JP2017053543A - マイクロ流路熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】作動流体の温度を作動流体に触れて直接測定する温度センサーと制御基板とをリード線で接続する作業を容易にする。
【解決手段】この熱交換器は、高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層されて形成された流路層積層体と、前記高温流体の入口および出口と、前記低温流体の入口および出口を有する熱交換器本体と、前記熱交換器本体の積層方向に固定され、前記高温流体の入口および出口と前記低温流体の入口および出口の各々の近傍に感知点が配置されるように前記熱交換器本体の前記積層方法に挿入された複数の温度センサーを少なくとも搭載する制御基板とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換用の作動流体の流路が形成された複数の伝熱板を積層して構成されるマイクロ流路熱交換器に関する。
熱交換器は冷凍サイクルの一つの要素として使用され、冷凍サイクル内の作動流体の温度を目標温度に変えるための不可欠なパーツである。熱交換器には様々な種類が存在する。その中でマイクロ流路熱交換器の卓越した性能が認識されつつあり、実用化に向けて開発が進められている。
このようなマイクロ流路熱交換器には積層型マイクロ流路熱交換器がある。この積層型マイクロ流路熱交換器は、例えば、表面に微細な高温流路が形成された伝熱板と、表面に微細な低温流路が形成された伝熱板を交互に積層して構成された積層体の上面と底面に耐圧用の金属板を重ねて、真空の状態で加圧・加熱することによって各伝熱板および各金属板が互いに拡散接合されて一体化される（例えば非特許文献１）。
積層型マイクロ流路熱交換器をプレート式熱交換器と比較した場合の構造上の特徴としては、各層により多くの流路を形成できること、短流路を形成できることなどが挙げられる。これにより、積層型マイクロ流路熱交換器はプレート式熱交換器に比べ小型化が可能である。
また、積層型マイクロ流路熱交換器は伝熱性、冷媒充填量の低減および高耐圧、耐熱面でも従来の熱交換器より優れた点を有する。例えば、伝熱面（板）を介した作動流体同士の熱通過率が高い、流路形状損失が低い、プレート式熱交換器と流動損失が同じ場合では流路面積を縮小できる、圧縮された作動流体の圧力損失を低減できる、熱交換器全体の容積減少による冷凍サイクルに充填される作動流体の量を減少させることができる、等である。
積層型マイクロ流路熱交換器の作動流体が出入する出入口には温度センサーがそれぞれ設けられる。温度センサーを設ける目的は、温度センサーで測定した温度をもとに熱交換器で熱交換された熱量を算出したり、流出する作動流体を目標温度にまで制御したりするためである。
この目的を達成するには、温度センサーが作動流体の温度を正確に測定できる必要がある。例えば、２つの作動流体の間で熱交換を行う場合、流入する作動流体と流出する作動流体の温度差から、熱交換器の熱交換能力（伝熱量）は次の式で求めることができる。
Q（[J/s]=[W]）
＝cp,l（[J/kgK]）×Gl（[kg/s]）×（TLow,out−TLow,in）（[K]）
＝cp,h（[J/kgK]）×Gh（[kg/s]）×（THigh,in−THigh,out）（[K]）
Q：伝熱量[J/s]=[W]
cp,l：低温作動流体の比熱[J/kgK]
cp,h：高温作動流体の比熱[J/kgK]
Gl：低温作動流体の質量流量[kg/s]
Gh：高温作動流体の質量流量[kg/s]
（TLow,out−TLow,in）：（低温作動流体の熱交換器出口温度と低温作動流体の入口温度との温度差[K]）
（THigh,in−THigh,out）：（高温作動流体の熱交換器入口温度と低温作動流体の出口温度との温度差[K]）
また、給湯機などでは、マイクロ流路熱交換器の出口を流れる作動流体の温度を正確に測定することは、作動流体が目標温度に達しているかを確認するために必要である。また、マイクロ流路熱交換器の入口を流れる作動流体の温度を正確に測定することは、貯湯タンクから流出した作動流体を加熱する必要があるかを確認するために必要であり、また作動流体を目標温度にまで加熱するために必要な熱量を導くためにも必要である。
積層型マイクロ流路熱交換器の出入口を流れる作動流体の温度の測定には、熱電対などの温度センサーを用いている。温度センサーの感知点によって測定された熱起電力は、感知点に繋がっている熱電対素線を介して熱起電力−温度変換回路に伝達される。多くの場合、温度センサーは熱交換器の作動流体の入口および出口に取り付けられている配管の外表面に半田などで固定されている。この場合、温度センサーの感知点は作動流体と直接接していないため、作動流体の正確な温度を測定することができない。
よって、測定した温度には、熱交換器を形成する金属の熱伝導による誤差１と、温度センサーを取り付けた位置の温度と実際の出入口を流れる作動流体の温度との温度差による誤差２と、出入口に接続される各出入口管内を流れる作動流体の温度境界層による管の中心付近を流れる作動流体の温度と管の壁面付近を流れる作動流体の温度との温度差による誤差３と、温度センサーによる測定方法の測定誤差４などが含まれる。
