(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱面である扁平伝熱管の内面に伝熱促進部を設け、この伝熱促進部によりこの伝熱面に沿って流れる流体の撹乱を図った熱交換器に於いて、この伝熱促進部は、それぞれが長細形状で上記伝熱面から突出する１対のリブにより構成しており、これら１対のリブは、以下の(1) 〜(4) の要件を満たす事を特徴とする熱交換器。
(1) これら１対のリブは、上記伝熱面に沿って上記扁平伝熱管内を流れる流体の流れ方向に亙り互いに０．５〜１．５ピッチずらせて配置している。
(2) 上記１対のリブは、これら各リブの上流端縁を上記流体の流れ方向と平行な線上に位置させた状態で配置すると共に、それぞれの中心軸を上記流体の流れ方向と平行な線を挟んで互いに反対側に傾斜させており、これら各リブの中心軸と上記流体の流れ方向と平行な線とのなす角を、それぞれ１５〜７５度としている。
(3) 各リブの高さは、上記扁平伝熱管の内側流路の断面高さの２０〜５０％である。
(4) 上記(1) 〜(3) の条件を満たす関係にある１対のリブは、他のリブと離れて独立している。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明に係る熱交換器は、ラジエータやコンデンサ等の各種熱交換器として、各種流体同士の間で熱交換を行なう場合に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
各種熱交換器により、空気によって伝熱管内を流れる流体を冷却したり、或は伝熱管内を流れる流体により空気を冷却或は加温したりする事が広く行なわれている。又、各種熱交換器により伝熱管内を流れる冷媒等の流体と伝熱管外を流れる空気等の流体との間で熱交換を行なう際に、伝熱管の内、外面や伝熱フィン表面等の境界層を破壊し、これら伝熱管や伝熱フィンと、上記冷媒や空気等の流体との間での熱交換が効率良く行なわれる様にする事も、広く行なわれている。
【０００３】
例えば特開昭６３−１７３９３号公報には、伝熱面である扁平伝熱管の内面に、この扁平伝熱管の内部に向かって突出する半球形や矩形等の各種形状の突起（伝熱促進部）を多数形成する技術が記載されている。これら各突起は、上記扁平伝熱管の内面に沿って流れる冷媒等の流体を撹乱し、上記扁平伝熱管の内面とこの冷媒等の流体との間で熱交換が効率よく行なわれる様にする。即ち、上記各突起は、上記扁平伝熱管の内面に沿って流れる流体の流れを乱す事により、この扁平伝熱管の内面の一部で、上記各突起の下流側に存在する部分の境界層を破壊する様にしている。
【０００４】
【考案が解決しようとする課題】
ところが、上記公報に記載された各種形状の突起の場合には、これら各突起１個分による流体の流れを乱す効果が小さく、必ずしも良好な伝熱性向上の効果を得られなかった。
本発明の熱交換器は、上述の様な事情に鑑みて、伝熱面に設ける突起の構造を工夫する事により、これら各突起による流体の流れを乱す効果を大きくし、良好な熱交換性能を得られる様にすべく、発明したものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱交換器は、上述した従来の熱交換器と同様に、伝熱面である扁平伝熱管の内面に伝熱促進部を設け、この伝熱促進部により上記伝熱面に沿って流れる流体の撹乱を図っている。
特に、本発明の熱交換器に於いては、上記伝熱促進部は、それぞれが長細形状で上記伝熱面から突出する１対のリブにより構成しており、これら１対のリブは、以下の(1) 〜(4) の要件を満たす。
