JP3749436B2 - 中断された回旋を具えた熱交換器用乱流化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に、特に、熱交換器に用いられる乱流化装置(turbulizer)に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
内部に流路を形成して並列に積み重ねられたチューブ又はプレートの対から作られた熱交換器において、特に、オイルのような液体がこれらの流路を通る場合は、伝熱を高めるように、チューブの中又はプレート対の内部のプレート間に配置された乱流化装置を利用することは、一般的である。これらの乱流化装置は、通常、エキスパンデッドメタル製の挿入物（インサート）の形状であり、それらは流れの中に乱流を作り出すべく、内部に、凹凸(undulation)や回旋(convolu-tion)が形成されており、かくして、熱交換器内の伝熱を高める。
【０００３】
従来の乱流化装置は伝熱を高めるが、これらの乱流化装置に伴う問題は、それらが熱交換器内の流れの抵抗や圧力の降下をも増大させることである。実際に、乱流化装置によって起こる増大された乱流の一部しか、伝熱を促進するのに有効ではないため、流れの抵抗が乱流化装置によってもたらされた伝熱以上に増大する。残りは、効率を低下させる大小の渦巻きとして浪費されてしまう。
【０００４】
本発明は、回旋の間に配置される回旋していない(non-convoluted)圧力回復区域を形成するように、乱流化装置の中の回旋を周期的に中断する。驚くべきことに、これは、実質的に、伝熱を認識される程度に減少させることなく、乱流化装置によって起こされる圧力の降下を減少させるのである。
【０００５】
【課題を解決する手段】
本発明の１つの観点によれば、内部に形成された複数の平行な回旋の列を有する平面状部材からなる熱交換器のための乱流化装置が提供される。回旋は、回旋間に位置する回旋していない圧力回復区域を形成するように、周期的に中断される。
本発明の別の観点によれば、その間に流路を形成する合わされた周囲の縁と隆起した中央部分を有する、一対の背中合わせのプレートからなる熱交換器が提供される。中央部分は、間隔をおいた入口及び出口の開口を形成する。上述の乱流化装置は、入口及び出口の開口の間の流路に配置される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明による熱交換器の好適な実施形態が、符号１０によって全体的に示されている。熱交換器１０は、それぞれ上部プレート１４、下部プレート１６、それらの間に配置された乱流化装置１８を具えた、複数の間隔が開けられたチューブ部材、すなわち、プレート組１２で構成されている。プレート１４、１６は、背中合わせに配置され、合わされた周辺縁部２０を有している。プレート１４、１６は、乱流化装置１８が配置されたそれらの間に１つの流路を画定（形成）する、隆起した中心部分２２も具えている。隆起した中心部分２２は、プレート組を通る油等の流体の流れのための、間隔の開いた入口開口及び出口開口２４，２６も具えている。熱交換器が組立てられると、全ての入口開口２４は一直線上に並んで入口ヘッダーを構成し、全ての出口開口２６は一直線上に並んで出口ヘッダーを構成する。エキスパンデッドメタルのフィン２８は、プレート組の間を横切って、空気のような別の流体の流れを許容するように、プレート組の間に配置されている。フィン２８と接触するプレート１４、１６は、フィン２８と中心部分２２との間に空間を形成するように、隆起した端部のボス２９によって間隔があけられている。
【０００７】
プレート１４、１６とフィン２８は、所望の如何なる形状及び構成にもすることができ、本発明の部分を構成するものではない。実際に、プレート１４、１６は、隣合うプレート組に組合う外側に配置されたくぼみを設けられることができ、その場合、フィン２８は使用されないであろう。
【０００８】
