JPH0331998B2

JPH0331998B2 -

Info

Publication number: JPH0331998B2
Application number: JP57195231A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Konaka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-11-09
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1991-05-09
Also published as: JPS5986896A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、管外周に放射状細片付基フインを
巻いてなる小ビレ付フイン管又は、単管あるい
は、複数管列を単位として、小ビレ付フイン板を
積層固着したものを熱交換素子とした装置に関す
るものである。

フイン付熱交換素子は自動車用ラジエター、オ
イルクーラ、空調用機器や、家電製品向のものに
対し急速な発達を遂げた。この発明は、上記用途
の他、従来比較的発達のおくれていた、高温、高
圧、大容量の重工業用としても広く適用し得る高
効率熱交換装置を提供したものである。従来のフ
イン巻管は、その巻付基フインから、管表面に
ほゞ直角に立上がつたスパイラルフイン又は、切
欠き付スパイラルフインであり、前者の場合はフ
イン根元に発生するフインの内外周長差相当のし
わをそのままとしたものが一般であつた。その管
外熱媒流はフイン間空〓をフイン表面に沿つて流
れ所謂プレートフインタイプのフイン表面伝達を
主とする熱移動形式のものであつた。

この発明は、管の外周に、小ビレを切起し形成
したフインをらせん状に巻付けるか積層固着した
フイン管を有し、該フイン管の外側空間を、管軸
直交方向の熱媒気体流路とした装置において、上
記小ビレは、夫々管中心からの距離に応じ、断面
形の変移したひねり曲面又は、折曲面小ビレ、あ
るいは平面小ビレとなし、該小ビレの複数を管軸
方向に配列してヒレ列となし、複数ヒレ列毎また
は隣接ヒレ列毎にヒレの弯曲、ひねりまたは、折
曲げ方向を逆にすることにより、波行整導流する
と共に先列ヒレの流出角と次列ヒレの流入角を同
一となし、しかも流線位相を互いに偏位させて熱
媒気体の分割混合を繰返し、各ヒレにより管壁寄
りに夫々進路修正整導流をするようにし、管にお
ける熱媒気体流路正面及び背面中心線の両側位置
のヒレを、その根元近傍部分で折り曲げ、両者突
き合せて山形状の傾斜面を形成し、その傾斜面で
管の流路正面及び背面を被覆した、夫々構成より
なる小ビレ付フイン管熱交換装置に関する。小ビ
レの熱伝達は前縁効果を主体とし、流れに沿つた
夫々隣列ヒレは互いに相違した流線状に配列し、
横列ヒレ間の夫々間〓流は次々に小ビレの前縁に
より分割され湾曲中腹部により方向転向、疎密流
混合、合流繰り返し、ヒレ表面の伝熱効果を高め
ると共に、小ビレを管中心からの距離に応じ、そ
の断面形を変移した、ひねり曲面となし、流れを
管壁寄り進路修正整導流し、２次元的に整導流
し、流れ損失少なく熱伝達の良好なものとする。

従つて、高圧流体、大容量のヒレ付きフイン円
管又は、楕円管を素子とする熱交換装置には特
に、その効果が大きいものである。具体例につい
て説明する。

第１図は従来公知のヒレ付フイン巻管の例を示
し、フイン２のヒレ３を管１に巻付ける際に必然
のフイン内外周長の差を処理する１方法として、
巻付前片側に切欠き３′を入れたものを巻付け、
切欠き部を自動的にその部半径に応じて開脚３″
する如くしたものであり、製作の容易さと伝熱性
能においても、切欠きなしのリボンフインに比
し、その表面流乱れによる向上を期待できるもの
となした反面、それ相当の流れ抵抗の増大を伴う
ものであつた。こ場合は、各ヒレは同一流線に沿
つてその延長線上に配列しヒレ表面の流れは基本
的には各ヒレ表面を連続して結んだスパイラル間
〓に沿うものであつた。

