JPWO2007091561A1 - フィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

フィンチューブ型熱交換器は、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィン３と、フィン３を貫通する複数の伝熱管２とを備えている。各フィン３には、当該フィン３の一部が上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされてなる第１切り起こし部５ａ、第２切り起こし部５ｂ、および第３切り起こし部５ｃが形成されている。第１切り起こし部５ａ、第２切り起こし部５ｂ、および第３切り起こし部５ｃのそれぞれの横断面形状は、上流側に向かって先細り状になるように湾曲し、半円状に形成されている。

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器に関するものである。

従来から、例えば空気調和装置、冷凍・冷蔵装置、除湿機等において、フィンチューブ型熱交換器がよく用いられている。フィンチューブ型熱交換器は、所定間隔ごとに並べられた複数のフィンと、これらフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。

また、フィンチューブ型熱交換器には、伝熱促進を目的として、フィン形状に工夫を施したものが知られている。例えば、フィン表面に多数のピンが設けられた熱交換器が知られている。この熱交換器では、これらのピンによってフィン表面側の流れが撹拌され、熱交換が促進される。

しかしながら、フィンとは別部材であるピンをフィンに別途設けることは、製造の複雑化を招くことになる。そこで、フィンの一部を切り起こすことによって、フィン形状に工夫を施した熱交換器がよく用いられている。例えば、特開２００１−１１６４８８号公報には、プレート基面に複数のスリット状の切り起こし（以下、スリット部という）が形成されたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。この熱交換器では、フィンの一部がスリット状に切り起こされるようにフィンをプレス成形することにより、スリット部が形成されている。

スリット部を有するフィン（以下、スリットフィンという）では、以下のような原理に基づいて伝熱促進が図られている。すなわち、図１２Ａに示すように、スリット部が設けられていないフィン（平滑フィン）１００では、前方から空気Ａが供給されると、フィン１００の前縁１００ａから後方に向かって、連続的な温度境界層ＢＬが生成される。温度境界層ＢＬは、前縁１００ａの近傍では薄いが、後方にいくにしたがって厚くなっていく。一方、図１２Ｂに示すように、スリットフィン１０１では、フィン１０１の前縁１０１ａだけでなく、各スリット部１０２の前縁１０２ａからも温度境界層ＢＬが生成される。そのため、いわばフィン１０１の前縁１０１ａから発達した温度境界層ＢＬを分断することができ、温度境界層ＢＬを断続的に生成することができる。したがって、スリットフィン１０１では、平滑フィン１００と比べて、温度境界層ＢＬの平均的な厚みが薄くなる。その結果、熱伝達率が向上する。

しかしながら、スリットフィン１０１では、スリット部１０２の断面形状が矩形状であるため、前縁１０１ａから発達する温度境界層ＢＬを分断させる効果は得ることができるものの、それ以上の効果を望むことはできなかった。したがって、スリット部１０２の寸法等の最適化を図ったとしても、熱伝達率の向上に関して一定の限界があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造の容易性を維持しつつ、従来以上の熱伝達率の向上を図ることのできるフィンチューブ熱交換器を提供することにある。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、前記フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、前記フィンの表面側を流れる第１の流体と前記伝熱管の内部を流れる第２の流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器であって、前記各フィンには、当該フィンの一部が前記第１の流体の流れ方向の上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされてなり、横断面形状が上流側に向かって先細り状となるように湾曲または屈曲した切り起こし部が形成されているものである。

前記切り起こし部の横断面形状は半円状であってよい。また、前記切り起こし部の横断面形状は半楕円状であってもよい。また、前記切り起こし部の横断面形状は、上流側に向かって細長い半楕円状であってもよい。さらに、前記切り起こし部の横断面形状はくさび形であってもよい。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、前記流れ方向に隣り合う切り起こし部は、前記フィンを境として互いに逆向きに切り起こされていてもよい。

前記切り起こし部の切り起こし高さは、フィンピッチの１／２以下であってもよい。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、前記第１の流体の流れ方向に関する前記切り起こし部の長さの合計は、前記第１の流体の流れ方向に関する前記フィンの長さの１／２〜２／３とすることができる。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、前記切り起こし部の前記流れ方向に沿った個数は、伝熱管１列あたり３個以下であってもよい。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、最も上流側に位置する切り起こし部の前記流れ方向の長さは、他の切り起こし部の前記流れ方向長さよりも長くてもよい。

前記フィンは、前記伝熱管の中心を基準として、前記第１の流体の流れ方向の上流側の方が下流側よりも長くなっていてもよい。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器によれば、フィンに切り起こし部が形成され、この切り起こし部の横断面形状は、流れ方向の上流側に向かって先細り状となるように湾曲または屈曲している。そのため、切り起こし部における流体の温度境界層を薄くすることができる。したがって、製造の容易性を維持しつつ熱伝達率を従来以上に向上させることが可能となる。

フィンチューブ型熱交換器の斜視図 フィンの部分立面図 実施形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部拡大図 実施形態１の変形例に係るフィンチューブ型熱交換器の要部拡大図（ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図） 切り起こし部の横断面形状の説明図 切り起こし部の変形例の横断面図 切り起こし部の横断面図 スリットフィンにおける熱の移動を表す概念図 実施形態に係るフィンにおける熱の移動を表す概念図 切り起こし部の個数と平均熱伝達率との関係を表す図 実施形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の要部拡大図 楕円率の説明図 楕円率と平均熱伝達率および圧力損失との関係を示す図 実施形態３に係るフィンチューブ型熱交換器の切り起こし部の横断面図 変形例に係る切り起こし部の横断面図 他の実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の部分立面図 図１１ＡのＸＩｂ−ＸＩｂ線断面図 平滑フィンの横断面図 スリットフィンの横断面図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に示すように、実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１は、所定間隔ごとに平行に並べられた複数のフィン３と、これらのフィン３を貫通する複数の伝熱管２とを備えている。熱交換器１は、伝熱管２の内部を流れる流体と、フィン３の表面側（伝熱管２の外表面が露出していない場合にはフィン３の表面、伝熱管２の外表面が露出している場合にはフィン３および伝熱管２の表面）を流れる流体とを熱交換させるものである。本実施形態では、フィン３の表面側には空気Ａが流れ、伝熱管２の内部には冷媒Ｂが流れる。ただし、伝熱管３の内部を流れる流体およびフィン３の表面側を流れる流体は、特に限定される訳ではない。それら流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。

