JP5884055B2 - 熱交換器および熱交換器用オフセットフィン - Google Patents

熱交換器および熱交換器用オフセットフィン Download PDF

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Description

本開示は、流体間にて熱交換を行う熱交換器に関し、特にオフセットフィンを備える熱交換器および熱交換器用オフセットフィンに関する。
従来、熱交換器に用いられるオフセットフィンとして様々な構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、従来のオフセットフィンの構造について、図１７を用いて説明する。
図１７に示すように、従来のオフセットフィン５０は、断面形状が凸状のフィン部６１、７１を一方側と他方側に交互に位置させた波形構造６０、７０を、この波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向Ｄに複数配列した構成を有している。
具体的は、複数の波形構造の１つである第１波形構造６０では、金属板を折り曲げ形成された断面形状が凸状の複数のフィン部６１が、凸状の向きを図示上下方向に交互として一定の間隔ピッチにて配列されている。第１波形構造６０に対して流体の流れ方向Ｄの下流側に隣接して配置された第２波形構造７０も同様な構成を有しており、複数のフィン部７１が凸状の向きを図示上下方向に交互として一定の間隔ピッチにて配列されている。第１波形構造６０と第２波形構造７０とのフィン部６１、７１の間隔ピッチは同じとされている。第２波形構造７０におけるフィン部７１の位置（波形構造が延びる方向における位置）が、第１波形構造６０におけるフィン部６１の位置に対してオフセット配置（位置をずらして配置）されている。
図１７に示すように、従来のオフセットフィン５０では、凸状のフィン部６１、７１における側壁６２、７２は、流体の流れ方向Ｄに沿った方向、すなわち流体の流れ方向Ｄに平行とされている。
このような構成の従来のオフセットフィン５０は、熱交換器に組み込まれた状態で流体の流れ方向Ｄに沿って流体を流して、それぞれのフィン部６１、７１を流体が通過する際に、フィン部６１、７１の側壁６２、７２と流体との間での熱交換が行われる。また、第２波形構造７０を第１波形構造６０に対してオフセット配置していることで、流体の乱流促進効果を得て、熱交換率を向上させている。
特開２００８−３９３８０号公報
このような熱交換器では、熱交換器を通過する流体の圧力損失を低く抑えながら、熱交換率を向上させることが求められている。
従来のオフセットフィン５０では、フィン部６１、７１の側壁６２、７２が、流体の流れ方向Ｄに対して平行に配置されているため、流体が略直線的に流れることになり、流体の圧力損失を比較的低く抑えることができる。しかしながら、流体が略直線的に流れることになるため、熱交換が行われる流路長さが短く、また、流体との間の熱交換に寄与するフィン部６１、７１の伝熱面積が小さく、熱交換率を向上させることが難しい。また、流体が略直線的に流れることになるため、第１波形構造６０と第２波形構造７０とのオフセット配置による流体の乱流促進効果に限りがあり、熱交換率をさらに向上させることが難しいという課題がある。
従って、本開示の目的は、上記従来の課題を解決することにあって、オフセットフィンを備える熱交換器において、流体の圧力損失を低く抑えながら熱交換率を向上させることができる熱交換器および熱交換器用オフセットフィンを提供することにある。
上記目的を達成するために、本開示の熱交換器および熱交換器用オフセットフィンは以下のように構成する。
本開示の一の態様によれば、断面形状が凸状のフィン部を一方側と他方側に交互に位置させた波形構造を、波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向に複数配列させ、第１波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第２波形構造におけるフィン部の位置が、第１波形構造におけるフィン部の位置に対してオフセット配置されたオフセットフィンを備える熱交換器において、それぞれの凸状のフィン部における側壁が流体の流れ方向に対して３０〜６５度の範囲に傾斜して配置され、第１波形構造と第２波形構造とで側壁の傾斜方向が逆向きであり、かつ、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対して、側壁が５度以上４０度以下に傾斜して配置されている、熱交換器を提供する。
本開示の別の一の態様によれば、断面形状が凸状のフィン部を一方側と他方側に交互に位置させた波形構造を、波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向に複数配列させ、第１波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第２波形構造におけるフィン部の位置が、第１波形構造におけるフィン部の位置に対してオフセット配置されたオフセットフィンにおいて、それぞれの凸状のフィン部における側壁が流体の流れ方向に対して３０〜６５度の範囲に傾斜して配置され、第１波形構造と第２波形構造とで側壁の傾斜方向が逆向きであり、かつ、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対して、側壁が５度以上４０度以下に傾斜して配置されている、熱交換器用オフセットフィンを提供する。
