(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱搬送流体と伝熱接触する線型又は管状の伝熱体と、該伝熱体に対して熱伝達可能に一体化した伝熱フィンとを有する伝熱装置において、
前記伝熱体は、冷却又は加熱すべき熱媒体流体を流通可能な伝熱管からなり、
前記伝熱フィンは、前記伝熱管に対する前記熱搬送流体の剥離点位置（β）を該伝熱管のよどみ点（Ｅ）から角度９０°以上隔てた角度位置に移行させるように前記伝熱管の近傍に配置され且つ背後に縦渦を発生させる案内フィンを有し、前記案内フィンは、前記伝熱管の両側に配置され、前記熱搬送流体の上流側に向かって拡開する前記熱搬送流体の流路を前記案内フィン及び伝熱管の間に画成し、前記案内フィンの下流端は、前記熱搬送流体を前記伝熱管の背後に噴流する狭小間隙を形成するように前記伝熱管の管壁から離間し、
前記案内フィンの上流側端部は、前記伝熱管の中心よりも上流側に配置され、前記案内フィンの下流側端部は、前記伝熱管の中心よりも下流側に配置され、
前記案内フィンの形態は、前記熱搬送流体の流れ方向に高さが徐々に漸増する直線的又は曲線的な上縁（１５）を備え、前記案内フィンの最高部の高さ（ｈ）は、前記伝熱フィンの間隔（Ｐｆ）の１／２以上の寸法に設定され、
該案内フィンは、前記伝熱管の間に流入する前記熱搬送流体を前記伝熱管と前記案内フィンとの間で加速し且つ前記伝熱管の背後に案内して、伝熱管背後の剥離後流領域を縮小するとともに、該案内フィンの迎え角に相応して前記伝熱管に若干接近するように偏向する旋回流を該案内フィンの後方に発生させるように、前記熱搬送流体の流れ方向に対して、迎え角α＝１０°〜６０°をなして傾斜した方向に配向されることを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】
前記案内フィンは、底辺が伝熱フィンの平面に位置する三角形の形態を有し、前記案内フィンの底辺長（Ｌ）／最高部の高さ（ｈ）の比が、２〜７の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項３】
前記熱搬送流体と直交する方向において前記案内フィンの後流側端部（１２）と対向する前記伝熱体の近接点（１４）が、前記端部から距離（Ｓ）を隔てて離間し、前記後流側端部（１２）は、８０°〜１７６°の範囲内の角度（Θ2）を前記熱搬送流体のよどみ点（Ｅ）から隔てた位置に設定されることを特徴とする請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項４】
前記案内フィンの後流側端部（１２）と前記伝熱体の中心との間の距離Ｒ′は、該伝熱体の半径Ｒに対して、Ｒ′／Ｒ＝１．０５〜２．６の範囲内の値に設定されることを特徴とする請求項３に記載の伝熱装置。
【請求項５】
前記伝熱フィンは、前記伝熱管の管長方向に所定間隔を隔てて配置され、前記伝熱管及び伝熱フィンの表層付近を流動する前記熱搬送流体と、前記伝熱管内の熱媒体流体との熱交換により、前記熱媒体流体を冷却又は加熱することを特徴とする請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された伝熱装置を用いた剥離位置制御方法であって、
前記伝熱体の近傍に案内フィンを配置して該案内フィンの背後に縦渦を発生させることにより、該案内フィンの後方に旋回流を生じさせるとともに、前記伝熱体及び前記案内フィンの間に流入する前記熱搬送流体を前記伝熱体と前記案内フィンとの間で加速し且つ前記伝熱体の背後に案内して、伝熱体に対する前記熱搬送流体の剥離点位置（β）を該伝熱体のよどみ点（Ｅ）から角度９０°以上隔てた角度位置に制御することを特徴とする伝熱装置の剥離位置制御方法。
【請求項７】
前記熱搬送流体は、前記伝熱体及び案内フィンの間の流路幅が前記案内フィンの傾斜に従って徐々に縮小するにつれて、方向を変化させながら加速し、該熱搬送流体を前記伝熱管の背後に噴流するための狭小間隙（１３）から後方に噴流し、該間隙の噴流は、前記案内フィンの後流側端部（１２）と対向する前記伝熱体の近接点（１４）の接線方向に差し向けられることを特徴とする請求項６に記載の伝熱装置の剥離位置制御方法。
