JP2013224788A - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】フィンチューブ熱交換器の排水性能を改善する。
【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、複数の貫通孔３７ｈ、複数の管周囲部（平坦部３５）、１対の第１傾斜部３６及び複数の第２傾斜部３８を有する。複数の貫通孔３７ｈは、段方向において互いに隣り合う上側貫通孔３７１ｈ及び下側貫通孔３７２ｈを含む。上側貫通孔３７１ｈの周囲に形成された第２傾斜部３８の外縁３８ｐが、下側貫通孔３７２ｈの周囲に形成された第２傾斜部３８の外縁３８ｐに重なることによって、段方向において互いに隣り合う第２傾斜部３８の接合部３４が形成されている。接合部３４によって、上流側第１傾斜部３６ａが下流側第１傾斜部３６ｂから分断されている。
【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。フィン１ｂの曲げ回数が少ないので、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。

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、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。

本発明は、フィンチューブ熱交換器の排水性能を改善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、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔の周囲にそれぞれ形成された複数の管周囲部と、起伏を形成するように前記管周囲部に対して傾いている１対の第１傾斜部と、前記複数の管周囲部と前記１対の第１傾斜部とをそれぞれ接続している複数の第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たとき、
前記複数の貫通孔は、前記段方向において互いに隣り合う上側貫通孔及び下側貫通孔を含み、
前記１対の第１傾斜部は、前記気流方向の上流側に位置している上流側第１傾斜部と、前記気流方向の下流側に位置している下流側第１傾斜部とを含み、
前記上側貫通孔の周囲に形成された前記第２傾斜部の外縁が、前記下側貫通孔の周囲に形成された前記第２傾斜部の外縁に重なることによって、段方向において互いに隣り合う前記第２傾斜部の接合部が形成され、
前記接合部によって、前記上流側第１傾斜部が前記下流側第１傾斜部から分断されている、フィンチューブ熱交換器を提供する。

フィンの表面に付着した水は、通常、自重によって下方に流れる。しかし、起伏を有するフィンにおいて、フィンの起伏を乗り越えることができない水は、表面積をなるべく小さくする形でフィンの凹状部分に滞留する。例えば、図９Ａを参照して説明したコルゲートフィンでは、平坦部５及び第２傾斜部８に水が滞留しやすい。このことは、図１１Ａを参照して説明したフィン１ｂにもあてはまる。

本発明によれば、上側貫通孔の周囲に形成された第２傾斜部の外縁が、下側貫通孔の周囲に形成された第２傾斜部の外縁に重なることによって、第２傾斜部同士の接合部が形成されている。接合部によって、上流側第１傾斜部が下流側第１傾斜部から分断されている。そのため、水は、接合部を通って、上側貫通孔の周囲から下側貫通孔の周囲へと比較的容易に移動できる。その結果、フィンの表面から水が効率的に排除される。

本発明の一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 参照フィンの作用説明図 本実施形態のフィンの作用説明図 平坦部、接合部及び仮想的な山部の位置関係を説明する概略図 第２傾斜角度θ２とフィンの表面積との関係を示すグラフ 第２傾斜角度θ２と表面積比（Ｖ形コルゲートフィンの表面積／Ｍ形コルゲートフィンの表面積）との関係を示すグラフ 隣り合う第２傾斜部が接触した状態を示す概略図 閾値角度θ２Ｈの算出方法を示す概略図 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 空気の流れの解析領域を示す断面図 曲げ角度が３６°のときの空気の流れを示す概略図 曲げ角度が６６°のときの空気の流れを示す概略図 曲げ角度が７６°のときの空気の流れを示す概略図 曲げ角度が８６°のときの空気の流れを示す概略図 曲げ角度が９６°のときの空気の流れを示す概略図 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。

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、１．０〜２．０ｍｍ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。

本実施形態では、中央平面Ｈｃに関してフィン３１が左右対称の構造を有している。従って、熱交換器１００を組み立てるときに、フィン３１の方向を考慮する必要がない。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。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、複数の平坦部３５、１対の第１傾斜部３６及び複数の第２傾斜部３８を有する。平坦部３５は、フィンカラー３７に隣接している部分であって、貫通孔３７ｈの周囲に形成された管周囲部である。平坦部３５は、平面視で円環の形状を有する。平坦部３５は、平坦な表面を有する。平坦部３５の表面は、気流方向に平行であり、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３８の表面は平坦である。１対の第１傾斜部３６は、中央平面Ｈｃの左右に位置している。すなわち、１対の第１傾斜部３６は、気流方向の上流側に位置している上流側第１傾斜部３６ａと、気流方向の下流側に位置している下流側第１傾斜部３６ｂとを含む。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。平坦部３５及び第２傾斜部３９は、凹状に形成されている。本実施形態では、フィンカラー３７の周囲に平坦部３５が形成されているが、フィンカラー３７の周囲の部分が気流方向に対して少し傾斜していてもよい。

