JP2008170035A - フィンチューブ型熱交換器、熱交換器用フィンおよびヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた伝熱性能を有しながらも圧力損失が小さいフィンチューブ型熱交換器を提供する。
【解決手段】 フィンチューブ型熱交換器１は、複数のフィン３ａ、３ｂと、複数のフィンを貫通する複数の伝熱管２ａ，２ｂとを備える。フィン３ａ，３ｂは、貫通孔７ｋ，７ｊを有するフィン基部３と、フィン基部３から突出するように設けられた隆起部５ａ、５ｂとを含み、接続部３によって接続されている。隆起部５ａ、５ｂの上流部分６ａ、６ｂとフィン基部３との境界に沿って、フィン３ａ、３ｂを貫通する切り込み９ａ、９ｂが形成されている。隆起部５ａ、５ｂの上流部分６ａ、６ｂとフィン基部３との間には、その切りみ９ａ、９ｂに基づく隙間８ａ、８ｂが形成され、その隙間８ａ、８ｂを通じて空気Ａがフィン３ａ、３ｂの第１主面４ｐ側から第２主面４ｑ側へと流通可能である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器、熱交換器用フィンおよびヒートポンプ装置に関する。

従来から、家庭用または自動車用の空気調和装置、冷凍・冷蔵装置、除湿機、給湯機等において、フィンチューブ型熱交換器が用いられている。フィンチューブ型熱交換器は、所定のフィンピッチで並べられた複数の伝熱フィンと、これらのフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。

このような熱交換器では、フィン表面を流れる流体の速度を増加させると、フィンの熱伝達率が大きくなる。ところが、フィン表面を流れる流体の速度が大きくなると、流体が熱交換器を通過する際の圧力損失が増加する。このように、熱交換器において、熱伝達率と圧力損失とは、トレードオフの関係にある。そこで、熱交換器の性能向上のために、圧力損失の増加を抑えつつ、熱伝達率を向上させることが望まれている。

従来から、熱伝達率の向上や圧力損失の低減を目的として、形状に工夫を施したフィンが知られている。例えば、特許文献１には、板状フィンを波状に折り曲げたコルゲートフィンが開示されている。特許文献２には、フィンの表面に微小なディンプルを多数設けたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。特許文献３には、フィンの表面に三角錐状の突起を設けたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。特許文献４には、フィンの表面に四角錐状の突部を設けたフィンチューブ型熱交換器が開示されている。
特開昭６４−９０９９５号公報 特開平７−２３９１９６号公報 特開昭６３−２９４４９４号公報 特開平６−３００４７４号公報

近年、熱交換器の更なる性能向上が望まれており、従来のフィンチューブ型熱交換器の仕様の最適化を図ったとしても、必ずしも満足のいく性能が得られるとは限らなかった。そこで、全く新規な形状のフィンを有するフィンチューブ型熱交換器が待ち望まれていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた伝熱性能を有しながらも圧力損失が小さいフィンチューブ型熱交換器を提供することにある。また、本発明は、フィンチューブ型熱交換器に好適に採用できる熱交換器用フィンを提供することを目的とする。また、本発明は、上記フィンチューブ型熱交換器を備えたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明は、
第１流体と第２流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器であって、
前記第１流体の流路を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンを貫通する、前記第２流体を流通させるべき複数の伝熱管とを備え、
前記複数の伝熱管は、前記第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置さ
れた第１伝熱管と、
前記第1伝熱管と並び方向が平行であるとともに前記第１流体の流れ方向に関して、前記第１伝熱管よりも下流側に並んで配置された第２伝熱管とを含み、
前記複数のフィンは、それぞれ、前記複数の伝熱管を配置するための複数の貫通孔が形成されているフィン基部と、
隣り合う２つの前記第１伝熱管およびの間に前記フィン基部から突出するように設けられた第１隆起部と、
隣り合う２つの前記第２伝熱管の間に前記フィン基部から突出するように設けられた第２隆起部とを含み、
前記第１隆起部の上流部分と前記フィン基部との境界に沿って、前記フィンを貫通する第１切り込みが平面視で弓形を示すように形成され、
前記第２隆起部の上流部分と前記フィン基部との境界に沿って、前記フィンを貫通する第２切り込みが平面視で弓形を示すように形成され、
前記第１隆起部の上流部分と前記フィン基部との間に前記第１切り込みに基づく第１隙間が形成され、
前記第２隆起部の上流部分と前記フィン基部との間に前記第２切り込みに基づく第２隙間が形成され、
前記第１隙間および前記第２隙間を通じて前記第１流体が前記フィンの第１主面側から第２主面側へと流通可能となっており、
前記第１隆起部と前記第２伝熱管との間の前記フィン基面に第３切り込みを設け、
前記フィン基面の前記第１流体の流れ方向に対して風上側である第１フィンと、
前記フィン基面の前記第１流体の流れ方向に対して風上側である第２フィンと、
前記第１フィンと前記第２フィンを接続するフィン接続部を形成し、
第１フィンと第２フィンが千鳥状に配置されるフィンチューブ型熱交換器を提供する。