本開示によれば、オフセットフィンを備える熱交換器において、流体の圧力損失を低く抑えながら熱交換率を向上させることができる。
本開示の実施の形態１にかかる熱交換器の分解斜視図 実施の形態１の熱交換器が備えるオフセットフィンの部分拡大斜視図 図２のオフセットフィンにおけるＸＹ平面の断面図 実施の形態１のオフセットフィンにおける第１波形構造と第２波形構造との接続位置のＸＺ平面の断面図 従来のオフセットフィンにおける流体の流れを示す模式図 実施の形態１のオフセットフィンにおける流体の流れを示す模式図 オフセットフィンの解析モデル（Ａ１〜Ａ８、Ｂ１〜Ｂ８）の解析結果表 図７の解析結果に基づく、側壁の傾斜角度と評価指標との関係のグラフ 本開示の実施の形態２にかかる熱交換器の外観正面図 図９の熱交換器の部分拡大模式図（断面図） 本開示の実施の形態３の熱交換器が備えるオフセットフィンの部分拡大斜視図 実施の形態３のオフセットフィンにおける第１波形構造と第２波形構造との接続位置のＸＺ平面の断面図 オフセットフィンの解析モデル（Ｂ５、Ｂ５１〜Ｂ５４）の解析結果表 図１３の解析結果に基づく、側壁のテーパ角度と圧力損失および熱交換量との関係のグラフ 図１３の解析結果に基づく、側壁のテーパ角度と評価指標との関係のグラフ 側壁のテーパ角度と剛性との関係のグラフ 従来のオフセットフィンの部分拡大斜視図
本開示の第１態様によれば、断面形状が凸状のフィン部を凸状の向きを一方側と他方側とに交互に位置させた波形構造を、波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向に複数配列させ、第１波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第２波形構造におけるフィン部の位置が、第１波形構造におけるフィン部の位置に対してオフセット配置されたオフセットフィンを備える熱交換器において、それぞれの凸状のフィン部における側壁が流体の流れ方向に対して傾斜して配置され、第１波形構造と第２波形構造とで側壁の傾斜方向が逆向きである、熱交換器を提供する。第１波形構造体と第２波形構造体とは互いに隣接して配置されていてもよく、また両波形構造体の間に他の構造体が介在して配置されていてもよい。
本開示の第２態様によれば、流体の流れ方向に対する第１波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度と、第２波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度とが、同じ角度である、第１態様に記載の熱交換器を提供する。すなわち、第１波形構造と第２波形構造とにおいて、それぞれの側壁の傾斜方向が逆向きであり、さらに流体の流れ方向に対する側壁の傾斜角度（角度の絶対値）が同じとなっている。
本開示の第３態様によれば、オフセットフィンは、第２波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第３波形構造を有し、第２波形構造と第３波形構造とでフィン部の側壁の傾斜方向が逆向きである、第１または第２態様に記載の熱交換器を提供する。第２波形構造体と第３波形構造体とは互いに隣接して配置されていてもよく、また両波形構造体の間に他の構造体が介在して配置されていてもよい。
本開示の第４態様によれば、第１波形構造および第２波形構造において、それぞれのフィン部は同じ間隔ピッチにて配列され、第２波形構造のフィン部の上流側端部の位置が、第１波形構造の凸状フィン部の下流側端部の位置に対して、１／２間隔ピッチオフセット配置されている、第１から第３態様のいずれか１つに記載の熱交換器を提供する。
本開示の第５態様によれば、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対して、側壁が傾斜して配置されている、第１から第４態様のいずれか１つに記載の熱交換器を提供する。
本開示の第６態様によれば、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対する側壁の傾斜角度が４０度以下である、第５態様に記載の熱交換器を提供する。
本開示の第７態様によれば、各々の波形構造において、隣接するフィン部における側壁は互いに平行に配置されている、第１から第４態様のいずれか１つに記載の熱交換器を提供する。
本開示の第８態様によれば、第１波形構造のフィン部における流体の流れ方向の長さは、第２波形構造のフィン部における流体の流れ方向の長さと同じである、第１から第７態様のいずれか１つに記載の熱交換器を提供する。
本開示の第９態様によれば、流体の流れ方向に対するフィン部の側壁の傾斜角度が６５度以下である、第１から第８態様のいずれか１つに記載の熱交換器を提供する。
本開示の第１０態様によれば、断面形状が凸状のフィン部を一方側と他方側に交互に位置させた波形構造を、波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向に複数配列させ、第１波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第２波形構造におけるフィン部の位置が、第１波形構造におけるフィン部の位置に対してオフセット配置されたオフセットフィンにおいて、それぞれの凸状のフィン部における側壁が流体の流れ方向に対して傾斜して配置され、第１波形構造と第２波形構造とで側壁の傾斜方向が逆向きである、熱交換器用オフセットフィンを提供する。第１波形構造体と第２波形構造体とは互いに隣接して配置されていてもよく、また両波形構造体の間に他の構造体が介在して配置されていてもよい。
