JP3430921B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器に係り、
特に空冷式熱交換器に用いる伝熱フィンに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】積層した多数のフィンと、該フィンに交
差して挿入した円形伝熱管からなるクロスフィンチュー
ブ形空冷式熱交換器（図４に示す）に用いる伝熱フィン
の伝熱促進方法には、２つの方法がある。

【０００３】一つは、フィン面上に切り起こした微細ル
ーバを設け、この微細ルーバを供給する新鮮な空気にで
きるだけ触れる位置に設け、伝熱面を覆う境界層が厚く
なるのを阻止する前縁効果を利用して、伝熱促進を図る
方法である。この方法のルーバは特公平７−１０９３５
３号公報に記載のように気流に対して迎え角度を持たな
い、すなわちフィン面に対しては基本的に平行に保ち、
通風抵抗が低い形状のもの（平面ルーバ）が多く用いら
れている。 もう一つの伝熱促進方法は、フィン面に突
起片を取り付けた細片から発生する縦渦で気流を乱す方
法である。この方法は、図５に示すように、フィン面に
傾斜角度βで傾斜するが流れ方向に対して迎え角度を持
たないデルタウイング４ｄ（以下ではウイングと呼
ぶ）、流れ方向に対して迎え角度γで傾斜するがフィン
面に垂直で傾斜角度を持たないウイングレットタイプ４
ｅ（以下ではウイングレットと呼ぶ）の二つのタイプが
ある。流れが突起片を横切る稜線が二つできるウイング
タイプ４ｄは、下流に二つの主渦を生成する。これに対
して、流れが突起片を横切る稜線が一つのウイングレッ
トタイプ４ｅは、下流に一つの主渦を生成する。ウイン
グタイプで本発明に類似する特許として特開平９―１３
３４８７号公報を挙げることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ヒートポンプ空調機用
熱交換器の室外用熱交換器は、ルーバの微細化により、
フィン面に局所的に霜が付着して、暖房能力が低下する
などの問題を生じることがある。すなわち空気中の水分
が、特にフィン先端など高性能なルーバ面に急速に着霜
して通風路が目詰まりし、通風量が低下するなどの問題
を起こし易い。

【０００５】本発明の目的は、高性能を維持すると同時
に、局所的な着霜により通風量が低下するのを防止でき
るフィン形状を有する空気熱交換器を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明は、平板状のフィンをほぼ平行に複数並
べ、そのフィン間に流れる空気で管内を流れる媒体を冷
却または加熱する熱交換器において、前記フィンの一部
分を片持ちに折り曲げて切り起こし、その折り曲げ面を
フィン端面と交差する方向に迎え角度γと、前記フィン
の平面に対して傾斜角度βとを有するウイングレットを
設け、そのウイングレットは、空気流れと垂直方向に配
列される列ごとに前記迎え角度γの符号が交互に変わる
交差配列とし、さらに、ウイングレットの列ピッチＳｌ
／フィンピッチＰｆの値を６〜１０の範囲、ウイングレ
ットの段ピッチＳｔ／フィンピッチＰｆの値を２〜３の
範囲としたものである。

【０００７】また、ウイングレットの幅Ｌｗとウイング
レットの高さＨｗの比（Ｌｗ／Ｈｗ）がほぼ２の長方形
をしており、ウイングレットの高さＨｗはフィンピッチ
Ｐｆにほぼ等しく、迎え角度γは、３０°＜γ＜７０°
の範囲にあり、フィン傾斜角度βは、９０°＜β＜１６
０°の範囲としたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例の伝熱フィ
ンについて、図面を参照しながら説明する。図１は本発
明の一実施例を示す。この実施例は、図４に示すクロス
フィンチューブ式熱交換器７の伝熱フィン１に係る。２
は、伝熱管を示す。クロスフィンチューブ式熱交換器７
は、平行に並べた多数のフィン１に複数の円形伝熱管２
を挿入してなる。空調機では、隣あうフィン１間を流れ
る空気により、伝熱管２内を流れる冷媒を気化、あるい
は凝縮させる目的で用いられる。図１は、図４の熱交換
器に用いられるフィンの、伝熱管軸方向から見た正面図
であり、便宜的に一枚のフィンの、伝熱管一列につい
て、部分的に表示している。まず図１において伝熱フィ
ン１は、伝熱管挿入孔３、ウイングレット４ａ、４ｂお
よびおよびフィン母材５で構成する。本発明は、フィン
面に切り込みを入れ、フィンの一部分を片持ち梁状に折
り曲げ気流に迎え角度γを持ち、フイン母材面に傾斜角
度βのダブル傾斜ウイングレットを、少なくとも空気が
流入する上流側のフィン端面に沿って連続的に並べて配
置したものである。