２０１３年度日本機械学会賞
プレート式熱交換器は、外形寸法が例えば、95（幅）×325（長さ）×81.96（高さ）（mm）であり、このプレート式熱交換器と同じ熱交換能力を有する積層型マイクロ流路熱交換器の外形寸法80（幅）×106（長さ）×43.2（高さ）（mm）よりも大きいため、周囲の空気と接する表面積が大きく、空気中の熱がプレート式熱交換器内に移動したり、プレート式熱交換器内の熱が空気中に移動したりするなどして外乱を受けやすい。このため、外乱などの他の影響を受けていない作動流体の実際の温度を測定するには限界がある。
一方、積層型マイクロ流路熱交換器は周囲の空気と接する表面積が小さく、空気中の熱が熱交換器本体内に移動したり、熱交換器本体内の熱が空気中に移動したりするなどの外乱が少ないため、プレート式熱交換器に比べ、作動流体の実際の温度を測定しやすい。作動流体の実際の温度を測定することができれば、エアコンや床暖房などに用いられている積層型マイクロ流路熱交換器において、室内空気の温度などを設定温度に調整する際、測定誤差に基づく温度調整のための無駄なエネルギーが消費されずにすむ。
しかし、実際のエアコンや床暖房などに用いられている積層型マイクロ流路熱交換器では、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の温度を直接測定するのではなく、前述のように熱交換器本体の出入口に接続される配管の表面温度を測定している。例えば床暖房などに用いられているマイクロ流路熱交換器の場合、入口を流れる作動流体（例えば、水）の温度は低温であるが、入口に接続される作動流体が流れる配管の表面温度は、金属表面の熱伝導により空気中から熱が配管内に移動し、実際の作動流体の温度より高く測定される場合がある。また、出口を流れる作動流体の温度は高温であるが、出口に接続される作動流体が流れる配管の表面温度は、金属表面の熱伝導により空気中への熱の移動により実際の作動流体の温度より低く測定される場合がある。これらは、温度センサーの設置位置による誤差（上述の誤差１から３）である。
また、積層型マイクロ流路熱交換器は小型であるため、熱交換器本体の熱伝導により出口管と入口管の間で熱の授受がされて、出口管または入口管のうち温度の低い方は温度が高く、一方温度の高い方は温度が低く測定されることがある。
このように、積層型マイクロ流路熱交換器の出入口に接続される配管の表面に設置された温度センサーによる作動流体の温度を測定する方法では、作動流体の実際の温度を測定することができない。
そこで、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の実際の温度を測定するために、熱交換器本体の出入口の配管内に温度センサーの感知点（熱電対の温接点）を差し込み、配管内を流れる作動流体に温度センサーの感知点を直に接触させることで、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の温度を直接測定する方法が検討されている。
しかし、温度センサーの検出信号を、熱交換器とは別体で設けられていて、センサで検出した信号を処理する制御基板であるプリント基板に伝達するために、複数の温度センサーの各々とプリント基板とがリード線で個別に接続される必要があり、これらのリード線の接続作業に手間を要していた。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、作動流体の温度を作動流体に触れて直接測定する温度センサーと制御基板とをリード線で接続する作業を容易にすることのできる熱交換器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱交換器は、高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層されて形成された流路層積層体と、前記高温流体の入口および出口と、前記低温流体の入口および出口を有する熱交換器本体と、前記熱交換器本体の積層方向に固定され、前記高温流体の入口および出口と前記低温流体の入口および出口の各々の近傍に感知点が配置されるように前記熱交換器本体の積層方向に挿入される複数の温度センサーを少なくとも搭載する制御基板とを具備する。
また、本発明に係る熱交換器は、温度データを表示する表示器が前記プリント基板に搭載されたものであってよい。
さらに、本発明に係る熱交換器は、温度データを外部の機器に有線もしくは無線で送信する送信デバイスが前記プリント基板に搭載されたものであってよい。
さらに、本発明に係る熱交換器は、前記熱交換器本体の前記低温流体の流路の近傍に配置されたヒーターが前記プリント基板にさらに具備されるものであってよい。
本発明によれば、作動流体の温度を作動流体に触れて直接測定する温度センサーと制御基板とをリード線で接続する作業を容易化できる。
