(57)【要約】【課題】  熱交換効率が向上した熱交換器を提供することである。【解決手段】  本発明の熱交換器２１０は、所定の間隔ｈで並んだ板状の複数のフィン２１２の間を流れる第１の流体と、複数のフィン２１２を通過した伝熱管２１４内を流れる第２の流体との間で熱を交換する熱交換器であって、フィン２１２の表面または伝熱管２１４の内壁の少なくとも一部にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする。【選択図】図５
2006132839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で並んだ板状の複数のフィンの間を流れる第１の流体と複数のフィンを通過した又は複数のフィンの側面と接触した伝熱管内を流れる第２の流体との間で複数のフィンを介して熱を交換する熱交換器であって、
フィンの表面または伝熱管の内壁の少なくとも一部にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
フィンの表面または伝熱管の内壁のナノポーラス層が形成されている位置が、層流の助走区間内の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
切起こしまたは乱流促進体の少なくとも一方が、フィンのナノポーラス層が形成された表面の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
切起こしが、層流の助走区間内に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
切起こしが第１の流体の主流方向に沿って複数あって、隣接する切起こしの間の距離が、層流の助走区間の距離より小さく設定されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項６】
フィンと伝熱管との間にナノポーラス充填物を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の熱交換器。
【請求項７】
所定の間隔で並んだ板状の複数のフィンの間を流れる第１の流体と複数のフィンを通過した伝熱管内を流れる第２の流体との間で複数のフィンを介して熱を交換する熱交換器の製造方法であって、
伝熱管を複数のフィンの伝熱管用穴を通過させた状態で拡管することによって複数のフィンに対して固定した後に、伝熱管の内壁にナノポーラス層を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項８】
所定の間隔で並んだ板状の複数のフィンの間を流れる第１の流体と複数のフィンを通過した伝熱管内を流れる第２の流体との間で複数のフィンを介して熱を交換する熱交換器の製造方法であって、
複数の各フィンに伝熱管用穴をプレス成形によって形成するプレス成形工程と、
複数のフィンを並べるフィン配置工程と、
複数のフィンの表面にナノポーラス層を形成するナノポーラス層形成工程と、
伝熱管を複数のフィンの伝熱管用穴を通過させた状態で固定する伝熱管固定工程とを有し、
ナノポーラス層形成工程が、プレス成形工程より後の工程であることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項９】
ナノポーラス層形成工程が、伝熱管固定工程より後の工程であることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１０】
ナノポーラス層が、ナノオーダの粒子を含有する溶液に浸漬させることによって形成されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一に記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、空調機には、所定の間隔で並んだ板状の複数のフィンと複数のフィンを通過した伝熱管とからなるクロスフィンチューブ型の熱交換器が使用されている。クロスフィンチューブ型熱交換器において、熱は、複数のフィンの間を流れる第１の流体と、伝熱管内を流れる第２の流体との間で交換される。クロスフィンチューブ型熱交換器の熱交換性を高める方法が多数提案されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
また、流体と接触して熱伝達する伝熱面に１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の孔（ナノオーダの大きさの孔）を有する多孔質層（以下、「ナノポーラス層」と称する。）を形成すると、伝熱面と流体の間の熱伝達性は、ナノポーラス層が存在しない場合に比べて向上することが報告されている（非特許文献１参照。）。
