JP2009264620A

JP2009264620A - 熱交換器及び熱交換システム

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Publication number: JP2009264620A
Application number: JP2008112273A
Authority: JP
Inventors: Yukishige Shiraichi; 白市　　幸茂; Masao Otsuka; 大塚　　雅生
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: US8826970B2; CN102007361B; CN102007361A; WO2009130984A1; JP5536312B2; US20110024093A1; EP2267389A1; RU2448318C1

Abstract

【課題】フィン表面近傍での流れの境界層厚さを薄くして熱交換効率を向上できる熱交換システムを提供する。
【解決手段】第１流体が流通するチューブ２とチューブ２に取り付けられるとともにチューブ２が延びた方向に並設された薄板から成る複数のフィン３とを有する熱交換器１と、フィン３間に第２流体を導くファン４とを備えた熱交換システム１０において、フィン３は蛇行により連続した凹部７及び凸部８が周期的に形成され、凹部７及び凸部８がフィン３間を通過する第２流体の流通方向に対して交差する方向に延びて配されるとともに、フィン３間を通過する第２流体の流量を周期的に可変した。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィンチューブ型の熱交換器及びそれを用いた熱交換システムに関する。

図２８は従来のフィンチューブ型の熱交換器を示している。熱交換器１は流体が流通するチューブ２に複数の薄板状のフィン３が取り付けられている。チューブ２内には一般に熱伝達率の高い流体（例えば、水、ＣＯ₂、ＨＣＦ系冷媒等）が流され、チューブ２の外側は熱伝達率の低い流体（例えば、空気）が流される。

フィン３はチューブ２が延びた方向に並設され、チューブ２を流通する流体と矢印Ａ１に示すようにフィン３間に供給される流体とが熱交換を行う。熱伝導率が低いチューブ２の外側でフィン３によって熱交換面積を増やして大きな熱交換量が得られる。このため、気体―気体間や気体―液体間の熱交換を行う熱交換器として、フィンチューブ型の熱交換器が一般に用いられる。

上記従来のフィンチューブ型の熱交換器１はフィン３の下流側でフィン３表面近傍での流れの境界層が厚くなるため熱伝達率が低下する問題があった。この問題を解決するために、特許文献１にはフィンに切り起こし片を設けた熱交換器が開示されている。フィンに設けた切り起こし片の前縁効果により、フィン表面近傍での流れの境界層厚さを薄くすることができる。これにより、フィンと流体との間の熱伝導率を低下させて熱交換効率を向上することができる。

特開平２−２１７７９２号公報（第１頁−第４頁、第１図）

しかしながら、上記特許文献１に開示された熱交換によると、切り起こし片の増加に伴って流路抵抗も大きくなるため切り起こし片の数量や配置に制限がある。このため、フィン全体にわたって境界層の厚みを薄くすることが困難で、熱伝導率を充分低下させることができない問題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑み、フィン表面近傍での流れの境界層厚さを薄くして熱交換効率を向上できる熱交換器及びそれを用いた熱交換システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、第１流体が流通するチューブと前記チューブに取り付けられるとともに前記チューブが延びた方向に並設された薄板から成る複数のフィンとを有する熱交換器と、前記フィン間に第２流体を導くファンとを備えた熱交換システムにおいて、前記フィンは蛇行により連続した凹部及び凸部が周期的に形成され、前記凹部及び前記凸部が前記フィン間を通過する第２流体の流通方向に対して交差する方向に延びて配されるとともに、前記フィン間を通過する第２流体の流量を周期的に可変したことを特徴としている。

