JP2013190147A - プレートフィン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】空冷式のプレートフィン型熱交換器における熱交換効率を高め、それによって熱交換器の軽量化を実現する。
【解決手段】プレートフィン型熱交換器のコア１において、冷却風が流れる第２流路１２内には、コルゲートフィン４が配設されていると共に、当該コルゲートフィン４は、コアの流入開口１４を通じて流入端面１３から突出して配設される。この突出部分は、第２流路内を流れる冷却風を乱流に遷移させるための乱流遷移部４２を構成する。
【選択図】図１

Description

ここに開示する技術は、冷却対象の流体が流れる第１流路と、所定方向に流れる冷却風が通過する第２流路とが交互に積層されて構成されたコアを備えるプレートフィン型熱交換器に関する。

特許文献１には、化学プラントや燃料電池プラント等において用いられるプレートフィン型熱交換器において、流路内に配設するコルゲートフィンを、コアの開口端面から突出させて配設することにより、昇温及び降温の繰り返しに起因するコアの変形又は損傷を防止する技術が記載されている。

また、特許文献２、３には、流路内に配設されたコルゲートフィンを有する、空冷式の熱交換器において、そのコルゲートフィンの先端部を、熱交換器の風上側の先端開口から突出させることによって、粉塵等による流路の目詰まりを防止する技術が記載されていると共に、特許文献４には、同様に、コルゲートフィンの先端部を、熱交換器の風上側の先端開口から突出させることによって、着霜による流路の目詰まりを防止する技術が記載されている。

特開平７−１６７５７９号公報 特開２００１−５０６７８号公報 実開昭６０−１２２６６５号公報 特開平６−１４７７８５号公報

ところで、例えば鉄道車両等の車両に搭載される、空冷式の熱交換器には、プレートフィン型熱交換器が採用される場合があり、空冷式のプレートフィン型熱交換器は、オイル等の、冷却対象の流体が流れる第１流路と、ブロア等の送風源を駆動することにより発生する強制風、又は、車両が走行することに伴う走行風が流れる第２流路とを、チューブプレートを介して積層したコアを有している。各第１及び第２流路内には、コルゲートフィンが配設されており、特に強制風又は走行風（以下、これらを総称して冷却風と呼ぶ）が流れる第２流路内のコルゲートフィンは、コアの端面から突出させずに、その端面と面一になるように配設することが一般的である。

このような車両搭載の空冷式のプレートフィン型熱交換器には軽量化が求められ、そのための方策の一つとして、熱交換効率を高めることが挙げられる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空冷式のプレートフィン型熱交換器における熱交換効率を高め、それによって熱交換器の軽量化を実現することにある。

従来の空冷式プレートフィン型熱交換器においては、冷却風が通過する流路内に流入開口を通じて流入した冷却風は、流路内に配設されているコルゲートフィンのフィンとフィンとの間を通過している間に乱流へと遷移することになる。つまり、コアの流入側では、冷却風が乱流化していないため伝熱効率が相対的に低くなることから、その低い伝熱効率を見越して、冷却風が通過をする流路の長さ、つまりコアの奥行き方向長さを長く設定していた。

本願発明者は、従来のコアのように、冷却風が乱流へと遷移する区間がコアの内部に設けられるのではなく、乱流遷移区間をコアの外部に設ける点に着目し、それによって、コアの奥行き方向長さを短くしてプレートフィン型熱交換器の軽量化を図ることにした。

ここに開示する技術は、冷却対象の流体が流れる第１流路と、所定方向に流れる冷却風が通過する第２流路とがプレートによって仕切られることで交互に積層されて構成されたコアを備えるプレートフィン型熱交換器に係る。

このプレートフィン型熱交換器の前記コアには、前記冷却風の流れ方向の上流側の端面であって、前記冷却風が流入する前記第２流路の流入開口が形成された流入端面と、前記冷却風の流れ方向の下流側の端面であって、前記冷却風が流出する前記第２流路の流出開口が形成された流出端面と、がそれぞれ設定されており、前記第２流路内にはコルゲートフィンが配設されていると共に、当該コルゲートフィンは、前記流入開口を通じて前記コアの流入端面から、前記流れ方向の上流側に向かって突出して配設されており、前記コルゲートフィンにおける前記流入端面から突出した部分は、前記第２流路に流入する冷却風を乱流に遷移させるための乱流遷移部を構成している。

