JP5958771B2 - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

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１０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（corrugated fin）」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１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１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極力低減する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１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１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

しかし、切り起こしが十分に低かったとしても、着霜運転時には流路の断面積が２０％以上、局所的に減少する。そのため、切り起こしを設けた場合には、曲げ回数を１回に制限して傾斜角度を緩やかにしたとしても、通風抵抗の大幅な増加は避けられない。図１１Ａ〜図１１Ｃに示すフィン１の通風抵抗を図９Ａ〜図９Ｄに示すフィン１０と同等のレベルまで下げるためには、フィン１の傾斜角度を限りなく０°に近づける必要が生じる。

本発明は、着霜運転時及び非着霜運転時を問わず、優れた基本性能を有するフィンチューブ熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
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、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲に形成された平坦部と、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成されており、
前記気流方向における前記フィンの長さをＳ１、前記段方向における前記伝熱管の中心間距離をＳ２、前記平坦部の直径をＤ１、前記気流方向における前記フィンの上流端と下流端とを通る平面を基準平面、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２、前記基準平面から前記平坦部までの距離をαと定義したとき、
tan^-1{(S1・tanθ1±2α)/(S2-D1)}≦θ2＜80°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器を提供する。

上記の構成によれば、通風抵抗が十分に抑制され、かつ高い熱交換量（熱交換能力）を有するフィンチューブ熱交換器を提供できる。

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 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θ２Ｌの算出方法を示す概略図 距離αの最大値αmax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 第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和が３６°のときの空気の流れを示す概略図 第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和が６６°のときの空気の流れを示す概略図 第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和が７６°のときの空気の流れを示す概略図 第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和が８６°のときの空気の流れを示す概略図 第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和が９６°のときの空気の流れを示す概略図 第２傾斜角度θ２とフィンチューブ熱交換器の性能（熱交換量及び圧力損失）との関係を示すグラフ 第２実施形態に係るフィンの平面図 図８Ａに示すフィンのVIIIB-VIIIB線に沿った断面図 図８Ａに示すフィンのVIIIC-VIIIC線に沿った断面図 図８Ａに示すフィンのVIIID-VIIID線に沿った断面図 閾値角度θ２Ｌの算出方法を示す概略図 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

本開示の第１態様は、
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、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲に形成された平坦部と、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成されており、
前記気流方向における前記フィンの長さをＳ１、前記段方向における前記伝熱管の中心間距離をＳ２、前記平坦部の直径をＤ１、前記気流方向における前記フィンの上流端と下流端とを通る平面を基準平面、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２、前記基準平面から前記平坦部までの距離をαと定義したとき、
tan^-1{(S1・tanθ1±2α)/(S2-D1)}≦θ2＜80°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器を提供する。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記角度θ２が、tan^-1{(S1・tanθ1±2α)/(S2-D1)}≦θ2＜70°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器を提供する。

本開示の第３態様は、第１又は第２態様に加え、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、フィンチューブ熱交換器を提供する。

本開示の第４態様は、
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、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲において前記伝熱管に密着している円筒状のフィンカラーと、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記フィンカラーと前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成されており、
前記気流方向における前記フィンの長さをＳ１、前記段方向における前記伝熱管の中心間距離をＳ２、前記フィンカラーの外径をＤ２、前記気流方向における前記フィンの上流端と下流端とを通る平面を基準平面、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２と定義したとき、
tan^-1{(S1・tanθ1)/(S2-D2)}≦θ2＜80°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器を提供する。

本開示の第５態様は、第４態様に加え、前記角度θ２が、tan^-1{(S1・tanθ1)/(S2-D2)}≦θ2＜70°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器を提供する。

本開示の第６態様は、第４又は第５態様に加え、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、フィンチューブ熱交換器を提供する。

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。

（第１実施形態）
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。本実施形態では、伝熱管２１の中心に関してフィン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。

本明細書では、フィン３１の並び方向を高さ方向、前縁３０ａに平行な方向を段方向、高さ方向及び段方向に垂直な方向を気流方向（空気Ａの流れ方向）と定義する。言い換えれば、段方向は、高さ方向と気流方向との両方向に垂直な方向である。気流方向はフィン３１の長手方向に垂直である。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。

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。フィン３１の長手方向は段方向に一致している。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、高さ方向に関して互いに隣り合う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、１．０〜１．５ｍｍ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。