【特許文献１】昭６２ー２０６３８４号公報
【非特許文献１】功刀、芝原、他「ナノ・ミクロン−スケール多孔質構造による超高伝熱促進」，日本機械学会熱工学コンファレンス２００３講演論文集、ｐ３０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ナノポーラス層を形成した伝熱面と流体との熱伝達性の向上は流体が乱流状態である場合しか確認されておらず、ナノポーラス層について、熱伝達性の向上のメカニズムや熱伝熱性を向上させるための条件など未解明な部分が多い。そのため、実用において熱交換器の伝熱面であるフィン表面にナノポーラス層を形成する場合、ナノポーラス層の形成による熱伝達性の向上を可能とする熱交換器の構成や製造方法が明らかでない。
【０００５】
そこで、本発明は、ナノポーラス層の形成による熱伝達性の向上を可能とする構成を有することによって熱交換効率を向上させた熱交換器とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱交換器は、
所定の間隔で並んだ板状の複数のフィンの間を流れる第１の流体と複数のフィンを通過した又は複数のフィンの側面と接触した伝熱管内を流れる第２の流体との間で複数のフィンを介して熱を交換する熱交換器であって、
フィンの表面または伝熱管の内壁の少なくとも一部にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明よれば、ナノポーラス層の形成による熱伝達性の向上を可能とする構成が見出され、該構成を有することにより、熱交換効率が向上した熱交換器を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る熱交換器は、以下の実験に基づいて成されたものである。実験は、ナノポーラス層が熱伝達性を向上させるための条件（以下、「熱伝達性向上条件」と称する。）を見出すために実施される。以下、実験内容と実験結果、実験結果から見出された熱伝達性向上条件について説明する。
【０００９】
実験１．
実験１．
実験１では、完全に発達した層流の流体に対して熱を伝達する伝熱面にナノポーラス層を形成することによって生じる効果を検証した。効果は、伝熱面にナノポーラス層を形成した場合の熱伝達性と形成しない場合の熱伝達性とを比較することによって確認した。
【００１０】
ここで、「完全に発達した層流」という用語とこれに関連して本明細書において使用される用語について説明する。「完全に発達した層流」の用語を、層流の助走区間（助走距離）を用いて説明する。まず、「層流の助走区間」とは、流路において流体の主流方向と垂直な方向に関して均一な流速の流体が、一定の流速分布となる（流速分布が変化しなくなる）までに必要とする区間（距離）をいう。言い換えると、助走区間は、流路において流体の流れが一定の流速分布である領域（発達領域）以外の領域とみなすことができる。助走区間は、例えば、流体流路入口や後述の流速均一化手段が存在する位置から始まり、発達領域の上流側端で終わる。助走区間を過ぎた発達領域内の流体の流れは、完全に発達した層流境界層で実質的に覆われた流れとなり、それは完全に発達した層流と称される。
【００１１】
図１に、実験１に使用した実験装置を概略的に示す。図１（ａ）に示すように、実験装置１０は、概略、ｘ方向に伸びる流路１２を有する流管１４、流路１２を形成する流管１４の内壁面１６の一部であって流路１２を流れる流体に熱を伝達する伝熱面１８を有する熱伝導体ブロック２０、熱伝導体ブロック２０に熱を伝達するヒータ（発熱体）２２から構成される。流体として空気を使用した。また、図示されていないが、実験装置１０は、ヒータ２２が発した熱が熱伝導ブロック２０を介して伝熱面１８に可能な限り全て伝わるように、ヒータ２２や熱伝導体ブロック２０を覆う断熱材（図示せず）を有する。
【００１２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）においてＡ−Ａ方向から見た流管１４、伝熱面１８、熱伝導体ブロック２０、ヒータ２２の断面図である。図に示すように、流路１２は、辺長ａ（ｘ方向に垂直なｚ方向に関する長さ）、ｂ（ｘ、ｚ方向に垂直なｙ方向に関する長さ）の長方形状断面を有する。流路１２の相当直径ｄｅは、数１で示される。
【数１】
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【００１３】