フィン３は長方形状の平板状に形成されており、図示のＹ方向に沿って並べられている。なお、本実施形態ではフィン３は一定の間隔で並べられているが、それら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３には、例えば、打ち抜き加工された肉厚０．０８〜０．２ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に用いることができる。フィン効率を向上させる観点等からは、フィン３の肉厚が０．１ｍｍ以上であることが特に好ましい。フィン３の表面には、ベーマイト処理または親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されている。

本実施形態では、伝熱管２はフィン３の長手方向（以下、Ｚ方向ともいう）に沿って配列されている。ただし、伝熱管２は必ずしもＺ方向に沿って一列に配置されている必要はなく、例えば千鳥状に配置されていてもよい。伝熱管２の外径Ｄ（図２参照）は、例えば１〜２０ｍｍであり、４ｍｍ以下であってもよい。伝熱管２は、拡管されることによってフィン３のフィンカラー（図示せず。なお、図２等においても、フィンカラーの図示は省略している。）と密着しており、上記フィンカラーに嵌合されている。なお、伝熱管２は、内面が平滑な平滑管であってもよく、溝付き管であってもよい。

熱交換器１は、空気Ａの流れの方向（図１のＸ方向）がＹ方向およびＺ方向とほぼ直交するような姿勢で設置される。ただし、十分な熱交換量を確保できる限り、気流方向はＸ方向から若干傾斜していてもよい。

図２に示すように、伝熱管２の中心線Ｃ２は、フィン３の中心線Ｃ１よりも気流方向の下流側（図２の右側）にずれている。そのため、伝熱管２の中心線Ｃ２を基準にすると、フィン３は上流側（図２の左側）の方が下流側よりも長くなっている。前述したように、フィン３の前縁部は局所的な熱伝達率が大きい。一方、伝熱管２の後方は死水域となり、局所的な熱伝達率が小さい。そのため、本熱交換器１によれば、フィン３の前縁部が前方に延長され、フィン３の後縁部が短くなっているので、熱伝達率の大きな部分の面積を拡大するとともに、熱伝達率の小さな部分の面積を低減させることができる。

図２および図３Ａに示すように、フィン３には、気流Ａの上流側から下流側に向かって順に、第１切り起こし部５ａ、第２切り起こし部５ｂ、および第３切り起こし部５ｃが形成されている。また、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃは、隣り合う伝熱管２の間にそれぞれ形成され、Ｚ方向に沿って複数組設けられている。

各切り起こし部５ａ〜５ｃは、フィン３の一部であって、上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされている部分である。図３Ａに示すように、各切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面（Ｚ方向と直交する断面）の形状は、上流側に向かって先細り状になっている。具体的には、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、半円状に形成されている。切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面が形成する半円の直径は、例えば０．２〜１．０ｍｍである。

他の側面から、切り起こし部５ａ〜５ｃの形状を以下のように特定することができる。まず、フィン３の並び方向（切り起こされていない部分の厚さ方向）を高さ方向ＨＬとし、その高さ方向ＨＬおよび空気Ａの流れ方向ＡＬ（気流方向）に平行な断面をフィン３の横断面と定義する。切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）は、切り起こしの先端５ｔがフィン３の面内から離間するとともに、その切り起こしの先端５ｔを下流側に反転させる形に曲げられている。そして、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）が形成されている位置におけるフィン３の横断面である図３Ｃ中の点線領域で示すように、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）の下流側に反転している部分とそれ以外の部分との間に、半円状の空間ＳＨが形成されている。さらに、この空間ＳＨの高さｈが、気流方向ＡＬの上流側に進むにつれて次第に小さくなるように、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）の形状調整が行われている。

ただし、空間ＳＨの高さｈが気流方向ＡＬの上流側に進むにつれて単調減少している必要はなく、上流側に進むにつれて空間ＳＨの高さｈが小さくなる部分を切り起こし部５ａが含んでいれば足りる。例えば、図３Ｄに示すように、下流端５ｔ（切り起こしの先端５ｔ）の位置から気流方向ＡＬの上流側に所定距離進んだ位置で、空間ＳＨが最大高さｈｍａｘを示すように、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）の形状調整が行われていてもよい。

図２に示すように、切り起こし部５ａ〜５ｃは、空気Ａの流れ方向に沿って複数設けられ、複数の切り起こし部５ａ〜５ｃは、それぞれ、空気Ａの流れ方向に関する長さよりも、複数の伝熱管２の並び方向に関する長さの方が大きくなるように寸法が調整されている。つまり、フィン３の面内方向および複数の伝熱管３の並び方向に平行な方向を、複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの長手方向と定義することができる。この場合、第２切り起こし部５ｂの長手方向（Ｚ方向）の長さＵＬ２は、第３切り起こし部５ｃの長手方向長さに等しい。一方、第１切り起こし部５ａの長手方向長さＵＬ１は、第２切り起こし部５ｂの長手方向長さＵＬ２よりも長い。ここでは、第１切り起こし部５ａの長手方向長さＵＬ１は、第２切り起こし部５ｂの長手方向長さＵＬ２の２倍である。ただし、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの長手方向長さは互いに等しくてもよく、すべて異なっていてもよい。

また、第１切り起こし部５ａの長手方向ＵＬ１は、隣り合う伝熱管２の間隔ＰＧよりも大きく、隣り合う伝熱管２の中心間距離ＰＰよりも小さい。一方、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃの長手方向長さＵＬ２は、上記間隔ＰＧの１／２よりも大きく、上記間隔ＰＧよりも小さい。

図３Ａに示すように、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃは、切り起こしの向きが互い違いになるように形成されている。具体的には、第１切り起こし部５ａは図３Ａの上側に切り起こされ、第２切り起こし部５ｂは下側に切り起こされ、第３切り起こし部５ｃは上側に切り起こされている。すなわち、本実施形態では、気流方向に隣り合う切り起こし部は、切り起こしの向きがフィン３（詳しくはフィン３の切り起こされていない部分）を境にして逆向きになっている。

図３Ａに示すように、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向に関する長さ（全長）ＵＨは、互いに等しい。ただし、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの全長ＵＨは、必ずしも同一でなくてもよく、互いに異なっていてもよい。例えば、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの全長ＵＨは、徐々に短くなっていてもよく、徐々に長くなっていてもよい。

第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの切り起こし高さＵＷも、互いに等しくなっている。なお、ここでは、切り起こし高さＵＷは、フィン３の板厚方向の中心からの距離をいうものとする。切り起こし高さＵＷは、フィンピッチＦＰの１／２以下であることが好ましい。切り起こし高さＵＷがフィンピッチＦＰの１／２以下の場合、熱交換器１を気流の上流側から下流側に向かって見たとき（Ｘ方向視）に、隣り合うフィン３同士の切り起こし部５ａ〜５ｃが重ならず、圧力損失の増大を抑制することができるからである。

