JP2005233454A

JP2005233454A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005233454A
Application number: JP2004039932A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kawai; 嘉宏河合
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】積層型のマイクロチャネル熱交換器において、熱交換器コアを大きくすることなしに、液体側の流路抵抗を小さくする。
【解決手段】溝部１４と開口部１５を形成したシート部材１２を積層するとともに、その両側に開口部１６を形成したプレート部材１３を配置して熱交換器コア１１を構成する。液体１１０は部材の積層方向に沿って貫通する液体側流路１７を流通し、気体１１１は液体側流路１７と直交する複数の気体側流路１８を流通する。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用・産業用ラジエータ及びオイルクーラ、車両用・家庭用凝縮器等に用いられる熱交換器に関し、とくに積層型のマイクロチャネル熱交換器に関する。

従来より、隣接する一方の流路に低温の気体（例えば水素）を、また他方の流路に高温の液体（例えばＬＬＣ）をそれぞれ流通させ、相互の温度差を利用して熱交換を行うように構成された熱交換器が知られている（以下の説明では気体、液体を適宜に媒体と総称する）。

積層型熱交換器は、流路を複数段に積層し、同じ媒体を流路一つおきに交互に供給することで、隣接する流路に異なる媒体が流通するように構成したものである。このうち、２つの媒体が平面的に平行に流通するものを平行式、直交するように流通するものを直交式と呼んでいる。近年では、微細加工により形成した微細流路（例えば、流路断面0.2mm×0.4mm）で構成された積層型のマイクロチャネル熱交換器が開発されている。

図６は、マイクロチャネル熱交換器の従来例を示す説明図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ′線断面に相当する部分断面図である。ここでは、平行式の構造について説明する。

図６（ａ）に示すように、熱交換器の本体となる熱交換器コア１０１は、流路となる複数のプレート１０２が積層されるとともに、各プレート１０２の間にはインナーフィン１０３が配置されている。熱交換器コア１０１の上プレート１０２ａには、液体１１０を流通させるための入口パイプ１０４と出口パイプ１０５、および気体１１１を流通させるための入口フランジ１０６と出口フランジ１０７がそれぞれ設けられ、外部から供給される液体１１０と気体１１１の通路が内部的に仕切られて、液体１１０と気体１１１が交互に流通するように構成されている。図６（ｂ）では、液体側流路１０８と気体側流路１０９が一つおきに形成されている様子を示している。なお、直交式は液体側流路１０８と気体側流路１０９が平面的に直交している以外、基本的な構造は平行式とほぼ同じである。

ここで、図６に示すような積層形のマイクロチャネル熱交換器に関する先行技術文献名は、出願人の検索範囲内において検出されていないことを補足する。

ちなみに、一般的な積層型熱交換器としては、内部に液体の流路が形成されるように２枚のプレート部材を重ね合わせて構成したチューブを積層するとともに、各チューブの一端には液体を導入する入口パイプを、また他端には液体を排出する出口パイプをそれぞれ設け、入口パイプから導入された液体を各チューブの流路を流通させてそれぞれ出口パイプから排出し、液体がチューブの流路を流通する際に、外部から供給される気体との間で熱交換を行うようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
特開２００２−１９８０７８号公報特許第２５６０３４０号公報特開２００３−１８５３７５号公報

図６に示すような積層形のマイクロチャネル熱交換器のように、プレート１０２とインナーフィン１０３とで構成される流路では、とくに液体側において流路抵抗が大きくなるという問題点があった。これを改善するために流路の開口断面を大きくすると、熱交換器コアが大きくなり、小型化のメリットを生かせなくなる。

