JP2005351488A - 熱交換体と熱交換器と熱交換ユニット、及び熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換率の向上と省エネルギー化を可能にした熱交換体と、該熱交換体を用いた熱交換ユニット、及び熱交換システムを提供することにある。
【解決手段】熱交換体は、亜鉛又は亜鉛合金の金属体１０に熱交換部２と熱媒体Ｆを流す内部通路４とを備え、熱交換部は被媒体Ｇ内に突出する放熱部３と、被媒体が通過する溝部８とから成り、放熱部はピン状放熱部３Ａと板状放熱部３Ｂと環状放熱部３Ｃとの少なくとも一方を備え、溝部は小幅溝部８ａと広幅溝部８ｂとの少なくとも一方を備え、内部通路は直線路５と螺旋路６の何れかであり、且つ、貫通タイプ４Ａと、リターンタイプ４Ｂと、複数路タイプ４Ｃの何れかとして備えている。熱交換器２０は、熱交換体１を２個以上用いて構成した熱交換ブロック９を備えており、この熱交換器２０を用いて熱交換ユニットと熱交換システムを構成している。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、熱媒体の熱エネルギーと被媒体エネルギーとの温度差による熱交換体と、その熱交換体を用いた熱交換器と、熱交換体や熱交換器を用いた熱交換ユニットと熱交換システムに関するものである。

熱エネルギーは高温側から低温側に移動（熱伝導＋熱放射）し、熱媒・冷媒体（以下、熱媒体に集約）と被媒体との温度差で、熱媒体と被媒体との間を出入りする。
周知の熱交換器（以下、熱交換ブロックを含むものとする）は、熱媒体（液体、気体）にて被媒体（外気、ＯＩＬ等）の温度を上げるヒーター、ボイラ、リボイラ等として、反対に、熱媒体（冷媒）の通過にて被媒体の温度を下げるラジエーター、コンデンサー、クーラー、エバポレーター等として用いられている。
また、熱交換器の用途として、例えば室内用クーラーやエアコン、建設機械用オイルクーラー（油圧作動の建設機械用オイルを冷却）、自動車のラジエーター（エンジンの過熱や加冷を防ぎ、一定温度に保つもの）、コンデンサー（圧縮された高圧ガスは、圧縮熱で暖かくなっておるので、この高圧ガスを前面冷却風で冷やし液化状態に戻すもの）、エバポレーター（エアコン関係の中にあり、冷媒のガスを気化させ、廻りの温度を下げるもの）、インタークーラー（ターボチャジャー付きエンジンの吸気系に取付け、ターボチャジャーで空気を圧縮した際に上昇する温度を冷やす）、車両用ヒーター等に広く用いられている。

熱交換器は、熱媒体（高温）から被媒体（低温）へ、或は被媒体（高温）から熱媒体（低温）へ熱を伝える装置で、多様な用途、多様な形態はあるものの、図１５−１と図１５−２の如く熱交換ブロックＭの基本形態は補強板ｍ２にて補強したプレートｍ１と、１〜２ｍｍ間隔で設けたアルミ製放熱フインｍ３とに貫通孔を設け、貫通孔に銅パイプｍ４を挿通し、銅パイプｍ４を半田ｍ６付け（ろう付けとも称する）すると共に、銅パイプｍ４の端部を連結パイプｍ５で連続し、蛇行の流路を設けていた。
熱交換器に銅パイプとアルミフインを採用している理由は、アルミフインは銅フインの５０％の熱伝導率（Ｋｃａｌ／ｍ／ｈｒ／℃）であるが、アルミフインは銅フインの３０％の重さであるためである。
因みに、金属等の熱伝導率は、銀（Ａｇ）＝４５８、銅（Ｃｕ）＝３９５、アルミニュウム（Ａｌ）＝２０４、ナトリウム（Ｎａ）＝１００、青銅＝６４、鉄鋼＝３５〜５８（炭素鋼＝４６）、ステンレス＝２２、水＝０．５９、空気＝０．０２３である。

また、パイプに対するフインの設け方として、パイプ外面に設けた溝の中にフイン根元を埋込み、溝をかしめて固定する埋込み式と、フインとパイプとを密着する展造二重管式とが用いられている。一般に、フインによって外表面を１１倍に増すと、１ｍの長さのパイプで伝えられる熱量は４〜５倍に増加すると言われている。
尚、放熱フインを一体に設ける熱交換器として、空冷エンジンのエンジンケースが知られているが、これらは鋳造にて形成されている。

熱交換器の熱交換率は、材質の熱伝導率、放熱面積（熱媒体流路の外周面積とフイン面積等）、熱媒体の流量等にて左右され、温度差に比例するので、放熱部を先細テーパーにしたり、円孔路を花びら状とする等して高性能化されている。
熱媒体の流量は、主に流路径と流路長さと流速に左右され、その内、流路径と流路長さは放熱面積に影響を与え、例えば、流路径を小径にするほど放熱面積は増大するも、熱媒体の温度と流速、及び材質によって制限されるし、流路長さを長くするほど放熱面積は増大するも、それことよりアルミフイン数も増大し、熱交換器が大型化する。
また、熱媒体の流速は材質と流路径に左右され、熱媒体の温度は高温化、又は低温化するほど熱交換量は増減するも、材質等によって限界がある。