本発明の一実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温流路層の高温流路を説明するための斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温流路層の低温流路を説明するための斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ断面図である。 図１のマイクロ流路熱交換器について整流リングの上流域および下流域での作動流体の速度分布を示す図である。 図１のマイクロ流路熱交換器のプリント基板に実装された各電子部品の電気的な接続関係を含む構成を示すブロック図である。 図１のマイクロ流路熱交換器における温度データの表示形態を示す図である。 本発明の第２のマイクロ流路熱交換器の要部の構成を示す一部分解斜視図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を、制御基板であるプリント基板を外した状態で示す斜視図、図２は図１のマイクロ流路熱交換器の熱交換器本体を一部分解して示す斜視図である。
［全体の構成］
これらの図に示すように、このマイクロ流路熱交換器１は、流路層積層体である熱交換器本体２と、高温側外殻板３Ａと、低温側外殻板３Ｂと、高温流体を流入させる高温入口管５Ａと、高温流体を流出させる高温出口管５Ｂと、低温流体を流入させる低温入口管５Ｃと、低温流体を流出させる低温出口管５Ｄと、プリント基板４とを有する。なお、以下の記載では、高温入口管５Ａ、高温出口管５Ｂ、低温入口管５Ｃおよび低温出口管５Ｄを総称して出入口管と呼ぶ。
図中、熱交換器本体２のＺ軸の矢印の方向と反対の方向の面を「高温側の面」または「下面」、各部材の、Ｚ軸の矢印の方向の面を「低温側の面」または「上面」とする。熱交換器本体２の高温側の面には高温側外殻板３Ａが接合され、熱交換器本体２の低温側の面には低温側外殻板３Ｂが接合されている。
熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数枚積層して構成される。２種類の伝熱板の構成については後で説明する。
熱交換器本体２を構成する２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂと、高温側外殻板３Ａと、低温側外殻板３Ｂは、例えば、熱伝導率が高い同じ種類の金属板からなる。より具体的には、ステンレス鋼などが用いられる。これらの金属板は積層された後、拡散接合によって互いに接合されることによって略直方体形状の積層体となる。なお、伝熱板２Ａ、２Ｂの板厚は、高温流路または低温流路を形成できると共に、拡散接合が出来るものであれば、どのような厚みでもよい。
以降、説明上の必要に応じて、マイクロ流路熱交換器１のＺ軸に垂直な面を「主面」と呼び、主面以外のＸ軸やＹ軸に垂直な４つの面を「側面」と呼ぶこととする。
図２に示すように、マイクロ流路熱交換器１の各側面には、各々、熱交換器本体２内の高温流路に作動流体の１つである高温流体を流入させる高温入口ヘッダ２１と、熱交換器本体２内の高温流路から高温流体を流出させる高温出口ヘッダ２２と、熱交換器本体２内の低温流路に作動流体の他の１つである低温流体を流入させる低温入口ヘッダ２３と、熱交換器本体２内の低温流路から低温流体を流出させる低温出口ヘッダ２４が形成されている。
図１に示したように、高温入口ヘッダ２１には外から高温入口管５Ａが挿入され、溶接などによって熱交換器本体２に接合される。この高温入口管５Ａの外側端部には、高温流体を流入させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。高温出口ヘッダ２２には外から高温出口管５Ｂが挿入され、熱交換器本体２に溶接などにより接合されている。この高温出口管５Ｂには、高温流体を流出させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。低温入口ヘッダ２３には外から低温入口管５Ｃが挿入され、熱交換器本体２に溶接などにより接合されている。この低温入口管５Ｃには低温流体を流入させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。低温出口ヘッダ２４には外から低温出口管５Ｄが挿入され、熱交換器本体２に溶接などにより接合されている。この低温出口管５Ｄには低温流体を流出させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。
［熱交換器本体２の構成］
次に、熱交換器本体２の構成を説明する。
前述したように、熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数枚積層して構成される。これらの伝熱板２Ａ、２Ｂにはエッチング処理によって溝および切り欠き部が形成されている。伝熱板２Ａ、２Ｂでは、それぞれの溝に流す作動流体が異なるので、溝のパターンは異なっているが、切り欠き部は、伝熱板２Ａおよび２Ｂの積層後に各ヘッダ部となるように形成されるので、切り欠き部の形状は同一である。なお、伝熱板２Ａおよび２Ｂに溝や切り欠き部を形成する処理はエッチング処理だけでなく、例えば、レーザ加工、精密プレス加工、切削加工などでもよい。また、3Dプリンターのような積層造形技術を用いることで溝のへりを形成してもよい。
