JP2018179412A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の効率を高め、品質が安定し、さらに小型化及び低コスト化が可能となる熱交換器を提供せんとする。【解決手段】一方向に延びる複数の貫通孔２１が形成された金属製の多孔体２を設けるとともに、多孔体２の開口面２０について、第１の流体９Ａを通過させる貫通孔が開口する第１の領域Ｒ１と、第２の流体９Ｂを通過させる貫通孔が開口する第２の領域Ｒ２とをそれぞれ設定し、第１の領域Ｒ１の貫通孔に第１の流体９Ａを通すための第１の流路８１と、前記第２の領域Ｒ２の貫通孔に第２の流体９Ｂを通すための第２の流路８２とを設け、多孔体２を通じて、第１の流体９Ａ及び第２の流体９Ｂの間で熱の受け渡しが行われるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばラジエータ等、流体間で熱を交換する熱交換器に関する。

流体間で熱を交換する従来の熱交換器は、一方の流体が内部を流通する金属管の外壁に、複数の金属製の板状フィンをろう付けにより接合し、板状フィンの間に他方の流体を流通させることで、金属管の壁および板状フィンを通じて熱を交換させるものである（例えば、特許文献１参照）。

しかし、一方の流体への熱の受け渡しは、金属管の内壁面を通じて行われるため熱の交換効率が低く、金属管の長さを長く設定する必要があるうえ、金属管の材料には良熱伝導性の高価な銅やアルミニウムを用いる必要があるため、小型化・低コスト化に限界があった。

また、金属管の外壁への板状フィンのろう付けについても、板状フィンの密着性を考慮した高精度な形状加工ならびに管周囲への安定的なろう付け作業はコスト上昇の原因になるとともに、ろう付けの品質のばらつきも生じやすく、当該ろう付け箇所において熱伝導が大きく阻害され、熱交換効率が低下する原因になりやすい。

特開２０１６−９９１０１号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、熱交換の効率を高め、品質が安定し、さらに小型化及び低コスト化が可能となる熱交換器を提供する点にある。

本発明は、以下の発明を包含する。
（１） 流体間で熱の受け渡しを行わせるための熱交換器であって、一方向に延びる複数の貫通孔が形成された金属製の多孔体を設けるとともに、前記多孔体における前記貫通孔の両端の各開口面につき、第１の流体を通過させる貫通孔が開口する第１の領域と、第２の流体を通過させる貫通孔が開口する第２の領域とをそれぞれ設定し、前記第１の領域の貫通孔に第１の流体を通すための第１の流路と、前記第２の領域の貫通孔に第２の流体を通すための第２の流路とを設けてなり、前記多孔体を通じて、第１の流体及び第２の流体の間で熱の受け渡しが行われる熱交換器。

（２） 前記第１の領域及び第２の領域のうち、少なくとも一方の領域を前記各開口面に複数設定してなる（１）記載の熱交換器。

（３）
前記第１の流路又は第２の流路を、前記複数設定された第１の領域又は第２の領域の貫通孔に、第１の流体又は第２の流体を連続して通す流路としてなる（２）記載の熱交換器。

（４） 前記多孔体を複数、各貫通孔の延びる方向が一致するように平行に配置するとともに、前記第１の流路又は第２の流路として、各多孔体の第１の領域同士又は第２の領域同士を連結する流路を設けてなる（１）〜（３）の何れかに記載の熱交換器。

（５） 前記多孔体が、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工したものからなり、前記貫通孔が前記切断により分断された前記気孔である（１）〜（４）の何れかに記載の熱交換器。

以上にしてなる本願発明に係る熱交換器は、双方の流体がいずれも多孔体の貫通孔を通過する過程で多孔体との間で熱の授受が効率よく行われ、従来のように流路となる金属管の内周面でのみ熱の授受が行われるものに比べ、熱の授受の効率が著しく向上する。また、流体間の熱の受け渡しは、各流体が通過する各領域の貫通孔を備える同じ一つの多孔体を通じて行われるため、従来のように金属管と板状フィンを通じて行われるものに比べ、熱の授受の効率が著しく向上する。

とくに、各流体が通る貫通孔を備える双方の領域の間には、従来の金属管と多数の板状フィンとのろう付け箇所のような、構成の異なる別部材の接合箇所が無くなるため、熱の授受にロスが生じなく、熱交換の効率に優れることは勿論のこと、作業性の悪いろう付け作業を省略することができ、品質の安定化、製作コストの低減を図ることができる。