もちろん、全ての隆起部に切り込みが形成されていなければならないわけではなく、例えば、列方向の１つおきに切り込みが形成されていてもよい。

また、本発明は、
第１流体と第２流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器に用いられる板状のフィンであって、
前記第１隙間は、前記第１切り込みに沿って前記フィン基部および／または前記第１隆起部が部分的に切り取られることによって形成され、
前記第２隙間は、前記第２切り込みに沿って前記フィン基部および／または前記第２隆起部が部分的に切り取られることによって形成され、
前記第１隆起部は、隣り合う２つの前記第１伝熱管の間に１つのみ設けられるとともに、前記列方向に関する最大幅が前記第１伝熱管の外径よりも大であり、
前記第２隆起部は、隣り合う２つの前記第２伝熱管の間に１つのみ設けられるとともに、前記列方向に関する最大幅が前記第２伝熱管の外径よりも大であり、
前記第１隆起部および前記第２隆起部の上流部分は、平面視で半円形または半楕円形の形状を有する熱交換器用フィンを提供する。

また、本発明は、
前記第１隆起部および前記第２隆起部の上流部分は、平面視で三角翼の形状を有してもよい。

また、本発明は、
前記第１隆起部および前記第２隆起部は、楕円丘、円丘、多角錐または円錐の形状を有しても良い。

また、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構と、
膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、
放熱器および蒸発器の少なくとも一方が、上記したフィンチューブ型熱交換器を含む、ヒートポンプ装置を提供する。

上記のフィンチューブ型熱交換器によれば、第１隆起部および第２隆起部の前方部の切れ込みの前縁効果により伝熱性能の向上を図ることができる。また、第１フィンと第２フィンを略半フィンピッチずらすことにより、第２フィンの前方部の一部の前縁効果により伝熱性能の向上を図ることができる。また、隆起部の上流部分とフィン基部との間に隙間が形成されており、その隙間により、第１流体が第１主面側から第２主面側へと流通することが可能となっている。そのため、隆起部を設けることによる圧力損失の増大を抑制することができる。そして、これらの効果が相俟って、圧力損失の増大が抑制されるとともにフィンの伝熱性能が向上し、ひいては、より高性能なフィンチューブ型熱交換器を実現することが可能となる。

また、そのフィンチューブ型熱交換器を採用することで、ヒートポンプ装置のＣＯＰ（coefficient of performance）を改善することができる。

（第１実施形態）
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明に係るフィンチューブ型熱交換器の全体斜視図である。フィンチューブ型熱交換器１（以下、単に「熱交換器１」ともいう）は、第１流体の流路を形成するために、第１流体の流れ方向（Ｘ方向）の風上側に所定間隔で平行に並べられた複数の第１フィン３ａと、第１流体の流れ方向（Ｘ方向）の風下側に所定間隔で平行に並べられた複数の第２フィン３ｂと、フィン３ａ、３ｂをＹ方向に略半フィンピッチずらせて、かつ接続する接続部３ｃと、フィン３ａ、３ｂを貫通する複数の伝熱管２ａ、２ｂとを備えている。熱交換器１は、フィン３ａ、３ｂの主面に沿って流れる第１流体と、伝熱管２ａ、２ｂの内部を流れる第２流体とを熱交換させる。本実施形態では、フィン３ａ、３ｂの主面に沿って空気Ａが流れ、伝熱管２ａ、２ｂの内部には冷媒Ｂが流れる。伝熱管２ａ、２ｂの内部を流れる流体およびフィン３ａ、３ｂの主面に沿って流れる流体の種類や状態は、特に限定されるわけではない。それら流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。