図３Ｂに示す変形例では、最も上流側に位置する切り起こし部である第１切り起こし部５ａの気流方向に関する長さＵＨが、他の切り起こし部である第２および第３切り起こし部５ｂ，５ｃの気流方向に関する長さＵｈよりも長くなっている。また、第１切り起こし部５ａの切り起こし高さＵＷが、第２および第３切り起こし部５ｂ，５ｃの切り起こし高さＵｗよりも高くなっている。

なお、本明細書では、空気Ａの流れ方向に関する切り起こし部５ａ〜５ｃの長さＵＨを、切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨという。切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨは、図３Ａ等に示すように、当該切り起こし部５ａ〜５ｃを形成することによって生ずる開口の上流端から下流端までの長さに一致するものとする。

次に、本熱交換器１における伝熱促進の原理について説明する。

熱交換器１では、前方から空気Ａ（図３Ａ参照）が供給されると、フィン３の前縁から後方に向かって温度境界層が形成されるとともに、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃにおいても温度境界層が形成される。図４は、第１切り起こし部５ａにおける温度境界層ＢＬを表している。図４に示すように、第１切り起こし部５ａは上流側に向かって先細り状の横断面形状を有しているので、空気は第１切り起こし部５ａの表面上を薄く沿うように流れ、温度境界層ＢＬの厚みは薄くなる。すなわち、温度境界層ＢＬは後方にいくに従って広がっていくが、第１切り起こし部５ａも後方にいくに従って広がる形状に形成されている。そのため、第１切り起こし部５ａの前縁だけでなく後側においても、温度境界層ＢＬは薄く保たれる。したがって、第１切り起こし部５ａの熱伝達率は飛躍的に向上する。

図示は省略するが、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃにおいても、ほぼ同様の温度境界層が形成される。したがって、上述と同様の理由により、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃにおいても熱伝達率は飛躍的に向上する。

また、図２に示すように、フィン３を厚さ方向に平面視した場合における複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの形状（外形）が長手方向を有する方形状（例えば、矩形状、または気流方向に長辺と短辺が直交する台形状）であるとともに、長手方向が気流方向に直交するように、複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの向きが揃っている。切り起こし部５ａ〜５ｃの形状および位置関係がこのようになっている場合、次のような効果を得ることができる。

図５Ａに示すように、従来のスリットフィン１０１では、スリット部１０２に対する熱の供給は、スリット部１０２の根元１０２ｃを通じて行われる。しかしながら、根元１０２ｃはスリット部１０２の長手方向と直交する方向に延びているので、根元１０２ｃの幅ＳＷは小さい。そのため、スリットフィン１０１では、伝熱促進部であるスリット部１０２に対する熱の供給路が狭かった。したがって、スリット部１０２は局所的な熱伝達率が高いものの、熱の供給が必ずしも十分とは言い難かった。これに対し本熱交換器１（フィン３）では、図５Ｂに示すように、切り起こし部５の根元１０は、切り起こし部５の長手方向（図５Ｂの上下方向）に延びており、根元１０の幅ＵＬは広い。そのため、切り起こし部５には十分な量の熱が供給される。したがって、本熱交換器１（フィン３）によれば、伝熱促進部に対する熱の供給量という点においても、熱交換性能の向上を図ることができる。

このように、本熱交換器１では、スリット状の切り起こし部を設ける場合に比べて、切り起こし部５ａ〜５ｃの熱伝達率を大きく向上させることができる。したがって、熱交換器１の平均熱伝達率を大きくすることができる。また、切り起こし部５ａ〜５ｃに十分な熱量を供給することができる。さらに、フィン３の一部を切り起こすだけで伝熱促進部を形成することができるので、従来と比較して製造が著しく困難になるおそれはない。したがって、製造の容易性を維持しつつ従来以上の熱伝達率の向上を図ることができる。

また、図３Ａに示すように、本実施形態では、各切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は半円状に形成されており、各切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面における気流方向と直交する方向（図示Ｙ方向）の幅は、上流側から下流側にいくにしたがって大きくなり、各切り起こし部５ａ〜５ｃの下流端において最大となっている。なお、ここで、「切り起こし部の下流端」とは、切り起こされた部分の先端（図３Ａの符号５ｔ参照）のことである。従来のピンフィン等のように、横断面が円柱状の伝熱促進体では、下流側部分は死水域となり、下流側部分の熱伝達率は低くなる。これに対し、本実施形態の切り起こし部５ａ〜５ｃによれば、横断面が半円状であるので、死水域を低減することができる。したがって、熱伝達率を効果的に向上させることができる。

なお、切り起こし部５ａ〜５ｃは上流側に向かって先細り状になっていればよいが、特に本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃは半円状に形成されている。そのため、境界層の発達をより一層抑制することができ、熱伝達率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、気流方向に隣り合う切り起こし部は、切り起こしの向きが互いに逆になっている。そのため、第２切り起こし部５ｂは第１切り起こし部５ａの温度境界層の影響を受けにくく、また、第３切り起こし部５ｃは第２切り起こし部５ｂの温度境界層の影響を受けにくい。したがって、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃの熱伝達率を更に向上させることができる。

また、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの切り起こし高さＵＷは、フィンピッチＦＰの１／２以下に設定されている。そのため、圧力損失が著しく増加することを防止することができる。ただし、熱交換器１の用途等によっては、圧力損失の増加がある程度許容される場合もある。そのような場合には、上記切り起こし高さＵＷがフィンピッチＦＰの１／２よりも大きくてもよい。なお、切り起こし部５ａ〜５ｃの切り起こし高さＵＷの下限については特に限定されず、例えば、フィンピッチＦＰの１／５以上（ただし、フィン３の厚みＦＴの２倍を超える）とすることができる。

ところで、図６に概念的に示すように、一般的に、切り起こし部の個数が多いほど熱伝達率は増加するが、その増加率は徐々に小さくなっていく。一方、切り起こし部の個数が多いほど、製造は複雑となり、また、圧力損失は大きくなる。しかしながら、本実施形態では、気流方向に沿った切り起こし部５ａ〜５ｃの個数は３個（複数個）である。図３Ａに示すように、これら複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨの合計は、フィン３の気流方向長さＬ（＝フィン３の短辺の長さ）の１／２〜２／３に設定されている。つまり、１／２≦３・ＵＨ／Ｌ≦２／３となる。そのため、製造の複雑化や圧力損失の著しい増加を招くことなく、熱伝達率を向上させることができる。

