WO2015170456A1 - オフセットフィンとそれを有する熱交換器 - Google Patents

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WO2015170456A1
WO2015170456A1 PCT/JP2015/002218 JP2015002218W WO2015170456A1 WO 2015170456 A1 WO2015170456 A1 WO 2015170456A1 JP 2015002218 W JP2015002218 W JP 2015002218W WO 2015170456 A1 WO2015170456 A1 WO 2015170456A1
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fin
offset
side wall
respect
fin portions
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PCT/JP2015/002218
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文宣 高見
浅井田　康浩
怜明 北條
彰継 瀬川
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning

Definitions

  • the present disclosure relates to a heat exchanger that performs heat exchange between fluids, and more particularly, to an offset fin and a heat exchanger having the offset fin.
  • the offset fin 50 is composed of a plurality of corrugated structures 60 and 70.
  • Each corrugated structure 60 has a plurality of fin portions 61 having a convex cross section
  • each corrugated structure 70 has a plurality of fin portions 71 having a convex cross section.
  • the plurality of corrugated structures 60 and 70 are arranged in a direction orthogonal to the fluid flow direction D.
  • the corrugated structure 70 is disposed adjacent to the corrugated structure 60 on the downstream side in the flow direction D.
  • Each of the fin portions 61 and 71 is formed by bending a metal plate, and the convex directions protrude upward in FIG.
  • the pitch between the fin portions 61 and 71 is the same.
  • the position of the fin portion 71 (the position in the direction in which the corrugated structure extends) is offset (arranged by shifting the position) with respect to the position of the fin portion 61.
  • the side walls 62 and 72 of the fin portions 61 and 71 are parallel to the direction along the fluid flow direction D, that is, the fluid flow direction D.
  • the fin portions 61 and 71 are passed when the fluid passes through the fin portions 61 and 71.
  • Heat exchange is performed between the side walls 62 and 72 and the fluid.
  • the corrugated structure 70 is offset with respect to the corrugated structure 60, turbulent flow is generated in the fluid. The heat exchange rate is improved by the promotion effect by this turbulent flow.
  • the present disclosure provides a heat exchanger and an offset fin for a heat exchanger that can improve a heat exchange rate while keeping a pressure loss of a fluid low in a heat exchanger having an offset fin.
  • the heat exchanger and the heat exchanger offset fin of the present disclosure are configured as follows.
  • the offset fin has a first corrugated structure and a second corrugated structure.
  • the first corrugated structure has a plurality of first fin portions arranged in the first direction.
  • the second corrugated structure has a plurality of second fin portions arranged in the first direction.
  • the second corrugated structure is provided in a second direction orthogonal to the first direction with respect to the first corrugated structure.
  • the first fin portion and the second fin portion protrude alternately in a first direction and a third direction orthogonal to the second direction, and the cross-sectional shape is convex.
  • the second fin portion is offset from the first fin portion.
  • Each of the first fin portions has a first side wall that is inclined with respect to the second direction, and each of the second fin portions is a second side wall that is inclined in the direction opposite to the first side wall with respect to the second direction.
  • the heat exchanger includes a first fluid channel, a second fluid channel, and the above-described offset fins disposed between the first fluid channel and the second fluid channel.
  • the heat exchange rate can be improved while keeping the pressure loss of the fluid low.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a heat exchanger according to a first embodiment of the present disclosure.
  • the schematic diagram which shows the flow of the fluid in the offset fin of Embodiment 1 Graph showing the relationship between the inclination angle of the side wall and the evaluation index based on the analysis results
  • the side walls 62 and 72 of the fin portions 61 and 71 are arranged in parallel to the fluid flow direction D. Therefore, the fluid flows substantially linearly, and the pressure loss of the fluid can be suppressed relatively low.
  • the flow path length in which heat exchange is performed is short.
  • the heat transfer areas of the fin portions 61 and 71 that contribute to heat exchange with the fluid are small, and it is difficult to improve the heat exchange rate.
  • the effect of promoting fluid turbulence due to the offset arrangement of the first corrugated structure 60 and the second corrugated structure 70 is limited, and it is difficult to further improve the heat exchange rate.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a heat exchanger 1 having a first fluid offset fin (hereinafter referred to as offset fin) 3 and a second fluid offset fin (hereinafter referred to as offset fin) 14 according to a first embodiment of the present disclosure. It is.
  • the main structure of the heat exchanger 1 is shown, and it abbreviate
  • the heat exchanger 1 is a plate heat exchanger.
  • a flow path through which a fluid flows is formed between the plurality of stacked plates, and the first fluid and the second fluid exchange heat between the flow paths adjacent in the stacking direction.
  • the first fluid and the second fluid may be liquid or gas.
  • the heat exchanger 1 includes two types of plates 2A and 2B that are alternately stacked, offset fins 3 disposed between the lower surface side of the plate 2A and the upper surface side of the plate 2B, the lower surface side of the plate 2B, and the plate And offset fins 14 disposed between the upper surface side of 2A. Outer edge portions surrounding each of the offset fins 3 and 14 between the plates 2A and 2B are joined (for example, brazed) to each other.
  • the first fluid flow path 5 is defined by the lower surface side of the plate 2A, the upper surface side of the plate 2B, and the offset fins 3.
  • the second fluid flow path 6 is defined by the lower surface side of the plate 2B, the upper surface side of the plate 2A, and the offset fins 14.
  • the heat exchanger 1 includes the first fluid channel 5, the second fluid channel 6, and the offset fluid 3 disposed between the first fluid channel 5 and the second fluid channel 6.
  • a first fluid supply channel (hereinafter referred to as a supply channel) 7A and a second fluid discharge channel are provided at one side edge in the longitudinal direction of the plates 2A and 2B so as to penetrate the plates 2A and 2B in the stacking direction, respectively.
  • a discharge flow path 8B is provided.
  • a first fluid discharge channel (hereinafter referred to as a discharge channel) 7B and a second fluid supply channel (hereinafter referred to as a supply channel) 8A are provided at the other side edge in the longitudinal direction of the plates 2A and 2B. ing.
  • the supply flow path 7 ⁇ / b> A and the discharge flow path 7 ⁇ / b> B are communicated with the first fluid flow path 5, and the supply flow path 8 ⁇ / b> A and the discharge flow path 8 ⁇ / b> B are communicated with the second fluid flow path 6.
  • the flow direction D1 (from one side edge) in the first fluid channel 5
  • the first fluid flows along the direction toward the other end edge.
  • the second fluid flows in the second fluid flow path 6 along the flow direction D2 (direction from the other side edge toward the one side edge).
  • the configuration of the offset fins 3 and 14 used in the heat exchanger 1 will be described. Since the offset fin 14 can employ the same configuration as the offset fin 3, the configuration of the offset fin 3 will be described as a representative of both.
  • the first fluid and the second fluid are simply referred to as fluids unless particularly distinguished.
  • FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of the offset fin 3.
  • the offset fin 3 has a corrugated structure 10 that is a first corrugated structure and a corrugated structure 20 that is a second corrugated structure.
  • the corrugated structure 10 includes a plurality of fin portions (first fin portions) 41 arranged in the X direction.
  • the corrugated structure 20 includes a plurality of fin portions (second fin portions) 21 arranged in the X direction.
  • the corrugated structure 20 is provided in the Y direction with respect to the corrugated structure 10.
  • Each of the fin portions 41 and 21 protrudes alternately in the Z direction and has a convex cross-sectional shape.
  • the fin portion 21 is offset with respect to the fin portion 41.
  • the Y direction is a second direction orthogonal to the X direction, which is the first direction
  • the Z direction is a third direction orthogonal to the X direction and the Y direction.
  • Each of the fin portions 41 has a first side wall (hereinafter, referred to as a side wall) 12 that is inclined with respect to the Y direction, and each of the fin portions 21 is a second side that is inclined in the direction opposite to the side wall 12 with respect to the Y direction.
  • a side wall (hereinafter referred to as a side wall) 22 is provided.
  • the offset fin 3 has a configuration in which a plurality of corrugated structures 10 and 20 are arranged in the Y direction.
  • the Z direction is a direction in which the plates 2A and 2B are stacked in the heat exchanger 1.
  • the direction in which the corrugated structures 10 and 20 extend is the X direction
  • the Y direction is the fluid flow direction D1.