前記の構成によると、冷却対象の流体と冷却風との間で熱交換を行うプレートフィン型熱交換器において、冷却風が通過する第２流路内には、二次伝熱面としてのコルゲートフィンが配置されることで、伝熱面積が拡大する。尚、冷却対象の流体が流れる第１流体内にも、コルゲートフィンを配置してもよい。

第２流路内に配設されたコルゲートフィンは、流入開口を通じて、コアの流入端面から、冷却風の流れ方向の上流側に向かって突出して配設されている。流入開口を通じて第２流路内に流入しようする冷却風は、コアの流入端面から突出しているコルゲートフィンにおけるフィンとフィンとの間を流れるようになる。この突出部分におけるフィンとフィンとの間の流れは、平行な二平板（つまりフィン）の間を、その平板面（つまり、フィンの表面）に沿って流れる流れに相当するから、突出部分の長さを所定の長さ以上に設定すれば、この突出部分において、冷却風を乱流へと遷移させることが可能である。

また、第２流路の流入開口から流入する冷却風は、乱流遷移部においてフィン間を流れる冷却風の他にも、そのフィン間の流れに引き込まれるように、側方から流入開口内に流れ込む流れも発生する（いわゆる、入口効果）。この入口効果は、第２流路内での乱流化を促進するから、乱流遷移部の突出長さは、フィン間を流れる冷却風が乱流に遷移するために必要長さよりも短い長さに設定することも可能である。つまり、乱流遷移部において走行風が乱流化していなくても、入口効果を利用することによって、第２流路の流入直後から冷却風が乱流化させることは可能になる。

但し、このような側方から流入開口内に流れ込む流れは、乱流遷移部が、冷却風が乱流に遷移する程度の長さ以上を有しており、フィン間の流れが十分に発達していることによって効果的に生じるものである。従って、乱流遷移部の突出長さは、入口効果を生じさせる点からも、所定長さ以上であることが好ましい。

こうして、流入開口を通じて、コアの第２流路内に流入する冷却風は、その流入直後から乱流化するため、伝熱効率が高くなる。このことは、第２流路の長さ、正確には、流入端面から流出端面までの長さを短くすることを可能にするから、それに対応するコアの全長が短くなる。これにより、コアを構成する部材が小型化すると共に、コアにおける第１流路の容量が小さくなって、そこに存在する冷却対象の流体の量も少なくなる。こうしてコアが軽量化する結果、熱交換器の軽量化が図られる。

また、乱流遷移部をコルゲートフィンによって構成することにより、このコルゲートフィンにおけるフィンとフィンとの間をつなぐ山部及び谷部は、特定のフィン間に着目すると、山部又は谷部のいずれか一方のみが存在するため、当該フィン間では、山部又は谷部とは逆側の側方からしか、入口効果による流入開口内への流れ込みが生じない。このことは、第２流路内におけるフィンとフィンとの間で流れの非対称性を生むため、第２流路内での流れの乱流化を、より一層効率的に実現するという利点もある。

尚、コアの流入端面から突出する乱流遷移部を含めたコアの全長は、従来のコア、つまり、前述した乱流遷移部を有しないためコアの短縮効果が得られないコアの全長とは大きく変わらない場合もあり得るが、第１流路と第２流路とを備えるコアの全長が短くなることは、前述の通り、コアの構成部材の小型化、及び、第１流路内の流体量の削減を伴うため、コアの軽量化は達成される。

乱流遷移部の突出長さＬは、フィン間を流れる冷却風が乱流に遷移するために必要長さとして設定すればよく、冷却風の流速に係るレイノルズ数Ｒｅ、並びに、コルゲートフィンのピッチｐ及びフィン高さｈに基づいて、Ｌ≧０．０６×Ｒｅ・ｐ／ｈとなるように設定すればよい。

