| 【発明の名称】 |
熱交換器 |
| 【発明者】 |
【氏名】加賀 邦彦
【氏名】中山 雅弘
【氏名】吉田 孝行
【氏名】山田 賢一
【氏名】竹下 倫正
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| 【要約】 |
【課題】熱伝達性能が高く圧損損失の小さい熱交換器を提供する。
【解決手段】互いに平行に積層され、その間を気体が流動する複数の板状フィン１と、この板状フィン１面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する複数の切り起こし３と、前記各板状フィン１に直角に挿入され、気体の通過する方向に対して直角方向に複数個設置された、内部を流体が通過する伝熱管２とを備えた熱交換器において、前記切り起こし３の、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、前記設置個数Ｎの増加に伴う圧力損失ΔＰの増加度合いΔＰ* が、前記設置個数Ｎの増加に伴う伝熱量Ｑの上昇度合いＱ* を上回ることがない範囲に設定する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 互いに平行に積層され、その間を気体が流動する複数の板状フィンと、この板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する複数の切り起こしと、前記各板状フィンに直角に挿入され、気体の通過する方向に対して直角方向に複数個設置された、内部を流体が通過する伝熱管とを備えた熱交換器において、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、前記設置個数Ｎの増加に伴う圧力損失ΔＰの増加度合いΔＰ* が、前記設置個数Ｎの増加に伴う伝熱量Ｑの上昇度合いＱ* を上回ることがない範囲に設定したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】 切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａを、前記切り起こし上に発達する温度境界層の厚みｄt の最大値が、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆの１／２以下となるように設定したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】 作動気体が常温常圧空気の場合に、切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａを、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆおよび前記板状フィン間を通過する自由通過体積基準の風速Ｕに対しａ≦５１０×Ｕ×Ｈｆ2の関係が成り立つように設定したことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】 作動気体が常温常圧空気の場合に、切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａについて、金型プレス加工の限界値ａｃ＝０．００１［ｍ］と、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆおよび前記板状フィン間を通過する自由通過体積基準の風速Ｕにより以下のように求められる長さＬＬ＝５１０×Ｕ×Ｈｆ2との比較により、ａｃ≦Ｌの場合は、ａ≦ＬＬ＜ａｃの場合は、ａ＝ａｃの関係が成り立つように前記幅ａを設定したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】 作動気体が常温常圧空気の場合に、切り起こしの、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、次式を満たすＮとしたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
ΔＰ* ≦Ｑ*ΔＰ* ＝Ｎ×（４２４×Ｕ×Ｈｆ2／Ｌｐ）
Ｕは自由通過体積基準の風速、Ｈｆは板状フィンの積層方向のフィン間幅、Ｌｐは伝熱管１列に対する、気体の流れに沿ったフィンの長さ。
