JP2014126212A - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】切り起こしなどを設けることなく、優れた基本性能を有するフィンチューブ熱交換器を提供すること。
【解決手段】積層された複数のフィン３１と前記フィンを貫通する伝熱管２１とを備え、前記フィンは気流方向に沿って山と谷が成形されるＶコルゲート形状のフィンであって、前記フィンの風上側の第１傾斜部３６の面積は風下側の第２傾斜部３８の面積よりも大きい構成としてある。これにより、面積の大きい風上側の傾斜部によって熱交換量（熱交換能力）を確保できるとともに、切り起こしなどを設けることによって生じるフィンの表側から裏側への気体の流れがなくなり、着霜を伴う運転時において、流路の閉塞による性能低下を回避することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はフィンチューブ熱交換器に関する。

一般にフィンチューブ熱交換器は、所定間隔で並べられた複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。空気は、フィンとフィンとの間を流れて伝熱管の中の流体と熱交換する。

図９〜図１２は、それぞれ、従来のフィンチューブ熱交換器に使用されたフィンの平面図、ａ−ａ線に沿った断面図、ｂ−ｂ線に沿った断面図及びｃ−ｃ線に沿った断面図である。フィン１は、気流方向に沿って山部４と谷部６とが交互に現れるように成形されている。このようなフィンは、一般に「コルゲートフィン」と呼ばれている。コルゲートフィンによれば、伝熱面積を増やす効果だけでなく、気流３を蛇行させることによって温度境界層を薄くする効果が得られる。

また、図１３〜図１５に示すように、コルゲートフィンに切り起こしを設けることによって伝熱性能を改善する技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。フィン１のフン傾斜面４２ａ，４２ｂ，４２ｃ及び４２ｄには、切り起こし４１ａ，４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄが設けられている。切り起こし４１ａ，４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄの高さＨ１，Ｈ２，Ｈ３及びＨ４は、隣接するフィン１の距離をＦｐとしたとき、１／５・Ｆｐ≦（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４）≦１／３・Ｆｐの関係を満足する。

特許文献１には、着霜運転時の通風抵抗を極力軽減するように構成された別のフィンも記載されている。図１６〜図１８に示すように、フィン１のフィン傾斜面１２ａ及び１２ｂには、上記した関係を満足する切り起こし１１ａ及び１１ｂが設けられている。フィン１の曲げ回数が少ないので、フィン傾斜面１２ａ及び１２ｂの傾斜角度は、比較的緩やかである。

特開平１１−１２５４９５号公報

しかし、上記特許文献１に記載されている従来のフィンチューブ熱交換器は、切り起こしが形成されているため、当該切り起こしが十分に低かったとしても、着霜運転時には前記切り起こし部分に付着している着霜によって少なくとも２０％以上の流路が局所的に絞られる。そのため、切り起こしを設けた場合には、曲げ回数を１回に制限して傾斜角度を緩やかにしたとしても、通風抵抗の大幅な増加は避けられない。図１６〜図１８に示すフィン１の通風抵抗を図９〜図１２に示すフィンと同等のレベルまで下げるためには、フィン１の傾斜角度を限りなく０°に近づける必要が生じる。

本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、切り起こしなどを設けることなく、着霜運転時及び非着霜運転時を問わず、優れた基本性能を有するフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。

前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熱交換器は、積層された複数のフィンと前記フィンを貫通する伝熱管とを備え、前記フィンは気流方向に沿って山と谷が成形されるＶコルゲート形状であって、前記フィンの風上側の第１傾斜部の面積は風下側の第２傾斜部の面積よりも大きい構成としたことを特徴としたものである。

これにより、面積の大きい風上側の傾斜部によって熱交換量（熱交換能力）を確保できるとともに、切り起こしなどを設けることによって生じるフィンの表側から裏側への気体の流れがなくなり、着霜を伴う運転時において、流路の閉塞による性能低下を回避することができる。

本発明によれば、通風抵抗が十分に抑制され、かつ高い熱交換量（熱交換能力）を有するフィンチューブ熱交換器を提供できる。

本発明の実施ｋ形態１に係るフィンチューブ熱交換器の斜視図 図１のフィンチューブ熱交換器に用いられたフィンの平面図 図２に示すフィンのａ−ａ線に沿った断面図 図２に示すフィンのｂ−ｂ線に沿った断面図 図２に示すフィンのｃ−ｃ線に沿った断面図 図２に示すフィンにおいて高い熱伝達率を有する部分を示す平面図 従来のフィンにおいて高い熱伝達率を有する部分を示す平面図 フィンの風上、風下の傾斜部面積を同一にした場合において高い熱伝達率を有する部分を示す平面図 従来のフィンチューブ熱交換器に使用されたフィンの平面図 図９に示すフィンのａ−ａ線に沿った断面図 図９に示すフィンのｂ−ｂ線に沿った断面図 図９に示すフィンのｃ−ｃ線に沿った断面図 従来のフィンチューブ熱交換器に使用された別のフィンの平面図 図１３に示すフィンのａ−ａ線に沿った断面図 図１３に示すフィンのｂ−ｂ線に沿った断面図 従来のフィンチューブ熱交換器に使用されたさらに別のフィンの平面図 図１６に示すフィンのａ−ａ線に沿った断面図 図１６に示すフィンのｂ−ｂ線に沿った断面図

