(57)【要約】【課題】熱伝達率の向上を目的とするフィンを設ける必要がなく、かつ、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換要素の提供。【解決手段】第１の熱交換媒体Ｃを内部に流通させ、第２の熱交換媒体Ｅを外部に流通させるための管状部材１０と、管状部材１０の内部に、管状部材１０の軸線Ｏに対して傾斜して配置された衝突板１１とを備え、衝突板１１は、軸線Ｏに対する衝突板１１の最大傾斜方向Ｓの両端で、管状部材１０の内面１０ａ，１０ｂと接し、かつ、最大傾斜方向Ｓと直交する方向の両側端縁１１ｃ，１１ｄで、管状部材１０の内面１０ｃ，１０ｄと離間している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１開口端と第２開口端とを有し、前記第１開口端から前記第２開口端へ第１の熱交換媒体を内部に流通させ、第２の熱交換媒体を外部に流通させるための管状部材と、
前記管状部材の内部に、前記管状部材の軸線に対して傾斜して配置された衝突板と、
を備え、
前記衝突板は、前記軸線に対する前記衝突板の最大傾斜方向の両端縁のうち、前記第１開口端側に傾斜した第１端縁で前記管状部材の内面と接し、かつ、前記最大傾斜方向と直交する方向の両側縁で前記管状部材の内面から離間し、
前記管状部材の前記第１開口端での断面積が、前記第２開口端での断面積より大きい
ことを特徴とする、熱交換要素。
【請求項２】
前記衝突板は、前記軸線に対する前記衝突板の前記最大傾斜方向の両端縁のうち、前記第２開口端側に傾斜した第２端縁で前記管状部材の内面から離間し、
前記衝突板の前記第２端縁及び前記両側縁から、前記第２開口端へ向かって、前記管状部材の前記軸線に沿って延びるＵ字溝部材を更に備え、
前記Ｕ字溝部材の外側面と前記管状部材の内面との間にＵ字隙間を形成し、かつ、前記Ｕ字溝部材の、前記軸線に沿って延びる両側縁と、前記衝突板の前記第１端縁が接している、前記管状部材の内面との間に、帯状隙間を形成するように、前記Ｕ字溝部材は前記管状部材内に配置され、
前記Ｕ字隙間は、前記第１開口側で開口し、かつ前記第２開口側で閉塞し、
ことを特徴とする、請求項１記載の熱交換要素。
【請求項３】
前記管状部材は、前記軸線に直交する断面において、正多角形の外形を有する
ことを特徴とする、請求項１記載の熱交換要素。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換要素と、
互いに対向する第１の主表面と第２の主表面とを有し、前記第１の主表面と前記第２の主表面との間に前記第２の熱交換媒体を流通させるチャンバと
を備え、
複数の前記熱交換要素の前記管状部材の各々が、前記チャンバを貫通して前記第１の主表面と前記第２の主表面とに開口し、
複数の前記熱交換要素は、互いに隣接する前記熱交換要素の間の隙間間隔が実質的に均一となるように、互いに離間して配列されている
ことを特徴とする、熱交換器。
【請求項５】
前記第１の熱交換媒体は気体であり、
前記第２の熱交換媒体は液体又は気体である
ことを特徴とする、請求項４記載の熱交換器。
【請求項６】
前記チャンバは、同心円状に配置された二重円筒の形状を有し、
前記第１の主表面は、前記二重円筒の外側円筒を構成し、
前記第２の主表面は、前記二重円筒の内側円筒を構成している
ことを特徴とする、請求項４又は５記載の熱交換器。
【請求項７】
請求項５記載の熱交換器と、
前記熱交換器の前記熱交換要素に前記第１の熱交換媒体として空気を流通させる送風機と
を備えたことを特徴とする、熱交換装置。
【請求項８】
前記送風機は、ファンの回転軸線上にモータを備え軸流型送風機であり、
前記熱交換器は、前記軸流型送風機から前記モータの直径の１倍以上の距離だけ離間して配置されている
ことを特徴とする、請求項７記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記送風機は、ファンの回転軸線上にモータを備え軸流型送風機であり、
２つの前記熱交換器それぞれの前記チャンバの前記第１の主表面と、前記軸流型送風機のファンの回転面とが三角柱の３つの側面を実質的に構成するように、２つの前記熱交換器と前記軸流型送風機とが配置され、
前記三角柱の上面及び下面が閉塞されている