Ｑ* ＝｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ）｝／｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ0 ）｝−１ＮＴＵは伝熱ユニット数であり、ＮＴＵ＝０．００１６６×（Ｌｐ×ｈeff）／（Ｕ×Ｈｆ）
ｈeffは有効熱伝達率であり、ｈeff＝０．０５６／Ｈｆ×｛１＋Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ2 ／Ｌｐ）｝
ＮＴＵ0 は切り起こし数Ｎ＝０のときのＮＴＵである。
【請求項６】 １つ以上の切り起こしの一部分または全体が、伝熱管の気体流れの上流側に設置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】 １つ以上の切り起こしの脚部の一部分または全部が、前記切り起こしにもっとも近接する伝熱管の外側面の上流側で、前記伝熱管の外側面に外接し、かつ気体の流れに平行な２本の線で囲まれた領域内の板状フィン面上に位置することを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
【請求項８】 １つ以上の切り起こしの一部分または全体が、伝熱管の気体流れの上流側に設置されており、かつ前記切り起こしの気流流れに平行な中心線と前記伝熱管の気体流れに平行な中心線とが略一致することを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
【請求項９】 切り起こしの脚部と板状フィン面との交線が近傍の局所的な気体流れの方向と平行であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１０】 気体の流れ方向と垂直な方向に隣接する２本の伝熱管の各々の管中心を通り気体流れに平行な直線により囲まれた板状フィン上の領域内に、切り起こしが気流方向に垂直な方向に沿って１個のみ設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体の冷却、加熱に用いられる熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱交換器について図９を用いて説明する。図９（ａ）は特開平２−３３５９５号公報に記載の空調機に用いられる熱交換器を示す平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。空調用の熱交換器はプレートフィンチューブ型と一般に呼ばれるもので、一定間隔で配置されその間を気体（空気）が流れる（図中に風向きを２０で示した）板状フィン１と、この各板状フィンへ直角に挿入され、内部に冷媒が流れる伝熱管２からなり、伝熱管の段方向（気体の通過する方向に対し直角方向）に隣接するもの同士の間の板状フィン面には、切り起こし３群が設けられている。切り起こし群は各切り起こし３の側端部が風向に対向するように位置しており、前記側端部において空気流の速度境界層および温度境界層を更新する効果が期待でき、伝熱促進が行われ熱交換能力が増大するとされている。また、切り起こし３の両端に形成され、板状フィン面が切り起こされた脚部３ｃが気体の流れ方向２０に対して角度をなして設置されている。このようにすることにより、伝熱管２に沿った空気流れを形成し、切り起こしのない場合の、伝熱管２下流で発生する流れ剥離による熱伝達低下を防ぐ効果があると考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上に述べた従来の方式では、切り起こしを施した部分での空気流の圧力損失が増大するため、空気は切り起こしが存在しない伝熱管近傍の圧力損失が比較的小さい領域を選択的に流れるため、切り起こし３群間を流れる空気の流速が減少し、期待した伝熱促進効果が十分に得られなかった。これは切り起こしの幅や設置個数に対し、フィン間を流れる空気流れに対する切り起こし上での境界層の形成を最適に制御するための検討が十分なされていないためであり、熱交換器の熱交換性能が十分に引き出されないという問題があった。さらに、空気流れに対して角度をもって設けられた切り起こし脚部では、空気が脚部に沿って流れないため脚部下流で剥離が発生するため、脚部下流の伝熱が阻害されるとともに形状損失による圧力損失をさらに増大させるという問題点があった。
