JP4028591B2 - 伝熱フィンおよびフィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱フィンおよびフィンチューブ型熱交換器に関するものである。

従来から、例えば、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、各種の伝熱フィンが用いられている。また、伝熱フィンと伝熱管とを組み合わせたフィンチューブ型熱交換器もよく用いられている。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。

従来より、熱伝達率の向上や圧力損失の低減を目的として、フィン形状に工夫を施したものが知られている。例えば、特開昭６４−９０９９５号公報には、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。また、特開平７−２３９１９６号公報には、フィン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。特開昭６３−２９４４９４号公報には、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。特開平６−３００４７４号公報には、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。

しかしながら、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、全く新規なフィン形状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、圧力損失の増加を抑制しつつ熱伝達率を向上させる新たなフィンおよびフィンチューブ型熱交換器を提供することにある。

本発明に係る伝熱フィンは、フィン表面側に隆起した隆起部と、前記隆起部よりも所定の上流側に形成された切り欠きとを備え、前記隆起部が、前記切り欠きに隣接する上流側部分として、上流側に向かって先細り状の翼部を有するものである。

前記隆起部は、フィン基面から隆起した略楕円丘または略円丘である原隆起部に前記翼部が形成されるように前記切り欠きを設けた後の残存部分からなっていることが好ましく、前記略楕円丘または略円丘の頂点に対する接平面が前記フィン基面に対して平行であることが好ましい。前記隆起部が形成されていない部分の主面を含む平面を、伝熱フィンのフィン基面として定義することができる。

なお、ここで、「楕円丘」とは、フィン基面への正射影による投影像の輪郭が楕円形であり、頂点を含む縦断面の輪郭が曲線（例えば、正弦曲線や余弦曲線等）になっている隆起部分のことである。一方、「円丘」とは、フィン基面への正射影による投影像の輪郭が円形であり、頂点を含む縦断面の輪郭が曲線（例えば、正弦曲線や余弦曲線等）になっている隆起部分のことである。

前記隆起部は、フィン基面から隆起した略楕円錐または略多角錐である原隆起部に前記翼部が形成されるように前記切り欠きを設けた後の残存部分からなっていてもよい。

ここで、「錐状」とは、平面（フィン基面）上の閉じた曲線(または折れ線)の周上を一周する点と、この平面外の一定点（頂点）とを結ぶ直線によってつくられる形状のことである。「楕円錐状」とは、上記平面上の閉じた曲線が楕円形となっているものである。「多角錐状」とは、上記平面上の閉じた曲線が多角形となっているものである。なお、「円錐」とは、上記平面上の閉じた曲線が円形となっているものである。

前記隆起部はフィン基面から隆起し、前記翼部は前記フィン基面と平行であってもよい。また、前記翼部は、上流側にいくほど前記フィン基面に近づくように傾斜していてもよい。あるいは、前記翼部は、上流側にいくほど前記フィン基面から離れるように傾斜していてもよい。

また、本発明の伝熱フィンは、第１の流体と第２の流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器に使用することができる。この場合、伝熱フィンには、前記第２の流体が流通するべき伝熱管を嵌め合わせる予定の複数の伝熱管用貫通孔を、前記第１の流体の流れ方向と交差する所定の列方向に沿って等間隔で設けることができ、さらに、隣り合う２つの前記伝熱管用貫通孔の間に前記隆起部を設けることができる。前記切り欠きは、当該伝熱フィンの主面に沿って流通する前記第１の流体が、前記隆起部に差し掛かる際に当該伝熱フィンの第１主面側から第２主面側に流通可能となるように、前記隆起部の前記翼部に沿って形成されているとよい。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数の伝熱フィンと、前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、前記伝熱フィンの表面側を流れる第１の流体と前記伝熱管の内部を流れる第２の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、前記伝熱管には、前記第１の流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並ぶ第１および第２の伝熱管が含まれ、前記伝熱フィンは、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管との間に、フィン表面側に隆起して前記第１の流体を前記第１の伝熱管側と前記第２の伝熱管側とに導く隆起部と、前記隆起部よりも前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に形成された切り欠きとを有し、前記隆起部が、前記切り欠きに隣接する上流側部分として、上流側に向かって先細り状の翼部を有するものである。