図３および図４は２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを示す斜視図である。ここで、図３に示す伝熱板２Ａは「高温伝熱板２Ａ」、図４に示す伝熱板２Ｂは「低温伝熱板２Ｂ」である。
（高温伝熱板２Ａの構成）
図３に示すように、高温伝熱板２Ａには、高温流体の流路を形成する溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａおよび切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａがそれぞれ設けられている。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは高温伝熱板２Ａの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａは、高温伝熱板２Ａの基材の４辺に各々対応する所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。
以後、説明の必要に応じて、高温伝熱板２Ａの各々の切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａを、第１の切り欠き部２６Ａ（高温分配部）、第２の切り欠き部２７Ａ（高温合流部）、第３の切り欠き部２８Ａ、および第４の切り欠き部２９Ａと呼ぶ。
高温伝熱板２Ａにおいて、図中Ｙ軸方向の両端部にそれぞれ設けられる第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ａとの間の領域には、これら第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ａとの間を連通する複数の溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａが形成されている。なお、図３において、溝２５Ａの数は３本であるが、もっと幅の小さい数多くの溝を形成するようにしても良い。
高温伝熱板２Ａにおける上記の各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは、Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａで構成される。Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａのうち一方の溝３０Ａは一端が第１の切り欠き部２６Ａと連通し、他方の溝３１Ａは一端が第２の切り欠き部２７Ａと連通する。Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａは各々２本の溝３０Ａ、３１Ａの間を連通する。これにより、後述のように形成される高温伝熱板２Ａの高温入口ヘッダ２１および高温出口ヘッダ２２と、低温伝熱板２Ｂの低温入口ヘッダ２３および低温出口ヘッダ２４との位置関係を互いに９０度異なるようにしている。
（低温伝熱板２Ｂの構成）
図４に示すように、低温伝熱板２Ｂには、低温流体の流路を形成する溝２５Ｂおよび切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂがそれぞれ設けられている。溝２５Ｂは低温伝熱板２Ｂの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ｂの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂは、低温伝熱板２Ｂの基材の４辺に各々対応する所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。
以後、説明の必要に応じて、低温伝熱板２Ｂの各々の切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂを、第５の切り欠き部２６Ｂ、第６の切り欠き部２７Ｂ、第７の切り欠き部２８Ｂ（低温分配部）、および第８の切り欠き部２９Ｂ（低温合流部）と呼ぶ。
低温伝熱板２Ｂにおいて、図中Ｘ軸方向の両端部にそれぞれ設けられる第７の切り欠き部２８Ｂと第８の切り欠き部２９Ｂとの間には、これら第７の切り欠き部２８Ｂと第８の切り欠き部２９Ｂとの間を連通する複数の溝２５Ｂが形成されている。これら複数の溝２５Ｂは、高温伝熱板２Ａに形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向にて同じ位置に各々形成されている。
（高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとの積層構造）
上記のような構成を有する高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂは、図５および図６に示すように、双方の溝２５Ａ、２５Ｂ、３０Ａ、３１Ａが設けられた面の向きを一致させて、各々複数交互に重ね合わせて積層される。このようにして熱交換器本体２が構成される。