流管１４の入口２４から流体が流入され、ヒータ２２から発生した熱は熱伝導体ブロック２０を伝導し、伝熱面１８を介して流路１２を流れる流体に伝達する。流体が主流方向と垂直な方向（図中、ｙ方向とｚ方向）に関して均一な流速Ｖ１［ｍ／ｓ］で入口２４から流路１２に流入するように、また、この流速Ｖ１［ｍ／ｓ］が変更できるように、実験装置１０は構成されている。空気の流速は、流量を流路の断面積で除算することで求めた。流量は、例えば、入口２４上流に設けたオリフェスの上流側と下流側の圧力を測定し、その圧力差から算出した。流速の変更は、例えば、流体流れを発生させるファンの回転数を変更することによって行った。流速Ｖ１は、流体が層流となる条件、数２の式で示される条件を維持しつつ変更した。
【数２】
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【００１４】
Ｒｅｃは臨界レイノルズ数、νは動粘性係数である。レイノルズ数は、流体の流れ状態を示す無次元数であって、流路を流れる流体の平均流速と流路の相当直径の積を流体の動粘性係数で除算することで求められる。臨界レイノルズ数Ｒｅｃは、流体の流れ状態が変わる境界を示すレイノルズ数であって、臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数の流体は層流状態で流れ、臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数の流体は乱流状態で流れる（なお、本明細書では、層流から乱流へと遷移する途中の流れである遷移流を、乱流に含まれるものとして扱う。）。流路形状（例えば、流路入口形状など）などによって異なるが、臨界レイノルズ数の値は約２０００〜２３００である。以下、本明細書では、臨界レイノルズ数Ｒｅｃを２０００として扱う。
【００１５】
実験装置１０は、流管１４の入口２４近傍で流体の温度（入口温度）Ｔ１ｉｎを測定するとともに、熱伝導体ブロック２０の伝熱面１８の温度Ｔ１ｍを測定するように構成されている。
【００１６】
流管１４の入口２４から伝熱面１８までの距離Ｘ１は、層流の助走距離ＸＬｅより長く設定されている。従って、伝熱面１８において、流体は完全に発達した層流であり、完全に発達した境界層が形成されている。層流の助走距離ＸＬｅは、数３の式で算出される（「伝熱工学資料改訂第４版」日本機械学会、ｐ５０参照。）。Ｒｅはレイノルズ数である。
【数３】
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【００１７】
距離Ｘ１は、流体の流速Ｖ１が数２の式を満たす範囲内で変更されても、層流の助走距離ＸＬｅより長いという関係が確実に維持されるように設定されている。すなわち、距離Ｘ１は、数３においてレイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズＲｅｃであるときの助走距離ＸＬｅ以上の長さに設定されている。実験装置１０において、例えば、流路１２の長方形状断面の寸法をａ＝１００ｍｍ、ｂ＝２ｍｍとすると、距離Ｘ１は、０．０５×２０００×３．９２＝３９２ｍｍ以上、例えば、５００ｍｍに設定される。
【００１８】
このような実験装置１０において、流速Ｖ１を変更し、変更される度に温度Ｔ１ｉｎとＴ１ｍとを測定し、温度Ｔ１ｉｎとＴ１ｍの測定結果から伝熱面（熱伝導体ブロック）１８と流体の間の熱抵抗Ｒを算出した。熱抵抗Ｒは、数４の式で求められる。Ｑはヒータから流体に伝達された熱量であり、例えば、ヒータの消費電力や流管の出口温度と入口温度とから（厳密には、流体の比熱、流量も用いて）求められる。この熱抵抗Ｒから伝熱面におけるヌセルト数Ｎｕを算出した。ヌセルト数Ｎｕは、熱伝達性の程度を示す無次元数である。
【数４】
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【００１９】
伝熱面１８にナノポーラス層を形成した場合と形成していない場合のヌセルト数Ｎｕを求めた。ナノポーラス層が伝熱面１８に形成された場合のヌセルト数Ｎｕと、ナノポーラス層が伝熱面１８に形成していない場合のヌセルト数Ｎｕとを比較すると、大きな違いはなかった。したがって、ナノポーラス層を伝熱面に形成しても、ナノポーラス層が形成された伝熱面が助走区間より下流側にある場合、言い換えると、ナノポーラス層が形成されている伝熱面で流体が完全に発達した層流である場合、流体に対して熱伝達性を向上する効果がないことが分かった。
【００２０】
実験２．
実験２では、助走区間内の層流（完全に発達していない層流）の流体に対して、または、乱流（臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数の流れ）の流体に対して熱を伝達する伝熱面にナノポーラス層を形成することによって生じる効果を検証した。効果は、伝熱面にナノポーラス層を形成した場合の熱伝達性と形成しない場合の熱伝達性とを比較することによって確認した。
