JP2013221682A - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を減らすための技術を提供する。
【解決手段】フィンチューブ熱交換器１００は、平行に並べられた複数のフィン３１と、気体と熱交換する媒体が内部を流れるように構成された伝熱管２１とを備えている。フィン３１は、フィンカラー３７、平坦部３５、第１傾斜部３６及び第２傾斜部３８を有する。フィン３１の並び方向を高さ方向と定義する。高さ方向において、平坦部からのフィンカラー３７の突出方向を正の高さ方向と定義する。フィン３１は、気流方向において第１傾斜部３６を１対のみ有する。第１傾斜部３６及び第２傾斜部３８は、中央平面Ｈｃから遠ざかるにつれて、正の高さ方向に向かって単調に延びている。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、フィンチューブ熱交換器に関する。

フィンチューブ熱交換器は、所定間隔で並べられた複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。空気は、フィンとフィンとの間を流れて伝熱管の中の流体と熱交換する。

図９Ａ〜図９Ｄは、それぞれ、従来のフィンチューブ熱交換器に使用されたフィンの平面図、IXB-IXB線に沿った断面図、IXC-IXC線に沿った断面図及びIXD-IXD線に沿った断面図である。フィン１は、気流方向において山部４と谷部６とが交互に現れるように成形されている。このようなフィンは、一般に「コルゲートフィン」と呼ばれている。コルゲートフィンによれば、伝熱面積を増やす効果だけでなく、気流３を蛇行させることによって温度境界層を薄くする効果が得られる。

また、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、コルゲートフィンに切り起こしを設けることによって伝熱性能を改善する技術も知られている（特許文献１）。フィン１ａのフィン傾斜面４２ａ，４２ｂ，４２ｃ及び４２ｄには、切り起こし４１ａ，４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄが設けられている。切り起こし４１ａ，４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄの高さＨ１，Ｈ２，Ｈ３及びＨ４は、隣接するフィン１ａの距離をＦｐとしたとき、１／５・Ｆｐ≦（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４）≦１／３・Ｆｐの関係を満足する。

特許文献１には、着霜運転時の通風抵抗を減らすように構成された別のフィンも記載されている。図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、フィン１ｂのフィン傾斜面１２ａ及び１２ｂには、上記した関係を満足する切り起こし１１ａ及び１１ｂが設けられている。

特開平１１−１２５４９５号公報

フィンチューブ熱交換器に共通する１つの技術課題として、圧力損失に関する課題がある。図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して説明したフィン１ｂの曲げ回数は、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照して説明したフィン１ａの曲げ回数よりも少ない。フィン１ｂのフィン傾斜面１２ａ及び１２ｂの傾斜角度は、比較的緩やかである。傾斜角度が緩やかなことは、圧力損失の低減にとって有利である。圧力損失を減らすことによって、フィンチューブ熱交換器の効率をさらに高めることができる可能性がある。

本発明は、フィンチューブ交換器において、圧力損失を減らすための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れるように構成された伝熱管と、を備え、
前記フィンは、前記伝熱管に密着しているフィンカラーと、前記フィンカラーの周囲に形成された平坦部と、起伏を形成するように前記平坦部に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
前記フィンの長手方向を段方向と定義し、前記フィンの並び方向を高さ方向と定義し、前記段方向及び前記高さ方向の両方に垂直な方向を気流方向と定義し、前記高さ方向において、前記平坦部からの前記フィンカラーの突出方向を正の高さ方向と定義し、前記伝熱管の中心を通り、前記気流方向に垂直な平面を中央平面と定義したとき、
前記フィンは、前記気流方向において前記第１傾斜部を１対のみ有し、
前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部は、前記中央平面から遠ざかるにつれて、前記正の高さ方向に向かって単調に延びている、フィンチューブ熱交換器を提供する。

