JP6206976B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、詳しくは、伝熱部材の表面に滑らかな曲面を用いて断面が波形で波の頂部が連続する頂部線と波底部が連続する底部線とがＶ字形状となるよう複数の波形凹凸が形成されており、前記複数の波形凹凸に対して第１の熱交換用流体をＶ字形状における上下方向に流して熱交換する熱交換器に関する。

従来、この種の熱交換器としては、熱交換用チューブやフィンに、波の頂部を連ねた線や波の底部を連ねた線が空気の主要な流れに対してなす角が１０度から６０度の範囲となり且つ空気の主要な流れに沿った所定間隔の折り返し線で対称に折り返す波形の凹凸を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。この熱交換器では、空気の流れの剥離や局所的な増速を抑制すると共に空気の流れに有効な二次流れを生じさせて伝熱効率を向上させ、全体として熱交換効率を向上させている。

特開２００８−１８０４６８号公報 特開２００８−２３２５９２号公報 特開２０１２−１３７２８８号公報

上述の熱交換器では、熱交換用チューブやフィンに形成された波形の凹凸における波は一定の波長で一定の振幅となるように形成されており、空気などの熱交換用流体の流れに対して、伝熱促進や熱交換用流体の流動抵抗が最適となる形状であるか否かは定かではない。

本発明の熱交換器は、熱交換用チューブやフィンなどの熱交換部材に波形の凹凸が形成された熱交換器において、伝熱促進がより高く流動抵抗がより低くなる熱交換器を提案することを主目的とする。

本発明の熱交換器は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の熱交換器は、
伝熱部材の表面に滑らかな曲面を用いて断面が波形で波の頂部が連続する頂部線と波底部が連続する底部線とがＶ字形状となるよう複数の波形凹凸が形成されており、前記複数の波形凹凸に対して第１の熱交換用流体をＶ字形状における上下方向に流して熱交換する熱交換器において、
前記複数の波形凹凸は、前記頂部線におけるＶ字の傾斜部位と前記第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、頂部と底部との中間位置となる中間部が連続する中間部線におけるＶ字の傾斜部位と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるよう形成されている、
ことを特徴とする。

この本発明の熱交換器では、複数の波形凹凸は、滑らかな曲面を用いて断面が波形に形成されており、更に、波の頂部が連続する頂部線と波の底部が連続する底部線とがＶ字形状となるように かつ、頂部線におけるＶ字の傾斜部位と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、頂部と底部との中間となる中間部が連続する中間部線におけるＶ字の傾斜部位と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるよう形成されている。上述した先行技術文献に記載された熱交換器と同様に、本発明の熱交換器では、滑らかな曲面を用いて波の頂部が連続する頂部線と波底部が連続する底部線とがＶ字形状となるように複数の波形凹凸を形成することにより、第１の熱交換用流体の流れに対して剥離や局所的な増速を抑制すると共に第１の熱交換用流体の流れに対して伝熱促進に有効な二次流れを生じさせる。そして、頂部線におけるＶ字の斜線部位と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が中間部線におけるＶ字の斜線部位と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるようすることにより、伝熱促進がより高く流動抵抗がより小さい熱交換器とすることができる。ここで、「頂部と底部との中間となる中間部」は、頂部と底部とに対して高さ方向における中間位置（平均高さ位置）となる部分を意味している。中間部が連続する中間部線は、頂部線や底部線がＶ字形状となっているから、Ｖ字形状となる。波形凹凸が第１の平均角度が第２の平均角度より小さくなるように形成されているということは、頂部線のＶ字の屈曲部位と傾斜部位の端部（Ｖ字が連続する場合には隣接する屈曲部位）との距離が、対応する中間部線のＶ字の屈曲部位と斜線部位の端部（Ｖ字が連続する場合には隣接する屈曲部位）との距離より長くなるように形成されていることになる。このように形成すると、頂部線の屈曲部位における波の立ち上がり（登り）の角度が大きくなるように形成することができるから、これにより、第１の熱交換用流体の主要な流れに対して更に有効な二次流れを生じさせ、伝熱促進を向上させることができる。また、頂部線のＶ字の傾斜部位における波の立ち上がりの角度を小さくなるように形成することができるから、これにより、第１の熱交換用流体が頂部線を乗り越える際の抵抗を小さくすることができる。これらの結果、伝熱促進が高く流動抵抗が小さな熱交換器とすることができる。

こうした本発明の熱交換器において、前記熱交換器はコルゲートフィン型熱交換器であり、前記伝熱部材はコルゲートフィンであり、前記波形凹凸は頂部と底部とが対称となるよう形成されている、ことを特徴とすることもできる。即ち、コルゲートフィン型熱交換器のコルゲートフィンに本発明の波形凹凸の形状を適用したものである。ここで、「波形凹凸は頂部と底部とが対称となるよう形成されている」は、フィンの一方の面における波の頂部と底部はフィンの他方の面における波の底部と頂部となることから、フィンの一方の面における波の頂部の形状とフィンの他方の面における波の頂部の形状とが同一になるように形成されていることを意味している。このように波形凹凸を形成することにより、フィンの一方の面または他方の面のいずれに流れる第１の熱交換用流体に対しても主要な流れに対する有効な二次流れを形成することができ、伝熱促進を向上させることができるのである。