この構成によると、チューブ内を第１流体が流通すると第１流体の熱がフィンに熱伝導する。薄板のフィンはチューブの延びた方向に複数並設され、ファンの駆動によってフィン間に第２流体が供給される。フィンは蛇行して連続した凹部及び凸部が周期的に形成され、凹部及び凸部の延びる方向は第２流体の流通方向に対して交差する。フィンに沿って流通する第２流体の一部は凹部内に流入し、凹部内に渦が形成される。ファンによって送出される第２流体の流量が周期的に可変されると、凹部内での渦の停滞と凹部内からの第２流体の流出とが繰り返される。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記フィン間を通過する第２流体の向きを周期的に反転したことを特徴としている。この構成によると、フィン間には所定の周期で逆方向に第２流体が流通する。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記フィンに導かれる第２流体の向きを周期的に可変したことを特徴としている。この構成によると、第２流体はフィン間に向かう際に方向が周期的に変わり、同時に熱交換器の各部位における各々のフィン間を流通する際の速度の大きさが変えられる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記凹部及び前記凸部が前記フィン間を通過する第２流体の流通方向に対して直交する方向に延びて配されることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、隣接する前記フィンの前記凹部同士及び前記凸部同士がそれぞれ向かい合うことを特徴としている。この構成によると、第２流体が凸部の表面に沿って流通し、主流方向の流れの圧力損失を低減することができる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、隣接する前記フィンの前記凹部と前記凸部とが向かい合うことを特徴としている。この構成によると、フィンの間隔が狭くなった場合でも第２流体が蛇行して流れるため、圧力損失を増加させずに第２流体を進行させることができる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記凸部は前記フィン間を通過する第２流体の流通方向に平行な平面部を有し、前記平面部は前記凹部の側壁に連続して前記平面部と前記凹部の側壁との成す角度を直角または鋭角にしたことを特徴としている。この構成によると、平面部に沿って流通する第２流体の流れと凹部の側壁とが垂直または鋭角になる。このため、第２流体の流れが凹部の側壁で効率よく剥離し、凹部内に第２流体が効率よく回り込む。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記凹部の断面形状を矩形にしたことを特徴としている。この構成によると、第２流体が平面部に沿って流通し、主流方向の流れの圧力損失を低減することができる。それとともに、第２流体の流れが効率よく剥離し、かつ凹部の側壁を主流方向に対して鋭角にした場合よりも凹部流体の更新を効率よく実施することができる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記フィン間を通過する第２流体の流速が最大となる時に、前記凹部または前記凸部の流れ方向の長さを代表長さとするレイノルズ数が臨界レイノルズ数よりも大きいことを特徴としている。この構成によると、第２流体の流速は最大時に十分速く、凹部内の渦の角速度が増加して渦が凹部内に停滞する。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記フィン間を通過する第２流体の流速が最小となる時に、前記レイノルズ数が臨界レイノルズ数よりも小さいことを特徴としている。この構成によると、第２流体の流速は最小時に十分遅く、凹部内の渦の角速度が低下して渦が凹部からはみ出した状態となる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記ファンが軸流ファンまたは貫流ファンから成り、前記ファンの回転方向が周期的に反転することを特徴としている。この構成によると、１つのファンで熱交換器の広範囲の領域に対して第２流体の通過方向の反転を行うことができる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記ファンが複数の羽根を有した軸流ファンから成り、前記羽根の少なくとも一部は対向角が逆向きに配されることを特徴としている。この構成によると、ファンモータの正逆反転を実施する必要がないため機構を簡易化できる。また、ファンモータの正逆反転の周期よりもファンの回転周期の方が周期が短いので同一時間内にてより頻繁に流通方向を反転させることができる。このため、凹部内の流体の停滞と更新の頻度をより高めることができる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記ファンは前記熱交換器の上流側及び下流側にそれぞれ配されて交互に駆動されることを特徴としている。さらに好ましくは、前記ファンをシロッコファン等の遠心ファンとする。この構成によると、該ファンは軸流ファンや貫流ファンなど他種のファンよりも、大きな流路抵抗に対する送風能力が高い。このため、例えば熱交換器が流れ方向に長いために流路抵抗の大きい熱交換システムに対して特に適している。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、第２流体を案内する案内装置を前記ファンの上流側または下流側に設け、前記案内装置によって第２流体の向きを周期的に可変したことを特徴としている。この構成によると、熱交換器の各部位におけるフィン間を通過する第２流体の流れの方向を、ファンモータの正逆反転やオン・オフの切替よりも速やかに切り替えることができる。

また本発明は、上記構成の熱交換システムにおいて、前記ファンが流入口及び流出口を有するケーシングで覆われた貫流ファンまたは遠心ファンから成るとともに前記熱交換器が前記ファンの周囲を囲んで配置され、前記ケーシングを回転させたことを特徴としている。この構成によると、特にファンを囲む形で熱交換器が設けられた場合に、ファンケーシングの回動のみで熱交換器のフィン間を通過する第２流体の流れの方向の反転を実現でき、構造が簡易化できるという利点を有する。

また本発明は、流体が流通するチューブと、前記チューブに取り付けられるとともに前記チューブが延びた方向に並設された薄板から成る複数のフィンとを備えた熱交換器において、前記フィンは蛇行により連続した凹部及び凸部が一方向に延びて周期的に形成されることを特徴としている。

本発明によると、第２流体の通過方向に交差する方向に延びた凹部及び凸部をフィンに設けたので、フィン間を通過する第２流体の一部によって凹部内に渦が形成される。また、第２流体の流量を周期的に可変するので、凹部の渦によるフィンやチューブとの伝熱促進効果が得られる。加えて、凹部内の第２流体の停滞や凹部内の第２流体の更新を繰り返すことにより熱の移動が着実かつ効率よく行われる。これにより、フィン自体の熱伝導性能に依存することなくフィン表面全体にフィン間の流れとの熱交換領域を拡散させることができ、熱交換効率を向上することができる。

＜第１実施形態＞
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。熱交換システム１０は熱交換器１及びファン４を備えている。熱交換器１は水、ＣＯ₂、ＨＣＦ系冷媒等の第１流体が流通するチューブ２とチューブ２に取り付けられるフィン３とを有したフィンチューブ型になっている。

熱交換システム１０は空気等の第２流体中に配置される。ファン４はプロペラファン等の軸流ファンから成り、モータ５のモータ軸５ａに取り付けられる羽根６を有している。モータ５の駆動電力によって羽根６の回転数は正弦関数的に変化し、周期的に回転数の増減及び回転方向の反転が行われる。