【０００４】本発明は、上に述べたような問題点を解決するためになされたものであり、切り起こしでの流速の低下を防いで境界層の更新効果を最大限に引き出すとともに、脚部で発生する剥離による形状損失を抑え、低圧損で伝熱性能の良好な熱交換器を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成に係る熱交換器は、互いに平行に積層され、その間を気体が流動する複数の板状フィンと、この板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する複数の切り起こしと、前記各板状フィンに直角に挿入され、気体の通過する方向に対して直角方向に複数個設置された、内部を流体が通過する伝熱管とを備えた熱交換器において、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、前記設置個数Ｎの増加に伴う圧力損失ΔＰの増加度合いΔＰ* が、前記設置個数Ｎの増加に伴う伝熱量Ｑの上昇度合いＱ* を上回ることがない範囲に設定したものである。
【０００６】また、本発明の第２の構成に係る熱交換器は、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａを、前記切り起こし上に発達する温度境界層の厚みｄt の最大値が、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆの１／２以下となるように設定したものである。
【０００７】また、本発明の第３の構成に係る熱交換器は、作動気体が常温常圧空気の場合に、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａを、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆおよび前記板状フィン間を通過する自由通過体積基準の風速Ｕに対しａ≦５１０×Ｕ×Ｈｆ2の関係が成り立つように設定したものである。
【０００８】また、本発明の第４の構成に係る熱交換器は、作動気体が常温常圧空気の場合に、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａについて、金型プレス加工の限界値ａｃ＝０．００１［ｍ］と、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆおよび前記板状フィン間を通過する自由通過体積基準の風速Ｕにより以下のように求められる長さＬＬ＝５１０×Ｕ×Ｈｆ2との比較により、ａｃ≦Ｌの場合は、ａ≦ＬＬ＜ａｃの場合は、ａ＝ａｃの関係が成り立つように前記幅ａを設定したものである。
【０００９】また、本発明の第５の構成に係る熱交換器は、作動気体が常温常圧空気の場合に、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、次式を満たすＮとしたものである。
ΔＰ* ≦Ｑ*ΔＰ* ＝Ｎ×（４２４×Ｕ×Ｈｆ2／Ｌｐ）
Ｕは自由通過体積基準の風速、Ｈｆは板状フィンの積層方向のフィン間幅、Ｌｐは伝熱管１列に対する、気体の流れに沿ったフィンの長さ。
Ｑ* ＝｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ）｝／｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ0 ）｝−１ＮＴＵは伝熱ユニット数であり、ＮＴＵ＝０．００１６６×（Ｌｐ×ｈeff）／（Ｕ×Ｈｆ）
ｈeffは有効熱伝達率であり、ｈeff＝０．０５６／Ｈｆ×｛１＋Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ2 ／Ｌｐ）｝
ＮＴＵ0 は切り起こし数Ｎ＝０のときのＮＴＵである。
【００１０】また、本発明の第６の構成に係る熱交換器は、１つ以上の切り起こしの一部分または全体が、伝熱管の気体流れの上流側に設置されているものである。
【００１１】また、本発明の第７の構成に係る熱交換器は、１つ以上の切り起こしの脚部の一部分または全部が、前記切り起こしにもっとも近接する伝熱管の外側面の上流側で、前記伝熱管の外側面に外接し、かつ気体の流れに平行な２本の線で囲まれた領域内の板状フィン面上に位置するものである。
【００１２】また、本発明の第８の構成に係る熱交換器は、１つ以上の切り起こしの一部分または全体が、伝熱管の気体流れの上流側に設置されており、かつ前記切り起こしの気流流れに平行な中心線と伝熱管の気体流れに平行な中心線とが略一致するものである。
【００１３】また、本発明の第９の構成に係る熱交換器は、切り起こしの脚部と板状フィン面との交線が近傍の局所的な気体流れの方向と平行であるものである。