本発明によれば、低い通風抵抗及び高い熱交換能力を有するフィンチューブ熱交換器を提供できる。

本発明の第１実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の斜視図 図１のフィンチューブ熱交換器に用いられたフィンの平面図 図２Ａに示すフィンのIIB-IIB線に沿った断面図 図２Ａに示すフィンのIIC-IIC線に沿った断面図 図２Ａに示すフィンのIID-IID線に沿った断面図 図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明した従来のコルゲートフィンにおける空気の流れを示す概略図 参照フィンにおける空気の流れを示す概略図 第１実施形態に係るフィンにおける空気の流れを示す概略図 角度θ２の下限値の算出方法を示す概略図 空気の流れの解析領域を示す断面図 第２傾斜角度θ２が３５°のときの空気の流れを示す概略図 第２傾斜角度θ２が６０°のときの空気の流れを示す概略図 第２傾斜角度θ２が８５°のときの空気の流れを示す概略図 第２傾斜角度θ２とフィンチューブ熱交換器の性能（熱交換量及び圧力損失）との関係を示すグラフ 図２Ａに示すフィンにおいて高い熱伝達率を有する部分を示す平面図 従来のフィンにおいて高い熱伝達率を有する部分を示す平面図 第２実施形態に係るフィンの平面図 図８Ａに示すフィンのVIIIB-VIIIB線に沿った断面図 図８Ａに示すフィンのVIIIC-VIIIC線に沿った断面図 図８Ａに示すフィンのVIIID-VIIID線に沿った断面図 図８Ａに示すフィンの部分拡大図 図８Ａに示すフィンを第２基準平面によって切断したときの部分断面図 従来のフィンチューブ熱交換器に使用されたフィンの平面図 図９Ａに示すフィンのIXB-IXB線に沿った断面図 図９Ａに示すフィンのIXC-IXC線に沿った断面図 図９Ａに示すフィンのIXD-IXD線に沿った断面図 従来のフィンチューブ熱交換器に使用された別のフィンの平面図 図１０Ａに示すフィンのXB-XB線に沿った断面図 図１０Ａに示すフィンのXC-XC線に沿った断面図 従来のフィンチューブ熱交換器に使用されたさらに別のフィンの平面図 図１１Ａに示すフィンのXIB-XIB線に沿った断面図 図１１Ａに示すフィンのXIC-XIC線に沿った断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のフィンチューブ熱交換器１００は、空気Ａ（気体）の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィン３１と、これらのフィン３１を貫通する伝熱管２１とを備えている。フィンチューブ熱交換器１００は、伝熱管２１の内部を流れる媒体Ｂと、フィン３１の表面に沿って流れる空気Ａとを熱交換させるように構成されている。媒体Ｂは、例えば、二酸化炭素、ハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。伝熱管２１は、１本につながっていてもよいし、複数本に分かれていてもよい。

フィン３１は、前縁３０ａ及び後縁３０ｂを有する。前縁３０ａ及び後縁３０ｂは、それぞれ、直線状である。

本明細書では、フィン３１の長手方向を段方向と定義し、フィン３１の並び方向を高さ方向と定義し、段方向及び高さ方向の両方に垂直な方向を気流方向（空気Ａの流れ方向）と定義する。段方向は、前縁３０ａ又は後縁３０ｂに平行な方向である。気流方向、高さ方向及び段方向は、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に対応している。段方向は、例えば、重力方向に平行である。気流方向は、例えば、水平方向に平行である。

図２Ａ〜図２Ｄに示すように、フィン３１は、典型的には、長方形かつ平板の形状を有する。本実施形態において、フィン３１は一定の間隔（フィンピッチＦＰ）で並べられている。ただし、高さ方向において互いに隣り合う２つのフィン３１の間隔は必ずしも一定である必要はなく、異なっていてもよい。フィンピッチＦＰは、例えば、１．０〜１．５ｍｍの範囲に調整されている。図２Ｂに示すように、フィンピッチＦＰは、隣り合う２つのフィン３１の距離で表される。

本実施形態において、フィン３１は、中央平面Ｈｃに関して、左右対称の構造を有している。さらに、フィン３１には上下の区別も存在しない。このような構成によれば、フィン３１の上下左右を区別する必要性を排除できるので、フィンチューブ熱交換器１００の組み立て作業が容易化する。中央平面Ｈｃは、伝熱管２１の中心Ｏ（貫通孔３７ｈの中心）を通り、気流方向に垂直な平面である。

前縁３０ａを含む一定幅の部分及び後縁３０ｂを含む一定幅の部分は、気流方向に平行である。ただし、これらの部分は、成形時にフィン３１を金型に固定するために使用される部分であり、フィン３１の性能に大きな影響を及ぼさない。

フィン３１の材料として、打ち抜き加工された肉厚０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に使用できる。フィン３１の表面にベーマイト処理、親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。親水性処理に代えて、撥水処理が施されていてもよい。

フィン３１には、複数の貫通孔３７ｈが段方向に沿って一列かつ等間隔で形成されている。複数の貫通孔３７ｈの各中心を通る直線は段方向に平行である。複数の貫通孔３７ｈのそれぞれに伝熱管２１が嵌められている。貫通孔３７ｈの周りにはフィンカラー３７がフィン３１の一部によって形成されており、このフィンカラー３７と伝熱管２１とが密着している。貫通孔３７ｈの直径は、例えば１〜２０ｍｍであり、４ｍｍ以下であってもよい。貫通孔３７ｈの直径は、伝熱管２１の外径に一致している。段方向で互いに隣り合う貫通孔３７ｈの中心間距離（管ピッチ）は、例えば、貫通孔３７ｈの直径の２〜３倍である。また、気流方向におけるフィン３１の長さは、例えば、１５〜２５ｍｍである。

