JP7374066B2 - 熱交換器用フィンおよびこれを備えた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用フィンおよびこれを備えた熱交換器に関する。

一般に、熱交換器は、所定の間隔で互いに平行に配置された熱交換器用フィンと、熱交換器用フィンを法線方向に貫通して複数列に配列された伝熱管などから構成されている。そして、隣接する熱交換器用フィンの間を流れる空気と伝熱管の内部を流れる液媒体との間で、伝熱効果によって熱交換が行われる。

従来の熱交換器用フィンは、特許文献１に記載されているように、その表裏面に空気の流れに向かって所定の高さの開口部を持つように切り起こされた複数のスリット群が設けられている。スリット群のそれぞれは、通風抵抗を低減するため、空気の流れ方向に隣接するスリット同士が熱交換器用フィンを基準にして表裏逆方向に切り起こされており、階段状に形成されている。

上記の特許文献１よりも、より伝熱効果を高くすることを目的として、空気流の進行方向に対して隣接するスリットの長さを３段階以上とすることにより、伝熱効果をさらに高くしたものも提案されている。

特開２００３－１６１５８８号公報 特許第６１８９２６３号公報

しかしながら、特許文献１の熱交換器用フィンのスリット群は、空気の流れ方向に隣接するスリット同士が熱交換器用フィンを基準にして表裏逆方向に切り起こされており、階段状に形成されているため、空気流が上流側の最初のスリットに当たると、その後の空気流は、下流に位置するスリットに当たり難く、層状（整流状）になることが懸念される。

ここで、伝熱が行われるのは、スリットの周りに形成される温度境界層（境層）である。従って、スリットによる空気流側の伝熱効果は、空気流がスリットに当たる回数が少なければ、著しく低下する。この結果、特許文献１の熱交換器用フィンは、伝熱効果が低いという不具合があった。

また、特許文献２のものにおいても、伝熱効果をさらに高くした点は認められるものの、空気の流れ方向に隣接するスリットを主体として構成されている点では同様である。

それゆえに、本発明の主たる目的は、伝熱効果が高い熱交換器用フィンを提供するものとし、これを備えた熱交換器を提供することである。

この発明にかかる熱交換器用フィンは、放熱板と、放熱板を貫通する伝熱管のための４つ以上形成され、２列以上配置される複数の伝熱管用開口穴と、を備え、放熱板は、複数の伝熱管用開口穴の互いに隣接する４つの伝熱管用開口穴の間に囲まれて設けられ伝熱管と対向する部分に平面状をなす突起が形成されていること、を特徴とする熱交換器用フィンである。

また、この発明にかかる熱交換器は、所定の間隔で複数配置された上述の記載の熱交換器用フィンと、熱交換器用フィンを貫通して複数列に配置された伝熱管と、を備えたことを特徴とする熱交換器である。

これらのようなものであれば、伝熱管と対向する部分が平面状をなす突起が形成されていることによって、伝熱管用開口穴と突起との間の空間に流れる空気の流れが、流れ方向とは異なる方向に流れることによって、伝熱管用開口穴と突起との間に乱流領域が形成される。従って、この乱流領域における空気が、伝熱管周りの高熱伝導領域に位置することになる。これにより、より多くの空気が伝熱管周りの高熱伝導領域に接することから、伝熱効果が高い熱交換器用フィン、およびこの熱交換器用フィンを備える熱交換器を提供することができる。

また、それぞれの伝熱管周りの高熱伝導領域に効率よく空気を接するようにするために、突起は、互いに隣接する伝熱管用開口穴の間に介在する、すなわち、互いに空気の流れ方向および当該流れ方向に直交する方向に配置される４つの伝熱管用開口穴に囲まれて設けられたものとすることが望ましい。

より強く空気を伝熱管周りの高熱伝導領域に接するようにするために、突起は、流れ方向に対し直交する方向に面する直交面を備えたものとすることが望ましい。

空気の円滑な流れの担保と伝熱管周りの高熱伝導領域に接する空気の量との両立を図るための構成として、突起は、流れ方向に対し傾斜する方向に面する傾斜面を備えているものを挙げることができる。

上述した傾斜面を備えたものとして、突起は、平面視ひし形であるものを挙げることができる。

そして、伝熱管と突起との間にランダムな空気の流れである乱流を発生させることができる構成を実現するためには、突起は、平面視８角形である構成を適用することが望ましい。