【０００９】また図２は、積層した伝熱フィン間の上流
側切り起こしウイングレットの形状を示す図で、図１の
Ｂ方向から見た図である。ウイングレットは、気流に対
してγの迎え角度を持つと同時に、空気上流側に角度β
だけ傾斜していることがわかる。

【００１０】図３は、下流側ウイングレットの形状を示
す図で、図１のＣ方向から見た図である。ウイングレッ
トは、気流に対して迎え角度−γを持つと同時に、空気
上流側に角度βだけ傾斜していることがわかる。

【００１１】ウイングレット４の形状については、モデ
ル実験により、伝熱促進効果が大きい適正形状を選んで
いる。

【００１２】図６から図９は、ダブル傾斜ウイングレッ
トのモデル実験結果の一例を示す。モデル実験は、ステ
ンレス箔ヒータで平行平板状のダクトを構成して、ダク
ト内面に紙製のモデルウイングレットを貼り付け、通風
時のヒータ発熱量、ヒータ表面温度、入口空気温度の測
定値から、熱伝達率を求める方法で行った。ヒータ表面
温度は、ダクトの外表面に、ヒータに密着して貼り付け
た熱電対または感温液晶により測定した。

【００１３】図６は、ウイングレット周辺の伝熱表面温
度を、貼付した液晶で測定した結果に基く模式図で、ハ
ッチングが重なる部分ほど熱伝達率が高くなるように表
示している。

【００１４】この図から、本発明のダブル傾斜ウイング
レットは、ウイングレットの上流および下流に熱伝達率
が高い領域が存在することが分かる。前者の領域は、ウ
イングレットの頂点付近に達した空気が、ウイングレッ
トの前方で流れを曲げられ、伝熱面に向かって流れるコ
ーナー渦により、伝熱が促進してもたらされたものであ
る。また後者の領域は、ウイングレットを横切る空気
が、ウイングレット後方の根元に向かって流れる主渦に
より、伝熱が促進してもたらされたものである。

【００１５】コーナ渦による伝熱促進効果が大きいウイ
ングレットの姿勢について調べだ結果が、図７から図９
である。図７、図８の縦軸のヌッセルト数Ｎｕは、測定
したウイングレット周辺の局所熱伝達率の最高値を無次
元化した値を示す。図７から、本発明のダブル傾斜ウイ
ングレットは、フィン傾斜角度βを１２０度で一定にし
て、迎え角度を変化させると、熱伝達率が最大になる迎
え角度γ＝５０度が存在することが明らかである。そこ
で、迎え角度γの範囲は、最適な迎え角度＝５０度を中
心に、測定誤差±２０度を見込み、３０度ないし７０度
とした。

【００１６】同様に図８から、迎え角度γを３０度で一
定にした時、フィン傾斜角度βを変化させると、熱伝達
率が最大になるフィン傾斜角度β＝１２０度が存在する
ことが分かる。また、図８から、β＝９０度のフィン傾
斜角度を持たないウイングレットと比べて、フィン傾斜
角度＝１２０度で、本発明のダブル傾斜ウイングレット
は、高性能であることが分かる。なお、フィン傾斜角度
βの請求範囲は、従来ウイングレットの伝熱性能を凌ぐ
９０度から１６０度とした。

