JP2005055066A

JP2005055066A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005055066A
Application number: JP2003285952A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okamoto; 憲治岡本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】冷媒を沸騰させて該冷媒の一部を気化させることにより熱交換を行うものであって、優れた熱交換効率を得ることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱源４から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路３を備え、冷媒流路３内で該冷媒の少なくとも一部が熱交換により気化する。冷媒流路３は熱源４に近い側の内表面が、該内表面の他の部分よりも大きな親液性を備える。冷媒流路３は、熱源４に近い側の内表面が前記冷媒に対する接触角９０°未満の親液性材料１４からなり、該内表面の他の部分が前記冷媒に対する接触角９０°以上の疎液性材料１６からなる。冷媒流路３は０．１〜３ｍｍの幅を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備える直交流型熱交換器に関するものである。

熱源の冷却のために、該熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備える直交流型熱交換器が用いられている。従来、前記熱交換器では、液状の冷媒が顕熱を奪うことにより前記熱源の冷却を行っており、前記冷媒流路の断面形状を凹凸状として該冷媒流路の表面積を大きくすることにより、熱交換効率を向上したものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。

近年、前記熱交換器では、前記冷媒を沸騰させて該冷媒の一部を気化させたときに奪われる潜熱を利用して、前記熱源の冷却を行うことが検討されている。一般に、冷媒の単位質量当たりの潜熱は顕熱よりも大きいので、前記冷媒の一部を気化させることにより、熱交換効率を大きく向上させることができるものと考えられる。

前記冷媒を沸騰させる熱交換器では、熱流束（単位面積当たりに流れる熱量）を大きくするために、冷媒流路を狭くすることが行われている。

しかしながら、冷媒流路を狭くすると、熱流束の増大に伴って前記冷媒の沸騰により生じる気泡の容積が大きくなり、該気泡が狭い流路内で移動しにくくなる。この結果、前記冷媒流路の伝熱面が前記気泡で覆われて液体状態の冷媒への熱伝達が阻害され、熱交換効率が低減するという不都合がある。
特開２０００−１８８６７号公報特開２０００−７４５８７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、冷媒を沸騰させて該冷媒の一部を気化させることにより熱交換を行うものであって、優れた熱交換効率を得ることができる熱交換器を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の熱交換器は、熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備え、該冷媒流路内で該冷媒の少なくとも一部が熱交換により気化する直交流型熱交換器であって、冷媒流路は熱源に近い側の内表面が、該内表面の他の部分よりも大きな親液性を備えることを特徴とする。

本発明の熱交換器では、前記冷媒流路に流通される前記冷媒が、前記熱源から入力される熱により加熱されて沸騰し、該冷媒の一部が気化するときに奪う潜熱により冷却を行う。
前記冷媒は、前記冷媒流路の前記熱源に近い側でより加熱されるので、該冷媒流路の該熱源に近い側の内表面で気化して気泡を形成する。

このとき前記冷媒流路は、前記熱源に近い側の内表面が、該内表面の他の部分よりも大きな親液性を備えており、前記気泡は前記冷媒に対して疎液性であるので、前記冷媒流路の熱源に近い側の内表面から、より親液性の小さい該内表面の他の部分に案内される。この結果、前記冷媒流路の前記熱源に近い側の内表面には前記気泡が滞留しにくく、該熱源に近い側の内表面に沿って液状の冷媒が流通しやすくなる。

従って、本発明の熱交換器によれば、前記冷媒流路の前記熱源に近い側の内表面に沿って流通する液状の冷媒により熱交換を行うことができ、前記冷媒の気化により生じた気泡により熱伝達が阻害されることがないので、優れた熱交換効率を得ることができる。

前記熱源に近い側の内表面の親液性を該内表面の他の部分よりも大きくするために、前記冷媒流路は、前記熱源に近い側の内表面が前記冷媒に対する接触角９０°未満の親液性材料からなり、該内表面の他の部分が前記冷媒に対する接触角９０°以上の疎液性材料からなる。