次に、図２、３、４を参照すると、図１の乱流化装置１８として使用できる乱流化装置３０の好適な実施形態が示されている。図５、８、１１、１４は、乱流化装置の他の好適な実施形態を示すことが理解されるであろう。これらのどれも、図１に示される熱交換器１０中の乱流化装置１９として使用することができる。図２、５、８、１１、１４に示される乱流化装置は、乱流化装置の一部分を図示したものに過ぎない。これらの乱流化装置は、製造方法によって、所望の如何なる長さ及び幅にも形成することができることが理解されるであろう。乱流化装置は、通常、０．０１インチ（０．２５mm）の厚さのアルミニウムから打抜かれるか、又はロール形成される。しかし、他の材料や、より重い、又はより薄い材料も、同様に、乱流化装置のために使用することができる。
【０００９】
乱流化装置３０は、その中に形成された複数の回旋３２、３４を具えた平らな部材である。回旋３２、３４は、平行な列で配置されている。乱流化装置３０が細長い場合、回旋３２、３４は縦の列３６として平行に配置され、横列３８としても平行である。
【００１０】
回旋３２、３４は、周期的に中断されており、回旋３６の各列中に、回旋３２、３４の間、すなわち、下流に位置する回旋していない圧力回復区域４０が形成されている。換言すると、各列の旋回３２、３４は、従来の乱流化装置の場合のように、次々につながって並んでいるのではなく、圧力回復区域４０によって間隔があけられている。
【００１１】
乱流化装置３０は、図３中の矢印４１で示される圧力回復区域を含む中心平面を有し、回旋３２、３４は、中心平面４１の上（回旋３２）と下（回旋３４）に交互に延びている。回旋３２、３４は橋の形状をなし、乱流化装置３０は、橋の長さ方向の高圧力降下の方向付け、すなわち、長手（縦）方向と、橋の下を横切る方向における低圧力降下の方向付け、すなわち、横方向とを有している。図２に示される実施形態では、回旋３２、３４は高圧力降下の方向付けにおいて、回旋の間、すなわち、下流に配置された圧力回復区域４０によって中断されている。図４に最も良く示されるように、圧力回復区域４０は、横方向の列として、すなわち、中立のチャンネル（溝）４１それ自体として位置付けられている。
【００１２】
乱流化装置３０は、図１の熱交換器１０中の乱流化装置１８として使用され、高圧力降下の方向付け、すなわち、長手方向の列３６に平行な方向において、流体は入口開口２４から出口開口２６へと流れる。流体は、回旋３２、３４の周りと、下、すなわち、回旋を通過して流れる。これは、乱流を惹き起こし、熱伝達係数を増加させるように、境界層の成長を低減させる。しかし、圧力回復区域４０は、圧力の回復をもたらし、入口開口２４から出口開口２６への流体の流れにおいて、流体の抵抗、すなわち、圧力降下を低減させる。
【００１３】
乱流化装置３０において、回旋３２、３４は、低圧力降下の方向、すなわち、横方向に整列している。圧力回復区域４０もまた、低圧力降下方向、すなわち、横方向に、中立チャンネル４１を形成して整列している。圧力回復区域４０は、かくして、低圧力降下の方向に、連続的な中立チャンネル４１を形成する。これらの中立チャンネル４１は、乱流化装置を製造するために使用される型（ダイ）から乱流化装置を排出するために使用することができる領域をもたらすものでもある。
【００１４】
回旋の縦列３６の幅は、工具の設計とメンテナンスの観点から実際的であれば、できるだけ狭い方が好適である。自動車における冷却のためには、好適な最小幅は約０．０２インチ（０．５mm）である。最大幅は、最小値の１０倍を越えるべきでない。典型的には、最大幅は、約０．２インチ（５mm）である。圧力回復区域４０の縦の長さの範囲は、回旋３２、３４間の寸法、すなわち、センターラインからセンターライン迄の約５％から、２つの連続した回旋３２、３４間の間隔の７５％迄である。好適な範囲は、０．０２インチ（０．５mm）から０．５インチ（１．２５mm）、すなわち、縦に連続した回旋３２、３４間の、センターラインからセンターライン迄の約４０％から５０％である。
【００１５】