第２−１図はこの発明のヒレ付フイン巻管を千
鳥配列とした管束流路の管軸直交方向流れの展開
流線図である。（第４図参照）。

第４図において、第１管列の右側ヒレＲを通過
した熱媒流れ１０は、次いで第２管列の左側ヒレ
Ｌを通過する流路順流する。

第２−１図は管外周１巻につきヒレ12個等分、
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１６′，
１５′，１４′，１３′，１２′，１１′ヒレの形状
は円弧状に湾曲したものとし、その前・後・縁の
切線角を管軸直角面に対し±θ₁となしたものを凸
凹交互に配列した場合のものを示す。管外熱媒気
体は、ヒレ列の間を蛇行し、その間、ヒレの流線
位相が互いに偏位しているので、ヒレの前縁効果
と各流線の分割、方向転換、疎密混合、合流が繰
返され、ヒレ表面の夫々熱伝達を効率高く授受
し、しかも、ヒレによる整流作用のため、その流
路圧力損失は比較的小さい。管軸直交方向流れに
対し管の前、後縁の抵抗を減ずるため、その部分
のヒレ１１，１１′，１６，１６′の根元を折曲
げ、山形状の傾斜面２１，２１′，２６，２６′を
形成し、管の正面、背面の中心線部分をその傾斜
面で覆つて流れを流路形状に導流した。

第２管列を千鳥配置とした場合（第４図参照）、
第１管列のヒレ１５，１６と第２配列のヒレ１
１′，１２′は、その外円周で接することになり、
この部分の流れの混乱防止のため、同一形状のヒ
レ列を流れ方向に隣接する配列となしたものであ
る。

流出角θ₁弯曲ヒレの間にθ₁の傾斜ヒレを介在せ
しめ、複数ヒレ列毎の凸凹配列としてもよい。ま
た併列に隣接する管のヒレは、流れの混乱防止の
ためその形状を揃えることが望ましい。そのため
に各管毎に、その軸線を含む１つの平面に対し、
左右側の各ヒレは対象形状のものとなす。

第２−２図はこの発明の小ビレの概念説明図で
ある。Ａ図は小ビレ面の折曲線をその前縁と管後
方側に交差状とし、複数斜面ひねりヒレとなし、
流し１０を管壁寄り流れ１０′となるように進路
修正するようにしたものである。上図は平面図、
中央図はヒレ先端方向から見たヒレの先端付近と
根元付近の断面図、下図は側面図である。Ｂ図は
ヒレ根元寄りのヒレ傾斜を先端より小としたひね
りヒレとし、Ａ図同様に流れ１０を管壁寄り流れ
１０′とするようにした例である。上記小ビレは、
その管壁からの距離に応じヒレ断面形を変移した
ものである。Ｃ図はフイン母板より切起し、長手
両端が母板と接続した小ビレの平面図であり、小
ビレの長手中央を振分けに流れ１０を左右方向に
導流する両端支持ヒレの例であり、夫々長手半分
は上述したＡ又はＢと類似形状である。第３図は
上述したヒレ付フイン管の製作要領例の説明図で
あり上図は側面図、下図は平面図である。第１図
の如き切欠き３′入りフインの管巻込み前工程と
して、１組のヒレ成形ロール４，４′により管ひ
と巻き単位又は、その倍数のロール駒付成形ロー
ルを前置し、第３−１図の平面展開図の如き、ヒ
レ付フイン管を製作する。即ち、管軸を含む１平
面、例えば0゜−180゜を結ぶ軸のスパイラル断面に
対し、左右対称のヒレ形状のフイン管を成形ロー
ルをもつて製作する例を示した。千鳥配置管束
に、この発明を実施した具体例を第４、第４−１
図に示し、その流路展開流線図は第２図をもつて
前述した如くである。第４図は、ヒレ付フイン巻
管束熱交換部の管軸直角断面図である。円円管９
の流れ圧力損失を軽減するため、流れ方向１０に
対し、その流路正面及び背面中心線の両側位置の
ヒレ１１，１１′及び、１６，１６′の根元を、
夫々２１，２１′，２６，２６′の如く折曲げ円管
９の前、後縁のフインピツチ間〓を被覆し、管の
前、後縁を流線形化して導流し、管束抵抗を大幅
に減少した。第４−１図は、ヒレ１１−１６の根
元の展開図であり、αはスパイラル角度である。

