(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に第１の熱冷媒が流れるチューブと、中心に対して位置及び形状が対称となるように複数の微細なルーバを配列させた複数のルーバ群を有し、前記第１の熱冷媒と前記チューブの外側を流れる第２の熱冷媒との間で熱交換を行うためのコルゲート形状のフィンと、を備えた熱交換器において、
各ルーバ群の中心に位置する中心部を切り起しのない平坦部とすると共に、各ルーバ群の最上流に位置する最上流側ルーバの上流側に切り起し部を形成し、該切り起し部と前記中心部との間に位置するルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し角度を、ルーバ群上流側の端部の切り起し角度より大きくし、前記切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し角度を５５°〜８０°の範囲の角度とし、前記ルーバ群上流側の端部の切り起し角度を水平方向より下向きとし、
前記ルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し高さを、上流側から前記中心部に向かうに従って小さくしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記ルーバ群内部のルーバの少なくとも前記中心部に近いルーバの切り起し角度を、上流側から前記中心部に向かうに従って小さくした請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
内部に第１の熱冷媒が流れるチューブと、中心に対して位置及び形状が対称となるように複数の微細なルーバを配列させた複数のルーバ群を有し、前記第１の熱冷媒と前記チューブの外側を流れる第２の熱冷媒との間で熱交換を行うためのコルゲート形状のフィンと、を備えた熱交換器において、
各ルーバ群の中心に位置する中心部を切り起しのない平坦部とすると共に、各ルーバ群の最上流に位置する最上流側ルーバの上流側に切り起し部を形成し、該切り起し部と前記中心部との間に位置するルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し角度を、ルーバ群上流側の端部の切り起し角度より大きくし、前記切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバの切り起し角度を５５°〜８０°の範囲の角度とし、
前記ルーバ群内部のルーバの少なくとも前記中心部に近いルーバの切り起し角度を、上流側から前記中心部に向かうに従って小さくしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
前記切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバの切り起しにより形成された折り曲げ部の角部に円弧部を形成した請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項５】
前記切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し高さを、上流側から前記中心部に向かうに従って低くした請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第２の熱冷媒の流れ方向に隣接するルーバ間を通過する流れを誘起する補助フィンを前記ルーバ群間に配置した請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器にかかり、特に、コルゲートフィン重量の増加や通風抵抗の増加を招かずに微細化したルーバを用いて熱交換効率を向上させた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器において、液体である第１の熱冷媒（水、空調用冷媒など）と気体である第２の熱冷媒（空気など、以下空気）との間で熱交換を行う場合、熱交換器の性能は気体側の第２の熱冷媒の伝熱性能に律束される。したがって、第１の熱冷媒をチューブである伝熱管内に流し、その外部に設けたフィンの間に第２の熱冷媒を流す。自動車用熱交換器では、第２の熱冷媒側の伝熱面積を拡大して、熱交換量を増加させるためのルーバフィン（ルーバ）が設けられたコルゲートフィンが用いられている。
【０００３】
本発明の基礎になった従来のコルゲートフィンを備えた空気熱交換器を図１（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。空気熱交換器１は、図１（ａ）に示すように、冷媒が導入及び導出されるチューブ状の上下ヘッダ３Ａ，３Ｂと、上下ヘッダ３Ａ，３Ｂ間に連通状態で、かつ上下ヘッダの長手方向に相互に所定の間隔を隔てて並設された複数本の扁平伝熱管２，２・・・と、複数本の扁平伝熱管２，２・・・間の上下方向に略Ｓ字形に連続して屈曲した状態で配設され、屈曲部の外側端が対応する両隣の扁平伝熱管２，２・・・の扁平伝熱面に熱溶着されたコルゲートフィン４，４・・・とから構成されている。
【０００４】
扁平伝熱管２，２・・・は、上部ヘッダ３Ａを介して外部より導入されて分配された冷媒を、各冷媒流通穴に均等に流入させ、コルゲートフィン４，４・・・を介して広い伝熱面積で内部の冷媒と外部の空気との間で熱交換を行うように構成されている。
【０００５】
