JPH03110396A - ラビリンス形熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本願は家庭用及び業務用に用いられる冷房、冷凍、暖房
その他の熱交換機に使用する熱交換器に関するものであ
る。

（従来の技術） 従来、家庭用及び業務用に用いられる冷房、冷凍、暖房
その他の熱交換機に使用する熱交換器には熱媒体を流通
させるチューブとそのチューブに何等かの形で接触して
いる熱交換用フィンとから成つている゛、　特に大形の
熱交換器にあっては多層のボード状フィンを複数の冷却
管が貫通してなる熱交換器の形のものが多く用いられて
いる。

この種の熱交換器の熱効率を上げるための種々の工夫が
行われている。たとえば材質の検討フィン形状の検討な
どでありこれ等はそれなりの効果を土山してはいるもの
の未だ十分ではなくコスト的設偏的より、より好ましい
熱交換器が盟まれでいる。

又、従来の熱交Ｊａ器ではそこを流出するガスがある種
の方向性を有しており、このためクーラー等ではフラッ
プを用いてこれを修正することが区られている。　　し
かし、これも余分なフラップ装置によりコストアップの
要素と成っていた。

（発明が解決しようとする課題） 上記のごと〈従来も色々な工夫によりｌｔ！、交換器の
性能向−Ｅが図られてきた。しかし、熱交換効率の基本
的なところに立返り解決していないため未だ十分とは言
えないのが現状である。

−ｍ的に熱交換器にお゛ける伝熱効率を上げるためには
、下記のような方法がある。

Ａ　単位時間内の流体との接触量を増す１）流体速度を
大きくし接触流体量を増ずイ、全体の流体速度を大きく
する 口、接触面での流体速度を大きくする ２）流体の伝熱面におけるよどみ層をなくず３）伝熱面
の配置を工夫する Ｂ　流体内の伝、熱効率をあげる １）流体密度を上げる ２）流体内の境界層を小さくする ３）伝熱面との温度差を大きくする Ｃ　伝熱面積を増す Ｄ　伝熱効率の良い材料を用いる この内Ａ−１）−イはブロアーを大きくする等設Ｄｉｉ
的なコストアップとなり、Ｂ−１）、３）は特殊な装置
の必要性及びコストアップをもたらしＣ，Ｄも同様にコ
スト的に好ましく無い。

又、Ａ−３）は配管を流体の流れ方向に対し千鳥状に配
列し流体との接触増加を図るなどである程度の効果を得
ている。しかし、これとてもＡ−１）−口、Ａ−２）及
びＢ−２）のごとき流体との接触状態及び流体内におけ
る熱効率の改善という点では直接的な影響は無く未だ十
分ではない。

本発明は、主として熱効率の向上のための基本的な要素
により又コストアップにならない手段により改善しよう
とするのがその目的である。

（、ｉ！ｌ！′ａ２解決するための手段）本発明は、多
層のボード状フィンを複数のチュプが貫通してなる熱交
換器において、 該ボード状フィン及び該チューブの外表面を流れる流体
が該チューブとの接触部分においてその流速を速められ
、流体内における境界層が小さくなるように邪魔板を設
け、該邪魔板がハの字形で流体の進行方向にその幅を狭
めるように配設され。

又、相隣るハの字形が修正流れを通すに十分なスキマを
以て配列されており、更に流れの下ｆｉ側に前記チュー
ブの側面を流れた流体がその流れ方向を１ａ向されるよ
うにハの字形邪魔板を漸次配設さ（作用） 上述のごとく、本発明はその特殊な邪魔板をフィンに設
けることにより、熱伝達の基本により熱交換器の効率を
向上させるものである。即ち、１、チューブに当接する
流体の速度を邪魔板の絞り効果によって上げることによ
り接触流体量を増し、単位時間内の熱交換量を増加させ
る。

