JP2017067437A - マイクロ流路熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【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、前記高温流体または前記低温流体のいずれか一方の流体と接する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る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
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (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、前記高温流体または前記低温流体のいずれか一方の流体と接する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
を具備することを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
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