ことを特徴とする、請求項７記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換要素、熱交換器、及び熱交換装置に係り、より詳細には、外部にフィンを設ける必要がない熱交換要素、その熱交換要素を備えた熱交換器、その熱交換器と送風機とを備えた熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なラジエータを構成する熱交換器は、細管と細管の外周に接合されたフィンとを備えている。一般的な熱交換器は、フィン付きの細管を多数分岐又は蛇行させた構造を有し、フィンの形状や配置により、エロフィン、コルゲートフィン、プレートフィンのように分類される。現在、プレートフィンタイプの熱交換器が多く使用されている。
細管の材料には、内部を流動する水・液体の性質に応じて、例えば、アルミニウム、銅、又はSUSが使用される。また、フィンには、通常、ごく薄いアルミニウムが使用される。
【０００３】
在来の熱交換器では、細管の内部に水等の液体の熱媒体を流通させ、一方、細管の外部に熱容量の小さい空気等の気体の熱媒体に流通させる。このため、熱交換器には、伝熱面積を拡大して伝熱を促進するために、細管の外周にフィンを設ける必要があった。
ごく薄いアルミニウム合金などで構成されたフィンを細管と溶接することが困難であるため、細管とフィンとは、拡管やカシメ法により接合される。
【０００４】
ところが、拡管やカシメ法により細管とフィンとを接合した場合、微視的には細管とフィンとが完全に接触しておらず、フィンと細管との間に微細な空気層が残存しているため、大きな伝熱ロスが生ずる。
そのうえ、細管とフィンの材料が異なる場合、異種金属どうしの膨張率の差から生ずる隙間の形成等により、伝熱特性が経時的に低下する。また、フィンに接する気体によっては、塩害などによりフィンの腐食が進行し、フィンの伝熱表面積の減少や損傷により伝熱特性が低下する。
【０００５】
そこで、本願に係る発明者の一人は、特許文献１において、細管にフィンを接合する必要がない熱交換器を提案している。特許文献１に記載の熱交換器においては、チューブに連結された再誘導チャンバ内に媒体誘導インサートが配置されている。これにより、特許文献１の図２ｃに示すように、第１の流動方向に流れる熱交換媒体が、第１の流動方向と直交する平面内に存在する略半円形の流路内で、再誘導チャンバ内部内を流動する。
このように、特許文献１においては、熱伝達率の向上を目的とするフィンの代わりに再誘導チャンバを設け、再誘導チャンバ内に熱交換媒体を流通させることによって、フィンを必要としない熱交換器を実現している。
【０００６】
また、特許文献２には、排気通路内に配置されたフィンに、突出板を設けた排気熱交換装置が記載されている。この排気熱交換装置においては、突出板が、上流側へ前傾し、排気の流れ方向に対し斜め向きに配置され、かつ非対称の多角形状を有するため、突出板に突き当たった排気流れが乱流となって、突出板の下流に大きな単一の螺旋状の強い渦流が形成される。このように、突出板によって排気の流れが乱されることにより、熱交換が促進される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５１７９６５０号公報
【特許文献２】特許２０１３−１００９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のフィン付き細管を備えた構造の熱交換器においては、従来から種々の改良が施され、既に、熱交換効率が限界に達しつつあると考えられている。一方、特許文献１に記載の熱交換器は、再誘導チャンバを設ける必要があるため、チューブを高密度に配列することが難しい。また、特許文献２に記載の排気熱交換装置では、突出板に突き当たった排気流が乱流となるため、熱伝達性能は向上するものの、流体の圧力損失が増大する。
このため、低い圧力損失で高い熱交換効率を実現するために、新しい構造の熱交換器の実現が望まれていた。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、熱伝達率の向上を目的とするフィンを設ける必要がなく、かつ、熱交換効率の向上を図ることができるとともに、圧力損失の増大を回避することができる熱交換要素、その熱交換要素を備えた熱交換器、その熱交換器を備えた熱交換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（熱交換要素）
本発明に係る熱交換要素は、第１開口と第２開口とを有し、前記第１開口から前記第２開口へ第１の熱交換媒体を内部に流通させ、第２の熱交換媒体を外部に流通させるための管状部材と、前記管状部材の内部に、前記管状部材の軸線に対して傾斜して配置された衝突板と、を備え、前記衝突板は、前記軸線に対する前記衝突板の最大傾斜方向の両端縁のうち、前記第１開口側に傾斜した第１端縁で前記管状部材の内面と接し、かつ、前記最大傾斜方向と直交する方向の両側縁で前記管状部材の内面から離間し、前記管状部材の前記第１開口の断面積が、前記管状部材の前記第２開口の断面積より大きいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の熱交換要素は、管状部材の内部に、傾斜した衝突板と旋回層流を形成する仕組みを設けている。