加熱サイクルや冷却サイクルを備えた熱交換ユニット、或は熱交換システムにあっては、熱交換器としてコンデンサー（蒸気・ガスを冷却して液体とする）、プレート蒸発器（冷蔵庫の冷却器、冷凍食品陳列ケース等）、プレートフィンコイル（空気冷却器等、空気加熱器、空気凝縮器）、熱ポンプ（低温から高温にする）、吸熱器、ヒーター等を備えている。
凝縮器は、冷房システムにおいて、液冷媒を蒸発させ、周囲から気化熱を奪って被媒体の温度を下げる熱交換器であり、その種類と形式、及び主な用途は表１の通りであある。

蒸発器は、冷房システムにおいて、圧縮機より吐き出された高圧高温の冷媒ガスを冷却し、凝縮（液化）させる熱交換器であり、その種類と形式、及び主な用途は表２の通りであある。

特開平１０−２６７４２７号公報 特開２００４−６１１０３号公報

熱交換器において、フイン間隔を狭くしすぎると、被媒体が滞留しやすくなるため、フアンで強制的に圧送する必要があるし、パイプを蛇行状に長く配置すると、全体の温度を均一に上げたり若しくは下げたりすることが困難になる問題点もあった。
また、熱媒体の熱は、銅パイプから半田接合部を介してアルミフインに伝達するので、熱伝導率が悪く、しかも全てのアルミフインを銅パイプに均等正確に半田付けするには、高度の技術と多くの労力を必要とする。特に、半田付けに不備があると、熱効率は大幅に低下する。更に、銅パイプとアルミフインと半田接合部とから成る複合物であるから、製造コストが高くなり、リサイクル時の分別も煩雑で困難になる問題点もあった。

熱交換器において熱交換面積を稼ぐためには大きなスペースを必要とするし、そのことによりデザインの多様性にも限界があった。また、熱交換ユニットや熱交換システムにあっては、熱交換器と同様の課題がある外に、熱交換器の大きさによってデザインの自由度が制限されたり、全体で熱交換効率が低下するという問題もあった。特に小型軽量化とリサイクル性の向上が求められている。
鋳造による熱交換器にあっては、フイン厚さの薄肉化やフイン形成間隔の小ピッチ化に限界があるので、大きな改善は望めなかった。
そこでこの発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところうは、熱媒体や被媒体の温度を可能な限り均一に上げたり、若しくは下げることができて、しかも熱交換率の向上と省エネルギー化、及びリサイクル性の向上を可能にした熱交換体と、該熱交換体を用いた熱交換器、及び熱交換体や熱交換器を用いた熱交換ユニットと熱交換システムを提供することにある。

本発明の熱交換体は、請求項１として、金属体に熱交換部と熱媒体を流す内部通路とを備え、熱交換部は被媒体内に突出する放熱部と、被媒体が通過する溝部とから成ることを特徴とする。
請求項２は、請求項１の熱交換体において、放熱部はピン状放熱部と板状放熱部と環状放熱部との少なくとも一つであることを特徴とする。
請求項３は、請求項１，２記載の熱交換体において、溝部は放熱部厚さ以下の小幅溝部と、被媒体の通過が容易な広幅溝部との少なくとも一方であることを特徴とする。

ここで金属体とは、熱伝導率が高くて加工の容易なものが好ましく、形状としては、円柱状、楕円状、角柱状、板状等を成すもの、及びそれらの中空体も含まれる。
ここで熱交換部とは、被媒体と内部通路内を通る熱媒体の温度差により熱エネルギーを伝える部位で一体に備えるものの全てを言い、放熱部の内、ピン状放熱部とは、棒状に突出するものを言い、板状放熱部とは、適宜高さと厚さと適宜長さを有するものを言い、環状放熱部とは、適宜高さと厚さを有する無端板を言う。
ここで溝部とは、放熱部の少なくとも両側に形成するもので、その内、小幅溝部とは、ピン放熱部を一定範囲に多数形成可能にするものを言い、広幅溝部とは、被媒体の通過抵抗が少なくて流れやすく、小幅溝部の２倍以上の溝幅を有し、そのことによって小幅溝部に留まりがちな被媒体を吸引するものを言う。
ここで熱媒体及び被媒体とは、熱を伝える媒体で、例えば水や油等の液体と、空気やガス、或いは蒸気等の気体とを言い、冷媒及び加熱体として使用し得るものの全てを言う。

請求項４は、請求項１，２，３の熱交換体において、内部通路が直線路と螺旋路の少なくとも一方であることを特徴とする。
請求項５は、請求項４記載の熱交換体において、内部通路は金属体の一端側から他端側に抜けている貫通タイプと、金属体の一端側から途中まで達し、途中で折返して一端側に戻るリターンタイプと、複数路を備えた複数路タイプの何れか１つであることを特徴とする。
請求項６は、請求項１，２，３，４，５記載の熱交換体において、金属体が亜鉛又は亜鉛合金であることを特徴とする。

ここで内部通路とは、熱媒体を通す流路の全てを言い、その形状は丸孔、楕円、矩形、三角形、多角形等、自由である。また、貫通タイプとは、一端側から他端側に貫通しているもので、直線状に貫通する直線式貫通路と、螺旋状に貫通する螺旋式貫通路を言い、リターンタイプとは、一端側から途中まで直線状を成し、途中で折り返して一端側に戻る直線式Ｕ字路と、一端側から途中まで螺旋状を成し、途中で折り返して螺旋状に戻る螺旋式Ｕ字路と、直線路と螺旋路とを一端側から途中まで達し、途中で連結している複合式Ｕ字路とを言い、複数路タイプとは、直線路を複数備えた直線式複数路と、螺旋路を複数備えた螺旋式複数路と、直線路と螺旋路との少なくとも一方を複数備えた複合式複数路とを言う。
ここで亜鉛又は亜鉛合金とは、鋼材に比べて融点や沸点が低く、放電エネルギーで溶融するものを言う。

