JPWO2014167845A1 - フィンチューブ熱交換器、及び、冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

フィンチューブ熱交換器は、平坦部（３５）、第１傾斜部（３６）、第２傾斜部（３８）を有するフィン（３１）と、伝熱管（２１）を備える。気流方向における第１傾斜部（３６）の上流端から下流端までの距離Ｓ１、段方向における伝熱管（２１）の中心間距離Ｓ２、気流方向における平坦部（３５）の上流端から下流端までの距離Ｄ１、気流方向における第１傾斜部（３６）の上流端と下流端に山部（３４）の頂点側と反対側から接する基準平面Ｈ１、基準平面Ｈ１と第１傾斜部（３６）のなす角度θ１、貫通孔からみて気流方向の上流側の領域における基準平面Ｈ１と第２傾斜部（３８）のなす角度θ２、基準平面Ｈ１から平坦部（３５）までの距離α、一のフィン（３１）の基準平面Ｈ１と山部（３４）の頂点側に隣接する他のフィン（３１）の基準平面Ｈ１の間の距離Ｌを用い、θ２の範囲が0°<θ2<tan-1[(L±α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]で決定される。

Description

本発明は、フィンチューブ熱交換器、及び、フィンチューブ熱交換器を用いて熱交換を行うことにより冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置に関する。

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おけるフィンの平面図、線ＩＸＢ−ＩＸＢに沿った断面図、線ＩＸＣ−ＩＸＣに沿った断面図、及び、線ＩＸＤ−ＩＸＤ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。コルゲートフィンを用いることにより、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という効果が得られる。

また、図１０Ａ〜図１０Ｃは、それぞれ、従来のフィンチューブ熱交換器における別のフィンの平面図、線ＸＢ−ＸＢに沿った断面図、線ＸＣ−ＸＣに沿った断面図である。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は、それぞれ、従来のフィンチューブ熱交換器におけるさらに別のフィンの平面図、線ＸＩＢ−ＸＩＢに沿った断面図、線ＸＩＣ−ＸＩＣに沿った断面図である。

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１０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、及び、冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、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、複数のフィンを貫通しており、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、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、伝熱管が嵌められた複数の貫通孔と、貫通孔の周囲に形成された平坦部と、山部を形成するように気流方向に対して傾いている第１傾斜部と、平坦部と第１傾斜部とを接続している第２傾斜部とを有し、複数の貫通孔は、複数のフィンの並び方向と気流方向との両方向に垂直な段方向に沿って形成され、気流方向における第１傾斜部の上流端から下流端までの距離をＳ１、気流方向における平坦部の上流端から下流端までの距離をＤ１、気流方向における第１傾斜部の上流端と下流端に山部の頂点側と反対側から接する平面を基準平面、基準平面と第１傾斜部とのなす角度をθ１、貫通孔からみて気流方向の上流側の領域における基準平面と第２傾斜部とのなす角度をθ２、基準平面から平坦部までの距離をα、一のフィンの基準平面と山部の頂点側に隣接する他のフィンの基準平面との間の距離をＬ、と定義したとき、平坦部が、基準平面に関して山部の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合に、
0° < θ2 < tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
の関係を満足し、
平坦部が、基準平面に関して山部の頂点側と反対側にある場合に、
0° < θ2 < tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
の関係を満足する、という構成を採る。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を冷媒が循環するようにして冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置であって、凝縮器と蒸発器の少なくとも一方が、上記フィンチューブ熱交換器を備える、という構成を採る。