２、流体内における境界層を小さくすることにより境界
層による熱伝達の劣化を無くす ３、チューブの流体との非当接面に於けるよどみ層を無
くし流体とチューブとの接触時間を増加させる ４、チューブにおける伝熱分布のアンバランスをチュー
ブ及びフィンの総合的なものとしてバランス化し、総合
的に伝熱亙を増す。

これら１−４の対策により熱交換器における性能効率を
飛躍的に向上させるものである。

（実施例） （実方龜ＰＡ　） 以下図面を参照し本発明の詳細な説明 第１１２は本発明のラビリンス形熱交換器のフィン面に
平行な面で切断したある断面の概念図であり、第２図は
第１図の一部を拡大せる拡大概念図であり、第３図は第
２図を３｝視的に見た斜ｐＡ概念図である。

ス第４図は従来の直列形チューブ配列の多層フィン熱交
換器の斜視概念図、第５図はチューブの配列方法を示し
ａは直列形ｂは千鳥形配列を示す。

第６図はチューブに流体が当設する場合の模式図でａは
従来の場合しは本発明の場合を示している第７図はチュ
ーブ及びフィンによる熱放散の分布図の一例を示し、ａ
は従来の場合しは本発明の場合を示している。

７Ｆ．４図の従来のものでは流体（例えば空気）の流れ
方向に対しフィンは平行ｉ１ｉｉチューブは第５図のご
とく直列として配列されており、このため流体の流れは
第６図ａのごとくになる。

即ち流体の流れＡは、チューブ面においてその流れ方向
を変えられる部分＜４　１　１　＞とチューブとは無関
係にチューブ側面をただ通過してしまう部分（４１３）
とに分れる．　チューブ側面をただ通過してしまう部分
（４１３）はバイパス分としてそのノ正（バイパスファ
クター）はチューブとの熱交換に同等影響しないまま通
過してしまう為、効率を上げる為にはこのバイパスファ
クターを極力小さくする必要がある。

このためチューブ配列を千鳥配列にしある程度の効果を
上げることができるが、千鳥配列のＪＳ雑さ及び後述す
る基本的な熱効率の向上のための手段としては未だ十分
とは言えない。

又チューブに沿って流れる流体（第６図ａの（４１１》
）はチューブに沿って流れる層には熱的な境界層が構成
され、この境界層の構成がチューブより又チューブへの
熱量を流体層内で伝達するための障害となる．即ち、こ
の境界層の厚さが大きくなればなるほど熱伝達効率が劣
化する。

はこの境界層を出来るだけ小さくすることが必要である
。

本発明はこの二つの熱効率改善の目的の為に第１図及び
第２図に明示せるごとき方法をもってこれを解決しよう
とするものである．即ち、流体の流れ方向　Ａに対しチ
ューブに当接する面に対し流体の流れに沿ってその幅距
離を狭くするごとく邪魔板＜１１０．２１０，３１０・
・・）を設ける、この邪魔板はフィン面に配設ずるてい
るがフィン構成材より打抜き曲げにより張出してもよく
。

また、別途の邪魔板としての６のを溶接とうにより設け
てもよい。

しかしフィン構成材より打抜き曲げにより張出すことに
より構成するのが後述の理由及びコス１・的から好まし
い。

このようにハの字形にｆｔ成された邪魔板により流体の
流れＡはその絞り効果により邪魔板を出た所でその速度
を速められチューブに当接する。

この速度が速められることによりチューブとの接触流体
及《単位時［ゴ内の）が増加し熱交換量が増すばかりで
なく、前記境界層の厚さが第８図ａのごとく小さくする
ことができ、第８図ｂのごとく熱伝達効率が向上する。

このようにチューブに当接する部分での流れ速度のアッ
プはその当接側で効果を発揮するばかりかチューブの非
当接側＜３１２．３２２，　　・・》を流れる流体（４
１２，４２２，　　・・）においては流れがチューブよ
り離れその結果チューブ面との間に、いわゆる「よどみ
層」を生じる．　このよどみ層は流体がチューブに十分
接触しない部分でありこのため熱伝達は劣化する。

