特許 7137832 熱伝達装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-07

(45)【発行日】2022-09-15

(54)【発明の名称】熱伝達装置

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/32 20060101AFI20220908BHJP

   F28F 13/12 20060101ALI20220908BHJP

【ＦＩ】

F28F1/32 N

F28F13/12 Z

F28F13/12 B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018150502

(22)【出願日】2018-08-09

(65)【公開番号】P2020026902

(43)【公開日】2020-02-20

【審査請求日】2021-05-18

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 達哉

(72)【発明者】

【氏名】小原 公和

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 洋介

(72)【発明者】

【氏名】カイタッカラ ジョン アルジュン

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－１５６２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－００９１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３２８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０１５３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０６６０７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５２－１３５４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６３７８６０５（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ １／３２

Ｆ２８Ｆ １３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱伝導性を有する伝熱部材（３３）と、
前記伝熱部材に一体に設けられ、前記伝熱部材との間で熱移動が行われるフィン（４１、６４１）とを備えた熱伝達装置（１）であって、
前記フィンは、前記フィンに沿って流れる熱媒体の主流の流れ方向とは異なる方向に振動する副流を生成するための複数の開口部（４２、３４２、４４２、５４２、６４２）を備え、
前記開口部は、前記フィンに前記開口部が形成されていないとした仮定の下で、前記フィンに沿って層流状態の熱媒体を流した場合に、層流が完全に発達する前の区間として定義される層流助走区間を含む位置に設けられ、
前記副流は、前記開口部を双方向に通過するとともに、前記主流の流れ方向に振動の波が進行する進行波であり、
前記フィンよりも前記主流の上流に設けられて、前記フィンに対して供給される熱媒体の流れを乱す撹乱体（２９９）を備えている熱伝達装置。

【請求項2】

前記進行波は、進行方向の上流から下流に向かう過程で振幅が変化する波である請求項１に記載の熱伝達装置。

【請求項3】

前記進行波は、進行方向の下流に向かうほど振幅が小さくなる波である請求項２に記載の熱伝達装置。

【請求項4】

複数の前記開口部は、前記フィンの全体に一様に形成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱伝達装置。

【請求項5】

前記フィンにおける前記開口部の開口率は、前記主流において前記フィンの下流側よりも前記フィンの上流側の方が大きい請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱伝達装置。

【請求項6】

前記撹乱体は、流れを乱した状態の熱媒体を複数の前記フィンに対して供給する請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱伝達装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この明細書における開示は、熱伝達装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、熱交換器に備えたノズル部から熱交換路を流れる主流に対して気体を吹き出し、または、主流から気体を吸引し、副流を生じさせている。これにより、熱交換器のフィンに、渦発生体などの流れに乱れを発生させるための特別な構造体の形成を必要とせずに、熱交換器の熱交換性能を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１５３０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術の構成では、熱交換器の端部に設けられた壁部に副流を生成するためのノズル部を備えている。これにより、主流に副流を加えた流れをフィンに沿って流すことで、主流と副流のぶつかり合いによる流れの乱れを発生させて、熱交換器の熱交換性能を向上させている。しかしながら、副流を生成するノズル部からの距離によって主流に副流を加えた流れの状態が異なり、フィンにおいて適正な副流を作用させることのできる範囲が限られていた。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、熱伝達装置にはさらなる改良が求められている。

【0005】

開示される１つの目的は、熱伝達率の高い熱伝達装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

ここに開示された熱伝達装置は、熱伝導性を有する伝熱部材（３３）と、伝熱部材に一体に設けられ、伝熱部材との間で熱移動が行われるフィン（４１、６４１）とを備えた熱伝達装置（１）であって、フィンは、フィンに沿って流れる熱媒体の主流の流れ方向とは異なる方向に振動する副流を生成するための複数の開口部（４２、３４２、４４２、５４２、６４２）を備え、開口部は、フィンに開口部が形成されていないとした仮定の下で、フィンに沿って層流状態の熱媒体を流した場合に、層流が完全に発達する前の区間として定義される層流助走区間を含む位置に設けられ、副流は、開口部を双方向に通過するとともに、主流の流れ方向に振動の波が進行する進行波である。

【0007】

開示された熱伝達装置によると、熱伝達装置は、熱媒体の主流の流れ方向とは異なる方向に振動する副流を生成するための開口部を有するフィンを備えている。この副流は、開口部を双方向に通過するとともに、主流の流れ方向に進行する進行波である。このため、フィンに設けられた開口部によって進行波である副流を生成するので、フィンにおける熱移動を促進させることができる。したがって、熱伝達率の高い熱伝達装置を提供できる。

【0008】

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】熱伝達装置を示す正面図である。

【図2】熱伝達装置のコア部を示す拡大斜視図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面での熱媒体の流れを示す説明図である。

【図4】フィンの周囲を流れる熱媒体の流れを示す説明図である。

【図5】フィンの周囲を流れる熱媒体の流れを示す説明図である。

【図6】フィンの周囲を流れる熱媒体の流れを示す説明図である。

【図7】第２実施形態における熱伝達装置のコア部を示す拡大斜視図である。

【図8】図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面での熱媒体の流れを示す説明図である。

【図9】第３実施形態における熱伝達装置のコア部を示す拡大斜視図である。

【図10】図９のＸ－Ｘ線における断面での熱媒体の流れを示す説明図である。

【図11】第４実施形態における熱伝達装置のコア部を示す拡大斜視図である。

【図12】第５実施形態における熱伝達装置のコア部を示す拡大斜視図である。

【図13】第６実施形態における熱伝達装置のコア部を示す拡大斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