なお、フィン３の気流方向長さＬに対する切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨの割合は、伝熱管２の列数に応じて異ならせることができる。上述した割合は、フィン３を貫通する伝熱管２が１列の場合の割合である。同様に、切り起こし部５ａ〜５ｃの個数も、フィン３を貫通する伝熱管２が１列の場合の個数である。

最も上流側に位置する第１切り起こし部５ａは、熱伝達率が比較的大きい。本実施形態では、第１切り起こし部５ａの長手方向の長さは、他の切り起こし部５ｂ，５ｃの長手方向の長さよりも大きくなっている。そのため、熱伝達率の大きな部分の面積が大きくなっているので、熱伝達率を効果的に向上させることができる。

また、本熱交換器１では、切り起こし部５ａ〜５ｃの速度境界層が薄くなるので、フィン３の表面で結露が生じた場合であっても、水膜は薄くなりやすい。そのため、結露が生じた場合であっても、伝熱促進効果は低下しにくく、また、圧力損失も増加しにくい。

（実施形態２）
実施形態１では、切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面形状が半円状に形成されていた。しかしながら、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、半円状に限定される訳ではない。図７に示すように、実施形態２に係るフィンチューブ熱交換器１は、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状が半楕円状のものである。

すなわち、実施形態２に係る熱交換器１のフィン３には、当該フィン３の一部が上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされた切り起こし部５ａ〜５ｃが形成され、それら切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面形状が上流側に向かって先細り状になるように湾曲し、半楕円状に形成されている。その他の構成は実施形態１と同様であるので、それらの説明は省略する。

本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃ同士では、図８Ａに示す楕円率（短径ａと長径ｂとの比率＝ａ／ｂ）は互いに等しい。しかしながら、切り起こし部５ａ〜５ｃの楕円率は、互いに異なっていてもよい。図８Ｂに、楕円率に対する表面平均熱伝達率および圧力損失のシミュレーション結果を示す。図８Ｂの表は、楕円率＝１（半円状）のときの表面平均熱伝達率および圧力損失を基準（＝１）として表している。この表から分かるように、楕円率が０．３３よりも大きくかつ１未満の場合には、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面が半円状のもの（実施形態１）に比べて、圧力損失を低減させつつ熱伝達率を同等以上に保つことができる。なお、シミュレーションは、３・ＵＨ／Ｌ≒０．６の条件で行った。

本実施形態においても、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、上流側に向かって先細り状に形成されている。そのため、実施形態１と同様、切り起こし部５ａ〜５ｃにおける温度境界層を薄くすることができるので、熱伝達率を向上させることができる。さらに、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、半楕円状に形成されている。そのため、実施形態１よりも圧力損失を低減させることができる。

特に本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面の長径方向が気流方向と平行となるように形成されている。したがって、圧力損失をより一層低減させることが可能となる。

また、切り起こし部５ａ〜５ｃの楕円率を０．３３よりも大きくかつ１未満に設定することとすれば、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面が半円状のものに比べて、熱伝達率を同等以上に保ちつつ圧力損失の低減を図ることができる。

（実施形態３）
図９に示すように、実施形態３に係るフィンチューブ型熱交換器１は、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状がくさび形に形成されているものである。

すなわち、実施形態３に係る熱交換器１のフィン３には、当該フィン３の一部が上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされた切り起こし部５ａ〜５ｃが形成され、それら切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面形状が上流側に向かって先細り状になるように湾曲し、くさび形に形成されている。なお、ここでくさび形とは、前端から後端に至るまで広がり続けるような形状をいう。その他の構成は実施形態１と同様であるので、それらの説明は省略する。

本実施形態においても、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状が上流側に向かって先細り状に形成されているので、実施形態１と同様、切り起こし部５ａ〜５ｃにおける温度境界層を薄くすることができる。したがって、熱伝達率を向上させることができる。また、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃは、前端から後端に至るまで広がり続けているので、切り起こし部５ａ〜５ｃの後端においても温度境界層を薄くすることができる。したがって、熱伝達率をより一層向上させることができる。

なお、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの前端は丸まっていたが、切り起こし部５ａ〜５ｃの前端は必ずしも丸まっている必要はなく、図１０に示すように、それらの前端は尖っていてもよい。切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面は、屈曲した形状に形成されていてもよい。

（その他の実施形態）
前記各実施形態では、フィン３の前縁部の横断面は、半矩形状に形成されていた。しかし、フィン３の前縁部も切り起こし部５ａ〜５ｃと同様に、横断面形状が半円状、半楕円状、またはくさび形等であってもよい。

前記各実施形態のフィンチューブ型熱交換器１では、伝熱管２の列数が１列であったが、伝熱管２の列数は２列以上であってもよい。伝熱管２の列数が２列以上の場合、フィン３は各列に共通の一体ものであってもよく、列毎に分割されたフィンであってもよい。例えば、伝熱管２の列数が２列の場合に、１列目のフィンと２列目のフィンとが分離されていてもよい。図１１に示すように、１列目のフィンと２列目のフィンとがずらして配置され、１列目のフィン３の間に２列目のフィン３が位置していてもよい。

以上説明したように、本発明は、フィンチューブ型熱交換器について有用である。

本発明は、フィンチューブ型熱交換器に関するものである。

従来から、例えば空気調和装置、冷凍・冷蔵装置、除湿機等において、フィンチューブ型熱交換器がよく用いられている。フィンチューブ型熱交換器は、所定間隔ごとに並べられた複数のフィンと、これらフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。

また、フィンチューブ型熱交換器には、伝熱促進を目的として、フィン形状に工夫を施したものが知られている。例えば、フィン表面に多数のピンが設けられた熱交換器が知られている。この熱交換器では、これらのピンによってフィン表面側の流れが撹拌され、熱交換が促進される。

しかしながら、フィンとは別部材であるピンをフィンに別途設けることは、製造の複雑化を招くことになる。そこで、フィンの一部を切り起こすことによって、フィン形状に工夫を施した熱交換器がよく用いられている。例えば、特開２００１−１１６４８８号公報には、プレート基面に複数のスリット状の切り起こし（以下、スリット部という）が形成されたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。この熱交換器では、フィンの一部がスリット状に切り起こされるようにフィンをプレス成形することにより、スリット部が形成されている。