  • the corrugated structure 10 that is one of the plural corrugated structures that the offset fin 3 has, for example, a plurality of fin portions 41 having a convex cross-sectional shape formed by bending a metal plate has a convex direction on the positive side in the Z direction. Are alternately arranged in the X direction at a constant interval pitch.
  • the corrugated structure 20 is disposed adjacent to the corrugated structure 10 on the downstream side in the fluid flow direction D1.
  • the corrugated structure 20 has the same configuration as that of the corrugated structure 10, and the plurality of fin portions 21 are alternately arranged in the X direction at regular intervals with the convex direction alternately alternating between the positive side and the negative side of the Z direction. It is arranged.
  • the interval pitch in the X direction of the fin portions 41 and 21 is the same.
  • the fin portion 21 is offset with respect to the fin portion 41. That is, in the X direction, the fin portion 21 is arranged with a position shifted from the fin portion 41.
  • a second corrugated structure 10 is disposed adjacent to the corrugated structure 20 on the downstream side in the fluid flow direction D ⁇ b> 1, and the second corrugated structure 10 is disposed adjacent to the downstream side of the second corrugated structure 10.
  • a corrugated structure 20 is arranged. That is, in the offset fin 3, the corrugated structures 10 and the corrugated structures 20 are alternately arranged along the fluid flow direction D1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the offset fin 3 in the XY plane in FIG. 2
  • FIG. 4 is a cross-sectional view in the XZ plane at the connection position (line 4-4) between the corrugated structure 10 and the corrugated structure 20.
  • the fin portion 41 connects the pair of side walls 12 rising (or falling) in the Z direction and the ends of the pair of side walls 12 in the Z direction along the XY plane. Connecting wall 13.
  • the fin portion 41 has such a gate shape.
  • the fin portion 21 includes a pair of side walls 22 that rise (or fall) in the Z direction, and a connection wall 23 that connects end portions in the Z direction of the pair of side walls 22 along the XY plane. .
  • the sidewall 12 of the fin portion 41 is inclined at an inclination angle ⁇ 1 with respect to the fluid flow direction D1.
  • the side wall 22 of the fin portion 21 is inclined at an inclination angle ⁇ 2 with respect to the fluid flow direction D1.
  • the inclination directions of the side walls 12 and 22 are opposite to the fluid flow direction D1.
  • the inclination direction of the side wall 12 with respect to the fluid flow direction D1 is a positive direction
  • the inclination direction of the side wall 22 is a negative direction.
  • the absolute value of the inclination angle ⁇ 1 of the side wall 12 with respect to the Y direction and the absolute value of the inclination angle ⁇ 2 of the side wall 22 with respect to the Y direction are the same.
  • each side wall 12 is arranged in parallel to each other, and in the corrugated structure 20, the side walls 22 are arranged in parallel to each other. That is, the two adjacent side walls 12 in the fin portion 41 are parallel to each other, and the two adjacent side walls 22 in the fin portion 21 are parallel to each other. Furthermore, each side wall 12 and 22 has the same height (dimension in the Z direction).
  • the fin portions 41 and 21 have a length L in the fluid flow direction D1 (Y direction), an interval pitch P in the X direction, and a thickness t of the side walls 12 and 22. That is, the length of the fin portion 41 in the Y direction is the same as the length of the fin portion 21 in the Y direction.
  • the position in the X direction of the upstream end of the fin portion 21 is The position of the downstream mold end of the fin portion 41 is offset by the dimension of the interval pitch P ⁇ 1/2 with respect to the position in the X direction.
  • the fin portion 41 and the fin portion 21 are arranged at the same interval pitch, and the fin portion 21 is 1 ⁇ 2 of the interval pitch with respect to the fin portion 41 at a position where the corrugated structure 10 and the corrugated structure 20 face each other.
  • the offset is arranged with the length of.
  • the offset fin 3 having such a configuration can be formed, for example, by pressing a metal plate using a mold.
  • a metal material can be used as a forming material of the offset fin 3, for example, aluminum or stainless steel can be used.
  • the surface of such a metal plate may be subjected to surface processing / surface treatment using a resin material or the like.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the flow of fluid in the offset fin 50
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the flow of fluid in the offset fin 3.
  • the side walls 62 and 72 of the fin parts 61 and 71 are parallel to the fluid flow direction D. Therefore, the fluid flow path formed between the side walls 62 and the side walls 72 is substantially linear, and the fluid flows substantially linearly along the flow direction D. As a result, the fluid flow becomes a substantially laminar state, and the effect of promoting turbulence by the offset arrangement is not sufficiently exhibited. Therefore, the heat exchange effect between the side walls 62 and 72 and the fluid is limited.
  • the side walls 12 and 22 of the fin portions 41 and 21 are arranged to be inclined with respect to the fluid flow direction D1. Further, the inclination direction of the side wall 12 is opposite to the inclination direction of the side wall 22. Therefore, the fluid flow paths formed between the side walls 12 and between the side walls 22 are bent at an inclination angle ⁇ 1 + ⁇ 2 at the connection portion from the fin portion 41 to the fin portion 21. As a result, the fluid is in a turbulent state where the flow velocity is higher in the vicinity of the one side wall 12, 22 in the flow path than in the vicinity of the other. Therefore, the heat exchange amount between the side walls 12 and 22 and the fluid is higher than that in the case of a substantially laminar flow state. That is, in addition to the turbulent flow promotion effect due to the offset arrangement of the fin portions 41 and 21, a further turbulent flow promotion effect can be obtained by the inclined arrangement of the side walls 12 and 22, and the heat exchange amount can be increased.
  • the fluid flow path in which heat exchange is performed is longer than when the fluid flow path is linear. Therefore, the heat transfer area of the fin portions 41 and 21 that contribute to heat exchange with the fluid is also larger than that of the fin portions 61 and 71. Therefore, the heat exchange rate of the offset fin 3 is higher than that of the offset fin 50.
  • the inclination direction with respect to the fluid flow direction D1 of the side walls 12 and 22 of the fin portions 41 and 12 is opposite and the absolute value of the inclination angle is set to the same value.
  • the fluid flow path is inclined with respect to the flow direction D1, but the fluid flow path is generally along the flow direction D1 by switching the inclination direction alternately.
  • the fluid flow directions D and D1 mean the directions in which the fluid flows when the offset fins are viewed as a whole.
  • Example of offset fin of Embodiment 1 Here, a plurality of analysis models (examples and comparative examples) having the configuration of the offset fin 3 are created, and simulation analysis is performed, and the analysis of the relationship between the inclination angle of the side wall, the heat exchange amount, and the pressure loss is analyzed. The results will be explained.
  • the analysis model A group two convex fins arranged alternately are used as one pattern.
  • One pattern of the channel width S1 (that is, the interval pitch P ⁇ 2) is 2 mm, and the channel length S2 that is the total length of the fin portion 41 and the fin portion 21 (that is, the fin portion length L ⁇ 2).
  • the thickness t of 2 mm and the side walls 12 and 22 is set to 0.3 mm.
  • the channel width S1 of one pattern of the two fin portions is set to 2.86 mm
  • the channel length S2 is set to 4 mm
  • the thickness t of the side walls 12 and 22 is set to 0.2 mm.
  • the length of the entire fluid flow path (the length of the portion where the fin portion exists) is 20 mm, and a straight flow path is provided before and after the calculation to stabilize the calculation.
  • the specifications of the forming material and fluid of the offset fin are as shown in (Table 1).
  • Table 3 shows the analysis results (heat exchange amount Q (W), pressure loss P (Pa), evaluation index) of the analysis models (A1 to A8, B1 to B8) based on these analysis conditions.
  • the analysis models A1 and B1 whose side wall inclination angle is 0 ° are comparative examples, and the other analysis models A2 to A8 and B2 to B8 are examples.
  • the evaluation index is a value (Q / logP) obtained by dividing the heat exchange amount Q by the logarithmic value of the pressure loss.
  • FIG. 7 shows the relationship between the inclination angle of the side wall and the evaluation index based on the analysis results shown in the table of (Table 3).
  • the analytical models A2 to A8 and B2 to B8 with the inclined side walls have higher evaluation indices than the analytical models A1 and B1 with the inclined side walls. Show. That is, in the analysis models A2 to A8 and B2 to B8 in which the side walls are inclined, the degree of increase in the heat exchange amount is higher than the degree of increase in pressure loss due to the inclination of the side walls.