この熱交換器本体２において、高温伝熱板２Ａの第１の切り欠き部２６Ａと低温伝熱板２Ｂの第５の切り欠き部２６Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温入口ヘッダ２１を形成する。
高温伝熱板２Ａの第２の切り欠き部２７Ａと低温伝熱板２Ｂの第６の切り欠き部２７Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温出口ヘッダ２２を形成する。
高温伝熱板２Ａの第３の切り欠き部２８Ａと低温伝熱板２Ｂの第７の切り欠き部２８Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温入口ヘッダ２３を形成する。
高温伝熱板２Ａの第４の切り欠き部２９Ａと低温伝熱板２Ｂの第８の切り欠き部２９Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温出口ヘッダ２４を形成する。
（高温流路と低温流路について）
図５は熱交換器本体２における高温流路を示す斜視図である。
高温流路は、高温伝熱板２Ａの各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａと低温伝熱板２Ｂの下面との間に形成される。高温流体は、高温入口ヘッダ２１から流入し、溝３０Ａを通って複数の溝２５Ａに分配される。複数の溝２５Ａを通過した高温流体は溝３１Ａで合流し、高温出口ヘッダ２２より流出する。このような高温流体の流れが各々の高温伝熱板２Ａに対応する高温流路層において生じる。なお、高温流路層は、高温伝熱板２Ａの各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａと、第１の切り欠き部２６Ａと、第２の切り欠き部２７Ａとで形成される。
図６は熱交換器本体２における低温流路を示す斜視図である。
低温流路は、低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂと低温側外殻板３Ｂの下面および高温伝熱板２Ａの下面との間に形成される。低温流体は、低温入口ヘッダ２３から流入し、複数の溝２５Ｂを通って低温出口ヘッダ２４から流出する。このような低温流体の流れが各々の低温伝熱板２Ｂに対応する低温流路層において生じる。なお、低温流路層は、低温伝熱板２Ｂの各溝２５Ｂと、第７の切り欠き部２８Ｂと、第８の切り欠き部２９Ｂとで形成される。
熱交換器本体２において高温流路層と低温流路層は交互に積層されているので、高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂを介して高温流体と低温流体との間での熱交換が行われる。
［プリント基板４の構成］
図１に示したように、プリント基板４の上側の面４ａ（以下「主面」と呼ぶ。）には、各種の集積回路４１と、外部の配線との接続用のコネクタ４２、送信デバイスである無線モジュール４３、表示器４４、および複数の温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄなどの電子部品群が実装される。また、プリント基板４の主面４ａには、複数の温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄと集積回路４１における起電力処理回路４１１（図１１参照）との接続をはじめとする上記の各電子部品を電気的に接続する配線パターン４６が設けられる。
このプリント基板４は、熱交換器本体２との間にスペーサー５２を挟んで複数の固定ネジ４７で固定される。すなわち、プリント基板４には固定ネジ４７を通すネジ通し孔４７ａが設けられ、熱交換器本体２にはネジ通し孔４７ａを通した固定ネジ４７を受けるネジ孔５１が設けられる。
温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄは、高温入口管５Ａを流れる高温流体、高温出口管５Ｂを流れる高温流体、低温入口管５Ｃを流れる低温流体および低温出口管５Ｄを流れる低温流体の各々の温度を測定するためのものである。
［温度センサーの取り付け構造］
図７および図８は、図１に示す切断線Ａ−Ａと切断線Ｂ−Ｂで熱交換器本体２を切断した第１の温度センサー４５Ａの取り付け構造を示す断面図である。図７は高温入口管５Ａにおける軸方向（流体の流通方向）に温度センサー４５Ａの取り付け構造を見た場合のＸ−Ｚ断面図であり、図８はそのＹ−Ｚ断面図である。他の温度センサー４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄの取り付け構造も同様であるため、ここでは第１の温度センサー４５Ａの取り付け構造のみ説明する。図１に示すように、温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄが取付けられたプリント基板４は熱交換器本体２の上面に固定ネジ４７で取付けられる。
プリント基板４には、第１の温度センサー４５Ａである熱電対を差し込むための孔部４８が設けられる。熱交換器本体２の低温側外殻板３Ｂには、プリント基板４の孔部４８に連通する孔部３２が設けられる。さらに、熱交換器本体２の入口に挿入された高温入口管５Ａの低温側外殻板３Ｂ側の部位には、低温側外殻板３Ｂの孔部３２に連通する孔部３３が設けられる。