２１，２６のハツチングした部分がヒレの折曲
げによつて形成された山形状の傾斜面であり、管
軸の正面、背面を被覆し、ヒレ１１，１６はその
分だけ他のヒレより放射長が短絡することになる
が、流路全体としての導流、整流に支障はない。

上述した如く、ヒレ列を翼列とし流路を波行流
なし整流、導流なし、管軸周りの整流、導流とし
て前記、１１，１１′，１６，１６′の流入、流出
ヒレの根元部で管の前、後縁を覆つて流路形化
し、その管の横側面に導く手段のほか、ヒレ１１及び、１６を管軸方向及び、管軸直交
方向に湾曲又は、傾斜せしめ、管前縁に対し流れ
を斜流として管の形状抵抗を減じその他のヒレ１
２，１３，１４，１５は第２−２図により説明し
た液行と旋回の２次元導流及び整流翼列となす。

第４−２図は、管のヒレ形状により管の周囲の
流れに求心分速度を生ぜしめ、流路の管軸旋回導
流をなさしめることを説明したものである。管前
縁に流入した流れ７０は、ヒレ７１の根元形状７
１′により７１₁となして、ヒレ７２に流入し、ヒ
レ７２の管軸方向及び、軸直交方向の湾曲又は、
傾斜による誘導により求心方向分速７２₂を生ぜ
しめ、その合成速度７２₁とする。同様にして７
２₁は、ひれ７３内で７３₂と合成し７３₁となる。
同様にして７４₁，７５₁となり７６及び、７６′
は合流して７０′となつて流出する。この場合の
求心分速度の発生は、１例として夫々ヒレのひね
り（交互正負方向ひねり基準線、７２′，７３′，
７４′，７５′）により惹起せしめるものと仮定し
た。千鳥配列は勿論、碁盤目配列の管束に交差す
る管外熱媒気体を之等形状のヒレ列を翼列となし
て管軸間流路の波行流形成と共に管軸周りの旋回
流を合成し２次元的導流及び、整流し、流れ抵抗
の少ない、ヒレ前縁効果の大きい、ヒレ付フイン
管熱交換装置となし得たのである。

第５図、第５−１図は、第４図の場合と流路の
導流、整流方法を異にした場合の具体例を示す。
LR，RLは、１つのヒレの流入、流出方向が
夫々、左ネジ−右ネジ、右ネジ−左ネジ方向のも
のを示し、NL，NRは、夫々軸直角−左ネジ、
軸直角−右ネジ、のものを示す。対向ヒレ配列の
管間流路には夫々、Ｒ−Ｌ，RL−LRの対称ヒレ
を配置し、管軸基準として、反対方向表現のもの
となし、１組の流路内のヒレ列を均整した導流、
整流作用をなさしめる如くす。

第６図は、その成形ロールの１具体例の概念説
明図である。

第７図はこの発明のヒレ付フイン楕円管素子の
断面図である。管外流６３に対し管５０の前縁ヒ
レ５１の根元部５１′の形状で流れを流線形状に
導流し管外流体抵抗を軽減すると共に、ヒレ５
１，５２，５３，５４−を前述円管の場合と同一
の趣旨のヒレ形状配列となす。６２はＬ形フイン
の管胴付部、６１，６１′は楕円管後縁部のヒレ
と、その根元縁を夫々示す。このようなヒレ付フ
イン楕円管素子をもつて前述円管の場合と同様、
碁盤目又は、千鳥配置の管束のの熱交換装置とな
し、ヒレ５１の根元５１′と後続するヒレ配列に
より、２次元的導流、整流を合理的になし、前縁
効果と流の分割、導流混合、合流等を流路に沿つ
て繰返し、高い伝熱効果を発揮したヒレ付フイン
管熱交換装置となす。

