JPH0250399B2 - - Google Patents

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JPH0250399B2
JPH0250399B2 JP56501220A JP50122081A JPH0250399B2 JP H0250399 B2 JPH0250399 B2 JP H0250399B2 JP 56501220 A JP56501220 A JP 56501220A JP 50122081 A JP50122081 A JP 50122081A JP H0250399 B2 JPH0250399 B2 JP H0250399B2
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duct
fin
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heat
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Reoniido Arekusandoroitsuchi Auerukiefu
Serugei Serugiiuitsuchi Buronsukii
Efugenii Washirieuitsuchi Washiriefu
Efugenii Uradeimirobitsuchi Deyuburofusukii
Uikutoru Petoroitsuchi Deyunaefu
Anato Kujin
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
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    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0091—Radiators
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S165/355—Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/442—Conduits
    • Y10S165/443—Adjacent conduits with transverse air passages, e.g. radiator core type
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による管−ひれ熱交換器の概
略図であり、 第２図は、第１図の矢印Ａ方向から見た図であ
り、 第３図は、本発明による熱交換器の１つのひれ
の輪廓を示す断面図であり、 第４図は、第１図の矢印Ｂ方向から見た図であ
り、 第５図は、関係Nu／Nup＝ｆ（l′／ｄ）とΞ／Ξp
＝f1（l′／ｄ）のグラフである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 管−ひれ熱交換器であつて、ある温度の熱担
    体流を通す管を含み、この管は相互に離間したひ
    れに設けられたブローチ孔に取り付けられてい
    て、隣合うひれと隣合う管の壁とが異なる温度の
    熱担体流を通すための多数のダクトを形成するよ
    うになつており、各ひれは、前記異なる温度の熱
    担体流の流れの方向において、隣合うひれの凸部
    と凹部とにそれぞれ向い合う凸部と凹部とを有し
    ていて、前記ダクトを通る熱担体流の壁に隣接す
    る層に乱流を形成するために前記ダクトに対称の
    広がり−細まり部分を形成しており、ひれには広
    がり−細まりダクト部分間に直線部分が設けてあ
    り、この直線部分は隣合うひれの直線部分と相互
    に向かい合つていることを特徴とする、前記管−
    ひれ熱交換器。 ２ 特許請求の範囲１において、直線状のひれ部
    分の長さは、ダクトの広がり−細まり部分におい
    て乱流を発生させた壁に隣接する熱担体流の中に
    層流構造を回復させる値を越えないことを特徴と
    する、前記管−ひれ熱交換器。 ３ 特許請求の範囲２において、直線状のひれ部
