JP2009052874A - プレートフィン式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング技術等で形成された伝熱フィンを有するプレートフィン式熱交換器において、前記フィン形状や配列を最適化することによって、低圧損で熱交換性能の向上を図り得ると共に、加工コストも低減可能でコンパクトなプレートフィン式熱交換器を提供する。
【解決手段】表面に複数の伝熱フィン７が凸状に形成された金属薄板６を交互に積層することによって、対向する前記薄板６間に熱交換流体の流路８を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記薄板６に平行な平面で切断された前記伝熱フィン７の断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型である。
【選択図】図２

Description

本発明は、プレートフィン式熱交換器に関し、特に、プレートフィン式熱交換器の伝熱フィン（以下、フィンとも言う）に関するものである。

近年、ステンレス鋼板やアルミニウム板等の薄板金属の表面に、伝熱フィンを有するプレートフィン式熱交換器が開発され、実用化されて来ている。プレート式熱交換器の熱交換効率を向上させるため、前記プレートにフィンを形成したこの様なプレートフィン式熱交換器の従来例に関し、図１４を参照しながら以下説明する。図１４は従来例の熱交換器に係り、金属薄板状プレートの表面に形成された伝熱フィンの配置を説明する図である。

図１４に示す従来例に係る熱交換器は、エッチング技術等を用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する２つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにした熱交換器において、前記伝熱フィン１９は、先端１９ａから後端１９ｂに向かって略Ｓ字状曲線の断面形状を形成し、前記伝熱フィン１９間を流れる流体の流路面積を略一定にしたものである（特許文献１参照）。

上記従来例に係る熱交換器によれば、エッチング技術等を用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィン１９を設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する２つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにしたので、前記伝熱フィン１９間の流路が、前記熱交換流体の流れ方向にＳ字状に屈曲しているため圧力損失は小さいが、満足のいく伝熱性能は得られない。
特開２００６−１７０５４９号公報

従って、本発明の目的は、エッチング技術等で形成された伝熱フィンを有するプレートフィン式熱交換器において、前記フィン形状や配列を最適化することによって、低圧損で熱交換性能の向上を図り得ると共に、加工コストも低減可能でコンパクトなプレートフィン式熱交換器を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記伝熱フィンの断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であることを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項１に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型が凹部を有しない断面形状であることを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項１または２に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型が、熱交換流体の流れ方向に平行な中心線に対して略対称であることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型における翼長Ｌと翼幅ｄとの比Ｌ／ｄが、１．８≦Ｌ／ｄ≦７の範囲であることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型における熱交換流体の流れ方向に直交する翼間々隙ｂと翼幅ｄとの比ｂ／ｄが、０．３≦ｂ／ｄ≦３の範囲であることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係るプレートフィン式熱交換器が採用した手段は、請求項１乃至５のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器において、前記翼型が、前記金属薄板をエッチング処理することによって形成されたことを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るプレートフィン式熱交換器によれば、表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記伝熱フィンの断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であるので、フィン後方の熱交換流体の剥離を防ぎ、死水域となる渦領域を発生させないことにより熱交換効率の向上を図り得る。

また、本発明の請求項２に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型が凹部を有しない断面形状であるので、フィン表面に沿う熱交換流体の流れに剥離を生ずることがなく、死水域となる渦の発生を抑止する。

更に、本発明の請求項３に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型が流体の流れ方向に平行な中心線に対して略対称であるので、製作が容易な上、フィン後方における熱交換流体の流れが乱れることなく、また死水域が発生することも無くなる。

また更に、本発明の請求項４に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型における翼長Ｌと翼幅ｄとの比Ｌ／ｄが、１．８≦Ｌ／ｄ≦７の範囲であるので、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し、プレートフィン式熱交換器のコンパクト化を図り得る。

