(57)【要約】【課題】流体の不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失の増大を抑制できる熱交換器を提供する。【解決手段】本発明の熱交換器Ｔは、流路４が、一端部に流体の流入口１５と他端部に流体の流出口１５を有する扁平容器１、２と、扁平容器１、２内に設けられたオフセット型のフィン５から構成されるもので、流入口１５から流出口１６に向かう流体の流れ方向に対してプレートフィン５が直交するフィン直交領域Ｈと、流入口１５から流出口１６に向かう流体の流れ方向に対してプレートフィン５が平行となるフィン平行領域Ｖとを備えて構成され、フィン直交領域Ｈが流入口１５と流出口１６側に設けられ、各フィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖが設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体の流路と第２流体の流路を有して両流体間で熱交換を行わせるものであって、前記流路が、一端部に流体の流入口と他端部に流体の流出口を有する扁平容器と、該扁平容器内に設けられたフィンから構成される熱交換器において、
前記流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対して前記フィンが直交するフィン直交領域と、前記流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対して前記フィンが平行となるフィン平行領域とを備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記フィン直交領域が前記流入口と流出口側に設けられ、各フィン直交領域間に前記フィン平行領域が設けられてい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】
前記フィンは、矩形波状を呈するオフセット型のフィンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１流体、若しくは、第２流体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対する前記フィン直交領域の比率を増加させていったときに、前記積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、前記フィン直交領域の比率を零より大きく前記最大値以下の範囲内で設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の熱交換器の製造方法。
【請求項６】
前記扁平容器と前記フィンとを別々に形成し、形成された当該フィンを前記扁平容器内に収容することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか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、第１流体と第２流体間で熱交換を行わせる熱交換器とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種熱交換器、例えば、オフセット型のフィンを備えた熱交換器は、複数の扁平容器と、この扁平容器内の長手方向一端部に形成された流入口と他端部に形成された流出口との間に設けられたオフセット型のフィンから構成されている。当該扁平容器内には一端部の流入口から入り、上記フィン間を経て他端部に向かい、流出口から出る流体の流路が形成されている。
【０００３】
上記フィンは、断面台形の凸条の両側壁にその肩部から底板部にかけて一対の切り込みを一定の間隔で入れ、同部分を内側に折り曲げることにより形成されて、係るオフセット形状を呈している。そして、通常上記扁平容器を複数積層し、各扁平容器内に形成された流路内に交互に第１流体と第２流体として流して、両流体間で熱交換可能な構成とされていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１４９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記フィンは、当該流路を流れる各流体の流れに対して、フィンが直交、若しくは、平行の何れか一方の向きとなるように偏平容器内に配置されているが、フィンを流体の流れに対して直交するよう配置した場合、流体と当該フィンとが衝突する面積が多いため、流体がフィンにより流路全体に分散され易く、流路全体に均一に流体を流すことが可能となるが、圧力損失が著しく増大するという問題が生じていた。
【０００５】
一方、フィンを流体の流れに対して平行となるよう配置した場合、流体とフィンとの衝突する面積が少ないため、圧力損失は小さいが、流体が流路全体に分散され難いため、流体を流路全体に均一に流すことができず、熱交換器としての性能が著しく低下してしまう。
【０００６】
本発明は、係る従来の課題を解決するためになされたものであり、流体の不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失の増大を抑制できる熱交換器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】
【０００７】