(1) 上記１対のリブは、上記伝熱面に沿って上記扁平伝熱管内を流れる流体の流れ方向に亙り互いに０．５〜１．５ピッチずらせて配置している。
(2) 上記１対のリブは、これら各リブの上流端縁を上記流体の流れ方向と平行な線上に位置させた状態で配置すると共に、それぞれの中心軸を上記流体の流れ方向と平行な線を挟んで互いに反対側に傾斜させており、これら各リブの中心軸と上記流体の流れ方向と平行な線とのなす角を、それぞれ１５〜７５度としている。
(3) 各リブの高さは、上記扁平伝熱管の内側流路の断面高さの２０〜５０％である。
(4) 上記(1) 〜(3) の条件を満たす関係にある１対のリブは、他のリブと離れて独立している。
【０００６】
【作用】
上述の様に構成する本発明の熱交換器の場合、伝熱面である扁平伝熱管の内面の一部で、伝熱促進部の下流側に存在する部分の境界層を効率良く破壊できる。この為、この伝熱面とこの伝熱面を沿って流れる流体との間の伝熱効率を大きくできる。従って、上記扁平伝熱管を含んで構成する熱交換器の熱交換性能を高める事ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１〜３は、本発明の実施の形態の１例を示している。アルミニウム合金等、伝熱性の良好な金属製の板材をプレス成形或はロール成形する事により形成した扁平伝熱管１は、互いに平行な１対の平坦部２、２と、これら各平坦部２、２の幅方向（図１の左右方向）両端縁同士を連続させる１対の連続部３、３とを備える。又、それぞれが伝熱面である、上記１対の平坦部２、２の内面には伝熱促進部４、４を、軸方向に亙り多数設けている。これら各伝熱促進部４、４は、それぞれが上記扁平伝熱管１の内部に向かって突出する、断面矩形で長細の１対のリブ５、５により構成している。尚、これら各リブ５、５の断面形状は、例えば、半円形や半楕円形、更には三角形であっても良い。
【０００８】
これら１対のリブ５、５は、図２に矢印αで示す、上記扁平伝熱管１内を流通する流体の流れ方向（扁平伝熱管１の軸方向）に亙り、互いにずらせて（オフセットして）配置している。図示の例の場合、このオフセット量を１ピッチ（後述する投影長さＬ）としている。又、上記１対のリブ５、５は、これら各リブ５、５の上流端縁｛図２、３（Ａ）の左端縁｝を上記流れ方向αと平行な上記伝熱促進部４の中心線β上に位置させた状態で、それぞれの中心軸をこの中心線βを挟んで互いに反対側に傾斜させている。図示の例の場合、上記各リブ５、５の中心軸と上記中心線βとのなす角である、迎え角θを、それぞれ３０度としている。尚、上記投影長さＬとは、上記各リブ５、５を上記中心線β上に投影した長さであり、これら各リブ５、５の長さをＬ5 とした場合に、Ｌ＝Ｌ5 ・cos θとなる。尚、上記１対のリブ５、５の迎え角θの大きさは、互いに異ならせても良い。又、上記１対のリブ５、５は、上記扁平伝熱管１の内面からの突出量ｈを互いに等しくしている。これら各リブ５、５の突出量ｈは、上記１対の平坦部２、２の内面同士の間隔（扁平伝熱管１の内側流路の断面高さ）Ｗの２０〜５０％とする。尚、上述の様な各リブ５、５は、上記扁平伝熱管１をプレス成形或はロール成形するのと同時に形成する他、この扁平伝熱管１を押し出し成形した後、上記各リブ５、５をロール成形、或はプレス成形により形成する事もできる。又、図１に示す様に、それぞれが１対のリブ５、５により構成される伝熱促進部４、４は、互いに離れて配置されている（１対のリブ５、５は、他のリブ５、５と離れて独立している）。
【０００９】
