JP4680696B2 - 熱交換器および熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するものであり、特に、伝熱管を用いて熱交換を行う熱交換器、および熱交換器の製造方法に関する。

従来、伝熱管内を流れる流体と伝熱管外の間で熱交換を行う熱交換器において、熱交換効率を高めるために、伝熱管は、伝熱管の内周面にフィンを設けて伝熱面（伝熱管の内周面を含む流体と接触する面）を増加している。伝熱管の内周面にフィンを設けて伝熱面を増加した熱交換器として、例えば特許文献１のものがある。これは、周方向に波打つ波形外周面を有する筒体を伝熱管の内周面に波形外周面を当接させた状態で伝熱管内に収容し、該筒体をフィンとして機能させるものである。筒体の表面積が増加した伝熱面の面積に相当する。伝熱管の内周面にフィンを直接形成するより、容易に伝熱面の面積を増加することができる。
特開平１１−１８３０６２号公報

しかしながら、上述の場合、伝熱面の面積が増加するものの、流体に対する伝熱面の伝熱効率が低下する場合がある。例えば、伝熱面に境界層が形成され、該境界層が十分に厚く発達した伝熱面の部分において流体との熱伝達性が低下し、その結果、流体に対する伝熱面全体の伝熱効率が減少することがある。言い換えると、伝熱面の面積を大きく増加させても、伝熱面と流体の間の伝熱量の増加量が小さい、すなわち熱交換器の熱交換効率が減少することがある。また、伝熱面を増加させるための筒体は、伝熱管の長さに対応して準備する必要がある。

そこで、本発明は、伝熱面の面積を増加させても伝熱効率が低下し難く、あらゆる伝熱管の長さに対応して簡単に伝熱面の面積を増加することができる構造の熱交換器、および該熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を解決するために、本発明に係る熱交換器は、
内外の間で熱交換を行う伝熱管と、
前記伝熱管の周方向に並んで前記伝熱管の内周面に当接される複数のフィンを有する複数のフィン構造体とを有し、
前記複数のフィン構造体は前記伝熱管内に軸方向に並んで配設され、
前記フィン構造体が配設される軸方向に関して非直交の切断面を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、伝熱管の内周面に当接するフィンが境界層が十分に発達する距離より短い所定の軸方向長さであるため、伝熱面を増やしても、すなわちフィンを増やしても伝熱効率が低くなりにくい。その結果、熱交換効率が高い熱交換器が得られる。また、伝熱管内に配置されるフィン構造体の数を変更することにより、あらゆる長さの熱交換器を簡単に作製することができる。

本発明は、熱交換器、特に、伝熱管を介して熱交換を行う熱交換器に関するものである。本発明に係る熱交換器は、伝熱管内に流体を流し、流体と伝熱管外部との間で熱交換を行う。例えば、伝熱管に当接した状態で伝熱管外に配置された熱源（熱を奪われる発熱体）と、伝熱管内を流れる冷媒（熱を奪う流体）との間で伝熱管を介して熱交換を行う。

以下、本発明の特徴である熱交換器を、いくつかの実施の形態を挙げて説明する。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る熱交換器の断面図であり、伝熱管の軸方向と直交する断面を示している。図２は、熱交換器を構成するために伝熱管内に配置される後述するフィン構造体を示している。

図１において符号１０で示される本実施の形態に係る熱交換器は、円管形状の伝熱管１２と、伝熱面の面積を増加するために伝熱管１２内に配置される複数のフィン構造体１４から構成される。図１においては、断面で示されたフィン構造体１４ａと、フィン構造体１４ａと軸方向（図面垂直方向）に隣接するフィン構造体１４ｂが示されている。

なお、本明細書においては、伝熱管内の内周面に当接することにより伝熱面として機能する物体を形状にかかわらず「フィン」と称し、該フィンを複数有する構造体を「フィン構造体」と称している。

伝熱管１２とフィン構造体１４は、高い熱伝導性を有する、例えば銅やアルミなどで作製される。

図２に示すように、フィン構造体１４は、伝熱管１２の中心軸１６と一致する中心軸を有する円柱形状のボス１８と、円柱形状のボス１８の外周面２０に設けられた４枚のフィン２２を有する。ボス１８とフィン２２は、例えば、一体形成される、または溶接やろう付けによって接合されている、若しくはカシメ結合している。

各フィン２２は、薄板形状であって、熱交換器１０内を流れる流体の主流方向２４に略平行なフィン面２６を有し、ボス１８の外周面２０に周方向に等間隔で設けられている。図２に示すフィン２２は、主流方向２４から見た場合、ボス１８の外周面２０に伝熱管の中心軸１６を基準として９０度ずつの間隔をあけて設けられている。

ここで、「主流方向」について説明する。「主流方向」とは、熱交換器１０を流れる流体の流れ方向であって、フィン構造体１４が伝熱管１２内に存在しない場合の円管形状の伝熱管１２の中心における流れ方向、広義には、伝熱管１２の内周面２８から最も離れて内周面２８の影響を受けていない流体の流れ方向を言う。以下、主流方向は伝熱管１２の軸方向と一致するため、主流方向を軸方向と称する。