スリット部を有するフィン（以下、スリットフィンという）では、以下のような原理に基づいて伝熱促進が図られている。すなわち、図１２Ａに示すように、スリット部が設けられていないフィン（平滑フィン）１００では、前方から空気Ａが供給されると、フィン１００の前縁１００ａから後方に向かって、連続的な温度境界層ＢＬが生成される。温度境界層ＢＬは、前縁１００ａの近傍では薄いが、後方にいくにしたがって厚くなっていく。一方、図１２Ｂに示すように、スリットフィン１０１では、フィン１０１の前縁１０１ａだけでなく、各スリット部１０２の前縁１０２ａからも温度境界層ＢＬが生成される。そのため、いわばフィン１０１の前縁１０１ａから発達した温度境界層ＢＬを分断することができ、温度境界層ＢＬを断続的に生成することができる。したがって、スリットフィン１０１では、平滑フィン１００と比べて、温度境界層ＢＬの平均的な厚みが薄くなる。その結果、熱伝達率が向上する。

しかしながら、スリットフィン１０１では、スリット部１０２の断面形状が矩形状であるため、前縁１０１ａから発達する温度境界層ＢＬを分断させる効果は得ることができるものの、それ以上の効果を望むことはできなかった。したがって、スリット部１０２の寸法等の最適化を図ったとしても、熱伝達率の向上に関して一定の限界があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造の容易性を維持しつつ、従来以上の熱伝達率の向上を図ることのできるフィンチューブ熱交換器を提供することにある。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、前記フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、前記フィンの表面側を流れる第１の流体と前記伝熱管の内部を流れる第２の流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器であって、前記各フィンには、当該フィンの一部が前記第１の流体の流れ方向の上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされてなり、横断面形状が上流側に向かって先細り状となるように湾曲または屈曲した切り起こし部が形成されているものである。

前記切り起こし部の横断面形状は半円状であってよい。また、前記切り起こし部の横断面形状は半楕円状であってもよい。また、前記切り起こし部の横断面形状は、上流側に向かって細長い半楕円状であってもよい。さらに、前記切り起こし部の横断面形状はくさび形であってもよい。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、前記流れ方向に隣り合う切り起こし部は、前記フィンを境として互いに逆向きに切り起こされていてもよい。

前記切り起こし部の切り起こし高さは、フィンピッチの１／２以下であってもよい。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、前記第１の流体の流れ方向に関する前記切り起こし部の長さの合計は、前記第１の流体の流れ方向に関する前記フィンの長さの１／２〜２／３とすることができる。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、前記切り起こし部の前記流れ方向に沿った個数は、伝熱管１列あたり３個以下であってもよい。

前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、最も上流側に位置する切り起こし部の前記流れ方向の長さは、他の切り起こし部の前記流れ方向長さよりも長くてもよい。

前記フィンは、前記伝熱管の中心を基準として、前記第１の流体の流れ方向の上流側の方が下流側よりも長くなっていてもよい。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器によれば、フィンに切り起こし部が形成され、この切り起こし部の横断面形状は、流れ方向の上流側に向かって先細り状となるように湾曲または屈曲している。そのため、切り起こし部における流体の温度境界層を薄くすることができる。したがって、製造の容易性を維持しつつ熱伝達率を従来以上に向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に示すように、実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１は、所定間隔ごとに平行に並べられた複数のフィン３と、これらのフィン３を貫通する複数の伝熱管２とを備えている。熱交換器１は、伝熱管２の内部を流れる流体と、フィン３の表面側（伝熱管２の外表面が露出していない場合にはフィン３の表面、伝熱管２の外表面が露出している場合にはフィン３および伝熱管２の表面）を流れる流体とを熱交換させるものである。本実施形態では、フィン３の表面側には空気Ａが流れ、伝熱管２の内部には冷媒Ｂが流れる。ただし、伝熱管３の内部を流れる流体およびフィン３の表面側を流れる流体は、特に限定される訳ではない。それら流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。

フィン３は長方形状の平板状に形成されており、図示のＹ方向に沿って並べられている。なお、本実施形態ではフィン３は一定の間隔で並べられているが、それら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３には、例えば、打ち抜き加工された肉厚０．０８〜０．２ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に用いることができる。フィン効率を向上させる観点等からは、フィン３の肉厚が０．１ｍｍ以上であることが特に好ましい。フィン３の表面には、ベーマイト処理または親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されている。

本実施形態では、伝熱管２はフィン３の長手方向（以下、Ｚ方向ともいう）に沿って配列されている。ただし、伝熱管２は必ずしもＺ方向に沿って一列に配置されている必要はなく、例えば千鳥状に配置されていてもよい。伝熱管２の外径Ｄ（図２参照）は、例えば１〜２０ｍｍであり、４ｍｍ以下であってもよい。伝熱管２は、拡管されることによってフィン３のフィンカラー（図示せず。なお、図２等においても、フィンカラーの図示は省略している。）と密着しており、上記フィンカラーに嵌合されている。なお、伝熱管２は、内面が平滑な平滑管であってもよく、溝付き管であってもよい。

熱交換器１は、空気Ａの流れの方向（図１のＸ方向）がＹ方向およびＺ方向とほぼ直交するような姿勢で設置される。ただし、十分な熱交換量を確保できる限り、気流方向はＸ方向から若干傾斜していてもよい。

図２に示すように、伝熱管２の中心線Ｃ２は、フィン３の中心線Ｃ１よりも気流方向の下流側（図２の右側）にずれている。そのため、伝熱管２の中心線Ｃ２を基準にすると、フィン３は上流側（図２の左側）の方が下流側よりも長くなっている。前述したように、フィン３の前縁部は局所的な熱伝達率が大きい。一方、伝熱管２の後方は死水域となり、局所的な熱伝達率が小さい。そのため、本熱交換器１によれば、フィン３の前縁部が前方に延長され、フィン３の後縁部が短くなっているので、熱伝達率の大きな部分の面積を拡大するとともに、熱伝達率の小さな部分の面積を低減させることができる。

図２および図３Ａに示すように、フィン３には、気流Ａの上流側から下流側に向かって順に、第１切り起こし部５ａ、第２切り起こし部５ｂ、および第３切り起こし部５ｃが形成されている。また、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃは、隣り合う伝熱管２の間にそれぞれ形成され、Ｚ方向に沿って複数組設けられている。

各切り起こし部５ａ〜５ｃは、フィン３の一部であって、上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされている部分である。図３Ａに示すように、各切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面（Ｚ方向と直交する断面）の形状は、上流側に向かって先細り状になっている。具体的には、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、半円状に形成されている。切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面が形成する半円の直径は、例えば０．２〜１．０ｍｍである。