本発明によれば、着霜運転時及び非着霜運転時を問わず、優れた基本性能を発揮するフィンチューブ熱交換器、及び、冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の一例を示す図 図１のフィンチューブ熱交換器に用いられるフィンの一例を示す平面図 図２Ａに示すフィンが線ＩＩＢ−ＩＩＢに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図 図２Ａに示すフィンが線ＩＩＣ−ＩＩＣに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図 図２Ａに示すフィンが線ＩＩＤ−ＩＩＤに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図 フィンチューブ熱交換器の一例を示す側面図 フィンの形状の一例を示す斜視図 フィンチューブ熱交換器に形成される隙間部の一例を示す図 第２傾斜角度θ２の変化に対する隙間部の変化を示す図 上限値角度θ２Ｕの算出方法について説明する図 下限値角度θ２Ｌの算出方法について説明する図 下限値角度θ１Ｌの算出方法について説明する図 第２傾斜角度θ２が小さい場合において高い熱流速（熱交換量）を有する部分を示す平面図 第２傾斜角度θ２が大きい場合において高い熱流速（熱交換量）を有する部分を示す平面図 第２傾斜角度θ２とフィンチューブ熱交換器の性能（熱交換量および圧力損失）との関係を示す図 フィンの形状の別の一例を示す図 フィンの形状のさらに別の一例を示す図 従来のフィンチューブ熱交換器におけるフィンの平面図 図９Ａに示すフィンの線ＩＸＢ−ＩＸＢに沿った断面図 図９Ａに示すフィンの線ＩＸＣ−ＩＸＣに沿った断面図 図９Ａに示すフィンの線ＩＸＤ−ＩＸＤに沿った断面図 従来のフィンチューブ熱交換器における別のフィンの平面図 図１０Ａに示すフィンの線ＸＢ−ＸＢに沿った断面図 図１０Ａに示すフィンの線ＸＣ−ＸＣに沿った断面図 従来のフィンチューブ熱交換器におけるさらに別のフィンの平面図 図１１Ａに示すフィンの線ＸＩＢ−ＸＩＢに沿った断面図 図１１Ａに示すフィンの線ＸＩＣ−ＸＩＣに沿った断面図

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、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係るフィンチューブ熱交換器１００の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る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との間で熱交換がなされ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。

本実施形態では、フィン３１が並んでいる方向を高さ方向（図１のＹ方向）、前縁３０ａに平行な方向を段方向（図１のＺ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：図１のＸ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。

図２Ａは、図１のフィンチューブ熱交換器１００に用いられるフィンの一例を示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示すフィンが線ＩＩＢ−ＩＩＢに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図である。図２Ｃは、図２Ａに示すフィンが線ＩＩＣ−ＩＩＣに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図である。図２Ｄは、図２Ａに示すフィンが線ＩＩＤ−ＩＩＤに沿った面で切断された場合の断面を示す断面図である。

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）で並べられている。フィンピッチは、例えば、１．０〜２．０ｍｍの範囲に調整されている。図２Ｂに示すように、フィンピッチは、隣り合う２つのフィン３１の距離Ｌ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、その幅は極めて狭いため、フィン３１の性能に大きな影響を及ぼすものではない。

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。

また、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である。すなわち、貫通孔３７ｈの直径は、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。本実施形態においては、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。

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。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り、第２傾斜部３８の表面は緩やかな曲面で構成されている。

そして、稜線部３９は、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８とによって形成される。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との境界部分である稜線部３９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。

ここで、図２Ａ〜図２Ｄに示すように、気流方向における第１傾斜部３６の上流端から下流端間までの距離を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。さらに、気流方向における第１傾斜部３６の上流端と下流端に山部３４の頂点側と反対側から接する平面を基準平面Ｈ１と定義する。そして、フィン３１の基準平面Ｈ１と山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間の距離（フィンピッチ）をＬと定義する。

第１傾斜部３６の上流端及び下流端は、それぞれ、前縁３０ａ、及び、後縁３０ｂと接続されている。また、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。そして、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。本実施形態では、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、第１傾斜部３６の上流端の位置、第１傾斜部３６の下流端の位置、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、α及びＬ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{2・L/(S2-D1)} < θ2 < tan^-1[(L±α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}] ・・・（１）

高さ方向において、平坦部３５の位置は、前縁３０ａの位置、及び、後縁３０ｂの位置と異なっていてもよい。具体的には、平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の頂点の近くに位置している場合、式（１）の右辺は、
tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
である。

平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の頂点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の頂点から離れている場合、式（１）の右辺は、
tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
である。

平坦部３５が基準平面Ｈ１よりも山部３４の頂点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。

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、流れ方向に垂直で、かつ、伝熱管の中心を通る平面によりフィン３１を切断した場合に観察される断面である。

図３Ａは、フィンチューブ熱交換器１００の一例を示す側面図である。図３Ａは、フィンチューブ熱交換器１００を、図１における空気Ａの流れ方向（Ｘ方向）から見た図である。また、図３Ｂは、フィン３１の形状の一例を示す斜視図である。

図３Ａに示すように、このフィンチューブ熱交換器１００では、高さ方向（Ｙ方向）に隣り合っている伝熱管２１の間に隙間が生じている。図３Ｂに示すように、この隙間は、高さ方向における稜線部３９の位置が山部３４の位置よりも低くなることにより生じるものである。

