成型フィンとを流れ方向に対して交
互に配置することで、乱れ生成型フィンのみの場合と比
較して、渦生成型フィン部分で圧力損失を低く抑える効
果と、縦渦の状態で乱れ生成型フィンへ流入することか
ら、局所的に異なった流入角となることで伝熱効果が促
進される効果があり、その結果送風器の動力当たりの伝
熱量を増加させることが可能である。

【００２１】請求項２の発明によれば、請求項１のより
具体的な例として、ボルテックスジェネレータを平板上
の流路幅方向に複数枚迎え角を持って配置することで、
渦生成型フィンを簡単に構成することができる。

【００２２】更に請求項３の発明によれば、断面が矩形
波型の板上にボルテックスジェネレータを用いた渦生成
型フィンを配置することによって請求項２の場合に比し
て、伝熱表面積を増加させることができるためより高い
伝熱効率を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における熱交換器流
路を流れに平行な面で切断した斜視図。

【図２】従来の直交流型プレートフィン熱交換器を表す
斜視図。

【図３】従来のボルテックスジェネレータを用いた熱交
換器を表す斜視図。

【図４】ボルテックスジェネレータによって発生する縦
縞の様子の説明図

【図５】ボルテックスジェネレータの概略形状を示す
図。

【図６】本発明の第１の実施形態と従来の例との性能比
較を示す図。

【図７】本発明の第１の実施形態におけるボルテックス
ジェネレータを設置した流路部分を流れに垂直な面で切
断した断面図。

【図８】本発明の第１の実施形態において、流速１６ｍ
／ｓで最適となるように設計したボルテックスジェネレ
ータを用いたフィンの各寸法を表す図。

【図９】直角三角形状のボルテックスジェネレータをそ
の斜辺部で接着した場合の概略図。

【図１０】ボルテックスジェネレータに接着しろを設け
た場合の概略図。

【図１１】本発明の第２の実施形態における、矩形平板
フィンの側面にボルテックスジェネレータを形成した状
態を示す斜視図で、

【図１２】本発明の第２の実施形態における、オフセッ
トフィンと、ボルテックスジェネレータを形成した矩形
平板フィンとの配置を示す上面図及び側面図。

【図１３】本発明の第３の実施形態における、矩形平板
フィンの上下面にボルテックスジェネレータを形成した
状態を示す斜視図。

【符号の説明】

１ チューブプレート（板状隔壁） ２ スペーサーバー ３ フィン ３’オフセットフィン ４ ボルテックスジェネレータ ５ ボルテックスジェネレータによって発生した縦渦 ６ 接着しろ ７ 第１流体流路 ８ 第２流体流路 ９ 平板 １０ オフセットフィン １１ 矩形平板フィン Ｂ 流路高さ Ｃ 流路幅 Ｌ 矩形フィン長さ Ｐ フィンピッチ ｂ ボルテックスジェネレータ高さ ｌ ボルテックスジェネレータ長さ ｗ ボルテックスジェネレータ設置幅 α 迎え角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温流体流路と、低温流体流路が交互に流
   路の高さ方向に複数段積層されたプレートフィン型熱交
   換器において、少なくとも一方の流路内に、乱れ生成型
   フィンから構成される部分と、渦生成型フィンから構成
   される部分とを、流れ方向に交互に配置したことを特徴
   とする熱交換器。
2. 【請求項２】前記、渦生成型フィンは、板状隔壁上又
   は、それと平行な平板上に、流れ方向に対して迎え角を
   持ったボルテックスジェネレータを流路の幅方向に複数
   枚配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱
   交換器。
3. 【請求項３】前記渦生成型フィンは、矩形波型の板上に
   形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換
   器。