本発明の熱交換器は、請求項７として、請求項１〜６の熱交換体を２個以上用いて構成した熱交換ブロックを備え、該ブロックを構成する熱交換体が直列接続、並列接続、直並列接続していることを特徴とする。
本発明の熱交換ユニットは、請求項８として、請求項１〜６の熱交換回路と請求項７の熱交換器との少なくとも一方を用いて熱交換回路を構成していることを特徴とするクーラー、エアコン、冷蔵庫、除湿器等である。
本発明の熱交換システムは、請求項９として、請求項１〜６の熱交換体と請求項７の熱交換体との少なくとも一方を用いて熱交換回路を構成していることを特徴とする自動車、電車、航空機、船舶等である。

ここで熱交換ブロックとは、本発明の熱交換体を直列接続又は並列接続したもの、或は直列と並列とを併用した直並列接続したものを言い、熱交換器とは、熱交換ブロックのみから成るもの、熱交換ブロックと送風器とから成るもの、熱交換ブロックと送風器と膨張弁から成るもの等を言う。
ここで熱交換ユニットとは、熱交換回路に本発明の熱交換体と熱交換器との少なくとも一方を有するもので、主に持ち運び可能及び室内に配置可能な電気製品やガス製品等を言い、代表的なものとして、クーラー、エアコン、冷蔵庫、除湿器、パソコン等を言う。
ここで熱交換システムとは、熱交換回路に本発明の熱交換体と熱交換器との少なくとも一方を接続し、熱交換器の一部がボイラや発電機、或はエンジン等の熱エネルギーを利用するものを言い、代表的なものとして、自動車におけるエンジン冷却水の熱変換、及び室内の冷暖房装置、大型コンピューターにおける冷却装置等を言う。

本発明による熱交換体は上記構造の通りであるから、次に記載する効果を奏する。
請求項１の熱交換体は、金属体に内部通路と熱交換部とを直接備えているので、内部通路から被媒体への熱伝導、或いは被媒体から内部通路への熱伝導が無駄なく伝えることができる。即ち、熱交換率が飛躍的に向上するため、従来品と比較して少スペースで同等性能を確保できる。その結果、熱交換器は用途によって形状やサイズは異なるが、広範囲な応用が可能となる。しかも、一体物であるから、従来の熱交換器に比べ、加工も容易であるし、高性能、小型化、低コストリサイクル性も向上する。
請求項２の熱交換体は、請求項１の特徴に加えて、放熱部としてピン状放熱部を採用すると、一定範囲における放熱面積が飛躍的に増大し、その分、熱交換効率も飛躍的に向上する。即ち、熱交換面積を増やすことで熱効率を高めることができる。
また、板状放熱部と環状放熱部は、その形状は従来と略同じであるが、一体に形成されていることで、従来熱交換器より熱伝導率も向上するし、加工も容易になる。
請求項３の熱交換体は、請求項２の特徴に加えて、溝部を放熱部厚さ以下の小幅溝部とし、一定範囲にピン状放熱部を密に設けた密集放熱部を採用することで、熱交換率を向上することができる。また、広幅溝部を採用すると、小幅溝部における被媒体の通過に抵抗があっても、広幅溝部を通過する被媒体にて吸引されるので、密集放熱部の熱交換率も向上する。

請求項４の熱交換体は、請求項１，２，３の特徴に加えて、内部通路として直線路を採用し、該路を加熱孔若しくは冷却孔として用いると、熱交換体の温度を均一に上げたり下げたりすることができる。しかも加工も容易である。
また螺旋路を採用し、該路を加熱孔若しくは冷却孔として用いると、同じ金属体に対する通路長さを直線路に比べて数倍〜数十倍長くなるので、その分、熱交換率が飛躍的に向上する。その結果、同じ熱交換率の従来熱交換器に比べ、加工サイズは半分以下、熱効率は２倍以上になる。即ち、著しく小型化できる。
請求項５の熱交換体は、請求項１，２，３，４の特徴に加えて、内部通路として貫通タイプを採用すると、加工が容易で、しかも直列接続に適する。また、リターンタイプを採用すると、熱媒体を一端側から流入して一端側に戻すことができるので、即ち、一端側に流入口と流出口とを設けることができるので、その利点を利用した熱交換回路を構成し得る。更に、複数路タイプを採用すると、直線路と螺旋路の利点を活用することができる。
請求項６の熱交換体は、請求項１，２，３，４，５の特徴に加えて、金属体が亜鉛又は亜鉛合金で高い熱伝導特性を有しているので、短期間の温度上昇や温度降下が要求される熱交換体として最適である。また、放電加工の陰極材料として用いた場合、鋼材の仕事関数が約４．５ｅＶであるのに対し、亜鉛合金は約３．４ｅＶと低いので、鋼材やアルミニウム合金と比べて多様な溝部と放熱部を形成することができるし、その加工も至って容易である。特に、螺旋孔を精度よく形成することができる。
更に、融点が３８０℃であるから、４２０℃程度で容易に溶解・再生し得る。即ち、リサイクルの簡素化に絶大な効果を発揮する。

