WO2020149155A1 - コルゲートフィン型熱交換器 - Google Patents

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翔太朗 片倉
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Definitions

  • the present invention mainly relates to a corrugated fin type heat exchanger used for large work machines such as mining work machines and construction work machines.
  • the heat exchanger shown in FIG. 7 has a plurality of tube elements 5 in which only the bottom portion 3b of the corrugated corrugated fin 3 having the top portion 3c and the bottom portion 3b is joined to the flat tube 2, respectively. Both ends of the flat tube 2 of the element 5 are inserted into a pair of tanks (not shown). The wave crests 3c of the corrugated fins 3 of the adjacent tube elements 5 are arranged so as to be separated from each other.
  • the present invention provides a corrugated fin type heat exchanger for solving the above problems.
  • the invention according to claim 1 is a flat tube 2 having a pair of flat plane portions 2a whose transverse cross sections are opposed to each other, and a pair of connecting portions 2b connecting both plane portions, A pair of upright surfaces 3d and upright surfaces 3e are alternately arranged, and a corrugated fin 3 having a bottom portion 3b and a top portion 3c that connect the respective surfaces 3d and 3e in a corrugated manner, A plurality of tube elements 5 in which only the bottom portions 3b of the corrugated fins 3 are joined to the pair of flat surface portions 2a of the flat tube 2, respectively.
  • the corrugated fin type heat treatment is characterized in that, on the rising surface 3d and the rising surface 3e, ridges 4 for airflow guide parallel to the ridgeline 3a of the corrugated fin wave are formed at positions close to the top portion 3c. It is an exchange.
  • the invention according to claim 2 is the corrugated fin type according to claim 1, wherein the projection 4 is formed outside the rising surface 3d of the wave and inside the rising surface 3e of the wave. It is a heat exchanger.
  • the invention according to claim 3 is the corrugated fin type according to claim 1, wherein the protrusion 4 is formed outside the rising surface 3d of the wave and outside the rising surface 3e of the wave. It is a heat exchanger.
  • the flat tube 2 is formed such that both ends thereof have a cross section of a cylindrical portion 2c, and the cylindrical portion 2c is inserted into a hole of the tank through a tubular rubber bush.
  • the corrugated fin type heat exchanger according to any one of claims 1 to 3, which is detachably inserted.
  • the invention according to claim 1 is a corrugated fin type heat exchanger having a plurality of tube elements 5 composed of corrugated fins and flat tubes, in which the tops 3c of the respective corrugated fins 3 are arranged apart from each other.
  • the ridges 4 for air flow guide parallel to the ridgeline 3a of the corrugated fin wave are formed at positions close to the tops 3c of the upright surface 3d and the upright surface 3e of the corrugated fin 3.
  • This configuration serves as a barrier that prevents air from coming out from the edge of the corrugated fin 3 on the opposite side (on the side of the top portion 3c) of the joint portion, and improves heat exchange efficiency.
  • the protrusion 4 is provided on the top 3c side of the corrugated fin 3, the rigidity is high and the strength against external force is improved.
  • the ridges 4 are formed outside the rising surface 3d of the wave and inside the rising surface 3e of the wave. That is, the protruding directions of the ridges 4 provided on the upright surface 3d and the upright surface 3e are formed in the same direction. With the configuration of the protrusions 4, it is possible to reduce the air flow that escapes from the edge of the top portion 3c of the corrugated fin 3 to the gap 8. Further, since the shape of the ridge 4 is a shape that forms a minimum barrier against the air flow, it is possible to suppress the pressure loss of the air flow.
  • the ridges 4 are formed outside the rising surface 3d of the wave and outside the rising surface 3e of the wave. That is, since the ridges 4 provided on the upright surface 3d and the upright surface 3e project in the directions facing each other, they serve as a barrier for preventing airflow leakage.
  • FIG. 1 is an explanatory perspective view (A) showing a state of gas flowing through a tube element of a heat exchanger according to a first embodiment of the present invention, and a sectional view (B) taken along line BB of FIG. 1(A).
