JPWO2007108386A1 - フィンチューブ型熱交換器、熱交換器用フィンおよびヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

フィンチューブ型熱交換器１は、第１流体を流通させるべき隙間を形成するために、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、複数のフィン３を貫通する、第２流体を流通させるべき複数の伝熱管２とを備えている。複数の伝熱管２は、第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置された第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂを含む。フィン３は、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に配置され、第１流体を第１伝熱管２Ａ側と第２伝熱管２Ｂ側とに導く突部５を有する。伝熱管２の軸方向から見た突部５の等価直径は、伝熱管２の外径以上である。

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器、熱交換器用フィンおよびヒートポンプ装置に関する。

従来から、空気調和装置、冷凍冷蔵装置、除湿機、給湯機等に、フィンチューブ型熱交換器が用いられている。フィンチューブ型熱交換器は、所定間隔を空けて平行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。

フィンチューブ型熱交換器には、伝熱促進や圧力損失の低減等を目的として、フィン形状に工夫を施したものが知られている。例えば、フィンチューブ型熱交換器では、通常、伝熱管の風下側は、局所的に熱伝達率の低い死水域となる。そこで、死水域の低減を目的として、フィンの表面に突起を設けたフィンチューブ型熱交換器が知られている。

例えば、特開平７−２３９１９６号公報には、表面に微小なディンプルが多数設けられたフィンを用いたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。具体的には、図３４に示すように、フィン１０３上の多数のディンプル１０２によって空気が伝熱管１０１の風下側に誘導され、熱伝達率が向上する旨が記載されている。ただし、各ディンプル１０２が小さいため、空気を伝熱管１０１の風下側に誘導する作用は思ったほど得られず、熱伝達率の向上はあまり期待できない。

特開昭６３−２９４４９４号公報には、フィンの表面に三角錐状の突起を設け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、図３５に示すように、三角錐状の突起１１１は伝熱管１１２の両側に配設されている。特開昭６３−２９４４９４号公報には、これらの突起１１１によって空気が伝熱管１１２の風下側に誘導され、伝熱管１１２の後方において、流れＡは狭い流れＣとなって流速が増加するので、伝熱管１１２の後方では激しい乱流が生じ、その結果、死水域は極めて小さくなる旨が記載されている（特開昭６３−２９４４９４号公報の第４頁右上欄第１７行〜左下欄第１行参照）。

特開昭６３−２９４４９４号公報に開示された熱交換器（図３５参照）では、三角錐状の両突起１１１間において流れが大きく絞られるので、圧力損失が大きくなりやすいという課題があった。また、特開昭６３−２９４４９４号公報に開示された熱交換器は、空気流速が大きい乱流領域で使用されるものであり、乱流の促進効果を狙ったものである。そのため、空気流速が低い層流領域では、必ずしも満足のいく性能を発揮することはできなかった。

特開平６−３００４７４号公報には、フィンの表面に四角錐状の突部を設けたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。図３６に示すように、この熱交換器では、伝熱管１２１の風下側に切起片１２２が形成され、四角錐状の突部１２３は、隣り合う伝熱管１２１の間であって伝熱管１２１よりも風下側に配置されている。特開平６−３００４７４号公報には、突部１２３によって空気が切起片１２２側へ誘導され、伝熱管１２１の風下側の熱伝達率が向上する旨が記載されている（特開平６−３００４７４号公報の第４頁右欄第３０行〜第３６行参照）。

特開平６−３００４７４号公報に開示された熱交換器（図３６参照）では、突部１２３は、伝熱管１２１同士の中心線１２４よりも風下側に配置されていた。そのため、空気の流れ方向は、伝熱管１２１の中心よりも下流側で変更されることになる。ところが、突部１２３は比較的小さなものであるので、空気の流れを急に変更することは困難である。したがって、空気を伝熱管１２１の後方に十分に誘導することは難しかった。

また、特開２００２−９００８５号公報には、図３７に示すように、切り起こし１０６が形成されたフィン１０５を用いたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。このようなフィン１０５は、一般に、スリットフィンと呼ばれている。スリットフィン１０５は、圧力損失の面で若干の不利があるものの、切り起こし１０６の前縁で熱伝達率が局所的に高くなる効果、いわゆる前縁効果により、熱交換器の伝熱性能を大幅に向上させる。ただし、このスリットフィン１０５は、切り起こし１０６に着霜して目詰まりを起こし、熱交換効率の大幅な低下を招来するため、その適用対象が制限される。具体的には、比較的低温の雰囲気で冷媒を蒸発させる蒸発器に適用することが困難である。

ところで、フィンチューブ型熱交換器では、冷媒と流体（例えば空気）との伝熱量を増やすために、流体の速度を上げて熱伝達率を上げようとすると、流体が熱交換器を通過する際の圧力損失も増加し、流体を流すファンに要する動力が過大となることが知られている。すなわち、伝熱性能の指標である熱伝達率と、圧力損失とはトレードオフの関係にある。伝熱性能と圧力損失との両立を試みたフィンチューブ型熱交換器としては、板状フィンを波状に折り曲げたコルゲートフィンを用いた熱交換器が数多く提案されている。

例えば、図３８Ａおよび図３８Ｂは、特開平１−９０９９５号公報に記載されているコルゲートフィンを示している。このコルゲートフィン１０９は、矢印で示される流体の流れ方向に対して、稜１０９ａと谷１０９ｂが交互に現れるように成形されたフィンである。このようなコルゲートフィン１０９は、伝熱性能と圧力損失とのバランスに優れるとともに、着霜による目詰まりの問題も無く、適用対象の制限が無いという利点を持つ。

近年、ヒートアイランド問題、資源問題、地球環境問題などの様々な問題から、給湯機や空調機に応用されるヒートポンプ装置の省エネルギー化に対する要望がますます強くなってきている。ヒートポンプ装置の更なる省エネルギー化には、圧縮機構や膨張機構の改良はもとより、熱交換器の改良が不可欠である。具体的には、コルゲートフィンを用いたものよりも伝熱性能に優れ、かつ低圧力損失のフィンチューブ型熱交換器が求められている。

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、優れた伝熱性能を有しながらも圧力損失が小さいフィンチューブ型熱交換器を提供することにある。また、そのフィンチューブ型熱交換器を備えたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。また、そのフィンチューブ型熱交換器に好適に採用できるフィンを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
第１流体と第２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、
第１流体を流通させるべき空間を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、
複数のフィンを貫通する、第２流体を流通させるべき複数の伝熱管とを備え、
複数の伝熱管は、第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置された第１伝熱管および第２伝熱管を含み、
列方向に関して第１伝熱管と前記第２伝熱管とが互いに隣り合い、
フィンは、第１伝熱管と第２伝熱管との間に形成され、第１流体を第１伝熱管側と第２伝熱管側とに導く突部を有し、
伝熱管の軸方向から見た突部の等価直径は、伝熱管の外径以上である、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

また、本発明は、上記フィンチューブ型熱交換器に用いられるフィンを提供する。

また、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構と、
膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、
蒸発器および放熱器の少なくとも一方が、上記フィンチューブ型熱交換器を含む、ヒートポンプ装置を提供する。

上記本発明のフィンチューブ型熱交換器は、第１伝熱管と第２伝熱管との間に表面積の大きい突部を形成し、フィンの伝熱面積の拡大を図るとともに、温度境界層および速度境界層の発達を抑制することを狙ったものである。伝熱面積の拡大および境界層の発達の抑制により、フィンチューブ型熱交換器の伝熱性能が向上する。さらに、伝熱管の軸方向から見た突部の等価直径は、伝熱管の外径以上である。言い換えれば、複数のフィンと平行な平面に突部を正射影した場合に、その平面に現れる突部の像の面積が伝熱管の断面積以上となる。このような突部によれば、フィンの表面積を十分に稼ぐことができる。また、比較的寸法の大きい突部は、第１伝熱管との間の平坦領域、または第２伝熱管との間の平坦領域で流速を高める強い作用を第１流体に及ぼす。流速が高まると熱伝達率が高まるので好ましい。特に、伝熱管の外周面（伝熱管を包囲するフィンカラーの外周面を含む）のうち、突部に対向する側面部分を熱伝達に十分寄与させることが可能となる。さらに、突部は、伝熱管の後方に第１流体を誘導する。これにより、伝熱管の後方に大きな死水域が生じることが防止され、フィンチューブ型熱交換器の伝熱性能が向上する。

フィンチューブ型熱交換器の斜視図 実施形態１のフィンの平面図 図２のIII−III線断面図 変形例の図３相当図 空気の流れを示す実施形態１のフィンの平面図 実施形態１のフィンの斜視図 シミュレーションモデルの平面図 実施形態１のフィンチューブ型熱交換器の性能特性図 温度境界層を模式的に示す実施形態１のフィンの断面図 実施形態２のフィンの平面図 実施形態２のフィンの斜視図 実施形態３のフィンの平面図 実施形態１のフィンの変形例を示す平面図 実施形態４のフィンの平面図 図１４のXV−XV線断面図 突部の形状の一例を示す模式図 突部の形状の他の例を示す模式図 クロソイド曲線を示すグラフ 表面がクロソイド曲線を描く突部の断面図 実施形態４のフィンを用いたフィンチューブ型熱交換器の作用説明図 比較例のフィンチューブ型熱交換器の作用説明図 実施形態５のフィンの平面図 実施形態６のフィンの平面図 実施形態６の変形例に係るフィンの平面図 実施形態７のフィンの平面図 図２３ＡのＤ１−Ｄ１断面図 実施形態７の変形例に係るフィンの平面図 図２４ＡのＤ２−Ｄ２断面図 ヒートポンプ装置の構成図 図２５のヒートポンプ装置の応用例を示す模式図 実施例１の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図２７Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例２の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図２８Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例３の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図２９Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 比較例１の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３０Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例４の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３１Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例５の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３２Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 比較例２の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３３Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 従来のフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 従来のフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 従来のフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 スリットフィンの斜視図 コルゲートフィンの平面図 コルゲートフィンの断面図

（実施形態１）
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の全体斜視図である。フィンチューブ型熱交換器１は、第１流体を流通させるべき空間を形成するために、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、フィン３の主面に沿って流れる第１流体と、伝熱管２の内部を流れる第２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の主面に沿って空気Ａが流れ、伝熱管２の内部には冷媒Ｂが流れる。フィン３を貫通する複数の伝熱管２は、冷媒Ｂが順番に流れるように１本につながっている。なお、伝熱管２の内部を流れる流体およびフィン３の主面に沿って流れる流体の種類や状態は、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。また、複数の伝熱管２は、必ずしも１本につながっていなくてもよい。

熱交換器１は、空気Ａの流れ方向（Ｘ方向）がフィン３の積層方向（Ｙ方向）および伝熱管２の列方向（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。なお、本明細書中では、フィン３の主面に垂直な方向である積層方向（Ｙ方向）を高さ方向と定義する。

フィン３は、長方形かつ平板状の形状を有し、図１中に示すＹ方向に沿って並べられている。本実施形態では、フィン３は一定の間隔（フィンピッチ）で並べられている。フィンピッチは、例えば１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。ただし、フィンピッチは必ずしも一定である必要はなく、異なっていてもよい。図３に示すように、フィンピッチＦＰは、隣り合う２つのフィン３，３の厚さ方向に関する中心間距離で表される。フィン３は、例えば、打ち抜き加工された肉厚０．０８〜０．２ｍｍの金属板で構成することができる。金属板は、例えば、アルミニウム製の平板である。フィン３の長手方向に沿って複数の貫通孔３ｈ（図２）が千鳥状に形成され、それら貫通孔３ｈの各々に伝熱管２が嵌め込まれている。なお、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、あるいは撥水性処理が施されていることが好ましい。

図２は、図１の熱交換器に用いられたフィンの平面図である。ただし、伝熱管２については、フィン３の主面（詳しくは、突部５が形成されていない平坦領域での主面）に平行な断面が現れている。図２に示すように、伝熱管２は、フィン３の長手方向に平行な列方向に沿って、前後２列に配置されている。つまり、各列の貫通孔３ｈの中心を結ぶ直線は、フィン３の前縁３０ｐに平行である。１列目の伝熱管２と２列目の伝熱管２とは、Ｚ方向に管ピッチの１／２だけずれている。すなわち、伝熱管２は千鳥状に配置されている。同じ列に属する２本の伝熱管２，２の中心間の最短距離（＝管ピッチ）は、例えば、当該伝熱管２の外径Ｄの２倍〜３倍に設定することができる。伝熱管２の外径Ｄは、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍであり、フィン３に形成されている貫通孔３ｈの開口径に一致する。伝熱管２は、貫通孔３ｈを形成するフィンカラー３ａと密着しており、当該フィンカラー３ａに嵌合されている。このような伝熱管２は、銅や銅合金等の良導性金属で構成された、内面が平滑な平滑管または内面に溝が形成された溝付き管である。

フィン３の表面には、正四角錐状の突部５が形成されている。突部５は、フィン３の一方の面から突出しており、各列の伝熱管２の間にそれぞれ配置されている。本実施形態では、突部５は列方向に隣り合う伝熱管２の間の中間位置に配置されている。Ｙ方向から見たときの突部５の面積、つまり、図２の平面図における突部５の面積は、伝熱管２の面積と同等以上に設定されている。すなわち、突部５の等価直径ｄ（πｄ²／４＝Ｓ（面積）で定義されるｄ）は、伝熱管２の外径Ｄ以上である。具体的には、本実施形態では、突部５の下辺の長さｌが伝熱管２の外径Ｄと等しく、突部５の等価直径ｄは伝熱管２の外径Ｄよりも大きくなっている。なお、符号Ｌは、突部５の気流方向長さ（Ｘ方向長さ）を示している。

突部５のＺ方向の幅は、空気Ａの流れ方向に沿って、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。突部５は、図２の左上側に位置する第１傾斜面６ａと、左下側に位置する第２傾斜面６ｂと、右下側に位置する第３傾斜面６ｃと、右上側に位置する第４傾斜面６ｄとを有している。第１傾斜面６ａと第２傾斜面６ｂとは、Ｘ方向に延びる稜線７ａによって仕切られている。第１傾斜面６ａは、隣り合う一方の伝熱管２Ａ（以下、第１伝熱管という）側に傾斜しており、第２傾斜面６ｂは、他方の伝熱管２Ｂ（以下、第２伝熱管という）側に傾斜している。第１傾斜面６ａと第４傾斜面６ｄとは、Ｚ方向に延びる稜線７ｂによって仕切られている。また、第２傾斜面６ｂと第３傾斜面６ｃも、稜線７ｂによって仕切られている。

本熱交換器１では、突部５は比較的上流側に配置されている。具体的には、突部５の上流端８ａは、各伝熱管２の中心Ｃよりも上流側に位置している。突部５の中途部８ｂは、伝熱管２の下流端２ｅよりも上流側に位置している。言い換えると、突部５の上流端８ａは、伝熱管２の中心Ｃ同士を結んだ線９よりも上流側に位置し、突部５の中途部８ｂは、伝熱管２の下流端２ｅ同士を結んだ線１０よりも上流側に位置している。なお、突部５の下流端８ｃは、伝熱管２の下流端２ｅよりも下流側に位置している。

図３に示すように、本実施形態では、突部５の高さＨはフィンピッチＦＰよりも大きい。そのため、Ｙ方向に隣り合うフィン３同士において、一方のフィン３の突部５の一部は、他方のフィン３の突部５の裏側に入り込んでいる。ただし、突部５の高さＨはフィンピッチＦＰと等しくてもよく、フィンピッチＦＰよりも小さくてもよい。突部５の高さＨは、例えば、フィンピッチＦＰの０．２倍〜２倍であってもよく、フィンピッチＦＰの０．５〜２倍であってもよい。