【００２１】
図２に、実験２に使用した実験装置を概略的に示す。図２（ａ）に示すように、実験装置１１０は、メッシュ１２６を除いて実験１の実験装置１０と略同じ構成である。実験装置１０の構成要素とほぼ同じ構成要素には、実験装置１０の構成要素の符号の数字に１００を加えた数字の符号が付されている。同じ構成要素に関しては説明を省略し、以下、異なる部分を説明する。本実験においては、流体として水を使用した。
【００２２】
メッシュ１２６は、流管１１４の入口１２４近傍の流路１１２内に配置され、メッシュ１２６近傍の下流において主流方向と垂直な方向（図中、ｙ方向とｚ方向）に関して流速を均一にする流速均一化手段として機能している。流路１１２内で流速を均一にする理由は、高速の流体が入口１２４から流入した場合、入口１２４近傍における流体の流速分布は入口１２４の影響（入口形状などで決定される入口損失の影響）を大きく受けており、この影響を除去するために流路１１２内に流速均一化手段であるメッシュ１２６が設けられる。なお、実験１においても、流路内に流速均一化手段を設けてもよいが、実験１では入口から流入される流体が低速であるため、入口の影響は小さく、それは無視できる。本実験において、助走距離と比較すべき距離Ｘ２は、メッシュ１２６から伝熱面１１８までの距離で定義される。
【００２３】
メッシュ１２６から伝熱面１１８までの距離Ｘ２は、層流の助走距離より短く設定されている。従って、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合、伝熱面１１８において、流体は完全に発達した層流になっておらず、完全に発達した層流境界層より薄い厚さの層流境界層が形成されている。
【００２４】
実験装置１１０において、例えば、流路１１２の長方形状断面の寸法をａ＝５０ｍｍ、ｂ＝２ｍｍとすると、数３の式より、０．０５×２０００×３．８４＝３８４ｍｍ以下、例えば、８０ｍｍに設定される。
【００２５】
このような実験装置１１０において、実験１と同様に、流速Ｖ２を変更し、変更される度に温度Ｔ２ｉｎとＴ２ｍとを測定し、温度Ｔ２ｉｎとＴ２ｍの測定結果から伝熱面（熱伝導体ブロック）１１８と流体の間の熱抵抗を算出した。また、熱抵抗から伝熱面におけるヌセルト数Ｎｕを算出した。
【００２６】
実験結果を図３に示す。図３は、レイノルズ数Ｒｅとヌセルト数Ｎｕとの関係を示す図である。伝熱面にナノポーラス層が形成されている場合の実験結果を実線で示し、形成されていない場合の実験結果を点線で示している。Ｒｅｃは臨界レイノルズ数であり、層流と乱流との境界を示している。
【００２７】
図に示すように、ナノポーラス層が伝熱面に形成されている方が、形成されていない方に比べ、大きいヌセルト数を示した。言い換えると、ナノポーラス層が伝熱面に形成されることにより、流体と伝熱面との熱伝達性が向上した。また、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れていても熱伝達性の向上が見られた。すなわち、伝熱面において流体が完全に発達した層流でない場合、ナノポーラス層形成による熱伝達性の向上の効果が生じることが分かった。また、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合（乱流の場合）、レイノルズ数が大きくなればなるほど、ナノポーラス層形成による熱伝達性の向上の効果が大きく生じることが分かった。
【００２８】
実験３．
実験３は、実験２と同様の装置を用い、実験２より多くの熱量を伝熱面から流体に伝達する場合の伝熱面にナノポーラス層を形成することによって生じる効果を検証した。したがって、実験２と異なる点は、ヒータの熱出力が大きいことだけである。そのため、実験装置の図示や実験方法の説明は省略する。
【００２９】
実験結果を図４に示す。図４は、レイノルズ数Ｒｅとヌセルト数Ｎｕとの関係を示す図である。伝熱面にナノポーラス層が形成されている場合の実験結果を実線で示し、形成されていない場合の実験結果を点線で示している。
【００３０】
本実験では、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合、沸騰現象が生じた。沸騰現象が生じるような条件であっても、実験２と同様に、ナノポーラス層が伝熱面に形成されている方が、形成されていない方に比べ、高いヌセルト数を示した。
【００３１】