こうすることで、走行風を、乱流遷移部において、確実に乱流に遷移させることが可能になる。

前記コアは、前記乱流遷移部の突出長さをＬ、前記コアの前記流入端面から前記流出端面までの長さをＤとしたときに、０．０２５≦Ｌ／Ｄ≦０．３となるように設定されている、としてもよい。

前述の通り、乱流遷移部の突出長さは、冷却風が乱流に遷移するために必要な長さとして設定され得るが、コアの流入端面から流出端面までの長さは、乱流遷移部の突出長さと比較して大幅に長い。つまり、この技術は、第２流路内の冷却風の流れを乱流化することにより、伝熱効率を高める技術であるから、第２流路の長さが比較的長くなるようなコアに対し適用することが、より効果的であり、比較的長くなる第２流路の長さを短くすることで、コアの軽量化により一層有利になる。

前記コアの前記流入端面から前記流出端面までの長さＤは、１００〜４００ｍｍに設定されている、としてもよい。１００≦Ｄ≦４００ｍｍと、前記０．０２５≦Ｌ／Ｄ≦０．３の関係式から、乱流遷移部の突出長さＬは、１０≦Ｌ≦３０ｍｍとすればよい。

第２流路内に配設されるコルゲートフィンとしては、様々な種類のコルゲートフィンを用いることが可能である。コアの流入開口から突出する乱流遷移部は、前述した冷却風の乱流化の他に、流入開口が、羽根や木の葉等の異物によって閉塞されることを防止する機能も有する。このような目詰まりを、有効に防止する観点からは、前記第２流路内に配設されるコルゲートフィンは、セレート型に構成してもよい。セレート型のコルゲートフィンは、フィンの山部及び谷部がずれていることで、冷却風の乱流化に有利であると共に、異物による流入開口の閉塞を効果的に防止する。

また、乱流遷移機能をより一層向上させる観点からは、前記第２流路内に配設されるコルゲートフィンを、プレーン型に構成し、前記プレーン型のコルゲートフィンにおける前記乱流遷移部のフィン表面に、渦流を発生させるための渦流発生部を形成してもよい。

こうすることで、走行風を効率的に乱流化させることが可能になるから、乱流遷移部の突出長さを短くすることが可能になる。また、プレーン型のコルゲートフィンは、そのフィン表面に渦流発生部を形成する際の加工性の点で有利である。

以上説明したように、前記のプレートフィン型熱交換器によると、冷却風が通過する第２流路内に配設したコルゲートフィンを、コアの流入端面から冷却風の流れ方向の上流側に向かって突出させて乱流遷移部を設けることにより、第２流路内に流入する冷却風が乱流化するため、伝熱効率が高くなり、コアの流入端面から流出端面までの長さを短くして、コアを軽量化させることが可能になる。

熱交換器のコアの全体を示す斜視図である。 （ａ）コアの流入端面付近を拡大して示す平面図、（ｂ）その側面図である。 乱流遷移部の有無による伝熱効率の相違を示すシミュレーション結果である。 コアの流入端面における閉塞率と、放熱量との関係を示す実験結果である。 乱流遷移部に設けられる渦流発生部の一例を示す斜視図である。

以下、熱交換器の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は例示である。図１は、プレートフィン型熱交換器のコア１の全体を示しており、このプレートフィン型熱交換器は、例えば鉄道車両に搭載されかつ、オイルクーラーとして用いられる。すなわち、図示は省略するが、この熱交換器は、鉄道車両における床下に配設されると共に、ブロワからの送風（つまり、冷却風）が供給されることで、冷却対象の流体であるオイルを冷却する。

具体的に、冷却風は、白抜きの矢印で示すように、図１における紙面左手前から右奥に向かう方向（以下、この方向を奥行き方向という場合がある）に、コア１内を通過する一方で、オイルは、コア１内を、図１における紙面の上下方向（以下、この方向を高さ方向という場合がある）に流れ、その間に冷却風とオイルとの間で熱交換が行われる。

このコア１は、複数のチューブプレートと複数のコルゲートフィンとを、例えばろう付により互いに接合することで製造されると共に、軽量化の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金製とされる。但し、ここに開示する技術は、アルミニウム又はアルミニウム合金製の熱交換器に限定されるものではなく、例えばステンレス鋼製、鉄製、銅製等、他の材料からなる熱交換器にも適用可能である。