そして、本発明の請求項５に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型における熱交換流体の流れ方向に直交する翼間々隙ｂと翼幅ｄとの比ｂ／ｄが、０．３≦ｂ／ｄ≦３の範囲であるので、上記同様、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し、プレートフィン式熱交換器のコンパクト化を図り得る。

一方、本発明の請求項６に係るプレートフィン式熱交換器によれば、前記翼型が、金属薄板をエッチング処理することによって形成されたものであるので、プレートフィン式熱交換器のプレートフィンを少ない工程で手間をかけずに低コストで製作可能となる。

先ず、本発明の実施の形態１に係るプレートフィン式熱交換器を、添付図１〜６を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器の外観を示す斜視図、図２は図１のプレートフィン式熱交換器内で、金属薄板が積層された状態を示す説明図、図３は図２の金属薄板表面に凸状に形成された伝熱フィンの平断面形状を示す平面図、図４は図２の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの配置例を示す平面図、図５は図２の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの他の配置例を示す平面図、図６は図４に示した伝熱フィンの配置と図５に示した伝熱フィン配置の単位面積当たりの伝熱面積を比較して示す図である。

本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器１は、図２に示す如く、表面に複数の伝熱フィン７が凸状に形成された金属薄板６を交互に積層することによって、対向する前記薄板６間に熱交換流体の流路８が形成されるように構成されている。

この様なプレートフィン式熱交換器１は、図１に示す様に、熱交換する一方の流体Ａが、図示しないポンプによって給水管２ａから供給され、給水ヘッダー４ａを介して前記薄板６間に形成された流路８を通過して他方の流体Ｂと熱交換後、排水ヘッダー４ｂを経て排水管２ｂから排水される。一方、熱交換する他方の流体Ｂは、図示しないポンプによって給水管３ａから供給され、給水ヘッダー５ａを介して前記薄板６間に形成された流路８を通過して一方の流体Ａと熱交換後、排水ヘッダー５ｂを経て排水管３ｂから排水される。

そして、前記熱交換流体ＡまたはＢの何れか温度の高い方の流体から低い方の流体に、前記金属薄板６を介して熱伝達される。その際、この金属薄板６の表面に、複数の凸状の伝熱フィン７を形成することによって、熱交換面積を増大させ、熱交換効率を向上させるのである。前記金属薄板６の間に形成された流体Ａ及び流体Ｂの流路８は、積層交互に逆向きの平行流路や直交する直交流路を形成するのが熱交換効率の点から好ましい。

本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器１は、金属薄板６に形成された前記伝熱フィン７を前記薄板６に平行な平面で切断された平断面形状が、図３に示す如く、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型である。ここで、変極点を持たない曲線とは、円弧、二次曲線、双曲線等の一部または変極点を持たない任意形状の曲線を言う。そして、前記翼型は凹部を有しない形状が好ましく、流体の流れ方向９に平行な中心線Ｃに対して略対称な形状を有するものが好ましい。

尚、金属薄板６に形成されるこの様な翼型フィン７は、この金属薄板６の片面に形成されても良く、また両面に形成されても良い。また、後の説明に利用するため、図３に示す如くこの様な翼型フィン７の翼長をＬ、翼幅をｄと表すことにする。

そして、本発明に係るプレートフィン式熱交換器１は、前記伝熱フィン７の形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であるので、前記フィン７の後方における熱交換流体の剥離を防ぎ、死水域となる渦を発生させないため熱交換効率の向上を図り得る。また、前記翼型が凹部を有することなく、流体の流れ方向９に平行な中心線Ｃに対して略対称であるので、製作が容易な上、フィン７の後方における流体の流れを乱すことなく、また死水域が発生することも無くなる。

