JPS6151238B2

JPS6151238B2 -

Info

Publication number: JPS6151238B2
Application number: JP55111704A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Hayashi; Shigeyuki Yamazaki; Izumi Ochiai; Katsuo Matsui
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-08-15
Filing date: 1980-08-15
Publication date: 1986-11-07
Also published as: JPS5737696A; DE3131737A1; AU7401281A; DE3131737C2; AU532520B2

Description

【発明の詳細な説明】本発明はルームエアコンなどに使用されるクロ
スフインチユーブ式熱交換器に関するものであ
る。

従来のこの種熱交換器は第１図に示すようにア
ルミ板などで形成され、かつ管挿入孔（図示せ
ず）を任意数設けた適宜面積を有するフイン１を
数mmピツチで任意数並設し、前記管挿入孔に伝熱
管（図示せず）を貫通すると共に、拡管などの手
段により伝熱管とフイン１を密着して一体に結合
し、伝熱管端部をＵ字形のベンド管２を介して接
続することにより、蛇行状の伝熱管通路を任意数
形成した構造からなる。

上記伝熱管内には冷水、温水あるいは冷媒など
の熱交換流体が流通されると共に、伝熱管外のフ
イン間には他の熱交換流体（例えば空気）が適宜
流速で流通され、前記両流体が伝熱管壁およびフ
インを介して互に熱交換を行う。

この場合、フイン１間を流通する空気流には流
れの境界層ができるから、境界層内の熱伝導は著
しく低下する。この温度境界層はフイン先端部よ
り下流に至るにしたがつて厚くなり、対向するフ
イン面上に形成される温度境界層はフイン先端か
らやや下流位置で合致し、同位置より下流部分で
は熱伝達が低下する。

上記のようなフラツトのフインを用いたクロス
フインチユーブ式熱交換器では、フイン表面に生
ずる空気流れの層流温度境界層のために熱伝達率
が低い。この空気側熱伝達率を向上させるには、
温度境界層の形成を妨げることが有効である。

このような見地からフイン面の形状を改良する
ことにより、温度境界層の形成を妨げる種々の提
案がなされている。例えば第２図および第３図に
示すものはフイン３面を波状に加工し、伝熱性能
の向上とフイン強度の増大をはかつたものであ
る。このフイン３間に流入する空気はフイン３間
をやや蛇行して流れるため、凸部では温度境界層
は薄くなつて熱伝達率は向上する。逆に凹部では
渦が発生するため、温度境界層が厚くなつて熱伝
達率は低下するので、フイン全体として熱伝達率
の上昇は小さくなり、性能を大幅に向上させるこ
とは困難である。

また第４図および第５図に示す従来のフイン５
は管挿入孔４を有する平板状のフイン基板５′に
管挿入孔４の管列方向と平行に多数の切込みを入
れ、この切込み細片を押し上げて多数の切起こし
片６を形成すると共に、その切起こしによりフイ
ン基板５′にスリツト７を開口させたものであ
る。

上記フイン５を用いた熱交換器では、切起こし
片６およびスリツト７により空気流れの温度境界
層を切断し、その形成および発達を妨げることに
より伝熱性能の向上をはかつている。ところが上
記フイン５は波形フインに比べると、その性能は
かなり改善されているが、同一平面上の切起こし
片６は互に近接して設けられているため、前置の
切起こし片で発生した境界層は後置の切起こし片
の先端に達するまでに完全に消滅しないので、個
個の切起こし片が十分な効果を発揮していない。
また切起こし片６の存在によりフイン５の強度が
低下するため、生産性に問題があるばかりでな
く、フイン５の板厚を薄くすることが困難であ
る。

さらに第６図および第７図に示す従来のフイン
９は管列方向と平行に山谷の稜線８を形成した波
形フイン基板９′に、第４図に示すフイン５と同
様に切起こし片６′およびスリツト７′を形成して
境界層を薄くするようにしたものである。このフ
イン９の性能は波形々状と切起こし片の効果によ
り向上するが、フイン全体の波形々状が大きいた
め、波形フインの場合と同様にフイン凹部の境界
層が厚いから熱伝達率を十分に向上させることが
困難である。

上記フイン９を用いた熱交換器は、その伝熱性
能が波形基板の乱流促進作用で第２図のフイン３
より優れている。しかし切起こし片６′自身は平
板状であるため、板厚を薄くすると外部よりの圧
力に屈しやすいから生産性に欠けるばかりでなく
フインの板厚を大幅に薄くすることができない。
また、フイン基板は波形であるため、製作工数が
増加してコスト高となる。

