JP2005188769A

JP2005188769A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005188769A
Application number: JP2003427010A
Authority: JP
Inventors: Taijo Murakami; 泰城村上; Shinichi Wakamoto; 慎一若本; Toshinori Ote; 利徳大手; Hiroaki Makino; 浩招牧野; Masato Shinohara; 正人篠原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】従来の所定間隔の隙間を有するように積層され前記隙間を空気が流動するフィン群と、このフィン郡を貫通するよう挿入され内部を流体が流動する伝熱管群とから構成される熱交換器では、スリット状の切り起しの脚部とフィン表面のなす角度をおよそ４５度に固定していたため、熱交換量を増加させたい場合に限界があるという問題があった。
【解決手段】フィンの面上にスリット状の切り起しを複数配設し、スリット状の切り起しの脚部とフィン表面とがなす角度およびスリット状の幅を所定の値にすることによって、熱交換量を増加させることを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に係り、特にフィンと伝熱管とを組み合わせたクロスフィンチューブ形の熱交換器に関するものである。

従来の熱交換器は、熱交換器の熱交換量を増加させるために、空気が流れる方向に並んだスリット状の切り起しの高さを変化させている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−２０６３８４号公報（第１−３頁、第１図、第２図）

従来の熱交換器では、フィンに設けた複数のスリット状の切り起しの高さを変化させることにより、２枚の平行なフィンのほぼ中央において速度の大きくなった空気と接するフィンの面積を大きくして、熱交換量を増加させていた。しかしながら、従来の熱交換器では、スリット状の切り起しの脚部とフィン表面のなす角度（以下、傾斜角度）をおよそ４５度に固定していたため、伝熱管により縮流されて速度の大きくなった空気と接するスリット状の切り起しの傾斜した部分の面積は小さく、さらに熱交換量を増加させたい場合に限界があるという問題があった。また、スリットの切り起しの高さを変化させた場合、空気がフィンを通過する際の圧力損失が増加するという問題があった。また、スリットの切り起し部に、凝縮水が毛細管現象もしくは表面張力によって溜まりやすくなり、空気がフィンを通過する際の圧力損失が増大して伝熱性能が低下するという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、伝熱管により縮流されて速度の大きくなった空気と接するフィンの面積を大きくすることにより、熱交換量をさらに増加させるとともに、空気がフィンを通過する際の圧力損失を減少させることを目的とするものである。また、凝縮水の滞留によるフィンの目詰まりを低減することにより、空気がフィンを通過する際の圧力損失の増加を防ぎ、高い伝熱性能を実現することを目的とするものである。

この発明に係る熱交換器は、所定間隔の隙間を有するように積層され隙間を空気が流動するフィン群と、このフィン郡を貫通するよう挿入され内部を流体が流動する伝熱管群とから構成される熱交換器において、フィンの面上にスリット状の切り起しを複数配設し、スリット状の切り起しの脚部とフィン表面とがなす角度を１０度から３０度にしたものである。

この発明によれば、フィンの面上にスリット状の切り起しを複数配設し、スリット状の切り起しの脚部とフィン表面とがなす角度を１０度から３０度にしたので、熱交換器の熱交換量を増加させることができ、また、空気がフィンを通過する際の圧力損失を減少することができる。また、凝縮水の滞留によるフィンの目詰まりを低減し、空気がフィンを通過する際の圧力損失の増加を防ぎ、高い伝熱性能を実現できる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による熱交換器を説明するための図であり、より具体的には１列パイプ熱交換器を伝熱管１に対して垂直にカットしたときのフィン２の平面図である。フィン２には、空気の風上側から風下側に向かってスリット状に切り起こされたスリット３、スリット４、スリット５が設けられている。また、図２はスリット３のＡ−Ａ断面図、図３はスリット４のＢ−Ｂ断面図、図４はスリット５のＣ−Ｃ断面図である。スリット３、スリット４、スリット５を設けるには、例えばフィン２をプレス加工することにより実現することができる。スリット３，４，５は、フィン２の面上にスリット状の切り起しである。所定間隔の隙間を有するように積層され隙間を空気が流動するフィン群と、このフィン郡を貫通するよう挿入され内部を流体が流動する伝熱管（パイプ）群とが構成されている。