前記冷媒流路は全体が同一の材料からなっていてもよく、この場合には、前記熱源に近い側の内表面の親液性を該内表面の他の部分よりも大きくするために、該熱源に近い側の表面に親液性材料をコーテイングするか、または該熱源から遠い側の表面に疎水性材料をコーティングするようにしてもよい。或いは、前記熱源に近い側の内表面と、該内表面の他の部分との面粗度を変えるようにしてもよい。

また、前記気泡を前記熱源に近い側の内表面から、該内表面の他の部分に案内しやすくするために、前記冷媒流路は、０．１〜３ｍｍの幅を備えていることが好ましい。前記冷媒流路の幅は、０．１ｍｍ未満では製造が難しく、３ｍｍを超えると、前記熱源に近い側の内表面の親液性を高くしても、前記気泡が該熱源に近い側の表面から、該内表面の他の部分に案内されにくく、十分な熱交換効率が得られないことがある。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の熱交換器の構成を示す説明的断面図、図２は図１に示す熱交換器の平面図、図３は図１に示す熱交換器の組立方法を示す説明的断面図、図４は接触角の定義を説明する説明的断面図である。また、図５は図１に示す熱交換器の性能を示すグラフである。

図１，２に示すように、本実施形態の熱交換器１は、熱交換器本体２と、熱交換器本体２内に形成された冷媒流路３とからなる。熱交換器本体２の一方の表面には熱源としてセラミックヒーター４が積層されており、セラミックヒーター４の上にさらに温度測定用の熱電対５が積層されている。

熱交換器本体２、セラミックヒーター４、熱電対５は、両外側から各２枚のシリコンゴムシート６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂで挟まれ、さらにシリコンゴムシート６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂの外側からステンレス板８ａ，８ｂで挟まれている。熱交換器本体２、セラミックヒーター４、熱電対５は、ステンレス板８ａ，８ｂを貫通するボルト９と、ボルト９に螺着されたナット１０とによりボルト締めされ、全体が均一に圧着されている。

前記熱交換器本体２は、図３示のように、セラミックヒーター４と反対側に開口する複数の溝部１３を備える親水性部材１４と、セラミックヒーター４側に開口する複数の溝部１５を備える疎水性部材１６とを、溝部１３，１５の開口部が一致するように重ね合わせて形成されている。熱交換器本体２では溝部１３，１５により、断面が四角形でセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備える冷媒流路３が形成される。尚、親水性部材１４、疎水性部材１６は、それぞれ溝部１３、１５の端部に分配部１１、集合部１２を形成する凹部（図示せず）が備えられている。

前記親水性部材１４としては、例えば、アルミニウム（Ａ５０５２）板等を挙げることができ、疎水性部材１６としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと略記する）板等を挙げることができる。前記アルミニウムは水に対する接触角が約２０°であり、ＰＴＦＥは水に対する接触角が約１１０°である。

前記接触角は、図４に示すように、ある固体Ｓの表面と、固体Ｓと液滴Ｌとの接点における液滴Ｌの接線との為す角θを意味する。ここで、接触角θが９０°未満であれば固体Ｓが液滴Ｌを形成する液体に対し親液性であり、接触角θが９０°以上のときには固体Ｓが液滴Ｌを形成する液体に対し疎液性である。

前記冷媒流路３は、親水性部材１４、疎水性部材１６の材料を変えることにより、セラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えるようにしているが、アルミニウム板の面粗度を大きくして親水性を大きくしたものを親水性部材１４とし、相対的に面粗度の小さいアルミニウム板を疎水性部材１６としてもよい。

熱交換器１では、液状の冷媒は、流路入口３ａから供給された後、分配部１１で各冷媒流路３に分配され、冷媒流路３内でセラミックヒーター４から入力される熱と熱交換することにより加熱されて沸騰し、該冷媒の一部が気化する。この結果、熱交換器１は、前記液状の冷媒が気化する際の潜熱により、セラミックヒーター４の冷却を行うことができる。沸騰した液状の冷媒と、気化した冷媒の蒸気とは、集合部１２を経て流路出口３ｂから排出される。

