図面 (/)

技術 熱交換器

出願人 株式会社日立製作所
発明者 伊藤正昭田中武雄松島均
出願日 2000年2月15日 (20年1ヶ月経過) 出願番号 2000-041388
公開日 2001年8月24日 (18年6ヶ月経過) 公開番号 2001-227890
状態 未査定
技術分野 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部1
主要キーワード ヌッセルト数 パイプ列 上流側フィン 下流側フィン 代表長さ フィン板 平行平板間 周期境界条件
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年8月24日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (15)

課題

従来技術では、渦発生体の高さが高い程、発生する渦が強くなり、その結果、伝熱促進が図られると考えられていた。従って、高い伝熱性能を得るためには、圧力損失が増大し、流体を送る動力が増大することが避けられないという欠点があった。

解決手段

本発明では、詳細な数値計算をすることにより、渦発生体の高さが伝熱性能に与える影響を明らかにした。その結果、渦発生体の高さは、フィンピッチの10〜50%の間で、熱伝達率は最も高くなり、圧力損失を大幅に低減できることが分かった。

概要

背景

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型熱交換器(図4に示す)に用いる伝熱フィン伝熱促進方法には、2つの方法がある。

一つは、図4に示すように、フィン面上に切り起こした微細ルーバを、流入する流体(空気)にできるだけ直接触れる位置に設け、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7−109353 号公報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。渦発生体による伝熱促進の公知例として特開平9−133487号公報,特開平11−166796号公報を挙げることができる。これらの公知例においては、渦発生体の高さについて詳細な記述はなく、渦発生体高さがフィンピッチと同程度まで高い時に、性能が良くなることが記載されている。

両方の伝熱促進方法を兼ね備えたものとしては、特開平11−281279号公報がある。

概要

従来技術では、渦発生体の高さが高い程、発生する渦が強くなり、その結果、伝熱促進が図られると考えられていた。従って、高い伝熱性能を得るためには、圧力損失が増大し、流体を送る動力が増大することが避けられないという欠点があった。

本発明では、詳細な数値計算をすることにより、渦発生体の高さが伝熱性能に与える影響を明らかにした。その結果、渦発生体の高さは、フィンピッチの10〜50%の間で、熱伝達率は最も高くなり、圧力損失を大幅に低減できることが分かった。

目的

本発明は、これら渦発生体の高さをフィンピッチの何%くらいにしたら、熱伝達率が高く、圧力損失が小さく、熱交換器としての性能が良くなるかを明らかにすることにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

薄い平板状の伝熱フィンを一定のピッチで平行に複数枚並べ、フィン間に流れる流体フィンを加熱または冷却する熱交換器フィン面上に、長方形渦発生体を設け、該渦発生体のフィン面との接触線は、フィン端面と交差する方向にして、流体の流れ方向に対して迎え角度γを持つようにし、さらに、該渦発生体の立ち上げ面はフィン母材面に対して、流体が流入する上流側方向に傾斜角度βだけ傾斜させた渦発生体を設けた熱交換器において、該渦発生体の底辺から頂辺までの距離を、フィンピッチの10%以上50%以下としたことを特徴とする熱交換器。

技術分野

0001

本発明は、主としてクロスフィンチューブ型空冷熱交換器に用いる伝熱フィンに係る。

背景技術

0002

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型熱交換器図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、図4に示すように、フィン面上に切り起こした微細ルーバを、流入する流体(空気)にできるだけ直接触れる位置に設け、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7−109353 号公報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。

0004

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。渦発生体による伝熱促進の公知例として特開平9−133487号公報,特開平11−166796号公報を挙げることができる。これらの公知例においては、渦発生体の高さについて詳細な記述はなく、渦発生体高さがフィンピッチと同程度まで高い時に、性能が良くなることが記載されている。

0005

両方の伝熱促進方法を兼ね備えたものとしては、特開平11−281279号公報がある。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は、これら渦発生体の高さをフィンピッチの何%くらいにしたら、熱伝達率が高く、圧力損失が小さく、熱交換器としての性能が良くなるかを明らかにすることにある。