図１に示すごとく、複数の伝熱管２ａ、２ｂは、空気Ａの流れ方向と交差する所定の列方向に１列に並んで配置された複数の第１伝熱管２ａと、第１伝熱管２ａと並び方向が平行であるとともに空気Ａの流れ方向に関して第１伝熱管２ａよりも下流側に１列に並んで配置された複数の第２伝熱管２ｂとからなる。第１伝熱管２ａは、冷媒Ｂが順番に流れるように１本につながっている。同様に、第２伝熱管２ｂは、冷媒Ｂが順番に流れるように１本につながっている。ただし、これらの伝熱管２ａ，２ｂは、必ずしも１本につながっていなくてもよい。また、第１伝熱管２ａと第２伝熱管２ｂとが１本につながっていてもよい。

熱交換器１は、空気Ａの流れ方向（Ｘ方向）がフィン３ａ、３ｂの積層方向（Ｙ方向）および伝熱管２ａ，２ｂの列方向（Ｚ方向）とほぼ直交するような姿勢で使用される。ただし、十分な熱交換量を確保できる限り、気流方向はＸ方向から若干傾斜していてもよい
。なお、本明細書中では、空気Ａの流れ方向をＸ方向、伝熱管２ａ，２ｂが配列している方向であるフィン３ａ、３ｂの長手方向をＺ方向、フィン３ａ、３ｂの主面に垂直な方向である積層方向（Ｙ方向）を高さ方向と定義する。

フィン３ａ、３ｂは、略長方形かつ平板状の形状を有し、図１中に示すＹ方向に沿って並べられている。本実施形態では、フィン３ａ、３ｂは一定の間隔（フィンピッチ）で並べられている。フィンピッチは、例えば１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである。ただし、フィンピッチは必ずしも一定である必要はなく、異なっていてもよい。フィン３ａ、３ｂは、例えば、打ち抜き加工された肉厚０．０８〜０．２ｍｍの金属板で構成することができる。金属板は、例えば、アルミニウム製の平板である。また、フィン３ａ、３ｂの表面には、ベーマイト処理または親水性塗料の塗布などの親水性処理、あるいは撥水性処理が施されていることが好ましい。

図２は、図１に示す熱交換器に用いられているフィンの平面図である。図３は、そのフィンの斜視図である。図４は、図２に示すフィンのI−I断面図である。図５は、図２に示すフィンのII−II断面図である。図２は、フィンの平面図であるが、伝熱管２ａ，２ｂも併記している。

図２に示すごとく、フィン基部３は、第１フィン３ａと、第２フィン３ｂと、接続部３ｃと、第１隆起部５ａと、第２隆起部５ｂとからなる。フィン基部３は、伝熱管２ａ，２ｂを配置するための複数の貫通孔７ｋ，７ｊが形成されている平坦な部分である。複数の貫通孔７ｋ，７ｊは、当該フィン３ａ、３ｂの第１主面４ｐと第２主面４ｑ（図５参照）とを貫くように、空気Ａの流れ方向と直交する列方向（Ｚ方向）に等間隔で形成された複数の第１貫通孔７ｋと、同じくＺ方向に等間隔で形成された複数の第２貫通孔７ｊとからなる。

第１フィン３ａの前縁３０ｐから近い前列の第１貫通孔７ｋに第１伝熱管２ａが配置され、第２フィン３ｂの前縁３０ｑから近い後列の第２貫通孔７ｊに第２伝熱管２ｂが配置される。

図２の平面図において、隣り合う２つの第１貫通孔７ｋ，７ｋの中心同士を結ぶ直線は、第１フィン３ａの前縁３０ｐに平行である。同様に、第２貫通孔７ｊ，７ｊの中心同士を結ぶ直線も、第２フィン３ｂの前縁３０ｑに平行である。

伝熱管２ａ，２ｂは、銅や銅合金等の良導性金属で構成された、内面が平滑な平滑管または内面に溝が形成された溝付き管である。伝熱管２ａ，２ｂが貫通孔７ｋ，７ｊの周囲に形成されたフィンカラー３１，３２（図４参照）に密着することにより、第１伝熱管２ａと第１フィン３ａ，第２伝熱管２ｂと第２フィン３ｂとの間の熱移動が促進される。

本実施形態では、第１貫通孔７ｋに配置された第１伝熱管２ａの直径（外径Ｄ１）と第２貫通孔７ｊに配置された第２伝熱管２ｂの直径（外径Ｄ２）が同じである。第１伝熱管２ａの外径Ｄ１および第２伝熱管２ｂの外径Ｄ２は、それぞれ、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内で調整することができる。各伝熱管２ａ，３ｂの外径Ｄ１，Ｄ２は、フィン３ａ、３ｂに形成されている貫通孔７ｋ，７ｊの開口径に一致する。したがって、第２貫通孔７ｊの開口面積は、第１貫通孔７ｋの開口面積に等しい。