  • FIG. 2 is an assembled perspective view of a tube element of the heat exchanger.
  • FIG. 3 is a front view of the heat exchanger.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional perspective view of the IV section of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of a tube element of a heat exchanger according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a comparison diagram of heat exchange performance between the conventional corrugated fin and the corrugated fin of the present invention.
  • FIG. 7: is explanatory drawing of the state of the gas which circulates through the tube element of the conventional corrugated fin type heat exchanger.
  • the heat exchanger of the present invention is mainly a corrugated fin type heat exchanger used for a large work machine such as a mining work machine used in a dusty place, a construction work machine, or the like, and is particularly inserted into a pair of tanks. It also has a structure that allows multiple flat tubes to be independently removed and replaced.
  • the flat tube 2 of this heat exchanger is formed with a pair of opposed flat flat portions 2a, a pair of connecting portions 2b connecting both flat portions 2a, and both ends of the flat tube 2. And a cylindrical portion 2c having a circular cross section. As shown in FIGS.
  • the corrugated fin 3 has a shape in which the corrugations are continuous along the direction of the axis connecting the open ends of the flat tubes 2. That is, a pair of upright surfaces 3d and upright surfaces 3e are alternately arranged, and a corrugated corrugated fin is formed by a bottom portion 3b and a top portion 3c that connect the surfaces 3d and 3e in a corrugated manner. As shown in FIG. 2, only a bottom portion 3b of the corrugated fin 3 is joined to a pair of flat portions 2a of the flat tube 2 to form a tube element 5. As shown in FIG.
  • the cylindrical portion 2c of the flat tube 2 of each tube element 5 is removably inserted into the tube insertion holes of the pair of tanks 1 via a tubular bush.
  • the flat tube 2 of the tube element 5 and the corrugated fin 3 are brazed in advance in a high temperature furnace.
  • Adjacent tube elements 5 are separated from each other at the tops 3c of the corrugated fins 3, and can be arranged in a staggered manner as shown in FIG.
  • the feature of the present invention is the protrusion 4 formed on the upright surface 3d and the upright surface 3e of the corrugated fin 3 of each tube element 5. As shown in FIG. 1(A) and FIG.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the protrusion 4 which is a characteristic part of the present invention.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in the protruding direction of the protrusion 4. That is, as shown in FIG. 5, the protrusions 4 provided on the upright surface 3d and the upright surface 3e project in the directions facing each other. Therefore, it serves as a barrier that effectively prevents airflow leakage into the gap 8.
  • FIG. 6 shows the ratio (%) of the heat radiation amount between the corrugated fins 3 of the first embodiment (intermediate graph) and the second embodiment (right graph) and the straight type corrugated fins of the prior art (left graph). 3 is a graph comparing the ratios (%) of pressure loss and pressure loss.
  • the straight type is the standard (100%).
  • the analysis conditions were that the tube inner wall temperature was 80° C., the gas temperature was 45° C., and the gas flow rate was 8 m/s.
  • the heat radiation amount increased by 8% and the pressure loss increased by 27% as compared with the conventional technique.
  • the heat radiation amount increased by 5% and the pressure loss increased by 19% as compared with the conventional technique.
  • the pressure loss slightly increases, but the improvement of the heat radiation amount is surely recognized, and the heat radiation performance can be improved in the heat exchanger in which the tube can be replaced.