また、本発明の熱交換器において、前記伝熱部材は前記第１の熱交換用流体と熱交換する第２の熱交換用流体の流路を形成する扁平な複数のチューブであり、前記チューブの扁平な外表面に前記波形凹凸が形成されている、ことを特徴とするものとすることもできる。即ち、複数のチューブを有する熱交換器のチューブの外表面に本発明の波形凹凸の形状を適用したものである。ここで、「第１の熱交換用流体」と「第２の熱交換用流体」は、いずれも熱交換媒体を意味しており、例えば、「第１の熱交換用流体」として空気などを用い、「第２の熱交換用流体」としてオイルや水などを用いてもよいし、逆に、「第２の熱交換用流体」として空気などを用い、「第１の熱交換用流体」としてオイルや水などを用いてもよい。

さらに、本発明の熱交換器において、前記複数の波形凹凸は、前記第１の熱交換用流体の上流側に位置する波形凹凸の波形における振幅が前記第１の熱交換用流体の上流側に位置する波形凹凸の波形における振幅より大きくなるよう形成されている、ことを特徴とするものとすることもできる。即ち、伝熱部材において、第１の熱交換用流体の入口側に形成された波形凹凸の波形における振幅が第１の熱交換用流体の出口側に形成された波形凹凸の波形における振幅より大きくなるように波形凹凸を形成するのである。ここで「波形における振幅」は、波形凹凸の頂部の高さや底部の深さに相当する。

あるいは、本発明の熱交換器において、前記複数の波形凹凸の前記頂部線および前記底部線は、Ｖ字が複数回に亘って連続して繰り返されるよう形成されている、ことを特徴とするものとすることもできる。ここで、「Ｖ字が複数回に亘って連続して繰り返される」とは、例えばＶ字を２回に亘って連続して繰り返すことによりＷ字となるように、Ｖ字を横に接触させた状態で複数個並べて得られる形状、即ちジグザグ形状を意味している。こうした複数の波形凹凸の頂部線および底部線がＶ字が複数回に亘って連続して繰り返されるよう形成されている態様の本発明の熱交換器において、前記複数の波形凹凸は、前記頂部線の屈曲部位が前記伝熱部材の端部近傍に位置するよう形成されている、ことを特徴とするものとすることもできる。つまり、波形凹凸の頂部線と底部線はＶ字が複数回に亘って連続して繰り返されるよう形成されており、更に、こうした頂部線の屈曲部位が伝熱部材の端部近傍に位置するように形成されているのである。例えば、Ｖ字が連続するように形成された波形凹凸の頂部線の端部（伝熱部材の端部）はＶ字の斜線部位における下方の部位となっているのである。こうすることにより、伝熱部材の表面に伝熱促進に大きく寄与する部位である頂部線の屈曲部位をより多く形成することができ、伝熱促進を向上させることができる。

また、本発明の熱交換器において、前記複数の波形凹凸は、前記頂部線の屈曲部位における頂部の高さが前記頂部線の屈曲部位とは異なる部位における頂部の高さより高くなるよう形成されている、ことを特徴とするものとすることもできる。頂部線の屈曲部位における頂部の高さが頂部線の屈曲部位とは異なる部位における頂部の高さより高くなるよう形成することにより、第１の熱交換用流体の主要な流れに対する二次流れを更に有効に生じさせて伝熱促進を向上させることができる。一方、「頂部線の屈曲部位における頂部の高さが頂部線の屈曲部位とは異なる部位における頂部の高さより高くなるように形成する」ことは、言い換えれば、「頂部線の屈曲部位とは異なる部位における頂部の高さが頂部線の屈曲部位における頂部の高さより低くなるように形成する」ことになる。これにより、頂部線の屈曲部位とは異なる部位における第１の熱交換用流体の流れに対する抵抗を小さくすることができる。これらの結果、伝熱促進が高く流動抵抗が小さな熱交換器とすることができる。

本発明の第１実施例のコルゲートフィン型の熱交換器２０の構成の概略を示す構成図である。 ２つの扁平チューブ３０の間にコルゲートフィン４０が配置されている様子の外観を拡大して示す拡大外観図である。 コルゲートフィン４０の水平面を２つの扁平チューブ３０の断面と共に示す説明図である。 第１実施例の波形凹凸を立体的に示して説明する説明図である。 比較例と第１実施例の波形凹凸を補助線と共に立体的に示す説明図である。 第１実施例の波形凹凸を補助線と共に模式的に示す説明図である。 図２のＡ−Ａ断面を図中のＡの矢印方向から見たＡ−Ａ断面図である。 波状の平板に一様流れの流体を導入したときに平板上に生じる流体の二次流れと温度による等高線とを示す説明図である。 波形凹凸の位置と局所熱流速の等値線と局所せん断応力の等値線との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。 変形例の波形凹凸を立体的に示して説明する説明図である。 図１０のＢ−Ｂ断面を図中のＢの矢印方向から見たＢ−Ｂ断面図である。 図１０のＣ−Ｃ断面を連続させて図中のＣの矢印方向から見たＣ−Ｃ断面図である。 図２１０のＤ−Ｄ断面を連続させて図中のＤの矢印方向から見たＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第２実施例としての熱交換器１２０の外観を示す外観図である。 第２実施例の熱交換器１２０に用いられる熱交換用チューブ１３０の扁平面を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の第１実施例のコルゲートフィン型の熱交換器２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は扁平チューブ３０の間にコルゲートフィン４０が配置されている様子の外観を拡大して示す拡大外観図であり、図３はコルゲートフィン４０の水平面４２を両側の扁平チューブ３０の断面と共に示す説明図である。また、図４は第１実施例のコルゲートフィン４０に形成された波形凹凸を立体的に示して説明する説明図であり、図５は第１実施例のコルゲートフィン４０に形成された波形凹凸と比較例とを補助線と共に立体的に示す説明図であり、図６は第１実施例の波形凹凸を補助線と共に模式的に示す説明図であり、図７は図２のＡ−Ａ断面を図中のＡの矢印方向から見たＡ−Ａ断面図である。

