(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間して並列された偏平チューブの間に介装される、または偏平チューブの内部に設置される熱交換器用コルゲートフィンにおいて、  そのフィンの材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であり、  そのフィンの板厚が、０．０６〜０．１６ｍｍであって、フィンの長手方向に波形に曲折された頂部と谷部との間に、立上げ部と立ち下げ部との各壁面（３）を有し、  その各壁面（３）に、フィンの幅方向に対する傾斜角度が１０度〜６０度となる同一方向の凸条（４）と凹条（５）とが交互に並列してなり、  その凹凸の高さ（凹部の谷から凸部の頂までの、板厚を含む外寸）をＷｈ［ｍｍ］とし、  凹凸のピッチ（ある凸条から隣の凸条までの周期）をＷｐ［ｍｍ］とし、  コルゲートフィンのピッチをＰｆ［ｍｍ］とし、  フィンの板厚をＴｆ［ｍｍ］としたとき、  下記条件を満たし、フィンの幅方向に気体が流通する熱交換器用コルゲートフィン。  Ｗｈ≦０．３６７４・Ｗｐ＋１．８９３・Ｔｆ−０．１５８４      ［式１］  ０．０８８＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．３４２                  ［式２］  ａ・Ｗｐ２＋ｂ・Ｗｐ＋ｃ＜Ｗｈ                                ［式３］  但し、  ａ＝０．００４・Ｐｆ２−０．０６９６・Ｐｆ＋０．３６４２  ｂ＝−０．００３６・Ｐｆ２＋０．０６２５・Ｐｆ−０．５７５２  ｃ＝０．０００７・Ｐｆ２＋０．１０４１・Ｐｆ＋０．２３３３
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器用コルゲートフィンにおいて、  下記条件を満たし、フィンの幅方向に気体が流通する熱交換器用コルゲートフィン。  ０．１００＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．３２０                  ［式４］  ａ’・Ｗｐ２＋ｂ’・Ｗｐ＋ｃ’＜Ｗｈ                          ［式５］  但し、  ａ’＝０．００４・Ｐｆ２−０．０６９４・Ｐｆ＋０．３６３５  ｂ’＝−０．００３５・Ｐｆ２＋０．０６１９・Ｐｆ−０．５５６４  ｃ’＝０．０００７・Ｐｆ２＋０．１１１４・Ｐｆ＋０．２３０４
【請求項３】
請求項１に記載の熱交換器用コルゲートフィンにおいて、  下記条件を満たし、フィンの幅方向に気体が流通する熱交換器用コルゲートフィン。  ０．１１８＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．２９０                  ［式６］  ａ”・Ｗｐ２＋ｂ”・Ｗｐ＋ｃ”＜Ｗｈ                          ［式７］  但し、  ａ”＝０．００４３・Ｐｆ２−０．０７５１・Ｐｆ＋０．３９５２  ｂ”＝−０．００３８・Ｐｆ２＋０．０６１３・Ｐｆ−０．６０１９  ｃ”＝０．００１７・Ｐｆ２＋０．１３５１・Ｐｆ＋０．２２８９
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、偏平チューブ間に介装される、または偏平チューブ内部に設置される熱交換器用コルゲートフィンであって、その立ち上がり壁面及び立下がり壁面に凸条と凹条とを交互に配置したものに関する。
【背景技術】
【０００２】  目詰まりがしにくく、塵埃等の粒子状物資を多く含む気体にも適用可能な熱交換器用コルゲートフィンとして、例えば、下記特許文献１に記載のフィンが知られおり、建設機械の熱交換器や排気熱交換器において使用されている。  特許文献１に記載の発明は、図１６、図１７に示す如く、矩形波状のコルゲートフィンであって、その波の頂部および谷部が長手方向に蛇行したものである（以下従来型コルゲートフィンという）。特許文献１に記載のフィンは、チューブ内に設置されるインナーフィンとして用いられるものであり、内部を流通する気体を上流側から下流側に蛇行させ、気体を撹拌して壁面に生じる境界層を可及的に少なくしようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７８１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  特許文献１に記載の従来型コルゲートフィンには境界層の発達を抑制する効果があるが十分ではなかった。