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Abstract

偏平チューブを交換することができるコルゲートフィン型熱交換器において、その熱交換性能を向上すること。　一対の平坦な平面部２ａを有する偏平チューブ２と、　一対の立上面３ｄと立下面３ｅとが波形に接続する底部３ｂおよび頂部３ｃを有するコルゲートフィン３と、　偏平チューブ２の一対の平面部２ａにコルゲートフィン３の底部３ｂのみが接合されている複数のチューブエレメント５と、　各チューブエレメント５の偏平チューブ２の両端が挿通される一対のタンク１と、を具備し、　各チューブエレメント５は、夫々のコルゲートフィン３の頂部３ｃが互いに離間して配置されており、立上面３ｄ及び立下面３ｅには、頂部３ｃに近い位置に、コルゲートフィンの波の稜線３ａに平行な気流案内用の突条４が形成されている。

Description

コルゲートフィン型熱交換器
　本発明は、主として、マイニング作業機械、建設作業機械等の大型作業機械に用いられるコルゲートフィン型熱交換器に関する。
　作業機械用のコルゲートフィン型熱交換器の一つとして、作業現場において、飛び石等により、偏平チューブが破損したときに、その破損した偏平チューブのみを現場で交換できるように改良されたものがある。
　図７に記載の熱交換器は、頂部３ｃと底部３ｂを有する波形のコルゲートフィン３の底部３ｂのみが、偏平チューブ２にそれぞれ接合されてなる複数のチューブエレメント５を有しており、各チューブエレメント５の偏平チューブ２の両端が図示しない一対のタンクに挿通されている。そして、隣接する各チューブエレメント５のコルゲートフィン３の波の頂部３ｃは互いに離間するように配置されている。
　このように離間すると、作業現場において、通風方向に対して、下流側の偏平チューブにまで空気が流通する流路を確保できると共に、塵埃等による偏平チューブ間の目詰まりを防止することができる。また、破損チューブの交換時に、作業スペースが確保できる。
　作業現場では、図７のような破損チューブを独立して交換することができる熱交換器について、その熱交換効率の向上が求められている。
　図７に示す熱交換器の場合、コルゲートフィンの偏平チューブの接合部側を流れる気流９の一部がコルゲートフィンの接合部の反対側（頂部３ｃ側）の縁から抜け、熱交換に利用できる空気流量が減少するため、熱交換効率が低下する。
　熱交換器の熱交換効率を向上するため、一般的には、フィンの頂部、底部以外の平面部にルーバーや模様を形成することが行われている。
　しかしながら、上記の隣接するチューブエレメント間に隙間を有する熱交換器のフィンの平面部に、従来通りにルーバー等を形成すると、圧力損失が増大し風が流れにくくなる。
　本発明は、上記の各問題を解決するためのコルゲートフィン型熱交換器を提供する。
　請求項１に記載の発明は、横断面が対向する一対の平坦な平面部２ａと、両平面部を連結する一対の接続部２ｂとを有する偏平チューブ２と、
　一対の立上面３ｄと立下面３ｅとが交互に配置されると共に、それらの各面３ｄ，３ｅの間を波形に接続する底部３ｂおよび頂部３ｃを有するコルゲートフィン３と、
　前記偏平チューブ２の一対の前記平面部２ａにそれぞれ、コルゲートフィン３の前記底部３ｂのみが接合されている複数のチューブエレメント５と、
　各チューブエレメント５の偏平チューブ２の両端が挿通される一対のタンク１と、を具備し、
　前記各チューブエレメント５は、夫々のコルゲートフィン３の前記頂部３ｃが互いに離間して配置されており、
　前記立上面３ｄ及び立下面３ｅには、前記頂部３ｃに近い位置に、コルゲートフィンの波の稜線３ａに平行な気流案内用の突条４が形成されていることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。
　請求項２に記載の発明は、前記突条４が、波の前記立上面３ｄの外側に形成されると共に、波の立下面３ｅの内側に形成されている請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器である。
　請求項３に記載の発明は、前記突条４が、波の前記立上面３ｄの外側に形成されると共に、波の立下面３ｅの外側に形成されている請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器である。