ただし、図４に示すように、突部５の高さＨがフィンピッチＦＰよりも小さければ、上流側から下流側を見たときに、隣り合うフィン３間に、Ｘ方向に延びる真っ直ぐな間隙Ｇが形成されることになる。そのため、圧力損失を低減させる観点からは、突部５の高さＨはフィンピッチＦＰよりも小さい方が好ましい。伝熱特性の向上および圧力損失の低減の双方のバランスを考慮すると、突部５の高さＨは、フィンピッチＦＰの０．２倍以上（好ましくは０．２５倍以上）かつ１倍未満が好ましい。

次に、本熱交換器１における空気の流れについて説明する。

図５に示すように（図６も参照）、フィン３の前方から流れてきた気流Ａ１は、突部５に衝突する。次に、衝突後の気流の一部Ａ２は、第１傾斜面６ａによって第１伝熱管２Ａ側に誘導され、他の気流Ａ２’は、第２傾斜面６ｂによって第２伝熱管２Ｂ側に誘導される。そして、第１傾斜面６ａに誘導された気流Ａ２は、第１伝熱管２Ａの後方に回り込む。また、第２傾斜面６ｂに誘導された気流Ａ２’は、第２伝熱管２Ｂの後方に回り込む。その結果、フィン３の第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂの後方部分において、熱伝達率の低下が抑制され、死水域の面積が低減される。

次に、いったん第１伝熱管２Ａの後方に回り込んだ気流Ａ３は、２列目の突部５に衝突し、当該突部５の第２傾斜面６ｂによって、２列目の伝熱管２Ｃ側に誘導される。同様に、いったん第２伝熱管２Ｂの後方に回り込んだ気流Ａ３’は、２列目の突部５に衝突し、当該突部５の第１傾斜面６ａによって、上記伝熱管２Ｃ側に誘導される。そして、上記傾斜面６ａ，６ｂによって誘導された気流Ａ４，Ａ４’は、伝熱管２Ｃの後方に回り込む。その結果、フィン３の伝熱管２Ｃの後方部分においても、熱伝達率の低下が抑制され、死水域の面積が低減される。

表１に、従来のコルゲートフィン（フィンを波状に折り曲げたフィン。例えば、特開平１−９０９９５号公報の第１図および第２図参照）を備えたフィンチューブ型熱交換器と、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器（具体的形状は図７参照）とを比較したシミュレーション結果を示す。本シミュレーションにあたっては、フィンの厚みは０．１ｍｍ、フィンピッチは１．５ｍｍ、伝熱管の外径は７．０ｍｍ、前面風速Ｖairは１ｍ／ｓとした。なお、表１中の「円錐フィン」は、後述の実施形態２のフィンチューブ型熱交換器を表している。

熱交換器の性能評価に際しては、熱伝達率αは大きい方が好ましく、圧力損失ΔＰは小さい方が好ましい。すなわち、α／ΔＰが大きい方が好ましい。表１から分かるように、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器では、α／ΔＰは、突部５の気流方向長さＬが長くなるほど大きくなり、突部５の高さＨが高くなるほど小さくなる。すなわち、α／ΔＰは、パラメータＬ／Ｈが大きくなるほど大きくなる。そこで、図８に、パラメータＬ／Ｈを横軸にとり、パラメータα／ΔＰ（従来フィンに対する比率）を縦軸にとったグラフを示す。この図から分かるように、Ｌ／Ｈが５．５よりも大きければ、従来のコルゲートフィン式の熱交換器よりもα／ΔＰの値が高くなることが分かる。したがって、Ｌ／Ｈは５．５よりも大きいことが好ましい。

以上のように、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器１によれば、フィン３は伝熱管２Ａ，２Ｂの間に四角錐状の突部５を有しており、突部５は、空気を一方の伝熱管２Ａ側と他方の伝熱管２Ｂ側とに切り分けるように形成されている。すなわち、突部５には、空気を一方の伝熱管２Ａ側に誘導する第１傾斜面６ａと、空気を他方の伝熱管２Ｂ側に誘導する第２傾斜面６ｂとが形成されている。そして、突部５の上流端８ａは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側に位置している。そのため、空気は、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側で誘導され始めるので、比較的早くから流れ方向を変更し始めることになる。その結果、各伝熱管２Ａ，２Ｂの後方に空気が回り込みやすくなる。したがって、本実施形態によれば、死水域を低減させることができる。

また、突部５において最も幅の広い部分である中途部８ｂは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。このことによっても、空気は各伝熱管２Ａ，２Ｂの後方に回り込みやすくなり、死水域の低減が図られる。

また、本実施形態では、突部５が空気を一方の伝熱管２Ａ側と他方の伝熱管２Ｂ側とに切り分けた後、突部５と各伝熱管２Ａ，２Ｂとの間の空間で空気の流れが加速される。そのため、空気の流れが加速された分だけ、フィン３の熱伝達率が向上する。

また、加速した空気は、下流側に設けた突部５に衝突する。その結果、下流側の突部５において温度境界層が薄くなる。そのため、下流側の突部５における熱伝達率の向上が図られ、ひいてはフィン３全体の熱伝達率が向上する。

また、突部５の幅は、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。そのため、上流端８ａから中途部８ｂに至る部分（第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂ）で空気を各伝熱管２Ａ，２Ｂ側に誘導した後は、空気の流路を狭めないようになっている。したがって、本実施形態の突部５によれば、圧力損失が大きくなりすぎることを防止することができる。

本熱交換器１では、突部５は比較的上流側に配置されている。そのため、図９に示すように、フィン３の前縁から発達する温度境界層ＢＬは、十分に発達する前（温度境界層ＢＬが厚くなる前）に突部５と衝突することになる。その結果、突部５における温度境界層は薄くなり、突部５の熱伝達率は高くなる。すなわち、本熱交換器１によれば、突部５が上流側に配置されているので、突部５の熱伝達率を向上させることができ、この点においても伝熱性能の向上を図ることができる。

また、本熱交換器１によれば、突部５の等価直径ｄは伝熱管２の外径Ｄ以上であり、突部５は比較的大きく形成されている。そのため、比較的大きな規模で流れ方向を変更させることができる。したがって、空気の流速が比較的小さい場合（例えば、前面風速が２ｍ／ｓ未満）や特に小さい場合（例えば、前面風速が１ｍ／ｓ未満）であっても、伝熱管２の後方に空気を良好に誘導することができる。本熱交換器１によれば、層流状態の気流に対しても、良好な伝熱特性を発揮することができる。また、このように突部５が比較的大きく形成されているので、突部５と伝熱管２との間において空気を局所的に大きく加速させることができ、熱伝達率を向上させることができる。

なお、突部５を大きくする観点からは、フィン３の全体（ただし、伝熱管断面積部分を除く）に占める突部５の占有面積をある程度大きくすることが好ましい。そこで、突部５の占有面積は、例えば、前述のシミュレーションモデルにおける占有面積（３０％）以上、かつ、伝熱管３の間に突部５を配置できる最大の値（例えば、７５％）未満であってもよい。また、より望ましくは、表１に示すように４３％以上で、かつ、７３％以下の占有面積であれば、α／ΔＰの値が１以上となり、適切である。

また、本実施形態では、突部５は四角錐状に形成されているので、第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂにおいて、空気の流れ方向を比較的急激に変更させることができる。そのため、空気を伝熱管２の後方により効率的に導くことができる。

また、本実施形態では、フィンの表面全体が平らな場合と比較すると、突部５の分だけフィン３の表面積が大きくなっている。したがって、伝熱面積の拡大により、熱交換量を増加させることができる。なお、伝熱面積の増加量は特に限定される訳ではないが、例えば３〜５％である。

なお、本熱交換器１が空気を冷却する冷却器（例えば、冷凍サイクル装置の蒸発器等）として用いられた場合には、フィン３の表面に結露が生じることがある。また、本熱交換器１が寒冷地における室外機等に設けられた場合、フィン３の表面に着霜が生じることがある。ところが、本熱交換器１によれば、フィン３の突部５以外の部分は、表面が平らである。そのため、いわゆるスリットフィンと比べて、結露水またはデフロスト後の水滴はフィン３の表面に滞留しにくく、速やかに流れ落ちやすい。したがって、本熱交換器１は、冷却器としても優れた効果を発揮する。

本実施形態では、突部５はフィン３の一方の面から突出していたが、一部の突部５をフィン３の一方の面から突出させ、他の突部５をフィン３の他方の面から突出させるようにすることも可能である。例えば、列方向に並ぶ複数の突部５を、フィン３の表側および裏側に交互に突出させるようにしてもよい。

突部５の気流方向長さは、特に限定される訳ではない。例えば、フィン３の気流方向長さが３６ｍｍの場合、突部５の長さを４．５ｍｍ以上かつ３６ｍｍ未満に設定してもよい。

また、突部５の形状は、四角錐状に限定される訳ではない。空気Ａを第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂに導く効果や死水域の生成を阻止する効果など、本明細書に示す有意な効果が得られるものであれば、突部５の形状が三角錐状のような他の角錐状であってもよい。

また、図１３に示すようなフィン４３も実施形態１のフィンの一変形例として提案することができる。図１３に示すフィン４３の突部４５は、フィン４３を平面視した場合に観察される外形４５ｓがひし形を示すものである。突部４５は、４つの傾斜面から構成される四角錐状であることが好ましい。突部４５の向きは、ひし形の外形４５ｓの２つの対角線のうち、長い対角線がＸ方向に平行、かつ短い対角線がＺ方向に平行となるように定められている。突部４５のその他の構成については、実施形態１の突部５と共通である。

さらに、以下の実施形態で説明する他の形状の突部も好適に採用できる。

（実施形態２）
図１０および図１１に示すように、本実施形態のフィン１３は、突部１５が円錐状に形成されたものである。本実施形態では、突部１５には明確な稜線が存在しない。しかし、上流端８ａから頂点１１に向かってＸ方向に延びる仮想線７ａと、頂点１１を通ってＺ方向に延びる仮想線７ｂとを仮定すると、仮想線７ａと仮想線７ｂとの間には、空気を第１伝熱管２Ａ側に導く第１傾斜面６ａと、空気を第２伝熱管２Ｂ側に導く第２傾斜面６ｂとが形成されている。

本実施形態においても、突部１５の幅は、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。突部１５の上流端８ａは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側に位置している。突部１５の中途部８ｂは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。突部１５の直径ｄは、伝熱管２の直径Ｄ以上である。

なお、突部１５の高さは、フィンピッチよりも大きくてもよく、小さくてもよい。また、突部１５の高さは、フィンピッチと等しくてよい。

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、実施形態１と同様、伝熱管２の後方の死水域の面積が小さくなる。したがって、伝熱特性の向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂは曲面であり、それぞれ第１伝熱管２Ａ側および第２伝熱管２Ｂ側に向かって、空気を比較的穏やかに誘導することができる。

（実施形態３）
図１２に示すように、実施形態３に係るフィン２３は、突部２５が楕円錐状に形成されているものである。ここでは、楕円率（長軸と短軸との比）は、約２に設定されている。ただし、突部２５の楕円率は特に限定される訳ではない。楕円率は、１よりも大きくかつ２以下であってもよく、０．５以上かつ１未満であってもよい。突部２５は、Ｘ方向に細長い楕円錐状であってもよく、Ｚ方向に細長い楕円錐状であってもよい。

本実施形態においても、突部２５には明確な稜線は存在しない。しかし、実施形態２と同様、上流端８ａから頂点１１に向かってＸ方向に延びる仮想線７ａと、頂点１１を通ってＺ方向に延びる仮想線７ｂとを仮定すると、仮想線７ａと仮想線７ｂとの間には、空気を第１伝熱管２Ａ側に導く第１傾斜面６ａと、空気を第２伝熱管２Ｂ側に導く第２傾斜面６ｂとが形成されている。

本実施形態においても、突部２５の幅は、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。突部２５の上流端８ａは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側に位置している。突部２５の中途部８ｂは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。突部２５の等価直径ｄは、伝熱管２の直径Ｄ以上である。また、突部２５の高さは、フィンピッチよりも大きくてもよく、小さくてもよく、フィンピッチと等しくてよい。

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、実施形態１と同様、伝熱管２の後方の死水域の面積が小さくなり、伝熱特性の向上を図ることができる。また、実施形態２と同様、第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂは曲面であり、それぞれ第１伝熱管２Ａ側および第２伝熱管２Ｂ側に向かって、空気を比較的穏やかに誘導することができる。さらに、本実施形態によれば、突部２５の楕円率を適宜変更することにより、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂに対する空気の誘導度合いを適宜に設定することができる。したがって、熱交換器１の使用条件に応じて突部２５の楕円率を適宜に設定することにより、伝熱特性のより一層の好適化または最適化を図ることができる。

次に、突部が円丘状または楕円丘状に形成されているフィンの実施形態について説明する。

（実施形態４）
図１４は、実施形態４に係るフィンの平面図である。フィン３０の表面には、楕円丘の形状を有する突部３５が形成されている。突部３５は、フィン３０の一方の面から全て同じ方向に突出するとともに、同じ列の隣り合う２本の伝熱管である第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に位置している。つまり、伝熱管２と突部３５が列方向に交互に現れる。突部３５をフィン３０と平行な仮想平面に正射影すると、その仮想平面に現れる像は楕円形である。また、その仮想平面に現れる突部３５の像の面積は、長さ方向に直交する径方向に切断したときの伝熱管２の断面積よりも大きい。言い換えれば、主面に垂直な高さ方向（Ｙ方向）からフィン３０を平面視したときの平面図である図１４において、突部３５の外形５ｓは楕円形であるとともに、その等価直径ｄ（πｄ²／４＝Ｓ（面積）で定義されるｄ）が、伝熱管２の外径Ｄよりも大である。例えば、楕円形をなす外形５ｓの長径ｄ₁が伝熱管２の外径Ｄよりも大、その長径ｄ₁に対して短径ｄ₂がｄ₂≦ｄ₁≦２ｄ₂の範囲内となるように、突部３５の大きさを調整することができる。なお、伝熱管２の上記断面積は、伝熱管２を配置するためにフィン３０に形成されている貫通孔３ｈの開口面積に一致する。

また、図１４に示すように、突部３５は、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に１つのみ形成されている。つまり、列方向に沿って突部３５と貫通孔３ｈが交互に形成されている。突部３５の配置は、貫通孔３ｈの間を縫うような千鳥状である。例えば、特開平７−２３９１９６号公報で開示されているように、隣り合う２本の伝熱管の間に多数の小さい突部を形成する場合、加工上の問題から突部の高さを稼ぐことが困難である。そして、そのような小さい突部は、空気Ａを誘導する作用が弱い。また、高さが不十分な突部は、未加工の平板に対する伝熱面積の増加率も低く、境界層の発達を抑制する作用もあまり期待できない。これに対し、本実施形態の突部３５によれば、高さＨを十分に稼ぐことができるので、空気Ａを伝熱管に向けて誘導する作用が強い。また、未加工の平板に対する伝熱面積の増加率を比較的容易に高くすることが可能であるとともに、境界層の発達を抑制する作用も強く、伝熱性能の向上を十分に期待できる。

また、先に説明したように、伝熱管２は、フィン３０の前縁３０ｐ寄りの前列と、その前列と平行な後列との前後２列に千鳥状に配置されている。前列に配置された隣り合う２本の伝熱管２，２の間に形成されている突部３５と同一形状および同一寸法を有する他の突部３５が、後列に配置された隣り合う２本の伝熱管２，２の間にも形成されている。これにより、前列同様、後列でも熱伝達率の向上効果を期待できる。