【請求項８】
前記熱搬送流体のよどみ点（Ｅ）を基準とした剥離点（Ｂ）の角度位置（β）は、１００〜１３５°の位置に顕れることを特徴とする請求項６又は７に記載の伝熱装置の剥離位置制御方法。
【請求項９】
前記案内フィンは、最前列の伝熱体列のみに配設されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の伝熱装置の剥離位置制御方法。
【請求項１０】
前記案内フィンは、隔列又は数列間隔に伝熱体列に配置されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の伝熱装置の剥離位置制御方法。
【請求項１１】
熱搬送流体を強制送風する送風機と、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の伝熱装置とを備え、該伝熱装置の圧力損失の低下により送風機運転時の騒音を低下したことを特徴とする空冷式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、伝熱装置に関するものであり、より詳細には、熱搬送流体の剥離位置制御手段として機能する案内フィンを備えた伝熱装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
一般に、流体を冷却又は加熱する熱交換器は、冷却又は加熱すべき熱媒体流体を流通する伝熱管を備え、伝熱管の周囲に空気等の熱搬送流体を強制流動させるように構成される。伝熱管内の熱媒体流体は、伝熱管の管壁を介してなされる熱搬送流体との熱交換により、冷却又は加熱される。このような気体を熱搬送流体とする熱交換器では、熱搬送流体（空気等）の熱抵抗が伝熱性能を支配することから、熱搬送流体と伝熱管との伝熱接触面積を増大させるとともに、伝熱促進を意図した多種多様な形態の伝熱フィンが、伝熱管に取付けられる。
【０００３】
例えば、スパイラル形態の金属フィンを金属管に取付け、金属管を千鳥配置又は碁盤目配置に配列した構成を有するハイフィンチューブ形熱交換器や、コンパクト形熱交換器の一種として知られるフィンチューブ形又はプレートフィン・アンド・チューブ形の熱交換器が、各種発電施設の熱媒体循環回路、空気調和設備の熱媒体循環回路、各種内燃機関の冷却水循環回路等に組み込まれている。
【０００４】
フィンチューブ形熱交換器は、伝熱管内を流通する熱媒体流体と、管外領域を流動する気流との熱交換により、管内の熱媒体流体を冷却する。フィンは、伝熱管の伝熱面積を増大し、管外気流と管内流体との熱交換効率を向上するように機能する。このようなフィンチューブ形熱交換器において、熱交換器の性能向上を図る手段として、多数のディンプル又はスリットをフィンに形成した構造の熱交換器が知られている（特開平８−２９１９８８号公報等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、フィン形状の改良により伝熱促進効果を倍増するように設計し得たとしても、その反面、熱交換器の圧力損失がそれ以上に増大してしまうという問題を回避し難い。このため、フィン形状の改良により伝熱作用を促進し、同時に、熱搬送流体の圧力損失を低減することは、現実には困難であると考えられてきた。
【０００６】
図１０は、従来構造のプレートフィン・アンド・チューブ形空冷式熱交換器を示す熱交換器の部分断面図である。
【０００７】
フィンＦを貫通する伝熱管Ｔに対して、空気流Ａが、伝熱管Ｔと直交する方向に強制通風され、フィンＦの間に形成された流路Ｐを流通する。空気流Ａは、フィンＦの間の流路Ｐを伝熱管Ｔの外面に沿って後方に流動する際、剥離点Ｂにおいて伝熱管Ｔの境界面から剥離する。剥離点Ｂの位置は、よどみ点Ｅから角度β＝約８０°だけ後方に位置すると考えられている。空気流Ａは、このような剥離現象の結果、伝熱管Ｔの背後に十分には回り込めず、この結果、「死水領域」と呼ばれる剥離後流領域Ｃが、伝熱管Ｔの背後に形成される。剥離後流領域Ｃは、熱交換器の伝熱作用を劣化させるばかりでなく、熱交換器の圧力損失を増大させる。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることろは、伝熱管背後の剥離後流領域を減縮し、これにより、熱交換器等の伝熱装置の伝熱作用を促進するとともに、伝熱装置の圧力損失を低減することができる伝熱装置を提供することにある。