まず、本発明の熱交換要素は、管状部材の内部に、傾斜した衝突板を設けている。傾斜した衝突板に衝突した第１の熱交換媒体媒（例えば、冷却・加熱対象の気体、特に空気）は、衝突板上に低圧の渦を形成し、衝突板に沿った付着する流れである衝突噴流を形成する。この衝突噴流により、衝突板に極めて接近した速度境界層が形成され、その速度境界層の上側に温度境界層が形成される。これにより、本発明の熱交換要素は、第１の熱交換媒体の衝突板に対する衝突伝熱により、衝突板に対して高い熱伝達率を示す。
【００１２】
さらに、本発明の熱交換要素においては、衝突板が最大傾斜方向と直交する方向の両端で記管状部材の内面と離間し、衝突板の両側と管状部材の内面との間に隙間が形成されている。このため、衝突噴流は、引き続き、この衝突板の両側の隙間から噴出し、管状部材の内面に沿って衝突板の裏側に回り込む旋回流となる。旋回流の形成は、熱交換要素の管状部材の内面である受熱面に張り付いた流れを持続させ、同時に、第１の熱交換媒体を一方向の流れに変換することで、低い圧力損失を示す旋回層流を形成する。これにより、熱交換要素の管状部材の内面に対して高い熱伝達率を示す。
【００１３】
このように、本発明の熱交換要素は、管状部材の内部に、傾斜した衝突板と旋回層流を形成する仕組みを設けているため、衝突噴流と旋回層流との相乗効果により、フィンを設けなくても、熱交換要素内面の高い表面熱伝達と共に、低圧力損失を実現することができる。
【００１４】
そして、本発明の熱交換要素では、熱伝達率の向上を目的とするフィンを設ける必要がないため、従来のフィン付き細管を備えた熱交換器におけるフィンに起因する問題の発生を回避することができる。例えば、銅製の細管とごく薄いアルミニウム製のフィンとの接合した場合に、異種金属同士の熱膨張率の差による経時的な間隙や微視的な細管とフィンの接触面の減少により伝熱抵抗が増加して、結果的に伝熱性能が低下する問題や、塩害のような腐食環境下でのフィンの破損に起因した伝熱面積の減少による伝熱性能の劣化といった問題の発生を回避することができる。
【００１５】
（熱交換器）
また、本発明の熱交換器は、本発明の熱交換要素と、互いに対向する第１の主表面と第２の主表面とを有し、前記第１の主表面と前記第２の主表面との間に第２の熱交換媒体を流通させるチャンバとを備え、複数の前記熱交換要素の前記管状部材の各々が、前記チャンバを貫通して前記第１の主表面と前記第２の主表面とに開口し、複数の前記熱交換要素は、互いに隣接する前記熱交換要素の間の隙間間隔が実質的に均一となるように、互いに離間して配列されていることを特徴としている。
【００１６】
隣り合う熱交換要素の離隔距離を均一にしたことにより、離間間隔のばらつきによる伝熱むらの発生が抑制され、さらに、熱交換要素の管状部材の外部に流動する第2の熱交換媒体の均等な流れが形成される。
好ましくは、熱交換要素の管状部材の断面形状を正三角形、正方形、正六角形のような正多角形とすれば、隣り合う熱交換要素の離隔距離を正確に配置することができる。その結果、熱交換要素の外周で流動する第２の熱交換媒体（例えば、水のような液体）の均等な流れが形成される。
【００１７】
そして、熱交換要素が管状部材で構成され、管状部材の外面にフィンを設ける必要がないため、本発明の熱交換器では、所要の交換熱量に応じて、複数の熱交換要素を小さな離間間隔で高密度に配列することができる。これにより、本発明の熱交換器では、熱伝達効率の向上を図ることができる。
【００１８】
なお、従来のフィン付き細管を備えた熱交換器においては、一般に、細管の内部に、液体の熱交換媒体を流通させ、一方、細管の外部に、空気などの気体の熱媒体を流通させて熱交換を行っている。
これに対し、本発明の熱交換器では、複数の熱交換要素の管状部材の各々が、チャンバを貫通して第１の主表面と第２の主表面とに開口している。この構造により、本発明の熱交換器においては、例えば、従来の熱交換器とは反対に、チャンバ内で熱交換要素の管状部材の外部に、第２の熱交換媒体として液体を流通させ、一方、管状部材の内部に、空気などの気体の熱媒体を流通させることができる。
【００１９】
さらに、本発明の熱交換器では、従来のフィン付き熱交換要素を備えた熱交換器に比べて、フィンの拡管法やカシメ法接合方法による接合が不要であるため、同一の形状の熱交換要素を多数集積し束ねて生産することができ、生産効率を向上させることができる。