本発明は上記欠点を解消し、生産性および熱交
換効率を向上させることを目的とするもので、平
板状のフイン基板の管列方向の隣接伝熱管の間の
フイン基板に、フイン間を流通する流体の流通方
向に直交する任意数の切込みを入れて細片を形成
し、これらの細片を橋状に起こして山形状に成形
すると共に、その山形細片の相隣る縁部の高さ位
置を互にずらして、山形細片を全体として波形状
又は階段状に配置する。

さらに、この時山形細片のフイン基板方向に対
する角度（フイン間へ流入する気流に対する角
度）をθとし、山形細片の波形又は階段状の配置
において、フイン基板方向に対する配置の角度
（フイン間へ流入する気流に対する角度）をβと
すると θ＜β の関係を有することを特徴とするものである。

以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第８図および第９図は本実施例に使用されるフ
イン基板１１を示したもので、このフイン基板１
１には薄い板状のフイン材に伝熱管（図示せず）
の挿入されるカラー１０をそなえる管挿入孔４が
加工成形により任意数設けられている。そのフイ
ン基板１１の管挿入孔４間の平板部には、第１０
図に示すようにフイン間を流通する流体の流通方
向Ａに直交する多数の切込み１２を入れて多数の
細片１３ａ，１３ｂ……１３ｎを形成する。

次に、このように細片１３ａ，１３ｂ……１３
ｎを形成したフイン基板１１を第１１Ａ図に示す
ような逆山形状で細片１３ａ，１３ｂ……１３ｎ
と同じ幅のプレス型１４ａ〜１４ｎを有する上型
１４および山形状で細片１３ａ，１３ｂ……１３
ｎと同じ幅のプレス型１５ａ〜１５ｎを有する下
型１５の間に挿入する。

この上型１４および下型１５の各々のプレス型
１４ａ〜１４ｎおよび１５ａ〜１５ｂはそれぞれ
上下方向に可動できるようになつており、あらか
じめ決められた高さに設置固定されて、高さの異
なるプレス型を形成している。この上型１４、下
型１５により細片１３ａ，１３ｂ……１３ｎを、
プレス加工して橋状に基板１１の上下に押し出
す。このプレス加工により切込み細片１３ａ，１
３ｂ……１３ｎは第１２図、第１３図に示すよう
に、稜線１８ａ〜１８ｎをそれぞれ有する純角状
の山形細片１６ａ〜１６ｎに形成されると共に、
相隣る山形細片例えば１６ａ，１６ｂの縁部１７
ａ，１７ｂは互にずれ、かつその稜線１８ａ，１
８ｂも、高さが異なるように形成される。また各
山形細片１６ａ〜１６ｎの押し出し高さ、すなわ
ち稜線１８ａ〜１８ｎの高さは第１４図の２点鎖
線で示すように、フイン基板およびフイン基板の
上部、下部に形成された山形細片が多数のフイン
を組込んで熱交換器を構成したとき全体として波
形に配置されている。プレスの上型１４、下型１
５の高さを第１１Ｂ図の如く連続的に変えるよう
にしても同様な効果がある。

本実施例では山形細片１６ａ〜１６ｎの山形部
の形状をすべて等しいよう形成したが、その形状
をフイン間を流通する流体の流れに適応するよう
に形成してもよい。このように形成すれば、伝熱
性能を向上させることができる利点がある。

次に本実施例、すなわち上記のように形成され
たフインを用いたクロスフインチユーブ式熱交換
器の作用について説明する。

熱交換流体が矢印Ａのように熱交換器に流入す
ると、各フインはその山形細片１６ａ〜１６ｎが
流通方向Ａとほぼ直交するように形成されている
ため、フイン面に沿つて流れる流体の温度境界層
は発達しないうちに寸断される。さらに山形細片
１６ａ〜１６ｎに沿つて発達しようとする温度境
界層は山形細片の中央部の稜線１８ａ〜１８ｎに
より、その後流側では成層化が著しく阻害され
る。したがつてフイン間を流通する熱交換流体の
流れは複雑に乱れるから、フインと熱交換流体と
の間の熱交換効率は大幅に向上する。

