JP2012193911A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な中空管を数百本またはそれ以上用いた場合においても、製造に多大な労力を費やすことなく、さらには微細な中空管間に適当な隙間を持たせることで高い放熱性能をもつ熱交換器を提供する。
【解決手段】複数本の中空管１１と中空管内部に流体を通流させるためのヘッダー１４および、複数の中空管１１をヘッダー１４に固定させるための樹脂にて形成された隔壁とを備えた熱交換器１０であり、複数本の中空管１１が一定本数ごとに集束されて、複数の中空管束１２が形成されていることを特徴とする。これによって、数百本単位またはそれ以上の中空管１１を束ねて熱交換器１０を構成する場合においても、中空管外表面に外気が触れるための適度な隙間を形成することが可能となり、安定した熱交換性能を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空管を用いた気体−液体系熱交換器に関するものであり、自動車の電気系冷却用途や、パソコン、液晶プロジェクター、エアコン等の冷却用熱交換器として使用することができる。

交換器は、熱を一方の物質から他方の物質へ伝える機器の総称であり、コンピュータや家電機器などに用いられる熱交換器では、一般的に、小さく、軽く、そして熱交換効率が高いものが望まれている。

従来、中空管内部に冷媒を流して、冷媒の熱を中空管内部から外部へ放出する熱交換器では、熱伝導率に優れた金属を中空管状に形成し、その中空管を蛇行させることや、或いは並列に複数並べ、冷媒をその内部で循環させるものが一般的である。さらには、金属中空管の外側に水を吹き付けて、水の蒸発潜熱を利用した冷却方法が開示されている（特許文献１）。なお、このような金属中空管を利用した熱交換器では、その放熱特性を向上するため、該金属中空管の放熱面積を大きくする目的で、フィン等を一体に形成することが行われている。しかし、このような金属製のものは、押し出し成型や溶接が必要であり、小型化には不向きである。

そこで、金属中空管を微細な樹脂製の中空管にする試みがなされている（特許文献２）。これは微細な外径を持つ数百本の中空管の内側に液体冷媒を通流させ、その外表面から外気へ放熱させることにより、従来のラジエターと同等の放熱性能を得ることができ、さらには従来のラジエターよりに比べて小型化および軽量化が可能であった。

しかしながらこの場合、安定した放熱性能を得るためには、中空管外表面に外気が触れるための適度な隙間が必要であり、数百本単位またはそれ以上の中空管を束ねて熱交換器を構成する場合においては、中空管間の隙間は著しく少なくなるため放熱性能の低下は否めなかった。また、そのためにある程度の中空管間の隙間を持たせて数百本またはそれ以上の中空管を配置しようとした場合、非常に細かい作業を要するため、多大な労力とコストを消費するのは否めなかった。

特開昭５３−１３２４５号公報 特開２００６−１３２８１９号公報

上記の通り、熱交換器について、微細な中空管を数百本またはそれ以上用いた場合においても、製造に多大な労力を費やすことなく、さらには微細な中空管間に適当な隙間を持たせることで高い放熱性能をもつ熱交換器を得る方法は今まで知られていなかった。

上記目的を達成するための本発明は、以下の方法を提供する。すなわち、
本発明によれば、複数本の中空管と、該複数本の中空管の両端部に位置し前記複数本の中空管と連通し前記複数本の中空管の内部に流体を通流させるためのマニホールドおよび流体ポートを有するヘッダーとを備えた熱交換器であり、前記複数本の中空管が一定本数ごとに集束されることによって形成された中空管束を複数備えている熱交換器が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記中空管束は、前記複数本の中空管が一定本数ごとに線状体によって螺旋状に巻かれたものである熱交換器が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記中空管束を、複数集めてさらなる線状体にて螺旋状に巻かれて集束されることによってさらなる中空管束を形成する工程を、複数回繰り返すことによって形成された中空管束を複数本備えている熱交換器が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記中空管束は、前記複数本の中空管に対して、線状体が織り込まれ、もしくは、編み込まれることによって形成されたものである熱交換器が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記中空管および前記線状体が樹脂材料で形成されている熱交換器が提供される。