他の側面から、切り起こし部５ａ〜５ｃの形状を以下のように特定することができる。まず、フィン３の並び方向（切り起こされていない部分の厚さ方向）を高さ方向ＨＬとし、その高さ方向ＨＬおよび空気Ａの流れ方向ＡＬ（気流方向）に平行な断面をフィン３の横断面と定義する。切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）は、切り起こしの先端５ｔがフィン３の面内から離間するとともに、その切り起こしの先端５ｔを下流側に反転させる形に曲げられている。そして、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）が形成されている位置におけるフィン３の横断面である図３Ｃ中の点線領域で示すように、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）の下流側に反転している部分とそれ以外の部分との間に、半円状の空間ＳＨが形成されている。さらに、この空間ＳＨの高さｈが、気流方向ＡＬの上流側に進むにつれて次第に小さくなるように、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）の形状調整が行われている。

ただし、空間ＳＨの高さｈが気流方向ＡＬの上流側に進むにつれて単調減少している必要はなく、上流側に進むにつれて空間ＳＨの高さｈが小さくなる部分を切り起こし部５ａが含んでいれば足りる。例えば、図３Ｄに示すように、下流端５ｔ（切り起こしの先端５ｔ）の位置から気流方向ＡＬの上流側に所定距離進んだ位置で、空間ＳＨが最大高さｈmaxを示すように、切り起こし部５ａ（５ｂ，５ｃ）の形状調整が行われていてもよい。

図２に示すように、切り起こし部５ａ〜５ｃは、空気Ａの流れ方向に沿って複数設けられ、複数の切り起こし部５ａ〜５ｃは、それぞれ、空気Ａの流れ方向に関する長さよりも、複数の伝熱管２の並び方向に関する長さの方が大きくなるように寸法が調整されている。つまり、フィン３の面内方向および複数の伝熱管３の並び方向に平行な方向を、複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの長手方向と定義することができる。この場合、第２切り起こし部５ｂの長手方向（Ｚ方向）の長さＵＬ２は、第３切り起こし部５ｃの長手方向長さに等しい。一方、第１切り起こし部５ａの長手方向長さＵＬ１は、第２切り起こし部５ｂの長手方向長さＵＬ２よりも長い。ここでは、第１切り起こし部５ａの長手方向長さＵＬ１は、第２切り起こし部５ｂの長手方向長さＵＬ２の２倍である。ただし、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの長手方向長さは互いに等しくてもよく、すべて異なっていてもよい。

また、第１切り起こし部５ａの長手方向ＵＬ１は、隣り合う伝熱管２の間隔ＰＧよりも大きく、隣り合う伝熱管２の中心間距離ＰＰよりも小さい。一方、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃの長手方向長さＵＬ２は、上記間隔ＰＧの１／２よりも大きく、上記間隔ＰＧよりも小さい。

図３Ａに示すように、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃは、切り起こしの向きが互い違いになるように形成されている。具体的には、第１切り起こし部５ａは図３Ａの上側に切り起こされ、第２切り起こし部５ｂは下側に切り起こされ、第３切り起こし部５ｃは上側に切り起こされている。すなわち、本実施形態では、気流方向に隣り合う切り起こし部は、切り起こしの向きがフィン３（詳しくはフィン３の切り起こされていない部分）を境にして逆向きになっている。

図３Ａに示すように、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向に関する長さ（全長）ＵＨは、互いに等しい。ただし、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの全長ＵＨは、必ずしも同一でなくてもよく、互いに異なっていてもよい。例えば、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの全長ＵＨは、徐々に短くなっていてもよく、徐々に長くなっていてもよい。

第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃの切り起こし高さＵＷも、互いに等しくなっている。なお、ここでは、切り起こし高さＵＷは、フィン３の板厚方向の中心からの距離をいうものとする。切り起こし高さＵＷは、フィンピッチＦＰの１／２以下であることが好ましい。切り起こし高さＵＷがフィンピッチＦＰの１／２以下の場合、熱交換器１を気流の上流側から下流側に向かって見たとき（Ｘ方向視）に、隣り合うフィン３同士の切り起こし部５ａ〜５ｃが重ならず、圧力損失の増大を抑制することができるからである。

図３Ｂに示す変形例では、最も上流側に位置する切り起こし部である第１切り起こし部５ａの気流方向に関する長さＵＨが、他の切り起こし部である第２および第３切り起こし部５ｂ，５ｃの気流方向に関する長さＵｈよりも長くなっている。また、第１切り起こし部５ａの切り起こし高さＵＷが、第２および第３切り起こし部５ｂ，５ｃの切り起こし高さＵｗよりも高くなっている。

なお、本明細書では、空気Ａの流れ方向に関する切り起こし部５ａ〜５ｃの長さＵＨを、切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨという。切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨは、図３Ａ等に示すように、当該切り起こし部５ａ〜５ｃを形成することによって生ずる開口の上流端から下流端までの長さに一致するものとする。

次に、本熱交換器１における伝熱促進の原理について説明する。

熱交換器１では、前方から空気Ａ（図３Ａ参照）が供給されると、フィン３の前縁から後方に向かって温度境界層が形成されるとともに、第１〜第３切り起こし部５ａ〜５ｃにおいても温度境界層が形成される。図４は、第１切り起こし部５ａにおける温度境界層ＢＬを表している。図４に示すように、第１切り起こし部５ａは上流側に向かって先細り状の横断面形状を有しているので、空気は第１切り起こし部５ａの表面上を薄く沿うように流れ、温度境界層ＢＬの厚みは薄くなる。すなわち、温度境界層ＢＬは後方にいくに従って広がっていくが、第１切り起こし部５ａも後方にいくに従って広がる形状に形成されている。そのため、第１切り起こし部５ａの前縁だけでなく後側においても、温度境界層ＢＬは薄く保たれる。したがって、第１切り起こし部５ａの熱伝達率は飛躍的に向上する。

図示は省略するが、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃにおいても、ほぼ同様の温度境界層が形成される。したがって、上述と同様の理由により、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃにおいても熱伝達率は飛躍的に向上する。

また、図２に示すように、フィン３を厚さ方向に平面視した場合における複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの形状（外形）が長手方向を有する方形状（例えば、矩形状、または気流方向に長辺と短辺が直交する台形状）であるとともに、長手方向が気流方向に直交するように、複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの向きが揃っている。切り起こし部５ａ〜５ｃの形状および位置関係がこのようになっている場合、次のような効果を得ることができる。