そして、この様な翼型形状を有する多数の伝熱フィン７が、前記金属薄板６の表面に、図４に示す如く、流体の流れ方向９に略平行になる様に千鳥配列して形成されるのが好ましい。同時に、この様な伝熱フィン７の配列は、流体の流れ方向９とこの流れ方向９に直交する方向に、夫々略等間隔に配列されるのが好ましい。前記フィン７をこの様な千鳥配列に形成することによって、前記金属薄板６の間に形成された流路８の流れ方向９とこの流れ方向９に直交する幅方向に亘って、熱交換流体の均一な流れを形成させることが出来るからである。ここで、後の説明に利用するため、この様な翼列において、図４に示す如く、熱交換流体の流れ方向９に直交する翼間々隙をｂと表すことにする。

本翼型フィン７は、流体の流れ方向９に詰めて、前記フィン７の流体の流れ方向９に直交する方向への投影面が重複するように配置することも出来る。例えば、図５に示す如く、前記フィン７の流体の流れ方向９に直交する方向への投影面が、前記フィン７の前後で１／３Ｌずつ重複するように配置した場合の単位面積当たりの伝熱面積は、図６に示す様に、重複させないように配置(即ち、前記１／３Ｌに相当する重複量が０となるように配置)した場合より１．１倍増大する。

従って、前記フィン７の流体の流れ方向９に直交する方向への投影面を、前記フィン７の前後で重複するように配置することによって、単位面積当たりの伝熱面積が増大し、プレートフィン式熱交換器１のコンパクト化に有効であることが分かる。

次に、本発明に係る翼型フィンの翼長Ｌと翼幅ｄ（図３参照）との関係は、前記翼長Ｌと翼幅ｄの比Ｌ／ｄが、１．８≦Ｌ／ｄ≦７の範囲であるのが好ましい。この理由について、以下図７〜１０を参照しながら説明する。図７は、千鳥配列された翼型フィン７の周囲のレイノルズ数Ｒｅ＝５００における流線図を示し、（ａ）はＬ／ｄ＜１．８の場合の流線図の一例、（ｂ）はＬ／ｄ≧１．８の場合の流線図の一例を示す。また、図８はＬ／ｄの変化に対するｗ/Ｌの変化を示す図、図９はＬ／ｄの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図、図１０はＬ／ｄの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。

前記レイノルズ数Ｒｅは次式（１）で定義される。
Ｒｅ＝ｕＤ／ν （１）
ここで、 ｕ：熱交換流体の流速
Ｄ：狭流路幅基準の水力直径
ν：熱交換流体の動粘性係数
また、ｗは、図７（ａ）に示す如くフィン７後流に発生した渦領域１０の最大幅を示す。

即ち、図７において、（ａ）Ｌ／ｄ＜１．８の場合の流線は、フィン７の最大幅部を通過した後剥離し、フィン７の後方に渦領域１０が形成されている。更に、この渦領域１０の後方も流線の間隔が疎であり低速な流れとなっている。従って、流れ方向９のフィン７とフィン７との間の流れに、最大寸法ｗの渦領域１０が滞留し、熱交換流体の保有する顕熱もこの領域に閉じ込められ、熱伝達が悪化していると推測される。また、一般に圧力損失の点からも、この様な渦領域１０が存在することは不利となる。

一方、（ｂ）Ｌ／ｄ≧１．８の場合の流線では、フィン７の後方での剥離や渦領域は認められず、熱伝達の低下や圧力損失の増大は起こり難いと考えられる。この様な渦領域の大きさをその最大寸法ｗに対する翼長Ｌの比ｗ／Ｌとして表し、前記翼長Ｌと翼幅ｄの比Ｌ／ｄに対して示した図８によれば、前記渦領域はＬ／ｄが大きくなるに従い小さくなって行き、Ｌ／ｄが１．８以上に至ると消滅している。従って、この渦領域が発生しないＬ／ｄ≧１．８を、本発明に係る翼型フィンによって有効な熱交換性能が得られる下限とするものである。