本発明の熱交換器は、第１流体の流路と第２流体の流路を有して両流体間で熱交換を行わせるものであって、流路が、一端部に流体の流入口と他端部に流体の流出口を有する扁平容器と、この扁平容器内に設けられたフィンから構成されるもので、流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対してフィンが直交するフィン直交領域と、流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対してフィンが平行となるフィン平行領域とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明の熱交換器は、請求項１に記載の発明においてフィン直交領域が流入口と流出口側に設けられ、各フィン直交領域間にフィン平行領域が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明の熱交換器は、請求項１又は請求項２に記載の発明においてフィンは、矩形波状を呈するオフセット型のフィンであることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明の熱交換器は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の発明において第１流体、若しくは、第２流体は、二酸化炭素であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の熱交換器の製造方法は、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の発明の熱交換器において流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域の比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域の比率を零より大きく最大値以下の範囲内で設定することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明の熱交換器の製造方法は、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の発明において扁平容器とフィンとを別々に形成し、形成された当該フィンを扁平容器内に収容することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１流体の流路と第２流体の流路を有して両流体間で熱交換を行わせるものであって、流路が、一端部に流体の流入口と他端部に流体の流出口を有する扁平容器と、この扁平容器内に設けられたフィンから構成される熱交換器において、流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対してフィンが直交するフィン直交領域と、流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対してフィンが平行となるフィン平行領域とを備えたので、フィン直交領域により流体を流路全体に分散させると共に、フィン平行領域にて流体を円滑に流すことができる。
【００１４】
これにより、フィン直交領域により不均一な速度分布を改善しながら、フィン平行領域により圧力損失が増大する不都合を改善することができるようになる。
【００１５】
特に、請求項２の如くフィン直交領域を流入口と流出口側に設け、各フィン直交領域間にフィン平行領域を設けることで、流入口及び流出口付近における偏流を効果的に改善し、流路全体を有効に活用することが可能となるので、熱交換性能の向上を図ることができるようになる。
【００１６】
更に、請求項３の如くフィンを、矩形波状を呈するオフセット型のフィンとすれば、フィンと扁平容器とが面接触するので、当該熱交換器の耐圧性を向上することができる。これにより、請求項４の如く少なくとも第１流体或いは第２流体の何れか一方に二酸化炭素のような高圧流体を用いることも可能となる。
【００１７】
請求項５の発明の熱交換器の製造方法によれば、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の発明の熱交換器において流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域の比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域の比率を零より大きく最大値以下の範囲内で設定することで、不均一な速度分布を改善できて、且つ、圧力損失の少ない高性能の熱交換器を製造することが可能となる。
【００１８】
また、請求項６の如く扁平容器とフィンとを別々に形成し、形成された当該フィンを扁平容器に収容することにより熱交換器を製造するものとすれば、大幅な金型の変更をせずにアプリケーションや使用条件等に応じて、フィン直交領域とフィン平行領域の割合を自在に設定することが可能な熱交換器を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、流体間で熱交換を行わせる熱交換器に関して、フィンを流体の流れに対して直交するよう配置した場合に生じる圧力損失の増大する不都合と、フィンを流体の流れに対して平行となるよう配置した場合に生じる流体の偏流を改善するために成されたものである。流体の不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失を抑制するという目的を、流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対してフィンが直交するフィン直交領域と、流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対してフィンが平行となるフィン平行領域とを備えることにより実現した。以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳述する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例の熱交換器の構成を模式的に示した斜視図である。熱交換器Ｔは、冷凍サイクル装置の放熱器や蒸発器等として使用されるもので、例えば、冷媒（第１流体）と水（第２流体）間で熱交換を行わせるものである。当該熱交換器Ｔは、ユニットＵ１とユニットＵ２を交互に積層して接合し、一端のユニットＵ１にカバープレート（図示せず）を取り付け、両端のユニットＵ１、Ｕ２に継手を取り付けて成るものである。
【００２１】
