熱交換器
【課題】熱交換性能を向上させることができるようにする。
【解決手段】流路Ｒ１の側面には、流路Ｒ１が蛇行するように屈曲された屈曲部２１が複数形成されているとともに、流路Ｒ１の底面には、熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部２２が複数形成されている。隣り合う屈曲部２１・２１間の間隔は、隣り合う起伏部２２・２２間の間隔よりも大きい。
【解決手段】流路Ｒ１の側面には、流路Ｒ１が蛇行するように屈曲された屈曲部２１が複数形成されているとともに、流路Ｒ１の底面には、熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部２２が複数形成されている。隣り合う屈曲部２１・２１間の間隔は、隣り合う起伏部２２・２２間の間隔よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内を流れる熱交換流体と流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼板やアルミニウム板等の薄板金属の表面に、エッチング技術等を用いて熱交換流体を流通させるための流路を形成した熱交換器が開発されている。このような熱交換器として、特許文献１には、金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、この金属薄板状プレートを交互に積み重ねることにより、対向する２つの金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成した熱交換器が開示されている。伝熱フィンを、先端から後端に向かって曲線状の断面形状に形成し、伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定とすることにより、流路を流れる熱交換流体の縮流や拡流による圧力損失を小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化と低コスト化とを維持しつつ、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、熱交換流体の圧力損失を小さく抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７０５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の熱交換器のように、流路の側面が屈曲していると、流路内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。なお、特許文献１において流体の流路面積を略一定としているように、流路面積を減少させると圧力損失が大きくなるので、通常、流路面積を減少させるようなことはしない。
【０００５】
本発明の目的は、熱交換性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における熱交換器は、流路内を流れる熱交換流体と、前記流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせる熱交換器であって、前記流路の側面には、前記流路が蛇行するように屈曲された屈曲部が複数形成されているとともに、前記流路の底面には、前記熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部が複数形成されており、隣り合う前記屈曲部間の間隔が、隣り合う前記起伏部間の間隔よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、流路の側面が屈曲していると、流路内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、流路の底面に複数の起伏部を形成することで、流路の底面を熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏させる。すると、起伏部が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。なお、境界層とは、流路の内面に形成される温度の遷移域のことであり、熱抵抗として作用することで熱交換性能を低下させるものである。
【０００８】
また、本発明における熱交換器において、前記起伏部は、仰角と俯角とが同じであってよい。上記の構成によれば、起伏部の仰角と俯角とを同じにして、熱交換流体の流れをスムーズにすることで、渦の発達を抑制することができる。ここで、仰角とは水平を基準とした上向きの角度であり、俯角とは水平を基準とした下向きの角度である。
【０００９】
また、本発明における熱交換器において、前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足してよい。上記の構成によれば、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００１０】
また、本発明における熱交換器において、前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足してよい。上記の構成によれば、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００１１】
また、本発明における熱交換器において、前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足してよい。上記の構成によれば、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足すると、レイノルズ数が５００未満のときに、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、レイノルズ数が５００未満のときに、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱交換器によると、流路の底面に複数の起伏部を形成することで、流路の底面を熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏させる。すると、起伏部が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】熱交換器を示す概略斜視図である。
【図２】金属薄板が積層された状態を示す図である。
【図３】本実施形態の流路と比較例の流路とを示す斜視図である。
【図４】流体の流れを解析した解析結果を示す図である。
【図５】図４に示すＡ−Ｂ壁面のＮｕ数を比較した図である。
【図６】レイノルズ数と熱伝達特性因子との関係を示す図である。
【図７】レイノルズ数と摩擦係数との関係を示す図である。
【図８】レイノルズ数とｊ／ｆ値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