上述の様に構成する扁平伝熱管１を組み込んだ、本例の熱交換器の使用時、この扁平伝熱管１内に冷媒等の流体を流通させると、上記１対の平坦部２、２の内面に形成した多数の伝熱促進部４、４が、図３（Ａ）（Ｂ）に矢印で示す様に、これら１対の平坦部２、２の内面に沿って流れる流体を撹乱させる。即ち、これら１対の平坦部２、２の内面に沿って流れる流体が、上記各伝熱促進部４、４を構成する１対のリブ５、５を乗り越えると、これら１対のリブ５、５の下流側｛図２、３（Ａ）の右側｝に１対の渦が発生する。上述した様に各伝熱促進部４、４を構成する１対のリブ５、５は、これら各伝熱促進部４、４の中心線βに対して互いに反対方向に傾斜させている。この為、これら１対のリブ５、５の下流側に発生する１対の渦（の巻く方向）は、図３（Ｂ）に示す様に、互いに逆向きとなる。
【００１０】
又、上述した様に各伝熱促進部４、４を構成する１対のリブ５、５は、上記流体の流れ方向に亙り互いにオフセットして配置している。この為、これら１対のリブ５、５のうち、上流側｛図２、３（Ａ）の左側｝のリブ５の下流側に発生した渦が、同じく下流側のリブ５の上流端縁に当たる。そして、この下流側のリブ５部分で、上記上流側のリブ５により発生した渦と、この下流側のリブ５により発生した逆向きの渦とが合流し、この下流側のリブ５部分を含む上記伝熱促進部４、４の下流側の広い範囲に強い渦を形成する。この結果、これら互いに逆向きの１対の渦により、上記扁平伝熱管１を構成する１対の平坦部２、２の内面の一部で、上記各伝熱促進部４、４の下流側に存在する部分の境界層を効率良く破壊できる。この為、上記扁平伝熱管１とこの扁平伝熱管１内を流れる流体との間の伝熱効率を向上させる事ができる。従って、この扁平伝熱管１を組み込んだ熱交換器の熱交換性能を高める事ができる。
【００１１】
尚、図示は省略するが、上記伝熱促進部４、４を構成する１対のリブ５、５のオフセット量を０にした場合には、これら各リブ５、５により発生した１対の渦の合流位置が、これら各リブ５、５をオフセットした場合の合流位置よりも下流側に移動する。この為、この様に１対の渦の合流位置が下流側に移動した分、上記１対の平坦部２、２の内面の一部で、上記伝熱促進部４と上記合流位置との間部分の境界層を効率良く破壊する事ができなくなる。従って、上記伝熱促進部４、４は、上述した本発明の様に、１対のリブ５、５を互いにオフセットして構成するのが好ましい。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認する為に、本発明者が行なった実験に就いて説明する。実験では、伝熱促進部４を構成する１対のリブ５、５のオフセット量及び迎え角θのそれぞれの大きさが、伝熱面と流体との間の伝熱効率に及ぼす影響に就いて調べた。尚、上述した実施の形態の様に、伝熱促進部４を扁平伝熱管１（図１）を構成する１対の平坦部２、２（図１）の内面に設ける場合には、これら両平坦部２、２の内面同士の間隔Ｗに対する上記１対のリブ５、５の突出量ｈの大きさ（割合）も、上記伝熱効率を変化させる要因となる。この為、実験では、上記間隔Ｗに対する上記突出量ｈの大きさ（割合）が、伝熱面である扁平伝熱管の内面と流体との間の伝熱効率に及ぼす影響に就いても調べた。尚、上記扁平伝熱管１は、上記１対の平坦部２、２の内面同士の間隔Ｗが１０mmであるものを使用した。
【００１４】