また、各フィン２２は、中心軸１６に対して放射方向に湾曲した形状に形成されている。各フィン２２の放射方向長さは、ボス１８の外周面２０から伝熱管１２の内周面２８までの距離より大きくされている。すなわち、伝熱管１２に挿入される前において、フィン構造体１４の外周径（中心軸１６からフィン２２の外周端までの距離の２倍）３０が、伝熱管１２の内径３２より大きい（図１参照。）。したがって、伝熱管１２内にフィン構造体１４を配置したとき、湾曲している各フィン２２は更に湾曲される。このとき、各フィン２２に反発力（復元力）が発生し、その反発力によって各フィン２２と伝熱管１２の内周面２８は強固に密着する。これにより、伝熱管１２とフィン構造体１４との間において高い熱伝達性が得られる。

さらに、各フィン２２の軸方向長さ３４は、境界層が十分に発達する距離より短い所定の軸方向長さに決定されている。

この所定の軸方向長さについて説明する。伝熱管内の流体の流れにおいて、軸方向と略平行な伝熱面（軸方向に対して平行な平面で、ここでは、例えばフィン面２６が該当する。）上には、境界層（層流の流れ）が形成される。境界層は、伝熱面の前縁（上流側端で、ここでは、フィン２２の前縁３６が該当する。）から発生して後縁（下流側端で、ここでは、フィン２２の後縁３８が該当する。）まで形成される。境界層の厚さ（伝熱面と垂直方向の厚さ）は後縁に近づくにしたがって大きくなり、伝熱面の軸方向長さが十分に長ければ、最終的にはある一定の厚さになる（境界層が十分に発達する。）。

境界層の厚さが大きい伝熱面の部分ほど、流体と伝熱面の間の熱伝達性が低くなる。従って、伝熱面は、軸方向長さが長くなるほど、特に、境界層が十分に発達するような長さを超えて長くなるほど、流体に対する伝熱効率は低くなる。

伝熱面全体の伝熱効率の低下を抑えるためには、伝熱面の軸方向長さを短く、例えば流体力学を利用して求められる境界層が十分に発達するのに必要な助走区間（助走距離）以下にする必要がある。しかしながら、伝熱面の軸方向長さを短くすると、伝熱面積が減少して伝熱量が小さくなる。

したがって、伝熱面の軸方向長さ（フィン面２６の軸方向長さ）は、境界層が十分に発達しないようにしつつ伝熱量が小さくなり過ぎないような最適な長さ、言い換えると熱交換器全体の熱交換効率が最大になるような長さに決定されている。具体的には、所定の軸方向長さは、例えば、使用する伝熱管やフィン構造体の材料、流体物質、流速、流体温度や圧力、伝熱管やフィン構造体の形状、必要とする熱交換器の熱交換効率などから求められる。例えば、軸方向長さは、数１と数２に示す式から求まる伝熱に関する助走区間距離より小さい長さに決定される。Ｘは助走区間距離、Ｒｅはレイノルズ数、Ｄは伝熱管の内径を示し、数１は層流（Ｒｅ＜２３００）における助走区間距離を求める式であり、数２は乱流（Ｒｅ＞２３００）における助走区間距離を示す式である。または、フィンの軸方向長さを変数として、実験によって求めてもよい。

フィン構造体１４のボス１８の上流側端４０と下流側端４２にはそれぞれ、他のフィン構造体（図２においては、ボス１８ｕ、ボス１８ｄのみが示されているフィン構造体）と係合するための係合部４４、４６が設けられている。複数のフィン構造体１４は、係合部４４、４６が係合した状態で伝熱管１２内に軸方向２４に並んで配置される。係合部４４、４６は、軸方向２４から見た図１に示すフィン構造体１４ａ、１４ｂのフィン２２ａ、２２ｂのように、隣接する２つのフィン構造体の各フィンが重ならないように協働する。

軸方向２４から見たとき、隣接する２つのフィン構造体１４の各フィン２２が重ならないようにする理由を説明する。

例えば、２つの所定の軸方向長さのフィンが軸方向に重なると、あたかも、２倍の所定の軸方向長さの１つのフィンと同じになる。例えば、所定の軸方向長さが上述の助走距離より若干小さい長さとすると、２倍の所定の軸方向長さのフィンの後半分には十分に発達した境界層が形成される。当然、２倍の所定の軸方向長さのフィンの場合、流体に対するフィン全体の伝熱効率は、２つの所定の軸方向長さのフィンに比べて低くなる。

また、上述の例で言えば、２つのフィンが軸方向に重なり、あたかも１つのフィンになると、フィンの前縁が１つ減ることになる。フィンの前縁が存在すると、前縁が他の部分に比べて熱伝達性が高いという、いわゆる前縁効果が期待できる。そのため、フィンの前縁が１つ減ると、熱交換器全体の熱交換効率が低下することになる。

具体的に、軸方向２４から見たときに隣接する２つのフィン構造体１４の各フィン２２が重ならないようにするために、上流側端４０の係合部４４は、上流側端４０から突出した略直方体の凸形状である。直方体形状の係合部４４は中心軸１６と直交する方向に伸びている。