ユニットＵ１、Ｕ２は、一面（上面）が開口し、底面の周縁から鉛直方向に起立した周壁部３を有する偏平容器１及び偏平容器２と、両偏平容器１、２内に収容される複数枚のフィン５等から構成される。本実施例の偏平容器１、２及びフィン５はチタンを素材とし、チタンの板材を加工することにより形成されたものである。
【００２２】
上記偏平容器１、２には長手方向の一端部に鉛直方向に貫通する２つの穴６、７が形成され、他端部にも同様に穴８、９が形成されている。一端部に形成された穴６、７と他端部に形成された穴８、９とは偏平容器１、２の長手方向の中心部から対称となる位置に形成されている。また、偏平容器１の両端部にはガイドプレート１０が配設されている。このガイドプレート１０には丸穴１２とＵ字状の切込穴１３が形成されている。当該ガイドプレート１０の丸穴１２は、偏平容器１の穴６、或いは、穴８と略対応する位置に形成され、切込穴１３は、偏平容器１の穴７、或いは、穴９と略対応する位置に形成されている。
【００２３】
同様に、偏平容器２の両端部にはガイドプレート１１が配設され、このガイドプレート１１にも丸穴１２とＵ字状の切込穴１３が形成されている。当該ガイドプレート１１の丸穴１２は、偏平容器２の穴７、或いは、穴９と略対応する位置に形成され、切込穴１３は、偏平容器２の穴６、或いは、穴８と略対応する位置に形成されている。即ち、ガイドプレート１０とガイドプレート１１では、丸穴１２と切込穴１３が反対側に形成されている。
【００２４】
両ガイドプレート１０、１１は各容器１、２内に流体を誘導するためのガイド部材であり、後述するフィン５と略同一の厚みを有する。
【００２５】
そして、ガイドプレート１０の丸穴１２は、偏平容器１に形成された穴６、或いは、穴８に連通し、互いに連通している穴６と丸穴１２、及び、穴８と丸穴１２は、後述するユニットＵ１、Ｕ２の積層状態において、両ユニットＵ１、Ｕ２を接続する通路と通路を接続する流体の通過路を形成するためのものである。
【００２６】
同様に、ガイドプレート１１の丸穴１２は、偏平容器２に形成された穴７、或いは、穴９に連通し、互いに連通している穴７と丸穴１２、及び、穴９と丸穴１２は、後述するユニットＵ１、Ｕ２の積層状態において、両ユニットＵ１、Ｕ２を接続する通路と通路を接続する流体の通過路（図示せず）を形成するためのものである。
【００２７】
また、ガイドプレート１０の切込穴１３は、偏平容器１に形成された穴７、或いは、穴９に連通し、両ユニットＵ１、Ｕ２の積層状態において、互いに連通している穴７と切込穴１３は、流体の流路４への流入口１５を形成するものであり、穴９と切込穴１３とは、流体の流路４への流出口１６を形成するためのものである。
【００２８】
同様に、ガイドプレート１１の切込穴１３は、偏平容器２に形成された穴６、或いは、穴８に連通し、両ユニットＵ１、Ｕ２の積層状態において、互いに連通している穴６と切込穴１３は、流体の流路４への流入口１５を形成し、穴８と切込穴１３とは、流体の流路４への流出口１６を形成するためのものである。
【００２９】
一方、前記フィン５は、対向する一組の辺が偏平容器１、２の周壁部３の高さ寸法と略同一で、且つ、対向する他の一組の辺が偏平容器１、２内の幅（内幅）と略同一の寸法にて構成されて、偏平容器１内に収容された状態で、フィン５の上記一組の辺の一方が偏平容器１、２の底部に当接し、他方が上面に位置して、上記他の一組の辺が周壁部３に当接するよう偏平容器１、２内の両端部に配設されたガイドプレート１０、１１間に順次収容されている。即ち、一つの偏平容器１、２内には、一端部のガイドプレート１０、１１から他端部のガイドプレート１０、１１間に複数個のフィン５が順次収容されて、周壁部３と当接する辺が当該周壁部３とロウ材にて接合されている。
【００３０】
各フィン５は、図２乃至図３に示すように図断面台形の凸条５Ｔの両側壁５ａに、その肩部から底板部５ｂにかけて一対の切り込みを所定間隔で入れ、同部分を内側に屈曲した形状であり、この凸条５Ｔは、オフセット形状を呈している。即ち、当該フィン５は、略矩形波状を呈するオフセット型のフィンである。このように、フィン５を矩形波状に形成することで、前述の如くユニットＵ１とユニットＵ２を交互に積層して接合した際、各フィン５・・と扁平容器１、２とが面接触することとなる。このようにフィン５を矩形波状に形成してフィン５と扁平容器１、２とが面接触するよう構成することで当該熱交換器Ｔの耐圧性を向上させることができる。係る耐圧性の向上により、当該熱交換器Ｔ内に二酸化炭素のような高圧流体を流すことも可能となる。尚、図３において、４は流体の流路である。
【００３１】
そして、上述したユニットＵ１とユニットＵ２は図示しない枠体内に交互に積層され、隣接する各ユニットＵ１とユニットＵ２の当接面をロウ材にて接合することにより熱交換器Ｔが構成される。また、図１に示すように、各ユニットＵ１はユニットＵ２を挟んで、流入口１５と流出口１６が反対側となるように積層される。同様に、各ユニットＵ２もユニットＵ１を挟んで、流入口１５と流出口１６が反対側となるように積層される。これにより、図４に示すように熱交換器Ｔ内を、第１流体が各ユニットＵ１を蛇行状に流れ、第２流体が各ユニットＵ２を蛇行状に流れるようになる（例えば、図４の白抜き矢印が第１流体の流れで、図４の黒塗り矢印が第２流体の流れとなる）。また、ユニットＵ１とユニットＵ２とを交互に積層することで、図４に示すように隣接する各ユニットＵ１、Ｕ２内を第１流体と第２流体とが交互に対向して流れるようになり、両流体間で効果的に熱交換が行わせることが可能となる。
【００３２】
ところで、各ユニットＵ１、Ｕ２の偏平容器１、２内に収容される複数のフィン５は、従来、図５に示すように流入口１５から流出口１６に向かう流体の流れ方向に対して平行となるよう配置されるか（以降、Ｖタイプのユニットと称す）か、或いは、図６に示すようにフィン５が流入口１５から流出口１６に向かう流体の流れ方向に対して直交するよう配置されたもの（以降、Ｈタイプのユニットと称す）か何れか一方から構成され、これを上述したように積層することで熱交換器を構成していた。