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、撥水処理を行うことも可能である。

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の周りには円筒状のフィンカラー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。段方向に互いに隣り合う２つの貫通孔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。また、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及び図２Ｂに示すように、フィン３１は、気流方向において山部３４が１箇所にのみ現れるように成形されている。山部３４の稜線は段方向に平行である。すなわち、フィン３１は、コルゲートフィンと呼ばれるフィンである。フィンカラー３７の突出方向と同じ方向に突出している部分を「山部３４」と定義すると、本実施形態において、フィン３１は、気流方向において１つの山部３４のみを有する。前縁３０ａ及び後縁３０ｂが谷部に対応している。気流方向において、山部３４の位置は伝熱管２１の中心の位置に一致している。

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。このように、貫通孔３７ｈ以外の開口部がフィン３１に設けられていないことが望ましい。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。

フィン３１は、さらに、平坦部３５、第１傾斜部３６及び第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円環状の部分である。平坦部３５の表面は、気流方向に平行で高さ方向に垂直である。第１傾斜部３６は、山部３４を形成するように気流方向に対して傾いた部分である。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３６の表面は平坦である。第１傾斜部３６は、段方向に平行かつ伝熱管２１の中心を通る基準線の左右に位置している。つまり、風上側の第１傾斜部３６と風下側の第１傾斜部３６とによって山部３４が形成されている。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３８は、フィンカラー３７及び貫通孔３７ｈの周りに凹状の部分を形成している。

なお、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８との境界部分に適度なアール（例えば、Ｒ０．５ｍｍ〜Ｒ２．０ｍｍ）が付与されていてもよい。同様に、山部３４と第２傾斜部３８との境界部分に適度なアール（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の排水性を改善する。

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。段方向における伝熱管２１の中心間距離（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。気流方向におけるフィン３１の上流端と下流端とを通る平面を基準平面Ｈ１と定義する。フィン３１の上流端及び下流端は、それぞれ、前縁３０ａ及び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αと定義する。図２Ａ〜図２Ｄに示す実施形態では、距離α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。このとき、基準平面Ｈ１は、平坦部３５の表面を含む平面に一致する。

上記のように、Ｓ１、Ｓ２、Ｄ１、θ１、θ２及びα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±2α)/(S2-D1)}≦θ2＜80°-θ1・・・（１）

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の位置と異なっていてもよい。具体的に、平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の稜線の近くに位置しているとき、式（１）の左辺は、tan^-1{(S1・tanθ1-2α)/(S2-D1)}である。平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の稜線の近くに位置していると、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８とのなす角度が大きくなるので、フィン３１の表面積が減少するものの、圧力損失が低減する。つまり、圧力損失の低いフィン３１が得られる。

他方、平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の稜線から離れているとき、式（１）の左辺は、tan^-1{(S1・tanθ1+2α)/(S2-D1)}である。平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の稜線から離れているとき、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８とのなす角度が小さくなるので、圧力損失が増加するものの、フィン３１の表面積が増加する。また、第２傾斜部３８の角度θ２が増えることによって、伝熱管２１の後ろに発生する死水領域を減らす効果も期待できる。つまり、熱交換能力の高いフィン３１が得られる。

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、流れ方向に垂直かつ伝熱管の中心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の下限値について）
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１０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１０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１０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３Ａ及び図３Ｂ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
・伝熱管の中心間距離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３Ａに示すように、曲げ回数に依らず、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３Ｂ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３Ｂ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θ２Ｌは、図４Ａ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３８が接触する角度である。第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｌよりも小さい領域では、隣り合う第２傾斜部３８同士の侵食が進行するので、表面積の比率の減少が加速されることとなる。ここで、閾値角度θ２Ｌは、フィン３１の長さＳ１、伝熱管２１の中心間距離Ｓ２、平坦部３５の直径Ｄ１及び第１傾斜角度θ１及び距離αを用いて下記式（２）で表される。

θ2L=tan^-1{(S1・tanθ1±2α)/(S2-D1)}・・・（２）

閾値角度θ２Ｌは、以下の方法で算出される角度である。図４Ｂに示すように、山部３４の高さは、(S1/2)・tanθ1±αで表される。隣り合う第２傾斜部３８が丁度接触したときの第２傾斜角度θ２（＝閾値角度θ２Ｌ）の正接は、{(S1/2)・tanθ1±α}/{(S2-D1)/2}で表される。従って、閾値角度θ２Ｌは式（２）で表すことができる。