図２Ａに示すように、複数の貫通孔３７ｈは、段方向において互いに隣り合う上側貫通孔３７１ｈ及び下側貫通孔３７２ｈを含む。上側貫通孔３７１ｈの周囲に形成された第２傾斜部３８の外縁３８ｐが、下側貫通孔３７２ｈの周囲に形成された第２傾斜部３８の外縁３８ｐに重なっている。これにより、第２傾斜部３８同士の接合部３４が形成されている。つまり、段方向において互いに隣り合う第２傾斜部３８が侵食し合うことによって接合部３４が形成されている。この接合部３４によって、上流側第１傾斜部３６ａが下流側第１傾斜部３６ｂから分断されている。本実施形態において、接合部３４は、平面視で気流方向に平行な直線形状を有している。また、図２Ｂに示すように、接合部３４は、高さ方向において平坦部３５に接近する方向に緩やかに湾曲している。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、接合部３４を有さないフィンの作用及び接合部３４を有するフィン３１の作用を説明する。

図３Ａに示すように、参照フィン１３１は、接合部３４に代えて山部１３４を有する。山部１３４は、１対の第１傾斜部１３６によって形成されており、段方向に平行な稜線を含む。フィン１３１を用いたフィンチューブ熱交換器が冷凍サイクル装置の蒸発器として動作する場合、最も温度が低い伝熱管１２１及びフィンカラー１３７を中心に空気中の水蒸気が凝縮し、フィン１３１の表面に付着する（左図）。凝縮水Ｗは、重力によってフィン１３１の表面を伝って下方へ流れる（中央図）。しかし、凝縮水Ｗの一部は、山部１３４を乗り越えることができず、表面張力によって凹状の平坦部１３５及び第２傾斜部１３８に保持される（右図）。その結果、フィン１３１の一部が常に凝縮水Ｗによって覆われ、伝熱面積が大幅に減少する。つまり、フィンチューブ熱交換器の性能が大幅に低下する。また、凝縮水Ｗはフィン１３１とフィン１３１との間に形成された風路を一部閉塞する。そのため、空気側の圧力損失が増加して、ファンを動かすために必要な電力が増加する。その結果、フィンチューブ熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の効率が低下する。

図３Ｂに示すように、本実施形態のフィンチューブ熱交換器１００に使用されたフィン３１においても伝熱管２１及びフィンカラー３７を中心に空気中の水蒸気が凝縮し、フィン３１の表面に付着する。凝縮水Ｗは、重力によってフィン３１の表面を伝って下方へ流れる。段方向において互いに隣り合う第２傾斜部３８が侵食し合っているので、接合部３４は山部１３４よりも低い。そのため、接合部３４があたかも凝縮水Ｗのための溝として機能する。凝縮水Ｗは、接合部３４を通過して速やかに下方の第２傾斜部３８に移動する。このようにして、凝縮水Ｗが連続的に下方に流れ、フィン３１の表面から排除される。凝縮水Ｗがフィン３１の表面から十分に排除されるので、伝熱面積も殆ど減少しない。つまり、凝縮水Ｗが発生する条件下でもフィンチューブ熱交換器１００の本来の性能が発揮され続ける。また、凝縮水Ｗが風路を閉塞する可能性も低いので、ファンを動かすために必要な電力の増加を防止できる。結果として、フィンチューブ熱交換器１００を用いた冷凍サイクル装置を常時効率的に運転できる。

フィンの表面から排除するべき水には、凝縮水だけでなく、フィンに堆積した霜を溶かすことによって生じる水も含まれる。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、参照フィン１３１によれば、霜が溶けることによって生じた水をフィン１３１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１３１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１３１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、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。

フィン３１の構造をさらに詳しく説明する。

上流側第１傾斜部３６ａ及び下流側第１傾斜部３６ｂは、それぞれ、一定の傾斜角度を有している。フィン３１が中央平面Ｈｃに関して対称な構造を有しているとき、平坦部３５と上流側第１傾斜部３６ａとのなす角度は、平坦部３５と下流側第１傾斜部３６ｂとのなす角度に等しい。