本発明においては、前記への字形の邪魔板をチューブの
弁当ｔＩ（Ｉｌ！Ｉ（３１２，３２２．　　・・》への
流れをチューブに沿うごとく修正しよどみ層を少なくす
るものである．従って前記への字形の邪魔板はこの拡散
しようとする流体の流れを規制する位置になくてはなら
ない．しかし、邪魔板を十分に前方に張出すことは設計
上自ずと制限があり、本発明にあっては、前記ハの字形
の邪魔板の入口側において相隣るハの字形の邪魔板との
間に若干のスキマを与えることにより、流体の極一部を
修正流（４１３）としてこのスキマより尋人し、この０
１かな修正流を非当接側の流れに加えることにより次段
のハの字形の邪魔板影響範囲へと導くことを可能とした
。従って流れ（４１２・・）は十分にチューブに沿って
流れるようになり、いわゆるよどみ層を極力小さくする
ことができる。

次に、熱交換器の熱伝達効果を考える場合、当然チュー
ブ自体の熱伝達効果とフィンよりの熱伝達効果との相乗
的なものとして考える必要がある。

一般にチューブからの熱伝達効果を線図であられせば第
７図ａの５１０のごとく、流体との当接側５１１と非当
接側５１２とでは差があり、又チューブに連接するフィ
ンにおける熱伝達効果は第７図ａの６１０のごとくチュ
ーブにより流体流れが拡散される明６１２では前記当接
側６１２に比べ悪化する。

−ｍに熱伝達効果を上げるためにはこの線区の面ｂｙを
大きく且ユニフォームな形に近かずけることが必要であ
る０本発明にあってはチューブとフィンの両者の熱伝達
効果の総合的なものとして、この線区を拡大およびユニ
フォーム化し効率を上げんとするものである。即ち、ｎ
ｉｉ記の格・成により線図を拡大する効果に加えてフィ
ンの熱伝達効果を非当接側１２で線図を拡大しチューブ
側５１２との総合的なものとして全体をユニフォーム化
するようにしたものである。

このため、本発明にあっては前記邪魔板つを当接側より
フィン板を打抜き曲げすることによりこの部分のフィン
効果が直接的に流体と当接する部分を形成することにな
り向上する。即ち、平面フィンに対し縦フィンによる効
果である。

又チューブのフィン当接幕開は邪魔板を打抜いた空洞部
によりフィン面積が中断されておりしたつがてこの当接
部［１１４１ではフィンによる熱伝達効果は削減されて
いる。

このためフィンの熱伝達効果はチューブとは逆に非当接
部側で大きな値をとるものとなる。その結果は各々の熱
伝達効果が補足しあい且全体としてその効果が増加させ
られたものとなる。

チューブの材料は通常使用される銅、鋼その他合成樹脂
製のものでも良い、またフィン材料はアルミ、銅、鋼の
各板その地熱の伝達に優れた打抜き加工しやすいものが
好ましい、又打抜きの他モールド形でフィンや邪魔板を
一体成型してもよいス、実験の結果から邪魔板とチュー
ブとの相関的寸法は次の条件が昆ましいことが分った。

即ち、Ｌ１＝＜２〜４）ｄ−Ｌ２二（０，５〜２０）ｄ
、Ｌ３＝　（０，５〜２．０）ｄ、Ｌ４＝（１〜３）ｄ
、Ｌ５＝（０゜１〜０．５）ｄ、θ１＝２０〜６０′″
、θ２；２０〜６０゜θ１及びθ２は同じ角度で選択さ
れる他にθ１−θ２とし、各列の邪魔板の配列をθ１〉
θ２、θ１くθ２、θ】〉θ２、・・・のごとく交互に
行うことにより、流れは蛇行し１前記のよどみ層わされ
に減少することができる。