本発明は、小さく、軽くそして熱交換効率が高く、さらに製造コストを低くして製作可能な熱交換器を提供することである。

複数の中空管束で構成された熱交換器の外観図 複数の中空管束で構成された熱交換器の断面図 線状体が巻き付けられて形成された中空管束の例 さらなる線状体が巻き付けられて形成された中空管束の例 線状体が中空管に対して織り込まれた形態を示す例 線状体が巻き付けられた複数の中空管で構成された熱交換器の外観図

本発明の熱交換器は、自動車のエンジンの冷却装置用途や、パソコン、液晶プロジェクターおよび電気の配電盤などの冷却装置用途として使用することができる。

中空管内部に冷媒を流して、冷媒の熱を中空管内部から外部へ放出する気−液系の熱交換器は、液−液系の流体処理装置とは異なった形状および性質を有している。

例えば熱交換器において、冷媒が通流される中空管の外周の大部分は外気に対して露出した状態で構成されているため、中空管の外周を流れる圧縮性流体である空気は、中空管の配置に偏りがある、つまりは流路抵抗が大きい箇所がある場合においては、全ての中空管が均一な熱交換性能を得ることは難しい。

さらに、例えば中空管に対して空気を強制的にファンなどで当てる場合においては、中空管に対して外的に力がかかることになり、それによる中空管の曲がりや折れおよび切れへの対策も検討する必要がある。

すなわち、気−液系の熱交換器は、非圧縮性流体を通流する液−液系の流体処理装置と構成は似ているが、求められる効果は異なり、また、それによって冷媒となる液体を通流する中空管の配置の形態も大きく異なるため、中空管が持つ放熱性能を効果的に利用することが可能な形状の熱交換器を得ることは多大な労力を要していた。

以下、図面に基づいて本発明の熱交換器の一実施形態を説明するが、下記好ましい形態、例示はこの場合に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施形態における熱交換器の外観図である。図２は本発明の一実施形態における熱交換器の断面図である。熱交換器１０は複数の中空管１１が集束された中空管束１２と、この中空管内部に流体を通流させるための液体ポート１３を備えたヘッダー１４からなっている。

中空管１１の形状は特に限定されないが、熱交換の観点から薄肉であることが好ましい。しかし、薄すぎると耐久性などに問題が生じ、厚すぎると熱交換効率の低下に繋がる。従って５〜５００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、さらには２０〜５０μｍが好ましい。また、熱交換の効率の観点から、内径は１ｍｍ以下、好ましくは８００μｍ以下、さらには５００μｍ以下が好ましい。また、内径が小さすぎると製作が困難になることや、冷媒を流した際の圧力損失が大きくなることから、５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、さらには１５０μｍ以上が好ましい。

また、材質においても特に限定されないが、熱交換の観点からその物質の熱伝導率の高いもの、例えば金属であれば鉄、銅などの中空管があげられる。また、製造しやすさの観点から言えば、一般的に使用されている樹脂材料を用いることで形成される中空糸であることが好ましい。例えば、ポリ塩化ビニル、セルロース系ポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン系ポリマーが好ましい。

さらに、中空管の中に通流される冷媒が中空管外部に漏れない程度に透水性能を有している濾過膜で形成された中空糸膜であっても良い。

中空糸膜の透水性能は、中空糸膜の中に通流される冷媒の物性や流量によって中空糸膜内にかかる圧力から適宜決定されるが、好ましくは０．１〜１０ｍＬ／ｈｒ／ｍｍＨｇ／ｍ^２である。