第１実施例のコルゲートフィン型の熱交換器２０は、各種の空気調和装置や冷凍装置などの冷凍サイクルに用いられる熱交換器として、或いは、内燃機関からの排ガスや燃料電池からのオフガスから熱エネルギを回収する熱回収装置などのエネルギ変換装置に用いられる熱交換器として用いられ、図１に示すように、扁平な中空管として形成されてハイドロフルオロカーボンや水，オイルなどの熱交換媒体（第２の熱交換用流体）の流路をなす複数の扁平チューブ３０と、第２の熱交換用流体を全体として迂流させるための３つの隔壁２８ａ，２８ｂ，２８ｃと、各扁平チューブ３０の間や扁平チューブ３０と３つの隔壁２８ａ，２８ｂ，２８ｃとの間，扁平チューブ３０と側壁２９ａ，２９ｂとの間に各々配置されて空気や排ガスなどの熱交換媒体（第１の熱交換用流体）の流路において熱交換による伝熱促進を行なう複数のコルゲートフィン４０と、これらからなる熱交換部の上部に配置されて第２の熱交換用流体の流入口２３と流出口２４とが形成された上部ヘッダー２２と、熱交換部の下部に配置された下部ヘッダー２６とを備える。第１実施例のコルゲートフィン型の熱交換器２０の扁平チューブ３０や隔壁２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，側壁２９ａ，２９ｂ，コルゲートフィン４０，上部ヘッダー２２，下部ヘッダー２６は、第２の熱交換用流体や第１の熱交換用流体に対して耐腐食性を有すると共に熱伝導率の高い金属材料、例えば、第１の熱交換用流体として空気が用いられるときにはアルミニウムや銅，ステンレス、第１の熱交換用流体として内燃機関からの排ガスや燃料電池からの排ガスが用いられるときにはステンレスなどにより形成されている。以下の説明では、コルゲートフィン型の熱交換器２０としては、空気調和装置に用いられる熱交換器であり、扁平チューブ３０や隔壁２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，側壁２９ａ，２９ｂ，コルゲートフィン４０，上部ヘッダー２２，下部ヘッダー２６の各部材についてはアルミニウムにより形成され、大きさとしては、扁平チューブ３０の間隔が５ｍｍ〜１０ｍｍ、コルゲートフィン４０の水平面４２の間隔（垂直面４８の高さ）が１ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、第２の熱交換用流体としてハイドロフルオロカーボンを用い、第１の熱交換用流体として空気を用いるもの、を具体例として用いる。

上部ヘッダー２２の内側には、隔壁２８ａ，２８ｃと整合する位置に隔壁２８ａ，２８ｃが延在するように仕切壁２５ａ，２５ｂが形成されており、下部ヘッダー２６の内側には、隔壁２８ｂと整合する位置に隔壁２８ｂが延在するように仕切壁２７が形成されている。したがって、第２の熱交換用流体（例えばハイドロフルオロカーボン）は、図中矢印で示すように、流入口２３から上部ヘッダー２２の内側に流れ込み、隔壁２８ａより右側の３つの扁平チューブ３０の内側を鉛直上方から鉛直下方に流れ、下部ヘッダー２６内で仕切壁２７により隔壁２８ａ，２８ｂの間の３つの扁平チューブ３０に供給され、３つの扁平チューブ３０の内側を鉛直下方から鉛直上方に流れて上部ヘッダー２２の仕切壁２５ａ，２５ｂの間の空間に流れ込み、隔壁２８ｂ，２８ｃの３つの扁平チューブ３０の内側を鉛直上方から鉛直下方に流れて仕切壁２８ｂの右側の空間に至り、隔壁２８ｃより左側の３つの扁平チューブ３０の内側を鉛直下方から鉛直上方に流れて上部ヘッダー２２の仕切壁２５ｂの左側の空間に入り、その後、流出口２４から排出される。なお、第１の熱交換用流体（空気）は、図１では表面から裏面に向けて、図２では斜め左下から斜め右上に向けて、図３では下から上に向けて、複数の扁平チューブ３０の間を抜けるように流れる。

コルゲートフィン４０は、水平面４２と垂直面４８とが交互につづら折り状（蛇腹状）に形成され、垂直面４８が扁平チューブ３０にろう付けなどにより接合されている。コルゲートフィン４０の水平面４２には、滑らかな曲面により複数の波形凹凸が形成されている。第１実施例の複数の波形凹凸は、図３に示すように、波の頂部を連ねた頂部線４３や波の底部を連ねた底部線４４と第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角が鋭角の範囲の角度となるように、頂部線４３および底部線４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線４３の屈曲部位４３ａがコルゲートフィン４０の水平面４２の端部近傍に位置するように、頂部線４３におけるＶ字の斜線部位４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、波形凹凸における平均高さとなる中間部が連続する中間部線４５におけるＶ字の斜線部位４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるように、水平面４２の一方の面における凸部の形状と同面における凹部の形状とが表裏一体となるように、図７に示すように、第１の熱交換用流体（空気）の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように、形成されている。以下に、実施例のコルゲートフィン４０に形成された波形凹凸について詳しく説明する。なお、波の頂部は、波の凸部と凹部との繰り返しにおける凸部の頂を意味しており、波の底部は、波の凸部と凹部との繰り返しにおける凹部の底を意味している。

コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸は、図３に示すように、滑らかな曲面により、波の頂部を連ねた頂部線４３や波の底部を連ねた底部線４４と第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角が鋭角の範囲の角度となるように形成されている。ここで、頂部線４３や底部線４４と第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角は、１０度ないし６０度が好ましく、１５度ないし４５度が更に好ましく、２５度ないし３５度がより理想的である。このように、滑らかな曲面により波形凹凸を形成し、頂部線４３や底部線４４と第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角が１０度から６０度の範囲内の角度となるように波形凹凸を形成するのは、第１の熱交換用流体の流れに対して剥離や局所的な増速を抑えて、伝熱促進に有効な空気の二次流れを発生させるためである。図８に波状の平板に一様流れの流体を導入したときに平板上に生じる流体の二次流れ（矢印）と温度による等高線とを示す。図示するように、滑らかな曲面による波形凹凸により、流体の剥離や局所的な増速を抑制して強い二次流れを生じさせ、かつ、壁面付近で大きな温度勾配を生じさせていることがわかる。これにより、伝熱促進をより高くすることができると共に流動抵抗を小さくすることができる。

コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸は、頂部線４３や底部線４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように形成されている。Ｖ字状に複数回に亘って連続して繰り返すとは、例えばＶ字を２回に亘って連続して繰り返すことによりＷ字となるように、Ｖ字を横に接触させた状態で複数個並べて得られる形状、即ちジグザグ形状となるように形成されていることを意味している。これにより、第１の熱交換用流体による熱交換に有効な二次流れを水平面４２の多くの部位に生じさせることができ、伝熱促進をより高くすることができる。

コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸は、頂部線４３における斜線部位４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、波形凹凸における平均高さとなる中間部が連続する中間部線４５における斜線部位４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるように形成されている。図５（ａ）の比較例の波形凹凸は、頂部線９４３と頂部線９４４とがＶ字状となるように、屈曲部位９４３ａも斜線部位９４３ｂも第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角が同じで一定となるように形成されている。図４および図５（ｂ）に示す第１実施例の波形凹凸は、図５の補助線に示すように、比較例の波形凹凸の頂部線９４３に対して、波型凹凸の平均高さとなる中間部が連続する中間部線９４５の変形がなるべく生じないように、屈曲部位９４３ａについては図中上下に伸張するよう移動させて屈曲部位４３ａとし、直線の頂部線９４３については僅かにＳ字カーブを描くように変形させて頂部線４３としたものである。したがって、第１実施例の波形凹凸の底部線４４は比較例の底部線９４４と同一である。図４および図５（ｂ）には、波形凹凸の頂部線４３だけを立体的に示したが、底部線４４も頂部線４３と同様に形成されている。中間部線４５は、頂部線４３や底部線４４がＶ字形状となっているから、Ｖ字形状となり、頂部線４３の屈曲部位４３ａや底部線４４の屈曲部位４４ａが比較例の位置から図中上下方向に伸張した位置とされることにより、若干ではあるが図中上下方向に伸張する。頂部線４３の傾斜部位４３ｂと第２の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度θ１は、図６に示すように、頂部線４３の斜線部位４３ｂの図中上下方向の長さＬ１とＶ字の幅Ｗを用いると、ｔａｎθ１＝（１／２）Ｗ／Ｌ１を満たす角度として表わされ、中間部線４５の傾斜部位４５ｂと第２の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度θ２は、中間部線４５の斜線部位４５ｂの図中上下方向の長さＬ２とＶ字の幅Ｗを用いると、ｔａｎθ２＝（１／２）Ｗ／Ｌ２を満たす角度として表わされる。中間部線４５に図中上下方向への若干の伸張（図６の上下方向として長さΔＬ）があったとしても、中間部線４５の図６中上下方向への伸張ができるだけ生じないようにするため、Ｌ１＞Ｌ２＋ΔＬとなることから、第１の平均角度θ１は第２の平均角度θ２より小さくなる。