以下では、式（１）の技術的意義について詳細に説明する。

（第２傾斜角度θ２の上限値について）
図４Ａは、フィンチューブ熱交換器１００に形成される隙間部４０の一例を示す図である。図４Ｂは、第２傾斜角度θ２の変化に対する隙間部４０の変化を示す図である。図４Ａ、及び、図４Ｂには、気流方向（空気Ａの流れ方向）におけるフィン３１の上流端側から見て、フィン３１の稜線部３９と、フィン３１の山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間に、隙間部４０が形成された状態が示されている。

図４Ａでは、隙間部４０がドット模様で示されている。この隙間部４０は、稜線部３９のフィンカラー３７側の突出方向距離が、フィン３１の基準平面Ｈ１と山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間の距離Ｌよりも小さい場合に生じる。

稜線部３９のフィンカラー３７側の突出方向距離が、上記距離Ｌと等しくなる閾値角度θ２Ｕは、以下の式（２）で表される。
θ2U = tan^-1[(L±α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}] ・・・（２）

ここで、Ｓ１は、気流方向における第１傾斜部３６の上流端から下流端までの距離であり、Ｄ１は、平坦部３５の直径であり、θ１は、第１傾斜角度であり、αは、基準平面Ｈ１から平坦部３５までの距離である。

この閾値角度θ２Ｕは、以下の方法で算出される。図５Ａは、上限値角度θ２Ｕの算出方法について説明する図である。図５Ａに示すように、稜線部３９のフィンカラー３７の突出方向距離Ｈは、
H={(S1-D1)/2±α/tanθ2}/(1/tanθ1+1/tanθ2)
で表される。

そして、稜線部３９のフィンカラー３７側の突出方向距離Ｈが、フィン３１の基準平面Ｈ１と、山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間の距離Ｌと丁度等しくなるとき、距離Ｌは
{(S1-D1)/2±α/tanθ2}/(1/tanθ1+1/tanθ2)
と表される。

これより、第２傾斜角度θ２の正接は、
tanθ2=(L±α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}
で表されるので、第２傾斜角度θ２の上限である閾値角度θ２Ｕは、式（２）のように表される。

このような隙間部４０が形成されることにより、媒体Ｂが内部を流れる伝熱管２１近傍の隙間部４０を空気Ａが流れやすくなり、空気Ａと最も温度差を持つフィン３１の箇所において、熱交換を促進することができる。

また、第２傾斜角度θ２を変化させると、隙間部４０の開口面積が変化する。図４Ｂに示すように、第２傾斜角度θ２が小さくなると、隙間部４０の開口面積は拡大し、第２傾斜角度θ２が大きくなると、隙間部４０の開口面積は縮小する。

第２傾斜角度がθ２ａの場合と、θ２ｂ（θ２ａ＞θ２ｂ）の場合とを比較すると、第２傾斜角度がθ２ａの場合の開口面積は、図４Ｂの右下がり斜線で示される部分の面積となる。一方、第２傾斜角度がθ２ｂの場合の開口面積は、図４Ｂの右下がり斜線と左下がり斜線で示される部分の面積を合計したものとなる。

第２傾斜角度θ２が大きくなると、隙間部４０の開口面積が小さくなることで、隙間部４０を通過する空気Ａの流速が上昇し、第２傾斜部３８における空気Ａ側の熱伝達率が上昇する。これにより、フィン３１における熱交換量（熱交換能力）が増加する。

一方、第２傾斜角度θ２が小さくなると、隙間部４０の開口面積が大きくなることで、隙間部４０を通過する空気Ａの流速が低下し、第２傾斜部３８における空気Ａ側の熱伝達率が低下する。これにより、フィン３１における熱交換量（熱交換能力）が減少する。

ただし、フィン３１の基準平面Ｈ１と、山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間に形成される流路において、第２傾斜角度θ２が閾値角度θ２Ｕを上回ると、隙間部４０が気流方向（空気Ａの流れ方向）に対して形成されなくなる。

そのため、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、閾値角度θ２Ｕ未満の範囲において、第２傾斜角度θ２をより大きくすることが重要である。これにより、空気Ａの流速が増加し、フィン３１における熱交換量（熱交換能力）を増加させることができる。