本発明による熱交換器は請求項７の通りであるから、次に記載する効果を奏する。
熱交換ブロックは本発明の熱交換体を直列接続、並列接続、直並列接続したものであるから、大きさの異なる熱交換器を自由に構成し得る。しかも、同じ熱交換体を用いて構成するので、量産化に適し、安価に提供し得る。
特に、熱交換体を最も熱効率の高い状態に接続構成したり、熱交換器のデザインに合わせて接続構成し得る。

本発明の熱交換ユニットは請求項８の通りであるから、次に記載する効果を奏する。
本発明の熱交換体と熱交換器の少なくとも一方を用いて熱交換回路を構成しているので、従来に比較して熱交換回路を簡素化し、極めて小型化し得るばかりか、コスト低減することも可能である。その結果、熱交換ユニットのクーラー、エアコン、冷蔵庫、除湿器等のデザインの自由度が飛躍的に向上する。

本発明の熱交換システムは請求項９の通りであるから、次に記載する効果を奏する。
本発明の熱交換体と熱交換器の少なくとも一方を用いて熱交換システムを構成しているので、従来熱交換システムに比較して簡素化し、極めて小型化し得るばかりか、コスト低減することも可能である。その結果、熱交換システムを備えた自動車、電車、航空機、船舶等の小型化とデザインの自由度が飛躍的に向上する。

本発明による熱交換体の最良形態を図１−１と図１−２に基づき説明すれば、金属体１０の外側に熱交換部２を、内部に熱媒体Ｆを流す内部通路４を一体に備え、熱交換部２は被媒体Ｇに向けて突出する放熱部３と、被媒体Ｇが通過する溝部８とを備え、金属体１０は円柱状を成す亜鉛又は亜鉛合金であり、内部通路４は金属体１０の一端側１ａから他端側１ｂに抜けている貫通タイプ４Ａの内、スパイラル状に貫通している螺旋式貫通路６Ａであり、該貫通路６Ａは金属体長さＨの全長に螺旋路６を貫通し、螺旋路６の一端側に接続口１４を、他端側に接続口１５を一体に設け、熱交換部２は放熱部３として棒状に突出するピン状放熱部３Ａを、溝部８として放熱部厚さｓ以下の小幅溝部８ａを採用し、ピン状放熱部３Ａと小幅溝部８ａとを縦横に配置した密集放熱部１３を設け、その少なくとも一方側に小幅溝部８ａより広幅で被媒体Ｇの通過の容易な広幅溝部８ｂを備えている。

放熱部３のピン状放熱部３Ａは、図１−３（イ）の如く放熱部厚さｓと放熱部高さｔを有しており、ピン状放熱部３Ａの代りに図１−３（ロ）の如く板状放熱部３Ｂを用いることも可能であり、この板状放熱部３Ｂは、放熱部厚さｓと放熱部高さｔ、及び放熱部長さｈを有し、金属体１０の長手方向に直交し、或は金属体１０の長手方向に平行している。
また、放熱部３として、図１−３（ハ）の如く環状放熱部３Ｃを用いることも可能であり、この環状放熱部３Ｃは、放熱部厚さｓと放熱部高さｔとを有して金属体１０の周囲を１周している。
螺旋式貫通路６Ａとピン状放熱部３Ａと小幅溝部８ａは、主に放電加工により形成し、板状放熱部３Ｂと環状放熱部３Ｃと広幅溝部８ｂは、放電加工や機械加工にて形成する。

本発明による熱交換体の第一実施例を、最良形態と相違する点について説明すると貫通タイプ４Ａの螺旋式貫通路６Ａに代えて直線式貫通路５Ａを採用するものであり、該貫通路５Ａは図２の如く金属体１０の一端側１ａから他端側１ｂに直線路５を貫通し、即ち、金属体長さＨの全長に直線路５を略一直線に形成し、直線路５の一端側に接続口１４を、他端側に接続口１５を一体に設けており、直線式貫通路５Ａは放電加工や機械加工にて形成するものである。

本発明による熱交換体の第二実施例を第一実施例と相違する点について説明すると、貫通タイプ４Ａに代えて内部通路４が途中で折返しているリターンタイプ４Ｂであり、リターンタイプ４Ｂの直線式Ｕ字路５Ｂを採用するものであり、該Ｕ字路５Ｂは図３−１の如く金属体１０の一端側１ａから途中まで達する直線路５の第一通路５１と第二通路５２、及び両通路５１，５２の先部側において連通する連絡路５３とから成り、第一通路５１と第二通路５２が適宜間隔を有して平行し、一端側１ａに接続口１４と接続口１５とを一体に設けている。
連絡路５３の形成手段とした、電極先部が可変可能な放電加工を用いて直接形成することも可能であるが、図３−２の如く金属体１０の外部から第一通路５１と第二通路５２に連通する穴を設け、不用部に盲栓５４をすることも可能である。

本発明による熱交換体の第三実施例を第二実施例と相違する点について説明すると、リターンタイプ４Ｂの直線式Ｕ字路５Ｂに代えて螺旋式Ｕ字路６Ｂを採用するものであり、該Ｕ字路６Ｂは図４−１の如く金属体１０の一端側１ａから途中まで達する螺旋路６の第一通路６１と第二通路６２、及び両通路６１，６２の先部側において連通する連絡路６３から成り、第一通路６１と第二通路６２は１８０度の位相を異にして形成され、対抗位置にある第一通路６１と第二通路６２との端部を連絡路６３で繋ぐものであり、一端側１ａに接続口１４と接続口１５とを一体に設けている。
連絡路６３の形成手段とした、電極先部が可変可能な放電加工を用いて直接形成することも可能であるが、図４−２の如く金属体１０の外部から第一通路６１と第二通路６２に連通する穴を設け、不用部に盲栓６４をすることも可能である。