コア１は、複数のチューブプレート２と複数のコルゲートフィン３、４とを、奥行き方向及び高さ方向の双方に直交する幅方向（図１における紙面右手前から左奥に向かう方向）に、交互に積層することにより構成されており、これにより、コア１においては、オイルが流れる第１流路１１と、冷却風が通過する第２流路１２とが幅方向に交互に積層される。第１流路１１は、前述の通り、コア１における高さ方向の上面及び下面のそれぞれに開口し、図示を省略するヘッダタンクを介して、オイルが第１流路１１内に流入すると共に、ヘッダタンクを介して、第１流路１１内から流出したオイルが排出される。

一方、第２流路１２は、コア１における奥行き方向の手前側の端面に開口しており、この開口が、コア１における流入端面１３に設けられかつ、冷却風が流入するための流入開口１４を構成する。第２流路１２はまた、コア１における奥行き方向の奥側の端面にも開口しており、この開口が、コア１における流出端面１５に設けられかつ、冷却風が流出するための流出開口を構成する。

ここでコア１は、その幅方向の長さＷが高さ方向の長さＨよりも大幅に長く、それによって流入端面１３及び流出端面１５が細長い形状を有していると共に、奥行き方向の長さＤもまた比較的長く設定されていて、これにより、第２流路１２の流路長さが、比較的長くなっている。

一次伝熱面として機能する各チューブプレート２は、図２に拡大して示すように平板形状を有しており、複数のチューブプレート２は、所定の間隔を空けて互いに平行となるように配設されている。チューブプレート２の間隔は、相対的に狭い間隔と、相対的に広い間隔とが設定されており、狭い間隔は第１流路１１に対応し、広い間隔は第２流路１２に対応する。尚、図２における符号２１、２２はそれぞれ、第１流路１１及び第２流路１２の端部に配置されることで、第１流路１１及び第２流路１２を区画すると同時に、コア１の側面を構成するサイドバーである。

コア１の上面及び下面に開口する第１流路１１内には、二次伝熱面として機能するコルゲートフィン３が配設されている。第１流路１１内に配設されているコルゲートフィン３は、複数の山部及び谷部が互いに等間隔を空けて並設するように、その横断面が波形を有すると共に、当該山部及び谷部が直線状に延びる、いわゆるプレーン型に構成されている。プレーン型のコルゲートフィン３は、第１流路１１内におけるオイルの圧力損失を低くする上で有利である。尚、プレーン型のコルゲートフィン３のピッチは適宜設定することが可能である。また、第１流路１１内に配設するコルゲートフィンは、プレーン型に限らず、パーホレート型、ヘリンボーン型、及びセレート型等の、他の形状を採用することも可能である。

これに対し、第２流路１２内にもまた、コルゲートフィン４が配設されており、この実施形態では、セレート型のコルゲートフィン４が採用されている。セレート型のコルゲートフィン４は、プレーン型のコルゲートフィンにおける山部及び谷部を分断するような切れ目４１が所定間隔で設けられると共に、その切れ目４１において山部及び谷部の位置がずれることで構成される。セレート型のコルゲートフィン４は、後述するように、第２流路１２内を流れる冷却風の乱流化に有利になると共に、第２流路１２の目詰まりを防止する点でも有利である。但し、第２流路１２内に配設するコルゲートフィンは、セレート型に限らず、プレーン型、パーホレート型、ヘリンボーン型、及びルーバー型等、各種のコルゲートフィンを採用することが可能である。尚、第２流路１２のコルゲートフィン４のピッチも、適宜設定することが可能である。

そうして、第２流路１２内に配設されているコルゲートフィン４は、コア１の流入開口１４を通じてコア１の流入端面１３から、冷却風の流れ方向の上流側に向かって突出して配設されている。コルゲートフィン４における突出部分は、第２流路１２に流入する冷却風を乱流に遷移させるための乱流遷移部４２として機能する。