（熱交換器の構成）
本実施形態に係る熱交換器１は、図１に示すように、概ね長方体状の箱型に形成された本体２を有している。本体２の内部には、流路構成部材１０が設けられている。
【００１６】
流路構成部材１０は、図２に示すように、第１金属薄板１１及び第２金属薄板１２を交互に複数積層して形成されている。なお、第１金属薄板１１、第２金属薄板１２としては、例えば、ステンレス鋼板を用いることができるが、鉄、銅、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いてもよい。
【００１７】
第１金属薄板１１は、表面に複数の流路（溝）Ｒ１が形成された長方形状の薄板である。複数の流路Ｒ１は、長方形状の薄板の長手方向に延びるように形成されている。各流路Ｒ１の水平幅は、例えば２ｍｍである。また、各流路Ｒ１の底面から上面までの高さは、後述する起伏部２２によって高低するが、最大高さは例えば１ｍｍである。
【００１８】
第２金属薄板１２は、第１金属薄板１１と同じ大きさの長方形状の薄板である。第２金属薄板１２の表面には、第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１とは直交する方向（長方形状の薄板の短手方向）に延びる複数の流路（溝）Ｒ２が形成されている。各流路Ｒ２の水平幅は、例えば２ｍｍである。また、各流路Ｒ２の底面から上面までの高さは、後述する起伏部２２によって高低するが、最大高さは例えば１ｍｍである。
【００１９】
ここで、流路Ｒ１および流路Ｒ２は、一の金属薄板に形成された溝の側面及び底面と、その上に積層される他の金属薄板の下面とで、流れ方向に対して直交する方向を全て覆われている。
【００２０】
図１に示すように、熱交換器１の本体２には、本体２の側面を形成するように、第１供給ヘッダー３、第１排出ヘッダー４、第２供給ヘッダー５、および、第２排出ヘッダー６が設けられている。
【００２１】
第１供給ヘッダー３には供給管３ａから、例えば冷水等の熱交換流体が供給される。そして、この熱交換流体は、第１供給ヘッダー３を介して、複数の第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１に分配される。
【００２２】
第１供給ヘッダー３から供給された熱交換流体は、第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１を通過して第１排出ヘッダー４に流れ込む。第１排出ヘッダー４は、第１供給ヘッダー３に対向する側面を形成するように本体２に設けられている。第１排出ヘッダー４には、第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１から排出された熱交換流体が供給される。そして、熱交換流体は、第１排出ヘッダー４に設けられた排出管４ａを通じて排出される。
【００２３】
第２供給ヘッダー５には供給管５ａから、熱交換流体との熱交換の対象となる熱交換対象物である流体（以下、対象流体）が供給される。そして、この対象流体は、第２供給ヘッダー５を介して、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２に分配される。
【００２４】
第２供給ヘッダー５から供給された対象流体は、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２を通過して第２排出ヘッダー６に流れ込む。これにより、第２金属薄板１２に形成された流路Ｒ２を流れる対象流体と、第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１を流れる熱交換流体との間で、流路構成部材１０を介しての熱交換が行われることとなる。
【００２５】
第２排出ヘッダー６は、第２供給ヘッダー５に対向する側面を形成するように本体２に設けられている。第２排出ヘッダー６には、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２から排出された対象流体が供給される。そして、対象流体は、第２排出ヘッダー６に設けられた排出管６ａを通じて排出される。
【００２６】
（流路の詳細）
第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１は、図２に示すように、第１金属薄板１１の長手方向に沿って蛇行している。即ち、流路Ｒ１の側面には、流路Ｒ１が蛇行するように屈曲された屈曲部２１が複数形成されている（図３参照）。また、第２金属薄板１２に形成された流路Ｒ２は、第２金属薄板１２の短手方向に沿って蛇行している。即ち、流路Ｒ２の側面には、流路Ｒ２が蛇行するように屈曲された屈曲部２１が複数形成されている（図３参照）。流路Ｒ１および流路Ｒ２に形成された各屈曲部２１の屈曲角度は、例えば１２０°である。また、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間の距離は、例えば５ｍｍである。
【００２７】
流路Ｒ１の斜視図を図３（ａ）に示す。流路Ｒ１の底面には、熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部２２が複数形成されている。なお、流路Ｒ２の底面にも、流路Ｒ１と同様の起伏部２２が複数形成されている。比較例として、流路Ｒ１とは起伏部２２を設けていない点で異なる、底面がフラットな流路Ｃ１の斜視図を図３（ｂ）に示す。複数の起伏部２２により、流路Ｒ１の伝熱面積は流路Ｃ１の伝熱面積よりも広くなっている。
【００２８】
ここで、各起伏部２２は、流路Ｒ１の底面から流体の進行方向に所定の角度で隆起していき、頂点を境に流体の進行方向に所定の角度で流路Ｒ１の最下部まで沈降していく形状にされている。即ち、各起伏部２２の仰角と俯角とは同じである。ここで、仰角とは水平を基準とした上向きの角度であり、俯角とは水平を基準とした下向きの角度である。これにより、流体の進行方向に沿った起伏部２２の断面形状は、二等辺三角形になっている。なお、起伏部２２の頂点はとがっていてもよいし、丸みを帯びていてもよい。
【００２９】
また、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間には、起伏部２２が４つずつ設けられている。即ち、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間の間隔は、流体の進行方向に隣り合う起伏部２２・２２間の間隔よりも大きい。なお、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間に設けられる起伏部２２の数は４つに限定されず、５つ以上であっても３つ以下であってもよい。
【００３０】
このような起伏部２２は、エッチングで流路Ｒ１，Ｒ２を形成する際に、マスク等を用いて場所により腐食時間を変化させることで形成されている。なお、起伏部２２は、流路Ｒ１，Ｒ２の底面に転写により形成されてもよい。