突部３５の位置や向きは、次のように定めることが好ましい。図１４に示すように、フィン３０の主面および列方向に直交する方向（Ｘ方向）における突部３５の上流端５ｆは、伝熱管２Ａ，２Ｂの上流端２ｆよりもフィン３０の前縁３０ｐ（上流側の外縁）寄りに位置している。このようにすれば、フィン３０の前縁３０ｐに差し掛かった空気Ａを、いち早く伝熱管２に向けて誘導することができ、伝熱性能の向上に有利である。他方、突部３５の下流端５ｅは、伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃ１，Ｃ２よりもフィン３０の前縁３０ｐから離れている、つまり、空気Ａの流れ方向の下流側に位置している。このようにすれば、フィン３０の主面上を流れる空気Ａを伝熱管２Ａ，２Ｂの後方に効率よく誘導することができ、熱伝達に寄与しない死水域が形成されることを抑制できる。好ましくは、本実施形態のように、突部３５の下流端５ｅが、伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも空気Ａの流れ方向の下流側に位置していることである。

また、外形５ｓが楕円形の突部３５は、楕円の短軸が、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂの並ぶ列方向（Ｚ方向）に平行となるように、向きが定められている。つまり、空気Ａの流れ方向と楕円の長軸とが平行である。このようにすれば、突部３５の左右に空気Ａをよりスムーズに誘導することができ、突部３５を形成したことによる圧力損失の増大の程度を小さくすることができる。もちろん、楕円の長軸が列方向に平行となる向きとすることも可能である。

また、突部３５は、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２から等距離となる位置に形成されている。すなわち、突部３５は、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２を最短距離で結ぶ線分Ｃ１Ｃ２を垂直二等分する仮想平面ＭＤに、当該突部３５を正射影した平面における楕円形の像の長軸が含まれるように、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂに対する位置が定められている。このようにすれば、突部３５と第１伝熱管２Ａとの間の平坦領域、および突部３５と第２伝熱管２Ｂとの間の平坦領域の双方に均一に空気Ａを流すことができる。つまり、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂの双方を等しく熱伝達に寄与させることが可能となり、こうした場合にフィンチューブ型熱交換器１の伝熱性能を最大化することができる。

図１５に示すように、突部３５の高さＨは、フィン３０の厚さ方向に関する中心間距離であるフィンピッチをＦＰとしたとき、（ＦＰ／４）≦Ｈ≦ＦＰを満足するように調整されている。各フィン３０は、突部３５の形成されている位置が高さ方向で一致するように並べられている。突部３５の高さＨがフィンピッチＦＰよりも小さければ、上流側から下流側を見たときに、隣り合う一方のフィン３０と他方のフィン３０との間に、Ｘ方向に真っ直ぐ延びる間隙Ｇが形成される。そのため、圧力損失を低減させる観点からは、突部３５の高さＨはフィンピッチＦＰよりも小さい方が好ましい。他方、伝熱面積を稼いで伝熱性能を向上させる観点からは、突部３５の高さＨを大きくすることが好ましい。このように、伝熱性能と圧力損失はトレードオフの関係にあるが、上記範囲内で突部３５の高さＨを調整することにより、圧力損失の増大を極力抑制しつつ、伝熱特性を向上させる効果を最大限に得ることができる。

また、突部３５は、その頂点ＴＰ₁に向かって高さＨが単調増加している。頂点ＴＰ₁は、当該突部３５を平面視したとき、楕円の中心に一致する。このような形状とすれば、空気Ａが頂点ＴＰ₁に向かってスムーズに流れるので、圧力損失の増大を抑制することができる。

突部３５の表面形状については、いくつかの好ましい例を挙げることができる。まず、図１５に示すフィン３０の断面図は、当該フィン３０の平坦領域での主面に垂直かつ突部３５の長軸を含むＸＹ断面を表している。ＸＹ断面は、空気Ａの流れ方向に平行かつフィン３０の主面に垂直な断面でもある。このＸＹ断面で表面５ｐ（外周面）が曲線を描くように、突部３５の形状を調整することができる。その曲線は、例えば正弦曲線である。図１６Ａに示す具体例において、上記ＸＹ断面で突部３５の表面５ｐは、Ｙ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−９０°≦Ｘ≦９０°｝で表される正弦曲線を描く。

また、図１６Ｂに示すように、表面５ｐがＸＹ断面でＹ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−１８０°≦Ｘ≦１８０°｝で表される正弦曲線を描くように、突部３５の形状を調整してもよい。すなわち、突部３５の表面５ｐは、上流端５ｆに対応する−１８０°の位置でフィン３０の平坦領域の主面に連続的につながる。このような表面形状であれば、突部３５に乗り上げるように流れる空気Ａの流速が低下しにくく、突部３５の高さＨを稼ぎつつも圧力損失の増大を食い止めることができる。

曲がり方の度合いを連続的にすることができる他の曲線としてクロソイド曲線があり、このクロソイド曲線を突部３５の表面形状に採用することが可能である。すなわち、突部３５は、上記ＸＹ断面で表面５ｐがクロソイド曲線を描くように、その形状を調整することができる。図１７Ａにクロソイド曲線を示す。

一般に、曲線の曲がり具合は、曲率円で表される。曲がり具合が飛躍することなく、連続して小から大へ、あるいは大から小へと変化する曲線は、高速道路の線形に最適である。そのような曲線の最たる例が“クロソイド”である。クロソイドの曲率円の半径ｒは、曲線上の道のり（図１７Ａでは原点からの距離ｓ）に反比例する。すなわち、下記の極方程式（１）によって定義される曲線がクロソイドである。
ｒ＝ａ²／ｓ （ａ：定数） ・・・（１）

ＸＹ断面で表面５ｐがクロソイド曲線を描くようにするといっても、単一のクロソイド曲線は突部３５の表面５ｐに適合しない。したがって、ＸＹ断面に現れる表面５ｐのうち、上流端５ｆから頂点ＴＰ₁に至る登り区間を複数区間に分割し、それら分割された区間の各々がクロソイド曲線で描かれるように、突部３５の形状を調整することができる。区間の境界において、曲率円の半径が連続的に変化するように調整を行うとよい。頂点ＴＰ₁から下流端５ｅに至る下り区間は、登り区間と対称にすればよい。このようにすれば、ＸＹ断面で表面５ｐの全部がクロソイド曲線を描くこととなる。

あるいは、表面５ｐの一部がクロソイド曲線、残部が円弧等の他の曲線を描くように、突部３５の形状を調整してもよい。例えば、図１７ＢのＸＹ断面に示すように、クロソイド曲線の導入区間を５合目まで、つまり、上流端５ｆに対応する位置から高さＨの半分に対応する位置までとする。５合目から１０合目まで、つまり、高さＨの半分に対応する位置から頂点ＴＰ₁を含む上半分は、円弧を描くようにする。フィン３０の平坦領域と突部３５の裾が緩やかに接続してさえいれば、上流端５ｆに空気Ａが差し掛かったとき、その上流端５ｆで流速が急激に低下することを抑制する効果は得られる。また、図１７Ｂに示すクロソイド曲線の区間が他の緩和曲線（曲率円の半径が連続的に変化する曲線）、例えば、先に説明した正弦曲線や三次放物線であってもよい。

もちろん、上記ＸＹ断面において表面５ｐの描く曲線が、上流端５ｆと頂点ＴＰ₁との間で変曲点を含まないように、突部３５の形状を調整する場合の利点もある。変曲点を含む場合（図１６Ｂ）は性能に優れるが、変曲点を含まない場合（図１６Ａ）はプレスしやすい、すなわち作製が容易という利点がある。例えば、上記ＸＹ断面で、突部３５の表面５ｐは、上流端５ｆに対応する位置から頂点ＴＰ₁を経て下流端５ｅに至るまでの全区間が円弧で表されるものであってもよい。

また、当該フィン３０の主面に垂直かつ短軸を含む断面、つまり、ＹＺ断面で表面５ｐが正弦曲線やクロソイド曲線等の緩和曲線を描くように、突部３５の形状を調整することが望ましい。より好ましくは、当該フィン３０の主面に垂直かつ頂点ＴＰ₁を含む任意の断面で表面５ｐが緩和曲線を描くように、突部３５の形状を調整することである。このようにすれば、流速の低下を抑制する効果を最大限に得ることができるとともに、突部３５に差し掛かった空気Ａを伝熱管２に向けてよりスムーズに誘導できる。

このように、突部３５の形状は、フィン３０の主面に垂直かつ楕円の短軸または長軸を含む断面で、上流端５ｆと頂点ＴＰ₁との間で変曲点を含む曲線を表面５ｐが描くように調整することができる。そのようにすれば、突部３５での流速低下を抑制する効果を期待できる。フィン３０の主面に垂直かつ頂点ＴＰ₁を含む任意の断面で、表面５ｐが変曲点を含む曲線を描くように、突部３５の形状を調整することも可能である。

他方、変曲点を含まない曲線を表面５ｐが描くようにすれば、フィン３０の作製が容易である。すなわち、フィン３０の主面に垂直かつ頂点ＴＰ₁を含む任意の断面で、表面５ｐが変曲点を含まない曲線を描くように、突部３５の形状を調整することができる。

次に、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器１の作用を説明する。
図１８に示すように、フィン３０の前縁３０ｐに到達した空気Ａは、フィン３０の主面に平行かつ長手方向に直交する方向からフィン３０の主面上、つまり、フィンチューブ型熱交換器１に案内される。フィン３０を貫通するように伝熱管２が配置されているので、空気Ａは、伝熱管２を避けて流れる。また、フィン３０には、突部３５が形成されているので、空気Ａは、突部３５を避けて流れる傾向を示す。換言すれば、突部３５は、空気Ａを伝熱管２に向けて誘導する。この結果、突部３５と伝熱管２との間に流速が高められた空気の流れＡＦが作り出される。流速が増すと、熱伝達率が高まる。特に、図１８中に破線で示される伝熱管２の側面付近での熱伝達率が高まるので、伝熱管２の中を流れる冷媒の熱を効率よく空気Ａに移動させることが可能となる。あわせて、空気Ａが突部３５の上流端５ｆに当たることによる前縁効果と、突部３５での境界層の発達を抑制する効果と、空気が伝熱管２の後方に向かって流れることによる死水域ＤＳの低減効果とに基づき、フィンチューブ型熱交換器１の伝熱性能が高まる。また、突部３５は、既に説明したように、圧力損失の増大を可能な限り抑制する形状に調整されている。本発明者らが行った計算機シミュレーションの結果によれば、従来のコルゲートフィンを用いた熱交換器の圧力損失を１とすると、本実施形態の熱交換器の圧力損失は０．９１と、約１０％小さい。

一方、本発明と比較するために、図１９に示すように、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に楕円丘の形状を有する２つの突部２０５ａ，２０５ｂが形成されているフィン２０３を考える。各突部２０５ａ，２０５ｂの等価直径（面積が等しい円に換算したときのその円の直径）は、伝熱管２の外径Ｄよりも小さい。一方の突部２０５ａは、第１伝熱管２Ａに向けて空気Ａを誘導し、当該突部２０５ａと第１伝熱管２Ａとの間に流速が高められた空気の流れＡＦ₁を作り出す。同様に、他方の突部２０５ｂは、第２伝熱管２Ｂに向けて空気Ａを誘導し、当該突部２０５ｂと第２伝熱管２Ｂとの間に流速が高められた空気の流れＡＦ₂を作り出す。さらに、一方の突部２０５ａと他方の突部２０５ｂの間にも流速が高められた空気の流れＡＦ₃が作り出される。

ところが、突部２０５ａと突部２０５ｂとの間の空気の流れＡＦ₃は、伝熱管２Ａ，２Ｂから比較的離れた位置の流れであるため、伝熱管２Ａ，２Ｂの近傍の流れＡＦ₁，ＡＦ₂と比べると伝熱性能の向上に対する貢献度は小さい。そうだとすれば、２つの突部２０５ａ，２０５ｂを形成するよりも、本発明のように、大きい寸法の突部３５を形成した方が効果的であると考えられる。

（実施形態５）
フィンチューブ型熱交換器１には、図２０の平面図に示すフィン３１を好適に採用することができる。伝熱管２の配置や寸法等は、実施形態４と共通である。相違点は、楕円丘の形状を有する突部３５に代えて、円丘の形状を有する突部５１を採用した点である。

図２０に示すように、フィン３１の表面に形成されている突部５１は、平面視で外形５１ｓが円形である。つまり、突部５１をフィン３１と平行な仮想平面に正射影すると、その仮想平面に現れる像は円形である。また、突部５１の外形５１ｓが描く円の直径ｄ₃は、伝熱管２の外径Ｄよりも大きい。

円丘の形状を有する突部５１は、楕円丘の形状を有する突部３５（図１４）のように向きが問題とならないが、位置は楕円丘の場合と同様に定めることができる。すなわち、突部５１は、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２から等距離となる位置に形成することができる。具体的には、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２とを最短距離で結ぶ線分Ｃ１Ｃ２を垂直二等分する仮想平面ＭＤに頂点ＴＰ₂が重なるように、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂに対する突部５１の位置を定めることができる。さらに、突部５１の上流端５１ｆが伝熱管２の上流端２ｆよりも上流側に位置し、下流端５１ｅが伝熱管２の下流端２ｅよりも下流側に位置することが好ましい。こうした点は、実施形態４で説明した突部３５の場合と共通である。

また、突部５１の高さや表面形状についても、実施形態４で説明した突部３５の場合と同様であり、例えば、ＸＹ断面で表面５１ｐが正弦曲線（図１６Ａ，図１６Ｂ）やクロソイド曲線（図１７Ｂ）等の緩和曲線を描くように、突部５１の形状を調整することができる。また、上流端５１ｆと頂点ＴＰ₂との間で変曲点を含む曲線を表面５１ｐが描くように、突部５１の形状を調整することができる。もちろん、表面５１ｐの描く曲線が、上流端５１ｆと頂点ＴＰ₂との間で変曲点を含まないようにしてもよい。

なお、実施形態４および５においても、実施形態１と同様に、突部３５，５１の上流端５ｆ，５１ｆからＸ方向に延びる仮想線と、突部３５，５１の頂点ＴＰ₁，ＴＰ₂を通ってＺ方向に延びる仮想線とを仮定すると、両仮想線の間には、空気を第１伝熱管２Ａ側に導く第１傾斜面と、空気を第２伝熱管２Ｂ側に導く第２傾斜面とが形成されている。

図１４および図２０に示すように、突部３５，５１の幅は、上流端５ｆ，５１ｆから中途部５ｂ，５１ｂまでは増加し、中途部５ｂ，５１ｂから下流端５ｅ，５１ｅまでは減少している。突部３５，５１の上流端５ｆ，５１ｆは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃ１，Ｃ２よりも上流側に位置している。突部３５，５１の中途部５ｂ，５１ｂは、各伝熱管２ａ，２ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。突部３５，５１の等価直径ｄは、伝熱管２の直径Ｄ以上である。また、突部３５，５１の高さは、フィンピッチよりも大きくてもよく、小さくてもよく、フィンピッチと等しくてよい。こうした構成により、実施形態１と同様の効果が得られる。

（実施形態６）
フィンチューブ型熱交換器１には、図２１の平面図に示すフィン３２を好適に採用することができる。伝熱管２の配置や寸法等は、実施形態４と共通である。相違点は、前列に形成されている突部３５と、後列に形成されている他の突部３５との間に、それら突部３５，３５よりも表面積が小さい第２の突部５３が形成されている点である。厳密に言えば、主面に垂直な高さ方向（Ｙ方向）からフィン３２を平面視したときの平面図である図２１において、第２の突部５３の直径ｄ₄は、伝熱管２の外径Ｄよりも小さい。また、第２の突部５３は、前列および後列の突部３５，３５と同じ方向に突出している。

実施形態４に係るフィン３０（図１４）によれば、前列の突部３５と後列の突部３５との間に若干のスペースが生ずる。この若干のスペースに第２の突部５３を形成すれば、伝熱面積は拡大する。特に、第２の突部５３が形成されている領域は、前列の突部３５の作用により流速が高められた空気Ａの通り道となっているので、第２の突部５３に流速が高められた空気Ａを積極的に当てることにより、伝熱性能のさらなる向上を図ることが可能である。このような第２の突部５３は、本実施形態のように円丘の形状を有するものであってもよいし、楕円丘の形状を有するものであってもよい。