このように乱流遷移部４２を、第２流路１２の流入開口１４を通じて、コア１の流入端面１３から、冷却風の流れ方向の上流側に向かって突出して配設しているため、流入開口１４を通じて第２流路１２内に流入しようする冷却風は、乱流遷移部４２におけるフィンとフィンとの間を流れるようになる（図２（ｂ）の矢印参照）このフィンとフィンとの間の流れに着目すると、この流れは、平行なフィンとフィンとの間をフィンの表面に沿って流れる流れ（平行二平板間の流れ）であるから、乱流遷移部４２の長さを所定の長さ以上に設定すれば、この乱流遷移部４２において、言い換えると、コア１に流入する前に、冷却風を乱流へと遷移させることが可能になる。

コア１に流入する前に冷却風を乱流化させることは、コア１における熱交換効率の向上に有利になり、コア１の軽量化が可能になる。つまり、乱流遷移部４２を備えていない従来のコア１では、流入開口１４を通じて第２流路１２内に冷却風が流入した後に、冷却風が乱流へと遷移するようになる。つまり、従来のコア１では、乱流への遷移区間が、実質的に、コア１の内部に設けられていた。このため従来は、第２流路１２内における流入開口１４側では冷却風が乱流化しておらず、熱交換効率が比較的低かった。このことを考慮して、従来は、必要な放熱量を確保するために、コア１における第２流路１２の長さ（これは、コア１の奥行き方向長さＤに対応する）を比較的長く設定していた。

これに対し、乱流遷移部４２を設けることによって、乱流への遷移区間が、コア１の外部に設けられることになるから、流入開口１４を通じて流入した直後から、冷却風が乱流化しており、熱交換効率が比較的高くなる。その結果、従来のコアと同程度の性能とするならば、コア１の奥行き方向長さＤを、従来のコアよりも短くすることが可能になる。

コア１の奥行き方向長さＤを短くすることは、チューブプレートやコルゲートフィンを小型化することによる軽量化に加えて、第１流路１１の容積が小さくなる結果、その第１流路１１内のオイルの量を少なくするから、コア１を大幅に軽量化することが可能になる。

ここで、レイノルズ数Ｒｅ、フィンのピッチｐ（これはコア１の高さ方向に対応する）、及び、フィンの高さｈ（これはコア１の幅方向に対応する）とすれば（図２参照）、走行風を乱流に遷移させるために、乱流遷移部４２として必要な突出長さＬは、
Ｌ＝ｌ／ｈ
ｌ＝０．０６×Ｒｅ・ｐ
によって表すことが可能である。従って、乱流遷移部４２は、少なくとも０．０６×Ｒｅ・ｐ／ｈの長さを有することが望ましい。但し、フィンはプレーン型とする。ここで、フィンの形状をｐ＝２．１ｍｍ、ｈ＝８．９ｍｍと仮定し、鉄道車両に搭載される熱交換器の使用環境における最小レイノルズ数をＲｅ＝７５０とすれば、乱流遷移部４２の最低必要長さＬは、１０．７ｍｍとなる。このことから、乱流遷移部４２の突出長さＬは、１０ｍｍ≦Ｌとすることが好ましい。

一方、乱流への遷移という観点からは、乱流遷移部４２の突出長さＬの上限値は特に規定されない。但し、乱流遷移部４２を、コア１の流入端面１３から必要以上に突出させることは、コア１が大型化し、コア１の軽量化が達成されない。そこで、乱流遷移部４２の突出長さＬは、Ｌ≦３０ｍｍとすることが好ましい。従って、乱流遷移部４２は、１０≦Ｌ≦３０ｍｍが好ましい。

尚、第２流路１２の流入開口１４から流入する冷却風は、乱流遷移部４２においてフィン間を流れる冷却風の他にも、図２（ａ）に白抜きの矢印で示すように、そのフィン間の流れに引き込まれるように、側方から流入開口内に流れ込む流れも発生する（いわゆる、入口効果）。この入口効果によって、第２流路１２内での乱流化が促進されるため、乱流遷移部４２の突出長さＬが、冷却風の乱流遷移に必要な長さに若干満たなくても、入口効果が加わることで、第２流路１２の流入直後から乱流になり、コア１の熱交換効率が高まる場合がある。このことは、乱流遷移部４２の突出長さＬを短くすることを可能にする。但し、側方から流入開口１４内に流れ込む流れを効果的に発生させるには、乱流遷移部４２におけるフィン間の流れが十分に発達していることが好ましく、乱流遷移部４２の突出長さＬが短すぎると、側方から流入開口１４内に流れ込む流れを効果的に発生させることができない。その点からも、乱流遷移部４２の突出長さＬは、前述の通り１０ｍｍ≦Ｌに設定することが好ましい。