【００３１】
（流路内の流れ解析）
次に、図３（ａ）に示した流路Ｒ１内における流体の流れを解析した解析結果（速度ベクトル図）を図４（ａ）に示す。尚、図４は、流路Ｒ１内を流れる熱交換流体のレイノルズ数Ｒｅを５００としたときの速度ベクトル図である。
【００３２】
レイノルズ数Ｒｅは式（１）で定義される。
Ｒｅ＝ｕＤ／ν ・・・式（１）
【００３３】
ここで、式（１）において、ｕ：熱交換流体の流速、Ｄ：狭流路幅基準の水力直径、ν：熱交換流体の動粘性係数、である。
【００３４】
比較のため、流路Ｒ１とは起伏部２２を設けていない点で異なる流路Ｃ１内における流体の流れを同じ条件で解析した解析結果（速度ベクトル図）を図４（ｂ）に示す。ここで、隣り合う屈曲部２１・２１間の一方の壁面側において、上流側の屈曲部２１の位置にＡ点、下流側の屈曲部２１の位置にＢ点をそれぞれ設定し、Ａ点とＢ点との間の壁面をＡ−Ｂ壁面とする。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、比較例の流路Ｃ１においては、Ａ点とＢ点との間にわたって循環するような渦がＡ−Ｂ壁面に沿って発生している。この場合、Ａ−Ｂ壁面側において、熱交換流体と流路構成部材１０との間の熱交換効率が大きく悪化してしまう。
【００３６】
一方、図４（ａ）に示すように、本実施形態の流路Ｒ１においては、渦は、Ａ−Ｂ壁面側のＡ点近傍にのみ発生している。この場合、Ａ−Ｂ壁面に沿った逆向きの流れが少なくなるため、熱交換流体と流路構成部材１０との間の熱交換効率が向上する。
【００３７】
図４に示すＡ点からＢ点までのＡ−Ｂ壁面のＮｕ数（熱伝達率）を本実施形態と比較例とで比較したグラフを図５に示す。本実施形態の複数の起伏部２２を備えた流路Ｒ１では、比較例の起伏部２２を備えない流路Ｃ１と比べて、Ｂ点側におけるＮｕ数（熱伝達率）が大きく向上していることがわかる。
【００３８】
このように、側面が屈曲しているだけの流路Ｃ１においては、流路Ｃ１内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、本実施形態の流路Ｒ１では、底面に複数の起伏部２２を形成することで、底面を熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏させている。すると、起伏部２２が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部２２が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部２１・２１間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路Ｒ１の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。なお、境界層とは、流路の内面に形成される温度の遷移域のことであり、熱抵抗として作用することで熱交換性能を低下させるものである。
【００３９】
また、起伏部２２の仰角と俯角とを同じにして、熱交換流体の流れをスムーズにすることで、渦の発達を抑制することができる。
【００４０】
（熱伝達特性等に関する解析結果）
次に、本実施形態の熱交換器１における流路Ｒ１（図３（ａ）参照）、及び比較例の流路Ｃ１（図３（ｂ）参照）について、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅと熱伝達特性因子ｊとの関係の解析結果を図６に示す。また、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅと摩擦係数ｆとの関係の解析結果を図７に示す。また、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅとｊ／ｆ値との関係の解析結果を図８に示す。
【００４１】
熱伝達特性因子ｊは、以下の式（２）、式（３）に基づいて解析により求められる。熱伝達特性因子ｊは、熱伝達特性を表す因子であり、流路を流れる流体から流路構成部材１０への熱伝達特性が高いほど、大きい値となる。
【００４２】
【数１】
【００４３】
ここで、式（２）、式（３）において、Ｎｕ：ヌセルト数、Ｒｅ：レイノルズ数、Ｐｒ：プラントル数、ｈ：流体と流路構成部材との間の熱伝達率、ｋ：流体の熱伝導率、ｄ：水力直径、である。
【００４４】
摩擦係数ｆは、以下に示す式（４）に基づいて求めた値であり、流路内を通過する流体の圧力損失が大きいほど、大きい値となる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
ここで、式（４）において、ΔＰ：圧力損失、ｕ：流速、ｄ：水力直径、ρ：流体の密度、Ｌ：流路長、である。
【００４７】
図６に示すように、熱伝達特性因子ｊの値は、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、比較例よりも本実施形態の方が大きくなっている。このことから、本実施形態の流路Ｒ１の方が、比較例の流路Ｃ１よりも熱伝達特性が優れていることがわかる。
【００４８】
また、図７に示すように、摩擦係数ｆの値は、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、比較例よりも本実施形態の方が小さくなっている。このことから、本実施形態の流路Ｒ１の方が、比較例の流路Ｃ１よりも圧力損失が小さいことがわかる。
【００４９】
その結果、図８に示すように、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除したｊ／ｆ値は、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、比較例よりも本実施形態の方が大きくなっている。
【００５０】
このように、本実施形態の流路Ｒ１は、底面に形成された複数の起伏部２２が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部２２が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部２１・２１間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、複数の起伏部２２により流路Ｒ１の内面において境界層が形成され難くなっている。よって、比較例の流路Ｃ１に比べて本実施形態の流路Ｒ１の熱交換性能を向上させることができる。
【００５１】
なお、複数の起伏部２２で流路の底面を波状に起伏させる代わりに、複数の凸部で流路の底面を凹凸状に起伏させることが考えられる。しかし、両者を比較した結果、図８に示すように、底面を波状に起伏させた比較例の方が、底面を凹凸状に起伏させた比較例２よりも、ｊ／ｆの値が大きくなった。このことから、底面を凹凸状に起伏させるよりも、底面を波状に起伏させた方が熱交換性能がより向上することがわかる。