本開示の第１１態様によれば、流体の流れ方向に対する第１波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度と、第２波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度とが、同じ角度である、第１０態様に記載の熱交換器用オフセットフィンを提供する。すなわち、第１波形構造と第２波形構造とにおいて、それぞれの側壁の傾斜方向が逆向きであり、さらに流体の流れ方向に対する側壁の傾斜角度（角度の絶対値）が同じとなっている。
本開示の第１２態様によれば、第１波形構造および第２波形構造において、それぞれのフィン部は同じ間隔ピッチにて配列され、第２波形構造のフィン部の上流側端部の位置が、第１波形構造の凸状フィン部の下流側端部の位置に対して、１／２間隔ピッチオフセット配置されている、第１０または第１１態様に記載の熱交換器用オフセットフィンを提供する。
本開示の第１３態様によれば、流体の流れ方向に対するフィン部の側壁の傾斜角度が６５度以下である、第１０から第１２態様のいずれか１つに記載の熱交換器用オフセットフィンを提供する。
本開示の第１４態様によれば、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対して、側壁が傾斜して配置されている、第１０から第１３態様のいずれか１つに記載の熱交換器用オフセットフィンを提供する。
本開示の第１５態様によれば、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対する側壁の傾斜角度が４０度以下である、第１４態様に記載の熱交換器用オフセットフィンを提供する。
以下に、本開示にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
本開示の実施の形態１にかかるオフセットフィンを備える熱交換器の構成を、図１の分解斜視図に示す。なお、図１では、熱交換器の主要な構成について示しており、一部構成については省略している。
図１に示すように、本実施の形態１の熱交換器１はプレート式熱交換器である。熱交換器１は、積層された複数のプレートの間に流体が流れる流路を形成し、積層方向に隣接する流路間において、第１流体と第２流体との間の熱交換を行うものである。なお、第１流体、第２流体は、液体およびガスのいずれの流体であってもよい。
熱交換器１は、交互に積層された２種類のプレート２Ａ、２Ｂと、プレート２Ａの下面側とプレート２Ｂの上面側との間に配置された第１流体用オフセットフィン３と、プレート２Ｂの下面側とプレート２Ａの上面側との間に配置された第２流体用オフセットフィン４とを備える。プレート２Ａ、２Ｂの間においてそれぞれのオフセットフィン３、４を囲む外縁部分は、互いに接合（例えば、ろう付け）されている。これにより、プレート２Ａの下面側、プレート２Ｂの上面側、および第１流体用オフセットフィン３により第１流体流路５が画定される。また、プレート２Ｂの下面側、プレート２Ａの上面側、および第２流体用オフセットフィン４により第２流体流路６が画定される。なお、このようにプレート２Ａ、２Ｂが接合されている場合に代えて、プレート２Ａ、２Ｂの間における外縁部分にシール部材を配置してもよい。
また、積層されたプレート２Ａ、２Ｂの長手方向の一方側端縁には、積層方向に貫通するように第１流体供給流路７Ａおよび第２流体排出流路８Ｂが設けられており、他方側端縁には、第１流体排出流路７Ｂおよび第２流体供給流路８Ａが設けられる。第１流体供給流路７Ａと第１流体排出流路７Ｂは第１流体流路５に連通され、第２流体供給流路８Ａと第２流体排出流路８Ｂは第２流体流路６に連通される。
このような構成の熱交換器１において、それぞれの流体流路を通過するように第１流体および第２流体を流すことにより、第１流体流路５において流れ方向Ｄ１（一方側端縁から他方側端縁へと向かう方向）に沿って第１流体が流れる。また、第２流体流路６において流れ方向Ｄ２（他方側端縁から一方側端縁へと向かう方向）に沿って第２流体が流れる。このような第１流体および第２流体の流れが形成されることにより、プレート２Ａ、２Ｂおよびオフセットフィン３、４を介して、第１流体と第２流体との間の熱交換が行われる。
次に、本実施の形態１の熱交換器１にて用いられるオフセットフィンの構成について説明する。第１流体用オフセットフィン３と第２流体用オフセットフィン４とは同じ構成を採用することができるため、両者を代表して第１流体用オフセットフィン３の構成について説明する。なお、以降の説明において、第１流体と第２流体とを特に区別しないような場合には単に流体と称し、第１流体用オフセットフィン３を単にオフセットフィン３と称する。オフセットフィン３の部分拡大斜視図を図２に示す。
図２に示すように、オフセットフィン３は、断面形状が凸状のフィン部１１、２１を図示Ｚ方向の一方側と他方側に交互に折り曲げて位置させた波形構造１０、２０を有する。この波形構造１０、２０は図示Ｘ方向に延びており、オフセットフィン３はＸ方向に対して直交するＹ方向に複数の波形構造１０、２０を配列した構成を有している。
なお、図２において、Ｚ方向は、熱交換器１においてそれぞれのプレート２Ａ、２Ｂが積層される方向であり、Ｘ方向およびＹ方向は互いに直交するとともに、Ｚ方向に対して直交する方向である。また、本実施の形態１において、波形構造１０、２０が延びる方向がＸ方向となっており、Ｙ方向が流体の流れ方向Ｄ１となっている。
