JP3591090B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調用等に用いて好適な熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平７−１０３６７７号公報においては、チューブ間に配設されたコルゲートフィンにルーバーを成形するとともに、このルーバーの空気上流側端部に、空気流れ方向に対して所定角度を有する切り起こし片を形成することにより、ルーバーの空気流を縦渦状に形成して、ルーバー表面上に形成される温度境界層の内外の空気を混合させるようにしている。
【０００３】
これにより、ルーバー表面上の温度境界層の発達を抑制して、伝熱特性を向上させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、ルーバーの面から切り起こし片を、空気流れ方向に対して所定角度で、かつ垂直に形成しているので、この切り起こし片の形状抵抗が大となり、通風抵抗が増大するという不具合がある。
本発明は上記点に鑑み、通風抵抗の増大を招くことなく、伝熱促進をはかることができる熱交換器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
すなわち、請求項１に記載の発明では、熱媒体が流れるチューブ（２０）に接合されるフィン（１０）において、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って延びるフィン面（１２）に、傾斜片（１３）を一体に切り起こし成形するとともに、この傾斜片（１３）を送風空気の流れ方向（Ａ）の上流側に向かって微小角度（θ）で傾斜させ、前記フィン面（１２）のうち、前記傾斜片（１３）の空気下流側の部位に貫通穴（１４）を形成し、前記傾斜片（１３）は、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って複数個設けられ、かつ、前記フィン面（１２）から交互に逆方向に突出していることを特徴としている。
【０００６】
これにより、送風空気が傾斜片（１３）の周囲を通過するとき、傾斜片（１３）の背面側には空気流れによる負圧が発生する。すると、傾斜片（１３）の背面側の負圧発生領域（Ｃ）に向かって、空気流が流れ、その一部は貫通穴（１４）を通過して、フィン面（１２）の反対側の面の方へ流れる。従って、送風空気はフィン面（１２）の表裏両面を蛇行しながら流れる。
【０００７】
そして、負圧発生領域（Ｃ）に向かう空気流れの偏向により、フィン面（１２）上の温度境界層（Ｄ）外部の熱交換前の空気を温度境界層Ｄ内に流入させることができ、この結果、温度境界層Ｄ内外の空気を入れ替えることができ、温度境界層Ｄが発達する（厚くなる）のを効果的に抑制できる。
しかも、貫通穴（１４）を通過して、フィン面（１２）を横切る流れが形成されることにより、温度境界層（Ｄ）を遮断することができ、これによっても、温度境界層Ｄの発達を抑制できる。従って、フィン（１０）と送風空気との間の伝熱促進を良好に達成できる。
【０００８】
さらに、傾斜片１３は空気流れの上流側に向かって微小角度θ（具体的には、請求項３に記載のごとく２０°〜４０°程度）で傾斜しているので、傾斜片１３設置に伴う通風抵抗の増大も僅少量に抑制できる。
また、請求項２に記載の発明では、熱媒体が流れるチューブ（２０）接合されるフィン（１０）において、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って延びるフィン面（１２）に、ルーバー（１５、１６）を斜め方向に一体に切り起こし成形するとともに、
前記フィン面（１２）のうち、前記ルーバー（１５、１６）の空気入口部位に、傾斜片（１３）を一体に切り起こし成形するとともに、この傾斜片（１３）を送風空気の流れ方向（Ａ）の上流側に向かって微小角度（θ）で傾斜させ、
前記フィン面（１２）のうち、前記傾斜片（１３）の空気下流側の部位に貫通穴（１４）を形成したことを特徴としている。
【０００９】
これにより、フィン面（１２）の空気入口側端部に形成された傾斜片（１３）の背面側に発生する負圧発生領域（Ｃ）に向かって、送風空気が流れ、その一部は貫通穴（１４）を通過して、フィン面（１２）の反対側の面の方へ流れる。このような空気流れがルーバー（１５、１６）の空気入口部位で生じることにより、ルーバー１５の表面に、より多くの熱交換前の空気を流入させることができ、伝熱促進を良好に達成することができる。
【００１０】
また、請求項１に記載の発明と同様に、傾斜片１３設置に伴う通風抵抗の増大も僅少量に抑制できる。
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態を示すもので、１０はコルゲートフィンで、通常アルミニュウム等の熱伝導率が高く、耐食性にも優れた金属材料をローラ成形にて波状に屈曲成形されている。コルゲートフィン１０の上下の折り曲げ面１１には、後述の図４に示すチューブ２０がろう付け等により接合されるようになっている。
【００１２】