【0011】

第１実施形態
熱伝達装置１は、空調装置や冷却装置などに用いられる装置である。熱伝達装置１は、空調装置において、例えば冷媒と空気とを熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器や、冷媒と空気とを熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器として用いることができる。熱伝達装置１を凝縮器として用いた場合、周囲の空気を加熱する加熱源として熱伝達装置１を暖房運転などに利用可能である。また、熱伝達装置１を蒸発器として用いた場合、周囲の空気を冷却する冷却源として熱伝達装置１を冷房運転などに利用可能である。また、熱伝達装置１は、空調装置や給湯装置に用いられるヒートポンプユニットにおける室内器や室外器としても利用可能である。

【0012】

熱伝達装置１は、冷却装置において、例えばエンジン冷却水と空気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却するラジエータとして用いることができる。あるいは、熱伝達装置１は、発熱源と熱交換媒体とを熱交換させて熱源を冷却する低温ラジエータなどの冷却装置として用いることができる。この場合、発熱源としては電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載される二次電池やインバータ装置などが例として挙げられる。

【0013】

図１は、熱伝達装置１の正面図であって、Ｘ軸方向が熱伝達装置１の幅方向であり、Ｙ軸方向が熱伝達装置１の奥行き方向であり、Ｚ軸方向が熱伝達装置１の高さ方向である。熱伝達装置１は、マルチフロー型の熱交換器である。熱伝達装置１は、熱交換部であるコア部３５、およびコア部３５の上下に設けられた一対のヘッダタンク３１、３２を備えている。ヘッダタンク３１、３２は、熱伝達装置１の下部に位置している下部ヘッダタンク３１と、熱伝達装置１の上部に位置している上部ヘッダタンク３２とを備えている。下部ヘッダタンク３１と上部ヘッダタンク３２との間にコア部３５が設けられている。コア部３５は、複数のチューブ３３、および複数のフィン４１を備えている。チューブ３３は、Ｚ軸方向を長手方向とし、断面偏平状をなす管である。チューブ３３は、Ｘ軸方向に等間隔に離間して複数並んで設けられている。フィン４１は、薄肉の帯板材から波形に成形されたコルゲート形状である。フィン４１は複数平行に並んで設けられたチューブ３３の間に設けられており、１枚のフィン４１が２本のチューブ３３と接触した状態で固定されている。

【0014】

ヘッダタンク３１、３２、チューブ３３およびフィン４１は、例えば熱伝導性や耐腐食性等に優れるアルミニウム材もしくはアルミニウム合金材により形成されている。チューブ３３は、熱伝導性を有する伝熱部材を提供する。チューブ３３は、内部流体の熱を外部流体に伝熱している。フィン４１とチューブ３３とは、Ｘ軸方向に交互に並べられて相互に熱的に接合されており、互いに積極的に熱移動が行われる。フィン４１は、チューブ３３と外部流体との間での熱のやり取りを促進する伝熱促進部材である。熱伝達装置１のＸ軸方向の最外方のフィン４１の更に外方には、補強部材としてのサイドプレート３４が設けられている。

【0015】

各チューブ３３の長手方向の端部は、ヘッダタンク３１、３２に連結固定され、チューブ３３、フィン４１、サイドプレート３４、およびヘッダタンク３１、３２が一体でろう付けされている。内部流体は、チューブ３３内を流通するときに、チューブ３３の外表面に沿ってＹ軸方向に流れる外部流体と熱交換して、外部流体を冷却あるいは加熱する。内部流体は、例えば冷媒やエンジン冷却水などの流体である。外部流体は、例えば空気などの熱媒体である。

【0016】

熱伝達装置１は、下部ヘッダタンク３１に内部流体を供給するための入口配管２１を備えている。熱伝達装置１は、上部ヘッダタンク３２から内部流体を流出させるための出口配管２２を備えている。入口配管２１および出口配管２２の接続箇所は、上述した箇所に限られない。すなわち、入口配管２１を上部ヘッダタンク３２に接続し、出口配管２２を下部ヘッダタンク３１に接続するようにしてもよい。あるいは、ヘッダタンク３１、３２の内部を仕切ることで、入口配管２１と出口配管２２との両方の配管を上部ヘッダタンク３２に接続するなどしてもよい。

【0017】

熱伝達装置１における内部流体の流れを以下に説明する。内部流体は、入口配管２１から下部ヘッダタンク３１内部に流入する。流入した内部流体は、下部ヘッダタンク３１の内部を広がって、下部ヘッダタンク３１と連通している複数のチューブ３３に流入する。内部流体は、チューブ３３を下部ヘッダタンク３１から上部ヘッダタンク３２に向かって移動する。内部流体は、チューブ３３を流れる過程で、外部流体と熱交換を行う。チューブ３３を流れた内部流体は、上部ヘッダタンク３２に流入する。流入した内部流体は、上部ヘッダタンク３２の内部を広がって、上部ヘッダタンク３２と連通している出口配管２２から流出する。

【0018】

内部流体である冷媒を蒸発させる蒸発器として熱伝達装置１を利用する場合、入口配管２１から液体の冷媒が流入し、コア部３５の一部をなすチューブ３３を流れる過程で外部流体と熱交換して液体の冷媒が蒸発する。すなわち、冷媒が外部流体から気化熱を奪って外部流体を冷却する。その後、出口配管２２から蒸発した気体の冷媒が流出する。

【0019】

内部流体である冷媒を凝縮させる凝縮器として熱伝達装置１を利用する場合、入口配管２１から気体の冷媒が流入し、コア部３５の一部をなすチューブ３３を流れる過程で外部流体と熱交換して気体の冷媒が凝縮する。すなわち、冷媒が外部流体に熱を与えて外部流体を加熱する。その後、出口配管２２から凝縮した液体の冷媒が流出する。