  • the analysis models A8 and B8 (inclination angle 75 °) are improved in evaluation index as compared with the case where the inclination angle is 0 ° (A1 and B1), but the analysis models A7 and B7 ( The pressure loss is significantly increased compared to the inclination angle of 65 °. Therefore, for example, it is preferable to set the inclination angle of the side wall to 65 ° or less to suppress a significant increase in pressure loss.
  • the inclination angle of the side wall when the inclination angle of the side wall is small, the amount of fluid that passes without being affected by the inclined side wall surface increases, and the effect of the inclination of the side wall is limited. Since such an inclination angle is also related to the interval pitch of the flow path, it is desirable to set the inclination angle of the side wall in consideration of the degree of improvement of the evaluation index obtained by the inclination of the side wall.
  • the slope of the graph curve slope obtained by approximating and differentiating the graph curve
  • the slope of 1 slope angle 13 °
  • the analysis models A4, A5, A6, A7, B4, B5, B6, and B7 show high evaluation indices, and by setting the inclination angle of the side wall in the range of 30 ° to 65 °. It can be seen that it shows a higher evaluation index.
  • the heat exchange rate can be increased while suppressing the increase in the pressure loss by setting the flow path width S1 and the height of the side wall large.
  • FIG. 8 is an external front view of the heat exchanger 30, and FIG. 9 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the heat exchanger 30 in FIG. 8 taken along line 9-9. 8 and 9 show the main configuration of the heat exchanger 30, and a part of the configuration is omitted.
  • the heat exchanger 30 is a fin-and-tube heat exchanger.
  • the heat exchanger 30 has a configuration in which a plurality of corrugated fins 31 and a plurality of tubes 33 having offset fins 32 disposed therein are alternately stacked.
  • the offset fin 32 is disposed inside a tube 33 that defines a flow path.
  • Corrugated fins 31 are arranged so as to be sandwiched between the two tubes 33.
  • the first fluid is circulated through the flow path inside the tube 33 in which the offset fins 32 are disposed, and the second fluid is circulated through the flow path defined by the corrugated fins 31 between the tubes 33. That is, the former is a first fluid channel and the latter is a second fluid channel.
  • the first fluid and the second fluid exchange heat through the offset fin 32, the tube 33, and the corrugated fin 31.
  • the offset fin 32 has the same configuration as the offset fin 3 of the first embodiment. That is, in the corrugated structure of the offset fin 32, the side wall of the fin portion is inclined with respect to the fluid flow direction.
  • the heat exchange rate can be improved by applying the offset fins 32 having the side walls inclined with respect to the fluid flow direction.
  • FIG. 10 is a partially enlarged perspective view of the offset fin 103.
  • the offset fin 3 of the first embodiment the fin portions 41 and 21 having a convex cross section have a pair of side walls 12 and 22 that rise (or fall) along the Z direction.
  • the offset fin 103 differs from the first embodiment in that the pair of side walls 112 and 122 rises (or falls) with an inclination with respect to the Z direction.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment, and the basic configuration of the heat exchanger is the same as that of the heat exchanger 1 except that the offset fins 103 are used instead of the offset fins 3.
  • the difference will be mainly described.
  • the offset fin 103 has corrugated structures 110 and 120 in which fin portions 111 and 121 having convex cross-sectional shapes are alternately bent and positioned on one side and the other side in the Z direction.
  • the corrugated structures 110 and 120 extend in the X direction
  • the offset fin 103 has a configuration in which a plurality of corrugated structures 110 and 120 are arranged in the Y direction orthogonal to the X direction.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the XZ plane at the connection position (line 11-11) between the corrugated structure 110 and the corrugated structure 120 in FIG.
  • a line 11-11 corresponds to 4-4 of FIG. 3 in the first embodiment.
  • each of the fin portions 111 includes a pair of side walls 112 and a connection wall 113 that connects the end portions in the Z direction of the pair of side walls 112 along the XY plane.
  • each of the fin portions 121 includes a pair of side walls 122 and a connection wall 123 that connects end portions in the Z direction of the pair of side walls 122 along the XY plane.
  • the fin parts 111 and 121 are formed in a gate shape.
  • the side wall 112 and the side wall 122 are inclined at an inclination angle ⁇ with respect to the Z direction.
  • the pair of side walls 112 and the pair of side walls 122 are inclined at the same inclination angle ⁇ and the inclination directions are opposite to each other.
  • the fin portions 111 and 121 have a cross-sectional shape in which the convex base side portion extends in a taper shape more than the tip side portion (portion where the side walls 112 and 121 are connected to the connection walls 113 and 123). is doing.
  • this inclination angle ⁇ is referred to as a taper angle ⁇ .
  • the side wall 112 is inclined at an inclination angle ⁇ 1 with respect to the fluid flow direction D1
  • the side wall 122 is inclined at an inclination angle ⁇ 2 with respect to the fluid flow direction D1.
  • the directions on one side and the other side of the convex fin portions 111 and 121 in the corrugated structures 110 and 120 mean the Z direction in the present embodiment.
  • the offset fin 103 has a corrugated structure 110 that is a first corrugated structure and a corrugated structure 120 that is a second corrugated structure.
  • the corrugated structure 110 includes a plurality of fin portions (first fin portions) 111 arranged in the X direction.
  • the corrugated structure 120 includes a plurality of fin portions (second fin portions) 121 arranged in the X direction.
  • the corrugated structure 120 is provided in the Y direction with respect to the corrugated structure 110.
  • Each of the fin portions 111 and 121 protrudes alternately in the Z direction and has a convex cross-sectional shape. In the X direction, the fin portion 121 is offset from the fin portion 111.
  • Each of the fin portions 111 has a first side wall (hereinafter referred to as a side wall) 112 that is inclined with respect to the Y direction, and each of the fin portions 121 is a second side that is inclined in the direction opposite to the side wall 112 with respect to the Y direction.
  • a side wall (hereinafter referred to as a side wall) 122 is provided.
  • the plurality of fin portions 111 are formed at an interval pitch P in the X direction, and the side wall 112 has a thickness t.
  • the plurality of fin portions 121 are similarly formed, and the side wall 122 has a thickness t.
  • the position in the X direction of the upstream end of the fin section 121 is the position of the fin section 111.
  • the downstream mold end is offset from the position in the X direction by a distance pitch P ⁇ 1/2.
  • the side walls 112 and 122 are inclined at a taper angle ⁇ with respect to the Z direction. Therefore, as compared with the fin portions 41 and 21 having the structure in which the side walls 12 and 22 extend along the Z direction as in the first embodiment, the cross-sectional area in the flow direction D1 of the fin portions 111 and 121 (the cross-sectional area shown in FIG. 11). ) Is small. This makes it possible to reduce pressure loss in the fluid flow.
  • the surface areas of the side walls 112 and 122 having high heat exchange contributions are increased. Accordingly, it is possible to suppress an increase in pressure loss while increasing the heat exchange rate.
  • the convex cross-sectional shape of the fin portions 111 and 121 into a taper shape, for example, when the offset fin 103 is formed by pressing using a mold, the releasability (from the mold) Ease of separation) and productivity can be improved.
  • Example of offset fin of Embodiment 3 a plurality of analysis models (examples and comparative examples) having a configuration of the offset fin 103 are created, and simulation analysis is performed, and an analysis of the relationship between the taper angle of the side wall, the heat exchange amount, and the pressure loss is performed. The results will be explained.
  • the analysis model B5 (side wall inclination angle: 45 °) in the example of the first embodiment is used as a basic model, and the taper angle ⁇ of the side walls 112 and 122 is set to 10 to 40 ° with respect to this basic model.
  • Analysis models B51 to B54 are created and analyzed.
  • the specifications and analysis conditions other than the taper angle ⁇ are the same as the analysis of the analysis model B5.
  • FIG. 12 shows the relationship between the taper angle ⁇ of the side wall, the pressure loss P, and the heat exchange amount Q based on the analysis results shown in Table 4, and the relationship between the taper angle of the side wall and the evaluation index is shown in FIG. It is shown in FIG.
  • the rigidity of the offset fin 103 in the Z direction decreases.
  • the taper angle ⁇ of the side wall is preferably set to 40 ° or less.