前記伝熱管および前記隆起部は、前記伝熱管の軸方向から見てそれぞれ千鳥状に配列され、前記列方向に隣り合うそれぞれの伝熱管の間に前記隆起部が配置されていることが好ましい。

他の側面において、本発明は、
第１の流体と第２の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の流体が流通するべき空間を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数の伝熱フィンと、
前記複数の伝熱フィンを貫通し、前記第１の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、前記第２の流体が流通するべき複数の伝熱管とを備え、
前記伝熱フィンは、(a)前記列方向に関して互いに隣り合う第１の伝熱管と第２の伝熱管との間に形成された隆起部と、(b)当該伝熱フィンの主面に沿って流通する前記第１の流体が、前記隆起部に差し掛かる際に当該伝熱フィンの第１主面側から第２主面側に流通可能となるように、前記第１の流体の流れ方向に関する前記隆起部の上流側部分に沿って形成された孔とを有し、
前記隆起部および前記孔は、それぞれ、前記第１の伝熱管の中心と前記第２の伝熱管の中心とを最短距離で結ぶ線分の垂直２等分線を含む鏡映面に関して鏡映対称であり、
前記伝熱フィンを平面視したときに観察される前記隆起部と前記孔との境界線が、前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に向かって凸形状を示し、
前記隆起部は、前記境界線によって輪郭が規定される前記上流側部分として、前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に進むにつれて前記列方向に関する幅が減少する翼部を有する、フィンチューブ型熱交換器を提供する。

本発明によれば、圧力損失の増加を抑制しつつ伝熱フィンの熱伝達率を向上させることができる。また、本発明によれば、新規な形状を有する高性能なフィンチューブ型熱交換器を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１は、空気Ａが流通するべき空間を形成するために所定間隔かつ平行に並べられた複数のフィン３と、これらのフィン３を貫通する複数の伝熱管２とを備えている。熱交換器１は、伝熱管２の内部を流れる流体と、フィン３の表面に沿って流れる流体とを熱交換させるものである。本実施形態では、フィン３の表面に沿って空気Ａが流れ、伝熱管２の内部には冷媒Ｂが流れる。ただし、伝熱管２の内部を流れる流体およびフィン３の表面に沿って流れる流体の種類や状態は、特に限定される訳ではない。それら流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。複数の伝熱管２は、１本につながっていてもよいし、つながっていなくてもよい。

フィン３は長方形状の略平板状に形成されており、図示のＹ方向に沿って並べられている。本実施形態では、フィン３は一定のフィンピッチで並べられている。フィンピッチは、例えば１．０〜１．５ｍｍ等である。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。なお、図３に示すように、フィンピッチＦＰは、隣り合うフィン３の中心位置同士の距離で表される。フィン３には、例えば、打ち抜き加工された肉厚０．０８〜０．２ｍｍのアルミニウム製の平板を好適に用いることができる。なお、フィン３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か、あるいは撥水性処理が施されていることが好ましい。

図２Ａに示すように、本実施形態では、伝熱管２は２列設けられている。各列の伝熱管２は、フィン３の長手方向（以下、単にＺ方向あるいは列方向という）に沿って配列されている。つまり、フィン３には、伝熱管２を嵌め合わせるための複数の伝熱管用貫通孔が、空気Ａの流れ方向と交差する所定の列方向に沿って等間隔で設けられている。伝熱管用貫通孔の周囲には、フィンカラー３ａが設けられている。１列目の伝熱管２と２列目の伝熱管２とは、Ｚ方向に管ピッチの１／２だけずれている。すなわち、伝熱管２は千鳥状に配置されている。なお、管ピッチは、列方向に隣り合う伝熱管２の中心同士の距離で表される。伝熱管２の外径Ｄは、例えば１〜２０ｍｍである。伝熱管２は、フィンカラー３ａと密着しており、当該フィンカラー３ａに嵌合されている。なお、伝熱管２は、内面が平滑な平滑管であってもよく、溝付き管であってもよい。