コルゲートフィン１０において、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って延びるフィン面１２には、傾斜片１３が一体に切り起こし成形されている。本例では、傾斜片１３はその頂部が空気流れ方向Ａの上流側に向いた三角形状に形成してある。そして、前記フィン面１２のうち、傾斜片１３の空気下流側の部位には、傾斜片１３の切り起こしにより三角形状の貫通穴１４が形成してある。
【００１３】
傾斜片１３は、貫通穴１４の部位から図１（ｂ）の矢印Ｂに示すように広い角度で折り曲げられており、それ故、傾斜片１３は空気流れ方向（Ａ）の上流側に向かって微小角度θで傾斜している。この傾斜角度θは、後述する理由から３０°程度に設定するのが好ましい。
また、本例では、傾斜片１３はフィン面１２において、空気流れ方向Ａに沿って４列の傾斜片群が形成してあり、かつ各列の傾斜片群においては、傾斜片１３を送風空気の流れ方向Ａに沿って複数個（図１の例では３個）設けられ、かつ、フィン面１２から交互に逆方向（図１（ｂ）参照）に突出している
次に、上記構成において本実施形態の作用を説明する。図１においてＡ方向に空気が送風されると、この送風空気が傾斜片１３の周囲を通過するとき、傾斜片１３の背面側には空気流れによる負圧が発生する。図２（ｂ）のＣ部はこの負圧発生領域を示す。このように、傾斜片１３の背面側に負圧発生領域Ｃが形成されることにより、フィン面１２に沿って流れる空気流は負圧発生領域Ｃに向かって流れ、その一部は貫通穴１４を通過して、フィン面１２の反対側の面の方へ流れる。
【００１４】
従って、図２（ｂ）示すように、送風空気はフィン面１２の表裏両面を蛇行しながら流れる。ここで、第１に、傾斜片１３の背面側の負圧発生領域Ｃに向かって空気流れが偏向することにより、フィン面１２上の温度境界層Ｄ（図２（ｃ）参照）外部の冷たい（熱交換前の）空気を温度境界層Ｄ内に流入させることができ、この結果、温度境界層Ｄ内外の空気を入れ替えることができ、温度境界層Ｄが発達する（厚くなる）のを効果的に抑制できる。
【００１５】
第２に、貫通穴１４を通過して、フィン面１２を横切る流れが形成されることにより、温度境界層Ｄを遮断することができ、これによっても、温度境界層Ｄの発達を抑制できる。
上記第１、第２の２つの理由から、温度境界層Ｄの発達を抑制でき、コルゲートフィン１０と送風空気との間の伝熱促進を良好に達成できる。
【００１６】
しかも、傾斜片１３は空気流れの上流側に向かって３０°程度の微小角度θで傾斜しているので、傾斜片１３設置に伴う通風抵抗の増大も僅少量に抑制できる。
図３は上記した傾斜片１３の最適仕様を設計するための数値計算による性能比較を示すもので、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれもコルゲートフィン１０のフィンピッチｆｐ（図１参照）を、ｆｐ＝１ｍｍに固定している。
【００１７】
そして、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の○印のグラフは、フィン面１２の壁面熱伝達率αｔ（Ｗ／ｍ^２ ｋ）を示し、×印のグラフはコルゲートフィン１０の空気入口、出口間の通風抵抗ΔＰａ（Ｐａ）を示し、△印のグラフは壁面熱伝達率αｔと通風抵抗ΔＰａとの比（壁面熱伝達率αｔ／通風抵抗ΔＰａ）を示している。
【００１８】
図３（ａ）は、傾斜片１３の傾斜角度θ＝３０°に、また傾斜片１３の底辺Ｌ＝０．５ｍｍにそれぞれ固定しておき、高さｈを横軸に示す値の範囲で変化させたときの性能例であり、この図３（ａ）から高さｈ＝３ｍｍが最適値であることが分かる。
また、図３（ｂ）は、傾斜片１３の高さｈ＝３ｍｍに、また傾斜片１３の底辺Ｌ＝０．５ｍｍにそれぞれ固定しておき、傾斜角度θを横軸に示す値の範囲で変化させたときの性能例であり、この図３（ａ）から傾斜角度θ＝３０°が最適値であることが分かる。
【００１９】
また、図３（ｃ）は、傾斜片１３の高さｈ＝３ｍｍに、また傾斜片１３の傾斜角度θ＝３０°にそれぞれ固定しておき、底辺Ｌを横軸に示す値の範囲で変化させたときの性能例であり、この図３（ａ）から底辺Ｌ＝０．５ｍｍが最適値であることが分かる。
なお、上記高さｈ＝３ｍｍ、傾斜角度θ＝３０°、底辺Ｌ＝０．５ｍｍは傾斜片１３の最適仕様であるので、実用上はこれら最適仕様から、ある程度ずれた範囲内でも本発明の作用効果を損なうことなく実施できることはもちろんである。その中で、傾斜角度θは本発明者の検討によれば、２０°〜４０°程度の範囲が好ましい。
（第２実施形態）
図４は第２実施形態を示すもので、自動車用空調装置の冷媒凝縮器に本発明を適用した例であり、コルゲートフィン１０の上下の折り曲げ面１１にろう付け接合されるチューブ２０は、アルミニュウムを押し出し成形した偏平多穴チューブにて構成され、並列形成された多数の穴２１に冷凍サイクルの冷媒が流通するようになっている。
【００２０】
本例のコルゲートフィン１０では、フィン面１２に空気流れ方向Ａに沿って、斜め方向に切り起こし成形された多数のルーバー１５、１６が形成してある。そして、空気上流側のルーバー１５と空気下流側のルーバー１６とで、ルーバーの斜め切り起こし方向が反転しているので、送風空気は、空気上流側のルーバー１５と空気下流側のルーバー１６とで空気流れ方向が反転するようになっている。
【００２１】