【0020】

図２において、チューブ３３の内部は、内部流体が流通可能な流路が複数形成されている。この内部流体の流路は、Ｙ軸方向に並んで形成されている。すなわち、チューブ３３は、内部が互いに平行に並ぶ複数の流路に区切られた扁平管である。隣り合って並ぶチューブ３３同士は、間にフィン４１が位置した状態で互いに平行に設けられている。

【0021】

フィン４１は、複数の水平面を形成するように波形に折り返されている。フィン４１の水平面は、Ｚ軸方向に離間して互いに略平行に設けられている。波形をなすフィン４１の断面形状は、矩形波状である。フィン４１には、複数の開口部４２が形成されている。開口部４２は、円形の穴である。複数の開口部４２は、互いに大きさの等しい円形である。開口部４２は、フィン４１の上面と下面とを連通している。すなわち、開口部４２は、フィン４１をＺ軸方向に貫通する穴である。開口部４２は、フィン４１のろう付け箇所を除く各水平面に一様に設けられている。

【0022】

外部流体は、送風機などの流体輸送装置や走行する車両が受ける風などによる作用で流れる。外部流体の主流の流れ方向は、Ｙ軸方向に沿った方向である矢印Ｆ１方向である。外部流体の主流の流れ方向において、最上流に位置しているフィン４１の始端部から最下流に位置しているフィン４１の終端部までの間に開口部４２が碁盤の目のように等間隔に離れて設けられている。言い換えると、開口部４２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において互いに等しい距離だけ離れた位置に設けられている。ただし、開口部４２同士のＸ軸方向における離間距離とＹ軸方向における離間距離とは、必ずしも等しくなくてもよい。外部流体は、折り返されたフィン４１と互いに隣り合うチューブ３３とで囲まれた領域を流れる。

【0023】

開口部４２が形成されていないと仮定した場合のフィン４１に対して、層流状態となるように外部流体を流した場合に、フィン４１の始端部から終端部までの区間は、層流助走区間と完全発達区間とのどちらかの区間に分類される。

【0024】

ここで、層流状態とは、流体のレイノルズ数が層流から乱流へ変化するときのレイノルズ数である臨界レイノルズ数以下の流れとして定義される。ただし、臨界レイノルズ数は、流路の形状や流路の表面粗さによって異なる値である。例えば、円管を流れる流体の臨界レイノルズ数は、約２３００であることが知られている。

【0025】

層流助走区間とは、流路において流れ方向に流速分布が変化する区間として定義される。また、完全発達区間とは、流路において流体の流れが一定の速度分布となっている、すなわち流れ方向に流速分布が変化しない区間のことである。フィン４１の始端部においては、フィン４１の表面と流体との摩擦により、外部流体の流速分布が変化するため、常に層流助走区間となる。すなわち、始端部から完全発達区間までの区間は、層流助走区間である。層流助走区間を過ぎた完全発達区間での流体の流れは、完全に発達した層流境界層で覆われた層流の流れとなる。

【0026】

管内を流体が流れる場合の層流助走区間の長さＬは、以下の式で与えられる。

【0027】

（数式１）
Ｌ≒０．０６×Ｒｅ×ｄ
ここで、Ｒｅは、レイノルズ数である。ｄは、相当円直径である。例えば、自動車に搭載されるラジエータにおいて、実用上の風量で外部流体として空気を流した場合、層流助走区間の長さは、短い場合でも１０ｍｍ程度の長さとなる。例えば、層流助走区間が１０ｍｍで、フィン４１のＹ軸方向の長さが４０ｍｍである場合には、始端部から４分の１程度までの区間が層流助走区間となる。ここで、外部流体の流速が速くなるとレイノルズ数が増加するため、層流助走区間も増加し、フィン４１の始端部から４分の１を超える範囲まで層流助走区間が拡大される。ただし、層流助走区間の長さは、外部流体の種類や速度などに依存するため熱伝達装置１を使用する用途や環境によって異なる。

【0028】

開口部４２は、開口部４２が形成されていないとの仮定の下での層流助走区間を含む位置に設けられている。すなわち、フィン４１の始端部から層流助走区間が終わるまでの領域に少なくとも１つは開口部４２が形成されている。

【0029】

開口部４２は、フィン４１の層流助走区間を含む位置に設けられればよく、フィン４１の形状や長さは自由に設定可能である。フィン４１に完全発達区間を設けず、フィン４１の始端部から終端部までの全体が層流助走区間となるように構成してもよい。あるいは、フィン４１の始端部よりも上流側に外部流体の流れを完全発達に近づけるためのガイド機構を備え、ガイド機構とフィン４１とを用いて外部流体を完全発達させてもよい。

【0030】

外部流体は、矢印Ｆ１方向に示すように熱伝達装置１に沿って流れる。外部流体は、フィン４１に沿って流れる過程でフィン４１の表面から熱が伝達される。また、外部流体は、チューブ３３に沿って流れる過程でチューブ３３の表面から熱が伝達される。言い換えると、外部流体は、コア部３５を通過することで、コア部３５をなすチューブ３３及びフィン４１と熱のやり取りを行い、コア部３５との温度差が小さくなる。

【0031】

フィン４１における外部流体の流れについて以下に説明する。図３に示すように、外部流体は、主流として矢印Ｆ１方向に進行してフィン４１に沿って真っすぐに流れる。熱伝達装置１における外部流体の入口がフィン４１の始端部であり、出口がフィン４１の終端部である。矢印Ｆ１方向とフィン４１の始端部から終端部に向かう方向とは同じ方向である。フィン４１の終端部よりも下流に流出した外部流体は、フィン４１にガイドされた流れを維持して矢印Ｆ１方向と同じ向きに真っすぐに流れる速度成分と、矢印Ｆ１方向とは異なる方向に広がろうとする速度成分とを有する。これにより、フィン４１の終端部の近傍において、微小な撹乱を起点として、相対的に圧力の高い領域と圧力の低い領域とが局所的に形成され、圧力の高い領域から圧力の低い領域に向かって一部の外部流体が流れる。この外部流体の流れによって、新たに圧力差が生じるため、フィン４１の終端部の近傍において圧力が変化し続けることとなる。