熱交換器１は、空気Ａの流れ方向（図１のＸ方向）がフィン３の積層方向（Ｙ方向）および伝熱管２の列方向（Ｚ方向）とほぼ直交するような姿勢で設置される。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。

フィン３の表面には、複数の隆起部５が形成されている。各隆起部５は、Ｘ方向に細長い楕円丘の上流側の一部を切り取ったような形状に形成されている。空気Ａの流れ方向に関する隆起部５の上流側部分として、上流側に向かって先細り状の三角翼部６が形成されている。言い換えると、隆起部５は、半楕円丘状の後半部７と、後半部７の上流側に位置する三角翼部６とによって形成されている。本実施形態の三角翼部６は、略三角形状のいわゆるデルタ翼形状に形成されている。隆起部５よりも上流側には、隆起部５に隣接して孔８（切り欠き）が形成されている。

孔８は、伝熱フィン３の主面に沿って流通する空気Ａが、隆起部５に差し掛かる際に当該伝熱フィン３の第１主面側（表面側）から第２主面側（裏面側）に流通可能となるように、空気Ａの流れ方向に関する隆起部５の上流側部分６（三角翼部６）に沿って形成されている。

隆起部５は、フィン３の一方の面から隆起している。空気Ａの流れ方向と交差するＺ方向に関して隣り合う２つの伝熱管２，２の一方を第１の伝熱管２Ａ、他方を第２の伝熱管２Ｂとすると、隆起部５は、第１の伝熱管２Ａと第２の伝熱管２Ｂとの間に、１つだけ配置されている。さらに、本実施形態では、隆起部５は、列方向に隣り合う伝熱管２の間の中間位置に配置されている。すなわち、伝熱管２の軸方向から見たときに、伝熱管２は千鳥状に配置されており、隆起部５も千鳥状に配置されている。

図２Ｂの部分拡大図から理解できるように、隆起部５および孔８は、それぞれ、第１の伝熱管２Ａの中心Ｃ１１と第２の伝熱管２Ｂの中心Ｃ２１とを最短距離で結ぶ線分ＬＳの垂直２等分線を含む鏡映面ＰＳに関して鏡映対称である。フィン３を平面視したときに観察される隆起部５と孔８との境界線ＢＬは、空気Ａの流れ方向に関する上流側に向かって凸形状を示す。隆起部５は、境界線ＢＬによって輪郭が規定される上流側部分６として、空気Ａの流れ方向の上流側に進むにつれて列方向（Ｚ方向）に関する幅が減少する翼部６を有している。

隆起部５は、フィン基面から隆起した略楕円丘である原隆起部に翼部６が形成されるように孔９（切り欠き）を設けた後の残存部分からなっている。言い換えれば、隆起部５および孔８の平面像が、全体として、楕円形を示す。楕円の長軸はＸ方向に一致し、短軸はＺ方向に一致している。なお、後述する他の例（図６，図７参照）においては、隆起部５および孔８の平面像が、円形または多角形を示す。

隆起部５の基礎となる楕円丘（切り欠きのない状態の原隆起部）９のフィン基面への投影像の面積は、伝熱管２の面積と同等以上に設定されている。すなわち、楕円丘９の投影像の等価直径ｄ（πｄ²／４＝Ｓ（面積）で定義されるｄ）は、伝熱管２の外径Ｄ以上である。本実施形態では、楕円丘９の投影像の長径は伝熱管２の外径Ｄよりも大きく、短径も伝熱管２の外径Ｄよりも大きい。なお、符号Ｌ１は、楕円丘９の気流方向長さ（Ｘ方向長さ）を示し、符号Ｌ２は隆起部５の気流方向長さを示している。フィン基面とは、隆起部５が形成されていない部分の主面を含む平面のことである。