上述したように、中間部線４５は若干ではあるが図中上下方向に伸張しているが、説明の容易のために、図６には図中上下方向には伸張しないものとして表わした。図６中、太実線が頂部線４３であり、細実線が伸張前の比較例の頂部線９４３であり、太破線が底部線４４であり、細破線が伸張前の比較例の底部線９４４であり、太一点鎖線が中間部線４５である。第１の熱交換用流体（空気）の流れに沿って見たときに、頂部線４３や底部線４４の逆Ｖ字の屈曲部位において、頂部線４３の屈曲部位４３ａと中間部線４５の屈曲部位４５ａとの距離をＬ１１、中間部線４５の屈曲部位４５ａと底部線４４の屈曲部位４４ａとの距離をＬ１２、底部線４４の屈曲部位４４ａと中間部線４５の屈曲部位４５との距離をＬ１３、中間部線４５の屈曲部位４５ａと頂部線４３の屈曲部位４３ａとの距離をＬ１４、頂部線４３や底部線４４のＶ字の屈曲部位において、頂部線４３の屈曲部位４３ａと中間部線４５の屈曲部位４５ａとの距離をＬ２１、中間部線４５の屈曲部位４５ａと底部線４４の屈曲部位４４ａとの距離をＬ２２、底部線４４の屈曲部位４４ａと中間部線４５の屈曲部位４５との距離をＬ２３、中間部線４５の屈曲部位４５ａと頂部線４３の屈曲部位４３ａとの距離をＬ２４とすると、以下の式（１）が成立する。このため、波形凹凸は、図中上から下に向けて第２の熱交換用流体（空気）を流したときには、逆Ｖ字の屈曲部位では、底部線４４の屈曲部位４４ａから中間部線４５の屈曲部位４５ａまでは比較的緩やかな登りの傾斜となり、中間部線４５の屈曲部位４５ａから頂部線４３の屈曲部位４３ａまでは比較的急な登りの傾斜となり、頂部線４３の屈曲部位４３ａから中間部線４５の屈曲部位４５ａまでは比較的緩やかな下りの傾斜となり、中間部線４５の屈曲部位４５ａから底部線４４の屈曲部位４４ａまでは比較的急な下りの傾斜となる。また、Ｖ字の屈曲部位では、底部線４４の屈曲部位４４ａから中間部線４５の屈曲部位４５ａまでは比較的急な登りの傾斜となり、中間部線４５の屈曲部位４５ａから頂部線４３の屈曲部位４３ａまでは比較的緩やかな傾斜となり、頂部線４３の屈曲部位４３ａから中間部線４５の屈曲部位４５ａまでは比較的急な下りの傾斜となり、中間部線４５の屈曲部位４５ａから底部線４４の屈曲部位４４ａまでは比較的緩やかな下りの傾斜となる。

Ｌ１１＝Ｌ１３＝Ｌ２２＝Ｌ２４＞Ｌ１２＝Ｌ１４＝Ｌ２１＝Ｌ２３ （１）

このように複数の波形凹凸を頂部線４３の斜線部位４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第１の平均角度）が中間部線４５の斜線部位４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第２の平均角度）より小さくなるように形成するのは、次の理由による。図９は、比較例の波形凹凸の位置と局所熱流速の等値線と局所せん断応力の等値線との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。図示するように、局所熱流速は、第１の熱交換用流体の流れの方向から見て、底部線４４から頂部線４３に至る部位で大きく、頂部線４３から底部線４４に至る部位で小さくなっている。また、底部線４４の屈曲部位４４ａから頂部線４３の屈曲部位４３ａに至る部位は、底部線４４の傾斜部位４４ｂから頂部線４３の傾斜部位４３ｂに至る部位より大きくなっており、この部位でも第１の熱交換用流体の流入側の方が流出側より大きくなっている。局所せん断応力は、頂部線４３で大きくなっており、屈曲部位４３ａの方が傾斜部位４３ｂより大きくなっている。また、第１の熱交換用流体の流出側の方が流入側より大きくなっている。局所熱流速が大きな部位は、伝熱促進が高く熱交換に大きく寄与する部位を示し、局所せん断応力が大きな部位は、第１の熱交換用流体の流れに対する抵抗が大きな部位を示す。したがって、局所熱流速が大きな部位の形状を強調すると共に局所せん断応力が大きな部位の形状を緩和することにより、伝熱促進が高く流動抵抗が小さい熱交換器とすることができる。逆Ｖ字の屈曲部位における中間部線４５の屈曲部位４５ａから頂部線４３の屈曲部位４３ａまでの部位は局所熱流速が大きな部位であるから、この部位を比較的急な登りの傾斜とすることにより、伝熱促進を高くすることができる。一方、頂部線４３の傾斜部位４３ｂと第２の熱交換用流体とのなす角の平均（第１の平均角度）は比較例の頂部線９４３と同様となる中間部線４５の傾斜部位４５ｂと第１の熱交換用流体とのなす角の平均（第２の平均角度）が小さくなっていると共にＶ字の屈曲部位における中間部線４５の屈曲部位４５ａから頂部線４３の屈曲部位４３ａまでの部位が比較的緩やかな登りの傾斜となっているから、第１の熱交換用流体は頂部線４３を乗り越えやすくなる。このため、第１の熱交換用流体の流れに対する流動抵抗が小さくなる。

コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸は、水平面４２の一方の面における凸部（頂部線４３における屈曲部位４３ａおよび傾斜部位４３ｂ）の形状と同面における凹部（底部線４４における屈曲部位４４ａおよび傾斜部位４４ｂ）の形状とが表裏一体となるように形成されている。即ち、水平面４２の一方の面における頂部線４３の屈曲部位４３ａと傾斜部位４３ｂの形状と同面における底部線４４の屈曲部位４４ａと傾斜部位４４ｂの形状とが表裏一体、即ち表裏入れ替えれば一致するように形成されている。これにより、コルゲートフィン４０の水平面４２の一方の面側に流れる第１の熱交換用流体との熱交換と水平面４２の他方の面側に流れる第１の熱交換用流体との熱交換とを同様に行なうことができ、伝熱促進がより高く流動抵抗のより小さな熱交換器とすることができる。

コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸は、頂部線４３の屈曲部位４３ａがコルゲートフィン４０の水平面４２の端部近傍に位置するように形成されている。即ち、頂部線４３の屈曲部位４３ａがより多く形成されるように複数の波形凹凸が形成されているのである。これにより、局所熱流速が高い部位である頂部線４３の屈曲部位４３ａを水平面４２により多く形成することができ、伝熱促進がより高い熱交換器とすることができる。

コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸は、第１の熱交換用流体（例えば空気）の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成されている。図７に示すように、頂部線４３の屈曲部位４３ａの高さは、第１の熱交換用流体（例えば空気）の入口に最も近い屈曲部位４３ａの高さＨｉｎから出口に最も近い屈曲部位４３ａの高さＨｏｕｔとなるように徐々に低くなっている。同様に、底部線４４の屈曲部位４４ａの深さは、第１の熱交換用流体（例えば空気）の入口に最も近い屈曲部位４４ａの深さＨｉｎから出口に最も近い屈曲部位４４ａの深さＨｏｕｔとなるように徐々に浅くなっている。図９の局所せん断応力では、第１の熱交換用流体の流出側の方が流入側より大きくなっているから、局所せん断応力の大きな第１の熱交換用流体の出口側の頂部線４３の高さを入口側の高さに比して低くすることにより、第１の熱交換用流体の流れに対する流動抵抗を小さくすることができる。

以上説明した第１実施例の熱交換器２０によれば、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、滑らかな曲面により、頂部線４３や底部線４４と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角が鋭角の範囲の角度となるように、頂部線４３や底部線４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線４３における斜線部位４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、波形凹凸における平均高さとなる中間部が連続する中間部線４５における斜線部位４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるように形成することにより、第１の熱交換用流体の流れに対して剥離や局所的な増速を抑えて伝熱促進に有効な空気の二次流れを発生させることができ、局所熱流速の大きな部位を強調して伝熱促進を図り、局所せん断応力の大きな部位のせん断応力を小さくして第１の熱交換用流体の流れに対する流動抵抗を小さくすることができる。これらの結果、伝熱促進がより高く流動抵抗のより小さな熱交換器とすることができる。

しかも、第１実施例の熱交換器２０によれば、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、水平面４２の一方の面における凸部の形状と同面における凹部の形状とが表裏一体となるように形成することにより、コルゲートフィン４０の水平面４２の一方の面側に流れる第１の熱交換用流体との熱交換と水平面４２の他方の面側に流れる第１の熱交換用流体との熱交換とを同様に行なうことができる。この結果、伝熱促進がより高く流動抵抗のより小さな熱交換器とすることができる。

また、第１実施例の熱交換器２０によれば、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、頂部線４３の屈曲部位４３ａがコルゲートフィン４０の水平面４２の端部近傍に位置するように形成することにより、局所熱流速が高い部位である頂部線４３の屈曲部位４３ａを水平面４２により多く形成することができ、伝熱促進がより高い熱交換器とすることができる。

さらに、第１実施例の熱交換器２０によれば、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、第１の熱交換用流体（例えば空気）の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成することにより、第１の熱交換用流体の流れに対する流動抵抗を小さくすることができる。

第１実施例の熱交換器２０では、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、水平面４２の一方の面における凸部の形状と同面における凹部の形状とが表裏一体となるように形成するものとしたが、水平面４２の一方の面における凸部の形状と同面における凹部の形状とが異なるものとなるように形成するものとしてもよい。例えば、複数の波形凹凸を、頂部線４３については屈曲部位４３ａの高さが斜線部位４３ｂの高さより高くなるように形成するが、底部線４４については屈曲部位４４ａの深さが斜線部位４４ｂの深さと同じになるよう形成するものとしたり、逆に、底部線４４については屈曲部位４４ａの深さが斜線部位４４ｂの深さより深くなるように形成するが、頂部線４３については屈曲部位４３ａの高さが斜線部位４３ｂの高さと同じになるよう形成するものとしたりしてもよい。

第１実施例の熱交換器２０では、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、頂部線４３の屈曲部位４３ａがコルゲートフィン４０の水平面４２の端部近傍に位置するように形成するものとしたが、頂部線４３の屈曲部位４３ａがコルゲートフィン４０の水平面４２の端部近傍に位置しないように形成するものとしても構わない。

第１実施例の熱交換器２０では、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、第１の熱交換用流体の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成するものとしたが、第１の熱交換用流体の入口側の波の振幅も出口側の波の振幅も同じになるように形成するものとしてもよい。

第１実施例の熱交換器２０では、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、頂部線４３や底部線４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように形成するものとしたが、頂部線４３や底部線４４がＶ字状に２回だけ連続してＷ字状になるように形成するものとしてもよいし、頂部線４３や底部線４４が単一のＶ字の形状になるよう形成するものとしてもよい。

第１実施例の熱交換器２０では、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、頂部線４３における斜線部位４３ｂと底部線４４における斜線部位４４ｂがＳ字カーブとなるように形成するものとしたが、頂部線４３における斜線部位４３ｂと底部線４４における斜線部位４４ｂがＳ字カーブを描く必要はなく、第１の熱交換用流体の流れに対して凸となる形状や凹となる形状としてもよいし、直線となる形状としてもよい。