また、コルゲートフィン４，４・・・は、図１（ｂ）に示すように、屈曲部（折り曲げ部）を除く扁平面部分であって、加工上形成される中央の扁平面４ｃ部分を中心として空気流の上流側部分と下流側部分の各々に空気との伝熱効率を向上させるための複数の切り起し片であるルーバ４ａ，４ａ・・・が位置及び形状が中心に対して対称となるように形成されており、ルーバ４ａ，４ａ・・・によって冷媒と空気との間の熱交換性能が高くなるように構成されている。
【０００６】
この空気熱交換器では、ルーバ４ａによりフィン壁面上での境界層の発達を抑制する（以下、前縁効果）ことにより、熱交換量を増加させている。このルーバ４ａを微細化し、前縁効果を大きくすれば、熱交換量は増加する。したがって、図１（ｃ）、（ｄ）に示すルーバの長さ（ルーバのルーバピッチＦＬ）を小さくするほど、前縁効果は大きくなり、熱交換量は増加する。
【０００７】
従来では、ルーバのピッチを０．５〜０．９ｍｍとすると共に、ルーバの傾斜角を２５°〜４０°に設定した熱交換器が提案されている（特許文献１）。
【０００８】
また、薄板材料のローラ加工により、フィンが形成されるルーバフィンでは、フィンの断面形状は長方形となる。このため、伝熱性能の向上を目的として、ルーバフィンをフィン中心部で折り曲げ、フィンの前縁と後縁のルーバ角を変えたルーバフィンが提案されている（特許文献２）。
【０００９】
しかしながら、ルーバフィンの性能には、ルーバピッチや傾斜角だけでなく、コルゲートフィンの上下方向ピッチ（フィンピッチＦｐ）も大きな影響を及ぼす。このため、幾何学的関係をもとに、フィンピッチＦｐ，ルーバピッチＦＬ，及びルーバ傾斜角θの３つの諸元の最適値を決定する式が提案されている（特許文献３）。
【００１０】
図２に、従来のコルゲート式ルーバフィンのフィン諸元とルーバ内の流れとの関係を示す。図２（ａ）に示すように、ルーバピッチを小さくすると同時に、フィンピッチを小さくした場合、流れ１５はルーバ間を通過し、熱交換量は増加する。一方、図２（ｂ）のように、フィンピッチを小さくせず、ルーバピッチのみを小さくした場合、ルーバ間を通過せずに、ルーバ間を素通りする流れ１６が生じ、熱交換量は減少する。すなわち、ルーバの微細化により熱交換量を増加させるには、フィンピッチも小さくする必要がある。
【００１１】
また、図３に、ルーバを微細化した時のフィンピッチと伝熱性能との比較を示す。横軸はフィンピッチを示し、縦軸は通風抵抗、フィン部の重量、及び熱交換量を示す。縦軸はフィンピッチ１．２５ｍｍの性能で無次元化し、通風抵抗比、フィン部の重量比、及び熱交換量比で示した。ルーバピッチＦＬは０．９ｍｍ、ルーバ角θは一定とし、フィンピッチＦｐを変化させ、各諸元の通風抵抗と熱交換量は、非特許文献１の摩擦係数の整理式、及び非特許文献２の熱伝達率の整理式を用いて評価した。
【００１２】
図から理解されるように、フィンピッチを小さくするほど、熱交換量は増加する。しかし、フィンピッチを小さくすると、空気側流路面積が減少する結果、熱交換量の増加分以上に通風抵抗が増加してしまう。さらに、熱交換器の体積を一定としたまま、フィンピッチを小さくすると、コルゲートフィンの折れ曲がり回数が増加するため、フィン部重量が増加してしまう。
【特許文献１】特開２０００−１５４９８９号公報
【特許文献２】特開２００５−６９６７９号公報
【特許文献３】特開平１−２６３４９８号公報
【非特許文献１】Ａ  ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｌｏｕｖｅｒ  ｆｉｎ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ，  Ｙｕ−Ｊｕｅｉ  Ｃｈａｎｇ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｓｎｆｅｒ，２０００，Ｖｏｌ．４３，Ｐ２２３７−２２４３
【非特許文献２】Ａ  ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｌｏｕｖｅｒ  ｆｉｎ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ，  Ｙｕ−Ｊｕｅｉ  Ｃｈａｎｇ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｓｎｆｅｒ，１９９７，Ｖｏｌ．４０，Ｐ５３３−２２４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、ルーバを備えた自動車用熱交換器等の熱交換量を増加させるには、ルーバを微細化して前縁効果を拡大させること、及びルーバ群内部にルーバに沿う流れを発生させることの２点を両立させる必要がある。２つを両立させるには、ルーバのルーバピッチＦＬを小さくすると同時に、コルゲートフィンのフィンピッチＦｐも小さくする必要がある。
【００１４】
しかしながら、コルゲートフィンのフィンピッチＦｐを小さくすると、コルゲートフィンの折り曲げ回数が増加するため、フィン部重量が増加する、という問題が生じる。また、空気側流路面積が減少するため、空気側の通風抵抗が増加する、という問題も生じる。