また、熱の受け渡しは、従来のように金属管及び板状フィンを通じて行われるのではなく、主に多孔体の表面および貫通孔内周面を通じて行われるため、各流体を多孔体の各領域に属する貫通孔に供給するための流路は、良熱伝導性の銅やアルミニウムを用いる必要がなく、コスト低減を図ることが可能となる。例えば、樹脂成形品などで安価に構成することもできる。また、多孔体を通じて高効率で熱交換する本発明の熱交換器では、熱の受け渡しに大きく寄与しない流路については短くすることが可能であり、熱交換器全体を小型化することができる。

さらに、流路と多孔体との接合箇所については、熱伝導を考慮しなくてもよくなるため、従来の金属管と板状フィンのように熱伝導を考慮した板状フィンの形状精度や高品質のろう付け接合が必要がなくなり、製造コストの大幅な低減を図ることが可能となる。

多孔体の形状は、従来の板状フィンのように流体の流路の形状に合致した高精度な形状加工を行う必要がなく、製造コストも低減できる。

前記第１の領域及び第２の領域のうち、少なくとも一方の領域を前記各開口面に複数設定したものでは、同じ多孔体に同じ量だけ流体を通過させる場合でも複数の領域に分けて通過させることにより熱交換の効率を高めることができ、高効率の熱交換器が実現できるとともに、同じ効果を、各領域を一つずつ設けたユニットを複数連結して得る場合に比べても低コストに実現できる。

また、第１の流路又は第２の流路を、複数設定された第１の領域又は第２の領域の貫通孔に、第１の流体又は第２の流体を連続して通す流路としたものでは、同じ多孔体に流体を複数回通過させることができ、熱交換の能力を高めることができるとともに、装置のコンパクト化を図ることができる。

また、多孔体を複数、各貫通孔の延びる方向が一致するように平行に配置するとともに、前記第１の流路又は第２の流路として、各多孔体の第１の領域同士又は第２の領域同士を連結する流路を設けたものでは、一つあたりの多孔体を大きくすることなく熱交換能力を高めることが容易となる。

また、前記多孔体が、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工したものからなり、前記貫通孔が前記切断により分断された前記気孔であるものでは、ドリル加工等で各貫通孔を機械加工することに比べ、より低コスト且つ容易に製作できる。さらに、このような多孔体は、周端部に前記成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン領域が形成される。したがって、当該端面において多孔体同士を接合面積が確保された状態で容易に接合することができ、このように端面同士で複数の当該成形体を接合することにより一つの多孔体を構成することも容易となり、接合部分での伝熱性の低下も防止できる。

本発明の代表的実施形態に係る熱交換器の要部を示す斜視図。 同じく横断面図。 （ａ）は多孔体の要部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 多孔体を複数の多孔材を端部同士接合して構成する実施形態を示す説明図。 多孔体と流路とより構成されたユニットを複数、互いの多孔体同士を接合して構成する実施形態を示す説明図。 多孔体に第１の流体又は第２の流体を流す流路を複数並設して構成する実施形態を示す説明図。 同じく流体の流路が複数の多孔体を通過するように構成した実施形態を示す説明図。 流路について多孔体を通過する領域を当該流路の他の箇所に比べて広くなるように縦長に設定した実施形態を示す説明図。 同じく横断面図。 同じく縦断面図。 同じく縦長の領域およびこれに接続される流路を、多孔体に複数並設して構成する実施形態を示す説明図。 複数設定された第１の領域又は第２の領域の貫通孔に、第１の流体又は第２の流体を連続して通す流路を構成した実施形態を示す説明図。 第１の領域または第２の領域を隣接した状態に複数並設し、当該並設された複数の領域の貫通孔に、第１の流体または第２の流体を連続して流す流路を構成した実施形態を示す説明図。 同じく流路を構成する部材を示す斜視図。 同じく複数の領域が並設された多孔体を複数設け、各多孔体の前記並設された複数の領域の貫通孔に、第１の流体または第２の流体を連続して流す流路を構成した実施形態を示す説明図。 図１５に示した実施形態を示す斜視図。 （ａ），（ｂ）は同じく図１５に示した実施形態の流路を構成する各部材を示す斜視図。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明に係る熱交換器１は、図１及び図２に例示するように、一方向に延びる複数の貫通孔２１が形成された金属製の多孔体２を設けるとともに、多孔体２の開口面２０について、第１の流体９Ａを通過させる貫通孔が開口する第１の領域Ｒ１と、第２の流体９Ｂを通過させる貫通孔が開口する第２の領域Ｒ２とをそれぞれ設定し、第１の領域Ｒ１の貫通孔に第１の流体９Ａを通すための第１の流路８１と、前記第２の領域Ｒ２の貫通孔に第２の流体９Ｂを通すための第２の流路８２とを設け、多孔体２を通じて、第１の流体９Ａ及び第２の流体９Ｂの間で熱の受け渡しが行われるように構成したものである。