この発明の目的は、熱交換器コアを大きくすることなしに、液体側の流路抵抗を小さくした熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、部材の表面に沿って同一方向に形成された複数の溝部と、部材の厚さ方向に形成された開口部とを有するシート部材を積層し、その積層方向の両側に部材の厚さ方向に形成された開口部を有するプレート部材を配置してなる熱交換器コアを備えた熱交換器であって、前記シート部材の開口部と前記プレート部材の開口部は前記シート部材の積層方向に沿って貫通する液体側流路を形成し、前記溝部は前記液体側流路と直交する方向に前記シート部材の開口部および前記プレート部材の開口部よりも開口断面の小さな複数の気体側流路を形成することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、前記シート部材の開口部および前記プレート部材の開口部がそれぞれ部材の中央部に形成され、前記シート部材の溝部が前記シート部材の開口部を挟んで両側に形成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の構成において、前記シート部材の溝部が部材の中央部に形成され、前記シート部材の開口部および前記プレート部材の開口部が前記溝部を挟んで両側に形成されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項の構成において、前記シート部材および前記プレート部材が表面にロウ材層を有するクラッド材からなることを特徴とする。

本発明によれば、液体側流路の開口断面を気体側流路一つ分の開口断面よりも数十倍大きくすることができるため、液体側流路を微細流路とした場合に比べて液体側の流路抵抗を小さくすることができる。すなわち、液体側流路と気体側流路の開口断面をほぼ等しくした場合において、液体側流路と気体側流路をともに微細流路とした構成と比較すると、本発明では、液体の流量が同一であっても、熱交換器コアを大きくすることなしに、液体側の流路抵抗を小さくすることができる。

以下、本発明に係わる熱交換器を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。なお、説明に用いる各図においては、構造を分かり易くするために、適宜にハッチングや輪郭線、境界線等を省略する。

図１は、実施例１に係わる熱交換器コアの概略構成を示す分解斜視図である。熱交換器コア１１は、チャネルシート１２を液体１１０の流通方向に積層するとともに、液体１１０の入口側と出口側にそれぞれサイドプレート１３を配置した構成となっている。なお、図１ではチャネルシート１２の構造と配置を分かり易くするため、積層されたチャネルシート１２のうちの４枚だけを示している。

チャネルシート１２は金属の板材からなり、片側の表面に沿って同一方向に形成された複数の溝部１４と、シートの厚さ方向に貫通するように形成された一つの開口部１５とを備えている。開口部１５はチャネルシート１２の中央部に形成され、溝部１４は開口部１５を挟んで両側に形成されている。

サイドプレート１３は金属の板材からなり、中央部に液体１１０を流通するための開口部１６を備えている。この開口部１６の位置、形状は、チャネルシート１２の開口部１５と同じ位置、形状となるように形成されている。

チャネルシート１２およびサイドプレート１３として、例えばステンレス材やアルミ材を使用した場合は、その表面にエッチング加工を施すことにより溝部１４、開口部１５を形成することができる。チャネルシート１２の溝部１４は断面略Ｕ字形（または略楕円形状）の微細流路として形成され、サイドプレート１３の開口部１６は、溝部１４よりも大きな長四角形に形成されている。

チャネルシート１２とサイドプレート１３とを図１のように配置し、拡散接合またはロー付けにより接合することで熱交換器コア１１が完成する。

図２は、図１のＡ−Ａ′線断面に相当する概略断面図である。積層された各チャネルシート１２の開口部１５と、その両側に配置されたサイドプレート１３の開口部１６により、熱交換器コア１１の内部にはシートの積層方向に沿って貫通する液体側流路１７が形成されている。一方、積層された各チャネルシート１２間には、溝部１４と、この溝部１４と隣接するチャネルシート１２とで仕切られた断面略矩形状の気体側流路１８が複数形成されている。

図３は、実施例１に係わる熱交換器１０の外観を示す斜視図である。図１に示した熱交換器コア１１のサイドプレート１３側に液体を供給（および排出）するためのパイプ１１２を配置するとともにし、これと直交する側面に気体を供給（および排出）するためのフランジ１１３を配置し、熱交換器コア１１と一体接合または溶接することで熱交換器１０が完成する。パイプ１２およびフランジ１３は、それぞれ図示しない液体配管、気体配管に接続される。