【0032】

フィン４１の終端部の近傍において生じた圧力差により、フィン４１の終端部の近傍に位置する開口部４２においてもフィン４１の上面側と下面側とで圧力差が生じる。このため、圧力の高い領域から圧力の低い領域に向かって、外部流体が開口部４２を通過するようにＺ軸方向に移動する。開口部４２は複数並んで形成されているため、外部流体の通過が引き起こされた開口部４２と隣り合う開口部４２においても、開口部４２を通過するように外部流体の移動が引き起こされる。このように、終端部の近傍をきっかけとして生じた圧力差によって、フィン４１の終端部から始端部までのフィン４１全体において、開口部４２を通過するような外部流体の移動がＸ軸方向やＹ軸方向に連鎖して引き起こされることとなる。

【0033】

図４は、フィン４１全体において、開口部４２を通過するようにＺ軸方向に外部流体の移動が引き起こされている状態での外部流体の流れを示している。フィン４１の終端部近傍においては、フィン４１の上面側で圧力が高く、下面側で圧力が低い状態である。したがって、フィン４１の上面側から下面側に向かって下向きに流れる外部流体の移動が引き起こされている。さらに、終端部近傍の開口部４２と隣り合う開口部４２においても下向きに流れる外部流体の移動が引き起こされている。ただし、外部流体の移動は、フィン４１の上面側と下面側との圧力差に起因して引き起こされるため、圧力差の大きさに応じて開口部４２を通過する外部流体の流量が異なる。より詳細には、圧力差の大きいところでは、開口部４２を通過する外部流体の流量が多く、圧力差の小さいところでは、開口部４２を通過する外部流体の流量が少ない。

【0034】

フィン４１の上面側と下面側とで圧力差が生じていないところでは、外部流体が開口部４２を通過していない。フィン４１の上面側で圧力が低く、下面側で圧力が高いところでは、フィン４１の下面側から上面側に向かって上向きに流れる外部流体の移動が引き起こされている。フィン４１全体では、開口部４２を通過する下向きの流れが生じている状態と、開口部４２を通過する流れが生じていない状態と、開口部４２を通過する上向きの流れが生じている状態との３つの状態が同時に引き起こされている。

【0035】

フィン４１の開口部４２を通過する流量は、隣り合う開口部４２同士で近い値となる。すなわち、最も多くの外部流体が通過する開口部４２をピーク値として、その開口部４２から離れるほど外部流体が開口部４２を通過する量が減少する。ただし、開口部４２を上向きに通過する場合のピークと開口部４２を下向きに通過する場合のピークとは、Ｙ軸方向に周期的に発生する。すなわち、外部流体の流れは、主流とは別に開口部４２を通過する副流を含んでおり、この副流は主流の流れる向きであるＹ軸方向とは異なる向きであるＺ軸方向に振動する波としての性質を有している。

【0036】

図５は、図４の状態からわずかに時間が経過したときの外部流体の流れを示している。フィン４１の終端部の近傍における開口部４２を通過する下向きの流れの流量が時間経過にともなって増加している。言い換えると、副流の下向きの流れのピークが終端部の近傍における開口部４２に近づいている。一方、フィン４１の始端部の近傍における開口部４２を通過する上向きの流れの流量が時間経過にともなって減少している。言い換えると、副流の上向きの流れのピークが始端部の近傍における開口部４２から離れている。すなわち、副流が開口部４２の１つ分の距離をＹ軸方向に向かって進行している。

【0037】

図６は、図５の状態からわずかに時間が経過したときの外部流体の流れを示している。フィン４１の終端部の近傍における開口部４２を通過する下向きの流れの流量が時間経過にともなって増加しており、下向きの流量が最大となるピークを迎えている。一方、フィン４１の始端部の近傍における開口部４２を通過する上向きの流れの流量が時間経過にともなって減少しており、上向きにも下向きにも流れない状態である。上述の通り、開口部４２を通過する外部流体の波である副流が、時間経過にともなって主流の進行方向に伝播して進行している。

【0038】

副流は、同一の開口部４２に対して、外部流体が上向きに通過する状態と、下向きに通過する状態とが時間経過によって切り替えられる。すなわち、外部流体は、開口部４２を上向きと下向きとの双方向に通過することとなる。ただし、外部流体の通過方向は、上下方向であるＺ軸方向に限定されず、熱伝達装置１におけるフィン４１の設置角度によっては、前後方向や左右方向や斜め方向などの向きで、外部流体がフィン４１の面に対して略垂直な方向における双方向に通過することとなる。

【0039】

上下に隣り合うフィン４１同士で生成される進行波は、同位相である。このため、進行波の上向きのピークの位置においては、外部流体が上向きに吐き出されて開口部４２から離れると同時に、上向きに吸い込まれて別の開口部４２に近づくこととなる。ただし、上下に隣り合うフィン４１同士で生成される進行波は、逆位相でもよい。逆位相の場合、上向きのピークと下向きのピークとが同時に作用するため、上下に隣り合うフィン４１同士の中間位置において、副流同士の流れの力が上下方向に拮抗することとなる。