２本の伝熱管１のほぼ中央を流れる空気１０の速度は、平行に配置されたフィン２とフィン２ａのほぼ中間において大きくなる。また、その大きな速度をもった空気１０が、フィン２から切り起こされたスリット３、スリット４、スリット５のフィンに対してほぼ平行な部分であるスリット平行面１４、スリット平行面１５、スリット平行面１６と接触するため、熱交換器の熱交換量が増加する。

一方、伝熱管１が空気９の流れの抵抗となり、それぞれの伝熱管の近傍を流れる空気９は、２本の伝熱管の間で縮流するため、スリット３、スリット４、スリット５を通過するときの空気９の速度は大きくなる。縮流により速度が大きくなった空気９は、スリット３、スリット４、スリット５の傾斜した部分であるスリット傾斜面１１、スリット傾斜面１２、スリット傾斜面１３と接するため、熱交換器の熱交換量が増加する。よって、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を小さくすることにより、スリット傾斜面１１、スリット傾斜面１２、スリット傾斜面１３の面積が増加するため、縮流により速度が大きくなった空気９とスリット傾斜面１１、スリット傾斜面１２、スリット傾斜面１３との熱交換量が増加する。しかしながら、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を小さくすると、スリット平行面１４、スリット平行面１５、スリット平行面１６の面積が減少するため、２本の伝熱管１のほぼ中央を流れる空気１０とスリット平行面１４、スリット平行面１５、スリット平行面１６との熱交換量は減少する。よって、熱交換器の熱交換量がもっとも大きくなる最適なスリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が存在する。

また、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を小さくしたことで、縮流により速度が大きくなった空気９が通過する空間の断面積がおおきくなり、空気がフィンを通過する際の圧力損失を減少させることができる。なお、スリット傾斜角度θは、スリット状の切り起しの脚部とフィン表面とがなす角度である。

また、空気が平行に通過し、熱交換器のフィンが垂直となるように設置した場合、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が小さくなったことにより、スリット内に滞留した凝縮水の落下を早めることができるため、空気がフィンを通過する際の圧力損失の増加を防ぎ、高い伝熱性能を実現できる。

以下では、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１０度から３０度、このましくは１５度から２５度にすることによって、熱交換量が増加し、空気がフィンを通過する際の圧力損失が減少することと、熱交換量／圧力損失の値が増加することを数値流体シミュレーションの計算結果を用いて説明する。解析対象として、図５に示す２列の千鳥配置の熱交換器を用いた。図６はスリット３の断面図、図７はスリット４の断面図、図８はスリット５の断面図である。ここで、列ピッチＬｐ＝１２．７ｍｍ、段ピッチＤｐ＝２０．４ｍｍ、フィンカラー径Ｄｃ＝７．７６ｍｍ、フィンピッチＦｐ＝１．２ｍｍ、フィン厚みＦｔ＝０．１ｍｍ、スリット高さＨｓ１＝Ｈｓ２＝Ｈｓ３＝０．６５ｍｍであり、スリット数３本で、一本目のスリットは風上からＤｓ１＝１．５ｍｍの位置で、スリット幅ｗ１７＝２．０ｍｍ、スリット開き角α１＝４０度、スリット長さＬｓ１＝１２．７ｍｍ、２本目のスリットは風上からＤｓ２＝５．５２ｍｍの位置で、スリット幅ｗ１８＝１．０ｍｍ、スリット開き角α２＝９０度、スリット長さＬｓ２＝９．５８ｍｍ、３本目のスリットは風上からＤｓ３＝９．２０ｍｍの位置で、スリット幅がｗ１９＝２．０ｍｍ、スリット開き角α３＝１４０度、スリット長さＬｐ３＝１２．７ｍｍである。また、前面の入口風速は１．０ｍ／ｓ、フィンカラーの内側温度は４５℃、前面の空気入口温度は２０℃である。

図９は、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を変化させた場合について、熱交換量の大きさを示す熱伝達率ｈ［Ｗ／ｍ^２Ｋ］を、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度の熱伝達率ｈを１００％として相対比較で示した数値シミュレーション結果である。熱伝達率ｈは、式（１）により求めた。