あるいは、伝熱管と突起との間にランダムな空気の流れである乱流を発生させることができる他の構成として、突起は、平面視６角形であるものであってもよい。

上述した突起の機能を有効に発揮し、かつ、複数の放熱板同士の位置決めを好適に行い得るようにするためには、放熱板は、伝熱管の延伸方向に沿って所定の間隔を空けて複数配されたものであり、突起が突出する高さは、所定の間隔と同じであるようにすることが好ましい。

前記放熱板を効率的に製造するための構成の一例としては、金属製の板材からなり、前記突起は、突起の裏面側に形成され空気を密閉できるように形成された中空部を有していることが好ましい。

この発明によれば、伝熱効果が高い熱交換器用フィンを提供するものとし、併せて、これを備えた熱交換器を提供することができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。

この発明の一実施の形態にかかる熱交換器の一部を構成する熱交換器用フィンの一部を示す外観斜視図である。 同熱交換器用フィンを示す平面図である。 同熱交換器用フィンを示す要部を拡大して示す平面図である。 図３にかかる作用説明図である。 図３にかかる線Ｖ－Ｖ断面図である。 この発明の一実施の形態の変形例にかかる熱交換器用フィンの平面図である。 同他の変形例にかかる熱交換器用フィンの図３に対応した平面図である。 同さらに他の変形例にかかる熱交換器用フィンの図３に対応した平面図である。

以下、本発明の一実施の形態について図１～図５を参照して具体的に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態にかかる熱交換器２の一部を構成する熱交換器用フィン１０の一部を示す外観斜視図である。図２は、同熱交換器用フィン１０を示す平面図である。図３は、熱交換器用フィン１０を示す要部を拡大して示す平面図である。図４は、図３にかかる作用説明図である。図５は、図３にかかる線Ｖ－Ｖ断面図である。

以下、実施の形態にかかる熱交換器２の一部を構成する熱交換器用フィン１０について説明する。なお、本明細書において、「平面視」とは、熱交換器用フィン１０の法線方向（図１の熱交換器用フィン１０の上方）から視た場合の視点を意味する。

（１）熱交換器
当該熱交換器２は、一般に開示されてきたもの同様、所定の間隔で互いに平行に配置された熱交換器用フィン１０と、熱交換器用フィン１０を法線方向に貫通して複数列に配列された伝熱管４などから構成されている。そして、隣接する熱交換器用フィン１０の間を流れる空気ａｒ（被媒体）が外周面６に接しつつ、伝熱管４の内部を内面８に沿って流れる図示しない液媒体との間で、伝熱効果によって熱交換が行われる。

伝熱管４は、図１～図５に示すように、概略真円状の外形をなす、いわゆる丸パイプ材である。この伝熱管４は内面８内に、液媒体を流しつつ、熱交換器用フィン１０によって案内される空気ａｒ（被媒体）によって熱交換が行われる。液媒体は、例えば、熱媒油、蒸気、温水、冷却水、冷媒液等である。

この伝熱管４の素材としては、熱交換器２自体の強度を担保するためであれば、ステンレスを用いるのが通例であるが、鉄、銅等を、熱伝導性を高めるために用いてもよい。この伝熱管４は、これらの金属素材を曲げ成形により筒状に形成したものである。

（２）熱交換器用フィン
本実施の形態に係る熱交換器用フィン１０は、伝熱管４の法線状に延伸する板状をなす放熱板１２と、放熱板１２を貫通する伝熱管４のための４つ以上形成され、２列以上配置される複数の伝熱管用開口穴１４とを備え、複数の放熱板１２は、複数の伝熱管用開口穴１４の互いに隣接する４つの伝熱管用開口穴１４の間に囲まれて設けられ伝熱管４と対向する部分に平面状をなす突起２０が形成されていることを特徴とするものである。

以下、当該熱交換器用フィン１０の具体的な構成について説明する。この熱交換器用フィン１０は、金属製の板材すなわち板金素材を主体としている。本実施の形態では、熱交換器用フィン１０の材質をステンレスとしている。また上述の通り当該熱交換器用フィン１０は、放熱板１２と、伝熱管用開口穴１４とを有している。

伝熱管用開口穴１４は、図１～図４に示すように、放熱板１２の短寸方向（長手方向に直交する方向）である空気ａｒの流れ方向Ｆに沿って所定の間隔をもって、本実施の形態では２列、配されている。これは、伝熱管４の配置に応じて格子状に位置づけられたことによる。そしてこの場合、同図に示すように、４つの当該伝熱管用開口穴１４は、放熱板１２の一部の領域を囲む。