実験１〜実験３の実験結果より、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合は、ナノポーラス層が形成された伝熱面において流体が完全に発達した層流でない場合にナノポーラス層による熱伝達性の向上の効果が見られた。また、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合、非特許文献１に示すように、ナノポーラス層による熱伝達性の向上の効果が見られ、特に、レイノルズ数が大きくなるほどその効果も大きくなることが分かった。
【００３２】
発明者は、実験２〜３の実験結果から以下のように考察した。流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合、乱流境界層が形成される。乱流境界層はほとんど乱流状態の流れから構成されているが、その内部の壁面近傍では層流底層と呼ばれる層流状態の層が形成されている。層流底層δの厚さは、数５の式、層流底層δと相当半径（相当直径ｄｅの１／２）ｄｈとの比を求める式で算出される（甲藤好郎著「伝熱概論」養賢堂、ｐ１０４参照。）。
【数５】
2006132839.tif 000007
【００３３】
数５の式からも明らかなように、層流底層の厚さδは、レイノルズ数が大きくなればなるほど小さくなっていく。レイノルズ数が大きくなればナノポーラス層による熱伝達性向上の効果が大きくなることから、層流底層の厚さδが小さくなればなるほどナノポーラス層による熱伝達性向上の効果が大きくなると言える。そこで、発明者は、層流底層の厚さδを小さくすれば、ナノポーラス層による熱伝達性向上の効果をさらに発揮させることができると考えた。
【００３４】
まとめると、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる場合、ナノポーラス層が形成された伝熱面において、流体は完全に発達した層流でなければ、伝熱面と流体との熱伝達性が向上する。流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れる場合、層流底層の厚さを小さくすれば、さらに熱伝達性が向上する。これらのことが実験から導き出された。
【００３５】
以下、実験の結果に基づいた本発明に係る熱交換器を説明する。
【００３６】
実施の形態１．
実施の形態１の熱交換器は、臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる流体を冷却するクロスフィンチューブ型と呼ばれる熱交換器である。図５は、本発明に係る実施の形態１のクロスフィンチューブ型熱交換器を示す図である。クロスフィンチューブ型熱交換器（以下、熱交換器と省略する。）２１０は、所定の間隔ｈをあけて略平行に配置された板状の複数のフィン２１２と、複数のフィン２１２を通過し、冷媒流体が流れる複数の伝熱管２１４とを有する。複数のフィン２１２の間（流路）に流体が流れるように、熱交換器２１０は、フィン２１２と流体流れ２２０の主流方向が略平行になるように流体流れ２２０の進路上に配置される。以下、複数のフィンの間を流れる流体を第１の流体、伝熱管内を流れる流体を第２の流体と称する。
【００３７】
複数のフィン２１２それぞれは、複数の伝熱管２１４を通過させて保持する複数のフィンカラー２１６と、フィン２１２の表面に形成された切起こし２１８とを有する。フィン２１２の表面は流体流れ２２０と熱交換を行う伝熱面として機能し、ナノポーラス層が形成されている。
【００３８】
切起こし２１８は、切起こし２１８上流近傍のフィン２１２の表面上に形成される層流境界層の厚さを小さくするように機能する。切起こし２１８の機能を説明するために、流体流れ２２０の主流方向に沿ったフィン、厳密には、第１の流体の主流方向に沿って配置された複数の切起こし２１８を有するフィン２１２の概略的な断面図を図６に示す。また、図には、切起こし２１８の機能の理解を助けるために、参照として、切起こしがない場合のフィン２１２’の断面図も示している。フィン２１２と２１２’の主流方向長さは同じである。臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数の第１の流体がフィン２１２に沿って流れる。なお、図６において、流体流れ２２０の主流方向と第１の流体の主流方向が一致しているが、これに限定するわけでない。例えば、第１の流体が複雑な経路でフィン２１２間を流れる場合、流体流れ２２０の主流方向と第１の流体の主流方向は一致しない。複数の切起こしが第１の流体の主流方向に沿って形成されていることが前提である。
【００３９】
切起こし２１８は、第１の流体の主流方向と直交する方向に伸びる切り込みを２本入れ、２本の切り込みに挟まれるフィン２１８の部分をプレス成形によってフィン２１２の表面から押し出すことで形成される。
【００４０】