ヘッダー１４の材質は特に限定されないが、中空管束１２をヘッダー１４に固定するためには、取り扱い易さから硬化性の樹脂を用いることが好ましい。さらに好ましくはポリウレタン、シリコーン、エポキシ等の高分子材料または２液混合の高分子接着剤などがあげられ、遠心成形法などによるポッティングによって中空管束１２をヘッダー１４に固定することができる。したがってヘッダー１４の材質は先述した硬化性樹脂との接着性が良好であるものが好ましい。例えばポリスチレン、ポリカーボネート、塩化ビニル、アクリルブタジエンスチレンなどが好適に用いられる。

気−液系の熱交換器は、中空管１１内部に冷媒となる流体を流し、中空管１１外部に空気を流すことによって用いられる。中空管１１内部に冷媒を流すことは中空管１１の両端が開口していることによって流量を確保できるが、中空管１１の本数が多ければ多いほど、中空管１１同士が接触することによって、中空管１１外部を通る空気の流路が極端に狭くなり、熱交換性能が著しく低下する。よって中空管１１外部に均一に空気を流すことは精密な設計を必要とし、またそれを実際に形にするためには、非常に多大な手間と時間を必要とする。これを解決するために中空管１１外部に線状体１５を螺旋状に巻きつけることによって、中空管１１同士の間隔を一定にすることに加え、全体的な束の偏りを緩和することも達成できる。それらによって外部空気の流れが一定になることから高い冷却性能を得ることが可能となり、さらには製作時には、中空管１１を束ねた際に中空管１１がばらけることを抑制することが可能であり、さらに中空管束を一つ一つ別工程にて製作し任意の間隔に配置することなく、中空管１１を線状体１５とまとめて束ねた状態でヘッダーに収納し、中空管をヘッダーに固定するための樹脂を、例えば遠心成形法によるポッティング方法で注入することで製作することが可能となるため、多大な手間と時間をかけることなく高い熱交換性能を有する熱交換器１０を得ることができる。

図３は線状体１５を螺旋状に巻きつけることによって形成された中空管束１２の形態の一例を示す模式図である。

線状体１５の材質は特に限定されないが、線状体１５は中空管１１または中空管束１２の外周と接触していることから、熱伝導率が高く、さらには螺旋形状を形成するために適当な可とう性および弾性を有する材質が好適に用いられるが、好ましくは中空管１１の材質について列挙されたものと同様のものであればよい。

中空管束に対して巻きつける線状体１５の本数は、求められる熱交換性能の必要に応じて適宜選択されるが、好ましくは中空管束１束に対して１〜３本であればよく、同様に中空管１１または中空管束１２に巻きつける線状体１５の螺旋のピッチも、求められる熱交換性能の必要に応じて適宜選択するとよい。ただし、線状体を中空管１１または中空管束１２に巻き付けることで接触する中空管１１同士または中空管束１２同士の間隔を確実に得ることが可能ではあるが、必要以上に嵩高にならない程度に螺旋のピッチを決定することが好ましく、例えば螺旋のピッチは一回転あたり、中空管の長手方向に０．５〜４０ｍｍであることがより好適に用いられる。

また、線状体１５の断面形状についても特に限定されないが、例えば冷媒となる流体の流量を少しでも増やす、または構成部材の数を少量にするなどの場合においては、中空管１１をこれに使用しても良い。ただし、線状体１５の断面形状は中空管１１または中空管束１２の断面形状に対して大きすぎると、必要以上に嵩高になると同時に外部から送られる空気と中空管１１を介して接触する流体との接触面積を減らしてしまうことになり、小さすぎると中空管同士の空隙を得ることができない。よって、線状体１５の外形は中空管１１または中空管束１２の外径に対して２０分の１乃至２分の１であることが好ましい。

線状体１５を中空管１１に巻きつけた場合において、線状体１５にたわみが発生するようであれば中空管同士に均一な空隙を設けることは難しい。線状体１５を適当な張力によって巻きつけることによって、効率の良い熱交換性能を得ることが可能となる。