課題を解決するための手段

0007

平行平板間の下面に渦発生体を設けるとする。渦発生体の高さHが低ければ、渦を発生させる力が弱く、下流側の伝熱促進は小さいと予想される。渦発生体の高さHを高くすると、渦を発生させる力は強まるが、その反面、圧力損失が大きくなって熱交換器としては使いにくいものとなることが予想される。そこで、渦発生体には、最適な高さがあると考えられる。その高さは、平行平板間の距離、すなわちフィンピッチfpに比例した値になると考えられる。本発明では、数値計算実験により、H/fpの最適値を求めた結果、H/fpが10%以上50%以下であることを見出した。

発明を実施するための最良の形態

0008

以下本発明の一実施例の熱交換器用フィンについて、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型熱交換器7の伝熱フィン1に係る。クロスフィンチューブ型熱交換器は、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内を流れる冷媒蒸発、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、部分的に示している。まず図1においてフィン1は、伝熱管挿入孔3,渦発生体4およびフィン母材5で構成する。本実施例では、気流に対し迎え角度γを持ち、フイン母材面に傾斜角度β長方形渦発生体を貼り付けた場合を示す。迎え角度γの最適値が30°から70°の範囲にあり、傾斜角度βの最適値が20°から90°の範囲にあることは、特開平11−166796号公報で明らかにされている。なお、本発明では、傾斜角度βの定義を、空気上流側フィン面から渦発生体面までの角度とした。従って、渦発生体が空気上流側に傾斜している場合、傾斜角度βは鋭角となる。本発明では、このような長方形渦発生体を、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、渦発生体の高さHをフィンピッチfpの10%以上50%以下に限定したことを特徴とする。

0009

また図2は、積層したフィン面上に、渦発生体の下流側フィンを切り起こして渦発生体とした場合の形状を示す図で、黒い部分は切り起こした跡の穴を示す。図3は、渦発生体の上流側フィンを切り起こして渦発生体とした場合の形状を示す図で、黒い部分は切り起こした跡の穴を示す。穴が存在する場合でも、穴が無い場合と同様の伝熱促進効果が得られることは、公表された論文(例えば、第36回日本伝熱シンポジウム講演論文集E213,p.401(1999−5))から明らかである。しかし、剛性耐食性の面からは切り起こし穴の無い方が望ましい。本発明では、渦発生体高さが小さいので、フィン母材を絞り加工などにより、切り起こさないでも、渦発生体をフィン面上に設置することが可能である。

0010

渦発生体4の形状については、ここでは、伝熱促進効果が大きい長方形形状を示したが、三角形渦発生体でも半円形渦発生体でも、本発明の適用は可能である。

0011

以下に、渦発生体高さHの最適値をいかにして求めたかを説明する。図5には、長方形渦発生体から生じる縦渦の構造を示す。渦発生体を乗り越えてその背後の負圧の部分から生じる渦を主渦と言い、渦発生体の前面に巻き込まれるように生じる渦をコーナー渦と呼んでいる。傾斜角度βを付けることは、主渦の発生にもコーナー渦の発生にも有効である。

0012

先ず、数値計算により、渦発生体の高さの影響を調べた。計算モデル図6に示す。フィンピッチfpは2mmに固定し、渦発生体の高さHを0.2mmから1.8mmまで変化させた。渦発生体の高さHが、フィンピッチfpの何%に相当するかを示すと、10%から90%まで変化させたことになる。図6に示すように、渦発生体の長さは3.6mm 、迎え角度γは45°、傾斜角度βは60°に固定した。上面と下面は、50℃一定とし、入口空気温度は20℃とした。側面は、周期境界条件とした。

0013

計算結果の一例を図7ないし図9に示す。図7は、風速1m/s時の上面と下面の熱伝達率の比較を示す。下面とは、渦発生体を設けた底面であり、上面とはそれに対向する天井面である。興味深いことは、上面の熱伝達率は、渦発生体の高さが高くなるにつれて高くなるのに、下面の熱伝達率は、渦発生体の高さHが1mm(すなわちフィンピッチの50%)でピークを持つことである。この理由は次のように考えられる。上面には渦発生体によってせき止められ加速された流体が噴流となって吹き付けるので、その速度が大きい程熱伝達率が高くなる。従って、渦発生体の高さが高い程、熱伝達率が高くなる。一方下面について考えると、渦発生体の高さが高くなるにつれ、その下流側に生じる渦は強くなるが、下面から離れたダクト中央付近に生じるようになる。