基準線Ｐ１は、フィン基部３の平面図において、第１貫通孔７ｋの中心Ｃ１１を通りＺ方向と直交する直線である。基準線Ｐ２は、隣り合う２つの第１貫通孔７ｋ，７ｋの中間に位置して上記基準線Ｐ１に平行な直線、言いかえれば、隣り合う２つの第１貫通孔７ｋ，７ｋの中心Ｃ１１，Ｃ１１同士を結ぶ線分の垂直２等分線である。また、基準線Ｐ１は
、隣り合う２つの第２貫通孔７ｊ，７ｊの中心Ｃ２１，Ｃ２１（第２伝熱管２ｂの中心）同士を結ぶ直線の垂直２等分線でもある。

第１隆起部５ａについて詳しく説明する。第１隆起部５ａは、それぞれ、フィン基部３よりも突出するように成形加工されている丘状の部分であり、フィン基部３の伝熱面積の拡大に寄与する。図２に示すごとく、空気Ａの流れ方向における隆起部５ａの上流部分６ａは、平面視で半楕円形の形状を有している。半楕円形に代えて、半円形の形状を採用してもよい。そして、この半楕円形の上流部分６ａとフィン基部３との境界に沿って、フィン３ａを厚さ方向に貫通する切り込み９ａが平面視で弓形を示すように形成されている。そして、第１隆起部５ａの上流部分６ａとフィン基部３との間に、切り込み９ａに基づく第１隙間８ａが形成され、その第１隙間８ａを通じて空気Ａがフィン３ａの第１主面４ｐ側から第２主面４ｑ側（図５参照）へと流通可能となっている。図３の斜視図は、第１隙間８ａの様子を最も的確に表している。この点は、第２隆起部５ｂについても同じことがいえる。

本実施形態のフィン３ａ，３ｂにおいては、隆起部５ａ，５ｂの上流側にのみ空気Ａが流通可能な第１隙間８ａおよび第２隙間８ｂを形成している。その第１隙間８ａおよび第２隙間８ｂを通過して第１主面４ｐ側から第２主面４ｑ側に移動した空気Ａが、再び第１主面４ｐ側に戻ってくることがない。これにより、空気Ａのスムーズな流れを形成でき、圧力損失の増大抑制に効果がある。

なお、平面視で半円形または半楕円形とは、フィン３ａ、３ｂの主面４ｐ，４ｑに平行な平面に隆起部５ａ、５ｂを正射影したときに現れる像の形状（像の輪郭）が半円形または半楕円形という意味である。また、本実施形態において、隆起部５ａ、５ｂはいずれも丘状であるが、円錐、楕円錐や多角錐といった尖塔状の形状を採用してもよい。

第１隆起部５ａは、隣り合う２つの第１伝熱管２ａ，２ａの間に１つのみ設けられている。図２に示すごとく、第１隆起部５ａのＺ方向に関する最大長さＬ１は、第１伝熱管２ａの外径Ｄ１以上である。また、フィン３ａの平面図における第１隆起部５ａの等価直径（面積が等しい円の直径）は、第１伝熱管２ａの外径Ｄ１よりも大である。本実施形態では、第１隆起部５ａの上流部分６ａに隣接して形成されている切り込み９ａの一端１１ａと他端１２ａとを最短距離で結ぶ線分の長さが、第１隆起部５ａのＺ方向に関する最大長さＬ１に一致することとなる。切り込み９ａの一端１１ａと他端１２ａとを結ぶ線分は、半楕円形の上流部分６ａの短軸に一致する。第１隆起部５ａの上流部分６ａを平面視で半円形とする場合には、上記線分が円の直径に一致する。この点は、第２隆起部５ｂについても同じことがいえる。

例えば、従来のように、隣り合う２つの伝熱管の間に多数の小さい隆起部を形成する場合、加工上の問題から隆起部の高さを稼ぐことが困難である。そして、そのような小さい隆起部は、空気Ａを誘導する作用が弱い。また、高さが不十分な隆起部は、未加工の平板に対する伝熱面積の増加率も低く、境界層の発達を抑制する作用もあまり期待できない。これに対し、本実施形態のフィン３ａ、３ｂに設けられた隆起部５ａ、５ｂによれば、Ｚ方向の最大長さＬ１を第１伝熱管２ａの外径Ｄ１または第２伝熱管２ｂの外径Ｄ２以上とすることにより、高さＨ（図４参照）を十分に稼ぐことができるので、空気Ａを伝熱管２ａ，２ｂに向けて誘導する作用が強い。また、未加工の平板に対する伝熱面積の増加率を最大限に高めることが可能であるとともに、境界層の発達を抑制する作用も強く、フィン３ａ、３ｂの伝熱性能の向上を十分に期待できる。