１列目の楕円丘９の中心（頂点）Ｃ１２は、１列目の伝熱管２の中心Ｃ１１よりも下流側に位置している。一方、１列目の隆起部５の上流端６ａは、１列目の伝熱管２の中心Ｃ１１よりも上流側に位置している。２列目の楕円丘９の中心（頂点）Ｃ２２は、２列目の伝熱管２の中心Ｃ２１よりも上流側に位置している。１列目の楕円丘９と２列目の楕円丘９とは、Ｚ方向から見て一部重なっている。Ｘ方向に隣り合う隆起部５と伝熱管２とは、Ｚ方向に関して互いに揃った位置に配置されている。すなわち、１列目の楕円丘９の中心Ｃ１２と２列目の伝熱管２の中心Ｃ２１とは、Ｚ方向に関して揃った位置に位置づけられている。また、１列目の伝熱管２の中心Ｃ１１と２列目の隆起部５の中心（頂点）Ｃ２２も、Ｚ方向に関して揃った位置に位置づけられている。

すなわち、翼部６の一部または全部が、第１の伝熱管２Ａの中心Ｃ１１と第２の伝熱管２Ｂの中心Ｃ２１とを通過する直線よりも、空気Ａの流れ方向に関する上流側に位置している。このような位置に翼部６があることにより、空気Ａを第１の伝熱管２Ａと第２の伝熱管２Ｂとに効率よく誘導することができる。

図２Ａに示すフィン３の平面図において、Ｚ方向（列方向）に平行かつ三角翼部６の上流端６ａを通過する直線と、三角翼部６の一辺とがなす角度を後退角θとする。後退角θを適宜変更することにより、三角翼部６の大きさ（面積）を調整することができる。後退角θの値は特に限定されないが、例えば３０度〜５０度が好ましく、本実施形態では約３０度に設定されている。本実施形態では、三角翼部６の前縁は直線状に形成されているが、三角翼部６の前縁は曲線状に形成されていてもよい。なお、翼部は三角形状でなくてもよく、その他の多角形状等であってもよい。

図３に示すように、フィン基面３ｂからの隆起部５の頂点Ｃ１２までの高さ（以下、単に隆起部５の高さという）Ｈは、フィンピッチＦＰよりも小さい。ただし、隆起部５の高さＨの値は特に限定されず、例えば、フィンピッチＦＰの１／３〜２／３であってもよい。本実施形態では、隆起部５の高さＨは、フィンピッチＦＰの略２／３に設定されている。

図３およびフィン３のＸ方向から見た図である図４に示すように、三角翼部６は、上流側にいくほどフィン基面３ｂとの距離が小さくなるように傾斜している。すなわち、三角翼部６は、いわゆる頭下がりの状態に形成されている。

隆起部５の頂点Ｃ１２に対する接平面２０は、フィン基面３ｂと平行となっている。このように、隆起部５は、空気の流れを徒に乱さないように、フィン基面３ｂと調和した形状に形成されている。

次に、本熱交換器１における空気の流れについて説明する。

図５に示すように、フィン３の前方から流れてきた気流Ａ１は、三角翼部６に衝突する。この際、いわゆる前縁効果によって、三角翼部６の表面に薄い温度境界層が形成される。そのため、三角翼部６において、熱伝達率の向上が図られる。一方、三角翼部６によって、気流の直交方向成分（三角翼部６の前縁と直交する方向の成分）が小さくなり、圧力損失の低減が図られる。

