JP2015045455A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、空気以外の低温冷媒と高温冷媒とを熱交換させて高温冷媒から低温冷媒に熱を伝える熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger that conducts heat exchange between a low-temperature refrigerant other than air and a high-temperature refrigerant to transfer heat from the high-temperature refrigerant to the low-temperature refrigerant.
一般的な熱交換器は、第1冷媒が流れる第1の冷媒流路と、第1冷媒と温度の異なる第2冷媒が流れる第2の冷媒流路とが並列に形成された導管である扁平管を備え、第1冷媒と第2冷媒との間で熱交換させる(例えば、特許文献1参照)。 A general heat exchanger is a flat pipe which is a conduit in which a first refrigerant flow path through which a first refrigerant flows and a second refrigerant flow path through which a second refrigerant having a temperature different from that of the first refrigerant is formed in parallel. A pipe is provided to exchange heat between the first refrigerant and the second refrigerant (see, for example, Patent Document 1).
従来、第1冷媒の流路方向に平行に延在し、第1の冷媒流路の内壁が内側に向けて突出する凸部を設けて伝熱面積を拡大し、熱伝達率を向上する構造が開示されている(例えば、特許文献2参照)。 Conventionally, a structure that extends in parallel with the flow direction of the first refrigerant and has a convex portion in which the inner wall of the first refrigerant channel projects inward to increase the heat transfer area and improve the heat transfer coefficient Is disclosed (for example, see Patent Document 2).
熱伝達率を向上する方法として、冷媒の温度境界層を薄くすることが効果的であることが知られている。ここで、温度境界層とは、冷媒の温度が急変する領域であり、例えば、第1の冷媒流路を流れる第1冷媒の流路断面において、ほぼ一定の主流温度を保つ中心領域に対し、第1の冷媒流路の内壁に向けて主流温度から第1の冷媒流路の内壁の温度まで急激に変化する領域のことを言う。温度境界層を薄くするためには、第1冷媒の流れが分断され、温度境界層の分断効果を得ることが効果的である。従来の熱交換器では、凸部が流路方向に平行に延在して形成されているため、流路断面の形状が流路方向に一定であった。そのため、伝熱面積拡大の効果は得られるものの、第1冷媒の流れの分断は生じないので、温度境界層を薄くする効果が得られず、熱伝達率の向上が十分でなかった。 As a method for improving the heat transfer coefficient, it is known that it is effective to make the temperature boundary layer of the refrigerant thin. Here, the temperature boundary layer is a region where the temperature of the refrigerant changes suddenly, for example, with respect to a central region that maintains a substantially constant mainstream temperature in the cross section of the flow path of the first refrigerant that flows through the first refrigerant flow path. It refers to a region that rapidly changes from the mainstream temperature to the temperature of the inner wall of the first refrigerant channel toward the inner wall of the first refrigerant channel. In order to make the temperature boundary layer thin, it is effective to obtain the effect of dividing the temperature boundary layer by dividing the flow of the first refrigerant. In the conventional heat exchanger, since the convex portion is formed to extend in parallel with the flow path direction, the shape of the cross section of the flow path is constant in the flow path direction. Therefore, although the effect of enlarging the heat transfer area is obtained, the flow of the first refrigerant is not interrupted, so the effect of thinning the temperature boundary layer cannot be obtained, and the heat transfer coefficient is not sufficiently improved.
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、熱伝達率をより向上した第1の冷媒流路を備えた熱交換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a heat exchanger including a first refrigerant flow path with a further improved heat transfer coefficient.
この発明に係る熱交換器は、第1冷媒が流れる第1の冷媒流路が形成された導管を備え、第1の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、凸部が第1冷媒の流路方向に断続的に形成されたことを特徴とする。 The heat exchanger according to the present invention includes a conduit in which a first refrigerant flow path through which the first refrigerant flows is formed, and the first refrigerant flow path has a protruding portion protruding partly in the inner circumferential direction on the inner wall. The protrusion is formed intermittently in the flow direction of the first refrigerant.
この発明に係る熱交換器によれば、第1冷媒が流れる第1の冷媒流路が形成された導管を備え、第1の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、凸部が第1冷媒の流路方向に断続的に形成されたため、第1冷媒の流れが分断され、温度境界層が薄くなる効果が得られるので、熱伝達率を向上することが可能となる。 According to the heat exchanger according to the present invention, the heat exchanger includes a conduit having a first refrigerant flow path through which the first refrigerant flows, and the first refrigerant flow path has a protruding portion with a part protruding in the inner circumferential direction. Since it is formed on the inner wall and the protrusions are formed intermittently in the flow direction of the first refrigerant, the flow of the first refrigerant is divided, and the temperature boundary layer is thinned. It becomes possible to improve.
実施の形態1.