【００１４】また、本発明の第１０の構成に係る熱交換器は、気体の流れ方向と垂直な方向に隣接する２本の伝熱管の各々の管中心を通り気体流れに平行な直線により囲まれた板状フィン上の領域内に、切り起こしが気流方向に垂直な方向に沿って１個のみ設けられているものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１（ａ）および（ｂ）は各々、本発明の実施の形態１による熱交換器のフィンを示す拡大構成図および平面図である。 板状フィン１と前記板状フィン１に対して垂直に挿入された伝熱管２より構成されており、段方向に隣接する伝熱管の間の板状フィン面に設けられた切り起こし３を有している。この実施の形態においてフィン１の積層方向のピッチｆｐはｆｐ＝０．００１３ｍであり、フィン厚みｔｆ＝０．０００１ｍ、また空気の流れに沿った伝熱管１列のフィンの長さＬｐはＬｐ＝０．００１２７ｍ、熱交換器の前面風速ＵｆはＵｆ＝１．０ｍ／ｓ、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の中心の距離ＤｐはＤｐ＝０．０２０４ｍ、伝熱管の外径Ｄ［ｍ］はＤ＝０．００７５５ｍである。フィン間の自由通過体積基準の風速ＵはＵ＝１．３１ｍ／ｓである。ただし、自由通過体積基準の風速Ｕとは以下の式で定義される。
Ｕ＝Ｕｆ×Ｌｐ×Ｄｐ×ｆｐ／｛（Ｌｐ×Ｄｐ−π／４×Ｄ2 ）×（ｆｐ−ｔｆ）｝
切り起こし３の幅ａは、以下の値に設定されている。
ａ＝１ｍｍまた、流れ方向に沿った伝熱管１列あたりの切り起こし３の個数ＮはＮ＝３に設定されている。また、３つの切り起こしは、略等間隔に設置されている。
【００１６】つぎに本実施の形態の動作について述べる。熱交換器のフィン１間を流れる空気は、フィンとの間で熱交換することにより加熱あるいは冷却される。フィンの表面では、図２に示すように温度境界層１１が発達し、伝熱はこの境界層１１を介して行われる。一般に境界層１１が薄いほど空気とフィンとの単位温度差あたりの伝熱量は大きく、図２（ｂ）に示すように、切り起こし３の風上側先端では温度境界層１１が更新され、切り起こし３の空気流れ方向上流端での温度境界層厚みが非常に薄くなる、言い換えれば温度勾配が非常に大きくなるため図２（ａ）に示すようにフィン先端での単位面積あたりの伝熱量すなわち熱流束［Ｗ／ｍ2 ］が増加する。フィンは積み方向にピッチｆｐで積層されており、切り起こし３の空気流れ方向上流端から発達する境界層１１は下流の位置で積み方向に隣り合う切り起こしから発達した境界層１１と干渉する。干渉が発生した位置より下流では、境界層の厚みは一定であり、流れ方向の単位長さあたりの伝熱量は一定値となる。一方、温度境界層の厚みをｄt とすると、切り起こしの空気流れ方向上流端から流れ方向の距離ｘにおける温度境界層の厚みｄt は、以下の式で表される。
ｄt ＝５.０×（ν×ｘ／Ｕ）0.5／Ｐｒ0.3ここで、νは動粘性係数であり常温常圧の空気の場合ν＝０．００００１６１［ｍ2 ／ｓ］である。またＵは自由通過体積基準の風速である。またＰｒはプラントル数で常温常圧の空気の場合、Ｐｒ＝０．７２である。いまフィン間隔ＨｆをＨｆ＝ｆｐ−ｔｆと定義し、切り起こしの、フィンの積層方向の位置がＨｆ／２の時、切り起こし表面と空気との間の伝熱が促進されるのは、切り起こしの下流、すなわちｘ＝ａでの上記温度境界層の厚みｄt がフィン間幅Ｈｆの１／２よりも小さいことが必要である。したがって、スリット幅ａは、ａ≦Ｕ／ν・Ｐｒ0.6×（Ｈｆ／１０）2＝５１０×Ｕ×ｆｐ2の条件を満たすように設定する。空調用熱交換器の標準的な使用範囲では、自由通過体積基準の風速はＵ＝０．５〜２ｍ／ｓ程度であるので、ａ≦２５５×Ｈｆ2〜１０２０×Ｈｆ2である。ただし、計算に際して、ａ、Ｈｆの単位はともに［ｍ］であることに注意を要する。たとえば、ｆｐ＝０．００１３ｍ、ｔｆ＝０．０００１ｍとすればＨｆ＝０．００１２ｍであり、ａ≦０．０００３７〜０．００１４７ｍの範囲となる。なお、切り起こしの、フィンの積層方向の位置がＨｆ／２以外の場合においても、上記の考え方でスリット幅ａを設定すれば、概ね同様の効果を奏することは言うまでもない。一方で、切り起こしは、金型を用いたプレス加工により形成するため、切り起こしの可能な限界寸法が存在し、通常、上記の切り起こし幅ａについて０．００１ｍ前後である。したがって、上に示した不等式を満たす範囲が、上記の限界寸法を下回る場合は製造が事実上不可能になる。したがってその場合は切り起こし幅ａ＝０．００１ｍとする。さて、このとき、切り起こし面の単位面積当たり、単位温度差あたりの伝熱量を表す熱伝達率ｈｓ［Ｗ／ｍ2 Ｋ］は以下のように与えられる。すなわち、ｈｓ＝ｋ／ａ×０．６６４×Ｒｅ0.5×Ｐｒ0.3ただしｋは熱伝導率、Ｐｒはプラントル数であり、それぞれ常温常圧の場合に、ｋ＝０．０２６１［Ｗ／ｍＫ］、Ｐｒ＝０．７２［−］である。また、Ｒeaはレイノルズ数で、以下のように定義される。