図２Ａ〜図２Ｄに示すように、フィン３１は、気流に対して起伏を有するフィンである。フィン３１は、気流方向において１つの位置にのみ谷部３４を有する。すなわち、フィン３１は、１回のみ波状に曲げられているコルゲートフィンである。気流方向において、谷部３４の位置は伝熱管２１の中心Ｏの位置に一致している。本実施形態では、フィンカラー３７の突出方向と同じ方向に突出している部分を「山部」と定義している。前縁３０ａ及び後縁３０ｂが山部に対応している。隣り合う伝熱管２１の間において、谷部３４の谷線は段方向に平行である。

フィン３１は、さらに、平坦部３５、第１傾斜部３６及び第２傾斜部３８を有する。平坦部３５は、フィンカラー３７の周囲に形成された円環状の部分である。平坦部３５の表面は、気流方向に平行で高さ方向に垂直である。第１傾斜部３６は、起伏を形成するように平坦部３５に対して傾いている部分である。第１傾斜部３６は、フィン３１において最も広い面積を占有している。第１傾斜部３６の表面は平坦である。第２傾斜部３８は、平坦部３５と第１傾斜部３６との間の高さの違いを解消するように、平坦部３５と第１傾斜部３６とを滑らかに接続している部分である。第２傾斜部３８の表面は緩やかな曲面で構成されている。

高さ方向において、平坦部３５からのフィンカラー３７の突出方向を正の高さ方向と定義する。フィン３１は、気流方向において第１傾斜部３６を１対のみ有する。第１傾斜部３６及び第２傾斜部３８は、中央平面Ｈｃから遠ざかるにつれて、正の高さ方向に向かって単調に延びている。つまり、フィン３１の第１傾斜部３６は、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して説明した従来のフィン１ｂのフィン傾斜面１２ａ及び１２ｂと逆の方向に傾斜している。

詳細には、１対の第１傾斜部３６は、上流側第１傾斜部３６ａ及び下流側第１傾斜部３６ｂを含む。上流側第１傾斜部３６ａは、中央平面Ｈｃよりも気流方向の上流側に位置している。下流側第１傾斜部３６ｂは、中央平面Ｈｃよりも気流方向の下流側に位置している。上流側第１傾斜部３６ａ及び下流側第１傾斜部３６ｂの境界に谷部３４が形成されている。１つの平坦部３５に対して、１対の第２傾斜部３８が形成されている。１対の第２傾斜部３８は、上流側第２傾斜部３８ａ及び下流側第２傾斜部３８ｂを含む。上流側第２傾斜部３８ａは、中央平面Ｈｃよりも気流方向の上流側に位置している。下流側第２傾斜部３８ｂは、中央平面Ｈｃよりも気流方向の下流側に位置している。上流側第１傾斜部３６ａ、下流側第１傾斜部３６ｂ、上流側第２傾斜部３８ａ及び下流側第２傾斜部３８ｂは、それぞれ、中央平面Ｈｃから遠ざかるにつれて、正の高さ方向に向かって単調に延びている。

図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、平坦部３５の表面を含む平面を基準平面Ｈ１（第１基準平面）と定義する。基準平面Ｈ１は、気流方向に平行であり、高さ方向に垂直な平面である。基準平面Ｈ１と第１傾斜部３６とのなす角度をθ１と定義する。基準平面Ｈ１と第２傾斜部３８とのなす角度をθ２と定義する。角度θ１は、基準平面Ｈ１と第１傾斜部３６とのなす角度のうち、鋭角側の角度である。同様に、角度θ２は、基準平面Ｈ１と第２傾斜部３８とのなす角度のうち、鋭角側の角度である。本実施形態において、角度θ１及び角度θ２は、θ２＞θ１の関係を満足している。

本明細書では、角度θ１及び角度θ２をそれぞれ「第１傾斜角度θ１」及び「第２傾斜角度θ２」と称する。

中央平面Ｈｃに関してフィン３１が対称の構造を有しているとき、上流側第１傾斜部３６ａと基準平面Ｈ１とのなす角度は、下流側第１傾斜部３６ｂと基準平面Ｈ１とのなす角度に等しい。同様に、上流側第２傾斜部３８ａと基準平面Ｈ１とのなす角度は、下流側第２傾斜部３８ｂと基準平面Ｈ１とのなす角度に等しい。