また、図２２に示すように、楕円丘の突部３５に代えて、円丘状の突部５１，５１が前列および後列に形成され、前列の突部５１と後列の突部５１との間に、それら突部５１，５１よりも表面積が小さい第２の突部５３が形成されたフィン３３も上記と同様の理由で好適である。

（実施形態７）
実施形態４〜６で説明した突部３５，５１，５３は、全て同一方向に突出するように形成されている。ただし、実施形態１でも触れたように、このことは必須ではない。すなわち、図２３Ａおよび図２３Ｂに示すように、第１主面３４ｊ側（フィン３４の表側）に突出する突部３５と、第２主面３４ｋ側（フィン３４の裏側）に突出する突部３５’とが混在して形成されているフィン３４を、フィンチューブ型熱交換器１のフィンとして好適に採用することができる。

上記のように突出方向が異なる突部３５，３５’を混在して形成すると、次のような効果がある。まず、突出方向が全て同一である突部が形成されたフィンを製造するには、金属板を所定の大きさに切断する工程と、伝熱管を配置するための貫通孔を穿孔する工程と、プレス加工により金属板に突部を形成する工程とを行う。突部の突出方向が一方向に限られる場合、突部を形成する工程で金属板が歪んで、最終的に得られるフィンに反りが生ずる。このような反りが生じていると、熱交換器を組み立てる際に、フィンピッチが不均一となったり、貫通孔の位置ズレが生じて伝熱管をスムーズに挿入できなかったりする場合がある。

これに対し、突出方向の異なる突部３５，３５’が形成されたフィン３４を製造するには、フィン３４となる金属板を両面からプレス加工する。両面からプレス加工することにより、表裏で歪みをバランスさせることができ、反りの発生を防止することができる。

なお、突部３５，３５’は、突出方向を異ならせる以外、寸法や位置については実施形態４で説明した通りとすることができる。また、これらの突部３５，３５’は、同数かつ列方向に交互に形成されていることが好ましい。そうした場合に、高い反り防止効果を得ることができる。もちろん、このような構成を他の全ての実施形態と組み合わせてもよい。

さらに、図２４Ａおよび図２４Ｂに示すフィン３６も、フィンチューブ型熱交換器１のフィンとして好適に採用することができる。フィン３６は、図２１で説明したフィン３２を応用したものであり、前列の突部３５と後列の突部３５との間に形成されている第２の突部５３’の突出方向が、前後の大きい突部３５，３５の突出方向と逆になっている。大きい突部３５，３５は、全てフィン３６の第１主面３６ｊ側に突出するように形成され、小さい第２の突部５３’がフィン３６の第２主面３６ｋ側に突出するように形成されている。このようにしても、反り防止効果は十分に得られる。

実施形態１〜７は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、自由に組み合わせて実施することができる。例えば、図２１等で説明した第２の突部５３については、他の全ての実施形態に適用可能である。

以上に説明したフィンチューブ型熱交換器１は、空気や水等の対象を加熱または冷却するヒートポンプ装置に適用することができる。図２５に示すように、ヒートポンプ装置７０は、冷媒を圧縮する圧縮機７１と、圧縮機７１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器７２と、放熱器７２で放熱した冷媒を膨張させる膨張弁７３と、膨張弁７３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器７４とを備えている。圧縮機７１、放熱器７２、膨張弁７３および蒸発器７４が配管７５によって接続され、冷媒回路が形成されている。膨張弁７３に代えて、容積式の膨張機を採用してもよい。放熱器７２および蒸発器７４は、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を含むものとして構成することができる。

上記ヒートポンプ装置７０は、図２６に示すように、空気調和装置８０や給湯機９０に応用することができる。例えば、ヒートポンプ式の空気調和装置８０は、室内に配置されるべき室内ユニット８１と、その室内ユニット８１とともに冷媒回路を形成する、室外に配置されるべき室外ユニット８２とを備える。この空気調和装置８０は、冷暖房の機能を有し、冷房時と暖房時とで冷媒の循環方向が逆転する。冷房時は、室内ユニット８１を構成する熱交換器が蒸発器となり、室外ユニット８２を構成する熱交換器が放熱器となる。暖房時は、室内ユニット８１を構成する熱交換器が放熱器となり、室外ユニット８２を構成する熱交換器が蒸発器となる。暖房時における着霜の問題を考慮すると、室外ユニット８２用の熱交換器に、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を好適に採用することができる。暖房機能を使用する場合、室外ユニット８２を構成する熱交換器はヒートポンプ装置７０の蒸発器７４として働くので、特に冬場には着霜しやすい。しかしながら、本発明のフィンチューブ型熱交換器１によれば、図３７で説明したような切り起こしが形成されているわけではないから、着霜が原因でフィンに目詰まりを起こし、熱交換効率が大幅に低下するといった問題も生じない。

また、図２６に示すように、ヒートポンプ式の給湯機９０は、ヒートポンプユニット９１および貯湯タンクユニット９２を備える。ヒートポンプユニット９１は、水を温める役割を担う熱交換器７３と、戸外から熱を集める熱交換器７４とを含む。後者の熱交換器７４に、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を好適に採用できる。

図２０に示すフィンを用いたフィンチューブ型熱交換器の特性を計算機シミュレーションで調べた。具体的には、円丘の形状を有する突部を形成したフィンを用いた熱交換器（実施例１〜３）について、計算機シミュレーションを行った。また、コルゲートフィンを用いた従来の熱交換器（比較例１）についても同様の計算機シミュレーションを行った。計算機シミュレーションによって調べた特性は、空気の流速、ヌッセルト数、熱伝達率および圧力損失である。なお、計算機シミュレーションは、フルーエント・アジアパシフィック社製“Fluent Ver.6”を用い、下記条件にて実施した。

＜実施例１〜３および比較例１に共通の条件＞
フィンサイズ：１６．９４ｍｍ（空気の流れ方向）×７．６５ｍｍ（列方向）
フィン厚み：０．１ｍｍ
フィンピッチ：１．０６ｍｍ
伝熱管の外径：５．０ｍｍ
伝熱管の内径：４．０ｍｍ
前面風速Ｖair：１ｍ／ｓｅｃ

＜実施例１の条件＞
突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による円丘
突部の直径：６．０ｍｍ
突部の高さ：１．０ｍｍ

＜実施例２の条件＞
突部の形状：ｃｏｓ曲線（−１８０°≦Ｘ≦１８０°）による円丘
突部の直径：６．０ｍｍ
突部の高さ：１．０ｍｍ

＜実施例３の条件＞
突部の形状：クロソイド曲線による円丘
突部の直径：６．０ｍｍ
突部の高さ：１．０ｍｍ

＜比較例１の条件＞
形状：コルゲート
稜と谷の高低差：１．０ｍｍ

実施例１〜３および比較例１の計算機シミュレーションの結果を、図２７〜図３０および表２に示す。図２７が実施例１、図２８が実施例２、図２９が実施例３、図３０が比較例１の結果である。図２７〜図３０は、それぞれ、Ａ図がヌッセルト数分布、Ｂ図が流速分布を示している。図中の白抜き矢印は、空気の流れ方向を示している。

まず、図３０Ａから分かるように、コルゲートフィンを用いた比較例１の熱交換器では、ヌッセルト数の大きい領域がフィンの前縁や伝熱管の近傍に限定されている。これに対し、実施例１〜３の熱交換器では、図２７Ａ〜図２９Ａから分かるように、ヌッセルト数の大きい領域がフィンの前縁や伝熱管の近傍だけでなく、突部の表面にも拡大している。こうした事実は、実施例１〜３の熱交換器の熱伝達率が、コルゲートフィンを用いた熱交換器の熱伝達率よりも高いという、表２に示す結果と結びつく。ヌッセルト数は、熱伝達率に比例する数値であり、ヌッセルト数が大きければ大きいほど熱伝達率が高いことを意味する。

また、図３０Ｂから分かるように、コルゲートフィンを用いた比較例１の熱交換器では、稜を跨ぐような形で伝熱管の近傍に流速の大きい領域が分布している。このような流速分布は、ヌッセルト数の大きい領域を下流側に拡大する効果をもたらしていると考えられる。こうした点は、実施例１〜３の結果と一致する。すなわち、図２７Ｂ〜図２９Ｂから分かるように、実施例１〜３の熱交換器においても、伝熱管と突部との間に流速の大きい領域が分布する。また、伝熱管の後方に空気が十分回り込んでいるという点についても、実施例１〜３と比較例１とで概ね一致する。

なお、各Ｂ図の流束分布は、フィンとフィンとの中間位置での値である。コルゲートフィンと本発明のフィンとは、フィンピッチが等しい場合、流速分布に顕著な差が出てこない。しかしながら、伝熱性能を向上させる要因は、主に、フィン表面の境界層が薄いこと、および伝熱管の周りの流速が大きいことである。この２つの要因は、ヌッセルト数分布に現れている。

このように、本発明に係る熱交換器によれば、突部の表面で境界層が薄くなること、さらには、突部と伝熱管との間の流速が高まることにより、コルゲートフィンを用いた熱交換器よりも優れた熱伝達率を達成することができる。しかも、表２に示すように、実施例１〜３の熱交換器は、いずれも、コルゲートフィンを用いた従来の熱交換器よりも小さい圧力損失を持つ。

次に、図１４に示すフィンを用いた熱交換器（実施例４）、図２２に示すフィンを用いた熱交換器（実施例５）、および第２のコルゲートフィンを用いた熱交換器（比較例２）について、下記条件にて同様の計算機シミュレーションを行った。

＜実施例４，５および比較例２に共通の条件＞
フィンサイズ：２７．０ｍｍ（空気の流れ方向）×１０．５ｍｍ（列方向）
フィン厚み：０．１ｍｍ
フィンピッチ：１．４９ｍｍ
伝熱管の外径：７．０ｍｍ
伝熱管の内径：５．８ｍｍ
前面風速Ｖair：１ｍ／ｓｅｃ

＜実施例４の条件＞
突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による楕円丘
突部の向き：空気の流れ方向に長軸が平行
突部の長径：１３．０ｍｍ
突部の短径：１０．０ｍｍ
突部の高さ：０．７６５ｍｍ

＜実施例５の条件＞
第１の突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による円丘
第１の突部の直径：１０ｍｍ
第１の突部の高さ：０．７６５ｍｍ
第２の突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による円丘
第２の突部の直径：５．７ｍｍ
第２の突部の高さ：０．７６５ｍｍ

＜比較例２の条件＞
形状：コルゲート
稜と谷の高低差：１．４９ｍｍ

実施例４，５および比較例２の計算機シミュレーションの結果を、図３１〜図３３および表３に示す。図３１が実施例４、図３２が実施例５、図３３が比較例２の結果である。

図３３Ａ，図３３Ｂから分かるように、比較例１と寸法が異なるコルゲートフィンを用いた比較例２の熱交換器に関して言えば、概ね比較例１の熱交換器と同じ傾向を示す。図３１Ａ，図３１Ｂから分かるように、突部の形状が楕円丘であるフィンを用いた実施例４の熱交換器は、実施例１〜３の熱交換器と同じ傾向を示す。表３に示すように、実施例４の熱交換器は、熱伝達率については比較例２の熱交換器と略同等、圧力損失については比較例２の熱交換器よりも優れている。ただし、突部の形状や寸法を調整することにより、実施例１〜３と同程度まで熱伝達率を高めることは十分可能と考えられる。

一方、実施例５の熱交換器によれば、図３２Ａ，図３２Ｂから分かるように、前列の突部（第１の突部）と伝熱管との間に流速の大きい領域が生じるとともに、第２の突部の表面でヌッセルト数が大きくなっている。つまり、第２の突部の表面で境界層を薄くする効果が得られている。表３に示すように、実施例５の熱交換器は、熱伝達率については比較例２の熱交換器と略同等、圧力損失については比較例２の熱交換器よりも優れていた。ただし、第１の突部および／または第２の突部の形状や寸法を調整することにより、実施例１〜３と同程度まで熱伝達率を高めることは十分可能と考えられる。

本発明は、フィンチューブ型熱交換器、熱交換器用フィンおよびヒートポンプ装置に関する。

従来から、空気調和装置、冷凍冷蔵装置、除湿機、給湯機等に、フィンチューブ型熱交換器が用いられている。フィンチューブ型熱交換器は、所定間隔を空けて平行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。

フィンチューブ型熱交換器には、伝熱促進や圧力損失の低減等を目的として、フィン形状に工夫を施したものが知られている。例えば、フィンチューブ型熱交換器では、通常、伝熱管の風下側は、局所的に熱伝達率の低い死水域となる。そこで、死水域の低減を目的として、フィンの表面に突起を設けたフィンチューブ型熱交換器が知られている。

例えば、特開平７−２３９１９６号公報には、表面に微小なディンプルが多数設けられたフィンを用いたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。具体的には、図３４に示すように、フィン１０３上の多数のディンプル１０２によって空気が伝熱管１０１の風下側に誘導され、熱伝達率が向上する旨が記載されている。ただし、各ディンプル１０２が小さいため、空気を伝熱管１０１の風下側に誘導する作用は思ったほど得られず、熱伝達率の向上はあまり期待できない。

特開昭６３−２９４４９４号公報には、フィンの表面に三角錐状の突起を設け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、図３５に示すように、三角錐状の突起１１１は伝熱管１１２の両側に配設されている。特開昭６３−２９４４９４号公報には、これらの突起１１１によって空気が伝熱管１１２の風下側に誘導され、伝熱管１１２の後方において、流れＡは狭い流れＣとなって流速が増加するので、伝熱管１１２の後方では激しい乱流が生じ、その結果、死水域は極めて小さくなる旨が記載されている（特開昭６３−２９４４９４号公報の第４頁右上欄第１７行〜左下欄第１行参照）。

特開昭６３−２９４４９４号公報に開示された熱交換器（図３５参照）では、三角錐状の両突起１１１間において流れが大きく絞られるので、圧力損失が大きくなりやすいという課題があった。また、特開昭６３−２９４４９４号公報に開示された熱交換器は、空気流速が大きい乱流領域で使用されるものであり、乱流の促進効果を狙ったものである。そのため、空気流速が低い層流領域では、必ずしも満足のいく性能を発揮することはできなかった。

特開平６−３００４７４号公報には、フィンの表面に四角錐状の突部を設けたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。図３６に示すように、この熱交換器では、伝熱管１２１の風下側に切起片１２２が形成され、四角錐状の突部１２３は、隣り合う伝熱管１２１の間であって伝熱管１２１よりも風下側に配置されている。特開平６−３００４７４号公報には、突部１２３によって空気が切起片１２２側へ誘導され、伝熱管１２１の風下側の熱伝達率が向上する旨が記載されている（特開平６−３００４７４号公報の第４頁右欄第３０行〜第３６行参照）。

特開平６−３００４７４号公報に開示された熱交換器（図３６参照）では、突部１２３は、伝熱管１２１同士の中心線１２４よりも風下側に配置されていた。そのため、空気の流れ方向は、伝熱管１２１の中心よりも下流側で変更されることになる。ところが、突部１２３は比較的小さなものであるので、空気の流れを急に変更することは困難である。したがって、空気を伝熱管１２１の後方に十分に誘導することは難しかった。

また、特開２００２−９００８５号公報には、図３７に示すように、切り起こし１０６が形成されたフィン１０５を用いたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。このようなフィン１０５は、一般に、スリットフィンと呼ばれている。スリットフィン１０５は、圧力損失の面で若干の不利があるものの、切り起こし１０６の前縁で熱伝達率が局所的に高くなる効果、いわゆる前縁効果により、熱交換器の伝熱性能を大幅に向上させる。ただし、このスリットフィン１０５は、切り起こし１０６に着霜して目詰まりを起こし、熱交換効率の大幅な低下を招来するため、その適用対象が制限される。具体的には、比較的低温の雰囲気で冷媒を蒸発させる蒸発器に適用することが困難である。