さらに、図２に示すごとく、本実施形態の第１フィン３ａに設けられた第１隆起部５ａは、隣り合う２つの第２伝熱管２ｂ，２ｂに挟まれた領域（下流領域）に達するまで、上
流部分６ａに連なる下流部分７ａが列方向（Ｚ方向）に関する幅を狭めながら延びる形状を有するものとして構成されている。図４の断面図に示すごとく、第１隆起部５ａは、Ｘ方向に関して上流端から下流端まで段差がなく、高さが連続的に変化している。第１隆起部５ａの上流端は、第１伝熱管２ａよりもフィン３ａの前縁３０ｐの近くに位置し、第１隆起部５ａの下流端は、第１伝熱管２ａよりも空気Ａの流れ方向における下流側に位置している。第１隆起部５ａのＸ方向の長さＬ２は、第１伝熱管２ａの外径Ｄ１よりも大きく、かつＺ方向に関する最大長さＬ１よりも大きい。この点は、図２および図５の断面図に示すごとく、第２伝熱管２ｂ、フィン３ｂの前縁３０ｑおよび第２隆起部５ｂについても同じことがいえる。

図２に示すごとく、第１隆起部５ａの上流部分６ａの頂点Ｃ１２は、第１伝熱管２ａの中心Ｃ１１よりも下流側に位置している。第１隆起部５ａの上流端は、第１伝熱管２ａの中心Ｃ１１よりも上流側に位置している。第１隆起部５ａの高さＨは、フィン基部３における第１主面４ｐから当該第１隆起部５ａの頂点Ｃ１２までの高さで表され、フィンピッチＦＰよりも小さい。ただし、第１隆起部５ａの高さＨは特に限定されず、例えば、フィンピッチＦＰの１／３〜２／３の範囲内で調整することができる。本実施形態では、第１隆起部５ａの高さＨが、フィンピッチＦＰの略１／２に設定されている。このような範囲内に第１隆起部５ａの高さＨを調整することにより、伝熱面積を拡大することと、圧力損失の増大を抑制することとのバランスをとることができる。この点は、第２隆起部５ｂについても同じことがいえる。

第１隆起部５ａは、Ｘ方向に関し、上流端から頂点Ｃ１２まで高さが一定であり、その頂点Ｃ１２から下流端に進むにつれて高さが単調減少している。このようにすれば、第１隆起部５ａの上流部分６を空気Ａがスムーズに流れるので、圧力損失の低減に効果がある。ただし、第１隆起部５ａの形状はこれに限定されない。例えば、頂点Ｃ１２から上流端に向かって、第１隆起部５ａの上流部分６ａの高さが単調減少していてもよいし（図７参照）、上流端から下流端に向かって、第１隆起部５ａの高さが単調増加していてもよい（図８参照）。前者によれば、上流部分６ａの上方を流れる空気Ａの流速が大きくなり、熱伝達率が向上する。後者によれば、上流部分６ａの下方を流れる空気Ａの流速が大きくなり、熱伝達率が向上する。さらに、図９に示すごとく、第１隆起部５ａの上流端５ｓおよび下流端５ｔを含み、Ｚ方向に直交する断面において、外形５ｆ（輪郭）がＫを定数としてｙ＝Ｋｃｏｓ（ｘ）で表される余弦曲線を描くように、当該第１隆起部５ａの形状を設定することができる。ここで、ｘは−１８０°≦ｘ≦１８０°（または−９０°≦ｘ≦９０°）であり、第１隙間８ａが形成されている部分にも第１隆起部５ａが存在すると仮定して上記ｘを定めるものとする。また、余弦曲線に代えて、外形５ｆが円弧を描くように、第１隆起部５ａの形状を設定してもよい。さらに、Ｘ方向に直交する断面に現れる外形（輪郭）が、図９に示すような余弦曲線や円弧を描くように、第１隆起部５ａの形状を設定することができる。この点は、第２隆起部５ｂについても同じことがいえる。