【００３３】
ここで、ユニットＵ１、Ｕ２をＶタイプのユニットにて構成した場合の各ユニットＵ１、Ｕ２を流れる各流体の速度分布を図７及び図８に示す。尚、熱交換器に流れる流体の流量を２Ｌ／ｍｉｎとした。図８において、縦軸は流体の流速、横軸は各ユニットＵ１、Ｕ２の幅方向距離（即ち、図８に示す各ユニットＵ１、Ｕ２の一端１から他端２までの長さ寸法である）を示している。各ユニまた、ットＵ１、Ｕ２のＤｅｆはユニットＵ１、Ｕ２を流体の流れ方向に直交する面における流体の最大流速Ｕｍａｘと最小流速Ｕｍｉｎとの差であり、これを流体の流れ方向に対して積算すると、流体の流速偏差量が算出できる。即ち、当該速度偏差量が大きいほど、流路４における流体の流れが不均一で偏流が生じていることとなる。両図７、８から流路４を流れる流体の流速は、流入口１５及び流出口１６付近が最も速く、当該流入口１５と流出口１６を略直線で結んだ流路４に流体の流れが集中して、その周囲では流体の流速が低下することが明らかである。特に、ユニットＵ１、Ｕ２の流入口１５と反対側となる位置、及び、流出口１６と反対側となる位置、即ち、図７において、下端の左側付近と上端の右側付近では流体が殆ど流動しない死水域が発生していることがわかった。
【００３４】
このように、Ｖタイプのユニットでは、各流路４における流体の流速は均一とはならず、偏流が生じて、流体の速度偏差量が大きくなることがわかった。尚、当該Ｖタイプのユニットで構成された熱交換器において、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は２５５５Ｐａとなった。
【００３５】
一方、ユニットＵ１、Ｕ２をＨタイプのユニットにて構成した場合の当該ユニットＵ１、Ｕ２を流れる流体の速度分布を図９及び図１０に示す。熱交換器に流れる流体の流量は前記同様に２Ｌ／ｍｉｎとした。両図９、１０から、流体は流路全体に略均一に流れることが明らかである。このように、Ｈタイプのユニットでは、流体が流路４全体に分散され、略均一に流れることがわかった。しかしながら、当該Ｈタイプのユニットでは、フィン５が流体の流れ方向に対して直交するよう配置されているため、当該Ｈタイプのユニットで構成された熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は２２１５９Ｐａとなり、圧力損失は著しく大きくなった。
【００３６】
そこで、上述のような流体の偏流と圧力損失の問題を解消すべく、本発明の熱交換器Ｔは、流入口１５から流出口１６に向かう流体の流れ方向に対してフィン５が直交するフィン直交領域Ｈと、流入口１５から流出口１６に向かう流体の流れ方向に対してフィン５が平行となるフィン平行領域Ｖとを備えた構成とする。
【００３７】
ここで、上記フィン直交領域Ｈとフィン直交領域Ｖの配置方法について具体的に検討する。先ず、図１１の如くフィン直交領域Ｈを流入口１５と流出口１６側に配置し、各フィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖを配置した場合について検討する。
【００３８】
各ユニットＵ１、Ｕ２をフィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖを備えた構成した場合における、当該ユニットＵ１、Ｕ２を流れる流体の速度分布を図１２及び図１３に示す。この場合、全てのフィン５に対する流入口１５側のフィン直交領域Ｈの比率を３．５％、流出口１６側のフィン直交領域Ｈの比率を３．５％とし、流入口１５側のフィン直交領域Ｈと流出口１６側のフィン直交領域Ｈとの間に設けられたフィン平行領域Ｖの比率を９３％（以降、この比率から成るユニットＵ１、Ｕ２を第１のユニットと称する）とした。また、当該第１のユニットＵ１、Ｕ２からなる熱交換器に流れる流体の流量は２Ｌ／ｍｉｎとした。図１２において、（Ａ）が第１のユニットＵ１、Ｕ２の速度分布の結果である。（Ｂ）は前述したＶタイプのユニットの速度分布の結果（図７と同様）であり、（Ａ）との比較のため同図上に記載した。
【００３９】
図１２及び図１３から、第１のユニットＵ１、Ｕ２を備えた構成とした場合、各流路４における流体の速度偏差量が小さく、Ｖタイプのユニットより、流体が流路４全体に流れることがわかる。また、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は５７２９Ｐａとなった。従って、Ｈタイプのユニットから構成された熱交換器より、圧力損失を著しく抑制できることが明らかとなった。
【００４０】
次に、上記第１のユニットＵ１、Ｕ２からフィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖの比率を変更して各ユニットＵ１、Ｕ２を構成し、当該ユニットＵ１、Ｕ２により構成された熱交換器に流体を流して、流れ場を調べた。先ず、全てのフィン５に対する流入口１５側のフィン直交領域Ｈの比率を６．９％、流出口１６側のフィン直交領域Ｈの比率を６．９％とし、流入口１５側のフィン直交領域Ｈと流出口１６側のフィン直交領域Ｈとの間に設けられたフィン平行領域Ｖの比率を８６．２％とした（以降、この比率から成るユニットＵ１、Ｕ２を第２のユニットと称する）。この場合、当該第２のユニットＵ１、Ｕ２を流れる流体の速度分布を図１４の（Ａ）及び図１５に示す。尚、図１４において、（Ｂ）は前述したＶタイプのユニットの速度分布の結果（図７及び図１２の（Ｂ）と同様）であり、（Ａ）との比較のため同図上に記載した。また、第２のユニットＵ１、Ｕ２から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記同様２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４１】