まず、この発明の実施の形態1における熱交換器の構成を説明する。図1は、この発明の実施の形態1における熱交換器を示す斜視図であり、図2は、この発明の実施の形態1における熱交換器を上面側から見た平面図である。図1に示すように、熱交換器は、第1冷媒が流れる複数の第1の冷媒流路1aを一列に並べて構成した第1冷媒パス1と、第2冷媒が流れる複数の第2の冷媒流路2aを一列に並べて構成した第2冷媒パス2が形成されている場合について説明する。
First, the structure of the heat exchanger in
なお、第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aは所定の間隔を隔てて並列に配置されており、第1冷媒パス1と第2冷媒パス2は並列に配置されている。第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aとの間の領域を伝熱領域9(図4で示す)と呼ぶ。
The first
本実施の形態では、第1冷媒パス1は図1の点線で囲まれるように複数の第1の冷媒流路1aから構成されるが、単一の第1の冷媒流路1aで構成されていても良い。また、本実施の形態では第2冷媒パス2は、図1の一点鎖線で囲まれるように、複数の第2の冷媒流路2aから構成されるが、単一の第2の冷媒流路2aで構成されていても良い。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態の図1においては、第1冷媒パス1は7つの第1の冷媒流路1aが一列に並んで構成され、第2冷媒パス2は8つの第2の冷媒流路2aが一列に並んで構成されるが、それぞれの数はこれに限定されない。第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aの数は同一であっても良いし、第2の冷媒流路2aの方が少なくても多くても良い。つまり、熱交換器に、第1の冷媒流路1aを流れる第1冷媒と第2の冷媒流路2aを流れる第2冷媒とが、熱交換可能なように構成されていれば良く、それぞれの数に制限はない。尚、熱交換器のそれぞれの冷媒の動作条件や物性値にあわせて各冷媒流路数を決定することで、伝熱性能が高く、圧力損失が低い、好適な熱交換器が作成できる。
Further, in FIG. 1 of the present embodiment, the
図1では、第1の冷媒流路1aの断面の外形は円形であり、第2の冷媒流路2aの断面の外形は正方形であるが、それぞれこれらに限定されない。第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aは導管8に形成された貫通穴であれば良く、その断面の外形は円形や楕円形であっても多角形等であっても良い。
In FIG. 1, the outer shape of the cross section of the first
第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aとを構成する熱交換器は、アルミ、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄鋼、ステンレス合金鋼などで構成される。
The heat exchanger that constitutes the
尚、第1冷媒及び第2冷媒は、液体やフロン系冷媒、二酸化炭素もしくは炭化水素などの自然冷媒等、空気以外の冷媒であり、第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aとは、外部に第1冷媒や第2冷媒が漏れないように導管8に形成された貫通穴である。
The first refrigerant and the second refrigerant are refrigerants other than air, such as liquids, fluorocarbon refrigerants, natural refrigerants such as carbon dioxide or hydrocarbons, and the
図1において、第1冷媒パス1内を第1冷媒が流れる向きである流路方向20の上流側に、熱交換器内と外部を接続する第1入口接続管3が設けられている。また、流路方向20の下流側に、熱交換器内と外部を接続する第1出口接続管4が設けられている。
In FIG. 1, a first
図1の第1冷媒パス1の両端部である上流側と下流側には、図2に示すように、全ての第1の冷媒流路1aを連通させる第1入口連通穴3a、及び第1出口連通穴4aが形成されている。つまり、流路方向20の上流側に第1入口連通穴3aが設けられ、流路方向20の下流側に第1出口連通穴4aが設けられている。
As shown in FIG. 2, the first
図2における熱交換器の平面図では、分かりやすくするために、第1入口接続管3、第1入口連通穴3a、第1の冷媒流路1a、第1出口連通穴4a、第1出口接続管4の配置を示している。
In the plan view of the heat exchanger in FIG. 2, the first
図2のように、第1入口連通穴3aは流路方向20の上流側において、第1冷媒パス1の全ての第1の冷媒流路1aと連通するように配置され、かつ、第1入口接続管3に接続されている。同様に、第1出口連通穴4aは流路方向20の下流側において第1冷媒パス1の全ての第1の冷媒流路1aと連通するように配置され、かつ、第1出口接続管4に接続されている。
As shown in FIG. 2, the first
図2に示すように、第1入口連通穴3a及び第1出口連通穴4aの一端はそれぞれ第1入口接続管3及び第1出口接続管4と接続され、他端は、封止穴となっているか、もしくは封止部材により封止されている。また、導管8に第1冷媒流路1aとして形成された貫通穴は、第1入口連通穴3a及び第1出口連通穴4aより側面側で両端が封止される。