このとき、熱交換器１の冷媒流路３は、セラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えているので、前記冷媒が冷媒流路３のセラミックヒーター４側の表面で気化して形成された気泡は、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面（溝部１３）から、より親液性の小さい反対側の内表面（溝部１５）に案内される。この結果、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面には前記気泡が滞留しにくく、該内表面に沿って液状の冷媒が流通しやすくなり、該冷媒により熱交換を行うことができ、気泡により熱伝達が阻害されることがないので、優れた熱交換効率を得ることができる。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

実施例１〜６では、まず図３に示すように、２４ｍｍ×２０ｍｍのアルミニウム（Ａ５０５２）板にセラミックヒーター４と反対側に開口する複数の溝部１３を切削加工により刻設した親水性部材１４と、２４ｍｍ×２０ｍｍのＰＴＦＥ板にセラミックヒーター４側に開口する複数の溝部１５を切削加工により刻設した疎水性部材１６とを作成した。親水性部材１４、疎水性部材１６には、長さ１２ｍｍ、幅ｗ₁ｍｍ、深さｄ₁ｍｍの溝部１５がＧ₁ｍｍの間隔で複数本形成されている。

実施例１〜６で用いた親水性部材１４（ＨＥ−１〜６）を表１に、疎水性部材１６（Ｃｏ−１〜６）を表２に示す。

次に、親水性部材１４、疎水性部材１６を、溝部１３，１５の開口部が一致するようにして重ね合わせることにより、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えている熱交換器本体２を形成した。このとき、表１に示す６種の親水性部材１４（ＨＥ−１〜６）と、表２に示す６種の疎水性部材１６（Ｃｏ−１〜６）とを組み合わせて、実施例１〜６の熱交換器１を構成した。

尚、親水性部材１４、疎水性部材１６は、それぞれ溝部１３，１５の端部に分配部１１、集合部１２を形成する２ｍｍ×１４ｍｍの凹部（図示せず）が切削加工により刻設されている。

次に、セラミックヒーター４に７５Ｗの電力を供給する一方、図１，２の流路入口３ａから９０℃の水を３ｇ／分の流量で供給したときのセラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、実施例１〜６の各熱交換器１の性能を評価した。尚、セラミックヒーター４の温度は、図１に示す装置全体をアーマフレックスチューブで覆い、外部と断熱した状態で測定した。結果を表５に示す。

比較例１〜６

比較例１〜６では、まず図３に示す親水性部材１４、疎水性部材１６の位置関係を逆にして、２４ｍｍ×２０ｍｍのＰＴＦＥ板にセラミックヒーター４と反対側側に開口する複数の溝部１３を切削加工により刻設した疎水性部材１４と、２４ｍｍ×２０ｍｍのアルミニウム（Ａ５０５２）板にセラミックヒーター４側に開口する複数の溝部１５を切削加工により刻設した親水性部材１６とを作成した。疎水性部材１４、親水性部材１６には、長さ１２ｍｍ、幅ｗ₁ｍｍ、深さｄ₁ｍｍの溝部１５がＧ₁ｍｍの間隔で複数本形成されている。

比較例１〜６で用いた疎水性部材１４（ＨＥ−７〜１２）を表３に、親水性部材１６（Ｃｏ−７〜１２）を表４に示す。

次に、疎水性部材１４、親水性部材１６を、溝部１３，１５の開口部が一致するようにして重ね合わせることにより、冷媒流路３のセラミックヒーター４と反対側の内表面が該セラミックヒーター４側の内表面よりも大きな親液性を備えている熱交換器本体２を形成した。このとき、表３に示す６種の疎水性部材１４（ＨＥ−７〜１２）と、表４に示す６種の親水性部材１６（Ｃｏ−７〜１２）とを組み合わせて、比較例１〜６の熱交換器１を構成した。

尚、疎水性部材１４、親水性部材１６は、それぞれ溝部１３，１５の端部に分配部１１、集合部１２を形成する２ｍｍ×１４ｍｍの凹部（図示せず）が切削加工により刻設されている。

次に、実施例１〜６と全く同一にして、セラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、比較例１〜６の各熱交換器１の性能を評価した。結果を表５に示す。