Ｒea＝Ｕ×ａ／νしたがってｈｓ＝３．９１４×｛Ｕ／ａ ｝0.5ａ≦ ５１０×Ｕ×Ｈｆ2を代入すれば、ｈｓ≧０．１７３／Ｈｆ一方、切り起こしがない場合の平面フィンの熱伝達率ｈｂはおよそ以下のように計算できる。
ｈｂ＝ｋ／（Ｈｆ×２）×４．３したがって、ｈｂ＝０．０５６／Ｈｆいま空気の流れ方向に沿った長さＬｐのフィン平面上の切り起こしの数をＮとすると、有効熱伝達率ｈeff は上述の２つの熱伝達率の面積加重平均となる。すなわち、ｈeff＝ｈｂ＋（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×（ｈｓ−ｈｂ）
したがって切り起こしによる熱伝達率の増加割合ｈ* は、ｈ* ＝（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×（ｈｓ／ｈｂ−１）
≧ Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ2 ／Ｌｐ）
となる。以上から切り起こし個数Ｎに比例する形で熱伝達率は増加する。ただし、熱伝達率と伝熱量そのものは比例関係にはなく、空気が下流に流される過程で空気温度がフィン面の温度に接近して伝熱量が一定値に漸近する。具体的には、伝熱量Ｑは以下の式で与えられる。
Ｑ＝ρ×Ｃｐ×Ｕ×Ｈｆ×｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ）｝
ここでρは密度であり、常温常圧の空気の場合、およそ１．２［ｋｇ／ｍ3 ］、Ｃｐは比熱であり、常温常圧の空気の場合、１００４［Ｊ／ｋｇＫ］である。したがって、Ｑ＝１２０５×Ｕ×ｆｐ×｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ）｝
である。なお、ＮＴＵは伝熱ユニット数（Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｕｎｉｔ）である。また、ＮＴＵ＝（ＮＬ×Ｌｐ×ｈeff）／（ρ×Ｃｐ×Ｕ×Ｈｆ）
＝０．００１６６×（Ｌｐ×ｈeff）／（Ｕ×Ｈｆ）
である。ここで、ＮＬは流れ方向に設置する伝熱管の列数である。ｈeffは上で計算した熱伝達率であり、ｈeff＝０．０５６／Ｈｆ×｛１＋Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ2 ／Ｌｐ）｝
切り起こしの設置によるＱの上昇度合いＱ* は以下のようにかける。
Ｑ* ＝｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ）｝／｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ0 ）｝−１ただし、 ＮＴＵ0 は切り起こし数Ｎ＝０のときのＮＴＵである。
【００１７】一方、切り起こし個数Ｎの最適値を与えるため圧力損失とＮの関係について述べる。流れ方向に沿った切り起こしの個数Ｎが多いと上に述べた境界層の更新の効果で、伝熱量は増加するものの、熱交換器の圧力損失が増加し送風機の動力増加につながるため個数Ｎを限定する必要がある。いま、切り起こしのないフィン間の単位長さあたりの圧力損失ΔＰｂは以下のように与えられる。
ΔＰｂ＝３２／Ｒefp×（１／Ｈｆ）×１／２×（γ／ｇ）×Ｕ2ここでＲefp は以下のように定義される。
Ｒefp＝Ｕ×（２×Ｈｆ）／νまた、γは常温常圧空気の比重量［Ｎ／ｍ3 ］、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ2 ］である。一方、切り起こし部分の単位長さあたりの圧力損失ΔＰｓは一般にΔＰｓ＝ ２×１．３２８／Ｒea0.5×（１／Ｈｆ）×１／２×（γ／ｇ）×Ｕ2したがって、圧力損失の和ΔＰはΔＰ＝｛（Ｌｐ−Ｎ×ａ）×３２／Ｒefp×（１／Ｈｆ）
＋Ｎ×ａ×２.６５６／Ｒea0.5×（１／Ｈｆ）｝×１／２×（γ／ｇ）×Ｕ２ ＝Ｌｐ×ΔＰｂ＋Ｎ×ａ ×（ΔＰｓ−ΔＰｂ）
圧力損失の増加割合ΔＰ* は、ΔＰ* ＝（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×（ΔＰｓ／ΔＰｂ−１）