また、ウェーブ加工に伴うフィン高さ方向の歪み等、製作性に難があった。  それゆえ、さらに伝熱性能が高く、かつ製作性の高いコルゲートフィンが求められていた。  そこで、本発明者らは各種実験及び流体解析の結果、上記特許文献１のコルゲートフィンよりも伝熱性能が高く且つ、製作し易い、フィンの仕様を見出した。  即ち、コルゲートフィンの立ち上がり面及び立下がり面となる壁面に、凸条と凹条とを交互に繰り返し形成するとき、その板厚と凹凸のピッチと凹凸の高さ並びにコルゲートフィンのピッチを一定の範囲に特定することにより、上記特許文献１に記載のフィンよりも伝熱性能が高く製造が容易なコルゲートフィンを開発した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  請求項１に記載の本発明は、互いに離間して並列された偏平チューブの間に介装される、または偏平チューブの内部に設置される熱交換器用コルゲートフィンにおいて、  そのフィンの材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であり、  そのフィンの板厚が、０．０６〜０．１６ｍｍであって、フィンの長手方向に波形に曲折された頂部と谷部との間に、立上げ部と立ち下げ部との各壁面（３）を有し、  その各壁面（３）に、フィンの幅方向に対する傾斜角度が１０度〜６０度となる同一方向の凸条（４）と凹条（５）とが交互に並列してなり、  その凹凸の高さ（凹部の谷から凸部の頂までの、板厚を含む外寸）をＷｈ［ｍｍ］とし、  凹凸のピッチ（ある凸条から隣の凸条までの周期）をＷｐ［ｍｍ］とし、  コルゲートフィンのピッチをＰｆ［ｍｍ］とし、  フィンの板厚をＴｆ［ｍｍ］としたとき、  下記条件を満たし、フィンの幅方向に気体が流通する熱交換器用コルゲートフィンである。  Ｗｈ≦０．３６７４・Ｗｐ＋１．８９３・Ｔｆ−０．１５８４      ［式１］  ０．０８８＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．３４２                  ［式２］  ａ・Ｗｐ２＋ｂ・Ｗｐ＋ｃ＜Ｗｈ                                ［式３］  但し、  ａ＝０．００４・Ｐｆ２−０．０６９６・Ｐｆ＋０．３６４２  ｂ＝−０．００３６・Ｐｆ２＋０．０６２５・Ｐｆ−０．５７５２  ｃ＝０．０００７・Ｐｆ２＋０．１０４１・Ｐｆ＋０．２３３３  請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器用コルゲートフィンにおいて、  下記条件を満たし、フィンの幅方向に気体が流通する熱交換器用コルゲートフィンである。  ０．１００＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．３２０                  ［式４］  ａ’・Ｗｐ２＋ｂ’・Ｗｐ＋ｃ’＜Ｗｈ                          ［式５］  但し、  ａ’＝−０．００４・Ｐｆ２−０．０６９４・Ｐｆ＋０．３６３５  ｂ’＝−０．００３５・Ｐｆ２＋０．０６１９・Ｐｆ−０．５５６４  ｃ’＝０．０００７・Ｐｆ２＋０．１１１４・Ｐｆ＋０．２３０４  請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器用コルゲートフィンにおいて、  下記条件を満たし、フィンの幅方向に気体が流通する熱交換器用コルゲートフィンである。  ０．１１８＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．２９０                  ［式６］  ａ”・Ｗｐ２＋ｂ”・Ｗｐ＋ｃ”＜Ｗｈ                          ［式７］  但し、  ａ”＝０．００４３・Ｐｆ２−０．０７５１・Ｐｆ＋０．３９５２  ｂ”＝−０．００３８・Ｐｆ２＋０．０６１３・Ｐｆ−０．６０１９  ｃ”＝０．００１７・Ｐｆ２＋０．１３５１・Ｐｆ＋０．２２８９
【発明の効果】