As shown in FIG. 2, one end of the first
第1冷媒パス1を流れる第1冷媒は、外部から第1入口接続管3を通って導入され、第1入口連通穴3aの内部を導入方向21に沿って流れる。第1入口連通穴3aを流れる第1冷媒は、第1入口連通穴3aと各第1の冷媒流路1aとの連通部を通って第1の冷媒流路1aに流れ込み、第1の冷媒流路1aの内部を流路方向20に沿って流れる。第1の冷媒流路1aの下流側まで流れた第1冷媒は、第1の冷媒流路1aと第1出口連通穴4aとの連通部を通って第1出口連通穴4aに流れ出し、出口方向22に沿って流れ、第1出口接続管4を通って外部に流れ出す。
The first refrigerant flowing through the first
図1で示す導入方向21、流路方向20、出口方向22は、第1冷媒パス1を流れる第1冷媒の流れの向きを示している。後述するように、第2冷媒パス2を流れる第2冷媒の向きは、図1で示す第1冷媒の流れと対向する向きとなる。
An
図3に、本実施の形態に係る熱交換器を底面側から見た平面図を示す。分かりやすくするために、第2入口接続管5、第2入口連通穴5a、第2の冷媒流路2a、第2出口連通穴6a、第2出口接続管6の配置を示している。
In FIG. 3, the top view which looked at the heat exchanger which concerns on this Embodiment from the bottom face side is shown. For the sake of clarity, the arrangement of the second
図3のように、第2入口連通穴5aは第2冷媒の流路方向20の上流側において、第2冷媒パス2の全ての第2の冷媒流路2aと連通するように配置され、かつ、第2入口接続管5に接続されている。同様に、第2出口連通穴6aは流路方向20の下流側において第2冷媒パス2の全ての第2の冷媒流路2aと連通するように配置され、かつ、第2出口接続管6に接続されている。
As shown in FIG. 3, the second
図3に示すように、第2入口連通穴5a及び第5出口連通穴6aの一端はそれぞれ第2入口接続管5及び第2出口接続管6と接続され、他端は、封止穴となっているか、もしくは封止部材により封止されている。また、導管8に第2冷媒流路2aとして形成された貫通穴は、第2入口連通穴5a及び第2出口連通穴6aより側面側で両端が封止される。
As shown in FIG. 3, one end of the second
本実施の形態では、図2及び図3で示すように、冷媒が流れる流路方向20は、第1の冷媒流路1aを流れる第1冷媒と第2の冷媒流路2aを流れる第2冷媒とで対向の向きになっている。このように、熱交換を行う冷媒同士の流れる向きが対向となっていることで、熱交換効率が向上する。ただし、熱交換効率は低下するが、対向でなく同じ向きであっても良く、本実施の形態の効果は得られる。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the
また、本実施の形態では第1入口接続管3、第1出口接続管4、第2入口接続管5、第2出口接続管6は熱交換器の1つの側面に設けられているが、これに限らず、上面、底面などに別れて設けられていても良い。また、側面のうちどの側面に設けられていても良い。
In the present embodiment, the first
図4に、図1の熱交換器において第1入口接続管3、第1出口接続管4、第2入口接続管5、第2出口接続管6が設けられた側面側から見た側面図を示す。図4における流路方向20は第1冷媒の流れる向きを示している。本実施の形態では、図4において点線で囲まれた領域を伝熱領域9と呼び、第1冷媒流路1aと第2冷媒流路2aとに挟まれた領域に相当する。
4 is a side view of the heat exchanger of FIG. 1 as viewed from the side where the first
図4に示すように、第1入口接続管3と第2出口接続管6、及び第1出口接続管4と第2入口接続管5は、熱交換器の流路方向20に少しずらして形成されている。このようにすれば、各接続管の断面積、つまり各接続管の直径が大きくても、第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aの間の伝熱領域9の幅を縮めることができるので、熱交換効率を向上することが出来る。すなわち、第1出口接続管4の中心部から第2入口接続管5の中心部間における流路方向20と垂直な方向の距離は、第1出口接続管4の半径と第2入口接続管5の半径とを足した距離より小さくできるので、第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aとの距離に相当する伝熱領域9の幅を縮めることができ、熱交換性能を向上することができる。
As shown in FIG. 4, the first
以上述べたように、図1から図4で説明した本実施の形態に係る熱交換器では、伝熱領域9を介して、第1冷媒と第2冷媒との両流体が対向流で熱交換されている。 As described above, in the heat exchanger according to the present embodiment described with reference to FIGS. 1 to 4, both fluids of the first refrigerant and the second refrigerant exchange heat with the opposite flow through the heat transfer region 9. Has been.