ところで、フィンチューブ型熱交換器では、冷媒と流体（例えば空気）との伝熱量を増やすために、流体の速度を上げて熱伝達率を上げようとすると、流体が熱交換器を通過する際の圧力損失も増加し、流体を流すファンに要する動力が過大となることが知られている。すなわち、伝熱性能の指標である熱伝達率と、圧力損失とはトレードオフの関係にある。伝熱性能と圧力損失との両立を試みたフィンチューブ型熱交換器としては、板状フィンを波状に折り曲げたコルゲートフィンを用いた熱交換器が数多く提案されている。

例えば、図３８Ａおよび図３８Ｂは、特開平１−９０９９５号公報に記載されているコルゲートフィンを示している。このコルゲートフィン１０９は、矢印で示される流体の流れ方向に対して、稜１０９ａと谷１０９ｂが交互に現れるように成形されたフィンである。このようなコルゲートフィン１０９は、伝熱性能と圧力損失とのバランスに優れるとともに、着霜による目詰まりの問題も無く、適用対象の制限が無いという利点を持つ。

近年、ヒートアイランド問題、資源問題、地球環境問題などの様々な問題から、給湯機や空調機に応用されるヒートポンプ装置の省エネルギー化に対する要望がますます強くなってきている。ヒートポンプ装置の更なる省エネルギー化には、圧縮機構や膨張機構の改良はもとより、熱交換器の改良が不可欠である。具体的には、コルゲートフィンを用いたものよりも伝熱性能に優れ、かつ低圧力損失のフィンチューブ型熱交換器が求められている。

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、優れた伝熱性能を有しながらも圧力損失が小さいフィンチューブ型熱交換器を提供することにある。また、そのフィンチューブ型熱交換器を備えたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。また、そのフィンチューブ型熱交換器に好適に採用できるフィンを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
第１流体と第２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、
第１流体を流通させるべき空間を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、
複数のフィンを貫通する、第２流体を流通させるべき複数の伝熱管とを備え、
複数の伝熱管は、第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置された第１伝熱管および第２伝熱管を含み、
列方向に関して第１伝熱管と前記第２伝熱管とが互いに隣り合い、
フィンは、第１伝熱管と第２伝熱管との間に形成され、第１流体を第１伝熱管側と第２伝熱管側とに導く突部を有し、
伝熱管の軸方向から見た突部の等価直径は、伝熱管の外径以上である、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

また、本発明は、上記フィンチューブ型熱交換器に用いられるフィンを提供する。

また、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構と、
膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、
蒸発器および放熱器の少なくとも一方が、上記フィンチューブ型熱交換器を含む、ヒートポンプ装置を提供する。

上記本発明のフィンチューブ型熱交換器は、第１伝熱管と第２伝熱管との間に表面積の大きい突部を形成し、フィンの伝熱面積の拡大を図るとともに、温度境界層および速度境界層の発達を抑制することを狙ったものである。伝熱面積の拡大および境界層の発達の抑制により、フィンチューブ型熱交換器の伝熱性能が向上する。さらに、伝熱管の軸方向から見た突部の等価直径は、伝熱管の外径以上である。言い換えれば、複数のフィンと平行な平面に突部を正射影した場合に、その平面に現れる突部の像の面積が伝熱管の断面積以上となる。このような突部によれば、フィンの表面積を十分に稼ぐことができる。また、比較的寸法の大きい突部は、第１伝熱管との間の平坦領域、または第２伝熱管との間の平坦領域で流速を高める強い作用を第１流体に及ぼす。流速が高まると熱伝達率が高まるので好ましい。特に、伝熱管の外周面（伝熱管を包囲するフィンカラーの外周面を含む）のうち、突部に対向する側面部分を熱伝達に十分寄与させることが可能となる。さらに、突部は、伝熱管の後方に第１流体を誘導する。これにより、伝熱管の後方に大きな死水域が生じることが防止され、フィンチューブ型熱交換器の伝熱性能が向上する。

（実施形態１）
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器の全体斜視図である。フィンチューブ型熱交換器１は、第１流体を流通させるべき空間を形成するために、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、フィン３の主面に沿って流れる第１流体と、伝熱管２の内部を流れる第２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の主面に沿って空気Ａが流れ、伝熱管２の内部には冷媒Ｂが流れる。フィン３を貫通する複数の伝熱管２は、冷媒Ｂが順番に流れるように１本につながっている。なお、伝熱管２の内部を流れる流体およびフィン３の主面に沿って流れる流体の種類や状態は、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。また、複数の伝熱管２は、必ずしも１本につながっていなくてもよい。

熱交換器１は、空気Ａの流れ方向（Ｘ方向）がフィン３の積層方向（Ｙ方向）および伝熱管２の列方向（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。なお、本明細書中では、フィン３の主面に垂直な方向である積層方向（Ｙ方向）を高さ方向と定義する。

フィン３は、長方形かつ平板状の形状を有し、図１中に示すＹ方向に沿って並べられている。本実施形態では、フィン３は一定の間隔（フィンピッチ）で並べられている。フィンピッチは、例えば１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。ただし、フィンピッチは必ずしも一定である必要はなく、異なっていてもよい。図３に示すように、フィンピッチＦＰは、隣り合う２つのフィン３，３の厚さ方向に関する中心間距離で表される。フィン３は、例えば、打ち抜き加工された肉厚０．０８〜０．２ｍｍの金属板で構成することができる。金属板は、例えば、アルミニウム製の平板である。フィン３の長手方向に沿って複数の貫通孔３ｈ（図２）が千鳥状に形成され、それら貫通孔３ｈの各々に伝熱管２が嵌め込まれている。なお、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、あるいは撥水性処理が施されていることが好ましい。

図２は、図１の熱交換器に用いられたフィンの平面図である。ただし、伝熱管２については、フィン３の主面（詳しくは、突部５が形成されていない平坦領域での主面）に平行な断面が現れている。図２に示すように、伝熱管２は、フィン３の長手方向に平行な列方向に沿って、前後２列に配置されている。つまり、各列の貫通孔３ｈの中心を結ぶ直線は、フィン３の前縁３０ｐに平行である。１列目の伝熱管２と２列目の伝熱管２とは、Ｚ方向に管ピッチの１／２だけずれている。すなわち、伝熱管２は千鳥状に配置されている。同じ列に属する２本の伝熱管２，２の中心間の最短距離（＝管ピッチ）は、例えば、当該伝熱管２の外径Ｄの２倍〜３倍に設定することができる。伝熱管２の外径Ｄは、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍであり、フィン３に形成されている貫通孔３ｈの開口径に一致する。伝熱管２は、貫通孔３ｈを形成するフィンカラー３ａと密着しており、当該フィンカラー３ａに嵌合されている。このような伝熱管２は、銅や銅合金等の良導性金属で構成された、内面が平滑な平滑管または内面に溝が形成された溝付き管である。

フィン３の表面には、正四角錐状の突部５が形成されている。突部５は、フィン３の一方の面から突出しており、各列の伝熱管２の間にそれぞれ配置されている。本実施形態では、突部５は列方向に隣り合う伝熱管２の間の中間位置に配置されている。Ｙ方向から見たときの突部５の面積、つまり、図２の平面図における突部５の面積は、伝熱管２の面積と同等以上に設定されている。すなわち、突部５の等価直径ｄ（πｄ²／４＝Ｓ（面積）で定義されるｄ）は、伝熱管２の外径Ｄ以上である。具体的には、本実施形態では、突部５の下辺の長さｌが伝熱管２の外径Ｄと等しく、突部５の等価直径ｄは伝熱管２の外径Ｄよりも大きくなっている。なお、符号Ｌは、突部５の気流方向長さ（Ｘ方向長さ）を示している。

突部５のＺ方向の幅は、空気Ａの流れ方向に沿って、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。突部５は、図２の左上側に位置する第１傾斜面６ａと、左下側に位置する第２傾斜面６ｂと、右下側に位置する第３傾斜面６ｃと、右上側に位置する第４傾斜面６ｄとを有している。第１傾斜面６ａと第２傾斜面６ｂとは、Ｘ方向に延びる稜線７ａによって仕切られている。第１傾斜面６ａは、隣り合う一方の伝熱管２Ａ（以下、第１伝熱管という）側に傾斜しており、第２傾斜面６ｂは、他方の伝熱管２Ｂ（以下、第２伝熱管という）側に傾斜している。第１傾斜面６ａと第４傾斜面６ｄとは、Ｚ方向に延びる稜線７ｂによって仕切られている。また、第２傾斜面６ｂと第３傾斜面６ｃも、稜線７ｂによって仕切られている。

本熱交換器１では、突部５は比較的上流側に配置されている。具体的には、突部５の上流端８ａは、各伝熱管２の中心Ｃよりも上流側に位置している。突部５の中途部８ｂは、伝熱管２の下流端２ｅよりも上流側に位置している。言い換えると、突部５の上流端８ａは、伝熱管２の中心Ｃ同士を結んだ線９よりも上流側に位置し、突部５の中途部８ｂは、伝熱管２の下流端２ｅ同士を結んだ線１０よりも上流側に位置している。なお、突部５の下流端８ｃは、伝熱管２の下流端２ｅよりも下流側に位置している。

図３に示すように、本実施形態では、突部５の高さＨはフィンピッチＦＰよりも大きい。そのため、Ｙ方向に隣り合うフィン３同士において、一方のフィン３の突部５の一部は、他方のフィン３の突部５の裏側に入り込んでいる。ただし、突部５の高さＨはフィンピッチＦＰと等しくてもよく、フィンピッチＦＰよりも小さくてもよい。突部５の高さＨは、例えば、フィンピッチＦＰの０．２倍〜２倍であってもよく、フィンピッチＦＰの０．５〜２倍であってもよい。

ただし、図４に示すように、突部５の高さＨがフィンピッチＦＰよりも小さければ、上流側から下流側を見たときに、隣り合うフィン３間に、Ｘ方向に延びる真っ直ぐな間隙Ｇが形成されることになる。そのため、圧力損失を低減させる観点からは、突部５の高さＨはフィンピッチＦＰよりも小さい方が好ましい。伝熱特性の向上および圧力損失の低減の双方のバランスを考慮すると、突部５の高さＨは、フィンピッチＦＰの０．２倍以上（好ましくは０．２５倍以上）かつ１倍未満が好ましい。

次に、本熱交換器１における空気の流れについて説明する。

図５に示すように（図６も参照）、フィン３の前方から流れてきた気流Ａ１は、突部５に衝突する。次に、衝突後の気流の一部Ａ２は、第１傾斜面６ａによって第１伝熱管２Ａ側に誘導され、他の気流Ａ２’は、第２傾斜面６ｂによって第２伝熱管２Ｂ側に誘導される。そして、第１傾斜面６ａに誘導された気流Ａ２は、第１伝熱管２Ａの後方に回り込む。また、第２傾斜面６ｂに誘導された気流Ａ２’は、第２伝熱管２Ｂの後方に回り込む。その結果、フィン３の第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂの後方部分において、熱伝達率の低下が抑制され、死水域の面積が低減される。

次に、いったん第１伝熱管２Ａの後方に回り込んだ気流Ａ３は、２列目の突部５に衝突し、当該突部５の第２傾斜面６ｂによって、２列目の伝熱管２Ｃ側に誘導される。同様に、いったん第２伝熱管２Ｂの後方に回り込んだ気流Ａ３’は、２列目の突部５に衝突し、当該突部５の第１傾斜面６ａによって、上記伝熱管２Ｃ側に誘導される。そして、上記傾斜面６ａ，６ｂによって誘導された気流Ａ４，Ａ４’は、伝熱管２Ｃの後方に回り込む。その結果、フィン３の伝熱管２Ｃの後方部分においても、熱伝達率の低下が抑制され、死水域の面積が低減される。

表１に、従来のコルゲートフィン（フィンを波状に折り曲げたフィン。例えば、特開平１−９０９９５号公報の第１図および第２図参照）を備えたフィンチューブ型熱交換器と、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器（具体的形状は図７参照）とを比較したシミュレーション結果を示す。本シミュレーションにあたっては、フィンの厚みは０．１ｍｍ、フィンピッチは１．５ｍｍ、伝熱管の外径は７．０ｍｍ、前面風速Ｖairは１ｍ／ｓとした。なお、表１中の「円錐フィン」は、後述の実施形態２のフィンチューブ型熱交換器を表している。

熱交換器の性能評価に際しては、熱伝達率αは大きい方が好ましく、圧力損失ΔＰは小さい方が好ましい。すなわち、α／ΔＰが大きい方が好ましい。表１から分かるように、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器では、α／ΔＰは、突部５の気流方向長さＬが長くなるほど大きくなり、突部５の高さＨが高くなるほど小さくなる。すなわち、α／ΔＰは、パラメータＬ／Ｈが大きくなるほど大きくなる。そこで、図８に、パラメータＬ／Ｈを横軸にとり、パラメータα／ΔＰ（従来フィンに対する比率）を縦軸にとったグラフを示す。この図から分かるように、Ｌ／Ｈが５．５よりも大きければ、従来のコルゲートフィン式の熱交換器よりもα／ΔＰの値が高くなることが分かる。したがって、Ｌ／Ｈは５．５よりも大きいことが好ましい。

以上のように、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器１によれば、フィン３は伝熱管２Ａ，２Ｂの間に四角錐状の突部５を有しており、突部５は、空気を一方の伝熱管２Ａ側と他方の伝熱管２Ｂ側とに切り分けるように形成されている。すなわち、突部５には、空気を一方の伝熱管２Ａ側に誘導する第１傾斜面６ａと、空気を他方の伝熱管２Ｂ側に誘導する第２傾斜面６ｂとが形成されている。そして、突部５の上流端８ａは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側に位置している。そのため、空気は、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側で誘導され始めるので、比較的早くから流れ方向を変更し始めることになる。その結果、各伝熱管２Ａ，２Ｂの後方に空気が回り込みやすくなる。したがって、本実施形態によれば、死水域を低減させることができる。

また、突部５において最も幅の広い部分である中途部８ｂは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。このことによっても、空気は各伝熱管２Ａ，２Ｂの後方に回り込みやすくなり、死水域の低減が図られる。

また、本実施形態では、突部５が空気を一方の伝熱管２Ａ側と他方の伝熱管２Ｂ側とに切り分けた後、突部５と各伝熱管２Ａ，２Ｂとの間の空間で空気の流れが加速される。そのため、空気の流れが加速された分だけ、フィン３の熱伝達率が向上する。

また、加速した空気は、下流側に設けた突部５に衝突する。その結果、下流側の突部５において温度境界層が薄くなる。そのため、下流側の突部５における熱伝達率の向上が図られ、ひいてはフィン３全体の熱伝達率が向上する。

また、突部５の幅は、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。そのため、上流端８ａから中途部８ｂに至る部分（第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂ）で空気を各伝熱管２Ａ，２Ｂ側に誘導した後は、空気の流路を狭めないようになっている。したがって、本実施形態の突部５によれば、圧力損失が大きくなりすぎることを防止することができる。

本熱交換器１では、突部５は比較的上流側に配置されている。そのため、図９に示すように、フィン３の前縁から発達する温度境界層ＢＬは、十分に発達する前（温度境界層ＢＬが厚くなる前）に突部５と衝突することになる。その結果、突部５における温度境界層は薄くなり、突部５の熱伝達率は高くなる。すなわち、本熱交換器１によれば、突部５が上流側に配置されているので、突部５の熱伝達率を向上させることができ、この点においても伝熱性能の向上を図ることができる。