乱流遷移部４２はまた、所定長さ以上に突出させることによって、乱流化を図るだけでなく、前述した入口効果により、第２流路１２内で、コア１の幅方向に非対称な流れを生じさせることで、冷却風の乱流化に寄与する。つまり、乱流遷移部４２はコルゲートフィンであるため、特定のフィンとフィンとの間に着目すると、そのフィン同士をつなぐ山部又は谷部は、いずれか一方のみが存在している。そのため、当該フィン間では、山部又は谷部とは逆側の側方からのみ、流入開口１４内への流れ込みが生じる。このように、コルゲートフィンからなる乱流遷移部４２は、一方の側からの流れ込みを発生させるため、第２流路１２内の流れの非対称性を生み出し、このことがまた、第２流路１２内での冷却風の乱流化を促進することになる。

乱流遷移部４２はまた、冷却風の乱流への遷移機能の他に、第２流路１２の流入開口１４に、羽根や木の葉等の異物が付着して、第２流路１２を閉塞してしまうことを防止する機能を有する。

図２に示すように、第２流路１２内に配設するコルゲートフィン４をセレート型にしたときには、乱流遷移部４２に、少なくとも一つの切れ目４１が存在するように構成することが好ましい。このことは、乱流遷移部４２における、冷却風の乱流化に有利になり、乱流遷移部４２の突出長さを短くすることを可能にする。また、少なくとも一つの切れ目４１を乱流遷移部４２に設けることは、第２流路１２の流入開口１４を閉塞してしまうことを、より一層効果的に防止する。

ここで、軽量化に関する実例について記載すると、奥行き方向長さＤが１３０ｍｍに設定された従来のコアに対して、突出長さＬ＝２５ｍｍの乱流遷移部４２を設けることにより、従来のコアと同程度の放熱性能を維持する上で、コア１の奥行き方向長さＤを２５ｍｍ短くすることが可能になり、その結果、コア１は、１６％の軽量化を達成することが可能であった。

このようにコア１の奥行き方向長さＤを短縮させることは、第１流路１１の流路断面積を縮小することに対応し、第１流路１１におけるオイルの圧力損失が高くなる可能性がある。そのため、第１流路１１内に配設するコルゲートフィン３は、オイルの圧力損失が高くなることを抑制するような型のコルゲートフィン、例えばプレーン型のコルゲートフィンを採用することが好ましい。

この乱流遷移部４２を適用するコア１としては、その奥行き方向長さＤが、１００〜４００ｍｍに設定されたものが好ましい。奥行き方向長さＤが１００ｍｍよりも短いコアでは、乱流遷移部４２により第２流路１２内を乱流化させることによって得られる伝熱効率の向上効果が小さい一方で、乱流遷移部４２を設けることによってこの乱流遷移部４２を含めたコア１の全長が長くなる割合の方が大きくなるためである。また、奥行き方向長さＤが４００ｍｍよりも長いコアでは、第２流路１２の長さがもともと長く、第２流路１２内に遷移区間を設けても伝熱効率は比較的高く維持される一方で、乱流遷移部４２を設けることによるコア１の縮小代が比較的小さくなってしまうためである。つまり、乱流遷移部４２を備えたコア１は、その奥行き方向の長さの比が、０．０２５≦Ｌ／Ｄ≦０．３に設定することが好ましく、乱流遷移部４２の突出長さＬに比べて、コア１の奥行き方向長さＤの方が大幅に長いコア１とすることが好ましい。こうすることで、乱流遷移部４２によるコア１の軽量化を、最も有効に達成することができる。