また、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｌを下回ると、隣り合う第２傾斜部３８同士が侵食し合うことによって山部３４が消滅し、第２傾斜部３８同士の接触部は水平に概ね平行となる。接触部における水平面上を通過するとき、空気は減速され、熱伝達率の低下を引き起こす。そのため、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｌを下回ると、表面積の急激な減少による熱交換能力の低下に、熱伝達率の低下による熱交換能力の低下が上乗せされる。結果として、フィンチューブ熱交換器の熱交換能力は著しく低下する。

故に、フィンチューブ熱交換器の熱交換能力を高めるためには、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｌ以上であることが重要である。

なお、山部３４を１つのみ有するフィン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５Ａは、山部を１つのみ有する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５Ｂ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５Ａに示すように、前縁３０ａ及び山部３４での熱流束が極めて高い。同様に、図５Ｂ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５Ａに示された太線の全長は、図５Ｂ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１０に対して有利である。

（第２傾斜角度θ２の上限値について）
第２傾斜角度θ２の増加に伴うデメリットとして、「流れの剥離」が挙げられる。図６Ａに破線Ｄで示すように、フィンチューブ熱交換器１００において、空気Ａの蛇行角度が最も大きい区間は、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８との境界近傍に存在する。破線Ｄで示された区間における気流の蛇行角度は、第１傾斜角度θ１と第２傾斜角度θ２との和（θ１＋θ２）で表すことができる。

蛇行角度（θ１＋θ２）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、蛇行角度（θ１＋θ２）を変化させながら、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。代表的な結果を図６Ｂ〜図６Ｆに示す。

図６Ｂに示すように、蛇行角度（θ１＋θ２）が３６°のとき、蛇行部分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６Ｃに示すように、蛇行角度（θ１＋θ２）が６６°のとき、蛇行部分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。蛇行角度（θ１＋θ２）が７６°のとき、蛇行角度（θ１＋θ２）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。蛇行角度（θ１＋θ２）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。蛇行角度（θ１＋θ２）が９６°のとき、蛇行部分の外周壁の近傍は、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、通風抵抗を大幅に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。すなわち、蛇行角度（θ１＋θ２）が大きすぎると、表面積の増加による熱交換量の増加が相殺される可能性がある。従って、蛇行角度（θ１＋θ２）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、蛇行角度（θ１＋θ２）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、蛇行角度（θ１＋θ２）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、蛇行角度（θ１＋θ２）を８０°未満、好ましくは７０°未満に制限することで、剥離領域における渦流れの発生を抑制することができ、ひいては、通風抵抗を抑制することができる。

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は特に限定されないが、好ましくは４０°未満である。第１傾斜角度θ１が４０°以上の場合、山部３４の曲り角度が８０°以上となる。この場合、山部３４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可能性がある。従って、第１傾斜角度θ１は４０°未満であることが好ましい。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。

図７は、第２傾斜角度θ２とフィンチューブ熱交換器の性能（熱交換量及び圧力損失）との関係を示すグラフである。熱交換量の変化率は、閾値角度θ２Ｌを境界として大きく変化する。すなわち、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｌ以上のとき、十分な熱交換量を確保することができる。他方、通風抵抗の変化率は、角度θ２Ｈ（＝８０°−θ１又は７０°−θ１）を境界として大きく変化する。すなわち、第２傾斜角度θ２が角度θ２Ｈよりも小さいとき、通風抵抗を十分に抑制することができる。

式（１）中の距離αの上限値及び下限値を検討する。図４Ｂから理解できるように、平坦部３５が山部３４の稜線に徐々に近づくと、平坦部３５から山部３４の稜線までの距離(S1/2)・tanθ1-αにおけるαの値が徐々に増える。平坦部３５を山部３４の稜線にさらに近づけるためには、ある時点で平坦部３５と第１傾斜部３６との間に段差を設ける必要が生じる。このような段差は、平坦部３５の周囲における空気の流れを著しく阻害し、通風抵抗を大幅に増加させる。そのような段差を生じさせないαの最大値αmaxは、図４Ｃから理解できるように、tanθ1・(S1-D1)/2で表される。