次に、管の外周にヒレ付板積層取付をなしたも
のを、熱交換素子とした装置の説明をする。

第８図及び第９図は、従来普通に使用されてい
る積層プレートをフインとした楕円管及び、円管
束熱交換素子の外観図である。

管配置は千鳥又は、碁盤目をなす。積層プレー
ト表面に付着した熱媒気体の境界層のため、流の
前縁より奥に進むに従つて局所熱伝達率の低下は
不可避であり、管配置又は、ウエービイフインの
採用により管外流を乱すことにより熱伝達率の改
善が行なわれたが、その流れ抵抗の増大による
種々のデメリツトが大きく、総合効果はそれ程期
待できないままの現状である。

ヒレ付フイン巻管の項で前述したこの発明の趣
意は、そのフイン及び、ヒレの形式如何に拘ら
ず、普遍的に応用できる。

具体例を図示説明する。

第１０図は、この発明のヒレ付積層楕円管の説
明断面図である。図は、単位管の例を示すが、第
１１図又は、第１６図の例の如く、複数管束単位
の素子とすることは、任意である。

管８０に、小ビレを切起し形成したフインプレ
ート８８を所定ピツチ間隔毎に嵌入固着する。管
外流８７に対し楕円管の前、後縁部の流れ抵抗を
減じ、流線を左右に導流する為に前述第３図等の
例の如く、その部のヒレ８１及び、８６の根元を
折曲げ、傾斜面８１′，８６′をもつて管の前、後
縁を覆つて、流線形化して導流した例である。折
曲げ前を二点鎖線、折曲げ後を実線で示す。第１
５図に夫々のヒレ８１〜８６の流れに沿つたヒレ
列断面の１例を示す。ヒレ数は管の前、後縁部を
含めて任意とする。

第１０図の如き単位素子を横列、縦列の千鳥、
又は、碁盤目配置する。

第１１図は流れ９７に併列する複数円管９０の
ヒレ付板９８積層取付した、この発明の熱交換素
子による装置の説明断面図である。

この装置における各ヒレ９２，９３，９４，９
５は第２−２図、Ｃ図に示した方法により形成
し、円管の正面及び背面をヒレ９１，９６を折曲
げ形成した傾斜面９１′，９６′により覆つて流線
化した例である。

第１５図に、流れに沿つたヒレ列の断面の１例
を示す。

ヒレ９１，９６は片持式とし、９２，９３，９
４，９５は両持ち架橋とした例である。ヒレの傾
斜面の成形に際し、成形に起因する肉厚の減少を
防止し、又工作を容易にするため、管の前、後縁
ヒレ９１，９６の根元成形を折曲げ加工とし、従
つて、このヒレを片持ち式としたものである。ヒ
レ根元の肉厚の減少は、そのフイン効率を低下せ
しめるので、フイン及び、ヒレの成形に際し注意
を要し、塑性加工度及び、使用材料の展延性等を
考慮し、ヒレ諸元の特定のヒレを片持式にするこ
とが効果を発揮する。

両持架橋としてフイン母板より切起こした小ビ
レ９２，９３，９４，９６は第２−２図のＣ図に
属するものであり、その長手中間を振分けに、両
側位置の円管周を旋回する上下方向波行流として
２次元導流及び、整流する如くなし、ヒレ９１，
９６と共に順次千鳥配置の管９０群の間を縫つ
て、上下に波行しながら蛇行流せしめる。

第１２図はAA断面図、第１３図はBB断面図、
第１４図はCC断面図、第１６図は流れに対し円
管３横列、５縦列したヒレ付積層板取付管熱交換
素子による装置の説明図であり、前述の第１１図
の素子を縦方向に連結したものとし、積層板１０
８の夫々縦連結部１０９と横連結ヒレ１０７を連
結部となして、夫々のヒレ１０１〜１０６を成形
したものである。ヒレ１０６の成形前後を第１７
図により説明する。切断線を太線、折曲前すじ線
を鎖線、成形後を細線で示す。

aa及びa′a′断面を夫々第１８及び第１９図に示
しヒレ１０１は９１と類似である。bb断面は第
１３図のBB断面と類似し、ヒレ１０４は９４と
類似である。１１０，１１１は素子間の間〓であ
る。