比較例７〜１２

比較例７〜１２では、図３に示す疎水性部材１６に代えて、比較例１〜６で用いたものと同一の親水性部材１６を用い、親水性部材１４，１６を、溝部１３，１５の開口部が一致するようにして重ね合わせることにより、冷媒流路３の内表面全面が均一な親水性を備えている熱交換器本体２を形成した。このとき、表１に示す６種の親水性部材１４（ＨＥ−１〜６）と、表４に示す６種の親水性部材１６（Ｃｏ−７〜１２）とを組み合わせて、比較例７〜１２の熱交換器１を構成した。

次に、実施例１〜６と全く同一にして、セラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、比較例７〜１２の各熱交換器１の性能を評価した。結果を表５に示す。

比較例１３〜１８

比較例１３〜１８では、図３に示す親水性部材１４に代えて、比較例１〜６で用いたものと同一の疎水性部材１４を用い、疎水性部材１４，１６を、溝部１３，１５の開口部が一致するようにして重ね合わせることにより、冷媒流路３の内表面全面が均一な疎水性を備えている熱交換器本体２を形成した。このとき、表２に示す６種の疎水性部材１４（Ｃｏ−１〜６）と、表３に示す６種の疎水性部材１６（ＨＥ−７〜１２）とを組み合わせて、比較例１３〜１８の熱交換器１を構成した。

次に、実施例１〜６と全く同一にして、セラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、比較例１３〜１８の各熱交換器１の性能を評価した。結果を表５に示す。

表５から、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備え、冷媒流路３の幅が０．５〜３ｍｍの範囲にある実施例１〜６の熱交換器１によればヒーター温度が１４５．３〜１４５．５℃であり、冷媒流路３のセラミックヒーター４と反対側の内表面が該セラミックヒーター４側の内表面よりも大きな親液性を備える比較例１〜６の熱交換器１の１６９．７〜１６９．９℃、冷媒流路３の内表面全面が均一な親水性を備えている比較例７〜１２の１６０．１〜１６７．８℃、冷媒流路３の内表面全面が均一な疎水性を備えている比較例１３〜１８の１６９．１〜１６９．４℃と比較して、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。

本実施例では、親水性部材１４としてＨＥ−２、疎水性部材１６としてＣｏ−２を用いて、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えている熱交換器本体２を形成した。

次に、セラミックヒーター４に供給する電力を８〜４０Ｗの範囲で変量した以外は、実施例１〜６と全く同一にして、前記熱交換器本体２を備える熱交換器１におけるセラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定した。結果を表６、図４に示す。

比較例１９

本比較例では、親水性部材１４としてＨＥ−２、疎水性部材１６としてＣｏ−８を用いて、冷媒流路３の内表面全面が均一な親水性を備えている熱交換器本体２を形成した。

表６、図４から、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えている実施例７の熱交換器１によれば、冷媒流路３の全面が均一な親水性を備えている比較例１９の熱交換器１に比較して、各供給電力に対するセラミックヒーター４の温度が低い上、供給電力の増加に対するセラミックヒーター４の温度上昇が少なく、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。

次に、親水性部材１４と疎水性部材１６との位置を図３とは逆にして、下方に親水性部材１４、上方に疎水性部材１６を配置すると共に、親水性部材１４の下面にセラミックヒーター４と熱電対５とを配設した熱交換本体２を形成した。このとき、表１に示す４種の親水性部材１４（ＨＥ−１〜４）と、表２に示す４種の疎水性部材１６（Ｃｏ−１〜４）とを組み合わせて実施例８〜１１の熱交換器１を構成した。実施例８〜１１の各熱交換器１では、熱交換器本体２の冷媒流路３は実施例１〜６とは上下関係が逆ながら、セラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えている。

次に、実施例１〜６と全く同一にして、セラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、実施例８〜１１の各熱交換器１の性能を評価した。結果を表７に示す。