即ち、従来の熱交換器においては切起こし細片
が平面形状であるとともに、特に第４図に示した
形態の熱交換器では、切起こし細片の位置（高
さ）が、同レベルであるため、前置切起こし細片
において形成される温度境界層が、隣りの後置切
起こし細片の直前に至るまでの間で完全には消滅
せず、このため、後置切起こし片の先端におい
て、前縁効果を完全な形で利用できない。このた
め、流通方向にに添つたフイン先端からの距離Ｌ
に対する熱伝達率は第１５図に局所値60、平均値
60aで示すように下流になるに従つて低下する傾
向を有する。なお、第６図に示した従来例におい
ては、フイン基板が山形であるので、第４図に示
す従来例に比較すると若干上記傾向は改善され
る。このような従来熱交換器に対し、本発明によ
る熱交換器は前記した構成、作用を有するため、
第１に前縁効果をほぼ完全に近い形で利用できる
とともに、第２に山形細片の効果により、細片に
そつて成長しようとする温度境界層はその発達が
妨げられ、第１５図の実線で示すように熱伝達率
の局所値160、平均値160aは大幅に向上する。

本実施例におけるフインはパイプ周囲が平板状
であるため、従来の波形フイン基板（第２図）に
より作られたフインのようにパイプ周囲が波形の
ものに比べて、パイプ近傍を流れる空気の圧力損
失を著しく減少させることができる。

また、本実施例におけるフインはフイン基板お
よびフイン基板の上部、下部に山形細片が位置す
るようにプレスにより橋状に成形されているの
で、これらの山形細片が立体的な構造体として働
き、管列方向の強度が大幅に向上する。従つてフ
インの薄肉化が可能となるとともに、フインを薄
肉化した状態においてもまだフイン強度の向上は
見られ、生産時のハンドリングが良くなり生産効
率が向上する。

第１６図は本実施例品と従来品Ａ（第２図のフ
インを用いた熱交換器）、同Ｂ（第４図のフイン
を用いた熱交換器）および同Ｃ（第６図のフイン
を用いた熱交換器）との熱交換効率（伝達性能）
を比較した結果であり、実線Ｂは本実施例品、破
線C₁は従来品Ａ、一点鎖線C₂は従来品Ｂ、二点
鎖線C₃は従来品Ｃを示す。この図より本実施例
品は従来品Ａ〜Ｃに比べて熱交換効率が大幅に向
上していることが明らかである。

以上説明したように本実施例によれば、フイン
の強度を増大させ、かつ薄肉化をはかることがで
きるので、材料費を著しく軽減させると共に、ハ
ンドリング性の増進により生産効率を向上させる
ことができる。

上記したように、本実施例の熱交換器は前縁効
果に加え山形細片１６の乱流促進が付加されてい
るわけであるが、この乱流促進作用は、熱伝達率
αの向上に結びつくと同時に、熱交換器通過流体
の圧力損失ΔＰの増加にも結びつく点を考えなけ
ればならない。熱交換器の使用に当つては、熱交
換器に通風を行う送風機の所要動力ならびに騒音
には許容限界があるのが普通であり、この点を考
慮した最適な熱交換器の設計を行わなければなら
ない。本発明による熱交換器の熱伝達率と圧力損
失に直接影響する因子は山形細片の山角度θと相
隣る山形細片の縁部１７の高さｈ（第１４図参
照）であり、θとｈを変えることにより熱伝達率
と同時に圧力損失も変化する結果を得ている。従
つて、山形細片１６の山角度θと山形細片の縁部
１７の高さｈを適当に選ぶことにより、通風抵抗
の増加に対する熱伝達率の向上比（α／ΔＰ）を
最適な状態にすることが出来る。第１７図に山形
細片１６の山角度θと縁部１７の高さｈに対する
α／ΔＰの関係をθ＝０、ｈ＝０の場合を基準と
して示す。

図示のθ＝０、ｈ＝０を基準とした通風抵抗の
増加に対する熱伝達率αの向上比（（α／Δ
Ｐ）／（α_０／ΔP₀））は大きいほど熱伝達率の向
上が通風抵抗の増加より大きいことを示すもので
あり、熱交換器のフインとして適していることを
意味する。

また第１７図にθ＝βの一例を示したのが破線
である。

ここで、θ＞βの領域は破線の上側であり、θ
＜βの領域は破線の下側である。

従つて、第１７図より明らかなように、熱交換
器の性能はθ＜βの領域が、θ＞βの領域の場合
よりも（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）が大きくな
り、熱交換器として性能が良好であることがわか
る。

