(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列された多数の偏平チューブ(1)間またはその偏平チューブ内に多数のフィン(2)が固定され、そのフィン(2)側に粒子状物質を含む気体が流通し、
そのフィン(2)は、前記気体の流通方向に向かって平面Ｖ字状または、逆Ｖ字状で、その流通方向の断面が波形となる多数のＶ字条部(9)が曲折された熱交換器において、
そのフィンの第１平面(4)で、そのＶ字を構成する一対の傾斜条部(2a)(2b)の一方(2a)が、前記気体の流通方向に対して、プラス側（左方をプラスとする）にα角度傾斜して配置され、他方(2b)がマイナス側にβ角度傾斜して配置されて、その流通方向に対して、両傾斜条部(2a)(2b)が非対称角に配置され、
その第１平面(4)に対向する第２平面(3)では、第１平面(4)のそれと逆の非対称角となり、気体の流通方向に対して、前記一方の傾斜条部(2a)がプラス側に前記β角度傾斜して配置され、他方(2b)がマイナス側に前記α角度傾斜して配置されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
そのフィンのＶ字条部(9)の開き角度が40度〜90度で、その一対の傾斜条部(2a)(2b)の前記α角度と前記β角度の絶対値の差が3度〜15度に形成された熱交換器。
【請求項３】
請求項1または請求項２において、
金属板が全体に波形に曲折されてフィン(2)を構成し、偏平チューブ(1)との非接触部である平面のみに前記Ｖ字条部(9)が形成され、フィンの波形の振幅方向にＶ字条部(9)が一つのみ形成され且つ、その平面で振幅方向の両縁部にはＶ字条部(9)の両端との間に平坦面部(8)が形成され、その両縁部の縁が偏平チューブ(1)に接合された熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器のフィンであって、特に砂塵の多い場所で使用され、或いはエンジンの排ガスが流通する熱交換器に使用され、そのフィン表面に塵埃等の粒子状物質が付着し難い熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器の性能向上のため最も有効な方法は、フィン表面に多数のルーバを切り起こし形成することである。
しかしながら、塵埃の多い場所で使用する熱交換器や、エンジンの排ガスが流通する熱交換器では、そのルーバに目詰まりが生じ、フィンの熱伝達率と空気抵抗とのバランスを考えた効率が急速に低下してしまう。
【０００３】
そこで、ルーバフィンに変えてフィン表面に波形の凹凸又は凸状を形成したフィンが各種知られている。
その一例として、下記特許文献１が提案されている。これは、図９（Ａ）（Ｂ）に示す如く、チューブ間に配置されたフィン表面に多数のＷ状の凸条、凹条が交互に形成され、その横断面が波形に形成されたものである。そして、その波の山部や谷部の連続する線が空気の主要な流れに対して１０度〜６０度の範囲となる。さらに、空気の主要な流れに沿ったＷの折り返し線が左右対称に形成されたものである。
そして、図９（Ａ）の如く、Ｗ字状の波に対して空気流が矢印方向に流通する。すると、その内部には互いに方向を異にする多数の渦流が生ずる。
【０００４】
次に、このＷ字状の波の一部を採用して、図４（Ａ）の如く、Ｖ字状に形成することも考えられる。この場合には、フィンの各セグメント内部に四つの均等な渦流が形成される。その隣接する各渦流は、夫々逆方向に形成される。
図４（Ａ）において、空気流５に対してＶ字状の凸状を構成する傾斜条部2a，2bは、その中心に対し、左右対称の角度に形成されている。即ち、その中心線に対して左側の傾斜条部2aは角αであり、右側の傾斜条部2bはマイナス角αである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００８／０９０８７２Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４（Ｂ）の均等な四つの渦流は安定しており、その隣接する渦流の境に塵埃や煤等が滞留し易い、そしてそれがある程度まで成長することを、本発明者は実験により確認した。この粒子状物質の付着によって、空気流の流通抵抗が増大し、熱交換性能が低下することは明らかである。