さらに、上記したルーバー１５、１６の空気入口部（フィン面１２の空気入口側端部）に、第１実施形態で説明した傾斜片１３および貫通穴１４を設けている。この傾斜片１３および貫通穴１４の空気流れ方向Ａに対する形態は第１実施形態と同じでよい。
図４の例では、フィン面１２の空気入口側端部において、傾斜片１３および貫通穴１４は空気流れ方向Ａと直角方向に一列に並んで複数個設けられている。
【００２２】
第２実施形態によれば、フィン面１２の空気入口側端部に形成された傾斜片１３の背面側に発生する負圧発生領域Ｃに向かって、矢印Ａ方向からの送風空気が流れ、その一部は貫通穴１４を通過して、フィン面１２の反対側の面の方へ流れる。このような空気流れが生じることにより、ルーバー１５の表面に、熱交換前の冷たい空気をより多く流入させることができ、伝熱促進を図ることができる。（第３実施形態）
図５は第３実施形態を示すもので、第２実施形態を変形したものであり、ルーバーとして、空気流れ方向Ａに沿って、一定の斜め方向に切り起こし成形した多数のルーバー１５のみを形成した例である。
（第４実施形態）
図６は第３実施形態を変形した第４実施形態を示すもので、傾斜片１３として、前述の三角形状のものでなく、長方形状のものを用いた例である。ここで、傾斜片１３の長方形状はその長辺が送風空気の流れ方向（Ａ）に向いている。これにより、長方形状の傾斜片１３による送風抵抗の増大を抑制できる。
（他の実施形態）
なお、上述の第２〜第３実施形態では、コルゲートフィン１０にルーバー１５、１６を形成した、いわゆるルーバーフィンについて説明したが、フィン面１２に多数の微細ピン状部分を形成した微細ピンフィン、フィン面１２に多数のスリット部分を形成したスリットフィン等にも本発明は適用できる。また、コルゲートフィン１０に限らず、プレートフィンを用いた熱交換器にも本発明は適用できる。
【００２３】
また、前述の凝縮器のように、送風空気に放熱する熱交換器に限らず、送風空気から吸熱する蒸発器のような熱交換器にも本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態を示すコルゲートフィンの部分斜視図、（ｂ）は（ａ）のコルゲートフィンの部分平面図である。
【図２】図１のコルゲートフィンの作用説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態における傾斜片の最適仕様を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態を示す熱交換器の要部斜視図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示すコルゲートフィンの部分斜視図である。
【図６】本発明の第４実施形態を示すコルゲートフィンの部分斜視図である。
【符号の説明】
１０…コルゲートフィン、１２…フィン面、１３…傾斜片、１４…貫通穴、
１５、１６…ルーバー、２０…チューブ。

Claims (5)

1. 熱媒体が流れるチューブ（２０）と、
   このチューブ（２０）に接合されたフィン（１０）とを備え、
   このフィン（１０）において、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って延びるフィン面（１２）に、傾斜片（１３）を一体に切り起こし成形するとともに、この傾斜片（１３）を送風空気の流れ方向（Ａ）の上流側に向かって微小角度（θ）で傾斜させ、
   前記フィン面（１２）のうち、前記傾斜片（１３）の空気下流側の部位に貫通穴（１４）を形成し、
   前記傾斜片（１３）は、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って複数個設けられ、かつ、前記フィン面（１２）から交互に逆方向に突出していることを特徴とする熱交換器。
2. 熱媒体が流れるチューブ（２０）と、
   このチューブ（２０）に接合されたフィン（１０）とを備え、
   このフィン（１０）において、送風空気の流れ方向（Ａ）に沿って延びるフィン面（１２）に、ルーバー（１５、１６）を斜め方向に一体に切り起こし成形するとともに、
   前記フィン面（１２）のうち、前記ルーバー（１５、１６）の空気入口部位に、傾斜片（１３）を一体に切り起こし成形するとともに、この傾斜片（１３）を送風空気の流れ方向（Ａ）の上流側に向かって微小角度（θ）で傾斜させ、
   前記フィン面（１２）のうち、前記傾斜片（１３）の空気下流側の部位に貫通穴（１４）を形成したことを特徴とする熱交換器。
3. 前記傾斜片（１３）の傾斜角度（θ）は、２０°〜４０°の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記傾斜片（１３）は、送風空気の流れ方向（Ａ）の上流側に頂部が向いた三角形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 前記傾斜片（１３）は、送風空気の流れ方向（Ａ）に長辺が向いている長方形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。

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