【００５２】
（ｊ／ｆ値の評価結果）
次に、図３において、流路Ｒ１の最下部から流路Ｒ１の上面（他の金属薄板の下面）までの高さ（流路Ｃ１の底面から流路Ｃ１の上面までの高さ）をＡとし、起伏部２２の頂点から流路Ｒ１の上面（他の金属薄板の下面）までの高さをａとし、起伏部２２の仰角をθとしたときに、流路Ｃ１に対する流路Ｒ１のｊ／ｆ値の上昇割合を表１、表２に示す。ａ／Ａは起伏部２２の頂点の高さを表し、値が小さいほど頂点は高い。ここで、起伏部２２の頂点の高さをａ／Ａ＝０．５８よりも高くすると、流路面積が減少しすぎるので、ａ／Ａ≧０．５８とした。また、起伏部２２の仰角θを４５°よりも大きくすると、起伏部２２間のピッチ（間隔）が狭くなりすぎるので、θ≦４５°とした。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
表１、表２から、起伏部２２の頂点の高さが一定であれば、仰角θが大きくなるにつれて上昇割合が減少していく傾向にあることがわかる。これは、頂点の高さを一定として仰角θを大きくするほど起伏部２２・２２間のピッチが狭くなっていき、ピッチが狭くなるにつれて、頂点間の距離が短くなり、起伏部２２の起伏に沿って流れる流体の量が減少することで、起伏部２２が渦の発達を抑制する作用が弱まっていくためと考えられる。この傾向を踏まえて、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足すると、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、ｊ／ｆ値の上昇割合は１．１５よりも大きくなる。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００５６】
また、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足すると、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、ｊ／ｆ値の上昇割合は１．１５よりも大きくなる。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００５７】
また、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足すると、レイノルズ数Ｒｅが５００未満のときに、ｊ／ｆ値の上昇割合は１．１５よりも大きくなる。このことから、レイノルズ数Ｒｅが５００未満のときに、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００５８】
（効果）
以上に述べたように、流路の側面が屈曲していると、流路内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、本実施形態に係る熱交換器１においては、流路Ｒ１，Ｒ２の底面に複数の起伏部２２を形成することで、流路Ｒ１，Ｒ２の底面を流体の進行方向に沿って波状に起伏させている。すると、起伏部２２が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部２２が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部２１・２１間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路Ｒ１，Ｒ２の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。
【００５９】
また、、起伏部２２の仰角と俯角とを同じにして、流体の流れをスムーズにすることで、渦の発達を抑制することができる。
【００６０】
また、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。なお、上述したように、Ａは流路Ｒ１，Ｒ２の最下部から流路Ｒ１，Ｒ２の上面までの高さであり、ａは起伏部２２の頂点から流路Ｒ１，Ｒ２の上面までの高さであり、θは起伏部２２の仰角である。
【００６１】
また、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００６２】
また、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足すると、レイノルズ数が５００未満のときに、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、レイノルズ数が５００未満のときに、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００６３】
（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００６４】
例えば、流路Ｒ１，Ｒ２の底面だけでなく、流路Ｒ１，Ｒ２の上面、即ち、一の金属薄板の上に積層された他の金属薄板の下面に複数の起伏部２２が形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１ 熱交換器
２ 本体
３ 第１供給ヘッダー
３ａ 供給管
４ 第１排出ヘッダー
４ａ 排出管
５ 第２供給ヘッダー
５ａ 供給管
６ 第２排出ヘッダー
６ａ 排出管
１０ 流路構成部材
１１ 第１金属薄板
１２ 第２金属薄板
２１ 屈曲部
２２ 起伏部
Ｒ１，Ｒ２ 流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内を流れる熱交換流体と流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼板やアルミニウム板等の薄板金属の表面に、エッチング技術等を用いて熱交換流体を流通させるための流路を形成した熱交換器が開発されている。このような熱交換器として、特許文献１には、金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、この金属薄板状プレートを交互に積み重ねることにより、対向する２つの金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成した熱交換器が開示されている。伝熱フィンを、先端から後端に向かって曲線状の断面形状に形成し、伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定とすることにより、流路を流れる熱交換流体の縮流や拡流による圧力損失を小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化と低コスト化とを維持しつつ、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、熱交換流体の圧力損失を小さく抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７０５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の熱交換器のように、流路の側面が屈曲していると、流路内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。なお、特許文献１において流体の流路面積を略一定としているように、流路面積を減少させると圧力損失が大きくなるので、通常、流路面積を減少させるようなことはしない。