【００１７】また、もう一つの従来形状である、フィン
面に傾斜角度を持つが、流れ方向に対して迎え角度を持
たないデルタウイングと伝熱性能を比較したのが、図９
である。横軸のレイノルズ数は、フィン間の風速を無次
元化したものである。縦軸のＪ_H因子は、熱伝達率の大
きさを示す無次元数である。デルタウイングに対して、
本発明のダブル傾斜ウイングレットのＪ_H因子は、高レ
イノルズ数領域ほど高性能であることが分かる。

【００１８】さらに、図１において、ウイングレットの
幅Ｌｗとウイングレットの高さＨｗの比について調べた
ところＬｗ／Ｈｗ＝２近辺が最適であることがわかっ
た。

【００１９】また、ウイングレット高さＨｗとフィンピ
ッチＰｆとの関係について調べた結果は、Ｈｗ≒Ｐｆが
最適であることが判明した。

【００２０】次にウイングレット群の最適配列について
検討した。

【００２１】熱交換器の伝熱面には、多数のウイングレ
ットを取り付ける必要があるため、ウイングレット群に
より全体の流れが曲げられたり、隣り合うウイングレッ
ト間の渦が干渉しあうことが考えられる。

【００２２】ウイングレット群の配列方法としては、図
１０に示す、３つの配列について検討した。

【００２３】（ａ）は交差配列であり、流れ方向のウイ
ングレットの迎え角度γを＋４５、−４５度と交互に反
転させた。（ｂ）はペア配列であり、流れに垂直方向
（段ピッチ方向）に迎え角度γを＋４５、−４５度と対
向するように配置した。（ｃ）は平行配列であり、すべ
てのウイングレットを迎え角度γが４５度になるよう配
置した。

【００２４】実験結果を図１１に示す。横軸は、空気流
速を無次元化したレイノルズ数である。縦軸には、熱伝
達率を無次元化したＪ_H因子，通風抵抗を無次元化した
摩擦係数ｆ、そして熱伝達率を摩擦係数で割ったＪ_H／
ｆの３つをとってある。熱交換器としては、通風抵抗が
小さく、熱伝達率が大きい配列が良いので、Ｊ_H／ｆで
最終的な評価をした。図１１より、Ｊ_H／ｆがもっとも
高いのは交差配列である。この理由としては、次のよう
に考えられる。ペア配列では流れの縮流、拡大が激し
く、その結果通風抵抗が増大する。平行配列では全体の
流れが、ウイングレットの迎え角の方向に曲がり、下流
側のウイングレットに対する迎え角度γが相対的に小さ
くなり、熱伝達率が低下する。結果として、ウイングレ
ット群の配列方法として、交差配列が最も好適であるこ
とが分かった。

【００２５】そこでこれ以降は、交差配列に限定し、ウ
イングレット群の空気流れ方向のピッチ（列ピッチＳ
ｌ）と流れに垂直方向のピッチ（段ピッチＳｔ）につい
て検討した。

【００２６】列ピッチについては、図１２に示す３種類
のモデルフィンを作成した。フィンピッチＰｆを基準と
して、列ピッチＳｌがフィンピッチＰｆの（ａ）に示す
ように16.7倍、（ｂ）に示すように8.3倍、（ｃ）に示
すように５倍の３種類である。結果を図１３に示す。横
軸、縦軸は図１１と同じである。Ｊ_H／ｆで評価する
と、列ピッチＳｌが、フィンピッチＰｆの8.3倍の時、
もっとも高いことが分かる。この理由は、列ピッチがあ
まりに大きいと、縦渦の効果が消えてしまって、熱伝達
率が低下し、反対に列ピッチがあまりに小さいと通風抵
抗ばかりが増大してしまい、いずれも評価が低くなる。
Ｓｌ／Ｐｆが８位のところに最適値があることが判明し
た。最適値の前後に２の誤差を見込んで、６＜Ｓｌ／Ｐ
ｆ＜１０の範囲とした。