図１４及び図１５から、第２のユニットから構成した場合、流体が流路４全体に流れて、Ｖタイプのユニットより、流体が流路４全体に流れることがわかる。また、全てのフィン５に対するフィン直交領域Ｈの比率が第１のユニットＵ１、Ｕ２より高い分、当該第１のユニットＵ１、Ｕ２より、各流路４における流体の偏流が少なくなることがわかった。また、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は７２５４Ｐａとなった。この場合、全てのフィン５に対するフィン直交領域Ｈの比率が第１のユニットＵ１、Ｕ２より多いため、圧力損失は第１のユニットＵ１、Ｕ２を用いた場合より大きくなるが、Ｈタイプのユニットから構成された熱交換器より、圧力損失が大幅に抑制できることがわかった。
【００４２】
また、図１６の（Ａ）は、全てのフィン５に対する流入口１５側のフィン直交領域Ｈの比率を１０．４％、流出口１６側のフィン直交領域Ｈの比率を１０．４％とし、流入口１５側のフィン直交領域Ｈと流出口１６側のフィン直交領域Ｈとの間に設けられたフィン平行領域Ｖの比率を７９．２％としたユニットＵ１、Ｕ２（以降、この比率から成るユニットＵ１、Ｕ２を第３のユニットと称する）を用いた場合の流体の速度分布を示す図、図１７の（Ａ）は、全てのフィン５に対する流入口１５側のフィン直交領域Ｈの比率を１３．８％、流出口１６側のフィン直交領域Ｈの比率を１３．８％とし、流入口１５側のフィン直交領域Ｈと流出口１６側のフィン直交領域Ｈとの間に設けられたフィン平行領域Ｖの比率を７２．４％としたユニットＵ１、Ｕ２（以降、この比率から成るユニットＵ１、Ｕ２を第４のユニットと称する）を用いた場合の流体の速度分布を示す図である。尚、第３及び第４のユニットＵ１、Ｕ２から構成された熱交換器に流れる流体の流量は上記同様２Ｌ／ｍｉｎとした。また、両図１６、１７において（Ｂ）は前述同様Ｖタイプのユニットの速度分布の結果である。
【００４３】
図１６、或いは、図１７に示すように、第３のユニット、若しくは、第４のユニットから構成した場合においても、Ｖタイプのユニットより、流体を流路４全体に流すことが可能となる。また、第３のユニットを用いた場合、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は７９４５Ｐａとなり、第４のユニットを用いた場合には、９３９８Ｐａとなり、上記同様にＨタイプのユニットから構成された熱交換器より圧力損失を抑えることができることがわかった。しかしながら、第１のユニットＵ１、Ｕ２にて構成された熱交換器を用いた場合より圧力損失は著しく増大していることがわかった。
【００４４】
次に、フィン直交領域Ｈを流入口１５側に配置し、フィン平行領域Ｖを流出口１６側に配置した場合について検討する。先ず、全てのフィン５に対する流入口１５側に配置されたフィン直交領域Ｈの比率を６．９％、流出口１６側に配置されたフィン平行領域Ｖの比率を９３．１％としたユニット（以降、第５のユニットと称する）とから熱交換器を構成して、流れ場を調べた。この場合、当該第５のユニットＵ１、Ｕ２を流れる流体の速度分布を図１８の（Ａ）及び図１９に示す。尚、図１８において、（Ｂ）は、第５のユニットと略同比率のフィン直交領域Ｈとフィン平行領域により構成された第１のユニットＵ１、Ｕ２の速度分布の結果（図１２の（Ａ）と同様）であり、図１８の（Ａ）との比較のために同図上に記載した。この場合、第５のユニットＵ１、Ｕ２から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４５】
図１８及び図１９に示すように、第５のユニットから構成した場合、流入口１５側では流体の偏流が少なく、この付近では流体が流路４の幅方向（図１８の横方向）に分散されて、均一に流れるが、流出口１６側では、当該流出口１６付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかる。即ち、流出口１６側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流を生じることがわかった。尚、第５のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は４５５４Ｐａとなった。
【００４６】
このように、第５のユニットでは、圧力損失を抑制することは可能であるが、各流路４における流体の流速が均一とはならず、偏流が生じて、流体の速度偏差量が大きくなることがわかった。また、当該第５のユニットを用いるより、図１８の（Ｂ）に示す第１のユニットを用いた方が、各流路４における流体の流速が均一となり、不均一な速度分布を改善できることが明らかとなった。
【００４７】
次に、第５のユニットＵ１、Ｕ２からフィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖの比率を変更して各ユニットＵ１、Ｕ２を構成し、当該ユニットＵ１、Ｕ２により構成された熱交換器に流体を流して、流れ場を調べた。この場合、全てのフィン５に対する流入口１５側に配置されたフィン直交領域Ｈの比率を１３．８％、流出口１６側に配置されたフィン平行領域Ｖの比率を８６．２％とした（以降、第６のユニットと称する）。この場合、当該第６のユニットを流れる流体の速度分布を図２０の（Ａ）及び図２１に示す。尚、図２０において、（Ｂ）は、第６のユニットと略同比率のフィン直交領域Ｈとフィン平行領域により構成された第２のユニットＵ１、Ｕ２の速度分布の結果（図１４の（Ａ）と同様）であり、図１８の（Ａ）との比較のために同図上に記載した。この場合、第６のユニットＵ１、Ｕ２から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４８】
図２０及び図２１に示すように、第６のユニットから構成した場合、上記第５のユニットから構成した場合と同様に、流入口１５側では流体の偏流が少なく、流体が流路４の幅方向（図２１の横方向）に分散されて、均一に流れることがわかった。また、流出口１６側では、上記第５のユニットから構成した場合と同様に、流出口１６付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかった。従って、流出口１６側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流が発生することがわかった。尚、第６のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は５７０６Ｐａとなった。