【０００５】
本発明の目的は、熱交換性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における熱交換器は、流路内を流れる熱交換流体と、前記流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせる熱交換器であって、前記流路の側面には、前記流路が蛇行するように屈曲された屈曲部が複数形成されているとともに、前記流路の底面には、前記熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部が複数形成されており、隣り合う前記屈曲部間の間隔が、隣り合う前記起伏部間の間隔よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、流路の側面が屈曲していると、流路内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、流路の底面に複数の起伏部を形成することで、流路の底面を熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏させる。すると、起伏部が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。なお、境界層とは、流路の内面に形成される温度の遷移域のことであり、熱抵抗として作用することで熱交換性能を低下させるものである。
【０００８】
また、本発明における熱交換器において、前記起伏部は、仰角と俯角とが同じであってよい。上記の構成によれば、起伏部の仰角と俯角とを同じにして、熱交換流体の流れをスムーズにすることで、渦の発達を抑制することができる。ここで、仰角とは水平を基準とした上向きの角度であり、俯角とは水平を基準とした下向きの角度である。
【０００９】
また、本発明における熱交換器において、前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足してよい。上記の構成によれば、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００１０】
また、本発明における熱交換器において、前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足してよい。上記の構成によれば、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００１１】
また、本発明における熱交換器において、前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足してよい。上記の構成によれば、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足すると、レイノルズ数が５００未満のときに、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、レイノルズ数が５００未満のときに、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱交換器によると、流路の底面に複数の起伏部を形成することで、流路の底面を熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏させる。すると、起伏部が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】熱交換器を示す概略斜視図である。
【図２】金属薄板が積層された状態を示す図である。
【図３】本実施形態の流路と比較例の流路とを示す斜視図である。
【図４】流体の流れを解析した解析結果を示す図である。
【図５】図４に示すＡ−Ｂ壁面のＮｕ数を比較した図である。
【図６】レイノルズ数と熱伝達特性因子との関係を示す図である。
【図７】レイノルズ数と摩擦係数との関係を示す図である。
【図８】レイノルズ数とｊ／ｆ値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
（熱交換器の構成）
本実施形態に係る熱交換器１は、図１に示すように、概ね長方体状の箱型に形成された本体２を有している。本体２の内部には、流路構成部材１０が設けられている。
【００１６】
流路構成部材１０は、図２に示すように、第１金属薄板１１及び第２金属薄板１２を交互に複数積層して形成されている。なお、第１金属薄板１１、第２金属薄板１２としては、例えば、ステンレス鋼板を用いることができるが、鉄、銅、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いてもよい。
【００１７】
第１金属薄板１１は、表面に複数の流路（溝）Ｒ１が形成された長方形状の薄板である。複数の流路Ｒ１は、長方形状の薄板の長手方向に延びるように形成されている。各流路Ｒ１の水平幅は、例えば２ｍｍである。また、各流路Ｒ１の底面から上面までの高さは、後述する起伏部２２によって高低するが、最大高さは例えば１ｍｍである。
【００１８】
第２金属薄板１２は、第１金属薄板１１と同じ大きさの長方形状の薄板である。第２金属薄板１２の表面には、第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１とは直交する方向（長方形状の薄板の短手方向）に延びる複数の流路（溝）Ｒ２が形成されている。各流路Ｒ２の水平幅は、例えば２ｍｍである。また、各流路Ｒ２の底面から上面までの高さは、後述する起伏部２２によって高低するが、最大高さは例えば１ｍｍである。
【００１９】
ここで、流路Ｒ１および流路Ｒ２は、一の金属薄板に形成された溝の側面及び底面と、その上に積層される他の金属薄板の下面とで、流れ方向に対して直交する方向を全て覆われている。
【００２０】
図１に示すように、熱交換器１の本体２には、本体２の側面を形成するように、第１供給ヘッダー３、第１排出ヘッダー４、第２供給ヘッダー５、および、第２排出ヘッダー６が設けられている。
【００２１】
第１供給ヘッダー３には供給管３ａから、例えば冷水等の熱交換流体が供給される。そして、この熱交換流体は、第１供給ヘッダー３を介して、複数の第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１に分配される。