これにより、羽根６が矢印Ｂ１の方向に回転すると矢印Ａ１方向の第２流体の流れが発生し、矢印Ｂ２の方向に回転すると矢印Ａ２方向の第２流体の流れが発生する。また、羽根６の回転数の増減によって第２流体の速度が増減するため、フィン３間を流通する第２流体の流量が可変される。フィン３間を第２流体が流通することにより、第１流体からフィン３に伝えられた熱が第２流体に与えられ、熱交換が行われる。

図２は熱交換器１の詳細を示す斜視図である。管状のチューブ２は図中、横方向に延び、縦方向及び奥行方向に並設される。チューブ２を１本の管により形成してもよく、複数の管により形成してもよい。フィン３は金属板等の熱伝導率の高い薄板から成り、チューブ２の延びた方向に複数並設される。フィン３をチューブ２の延びた方向に対して垂直に配置してもよく、傾斜して配置してもよい。

フィン３は折曲により周期的に蛇行し、一方向に延びた凹部７及び凸部８が連続して両面に形成される。これにより、隣接する凹部７と凸部８とは共通の側壁を有し、周期Ｔが凹部７（凸部８）の幅Ｗの２倍になっている。凸部８は凹部７間を繋ぐ平面部８ａを有し、平面部８ａは裏面側の凹部の底面を形成する。平面部８ａと凹部７の側壁とは垂直に形成され、凹部７は一方が開口した断面矩形になっている。また、隣接するフィン３の凹部７は開口側同士が向かい合って配置されている。

また、凹部７の幅Ｗはチューブ２の径よりも若干大きく、チューブ２の径方向全体が一の凹部７内に配されて平面部８ａを貫通する。後述するように凹部７内には渦が形成され、複数の凹部７及び凸部８に跨ってチューブ２を配置すると所望の形状に対して乱された渦が増加する。一の凹部７内にチューブ２を配置することでチューブ２によって乱される渦を低減することができる。

ファン４は軸方向がフィン３の凹部７及び凸部８の周期方向に平行に配される。これにより、ファン４により発生する気流の流通方向（矢印Ａ１、Ａ２）はフィン３間を通過する第２流体の通過方向（以下、「主流方向」という場合がある）に一致する。ファン４により発生する気流の流通方向は主流方向に対して傾斜してもよいが、一致させると圧力損失を小さくできる。また、凹部７及び凸部８はファン４の駆動によってフィン３間を通過する第２流体の通過方向（矢印Ａ１、Ａ２）に対して直交する方向（図２の上下方向）に延びて配される。

図３〜図７は熱交換器１を第２流体が通過する際の状態を説明する平面図である。図３はフィン３間を通過する第２流体の流速が最大のときを示している。この時、凹部７の幅Ｗ（凸部８の幅に一致）を代表長さとするレイノルズ数Ｒｅは臨界レイノルズ数よりも大きくなっている。これにより、フィン３間は平面部８ａ近傍で乱流を発生する。

チューブ２の周囲を流れる第２流体の主流方向はファン４によって送出される方向に一致し、平面部８ａに平行になっている。これにより、流れ抵抗を小さくできるとともに、死水領域を少なくすることができる。

第２流体の速度はレイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数を超える程度に十分に速いため、フィン３間の第２流体は流れによって速やかに主流方向へ熱が移動する。一方で凹部７にはレイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数を超えるため大きな角速度を有する渦７ａが発生する。このため、フィン３またはチューブ２の表面の近傍での熱流束が大きくなり、凹部７内の第２流体とフィン３やチューブ２との熱交換が大きく促進される。この時点では、凹部７内には渦７ａが留まって停滞する（以下、この現象を「凹部流体の停滞」という）。

フィン３間を通過する第２流体の速度が低下すると、図４に示す状態になる。この時、レイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数よりも小さくなっている。この状態では凹部７内には角速度が低下して一部が凹部７からはみだした渦７ｂが形成される。これにより、渦７ｂは渦７ａ（図３参照）に対して中心位置が移動する。このため、図３で凹部７内の渦７ａがフィン３から奪った熱の一部をフィン３とフィン３との間の流れと熱交換する。更に、その熱を主流方向へ移動させつつ、その一部を更に進行方向前方の凹部７の渦７ｂと熱交換する。

フィン３間を通過する第２流体の速度が低下して向きが矢印Ａ２に示すように反転すると、図５に示す状態になる。この状態では凹部７内で角速度が若干残ったまま主流方向が逆転するため、概ねフィン３の凹凸に沿った流れが形成される。これにより、凹部７に留まっていた第２流体が熱とともに主流方向に移動するとともに、フィン３間の流れが熱と共に凹部７内に流入する。これにより、凹部７内の第２流体が流出して新たに流入し、凹部７内の第２流体が更新される（以下、この現象を「凹部流体の更新」という）。

更に時間が経過して第２流体の速度が増加すると、図６に示す状態になる。この状態では速度の増加に伴って第２流体の慣性及びフィン３表面での接線抵抗の影響が大きくなり、徐々にフィン３の凹凸に沿って流れにくくなる。このため、凹部７の底面において渦７ｃが発生し始める。