ところで、一般に境界層が発達するにつれてフィン表面での熱伝達率は低下する。よって、本フィン形状にて効果的な伝熱性能を得るためには、流れがフィンの後端に達するまでの境界層形成が抑制されることが条件となる。Ｌ／ｄに対するフィン後端における境界層厚さは、図９に示す如く、Ｌ／ｄ≦７の範囲であれば効果的に抑制されて未発達である。従って、本発明に係る翼型フィンは、上述した渦領域が発生しないＬ／ｄの領域と併せて、１．８≦Ｌ／ｄ≦７の範囲であるのが効果的な伝熱性能を得る上で好ましい。

一方、本発明の実施の形態に係る翼型フィン７のＬ／ｄに対する伝熱性能を従来技術と比較すれば、図１０に示す如く、Ｌ／ｄが大きくなる程伝熱性能は増大し、Ｌ／ｄが１．７以上であれば従来技術以上の伝熱性能を得ることが出来、本発明で特定するＬ／ｄが１．８位以上の範囲は、これが満たされる範囲となっている。

ここで、前図１０におけるｊは熱伝達特性を表す因子を示し、ｆは摩擦係数を示す。また、前記「従来技術」とは特許文献１を言う。尚、図７〜１０は、ＦＲＵＥＮＴ（ＦＲＵＥＮＴ社製流動解析プログラム）を用いて、プレートを温度１００℃のアルミニウムとし（即ち、高温流体と前記アネミプレートとの熱交換は無視し、前記アルミプレートは温度１００℃になっているものとして）、このプレートと低温流体との熱交換のみを、流体の入口温度が２０℃の条件にてシミュレーションした結果である。

次に、本発明に係る翼型フィンの翼間々隙ｂと翼幅ｄとの関係（図４参照）は、前記翼間々隙ｂと翼幅ｄの比ｂ／ｄが、０．３≦ｂ／ｄ≦３の範囲であるのが好ましい。この理由について、以下図１１〜１３を参照しながら説明する。図１１は、ｂ／ｄの変化に対するｗ/Ｌの変化を示す図、図１２はＬ／ｄの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図、図１３はＬ／ｄの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。

先ず、翼間々隙ｂと翼幅ｄの比ｂ／ｄの変化に対する渦領域の最大寸法ｗと翼長Ｌの比ｗ／Ｌの変化を示した図１１によれば、前記渦領域はｂ／ｄが大きくなるに従い小さくなって行き、ｂ／ｄが０．３以上に至ると消滅している。従って、この渦領域が発生しないｂ／ｄ≧０．３を、本発明に係る翼型フィンによって有効な熱交換性能が得られる下限とする。

また、ｂ／ｄに対するフィン後端における境界層厚さは、図１２に示す如く、ｂ／ｄ≦３の範囲であれば効果的に抑制されて未発達である。よって、本フィンの翼間々隙ｂにおいて、効果的な伝熱性能を発揮させるにはｂ／ｄ≦３の範囲とするのが良い。

一方、Ｒｅ＝５００、Ｌ／ｄ＝１．８において、本発明の実施の形態に係る翼型フィン７のｂ／ｄに対するｊ／ｆを調べると、ポンプ動力に対する伝熱性能は、従来技術と比較すれば、図１３に示す如くｂ／ｄが大きくなる程低下する。そして、ｂ／ｄが３．５以下であれば従来技術以上の伝熱性能を得ることが出来、フィン後端における境界層厚さから特定されるｂ／ｄ≦３の範囲は、前記条件が満たされる範囲となっている。従って、本発明に係る翼型フィンは、上述した渦領域が発生しないｂ／ｄの領域と併せて、０．３≦ｂ／ｄ≦３の範囲であるのが効果的な伝熱性能を得る上で好ましいのである。

以上の様に、表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記伝熱フィンの断面形状が変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型とすることによって、前記フィン後方における流体の剥離を防ぎ渦領域の形成を防止して、熱伝達が不良になる死水域を解消させる。