【０００９】
本発明は又、熱搬送流体を強制送風する送風機の負荷を低下し、空冷式熱交換器における送風機運転時の騒音を低減する空冷式熱交換器を提供することにある。
【００１０】
本発明は更に、熱搬送流体の剥離点位置を制御する簡単な構成の剥離位置制御手段により剥離点位置を制御し、これにより、伝熱管背後の剥離後流領域を減縮する伝熱装置の剥離位置制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、上記剥離点Ｂの位置を角度β＞９０°の範囲に移行させることにより、伝熱管Ｔの背後に空気流Ａを導入し、剥離後流領域Ｃを大幅に縮小し又は解消し得ることを確認し、かかる知見に基づいて、本発明を達成したものである。
【００１２】
即ち、本発明は、熱搬送流体と伝熱接触する線型又は管状の伝熱体と、該伝熱体に対して熱伝達可能に一体化した伝熱フィンとを有する伝熱装置において、
前記伝熱体は、冷却又は加熱すべき熱媒体流体を流通可能な伝熱管からなり、
前記伝熱フィンは、前記伝熱管に対する前記熱搬送流体の剥離点位置（β）を該伝熱管のよどみ点（Ｅ）から角度９０°以上隔てた角度位置に移行させるように前記伝熱管の近傍に配置され且つ背後に縦渦を発生させる案内フィンを有し、前記案内フィンは、前記伝熱管の両側に配置され、前記熱搬送流体の上流側に向かって拡開する前記熱搬送流体の流路を前記案内フィン及び伝熱管の間に画成し、前記案内フィンの下流端は、前記熱搬送流体を前記伝熱管の背後に噴流する狭小間隙を形成するように前記伝熱管の管壁から離間し、
前記案内フィンの上流側端部は、前記伝熱管の中心よりも上流側に配置され、前記案内フィンの下流側端部は、前記伝熱管の中心よりも下流側に配置され、
前記案内フィンの形態は、前記熱搬送流体の流れ方向に高さが徐々に漸増する直線的又は曲線的な上縁（１５）を備え、前記案内フィンの最高部の高さ（ｈ）は、前記伝熱フィンの間隔（Ｐｆ）の１／２以上の寸法に設定され、
該案内フィンは、前記伝熱管の間に流入する前記熱搬送流体を前記伝熱管と前記案内フィンとの間で加速し且つ前記伝熱管の背後に案内して、伝熱管背後の剥離後流領域を縮小するとともに、該案内フィンの迎え角に相応して前記伝熱管に若干接近するように偏向する旋回流を該案内フィンの後方に発生させるように、前記熱搬送流体の流れ方向に対して、迎え角α＝１０°〜６０°をなして傾斜した方向に配向されることを特徴とする伝熱装置を提供する。
【００１３】
本発明の上記構成によれば、熱搬送流体（Ａ）は、案内フィン（１０）と伝熱体（Ｔ）との間に形成される流路を伝熱体、案内フィン及び伝熱フィンと伝熱接触しつつ流動する。案内フィンは、熱搬送流体に対して所定の迎え角（α）をなす方向に配置され、熱搬送流体を伝熱体の背後に案内する。案内フィンの作用により、伝熱管背後の剥離後流領域（Ｃ）は縮小し、これにより、伝熱装置の伝熱作用は向上し、伝熱装置の圧力損失は低下する。熱搬送流体の一部は、案内フィンを乗り越えて案内フィンの背後に回り込み、縦渦を発生させる。この縦渦効果により、案内フィンの傾斜（迎え角α）に相応して偏向する旋回流が、案内フィンの後方に発生する。旋回流は、過大な圧力損失を伝熱装置にもたらすことなく、伝熱装置の伝熱作用を更に向上させる。
【００１４】
本発明は又、熱搬送流体を強制送風する送風機と、上記伝熱装置とを備え、該伝熱装置の圧力損失の低下により送風機運転時の騒音を低下したことを特徴とする空冷式熱交換器を提供する。伝熱装置の伝熱作用向上及び圧力損失低下により、所定の伝熱作用を確保するために要する熱搬送流体の送風量が低下するので、強制送風する送風機の負荷は軽減する。これにより、送風機の電力消費量を低下し得るばかりでなく、空冷式熱交換器における送風機運転時の騒音を低下することができる。
【００１５】