このような切起こしがないフィン２１２’の表面では、上流側端２２２’から距離Ｌ４より離れた位置から完全に発達した厚さＤｆを有する境界層２２４’が形成される。距離Ｌ４は、フィン２１２’の表面を流れる流体の流速に関するレイノルズ数から求まる層流の助走距離である（数３参照。）。フィン２１２’に沿って流れる第１の流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる場合、距離Ｌ４を超えて下流側端２２６’までの表面に形成されたナノポーラス層は、フィン２１２’と第１の流体との熱伝達性を向上させることができない。
【００４１】
複数の切起こし２１８が適切な位置にフィン２１２に形成されている場合、フィン２１２の表面に形成される境界層２２４の厚さは、完全に発達した境界層の厚さＤｆを超えて大きくなることがない。適切な位置とは、上流側端２２２と最上流側に形成された切起こし２１８ａの先端との距離Ｌ１、上流側切起こし２１８ａの後端と下流側切起こし２１８ｂの先端との距離Ｌ２、若しくは下流側端２２６と最下流側に形成された切起こし２１８ｂの後端との距離Ｌ３が、フィン２１２の表面を流れる流体の流速に関するレイノルズ数から求まる層流の助走距離より小さいことである。なお、切起こしが３つ以上ある場合は、隣接する切起こしの間の距離を、層流の助走距離より小さくする。
【００４２】
これにより、フィン２１２の表面に形成される境界層の完全な発達が防止され、フィン２１２に形成されたナノポーラス層全てが第１の流体とフィン２１２との熱伝達性の向上させる効果を発揮させることができる。
【００４３】
切起こし２１８に関する上述の説明はフィンの主流方向長さが層流の助走距離より長い例を挙げて説明しているが、切起こし２１８は、フィン２１２の主流方向長さｗが層流の助走距離より短い場合にも設けてもよい。
【００４４】
図７に、流体流れ２２０の流れ方向から見たフィン２１２と伝熱管２１４の部分断面図を示す。各フィン２１２のフィンカラー２１６は、伝熱管２１４を保持するとともに、隣のフィン２１２と当接してフィンの間の所定の間隔ｈを維持するためのものである。伝熱管２１４の内壁には、螺旋状の溝２２６が形成され、溝２２６の表面を含む内壁にナノポーラス層が形成されている。溝２２６は伝熱管２１４を流れる第２の流体２２４を乱流にするとともに、伝熱管２１４の内壁面の表面積を大きくする役割を果たす。これにより、ナノポーラス層による第２の流体２２４と伝熱管２１４との熱伝達性向上の効果が、溝がない場合に比べてより発揮される。
【００４５】
次に、熱交換器の製造方法の一例を説明する。説明される熱交換器の製造方法は、主にナノポーラス層の形成方法である。
【００４６】
本実施の形態の熱交換器作製工程において、まず、伝熱管やフィンが作製される。フィンのフィンカラーや切起こしは、プレスによって形成される。伝熱管やフィンが作製された後、各フィンのフィンカラーを隣接するフィンのフィンカラーに当接させることによって位置決めして複数のフィンを平行に並べ、各フィンのフィンカラーに伝熱管を通過させる。伝熱管が複数の各フィンのフィンカラーを通過している状態で、伝熱管内に拡管プラグ等の拡管治具を挿入して伝熱管を拡管する。これにより、伝熱管の外壁とフィンカラーが緊密に接触し、伝熱管が複数のフィンに固定され、熱交換器が組み上がる。
【００４７】
熱交換器に組み上がった状態で、ナノポーラス層がフィンの表面や伝熱管の内壁に形成される。ナノポーラス層は、ナノオーダ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）の粒子径を有する多数の粒子それぞれが結着して構成される。多数の粒子によって形成される間隙が孔（ナノポーラス）となる。
【００４８】
ナノポーラス層は、熱交換器をナノオーダ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）の粒子径を有する粒子を含有する溶液を貯える水槽に浸漬することによって、熱交換器の表面に形成される。使用される粒子には、例えば、平均粒径が２０ｎｍ程度のフュームドシリカなどがある。溶液の溶媒として、有機溶剤や水が使用される。他の粒子や溶液であっても構わない。
【００４９】
また、複雑な形状の熱交換器内に溶液を浸透させるために、溶液の流動性を調整する必要がある。流動性を向上させるために、溶液に含まれる粒子の量を、例えば、０．５重量％〜４０重量％の範囲内にしてもよい。また、増粘剤や界面活性剤を用いてもよい。さらに、熱交換器の内部において、溶媒の蒸発を促進するために蒸発速度調整剤を用いてもよい。
【００５０】