更に第２流体の速度が増加して前述の図４と向きが逆で大きさが同じ速度になると、図７に示す状態になる。この状態では図６で発生した渦７ｃが発達して図４と同じ大きさで回転方向が反対の渦７ｂが形成される。これにより、主流方向に熱が伝達される。

更に第２流体の速度が増加すると、前述の図３と向きが逆で大きさが同じ速度になる。これにより、上記と同様に、フィン３間の第２流体は流れによって速やかに主流方向へ熱が移動する。一方で凹部７には大きな角速度を有する渦７ａが発生する。以後、図３〜図７の状態が繰り返されて第２流体の流れが変化し、第２流体の速度の大きさ（流量）が可変されるとともに向きが反転される。

本実施形態によると、第２流体の通過方向に直交する方向に延びた凹部７及び凸部８をフィン３に設けたので、フィン３間を通過する第２流体の一部によって凹部７内に渦が形成される。また、第２流体の流量を周期的に可変するので、凹部７の渦７ａ、７ｂ、７ｃによるフィン３やチューブ２との伝熱促進効果が得られる。加えて、凹部流体の停滞及び凹部流体の更新を繰り返すことにより主流方向Ａ１、Ａ２への熱の移動が着実かつ効率よく行われる。これにより、フィン３自体の熱伝導性能に依存することなくフィン３表面全体にフィン３間の第２流体の流れとの熱交換領域を拡散させることができ、熱交換効率を向上することができる。

このため、例えば第２流体の通過方向のフィン３の長さを従来よりも長くしたり、フィン３の材質を従来よりも熱伝導性能の低いものに変えることができる。このようにしても、従来のような熱伝達性能の低下を起こすことなく効果的に熱伝達性能を向上させることができる。

また、フィン３間を通過する第２流体の向きを周期的に反転したので、チューブ２の下流の死水領域を従来よりも減少させることができる。従って、熱交換器１の有効断面積を増加させることができる。

凹部７及び凸部８は第２流体の通過方向に交差する方向に延びていれば同様に渦７ａ、７ｂ、７ｃが形成され、同様の効果を得ることができる。しかし、凹部７及び凸部８が第２流体の通過方向に直交する方向に延びると、第２流体の流れが凹部７の側壁で効率よく剥離する。これにより、凹部７内に第２流体が効率よく回り込んで強い渦７ａが形成し、凹部７内でより効率よく熱伝達させることができる。

また、凹部７の側壁は主流方向に対して傾斜して形成してもよい。しかし、凹部７の側壁を主流方向に対して垂直に形成することにより、第２流体の流れが凹部７の側壁で効率よく剥離する。これによって、より強い渦７ａを形成して凹部７内でより効率よく熱伝達させることができる。凹部７の側壁を主流方向に対して鋭角に形成すると、第２流体の流れをより効率よく剥離させて強い渦７ａを形成することができる。

また、凹部７は矩形に形成され、平面部８ａが形成される。これにより、第２流体が平面部８ａに沿って流通し、主流方向の流れの圧力損失を低減することができる。それとともに、第２流体の流れが上記のように効率よく剥離し、かつ凹部７の側壁を主流方向に対して鋭角にした場合よりもこのように直角にすることにより、凹部流体の更新を効率よく実施することができる。

また、隣接するフィン３の凹部７の開口側同士が向かい合うので、主流方向の流れを蛇行させずに圧力損失を低減することができる。また、主流の流れが蛇行しないことにより、特に主流が高速となる時点における凹部７への主流の入り込みを抑制することができる。このため、凹部７の流体の停滞をより確実に実現することができる。

また、ファン４は貫流ファンや遠心ファンを用いてもよいが、軸流ファンを用いると流路断面積が広くかつ低圧損で大風量である。このため、本実施形態のように熱交換器１の主流方向の距離が他方向の寸法に比べて比較的薄い場合には、容易に主流方向の流れを形成することができる。また、比較的容易にファン４の正逆反転により流れ方向も正逆反転させることができる。

尚、ファン４によって羽根６の回転方向を反転して第２流体の向きを反転しているが、羽根６の回転方向を一定にして回転数を増減してもよい。これにより、第２流体は向きが一定で流量が可変され、前述の図３、図４の状態が繰り返される。従って、フィン３表面全体にフィン３間の流れとの熱交換領域を拡散させることができ、熱交換効率を向上することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の熱交換システム１０について説明する。本実施形態は前述の図１に示す第１実施形態と同様に構成され、フィン３の配置が異なっている。図８〜図１２は熱交換器１を第２流体が通過する際の状態を説明する平面図である。熱交換器１は隣接するフィン３の凹部７と凸部８とが向かい合って配置される。その他の部分は第１実施形態と同様である。

図８はフィン３間を通過する第２流体の流速が最大のときを示している。この時、凹部７の幅Ｗ（図２参照）を代表長さとするレイノルズ数Ｒｅは臨界レイノルズ数よりも大きくなっている。