図２に示すように、オフセットフィン３が備える複数の波形構造の１つである第１波形構造１０では、例えば金属板を折り曲げ形成された断面形状が凸状の複数のフィン部１１が、凸状の向きをＺ方向の一方側と他方側に交互にして、一定の間隔ピッチにてＸ方向に配列されている。第１波形構造１０に対して流体の流れ方向Ｄ１の下流側に隣接して配置された第２波形構造２０も同様な構成を有しており、複数のフィン部２１が凸状の向きをＺ方向の一方側と他方側に交互にして、一定の間隔ピッチにてＸ方向に配列されている。
第１波形構造１０と第２波形構造２０とのフィン部１１、２１のＸ方向の間隔ピッチは同じピッチとされている。第２波形構造２０におけるフィン部２１のＸ方向における位置は、第１波形構造１０におけるフィン部１１のＸ方向における位置に対してオフセット配置されている（すなわち、位置をずらして配置されている）。
また、第２波形構造２０に対して流体の流れ方向Ｄ１の下流側に隣接して第１波形構造１０が配置され、さらにこの第１波形構造１０の下流側に隣接して第２波形構造２０が配置されている。すなわち、オフセットフィン３において、流体の流れ方向Ｄ１に沿って、第１波形構造１０と第２波形構造２０とが交互に隣接するように配置されている。
ここで、図２のオフセットフィン３におけるＸＹ平面の断面図を図３に示し、第１波形構造１０と第２波形構造２０との接続位置（Ａ−Ａ）におけるＸＺ平面の断面図を図４に示す。
図２から図４に示すように、第１波形構造１０が備える凸状のフィン部１１は、Ｚ方向に立ち上がった（あるいは立ち下がった）一対の側壁１２と、一対の側壁１２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁１３とを有するような門型形状に形成されている。同様に、第２波形構造２０が備える凸状のフィン部２１は、Ｚ方向に立ち上がった（あるいは立ち下がった）一対の側壁２２と、一対の側壁２２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁２３とを有するような門型形状に形成されている。
図２および図３に示すように、第１波形構造１０のフィン部１１の側壁１２は、流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ１にて傾斜している。また、第２波形構造２０のフィン部２１の側壁２２は、流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ２にて傾斜している。第１波形構造１０と第２波形構造２０とでは、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁１２、２２の傾斜方向が逆向きとされている。例えば、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁１２の傾斜方向を正の向きとした場合に、側壁２２の傾斜方向は負の向きとなっている。本実施の形態１では、側壁１２の傾斜角度θ１と側壁２２の傾斜角度θ２とは、角度の絶対値が同一となっている。また、第１波形構造１０において、それぞれの側壁１２は互いに平行に配置されており、第２波形構造２０においても、それぞれの側壁２２は互いに平行に配置されている。さらにそれぞれの側壁１２、２２は同じ高さ（Ｚ方向の寸法）を有している。
図３に示すように、第１波形構造１０のフィン部１１および第２波形構造２０のフィン部２１は、流体の流れ方向Ｄ１に長さＬ、Ｘ方向の間隔ピッチＰ、側壁の厚さｔにて形成されている。図４に示すように、第１波形構造１０の下流側端部と第２波形構造２０の上流側端部との接続位置（Ａ−Ａ）において、第２波形構造２０のフィン部２１の上流側端部のＸ方向の位置が、第１波形構造１０のフィン部１１の下流型端部のＸ方向の位置に対して、間隔ピッチＰ×１／２の寸法だけオフセットして配置されている。
このような構成を有する本実施の形態１のオフセットフィン３は、例えば、金属プレートに対して金型を用いてプレス加工を行って形成することができる。また、オフセットフィン３の形成材料としては金属材料を用いることができ、例えば、アルミニウムやステンレスを用いることができる。また、このような金属プレートの表面に樹脂材料などを用いて表面加工・表面処理が施されている場合であってもよい。
次に、このような構成の本実施の形態１のオフセットフィン３における流体の流れについて、図１１の従来のオフセットフィン５０における流体の流れと対比して説明する。図５は従来のオフセットフィン５０における流体の流れを示す模式図であり、図６は本実施の形態１のオフセットフィン３における流体の流れを示す模式図である。
図５に示すように、従来のオフセットフィン５０では、フィン部６１、７１の側壁６２、７２が流体の流れ方向Ｄに対して平行とされている。そのため、フィン部６１、７１の側壁６２、７２の間に形成される流体流路は略直線状となり、流体が流れ方向Ｄに沿って略直線的に流れることになる。その結果、流体の流れは略層流状態となり、オフセット配置による乱流促進効果を十分に得ることができない。よって、側壁６２、７２と流体との間の熱交換効量が限定的となる。