また、中空管１１に線状体１５を巻きつける方法としては、例えば線状体１５が巻きつけられたボビンを備えたスピンドルと呼ばれる回転軸の中心に中空管１１を通し、中空管１１を回転中心としてスピンドルを自転させる。それによって中空管１１の周囲をスピンドルに備えられたボビンに巻きつけられた線状体１５が中空管の周囲を旋回しながら、中空管１１と同時に巻き取られていくことによって、中空管１１に線状体１５が巻きつけられることなどが挙げられる。

一方、中空管１１の外周により空気を当てるという観点においては、外部から送られてくる空気の流路抵抗を小さくするために、線状体１５はスポンジのように多数の孔があいていても良い。また、中空管１１または中空管束１２に巻き付ける際に、数本の線状体１５を束ねて巻き付けることで線状体自身に空隙を形成していても良い。いずれにしても求められる熱交換性の必要に応じて適宜選択するとよい。

また中空管束１２を形成するために中空管１１または中空管束１２の外周に螺旋状に巻かれる線状体１５のそれぞれの断面形状はすべて同じである必要はなく、使用される中空管１１や形成された中空管束１２の外径、または、外部から送られる空気に対して配置される中空管１１または中空管束１２の位置に合わせて適宜選択するとよい。

図４は、複数本の中空管束１２がさらなる線状体によって集束され形成されて、さらなる中空管束１２の形態の一例を示す模式図である。

熱交換器では、中空管の外側は放熱の空間であり、流体処理装置に比べれば、中空管の外側の流体が積極的に中空管同士のすき間に入り込もうとする作用は著しく劣る。例えば、中空管に空気を当てても、中空管同士の隙間が狭いために空気が受ける流路抵抗が大きい場合、空気は中空管同士の隙間らに入らず、中空管束の外側を迂回して通過することによって、均一な熱交換性能を得ることは困難となる。

つまり、熱交換器においては、中空管１１を予め疎に配置するか、中空管１１を束にした場合において、中空管束１２が自ずと流体分離装置の場合よりも広い空間が確保される構成が好ましく、中空管束１２を疎に配置するには、少ない本数の中空管１１毎に線状体１５を螺旋状に巻き付けて、組立のハンドリングを容易にすることができる。

また、巻き付ける線状体１５を中空管１１に対して多くすれば、複数本の中空管１１を一定本数ごとに集束し、複数の中空管束１２をさらなる線状体１５で螺旋状に巻くことで、中空管１１同士の間隙を得ることができる。

さらに好ましくは、中空管１１を２本束ねて線状体１５によって中空管束１２を形成し、さらにその形成された中空管束１２を２本束ねて、さらなる線状体１５によって中空管束１２を形成することが好適に用いられる。

また、熱交換器を使用する際にファンなどで強制的に冷却空気を当てる場合において、線状体１５を適宜中空管束に巻き付けることによって、中空管のたわみによる中空管の折れまたは切れを防ぐための補強としての効果も同時に得ることが可能である。

よって、中空管束１２を、複数集めてさらなる線状体１５にて螺旋状に巻かれて集束されることによってさらなる中空管束を形成する、その工程を複数回繰り返すことによって、中空管１１同士に適当な空隙を設けること、および優れた強度を有する熱交換器を得ることが可能になる。

図５は、複数の中空管１１に対して線状体１５が織り込まれている形態の一例を示す模式図である。

複数の中空管１１に対して線状体１５を直交方向または中空管１１に対して斜め方向に織り込むまたは編み込むことによって、中空管に線状体を螺旋状に巻き付けることと同様に、中空管１１同士の空隙を得ることができることと合わせて、中空管のたわみによる中空管の折れまたは切れを防ぐための補強としての効果も同時に得ることが可能である。