一方、下流側端４２の係合部４６は、中心軸１６と直交しつつ直方体形状の係合部４４とは異なる方向に伸びる凹形状（溝形状）である。溝形状の係合部４６は、直方体形状の係合部４４と係合可能な形状に形成されている。

図２に示すように、係合部４４の伸びる方向と係合部４６が伸びる方向は４５度異なる。したがって、１つのフィン構造体１４の係合部４４と他のフィン構造体１４の係合部４６が係合すると、１つのフィン構造体１４が、他のフィン構造体１４に対して中心軸１６を中心として４５度回転した状態で他のフィン構造体１４に隣接して維持されることになる。

係合部４４、４６を有するとともに、ボス１８の外周面２０の周方向に等間隔に、すなわち軸方向２４から見た場合に９０度の間隔で４枚のフィン２２を有することから、隣接する２つのフィン構造体１４の各フィン２２は、図１に示すフィン構造体１４ａ、１４ｂのフィン２２ａ、２２ｂのように、軸方向２４から見た場合に重ならない。

なお、係合部４４の伸びる方向と係合部４６が伸びる方向がなす角度が、図２に示すような４枚のフィン２２がボス１８の外周面２０に周方向に等間隔に配置されているフィン構造体１４の場合、４５度に限らず９０度以外であれば、軸方向２４から見た場合に隣接する２つのフィン構造体１４の各フィン２２が重ならないことは明らかである。言い換えると、係合部４４、４６は、２つのフィン構造体１４において一方の係合部４４と他方の係合部４６を係合させる、または一方の係合部４６と他方の係合部４４を係合させて軸方向２４から見たときに、２つのフィン構造体の各フィンが重ならないように形成されている。

一方、フィン構造体１４に代わって伝熱管１２に注目すれば、伝熱管１２の内周面２８は、当接する複数のフィン２２によって軸方向２４に関して挟まれた部分を有する。この部分は、図２に示すフィン構造体１４の場合、１つのフィン構造体１４を挟むように配置された２つのフィン構造体１４の各フィン２２に挟まれた部分である。その部分の軸方向長さは、挟まれているフィン構造体１４のフィンの軸方向長さ、すなわち上述の所定の軸方向長さと略同じになる。そのため、この部分においても境界層が十分に発達することがないため、伝熱管１２の内周面２８の他の部分に比べて流体との熱伝達性が高くなる。

本実施の形態の熱交換器によれば、熱交換器１０の外部から供給される熱は、伝熱管１２を介して一部が内周面２８から流れる流体に伝わり、残りが内周面２８に当接しているフィン構造体１４のフィン２２に伝わる。このとき、複数のフィン２２に軸方向２４に挟まれている内周面２８の部分は、高い熱伝達性を有するため、効率よく流体に熱を伝達する。

フィン２２に伝わった熱は、フィン面２６から流れる流体に伝達される。このとき、フィン２２のフィン面２６には十分に発達した境界層が形成されていないため、効率よく流体に熱が伝達される。なお、ボス１８にも一部の熱が伝わり、その熱は外周面２０から流れる流体に伝達される。

なお、フィン構造体のフィンの湾曲形状は、図１に示す湾曲形状以外でもよく、例えば、軸方向から見てＳ字状に湾曲してもよい。また、フィン構造体のボスも円柱形状に限らず、例えば、四角柱形状であってもよい。さらにフィンの枚数は４枚に限らない。

また、係合部は、上述のように直方体形状の凸部と溝形状の凹部に限定されず、例えば、軸方向に対して傾斜する平面状であってもよい。この場合、軸方向に対する角度は同一であるものの傾斜方向が異なるような平面状係合部を、ボスの上流側端と下流側端に形成すればよい。

実施の形態２．
本実施の形態の熱交換器は、上述の実施の形態のフィン構造体と異なるフィン構造体を有する。図３は、本実施の形態に係る熱交換器の断面図である。図４は、熱交換器を構成するために伝熱管内に挿入される後述するフィン構造体を示す図である。図３においては、断面で示されたフィン構造体１１４ａと、フィン構造体１１４ａと軸方向（図面垂直方向）に隣接するフィン構造体１１４ｂが示されている。

図３において符号１１０で示される本実施の形態の熱交換器は、円管形状の伝熱管１１２とフィン構造体１１４から構成される。フィン構造体１１４は、ボス１１８と、ボス１１８の外周面１２０に設けられた４つのフィン１２２を有する。

各フィン１２２は、上述の所定の軸方向長さ（境界層が十分に発達する距離より短い所定の軸方向長さ）１３４の軸方向１２４に開口する円管状に形成され、ボス１１８の外周面１２０に周方向に等間隔で設けられている。

また、フィン構造体１１４の外周径１３０は、伝熱管１１２の内周径１３２より大きくされている。したがって、フィン構造体１１４は、円管状フィン１２２が変形した状態で伝熱管１１２内に配置される。