【００２７】最後に、ウイングレット群の段ピッチＳｔ
の検討をした。モデルフィンは図１４に示すように、１
列ウイングレットで、段ピッチＳｔをフィンピッチＰｆ
の１倍、２倍、３倍の３種類とした。結果を図１５に示
す。Ｊ_H／ｆで評価すると段ピッチＳｔは一番広い３倍
の時が最も高かった。この理由は、段ピッチが広いほ
ど、ウイングレット相互の干渉がなくなり、通風抵抗も
低くなるからと考えられる。レイノルズ数が小さい範囲
では、この傾向が顕著であるが、レイノルズ数が８００
以上の領域では、Ｊ_H／ｆの値に差がなくなるので、熱
伝達率のより高いＳｔ／Ｐｆ＝２程度の狭い段ピッチに
するのも一方策である。請求範囲は、Ｊ_H／ｆで評価す
る場合と、Ｊ_Hで評価する場合とを考慮して、２＜Ｓｔ
／Ｐｆ＜３とした。

【００２８】次に作用を述べる。本発明の図１の場合、
フィン先端付近の前方ウイングレット群４ａに達した入
り口空気は、ウイングレットで流れが曲げられ、ウイン
グレットの頂部の空気がウイングレットの根元に向かう
縦渦の一つであるコーナー渦がウイングレットの前方に
形成される。ウイングレットを横切る空気は、ウイング
レットの下流に縦渦の一つである主渦を形成して気流を
乱して、中央のフィン面の伝熱を促進する。ここで、縦
渦が中心流と伝熱面付近の空気を入れ替える伝熱促進効
果は、コーナー渦を形成するウイングレット前方のフィ
ン面が最も高く、継いでウイングレットの直後が高く、
下流になるほど徐々に低下する。微風速では、ウイング
レットからフィン根元に向かう再付着流れが生じて、縦
渦と同様に伝熱促進する。伝熱管挿入口３を横切った空
気は、後方ウイングレット４ｂにより伝熱管後方に曲げ
られて流れ、伝熱管および破線に示す伝熱管下面に付着
する水滴の死水域を少なくする。

【００２９】暖房時に伝熱管内に流す冷媒が蒸発する気
化熱によるフィン表面の着霜状況を述べる。フィン面の
着霜量は、熱伝達率が高く、フィン表面温度が低い条件
ほど多くなる。以上に示した本発明の実施例では、熱伝
達率が最も高い上流側のウイングレット付近のフィン面
は、フィンが上流側に長く表面温度が高く、流れに直交
する方向の隣あうウイングレット間隔が疎らなため、従
来のルーバフィンのような著しい着霜は生じない。上流
側のウイングレットからフィン中央にかけての区間は、
熱伝達率が高く、伝熱管に近いためフィン表面温度が低
く、最も着霜量が多くなる。しかし、この区間にはルー
バなどを配置していないので、フィン間の通風路が大き
く、着霜による閉塞は生じない。フィン中央から下流の
区間は、後方ウイングレット４ｂで伝熱が促進してお
り、着霜量が多くなる。特にウイングレット４ｂで発生
する縦渦により、従来の伝熱管後方の死水領域に相当す
る部分に着霜させる利点が生じる。

【００３０】

【発明の効果】フィン先端は、微細なルーバ群に替え、
フィン端面に沿って、ウイングレットを疎らに配置し
た。ウイングレット形状を、従来に無い気流に迎え角度
γ、フィン面に傾斜角度βで傾斜させるダブル傾斜構成
にしてコーナー渦を強め、ウイングレット前方の伝熱促
進を図り、フィン表面温度を高くして着霜の進行を抑え
た。着霜量が多いフィン中央は、ルーバなどを配置して
いないので、フィン間の通風路が大きく、着霜による閉
塞は生じない。 フィン中央から下流の区間は、後方ウ
イングレット４ｂで伝熱が促進しており、着霜量が多く
なる。特にウイングレット４ｂで発生する縦渦により、
従来の伝熱管後方の死水領域に相当する部分に着霜が生
じるようにした。