図４に示すように、平坦部３５の位置を高さ方向の基準位置と定義したとき、接合部３４の高さｈ１は、上流側第１傾斜部３６ａ及び下流側第１傾斜部３６ｂを仮想的に延長することによって得られる山部１３４の高さｈ２未満である。つまり、平坦部３５から接合部３４までの高さ方向の距離ｈ１は、平坦部３５から仮想的な山部１３４までの高さ方向の距離ｈ２よりも小さい。従って、図３Ｂを参照して説明したように、本実施形態のフィン３１によれば、凝縮水Ｗが接合部３４をスムーズに乗り越えることができる。

本実施形態において、フィン３１は、第１傾斜部３６を１対のみ有する。つまり、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。本発明において、フィンの曲げ回数は特に限定されない。しかし、少ない曲げ回数は、材料加工の観点から望ましい。また、曲げ回数の多寡によってフィンチューブ熱交換器の性能が大幅に変動する可能性も低い。

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。

第１傾斜部３６と第２傾斜部３８との境界部分（第２傾斜部３８の外縁３８ｐ）に適度なアール（例えば、Ｒ０．５ｍｍ〜Ｒ２．０ｍｍ）が付与されていてもよい。同様に、接合部３４に適度なアール（例えば、Ｒ０．５ｍｍ〜Ｒ２．０ｍｍ）が付与されていてもよい。そのようなアールは、フィン３１の排水性能を改善する。

接合部３４が形成されているとき、別の側面から、フィン３１は以下に説明する条件を満足する。なお、以下の説明は、１回のみ波状に曲げられたフィン３１について適用される。

図２Ａ〜図２Ｄに示すように、気流方向におけるフィン３１の長さをＳ１と定義する。上側貫通孔３７１ｈと下側貫通孔３７２ｈとの中心間距離（いわゆる管ピッチ）をＳ２と定義する。平坦部３５の直径をＤ１と定義する。気流方向における上流側第１傾斜部３６ａの上流端と気流方向における下流側第１傾斜部３６ｂの下流端とを通る平面を基準平面Ｈ１と定義する。上流側第１傾斜部３６ａの上流端は、フィン３１の前縁３０ａに対応する。下流側第１傾斜部３６ｂの下流端は、フィン３１の後縁３０ｂに対応する。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。また、基準平面Ｈ１から平坦部３５までの距離をａと定義する。本実施形態では、距離ａがゼロである。すなわち、高さ方向において、平坦部３５の位置、前縁３０ａの位置及び後縁３０ｂの位置が一致している。ただし、高さ方向において、平坦部３５の位置が、前縁３０ａの位置及び後縁３０ｂと異なっていてもよい。例えば、平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも接合部３４の近くに位置しているとき、距離ａは正の値をとる。基準平面Ｈ１が平坦部３５よりも接合部３４の近くに位置しているとき、距離ａは負の値をとる。

上記のように、Ｓ１、Ｓ２、Ｄ１、θ１、θ２及びａを定義したとき、フィンチューブ熱交換器１００は、下記式（１）を満足する。

ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝−１５°＜θ２＜ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝・・・（１）

なお、第２傾斜部３８は全体として曲面であるが、図２Ｃ又は図２Ｄ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。図２Ｄの断面は、中央平面Ｈｃでフィン３１を切断したときに観察される断面である。なお、一般的に、第２傾斜部３８は円錐形状を有しているので、図２Ｃ又は図２Ｄに示された角度θ２は一定である。第２傾斜部３８が楕円錐形状を有している場合には、図２Ｄに示された角度θ２が式（１）を満足する。第１傾斜角度θ２は、図２Ｂに示す断面において特定することができる。図２Ｂに示す断面は、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。

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の上限値について）
気流方向の長さが一定であると仮定すれば、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）の表面積よりも必ず広い。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回又はそれ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２Ｃに示された断面は、図９Ｃ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２Ｄと図９Ｄとを比較すると理解できるように、図２Ｄに示された断面の輪郭の長さは、図９Ｄに示された断面の輪郭の長さを上回っている。なぜなら、本実施形態のフィン３１によれば、図２Ｄに示された断面に第２傾斜角度θ２を持った第２傾斜部３８が含まれているからである。従来のフィン１によれば、図９Ｄに示された断面に傾斜部８が含まれておらず、平坦部５及び谷部６のみが含まれている。第２傾斜部３８に基づく表面積の増加によって、本実施形態のフィン３１の表面積は、従来の２回曲げのフィン１の表面積を上回る。