三角翼部６上を流れた気流Ａ２は、次に、三角翼部６の下流側に位置する後半部７上を流れる。三角翼部６は気流を左右に切り分けるように形成されており、また、後半部７は半楕円丘状に形成されているので、気流Ａ２は隆起部５によって左右に誘導される。そのため、一部の気流Ａ２は伝熱管２Ａ側に誘導され、他の気流Ａ２は伝熱管２Ｂ側に誘導される。そして、伝熱管２Ａ側に誘導された気流Ａ２は、当該伝熱管２Ａの後方に回り込む。また、伝熱管２Ｂ側に誘導された気流Ａ２は、当該伝熱管２Ｂの後方に回り込む。その結果、フィン３における伝熱管２Ａおよび２Ｂの後方部分において、死水域が小さくなり、熱伝達率の低下が抑制される。

次に、いったん伝熱管２Ａの後方に回り込んだ気流Ａ３は、２列目の隆起部５に衝突する。そして、前述と同様に、三角翼部６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。２列目の隆起部５の三角翼部６上を流れた気流Ａ４は、次に、当該隆起部５の後半部７上を流れる。これにより、気流Ａ４の一部は、後半部７の半楕円丘形状に沿って伝熱管２Ｃ側に誘導され、当該伝熱管２Ｃの後方に回り込む。その結果、２列目の伝熱管２Ｃの後方部分においても、死水域が小さくなり、熱伝達率の低下が抑制される。

また、本実施形態では、三角翼部６が空気の流れを一方の伝熱管２Ａ側と他方の伝熱管２Ｂ側とに切り分けた後、隆起部５の後半部７と各伝熱管２Ａ，２Ｂとの間の空間で空気の流れが加速される。そのため、空気が加速された分だけ、フィン３の熱伝達率が向上する。

また、加速した空気は、下流側に設けた隆起部５に衝突する。その結果、下流側の隆起部５の三角翼部６において、温度境界層が薄くなる。そのため、下流側の隆起部５における熱伝達率の向上が図られ、ひいてはフィン３全体の熱伝達率が向上する。

また、本熱交換器１によれば、隆起部５は、第１の伝熱管２Ａと第２の伝熱管２Ｂとの間に１つのみ形成されている。隆起部５の基礎となる楕円丘９（原隆起部）の投影像の等価直径ｄは、伝熱管２の外径Ｄ以上であり、隆起部５は比較的大きく形成されている。そのため、比較的大きな規模で流れ方向を変更させることができる。したがって、空気の流速が比較的小さい場合（例えば、前面風速が２ｍ／ｓ未満）や特に小さい場合（例えば、前面風速が１ｍ／ｓ未満）であっても、伝熱管２の後方に空気を良好に誘導することができる。本熱交換器１によれば、層流状態の気流に対しても、良好な伝熱特性を発揮することができる。

また、隆起部５よりも上流側に孔８が形成されているので、伝熱フィン３の最前縁部から伝熱管２への伝熱量が適度に制限される。そのため、伝熱フィン３の最前縁部の熱伝達率が局所的に高くなりにくく、本熱交換器１を蒸発器として用いた場合に、伝熱フィン３の最前縁部への着霜を抑制する効果が期待できる。しかも、伝熱フィン３の最前縁部の熱伝達率低下による伝熱性能の低下は、隆起部５による伝熱性能の向上によって補うことができる。また、先細り状の翼部６の前縁部において着霜が生じた場合でも、空気Ａの一部は、孔８を通過することができるので、圧力損失の増大を最小限に食い止めることができる。

なお、隆起部５の基礎となる楕円丘９（原隆起部）の形状は、当該楕円丘９をＺ方向と直交する断面で切断したときにその輪郭が正弦曲線状または余弦曲線状になるような形状であってもよい。言い換えると、楕円丘９を上記断面で切断したときの輪郭が、Ｋを定数としてｙ＝Ｋｃｏｓ（ｘ）で表される余弦曲線であってもよい。なお、ここで、ｘは−１８０°≦ｘ≦１８０°の変数である。