【0040】

開口部４２から吐き出され、あるいは吸い込まれることでＺ軸方向に振動し、Ｙ軸方向に進行する外部流体の流れである副流と、矢印Ｆ１方向に進行する外部流体の流れである主流とが重なり合うことで、流れが合成される。合成された流れは、主流の進行方向である矢印Ｆ１方向に進行するとともにフィン４１からの距離が変化してＺ軸方向に振動する蛇行流としてフィン４１同士の間を流れる。この合成された流れは、流量が一定な定常流である主流と、主流と同じ方向に進行する進行波である副流とが合成されている。このため、フィン４１に流れを妨げるための突起などを設けて主流中に渦を生成した場合の流れに比べて、始端部から終端部に向かう方向の流れを妨げられにくく、圧力損失を低くしやすい。

【0041】

進行波である副流をフィン４１に作用させた場合の熱伝達装置１における熱伝達率の向上と圧力損失の低減について、以下に推測される原理を説明する。

【0042】

フィン４１を通過した副流により、主流の温度分布と速度分布が変化する。このとき、副流による温度分布の変化速度と速度分布の変化速度が異なるため、主流の進行方向に連続的に副流を作用させることにより、温度分布と速度分布の位相がずれる。例えば、フィン４１により高温の流体を冷却している際に、一般的には速度が速い領域と温度が高い領域は一致する。一方で進行波となる副流が作用していると、速度の速い領域の温度が低く、速度の遅い領域の温度が高い状態となる。その状態にさらに副流が作用することで、速度が速く温度の低い領域がフィン４１表面から遠ざけられ、速度が遅く温度が高い領域がフィン表面に近づけられる。すなわち、フィン４１表面に速度の遅い領域が近づくことで摩擦が低減されるため、圧力損失が低減され、温度の高い領域がフィン４１表面に近づくことで伝熱促進され高熱伝達を実現する。定在波では節の部分で主流に副流が作用できないため、進行波に比べて伝熱促進効果が低減する。言い換えると、副流を進行波とすることで、副流を定在波とした場合に比べてより大きな伝熱促進効果を得ることができる。

【0043】

上述した実施形態によると、フィン４１は、フィン４１に沿って流れる熱媒体の主流の流れ方向とは異なる方向に振動する副流を生成するための開口部４２を備えている。このため、フィン４１に設けられた開口部４２によって副流を生成して、主流に副流を直接作用させることができる。したがって、フィン４１の適正な位置に適正な副流を発生させて、熱伝達装置１のフィン４１全体にわたって熱伝達率を向上させることができる。

【0044】

副流が主流と同じ方向に進行する進行波である。このため、フィン４１に流れを乱すための突起を設けるなどした場合や、副流を主流とは異なる方向に進行する進行波とした場合に比べて圧力損失を低くしやすい。したがって、外部流体を熱伝達装置１に向かって送る送風機やポンプなどの流体輸送装置で消費するエネルギーを低減しやすい。

【0045】

開口部４２は、フィン４１全体に一様に形成されている。このため、フィン４１全体で進行波をなす副流を同時に生成できる。したがって、フィン４１の特定の部位によらず全体的に熱伝達率を向上させやすい。よって、フィン４１の特定の部位のみに流れを乱すための突起を設けるなどした場合に比べて、フィン４１の広い範囲にわたって、熱伝達率を向上させることができる。また、フィン４１の部位によらず開口部４２の形状が同一であるため、部位によって開口部４２の形状を変えるような加工を行う場合に比べてフィン４１を容易に加工できる。

【0046】

開口部４２は、フィン４１の表面において始端部から終端部までＹ軸方向に並ぶ列がＸ軸方向に離間して平行に複数列形成されている。このため、開口部４２が一列しか形成されていない場合に比べて、フィン４１の広い範囲に対して適正な副流を作用させることができる。したがって、フィン４１の表面において偏った位置に開口部４２を形成する場合に比べて、熱伝達率を向上させやすい。

【0047】

波形に折り返されたフィン４１の水平面は、Ｚ軸方向に略平行に並んでいる。言い換えると、フィン４１の波形は断面が矩形波状である。このため、フィン４１の断面が正弦波状である場合に比べて、フィン４１の水平面同士の距離であるフィンピッチが部位によって変化しにくい。したがって、フィン４１の部位によらず一様に適正な副流を生成してフィン４１に副流を作用させやすい。よって、熱伝達装置１の熱伝達率を向上させやすい。

【0048】

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、外部流体の流れにおいてフィン４１よりも上流に撹乱体２９９を備えている。

【0049】

図７において、撹乱体２９９は、Ｘ軸方向を長手方向とする円柱状の部材である。撹乱体２９９の外径は、フィン４１の板厚よりも大きい。撹乱体２９９は、上下に並んで折り返されているフィン４１の水平面と略同じ高さに配置されている。撹乱体２９９の表面には凹凸を設けることで、流れを乱しやすくする加工がなされている。

【0050】

撹乱体２９９およびフィン４１における外部流体の流れについて以下に説明する。図８において、外部流体は、撹乱体２９９の上流側と下流側とでその流れ方が変化している。撹乱体２９９の影響を受けていない一様で直線的な流れの中に撹乱体２９９が位置することで、撹乱体２９９が外部流体の流れを妨げる障害物として機能する。これにより、撹乱体２９９の下流側において発生する圧力変化によって、上下方向に交互にカルマン渦が発生し続ける。すなわち、撹乱体２９９は、外部流体の流れに渦を生成する渦生成装置として機能する。

【0051】

外部流体は、定常流に撹乱体２９９で生成されたカルマン渦が合成されて流れが乱れた状態でフィン４１に流れ込むこととなる。このため、フィン４１の上面側と下面側とで圧力差が生じやすい。したがって、フィン４１の始端部の近傍における開口部４２において上面側と下面側との間の圧力差によって開口部４２をＺ軸方向に通過する副流が形成されやすい。