本発明は更に、上記構成の伝熱装置を用いた剥離位置制御方法であって、前記伝熱体の近傍に案内フィンを配置して該案内フィンの背後に縦渦を発生させることにより、該案内フィンの後方に旋回流を生じさせるとともに、前記伝熱体及び前記案内フィンの間に流入する前記熱搬送流体を前記伝熱体と前記案内フィンとの間で加速し且つ前記伝熱体の背後に案内して、伝熱体に対する前記熱搬送流体の剥離点位置（β）を該伝熱体のよどみ点（Ｅ）から角度９０°以上隔てた角度位置に制御することを特徴とする伝熱装置を提供する。
【００１６】
剥離点位置は、伝熱体背後の剥離後流領域の形成態様を支配する主要因であり、剥離後流領域の状態は、伝熱装置又は熱交換器の伝熱性能及び圧力損失を決定する主要因の一つである。従って、本発明の剥離位置制御方法によれば、案内フィンの設定により、剥離点位置を制御して伝熱体背後の剥離後流領域を減縮し、伝熱装置又は熱交換器の伝熱性能及び圧力損失を改善することができる。
【００１７】
本発明の好適な実施形態によれば、案内フィンは、その底辺長（Ｌ）／最高部高さ（ｈ）の比が２〜７の範囲内に設定される。好ましくは、案内フィンの後流側端部が８０°〜１７６°の範囲内の角度位置Θ２（よどみ点Ｅからの角度間隔Θ２）に設定されるとともに、後流側端部と伝熱体中心との間の距離Ｒ′が、伝熱体の直径Ｒに対して、Ｒ′／Ｒ＝１．０５〜２．６の範囲内の値に設定される。
【００１８】
案内フィンは、例えば、底辺が伝熱フィンの平面に位置する三角形の形態を有し、三角形の斜辺は、間隙の位置から熱搬送流体の上流側に向かって傾斜した上縁を形成する。案内フィンを台形、四角形又は円弧等の輪郭に形成しても良い。好ましくは、案内フィンは、伝熱フィンの切り起こしにより、伝熱フィンに一体的に形成される。
【００１９】
本発明の更に好適な実施形態において、上記伝熱体は、冷却又は加熱すべき熱媒体流体を流通可能な伝熱管（Ｔ）からなり、上記伝熱フィンは、伝熱管の管長方向に所定間隔を隔てて配置される。伝熱管及び伝熱フィンの表層付近を流動する熱搬送流体と、伝熱管内の熱媒体流体との熱交換により、熱媒体流体は冷却又は加熱される。案内フィンは、伝熱管の両側に対称に配置され、熱搬送流体の上流側に向かって拡開し且つ伝熱管の下流側の領域に向かって収斂する熱搬送流体の流路を案内フィン及び伝熱管の間に画成する。熱搬送流体の流れ方向に対する案内フィンの迎え角は、１０°〜６０°の角度範囲内の所定角度に設定され、案内フィンの下流端は、熱搬送流体を前記伝熱管の背後に噴流する狭小間隙を形成するように伝熱管の管壁から離間する。このような伝熱装置によれば、熱搬送流体は、案内フィンと伝熱管との間に形成される流路を伝熱管及び伝熱フィンと伝熱接触しつつ流動する。案内フィンと伝熱管とによって、熱搬送流体の流動方向に徐々に接近し、これにより、熱搬送流体の剥離点は、角度β＞９０°の位置に移行するとともに、熱搬送流体の流速は加速され、比較的高速の噴流が、上記間隙から伝熱管の背後に差し向けられる。伝熱管の背後に流入する熱搬送流体は、伝熱管の背後に所謂「死水領域」が形成されるのを防止し、剥離後流領域を大幅に縮小し又は実質的に解消する。剥離後流領域の縮小ないし解消は、伝熱管と熱搬送流体との伝熱作用を促進するばかりでなく、熱搬送流体の圧力損失を低減する。一般には、圧力損失は、低レイノルズ数の熱搬送流体を使用した場合に顕著に増大する傾向があるので、本発明は、このような熱搬送流体を使用する熱交換器に適用した場合に、特に顕著な伝熱促進効果及び圧力損失低減効果を発揮する。
【００２０】
上記剥離位置制御方法において、好ましくは、案内フィンは、伝熱体のスパン方向に対称に配置され、熱搬送流体の流れ方向に対する案内フィンの迎え角αは、好ましくは、１０〜４５°、更に好ましくは、１０〜３０°の範囲内の所定角度に設定される。案内フィンの迎え角、形状、位置及び寸法比は、好ましくは、案内フィンの後方に旋回流を生じさせるように、設定される。好ましくは、剥離点位置（β）は、よどみ点（Ｅ）から１００°以上の角度位置に制御される。
【００２１】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る熱交換器の好適な実施例について、詳細に説明する。
【００２２】