圧力回復区域４０を含む中心平面４１の上部又は下部の回旋３２、３４の高さは、乱流化装置３０に使用される材料の厚さに依存する。この高さは、少なくとも材料の厚さでなければならず、乱流化装置３０にアルミニウムが使用される場合、典型的な範囲は、最小値から材料の厚さの約１０倍迄である。最適な範囲は０．０１インチ（０．２５mm）から０．５インチ（１．２５cm）である。
【００１６】
回旋３２、３４の縦の長さは、標準的には回旋の高さの約２倍である。高さの標準的な範囲は、材料の厚さの約２倍から材料の厚さの約２０倍である。最適な範囲は０．０２インチ（０．５mm）から約１．０インチ（２．５cm）である。
【００１７】
次に、図５、６及び７を参照すると、以下のことを除いて、乱流化装置３０と実質的に類似した乱流化装置４５が示されている。乱流化装置４５において、回旋３２、３４は低圧力降下方向、すなわち、横方向にずれている（食違い配置）。換言すると、中心平面より上に延びる回旋３２は、隣合う縦列３６中の中心平面の下側に延びる回旋３４と横方向に並ぶことはない。１つおきの回旋列中の回旋３２、３４は、実際、並んでいるが、しかし、所望であればこれもずらせることができる。材料の厚さと回旋３２、３４の寸法及び圧力回復区域４０の寸法は図２の乱流化装置３０の場合と類似している。
【００１８】
次に、図８、９、及び１０を参照すると、低圧力降下方向、すなわち、横方向において回旋がずらされた乱流化装置５０のもう１つの実施形態が示されている。乱流化装置５０において、圧力回復区域４０はすべて共通の基準平面５２（図９参照。）に含まれ、回旋５４はすべてこの基準平面５２に対して同じ方向に延びている。その他のすべての点において、乱流化装置５０は乱流化装置４０、４５と類似している。
【００１９】
次に、図１１、１２及び１３を参照すると、いくつかの回旋３６の列の間に圧力回復区域５６をさらに形成するように、低圧力降下の方向にも回旋３２、３４が中断されていることを除けば、図２の乱流化装置３０に最も類似している乱流化装置が示されている。実際に、圧力回復区域５６は、高圧力降下の方向、すなわち、乱流化装置５５の縦方向に縦の中立チャンネル５８を形成するように、乱流化装置５５の全長にわたって縦に延びている。製造の目的のためには、中立チャンネル５８の幅は、好適には、回旋３６の列の幅と同じであることが望ましい。乱流化装置５５において、回旋３２、３４は、低圧力降下方向、すなわち、横方向に整列しているが、それらはずらせることもできる。回旋３２、３４が低圧力降下方向、すなわち、横方向に整列しているとき、低圧力降下の方向に横の中立チャンネル５９を与えるように、圧力回復区域４０が整列しており、高圧力降下の方向に縦の中立チャンネル５８を与えるように、圧力回復区域５６が整列していることが理解できるであろう。回旋３２、３４がずらされているときには、縦の中立チャンネル５８だけが形成されるであろう。他のすべての点において、乱流化装置５５は乱流化装置３０、４５、５０と類似している。
【００２０】
次に、図１４、１５及び１６を参照すると、回旋３２、３４が低圧力降下方向、すなわち、横方向にのみ、また、回旋３６のいくつかの列の間においてのみ中断されている乱流化装置６０が示されている。これらの中断は縦方向の中立チャンネル６２の形態で圧力回復区域６１を形成する。その他のすべての点において、乱流化装置６０は乱流化装置３０、４５、５０と類似している。図１４から１６において、回旋３２、３４の真中で切られた乱流化装置６０が示されている。これは、例示の目的でなされたものである。実際には、乱流化装置は、通常、図１から１３に示すように、回旋同士の間で切られる。
【００２１】