【００３１】これらの手段は、フィン全体に均一に着霜
させる効果があり、高い伝熱性能を維持しながら、フィ
ン先端など高性能なルーバ面が急速に着霜して通風路が
目詰まり、通風量が低下するなどの問題を解決できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係る伝熱フィンの形状を示
す正面図である。

【図２】本発明の１実施例に係る伝熱フィンの形状を示
す図１のＢ矢視図である。

【図３】本発明の１実施例に係る伝熱フィンの形状を示
す図１のＣ矢視図である。

【図４】空調機用熱交換器に用いられるクロスフィン付
き熱交換器の斜視図である。

【図５】フィン面に突起片を設け、それによって発生す
る縦渦で気流を乱す、従来の代表的な形状のデルタウイ
ング及びウイングレットの斜視図である。

【図６】本発明の実施例に係る伝熱フィンの熱伝達率分
布を示す模式図である。

【図７】本発明の実施例に係る伝熱フィンの迎え角度と
伝熱性能の関係の一例を示す特性図である。

【図８】本発明の実施例に係る伝熱フィンのフィン傾斜
角度と伝熱性能の関係の一例を示す特性図である。

【図９】本発明の実施例に係る伝熱フィンと従来の伝熱
フィンの伝熱性能を比較した一例を示す特性図である。

【図１０】本発明の実施例に係る伝熱フィンの、ウイン
グレット群の配列例を示す正面図である。

【図１１】本発明の実施例に係る伝熱フィンの、ウイン
グレット群の配列の違いによる伝熱性能の違いを示す特
性図である。

【図１２】本発明の実施例に係る伝熱フィンの、ウイン
グレット群の列ピッチ例を示す正面図である。

【図１３】本発明の実施例に係る伝熱フィンの、ウイン
グレット群の列ピッチの違いによる伝熱性能の違いを示
す特性図である。

【図１４】本発明の実施例に係る伝熱フィンの、ウイン
グレット群の段ピッチ例を示す正面図である。

【図１５】本発明の実施例に係る伝熱フィンの、ウイン
グレット群の段ピッチの違いによる伝熱性能の違いを示
す特性図である。

【符号の説明】

１…伝熱フィン、２…伝熱管、３…伝熱管挿入孔、４…
ウイングレット、４ａ…前方ウイングレット、４ｂ…後
方ウイングレット、４ｃ…切り起こし穴、４ｄ…デルタ
ウイング、４ｅ…ウイングレットタイプ、５…フィン母
材、６…流入空気、７…クロスフィンチューブ式熱交換
器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−110396（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−231198（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−114091（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−7488（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F28F 1/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状のフィンをほぼ平行に複数並べ、そ
   のフィン間に流れる空気で管内を流れる媒体を冷却また
   は加熱する熱交換器において、前記フィンの一部分を片
   持ちに折り曲げて切り起こし、その折り曲げ面をフィン
   端面と交差する方向に迎え角度γと、前記フィンの平面
   に対して傾斜角度βとを有するウイングレットを設け、
   そのウイングレットは、空気流れと垂直方向に配列され
   る列ごとに前記迎え角度γの符号が交互に変わる交差配
   列とし、さらに、ウイングレットの列ピッチＳｌ／フィ
   ンピッチＰｆの値を６〜１０の範囲、ウイングレットの
   段ピッチＳｔ／フィンピッチＰｆの値を２〜３の範囲と
   した熱交換器。
2. 【請求項２】請求項１において、ウイングレットの幅Ｌ
   ｗとウイングレットの高さＨｗの比（Ｌｗ／Ｈｗ）がほ
   ぼ２の長方形をしており、ウイングレットの高さＨｗは
   フィンピッチＰｆにほぼ等しく、迎え角度γは、３０°
   ＜γ＜７０°の範囲にあり、フィン傾斜角度βは、９０
   °＜β＜１６０°の範囲である熱交換器。