この発明の種々の具体例について説明したが、
以上の具体例に限定するものでなく、又、用途如
何に関せず又フイン管の形状如何に関せず、この
発明の構成精神に基づくものは、全てこの発明に
属すること当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来公知のヒレ付フイン巻管の説明
図、第２−１図は、この発明のヒレ付フイン巻管
素子の流路の管軸直交方向流れの展開流線図、第
２−２図はこの発明の２次元的導流及び整流小ビ
レの概念説明図、第３図はヒレ付フイン巻管の製
作要領例の説明図。第４図は、ヒレ付フイン巻管
束熱交換部の管軸直角断面図。第４−１図は、そ
のヒレ根元の展開図。第４−２図は、管軸直交方
向の導流説明線図。第５図は、第４図と異なる導
流、整流ヒレ列の説明線図。第５−１図は、その
展開図。第６図は、ヒレ成形ロールの１例の概念
説明図。第７図は、ヒレ付フイン楕円管素子の断
面図。第８図は従来の積層プレートフイン楕円管
の外観図、第９図は、従来の積層プレート管束素
子の外観図。第１０図は、この発明のヒレ付フイ
ンプレート積層楕円管の説明断面図。第１１図
は、この発明の併列複数円管を単位としたヒレ付
板積層のものの説明断面図。第１２図は、その
AA断面図。第１３図はBB断面図。第１４図は、
CC断面図。第１５図は、流れに沿つたヒレ列断
面図。第１６図は、３横列、５縦列円管束を単位
とした、この発明の熱交換素子の説明断面図。第
１７図、ヒレ１０１の成形前後の説明図。第１８
図は、aa断面図。第１９図は、a′a′断面図を夫々
示す。１……従来のものの管、２……１の巻フイン、
３……ヒレ、３′，３″……切欠き、４，４′……
ヒレ成形ロール、１１，１２，１３，１４，１
５，１６……この発明のフインのヒレ、１１′，
１２′，１３′，１４′，１５′，１６′……前記管
の反対側のフインのヒレ、１１，１１′……管の
前縁部のヒレ、１６，１６′……管の後縁部のヒ
レ、２１，２１′……１１，１１′の根元、２６，
２６′……１６，１６′の根元、７１……前縁部の
ヒレ、７１′……７１の根元形状、７１₁……７１
の流出方向、７２₁……７２の合成速度方向、７
２₂……７２の求心分速、LR……ヒレの流入、流
出方向が夫々左ネジ、右ネジ方向のもの、RL…
…前記が夫々右ネジ、左ネジ方向のもの、NL…
…前記が夫々軸直角、左ネジ方向のもの、５０…
…楕円管、５１……管５０の前縁ヒレ、５１′…
…５１の根元形状、８１……楕円管８０取付積層
板の前縁ヒレ、８１′……８１の根元、８８……
ヒレ付フインプレート、９１……円管９０の取付
積層板の前縁ヒレ、９１′……９１の根元、１０
７……横連結ヒレ、１０９……１０７との縦連結
部。

Claims

【特許請求の範囲】

１管の外周に、小ビレを切起し形成したフイン
をらせん状に巻付けるか積層固着したフイン管を
有し、該フイン管の外側空間を、管軸直交方向の
熱媒気体流路とした装置において、上記小ビレ
は、夫々管中心からの距離に応じ、断面形の変移
したひねり曲面又は、折曲面小ビレ、あるいは平
面小ビレとなし、該小ビレの複数を管軸方向に配
列してヒレ列となし、複数ヒレ列毎または隣接ヒ
レ列毎にヒレの弯曲、ひねりまたは、折曲げ方向
を逆にすることにより、波行整導流すると共に先
列ヒレの流出角と次列ヒレの流入角を同一とな
し、しかも流線位相を互いに偏位させて熱媒気体
の分割混合を繰返し、各ヒレにより管壁寄りに
夫々進路修正整導流をするようにし、管における
熱媒気体流路正面及び背面中心線の両側位置のヒ
レを、その根元近傍部分で折り曲げ、両者突き合
せて山形状の傾斜面を形成し、その傾斜面で管の
流路正面及び背面を被覆した、夫々構成よりなる
小ビレ付フイン管熱交換装置。