JP2014020580A - フィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱性能を向上させたフィンチューブ型熱交換器を提供する。
【解決手段】所定間隔で平行に並べられるとともに、その間を気体が流動する複数の伝熱フィン２と、伝熱フィン２に略直角に挿入し、貫通して、内部を流体が流動する複数の伝熱管３と、伝熱フィン２の平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラー４とを備え、伝熱フィン２を、山部５と谷部６が交互に連続した波状に形成し、少なくとも山部５の一つの高さ（Ｈ）を、隣接する２つの伝熱フィン２間の距離（Ｌ）より大きく、かつこの距離（Ｌ）の２倍より小さく設定し、伝熱フィン２に切り込み７を設け、切り込み７の気体が流動する風上側の伝熱フィン２を陥没させ、風下側に切り込み７により形成される開口部８を有する谷部９を形成したもので、流体が山部５と谷部６で形成された波形状部を通過することで、伝熱フィン２の表面の温度境界層の薄肉化に寄与できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ルームエアコン、パッケージエアコン、カーエアコン等の空気調和機や、ヒートポンプ式給湯機、冷蔵庫、冷凍庫等に用いられ、多数積層された伝熱フィンと伝熱フィン間を流動する気体などの流体と、伝熱管内を流動する水や冷媒などの流体との間で熱を授受するフィンチューブ型熱交換器に関するものである。

従来のフィンチューブ型熱交換器として、図７〜図１１に示されるようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図７は、上記特許文献１に記載された従来のフィンチューブ型熱交換器の斜視図、図８は、同フィンチューブ型熱交換器のフィンの正面図、図９は、同フィンの底面図、図１０は、同フィンの要部の拡大斜視図、図１１は、同フィンの別の要部の拡大斜視図である。

一般に、多数積層された平板状の伝熱フィンと伝熱管とで構成されるフィンチューブ型熱交換器は、図７に示すように、一定のピッチで平行に積層されるとともに、その間を空気などの気体Ｗが流動する多数の平板状の伝熱フィン１０１と、これらの伝熱フィン１０１に略直角に所定のピッチで挿入され、内部を水や冷媒などの流体Ｒが流動する伝熱管１０４とで構成され、伝熱管１０４は、伝熱フィン１０１の貫通穴（図示せず）の外周に垂直に立ち上げた円周状のフィンカラー１０２に密着接合されている。また、伝熱フィン１０１には、スリット形成部分１０３に、図８、図９、図１０、図１１に示すような２辺の切り込みを設けて１辺を基本線として切り起こす、三角形状のデルタウィングと呼ばれる切り起こし片１１１、１１２が設けられている。

そして、従来のフィンチューブ型熱交換器の切り起こし片１１１、１１２は、図１０、図１１に示す様に、基部から先端部に向けて漸次幅狭となり、通過する空気に縦渦Ｓを発生させる翼部を伝熱フィン１０１から切り起こして形成する。この縦渦Ｓにより、熱伝達率を向上させるというものである（例えば、特許文献１参照）。

また、図１２に示すように、伝熱フィン２０１に切り込み２０２を設け、気体の流動方向２０３に対し、風上側の伝熱フィン部を***させて、風下側に開口２０４を有する谷部２０５を形成するフィンチューブ型熱交換器も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２０７６８８号公報 特開２０１０−８０３４号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載されたようなフィンチューブ型熱交換器の構成では、平板状の伝熱フィン部の通風抵抗に対して、切り起こし形状部の通風抵抗が大きく、そのため、流体は切り起こし形状を迂回する様に流れてしまい、全体の通風抵抗の増大の割に、熱交換性能が向上しないという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、平板状の伝熱フィンに切り起こし部の通
風抵抗による気体流動の迂回を防ぎ、伝熱性能を向上させたフィンチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のフィンチューブ型熱交換器は、所定間隔で平行に並べられるとともに、その間を気体が流動する複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンに略直角に挿入し、貫通して、内部を流体が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱フィンの平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラーとを備え、前記伝熱フィンを、山部と谷部が交互に連続した波状に形成し、少なくとも前記山部の一つの高さ（Ｈ）を、隣接する２つの前記伝熱フィン間の距離（Ｌ）より大きく、かつこの距離（Ｌ）の２倍より小さく設定したフィンチューブ型熱交換器であって、前記伝熱フィンに切り込みを設け、前記切り込みの前記気体が流動する風上側の前記伝熱フィンを陥没させ、風下側に前記切り込みにより形成される開口部を有する谷部を形成したもので、伝熱フィンが山部と谷部を有することで、伝熱フィン自体の表面積が増加するとともに、流体が伝熱フィンの山部と谷部で形成された連続した波形状を通過することで、伝熱フィン表面の温度境界層の薄肉化に寄与することができる。

