JPS62242794A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、空調用、産業用、自動車用゛として用いられ
る熱交換器に関するものである。

従来の技術 熱交換器の開発の歴史は古く、一般的にはガス−液体を
作動媒体とする場合はプレートフィンタイプとチューブ
フィンタイプとがある。このウチプレートフィンタイプ
の熱交換器におけるフィン形状の開発が盛んに行なわれ
ており、その主眼点はフィンプレート上に発達する温度
境界層をいかに小さくおさえて高い伝熱性能を得、しか
屯効率の良い伝熱面形状を提供していくかにあった。

一般に熱交換器の熱変換能力Ｑは次式で示される。

Ｑ−に、ＡＧ・ΔＴお（ら／＾）　　　　・・・・・・
・・・・・・（１）ただし、Ｋ　：　熱交換器の熱通過
係数（Ｗ　、／ｌｒｌ・ｈ・℃＞ＡＧ　：　ガス側の伝
熱面積（Ｗ？） ΔＴ９：　ガス側−液体側の対数温度差（℃）この式に
おいて、一般にΔＴ、ｌは使用条件で決定される値であ
り、熱交換器そのものの性能に８４９関係ない。

、４Ｇ　Ｋついては熱又換器の容量、大きさに依存する
値であり、結果的にはＫの値が高い程同じ熱交換能力を
出すにはＡＧが小さくてすみ、容量がコンパクトだなり
、従って材料費が節約されると共に軽食化を図ることが
できる。

上記（１）式におけるＫとαＧとの関係は次式で示され
る。

ま ただし、αＧ：ガス１ｕｌｌ（９党）表面の熱伝達係数
φＧ：ガス側プ側御レートフィン率 ＲＷ・：δＷ／λＷ δＷ：熱又熱器換器水側チューブ厚（−）λＷ：熱又熱
器換器水側チューブ伝導率（−〜・ル・℃）Ａｗ：水霧
（液体側）チューブの伝熱面積（−）αＷ：Ｗ：（液体
側）の熱伝達係数（ち／−・ｈ・℃）（２）式のＲ’Ｎ
／Ａｗ　　の値はチニーブ目身を鋼とかアルミニウムの
ような熱伝導率の高い材料で構成した場合、他の項に比
較してケタ違いに小さいので、上記（２）式は一般に次
式のようになる。

αＧ・ψＱ　”Ｇ　　　ｆｆｗＨ／ｉｗ上式より ■ また、一般の設計では、αＧ・φＧ”Ｇ　”　：αｗ”
Ａｗの関係を満足するように設計され、結局、Ｋ、Δａ
　−０，８αａ−φＧ”’Ｇ Ｋり０．８αＧ・φＧ（φ、　、＝　Ｏ１’？　）Ｋり
０．８９αＧ の関係に近い状態になり、結果的にはαＧ　の大小で伝
熱状態が一般的に支配される〇 第１０図は最近の自動本に用いられる熱又換器であり、
このような熱又換器の伝熱性能を律そくする一番の要因
は、ガス側通路のプレート伝熱面形状のルーバａの長さ
ｔによって支配される。つまり境界層の発達をルーバａ
の長さｔで規定ｌ、てしまい、分断することにより高い
伝熱性能を得ている、第１１図はルーバａの長さｔに対
してガス側表面の熱伝達係数・αＧ　の関係を示す。

この図において、ルーバａの長さｔが短い程αＧは高い
値を示し、伝熱性能は良い。しかしながらその反面、機
械加工でメタルフィンプレート面を短い長さｔで所望の
形状で切り起こしていくには限界があり、またルー）＜
７２の切り起こして流れをうまくコントロールするには
限界があり、結局ルーバａの長さｔは０．８ｍｍが現在
の限界で性能が律そくされている。

発明が解決しようとする問題点 上記したように従来の技術の延長線上の同じ方法、すな
わち、プレートフィンやチューブフィンを用いた熱変換
器ではその性能向上には限界があった。

問題点を解決するための手段及び作用 本発明は上記のことにかんがみなされたもので、ピンフ
ィンタイプの構成を用いて現状以上の高性能を得ること
ができるようにした熱交換器を提供しようとするもので
ある。