　請求項４に記載の発明は、前記偏平チューブ２は、その両端の横断面が円筒状部２ｃに形成され、その円筒状部２ｃが筒形のゴムブッシュを介して、前記タンクの孔に挿脱自在に挿通された請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器である。
　請求項１に記載の発明は、コルゲートフィンと偏平チューブとからなる複数のチューブエレメント５を有するコルゲートフィン型熱交換器において、夫々のコルゲートフィン３の頂部３ｃが互いに離間して配置されているものであって、コルゲートフィン３の立上面３ｄ及び立下面３ｅの頂部３ｃに近い位置に、コルゲートフィンの波の稜線３ａに平行な気流案内用の突条４が形成されているものである。
　この構成は、空気がコルゲートフィン３の接合部の反対側（頂部３ｃ側）の縁から抜けることを防止する障壁となり、熱交換効率が向上する。それと共に、コルゲートフィン３の頂部３ｃ側に突条４を設けているため、剛性が強く、外力に対する強度が向上する。
　請求項２に記載の発明は、突条４が、波の立上面３ｄの外側に形成されると共に、波の立下面３ｅの内側に形成されているものである。すなわち、立上面３ｄ及び立下面３ｅに設けられた突条４の突出向きが、同一方向に形成されている。
　この突条４の構成により、コルゲートフィン３の頂部３ｃの縁から隙間８へ抜け出る気流を低減することができる。さらに、この突条４の形状は気流に対し最小限の障壁となる形状であるため、気流の圧力損失を抑制することができる。
　請求項３に記載の発明は、突条４が、波の立上面３ｄの外側に形成されると共に、波の立下面３ｅの外側に形成されているものである。すなわち、立上面３ｄ及び立下面３ｅに設けられた突条４は、互いに向き合う方向に突出しているため、気流漏れを防止する障壁となる。
　図１は本願発明の第１実施形態の熱交換器のチューブエレメントに流通する気体の状態の説明斜視図（Ａ）、図１（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図（Ｂ）。
　図２は同熱交換器のチューブエレメントの組立て斜視図。
　図３は同熱交換器の正面図。
　図４は図３のＩＶ部拡大断面斜視図。
　図５は本願発明の第２実施形態の熱交換器のチューブエレメントの要部断面図。
　図６は従来型コルゲートフィンと、本願発明のコルゲートフィンとの熱交換性能の比較図。
　図７は従来型のコルゲートフィン型熱交換器のチューブエレメントに流通する気体の状態の説明図。
　次に、図面に基づいて本発明の実施形態につき説明する。
　本発明の熱交換器は、主として、塵埃の多い場所で使用するマイニング作業機械、建設作業機械等の大型作業機械に用いられるコルゲートフィン型熱交換器であって、特に、一対のタンクに挿通された複数の偏平チューブを独立して取り外し、交換することができる構造となっている。
　この熱交換器の偏平チューブ２は、図２に示す如く、対向する一対の平坦な平面部２ａと、両平面部２ａを連結する一対の接続部２ｂと、その偏平チューブ２の両端に形成されている横断面が円形の円筒状部２ｃとを有する。
　コルゲートフィン３は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示す如く、偏平チューブ２の開口端を結ぶ軸線の方向に沿って、波形が連続する形状を有する。すなわち、一対の立上面３ｄと立下面３ｅとが交互に配置されており、それらの面３ｄ，３ｅの間を波形に接続する底部３ｂおよび頂部３ｃにより、波形のコルゲートフィンが形成されている。
　偏平チューブ２の一対の平面部２ａに、図２に示す如く、コルゲートフィン３の底部３ｂのみが接合されてチューブエレメント５が形成されている。
　図３に示す如く、各チューブエレメント５の偏平チューブ２の円筒状部２ｃが、筒形のブッシュを介して、一対のタンク１のチューブ挿通孔に挿脱自在に挿通されている。このとき、チューブエレメント５の偏平チューブ２とコルゲートフィン３との間は、予め、高温の炉内でろう付接合されている。
　隣り合うチューブエレメント５は、各コルゲートフィン３の頂部３ｃが互いに離間しており、図４に示すように、千鳥状に配置しておくことができる。