すなわち、θ＞βの領域は、相隣る山形細片の
縁部の高さをｈだけ変えて山形細片を配置した効
果で、熱伝達率は向上したが、θが大きいため山
形細片が流体の流れを大きく曲げることになり、
この結果通風抵抗の増加が著しく大きくなり、
（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）の値が小さくなるも
のである。

これに対し、θ＜βの領域は相隣る山形細片の
縁部の高さをｈだけ変えて山形細片を配置した効
果で熱伝達率は大幅に向上するとともに、θが小
さいため山形細片部での流体の流れの曲がりが小
さく、通風抵抗の増加がそれほど大きくならな
い。この結果（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）の値
が大きくなり、熱交換器として望ましい性能を示
すようになつたものである。

この結果、山形細片の山角度θは、山形細片の
配置の角度βより小さくするのが良い。さらに第
１７図からは以上の条件のもとで、山形細片の高
さを決めることにより、本発明による熱交換器の
フインを最適にすることが出来る。

第１７図より（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）＜
２の範囲ではΔＰに対するαの比は急激に小さく
なる。これは山形細片の山角度が15〜18゜附近以
上ではΔＰが急激に増加するためであり、また
2h／ｐが0.3以下ではαの減少が大きくなるため
である。従つて、フイン形状としては、流体の流
通方向に対する山形細片１６の角度θが実質的に
山形と認識できる値を超え15゜よりも小さい値
で、しかも0.3≦2h／ｐ≦１の関係を満足する形
状に加工すれば良い。

このような関係によつて示される範囲は、
（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）≧２となり熱伝達率
αの向上は大きく、本発明の目的を達することの
できる範囲である。

なお、熱交換器の運転に際し、送風機の所用動
力、熱交換器の伝達性能を考慮すると、（α／Δ
Ｐ）／（α_０／ΔP₀）はさらに大きい方が良い。
したがつて、（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）≧2.1
を達成する範囲として流体の流通方向に対する山
形細片１６の角度θが実質的に山形と認識できる
値を超え10゜よりも小さな範囲で0.4≦2h／ｐ≦
0.9が同時に満足する範囲のフイン形状がさらに
望ましいフイン形状であるといえる。

更に、最も望ましい範囲は（α／ΔＰ）／（α_０／ΔP₀）≧2.3 を満足するもので、この時のフイン形状は流体の
流通方向に対する山形細片１６の角度θが実質的
に山形と認識できる値を越え７゜よりも小さな範
囲であつて、しかも0.5≦2h／ｐ≦0.75であり、
この時α／ΔＰは最高値を示す。

尚上記実施例では山形細片１６ａ〜１６ｎの山
形部の形状をすべて等しく形成したが、その形状
をフイン間を流通する流体の流れに適応するよう
に形成しても、上述の関係を満足するものであれ
ば同様の作用効果を出すことが出来る。

第１８Ａ図から第２１図は本発明の他の実施例
を示したものである。これは第１０図の状態に加
工されたフイン基板を第１８Ａ図に示すように両
側端部のプレス型１４A₁，１４A₂および１５
A₁，１５A₂を断面を平板状に形成し、かつ前記
プレス形１４A₁と１４A₂の間および１５A₁と１
５A₂の間に上記実施例と同様に断面山形形状の
プレス型を形成した上、下型１４Ａ，１５Ａの間
に挿入し、プレス加工により橋状に上、下方向に
押し出してフインを成形したものである。

上記プレス加工により、フインは第１９図、第
２０図に示すようにフイン基板１１の側端部の細
片２８、および中央平板２９が平板状となり、ま
た側端細片２８と中央平板２９の間の細片は第１
３図と同様に山形状に形成される。またこの場合
においても、前述の山角度θと縁部の高さｈの関
係を満足させることにより、前記実施例と同様の
作用効果を出すことが出来る。

プレスの上、下型の高さを、第１８Ｂ図のよう
に連続的に変えるようにしても同様な効果があ
る。

第２２図から第２４図および第２５図から第２
７図はさらに別の実施例を示したもので、山形細
片１６がフイン基板１１の上部に２個、下部に１
個、橋状に押し出されたもので、全体的な山形細
片の配置は第２４図、第２７図に示すように階段
状になつていることがこれまでの実施例と異なる
点であり、山形細片の山角度θと、相隣る山形細
片の縁部の高さｈ、山形細片の配置角βの関係は
これまでと同様である。