第２傾斜部３８の表面は全体として曲面であるが、図２Ｃに示す断面において、第２傾斜角度θ２を特定することができる。図２Ｃの断面は、段方向に垂直かつ伝熱管２１の中心Ｏを通る平面でフィン３１を切断したときに観察される断面である。

本実施形態のフィン３１は、伝熱面積、圧力損失及び排水性能の観点で望ましい。その理由を以下に説明する。

［伝熱面積］
気流方向の長さが一定のとき、コルゲートフィンの表面積は、フラットフィン（曲げられていないフィン）の表面積よりも広い。さらに、第１傾斜角度θ１が一定のとき、曲げ回数を１回に制限したコルゲートフィン（Ｖ形コルゲートフィン）の表面積は、２回以上の曲げ回数を有するコルゲートフィン（Ｍ形コルゲートフィン）の表面積よりも広い。この理由は、本実施形態のフィン３１の断面を従来のフィン１の断面と比較することによって理解できる。

図２Ｂと図９Ｂとを比較すると理解できるように、図２Ｂに示された断面の輪郭の長さは、図９Ｂに示された断面の輪郭の長さに等しい。図２Ｄに示された断面は、図９Ｄに示された断面に一致しているので、両者の輪郭の長さは等しい。これに対し、図２Ｃと図９Ｃとを詳細に比較すると明らかとなるように、図２Ｃに示された断面の輪郭の長さは、図９Ｃに示された断面の輪郭の長さを上回っている。従って、本実施形態のフィン３１の表面積は、従来のフィン１の表面積を上回る。一般に、表面積が大きければ大きいほど、熱交換量も大きい。そのため、フィン３１を用いたフィンチューブ熱交換器１００は高い熱交換能力を有する。

［圧力損失］
図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれ、従来のコルゲートフィンにおける空気の流れを示す概略図、参照フィンにおける空気の流れを示す概略図、本実施形態のフィンにおける空気の流れを示す概略図である。図３Ａ〜図３Ｃには、空気Ａの進行方向が矢印で示されている。参照フィン１３は、本実施形態のフィン３１の曲げ方向と異なる方向に曲げられたフィンである。参照フィン１３の曲げ方向は、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して説明した従来のフィン１ｂの曲げ方向と同じである。

図３Ａに示すように、従来のフィン１において、空気Ａは、第１傾斜部６から第２傾斜部８に進むときに最も大きく蛇行する。蛇行角度は、（θ１＋θ２）で表され、比較的大きい。蛇行角度が大きすぎると、通風抵抗の大幅な増加を招くだけでなく、有効伝熱面積の減少も招く。図３Ｂに示すように、参照フィン１３においても、空気Ａは、第１傾斜部１３６から第２傾斜部１３８に進むときに最も大きく蛇行する。蛇行角度は、（θ１＋θ２）で表される。これに対し、図３Ｃに示すように、本実施形態のフィン３１において、空気Ａは、第２傾斜部３８から平坦部３５に進むときに最も大きく蛇行する。蛇行角度は、θ２で表され、比較的小さい。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、本実施形態のフィン３１を使用すれば、小さい蛇行角度を持った流路を有するフィンチューブ熱交換器１００を提供できる。

［排水性能］
フィンチューブ熱交換器に共通する１つの技術課題として、排水性能に関する課題がある。フィンの表面に水（凝縮水）が付着すると効率的な熱交換が阻害されるので、フィンの表面から速やかに水が排除されることが望ましい。

図１１Ａ〜図１１Ｃに示すフィン１ｂにおいて、平坦部１２ｃ及び傾斜部１２ｄは、凹形状を有している。平坦部１２ｃ及び傾斜部１２ｄは、稜線１２ｅによって囲まれている。従って、凝縮水は、伝熱管の下方において、平坦部１２ｃ及び傾斜部１２ｄに滞留しやすい。

これに対し、本実施形態のフィン３１は、上流側第１傾斜部３６ａ及び下流側第１傾斜部３６ｂが中央平面Ｈｃの位置で互いに接することによって形成された谷部３４を有する。高さ方向において、平坦部３５の位置が谷部３４の位置に一致している。中央平面Ｈｃと平坦部３５の外縁との交点Ｐにおいて、谷部３４（谷線）が平坦部３５に接している。このような構成によれば、凝縮水は、重力により、平坦部３５及び第２傾斜部３８から谷部３４に向かってスムーズに流れる。