他方、平坦部３５が山部３４の稜線から徐々に遠ざかると、平坦部３５から山部３４の稜線までの距離(S1/2)・tanθ1+αにおけるαの値が徐々に増える。この場合、式（２）から理解できるように、αの値が大きくなればなるほど閾値角度θ２Ｌが大きくなる。しかし、フィンの構造上、新たな段差が出現することはない。従って、剥離領域に顕著な渦流れが発生しない範囲内（θ2＜80°-θ1又はθ2＜70°-θ1）であれば、αの値に制限はない。

（第２実施形態）
図８Ａ〜図８Ｄに示すように、本実施形態のフィン４１は、フィンカラー３７の周囲に平坦部３５を有していない点を除き、第１実施形態のフィン３１と同じ構造を有する。本実施形態のフィン４１と第１実施形態のフィン３１とで共通の要素には同一の参照符号を付与し、その説明を省略する。

フィン４１は、フィンカラー３７、第１傾斜部３６及び第２傾斜部３８を有する。フィンカラー３７は、貫通孔３７ｈの周囲において伝熱管２１に密着している円筒状の部分である。第２傾斜部３８は、フィンカラー３７と第１傾斜部３６とを接続している部分である。フィンカラー３７の外径をＤ２と定義したとき、フィン４１（詳細には、フィンチューブ熱交換器１００）は、下記式（３）を満足する。

tan^-1{(S1・tanθ1)/(S2-D2)}≦θ2＜80°-θ1・・・（３）

本実施形態において、フィンカラー３７の下端の位置は基準平面Ｈ１の位置に一致しており、第１実施形態の平坦部３５のように変動しない。図８Ｅに示すように、山部３４の高さは、(S1・tanθ1)/2で表される。また、フィン４１は平坦部３５を有していないので、段方向で互いに隣り合う第２傾斜部３８が接触するとき、第２傾斜部３８の段方向の長さは(S2-D2)/2で表される。さらに、図６Ａ〜図６Ｆに示す気流解析の結果から推測されるように、平坦部３５の有無は、通風抵抗の増減に大きな影響を与えないと考えられる。以上の理由により、式（１）に関する全ての説明は、式（３）にも援用できる。式（３）を満足するとき、フィン４１を備えたフィンチューブ熱交換器１００は、低い通風抵抗及び高い熱交換能力を有する。また、第１実施形態と同様に、第２傾斜角度θ２は、（７０°−θ１）未満であることが望ましい。

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。

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、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲に形成された平坦部と、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記平坦部と前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
   前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成されており、
   前記気流方向における前記フィンの長さをＳ１、前記段方向における前記伝熱管の中心間距離をＳ２、前記平坦部の直径をＤ１、前記気流方向における前記フィンの上流端と下流端とを通る平面であって前記複数のフィンの並び方向に垂直な平面を基準平面、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２、前記基準平面から前記平坦部までの距離をαと定義したとき、
   tan^-1{(S1・tanθ1±2α)/(S2-D1)}≦θ2＜80°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器。
2. 前記角度θ２が、tan^-1{(S1・tanθ1±2α)/(S2-D1)}≦θ2＜70°-θ1の関係を満足する、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に記載のフィンチューブ熱交換器。
4. 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、気流方向において山部が１箇所にのみ現れるように成形されたコルゲートフィンであって、前記伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲において前記伝熱管に密着している円筒状のフィンカラーと、前記山部を形成するように前記気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、前記フィンカラーと前記第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、
   前記複数の貫通孔は、前記複数のフィンの並び方向と前記気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成されており、
   前記気流方向における前記フィンの長さをＳ１、前記段方向における前記伝熱管の中心間距離をＳ２、前記フィンカラーの外径をＤ２、前記気流方向における前記フィンの上流端と下流端とを通る平面であって前記複数のフィンの並び方向に垂直な平面を基準平面、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度をθ２と定義したとき、
   tan^-1{(S1・tanθ1)/(S2-D2)}≦θ2＜80°-θ1の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器。
5. 前記角度θ２が、tan^-1{(S1・tanθ1)/(S2-D2)}≦θ2＜70°-θ1の関係を満足する、請求項４に記載のフィンチューブ熱交換器。
6. 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４に記載のフィンチューブ熱交換器。

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