次に、第1冷媒パス1を構成する第1の冷媒流路1aについて説明する。本実施の形態では第1の冷媒流路1aを例として説明するが、第2の冷媒流路2aについても、第1の冷媒流路1aの場合と同様に本実施の形態を適用できることは言うまでもない。また、第1冷媒は第2冷媒より高温であっても良いし、低温であっても良い。
Next, the 1st refrigerant |
図5に、第1の冷媒流路1aの断面図を示す。尚、図5は、図4におけるAA断面図に相当する。図5のように、第1の冷媒流路1aの断面には、第1凸部11aが形成されている。つまり、第1の冷媒流路1aの内壁には、内周方向の一部が内側に突出した第1凸部11aが設けられている。ここで、内側とは第1の冷媒流路1aの流路断面において、中心部に向かう方向を言う。また、図5において、内周方向は矢印で示される方向に相当する。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the first refrigerant flow path 1a. 5 corresponds to the AA cross-sectional view in FIG. As shown in FIG. 5, the first
図5において、流路方向20は図の奥行き方向であり、点線で示される部分は、第1凸部11aよりも流路方向20の下流側に設けられた第2凸部11bである。本実施の形態では、図5のように第1凸部11aが90度間隔で4ヶ所に設けられており、第2凸部11bが第1凸部11aより下流側に、第1凸部11aを流路断面の内周方向に45度回転させた配置で設けられている。
In FIG. 5, the
図5で示される第1の冷媒流路1aの断面において、第1冷媒が流れる領域を図6に示す。図6のように、第1の冷媒流路1aの流路断面には第1凸部11aが設けられている。つまり、第1冷媒が流れる領域は、第1の冷媒流路1aの内壁の4箇所に凹状の溝が形成された形状となる。
FIG. 6 shows a region where the first refrigerant flows in the cross section of the first
図7に、図5で示される第1の冷媒流路1aの断面より下流側における断面図を示す。尚、図7は、図4におけるBB断面図に相当する。図7のように、第1の冷媒流路1aの断面には、第2凸部11bが形成されている。つまり、第1の冷媒流路1aの内壁には、内側に突出した第2凸部11bが設けられている。
FIG. 7 is a sectional view on the downstream side of the section of the first
図7において、流路方向20は図の奥行き方向であり、点線で示される部分は、第2凸部11bよりも流路方向20の下流側に設けられた第1凸部11aである。本実施の形態では、図7のように第2凸部11bが90度間隔で4ヶ所に設けられており、その下流側にさらに、第1凸部11aが第2凸部11bを流路断面の内周方向に45度回転させた配置で設けられている。図7において、内周方向は矢印で示される方向に相当する。
In FIG. 7, the
図8に、図7で示される第1の冷媒流路1aの流路断面において第1冷媒が流れる領域を示す。図8のように、第1の冷媒流路1aの流路断面には第2凸部11bが設けられている。つまり、第1冷媒が流れる領域は、第1の冷媒流路1aの内壁の4箇所に凹状の溝が形成された形状となる。そして図8の凹状の溝は、図6で示される流路断面における凹状の溝を内周方向に45度回転させた配置となっている。
FIG. 8 shows a region through which the first refrigerant flows in the cross section of the first
このように、第1の冷媒流路1aは、第1凸部11aが設けられた流路断面と第2凸部1bが設けられた流路断面とを有する。その結果、図5及び図7のように、第1の冷媒流路1aは、内周方向に8箇所の凸部が内壁に形成されている。
Thus, the 1st refrigerant |
図9は、第1の冷媒流路1aの流路方向20に沿った断面の一部を示す斜視図である。図9は、図4におけるCC断面の斜視図に相当する。第1の冷媒流路1aにおいて、第1凸部11aが設けられた流路断面と第2凸部11bが設けられた流路断面とが交互に配置される様子が分かる。すなわち、流路方向20に断続的に、第1の冷媒流路1aの内壁が内側に向けて突出している第1凸部11aを備えている。また、流路方向20に断続的に、第1の冷媒流路1aの内壁が内側に向けて突出している第2凸部11bを備えている。
FIG. 9 is a perspective view showing a part of a cross section along the
このような配置にすることで、流路方向20の上流側、すなわち図9においては下側から流れてくる第1冷媒が、第1凸部11aと第2凸部11bに衝突しながら流路方向20の下流側、すなわち図9では上側に向けて流れていく。
With such an arrangement, the first refrigerant flowing from the upstream side in the
つまり、本実施の形態では第1の冷媒流路1aの内壁に、内周方向の一部が突出した第1凸部11aと第2凸部11bからなる凸部が、流路方向20に断続的に設けられているので、第1冷媒が各凸部に衝突した際に、第1冷媒の流れが分断されながら流れる。
In other words, in the present embodiment, the convex portion composed of the first
次に、本実施の形態における熱交換器の製造方法を説明する。図10は、第1冷媒パス1と第2冷媒パス2を作成する方法を示す斜視図である。図中の流路方向20は、第1冷媒が流れる方向を示している。
Next, the manufacturing method of the heat exchanger in this Embodiment is demonstrated. FIG. 10 is a perspective view showing a method of creating the first
図10のように、第1のプレート8aと、第2のプレート8bとを、流路方向20に沿って、交互に積層し、第1のプレート8aと第2のプレート8bとの接着面をロウ付け等などにより接合する。ここで、第1のプレート8aの第1の冷媒流路1aの流路断面は図6で示す形状であり、第2のプレート8bの第1の冷媒流路1aの流路断面は図8で示す形状である。つまり、第1のプレート8aの第1の冷媒流路1aには第1凸部11aが設けられており、第2のプレート8bの第1の冷媒流路1aには第2凸部11bが設けられている。
As shown in FIG. 10, the
第1のプレート8aには第1の冷媒流路1aとなる第1凸部11aが形成された貫通穴と、第2の冷媒流路1bとなる貫通穴を設ける。同様に、第2のプレート8bには第1の冷媒流路1aとなる第2凸部11bが形成された貫通穴と、第2の冷媒流路1bとなる貫通穴を設ける。このようにして形成した複数の第1のプレート8aと第2のプレート8bを、第1の冷媒流路1aとなる貫通穴同士の位置及び第2の冷媒流路1bとなる貫通穴同士の位置をそれぞれ合わせて流路方向20に積層し、接合する。
The
従来、流路方向の上流から下流まで一体となった扁平管に複数の第1の冷媒流路を形成するための穴開け加工として、扁平管であるアルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工を行い、同じようにして複数の第2の冷媒流路を形成した扁平管を接着することによって熱交換器を作成していた。 Conventionally, as a drilling process for forming a plurality of first refrigerant flow paths in a flat pipe integrated from upstream to downstream in the flow path direction, extrusion and drawing processes such as aluminum and copper, which are flat pipes, and A heat exchanger was created by performing post-processing from the block body and adhering flat tubes having a plurality of second refrigerant flow paths in the same manner.