図１及び図２は、プレートフィン・アンド・チューブ形熱交換器の実施例を示す断面図である。
【００２３】
熱交換器は、所定の相互間隔を隔てて整列配置された複数の伝熱管Ｔと、伝熱管Ｔと直交する方向に整列配置された複数のプレートフィンＦとを備える。伝熱管Ｔ及びフィンＦは、同種金属の成形品からなる。伝熱管Ｔは、円形断面の熱媒体流路を形成し、伝熱管Ｔに取付けられたフィンＦは、伝熱管Ｔと熱伝達可能に一体化し、広範な伝熱平面を熱交換器内に形成する。フィンＦの間には、冷却用空気流Ａを流通可能な流路Ｐが画成される。
【００２４】
比較的高温の熱媒体流体が伝熱管Ｔ内を流通し、熱媒体流体を冷却する冷却用空気流Ａが、伝熱管Ｔと直交する方向に強制通風される。熱交換器を吹き抜ける空気流Ａは、熱搬送流体としてフィンＦ及び伝熱管Ｔの境界層を流動し、フィンＦ及び伝熱管Ｔに伝熱接触して受熱し、熱交換器の下流側排気口より排気される。
【００２５】
本実施例の熱交換器は、空気流Ａの剥離を抑制する剥離抑制手段として、フィンＦから隆起する案内フィン１０を備える。案内フィン１０は、三角形の輪郭にフィンＦを局所的に切り起こすことにより形成したものであり、フィンＦには、案内フィン１０と相応する形態の開口部１１が形成される。案内フィン１０は、各伝熱管Ｔの両側に対をなして配設され、伝熱管Ｔの中心軸線に関して対称の形態及び位置を有する。
【００２６】
図２には、案内フィン１０の構造及び位置が更に具体的に示されている。
【００２７】
各案内フィン１０は、空気流Ａの流れ方向に対して、迎え角αをなして傾斜した方向に配向される。案内フィン１０によって流路面積を規制された狭小間隙１３が、案内フィン１０の後流側端部１２と伝熱管Ｔの外周面との間に形成される。空気流Ａと直交する方向（スパン方向）において端部１２と対向する伝熱管Ｔの近接点１４が、端部１２から距離Ｓを隔てて離間する。近接点１４は、伝熱管Ｔのよどみ点Ｅから角度Θ１を隔てた位置に位置決めされる。後流側端部１２は、図２の円筒座標系において、角度Θ２（よどみ点Ｅからの角度Θ２）及び距離Ｒ′の位置に位置決めされる。好ましくは、角度Θ２は、８０°〜１７６°の範囲内に設定され、距離Ｒ′（後流側端部１２と伝熱管中心との間の距離）：伝熱管直径Ｒの比が、１．０５〜２．６の範囲内の値に設定される。
【００２８】
案内フィン１０は、底辺長Ｌ及び全高ｈを有する直角三角形の形態を有する。案内フィン１０と同一形態の開口部１１は、案内フィン１０の底辺に隣接し、案内フィン１０に対して、伝熱管Ｔの反対側に位置する。案内フィン１０の全高（頂点の高さ）ｈは、フィンＦの間隔（フィンピッチ）Ｐｆよりも若干小さく設定される。好ましくは、高さｈは、フィンピッチＰｆの１／４以上、更に好ましくは、１／２以上の寸法に設定される。
【００２９】
以下、上記案内フィン１０の作用について説明する。
【００３０】
空気流Ａは、伝熱管Ｔ及び案内フィン１０の間に流入する。空気流Ａは、案内フィン１０と伝熱管Ｔとの間の流路幅が案内フィン１０の傾斜に従って徐々に縮小するにつれて、方向を変化させながら加速し、間隙１３から流速Ｖｃで後方に噴流する。間隙１３の噴流（速度Ｖｃ）は、概ね、近接点１４の接線方向に差し向けられる。
【００３１】
案内フィン１０は、空気流Ａを加速し、流れを安定させるばかりでなく、伝熱管Ｔの管壁表面に沿う方向に空気流Ａを案内し、間隙１３の噴流方向を規制する。空気流Ａを誘導する案内フィン１０の作用により、伝熱管Ｔからの空気流Ａの剥離現象が抑制され、剥離発生は、遅延する。この結果、剥離点Ｂの位置は、案内フィンＦを設けない場合と対比すると、かなり後方に移動する。よどみ点Ｅを基準とした剥離点Ｂの角度位置βは、案内フィン１０を設けない従来構造のものにおいては、８０°前後であったのに対し、本例の熱交換器にあっては、９０°以上の値、例えば、１００〜１３５°の位置に顕れる。剥離点Ｂが後方に移行する結果、空気流Ａは、伝熱管Ｔの背後に円滑に回り込み、空気流Ａの圧力損失は、低減する。かくして、案内フィン１０は、剥離点Ｂの位置を制御する剥離位置制御手段として働き、剥離点Ｂは、案内フィン１０の形状及び位置により制御される。
【００３２】