    分の長さは、ダクトの直線部分の等価流体力学的
    直径の５倍を越えないことを特徴とする、前記管
    −ひれ熱交換器。 ４ 特許請求の範囲１、２、３のいずれかにおい
    て、直線状のひれ部分は各ひれの対称面内に位置
    していることを特徴とする、前記管−ひれ熱交換
    器。 ５ 特許請求の範囲１から４のいずれかにおい
    て、各広がり−細まり部分は、少なくとも１つの
    凹部と組合わさつた少なくとも１つの凸部から形
    成されていることを特徴とする、前記管−ひれ熱
    交換器。 （技術分野） この発明は、熱交換器の技術に関し、特に管−
    ひれ熱交換器に関する。 提案する装置は、液体対空気又は空気対空気熱
    交換器のような広い範囲の種々の応用に使用で
    き、また種々の液体を扱う意図の空冷凝縮器や蒸
    発器に使用することもできる。前記装置は、無塵
    空気およびほこりのある空気について動作するこ
    とが可能である。 本発明の装置は、輸送及び定置動力装置の冷却
    系中の水対空気ラジエータや空冷油冷却器として
    特に有利に使用できる。 （背景技術） 自動車、トラツクタ、デイーゼル機関車の水対
    空気ラジエータに使用する管−ひれ熱交換器は公
    知である。この装置は冷媒流の通過のための平ら
    又は丸い管を有し、この管は冷却ひれの役割をす
    る平らな板に設けられた適当なブローチ孔に取り
    付けられている。この冷媒管は平行又は相互にず
    れた列に配置される。この構成により、平らな矩
    形のダクトが管の間に形成されるが、このダクト
    は、管の間の空間での熱交換作用を増加させるた
    めに必要な乱流発生手段を有していない。 前記の熱交換作用を増加させるための手段を設
    ける必要がある。理由は、種々の動力装置の水対
    空気ラジエータは、ラジエータ熱伝達係数ｋが空
    気熱伝達係数α1にほぼ等しい、すなわちｋα1で
    ある条件下で動作するからである。したがつて、
    水対空気ラジエータの体積と重さを減らすにはｋ
    を増加させる必要が有り、ｋはα1の値によつて一
    意的に決められる。知られているように、平らな
    ダクトは最も小さいα1の値を与える。したがつ
    て、公知の管−ひれ熱交換器は相当な寸法と重さ
    を有する。 公知のタイプの水ラジエータの寸法と重さを減
    らすためには空気熱伝達係数α1は増加させなけれ
    ばならない。このことは、ラジエータ通路を通過
    する空気の流れの中に種々の乱流形成手段の作用
    により乱流を発生させることによつてのみ達成さ
    れる。 さらに公知の技術として、冷却される水の通路
    のために平らな管を含み、この管は平行又は相互
    にずれた列で多数のひれの中に配置されている管
    −ひれ熱交換器が有る。管の間の空間の対流熱伝
    達作用を増加させるためには、冷却空気流の方向
    においてひれの輪廓は連続した対称波状線であ
    り、一方隣接したひれは管提内でひれの凸部と凹
    部とが相互に等距離離れているように取り付けら
    れている。その結果、隣接するひれの間に冷却空
    気ダクトが形成され、それは空気流の方向におい
    て波状の輪廓を有している。 今考えているタイプの水対空気ラジエータの試
    験結果を分析すると、前記ダクトの空気熱伝達係
    数α1の増加はその熱伝達を増加させるために費す
    エネルギー増加より遅れるため、同様の平らなダ
    クトと比較してこのようなラジエータは小さい熱
    流体力学的熱交換率しか与えないことがわかる。
    このことは次の事実に帰せられる。すなわち、こ
    のようなダクトに空気が流れる時各曲りの後にう
    ず系が形成され、したがつてこのうず系の寸法は
    波状ダクトの凸部の高さと等しいが同程度であ
    り、一方このようなダクトの凸部の高さはダクト
    の流体力学的直径に等しいか同程度である。その
    結果、前記の波状ダクトの中の冷却空気に加えら
    れる付加エネルギの70〜80％までが流れの中心に