次に、乱流遷移部４２の機能に関して行った実施例について、図を参照しながら説明する。先ず、図３は、乱流遷移部４２による、冷却風の乱流化及び伝熱効率の改善に関して行った解析例を示している。つまり、図３は、第２流路１２内に配設したコルゲートフィン４におけるフィンとフィンとの間の冷却風の流れを解析した結果であり、冷却風は図における左から右に流れる。図３の上図は、乱流遷移部４２を設けていない場合、下図は、乱流遷移部４２を設けた場合であり、図において上下方向に延びる一点鎖線が、コア１の流入端面１３に相当し、この一点鎖線よりも右側がコア１の内部に相当する。

これによると、乱流遷移部４２を設けていない場合は、コア１内において伝熱効率の高
い領域が、そのコア１の奥行き方向の全長に対し１／３程度に留まっているのに対し、乱流遷移部４２を設けた場合は、伝熱効率の高い領域が、コア１の奥行き方向の全長に対して、１／２以上に拡がっている。

また、乱流遷移部４２を設けていない場合は、流入開口１４付近に存在する、伝熱効率の低い領域が、比較的大きいのに対し、乱流遷移部４２を設けた場合は、流入開口１４付近の、伝熱効率の低い領域が縮小しており、コア１内は、伝熱効率が中又は高となる領域が、そのほとんどを占めるようになる。この結果から、乱流遷移部４２を設けることによって、コア１内における伝熱効率が大幅に高まることがわかる。

尚、図３の下図において、コア１内の分布が上下で非対称となるのは、前述したように、乱流遷移部４２を構成するコルゲートフィンにおいて、その平行なフィンとフィンとをつなぐ山部又は谷部の壁が、流入開口の一方側にのみ配置される結果（図例では上側に壁が配置されている）、同図に白抜きの矢印で示すように、流入開口に対し他方の側（図における下側）からのみ、第２流路１２内に流れ込む流れが発生するためである。

次に、図４は、乱流遷移部４２の目詰まり防止効果について確認をした実施例を示している。すなわち、図４は、コア１における、流入端面１３の閉塞率（つまり、流入端面１３の全面積に対する、閉塞された流入開口の面積の比）と、コア１の放熱量との関係を示している。この実験結果は、冷却風と共に疑似飛来物を、コア１の流入端面１３に飛翔させながら、その疑似飛来物の重量と、コア１の放熱量との関係を求めたものであり、図４における横軸は、飛翔させた疑似飛来物の重量を、流入端面１３における閉塞率に換算した値である。

図４において、白丸印、菱形印、四角印及び三角印はそれぞれ、乱流遷移部４２を設けない場合であり、白丸は、第２流路１２内のコルゲートフィンが、３．２ｍｍピッチのヘリンボーン型、菱形印は、第２流路１２内のコルゲートフィンが、２．１ｍｍピッチのヘリンボーン型、四角印は、第２流路１２内のコルゲートフィンが、２．８ｍｍピッチのルーバー型、及び、三角印は、第２流路１２内のコルゲートフィンが、２．３ｍｍピッチのルーバー型である。一方、黒丸印は、乱流遷移部４２を設けた場合であり、第２流路１２内のコルゲートフィンは、２．８ｍｍピッチのルーバー型である。尚、各例において、コア１の奥行き方向長さを含む、コア１の各諸元は、互いに同じに設定している。

これによると、先ず乱流遷移部４２を設けていない場合は、コルゲートフィンの型や、そのピッチに応じて、放熱性能に差が生じており、ヘリンボーン型よりもルーバー型の方が、放熱性能が高く、同一型のコルゲートフィンでは、ピッチがより小さい方が、放熱性能が高い。しかしながら、各例は全て、閉塞率が高くなるに従って放熱量が大きく低下しており、その低下度合い（傾き）は、コルゲートフィンの型や、そのピッチの大きさにかかわらず、互いにほぼ同じである。

これに対し、黒丸印で示すように、乱流遷移部４２を設けることによって、流入端面１３が閉塞されていないとき（閉塞率０％のとき）の放熱量が、乱流遷移部４２を設けていない例よりも高くなると共に、閉塞率が高まっても、放熱量はほとんど低下しない。これは、乱流遷移部４２を設けることによって、疑似飛来物はその乱流遷移部４２のコルゲートフィンに引っ掛かるようになって、コア１における第２流路の流入開口１４は、実質的に閉塞されていないためと考えられる（前述したように、図４の横軸は疑似飛来物の重量を閉塞率に換算した値であって、流入端面１３における実際の閉塞率ではない）。従って、乱流遷移部４２を設けることは、熱交換効率の向上と共に、流入開口１４の目詰まりを防止する上でも有効であり、例えば鉄道車両に搭載される熱交換器として、所望の熱交換性能を安定して発揮することが可能になる。