  • the taper angle ⁇ is preferably set to 5 ° or more.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the side wall 12 in the fin portion 41 of the corrugated structure 10 and the inclination angle ⁇ 2 of the side wall 22 in the fin portion 21 of the corrugated structure 20 have the same absolute value.
  • the case has been taken as an example, it is not limited to such a case.
  • the absolute values may be different between the inclination angles ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the corrugated structure 10 and the corrugated structure 20 are not limited to the case where the entire side walls 12 and 22 of the fin portions 41 and 21 are inclined, but are inclined to a part thereof (part in the fluid flow direction D1). It may be the case that no sidewall portion is included. Even in such a case, since the inclined side wall portion exists, a turbulent flow promoting effect can be obtained and the heat exchange amount can be increased.
  • the other structure is disposed between the corrugated structure 10 and the corrugated structure 20.
  • the corrugated structure 20 may be provided in the Y direction with respect to the corrugated structure 10.
  • Other structures may be corrugated structures in which the side walls are not inclined, or may be corrugated structures in which the inclination angles of the side walls are different. If at least the corrugated structure 10 and the corrugated structure 20 are arranged in the fluid flow direction D1, it is possible to obtain a turbulent flow promoting effect due to the inclined side walls, and to increase the amount of heat exchange.
  • the position in the X direction of the upstream end portion of the fin portion 21 of the corrugated structure 20 is offset by a pitch P by 1 ⁇ 2 interval with respect to the position in the X direction of the downstream mold end portion of the fin portion 41 of the corrugated structure 10. It is not limited only to the case where it is arranged. Instead of such a case, for example, an offset arrangement larger than a 1 ⁇ 2 interval pitch may be used, or an offset arrangement may be made smaller.
  • the corrugated structure disposed adjacent to the corrugated structure 20 on the downstream side in the fluid flow direction D1 is not limited to the corrugated structure 10.
  • a third waveform structure (hereinafter, waveform structure) 80 having a structure different from the waveform structure 10 (for example, having an inclination angle ⁇ 3 different from the inclination angle ⁇ 1) is adjacent to the waveform structure 20. May be arranged.
  • the corrugated structure 20 and the corrugated structure 80 are set so that the inclination directions of the side walls are reversed.
  • the corrugated structure 80 has a plurality of third fin portions 81 that protrude alternately in the Z direction, have a convex cross-sectional shape, and are arranged in the X direction. Located on the opposite side. Each of the third fin portions 81 has a third side wall 82 inclined in the direction opposite to the side wall 22 with respect to the Y direction.
  • the case where the side walls 112 and 122 have a plane inclined at the taper angle ⁇ with respect to the Z direction is taken as an example, but only when the side walls 112 and 122 are flat. I can't.
  • the side walls 112 and 122 are configured to be inclined with respect to the Z direction at the taper angle ⁇ as a whole side wall, the side walls may be configured as curved surfaces or partially include curved surfaces.
  • the taper angle ⁇ may be different between the pair of side walls, or the taper angle ⁇ may be different between the side wall 112 and the side wall 122.
  • a corrugated structure or other structure in which the side wall is not inclined at the taper angle ⁇ may be disposed between the corrugated structure 110 and the corrugated structure 120.
  • the heat exchanger using the offset fin of the present disclosure can be applied to a plate heat exchanger, a fin-and-tube heat exchanger, etc., and is used for an exhaust gas heat exchanger, an intercooler, a radiator, and an air conditioner of an automobile. It is useful to apply to various heat exchangers for various industries.