また、この翼型の翼長Ｌと翼幅ｄとの比Ｌ／ｄを１．８≦Ｌ／ｄ≦７の範囲とすることによって、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し得る。更に、前記翼型における翼間々隙ｂと翼幅ｄとの比ｂ／ｄを０．３≦ｂ／ｄ≦３の範囲とすれば、上記同様、フィン後方に渦領域が形成されること無く、かつフィン後端における境界層も未発達なため、従来技術に比べ熱交換効率が向上し得る。

この様な構成をなすことにより、プレートフィン式熱交換器のコンパクト化を図り得ると共に、この様な熱交換流体の流れは流動抵抗を抑制して、ポンプ動力を低減させるものである。更に、本発明に係る翼型フィンの形状は単純であるため、従来技術と比較して、容易に要望に応じた翼長や翼幅等の条件の変更や性能評価が出来る。また、本発明に係る翼型フィンは、エッチング処理等によって金属薄板に形成されれば良い。

本発明の実施の形態に係るプレートフィン式熱交換器の外観を示す斜視図である。 図１のプレートフィン式熱交換器内で、金属薄板が積層された状態を示す説明図である。 図２の金属薄板表面に凸状に形成された伝熱フィンの平断面形状を示す断面図である。 図２の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの配置例を示す平面図である。 図２の金属薄板表面に形成された複数の伝熱フィンの他の配置例を示す平面図である。 図４に示した伝熱フィンの配置と図５に示した伝熱フィン配置の単位面積当たりの伝熱面積を比較して示す図である。 千鳥配列された翼型フィン周囲のレイノルズ数Ｒｅ＝５００における流線図を示し、（ａ）はＬ／ｄ＜１．８の場合の流線図の一例、（ｂ）はＬ／ｄ≧１．８の場合の流線図の一例を示す。 Ｌ／ｄの変化に対するｗ/Ｌの変化を示す図である。 Ｌ／ｄの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図である。 Ｌ／ｄの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。 ｂ／ｄの変化に対するｗ/Ｌの変化を示す図である。 Ｌ／ｄの変化に対するフィン後端における境界層の厚さを示した図である。 Ｌ／ｄの変化に対する、ポンプ動力に対する伝熱性能の変化を従来技術と比較して示した図である。 従来例の熱交換器に係り、金属薄板状プレートの表面に形成された伝熱フィンの配置を説明する図である。

符号の説明

Ｌ：翼長， ｄ：翼幅， ｂ：翼間々隙
Ｃ：熱交換流体の流れの方向の中心線， ｗ：渦領域の最大寸法
１：プレートフィン式熱交換器
２ａ，３ａ：給水管， ２ｂ，３ｂ：排水管
４ａ，５ａ：給水ヘッダー， ４ｂ，５ｂ：排水ヘッダー
６：金属薄板， ７：伝熱フィン（翼型フィン）
８：流路， ９：熱交換流体の流れ方向
１０：渦領域

Claims (6)

1. 表面に複数の伝熱フィンが凸状に形成された金属薄板を交互に積層することによって、対向する前記薄板間に熱交換流体の流路を形成するようにしたプレートフィン式熱交換器において、前記薄板に平行な平面で切断された前記伝熱フィンの断面形状が、変極点を持たない曲線を組み合わせて形成された翼型であることを特徴とするプレートフィン式熱交換器。
2. 前記伝熱フィンの断面形状が、凹部を有しないことを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン式熱交換器。
3. 前記伝熱フィンの断面形状が、熱交換流体の流れ方向に平行な中心線に対して略対称であることを特徴とする請求項１または２に記載のプレートフィン式熱交換器。
4. 前記翼型における翼長Ｌと翼幅ｄとの比Ｌ／ｄが、１．８≦Ｌ／ｄ≦７の範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器。
5. 前記翼型における熱交換流体の流れ方向に直交する翼間々隙ｂと翼幅ｄとの比ｂ／ｄが、０．３≦ｂ／ｄ≦３の範囲であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器。
6. 前記伝熱フィンが、前記金属薄板をエッチング処理することによって形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか一つの項に記載のプレートフィン式熱交換器。

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