図３および図４に示すごとく、第１隆起部５ａの上流部分６ａとフィン基部３との間に形成された第１隙間８ａは、切り込み９ａに沿って第１隆起部５の上流部分６ａが部分的に帯状に切り取られることによって形成されうる。第１隆起部５ａの上流部分６ａに代えて、またはこれとともに、フィン基部３側を切り取るようにしてもよい。フィン３ａの一部を切り取ることにより、第１隆起部５ａの高さＨをあまり大きくしない場合でも、十分な広さの第１隙間８ａを形成できるようになる。ただし、フィン基部３と第１隆起部５ａとの境界に沿って切り込み９ａを形成し、その第１隆起部５ａの上流部分６ａをＹ方向に持ち上げるように変形させれば、フィン３ａの一部を切り取り加工しなくてもよい。なお、第１隆起部５ａの上流部分６ａの前縁は、本実施形態のような曲線に限定されるわけではなく、例えば、直線状や多角形状であってもよい。例えば、第１隆起部５ａの上流部分６ａが、上流側に向かって先細である三角形となるようにフィン３ａの一部を切り取り加
工することができる。この点は、第２隆起部５ｂについても同じことがいえる。

図２および図３に示すごとく、フィン３ａおよびフィン３ｂは、接続部３ｃによって接続し、フィン基部３を構成している。接続部３ｃは、第２隆起部５ｂの上流側に位置し、フィン３ａおよびフィン３ｂの位置関係を保持している。フィン３ａおよびフィン３ｂはＹ方向に対して、略半分のフィンピッチＦＰ分だけずれている。これにより、フィン３ｂの前縁３０ｑにおいて前縁効果により伝熱性能を向上することができる。接続部３ｃは、本実施形態のような形状に限定されるわけではなく、例えば、図６に示すような形状でも良い。このような形状にすると、加工性に優れる。

次に、フィン３ａ、３ｂの作用について説明する。

図３に示すように、フィン３ａの前方からの気流Ａ１は、まず、第１隆起部５ａの上流部分６ａに衝突する。この際、いわゆる前縁効果によって上流部分６ａの表面に薄い温度境界層が形成され、熱伝達率の向上が図られる。一方、上流部分６ａに隣接する第１隙間８ａに気流Ａ１の一部が入ることにより、圧力損失の低減が図られる。上流部分６ａに乗り上げた気流Ａ２の一部は、第１伝熱管２ａに向けて左右に誘導され、当該第１伝熱管２ａの後方に回り込む。このような空気の回り込みにより、第１伝熱管２ａの後方における死水域の生成が抑制され、熱伝達率が向上する。

次に、第１伝熱管２ａの後方に回り込んだ気流Ａ３は、フィン３ｂの第２隆起部５ｂに衝突する。そして、第１隆起部５ａの場合と同様に、その上流部分６ｂにおいて、前縁効果による熱伝達率の向上と、圧力損失の低減とが図られる。また、第２隆起部５ｂに乗り上げて下流に向かう気流Ａ３の一部は、後列の第２伝熱管２ｂに向けて左右に誘導され、当該第２伝熱管２ｂの後方に回り込む。このような空気の回り込みにより、第２伝熱管２ｂの後方における死水域の生成が抑制され、熱伝達率が向上する。

一方、第１隙間８ａを通過した気流は、一段下に配置されているフィン３ａの第１隆起部５ａの上で、上流部分６ａに乗り上げた気流と合流し、第１隆起部５ａの上に下流に向かう気流Ａ４を形成する。その気流Ａ４の一部は、上述したように、フィン３ｂの第２伝熱管２ｂの後方に回り込む。

また、本実施形態のフィン３ａ、３ｂによれば、第１隆起部５ａと第１伝熱管２ａとで挟まれた領域において、空気の流速が大きくなる傾向がある。そのため、第１伝熱管２ａの側面（フィンカラー３１の側面）において、熱伝達率が向上する。加速した空気は、下流側の第２隆起部５ｂに衝突する。これにより、第２隆起部５ｂの上流部分６ｂにおいて温度境界層が薄くなり、熱伝達率の向上が図られる。