先ず、上記１対の平坦部２、２のうち、一方の平坦部２の内面に、伝熱促進部４を１個だけ設けた。この伝熱促進部４は、上記１対のリブ５、５を、オフセット量を１ピッチ（投影長さＬ×１）に、迎え角θを３０度に、突出量ｈを２mm（上記平坦部２、２の内面同士の間隔Ｗの２０％の大きさ）に、それぞれ設定して構成した。そして、周囲よりも高温の平坦部２の内面に沿って低温の空気を、上記伝熱促進部４に向けて送り、この平坦部２の表面温度を、サーモグラフィーで測定した。すると上記低温の空気のレイノルズ数が１５００の場合（層流の場合）に、図４（Ａ）に示す様な冷却部が、この平坦部２の内面の一部で、伝熱促進部４の下流側部分に現われた。この図４（Ａ）に示した冷却部に於いて、斜格子で表わしたａ部は、特に温度が低くなっている部分を、このａ部の外側に存在し、斜線で表わしたｂ部は、比較的温度が低くなっている部分を、それぞれ表わしている。又、上記伝熱促進部４を、上記１対のリブ５、５の突出量ｈのみを３mm（上記間隔Ｗの３０％の大きさ）に変更して構成した場合には、同図（Ｂ）に示す様に、上記伝熱促進部４の下流側部分に、より広範囲な冷却部が現れた。
【００１５】
この様な測定を、上記１対のリブ５、５の突出量ｈのみを１〜５mm（上記間隔Ｗの１０〜５０％の大きさ）の間で、１mm刻みで変えて行ない、この突出量ｈと放熱量（冷却部の面積と低下温度との積）との関係を求めた所、図５に実線Ｐ1 で示す様な結果が得られた。尚、この図５に示したグラフの縦軸で、放熱量比が１の場合とは、上記冷却部の放熱量が、上記平坦部２の内面に伝熱促進部４を設けていない場合に於ける、上記平坦部２の放熱量と等しい事を意味する。この図５に示す様に、上記冷却部の放熱量は、上記突出量ｈが上記間隔Ｗの２０％の大きさを越えた辺りから急激に上昇する。従って、上記突出量ｈの大きさは、上記間隔Ｗの２０〜５０％（更に好ましくは３０〜５０％）の範囲で、上記平坦部２と流体との間の熱交換を良好にして、この平坦部２の温度を十分に低下させる事ができる。
【００１６】
尚、上記突出量ｈの大きさの上限値を上記間隔Ｗの５０％とした理由は、この突出量ｈの大きさをこれ以上大きくすると、前記扁平伝熱管１内を流れる流体の抵抗が大きくなり、かえってこれら扁平伝熱管１と流体との間の伝熱性能が低下する為である。又、図５の破線Ｑ1 は、前記低温の空気のレイノルズ数を７０００とした場合（乱流の場合）の測定結果を示している。この図５から明らかな通り、上記乱流の場合も、上記層流の場合程の大きな効果は得られないが、上記突出量ｈの大きさが上記間隔Ｗの２０〜５０％（更に好ましくは３０〜５０％）の範囲で、上記平坦部２と流体との間の熱交換を良好にして、この平坦部２の温度を十分に低下させる事ができる。
【００１７】
次に、前記迎え角θと上記冷却部の放熱量との関係に就いて調べた。即ち、上述と同様の実験を、伝熱促進部４を構成する１対のリブ５、５のオフセット量及び突出量ｈを一定に保持しつつ、上記迎え角θのみを変えて行なった。先ず、この様な実験を、１対のリブ５、５の迎え角θの大きさを互いに等しくしつつ、この迎え角θを１５〜９０度まで１５度刻みで変えて行なった所、図６に示す様な結果が得られた。この図６から明らかな通り、流体（空気）の流れが層流状態の場合（実線Ｐ2 ）には、上記迎え角θが１５〜７５度の範囲で、冷却部の放熱量を十分に大きくできる事が分かった。又、上記流体の流れが乱流状態の場合（破線Ｑ2 ）も、上記層流の場合程顕著には示されないが、上記迎え角θが１５〜７５度の範囲で、冷却部の放熱量を大きくできる事が分かった。尚、図示は省略するが、上述の様な実験を、上記１対のリブ５、５の迎え角θを互いに異ならせて行なった所、やはり、上記各リブ５、５の迎え角θが１５〜７５度の範囲で、冷却部の放熱量を大きくできる事が分かった。
【００１８】
更に、前記オフセット量と上記冷却部の放熱量との関係に就いて調べた。即ち、上述と同様の実験を、伝熱促進部４を構成する１対のリブ５、５の迎え角θ及び突出量ｈを一定に保持し、オフセット量のみを０．５〜１．５ピッチ（投影長さＬ×０．５〜１．５）まで、０．５ピッチ刻みで変えて行なった所、図７に示す様な結果が得られた。この図７に示す様に、上記流体の流れが層流状態の場合（実線Ｐ3 ）には、上記オフセット量が１〜１．５ピッチの範囲で、冷却部の放熱量を十分に大きくできる事が分かった。一方、上記流体の流れが乱流状態の場合（破線Ｑ3 ）には、上記オフセット量が０．５〜１．５ピッチの範囲で、冷却部の放熱量を十分に大きくできる事が分かった。