図５Ａに示すように、従来のスリットフィン１０１では、スリット部１０２に対する熱の供給は、スリット部１０２の根元１０２ｃを通じて行われる。しかしながら、根元１０２ｃはスリット部１０２の長手方向と直交する方向に延びているので、根元１０２ｃの幅ＳＷは小さい。そのため、スリットフィン１０１では、伝熱促進部であるスリット部１０２に対する熱の供給路が狭かった。したがって、スリット部１０２は局所的な熱伝達率が高いものの、熱の供給が必ずしも十分とは言い難かった。これに対し本熱交換器１（フィン３）では、図５Ｂに示すように、切り起こし部５の根元１０は、切り起こし部５の長手方向（図５Ｂの上下方向）に延びており、根元１０の幅ＵＬは広い。そのため、切り起こし部５には十分な量の熱が供給される。したがって、本熱交換器１（フィン３）によれば、伝熱促進部に対する熱の供給量という点においても、熱交換性能の向上を図ることができる。

このように、本熱交換器１では、スリット状の切り起こし部を設ける場合に比べて、切り起こし部５ａ〜５ｃの熱伝達率を大きく向上させることができる。したがって、熱交換器１の平均熱伝達率を大きくすることができる。また、切り起こし部５ａ〜５ｃに十分な熱量を供給することができる。さらに、フィン３の一部を切り起こすだけで伝熱促進部を形成することができるので、従来と比較して製造が著しく困難になるおそれはない。したがって、製造の容易性を維持しつつ従来以上の熱伝達率の向上を図ることができる。

また、図３Ａに示すように、本実施形態では、各切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は半円状に形成されており、各切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面における気流方向と直交する方向（図示Ｙ方向）の幅は、上流側から下流側にいくにしたがって大きくなり、各切り起こし部５ａ〜５ｃの下流端において最大となっている。なお、ここで、「切り起こし部の下流端」とは、切り起こされた部分の先端（図３Ａの符号５ｔ参照）のことである。従来のピンフィン等のように、横断面が円柱状の伝熱促進体では、下流側部分は死水域となり、下流側部分の熱伝達率は低くなる。これに対し、本実施形態の切り起こし部５ａ〜５ｃによれば、横断面が半円状であるので、死水域を低減することができる。したがって、熱伝達率を効果的に向上させることができる。

なお、切り起こし部５ａ〜５ｃは上流側に向かって先細り状になっていればよいが、特に本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃは半円状に形成されている。そのため、境界層の発達をより一層抑制することができ、熱伝達率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、気流方向に隣り合う切り起こし部は、切り起こしの向きが互いに逆になっている。そのため、第２切り起こし部５ｂは第１切り起こし部５ａの温度境界層の影響を受けにくく、また、第３切り起こし部５ｃは第２切り起こし部５ｂの温度境界層の影響を受けにくい。したがって、第２切り起こし部５ｂおよび第３切り起こし部５ｃの熱伝達率を更に向上させることができる。

また、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの切り起こし高さＵＷは、フィンピッチＦＰの１／２以下に設定されている。そのため、圧力損失が著しく増加することを防止することができる。ただし、熱交換器１の用途等によっては、圧力損失の増加がある程度許容される場合もある。そのような場合には、上記切り起こし高さＵＷがフィンピッチＦＰの１／２よりも大きくてもよい。なお、切り起こし部５ａ〜５ｃの切り起こし高さＵＷの下限については特に限定されず、例えば、フィンピッチＦＰの１／５以上（ただし、フィン３の厚みＦＴの２倍を超える）とすることができる。

ところで、図６に概念的に示すように、一般的に、切り起こし部の個数が多いほど熱伝達率は増加するが、その増加率は徐々に小さくなっていく。一方、切り起こし部の個数が多いほど、製造は複雑となり、また、圧力損失は大きくなる。しかしながら、本実施形態では、気流方向に沿った切り起こし部５ａ〜５ｃの個数は３個（複数個）である。図３Ａに示すように、これら複数の切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨの合計は、フィン３の気流方向長さＬ（＝フィン３の短辺の長さ）の１／２〜２／３に設定されている。つまり、１／２≦３・ＵＨ／Ｌ≦２／３となる。そのため、製造の複雑化や圧力損失の著しい増加を招くことなく、熱伝達率を向上させることができる。

なお、フィン３の気流方向長さＬに対する切り起こし部５ａ〜５ｃの気流方向長さＵＨの割合は、伝熱管２の列数に応じて異ならせることができる。上述した割合は、フィン３を貫通する伝熱管２が１列の場合の割合である。同様に、切り起こし部５ａ〜５ｃの個数も、フィン３を貫通する伝熱管２が１列の場合の個数である。

最も上流側に位置する第１切り起こし部５ａは、熱伝達率が比較的大きい。本実施形態では、第１切り起こし部５ａの長手方向の長さは、他の切り起こし部５ｂ，５ｃの長手方向の長さよりも大きくなっている。そのため、熱伝達率の大きな部分の面積が大きくなっているので、熱伝達率を効果的に向上させることができる。

また、本熱交換器１では、切り起こし部５ａ〜５ｃの速度境界層が薄くなるので、フィン３の表面で結露が生じた場合であっても、水膜は薄くなりやすい。そのため、結露が生じた場合であっても、伝熱促進効果は低下しにくく、また、圧力損失も増加しにくい。

（実施形態２）
実施形態１では、切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面形状が半円状に形成されていた。しかしながら、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、半円状に限定される訳ではない。図７に示すように、実施形態２に係るフィンチューブ熱交換器１は、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状が半楕円状のものである。

すなわち、実施形態２に係る熱交換器１のフィン３には、当該フィン３の一部が上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされた切り起こし部５ａ〜５ｃが形成され、それら切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面形状が上流側に向かって先細り状になるように湾曲し、半楕円状に形成されている。その他の構成は実施形態１と同様であるので、それらの説明は省略する。

本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃ同士では、図８Ａに示す楕円率（短径ａと長径ｂとの比率＝ａ／ｂ）は互いに等しい。しかしながら、切り起こし部５ａ〜５ｃの楕円率は、互いに異なっていてもよい。図８Ｂに、楕円率に対する表面平均熱伝達率および圧力損失のシミュレーション結果を示す。図８Ｂの表は、楕円率＝１（半円状）のときの表面平均熱伝達率および圧力損失を基準（＝１）として表している。この表から分かるように、楕円率が０．３３よりも大きくかつ１未満の場合には、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面が半円状のもの（実施形態１）に比べて、圧力損失を低減させつつ熱伝達率を同等以上に保つことができる。なお、シミュレーションは、３・ＵＨ／Ｌ≒０．６の条件で行った。

