JP6559507B2 - コルゲートフィン型熱交換器コア - Google Patents

Description

本発明は、コルゲートフィン型熱交換器コアであって、フィン幅方向の一端から他端にかけて、フィン平面部から一方向にルーバが切り起こし形成され、そのルーバの切り起こし角度が単調に漸変するものに関する。

下記特許文献１には、ルーバ付きフィンを有する熱交換器において、そのルーバの切り起こし角度を空気入口側から出口側に向かうに従って、連続的または段階的に小さくすることを特徴とする熱交換器コアが記載されている。

実開昭49−82351号公報

ルーバの切り起こし角度が単調に漸変（漸減または漸増）するように一方向のみにルーバが切り起こされたフィンを有するコアの伝熱について、ルーバの切り起こし角度が一定の従来型コアに対するメリットおよびデメリットを総合的に考察し、伝熱を向上させる。

請求項１に記載の発明は、金属製の帯材が平面部と湾曲部とに交互に曲折されて波形に形成され、その平面の幅方向に並列して多数のルーバが切り起こされたコルゲートフィンと、その湾曲部に接する偏平チューブとが交互に配置された熱交換器コアにおいて、
その熱交換器コアの前記偏平チューブの長手方向の両端には一対のタンクが配置され、その各タンクに前記偏平チューブの両端が挿通されており、
そのコルゲートフィンは、フィン幅方向の一端から他端にかけて、各ルーバのルーバ切り起こし角度が単調に漸変（漸減または漸増、以下同じ）し、
その一端におけるルーバ切り起こし角度をθin、他端におけるルーバ切り起こし角度をθoutとし、
前記コルゲートフィンのフィン幅方向の一端から他端までの寸法である、コアのフィン幅方向の厚さをTとし、
前記一対のタンク間の離間距離（一対のタンク間の空間部の高さ）である、コアのチューブ長手方向の高さをHとし、
コアの有効伝熱領域比をξ、実効経路長さ比をηとしたとき、
伝熱向上率R＝ξ・ηが、R＞１の範囲にある熱交換器コアである。
ここで、有効伝熱領域比ξとは、ルーバ切り起こし角度が一定のコアの場合の伝熱領域に対する、漸変したコアの場合の伝熱領域の比率であり、
ξ＝[H/T−｛Ln（cosθout）−Ln（cosθin）｝/（θin−θout）]／（H/T−tanθin）
である。
また、実効経路長さ比ηとは、ルーバ切り起こし角度が一定のコアの場合の実効経路長さに対する、漸変したコアの場合の実効経路長さの比率であり、
η＝2・(P2/P1）−(P2/P1)²
P2/P1＝1/2・(cosθin)/（θin−θout）・[Ln｛(1＋sinθin）/(1−sinθin）｝
−Ln｛（1＋sinθout）/（1−sinθout）｝]
である。

請求項２に記載の発明は、R＞1.001の範囲にある請求項１に記載の熱交換器コアである。

請求項３に記載の発明は、R＞1.002の範囲にある請求項１に記載の熱交換器コアである。

請求項１に記載の発明においては、ルーバ切り起こし角度が単調に漸変するコアの、ルーバ切り起こし角度が一定のコアに対する、メリットを有効伝熱領域比ξとして、またデメリットを実効経路長さ比ηとして定量的に表したことにより、総合的な伝熱向上効果を、ξとηとの積、すなわち伝熱向上率R＝ξ・ηによって、評価することが可能になった。
この伝熱向上率Rを、R＞1となるように構造を設定したことにより、ルーバ切り起こし角度が単調に漸変するコアにおける伝熱性能が総合的に向上する。

請求項２に記載の発明においては、R＞1.001となるように構造を設定したことにより、ルーバ切り起こし角度が単調に漸変するコアにおける伝熱性能がさらに向上する。

請求項３に記載の発明においては、R＞1.002となるように構造を設定したことにより、ルーバ切り起こし角度が単調に漸変するコアにおける伝熱性能がよりいっそう向上する。

本発明のルーバ切り起こし角度が漸減するコルゲートフィンの断面略図。 本発明のルーバ切り起こし角度が漸増するコルゲートフィンの断面略図。 従来型のルーバ切り起こし角度が一定のコルゲートフィンの断面略図。 本発明のルーバ切り起こし角度が漸減するコルゲートフィンのフィン幅方向位置Ｘに対するルーバ角度の説明図。 コアの厚さTおよび高さHと通風不良領域の関係を示す説明図。 ルーバ切り起こし角度が一定の場合の流体経路とルーバ角度が漸減する場合の流体経路の比較説明図。 幾何学的経路長さ比P2/P1に対する、温度差効果の説明図。 フィン幅方向位置X/Tに対する流体経路の比較説明図。 H/Tに対する伝熱向上率Rの値を説明する説明図。 H/Tに対する伝熱向上範囲を示す説明図。 θin、θoutに対する伝熱向上範囲を示す説明図。