フィン３１を平面視したとき、１対の第２傾斜部３８は、三日月の形状を有している。１対の三日月形の第２傾斜部３８が平坦部３５を包囲している。第１傾斜部３６と第２傾斜部３８との境界線３８ｐ及び３８ｑは、円弧の形状を有している。円弧状の境界線３８ｐ及び３８ｑは、平坦部３５の半径よりも大きい曲率半径を有している。境界線３８ｐは、中央平面Ｈｃの位置に一端部と他端部とを有する。境界線３８ｑも中央平面Ｈｃの位置に一端部と他端部とを有する。つまり、中央平面Ｈｃと平坦部３５の外縁との交点Ｐにおいて、谷部３４、平坦部３５及び第２傾斜部３８が相互に接している。このような構成によれば、凝縮水が平坦部３５及び第２傾斜部３８から谷部３４へと、よりスムーズに流れる。

一般に、外気温度が０℃に近づくと、室外機に組み込まれたフィンチューブ熱交換器のフィンの表面に霜が堆積し始める。霜は、フィンチューブ熱交換器の性能を大きく損なうので、霜を溶かして除去するための運転、いわゆるデフロスト運転を定期的に実施する必要がある。ところが、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すフィン１ｂによれば、霜が溶けることによって生じた水をフィン１の表面から十分に排除することができない。そのため、霜が溶けることによって生じた水の一部はそのままフィン１ｂの表面に残存し、デフロスト運転の終了後に再凍結する。つまり、霜の融解と残存水の凍結に無駄なエネルギーが消費される。再凍結によって霜（又は氷）がフィン１ｂの表面に堆積すると、デフロスト運転のインターバルを短縮する必要性にも迫られる。

これに対し、フィン３１を用いた本実施形態のフィンチューブ熱交換器１００は優れた排水性能を有しているので、デフロスト運転によって生じた水は、速やかにフィン３１の表面から排除される。これにより、無駄なエネルギーの消費、デフロスト運転のインターバルの短縮といった不利益を回避することができる。デフロスト運転後には、水がフィン３１の表面から十分に排除されているので、フィンチューブ熱交換器１００の本来の性能が確実に発揮される。

本実施形態において、フィン３１は、複数の貫通孔３７ｈを除いたその他の領域において当該フィン３１の表側（上面側）から裏側（下面側）への空気Ａの流れを禁止するように構成されている。つまり、フィン３１には、貫通孔３７ｈ以外に開口部が設けられていない。開口部が存在しなければ、着霜による目詰まりの問題も生じないので、圧力損失の観点で有利である。なお、「開口部が設けられていない」とは、スリット、ルーバーなどが設けられていないこと、すなわち、フィンを貫通する孔が設けられていないことを意味する。

本実施形態のフィンチューブ熱交換器１００は、下記式（１）を満足するように構成されている。式（１）において、気流方向におけるフィン３１の長さをＳ１と定義する。平坦部３５の直径をＤ１と定義する。

ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１）／（Ｓ１−Ｄ１）｝≦θ２≦８０°・・・（１）

以下、式（１）の技術的意義を詳細に説明する。

（第２傾斜角度θ２の下限値について）
図３Ｃを参照して説明したように、第２傾斜角度θ２が小さければ小さいほど、空気Ａの蛇行角度も小さい。第２傾斜部３８を気流方向に徐々に拡大すると、第２傾斜角度θ２も徐々に減少する。ただし、第２傾斜部３８がフィン３１の前縁３０ａ及び後縁３０ｂに達すると、それ以上第２傾斜角度θ２を小さくすることができない。

図４は、第２傾斜角度θ２の下限値の算出方法を示している。図４に示すように、第２傾斜部３８がフィン３１の前縁３０ａ及び後縁３０ｂの位置に達したとき、第２傾斜角度θ２の正接は、（Ｓ１・ｔａｎθ１）／（Ｓ１−Ｄ１）で表される。第２傾斜角度θ２を図４に示す状態よりも小さくするためには、第１傾斜角度θ１を小さくする必要がある。フィン３１の長さＳ１が一定の条件で第１傾斜角度θ１を小さくすると、フィン３１の表面積が減少する。そのため、第２傾斜角度θ２は、ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１）／（Ｓ１−Ｄ１）｝以上であることが望ましい。

（第２傾斜角度θ２の上限値について）
第２傾斜角度θ２の増加に伴うデメリットとして、「流れの剥離」が挙げられる。図５Ａに破線Ｄで示すように、フィンチューブ熱交換器１００において、気流の蛇行角度が最も大きい区間は、平坦部３５と第２傾斜部３８との境界近傍に存在する。破線Ｄで示された区間における気流の蛇行角度は、第２傾斜角度θ２で表すことができる。