第１の流体９Ａ、第２の流体９Ｂは、互いに熱交換を行う流体であり、例えば、第１の流体９Ａを熱水、第２の流体９Ｂを空気とし、熱水の熱を空気に吸収させて冷却する熱交換器（ラジエータ）として構成することもできる。本例では、第２の流路８２が外側に開放されたオープンな流路とされているが、多孔体２の領域Ｒ２の周囲に壁材を設ける等することも勿論できる。

本発明の熱交換器１では、双方の流体９Ａ、９Ｂがいずれも多孔体２の貫通孔２１を通過する過程で多孔体２との間で熱の授受が効率よく行われるとともに、各流体が通る双方の領域Ｒ１、Ｒ２の間においても熱の授受にロスが殆ど生じなく、流体９Ａ，９Ｂ間の熱交換効率が著しく向上する。また、流体９Ａ，９Ｂ間の熱の移動は、多孔体２のみを通じて効率よく行われるため、流体９Ａ，９Ｂの間の流路壁、本例では内部を流体９Ａが流通する流通管８３には、従来のように良熱伝導性の銅やアルミニウムを用いる必要がなく、コスト低減を図ることが可能となる。例えば、樹脂成形品などで安価に構成することもできる。

流通管８３は、多孔体２の両端の各開口面にそれぞれ端面が開口面２０に接合された状態に設けられている。流通管８３は、第１の流体９Ａを内部に流通させる配管であるが、外側に第２の流体９Ｂを流通させる流体間の隔壁として機能する。より具体的には、流通管８３は、図２に示すように、各開口面２０に対して流体が管内外に洩れないようにシールされた状態に接合されている。符号８４は当該接合箇所のシール部である。

この接合箇所には、熱交換としての伝熱は必須でないため、流体間のシール性のみ考慮すればよく、従来のように必ずしもろう付けを行う必要がない。例えば、流体に応じて最適な公知のシール剤を用いることができる。例えば、フッ素ゴム、シリコーン系ゴム、ニトリルゴムなどを用いることができる。これらシール剤を流通管端部に塗布して多孔体の開口面に接合することもできるし、あらかじめ環状に成形したシート状のシール材を流通管端部と多孔体の開口面との間に挟み込むように設けてもよい。これにより本発明では組み付けの作業性が良好で、品質の安定化・製作コストの低減を図ることができるものとなる。

多孔体２に用いる金属材料としては、アルミニウムや鉄、銅など従来の熱交換器の配管やフィンに使用される良熱伝導性の金属材料を広く適用できる。一方向に延びる貫通孔２１は、ドリル加工やレーザ加工など公知の方法で形成することができるが、本例では、貫通孔２１を有する多孔体２は、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる多孔材で構成されている。

このようなロータス型ポーラス金属成形体は、高圧ガス法（Pressurized Gas Method）（例えば特許第４２３５８１３号公報開示の方法）や、熱分解法（Thermal Decomposition Method）など、公知の方法で成形することができる。このようにロータス型ポーラス金属成形体から切り出した多孔材よりなる多孔体２の周端部には、図３に示すように、成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン領域２３が形成されている。貫通孔２１は、前記切断により分断された前記気孔である。

このようにロータス型ポーラス金属成形体から切り出した多孔材を用いることで、一方向に延びる多数の貫通孔を有する多孔体２を低コスト且つ容易に得ることができ、しかもその周囲にスキン領域２３が形成されることから、端面２４に流路を形成する壁材を接合する場合には、接合面積を確保できるため接合強度を十分に確保することができる。

また、図４に示すように多孔材２２の端面２２ａ同士をろう付け等で接合して多孔体２を構成する場合や、図５に示すように多孔体２の端面２４同士を同じくろう付け等で接合して連結する場合には、同じく接合強度を十分に維持できるとともにろう付け等の作業も容易であり、且つ、互いの間の熱伝導も良好に維持できる。なお、図４の例では多孔材２２と流通管８３とをシールで接合した後に多孔材２２を端部に接合しているが、多孔材２２同士を接合した板に、流通管８３を接合しても勿論よい。ここで、流通管８３を多孔板２２同士の接合部を横切るように設けることもできる。この場合、領域Ｒ内を接合部が横切り、領域Ｒに両多孔材の貫通孔が含まれることになる。