伝熱管用開口穴１４は、伝熱管４の外周面６の形状に対応し隙間なく挟む内周面１４ａを有している。これにより、複数の伝熱管４同士の距離を安定させている。

放熱板１２は、図１～図４、特に図２に示すように、平面視矩形状、かつ、概略薄板状をなす。この放熱板１２は、図２に示すように、空気ａｒを流す部分の略全ての部分に４つの伝熱管４に囲まれている領域が存在する。この放熱板１２の厚み寸法は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とするのが望ましく、本実施の形態では、０．３ｍｍに設定している。

ここで、本実施の形態では、隣接する４つの伝熱管用開口穴１４の間に囲まれた領域に、突起２０を設けていることを特徴とする。換言すれば、突起２０は、互いに隣接する伝熱管用開口穴１４の間に介在しており、より詳しくは互いに空気ａｒの流れ方向Ｆおよび当該流れ方向Ｆに直交する方向に配置される複数の伝熱管用開口穴１４のうちの４つの伝熱管用開口穴１４に囲まれて設けられたものである。

ここで、上述したように、熱交換機用フィン１０の材質はステンレスであるため、熱伝導性がアルミニウムや銅よりも低い。従って、４つの伝熱管４に囲まれる部分の中心部は、低熱伝導領域となる。

したがって、４つの伝熱管４周りの高熱伝導領域３０に空気ａｒ（被媒体）が流れるように誘導するために、４つに囲まれる伝熱管４の中心部にダボとも称される突起２０を配置する。これにより、熱伝導のロスを防ぎ、熱効率の向上を図ることができる。

以下、突起２０の形状、態様について具体的に説明する。

突起２０は、放熱板１２に一体的に形成される。この突起２０は、空気ａｒに直接接する表面２０ａと、この表面２０ａの裏側に位置する裏面２０ｂとを有するよう、例えば放熱板１２に用いられる板金素材をプレス成形することによって製造される。

突起２０は、図１～図４に示すように、平面視８角形である８角突起２０８である。すなわち、本実施の形態では、突起２０は、８角突起２０８の向きを調整することにより、流れ方向Ｆに対し直交する方向に面する直交面２２と、流れ方向Ｆに対し傾斜する方向に面する傾斜面２４とを有している。

放熱板１２は、図５である線Ｖ－Ｖ断面図に示すように、伝熱管４の延伸方向に沿って所定の間隔を空けて複数配されている。図示の態様を具体的に説明すると、熱交換器用フィン１０は、所定の間隔として、例えば、２ｍｍとされる。図１では４枚、図５では５枚、熱交換器用フィン１０が所定の間隔で積層された態様を図示している。

突起２０が突出する高さは、所定の間隔と同一で、例えば２ｍｍである。これは、放熱板１２が２ｍｍピッチで配置されるからである。これにより、突起２０に接する空気ａｒは、突起２０の表面２０ａに沿って流れる。

突起２０は、図５に示すように、突起２０の裏面２０ｂ側に形成され空気ａｒを密閉できるように形成された中空部２０ｃを有している。特に、かかる中空部２０ｃを設けるということは、上下の放熱板１２同士が互いに接続していることを意味する。これにより、積層された熱交換器用フィン１０が全体として撓むことや、歪むことが、有効に抑止されている。

次に、以下、図４を参照しつつ、本実施の形態にかかる熱交換器用フィン１０の伝熱効果を詳細に説明する。
図１～図４に示す突起２０は、平面視８角形をなす。かかる形状を有する、熱交換器用フィン１０への流れ方向Ｆに空気ａｒが導入されると、伝熱管４の外周面６に沿うように流れる伝熱管側流れａｒ１が発生する。この伝熱管側流れａｒ１は、突起２０が無ければ通常、伝熱管４周りに形成される高熱伝導領域３０を通過せず、伝熱管４間の中央部の低熱伝導領域を通過し、熱交換器用フィン１０から排出されてしまう。従って、伝熱管４の間の領域に空気ａｒが流れ込んでも、伝熱管４から空気ａｒへの熱交換性は低い。

そして、本実施の形態では、伝熱管４の間に介在する箇所に、伝熱管４間の通過を抑制する突起２０を設けてある。この突起２０は、伝熱管４に対向する部分が直線で形成されており、伝熱管４に接して熱交換される空気ａｒは、そのような伝熱管４と突起２０との間を通過するような流れが生ずる。
以下、本実施の形態にかかる熱交換用フィン１０内に通過する空気ａｒの各流れについて説明する。

まず、流れ方向Ｆに沿う方向に延伸する直進流ａｒ２が発生する、この直進流ａｒ２に接した空気ａｒは、突起２０の傾斜面２４に沿うように伝熱管４と突起２０との間を流れる傾斜流ａｒ３となる。