ところで、フィン３ａ、３ｂの厚さが小さい場合や隆起部５ａ，５ｂが大きい場合、プレス加工によって隆起部５ａ，５ｂを形成する際に、フィン基部３に捩れが生じたり、意図しない凹凸が生じたりするおそれがある。そこで、図２、図６に示すごとく、フィン基部３に切り込みを入れて、接続部３ｃ、３ｄのベースとなる領域を形成し、この接続部３ｃ、３ｄに隆起部５ａ，５ｂを形成する際の捩れや凹凸を吸収させるようにするとよい。このような接続部３ｃ、３ｄによれば、プレス加工用の金型をフィン基部３に押し当てたときにフィン基部３に無理な応力が生じにくくなり、適正な形状および大きさの隆起部５ａ，５ｂを形成できるようになる。接続部３ｃ、３ｄを形成する位置は、特に限定されないが、図２、図６に示すごとく、第１伝熱管２ａと第２隆起部５ｂとの間に形成すれば、捩れや凹凸を吸収する高い効果が得られる。また、このよう接続部３ｃ、３ｄは、フィン３ａおよびフィン３ｂはＹ方向に対して、略半分のフィンピッチＦＰ分だけずらすようにプレス加工することにより形成される。

なお、フィン基部３との境界に切り込み９ａ、９ｂが形成されている隆起部５ａ、５ｂと、切り込み９ａ、９ｂは形成されていないが形状は隆起部５ａ、５ｂと同一の隆起部とを、フィン３ａ、３ｂの前列に交互に設けるようにしてもよい。
また、第２隆起部５ｂに関していえば、切り込み９ｂは必須でなく、例えば、フィン基部３との境界に切り込み９ｂが形成された第２隆起部５ｂに代えて、フィン基部３との境界に切り込み９ｂは形成されていないが形状は第２隆起部５ｂと同一の隆起部をフィン３ｂに設けるようにしてもよい。もちろん、切り込み９ｂが形成された第２隆起部５ｂと、切り込み９ｂが形成されていない隆起部とを混在させる（例えば交互に設ける）ようにしてもよい。

以上に説明したフィンチューブ型熱交換器１は、空気や水等の対象を加熱または冷却するヒートポンプ装置に適用することができる。図１０に示すように、ヒートポンプ装置７０は、冷媒を圧縮する圧縮機７１と、圧縮機７１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器７２と、放熱器７２で放熱した冷媒を膨張させる膨張弁７３と、膨張弁７３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器７４とを備えている。圧縮機７１、放熱器７２、膨張弁７３および蒸発器７４が配管７５によって接続され、冷媒回路が形成されている。膨張弁７３に代えて、膨張機を採用してもよい。放熱器７２および蒸発器７４は、本発明のフィンチューブ型熱交換器１を含むものとして構成することができる。
（実施例）
本発明にかかるフィンチューブ型熱交換器の特性を計算機シミュレーションで調べた。具体的には、図２に示すフィン基部３を用いたフィンチューブ型熱交換器について、計算機シミュレーションを行った。実施例１がフィン基部３を用いた例である。比較例として、コルゲートフィンを用いた従来のフィンチューブ型熱交換器についても同様の計算機シミュレーションを行った。計算機シミュレーションによって調べた特性は、熱伝達率および圧力損失である。なお、計算機シミュレーションは、フルーエント・アジアパシフィック社製“Fluent Ver.6”を用い、下記条件にて実施した。
＜実施例１および比較例１に共通の条件＞
フィンサイズ：２７ｍｍ（Ｘ方向）
フィン厚み：０．１ｍｍ
フィンピッチ：１．４９ｍｍ
前面風速Ｖair：１ｍ／ｓｅｃ
＜実施例１の条件＞
第１伝熱管の外径Ｄ１：７ｍｍ
第１伝熱管の管ピッチ：２１ｍｍ（Ｚ方向）
第２伝熱管の外径Ｄ１：７ｍｍ
第２伝熱管の管ピッチ：２１ｍｍ（Ｚ方向）
隆起部５ａ、５ｂの高さＨ：０．７６５ｍｍ
Ｚ方向に関する隆起部５ａ、５ｂの最大長さＬ１：１０ｍｍ
Ｘ方向に関する隆起部５ａ、５ｂの最大長さＬ２：１３ｍｍ
＜比較例１の条件＞
形状：コルゲート
伝熱管の配置：千鳥
管ピッチ：２１ｍｍ（Ｚ方向）
伝熱管の外径：７．０ｍｍ
稜と谷の高低差：１．４９ｍｍ
実施例１および比較例１の計算機シミュレーションの結果を表１に示す。

表１から分かるように、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器によれば、コルゲートフィンを備えた従来のフィンチューブ型熱交換器に比べて、圧力損失ΔＰが同程度でありながら（実施例１で１％上昇）、熱伝達率αが増加した（実施例１で７％の向上）。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器の斜視図 図１に示すフィンチューブ型熱交換器のフィンの平面図 図２に示すフィンの斜視図 図２に示すフィンのI−I断面図 図２に示すフィンのII−II断面図 接続部の別形態を示す平面図 第１隆起部の形状の他の例を示す断面図 同じく第１隆起部の形状の別例を示す断面図 第１隆起部の形状を示す模式図 ヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