比較例２０〜２３

次に、実施例８〜１１の疎水性部材１６に代えて親水性部材１６を用い、下方に親水性部材１４、上方に親水性部材１６を配置すると共に、親水性部材１４の下面にセラミックヒーター４と熱電対５とを配設した熱交換器本体２を形成した。このとき、表１に示す４種の親水性部材１４（ＨＥ−１〜４）と、表４に示す４種の親水性部材１６（Ｃｏ−７〜１０）とを組み合わせて比較例２０〜２３の熱交換器１を構成した。この結果、比較例２０〜２３の各熱交換器１では、熱交換器本体２の冷媒流路３は内表面全面が均一な親水性を備えている。

次に、実施例１〜６と全く同一にして、セラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、比較例２０〜２３の各熱交換器１の性能を評価した。結果を表７に示す。

表７から、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備える実施例８〜１１の熱交換器１によればヒーター温度が１４４．９〜１４５．２℃であり、冷媒流路３の内表面全面が均一な親水性を備えている比較例２０〜２３の１６７．７〜１６８．２℃と比較して、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。

また、表７から、セラミックヒーター４が熱交換器１の下側にある場合にも、熱交換器１の上側にある場合と同様に、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えるようにすることにより優れた熱交換率が得られることが明らかである。

次に、図３に示す親水性部材としてＨＥ−３を用いると共に、図３に示す疎水性部材１６に代えて親水性部材１６としてＣｏ−９を用いて、冷媒流路３の内表面全面がアルミニウムからなる熱交換器本体２を形成した。

このとき、セラミックヒーター４側に配設されている親水性部材１４の内表面を耐水研磨紙で研磨して面粗度を調整し、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも大きな親液性を備えるようにして、実施例１２〜１４の熱交換器１を構成した。

また、親水性部材１４，１６の表面の面粗度を全く調整せず、冷媒流路３の内表面全面が均一な親水性を備えるようにして比較例２４の熱交換器１を構成した。また、セラミックヒーター４の反対側に配設されている親水性部材１６の内表面を耐水研磨紙で研磨して面粗度を調整し、冷媒流路３のセラミックヒーター４と反対側の内表面が該セラミックヒーター４側の内表面よりも大きな親液性を備えるようにして、比較例２４〜２７の熱交換器１を構成した。

アルミニウムの水に対する接触角は通常は１８°であるが、前記のようにして面粗度を調整することにより、実施例１２〜１４の熱交換器１では親水性部材１４の接触角が４〜１２°の範囲とされており、比較例２４〜２７の熱交換器１では親水性部材１６の接触角が４〜１２°の範囲とされている。

次に、実施例１〜６と全く同一にして、セラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、実施例１２〜１４及び比較例２４〜２７の各熱交換器１の性能を評価した。結果を表８に示す。

表８から、冷媒流路３のセラミックヒーター４側の内表面が該セラミックヒーター４と反対側の内表面よりも接触角が小さく、大きな親液性を備える実施例１２〜１４の熱交換器１によればヒーター温度が１４７．０〜１５１．４℃であり、冷媒流路３の内表面全面が均一な親水性を備えている比較例２４の１６８．０℃、冷媒流路３のセラミックヒーター４と反対側の内表面が該セラミックヒーター４側の内表面よりも接触角が小さく、大きな親液性を備える比較例２５〜２７の１６７．８〜１６８．１℃と比較して、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。

本発明の熱交換器の一構成例を示す説明的断面図。図１に示す熱交換器の平面図。図１に示す熱交換器の組立方法を示す説明的断面図。接触角の定義を説明する説明的断面図。図１に示す熱交換器の性能を示すグラフである。

符号の説明

１…熱交換器、２…熱交換器本体、３…冷媒流路、４…熱源。

Claims

熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備え、該冷媒流路内で該冷媒の少なくとも一部が熱交換により気化する直交流型熱交換器であって、
該冷媒流路は熱源に近い側の内表面が、該内表面の他の部分よりも大きな親液性を備えることを特徴とする熱交換器。
前記冷媒流路は、前記熱源に近い側の内表面が前記冷媒に対する接触角９０°未満の親液性材料からなり、内表面の他の部分が前記冷媒に対する接触角９０°以上の疎液性材料からなることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記冷媒流路は０．１〜３ｍｍの幅を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換器。