上記構成において、パイプ１２から熱交換器１０に導入された高温液体は、熱交換器コア１１の内部に形成された液体側流路１７内を流通し、熱交換器コア１１全体に熱を伝える。一方、フランジ１３から熱交換器１０に導入された低温気体は、熱交換器コア１１の内部に形成された複数の気体側流路１８を流通し、このとき、液体側流路１７を流通する高温液体との間で熱交換が行われる。

本実施例の構成によれば、液体側流路１７の開口断面を気体側流路１８一つ分の開口断面よりも数十倍大きくすることができるため、液体側流路を微細流路とした場合に比べて液体側の流路抵抗を小さくすることができる。例えば、液体側流路と気体側流路の開口断面をほぼ等しくした場合において、従来例（図６）と本実施例とを比較すると、本実施例では、液体の流量が同一であっても、熱交換器コア１１を大きくすることなしに、液体側の流路抵抗を小さくすることができる。

図４は、実施例２に係わる熱交換器コアの概略構成を示す分解斜視図である。本実施例の熱交換器コア２１においても、チャネルシート２２を液体１１０の流通方向に積層するとともに、液体１１０の入口側と出口側にそれぞれサイドプレート２３を配置した構成となっている。なお、図４ではチャネルシート２２の構造と配置を分かり易くするため、積層されたチャネルシート２２のうちの４枚だけを示している。

チャネルシート２２は金属の板材からなり、片側の表面に沿って同一方向に形成された複数の溝部２４と、シートの厚さ方向に貫通するように形成された２つの開口部２５ａ、２５ｂ（以下、適宜に開口部２５という）とを備えている。本実施例において、溝部２４はチャネルシート２２の中央部に形成され、開口部２５ａ、２５ｂは溝部２４を挟んで両側に形成されている。

サイドプレート１３は金属の板材からなり、液体１１０を流通するための開口部２６ａ、２６ｂ（以下、適宜に開口部２６という）を備えている。この開口部２６ａ、２６ｂの位置、形状は、チャネルシート２２の開口部２５ａ、２５ｂと同じ位置、形状となるように形成されている。

チャネルシート２２およびサイドプレート２３として、例えばステンレス材やアルミ材を使用した場合は、表面にエッチング加工を施すことにより溝部２４、開口部２５を形成することができる。チャネルシート２２の溝部２４は断面略Ｕ字形（または略楕円形状）の微細流路として形成され、サイドプレート２３の開口部２６は、溝部２４よりも大きな長四角形に形成されている。

チャネルシート２２とサイドプレート２３とを図４のように配置し、拡散接合またはロー付けにより接合することで熱交換器コア２１が完成する。

図５は、図４のＢ−Ｂ′線断面に相当する概略断面図である。積層された各チャネルシート２２の開口部２５ａ、２５ｂと、その両側に配置されたサイドプレート２３の開口部２６ａ、２６ｂにより、熱交換器コア２１の内部にはシートの積層方向に沿って貫通する２つの液体側流路２７ａ、２７ｂが形成されている。一方、積層された各チャネルシート２２間には、溝部２４と、この溝部２４と隣接するチャネルシート２２とで仕切られた断面略矩形状の気体側流路２８が複数形成されている。

図４に示す熱交換器コア２１についても、図３と同様に、液体を供給するためのパイプを配置するとともに、これと直交する側面に気体を供給するためのフランジを配置し、熱交換器コア２１と一体接合または溶接することで熱交換器を完成することができる（図示を省略する）。

上記構成において、熱交換器に導入された高温液体は、熱交換器コア２１の内部に形成された液体側流路２７ａ、２７ｂ内を流通して、熱交換器コア２１全体に熱を伝える。一方、熱交換器に導入された低温気体は、熱交換器コア２１の内部に形成された複数の気体側流路２８を流通し、このとき、液体側流路２７ａ、２７ｂを流通する高温液体との間で熱交換が行われる。