【００２０】
さらに、本発明の熱交換器は、熱交換要素の配置にフィンによる制約がないため、従来のフィン付き細管を備えた熱交換器よりも、高い設計の自由度が得られる。このため、熱交換器の全体形状は、平板状の形状に限定されず、例えば、円筒形状とすることもできる。
【００２１】
（熱交換装置）
本発明の熱交換装置は、本発明の熱交換器と、前記熱交換器の前記熱交換要素に前記第１の熱交換媒体として空気を流通させる送風機とを備えている。
【００２２】
ところで、従来の一般のラジエータ（空気・気体の冷却・加熱装置）では、熱交換器と軸流型送風機を向かい合わせに配置している。その結果、軸流型送風機のファンを駆動するモータが熱交換器の中心部に接近して配置されるため、ファンの中心部と対向する熱交換器の中心部で周辺部よりも通風量が少なくなる。このため、熱交換器の中心部と周辺部で通風量が不均等となって伝熱むらが生じ、ラジエータの伝熱性能が低下する。
【００２３】
そこで、本発明の熱交換装置において好ましくは、前記送風機が、ファンの回転軸線上にモータを備え軸流型送風機である場合、前記熱交換器は、前記軸流型送風機から前記モータの直径の１倍以上、より好ましくは直径の２〜３倍の距離だけ離間して配置されていることが好ましい。
【００２４】
このように、前記軸流型送風機から前記モータの直径の１倍以上、より好ましくは直径の２〜３倍の距離だけ離間して配置することによって、熱交換器の中心部と周辺部における通風量の不均等が低減され、伝熱むらの発生が抑制される。その結果、熱交換装置の不均等な通風量による伝熱性能の低下の防止を図ることができる。
【００２５】
また、本発明の熱交換装置において好ましくは、前記送風機は、ファンの回転軸線上にモータを備え軸流型送風機である場合、熱交換器の前記第１及び第２の主表面は、互いに平行な平面であり、２つの前記熱交換器それぞれの前記第１の主表面と、前記軸流型送風機のファンの回転面とが、三角柱の３つの側面を実質的に構成するように、２つの前記熱交換器と前記軸流型送風機とが配置され、前記三角柱の上面及び下面が閉塞されていることが好ましい。
【００２６】
このように、２つの熱交換器と軸流型送風機とを、２つの熱交換器のチャンバそれぞれの第１の主表面と、軸流型送風機のファンの回転面とが、三角柱の各面を実質的に構成するように配置したことにより、熱交換器の中心部と周辺部における通風量の不均等が低減され、伝熱むらの発生が抑制される。その結果、熱交換装置の不均等な通風量による伝熱性能の低下の防止を図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の熱交換要素、熱交換器及び熱交換装置によれば、フィンを設ける必要がなく、かつ、熱交換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換要素の透視斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示した熱交換要素の正面図模式を示し、（ｂ）は、（ａ）の断面図模式図を示す。
【図３】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る熱交換要素の透視斜視図を示し、（ｂ）は、透視側面図を示し、（ｃ）は、正面図を示す。
【図４】図３（ｃ）のＡＣ−ＡＣ線に沿って切断した熱交換要素の斜視図を示す。
【図５】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る熱交換要素を構成する衝突板及びＵ字溝部材の側面図を示し、（ｂ）は、上面図を示し、（ｃ）は、正面図を示す。
【図６】本発明の第３実施形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図７】図２に示した熱交換器の一部断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る熱交換装置の模式図である。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る熱交換装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［第１実施形態］
以下、図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る熱交換要素を説明する。図１及び図２に示すように、熱交換要素１は、第１の熱交換媒体Ｃを内部に流通させ、第２の熱交換媒体Ｄ体を外部に流通させるための管状部材１０と、管状部材１０の内部に管状部材１０の軸線Ｏに対して傾斜して配置された衝突板１１とを備えている。