【００４９】
以上より、流入口１５側にフィン直交領域Ｈを配置し、流出口１６側にフィン平行領域Ｖを配置した場合、Ｖタイプのユニットから成る熱交換器より、流体の不均一な速度分布を改善でき、且つ、Ｈタイプのユニットから成る熱交換器より、圧力損失を抑えることができることがわかった。しかしながら、流出口１６側の偏流は殆ど改善されず、フィン直交領域Ｈの比率を増減した場合であっても、流入口１５側の偏流を改善することができないことが明らかとなった。
【００５０】
次に、フィン平行領域Ｖを流入口１５側に配置し、フィン直交領域Ｈを流出口１６側に配置した場合について検討する。先ず、全てのフィン５に対する流入口１５側に配置されたフィン平行領域Ｖの比率を９１．３％、流出口１６側に配置されたフィン直交領域Ｈの比率を６．９％としたユニット（以降、第７のユニットと称する）とから熱交換器を構成して、流れ場を調べた。この場合、当該第７のユニットＵ１、Ｕ２を流れる流体の速度分布を図２２の（Ａ）及び図２３に示す。尚、図２２において、（Ｂ）は、第７のユニットと略同比率のフィン直交領域Ｈとフィン平行領域により構成された第１のユニットＵ１、Ｕ２の速度分布の結果（図１２の（Ａ）と同様）であり、図２２の（Ａ）との比較のために同図上に記載した。この場合、第７のユニットＵ１、Ｕ２から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００５１】
図２２及び図２３に示すように、第７のユニットから構成した場合、流出口１６側では流体の偏流が少なく、この付近では流体が流路４の幅方向（図２２の横方向）に分散されて、均一に流れるが、流入口１５側では、当該流入口１５付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかる。即ち、流入口１５側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流を生じることがわかった。尚、第７のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は５２１９Ｐａとなった。
【００５２】
このように、第７のユニットでは、圧力損失を抑制することは可能であるが、各流路４における流体の流速が均一とはならず、偏流が生じるため、図２２の（Ｂ）に示す第１のユニットを用いた方が不均一な速度分布を改善できることが明らかとなった。
【００５３】
次に、第７のユニットＵ１、Ｕ２からフィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖの比率を変更して各ユニットＵ１、Ｕ２を構成し、当該ユニットＵ１、Ｕ２により構成された熱交換器に流体を流して、流れ場を調べた。この場合、全てのフィン５に対する流入口１５側に配置されたフィン平行領域Ｖの比率を８６．２％、流出口１６側に配置されたフィン直交領域Ｈの比率を１３．８％とした（以降、第８のユニットと称する）。この場合、当該第８のユニットを流れる流体の速度分布を図２４の（Ａ）及び図２５に示す。尚、図２４において、（Ｂ）は、第８のユニットと略同比率のフィン直交領域Ｈとフィン平行領域により構成された第２のユニットＵ１、Ｕ２の速度分布の結果（図１４の（Ａ）と同様）であり、図２４の（Ａ）との比較のために同図上に記載した。この場合、第８のユニットＵ１、Ｕ２から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００５４】
図２４及び図２５に示すように、第８のユニットから構成した場合、上記第７のユニットから構成した場合と同様に、流出口１６側では流体の偏流が少なく、流体が流路４の幅方向（図２４の横方向）に分散されて、均一に流れることがわかった。また、流入口１５側では、上記第７のユニットから構成した場合と同様に、流入口１５付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかった。従って、流入口１５側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流が発生することがわかった。また、当該流入口１５付近の偏流は、上記第７のユニットの場合と殆ど変わらなかった。尚、第８のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は６１６６Ｐａとなった。
【００５５】
上記第７及び第８のユニットを用いた結果から、流入口１５側にフィン平行領域Ｖを配置し、流出口１６側にフィン直交領域Ｈを配置した場合、Ｖタイプのユニットから成る熱交換器より、流体の不均一な速度分布を改善でき、且つ、Ｈタイプのユニットから成る熱交換器より、圧力損失を抑えることができることがわかった。しかしながら、流出口１６側の偏流は殆ど改善されず、フィン直交領域Ｈの比率の増減した場合であっても、流出口１６側における偏流を殆ど改善することができないことが明らかとなった。
【００５６】
ここで、図２６は、以上詳述した結果をまとめたものであり、縦軸の主軸は圧力損失、第２軸は流れ方向の各断面における速度偏差量、横軸は全てのフィン５に対するフィン直交領域Ｈの比率を示している。即ち、横軸の０％は、全てのフィン５がフィン平行領域Ｖにて構成されたユニットから成る熱交換器（即ち、Ｖタイプのユニットにて熱交換器が構成された場合）であり、１００％は、全てのフィン５がフィン直交領域Ｈにて構成されたユニットから成る熱交換器（即ち、Ｈタイプのユニットにて熱交換器が構成された場合）である。
【００５７】