第１の発明は、積層された複数のフィンと前記フィンを貫通する伝熱管とを備え、前記フィンは気流方向に沿って山と谷が成形されるＶコルゲート形状であって、前記フィンの風上側の第１傾斜部の面積は風下側の第２傾斜部の面積よりも大きい構成としたことを特徴としたものである。

これにより、面積の大きい風上側の傾斜部によって熱交換量（熱交換能力）を確保できるとともに、切り起こしなどを設けることによって生じるフィンの表側から裏側への気体の流れがなくなり、着霜を伴う運転時において、流路の閉塞による性能低下を回避することができる。

第２の発明は、第１の発明において、風上側傾斜面と風下側傾斜面の境界部分にアールを設けた構成としてある。

これにより、フィンの排水性を改善し、性能低下の回避をより効果的なものとすること
ができる。

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、以下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。

図１に示すように、本実施の形態のフィンチューブ熱交換器１００は、空気Ａ（気体）の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィン３１と、これらのフィン３１を貫通する伝熱管２１とを備えている。フィンチューブ熱交換器１００は、伝熱管２１の内部を流れる媒体Ｂと、フィン３１の表面に沿って流れる空気Ａとを熱交換させるように構成されている。媒体Ｂは、例えば、二酸化炭素、ハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。伝熱管２１は、１本につながっていてもよいし、複数本に分かれていてもよい。

本明細書では、フィン３１の並び方向を高さ方向、前縁３０ａに平行な方向を段方向、高さ方向及び段方向に垂直な方向を気流方向（空気Ａの流れ方向）と定義する。言い換えれば、段方向は、高さ方向と気流方向との両方向に垂直な方向である。気流方向はフィン３１の長手方向に垂直である。気流方向、高さ方向及び段方向は、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に対応している。

図２に示すように、フィン３１は、典型的には、長方形かつ平板の形状を有する。フィン３１の長手方向は段方向に一致している。本実施の形態において、フィン３１は一定の間隔（フィンピッチＦＰ）で並べられている。ただし、高さ方向に関して互いに隣り合う２つのフィン３１の間隔（フィンピッチＦＰ）は必ずしも一定である必要はなく、異なっていてもよい。フィンピッチＦＰは、例えば、１．０〜１．５ｍｍの範囲に調整されうる。

図３に示すように、フィンピッチＦＰは、隣り合う２つのフィン３１、３１の距離で表される。

前縁３０ａを含む一定幅の部分及び後縁３０ｂを含む一定幅の部分は、気流方向に平行である。ただし、これらの部分は、成形時にフィン３１を金型に固定するために使用される部分であり、フィン３１の性能に大きな影響を及ぼさない。

フィン３１の材料として、打ち抜き加工された肉厚０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に使用できる。フィン３１の表面にベーマイト処理、親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。親水性処理に代えて、撥水処理を行うことも可能である。

フィン３１には、複数の貫通孔３７ｈが段方向に沿って一列かつ等間隔で形成されている。複数の貫通孔３７ｈのそれぞれに伝熱管２１が嵌められている。貫通孔３７ｈの周りにはフィンカラー３７がフィン３１の一部によって形成されており、このフィンカラー３７と伝熱管２１とが密着している。貫通孔３７ｈの直径は、例えば１〜２０ｍｍであり、４ｍｍ以下であってもよい。貫通孔３７ｈの直径は、伝熱管２１の外径に一致している。段方向に互いに隣り合う２つの貫通孔３７ｈの距離（管ピッチ）は、例えば、貫通孔３７ｈの直径の２〜３倍である。また、気流方向におけるフィン３１の長さは、例えば１５〜２５ｍｍである。

図２及び図３に示すように、フィン３１は、気流方向に沿って山部３４が１箇所にのみ現れるように成形されている。山部３４の稜線は段方向に平行である。すなわち、フィン３１は、コルゲートフィンと呼ばれるフィンである。本実施の形態において、フィン３１は、気流方向に沿って１つの山部３４のみを有する。前縁３０ａ及び後縁３０ｂが谷部に
対応している。気流方向において、山部３４の位置は伝熱管２１の中心よりも風下に位置している。