図５に基づいて、本発明が適用される熱交換器コアについて説明する。
この熱交換器コアは、金属製の帯材が平面部と湾曲部とに交互に曲折されて波形に形成され、その平面部の幅方向に並列して多数のルーバが切り起こされたコルゲートフィンを有しており、そのコルゲートフィンの湾曲部に接する偏平チューブとが交互に配置されている。そして、その偏平チューブの長手方向の両端には一対のタンクが配置され、その各タンクに偏平チューブの両端が挿通されて、熱交換器コアを形成している。
本発明の説明においては、図５に示す通り、コルゲートフィンのフィン幅方向の一端から他端までの寸法である、コアのフィン幅方向の厚さ（以下、コアの厚さと表記する）をTとし、また、一対のタンク間の離間距離（一対のタンク間の空間部の高さ）である、コアのチューブ長手方向の高さ（以下、コアの高さと表記する）をHとする。
本発明の一方向ルーバフィンにおいて、ルーバ切り起こし角度が、フィン幅方向の流体入口側から出口側にかけて、概ね線形に漸変（漸減または漸増）している場合を例として説明する。
図１には、ルーバ切り起こし角度（以下、ルーバ角度と表記する）が漸減する場合の断面略図が記載されており、図２には、漸増する場合の断面略図が記載されている。
ここで、コアに対する流体の流入方向を逆にしても流体流路の形状は同じなので、本発明における作用および効果は、ルーバ角度が漸増する場合においても、ルーバ角度が漸減する場合と同様である。よって、以下、ルーバ角度が漸減する場合を例に説明し、ルーバ角度が漸増する場合についての説明は省略する。
図４には、そのルーバ角度の漸減の一例が示されている。図４において、横軸はフィン幅方向の位置（すなわち、コア厚さ方向の位置）Xであり、縦軸はその位置Xにおけるルーバ角度θを示す。この例では、コアのルーバ角度θは、フィン幅方向の流体入口側から出口側にかけて、θin＝30°からθout＝20°に漸減している。
なお、ルーバ角度が漸減する場合の定義域は、0＜θout＜θin＜90°（π／2 [rad]）である。

先ず、ルーバ角度が概ね漸減する条件のもとにおいて、従来のルーバ角度一定コア（図３の断面略図を参照）に対する、ルーバ角度漸変コアのメリットについて説明する。
ルーバ角度が漸減する場合、従来のコアの場合と比べてルーバによる偏向量が減るので、流体（図５の例では空気）がコアを通過する際のコア高さ方向の変位量が小さくなる。
そのため、コアの上部および下部に生じる通風不良領域（図５において網部で示した領域）が減少する。
ここで、コア全体の通風領域から通風不良領域を除いた部分が有効伝熱領域である。この有効伝熱領域の増加がルーバ角度漸減コアのメリットであり、それは、ルーバ角度一定のコアの有効伝熱領域に対するルーバ角度漸減コアの有効伝熱領域の比ξで表される。有効伝熱領域比ξの詳細については後述する。

次に、ルーバ角度が概ね漸減する条件のもとにおいて、従来のルーバ角度一定コアに対する、ルーバ角度漸変コアのデメリットについて説明する。
ルーバ角度が漸減する場合、従来のコアの場合と比べて流体（図５の例では空気）がコアを通過する経路の長さが短くなり、流束が触れるフィンの面積およびルーバの枚数が減少する。
この実効経路長さの減少がルーバ角度漸減コアのデメリットであり、それは、ルーバ角度一定のコアにおける実効経路長さに対するルーバ角度漸減コアにおける実効経路長さの比ηで表される。実効経路長さ比ηの詳細については後述する。
上述のメリットおよびデメリットを考慮した総合的な伝熱向上効果は、有効伝熱領域比ξと実効経路長さ比ηとの積である伝熱向上率Ｒ＝ξ・ηで表される。
この伝熱向上率Ｒが１より大きくなるように、ルーバ角度(θin, θout)、コアの厚さ
(T)、およびコアの高さ(H)を設定することにより、伝熱性能が総合的に向上する。設定の詳細については後述する。