【００３０】
管状部材１０は、第１開口端１２と第２開口端１３とを有し、軸線Ｏに直交する断面において、一辺が１ｍｍ〜数ｃｍの正方形の外形を有している。
そして、管状部材１０の第１開口端１２での断面積は、前記管状部材の第２開口端１３での断面積より大きくなっている。
なお、管状部材１０の寸法はこれに限定されない。また、管状部材１０の軸線Ｏに直交する断面は、正三角形、正六角形をはじめとする正多角形の外形を有してもよい。
管状部材１０の材料には、内部を流動する第１の熱交換媒体の性質に応じて、例えば、アルミニウム、銅、又はSUSが使用される。
【００３１】
衝突板１１は、軸線Ｏに対する衝突板１１の最大傾斜方向Ｓの両端縁、即ち、第１開口端１２側に傾斜した第１端縁１１ｅと、第２開口端１３側に傾斜した第２端縁１１ｆとで、管状部材１０の内面１０ａ，１０ｂとそれぞれ接する一方、最大傾斜方向Ｓと直交する方向の両端縁、即ち、側端縁１１ｃ及び１１ｄで、管状部材１０の内面１０ｃ，１０ｄとそれぞれ離間している。
【００３２】
次に、第１開口端１２から第２開口端１３へ向かって管状部材１０の内部を流通する第１の熱交換媒体Ｃの流れ方を説明する。
図１及び図２に示すように、熱交換要素１の管状部材１０の第１開口端１２から管状部材１０内へ進入した第１の熱交換媒体Ｃは、傾斜した衝突板１１に衝突して、衝突板１１の表面１１ａ上に低圧の渦を形成し、衝突板１１の表面１１ａに沿って付着する流れである衝突噴流Ａを形成する。これにより、熱交換要素１では、第１の熱交換媒体Ｃの衝突板１１に対する衝突伝熱により、衝突板１１に対して高い熱伝達率を示す。
【００３３】
続いて、第１の熱交換媒体の衝突噴流Ａは、引き続き、衝突板１１の両側の隙間ｇから第２開口端１３側へ噴出し、管状部材１０の内面に沿って衝突板１１の裏面１１ｂ側に回り込む旋回流Ｂとなる。旋回流Ｂの形成は、熱交換要素の管状部材１０の内面である受熱面に張り付いた流れを持続させ、同時に、第１の熱交換媒体を一方向の流れに変換することで、低い圧力損失を示す旋回層流を形成する。これにより、熱交換要素１の管状部材１０の内面１０ａ〜１０ｄに対して高い熱伝達率を示す。
【００３４】
さらに、管状部材１０の第２開口端１３の近くに絞り部材１４を配置したことよって、管状部材１０の第２開口端１３の断面積が、第１開口端１２の断面積よりも小さくなっている。これにより、入口の第１開口端１２での断面積を広くすることで、入口圧力損失を低減できること、管状部材１０内に配置される衝突板１１を固定する効果があり、結果として、伝熱効率を高める作用と圧力損失を低減する作用の相乗効果が得られる。
なお、本実施形態では、絞り部材１４を配置して第２開口端１３の断面性を小さくした例を説明したが、第１開口端１２を先端に向かって広がる形状として、第１開口端１２の断面積を大きくしてもよい。その場合、絞り部材１４は設けてあってもよいし、設けてなくともよい。また、管状部材１０の断面積を、第１開口端１２から第２開口端１３へ向かって徐々に狭くしてもよい。
【００３５】
このように、熱交換要素１は、管状部材１０の内部に、傾斜した衝突板１１と旋回層流を形成する仕組みを設けているため、衝突噴流Ａと旋回層流Ｂとの相乗効果により、フィンを設けなくても、熱交換要素１の内面の高い表面熱伝達と共に、低圧力損失を実現することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
以下、図３〜図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る熱交換要素を説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、本実施形態の熱交換要素１０１は、第１の熱交換媒体Ｃを内部に流通させ、第２の熱交換媒Ｄ体を外部に流通させるための、断面形状がほぼ正方形の管状部材１１０と、管状部材１１０の内部に管状部材１１０の軸線Ｏに対して傾斜して配置された衝突板１１１とを備えている。
管状部材１１０は、先端に向かって広がって開口した第１開口端１１２と、狭窄部１１０ｅを形成した第２開口端１１３とを有する。
【００３７】
図３（ｃ）に示すように、本実施形態では、衝突板１１１は、軸線Ｏに対する衝突板１１１の最大傾斜方向Ｓの両端縁１１１ｅ及び１１１ｆのうち、第１開口端１１２側に傾斜した第１端縁１１１ｅで管状部材１１０の内面１１０ａと接している。
一方、図３（ａ）に示すように、衝突板１１１は、第２開口端１１３側に傾斜した第２端縁１１１ｆでは、管状部材１１０の内面１１０ｂから離間し、また、最大傾斜方向Ｓと直交する方向の両側縁１１１ｃ及び１１１ｄもそれぞれ管状部材１１０の内面１１０ｃ及び１１０ｄから離間している。