そこで本発明は、このようなＶ字状又はＷ字状の多数の凸状部を有する波形フィンにおいて、粒子状物質の滞溜を可能な限り減らす条件を各種実験により見出し、その知見に基づいて本発明を完成したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、並列された多数の偏平チューブ(1)間またはその偏平チューブ内に多数のフィン(2)が固定され、そのフィン(2)側に粒子状物質を含む気体が流通し、
そのフィン(2)は、前記気体の流通方向に向かって平面Ｖ字状または、逆Ｖ字状で、その流通方向の断面が波形となる多数のＶ字条部(9)が曲折された熱交換器において、
そのフィンの第１平面(4)で、そのＶ字を構成する一対の傾斜条部(2a)(2b)の一方(2a)が、前記気体の流通方向に対して、プラス側（左方をプラスとする）にα角度傾斜して配置され、他方(2b)がマイナス側にβ角度傾斜して配置されて、その流通方向に対して、両傾斜条部(2a)(2b)が非対称角に配置され、
その第１平面(4)に対向する第２平面(3)では、第１平面(4)のそれと逆の非対称角となり、気体の流通方向に対して、前記一方の傾斜条部(2a)がプラス側に前記β角度傾斜して配置され、他方(2b)がマイナス側に前記α角度傾斜して配置されたことを特徴とする熱交換器である。
【０００８】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
そのフィンのＶ字条部(9)の開き角度が40度〜90度で、その一対の傾斜条部(2a)(2b)の前記α角度と前記β角度の絶対値の差が3度〜15度に形成された熱交換器である。
【０００９】
請求項３に記載の本発明は、請求項1または請求項２において、
金属板が全体に波形に曲折されてフィン(2)を構成し、偏平チューブ(1)との非接触部である平面のみに前記Ｖ字条部(9)が形成され、フィンの波形の振幅方向にＶ字条部(9)が一つのみ形成され且つ、その平面で振幅方向の両縁部にはＶ字条部(9)の両端との間に平坦面部(8)が形成され、その両縁部の縁が偏平チューブ(1)に接合された熱交換器である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の本発明の熱交換器は、そのフィン２がＶ形の多数の一対の傾斜条部2a，2bが第１平面４では、空気流５に向かって左右非対称の角度に形成され且つ、それに対向する第２平面３では、第１平面４と左右逆の角度の非対称に形成されている。それにより、各フィンセグメント内で、大きな回転半径の二つの大渦流６と、小さな回転半径の二つの小渦流７とが、それぞれ螺旋状に形成される。そして、それぞれの渦が互いに影響しあって、混合分離を繰り返し、フィン２表面に付着する粒子状物質を吹き飛ばし、目詰まりの少ない熱交換器となる。
これは、フィン２の各セグメント12内にある４方向の各傾斜条部2a， 2bに沿って気体が移動したとき、４つの螺旋渦流を生じさせる。ところが、傾斜角度の小さい傾斜条部では、その流通抵抗が傾斜角度の大きい傾斜条部のそれより小さいため、勢いがよく、より大きな渦流を生じさせる。
その結果、各フィンセグメント内で、大きな回転半径の二つの渦流と、小さな回転半径の二つの渦流とが、それぞれ螺旋状に形成される。しかも、大きな勢いのいい二つの渦流は回転方向が同一であると共に、４つの各渦流の大きさがアンバランスであるため、それらが互いに影響しあい、互いの渦流が混合分離を繰り返し、フィン表面各部を間欠的に叩き、粒子状物質の付着を防止する。そのため、建設機械等の如く、塵埃の多い場所で使用する熱交換器や、煤を含む排気ガスの流通するＥＧＲクーラの場合に、フィンの目詰まりを防止して、初期性能を持続する熱交換器となる効果がある。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、さらに、熱交換性能のよい熱交換器となる。これは、請求項２の構成が横向きＶ波フィンの熱交換器の最適条件だからである。