    乱流を形成するために費され、この流れ中心にお
    いては温度場こう配と熱流密度は小さく、それに
    伴なつて熱流密度の増加は少ない。このような大
    寸法うず系は相当の運動エネルギを有するので、
    粘性と摩擦力に打ち勝ちながら分散し、壁の位置
    の空気層に入つていく。その結果、前記空気層に
    乱流が形成され、そのために乱流伝導と熱流密度
    が増える。したがつて、波状ダクトにおける熱伝
    達の増加は、主として流れの中心ではなく壁にお
    ける流れの層に乱流を形成することによつて行わ
    れるが、波状ダクトの空気流に与えられる付加エ
    ネルギの大部分は、壁における層においてではな
    く流れの中心に乱流を形成するのに費される。こ
    れが前記公知の管−ひれ熱交換器の熱伝達面の熱
    流体力学的熱交換率が低い理由である。 さらに公知のものとして、多数の離間したひれ
    を有する管−ひれ熱交換器がある。管はひれに設
    けられたブローチ孔に取り付けられている。管を
    通つて１つの熱伝達媒体が流れる。隣接するひれ
    と隣接する管の壁とがダクトを形成し、このダク
    トの中を温度が前記の第１熱伝達媒体と異なる他
    の熱伝達媒体が流れる。これらの媒体間で熱伝達
    が行われる。各ひれは連続対称波状線の形に作ら
    れている。対流熱伝達作用を増加するために、各
    ひれの凸部と凹部とが隣り合うひれの凸部と凹部
    とにそれぞれ向い合うように位置させる。この構
    成では、連続する広がり−細まりダクト部分が熱
    担体流の方向に形成され、広がり角度は、熱担体
    流の層構造の流体力学的安定を初期に形成する臨
    界角度より相当に大きい。この結果、境界層に三
    次元的にねじれたうずが形成される。この層にお
    いてうず粘性と伝導が急激に増加する。温度こう
    配と熱流密度は増加し、それに伴つて熱担体と広
    がり−細まりダクトの壁との間の熱伝達係数α1が
    増加する。絞り込み及び熱担体流の一定条件の下
    ではダクトの広がり部分でエネルギを消費するう
    ずが発生する。うず間及び熱担体の主流とうずの
    間の相互作用により、前記のうずは流れの中心へ
    拡散する。うずの発生及び伝搬の全エネルギはそ
    の消失エネルギより大きい。したがつて、熱担体
    の流れを強制するエネルギの消費は、熱伝達があ
    まり増加しないのにもかかわらず、著しく増加す
    る。今考えた装置に固有な熱伝達増加過程の物理
    的特性により、その熱力学的交換率は実質的に減
    少する。 （発明の開示） 本発明は、１つの熱担体を通過させるダクトに
    乱流形成手段を持たせ、その乱流が熱担体の流れ
    の壁に隣接する層にのみ形成され、うず同土及び
    流れの中心と相互作用が起きないようにし、熱伝
    達作用を増加させる管−ひれ熱交換器を与えるこ
    とを本質的目的にしている。 この目的は、管−ひれ熱交換器であつて、ある
    温度の熱担体流を通す管を含み、この管は相互に
    離間したひれに設けられたブローチ孔に取り付け
    られていて、隣り合うひれと隣り合う管の壁とが
    異なる温度の熱担体流を通すための多数のダクト
    を形成するようになつており、各ひれは、前記異
    なる温度の熱担体流の流れの方向において、隣合
    うひれの凸部と凹部とにそれぞれ向い合う凸部と
    凹部とを有していて、前記ダクトを通る熱担体流
    の壁に隣接する層に乱流を形成するために前記ダ
    クトに対称の広がり−細まり部分を形成してお
    り、本発明によると前記ひれはまた広がり−細ま
    り部分間に直線部分を有し、この直線部分は隣り
    合うひれの直線部分と相互に向い合つている、前
    記管−ひれ熱交換器によつて達成される。 この構成により、壁に隣接するうず間の相互作
    用及び流れの中心とこのうずの相互作用を除去
    し、熱伝達作用を増加させるのに費すエネルギを
    減らすことができる。 ひれの直線部分は、ダクトの広まり−細まり部