ロータス型ポーラス金属成形体から切り出した多孔材２２よりなる多孔体２には、貫通孔２１以外に貫通していない有底の孔も存在するが、このような有底の孔も開口面２０の表面積を増大させる効果があり、各流体９Ａ、９Ｂとの間の熱の授受を促進する効果がある。多孔体２の形状は、本例では貫通孔２１の延びている方向の寸法が比較的小さい扁平な板状とされているが、その他の種々の形状に構成しても勿論よい。例えば、貫通孔の延びている方向の寸法が比較的長い立体形状などにすることも好ましい例である。

図５に示すように、多孔体２と第１、第２の流路８１、８２からなる単位ユニットＵ１を構成しておき、当該単位ユニットＵ１を２つ以上、多孔体２の端面２４同士をろう付け等で接合することで連結するようにすれば、適宜、処理量に応じた熱交換器を容易に構築することができる。また、図６に示すように、第１の領域及び第２の領域のうち、少なくとも一方の領域（本例では第１の領域Ｒ１）を前記各開口面に複数設定することもできる。さらに、これを単位ユニットとして、上記した図５の例の場合と同様、多孔体２の端面同士を接合して複数連結することも好ましい。

また、図７に示すように、多孔体２を複数、各貫通孔２１の延びる方向が一致するように平行に配置するとともに、第１の流路又は第２の流路（本例では第１の流路８１）として、各多孔体２の第１の領域同士又は第２の領域同士（本例では第１の領域Ｒ１同士）を連結する流路８１を設けることも好ましい例である。本例においても、上記のように単位ユニットＵ１を構成しておき、当該単位ユニットＵ１を２つ以上、流通管８３同士を接合して、図７に示す形態に連結することができ、適宜、処理量に応じた熱交換器を容易に構築することができる。

また、流体９Ａと多孔体２との接触面積を稼ぐように、例えば図８〜図１０のように、流通管８３の多孔体２の開口面２０への接続部８５を大きく設定して、第１の領域Ｒ１一つあたりの面積をより大きい面積にしてもよい。図示したものでは、多孔体２の両側の開口面２０の対向する位置に、それぞれ流通管８３の接続部８５として開口面２０側に開口した横長な箱状体３１、３２を設け、流入側の箱状体３１には、長手方向一端側に流体９Ａの流入部３１ａを設け、排出側の箱状体３２には、前記流入部３１ａと反対側になる端部に流体排出部３２ａを設けたものである。

これにより、流体９Ａは一方の箱状体３１の一端側の流入部３１ａから箱状体３１の内部に入り、他方の箱状体３２の排出部３２ａがある他端側へ向かう過程で、多孔体２の領域Ｒ１の貫通孔２１を通過し、他方の箱状体３２に入り、排出部３２ａへ向かう。すなわち、このように構成すれば、図１０に示すように、流体９Ａを多孔体２の開口面２０に沿わせつつ広い領域Ｒ１の各貫通孔２１に偏りなく通すことができ、熱交換の効率をより高めることが可能となる。

ここで、図１１に示すように、図６の例と同様、開口面２０に上記大きな領域Ｒ１を複数設け、各領域Ｒ１に箱状体３１（３２）からなる接続部８５を複数連設したものも好ましい例である。

また、図１２に示すように、第１の流路又は第２の流路（本例では第１の流路８１）を、複数設定された第１の領域又は第２の領域（本例では第１の領域Ｒ１）の貫通孔に、第１の流体又は第２の流体（本例では第１の流体９Ａ）を連続して通す流路としたものも好ましい。これにより、流体９Ａが同じ多孔体２における貫通孔２１を通る回数が１回のみでなく複数回となるため、多孔体２が厚みの薄い板体であっても貫通孔２１の通過長を稼ぐことができ、流体９Ａと多孔体２との間の熱の受け渡し量を大幅に増大させることができる。

本例では、多孔体２の両開口面２０側に、領域Ｒ１を通過する流体を隣接する領域Ｒ１に導くＵ字状の流通管８３を交互に接続し、これらＵ字状の流通管８３を通じて複数の領域Ｒ１に連続して流体を流すように構成されている。ここで、図示しないが、上記図７の例と同様、多孔体２を貫通孔２１の軸方向が一致するように平行に複数配置し、多孔体２間の対応する領域Ｒ１間にストレート状の連結用の流通管を設け、端部に位置する多孔体２の外側の開口面２０に上記Ｕ字状の流通管８３を設けるようにすれば、複数の多孔体２に設けたられた複数の領域すべてに連続して流体を通過させ、熱交換効率を大幅に高めることができる。