すなわち、その構成は、所定の間隔をあけて複数個設け
られた伝熱チューブの相互の対向面間に、熱伝導性の良
い材料忙て構成したピンフィンを、その端部を上記伝熱
チューブに接触させて介装Ｌ７た構成となっている、 上記ピンフィンは直径が０．８　ｍ以下の銅、アルミニ
ウム、カーボンファイバ等可撓性のある線維を用い、こ
の繊維を編機で２枚の布状部と、との画布状部間を多数
本のピン状部で連結する形状に構成する。そして上記画
布状部をチューブに接着材により、またはろう付け、ハ
ンダ付は等の手段にて接触固定する。

実施例 本発明の実施例を第１図から第９図に基づいて説明する
。

図中１，２は１対のマニホールドであり、３は両マニホ
ールド１，２に両端を開口接続した伝熱チューブであり
、この伝熱チューブ３は複数等間隔をあけて設けられて
いる。そして上記各伝熱チューブ３．３＋−・・・・の
間はピンフィン４が両端部をそれぞれ伝熱チューブ３，
３．・・・・・・の表面に接触させて弁装しである。

上記ピンフィン４は第２図に示すようになつており、一
対のフランジ部５，６と、この両７ランジ部５，６間を
接続する多数本のピン部７とからなっている。上記フラ
ンジ部５，６は伝熱チューブ３の接触面と略同−になっ
ており、両フランジ部５，６の外側寸法が伝熱チューブ
３．３．・・・・・・の間隔と略同−になっている。上
記ピンフィン４は熱伝導率λが３３２＆Ｊ／ｍ’、Ａ・
℃の線径が０．Ｂｖｎｘの銅線を用いた。そしてこの銅
線を編機を便ってフランジ部５，６を布状に編むと共に
１両７ランジ部５，６間を多数のピン部７忙て連らなる
ように編みあげた。

ピンフィン４のフランジ部５，６と伝熱チューブ３とは
ろう付け、はんだ付け、接着剤による接着等の結合剤８
にて結合する。この結合時において、伝熱チューブ３内
に圧力をかけてこれを膨張側へ変形することによりピン
フィン４のフランジ部５，６との接触度がよくなって上
記結合が容易、かつ良好に行なうことができる。

また上記ピンフィン４のフランジ部５，６の結合に際し
て、このフランジ部５，６に上記結合剤をあらかじめ含
浸させてくか、あるいは結合剤８を伝熱チューブ３側に
塗布しておき、フランジ部５，６と伝熱チューブ３とを
接触させた状態で熱交換器全体を真空加熱炉あるいはア
ルゴン雰囲気加熱炉等の加熱炉に入れて上記結合剤８を
溶融して両者を結合するようにしてもよいＯ 上記ピンフィン４のピン部７のピンの配列は第４図に示
すように、すなわち、ガスの流れ方向に整列した場合、
ピン間の流れ場自身、通常用いられる通風領域（熱変換
器前面風速４ｍ／ｚ以下の領域）では層流域であり、温
度境界層９が流れ方向に対して分断されず、従ってガス
側ピンフィン伝熱表面上の熱伝達係数αＧ　はピンの直
後ｄのサイズに依存しなくて、熱交換器のガス通路長さ
Ｌに依存し、αＧ　自身低い値しか得られない。

そこでピンの配列をｇ５図に示すように、すなわち、ガ
ス流方向にならべるｐ、、ｐ、の間隔を４ｄ以上にし、
その間にガス流方向と直角方向にｄだけ位相をずらせて
ピンｐ、、ｐ、を配列すると、ガス側通路幅全体に渡っ
てガス側流路流れの流線が各々ピン面上を通過すること
になり、また最初のピンから次のピンまで４ｄ以上の距
離が増れれば、最初のピン後流からカルマン渦が発生し
てピンごとに温度境界層が分断され、伝熱性能自身がピ
ン直径で支配されるようになり、高い伝熱性能が得られ
る。

上記のようにして構成ｊ、た熱交換器を空気−水を作動
媒体として用いた場合を自動車用ラジェータのルーバフ
ィンプレートタイプの熱変換器と比較する。

第６図はその性能比較図、第７図はピンフィンの場合の
空気側の熱伝達係数αＧの値を示す。

第６図、第７図において実線が従来の自動車２ジエータ
、点線がピンフィンタイプの熱又換器の場合であり、こ
の図でわかるように、伝熱コアの前面風速が塾、　ｍ　
４　ｍ／ｚ　　以上の領域では空気側の圧力損失が大き
く、性能面では従来例より劣るが、ｕ−、Ｍ　４７７１
／、？以下では同等、もしくはそれ以上の性能が得られ
た。