尚、変形例として、乱流遷移部４２における乱流遷移機能をさらに高めるために、この乱流遷移部４２のフィン表面に、渦流を発生させる渦流発生部を形成してもよい。こうした渦流発生部を形成する上で、その加工性の観点から、コルゲートフィンは、プレーン型のコルゲートフィンを採用してもよい。

渦流発生部としては、種々の形状のものを採用することが可能である。一例として、図５に示すように、フィン表面から突出する１／４球状の突起５を、例えば千鳥に配置してもよい。また、図示は省略するが、三角形状の突起をフィン表面から突出して形成してもよいし、単なる平板状の突起をフィン表面から突出して形成してもよい。尚、乱流遷移部４２は、コア１の外部に設けられ、コア内の内圧を受けないことから、渦流発生部を形成しても、コア１の強度には何ら影響を及ぼさない。

以上説明したように、ここに開示したプレートフィン型熱交換器は、熱交換効率を高め、それによって熱交換器の軽量化を実現するから、鉄道車両（新幹線、在来線、地下鉄線等）の他にも、例えばモノレール、路面電車等の軌道上を走行する車両や、乗用車、バス及びトラック等の無軌道の車両に搭載される熱交換器として広く適用することができる。

１ コア
２ チューブプレート（プレート）
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１３ 流入端面
１４ 流入開口
１５ 流出端面
４ コルゲートフィン
４２ 乱流遷移部
５ 突起（渦流発生部）

Claims (6)

1. 冷却対象の流体が流れる第１流路と、所定方向に流れる冷却風が通過する第２流路とがプレートによって仕切られることで交互に積層されて構成されたコアを備えるプレートフィン型熱交換器であって、
   前記コアには、前記冷却風の流れ方向の上流側の端面であって、前記冷却風が流入する前記第２流路の流入開口が形成された流入端面と、前記冷却風の流れ方向の下流側の端面であって、前記冷却風が流出する前記第２流路の流出開口が形成された流出端面と、がそれぞれ設定されており、
   前記第２流路内にはコルゲートフィンが配設されていると共に、当該コルゲートフィンは、前記流入開口を通じて前記コアの流入端面から、前記流れ方向の上流側に向かって突出して配設されており、
   前記コルゲートフィンにおける前記流入端面から突出した部分は、前記第２流路に流入する冷却風を乱流に遷移させるための乱流遷移部を構成しているプレートフィン型熱交換器。
2. 請求項１に記載のプレートフィン型熱交換器において、
   前記乱流遷移部の突出長さＬは、
   Ｌ≧０．０６×Ｒｅ・ｐ／ｈ （但し、Ｒｅはレイノルズ数、ｐは前記コルゲートフィンのピッチ、ｈは前記コルゲートフィンの高さ）に設定されているプレートフィン型熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載のプレートフィン型熱交換器において、
   前記乱流遷移部の突出長さをＬ、前記コアの前記流入端面から前記流出端面までの長さをＤとしたときに、０．０２５≦Ｌ／Ｄ≦０．３となるように設定されているプレートフィン型熱交換器。
4. 請求項３に記載のプレートフィン型熱交換器において、
   前記コアの前記流入端面から前記流出端面までの長さＤは、１００〜４００ｍｍに設定されているプレートフィン型熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレートフィン型熱交換器において、
   前記第２流路内に配設されるコルゲートフィンは、セレート型に構成されているプレートフィン型熱交換器。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレートフィン型熱交換器において、
   前記第２流路内に配設されるコルゲートフィンは、プレーン型に構成されており、
   前記プレーン型のコルゲートフィンにおける前記乱流遷移部には、そのフィン表面に、渦流を発生させるための渦流発生部が形成されているプレートフィン型熱交換器。