即ち、Ｖ字の開き角度が６０度程を中心として４０度〜９０度のフィンの熱伝達率と空気抵抗とのバランスを考えた効率が最大となる。９０度以上および４０度以下になると、フィンの熱伝達率と空気抵抗とのバランスを考えた効率を示すＪ／ｆが急激に低下する。そこで、効率の良好な４０度〜９０度が選択される。
さらには、Ｖ字の角度は左右の非対称角度の差異が３〜１５度の範囲で、対称形Ｖフィンに比べて、総合的にフィンの熱伝達率と空気抵抗とのバランスを考えた効率が向上する。即ち、その範囲では、対称形Ｖフィンに比べて、熱伝達率が僅かの数％以内減少するのに対して、流通抵抗が２０％程度までも大幅に低下し、結果として送風動力を小とした省エネルギー型熱交換器を提供できる。
角度差３度以下では、省エネルギー効果が殆ど認められない。さらには３度以下では、流通抵抗の低下は望めないと共に、目詰まり防止効果もない。また１５度を超えると、熱伝達率が大きく低下する。
【００１２】
請求項３に記載の本発明は、フィン２の平面で振幅方向の両縁において、Ｖ字条部９の両端との間に平坦面部８が形成され、その両縁部の縁が偏平チューブ１に接合されたものであるから、フィンのコーナー部にはその平坦面部８が位置する。そのため、その部分の流通抵抗を減少して粒子状物質がフィンの各コーナー部に溜まることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のフィン２を示し、（Ａ）はそのフィン２の製造過程を示す一部破断斜視略図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。
【図２】同フィン２を有する熱交換器の要部を示し、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図３】本発明の熱交換器のフィン２のセグメント12における大渦流６，小渦流７の形成状態を示す説明図。
【図４】本発明の熱交換器のフィンとの、比較のためのフィン２であって、Ｖ字条部９が空気流５に対して左右対称型の要部平面図及び、そのセグメント12内の渦流10の説明図。
【図５】本発明の熱交換器のフィンのＶ字条部９のα＋β（総角）に対する効率Ｊ／ｆの関係を示すグラフ。
【図６】本発明の熱交換器のフィンのＶ字条部９のαとβの角度差に対する熱伝達率αと圧力損失ΔＰとの関係を示すグラフ。
【図７】本発明の熱交換器のフィンの風速に対するＶ字条部９の向きと圧力損失ΔＰとの関係を示すグラフ。
【図８】熱交換器のフィン２のセグメント12内における温度分布を示すものであって、（Ａ）は本発明のフィン２であり、（Ｂ）は図４におけるフィンである。
【図９】従来型のフィン２を有する熱交換器であって、（Ａ）はその要部断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の波形フィンの説明図であって、（Ａ）はその斜視略図、（Ｂ）は（Ａ）の第１平面４における平面図、（Ｃ）は（Ａ）の第２平面３における平面図である。また、図２（Ａ）は熱交換器の要部斜視図であり、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視断面略図である。
この例の熱交換器は、図２に示す如く、並列された多数の偏平チューブ１間に夫々波形のフィン２が接触固定されている。この例では、フィン２が全体として矩形波状に曲折形成され、その曲折の頂部及び谷部が偏平チューブ１にろう付け固定されている。そして、その頂部と谷部との間に、平坦な第１平面４及びそれに対向する第２平面３が存在し、各平面３，４には、夫々空気流５に向かって末広がりのV字状となるＶ字条部９がその空気流５方向に多数並列され、その横断面（空気流５方向の断面）は図２（Ｂ）の如く、小さな波形に曲折形成されると共に、その縦断面（空気流５と直交方向の断面）も小さな波形に曲折形成されている。
【００１５】