〔有効伝熱領域比ξについて〕
有効伝熱領域比ξの導出について、以下説明する。
ルーバの配置は離散的であるが、一般に、コアの厚さTに対してルーバピッチ（隣接するルーバの切り起こし間隔）および、フィンピッチ（コルゲートフィンにおいて隣接するフィン平面部の間隔）は小さいので、連続的に一様に配置されたものとして近似可能であり、フィン幅方向の流体入口側から出口側にかけて、θinからθoutにまで線形に漸減するルーバ角度は、フィン幅方向位置Xにおいて、
θ(X)＝θin−(θin−θout)/T・X
と表される。
ルーバ角度一定の場合の流体経路と漸減の場合の流体経路との比較を図６に示す。
フィンの位置Xにおける流体は、ルーバ角度θ(X）に従って図示された曲線のように偏向される。

f(X)はルーバ角度が線形に漸減する場合の流体経路であり、以下のように導出される。
フィン幅方向の位置Xにおいて、
df(X)/dX ＝ tanθ(X)
＝ tan{θin−(θout−θin)/T・X}
であり、両辺をXで積分すると、
f(X)＝ T/(θin−θout)・Ln[cos{θin−(θin−θout)/T・X}]＋C
（C：積分定数）
となる。ここで、X＝0 のとき f(X)＝0 なので、
0＝T/(θin−θout)・Ln[cos{θin}]＋C
∴ C＝−T/(θin−θout)・Ln[cos{θin}]
したがって、
f(X)＝T/(θin−θout)・[Ln{cos{θin−(θin−θout)/T・X}}−Ln{cosθin}]
f(T)＝T/(θin−θout)・[Ln{cosθout}−Ln{cosθin}]
となる。
通風不良領域の大きさは、図５においてコアの上部および下部に網部で示された領域の面積に比例し、その合計S1およびS2は、
ルーバ角度一定の場合には、
S1＝T・(T・tanθin)
＝T²・tanθin
ルーバ角度漸減の場合には、
S2＝T・f(T)
＝T²/(θin−θout)・{Ln(cosθout)−Ln(cosθin)}
となる。

ここで、通風不良領域における熱流束は相対的に小さいので、通風不良領域における伝熱量は0として良く、この通風不良領域を除いたものが有効伝熱領域となる。
よって、ルーバ角度一定の場合の有効伝熱領域に対する漸減の場合のそれの比（有効伝熱領域比）ξは、次式になる。
ξ(H／T, θin, θout)
＝(T・H−S2)/(T・H−S1)
＝[H/T−{Ln(cosθout)−Ln(cosθin)}/(θin−θout)]/(H/T−tanθin)

〔実効経路長さ比ηについて〕
実効経路長さ比ηの導出について、以下説明する。
まず、温度差による伝熱効果を考慮しない幾何学的な経路長さP1およびP2を導出する。
ルーバ角度一定の場合、
P1＝T/cosθin
ルーバ角度漸減の場合、
T
P2＝∫{1＋(df/dX)²}^1/2dX
0
T
＝∫[1＋tan²{θin−(θin−θout)/T・X}]^1/2dX
0
＝1/2・T/(θin−θout)・[Ln{(1＋sinθin)/(1−sinθin)}
−Ln{(1＋sinθout)/(1−sinθout)}]
したがって、幾何学的経路長さ比は、
P2/P1＝1/2・(cosθin)/(θin−θout)・[Ln{(1＋sinθin)/(1−sinθin)}
−Ln{(1＋sinθout)/(1−sinθout)}]
となる。

さらに、温度差による伝熱効果を考慮に加える。
フィン流通流体とチューブ流通流体との温度差は、フィン流通流体の経路長さに従って概ね線形に減少し、コアの出口では十分に小さくなるので、ルーバ角度一定コアの出口における温度差は0として近似して良い。

よって、温度差による伝熱効果を考慮した、実効の経路長さは、
ルーバ角度一定の場合には、
図７における、底辺ΔTin、高さP2/P1＝1の三角形の面積A1に比例し、
A1 ∝ ΔTin・1・1/2＝ΔTin/2
となり、
ルーバ角度漸減の場合には、
図７における、下底ΔTin、上底ΔT(P2/P1)、高さP2/P1の台形の面積A2に比例し、
A2 ∝ (ΔTin＋ΔT)・P2/P1・1/2＝{2・(P2/P1)−(P2/P1)²}・ΔTin/2
となる。
ここで、A1およびA2の比例係数は共通なので、実効経路の長さの比（実効経路長さ比）ηは、
η(θin, θout)
＝A2/A1
＝2・(P2/P1)−(P2/P1)²
となる。
総合的な伝熱向上効果は、上述の、有効伝熱領域比ξ（メリット）と実効経路長さ比η（デメリット）との
積R(H/T, θin, θout)＝ξ(H／T, θin, θout)・η(θin, θout)で表され、R＞1であれば、伝熱性能が総合的に向上する。