プリント基板４と低温側外殻板３Ｂの各孔部４８、３２には、例えばステンレス製などの金属保護管３４が配置される。金属保護管３４内の第１の温度センサー４５Ａの熱電対素線３５、３５は絶縁・断熱部材３６によって被覆される。第１の温度センサー４５Ａの熱電対素線３５、３５には例えば直径が0.5mmから1mm程度のものを用いることができ、セラミック薄膜などによって耐久性を高めたものであることが望ましい。第１の温度センサー４５Ａの熱電対素線３５、３５の先端に設けられた温接点３７（温度センサーの感知点）は、高温入口管５Ａ内を流通する流体に直接触れられるように配置される。温接点３７は、流体からの圧力をできるだけ受けないよう、例えば、直径が0.5mmや1mm程度の球体であることが望ましい。
プリント基板４の孔部４８と金属保護管３４との隙間はシール材６１によって塞がれる。また、低温側外殻板３Ｂの孔部３２は下側よりシール材６２によって塞がれる。
以上、第１の温度センサー４５Ａの取り付け構造を説明したが、第２の温度センサー４５Ｂ、第３の温度センサー４５Ｃ、第４の温度センサー４５Ｄの取り付け構造も同様である。
このように、第１の温度センサー４５Ａの温接点３７が熱交換器本体２の入口の高温入口管５Ａ内を流通する高温流体に直に触れることによって、熱交換器本体２に流入する高温流体の温度を直接測定することができる。同様に、熱交換器本体２より流出する高温流体、熱交換器本体２に流入する低温流体、熱交換器本体２より流出する低温流体の各々の温度を、第２の温度センサー３１Ｂ、第３の温度センサー３１Ｃ、第４の温度センサー３１Ｄによって直接測定することができる。
しかしながら、各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ内を流れる作動流体は、各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの内壁近傍では流れが減速されることによって不均一な温度分布が形成される。このため、作動流体の温度を直接測定しても必ずしも正確な温度が測定できるとは限らない。
そこで、熱交換器本体２の各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ内に作動流体の速度および温度が略一定となるコア領域を形成するための整流リングを配置した。この整流リングの下流域に形成されるコア領域に温度センサーの温接点を配置した。
図７および図８に示したように、高温入口管５Ａ内には整流リング７１が配置される。整流リング７１は高温入口管５Ａに対して同軸に開口部７１ａを有し、この開口部７１ａの入口側の径Dは高温入口管５Ａの内径と等しく、出口側７１ｃの径dは入口側の径Dのおよそ三分の二の大きさである。そして開口部７１ａの入口側から出口側７１ｃまでの間はすり鉢状のテーパー面となっている。この構造は、熱交換器本体２の低温流体が流入する入口に接続された低温入口管５Ｃについても同様である。
図９は、図１に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した熱交換器本体２の高温流体が流出する出口に接続された高温出口管５Ｂおよび整流リング７１を示すＹ−Ｚ断面図である。
同図に示すように、熱交換器本体２の高温流体が流出する出口に接続された高温出口管５Ｂ内にも同様に整流リング７１が配置される。
この構造は、熱交換器本体２の低温流体が流出する出口に接続された低温出口管５Ｄについても同様である。
図１０は、整流リング７１の上流域および下流域での作動流体の速度分布を示す図である。整流リング７１が入口管に設けられている場合、開口部７１ａの出口側７１ｃが熱交換器本体２の入口との境界７２になる。
外部もしくは熱交換器本体２より各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄに流入してきた作動流体は、整流リング７１の上流域において各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの内壁近傍で減速されることによって、各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの中心軸からの距離が大きくなるに従って速度が低くなる不均一な速度分布を示す。整流リング７１の上流域において各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの内壁近傍を流れていた作動流体は、整流リング７１の開口部７１ａのテーパー面７１ｂによって各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの中心軸に向かう方向に誘導され、整流リング７１の開口部７１ａの中心付近を通過する他の流れと混ざり合う。この結果、整流リング７１の開口部７１ａの直後の下流域に、作動流体の速度が整流リング７１の上流域での各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ内の作動流体の平均速度よりも高速で略一定のコア領域Ｃが発生する。一例として、整流リング７１の入口側の径をDとし、出口側７１ｃの径を2/3Dとしたとき、整流リング７１の開口部７１ａの出口側７１ｃから下流側に6D離れた位置までの間にコア領域Ｃが形成される（径方向でも軸方向でもほぼ均一な温度分布領域を大きく形成できることで、熱電対の設置がし易くなり、流体の温度の測定も正確になる）。コア領域Ｃの外は速度境界層および温度境界層である。このコア領域Ｃでは、作動流体の速度が略一定であり、温度分布も略均一であるから、このコア領域Ｃに温度センサーの温接点３７を配置することによって、速度境界層および温度境界層の影響を受けることなく作動流体の温度を正確に測定することができる。