また、図１３および図１４に示すように、上述した図８〜図１０の例を応用し、上記図１２の例と同様、複数設定された第１の領域の貫通孔に第１の流体を連続して通す流路を構成したものも好ましい例である。具体的には、図１３及び図１４に示すように、流通管８３の接続部８５としての箱状体３１、３２が多孔体２の両開口面２０の対向する位置にそれぞれ設けられ、各箱状体３１、３２の内側には、内部を複数の空間に分ける隔壁３１０、３２０がそれぞれ設けられ、隔壁３１０と３２０は、互いに対向しないように千鳥状にずれた位置に設けられ、このずれた隔壁３１０、３２０の間をそれぞれ領域Ｒ１として、箱状体３１又は３２から箱状体３２又は３１に、各領域Ｒ１の貫通孔２１を通じて流体を千鳥状に連続して互いに受け渡してゆくように構成されている。

隔壁３１０、３２０は、各箱状体３１、３２の開口面まで延びる壁とされ、多孔体２との間で箱状体３１、３２の内部空間を完全に仕切ることができるように設けられており、開口面２０とは同じくシール部８４を介して接合されている。ただし、このようなシール部は省略することも可能である。なせなら箱状体３１、３２の本体のシールは流体が外部に漏れないようにするために必要であるが、隔壁と多孔体２との間は流体が多少洩れて流体が同じ箱状体の隣の空間にショートカットしても少量であればほとんど影響がないためである。したがって、多少の隙間があってもよい。

このような箱状体３１、３２は、図１４のように共通のものを使用できるようにすることが製造コスト低減の点で好ましい。また、このような箱状体３１、３２は、合成樹脂材料で容易に一体成形することができる。

さらに、図１５〜図１７に示すように、上記図７の例と同様、多孔体２を貫通孔２１の軸方向が一致するように平行に複数配置し、両端の多孔体２の外側の開口面２０には、上記図１３および図１４に示したものと基本的に同様の構成の箱状体３１、３２を設けるとともに、各多孔体２間には、箱状体３１、３２の各隔壁３１０、３２０の双方に対応する位置に隔壁３３０を有する枠体３３が設けられ、各多孔体２の板面に、隔壁３１０、３２０及び３３０に仕切られた領域Ｒ１がそれぞれ隣接する多孔体２の領域Ｒ１と同じ対面する位置に形成されたものも好ましい。

これによれば、複数の多孔体２に設けたられた複数の領域Ｒ１すべてに連続して流体を通過させ、熱交換効率を大幅に高めることができる。これら箱状体３１、３２、枠体３３は、いずれも合成樹脂材料で容易に一体成形することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、例示した各例を適宜組み合わせる等して、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１ 熱交換器
２ 多孔体
９Ａ，９Ｂ 流体
２０ 開口面
２１ 貫通孔
２２ 多孔材
２２ａ 端面
２３ スキン領域
２４ 端面
３１ 箱状体
３１ａ 流入部
３２ 箱状体
３２ａ 排出部
３３ 枠体
８１，８２ 流路
８３ 流通管
８４ シール部
８５ 接続部
３１０，３２０，３３０ 隔壁
Ｒ１，Ｒ２ 領域
Ｕ１ 単位ユニット

Claims (5)

1. 流体間で熱の受け渡しを行わせるための熱交換器であって、
   一方向に延びる複数の貫通孔が形成された金属製の多孔体を設けるとともに、
   前記多孔体における前記貫通孔の両端の各開口面につき、第１の流体を通過させる貫通孔が開口する第１の領域と、第２の流体を通過させる貫通孔が開口する第２の領域とをそれぞれ設定し、
   前記第１の領域の貫通孔に第１の流体を通すための第１の流路と、前記第２の領域の貫通孔に第２の流体を通すための第２の流路とを設けてなり、
   前記多孔体を通じて、第１の流体及び第２の流体の間で熱の受け渡しが行われる熱交換器。
2. 前記第１の領域及び第２の領域のうち、少なくとも一方の領域を前記各開口面に複数設定してなる請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１の流路又は第２の流路を、前記複数設定された第１の領域又は第２の領域の貫通孔に、第１の流体又は第２の流体を連続して通す流路としてなる請求項２記載の熱交換器。
4. 前記多孔体を複数、各貫通孔の延びる方向が一致するように平行に配置するとともに、
   前記第１の流路又は第２の流路として、各多孔体の第１の領域同士又は第２の領域同士を連結する流路を設けてなる請求項１〜３の何れか１項に記載の熱交換器。
5. 前記多孔体が、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工したものからなり、前記貫通孔が前記切断により分断された前記気孔である請求項１〜４の何れか１項に記載の熱交換器。

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