【００２２】
第１供給ヘッダー３から供給された熱交換流体は、第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１を通過して第１排出ヘッダー４に流れ込む。第１排出ヘッダー４は、第１供給ヘッダー３に対向する側面を形成するように本体２に設けられている。第１排出ヘッダー４には、第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１から排出された熱交換流体が供給される。そして、熱交換流体は、第１排出ヘッダー４に設けられた排出管４ａを通じて排出される。
【００２３】
第２供給ヘッダー５には供給管５ａから、熱交換流体との熱交換の対象となる熱交換対象物である流体（以下、対象流体）が供給される。そして、この対象流体は、第２供給ヘッダー５を介して、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２に分配される。
【００２４】
第２供給ヘッダー５から供給された対象流体は、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２を通過して第２排出ヘッダー６に流れ込む。これにより、第２金属薄板１２に形成された流路Ｒ２を流れる対象流体と、第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１を流れる熱交換流体との間で、流路構成部材１０を介しての熱交換が行われることとなる。
【００２５】
第２排出ヘッダー６は、第２供給ヘッダー５に対向する側面を形成するように本体２に設けられている。第２排出ヘッダー６には、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２から排出された対象流体が供給される。そして、対象流体は、第２排出ヘッダー６に設けられた排出管６ａを通じて排出される。
【００２６】
（流路の詳細）
第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１は、図２に示すように、第１金属薄板１１の長手方向に沿って蛇行している。即ち、流路Ｒ１の側面には、流路Ｒ１が蛇行するように屈曲された屈曲部２１が複数形成されている（図３参照）。また、第２金属薄板１２に形成された流路Ｒ２は、第２金属薄板１２の短手方向に沿って蛇行している。即ち、流路Ｒ２の側面には、流路Ｒ２が蛇行するように屈曲された屈曲部２１が複数形成されている（図３参照）。流路Ｒ１および流路Ｒ２に形成された各屈曲部２１の屈曲角度は、例えば１２０°である。また、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間の距離は、例えば５ｍｍである。
【００２７】
流路Ｒ１の斜視図を図３（ａ）に示す。流路Ｒ１の底面には、熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部２２が複数形成されている。なお、流路Ｒ２の底面にも、流路Ｒ１と同様の起伏部２２が複数形成されている。比較例として、流路Ｒ１とは起伏部２２を設けていない点で異なる、底面がフラットな流路Ｃ１の斜視図を図３（ｂ）に示す。複数の起伏部２２により、流路Ｒ１の伝熱面積は流路Ｃ１の伝熱面積よりも広くなっている。
【００２８】
ここで、各起伏部２２は、流路Ｒ１の底面から流体の進行方向に所定の角度で隆起していき、頂点を境に流体の進行方向に所定の角度で流路Ｒ１の最下部まで沈降していく形状にされている。即ち、各起伏部２２の仰角と俯角とは同じである。ここで、仰角とは水平を基準とした上向きの角度であり、俯角とは水平を基準とした下向きの角度である。これにより、流体の進行方向に沿った起伏部２２の断面形状は、二等辺三角形になっている。なお、起伏部２２の頂点はとがっていてもよいし、丸みを帯びていてもよい。
【００２９】
また、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間には、起伏部２２が４つずつ設けられている。即ち、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間の間隔は、流体の進行方向に隣り合う起伏部２２・２２間の間隔よりも大きい。なお、流体の進行方向に隣り合う屈曲部２１・２１間に設けられる起伏部２２の数は４つに限定されず、５つ以上であっても３つ以下であってもよい。
【００３０】
このような起伏部２２は、エッチングで流路Ｒ１，Ｒ２を形成する際に、マスク等を用いて場所により腐食時間を変化させることで形成されている。なお、起伏部２２は、流路Ｒ１，Ｒ２の底面に転写により形成されてもよい。
【００３１】
（流路内の流れ解析）
次に、図３（ａ）に示した流路Ｒ１内における流体の流れを解析した解析結果（速度ベクトル図）を図４（ａ）に示す。尚、図４は、流路Ｒ１内を流れる熱交換流体のレイノルズ数Ｒｅを５００としたときの速度ベクトル図である。
【００３２】
レイノルズ数Ｒｅは式（１）で定義される。
Ｒｅ＝ｕＤ／ν ・・・式（１）
【００３３】
ここで、式（１）において、ｕ：熱交換流体の流速、Ｄ：狭流路幅基準の水力直径、ν：熱交換流体の動粘性係数、である。
【００３４】
比較のため、流路Ｒ１とは起伏部２２を設けていない点で異なる流路Ｃ１内における流体の流れを同じ条件で解析した解析結果（速度ベクトル図）を図４（ｂ）に示す。ここで、隣り合う屈曲部２１・２１間の一方の壁面側において、上流側の屈曲部２１の位置にＡ点、下流側の屈曲部２１の位置にＢ点をそれぞれ設定し、Ａ点とＢ点との間の壁面をＡ−Ｂ壁面とする。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、比較例の流路Ｃ１においては、Ａ点とＢ点との間にわたって循環するような渦がＡ−Ｂ壁面に沿って発生している。この場合、Ａ−Ｂ壁面側において、熱交換流体と流路構成部材１０との間の熱交換効率が大きく悪化してしまう。
【００３６】
一方、図４（ａ）に示すように、本実施形態の流路Ｒ１においては、渦は、Ａ−Ｂ壁面側のＡ点近傍にのみ発生している。この場合、Ａ−Ｂ壁面に沿った逆向きの流れが少なくなるため、熱交換流体と流路構成部材１０との間の熱交換効率が向上する。
【００３７】
図４に示すＡ点からＢ点までのＡ−Ｂ壁面のＮｕ数（熱伝達率）を本実施形態と比較例とで比較したグラフを図５に示す。本実施形態の複数の起伏部２２を備えた流路Ｒ１では、比較例の起伏部２２を備えない流路Ｃ１と比べて、Ｂ点側におけるＮｕ数（熱伝達率）が大きく向上していることがわかる。
【００３８】