【００１５】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、熱交換量の増加を目的として、ルーバを微細化した際に、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくする必要がないルーバ構造、すなわち流れ方向に隣接するルーバ間を通過する流れを誘起させるようにしたルーバ構造を有す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】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明は、内部に第１の熱冷媒が流れるチューブと、中心に対して位置及び形状が対称となるように複数の微細なルーバを配列させた複数のルーバ群を有し、前記第１の熱冷媒と前記チューブの外側を流れる第２の熱冷媒との間で熱交換を行うためのコルゲート形状のフィンと、を備えた熱交換器において、各ルーバ群の中心に位置する中心部を切り起しのない平坦部とすると共に、各ルーバ群の最上流に位置する最上流側ルーバの上流側に切り起し部を形成し、該切り起し部と前記中心部との間に位置するルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し角度を、ルーバ群上流側の端部の切り起し角度より大きくし、前記切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し角度を５５°〜８０°の範囲の角度とし、前記ルーバ群上流側の端部の切り起し角度を水平方向より下向きとし、前記ルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し高さを、上流側から前記中心部に向かうに従って小さくしたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の複数の微細なルーバは、中心部に対して位置及び形状が対称となるように配列されているため、各ルーバ群の最下流に位置する最下流側ルーバの下流側に他の切り起し部が形成され、該他の切り起し部と前記中心部との間に位置するルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し角度が、ルーバ群下流側の端部の切り起し角度より大きくされ、前記他の切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバの切り起し角度は５５°〜８０°の範囲の角度とされる。
【００１８】
切り起し角度を５５°〜８０°とするのは、５５°未満の角度及び８０°を越えた角度のいずれの角度にしても、ルーバ群内にルーバ間流れを誘起させるほどの、縮流効果は得られず、通風抵抗が大きくなると共に熱交換量が小さくなるからである。
【００１９】
本発明の上流側の切り起し部は、好ましくは８０°または８０°に近い角度で切り起されており、これにより、切り起し部の切り起こされた部分に第２の熱冷媒の流れが衝突したときに、ルーバ群内部のルーバ間に第２の熱冷媒の流れを誘起させる縮流が生じるようにされている。その結果、ルーバ群内部のルーバには、例えば、中心部より上流側ではルーバ群下部からルーバ群上部に向かって、また中心部より下流側ではルーバ群上部からルーバ群下部に向かって水平方向に隣接するルーバ間を通過する流れが誘起される。この流れは、フィン近傍の第２の熱冷媒とフィンから離れた第２の熱冷媒との間での熱交換を促進する。
【００２０】
本発明のルーバ間の流れの誘起は、上流側の切り起し部で生じる縮流効果を利用したものである。したがって、ルーバを微細化する従来技術のように、コルゲートフィンのピッチを小さくする必要がない。
【００２１】
本発明では、ルーバ群内部のルーバでは、ルーバ群中心部側の端部の切り起し角度、または切り起し角度及び切り起し高さが、ルーバ群両端側の端部（ルーバ群上流側の端部またはルーバ群下流側の端部）より大きくされている。これにより、ルーバ底面にはルーバに沿った流れが生じ、微細ルーバの前縁効果により、高い熱伝達率を得ることができる。また、上流側ルーバの前縁部では、ルーバ間流れのルーバ前縁部への衝突により、高い熱伝達率が得られる。さらに、ルーバ上部には、ルーバ間流れの再付着により、高い熱伝達率が得られる。このように高い熱伝達率が得られる領域が存在するため、従来のルーバフィンのように、フィン表面に沿った流れを形成させる必要がない。その結果、ルーバを微細化しても、コルゲートフィンのピッチを小さくする必要がないため、フィン重量の増加や通風抵抗の増加を招かない効果を有する。
【００２２】
微細ルーバは、ローラ成形やプレス成形により薄肉部材から加工させることができる。加工時の材料の伸びへの配慮を行うため、ルーバ群の各ルーバの位置及び形状は、ルーバ群中心部に対して対称に形成されている。
【００２３】
また、ルーバ群内部のルーバのルーバ群中心側の端部の切り起し高さを、上流側からルーバ群の中心部に向かうに従って小さくすることができる。
【００２４】
また、ルーバ群内部のルーバ及び切り起し部の切り起しにより形成されたルーバ折り曲げ部の角部には、円弧部を形成するのが好ましい。切り起し部及び前記ルーバ群内部のルーバの切り起し高さを、上流側からルーバ群の中心部に向かうに従って低くすることができ、前記ルーバ群内部のルーバの少なくともルーバ群の中心部に近いルーバの切り起し角度を、上流側からルーバ群の中心部に向かうに従って小さくすることができる。
【００２５】
そして、前記第２の熱冷媒の流れ方向に隣接する複数のルーバ間を通過する流れを誘起する補助フィンを前記ルーバ群間に配置してもよい。
【００２６】
また、本発明は、内部に第1の熱冷媒が流れる複数本のチューブと、前記チューブ同士と交互に配され、前記チューブ同士の間の空間を流れる第２の熱冷媒と前記第１の熱冷媒との間の熱交換を促進させるコルゲート形状のフィンとを備えた熱交換器において、前記フィンの平端面には、前記第２の熱冷媒の通過方向における前記フィンの幅の中心部を平坦部とし、前記第２の熱冷媒の通過方向において、前記平坦部の両側に切起し形成され、前記平坦部に対して対称となるように形成され、前記平坦部に対して切り起し角度が５５°〜８０°となるように切起された複数個のルーバを設けることができる。
【００２７】