そして各Ｖ字条部９は、その幅がフィン２の振幅よりも僅かに小に形成され、Ｖ字条部９の両端と波の頂部及び谷部との間に図１（Ａ）（Ｂ）の如く、平坦面部８が形成される。
そして各Ｖ字条部９は、その第１平面４でV字を構成する一対の傾斜条部2a，2bの一方の傾斜条部2aが空気流５の流通方向に対してプラス側のα角度（左方をプラスとする）に位置され、他方の傾斜条部2bがマイナス側にβ角度で形成されている。それにより、両傾斜条部2a，2bが中心線に対して左右非対称角に形成されている。そしてその第１平面４に対向する第２平面３では、第１平面４のそれと逆の左右非対称角に形成されている。即ち第２平面３では、気体の流通方向に対して左側の傾斜条部2aがプラス側にβ角度傾斜して配置され、右側の傾斜条部2bがマイナス側にα角度傾斜して配置されている。
【００１６】
このようなフィン２を形成するには、図１（Ａ）に示す如く、帯状金属板の平面に定間隔で、同一形状の左右非対称のＶ字条部群をプレス成形する。次いで、それを矩形波またはＶ字波状に曲折すればよい。その結果、対向する平面３，４には図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、左右非対称でかつ、その非対称が互いに逆向きになる。
実験によれば、第１平面４と第２平面３とを夫々逆向きの非対称角度の傾斜条部とすることにより、図１，図２に示す如く、空気流５を矢印の如く流通させたとき、各フィンのセグメント12（偏平チューブ１と第１平面４，第２平面３とで囲まれた空間）に図３に示す如く、二つの大渦流６と二つの小渦流７とが、そのセグメント内の対角線上に形成される。
【００１７】
この現象は次の理由によるものと推測できる。
これはフィン２のセグメント12内にある４方向の各傾斜条部2a，傾斜条部2bに沿って気体が流通したとき、傾斜角度の小さい傾斜条部では傾斜角度の大きいそれより流通抵抗が小さいため、より勢い良く渦流が生じる。そしてそこに大渦流６が発生し、それ以外の部分に小渦流７が発生する。一対の大渦流６は同一方向に形成され、勢いが大きいため両者合流し易い。その大渦流６は小渦流７にも影響され、渦の合流分離が繰り返される。
その結果、フィン２の各セグメント12内は時間的及び空間的に渦流が変化し、その結果、フィンの頂部や谷部に溜まりがちな粒子状物質を効果的に吹き飛ばす。
これに対して、図４（Ａ）に示すフィン２の場合、空気流５に対して傾斜条部2a，傾斜条部2bが左右対称のαである場合には、同図（Ｂ）の如く、渦流10が均一に四つ現れ、それが安定しているので、その境に滞留部11が形成され、そこに塵埃や煤等の粒子状物質が溜まり易いものとなる。
【００１８】
次に、フィン２の平面のＶ字条部９の開き角度、即ち図１においてα＋β（総角）の最適範囲につき述べる。図５は左右非対称のαとβの各角度の絶対値の差を９度とし、総角を変化させたときの最適範囲を示す。そして横軸に総角をとり、縦軸にＪ／ｆをとる。
このＪ／ｆは、フィンの熱伝達率と空気抵抗とのバランスを考えた効率である。ここにＪはコルバーン数であって、ｆは抵抗係数である。
Ｊ＝Ｓｔ・Ｐｒ２/３  
Ｓｔ＝Ｎｕ／（Ｒｅ・Ｐｒ）
Ｒｅ＝レイノルズ数  Ｐｒ＝プラントル数  Ｎｕ＝ヌッセルト数
【００１９】
風速を３ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓの間で実験し、各風速における最大効率の総角に対し、その総角が変化することによって効率がどのように低下するかを実験により確認した。
その結果、何れの風速でも６０度〜６５度の総角のとき最大の効率であることが明らかとなった。そして、４０度〜９０度の総角では、何れの風速でも最大時に対して３％以内の効率の落ち込みであることが判った。
そこで本発明の熱交換器におけるフィンは、Ｖ字の総角が４０度〜９０度であるものを採用する。
【００２０】
次に、総角が最大効率の６０度において、αとβの角度差の最適値を求めたのが図６である。横軸に角度差をとり、縦軸に熱伝達率αとフィンの圧損ΔＰとを実験により求めた。
同図では風速を１０ｍ／ｓと、１ｍ／ｓの場合が示されている。