このように、側面が屈曲しているだけの流路Ｃ１においては、流路Ｃ１内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、本実施形態の流路Ｒ１では、底面に複数の起伏部２２を形成することで、底面を熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏させている。すると、起伏部２２が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部２２が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部２１・２１間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路Ｒ１の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。なお、境界層とは、流路の内面に形成される温度の遷移域のことであり、熱抵抗として作用することで熱交換性能を低下させるものである。
【００３９】
また、起伏部２２の仰角と俯角とを同じにして、熱交換流体の流れをスムーズにすることで、渦の発達を抑制することができる。
【００４０】
（熱伝達特性等に関する解析結果）
次に、本実施形態の熱交換器１における流路Ｒ１（図３（ａ）参照）、及び比較例の流路Ｃ１（図３（ｂ）参照）について、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅと熱伝達特性因子ｊとの関係の解析結果を図６に示す。また、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅと摩擦係数ｆとの関係の解析結果を図７に示す。また、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅとｊ／ｆ値との関係の解析結果を図８に示す。
【００４１】
熱伝達特性因子ｊは、以下の式（２）、式（３）に基づいて解析により求められる。熱伝達特性因子ｊは、熱伝達特性を表す因子であり、流路を流れる流体から流路構成部材１０への熱伝達特性が高いほど、大きい値となる。
【００４２】
【数１】
【００４３】
ここで、式（２）、式（３）において、Ｎｕ：ヌセルト数、Ｒｅ：レイノルズ数、Ｐｒ：プラントル数、ｈ：流体と流路構成部材との間の熱伝達率、ｋ：流体の熱伝導率、ｄ：水力直径、である。
【００４４】
摩擦係数ｆは、以下に示す式（４）に基づいて求めた値であり、流路内を通過する流体の圧力損失が大きいほど、大きい値となる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
ここで、式（４）において、ΔＰ：圧力損失、ｕ：流速、ｄ：水力直径、ρ：流体の密度、Ｌ：流路長、である。
【００４７】
図６に示すように、熱伝達特性因子ｊの値は、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、比較例よりも本実施形態の方が大きくなっている。このことから、本実施形態の流路Ｒ１の方が、比較例の流路Ｃ１よりも熱伝達特性が優れていることがわかる。
【００４８】
また、図７に示すように、摩擦係数ｆの値は、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、比較例よりも本実施形態の方が小さくなっている。このことから、本実施形態の流路Ｒ１の方が、比較例の流路Ｃ１よりも圧力損失が小さいことがわかる。
【００４９】
その結果、図８に示すように、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除したｊ／ｆ値は、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、比較例よりも本実施形態の方が大きくなっている。
【００５０】
このように、本実施形態の流路Ｒ１は、底面に形成された複数の起伏部２２が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部２２が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部２１・２１間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、複数の起伏部２２により流路Ｒ１の内面において境界層が形成され難くなっている。よって、比較例の流路Ｃ１に比べて本実施形態の流路Ｒ１の熱交換性能を向上させることができる。
【００５１】
なお、複数の起伏部２２で流路の底面を波状に起伏させる代わりに、複数の凸部で流路の底面を凹凸状に起伏させることが考えられる。しかし、両者を比較した結果、図８に示すように、底面を波状に起伏させた比較例の方が、底面を凹凸状に起伏させた比較例２よりも、ｊ／ｆの値が大きくなった。このことから、底面を凹凸状に起伏させるよりも、底面を波状に起伏させた方が熱交換性能がより向上することがわかる。
【００５２】
（ｊ／ｆ値の評価結果）
次に、図３において、流路Ｒ１の最下部から流路Ｒ１の上面（他の金属薄板の下面）までの高さ（流路Ｃ１の底面から流路Ｃ１の上面までの高さ）をＡとし、起伏部２２の頂点から流路Ｒ１の上面（他の金属薄板の下面）までの高さをａとし、起伏部２２の仰角をθとしたときに、流路Ｃ１に対する流路Ｒ１のｊ／ｆ値の上昇割合を表１、表２に示す。ａ／Ａは起伏部２２の頂点の高さを表し、値が小さいほど頂点は高い。ここで、起伏部２２の頂点の高さをａ／Ａ＝０．５８よりも高くすると、流路面積が減少しすぎるので、ａ／Ａ≧０．５８とした。また、起伏部２２の仰角θを４５°よりも大きくすると、起伏部２２間のピッチ（間隔）が狭くなりすぎるので、θ≦４５°とした。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
表１、表２から、起伏部２２の頂点の高さが一定であれば、仰角θが大きくなるにつれて上昇割合が減少していく傾向にあることがわかる。これは、頂点の高さを一定として仰角θを大きくするほど起伏部２２・２２間のピッチが狭くなっていき、ピッチが狭くなるにつれて、頂点間の距離が短くなり、起伏部２２の起伏に沿って流れる流体の量が減少することで、起伏部２２が渦の発達を抑制する作用が弱まっていくためと考えられる。この傾向を踏まえて、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足すると、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、ｊ／ｆ値の上昇割合は１．１５よりも大きくなる。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００５６】
また、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足すると、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、ｊ／ｆ値の上昇割合は１．１５よりも大きくなる。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００５７】