そのため、従来は流路方向の上流から下流まで貫通する程の穴あけ加工を行なって第1の冷媒流路を形成する必要があり、本実施の形態における熱交換器のように、流路方向20の複数箇所に断続的に凸部を設けることが困難であった。つまり、流路方向に沿って交互に形成される突起群である凸部は、アルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工では困難である。
For this reason, conventionally, it is necessary to form a first refrigerant flow path by drilling so as to penetrate from the upstream to the downstream in the flow path direction, and the
本実施の形態によれば、流路方向20に複数に分割された第1のプレート8aと第2のプレート8bにそれぞれ第1凸部11aと第2凸部11bを有する貫通穴を設け、第1のプレート8aと第2のプレート8bを交互に積層して第1の冷媒流路1aを備えた導管8を形成する。その際、第1のプレート8aと第2のプレート8bにそれぞれ設けられた凸部の位置を、流路断面の内周方向に回転して形成することで、第1の冷媒流路1aの流路方向20に第1凸部11aと第2凸部11bを容易に設けることが可能となり、流路方向20に断続的な凸部を設けることができる。
According to the present embodiment, the
また、従来の方法では、第1の冷媒流路を形成した扁平管と第2の冷媒流路を形成した扁平管とを接着していたため、第1の冷媒流路と第2の冷媒流路との間に接合面が存在し、接着剤等から発生するボイド(気泡)や接合ばらつきが伝熱性能低下の要因となっていた。つまり、接合面の熱伝導率が低下して、第1冷媒と第2冷媒との間の伝熱性能が低下していた。 In the conventional method, since the flat tube forming the first refrigerant channel and the flat tube forming the second refrigerant channel are bonded, the first refrigerant channel and the second refrigerant channel. There is a bonding surface between them and voids (bubbles) generated from the adhesive or the like and variations in bonding have been factors in reducing heat transfer performance. That is, the thermal conductivity of the joint surface is reduced, and the heat transfer performance between the first refrigerant and the second refrigerant is reduced.
本実施の形態では、第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aは、二列の貫通穴が形成されたプレートを流路方向20に積層して形成される。流路方向20に複数に分割されたプレートに貫通加工を行うので、貫通距離が短いため、第1の冷媒流路1aとなる貫通穴と第2の冷媒流路1bとなる貫通穴とを一つのプレートに形成することが可能となる。そのため、熱交換を行う第1の冷媒流路1aと第2の冷媒流路2aとの間に接合面ができない。つまり、伝熱経路である伝熱領域9に接合面ができないため、熱伝導率の局所的な低下が抑制でき、高い熱交換器性能が得られる。
In the present embodiment, the first
本実施の形態では、第2の冷媒流路2aに関しても、図9で示される第1の冷媒流路1aと同じ構造を採用しているとする。この場合、第2の冷媒流路2aについても第1の冷媒流路1aと同様の効果が得られるため、熱交換性能がより向上する。
In the present embodiment, it is assumed that the same structure as that of the first
本実施の形態によれば、第1の冷媒流路1aの流路方向20において、第1凸部11a及び第2凸部11bが設けられているため、第1冷媒の流れが分断される。その結果、第1冷媒の温度境界層の分断が誘起され、温度境界層が薄くなるため、伝熱性能(熱伝達率)が向上する。
According to this embodiment, since the first
ここで、温度境界層とは、第1冷媒中の温度の急変領域のことである。第1冷媒の温度と第1冷媒に接する第1の冷媒流路1aの内壁の温度との間に温度差があるとき、第1冷媒の温度は、第1の冷媒流路1aの内壁から離れたところではほぼ一定の主流温度を保っているが、第1の冷媒流路1aに近付くにつれて急激に温度が変わり、第1の冷媒流路1aの内壁に接する部分では第1の冷媒流路1aの内壁の温度と等しくなる。
Here, the temperature boundary layer is a sudden change region of the temperature in the first refrigerant. When there is a temperature difference between the temperature of the first refrigerant and the temperature of the inner wall of the first
温度境界層は伝熱性能に密接に関連している。温度境界層が薄くなれば、第1冷媒から第1の冷媒流路1aの内壁への熱伝達率が増加し、第1冷媒と第2冷媒との間の熱交換における熱交換性能が向上する。
The temperature boundary layer is closely related to the heat transfer performance. If the temperature boundary layer becomes thin, the heat transfer coefficient from the first refrigerant to the inner wall of the first