これら２つの実施例においては、フイン間を流
れる流体の同一流線上の山形細片は全てが大きな
間隔を持つて配置されているので、同一流線上の
前方の山形細片が形成された境界層は、後方の山
形細片の所ではほぼ無くなる位置に配置すること
が可能となる。この結果この山形細片の配置は山
形細片を波形状に配置した前の実施例よりも一層
熱交換器の性能向上を行なうことが出来る。さら
に、この山形細片の配置はフインピツチｐが大き
くなつた時効果をより有効に出せるようにしたも
のである。また、第２２図から第２４図における
実施例と第２５図から第２７図における実施例に
おいて異なる点は、側端部細片２８および中央平
板２９を前者は山形状に成形し、後者は平板状に
したことで、その他の構成は同一であり、同様な
効果を得ることが出来る。

このようにフインピツチｐが大きくなつた時に
は特に階段状配置が前述のフイン形状を保つ上で
有効であり、かつ本発明の効果も十分に出し得る
構造となる。従つて、フインピツチが大きくなつ
た場合にはフイン基板１１の上、下に異なつた高
さの山形細片を橋状に押し出し、フイン基板１１
とほぼ同レベルの高さの山形細片を含めて全体と
して波形状（図示せず）又は階段状（図示せず）
の配置にすることにより本発明の作用効果を得る
ことが出来る。

以上説明したように本発明によれば、熱交換効
率を大幅に向上することができると共に管列方向
の撓み強度が増大し、熱交換器の組立作業効率を
向上し、またフインの薄板化をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はクロスフインチユーブ式熱交換器の斜
視図、第２図は従来フインＡの平面図、第３図は
第２図のイ−イ線断面図、第４図は従来フインＢ
の平面図、第５図は第４図のロ−ロ線断面図、第
６図は従来フインＣの平面図、第７図は第６図の
ハ−ハ線断面図、第８図〜第１４図は本発明の一
実施例を説明する図で、第８図はフインの加工前
のフイン基板の平面図、第９図は第８図のニ−ニ
線断面図、第１０図および第１１Ａ図、第１１Ｂ
図はフインの加工々程をそれぞれ説明する平面図
および断面図、第１２図はフインの平面図、第１
３図は第１２図のホ−ホ線断面図、第１４図はフ
インの配置状態を示す断面図、第１５図、第１６
図は第８図〜第１４図に示す実施例品と従来品と
の熱伝達率の比較線図、第１７図は第８図〜第１
４図に示す実施例の熱交換器の特性を示す線図、
第１８Ａ図〜第２１図は本発明の他の実施例を説
明する図で、第１８Ａ図及び第１８Ｂ図はフイン
の加工工程を説明する断面図、第１９図はフイン
の平面図、第２０図は第１９図のヘ−ヘ断面図、
第２１図はフインの配置状態を示す断面図、第２
２図〜第２４図は本発明の更に他の実施例を説明
する図で、第２２図はフインの平面図、第２３図
は第２２図のト−ト線断面図、第２４図はフイン
の配置状態を示す断面図、第２５図〜第２７図は
本発明の更に他の実施例を説明する図で、第２５
図はフインの平面図、第２６図は第２５図のチ−
チ線断面図、第２７図はフインの配置状態を示す
断面図である。１１……フイン基板、１２……切込み、１６ａ
〜１６ｎ……山形細片、１７ａ〜１７ｎ……縁
部、１８ａ〜１８ｎ……稜線。

Claims

【特許請求の範囲】

１適宜面積のフインを任意数並設し、これらの
並設フインに複数本の伝熱管を貫通して密着保持
し、伝熱管内の熱交換流体とフイン間を流通する
熱交換流体とが伝熱管およびフインを介して熱交
換するクロスフインチユーブ式熱交換器におい
て、管列方向の隣接伝熱管の間のフイン基板に、
フイン間を流通する流体の流通方向に直交する切
込みを入れて任意数の細片を形成し、これらの細
片を橋状に起してフイン間を流通する流体の流通
方向に直交して山形状に成形すると共に、その山
形細片の相隣る縁部の高さ位置を互にずらしてフ
インを複数個形成し、これらのフインを、その山
形細片が前記フイン間を流通する流体の流通方向
に沿つて全体として波形になるように配設し、前
記フイン間を流通する流体の流通方向に対する前
記山形細片の角度θを、前記フイン間を流通する
流体の流通方向に対する前記波形配置の角度βよ
り小さくしたことを特徴とする熱交換器。