１ フィンチューブ型熱交換器
２ａ 第１伝熱管
２ｂ 第２伝熱管
３ フィン基部
３ａ 第１フィン
３ｂ 第２フィン
４ｐ 第１主面
４ｑ 第２主面
５ａ 第１隆起部
５ｂ 第２隆起部
６ａ 第１隆起部の上流部
６ｂ 第２隆起部の上流部
７ａ 第１隆起部の下流部
７ｂ 第２隆起部の下流部
７ｋ 第１貫通孔
７ｊ 第２貫通孔
８ａ 第１隙間
８ｂ 第２隙間
９ａ 第１切り込み
９ｂ 第２切り込み
１１ａ 第１切り込みの一端
１１ｂ 第２切り込みの一端
１２ａ 第１切り込みの他端
１２ｂ 第２切り込みの他端
３０ｐ 第１フィンの前縁
３０ｑ 第２フィンの前縁
３１ 第１フィンのカラー
３２ 第２フィンのカラー

Claims (7)

1. 第１流体と第２流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記第１流体の流路を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数のフィンと、
   前記複数のフィンを貫通する、前記第２流体を流通させるべき複数の伝熱管とを備え、
   前記複数の伝熱管は、前記第１流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並んで配置された第１伝熱管と、
   前記第1伝熱管と並び方向が平行であるとともに前記第１流体の流れ方向に関して、前記第１伝熱管よりも下流側に並んで配置された第２伝熱管とを含み、
   前記複数のフィンは、それぞれ、前記複数の伝熱管を配置するための複数の貫通孔が形成されているフィン基部と、
   隣り合う２つの前記第１伝熱管およびの間に前記フィン基部から突出するように設けられた第１隆起部と、
   隣り合う２つの前記第２伝熱管の間に前記フィン基部から突出するように設けられた第２隆起部とを含み、
   前記第１隆起部の上流部分と前記フィン基部との境界に沿って、前記フィンを貫通する第１切り込みが平面視で弓形を示すように形成され、
   前記第２隆起部の上流部分と前記フィン基部との境界に沿って、前記フィンを貫通する第２切り込みが平面視で弓形を示すように形成され、
   前記第１隆起部の上流部分と前記フィン基部との間に前記第１切り込みに基づく第１隙間が形成され、
   前記第２隆起部の上流部分と前記フィン基部との間に前記第２切り込みに基づく第２隙間が形成され、
   前記第１隙間および前記第２隙間を通じて前記第１流体が前記フィンの第１主面側から第２主面側へと流通可能となっており、
   前記第１隆起部と前記第２伝熱管との間の前記フィン基面に第３切り込みを設け、
   前記フィン基面の前記第１流体の流れ方向に対して風上側である第１フィンと、
   前記フィン基面の前記第１流体の流れ方向に対して風上側である第２フィンと、
   前記第１フィンと前記第２フィンを接続するフィン接続部を形成し、
   第１フィンと第２フィンが千鳥状に配置されることを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
2. 前記第１隙間は、前記第１切り込みに沿って前記フィン基部および／または前記第１隆起部が部分的に切り取られることによって形成され、
   前記第２隙間は、前記第２切り込みに沿って前記フィン基部および／または前記第２隆起部が部分的に切り取られることによって形成されている、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
3. 前記第１隆起部は、隣り合う２つの前記第１伝熱管の間に１つのみ設けられるとともに、前記列方向に関する最大幅が前記第１伝熱管の外径よりも大であり、
   前記第２隆起部は、隣り合う２つの前記第２伝熱管の間に１つのみ設けられるとともに、前記列方向に関する最大幅が前記第２伝熱管の外径よりも大である、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
4. 前記第１隆起部および前記第２隆起部の上流部分は、平面視で半円形または半楕円形の形状を有する、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
5. 前記第１隆起部および前記第２隆起部の上流部分は、平面視で三角翼の形状を有する、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
6. 前記第１隆起部および前記第２隆起部は、楕円丘、円丘、多角錐または円錐の形状を有する、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器。
7. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
   前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機構と、
   前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、
   前記蒸発器および前記放熱器の少なくとも一方が、請求項１記載のフィンチューブ型熱交換器を含む、ヒートポンプ装置。

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