この場合、前記複数個のルーバのうち、前記第２の熱冷媒流れの最上流側に配されるルーバよりも前記第２の熱冷媒流れの上流側に、前記平坦面に対して８０°で切り起こされた切起こし部を形成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明の微細ルーバを設けた熱交換器によれば、コルゲートフィンピッチを小さくすることなく、ルーバピッチに相当するルーバ長さを短くできるので、熱交換量を増加させるためにルーバを微細化しても、フィン重量の増加や通風抵抗の増加を招かないようにすることができる、という効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[第１の実施の形態]
第１の実施の形態のコルゲートフィンの断面形状を図４に示す。図に示すように本実施の形態のコルゲートフィンの平坦部４ｄ（図１（ｂ）参照）上には、微細なルーバ２０が多数設けられている。
【００３０】
ルーバ２０の位置及び形状は、ルーバ群中心に対して、対称になるように形成されている。
【００３１】
ルーバ群の両端部のルーバの上流側及び下流側、すなわち最上流側ルーバ及び最下流側ルーバの上流側及び下流側の各々には、上流側切り起し部２１，及び下流側切り起し部２２が形成されている。上流側切り起し部２１及び下流側切り起し部２２の各々は、ルーバ群中心側のルーバ端部２１ａ、２２ａが８０°または８０°に近い角度で切り起されている。一方、ルーバ群端部側のルーバ端部（上流側切り起し部２１では上流側端部２１ｂ、下流側切り起し部２２では下流側端部２２ｂ）は、切り起し角度（傾斜角度に相当する）が０°で平坦に形成されている。
【００３２】
また、ルーバ群内部のルーバの断面形状と、これらのルーバ近傍の流れを図５に示す。ルーバ群中心のルーバ２５を除くルーバ群内部のルーバ２０の各々は、ルーバ群中心部側のルーバ端部５１（ルーバ群中心部より上流側の上流側ルーバではルーバ後縁、ルーバ群中心より下流側ルーバではルーバ前縁に相当する。以下、単に中心側ルーバ端部という）の切り起し角度が、フィン両端側（上流側切り起し部２１及び下流側切り起し部２２側）に近いルーバ端部５０（ルーバ群中心より上流側ルーバではルーバ前縁、ルーバ群中心より下流側ルーバではルーバ後縁に相当する。以下、単に両端側ルーバ端部という。）より大きく形成されている。すなわち、本実施の形態では、中心側ルーバ端部５１は８０°または８０°に近い角度で切り起され、両端側ルーバ端部５２の傾斜角度は０°で平坦に形成されている。なお、本実施の形態では、ルーバ群内部のルーバは、各ルーバの中心で切り起こすことにより、中心側フィン端部及び両端側フィン端部の切り起し量は同一にされている。
【００３３】
また、ルーバ群中心のルーバ２５は、何ら切り起されずに平坦に形成されている。
【００３４】
この実施の形態では、コルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍ、ルーバ長さ（ルーバのルーバピッチに相当する）を０．４５ｍｍとし、各ルーバの切り起し部分の長さは、ルーバ長さの半分とした。
【００３５】
ルーバフィンの場合、フィンピッチ１．２５ｍｍ、ルーバピッチ０．４５ｍｍの組み合わせでは、図２（ｂ）に示したように、空気の流れはルーバ間を通過しなくなり、熱交換量は減少する。本実施の形態では、フィンピッチ１．２５ｍｍ、ルーバ長さ０．４５ｍｍの組み合わせでも、空気流れはルーバ間を通過する。
【００３６】
微細ルーバでありながら、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくする必要がない理由を図５及び図６を参照して説明する。図６はルーバ群中心より上流側のルーバ群内の空気の流れを示す模式図である。フィン前方の流れ１４は、上流側切り起し部２１の前縁部に衝突した後、ルーバ群上部の流れ３４とルーバ群下部の流れ３５とに分岐する。
【００３７】
ルーバ群上部の流れ３４では、上流側切り起し部２１の存在により、流路面積が減少する。その結果、上流側切り起し部２１の上部を通過する時に縮流３０が生じる。一方、ルーバ群下部の流れ３５には縮流部は生じない。
【００３８】
縮流部では、流速の増加に伴う圧力降下が生じ、ルーバ群上部の流れ３４の圧力は、ルーバ群下部の流れ３５の圧力より低下する。その結果、図５に示すように、圧力の高いルーバ群下部２８から圧力の低いルーバ群上部２９方向に、水平方向に隣接するルーバ間を通過する流れ３１が生じる。すなわち、上流側切り起し部２１に空気の流れが衝突することにより、水平方向に隣接するルーバ間を通過する流れ３１を誘起する縮流が生成される。
【００３９】
ルーバ間流れ３１の４つの効果を、図５を用いて説明する。第１の効果として、ルーバ間流れ３１は、微細ルーバ２０の壁温との温度差が大きいルーバ群下部２８の空気をルーバ間に輸送する。その結果、空気とルーバの熱交換が促進される。第２の効果として、ルーバ間流れ３１はルーバ間を通過する時に、ルーバ前縁５０に衝突する。ルーバ前縁への流れの衝突により、高い熱伝達率が得られる。第３の効果として、ルーバ底面５２では、微細ルーバ２０の前縁効果により、高い熱伝達率が得られる。さらに、ルーバ底面５２の近傍を通過する流れは、下流側のルーバ間を通過する流れ５７により、ルーバ底面５２に押し付けられる。その結果、第４の効果として、流れ５７により、ルーバ底面境界層５８の薄肉化が生じる。境界層５８の薄肉化により、壁面での温度勾配が大きくなり、熱伝達率が増加する。
【００４０】