【００１９】
次に、図８は、本発明の熱交換器に組み込む扁平伝熱管と従来の扁平伝熱管との性能を比較する為に、本発明者が行なった実験の結果を示している。この様な解析では、本発明を構成する伝熱促進部と従来の各種形状の突起とのそれぞれを、それぞれの内面に同様に配置した複数の扁平伝熱管に就いて、これら各扁平伝熱管とこれら各扁平伝熱管の内部を流れる流体との間の伝熱効率が、上記扁平伝熱管の表面が単なる平坦面にある場合に比較して向上する割合と、圧力損失が増加する割合とを解析した。尚、本解析では、上記各扁平伝熱管は、この扁平伝熱管を構成する１対の平坦部の内面同士の間隔Ｗが１０mmであるとした。又、上記伝熱促進部は、１対のリブを、オフセット量を１ピッチに、迎え角θを３０度に、突出量ｈを３mm（上記間隔Ｗの３０％の大きさ）に、それぞれ設定して構成した。
【００２０】
又、上記図８中、破線ａで囲んだ各点は、流体（空気）のレイノルズ数を１５００とした場合（層流の場合）の解析結果を、鎖線ｂで囲んだ各点は、上記流体のレイノルズ数を７０００とした場合（乱流の場合）の解析結果を、それぞれ示している。先ず、上記流体の流れが層流状態の場合には、図８中に点Ｐで示す様に、本発明の扁平伝熱管と流体と間の伝熱効率の増加率（内面に突起等を設けていない扁平伝熱管と流体との間の伝熱効率に対する増加率）は、同図中に丸や三角や四角等の点で示した従来の何れの扁平伝熱管の場合の伝熱効率の増加率よりも、少なくとも６０％以上大きくなり、圧力損失の増加率はそれ程は大きくならない事が分かった。又、上記流体の流れが乱流状態の場合でも、図８中に点Ｑで示す様に、本発明の扁平伝熱管と流体と間の伝熱効率の増加率は、同図中に丸や三角や四角等の点で示した従来の何れの扁平伝熱管の場合の伝熱効率の増加率と比べても、トップレベルにある事が分かった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の熱交換器は、以上に述べた通り構成され作用する為、伝熱面と流体との間の熱交換を効果的に行なって、熱交換器の性能を向上させる事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す、扁平伝熱管の斜視図。
【図２】伝熱促進部の斜視図。
【図３】伝熱促進部により撹乱される流体の状態を示しており、（Ａ）は、斜視図。（Ｂ）は、（Ａ）のＸ矢視図。
【図４】伝熱促進部により得られる冷却部を示す平面図。
【図５】１対のリブの突出量と放熱量との関係を示す線図。
【図６】１対のリブの迎え角と放熱量との関係を示す線図。
【図７】１対のリブ同士のオフセット量と放熱量との関係を示す線図。
【図８】本発明と従来構造との性能を比較する為に行なった実験の結果を示す図。
【符号の説明】
１    扁平伝熱管
２    平坦部
３    連続部
４    伝熱促進部
５    リブ
【図１】
0003957021.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003957021.tif 000004
【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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