実験例では第１列θ１＝３０”　、θ２＝４５”第２列
θ２＝３０°、θ１＝４５・・・とじてその他の条件は
同一でよどみ層を完全に無くすことを得た。

これはθ１＝θ２とすることにより流体の流れ方向が若
干偏向させられ前記修正流と共に次段の邪魔板に作用し
、よどみ眉が消失したものと考えられる。

この目的の為に前記角度を変化させる他にハの字の片側
邪魔板の突出位置を他より若干流れ方向にずらし同様の
効果をつることができる。

このようなラビリンス形熱交換器は熱伝達効果が改善し
、チューブ、フィンの数を大幅に洩らすことが可能とな
った。

ス千烏配列と同様な効果をうろことが出来、直列にする
ことによりコスト的に改善することができる。

本発明の池の目的は、従来家庭用熱交換器などにおける
出口側の流体の流れがフラップなど含必要とする方向性
を持つ流れであるものを多方向の流れに変えて、フラッ
プを省略しようとするものである、このため本発明では
流れの出口において第９図のごときラビリンス部を設け
ることにより解決した。即ち最終段のハの字形邪魔板を
出た流体に対し少なくも１枚以上の流れにほぼ直角な邪
魔板部を設け、そこにおいて流れを乱し無差別方向の流
れとする６のである。その配置は第９図のごときものが
良好な結果を得ているが同様主旨のもであれば如何なる
ものでもよい。

（発明の効果） 上記本発明のラビリンス形熱交換器は比較的単純な祠成
により大きな効果を得ることができ、この１）、熱交換
器のコンバクＩ・化を図ることが出来、フラップを省略
することなどコスト的（こも極めて有利な熱交ｆｆｉ　
器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の概念断面図第２図は第１１
ａの一部を拡大した拡大概念断面図第３図は第２図の斜
視概念図 第４図は従来の多層フィン形熱交換器の斜視概念第５　
ＵＡａは直列形チューブ配列の模式図第５図すは千鳥形
チューブ配列の模式図第６図ａは従来のチューブに当接
する流体流れの模式図、第６１２１　ｂは本発明のチュ
ーブに当接する流体流れの模式図 第７図ａは従来のチューブ及びフィンによる熱放散の分
布図、第７図すは本発明のチューブ及びフィンによる熱
放散の分布図 第８図ａ＋、を流速と境界層の厚さの関係を示すグラフ
、第８図ａは境界層の厚さと熱伝達性能の関係を示すグ
ラフ 第９図は本発明の直角な邪魔板の一実施例を示す概念図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多層のボード状フィンを複数のチューブが貫通して
   なる熱交換器において、 該ボード状フィン及び該チューブの外表面を流れる流体
   が該チューブとの接触部分においてその流速を速められ
   、流体内における境界層が小さくなるように邪魔板を設
   け、該邪魔板がハの字形で流体の進行方向にその幅を狭
   めるように配設され、又、相隣るハの字形が修正流れを
   通すに十分なスキマを以て配列されており、更に流れの
   下流側に前記チューブの側面を流れた流体がその流れ方
   向を偏向されるようにハの字形邪魔板を漸次配設された
   ことを特徴とするラビリンス形熱交換器。 ２）前記ハの字形邪魔板がボード状フィンより打抜き曲
   げにより構成されたことを特徴とする請求項１記載のラ
   ビリンス形熱交換器。 ３）前記ハの字形邪魔板が Ｌ１＝（２〜４）ｄ、Ｌ２＝（０．５〜２．０）ｄ、Ｌ
   ３＝（０．５〜２）ｄ、Ｌ４＝（１〜３）ｄ、Ｌ５＝（
   ０．１〜０．５）ｄ、Ｌ６＝（０．５〜１．５）ｄ、Ｌ
   ７＝３ｄ／４ なるごとくに配列されたことを特徴とする請求項１記載
   のラビリンス形熱交換器。