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

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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(=10Pa)))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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