本実施形態では、図８および図９に示すように、整流リング７１の開口部７１ａの出口側７１ｃの位置から下流側に2Dの距離の位置に温接点３７がくるように温度センサー４５Ａ、４５Ｂを配置した。これにより、速度境界層および温度境界層の影響を受けることなく、熱交換器本体２の入口または出口に流入または流出する作動流体の温度を正確に測定することができる。これにより、熱交換熱量の算出や、流出する作動流体の目標温度への制御などをより正確に行うことができる。
なお、整流リング７１の開口部７１ａの形状に関して、開口部７１ａのテーパー面７１ｂは断面において一定の傾斜面であってよいが、本発明はこれに限定したものではなく、開口部７１ａの面積を徐々に狭くすればよく、サイン波面、放物曲線面、あるいは双曲線面であってもよい。
［プリント基板４に実装された各種電子部品による機能的な構成］
図１１は、プリント基板４に実装された各電子部品の電気的な接続関係を含む構成を機能ブロック化して示す図である。
同図に示すように、このプリント基板４は、上記の４つの温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄと、起電力処理回路４１１と、統計処理回路４１２と、出力処理回路４１３と、表示処理回路４１４と、外部接続用のコネクタ４２と、無線モジュール４３と、表示器４４とを備える。ここで、起電力処理回路４１１と、統計処理回路４１２と、出力処理回路４１３と、表示処理回路４１４は１以上の集積回路４１によって構成される。あるいは、各々が別々の集積回路４１によって構成されもよい。
起電力処理回路４１１は、各温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄの熱電対素線３５、３５間の出力電圧に対応する温度データを生成し、統計処理回路４１２に供給する。
統計処理回路４１２は、起電力処理回路４１１より供給された温度センサー毎の温度データに対して各種の統計処理を行う。統計処理回路４１２は、例えば、測定時間毎の温度データの平均値、最大値、最小値などの算出を行う。あるいは、統計処理回路４１２は、朝などの特定の時間帯のような条件付きの平均値、最大値、最小値などの算出を行う。統計処理回路４１２は、メモリ素子を有し、上記演算結果を記憶することができる。
出力処理回路４１３は、統計処理回路４１２より得た統計処理の結果を外部出力コネクタ４２を通じて外部の機器に出力したり、無線モジュール４３を使って外部の機器に送信したりすることができる。
表示処理回路４１４は、統計処理回路４１２より得た統計処理の結果から表示用のデータを生成し、表示器４４に出力する。
表示器４４は、例えば、液晶表示パネルなどで構成され、プリント基板４の主面４ａに沿った表示画面を備える。表示器４４は、表示処理回路４１４より供給された表示データを表示画面に表示する。
図１２は、同時刻に算出された熱交換器本体２の高温流体の入口、高温流体の出口、低温流体の入口、低温流体の出口での各々の作動流体の温度を表示器４４の表示画面に表示させた場合の一例である。このようにマイクロ流路熱交換器１のプリント基板４に取り付けられた表示器４４の表示画面を通して各温度を目視で確認することができる。
以上のように、本実施形態によれば、複数の温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄを予め搭載したプリント基板４を熱交換器本体２の上面に取り付けるようにしたことによって、熱交換器本体２に複数の温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄを同時に設置することができ、温度センサーの取付け作業を容易に行うことができる。また、温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄが測定したデータを処理する回路を含む集積回路４１をプリント基板４に搭載することによって、温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄと集積回路４１をプリント基板４に形成された配線パターンで容易に接続することができる。さらに、温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄが測定した温度データを表示するための表示器４４もプリント基板４に搭載したことにより、温度データを目視で確認するための外部モニターを接続する必要がなくなる。さらに、外部接続用のコネクタ４２および無線モジュール４３もプリント基板４に搭載したことにより、温度データを外部の機器に随時送信することができる。