【0052】

上述した実施形態によると、フィン４１よりも主流の上流に設けられて、フィン４１に対して流れを乱した外部流体を供給する撹乱体２９９を備えている。このため、定常流よりも流れの乱れた状態で外部流体をフィン４１に対して供給できる。したがって、フィン４１の始端部側で外部流体の圧力差を生じやすく、撹乱体２９９を設けない場合に比べてスムーズに副流を生成することができる。よって、熱伝達装置１の熱伝達率が高い状態を長く維持しやすい。

【0053】

１つの撹乱体２９９を熱伝達装置１の全幅にわたるように設けることで、Ｘ軸方向に並んだ複数のフィン４１に対して同時に流れの乱れた外部流体を供給できる。このため、Ｘ軸方向に並んだフィン４１毎に撹乱体２９９を備える場合に比べて、部品点数を削減できる。

【0054】

撹乱体２９９として円柱状の部材を用いている。このため、撹乱体２９９でカルマン渦を交互に生成して、フィン４１の上面側と下面側との間での圧力差を生じさせやすい。したがって、フィン４１において進行波としての副流をスムーズに生成することができる。ただし、撹乱体２９９は、定常流の流れを乱すカルマン渦などの流れを生成できればよく、撹乱体２９９の形状は、円柱状に限られない。例えば角柱状や平板状であってもよい。あるいは、位置によって太さの異なる棒状の部材であってもよい。あるいは、針金のような細長い部材であってもよい。あるいは、複数の球体をフィン４１の上流側に並べて配置してもよい。

【0055】

撹乱体２９９をフィン４１やチューブ３３から連続して突出させて設けるようにしてもよい。これによると、撹乱体２９９が流れを乱す機能と熱を伝達する機能とを兼ね備えることができ、熱伝達率を向上させやすい。また、フィン４１と撹乱体２９９との距離を一定に保ちやすい。このため、撹乱体２９９で乱された流れを用いて副流を安定して生成しやすい。

【0056】

第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、開口部３４２が、大開口部３４２ａと小開口部３４２ｂとの大きさの異なる２種類の開口によって構成されている。

【0057】

図９において、フィン４１は、外部流体の流れにおいて上流側に位置する上流側フィン４１ａと、外部流体の流れにおいて下流側に位置する下流側フィン４１ｂとを備えている。フィン４１は、大開口部３４２ａと小開口部３４２ｂとの大きさの異なる開口部３４２を備えている。

【0058】

大開口部３４２ａは、上流側フィン４１ａに形成されている。小開口部３４２ｂは、下流側フィン４１ｂに形成されている。大開口部３４２ａと小開口部３４２ｂとは互いに大きさが異なるが、フィン４１において形成されている数は等しい。言い換えると、大開口部３４２ａ同士の間隔は、小開口部３４２ｂ同士の間隔よりも狭い。すなわち、フィン４１において、上流側フィン４１ａの開口率は、下流側フィン４１ｂの開口率よりも大きい。ここで、開口率とは、フィン４１のうち、開口部３４２の占有する割合を示す値である。開口率が大きいほど、フィン４１を貫通する方向に外部流体が流れやすく、副流が生成されやすい。一方、開口率がゼロの場合には、フィン４１をＺ軸方向に貫通して外部流体が流れることができず、副流を生成することができない。フィン４１における開口率が大きい状態は、フィン４１における透過率が大きい状態である。

【0059】

図１０において、大開口部３４２ａの直径Ｄ１は、小開口部３４２ｂの直径Ｄ２よりも大きい。すなわち、大開口部３４２ａの開口面積は、小開口部３４２ｂの開口面積よりも大きい。

【0060】

開口部３４２を通過する外部流体の流れについて以下に説明する。外部流体は、大開口部３４２ａを通過する副流における振幅Ａｍ１と、小開口部３４２ｂを通過する副流における振幅Ａｍ２との大きさとが異なる。すなわち、大開口部３４２ａを通過する際には、開口面積が大きいため通過可能な外部流体の量が多い。一方、小開口部３４２ｂを通過する際には、開口面積が小さいため通過可能な外部流体の量が少ない。したがって、大開口部３４２ａを通過する副流の振幅Ａｍ１は、小開口部３４２ｂを通過する副流の振幅Ａｍ２に比べて大きい。言い換えると、副流は上流から下流に向かって進行する過程で振幅が小さくなっている。

【0061】

上流側フィン４１ａにおいては、副流の振幅Ａｍ１が大きいため、外部流体が上流側フィン４１ａに近づく流れと離れる流れとにおける移動量が大きい。一方、下流側フィン４１ｂにおいては、副流の振幅Ａｍ２が小さいため、外部流体が下流側フィン４１ｂに近づく流れと離れる流れとにおける移動量が小さい。すなわち、上流側フィン４１ａにおいては、主流と副流とが合成された外部流体の流れが大きく蛇行してフィン４１に近づくため熱伝達が促進されやすい。一方、下流側フィン４１ｂにおいては、副流の作用が小さく、主流と副流とが合成された外部流体の流れが上流側フィン４１ａに比べて小さく蛇行することとなる。このため圧力損失が小さく、外部流体がスムーズに流れやすい。

【0062】

上述した実施形態によると、副流の進行波は、大開口部３４２ａを通過する振幅の大きな状態と小開口部３４２ｂを通過する振幅の小さな状態との２つの状態を備えている。言い換えると、上流から下流に向かう過程で副流の振幅が変化している。このため、熱伝達率を高める部分と圧力損失を小さくして流れをスムーズにする部分とを使い分けることができる。したがって、熱伝達装置１での形状や用途に応じて、外部流体の流れを適切に制御して必要な熱伝達性能を得ることができる。