また、第２傾斜角度θ２を、閾値角度θ２Ｕ未満で０°より大きい範囲においてできるだけ大きくすることにより、空気Ａの流れ方向の下流側にある下流側第２傾斜部３８ａ（図２Ａを参照）が空気Ａの流れに対して屹立する。これにより、空気Ａの流れが下流側第２傾斜部３８ａにおいて大きく曲げられることになる。

その結果、下流側第２傾斜部３８ａにおいて、傾斜面表面の温度境界が乱されることにより熱伝達が促進される屈曲効果が得られるようになり、フィンチューブ熱交換器の熱交換能力が向上する。

また、第２傾斜角度θ２を、上記範囲においてできるだけ大きくすることにより、空気Ａの流れ方向の下流側にある下流側稜線部３９ａが空気Ａの流れに対して突出する。その結果、下流側稜線部３９ａにおいても新たに前縁効果が得られ、熱交換能力が向上する。

図６Ａは、第２傾斜角度θ２が小さい場合において高い熱流速（熱交換量）を有する部分を示す平面図である。図６Ｂは、第２傾斜角度θ２が大きい場合において高い熱流速（熱交換量）を有する部分を示す平面図である。ここで、高い熱流速を有する部分は太線で示されている。これらは数値解析の結果に基づいて得られた知見である。

図６Ａ、図６Ｂから分かるように、第２傾斜角度θ２が大きくなると、下流側稜線部３９ａの両端部においても、熱流速が大きくなる。すなわち、下流側稜線部３９ａの両端部において、新たに前縁効果が得られ、熱交換能力が向上する。

（第２傾斜角度θ２の下限値について）
図５Ｂは、下限値角度θ２Ｌの算出方法について説明する図である。前述のように、稜線部３９のフィンカラー３７側の突出方向距離は、フィン３１の基準平面Ｈ１と、山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間の距離Ｌより小さくされる。

これにより、気流方向（空気Ａの流れ方向）におけるフィン３１の上流端側から見て、フィン３１の稜線部３９と、フィン３１の山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間に、隙間部４０（図４Ｂ中のドット部分）が形成される。

ここで、山部３４の頂点の高さが上記距離Ｌより小さくなると、フィンカラー３７の周囲に形成される隙間部４０が、隣接する隙間部４０と繋がることになる。このような場合、隙間部４０の開口面積が過大になり、開口面積が小さい場合に比べて空気Ａの流速が小さくなる。

さらには、空気Ａが、空気Ａの流れ方向と直行する方向にも広がり、下流側第２傾斜部３８ａにおける屈曲効果や、下流側稜線部３９ａにおける前縁効果が発揮されにくくなる。すなわち、各フィンカラー３７の周囲にある隙間部４０の開口が互いに独立するように形成されることがより好ましい。

隙間部４０の開口部が、互いに独立するように形成される閾値角度θ２Ｌは、以下の式（３）で表される。
θ2L = tan^-1L/{(S2-D1)/2} ・・・（３）

ここで、Ｓ２は、段方向における伝熱管の中心間距離であり、Ｄ１は、平坦部３５の直径であり、θ１は、第１傾斜角度であり、αは、基準平面Ｈ１から平坦部３５までの距離であり、Ｌは、フィン３１の基準平面Ｈ１と、山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間の距離である。

この閾値角度θ２Ｌは、以下の方法で算出される。図５Ｂにおいて、第２傾斜角度θ２を最小にしたときに、隙間部４０の開口部が互いに独立するように形成される場合の山部３４の高さは、(S2-D1)/2・tanθ2で表される。

そして、山部３４の頂点の高さが距離Ｌと丁度等しくなるとき、L = (S2-D1)/2・tanθ2と表されるので、第２傾斜角度θ２（＝閾値角度θ２Ｌ）の正接は、tanθ2L = L/{(S2-D1)/2}となる。したがって、閾値角度θ２Ｌは上記の式（３）で表すことができる。

このような隙間部４０が形成されることで、媒体Ｂが内部を流れる伝熱管２１の近傍の隙間部４０を空気Ａが流れることにより、空気Ａと最も温度差を持つフィン３１の箇所において、熱交換をより促進することができる。

（第１傾斜角度θ１の下限値について）
また、本実施形態におけるフィンチューブ熱交換器１００は、下記の式（４）を満足する。
tan^-1(2・(L±α)/S1) < θ1 ・・・（４）