    分において乱流を発生させた壁に隣接する熱担体
    流の層の層流構造が、この直線部分で回復される
    のに適当な寸法を越えないのが望ましい。 このようにすることにより、壁に隣接する層中
    に生成するうずのエネルギを全て利用することが
    できる。 さらに、ひれの直線部分の長さは、ダクトの直
    線部分の等価流体力学的直径の５倍を越えないの
    が望ましい。 このようにすることにより、最大の熱流体力学
    的熱交換率が与えられ、装置の寸法と重さが減ら
    される。 前記ダクト内で熱担体の均等な分布を確保する
    ために、ひれの直線部分は各ひれの対称面内に位
    置すべきである。 さらに、装置の生産を容易にする目的のため
    に、各広がり−細まり部分は、少なくとも１つの
    凹部と組み合わさつた少なくとも１つの凸部から
    形成されていることが望ましい。 本発明は、添付の図面を参照しながら、特に例
    示によつて説明する。 第１図は、本発明による管−ひれ熱交換器の概
    略図であり、第２図は、第１図の矢印Ａ方向から
    見た図であり、第３図は、本発明による熱交換器
    の１つのひれの輪廓を示す断面図であり、第４図
    は、第１図の矢印Ｂ方向から見た図であり、第５
    図は、関係Nu／Nup＝ｆ（l′／ｄ）とΞ／Ξp＝f1
    （l′／ｄ）のグラフである。 （発明の最良実施例） 以下に水空気管−ひれトラツクタ・ラジエータ
    の形の実施例により本発明を開示する。 提案する管−ひれ熱交換器には例えば平らな管
    １の平行な列（第１図及び第２図）が含まれ、こ
    の中にはある温度の第１熱担体が流される。距離
    ｈ離間した上側ひれ２とその隣りの下側ひれ３と
    は管に取り付けられている。相隣接する上側ひれ
    ２と下側ひれ３及び隣り合う管１の壁とは多数の
    ダクトを形成し、その中に例えば異なる温度の空
    気である第２熱担体が流され、第１熱担体、例え
    ば水から熱伝達を行わせる。 矢印Ｂで示される空気流の方向のひれ２と３の
    輪廓は、各隣接する上側ひれ２の横へ伸びる凸部
    ４と凹部５の隣接する対の輪廓と、各隣接する下
    側ひれ３の横へ伸びる凸部６と凹部７の隣接する
    対の輪廓とによつて形成される。各ひれの横へ伸
    びる凸部と凹部の各隣接する対４と５，６と７の
    間に直線部８が設けられている。ブローチ孔９
    （第１図）が各ひれ２，３に設けられている。 平らな管１はブローチ孔９を通してひれ２と３
    に連結されており、ひれ２の凸部４と凹部５は隣
    り合うひれ３の凸部６と凹部７に対しそれぞれ向
    い合うように位置しており（第１図及び第２図）、
    各隣接するひれ２，３の直線部８は相互に向い合
    つている。この構成により、直線部８を有するダ
    クトは空気流の方向で広がり−細まり部分と互い
    違いになるようにされている。本発明者の研究に
    よると、乱流発生手段を有しないダクトの壁にお
    ける層において、空気流の乱流伝導は最小で、熱
    流密度は最大であることが示された。したがつ
    て、強制的に乱流を形成することによつて熱伝達
    を増加させるために流れ断面を通して、特に流れ
    の中心に付加エネルギを加えるべきではないが、
    壁に隣接する層に三次元的うず系を発生させるこ
    とによつてその層に乱流を与えるべきである。流
    れ中心において、乱流伝導の最大値値が、壁に垂
    直な温度こう配の最小値が、また冷却空気流の断
    面において熱流密度の最小値がそれぞれ検出され
    るということが注目されよう。したがつて、流れ
    中心における更なる乱流化は、乱流発生手段の作
    用により流れに加えられる付加エネルギの70から
    90％を必要とするのであるが、実際上はダクトの
    熱伝達の増加にあまりならない。付加エネルギは
    壁に隣接する層において、すなわち最大熱流体力
    学的効果が得られる流れ断面の部分に加えられる
    べきであると言うことになる。 本発明の装置における熱伝達の増加過程は次の