図２６において、Ｐ１は、フィン直交領域Ｈを流入口１５と流出口１６側に配置し、各フィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖを配置したユニットにより構成された熱交換器において、フィン直交領域Ｈの比率を変化させた場合の圧力損失、Ｐ２は、フィン平行領域Ｖを流入口１５に配置し、フィン直交領域Ｈを流出口１６に配したユニットより構成された熱交換器において、フィン直交領域Ｈの比率を変化させた場合の圧力損失をそれぞれ示している。
【００５８】
また、Ｄ１は、フィン直交領域Ｈを流入口１５と流出口１６側に配置し、各フィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖを配置したユニットにより構成された熱交換器において、フィン直交領域Ｈの比率を変化させた場合の速度偏差量、Ｄ２の破線で示す領域は、フィン直交領域Ｈを流入口１５に配置し、フィン平行領域Ｖを流出口１６に配したユニットより構成された熱交換器において、フィン直交領域Ｈの比率を変化させた場合の速度偏差量を示している。
【００５９】
図２６から、各熱交換器の圧力損失はフィン直交領域Ｈの増加に伴い増大して、その変化の割合は略比例的であることがわかった。一方、各熱交換器における流体の流速偏差量（上記流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算した積算値）は、フィン直交領域Ｈの増加に伴い低下するが、その値は傾きが緩慢となる変曲点を有することがわかった。具体的に、フィン直交領域Ｈを流入口と流出口側に配置し、各フィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖを配置したユニットにより構成された熱交換器の結果（Ｄ１）を用いて説明すると、フィン直交領域Ｈの比率がゼロとなる値１００％からフィン直交領域Ｈの比率を増加していくと、流速偏差量は急激に減少し、フィン直交領域Ｈの比率が１０％を超えた付近（約１５％）から傾きが緩慢となり、比率が３０％を超えると、流速偏差量は約１０％でほぼ一定となった。
【００６０】
即ち、フィン直交領域Ｈの比率を３０％より高くしても流体の速度偏差量の変化は殆ど見られないことが明らかである。また、フィン直交領域Ｈを流入口１５に配置し、フィン平行領域Ｖを流出口１６に配したユニットより構成された熱交換器を用いた場合も同様にフィン直交領域Ｈの比率を増加させていくと、傾きが緩慢となる変曲点（図２６に示すようにフィン直交領域Ｈの比率が２８％付近）を有することがわかった。従って、熱交換器Ｔのフィン直交領域Ｈの比率が零より大きく、変曲点となる２８％以下とすることが、圧力損失を抑えながら、不均一な速度分布を改善することができる最適範囲となる。このような最適な範囲となるようにフィン５全体に対するフィン直交領域Ｈの比率を設定し、熱交換器Ｔを製造することで、高性能の熱交換器が製造可能である。
【００６１】
総じて、熱交換器Ｔは、フィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖとを備えた構成とすることで、不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失を抑制できるようになる。特に、フィン直交領域Ｈを流入口１５と流出口１６側に設け、各フィン直交領域Ｈ間にフィン平行領域Ｖを設けることで、流体の偏流を最も効果的に改善することができて、流路４全体を有効に活用することが可能となる。これにより、熱交換器Ｔの熱交換性能の向上を図ることができる。
【００６２】
また、熱交換器Ｔを製造する場合に、フィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖの比率を、流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域Ｈの比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域Ｈの比率を零より大きく最大値以下の範囲内となるように各フィン直交領域Ｈの比率を設定する。このとき、扁平容器１、２と各フィン５とは予め別々に形成しておき、扁平容器１、２内にフィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖの比率が設定された比率となるように、フィン５を収容する。
【００６３】
このように、フィン直交領域Ｈとフィン平行領域Ｖの比率を、流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域Ｈの比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域Ｈの比率を零より大きく最大値以下の範囲内となるように各フィン直交領域Ｈの比率を設定することで、不均一な速度分布を改善できて、且つ、圧力損失の少ない高性能の熱交換器を製造することが可能となる。
【００６４】
特に、本発明の熱交換器は、扁平容器１、２とフィン５とを別々に形成し、扁平容器１、２のガイドプレート１０、１１間にフィン５を収容することで構成されているため、ガイドプレート１０、１１に収容するフィン５・・の種類や形状は、アプリケーションや使用用途等に応じてその都度自在に選択することができる。
【００６５】
従来の熱交換器は、ガイド部材とフィンとが一体形成されていた。この場合、ガイド部材やフィンの形状は金型で予め決まった形状とされていたので、使用用途に応じて最適な形状に変更することができなかった。また、ガイド部材は薄い仕切り板にて形成されており、当該ガイド部材とフィンとが一体形成された扁平容器を積層してユニットを構成した場合、係る形状によりガイド部材の強度が低下するため、高耐圧が困難であった。
【００６６】
しかしながら、上記に詳述した本発明の構造では、高耐圧を実現でき、且つ、アプリケーションや使用条件等に応じて、フィン直交領域とフィン平行領域の割合や形状を自在に設定することが可能となる。これにより、熱交換器の汎用性の向上も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施例の熱交換器の構成を模式的に示した斜視図である。