第２傾斜角度θ２が気流に与える影響を調べるために、以下の条件を有するコルゲートフィンのモデルを用いて気流解析を実施した。具体的には、第２傾斜角度θ２を変化させながら、流路の蛇行部分における剥離領域の大きさと、剥離領域内の気流方向とを調べた。代表的な結果を図５Ｂ〜図５Ｄに示す。

・フィンの長さＳ１＝１８．９ｍｍ
・平坦部の直径Ｄ１＝１１ｍｍ
・第１傾斜角度θ１＝１６°
・フィンピッチＦＰ＝１．３ｍｍ
・前面風速＝１．３ｍ／秒

図５Ｂに示すように、第２傾斜角度θ２が３５°のとき、蛇行部分の外周壁の近傍に剥離領域が発生した。しかし、その厚さは非常に薄く、内部の流れも主流に沿って順方向に流れていた。図５Ｃに示すように、第２傾斜角度θ２が６０°のとき、蛇行部分の外周壁の近傍に剥離領域が発生した。剥離領域は比較的厚かったが、剥離領域における流れは基本的には順方向であった。主流と異なるベクトルを示す流れも僅かに存在していた。第２傾斜角度θ２が８５°のとき、主流と異なるベクトルを示す流れが明確に増加した。第２傾斜角度θ２は、通風抵抗の大幅な増加を招かないように決められていることが望ましい。

上記解析結果では、第２傾斜角度θ２が８５°のとき、主流と異なるベクトルを示す流れが明確に増加した。このことから、第２傾斜角度θ２を８０°以下、望ましくは７０°以下に制限することで、剥離領域における渦流れの発生を抑制することができ、ひいては、通風抵抗を抑制することができる。

以上の結果から、第２傾斜角度θ２の望ましい範囲が前述の式（１）で表される。式（１）を満たすことによって、熱交換能力と圧力損失とを両立することができる。

第１傾斜角度θ１の上限は特に限定されない。第１傾斜角度θ１は、例えば、４０°未満である。第１傾斜角度θ１の下限も特に限定されない。コルゲートフィンにおいて、第１傾斜角度θ１は０°よりも大きい。

図６は、第２傾斜角度θ２とフィンチューブ熱交換器の性能（熱交換量及び圧力損失）との関係を示すグラフである。熱交換量の変化率は、角度θ２Ｌを境界として大きく変化する。すなわち、第２傾斜角度θ２が角度θ２Ｌ以上のとき、十分な熱交換量を確保することができる。角度θ２Ｌは、ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１）／（Ｓ１−Ｄ１）｝で表される角度である。他方、通風抵抗の変化率は、角度θ２Ｈ（＝８０°又は７０°）を境界として大きく変化する。すなわち、第２傾斜角度θ２が角度θ２Ｈ以下のとき、通風抵抗を十分に抑制することができる。

なお、谷部３４（又は山部）を１つのみ有するフィン３１を使用することによって熱交換能力の改善を期待できる別の理由として、平均熱伝達率の向上が挙げられる。図７Ａは、谷部を１つのみ有するＶ形コルゲートフィンに関する数値解析で得られた結果を示している。図７Ｂは、２つの山部を有するＭ形コルゲートフィンに関する数値解析で得られた結果を示している。高い熱流束（熱交換量）を有する部分が太線で示されている。図７Ａに示すように、前縁３０ａ及び谷部３４での熱流束が極めて高い。同様に、図７Ｂに示すように、前縁９及び山部４での熱流束が極めて高い。ただし、太線の全長を比較すると、図７Ａに示された太線の全長は、図７Ｂに示された太線の全長を上回っている。つまり、Ｖ形コルゲートフィンは、高熱流束の領域をより長く確保できる。従って、熱伝達率の側面においても、本実施形態のフィン３１は、従来のフィン１に対して有利である。

（第２実施形態）
図８Ａ〜図８Ｄに示すように、本実施形態のフィン４１は、第２傾斜部４８の形状が第１実施形態のフィン３１の第２傾斜部３８の形状と異なる点を除き、第１実施形態のフィン３１と同じ構造を有する。

本実施形態において、第２傾斜部４８も上流側第２傾斜部４８ａ及び下流側第２傾斜部４８ｂを含む。第１傾斜部３６と第２傾斜部４８との境界線４８ｐ及び４８ｑは曲線状である。第１実施形態において、境界線３８ｐ及び３８ｑが平面視で円弧の形状を有しているのに対し、本実施形態において、境界線４８ｐ及び４８ｑは、曲率が変化している曲線である。伝熱管２１の中心Ｏから境界線４８ｐ（又は４８ｑ）までの距離は、伝熱管２１の中心Ｏよりも段方向の上方において最大になっている。第２傾斜部４８のうち、伝熱管２１の中心Ｏよりも段方向の上方に位置している部分の面積が、伝熱管２１の中心Ｏよりも段方向の下方に位置している部分の面積を上回っている。伝熱管２１の中心Ｏよりも段方向の下方における境界線４８ｐ（又は４８ｑ）の曲率は、伝熱管２１の中心Ｏよりも段方向の上方における境界線４８ｐ（又は４８ｑ）の曲率よりも大きい。