さらに、粒子同士の結着させる結着剤を加えるのが好ましい。結着剤としては、アルキルシリケートなどがある。アルキルシリケートを用いる場合、硬化触媒として、微量の酸（例えば、塩酸など）を添加すれば、硬化時間を短縮できる。しかしながら、結着剤が多すぎると多数の粒子によって形成される間隙が結着剤によって塞がることがあるため、結着剤は粒子の５０重量％以下であるのが好ましい。
【００５１】
熱交換器を溶液に浸漬させ、熱交換器内に溶液が浸透するように、溶液を攪拌するまたは減圧する。これにより、熱交換器内に気泡が残らないようにすることができる。
【００５２】
熱交換器内まで十分に溶液が浸透した後、熱交換器を水槽から引き上げ、余分な溶液を、例えば、エアブローなどで除去する。
【００５３】
次に、熱交換器を乾燥させる。ナノポーラス層の形成に反応性物質（アルキルシリケートなど）が使用されている場合には、反応を促進するために、加熱による乾燥が好ましい。
【００５４】
このようにして、ナノポーラス層が熱交換器の表面、特に、フィンの表面や伝熱管の内壁面に確実に形成される。これにより、フィンと第１の流体との熱伝達性と、第２の流体と伝熱管との熱伝達性の向上の効果が生じる。
【００５５】
ナノポーラス層の形成方法としては、上述の溶液を熱交換器に噴霧するまたは塗布する方法や、化学的エッチングなど、浸漬以外の方法でも可能である。しかしながら、本実施の形態では、フィンと第１の流体との熱伝達性と、第２の流体と伝熱管との熱伝達性の向上の効果以外の効果を得るために、ナノポーラス層形成方法として浸漬の方法を選ぶとともに、上述の熱交換器作製工程を選んでいる。
【００５６】
具体的には、複数のフィンと伝熱管との間をナノポーラスを有する物体で充填できることである。以下、物体をナノポーラス充填物と称する。例えば、図７に示すように、複数のフィン２１２と伝熱管２１４との間には、空間２２８が形成されている。これは、フィン２１２のフィンカラー２１６がプレスによって形成され、フィン２１２の表面とフィンカラー２１６の境界部分がラッパ形状となり、この境界部分が伝熱管２１４と接触できないことによる。この空間２２８をナノポーラス充填物で充填する。
【００５７】
空間２２８をナノポーラス充填物で充填することによる効果は、フィン２１２と伝熱管２１４との熱抵抗を小さくできることである。フィン２１２と伝熱管２１４との接触面積が小さいために熱抵抗は大きい。空間２２８をナノポーラス充填物で充填することにより、ナノポーラス充填物を介してフィン２１２と伝熱管２１４との間で熱伝達を行う。これにより、フィン２１２と伝熱管２１４の熱抵抗を小さくすることができる。
【００５８】
本実施形態の熱交換器において、複数のフィン間に流入した第１の流体は、切起こし２１８によって完全に発達した層流となることなく複数のフィン間を流れる。その間に、第１の流体の温度が第２の流体の温度よりも高い場合、第１の流体の熱が、フィンの表面に形成されたナノポーラス層によって高い熱伝達効率でフィン２１２に伝達される。次に、熱は、フィン２１２内を伝導してフィンカラー２１６に達し、そこから伝熱管２１４に伝達される。この際、フィン２１２と伝熱管２１４の熱抵抗がナノポーラス充填物によって小さくされているため、フィン２１２から伝熱管２１４に多くの熱が伝わる。伝熱管２１４に伝わった熱は、ナノポーラス層が形成された内壁面を介して高い熱伝達効率で第２の流体に伝達される。
【００５９】
本実施形態によれば、層流の流体を効率よく冷却することができる。
【００６０】
実施の形態２．
本実施の形態の熱交換器は、実施の形態１が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる第１の流体を冷却するためのものであるのに対し、臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れる第１の流体に対応するものである。熱交換器の構成は、実施の形態１の熱交換器と略同じであるため、同じ構成要素は、説明を省略し、実施の形態１の構成要素の符号の数字に１００を加算した数字の符号で示している。
【００６１】
図７に、本実施の形態のクロスフィンチューブ型熱交換器を示す。実施の形態１の熱交換器と略同じであるが、複数のフィン３１２間を流れる第１の流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れることと、切起こしではなく乱流促進体３３０がフィン３１２の表面に形成されている点で異なる。
【００６２】
乱流促進体３３０は、その近傍において第１の流体の乱流状態を促進するものであり、渦が発生する場合もある。乱流促進体３３０は、図に示すような形状（フィン３１２の表面にＶ字の切り込みを入れ、Ｖ字で挟まれる部分を起こすことによって形成される形）以外でもよい。
【００６３】