【０００６】  本発明のコルゲートフィンは、ロール加工等の汎用の製法によって製作可能であり、その仕様が請求項１の［式１］〜［式３］を満たすようにすることにより、偏平チューブとフィンの立上げ壁、立ち下げ壁とで囲まれたセルの領域において、そこを通過する空気等の気体の流れを、気体の流通方向に進行する二つの旋回流として、図２に示す如く形成し、それによりセル内の中央部分の流体を効率良くフィンに導くことによって、従来型コルゲートフィンに比べて放熱性を向上させ且つ、加工の容易なコルゲートフィンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】  図１は本発明の熱交換器用フィンの要部正面図。  図２は同フィンの作用を示す説明図。  図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視略図。  図４は図１，図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面略図。  図５は同コルゲートフィンを用いた熱交換器の正面図。  図６は図５のＶＩ−ＶＩ矢視略図。  図７は同コルゲートフィンの展開状態を示す平面図。  図８は同コルゲートフィンを用いた熱交換器の要部斜視略図。  図９は同コルゲートフィンを製作する際のフィン板厚毎の加工限界を示すものであって、横軸に凹凸のピッチＷｐをとり、縦軸にその凹凸の高さＷｈをとったもの。  図１０は同コルゲートフィンにおける、圧力損失による流量減少を考慮した熱交換量（以下、ファンマッチング放熱量という。）の比（従来型コルゲートフィンの場合を１００％とした。）を縦軸にとり、横軸に（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆをとったもの。  図１１は従来型コルゲートフィンに比較してファンマッチング放熱量の向上する範囲を表した曲線であって、コルゲートフィンのピッチＰｆ＝３ｍｍの場合であり、横軸に凹凸のピッチＷｐ、縦軸に凹凸の高さＷｈをとったもの。  図１２は同コルゲートフィンのピッチＰｆが６ｍｍの場合の曲線。  図１３は同コルゲートフィンのピッチＰｆが９ｍｍの場合の曲線。  図１４は本発明のコルゲートフィンを用いた熱交換器のフィンの各セル内（フィンの壁面と一対の偏平チューブ間）の速度分布を示し、断面Ａから順に下流側に移動した各断面を示し、そのフィンの各セル内の流体の流れを順に表したもの。  図１５は従来型コルゲートフィンにおいて、図１４同様に各セル内の流体の流れ（断面内の流速分布）を順に表したもの。  図１６は従来型コルゲートフィンの要部斜視図。  図１７は同フィンの頂部平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】  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５は本発明のコルゲートフィンを用いた熱交換器の一例であり、図６は図５のＶＩ−ＶＩ矢視断面略図である。  この熱交換器は、並列された多数の偏平チューブ１間にコルゲートフィン２が配置され、それらの接触部間が一体にろう付け固定されてコア１１を形成する。そして、各偏平チューブ１の上下両端部がヘッダープレート１０を介してタンク１２内に連通する。  このコルゲートフィン２は、図１〜図４に示す如く、アルミニウム製（アルミニウム合金、例えば、Ａｌ−Ｍｎ系合金（ＪＩＳ  ３０００系など）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ７０００系など）を含む）金属板が波形に曲折されたものであり、その曲折の頂部８及び谷部９（図７）が偏平チューブ１に接触されている。そして頂部８と谷部９の間に立ち上がり及び立ち下がりの各壁面３が形成され、その壁面３に凸条４と凹条５とが交互に配置されたものである。その凸条４，凹条５は、図３に示す如く、互いに平行に、かつフィンの幅方向に対して斜めに傾斜してなる。本発明において、その傾斜角度は、１０度〜６０度に設定される。  このような多数の凸条４，凹条５を有する壁面３と頂部８及び谷部９とは、成形の際に一体に形成されるが、それを敢えて展開図で示すと図７の如く表現できる。  即ち、コルゲートフィン２は頂部８と谷部９がフィンの長手方向に離間して交互に形成され、それらの間に壁面３が存在する。フィンの成形時に対向する各壁面３には頂部８に対して左右対称の直線状の凸条４と凹条５とが斜めに形成されている。図３はその部分拡大図であり、凸条４を鎖線で凹条５を点線で表現している。  なお、凸条４，凹条５は同図に示す如く、コルゲートフィン２の先端には形成されず、そこに平坦部６が設けられている。（コルゲートフィンの特徴）  本発明の特徴は、図１における、凹凸の高さＷｈ、コルゲートフィンのピッチＰｆ、およびフィンの板厚Ｔｆ、並びに、図３における凹凸のピッチＷｐを特定の関係にした点にある。