以上の機構により、高い伝熱性能を有する微細ルーバ２０を実現できる。ルーバ近傍には、流速が小さなよどみ域５９が生じる。ルーバフィンでは、ルーバ近傍によどみ域が生じると、性能は低下する。本実施の形態では、上記４つの効果により、高い熱伝達率が得られるため、ルーバ近傍によどみ域が生じても、性能は低下することはない。すなわち、本実施の形態では、従来ルーバと異なり、ルーバ周囲にルーバ壁面に沿った流れを生じさせる必要がないため、ルーバ形状の自由度が拡大する。
【００４１】
また、本実施の形態の効果を発現させるためには、上流側切り起し部２１による縮流が生じればよく、従来技術のルーバフィンのように、ルーバの微細化と同時に、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくする必要はない。すなわち、コルゲートフィンのピッチを小さくする必要のない微細ルーバを実現できる。その結果、空気側の通気抵抗の増加やフィン部の重量増加を招くことのない、微細ルーバを実現することが可能となる。
【００４２】
また、従来技術のルーバフィンでは、ルーバ群内の流れをフィン表面に沿わせる必要がある。その結果、上流側切り起し部の後縁部は、ルーバ群内部のルーバの傾斜角と同じ角度で切り起される。ルーバの傾斜角は最大４０°程度であるので、上流側切り起し部の切り起し角度も４０°前後となるが、この角度では、ルーバ群内にルーバ間流れを誘起させるほどの、縮流効果は得られない。
【００４３】
下流側ルーバ群でのルーバ間流れの効果について、図７を用いて説明する。ルーバ群中心部のルーバ２５は、切り起しのない平坦部である。ルーバ２５が平坦部で構成されているため、ルーバ２５の上部を通過するルーバ間流れ３３は、ルーバ群中心より上流側の上流側ルーバのルーバ間流れ３１とは異なり、水平方向に流れる。
【００４４】
ルーバ群中心より上流側の上流側ルーバ２６では、図６で説明したようにルーバ群上部を通過する流れ３４は、ルーバ間を通過する流れ３１により、上部側に押し上げられる。しかしながら、ルーバ群中心のルーバ２５のルーバ間流れ３３は、水平方向に流れるため、ルーバ群上部を通過する流れを、上部に押し上げる力が弱くなる。そのため、ルーバ２５の上部では、ルーバ群上部を通過する流れが降下し、降下流れ３６が生じる。この降下流れ３６の降下量は、ルーバ群中心のルーバ２５からの水平方向距離に比例して大きくなり、降下量が大きくなると流れはルーバ群中心より下流側のルーバのルーバ前縁部の側面４３に衝突する。
【００４５】
これにより、ルーバ群上部２９からルーバ群下部２８に向かい、水平方向に隣接するルーバ群中心より下流側のルーバ間を通過する流れ３２が生じる。この流れ３２は、微細ルーバ２０と温度差の大きいルーバ群上部２９の空気をルーバ間に輸送し、ルーバと空気の間の熱交換を促進する。さらに、下流側のルーバ間を通過する流れ３２のルーバ側面４３への衝突により、高い熱伝達率が得られる。
【００４６】
上記では、ルーバ群内部のルーバの中心側ルーバ端部の切り起し角度を両端側ルーバ端部の切り起し角度より大きくすると共に、中心側ルーバ端部の切り起し量と両端側ルーバ端部の切り起し量とを同一にする例について説明したが、中心側ルーバ端部の切り起し角度及び切り起し量の両方を両端側ルーバ端部の切り起し角度及び切り起し量より大きくするようにしてもよい。
[第２の実施の形態]
次に、本発明の第２の実施の形態を図８を参照して説明する。第２の実施の形態は、ルーバ群の内部ルーバのルーバ群中心側ルーバ端部５１を８０°または８０°に近い角度で切り起し、両端側ルーバ端部５０をルーバ間流れの流量が増加する方向に傾斜させるようにしたものである。すなわち、中心部より上流側ルーバではルーバ下部を通過する流れは、ルーバ前縁に衝突した後ルーバ底面に沿って流れる。中心部より上流側ルーバの前縁側端部を水平方向より下向きに傾斜させると、ルーバ底面に沿う流れは、水平方向ではなくルーバ間の方向に流れる。
【００４７】
その結果、中心部より上流側ルーバの前縁側端部が水平の場合よりも、ルーバ間を通過する流れの流量が増加する。ルーバ間を通過する流れの流量が増加すると、ルーバ近傍の空気と、ルーバから離れた空気の間の熱交換が促進され、ルーバ群両端側の端部５０が水平の場合よりも、熱交換量は増加する。
【００４８】
第２の実施の形態のルーバ形状を図８に示す。第２の実施の形態では、ルーバ群の内部ルーバ２４では、ルーバ群中心側の端部５１を８０°または８０°に近い角度で切り起し、ルーバ群両端側の端部５０を傾斜角θｂが水平方向より下向きに５〜１５°の範囲となるように切り起す。
【００４９】
傾斜角の最適範囲は、熱流れ解析により決定した。本実施の形態では、コルゲートフィンのフィンピッチは１．２５ｍｍ、ルーバのルーバピッチに相当するルーバ長さは０．４５ｍｍとした。図９は、熱流れ解析により求めた、第２の実施の形態におけるルーバ間を通過する流れの流速ベクトルを示す。
【００５０】
ルーバ群中心より上流側の上流側ルーバではフィン下部を通過する流れ３５は、ルーバ前縁５０に衝突後、ルーバ底面５２に沿って流れる。ルーバ群内部のルーバの両端側ルーバ端部５０を傾斜させると、ルーバ底面５２に沿う流れは、水平方向ではなくルーバ間の方向に流れる。その結果、両端側ルーバ端部５０が水平の場合よりも、ルーバ間を通過する流れの流量が増加する。
【００５１】
ルーバ間を通過する流れの流量が増加すると、ルーバ近傍の空気と、ルーバから離れた空気の間の熱交換が促進され、両端側ルーバ端部５０が水平の場合よりも、熱交換量は増加する。
【００５２】