また、案内フィン１０の高さｈは、フィンピッチＰｆよりも小さく設定されるので、案内フィン１０の上縁１５と、フィンＦとの間には、隙間Ｇが形成される。空気流Ａの一部は、案内フィン１０を乗り越えて隙間Ｇから案内フィン１０の背後に回り込み、旋回運動を生じ、案内フィン１０の背後に縦渦を発生させる。案内フィン１０は、空気流Ａに対して迎い角αをなして配向され、隙間Ｇは、空気流Ａに対して角度α方向に延びるので、縦渦流は、案内フィン１０により、伝熱管Ｔに若干接近するように偏向する。このような縦渦の発生により、過大な圧力損失の増加を伴うことなく、効果的な伝熱促進作用、例えば、１５〜５０％の伝熱促進効果が得られる。
【００３３】
図３は、空気流Ａの流れ特性を水流で模擬して撮像したものである。案内フィン１０を備えていない熱交換器における空気流特性が、図３（Ａ）に示されており、案内フィン１０を備えた熱交換器における空気流特性が、図３（Ｂ）に示されている。
【００３４】
図３に示す各ベクトルのサイズは、空気流速の大きさを表す。図３（Ａ）と図３（Ｂ）との対比より明らかなとおり、伝熱管背後の死水領域は、案内フィン１０を設けた場合、大きく減縮する。
【００３５】
かくして、間隙１３は、伝熱管Ｔの内方に偏向した比較的高速の空気噴流を伝熱管Ｔの背後に差し向け、空気噴流は、伝熱管Ｔの死水領域の大部分を吹き払うので、剥離後流領域Ｃは縮小する。これにより、上述の縦渦発生効果と相まって、熱交換器の伝熱性能は向上し、空気流Ａの圧力損失は低下する。
【００３６】
図４は、上記構成の熱交換器に関し、伝熱促進効果及び圧力損失低減効果の実験結果を示す線図である。
【００３７】
実験に使用された熱交換器は、千鳥配列に配置された伝熱管Ｔを備えており、各部の寸法は、以下のとおり設定された。
【００３８】
伝熱管Ｔの直径          Ｄ＝３０ｍｍ
伝熱管Ｔの間隔          Ｗ＝７５ｍｍ
プレートフィンピッチ    Ｈ＝５．６ｍｍ
案内フィン全高          ｈ＝５ｍｍ
間隙１３の寸法          Ｓ＝９ｍｍ
案内フィン１０の迎え角  α＝１５°
近接点１４の角度位置    Θ１＝１１０°
【００３９】
本発明者は、図４（Ａ）に示す如く最上流側の管列のみに案内フィン１０を形成した第１熱交換器と、図４（Ｂ）に示す如く最上流列及び第２管列に案内フィンを形成した第２熱交換器とを使用し、広範な流量範囲（レイノルズ数＝３００〜２０００）の空気流Ａに関し、伝熱促進効果及び圧力損失低減効果の実証試験を行った。伝熱促進効果の試験結果が、図４（Ｃ）に示され、圧力損失低減効果の試験結果が、図４（Ｄ）に示されている。なお、図４（Ｃ）において、ｊ／ｊGOは、案内フィン１０を設置した場合の伝熱量(j)と、案内フィンを設置しない場合の伝熱量(jGO)との比率(伝熱効果比)であり、図４（Ｄ）において、ｆ／ｆGOは、案内フィン１０を設置した場合の圧力損失値(f)と、案内フィンを設置しない場合の圧力損失値(fGO)との比率(圧力損失比)である。
【００４０】
図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示す如く、案内フィン１０を設けた本実施例の熱交換器は、広域な流量範囲において全体的に良好な伝熱効果及び圧力損失低減効果を発揮したが、殊に、低レイノルズ数の条件では、顕著な伝熱促進効果及び圧力損失低減効果が観られた。レイノルズ数＝３００〜４００程度の条件では、伝熱効果比ｊ／ｊGOは、約１．３倍に達し、圧力損失比ｆ／ｆGOは、約０．４５倍に低下することが判明した。
【００４１】
図５乃至図７は、上記構成の熱交換器の伝熱促進効果及び圧力損失低減効果に関する他の試験結果を示す線図、配置図及び寸法比表である。
【００４２】
図５の試験結果に係る熱交換器は、碁盤目配列に配置した伝熱管Ｔに対して最前列（最上流側）の管列にのみ案内フィン１０を配設した構成を有し（図５（Ｂ））、図６に示す試験結果に係る熱交換器は、千鳥配列に配置した伝熱管Ｔに対して、最前列（最上流側）の管列にのみ案内フィン１０を備えた構成を有する（図６（Ｂ））。また、図７に示す試験結果に係る熱交換器は、碁盤目配列に配置した伝熱管Ｔに関し、各列の伝熱管Ｔに案内フィン１０を備えた構成のものである（図７（Ｂ））。なお、図６には、現時点において得られた最も良好な試験結果の一例が例示されている。