本実施例の構成においても、液体側流路２７ａ、２７ｂのそれぞれ開口断面を気体側流路２８一つ分の開口断面よりも数十倍大きくすることができるため、液体側流路を微細流路とした場合に比べて液体側の流路抵抗を小さくすることができる。例えば、液体側流路と気体側流路の開口断面をほぼ等しくした場合において、従来例（図６）と本実施例とを比較すると、本実施例では、液体の流量が同一であっても、熱交換器コア２１を大きくすることなしに、液体側の流路抵抗を小さくすることができる。

なお、上記実施例１、２において、チャネルシートおよびサイドプレートの材料として、表層にロウ材層を有するクラッド材を使用することができる。各部材をクラッド材で構成した場合は、ロウ付け時に外部からロウ材を供給する必要がなくなるため、ロウ付けの作業工数を少なくして、製造コストを削減することができる。

また、上記実施例１、２において、チャネルシートに形成された溝部、開口部の形状、配置、ならびにサイドプレートに形成された開口部の形状、配置は図示の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において適宜に変更可能である。例えば、チャネルシートとサイドプレートに形成される開口部の形状は長四角形状だけでなく円形、だ円形、俵形などであってもよいし、液体の流通する経路は３つ以上あってもよい。

実施例１に係わる熱交換器コアの概略構成を示す分解斜視図。図１のＡ−Ａ′線断面に相当する概略断面図。実施例１に係わる熱交換器の外観を示す斜視図。実施例２に係わる熱交換器コアの概略構成を示す分解斜視図。図４のＢ−Ｂ′線断面に相当する概略断面図。マイクロチャネル熱交換器の従来例を示す説明図。（ａ）は概略斜視図。（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ′線断面に相当する部分断面図。

符号の説明

１０…熱交換器
１１、２１…熱交換器コア
１２、２２…チャネルシート
１２…パイプ
１３、２３…サイドプレート
１３…フランジ
１４、２４…溝部
１５、２５（ａ、ｂ）…開口部（チャネルシート側）
１６、２６（ａ、ｂ）…開口部（サイドプレート側）
１７、２７（ａ、ｂ）…液体側流路
１８、２８…気体側流路

Claims

部材の表面に沿って同一方向に形成された複数の溝部（１４、２４）と、部材の厚さ方向に形成された開口部（１５、２５）とを有するシート部材（１２、２２）を積層し、その積層方向の両側に部材の厚さ方向に形成された開口部（１６、２６）を有するプレート部材（１３、２３）を配置してなる熱交換器コア（１１、２１）を備え、
前記シート部材（１２、２２）の開口部（１５、２５）と前記プレート部材（１３、２３）の開口部（１６、２６）は前記シート部材（１２、２２）の積層方向に沿って貫通する液体側流路（１７、２７）を形成し、前記溝部（１４、２４）は前記液体側流路（１７、２７）と直交する方向に前記シート部材（１２、２２）の開口部（１５、２５）および前記プレート部材（１３、２３）の開口部（１６、２６）よりも開口断面の小さな複数の気体側流路（１８、２８）を形成することを特徴とする熱交換器。
前記シート部材（１２）の開口部（１５）および前記プレート部材（１３）の開口部（１６）はそれぞれ部材の中央部に形成され、前記シート部材（１２）の溝部（１４）は前記シート部材（１２）の開口部（１５）を挟んで両側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記シート部材（２２）の溝部（２４）は部材の中央部に形成され、前記シート部材（２２）の開口部（２５）および前記プレート部材（２３）の開口部（２６）は前記溝部（２４）を挟んで両側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記シート部材（１２、２２）および前記プレート部材（１３、２３）は表面にロウ材層を有するクラッド材からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱交換器。