第２流体の速度はレイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数を超える程度に十分に速いため、フィン３間の第２流体は流れによって速やかに主流方向へ熱が移動する。一方で凹部７にはレイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数を超えるため大きな角速度を有する渦７ａが発生する。このため、フィン３またはチューブ２の表面の近傍での熱流束が大きくなり、凹部７内の第２流体とフィン３やチューブ２との熱交換が大きく促進される。この時点では、凹部７内には渦７ａが留まって停滞する（凹部流体の停滞）。

フィン３間を通過する第２流体の速度が低下すると、図９に示す状態になる。この時、レイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数よりも小さくなっている。この状態では凹部７内には角速度が低下して一部が凹部７からはみだした渦７ｂが形成される。これにより、渦７ｂは渦７ａ（図８参照）に対して中心位置が移動する。このため、図８で凹部７内の渦７ａがフィン３から奪った熱の一部をフィン３とフィン３との間の流れと熱交換する。更に、その熱を主流方向へ移動させつつ、その一部を更に先の凹部７の渦７ｂと熱交換する。

フィン３間を通過する第２流体の速度が低下して向きが矢印Ａ２に示すように反転すると、図１０に示す状態になる。この状態では凹部７内で角速度が若干残ったまま主流方向が逆転するため、概ねフィン３の凹凸に沿った流れが形成される。これにより、凹部７に留まっていた第２流体が熱とともに主流方向に移動するとともに、フィン３間の流れが熱と共に凹部７内に流入する。これにより、凹部７内の第２流体が流出して新たに流入し、凹部７内の第２流体が更新される（凹部流体の更新）。

更に時間が経過して第２流体の速度が増加すると、図１１に示す状態になる。この状態では速度の増加に伴って第２流体の慣性及びフィン３表面での接線抵抗の影響が大きくなり、徐々にフィン３の凹凸に沿って流れにくくなる。このため、凹部７の底面において渦７ｃが発生し始める。

更に第２流体の速度が増加して前述の図９と向きが逆で大きさが同じ速度になると、図１２に示す状態になる。この状態では図１１で発生した渦７ｃが発達して図９と同じ大きさで回転方向が反対の渦７ｂが形成される。これにより、主流方向に熱が伝達される。

更に第２流体の速度が増加すると、前述の図８と向きが逆で大きさが同じ速度になる。これにより、上記と同様に、フィン３間の第２流体は流れによって速やかに主流方向へ熱が移動する。一方で凹部７には大きな角速度を有する渦７ａが発生する。以後、図８〜図１２の状態が繰り返されて第２流体の流れが変化し、第２流体の速度の大きさ（流量）が可変されるとともに向きが反転される。

本実施形態によると、第１実施形態と同様に、第２流体の通過方向に直交する方向に延びた凹部７及び凸部８をフィン３に設けたので、フィン３間を通過する第２流体の一部によって凹部７内に渦が形成される。また、第２流体の流量を周期的に可変するので、凹部７の渦７ａ、７ｂ、７ｃによるフィン３やチューブ２との伝熱促進効果が得られる。加えて、凹部流体の停滞及び凹部流体の更新を繰り返すことにより主流方向Ａ１、Ａ２への熱の移動が着実かつ効率よく行われる。これにより、フィン３自体の熱伝導性能に依存することなくフィン３表面全体にフィン３間の流れとの熱交換領域を拡散させることができ、熱交換効率を向上することができる。

また、隣接するフィン３の凹部７と凸部８とが向かい合うので、フィン３間が狭くなった場合でも第２流体が蛇行して圧力損失を増加させずに第２流体を進行することができる。

尚、凹部７の側壁は主流方向に対して傾斜してもよく、平面部８ａとの角度を直角または鋭角にするとより望ましい。また、凹部７及び凸部８の延びる方向は主流方向に対して傾斜してもよい。更に、羽根６を同一方向に回転して回転数を増減してもよい。これにより、第２流体は向きが一定で流量が可変され、前述の図８、図９の状態が繰り返される。

＜第３実施形態＞
次に、図１３は第３実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１１はファン４の羽根６が第１実施形態と異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。

ファン４は軸流ファンａから成り、羽根６は対向角が互いに逆向きの羽根６ａ、６ｂが回転方向に互い違いになるように設けられている。ファン４は回転数が一定で駆動され、羽根６ａに対向する図中、左側の熱交換器１には矢印Ａ３に示す方向に第２流体が導かれる。羽根６ｂに対向する図中、右側の熱交換器１には矢印Ａ４に示す方向に第２流体が導かれる。即ち、熱交換器１のフィン３間を通過する第２流体の主流方向は羽根６ａ、６ｂにそれぞれ対向する位置で逆向きの矢印Ａ３、Ａ４方向になる。

羽根６の回転によって図１４に示す状態になると、図中、左側の熱交換器１は羽根６ｂが対向して矢印Ａ４に示す方向に第２流体が導かれる。図中、右側の熱交換器１は羽根６ａが対向して矢印Ａ３に示す方向に第２流体が導かれる。また、熱交換器１の各部分は羽根６ａ、６ｂが遠ざかる際に流量が減少し、羽根６ａ、６ｂが近づくと流量が増加する。即ち、ファン４の駆動によって熱交換器１を通過する第２流体の流量が可変されるとともに流通方向が反転する。