本発明による熱交換体の第四実施例を、第二及び第三実施例と相違する点について説明すると、リターンタイプ４Ｂとして複合式Ｕ字路７Ｂを採用するものであり、該Ｕ字路７Ｂは図５−１の如く、金属体１０の一端側１ａから途中まで達する直線路５と、同じ一端側１ａから途中まで達する螺旋路６、及び両路５，６の先部側において連通する連絡路７３とから成り、直線路５と螺旋路６との端部を連絡路７３で繋ぐものであり、一端側１ａに接続口１４と接続口１５とを一体に設けている。
連絡路７３の形成手段とした、電極先部が可変可能な放電加工を用いて直接形成することも可能であるが、図５−２の如く金属体１０の外部から直線路５と螺旋路６に連通する穴を設け、不用部に盲栓７４をすることも可能である。
この複合式Ｕ字路７Ｂは、螺旋路６を通過する間に熱交換を多くし、熱交換を略完了した熱媒体Ｆを直線路５にて早く戻す場合に有益である。

本発明による熱交換体の第五実施例を、第二乃至第四実施例と相違する点について説明すると、内部通路４を二路以上備えている複数路タイプ４Ｃであり、その複数路タイプ４Ｃの内、図６の如く直線式複数路５Ｃを採用したものであり、該複数路５Ｃは金属体１０の一端側１ａから他端側１ｂに抜ける直線路５の第一通路５１と第二通路５２とを適宜間隔を有して複数備え、第一通路５１の一端側に接続口１４を、他端側に接続口１５を一体に設け、第二通路５２の一端側に接続口２４を、他端側に接続口２５を一体に設け、熱交換ユニットや熱交換システムの熱交換回路Ｐに接続可能となる。

本発明による熱交換体の第六実施例を、第五実施例と相違する点について説明すると、複数路タイプ４Ｃとして螺旋式複数路６Ｃを採用したものであり、該複数路６Ｃは図７の如く、金属体１０の一端側１ａから他端側１ｂに抜ける螺旋路６の第一通路６１と第二通路６２とを適宜位相を異にして複数備え、第一通路６１の一端側に接続口１４を、他端側に接続口１５を一体に設け、第二通路６２の一端側に接続口２４を、他端側に接続口２５を一体に設け、熱交換回路Ｐと接続可能となるものであり、螺旋路６を例えば二路備える場合、１８０度の位相で形成し、三路備える場合、１２０度の位相で形成し、四路備える場合、９０度の位相で形成する。

本発明による熱交換体の第七実施例を、第五及び第六実施例と相違する点について説明すると、複数路タイプ４Ｃとして複合式複数路７Ｃを採用したものであり、該複数路７Ｃは図８の如く、金属体１０の一端側１ａから他端側１ｂに抜ける直線路５と螺旋路６との何れか一方を複数備え、例えば直線路５の一端側に接続口１４を、他端側に接続口１５を一体に設け、螺旋路６の一端側に接続口２４を、他端側に接続口２５を一体に設け、熱交換回路Ｐと接続可能となるものである。

貫通タイプ４Ａ（直線式貫通路５Ａ、螺旋式貫通路６Ａ）の熱交換体１は、単独でも使用可能であるが、２個以上を接続して後記する本発明の熱交換ブロック９を構成することが多い。
リターンタイプ４Ｂ（直線式Ｕ字路５Ｂ、螺旋式Ｕ字路６Ｂ、複合式Ｕ字路７Ｂ）の熱交換体１は、単独でも使用可能であるが、２個以上を接続して後記する本発明の熱交換ブロック９を構成することが多い。
複数路タイプ４Ｃ（直線式複数路５Ｃ、螺旋式複数路６Ｃ、複合式複数路７Ｃ）の熱交換体１は、単独でも使用可能であるが、２個以上を接続して後記する本発明の熱交換ブロック９を構成することが多い。

本発明における熱交換器の内、熱交換器２０を構成する熱交換ブロック９において本発明の熱交換体１を直列接続するものであり、例えば図９−１は貫通タイプ４Ａの内部通路４、特に螺旋式貫通路６Ａを備えた熱交換体１を管路ｐにて直列接続し、図９−２はリターンタイプ４Ｂの内部通路４、特に直線式Ｕ字路５Ｂを備えた熱交換体１を管路ｐにて直列接続し、図９−３は螺旋式貫通路６Ａを備えた熱交換体１と、直線式Ｕ字路５Ｂを備えた熱交換体１とを管路ｐにて直列接続するものである。

本発明による熱交換器の内、熱交換器２０を構成する熱交換ブロック９において本発明の熱交換体１を並列接続するものであり、例えば図１０−１は貫通タイプ４Ａの内部通路４、特に螺旋式貫通路６Ａを備えた熱交換体１を管路ｐにて並列接続し、図１０−２はリターンタイプ４Ｂの内部通路４、特に直線式Ｕ字路５Ｂを備えた熱交換体１を管路ｐにて並列接続し、図１０−３は螺旋式貫通路６Ａを備えた熱交換体１と、直線式Ｕ字路５Ｂを備えた熱交換体１とを管路ｐにて並列接続するものである。