＝（Ｎ×ａ／Ｌｐ）×｛（２．６５６／Ｒea0.5）／（３２／Ｒefp）−１｝
＝｛Ｎ×（ａ／Ｌｐ）｝
×｛０．０８３×（２×Ｈｆ／（ａ／Ｕ×ν）0.5）−１｝
ａ＝５１０×Ｕ×ｆｐ2 などの条件を代入して上記の式を整理すると、ΔＰ* ＝Ｎ×（４２４×Ｕ×Ｈｆ2／Ｌｐ）
となる。すなわち、切り起こしの個数Ｎに比例して圧力損失が増加することを意味する。したがって、先に述べた伝熱量の上昇度合いＱ* とのかねあいでＮの最適な範囲が存在する。
【００１８】図１（ｂ）に示される本実施の形態によるフィンは、空調機の熱交換器の使用条件として標準的な、ｆｐ＝１．３ｍｍ、ｔｆ＝０．１ｍｍ、Ｌｐ＝１２．７ｍｍ、Ｄｐ＝２０．４ｍｍ、Ｄ＝７．５５ｍｍ、Ｕｆ＝１ｍ／ｓ、流れ方向に２列配置されたケースとなっている。このとき、Ｕ＝１．３１ｍ／ｓ、したがってａは約１ｍｍであり、物理的に配設可能な最大個数ＮはＮ＝６である。このとき、Ｕ×Ｈｆ2／Ｌｐ＝０．０００１４９したがって、ｈ* ＝０．１８９Ｎ、ΔＰ* ＝０．０６３０Ｎとなる。この場合のＮによる圧力損失ΔＰの変化と、伝熱量Ｑの変化を図３に示す。切り起こしのない場合（すなわちＮ＝０）の圧力損失ΔＰもしくは伝熱量ｈで規格化して示した。この図によれば圧力損失は線形的に増加するが、伝熱量は一定値に漸近するため、Ｎ＝３の付近で、二つの曲線が交差し、それ以上のＮでは、伝熱量の増加に対して圧力損失の増大が支配的となる。したがって、この場合には、切り起こし数ＮはＮ≦３とすることが望ましい。また、切り起こしは、気流上流の切り起こしの影響を避けるため、１列の長さの中で切り起こしの前後の間隔を開けるよう概等間隔に並べることが望ましい。
【００１９】なお、本実施の形態においては、標準的な寸法に対して計算を行いＮ≦３としているが、切り起こし幅ａを製造限界値であるａ＝０．００１ｍに固定し、他の寸法パラメータおよび前面風速を、Ｕｆ＝０．５〜２ｍ／ｓ、Ｄ＝０．００５ｍ〜０．００８ｍ、ｆｐ＝０．８〜１．５ｍｍ、Ｌｐ＝０．０１ｍ〜０．０１５ｍ、Ｄｐ＝０．０１ｍ〜０．０２５ｍの範囲で変化させたところ、切り起こし数Ｎは４以下が望ましいことを確認した。
【００２０】切り起こし数Ｎの数値は以上に示した式に従い、寸法、風速の条件に合わせ、圧力損失の増加割合と伝熱量の増加割合から適切に決められることはいうまでもない。また、本実施の形態においては作動気体が常温常圧空気の場合について述べたが動作温度圧力が大きく異なる場合、あるいは空気以外の気体の場合にも物性値の変更により適切な寸法を決定し得ることはいうまでもない。
【００２１】さらに、フィンの形状が本実施の形態の図１に示したような矩形でなくたとえば図４に示すように円弧型の形状を有する場合においても、上に述べたのと同様の効果を有することはいうまでもない。
【００２２】実施の形態２．図５に、本発明の実施の形態２による熱交換器のフィンの平面図を示す。板状フィン１平面と、前記板状フィンに対して垂直に挿入された伝熱管２より構成されており、段方向に隣接する伝熱管の間の板状フィン面に設けられた切り起こし３と伝熱管の空気流れ方向の上流に位置する板状フィン面に設けられた切り起こし３１を有している。本実施の形態は以上のように構成されているので、以下のような効果を有する。すなわち、伝熱管２の上流に設けられた切り起こし３１は、伝熱管の上流における空気流れの摩擦損失を大幅に上昇させ、伝熱管の上流から伝熱管の側面を通過して流れる空気流の流量を低下させる。それにより、相対的に、段方向に隣接する２本の伝熱管の間のフィン面上を流れる空気流量が増加し、この部分に設けられた切り起こし３群の境界層更新効果により促進される伝熱量が増大する。
【００２３】実施の形態３．図６は、本発明の実施の形態３による熱交換器のフィンの平面図である。この図によれば、伝熱管２の気流上流に設けられた切り起こし３１に加えて伝熱管の下流にも同様の切り起こし３２が設けられ、フィンの縦中心線に対して線対称の構成としている。このように構成することにより、切り起こしが対称でない場合に比較してフィン部の形状が安定し、湾曲などの変形による不具合が起こりにくいことに加え、熱交換器の気流の流入・流出の口を逆にしても用いることが出来るため生産管理が容易となるという効果を奏する。