添え字に１０が記載されているα１０，  ΔＰ１０は１０ｍ／ｓにおける熱伝達率と圧力損失である。同様に添え字に１を付したα１  ΔＰ１は１ｍ／ｓにおける熱伝達率と圧力損失である。
実験の結果、図６から明らかなように、角度差が３度未満の場合には、何れの風速であっても熱伝達率α及び圧力損失ΔＰの何れも変化が無かった。そして３度以上になると、熱伝達率が低下すると共に、圧力損失ΔＰが低下する。角度差が１５度を超えると、何れの風速においても熱伝達率αが急激に低下する。
角度差１５度において、風速１０ｍ／ｓでは熱伝達率αが角度差０に対して２％低下する。このとき圧力損失は角度差０に対して２０％も低下する。このことは角度差が３度〜１５度の範囲において熱伝達率の低下以上に圧力損失の低下が多いことが判る。
【００２１】
従って、風速１０ｍ／ｓにおいて角度差を３度〜１５度の範囲とすれば、僅かな熱伝達率の減少（２％）に対して、大きな圧力損失の低下（２０％）を得ることができる。それを熱交換器のフィンとして採用すると、熱交換器の送風動力を著しく低減でき、熱交換器の総合効率を改善することが可能となる。
同様に風速１ｍ／ｓにおいても角度差が３度〜１５度において僅かな熱伝達率の低下（１％）に対し、大きな圧力損失の減少（１９％）を得ることができる。
風速２０ｍ／ｓの場合及び風速３０ｍ／ｓの場合も同様の結果が表れた。そこで本発明は、フィンのＶ字条部９の開き角度を４０度〜９０度とし、傾斜条部2a，傾斜条部2bのα角度とβ角度の絶対値の差を３度〜１５度とするものである。
【００２２】
次に、Ｖ字条部９に対して空気流５の向きを、正方向と逆方向とに変え、それぞれの圧力損失を測定する。その実験結果を図７に示す。これは横軸に風速ｖ（ｍ／ｓ）を表し、縦軸に圧力損失ΔＰを表す。そして、フィンとして、図４に示す対称型のフィンと、図１に示す本発明の非対称型のフィンとを比較する。
このとき対称型も非対称型も総角を６０度とした。
図中の最上部の実線は、空気流５の向き方向にＶ字条部９が末広がりに形成されたものであり、これを正方向とする。そしてその逆を逆方向とする。
Ｖ字条部９が左右対称で正方向のものは、風速に対し圧力損失が最も高い。二番目に高いのはやはり左右対称型で逆方向のＶ字条部９である。三番目に高いのは本発明の対象とする非対称型で正方向である。最も低いのは、その非対称型で逆方向である。
【００２４】
次に、図８は偏平チューブ１内に高温流体を流通し、フィン２側に常温の空気流を流通させたとき、その流通方向出口端における温度分布を示したものである。そして（Ａ）は図１に示す本発明の熱交換器の左右非対称型のフィン２を用いた場合であり、（Ｂ）は図４に示す左右対称型のフィン２を用いた例である。
この空気温度コンターから、本発明では高温部13の範囲が、図４のものに比べて小さいことが判る。これは熱交換効率が本発明のフィン２の方が良いことを意味する。
上記の実施例では、フィンは偏平チューブの外面に配置されていたが、それに変えてフィンを偏平チューブの内面に配置してもよい。また、フィンは全体が矩形波状に曲折されていても、三角波状に曲折されていてもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１  偏平チューブ
２  フィン
2a  傾斜条部
2b  傾斜条部
３  第１平面
４  第２平面
５  空気流
６  大渦流
【００２６】
７  小渦流
８  平坦面部
９  Ｖ字条部
10  渦流
11  滞留部
12  セグメント
13  高温部
【図１】
0005558206.tif 000002
【図２】
0005558206.tif 000003
【図３】
0005558206.tif 000004
【図４】
0005558206.tif 000005
【図５】
0005558206.tif 000006
【図６】
0005558206.tif 000007
【図７】
0005558206.tif 000008
【図８】
0005558206.tif 000009
【図９】
0005558206.tif 000010