【００３８】
図４及び図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、熱交換要素１０１は、衝突板１１１の第２端縁１１１ｆ及び両側縁１１１ｃ及び１１１ｄから第２開口端１１３へ向かって、管状部材１１０の軸線Ｏに沿って延びるＵ字溝部材１５を更に備えている。本実施形態のＵ字溝部材１５は、底面部１５ｂと、底面部１５ｂから立ち上がった両側面部１５ｃ及び１５ｄとから構成されている。底面部１５ａは、衝突板１１１の第２端縁１１１ｆと連続し、両側面部１５ｃ及び１５ｄは、衝突板１１１の両側縁１１１ｃ及び１１１ｄとそれぞれ連続している。したがって、衝突板１１１とＵ字溝部材１５とは一体化されている。
また、図５（ａ）に示すように、Ｕ字溝部材１５の両側面部１５ｃ及び１５ｄの、管状部材１１０の軸線Ｏに沿って延びる両側縁１５ｅは、衝突板１１１の第１端縁１１１ｅよりも下がって設けられている。すなわち、衝突板１１１の第１端縁１１１ｅは、両側縁１５ｅから突出している。
【００３９】
図５（ｃ）に示すように、Ｕ字溝部材１５の底面部１５ｂ及び両側面部１５ｃ及び１５ｄには、それぞれ外側へ突出した爪部ｔが形成されている。図３（ｃ）に示すように、Ｕ字溝部材１５及び衝突板１１１は、これら爪部ｔがスペーサとなって、管状部材１１０内で位置決めされる。なお、爪部ｔは、第１の熱交換媒体Ｃの流通には実質的に影響しない。
【００４０】
位置決めされたＵ字溝部材１５の底面部１５ｂ及び両側面部１５ｃ及び１５ｄそれぞれの外側面と、管状部材１１０の内面１１０ｂ、１１０ｃ及び１１０ｄとの間には、Ｕ字隙間Ｇｕが確保されている。本実施形態では、Ｕ字溝部材１５の底面部１５ｂ、側面部１５ｃ及び側面部１５ｄの外面は、それぞれ管状部材１１０の内面１１０ｂ、内面１１０ｃ及び内面１１０ｄと平行になっている。
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４に示すように、Ｕ字隙間Ｇｕは、第１開口端１１２側において、衝突板１１１の第２端縁１１１ｂ及び両側縁１１１ｃ及び１１１ｄに沿って、管状部材１１０内部で開口し、一方、第２開口端１１３側において、管状部材１１０の狭窄部１１０ｅによって閉塞されている。その結果、管状部材１１０の第２開口端１１３の断面積は、第１開口端１１２の断面積よりも小さくなっている。また、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、Ｕ字溝部材１５の端部１５ｆが、管状部材１１０の第２開口端１１３から外部へ突出している。
【００４１】
また、図３（ｂ）に示すように、Ｕ字溝部材１５の両側面部１５ｃ及び１５ｄそれぞれの、管状部材１１０の軸線Ｏに沿って延びる側縁１５ｅと、衝突板１１１の第１端縁１１１ｅが接している管状部材１１０の内面１００ａとの間に、一定幅で延びる帯状隙間Ｇｓが確保される。この帯状隙間Ｇｓを介して、Ｕ字溝部材１５の外側のＵ字隙間Ｇｕ内の空間とＵ字溝部材１５の内側の空間とが連通している。
【００４２】
次に、第１開口端１２から第２開口端１３へ向かって管状部材１１０の内部を流通する第１の熱交換媒体Ｃの流れ方を説明する。
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、まず、熱交換要素１０１の管状部材１１０の第１開口端１１２から管状部材１１０内へ進入した第１の熱交換媒体Ｃは、傾斜した衝突板１１１に衝突して、衝突板１１１の表面１１１ａ上に低圧の渦を形成し、衝突板１１１の表面１１１ａに沿って付着する流れである衝突噴流Ａを形成する。これにより、熱交換要素１０１では、第１の熱交換媒体Ｃの衝突板１１１に対する衝突伝熱により、衝突板１１１に対して高い熱伝達率を示す。
【００４３】
続いて、第１の熱交換媒体Ｃの衝突噴流Ａは、Ｕ字隙間Ｇｕへ進入して、熱交換要素１０１の管状部材１１０の内面である受熱面に張り付いた流れ形成する。さらに、Ｕ字隙間Ｇｕに進入した第１の熱交換媒体Ｃは、Ｕ字隙間Ｇｕの第２開口端１１３側が閉塞されているため、帯状隙間ＧｓからＵ字溝部材１５の内側へ噴出し、衝突板１１１の裏面１１１ｂ側に回り込む旋回流Ｂとなる。旋回流Ｂの形成は、第１の熱交換媒体Ｃを一方向の流れに変換することで、低い圧力損失を示す旋回層流を形成する。これにより、熱交換要素１０１の管状部材１１０の内面１０ａ〜１０ｄに対して高い熱伝達率を示す。
特に、本実施形態では、入口側の第１開口端１１２での断面積を出口側の第２開口端１１３での断面積よりも大きくすることで、入口圧力損失を低減できること、内部に入る衝突板１１１を固定する効果があり、結果として、伝熱効率を高める作用と圧力損失を低減する作用の相乗効果が得られる。