図６は線状体が巻きつけられた複数の中空管束で構成された熱交換器の一例を示す外観図である。

熱交換器にＩＷＡＫＩ社製マグネットポンプ（ＭＤ−１５Ｒ）を用いて、温水を流量２０００ｍＬ／ｍｉｎ流した。この時の室温は２５℃であった。温水が流れている熱交換器の中空管に、垂直方向からパソコンで用いられるファン（風量：３．７ｍ^３／ｍｉｎ）を熱交換器から５０ｍｍ離した箇所に設置し風を当てた。この時に熱交換器の入、出のラインに熱センサーを入れて温水温度を測定した。

冷媒の流量、入口と出口の温度差、比重および比熱から以下の式を用いて熱量を求めた。

Ｑ＝（Ｔ_ｉ−Ｔ_ｏ）×Ｆ×Ｄ×Ｈｃ
Ｑ：交換熱量（Ｗ）
Ｔ_ｉ：中空管入口の冷媒温度（Ｋ）
Ｔ_ｏ：中空管出口の冷媒温度（Ｋ）
Ｆ：冷媒の流量（ｇ／ｓｅｃ）
Ｄ：冷媒の比重（ｇ／ｍｌ）
Ｈｃ：冷媒の比熱（Ｊ／Ｋｇ／Ｋ）
以下実施例と比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない
（実施例１）
外径７００μｍ、厚さ１２０μｍ、透水性能０．２ｍＬ／ｈｒ／ｍｍＨｇ／ｍ^２の中空管を２本単位で１６０ｄｔｅｘのポリエステル加工糸を巻きつけ中空管束を形成し、さらにその中空管束２本に１６０ｄｔｅｘポリエステル加工糸を巻きつけた長さ１８０ｍｍの中空管４０００本の両端部を内寸で縦７０ｍｍ、横４０ｍｍのヘッダーに固定させ（両端のヘッダー同士は支持部材で固定させた）、冷媒に水（超純水，比重１ｇ／ｍＬ、比熱４．１８Ｊ／ｇ／Ｋ）を用いて熱交換試験を行った。その結果、入口温度は５８．７℃で、出口温度は５６．０℃、単位時間当たりの熱交換容量は３７６Ｗであった。
（比較例１）
外径７００μｍ、厚さ１２０μｍ、透水性能０．２ｍＬ／ｈｒ／ｍｍＨｇ／ｍ^２の中空管総本数４０００本に線状体を巻き付けることなく、内寸で縦（中空糸長手方向）１８０ｍｍ、横７０ｍｍ、奥行き４０ｃｍのケースに内蔵させ、冷媒に水（超純水，比重１ｇ／ｍＬ、比熱４．１８Ｊ／ｇ／Ｋ）を用いて熱交換試験を行った。その結果、入口温度は５８．９℃で、出口温度は５６．５℃、単位時間当たりの熱交換容量は３３４Ｗであり、実施例と比べて約１０％劣る結果であった。

これによって、中空管同士に均一な空隙を設けることによって、優れた熱交換性能が得られたことを確認した。

１０ 熱交換器
１１ 中空管
１２ 中空管束
１３ 流体ポート
１４ ヘッダー
１５ 線状体

Claims (5)

1. 複数本の中空管と、該複数本の中空管の両端部に位置し前記複数本の中空管と連通し前記複数本の中空管の内部に流体を通流させるためのマニホールドおよび流体ポートを有するヘッダーとを備えた熱交換器であり、前記複数本の中空管が一定本数ごとに集束されることによって形成された中空管束を複数備えていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記中空管束は、前記複数本の中空管が一定本数ごとに線状体によって螺旋状に巻かれたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記中空管束を、複数集めてさらなる線状体にて螺旋状に巻かれて集束されることによってさらなる中空管束を形成する工程を、複数回繰り返すことによって形成された中空管束を複数本備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記中空管束は、前記複数本の中空管に対して、線状体が織り込まれ、もしくは、編み込まれることによって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記中空管および前記線状体が樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。

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