熱交換器２０は熱交換ブロック９のみにて構成する以外に、管路ｐに膨張弁Ｐ２を接続したり、熱交換ブロック９に相対して送風器Ｐ４を備える場合もある。
螺旋式貫通路６Ａの代りに直線式貫通路５Ａを採用することも可能であるし、直線式Ｕ字路５Ｂの代りに螺旋式Ｕ字路６Ｂや複合式Ｕ字路７Ｂを採用することも可能である。
貫通タイプ４Ａとリターンタイプ４Ｂの選択、及び接続方法は、熱交換器２０の大きさやデザインに合わせて選択する。
熱交換ブロック９は、１個の熱交換体１による熱交換率に限界があるため、２個以上の熱交換体１を用いる。

本発明による熱交換ユニットの第一実施例を図１１−１に基づき説明すると、熱交換回路Ｐに本発明の熱交換体１と熱交換器２０との少なくとも一つを用いるものであり、例えば熱交換回路Ｐの管路ｐに圧縮機Ｐ１と膨張弁Ｐ２と受液器Ｐ３とを接続すると共に、熱交換ブロック９に送風器Ｐ４を備えた熱交換器２０を蒸発器Ｎ１、及び凝縮器Ｎ２として接続し、蒸発器Ｎ１と凝縮器Ｎ２とを空冷するもので、代表的なものとしてエアコンがある。
熱交換ユニットがエアコンの場合、熱媒体Ｆは冷媒で、被媒体Ｇは室内空気となり、冷媒は蒸発器Ｎ１を通過する間に気化して室内空気を冷却し、気化した冷媒は圧縮機Ｐ１で圧縮され、凝縮器Ｎ２を通過する間に室外空気で冷却されて液化する。
尚、蒸発器Ｎ１を通過する間に失う熱エネルギーと、室内空気の冷却エネルギーとはバランスしている。

本発明による熱交換ユニットの第二実施例を、第一実施例と相違する点について説明すると、図１１−２の如く熱交換回路Ｐの管路ｐに圧縮機Ｐ１と膨張弁Ｐ２と受液器Ｐ３とを接続すると共に、熱交換ブロック９に送風器Ｐ４を備えた熱交換器２０を蒸発器Ｎ１として、また液冷式の熱交換器２０を凝縮器Ｎ２として用い、蒸発器Ｎ１を空冷に、凝縮器Ｎ２を液冷にするもので、そのことにより凝縮器Ｎ２における熱交換器２０の温度は液体Ｗにて下がり、又は上がる。

本発明による熱交換ユニットの第三実施例を、第一及び第二実施例と相違する点について説明すると、図１１−３の如く熱交換回路Ｐの管路ｐに圧縮機Ｐ１と膨張弁Ｐ２と受液器Ｐ３とを接続すると共に、熱交換器２０を液冷式の蒸発器Ｎ１と凝縮器Ｎ２として用い、蒸発器Ｎ１の液冷回路Ｑに熱交換器２０を放熱器Ｎ６として用いるものであり、そのことにより蒸発器Ｎ１と凝縮器Ｎ２における熱交換器２０の温度は液体Ｗにて下がり、又は上り、放熱器Ｎ６の熱交換器２０は熱を放出する。

本発明による熱交換システムの第一実施例を自動車において説明すると、図１２−１の如くエンジンＰ６の液冷回路Ｑと、室内の熱交換回路Ｐとを備え、液冷回路ＱにポンプＰ５と熱交換器２０から成る空冷式のラジエーターＮ３と吸熱器Ｎ４とを接続し、熱交換回路Ｐに圧縮機Ｐ１と受液器Ｐ３と切換弁Ｐ７とを接続すると共に、本発明の熱交換体１と熱交換器２０の少なくとも一方を蒸発器Ｎ１と凝縮器Ｎ２と吸熱器Ｎ４として接続するものであり、吸熱器Ｎ４は熱交換回路Ｐの熱エネルギーを液冷回路Ｑに伝える。
自動車用の熱交換システムにあっては、本発明の熱交換体１を単独で用いることは少なく、その多くは本発明の熱交換体１から成る熱交換ブロック９の熱交換器２０を用いる。

熱交換システムの第二実施例を、第一実施例と相違する点について説明すると、図１２−２の如く熱交換回路Ｐに本発明の熱交換器２０を吸熱器Ｎ４とエアコンＮ７とし接続し、エンジンＰ６の液冷回路Ｑに熱交換器２０をラジエーターＮ３とヒーターＮ５として接続するものであり、吸熱器Ｎ４の前後にラジエーターＮ３を配置している。
この熱交換システムは、熱源となるエンジンＰ６を備えた車両、航空機、船舶等に有効である。

リターンタイプ４Ｂの連絡路５３，６３，７３は、電極先部の向きを自在にした特殊電極を用いて直接放電加工することも可能であるが、図３−１（ロ）の如く金属体１０の一端側１ａから途中まで第一通路５１と第二通路５２を形成し、外部から両通路５１，５２に連通する連絡路５３を穿設し、不用部を盲栓５４で塞いだり、図４−２の如く金属体１０の一端側１ａから途中まで第一通路６１と第二通路６２を形成し、外部から両通路６１，６２に連通する連絡路６３を穿設し、不用部を盲栓６４で塞いだり、図５−２の如く金属体１０の一端側１ａから途中まで直線路５と螺旋路６を形成し、外部から両路５，６に連通する連絡路７３を穿設し、不用部を盲栓７４で塞ぐことも可能である。
また、リターンタイプ４Ｂの内部通路４として、図３−２の如く金属体１０の一端側１ａから途中まで第一通路５１と第二通路５２を形成し、他端側１ｂに中空部２１を設け、該中空部２１に嵌挿する挿入体１２に連絡路５３を形成しておき、挿入体１２を中空部２１に蜜嵌することも可能である。