フィン３１は、複数の貫通孔３７ｈを除いたその他の領域において当該フィン３１の表側（上面側）から裏側（下面側）への空気Ａの流れを禁止するように構成されている。つまり、フィン３１には、貫通孔３７ｈ以外に開口部が設けられていない。開口部が存在しなければ、着霜による開口部の目詰まり問題も生じないので、圧力損失の観点で有利である。なお、「開口部が設けられていない」とは、スリット、ルーバーなどが設けられていないこと、すなわち、フィンを貫通する孔が設けられていないことを意味する。

フィン３１は、さらに、平坦部３５、第１傾斜部３６、第２傾斜部３８、及び第３傾斜部３９を有する。平坦部３５は、フィンカラー３７に隣接している部分であって、貫通孔３７ｈの周囲に形成された円環状の部分である。平坦部３５の表面は、気流方向に平行で高さ方向に垂直である。第１傾斜部３６、及び第２傾斜部３８は、山部３４を形成するように気流方向に対して傾いた部分である。

第１傾斜部３６は、フィン３１において最も広い面積を占有している。第１傾斜部３６は、段方向に平行かつ伝熱管２１の中心を通る基準線をまたいで位置し、第２傾斜部は基準線よりも風下に位置している。つまり、風上側の第１傾斜部３６と風下側の第２傾斜部３８とによって山部３４が形成されている。第３傾斜部３９は、平坦部３５と第１傾斜部３６、及び第２傾斜部３８との間の高さの違いを解消するように、平坦部３５と第１傾斜部３６、及び第２傾斜部３８とを滑らかに接続している部分である。第３傾斜部３９の表面は緩やかな曲面で構成されている。

なお、第１傾斜部３６及び第２傾斜部３８と第３傾斜部３９との境界部分に適度なアール（例えば、Ｒ０．５ｍｍ〜Ｒ２．０ｍｍ）が付与されていてもよい。同様に、山部３４と第３傾斜部３９との境界部分に適度なアール（例えば、Ｒ０．５ｍｍ〜Ｒ２．０ｍｍ）が付与されていてもよい。そのようなアールは、フィン３１の排水性を改善する。

なお、第３傾斜部３９は全体として曲面である。図４の断面は、段方向に垂直かつ伝熱管２１の中心を通る平面でフィン３１を切断したときに観察される断面である。図５の断面は、流れ方向に垂直かつ伝熱管の中心を通る平面でフィン３１を切断したときに観察される断面である。

図６は、山部を１つのみ有するＶ形コルゲートフィンに関する数値解析で得られた結果を示している。図７は、２つの山部を有するＭ形コルゲートフィンに関する数値解析で得られた結果を示している。高い熱流束（熱交換量）を有する部分が太線で示されている。図６に示すように、前縁３０ａ及び山部３４での熱流束が極めて高い。同様に、図７に示すように、前縁３０ａ及び山部３４での熱流束が極めて高い。ただし、太線の全長を比較すると、図６に示された太線の全長は、図７に示された太線の全長を上回っている。つまり、Ｖ形コルゲートフィンは、高熱流束の領域をより長く確保できる。また、図６で示す本実施の形態は、図８に示す山部３４が段方向に平行かつ伝熱管２１の中心を通る基準線に位置し、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８の面積を同一とした場合よりも、風上側の第１傾斜部３６の面積を風下側の第２傾斜部３８の面積よりも大きくしたことにより、高熱流束の領域をより長く確保できる。従って、熱伝達率の面において、本実施の形態のフィン３１は、従来のフィンに対して有利であり、第１傾斜部３６よりも第２傾斜部３８の面積を大きくしたフィン３１を使用することによって平均熱伝達率が向上する。

本発明は、通風抵抗が十分に抑制され、かつ高い熱交換量（熱交換能力）を有するフィ
ンチューブ熱交換器を提供でき、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられるヒートポンプに有用である。特に、冷媒を蒸発させるための蒸発器に有用である。

２１ 伝熱管
３０ａ 前縁
３０ｂ 後縁
３１ フィン
３４ 山部
３５ 平坦部
３６ 第１傾斜部（風上側傾斜面）
３７ フィンカラー
３７ｈ 貫通孔
３８ 第２傾斜部（風下側傾斜面）
３９ 第３傾斜部
１００ フィンチューブ熱交換器

Claims (2)

1. 積層された複数のフィンと前記フィンを貫通する伝熱管とを備え、前記フィンは気流方向に沿って山と谷が成形されるＶコルゲート形状であって、前記フィンの風上側傾斜面の面積は風下側傾斜面の面積よりも大きい構成としたことを特徴とするフィンチューブ熱交換器。
2. 風上側傾斜面と風下側傾斜面の境界部分にアールを有する請求項１記載のフィンチューブ熱交換器。

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