図１０は、底面傾斜角θｂと熱交換量の関係を図示したものである。熱交換量は、底面傾斜角を０°とした場合の熱交換量で無次元化した。図１０から理解されるように底面傾斜角を０°〜２０°まで大きくすると、熱交換量は増加する。ただし、同時に通風抵抗も増加するため、この結果からでは、傾斜角の最適値を決定できない。そこで、非特許文献１及び非特許文献２に提案されているルーバの性能整理式を用いて、微細ルーバの性能を算出するとともに、熱流れ解析を用いて微細ルーバの性能を試算し、両者の性能を比較することにより、傾斜角の最適値を決定した。比較した物理量は、熱交換量、通風抵抗、フィン部の重量である。
【００５３】
ルーバフィンの諸元は、ルーバピッチとルーバ角は一定とし、コルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍ〜０．４５ｍｍまで変化させた。ルーバフィンと、微細ルーバの性能の比較を図１１に示す。図１１はルーバピッチを０．９ｍｍとした場合である。横軸は熱交換量を、縦軸はコルゲートフィン部の重量と通風抵抗とを示した。横軸及び縦軸ともに、コルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍとした場合の熱交換量で無次元化し、各々比で示した。
【００５４】
ルーバフィンの場合、横軸の一番左側のデータはコルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍとした場合であり、一番右側のデータはコルゲートフィンのフィンピッチを０．４５ｍｍとした場合である。ルーバ底面を傾斜させた微細ルーバは、一番左側のデータは底面傾斜角０°の場合であり、右側のデータは底面傾斜角３０°の場合である。ルーバフィンでは、熱交換量を増加させるにはコルゲートフィンの小ピッチ化が必要になる。そのため、熱交換量を２０％増加させると、フィン部重量は１．７倍になる。微細ルーバでは、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくする必要がない。ルーバ長さを０．４５ｍｍとすることにより、前縁効果を拡大させるとともに、ルーバ間流れの熱交換の促進効果により、熱交換量は増加する。その結果、熱交換量を２０％増加させた場合、微細ルーバのフィン部重量は、ルーバフィンの６０％となる。
【００５５】
図１１から、傾斜角θｂの最適範囲としては、５〜１５°の範囲が好適となる。
[第３の実施の形態]
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態のルーバ形状を図１２に示す。本実施の形態は、ルーバ群内部のルーバの底面（両端側ルーバ端部５０）とルーバ側面（中心側ルーバ端部５１）とをルーバ間流れが増加する方向に傾斜させたものである。本実施の形態の両端側ルーバ端部５０は、第２の実施の形態のルーバ形状と同じであるが、中心側ルーバ端部５１の傾斜角を８０°または８０°に近い角度より小さくなるように切り起されている。中心側ルーバ端部５１を８０°または８０°に近い角度に切り起した場合より、ルーバ間に生じるよどみ域が縮小し、通風抵抗が減少する。
【００５６】
図１３は、図１０と同じ条件で、側面傾斜角θｓの最適範囲を決定するために実施した熱流れ解析の結果である。傾斜角θｓを５５°〜８０°とした場合の性能は、傾斜角θｓが９０°の場合と通風抵抗は同等以下、熱交換量は同等以上となる。傾斜角θｓとしては、５５°〜８０°の範囲が好適である。
【００５７】
なお、本実施の形態では、ルーバ群内部のルーバの両端側端部の各々を傾斜させた例について説明したが、第１の実施の形態のように傾斜させないようにしてもよい。
【００５８】
また、上述した第３の実施の形態では、切り起し部２１を平面部に対して８０°または８０°に近い角度に切り起された実施の形態について述べたが、空気が前縁部に衝突した後、ルーバの上下に流れが分岐するような角度であればよい。
[第４の実施の形態]
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上流側切り起し部及び下流側切り起し部を切り起した際に生じる折り曲げ部、第１の実施の形態においてルーバを切り起した際に生じるルーバ折り曲げ部の角部の外側部分に円弧部を設けたものである。
【００５９】
第４の実施の形態のルーバ形状を図１４に示す。図１４に示すように、本実施の形態では、ルーバ折り曲げ部の角部に円弧部６５が形成されている。図１５は、熱流れ解析により求めた、第４の実施の形態におけるルーバ間を通過する流れの流速ベクトルを示す。
【００６０】
ルーバ下部を通過する流れ３５は、ルーバの前縁部５０に衝突した後、ルーバ底面５２に沿って流れる。折り曲げ部に円弧部６５を設けると、ルーバ底面５２に沿う流れは、水平方向ではなく、ルーバ間の方向に流れる。その結果、直角に折り曲げた場合よりも、ルーバ間を通過する流れの流量が増加する。ルーバ間を通過する流れの流量が増加すると、ルーバ近傍の空気と、ルーバから離れた空気の間の熱交換が促進され、直角に折り曲げた場合よりも、高い伝熱性能が得られる。
【００６１】
円弧部６５の半径Ｒの最適範囲は、熱流れ解析により決定した。コルゲートフィンのフィンピッチは１．２５ｍｍ、ルーバフィンのルーバピッチに相当するルーバ長さは０．４５ｍｍとした。
【００６２】
図１６は、円弧部６５の半径Ｒと熱交換量の関係を図示したものである。横軸は、円弧部６５の半径Ｒを、ルーバを直角に折り曲げた場合の水平部ルーバ長さＬｂにより無次元化した。Ｒ／Ｌｂを０〜０．９まで大きくすると、熱交換量は増加する。ただし、同時に通風抵抗も増加するため、この結果からでは、円弧部の半径の最適値を決定できない。そこで、非特許文献１及び非特許文献２に提案されているルーバの性能予整理式を用いて、微細ルーバの性能を試算すると共に、熱流れ解析を用いて、微細ルーバの性能を試算し、両者の性能を比較することにより、円弧部の半径の最適値を決定した。比較した物理量は、熱交換量、通風抵抗、フィン部の重量である。