また、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足すると、レイノルズ数Ｒｅが５００未満のときに、ｊ／ｆ値の上昇割合は１．１５よりも大きくなる。このことから、レイノルズ数Ｒｅが５００未満のときに、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００５８】
（効果）
以上に述べたように、流路の側面が屈曲していると、流路内において主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなり、この渦によって圧力損失が増大し、熱交換が妨げられる結果、熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、本実施形態に係る熱交換器１においては、流路Ｒ１，Ｒ２の底面に複数の起伏部２２を形成することで、流路Ｒ１，Ｒ２の底面を流体の進行方向に沿って波状に起伏させている。すると、起伏部２２が流路面積を減少させるので、圧力損失が大きくなる傾向となるが、起伏部２２が渦の発達を抑制し、隣り合う屈曲部２１・２１間において渦が広範囲に生じ難くなるので、圧力損失が減少するとともに熱伝達特性が向上する。また、流路Ｒ１，Ｒ２の内面において境界層が形成され難くなるので、境界層の発達が抑制される。これにより、熱交換性能を向上させることができる。
【００５９】
また、、起伏部２２の仰角と俯角とを同じにして、流体の流れをスムーズにすることで、渦の発達を抑制することができる。
【００６０】
また、０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。なお、上述したように、Ａは流路Ｒ１，Ｒ２の最下部から流路Ｒ１，Ｒ２の上面までの高さであり、ａは起伏部２２の頂点から流路Ｒ１，Ｒ２の上面までの高さであり、θは起伏部２２の仰角である。
【００６１】
また、０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足すると、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００６２】
また、ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足すると、レイノルズ数が５００未満のときに、熱伝達特性因子ｊの値を摩擦係数ｆの値で除した値が、起伏部を有しない蛇行した流路に対して、１．１５よりも大きい割合で上昇する。このことから、レイノルズ数が５００未満のときに、上記条件を満足させることで、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【００６３】
（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００６４】
例えば、流路Ｒ１，Ｒ２の底面だけでなく、流路Ｒ１，Ｒ２の上面、即ち、一の金属薄板の上に積層された他の金属薄板の下面に複数の起伏部２２が形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１ 熱交換器
２ 本体
３ 第１供給ヘッダー
３ａ 供給管
４ 第１排出ヘッダー
４ａ 排出管
５ 第２供給ヘッダー
５ａ 供給管
６ 第２排出ヘッダー
６ａ 排出管
１０ 流路構成部材
１１ 第１金属薄板
１２ 第２金属薄板
２１ 屈曲部
２２ 起伏部
Ｒ１，Ｒ２ 流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる熱交換流体と、前記流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせる熱交換器であって、
前記流路の側面には、前記流路が蛇行するように屈曲された屈曲部が複数形成されているとともに、前記流路の底面には、前記熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部が複数形成されており、
隣り合う前記屈曲部間の間隔が、隣り合う前記起伏部間の間隔よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記起伏部は、仰角と俯角とが同じであ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】
前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、
０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、
０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、
ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項１】
流路内を流れる熱交換流体と、前記流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせる熱交換器であって、
前記流路の側面には、前記流路が蛇行するように屈曲された屈曲部が複数形成されているとともに、前記流路の底面には、前記熱交換流体の進行方向に沿って波状に起伏された起伏部が複数形成されており、
隣り合う前記屈曲部間の間隔が、隣り合う前記起伏部間の間隔よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記起伏部は、仰角と俯角とが同じであ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】
前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、
０．７２＜ａ／Ａ≦０．８５、且つ、５°≦θ≦２５°の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、
０．５８＜ａ／Ａ≦０．７２、且つ、５°≦θ≦３０°の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流路の最下部から前記流路の上面までの高さをＡとし、前記起伏部の頂点から前記流路の上面までの高さをａとし、前記起伏部の仰角をθとすると、
ａ／Ａ＝０．５８、且つ、５°≦θ≦４５°の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３６６６６（Ｐ２０１３−３６６６６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７２６２７（Ｐ２０１１−１７２６２７）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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