第１実施例の熱交換器２０では、コルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸を、滑らかな曲面により、波の頂部を連ねた頂部線４３や波の底部を連ねた底部線４４と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角γが鋭角の範囲の角度となるように、頂部線４３や底部線４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線４３におけるＶ字の斜線部位４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、波形凹凸における平均高さとなる中間部が連続する中間部線４５におけるＶ字の斜線部位４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるように形成するものとしたが、更に、頂部線における屈曲部位の高さが頂部線におけるＶ字の斜線部位の高さより高くなるように形成するものとしてもよい。図１０に変形例の波形凹凸を立体的に示す。図１０の変形例の波形凹凸は、図４の第１実施例の波形凹凸と比較して、頂部線５３の屈曲部位５３ａについては第１実施例の頂部線４３の屈曲部位４３ａを若干***した形状として、頂部線５３の斜線部位５３ｂについては第１実施例の頂部線４３の斜線部位４３ｂを若干つぶした形状として得ることができる。図１１は、図１０の波形凹凸の頂部線５３に沿ったＡ−Ａ断面であり、頂部線５３の波形凹凸の平均高さとなる中心位置からの高さも示している。図示するように、Ｖ字状の頂部線５３の屈曲部位５３ａは、中心位置からの高さＨｕａが斜線部位５３ｂの中心位置からの高さＨｕｂより高くなるように形成されている。このように、頂部線５３の屈曲部位５３ａについては第１実施例の頂部線４３の屈曲部位４３ａを若干***した形状とし、頂部線５３の斜線部位５３ｂについては第１実施例の頂部線４３の斜線部位４３ｂを若干つぶした形状とするのは、図９を用いて説明したように、局所熱流速が大きな部位の形状を強調すると共に局所せん断応力が大きな部位の形状を緩和するためである。即ち、局所熱流速が大きな部位である頂部線５３の屈曲頂部５３ａの高さを高くすることにより伝熱促進を高くし、局所せん断応力が大きな頂部線５３の傾斜部位５３ｂの高さを低くすることにより流動抵抗を小さくすることができる。なお、図１０には、頂部線５３の形状を説明するために底部線５４の形状については示さないものとしたが、変形例の波形凹凸は、頂部線５３の形状と底部線５４の形状とが表裏一体のものとなっている。したがって、頂部線５３における屈曲部位５３ａの高さが頂部線５３におけるＶ字の斜線部位５３ｂの高さより高くなるように形成されているのと同様に、底部線５４における屈曲部位５４ａの深さが頂部線５３におけるＶ字の斜線部位５３ｂの深さより深くなるように形成されている。図１２は、図１０のＣ−Ｃ断面に相当する変形例の波形凹凸の断面図であり、図１３、図１０のＤ−Ｄ断面に相当する変形例の波形凹凸の断面図である。図１２および図１３に示すように、変形例の波形凹凸は、頂部線５３の屈曲部位５３ａの高さＨｕａが頂部線５３の傾斜部位５３ｂの高さＨｕｂより高くなるように、底部線５４の屈曲部位５４ａの深さＨｄａが底部線５４の傾斜部位５３ｂの深さＨｄｂより深くなるように、頂部線５３の屈曲部位５３ａの高さＨｕａと底部線５４の屈曲部位５４ａの深さＨｄａとが一致するように、頂部線５３の傾斜部位５３ｂの高さＨｕｂと底部線５４の傾斜部位５３ｂの深さＨｄｂとが一致するように、形成されている。これにより、コルゲートフィン４０の水平面４２の一方の面側に流れる第１の熱交換用流体との熱交換と水平面４２の他方の面側に流れる第１の熱交換用流体との熱交換とを同様に行なうことができ、伝熱促進がより高く流動抵抗のより小さな熱交換器とすることができる。

こうした変形例の波形凹凸でも、頂部線５３の屈曲部位５３ａがコルゲートフィン４０の水平面４２の端部近傍に位置するように形成するものとしてもよいし、第１の熱交換用流体の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成するものとしてもよいし、頂部線５３や底部線５４がＶ字状に２回だけ連続してＷ字状になるように形成するものとしてもよいし、頂部線５３や底部線５４が単一のＶ字の形状になるよう形成するものとしてもよいし、水平面４２の一方の面における凸部の形状と同面における凹部の形状とが異なるものとなるように形成するものとしてもよい。

図１４は本発明の第２実施例としての熱交換器１２０の外観を示す外観図であり、図１５は第２実施例の熱交換器１２０に用いられる熱交換用チューブ１３０の扁平面を示す説明図である。第２実施例の熱交換器１２０は、図示するように、偏平な中空管として形成され並列に配置された複数の熱交換用チューブ１３０と、この複数の熱交換用チューブ１３０の端部を覆うように取り付けられて複数の熱交換用チューブ３０に熱交換流体を流出入する一対のヘッダー１４０，１５０とにより構成されている。

熱交換用チューブ１３０は、熱伝導性を有する材料、例えば、ステンレス材料により厚みが０．１ｍｍに形成された板材をプレス加工及び折り曲げ加工等を用いて、厚み０．５ｍｍの偏平な管状に形成されている。熱交換用チューブ１３０の偏平面（正面および裏面）の外壁面側には、滑らかな曲面により複数の波形凹凸が形成されている。第２実施例の複数の波形凹凸は、第１実施例のコルゲートフィン４０の水平面４２に形成された複数の波形凹凸と同様に、波の頂部を連ねた頂部線１４３や波の底部を連ねた底部線１４４と第１の熱交換用流体（例えば、空気）の主要な流れとのなす角γが鋭角の範囲の角度（第２実施例では約３０度）となるように、頂部線１４３および底部線１４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線１４３におけるＶ字の斜線部位１４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、波形凹凸における平均高さとなる中間部が連続する中間部線１４５におけるＶ字の斜線部位１４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるように、頂部線１４３の屈曲部位１４３ａが扁平面の端部近傍に位置するように、第１の熱交換用流体（空気）の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように、形成されている。