【００２４】実施の形態４．図７（ａ）に本発明の実施の形態４による熱交換器のフィンの平面図を示す。本実施の形態においては、段方向に隣接する伝熱管の間のフィン平面上に設けられた切り起こし３は上流側と下流側で２つに分割されており、また分割された切り起こし３の脚部が、伝熱管に近い方の脚部３ｃについては、伝熱管の外側面に略沿うように前記脚部の側面が気流方向に対して斜めに切り起こされており、一方、段方向に隣接する２つの伝熱管の中心線に近い側に設けられた脚部３ｂについてはその側面が気流方向と一致するよう切り起こされている。このように構成することにより、強度的にも強く、かつ伝熱管近傍の流れは、斜めに切り起こされた脚部３ｃによって伝熱管外側面に沿って流れ、伝熱管の下流で剥離を生じて騒音を発生したり伝熱量低下になることを抑制する効果を有する。また、図７（ｂ）に示すように、前記中心線近傍の流れは、気流方向と一致するよう切り起こされた脚部３ｂによって、脚部３ｂの下流で剥離域４が発生しないため圧力損失が増加することがないという効果を有する（図７（ｂ）の左図は脚部３ｂが気流方向に沿って切り起こされていない場合を示す）。
【００２５】実施の形態５．図８（ａ）、（ｂ）に本発明の実施の形態５による熱交換器のフィンを示す。板状フィン１と、前記板状フィンに対して垂直に挿入された伝熱管２より構成されており、段方向に隣接する伝熱管の間の板状フィン面に設けられた切り起こし３を有する。隣接する伝熱管の間に設けられている切り起こし３は、風の流れに垂直な方向（図８（ａ）の縦方向）には１つだけ設けられ、風の流れに沿った方向に複数設けられている。前記切り起こしのうち最上流に位置する切り起こし３３については、近接する伝熱管の上流側におかれフィンの気流上流端に沿って隣り合う切り起こし３３の脚部３ｃのもっとも狭い間隔Ｗ1 （図８（ａ）では気流上流側の間隔）が、それら切り起こしの間に位置する伝熱管の外直径Ｄよりも小さくなる位置に設置されている。即ち、切り起こし３３の脚部３ｃが、伝熱管の外側面に外接し、かつ気体の流れに平行な２本の線２ａ、２ｂで囲まれた領域内の板状フィン面上に位置する。切り起こし脚部３ｃの状態は図８（ｂ）に示す。
【００２６】本実施の形態は以上のように構成されているので、以下のような効果を有する。すなわち、風の上流側から見ると、最上流に設けられた切り起こし３３はその脚部３ｃが伝熱管を遮る状態となるため気流は偏向されて伝熱管に直接衝突することなく、切り起こしに誘導される。その結果、伝熱管の上流から流入して伝熱管の側面を通過して流れる空気流の流量を低下させる。これにより、相対的に、段方向に隣接する２本の伝熱管どうしの間のフィン面上を流れる空気流量が増大し、この部分に設けられた切り起こし群の境界層更新効果により促進される伝熱量が増大する。また、風の流れに垂直な方向には切り起こしは分割されておらず、切り起こしが一つのみ設けられているので、切り起こし脚部の個数が最少であり、図８（ｃ）に示すように、切り起こし脚部の下流で発生する流れの剥離域４の影響が最小限に抑えられるという効果が得られる。
【００２７】
【発明の効果】本発明の第１の構成によれば、互いに平行に積層され、その間を気体が流動する複数の板状フィンと、この板状フィン面上に設けられ、気体の流れに対向して開口部を有する複数の切り起こしと、前記各板状フィンに直角に挿入され、気体の通過する方向に対して直角方向に複数個設置された、内部を流体が通過する伝熱管とを備えた熱交換器において、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、前記設置個数Ｎの増加に伴う圧力損失ΔＰの増加度合いΔＰ* が、前記設置個数Ｎの増加に伴う伝熱量Ｑの上昇度合いＱ* を上回ることがない範囲に設定したので、圧力損失が比較的小さく、効果的に伝熱量の向上が図られるという効果を有する。
【００２８】本発明の第２の構成によれば、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａを、前記切り起こし上に発達する温度境界層の厚みｄt の最大値が、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆの１／２以下となるように設定したので、切り起こし上の温度境界層の厚みが切り起こしの先端から後端にわたって十分に薄く、隣接する切り起こしから発達した境界層との間で干渉を生じないため有効に伝熱促進が図られるという効果を有する。
【００２９】本発明の第３の構成によれば、作動気体が常温常圧空気の場合に、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａを、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆおよび前記板状フィン間を通過する自由通過体積基準の風速Ｕに対しａ≦５１０×Ｕ×Ｈｆ2の関係が成り立つように設定したので、切り起こし上の温度境界層の厚みが切り起こしの先端から後端にわたって十分に薄く、隣接する切り起こしから発達した境界層との間で干渉を生じないため伝熱促進が図られるという効果を有する。