また、隆起部５の基礎となる原隆起部の形状は、楕円丘に限らず、円丘（図６参照）であってもよく、多角錐（図７は多角錐の一例の四角錐）であってもよい。また、円錐や楕円錐等であってもよい。なお、頂点が尖っている円錐、楕円錐等の形状を採用すると、より良好な伝熱特性を得ることができる。一方、頂点がなだらかな円丘、楕円丘等の形状を採用すると、製造が容易となる。

次に、上記フィン３の製造方法について説明する。このフィン３の製造にあたっては、まず、三角翼部６を打ち抜き成形するための型を予め作製しておき、この型を平板状のフィン材に押し当て、プレス加工を行う。その結果、フィン材の一部が打ち抜かれ、隆起前の状態の三角翼部６が形成される。次に、隆起部５の基礎となる楕円丘９の型（この型も予め作製しておく）を、所定の位置に位置決めした後、上記フィン材に押し当てる。その結果、打ち抜かれた部分の下流側の一部が略楕円丘状に隆起し、隆起部５（三角翼部６および後半部７）が形成される。

上記フィンチューブ型熱交換器１は、以下のようにして製造する。すなわち、上述のようにして製造したフィン３に対し、伝熱管２が貫通する所定位置に孔を設けるとともに、当該孔の周囲を立ち上げ、フィンカラー３ａを形成する。次に、所定枚数の上記フィン３を所定のフィンピッチで並べ、上記孔に伝熱管２を挿入する。そして、伝熱管２とフィン３とを接合（例えば、拡管接合等）する。これにより、上記フィンチューブ型熱交換器１が製造される。

なお、上述のフィン３およびフィンチューブ型熱交換器１の製造方法は一例であり、それらの製造方法は上記方法に限定される訳ではない。

ところで、フィン３の厚みが小さい場合や隆起部５が大きい場合等では、隆起部５を作成する際に、フィン材に捩れが生じたり、フィン材の表面に意図しない凹凸が形成されるおそれがある。そこで、そのような捩れや凹凸を吸収するように、図８に示すように、予めフィン材にスリット１２を設けておくようにしてもよい。スリット１２は、斜め方向に隣り合う隆起部５の間（特に中間）の位置に形成されていることが好ましい。また、スリット１２は、隆起部５の頂点同士を結ぶ線と直交する方向に延びていることが好ましい。このように、フィン材にスリット１２を設けておくことにより、フィン材に型を押し当てたとき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５を形成しやすくなる。

表１に、従来のコルゲートフィン（フィンを波状に折り曲げたフィン。例えば、特開昭６４−９０９９５号公報の第１図および第２図参照）を備えたフィンチューブ型熱交換器と、本実施形態のフィンチューブ型熱交換器（具体的形状は図９参照）とを比較したシミュレーション結果を示す。本シミュレーションにあたっては、フィンの厚みは０．１ｍｍ、フィンピッチは１．４９ｍｍ、伝熱管の外径は７．０ｍｍ、前面風速Ｖairは１ｍ／ｓとした。

ここで、フィンの種類における「楕円丘」、「円丘」、「円錐」、および「四角錐」とは、隆起部５の基礎となる原隆起部の形状を表している。なお、表１の「円丘」および「楕円丘」は、Ｚ方向と直交する断面で切断したときの輪郭が正弦曲線状または余弦曲線状になるものである。

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、圧力損失が低減しかつ熱伝達率が向上する。

以上のように、本実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１のフィン３は、隆起部５と、隆起部５よりも上流側に形成された孔８（切り欠き）とを備え、隆起部５が、孔８（切り欠き）に隣接する上流側部分として、上流側に向かって先細り状の三角翼部６を有している。そのため、三角翼部６において、前縁効果による熱伝達率向上と流れの直交方向成分の減少による圧力損失の低減とが図られ、さらに、隆起部５によって、伝熱管２の後方に気流を導くことができ、伝熱管２の後方における熱伝達率の向上も図られる。したがって、本実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１によれば、圧力損失の増大を抑制しつつ熱伝達率を向上させることができる。なお、本実施形態では、隆起部５の基礎となる原隆起部は略楕円丘状に形成されていたが、原隆起部が略楕円錐状に形成されていても、ほぼ同様の効果を得ることができる。