ボス１１８は、上述の実施の形態のボス１８が円柱形状であるのに対し、伝熱管１１２の中心軸１１６と一致する中心軸を有する円管形状である。ボス１１８の軸方向１２４の両端には、他のフィン構造体１１４のボス１１８と係合するためのキー１４４とキー溝１４６が設けられている。キー１４４とキー溝１４６は係合可能であって、軸方向１２４から見たとき、円管中心軸１１６を基準として４５度異なる位置に設けられている。

本実施の形態によれば、フィン構造体１１４の円管状のフィン２２は、上述の実施の形態の板状のフィン２２に比べて、伝熱管１１２の内周面１２８により密着する（フィン構造体１１４の外周径１３０と伝熱管１１２の内径１３２の差と、上述の実施の形態のフィン構造体１４の外周径３０と伝熱管１２の内径３２の差が同じである場合。）。それにより、上述の実施の形態に比べて、伝熱管１１２とフィン構造体１１４の間における熱伝達性が高い。

また、ボス１１８が円管であるためにボス内を流体が流れることができ、それにより、熱交換器は、より多くの流体を流すことが可能である。そのため、円柱状のボス１８を有する上述の実施の形態に比べて、熱交換器の熱交換効率が高い（円柱形状ボスと円管形状ボスの外周径が同じである場合。）。

なお、本実施の形態においても、上述の実施の形態１のように、フィン構造体のフィンの枚数は４枚に限らない。また、ボス形状も円管形状に限らず、例えば角管形状であってもよい。さらに、係合部もキーとキー溝に限定されない。

実施の形態３．
上述の実施の形態の熱交換器は、複数のフィン構造体を軸方向に並べて配置することにより、所定の軸方向長さの複数のフィンを軸方向に間隔をあけて伝熱管の内周面に当接させていた。本実施の形態の熱交換器においては、上述の実施の形態と異なる構成により、所定の軸方向長さの複数のフィンが軸方向に間隔をあけて伝熱管の内周面に当接されている。

図５は、本実施の形態の熱交換器を示す図である。図において符号２１０で示される本実施の形態の熱交換器を構成する伝熱管２１２は、内部構造を示すために部分的に断面で示されている。

熱交換器２１０は、円管形状の伝熱管２１２と、複数の円管形状のフィン２２２と、伝熱２１２の中心軸２１６と一致する中心軸を有する正八角柱体２６０とを有する。

各円管形状フィン２２２は、外周面が正八角柱体２６０の１つの側面と伝熱管２１２の内周面２２８の間に挟まれた状態で配置される。４つの円管形状フィン２２２が、１つおきに異なる４つの正八角柱体２６０の側面に当接した状態で伝熱管２１２の周方向に並んで配置されている。

また、各円管形状フィン２２２は、正八角柱体２６０の異なる側面に当接している他の各円管形状フィン２２２によって軸方向２２４に関して挟まれた状態で配置されている。

各円管形状フィン２２２の軸方向２２４の長さは、上述の実施の形態のフィンのように、境界層が十分に発達する距離より短い所定の軸方向長さに決定されている。

以上の構成により、所定の軸方向長さの複数の円管形状フィン２２２が軸方向２２４に間隔をあけて伝熱管２１２の内周面２２８に当接される。

なお、円管形状フィンを伝熱管の内周面とともに挟む柱体は、正八角柱体でなくてもよく、円管形状フィンの周方向移動を規制する多角柱体であればよい。また、多角柱体のように複数の側面を持つならば、柱体に限らず中空体であってもよい。

本実施の形態によれば、上述のように複数のフィン構造体を使用せずに、フィンとして使用される複数の単なる円管と正八角柱体を用いて熱交換器を形成することができる。

実施の形態４．
本実施の形態の熱交換器は、上述のフィン構造体に比べて簡単に作製されるフィン構造体を有する。フィン構造体の作製方法も含めて本実施の形態の熱交換器を説明する。

図６は、本実施の形態に係る熱交換器の軸方向と直交する断面図（図中、左）と、軸方向を含む平面上の部分断面図（図中、右で、後述する伝熱管が断面で示されている。）を示している。

図６において符号３１０で示される本実施の形態の熱交換器は、円管形状の伝熱管３１２と、複数のフィン構造体３１４から構成される。

複数のフィン構造体３１４は、図７に断面、上面、側面が示されている軸方向３２４に長尺な長尺構造体３７０を切断して形成される。長尺構造体３７０は、伝熱管３１２内に収容されると伝熱管３１２の内周面に周方向に関して選択的に当接する外周面を有し、外周径が伝熱管３１２の内径より大きい筒体である。

なお、長尺構造体３７０は、伝熱管４１２の中心軸を含む基準平面（図面と直交する平面）３７２に対して対称な形状の断面３７４を備える。断面３７４の形状は、基準平面３７２と直交しつつ伝熱管４１２の中心軸を含む基準平面（図面と直交する平面）３７６に対しては非対称である。長尺構造体３７０の中心軸は、基準平面３７２と３７６が交差して形成される直線で示される（伝熱管４１２の中心軸と一致する。）。