一例として、θin＝30°からθout＝20°にルーバ角度が漸減する場合において、伝熱向上率RがR＞１となるH/Tの範囲を示す。
まず、コアの厚さTで規格化された流体経路は図８のようになり、
実効経路長さ比ηは、η(θin，θout)＝0.998177となる。
このηの値において、X/Tに対する伝熱向上率Rを図９に示し、R＞１となるH/Tの範囲を図１０に示した。

図１０の太線枠内は、伝熱向上率R＞1となる範囲である。
白抜き枠内は、R＞1.001となる部分であり、斜線枠内は、R＞1.002となる部分である。
この場合、H/T＜60となるようにコアの厚さTおよびコアの高さHを設定することにより、伝熱向上率R＞１となり、伝熱向上効果を得ることができる。
さらに、H/T＜35となるようにコアの厚さTおよびコアの高さHを設定することにより、伝熱向上率R＞1.001となり、さらなる伝熱向上効果を得ることができる。
さらに、H/T＜25となるようにコアの厚さTおよびコアの高さHを設定することにより、伝熱向上率R＞1.002となり、よりいっそうの伝熱向上効果を得ることができる。

他の例として、コアの厚さT＝16mm、コアの高さH＝450mm、
即ち、H/T＝28.125のルーバ角度漸減コアにおいて、伝熱向上率RがR＞1となるθinおよびθoutの範囲を図１１に示す。

この場合、例えばθout＝18°においては、21°≦θin≦36°にθinを設定することにより、伝熱向上率R＞1となり、伝熱向上効果を得ることができる。
さらに、24°≦θin≦33°にθinを設定することにより、伝熱向上率R＞1.001となり、さらなる伝熱向上効果を得ることができる。
さらに、27°≦θin≦30°にθinを設定することにより、伝熱向上率R＞1.002となり、よりいっそうの伝熱向上効果を得ることができる。

〔その他の実施例〕
上述の例では、フィン幅方向の流体入口側から出口側にかけてルーバ角度が漸減する場合について記したが、流体経路は可逆的であり、流体流通方向を逆にした場合、すなわちルーバ角度が漸増する場合においても同様の効果を得ることができる。

この発明は、ラジエータ、エアクーラ、エバポレータ等のコルゲートフィン型熱交換器に利用可能である。

Claims (3)

1. 金属製の帯材が平面部と湾曲部とに交互に曲折されて波形に形成され、その平面の幅方向に並列して多数のルーバが切り起こされたコルゲートフィンと、その湾曲部に接する偏平チューブとが交互に配置された熱交換器コアにおいて、
   その熱交換器コアの前記偏平チューブの長手方向の両端には一対のタンクが配置され、その各タンクに前記偏平チューブの両端が挿通されており、
   そのコルゲートフィンは、フィン幅方向の一端から他端にかけて、各ルーバのルーバ切り起こし角度が単調に漸変（漸減または漸増、以下同じ）し、
   その一端におけるルーバ切り起こし角度をθin、他端におけるルーバ切り起こし角度をθoutとし、
   前記コルゲートフィンのフィン幅方向の一端から他端までの寸法である、コアのフィン幅方向の厚さをTとし、
   前記一対のタンク間の離間距離（一対のタンク間の空間部の高さ）である、コアのチューブ長手方向の高さをHとし、
   コアの有効伝熱領域比をξ、実効経路長さ比をηとしたとき、
   伝熱向上率R＝ξ・ηが、R＞１の範囲にある熱交換器コア。
   ここで、有効伝熱領域比ξとは、ルーバ切り起こし角度が一定のコアの場合の伝熱領域に対する、漸変したコアの場合の伝熱領域の比率であり、
   ξ＝[H/T−｛Ln（cosθout）−Ln（cosθin）｝/（θin−θout）]／（H/T−tanθin）
   である。
   また、実効経路長さ比ηとは、ルーバ切り起こし角度が一定のコアの場合の実効経路長さに対する、漸変したコアの場合の実効経路長さの比率であり、
   η＝2・(P2/P1）−(P2/P1)²
   P2/P1＝1/2・(cosθin)/（θin−θout）・[Ln｛(1＋sinθin）/(1−sinθin）｝
   −Ln｛（1＋sinθout）/（1−sinθout）｝]
   である。
2. Ｒ＞１．００１の範囲にある請求項１に記載の熱交換器コア。
3. Ｒ＞１．００２の範囲にある請求項１に記載の熱交換器コア。

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