【００４３】
図５（Ａ）、図６（Ａ）及び図７（Ａ）には、図５（Ｃ）、（Ｄ）、図６（Ｃ）（Ｄ）及び図７（Ｃ）（Ｄ）に示す熱交換器の各部の寸法比が示されている。
【００４４】
図５（Ａ）及び図６（Ａ）の線図に示す如く、最前列の伝熱管Ｔに案内フィン１０を設けた場合、案内フィン１０を設けない場合と対比すると、伝熱効果比（ｊ／ｊGO）は、約１．１〜１．３倍の範囲の値を示し、圧力損失比（ｆ／ｆGO）は、約０．４５〜０．９（ｆ／ｆGO）の値を示した。
【００４５】
これに対し、伝熱効果比（ｊ／ｊGO）及び圧力損失比（ｆ／ｆGO）は、必ずしも、より多くの伝熱管Ｔに案内フィン１０を配設した場合に有利な結果を示すとは限らず、例えば、図７（Ａ）の線図に示す如く、逆に、伝熱効果比（ｊ／ｊGO）及び圧力損失比（ｆ／ｆGO）が不利な結果を示すことがある。このため、案内フィン１０は、所望により、最前列の伝熱管Ｔのみに配設され、或いは、隔列又は数列間隔に配置される。
【００４６】
図８及び図９は、案内フィン１０の変形例を示す断面図である。
【００４７】
案内フィン１０は、図８（Ａ）に示す如く、フィンＦの片側面に切り起こされるばかりでなく、図８（Ｂ）に示す如く、フィンＦの両側面に切り起こしても良い。
【００４８】
また、各案内フィン１０の形態は、前述した直角三角形に限定されるものではなく、図９（Ａ）〜図９（Ｅ）に示すように、空気流Ａ方向に高さが徐々に漸増する直線的又は曲線的な上縁１５を備えた任意の形態（台形、四角形、三角形又は円弧等）に形成することができる。
【００４９】
更には、図９（Ｆ）に示す如く、対をなす案内フィン１０を上下のフィンＦに対向配置しても良い。
【００５０】
また、案内フィン１０は、図９（Ｇ）〜図９（Ｉ）に示すように、フィンＦから垂直に隆起しても、或いは、所定の角度をなす方向に側方傾斜しても良い。
【００５１】
上記案内フィン１０を備えた熱交換器の騒音低減効果について更に説明する。
【００５２】
一般に、フィンチューブ形熱交換器は、空気をフィンＦ間の流路Ｐに強制通風する送風機を備えており、送風機の容量は、送風量及び圧力損失により実質的に決定される。
【００５３】
送風機の比騒音レベル（最高効率点）LSAは、一般に下式で示される。
【００５４】
LSA［dB(A）］＝LA−10×logQPr2
【００５５】
ＬSA : 比騒音レベル［dB(A)］(Specific Noise Level)
ＬA : 騒音レベル  ［dB(A)］
Q  : 送風量        [m3/min]
Pr : 圧力損失（全圧） ［mmAq］
【００５６】
図４に示す試験結果に基づき、熱交換器の騒音低減効果を検討すると、レイノルズ数Re=350の場合、伝熱性能j/jG0 は、約1.3 倍であり（図４（Ｃ））、圧力損失低減率は、ｆ/ｆG0＝0.45である（図４（Ｄ））。伝熱性能の向上を考慮すると、同一の伝熱性能に対して相対的に風量が低下するので、風量低下に伴う騒音低減効果が得られる。
【００５７】
しかしながら、案内フィン１０による縦渦発生効果を考慮すると、縦渦の騒音増大作用の影響をも同時に想定し得る。このため、伝熱性能の向上による風量の低下を考慮せずに、圧力損失のみが低下したものと仮定すると、この場合、単純に圧力損失が45%に低減したものと見做し得るので(ｆ/ｆG0＝0.45)、送風量Q ＝一定とした場合、送風圧力低減率Pr/Pr G0=ｆ/ｆG0＝0.45であるから、騒音レベルの低減効果ΔLA は、比騒音レベルを与える式に基づき、これらの条件より、下式にて求められる。
【００５８】
ΔLA   ＝10×logPr2＝20×logPr
＝20×log(ｆ/ｆG0）= −20×log(ｆG0/ｆ）
＝−20×log(1/0.45）＝−7dB
【００５９】
同様に、図４に示す試験結果では、レイノルズ数Re=2000 の場合、圧力損失低減率は、ｆ/ｆG0＝0.66である。レイノルズ数Re=2000における騒音レベルの低減効果ΔLAは、同様に下式より求められる。
【００６０】