乱流促進体３３０の代わりに、渦が発生せず、乱流促進体３３０近傍で層流底層が薄くするような形状（例えば、フィン３１２の表面と平行な面を有する形状）の隆起物をフィン３１２の表面に形成すればよい。例えば、トリッピングワイヤなどを貼り付けるだけでも乱流を促進させる効果がある。
【００６４】
本実施形態の熱交換器において、第１の流体は、乱流促進体３３０によって乱流状態を促進されて複数のフィン間を流れる。その間に、第１の流体の熱が、フィンの表面に形成されたナノポーラス層によって高い熱伝達効率でフィン３１２に伝達される。次に、熱は、フィン３１２内を伝導してフィンカラー３１６に達し、そこから伝熱管３１４に伝達される。この際、フィン３１２と伝熱管３１４の間の熱抵抗がナノポーラス充填物によって小さくされているため、フィン３１２から伝熱管３１４に多くの熱が伝わる。伝熱管３１４に伝わった熱は、ナノポーラス層が形成された内壁面を介して高い熱伝達効率で第２の流体に伝達される。
【００６５】
本実施形態よれば、乱流の流体を効率よく冷却することができる。
【００６６】
以上、２つの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの２つの実施の形態に限定したものではない。例えば、以下のような実施の形態も考えられる。
【００６７】
実施の形態１の変形例であるが、完全に発達した層流境界層の形成を防止する切起こしの代わりに、乱流促進体を設けて乱流状態を促進する（渦を発生させる）してもよい。乱流促進体近傍において、層流が乱されて乱流となり、そこでナノポーラス層による熱伝達性の向上の効果がさらに発揮される。しかしながら、乱流促進体によって発生した渦による圧力損失を考慮する必要がある。
【００６８】
また、ナノポーラス層（ナノポーラス充填物）は、フィンの表面、伝熱間の内壁面、複数のフィンと伝熱管との間すべてに形成する必要はなく、フィンの表面または伝熱管内壁面少なくとも一方でもよい。このような場合でも、ナノポーラス層による熱伝達性向上の効果を得ることができる。フィンの表面または伝熱管の内壁面に浸漬以外の方法（例えば、塗布）でナノポーラス層を形成してもよい。しかしながら、フィンの表面にナノポーラス層を形成するナノポーラス層形成工程は、フィン表面にフィンカラーや切起こしまたは乱流促進体をプレス成形するプレス成形工程より後がよい。ナノポーラス層が形成された後にプレス形成されると、ナノポーラス層のナノポーラスが潰れて塞がれることがある。同様の理由で、伝熱管も、拡管治具を用いて拡管されて複数のフィンに固定する伝熱管固定工程より後に、その内壁にナノポーラス層が形成されるのが好ましい。
【００６９】
フィンカラーの代わりに、伝熱管は、伝熱管用穴に固定されてもよい。伝熱管用穴は、フィンカラーのように位置決めする機能は有さないが、簡単に形成することができる。伝熱管用穴の場合、フィン配置工程において、伝熱管用穴の中心が略同一直線上に配置されるように複数のフィンを並べる必要がある。
【００７０】
伝熱管の内壁面に螺旋形状以外の溝を形成してもよく、また、溝自体がなくてもよい。螺旋形状溝は第２の流体の乱流を促進するためのものであって、第２の流体が十分に高い流速である場合（臨界レイノルズ数より大きいレイノルズ数で流れる場合）は必ずしも必要ではない。
【００７１】
本明細書ではクロスフィンチューブ型熱交換器について説明しているが、本発明は、所定の間隔をあけて略平行に配置された板状の複数のフィンの側面（主面と異なる面）に伝熱管が接触しているような熱交換器にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実験１の実験装置の概略図である。
【図２】実験２及び３の実験装置の概略図である。
【図３】実験２の結果を示す図である。
【図４】実験３の結果を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の熱交換器の概略図である。
【図６】切起こしによる効果を説明するための図である。
【図７】本発明に係る実施の形態１の熱交換器の伝熱管とフィンとの部分断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態２の熱交換器の概略図である。
【符号の説明】
【００７３】
２１０  熱交換器、  ２１２  フィン、  ２１４  伝熱管、  ２２０  流体
【図１】
2006132839.tif 000008
【図２】
2006132839.tif 000009
【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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