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Abstract

　熱交換器に用いられるオフセットフィンは、第１波形構造と第２波形構造とを有する。第１波形構造は、第１方向に並んだ複数の第１フィン部を有する。第２波形構造は、第１方向に並んだ複数の第２フィン部を有する。第２波形構造は、第１波形構造に対し、第１方向に直交する第２方向に設けられている。第１フィン部、第２フィン部はそれぞれ、第１方向、第２方向に直交する第３方向において交互に突出するとともに、断面形状が凸状である。第１方向において、第２フィン部は、第１フィン部に対してオフセット配置されている。第１フィン部のそれぞれは、第２方向に対して傾斜した第１側壁を有し、第２フィン部のそれぞれは、第２方向に対して、第１側壁と逆向きに傾斜した第２側壁を有する。

Description

オフセットフィンとそれを有する熱交換器
　本開示は、流体間にて熱交換を行う熱交換器に関し、特にオフセットフィンと、そのオフセットフィンを有する熱交換器に関する。
　従来、熱交換器に用いられるオフセットフィンとして様々な構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１６を参照しながら従来のオフセットフィン５０の構造について説明する。
　オフセットフィン５０は、複数の波形構造６０、７０で構成されている。それぞれの波形構造６０は、断面形状が凸状のフィン部６１を複数有し、それぞれの波形構造７０はそれぞれ、断面形状が凸状のフィン部７１を複数有する。複数の波形構造６０、７０は、流体の流れ方向Ｄに直交する方向に配列されている。波形構造７０は、波形構造６０に対して流れ方向Ｄの下流側に隣接して配置されている。
　フィン部６１、７１はそれぞれ、金属板を折り曲げて形成され、凸状の向きを図１６の上方向に突出して一定の間隔ピッチで配列されている。フィン部６１、７１の間隔ピッチは同じである。フィン部７１の位置（波形構造が延びる方向における位置）は、フィン部６１の位置に対してオフセット（位置をずらして配置）されている。
　フィン部６１、７１における側壁６２、７２は、流体の流れ方向Ｄに沿った方向、すなわち流体の流れ方向Ｄに平行である。このような構成のオフセットフィン５０では、熱交換器に組み込まれた状態で流れ方向Ｄに沿って流体を流すと、それぞれのフィン部６１、７１を流体が通過する際に、フィン部６１、７１の側壁６２、７２と流体との間での熱交換が行われる。また、波形構造７０が波形構造６０に対してオフセット配置されていることで、流体に乱流が生じる。この乱流による促進効果により、熱交換率が向上している。
特開２００８－３９３８０号公報
　熱交換器では、通過する流体の圧力損失を低く抑えながら、熱交換率を向上させることが求められている。本開示は、オフセットフィンを有する熱交換器において、流体の圧力損失を低く抑えながら熱交換率を向上させることができる熱交換器および熱交換器用オフセットフィンを提供する。
　上記目的を達成するために、本開示の熱交換器および熱交換器用オフセットフィンは以下のように構成されている。
　本開示の態様によるオフセットフィンは、第１波形構造と第２波形構造とを有する。第１波形構造は、第１方向に並んだ複数の第１フィン部を有する。第２波形構造は、第１方向に並んだ複数の第２フィン部を有する。第２波形構造は、第１波形構造に対し、第１方向に直交する第２方向に設けられている。第１フィン部、第２フィン部はそれぞれ、第１方向、第２方向に直交する第３方向において交互に突出するとともに、断面形状が凸状である。第１方向において、第２フィン部は、第１フィン部に対してオフセット配置されている。第１フィン部のそれぞれは、第２方向に対して傾斜した第１側壁を有し、第２フィン部のそれぞれは、第２方向に対して、第１側壁と逆向きに傾斜した第２側壁を有する。
　また、本開示の態様による熱交換器は、第１流体流路と、第２流体流路と、これら第１流体流路と第２流体流路との間に配置された上述のオフセットフィンとを有する。
　本開示によれば、オフセットフィンを有する熱交換器において、流体の圧力損失を低く抑えながら熱交換率を向上させることができる。
本開示の実施の形態１にかかる熱交換器の分解斜視図 図１に示す熱交換器が有するオフセットフィンの部分拡大斜視図 図２に示すオフセットフィンにおけるＸＹ平面の断面図 実施の形態１のオフセットフィンにおける第１波形構造と第２波形構造との接続位置のＸＺ平面の断面図 従来のオフセットフィンにおける流体の流れを示す模式図 実施の形態１のオフセットフィンにおける流体の流れを示す模式図 解析結果に基づく側壁の傾斜角度と評価指標との関係を示すグラフ 本開示の実施の形態２にかかる熱交換器の外観正面図 図８の熱交換器の部分拡大模式図（断面図） 本開示の実施の形態３の熱交換器が有するオフセットフィンの部分拡大斜視図 実施の形態３のオフセットフィンにおける第１波形構造と第２波形構造との接続位置のＸＺ平面の断面図 解析結果に基づく側壁のテーパ角度と圧力損失および熱交換量との関係を示すグラフ 解析結果に基づく側壁のテーパ角度と評価指標との関係を示すグラフ 側壁のテーパ角度と剛性との関係のグラフ 本開示の実施の形態１にかかる熱交換器の他のオフセットフィンの断面図 従来のオフセットフィンの部分拡大斜視図
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の熱交換器における問題点を簡単に説明する。従来のオフセットフィン５０では、フィン部６１、７１の側壁６２、７２が、流体の流れ方向Ｄに対して平行に配置されている。そのため、流体が略直線的に流れ、流体の圧力損失を比較的低く抑えることができる。しかしながら、流体が略直線的に流れるため、熱交換が行われる流路長さが短い。また、流体との間の熱交換に寄与するフィン部６１、７１の伝熱面積が小さく、熱交換率を向上させることが難しい。また、流体が略直線的に流れるため、第１波形構造６０と第２波形構造７０とのオフセット配置による流体の乱流促進効果に限りがあり、熱交換率をさらに向上させることが難しい。
　以下、本開示にかかる実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１にかかる第１流体用オフセットフィン（以下、オフセットフィン）３、第２流体用オフセットフィン（以下、オフセットフィン）１４を有する熱交換器１の分解斜視図である。なお、図１では、熱交換器１の主要な構成について示しており、一部構成については省略している。
　熱交換器１はプレート式熱交換器である。熱交換器１では、積層された複数のプレートの間に流体が流れる流路が形成され、積層方向に隣接する流路間において、第１流体と第２流体とが熱交換する。なお、第１流体、第２流体は、液体およびガスのいずれの流体であってもよい。
　熱交換器１は、交互に積層された２種類のプレート２Ａ、２Ｂと、プレート２Ａの下面側とプレート２Ｂの上面側との間に配置されたオフセットフィン３と、プレート２Ｂの下面側とプレート２Ａの上面側との間に配置されたオフセットフィン１４とを有する。プレート２Ａ、２Ｂの間においてオフセットフィン３、１４のそれぞれを囲む外縁部分は、互いに接合（例えば、ろう付け）されている。これにより、プレート２Ａの下面側、プレート２Ｂの上面側、およびオフセットフィン３により第１流体流路５が画定されている。また、プレート２Ｂの下面側、プレート２Ａの上面側、およびオフセットフィン１４により第２流体流路６が画定されている。なお、このようにプレート２Ａ、２Ｂが接合されている場合に代えて、プレート２Ａ、２Ｂの間における外縁部分にシール部材を配置してもよい。このように、熱交換器１は、第１流体流路５と、第２流体流路６と、第１流体流路５と第２流体流路６との間に配置されたオフセットフィ３とを有する。
　プレート２Ａ、２Ｂの長手方向の一方側端縁には、それぞれ、積層方向にプレート２Ａ、２Ｂを貫通するように第１流体供給流路（以下、供給流路）７Ａおよび第２流体排出流路（以下、排出流路）８Ｂが設けられている。同様に、プレート２Ａ、２Ｂの長手方向の他方側端縁には、第１流体排出流路（以下、排出流路）７Ｂおよび第２流体供給流路（以下、供給流路）８Ａが設けられている。供給流路７Ａと排出流路７Ｂは第１流体流路５に連通され、供給流路８Ａと排出流路８Ｂは第２流体流路６に連通されている。
　このように構成された熱交換器１において、それぞれの流体流路を通過するように第１流体および第２流体を流すことにより、第１流体流路５において流れ方向Ｄ１（一方側端縁から他方側端縁へと向かう方向）に沿って第１流体が流れる。また、第２流体流路６において流れ方向Ｄ２（他方側端縁から一方側端縁へと向かう方向）に沿って第２流体が流れる。このような第１流体および第２流体の流れが形成されることにより、プレート２Ａ、２Ｂおよびオフセットフィン３、１４を介して、第１流体と第２流体とが熱交換する。
　次に、熱交換器１にて用いられるオフセットフィン３、１４の構成について説明する。オフセットフィン１４はオフセットフィン３と同じ構成を採用することができるため、両者を代表してオフセットフィン３の構成について説明する。なお、以降の説明において、第１流体と第２流体とを特に区別しないような場合には単に流体と称する。
　図２は、オフセットフィン３の部分拡大斜視図である。オフセットフィン３は、第１波形構造である波形構造１０と、第２波形構造である波形構造２０とを有する。波形構造１０は、Ｘ方向に並んだ複数のフィン部（第１フィン部）４１を有する。同様に、波形構造２０は、Ｘ方向に並んだ複数のフィン部（第２フィン部）２１を有する。波形構造２０は、波形構造１０に対し、Ｙ方向に設けられている。フィン部４１、２１はそれぞれ、Ｚ方向において交互に突出するとともに、断面形状が凸状である。Ｘ方向において、フィン部２１は、フィン部４１に対してオフセット配置されている。Ｙ方向は、第１方向であるＸ方向に直交する第２方向であり、Ｚ方向はＸ方向、Ｙ方向に直交する第３方向である。