具体的に言えば、複数のフィン構造体３１４は、長尺構造体３７０を軸方向３２４に対して非直交な切断方向で、また、上述の所定の軸方向長さ（境界層が十分に発達する距離より短い所定の軸方向長さ）と同一の間隔３３４で切断して形成される。図７において、切断方向は二点鎖線で示されており、形成される切断面は基準平面３７２に直交しつつ基準平面３７６に対して所定の切断角度３７８で交わる平面と平行である。切断面がフィン構造体の係合部として機能する。

複数のフィン構造体３１４は、図６に示すように、軸方向３２４から見た場合に隣接する２つのフィン構造体３１４の各フィン（フィン構造体３１４は、伝熱管３１２の周方向に並んで内周面に当接される複数のフィンを一体化したものと解釈できる）が重ならないように、１つおきに軸方向３２４に関して前後逆に伝熱管３１２内に配置されている（フィン構造体３１４’が該当する。）。

言い換えると、複数のフィン構造体３１４が、伝熱管４１２内に配置されて隣接する２つのフィン構造体３１４を軸方向３２４から見たときに２つのフィン構造体３１４の各フィンが重ならないような所定の切断方向で長尺構造体３７０を切断して形成されている。

例えば、図７に示す長尺構造体３７０を基準平面３７６に直交しつつ基準平面３７２に対して非直交な角度で切断した場合、どのように切断面同士を当接させても、軸方向３２４から見た場合、フィン構造体３１４のフィンは完全に重なることになる。これは、フィン構造体３１４が基準平面３７２に対して対称な形状の断面３７４を備えることによる。したがって、軸方向３２４に対する長尺構造体３７０の切断方向は、長尺構造体３７０の断面形状によって決定される。

なお、フィン構造体３１４と伝熱管３１２の内周面との接触を維持するために、湾曲した筒体形状のフィン構造体３１４の内周面と当接する円柱体３８０を配置してもよい。フィン構造体３１４は、伝熱管３１２の内周面と円柱体３８０に挟まれて変形した状態（自由状態に比べて）で伝熱管３１２内に配置される。

本実施の形態によれば、波形状の外周面を有する筒体を適切な切断方向で切断することにより、フィン構造体を簡単に作製することができる。

実施の形態５．
本実施の形態の熱交換器は、実施の形態４の熱交換器が１種類のフィン構造体を伝熱管内に配置して構成しているのに対し、複数種類のフィン構造体を伝熱管内に配置して構成されている。

図８は、本実施の形態の熱交換器の軸方向と直交する断面図（図中、左）と、軸方向を含む部分断面図（図中、右で、後述する伝熱管が断面で示されている。）を示している。

図８において符号４１０で示される本実施の形態の熱交換器は、円管形状の伝熱管４１２と、２種類の複数のフィン構造体４１４ａ、４１４ｂから構成される。

フィン構造体４１４ａ，４１４ｂは、図９に断面、上面、側面が示されている軸方向４２４に長尺な２つの長尺構造体４７０ａ、４７０ｂを切断して形成される。長尺構造体４７０ａ、４７０ｂは、切断時における配置姿勢が異なるだけで（切断方向が異なるだけで）、実質的に同一形状の構造体である。長尺構造体４７０ａ、４７０ｂを異なる切断方向で切断することにより、形状の異なる２種類のフィン構造体４１４ａ、４１４ｂが形成される。

同一形状の長尺構造体４７０ａ、４７０ｂは、伝熱管４１２内に収容されると伝熱管４１２の内周面に周方向に関して選択的に当接する外周面を有し、外周径が伝熱管４１２の内径より大きい筒体である。

なお、長尺構造体４７０ａ、４７０ｂは、７２×Ｎ（Ｎは整数）度に関して回転対称性を有する形状（形状の中心について７２×Ｎ度回転させた形と元形が一致するような形状）の断面４７４を有する。長尺構造体４７０ａ、４７０ｂの中心軸は、伝熱管４１２の中心軸を含んで相互に直交する基準平面４７２と４７６が交差して形成される直線で示される。

具体的に言えば、フィン構造体４１４ａは、長尺構造体４７０ａを軸方向４２４に対して非直交な切断方向で、また、上述の所定の軸方向長さ（境界層が十分に発達する距離より短い所定の軸方向長さ）と同一の間隔４３４で切断して形成される。図９において、切断方向は二点鎖線で示されており、形成される切断面は基準平面４７２に直交しつつ基準平面４７６に対して所定の切断角度４７８で交わる平面と平行である。切断面がフィン構造体の係合部として機能する。

一方、フィン構造体４１４ｂは、長尺構造体４７０ａを伝熱管３１２の中心軸について２８度回転させた姿勢と同一姿勢の長尺構造体４７０ｂを、フィン構造体４１４ａを形成したときと同一の切断条件（切断角度４７８と間隔４３４が同一）で切断して形成される。切断面がフィン構造体の係合部として機能する。

別の観点から言えば、２種類のフィン構造体４１４ａ、４１４ｂは、同一姿勢の２つの長尺構造体それぞれを、軸方向４２４に対して非直交な同一角度の異なる切断方向で切断して形成されている。

２種類のフィン構造体４１４ａ、４１４ｂは、切断方向は異なるものの、軸方向４２４に対して非直交な同一角度で長尺構造体を切断して形成されるため、それぞれの切断面は円管４１４内において係合可能である。