なお、本実施形態では温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄをプリント基板４に予め搭載しているが、本技術はこれに限定したものではなく、温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄを熱交換器本体２に取り付けた後に、プリント基板４を熱交換器本体２に取り付けてプリント基板４に温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄを搭載するようにしても良い。また、本技術のようにプリント基板４を熱交換器本体２に取り付ける技術は各温度センサー４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄ間の距離が短くプリント基板４が小型化できるマイクロ流路熱交換器のような小型の熱交換器に有利である。
また、本実施例ではプリント基板４は熱交換器本体２との間にスペーサー５２を挟んで固定しているが、スペーサー５２の代わりに断熱シートや弾性のあるクッション材を挟んで固定してもよい。また必要が無ければプリント基板４を直接熱交換器本体２に固定してもよい。
［その他の実施形態］
次に、第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態のマイクロ流路熱交換器は、第１の実施形態のマイクロ流路熱交換器と各構成が同じであるため、各構成の説明は省略する。
給湯運転時に、マイクロ流路熱交換器内で水と冷媒を熱交換させて温水を生成する場合、室外熱交換器には霜が付く。この霜を溶かすためにリバース除霜運転が行われる。リバース除霜運転では、冷凍サイクルの冷媒の流れが給湯運転と逆になる。
そのため、除霜運転中にマイクロ流路熱交換器に流れ込む冷媒は低温である。これにより、マイクロ流路熱交換器内に流れ込んだ水は低温の冷媒によって冷却され、氷になり、水の流路を破壊するおそれがあった。
そこで、図１３に示すように、本実施形態のマイクロ流路熱交換器１Ａでは、温度センサーと同じように、プリント基板４に接続されるヒーター８１を水の流路２５Ｂの近傍に設けられた孔部８２に配置した。水の流路（低温流体の流路を形成する溝２５Ｂ）内に温度センサー４５Ｃ、４５Ｄを設けているため、流路２５Ｂ内の水が氷になる温度（零度）を検出することができる。よって、温度センサー４５Ｃ、４５Ｄの値が零度以下（水が氷になる温度）になった時、ヒーター８１を作動させることで、流路２５Ｂ内を流れる水を温めて凍結を防止することができる。
その他、本技術は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
１…マイクロ流路熱交換器
２…熱交換器本体
２Ａ…高温伝熱板
２Ｂ…低温伝熱板
３Ａ…高温側外殻板
３Ｂ…低温側外殻板
４…プリント基板
２１…高温入口ヘッダ
２２…高温出口ヘッダ
２３…低温入口ヘッダ
２４…低温出口ヘッダ
４１…集積回路
４２…外部出力コネクタ
４３…無線モジュール
４４…表示器
４５Ａ…第１の温度センサー
４５Ｂ…第２の温度センサー
４５Ｃ…第３の温度センサー
４５Ｄ…第４の温度センサー
４６…配線パターン

Claims (4)

  1. 高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層されて形成された流路層積層体と、前記高温流体の入口および出口と、前記低温流体の入口および出口を有する熱交換器本体と、
    前記熱交換器本体の積層方向に固定され、前記高温流体の入口および出口と前記低温流体の入口および出口の各々の近傍に感知点が配置されるように前記熱交換器本体の前記積層方向に挿入される複数の温度センサーを少なくとも搭載するプリント基板と
    を具備することを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
  2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
    温度データを表示する表示器が前記プリント基板に搭載されたことを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
  3. 請求項１または２に記載の熱交換器であって、
    温度データを外部の機器に有線もしくは無線で送信する送信デバイスが前記プリント基板に搭載されたことを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱交換器であって、
    前記熱交換器本体の前記低温流体の流路の近傍に配置されたヒーターが前記プリント基板にさらに具備されることを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
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