これらの各諸元の決定は、次の実験及び流体の流れ解析及びアルミニウム製フィンの加工限度から求められたものである。以下順に説明する。  圧力損失の増加による流量低下の影響が支配的にならない範囲においては、フィンの凹凸の高さＷｈが大きいほど、伝熱性能は高くなるが、凹凸の高さＷｈは、フィンの加工限界によっても制限される。  図９はフィンの曲折加工の限度における、壁面の凹凸のピッチＷｐと、凹凸の高さＷｈとの関係を、各板厚毎に求めたものである。板厚０．０６ｍｍのアルミニウム製フィンの加工限度は（▲）でプロットされており、凹凸のピッチＷｐが１．５ｍｍのとき、凹凸の高さＷｈは０．５ｍｍが上限である。  同様に、Ｗｐが２．０ｍｍのときは、高さＷｈは０．７ｍｍが上限である。さらに２．５ｍｍにおいては、０．８７ｍｍ程度が上限である。  同様に、板厚０．１ｍｍの場合の加工限度が（■）で、板厚０．１６ｍｍの場合の加工限度が（◆）で、それぞれプロットされている。  この図９に図示された加工限度を数式として表したものが、［式１］である。  ［式１］  Ｗｈ≦０．３６７４・Ｗｐ＋１．８９３・Ｔｆ−０．１５８４  次に、図１０は本発明のファ��マッチング放熱量が、従来型コルゲートフィンに対して、どの程度優れているか、実験的に求め、その放熱量比Ｑｆ（従来型コルゲートフィンの場合を１００％とした。）をプロットしたものである。  これから次のことが明らかとなった。  本発明のフィンのファンマッチング放熱量比には極大値があり、その値は従来型コルゲートフィンに対して約１２０％である。  なお、極大値が存在する理由は、（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの増加に伴い、ある程度までは、旋回流の生成による伝熱促進効果が増加するが、さらに増加すると圧力損失の増大による流量減少の影響が支配的になり、伝熱量が低下するからである。  この図１０に図示されている、ファンマッチング放熱量比が１００％より大きくなる（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの範囲を数式で表したものが［式２］である。  ［式２］  ０．０８８＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．３４２  次に、図１１は、一例として、コルゲートフィンのピッチＰｆが３．０ｍｍの場合において、本発明のフィンが加工可能で、かつ、そのファンマッチング放熱量比が、従来型コルゲートフィンに比して、１００％より大きくなる範囲が図示されたものである。  図１１において、曲線Ａはファンマッチング放熱量比が１００％より大きくなる凹凸の高さＷｈの下限（［式３］参照）である。  ［式３］  ａ・Ｗｐ２＋ｂ・Ｗｐ＋ｃ＜Ｗｈ  但し、  ａ＝０．００４・Ｐｆ２−０．０６９６・Ｐｆ＋０．３６４２  ｂ＝−０．００３６・Ｐｆ２＋０．０６２５・Ｐｆ−０．５７５２  ｃ＝０．０００７・Ｐｆ２＋０．１０４１・Ｐｆ＋０．２３３３  直線Ｂはフィンの板厚Ｔｆが０．０６ｍｍの場合の加工上限（［式１］参照）であり、直線Ｃはフィンの板厚Ｔｆが０．１６ｍｍの場合の加工上限（［式１］参照）である。  直線Ｄは、加工上限を考慮した上で、ファンマッチング放熱量比が１００％より大きくなる（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの下限を表しており、［式１］におけるＷｈの上限（Ｗｈ＝０．３６７４・Ｗｐ＋１．８９３・Ｔｆ−０．１５８４）と［式２］における（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの下限（０．０８８＝（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ）とを連立させ、Ｔｆを消去したものである。  同様に、直線Ｅは、加工上限を考慮した上で、ファンマッチング放熱量比が１００％より大きくなる（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの上限を表しており、［式１］におけるＷｈの上限と［式２］における（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの上限（０．３４２＝（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ）とを連立させ、Ｔｆを消去したものである。  つまり、フィンの板厚Ｔｆが０．