　本発明の特徴部分は、各チューブエレメント５のコルゲートフィン３の立上面３ｄ及び立下面３ｅに形成されている突状４にある。
　図１（Ａ）及び図２に示す如く、コルゲートフィン３の立上面３ｄ及び立下面３ｅには、頂部３ｃに近い位置に、コルゲートフィンの波の稜線３ａに平行な突条４が形成されている。この突状４が、コルゲートフィン３の表面から隙間８への気流抜け防止用の障壁となる。図１（Ｂ）に示す如く、立上面３ｄに形成された突状４は、立上面３ｄの外側に突出し、立下面３ｅに形成された突状４は、立下面３ｅの内側に突出している（突条４の突出向きが、同一方向である。）。
　次に、図５は本発明の特徴部分である突状４の第２実施形態である。
　この第２実施形態が、第１実施形態と異なる点は、突状４の突出向きにある。すなわち、図５に記載のごとく、立上面３ｄ及び立下面３ｅに設けられた突条４は、互いに向き合う方向に突出している。そのため、隙間８への気流漏れを効果的に防止する障壁となる。
　図６は、第１実施形態（中間のグラフ）及び第２実施形態（右のグラフ）のコルゲートフィン３と、従来技術のストレートタイプのコルゲートフィン（左のグラフ）との放熱量の比率（％）と圧力損失の比率（％）をそれぞれ比較したグラフである。ストレートタイプを基準（１００％）としている。解析条件は、チューブ内壁温度８０℃、気体温度４５℃、気体流速８ｍ／ｓで行なっている。
　図６に示す如く、第１実施形態については、従来技術に対し、放熱量は８％上昇し、一方で圧力損失が２７％上昇した。第２実施形態については、従来技術に対し、放熱量は５％上昇し、一方で圧力損失が１９％上昇した。
　第１実施形態、第２実施形態ともに、圧力損失が若干上昇するが、放熱量の向上は確実に認められ、チューブ交換が可能な熱交換器において、放熱性能の向上を認めることができる。
　１　タンク
　２　偏平チューブ
　２ａ　平面部
　２ｂ　接続部
　２ｃ　円筒状部
　３　コルゲートフィン
　３ａ　稜線
　３ｂ　底部
　３ｃ　頂部
　３ｄ　立上面
　３ｅ　立下面
　４　突条
　５　チューブエレメント
　６　コア
　６ａ　第１列コア
　６ｂ　第２列コア
　６ｃ　第３列コア
　６ｄ　第４列コア
　７　出入口パイプ
　８　隙間
　９　気流

Claims (4)

  1. 　横断面が対向する一対の平坦な平面部（２ａ）と、両平面部を連結する一対の接続部（２ｂ）とを有する偏平チューブ（２）と、
    　一対の立上面（３ｄ）と立下面（３ｅ）とが交互に配置されると共に、それらの面（３ｄ，３ｅ）の間を波形に接続する底部（３ｂ）および頂部（３ｃ）を有するコルゲートフィン（３）と、
    　前記偏平チューブ（２）の一対の前記平面部（２ａ）にそれぞれ、コルゲートフィン（３）の前記底部（３ｂ）のみが接合されている複数のチューブエレメント（５）と、
    　各チューブエレメント（５）の偏平チューブ（２）の両端が挿通される一対のタンク（１）と、を具備し、
    　前記各チューブエレメント（５）は、夫々のコルゲートフィン（３）の前記頂部（３ｃ）が互いに離間するように配置されており、
    　前記立上面（３ｄ）及び立下面（３ｅ）には、前記頂部（３ｃ）に近い位置に、コルゲートフィンの波の稜線（３ａ）に平行な気流案内用の突条（４）が形成されていることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
  2. 　前記突条が、波の前記立上面（３ｄ）の外側に形成されると共に、波の立下面（３ｅ）の内側に形成されている請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器。
  3. 　前記突条が、波の前記立上面（３ｄ）の外側に形成されると共に、波の立下面（３ｅ）の外側に形成されている請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器。
  4. 　前記偏平チューブ（２）は、その両端の横断面が円筒状部（２ｃ）に形成され、その円筒状部（２ｃ）が筒形のゴムブッシュを介して、前記タンクの孔に挿脱自在に挿通された請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器。
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