ｈ＝Ｑ／Ａ／ＬＭＴＤ（１）
ここで、Ｑは熱交換器の熱交換量［Ｗ］、Ａはフィンと伝熱管の表面積［ｍ^２］である。また、平均対数温度差ＬＭＴＤ［℃］は式（２）により求めた。

ＬＭＴＤ＝（（Ｔｗ−Ｔｉｎ）−（Ｔｗ−Ｔｏｕｔ））／ｌｎ（（Ｔｗ−Ｔｉｎ）／（Ｔｗ−Ｔｏｕｔ）（２）
ここで、Ｔｗはフィンカラーの内側温度［℃］、Ｔｉｎは前面の空気入口温度［℃］、Ｔｏｕｔはフィン通過後の空気の温度［℃］である。

図９より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が４５度から２５度まで減少するにつれて、熱伝達率ｈが増加することがわかる。スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が２５度から１７度では、熱伝達率ｈは約１０３．１％でほぼ一定の値を示す。スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が１７度よりも小さくなると、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が減少するにつれて、熱伝達率ｈも減少する。図９より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１５度から３０度とすることで、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度に比べて熱交換量を２％以上増加できることがわかる。特に、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１７度から２５度とすることにより、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度に比べて熱交換量を３％以上増加できることがわかる。

また、図１０は、熱伝達率を比較したときと同様の解析対象を用いて、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を変化させた場合について、空気がフィンを通過する際の圧力損失ΔＰ［Ｐａ］を、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度の圧力損失ΔＰを１００％として相対比較で示した数値シミュレーション結果である。図１０より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が減少するにつれて、圧力損失ΔＰも減少することがわかる。

よって、図９、図１０より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１５度から３０度、このましくは１７度から２５度にすることにより、熱交換量を増加することができ、また、空気がフィンを通過する際の圧力損失を減少できることは明らかである。

さらに、図９に示した熱伝達率ｈの効果と、図１０に示した圧力損失ΔＰの効果をまとめて評価するために、図１１に、熱伝達率ｈを圧力損失ΔＰで除したときの熱交換器性能ｈ／ΔＰの値を、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度の熱交換性能ｈ／ΔＰを１００％として相対比較で示す。熱交換器性能ｈ／ΔＰは、熱交換器の能力を示す指標として用いられる。

図１１より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が４５度から１７度まで減少するにつれて、熱交換器性能ｈ／ΔＰが増加し、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が１７度よりも小さくなると、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８が減少するにつれて、熱交換器性能ｈ／ΔＰも減少することがわかる。図１１より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１０度から３０度とすることで、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度に比べて熱交換器性能ｈ／ΔＰを約５．７％以上増加できることがわかる。特に、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１５度から２０度とすることにより、スリット傾斜角度θ６＝θ７＝θ８＝４５度に比べて熱交換器性能ｈ／ΔＰを９％以上増加できることがわかる。

よって、図１１より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１０度から３０度、このましくは１５度から２０度にすることにより、熱交換量を圧力損失で除した値を増加できることは明らかである。

以上、図９、図１０、図１１より、スリット傾斜角度θ６、θ７、θ８を１０度から３０度、このましくは１５度から２５度にすることにより、熱交換量を増加し、空気がフィンを通過する際の圧力損失を減少することができる。また、熱交換量を圧力損失で除した値を増加することができる。

なお、ここではスリット傾斜角度θ６、θ７、θ８がすべて等しい場合の結果を示したが、すべてのスリット傾斜角度が異なっている場合であってもよく、少なくとも１つ以上のスリット傾斜角度を１０度から３０度、このましくは１５度から２５度にすることでも、同様の効果が得られる。

また、対象とするフィンの形状や前面の入口風速の条件は任意であり、列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐ、フィンカラー径Ｄｃ、フィンピッチＦｐ、フィン厚みＦｔ、スリット数、スリット位置Ｄｓ、スリット幅ｗ、スリット開き角度α、スリット長さＬｓ、前面の入口風速、フィンカラー内側温度、前面の空気入口温度、列数、伝熱管の配置、スリット高さＨｓが異なっていてもよく、スリット傾斜角度を１０度から３０度、このましくは１５度から２５度にすることで、形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態２．
図１２は、この発明を実施するための実施の形態２による熱交換器を説明するための図である。ここで、例示する熱交換器は、上述した実施の形態１の熱交換器と同様の構成を有したもので、スリット３、スリット４、スリット５のそれぞれのスリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９の大きさが異なっている。すなわち、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９が１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２ｍｍから２．５ｍｍとなるように構成している。