本発明の好適な実施形態を説明したが、上記に説明した構成について種々の変更をすることが可能である。例えば、プレート組１２を、乱流化装置１８を含む流路を形成するためのチューブ部材として使用しないで、連続的な平たいもの、或いは、長方形のチューブを使用することもできよう。この場合、乱流化装置１８は、チューブの一方の端部に縦に挿入される。乱流化装置１８において、回旋３２、３４は、図示されたように種々の曲率で丸くされる。これらの回旋は、所望であれば、半円、正弦波、台形、又はＶ型等の形状にもすることができる。図１に示される熱交換器１０において、乱流化装置１８は、流れが高圧力降下方向、すなわち、縦方向に方向付けられるように示されている。しかしながら、所望であれば、入口２４からの出口２６への流れが低圧力降下の方向にあるように、乱流化装置を９０度回転することができる。乱流化装置３０、４５、５０、６０の種々の特徴は、互いに、混ぜたり、組合せたり、或いは、さらにそれらを結合させたりして、同じ乱流化装置に使用することが可能である。また、如何なる熱交換器も、上述した１つ又はそれらの組合わせによる乱流化装置を具えているであろう。上記の構成についてのその他の変更は、当業者には明らかであろう。
【００２２】
前述の説明から当業者には明らかなように、本発明の実施に際して、本発明の趣旨から離れることなく、多くの変更が可能である。故に、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる要旨に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプレートタイプの熱交換器の好適実施形態の分解斜視図。
【図２】 図１の熱交換器に用いられた乱流化装置の一部分の拡大斜視図。
【図３】 図２の矢印３方向から見た図２の乱流化装置の一部分の正面図。
【図４】 図２と３の乱流化装置の平面図。
【図５】 本発明による乱流化装置の別の実施形態の斜視図。
【図６】 図５の矢印６方向から見た図５の乱流化装置の一部分の正面図。
【図７】 図５と６に示された乱流化装置の平面図。
【図８】 本発明による乱流化装置のさらに別の実施形態の斜視図。
【図９】 図８の矢印９方向から見た図８の乱流化装置の一部分の正面図。
【図１０】 図８と９に示された乱流化装置の平面図。
【図１１】 本発明による乱流化装置のさらに別の実施形態の斜視図。
【図１２】 図１１の矢印１２方向から見た図１１の乱流化装置の一部分の正面図。
【図１３】 図１１と１２に示された乱流化装置の平面図。
【図１４】 本発明による乱流化装置のさらなる実施形態の斜視図。
【図１５】 図１４に示された乱流化装置の側面図。
【図１６】 図１４と１５に示された乱流化装置の平面図。

Claims (9)

1. 内部に形成された複数の長手方向に平行な回旋の列を有する平面状部材からなる熱交換器用乱流化装置であって、前記回旋が該回旋の隣合う長手方向の列のいくつかの間にのみ長手方向の中立チャンネルを形成するように中断されていることを特徴とする、熱交換器のための乱流化装置。
2. 前記回旋が橋の形状をなし、前記橋が該橋の方向における高圧力降下の方向付けと前記橋の下を横に通る方向における低圧力降下の方向付けとを定めるように長手方向に方向付けられている、請求項１の熱交換器のための乱流化装置。
3. 前記回旋の間に、長手方向に位置する圧力回復区域を形成するように、前記回旋が長手方向にさらに中断されている、請求項２の熱交換器のための乱流化装置。
4. 前記回旋が横方向に整列し、前記圧力回復区域も横方向に中立のチャンネルを形成するように横方向に整列している、請求項３の熱交換器のための乱流化装置。
5. 前記回旋が横方向にずれている、請求項２の熱交換器のための乱流化装置。
6. 前記回旋が横方向に整列している、請求項２の熱交換器のための乱流化装置。
7. 前記乱流化装置が前記圧力回復区域を含む中央平面を有し、前記回旋の各列において前記回旋が前記中央平面の上下に互い違いに延びている、請求項３又は５の熱交換器のための乱流化装置。
8. 前記複数の回旋の列が３列を単位とするグループからなり、各グループの間に１つの長手方向の中立チャンネルがある、請求項１の熱交換器のための乱流化装置。
9. その中に流路を形成する複数の間隔をおかれたチューブ部材からなる熱交換器であって、前記チューブ部材には間隔をおかれた入口と出口の開口が形成され、さらに、前記各入口と出口の開口の間の前記流路の少なくとも１つに配置された請求項１から８のいずれかの乱流化装置を有する、熱交換器。

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