第２実施例の複数の波形凹凸が、滑らかな曲面により、頂部線１４３や底部線１４４と第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角γが鋭角の範囲の角度となるように、頂部線１４３や底部線１４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線１４３の斜線部位１４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第１の平均角度）が中間部線１４５の斜線部位１４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第２の平均角度）より小さくなるように形成されている理由や、第２実施例の複数の波形凹凸が頂部線１４３の屈曲部位１４３ａが扁平面の端部近傍に位置するように形成されている理由、第２実施例の複数の波形凹凸が第１の熱交換用流体（空気）の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成されている理由は、第１実施例の波形凹凸と同様である。

以上説明した第２実施例の熱交換器１２０によれば、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、滑らかな曲面により、波の頂部を連ねた頂部線１４３や波の底部を連ねた底部線１４４と第１の熱交換用流体（空気）の主要な流れとのなす角γが鋭角の範囲の角度となるように、頂部線１４３や底部線１４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線１４３の斜線部位１４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第１の平均角度）が中間部線１４５の斜線部位１４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第２の平均角度）より小さくなるように形成することにより、剥離や局所的な増速を抑えて伝熱促進に有効な空気の二次流れを有効に発生させることができ、局所熱流速の大きな部位を強調して伝熱促進を図り、局所せん断応力の大きな部位のせん断応力を小さくして第１の熱交換用流体の流れに対する流動抵抗を小さくすることができる。これらの結果、伝熱促進がより高く流動抵抗のより小さな熱交換器とすることができる。

しかも、第２実施例の熱交換器１２０によれば、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、頂部線１４３の屈曲部位１４３ａが扁平面の端部近傍に位置するように形成することにより、局所熱流速が高い部位である頂部線１４３の屈曲部位１４３ａを扁平面により多く形成することができ、伝熱促進がより高い熱交換器とすることができる。

また、第２実施例の熱交換器１２０によれば、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、第１の熱交換用流体（例えば空気）の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成することにより、第１の熱交換用流体の流れに対する流動抵抗を小さくすることができる。

第２実施例の熱交換器１２０では、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、頂部線１４３の屈曲部位１４３ａが扁平面の端部近傍に位置するように形成するものとしたが、頂部線１４３の屈曲部位１４３ａが扁平面の端部近傍に位置しないように形成するものとしても構わない。

第２実施例の熱交換器１２０では、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、第１の熱交換用流体の入口側の波の振幅が出口側の波の振幅より大きくなるように形成するものとしたが、第１の熱交換用流体の入口側の波の振幅も出口側の波の振幅も同じになるように形成するものとしてもよい。

第２実施例の熱交換器１２０では、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、頂部線１４３や底部線１４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように形成するものとしたが、頂部線１４３や底部線１４４がＶ字状に２回だけ連続してＷ字状になるように形成するものとしてもよいし、頂部線１４３や底部線１４４が単一のＶ字の形状になるよう形成するものとしてもよい。

第１実施例の熱交換器２０では、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、滑らかな曲面により、波の頂部を連ねた頂部線１４３や波の底部を連ねた底部線１４４と第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角γが鋭角の範囲の角度となるように、頂部線１４３および底部線１４４がＶ字状に複数回に亘って連続して繰り返すように、頂部線１４３の斜線部位１４３ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第１の平均角度）が中間部線１４５の斜線部位１４５ｂと第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均（第２の平均角度）より小さくなるように形成するものとしたが、更に、頂部線における屈曲部位の高さが頂部線におけるＶ字の斜線部位の高さより高くなるように形成するものとしてもよい。即ち、熱交換用チューブ１３０の扁平面の外壁面側に形成された複数の波形凹凸を、図１０に例示した変形例の波形凹凸の形状としてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について第１実施例および第２実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、熱交換器の製造産業などに利用可能である。

Claims (7)

1. 伝熱部材の表面に滑らかな曲面を用いて断面が波形で波の頂部が連続する頂部線と波の底部が連続する底部線とがＶ字形状となるよう複数の波形凹凸が形成されており、前記複数の波形凹凸に対して第１の熱交換用流体をＶ字形状における上下方向に流して熱交換する熱交換器において、
   前記複数の波形凹凸は、前記頂部線におけるＶ字の傾斜部位と前記第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第１の平均角度が、頂部と底部との中間となる中間部が連続する中間部線におけるＶ字の傾斜部位と前記第１の熱交換用流体の主要な流れとのなす角の平均としての第２の平均角度より小さくなるよう形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器であって、
   前記熱交換器は、コルゲートフィン型熱交換器であり、
   前記伝熱部材は、コルゲートフィンであり、
   前記波形凹凸は、頂部と底部とが対称となるよう形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または２記載の熱交換器であって、
   前記伝熱部材は、前記第１の熱交換用流体と熱交換する第２の熱交換用流体の流路を形成する扁平な複数のチューブであり、
   前記チューブの扁平な外表面に前記波形凹凸が形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱交換器であって、
   前記複数の波形凹凸は、前記第１の熱交換用流体の上流側に位置する波形凹凸の波形における振幅が前記第１の熱交換用流体の上流側に位置する波形凹凸の波形における振幅より大きくなるよう形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱交換器であって、
   前記複数の波形凹凸の前記頂部線および前記底部線は、Ｖ字が複数回に亘って連続して繰り返されるよう形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項５記載の熱交換器であって、
   前記複数の波形凹凸は、前記頂部線の屈曲部位が前記伝熱部材の端部近傍に位置するよう形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱交換器であって、
   前記複数の波形凹凸は、前記頂部線の屈曲部位における頂部の高さが前記頂部線の屈曲部位とは異なる部位における頂部の高さより高くなるよう形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。