【0063】

副流の進行波について、上流側フィン４１ａでは振幅の大きな状態であり、下流側フィン４１ｂでは振幅の小さな状態である。言い換えると、副流は主流の進行方向に進むほど振幅が小さくなっている。このため、主流と副流とが合成された外部流体の流れにおいて、外部流体の流れの上流であるフィン４１の始端部付近では振幅が大きく、下流であるフィン４１の終端部付近では振幅が小さい。したがって、熱伝達装置１との温度差が最も大きい状態である熱伝達が行われる前の外部流体に対しては大きな振幅で熱伝達率を高めることができる。一方、温度差の小さい状態である下流の外部流体に対しては、小さな振幅の進行波で圧力損失を小さくして外部流体をスムーズに流すことができる。

【0064】

フィン４１の始端部で振幅の大きな副流を入力し、温度分布と速度分布の位相をずらしている。これにより、下流側では振幅の小さな副流、すなわちフィン４１を通過時のエネルギーロスが小さな副流であっても、温度分布と速度分布の位相ずれを保ちながらフィン４１の上流から下流までの広い範囲で低圧損と高熱伝達を実現できる。

【0065】

第４実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、下流側フィン４１ｂにおける下流側開口部４４２ｂの数が上流側フィン４１ａにおける上流側開口部４４２ａの数よりも少ない。

【0066】

図１１において、上流側フィン４１ａには上流側開口部４４２ａが形成され、下流側フィン４１ｂには下流側開口部４４２ｂが形成されている。上流側開口部４４２ａと下流側開口部４４２ｂとは、ともに大きさの等しい円形の穴である。下流側開口部４４２ｂ同士の距離は、上流側開口部４４２ａ同士の距離よりも大きい。言い換えると、下流側フィン４１ｂは、上流側フィン４１ａよりも形成されている開口部４４２の数が少ない。すなわち、下流側フィン４１ｂにおける開口率は、上流側フィン４１ａにおける開口率よりも小さい。

【0067】

副流は、フィン４１の開口部４４２を通過して生成される。このため、フィン４１において、開口率が小さな部位よりも開口率が大きな部位の方が副流を生成しやすい。したがって、開口率の大きな上流側フィン４１ａでは副流が生成されやすく、開口率の小さな下流側フィン４１ｂでは、上流側フィン４１ａに比べて副流が生成されにくい。

【0068】

上述した実施形態によると、フィン４１において上流側と下流側とで開口率を変えている。このため、フィン４１において副流の生成されやすさを部位によって制御することができる。したがって、熱伝達を積極的に行いたい部位では、開口率を大きくすることで副流の作用によって熱伝達率を向上させ、熱伝達をそれほど高める必要がない部位では、開口率を小さくすることで副流の影響を小さくして圧力損失を低下させることができる。よって、熱伝達装置１の形状や用途などによって、フィン４１の開口率を変化させて最適な熱伝達が行えるように調整することができる。

【0069】

第５実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、微小な開口部５４２がフィン４１全体にわたって形成されている。

【0070】

図１２において、フィン４１は、開口部５４２を備えている。開口部５４２は、チューブ３３に形成されている内部流体の流路よりも断面積の小さな円形の穴である。開口部５４２は、チューブ３３から隣り合うチューブ３３に向かって延びるフィン４１の水平面だけでなく、チューブ３３と接触しているフィン４１のろう付け部分も含めたフィン４１の全体にわたって一様に形成されている。すなわち、フィン４１の全体に同じ大きさの開口部５４２が規則的に形成されている。

【0071】

上述した実施形態によると、フィン４１は、フィン４１のろう付け部分も含めたフィン４１全体にわたって一様な開口部５４２を備えている。このため、フィン４１の水平面において開口部５４２が形成されておらず適正な副流を生成することができないといった事態を防止できる。言い換えると、フィン４１の折り曲げ位置によらず水平面に一様な開口部５４２が形成された状態とすることができる。したがって、フィン４１における開口部５４２の位置のばらつきを低減して、熱伝達装置１の伝熱性能を安定させやすい。

【0072】

また、開口部５４２を形成した後の板部材を波形に折り曲げてフィン４１を形成する場合に、水平面として機能する部分とろう付け部分として機能する部分とを区別して折り曲げ加工を行う必要がない。すなわち、フィン４１を波形に折り曲げ加工しやすい。

【0073】

また、ろう付け部分において、一様な開口部５４２がフィン４１に形成されている。このため、ろう付け加工時のろう付け部分における温度分布の偏りなどを低減しやすく、適切にろう付け加工を行いやすい。

【0074】

開口部５４２は、直径の小さな穴である。このため、同じ開口率であっても直径の大きな穴を形成する場合に比べて、フィン４１において開口部５４２が形成されている部分と形成されていない部分との分布の偏りを低減しやすい。言い換えると、直径の大きな穴を形成する場合に比べて、開口部５４２から隣り合う開口部５４２までの距離を短くできる。したがって、直径の大きな穴を形成する場合に比べて開口部５４２を通過して副流を生成しやすい。

【0075】

第６実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、フィン６４１が第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとの２つの部品によって構成されている。

【0076】

図１３において、フィン６４１は、それぞれ形状の異なる開口部６４２を有している第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとを備えている。すなわち、第１フィン６４１ａで生成される副流と第２フィン６４１ｂで生成される副流とは異なる性質を有している。

【0077】

第１フィン６４１ａに形成されている第１開口部６４２ａは、円形の穴である。第１フィン６４１ａの始端部及び終端部には、第１開口部６４２ａとして半円形状の切り欠きが形成されている。第１開口部６４２ａは、互い違いに配置された千鳥配置である。具体的に千鳥配置とは、隣り合って並ぶ第１開口部６４２ａの列が第１開口部６４２ａ同士の間隔の半分の距離ずれて配置された状態である。ただし、第１開口部６４２ａの形状は円形に限られず、長方形の穴を千鳥配置とするようにして構成してもよい。