これに対して、本実施の形態１のオフセットフィン３では、フィン部１１、２１の側壁１２、２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜して配置されており、さらに側壁１２の傾斜方向は、側壁２２の傾斜方向と逆向きとされている。そのため、フィン部１１、２１の側壁１２、２２の間に形成される流体流路は、フィン部１１からフィン部２１への接続部分にて傾斜角度θ１＋θ２の角度にて曲がることになる。そのため、流体流路において一方の側壁１２、２２の近傍にて他方の近傍よりも流速が高くなる乱流状態となる。よって、側壁１２、２２と流体との間の熱交換量が、略層流状態の場合と比べて高くなる。すなわち、フィン部１１、２１のオフセット配置による乱流促進効果に加えて、側壁１２、２２の傾斜配置によりさらなる乱流促進効果を得ることができ、熱交換量を高めることができる。
また、側壁１２、２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜しているため、熱交換が行われる流体流路が直線状の場合に比して長くなり、流体との間の熱交換に寄与するフィン部１１、２１の伝熱面積も大きくなる。よって、本実施の形態１のオフセットフィン３では、従来のオフセットフィン５０に比べて、熱交換率を高めることが可能となる。
オフセットフィン３において、フィン部１１、１２の側壁１２、２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜されているが、側壁１２と側壁２２の傾斜方向が逆向きかつ傾斜角度の絶対値が同じ値に設定されている。そのため、微視的には、流体流路は流れ方向Ｄ１に対して傾斜することになるが、傾斜方向が交互に切り替えされることにより、全体的には流体流路は流れ方向Ｄ１に沿ったものとなる。本明細書にて、流体の流れ方向とは、オフセットフィンを全体的に見た場合に流体が流れる方向を意味する。
（実施の形態１のオフセットフィンの実施例）
ここで、実施の形態１のオフセットフィン３の構成を有する複数の解析モデル（実施例および比較例）を作成して、シミュレーション解析を行い、側壁の傾斜角度、熱交換量および圧力損失の関係について分析を行った。
解析モデルＡグループでは、交互に凸状の２つのフィン部を１パターンとして、１パターンの流路幅Ｓ１（すなわち、間隔ピッチＰ×２）を２ｍｍ、第１波形構造１０のフィン部１１と第２波形構造２０のフィン部２１の合計長さである流路長さＳ２（すなわち、フィン部の長さＬ×２）を２ｍｍ、側壁１２、２２の厚さｔを０．３ｍｍに設定した。また、解析モデルＢグループでは、２つのフィン部の１パターンの流路幅Ｓ１を２．８６ｍｍ、流路長さＳ２を４ｍｍ、側壁１２、２２の厚さｔを０．２ｍｍに設定した。そして、それぞれの解析モデルＡ、Ｂグループにて、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁１２、２２の傾斜角度θ１、θ２を、０〜７５度（°）の８種類の設定値を用いた解析モデル（Ａ１〜Ａ８、Ｂ１〜Ｂ８）を作成して解析を行った。
また、解析モデルに共通する仕様として、流体の流路全体の長さ（フィン部が存在する部分の長さ）を２０ｍｍとし、その前後に計算安定のための直線流路を設けた。オフセットフィンの形成材料および流体の仕様は次の通りである。
オフセットフィン
形成材料： アルミニウム
密度 ： ２７３０ｋｇ／ｍ３
比熱 ： ９６１Ｊ／ｋｇＫ
熱伝導 ： １６０Ｗ／ｍＫ
流体 ： 不凍液
参照温度： ５０℃
密度 ： １０４７ｋｇ／ｍ３
比熱 ： ３５６５Ｊ／ｋｇＫ
熱伝導 ： ０．４１６Ｗ／ｍＫ
粘性率 ：０．００１６７Ｐａ・ｓ
その他の解析条件は以下仕様とした。
流体流量： ３００ｌ／ｈｒ
流体の流入温度： ４０℃
他方の流路表面温度： ６９．１℃
これらの解析条件に基づく解析モデル（Ａ１〜Ａ８、Ｂ１〜Ｂ８）の解析結果（熱交換量Ｑ（Ｗ）、圧力損失Ｐ（Ｐａ）、評価指標）を図７の表に示す。なお、側壁の傾斜角度が０度である解析モデルＡ１、Ｂ１は比較例となり、それ以外の解析モデルＡ２〜Ａ８、Ｂ２〜Ｂ８が実施例となる。なお、評価指標は、熱交換量Ｑを圧力損失の対数値にて除した値（Ｑ／ｌｏｇＰ）である。また、図７の表に示す解析結果に基づく、側壁の傾斜角度と評価指標との関係を図８のグラフに示す。
図７および図８に示すように、側壁を傾斜させた解析モデルＡ２〜Ａ８、Ｂ２〜Ｂ８では、側壁を傾斜させていない解析モデルＡ１、Ｂ１に比して、いずれも高い評価指標が得られた。すなわち、側壁を傾斜させた解析モデルＡ２〜Ａ８、Ｂ２〜Ｂ８では、側壁を傾斜させることによる圧力損失の上昇度合いよりも、熱交換量の上昇度合いの方が高くなっていることが判る。
さらに詳細に分析すると、解析モデルＡ８、Ｂ８（傾斜角度７５度）では、傾斜角度が０度の場合（Ａ１、Ｂ１）に比して評価指標の向上が見られたものの、解析モデルＡ７、Ｂ７（傾斜角度６５度）に比べて圧力損失が大幅に上昇している。そのため、例えば、側壁の傾斜角度を６５度以下に設定して、大幅な圧力損失の上昇を抑制することが好ましい。
また、側壁の傾斜角度が小さい場合、傾斜された側壁面の影響を受けずに通過する流体が増えることになり、側壁の傾斜による大きな効果が得られにくい。このような傾斜角度は、流路の間隔ピッチにも関係するため、側壁の傾斜により得られる評価指標の向上の程度を考慮して、側壁の傾斜角度を設定することが望ましい。図８において、流路断面積がより大きな解析モデルＡに着目した場合、評価指標の最大値より傾斜角度が小さい方へ大きく離れると傾斜により得られる効果が小さくなっている。そのため、例えば、グラフ曲線の傾き（グラフ曲線を近似し、微分して得られた傾き）を１つの指標として、傾きが１（傾斜角度１３度）のところを傾斜角度の下限値として設けるようにしてもよい。