なお、前記実施形態では、三角翼部６は、上流側にいくほどフィン基面３ｂに近づくように傾斜している。これにより、フィン３の上面（図５のＹ軸プラス方向）を流れる気流Ａ１の流速が加速され、熱伝達率の向上という効果が得られる。

ただし、三角翼部６は、フィン基面３ｂと平行であってもよい。つまり、三角翼部６の最上流端６ａと、隆起部５の頂点Ｃ１２とを結ぶ線分がフィン基面３ｂと平行となっていてもよい。このような場合には、三角翼部６を通過する気流Ａ１がスムーズに流れるため、圧力損失の低減という効果が得られる。

また、三角翼部６は、上流側にいくほどフィン基面３ｂから離れるように傾斜していてもよい。このような場合には、フィン３の裏面側（図５のＹ軸マイナス方向）を流れる気流Ａ１の流速が加速され、熱伝達率の向上という効果が得られる。

本実施形態では、１列目の隆起部５および２列目の隆起部５のいずれにも、三角翼部６が形成されていた。しかし、三角翼部６は、１列目の隆起部５および２列目の隆起部５のうち、いずれか一方にのみ形成されていてもよい。すなわち、他方の隆起部５は、孔（切り欠き）を形成する前の楕円丘形状等の原隆起部そのものであってもよい。また、列方向に並ぶ複数の隆起部５のうち、いずれかには三角翼部６が形成されていなくてもよい。すなわち、三角翼部６を有する隆起部５と三角翼部６のない隆起部（原隆起部）とが、列方向に並んでいてもよい。

本実施形態は、フィン３をフィンチューブ型熱交換器１の伝熱フィンとして利用した形態であったが、本発明に係るフィンの適用対象は、フィンチューブ型熱交換器に限定されず、他の形式の熱交換器であってもよく、放熱器または冷却器等であってもよい。

以上説明したように、本発明は、伝熱フィン、それを備えたフィンチューブ型熱交換器、並びに、それを備えた各種機器、例えば、ヒートポンプシステムおよびそれを用いた給湯機、家庭用または自動車用の空気調和装置、冷蔵庫等について有用である。

フィンチューブ型熱交換器の斜視図 フィンの平面図 図２Ａの部分拡大図 図２ＡのIII−III線断面図 フィンの一部を上流側から見た正面図 空気の流れを示すフィンの斜視図 変形例に係るフィンの平面図 変形例に係るフィンの平面図 変形例に係るフィンの平面図 シミュレーションモデルの平面図

Claims (14)