２種類の複数のフィン構造体４１４ａ、４１４ｂは、図８に示すように、軸方向４２４から見た場合に隣接する２つのフィン構造体４１４ａと４１４ｂの各フィンが重ならないように伝熱管４１２内に配置されている。これは、フィン構造体４１４ａと４１４ｂが交互に伝熱管４１２内に配置され、また、それぞれが長尺構造体を同一角度の異なる切断方向から切断して形成されていることにより達成される。

言い換えると、形状が異なるフィン構造体４１４ａ、４１４ｂが、円管４１２内に配置されて隣接する２つのフィン構造体４１４ａ、４１４ｂを軸方向４２４から見たときに２つのフィン構造体４１４ａ、４１４ｂの各フィンが重ならないような異なる切断方向で複数の長尺構造体それぞれを切断して形成されることによる。

例えば、長尺構造体４７０ａを伝熱管４１２の中心軸を中心として７２度回転させた姿勢と同一姿勢の長尺構造体４７０ｂである場合、長尺構造体４７０ｂから形成されるフィン構造体４１４ｂは、長尺構造体４７０ａから形成されるフィン構造体４１４ａと同一形状となる。これは、長尺構造体の断面が、７２×Ｎ（Ｎは整数）度に関して回転対称性を有することによる。したがって、複数の長尺構造体において、軸方向４２４に対するそれぞれの切断方向（軸方向に対する角度は同一である）は、長尺構造体の断面形状によって決定される。

なお、フィン構造体４１４ａ、４１４ｂと伝熱管４１２の内周面との接触を維持するために、湾曲した筒体形状のフィン構造体４１４ａ、４１４ｂの内周面と当接する円柱体４８０を配置してもよい。フィン構造体４１４ａ、４１４ｂは、伝熱管４１２の内周面と円柱体４８０に挟まれて変形した状態（自由状態に比べて）で伝熱管４１２内に配置される。

また、本実施の形態の別の一例の熱交換器として、例えば、図１０に示すようなものがある。符号５１０で示される熱交換器において、２つのフィン構造体５１４ａ、５１４ｂは、上述と異なる切断方法で長尺構造体４７０ａ、４７０ｂを切断して形成されている。

２つの長尺構造体４７０ａ、４７０ｂそれぞれは、図１１に示すように、交互に異なる方向で切断されている。軸方向４２４に対する角度４７８は同一である。図において、この２つの異なる方向は、限定するわけではないが、形成される切断面の一方を伝熱管５１２の中心軸について１８０度回転させると他方の切断面と一致するような方向である。

２つの長尺構造体４７０ａ、４７０ｂを上述のように切断すると、形状の異なる４種類のフィン構造体５１４ａ、５１４ａ’、５１４ｂ、５１４ｂ’が形成される（図においては、フィン構造体５１４ｂと５１４ｂ’は同一形状である。）。熱交換器５１０は、フィン構造体５１４ａと５１４ｂをそれぞれの端面を当接させた状態で交互に配置して構成される。また、図示してはいないが、別の熱交換器が、残りのフィン構造体５１４ａ’と５１４ｂ’から構成される。

１つの熱交換を構成するために上述のように使用するフィン構造体を選択する必要があるが、複数の長尺構造体それぞれを軸方向に対して非直交な同一角度の異なる切断方向で切断することにより、形状が異なる複数種類のフィン構造体を形成することも可能である。

本実施の形態によれば、異なる形状の複数種類のフィン構造体を交互に伝熱管内に配置することで簡単に熱交換器を作製できる。実施の形態４の熱交換器の場合、１種類のフィン構造体を１つおきに軸方向に関して前後逆にして伝熱管内に配置する必要があり、配置に関して注意が必要である。

実施の形態４、５について捕捉する。切断面同士が当接して隣接する２つのフィン構造体を軸方向から見た場合に各フィン構造体のフィンが重ならないような長尺構造体の切断方向は、長尺構造体が円筒体でない限り必ず存在する。円筒体は、伝熱管の内周面に周方向に関して全体で当接するため、フィン構造体には適さず適用されない。

また、軸方向に対して非直交な方向を長尺構造体の切断方向とする理由を説明する。フィン構造体は、隣接する２つのフィン構造体の各フィンが軸方向から見た場合に重ならないように切断面が当接した状態で伝熱管内に配置される。

ここで、フィン構造体が軸方向に直交する方向から切断されて形成されていると、切断面を介して当接する２つのフィン構造体の一方が他方のフィン構造体に対して伝熱管中心軸を中心に回転する可能性がある。したがたって、２つのフィン構造体の各フィンが、軸方向から見たときに重なる可能性がある。これを防止するために、切断方向は、軸方向に対して非直交な方向に決定されている。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明に係る熱交換器を説明してきた。本発明に係る熱交換器は、境界層が十分に発達する距離より短い軸方向長さの複数のフィンが軸方向に間隔をあけて伝熱管の内周面に当接されたものである。それを、フィンを有する（フィンとして機能する）複数の構造体（実施の形態１、２、４はフィン構造体、３は円管と多角柱体、５は形状の異なる２種類のフィン構造体）を、軸方向から見たときに隣接する構造体のフィンが重ならないように配置することによって実現する。これにより、必要とされる伝熱管の長さに合わせて、対応するフィン構造体を作製する必要がなくなる。言い換えると、あらゆる長さの熱交換器の作製が容易になる。また、本発明に係る熱交換器は、複数のフィン構造体を伝熱管に挿入して構成されることから、上述のようにストレートな伝熱管に限らずあらゆる形状の伝熱管でもフィンと伝熱管内面の接触は良好であり、伝熱管の形状の違いによる熱交換器の特性劣化が生じ難い。