これにより、各フィンカラー３７の周囲にある隙間部４０の開口部が、互いに独立するように形成される。その結果、空気Ａの流速を大きくすることができる。以下では、式（４）の技術的意義について詳細に説明する。

図５Ｃは、下限値角度θ１Ｌの算出方法について説明する図である。図５Ｃに示すように、フィン３１の平坦部３５からの山部３４の高さは、
S1/2・tanθ1±α
で表される。

ここで、Ｓ１は、気流方向における第１傾斜部３６の上流端から下流端までの距離であり、αは、基準平面Ｈ１から平坦部３５までの距離である。

そして、各フィンカラー３７の周囲にある隙間部４０の開口部が、互いに独立するように形成されるための第１傾斜角度θ１の下限値θ１Ｌは、下記の式（５）で表される。
θ1L = tan^-1{2・(L±α)/S1} ・・・（５）
ここで、Ｌは、フィン３１の基準平面Ｈ１と、山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間の距離である。

図５Ｃに示すように、山部３４の頂点の高さが距離Ｌと丁度等しくなるとき、L = S1/2・tanθ1±αとなるので、第１傾斜角度θ１（＝閾値角度θ１Ｌ）の正接は、tanθ1L = 2・(L±α)/S1で表される。したがって、閾値角度θ１Ｌは式（５）で表すことができる。

上述してきたように、本実施形態では、第２傾斜角度θ２の上限値を、式（２）を用いて決定する。すなわち、第２傾斜角度θ２が、以下の範囲に含まれるようにする。

（Ａ）平坦部３５が、基準平面Ｈ１に関して山部３４の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合、
0° < θ2 < tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}] ・・・（６）
（Ｂ）平坦部３５が、基準平面Ｈ１に関して山部３４の頂点側と反対側にある場合、
0° < θ2 < tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}] ・・・（７）

これにより、フィン３１の稜線部３９と、フィン３１の山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間に、隙間部４０が形成される。その結果、媒体Ｂが内部を流れる伝熱管２１近傍の隙間部４０を空気Ａが流れやすくなり、空気Ａと最も温度差を持つフィン３１の箇所において、熱交換を促進することができる。

なお、θ２が大きいほど、隙間部４０の開口面積が小さくなり、空気Ａの流速が大きくなるので好ましい。

さらに、第２傾斜角度θ２は、以下の範囲に含まれることが好ましい。
tan^-1L/{(S2-D1)/2} < θ2 < 90° ・・・（８）

また、第１傾斜角度θ１は、以下の範囲に含まれることが好ましい。
（Ａ）平坦部３５が、基準平面Ｈ１に関して山部３４の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合、
tan^-1(2・(L-α)/S1) < θ1 < 90° ・・・（９）
（Ｂ）平坦部３５が、基準平面Ｈ１に関して山部３４の頂点側と反対側にある場合、
tan^-1(2・(L+α)/S1) < θ1 < 90° ・・・（１０）

これにより、各フィンカラー３７の周囲にある隙間部４０の開口部が、互いに独立するように形成される。その結果、隙間部４０の開口面積が小さくなり、空気Ａの流速を大きくすることができる。

図７は、第２傾斜角度θ２とフィンチューブ熱交換器１００の性能（熱交換量および圧力損失）との関係を示す図である。

図７に示すように、熱交換量は、第２傾斜角度θ２が式（３）で表される下限値θ２Ｌを超えると急に大きくなる。そして、第２傾斜角度θ２が式（２）で表される上限値θ２Ｕを超えると、熱交換量は低下する。また、圧力損失は、第２傾斜角度θ２が上限値θ２Ｕを超えると、急に大きくなる。

すなわち、第２傾斜角度θ２を式（１）の範囲とすることにより、通風抵抗を十分に抑制しつつ、十分な熱交換量を確保することができる。

また、上記実施形態では、図３Ｂに示したように、平坦部３５と第１傾斜部３６とを第２傾斜部３８で滑らかに接続することとした。そして、図５Ａで説明したように、稜線部３９のフィンカラー３７側の突出方向距離Ｈが、距離Ｌよりも小さくなるようにした。

図３Ｂに示した例では、平坦部３５と第２傾斜部３８とのなす角度のうち、鋭角側の角度は第２傾斜角度θ２で一定となっている。そのため、第１傾斜部３６と第２傾斜部３８との交線である稜線部３９は、図３Ｂに示すような曲線となる。