    とおりである。 管の間の空間のダクトの広がり部分を空気が流
    れる時、熱担体の流れの流体力学的安定が失われ
    るのは広がりダクト部分の壁の上だけである。そ
    の結果、壁に隣接する層中に位置する三次元的う
    ずが、広がりダクトの壁上の適当な広がり角度の
    位置でかつ数値Reで特徴付けられる適当な空気
    流の条件下で、発生し、そのうずの寸法は横へ伸
    びる凸部と凹部の高さと同程度である。管の間の
    空間のダクト中の伝達空気流は、直線ダクト部分
    で壁に隣接する層の中において、このうずを下流
    に運び、そしてこのうずは徐々に散つてなくなつ
    てしまう。なくなる前にうずは次の広がり−細ま
    りダクト部分に達しないので、次のダクト部分で
    発生するうずとの間の相互作用はない。また流れ
    の中心との相互作用もない。本発明の熱交換器に
    おいては空気流の中心に何ら付加エネルギを加え
    ず、それによつて熱伝達増加のための全エネルギ
    消費を減らすようにしている。 隣り合うひれ２と３の間隔ｈ（第４図）、隣り
    合うひれ２と３の向う合う凹部５と７（第２図）
    の頂点の母線の間隔ｍ、及び隣り合う平らな管１
    の側壁１１の間隣ｎは比d*／ｄの変化範囲に応
    じて選択される。d*／ｄは空気ダクトの等価直
    径d*とｄの比であり、これら直径は今考えてい
    る装置に特有なものである。直線ダクト部分の長
    さl′（第３図）は、隣り合う平らな管１の側壁１
    １（第４図）とひれの平らな面１３の部分とによ
    つて形成されるダクトの等価直径ｄに応じて選択
    される。 本発明の装置において、d*の価は、隣り合う
    平らな管１の側壁１１と、隣り合うひれ２と３の
    向い合う凹部５と７（第２図）の頂点の母線と、
    によつて形成される空気ダクトの最狭断面につい
    て採られる。このダクトの断面の等価直径ｄ *は、
    平らな管１の隣り合う側壁１１間の間隔ｎ（第４
    図）及び隣り合うひれ２と３の向う合う凸部の頂
    点の母線１２の間の間隔ｍの４倍を、間隔ｎとｍ
    の和を２倍したもので割つたものに等しいこと、
    すなわち、 d*＝4nm／２（ｎ＋ｍ） であることが知られている。 ｄの価は、平らな管１の側壁１１と隣り合うひ
    れ２と３の平らな面１３とによつて形成される空
    気ダクトの断面について採られる。この断面の等
    価流体力学的直径ｄは、平らな管１の隣り合う側
    壁１１の間の間隔ｎ及びひれの間隔ｈの４倍を、
    間隔ｎとｈの和を２倍したもので割つたものに等
    しい。 すなわち、 ｄ＝4nh／２（ｎ＋ｈ） である。 熱交換器の熱流体力学的熱交換率は比Nu／Nup
    で特徴付けられる熱伝達増加によつて決まり、こ
    こで流体力学的損失増加は熱伝達増加より小さい
    か又は等しい。すなわち、 Nu／Nup／Ξ／Ξp≧１ (1) である。ここで、NuとNupは、それぞれ直線部、
    広がり−細まり部が互い違いになつたダクト部分
    で形成される熱伝達面のダクト、及び同一の平ら
    なダクトによつて形成される面に対してのヌツセ
    ルト（Nusselt）数であり、Ξ及びΞpは、それぞ
    れ直線部、広がり−細まり部が互い違いになつた
    ダクト部分で形成される熱伝達面のダクト、及び
    同一の平らなダクトによつて形成される面の圧力
    損失係数である。 第５図のグラフにおいて、横軸には直線ダクト
    部分の長さと直線ダクト部分の等価流体力学的直
    径との比l′／ｄが、縦軸には比Nu／NupとΞ／Ξp
    とが、すなわちそれぞれ直線部、広がり−細まり
    部が互い違いになつたダクト部分で形成される熱
    伝達面のダクト、及び同一の平らなダクトによつ
    て形成される面に対してプロツトしたヌツセルト
    数と圧力損失係数とが示されている。曲線は
    Nu／Nup＝ｆ（l′／ｄ）の関数を示す。曲線は
    Ξ／Ξp＝f1（l′／ｄ）の関係を示す。 グラフからわかるように、数Re＝1700で特徴