また、上述の実施の形態以外の形態でも、本発明に係る熱交換器が実施可能であるのは明らかである。

例えば、実施の形態１のフィン構造体の円柱形状のボスに実施の形態２の円管形状フィンを設けてもよい。

また、上述の実施の形態において、円管形状の伝熱管に代わり、他の形状、例えば、正方形形状の伝熱管を用いることも可能である。

さらに、実施の形態１、２において、フィン構造体のフィンの軸方向とする直交する断面形状は、曲形状でなくてよく、直線形状であってもよい。例えば、伝熱管の内周面に当接する端が２方向に分かれた、すなわちＹ字形状の断面を備えるフィンであってもよい。このような直線形状の断面を有するフィンの場合、円管の内周面と当接するフィンの端は、大きい接触面積を確保するために、円管の内周面と平行な周方向に湾曲する端面を有するのが好ましい。

同様に、実施の形態４、５において、切断されて複数のフィン構造体となる長尺構造体
は中空の筒体でなくてもよく、軸方向に直交する断面の形状が、例えば実施の形態１や２のフィン構造体の断面の形状と同一であるような構造体であってもよい。または、

加えて、上述の実施の形態においては、フィンを変形させて挿入することにより、フィンと伝熱管の内周面を強固に密着させている。代わりとして、伝熱管を加熱膨張させて内径を拡大し、内径が拡大している間に伝熱管の拡大前の内径より大きい外周径を備えるフィン構造体を伝熱管内に配置し、除熱して伝熱管が収縮することにより内径が縮小して伝熱管の内周面とフィンとを強固に密着させてもよい。いわゆるフィン構造体を伝熱管に焼きばめてもよい。焼きばめの利点は、伝熱管にフィン構造体を挿入する際にフィン構造体を変形させることなく伝熱管に挿入できるため、挿入作業が容易になることである。焼きばめを利用して作製される熱交換器について図１２を用いて説明する。

図１２は、同一形状の長尺構造体６７０ａ、６７０ｂを軸方向６２４に対して非直交な同一角度の異なる切断方向（二点鎖線で示す方向）で切断して作製された、形状の異なるフィン構造体６１４ａ、６１４ｂからなる熱交換器６１０を示している。フィン構造体６１４ａ（６１４ｂ）は、円筒形状のボス部６２０ａ（６２０ｂ）の外周面に周方向に等間隔にＹ字形状の断面を備える４つのフィン６２２ａ（６２２ｂ）を有する。

複数のフィン構造体６１４ａ、６１４ｂは、上述の実施の形態とは異なり、伝熱管６１２内に挿入される前に、一体化される。具体的には、複数のフィン構造体６１４ａと６１４ｂを交互にそれぞれの切断面が当接した状態で配置し、配置された状態のフィン構造体６１４ａ、６１４ｂのボス部６２０ａ、６２０ｂにおねじ部６８２が両端に形成された軸棒６８０が挿通される。次に、軸棒６８０のおねじ部６８２それぞれにナット６８４が取り付けられ、２つの該ナット６８４で複数のフィン構造体６１４ａ、６１４ｂは挟まれる。これにより、複数のフィン構造体６１４ａ、６１４ｂは一体化される。

一体化された複数のフィン構造体６１４ａ、６１４ｂは、加熱によって内径が拡大している伝熱管６１２内に挿入される。挿入された後に除熱されることにより伝熱管６１２は収縮し、一体化された複数のフィン構造体６１４ａ、６１４ｂと伝熱管の内周面とが強固に密着する。

加熱されて内径が拡大した伝熱管に複数のフィン構造体を一体化して挿入する理由は、フィン構造体を１つ伝熱管に挿入する度に伝熱管を加熱するよりは作業性が良いためである。なお、上述の実施の形態においても、図６、８、１０に示す円柱体３８０、４８０、５８０の両端におねじ部を形成し、おねじ部にナットを取り付けて複数のフィン構造体を挟むことにより、複数のフィン構造体を一体化して作業性を高めても良い。また、複数のフィン構造体を一体化する手段は、ねじやナットに限らない。