また、風下側に前記切り込みにより形成される開口部を有する谷部は、伝熱フィンの山部の勾配より傾斜が緩和されるため、通風抵抗を低く抑えることが可能となる。さらに、この切り込みにより形成された開口部を気体が通過するときに縦渦が発生し、伝熱フィン表面の温度境界層を乱すこととなる。こうすることにより、通風抵抗の増大を抑えつつ、伝熱フィンの熱伝達率を向上させ、熱交換器の熱交換性能を向上させる効果を奏する。

本発明のフィンチューブ型熱交換器は、伝熱フィンが山部と谷部を有することで、伝熱フィン自体の表面積が増加するとともに、流体が伝熱フィンの山部と谷部で形成された連続した波形状を通過することで、伝熱フィン表面の温度境界層の薄肉化に寄与することができる。

本発明の実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器の斜視図 図１矢印Ａ方向からの視野図 図１の部分拡大図 同フィンチューブ型熱交換器の気体の流動方向を示す図 本発明の実施の形態２におけるフィンチューブ型熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態３におけるフィンチューブ型熱交換器の斜視図 従来のフィンチューブ型熱交換器の斜視図 同フィンチューブ型熱交換器のフィンの正面図 同フィンの底面図 同フィンの要部の拡大斜視図 同フィンの別の要部の拡大斜視図 従来の他のフィンチューブ型熱交換器の伝熱フィンの正面図

第１の発明は、所定間隔で平行に並べられるとともに、その間を気体が流動する複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンに略直角に挿入し、貫通して、内部を流体が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱フィンの平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラーとを備え、前記伝熱フィンを、山部と谷部が交互に連続した波状に形成し、少なくとも前記山部の一つの高さ（Ｈ）を、隣接する２つの前記伝熱フィン間の距離（Ｌ）より大きく、かつこの距離（Ｌ）の２倍より小さく設定したフィンチューブ型熱交換器であっ
て、前記伝熱フィンに切り込みを設け、前記切り込みの前記気体が流動する風上側の前記伝熱フィンを陥没させ、風下側に前記切り込みにより形成される開口部を有する谷部を形成したもので、伝熱フィンが山部と谷部を有することで、伝熱フィン自体の表面積が増加するとともに、流体が伝熱フィンの山部と谷部で形成された連続した波形状を通過することで、伝熱フィン表面の温度境界層の薄肉化に寄与することができる。

また、風下側に前記切り込みにより形成される開口部を有する谷部は、伝熱フィンの山部の勾配より傾斜が緩和されるため、通風抵抗を低く抑えることが可能となる。さらに、この切り込みにより形成された開口部を気体が通過するときに縦渦が発生し、伝熱フィン表面の温度境界層を乱すこととなる。こうすることにより、通風抵抗の増大を抑えつつ、伝熱フィンの熱伝達率を向上させ、熱交換器の熱交換性能を向上させる効果を奏する。