　フィン部４１のそれぞれは、Ｙ方向に対して傾斜した第１側壁（以下、側壁）１２を有し、フィン部２１のそれぞれは、Ｙ方向に対して、側壁１２と逆向きに傾斜した第２側壁（以下、側壁）２２を有する。オフセットフィン３はＹ方向に複数の波形構造１０、２０を配列した構成を有している。
　なお、Ｚ方向は、熱交換器１においてそれぞれのプレート２Ａ、２Ｂが積層される方向である。また、本実施の形態において、波形構造１０、２０が延びる方向がＸ方向となっており、Ｙ方向が流体の流れ方向Ｄ１となっている。
　オフセットフィン３が有する複数の波形構造の１つである波形構造１０では、例えば金属板を折り曲げ形成された断面形状が凸状の複数のフィン部４１が、凸状の向きをＺ方向の正側と負側に交互にして、一定の間隔ピッチにてＸ方向に配列されている。波形構造２０は、波形構造１０に対して流体の流れ方向Ｄ１の下流側に隣接して配置されている。波形構造２０も波形構造１０と同様な構成を有しており、複数のフィン部２１が凸状の向きをＺ方向の正側と負側に交互にして、一定の間隔ピッチにてＸ方向に配列されている。
　波形構造１０と波形構造２０において、フィン部４１、２１のＸ方向の間隔ピッチは同じである。Ｘ方向において、フィン部２１は、フィン部４１に対してオフセット配置されている。すなわち、Ｘ方向において、フィン部２１は、フィン部４１に対して位置をずらして配置されている。
　また、波形構造２０に対して流体の流れ方向Ｄ１の下流側に隣接して２つ目の波形構造１０が配置され、さらに２つ目の波形構造１０の下流側に隣接して２つ目の波形構造２０が配置されている。すなわち、オフセットフィン３において、流体の流れ方向Ｄ１に沿って、波形構造１０と波形構造２０とが交互に隣接するように配置されている。
　図３は、オフセットフィン３の、図２におけるＸＹ平面の断面図であり、図４は、波形構造１０と波形構造２０との接続位置（線４－４）におけるＸＺ平面の断面図である。
　図２から図４に示すように、フィン部４１は、Ｚ方向に立ち上がった（あるいは立ち下がった）一対の側壁１２と、一対の側壁１２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁１３とを有する。フィン部４１は、このような門型形状を有する。同様に、フィン部２１は、Ｚ方向に立ち上がった（あるいは立ち下がった）一対の側壁２２と、一対の側壁２２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁２３とを有する。
　図２および図３に示すように、フィン部４１の側壁１２は、流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ１にて傾斜している。また、フィン部２１の側壁２２は、流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ２にて傾斜している。流体の流れ方向Ｄ１に対し、側壁１２、２２の傾斜方向が逆向きになっている。例えば、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁１２の傾斜方向を正の向きとした場合に、側壁２２の傾斜方向は負の向きとなっている。本実施の形態では、Ｙ方向に対する側壁１２の傾斜角度θ１の絶対値と、Ｙ方向に対する側壁２２の傾斜角度θ２の絶対値が同一となっている。
　また、波形構造１０において、それぞれの側壁１２は互いに平行に配置されており、波形構造２０においても、それぞれの側壁２２は互いに平行に配置されている。すなわち、フィン部４１における隣り合う２つにおける側壁１２は互いに平行であり、フィン部２１における隣り合う２つにおける側壁２２は互いに平行である。さらにそれぞれの側壁１２、２２は同じ高さ（Ｚ方向の寸法）を有している。
　図３に示すように、フィン部４１、２１は、流体の流れ方向Ｄ１（Ｙ方向）に長さＬ、Ｘ方向の間隔ピッチＰ、側壁１２、２２の厚さｔを有する。すなわち、フィン部４１におけるＹ方向の長さは、フィン部２１におけるＹ方向の長さと同じである。図４に示すように、波形構造１０の下流側端部と波形構造２０の上流側端部との接続位置（線４－４）において、フィン部２１の上流側端部のＸ方向の位置が、フィン部４１の下流型端部のＸ方向の位置に対して、間隔ピッチＰ×１／２の寸法だけオフセットしている。
　すなわち、フィン部４１、フィン部２１は同じ間隔ピッチにて配列され、波形構造１０と波形構造２０とが対向する位置において、フィン部２１は、フィン部４１に対して、間隔ピッチの１／２の長さでオフセット配置されている。
　このような構成を有するオフセットフィン３は、例えば、金属プレートに対して金型を用いてプレス加工を行って形成することができる。また、オフセットフィン３の形成材料としては金属材料を用いることができ、例えば、アルミニウムやステンレスを用いることができる。また、このような金属プレートの表面に樹脂材料などを用いて表面加工・表面処理が施されていてもよい。
　次に、オフセットフィン３における流体の流れについて、図１０に示す従来のオフセットフィン５０における流体の流れと対比して説明する。図５はオフセットフィン５０における流体の流れを示す模式図であり、図６はオフセットフィン３における流体の流れを示す模式図である。
　図５に示すように、オフセットフィン５０では、フィン部６１、７１の側壁６２、７２が流体の流れ方向Ｄに対して平行である。そのため、側壁６２同士、および側壁７２同士の間に形成される流体流路は略直線状であり、流体は、流れ方向Ｄに沿って略直線的に流れる。その結果、流体の流れは略層流状態となり、オフセット配置による乱流促進効果が十分に発揮されない。よって、側壁６２、７２と流体との間の熱交換効量は限定的である。
　これに対して、オフセットフィン３では、フィン部４１、２１の側壁１２、２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜して配置されている。さらに側壁１２の傾斜方向は、側壁２２の傾斜方向と逆向きである。そのため、側壁１２同士、および側壁２２同士の間に形成される流体流路は、フィン部４１からフィン部２１への接続部分にて傾斜角度θ１＋θ２の角度にて曲がっている。その結果、流体は、流路における一方の側壁１２、２２の近傍において、他方の近傍よりも流速が高くなる乱流状態となる。よって、側壁１２、２２と流体との間の熱交換量が、略層流状態の場合と比べて高くなる。すなわち、フィン部４１、２１のオフセット配置による乱流促進効果に加えて、側壁１２、２２の傾斜配置によりさらなる乱流促進効果を得ることができ、熱交換量を高めることができる。
　また、側壁１２、２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜しているため、熱交換が行われる流体流路が直線状の場合に比して長い。そのため、流体との間の熱交換に寄与するフィン部４１、２１の伝熱面積もフィン部６１、７１に比べて大きい。よって、オフセットフィン３の熱交換率は、オフセットフィン５０に比べて高い。
　フィン部４１、１２の側壁１２、２２の流体の流れ方向Ｄ１に対する傾斜方向は逆向きであり、かつ傾斜角度の絶対値が同じ値に設定されていることが好ましい。微視的には、流体流路は流れ方向Ｄ１に対して傾斜しているが、傾斜方向が交互に切り替えされることにより、全体的には流体流路は流れ方向Ｄ１に沿っている。本明細書にて、流体の流れ方向Ｄ、Ｄ１とは、オフセットフィンを全体的に見た場合に流体が流れる方向を意味する。
　（実施の形態１のオフセットフィンの実施例）
　ここで、オフセットフィン３の構成を有する複数の解析モデル（実施例および比較例）を作成して、シミュレーション解析を行い、側壁の傾斜角度、熱交換量および圧力損失の関係について調べた分析とその結果を説明する。
　解析モデルＡグループでは、交互に配置された凸状の２つのフィン部を１パターンとしている。１パターンの流路幅Ｓ１（すなわち、間隔ピッチＰ×２）を２ｍｍ、フィン部４１とフィン部２１の合計長さである流路長さＳ２（すなわち、フィン部の長さＬ×２）を２ｍｍ、側壁１２、２２の厚さｔを０．３ｍｍに設定している。
　解析モデルＢグループでは、２つのフィン部の１パターンの流路幅Ｓ１を２．８６ｍｍ、流路長さＳ２を４ｍｍ、側壁１２、２２の厚さｔを０．２ｍｍに設定している。
　そして、それぞれの解析モデルＡ、Ｂグループにて、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁１２、２２の傾斜角度θ１、θ２を、０～７５°の８種類の設定値を用いた解析モデル（Ａ１～Ａ８、Ｂ１～Ｂ８）を作成して解析を行っている。
　また、解析モデルに共通する仕様として、流体の流路全体の長さ（フィン部が存在する部分の長さ）を２０ｍｍとし、その前後に計算安定のための直線流路を設けている。オフセットフィンの形成材料および流体の仕様は（表１）に示す通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　その他の解析条件は（表２）に示す仕様としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　これらの解析条件に基づく解析モデル（Ａ１～Ａ８、Ｂ１～Ｂ８）の解析結果（熱交換量Ｑ（Ｗ）、圧力損失Ｐ（Ｐａ）、評価指標）を（表３）に示す。なお、側壁の傾斜角度が０°である解析モデルＡ１、Ｂ１は比較例となり、それ以外の解析モデルＡ２～Ａ８、Ｂ２～Ｂ８が実施例となる。なお、評価指標は、熱交換量Ｑを圧力損失の対数値にて除した値（Ｑ／ｌｏｇＰ）である。また、（表３）の表に示す解析結果に基づく、側壁の傾斜角度と評価指標との関係を図７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　（表３）および図７に示すように、側壁を傾斜させた解析モデルＡ２～Ａ８、Ｂ２～Ｂ８では、側壁を傾斜させていない解析モデルＡ１、Ｂ１に比して、いずれも高い評価指標を示している。すなわち、側壁を傾斜させた解析モデルＡ２～Ａ８、Ｂ２～Ｂ８では、側壁を傾斜させることによる圧力損失の上昇度合いよりも、熱交換量の上昇度合いの方が高い。