1. フィン表面側に隆起した隆起部と、
   前記隆起部よりも所定方向の上流側に形成された切り欠きとを備え、
   前記隆起部が、前記切り欠きに隣接する上流側部分として、上流側に向かって先細り状の翼部を有する、伝熱フィン。
2. 前記隆起部は、フィン基面から隆起した略楕円丘または略円丘である原隆起部に前記翼部が形成されるように前記切り欠きを設けた後の残存部分からなり、
   前記略楕円丘または略円丘の頂点に対する接平面が前記フィン基面に対して平行である、請求項１に記載の伝熱フィン。
3. 前記隆起部は、フィン基面から隆起した略楕円錐である原隆起部に前記翼部が形成されるように前記切り欠きを設けた後の残存部分からなる、請求項１に記載の伝熱フィン。
4. 前記隆起部は、フィン基面から隆起した略多角錐である原隆起部に前記翼部が形成されるように前記切り欠きを設けた後の残存部分からなる、請求項１に記載の伝熱フィン。
5. 前記隆起部はフィン基面から隆起しており、
   前記翼部は前記フィン基面と平行である、請求項１に記載の伝熱フィン。
6. 前記隆起部はフィン基面から隆起しており、
   前記翼部は、上流側にいくほど前記フィン基面に近づくように傾斜している、請求項１に記載の伝熱フィン。
7. 前記隆起部はフィン基面から隆起しており、
   前記翼部は、上流側にいくほど前記フィン基面から離れるように傾斜している、請求項１に記載の伝熱フィン。
8. 第１の流体と第２の流体とを熱交換させるフィンチューブ型熱交換器に使用するために、前記第２の流体が流通するべき伝熱管を嵌め合わせる予定の複数の伝熱管用貫通孔が、前記第１の流体の流れ方向と交差する所定の列方向に沿って等間隔で設けられ、
   隣り合う２つの前記伝熱管用貫通孔の間に前記隆起部が設けられており、
   当該伝熱フィンの主面に沿って流通する前記第１の流体が、前記隆起部に差し掛かる際に当該伝熱フィンの第１主面側から第２主面側に流通可能となるように、前記隆起部の前記翼部に沿って前記切り欠きが形成されている、請求項１に記載の伝熱フィン。
9. 互いに間隔を空けて平行に並べられた複数の伝熱フィンと、
   前記伝熱フィンを貫通する複数の伝熱管とを備え、
   前記伝熱フィンの表面側を流れる第１の流体と前記伝熱管の内部を流れる第２の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、
   前記伝熱管には、前記第１の流体の流れ方向と交差する所定の列方向に並ぶ第１および第２の伝熱管が含まれ、
   前記伝熱フィンは、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管との間に、フィン表面側に隆起して前記第１の流体を前記第１の伝熱管側と前記第２の伝熱管側とに導く隆起部と、前記隆起部よりも前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に形成された切り欠きとを有し、
   前記隆起部が、前記切り欠きに隣接する上流側部分として、上流側に向かって先細り状の翼部を有する、フィンチューブ型熱交換器。
10. 前記伝熱管および前記隆起部は、前記伝熱管の軸方向から見てそれぞれ千鳥状に配列され、
    前記列方向に隣り合うそれぞれの伝熱管の間に前記隆起部が配置されている、請求項９に記載のフィンチューブ型熱交換器。
11. 第１の流体と第２の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の流体が流通するべき空間を形成するために、互いに間隔を空けて平行に並べられた複数の伝熱フィンと、
    前記複数の伝熱フィンを貫通し、前記第１の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、前記第２の流体が流通するべき複数の伝熱管とを備え、
    前記伝熱フィンは、(a)前記列方向に関して互いに隣り合う第１の伝熱管と第２の伝熱管との間に形成された隆起部と、(b)当該伝熱フィンの主面に沿って流通する前記第１の流体が、前記隆起部に差し掛かる際に当該伝熱フィンの第１主面側から第２主面側に流通可能となるように、前記第１の流体の流れ方向に関する前記隆起部の上流側部分に沿って形成された孔とを有し、
    前記隆起部および前記孔は、それぞれ、前記第１の伝熱管の中心と前記第２の伝熱管の中心とを最短距離で結ぶ線分の垂直２等分線を含む鏡映面に関して鏡映対称であり、
    前記伝熱フィンを平面視したときに観察される前記隆起部と前記孔との境界線が、前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に向かって凸形状を示し、
    前記隆起部は、前記境界線によって輪郭が規定される前記上流側部分として、前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に進むにつれて前記列方向に関する幅が減少する翼部を有する、フィンチューブ型熱交換器。
12. 前記隆起部は、前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管との間に１つのみ形成されている、請求項１１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
13. 前記隆起部および前記孔の平面像が、全体として、楕円形、円形または多角形を示す、請求項１１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
14. 前記翼部の一部または全部が、前記第１の伝熱管の中心と前記第２の伝熱管の中心とを通過する直線よりも、前記第１の流体の流れ方向に関する上流側に位置している、請求項１１に記載のフィンチューブ型熱交換器。

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