【００４４】
なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）においては、図面の理解を容易にするため、Ｕ字隙間Ｇｕのうち、一方の側面部１５ｄ側の隙間を通る第１の熱交換媒体Ｃの流れのみを図示し、他方の側面部１５ｃ側の隙間を通る第１の熱交換媒体Ｃの流れの図示を省略している。実際には、図３（ｃ）に示すように、Ｕ字隙間Ｇｕに進入した第１の熱交換媒体Ｃは、大きく二手に分かれて両側面部１５ｃ及び１５ｄ側の隙間をそれぞれ進み、Ｕ字溝部材１５の両側縁１５ｅの帯状隙間Ｇｓから、Ｕ字溝部材１５の内側へそれぞれ流入し、Ｕ字溝部材１５内で大きく２つの旋回流を形成している。
【００４５】
このように、熱交換要素１０１は、管状部材１１０の内部に、傾斜した衝突板１１１と旋回層流を形成する仕組みを設けているため、衝突噴流Ａと旋回層流Ｂとの相乗効果により、フィンを設けなくても、熱交換要素１０１の管状部材１１０の内面の高い表面熱伝達と共に、低圧力損失を実現することができる。
【００４６】
［第３実施形態］
次に、図６及び図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る熱交換器を説明する。
図６及び図７に示す熱交換器２は、図１及び図２に示した熱交換要素１と、チャンバ２０とを備えている。
なお、本実施形態及び後述する第４〜６実施形態においては、熱交換要素１の代わりに、図３〜図５に示した第２実施形態に係る熱交換要素１０１を設けてもよい。
【００４７】
チャンバ２０は、互いに平行に対向する平明である第１の主表面２０ａと第２の主表面２０ｂとを有し、第１の主表面２０ａと第２の主表面２０ｂとの間に第２の熱交換媒体Ｄを流通させるように構成されている。第２の熱交換媒体Ｄは、第２のリザーバ２２からチャンバ２０に導入され、第１のリザーバ２１を介して排出される。
【００４８】
複数の熱交換要素１の管状部材１０の各々が、チャンバ２０を貫通して第１の主表面２０ａと第２の主表面２０ｂとに開口している。複数の熱交換要素１は、互いに隣接する熱交換要素１の間の隙間間隔Ｗが実質的に均一となるように、互いに離間して配列されている。本実施形態では、熱交換要素１の管状部材１０が正方形の断面形状を有しているため、熱交換要素１どうしを間隔Ｗが正確に均一となるように容易に配列させることができる。
これにより、隣り合う熱交換要素１の間隔Ｗを均一にしたことにより、間隔Ｗのばらつきによる伝熱むらの発生が抑制され、さらに、熱交換要素１の管状部材１０の外部に流動する第2の熱交換媒体の均等な流れが形成される。
【００４９】
そして、熱交換要素１が管状部材１０で構成され、管状部材１０の外面にフィンを設ける必要がないため、本発明の熱交換器では、所要の交換熱量に応じて、複数の熱交換要素を小さな離間間隔Ｗ（例えば、Ｗ≦１ｍｍ、より好ましくは、Ｗ＝０．３〜０．５ｍｍ）で高密度に配列することができる。これにより、熱交換器２の熱伝達効率の向上を図ることができる。
【００５０】
ところで、従来のフィン付き細管を備えた熱交換器においては、一般に、細管の内部に、液体の熱交換媒体を流通させ、一方、細管の外部に、空気などの気体の熱媒体を流通させて熱交換を行っている。
これに対し、本実施形態の熱交換器２では、従来の熱交換器とは反対に、チャンバ２０内で熱交換要素１の管状部材１０の外部に、第２の熱交換媒体として液体又は気体を流通させ、一方、管状部材１０の内部に、空気などの気体の熱媒体を流通させることができる。
【００５１】
［第４実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係る熱交換器を説明する。
上述した第３実施形態では、平板状の全体形状を有する熱交換器２の例を説明したが、本発明の熱交換器は、熱交換要素の配置にフィンによる制約がないため、従来のフィン付き細管を備えた熱交換器よりも、高い設計の自由度が得られる。
そこで、本実施形態では、円筒形の全体形状を有する熱交換器の例を説明する。
【００５２】
図８に示すように、熱交換器３は、図１及び図２に示した熱交換要素１と、同心円状に配置された二重円筒の形状を有するチャンバ３０を備えている。
チャンバ３０の第１の主表面３０ａは、二重円筒の外側円筒を構成し、チャンバ３０の第２の主表面３０ｂは、二重円筒の内側円筒を構成している。そして、複数の熱交換要素１が、二重円筒形状のチャンバ３０を貫通して、第１の主表面３０ａ及び第２の主表面３０ｂに開口している。
【００５３】