０６ｍｍの場合は、曲線Ａと直線Ｂとで囲まれた範囲において、フィンの加工が可能で、かつ、そのファンマッチング放熱量比が、従来型コルゲートフィンに比して、１００％より大きくなる。  また、フィンの板厚Ｔｆが０．１６ｍｍの場合は、曲線Ａ、直線Ｃ、直線Ｄおよび直線Ｅとで囲まれた範囲において、フィンの加工が可能で、かつ、そのファンマッチング放熱量比が、従来型コルゲートフィンに比して、１００％より大きくなる。  次に、図１２および図１３は、他の例として、コルゲートフィンのピッチＰｆが、それぞれ６．０ｍｍ、９．０ｍｍの場合において、同様に、本発明のフィンが加工可能で、かつ、そのファンマッチング放熱量比が、従来型コルゲートフィ���に比して、１００％より大きくなる範囲が図示されたものである。  また、ファンマッチング放熱量比が１０５％より大きくなる（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの範囲を数式で表したものが［式４］であり、その場合の凹凸の高さＷｈの下限を表したものが［式５］である。  ［式４］  ０．１００＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．３２０  ［式５］  ａ’・Ｗｐ２＋ｂ’・Ｗｐ＋ｃ’＜Ｗｈ  但し、  ａ’＝０．００４・Ｐｆ２−０．０６９４・Ｐｆ＋０．３６３５  ｂ’＝−０．００３５・Ｐｆ２＋０．０６１９・Ｐｆ−０．５５６４  ｃ’＝０．０００７・Ｐｆ２＋０．１１１４・Ｐｆ＋０．２３０４  さらに、ファンマッチング放熱量比が１１０％より大きくなる（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆの範囲を数式で表したものが［式６］であり、その場合の凹凸の高さＷｈの下限を表したものが［式７］である。  ［式６］  ０．１１８＜（Ｗｈ−Ｔｆ）／Ｐｆ＜０．２９０  ［式７］  ａ”・Ｗｐ２＋ｂ”・Ｗｐ＋ｃ”＜Ｗｈ  但し、  ａ”＝０．００４３・Ｐｆ２−０．０７５１・Ｐｆ＋０．３９５２  ｂ”＝−０．００３８・Ｐｆ２＋０．０６１３・Ｐｆ−０．６０１９  ｃ”＝０．００１７・Ｐｆ２＋０．１３５１・Ｐｆ＋０．２２８９  次に、図１４は偏平チューブ間に本発明のコルゲートフィンを介装し、そのフィンの壁面と対向するチューブとの間に形成されるセグメント内に気体を流通させたとき、フィン内の流体の流れを上流側から下流側に断面Ａから断面Ｄとして順に記載したものである。  この例ではフィンの凹凸が下流側に行くに従って中心から図の右方にｈ１，ｈ２，ｈ３と移動する。それに伴い、凹凸の間の流体が図の右方に導かれ、右側のチューブ面によって、対向するフィンに向かって偏向され、対向するフィンからの流れとともに左方に流れ、左側のチューブ面にて元のフィンに向かって偏向される。  このようにして、旋回流が生じ、フィンから離れた部分の流体も順次、フィンに近づき熱伝達することにより、従来型コルゲートフィンに対して伝熱性能が向上する。  なお、図２に例示されている本発明のコルゲートフィンにおいても同様の旋回流が生じている。  一方、図１５は、図１７の従来型コルゲートフィンの各断面における流れを図示したものであるが、ここには前述のような旋回流は生じていない。（本発明の適用範囲）  このコルゲートフィンは、ラジエータ、コンデンサー、ＥＧＲクーラ等の各種の熱交換器に適用でき、また、そのコルゲートフィンに流通する気体を加熱する場合にも冷却する場合にも適用できる。また、コルゲートフィンの全体的なコルゲート波形の形状は、矩形波状、正弦波状、台形波状のいずれでもよい。また、コルゲートフィンの頂部、谷部以外のフィンの壁面に形成される凸条、凹条は、その横断面が正弦波、三角波、台形波、曲線状、それらの組み合わせのいずれであってもよい。
【符号の説明】
【０００９】  １  偏平チューブ  ２  コルゲートフィン  ３  壁面  ４  凸条  ５  凹条  ６  平坦部  ７  ろう付け部  ８  頂部  ９  谷部  １０  ヘッダープレート  １１  コア  １２  タンク  １３  ウェーブ型フィン  １４  偏平チューブ  Ｗｈ  凹凸の高さ  Ｗｐ  凹凸のピッチ  Ｐｆ  コルゲートフィンのピッチ  Ｔｆ  フィンの板厚  Ｑｆ  ファンマッチング放熱量比
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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