第２の発明は、特に、第１の発明の切り込みの方向を 気体の流動方向に略直角方向となる段方向としたもので、伝熱フィンの熱伝導方向が、概略段方向の切り込み方向に沿うため、切り込みによる段方向の熱伝導の遮断が発生しない。こうすることにより、伝熱に寄与しない伝熱フィンの領域の発生を抑えることができ、優れた熱交換性能を十分発揮することが可能となる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の開口部の形状を、略三角形としたもので、風下側の略三角形形状の開口部を有する谷部は、後流に縦渦を発生させて伝熱促進するデルタウィングと呼ばれる立ち上げ三角片を２つ向かい合わせて山頂から山麓に連なる稜線の尾根で繋ぎあわせたような形態になる。すなわち、気体は谷部の斜面にそって流れた後、風下側の開口部を通過するときデルタウィングと同様に縦渦が発生し、風下側の伝熱フィン表面の温度境界層を乱すこととなる。こうすることにより、伝熱フィンの熱伝達率を向上させることとなる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明のフィンチューブ型熱交換器において、風下側の開口部を有する谷部を、段方向に隣接するフィンカラーの間の伝熱フィン面に複数個形成したもので、風下側の開口部を有する谷部による伝熱性能向上効果を、
その形成する数にほぼ比例して、増大することとなる。こうすることにより、熱交換器の伝熱性能を向上することが可能になる。

第５の発明は、特に、第４の発明の風下側の開口部を有する谷部の数を、気体の流動する風下側のほうが、風上側より多くしたもので、この熱交換器をルームエアコンの室外機の熱交換器として使用する場合、暖房運転時、外気温が低くなると伝熱フィンの表面に霜が付着するが、この構成によれば、風上側で空気中の水分の一部が伝熱フィン表面に霜として付着した後、水分が少なくなった空気が風下側に流れるため、風下側の伝熱フィン表面に付着する霜が少なくなり、風下側の開口部を有する谷部が多く設けられていても霜の成長を抑制できる。こうすることにより、伝熱フィン間が霜で閉塞されるまでの時間を長く保つことができ、伝熱フィン全体の伝熱性能を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器の斜視図、図２は、図１の矢印Ａ方向からの視野図、図３は、図１の部分拡大図、図４は、同フィンチューブ型熱交換器の気体の流動方向を示す図である。

図１において、本実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器は、所定間隔で平行に
並べられるとともに、その間を矢印で示される流動方向１の方向で気体が流動する伝熱フィン２を多数具え、伝熱フィン２に略直角に挿入し、貫通して、内部を流体が流動する伝熱管３とを多数具え、前記伝熱フィン２の平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラー４が形成されている。

図２において、伝熱フィン２を、山部５と谷部６が交互に連続した波状型を形成し、少なくとも前記山部５の一つの高さＨが、隣接する２つの伝熱フィン２間の距離Ｌより大きく、この距離Ｌの２倍より小さい山を形成した伝熱フィン２で構成されている。

図３において、伝熱フィン２に切り込み７を設け、前記切り込み７に対し気体が流動する流動方向１の風上側の前記伝熱フィン２を陥没させ、風下側に前記切り込み７により形成される開口部８を有する谷部９を形成している。

この構成によれば、伝熱フィン２が山部５と谷部６とを有することで、伝熱フィン２自体の表面積が増加する。

また、図４の気体の流動方向を示す図において、気体が、伝熱フィン２の山部５と谷部６で形成された連続した波形状を通過することで、伝熱フィン２の表面の温度境界層の薄肉化に寄与することとなる。

また、同様に図４において、風下側に前記切り込み７により形成される開口部８を有する谷部９は、伝熱フィン２の山部５の勾配１０より傾斜が緩和されるため、通風抵抗を低く抑えることが可能となる。

さらに、この切り込み７により形成された開口部８を気体が通過するときに縦渦１１が発生し、伝熱フィン２の表面の温度境界層を乱すこととなる。

こうすることにより、通風抵抗の増大を抑えつつ、伝熱フィン２の熱伝達率を向上させ、フィンチューブ型熱交換器の熱交換性能を向上させる効果を奏する。

また、本実施の形態では、図３に示すように、伝熱フィン２に設けた切り込み７の方向を、前記気体の流動方向１に略直角方向となる段方向と同じ向きになるよう配置している。

この構成によれば、伝熱フィン２の熱伝導方向は、概略、段方向の切り込み方向に沿うため、切り込み７による段方向の熱伝導の遮断が発生しない。こうすることにより、伝熱に寄与しない伝熱フィンの領域の発生を抑えることができ、優れた熱交換性能を十分発揮することが可能となる。