図11に、温度境界層の分断メカニズムを説明する模式図を示す。図11(a)及び(b)は、本実施の形態を用いない場合の温度境界層の模式図及び熱伝達率を示す図である。つまり、第1の冷媒流路1aに凸部を備えていない場合を示す図である。図11(a)において、第1冷媒が導入される位置xからyまで実線で示される第1の冷媒流路1aの内壁付近には、厚さdの温度境界層が発生する。図中、温度境界層は2点鎖線で示される。流路方向20の下流側に向けて温度境界層は徐々に厚くなる。そのため、図11(b)に示されるように、熱伝達率は位置xから流路方向20の下流側に向かって低下する。図11(b)において、位置xから位置yまでの熱伝達率の平均値を点線で示す。
In FIG. 11, the schematic diagram explaining the division | segmentation mechanism of a temperature boundary layer is shown. FIGS. 11A and 11B are a schematic diagram of a temperature boundary layer and a heat transfer coefficient when the present embodiment is not used. That is, it is a figure which shows the case where the 1st
図11(c)及び(d)に本実施の形態を用いた場合を示す。図11(c)において、位置xから導入された第1冷媒には、第1凸部11aの内壁面に沿って厚さdaの温度境界層が発生する。しかし、第1冷媒が第2凸部11bに衝突する位置z1から第2凸部11bに沿って厚さdbの温度境界層が新たに発生する。さらに、下流側の位置z2で第1凸部11aに衝突し、第1凸部11aの内壁面に沿って新たな温度境界層が発生する。さらに、下流側の位置z3で第2凸部11bに衝突し、第2凸部11bの内壁面に沿って新たに温度境界層が発生する。
FIGS. 11C and 11D show the case where this embodiment is used. In FIG. 11C, the first refrigerant introduced from the position x generates a temperature boundary layer having a thickness da along the inner wall surface of the first
このようにして、冷媒が凸部に衝突する度に温度境界層が分断され、温度境界層の厚みが薄くなる効果が得られる。図11(c)の場合の熱伝達率は、位置xから第1凸部11aを通過する際に低下するが、位置z1で第2凸部11bに衝突するときに初期値化される。このようにして、凸部に衝突する度に熱伝達率がほぼ初期値化されることを温度境界層の分断効果という。この効果により、図11(d)のように、本実施の形態の熱伝達率の平均値は1点鎖線の値となり、本実施の形態を用いない場合よりΔρ向上する。
In this way, the temperature boundary layer is divided every time the refrigerant collides with the convex portion, and the effect of reducing the thickness of the temperature boundary layer is obtained. Heat transfer coefficient in the case of FIG. 11 (c), but decreases when passing through the first
温度境界層の分断効果は、凸部が第1の冷媒流路1aに断続的に形成されていることによって得られる。
The dividing effect of the temperature boundary layer is obtained by intermittently forming the convex portions in the first
また、凸部が多いほど分断効果は大きい。つまり、第1の冷媒流路1aの内壁の内周方向に複数の凸部を設けることで、第1の冷媒流路1aの内壁の温度境界層を満遍なく薄層化する効果が得られ、伝熱性を大きく向上できる。このように、本実施の形態を用いれば、温度境界層の分断効果により、伝熱性を向上することが可能となる。
In addition, the greater the number of convex portions, the greater the dividing effect. That is, by providing a plurality of convex portions in the inner circumferential direction of the inner wall of the first
本実施の形態を用いれば、第1の冷媒流路1aに凸部がない場合に比べて伝熱面積が拡大するので、熱交換性能を向上する効果も得られる。
If this Embodiment is used, since the heat-transfer area will expand compared with the case where the 1st
また、凸部を設けることにより、凸部付近を流れる冷媒の速度が増加する。冷媒の速度が増加すると、温度境界層が薄くなるため、熱伝達率が向上し、伝熱性が促進される効果が得られる。 Moreover, the speed of the refrigerant | coolant which flows through convex part vicinity increases by providing a convex part. As the speed of the refrigerant increases, the temperature boundary layer becomes thinner, so that the heat transfer rate is improved and the effect of promoting heat transfer is obtained.