【００６３】
ルーバフィンの諸元は、ルーバピッチとルーバ角は一定とし、コルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍから０．４５ｍｍまで変化させた。ルーバフィンと、微細ルーバの性能の比較を図１７に示す。図はルーバピッチを０．９ｍｍとした場合である。横軸は熱交換量を、縦軸はコルゲートフィン部の重量と通風抵抗を示す。横軸、縦軸ともに、コルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍとした場合の熱交換量で無次元化して示した。
【００６４】
ルーバフィンの場合、横軸の一番左側のデータはコルゲートフィンのフィンピッチを１．２５ｍｍとした場合であり、一番右側のデータは０．４５ｍｍとした場合である。ルーバ折り曲げ部に円弧部を有する場合は、一番左側のデータは円弧部のない場合であり、右側のデータは円弧部の半径を０．２ｍｍの場合である。ルーバフィンでは、熱交換量を増加させるにはコルゲートフィンの小ピッチ化が必要になる。そのため、熱交換量を１５％増加させると、フィン部重量は１．４倍になる。微細ルーバでは、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくする必要がない。ルーバ長さを０．４５ｍｍとすることにより、前縁効果を拡大させるとともに、ルーバ間流れの熱交換の促進効果により、熱交換量は増加する。その結果、熱交換量を１５％増加させた場合、微細ルーバのフィン部重量は、ルーバフィンの７２％となる。
【００６５】
図１７から、円弧部６５の半径Ｒとルーバを直角に折り曲げた場合の水平部ルーバ長さＬｂの比の最適範囲としては、０．２〜０．９の範囲が好適となる。
【００６６】
本実施の形態では、第１の実施の形態においてルーバを切り起した際に生じるルーバ折り曲げ部の角部の外側部分に円弧部を設けた例について説明したが、第２の実施の形態または第３の実施の形態においても同様に切り起した際に生じるルーバ折り曲げ部の角部の外側部分に円弧部を設けることができる。
【００６７】
[第５の実施の形態]
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、ルーバ群両端側からルーバ群中心に向かって各ルーバの中心側ルーバ端部５１の切り起し量を徐々に小さくしたものである。また、上流側切り起し部２１及び下流側切り起し部２２の両端側端部５０は平坦にされ、ルーバ群内のルーバ２０の各々の両端側端部５０は図１２で説明したように水平方向下向きに傾斜されている。
【００６８】
第５の実施の形態のルーバ形状を図１８に示す。第５の実施の形態では、各ルーバの中心側ルーバ端部５１であるルーバ側面部４３の切り起し高さ、すなわち各ルーバの切り起し量をルーバ群両端部に位置する上流側切り起し部２１及び下流側切り起し部２２の各々からルーバ群中心部に向かって徐々に短くしている。
【００６９】
ルーバ群中心より上流側の上流側ルーバ２６のルーバ群上部２９には、ルーバ間流れ３１により、ルーバ群下部２８の空気が輸送される。その結果、上流側ルーバ２６のルーバ群上部２９を通過する流れの流量は、上流側切り起し部２１からの距離が長くなるに従って増加する。そこで、上流側切り起し部２１からの距離が長くなるに従って、ルーバ側面４３の切り起し高さ７０を低くし、流路面積７２を拡大させる。その結果、すべてのルーバで切り起し高さを一定とした場合より、通風抵抗を減少させることが可能となる。
【００７０】
ルーバ群中心より下流側の下流側ルーバ２７では、ルーバ群上部２９の空気は、ルーバ間流れ３２によりルーバ群下部２８へ輸送される。第５の実施の形態では、下流側ルーバのルーバ側面４３の切り起し高さ７１は、ルーバ群中心部から下流側切り起し部２２に向かって徐々に高くなるように形成されている。その結果、ルーバ群中心部からの距離が長くなるにしたがってより高い位置にある空気が、ルーバ群下部２８へ輸送される。ルーバ群から離れた位置ほど、空気とルーバの温度差は大きくなる。ルーバ壁面との温度差の大きい空気が、ルーバ間流れ３２によりルーバ近傍に輸送される。その結果、熱交換量は増加する。
【００７１】
図１９は、熱流れ解析により求めた、第５の実施の形態におけるルーバ間を通過する流れの流速ベクトルを示す。ルーバ群両端側の切り起し部２１、２２の側面４３の切り起し高さ７０は０．２ｍｍとし、ルーバ群中心側のルーバの切り起し高さ７１は０．１ｍｍとした。図２０にその効果を示す。切り起し高さを一定とした場合より、熱交換量が同等以上で、通風抵抗は２２％減少した。
[第６の実施の形態]
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、各ルーバの中心側ルーバ端部５１であるルーバ側面部４３の傾斜角をルーバ群中心に向かって徐々に小さくなるように変化させたものである。
【００７２】
第６の実施の形態のルーバ形状を図２１に示す。第６の実施の形態では、ルーバ側面４３の切り起し角度θｓをルーバ群両端部側の切り起し部２１、２２からルーバ群中心部に向かって徐々に小さくすることにより、第５の実施の形態と同様の効果を生じるようにしたものである。なお、上流側切り起し部２１及び下流側切り起し部２２の両端側端部５０は平坦にされ、ルーバ群内のルーバ２０の各々の両端側端部５０は図１２で説明したように水平方向下向きに傾斜されている。
【００７３】