また、本実施の形態では、同じく図３に示すように、開口部８の形状を、略三角形としている。この構成によれば、風下側の略三角形形状の開口部８を有する谷部９は、後流に縦渦１１を発生させて伝熱促進するデルタウィングと呼ばれる立ち上げ三角片を２つ向かい合わせて山頂から山麓に連なる稜線の尾根で繋ぎあわせたような形態になる。

すなわち、気体は谷部９の斜面にそって流れた後、風下側の開口部８を通過するときデルタウィングと同様に縦渦１１が発生し、風下側の伝熱フィン２の表面の温度境界層を乱すこととなる。こうすることにより、伝熱フィン２の熱伝達率を向上させることとなる。また、開口形状は、半円状でも、台形形状でも同様な効果を奏する。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるフィンチューブ型熱交換器の斜視図である。なお、上記実施の形態１におけるフィンチューブ型熱交換器と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器は、図５に示すように、風下側の開口部８を有する前記谷部９を、段方向に隣接する前記フィンカラー４の間の伝熱フィン２の面に複数個形成したものである。

この構成によれば、風下側の開口部８を有する谷部９による伝熱性能向上効果が、その形成する数にほぼ比例して、増大することとなる。こうすることにより、熱交換器の伝熱性能を向上させることが可能になる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３におけるフィンチューブ型熱交換器の斜視図である。なお、上記実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器は、図６に示すように、風下側の開口部８を有する谷部９の数を、気体の流動する流動方向１の風下側のほうが、風上側より多くしたものである。

このフィンチューブ型熱交換器をルームエアコンの室外機（図示せず）の熱交換器として使用する場合、暖房運転時、外気温が低くなると伝熱フィン２の表面に霜が付着するが、上記実施の形態におけるフィンチューブ型熱交換器の構成によれば、風上側で空気中の水分の一部が伝熱フィン２の表面に霜として付着した後、水分が少なくなった空気が風下側に流れるため、風下側の伝熱フィン２の表面に付着する霜が少なくなり、風下側の開口部８を有する谷部９が多く設けられていても霜の成長を抑制できる。

こうすることにより、伝熱フィン２間が霜で閉塞されるまでの時間を長く保つことができ、伝熱フィン２全体の伝熱性能を向上させることが可能となる。

以上のように、本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、多数積層された伝熱フィンと伝熱フィン間を流動する気体などの流体と、伝熱管内を流動する水や冷媒などの流体との間で熱を授受する熱交換器として有用であり、省エネ性を向上する必要のある、ルームエアコン、パッケージエアコン、カーエアコン等の空気調和機や、ヒートポンプ式給湯機、冷蔵庫、冷凍庫等において利用が可能である。

１ 流動方向
２ 伝熱フィン
３ 伝熱管
４ フィンカラー
５ 山部
６、９ 谷部
７ 切り込み
８ 開口部
１０ 勾配
１１ 縦渦

Claims (5)

1. 所定間隔で平行に並べられるとともに、その間を気体が流動する複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンに略直角に挿入し、貫通して、内部を流体が流動する複数の伝熱管と、前記伝熱フィンの平面方向に対し略直交する方向に延びる略円筒状のフィンカラーとを備え、前記伝熱フィンを、山部と谷部が交互に連続した波状に形成し、少なくとも前記山部の一つの高さ（Ｈ）を、隣接する２つの前記伝熱フィン間の距離（Ｌ）より大きく、かつこの距離（Ｌ）の２倍より小さく設定したフィンチューブ型熱交換器であって、前記伝熱フィンに切り込みを設け、前記切り込みの前記気体が流動する風上側の前記伝熱フィンを陥没させ、風下側に前記切り込みにより形成される開口部を有する谷部を形成したことを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 切り込みの方向を 気体の流動方向に略直角方向となる段方向としたことを特徴とする 請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 開口部の形状を、略三角形としたことを特徴とする請求項１または２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 風下側の開口部を有する谷部を、段方向に隣接するフィンカラーの間の伝熱フィン面に複数個形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 風下側の開口部を有する谷部の数を、気体の流動する風下側のほうが、風上側より多くしたことを特徴とする請求項４に記載のフィンチューブ型熱交換器。

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