また、特に、解析モデルＡ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７では、高い評価指標が得られており、３０〜６５度の範囲に側壁の傾斜角度を設定することで、より高い評価指標が得られることが判る。
また、側壁を傾斜させることで圧力損失は増加するが、流路幅Ｓ１や側壁の高さなどを大きく設定することで、圧力損失の増加を抑えながら高い熱交換量を得ることができる。
（実施の形態２）
次に、本開示の実施の形態２にかかるオフセットフィンを備える熱交換器３０の構成を図９の外観正面図に示す。また、図９の熱交換器３０の部分拡大模式図（断面）を図１０に示す。なお、図９、図１０では、熱交換器の主要な構成について示しており、一部構成については省略している。
図９に示すように、本実施の形態２の熱交換器３０は、フィン・アンド・チューブ熱交換器である。熱交換器３０は、複数のコルゲートフィン３１と、オフセットフィン３２を内部に配置した複数のチューブ３３とが交互に積層された構成を有する。
オフセットフィン３２は、流路を画定するチューブ３３の内部に配置されている。チューブ３３とチューブ３３との間に挟まれるようにコルゲートフィン３１が配置されている。オフセットフィン３２が配置されたチューブ３３内部の流路には第１流体が流通され、チューブ３３間にてコルゲートフィン３１により画定された流路には第２流体が流通される。オフセットフィン３２、チューブ３３、およびコルゲートフィン３１を介して、第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる。
このオフセットフィン３２には、上記実施の形態１のオフセットフィン３と同様な構成が採用される。すなわち、オフセットフィン３２の波形構造において、フィン部の側壁が流体の流れ方向に対して傾斜した構成が採用される。
このように、フィン・アンド・チューブ熱交換器３０においても、流体の流れ方向に対して傾斜した側壁を有するオフセットフィン３２を適用して、熱交換率の向上を図ることができる。
（実施の形態３）
次に、本開示の実施の形態３にかかる熱交換器にて用いられるオフセットフィン１０３の構成について説明する。本実施の形態３のオフセットフィン１０３の部分拡大斜視図を図１１に示す。上記実施の形態１のオフセットフィン３は、断面形状が凸状のフィン部１１、２１はＺ方向に沿って立ち上がった（あるいは立ち下がった）一対の側壁１２、２２を有した構成が採用されていた。これに対して、本実施の形態３のオフセットフィン１０３では、一対の側壁１１２、１２２がＺ方向に対して傾斜して立ち上がった（あるいは立ち下がった）構成が採用されている点で、上記実施の形態１とは相違し、その他の構成は実施の形態１と共通する。以下、この相違点を中心に説明する。
図１１に示すように、オフセットフィン１０３は、断面形状が凸状のフィン部１１１、１２１を図示Ｚ方向の一方側と他方側に交互に折り曲げて位置させた第１波形構造１１０および第２波形構造１２０を有する。第１および第２波形構造１１０、１２０は図示Ｘ方向に延びており、オフセットフィン１０３はＸ方向に対して直交するＹ方向に複数の波形構造１１０、１２０を配列した構成を有している。
ここで、図１１のオフセットフィン１０３における第１波形構造１１０と第２波形構造１２０との接続位置（図１１のＢ−Ｂ（実施の形態１における図３のＡ−Ａに対応））におけるＸＺ平面の断面図を図１２に示す。
図１１および図１２に示すように、第１波形構造１１０が備えるフィン部１１１は、一対の側壁１１２と、一対の側壁１１２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁１１３とを有するような門型形状に形成されている。同様に、第２波形構造１２０が備えるフィン部１２１は、一対の側壁１２２と、一対の側壁１２２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁１２３とを有するような門型形状に形成されている。
図１２に示すように、側壁１１２および側壁１２２は、Ｚ方向に対して傾斜角度αにて傾斜している。一対の側壁１１２同士および一対の側壁１２２同士は同じ傾斜角度αにて互いに傾斜方向が逆向きに傾斜している。具体的には、フィン部１１１および１２１は、凸状の根元側部分が、先端側部分（接続壁１１３、１２３側の部分）よりもテーパ状に広がる断面形状を有している。以降の説明では、この傾斜角度αをテーパ角度αと称する。なお、側壁１１２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ１にて傾斜しており、側壁１２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ２にて傾斜している点については、実施の形態１と同じである。また、波形構造１１０、１２０における凸状のフィン部１１１、１２１の一方側および他方側の方向とは、本実施の形態３ではＺ方向を意味している。
図１２に示すように、第１波形構造１１０のフィン部１１１および第２波形構造１２０のフィン部１２１は、Ｘ方向の間隔ピッチＰ、側壁の厚さｔにて形成されている。また、第１波形構造１１０の下流側端部と第２波形構造１２０の上流側端部との接続位置（Ｂ−Ｂ）において、フィン部１２１の上流側端部のＸ方向の位置が、フィン部１１１の下流型端部のＸ方向の位置に対して、間隔ピッチＰ×１／２の寸法だけオフセットして配置されている。