また、本熱交換器１によれば、突部５の等価直径ｄは伝熱管２の外径Ｄ以上であり、突部５は比較的大きく形成されている。そのため、比較的大きな規模で流れ方向を変更させることができる。したがって、空気の流速が比較的小さい場合（例えば、前面風速が２ｍ／ｓ未満）や特に小さい場合（例えば、前面風速が１ｍ／ｓ未満）であっても、伝熱管２の後方に空気を良好に誘導することができる。本熱交換器１によれば、層流状態の気流に対しても、良好な伝熱特性を発揮することができる。また、このように突部５が比較的大きく形成されているので、突部５と伝熱管２との間において空気を局所的に大きく加速させることができ、熱伝達率を向上させることができる。

なお、突部５を大きくする観点からは、フィン３の全体（ただし、伝熱管断面積部分を除く）に占める突部５の占有面積をある程度大きくすることが好ましい。そこで、突部５の占有面積は、例えば、前述のシミュレーションモデルにおける占有面積（３０％）以上、かつ、伝熱管３の間に突部５を配置できる最大の値（例えば、７５％）未満であってもよい。また、より望ましくは、表１に示すように４３％以上で、かつ、７３％以下の占有面積であれば、α／ΔＰの値が１以上となり、適切である。

また、本実施形態では、突部５は四角錐状に形成されているので、第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂにおいて、空気の流れ方向を比較的急激に変更させることができる。そのため、空気を伝熱管２の後方により効率的に導くことができる。

また、本実施形態では、フィンの表面全体が平らな場合と比較すると、突部５の分だけフィン３の表面積が大きくなっている。したがって、伝熱面積の拡大により、熱交換量を増加させることができる。なお、伝熱面積の増加量は特に限定される訳ではないが、例えば３〜５％である。

なお、本熱交換器１が空気を冷却する冷却器（例えば、冷凍サイクル装置の蒸発器等）として用いられた場合には、フィン３の表面に結露が生じることがある。また、本熱交換器１が寒冷地における室外機等に設けられた場合、フィン３の表面に着霜が生じることがある。ところが、本熱交換器１によれば、フィン３の突部５以外の部分は、表面が平らである。そのため、いわゆるスリットフィンと比べて、結露水またはデフロスト後の水滴はフィン３の表面に滞留しにくく、速やかに流れ落ちやすい。したがって、本熱交換器１は、冷却器としても優れた効果を発揮する。

本実施形態では、突部５はフィン３の一方の面から突出していたが、一部の突部５をフィン３の一方の面から突出させ、他の突部５をフィン３の他方の面から突出させるようにすることも可能である。例えば、列方向に並ぶ複数の突部５を、フィン３の表側および裏側に交互に突出させるようにしてもよい。

突部５の気流方向長さは、特に限定される訳ではない。例えば、フィン３の気流方向長さが３６ｍｍの場合、突部５の長さを４．５ｍｍ以上かつ３６ｍｍ未満に設定してもよい。

また、突部５の形状は、四角錐状に限定される訳ではない。空気Ａを第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂに導く効果や死水域の生成を阻止する効果など、本明細書に示す有意な効果が得られるものであれば、突部５の形状が三角錐状のような他の角錐状であってもよい。

また、図１３に示すようなフィン４３も実施形態１のフィンの一変形例として提案することができる。図１３に示すフィン４３の突部４５は、フィン４３を平面視した場合に観察される外形４５ｓがひし形を示すものである。突部４５は、４つの傾斜面から構成される四角錐状であることが好ましい。突部４５の向きは、ひし形の外形４５ｓの２つの対角線のうち、長い対角線がＸ方向に平行、かつ短い対角線がＺ方向に平行となるように定められている。突部４５のその他の構成については、実施形態１の突部５と共通である。

さらに、以下の実施形態で説明する他の形状の突部も好適に採用できる。

（実施形態２）
図１０および図１１に示すように、本実施形態のフィン１３は、突部１５が円錐状に形成されたものである。本実施形態では、突部１５には明確な稜線が存在しない。しかし、上流端８ａから頂点１１に向かってＸ方向に延びる仮想線７ａと、頂点１１を通ってＺ方向に延びる仮想線７ｂとを仮定すると、仮想線７ａと仮想線７ｂとの間には、空気を第１伝熱管２Ａ側に導く第１傾斜面６ａと、空気を第２伝熱管２Ｂ側に導く第２傾斜面６ｂとが形成されている。

本実施形態においても、突部１５の幅は、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。突部１５の上流端８ａは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側に位置している。突部１５の中途部８ｂは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。突部１５の直径ｄは、伝熱管２の直径Ｄ以上である。

なお、突部１５の高さは、フィンピッチよりも大きくてもよく、小さくてもよい。また、突部１５の高さは、フィンピッチと等しくてよい。

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、実施形態１と同様、伝熱管２の後方の死水域の面積が小さくなる。したがって、伝熱特性の向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂは曲面であり、それぞれ第１伝熱管２Ａ側および第２伝熱管２Ｂ側に向かって、空気を比較的穏やかに誘導することができる。

（実施形態３）
図１２に示すように、実施形態３に係るフィン２３は、突部２５が楕円錐状に形成されているものである。ここでは、楕円率（長軸と短軸との比）は、約２に設定されている。ただし、突部２５の楕円率は特に限定される訳ではない。楕円率は、１よりも大きくかつ２以下であってもよく、０．５以上かつ１未満であってもよい。突部２５は、Ｘ方向に細長い楕円錐状であってもよく、Ｚ方向に細長い楕円錐状であってもよい。

本実施形態においても、突部２５には明確な稜線は存在しない。しかし、実施形態２と同様、上流端８ａから頂点１１に向かってＸ方向に延びる仮想線７ａと、頂点１１を通ってＺ方向に延びる仮想線７ｂとを仮定すると、仮想線７ａと仮想線７ｂとの間には、空気を第１伝熱管２Ａ側に導く第１傾斜面６ａと、空気を第２伝熱管２Ｂ側に導く第２傾斜面６ｂとが形成されている。

本実施形態においても、突部２５の幅は、上流端８ａから中途部８ｂまでは増加し、中途部８ｂから下流端８ｃまでは減少している。突部２５の上流端８ａは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃよりも上流側に位置している。突部２５の中途部８ｂは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。突部２５の等価直径ｄは、伝熱管２の直径Ｄ以上である。また、突部２５の高さは、フィンピッチよりも大きくてもよく、小さくてもよく、フィンピッチと等しくてよい。

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、実施形態１と同様、伝熱管２の後方の死水域の面積が小さくなり、伝熱特性の向上を図ることができる。また、実施形態２と同様、第１傾斜面６ａおよび第２傾斜面６ｂは曲面であり、それぞれ第１伝熱管２Ａ側および第２伝熱管２Ｂ側に向かって、空気を比較的穏やかに誘導することができる。さらに、本実施形態によれば、突部２５の楕円率を適宜変更することにより、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂに対する空気の誘導度合いを適宜に設定することができる。したがって、熱交換器１の使用条件に応じて突部２５の楕円率を適宜に設定することにより、伝熱特性のより一層の好適化または最適化を図ることができる。

次に、突部が円丘状または楕円丘状に形成されているフィンの実施形態について説明する。

（実施形態４）
図１４は、実施形態４に係るフィンの平面図である。フィン３０の表面には、楕円丘の形状を有する突部３５が形成されている。突部３５は、フィン３０の一方の面から全て同じ方向に突出するとともに、同じ列の隣り合う２本の伝熱管である第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に位置している。つまり、伝熱管２と突部３５が列方向に交互に現れる。突部３５をフィン３０と平行な仮想平面に正射影すると、その仮想平面に現れる像は楕円形である。また、その仮想平面に現れる突部３５の像の面積は、長さ方向に直交する径方向に切断したときの伝熱管２の断面積よりも大きい。言い換えれば、主面に垂直な高さ方向（Ｙ方向）からフィン３０を平面視したときの平面図である図１４において、突部３５の外形５ｓは楕円形であるとともに、その等価直径ｄ（πｄ²／４＝Ｓ（面積）で定義されるｄ）が、伝熱管２の外径Ｄよりも大である。例えば、楕円形をなす外形５ｓの長径ｄ₁が伝熱管２の外径Ｄよりも大、その長径ｄ₁に対して短径ｄ₂がｄ₂≦ｄ₁≦２ｄ₂の範囲内となるように、突部３５の大きさを調整することができる。なお、伝熱管２の上記断面積は、伝熱管２を配置するためにフィン３０に形成されている貫通孔３ｈの開口面積に一致する。

また、図１４に示すように、突部３５は、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に１つのみ形成されている。つまり、列方向に沿って突部３５と貫通孔３ｈが交互に形成されている。突部３５の配置は、貫通孔３ｈの間を縫うような千鳥状である。例えば、特開平７−２３９１９６号公報で開示されているように、隣り合う２本の伝熱管の間に多数の小さい突部を形成する場合、加工上の問題から突部の高さを稼ぐことが困難である。そして、そのような小さい突部は、空気Ａを誘導する作用が弱い。また、高さが不十分な突部は、未加工の平板に対する伝熱面積の増加率も低く、境界層の発達を抑制する作用もあまり期待できない。これに対し、本実施形態の突部３５によれば、高さＨを十分に稼ぐことができるので、空気Ａを伝熱管に向けて誘導する作用が強い。また、未加工の平板に対する伝熱面積の増加率を比較的容易に高くすることが可能であるとともに、境界層の発達を抑制する作用も強く、伝熱性能の向上を十分に期待できる。

また、先に説明したように、伝熱管２は、フィン３０の前縁３０ｐ寄りの前列と、その前列と平行な後列との前後２列に千鳥状に配置されている。前列に配置された隣り合う２本の伝熱管２，２の間に形成されている突部３５と同一形状および同一寸法を有する他の突部３５が、後列に配置された隣り合う２本の伝熱管２，２の間にも形成されている。これにより、前列同様、後列でも熱伝達率の向上効果を期待できる。

突部３５の位置や向きは、次のように定めることが好ましい。図１４に示すように、フィン３０の主面および列方向に直交する方向（Ｘ方向）における突部３５の上流端５ｆは、伝熱管２Ａ，２Ｂの上流端２ｆよりもフィン３０の前縁３０ｐ（上流側の外縁）寄りに位置している。このようにすれば、フィン３０の前縁３０ｐに差し掛かった空気Ａを、いち早く伝熱管２に向けて誘導することができ、伝熱性能の向上に有利である。他方、突部３５の下流端５ｅは、伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃ１，Ｃ２よりもフィン３０の前縁３０ｐから離れている、つまり、空気Ａの流れ方向の下流側に位置している。このようにすれば、フィン３０の主面上を流れる空気Ａを伝熱管２Ａ，２Ｂの後方に効率よく誘導することができ、熱伝達に寄与しない死水域が形成されることを抑制できる。好ましくは、本実施形態のように、突部３５の下流端５ｅが、伝熱管２Ａ，２Ｂの下流端２ｅよりも空気Ａの流れ方向の下流側に位置していることである。

また、外形５ｓが楕円形の突部３５は、楕円の短軸が、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂの並ぶ列方向（Ｚ方向）に平行となるように、向きが定められている。つまり、空気Ａの流れ方向と楕円の長軸とが平行である。このようにすれば、突部３５の左右に空気Ａをよりスムーズに誘導することができ、突部３５を形成したことによる圧力損失の増大の程度を小さくすることができる。もちろん、楕円の長軸が列方向に平行となる向きとすることも可能である。

また、突部３５は、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２から等距離となる位置に形成されている。すなわち、突部３５は、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２を最短距離で結ぶ線分Ｃ１Ｃ２を垂直二等分する仮想平面ＭＤに、当該突部３５を正射影した平面における楕円形の像の長軸が含まれるように、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂに対する位置が定められている。このようにすれば、突部３５と第１伝熱管２Ａとの間の平坦領域、および突部３５と第２伝熱管２Ｂとの間の平坦領域の双方に均一に空気Ａを流すことができる。つまり、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂの双方を等しく熱伝達に寄与させることが可能となり、こうした場合にフィンチューブ型熱交換器１の伝熱性能を最大化することができる。

図１５に示すように、突部３５の高さＨは、フィン３０の厚さ方向に関する中心間距離であるフィンピッチをＦＰとしたとき、（ＦＰ／４）≦Ｈ≦ＦＰを満足するように調整されている。各フィン３０は、突部３５の形成されている位置が高さ方向で一致するように並べられている。突部３５の高さＨがフィンピッチＦＰよりも小さければ、上流側から下流側を見たときに、隣り合う一方のフィン３０と他方のフィン３０との間に、Ｘ方向に真っ直ぐ延びる間隙Ｇが形成される。そのため、圧力損失を低減させる観点からは、突部３５の高さＨはフィンピッチＦＰよりも小さい方が好ましい。他方、伝熱面積を稼いで伝熱性能を向上させる観点からは、突部３５の高さＨを大きくすることが好ましい。このように、伝熱性能と圧力損失はトレードオフの関係にあるが、上記範囲内で突部３５の高さＨを調整することにより、圧力損失の増大を極力抑制しつつ、伝熱特性を向上させる効果を最大限に得ることができる。

また、突部３５は、その頂点ＴＰ₁に向かって高さＨが単調増加している。頂点ＴＰ₁は、当該突部３５を平面視したとき、楕円の中心に一致する。このような形状とすれば、空気Ａが頂点ＴＰ₁に向かってスムーズに流れるので、圧力損失の増大を抑制することができる。

突部３５の表面形状については、いくつかの好ましい例を挙げることができる。まず、図１５に示すフィン３０の断面図は、当該フィン３０の平坦領域での主面に垂直かつ突部３５の長軸を含むＸＹ断面を表している。ＸＹ断面は、空気Ａの流れ方向に平行かつフィン３０の主面に垂直な断面でもある。このＸＹ断面で表面５ｐ（外周面）が曲線を描くように、突部３５の形状を調整することができる。その曲線は、例えば正弦曲線である。図１６Ａに示す具体例において、上記ＸＹ断面で突部３５の表面５ｐは、Ｙ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−９０°≦Ｘ≦９０°｝で表される正弦曲線を描く。

また、図１６Ｂに示すように、表面５ｐがＸＹ断面でＹ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−１８０°≦Ｘ≦１８０°｝で表される正弦曲線を描くように、突部３５の形状を調整してもよい。すなわち、突部３５の表面５ｐは、上流端５ｆに対応する−１８０°の位置でフィン３０の平坦領域の主面に連続的につながる。このような表面形状であれば、突部３５に乗り上げるように流れる空気Ａの流速が低下しにくく、突部３５の高さＨを稼ぎつつも圧力損失の増大を食い止めることができる。

曲がり方の度合いを連続的にすることができる他の曲線としてクロソイド曲線があり、このクロソイド曲線を突部３５の表面形状に採用することが可能である。すなわち、突部３５は、上記ＸＹ断面で表面５ｐがクロソイド曲線を描くように、その形状を調整することができる。図１７Ａにクロソイド曲線を示す。

一般に、曲線の曲がり具合は、曲率円で表される。曲がり具合が飛躍することなく、連続して小から大へ、あるいは大から小へと変化する曲線は、高速道路の線形に最適である。そのような曲線の最たる例が“クロソイド”である。クロソイドの曲率円の半径ｒは、曲線上の道のり（図１７Ａでは原点からの距離ｓ）に反比例する。すなわち、下記の極方程式（１）によって定義される曲線がクロソイドである。
ｒ＝ａ²／ｓ （ａ：定数） ・・・（１）

ＸＹ断面で表面５ｐがクロソイド曲線を描くようにするといっても、単一のクロソイド曲線は突部３５の表面５ｐに適合しない。したがって、ＸＹ断面に現れる表面５ｐのうち、上流端５ｆから頂点ＴＰ₁に至る登り区間を複数区間に分割し、それら分割された区間の各々がクロソイド曲線で描かれるように、突部３５の形状を調整することができる。区間の境界において、曲率円の半径が連続的に変化するように調整を行うとよい。頂点ＴＰ₁から下流端５ｅに至る下り区間は、登り区間と対称にすればよい。このようにすれば、ＸＹ断面で表面５ｐの全部がクロソイド曲線を描くこととなる。