図２２は、熱流れ解析により求めた第６の実施の形態の効果を示すものである。切り起し部２１，２２の側面４３の切り起し角度θｓ’を８０°とし、ルーバ群中心側のルーバの切り起し角度θｓは４５°とした。切り起し高さ角度を一定とした場合より、熱交換量が同等以上で、通風抵抗は１４％減少する。
【００７４】
第６の実施の形態では、ルーバ側面の切り起し角度を切り起し部側のルーバからルーバ群中心部のルーバに向かって、小さくすることにより、第５の実施の形態と同様の効果を有する。
[第７の実施の形態]
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第２の実施の形態において強いルーバ間流れを誘起させるための補助フィンを設けたものである。
【００７５】
第７の実施の形態のルーバ形状を図２３に示す。第７の実施の形態では、ルーバ間流れを誘起するための補助フィン８０がルーバ群間に設けられている。この補助フィン８０は、補助フィンとルーバ底面５２との上下方向距離８１を、ルーバ群の両端部からルーバ群中心部に向かって徐々に小さくなるように形成されている。ルーバ群下部２８では、空気側の流路面積が減少するため、フィン間を通過する流れ３１の流量が増加する。その結果、熱交換量が増加する。
【００７６】
なお、上記では第２の実施の形態に補助フィンを設ける例について説明したが、第１、第３〜第６の実施の形態に補助フィンを設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（ａ）は従来のコルゲート式ルーバフィンを備えた熱交換器の概略図、（ｂ）はコルゲートフィンの平面図、（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は図１（ｃ）の部分拡大図である。
【図２】従来技術のフィン諸元とルーバフィン間の流れを説明する説明図である。
【図３】従来技術のコルゲートフィンのピッチと、通風抵抗比、フィンの重量比、及び熱交換量の比との関係を示す線図である。
【図４】第１の実施の形態の微細ルーバのルーバ間の流れを示す説明図である。
【図５】上記第１の実施の形態のルーバ群の内部ルーバ近傍の空気の流れを説明する説明図である。
【図６】上記第１の実施の形態の上流側ルーバ群でのルーバ間流れの発生を説明するための説明図である。
【図７】上記第１の実施の形態の下流側ルーバ群でのルーバ間流れの発生を説明するための説明図である。
【図８】第２の実施の形態の底面傾斜ルーバを示す概略図である。
【図９】上記第２の実施の形態の底面傾斜ルーバのルーバ間流れの流速ベクトルを示す図である。
【図１０】上記第２の実施の形態の底面傾斜角θｂと熱交換量とのの関係を示す線図である。
【図１１】上記第２の実施の形態の熱交換量の比に対するルーバ重量の比及び通風抵抗の比を示す線図である。
【図１２】第３の実施の形態の底面及び傾斜ルーバを示す概略図である。
【図１３】上記第３の実施の形態の側面傾斜角θｓと通風抵抗比及び熱交換量の比との関係を示す線図である。
【図１４】第４の実施の形態のフィン折り曲げ部の角部に円弧部が形成されたルーバを示す概略図である。
【図１５】上記第４の実施の形態の底面傾斜ルーバのルーバ間流れの流速ベクトルを示す図である。
【図１６】円弧部の半径と熱交換量の関係を示す線図である。
【図１７】上記第４の実施の形態の熱交換量の比に対するフィン重量の比及び通風抵抗の比を示す線図である。
【図１８】第５の実施の形態のルーバを示す概略図である。
【図１９】上記第５の実施の形態における熱流れ解析により求めたルーバ間を通過する流れの流速ベクトルを示す図である。
【図２０】上記第５の実施の形態における通風抵抗及び熱交換量の性能比を示す線図である。
【図２１】第６の実施の形態のルーバを示す概略図である。
【図２２】上記第６の実施の形態における通風抵抗及び熱交換量の性能比を示す線図である。
【図２３】第７の実施の形態のルーバを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
４，４        コルゲートフィン
４ａ      ルーバ
１０      ルーバフィン
２１      上流側切り起し部
２２      下流側切り起し部
２５      ルーバ
２８      ルーバ群下部
２９      ルーバ群上部
３０      縮流
【図１】
0004537272.tif 000002
【図２】
0004537272.tif 000003
【図３】
0004537272.tif 000004
【図４】
0004537272.tif 000005
【図５】
0004537272.tif 000006
【図６】
0004537272.tif 000007
【図７】
0004537272.tif 000008
【図８】
0004537272.tif 000009
【図９】
0004537272.tif 000010
【図１０】
0004537272.tif 000011
【図１１】
0004537272.tif 000012
【図１２】
0004537272.tif 000013
【図１３】
0004537272.tif 000014
【図１４】
0004537272.tif 000015
【図１５】
0004537272.tif 000016
【図１６】
0004537272.tif 000017
【図１７】
0004537272.tif 000018
【図１８】
0004537272.tif 000019
【図１９】
0004537272.tif 000020
【図２０】
0004537272.tif 000021
【図２１】
0004537272.tif 000022
【図２２】
0004537272.tif 000023
【図２３】
0004537272.tif 000024