チャンバ３０で構成された二重円筒は、一端３１が開口し、他端３２が閉塞されている。一端３１の開口から二重円筒の内周側へ導入された第１の熱交換媒体Ｃは、各熱交換要素１の内部を通過して、二重円筒の外周側へ排出される。
また、二重円筒の第１の主表面３０ａと第２の主表面３０ｂとの間には、第２の熱交換媒体Ｄが流通する。第２の熱交換媒体Ｄは、チャンバ３０の一端３１側に配置されたリング状の第１のリザーバ３３からチャンバ３０内へ導入され、チャンバ３０の他端３２側に配置されたリング状の第２のリザーバ３４を介して外部へ排出される。
【００５４】
［第５実施形態］
次に、図９を参照して、本発明の第５実施形態に係る熱交換装置を説明する。
図９に示すように、熱交換装置４は、図６及び図７に示した熱交換器２と、熱交換器２の熱交換要素１に第１の熱交換媒体Ｃとして空気を流通させる送風機４０とを備えている。
【００５５】
送風機４０は、ファン４１の回転軸線上にモータ４２を備え軸流型送風機であり、熱交換器２は、軸流型送風機４０からモータ４２の直径Φの１倍以上、より好ましくは直径の２〜３倍の離間距離Ｌだけ離間して配置されている。
これにより、熱交換器２の中心部と周辺部における通風量の不均等が低減され、伝熱むらの発生が抑制される。その結果、熱交換装置４の不均等な通風量による伝熱性能の低下の防止を図ることができる。
【００５６】
［第６実施形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第６実施形態に係る熱交換装置を説明する。
図１０に示すように、本実施形態の熱交換装置５は、２つの図６及び図７に示した熱交換器２と、熱交換器２の熱交換要素１に第１の熱交換媒体Ｃとして空気を流通させる軸流型送風機４０とを備えている。
【００５７】
２つの熱交換器２と軸流型送風機４０は、２つの熱交換器２のチャンバ２０それぞれの第１の主表面２０ａと、軸流型送風機４０のファン４１の回転面とが、三角柱の三つの壁面を実質的に構成するように配置されている。また、この三角柱の上面５０ａ及び下面５０ｂは、板状部材で閉塞されている
【００５８】
このように、２つの熱交換器２と１つの軸流型送風機４０とを、２つの熱交換器それぞれの第１の主表面と、軸流型送風機のファンの回転面とが、三角柱の各側面を実質的に構成するように配置したことにより、熱交換器２の中心部と周辺部における通風量の不均等が低減され、伝熱むらの発生が抑制される。その結果、熱交換装置５の不均等な通風量による伝熱性能の低下の防止を図ることができる。
【００５９】
以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能である。例えば、前述した実施形態では、熱交換要素の管状部材内に一段だけ衝突板を配置した例を説明したが、本発明では、熱交換要素の管状部材内に複数段の衝突板を配置してもよい。
また、上述した実施形態では、熱交換要素の管状部材の断面形状を正方形とした例を説明したが、本発明では管状部材の断面形状はこれに限定されず、例えば、正三角形又は正多角形とすることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１，１０１  熱交換要素
１０，１１０  管状部材
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ  内面
１１０ｅ  狭窄部
１１，１１１  衝突板
１１ａ，１１１ａ  表面
１１ｂ，１１１ｂ  裏面
１１ｃ，１１１ｃ  第１側端縁
１１ｄ，１１１ｄ  第２側端縁
１１ｅ，１１１ｅ  第１端縁
１１ｆ，１１１ｆ  第２端縁
１２，１１２  第１開口端
１３，１１３  第２開口端
１４  絞り部材
１５  Ｕ字溝部材
１５ｂ  底面部
１５ｃ，１５ｄ  側面部
１５ｅ  側縁
１５ｆ  端部
２  熱交換器
２０  チャンバ
２０ａ  第１の主表面
２０ｂ  第２の主表面
２１  第１のリザーバ
２２  第２のリザーバ
３  熱交換器
３０  チャンバ
３０ａ  第１の主表面
３０ｂ  第２の主表面
３１  一端
３２  他端
３３  第１のリザーバ
３４  第２のリザーバ
４  熱交換装置
４０  軸流型送風機
４１  ファン
４２  モータ
５  熱交換装置
５０ａ  上面
５０ｂ  下面
Ａ  衝突噴流
Ｂ  旋回流
Ｃ  第１の熱交換媒体
Ｄ  第２の熱交換媒体
Ｇｕ  Ｕ字隙間
Ｇｓ  帯状隙間
ｇ  隙間
Ｌ  離間距離
Ｏ  軸線
Ｓ  最大傾斜方向
Ｗ  間隔
Φ  モータ直径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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