上記の事実を証明するために、第２傾斜角度θ２を変化させながら、Ｖ形コルゲートフィンの表面積、及び、Ｍ形コルゲートフィンの表面積をそれぞれ計算した。結果を図５Ａ及び図５Ｂに示す。計算に使用した他の条件は以下の通りである。

・フィンの長さＳ１＝１８．９ｍｍ
・中心間距離Ｓ２＝１８．３ｍｍ
・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

図５Ａに示すように、曲げ回数によらず、第２傾斜角度θ２の増加に伴って、フィンの表面積は増加する。ただし、第２傾斜角度θ２に対するＶ形コルゲートフィンの表面積の増加率は、Ｍ形コルゲートフィンのそれを上回る。図５Ｂに示すように、第２傾斜角度θ２が０°に近いとき、Ｖ形コルゲートフィンの表面積は、Ｍ形コルゲートフィンの表面積に概ね一致する。つまり、表面積の比率は約１００％である。第２傾斜角度θ２が大きければ大きいほど、表面積の差は拡大する。

詳細に分析すると、第２傾斜角度θ２が８０°から４０°へと減少するとき、表面積の比率を表す曲線の勾配は徐々に緩やかになる。しかし、図５Ｂに示す点Ａの近くで曲線の勾配が急に大きくなる。この点Ａに対応する閾値角度θ２Ｈは、図６Ａに示すように、Ｖ形コルゲートフィンにおいて、段方向で互いに隣り合う第２傾斜部１３８が点接触する角度である。第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｈよりも小さいとき、本実施形態のフィン３１のように、隣り合う第２傾斜部３８が侵食し合い、表面積の比率も減少する。ここで、閾値角度θ２Ｈは、フィンの長さＳ１、中心間距離Ｓ２、平坦部の直径Ｄ１、第１傾斜角度θ１及び距離ａを用いて下記式（２）で表される。

θ２Ｈ＝ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝・・・（２）

閾値角度θ２Ｈは、以下の方法で算出される角度である。図６Ｂに示すように、Ｖ形コルゲートフィンにおいて、山部１３４の高さは、（Ｓ１／２）・ｔａｎθ１−ａで表される。隣り合う第２傾斜部１３８が丁度接触したときの第２傾斜角度θ２（＝閾値角度θ２Ｈ）の正接は、｛（Ｓ１／２）・ｔａｎθ１−ａ｝／｛（Ｓ２−Ｄ１）／２｝で表される。従って、閾値角度θ２Ｈは式（２）で表すことができる。

図５Ｂを参照して説明したように、第２傾斜角度θ２がθ２Ｈを超えると高効率なフィンチューブ熱交換器が得られる。フィンの表面積が熱交換量に直接影響するため、フィンチューブ熱交換器が凝縮器として動作する場合には、閾値角度θ２Ｈを超える第２傾斜角度θ２が有効である。ただし、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｈを超えると接合部３４は形成されない。

これに対し、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｈを下回ると、図２Ａ〜図２Ｄに示すように、隣り合う第２傾斜部３８が侵食し合うことによって山部１３４が消滅し、接合部３４が形成される。

例えば、冷房と暖房とを切り替えられるルームエアコンのように、１つのフィンチューブ熱交換器が蒸発器と凝縮器との両方で使用される場合、フィンの排水性能を重視することが、フィンチューブ熱交換器の熱交換能力を高めるために有効である。従って、第２傾斜角度θ２は閾値角度θ２Ｈよりも小さいことが望ましい。これにより、排水性能に優れたフィンチューブ熱交換器を提供できる。

なお、１回のみ波状に曲げられたフィン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、１回のみ波状に曲げられた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及び第１傾斜部３６と第２傾斜部３８の境界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傾斜角度θ２の下限値について）
第２傾斜角度θ２の減少に伴うデメリットとして、フィン３１の表面積が減少することが挙げられる。図５Ｂに示すように、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｈから１５°程度減少すると、Ｖ形コルゲートフィンの表面積は、Ｍ形コルゲートフィンの表面積に概ね一致する。そのため、第２傾斜角度θ２は、（θ２Ｈ−１５°）よりも大きいことが望ましい。特に、第２傾斜角度θ２が（θ２Ｈ−１０°）よりも大きい場合、高効率なフィンチューブ熱交換器１００を提供できる。

以上の結果から、第２傾斜角度θ２の好適な範囲が前述の式（１）で表される。

第１傾斜角度θ１の範囲は特に限定されない。第１傾斜角度θ１が増加するにつれて、気流の剥離が顕在化する可能性がある。気流の剥離は、通風抵抗を増加させる可能性がある。