しかしながら、フィン３１の形状はこのような形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。図８Ａは、フィン３１の形状の別の一例を示す図である。このフィン３１の稜線部３９は、図３Ｂに示したフィン３１の稜線部３９と異なり、直線状となっている。

また、図８Ｂは、フィン３１の形状のさらに別の一例を示す図である。このフィン３１の稜線部３９は、図８Ａに示したフィン３１の稜線部３９と同様に、空気Ａの流れ方向における上流側と下流側の部分が直線状となっている。しかし、その両側の部分は、曲線状となっている。

図８Ａ、図８Ｂに示すような場合でも、図５Ａを用いて説明したように、伝熱管２１が嵌められる貫通孔からみて、気流方向の上流側の領域における基準平面Ｈ１と第２傾斜部３８とのなす角度θ２が、前述の式（６）または式（７）の範囲内となるようにする。これにより、フィン３１の稜線部３９と、フィン３１の山部３４の頂点側に隣接する他のフィン３１の基準平面Ｈ１との間に隙間部４０が形成される。

その結果、図３Ｂに示したフィン３１と同様に、媒体Ｂが内部を流れる伝熱管２１近傍の隙間部４０を空気Ａが流れやすくなる。そして、空気Ａと最も温度差を持つフィン３１の箇所において、熱交換を促進することができるようになる。

また、上述したようなフィンチューブ熱交換器を冷凍サイクル装置に適用することができる。冷凍サイクル装置とは、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を冷媒が循環するようにして冷凍サイクルを構成する装置である。

この冷凍サイクル装置の凝縮器と蒸発器の少なくとも一方に、上述したようなフィンチューブ熱交換器を適用することにより、冷凍サイクル装置の成績係数（Coefficient Of Performance）を向上させることができる。

２０１３年４月１２日出願の特願２０１３−０８３４６２の日本出願に基づく優先権を主張する。本日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

本発明に係るフィンチューブ熱交換器、および、冷凍サイクル装置は、たとえば、ルームエアコンや給湯器、暖房機などのヒートポンプ装置に用いるのに好適である。

１ フィン
３ 気流
４ 山部
５ 平坦部
６ 谷部
８ 第２傾斜部
１０ フィン
１１ａ，１１ｂ 切り起こし
１２ａ，１２ｂ フィン傾斜面
２１ 伝熱管
３０ａ 前縁
３０ｂ 後縁
３１ フィン
３４ 山部
３５ 平坦部
３６ 第１傾斜部
３７ フィンカラー
３７ｈ 貫通孔
３８ 第２傾斜部
３８ａ 下流側第２傾斜部
３９ 稜線部
３９ａ 下流側稜線部
４０ 隙間部
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ 切り起こし
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ フィン傾斜面
１００ フィンチューブ熱交換器

Claims (4)

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、
   前記気流方向における前記第１傾斜部の上流端から下流端までの距離をＳ１、前記気流方向における前記平坦部の上流端から下流端までの距離をＤ１、前記気流方向における前記第１傾斜部の上流端と下流端に前記山部の頂点側と反対側から接する平面を基準平面、前記基準平面と前記第１傾斜部とのなす角度をθ１、前記貫通孔からみて前記気流方向の上流側の領域における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、一の前記フィンの前記基準平面と前記山部の頂点側に隣接する他の前記フィンの前記基準平面との間の距離をＬ、と定義したとき、前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合に、
   0° < θ2 < tan^-1[(L-α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
   の関係を満足し、
   前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と反対側にある場合に、
   0° < θ2 < tan^-1[(L+α)/{(S1-D1)/2-L/tanθ1}]
   の関係を満足する、フィンチューブ熱交換器。
2. 前記段方向における前記基準平面と前記第２傾斜部とのなす角度がθ２であり、前記段方向における前記伝熱管の中心間距離をＳ２と定義した場合に、前記角度θ２が、さらに
   tan^-1{2・L/(S2-D1)} < θ2 < 90°
   の関係を満足し、前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と同一側にある場合、または、α＝０の場合に、前記角度θ１が、
   tan^-1(2・(L-α)/S1) < θ1 < 90°
   の関係を満足し、
   前記平坦部が、前記基準平面に関して前記山部の頂点側と反対側にある場合に、前記角度θ１が、
   tan^-1(2・(L+α)/S1) < θ1 < 90°
   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. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を冷媒が循環するようにして冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置であって、
   前記凝縮器と前記蒸発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熱交換器を備える冷凍サイクル装置。

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