0014

そのため、下面の温度境界層は薄くならず、熱伝達率は低下してしまう。渦が強く、しかも渦発生位置が下面に近いという両方の条件を満たす渦発生体高さが1mm(すなわちフィンピッチの半分の高さ)であることが推察される。ガスタービン燃焼器ライナーのように、下面だけの伝熱促進が必要な場合には、渦発生体の高さを流路高さ50%程度にすることが最も好適である。しかし、クロスフィン型熱交換器のように、フィンが何枚も積層されている場合には、上面の熱伝達率も下面と同じように性能に効く。そこで、上面と下面の熱伝達率の和を、図8に示す。上面と下面の熱伝達率の和は、渦発生体の高さが、0.5mm の時に最大値となるが、0.2mm(H/fp=10%)から1.8mm(H/fp=90%)までほとんど変わらず、高い値を示す。図7図8は、前面風速が1m/sの場合の例であるが、14m/sに風速を上げても、この傾向はほとんど変化しなかった。

0015

熱交換器としては、熱伝達率だけでなく、圧力損失も重要な性能因子である。図9には、横軸を前面風速にし、渦発生体高さをパラメタとした圧力損失を示す。この結果から、圧力損失は、渦発生体高さとともに単調に大きくなることが分かる。

0016

従って、同じ熱伝達率ならば、圧力損失の小さい方が有利なので、上面と下面の熱伝達率の和が熱伝達率を決めると考えられるクロスフィン型熱交換器では、渦発生体高さHをなるべく小さくした方が有利である。少なくとも、熱伝達率が最大値となる1mmすなわちフィンピッチの50%よりさらに高くする必要はない。また、0.2mm 以下すなわちフィンピッチの10%以下にすると、温度境界層の中に埋もれてしまって、伝熱性能が低下することが予想される。従って、渦発生体高さHは、フィンピッチfpの10%以上50%以下とすべきである。

0017

以上のことから、下面の伝熱促進が必要な場合でも、上下面の伝熱促進が必要な場合でも、渦発生体の高さHをフィンピッチの10%以上50%以下にすべきことが結論付けられ、特許請求項1が生まれた。

0018

次に、渦発生体の高さHを1.8mmで一定にし、フィンピッチfpを1.7mm,2.1mm,3.0mmと変化させた実験を行った。この時のフィンピッチfpに対する渦発生体高さHの割合は、106%から60%まで変化している。実験に使ったフィンは、図1に示すもので、迎え角度γは45°、傾斜角度βは60°に固定した。実験結果を図10図11に示す。フィンピッチが変化しているので、フィンピッチfpの2倍を代表長さとした無次元整理を試みた。横軸のレイノルズ数Re、縦軸ヌッセルト数Nu、摩擦係数fは次式で定義される。

0019

Re=u・2fp/ν …(1)

0020

Nu=α・2fp/λ …(2)

0021

f=ΔP/(2(L/2fp)・ρu2 …(3)
ここで、νは流体の動粘性係数、λは流体の熱伝導率、ρは流体の密度であり、uは前面風速、Lはフィンの奥行、ΔPは圧力損失である。

0022

図10より、フィンピッチが変化しても、無次元数で整理した熱伝達率Nuは、渦発生体高さがフィンピッチの60%から106%まで変化しても、変わらないことが分かる。図10には、フィンピッチを2.0mmと3.0mmに変化させた計算結果も記入した。計算結果は実験結果と良く一致している。

0023

一方、図11に示すように、圧力損失を無次元化したfの実験結果は、フィンピッチに対する渦発生体高さの割合が大きくなる程、大きくなっている。計算結果は、実験結果よりかなり小さい値になっているが、この理由は実験ではパイプが存在するのに対し、計算ではパイプが存在しないためである。しかしながら、計算結果の傾向は、実験結果と一致して、渦発生体高さが高くなる程、圧力損失が大きくなることを示している。なお、図10図11には、参考のために平行平板の値を示しておいた。