一般に、自動車用とか空調用とかで使用される前面風速
の領域は４ψ以下であり、結果的にはピンの直径ｄが０
．８■以下のサイズで第５図に示すようなピン配列で熱
交換器を構成すれば既存の熱交換器以上の高性能を得ら
れ、またコンパクトにすることができる。

第８図に伝熱コア前面風速　ｔＬ、　−ｍ　４　ｍ／ｚ
　　の場合のピンフィンのピン径ｄを変化させた場合の
空気側、ピンフィン側の熱伝達係数αＧの変化を示す〇 ピン径ｄが小さくなるにつれてαＧが上昇する。

また第９図に示すようにピンの配列を相似にし、また伝
熱コアの幅Ｗを一定にすると、ピンフィン１列あたりの
伝熱面積はＡＧ、＝πｘ　Ｗ／Ｓｔとなり、ピン径に依
存しない。また伝熱コアの長さはＬ　−（ｎ　−１）　
ｘ　Ｓｔ　ｄ　、　　（ｎ　ｔ；ｊ：　流し方向１ｔＣ
対するピン列数）となり、ピン径ｄＶｃ依存も従って同
じ伝熱面積を確保する場合伝熱コアの容積〆は Ｖ　−Ｗ　ｘ　Ｌ　ｘ　Ｈ の関係にあり、伝熱コアの長さＬに比例【−１結局ピン
フィンのピン径ｄに比例する０ 以上のことから、ピン径ｄが小さくなる程伝熱コア容積
ｒは小さくなり、また第８図に示すようにピン径ｄが小
さい程αＧ　の値が上昇する。。

従って一般の熱変換能力 、　−ｇＡａ　ｏｃ　ａ（）Ｊ３ の関係、及び 、４Ｇｗａ　ｔｘ’９１／Ｓ、　ｘ　ｎの関係によりα
Ｇ　の上昇分だけルが少なくなり、その相乗効果でピン
径ｄが小さくなればなる程伝熱コア容積Ｖは小さくなり
、非常にコンパクトな熱又換器となる。

またピン径ｄが小さくなればなる程熱伝導性良導体の素
材がフレキシブルになり、繊維機械で編みやすくなるな
どの利点がでてくる。

発明の効果 本発明によれば、ピンフィンタイプの熱交換器の製造コ
ストを大幅に低減するととができ、またピンフィンのピ
ン自身が０．８　ｍ以下の可撓性ある熱伝導良導体で製
造可能なので、ピンフィンの微細化ができ、微小ピン径
による境界層の分断ができて伝熱性能を高めることがで
きると共に、単位容積あたりの伝熱面積が大きくなるの
で、非常に高い伝熱性能の熱交換器ができる、

【図面の簡単な説明】

第１図から第９図は本発明の実施例を示すもので、第１
図は全体斜視図、第２図はピンフィンを示す斜視図、第
３図は要部の破断面図、第４図、第５図はピンフィンの
ピン配列を示す説明図、第６図は従来例と本発明例との
性能比較線図、第７図はピンフィンの場合の前面風速に
対する熱伝達係数及び圧力損失を示す線図、第８図はピ
ン径に対する熱伝達係数を示す線図、第９図はピンフィ
ンのピン配列図、第１０図は現在一般に用いられている
ルーバフィングレートタイプの自動車用ラジェータを示
す斜視図、＠１１図は従来例におけるルーパ長さに対す
るガス側表面の熱伝達係数の関係を示す線図である、 １．２はマニホールド、３は伝熱チューブ、４はピンフ
ィン、５．６はフランジ部、７はピン部、８は結合剤。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　所定間隔をあけて複数個設けられた伝熱チユー
   ブ３の相互の対向面間に、熱伝導性の良い材料にて構成
   したピンフイン４を、その端部を上記伝熱チユーブ３に
   接触させて介装したことを特徴とする熱交換器。
2. （２）　ピンフイン４のピン部７の両端側にピン部７と
   一体状に編んだフランジ部５、６を設け、このフランジ
   部５、６を接着剤等の結合剤８にて伝熱チユーブ３に結
   合したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱
   交換器。