本実施形態においても、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、上流側に向かって先細り状に形成されている。そのため、実施形態１と同様、切り起こし部５ａ〜５ｃにおける温度境界層を薄くすることができるので、熱伝達率を向上させることができる。さらに、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状は、半楕円状に形成されている。そのため、実施形態１よりも圧力損失を低減させることができる。

特に本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面の長径方向が気流方向と平行となるように形成されている。したがって、圧力損失をより一層低減させることが可能となる。

また、切り起こし部５ａ〜５ｃの楕円率を０．３３よりも大きくかつ１未満に設定することとすれば、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面が半円状のものに比べて、熱伝達率を同等以上に保ちつつ圧力損失の低減を図ることができる。

（実施形態３）
図９に示すように、実施形態３に係るフィンチューブ型熱交換器１は、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状がくさび形に形成されているものである。

すなわち、実施形態３に係る熱交換器１のフィン３には、当該フィン３の一部が上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされた切り起こし部５ａ〜５ｃが形成され、それら切り起こし部５ａ〜５ｃは、横断面形状が上流側に向かって先細り状になるように湾曲し、くさび形に形成されている。なお、ここでくさび形とは、前端から後端に至るまで広がり続けるような形状をいう。その他の構成は実施形態１と同様であるので、それらの説明は省略する。

本実施形態においても、切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面形状が上流側に向かって先細り状に形成されているので、実施形態１と同様、切り起こし部５ａ〜５ｃにおける温度境界層を薄くすることができる。したがって、熱伝達率を向上させることができる。また、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃは、前端から後端に至るまで広がり続けているので、切り起こし部５ａ〜５ｃの後端においても温度境界層を薄くすることができる。したがって、熱伝達率をより一層向上させることができる。

なお、本実施形態では、切り起こし部５ａ〜５ｃの前端は丸まっていたが、切り起こし部５ａ〜５ｃの前端は必ずしも丸まっている必要はなく、図１０に示すように、それらの前端は尖っていてもよい。切り起こし部５ａ〜５ｃの横断面は、屈曲した形状に形成されていてもよい。

（その他の実施形態）
前記各実施形態では、フィン３の前縁部の横断面は、半矩形状に形成されていた。しかし、フィン３の前縁部も切り起こし部５ａ〜５ｃと同様に、横断面形状が半円状、半楕円状、またはくさび形等であってもよい。

前記各実施形態のフィンチューブ型熱交換器１では、伝熱管２の列数が１列であったが、伝熱管２の列数は２列以上であってもよい。伝熱管２の列数が２列以上の場合、フィン３は各列に共通の一体ものであってもよく、列毎に分割されたフィンであってもよい。例えば、伝熱管２の列数が２列の場合に、１列目のフィンと２列目のフィンとが分離されていてもよい。図１１に示すように、１列目のフィンと２列目のフィンとがずらして配置され、１列目のフィン３の間に２列目のフィン３が位置していてもよい。

以上説明したように、本発明は、フィンチューブ型熱交換器について有用である。

フィンチューブ型熱交換器の斜視図 フィンの部分立面図 実施形態１に係るフィンチューブ型熱交換器の要部拡大図 実施形態１の変形例に係るフィンチューブ型熱交換器の要部拡大図（III-III断面図） 切り起こし部の横断面形状の説明図 切り起こし部の変形例の横断面図 切り起こし部の横断面図 スリットフィンにおける熱の移動を表す概念図 実施形態に係るフィンにおける熱の移動を表す概念図 切り起こし部の個数と平均熱伝達率との関係を表す図 実施形態２に係るフィンチューブ型熱交換器の要部拡大図 楕円率の説明図 楕円率と平均熱伝達率および圧力損失との関係を示す図 実施形態３に係るフィンチューブ型熱交換器の切り起こし部の横断面図 変形例に係る切り起こし部の横断面図 他の実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の部分立面図 図１１ＡのＸＩｂ−ＸＩｂ線断面図 平滑フィンの横断面図 スリットフィンの横断面図

Claims (14)

1. 互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、前記フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、前記フィンの表面側を流れる第１の流体と前記伝熱管の内部を流れる第２の流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記各フィンには、当該フィンの一部が前記第１の流体の流れ方向の上流側から下流側に向かってめくりとられたように切り起こされてなり、横断面形状が上流側に向かって先細り状となるように湾曲または屈曲した切り起こし部が形成されている、フィンチューブ型熱交換器。
2. 前記切り起こし部の横断面形状は半円状である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 前記切り起こし部の横断面形状は半楕円状である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記切り起こし部の横断面形状は、上流側に向かって細長い半楕円状である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記切り起こし部の横断面形状はくさび形である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、
   前記流れ方向に隣り合う切り起こし部は、前記フィンを境として互いに逆向きに切り起こされている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 前記切り起こし部の切り起こし高さは、フィンピッチの１／２以下である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
8. 前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、
   前記第１の流体の流れ方向に関する前記切り起こし部の長さの合計は、前記第１の流体の流れ方向に関する前記フィンの長さの１／２〜２／３である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
9. 前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、
   前記切り起こし部の前記流れ方向に沿った個数は、伝熱管１列あたり３個以下である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
10. 前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、
    最も上流側に位置する切り起こし部の前記流れ方向に関する長さは、他の切り起こし部の前記流れ方向に関する長さよりも長い、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
11. 前記フィンは、前記伝熱管の中心を基準として、前記第１の流体の流れ方向の上流側の方が下流側よりも長くなっている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
12. 前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、
    前記複数の切り起こし部は、それぞれ、前記流れ方向に関する長さよりも前記複数の伝熱管の並び方向に関する長さの方が大きくなるように寸法が調整される一方、
    前記フィンの面内方向および前記複数の伝熱管の並び方向に平行な方向を、前記複数の切り起こし部の長手方向と定義したとき、
    最も上流側に位置する切り起こし部の前記長手方向の長さは、他の切り起こし部の前記長手方向の長さよりも大である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
13. 前記フィンを厚さ方向に平面視した場合における前記複数の切り起こし部の形状が方形状であるとともに、前記長手方向が前記第１の流体の流れ方向に直交するように、前記複数の切り起こし部の向きが揃っている、請求項１２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
14. 前記切り起こし部は、前記第１の流体の流れ方向に沿って複数設けられ、
    前記第１の流れ方向に関する前記複数の切り起こし部の長さが互いに等しい、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。

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