ΔLA   ＝−20×log(1/0.66）＝−3.6dB
【００６１】
従って、上記構成の案内フィン１０を備えた強制対流型の熱交換器によれば、広域の風量範囲（Re=300〜2000）に亘って、伝熱性能を損なわずに、騒音レベルを約4dB 〜7dB低減することができる。一般に、フィンチューブ形熱交換器は、空調機器等の空冷式冷却装置として使用され、多くの場合、送風機の騒音が問題視されるが、上記構成の熱交換器によれば、送風機の送風負荷を低下し、送風機運転時の騒音を大きく低減することが可能となる。
【００６２】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であり、該変形例又は変更例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
【００６３】
例えば、上記実施例の熱交換器は、比較的高温の熱媒体流体を伝熱管Ｔに流通させ、冷却用空気流を流路Ｐに通風する構成のものであるが、熱媒体流体及び熱搬送流体の種類及び相対温度は、任意に設定することができ、例えば、低温の熱媒体流体を伝熱管Ｔに流通させ、高温空気流を流路Ｐに通風する構成の熱交換器に本発明を適用しても良い。
【００６４】
また、伝熱管Ｔ内を流通する熱媒体流体や、流路Ｐを流通する熱搬送流体として、任意の流体を使用することができる。
【００６５】
更に、伝熱管Ｔの断面形状は、円形断面に限定されるものではなく、角形断面、長円形断面又は楕円形断面等であっても良い。
【００６６】
また、本発明の構成は、熱搬送流体と伝熱接触する線型の熱伝達部材と、線型部材に熱伝達可能に一体化した平面的伝熱フィンとを備えた任意の形式の伝熱装置に適用し得るものである。
【００６７】
【産業上の利用可能性】
以上説明した如く、本発明の上記構成によれば、伝熱管背後の剥離後流領域を減縮し、これにより、熱交換器等の伝熱装置の伝熱作用を促進するとともに、伝熱装置の圧力損失を低減することができる伝熱装置が提供される。
【００６８】
また、本発明によれば、熱搬送流体を強制送風する送風機の負荷を低下し、空冷式熱交換器における送風機運転時の騒音を低減する空冷式熱交換器を提供することができる。
【００６９】
更に、本発明の剥離点制御方法によれば、熱搬送流体の剥離点位置を制御する簡単な構成の剥離位置制御手段により剥離点位置を制御し、これにより、伝熱管背後の剥離後流領域を減縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による案内フィンを備えたプレートフィン・アンド・チューブ形熱交換器の実施例を示す断面図である。
【図２】  図１に示す熱交換器の拡大断面図である。
【図３】  空気流の特性を水流で模擬して撮像した熱交換器の部分拡大断面図であり、案内フィンを備えていない従来の熱交換器の空気流特性が、図３（Ａ）に示され、案内フィンを備えた熱交換器の空気流特性が、図３（Ｂ）に示されている。
【図４】  案内フィンを備えた熱交換器の伝熱促進効果及び圧力損失低減効果に関する実験結果を示す線図である。
【図５】  案内フィンを備えた熱交換器の伝熱促進効果及び圧力損失低減効果に関する他の実験結果を示す線図、配置図及び寸法比表である。
【図６】  案内フィンを備えた熱交換器の伝熱促進効果及び圧力損失低減効果に関する更に他の実験結果を示す線図、配置図及び寸法比表であり、現時点で得られた最良の試験結果の一例が示されている。
【図７】  案内フィンを備えた熱交換器の伝熱促進効果及び圧力損失低減効果に関する別の実験結果を示す線図、配置図及び寸法比表である。
【図８】  案内フィンの変形例を示す熱交換器の部分断面図である。
【図９】  案内フィンの形態及び配置に関する各種変形例を示す熱交換器の部分断面図である。
【図１０】  従来のプレートフィン・アンド・チューブ形空冷式熱交換器の構造及び空気流の特性を示す熱交換器の部分断面図である。
【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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