螺旋路６は、金属体１０に−極の電圧を、コイル状電極に＋極の電圧を印加し、コイル状電極を金属体１０の中心軸方向に沿って一端より内部に放電加工しながら進入して形成する場合、そのピッチは、放電加工で形成し得る加工間隙に関係する。例えば、螺旋ピッチを３０ｍｍとすると、通路長さは直線式に比べて概ね６０倍となる。即ち、少ないスペースに大きな熱交換能力を集積できる。
螺旋路６はコイル状電極による放電加工に限定されるものではなく、例えば図１４−１の如く金属体１０を筒体１１と、筒体中空部２１に嵌挿する挿入体１２とから構成し、挿入体１２の外周面に外周螺旋溝１６を穿設するか、図１４−２の如く筒体１１の内周面に内周螺旋溝１７を雌ねじの様に穿設し、更に、図１４−３の如く筒体１１の内周面と挿入体１２の外周面とに螺旋溝１６，１７を穿設しても形成し得る。

熱交換体１の形状は、図１３−１（イ）の如く円柱状熱交換体１Ａ、図１３−１（ロ）の如く多角柱状熱交換体１Ｂ、図１３−１（ハ）の如く十字状熱交換体１Ｃを初め、図１３−２の如く板状熱交換体１Ｄ、図１３−３の如くドーナツ状熱交換体１Ｅ等、熱交換器２０や熱交換ユニットの用途等に合わせて適宜形状を採用することが可能である。
円柱状熱交換体１Ａと多角柱状熱交換体１Ｂは、螺旋路６の内部通路４の形成に適するし、板状熱交換体１Ｄとドーナツ状熱交換体１Ｅにあっては、厚さ方向に螺旋路６を形成する必要がある。

亜鉛合金としては、例えばＺＡＳ、ＺＡＰＲＥＣ（何れも商品名）、その他の亜鉛合金を選択することができる。ＺＡＰＲＥＣは優れた放電特性と鋼・アルミの２〜４倍の高速加工性能（快削性）、及び溶接性に優れている。
小幅溝部８ａの溝幅Ｌを放熱部厚さｓより小さくすると、一定範囲に放熱部３、特にピン放熱部３Ａを多数形成することができる。

直線式複数路５Ｃにおける直線路５の数と、螺旋式複数路６Ｃにおける螺旋路６の数、及び複合式複数路７Ｃにおける直線路５と螺旋路６との組み合わせは、金属体１０の形状に応じて自由である。
内部通路４の端部に設ける接続口１４，１５は、金属体１０に直接設けることも可能であるが、螺旋式貫通路６Ａにあっては別体に備えることが好ましい。
本発明の熱交換体１と熱交換器２０は、排ガスの工程で使用するレキュピレーター、エレメントチューブ、エコノメヤーとして、或は熱回収器、特に排ガス用熱回収器のロスナイ、エコサーモ、ルームクーラーとしても使用可能である。

熱交換ブロック９における熱交換体１は、実施形態の直列接続と並列接続に限定されるものではなく、直列接続と並列接続とを併用することも可能である。又、熱交換体１の種類は螺旋式貫通路６Ａと直線式Ｕ字路５Ｂとに限定されるものではなく、他の貫通タイプ４Ａやリターンタイプ４Ｂを用いることも可能であるし、複数路タイプ４Ｃも用いることも可能である。