【0078】

第１フィン６４１ａにおいては、始端部から終端部にかけて幅方向であるＸ軸方向のいずれかの部位に第１開口部６４２ａが形成されている。したがって、部位によってはＸ軸方向のどの位置にも開口部４２が形成されていない場合が存在する碁盤目配置とは異なり、外部流体がＸ軸方向に移動することで、必ずいずれかの第１開口部６４２ａを通過して第１フィン６４１ａを貫通して流れることができる。また、碁盤目配置に比べて開口部６４２同士の中心間の距離を近づけることができる。

【0079】

第２フィン６４１ｂに形成されている第２開口部６４２ｂは、平行四辺形の穴である。第２開口部６４２ｂは、主流の流れ方向に対して斜めに形成された穴である。第２開口部６４２ｂ同士は、互いに平行に配置されている。

【0080】

第２フィン６４１ｂは、第１フィン６４１ａよりも下流に位置しており、第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとは互いに離間している。したがって、第１フィン６４１ａで生じた副流による流れの乱れや、第１フィン６４１ａの終端部で生じたカルマン渦などの流れの乱れによって、第２フィン６４１ｂに流入する流れが乱れた状態となりやすい。よって、第２フィン６４１ｂの始端部近傍において圧力差が生じやすく、第２開口部６４２ｂを通過する副流が生成されやすい。すなわち、第１フィン６４１ａは、第２フィン６４１ｂに流入する外部流体の流れを乱す撹乱体としても機能する。

【0081】

上述した実施形態によると、第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとを互いに離間した状態で主流の流れ方向に並べて配置している。このため、第１フィン６４１ａで生成された副流などの影響によって流れの乱れた外部流体を第２フィン６４１ｂに流すことができる。したがって、第１フィン６４１ａよりも下流側に位置している第２フィン６４１ｂにおいて、第２開口部６４２ｂを通過する副流を生成しやすい。よって、熱伝達装置１は、副流の作用による熱伝達率の向上効果を安定して発揮しやすい。

【0082】

第１フィン６４１ａは、千鳥配置である。このため、碁盤目配置に比べて、第１フィン６４１ａにおいて第１開口部６４２ａが形成されている部分と形成されていない部分との分布の偏りを低減できる。したがって、碁盤目配置に比べて第１開口部６４２ａを通過して副流を生成しやすい。

【0083】

第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとで、開口部６４２の形状が異なっている。このため、第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとで熱伝達率や圧力損失の大きさを変えることで、熱伝達装置１全体としての性能を調整しやすい。また、複数の種類のフィン６４１を備えることで、外部流体の粘性が異なる場合であっても、適切な副流を生成することができる。すなわち、外部流体として空気を流す場合を想定したフィン６４１と水を流す場合を想定したフィン６４１との両方のフィン６４１を備えることで、同じ熱伝達装置１を用いて様々な状況に対応して熱伝達率を向上させることができる。

【0084】

第１フィン６４１ａと第２フィン６４１ｂとで開口部６４２の形状以外を変更してもよい。例えば、第１フィン６４１ａの厚さを第２フィン６４１ｂの厚さよりも薄くしてもよい。あるいは、第１フィン６４１ａのＹ軸方向の長さを第２フィン６４１ｂのＹ軸方向の長さよりも長くしてもよい。あるいは、第１フィン６４１ａの水平面のＺ軸方向の間隔であるフィンピッチを第２フィン６４１ｂのフィンピッチよりも大きくしてもよい。あるいは、第１フィン６４１ａを第２フィン６４１ｂよりも熱伝導性の高い材料で形成してもよい。

【0085】

他の実施形態
副流の生成方法としては、主流の流れに応じて副流が生成される構成に限られない。例えば、外部動力によって副流の流れを生み出すピストン装置を複数の開口部４２に対応して設けてもよい。これによると、１つ１つのピストン装置で適正な副流を生成してフィン４１に副流を作用させることができる。

【0086】

熱伝達装置１は、フィン４１を介して内部流体と外部流体との２つの流体同士で熱交換を行う装置に限られない。例えば、発熱部品の熱を空気などの外部流体に熱伝達して発熱部品を冷却するヒートシンクを熱伝達装置１としてもよい。この場合、発熱部品と放熱フィンとを熱的につなぐ部分が伝熱部材であり、放熱フィンに進行波である副流を生成するための開口部が形成されることとなる。伝熱部材としては、発熱部品で生じた熱を伝達するものに限られず、伝熱部材自身が発熱あるいは吸熱するような部材であってもよい。

【0087】

この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

【符号の説明】

【0088】

１ 熱伝達装置、 ２１ 入口配管、 ２２ 出口配管、 ３１ 下部ヘッダタンク、 ３２ 上部ヘッダタンク、 ３３ チューブ（伝熱部材）、 ３４ サイドプレート、 ３５ コア部、 ４１ フィン、 ４１ａ 上流側フィン、 ４１ｂ 下流側フィン、 ４２ 開口部、 ２９９ 撹乱体、 ３４２ 開口部、 ３４２ａ 大開口部、 ３４２ｂ 小開口部、 ４４２ 開口部、 ４４２ａ 上流側開口部、 ４４２ｂ 下流側開口部、 ５４２ 開口部、 ６４１ フィン、 ６４１ａ 第１フィン、 ６４１ｂ 第２フィン、 ６４２ 開口部、 ６４２ａ 第１開口部、 ６４２ｂ 第２開口部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】