冷媒が気液2相流体である場合、液膜の部分が温度境界層に相当する。図12に冷媒が気液2層流体である場合の、第1凸部11a周辺の拡大図を示す。気液2相流体の場合、図12のように、毛管力で角部に液膜15が吸引されるため、他の部分の液膜15が薄くなり、温度境界層が薄くなる効果が得られて熱伝達率が向上する。つまり、本実施の形態では、液膜流の蒸発では第1凸部11aでの液膜流れの乱れによる伝熱促進が、凝縮では表面張力等による液膜排除による突起先端部での伝熱促進効果が得られる。
When the refrigerant is a gas-liquid two-phase fluid, the liquid film portion corresponds to the temperature boundary layer. FIG. 12 shows an enlarged view around the first
第1の冷媒流路1a及び第2の冷媒流路2aの径の大きさは、粘性係数の小さい流体の場合は小さく、粘性係数の大きい流体の場合は大きいことが望ましい。熱交換器の第1冷媒パス1や第2冷媒パス2の腐食や圧力損失などの観点から、一般的に冷媒の流速は0.5〜1m/sが望ましいとされている。冷媒の速度及び粘性、流路の長さから定まるレイノルズ数は、圧力損失と伝熱特性の観点から2000〜10000が望ましいとされている。例えば粘性係数が10−7m2/sと小さいフロンやCO2などの場合、上記範囲の流速及びレイノルズ数から、流路の径は0.5〜2mmの範囲が望ましい。また、粘性係数が10−6m2/sと大きい水などの場合、同様にして求めた望ましい流路の径は4〜12mmとなる。
It is desirable that the diameters of the first
尚、第1のプレート8aや第2のプレート8bの厚みは、薄いと微細な凹凸形状を形成できるために、より大きな伝熱特性が得られるが、同じ流路長さの熱交換器を作成するためには積層枚数が増大するため、製造コストが増加する。従って、例えば0.1〜2mm程度の厚みであることが望ましい。
If the thickness of the
また、図10では同じ厚みの第1のプレート8aと第2のプレート8bとを繰り返し積層しているが、これに限ったものではない。第1のプレート8aと第2のプレート8bは同じ厚みでなくてもよい。例えば、図10のような構成では、第1のプレート8aを第2のプレートの8bの3倍などと厚くしても良い。
In FIG. 10, the
また、第1凸部11aと第2凸部11bは流路断面においてそれぞれ4ヶ所設けられていたが、4ヶ所である必要はなく、1ヶ所以上設けられていれば良い。
Moreover, although the four first
本実施の形態では、第1凸部11aと第2凸部11bの形状は内側へ向けて狭まるテーパ形状である台形型で構成されていたが、これに限られるものでない。例えば、第1凸部11aや第2凸部11bが円型であっても良いし、内側へ向けて拡がるテーパ形状であっても良いし、その他多角形などであっても良い。
In the present embodiment, the first
また、本実施の形態では、第1凸部11aが設けられた第1のプレート8aと第2凸部11bが設けられた第2のプレート8bとを交互に積層して導管8を作成したが、第2のプレート8bには第2凸部11bが設けられていなくても良い。つまり、第2のプレート8bの第1の冷媒流路1aには凸部は設けられておらず、流路断面は溝部のない円形などであるとする。この場合でも、第1のプレート8aには第1凸部11aが設けられており、第2凸部11bの設けられていない第2のプレート8bを挟んで第1のプレート8aが積層されることにより、本実施の形態における温度境界層の分断効果を得ることが可能となる。
In the present embodiment, the
つまり、第1の冷媒流路1aの内壁に、内周方向の一部が突出した凸部が形成されており、第1冷媒が流れる流路方向20に断続的に凸部が形成されていれば、第1冷媒が当該凸部に衝突し、温度境界層を分断する効果が得られる。
That is, the convex part which a part of inner peripheral direction protruded is formed in the inner wall of the 1st
さらに、本実施の形態では第1凸部11aと第2凸部11bとの角度は45度としたが、これに限られない。30度であっても60度であっても、その他であってもよい。
Furthermore, in this Embodiment, although the angle of the 1st
また、本実施の形態では第1のプレート8aと第2のプレート8bの2種類のプレートを積層して熱交換器を作成したが、3種類以上あっても良い。つまり、流路断面の内壁に、第1凸部11a及び第2凸部11bと異なる位置に設けられた凸部を有するプレートを用いて、複数種のプレートによって熱交換器を形成しても良い。
In the present embodiment, the heat exchanger is created by laminating two kinds of plates, the
尚、プレートの積層方法としては、ろう付けの他に、プレートの金属を結合させる拡散結合などを用いても良い。 As a method of laminating the plates, in addition to brazing, diffusion bonding that bonds the metal of the plates may be used.
本実施の形態では第1冷媒パス1と第2冷媒パス2を1列ずつ配置した熱交換器を示したが、第1冷媒パス1と第2冷媒パス2を交互に複数列配置してもよい。つまり、第1冷媒パスと第2冷媒パス2の配列数を増加しても良い。熱交換器のそれぞれの冷媒の動作条件や物性値に合わせて配列数を選択することで、伝熱性能が高く、圧力損失が低い、好適な熱交換器を作成できる。
In the present embodiment, the heat exchanger in which the first
また、第1入口接続管3及び第1入口連通穴3aは、流路方向20の下流側の方向のみ開口するようにスリットなどの開口部が形成されたパイプを挿入し、その開口部が第1の冷媒流路1aに連通するようにして構成してもよい。また、第1出口接続管4及び第1出口連通穴4aも同様に、流路方向20の上流側の方向のみ開口するようにスリットなどの開口部が形成されたパイプを挿入して構成してもよい。このようにすれば、ろう付け等で第1の冷媒流路1aを外部に対して封止する際に、余分なろう材が第1入口連通穴3aに侵入して流路を狭まることを抑制でき、製造ばらつきを抑制することができる。
The first
尚、第2入口接続管5及び第2入口連通穴5a、第2出口接続管6及び第2出口連通穴6aにおいても、同様の構成にすれば同様の効果を奏することができる。
In addition, the same effect can be show | played also if it is set as the same structure also in the 2nd
実施の形態2.