本実施の形態３のオフセットフィン１０３では、側壁１１２、１２２がＺ方向に対してテーパ角度αにて傾斜した構造を有している。そのため、実施の形態１のように側壁１１、２２がＺ方向に沿った構造のフィン部１１、２１に比して、フィン部１１１、１２１の流れ方向Ｄ１における断面積（図１２に示す断面積）を小さくできる。これにより、流体の流れにおける圧力損失を低減することが可能となる。また、側壁１１２、１２２を流れ方向Ｄ１に対して傾斜させながら、Ｚ方向に対しても傾斜させることで、熱交換の寄与度が高い側壁１１２、１２２の表面積を大きくすることができる。したがって、高い熱交換量を得ながら圧力損失の上昇を抑制することが可能となる。
また、フィン部１１１、１２１の凸状の断面形状をテーパ形状とすることにより、例えば、金型を用いてプレス加工を行ってオフセットフィン１０３を形成する場合に、離型性（金型からの離れやすさ）を高めることができ、生産性を向上できる。
（実施の形態３のオフセットフィンの実施例）
ここで、実施の形態３のオフセットフィン１０３の構成を有する複数の解析モデル（実施例および比較例）を作成して、シミュレーション解析を行い、側壁のテーパ角度、熱交換量および圧力損失の関係について分析を行った。
解析モデルとしては、実施の形態１の実施例における解析モデルＢ５（側壁の傾斜角度：４５度）を基本モデルとして、この基本モデルに対して、側壁１１２、１２２のテーパ角度αを１０〜４０度とした解析モデルＢ５１〜Ｂ５４を作成して解析を行った。なお、テーパ角度α以外の仕様および解析条件は、解析モデルＢ５の解析と同じ条件とした。
これらの解析条件に基づく解析モデル（Ｂ５、Ｂ５１〜Ｂ５４）の解析結果（熱交換量Ｑ（Ｗ）、圧力損失Ｐ（Ｐａ）、評価指標）を図１３の表に示す。なお、これらの解析モデルは全て実施例となる。また、図１３の表に示す解析結果に基づく、側壁のテーパ角度αと圧力損失Ｐおよび熱交換量Ｑとの関係を図１４のグラフに示し、側壁のテーパ角度と評価指標との関係を図１５のグラフに示す。
図１４に示すように、テーパ角度αにて側壁を傾斜させた解析モデルＢ５１〜Ｂ５４では、テーパ角α＝０度としてＺ方向に対して側壁を傾斜させていない解析モデルＢ５に比して、圧力損失が低減した。特に、テーパ角度αを大きくする程、圧力損失の低減効果が高くなった。また、熱交換量については、テーパ角度αを大きくする程、僅かに上昇する傾向にあった。図１５に示すように、テーパ角度αを大きくする程、高い評価指数が得られた。したがって、側壁のテーパ角度αを大きくする程、圧力損失の低減効果を高めながら、高い熱交換量を得ることができる。
ここで、これらの解析モデルにおける側壁のテーパ角度αと剛性（等価剛性（ＧＰａ（＝１０９Ｐａ）））との関係を図１６のグラフに示す。側壁にテーパ角度αを設けることにより、Ｚ方向におけるオフセットフィン１０３の剛性は低下する。しかしながら、図１６に示すように、テーパ角度α＝４０度（解析モデルＢ５４）であっても、Ｚ方向における剛性の低下割合は、基本モデルＢ５（α＝０度）に比して３０％以内となっている。したがって、テーパ角度α＝４０度以下であれば、オフセットフィン１０３の剛性を十分に確保することができる。そのため、例えば、側壁のテーパ角度αは４０度以下に設定することが好ましく、また、圧力損失の低減効果を３％以上得るためには、５度以上に設定することが好ましい。
上述の実施の形態の説明では、第１波形構造１０のフィン部１１における側壁１２の傾斜角度θ１と、第２波形構造２０のフィン部２１における側壁２２の傾斜角度θ２とが、その角度の絶対値が同じである場合を例としたが、そのような場合に限られない。第１波形構造１０と第２波形構造２０とで、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁の傾斜方向が逆向きであればよく、傾斜角度θ１とθ２とで絶対値が異なるようにしてもよい。
また、第１波形構造１０および第２波形構造２０は、フィン部１１、２１の側壁１２、２２の全体が傾斜されている場合に限られず、その一部（流体の流れ方向Ｄ１における一部）に傾斜されていない側壁部分が含まれるような場合であってもよい。このような場合であっても、傾斜された側壁部分が存在するため、乱流促進効果を得ることができ、熱交換量を高めることができる。
また、第１波形構造１０と第２波形構造２０とが流体の流れ方向Ｄ１において互いに隣接している場合を例としたが、第１波形構造１０と第２波形構造２０との間に、他の構造体が介在して配置されていてもよい。他の構造体としては、側壁が傾斜していない波形構造体であってもよく、また、側壁の傾斜角度が異なる波形構造体であってもよい。少なくとも、第１波形構造１０と第２波形構造２０とが流体の流れ方向Ｄ１に配置されていれば、傾斜された側壁による乱流促進効果を得ることができ、熱交換量を高めることができる。
また、第２波形構造２０に対して流体の流れ方向Ｄ１下流側に隣接して配置される波形構造は第１波形構造１０に限られない。例えば、第１波形構造１０と異なる構造（例えば、傾斜角度θ１と異なる傾斜角度θ３を有する等）を有する第３波形構造が第２波形構造２０に隣接して配置されるような場合であってもよい。このような場合、第２波形構造２０と第３波形構造とでは、側壁の傾斜方向が逆向きに設定されることが好ましい。
また、第２波形構造２０のフィン部２１の上流側端部のＸ方向の位置が、第１波形構造１０のフィン部１１の下流型端部のＸ方向の位置に対して、１／２間隔ピッチＰオフセットして配置されている場合についてのみ限られない。このような場合に代えて、例えば、１／２間隔ピッチより大きくオフセット配置されている場合であってもよく、また小さくオフセット配置されている場合であってもよい。