0024

以上のことより、計算結果は実験結果と一致しており、フィンピッチfpを変えても適用することのできるものであることが分かる。すなわち、渦発生体高さは、その絶対値で限定すべきものではなく、フィンピッチに対する割合(H/fp)で限定すべきものであることが立証された。

0025

さらに、従来、渦発生体高さが高い場合には、図2図3に示すように、フィン面から切り起こしたフィン板を用いて渦発生体とするのが普通である。しかし、本発明で明らかになったように、渦発生体高さがフィンピッチの10〜50%と低くて良いということになると、その製作方法も変わってくる。フィンピッチが2mmの場合には、その10%というのは0.2mm となり、この程度の高さであれば、切り起こす必要はなく、プレスによる絞り加工などで容易に渦発生体を製作することができる。その場合、切り起こし穴が存在しないので、流体の通り抜けがなくなり、性能が低下しないという利点の他に、フィンの剛性が高まり、腐食に強くなるという利点が生じる。ここから、特許請求項2が生まれた。

0026

次に、この渦発生体群をクロスフィン型熱交換器用フィンのどの位置に設けたら良いかを実験的に検討した。図12図13試作した2種類のフィンである。図12のフィンは渦発生体群をパイプ列の空気上流側に設置したものであり、図13のフィンは渦発生体群をパイプ列の空気下流側に設置したものである。実験結果を図14に示す。渦発生体群を空気上流側に設置した方が、下流側に設置した場合より、熱伝達率は高く、圧力損失は小さいことが分かる。この理由は、渦発生体の伝熱促進効果は空気下流に長く持続するので、できるだけ上流側に設置した方が、伝熱促進効果が大きくなること、パイプで乱れた流れの中に渦発生体を設置すると、乱れの少ない入口付近に設置するより、圧力損失が大きくなるためと考えられる。以上のことより、渦発生体群は、パイプ列より空気上流側に、フィン端面に平行に1列にして、設置することが望ましいことが分かる。ここから特許請求項3が生まれた。

発明の効果

0027

以上述べてきたように、本発明では、クロスフィンチューブ型熱交換器のフィン面上に設置する渦発生体の高さを、フィンピッチの10%以上50%以下の範囲に限定したので、圧力損失を抑えつつ、熱伝達率を高い値に保つことができる。この結果、ファン動力を小さく抑えた高性能熱交換器が実現でき、省エネルギ型空調機に寄与することが可能である。

図面の簡単な説明

0028

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本発明の別の実施例に係る伝熱フィンの形状を示す正面図である。
図3本発明の別の実施例に係る伝熱フィンの形状を示す正面図である。
図4空調機用熱交換器に用いられるクロスフィンチューブ型熱交換器の斜視図である。
図5本発明の実施例に係る長方形渦発生体によって生じる渦の構造を示す概念図である。
図6本発明の実施例に係る伝熱フィンの熱伝達率を計算するための計算モデル図である。
図7本発明の実施例に係る伝熱フィンの上面と下面の熱伝達率の比較図である。
図8本発明の実施例に係る伝熱フィンの上面と下面の熱伝達率の和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の圧力損失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、無次元熱伝達率の実験と計算の比較図である。
図11本発明の実施例に係る伝熱フィンの、無次元圧力損失の実験と計算の比較図である。
図12本発明の実施例に係る、渦発生体群をパイプ列の上流側に設置した伝熱フィンの形状を示す正面図である。
図13本発明の実施例に係る、渦発生体群をパイプ列の下流側に設置した伝熱フィンの形状を示す正面図である。
図14本発明の実施例に係る伝熱フィンの、渦発生体群の設置場所の違いによる伝熱性能の違いを示す特性図である。

--

0029

1…伝熱フィン、2…伝熱管、3…伝熱管挿入孔、4…渦発生体、4a…下流側切り起こし渦発生体、4b…上流側切り起こし渦発生体、5…フィン母材、6…流入空気、7…クロスフィンチューブ型熱交換器。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い技術

関連性が強い 技術一覧

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