【００３０】本発明の第４の構成によれば、作動気体が常温常圧空気の場合に、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿った幅ａについて、金型プレス加工の限界値ａｃ＝０．００１［ｍ］と、板状フィンの積層方向のフィン間幅Ｈｆおよび前記板状フィン間を通過する自由通過体積基準の風速Ｕにより以下のように求められる長さＬＬ＝５１０×Ｕ×Ｈｆ2との比較により、ａｃ≦Ｌの場合は、ａ≦ＬＬ＜ａｃの場合は、ａ＝ａｃの関係が成り立つように前記幅ａを設定したので、フィン製造上大きな困難がなく、かつ最大限の伝熱促進が図られるという効果を有する。
【００３１】本発明の第５の構成によれば、作動気体が常温常圧空気の場合に、前記切り起こしの、気体の流れ方向に沿う設置個数Ｎを、ΔＰ* ≦Ｑ*ΔＰ* ＝Ｎ×（４２４×Ｕ×Ｈｆ2／Ｌｐ）
（Ｕは自由通過体積基準の風速、Ｈｆは板状フィンの積層方向のフィン間幅、Ｌｐは伝熱管１列に対する、気体の流れに沿ったフィンの長さ）
Ｑ* ＝｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ）｝／｛１−ｅｘｐ（−ＮＴＵ0 ）｝−１（ＮＴＵは伝熱ユニット数であり、ＮＴＵ＝０．００１６６×（Ｌｐ×ｈeff）／（Ｕ×Ｈｆ）
ｈeffは有効熱伝達率であり、ｈeff＝０．０５６／Ｈｆ×｛１＋Ｎ×（１２７４×Ｕ×Ｈｆ2 ／Ｌｐ）｝
ＮＴＵ0 は切り起こし数Ｎ＝０のときのＮＴＵである）を満たすＮとしたので、圧力損失が比較的小さく、効果的に伝熱量の向上が図られるという効果を有する。
【００３２】本発明の第６の構成によれば、１つ以上の切り起こしの一部分または全部が、伝熱管の気体流れの上流側に設置されているので、伝熱管の周囲に集中する流れに対して抵抗となり、段方向に隣接する２本の伝熱管どうしの間のフィン面上を流れる空気流量が増大し、この部分に設けられた切り起こし群の境界層更新効果により促進される伝熱量が増加するという効果を有する。
【００３３】本発明の第７の構成によれば、１つ以上の切り起こしの脚部の一部分または全部が、前記切り起こしにもっとも近接する伝熱管の外側面の上流側で、前記伝熱管の外側面に外接し、かつ気体の流れに平行な２本の線で囲まれた領域内の板状フィン面上に位置するので、相対的に、段方向に隣接する２本の伝熱管どうしの間のフィン面上を流れる空気流量が増大し、この部分に設けられた切り起こし群の境界層更新効果により促進される伝熱量が増大するという効果を有する。
【００３４】本発明の第８の構成によれば、１つ以上の切り起こしの一部分または全体が、伝熱管の気体流れの上流側に設置されており、かつ前記切り起こしの気流流れに平行な中心線と前記伝熱管の気体流れに平行な中心線とが略一致するので、相対的に、段方向に隣接する２本の伝熱管どうしの間のフィン面上を流れる空気流量が増大し、この部分に設けられた切り起こし群の境界層更新効果により促進される伝熱量が増大するという効果を有する。
【００３５】本発明の第９の構成によれば、切り起こしの脚部と板状フィン面との交線が近傍の局所的な気体流れの方向と平行であるので、脚部の下流で剥離域が発生しないため圧力損失が増加することがないという効果を有する。
【００３６】本発明の第１０の構成によれば、気体の流れ方向と垂直な方向に隣接する２本の伝熱管の各々の管中心を通り気体流れに平行な直線により囲まれた板状フィン上の領域内に、切り起こしが気流方向に垂直な方向に沿って１個のみ設けられているので、切り起こし脚部の下流で発生する流れの剥離域の影響が最小限に抑えられるという効果を有する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１２月５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１７３７８５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月２日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３３５６６１ |
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