従って、突起２０の傾斜面２４に沿う流れである傾斜流ａｒ３と上述した伝熱管４の外周面６に沿う流れである伝熱管側流れａｒ１との速度差、および空気ａｒとして伝熱管側流れａｒ１と傾斜流ａｒ３とがぶつかり合うことにより、図４に示すような乱流領域４０が発生する。

具体的に説明すると、突起２０と伝熱管４との間に空気ａｒ（被媒体）が流れる時、伝熱管４の外周面６に沿って流れる伝熱管側流れａｒ１と、突起２０の表面２０ａに流れる直進流ａｒ２、傾斜流ａｒ３との速度差および空気ａｒとして伝熱管側流れａｒ１と傾斜流ａｒ３とがぶつかり合うことにより、伝熱管４と突起２０との間の空間に乱流領域が発生しやすくなる。その結果、乱流領域４０は空気ａｒの流れの抵抗になる。そして、図４に示すように、この乱流領域４０は、伝熱管４周りに形成される高熱伝導領域３０と略一致している。従って、高熱伝導領域３０において、伝熱管４の熱が空気ａｒ（被媒体）により伝わりやすくなる。
さらに、突起２０に対して最初に空気ａｒ（被媒体）が当たる部分も直線（平面部）であることが望ましい。空気ａｒ（被媒体）が流れる抵抗を大きくさせるためである。

以上のように、本実施の形態にかかる熱交換器用フィン１０および熱交換器２であれば伝熱管４と対向する部分に平面状をなす突起２０が形成されていることによって、伝熱管４の外周面６と突起２０との間の空間に流れる空気ａｒの流れが流れ方向Ｆとは異なる方向に流れる空気ａｒ（ａｒ２，ａｒ３）が発生する。すなわち、直接伝熱管４の外周面６を沿うように流れる伝熱管側流れａｒ１と、突起２０の傾斜面２４に沿うように流れる傾斜流ａｒ３との間で、速度差が生じる。これにより、伝熱管４と突起２０との間に乱流領域４０が形成され、その乱流領域４０の空気ａｒが伝熱管４の周りにおける高熱伝導領域３０を効率よく通過させることができることから、伝熱効果が高い熱交換器用フィン１０並びに熱交換器２を提供することができる。

また、それぞれの伝熱管用開口穴１４周りに形成される高熱伝導領域３０に効率よく空気ａｒを接するようにするために本実施の形態では、突起２０は、互いに隣接する伝熱管用開口穴１４の間に介在している伝熱管用開口穴１４のうち互いに空気ａｒの流れ方向Ｆおよび当該流れ方向Ｆに直交する方向に配置される４つの伝熱管用開口穴１４に囲まれて、特に中央箇所に、設けられたものとしている。

より強く空気ａｒを伝熱管用開口穴１４周り形成される高熱伝導領域３０に接するようにするために本実施の形態では、突起２０は、流れ方向Ｆに対し直交する方向に面する直交面２２を備えたものとしている。

空気ａｒの円滑な流れの担保と伝熱管用開口穴１４に接する空気ａｒの量との両立を図るための構成として本実施の形態では、突起２０は、流れ方向Ｆに対し傾斜する方向に面する傾斜面２４を備えている。

また、本実施の形態では、突起２０の内部に中空部２０ｃを設けることで、上下の放熱板１２同士を互いに接続させて、積層された熱交換器用フィン１０が全体として撓むことや、歪むことを、有効に抑止している。

（３）変形例
以下に、本実施の形態にかかる各変形例について説明する。以下に記載する各変形例について、上記実施の記載した構成要素に相当する各構成要素に対しては、同じ符号を付すとともに、その詳細な説明を省略する。

上記実施の形態では、伝熱管用開口穴１４は、図２等に示すように、放熱板１２の短寸方向（長手方向に直交する方向）である空気ａｒの流れ方向Ｆに沿って所定の間隔をもって、本実施の形態では２列、配されているものとしたが、それに限られるものではない。

図６は、上述した実施の形態の変形例にかかる熱交換器用フィン１０の平面図である。すなわち、本変形例にかかる伝熱管用開口穴１４は、図６に示すように、放熱板１２の短寸方向（長手方向に直交する方向）である空気ａｒの流れ方向Ｆに沿って所定の間隔をもって、本実施の形態では３列、配されている。これは、伝熱管４の配置に応じて格子状に位置づけられたことによる。そしてこの場合、同図に示すように、４つの当該伝熱管用開口穴１４は、放熱板１２の一部の領域を囲む。