従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施形態においては、ファンモータの正逆反転を実施する必要がないため第１実施形態よりも機構を簡易化できる。また、ファンモータの正逆反転は慣性の影響のためその周期は比較的長く、それよりも熱交換器の任意の部位を羽根６ａまたは羽根６ｂが通過する周期の方が周期が短くなる。このため、同一時間内にてより頻繁に流通方向を反転させることができる。その結果、凹部流体の停滞及び更新の頻度を第１実施形態よりも高めることができる。尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。

＜第４実施形態＞
次に、図１５は第４実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１３、図１４に示す第３実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１２はファン４の羽根６の取付けが第３実施形態と異なっている。その他の部分は第３実施形態と同様である。

ファン４の羽根６は対向角が互いに逆向きの羽根６ａ、６ｂを有している。モータ軸５ａは熱交換器１のフィン３間を貫通して設けられ、羽根６ａ、６ｂはモータ軸５ａの両端に取り付けられて熱交換器１を挟んで配置される。

ファン４は回転数が一定で駆動され、羽根６ａに対向する図中、左側の熱交換器１には矢印Ａ３に示す方向に第２流体が導かれる。羽根６ｂに対向する図中、右側の熱交換器１には矢印Ａ４に示す方向に第２流体が導かれる。即ち、熱交換器１のフィン３間を通過する第２流体の主流方向は羽根６ａ、６ｂにそれぞれ対向する位置で逆向きの矢印Ａ３、Ａ４方向になる。

羽根６の回転によって図１６に示す状態になると、図中、左側の熱交換器１は羽根６ｂが対向して矢印Ａ４に示す方向に第２流体が導かれる。図中、右側の熱交換器１は羽根６ａが対向して矢印Ａ３に示す方向に第２流体が導かれる。また、熱交換器１の各部分は羽根６ａ、６ｂが遠ざかる際に流量が減少し、羽根６ａ、６ｂが近づくと流量が増加する。即ち、ファン４の駆動によって熱交換器１を通過する第２流体の流量が可変されるとともに流通方向が反転する。

従って、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。

＜第５実施形態＞
次に、図１７は第５実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１、図２に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１３はファン３１がクロスフローファン等の貫流ファンから成り、ケーシング３２の両端の開口部３２ａ、３２ｂにそれぞれ第１実施形態と同様の熱交換器１が配置される。

ファン３１は正弦関数的に回転が与えられ、回転数が増減するとともに回転方向が反転する。これにより、矢印Ｂ３の方向にファン３１が回転すると、矢印Ａ５に示すように開口部３２ａから開口部３２ｂに向かって第２流体が流通する。図１８に示すように矢印Ｂ４の方向にファン３１が回転すると、矢印Ａ６に示すように開口部３２ａから開口部３２ｂに向かって第２流体が流通する。

従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、本実施形態のように貫流ファンを用いることにより、ファン３１の軸方向（図１７の紙面に垂直な方向）における風量および風速を、軸流ファンや遠心ファンよりも均一にすることができる。このため、熱交換器１のファン軸方向における熱交換性能の均一化を図るのに適している。

尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。また、ファン３１の回転方向を一定にして回転速度を可変してもよい。これにより、熱交換器１を通過する第２流体は向きが一定で流量が可変される。

＜第６実施形態＞
次に、図１９は第６実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１〜図２に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１４は第１実施形態と同様の熱交換器１の両側にシロッコファン等の遠心ファンから成るファン３３、３４がそれぞれ配置される。

ファン３３、３４は交互に駆動され、駆動の立ち上がり時及び停止時に回転数が増減する。ファン３４を停止してファン３３を駆動すると、ファン３４からファン３３に向かって矢印Ａ７の方向に第２流体が流通する。図２０に示すようにファン３３を停止してファン３４を駆動すると、ファン３３からファン３４に向かって矢印Ａ８の方向に第２流体が流通する。これにより、熱交換器１を通過する第２流体は流量が増減するとともに主流方向が反転する。

従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、ファン３３、３４を貫流ファンや軸流ファンにより形成してもよいが、シロッコファン等の遠心ファンにより形成するとより望ましい。即ち、ファン３３、３４が遠心ファンから成るため、特性上圧力損失が大きくても所望の流体送出を行うことができる。このため、熱交換システム１４の熱交換器１の主流方向が厚くなる場合であっても有効な熱交換性能を得ることができる。尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。

＜第７実施形態＞
次に、図２１は第７実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１９、図２０に示す第６実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１５は第６実施形態に対して熱交換器１のチューブ２の配列数が多く、熱交換器１の主流方向が厚くなっている。その他の部分は第６実施形態と同様である。

本実施形態によるとフィン３が主流方向に長いため熱交換面積を大きくすることができる。また、ファン３３、３４が遠心ファンから成るため、圧力損失が大きくても所望の流体送出を行うことができる。これにより、高い熱交換性能を得ることができる。