なお、その他の構成に関しては、実施の形態１と同様であるため、同一の符号を付してそれぞれの詳細説明を省略する。

上記のように構成した熱交換器においても、スリットの傾斜角度θ６、θ７、θ８を１０度から３０度、このましくは１５度から２５度にすることにより、熱交換量を増加し、空気がフィンを通過する際の圧力損失を減少することができる。また、熱交換量／圧力損失の値を増加することができる。

しかも、この実施の形態２によれば、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９を１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２ｍｍから２．５ｍｍにしたことにより、スリット傾斜面１１、スリット傾斜面１２、スリット傾斜面１３の面積を増加させている。従って、２本の伝熱管の間で縮流して速度が大きくなった空気９と、スリット傾斜面１１、スリット傾斜面１２、スリット傾斜面１３が接する面積が増加するため、熱交換器の熱交換量を大きくすることができる。

以下では、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９を１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２ｍｍから２．５ｍｍにすることにより、熱交換量と、熱交換量／圧力損失の値を大きくできることを数値流体シミュレーションの計算結果を用いて説明する。解析対象には、図１３に示す２列の千鳥配置の熱交換器を用いた。図１４はスリット３のＡ−Ａ断面図、図１５はスリット４のＢ−Ｂ断面図、図１６はスリット５のＣ−Ｃ断面図である。

ここで、列ピッチＬｐ＝１２．７ｍｍ、段ピッチＤｐ＝２０．４ｍｍ、フィンカラー径Ｄｃ＝７．７６ｍｍ、フィンピッチＦｐ＝１．２ｍｍ、フィン厚みＦｔ＝０．１ｍｍ、スリット高さＨｓ１＝Ｈｓ２＝Ｈｓ３＝０．６５ｍｍであり、スリット数３本で、一本目のスリットは風上からＤｓ１＝１．５ｍｍの位置で、スリット傾斜角度θ６＝１７度、スリット開き角α１＝４０度、スリット長さＬｓ１＝１２．７ｍｍ、２本目のスリットは風上からＤｓ２＝５．５２ｍｍの位置で、スリット傾斜角度θ７＝１７度、スリット開き角α２＝９０度、スリット長さＬｓ２＝９．５８ｍｍ、３本目のスリットは風上からＤｓ３＝９．２０ｍｍの位置で、スリット傾斜角度θ８＝１７度、スリット開き角α３＝１４０度、スリット長さＬｐ３＝１２．７ｍｍである。また、前面の入口風速は１．０ｍ／ｓ、フィンカラーの内側温度は４５℃、前面の空気入口温度は２０℃である。

図１７は、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９を変化させた場合について、熱交換量の大きさを示す熱伝達率ｈ［Ｗ／ｍ^２Ｋ］を、スリット幅ｗ１７＝ｗ１８＝ｗ１９＝０．５ｍｍの熱伝達率ｈを１００％として相対比較で示した数値シミュレーション結果である。

図１７より、スリット幅が０．５ｍｍから２．０ｍｍに増加するにつれて、熱伝達率ｈが増加することがわかる。スリット幅が２．０ｍｍから２．５ｍｍにおいては、熱伝達率ｈはほぼ一定の値を示す。スリット幅が２．５ｍｍよりも大きくなると、熱伝達率ｈの値は減少する。図１７より、スリット幅を１．５から３ｍｍ、このましくは２ｍｍから２．５ｍｍとすることで、熱交換量を大きくできることがわかる。