このようなものであっても、伝熱管４と対向する部分に平面状をなす突起２０が形成されることによって、伝熱管４の外周面６と突起２０との間の空間に流れる空気ａｒの流れが流れ方向Ｆとは異なる方向に流れる空気ａｒ（ａｒ２，ａｒ３）が発生する。すなわち、直接伝熱管４の外周面６を沿うように流れる伝熱管側流れａｒ１と、突起２０の傾斜面２４に沿うように流れる傾斜流ａｒ３との間で速度差が生じる。これにより、伝熱管４と突起２０との間に乱流領域４０が形成され、その乱流領域４０の空気ａｒが伝熱管４の周りに形成される高熱伝導領域３０を効率よく通過させることができることから、伝熱効果が高い熱交換器用フィン１０並びに熱交換器２を提供することができる、という上記実施の形態同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態では、突起２０の形状を平面視８角形としたが、もちろん、突起２０の形状はそれに限られるものではない。図７は他の変形例にかかる熱交換器用フィン１０の図３に対応した平面図である。すなわち、本変形例にかかる伝熱管用開口穴１４は、図７に示すように、突起２０は、平面視６角形である６角突起２０６としている。

このようなものであっても、面の向きや数は違うものの、上記実施の形態および変形例と同様の効果を奏する。

上記実施の形態および変形例では、突起２０の形状を平面視８角形、６角形としたが、もちろん、それに限られるものではない。図８は、さらに他の変形例にかかる熱交換器用フィン１０の図３に対応した平面図である。

突起２０は、図８に示すように、平面視ひし形であるひし形突起２０８である。特に、また、図示の突起２０はひし形でも横に広いひし形、具体的には、流れ方向Ｆに直交する方向により寸法を大きく取り、伝熱管４により多く空気ａｒを案内するものとしている。

このようなものであっても、上記実施の形態に開示している直交面２２がなくとも、上記実施の形態同様の効果を奏する。

なお、以上のように、本発明の実施の形態は、前記記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、伝熱管用開口穴が配置される列の数は、４列以上であってもよい。伝熱管が配置される態様に適用させれば良いからである。また、４つの伝熱管に囲まれる突起の数は一つに限られない。当該箇所に複数あってもよい。

すなわち、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上説明した実施の形態に対し、機序、形状、材質、数量、位置又は配置等に関して、様々の変更を加えることができるものであり、それらは、本発明に含まれるものである。

２ 熱交換器
４ 伝熱管
６ 外周面
８ 内面
１０ 熱交換器用フィン
１２ 放熱板
１４ 伝熱管用開口穴
１４ａ 内周面
２０ 突起
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２２ｃ 中空部
２２ 直交面
２４ 傾斜面
３０ 高熱伝導領域
４０ 乱流領域
２０４ ひし形突起
２０６ ６角突起
２０８ ８角突起
ａｒ 空気
ａｒ１ 伝熱管側流れ
ａｒ２ 直進流
ａｒ３ 傾斜流
Ｆ 流れ方向

Claims (7)

1. 放熱板と、
   前記放熱板を貫通する伝熱管のための４つ以上、かつ２列以上で格子状に配置される複数の伝熱管用開口穴と、
   を備え、
   前記放熱板は、４つの前記伝熱管用開口穴の間の領域に突起が形成され、
   前記突起は、空気の流れ方向に対し直交する方向に面する直交面と、前記空気の流れ方向に対し傾斜する方向に面する複数の傾斜面とを有し、前記直交面と前記傾斜面とはともに平面状であり、
   前記直交面は、前記突起に対し最初に空気が当たる部分であり、
   前記複数の傾斜面はそれぞれ、前記４つの伝熱管用開口穴の各々に対向する面であること、
   を特徴とする熱交換器用フィン。
2. 前記突起は、平面視８角形である、
   請求項１に記載の熱交換器用フィン。
3. 前記突起は、平面視６角形である、
   請求項１に記載の熱交換器用フィン。
4. 前記放熱板は、前記伝熱管の延伸方向に沿って所定の間隔を空けて複数配されたものであり、
   前記突起が突出する高さは、前記所定の間隔と同じである、
   請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱交換器用フィン。
5. 前記突起は、前記突起の裏面側に形成され空気を密閉できるように形成された中空部を有している、
   請求項４に記載の熱交換器用フィン。
6. 前記伝熱管用開口穴は、前記空気の流れ方向に沿って２列設けられている、
   請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱交換器用フィン。
7. 所定の間隔で配置された請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の熱交換器用フィンと、
   前記熱交換器用フィンを貫通して複数列に配置された伝熱管と、
   を備えたこと、
   を特徴とする熱交換器。

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