＜第８実施形態＞
次に、図２２は第８実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１９、図２０に示す第６実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１６は第６実施形態に対して熱交換器１のチューブ２の配列数が多く、同様の熱交換器１が２列に設けられる。その他の部分は第６実施形態と同様である。

２つの熱交換器１はケーシング３５内に隔壁３５ａを介して配される。隔壁３５ａは図中下部が開口して両熱交換器１間を連通させる。これにより、２つの熱交換器１の主流方向が長くなっている。ケーシング３５の上部には隔壁３５ａで分離された開口部３５ｂ、３５ｃが設けられ、開口部３５ｂ、３５ｃにそれぞれファン３３、３４が配される。

本実施形態によるとフィン３が主流方向に長く、熱交換器１が２列設けられるため熱交換面積を大きくすることができる。また、ファン３３、３４が遠心ファンから成るため、圧力損失が大きくても所望の流体送出を行うことができる。これにより、高い熱交換性能を得ることができる。

また、ファン３３、３４が熱交換システム１６の一方にまとめて配置されるので、外部からの第２流体の吸込み及び吹き出しを熱交換システムの片方に設ける必要がある場合に有効である。

＜第９実施形態＞
次に、図２３は第９実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１９、図２０に示す第６実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１７はシロッコファン等の遠心ファンから成るファン３３、３４が対向配置される。また、ファン３３、３４の周方向に第６実施形態と同様の熱交換器１が配置される。

ファン３３、３４のケーシング３６は一端が開口し、開口側が隔壁３６ａにより隔離された開口部３６ｂ、３６ｃが形成される。熱交換器１は開口部３６ｂ、３６ｃに跨って配置される。ファン３３、３４はケーシング３６の他端に配されて軸方向に対向し、隔壁３６ａによってファン３３、３４を介して開口部３６ｂ、３６ｃが連通する。ファン３３、３４は第２流体を軸方向に吸引して周方向に送出する。

ファン３３、３４は交互に駆動され、駆動の立ち上がり時及び停止時に回転数が増減する。ファン３４を停止してファン３３を駆動すると、ファン３４からファン３３に向かって矢印Ａ９の方向に第２流体が流通する。図２４に示すようにファン３３を停止してファン３４を駆動すると、ファン３３からファン３４に向かって矢印Ａ１０の方向に第２流体が流通する。これにより、熱交換器１を通過する第２流体は流量が増減するとともに主流方向が反転する。

従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ファン３３、３４が遠心ファンから成るため、特性上圧力損失が大きくても所望の流体送出を行うことができる。このため、熱交換システム１４の熱交換器１の主流方向が厚くなる場合であっても有効な熱交換性能を得ることができる。尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。

＜第１０実施形態＞
次に、図２５は第１０実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図２３、図２４に示す第９実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１８は第９実施形態に対して一方のファン３４（図２３参照）及び隔壁３６ａ（図２３参照）が省かれ、案内装置３８が設けられる。その他の部分は第９実施形態と同様である。

案内装置３８はファン３３の下流側に配された回動自在のルーバーから成り、ファン３３から送出される第２流体の向きを周期的に可変する。また、案内装置３８は紙面に垂直な方向に延びる熱交換器１の一部に対向して設けられる。

ファン３３を駆動するとケーシング３６内には矢印Ａ１１に示すように、案内装置３８に対向する部分を除く熱交換器１を通過して第２流体が流入する。ファン３３は軸方向に第２流体を吸引して周方向に送出し、第２流体は案内装置３８により導かれて熱交換器１の案内装置３８に対向した部分を通過する。

図２６に示すように案内装置３８の向きが変わると、ファン３３から送出された第２流体は案内装置３８の延びた方向に導かれる。そして、案内装置３８の延長上の熱交換器１を介してケーシング３６から流出する。この時、第２流体は案内装置３８からフィン３に対して傾斜して熱交換器１に導かれた後に、フィン３に沿って主流方向に流通する。また、熱交換器１の流出部分以外からケーシング３６内に第２流体が流入する。

従って、案内装置３８の回動によって熱交換器１の各部分は第２流体の流量及び通過方向が可変される。従って、第９実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱交換器１のフィン３に導かれる第２流体の向きが周期的に可変されるので、容易に熱交換器１の各部分における第２流体の流量及び通過方向を可変することができる。特に、ファンモータの正逆反転またはオン・オフの周期よりもより頻繁な時間間隔にて各部位における流れの反転を実現できるという利点を有する。尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。

＜第１１実施形態＞
次に、図２７は第１１実施形態の熱交換システムを示す概略構成図である。説明の便宜上、前述の図１、図２に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態の熱交換システム１９はファン３１がクロスフローファン等の貫流ファンから成り、ファン３１のケーシング３７の周囲を囲んで第１実施形態と同様の熱交換器１が複数配置される。

ファン３１のケーシング３７は両端に流入口３７ａ及び流出口３７ｂを有し、矢印Ｃに示すように回転する。これにより、ファン３１を駆動すると、第２流体は矢印Ａ１３に示すように流入口３７ａに対向する熱交換器１を通過して流入口３７ａからケーシング３７に流入する。そして、第２流体は流出口３７ｂからケーシング３７を流出し、流出口３７ｂに対向する熱交換器１を通過する。