また、図１８は、図１７と同様の解析対象を用いて、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９を変化させた場合について、空気がフィンを通過する際の圧力損失ΔＰ［Ｐａ］を、スリット幅ｗ１７＝ｗ１８＝ｗ１９＝０．５ｍｍの圧力損失ΔＰを１００％として相対比較で示した数値シミュレーション結果である。さらに、図１９は、図１７に示した熱伝達率ｈを図１８に示した圧力損失ΔＰで除したときの熱交換器性能ｈ／ΔＰを、スリット幅ｗ１７＝ｗ１８＝ｗ１９＝０．５ｍｍの熱交換性能ｈ／ΔＰを１００％として相対比較で示したグラフである。図１９より、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９が２．５ｍｍまで増加するにつれて、熱交換器性能ｈ／ΔＰは増加し、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９が２．５ｍｍよりも大きくなると、熱交換器性能ｈ／ΔＰの値は減少することがわかる。図１９より、スリット幅を１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２ｍｍから２．５ｍｍにすることにより、熱交換器性能ｈ／ΔＰを大きくできることがわかる。

以上より、スリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９を１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２．０から２．５ｍｍにすることにより、熱交換量と熱交換器性能ｈ／ΔＰを大きくできることは明らかである。

なお、実施例ではスリット幅ｗ１７、ｗ１８、ｗ１９がすべて等しい場合の結果を示したが、すべてのスリット幅が異なっている場合でもよく、少なくとも１つ以上のスリット幅を１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２．０ｍｍから２．５ｍｍにすることで形態２と同様の効果が得られる。

また、対象とするフィンの形状や前面の入口風速の条件は任意であり、列ピッチＬｐ、段ピッチＤｐ、フィンカラー径Ｄｃ、フィンピッチＦｐ、フィン厚みＦｔ、スリット数、スリット位置Ｄｓ、スリット傾斜角度θ、スリット開き角度α、スリット長さＬｓ、前面の入口風速、フィンカラー内側温度、前面の空気入口温度、列数、伝熱管の配置、スリット高さＨｓが異なっていてもよく、スリット幅ｗを１ｍｍから３ｍｍ、このましくは２．０ｍｍから２．５ｍｍにすることで、形態２と同様の効果が得られる。

実施の形態１の熱交換器を説明するための図である。実施の形態１のスリット３の断面形状を説明するための図である。実施の形態１のスリット４の断面形状を説明するための図である。実施の形態１のスリット５の断面形状を説明するための図である。実施の形態１の具体例を説明するための図である。実施の形態１の具体例のスリット３の断面形状を説明するための図である。実施の形態１の具体例のスリット４の断面形状を説明するための図である。実施の形態１の具体例のスリット５の断面形状を説明するための図である。実施の形態１の熱交換量を説明するための図である。実施の形態１の圧力損失を説明するための図である。実施の形態１の熱交換量を圧力損失で除した値を説明するための図である。実施の形態２の熱交換器を説明するための図である。実施の形態２の具体例を説明するための図である。実施の形態２の具体例のスリット３の断面形状を説明するための図である。実施の形態２の具体例のスリット４の断面形状を説明するための図である。実施の形態２の具体例のスリット５の断面形状を説明するための図である。実施の形態２の熱交換量を説明するための図である。実施の形態２の圧力損失を説明するための図である。実施の形態２の熱交換量を圧力損失で除した値を説明するための図である。

符号の説明

１伝熱管、２、２ａフィン、３スリット、４スリット、５スリット、６スリット傾斜角度θ、７スリット傾斜角度、８スリット傾斜角度、９空気の流れ、１０空気の流れ、１１スリット傾斜面、１２スリット傾斜面、１３スリット傾斜面、１４スリット平行面、１５スリット平行面、１６スリット平行面、１７スリット幅、１８スリット幅、１９スリット幅。

Claims

所定間隔の隙間を有するように積層され前記隙間を空気が流動するフィン群と、このフィン郡を貫通するよう挿入され内部を流体が流動する伝熱管群とから構成される熱交換器において、前記フィンの面上にスリット状の切り起しを複数配設し、前記スリット状の切り起しの脚部と前記フィン表面とがなす角度を１０度から３０度にしたことを特徴する熱交換器。
スリット状の切り起しの脚部とフィン表面とがなす角度を１５度から２５度にしたことを特徴する請求項１記載の熱交換器。
空気の通過方向に対してスリット状の切り起こしの長さが１ｍｍから３ｍｍであることを特徴とした請求項１または請求項２記載の熱交換器。
空気の通過方向に対してスリット状の切り起こしの長さが２ｍｍから２．５ｍｍであることを特徴とした請求項１または請求項２記載の熱交換器。