    付けられる冷却空気流において、式（）はl′／
    ｄ＞1.0において有効である。l′／ｄ16におい
    て、本発明の装置は実際上何ら熱流体力学的有効
    性を与えない。これは次のような事実によつて説
    明される。すなわち、ダクトの直線部８（第３
    図）の長さl′がそのような値の場合、壁に隣接す
    る層の冷却空気は前の広がり−細まりダクト部分
    において乱流を形成するが、層流が再び回復し、
    そのため冷却空気流は通常の平らなダクトの中で
    と同様にふるまう。したがつて、次の広がり−細
    まり部分は、特に前に乱流化された壁に隣接する
    空気層の構造が層流になる位置にあり、これによ
    り、うずのエネルギは、冷却空気流の壁に隣接す
    る層に乱流を形成することによつて十分に利用さ
    れ、熱伝達を増加させるのに費やされる。 本発明者の実験研究によると、提案した装置の
    最大熱流体力学的熱交換率とその最小寸法と重さ
    とは、冷却空気絞り比と間隔がその変動範囲内で
    それぞれd*／ｄ＝0.60〜0.92、l′／ｄ＝０〜５、
    すなわち、ダクトの直線部分８の長さl′がその直
    線ダクト部分８の等価流体力学的直径ｄの５倍を
    越えない時に得られる。横に伸びる凹部の高さ定
    数の間隔ｈが減少すると、関係d*／ｄ＜0.60の値
    が減少し、熱伝達の増加が実際上終り、そして空
    気圧流体力学的損失が急激に増加する。これは次
    のような事実によつて説明される。すなわち、間
    隔ｈが減少すると、横に伸びる凸部の高さが壁に
    おける空気層の厚さを越える。したがつて、広が
    りダクト部分で生成したうずは、その寸法が横に
    伸びる凸部の高さと同程度であるが、そのうずは
    壁における空気流の中だけでなく、流れの中心に
    も位置することになり、このことは好しくない。
    直線ダクト部分８の長さl′がその等価流体力学的
    直径ｄの５倍以内である時、広がり−細まりダク
    ト部分で生成した乱流うずはまだいくらかのエネ
    ルギを有しているが、それが冷却空気と共に次の
    広がり−細まり部分に来ても、流れの中心には拡
    散しない。したがつてここで開示したトラツク
    タ・ラジエータにおいては、直線ダクト部分の等
    価流体力学的直径の５倍以内であるそのダクト部
    分の長さl′は、与えられた冷却空気流の割合、絞
    り比d*／ｄ、及び比Nu／Nup、Ξ／Ξpにおいては
    最適である。 熱交換器空気ダクトにおける一様な空気分布を
    確保するために、ひれ２及び３の直線部分８（第
    ２図）は、それぞれのひれの対称面内になければ
    ならない。この条件の下で、隣接するダクトは空
    気流に対して等しい抵抗を有し、提案した装置の
    熱流体力学的熱伝達効率は減少しない。 管の間の空間の各広がり−細まりダクト部分
    は、隣り合うひれの１つの凸部（凹部）に対して
    位置する１つの凸部（凹部）又は数個の合わさつ
    た凸部と凹部、又は１つの凸部と組み合わさつた
    １つの凹部のいずれかによつて形成することがで
    きる。第１図〜第３図に図示した管−ひれ熱交換
    器の先の実施例は、最大の熱流体力学的熱交換率
    を与え、型押し道具を作るのに都合の良い技術を
    与え、それは他のダクトの実施例に比較して手仕
    上げを必要とする面の数が最少である点に特徴が
    あるので、最高のものである。 （産業上の利用可能性） 提案した水対空気トラツクタ・ラジエータとし
    ての管−ひれ熱交換器を使用すると、全ての他の
    事項を同じとするなら、その体積と重量を２分の
    １まで減らすことができる。トラツクタ、自動
    車、デイーゼル機関車のための水ラジエータは高
    価で貴重な材料で作られ、大量に生産されている
    ことを考えると、前記目的で提案した管−ひれ熱
    交換器を使用することは大きな経済的効果を与え
    よう。
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