本発明による熱交換体の最良形態を示す側面図で、貫通タイプ（螺旋式貫通路）の内部通路を透視状態で示す。 類例熱交換体の正面図と側面図である。 放熱部の形状例を示す斜視図であり、その内、（イ）はピン状放熱部を示し、（ロ）は板状放熱部を示し、（ハ）は環状放熱部を示す。 熱交換体の第一実施例を示す側面図で、貫通タイプ（直線式貫通路）の内部通路を透視状態で示す。 熱交換体の第二実施例を示すもので、リターンタイプ（直線式Ｕ字路）の内部通路を透視状態で示す側面図と、そのＸ−Ｘ断面図である。 直線式Ｕ字路の構造例を示す断面図である。 熱交換体の第三実施例を示す側面図で、リターンタイプ（螺旋式Ｕ字路）の内部通路を透視状態で示す。 そのＹ−Ｙ断面図である。 熱交換体の第四実施例を示す側面図で、リターンタイプ（複合式Ｕ字路）の内部通路を透視状態で示す。 そのＺ−Ｚ断面図である。 熱交換体の第五実施例を示す側面図で、複数路タイプ（直線式複数路）の内部通路を透視状態で示す。 熱交換体の第六実施例を示す側面図で、複数路タイプ（螺旋式複数路）の内部通路を透視状態で示す。 熱交換体の第七実施例を示す側面図で、複数路タイプ（複合式複数路）の内部通路を透視状態で示す。 本発明熱交換器における熱交換体（螺旋式貫通路）の直列接続例を示す要部回路図である。 熱交換体（直線式Ｕ字路）の直列接続例を示す要部回路図である。 熱交換体（螺旋式貫通路）と熱交換体（直線式Ｕ字路）の直列接続例を示す要部回路図である。 本発明熱交換器における熱交換体（螺旋式貫通路）の並列接続例を示す要部回路図である。 熱交換体（直線式Ｕ字路）の並列接続例を示す要部回路図である。 熱交換体（螺旋式貫通路）と熱交換体（直線式Ｕ字路）の並列接続例を示す要部回路図である。 熱交換ユニットの第一実施例（空冷―空冷）を示す要部回路図である。 熱交換ユニットの第二実施例（空冷―液冷）を示す要部回路図である。 熱交換ユニットの第三実施例（液冷―液冷）を示す要部回路図である。 熱交換システムの第一実施例（自動車用）を示す回路図である。 熱交換システムの第二実施例（自動車用）を示す回路図である。 熱交換体の形状例を示す斜視図で、その内、（イ）は円形タイプを示し、（ロ）は多角形タイプを示し、（ハ）は十字形タイプを示す。 板状熱交換体の斜視図である。 ドーナツ状熱交換体の平面図である。 螺旋路の第一形成例を示す一部切欠側面図である。 螺旋路の第二形成例を示す一部切欠側面図である。 螺旋路の第三形成例を示す一部切欠側面図である。 従来熱交換器の斜視図である。 その要部拡大図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 熱交換体
１ａ 一端側、１ｂ 他端側
１０ 金属体、１１ 筒体、１２ 挿入体、２１ 中空部
２ 熱交換部
３ 放熱部、１３ 密集放熱部
３Ａ ピン状放熱部、３Ｂ 板状放熱部、３Ｃ 環状放熱部
４ 内部通路
４Ａ 貫通タイプ、４Ｂ リターンタイプ、４Ｃ 複数路タイプ
５ 直線路、５Ａ 直線式貫通路、５Ｂ 直線式Ｕ字路、５Ｃ 直線式複数路
６ 螺旋路、６Ａ 螺旋式貫通路、６Ｂ 螺旋式Ｕ字路、６Ｃ 螺旋式複数路
７Ｂ 複合式Ｕ字路、７Ｃ 複合式複数路
１６ 外周螺旋溝、１７ 内周螺旋溝
５１，６１ 第一通路、５２，６２ 第二通路、５３，６３，７３ 連絡路
５４，６４，７４ 盲栓
８ 溝部、８ａ 小幅溝部、８ｂ 広幅溝部
１４，１５，２４，２５ 接続口
９，Ｍ 熱交換ブロック
ｍ１ プレート、ｍ２ 補強板、ｍ３ 放熱フイン、ｍ４ 銅パイプ
ｍ５ 連結パイプ、ｍ６ 半田
２０，Ｎ 熱交換器、Ｎ１ 蒸発器、Ｎ２ 凝縮器、Ｎ３ ラジエーター
Ｎ４ 吸熱器、Ｎ５ ヒーター、Ｎ６ 放熱器、Ｎ７ エアコン
Ｐ 熱交換回路、ｐ 管路
Ｐ１ 圧縮機、Ｐ２ 膨張弁、Ｐ３ 受液器、Ｐ４ 送風器、Ｐ５ ポンプ
Ｐ６ エンジン、Ｐ７ 切換弁
Ｑ 液冷回路
Ｆ 熱媒体、Ｇ 被媒体、Ｗ 液体
Ｈ 金属体長さ、Ｌ 溝幅
ｓ 放熱部厚さ、ｔ 放熱部高さ、ｈ 放熱部長さ

Claims (9)

1. 金属体（１０）に熱交換部（２）と熱媒体（Ｆ）を流す内部通路（４）とを備え、熱交換部（２）は被媒体（Ｇ）内に突出する放熱部（３）と、被媒体（Ｇ）が通過する溝部（８）とから成ることを特徴とする熱交換体。
2. 放熱部（３）はピン状放熱部（３Ａ）と板状放熱部（３Ｂ）と環状放熱部（３Ｃ）との少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の熱交換体。
3. 溝部（８）は放熱部厚さ（ｓ）以下の小幅溝部（８ａ）と、被媒体（Ｇ）の通過容易な広幅溝部（８ｂ）との少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換体。
4. 内部通路（４）が直線路（５）と螺旋路（６）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１，２または３記載の熱交換体。
5. 内部通路（４）は金属体（１０）の一端側（１ａ）から他端側（１ｂ）に抜けている貫通タイプ（４Ａ）と、金属体（１０）の一端側（１ａ）から途中まで達し、途中で折返して一端側（１ａ）に戻るリターンタイプ（４Ｂ）と、複数備えた複数路タイプ（４Ｃ）の何れか１つであることを特徴とする請求項４記載の熱交換体。
6. 金属体（１０）が亜鉛又は亜鉛合金であることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載の熱交換体。
7. 請求項１〜６の熱交換体（１）を２個以上用いて構成した熱交換ブロック（９）を備え、該ブロック（９）を構成する熱交換体（１）が直列接続、並列接続、直並列接続していることを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１〜６の熱交換体（１）と請求項７の熱交換器（２０）との少なくとも一方を用いて熱交換回路（Ｐ）を構成していることを特徴とするクーラー、エアコン、冷蔵庫、除湿器等の熱交換ユニット。
9. 請求項１〜６の熱交換体（１）と請求項７の熱交換器（２０）との少なくとも一方を用いて熱交換回路（Ｐ）を構成していることを特徴とする自動車、電車、航空機、船舶等の熱交換システム。
   

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