本実施形態によれば、伝熱管２１の中心Ｏよりも段方向の上方において第２傾斜部４８が相対的に広い面積を占有している。従って、境界線４８ｐ及び４８ｑの近傍でフィン４１に凝縮水が付着したとき、凝縮水が平坦部３５に集められやすい。その結果、より速やかに凝縮水をフィン４１の表面から排除できる。

本実施形態においても境界線４８ｐ及び４８ｑは、それぞれ、中央平面Ｈｃの位置に一端部と他端部とを有する。中央平面Ｈｃと平坦部３５の外縁との交点Ｐにおいて、谷部３４、平坦部３５及び第２傾斜部４８が相互に接している。このような構成によれば、凝縮水が平坦部３５及び第２傾斜部４８から谷部３４へと、よりスムーズに流れる。

第２実施形態のフィン４１を用いたフィンチューブ熱交換器１００は、下記式（３）を満足するように構成されている。式（３）に含まれたＳ２、Ｄ１、θ３及びθ４は、以下のように定義される。

図８Ｅに示すように、境界線４８ｐ又は４８ｑの上の点であって、気流方向におけるフィン４１の前縁３０ａ又は後縁３０ｂから最も近い位置に存在する点を点Ｒと定義する。点Ｒ及び伝熱管２１の中心Ｏを通り、高さ方向に平行な平面を第２基準平面Ｈ２と定義する。第２基準平面Ｈ２に平行な方向におけるフィン４１の長さをＳ２と定義する。図８Ｆに示すように、第２基準平面Ｈ２によってフィン４１を切断したときに観察される断面において、第１基準平面Ｈ１と第１傾斜部３６とのなす角度をθ３と定義する。正確には、当該断面において、第１傾斜部３６の表面を含む平面と第１基準平面Ｈ１とのなす角度をθ３と定義する。同様に、第２基準平面Ｈ２によってフィン４１を切断したときに観察される断面において、第１基準平面Ｈ１と第２傾斜部４８とのなす角度をθ４と定義する。

本実施形態では、中央平面Ｈｃに関して、フィン４１が対称の構造を有している。従って、上流側第１傾斜部３６ａと上流側第２傾斜部４８ａとの境界線４８ｐの上に点Ｒを定義してもよいし、下流側第１傾斜部３６ｂと下流側第２傾斜部４８ｂとの境界線４８ｑの上に点Ｒを定義してもよい。点Ｒを境界線４８ｐの上に定義したとき、角度θ３は、第１基準平面Ｈ１と上流側第１傾斜部３６ａとのなす角度であり、角度θ４は、第１基準平面Ｈ１と上流側第２傾斜部４８ａとのなす角度である。点Ｒを境界線４８ｑの上に定義したとき、角度θ３は、第１基準平面Ｈ１と下流側第１傾斜部３６ｂとのなす角度であり、角度θ４は、第１基準平面Ｈ１と下流側第２傾斜部４８ｂとのなす角度である。角度θ３は、第１基準平面Ｈ１と上流側第１傾斜部３６ａ（又は下流側第１傾斜部３６ｂ）とのなす角度のうち、鋭角側の角度である。角度θ４は、第１基準平面Ｈ１と上流側第２傾斜部４８ａ（又は下流側第２傾斜部４８ｂ）とのなす角度のうち、鋭角側の角度である。直径Ｄ１の定義は、第１実施形態で説明した通りである。なお、図８Ｆにおいて、フィン４１の高さは、（Ｓ２・ｔａｎθ３）／２で表され、これは、図２Ｂに示された（Ｓ１・ｔａｎθ１）／に等しい。

ｔａｎ^-1｛（Ｓ２・ｔａｎθ３）／（Ｓ２−Ｄ１）｝≦θ４≦８０°・・・（３）

式（３）の技術的意義は、先に説明したように、式（１）の技術的意義と同じである。式（３）を満たすことによって、熱交換能力と圧力損失とを両立することができる。角度θ４は、望ましくは、７０°以下である。

本発明のフィンチューブ熱交換器は、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられるヒートポンプに有用である。特に、冷媒を蒸発させるための蒸発器に有用である。