【図２】図１の熱交換器の各ユニットの一部を構成するフィンの要部斜視図である。
【図３】図１の熱交換器の各ユニットの一部を構成するフィンの要部斜視図である。
【図４】図１の熱交換器を流れる第１及び第２流体の流れを示す説明図である。
【図５】図２のフィンを流体の流れに対して平行となるよう配置した場合の説明図である。
【図６】図２のフィンを流体の流れに対して直交するよう配置した場合の説明図である。
【図７】Ｖタイプのユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図８】図７の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図９】Ｈタイプのユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図１０】図９の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図１１】本発明の熱交換器を構成する一例のユニットを模式的に示した正面図である。
【図１２】図７のＶタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第１のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図１３】図１２の第１のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図１４】図７のＶタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第２のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図１５】図１４の第２のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図１６】図７のＶタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第３のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図１７】図７のＶタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第４のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図１８】図１２の第１のユニットを流れる流体の速度分布と第５のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図１９】図１８の第５のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図２０】図１４の第２のユニットを流れる流体の速度分布と第６のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図２１】図２０の第６のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図２２】図１２の第１のユニットを流れる流体の速度分布と第７のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図２３】図２２の第７のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図２４】図１４の第２のユニットを流れる流体の速度分布と第８のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。
【図２５】図２４の第８のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。
【図２６】全てのフィンに対するフィン直交領域Ｈの比率の変化に伴う圧力損失と流速偏差量の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
Ｔ    熱交換器
Ｈ    フィン直交領域
Ｖ    フィン平行領域
Ｕ１、Ｕ２  ユニット
１、２  偏平容器
３    周壁部
４    流路
５    フィン
５Ｔ  凸条
５ａ  両側壁
５ｂ  底板部
６、７、８、９  穴
１０、１１  ガイドプレート
１２  丸穴
１３  切込穴
１５  流入口
１６  流出口
【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８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２５】
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【図２６】
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【図７】
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【図９】
2008082650.tif 000020
【図１２】
2008082650.tif 000021
【図１４】
2008082650.tif 000022
【図１６】
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【図１７】
2008082650.tif 000024
【図１８】
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【図２０】
2008082650.tif 000026
【図２２】
2008082650.tif 000027
【図２４】
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