　さらに詳細に分析すると、解析モデルＡ８、Ｂ８（傾斜角度７５°）では、傾斜角度が０°の場合（Ａ１、Ｂ１）に比して評価指標が向上しているものの、解析モデルＡ７、Ｂ７（傾斜角度６５°）に比べて圧力損失が大幅に上昇している。そのため、例えば、側壁の傾斜角度を６５°以下に設定して、大幅な圧力損失の上昇を抑制することが好ましい。
　また、側壁の傾斜角度が小さい場合、傾斜された側壁面の影響を受けずに通過する流体が増え、側壁の傾斜による効果が限定的になる。このような傾斜角度は、流路の間隔ピッチにも関係するため、側壁の傾斜により得られる評価指標の向上の程度を考慮して、側壁の傾斜角度を設定することが望ましい。図７において、流路断面積がより大きな解析モデルＢに着目した場合、評価指標の最大値より傾斜角度が小さい方へ大きく離れると傾斜により得られる効果が小さくなっている。そのため、例えば、グラフ曲線の傾き（グラフ曲線を近似し、微分して得られた傾き）を１つの指標として、傾きが１のところ（傾斜角度１３°）を傾斜角度の下限値として設けるようにしてもよい。
　また、特に、解析モデルＡ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７は、高い評価指標を示しており、３０°以上、６５°以下の範囲に側壁の傾斜角度を設定することで、より高い評価指標を示すことが判る。
　また、側壁を傾斜させることで圧力損失は増加するが、流路幅Ｓ１や側壁の高さなどを大きく設定することで、圧力損失の増加を抑えながら熱交換率を高めることができる。
　（実施の形態２）
　次に、本開示の実施の形態２にかかるオフセットフィン３２を有する熱交換器３０について説明する。図８は熱交換器３０の外観正面図、図９は、図８の熱交換器３０の、９－９線における部分拡大模式断面図である。なお、図８、図９では、熱交換器３０の主要な構成について示しており、一部構成については省略している。
　図８に示すように、熱交換器３０は、フィン・アンド・チューブ熱交換器である。熱交換器３０は、複数のコルゲートフィン３１と、オフセットフィン３２を内部に配置した複数のチューブ３３とが交互に積層された構成を有する。
　オフセットフィン３２は、流路を画定するチューブ３３の内部に配置されている。また２つのチューブ３３の間に挟まれるようにコルゲートフィン３１が配置されている。オフセットフィン３２が配置されたチューブ３３の内部の流路には第１流体が流通され、チューブ３３間にてコルゲートフィン３１により画定された流路には第２流体が流通される。すなわち、前者は第１流体流路であり、後者は第２流体流路である。オフセットフィン３２、チューブ３３、およびコルゲートフィン３１を介して、第１流体と第２流体とが熱交換する。
　オフセットフィン３２は、実施の形態１のオフセットフィン３と同様な構成を有する。すなわち、オフセットフィン３２の波形構造において、フィン部の側壁が流体の流れ方向に対して傾斜している。
　このように、熱交換器３０においても、流体の流れ方向に対して傾斜した側壁を有するオフセットフィン３２を適用して、熱交換率を向上することができる。
　（実施の形態３）
　次に、本開示の実施の形態３にかかる熱交換器にて用いられるオフセットフィン１０３の構成について説明する。図１０はオフセットフィン１０３の部分拡大斜視図である。実施の形態１のオフセットフィン３では、断面形状が凸状のフィン部４１、２１はＺ方向に沿って立ち上がった（あるいは立ち下がった）一対の側壁１２、２２を有する。これに対して、オフセットフィン１０３では、一対の側壁１１２、１２２がＺ方向に対して傾斜して立ち上がって（あるいは立ち下がって）いる点で、実施の形態１と異なる。その他の構成は実施の形態１と共通し、オフセットフィン３の代わりにオフセットフィン１０３を用いること以外は、熱交換器の基本構成は熱交換器１と同様である。以下、相違点を中心に説明する。
　図１０に示すように、オフセットフィン１０３は、断面形状が凸状のフィン部１１１、１２１をＺ方向の一方側と他方側に交互に折り曲げて位置させた波形構造１１０、１２０を有する。波形構造１１０、１２０はＸ方向に延びており、オフセットフィン１０３はＸ方向に対して直交するＹ方向に複数の波形構造１１０、１２０を配列した構成を有している。
　図１１は、図１０における波形構造１１０と波形構造１２０との接続位置（線１１－１１）におけるＸＺ平面の断面図である。線１１－１１は、実施の形態１における図３の４－４に対応している。
　図１０および図１１に示すように、フィン部１１１は、それぞれ、一対の側壁１１２と、一対の側壁１１２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁１１３とを有する。同様に、フィン部１２１は、それぞれ、一対の側壁１２２と、一対の側壁１２２のＺ方向の端部同士をＸＹ平面に沿って接続する接続壁１２３とを有する。このようにフィン部１１１、１２１は門型形状に形成されている。
　図１１に示すように、側壁１１２および側壁１２２は、Ｚ方向に対して傾斜角度αにて傾斜している。一対の側壁１１２同士および一対の側壁１２２同士は同じ傾斜角度αにて互いに傾斜方向が逆向きに傾斜している。具体的には、フィン部１１１、１２１は、凸状の根元側部分が、先端側部分（側壁１１２、１２１が接続壁１１３、１２３に接続される部分）よりもテーパ状に広がる断面形状を有している。以降の説明では、この傾斜角度αをテーパ角度αと称する。なお、側壁１１２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ１にて傾斜しており、側壁１２２が流体の流れ方向Ｄ１に対して傾斜角度θ２にて傾斜している点については、実施の形態１と同じである。また、波形構造１１０、１２０における凸状のフィン部１１１、１２１の一方側および他方側の方向とは、本実施の形態ではＺ方向を意味している。
　すなわち、オフセットフィン１０３は、第１波形構造である波形構造１１０と、第２波形構造である波形構造１２０とを有する。波形構造１１０は、Ｘ方向に並んだ複数のフィン部（第１フィン部）１１１を有する。同様に、波形構造１２０は、Ｘ方向に並んだ複数のフィン部（第２フィン部）１２１を有する。波形構造１２０は波形構造１１０に対し、Ｙ方向に設けられている。フィン部１１１、１２１はそれぞれ、Ｚ方向において交互に突出するとともに、断面形状が凸状である。Ｘ方向において、フィン部１２１は、フィン部１１１に対してオフセット配置されている。
　フィン部１１１のそれぞれは、Ｙ方向に対して傾斜した第１側壁（以下、側壁）１１２を有し、フィン部１２１のそれぞれは、Ｙ方向に対して、側壁１１２と逆向きに傾斜した第２側壁（以下、側壁）１２２を有する。
　図１１に示すように、複数のフィン部１１１は、Ｘ方向に間隔ピッチＰで形成され、側壁１１２は厚さｔを有する。複数のフィン部１２１も同様に形成され、側壁１２２は厚さｔを有する。
　また、波形構造１１０の下流側端部と波形構造１２０の上流側端部との接続位置（線１１－１１）において、フィン部１２１の上流側端部のＸ方向の位置が、フィン部１１１の下流型端部のＸ方向の位置に対して、間隔ピッチＰ×１／２の寸法だけオフセットして配置されている。
　オフセットフィン１０３では、側壁１１２、１２２がＺ方向に対してテーパ角度αにて傾斜している。そのため、実施の形態１のように側壁１２、２２がＺ方向に沿った構造のフィン部４１、２１に比して、フィン部１１１、１２１の流れ方向Ｄ１における断面積（図１１に示す断面積）が小さい。これにより、流体の流れにおける圧力損失を低減することが可能となる。また、側壁１１２、１２２を流れ方向Ｄ１に対して傾斜させながら、Ｚ方向に対しても傾斜させることで、熱交換の寄与度が高い側壁１１２、１２２の表面積が大きくなる。したがって、熱交換率を高めながら圧力損失の上昇を抑制することが可能となる。
　また、フィン部１１１、１２１の凸状の断面形状をテーパ形状とすることにより、例えば、金型を用いてプレス加工を行ってオフセットフィン１０３を形成する場合に、離型性（金型からの離れやすさ）を高めることができ、生産性を向上できる。
　（実施の形態３のオフセットフィンの実施例）
　ここで、オフセットフィン１０３の構成を有する複数の解析モデル（実施例および比較例）を作成して、シミュレーション解析を行い、側壁のテーパ角度、熱交換量および圧力損失の関係について調べた分析とその結果を説明する。
　解析モデルとしては、実施の形態１の実施例における解析モデルＢ５（側壁の傾斜角度：４５°）を基本モデルとして、この基本モデルに対して、側壁１１２、１２２のテーパ角度αを１０～４０°とした解析モデルＢ５１～Ｂ５４を作成して解析を行っている。なお、テーパ角度α以外の仕様および解析条件は、解析モデルＢ５の解析と同じ条件である。