また、実施の形態３の説明では、側壁１１２、１２２がＺ方向に対してテーパ角度αにて傾斜した平面を有するような場合を例としたが、側壁１１２、１２２が平面である場合に限られない。側壁１１２、１２２が側壁全体としてテーパ角度αにてＺ方向に対して傾斜した構成であれば、側壁が曲面として構成される場合や一部に曲面を含む場合であってもよい。また、一対の側壁同士でテーパ角度αが異なる場合であってもよく、また、側壁１１２と側壁１２２とでテーパ角度αが異なる場合であってもよい。また、流体の流れ方向Ｄ１において、第１波形構造１１０と第２波形構造１２０との間に、側壁がテーパ角度αにて傾斜していない波形構造や他の構造体が介在して配置されていてもよい。
なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本開示のオフセットフィンを用いた熱交換器は、プレート式熱交換器やフィン・アンド・チューブ熱交換器などに適用することができ、自動車の排気ガスの熱交換器、インタークーラー、ラジエター、空調用の熱交換器、さらにその他産業用の様々な用途の熱交換器への適用が有用である。
１ 熱交換器
２Ａ、２Ｂ プレート
３、１０３ 第１流体用オフセットフィン
４ 第２流体用オフセットフィン
５ 第１流体流路
６ 第２流体流路
７Ａ 第１流体供給流路
７Ｂ 第１流体排出流路
８Ａ 第２流体供給流路
８Ｂ 第２流体排出流路
１０、１１０ 第１波形構造
１１、１１１ フィン部
１２、１１２ 側壁
１３、１１３ 接続壁
２０、１２０ 第２波形構造
２１、１２１ フィン部
２２、１２２ 側壁
２３、１２３ 接続壁
Ｄ１ 流体の流れ方向（第１流体）
θ１、θ２ 傾斜角度
α テーパ角度

Claims (8)

  1. 断面形状が凸状のフィン部を一方側と他方側に交互に位置させた波形構造を、波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向に複数配列させ、第１波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第２波形構造におけるフィン部の位置が、第１波形構造におけるフィン部の位置に対してオフセット配置されたオフセットフィンを備える熱交換器において、
    それぞれの凸状のフィン部における側壁が流体の流れ方向に対して３０〜６５度の範囲に傾斜して配置され、第１波形構造と第２波形構造とで側壁の傾斜方向が逆向きであり、かつ、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対して、側壁が５度以上４０度以下に傾斜して配置されている、熱交換器。
  2. 流体の流れ方向に対する第１波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度と、第２波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度とが、同じ角度である、請求項１に記載の熱交換器。
  3. オフセットフィンは、第２波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第３波形構造を有し、第２波形構造と第３波形構造とでフィン部の側壁の傾斜方向が逆向きである、請求項１または２に記載の熱交換器。
  4. 第１波形構造および第２波形構造において、それぞれのフィン部は同じ間隔ピッチにて配列され、第２波形構造のフィン部の上流側端部の位置が、第１波形構造の凸状フィン部の下流側端部の位置に対して、１／２間隔ピッチオフセット配置されている、請求項１から３のいずれか１つに記載の熱交換器。
  5. 第１波形構造のフィン部における流体の流れ方向の長さは、第２波形構造のフィン部における流体の流れ方向の長さと同じである、請求項１から４のいずれか１つに記載の熱交換器。
  6. 断面形状が凸状のフィン部を一方側と他方側に交互に位置させた波形構造を、波形構造が延びる方向に対して直交する方向である流体の流れ方向に複数配列させ、第１波形構造に対して流体の流れ方向下流側に配置された第２波形構造におけるフィン部の位置が、第１波形構造におけるフィン部の位置に対してオフセット配置されたオフセットフィンにおいて、
    それぞれの凸状のフィン部における側壁が流体の流れ方向に対して３０〜６５度の範囲に傾斜して配置され、第１波形構造と第２波形構造とで側壁の傾斜方向が逆向きであり、かつ、波形構造における凸状のフィン部の一方側および他方側の方向に対して、側壁が５度以上４０度以下に傾斜して配置されている、熱交換器用オフセットフィン。
  7. 流体の流れ方向に対する第１波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度と、第２波形構造のフィン部の側壁の傾斜角度とが、同じ角度である、請求項６に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  8. 第１波形構造および第２波形構造において、それぞれのフィン部は同じ間隔ピッチにて配列され、第２波形構造のフィン部の上流側端部の位置が、第１波形構造の凸状フィン部の下流側端部の位置に対して、１／２間隔ピッチオフセット配置されている、請求項６または７に記載の熱交換器用オフセットフィン。
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