あるいは、表面５ｐの一部がクロソイド曲線、残部が円弧等の他の曲線を描くように、突部３５の形状を調整してもよい。例えば、図１７ＢのＸＹ断面に示すように、クロソイド曲線の導入区間を５合目まで、つまり、上流端５ｆに対応する位置から高さＨの半分に対応する位置までとする。５合目から１０合目まで、つまり、高さＨの半分に対応する位置から頂点ＴＰ₁を含む上半分は、円弧を描くようにする。フィン３０の平坦領域と突部３５の裾が緩やかに接続してさえいれば、上流端５ｆに空気Ａが差し掛かったとき、その上流端５ｆで流速が急激に低下することを抑制する効果は得られる。また、図１７Ｂに示すクロソイド曲線の区間が他の緩和曲線（曲率円の半径が連続的に変化する曲線）、例えば、先に説明した正弦曲線や三次放物線であってもよい。

もちろん、上記ＸＹ断面において表面５ｐの描く曲線が、上流端５ｆと頂点ＴＰ₁との間で変曲点を含まないように、突部３５の形状を調整する場合の利点もある。変曲点を含む場合（図１６Ｂ）は性能に優れるが、変曲点を含まない場合（図１６Ａ）はプレスしやすい、すなわち作製が容易という利点がある。例えば、上記ＸＹ断面で、突部３５の表面５ｐは、上流端５ｆに対応する位置から頂点ＴＰ₁を経て下流端５ｅに至るまでの全区間が円弧で表されるものであってもよい。

また、当該フィン３０の主面に垂直かつ短軸を含む断面、つまり、ＹＺ断面で表面５ｐが正弦曲線やクロソイド曲線等の緩和曲線を描くように、突部３５の形状を調整することが望ましい。より好ましくは、当該フィン３０の主面に垂直かつ頂点ＴＰ₁を含む任意の断面で表面５ｐが緩和曲線を描くように、突部３５の形状を調整することである。このようにすれば、流速の低下を抑制する効果を最大限に得ることができるとともに、突部３５に差し掛かった空気Ａを伝熱管２に向けてよりスムーズに誘導できる。

このように、突部３５の形状は、フィン３０の主面に垂直かつ楕円の短軸または長軸を含む断面で、上流端５ｆと頂点ＴＰ₁との間で変曲点を含む曲線を表面５ｐが描くように調整することができる。そのようにすれば、突部３５での流速低下を抑制する効果を期待できる。フィン３０の主面に垂直かつ頂点ＴＰ₁を含む任意の断面で、表面５ｐが変曲点を含む曲線を描くように、突部３５の形状を調整することも可能である。

他方、変曲点を含まない曲線を表面５ｐが描くようにすれば、フィン３０の作製が容易である。すなわち、フィン３０の主面に垂直かつ頂点ＴＰ₁を含む任意の断面で、表面５ｐが変曲点を含まない曲線を描くように、突部３５の形状を調整することができる。

次に、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器１の作用を説明する。
図１８に示すように、フィン３０の前縁３０ｐに到達した空気Ａは、フィン３０の主面に平行かつ長手方向に直交する方向からフィン３０の主面上、つまり、フィンチューブ型熱交換器１に案内される。フィン３０を貫通するように伝熱管２が配置されているので、空気Ａは、伝熱管２を避けて流れる。また、フィン３０には、突部３５が形成されているので、空気Ａは、突部３５を避けて流れる傾向を示す。換言すれば、突部３５は、空気Ａを伝熱管２に向けて誘導する。この結果、突部３５と伝熱管２との間に流速が高められた空気の流れＡＦが作り出される。流速が増すと、熱伝達率が高まる。特に、図１８中に破線で示される伝熱管２の側面付近での熱伝達率が高まるので、伝熱管２の中を流れる冷媒の熱を効率よく空気Ａに移動させることが可能となる。あわせて、空気Ａが突部３５の上流端５ｆに当たることによる前縁効果と、突部３５での境界層の発達を抑制する効果と、空気が伝熱管２の後方に向かって流れることによる死水域ＤＳの低減効果とに基づき、フィンチューブ型熱交換器１の伝熱性能が高まる。また、突部３５は、既に説明したように、圧力損失の増大を可能な限り抑制する形状に調整されている。本発明者らが行った計算機シミュレーションの結果によれば、従来のコルゲートフィンを用いた熱交換器の圧力損失を１とすると、本実施形態の熱交換器の圧力損失は０．９１と、約１０％小さい。

一方、本発明と比較するために、図１９に示すように、第１伝熱管２Ａと第２伝熱管２Ｂとの間に楕円丘の形状を有する２つの突部２０５ａ，２０５ｂが形成されているフィン２０３を考える。各突部２０５ａ，２０５ｂの等価直径（面積が等しい円に換算したときのその円の直径）は、伝熱管２の外径Ｄよりも小さい。一方の突部２０５ａは、第１伝熱管２Ａに向けて空気Ａを誘導し、当該突部２０５ａと第１伝熱管２Ａとの間に流速が高められた空気の流れＡＦ₁を作り出す。同様に、他方の突部２０５ｂは、第２伝熱管２Ｂに向けて空気Ａを誘導し、当該突部２０５ｂと第２伝熱管２Ｂとの間に流速が高められた空気の流れＡＦ₂を作り出す。さらに、一方の突部２０５ａと他方の突部２０５ｂの間にも流速が高められた空気の流れＡＦ₃が作り出される。

ところが、突部２０５ａと突部２０５ｂとの間の空気の流れＡＦ₃は、伝熱管２Ａ，２Ｂから比較的離れた位置の流れであるため、伝熱管２Ａ，２Ｂの近傍の流れＡＦ₁，ＡＦ₂と比べると伝熱性能の向上に対する貢献度は小さい。そうだとすれば、２つの突部２０５ａ，２０５ｂを形成するよりも、本発明のように、大きい寸法の突部３５を形成した方が効果的であると考えられる。

（実施形態５）
フィンチューブ型熱交換器１には、図２０の平面図に示すフィン３１を好適に採用することができる。伝熱管２の配置や寸法等は、実施形態４と共通である。相違点は、楕円丘の形状を有する突部３５に代えて、円丘の形状を有する突部５１を採用した点である。

図２０に示すように、フィン３１の表面に形成されている突部５１は、平面視で外形５１ｓが円形である。つまり、突部５１をフィン３１と平行な仮想平面に正射影すると、その仮想平面に現れる像は円形である。また、突部５１の外形５１ｓが描く円の直径ｄ₃は、伝熱管２の外径Ｄよりも大きい。

円丘の形状を有する突部５１は、楕円丘の形状を有する突部３５（図１４）のように向きが問題とならないが、位置は楕円丘の場合と同様に定めることができる。すなわち、突部５１は、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２から等距離となる位置に形成することができる。具体的には、第１伝熱管２Ａの中心Ｃ１と第２伝熱管２Ｂの中心Ｃ２とを最短距離で結ぶ線分Ｃ１Ｃ２を垂直二等分する仮想平面ＭＤに頂点ＴＰ₂が重なるように、第１伝熱管２Ａおよび第２伝熱管２Ｂに対する突部５１の位置を定めることができる。さらに、突部５１の上流端５１ｆが伝熱管２の上流端２ｆよりも上流側に位置し、下流端５１ｅが伝熱管２の下流端２ｅよりも下流側に位置することが好ましい。こうした点は、実施形態４で説明した突部３５の場合と共通である。

また、突部５１の高さや表面形状についても、実施形態４で説明した突部３５の場合と同様であり、例えば、ＸＹ断面で表面５１ｐが正弦曲線（図１６Ａ，図１６Ｂ）やクロソイド曲線（図１７Ｂ）等の緩和曲線を描くように、突部５１の形状を調整することができる。また、上流端５１ｆと頂点ＴＰ₂との間で変曲点を含む曲線を表面５１ｐが描くように、突部５１の形状を調整することができる。もちろん、表面５１ｐの描く曲線が、上流端５１ｆと頂点ＴＰ₂との間で変曲点を含まないようにしてもよい。

なお、実施形態４および５においても、実施形態１と同様に、突部３５，５１の上流端５ｆ，５１ｆからＸ方向に延びる仮想線と、突部３５，５１の頂点ＴＰ₁，ＴＰ₂を通ってＺ方向に延びる仮想線とを仮定すると、両仮想線の間には、空気を第１伝熱管２Ａ側に導く第１傾斜面と、空気を第２伝熱管２Ｂ側に導く第２傾斜面とが形成されている。

図１４および図２０に示すように、突部３５，５１の幅は、上流端５ｆ，５１ｆから中途部５ｂ，５１ｂまでは増加し、中途部５ｂ，５１ｂから下流端５ｅ，５１ｅまでは減少している。突部３５，５１の上流端５ｆ，５１ｆは、各伝熱管２Ａ，２Ｂの中心Ｃ１，Ｃ２よりも上流側に位置している。突部３５，５１の中途部５ｂ，５１ｂは、各伝熱管２ａ，２ｂの下流端２ｅよりも上流側に位置している。突部３５，５１の等価直径ｄは、伝熱管２の直径Ｄ以上である。また、突部３５，５１の高さは、フィンピッチよりも大きくてもよく、小さくてもよく、フィンピッチと等しくてよい。こうした構成により、実施形態１と同様の効果が得られる。

（実施形態６）
フィンチューブ型熱交換器１には、図２１の平面図に示すフィン３２を好適に採用することができる。伝熱管２の配置や寸法等は、実施形態４と共通である。相違点は、前列に形成されている突部３５と、後列に形成されている他の突部３５との間に、それら突部３５，３５よりも表面積が小さい第２の突部５３が形成されている点である。厳密に言えば、主面に垂直な高さ方向（Ｙ方向）からフィン３２を平面視したときの平面図である図２１において、第２の突部５３の直径ｄ₄は、伝熱管２の外径Ｄよりも小さい。また、第２の突部５３は、前列および後列の突部３５，３５と同じ方向に突出している。

実施形態４に係るフィン３０（図１４）によれば、前列の突部３５と後列の突部３５との間に若干のスペースが生ずる。この若干のスペースに第２の突部５３を形成すれば、伝熱面積は拡大する。特に、第２の突部５３が形成されている領域は、前列の突部３５の作用により流速が高められた空気Ａの通り道となっているので、第２の突部５３に流速が高められた空気Ａを積極的に当てることにより、伝熱性能のさらなる向上を図ることが可能である。このような第２の突部５３は、本実施形態のように円丘の形状を有するものであってもよいし、楕円丘の形状を有するものであってもよい。

また、図２２に示すように、楕円丘の突部３５に代えて、円丘状の突部５１，５１が前列および後列に形成され、前列の突部５１と後列の突部５１との間に、それら突部５１，５１よりも表面積が小さい第２の突部５３が形成されたフィン３３も上記と同様の理由で好適である。

（実施形態７）
実施形態４〜６で説明した突部３５，５１，５３は、全て同一方向に突出するように形成されている。ただし、実施形態１でも触れたように、このことは必須ではない。すなわち、図２３Ａおよび図２３Ｂに示すように、第１主面３４ｊ側（フィン３４の表側）に突出する突部３５と、第２主面３４ｋ側（フィン３４の裏側）に突出する突部３５’とが混在して形成されているフィン３４を、フィンチューブ型熱交換器１のフィンとして好適に採用することができる。

上記のように突出方向が異なる突部３５，３５’を混在して形成すると、次のような効果がある。まず、突出方向が全て同一である突部が形成されたフィンを製造するには、金属板を所定の大きさに切断する工程と、伝熱管を配置するための貫通孔を穿孔する工程と、プレス加工により金属板に突部を形成する工程とを行う。突部の突出方向が一方向に限られる場合、突部を形成する工程で金属板が歪んで、最終的に得られるフィンに反りが生ずる。このような反りが生じていると、熱交換器を組み立てる際に、フィンピッチが不均一となったり、貫通孔の位置ズレが生じて伝熱管をスムーズに挿入できなかったりする場合がある。

これに対し、突出方向の異なる突部３５，３５’が形成されたフィン３４を製造するには、フィン３４となる金属板を両面からプレス加工する。両面からプレス加工することにより、表裏で歪みをバランスさせることができ、反りの発生を防止することができる。

なお、突部３５，３５’は、突出方向を異ならせる以外、寸法や位置については実施形態４で説明した通りとすることができる。また、これらの突部３５，３５’は、同数かつ列方向に交互に形成されていることが好ましい。そうした場合に、高い反り防止効果を得ることができる。もちろん、このような構成を他の全ての実施形態と組み合わせてもよい。

さらに、図２４Ａおよび図２４Ｂに示すフィン３６も、フィンチューブ型熱交換器１のフィンとして好適に採用することができる。フィン３６は、図２１で説明したフィン３２を応用したものであり、前列の突部３５と後列の突部３５との間に形成されている第２の突部５３’の突出方向が、前後の大きい突部３５，３５の突出方向と逆になっている。大きい突部３５，３５は、全てフィン３６の第１主面３６ｊ側に突出するように形成され、小さい第２の突部５３’がフィン３６の第２主面３６ｋ側に突出するように形成されている。このようにしても、反り防止効果は十分に得られる。

実施形態１〜７は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、自由に組み合わせて実施することができる。例えば、図２１等で説明した第２の突部５３については、他の全ての実施形態に適用可能である。

以上に説明したフィンチューブ型熱交換器１は、空気や水等の対象を加熱または冷却するヒートポンプ装置に適用することができる。図２５に示すように、ヒートポンプ装置７０は、冷媒を圧縮する圧縮機７１と、圧縮機７１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器７２と、放熱器７２で放熱した冷媒を膨張させる膨張弁７３と、膨張弁７３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器７４とを備えている。圧縮機７１、放熱器７２、膨張弁７３および蒸発器７４が配管７５によって接続され、冷媒回路が形成されている。膨張弁７３に代えて、容積式の膨張機を採用してもよい。放熱器７２および蒸発器７４は、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を含むものとして構成することができる。

上記ヒートポンプ装置７０は、図２６に示すように、空気調和装置８０や給湯機９０に応用することができる。例えば、ヒートポンプ式の空気調和装置８０は、室内に配置されるべき室内ユニット８１と、その室内ユニット８１とともに冷媒回路を形成する、室外に配置されるべき室外ユニット８２とを備える。この空気調和装置８０は、冷暖房の機能を有し、冷房時と暖房時とで冷媒の循環方向が逆転する。冷房時は、室内ユニット８１を構成する熱交換器が蒸発器となり、室外ユニット８２を構成する熱交換器が放熱器となる。暖房時は、室内ユニット８１を構成する熱交換器が放熱器となり、室外ユニット８２を構成する熱交換器が蒸発器となる。暖房時における着霜の問題を考慮すると、室外ユニット８２用の熱交換器に、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を好適に採用することができる。暖房機能を使用する場合、室外ユニット８２を構成する熱交換器はヒートポンプ装置７０の蒸発器７４として働くので、特に冬場には着霜しやすい。しかしながら、本発明のフィンチューブ型熱交換器１によれば、図３７で説明したような切り起こしが形成されているわけではないから、着霜が原因でフィンに目詰まりを起こし、熱交換効率が大幅に低下するといった問題も生じない。

また、図２６に示すように、ヒートポンプ式の給湯機９０は、ヒートポンプユニット９１および貯湯タンクユニット９２を備える。ヒートポンプユニット９１は、水を温める役割を担う熱交換器７３と、戸外から熱を集める熱交換器７４とを含む。後者の熱交換器７４に、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を好適に採用できる。