図13は、本実施の形態2に係る熱交換器において、第1の冷媒流路1aの流路方向20に沿った断面の一部を示す斜視図である。本実施の形態における熱交換器においては、凸部が流路方向20の上流側から下流側に向けて螺旋状に配置されていることを特徴としている。それ以外については、実施の形態1と同様である。本実施の形態によれば、冷媒の螺旋流れを誘起するため、冷媒の増速効果が得られて熱伝達率が向上する。
FIG. 13 is a perspective view showing a part of a cross section along the
本実施の形態では、図13に示すように、第1凸部11a、第2凸部11b、第3凸部11c、第4凸部11d、第5凸部11e、第6凸部11fが流路方向20にずらして、かつ、第1の冷媒流路1aの内周方向にずらして配置されている。つまり、流路方向20の上流側から下流側に向けて、内周方向の一定の向きに順に回転させながら配置される。その結果、凸部が流路方向20の上流側から下流側に向けて螺旋状に設けられる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the first
図14に、第1凸部11aが設けられた流路断面における断面図を示す。第1凸部11aが第1の冷媒流路1aの内壁の4箇所に90度間隔で設けられ、図14の奥行き方向に相当する下流側に、点線で示す第2凸部11bから第6凸部11fまでが螺旋状に配置されている。
FIG. 14 is a cross-sectional view of the cross section of the flow path provided with the first
図15に本実施の形態における熱交換器の上面図を示す。第1凸部11aを有する第1のプレート8a、第2凸部11bを有する第2のプレート8b、第3凸部11cを有する第3プレート8c、第4凸部11dを有する第4プレート8d、第5凸部11eを有する第5プレート8e、第6凸部11fを有する第6プレート6fが、流路方向20の上流側から下流側に向けて順に積層されている。そのため、プレートの流路断面の内周方向の一部に形成された凸部が、隣接するプレートの厚みだけ間隔を開けて流路方向20であるプレートの積層方向に螺旋状に配列されている。このように、各凸部を有するプレートを積層することによって、本実施の形態の熱交換器が容易に得られる。
FIG. 15 shows a top view of the heat exchanger in the present embodiment. A
このような流路方向20に凸部を螺旋状に配列することは、従来のアルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工では困難であり、本実施の形態に示すプレートを積層させて流路を構成する方法では、比較的容易に形成可能である。
It is difficult to arrange the convex portions in the
本実施の形態では、凸部による温度境界層の分断効果と伝熱面積拡大効果が得られるとともに、第1冷媒が各凸部に衝突しながら、螺旋状に流れる。つまり、螺旋状の旋回流れ等の2次流れが発生することにより、第1冷媒の流れの増速効果が得られ、温度境界層が薄くなって伝熱を促進し、熱伝達率が向上する。 In the present embodiment, the effect of dividing the temperature boundary layer by the convex portion and the effect of expanding the heat transfer area are obtained, and the first refrigerant flows in a spiral shape while colliding with each convex portion. That is, by generating a secondary flow such as a spiral swirl flow, the effect of increasing the flow rate of the first refrigerant is obtained, the temperature boundary layer is thinned to promote heat transfer, and the heat transfer rate is improved. .
尚、本発明の実施の形態2では本発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。 In the second embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.
1 第1冷媒パス、1a 第1の冷媒流路、2 第2冷媒パス、2a 第2の冷媒流路、3 第1入口接続管、3a 第1入口連通穴3a、4 第1出口接続管、4a 第1出口連通穴、5 第2入口接続管、5a 第2入口連通穴、6 第2出口接続管、6a 第2出口連通穴、8 導管、9 伝熱領域、8a 第1のプレート、8b 第2のプレート、8c 第3プレート、8d 第4プレート、8e 第5プレート、8f 第6プレート、 11a 第1凸部、11b 第2凸部、11c 第3凸部、11d 第4凸部、11e 第5凸部、11f 第6凸部、15 液膜、20 流路方向、21 導入方向、22 出口方向。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、前記凸部が前記第1冷媒の流路方向に断続的に形成された熱交換器。 Comprising a conduit formed with a first refrigerant flow path through which the first refrigerant flows;
The first refrigerant flow path has a convex part formed on the inner wall protruding partly in the inner circumferential direction, and the convex part is formed intermittently in the flow direction of the first refrigerant. .
を特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1, wherein the first refrigerant flow path includes a plurality of the convex portions in the inner circumferential direction.
を特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1, wherein the convex portion is provided in a spiral shape from the upstream side to the downstream side in the flow path direction.
前記第2の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、前記凸部が前記第2の冷媒の流路方向に断続的に形成されたこと
を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱交換器。 The conduit further includes a second refrigerant flow path through which a second refrigerant that exchanges heat with the first refrigerant flows,
The second refrigerant flow path is formed with a convex part protruding from a part in the inner peripheral direction on the inner wall, and the convex part is formed intermittently in the flow direction of the second refrigerant. The heat exchanger according to claim 1, wherein the heat exchanger is a heat exchanger.
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