第１傾斜角度θ１が気流に与える影響を調べるために、表面積の計算で使用した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１傾斜角度θ１及び第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。前面風速は１．３ｍ／秒であった。図８Ａは、フィンの適切な曲げ角度を検討するための数値解析の対象部分Ｄを示している。「曲げ角度」は、第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和で定義される。代表的な結果を図８Ｂ〜図８Ｆに示す。

図８Ｂに示すように、曲げ角度が３６°のとき、流路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８Ｃに示すように、曲げ角度が６６°のとき、流路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。曲げ角度が７６°のとき、曲げ角度が６６°のときと同様、主流と異なるベクトルを示す流れは僅かに存在していた。曲げ角度が８６°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。曲げ角度が９６°のとき、流路の外周壁の近傍は、広い範囲かつ非常に厚い剥離領域で覆われていた。また、剥離領域内の流れの大半が、主流に対して逆方向のベクトルを含む渦流れとなっていた。剥離領域における渦流れは、通風抵抗を増加させる原因となるだけでなく、有効伝熱面積の減少も招く。従って、曲げ角度は、通風抵抗の大幅な増加を招くことが無い範囲にあることが望ましい。

上記解析結果では、曲げ角度が７６°のとき、主流と異なるベクトルを示す流れが僅かに存在していた。これに対し、曲げ角度が８６°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、曲げ角度が８０°近傍に達すると、流路に厚い剥離領域が生じ、主流に対して逆方向のベクトルを含む渦流れが生じるものと考えられる。この結果によれば、第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和（θ１＋θ２）は、望ましくは８０°未満である。第１傾斜角度θ１の下限は特に限定されない。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。

以上に説明したように、本実施形態のフィン３１を使用することによって、通風抵抗が十分に抑制され、かつ排水性能に優れたフィンチューブ熱交換器を提供できる。また、フィン３１の表側から裏側への気体の流れが禁止されている場合には、着霜を伴う運転時において、流路の閉塞による性能低下を回避することができる。

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 接合部
３５ 平坦部
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
３７１ｈ 上側貫通孔
３７２ｈ 下側貫通孔
３８ 第２傾斜部
３８ｐ 第２傾斜部の外縁
１００ フィンチューブ熱交換器
Ｈ１ 基準平面

Claims (6)

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、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔の周囲にそれぞれ形成された複数の管周囲部と、起伏を形成するように前記管周囲部に対して傾いている１対の第１傾斜部と、前記複数の管周囲部と前記１対の第１傾斜部とをそれぞれ接続している複数の第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たとき、
   前記複数の貫通孔は、前記段方向において互いに隣り合う上側貫通孔及び下側貫通孔を含み、
   前記１対の第１傾斜部は、前記気流方向の上流側に位置している上流側第１傾斜部と、前記気流方向の下流側に位置している下流側第１傾斜部とを含み、
   前記上側貫通孔の周囲に形成された前記第２傾斜部の外縁が、前記下側貫通孔の周囲に形成された前記第２傾斜部の外縁に重なることによって、段方向において互いに隣り合う前記第２傾斜部の接合部が形成され、
   前記接合部によって、前記上流側第１傾斜部が前記下流側第１傾斜部から分断されている、フィンチューブ熱交換器。
2. 前記管周囲部が平坦な表面を有する平坦部であり、
   前記平坦部の位置が前記高さ方向の基準位置であるとき、前記接合部の高さは、前記上流側第１傾斜部及び前記下流側第１傾斜部を仮想的に延長することによって得られる山部の高さ未満である、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
3. 前記フィンは、前記第１傾斜部を１対のみ有する、請求項１又は２に記載のフィンチューブ熱交換器。
4. 前記フィンは、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１〜３のいずれか１項に記載のフィンチューブ熱交換器。
5. 前記複数の貫通孔は、前記段方向に沿って一列かつ等間隔で形成されており、
   前記管周囲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、前記上側貫通孔と前記下側貫通孔との中心間距離をＳ２と定義し、前記管周囲部の直径をＤ１と定義し、前記気流方向における前記上流側第１傾斜部の上流端と前記気流方向における前記下流側第１傾斜部の下流端とを通る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、前記基準平面から前記管周囲部までの距離をａと定義したとき、
   ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝−１５°＜θ２＜ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝の関係を満足する、請求項３に記載のフィンチューブ熱交換器。
6. 前記角度θ２が、ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝−１０°＜θ２＜ｔａｎ^-1｛（Ｓ１・ｔａｎθ１−２・ａ）／（Ｓ２−Ｄ１）｝の関係を満足する、請求項５に記載のフィンチューブ熱交換器。

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