　これらの解析条件に基づく解析モデル（Ｂ５、Ｂ５１～Ｂ５４）の解析結果（熱交換量Ｑ（Ｗ）、圧力損失Ｐ（Ｐａ）、評価指標）を（表４）に示す。なお、これらの解析モデルは全て実施例である。また、（表４）の表に示す解析結果に基づく、側壁のテーパ角度αと圧力損失Ｐおよび熱交換量Ｑとの関係を図１２に示し、側壁のテーパ角度と評価指標との関係を図１３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図１２に示すように、テーパ角度αにて側壁を傾斜させた解析モデルＢ５１～Ｂ５４では、テーパ角αが０°でＺ方向に対して側壁を傾斜させていない解析モデルＢ５に比して、圧力損失が低減している。特に、テーパ角度αを大きくする程、圧力損失の低減効果が高くなっている。また、熱交換量については、テーパ角度αを大きくする程、僅かに上昇する傾向にある。図１３では、テーパ角度αを大きくする程、高い評価指数が示されている。したがって、側壁のテーパ角度αを大きくする程、圧力損失の低減効果を高めながら、熱交換量を大きくすることができる。
　ここで、これらの解析モデルにおける側壁のテーパ角度αと剛性（等価剛性（ＧＰａ（＝１０９Ｐａ）））との関係を図１４に示す。側壁にテーパ角度αを設けることにより、オフセットフィン１０３のＺ方向における剛性は低下する。しかしながら、図１４に示すように、テーパ角度αが４０°（解析モデルＢ５４）であっても、Ｚ方向における剛性の低下割合は、基本モデルＢ５（α＝０°）に比して３０％以内となっている。したがって、テーパ角度αが４０°以下であれば、オフセットフィン１０３の剛性を十分に確保することができる。そのため、オフセットフィン１０３の剛性の観点から、側壁のテーパ角度αを４０°以下に設定することが好ましい。また、圧力損失の低減効果を３％以上得るためには、テーパ角度αを５°以上に設定することが好ましい。
　実施の形態１の説明では、波形構造１０のフィン部４１における側壁１２の傾斜角度θ１と、波形構造２０のフィン部２１における側壁２２の傾斜角度θ２とが、その角度の絶対値が同じである場合を例としたが、そのような場合に限られない。波形構造１０と波形構造２０とで、流体の流れ方向Ｄ１に対する側壁の傾斜方向が逆向きであればよく、傾斜角度θ１とθ２とで絶対値が異なるようにしてもよい。
　また、波形構造１０および波形構造２０は、フィン部４１、２１の側壁１２、２２の全体が傾斜されている場合に限られず、その一部（流体の流れ方向Ｄ１における一部）に傾斜されていない側壁部分が含まれるような場合であってもよい。このような場合であっても、傾斜された側壁部分が存在するため、乱流促進効果を得ることができ、熱交換量を高めることができる。
　また、波形構造１０と波形構造２０とが流体の流れ方向Ｄ１において互いに隣接している場合を例としたが、波形構造１０と波形構造２０との間に、他の構造体が介在して配置されていてもよい。すなわち、波形構造２０は波形構造１０に対しＹ方向に設けられていればよい。他の構造体としては、側壁が傾斜していない波形構造体であってもよく、また、側壁の傾斜角度が異なる波形構造体であってもよい。少なくとも、波形構造１０と波形構造２０とが流体の流れ方向Ｄ１に配置されていれば、傾斜された側壁による乱流促進効果を得ることができ、熱交換量を高めることができる。
　また、波形構造２０のフィン部２１の上流側端部のＸ方向の位置が、波形構造１０のフィン部４１の下流型端部のＸ方向の位置に対して、１／２間隔ピッチＰオフセットして配置されている場合についてのみには限られない。このような場合に代えて、例えば、１／２間隔ピッチより大きくオフセット配置されている場合であってもよく、また小さくオフセット配置されている場合であってもよい。
　また、波形構造２０に対して流体の流れ方向Ｄ１下流側に隣接して配置される波形構造は波形構造１０に限られない。図１５に示すように、例えば、波形構造１０と異なる構造（例えば、傾斜角度θ１と異なる傾斜角度θ３を有する等）を有する第３波形構造（以下、波形構造）８０が波形構造２０に隣接して配置されるような場合であってもよい。このような場合、波形構造２０と波形構造８０とでは、側壁の傾斜方向が逆向きに設定されることが好ましい。
　すなわち、波形構造８０は、Ｚ方向において交互に突出するとともに、断面形状が凸状で、Ｘ方向に並んだ複数の第３フィン部８１を有し、波形構造２０に対して、波形構造１０の反対側に配置されている。第３フィン部８１のそれぞれは、Ｙ方向に対して、側壁２２と逆向きに傾斜した第３側壁８２を有する。
　また、実施の形態３の説明では、側壁１１２、１２２がＺ方向に対してテーパ角度αにて傾斜した平面を有するような場合を例としたが、側壁１１２、１２２が平面である場合に限られない。側壁１１２、１２２が側壁全体としてテーパ角度αにてＺ方向に対して傾斜した構成であれば、側壁が曲面として構成される場合や一部に曲面を含む場合であってもよい。また、一対の側壁同士でテーパ角度αが異なる場合であってもよく、また、側壁１１２と側壁１２２とでテーパ角度αが異なる場合であってもよい。また、流体の流れ方向Ｄ１において、波形構造１１０と波形構造１２０との間に、側壁がテーパ角度αにて傾斜していない波形構造や他の構造体が介在して配置されていてもよい。
　なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
　本開示のオフセットフィンを用いた熱交換器は、プレート式熱交換器やフィン・アンド・チューブ熱交換器などに適用することができ、自動車の排気ガスの熱交換器、インタークーラー、ラジエター、空調用の熱交換器、さらにその他産業用の様々な用途の熱交換器への適用が有用である。
１，３０　　熱交換器
２Ａ，２Ｂ　　プレート
３，１４，３２，５０，１０３　　オフセットフィン
５　　第１流体流路
６　　第２流体流路
７Ａ，８Ａ　　供給流路
７Ｂ，８Ｂ　　排出流路
１０，２０，６０，７０，８０，１１０，１２０　　波形構造
２１，４１，６１，７１，１１１，１２１　　フィン部
１２，２２，６２，７２，１１２，１２２　　側壁
１３，２３，１１３，１２３　　接続壁
３１　　コルゲートフィン
３３　　チューブ
８１　　第３フィン部
８２　　第３側壁

Claims (10)

  1. 断面形状が凸状で、第１方向に並んだ複数の第１フィン部を有する
    第１波形構造と、
    断面形状が凸状で、前記第１方向に並んだ複数の第２フィン部を有し、前記第１波形構造に対し、前記第１方向に直交する第２方向に設けられた第２波形構造と、を備え、
    前記複数の第１フィン部および前記複数の第２フィン部は、前記第１方向と前記第２方向とに直交する第３方向において、交互に逆向きに突出するとともに、前記第１方向において、前記第２フィン部は、前記第１フィン部に対してオフセット配置され、
    前記複数の第１フィン部のそれぞれは、前記第２方向に対して傾斜した第１側壁を有し、
    前記複数の第２フィン部のそれぞれは、前記第２方向に対して、前記第１側壁と逆向きに傾斜した第２側壁を有する、
    熱交換器用オフセットフィン。
  2. 前記第２方向に対する前記第１側壁の傾斜角度の絶対値と、前記第２方向に対する前記第２側壁の傾斜角度の絶対値とが同じである、請求項１に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  3. 複数の前記第１フィン部、複数の前記第２フィン部は同じ間隔ピッチにて配列され、前記第１波形構造と前記第２波形構造とが対向する位置において、複数の前記第２フィン部は、複数の前記第１フィン部に対して、前記間隔ピッチの１／２の長さでオフセット配置されている、
    請求項１、２のいずれか一項に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  4. 前記第３方向に対して、前記第１側壁、前記第２側壁が傾斜している、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  5. 前記第３方向に対する前記第１側壁、前記第２側壁の傾斜角度の絶対値は４０°以下である、
    請求項４に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  6. 複数の前記第１フィン部における隣り合う２つにおける第１側壁は互いに平行であり、複数の前記第２フィン部における隣り合う２つにおける第２側壁は互いに平行である、
    請求項１から３のいずれか１つに記載の熱交換器用オフセットフィン。
  7. 前記複数の第１フィン部における前記第２方向の長さは、前記複数の第２フィン部における前記第２方向の長さと同じである、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  8. 前記第２方向に対する前記第１側壁、前記第２側壁の傾斜角度の絶対値は６５°以下である、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  9. 前記第３方向において交互に突出するとともに、断面形状が凸状で、前記第１方向に並んだ複数の第３フィン部を有し、前記第２波形構造に対して、前記第１波形構造の反対側に配置された第３波形構造をさらに備え、
    前記複数の第３フィン部のそれぞれは、前記第２方向に対して、前記第２側壁と逆向きに傾斜した第３側壁を有する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器用オフセットフィン。
  10. 第１流体流路と、
    第２流体流路と、
    前記第１流体流路と前記第２流体流路との間に配置された請求項１から９のいずれか一項に記載のオフセットフィンと、を備えた、
    熱交換器。
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