ケーシング３７が回動によって破線３７’に示す位置に配されると、第２流体は矢印Ａ１４に示すようにこの時の流入口３７ａに対向する熱交換器１を通過して流入口３７ａからケーシング３７に流入する。そして、第２流体は流出口３７ｂからケーシング３７を流出し、流出口３７ｂに対向する熱交換器１を通過する。

ケーシング３７は回転するため各熱交換器１は第２流体の流量が周期的に増減するとともに向きが周期的に反転する。従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱交換器１のフィン３に導かれる第２流体の向きが周期的に可変されるので、容易に流量を可変することができる。尚、第２実施形態と同様の熱交換器１を用いてもよい。また、貫流ファンに変えて遠心ファンを用いてもよい。また、ファン３１を揺動させてもよい。この時、揺動角度を１８０゜以下にすると、熱交換器１を通過する第２流体は向きが一定で流量が可変される。

以上により、本発明に係る熱交換システムを第１〜第１１実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定される訳ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更を加えて実施することができる。

本発明によると、例えば空気調和機、暖房機器、ボイラー、自動車等の発動機や高熱を発生する電子部品の放熱または冷却装置に利用することができる。

本発明の第１実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第１実施形態の熱交換システムの熱交換器を示す斜視図本発明の第１実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する平面図本発明の第１実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する平面図本発明の第１実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する平面図本発明の第１実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第１実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第２実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第２実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第２実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第２実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第２実施形態の熱交換システムの熱交換器を第２流体が通過する際の状態を説明する上面図本発明の第３実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第３実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第４実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第４実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第５実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第５実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第６実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第６実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第７実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第８実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第９実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第９実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第１０実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第１０実施形態の熱交換システムを示す概略構成図本発明の第１１実施形態の熱交換システムを示す概略構成図従来の熱交換システムの熱交換器を示す斜視図

符号の説明

１熱交換器
２チューブ
３フィン
４、３１、３３、３４ファン
５モータ
６、６ａ、６ｂ羽根
７凹部
７ａ、７ｂ、７ｃ渦
８凸部
８ａ平面部
１０〜１９熱交換システム
３２、３５、３６、３７ケーシング

Claims

第１流体が流通するチューブと前記チューブに取り付けられるとともに前記チューブが延びた方向に並設された薄板から成る複数のフィンとを有する熱交換器と、前記フィン間に第２流体を導くファンとを備えた熱交換システムにおいて、前記フィンは蛇行により連続した凹部及び凸部が周期的に形成され、前記凹部及び前記凸部が前記フィン間を通過する第２流体の流通方向に対して交差する方向に延びて配されるとともに、前記フィン間を通過する第２流体の流量を周期的に可変したことを特徴とする熱交換システム。
前記フィン間を通過する第２流体の向きを周期的に反転したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
前記フィンに導かれる第２流体の向きを周期的に可変したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換システム。
前記凹部及び前記凸部が前記フィン間を通過する第２流体の流通方向に対して直交する方向に延びて配されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換システム。
隣接する前記フィンの前記凹部の開口側同士が向かい合うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換システム。
隣接する前記フィンの前記凹部と前記凸部とが向かい合うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換システム。
前記凸部は前記フィン間を通過する第２流体の流通方向に平行な平面部を有し、前記平面部は前記凹部の側壁に連続して前記平面部と前記凹部の側壁との成す角度を直角または鋭角にしたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の熱交換システム。
前記凹部の断面形状を矩形にしたことを特徴とする請求項７に記載の熱交換システム。
前記フィン間を通過する第２流体の流速が最大となる時に、前記凹部または前記凸部の流れ方向の長さを代表長さとするレイノルズ数が臨界レイノルズ数よりも大きいことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の熱交換システム。
前記フィン間を通過する第２流体の流速が最小となる時に、前記レイノルズ数が臨界レイノルズ数よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の熱交換システム。
前記ファンが軸流ファンまたは貫流ファンから成り、前記ファンの回転方向が周期的に反転することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか熱交換システム。
前記ファンが複数の羽根を有する軸流ファンから成り、前記羽根の少なくとも一部は対向角が逆向きに配されることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の熱交換システム。
前記ファンは前記熱交換器の上流側及び下流側にそれぞれ配されて交互に駆動されることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の熱交換システム。
前記ファンが遠心ファンから成ることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換システム。
第２流体を案内する案内装置を前記ファンの上流側または下流側に設け、前記案内装置によって第２流体の向きを周期的に可変したことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の熱交換システム。
前記ファンが両端に第２流体の流入口及び流出口を有するケーシングで覆われた貫流ファンまたは遠心ファンから成るとともに前記熱交換器が前記ファンの周囲を囲んで配置され、前記ケーシングを回転させたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の熱交換システム。
流体が流通するチューブと、前記チューブに取り付けられるとともに前記チューブが延びた方向に並設された薄板から成る複数のフィンとを備えた熱交換器において、前記フィンは蛇行により連続した凹部及び凸部が一方向に延びて周期的に形成されることを特徴とする熱交換器。