さらにまた、上述の実施の形態の熱交換器は、軸方向から見た場合、隣接する２つのフィン構造体の各フィンは重ならないが、１つのフィン構造体を挟んでいる２つのフィン構造体のフィンは重なるような構成である。本発明に係る熱交換器は、これに限定されず、例えば、３つのフィン構造体を挟んでいる２つのフィン構造体のフィンが軸方向から見た場合に重なるように構成してもよい（当然ながら、隣接する２つのフィン構造体のフィンを重ならないようにする構成はそのままである）。この場合、３つのフィン構造体を挟んでいる２つのフィン構造体のフィンに軸方向に挟まれている伝熱管の内周面の部分を、上述の所定の軸方向長さにするために、各フィン構造体のフィンの軸方向長さを所定の軸方向長さの１／３にするのが好ましい。

最後に、本発明に係る熱交換器は、伝熱管内を流す流体を限定しておらず、また、伝熱管を介する熱の移動方向は、伝熱管外部から内部であってもよいし、または逆であってもよい。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の軸方向と直交する断面の図である。 図１に示すフィン構造体の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の軸方向と直交する断面の図である。 図３に示すフィン構造体の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の部分的に断面で示された斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の軸方向と直交する断面と、軸方向に平行な断面を示す図である。 図６に示すフィン構造体となる長尺構造体の軸方向と直交する断面、上面、および側面を示す図である。 本発明の実施の形態５の一例の熱交換器の軸方向と直交する断面と、軸方向に平行な断面を示す図である。 図８に示す複数のフィン構造体となる複数の長尺構造体の軸方向と直交する断面、上面、および側面を示す図である。 本発明の実施の形態５の別例の熱交換器の軸方向と直交する断面と、軸方向に平行な断面を示す図である。 図１０に示す複数のフィン構造体となる複数の長尺構造体の軸方向と直交する断面、上面、および側面を示す図である。 複数のフィン構造体となる長尺構造体と、複数のフィン構造体を一体化して挿入されることにより形成された熱交換器を示す図である。

符号の説明

１０ 熱交換器、 １２ 伝熱管、 １４ａ、１４ｂ フィン構造体、 ２２ａ、２２ｂ フィン、 ２８ 内周面

Claims (5)

1. 内外の間で熱交換を行う伝熱管と、
   前記伝熱管の周方向に並んで前記伝熱管の内周面に当接される複数のフィンを有する複数のフィン構造体とを有し、
   前記複数のフィン構造体は前記伝熱管内に軸方向に並んで配設され、
   前記フィン構造体が配設される軸方向に関して非直交の切断面を有することを特徴とする、熱交換器。
2. 前記複数のフィン構造体は、形状が異なる少なくとも２種類のフィン構造体を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記各フィンの伝熱管軸方向の長さは、レイノルズ数をＲｅ、前記伝熱管の内直径をＤとすると、（１）式または（２）式で表される助走区間距離Ｘ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換器。
   Ｒｅ＜２３００の場合には、Ｘ＝０．０５×Ｒｅ×Ｄ （１）
   Ｒｅ＞２３００の場合には、Ｘ＝（１０〜２０）×Ｄ （２）
4. 伝熱管の内周面と当接するフィンを有し、前記伝熱管内外の間で熱交換を行う熱交換器の製造方法であって、
   ａ）前記伝熱管の内周面に周方向に関して選択的に当接するフィンを有する軸方向に長尺な長尺構造体を作製する工程と、
   ｂ）前記長尺構造体を軸方向に対して非直交な切断方向で且つレイノルズ数をＲｅ、前記伝熱管の内直径をＤとすると、（１）式または（２）式で表される助走区間距離Ｘ以下の所定の軸方向長さの間隔で切断することにより、複数のフィン構造体を作製する工程と、
   ｃ）前記複数のフィン構造体を、１つおきに軸方向に関して前後逆にして、切断面同士を係合させた状態で、前記伝熱管の周方向における前記フィンの配置角度が任意のフィン構造体と隣接する他のフィン構造体とで異なるように前記伝熱管内に配置する工程を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
   Ｒｅ＜２３００の場合には、Ｘ＝０．０５×Ｒｅ×Ｄ （１）
   Ｒｅ＞２３００の場合には、Ｘ＝（１０〜２０）×Ｄ （２）
5. 伝熱管の内周面と当接するフィンを有し、前記伝熱管内外の間で熱交換を行う熱交換器の製造方法であって、
   ａ）前記伝熱管の内周面に周方向に関して選択的に当接するフィンを有する軸方向に長尺な長尺構造体を作製する工程と、
   ｂ）複数の前記長尺構造体それぞれを、軸方向に対して非直交な同一角度のそれぞれ異なる切断方向で且つレイノルズ数をＲｅ、前記伝熱管の内直径をＤとすると、（１）式または（２）式で表される助走区間距離Ｘ以下の所定の軸方向長さの間隔で切断することにより、形状が異なる複数種類のフィン構造体を作製する工程と、
   ｃ）前記複数種類のフィン構造体を、異なる種類のフィン構造体が隣接するように切断面同士を係合させた状態で前記伝熱管の周方向における前記フィンの配置角度が任意のフィン構造体と隣接する他のフィン構造体とで異なるように前記伝熱管内に配置する工程を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
   Ｒｅ＜２３００の場合には、Ｘ＝０．０５×Ｒｅ×Ｄ （１）
   Ｒｅ＞２３００の場合には、Ｘ＝（１０〜２０）×Ｄ （２）

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