図２０に示すフィンを用いたフィンチューブ型熱交換器の特性を計算機シミュレーションで調べた。具体的には、円丘の形状を有する突部を形成したフィンを用いた熱交換器（実施例１〜３）について、計算機シミュレーションを行った。また、コルゲートフィンを用いた従来の熱交換器（比較例１）についても同様の計算機シミュレーションを行った。計算機シミュレーションによって調べた特性は、空気の流速、ヌッセルト数、熱伝達率および圧力損失である。なお、計算機シミュレーションは、フルーエント・アジアパシフィック社製“Fluent Ver.6”を用い、下記条件にて実施した。

＜実施例１〜３および比較例１に共通の条件＞
フィンサイズ：１６．９４ｍｍ（空気の流れ方向）×７．６５ｍｍ（列方向）
フィン厚み：０．１ｍｍ
フィンピッチ：１．０６ｍｍ
伝熱管の外径：５．０ｍｍ
伝熱管の内径：４．０ｍｍ
前面風速Ｖair：１ｍ／ｓｅｃ

＜実施例１の条件＞
突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による円丘
突部の直径：６．０ｍｍ
突部の高さ：１．０ｍｍ

＜実施例２の条件＞
突部の形状：ｃｏｓ曲線（−１８０°≦Ｘ≦１８０°）による円丘
突部の直径：６．０ｍｍ
突部の高さ：１．０ｍｍ

＜実施例３の条件＞
突部の形状：クロソイド曲線による円丘
突部の直径：６．０ｍｍ
突部の高さ：１．０ｍｍ

＜比較例１の条件＞
形状：コルゲート
稜と谷の高低差：１．０ｍｍ

実施例１〜３および比較例１の計算機シミュレーションの結果を、図２７〜図３０および表２に示す。図２７が実施例１、図２８が実施例２、図２９が実施例３、図３０が比較例１の結果である。図２７〜図３０は、それぞれ、Ａ図がヌッセルト数分布、Ｂ図が流速分布を示している。図中の白抜き矢印は、空気の流れ方向を示している。

まず、図３０Ａから分かるように、コルゲートフィンを用いた比較例１の熱交換器では、ヌッセルト数の大きい領域がフィンの前縁や伝熱管の近傍に限定されている。これに対し、実施例１〜３の熱交換器では、図２７Ａ〜図２９Ａから分かるように、ヌッセルト数の大きい領域がフィンの前縁や伝熱管の近傍だけでなく、突部の表面にも拡大している。こうした事実は、実施例１〜３の熱交換器の熱伝達率が、コルゲートフィンを用いた熱交換器の熱伝達率よりも高いという、表２に示す結果と結びつく。ヌッセルト数は、熱伝達率に比例する数値であり、ヌッセルト数が大きければ大きいほど熱伝達率が高いことを意味する。

また、図３０Ｂから分かるように、コルゲートフィンを用いた比較例１の熱交換器では、稜を跨ぐような形で伝熱管の近傍に流速の大きい領域が分布している。このような流速分布は、ヌッセルト数の大きい領域を下流側に拡大する効果をもたらしていると考えられる。こうした点は、実施例１〜３の結果と一致する。すなわち、図２７Ｂ〜図２９Ｂから分かるように、実施例１〜３の熱交換器においても、伝熱管と突部との間に流速の大きい領域が分布する。また、伝熱管の後方に空気が十分回り込んでいるという点についても、実施例１〜３と比較例１とで概ね一致する。

なお、各Ｂ図の流束分布は、フィンとフィンとの中間位置での値である。コルゲートフィンと本発明のフィンとは、フィンピッチが等しい場合、流速分布に顕著な差が出てこない。しかしながら、伝熱性能を向上させる要因は、主に、フィン表面の境界層が薄いこと、および伝熱管の周りの流速が大きいことである。この２つの要因は、ヌッセルト数分布に現れている。

このように、本発明に係る熱交換器によれば、突部の表面で境界層が薄くなること、さらには、突部と伝熱管との間の流速が高まることにより、コルゲートフィンを用いた熱交換器よりも優れた熱伝達率を達成することができる。しかも、表２に示すように、実施例１〜３の熱交換器は、いずれも、コルゲートフィンを用いた従来の熱交換器よりも小さい圧力損失を持つ。

次に、図１４に示すフィンを用いた熱交換器（実施例４）、図２２に示すフィンを用いた熱交換器（実施例５）、および第２のコルゲートフィンを用いた熱交換器（比較例２）について、下記条件にて同様の計算機シミュレーションを行った。

＜実施例４，５および比較例２に共通の条件＞
フィンサイズ：２７．０ｍｍ（空気の流れ方向）×１０．５ｍｍ（列方向）
フィン厚み：０．１ｍｍ
フィンピッチ：１．４９ｍｍ
伝熱管の外径：７．０ｍｍ
伝熱管の内径：５．８ｍｍ
前面風速Ｖair：１ｍ／ｓｅｃ

＜実施例４の条件＞
突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による楕円丘
突部の向き：空気の流れ方向に長軸が平行
突部の長径：１３．０ｍｍ
突部の短径：１０．０ｍｍ
突部の高さ：０．７６５ｍｍ

＜実施例５の条件＞
第１の突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による円丘
第１の突部の直径：１０ｍｍ
第１の突部の高さ：０．７６５ｍｍ
第２の突部の形状：ｃｏｓ曲線（−９０°≦Ｘ≦９０°）による円丘
第２の突部の直径：５．７ｍｍ
第２の突部の高さ：０．７６５ｍｍ

＜比較例２の条件＞
形状：コルゲート
稜と谷の高低差：１．４９ｍｍ

実施例４，５および比較例２の計算機シミュレーションの結果を、図３１〜図３３および表３に示す。図３１が実施例４、図３２が実施例５、図３３が比較例２の結果である。

図３３Ａ，図３３Ｂから分かるように、比較例１と寸法が異なるコルゲートフィンを用いた比較例２の熱交換器に関して言えば、概ね比較例１の熱交換器と同じ傾向を示す。図３１Ａ，図３１Ｂから分かるように、突部の形状が楕円丘であるフィンを用いた実施例４の熱交換器は、実施例１〜３の熱交換器と同じ傾向を示す。表３に示すように、実施例４の熱交換器は、熱伝達率については比較例２の熱交換器と略同等、圧力損失については比較例２の熱交換器よりも優れている。ただし、突部の形状や寸法を調整することにより、実施例１〜３と同程度まで熱伝達率を高めることは十分可能と考えられる。

一方、実施例５の熱交換器によれば、図３２Ａ，図３２Ｂから分かるように、前列の突部（第１の突部）と伝熱管との間に流速の大きい領域が生じるとともに、第２の突部の表面でヌッセルト数が大きくなっている。つまり、第２の突部の表面で境界層を薄くする効果が得られている。表３に示すように、実施例５の熱交換器は、熱伝達率については比較例２の熱交換器と略同等、圧力損失については比較例２の熱交換器よりも優れていた。ただし、第１の突部および／または第２の突部の形状や寸法を調整することにより、実施例１〜３と同程度まで熱伝達率を高めることは十分可能と考えられる。

フィンチューブ型熱交換器の斜視図 実施形態１のフィンの平面図 図２のIII−III線断面図 変形例の図３相当図 空気の流れを示す実施形態１のフィンの平面図 実施形態１のフィンの斜視図 シミュレーションモデルの平面図 実施形態１のフィンチューブ型熱交換器の性能特性図 温度境界層を模式的に示す実施形態１のフィンの断面図 実施形態２のフィンの平面図 実施形態２のフィンの斜視図 実施形態３のフィンの平面図 実施形態１のフィンの変形例を示す平面図 実施形態４のフィンの平面図 図１４のXV−XV線断面図 突部の形状の一例を示す模式図 突部の形状の他の例を示す模式図 クロソイド曲線を示すグラフ 表面がクロソイド曲線を描く突部の断面図 実施形態４のフィンを用いたフィンチューブ型熱交換器の作用説明図 比較例のフィンチューブ型熱交換器の作用説明図 実施形態５のフィンの平面図 実施形態６のフィンの平面図 実施形態６の変形例に係るフィンの平面図 実施形態７のフィンの平面図 図２３ＡのＤ１−Ｄ１断面図 実施形態７の変形例に係るフィンの平面図 図２４ＡのＤ２−Ｄ２断面図 ヒートポンプ装置の構成図 図２５のヒートポンプ装置の応用例を示す模式図 実施例１の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図２７Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例２の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図２８Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例３の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図２９Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 比較例１の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３０Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例４の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３１Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 実施例５の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３２Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 比較例２の熱交換器のシミュレーション結果（ヌッセルト数分布）を示す等高線図 図３３Ａに続くシミュレーション結果（流速分布）を示す等高線図 従来のフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 従来のフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 従来のフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 スリットフィンの斜視図 コルゲートフィンの平面図 コルゲートフィンの断面図

すなわち、本発明は、
第１流体と第２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、
第１流体を流通させるべき空間を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、
複数のフィンを貫通する、第２流体を流通させるべき複数の伝熱管とを備え、
複数の伝熱管は、第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置された第１伝熱管および第２伝熱管を含み、
列方向に関して第１伝熱管と第２伝熱管とが互いに隣り合い、
フィンは、第１伝熱管と第２伝熱管との間に形成され、第１流体を第１伝熱管側と第２伝熱管側とに導く突部を有し、
伝熱管の軸方向から見た突部の等価直径は、伝熱管の外径以上であり、
突部は、第１伝熱管と第２伝熱管との間に１つのみ形成されており、
第１流体の流れ方向に関して、突部の上流端が、第１および第２伝熱管の中心よりも上流側に位置している、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

Claims (33)

1. 第１流体と第２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、
   前記第１流体を流通させるべき空間を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを貫通する、前記第２流体を流通させるべき複数の伝熱管とを備え、
   前記複数の伝熱管は、前記第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置された第１伝熱管および第２伝熱管を含み、
   前記列方向に関して前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが互いに隣り合い、
   前記フィンは、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間に形成され、前記第１流体を前記第１伝熱管側と前記第２伝熱管側とに導く突部を有し、
   前記伝熱管の軸方向から見た前記突部の等価直径は、前記伝熱管の外径以上である、フィンチューブ型熱交換器。
2. 前記突部の前記列方向の幅は、前記第１流体の流れ方向に沿って、前記突部の上流端から中途部までは増加し、前記中途部から下流端までは減少し、
   前記突部の前記上流端と前記中途部との間には、前記第１伝熱管側に傾斜して前記第１流体を前記第１伝熱管側に導く第１傾斜面と、前記第２伝熱管側に傾斜して前記第１流体を前記第２伝熱管側に導く第２傾斜面とが形成され、
   前記突部の前記上流端は、前記第１および第２の各伝熱管の中心よりも上流側に位置し、
   前記突部の前記中途部は、前記第１および第２の各伝熱管の下流端よりも上流側に位置している、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 前記伝熱管および前記突部は、前記伝熱管の軸方向から見てそれぞれ千鳥状に配列されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記突部は角錐状に形成されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記突部は四角錐状に形成されている、請求項４に記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記突部は円錐状または楕円錐状に形成されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 前記突部は円丘状または楕円丘状に形成されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
8. 前記突部の前記第１流体の流れ方向に関する長さをＬ、前記突部の突出高さをＨとしたときに、Ｌ／Ｈが５．５よりも大きい、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
9. 前記各フィンにおける前記突部の占有面積が４３％以上かつ７３％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. 前記突部は、前記複数のフィンと平行な平面に正射影した場合に、前記平面に現れる像が円形または楕円形を示すものであり、
    前記平面に現れる前記突部の像の面積が前記伝熱管の断面積よりも大である、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
11. 前記突部は、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間に１つのみ形成されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
12. 前記第１流体の流れ方向において、前記突部の上流端は、前記第１伝熱管および前記第２伝熱管の上流端よりも前記複数のフィンの前縁寄りに位置している、請求項１０に記載のフィンチューブ型熱交換器。
13. 前記突部は、前記平面に現れる像が楕円形を示すとともに、その楕円の短軸が、前記第１伝熱管および前記第２伝熱管の並ぶ前記列方向に平行となるように、向きが定められている、請求項１０に記載のフィンチューブ型熱交換器。
14. 前記突部は、前記第１伝熱管の中心と前記第２伝熱管の中心とを最短距離で結ぶ線分を垂直二等分する仮想平面に楕円の長軸が含まれるように、前記第１伝熱管および前記第２伝熱管に対する位置が定められている、請求項１３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
15. 前記突部は、前記複数のフィンの主面に垂直かつ前記楕円の短軸または長軸を含む断面で、表面が曲線を描くように、その形状が調整されている、請求項１３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
16. 前記曲線が、前記突部の上流端と頂点との間に変曲点を含む、請求項１５に記載のフィンチューブ型熱交換器。
17. 前記曲線が、前記突部の上流端と頂点との間に変曲点を含まない、請求項１５に記載のフィンチューブ型熱交換器。
18. 前記突部は、前記複数のフィンの主面に垂直かつ前記楕円の短軸または長軸を含む断面で表面が正弦曲線を描くように、その形状が調整されている、請求項１３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
19. 前記表面が、Ｙ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−１８０°≦Ｘ≦１８０°｝で表される正弦曲線に従う、請求項１８に記載のフィンチューブ型熱交換器。
20. 前記表面が、Ｙ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−９０°≦Ｘ≦９０°｝で表される正弦曲線に従う、請求項１８に記載のフィンチューブ型熱交換器。
21. 前記突部は、前記第１流体の流れ方向に平行かつ前記複数のフィンの主面に垂直な断面で表面がクロソイド曲線を描くように、その形状が調整されている、請求項１０に記載のフィンチューブ型熱交換器。
22. 前記突部の高さをＨ、前記複数のフィンの平行間距離であるフィンピッチをＦＰとしたとき、（ＦＰ／４）≦Ｈ≦ＦＰを満足するように、前記突部の高さが調整されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
23. 前記突部は、前記平面に現れる像が円形を示すとともに、前記複数のフィンの主面と垂直な断面で、表面が曲線を描くように、その形状が調整されている、請求項１０に記載のフィンチューブ型熱交換器。
24. 前記曲線が、前記突部の上流端と頂点との間に変曲点を含む、請求項２３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
25. 前記曲線が、前記突部の上流端と頂点との間に変曲点を含まない、請求項２３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
26. 前記突部は、前記平面に現れる像が円形を示すとともに、前記複数のフィンの主面と垂直な断面で表面が正弦曲線を描くように、その形状が調整されている、請求項１０に記載のフィンチューブ型熱交換器。
27. 前記表面が、Ｙ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−１８０°≦Ｘ≦１８０°｝で表される正弦曲線に従う、請求項２６に記載のフィンチューブ型熱交換器。
28. 前記表面が、Ｙ＝Ｋｃｏｓ（Ｘ）｛Ｋ：定数，−９０°≦Ｘ≦９０°｝で表される正弦曲線に従う、請求項２６に記載のフィンチューブ型熱交換器。
29. 前記伝熱管は、前記複数のフィンの前縁寄りの前列と、その前列と平行な後列との前後２列に千鳥状に配置される一方、
    前記前列に配置された隣り合う２本の前記伝熱管の間に形成されている前記突部と同一形状および同一寸法を有する他の突部が、前記後列に配置された隣り合う２本の前記伝熱管の間にも形成されている、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
30. 前記前列に形成されている前記突部と、前記後列に形成されている前記他の突部との間に、それら突部よりも表面積が小さい第２の突部が形成されている、請求項２９に記載のフィンチューブ型熱交換器。
31. 請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器に用いられるフィン。
32. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
    前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構と、
    前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、
    前記蒸発器および前記放熱器の少なくとも一方が、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器を含む、ヒートポンプ装置。
33. 少なくとも前記蒸発器が、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器を含む、請求項３２に記載のヒートポンプ装置。

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