２１ 伝熱管
３１ フィン
３４ 谷部
３５ 平坦部
３５ｐ 平坦部の外縁
３６ 第１傾斜部
３６ａ 上流側第１傾斜部
３６ｂ 下流側第１傾斜部
３７ フィンカラー
３７ｈ 貫通孔
３８，４８ 第２傾斜部
３８ａ，４８ａ 上流側第２傾斜部
３８ｂ，４８ｂ 下流側第２傾斜部
３８ｐ，３８ｑ，４８ｐ，４８ｑ 境界線
１００ フィンチューブ熱交換器
Ｈ１ 基準平面
Ｈ２ 第２基準平面
Ｈｃ 中央平面
Ｐ 交点

Claims (10)

1. 気体の流路を形成するために平行に並べられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを貫通しており、前記気体と熱交換する媒体が内部を流れるように構成された伝熱管と、を備え、
   前記フィンは、前記伝熱管に密着しているフィンカラーと、前記フィンカラーの周囲に形成された平坦部と、起伏を形成するように前記平坦部に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
   前記フィンの長手方向を段方向と定義し、前記フィンの並び方向を高さ方向と定義し、前記段方向及び前記高さ方向の両方に垂直な方向を気流方向と定義し、前記高さ方向において、前記平坦部からの前記フィンカラーの突出方向を正の高さ方向と定義し、前記伝熱管の中心を通り、前記気流方向に垂直な平面を中央平面と定義したとき、
   前記フィンは、前記気流方向において前記第１傾斜部を１対のみ有し、
   前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部は、前記中央平面から遠ざかるにつれて、前記正の高さ方向に向かって単調に延びている、フィンチューブ熱交換器。
2. 前記フィンは、前記１対の第１傾斜部が前記中央平面の位置で互いに接することによって形成された谷部をさらに有し、
   前記高さ方向において、前記平坦部の位置が前記谷部の位置に一致している、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
3. 前記中央平面と前記平坦部の外縁との交点において、前記谷部が前記平坦部に接している、請求項２に記載のフィンチューブ熱交換器。
4. 前記平坦部が平面視で円環の形状を有し、
   前記気流方向における前記フィンの長さをＳ１と定義し、前記平坦部の直径をＤ１と定義し、前記平坦部の表面を含む平面を基準平面と定義し、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１と定義し、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２と定義したとき、
   前記角度θ２が、ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１）／（Ｓ１−Ｄ１）｝≦θ２≦８０°の関係を満足する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器。
5. 前記角度θ２が、ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１）／（Ｓ１−Ｄ１）｝≦θ２≦７０°の関係を満足する、請求項４に記載のフィンチューブ熱交換器。
6. 前記第１傾斜部と前記第２傾斜部との境界線が曲線状であり、
   前記第２傾斜部のうち、前記伝熱管の中心よりも上方に位置している部分の面積が、前記伝熱管の中心よりも下方に位置している部分の面積を上回るように、前記伝熱管の中心から前記境界線までの距離は、前記伝熱管の中心よりも段方向の上方において最大になっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器。
7. 前記伝熱管の中心よりも下方における前記境界線の曲率が、前記伝熱管の中心よりも上方における前記境界線の曲率よりも大きい、請求項６に記載のフィンチューブ熱交換器。
8. 前記平坦部が平面視で円環の形状を有し、
   前記平坦部の直径をＤ１と定義し、前記平坦部の表面を含む平面を第１基準平面と定義し、前記境界線の上の点であって、前記気流方向における前記フィンの前縁又は後縁から最も近い位置に存在する点を点Ｒと定義し、前記点Ｒ及び前記伝熱管の中心を通り、前記高さ方向に平行な平面を第２基準平面と定義し、前記第２基準平面によって前記フィンを切断したときに観察される断面において、前記第１基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ３と定義し、同じく前記第２基準平面によって前記フィンを切断したときに観察される前記断面において、前記第１基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ４と定義し、前記第２基準平面に平行な方向における前記フィンの長さをＳ２と定義したとき、
   前記角度θ４が、ｔａｎ^-1｛（Ｓ２・ｔａｎθ３）／（Ｓ２−Ｄ１）｝≦θ４≦８０°の関係を満足する、請求項６又は７に記載のフィンチューブ熱交換器。
9. 前記角度θ４が、ｔａｎ^-1｛（Ｓ２・ｔａｎθ３）／（Ｓ２−Ｄ１）｝≦θ４≦７０°の関係を満足する、請求項８に記載のフィンチューブ熱交換器。
10. 前記フィンは、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔をさらに有し、前記複数の貫通孔を除いたその他の領域において当該フィンの表側から裏側への前記気体の流れを禁止するように構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器。

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